Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren, Linearmotorstufen.

Wenn wir über lineare Bewegung sprechen, geht es typischerweise um Anwendungen, bei denen der Verfahrweg mindestens einige hundert Millimeter beträgt und die erforderliche Positionierung im Bereich von wenigen Zehntel Millimetern liegt. Für diese Anforderungen eignen sich Führungen und Antriebe mit Umlauflagern gut. Ein typisches Beispiel: Die Steigungsabweichung eines gängigen Kugelgewindetriebs 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 Umlaufelemente hinausgehen, um die erforderliche Auflösung zu erreichen.

Die drei gängigsten Linearbewegungslösungen für die Nanopositionierung sind Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren und Linearmotoren. Der Antriebsmechanismus dieser Lösungen ist vollständig frei von mechanischen Roll- oder Gleitelementen und kann für eine hohe Positioniergenauigkeit und Auflösung mit Luftlagern kombiniert werden.

Piezoaktoren

Piezoaktoren (auch Piezomotoren genannt) nutzen den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zur Erzeugung von Bewegung und Kraft. Es gibt viele Arten von Piezoaktoren, aber zwei gängige für die Nanopositionierung sind lineare Schrittmotoren und lineare Ultraschallmotoren. Lineare Piezoschrittmotoren verwenden mehrere in einer Reihe montierte Piezoelemente, die als „Beinpaare“ fungieren. Bei Anlegen einer elektrischen Ladung greift ein Beinpaar durch Reibung einen Längsstab und bewegt ihn vorwärts, während sich die Beine ausdehnen und biegen. Sobald dieses Beinpaar loslässt, übernimmt das nächste Paar. Durch den Betrieb mit extrem hohen Frequenzen erzeugen lineare Piezoschrittmotoren 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, wird sie mit ihrer Resonanzfrequenz angeregt und schwingt. Diese Schwingungen erzeugen Ultraschallwellen in der Platte. Eine Kupplung (oder ein Stößel) ist an der Platte befestigt und gegen eine Längsstange (auch Läufer genannt) vorgespannt. Die Ultraschallwellen bewirken eine elliptische Ausdehnung und Kontraktion der Platte, wodurch die Kupplung die Stange vorwärtsbewegen und eine lineare Bewegung erzeugen kann. Lineare Ultraschall-Piezomotoren erreichen eine Auflösung von 50 bis 80 nm, wobei der maximale Hub, ähnlich wie bei linearen Schrittmotoren, bei 100 bis 150 mm liegt.

Schwingspulenaktoren

Eine weitere Lösung für Nanopositionierungsanwendungen sind Schwingspulenaktoren. Ähnlich wie Linearmotoren nutzen Schwingspulenaktoren ein Permanentmagnetfeld und eine Spulenwicklung. Wird die Spule mit Strom beaufschlagt, erzeugt sie eine Kraft (die sogenannte Lorentzkraft). Die Stärke der Kraft wird durch das Produkt aus Stromstärke und magnetischem Fluss bestimmt.

Diese Kraft bewirkt, dass sich das bewegliche Teil (entweder der Magnet oder die Spule) bewegt, wobei die Führung entweder durch Luftlager oder Kreuzrollenführungen erfolgt. Schwingspulenaktoren können eine Auflösung von bis zu 10 nm erreichen, wobei der Hub typischerweise bis zu 30 mm beträgt, obwohl einige auch mit Hüben bis zu 100 mm erhältlich sind.

Linearmotortische

Wenn eine Auflösung im Nanometerbereich über längere Hübe erforderlich ist, sind Linearmotortische mit Luftlagern in der Regel die beste Wahl. Während Piezo- und Schwingspulenaktoren nur begrenzte Verfahrwege bieten, können Linearmotoren für Verfahrwege von bis zu mehreren Metern ausgelegt werden. Durch den Einsatz von Luftlagern als Führungssystem ist ein Linearmotortisch vollständig berührungslos, ohne dass mechanische Übertragungselemente oder Reibung die Bewegungs- und Positioniergenauigkeit beeinträchtigen. Tatsächlich erreichen Linearmotortische mit Luftlagern eine Auflösung von einem Nanometer.

Der Nachteil von Linearmotoren für Nanopositionierungsanwendungen ist ihr deutlich größerer Platzbedarf als bei Piezo- oder Schwingspulenaktoren. Ihre Integration in kleine Geräte kann zwar eine Herausforderung sein, eignet sich aber gut für Anwendungen, die einen relativ großen Hub und eine hohe Auflösung erfordern, wie beispielsweise die medizinische Bildgebung.