WHITEPAPER PIEZO-LINEARANTRIEBE FÜR DIE LASERTECHNIK –Steffen Arnold

Bei Piezo-Linearantriebe für die Lasertechnik
Automatische Spiegel-Positionierung im Vakuum und an unzugänglichen Stellen

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Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
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Laser haben als vielseitige Werkzeuge ein breites

WieEinsatzfeld. In der Materialbearbeitung beispielsweise

Positionierungkann man heute genauso wenig auf sie verzichten wie in

automatisieren lässt, dafür liefert die Liop-Tec GmbH ein

dergutes Beispiel.

Medizintechnikoderinder

Material-undUmweltforschung. Das Prinzip ist überall das gleiche:
Kippspiegel sorgen für die entsprechende Lenkung desLaserstrahls. Damit sind sie wichtige Komponenten, dieallerdings präzise positioniert sein müssen, um das
gewünschte Ergebnis zu erzielen. Einstellen per Hand ist
hier fast immer noch Stand der Technik. Nicht überall ist
das jedoch praxisgerecht, z. B. wenn die Kippspiegel imVakuum arbeiten oder an unzugänglichen Stellensich

diefürdiederLasertechnik

unabdingbare

Kippspiegel

praxisgerecht

Das Unternehmen bietet Standard- und angepasste
Spiegelhalter (Abb. 1), die jetzt optional statt mit
Mikrometerschrauben auch mit Piezoantrieben justiert
werden können (Abb. 2). „In Zusammenarbeit mit derFirma Physik Instrumente (PI) haben wir piezobasierten
Linearaktoren zur Serienreife entwickelt und dabei dieSchraube und Mutter den Anforderungen an das
Antriebsprinzip angepasst.

angebracht sind und initial eingestellt oder nachjustiert
werdenmüssen.

Hierkönnen

piezobasierte

Linearantriebe weiterhelfen: Die platzsparenden undpreiswerten

Mikroantriebearbeiten

mit

einer

Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich undersetzen - eingebaut in der Spiegelhalterung - diemanuell zu betätigenden Mikrometerschrauben.

Abb. 1 Kundenspezifischer Spiegelhalter für große
Optiken. Auch diese Mechaniken können mit derPiezoMike automatisiert werden. (Bild: Liop-Tec)

Abb. 2 DieSpiegelhalterwerdenstattmit
Mikrometerschrauben jetzt auch mit Piezoantrieben
angeboten (Bild: Liop-Tec)

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Die PiezoMike, wie PI den Antrieb nennt, konnte soerfolgreich in das Spiegelhalterkonzept unserer StarSerie integriert werden“, erläutert Patrick Incorvaia,
Vertriebsleiter bei Liop-Tec (Abb. 3).

Funktionsweise und Anpassung
Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-SlipEffekt für feine Schritte mit wenigen Mikrometern
Schrittgröße. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich ausund nimmt einen bewegten Läufer mit.
Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert derAktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlang
gleitetunddieser

aufgrundseinerTrägheit

dieBewegung nicht nachvollziehen kann, also auf seiner
Position verharrt.
Dieelektrische

Ansteuerung

isteinfach;ihr

Ausgangssignal erinnert an eine Sägezahnspannung.
Die Antriebe bauen klein, wodurch sich ihnen viele
Anwendungsgebiete erschließen.
Abb. 3 Patrick Incorvaia, Vertriebsleiter bei Liop-Tec(Bild: Liop-Tec)
Die auf dem Trägheitsprinzip basierenden Piezomotoren
werden mit einer Frequenz von bis zu 2 kHz betrieben.

Typische Einsatzfelder für dieses Antriebsprinzip finden
sich keineswegs nur in Lasertechnik; sie reichen von derLötspitzenpositionierungbishinzu

Blenden-undMembranverstellungen bei Mikromanipulationen.

Die PiezoMike können mehrere 10 N Kraft erreichen,lassen sich gut in die unterschiedlichsten Applikationen
integrieren und sind auch für Anwendungen im Vakuum
geeignet (Abb. 4). „Vor allem sind wir stolz darauf, dasswir jetzt in der Lage sind, Spiegelhalter für den Hochund Ultrahochvakuumbereich anbieten zu können, diesich extrem präzise von außen justieren lassen“, fährt
Patrick Incorvaia fort

Abb. 5 Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den
Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit wenigen
Mikrometern Schrittgröße. (Bild: PI)
Diese prinzipielle Funktionsweise des Trägheitsantriebs
Abb. 4 PiezoMike
Linearaktor:minimale
Abmessungen, hohe Kraft und stabile Positionierung. Im
Vakuum (Bild: PI)

wurde von den Entwicklungspartnern PI und Liop-Tec an
die Erfordernisse der Anwendung angeglichen (Abb. 5):
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Der „Stick-Effekt“ nimmt in diesem Fall keinen Läufer
mit, sondern bewirkt die Drehung einer Klaue. Diesewiederum umfasst eine Schraube, die sich daraufhin
dreht. Ist die maximale Ausdehnung erreicht, kontrahiert
der Aktor; die Klaue gleitet um die Schraube, dieaufgrund ihrer trägen Masse in ihrer Position (Slip-Effekt)
bleibt.
Dieser Schrittzyklus wiederholt sich, die Schraube dreht
sich also weiter, bis die gewünschte Position erreicht ist
und natürlich funktioniert die Bewegung auch in die
andere Richtung. „Die optimalen Materialparameter fürden

Slip-Effekt herauszufinden

war allerdings ein

längerer Prozess, der viel Knowhow bei der Herstellung
derSchraube

undMuttervoraussetzte,

unddieUmsetzung erfordert höchste Anforderungen an die
Toleranzen und Oberflächenqualität der mechanischen
Komponenten“, erzählt Patrick Incorvaia.

