Piezo Nano Positioning
2013/2014

W W W. P I . D E

InhaltÜber PIab Seite

4

Piezopositioniersysteme

ab Seite 17
Piezoscanner für nanopräzise Positionierung in 1 bis 6 Achsen

Seite 18

Z-Piezoscanner und Objektivfokussierer für die Mikroskopie

Seite 44

Precision Motion Control: Piezoverstärker und -controller für die
Nanopositionierung

Seite 56

Nanometrologie

Seite 72

Technologie der Nanopositionierung

Seite 76

Piezoantriebe

ab Seite 99
Piezomotoren

Seite 100

Technologien der Piezomotoren

Seite 104

Piezoaktoren mit Führung und Vorspannung

Seite 110

Technologie: Führung und Vorspannung

Seite 116

Piezoaktoren und Piezokomponenten

Seite 118

Grundlagen der Piezotechnologie

Seite 126

2

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Hexapod und SpaceFAB: Parallelkinematiken für 6 Bewegungsachsen

ab Seite 159

Hexapod und SpaceFAB

Seite 160

Controller für Hexapod-Positioniersysteme

Seite 176

Zubehör

Seite 178

Technologie parallelkinematischer Präzisionspositionierer

Seite 180

Motorisierte Positioniersysteme

ab Seite 191

Präzisionslinearversteller

Seite 192

Präzisionskreuztische

Seite 216

Präzisionsrotationstische

Seite 222

Motorisierte Präzisionslinearaktoren

Seite 234

Motion Controller

Seite 244

Grundlagen motorisierter Positioniersysteme

Seite 252

PatenteSeite 268

Impressum

Seite 269

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PIEZO

NANO

POSITIONING

Die PI Gruppe

Weltweit ist kein anderes Unternehmen im Bereich der Präzisionspositionierung technologisch breiter aufgestellt als die PI Gruppe. Kontinuierliches Wachstum ist dabei einesder Hauptmerkmale der PI Gruppe.
Neuartige Antriebskonzepte, Produkte und Systemlösungen haben auch in den letzten Jahren
zu einer stetig steigenden Marktpräsenz geführt und für eine hohe Konstanz in der Firmenentwicklung gesorgt. Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter weltweit und eigene Vertretungen in
13 Ländern versetzen die PI Gruppe heute in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich
innovativer Präzisionspositioniertechnik zu erfüllen.

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Typisch PI: Nanometer-Auflösung für die
Fokusfeinverstellung in der Mikroskopie
mit PIFOC® Objektivscanner

PICMA® Multilayer-Piezoaktoren von PI Ceramic
mit vollkeramischer Ummantelung für optimale
Zuverlässigkeit und Lebensdauer

SpaceFAB Positioniersystem von PI miCos.
Parallele Kinematik für die Positionierungin bis zu 6 Freiheitsgraden

Einzigartig in Piezotechnologie
und Präzisionspositionierung
Physik Instrumente (PI) – Präzisionspositionierung für Industrie und ForschungPhysik Instrumente (PI) wurde vor mehr als vier Jahrzehnten gegründet und gilt heute als weltweiter Markt- und Technologieführer in der Präzisionspositionierung mit Genauigkeiten im
Nanometerbereich. Der Hauptsitz in Karlsruhe ist mit mehr als 350 Mitarbeitern Entwicklungsund Fertigungsstandort für eine breit gefächerte Palette hochauflösender Antriebssysteme und
Positionierlösungen.
PI Ceramic – Spezialist für Piezotechnologie
PI Ceramic mit zurzeit etwa 200 Mitarbeitern wurde 1992 in Lederhose (Thüringen) als Entwicklungs- und Fertigungsstandort für piezoelektrische Wandler gegründet und gehört heutezu den weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Diese sind in der Präzisionspositionierung ebenso zu finden wie in der Messtechnik,
der Schwingungs- oder Energieerzeugung.
PI miCos – Motion Control und Systemintegration
PI miCos, gegründet 1990 in Eschbach bei Freiburg, gehört seit 2011 zur PI Gruppe. Mit aktuellüber 60 Mitarbeitern entwickelt, fertigt und vertreibt das Unternehmen weltweit einzigartige
Systeme und Komponenten für hochpräzise Positionieranwendungen. Schwerpunkte bilden
unter anderem die Positioniertechnik im Vakuum, Luftlagertechnik, Linearmotoren sowie
Ingenieurleistungen zur Systemintegration.
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PIEZO

NANO

POSITIONING

EUROPA

ASIEN

PI UK
PI France
PI ItalymiCos Iberia

PI Japan
PI Shanghai(mit Entwicklung und Fertigung)
PI Singapore
PI Korea

AMERIKADEUTSCHLANDPI USAPI Karlsruhe
PI Ceramic
PI miCos

Standorte für Entwicklung, Fertigung, Vertrieb und Service
Standorte für Vertrieb und Service

In allen wichtigen Forschungs-, Entwicklungs- und Hochtechnologie-Fertigungsregionen
ist die PI Gruppe präsent. Die rund um den Globus verteilten lokalen Niederlassungensind dabei mehr als reine Vertriebsvertretungen. Davon proﬁtieren die Kunden, dennvielerorts gibt es■

Serviceeinrichtungen für Diagnose und Reparaturen sowie Messtechnik für Tests,
Systemkalibration und Qualitätssicherung■ Entwicklungsabteilungen, um schnell und ohne Zeitversatz auf die Bedürfnisse der lokalen

Märkte reagieren zu können im direkten Dialog mit dem Anwender■ Muster- und Prototypenbau, nahe an der Entwicklung und im direkten Kontakt zum Kunden■

Vertriebsmitarbeiter, die nicht nur Produktspezialisten für das Portfolio der gesamte
PI Gruppe sind, sondern auch kundenspezifische Entwicklungen vom ersten Kontakt bis
zur Auslieferung als Ansprechpartner begleiten■ Marktspezialisten, die die spezifischen Anforderungen in bestimmten Marktsegmenten

weltweit kennen. Die PI Gruppe kann darauf mit perfekt abgestimmten Produktentwicklungen reagieren

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Weltweit gut aufgestellt

2004 Markteinführung der NEXLINE1970 Gründungsjahr von PI®

Hochleistungs-Piezolinearantriebe

1977 Umzug nach Waldbronn

2007 Markteinführung der NEXACT®

1991 Markteinführung von 6-achsigen,

Piezolinearantriebe

parallelkinematischen Positioniersystemen (Hexapoden)

2010 Raum für weiteres Wachstum:
Kauf des Erweiterungsgrundstücks
neben dem PI Firmensitz in Karlsruhe

1992 Gründung von PI Ceramic in Thüringen,
Grundstein für die Marktführerschaft
in der Nanostelltechnik

2011 Übernahme Mehrheitsanteile
der miCos GmbH, Eschbach

1994 Markteinführung kapazitiver

2012 Erweiterungsgebäude in Karlsruhe

Positionssensoren

und Lederhose

1998 Markteinführung von digitalen

2012 Vorstellung des vollständig magnetischRegelungselektroniken

geführten Positioniersystems PIMagTM 6D

2001 Markteinführung der PILine®

2013 Markteinführung der auf PIShift Träg-

Ultraschall-Piezomotoren

heitsantrieben basierenden PiezoMike
Linearaktoren

2001 Neues Firmengebäude in Karlsruhe
2002 Erweiterungsgebäude für PI Ceramic
2002 Markteinführung der PICMA®

Multilayer-Piezoaktoren

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PIEZO

NANO

POSITIONING

Liebe Kundinnen und Kunden,

PI steht für technische Spitzenleistungen; unser wichtigstes Anliegen ist es aber, Sie zu
begeistern. Die Voraussetzungen dafür glauben wir zu haben, denn PI bietet eine technologische Bandbreite, die in der Welt ihresgleichen sucht: Piezoaktorik, Voice-Coil, magnetische
Führungen, Nanometrologie-Sensoren oder digitale Regler – es gibt keine Technologie
für hochgenaue Bewegungen, die wir nicht einsetzen können. Die Piezotechnologie ist
dabei ein solch elementarer Grundbaustein unseres Portfolios, dass wir mit PI Ceramic
ein ganzes Unternehmen darum herum gegründet haben. So sind wir unabhängig vonam Markt verfügbaren Komponenten und können alle Schlüsseltechnologien aus einer
Hand anbieten. Das macht uns so besonders, wie wir es sein müssen, um Ihre besonderen
Anforderungen in der Antriebs- und Positioniertechnik zu erfüllen.
Es ist aber nicht alleine die Technologie, die unsere Basis bildet. Es sind vor allem auchdie Menschen, die für und mit PI arbeiten. Stetige Verbesserung der Arbeitsabläufe, ﬂache
Hierarchien, kurze Wege und eine direkte Kommunikation intern und mit Ihnen als Kunden
bilden dafür gute Grundlagen. Unsere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter freuen sich darauf,
für Sie tätig zu sein und Sie zu begeistern.
Mit freundlichen Grüßen

Dr. Karl Spanner, Vorsitzender der Geschäftsführung

Aus dem Leitbild
Die „Wall of Fame“: Weit über 100 Patente
und zum Patent angemeldete Technologien
aus den Bereichen Nanopositionierung,
Positioniersteuerungen und piezoelektrischer Antriebssysteme
Integriertes Managementsystem: Qualität,
Umwelt und Arbeitssicherheit zertifiziert
nach ISO 9001, ISO 14001, OHSAS 18001

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W W W. P I . D E„PI ist ein stark expandierendes mittelständisches
Unternehmen in Privatbesitz. Der Name PI steht für
Qualität in Produkten, Prozessen und Service. Der
Entwicklungs- und Fertigungsablauf unterliegt dervollständigen Kontrolle und Verantwortung von PI.
Profitabilität ist notwendig für eine finanzielle Unabhängigkeit und die Voraussetzung für Investitionen.
Sie gewährleistet Stabilität und eine zuverlässige
Partnerschaft für unsere Kunden.
PI ist Partner der Kunden, es werden langfristige
Kundenbeziehungen angestrebt. Die Voraussetzung
hierfür sind die Fairness in der Preisfindung und die
gegenseitige Unterstützung bei der Problemlösung.“Unangepasst angepasstssstGanz so, wie es die Kunden wünschen, kann die PI Gruppe
ppe
reagieren: Speziﬁsche Anforderungen können oft nur mit
angepassten Lösungen bedient werden – Lösungen, die
nur mit unangepasstem, kreativem Denken erzielt werden.
den.
Marktvorteile durch große Bandbreite und unkonventionelle Lösungen
PI ist dort zu Hause, wo unkonventionelle Lösungen gefragt sind. Das ist längst nicht mehr nur
in Forschungsbereichen der Fall. Die Nanotechnologie ist heute auch in standardisierten industriellen Prozessen präsent. Ob für Industrie oder Forschung: PI kann Lösungen anbieten, die sichvon „handelsüblicher“ Technologie unterscheiden. Dazu ist es erforderlich, die Anforderungender Kunden zu verstehen, zu bewerten und kreativ umzusetzen. Die technologische Breite, auf
die PI zurückgreifen kann, erlaubt immer einen Lösungsansatz, der nicht von vornherein auf
bestimmte Technologien festgelegt ist. Für den Kunden ergeben sich daraus oft beachtliche
Wettbewerbsvorteile.
Warum Wissenschaftler auf PI setzen: Kreativität für Forschung und Entwicklung
Viele wissenschaftliche Veröffentlichungen verweisen auf PI Systeme, weil diese eine wichtige
Voraussetzung für erfolgreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte lieferten. Sonderanfertigungen für das Umfeld der öffentlichen Forschung sind für PI an der Tagesordnung. Extreme
Umgebungsbedingungen und neue Designs sind dabei ebenso gängig wie leichte Modifikationen
zur besseren Anpassung an die Anwendung. Wichtige Betätigungsfelder im Forschungsumfeld
sind z. B. die Beamline-Instrumentierung, die Mikrosystemtechnik oder Nanotechnologie.

Spiegelhalter in einem
astronomischen Projekt, bei
dem es auf höchste Stabilität
und Auflösung ankommt.
Hier hat PI NEXLINE® Piezomotoren mit absolut messenden Sensoren für lange
Messbereiche kombiniert

OEM-Anwender profitieren vom Integrierten Management System
Optimierte Prozesse ermöglichen es uns, kundenspezifische Entwicklungen in Stückzahlen bis
zu mehreren 100 000 Einheiten pro Jahr termingetreu und kostengünstig zu liefern. Die Paletteder OEM-Produkte der PI Gruppe ist breit gefächert und reicht vom „nackten“ Aktor oder Sensor
bis zum hochintegrierten parallelkinematischen Positioniersystem. Die dafür erforderliche Evaluierung über seriennahe Muster ist im Entwicklungsprozess ebenso verankert wie die entsprechenden Testverfahren, die Produktionsprozesse und das Qualitätsmanagement.
Entscheidende Wettbewerbsvorteile für unsere Kunden ergeben sich, weil PI mit seinen Produkten in allen Bereichen (Mechanik, Elektronik, Sensorik, Software) auf die Kundenanforderungeneingeht. Solche Lösungen machen den wesentlichen Unterschied zum „Stand der Technik“ ausund sind unerlässlich, um erfolgreich am Markt bestehen zu können.
Kontrolle aller entscheidenden Systemkomponenten
Die PI Gruppe entwickelt alle wichtigen Systemkomponenten selbst, vom Piezomaterial überdas mechanische Design und die Sensorik bis hin zur Auslegung der Elektronik und Software.
Die Vorteile daraus liegen nicht nur in besseren Leistungsdaten der Systeme, sondern auch inder Lieferfähigkeit und Ersatzteilversorgung bis weit in die Zukunft, ein wichtiger Punkt für alleunsere Kunden sei es aus der Industrie oder aus der Forschung.

Klein, kleiner, am kleinsten.
Kundenspezifische Antriebslösungen der PI Gruppe voneinem 30 mm breiten geführten
Positionierer mit klassischem
Getriebemotor über einen piezomotorischen Fokusversteller fürmobile Endgeräte mit Ansteuerelektronik bis hin zu PiezoChip-Aktoren und passenden
Verstärkermodulen, die in
großen Mengen preisgünstig
gefertigt werden

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PIEZO

NANO

POSITIONING

Die Märkte

Komplexe dreidimensionale
Struktur: Eine 300 μm hohe
Freiheitsstatue wurde mit
dem 3D-Lithografieverfahren
von Nanoscribe erzeugt(Foto: Nanoscribe GmbH)

Dreidimensionales Gerüst: Zellen docken an den
Richter und M. Bastmeyer, Zoolo„Griffen“ an. (Foto: B. Rich
gisches Institut, Karlsruher Institut für Technologie (KIT))

Antriebe, die zugleich klein und genau sind, verbessern abbildende Verfahren z. B. in der Medizintechnik(Foto: SCHÖLLY FIBEROPTIC GMBH)

einfach in der AutomatisieVorteile der Hexapoden ein
SPS-Anbindung ist auch dierung nutzen. Neben der SP
standardisierte G-Code Kommandos
Ansteuerung über standarmöglichmmög
lich

Curiosity untersucht Marsgestein mit Unterstützung
von PI Piezoaktoren und motorisierten Verstellern(Bild: NASA/JPL)

Präzision im Kleinsten und im Großen
Was haben lithografische Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen mit der Astronomie
zu tun? So unterschiedlich sie erscheinen, erfordern beide bei der Objektbewegung höchste
Genauigkeit im Bereich von Nanometern. PI ist mit seinen Positionier- und Antriebssystemen
in diesen und vielen weiteren Bereichen beheimatet – nicht nur in der Forschung, sondern auchin der industriellen Produktion.
Halbleitertechnologie

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Die Halbleitertechnologie ist Vorreiter in der Kommerzialisierung der Nanotechnologie. Moderne Chips besitzen bereits Strukturen mit nur einigen Nanometern Breite. Piezomotorische und-aktorische Systeme von PI helfen bei der präzisen Justierung von Wafern, der abbildenden Optik
und Maske. Auch Inspektionssysteme in der Halbleiterindustrie nutzen die Leistungsmerkmale
der PI Systeme.

W W W. P I . D E

Vakuumtauglich, nichtmagnetisch und für den Tieftemperaturbereich geeignet
Die Antriebssysteme von PI lassen sich ohne Weiteres für extreme Umgebungsbedingungenwie Ultrahochvakuum, hohe Magnetfelder oder tiefe Temperaturen auslegen. Wichtig ist hiervor allem die Wahl der Systemkomponenten, denn grundsätzlich ist die Piezotechnologie fürdiese drei Extrembereiche geeignet. Speziell bei Antriebslösungen im Ultrahochvakuum gilt
PI miCos als Experte, vor allem wenn es um den Aufbau komplexer mehrachsiger Systeme fürhohe Lasten und lange Stellwege geht.
Medizintechnik
Piezoaktoren zur Erzeugung von Ultraschallwellen, die Erzeugung von Nanoliter-Tröpfchen bei
Dosieraufgaben oder Piezomotoren als preisgünstiger Antrieb für mobile Medikamentierung – alldas sind Aufgabenstellungen, für die die PI Gruppe seit Jahren am Markt erfolgreiche Lösungenbietet. Für abbildende Verfahren wie OCT, Fokussierung oder für Zoomobjektive werden ebenfalls zunehmend kleine und zuverlässige Antriebssysteme benötigt. Hier finden Produkte von PI
ein breit gefächertes Einsatzfeld.

