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Technischer Fortschritt mit Piezo-Ultraschallmotoren

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Piezo-Ultraschallantriebe erzeugen die Drehbewegungen

Sowohl für die vertikale als auch für die horizontale Bewegung der Messoptik der Totalstation fiel die Wahl deshalb auf Direktantriebe, die nach dem Piezo-Prinzip arbeiten. Sie ermöglichen eine bisher unerreichte Geschwindigkeit (von über 180°/s) und hohe Beschleunigungen (bis zu 360°/s²). Die Antriebe sind selbsthemmend, d.h., sie erzeugen auch im stromlosen Zustand hohe Haltekräfte. Außerdem laufen sie beinahe geräuschlos, sind wartungsfrei und arbeiten bei Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und + 50 °C. Die in der Totalstation eingesetzten Piezo-Ultraschallantriebe (vgl. Kastentext) wurden von der Karlsruher Firma PI (Physik Instrumente) entwickelt, einem Unternehmen, das im Bereich der Mikro- und Nanopositioniertechnik mehr als 30 Jahre Erfahrung hat und heute zu den Weltmarktführern gehört.

Die prinzipielle Funktionsweise der für die vertikale und horizontale Rotation der Messoptik eingesetzten Piezo-Ultraschallantriebe ist einfach zu verstehen. Die Drehbewegungen werden durch jeweils zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen Reibring vorgespannt sind. Der Reibring ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; es gibt in diesem Zustand also auch kein Positionszittern wie es bei magnetbasierten Direktantrieben zu beobachten ist. Im Betrieb schwingen dann die keramischen Piezomotoren synchron mit Ultraschallfrequenzen. Die Schwingung führt zu einem Versatz der Reibspitze. Zusammen mit der Vorspannung wird so eine Vorschubbewegung für den Reibring erzeugt. Da keine mechanischen Komponenten wie Getriebe zur Kraftübertragung notwendig sind, arbeiten die Antriebe nahezu verschleißfrei und sehr zuverlässig. Obendrein ist die Antriebslösung einfach integrierbar. Genauso effektiv und einfach lassen sich mit Piezo-Ultraschallmotoren auch lineare Bewegungen realisieren. Das tangentiale Antriebsprinzip wird dann auf eine gerade geführte Reibschiene angewandt.

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Anwendungen in Hülle und Fülle

Piezo-Ultraschallmotoren eignen sich dadurch für eine Vielzahl weiterer Anwendungen, bei denen ebenfalls eine geringe Größe, hohe Geschwindigkeiten und Zuverlässigkeit die entscheidenden Faktoren sind. So gibt es z.B für das Biohandling oder die Mikroskopie Verstelleinheiten, die sich durch eine besonders flache und leicht integrierbare Bauform auszeichnen. Typische industrielle Anwendungsbeispiele reichen von der Halbleiter- und Photonik-Fertigung über allgemeine Handhabungsaufgaben bis hin zur Mess- und Medizintechnik. Da sich Piezo-Ultraschallmotoren, wie das beschriebene Anwendungsbeispiel anschaulich belegt, immer wieder neue Einsatzbereiche erschließen, darf man gespannt sein, bei welchen Applikationen sie als Nächstes dazu beitragen werden, die technische Entwicklung weiter voranzutreiben.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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