Traditionele precisieactuatortechnologieën, zoals piëzo’s en voice coils, verzorgen de nauwkeurige bewegingen in talloze machines, maar lopen steeds vaker tegen hun natuurkundige grenzen aan. Reluctantieactuatoren vormen een alternatief dat de afgelopen jaren steeds meer belangstelling krijgt. Hoe werken ze, waarom groeit die belangstelling en welke technische uitdagingen moesten worden opgelost om ze geschikt te maken voor hightech toepassingen?
Actuatoren zetten elektrische, hydraulische of pneumatische energie om in een gecontroleerde mechanische beweging. Daarmee vormen ze de schakel tussen de besturing en de mechanica. Zonder actuatoren zouden machines kunnen meten en rekenen, maar niet kunnen bewegen.
Al tientallen jaren domineren twee technologieën de wereld van precisieactuatoren: piëzo’s en voice coils. Beide hebben hun eigen sterke punten en worden daarom veel toegepast in hightech machines.
Een piëzoactuator maakt gebruik van het zogeheten piëzo-elektrische effect, waarbij keramiek zich uitzet wanneer er een elektrische spanning op wordt gezet. Hetzelfde principe wordt ook gebruikt in een aansteker, maar dan omgekeerd: een mechanische druk op het keramiek wekt een elektrische spanning op die een vonk veroorzaakt.
Dankzij hun uiterst kleine en nauwkeurig regelbare uitzetting behalen piëzoactuatoren bewegingen met (sub)nanometerresolutie. Dat maakt ze bijzonder geschikt voor toepassingen zoals autofocussystemen, precisiedosering en nanopositionering. Grootste beperking is de slag, die vaak kleiner is dan vijftig micrometer, de dikte van een menselijk haar.
Voor grotere verplaatsingen zijn voice coil-actuatoren vaak de logische keuze. Deze technologie, bekend van luidsprekers, beweegt snel, voorspelbaar en over afstanden van meerdere millimeters. Daarom worden ze veel toegepast in waferstages, snelsturende spiegels en actieve trillingsisolatiesystemen, die voorkomen dat trillingen van buitenaf de prestaties van precisiemachines beïnvloeden.
Een nadeel van voice coils is de warmteontwikkeling door de lineaire relatie tussen stroom en kracht. Meer kracht betekent meer stroom en dus meer warmte. In systemen die met nanometernauwkeurigheid werken, kan een thermische instabiliteit van slechts enkele millikelvin al een meetbare positioneringsfout veroorzaken. Bij de productie van computerchips kan zo’n kleine afwijking het verschil betekenen tussen een goedgekeurde wafer en een complete batch die moet worden afgekeurd.
Van lab naar markt
De zoektocht naar een actuator die een hoge positioneernauwkeurigheid combineert met een grote slag, zonder de warmteontwikkeling van een voice coil, heeft geleid tot hernieuwde belangstelling voor een relatief onbekend actuatorprincipe: de reluctantieactuator. Ook deze technologie gebruikt elektromagnetisme, maar op een fundamenteel andere manier. Waar een voice coil Lorentz-kracht opwekt door een stroomvoerende spoel in een magneetveld aan te zetten, maakt een reluctantieactuator gebruik van de natuurlijke neiging van een magnetisch materiaal om de weg van de minste magnetische weerstand – de laagste reluctantie – te volgen.
In een reluctantieactuator trekt een door een spoel bekrachtigd ferromagnetisch deel een ferromagnetische ‘mover’ aan. Wanneer de luchtspleet tussen beide zeer klein is, kan met relatief weinig vermogen een zeer hoge kracht worden opgewekt. Dit biedt een grote kans, want het maakt een zeer compacte en thermisch stabiele actuator mogelijk – twee eigenschappen die essentieel zijn voor precisietoepassingen.
Het werkingsprincipe klinkt eenvoudig, maar tientallen jaren bleef de toepassing van reluctantieactuatoren in de precisiemechatronica beperkt. De reden is dat de magnetische aantrekkingskracht sterk niet-lineair is: naarmate de mover dichter bij het vaste deel komt, neemt de aantrekkingskracht steeds sneller toe. Dat verschijnsel ken je waarschijnlijk van twee magneten: zolang ze ver uit elkaar zijn, gebeurt er weinig, maar zodra ze dicht bij elkaar komen, trekken ze elkaar plotseling veel krachtiger aan.
