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INNOVAS Revolutionäre Piezo-Antriebstechnik im Nanoformat Erster „gehender“ Motor Von Dipl.-Ing. Arne Hauberg, NANOS Instruments, Hamburg Elektrische Motoren gibt es in allen Größen und Formen. „PiezoMotor“, eine kleine schwedische Firma, nutzt das Phänomen der Piezoelektrizität und hat nun den kleinsten und präzisesten Linearmotor der Welt entwickelt. Möglich wurde dieser wegweisende Miniaturantrieb durch Vielschicht-Piezoelemente und ein neues Motorkonzept. Wie der „Piezoeffekt“ die Dinge in Bewegung bringt, erfahren Sie in diesem Beitrag. nieure von PiezoMotor haben sich dieses Problems angenommen und mit dem Piezo LEGS einen völlig neuartigen elektrischen Motor entwickelt. „Gehen“ mit Piezo LEGS Klein aber kraftvoll – mit einer Schrittzahl von bis zu 3.000 Schritten pro Sekunde kann der Motor eine Geschwindigkeit von mehreren Millimetern pro Sekunde erreichen. Obwohl es uns oftmals nicht bewusst ist, sind Piezomaterialien in vielen Produkten des täglichen Lebens zu finden. Dazu gehören medizinisches Equipment, Laborinstrumente, Telekommunikation oder einfache elektronische Feuerzeuge. Piezokeramiken vereinen Festigkeit, Geschwindigkeit, Kraft und Genauigkeit in einem Material. Das Funktionsprinzip eines Piezomotors beruht auf dem „Piezoeffekt“. Das Wort „Piezo“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Druck“. Beim „Piezoelektrischen Effekt“ entsteht bei Ausübung von Druck auf einen besonderen Kristall eine elektrische Spannung. Die umgekehrte Erscheinung, eine Verformung bei Anlegen einer elektrischen Spannung, wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Die Kraft, die hierbei entsteht, zwingt ein mehrlagiges Piezomaterial schon bei geringer Spannung sich ausreichend zu verformen. Die Piezokeramiken dehnen sich um rund 0,1 Prozent aus und ziehen sich beim Entladen wieder zusammen. Diese einzigartigen Eigenschaften sind bereits seit über einem Jahrhundert bekannt und werden seitdem in verschiedensten Anwendungen genutzt. Die einzige Einschränkung beim Gebrauch von Piezomotoren war bislang die limitierte Reichweite der Bewegung, welche in direktem Zusammenhang mit der Länge der Piezoelemente steht. Die Inge- Der Piezo LEGS Motor wird in einem Stück gefertigt und hat eine Sandwichstruktur aus dünnen keramischen Ebenen und leitenden Materialien. Einer dieser Motoren kann aus mehr als 100 Ebenen bestehen, die wie die Beine einer Ameise angeordnet sind. Ein Motorelement misst in der kleinsten Ausführung nur 5 x 1 x 2 mm (l x b x h). Durch den Piezoeffekt stellt sich ein Dehnen und Zusammenziehen, Heben und Senken ein – eine Bewegung, die dem „Gehen“ ähnelt. Mit stufenloser Geschwindigkeit werden die linearen Elemente direkt angetrieben. Ein Getriebe ist überflüssig und reduziert die Systemkosten. Die an die keramischen „Muskeln“ angelegte Spannung kontrolliert die synchronisierte Bewegung der Beinpaare, wodurch Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen möglich sind. Die einzigartige Bauweise des Piezo LEGS lässt den Motor in einer präzisen linearen Bewegung laufen, mit Schrittlängen von weniger als ein paar Mikrometern. Durch die Ansteuerung im Mikroschrittbetrieb, ähnlich wie bei Schrittmotoren, ist eine Auflösung von unter 1 Nanometer möglich. Mit Ansteuerfrequezen bis 4 kHz kann der Motor eine Geschwindigkeit von zehn bis zwanzig Millimeter pro Sekunde > Kontakt: www.nanos-instruments.com 4 optolines No. 8 | 4. Quartal 2005
