antriebstechnik 11/2017

Die Piezo-Technologie

Die Piezo-Technologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, nicht zuletzt aufgrund der gestiegenen Anforderungen aus Industrie und Forschung. War früher der Nanometer der Gradmesser, liegen die Auflösungen von Piezo-Aktoren heute bereits im Sub-Nanometer- Bereich. Auch die Positionsstabilität und die Reaktionszeiten haben sich stetig verbessert. Die Grenzen des physikalisch Möglichen sind noch lange nicht erreicht. Jedoch: Ein paar Hürden gibt es noch. Die Zukunft liegt im (ganz) Kleinen Piezo-Aktoren ermöglichen hochgenaue Positionierungen in individuellen Kundenanwendungen Seit Jahrzehnten wird bei der Positionierung im Mikro- und Nanobereich auf piezoelektrische Aktoren gesetzt. Hierbei wird der inverse Piezo-Effekt genutzt, um durch Anlegen einer Spannung an einen Festkörper eine Längenänderung hervorzurufen. Richtig eingesetzt, kann damit z. B. eine Probe, ein Werkstück oder ein Objektiv in bis zu sechs Achsen bewegt werden. Die Aufgabenstellung war dabei sehr vielfältig. Ob es um das Anfahren und Halten einer bestimmten Position, das Ausführen schneller Sprünge, die schnelle Reaktion auf einen bestimmten Trigger oder eine gute Bahntreue bei vorgegebener Bewegung ging, Piezo-Aktoren waren mit Blick auf die erreichbaren Genauigkeiten stets das Mittel der Wahl. Natürlich gab es auch im Bereich alternativer Positioniersysteme durchaus beachtliche Entwicklungen, gleichzeitig verkleinerten sich aber die zu positionierenden Größen. So kommt man auch heute nicht an Piezo-Aktoren vorbei, wenn es um hochgenaue Positionierungen geht. Hohe Anforderungen treiben die Entwicklung voran Zwei Anwendungen stehen exemplarisch für die im Laufe der vergangenen Jahre verschärften Herausforderungen. Betrachtet man z. B. die Fotolithographie zur Herstellung von Computerchips, so konnte in den letzten 50 Jahren eine drastische Verkleinerung der Strukturgröße beobachtet werden. Während diese in den 70er- und 80er-Jahren noch im Bereich einiger Mikrometer lag, ist man aktuell im Bereich von 10 nm angekommen. Dieser Prozess der Miniaturisierung wird in den letzten Jahren zwar langsamer, ein Ende der stetigen Erhöhung der Anforderungen ist allerdings noch nicht erreicht. Denn nicht nur, dass die Größe der Leiterbahnen drastisch verkleinert wurde, gleichzeitig soll zur Kostenreduktion auch die Anzahl integrierter Schaltkreise pro Wafer und damit die Packungsdichte der Siliziumchips gesteigert und zusätzlich die Bewegungs- und Bearbeitungsgeschwindigkeit in den Maschinen erhöht werden. Erreicht wird dies durch Piezo-Aktoren, die zum einen die geforderte hohe Positioniergenauigkeit und -geschwindigkeit erreichen, zum anderen durch geschickte Auslegung der Führungen eine gute Bahntreue zeigen. Ein zweites Beispiel liefert die Mikroskopie. Moderne Verfahren der Sted-Mikroskopie machen es möglich, Strukturen im Bereich weniger Nanometer aufzulösen. Stefan W. Hell wurde 2014 für die Entwicklung dieses revolutionären Mikroskopie- Verfahrens zusammen mit Eric Betzig und William E. Moerner für die Entwicklung einer Einzelmolekül-Mikroskopie mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt. Die Gruppe um Prof. Dr. Hell konnte dabei selbst neuronale Zellen im Gehirn einer lebendigen Maus untersuchen. Hierfür wurde am Sted- Mikroskop u. a. ein Fokussiersystem von Piezosystem Jena eingesetzt. Neben einem optimalen Fokus ist für eine solche Aufgabe auch die Fähigkeit notwendig, einen Scanvorgang schnell, präzise und reproduzierbar durchzuführen. 42 antriebstechnik 11/2017

