Schall statt Spindel

Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische Energie in elektrische um oder umkehrt. Diese präzise Art der Bewegung ist für die Positionierung im Mikro- oder gar Nanometerbereich interessant, und entsprechende Aktoren sind seit rund 35 Jahren kommerziell verfügbar. Während sie zu Beginn nur in der universitären Forschung eingesetzt wurden, haben sie inzwischen ihren Weg in industrielle Anwendungen gefunden, allen voran in der Halbleiter- und Elektronikfertigung, aber auch in der Mikromanipulation oder der Biotechnologie.

Piezomotoren können in verschiedenen Bauformen eingesetzt werden. Wenn es – wie beispielsweise in der Mikromanipulation – auf hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung ankommt, bieten sich Piezo-Ultraschall-Linearantriebe an. Die leichten, wartungsfreien Antriebe eignen sich nach Angaben der Karlsruher Physik Instrumente GmbH & Co. KG für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 500 mm/s und hohe Beschleunigungen bis 20 g. Solche Antriebe bestehen aus einem Stator, der den piezokeramischen Oszillator enthält, und einem als Reibschiene bezeichneten Läufer, der am bewegten Teil eines Schlittens befestigt wird. Die hochfrequent schwingende Piezokeramik erzeugt die Vorschubkraft gegenüber der Reibschiene. Mit Bewegungsauflösungen von bis zu 20 nm gehören diese Antriebe zwar nicht unbedingt in die Klasse der Nanopositioniersysteme, erschließen sich jedoch durch ihre flache Bauform viele Anwendungen, in denen sie Motor-Spindel-Kombinationen ersetzen.

Ultraschallmotoren wirken direkt, ohne Zwischenelemente wie Spindeln oder Getriebe, und sie sind umkehrspielfrei. Sie zeichnen sich aufgrund ihrer Selbsthemmung auch im Ruhezustand durch hohe Haltekräfte aus. Außerdem entfällt nach Angaben der Karlsruher das Positions- oder Mikroschritt-Zittern klassischer Systeme sowie die Erwärmung durch Halteströme. Da die Ultraschallmotoren zudem in verschiedenen Integrationsstufen angeboten werden, sollen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen lassen.

So gibt es ausgesprochene OEM-Motoren mit separater Reibschiene, RodDrive-OEM-Antriebe mit integrierter Reibschiene oder komplette Stelltische mit integriertem Antrieb. Abhängig von der Integration dient beim RodDrive Antrieb, der genau einer klassischen Motor-Spindel-Anordnung entspricht, entweder der Läufer oder der Motorblock als Koppelstelle für das zu bewegende Objekt. Standardmäßig sind Stellwege von 50, 100 und 150 mm erhältlich. Kundenspezifische Anforderungen an die Antriebs- und Haltekräfte lassen sich durch das Anpassen der verwendeten Motoren ebenfalls erfüllen.

Interessant für Massenanwendungen ist beispielsweise ein extrem kleiner OEM-Linearantrieb. Mit Abmessungen von 9 x 6,5 x 2,4 mm³ beansprucht er wenig Einbauplatz, bietet aber einen Stellweg von 3,2 mm. Er ist selbsthemmend, verbraucht wenig Energie und eignet sich für hohe Geschwindigkeiten bis zu 80 mm/s. op

Der aktive Teil der Piezoaktoren besteht aus gestapelten Keramikscheiben, die durch dünne Metallelektroden getrennt sind. Die kompakte Bauform macht diese Antriebe für alle Anwendungen interessant, in denen Miniaturisierung ein Thema ist. Dazu zählen unter anderem Mikrobearbeitung, Medizin- und Labortechnik, aber auch Photonik sowie die Telekommunikation.