Endothelzellen unter dem
Mikroskop (Foto: Lemke
Group, EMBL Heidelberg)

Biotechnologie
Die Anwendungen präziser Positioniersysteme von PI im Bereich der Lebenswissenschaftenbeschränken sich nicht nur auf die typischen optischen Verfahren wie z. B. die Fokussierung oder
die Probenbewegung und -manipulation in der Mikroskopie oder in Genom-Sequenzern. Auchim Bereich der Nanodosierung und Mikrofluidik sind Antriebssysteme von PI unschlagbar. Sieermöglichen beispielsweise die Dosierung kleinster Volumina bei Verfahren wie dem PipeJet
bzw. feinste Strukturierungen durch Nanoimprint oder 3D-Lithografie.
Mikroskopie
Optische Verfahren bauen schon seit Langem auf Positioniersysteme von PI, z. B. zur Justage vonOptiken oder Proben. Piezoaktoren und -motoren ersetzen hier zunehmend klassische Antriebsprinzipien, denn sie sind kompakter, präziser und schneller. Andere, nichtoptische mikroskopische Verfahren wie SEM (Scanning Electron Microscope) oder AFM (Rasterkraft-Mikroskop)
setzen Systeme von PI wegen ihrer hohen Genauigkeit und Dynamik ein.
Bildgebende Verfahren
Die unterschiedlichsten Branchen sind heute auf bildgebende Verfahren angewiesen. Marktübergreifend bestehen die Aufgaben in der Fokussierung, dem Zoomen, der Objektjustierung unddem Wunsch, die Auflösung zu verbessern. Das Spektrum reicht dabei von der Inspektion vonOberflächenstrukturen auf Halbleitern oder Flachbildschirmen mit Weißlichtinterferometrie überdie klassische Mikroskopie bis hin zum Digitalisieren von Dokumenten oder der Kamerastabilisierung bei Luftaufnahmen. In all diesen Bereichen ist die PI Gruppe mit ihren präzisen, stabilen
und dynamischen Positioniersystemen vertreten.

Flacher, preisgünstiger
Piezoscanner für die
Biometrie: Der CCD-Chip
wird dynamisch in zwei
Achsen bewegt, um die
Auflösung virtuell zu erhöhen

Industrielle Automatisierung
Positioniersysteme von PI können über Feldbus-Schnittstellen direkt mit einer SPS kommunizieren. Dadurch lassen sie sich praktisch in jeden Automatisierungsverbund integrieren und die
Taktsynchronisierung mit anderen Automatisierungskomponenten ist gut realisierbar. Auchpräzise parallelkinematische Hexapoden kann man damit in automatisierten Fertigungsprozessenfür exakte Justageaufgaben nutzen.
Astronomie und Weltraumforschung
Höchste Präzision ist auch in der Astronomie gefragt, wenn es darum geht, der Bewegung derGestirne zu folgen oder atmosphärische Störungen auszugleichen. Dabei justieren Hexapoden
von PI Sekundärspiegel von Teleskopen auf weniger als 1 μm genau oder piezogetriebene, aktive
Spiegelelemente passen die Form großer Hauptspiegel an. Die PI Gruppe ist derzeit sogar mit
zwei Systemen auf dem Mars vertreten: Piezoaktoren trennen Gesteinsproben voneinander und
motorische Antriebe verfahren eine Kameraoptik der Marssonde Curiosity.

PIEZO

NANO

POSITIONINGSpaceFAB:
6-achsiges Positioniersystem für 10-6 hPa

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PI Ceramic Piezotechnologie
PI Ceramic gilt als weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer
Piezoprodukte. Zum Produktportfolio gehören unterschiedliche piezokeramische Elemente, die
je nach Material und Anwendung in Multilayer- oder Presstechnologie hergestellt werden. Piezokeramische Komponenten werden in einer Vielzahl von Formen und Größen sowie mit unterschiedlichsten Bewegungseigenschaften gefertigt.
Das breit gefächerte Know-how im komplexen Entwicklungs- und Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente verbunden mit modernster Produktionsausstattung gewährleisten
hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue. Prototypen und Kleinserien kundenspezifischer Piezobaugruppen stehen bereits nach sehr kurzen Bearbeitungszeiten zur Verfügung. PI Ceramic
besitzt darüber hinaus die Kapazitäten für die Herstellung mittlerer und großer Serien in automatisierten Linien.
Werkzeug für die Zahnsteinentfernung mit Ultraschall,
OEM-Produkt. Die einzelnen
Piezoscheiben sind deutlicherkennbar

PI Ceramic bietet■ piezokeramische Werkstoffe■ Miniatur-Piezoaktoren■ bleifreie piezoelektrische Werkstoffe■ PICMA® Multilayer-Biegeelemente■ piezokeramische Bauelemente■ PICA Hochlast-Piezoaktoren■ kunden- und anwendungsspezifische■ PT-Tube Piezorohre

Ultraschallwandler / Transducer■ PICMA® monolithische

Multilayer-Piezoaktoren

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DuraAct Transducer lassensich als Sensor, Aktor und fürEnergy Harvesting nutzen

W W W. P I . D E■ vorgespannte Aktoren mit Gehäuse■ Piezokomposite – DuraAct Flächenwandler

PI miCos Motion Control
Oft wird die komplette Integration vieler Achsen hochpräziser Positioniersysteme gefordert.
Beispiele liefern die Einrichtung von Experimenten in Großforschungsanlagen ebenso wie die
optische Messtechnik und Photonik sowie Prüf- und Kalibriereinrichtungen in der Industrie.
PI miCos liefert hierfür schlüsselfertige Lösungen aus einer Hand auch für komplexe Integrationen. Die kritischen mechanischen Komponenten fertigt PI miCos im eigenen Haus und erzielt
dadurch die spezifizierten Leistungsmerkmale.
Zum Produktportfolio gehören Linear- und Rotationstische ebenso wie mehrachsige SpaceFAB
Robotik-Systeme und abgestimmte Motion Controller mit Anwendersoftware. PI miCos bietet
darüber hinaus spezielle Produktlinien für Anwendungen im Vakuum bis 10-10 hPa oder unterkryogenen Bedingungen.
Typische Beispiele für erfolgreich integrierte Systemlösungen finden sich bei den flexiblen Positioniersystemen mit Linearmotoren und Luftlagertechnik ebenso wie bei den Robotik-Systemen,
die Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden ermöglichen und speziell für die optische Messtechnik und Photonik entwickelt wurden.

Positionierung im Vakuum
in bis zu sechs Achsen ist
eines der Spezialgebietevon PI miCos

Spitzenleistung für exzellente Ergebnisse:
Forschungseinrichtungen setzen auf die
einzigartige Kombination aus technischemchnischem
Know-how und perfekter Umsetzung,
zung, diebeispielsweise die taumel- und spielfreie
Bewegung dieses Rotationstisches
hesermöglichen

13

PIEZO

NANO

POSITIONING

Alles aus einer Hand

Technologie und Fertigung fest im Griff
Kunden- und applikationsspezifische Produktentwicklungen sind für die PI Gruppe die Grundlage für den Erfolg. Dazu müssen die Anforderungen verstanden und technologisch umgesetzt
werden. Dadurch, dass die PI Gruppe ihre Schlüsseltechnologien selbst entwickelt, lassen sichsowohl die Technologie als auch die Fertigung bestmöglich auf die Erfordernisse ausrichten.
Die Produkte liefern den Beweis.
Das gute Gefühl zu bekommen, was man erwartet
Der Kunde soll Aufschluss über die Leistungsfähigkeit des von ihm eingesetzten Systems haben.
Deshalb gehört zu jedem ausgelieferten positionsgeregelten Nanopositioniersystem ein aussagekräftiges Messprotokoll. Dabei werden alle Messungen mit externen, rückführbaren Messmitteln
wie hochauflösenden Interferometern durchgeführt.
Die kombinierte Hub- und
Schwenkvorrichtung trägt bis
zu sieben Tonnen und erlaubt
Drehungen um 360°. Dadurch
können z. B. Hochlast-Hexapoden mitsamt Last in derOrientierung des geplanten
Einbaus qualifiziert werden

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W W W. P I . D E

Die seismische, elektromagnetische undthermische Isolierung
der Testlabore sorgt
für eine Temperaturstabilität besser als
0,25 °C in 24 Stunden.
Messgenauigkeiten bis
in den Picometerbereich
setzen Standards in derVermessung von Nanopositionierprodukten

Hochpräzise Piezopositioniersysteme
werden mit hochwertigen kalibriertenInterferometern vermessen

Besuchen Sie
uns im Web
Auf unserer Website
www.pi.de erfahren Siemehr über uns, unsere
Produkte und die neuesten
Entwicklungen. Sie finden
dort auch die technischen
Spezifikationen zu einzelnen
Produkten, die im gedruckten
Katalog nicht explizit ausgeführt sind. Ein Besuch
auf www.pi.de lohnt sich.
Downloads vonSoftware, Manuals
und CAD-Dateien
Die Website www.pi.de hatviel zu bieten. Als Kunde
haben Sie online Zugriff
auf Software-Downloads
oder unsere ausführlichen
Bedienungsanleitungen.
Wenn Sie PI Komponenten
in Ihr System integrieren
wollen, stellt PI Ihnen online
3D-Modelle im universell
verwendbaren STEP-Format
zur Verfügung.

Qualifikation mit großer Bandbreite
Die Produktbandbreite vom Zwei-Tonnen-Hexapod bis zum 10-Gramm-Nanopositionierer setzt voraus, dass PI diese Systeme sowohl fertigen als auch qualifizieren
kann. Im Neubau bei PI in Karlsruhe wurde daher eine Schwerlasthalle eingerichtet,
in der sich Massen bis fünf Tonnen bewegen lassen. Spezielle Messvorrichtungen wie
hochauflösende 6D-Lasertracker ermöglichen die Systemqualifikation der „Schwergewichte“ in jeder Lage.
Nanopositioniersysteme erfordern in der Qualifikation stabile Messbedingungen.
Klimastabile Messräume, die mehrfach gegen das Gebäudefundament und damit
gegen Schwingungen von außen entkoppelt sind, sorgen dafür, dass die hochauflösenden Messgeräte wie Interferometer und kapazitive Sensoren ideale Umgebungsbedingungen vorfinden.
Komplette Systeme
Positioniersysteme von PI sind Komplettlösungen, d. h. sie werden mit allem ausgeliefert, was für den Betrieb erforderlich ist. Dazu zählen, sofern nicht ausdrücklichanders vermerkt, Netzteile, Kabel, Netz- und Netzwerkkabel und natürlich die Software. Mit PIMikroMove® bietet PI außerdem ein grafisches Benutzerinterface für die
schnelle Inbetriebnahme und Optimierung des Positioniersystems. Darüber hinaus
vereinfachen Programmbibliotheken und Treiber die Einbindung und Programmierung
der Systeme z. B. unter Linux, Windows oder LabVIEW.

PIEZO

NANO

POSITIONING

Die aktuelle Softwareversion steht
immer online bereit. Eine umfangreiche Produktdokumentation hilft
bei der schnellen und erfolgreichen
Inbetriebnahme ebenso wie bei
Detailfragen fortgeschrittener
Anwender15

16

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Piezopositioniersysteme

Produkte

Seite 18 – 75

Technologie

Seite 76 – 95

17

PIEZO

NANO

POSITIONING

Piezoscanner für nanopräzise Positionierung
In 1 bis 6 Achsen

Dreidimensionales Gerüst:
Zellen docken an den „Griffen“ an.
(Foto: B. Richter und M. Bastmeyer,
Zoologisches Institut, Karlsruher
Institut für Technologie (KIT))

Nanotechnologie ist bereits Alltag. Die Verwendung hochpräziser Positioniersysteme in der Biotechnologie, Mikroskopieoder Halbleitertechnologie ermöglicht die Auflösung feinster Strukturen in Fertigung und Inspektion. So werden immer
leistungsfähigere integrierte Elektronikbausteine ermöglicht und neue Diagnose und Therapieverfahren in den Lebenswissenschaften erforscht.

18

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Einachsige Piezoscantische

Seite 20

Nanopositioniersysteme der Referenzklasse

Piezo-Z-ScannerSeite 22

Kompakte Positionierer für die Vertikale

Piezoscantische für 1 bis 3 Achsen

Seite 26

Präzisionspositionierer für bis zu 6 Achsen

Seite 38

Piezosysteme der Referenzklasse

PicoCube® XYZ - Piezoscanner für AFM

Seite 40

Schnelle Kippspiegel

Seite 42

Aktive Optiken

19

PIEZO

NANO

POSITIONING

Einachsige Piezoscantische
Nanopositioniersysteme der Referenzklasse

P-753

Highlights■ Hervorragende Präzision■ Für dynamische Anwendungen■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit■ Kapazitive Positionssensoren für Positioniergenauigkeit

und Stabilität im Bereich einzelner Nanometer■ Reibungs- und spielfreie Festkörperführungen (Flexures)

Anwendungen
Piezoaktorische Lineartische von PI vereinen nanometergenaue Auflösung und Führungspräzision mit minimalemÜbersprechen. Daher sind sie besonders geeignet für Referenzanwendungen in der Messtechnik, für mikroskopische
Verfahren, für die Interferometrie oder in Inspektionssystemen für die Halbleiterchip-Herstellung.

20

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-752

P-753

P-750

P-622

P-752

P-753

P-750

P-620
bis
P-629

Höchste Führungsgenauigkeit

LISA Aktor undNanoscantisch:
Vertikal und horizontal
einsetzbar

Für hohe Lasten

PIHera: XY- und ZVersionen verfügbar

66 bis 84 × 40 × 13,5

44 bis 80 × 30 × 15

115 × 115 × 25

30 × 30 × 12 bis
100 × 100 × 22,5

15 bis 30

12 bis 38

75

50 bis 1 500

30

100 vertikal,
20 horizontal

100

10

Auflösung geregelt in nm

bis 0,1

0,05 bis 0,21

bis 0,2

Linearitätsabweichung
in %

0,03

0,03

0,03

bis 0,02

Wiederholgenauigkeit
in nm±1 bis ±2±1 bis ±3±3

bis ±1Übersprechen θY/ θZ in
μrad

±1

±5 bis ±10±10±3 bis ±10

bis 30bis 4512,5bis 0,4

bis 3 200

bis 5 600

600

bis 1 100

Abmessung in mm
Stellweg geregelt in μm
Belastbarkeit in N

Steifigkeit in N/μm
Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

21

Piezo-Z-Scanner
Kompakte Positionierer für die Vertikale

P-622

Highlights■ Reibungs- und spielfreie Festkörperführungen (Flexures)■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit■ Ungeregelte Versionen verfügbar

AnwendungenVertikale Piezopositionierer werden für die Justage von Optiken in der Lasermesstechnik verwendet, wie auch fürdie Fokussierung von Proben in der Mikroskopie oder in Testsystemen. PI bietet für unterschiedlichste AnwendungenVertikalversteller in verschiedenen Bauformen an.

22

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-611.Z

P-612.Z

S-303.BL

P-611.Z

P-612.Z

S-303.BL

Präzise mit langen
Stellwegen

Preisgünstig

Kompakt mit Apertur

Hochdynamischer
Piezophasenschieber

PIHera: XY- und ZVersionen verfügbar

X-, XY- oder XZVersionen verfügbar

XY-Versionen
verfügbar

Version mit Picoactuator® Antrieb fürhohe Linearität imungeregelten Betrieb

30 × 30 × 15 bis
50 × 50 × 17,5

44 × 44 × 27

60 × 60 × 27

Ø 30 × 10, ungeregelt
mit Ø 8 mm Apertur

bis 250

100

100

2

10

15

15

0,5

kapazitiv

DMS

DMS

kapazitiv

Auflösung geregelt in nm

bis 0,1

2

1,5

0,03

Linearitätsabweichung
in %

0,02

0,1

0,2

1

Wiederholgenauigkeit
in nm

±1

<10

±4

0,7

Übersprechen θY/θZ in
μrad

<80

±20

–

–

Steifigkeit in N/μm

bis 0,6

0,45

0,63

–

bis 1 000

460

490

25 000P-620.Z
P-621.ZP-622.Z

OptionenAbmessung in mm
Stellweg geregelt in μm
Belastbarkeit in N
SensorResonanzfrequenz ohne
Last in Hz

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

23

Hub- und Kipp-Piezoscantische
Mit großer Apertur

P-733

Highlights■ Kurze Einschwingzeiten im ms-Bereich■ Parallele Kinematik für bestmögliche Präzision bei mehrachsiger Bewegung■ Reibungs- und spielfreie Festkörperführungen (Flexures)■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit

AnwendungenVertikale Positionierer von PI mit großer Apertur sind mit unterschiedlichen Ausstattungen passend für die jeweilige
Anwendung erhältlich. Die Hauptanwendungsbereiche sind die verschiedenen mikroskopischen Verfahren zur Justage
und Z-Rasterung (Stacking) von Proben. PI bietet zudem spezielle Scantische für handelsübliche Mikroskope an.

24

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-541

P-518

P-541.ZC
P-541.TC

P-541.ZS
P-541.TS

Referenzklasse

Präzisionsklasse

Referenzklasse: Hohe
Führungsgenauigkeit

Referenzklasse:
Hohe Dynamik in Hubund Kippachsen

XY-Versionen
verfügbar

XY-Versionen
verfügbar

XY- und XYZVersionen, Vakuumvarianten verfügbar

XY- und XYZVersionen, Vakuumvarianten verfügbar

150 × 150 × 16,5

150 × 150 × 16,5

100 × 100 × 25

150 × 150 × 30

Aktive Achsen

Z, θX, θY

Z, θX, θYZ

Z und Z, θX, θY

Freie Apertur in mm

66 × 66

66 × 66

50 × 50

66 × 66

Stellweg geregelt in μm

100

100

100

bis 200

Kippbereich θX, θY
geregelt in mrad

±0,6

±0,6

–

bis ±1

Belastbarkeit in N

50

50

50

100

kapazitiv

DMS

kapazitiv

kapazitiv

Auflösung geregelt in nm

0,5

2,5

0,3

1

Auflösung im
Kippbereich in μrad

0,08

0,25

–

bis 0,05

Linearitätsabweichung
in %

0,03

0,2

0,03

0,03

Wiederholgenauigkeit
in nm

±2

±10

±2

bis ±5Übersprechen θY/ θZ
in μrad

<15

<15

<5

<100

Steifigkeit in N/μm

0,8

0,8

2,5

bis 4

Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz

410

410

700

bis 570

OptionenAbmessung in mm

Sensor

P-733.Z

P-518
P-528
P-558

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

25

Preisgünstige 1- und 2-Achsen-PiezoscantischeStandardklasse mit hoher Dynamik

P-713

Highlights■ Schnelle Piezotische■ DMS-Positionssensoren optimiert für hohe Linearität■ Serielle und parallelkinematische Designs■ Hochdynamisch durch Direktantrieb■ Reibungs- und spielfreie Festkörperführungen (Flexures)■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit

Anwendungen
Schnelle X- und XY-Piezoscanner für geringe Lasten werden häufig für Microstepping-Verfahren eingesetzt. Durch
schnelle, gezielte Bewegungen verbessern sie die Auflösung optischer Systeme. Dazu gehören abbildende Verfahren
in der Kameratechnik oder die Bilderkennung z. B. für Biometrie oder Dokumentarchivierung.

