Piezoaktoren mit und ohne Führung

Die Bewegung von Piezoaktoren beruht auf Festkörpereffekten, wodurch ihre Auflösung im Prinzip unbegrenzt ist.
Ihre Steifigkeit ist sehr hoch und ermöglicht große Kraftentwicklung und Dynamik.
Die schnelle Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich ist eine Folge der hohen Resonanzfrequenz von mehreren Hundert Kilohertz.
Der verfügbare Stellweg beträgt einige Hundert Mikrometer.

Piezokeramische Aktoren sind unempfindlich gegenüber Druckkräften, müssen aber vor Zug- und Scherbelastungen geschützt werden. Ein Gehäuse entkoppelt mechanisch seitliche Kräfte und isoliert die elektrische Kontaktierung.

Zwischen Gehäuse und Piezokeramik wird z. B. über eine Feder eine Vorspannung aufgebracht. Das beugt Zugkräften vor, wie sie im dynamischen Betrieb durch die träge Masse der Last verursacht werden.

Präzise geradlinige Bewegungen erfordern das Einbetten des Piezoaktors in eine Führung. Dies ist in der Regel eine biegsame Festkörperführung (Flexure), die reibungsfrei ist und bei den möglichen Stellwegen bis zu wenigen Millimetern eine hysteresefreie Bewegung erlaubt.

Ideal übernimmt dieses mechanische Führungskonzept auch die Kraftentkopplung und Vorspannung, ohne dabei die Systemsteifigkeit negativ zu beeinflussen.

Die Auslenkungen von Piezostapelaktoren ("Stacks") betragen typischerweise bis zu einigen zehn Mikrometern, maximal können einige 100 Mikrometer erreicht werden. Die Flexure-Festkörperführung kann so gestaltet werden, dass sie wie ein mechanischer Hebel wirkt. Die Auslenkung des Piezoaktors wird so mechanisch vergrößert und wenn nötig in eine andere Richtung geführt.

Hebelübersetzte Systeme sind sehr anspruchsvoll im Design: Sie sollen zum einen das seitliche Auswandern verhindern und zum anderen geradlinig führen, obwohl der Hebel immer über einen Drehpunkt führt.

Die Vergrößerung des Hubs geht außerdem auf Kosten der Steifigkeit. Die Flexureführung kann so ausgelegt werden, dass auch für die weitere Integration keine zusätzliche Führung erforderlich ist. Festkörpergelenke werden als Führungs- und Hebelsystem auch in höher integrierten Piezosystemen eingesetzt.

Hebelübersetzung ermöglicht Stellwege bis zu mehreren mm — Einfache Hebelübersetzung: Der Punktkontakt entkoppelt Scherkräfte und damit Zugspannungen an der Piezokeramik

PiezoMove® Aktoren kombinieren geführte Bewegung und lange Stellwege bis 1 mm sowie optional einen Sensor, der Genauigkeiten im Bereich bis 10 Nanometern zulässt. Durch die hochpräzisen, reibungsfreien Festkörperführungen wird eine sehr hohe Steifigkeit erreicht, zugleich auch ein extrem geringes seitliches Auswandern.

Damit sind sie leichter handhabbar als ein einfacher Piezoaktor, aber dennoch besonders kompakt. Die Zahl und Größe der eingesetzten Piezoaktoren beeinflussen die Steifigkeit und Krafterzeugung. Aufgrund dieser Eigenschaften, ihren geringen Abmessungen und des kostengünstigen Designs eignen sich die PiezoMove® Hebelaktoren speziell für OEM-Anwendungen.

PiezoMove^® Hebelaktoren

PiezoMove® OEM-Hebelaktoren mit eingebauter Führung

PI bietet verschiedene Integrationsstufen für Piezoaktoren an. Diese reichen von der reinen Antriebskomponente über einachsige Versteller mit integriertem Nanopositioniersensor bis zum hochkomplexen, mehrachsigen Positioniertisch mit digitaler Ansteuerung:

	Stapelaktoren	Hebelaktoren	Positioniersysteme
Stellwege	bis ca. 300 µm	bis 1 mm	bis 1 mm
Bewegte Achsen	eine	eine	bis zu 3 Linear- und 3 Kippachsen
Sensorik	optionale DMS	optionale DMS	DMS oder direkt messende kapazitive Sensoren
Linearität	bis 99,8 %	bis 99,8 %	über 99,9 %
Führung	keine	Festkörpergelenke für Verkippungen <10''	Festkörpergelenke für Verkippungen <2''
Platzbedarf	gering	gering	Abhängig von der Ausstattung
Preis	gering	gering	Abhängig von der Ausstattung
Integrationsaufwand	mittel	gering	niedrig