Piezoelektrische Antriebe Bewegung wichtiger als Größe

Bewegung wichtiger als Größe
Bewegung wichtiger als Größe

Kleine Antriebe ganz groß: Piezoelektrische Antriebe sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie werden vor allem in Produkten eingesetzt, die dem ständigen Zwang der Miniaturisierung unterliegen. Sie sind resistent gegenüber rauhen Umgebungsbedingungen wie alkalischen Medien, Schadgasen, magnetischen Feldern oder niedrigen Temperaturen und punkten auch in Sachen Energiebedarf, Beschleunigung und Auflösung. Je nach Anwendung variiert der Aufbau der Antriebe.

Miniaturisierte piezoelektrische Aktoren mit geringen Spannungsversorgungen finden vielfältig Anwendung im Industrie-, Automotive- sowie im Konsumelektronik- Bereich. Sie verschließen Türen, Fenster sowie Zündschlösser oder stellen das Objektiv einer Kamera scharf. Die Vorteile der kleinen Antriebe: Auch wenn Lasten gehalten werden müssen, benötigen Piezoaktoren bei Stillstand praktisch keine Energie; außerdem existiert der piezoelektrische Effekt auch noch bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts (–273,15 °C).

PMDM – Precision Motors Deutsche Minebea GmbH – hat den PiezoWave- Motor entwickelt, um die Anforderungen sowohl in industriellen Applikationen als auch in portablen Konsumelektronik- Geräten zu erfüllen: Zu seinen wesentlichen Eigenschaften zählen: Geringe Abmessungen und Leistungsaufnahme, hohe Geschwindigkeit und Präzision. Die Leistungsaufnahme des Piezomotors liegt in der in Bild 1 gezeigten Ausführung je nach Höhe der angelegten Spannung zwischen 300 und 400 mW mit Maximalgeschwindigkeiten zwischen 100 und 300 mm/s und Stellkräften bis 0,25 N. Die Anzahl der Motorkomponenten ist sehr gering, und sämtliche im Motor verwendeten Bauteile werden nach bekannten Massenproduktionsverfahren gefertigt.

Die elektronische Ansteuerung des Motors ist sehr einfach zu realisieren: Es werden zwei um 90° phasenverschobene elektrische Signale in Sinus- oder Rechteck- Form benötigt. Optimal wird der Aktor im resonanznahen Bereich betrieben; die Form der Signale beeinflusst das Motorverhalten dabei nur unwesentlich. Das Motor-Design kann an verschiedene Applikationsanforderungen angepasst werden.

Variabler Antrieb mit Piezoelementen

Die mechanische Ausführung des Aktors ist variabel: Die Antriebe können mit einem oder mit zwei Piezoelementen realisiert werden. Der Unterschied besteht darin, dass bei der Realisierung mit zwei Piezoelementen das Drive- Rail im Betrieb nahezu kräftefrei ist (Bild 2). Bei der Ausführung mit nur einem Piezoelement (Bild 3) ist jedoch darauf zu achten, dass das Drive-Rail mit einer rück wärtigen, reibungsarmen Lagerung durch Gleit- bzw. Kugellager zu versehen ist.

Werden die Piezoelemente elektrisch angeregt, oszillieren sie bei einer Frequenz im Kilohertz-Bereich. Die Drive-Pads, die fest mit den Piezoelementen verbunden sind, haben die Aufgabe, die von den Piezoelementen generierte Bewegung auf das Drive-Rail zu übertragen. Die Drive- Pads bewegen sich dabei auf einer, durch die Biegebewegung der Piezoelemente hervorgerufenen elliptischen Bahn (Bild 4) und sind nur während der Hälfte des Bewegungszyklus in Kontakt mit dem Drive-Rail, der sich daraufhin mit jedem elektrischen Zyklus einen Schritt vorwärts beziehungsweise rückwärts bewegt. Eine mechanische Vorspannung sorgt für die nötige Reibungskopplung zwischen Drive-Pad und Drive-Rail. Der beste Wirkungsgrad zwischen elektrischer Anregung und mechanischer Kopplung wird erreicht, wenn die Antriebsfrequenz mit der zweiten Biegeresonanz übereinstimmt oder nicht weit davon entfernt ist. Bei der aktuellen Ausführung des Piezomotors liegt diese bei etwa 80 kHz.

Aufgrund der angelegten Spannung und der daraus resultierenden Verformung der Piezoelemente liegt die Auflösung der Bewegung im Submikrometer- Bereich und beträgt bei dem beschriebenen Design minimal 0,2 μm. Die Vorschubgeschwindigkeit ist dabei abhängig von der Antriebsspannung, dem Schlupf zwischen Drive- Pad und Drive-Rail sowie der angetriebenen Last.

Im stromlosen Fall des Motors sorgt die Vorspannung durch die Feder auf die Piezoelemente für eine Selbsthemmung, welche aus der Reibungskraft zwischen Drive-Pad und Drive-Rail resultiert. Mit einer Haltekraft von 0,6 N benötigt der Motor im Stillstand keine elektrische Leistung, um die Position zu halten, was bei batteriebetriebenen Anwendungen von erheblichem Vorteil ist.

Bei manchen Applikationen ist der Verfahrweg des Drive-Rails durch mechanische Endanschläge begrenzt. In solchen Anwendungen kann der Motor im Open-Loop-Betrieb bei fest eingestellter Spannung, Frequenz und Anzahl der Schritte betrieben werden. Sind aber das Anfahren eines bestimmten Positionswertes bzw. eine hohe Wiederholgenauigkeit erwünscht, ist der Betrieb in einem Regelkreis erforderlich. In solch einem Regelkreis wird die Position des Motors über einen Positionssensor ermittelt und in der Motorelektronik mit einem Sollwert verglichen. Der Motor wird daraufhin so lange bewegt, bis die Differenz zwischen Istwert und Sollwert auf Null geregelt ist.

Als beste Wahl für einen Positionssensor haben sich analoge Hallsensoren erwiesen. Zum einen harmonieren die geringen Baugrößen der Sensorgehäuse gut mit dem Piezomotor-Design, zum anderen ist eine kontinuierliche Abhängigkeit zwischen Motorposition und Sensorausgangssignal gegeben. So kann die Motorposition an jedem beliebigen Punkt des Weges ermittelt werden. Die Genauigkeit bei der Ermittlung der Position wird im Wesentlichen bestimmt von

  • der Auflösung des Motors und
  • der Auflösung des A/D-Wandlers der Sensorelektronik.