Keramische Antriebe

Piezoelektrische Aktoren werden üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen über einen kurzen Stellweg eine Position im Bereich eines tausendstel Mikrometer präzise getroffen und stabil gehalten werden soll. Zu diesen Anwendungen zählen lithografische Verfahren zur Erzeugung von Strukturen z.B. auf Halbleitermaterialien oder die Mikroskopie,bei der diese Strukturen geprüft werden. Aufgrund ihrer eingeschränkten Auslenkung decken klassische Piezoaktoren Stellwege bis zu einem Millimeter ab. Für größere Wege werden Gleichstrom- und Schrittmotoren mit Spindeln oder magnetische Linearmotoren bzw. Tauchspulantriebe verwendet. Ein geschicktes Design piezokeramischer Aktoren bietet nun eineideale Ergänzung zu den klassischen Antrieben für große Stellwege: Piezo-Ultraschallmotoren.Die geforderte Positioniergenauigkeit in der Handhabungstechnik, bei Pick- und Place oder anderen Automatisierungsauf gaben liegt selten unterhalb von einem Mikrometer. Man spricht hier eher von Zehnteln eines Millimeters, die von den heute üblichen Motorprinzipien auch ohne Weiteres erreicht werden. Es sind vielmehr andere Faktoren, die die Wahl des Antriebssystems einschränken und schwierig gestalten können: Platz, Geschwindigkeit und Durchsatz, Energieverbrauch oder Zuverlässigkeit.

Beengte Platzverhältnisse machen das Leben langsam und aufwändig
Die definierte Bewegung einer Linse zur Fokuseinstellung in einer Kleinstkamera, eines Sicherungsstiftes in einem Türschloss oder in Handheld-Medizingeräten stellt herkömmliche Antriebe vor große Herausforderungen. Ein Gleichstrommotor, der hier einen Bauraum von unter 10 Millimetern im Durchmesser zu Verfügung hat, wirdohne Hilfsmittel das erforderliche Drehmoment häufig nicht aufbringen. Ein Getriebe schafft Abhilfe, dies allerdings auf Kosten der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Ist kein Platz vorhanden, bedeutet die Umwandlung der Drehbewegung des Motorschafts in die geforderte lineare Bewegung den Einsatz von mechanischen Komponenten wie Spindeln, Muttern und Lagern. Wie ein Getriebe auch stellen diese in miniaturisierter Bauform ein Risiko für die Lebensdauer dar. Hinzu kommt noch, dass diese mechatronischen Systeme einen hohen Anlaufstrom benötigen und aufgrund der langsamen Geschwindigkeit relativ lange bestromt werden müssen. Für batteriebetriebene Geräte erhöhen sich so die Servicezyklen, was nicht immer erwünscht ist. Voice-Coil Antriebe - magnetische Tauchspul-Linearmotoren, die im Prinzip wie ein Lautsprecher arbeiten - sind daher in vielen Miniaturkameras enthalten. Sie haben allerdings den Nachteil, dass zur Aufrechterhaltung des Magnetfelds und damit der Position ein permanenter Haltestrom benötigt wird. Aufwändige mikromechanische Work-Arounds kosten Geld und wirken sich auf die Langlebigkeit des Systems aus.

Piezo-Ultraschallmotoren - klein und schnell
Bei Piezo-Ultraschall-Linearantrieben wird eine hochfrequent schwingende Piezokeramik gegen eine Reibschiene vorgespannt. Die Schwingung erzeugt dabei den Vorschub. Der Antrieb ist denkbar einfach und besteht auseiner Keramik, einer Feder und dem Reibelement, das in der Regel am bewegten Teil befestigt wird, z.B. dem Führungsschlitten. Das Resultat sind leichte, wartungsfreie Antriebe, die sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 0,5 m/s und hohe Beschleunigungen eignen. Sie erschließen sich - vor allem durch ihre flache, kompakte Bauform - viele Anwendungsbereiche, da sie oft ein praxisgerechterer Ersatz für klassischeMotor-Spindel-Kombinationen sind. Die selbsthemmenden Ultraschallmotoren wirken direkt ohne Zwischenelemente wie Spindeln oder Getriebe und sind umkehrspielfrei. Da sie zudem in verschiedenen Integrationsstufen angeboten werden, lassen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen.

Interessant für Massenanwendungen ist beispielsweise ein extrem kleiner, preiswerter OEM-Linearantrieb. Mit einer Länge von gerade einmal 8 mm beansprucht er kaum Einbauplatz, bietet aber dennoch einen Stellweg von 2 mm. Er ist ebenfalls selbsthemmend, verbraucht wenig Energie und eignet sich für hohe Geschwindigkeiten bis zu 100 mm/s.

Keine Halteströme - keine Erwärmung - kein Energieverbrauch
Ein wichtiger Aspekt der Ultraschallantriebe ergibt sich daraus, dass der piezokeramische Aktor gegen den bewegten Teil vorgespannt ist. Im Betrieb muss diese Kraft überwunden werden, im Stand jedoch wirkt sie als Bremse. Ist die Zielposition erreicht, hält der Piezomotor die Lage prinzipbedingt. Ein Vorteil hiervon ist, dass der Antrieb anders als Schritt- oder magnetische Linearmotoren nicht bestromt werden muss, um die Position zu halten. Diese sind im spannungslosen Zustand ohne Kraft, was erforderlichenfalls durch zusätzliche Bremsen und damit zusätzliche Kosten kompensiert werden muss. Alternativ dazu wird der Motor permanent bestromt. Halteströme jedoch erzeugen Wärme. Das ist unerwünscht, da die Wärme zum einen zu einer Drift in der Position führen kann, zum anderen aber auch das bewegte Objekt direkt beeinflussen kann. Ferner tritt beim Piezomotor aufgrund der Selbsthemmung kein regelbedingtes bzw. Mikroschrittzittern um die Zielposition herum auf.

Piezomotoren stoßen dort an ihre Grenzen, wo der magnetische Linearmotor seine Vorteile zur Geltung bringen kann. Sollen Stellwege von über einem Meter zurück gelegt werden, gewinnt die Geschwindigkeit zunehmend an Einfluss. Für hohe Lasten kann der magnetische Linearantrieb in seiner Leistungsfähigkeit skaliert werden. In der Kombination aus hohen Lasten und langen Wegen herrscht in der Regel auch kein Platzproblem.

Ultraschall-Linearmotoren eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Größe, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit die entscheidenden Faktoren sind. So können z.B. für das Biohandling oder die Mikroskopie Verstelleinheiten gebaut werden, die sich genau diese Vorteile der Piezoantriebe zu Nutze machen tragungslänge oder bewegliche Kabel im Scanner durch verfügbares Zubehör in Form von Repeatern oder schleppkettentauglichen Kabeln gemeinsam mit Stemmer Imaging lösen.''