Abb. 6 Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870,
der speziell auf die Anforderungen der Linearaktoren
abgestimmt ist. Eine Endstufe kann in einem Gerät biszuvierKanäle seriell ansteuern,
wasdieAnschaffungskosten gering hält (Bild: PI)

Ansteuerung und Feinjustierung
Die entsprechende Ansteuerung übernimmt der Treiber

Dank ihrer kompakten Abmessungen lassen sich dieE-870 (Abb. 6), der speziell auf die Anforderungen derTrägheitsantriebe zudem sehr platzsparend integrieren.

Linearaktoren abgestimmt ist. Eine Endstufe kann inAber auch darüber hinaus bringen diese Antriebe

einem Gerät bis zu vier Kanäle seriell ansteuern, was dieVorteile. Die Piezo-Lösung ist nicht nur viel kleiner als

Anschaffungskosten gering hält.

jede andere motorgetriebene Mikrometerschraube, dieauf dem Markt erhältlich ist, sondern die PiezoMike
Linearaktoren arbeiten noch dazu mit sehr hoher
Auflösung; Schrittweiten von ca. 20 nm lassen sichschließlich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben
realisieren.
Dabei entwickelt der piezobasierte Linearantrieb eine
Vorschubkraftvon22 N,arbeitet

mit

einer

Geschwindigkeit von maximal 3 mm/min und ist fürStellwege von 7 mm bis 26 mm ausgelegt. Außerdem
kann sich eine Lebensdauererwartung von mehr als
einer Milliarde Schritten sehen lassen. Umgerechnet
würdedieseinemVerfahrweg

von20 moder

100 Stunden Dauerbetrieb entsprechen, was angesichts
der kleinen Stellwege von wenigen Mikrometern, derkurzen Stellzeiten und der vergleichsweise seltenen
Bewegungen mehr als ausreichend ist.

Abb. 7 Stabantrieb mit piezoelektrischem Stick-SlipAntrieb. Das Antriebsprinzip lässt sich aber je nach
Anwendung modifizieren. (Bild: PI)

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Für

dieFeinjustierung

kannman

diein

den

Spiegelhaltern eingesetzten Piezo-Linearmotoren auchin einem Analogmodus betreiben, das heißt in derletzten Phase der Positionierung wird die „Stick-Phase“
quasi angehalten; der Piezoaktor wird innerhalb deransteigenden Flanke der Piezospannung und nicht inVollschrittmodus betrieben. Die Positionierung erreicht
so eine Auflösung von 5 nm. Der Treiber verhält sich indiesem Fall wie ein Piezo-Spannungsverstärker.

Über Liop-Tec
Die LIOP-TEC GmbH mit Sitz in Radevormwald in derNähe von Remscheid wurde 2012 von Dr. Jürgen
Lindener-RoennekeundPrivatdozent

Dr.

MichaelGutmann gegründet. Beide brachten mehr als zwei
Jahrzehnte Erfahrung aus der Lasertechnik mit. KeinWunder also, dass sich das junge Unternehmen imBereich innovativer Lasertechnik und optomechanischer
Komponenten mittlerweile einen Namen gemacht hat. Zu

In Zukunft wird die Entwicklung sicher noch weiterdengehen. Patrick Incorvaia zumindest freut sich auf dieapplikationsorientierte Laseranwendungen vor allem imweitere Zusammenarbeit: „Mit schnellen, geräuschlosen

Bereich der Molekularwissenschaft, in der Material- undDirektantrieben

Umweltforschung, Wissenschaft und Medizintechnik.

(Abb.

7)

undpositionsgeregelten

Schwerpunkten

gehörenheuteVarianten, die zurzeit in Vorbereitung sind, dürften
unsere Spiegelhalter noch flexibler einsetzbar werden.“Über Physik Instrumente (PI)In den letzten vier Jahrzehnten hat sich PhysikAutoren

Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum
führenden

Hersteller

Genauigkeiten

imvon

Positioniersystemen

Bereicheinzelner

mit

Nanometer

entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzeninDeutschland

Vertriebs-undundzehn

ausländischen

Serviceniederlassungeninternationalvertreten.
Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede
Anforderung aus dem Bereich innovativer PräzisionsDipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Positioniertechnik 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.

piezokeramischenDie

Elemente

dafürwerden

benötigten
beiderTochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem
der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischerundPI miCosGmbH

spezialisiert
Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

sensorischer

aufinEschbachflexiblePiezoprodukte.
beiFreiburg

ist

Positioniersysteme

fürUltrahochvakuum-Anwendungenparallelkinematische

Positioniersysteme

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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sowie
mitsechs