Präzise Positionierung

Andreas Mühlbauer,

Nachjustieren mit dem Piezoeffekt

Ändert sich innerhalb von Präzisionsmaschinen ein Maß zwischen zwei Komponenten, müssen diese nachjustiert werden. Das kann beispielsweise beim erstmaligen Setzen nach der Installation vor Ort notwendig sein. Häufig sind davon optische oder messtechnische Einrichtungen, astronomische Geräte, Bearbeitungsmaschinen für Wafer oder Positioniersysteme für die Schwerpräzisionsindustrie betroffen. Eine praxisgerechte Lösung für Justierprozesse sind piezobasierte Unterlegscheiben. Damit lässt sich der Abstand zwischen zwei Bauteilen nanometergenau justieren. Von Mathias Bach und Ellen-Christine Reiff

© (Bild: PI)

Wenn in Präzisionsmaschinen Komponenten nachträglich justiert werden müssen, sind oft auf genaue Abstände geschliffene Unterlegscheiben das Mittel der Wahl. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie mechanisch eingebaut werden müssen. Mit den piezobasierten Unterlegscheiben PI Rest bietet Physik Instrumente hierfür eine Alternative an. Aufgrund der Auflösung der Aktoren von wenigen Nanometern eignen sich die Unterlegscheiben nicht nur für Anwendungen im klassischen Maschinenbau, sondern auch für die Justage von optischen Komponenten in der Astronomie, Materialforschung in Synchrotrons oder in Vakuumumgebungen.

Wenn vorhandene Justierungen mit der Zeit abweichen (Grafik oben), lässt sich die gewünschte Position mit den piezobasierten Unterlegscheiben durch einmaliges Anlegen einer entsprechenden Spannung (unten) wieder herstellen. Die Scheiben behalten dann auch spannungsfrei ihre Höhe (Mitte). © (Bild: PI)

Die piezobasierten Unterlegscheiben können die Entwickler bereits bei der Konstruktion einer Maschine vorsehen. Sie sind in nahezu beliebigen Formen und Größen wie Platten, Ringe, Zylinder oder auch in anwendungsspezifischen Formen erhältlich. Sie werden ebenso wie die PICMA-Aktoren in der PI-eigenen Multilayer-Technologie hergestellt. Dabei ist die eigentliche Piezokeramik – ein monolithischer Block, dessen aktive Schichten aus dünnen keramischen Folien bestehen – von einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben. Diese schützt vor Luft- feuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom. Der monolithische Piezokeramikblock eines PICMA-Aktors erreicht auch unter extremen Umgebungsbedingungen, wie in der Raumfahrt, eine hohe Zuverlässigkeit und kann die Lebensdauer verlängern.

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In einem Punkt unterscheiden sich die PI-Rest-Aktoren jedoch von Piezoaktoren, die für das Nachjustieren nicht geeignet sind: Bei klassischen Piezoaktoren muss in der Regel die elektrische Spannung (Offset-Spannung) am Aktor aufrechterhalten werden, solange man die Auslenkung wünscht. Das hat für Justier-Anwendungen Nachteile: Bei der Ausstattung der Maschine müsste hierfür eine zusätzliche Spannungsversorgung vorgesehen werden, zudem würde die Lebensdauer der Aktoren leiden. Die PI-Rest-Technologie basiert zwar auf Piezoaktoren, jedoch halten diese durch eine besondere Ansteuerung ihre Auslenkung nach der Justierung stabil und nanometergenau auch ohne Offset Spannung.

Langzeitstabil im Nanometerbereich
Der statische Abstand lässt sich durch kurzzeitiges Anlegen einer Versorgungsspannung am Aktor einstellen. Dafür ist im sogenannten „Active Shim“ ein Spannungsanschluss vorgesehen, der lediglich beim Justageprozess an eine Spannungsquelle angeschlossen werden muss. PI bietet für dafür eine einfach zu verwendende Spannungsversorgung mit der passenden Ansteuerung an. Die notwendigen Kabel können bereits beim Design der Maschine berücksichtiget werden.

Nach dem Justieren hält der Aktor die gewünschte Position ohne Spannung langzeitstabil. Die Stabilität der Auslenkung hängt lediglich von der Änderung der Umgebungstemperatur ab. Langzeittests in einer auf 1 K temperaturstabilen Umgebung haben für einen Aktor mit 10 µm Nominalhub Driften von weniger als ±100 nm gezeigt, unabhängig der Auslenkung. Bei Standardprodukten liegt die maximale Auslenkung je nach Aktorgröße zwischen 5 und 35 µm. Die Active Shims vereinfachen die Justage an unzugänglichen Stellen, zumal die piezobasierten Unterlegscheiben tonnenschwere Lasten halten. Bei Bedarf lassen sie sich zudem mit klassischen Piezoaktoren kombinieren, beispielsweise für eine dynamische Schwingungskompensation.

Dr. Mathias Bach, Leiter des Produktbereichs Piezosysteme bei Physik Instrumente. Ellen-Christine Reiff, M.A., Redakteurin beim Redaktionsbüro Stutensee / am

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