INNOVAS Abb. 1: Piezo LEGS. erreichen. Die Kraft des Motors beträgt dabei 7 N bis 10 N. Mit anderen Worten, der Motor kann den Stab mit einer Kraft bewegen, als ob er 1000 g heben würde, welches dem 1000-fache seines Eigengewichts gleichkommt. Da der Piezomotor keine Magnetfelder hat, treten auch keine magnetischen oder induktiven Störungen auf. Außerdem besitzt er keine Lager, Spindeln oder Getriebestufen. Er ist dadurch wartungs- und fettfrei und frei von Spiel, Taumeleffekten, Hysterese und Drifteffekten. Der Antrieb Der Motor besteht aus zwei Antriebsschenkelpaaren. Jedes Paar wird von analogen Signalen gesteuert, die eine Spannungsweite von 48 V haben. Durch das Anpassen der Layerschichtdicke ist es möglich, die Betriebsspannung kundenspezifisch einzustellen. Das verwendete Antriebssystem des Motors ist ein nichtdynamisches Prinzip, d.h. die Position der Antriebsschenkel ist zu jedem Zeitpunkt bekannt. Zwei Phasen sind erforderlich, um eine Bewegung zu erzeugen und zwei weitere Phasen für die zwei voneinander unabhängigen Antriebsschenkelpaare im Motor. Die Phasenverschiebung ist auf 90° Abb. 3: Funktionsprinzip der „Piezo-Beine“. eingestellt und die Phasenverschiebung der beiden Antriebschenkel auf 180°. (Abb.5) Um Schrittweiten im Nanometerbereich zu erreichen, muss das gesamte System präzise zusammenspielen, und es braucht eine Ansteuerung, die dieser anspruchsvollen Aufgabe gerecht wird. Jedoch ist die elektronische Ansteuerung eines Piezomotors nicht deutlich komplizierter, als die Ansteuerung eines gewöhnlichen Schrittmotors. Mit dem neuen x.act Commander Piezo von LINOS lassen sich Piezomotoren präzise anzusteuern. Der Trend geht zu Motoransteuerungen in kompletten Subsystemen, die als „Embedded Module“ ausgeführt werden und mit einer leistungsstarken Software versehen sind. Der x.act Commander Piezo erlaubt die direkte Steuerung von drei Piezo LEGS Antriebsschenkeln. Benutzerdefinierte Steuerprogramme können über die CAN oder RS232 Schnittstelle in den x.act Commander Piezo geladen werden. Programme lassen sich mit einem komfortablen Editor erstellen. Ein Assembler prüft die Syntax sowie den Wertebereich, und eine Onlinehilfe unterstützt die Programmierung eigener Bewegungen. Eine Grafikanzeige stellt Positionen und Statusanzeigen dar. Umfangreiche Softwaremodule, eine DLL und verschiedene Treiber bieten dem Anwender eine Fülle äußerst nützlicher Funktionen, die besonders im Labor gefragt und hilfreich sind. Der Piezomotor ist vielseitig einsetzbar und erzeugt schnelle und präzise Bewegungen mit hoher Auflösung. Der Trend zur Miniaturisierung geht heute über den Konsumerbereich hinaus: Medizintechnik, Luftfahrt, Laborautomation und Telekommunikation fragen nach immer kleineren Komponenten von Motoren und Antriebselektronik. Hier ermöglichen Piezomotoren das Design von sehr kleinen, präzisen, einfach kontrollierbaren und verlässlichen Antrieben. Ein Beispiel für den Einsatz der Piezo LEGS mit der Ansteuerelektronik vom x.act Commander Piezo findet sich in medizinischen Mikroskopen. Jedes Mikroskop verfügt über mehrere Linsen, die je nach Einsatz unterschiedlich eingestellt und positioniert werden müssen. Piezomotoren positionieren die Linsen mit hoher Präzision im Nanometerbereicht. Ihre geringe Größe lässt sie platzsparend in die Anwendung integrieren, Batterie betrieben finden sie sich auch in transportablen Instrumenten. Piezo-Positioniertisch Einsatz findet dieser Piezomotor zum Beispiel in der neuen Gerätegeneration von LINOS Positioniertischen. Hier sind wahlweise 1 oder 2 Motoren integriert, die als Tandem parallel angesteuert werden. Somit wird die Kraft von 10 N oder 20 N Abb. 2: Der Piezo-Motor. Verwendung des Piezo LEGS Abb. 4: Das Ansteuerungsmodul x.act Commander Piezo von LINOS erlaubt die direkte Steuerung von drei Piezo LEGS Antriebsschenkel. No. 8 | 4. Quartal 2005 optolines 5
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