Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren, Linearmotortische.

Wenn wir über lineare Bewegungen sprechen, sprechen wir typischerweise von Anwendungen, bei denen der Verfahrweg mindestens einige hundert Millimeter beträgt und die erforderliche Positionierung im Bereich einiger Zehntel Millimeter liegt. Und für diese Anforderungen eignen sich Führungen und Antriebe mit Umlauflagern. Ein typisches Beispiel: Die Steigungsabweichung einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel der Klasse 5 beträgt 26 Mikrometer pro 300 mm Verfahrweg. Wenn die Anwendung jedoch eine Positionierung im Nanometerbereich – einem Milliardstel Meter – erfordert, müssen Ingenieure über mechanische Roll- und Umlaufelemente hinausblicken, um die erforderliche Auflösung zu erreichen.

Die drei häufigsten linearen Bewegungslösungen für die Nanopositionierung sind Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren und Linearmotortische. Der Antriebsmechanismus jeder dieser Lösungen ist völlig 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, um Bewegung und Kraft zu erzeugen. Es gibt viele Arten von Piezoaktoren, aber zwei gängige für die Nanopositionierung sind lineare Schrittmotoren und lineare Ultraschallantriebe. Lineare Schritt-Piezomotoren verwenden mehrere in einer Reihe montierte Piezoelemente, die als „Beinpaare“ fungieren. Wenn eine elektrische Ladung angelegt wird, ergreift ein Beinpaar durch Reibung einen Längsstab und bewegt ihn vorwärts, während die Beine gestreckt und gebeugt werden. Wenn dieses Beinpaar loslässt, übernimmt das nächste Paar. Durch den Betrieb mit extrem hohen Frequenzen erzeugen lineare Schritt-Piezomotoren kontinuierliche lineare Bewegungen mit Hüben von bis zu 150 mm und einer Auflösung im Pikometerbereich.

Lineare Ultraschall-Piezomotoren basieren auf einer piezoelektrischen Platte. Wenn eine elektrische Ladung an die Platte angelegt wird, wird diese mit ihrer Resonanzfrequenz angeregt und versetzt sie in Schwingungen. Diese Schwingungen erzeugen Ultraschallwellen in der Platte. Eine Kupplung (oder Schieber) ist an der Platte befestigt und gegen eine Längsstange (auch Läufer genannt) vorgespannt. Die Ultraschallwellen bewirken, dass sich die Platte elliptisch ausdehnt und zusammenzieht, wodurch die Kopplung den Stab vorwärts bewegt und eine lineare Bewegung erzeugt. Lineare Ultraschall-Piezomotoren können eine Auflösung von 50 bis 80 nm erreichen, wobei der maximale Verfahrweg ähnlich wie lineare 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. Wenn Strom an die Spule angelegt wird, entsteht eine Kraft (die sogenannte Lorentzkraft). Die Größe der Kraft wird durch das Produkt aus Strom und magnetischem Fluss bestimmt.

Diese Kraft bewirkt, dass sich das bewegliche Teil (bei dem es sich entweder um den Magneten oder die Spule handeln kann) bewegt, wobei die Führung entweder durch Luftlager oder Kreuzrollenschlitten erfolgt. Schwingspulenaktoren können eine Auflösung von bis zu 10 nm erreichen, mit Hüben von typischerweise bis zu 30 mm, obwohl einige mit Hüben bis zu 100 mm erhältlich sind.

Linearmotortische

Wenn bei längeren Hüben eine Auflösung im Nanometerbereich erforderlich ist, sind lineare Motortische mit Luftlagern in der Regel die beste Wahl. Während Piezo- und Schwingspulenaktoren nur über begrenzte Verfahrmöglichkeiten verfügen, können Linearmotoren für Verfahrwege von bis zu mehreren Metern ausgelegt werden. Durch die Verwendung von Luftlagern als Führungssystem ist ein Linearmotortisch völlig berührungslos, ohne dass mechanische Übertragungselemente oder Reibung die Bewegung und Positionierungsgenauigkeit beeinträchtigen. Tatsächlich können lineare Motortische mit Luftlagern eine Auflösung von einem Nanometer erreichen.

Der Nachteil von Linearmotortischen für Nanopositionierungsanwendungen ist ihr Platzbedarf, der viel größer ist als der von Piezo- oder Schwingspulenaktoren. Auch wenn die Integration in kleine Geräte schwierig sein kann, eignen sie sich gut für Anwendungen, die einen relativ langen Hub und eine hohe Auflösung erfordern, wie beispielsweise die medizinische Bildgebung.