Mit kleinen Schritten groß voran

Seit mehr als 35 Jahren gibt es piezoelektrische Motoren. Verglichen mit diesen Ausführungen ist der Piezomotor der Firma Elliptec wesentlich einfacher aufgebaut, was sich sehr günstig auf seinen Preis auswirkt.

Der Elliptecmotor erzeugt rotatorische und lineare Bewegungen mit Geschwindigkeiten von Null bis 300 Millimetern je Sekunde sowie Vorschubkräfte bis zu 0,4 Newton. Höhere Kräfte können durch einfache Hebelmechanismen oder durch die Verwendung mehrerer Motoren realisiert werden. Das Herzstück des patentierten Motors bildet eine Piezokeramik, die mit etwa 100 Kilohertz ein Vibrationselement – den Resonator – zum Schwingen anregt, wodurch ein Rad angetrieben oder eine Schubstange bewegen werden kann. Dieser Piezomotor lässt sich aufgrund seiner geringen Einbaumaße und Masse leicht in eine große Palette von Produkten integrieren.

Der Motor kann direkt langsame Bewegungen erzeugen. Dieser besondere Vorteil kommt dort zum Tragen, wo aufgrund des geringen Bauraums oder aus Kostengründen kein Getriebe verwendet werden können. Die Geschwindigkeit lässt sich per Software beliebig einstellen. Dazu benötigt der Elliptecmotor – verglichen mit der Ansteuerelektronik eines Schrittmotors – wesentlich weniger elektronische Bauteile. Die Versorgungsspannung kann im Bereich von 2,4 Volt (Batteriebetrieb) bis zu 30 Volt liegen.

Funktionsweise und Konstruktion

Beinahe alle konventionellen elektrischen Motoren arbeiten mit einem Magnetfeld und haben eine Rotationswelle. Der Elliptecmotor dagegen arbeitet auf Basis einer mikrofeinen Schubbewegung, wobei das anzutreibende Element in Tausenden von kleinen Schritten bewegt wird. Diese Mikroschritte werden mit Hilfe des Resonators erzeugt, der durch die Piezokeramik zum Schwingen angeregt wird. Piezokeramiken dehnen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung um etwa 0,1 Prozent ihrer Baulänge aus und ziehen sich nach Entfernen der Spannung wieder zusammen. Das Piezoelement ist in den etwa zwei Zentimeter langen und aus Aluminium gefertigten Resonator eingebaut. Beim Anlegen einer pulsierenden Spannung fängt die Piezokeramik an zu schwingen. Aufgrund der speziellen Form des Resonators schwingt die Spitze auf einer elliptischen Bahnkurve.

Um diese Bewegung des Motors in eine kontinuierliche lineare oder rotatorische Bewegung umzusetzen, wird die Spitze des Motors mit Hilfe der Feder gegen das anzutreibende Element gedrückt. Durch die aufgebrachte Vorspannkraft entsteht zwischen der Motorspitze und dem anzutreibenden Element ein Reibschluss. Mit jeder Bewegung des Elliptecmotors schiebt die Spitze des Motors das anzutreibende Element einige Mikrometer weiter. Aufgrund der hohen Betriebsfrequenz des Motors entsteht eine gleichförmige Bewegung. Alternativ kann er auch als Schrittmotor eingesetzt werden. Die mögliche Schrittweite beziehungsweise Positioniergenauigkeit liegt unter zehn Mikrometern.

Der robuste, getriebelose Elliptecmotor besteht aus vier Teilen: der Piezokeramik, dem umgebenden Aluminiumrahmen (Resonator), einer am Rahmen befestigten Feder und den Anschlusskabeln.

Einfache elektronische Ansteuerung

Ist der mechanische Aufbau einmal definiert, wird nur wenig Elektronik zur Erzeugung des Ansteuersignals benötigt. Der Elliptecmotor wird mit Frequenzen angesteuert, die sowohl anlog als auch digital erzeugt werden können. Die Geschwindigkeitssteuerung erfolgt durch Pulsweitenmodulationen (PWM). Dabei wird der Motor kurzzeitig – und im Wechsel mit einer Pause – betrieben. Um beispielsweise die halbe Maximalgeschwindigkeit zu erreichen, wird der Motor für eine Millisekunde lang eingeschaltet und dann ebenso lang wieder ausgeschaltet. Dieser Vorgang ist so schnell, dass eine gleichförmige Bewegung entsteht. In vielen Produkten kommen Mikrocontroller zum Einsatz. Schon einfache Controller haben programmierbare Frequenzgeneratoren (PWM-Einheiten), die problemlos zur Erzeugung des Ansteuersignals verwendet werden können.

Die Bewegungsrichtung des Motors wird durch zwei unterschiedliche Betriebsfrequenzen gesteuert. Bei einer Frequenz von circa 79 Kilohertz führt er eine Vorwärts-, bei etwa 97 Kilohertz eine Rückwärtsbewegung aus. Die Amplitude des Ansteuersignals kann im Bereich von fünf bis neun Volt liegen. Gunthart Mau