WHITEPAPER – TECHNISCHER FORTSCHRITT MIT PIEZO-ULTRASCHALLMOTOREN
Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Technischer Fortschritt mit Piezo-Ultraschallmotoren
Präzise, schnell, energiesparend und kompakt

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

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Die Wahl des passenden Antriebssystems kann ein

PILine Ultraschallmotoren eignen sich für eine Vielzahl

entscheidendes

Kriteriumvonweiterer Anwendungen, bei denen ebenfalls eine geringe

Mitbewerbern

abzuheben.

Faktoren

Größe, hohe Geschwindigkeit, große Zuverlässigkeit undsein,

um

sich

Zahlreiche

beeinflussen die Wahl: der zur Verfügung stehende
Einbauplatz, die benötigten Geschwindigkeiten undEnergieeffizienz entscheidende Faktoren sind.

zuletzt die Zuverlässigkeit der gewählten Motorisierung.

Piezo-Ultraschallmotoren: präzise,schnell, energiesparend undkompaktWenn die Anforderungen steigen, können heute Piezo-Das Prinzip eines Piezo-Ultraschallmotors bietet große

Ultraschallmotoren als zuverlässige, praxisgerechte undZuverlässigkeit, denn der Motor besteht nur aus einer

preisgünstige Alternative zur klassischen Gleichstrom

Piezokeramik,

oder

Kopplungselement.

Beschleunigungensowie

dieerforderliche

Positioniergenauigkeit, der Energieverbrauch und nicht

Schrittmotor/Spindelkombination

verwendet

werden.
PILine®

einer

Federundeinem

Die mit einigen 100 kHz hochfrequent schwingende
PhysikKeramik wird tangential gegen den Läufer vorgespannt

Instrumente (PI) arbeiten nach einem einfachen Prinzip

und erzeugt durch ihre Schwingung einen Vorschub, derund zeichnen sich durch eine kompakte Form, höhere

so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus

Antriebs-antreibt. Dabei können sowohl Drehbewegungen als

Piezo-Ultraschallmotoren

undHaltekräftevonundextremhohe

Geschwindigkeiten und Beschleunigungen aus. Die
Qualität

undLebensdauervon®

PILineUltraschallmotoren basieren auf vier Jahrzehnten anErfahrung mit Piezo-Antriebstechnologie.

Ultraschallmotoren an und gewährleistet somit eine hohefürseine

Integrationsmöglichkeiten

Jeder Schwingungszyklus bewegt den Läufer um einige
Nanometer; insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige,präzise Bewegung mit unbegrenztem Stellbereich.

®

PI bietet verschiedene Integrationsstufen für PILine
Flexibilität

auch lineare Bewegungen erzeugt werden (Abb. 1).

Kunden.

Die

Vorteile

derwerden

amBeispiel

derneuesten in der Geodäsie eingesetzten Totalstation derPiezo-Ultraschallmotoren sindzuverlässigeundbesonders kompakte,

wartungsfreie

Antriebe,

dieselbsthemmend im Ruhezustand und von Natur aus
nichtmagnetisch und vakuumkompatibel sind.

Leica Geosystems AG dargestellt.

Abb. 1 Effektiv und einfach lassen sich mit PiezoUltraschallmotoren lineare Bewegungen realisieren
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Abb. 2 Piezo-Ultraschallantriebe werden inverschiedenen Integrationsstufen angeboten (von links):
positionsgeregelter, geführter Linearaktor, OEM-Motorund RodDrive Antrieb. Dadurch lassen sie sich gut an
die jeweilige Applikation anpassen
Piezo-Ultraschallmotoren

eignenGeschwindigkeiten

etwabissich0,5m/szudem

fürundhoheBeschleunigungen. Sie erschließen sich somit viele
Anwendungsbereiche, da sie oft ein zuverlässiger undpreisgünstiger Ersatz für klassische Motor-SpindelKombinationen sind.
PI bietet mit der PILinePILine®

Ultraschallmotoren

Produktklassen

integriertsindin(Abb.

