Bild 1: Kundenspezifischer Spiegelhalter für große Optiken. Auch diese Mechaniken können mit der PiezoMike automatisiert werden.

Bild 1: Kundenspezifischer Spiegelhalter für große Optiken. Auch diese Mechaniken können mit der PiezoMike automatisiert werden. Liop-Tec

Zwar ist das Einstellen der Spiegel per Hand fast immer noch Stand der Technik, nicht überall ist das jedoch praxisgerecht: Etwa wenn die Kippsiegel im Vakuum arbeiten oder an unzugänglichen Stellen angebracht sind und initial oder nachjustiert werden müssen. Hier können piezobasierte Linearantriebe weiterhelfen: Die platzsparenden und preiswerten Mikroantriebe arbeiten mit einer Positioniergenauigkeit bis in den Nanometerbereich und ersetzen – eingebaut in der Spiegelhalterung – die manuell zu betätigende Mikrometerschrauben.

Wie sich die für die Lasertechnik unabdingbare Positionierung der Kippspiegel praxisgerecht automatisieren lässt, dafür liefert Liop-Tec ein gutes Beispiel. Das Unternehmen bietet Standard- und angepasste Spiegelhalter (Bild 1), die sich jetzt optional statt mit Mikrometerschrauben auch mit Piezoantrieben justieren lassen (Bild 2).

Bild 2: Die Spiegelhalter werden statt mit Mikrometerschrauben jetzt auch mit Piezoantrieben angeboten.

Bild 2: Die Spiegelhalter werden statt mit Mikrometerschrauben jetzt auch mit Piezoantrieben angeboten.Liop-Tec

„In Zusammenarbeit mit Physik Instrumente haben wir piezobasierten Linearaktoren zur Serienreife entwickelt und dabei die Schraube und Mutter den Anforderungen an das Antriebsprinzip angepasst. Die Piezomike, wie PI den Antrieb nennt, ließ sich so erfolgreich in das Spiegelhalterkonzept unserer Star-Serie integrieren“, erläutert Patrick Incorvaia, Vertriebsleiter von Liop-Tec (Bild 3). Die auf dem Trägheitsprinzip basierenden Piezomotoren werden mit einer Frequenz von bis zu 2 kHz betrieben. Die Piezomike können mehrere 10 N Kraft erreichen, lassen sich gut in die unterschiedlichsten Applikationen integrieren und sind auch für Anwendungen im Vakuum geeignet (Bild 4).

Funktionsweise und Anpassung

Bild 3: Patrick Incorvaia, Vertriebsleiter bei Liop-Tec.

Bild 3: Patrick Incorvaia, Vertriebsleiter bei Liop-Tec.Liop-Tec

Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit einer Schrittgröße von wenigen Mikrometern. 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. Die Antriebe bauen klein, wodurch sich ihnen viele Anwendungsgebiete erschließen. Typische Einsatzfelder für dieses Antriebsprinzip finden sich keineswegs nur in Lasertechnik; sie reichen von der Lötspitzenpositionierung bis hin zu Blenden- und Membranverstellungen bei Mikromanipulationen.

Bild 4: Der Piezomike-Linearaktor: minimale Abmessungen, hohe Kraft und stabile Positionierung. Das Bild zeigt die Vakuumvariante bis 10-9 hPa.

Bild 4: Der Piezomike-Linearaktor: minimale Abmessungen, hohe Kraft und stabile Positionierung. Das Bild zeigt die Vakuumvariante bis 10-9 hPa.Physik Instrumente

Diese prinzipielle Funktionsweise des Trägheitsantriebs wurde von den Entwicklungspartnern PI und Liop-Tec an die Erfordernisse der Anwendung angeglichen (Bild 5): 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 Knowhow bei der Herstellung der Schraube und Mutter voraussetzte, und die Umsetzung erfordert höchste Anforderungen an die Toleranzen und Oberflächenqualität der mechanischen Komponenten“, erzählt Patrick Incorvaia.

Bild 5: Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit wenigen Mikrometern Schrittgröße.

Bild 5: Piezobasierte Trägheitsantriebe nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit wenigen Mikrometern Schrittgröße.Physik Instrumente

Dank ihrer kompakten Abmessungen lassen sich die Trägheitsantriebe zudem sehr platzsparend integrieren. Aber auch darüber hinaus bringen diese Antriebe Vorteile. Die Piezo-Lösung ist nicht nur viel kleiner als jede andere motorgetriebene Mikrometerschraube, die auf dem Markt erhältlich ist, sondern die Piezomike arbeiten noch dazu mit sehr 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 Milliarde Schritten sehen lassen. Umgerechnet würde dies einem Verfahrweg von 20 m oder 100 h Dauerbetrieb entsprechen, was angesichts der kleinen Stellwege von wenigen Mikrometern, der kurzen Stellzeiten und der vergleichsweise seltenen Bewegungen mehr als ausreichend ist.

Ansteuerung und Feinjustierung

Bild 6: Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870, der speziell auf die Anforderungen der Linearaktoren abgestimmt ist.

Bild 6: Die Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870, der speziell auf die Anforderungen der Linearaktoren abgestimmt ist.Physik Instrumente

Die entsprechende Ansteuerung übernimmt der Treiber E-870 (Bild 6), der speziell auf die Anforderungen der Linear-Aktoren abgestimmt ist. 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.

Bild 7: Stabantrieb mit piezoelektrischem Stick-Slip-Antrieb. Das Antriebsprinzip lässt sich aber je nach Anwendung modifizieren.

Bild 7: Stabantrieb mit piezoelektrischem Stick-Slip-Antrieb. Das Antriebsprinzip lässt sich aber je nach Anwendung modifizieren.Physik Instrumente

In Zukunft wird die Entwicklung sicher noch weiter gehen. Patrick Incorvaia zumindest freut sich auf die weitere Zusammenarbeit: „Mit schnellen, geräuschlosen Direktantrieben (Bild 7) und positionsgeregelten Varianten, die zurzeit in Vorbereitung sind, dürften unsere Spiegelhalter noch flexibler einsetzbar werden.“

Laserstrahl zuverlässig lenken

Spiegelaktuatoren lenken den Laserstrahl in die von positionssensitiven Detektoren definierte Richtung. Die Systeme justieren einen Laserstrahl automatisch in eine vorgegebene Richtung. Dafür sind Spiegelhalter nötig, die sich vor allem für den Hoch- und Ultrahochvakuumbereich eignen und sich zudem extrem präzise von außen justieren lassen. Wie sich die für die Lasertechnik unabdingbare Positionierung der Kippspiegel praxisgerecht automatisieren lässt, dafür liefert Liop-Tec ein gutes Beispiel.