26

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-712

P-712

P-713

P-915KXYS

P-915KHDS

P-915K
XYS

P-915K
HDS

Große Apertur
12 × 15 mm²Große Apertur
15 × 15 mm²

Sondermodell

Sondermodell
mit großer Apertur
30 × 45 mm²

X

X, Y

X, Y

X, Y

40 × 40 × 6

45 × 45 × 6

40 × 60 × 7

85 × 54 × 12,5

20 × 15

15 × 15–30 × 45

DMS

DMS

–

–

Stellweg geregelt in μm

30

15 x 15

4 × 4 ungeregelt

15 × 15 ungeregelt

Auflösung geregelt in nm

2

1

0,4 ungeregelt

0,1 ungeregelt

Linearitätsabweichung
in %

0,3

0,3

–

–

Wiederholgenauigkeit
in nm

±5

±4

–

–

Übersprechen θY/θZ in
μrad±5 / ±20±1 bis ±5 / ±40 bis ±50

bis ±50–

Steifigkeit in N/μm

0,6

0,8

–

10

Resonanzfrequenzohne Last in Hz

1 550

2 250

> 2 000

1 850

Belastbarkeit in N

5

2

0,5

5

Aktive Achsen
Abmessung in mm
Apertur in mm
SensorAlle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

27

NanoCube®
Preisgünstig Positionieren in bis zu 3 Achsen, Präzisionsklasse

P-611

Highlights■ Preisgünstig■ Modularer Aufbau mehrachsiger Systeme■ DMS-Positionssensoren■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit

Anwendungen
Der NanoCube® ist ein Allrounder in der Nanopositioniertechnik und bietet die günstigste Alternative zu Systemen
der Referenzklasse. Die Anwendungen liegen in der Probenjustage, Handling in der Mikrosystemtechnik, Probenmanipulation, Faserpositionierung und Photonik.

28

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-611.2, P-611.XZ

P-611.3

P-612

P-611.1

P-611.2
P-611.XZ

P-611.3

P-612

X

X, Y oder X, Z

X, Y, Z

X, Y

44 × 44 × 17

44 × 44 × 34

44 × 44 × 44,2

60 × 60 × 18

–

–

–

38 × 38

Sensor

DMS

DMS

DMS

DMS

Stellweg geregelt in μm

100

100

100

100

Auflösung geregelt in nm

2

2

2

5

Linearitätsabweichung
in %

0,1

0,1

0,1

0,4

Wiederholgenauigkeit
in nm

<10

<10

<10

<10

Übersprechen in μrad

max. ±20max. ±20max. ±20max. ±50

Steifigkeit in N/μm0,20,2 bis 0,35

0,3

0,15

Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz400

bis 340bis 350

400

Belastbarkeit in N

15

15

15

15

Aktive Achsen
Abmessung in mm
Apertur in mm

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PIEZO

NANO

POSITIONING

29

PIHera Nanopositionierer für 1 bis 3 Achsen
Vielfalt an Piezoscantischen der Referenzklasse

P-622

Highlights■ Hochpräzise Piezopositioniersysteme mit Stellwegen bis zu 1 500 μm■ Kurze Ansprech- und Einschwingzeiten im Millisekundenbereich■ Kapazitive Positionssensoren für höchste Positioniergenauigkeit und Stabilität■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit■ Reibungs- und spielfreie Festkörperführungen (Flexures)

Anwendungen
Die Piezoscanner der PIHera Familie zeigen exemplarisch eine Erfolgsgeschichte der Nanopositioniersysteme von PI.
Ihr kompakter Aufbau macht sie universell einsetzbar. Ihr Design erlaubt den seriellen Aufbau von mehrachsigen
Systemen zu einem sehr günstigen Preis. Anwendungen liegen z. B. in der optischen Messtechnik, der Biotechnologieoder der Rasterkraftmikroskopie.

30

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-621.2CD

P-622.ZCD

P-763.22C

P-763

P-620.1
bisP-629.1

P-620.2
bisP-629.2

P-620.Z
P-621.ZP-622.Z

1 AchseXY-Achsen

Z-AchseXY- Achsen
mit Apertur,
vorläufige Werte

30 × 30 × 12 bis
100 × 100 × 22,530 × 30 × 21,5 bis
100 × 100 × 40

30 × 30 × 15 bis
50 × 50 × 17,5

60 × 60 × 22

–

–

–

30 × 30

50 bis 1 500

50 bis 1 500

50 bis 250

200

Auflösung geregelt in nm

0,2 bis 30,2 bis 3,50,2 bis 1

0,7

Linearitätsabweichungin %bis 0,02

bis 0,02

0,02

0,02

Wiederholgenauigkeit
in nm±1 bis ±14±2 bis ±14±1±2Übersprechen in μrad

±3 bis ±10±3 bis ±30<20 bis <80±50

Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz

bis 1 100

bis 800

bis 1 000bis 200

10

10

10

3

Abmessung in mm
Apertur in mm
Stellweg geregelt in μm

Belastbarkeit in N

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PIEZO

NANO

POSITIONING

31

Flache XY - PiezoscannerMit großer Apertur für Mikroskopie

P-541

Highlights■ Flexibel anpassbar z. B. für Mikroskope■ Besonders niedriges Profil■ Auswahl an Positionssensoren■ Spielfreie Festkörperführungen■ PICMA® Piezoaktoren für hervorragende Zuverlässigkeit

Anwendungen
Die Nanopositionierer der P-540er Serie sind für Anwendungen in der Mikroskopie ausgelegt. Durch ihre typische flache
Bauform sind sie leicht in bestehende Aufbauten zu integrieren. Je nach Aufgabenstellung variiert das Antriebssystemvon besonders dynamisch für Tracking-Anwendungen bis zu langen Stellwegen für Superresolution-Mikroskopie.

32

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-545

P-541.C
P-542.C

P-541.SP-542.S

P-541.2
DD

P-545
PInano®

Präzise durch
kapazitive Sensoren

Preisgünstige Version
mit DMS-Sensoren

Direkt getrieben
und dynamisch

Preisgünstig für Mikroskopie, bis 3 Achsen

Referenzklasse

Präzisionsklasse

Referenzklasse

Präzisionsklasse

X, Y

X, Y

X, Y

X, Y,( Z)

150 × 150 × 16,5

150 × 150 × 16,5

150 × 150 × 16,5

217 × 150 × 20

80 × 80

80 × 80

80 × 80

82 × 65

kapazitiv

DMS

kapazitiv

piezoresistiv, kapazitiv

Stellweg geregelt in μm

100 bis 200

100 bis 200

45

70 bis 200

Auflösung geregelt in nm

0,3 bis 0,72,5 bis 40,3<1

Linearitätsabweichung
in %

0,03

0,2

0,03

0,1

Wiederholgenauigkeit
in nm

<±5

<±10

<±5

–

Übersprechen in μrad<±5 bis ±10<±5 bis ±10<±3–Kinematisches Design

parallelparallelparallelseriellResonanzfrequenz ohne
Last in Hz

bis 255

bis 255

1 550

1 000 (X, Y), 800 (Z)

20

20

20

5

Aktive Achsen
Abmessung in mm
Apertur in mm
SensorBelastbarkeit in N

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PIEZO

NANO

POSITIONING

33

2-Achsen-Flexure-Scanner mit
hervorragender Ablaufgenauigkeit
Piezosysteme der Referenzklasse

P-733

Highlights■ Bewegung in X und Y■ Optimierte Ablaufgenauigkeit■ Parallelkinematik mit kapazitiven Sensoren■ Spielfreie Festkörperführungen■ PICMA® Piezoaktoren für hervorragende Zuverlässigkeit■ Große Apertur

Anwendungen
Nanopositionierer der Referenzklasse eignen sich für die Probenpositionierung in der hochauflösenden, nichtoptischen
Mikroskopie.

34

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-517, P-527

P-734

P-733.2
DD

P-517.2
P-527.2

P-734

Kompakt und präzise

Direkt getrieben
und dynamisch

Stellweg bis 200 μm

Ablaufebenheit <5 nm

100 × 100 × 25

100 × 100 × 20

150 × 150 × 30

130 × 130 × 30

50 × 50

50 × 50

66 × 66

56 × 56

Stellweg geregelt in μm

100

30

100 bis 200

100

Auflösung geregelt in nm

0,3

0,1

1 bis 20,3Linearitätsabweichung
in %

0,03

0,03

0,03

0,03

Wiederholgenauigkeit
in nm

<±2

<±2

±5 bis ±10<±2,5Übersprechen in μrad<±3 bis ±10<±5 bis ±10–<±3 bis ±10

Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz

500

2 230

bis 450

500

Belastbarkeit in N

50

50

50

20

P-733.2

Abmessung in mm
Apertur in mm

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PIEZO

NANO

POSITIONING

35

3-Achsen-Piezoscantische
Piezosysteme der Referenzklasse

P-563

Highlights■ Bewegung in X, Y und Z■ Hohe Ablaufgenauigkeit■ Große Apertur■ Parallelkinematik mit kapazitiven Sensoren■ Spielfreie Festkörperführungen■ PICMA® Piezoaktoren für hervorragende Zuverlässigkeit

Anwendungen
Sowohl in der optischen als auch der nichtoptischen Mikroskopie scannen 3-achsige Nanopositionierer eine Probein der Ebene und justieren sie entlang der Messachse. Weitere Einsatzgebiete liegen in der Interferometrie, der 3DLaserlithographie und in Nanoimprinttechniken.

36

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-733

P-517

P-733.3

P-517.3
P-527.3

P-561
P-562
P-563

Hohe Dynamik
auf bis zu 200 μm

PIMars Serie, auch für
6 Achsen verfügbar

Hochdynamische
Z-AchseGroßer Stellweg
auch in Z

100 × 100 × 25

150 × 150 × 30

150 × 150 × 30

150 × 150 × 30

40 × 40

66 × 66

66 × 66

66 × 6610

20

100 bis 300

15100 × 100

100 × 100 bis
200 × 200

100 × 100 bis
300 × 300

45 × 45

Auflösung geregelt X, Y
in nm

0,3

1 bis 20,8 bis 20,2

Auflösung geregelt Z
in nm

0,2

0,1

0,8 bis 20,2Linearitätsabweichung
in %

0,03

0,03

0,03

0,01

Wiederholgenauigkeit
in nm

<2

±1 bis ±1022Übersprechen in μrad

<±10

–

±6 bis ±10±3Übersprechen um X, Y
bei Bewegung in Z in μrad<±5–

±15 bis ±25±3Resonanzfrequenz X, Y
in Hz

460

bis 450

bis 190

920

1 400

1 100

bis 380

1 050

50

50

50

50

Kompakt und präzise
Hochdynamische
Z-AchseAbmessung in mm
Apertur in mm
Stellweg geregelt Z in μm
Stellweg geregelt X,Yin μm

Resonanzfrequenz Z in Hz
Belastbarkeit in N

P-561.3
DD

Direkt getriebener
PIMars mit hoher
Dynamik

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PIEZO

NANO

POSITIONING

37

Präzisionspositionierer für bis zu 6 Achsen
Piezosysteme der Referenzklasse

P-518

Highlights■ Parallelkinematik mit kapazitiven Sensoren■ Kapazitive Positionssensoren mit höchster Linearität■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit

Anwendungen
Die differenzielle Ansteuerung der Aktoren für eine Bewegungsrichtung kombiniert mit einem digitalen Motion Controller
ermöglicht die Justage von Proben oder Messsonden nicht nur in den linearen Achsen sondern zusätzlich in Kipp- undDrehwinkeln.

38

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-517

P-563

P-587

P-587

P-517.R
P-527.RP-518.TP-562.6

Rotationsachsen mit
Apertur

Kippachsen mit
Apertur

PIMars,

X, Y, θzZ, θx, θy

X, Y, Z, θx, θy, θZ

X, Y, Z, θx, θy, θZ

150 × 150 × 30

150 × 150 × 30

150 × 150 × 30

240 × 240 × 50

66 × 66

66 × 66

66 × 66–

100 bis 200

50 bis 200

200

800, 800, 200

0,3 bis 1

bis 0,5

1

0,7 bis 2,2±1±0,25 bis ±1

±0,5

±0,5

Winkelauflösung geregelt
in μrad

0,01

0,05

0,1

bis 0,1

Linearitätsabweichung X,
Y, Z / θx, θy, θZ in %

0,03

0,03

0,01 / 0,1

0,01 / 0,1

Wiederholgenauigkeit
X, Y / Z in nm±5±5 bis ±10±2 / ±3±3 /±2

Wiederholgenauigkeit
θx, θy / θz in μrad±0,5

bis ±0,03±0,1 / ±0,15±0,1 / ±0,15

Resonanzfrequenz ohne
Last X / Y / Z in Hz450

bis 570

110 / 110 / 190

103 / 130 / 235

Belastbarkeit in N

50

100

50

50

Aktive Achsen
Abmessung in mm
Apertur in mm
Stellweg geregelt in μm
Auflösung geregelt in nm
Kippwinkel geregelt in
mrad

kompakte Bauweise

Große Stellwege

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PIEZO

NANO

POSITIONING

39

PicoCube® XYZ-Piezoscanner für AFM

P-313

Highlights■ Picometer-Auflösung
■ Parallelkinematischer Aufbau■ Hohe Dynamik durch Direktantrieb■ Nichtmagnetische und UHV-Versionen verfügbar

Anwendungen
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ermöglicht Oberflächenmessungen höchster Auflösung bis auf atomare Level unddringt damit in Bereiche vor, die sich mit Lichtmikroskopie nicht mehr auflösen lassen. Das Verfahren kann Aufschlussüber die Topografie, die chemische Oberflächenbeschaffenheit, Defekte etc. geben. Zu den typischen Einsatzbereichen
gehören z. B. Life Science Technologien ebenso wie die Materialforschung oder die Halbleiterinspektion. Piezobasierte
Scansysteme ermöglichen die nötige Präzision bei der Positionierung von Messspitze und Probe, und sorgen damit für
die gewünschte hohe Ortsauflösung und hohe Dynamik.

40

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-313

P-363

E-536

P-363

E-536
PicoCube®
Piezocontroller

Picoactuator® Technologie für hochlineare
Auslenkung ohne
Positionssensor
Aktive Achsen
Abmessung in mm
SensorStellweg geregelt in μm■ Mit / ohne

Regelmodul■ Mit / ohne

Digitalinterface

X, Y, Z

X, Y, Z

■ Ausgangsspannung

30 × 30 × 29,4

30 × 30 × 29,4

■ Spitzenstrom pro Kanal–

kapazitiv

bis 1

5

Auflösung geregelt in nm–

0,1Linearitätsabweichung
in %

0,2

0,05

Übersprechen in μrad–0,5Übersprechen bei
Bewegung in Z in μrad–

0,2

Resonanzfrequenz ohne
Last X, Y / Z in Hz

4 000 / 11 000

3 100 / 9 800

10

10

±250

±250

Belastbarkeit in N
Betriebsspannung in V

-250 bis +250 V
bis 200 mA, <3 ms■ Bandbreite,

Kleinsignal 10 kHz■ Welligkeit, Rauschen,

0 bis 100 kHz <0,8 mVrms

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

41

Schnelle Kippspiegel
Aktive Optiken

S-334

Highlights■ Zwei orthogonale, parallelkinematische Kippachsen mit gemeinsamem Drehpunkt■ Optionale Linearachse zur Anpassung der optischen Weglänge■ Kompaktes Design■ Betriebsfrequenzen von 100 Hz bis >1 kHz■ PICMA® Piezoaktoren für höchste Zuverlässigkeit■ Optionale Dehnmessstreifen-Sensoren für hohe Genauigkeit■ Reibungs- und spielfreie Festkörperführungen (Flexures)

Anwendungen
Piezobasierte Kippspiegelsysteme werden aufgrund ihrer hohen Dynamik und den beiden Kippachsen mit gemeinsamem
Pivotpunkt zur Laserstrahlsteuerung und -führung eingesetzt. Anwendungen liegen in der industriellen Materialbearbeitung oder in der Medizintechnik, dort zum Beispiel in der Ophthalmologie oder Dermatologie. Die Bildstabilisierung ist ein
weiteres Anwendungsfeld, dem die hohe Dynamik des Systems zugute kommt.

42

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

S-330

S-325

S-330

S-334

S-325

S-340

Schnell und flexible
Kippwinkel

Große Kippwinkel
mit vormontiertem
SpiegelSchnell mit zusätzlicher geregelter
Z-AchseGroße Plattform
aus verschiedenen
Materialien wie Invar,
Aluminium, TitanØ 25 × 37 bis 91

25 × 33 × 38

Ø 25 × 50

60 × 60 × 56

Aktive Achsen

θX, θYθX, θYθX, θY, Z

θX, θY

Integrierter Sensor

DMS

DMS

DMS

DMS

Kippwinkel* geregelt
in mradbis 1025 und 50

520,05 bis 0,51 und 5

0,05

0,2

0,25

0,05

0,05

0,1

bis 3,7

1 und 3
mit Spiegel

2

1,4

Plattformdurchmesser
in mm

25

12,5

25

59

Stellweg geregelt in Z
in μm

–

–

30

–

Auflösung geregelt in Z
in nm

–

–

0,6

–

Abmessungen in mm

Auflösung geregelt
in μradLinearitätsabweichungin %Resonanzfrequenz
unbelastet in kHz

S-340*Mechanischer Winkel: Die optische Strahlablenkung ist doppelt so groß.

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

43

Z-Piezoscanner und Objektivfokussierer
Objektiv und Probe schnell und präzise positionieren

PIFOC® im inversen Mikroskop
PIFOC® Objektivscanner mit Piezoantrieb erreichen Einschwingzeiten bis 10 ms auf Stellwegen bis zu 1 mm. Durch QuickLockGewindeeinsätze können Objektive schnell und unkompliziert getauscht werden. Im Bild ein PIFOC® im inversen Mikroskop,
wo die Strahlführung auf die Probe von unten erfolgt.

