Piezoantrieb ersetzt die Mikrometerschraube

Ob Materialbearbeitung, Medizintechnik oder Material- und Umweltforschung: Laser werden in vielen Bereichen als Werkzeug genutzt. Die Kippspiegel, die den Strahl lenken, sind wichtige Komponenten und müssen präzise positioniert sein, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Das Einstellen per Hand ist hier fast immer noch Stand der Technik.

Nicht überall ist das jedoch praxisgerecht, zum Beispiel, wenn die Kippspiegel im Vakuum arbeiten oder an unzugänglichen Stellen angebracht sind und initial oder nachjustiert werden müssen. Hier können piezobasierte Linearantriebe weiterhelfen: Die Platz sparenden und preiswerten Mikroantriebe arbeiten mit einer Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich und ersetzen die manuell zu betätigende Mikrometerschrauben.

Wie sich das Verstellen mit Piezoantrieben praxisgerecht automatisieren lässt, zeigt sich am Beispiel der Liop-Tec GmbH in Radevormwald. Das Unternehmen bietet Standard- und angepasste Spiegelhalter. „In Zusammenarbeit mit Physik Instrumente haben wir piezobasierte Linearaktoren zur Serienreife entwickelt und dabei Schraube und Mutter den Anforderungen angepasst, die das Antriebsprinzip stellt“, erläutert Patrick Incorvaia, Vertriebsleiter bei Liop-Tec. Der Piezo-Mike, wie der Antrieb vom Karlsruher Hersteller Physik Instrumente GmbH & Co. KG (PI) genannt wird, konnte so in das Spiegelhalterkonzept der Star-Serie von Liop-Tec integriert werden.

Die auf dem Trägheitsprinzip basierenden Piezomotoren werden mit einer Frequenz von bis zu 2 kHz betrieben. Die Piezo-Mike können mehrere 10 N Kraft erreichen, lassen sich in eine Applikation integrieren und sind für Anwendungen im Vakuum geeignet. „Vor allem sind wir stolz darauf, dass wir jetzt Spiegelhalter für den Hoch- und Ultrahochvakuumbereich anbieten können, die sich extrem präzise von außen justieren lassen“, fährt Patrick Incorvaia fort. „Da hat uns die gute Zusammenarbeit mit PI einen großen Schritt nach vorn gebracht.“

Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-Slip-Effekt für Schritte mit wenigen Mikrometern Länge. 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.

Die elektrische Ansteuerung der Antriebe ist einfach, und sie bauen klein, wodurch sich Einsatzfelder nicht nur in der Lasertechnik erschließen, sondern auch in der Lötspitzenpositionierung bis hin zu Blenden- und Membranverstellungen bei Mikromanipulationen.

Die Funktionsweise des Trägheitsantriebs wurde von PI und Liop-Tec an die Anwendung angeglichen: Der „Stick-Effekt“ nimmt hier keinen Läufer mit, sondern dreht eine Klaue. Diese wiederum umfasst eine Schraube, die sich dreht. Ist die maximale Ausdehnung erreicht, kontrahiert der Aktor. Die Klaue gleitet um die Schraube, die aufgrund ihrer trägen Masse in ihrer Position bleibt (Slip-Effekt). Das wiederholt sich, bis die gewünschte Position erreicht ist. „Die optimalen Materialparameter für den Slip-Effekt herauszufinden, war ein längerer Prozess, der viel Know-how beim Herstellen von Schraube und Mutter voraussetzte. Und die Umsetzung stellt höchste Anforderungen an Toleranzen und Oberflächenqualität der mechanischen Komponenten“, erzählt Incorvaia.

Schrittweiten von etwa 20 nm, die sich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben realisieren lassen, sind hier möglich. Dabei entwickelt der piezobasierte Linearantrieb eine Vorschubkraft von 22 N, arbeitet mit einer Geschwindigkeit von maximal 3 mm*min-1 und ist für Stellwege von 7,5 mm bis 26 mm ausgelegt. Seine Lebensdauererwartung beträgt mehr als eine Milliarde Schritte.

Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870, der speziell auf die Anforderungen der Linear-Aktoren abgestimmt ist. Für die Feinjustierung kann man die in den Spiegelhaltern eingesetzten Piezo-Linearmotoren auch in einem Analogmodus betreiben und eine Auflösung von 5 nm erreichen.

In Zukunft wird die Entwicklung sicher noch weiter gehen. Patrick Incorvaia freut sich auf die weitere Zusammenarbeit: „Mit schnellen, geräuschlosen Direktantrieben und positionsgeregelten Varianten, die zurzeit in Vorbereitung sind, dürften unsere Spiegelhalter noch flexibler einsetzbar werden.“

Weitere Informationen Über den Lasertechnikspezialisten: www.liop-tec.com Über den Antriebshersterller: www.pi.de