Hochauflösende Positioniersysteme in miniaturisierter Bauweise:

Klein sein bringt Vorteile

Schließt die Lücke zwischen den Piezo und den Piezo-Schreitantrieben: Q-Motion- Positioniersysteme, die auf piezobasierten Trägheitsantrieben basieren. Bild: PI

Der Bedarf an möglichst kleinen Positionierern und Manipulatoren steigt. Die industrielle Mikromontage, die Photonik sowie die Laser- und optische Messtechnik oder Forschungseinrichtungen mit Ultrahochvakuum-Bedingungen und starken Magnetfeldern brauchen immer kleinere, hochgenaue Positioniersysteme. Ähnliche Anforderungen gibt es auch bei forschungsnahen, kommerziellen Anwendungen. Typische Beispiele dafür sind mess- und medizintechnische Geräte, vor allem wenn sie für den mobilen Einsatz bestimmt sind. Positioniersysteme, die auf Piezo-Trägheitsantrieben basieren, erschließen hier interessante Möglichkeiten. Sie bieten in miniaturisierter Bauform eine hohe Auflösung bei theoretisch unbegrenzten Stellwegen, sind selbsthemmend und obendrein auch noch preisgünstig.

Piezokeramische Antriebskonzepte ermöglichen heute für praktisch jede Aufgabenstellung im Bereich der Präzisionspositionierung eine passende Lösung. Allen Konzepten gemeinsam sind dabei die kompakten Abmessungen und die hohe Positioniergenauigkeit, die im Funktionsprinzip begründet ist. Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um und ermöglichen Bewegungen im Sub-Nanometerbereich und das bei kurzen Ansprechzeiten und hoher Beschleunigung. Der Piezoeffekt basiert auf elektrischen Feldern, daher erzeugen Piezoaktoren weder Magnetfelder noch werden sie davon beeinflusst und arbeiten praktisch verschleißfrei. Da die Aktoren zudem kein Schmiermittel benötigen, sind sie auch gut für Vakuum-Anwendungen geeignet.

Nanometergenauigkeit bei langen Stellwegen

Allerdings beträgt die durch den Piezoeffekt hervorgerufene Auslenkung nur den Bruchteil eines Prozents der Bauteilgröße. Größere Stellwege zu erreichen, kann deshalb aufwändig und kostenintensiv werden. Mit den Positioniersystemen der Q-Motion-Linie hat Physik Instrumente (PI) jetzt entsprechend reagiert und die Lücke geschlossen, die von den bisherigen Antriebstechnologien der PILine-Ultraschallmotoren und Piezo-Schreitantrieben nicht abgedeckt wurde: Die Ultraschallantriebe erreichen hohe Geschwindigkeiten bei Auflösungen um die 50 nm, während Schreitantriebe sich für extreme Auflösungen von bis zu 0,1 nm eignen und dabei große Kräfte entwickeln. Die Q-Motion-Linie steht jetzt für hohe Auflösung im Nanometerbereich mit theoretisch unbegrenzten Stellwegen, miniaturisierter Bauform und günstigem Preis. Dabei sind die piezoelektrischen Trägheitsantriebe keineswegs träge, wie der Name vermuten lässt. Je nach Ausführungsform werden sie mit einer Frequenz von 20 kHz betrieben, sind dadurch nicht hörbar und erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s.

Stick-Slip-Effekt sorgt für Bewegung

Das Funktionsprinzip der piezobasierten Trägheitsantriebe ist einfach zu verstehen: Sie 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. Ähnlich wie bei Piezo-Schreitantrieben werden so theoretisch unbegrenzte Stellwege erreicht, allerdings kommt das Funktionsprinzip mit nur einem Aktor pro Achse aus, was den Aufbau vereinfacht und Kosten spart

Die elektrische Ansteuerung der piezobasierten Trägheitsantriebe ist einfach; ihr Ausgangssignal erinnert an einen Sägezahn. Bild: PI

Die elektrische Ansteuerung der piezobasierten Trägheitsantriebe ist einfach; ihr Ausgangssignal erinnert an einen Sägezahn.

Die elektrische Ansteuerung der piezobasierten Trägheitsantriebe ist im Prinzip einfach; ihr Ausgangssignal erinnert an einen Sägezahn. Der Aktor wird zyklisch angesteuert – in die eine Richtung schnell, in die andere langsam. Die Bewegung ähnelt dem pulsierenden Schlagen eines Herzens. Eine gehörige Portion Know-how ist allerdings vonnöten, die Ansteuerung und die Mechanik so aufeinander abzustimmen, dass die langsame Bewegung zum Vorschub eines Läufers führt, die schnelle nicht. In der „Stick-Phase“ verhält sich der Aktor wie jeder andere Piezoaktor auch und kann in Verbindung mit einem entsprechenden Encoder eine Positionsauflösung von einem Nanometer und darunter erzielen. Im Ruhezustand sind die piezobasierten Trägheitsantriebe selbsthemmend, verbrauchen also keine Energie. Bei mess- oder medizintechnischen Geräten, die für den mobilen Einsatz bestimmt sind, schont dies die Akkus. Beispiele dafür liefern die Optikverstellung in optischen Messgeräten oder die Arzneimitteldosierung in Pumpen, die der Patient mit sich trägt.