44

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Positionieraufgaben in der Mikroskopie

Seite 46

PIFOC® Objektivscanner mit Millisekunden-Einschwingzeit

Seite 48

Schnelle Z-Probenpositionierung fürdynamische Fokusjustage und Imaging

Seite 52

Mikroskopiescanner mit großer freier Apertur

Mehrachsige hochgenaue Probenpositionierung mit PInano®

Seite 54

Bis zu 200 μm in XY und XYZ

Präzisionskreuztische

Seite 216

Für Mikroskopie und Inspektionsaufgaben

45

PIEZO

NANO

POSITIONING

Z-Positionieraufgaben in der Mikroskopie

Die optische Mikroskopie stellt je nach Verfahren unterschiedliche Anforderungen an Positionierer und Scanner für
Objektive und Proben. Die Anwendung bestimmt dabei, welche Achsen bewegt werden, ihren Hub und die benötigte Genauigkeit. Bei der Untersuchung einer Probe sind oft viele Einzelaufnahmen in kürzester Zeit erforderlichoder Screenings fordern hohe Durchsatzraten – beides stellt hohe Anforderungen an die Dynamik der Systeme unddas Gleichlaufverhalten beim Scan. Außerdem sollte die Bauform in bestehende Mikroskope passen und darf den
Strahlengang nicht negativ beeinﬂussen.

Piezoscanner sorgen in einem konfokalen
Mikroskop mit Einzelmolekül-Empfindlichkeit für die bestmögliche Wiederholgenauigkeit. PIFOC® Objektivverstellerübernehmen die schnelle Fokusjustage.
Die erforderliche hohe Scanlinearität wird
durch geeignete digitale Algorithmen inder Ansteuerung erreicht. Die Abbildung
zeigt eine Einzelmolekülaufnahme aus
immobilisierten Atto655- und Cy5-Molekülen. Die einzelnen Moleküle können gut
anhand ihrer unterschiedlichen Fluoreszenz-Lebensdauer unterschieden werden.
(Foto: PicoQuant)Z-Bewegung in Richtung der optischen Achse
In Lichtmikroskopen bieten PI Produkte eine Z-Feinverstellung für verschiedene
Anwendungsbereiche, wie z. B. schnelle optische Serienschnitte (Z-Stacks, Bildstapel) für 3D-Verfahren, konfokale oder Multiphotonenmikroskopie oder Autofokusanwendungen bzw. Driftkompensation. Die geforderte Schrittweite liegt,
z. B. bei der Z-Stack-Akquisition, im Bereich der Auflösungsgrenze des Mikroskops.
Grundsätzlich kann dazu entweder die Probe oder das Objektiv verstellt werden.
Die hohen Anwendungsanforderungen an Präzision und geringe Einschwingzeit
sind identisch. Bei aufrechter Mikroskopie und großen oder sehr empfindlichen
Proben geht die Tendenz dabei zur Objektivverstellung, bei inverser Mikroskopie
und kleiner Probe zur Probenverstellung.
Systeme mit Stellwegen bis 500 μm, auf Anfrage sogar bis 2 mm, sind möglich.
Auch bei großen Objektiven werden kurze Einschwingzeiten von ca. 10 ms erreicht
und damit hohe Durchsatzraten ermöglicht. Speziell für Makroobjektive mit großer
numerischer Apertur (NA) gibt es PIFOC® Versteller mit einem freien Durchgang
bis 29 mm bei M32-Gewinde.

QuickLock-Adapter vereinfachen die Montage
des Objektivscanners am Mikroskop

PIFOC® Objektivscanner, mit ihren frei austauschbaren PI QuickLock-Gewindeeinsätzen, ermöglichen die Ankopplung an das Mikroskop sowohl für unterschiedliche Gewindetypen als auch in unterschiedlichen Winkeln. Die PIFOC® werden
einfach mit dem QuickLock zwischen Mikroskoprevolver und Objektiv eingesetzt.
Nach dem Einschrauben des Adapters in den Revolver wird der PIFOC® darin in
der gewünschten Ausrichtung befestigt. Da der Objektivpositionierer selbst nicht
gedreht werden muss, ist die Kabelführung unproblematisch.

46

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Objektiv oder Probe verstellen

Anwendungsgebiete

Neben den Objektivverstellern stehen für die Probenverstellung mehrere Piezotischserien mit sehr niedrigem Profil und unterschiedlichen Aperturen zur Verfügung, abgestimmt auf 3x1“-Objektträger oder Einsätze bis 160 mm x 110 mm. Der
Hub beträgt bis 500 μm.

■ Schnelle, picometergenaue

3D-Oberflächeninspektion■ Schnelle Fokussierung für

Z-Stack-Akquisition

Für zusätzliches Tracking oder Feinjustageaufgaben senkrecht zur optischen Achse
bietet PI integrierte piezobasierte XYZ-Scanner an.

■ Autofokussierung

Autofokus oder externe Positionsvorgabe■ 3D-Laserlithografie in Biotech-■ Driftkompensation bis in den

Nanometerbereich
Das Autofokussignal kann als Regelgröße für den konstanten Abstand zwischen
Probe und Objektiv verwendet werden und damit aktiv Materialdrift kompensieren. Durch Umstellen eines einzigen Steuerparameters in der Elektronik kann der
Piezoversteller wieder auf den internen Sensor referenziert und dann z. B. für
Z-Stack-Aufnahmen benutzt werden.

nologie und Medizintechnik

Das piezobasierte Nanopositioniersystembewegt den kompletten Revolver mit den
unterschiedlichen Objektiven in Richtung derZ-Achse (Foto: Nikon Instech / PI)

47

PIEZO

NANO

POSITIONINGPIFOC® Objektivscanner
Mikroskopobjektive nanometergenau fokussieren

P-725

Highlights■ Feinpositionierung von Objektiven mit Sub-nm Auflösung und ms-Einschwingzeit■ Höchste Linearität durch Direktmetrologie mit kapazitiven Sensoren■ Minimaler Objektivversatz und hervorragende Fokusstabilität durch spielfreie Parallelflexureführung■ Überragende Lebensdauer dank PICMA® Piezoaktoren■ Längere Stellwege für Multiphotonenmikroskopie

Anwendungen
Neben allen gängigen Mikroskopieverfahren liegen die Anwendungen auch in der 3D-Lithografie oder der industriellen
Oberflächenprüfung mit Weißlicht-Interferometrie (WLI)-Verfahren. Für alle Modelle gibt es eine Reihe von QuickLockGewindeeinsätzen mit unterschiedlichen Gewindemaßen, die die Montage vereinfachen. Von vielen Modellen sindpreisgünstige Scansysteme inklusive digitalem Motion Controller erhältlich.

48

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-721

P-725KHDS

P-726

P-725K
HDS

P-726

Sondermodell mit
hoher Dynamik

Sehr steif, für schwere
Objektive

P-721

P-725

Kostengünstig, im
System mit Controller

Verschiedene Stellwege, im System mit
Controller

40 × 49,5 × 65

46 × 40,5 × 68

Max. Objektivdurchmesser
in mm

39

39

39

M-32

Stellweg geregelt in μm

100100, 250, 400

400

100

Max. Abmessungenin mm

SensorØ 65 × 50,7

kapazitiv

DMS

kapazitiv

kapazitiv

kapazitiv

Auflösung geregelt in nm

0,75

bis 0,65

1,2

0,4Linearitätsabweichung
in %

0,03

0,2

0,03

0,03

0,02

Wiederholgenauigkeit
in nm

±5

±10

±5

±5

±3

Druck-/Zugbelastbarkeit
in N

100 / 20100 / 20100 / 20100 / 50

Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz

580

bis 470bis 620

1 120

Steifigkeit in N/μm

0,3

bis 0,23

bis 0,43,4Übersprechen in X, Y
in nm

100

20 je 100 μm Stellweg

20 je 100 μm Stellweg

50

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

49

PIFOC® Objektivscanner
Maximale Dynamik auch für Mikroskoprevolver

P-721K(Foto: Nikon Instech / PI)

Highlights■ Höchste Linearität durch Direktmetrologie■ Minimaler Objektivversatz und hervorragende Fokusstabilität durch spielfreie Parallelflexureführung■ Überragende Lebensdauer dank PICMA® Piezoaktoren

Anwendungen
Unterschiedliche Mikroskopieverfahren haben definierte Anforderungen an die Dynamik, den Stellweg und die Flexibilität
der Piezo-Z-Antriebe. So erfordern Hochgeschwindigkeitsmessungen unter dem Mikroskop, wie sie z. B. in der Oberflächenund Materialuntersuchung benötigt werden, neben der besonderen Dynamik auch das stabile Fokussieren zum Teilüber lange optische Wege. Häufig müssen mehrere Objektive an einem Mikroskoprevolver flexibel gewechselt werden.
Das schnelle Anfahren unterschiedlicher Fokussierebenen mit diesen entsprechend höheren Lasten stellt besondere
Anforderungen an die Z-Scanmethode.

50

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-725.DD

N-725
N
7

P-721KTPZ

P-721KPTZ

P-725.DD
DD

N-725

P-721K
TPZ

P-721KPTZ

Kürzeste Einschwingzeit von unter 5 ms
mit Mikroskopobjektiv

2 mm Stellung mit
Piezolinearmotor

Sondermodell für den
Mikroskoprevolver

Sondermodell für den
Mikroskoprevolver

Abmessungenin mm

52 × 71 × 40,552 × 75 × 40

44,5 × 42 × 53

Apertur in mm

34

21

Stellweg geregelt in μm

18

2 000

80

150

kapazitiv, DMS

Linearencoder

kapazitiv

kapazitiv

Auflösung geregelt in nm

bis 0,220

10

2Linearitätsabweichungin %bis 0,04

0,1

0,03

0,03

Wiederholgenauigkeit
in nm

bis ±1,5

±25

±10

±10

Druck-/Zugbelastbarkeit
in N

100 / 20

10

20

20

Resonanzfrequenz ohne
Last in Hz

1 180

-

215, bei voller
Bestückung

410

Steifigkeit in N/μm

1,5

0,5

Übersprechen in X, Y
in nm

150

<100

SensorAlle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

51

Schnelle Z-Probenpositionierung fürdynamische Fokusjustage und Imaging
Mikroskopiescanner mit großer freier Apertur

P-737

Highlights■ Stabile Positionierung von Objektträgern bis zu Mikrotiterplatten■ Ansprechzeiten im Bereich weniger Millisekunden■ Hohe Zuverlässigkeit auch in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit durch PICMA® Piezoaktoren■ Minimaler Versatz und hervorragende Fokusstabilität durch spielfreie Parallelflexureführung

Anwendungen
Z-Stapelaufnahmen für 3D-Imaging oder Fluoreszenzmikroskopie benötigen hohe Präzision und Dynamik. Piezogetriebene
Probenscanner sind typischerweise 10 bis 20 mal schneller als konventionelle Schrittmotoren. Dadurch sind effizientere
Durchlaufzeiten und höhere Datenerfassungsraten möglich. Auch Funktionen wie Autofokus oder Driftkompensation sinddeutlich schneller.

52

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-736

P-737

P-736

E-709

P-736

P-736

P-737

PInano® Probenversteller

PInano® Probenversteller für Mikroskope
von Nikon undOlympus

PIFOC® ProbenFokussierer, passt an
XY-Probenpositionierer
der führenden Hersteller

Abmessung in mm

110 × 160 × 20

156 × 237 × 20

138 bis 150 × 156 × 27

Freie Apertur in mm

65 × 93 passend fürObjektträger

110 × 160 passend fürMikrotiterplatten

90 × 128

100, 200

220

100, 250, 500

Stellweg geregelt in μm

E-709

Piezo Servocontroller
mit digitalem Regler■ Im Lieferumfang

von P-736 Systemen
enthalten■ Digitale Schnittstellen■ Analogeingang■ Softwaretreiber für

LabVIEW■ Wird unterstützt

Einschwingzeit bei 10 %Schrittweite in ms, mit Probenhalter (Last <100 g)

5

20

24 bis 50, abhängig
vom Stellweg

piezoresistiv

kapazitiv, piezoresistiv

DMS

Auflösung geregelt in nm

bis 0,4

1

2,5 bis 5

Empfohlene Last für dynamischen Betrieb in kg

0,5

0,5

0,5

Sensorvon MetaMorph,μManager, MATLAB■ Zahlreiche Funktionen

Zubehör wie passende Objekthalter verfügbar.

wie Funktionsgenerator, Datenrecorder,
Makroprogrammierung, AutoZero,
Trigger I/O■ Abmessungen

160 mm × 96 mm
× 33 mmAlle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

53

Mehrachsige hochgenaue
Probenpositionierung mit PInano®
Bis zu 200 μm in XY und XYZ

P-545 PInano®

Highlights■ Geringe Bauhöhe von 20 mm erlaubt platzsparende Integration im Mikroskop■ Versenkte Einlegerahmen, dadurch Objektivrevolver frei drehbar■ Große zentrale Öffnung für Objektträger und Petrischalen■ Hohe Zuverlässigkeit auch in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit durch PICMA® Piezoaktoren■ Ergänzung durch manuellen Kreuztisch für XY-Zustellung über bis zu 25 mm × 25 mm

Anwendungen
Screening, konfokale Mikroskopie oder Biotechnologie profitieren von der Feinverstellung der Proben um Schrittweiten
im Nanometerbereich. Der passende Mehrachsen-Controller ist bereits im Lieferumfang enthalten und kann wahlweise
digital oder über ein analoges Signal angesteuert werden.

54

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

P-545 PInano®

P-545
PInano®
Cap

P-545.R
PInano®

E-545

P-545
PInano®
TRAK

Ideal für Superresolution-Mikroskopie

Kostenoptimiertes
Design mit piezoresistiven Sensoren

Hochdynamischer
Piezotracker

90 × 60

90 × 60

90 × 60

200 × 200 × 200

200 × 200 × 200

70 × 70 × 50

kapazitiv

piezoresistiv

piezoresistiv

Auflösung geregelt in nm

1

1

<1

Empfohlene Last für dynamischen Betrieb in kg

0,5

0,5

0,5

150 × 182 bis
200 × 217

150 × 182 bis
200 × 217

150 × 182 bis
200 × 217

Apertur in mm
Stellweg geregelt in μm
SensorGrundfläche in mm

Zubehör wie passende Objekthalter verfügbar.

E-545

PInano® PiezoServocontroller, im
Lieferumfang von P-545
Systemen enthalten■ Digitale Schnittstellen■ BNC Analogeingang■ Softwaretreiber

für LabVIEW■ wird unterstützt

von MetaMorph,μManager, MATLAB■ Zahlreiche Funktionen

wie Funktionsgenerator, Datenrecorder,
Makroprogrammierung, AutoZero,
Trigger I/O

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

55

Precision Motion Control
Piezoverstärker und -controller für die Nanopositionierung

Auswahlkriterien für Piezoverstärker und -controller von PI
Die Entscheidung für einen Piezocontroller hängt von der konkreten Anwendungssituation ab. Verschiedenste Kriterien
wie zum Beispiel Einschränkungen im Bauraum, die Anzahl der Achsen, oder die Art der Ansteuerung bestimmen, welcher
Verstärker oder Controller der richtige ist.

Ihre Applikation erfordert…

Welcher Controller passt?

häufige Lastwechsel oderÄnderung des Betriebsmodus

Parameter unkompliziert per Software ändern:
Jeder digitale Controller von PI, auch die E-609-Serie

günstigen Preis

Digitalcontroller: E-709 oder E-609;
analoge Controller: E-610, E-625, E-621

3 bis 6 Kanäle

Digitalcontroller: E-725, E-712; analoge Controller: E-500, E-612

mehr als 6 Kanäle

Vernetzbare Controller wie E-621, E-625, E-665;
modulare Controller wie E-712

Auflösung

Digitale High-End Lösungen von PI wie E-753, E-712, E-725;
jeder analoge Controller von PI

beste dynamische Linearität

Digitale High-End Lösungen von PI mit DDL Option

Langzeitstabilität (thermisch)Alle Piezocontroller und -verstärker von PI

Linearität / Genauigkeit

Jeder digitale Controller von PI, auch die E-709-Serie:
Digitalisierungspolynome bis 5. Ordnung; zusätzliche DDL-Option

Ansteuerung mit analogem Eingangssignal

Jeder analoge Controller von PI;
digitale E-709, E-609, E-753, E-725 oder E-712 mit Analog IN Option

Echtzeit-Kommandierung

Digitalcontroller mit PIO-Option; SPI-Schnittstelle,
TCP/IP für Übertragungsraten bis zu 1 kHz;
alle Controller über Analog I/ORegelung in Echtzeit oder mit hohen Servoraten

Jeder analoge Controller von PI;
E-712, E-753, E-725

schnelle, unperiodische Bewegungen in mehreren Achsen, Tracking

E-712

virtuelle Achsen und Mehrachsen-Synchronisation

Digitale Mehrachsencontroller wie E-712, E-725

digitale Kommunikationsinterfaces;
benutzerdefinierte periodische Bewegungsprofile; Datenrecorder

Jeder digitale Controller von PI; E-625, E-621, E-665;
modulare Controller mit digitaler Bedieneinheit E-517

Stand-alone Funktionalität mit Makros

Modulare Controller mit digitaler Bedieneinheit E-517

Trigger I/Os

Jeder digitale Controller von PI; außerdem E-625, E-621, E-665;
modulare Controller mit digitaler Bedieneinheit E-517

56

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Digitale und analoge Controller für Piezonanopositionierer

Seite 58

OEM-Piezoverstärkermodule

Seite 64

Piezoverstärker / Controller mit hoher Dynamik

Seite 66

Für Piezoaktoren bis 1 000 V Ansteuerspannung

Piezoachsen mit Sonder-AnsteuerspannungenP

Seite 68

Vorkonfigurierte Mehr- und Einachsen-Controller
V

Digitale Controller für Piezomotoren
D

Seite 70

Beste Systemoptimierung und Bedienkomfort: Plug-and-play
B

57

PIEZO

NANO

POSITIONING

Digitale Controller
für einachsige Piezonanopositionierer
Beste Systemoptimierung und Bedienkomfort

E-753

Highlights■ Digitaler Regler mit Linearisierungsalgorithmen, Parametereinstellungen per Software

und Notchfilter zur Schwingungsunterdrückung■ Positionsregelung für kapazitive, DMS- und PRS-Dehnmesstreifen-Sensoren■ ID-Chip-Erkennung für automatischen Abgleich des Controllers auf die Piezomechanik■ Funktionsgenerator, Trigger I/O, Datenrecorder■ Zusätzlicher, breitbandiger Analogeingang für Sollwerte oder Sensor

58

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-609,E-709 OEM-Version

E-709 Tischgerät

E-709.CHG

E-709

E-709.
CHG

E-753

E-609

Günstiger digitaler
Piezocontroller,
universell einsetzbar

Digitaler Hochleistungscontroller fürhohe Dynamik

Leistungsfähiger
Prozessor ermöglicht
Linearisierungsalgorithmen höherer
Ordnung, 24 Bit
D/A-Wandler

Analog, USB, digitale
RS-232, schnelle serielle Schnittstelle mit bis
zu 25 MBit/s.
OEM-Piezocontroller
E-609 mit digitalem
Regler und analoger
Ansteuerung verfügbar

Analog, USB, digitale
RS-232, schnelle serielle Schnittstelle mit
bis zu 25 MBit/s

Analog, Ethernet (u.a.
TCP/IP) für größere
Übertragungswege,
RS-232

10 kHz

10 kHz

25 kHzkapazitiv, DMS, PRS

kapazitiv

kapazitiv-30 bis +130

-30 bis +130

-30 bis +135

Spitzenstrom in mA

100

500

110

Dauerstrom in mA

50

160

40

Bandbreite, Kleinsignal
in kHz50

50

50

160 × 96 × 33

320 × 150 × 80

264 × 125 × 48

Schnittstellen /Kommunikation

Samplerate Regelung
Unterstützter Sensortyp
Ausgangsspannungsbereich in V

Abmessungen in mm

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

59

Analoge Controller
für einachsige Piezonanopositionierer
Preisgünstig und flexibel wählbare Schnittstellen

E-625

Highlights■ Für hochdynamische Anwendungen bis mehrere kHz bis hin zu statischen Anwendungen■ Positionsregelung für kapazitive und DMS-Dehnmesstreifen-Sensoren■ Analoge Schnittstelle■ Optionales digitales Interface60

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-610

E-621

E-610

E-621

E-625

E-665

Universelle Piezosteuerung, OEMModul

Piezocontrollermodul,
Steckkarte für bis zu
12 Achsen im 19-ZollRack

Piezocontroller E-621
als Tischgerät

HochleistungsPiezocontroller fürhohe Dynamik

analogDigitalschnittstelle mit
zusätzlichen digitalen
Funktionen wie Datenrecorder, Funktionsgenerator, etc.