2).

verschiedenen
OEMMotoren

besitzen den niedrigsten Grad der Integration undbedingen einigen Aufwand für den Einbau. Motor undLäufer in der erforderlichen Länge müssen in den®

Serie eine breite Palette an

Positioniersystemen mit Piezo-Ultraschallmotoren, die inverschiedene Integrationsstufen für kundenspezifischeAnforderungen angeboten werden. So sind PILine®
Ultraschallmotoren sowohl als OEM Komponenten alsauchPILine® Integrationsstufe

Präzisionsversteller

mitundohne

Positionsregelung erhältlich.

mechanischen Aufbau integriert werden.
Für den Betrieb sind eine geeignete Vorspannung desKopplungselements

gegenFührungsmechanismen

denLäuferundIst

ein

erforderlich.

positionsgeregelter Betrieb erwünscht, muss noch ein
geeigneter Sensor integriert werden. RodDrive Antriebe
ersetzen

direktDC-oderSchrittmotor

undWeiterhin entwickelt und fertigt PI alle Piezokeramik-Gewindespindel oder magnetische Linearmotoren, dieKomponenten im Haus, so dass die Flexibilität fürals klassische Antriebselemente in Mikropositionierern

kundenspezifische Ansprüche an den Ultraschallmotoroder Handlingsystemen eingesetzt werden. Linearegewährleistet ist. Die Qualität und Lebensdauer vonPositioniersysteme

PILine®

Motoren basieren auf vier Jahrzehnten anbilden

diehöchste

StufederIntegration. Hier ist der Piezo-Ultraschallmotor Teil eines

Erfahrung mit Piezo-Antriebstechnologie und bieten

Präzisionsverstellers,

wobei

zur

Positionsregelung

somit außergewöhnliche Präzision und Verlässlichkeit.

direktmessende Linearencoder verwendet werden.
Für die unterschiedlichen Integrationsstufen stehen
entsprechende Treiberelektroniken und Servocontroller
ebenfalls zur Verfügung.

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Geodätische Totalstation einer
neuen Generation
Die im Folgenden beschriebene Anwendung liefert ein
typisches Beispiel für eine kundenspezifische Applikation®

von PILine Ultraschallmotoren. Totalstationen der Leica
Geosystems AG

sindtragbare

Vermessungs-instrumente, die in der Geodäsie eingesetzt werden.
Die Messoptik der Totalstation wird jeweils durch einen
Antrieb sowohl vertikal als auch horizontal bewegt. Diese
Antriebe galt es zu verbessern. Unter anderem sollten
höhere Geschwindigkeiten, kürzere Positionierzeiten undeine sehr hohe Positioniergenauigkeit bei der Bewegung
der Messoptik erreicht werden.

Gegen eine klassische Lösung mit getriebeuntersetzten
Gleichstrommotoren

sprachenderentypischeSchwachstellen, wie Verschleiß der mechanischen
Komponenten oder die Geräuschentwicklung im 24-hEinsatz für Überwachungsmessungen in Wohnviertelnoder Innenstadtlagen.
Gegen eine Lösung mit magnetischem Direktantrieb
sprach das Fehlen des bei Präzisionsmessungen
erforderlichen, mechanischen Haltemoments, das im
mobilen Einsatz nicht energieeffizient erzeugt werden
kann. Im Vergleich dazu bietet ein Direktantrieb mit
Piezo-Ultraschallmotor

hohewartungsfrei,

bei

zwischenarbeitet-20 °Cund

Zuverlässigkeit,

ist

Umgebungstemperaturen+50 °Cundist

beinahegeräuschlos. Zudem ist er selbsthemmend, d. h. ererzeugt auch im stromlosen Zustand hohe Haltekräfte.
Die Wahl des Antriebs fiel somit auf einen Direktantrieb
von PI, der piezokeramische Motoren verwendet unddurch seine kompakte Bauform platzsparend eingebaut
werden kann (Abb. 3).

Abb. 3 High-Tech auf kleinstem Volumen: Das
Schnittbild durch die Totalstation zeigt den
eingeschränkten Bauraum, der für die Antriebe zu
Verfügung steht (Bild: Leica Geosystems AG, Schweiz)

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Die Drehbewegungen des Direktantriebs werden durch

Die Entwicklung der Totalstation, die TS30 (Abb. 5),

jeweils zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential

bietet somit eine Winkelmessgenauigkeit von 0,5“ (nachgegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind (Abb.

ISO 17123-3) und eine Distanzmessgenauigkeit von4).

