Piezoelektrische Trägheitsantriebe

Q-Motion® Positionierer: Hochauflösend, klein und preisgünstig

  • Optionaler integrierter Encoder mit 1 nm Auflösung (10 nrad)
  • Miniatur-Linear- und Rotationstische
  • Nichtmagnetisches und vakuumkompatibles Funktionsprinzip
  • Selbsthemmend im Ruhezustand, keine Wärmeentwicklung

Funktionsprinzip

Piezoträgheitsantriebe sind platzsparende und preiswerte piezobasierte Antriebe mit relativ hohen Haltekräften und prinzipiell unbegrenztem Stellweg. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt (Trägheitseffekt) – ein durch das Piezoelement erzeugter zyklischer Wechsel von Haft- und Gleitreibung zwischen einem bewegten Läufer und dem Piezoaktor – für einen kontinuierlichen Vorschub des Läufers. Mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 20 kHz erreichen direkt auf den Läufer wirkende Antriebe Geschwindigkeiten von über 5 mm/s.

Das Trägheitsantriebsprinzip basiert auf einem einzelnen piezoelektrischen Aktor, der über die Treiberelektronik mit einer modifizierten Sägezahnspannung angesteuert wird. Der Aktor dehnt sich langsam aus und nimmt einen Läufer mit. Die schnelle Kontraktion des Aktors kann der Läufer aufgrund seiner Trägheit nicht nachvollziehen und verharrt auf seiner Position.

Tangentialantrieb

Ein seitlich am bewegten Läufer angebrachtes Antriebselement erlaubt lineare oder rotatorische Bewegungen und eine besonders kleine Bauform der Versteller. In Kombination mit geeigneten inkrementellen Encodern, entstehen Linear- und Rotationstische mit einer Breite von knapp über 20 mm und einer Höhe von lediglich 10 mm. Für den ungeregelten Betrieb ohne Sensor sind die Baugrößen der Versteller sogar noch geringer.

Stabantrieb

Stabantriebe bieten eine größere Kopplungsfläche zwischen Piezoaktor und Läufer als tangentiale Antriebe. Daraus resultieren relativ hohe Haltekräfte von bis zu 10 N. Der Läufer wird durch die Innenbohrung des Aktors geführt, was zu einer noch immer sehr kompakten Bauweise des Antriebs führt. Der Stabantrieb ist in Produkten wie dem positionsgeregelten Linearversteller Q-545 mit 45 mm Breite verbaut oder den OEM-Linearaktoren N-412.

PiezoMike Antrieb

Anders als bei den Direktantrieben, bewirkt die Ausdehnung eines PiezoMike Aktors eine Drehbewegung eines Greifers. Da dieser die Feingewindeschraube umfasst erfolgt mit der Bewegung des Greifers auch eine Drehung der Schraube. Durch diese Gewindeuntersetzung werden hohe Haltekräfte bis >100 N erzeugt bei Vorschubkräften von >22 N.


Eigenschaften

Nanometer-Auflösung

In der langsamen Ansteuerungsphase, in welcher der Läufer bewegt wird, verhält sich der Antrieb wie ein klassischer Piezoaktor. Durch die Variation der angelegten Spannung kann der Aktor eine beliebige Position einnehmen und erreicht somit die für Piezokeramiken typische hohe Bewegungsauflösung.

Im Zusammenspiel mit einem hochauflösenden inkrementellen Encoder zur Positionsmessung, wird eine hohe Positioniergenauigkeit und Widerholbarkeit der Bewegung auf langen Stellwegen erzielt.

Geräuschlos und energiesparend

Der Antrieb arbeitet bei der maximalen Betriebsfrequenz von 20 kHz geräuschlos. Im Stillstand ist der Antrieb selbsthemmend, muss nicht bestromt werden und erwärmt sich nicht. Er hält die Position mit maximaler Kraft. Er ist damit prinzipiell geeignet für batteriebetriebene, mobile Anwendungen mit geringen Lastzyklenzahlen. Die Ansteuerspannung variiert dabei abhängig vom Antriebstyp. Sie liegt bei tangentialen Antrieben bei unter 48 V, bei Stabantrieben bis 100 V.

Kostengünstig

Trägheitsantriebe basieren auf einer kostengünstigen Ein-Aktor-Lösung. Die Ansteuerung ist einfach auch in bestehende Schaltungen integrierbar.

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Produkte

Q-521 Q‑Motion® Miniatur-Lineartisch

Kleinster Lineartisch mit Positionsregelung, hoher Auflösung und günstigem Preis

  • Nur 21 mm breit und 10 mm hoch
  • Direkte Positionsmessung mit integriertem inkrementellen Encoder
  • Encoderauflösung bis zu 1 nm
  • Kleinste Schrittweite bis zu 2 nm
  • Aufbau von Mehrachssystemen mit Adapterplatte oder -winkel (optional erhältlich)

Q-545 Q‑Motion® Präzisions-Lineartisch

Hohe Kräfte und kleine Bauform durch Piezomotoren

  • Nur 45 mm breit
  • Antriebskraft 7 N
  • Inkrementelle Sensoren mit Nanometer-Positionsauflösung
  • XY-Kombinationen ohne Adapterplatte möglich

Q-632 Q‑Motion® Rotationstisch

Kompakt durch Piezomotor: 30 mm Durchmesser des Drehtellers

  • Nur 32 mm breit und 8 mm hoch
  • Direkte Positionsmessung mit inkrementellem Encoder mit 0,75 µrad Auflösung
  • Bis zu 3 µrad kleinste Schrittweite
  • Rotationsbereich >360°
  • Geschwindigkeit 45 °/s
Physik Instrumente (PI) PiezoMike N-470

PiezoMike Aktoren mit Dauerstabilität

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Whitepaper

Zuverlässigkeit von Q-Motion® Systemen

Lebensdauer, Vakuum Anwendungen, Verschleiß

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WP4009
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Sonstiges

Poster: PI Piezomotortechnologie

Modellübersicht für die beste Lösung

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POS14E
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