Digitalschnittstelle mit
zusätzlichen digitalen
Funktionen wie Datenrecorder, Funktionsgenerator, etc.

Digitalschnittstelle mit
zusätzlichen digitalen
Funktionen wie Datenrecorder, Funktionsgenerator, etc.

Unterstützter Sensortypkapazitiv, DMS

kapazitiv, DMS

kapazitiv, DMS

kapazitiv, DMS

Ausgangsspannungsbereich in V

-30 bis 130-30 bis 130-30 bis 130-30 bis 130

Spitzenstrom in mA

180

120

120

360

Dauerstrom in mA

100

60

60

120

100 × 160

100 × 160

105 × 205 × 60

236 × 88 × 273

Schnittstelle /Kommunikation

Abmessungen in mm

E-665

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

61

Controller für mehrachsige
Piezonanopositionerer
Für 3 und mehr Achsen

E-712.6CDA

Highlights■ Flexible Lösungen für alle piezoelektrischen Antriebe von PI■ Für hochdynamische Anwendungen bis mehrere kHz bis zu statischen Anwendungen■ Positionsregelung für inkrementelle, kapazitive und DMS-Dehnmesstreifen-Sensoren■ Digitale Controller für beste Systemoptimierung und Bedienkomfort, mit ID-Chip-Erkennung für automatischen

Abgleich des Controllers auf die Piezomechanik■ Analoges Controllersystem mit digitalem Schnittstellenmodul für Funktionsgenerator, Datenrecorder und Display

62

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Schnittstellen /Kommunikation
Samplerate Regelung
DAC/ADC Auflösung
in Bit

E-500

E-725

E-712

E-500

E-725

E-712

Modularer Controller
mit analogem Regler,bis 3 Achsen, optional
mit Digitalschnittstelle
und zusätzlichen digitalen Funktionen wie
Datenrecorder, Funktionsgenerator, etc.

3-AchsenDigitalcontroller

Ethernet (TCP/IP),
USB, RS-232, IEEE 488

Ethernet (TCP/IP),
USB, RS-232

Ethernet (TCP/IP),
USB, RS-232

25 kHz (mit Digitalschnittstelle)

20 kHz

20 bis 50 kHz■ Endstufen fürFrei konfigurierbarer,
modularer Digitalcontroller ab 3 Achsen

3- und 6- AchsenController

kapazitiv, DMS

kapazitiv

kapazitiv, PISeca kapazitiv, inkrementell-30 bis 130
bis 1 100

-30 bis 135-30 bis 135

Spitzenstrom in mA

140 bis 10 000

190

140

Dauerstrom in mA

40 bis 215 (Verschiedene Leistungsklassen
der Verstärkermodule)

120

60

50

50

15

9,5- oder 19-ZollGehäuse

263 × 89 × 302 mm³

9,5- oder 19-ZollGehäuse

Bandbreite, Kleinsignal
in kHzAbmessungen■ Zusätzliche

Schnittstellen:
Analog, Parallel I/O■ Linearisierungs-

algorithmen
höherer Ordnung

20

Ausgangsspannungsbereich in V

Piezonanopositionierer und für
Piezomotoren■ Vorkonﬁgurierte

24

Unterstützter Sensortyp

24/18

Optionen für E-712■ Realtime Betriebs-

system■ Digitale Sensor-

signalübertragungüber längere
Strecken

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

63

OEM-Piezoverstärkermodule

40-kanalige Elektronik
auf Basis E-831

Highlights■ Individuelle mehrkanalige Lösungen können auf Basis dieser Piezoverstärkermodule erstellt werden■ Separate Netzteile (DC/DC Wandler) können ein bis mehrere Verstärkermodule versorgen■ Varianten als Tischgeräte für schnelle Inbetriebnahme der Piezoaktoren in Anwendungen mit sehr geringer Dynamik

64

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-610

E-831

E-610

E-831

E-660

E-462

Universelle Piezosteuerung, optional
mit Positionsregelung
für kapazitive oder
DMS-Sensoren

Miniaturmodule

Für quasistatische
Anwendungen

Für quasistatische
Anwendungen-30 bis 130-30 bis 130

5 bis 110

10 bis 1 000

Spitzenstrom in mA

180

100 bis 250

20

0,5

Dauerstrom in mA

100

50 bis 100

10

0,3

Bandbreite, Kleinsignal
in kHzbis 303,5 bis 15

quasistatischquasistatischRauschen, 0 bis 100 kHz
in mVrms

0,5 bis 1,6<0,15 bis 0,8

550

Verfügbare Versionen

Europakarte

60 × 28 × 6 mm3160 × 90 × 60 mm3Tischgerät oder Aufsteckmodul für Platine

205 × 150 × 73 mm3Tischgerät oder
67 × 38 × 20 mm3
OEM-Aufsteckmodul

DC/DC Wandler bereits
integriert

Optional mit integriertem DC/DC-Wandler

DC/DC Wandler
bereits integriert

DC/DC Wandler
bereits integriert

Ausgangsspannungsbereich in V

Spannungsversorgung

E-660, E-462
OEM-Aufsteckmodul

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

65

Piezoverstärker / Controller mit hoher Dynamik
Für Piezoaktoren bis 1 000 V Ansteuerspannung

E-481

Highlights■ Hohe Dynamik auch für Piezoaktoren mit hoher elektrischer Kapazität■ Integrierte Temperaturüberwachung zum Schutz vor Überhitzung des Piezoaktors■ Ergänzende Optionen: Positionsregelung für Langzeitstabilität, digitale Schnittstellen■ Für dynamisches Scannen im Dauerbetrieb, schnelles Schalten, aktive Schwingungsdämpfung

66

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-618

E-617

E-506

E-618

E-617

E-506

E-481
E-482

Kurze Anstiegszeiten
durch hohen Piezoladestrom bis 20 A

Geringe Leistungsaufnahme durch
geschaltetes Verstärkerprinzip mit Energierückgewinnung

Hohe Linearität der
Piezoauslenkung durch
Ladungssteuerung,
Abweichung <2 %Geringe Leistungsaufnahme durch
geschaltetes Verstärkerprinzip mit Energierückgewinnung-30 bis 130-30 bis +130

-30 bis 130

0 bis +1 100,
bipolar einstellbar

Spitzenstrom in A

20 (<0,3 ms)

2 (<5 ms)

2 (<2,5 ms)

0,5 bis 6 (<5 ms)

Dauerstrom in A

0,8 (>0,3 ms)

1 (> 5 ms)

0,20,1 bis 2

Bandbreite, Kleinsignal
in kHzbis 153,515

mehrere kHz auch bei
hoher Aktorkapazität

Rauschen, 0 bis 100 kHz
in mVrms

200 mVpp / 24 mVrms(ohne Last), 2 mVrms(1 μF)<30 mVrms <100 mVpp

<0,6 mVrms<25 bis 300 mVrms

Verfügbare Versionen

9,5- oder 19-Zoll-Rackeinschub

Version zur Hutschienenmontage oder
Modul E-504 für E-500
Controllersystem

Einschubmodul
für E-500 Controllersystem

19 Zoll-Rackeinschub.
Linearverstärker
E-421, E-470 für
1 oder 2 Achsen

Ausgangsspannungsbereich in V

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

67

Piezoachsen mit Sonder-AnsteuerspannungenVorkonfigurierte Mehr- und Ein-Achsen-Controller

E-413.00

Highlights■ Besondere Piezoaktoren und Piezoscanner erfordern besondere Ansteuerspannungen:Spezielle Controller und Treiber für Piezokippspiegel, Mehrachsen-Scanner, Bimorph-Piezobieger, DuraAct undScheraktoren■ Interne Koordinatentransformation des Kippwinkels bei parallelkinematischem Mehrachsen-Design■ Vielfalt an Versionen: Tischgeräte, Rackeinschübe, Einzelmodule, OEM-Versionen

68

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-616

E-536

E-650

E-835

E-616

E-536

E-650

E-413

E-651

E-835

Für Kippspiegelsysteme mit Tripod- oderdifferenziellem Antrieb

Für PicoCube® 3-Achsen-Piezoscanner

Für PICMA® Biegeaktoren mit und ohne
Positionsregelung

Bipolare Ausgangsspannung, für DuraActoder Scheraktoren

DMS

kapazitiv

DMS oder ungeregelt–-20 bis +120-250 bis +250

0 bis 60

350 bis 500 V
Spannungshub

Spitzenstrom in mA

100

100 bis 200

bis 300 für maximale
Dynamik ungeregelt

100

Dauerstrom in mA

50

15 bis 30

<100

<50

Bandbreite in kHz

3 (Kleinsignal)

2 bis 10 (Kleinsignal)

6 (Großsignal)bis 4 (Kleinsignal)

Tischgerät oder
Europakarten-Rackeinschub

19-Zoll-Rack, optional
mit digitalem Interface

Tischgerät oder OEMAufsteckmodul

Tischgerät oder kompakte OEM-Versionen

Unterstützter Sensortyp
Ausgangsspannungsbereich in V

Verfügbare Versionen

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

69

Digitale Controller für Piezomotoren
Systemoptimierung und Bedienkomfort: Plug-and-play

E-871

Highlights■ Umfangreiche Softwareunterstützung, z. B. für LabVIEW, dynamische Bibliotheken für Windows und Linux.

Datenrecorder z. B. für Positionswerte■ Auswertung inkrementeller Sensoren■ Analoge I/O z. B. für Anschluss eines Joysticks und digitale für Automatisierungsaufgaben■ Integrierte Treiber optimiert für die jeweilige Antriebsart z. B. mit autoresonanten Ultraschallfrequenzen

oder koordinierte Auslenkung von Scher- und Longitudinalaktoren■ Alternativ: Treiberelektroniken ohne integrierte Regelung für Aufbau eines externen Regelkreises

70

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-755

E-861

C-867

E-755

E-861

E-871

C-867

Für NEXLINE®
Piezoschreitantriebe

Für NEXACT®
Piezoschreitantriebe

Für PIShift
Piezoträgheitsantriebe

Für PILine®
Ultraschallantriebe

Besonderheiten

Polynom-Linearisierungsverfahren füreine hervorragendeLinearität der Bewegung, Abweichungca. 0,001 % über den
gesamten Stellweg
des NEXLINE® Nanopositionierers

Unterstützt alle
Bewegungsmoden:
Punkt-zu-PunktBewegung, Analogmodus für nanometergenaue Positionierung
an der Zielposition.
Nichtflüchtiger
Makrospeicher

Unterstützt alle
Bewegungsmoden:
Punkt-zu-PunktBewegung, Analogmodus für nanometergenaue Positionierung
an der Zielposition.
Nichtflüchtiger
Makrospeicher

Unterstützt alle
Bewegungsmoden:
Punkt-zu-PunktBewegung, Langsamfahrt bei μm/s,
präzises Einregeln.
Nichtflüchtiger
Makrospeicher

Schnittstellen /Kommunikation

RS-232

USB, RS-232

USB, RS-232

USB, RS-232

Mehrachsenansteuerung

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain.
Modularer Mehrachsen-Controller E-712
für unterschiedliche
Antriebsarten
verfügbar

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain.
MehrachsenController E-712

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain.
2-Achsen-Controller
verfügbar

Ungeregelte Versionen /Treiberelektronik

Ungeregelte Version
verfügbar

OEM-Treiberelektronik
E-862 verfügbar

OEM-Treibereelektronik E-870 verfügbar

OEM-Version in Europakartenformat oder
OEM-Treiberelektronik
C-872 verfügbar

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING71

Nanometrologie
Hohe Präzision für die Nanopositioniertechnik

PIMag™ 6D, das Positioniersystem, das auf dem magnetischen Schw
weben (Magnetic Levitation) basiert: Der passive Läufer schwebt auf ein
nemmagnetischen Feld und wird durch dieses aktiv geführt. Objekte lassensich auf diese Weise mit bisher unerreichter Führungsgenauigkeit in derEbene linear bzw. rotativ bewegen. Die 6-achsige Bewegung wird üb
bereinen 6D-Sensor geregelt, der hochauflösende kapazitive und inkrem
mentelle Sensoren kombiniert

72

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Kapazitive und inkrementelle Sensoren

Seite 74

Nanometrologie in PI Piezo-Nanopositioniersystemen

73

PIEZO

NANO

POSITIONINGKapazitive und inkrementelle Sensoren
Nanometrologie in PI Piezo-Nanopositioniersystemen

PIOne Messkopf
und Maßstab

Highlights■ Berührungslose Wegmessung■ Für Anwendungen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen■ Direkte Positionsmessung kompensiert mechanische Abweichungen: Direktmetrologie

AnwendungenPI setzt in seinen Nanopositionierern der Referenzklasse berührungslose Positionsmessverfahren ein. Die wichtigsten
Kenndaten für die Auswahl des geeigneten Verfahrens sind Linearität, Auflösung (Sensitivität), Stabilität, Bandbreite undnicht zuletzt die Kosten. Wichtig ist außerdem die Fähigkeit, die Bewegung der Plattform direkt aufzunehmen, sodass jede
Positionsänderung der bewegten Plattform relativ zum Grundkörper unmittelbar vom Controller erfasst wird. Damit sindGenauigkeiten unterhalb eines Nanometers möglich.

