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#Produkttrends
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Lineare Systeme für Nanopositionierung
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Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren, Linearmotor-Tische.
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Wenn wir über lineare Bewegung sprechen, sprechen wir typischerweise über Anwendungen, bei denen der Verfahrweg mindestens einige hundert Millimeter beträgt und die erforderliche Positionierung im Bereich von einigen Zehntel Millimetern liegt. Und für diese Anforderungen sind Führungen und Antriebe mit umlaufenden Lagern gut geeignet. Ein Beispiel: Die Steigungsabweichung für einen herkömmlichen Kugelgewindetrieb der Klasse 5 beträgt 26 Mikrometer pro 300 mm Verfahrweg. Wenn die Anwendung jedoch eine Positionierung im Nanometerbereich erfordert - ein Milliardstel Meter - müssen die Ingenieure über mechanische Wälz- und Umlaufelemente hinausschauen, um die erforderliche Auflösung zu erreichen.
Die drei gebräuchlichsten linearen Bewegungslösungen für die Nanopositionierung sind Piezoaktoren, Schwingspulenaktoren und Linearmotortische. Der Antriebsmechanismus in jeder dieser Lösungen ist völlig frei von mechanischen Wälz- oder Gleitelementen, und sie können für eine hohe Positioniergenauigkeit und Auflösung mit Luftlagern gepaart werden.
Piezo-Aktuatoren
Piezoaktoren (auch Piezomotoren genannt) machen sich den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zunutze, um Bewegung und Kraft zu erzeugen. Es gibt viele Arten von Piezoaktoren, aber zwei gebräuchliche für die Nanopositionierung sind lineare Schrittmotoren und lineare Ultraschallmotoren. Lineare Schrittpiezomotoren verwenden mehrere in einer Reihe montierte Piezoelemente, die als "Beinpaare" fungieren Wenn eine elektrische Ladung angelegt wird, greift ein Beinpaar durch Reibung einen Längsstab und bewegt ihn beim Ausfahren und Biegen der Beine vorwärts. Wenn sich dieses Beinpaar löst, übernimmt das nächste Beinpaar die Führung. Durch den Betrieb bei extrem hohen Frequenzen erzeugen lineare Schrittpiezomotoren eine kontinuierliche lineare Bewegung mit Hüben von bis zu 150 mm und mit einer Auflösung im Pikometerbereich.
Lineare Ultraschall-Piezomotoren basieren auf einer piezoelektrischen Platte. Wenn eine elektrische Ladung an die Platte angelegt wird, wird diese auf ihrer Resonanzfrequenz angeregt, wodurch sie in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingungen erzeugen Ultraschallwellen in der Platte. Eine Kupplung (oder ein Schieber) ist an der Platte befestigt und gegen einen Längsstab (auch Läufer genannt) vorgespannt. Die Ultraschallwellen bewirken, dass sich die Platte elliptisch ausdehnt und zusammenzieht, so dass die Kupplung den Stab vorwärts bewegen und eine lineare Bewegung erzeugen kann. Lineare Ultraschall-Piezomotoren können eine Auflösung von 50 bis 80 nm erreichen, wobei der maximale Verfahrweg ähnlich wie bei linearen Schrittmotoren bei 100 bis 150 mm liegt.
Schwingspulenaktoren
Eine weitere Lösung für Nanopositionierungsanwendungen sind Schwingspulenaktoren. Ähnlich wie Linearmotoren verwenden Schwingspulenaktoren ein Permanentmagnetfeld und eine Spulenwicklung. Wenn Strom an die Spule angelegt wird, wird eine Kraft erzeugt (bekannt als Lorentz-Kraft). Die Größe der Kraft wird durch das Produkt aus dem Strom und dem magnetischen Fluss bestimmt.
Diese Kraft veranlasst das bewegliche Teil (das entweder der Magnet oder die Spule sein kann), sich zu bewegen, wobei die Führung entweder durch Luftlager oder gekreuzte Rollenschlitten erfolgt. Schwingspulenaktoren können eine Auflösung von bis zu 10 nm erreichen, mit Hüben von typischerweise bis zu 30 mm, obwohl einige mit Hüben von bis zu 100 mm erhältlich sind.
Linearmotor-Tische
Wenn bei längeren Hüben eine Auflösung im Nanometerbereich erforderlich ist, sind Linearmotortische mit Luftlagern in der Regel die beste Wahl. Während Piezo- und Schwingspulenaktoren nur über begrenzte Verfahrwege verfügen, können Linearmotoren für Verfahrwege bis zu mehreren Metern ausgelegt werden. Durch die Verwendung von Luftlagern als Führungssystem ist ein Linearmotortisch völlig berührungslos, ohne mechanische Übertragungselemente oder Reibung, die die Bewegung und Positioniergenauigkeit beeinflussen. Tatsächlich können Linearmotortische mit Luftlagern eine Auflösung von einem Nanometer erreichen.
Die Kehrseite der Linearmotor-Tische für Nanopositionieranwendungen ist ihr Platzbedarf, der viel größer ist als der von Piezo- oder Schwingspulenaktoren. Obwohl es schwierig sein kann, sie in kleine Geräte zu integrieren, eignen sie sich gut für Anwendungen, die einen relativ langen Hub und eine hohe Auflösung erfordern, wie z.B. die medizinische Bildgebung.