Piezoelectric inertial motors
In piezoelectric inertial motors, the problem of the small stroke of piezoelectric solid-state actuators is solved by accumulating a large number of small steps, thereby achieving a stroke that is, in principle, unlimited. The image illustrates a fairly simple operating principle: during slow movement, the mass to be moved adheres to a rod that is displaced by a piezo actuator, whilst during the rapid return stroke it slips past the rod, thereby remaining displaced by a small distance per cycle.
Trägheitsmotoren existieren sowohl als Translations- als auch als Rotationsantriebe in einer Vielzahl verschiedener Bauformen. In der Fachliteratur werden diese auch als „stick-slip drive“ bzw. „impact drive“ bezeichnet.
Die ersten Trägheitsmotoren wurden als Hochpräzisions-Positioniereinrichtungen für den Einsatz in der Mikroskopie, z. B. in Rastertunnelmikroskopen, entwickelt. Trägheitsmotoren für diese Anwendungen sind meist Einzelstücke und bedingt durch den Einsatzzweck weder besonders klein noch optimiert in Hinsicht auf Tragfähigkeit oder Geschwindigkeit. Erst in den letzten Jahren wurden auch Trägheitsmotoren für andere Anwendungen vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Geschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Einfachheit und guter Miniaturisierbarkeit. Zum Einsatz kommen solche Motoren beispielsweise in Zoomlinsen von Mobiltelefon- und PDA-Kameras oder beim Verwackelungsschutz in Digitalkameras.
Bei der Entwicklung eines piezoelektrischen Trägheitsmotors sind verschiedene Fragen zu beantworten: Wie groß sollen die bewegten Massen sein? Welche Anpresskraft ist sinnvoll? Wie werden die Reibflächen gestaltet? Mit welchem elektrischen Signal wird der Motor bei welcher Frequenz angesteuert? Diese Fragen werden derzeit weitgehend durch den Bau und Test von Prototypen beantwortet. Dieser Prozess ist zeit- und kostenaufwändig und eine effektive anwendungsbezogene Auslegung der Motoren ist so nicht möglich. Modellierungsansätze wie sie z. B. in der Dissertation von Dr. Matthias Hunstig beschrieben werden bieten hier wesentliche Vorteile.
Design, control and characteristics of high-speed piezoelectric inertial motors
Piezoelectric inertial motors utilise the inertia of a moving mass to move it incrementally via continuous frictional contact. Owing to their simple design and suitability for miniaturisation, these motors are increasingly being used in consumer goods. Speed is an important motor parameter; however, a generally applicable analysis of the motor’s operating principle does not yet exist.
Based on a definition of inertial motors, Dr Matthias Hunstig, as part of his PhD research, derived various idealised excitation signals using a model of a translational piezoelectric inertial motor. An analysis of the motor’s behaviour showed that the common mode of operation of inertial motors, involving stick-slip phases, is unsuitable for achieving high speeds. Frequency-limited signals for operation with real actuators were derived from the idealised signals for fast, continuous-sliding operation. The behaviour when driven by these signals was compared in terms of speed, efficiency, durability and force. In addition, a method was described by which the motion of high-frequency-driven inertial motors can be calculated on a periodic basis and key motor parameters can be calculated directly. To validate the theoretical results, a test motor was constructed and driven with different signals; good agreement was found between the measurements and the model. The results of Dr. Hunstig’s work provide valuable insights into the operation of high-speed inertial motors and are useful for their further development and the expansion of their range of applications.