74

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

D-510

D-015

D-015
D-050

D-510
PISeca

D-711
PIOne

Kapazitive Einelektrodensensoren mit
hervorragender
Positionsauflösung

Inkrementeller Sensor
mit interferometrischem
Messprinzip für die
Nanopositionierung

D-100

Kapazitive Sensoren
mit Auflösung im SubNanometerbereich

Einsatzbereich

Integriert in die
Piezonanopositionierer von PI
Für Einsatz im UHV
bis 10-9 hPa

Einfach zu integrieren,als eigenständiges
Produkt verfügbar
zum Aufbau eines
externen Regelkreises
mit Elektronik E-852
Auch für Vibrationsmessung

Integriert in die
Nanopositionierer
von PI für Stellwege> 1 mmAuflösung

0,0005 % des Messbereichs, typisch0,5 nm bis 10 pm

0,001 % des Messbereichs, typisch1 bis 5 nm

bis 20 pm RMS;
0,12 nm Spitze-Spitze

Bandbreite

10 kHz

10 kHz1 MHz

bis 2 000 μm

20 bis 500 μm,
Millimeter auf Anfrage

10 bis 130 mm,
abhängig vom Lineal

bis 0,01 % desMessbereichs, typisch
10 bis 50 nm

bis 0,1 % desMessbereichs, typisch
100 bis 500 nm<20 nm-20 bis +80 °C-20 bis +100 °C

10 bis +50 °C

Aluminium
andere wie z. B. Invar
auf Anfrage

Aluminium
andere wie z. B. Invar
auf Anfrage

gemischt,
Glasmaßstab

15 × 8 × 4 bis
20 × 20 × 5

Ø 8 bis 20 × 30

23 x 12 x 9,5

MessbereichLinearitätsabweichung

Betriebstemperaturbereich

Material

Abmessungen Sensor
in mmAlle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

75

Technologie der Nanopositionierung

Piezoaktoren als Antrieb in der Nanopositionierung

Seite 77

Hochzuverlässige PICMA® Piezoaktoren – Nanopositionierung über lange Stellwege mit Piezomotoren:
PiezoWalk®, PILine®, PIShift
Hohe Führungsgenauigkeit durch Flexure-Festkörpergelenke

Seite 79

Kein Verschleiß – Flexures als Hebel – Sub-Nanometer-Genauigkeit
Parallele Kinematik optimiert die Bewegung in mehreren Achsen

Seite 80

Paralleles oder serielles Mehrachsen-Design
Kinematik von Mehrachsen-Kippsystemen

Seite 81

Kippsystem mit Dreibein-Piezoantrieb (Tripod) – Kippsystem mit differenziellem Piezoantrieb (Tetrapod) –Dynamik eines Piezokippspiegels
Einsatz im Vakuum

Seite 83

Klassifizierung von Vakuum bei PI
Besondere Umgebungsbedingungen

Seite 83

Magnetfelder – Tiefe Temperaturen
Sensortechnologie in der Nanopositioniertechnik

Seite 84

Höchste Genauigkeit durch Direktmetrologie – Kapazitive Sensoren – PIOne Linearencoder:
Klein und Picometer-Auflösung – Indirekte Positionsmessung mit Dehnmessstreifen-Sensoren –Direkte Parallelmetrologie: Mehrachsmessungen gegen eine feste Referenz
Precision Motion Control

Seite 88

Die Regelelektronik optimiert die Systemeigenschaften – Vor- und Nachteile einer Positionsregelung –Auflösung mit und ohne Regelung – So flexibel wie der Antrieb: Die Steuerung – Controllerabgleich
Digitalcontroller für Präzision, Dynamik und Bedienkomfort

Seite 91

Linearisierung der Elektronik – Regler und Regelverfahren – Linearisierung der Mechanik –Dynamische Linearisierung – Zusatzfunktionen digitaler Controller
Motion Control Software von PI

Seite 93

Universeller Befehlssatz – Hostsoftware PIMikroMove® für schnelle InbetriebnahmeService

Seite 96

Lieferumfang – Kundenspezifische Anpassungen – Aktualisierte Firmware, Software, Bedienungsanleitungen
GlossarSeite 9776

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Piezoaktoren als Antrieb in derNanopositionierung

Flacher 2-Achsen-Piezoscanner

Piezoaktoren bieten hervorragende
Antriebseigenschaften:■ Die Bewegung von Piezoaktoren beruht

auf Festkörpereffekten, wodurch ihre Auflösung im Prinzip unbegrenzt ist■ Ihre Steifigkeit ist sehr hoch und ermög-

licht große Kraftentwicklung und Dynamik■ Die schnelle Ansprechzeit im Mikrosekun-

denbereich ist eine Folge der hohen Resonanzfrequenz von mehreren hundert Kilohertz■ Der verfügbare Stellweg beträgt einige

hundert Mikrometer

Die Bewegung von Piezoaktoren verläuft nicht
geradlinig. Um das seitliche Auswandern zu
verhindern, ist daher ein Führungssystem erforderlich. In Piezoverstellern von PI sorgen
reibungs- und spielfreie Flexure-Festkörpergelenke für eine hochsteife Führung und optimale Ablaufgenauigkeit. Sie vergrößern außerdem den Stellweg bis in den Millimeterbereich.
Die Festkörpereffekte im piezoelektrischen
Material bedingen eine nichtlineare und hysteresebehaftete Bewegung. Um die in der Nanopositionierung geforderte hervorragende
Positionsstabilität, Linearität und Wiederholgenauigkeit zu erreichen, wird eine Positionsregelung verwendet.

Hochzuverlässige PICMA® Piezoaktoren
oaktoren
PICMA® Piezoaktoren von PI sindnd weltweit
die einzigen monolithischen Mult
Multilayertil
ilay
a erPiezoaktoren mit vollständig keramischer
eramischher
Isolierung. Erfahrung mit PICMA
A® Serien inverschiedensten Anwendungen zeigen eine
Erhöhung der Lebensdauer um
m mindestens einen Faktor 10 verglichen
mitt herenn mimkömmlichen, polymerisolierten Multil
Multilayerilay
ayer
er-Piezoaktoren. In Lebensdauertests
ests wurden
wurde
den
n
bereits über 100 Milliarden Zyklen
yklen ohneohnneeinen einzigen Ausfall nachgewiesen.
wiesen. Die
PICMA® Technologie ist patentgeschützt.
geschützt.

Die Positionsregelung eliminiert das nichtlineare Verhalten des Piezoaktors. Der erreichbare Stellweg ist
ungeregelt größer als mit Positionsregelung

PIEZO

PICMA® Piezoaktoren mit vollkeramischer Isolierung wurden
bei Tests der NASA wegen ihrerüberragenden Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit für die
Mars-Mission ausgewählt

77

NANO

POSITIONING

Nanopositionierung über lange Stellwege
mit Piezomotoren: PiezoWalk®, PILine®,
PIShift
Für Stellwege über 1 mm verwendet PI Piezomotoren als Antrieb, die ebenfalls hohe Steifigkeit und Auflösungen im Nanometerbereichbieten. Piezomotoren erzeugen weder Magnetfelder noch werden sie von diesen beeinflusst.
Piezomotoren übertragen auf die bestmögliche Weise die spezifischen Eigenschaften vonPiezoaktoren auf längere Wege. Angepasst
an die benötigte Kraft- und Geschwindigkeitsentwicklung hat PI eine Reihe unterschiedlicher
Piezomotortechnologien mit unterschiedlichen
Leistungsmerkmalen entwickelt.

Eigenschaften von Piezomotoren■ Selbsthemmend im ausgeschalteten

Zustand mit maximaler Kraft■ Skalierbare Stellwege■ Nanometergenaue Auflösung
■ Mechanisch einfach integrierbar■ Verschiedene Technologien optimiert

für hohe Geschwindigkeiten oder fürhohe Kräfte

Piezostapelaktoren in Multilayer- oder Presstechnologie

PiezoWalk®
Piezoschreitantrieb

PILine®
Ultraschall-Piezomotor

PIShift
Piezoträgheitsantrieb

Sub-Nanometer-Auﬂösung

Sub-Nanometer-Auflösung

Sub-Mikrometer-Auﬂösung

Sub-Nanometer-Auflösung

Kleinste Ansprechzeiten im
Mikrosekunden-Bereich

Geschwindigkeit bis 10 mm/s
Hochdynamischer Scanmodus

Sehr hohe Betriebsfrequenz
Geräuschloser Antrieb
Hohe Geschwindigkeit bis zu
mehreren 100 mm/s

Sehr hohe Betriebsfrequenz
Geräuschloser Antrieb
Geschwindigkeit über 10 mm/s

Stellwege bis ca. 300 μm direkt
und 2 mm mit Hebelübersetzung

Lange Stellwege, nur durch die
Läuferlänge begrenzt

Lange Stellwege, nur durch die
Läuferlänge begrenzt

Lange Stellwege, nur durch die
Läuferlänge begrenzt

Hohe Steifigkeit
Kraftentwicklung bis zu 100 kN

Sehr hohe Kräfte bis zu 800 N(NEXLINE®)
Selbsthemmend in Ruhe

Kräfte bis 40 N
Selbsthemmend in Ruhe

Kräfte bis 10 N
Selbsthemmend in Ruhe

Ansteuerung mit analoger
Spannung
Spannungshub 150 V (PICMA®
Multilayer-Aktoren),
1 100 V (PICA Hochlastaktoren)

Mehraktorantrieb erzeugt
Schreitbewegung
Spannungshub 55 V (NEXACT®),
500 V (NEXLINE®)

Einaktorantrieb
Ansteuerung mit hochfrequenter
Wechselspannung (Sinus)
Spannungshub 120 V, 200 V.
Minimotoren deutlich darunter

Einaktorantrieb
Ansteuerung mit hochfrequenter
Wechselspannung (modiﬁzierter
Sägezahn)
Spannungshub <48 V■ Nanometergenaue Positio-■ Nanometergenaue■ Positionierung mit Sub-μm-■ Nanometergenaue undnierung mit hoher Dynamik■ Hebelübersetzte und geführte
Systeme■ Piezoscanner■ Feinjustage■ Krafterzeugung■ Aktive Schwingungsisolierung

Positionierung■ Quasistatische Anwendungenmit großer Haltekraft■ Stellwege bis einige mm■ Grob- und Feinjustage■ Krafterzeugung■ Aktive Schwingungsisolierung■ Betrieb mit konstanter
niedriger Geschwindigkeit

Genauigkeit■ Schnelles Einregeln■ Scanbetrieb mit hohen
Geschwindigkeiten■ Betrieb mit konstanter
niedriger Geschwindigkeit

Ideal für:78

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

langzeitstabile Positionierung■ Quasistatische Anwendungenmit geringer bis mittlerer
Haltekraft

Hohe Führungsgenauigkeit
durch Flexure-Festkörpergelenke

Ein Piezoversteller mit
integriertem FlexureFührungssystem erreicht
eine Führungsgenauigkeit
von wenigen Nanometern
bzw. Microradian und einehohe Ablaufebenheit

In der Nanostelltechnik haben sich Festkörpergelenksführungen für Positionieraufgaben bis
2 mm bewährt.
Die Bewegung eines Flexuregelenkes beruht
auf der elastischen Deformation eines Festkörpers. Dadurch treten weder Haft-, Roll- noch
Gleitreibung auf.
Kein Verschleiß

Sub-Nanometer-Genauigkeit
Flexures ermöglichen Bewegungen mit extrem
hoher Bahntreue. Um Höhen- oder Querversatz zu kompensieren, verwendet PI spezielle
Multilink-Flexure-Führungen. Diese Führungssysteme, die in den meisten Nanopositioniersystemen von PI eingesetzt werden, ermöglichen eine Ablaufebenheit und Geradheit im
Sub-Nanometer- bzw. Mikroradianbereich.

Vorteile sind die hohe Steifigkeit, Belastbarkeit und Verschleißfreiheit. Flexures sindwartungsfrei, können aus nichtmagnetischen
Materialien gefertigt werden und benötigen
weder Schmiermittel noch andere Betriebsstoffe – deshalb arbeiten sie auch problemlos
im Vakuum.
Flexures als Hebel
Die Auslenkung eines Piezoaktors lässt sichzudem durch die Integration von Hebelmechanismen vervielfachen. Der Aktor wird
mechanisch so in ein Festkörpergelenk eingebunden, dass sich der Stellweg auf bis zu
2 mm verlängert. Da einfache Hebelaufbauten
jedoch deutlich an Führungsgenauigkeit und
Steifigkeit verlieren, erfordert die Konstruktion
wesentlich komplexere Geometrien.

Diese Hebelmechanik mit Flexure Gelenksführungenübersetzt den Aktorhub (vertikal) in eine gleichförmige,
geradlinige Bewegung (hoizontal)

Die Deformation der FlexureGelenksführungen wird überFEM-Stresssimulationen
geprüft

79

PIEZO

NANO

POSITIONING

Parallele Kinematik optimiert
die Bewegung in mehreren Achsen

In einem Parallelkinematik-Mehrachsensystemgibt es nur eine bewegte Plattform, auf diealle Aktoren direkt einwirken. Dadurch können
die dynamischen Eigenschaften der Achsen
identisch ausgelegt und die bewegte Masse
stark reduziert werden. Weitere Vorteile derparallelen Kinematik liegen darin, dass das
System kompakter gebaut werden kann als

seriell gestapelte bzw. verschachtelte Systeme,
und sich die Fehler und Massen der einzelnen
Achsen nicht aufaddieren. Parallel-kinematische Systeme sind mit bis zu 6 Freiheitsgraden verfügbar und besitzen eine hohe
Dynamik in allen Achsen durch die minimale
Massenträgheit.

Beim parallelkinematischen Aufbau wirken – anders
als bei seriellen Achsen – alle Antriebe auf dieselbe
bewegte Plattform. Eine höhere Dynamik und höhere
Scanningfrequenzen, verbesserte Führungsgenauigkeit, Wiederholbarkeit und Stabilität sind die Folge

Ein serielles Mehrachsensystem, ob verschachtelt odergestapelt, weist jedem Aktor und jedem Sensor genau
eine Bewegungsrichtung zu. Die Verstellerachsen tragen jeweils die aufmontierte nächste Achse, wodurch
sich die dynamischen Eigenschaften verschlechternund die Gesamtsteifigkeit reduziert. Zudem summieren sich die Führungsfehler der Einzelachsen zu einer
geringeren Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Seriellkinematische Systeme sind einfacher im Aufbau undin der Ansteuerung80

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Kinematik von Mehrachsen-Kippsystemen

Kippspiegelsysteme von PI basieren auf einer parallelen Kinematik mit nur einer bewegten
Plattform für alle Bewegungsrichtungen. Die Systeme erreichen eine höhere Linearität als
durch Hintereinanderschalten von zwei Einachssystemen – z. B. Galvoscannern – realisierbar ist, und sind dabei sehr kompakt.

Pferdekopfnebel(Foto: Brian Lula)

Folgende Gleichungendienen zur Berechnung der Kippwinkel
und des Stellwegs
in Z:

θX

θY = 2A –
θY

(B+C)
2a

θX =

(B-C)
b

Z=

(A+B+C)
3

A, B, C ist die lineare
Auslenkung der entsprechenden Aktoren.
Anordnung der Aktoren im Dreibein-Piezoantrieb

Sie ermöglichen einen optischen Ablenkbereich bis zu 100 mrad, extrem kurze Ansprechzeiten von wenigen Mikrosekunden sowie Auflösungen bis in den Nanoradianbereich.
PI bietet ein großes Spektrum von kompakten
Systemen für die Laserstrahlsteuerung bis hin
zu großen Einheiten für die Astronomie.
Kippsystem mit Dreibein-Piezoantrieb(Tripod)
Die Plattform wird von drei in 120°-Abständen angeordneten Piezoaktoren angetrieben.
Durch Koordinatentransformation kann die
Bewegung auf die einzelnen Aktoren aufgeteilt werden.

Kippsystem mit differenziellem Piezoantrieb(Tetrapod)
Die Plattform wird von zwei Paaren in 90°Abständen angeordneter Piezoaktoren angetrieben. Die 4 Aktoren werden dabei je nach
Kipp richtung differenziell paarweise an ge steuert. Weil die Kippachsen θX und θY orthogonal ausgerichtet sind, ist keine Koordinatentransformation notwendig.

Piezo

Zusätzlich zur Kippung kann die Plattform auchlinear in Z bewegt werden, was z. B. zur Korrektur optischer Laufzeitunterschiede (Phasenschieber) wichtig ist.
Piezo

Piezogetriebene Kippspiegel und -plattformensind sowohl für den hochdynamischen Betrieb,
wie z. B. Tracking, Scanning, Bildstabilisierung,
Drift- und Vibrationselimination als auch für
statische Positionierung von Optiken oder
Proben geeignet.

Prinzip eines Kippsystems mit
differenziellem Piezoantrieb

Das Resultat ist eine hervorragende Positions-/
Winkelstabilität in einem breiten Temperaturbereich.
Die differenzielle Bauform bietet wie die Dreibeinkonstruktion eine optimale Winkelstabilität
in einem breiten Temperaturbereich. Bei positionsgeregelten Ausführungen ermöglicht die
differenzielle Auswertung von je zwei Sensoren pro Achse eine verbesserte Linearität undAuflösung.

PIEZO

NANO

POSITIONING

81

Dynamik eines Piezokippspiegels

Die maximale Arbeitsfrequenz eines Piezokippsystems hängt stark von seiner mechanischen
Resonanzfrequenz ab. Auch den Eigenschaften
des Verstärkers, Reglers und Sensors kommt
eine hohe Bedeutung zu. Um die effektive
Resonanzfrequenz des Systems aus Plattform und Spiegel abzuschätzen, muss zuerst
das Trägheitsmoment des Spiegelsubstrats
berechnet werden.
Trägheitsmoment eines rotationssymmetrischen Spiegels:
IM = m

[

2R2 + H2
12

+

(

H
2

)]

IM = m

[

12

+

+T

( )]
H
2

f' = mf0√1 + IM/I0

Resonanzfrequenz eines Piezokippsystems
mit Spiegel
mit:

2

Trägheitsmoment eines rechteckigen Spiegels:
L2 + H2

Mit der Resonanzfrequenz der Plattform (s.
technische Daten) und dem Trägheitsmomentdes Spiegelsubstrats ergibt sich die Systemresonanzfrequenz entsprechend folgender
Gleichung:2+Tf' = Resonanzfrequenz der Plattformmit Spiegel [Hz]f0 = Resonanzfrequenz der Plattformohne Spiegel [Hz]I0 = Trägheitsmoment der Plattform(siehe technische Daten) [g × mm²]
IM = Trägheitsmoment des Spiegels [g × mm²]

mit:
m = Spiegelmasse [g]IM = Trägheitsmoment des Spiegels[g × mm²]
L = Länge des Spiegels orthogonal
zur Kippachse [mm]H = Spiegeldicke [mm]T = Abstand Drehpunkt Plattformoberfläche(s. technische Daten der einzelnen
Modelle) [mm]R = Spiegelradius [mm]82

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Einsatz im Vakuum

Piezoversteller verwenden Technologien, diegrundsätzlich hervorragend für den Einsatz im
Vakuum geeignet sind: Piezoaktoren, kapazitive Positionssensoren und Flexure-Festkörpergelenksführungen. Sie benötigen außerdem
keine Schmiermittel und Fette zum Betrieb.
Die PICMA® Piezoaktoren in allen PI Nanopositionierern sind ohne Polymeranteile hergestellt
und haben daher besonders niedrige Ausgasraten. Sie können mit bis zu 150 °C ausgeheizt
werden. Als Materialien für die Vakuumversteller kommen Aluminiumlegierungen, Edelstähle oder Titan zum Einsatz. Die Oberflächen
werden nicht beschichtet sondern elektropoliert. Vakuum-Kabelisolierungen bestehenaus Materialien wie PTFE oder FEP (Teflon),
auf Wunsch aus Polyimid (Kapton) oder PEEK.
Der Einsatz von Kunststoffen und Klebstoffen
wird so weit wie möglich reduziert.

Dieser Piezo-6-Achsen-Tisch wurde für die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) als Objektträger
in einem Rasterkraftmikroskop (AFM) entwickelt und
ist für den Einsatz in UHV ausgelegt. Die linearen Stellwege betragen 12 μm × 12 μm × 10 μm, eine aktive
Korrektur der Ablaufgenauigkeit ist durch die Ansteuerung der Kippachsen möglich. Bei einer Last von 300 g
erreicht er eine Resonanzfrequenz von über 2 kHz

Klassifizierung von Vakuum bei PI
Hochvakuum (HV)

10-3 bis 10-6 hPa

Ultrahochvakuum (UHV) 10 bis 10 hPa-7-9

1 hPa = 1 mbar

Für eine Reihe von Verstellerserien bietet
PI UHV-Versionen als Katalogprodukte an.
Design und Fertigung für Bereiche außerhalb dieser Grenzwerte werden auf Anfrage angeboten. Die Vakuumdurchführungensind im Lieferumfang nicht enthalten undkönnen bei Bedarf dazu bestellt werden.