Vom Linearversteller bis zum sechsachsigen Positioniersystem

Im Zusammenspiel mit geeigneten mechanischen Komponenten entsteht ein Positioniersystem mit kleinsten Abmessungen: Der Linearversteller ist lediglich 22 mm breit. Bild: PI

Im Zusammenspiel mit geeigneten mechanischen Komponenten entsteht ein Positioniersystem mit kleinsten Abmessungen: Der Linearversteller ist lediglich 22 mm breit.

Das Funktionsprinzip bietet außerdem eine hohe Flexibilität bei der Auslegung der Positioniersysteme; es ermöglicht eine einfache Konfiguration der Aktoren und Ansteuerung. Das Herz der Bewegung, der piezobasierte Antrieb, wird als Modul eingesetzt. So können wahlweise lange Stellwege oder Drehbewegungen realisiert werden und einzelne Achsen lassen sich gut miteinander kombinieren. Dies hält die Anschaffungskosten für den Anwender niedrig. Gleichzeitig lassen sich sehr kleine Bauformen realisieren. Der piezokeramische Aktor und seine Halterung sind klein, der optionale Positionssensor ebenfalls und im Zusammenspiel mit den passenden mechanischen Komponenten entstehen je nach Applikationserfordernissen hochauflösende Positioniersysteme mit geringen Abmessungen.

Q-Motion Versteller können als Linear-, Rotations- oder 6-Achsen-Positionierer für den Betrieb bis ins Ultrahochvakuum ausgelegt werden. Bild: PI

Q-Motion Versteller können als Linear-, Rotations- oder 6-Achsen-Positionierer für den Betrieb bis ins Ultrahochvakuum ausgelegt werden.

Der zurzeit kleinste Linearversteller beispielsweise ist lediglich 22 mm breit und 10 mm hoch. Er eignet sich für Stellwege von 6,5; 13 oder 26 mm und erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 10 mm/s. Dabei entwickelt er eine Vorschub- und Haltekraft von 1 N. Ausgestattet mit einem inkrementellen Encoder erreicht er eine Auflösung von bis 1 nm. Typische Einsatzbereiche für den kleinen Präzisionsversteller gibt es viele, zumal er auch in Vakuumausführung erhältlich ist und sich bei Bedarf mit weiteren Linearachsen oder Rotationstellern kombinieren lässt und zwar ohne zusätzliche Adapter. Das Anwendungsspektrum reicht von Messtechnik, Mikroskopie und Mikromanipulation über Biotechnologie und Medizintechnik bis hin zur Automatisierung. Bei Bedarf sind auch nichtmagnetische Versionen verfügbar, z.B. für den Einsatz in Elektronenmikroskopen.

Präziser Rotationsversteller mit einem Durchmesser von nur 14 mm. Bild: PI

Rotationsversteller mit 14 mm Durchmesser.

Ähnlich vielseitig in seinen Anwendungsmöglichkeiten sind auch die Miniatur-Rotationsversteller. Die Mikrostelltische der Präzisionsklasse haben einen Durchmesser von lediglich 14 mm, erreichen Auflösungen im Bereich von 1 µrad; die Haltekraft der Linearversteller im unbestromten Zustand beträgt bis zu 8 N und die maximale Geschwindigkeit 10 mm/s, rotatorisch bis 70°/s.

Handtellergroße, parallelkinematische SpaceFABs haben sechs Bewegungsachsen und eigen sich für Anwendungen, in denen Proben, Detektoren oder Werkzeuge im Raum bewegt und gedreht werden müssen. Bild: PI

Handtellergroße, parallelkinematische SpaceFABs mit sechs Achsen eigen sich zum Bewegen und Drehen von Proben, Detektoren oder Werkzeugen.

Für Anwendungen, in denen Proben, Detektoren, optische Komponenten oder Werkzeuge im Raum bewegt und gedreht werden müssen, gibt es sechsachsige, parallelkinematische Positioniersysteme. Diese SpaceFABs sind so klein, dass sie mühelos auf einem Handteller Platz finden. Das Design basiert auf kombinierten Linearverstellern und kann schnell und unkompliziert an Anwendungsanforderungen angepasst werden, zum Beispiel auch für den Einsatz im Hoch- und Ultrahochvakuum. Den miniaturisierten Präzisionspositioniersystemen der Q-Motion-Linie dürften sich damit zahlreiche Anwendungsbereiche erschließen, bei denen Genauigkeit, kleine Bauform und günstige Anschaffungskosten gefragt sind.

Über Physik Instrumente (PI)
Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

Alle Bilder: PI

Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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