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Piezomotoren Wie Miniaturmotoren mit Piezo-Effekt frei von Spiel werden

| Redakteur: Karin Pfeiffer

Klein, stark und sehr präzise bei Bewegungen selbst im Nanometer-Bereich: Egal ob bei der Justage, für Fokussieraufgaben oder Messungen – wenn sich Miniaturmotoren den Piezo-Effekt zu Nutze machen, sind sie praktisch frei von Spiel.

Sechs Piezomotoren mit einer Kraft von jeweils bis zu 15 N sind in einer kundenspezifischen Applikation verbaut.
Sechs Piezomotoren mit einer Kraft von jeweils bis zu 15 N sind in einer kundenspezifischen Applikation verbaut.
(Bild: Steinmeyer Mechatronik)

Bautechnisch bedingte Lücken zwischen den einzelnen Motor- und Antriebskomponenten verursachen Spiel, das für manche Anwendungen benötigt wird: Für die entsprechenden Einzelteile bringt es Leichtgängigkeit, ermöglicht eine problemlose Montage, vermeidet Verspannungen und macht unempfindlich gegen Temperaturschwankungen und Verschmutzung.

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Allerdings: Mechanisches Spiel bedeutet auch eine geringe Positionsgenauigkeit und meist einen größeren Verschleiß. Bei bestimmten Anwendungen in der Bio- und Medizintechnologie, in der Halbleiterindustrie, etwa auch bei Applikationen mit Teilchenbeschleunigern oder in Digitalscannern ist das unerwünscht. Die piezoelektrischen Miniaturmotoren der Firma Piezomotor aus Schweden wirken solchen Nachteilen entgegen.

Weitestgehende Spielfreiheit bilden mit höchster Genauigkeit bei größtmöglicher Miniaturisierung ein Anforderungsprofil, mit denen Motorenhersteller heute häufig konfrontiert werden. Getrieben von der wachsenden Genauigkeit in der Fertigung wird die Entwicklung von Präzisionsmaschinen und hochgenauen analytischen Instrumenten weiter forciert.

Weil der Antriebsstrang – und damit die Reibungsverluste des Getriebes wegfallen –, wird hier oftmals auf Direktantriebe zurückgegriffen. Direktantriebe haben nicht nur den Vorteil, den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.

Es entstehen auch keine Bewegungsungenauigkeiten durch Spiel im Getriebe. Direktantriebe sind gegenüber konventionellen Antrieben in der Regel deutlich dynamischer. Kürzere Reaktionszeiten sowie höhere Bahntreue, Endgeschwindigkeiten oder Drehzahlen resultieren daraus.

Buchtipp

Das Buch Antriebspraxis enthält die Gesamtschau der eingesetzten Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl, die energiesparend und vernetzt arbeiten. Es erklärt sowohl die Arbeitsweise der Komponenten als auch ihr Zusammenwirken im Antriebssystem bis hin zur Vernetzung in betrieblichen und globalen Netzen.

Direktantrieben fehlt die Selbsthemmung

Der Aufbau von klassischen Direktantrieben ist einfach und kompakt. Allerdings fehlt bei den direkt angetriebenen Elektromotoren die Selbsthemmung, was für viele Applikationen wiederum Bremsen erforderlich macht und die Baugröße beeinflusst. Diese Probleme hat ein Piezomotor nicht. Die Einsatzbereiche von piezoelektrischen Motoren sieht das schwedische Unternehmen Piezomotor deswegen überall dort, wo höchste Präzision bei größter Miniaturisierung gefragt ist.

Mit Piezo-Technologie zu spielfreier Bewegung mit Sub-Nanometer-Auflösung

Die Piezo-Technologie bringt Eigenschaften mit sich, die sie für viele Anwendungen attraktiv macht. Die robusten Linear- und Rotationsmotoren funktionieren mit der patentierten Piezo-Legs-Technologie und leisten spielfreie Bewegungen mit Nanometer- oder sogar Sub-Nanometer-Auflösung.

Die Piezo-Legs-Technologie macht sich den sogenannten inversen piezoelektrischen Effekt zu Nutze. Piezoelektrizität beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden. Umgekehrt bewirkt es eine Verformung der Materialien beim Anlegen einer Spannung.

Bei den Piezo-Legs handelt es sich um Beine aus Keramik, die durch Spannung sowohl verlängert als auch seitlich gebogen und dadurch bewegt werden können. Hervorgerufen durch eine Synchronisation der paarweise angeordneten Beine startet eine Bewegung im Submikrometer- bis Nanometerbereich, welche die Linear- und rotierenden Motoren antreibt.

Die Antriebsstange im Motor steht in direktem Kontakt zu dem zu bewegenden Objekt und zu den Piezoelementen im Motor. Die Reibungskopplung zwischen den Schenkeln und der Antriebsstange realisiert Spielfreiheit, extrem kurze Reaktionszeit und hohe Auflösung.

Kraftkapazität hängt vom Piezomaterial der Beine ab

Der Direktantrieb ermöglicht darüber hinaus die starke Verriegelung ohne Leistungsaufnahme bei Stillstand, da Klemmen und Vortrieb von denselben Aktoren übernommen werden. Die Spitzen der Beine würden ohne direkten Kontakt eine elliptische Bewegung ausführen, drücken nun aber auf das anzutreibende Element und schieben es in die gewünschte Richtung. Die phasenversetzte Bewegung der Aktoren klemmt stets den Rotor oder die Antriebsstange, sodass er nie freiläuft.

Die Kraftkapazität eines Piezo-Legs-Motors hängt vom Volumen des in den Beinen verwendeten Piezomaterials ab. Sie kann von wenigen Newton bis zu einigen hundert Newton skaliert werden. Piezomotor aus Schweden fertigt Piezo-Legs-Elemente, die aus vier oder sechs Beinen bestehen, und hat somit eine Reihe von Produkten mit unterschiedlichen Haltekräften im Portfolio.

Anwendungen stark miniaturisieren

Im Vergleich zu gängigen herkömmlichen Lösungen gilt die Anzahl der Teile und Elemente im Piezomotor als gering: Die einfache Antriebselektronik spart Platz, weshalb sich Anwendungen stark miniaturisieren lassen.

Die Spielfreiheit, eine hohe Haltekraft im ausgeschalteten Zustand sowie eine sehr gute Dynamik und die Möglichkeit der Miniaturisierung nutzen viele Anwender für sich als Vorteile. Dass die Piezomotoren darüber hinaus wartungsarm und vakuumtauglich sind sowie ohne Magnetfelder arbeiten, macht sie für eine große Auswahl von OEM-Anwendungen mit Fokus auf hochgenauer Positionierung ebenfalls interessant.

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