Was die anderen können…

Aktive keramische Komponenten wie piezokeramische Sensoren und Aktoren werden heute schon häufig in der Medizintechnik eingesetzt: in Mikropumpen, Ultraschall-Erzeugern, Ventilen für die Feinstdosierung oder zur Laserstrahl-Steuerung in der Augen- und Hautheilkunde. Aufgrund ihrer Eigenschaften – die Antriebe sind schnell, kompakt, vakuumkompatibel und magnetisch nicht zu beeinflussen – bieten sie aber auch für bildgebende Verfahren Vorteile gegenüber konventionellen Antriebsprinzipien.

Ingenieure aus der Medizintechnik-Branche können auf piezobasierte Lösungen zurückgreifen, die sich beispielsweise in der Halbleiterfertigung, Biotechnologie oder der Messtechnik schon bewährt haben. Bei Baugröße und Kraft decken diese Aktoren und Antriebe ein breites Spektrum ab. Da das Gleiche für den Verfahrweg und die Positionsauflösung gilt, gibt es passende Lösungen für viele Anforderungen.

Die in Karlsruhe ansässige Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG hat die Entwicklung in den vergangenen Jahren vorangetrieben. Dynamische Scanner sind beispielsweise ein typischer Einsatzbereich für Piezo-Linearantriebe. Diese Scanner erzeugen dreidimensionale Bilder, die unter anderem in der Hautdiagnostik zur Krebserkennung dienen. In der optischen Kohärenztomographie (OCT) verschieben Piezoantriebe die Referenzspiegel und abbildenden Optiken periodisch und sehr schnell. Ähnliche Aufgabenstellungen gibt es auch in anderen Anwendungsgebieten: 3-D-Bilder werden in der Augenheilkunde erzeugt, nämlich für die Untersuchung des Augenhintergrunds, oder auch in der Kieferorthopädie, um ein genaues Abbild der Mundhöhle zu erhalten, an die eine Prothese angepasst werden soll.

Welcher Piezo-Linearantrieb zum Einsatz kommt, hängt davon ab, welches Objekt um welche Wegstrecke verschoben werden muss. Piezoaktoren sind in der Lage, Stellwege von wenigen 10 µm mit Frequenzen bis zu einigen Tausend Hertz zu durchfahren. Größere Verfahrwege werden, vor allem wenn gleichzeitig hohe Geschwindigkeiten notwendig sind, mit Ultraschall-Linearantrieben umgesetzt. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Ultraschall-Oszillation, bei dem ein bewegter Läufer vorangetrieben wird. Mit Auflösungen bis 50 nm sind sie eine Alternative zu klassischen Elektromotor-SpindelKombinationen. Dabei weisen die Piezo-Antriebe wesentlich kleinere Abmessungen auf. Darüber hinaus sind mechanische Kopplungselemente, die sonst die rotatorische in eine lineare Bewegung umwandeln, nicht erforderlich.

Die wartungsfrei arbeitenden Ultraschall-Linearantriebe eignen sich mit Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 600 mm/s auch für schnelle Scanzyklen. Die Verstellwege liegen hier zwischen einem und mehreren 100 mm. Verschiedene Integrationsstufen vom OEM-Antrieb bis hin zum geführten Versteller mit Positionssensor und Steuerung ermöglichen es, die Lösung an die jeweilige Applikation anzupassen.

Dreidimensionale Bilder lassen sich auch mit der so genannten konfokalen Mikroskopie generieren. Hierbei werden beispielsweise in der Diagnostik virtuelle Schnittbilder durch eine Gewebestruktur erzeugt, oder die Oberflächenbeschaffenheit der Probe wird durch Verschieben der Brennebene detektiert. Anwendungsbereiche für dieses Verfahren finden sich in der Augenheilkunde, aber auch in der Qualitätssicherung bei Implantaten oder der Zell-Diagnostik. Hier muss die abbildende Optik in Richtung der optischen Achse bewegt werden, um die Brennebene zu justieren, oder um sie bei einem Flächenscan in der Ebene senkrecht zur Brennebene zu positionieren. Alternativ dazu wird das Objekt bewegt. In beiden Fällen bieten sich piezobasierte Positioniersysteme an. Miniaturisierte Ultraschall-Linearantriebe lassen sich auch direkt in die Optikeinheit integrieren.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Piezoaktoren ist die Magnetresonanztomographie (MRT). Sie erfordert nicht-magnetische Antriebslösungen. Piezoantriebe sind die einzigen Antriebe, die sich von starken Magnetfeldern nicht in ihrer Funktion beeinträchtigen lassen und selbst auch nicht zur Störquelle werden. Teure Kapselung und Abschirmung sind daher nicht erforderlich. Auch sind hier die Hochlastfähigkeit und die Präzision der Piezoaktoren vorteilhaft. So eignen sie sich zum Positionieren einfacher Blenden, komplexer Funktionselemente oder der zu untersuchenden Proben. Da die Antriebe zudem im Vakuum und auch bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, kann man sie ohne weiteres direkt am Kühlsystem des Tomographen platzieren.

Um bei medizinischen Aufnahmen die Auflösung zu erhöhen oder schlechte Lichtverhältnisse zu kompensieren, wir oft ein Kosten senkendes Mittel eingesetzt: Der Bildsensor, also beispielsweise das CCD-Element, wird während der Aufnahme schnell im Bereich eines Pixels hin und her gescannt. Schnelle Scanner mit Piezoantrieb bieten die erforderlichen Verstellgeschwindigkeiten im Videofrequenzbereich und decken mit Stellwegen bis zu einigen 10 µm die Verfahrbereiche ab. Auch in der Biometrie, bei der Aufnahme von Fingerabdrücken, finden solche Scansysteme Verwendung. So können piezoelektrische Aktoren in erheblichem Maße dazu beitragen, sehr dynamische Bewegungen über kleine Stellwege präzise und kostengünstig zu realisieren.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold Physik Instrumente Karlsruhe Ellen-Christine Reiff Fachjournalistin in Stutensee

Speziell im Hinblick auf große Stellwege und hohe Lasten wurden die Piezo-Walk-Linearantriebe entwickelt. Sie erzeugen eine Bewegung, indem einzelne Aktoren entlang eines bewegten Läufers „voranschreiten“. Solche Antriebe können auch über große Stellwege sehr präzise positionieren. Darüber hinaus können sie – nach Erreichen der Position – eine aktive dynamische Schwingungsdämpfung bewirken, und das auch unter starken Magnetfeldern und unter tiefen Temperaturen. Dabei entwickeln die Antriebe beachtliche Kräfte bis zu 600 N, also umgangssprachlich etwa 60 kg.

Ein typischer Einsatzbereich für die Piezo-Walk-Antriebe ist die Magnetresonanztomographie. Hier müssen auch hohe Lasten mit höchster Präzision bewegt werden.

Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie direkt in mechanische um und umgekehrt. Diesen Effekt entdeckten die Gebrüder Curie im Jahr 1880.

Für das Positionieren ist die Bewegung entscheidend, die entsteht, wenn elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, bewegen sich im Sub-Nanometerbereich mit hoher Dynamik. Mit klassischen Methoden können Stellwege bis zu einem Millimeter bei Auflösungen im Nanometerbereich und hoher Dynamik mit Scanfrequenzen bis zu mehreren Kilohertz erreicht werden.

Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile. Piezoaktoren sind daher praktisch wartungs- und verschleißfrei. Sie können Lasten bis zu mehreren Tonnen bewegen und benötigen im statischen Betrieb keine Leistung.