Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren, Linearmotorstufen.

Bei linearen Bewegungen sprechen wir typischerweise von Anwendungen mit Verfahrwegen von mindestens einigen hundert Millimetern und Positioniergenauigkeiten im Bereich von wenigen Zehntelmillimetern. Für diese Anforderungen eignen sich Führungen und Antriebe mit Kugelumlauflagern gut. Ein Beispiel: Die Steigungsabweichung einer gängigen Kugelgewindespindel der Klasse 5 beträgt 26 Mikrometer pro 300 mm Verfahrweg. Erfordert die Anwendung jedoch eine Positionierung im Nanometerbereich – einem Milliardstel Meter –, müssen Ingenieure über mechanische Wälz- und Kugelumlaufelemente hinausdenken, um die erforderliche Auflösung zu erreichen.

Die drei gängigsten Lösungen für die Nanopositionierung mittels linearer Bewegung sind Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren und Linearmotoren. Der Antriebsmechanismus dieser Lösungen ist vollständig frei von mechanischen Wälz- oder Gleitelementen und kann für hohe Positioniergenauigkeit und -auflösung mit Luftlagern kombiniert werden.

Piezo-Aktuatoren

Piezoaktoren (auch Piezomotoren genannt) nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt, um Bewegung und Kraft zu erzeugen. Es gibt viele verschiedene Arten von Piezoaktoren, zwei gängige für die Nanopositionierung sind jedoch lineare Schrittmotoren und lineare Ultraschallmotoren. Lineare Schrittmotoren verwenden mehrere in einer Reihe angeordnete Piezoelemente, die als „Beine“ fungieren. Wird eine elektrische Ladung angelegt, greift ein Beinpaar durch Reibung in eine Längsstange und bewegt diese vorwärts, indem sich die Beine ausdehnen und biegen. Sobald sich dieses Beinpaar löst, übernimmt das nächste. Durch den Betrieb mit extrem hohen Frequenzen erzeugen lineare Schrittmotoren kontinuierliche lineare Bewegungen mit Hüben von bis zu 150 mm und einer Auflösung im Pikometerbereich.

Lineare Ultraschall-Piezomotoren basieren auf einer piezoelektrischen Platte. Wird die Platte elektrisch geladen, gerät sie in Resonanz mit ihrer Resonanzfrequenz in Schwingung. Diese Schwingungen erzeugen Ultraschallwellen in der Platte. Ein Kupplungsglied (auch Schieber genannt) ist an der Platte befestigt und gegen eine Längsstange (auch Läufer genannt) vorgespannt. Die Ultraschallwellen bewirken eine elliptische Ausdehnung und Kontraktion der Platte, wodurch das Kupplungsglied die Stange vorwärtsbewegt und eine lineare Bewegung erzeugt. Lineare Ultraschall-Piezomotoren erreichen eine Auflösung von 50 bis 80 nm und einen maximalen Verfahrweg von 100 bis 150 mm, ähnlich dem von linearen Schrittmotoren.

Schwingspulenaktuatoren

Eine weitere Lösung für Nanopositionierungsanwendungen sind Schwingspulenaktuatoren. Ähnlich wie Linearmotoren nutzen Schwingspulenaktuatoren ein Permanentmagnetfeld und eine Spulenwicklung. Wird Strom an die Spule angelegt, entsteht eine Kraft (die sogenannte Lorentzkraft). Deren Stärke ergibt sich aus dem Produkt von Stromstärke und magnetischem Fluss.

Diese Kraft versetzt das bewegliche Teil (Magnet oder Spule) in Bewegung, wobei die Führung entweder durch Luftlager oder gekreuzte Rollenführungen erfolgt. Schwingspulenantriebe erreichen eine Auflösung bis zu 10 nm bei typischen Hüben bis zu 30 mm, wobei auch Modelle mit Hüben bis zu 100 mm erhältlich sind.

Linearmotorstufen

Wenn Nanometergenauigkeit über längere Hübe erforderlich ist, sind Linearmotortische mit Luftlagern in der Regel die beste Wahl. Während Piezo- und Schwingspulenaktuatoren nur begrenzte Verfahrwege aufweisen, lassen sich Linearmotoren für Verfahrwege von bis zu mehreren Metern auslegen. Durch den Einsatz von Luftlagern als Führungssystem arbeitet ein Linearmotortisch berührungslos, ohne mechanische Übertragungselemente oder Reibung, die die Bewegungs- und Positioniergenauigkeit beeinträchtigen könnten. Tatsächlich erreichen Linearmotortische mit Luftlagern eine Auflösung im Nanometerbereich.

Der Nachteil von Linearmotoren für Nanopositionierungsanwendungen liegt in ihrer deutlich größeren Stellfläche im Vergleich zu Piezo- oder Schwingspulenaktuatoren. Obwohl ihre Integration in kleine Geräte eine Herausforderung darstellen kann, eignen sie sich gut für Anwendungen, die einen relativ langen Hub und eine hohe Auflösung erfordern, wie beispielsweise in der medizinischen Bildgebung.