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Übersicht

PILine® Ultraschall-Piezomotoren

Kompakte Antriebe, schnell und selbsthemmend

  • Lineare und rotatorische Bewegung
  • Beliebige, unbegrenzte Stellwege
  • Mechanisch einfach integrierbar
  • Haltekraft bis 15 N, Haltemomente bis 0,3 Nm
  • Geschwindigkeit bis 500 mm/s Auflösung bis 2 nm

Für lineare Bewegungen wandeln Motor-Spindel-Kombinationen die rotatorische Bewegung des Motors um, wobei sich aufgrund des Spiels zwischen den mechanischen Komponenten die Ansprechzeiten verlängern. Antriebe wie PILine® dagegen erzeugen die Linearbewegung direkt, bei höherer Stabilität und mit geringerer Trägheit.

PI Vergleich Motor-Spindel vs. PILine
Motor-Spindel-Kombinationen (oben) wandeln die rotatorische Bewegung des Motors in eine lineare um, wobei sich aufgrund des Spiels zwischen den mechanischen Komponenten die Ansprechzeiten verlängern. Linearmotoren wie PILine® dagegen erzeugen die Linearbewegung direkt, bei höherer Stabilität und mit geringerer Trägheit

PILine® Antriebe verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-basierter Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Gerade in miniaturisierten Systemen sind diese Komponenten sehr verschleißanfällig.

Funktionsprinzip

Funktionsprinzip von PILine®

Wesentlicher Bestandteil des Ultraschall-Piezomotors ist ein Piezoaktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist. Der piezokeramische Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt. Die Deformation des Aktors führt zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer. Je Zyklus beträgt der erzeugte Vorschub wenige Nanometer, die hohen Frequenzen führen zu den hohen Geschwindigkeiten.

Implementierung einer Drehbewegung

PILine® Motoren können eine Drehbewegung auf zwei Arten umsetzen:
Analog zur linearen Bewegung wirken die piezokeramischen Aktoren seitlich auf einen ringförmigen Läufer und erzeugen so eine schnelle Drehbewegung. Die auf diese Weise erzeugten Haltemomente liegen bei etwa 0,3 Nm.

Kleine Drehversteller mit einem Durchmesser von 20 mm oder 30 mm verwenden einen ringförmigen Aktor. Dieser Antrieb erzielt sehr hohe Geschwindigkeiten von weit mehr als 2 Umdrehungen pro Sekunde. Das Haltemoment liegt bei etwa 30 mNm.

Implementierung einer Drehbewegung
Ein ringförmiger Läufer bewirkt eine Drehbewegung
Eigenschaften

Eigenschaften von PILine® Piezomotoren

Die Vorspannung des piezokeramischen Aktors gegen den Läufer sorgt für die Selbsthemmung des Antriebs in Ruhe und im ausgeschalteten Zustand. Dadurch verbraucht er keine Energie, er erwärmt sich nicht und hält die Position mechanisch stabil. Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind, profitieren von diesen Eigenschaften.

Lebensdauer und Zuverlässigkeit

Die Bewegung des piezokeramischen Aktors beruht auf kristallinen Effekten und ist keinem Verschleiß ausgesetzt. Die Ankopplung an den Läufer ist hingegen Reibungseffekten unterworfen. Abhängig vom Betriebsmodus werden Laufstrecken über 2.000 km bzw. eine MTBF von 20.000 Stunden erzielt.

Piezomotoren für alle Anwendungen

Piezomotoren von PI sind im Prinzip vakuumtauglich und für den Betrieb unter starken Magnetfeldern geeignet. Hierfür werden Sonderversionen der Antriebe angeboten.

Geringe Bauhöhe

Der Nutzen der geringen Bauhöhe der PILine® Antriebe wird bei Positioniersystemen wie dem Mikroskopiekreuztisch M-687 (25 mm Höhe) offensichtlich: eine durchgehend flache Bauform ohne Spindelkanäle oder angeflanschte Motoren.

PI M-660 M-686K
PILine® Produkte: Rotationstisch M‑660 und Mikroskopiekreuztisch M-686K
PI PILine Diagramm Einschaltdauer
Maximale Einschaltdauer in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bei einem Steuersignalpegel von 100 %
PI PILine Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik
Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik eines PILine® Motors mit 6 N Haltekraft. Die Prozentangaben bezeichnen den Steuersignalpegel, ein Maß für die Einkopplung der elektrischen Leistung in den Aktor

Dynamik in der Anwendung

Die direktgetriebene, stabile Mechanik und die schnellen Ansprechzeiten der Piezokeramik ermöglichen das hochdynamische Start-/ Stoppverhalten und Geschwindigkeiten bis zu mehreren 100 mm/s.

