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01 Zum Portfolio von Liop-Tec gehören auch kundenspezifische Spiegelhalter für große Optiken

Laser automatisch positionieren

02 Die Spiegelhalter werden statt mit Mikrometerschrauben jetzt auch mit Piezoantrieben angeboten

03 Die Linearantriebe Piezomike – hier die Variante bis 10 –9 hPa – kombinieren geringe Abmessungen mit hoher Kraft und stabiler Positionierung

04 Patrick Incorvaia ist Vertriebsleiter bei Liop-Tec

05 Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870, der speziell auf die Anforderungen der Linear-Aktoren abgestimmt ist

Bei Lasern sorgen Kippspiegel für die entsprechende Lenkung des Laserstrahls. Sie müssen präzise positioniert sein, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Das Einstellen per Hand mit Mikrometerschrauben ist hier fast immer noch Stand der Technik. Wenn dies nicht praxisgerecht ist, können piezobasierte Linearantriebe mit einer Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich weiterhelfen.

Wie sich die für die Lasertechnik unabdingbare Positionierung der Kippspiegel praxisgerecht automatisieren lässt, dafür liefert die Liop-Tec GmbH ein gutes Beispiel. Das Unternehmen bietet Standard- und angepasste Spiegelhalter (Bild 1), die jetzt optional statt mit μm-Schrauben auch mit Piezoantrieben justiert werden können (Bild 2). „In Zusammenarbeit mit der Firma Physik Instrumente haben wir piezobasierte Linearaktoren zur Serienreife entwickelt und dabei Schraube sowie Mutter den Anforderungen an das Antriebsprinzip angepasst. Die Piezomike (Bild 3) konnte so erfolgreich in das Spiegelhalterkonzept unserer Star-Serie integriert werden“, erläutert Patrick Incorvaia, Vertriebsleiter bei Liop-Tec (Bild 4). Die Piezomike können mehrere 10 N Kraft erreichen, lassen sich gut in die unterschiedlichsten Applikationen integrieren und sind auch für Anwendungen im Vakuum geeignet. Die auf dem Trägheitsprinzip basierenden Piezomotoren werden mit einer Frequenz von bis zu 2 kHz betrieben. „Vor allem sind wir stolz darauf, dass wir jetzt in der Lage sind, Spiegelhalter für den Hoch- und Ultrahochvakuumbereich anbieten zu können, die sich extrem präzise von außen justieren lassen“, fährt P. Incorvaia fort. „Da hat uns die gute Zusammenarbeit mit PI einen großen Schritt nach vorne gebracht.“ Die Stellschraube wird einfach gegen einen Piezomike ausgetauscht.

Funktionsweise und Anpassung
Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit Schrittgröße von wenigen μm. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlang gleitet und dieser aufgrund seiner Trägheit die Bewegung nicht nachvollziehen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach; ihr Ausgangssignal erinnert an eine Sägezahnspannung. Durch die geringen Abmessungen eignen sie sich für viele Anwendungsgebiete. Typische Einsatzfelder für dieses Antriebsprinzip reichen von der Lötspitzenpositionierung bis hin zu Blenden- und Membranverstellungen bei Mikromanipulationen. Diese prinzipielle Funktionsweise des Trägheitsantriebs wurde von den Entwicklungspartnern PI und Liop-Tec an die Erfordernisse der Anwendung angeglichen: Der „Stick-Effekt“ nimmt in diesem Fall keinen Läufer mit, sondern bewirkt die Drehung einer Klaue. Diese wiederum umfasst eine Schraube, die sich daraufhin dreht. Ist die maximale Ausdehnung erreicht, kontrahiert der Aktor; die Klaue gleitet um die Schraube, die aufgrund 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 für den Slip-Effekt herauszufinden war allerdings ein längerer Prozess, der viel Know-how bei der Herstellung der Schraube und Mutter voraussetzte, und die Umsetzung erfordert höchste Anforderungen an die Toleranzen und Oberflächenqualität der mechanischen Komponenten“, erzählt P. Incorvaia. Dank ihrer kompakten Abmessungen lassen sich die Trägheitsantriebe zudem platzsparend integrieren. Aber auch darüber hinaus haben sie einige Vorteile. Die Piezo-Lösung ist nicht nur viel kleiner als jede andere motorgetriebene μm-Schraube, die auf dem Markt erhältlich ist, sie arbeiten noch dazu mit hoher Auflösung. Schrittweiten von ca. 20 nm lassen sich schließlich kaum mit klassischen Schrittmotorantrieben realisieren. Dabei entwickelt der piezobasierte Linearantrieb eine Vorschubkraft von 22 N, arbeitet mit einer Geschwindigkeit von maximal 3 mm/min und ist für Stellwege von 7,5 mm bis 26 mm ausgelegt. Außerdem kann sich eine Lebensdauererwartung von mehr als einer Mrd. Schritten sehen lassen. Umgerechnet würde dies einem Verfahrweg von 20 m oder 100 h Dauerbetrieb entsprechen, was angesichts der kleinen Stellwege von wenigen μm, der kurzen Stellzeiten und der vergleichsweise seltenen Bewegungen mehr als ausreichend ist.

Ansteuerung und Feinjustierung
Die entsprechende Ansteuerung übernimmt der auf die Anforderungen von Linearaktoren zugeschnittene Treiber E-870 (Bild 5). Eine Endstufe kann in einem Gerät bis zu vier Kanäle seriell ansteuern, was die Anschaffungskosten gering hält. Für die Feinjustierung kann man die in den Spiegelhaltern eingesetzten Piezo-Linearmotoren auch in einem Analogmodus betreiben, das heißt, in der letzten Phase der Positionierung wird die „Stick-Phase“ quasi angehalten; der Piezo-Aktor wird innerhalb der ansteigenden Flanke der Piezospannung und nicht in Vollschrittmodus betrieben. Die Positionierung erreicht so eine Auflösung von 5 nm. Der Treiber verhält sich in diesem Fall wie ein Piezo-Spannungsverstärker. In Zukunft wird die Entwicklung sicher noch weiter gehen. P. Incorvaia zumindest freut sich auf die weitere Zusammenarbeit: „Mit schnellen, geräuschlosen Direktantrieben und positionsgeregelten Varianten, die zurzeit in Vorbereitung sind, dürften unsere Spiegelhalter noch flexibler einsetzbar werden.“ (no)

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Autor:
Dipl.-Phys. Steffen Arnold ist Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in Karlsruhe. arnold@pi.ws