Linearer Trägheitsantrieb für die stabile Langzeitpositionierung

Für die feine Justage

Piezokeramische Antriebskonzepte ermöglichen für praktisch jede Aufgabenstellung im Bereich der Präzisionspositionierung eine passende Lösung. Allen Konzepten gemein sind dabei die kompakten Abmessungen und die Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich. Besonders platzsparende und preiswerte Mikroantriebe sind beispielsweise piezobasierte Trägheitsantriebe.

Piezo Mike Linearaktoren ersetzen manuelle Mikrometerschrauben in einer Kippspiegelmechanik. (Foto: Radiant Dyes)

Je nach Ausführung können piezobasierte Trägheitsantriebe mehrere zehn Newton Kraft oder Geschwindigkeiten bis zehn Millimeter pro Sekunde erreichen und lassen sich gut in unterschiedlichste 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 entlanggleitet 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 dies die Gewindeübersetzung - anders als bei Direktantrieben, Kraft und Auflösung.

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Ersatz für manuelle Mikrometerschrauben
Dabei beweisen die piezobasierten Trägheitsantriebe bei der Integration in unterschiedliche Applikationen, wie flexibel sie sich variierenden Aufgabenstellungen anpassen können. Ein typisches Beispiel dafür liefert der Linearaktor Piezo Mike N-470, der von der Karlsruher Physik Instrumente zur automatischen Justierung mechanischer und optomechanischer Komponenten entwickelt wurde. Radiant Dyes Laser & Accessories beispielsweise setzen die piezobasierten Trägheitsantriebe in ihrer Kippspiegelmechanik ein - als Ersatz für manuell zu betätigende Mikrometerschrauben. Für die Auswahl sprachen gleich mehrere Gründe: Die hohe Flexibilität beeindruckte und ebenso die Qualität der Antriebe. Sie werden in Deutschland gefertigt - eben "made in Germany". 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 zwanzig Meter oder hundert Stunden Dauerbetrieb entsprechen, was angesichts der kleinen Stellwege von wenigen Mikrometern, der kurzen Stellzeiten und der vergleichsweise seltenen Bewegungen mehr als ausreichend ist.

Anpassung an Anwendung: Klaue statt Läufer
In der Kippspiegelmechanik sorgt der Piezo Mike für eine hochauflösende und stabile Positionierung. Er entwickelt durch die Kombination von Piezoaktor und mechanischer Gewindeübersetzung eine hohe Haltekraft von mehr als 100 Newton 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. Die prinzipielle Funktionsweise des Trägheitsantriebs wurde an die Erfordernisse der Anwendung angeglichen: Der Piezoaktor dehnt sich beim Anlegen einer 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. Die Bewegung funktioniert auch in die andere Richtung. Die entsprechende Ansteuerung übernimmt ein Treiber, 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.

Diese Piezo-Lösung ist viel kleiner als jede andere motorgetriebene Mikrometerschraube. Außerdem arbeiten die Piezo Mikes mit sehr hoher Auflösung - Schrittweiten von rund 20 Nanometer lassen sich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben realisieren. Dabei entwickelt der piezobasierte Linearantrieb eine Vorschubkraft von 22 Newton, arbeitet mit einer Geschwindigkeit von maximal drei Millimeter pro Minute und ist für einen Stellweg von 7,5 Millimeter 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.   pb

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