PILine Acceleration
PILine® Ultraschallantriebe sind hochdynamisch und erreichen Beschleunigungen bis zu mehreren g. Sie zeigen ein schnelles Einregelverhalten innerhalb einiger 10 Mikrosekunden für kleine Schritte

Langsamfahrt mit PILine®

Die Anforderungen nach schnellen Scangeschwindigkeiten oder nach hohen Dursatzraten kennzeichnen nur einen Teil der Anwendungen in der Mikroskopie. Andere erfordern hochauflösende Bewegung mit niedriger, konstanter Geschwindigkeit.

Versteller mit PILine® Antrieben können mit PIOne Sensoren ausgestattet werden und erzielen so eine Auflösung im Bereich einzelner Nanometer. Spezielle Ansteuerungs- und Regelungsverfahren ermöglichen dann konstante Geschwindigkeiten im Bereich einzelner Encodercounts pro Sekunde.

Integrationsstufen

Mehrere Integrationsstufen bieten Flexibilität

PILine® Antriebe sorgen in Positioniersystemen für die hohe Dynamik und kompakte Abmessungen. PI bietet verschiedene Integrationsstufen von PILine® Antrieben an, die einen einfachen Einbau in Kundendesigns ermöglichen:

  • Positioniertische mit integrierten PILine® Antrieben, angepasst an OEM-Anforderungen.
  • Linearaktoren bewegen die Last über einen geführten Stab. Optional besitzen sie eine Positionsregelung.
integrationsstufen
Beispiele für PILine® Integrationsstufen: OEM-Motor, integrierter OEM-Motor und Linearantrieb
  • RodDrives sind ungeführte und ungeregelte Linearantriebe, die in der Integration Motor-Spindel-Kombinationen ersetzen. Sie können einfach an eine geführte Plattform angekoppelt werden.
  • Die Integration von piezokeramischen Aktoren als OEM-Motoren ist relativ aufwändig, da die optimale Vorspannung zwischen Läufer und Aktor kundenseitig hergestellt werden muss.

Produkte

Produkte

PILine® Ultraschall-Piezomotoren sind klein, schnell und preisgünstig. Ideal geeignet für Anwendungen mit niedrigen Betriebszyklen können sie auch in mobile Mess- oder Medizingeräte als Antrieb integriert werden. Aufgrund ihrer Selbsthemmung ist es nicht erforderlich, die Zielposition wie bei magnetischen Antrieben über zusätzliche Bremsen oder elektrische Ströme zu halten.

>> zu den Produkten

PILine® Ultraschall Piezomotor

Downloads

Technologie PILine® Ultraschall-Piezomotoren
Kompakte Antriebe, Schnell und Selbsthemmend
Pdf 399 K 11/12/14.0
Brochure: PILine Ultrasonic Piezomotors
Small, High-Speed and Cost-Efficient
Pdf 1.3 M BRO47E 06/2015

Patentierte Technologie

Im technologischen Umfeld der Ultraschall-Piezomotoren (PILine®) hält PI folgende Patente oder Patentanmeldungen: 

  • Deutschland
    DE102004024656A1, DE102004044184B4, DE102004059429B4, DE102005010073A1, DE102005039357B4, DE102005039358A1, DE102006041017B4, DE102008012992A1, DE102008023478A1, DE102008058484A1, DE102010022812A1, DE102010047280A1, DE102010055848, DE102011075985A1, DE102011082200A1, DE102011087542B3, DE102011087542B3, DE102011087801B4, DE102011108175, DE102012201863B3, DE19522072C1, DE19938954A1
  • Europa
    EP0789937B1 EP1210759B1, EP1267425B1, EP1581992B1, EP1656705B1, EP1747594B1, EP1812975B1, EP1861740B1, EP1915787B2, EP1938397B1, EP2095441B1, EP2130236B1, EP2153476B1, EP2164120B1, EP2258004B1, EP2608286A2
  • USA
    US2010/0013353A1, US5872418A, US6765335B2, US6806620B1, US6806620B1, US7218031B2, US7598656B2, US7737605B2, US7795782B2, US7834518B2, US7973451B2, US8253304B2, US8344592B2, US8482185B2
  • Japan
    JP2011514131, JP2011522506, JP3804973B2, JP4377956, JP4435695, JP4477069, JP4598128, JP4617359, JP4620115, JP4648391, JP4860862, JP4914895, JP2013539346
  • China
    ZL200380108542.0, ZL200580015994.3, ZL200580029560.9, ZL200580036995.6, ZL200680007223.4, ZL200680030007.1, ZL200680042853.5
  • Internationale Patentanmeldungen
    WO2009059939A2, WO2010121594A1, WO2012048691A2, WO2012113394A1, WO2012155903A1, WO2013034146A3, WO2013117189A2

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