Besondere Umgebungsbedingungen
Magnetfelder

Tiefe Temperaturen

PICMA ® Piezoaktoren eignen sich hervorragend für den Einsatz auch in sehr hohen
Magnetfeldern. Piezopositioniersysteme können ohne ferromagnetische Materialien gefertigt werden.

Piezoaktoren zeigen Auslenkungen bis weit inden kryogenen Bereich. Sondermodelle von
PICMA® Aktoren können bei bis zu -271 °C eingesetzt werden, allerdings mit deutlich reduziertem Stellweg. Auch hier kommt es auf die
geeignete Auswahl der weiteren Materialien
und Komponenten des Piezopositioniersystems an.

Auch Piezomotoren können in Magnetfeldern
verwendet werden, denn sie erzeugen weder
selbst Magnetfelder noch werden sie von diesen beeinflusst.

PIEZO

83

NANO

POSITIONING

Sensortechnologie
in der Nanopositioniertechnik

Der PIOne Linearencoder wird in hochauflösenden
Nanopositioniersystemen von PI wie in den N-664 eingesetzt. Dieser Linearpositionierer wird von NEXACT®
Piezolinearmotoren angetrieben und erreicht so –abhängig vom Motion Controller – über 30 mm Stellweg und eine Auflösung von unter einem Nanometer

PI bietet weltweit die größte Auswahl an hochdynamischen und hochauflösenden Nanopositioniersystemen. Die Linearität und Wiederholgenauigkeit sind nicht denkbar ohne den
Einsatz höchstauflösender Messverfahren.
Genauigkeiten im Bereich weniger Nanometerund darunter erfordern ein Positionsmessverfahren, das Bewegung in diesem Bereich aucherfassen kann. Die wichtigsten Kenndaten fürdie Auswahl des geeigneten Verfahrens sindLinearität, Auflösung (Sensitivität), Stabilität,
Bandbreite und nicht zuletzt die Kosten. Wichtig ist außerdem die Fähigkeit, die Bewegung
der Plattform direkt aufzunehmen. PI setzt
nach Möglichkeit auf kontaktlose Messprinzipien, um das Messergebnis möglichst wenig
zu beeinflussen. Außerdem müssen die Sensoren klein sein und dürfen sich nicht erwärmen.
PI Nanopositionierer verwenden drei verschiedene Typen von Sensoren: Kapazitive Sensoren und Linearencoder für Direktmetrologie,
sowie Dehnmessstreifen für die indirekte Positionsmessung.

Die Messung belegt die hervorragende Wiederholgenauigkeit dieses Piezopositioniersystems kapazitiven
Sensoren von 1,4 nm (1 σ-Wert)

Höchste Genauigkeit durch Direktmetrologie
Bei der direkten Positionsmessung mit berührungslos messenden Sensoren wird jede
Positionsänderung der bewegten Plattform relativ zum Grundkörper unmittelbar vom
Controller erfasst. Zwischen dem Messpunkt und der bewegten Plattform liegen keine
Antriebs- oder Führungselemente, die die Messung beeinflussen könnten. Diese Methodeermöglicht eine Bandbreite im Kilohertz-Bereich, Auflösung im Sub-Nanometerbereichund hervorragende Stabilität.
84

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

■ Direktmetrologie: Unmittelbare Positions-messung am bewegten Objekt■ Vakuumkompatibel bis 10-9 hPa■ Wartungsfrei, kein Verschleiß■ Hohe Bandbreite bis 10 kHz■ Hohe Temperatur- und Langzeitstabilität(< 0,1 nm/3 h)■ Invar-Versionen für höchste Temperatur-stabilität (5 × 10-6/K)■ Kompakte Zweielektroden- und Ein-

Kapazitive Sensoren
Nanopositioniersysteme von PI werden klassisch von translatorischen Piezoaktoren angetrieben und besitzen Stellwege von wenigen
hundert Mikrometern bis zu einem Millimeter.
Kapazitive Sensoren erreichen eine Positionsauflösung im Sub-Nanometerbereich, hohe
Stabilität und Bandbreite, sowie die beste
Linearität bzw. Genauigkeit.
Kapazitive Zweiplatten-Sensoren von PI ermitteln berührungslos den Abstand zwischen zwei
Elektroden. Eine aktive Schutzringelektrodesorgt für ein homogenes Feld. Das und diehochgenaue parallele Ausrichtung der beiden
Elektroden führt zur bestmöglichen Linearität
der Sensorsignale über den gesamten Messbereich. Diese Sensoren werden so in das
Nanopositioniersystem integriert, dass keine
Auswirkung auf Baugröße und Masse (Trägheit) zu erwarten sind. Bei entsprechender
Anordnung erfassen sie direkt die Bewegung
der Plattform (direkte Metrologie).

elektroden-Sensoren, kundenspezifische
Ausführungen■ Auswerteelektronik in verschiedenen

Ausbaustufen, von analogen OEM-Versionen
bis zum modular aufgebauten und jederzeit
erweiterbaren digitalen Controllersystemc = ε0 · εr ·AdArbeitsprinzip eines kapazitiven Sensors. Die Kapazität C ist proportional zur aktiven Sensorfläche A, d bezeichnet den Messbereich (Abstand von Sensor zu Targetfläche), ε0 ist
eine Konstante, εr die dielektrische Konstante des Materials zwischen den Kondensatorplatten, im Allgemeinen Luft. Die Messgröße ist die Kapazitätsänderung im elektrischen
Feld. Eine aktive Schutzringelektrode sorgt für ein homogenes Feld im Messbereich

Kapazitive Einplattensensoren PISeca messen
gegen jede Art von leitender Oberfläche undsind einfacher in der mechanischen Handhabung beispielsweise beim Einbau oder derKabelführung. Sie können außerdem vielseitiger eingesetzt werden, z. B. zur Erfassung vonBewegungen senkrecht zur Messrichtung. Die
Qualität der Sensorsignale hängt allerdings
starkt von der Parallelität und Beschaffenheit
der Oberfläche ab, gegen die gemessen wird.
■ Kontaktlose Absolutmessung von Abstand,Bewegung, Vibration■ Messbereiche zwischen wenigen 10 μm

und ca. 2 mm
■ Nur minimale Erwärmung, kein Streulicht

Kapazitive PISeca Einelektrodensensoren messen gegen jede Art von leitender Oberfläche und sind einfacher in der mechanischen Handhabung beispielsweise beim Einbau
oder der Kabelführung. Sie können außerdem vielseitiger eingesetzt werden, z. B. zur
Erfassung von Bewegungen senkrecht zur Messrichtung. Die E-852 Stand-alone Auswerteelektronik für PISeca zeigt nur ein minimales Rauschen und integriert ein Linearisierungssystem. Alle Systeme werden im Hause PI kalibriert und für die vorgesehene
Bandbreite und den Messbereich optimiert

PIEZO

NANO

POSITIONING

85

PIOne Linearencoder:
Klein und Picometer-Auflösung
Bei größeren Stellwegen stoßen die kapazitiven Messsysteme an ihre Grenzen: Entweder werden die Sensorflächen immer größer
oder die Auflösung und Linearität nimmt ab.
Nanopositioniersysteme mit Piezomotoren, die
Stellwege von mehreren 10 Millimetern erreichen, verwenden lineare Encoder als Positionssensor. Das sind inkrementelle Messsysteme,
die aus Maßband und Messkopf bestehen. Der
hochauflösende Linearsensor PIOne erlaubt
bei entsprechender Messauswertung eine
Positionsauflösung von weit unterhalb einem
Nanometer.

Der Messkopf des PIOne beinhaltet ein MachZehnder Interferometer, das an einem Linearmaßstab entlang bewegt wird. Aus den
Signalen der Reflexionen am Gitter werden
Sinus- und Cosinus-Signale erzeugt. Zusätzliche Interpolation führt zu den nachweislich
kleinen Auflösungen des Systems. Der Sensorkopf beinhaltet zusätzlich die Auswertungeines richtungserkennenden Referenzsignals.
Die Abmessungen des Sensorkopfes betragen
dabei nur 23 mm × 12 mm × 9,5 mm. PIOne
nutzt eine patentierte Technologie.

■ Auflösung bis 20 Picometer RMS;

0,12 Nanometer Spitze-Spitze■ Für Geschwindigkeiten bis 0,5 m/s bei

höchster Auflösung
■ Kleine Abmessungen

23 mm × 12 mm × 9,5 mm■ Ausgabe von Sinus- und Cosinus- oder

Quadratur-Signalen■ Geringer Stromverbrauch und geringe

Eigenerwärmung■ Ausheizbar bis 80 °C

Rauschmessung eines Positioniersystems mit dem PIOne bei 1 MHz Bandbreite und 18 Bit Auflösung des Sensoreingangs: 16 Picometer RMS und 100 Picometer Spitze-Spitze

86

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Indirekte Positionsmessung
mit Dehnmessstreifen-Sensoren
Dehnmessstreifen-Sensoren bestehen aus
einer dünnen Metall- (DMS) oder Halbleiterfolie (piezoresistiv, PRS), die auf der Piezokeramik oder für verbesserte Präzision auf dem
Führungssystem eines Flexure-Verstellers aufgebracht ist. Diese Art der Positionsmessung
erfolgt mit Kontakt und indirekt, da die Positi-

on der bewegten Plattform aus einer Messung
am Hebel, an der Führung oder am Piezostapel
abgeleitet wird. Dehnmesssensoren leiten die
Positionsinformation aus ihrer Ausdehnung
ab. Vollbrückenschaltungen mit mehreren
Dehnmessstreifen je Achse verbessern die
thermische Stabilität.

SensortypEmpﬁndlichkeit /Auﬂösung*
Linearität*

Stabilität /Wiederholbarkeit

Bandbreite*

Messverfahren

Messbereich

Kapazitiv

hervorragend

hervorragend

hervorragend

hervorragend

direkt /berührungslos< 2 mmDehnmessstreifenSensor aus Metallfolien (DMS)

sehr gut

sehr gut

gut

sehr gut

indirekt /mit Berührung< 2 mmPiezoresistive
DehnmessSensoren (PRS)

hervorragend

gut

mittelsehr gut

indirekt /mit Berührung< 1 mmLinearencoder

hervorragend

sehr gut

hervorragend

sehr gut

direkt /berührungslos

bis > 100 mm* Die Einstufungen beziehen sich auf die Eigenschaften des Nanopositioniersystems. Die Angaben zu Auflösung, Linearität, Wiederholbarkeit im
jeweiligen Datenblatt geben die Spezifikation des Gesamtsystems wieder, einschließlich Controller, Mechanik und Sensor. Die Überprüfung
erfolgt mit externen Messmitteln (Zygo-Interferometer)

Direkte Parallelmetrologie: Mehrachsmessungen gegen eine feste Referenz
Ein mehrachsiges Verstellerdesign mit Parallelkinematik ermöglicht die Verwendung vondirekter Parallelmetrologie, die Vermessung
aller Freiheitsgrade der bewegten Plattformgegen eine einzige feste Referenz. Ein ungewolltes Übersprechen der Bewegung in eine
andere Achse z. B. durch äußere Krafteinwirkung kann so detektiert und in Echtzeit aktiv
ausgeregelt werden. Diese aktive Führung
ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich, auch bei dynamischem Betrieb.

Trägheitsminimiertes Parallelkinematik-Nanopositioniersystem mit kapazitiven Sensoren
in Parallelmetrologie-Anordnung. Die Pfeile zeigen den Signalfluss von Sensor zur Regelung. rot: X-Achse, blau: Y-Achse

87

PIEZO

NANO

POSITIONING

Precision Motion Control

Piezocontroller von PI bieten:■ Hohe Linearität■ Positionierung mit

Sub-Nanometer-Genauigkeit■ Hohe Langzeitstabilität■ Rauschen um 1 mV (RMS-Wert)■ Niedrige Leistungsaufnahme■ Notchfilter für höhere Bandbreite■ Angepasste Ausgangsspannungen für ver-schiedene Piezoaktoren und Piezoantriebe
Die Stromversorgung des Controllers ist auch bei
offenen OEM-Modulen meist direkt auf der Platine integriert. Der Betrieb des Piezosystems erfordert dann nur
eine stabilisierte Spannung von 12 bzw. 24 V

■ Analoge Schnittstellen zur schnellen,

So flexibel wie der Antrieb: Die Steuerung

Eine Änderung der Ansteuerspannung bewirkteine Änderung der Auslenkung des Piezoaktors. Ansprechzeiten im Bereich weniger
Mikrosekunden sind möglich, abhängig vonder Leistungsfähigkeit der Piezoverstärker.

PI bietet für die Präzisionspositionierung im
Genauigkeitsbereich von einem Mikrometerbis unter einen Nanometer das weltweit breiteste Spektrum an Positionier- und Antriebssystemen. Schnelles Einschwingen oder langsame Geschwindigkeit mit hoher Konstanz,hohe Positionsstabilität und -auflösung, hohe
Dynamik – die Anforderungen an Piezosysteme
sind höchst unterschiedlich und erfordern ein
hohes Maß an Flexibilität der Steuerung undRegelung. PI bietet daher von breit einsetzbaren Steuerungen bis hin zu hoch spezialisierten Controllern ein breites Spektrum
an Piezoelektroniken an: Als OEM-Board zur
Integration, als „Plug & Play“ Tischgerät odermodular aufgebaut für die Ansteuerung einernahezu beliebigen Anzahl von Bewegungsachsen.

direkten Kommandierung in Echtzeit■ Kurzschlussfestigkeit

Im statischen Betrieb, also beim Halten einer
bestimmten Position, ist zudem die Stabilität
der Spannungsquelle entscheidend, da piezoelektrische Aktoren bereits auf die geringste
Spannungsänderung mit einer Bewegung
reagieren. Ein Rauschen oder Driften gilt es soweit wie möglich zu vermeiden.

Dieser Hochleistungscontroller liefert bis zu 6 A
im Spannungsbereich bis 1 100 V und kann auchohne Regelung betrieben werden. Ein digitales
Interfacemodul bietet erweiterte Funktionalitäten
Interfacem
Datenrecorder und Funktionsgenerator
wie Daten

88

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

ControlIn
Overflow

Slew Rate

Servo OFFON+

Die Leistungsfähigkeit eines Piezoscanners
muss grundsätzlich im System, also in Kombination mit dem geeigneten Motion Controller
betrachtet werden. Rauscharme und driftfreie
Piezoverstärker von PI sorgen für beste Stabilität und Auflösung. Schnelle Anstiegsflanken
erlauben schnelle Ansprechzeiten und hohe
Scanfrequenzen.
Eine Positionsregelung vergleicht die Positionsvorgabe (Sollwert) mit der vom Sensor
gemessenen Position (Istwert) und kann sonichtlineare Eigenschaften des Piezoaktors wie
Hysterese und Drifteffekte ausregeln.
Die Positionsregelung der meisten analogen
Piezocontroller von PI ist identisch. Es handelt
sich dabei um einen speziell für den Piezobetrieb optimierten Proportional-IntegralPositionsregler. Ein oder mehrere einstellbare Notchfilter führen zu einer deutlichen
Verbesserung der Bandbreite und Dynamik,da Randeffekte durch systemimmanente
Resonanzen unterdrückt werden, bevor sie
die Systemstabilität beeinträchtigen können.
Optimierte Regelalgorithmen minimieren die
Einschwingzeiten, sodass positionsgeregelte
Piezo positioniersysteme von PI Wiederholgenauigkeiten bis in den Sub-Nanometerbereich und Bandbreiten bis 10 kHz erreichen.

Proportional Integral
Term
Term

PZT
Out

PZT
Monitor

DCOffset

Die Regelelektronik optimiert die
Systemeigenschaften

PZT
Amplifier

NotchFilter

PZT
Sensor–SensorMonitorSensorGain

SensorRange
Bandwidth Adjustment

ZeroAdjust

SensorIn

Blockschaltbild eines typischen Piezocontrollers mit Positionsregelung

Auflösung mit und ohne Regelung
Positionsgeregelte Piezoantriebe ermöglichen
eine um Faktoren höhere Linearität und Wiederholbarkeit als ungeregelte Systeme. Die
Auflösung, die bei Piezoaktoren nicht durch
Reibung begrenzt ist, sondern vom elektrischen Rauschen bestimmt wird, liegt imungeregelten Betrieb prinzipiell höher als im
geschlossenen Regelkreis.
Im geregelten Betrieb erzeugen der Sensor
und die Regelelektronik zusätzlich zum Piezoverstärker ein Rauschen. Mit entsprechendhochwertigen Systemen sind auch im geregelten Betrieb Auflösungen im Sub-Nanometer-Bereich möglich. Kapazitive Sensoren
erreichen die höchste Auflösung, Linearität
und Stabilität.

Vor- und Nachteile einer Positionsregelung
Ein Positionsregler arbeitet immer im linearen Aussteuerbereich der Spannungen und Ströme. Da der Spitzenstrom zeitlich begrenzt und daher nicht linear ist, kann er für eine stabile
Wahl der Regelparameter nicht genutzt werden. Dadurch begrenzt die Positionsregelung die
Bandbreite und lässt einen Pulsbetrieb nicht zu. In Schaltanwendungen kann daher häufig
eine erforderliche Positionsstabilität und Linearität nicht durch Positionsregelung erreicht
werden. Eine Linearisierung kann dann z. B. durch die Ladungssteuerung der Verstärker
oder durch numerische Korrekturverfahren erreicht werden.
Beim Betrieb im geschlossenen Regelkreis wird die maximale Arbeitsfrequenz auch durch
Phasen- und Amplitudengang des Systems begrenzt. Es gilt: je höher die Resonanzfrequenz der Mechanik, desto höher kann die Regelbandbreite eingestellt werden. Auch die
Sensorbandbreite und Leistungsfähigkeit des Reglers (digital/analog, Filter- und Reglertyp,Bandbreite) begrenzen die Betriebsbandbreite des Positioniersystems.
89

PIEZO

NANO

POSITIONING

Standardisierte Messprotokolle:
Das gute Gefühl, zu bekommen,
was man erwartet
Nanopositioniersysteme stellen in Anwendungen eine wesentliche und kostenintensive Komponente dar. Bei PI wird daher jedes
System individuell getestet und auf die statischen und dynamischen Parameter hin optimiert. Das Messprotokoll wird dem System zur
Auslieferung beigelegt. Daher kann kundenseitig jederzeit nachvollzogen werden, wie die
Leistungsfähigkeit des Systems bei der Auslieferung war und welche Systemkomponenten
zusammengehören.
PI investiert fortlaufend in die Verbesserung
der Nachweismethoden und Testmittel, um
so noch höherwertige Systeme ausliefern
zu können. Geregelte Nanopositioniersysteme werden ausschließlich mit hochwertigen
kalibrierten Interferometern vermessen. Die
Testlabore sind seismisch, elektromagnetischund thermisch isoliert, die Temperaturstabilität ist besser als 0,25 °C in 24 Stunden. Damit
setzt PI die Standards in der Vermessung undBeschreibung von Nanopositionierprodukten.

