Linearer Trägheitsantrieb für die stabile Langzeitpositionierung

PiezoMike Linearaktor: minimale Abmessungen, hohe Kraft und stabile Positionierung (Foto: PI)

PiezoMike Linearaktor: minimale Abmessungen, hohe Kraft und stabile Positionierung (Foto: PI)

Justage mechanischer und optomechanischer Komponenten

Piezokeramische Antriebskonzepte ermöglichen heute für praktisch jede Aufgabenstellung im Bereich der Präzisionspositionierung eine passende Lösung. Allen Konzepten gemeinsam sind dabei stets die kompakten Abmessungen und die Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich. Als besonders platzsparende und preiswerte Mikroantriebe gelten beispielsweise piezobasierte Trägheitsantriebe. Je nach Ausführung können sie mehrere 10 N Kraft oder Geschwindigkeiten bis 10 mm/s erreichen und lassen sich gut in die unterschiedlichsten Applikationen integrieren.

Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit wenigen Mikrometern Schrittgröße. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlang gleitet und dieser aufgrund seiner Trägheit die Bewegung nicht nachvollziehen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach; ihr Ausgangssignal erinnert an eine Sägezahnspannung. Die Antriebe bauen klein, wodurch sich ihnen viele Anwendungsgebiete erschließen. So können Justageaufgaben an unzugänglichen Orten automatisiert werden, zum Beispiel für die Positionierung von Linsen, Spiegeln, Shuttern oder Blenden in Mess- und Medizingeräten oder wissenschaftlichen Aufbauten von Endoskopen bis hin zu Einrichtungen für die Laserstrahlsteuerung. Wenn die piezoelektrischen Trägheitsantriebe verwendet werden, um Schrauben zu bewegen, steigert hier die Gewindeübersetzung, anders als bei Direktantrieben, Kraft und Auflösung.

Ersatz für manuelle Mikrometerschrauben

PiezoMike Linearaktoren ersetzen manuelle Mikrometerschrauben in einer Kippspiegelmechanik (Foto: Radiant Dyes)

PiezoMike Linearaktoren ersetzen manuelle Mikrometerschrauben in einer Kippspiegelmechanik (Foto: Radiant Dyes)

Dabei beweisen die piezobasierten Trägheitsantriebe bei der Integration in die unterschiedlichen Applikationen, wie flexibel sie sich variierenden Aufgabenstellungen anpassen können. Ein typisches Beispiel dafür liefert der PiezoMike Linearaktor N-470 (Bild 1), der von der Karlsruher Firma Physik Instrumente (vgl. Kastentext 1) zur automatischen Justierung mechanischer und optomechanischer Komponenten entwickelt wurde. Die Radiant Dyes Laser & Accessories GmbH (Kastentext 2) beispielsweise setzen die piezobasierten Trägheitsantriebe in ihrer Kippspiegelmechanik ein als Ersatz für manuell zu betätigende Mikrometerschrauben (Bild 2).

Hans Dieter Müllenmeister, Geschäftsführer Radiant Dyes Laser & Accessories GmbH: „Für uns bringt diese Lösung in viele Vorteile. Die Piezo-Lösung ist viel kleiner als jede andere motorgetriebene Mikrometerschraube. Außerdem arbeiten die PiezoMikes im geschlossenen Regelkreis und mit sehr hoher Auflösung.“ (Foto: Radiant Dyes)

Hans Dieter Müllenmeister, Geschäftsführer Radiant Dyes Laser & Accessories GmbH: „Für uns bringt diese Lösung in viele Vorteile. Die Piezo-Lösung ist viel kleiner als jede andere motorgetriebene Mikrometerschraube. Außerdem arbeiten die PiezoMikes im geschlossenen Regelkreis und mit sehr hoher Auflösung.“ (Foto: Radiant Dyes)

„Für die Auswahl sprachen gleich mehrere Gründe“, erläutert Hans Dieter Müllenmeister (Bild 3), der Geschäftsführer der Wermelskirchener Laserspezialisten. „So hat uns zum einen die hohe Flexibilität beeindruckt, die PI bei der OEM-Integration bewiesen hat und zum anderen überzeugte uns die Qualität dieser Antriebe. Sie werden in Deutschland gefertigt und „made in Germany“ ist eben doch ein Markenzeichen, wie uns die praktische Erfahrung der letzten Jahre gelehrt hat.“ Bei der Kippspiegelmechanik sind solche Kriterien entscheidend, vor allem da sie meist an unzugänglichen Stellen verbaut sind. Bei diesen „Set-and-Forget“-Anwendungen kann sich eine Lebensdauererwartung von mehr als einer Milliarde Schritten schließlich sehen lassen. Umgerechnet würde dies einem Verfahrweg von 20 m oder 100 Stunden Dauerbetrieb entsprechen, was angesichts der kleinen Stellwege von wenigen Mikrometern, der kurzen Stellzeiten und der vergleichsweise seltenen Bewegungen mehr als ausreichend ist.