0,6mm + 1ppm (nach ISO 17123-4) für Messungen auf
Leica Rundprismen (GPH1P) und 2 mm + 2 ppm bei
Messungen auf beliebige, natürliche Oberflächen.
Neben den Messgenauigkeiten ist die Performance derTotalstation

hinsichtlichkurzerPositionier-undMesszeiten ein für den Anwender entscheidendes
Kriterium.

Dereingesetzte

Piezo-Ultraschallmotor

ermöglicht ein präzises Anfahrverhalten von Instrument
und Teleskop.
DamitwerdenDistanzmessungenAbb. 4 Die Drehbewegungen werden durch zwei
Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen
ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist
drehbar gelagert (Bild: Leica Geosystems AG)

genaueste
mit

einer

Winkel-Automatisierung der Messprozesse kombiniert.

Der Läufer ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung
ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; es gibt in diesem
Zustand also auch kein Positionszittern wie es bei
magnetbasierten Direktantrieben zu beobachten ist. ImBetrieb schwingen dann die keramischen Piezomotoren
mit Ultraschallfrequenzen. Die Schwingung führt zu
einem Versatz des Kopplungselements, das zusammen
mit der Vorspannung eine Vorschubbewegung für den
Läufererzeugt.

Dabei

werdenGeschwindigkeiten

vonVierfachen

bisherdesbisherunerreichte

mindestens

180°/s,demÜblichen,

und

hohe

Beschleunigungen von bis zu 360°/s² erreicht. Der
Antrieb bietet ein verbessertes Start- und Stoppverhalten
beigleichzeitig

hoher

Auflösung

Stromverbrauch.

Zusammen

Positionierzeiten

undmitderundden

niedrigemkurzen

erforderlichen

Positioniergenauigkeit setzt er neue Maßstäbe in derWinkel- und Distanzmessung.

Abb. 5 Die neue Totalstation Leica TS30 setzt
hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit in derWinkel- und Distanzmessung neue Maßstäbe. Dazu
trägt auch die Antriebslösung bei (Bild: LeicaGeosystems AG)

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PILine®: Anwendungen in Hülle undFülle®

PILine Ultraschallmotoren eignen sich für eine Vielzahl
weiterer Anwendungen, bei denen ebenfalls eine geringe
Größe, hohe Geschwindigkeiten und Zuverlässigkeit die
entscheidenden Faktoren sind. So gibt es z. B. für das
Biohandling oder die Mikroskopie Verstelleinheiten, diesich durch eine besonders flache und leicht integrierbare

Da sich Piezo-Ultraschallmotoren, wie das beschriebene
Anwendungsbeispiel anschaulich belegt, immer wieder
neue Einsatzbereiche erschließen, darf man gespanntsein, bei welchen Applikationen sie als Nächstes dazu
beitragen werden, die technische Entwicklung weitervoranzutreiben.

AutorBauform auszeichnen (Abb. 6).

Dipl.-Physiker Steffen Arnold, Leiter Markt & Produkte
bei Physik Instrumente (PI)Über Physik Instrumente (PI)In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik
Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum
Abb. 6 Biodispenser und Miroskopie-Kreuztisch mit®
ultraflachen PILine Piezo-Ultraschallmotoren. Durch diegeringe Bauhöhe sind sie einfach in den bestehenden
Aufbau zu integrieren
Typische industrielle Anwendungsbeispiele reichen vonder Halbleiter- und Photonikfertigung über allgemeine

führenden

Hersteller

Genauigkeiten

imvon

Positioniersystemen

Bereicheinzelner

mit

Nanometer

entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzen

inDeutschland

Vertriebs-undundzehn

ausländischen

Serviceniederlassungeninternationalvertreten.

oderÜber 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt

tragbaren Geräten in der Mess- und Medizintechnikversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede

(Abb. 7).

Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Handhabungsaufgabenbishinzu

mobilenPositioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien
werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jedePhase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert
werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso
wie

diePositionssensorik.

piezokeramischen

Die

Elemente

dafürwerden

benötigten
beiderTochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einemder weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischerundPI miCosGmbHspezialisiert
Abb. 7 Kleiner und energiesparender Ultraschallantrieb
für die Integration in tragbare Mess- oderMedizinprodukte, z. B. für die Justage einer Messoptik

sensorischer

aufinEschbachflexiblePiezoprodukte.
beiFreiburg

ist

Positioniersysteme

fürUltrahochvakuum-AnwendungenparallelkinematischePositioniersysteme

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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