Mechanische und optomechanische Komponenten hochauflösend und stabil positionieren

Piezobasierte Linearaktoren übernehmen eine zuverlässige und automatisierte Ausrichtung des Strahlengangs optischer Aufbauten

Linsen, Spiegel, Shutter oder Blenden sind wichtige Bestandteile in Mess- und Medizingeräten, in wissenschaftlichen Aufbauten oder in Einrichtungen zur Laserstrahlsteuerung. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, sind nicht nur stabile und hochauflösende Antriebe für die Positionierung der mechanischen und optomechanischen Komponenten erforderlich, sondern Aktoren, die auch möglichst klein sind, um nicht zu viel Raum im Experiment einzunehmen.

PiezoMike Linearaktoren

Hier können piezobasierte Linearaktoren weiterhelfen: Die platzsparenden Antriebe arbeiten mit einer Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich und ersetzen in Laboraufbauten oder in Kippspiegelmechaniken die manuell zu betätigenden Mikrometerschrauben.

Kompakt und präzise
 

Der kompakte PiezoMike Linearaktor N-470 kann beispielsweise diese Aufgaben übernehmen: Der Linearaktor besitzt eine hohe Bewegungsauflösung von typisch 20 nm und ist so in der Lage, Komponenten sehr präzise zu justieren.

 

Kraftvoll und langzeitstabil
 

Der N-470 hält die Position außerdem langzeitstabil und ist erschütterungs- und vibrationsfest. Er verfügt über eine Haltekraft >100 N und eine Vorschubkraft von >20 N und gewährleistet zuverlässiges Anlaufen auch nach langen Stillstandzeiten. Daher ist der Linearaktor auch ideal geeignet für „Set-and-forget“-Anwendungen, die über lange Zeiträume mit identischen Einstellungen arbeiten.

Seine hohe Halte- und Vorschubkraft und hohe Auflösung erreicht der N-470 durch die Kombination eines Piezomotors mit einer mechanischen Gewindeübersetzung. Dadurch ist er selbsthemmend im Stillstand und muss nicht bestromt werden.

 

Zuverlässig
 

PiezoMike Linearaktoren machen eine Milliarde Schritte, laufen 20 Meter oder drehen die Schraube 20.000-mal. PI spezifiziert die Lebensdauer so, dass nach dieser Einsatzzeit die ursprüngliche Schrittweite um max. 30 % gesunken ist. Auch nach langen Stillstandzeiten gewährleistet der N-470 ein zuverlässiges Anlaufen.

Das Antriebsprinzip macht's möglich

Der piezomotorische Antrieb des N-470 basiert auf dem Trägheitsprinzip (Stick-Slip-Effekt). Trägheitsantriebe nutzen einen durch das Piezoelement erzeugten zyklischen Wechsel von Haft- und Gleitreibung zwischen einem bewegten Läufer, im Falle des N-470, einer Feingewindeschraube, und dem Piezoaktor. Dieser bewirkt einen kontinuierlichen Vorschub des Läufers mit typischerweise 20 nm pro Schrittzyklus.

So funktioniert's

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung dehnt sich der Piezoaktor langsam aus. Diese Ausdehnung bewirkt eine Drehbewegung des Greifers. Da dieser die Feingewindeschraube umfasst erfolgt mit der Bewegung des Greifers auch eine Drehung der Schraube. Hat der Piezoaktor seine maximale Ausdehnung erreicht, zieht er sich schnell zusammen und der Greifer geht in seine Ausgangsposition zurück. Durch die schnelle Kontraktion gleitet der Greifer um die Schraube. Diese verharrt aufgrund ihrer Massenträgheit in ihrer Position. Dieser Zyklus kann jederzeit wiederholt werden, um durch die Drehung der Schraube den gewünschten Vorschub des Abtriebs zu erreichen. Nach diesem Prinzip ist auch eine Bewegung in entgegengesetzter Drehrichtung möglich.

Und wie wird der N-470 angesteuert?

Die Ansteuerelektronik E-872 speziell auf die Anforderungen der PiezoMike Linearaktoren abgestimmt. Eine Endstufe kann in einem Gerat bis zu vier Kanäle seriell ansteuern, wodurch auch die Anschaffungskosten gering gehalten werden.

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Über den Autor

Doris Knauer

Projektleiterin Marketingkampagnen, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

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