Juist die sterk positieafhankelijke kracht maakt een reluctantieactuator lastig te sturen. Zonder geavanceerde regeling gedraagt hij zich in feite als een klassieke solenoïde: geschikt voor een snelle aan-uit-beweging, maar niet voor nauwkeurige positionering.
Pas de afgelopen jaren hebben verbeteringen in modellering, processorsnelheid en regeltechniek nieuwe mogelijkheden gecreëerd om deze niet-lineariteit nauwkeurig te modelleren en te compenseren. Verschillende organisaties hebben inmiddels laten zien dat het principe ook geschikt is voor de meest veeleisende toepassingen. Zo ontwikkelde TNO op basis daarvan een nanometer-nauwkeurig en energie-efficiënt spiegelsysteem voor de Extremely Large Telescope (ELT) in Chili.
De stap van onderzoeksprojecten naar commerciële producten is inmiddels ook gezet. Met Fluxthor uit Delft brengen we als eerste bedrijf precisiereluctantieactuatoren op de markt. De gepatenteerde technologie wordt momenteel verder ontwikkeld en uitgerold, mede dankzij een recent toegekende innovatiesubsidie van Holland High Tech. Daarbij ligt de uitdaging niet alleen in het ontwerp van de actuator zelf, maar ook in de volledige mechatronische integratie: sensoren, signaalbewerking, vermogenselektronica en besturingsalgoritmes.
Waardevolle aanvulling
Reluctantieactuatoren brengen de sterke eigenschappen van bestaande technologieën samen. Net als een voice coil halen ze een relatief grote slag, in het millimeterbereik, en hoge dynamische prestaties, terwijl de warmteontwikkeling aanzienlijk lager blijft. Tegelijkertijd biedt de technologie, net als een piëzoactuator, een hoge positioneernauwkeurigheid, maar dan zonder beperkt te zijn tot een zeer kleine slag. Bovendien zijn er geen permanente magneten nodig, wat de invloed van geopolitieke spanningen op de toeleverketen sterk vermindert.
De niet-lineariteit die eerder nog de grootste uitdaging vormde, wordt binnen de Fluxthor-actuatoren nauwkeurig gemodelleerd en aangestuurd. Daardoor zijn ze over het volledige werkgebied nauwkeurig regelbaar én kunnen we juist profiteren van de exponentiële krachttoename. Het resultaat is een zeer krachtdichte, compacte, thermisch stabiele en precieze actuator die nieuwe mogelijkheden geeft in toepassingen waarin bestaande technologieën ieder hun eigen beperkingen hebben, van halfgeleiderapparatuur tot wetenschappelijke instrumenten.
Een voorbeeld zijn fast steering mirrors. Dit zijn spiegels die razendsnel gekanteld worden om laserstralen nauwkeurig te richten, bijvoorbeeld voor satellietcommunicatie. Voice coils worden hiervoor veel gebruikt vanwege hun grote bewegingsbereik en hoge dynamiek, maar hun warmteontwikkeling kan de spiegel vervormen en daarmee de uitlijning van de laserbundel beïnvloeden. Dankzij hun hogere krachtdichtheid maken reluctantieactuatoren compactere en stijvere ontwerpen mogelijk, met een lagere bewegende massa en daarmee een hogere bandbreedte, waardoor snellere (internet)communicatie mogelijk wordt.
Een ander voorbeeld is actieve trillingsisolatie. Hiervoor worden tegenwoordig vaak piëzoactuatoren toegepast vanwege hun snelle respons en minimale warmteontwikkeling. Hun beperkte slag maakt het echter lastig om ook grotere verstoringen te compenseren. Door hun grotere bewegingsbereik kunnen reluctantieactuatoren een breder frequentiegebied afdekken zonder in te leveren op precisie.
Een extra voordeel van reluctantieactuatoren is de contactloze krachtoverdracht. Waar een piëzo mechanisch met het te bewegen onderdeel is verbonden, is de mover van een reluctantieactuator fysiek gescheiden. Daardoor worden er minder trillingen overgedragen.
Reluctantieactuatoren zullen piëzo’s en voice coils niet direct vervangen. Beide alternatieven hebben hun eigen toepassingsgebied en blijven onmisbaar binnen de hightech. De recente ontwikkelingen laten echter zien dat het reluctantieprincipe een waardevolle aanvulling vormt op het bestaande arsenaal. Voor toepassingen waarin een relatief groot bewegingsbereik, hoge dynamiek, hoge krachtdichtheid én beperkte warmteontwikkeling samenkomen, biedt de technologie ingenieurs een nieuwe mogelijkheid om de grenzen van de precisiemechatronica verder te verleggen.
