WHITEPAPER – Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren-- Oliver Dietzel --Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren
Große Verfahrwege, hohe Lasten und genaue Positionierung

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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WHITEPAPER – Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren-- Oliver Dietzel --1 Einleitung
HybrideAntriebe
vereinenzwei
verschiedene
Antriebskonzepte zu einem leistungsstarken und präzisen
Positioniersystem. Sie nutzen dabei die Vorzüge beider
Einzelantriebe. Solche Lösungen sind immer dann gefragt,
wenn ein Antrieb alleine nicht in der Lage ist, alleAnwendungsanforderungen zu erfüllen. Ein Beispiel dafür ist
die präzise, nanometergenaue Positionierung hoher Lastenüber lange Stellwege. Nanopositioniersysteme, diePiezoantriebe mit klassischen Spindelantrieben kombinieren,bieten hierfür einen praxisgerechten Lösungsansatz, doch
auch andere Antriebskonzepte bieten sich an.
Die Anwendungsbereiche für hybride Antriebe reichen vonder Halbleiterfertigung über Qualitätssicherung und optische
Inspektion bis hin zur Biotechnologie.

2 Hybridkonzept aus
Elektromotor mit VoiceCoil

Linearmotoren bieten große Hublängen mit hoher Positionierund Wiederholgenauigkeit, bringen allerdings den Nachteil
einer hohen Reibung in den Linearführungen mit, die zur
Lastaufnahme eingesetzt werden.
Voice-Coil-Aktoren bieten zwar eine präzise Positionierungsowie eine gute Kraftregelung und leichtgängige Bewegung.
Ihr Verfahrweg ist jedoch auf etwa 100 mm begrenzt und sie
können Lasten im Stillstand nur halten, wenn sie bestromtsind.

3 Hybridkonzept aus
Piezoschreitantrieb mit
Piezoaktor
In anderen Anwendungen wie z.B. für die Inspektion vonHalbleitern hat PI bereits sehr erfolgreich ein weiteres
hybrides Antriebskonzept entwickelt und etabliert.

Fürhybride
Positioniersysteme
wurdenschon
unterschiedliche Konzepte entwickelt und umgesetzt. Eine
Lösung ist beispielsweise die Kombination von Linearmotoren
und Voice-Coil-Aktoren (s. Abb. 1).

Abb. 2Abb. 1Hybridkonzept aus Elektromotor mit Voice-Coil-Aktor (Bild: PI)

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Hybridkonzept aus Piezoschreitantrieb mit Piezoaktor (Bild: PI)

Ein PiezoWalk® Antrieb, der große Stellwege bei großer
Steifigkeit bietet, wird kombiniert mit einem PICMA® Aktor
für hoch dynamische Anwendungen (s. Abb. 2). Der Vorteil ist
hierbei, dass je nach Auslegung des PiezoWalk® Antriebs hohe
Haltekräfte realisiert werden können. Dabei ist die hohe
Dynamik des PICMA® Antriebs wichtig für eine schnelle
Fokussierung des zu scannenden Objektes.

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WHITEPAPER – Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren-- Oliver Dietzel --4 Hybridkonzept aus
Elektromotor mit Piezoaktor
Gemeinsam mit den Ingenieuren und Astronomen desEuropean Southern Observatory (ESO) arbeitet PI an einem
Projekt für das derzeit größte erdgebundene Teleskop auf
dem 3000 Meter hohen Cerro Amazones in der AtacamaWüste in Chile (s. Abb. 3).

Abb. 5

Konzeption eines M1 Segments (Bild:ESO)

Dabei müssen beachtliche Massen bewegt werden: Jedes
Spiegelsegment einschließlich seiner Halterung wiegt etwa
250 kg. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtungen desTeleskops müssen die insgesamt 2.394 Aktuatoren Lasten
zwischen 463 N Zug- und 1050 N Druckkraft bewegen oderhalten (s. Abb. 5).

Abb. 3

Das European Extremely Large Telescope (ELT) wird das größte
bodengebundene Teleskop für die wissenschaftliche Auswertungelektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und nahen InfrarotWellenlängenbereich sein (Bild: ESO)

Das revolutionäre Design des Teleskops besteht aus einem
Hauptspiegel (M1) mit einem Durchmesser von 39 Metern,
der in 798 unabhängige Spiegelsegmente unterteilt ist. Jedes
Spiegelsegment hat einen Durchmesser von 1,4 m und wirdvon drei unabhängigen Hybridantrieben mit einem nominalen
Hub von ±5 mm positioniert (s. Abb. 4).