Passt sich der Anwendung an: Klaue statt Läufer

Ein piezoelektrisches Stellglied dreht eine Schraube und bewirkt so eine lineare Bewegung (Foto: PI/Radiant Dyes)

Ein piezoelektrisches Stellglied dreht eine Schraube und bewirkt so eine lineare Bewegung (Foto: PI/Radiant Dyes)

In der Kippspiegelmechanik sorgt der PiezoMike für eine hochauflösende und stabile Positionierung. Er entwickelt durch die Kombination von Piezoaktor und mechanischer Gewindeübersetzung eine hohe Haltekraft von mehr als 100 N und läuft auch nach längeren Stillstandszeiten zuverlässig an. Der Antrieb ist selbsthemmend, muss im Stillstand also nicht bestromt werden und erwärmt sich dann auch nicht. Optional ist auch der Einsatz im Vakuum möglich (bis 10-9 hPa).

Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870, der speziell auf die Anforderungen der Linearaktoren abgestimmt ist. Eine Endstufe kann in einem Gerät bis zu vier Kanäle seriell ansteuern, was die Anschaffungskosten gering hält (Foto: PI)

Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870, der speziell auf die Anforderungen der Linearaktoren abgestimmt ist. Eine Endstufe kann in einem Gerät bis zu vier Kanäle seriell ansteuern, was die Anschaffungskosten gering hält (Foto: PI)

Die prinzipielle Funktionsweise des Trägheitsantriebs wurde an die Erfordernisse der Anwendung angeglichen (Bild 4): Wie oben bereits beschrieben, dehnt sich der Piezoaktor beim Anlegen eine Spannung aus. Dieser „Stick-Effekt“ nimmt in diesem Fall jedoch keinen Läufer mit, sondern bewirkt die Drehung einer Klaue. Diese wiederum umfasst eine Schraube, die sich daraufhin dreht. Ist die maximale Ausdehnung erreicht, kontrahiert der Aktor; die Klaue gleitet um die Schraube, die aufgrund ihrer trägen Masse in ihrer Position (Slip-Effekt) bleibt. Dieser Schrittzyklus wiederholt sich, die Schraube dreht sich also weiter, bis die gewünschte Position erreicht ist und natürlich funktioniert die Bewegung auch in die andere Richtung. Die entsprechende Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870 (Bild 5), der speziell auf die Anforderungen der Linearaktoren abgestimmt ist. Eine Endstufe kann in einem Gerät bis zu vier Kanäle seriell ansteuern, was die Anschaffungskosten gering hält.

Die PiezoMikes arbeiten mit sehr hoher Auflösung; Schrittweiten von ca. 20 nm lassen sich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben realisieren

Die PiezoMikes arbeiten mit sehr hoher Auflösung; Schrittweiten von ca. 20 nm lassen sich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben realisieren

„Für uns bringt diese Lösung in viele Vorteile“, führt Müllenmeister weiter aus. „Die Piezo-Lösung ist viel kleiner als jede andere motorgetriebene Mikrometerschraube, die auf dem Markt erhältlich ist“. Außerdem arbeiten die PiezoMikes mit sehr hoher Auflösung; Schrittweiten von ca. 20 nm lassen sich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben realisieren (Bild 6). Dabei entwickelt der piezobasierte Linearantrieb eine Vorschubkraft von 22 N, arbeitet mit einer Geschwindigkeit von maximal 3 mm/min und ist für einen Stellweg von 7,5 mm ausgelegt. Für die erste Justage kann die Schraube, wenn es die Anwendung erfordert, auch manuell am Rändelrad gedreht werden, bis die geforderte Auslenkung grob erreicht ist. Den Rest übernimmt dann der Antrieb. „Damit passt er genau zum Anforderungsprofil unserer Anwendung und lässt sich dank seiner kompakten Abmessungen platzsparend integrieren.“ ergänzt Müllenmeister. „Dank der PiezoMike Linearantriebe ließ sich die Justage der Kippspiegelmechanik automatisieren und das mit ausgesprochen hoher Präzision.“

 

Über Physik Instrumente (PI)

In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Positioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen international vertreten. Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die PI-Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik zu erfüllen. Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.

 

Über Radiant Dyes

Die Radiant Dyes Laser & Accessories GmbH mit Sitz in Wermelskirchen, südöstlich gelegen von Remscheid, gilt seit über 30 Jahren als renommierte Adresse für Farbstoff- und Excimer-Laser, Laserzubehör und Optomechanik. Generalüberholungen älterer Lasersysteme, Schulungen und die Vorbereitung von Experimenten für Wissenschaft und Forschung sowie die entsprechende Ausrüstung der Labore gehören ebenfalls zum Aufgabengebiet des Unternehmens. Weltweite Präsenz in Europa, USA, Australien und Asien sorgt für guten Support und Kundennähe.

 

Text:   

Dipl.-Phys. Steffen Arnold (Bild 7), Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, und Ellen-Christine Reiff, M.A. (Bild 8), Redaktionsbüro Stutensee.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold

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Ellen-Christine Reiff

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