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Fachartikel vom 03/23/2015

Physik Instrumente (PI)

Mit Piezomotoren zu neuen Lösungen

Bei steigenden Anforderungen an die Antriebstechnik können Piezo-Ultraschallmotoren die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindel-Kombination sein.

Bild: Physik Instrumente (PI)
Effektiv und einfach lassen sich mit Piezo-Ultraschallmotoren lineare Bewegungen realisieren (Bild: Physik Instrumente (PI))

Das Anforderungsprofil an die Antriebstechnik ist einem Wandel unterworfen. Mobile Anwendungen nehmen zu; Medizin-, Messgeräte oder Kamerasysteme werden kleiner und kleiner bei immer besseren Leistungsmerkmalen. Sowohl bei der Herstellung solcher Geräte als auch in den Geräten selbst werden kompakte Antriebssysteme mit Auflösungen und Wiederholgenauigkeiten im Mikro- oder Nanometerbereich benötigt. Piezo-Ultraschallantriebe sind dann eine gute Alternative zu klassischen Schrittmotoren oder Motor-Spindel-Kombinationen. Als praxisgerechte OEM-Lösung lassen sie sich zudem in unterschiedliche Anwendungen integrieren. Typische Einsatzbereiche finden sich bei Automatisierungsaufgaben in der Feinmechanik ebenso wie bei der Motorisierung tragbarer Messgeräte und beim Justieren in der Optomechanik oder Mikroskopie.

Wahl des passenden Antriebs

Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Wahl des passenden Antriebs: der zur Verfügung stehende Einbauplatz, benötigte Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie die erforderliche Positioniergenauigkeit, der Energieverbrauch und nicht zuletzt die Zuverlässigkeit. Die PILine Ultraschallmotoren der Firma Physik Instrumente (PI) bieten im Vergleich zu klassischen Antriebslösungen im gleichen Bauraum höhere Antriebs- und Haltekräfte sowie hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Antriebe verzichten auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-basierter Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Gerade in miniaturisierten Systemen sind diese Komponenten sehr verschleißanfällig. Außerdem lassen sich die PILine-Motoren wegen ihres Funktionsprinzips gut in unterschiedliche Anwendungen integrieren.

Antrieb für lineare oder rotative Bewegung

Wesentlicher Bestandteil des Ultraschall-Piezomotors ist ein Piezoaktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist. Der Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt, was zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer führt. Je Zyklus beträgt der so erzeugte Vorschub wenige Nanometer, die hohen Frequenzen sorgen für hohe Geschwindigkeiten. Mit diesem Prinzip lassen sich auch Drehbewegungen realisieren. Wirken piezokeramische Aktoren beispielsweise seitlich auf einen ringförmigen Läufer, erzeugen sie eine schnelle Drehbewegung. Die auf diese Weise erzeugten Haltemomente liegen bei etwa 0,3 Nm. Für kleine Drehversteller lassen sich auch ringförmige Aktoren einsetzen.

In jedem Fall sorgt die Vorspannung des piezokeramischen Aktors gegen den Läufer für die Selbsthemmung des Antriebs in Ruhe und im ausgeschalteten Zustand. Dadurch verbraucht er keine Energie, er erwärmt sich nicht und hält die Position mechanisch stabil. Bei klassischen Direktantrieben ist dazu eine Bremse notwendig, die ebenfalls Bauraum benötigt. Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind und obendrein für den Antrieb nur wenig Bauraum zur Verfügung stellen, profitieren also von den Eigenschaften der Ultraschallmotoren. Die Bewegung des piezokeramischen Aktors beruht auf kristallinen Effekten und kennt keinen Verschleiß. Lediglich die Ankopplung an den Läufer ist gewissen Reibungseffekten unterworfen. Abhängig vom Betriebsmodus erreichen die Ultraschallmotoren deshalb Laufstrecken von über 500 km.