Eine der wichtigsten Aufgaben des Teleskops wird sein,möglichst scharfe Bilder des Universums zu liefern, anhand
derer die Forscher Exo-Planeten, d. h. Planeten, die außerhalb
des Sonnensystems liegen, suchen. Die größte technische
Herausforderung besteht daher darin, die Spiegelsegmenteüber den gesamten Hub mit einer maximalen
Positionsabweichung von 2 nm zu verfahren.

Abb. 6Abb. 4Der Elektromotor eignet sich für hohe Lasten und lange
Stellwege. Kombiniert mit einem Piezoantrieb bietet das hybride
Systemzusätzlich
Positioniergenauigkeiten
imSubNanometerbereich (Bild: PI)

Darstellung eines Hauptspiegelelements, die drei Hybridantriebe
sind hier in blau dargestellt (Bild: ESO)

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WHITEPAPER – Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren-- Oliver Dietzel --Um diese hohe Bahngenauigkeit zu erreichen, hat PI ein
Hybridkonzept entwickelt, in dem ein Motor-Spindel-Antrieb,
der für hohe Lasten und große Verfahrwege geeignet ist, miteinem Piezoaktor zu kombiniert wird (s. Abb. 6). Die serielle
Kombination der beiden sehr unterschiedlichen Antriebe
ergibt ein leistungsstarkes und präzises Positioniersystem (s.
Abb. 7).

Abb. 8Abb. 7

Hochsteifer hybrider Linearaktor mit einem Durchmesser vonca.200 mm bei einer Gesamtlänge von ca. 285 mm (Bild: PI)

4.1 Piezoaktoren positionieren mit
Sub-Nanometer-Genauigkeit

Keramisch isolierte Hochleistungs-Piezoaktoren: langlebig auchunter erschwerten Einsatzbedingungen in Industrie, Life Scienceund Mikroskopie ebenso wie in Medizintechnik und Forschung(Bild: PI)

Die im Hybridantrieb für die Teleskopsegmente eingesetzten
Piezoaktoren sind zudem in einem verschlossenen, mit
Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt (s. Abb. 9), um auchunter widrigen Umgebungsbedingungen am Standort in derAtacama-Wüste in 3.000 m Höhe die geforderte Lebensdauer
der Positionierlösung von 30 Jahren zu erreichen.

Für die Nanopositionierung von großer Bedeutung ist die
präzise Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische
Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Die
elektrische Energie wird direkt im kristallinen Festkörper inmechanische umgewandelt, es gibt also keine rotierenden
oder reibenden Teile.
Piezoaktoren arbeiten dadurch nicht nur sehr präzise,
sondern auch wartungs- und verschleißfrei. Dabei können sie
große Lasten bis zu mehreren Tonnen bewegen. Sie wirken
elektrisch wie kapazitive Lasten und benötigen im statischen
Betrieb praktisch keine Leistung. Das Verhalten im Stromkreis
ist etwa mit dem eines elektrischen Kondensators
vergleichbar. Im statischen Zustand erzeugen sie genau wie
diese keine Abwärme.
Auch in punkto Lebensdauer überzeugen Piezoaktoren: Bei
den PICMA® Multilayeraktoren (s. Abb. 8) bestehen dieaktiven Schichten aus dünnen keramischen Folien und sindvon einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben, die
die Aktoren vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch
erhöhten
Leckstromschützt.
Dermonolithische
Piezokeramikblock eines solchen Aktors erreicht selbst unter
extremen
UmgebungsbedingungenmithohenTemperaturunterschieden
einebesondershoheZuverlässigkeit.

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Abb. 9Ein gekapselter PICMA® Linearaktor ist Teil des hybriden
Antriebskonzepts (Bild: PI)

4.2 Ein hochauflösender Sensor fürbeide Antriebssysteme
Eine weitere Besonderheit der Hybridantriebe ist dergemeinsame hochauflösende Sensor, mit dessen Hilfe beide
Antriebe gleichzeitig kontinuierlich geregelt werden. Nur solässt sich die hohe Auflösung der Piezoaktoren auch über den
gesamten Verfahrweg nutzen.
Der hochauflösende Sensor ist ein inkrementeller optischerEncoder, der nahe der Antriebsachse platziert ist (Abb. 10). Er
arbeitet mit einer Auflösung von 0,1 Nanometern und ist
ebenfalls
unempfindlichgegenüber
wechselnden
Umgebungsbedingungen, wie sie am Einsatzort des Teleskops
in der Atacama-Wüste herrschen.

