Keramische Antriebe in der Automatisierung

Piezoelektrische Aktoren werden üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen über einen kurzen Stellweg eine Position im Bereich eines tausendstel Mikrometer getroffen und stabil gehalten werden soll.

Piezoelektrische Aktoren werden üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen über einen kurzen Stellweg eine Position im Bereich eines tausendstel Mikrometer getroffen und stabil gehalten werden soll.

Zu diesen Anwendungen zählen lithografische Verfahren zur Erzeugung von Strukturen z.B. auf Halbleitermaterialien oder die Mikroskopie, bei der diese Strukturen geprüft werden. Aufgrund ihrer eingeschränkten Auslenkung decken klassische Piezoaktoren Stellwege bis zu einem Millimeter ab. Für größere Wege werden Gleichstrom- und Schrittmotoren mit Spindeln oder magnetische Linearmotoren bzw. Tauchspulantriebe verwendet.

Piezokeramische Aktoren stellen mit den Piezo-Ultraschallmotoren eine Ergänzung zu den klassischen Antrieben für große Stellwege dar.  Die geforderte Positioniergenauigkeit in der Handhabungstechnik, bei Pick- und Place oder anderen Automatisierungsaufgaben liegt selten unterhalb von einem Mikrometer. Man spricht hier eher von Zehnteln eines Millimeters, die von den heute üblichen Motorprinzipien auch ohne Weiteres erreicht werden. Es sind vielmehr andere Faktoren, die die Wahl des Antriebssystems einschränken und schwierig gestalten können: Platz, Geschwindigkeit und Durchsatz, Energieverbrauch oder Zuverlässigkeit.

Beengte Platzverhältnisse

Die definierte Bewegung einer Linse zur Fokuseinstellung in einer Kleinstkamera, eines Sicherungsstiftes in einem Türschloss oder in Handheld-Medizingeräten stellt herkömmliche Antriebe vor große Herausforderungen. Ein Gleichstrommotor, der hier einen Bauraum von unter 10 Millimetern im Durchmesser zu Verfügung hat, wird ohne Hilfsmittel das erforderliche Drehmoment häufig nicht aufbringen. Ein Getriebe schafft Abhilfe, dies allerdings auf Kosten der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.

Ist kein Platz vorhanden, bedeutet die Umwandlung der Drehbewegung des Motorschafts in die geforderte lineare Bewegung den Einsatz von mechanischen Komponenten wie Spindeln, Muttern und Lagern. Wie ein Getriebe auch stellen diese in miniaturisierter Bauform ein Risiko für die Lebensdauer dar. Hinzu kommt noch, dass diese mechatronischen Systeme einen hohen Anlaufstrom benötigen und aufgrund der langsamen Geschwindigkeit relativ lange bestromt werden müssen.