Piezomotor Kompakt, schnell und selbsthemmend: Mit Piezomotoren zu neuen Lösungen

Autor / Redakteur: Marc Thelen / Ute Drescher

Piezo-Ultraschallantriebe sind eine gute Alternative zu klassischen Schrittmotoren oder Motor-Spindel-Kombinationen, wenn Auflösungen und Wiederholgenauigkeiten im Mikro- oder Nanometerbreich gefordert sind. Typische Einsatzbereiche finden sich in Medizin- und Messgeräten oder Kamerasystemen.

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Bei tragbaren, geodätischen Messsystemen haben Piezomotoren die Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert. Grund sind die höheren Geschwindigkeiten, kürzeren Positionierzeiten und die hohe Genauigkeit bei der Positionierung der Messoptik gegenüber klassischen Antriebslösungen.
Bei tragbaren, geodätischen Messsystemen haben Piezomotoren die Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert. Grund sind die höheren Geschwindigkeiten, kürzeren Positionierzeiten und die hohe Genauigkeit bei der Positionierung der Messoptik gegenüber klassischen Antriebslösungen.
(Bild: PI)

Die Wahl des passenden Antriebs kann ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Zahlreiche Faktoren beeinflussen diese Wahl: der zur Verfügung stehende Bauraum, die benötigte Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie die erforderliche Positioniergenauigkeit, der Energieverbrauch und nicht zuletzt die Zuverlässigkeit. Bei steigenden Anforderungen können Piezo-Ultraschallmotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination sein.

Die PI-Line Ultraschallmotoren (Bild 1) aus dem Programm der Karlsruher Physik Instrumente arbeiten nach einem einfachen Prinzip und überzeugen durch ihre Kompaktheit. Im Vergleich zu klassischen Antriebslösungen bieten sie im gleichen Bauraum höhere Antriebs- und Haltekräfte sowie sehr hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Antriebe verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit 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 PI-Line-Motoren wegen ihres Funktionsprinzips sehr gut in die unterschiedlichsten Anwendungen integrieren.

Die Wahl des passenden Antriebs kann ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Bei steigenden Anforde-rungen können Piezo-Ultraschallmotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindel-kombination sein.
Die Wahl des passenden Antriebs kann ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Bei steigenden Anforde-rungen können Piezo-Ultraschallmotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindel-kombination sein.
(Bild: PI)

Zuverlässiger 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 (Bild 2).

Der Piezoaktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt, was zu einer periodischen diagonlaen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer fürht.
Der Piezoaktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt, was zu einer periodischen diagonlaen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer fürht.
(Bild: PI)

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 z.B. seitlich auf einen ringförmigen Läufer, erzeugen sie eine schnelle Drehbewegung (Bild 3).

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

Die auf diese Weise erzeugten Haltemomente liegen bei etwa 0,3 Nm. Für kleine Drehversteller lassen sich auch ringförmige Aktoren einsetzen (Bild 4).

Ein ringförmiger Aktor kann ebenfalls eine Drehbewegung erzeugen.
Ein ringförmiger Aktor kann ebenfalls eine Drehbewegung erzeugen.
(Bild: PI)

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 zusätzlichen Bauraum benötigt. Für Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind und obendrein für den Antrieb nur wenig Bauraum zur Verfügung stellen, eignen sich die Eigenschaften der Ultraschallmotoren sehr gut. Außerdem sind sie sehr zuverlässig, da die Bewegung des piezokeramischen Aktors auf kristallinen Effekten beruht daher keinen Verschleiß kennt. Lediglich die Ankopplung an den Läufer ist gewissen Reibungseffekten unterworfen. Abhängig vom Betriebsmodus erreichen die Ultraschallmotoren deshalb Laufstrecken von über 500 km.

Automatisierung in der Feinmechanik und bei tragbaren Messgeräten

Die kleinen, reaktionsschnellen und preisgünstigen Ultraschall-Piezomotoren eignen sich dadurch besonders gut für Anwendungen abseits vom Dauerbetrieb. Ein typisches Beispiel hierfür sind mobile Mess- oder Medizingeräte. Aufgrund ihrer Selbsthemmung ist es nicht erforderlich, die Zielposition wie bei magnetischen Antrieben 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 (oben und unten) 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 (Bild 5).

Ein kompakter piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eine Scheibe. Dieses System ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können.
Ein kompakter piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eine Scheibe. Dieses System ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können.
(Bild: PI)

Bessere Antriebe für die Positionierung optischer Komponenten

Ähnliche Argumente sprechen für den Einsatz der gut integrierbaren Piezo-Ultraschallantriebe bei der Positionierung optischer Komponenten, z.B. 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. Hier mussten die Antriebe verbessert werden, um höhere Geschwindigkeiten, kürzere Positionierzeiten und eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Positionierung der Messoptik zu erreichen. Gegen eine klassische Lösung mit getriebeuntersetzten Gleichstrommotoren sprachen deren typische Schwachstellen, wie 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.

Im Vergleich dazu bietet ein Direktantrieb mit Piezo-Ultraschallmotor hohe Zuverlässigkeit, ist 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 (Bild 6).

Die Drehbewegungen werden durch zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist drehbar gelagert
Die Drehbewegungen werden durch zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist drehbar gelagert
(Bild: PI)

Der Läufer ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; somit gibt es in diesem Zustand kein Positionszittern, wie es bei magnetbasierten Direktantrieben zu beobachten ist. Mit dieser Lösung werden 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.

Weitere Einsatzfelder, bei denen es auf eine geringe Größe, schnelle Reaktion und Zuverlässigkeit der Antriebe ankommt, sind z.B. das Biohandling, Mikroskopie-Verstelleinheiten, Packaging-Lösungen für die Silizium-Photonik oder auch Überwachungskameras, Nachtsichtgeräte etc. Gerade hier ist beispielsweise die geräuschlose und schnelle Fokussierung ein Vorteil.

Elektronik passt sich ebenfalls an

Für die Ultraschallmotoren stehen ebenfalls die geeigneten Treiberelektroniken und Servocontroller zur Verfügung. Als Platinenlösung oder Chip (Bild 7) lassen sie sich ebenfalls gut in die jeweilige Applikation integrieren.

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

Für den Ansteuer-Chip beispielsweise wird das komplette Schaltungslayout gleich mitgeliefert. (ud)

Video zum Prinzip eines Piezo-Ultraschallmotors

* Marc Thelen ist R&D Manager Piezomotoren bei Physik Instrumente, Karlsruhe

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