Walking mit dem Piezoeffekt

Mit einem neuen technischen Ansatz haben Piezoantriebe das Laufen gelernt. Sie können sich jetzt - zumindest theoretisch - beliebig weit bewegen und das bei einer Auflösung im Subnanobereich.

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FAULHABER Antriebssysteme

Maxon Motor GmbH

compmall GmbH

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG

Moderne Halbleiterfertigung, optische Inspektion, aber auch Produktion und Biotechnologie verlangen immer häufiger hochgenaue Positionierungen im Nano- und Subnanometerbereich. Klassische Motor-Spindel-Kombinationen können dies nicht leisten, aber Piezoelemente.

Mit Piezoelementen, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung in Längs- oder Querrichtung sehr präzise verformen, lassen sich zwar Bewegungen mit Genauigkeiten von unter 1 nm erzeugen; die Wege beschränkten sich jedoch bisher auf einige Mikrometer. Mit einem neuen technischen Ansatz haben nun auch Piezoantriebe das Laufen gelernt. Sie können sich jetzt - zumindest theoretisch - beliebig weit bewegen und das bei ihrer typischen Auflösung im Subnanobereich. Die Idee dazu hatten Physiker und Ingenieure der in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente (PI). Die neuartigen Linearantriebe bieten theoretisch unbegrenzte Stellwege bei Auflösungen von deutlich besser als 1 nm (0,001 µm).

Bewegungsmuster wie beim Gehen

Bei den neuen Antrieben wurden Längs- und Scherpiezos, also Piezoaktoren mit unterschiedlichen Bewegungseigenschaften miteinander kombiniert. Entsprechend angesteuert lassen sich damit dann sowohl Klemm- als auch Schubbewegungen realisieren. Symmetrisch einander gegenüber sind am Läufer zwei vorgespannte Antriebsmodule angeordnet, die jeweils aus vier Stapeln mit Längs- und Scherpiezos bestehen. Die Stapel halten und bewegen den Läufer gemeinsam, dabei arbeiten immer zwei Stapel pro Modul synchron. Im Prinzip entspricht dieses Bewegungsmuster der Schrittmechanik beim Gehen: „Fuß“ anheben, nach vorne bringen, absetzen, nach hinten bewegen Nächstes wird „umgeklemmt“, die beiden anderen Piezo-Stapel sind an der Reihe und werden angehoben. Der Bewegungsablauf wiederholt sich.

Konstante Geschwindigkeit und Schwingungskompensation

Durch das „Umklemmen“ kommt es bei diesem Ablauf zu kurzzeitigen Unterbrechungen der Bewegung, die immer aus zwei Halbschritten besteht. Das lässt sich jedoch vermeiden, wenn die Klemmung eines Stapelpaares bereits während der Scherbewegung des anderen gelöst bzw. gesetzt wird.

Das „Gangbild“ ist harmonisch; für die Praxis bedeutet das, dass die Last über den gesamten Weg mit konstanter Geschwindigkeit verfahren wird. Außerdem lässt sich auf diese Weise auch nach Erreichen der Zielposition die Position aktiv nachregeln. Dadurch kann man beispielsweise Schwingungen kompensieren. Die dabei mögliche Auflösung ist theoretisch unendlich, sie wird lediglich begrenzt von der Steifigkeit des Systems, von der Präzision der angelegten Spannung bzw. dem verwendeten Weg-Sensor.

Die heute üblichen kapazitiven Sensoren erlauben Korrekturen bis in den Picometerbereich. 50 Picometer (0,05 nm) – das entspricht dem halben Durchmesser eines Wasserstoffatoms - wurden bis jetzt schon realisiert.

PI

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