SENSORIK UND MESSTECHNIK Der Micro Tritor ist das kleinste Drei-Achsen-Posi tioniersystem mit einem Verfahrbereich bis zu 9 µm Abgesehen von den genannten Anwendungen bezogen sich die zu lösenden Aufgabenstellungen in den vergangenen Jahren auch auf hohe Positionsstabilitäten über viele Stunden, schnelle Sprünge im Mikrometerbereich oder eine hohe Folgegenauigkeit auf einer vorgegebenen Bahn. Auflösungen im Bereich von 0,5 nm bei Hüben von 500 µm, Zusatzlasten über 3 kg oder eine gegenseitige Beeinflussung einzelner Achsen unterhalb von 10 nm sind Werte, welche die Aktoren von Piezosystem Jena bereits heute erbringen können. Einzeln sind die genannten Anforderungen auch mit Standardelementen sehr gut lösbar. Die Zukunft birgt die Herausforderung, all diese Eigenschaften in einem Piezo­ Aktor kombiniert erfüllen zu müssen. Praktische Hürden, praktische Lösungen 01 Die Schwierigkeit der Kombination einzelner Merkmale besteht dabei in ihrer gegenseitigen Einflussnahme. Als Beispiel soll die mögliche Auflast dienen. Mit steigender Zusatzmasse sinkt die Resonanzfrequenz eines Aktors. Der Zusammenhang wird durch eine Wurzelfunktion beschrieben, sodass als grobe Richtgröße eine Verdoppelung der Zusatzmasse eine Verringerung der Resonanzfrequenz um 30 % bedeutet. Die Resonanzfrequenz bestimmt maßgeblich die maximale Bewegungsgeschwindigkeit. Um ein Aufschwingen des Aktors zu verhindern, sollte er stets unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben werden. Eine Herabsetzung der Resonanzfrequenz verringert daher die maximal möglichen Ansteuerfrequenzen. Als Gegenmaßnahme wird in der Regel die Steifigkeit des Systems erhöht, indem z. B. die Gelenke stärker dimensioniert werden. Dies wiederum hat Auswirkungen auf den erreichbaren Hub. Man kann diese Kette fortsetzen, bis man wieder bei einer notwendigen Reduzierung der Masse ist und sich der Kreis somit schließt. Eine typische Piezo-Keramik mit einer Länge von 20 mm erreicht eine Längenausdehnung von 20 µm bei Ansteuerung mit 150 V. Um auch größere Hübe zu erreichen, werden wegübersetzte Systeme eingesetzt. Sie zeigen einen praktisch zu vernachlässigenden Verschleiß, sodass Piezo-Aktoren eine sehr hohe Lebensdauer zeigen. Auch hier gilt allerdings: Die Übersetzung wirkt sich negativ auf die Eigenschaften des Gesamtsystems aus und muss bei der Auslegung des Aktors berücksichtigt werden. Gefragt sind daher immer häufiger Konzepte für komplexe Systeme, die gleichzeitig auf mehrere Anforderungen hin optimiert werden müssen. Um dies zu bewerkstelligen, ist die Kenntnis der Rahmenbedingungen von entscheidender Wichtigkeit. Neben offensichtlichen Einflüssen wie Vibrationen durch andere Geräte in der Zusammenhang Typische Werte übersetzt unübersetzt Hub L L = L 0 × TF 20–1 500 μm 5–20 μm Steifigkeit c c ges = c F + c T / TF 2 0,1–3 N/μm bis 200 N/μm Resonanzfrequenz f res f res res = f 0 / TF 0,1–5 kHz bis 100 kHz Kräfte F F = F 0 / TF 1–50 N bis > 10 kN 02 Einfluss des Übersetzungsverhältnisses TF auf wichtige Aktoreigenschaften bei übersetzten Systemen Vergleich verschiedener Positioniermöglichkeiten bezüglich ihres Hubes und typischer Auflösungen Positioniermethode Unübersetzter Piezo-Aktor Übersetzter Piezo-Aktor Piezo- Linearmotor Schrittmotor Servomotor Hub in mm < 0,1 < 1,5 > 10 > 100 > 100 Auflösung in nm 0,1 0,5 0,5 5 100 Anwendungsumgebung betrifft dies auch die Temperaturstabilität oder den Luftstrom innerhalb des Aufbaus. Je besser der Entwickler des Piezo-Aktors über die Einsatz- und Umgebungsbedingungen Bescheid weiß, desto präziser erfolgt eine individuelle Anpassung der Positionierlösung auf die Kundenanwendung. So können Störeinflüsse z. B. durch die Auslegung von Führungsgelenken oder den Einsatz dämpfender Elemente reduziert werden. Das Maximum herausholen Neben der Modellierung der mechanischen Komponenten muss ein zweiter Fokus auch auf den elektronischen Komponenten liegen. So hat das Verstärkerrauschen einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Positioniergenauigkeit, da das Spannungsrauschen am Piezo-Aktor direkt zu einem Positionsrauschen führt. Bei einem Piezo-Aktor mit einem Bewegungsbereich von 500 µm bei Ansteuerung mit 150 V führt ein Verstärkerrauschen von 0,3 mV zu einem Bewegungsrauschen von 1 nm. Das D-Drivepro von Piezosystem Jena kann sogar mit einem Rauschen von nur 0,15 mV aufwarten. Zwar kann es durch die Verwendung effizienter elektronischer Filter reduziert werden, diese erhöhen allerdings die Signallaufzeiten und verringern daher die Folgegenauigkeit im dynamischen Betrieb. Die Experten von Piezosystem Jena konnten dabei in einem aktuellen Entwicklungsprojekt die Folgegenauigkeit durch eine geschickte Signalanpassung noch einmal wesentlich verbessern. Natürlich werden auch in Zukunft Standardelemente zur Lösung von Standardaufgaben Bestandteil des Produktportfolios bei Piezo-Aktoren gehören. In vielen Anwendungen liefern diese zuverlässig die gewünschten Ergebnisse. Wenn es aber darum geht, alte Anwendungsgrenzen zu überschreiten und das Maximum aus den Elementen herauszuholen, sind Lösungen gefragt, die speziell auf die Kundenanwendung optimiert sind. Diese Optimierung ist die spannende und herausfordernde Aufgabe der Konstrukteure von heute und morgen. www.piezosystem.com antriebstechnik 11/2017 43