Ultrakurze Laserpulse für planare Ultraschallmotoren
Bei der Entwicklung einer neuen Generation von Ultraschallmotoren leisten Ultrakurzpulslaser einen wichtigen Beitrag. So muss bei der Strukturierung der halbkugelförmigen Piezo-Resonatoren die Trennung der elektrischen Kontakte scharfkantig und ohne Beschädigung des Grundmaterials erfolgen.
Bild 1. Im Backenspannfutter eingespannte Piezohalbkugel nach der Laserstrukturierung
In der Mikro- und Feinwerktechnik sind kommerziell verfügbare lineare und rotatorische Ultraschallmotoren weit verbreitet. Sie zeichnen sich durch ihr magnetfeldfreies Funktionsprinzip und eine Positionierauflösung bis in den Nanometerbereich aus. Zudem bestechen sie durch ihre kompakten Abmessungen und benötigen aufgrund von Selbsthemmung im Stillstand keine Energie. Auf die entsprechenden Anwendungen optimierte Resonator-Geometrien (meist Platten oder Ringe) aus piezoelektrischem Keramikmaterial werden im Ultraschall-Frequenzbereich in Resonanzschwingung versetzt, sodass an den Resonatoren befestigte Reibstößel eine meist elliptische oder linienförmig geneigte Trajektorie ausführen. Diese Abtriebsbewegung wird verwendet, um über einen Reibkontakt harte Reibleisten mit besonderer Oberflächengüte in die gewünschte räumliche Achse vorwärts und rückwärts zu bewegen. Am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart wird derzeit an der Verwendung dieses Funktionsprinzips der Ultraschallmotoren für mehrdimensionale, insbesondere planare Antriebe geforscht.
Um auf eine gestapelte Sandwich-Konstruktion aus zwei senkrecht zueinanderstehenden Linearachsen und mittransportierter Rotationsachse verzichten zu können, soll eine sich bewegende Plattform auf nur drei Auflagepunkten sowohl in den translatorischen X- und Y-Achsen als auch um eine rotatorische Achse bewegt werden (Bild 2). Als geeignete Resonator-Geometrie für diese Anwendung haben sich bei FEM-Simulationen und ersten praktischen Funktionstests hohle Piezohalbkugeln gezeigt.
Eine kuchenstückartige Strukturierung der Außenelektrode erlaubt es, die Abtriebsrichtung des Reibstößels zu steuern. Hierzu wird die Resonator-Halbkugel halbseitig auf den Segmenten mit dem entsprechenden Anregungssignal bei circa 80 kHz und einer elektrischen Spannung von bis zu 30 V derart angeregt, dass die gewünschte Resonanzmode schwingt und der Reibstößel die gewünschte Trajektorie ausführt (Bild 3). Hierbei ist der radiale Anteil der Schwingung verantwortlich für die Abtriebskraft, und der tangentiale Anteil bestimmt die Abtriebsgeschwindigkeit. Bei 30 V Anregung und der beschriebenen Resonanzfrequenz werden im freischwingenden ungedämpften Zustand maximale Auslenkungen von 600 nm mit dem Laservibrometer gemessen. Je nach benötigter Fahrtrichtung wird die Halbkugel über die entsprechenden Segmente halbseitig bestromt, und die unbestromte Hälfte schwingt passiv mit. Durch die separate Ansteuerung der drei Halbkugeln kann in die benötigten Richtungen gesteuert werden (Bild 4). Zum Aufbau eines funktionstüchtigen Prototyps werden strukturierte Piezohalbkugeln benötigt. Die Laserstrukturierung erfolgte beim Stuttgarter Start-up LightPulse Laser Precision. […]
Institut:
Universität Stuttgart,
Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik – IKFF
70569 Stuttgart
Tel. +49 711 685 66422
ikff@ikff.uni-stuttgart.de
www.ikff.uni-stuttgart.de
Hersteller:
LightPulse LASER PRECISION
70569 Stuttgart
Tel. +49 711 685 69759
info@light-pulse.de
www.light-pulse.de