PILine® Ultraschall-Piezomotoren

Kompakte Antriebe, schnell und selbsthemmend

Lineare und rotatorische Bewegung
Beliebige, unbegrenzte Stellwege
Mechanisch einfach integrierbar
Haltekraft bis 15 N, Haltemomente bis 0,3 Nm
Geschwindigkeit bis 500 mm/s Auflösung bis 2 nm

Für lineare Bewegungen wandeln Motor-Spindel-Kombinationen die rotatorische Bewegung des Motors um, wobei sich aufgrund des Spiels zwischen den mechanischen Komponenten die Ansprechzeiten verlängern. Antriebe wie PILine® dagegen erzeugen die Linearbewegung direkt, bei höherer Stabilität und mit geringerer Trägheit.

PILine® 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.

Wesentlicher Bestandteil des Ultraschall-Piezomotors ist ein Piezoaktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist. Der piezokeramische Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt. Die Deformation des Aktors führt zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer. Je Zyklus beträgt der erzeugte Vorschub wenige Nanometer, die hohen Frequenzen führen zu den hohen Geschwindigkeiten.

PILine® Motoren können eine Drehbewegung auf zwei Arten umsetzen: Analog zur linearen Bewegung wirken die piezokeramischen Aktoren seitlich auf einen ringförmigen Läufer und erzeugen so eine schnelle Drehbewegung. Die auf diese Weise erzeugten Haltemomente liegen bei etwa 0,3 Nm.

PI Implementierung einer Drehbewegung — Implementierung einer Drehbewegung: PILine® Motoren wirken auf einen ringförmigen Läufer und erzeugen so eine schnelle Drehbewegung

Kleine Drehversteller mit einem Durchmesser von 20 mm oder 30 mm verwenden einen ringförmigen Aktor. Dieser Antrieb erzielt sehr hohe Geschwindigkeiten von weit mehr als 2 Umdrehungen pro Sekunde. Das Haltemoment liegt bei etwa 30 mNm.

Die Vorspannung des piezokeramischen Aktors gegen den Läufer sorgt 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. Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind, profitieren von diesen Eigenschaften.

Die Bewegung des piezokeramischen Aktors beruht auf kristallinen Effekten und ist keinem Verschleiß ausgesetzt. Die Ankopplung an den Läufer ist hingegen Reibungseffekten unterworfen. Abhängig vom Betriebsmodus werden Laufstrecken über 2.000 km bzw. eine MTBF von 20.000 Stunden erzielt.

Piezomotoren von PI sind im Prinzip vakuumtauglich und für den Betrieb unter starken Magnetfeldern geeignet. Hierfür werden Sonderversionen der Antriebe angeboten.

Der Nutzen der geringen Bauhöhe der PILine^® Antriebe wird bei Positioniersystemen wie dem Mikroskopiekreuztisch M-687 (25 mm Höhe) offensichtlich: eine durchgehend flache Bauform ohne Spindelkanäle oder angeflanschte Motoren.

PILine® Produkte: Rotationstisch U-651 und Mikroskopiekreuztisch M-686K

Die direktgetriebene, stabile Mechanik und die schnellen Ansprechzeiten der Piezokeramik ermöglichen das hochdynamische Start-/ Stoppverhalten und Geschwindigkeiten bis zu mehreren 100 mm/s.

Die Anforderungen nach schnellen Scangeschwindigkeiten oder nach hohen Durchsatzraten kennzeichnen nur einen Teil der Anwendungen in der Mikroskopie. Andere erfordern hochauflösende Bewegung mit niedriger, konstanter Geschwindigkeit.

Versteller mit PILine® Antrieben können mit PIOne Sensoren ausgestattet werden und erzielen so eine Auflösung im Bereich einzelner Nanometer. Spezielle Ansteuerungs- und Regelungsverfahren ermöglichen dann konstante Geschwindigkeiten im Bereich einzelner Encodercounts pro Sekunde.