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WHITEPAPER – Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren-- Oliver Dietzel --Das Getriebe sorgt für einen spielfreien Betrieb und garantiert
ein konstantes Übersetzungsverhältnis. Dadurch kann derMotor klein dimensioniert werden, obwohl große Massen
bewegt werden. Die hohe Untersetzung unterstützt zudem
bei Stillstand die Selbsthemmung des Motors.
Ein spezieller Controller steuert beide Antriebe simultan an
und regelt über das hochauflösende Positionsmesssystem.
Die Regelalgorithmen betrachten Motor- und Piezosystem alseine Antriebseinheit und gleichen die tatsächliche Bewegung
mit einer berechneten Trajektorie ab.

Abb. 10 Schematische Darstellung des Hybrid-Antriebs. Die gemeinsame
Regelung mit einem einzigen hochauflösenden Linearencoder
ermöglicht die extrem konstante Geschwindigkeit und hohe
Positioniergenauigkeit (Bild: PI)

Der Motor-Spindel-Antrieb ist für hohe Lasten undVerfahrwege von wenigen Millimetern bis zu einem Metergeeignet.
Der
Piezoaktor
bietetlediglicheine
Nominalauslenkung von etwa 0,1 bis 0,15 % der Aktorlänge,erreicht jedoch mit einem hochauflösenden Sensor
Positioniergenauigkeiten im Sub-Nanometer-Bereich undkann damit die Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs
ausgleichen.
Die Spindel wird über ein hochuntersetztes Getriebe voneinem bürstenlosen, drehmomentstarken Torque-Motor
angetrieben.

Das Steuerungsprinzip des Hybridantriebs ist im Prinzip
einfach zu verstehen (Abb. 11): Die Motorspannung wird vonder Steuerspannung des Piezos abgeleitet. Je größer diese
Spannung wird, umso schneller läuft der Motor. Während sichder Piezo also ausdehnt, treibt der Motor die Spindel in die
gleiche Richtung. So wird die Grobpositionierung der Spindel
durch die Feinpositionierung des Piezos ergänzt. Gleichzeitig
wird der Piezo von der Spindel automatisch immer in die
Nähe seiner Null-Stellung gefahren. Hier hat er die größte
Möglichkeit zur Positionskorrektur in beide Richtungen. Aufdiese Weise lassen sich die relativ großen Verfahrwege mit
einer extrem hohen Positioniergenauigkeit kombinieren.
Solche Hybridantriebe können ihre Eigenschaften aber nicht
nur in Teleskopen ausspielen, sondern sind immer dann eine
praxisgerechte Lösung, wenn bei großen Verfahrwegen diePosition hochgenau erfasst und wieder angefahren werdenoder eine Zielposition nanometergenau erreicht werdenmuss. Typische Anwendungsbereiche finden sich deshalb z.B.
auch in der Messtechnik beispielsweise bei derOberflächeninspektion,derHalbleiterfertigung,derMikroskopie und der Lasertechnologie.

Abb. 11 Die Reglerstruktur (Bild: PI)

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WHITEPAPER – Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezoaktoren-- Oliver Dietzel --5 AutorOliver Dietzel, Teamleiter Projektmanagement Zentrale
Plattform – Entwicklung bei Physik Instrumente (PI) GmbH &Co. KG

6 Über PI
WP4014D Hybride Nanopositioniersysteme mit Piezo 10/2018.0 Änderungen vorbehalten. © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2018

Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe
Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen
Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise
Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt undfertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder
Motorantrieben.
Einekontinuierliche
Entwicklung
neuartiger
Antriebskonzepte, Produkte und Systemlösungen und über200
Technologiepatentekennzeichnen
heute
dieUnternehmensgeschichte. Dabei entwickelt, fertigt undqualifiziert PI alle Kerntechnologien selbst: Von
Piezokomponenten,-aktoren
und-motoren
undmagnetischen Direktantrieben über Luftlager, Magnet- und
Festkörperführungen bis hin zu Nanometrologie-Sensoren,
Regeltechnik und Software. PI ist dadurch von den am Marktverfügbaren Komponenten unabhängig, um seinen Kunden
die fortschrittlichsten Lösungen anzubieten. Die hohe
Fertigungstiefe ermöglicht dabei eine vollständige
Prozesskontrolle, um flexibel auf die Marktentwicklungen undneue Anforderungen zu reagieren.
Durch die Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion
Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller
modularerMotion
Controller
fürmehrachsige
Antriebssysteme, kann PI außerdem maßgeschneiderte
Komplettsysteme für industrielle Anwendungen liefern, diehöchste Präzision und Dynamik fordern. Mit vier Standorten
in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- undServiceniederlassungen ist die PI Gruppe internationalvertreten.
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