Piezo fürs Feine

Technik konkret

Piezomotoren – Auch Antriebslösungen werden immer kleiner. Piezoelektrische Aktoren eröffnen hier völlig neue Möglichkeiten.

12. November 2009

Ein ungebrochener Trend nicht nur im Maschinenbau ist die zunehmende Miniaturisierung vieler technischer Komponenten. Speziell im Bereich der Antriebstechnik geraten deshalb bewährte Lösungen oft an ihre mechanischen Grenzen. Eine Alternative zur Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung bieten hier Antriebe auf Basis des piezoelektrischen Effekts. Bei solchen Aktoren entsteht eine Bewegung, wenn eine elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird.

Antriebe, die auf dem Piezoeffekt basieren, bieten zahlreiche Vorteile. So bieten sie eine hohe Dynamik und Auflösung und erreichen schon mit klassischen Methoden Stellwege bis zu einem Millimeter mit einer Präzision im Nanometerbereich. Zudem ermöglichen sie Scanfrequenzen bis zu mehreren Kilohertz und können Lasten bis zu mehreren Tonnen bewegen. Da die Bewegung auf einer Umformung des Atomgitters in einem Kristall ohne rotierende oder reibende Teile beruht, sind Piezoaktoren außerdem praktisch wartungs- und verschleißfrei. Elektrisch wirken sie wie kapazitive Lasten und benötigen deshalb im statischen Betrieb keine Leistung.

Industrielle Anwendungen erfordern jedoch nicht nur eine hohe Positioniergenauigkeit: Wichtige Parameter sind auch die realisierbaren Stellwege, hohe Geschwindigkeiten und die Lebensdauer. Für größere Stellwege über mehrere Millimeter werden Piezoaktoren deshalb in anderen Betriebsmodi verwendet, und es entstehen Piezomotoren, die in der Regel als Linearantrieb ausgeführt sind. Im Gegensatz zu konventionellen Motoren muss dabei für die Linearbewegung keine Rotationsbewegung mechanisch umgesetzt werden. Das reduziert die Anzahl verschleißanfälliger Bauteile. Gleichzeitig sind Piezomotoren schnell und erzeugen hohe Kräfte bis 10 Newton, selbst im Ruhezustand. Diese Selbsthemmung im Ruhezustand stellt hohe Haltekräfte sicher und vermeidet damit das Positions- oder Mikroschritt-Zittern klassischer Systeme sowie die Erwärmung durch Halteströme. Zugleich sinkt damit der Energiebedarf.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen arbeiten diese Aktoren entweder als Piezoschreitantriebe für Auflösungen von weit unter einem Mikrometer oder als Piezo-Ultraschallmotoren für Geschwindigkeiten bis zu 0,5 Meter pro Sekunde bei einer Auflösung im 1-Mikrometer-Bereich.

Einsatzmöglichkeiten für Antriebe auf Basis des piezoelektrischen Effekts gibt es deshalb in der Präzisionsmesstechnik ebenso wie bei allgemeinen Handlingsaufgaben. Häufig überzeugen auch die kompakten Abmessungen. Im Kraftbereich bis ungefähr 10 Newton sind Piezomotoren deshalb nicht nur eine Alternative zu bestehenden Lösungen, sondern oft die einzig sinnvolle Möglichkeit. So werden Piezomotoren in Messgeräten, medizinischen Geräten oder Mikroskopiezubehör eingesetzt, um Wettbewerbsvorteile durch Präzision, verbesserte Prozesszeiten oder Zuverlässigkeit zu erzielen. Effiziente elektrische Treiber und eine fortschreitende Miniaturisierung werden in Zukunft weitere Anwendungsbereiche erschließen, etwa bei Automatisierungsaufgaben als Ersatz für elektromagnetische Antriebe oder pneumatische Stößel.

Steffen Arnold, Physik Instrumente (PI)/bt

Erschienen in Ausgabe: 08/2009