Bild: Physik Instrumente (PI)
Analog zur linearen Bewegung wirken die piezokeramischen Aktoren seitlich auf einen ringförmigen Läufer und erzeugen so eine schnelle Drehbewegung. (Bild: Physik Instrumente (PI))

Automatisierung in der Feinmechanik und bei tragbaren Messgeräten

Die kleinen, reaktionsschnellen Ultraschall-Piezomotoren eignen sich gut für Anwendungen abseits vom Dauerbetrieb. Ein typisches Beispiel sind mobile Mess- oder Medizingeräte. Aufgrund ihrer Selbsthemmung ist es nicht erforderlich, die Zielposition über zusätzliche Bremsen oder elektrische Ströme zu halten. Hinzu kommt, dass sie praktisch geräuschlos arbeiten. Der Motor besteht aus einem piezoelektrischen Ring (Aktor). Dieser Aktor wird derart angeregt, dass eine sogenannte stehende Welle erzeugt wird. Die auf dem Piezoring sitzenden dünnen Aluminiumoxid-Ringe nehmen die Schwingungen auf. Mithilfe der drei im Rotor eingesetzten Kopplungselemente wird die aufgenommene Schwingung auf den vorgespannten Rotor übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt. Die ringförmig angeordneten Piezo-Ultraschallantriebe bewegen hier eine Scheibe. Diese ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können.

Bessere Antriebe für die Positionierung optischer Komponenten

Ähnliche Argumente sprechen für den Einsatz der Piezo-Ultraschallantriebe bei der Positionierung optischer Komponenten wie bei der Laserstrahlsteuerung oder der Positionierung der Messoptiken. Bei tragbaren, geodätischen Messsystemen beispielsweise konnten sie die Leistungsfähigkeit deutlich steigern. Die Messoptik einer solchen Totalstation wird jeweils durch einen Antrieb vertikal als auch horizontal bewegt. Im Zusammenhang mit der Verbesserung dieser Antriebe sprachen gegen eine klassische Lösung mit getriebeuntersetzten Gleichstrommotoren der Verschleiß der mechanischen Komponenten oder die Geräuschentwicklung bei Überwachungsmessungen in Wohnvierteln oder Innenstadtlagen. Gegen eine Lösung mit magnetischem Direktantrieb sprach auch das Fehlen des bei Präzisionsmessungen erforderlichen, mechanischen Haltemoments, das im mobilen Einsatz nicht energieeffizient erzeugt werden kann.

Ein Direktantrieb mit Piezo-Ultraschallmotor ist dagegen wartungsfrei, arbeitet bei Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und +50 °C und ist beinahe geräuschlos sowie selbsthemmend. Die Drehbewegungen des Direktantriebs werden durch jeweils zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; es gibt in diesem Zustand also auch kein Positionszittern, wie es bei magnetbasierten Direktantrieben zu beobachten ist. Mit dieser Lösung werden bisher unerreichte Geschwindigkeiten von mindestens 180°/s, dem Vierfachen des bisher üblichen Wertes, und hohe Beschleunigungen von mindestens 360°/s² erreicht. Der Antrieb bietet zudem ein verbessertes Start- und Stoppverhalten bei gleichzeitig hoher Auflösung und niedrigem Stromverbrauch. Zusammen mit den kurzen Positionierzeiten und der erforderlichen Positioniergenauigkeit setzt er neue Maßstäbe in der Winkel- und Distanzmessung.

Auch die Elektronik passt sich an

Natürlich stehen für die Ultraschallmotoren auch die geeigneten Treiberelektroniken und Servocontroller zur Verfügung. Als Platinenlösung oder Chip lassen sie sich in die jeweilige Applikation integrieren. Für den Ansteuer-Chip wird das komplette Schaltungslayout gleich mitgeliefert. (as)

Bild: Physik Instrumente (PI)
Der Chip mit der Ansteuerelektronik lässt sich in die jeweilige Applikation integrieren. (Bild: Physik Instrumente (PI))