Controllerabgleich
Zur Optimierung des Abgleichs werden verschiedene Informationen über die Anwendung
benötigt, wie die gewünschte Betriebsfrequenz, die Größe der bewegten Last oder die
Federkonstante einer Vorlast bzw. des Materials, gegen das der Piezoaktor arbeitet.

Optimiertes, positionsgeregeltes Nanopositioniersystem: Ein Piezoscanner
erreicht den vollen Stellweg von 100 μm in nur wenigen Millisekunden90

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Digitalcontroller für Präzision,
Dynamik und Bedienkomfort

Digitale Controller haben gegenüber analogen
Verstärkerelektroniken Vorteile, die vor allem
bei hochpräzisen Positionieraufgaben zum Tragen kommen: So kann auf die Linearität unddas Einschwingverhalten durch Rechenalgorithmen gezielt Einfluss genommen werden.
Dies dient der Steigerung der Präzision und
der dynamischen Eigenschaften.
Linearisierung der Elektronik
Alle digitalen PI Controller für die Nanopositionierung verhalten sich gleich. Dadurch ist
es möglich, beliebige auf eine digitale Steuerung abgestimmte Piezomechaniken auch ananderen Controllern ohne Performanceverluste
zu betreiben. Die erforderlichen Abgleichdaten
werden auf einem ID-Chip im Versteller gespeichert und vom Controller bei der Inbetriebnahme abgerufen.

Modulare, digitale Mehrachsensteuerungen mit integrierter Koordinatentransformation erleichtern die Bedienung komplexer parallelkinematischer Systeme,wie hier dieses Hexapoden mit NEXLINE®
Piezoschreitantrieben

Regler und Regelverfahren

Sollwert

Die Aufgabe des Reglers ist, Abweichungen von Soll- und Istposition auszugleichen.
Klassisch werden PI Regler mit Notchfilternverwendet. Abhängig von der Anwendung
können aber auch andere Regelkonzepte in
Kombination mit Linearisierungsalgorithmenzu besseren Ergebnissen führen. Digitale Filter
vermeiden unerwünschte Anregungen, unterdrücken Rauschen und erhöhen somit die Auflösung des Systems.

+–

Führungsfilter

ReglerSperrfilter

DAC

Verstärker

Tiefpassfilter

ADC

Sensorelektronik

Aktor
und
SensorRegelung in digitalen Controllern

Linearisierung der Mechanik
Die Linearität des Gesamtsystems ist ein Maßfür seine Positioniergenauigkeit. Piezoaktoren
an sich besitzen eine Nichtlinearität von 10 bis
15 % des Stellwegs, der durch die Ansteuerung
und Regelung ausgeglichen werden muss,
damit das System die Position möglichst präzise erreicht. Die Nichtlinearität der Bewegung
wird bei digitalen Controllern durch Berechnungen mit Polynomen höherer Ordnung auf
Werte unter 0,001 % reduziert – was bei einem
Stellweg von 100 μm einer Genauigkeit untereinem Nanometer entspricht.

91

PIEZO

NANO

POSITIONING

Dynamische Linearisierung

Elliptischer Scan (für Laser-Mikrobohranwendung) mit einem XY-Piezoscantischund konventionellem PID Controller. Dieäußere Kurve beschreibt die Sollposition,
die innere zeigt die tatsächliche Bewegung
des Tisches

Gleicher Scan wie zuvor, jedoch mit
DDL-Controller. Der Trackingfehler ist
auf wenige Nanometer reduziert, Sollund Istposition sind in der Grafik nicht
zu unterscheiden

Die digitale dynamische Linearisierung (DDL)
reduziert zusätzlich noch während der Bewegung die Abweichung von sich periodischwiederholenden Bahnkurven. Dies ist relevant
für Scanning-Anwendungen, bei denen es
darum geht, eine bestimmte Position zu identifizieren und präzise wieder anzufahren, oder
für Anwendungen, bei denen die Bahnkurve
für Bearbeitungsschritte eingehalten werden
muss.

Zusatzfunktionen digitaler Controller
Rechenleistung und Speicherplatz, die die
digitalen Steuerungen mit sich bringen, erlauben
die Implementierung nützlicher Zusatzfunktionen.
■ Software-Zugriff auf alle Bewegungsparame-ter und die grafische Darstellung der Effekte■ Koordinatentransformation für parallele

Kinematiken zur einfachen Kommandierung in kartesischen Koordinaten■ Makrospeicher um extern triggerbare

Bewegungsabläufe zu speichern undabzurufen■ Funktionsgenerator und Kurvenspeicher fürden Abruf vorgefertigter Bewegungskurven
und zur Erzeugung von eigenen Wellenformen■ Datenrecorder zeichnen Sensor- und Steuer-

werte für die spätere Bearbeitung auf■ Der ID Chip ermöglicht den flexiblen Aus-

tausch von Controllern und Nanopositionierern ohne einen erneuten Abgleich der
Betriebsparameter
Nicht jede Funktionalität steht für alle Controller zur Verfügung. Details in den jeweiligen
Produktdatenblättern.

Die Standardschnittstellen für digitale Nanopositioniercontroller sind RS-232, USB und TCP/IP. Darüber
hinaus bietet PI zusätzliche digitale I/O Leitungen sowie
Optionen für analoge Schnittstellen oder ein PIO zur
Echtzeit-Kommandierung

92

Komplexe Bewegungsprofile können mit dem Funktionsgenerator erzeugt, gespeichert und umgesetzt
werdenP I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Motion Control Software von PI
Effektive und komfortable Lösungen

Parallelkinematik

Nanopositionierung

BIS ZU 6 FREIHEITSGRADE

SUB-NANOMETER AUFLÖSUNGGCS
MOTION CONTROLLER

Antriebstechnologie

Mikropositionierung

D C , S C H R I T T, P I E Z O , M A G N E T I S C H

LANGE STELLWEGE

Alle Digitalcontroller von PI werden mit einem
umfangreichen Softwarepaket ausgeliefert. PI
unterstützt Softwareanwender durch umfangreiche Onlinehilfen und Handbücher, diesowohl die schnelle Inbetriebnahme ermöglichen als auch Detailfragen für den fortgeschrittenen Anwender erläutern. Aktualisierte
Versionen der Software sind für PI Kundenjederzeit kostenlos über das Internet verfügbar.
Die PI Software deckt alle Anwendungsaspekteab, angefangen bei der einfach durchführbaren
Inbetriebnahme über die komfortable Ansteuerung der Systeme über grafische Oberflächen
bis zur schnellen und übersichtlichen Einbindung in externe Programme.

Universeller Befehlssatz vereinfacht Inbetriebnahme und Programmierung
PI hat den PI General Command Set (GCS)
entwickelt, über den alle Nano- und Mikropositioniersysteme, unabhängig von den verwendeten Antrieben und Motion Controllern,angesteuert werden. Die durchgängig einheitliche Kommandostruktur erfordert lediglich eineeinmalige Einarbeitungszeit und vermindert
die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Programmierung.

Unterstützte Betriebssysteme■ Windows XP (SP3)■ Windows VISTA■ Windows 7 32/64 Bit■ Linux 32/64 Bit■ Windows 8 32/64 Bit

93

PIEZO

NANO

POSITIONINGPIMikroMove® Software sorgt für schnelle
Inbetriebnahme
PIMikroMove® steuert alle Positioniersysteme
von PI übersichtlich und komfortabel an, egal
ob mit piezoelektrischen, magnetischen oderklassischen Elektromotorantrieben, unabhängig
von der Zahl und Konfiguration der Achsen.
Alle angeschlossenen Controller und Achsen
werden in einer einheitlichen grafischen
Umgebung angezeigt. Dabei können für einemehrachsige Anwendung verschiedene Controller verwendet und dennoch über PIMikroMove® im selben Fenster kommandiert werden. Zwei oder mehrere unabhängige Achsen
können im Position Pad mit der Maus odereinem Joystick bewegt werden, auch vektoriell; Hexapoden werden grafisch dargestellt.
Makros erleichtern wiederkehrende Aufgaben, wie sie bei automatisierten Vorgängen
anfallen. Die Makros werden als GCS-Befehlsfolgen erstellt, die abhängig vom verwendeten
System z. B. in Form von Startup-Makros direkt
auf dem Controller ausgeführt werden können
oder vom Host-PC abgearbeitet werden.

Ein flexibel konfigurierbarer Datenrecorder speichert
Daten wie Position, Sensorsignal oder Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit

94

Scanalgorithmen können analoge Werte in
Abhängigkeit von der Position aufzeichnen
und darstellen oder das globale Maximum
eines analogen Wertes vollautomatisch finden.
Abhängig vom Controller unterstützt PIMikroMove® unterschiedliche Funktionalitäten. Ein
Datenrecorder kann z. B. Bewegungs- undSystemparameter aufzeichnen.
Optimales Systemverhalten
Wenn die mechanischen Eigenschaften eines
Systems z. B. durch eine andere Last verändert werden, ist oft eine Parameteranpassung
notwendig. PI Software bietet Tools, um das
Ansprechverhalten und die Systemstabilität
zu optimieren und verschiedene Sätze vonParametern zu speichern, die dann für selbstprogrammierte Applikationen bereit stehen.

Mit Software von PI Piezosysteme komfortabel bedienen und Performance optimieren: Das Einstelltool fürParameter zeigt die Frequenzantwort eines Nanopositioniertisches im Bodeplot

P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Motion Control Software von PI
Schnelle Einbindung der PI Controller in Programmiersprachen und Softwareumgebungenvon Drittanbietern

Viele Applikationen werden heute in LabVIEW
erstellt, z. B. in der Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik. PI stellt vollständige
LabVIEW-Treiber zur Verfügung. Ein controllerspezifisches Configuration_Setup VI wird am
Anfang der LabVIEW-Applikation eingebunden
und beinhaltet alle zur Inbetriebnahme benötigten Systeminformationen und Initialisierungsschritte. Die Applikation selbst wird mit
controllerunabhängigen VIs umgesetzt.
Bei Controllerupgrades oder -wechseln mussin der Regel nur das Configuration_Setup VI
ausgetauscht werden, der applikationsspezifische Code bleibt aufgrund des einheitlichen
Befehlssatzes GCS identisch.
Der Treibersatz beinhaltet viele spezielle Beispielprogramme, z. B. umfangreiche Scan- und
Alignapplikationen, die als Template für eigene
Programme genutzt werden können. Zudem
ermöglicht der offene Quellcode vieler VIs die
schnelle Anpassung an die Anwenderbedürfnisse.

Diese Bibliotheken unterstützen alle gängigen
Programmiersprachen und alle Positioniersysteme von PI. Die Funktionalität des PI GCSBefehlsatzes kann dadurch nahtlos in externe
Programme eingebunden werden.
Softwarepakete von Drittanbietern
Treiber für die PI GCS-Kommandos sind inzwischen in den bekanntesten DrittanbieterSoftwarepaketen integriert. So ist die Ansteuerung von PI Systemen z. B. über MetaMorph,μManager, MATLAB und ScanImage möglich.
Außerdem sind EPICS- und TANGO-Treiberfür die Integration in Experimente in Großforschungsanlagen verfügbar. Die Treiber für
μManager, MATLAB sowie ein großer Teil der
EPICSTreiber werden von PI selbst entwickelt
und gepflegt.

Unterstützte
Sprachen und Softwareumgebungen

Flexible Einbindung in textorientierte
Programmiersprachen■ C, C++, Python, Visual C++, Visual

Die Einbindung von PI Positioniersystemenin textbasierte Programmiersprachen unter
Microsoft Windows oder Linux wird durch
Programmbibliotheken und Beispielcodes
erleichtert.

■ LabVIEW, MATLAB, μManager,

Basic, Delphi

PIEZO

EPICS, TANGO, MetaMorph■ sowie alle Programmierumgebungen,die das Laden von DLLs unterstützen
95

NANO

POSITIONING

Service

Der Lieferumfang eines PI Systems, bestehend
aus Controller und Versteller, enthält alles, wasfür den Betrieb erforderlich ist.
■ Externe Netzteile■ Alle Netz-, Kommunikations- undSystemkabel■ Die ausführliche Bedienungsanleitung in

gedruckter Form
■ Software CD mit Setup-Funktion

Bei der Entwicklung der Geräte steht die Verwendung modernster Komponenten an erster
Stelle. Somit ergibt sich eine lange Lieferbarkeit und Austauschbarkeit der Systeme auchüber den Produktlebenszyklus hinaus. Alle
Positioniersysteme aus dem Standardprogramm von PI erfüllen die CE und RoHS Vorgaben.
Kundenspezifische Produktentwicklungen und-anpassungen sind ein wichtiger Bestandteil
unseres technischen Fortschritts.

Wir bieten Ihnen:■ Die komplette Breite unseres Produktspek-trums von der elektronischen Komponenteüber Komplettgeräte als OEM-Platine bis
hin zum modularen, gehausten System■ Fertigung in kleinen Stückzahlen wie auchin großen Serien■ Die Entwicklung anhand spezieller Pro-

duktnormen (landes- oder marktspezifischeStandards wie z. B. Medizinproduktegesetz)
und die entsprechende Zertifizierung■ Anpassung der Systeme an spezielle

Umgebungsbedingungen (Vakuum, Weltraum, Reinraum)■ Copy Exactly VereinbarungenDie aktuellen Versionen von Firmware, Software und Bedienungsanleitungen stehen
kostenlos im Internet zur Verfügung. Firmwareupdates sind einfach über die Standardschnittstellen des Controllers auszuführen. PI
bietet einen weitreichenden Software-Support
an. Die PI Software ist im Lieferumfang vonDigitalgeräten enthalten und dient zur Inbetriebnahme sowie zur Analyse und Optimierung des Systemverhaltens. DLLs, LabVIEW
Treiber oder die Unterstützung von MATLAB
erleichtern die Programmierung.

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P I E Z O P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Glossar

Anstiegszeit

Dynamische Auflösung

Profilgenerator

Zeitkonstante des Verstärkers/Controllers. Zeit,
die benötigt wird, um von 10 % auf 90 % desmaximalen Spannungshubs zu kommen.

Für kapazitive Sensoren. Gemessen im nominalen Messbereich, Bandbreite s. Datentabelle.
Vgl. statische Auflösung.

Lineare Interpolation, Punkt-zu-Punkt, Trapez,
S-Kurven. Für mehrere Achsen: elektronische
Getriebefunktion.

Antriebsart

Eingangspegel

Rauschen

Gibt an, welche Antriebsarten durch den Controller/Verstärker unterstützt werden, z. B. DCMotoren, Piezoschreitantriebe, Piezoaktoren.

Erlaubte Eingangspegel für digitale Schnittstellen.

Für kapazitive Sensoren. In erweiterten Messbereichen ist das Rauschen deutlich höher als
im nominalen Messbereich.

Auflösung

Auch Eingangssteuerspannung, für Piezocontroller/Verstärker. Empfohlen ist ein Bereich von-2 bis 12 V. Der übliche Verstärkungsfaktor von
10 bewirkt eine Ausgangsspannung von -20 bis
120 V. Die meisten PI Controller erlauben einen
Eingangsspannungsbereich von -3 bis 13 V.

Auflösung in der Positionierung bezeichnet die
kleinste Abstandsänderung, die vom System
unterschieden werden kann. Die ungeregelte
Auflösung von Piezo-Nanopositionierern undPiezoaktoren ist im Prinzip unbegrenzt, weil sie
nicht durch Haft- oder Gleitreibung limitiert
wird. Stattdessen ist das Äquivalent zum Elektronikrauschen spezifiziert.

Ausgangsspannung

Eingangsspannungsbereich

Encodereingang
Maximale Bandbreite (-3 dB) der Eingangssignale
für den Encodereingang.

Referenzschalter
Funktionsweise: optisch, magnetisch.

Sensorauflösung
Der Sensor kann das kritische Element der Positionsauflösung sein, weshalb die Sensorauflösung erforderlichenfalls separat spezifiziert wird.

Sensorbandbreite
Gemessener Wert. Angegeben ist die Frequenz,
bei der die Amplitude bei auf -3 dB abgefallen ist.

Die Ausgangsspannung von Piezocontrollern
zeigt Schwankungen von nur wenigen Millivolt
und ist damit besonders langzeitstabil.

Endschalter

Aussteuergrenzen

Für kapazitive Sensoren, wird bei PI gesetzt.

Für geschaltete Verstärker. Die mögliche Ausgangsleistung eines Piezocontrollers/Verstärkers
hängt von den internen und externen kapazitiven Lasten ab.

Grundlast (intern)

Spitzenstrom

Für geschaltete Verstärker. Stabilisiert die Ausgangsspannung auch ohne angeschlossene
kapazitive Last (Piezoaktor). Die mögliche Ausgangsleistung eines Piezocontrollers/Verstärkers
hängt von den internen und externen kapazitiven Lasten ab.

Steht nur für sehr kurze Zeiten zur Verfügung,typisch unter einigen Millisekunden. Dient derAbschätzung der möglichen Dynamik mit einer
bestimmten kapazitiven Last. Hinweis: Der
Piezocontroller/Verstärker arbeitet dabei nicht
unbedingt linear.

Leistungsaufnahme

Statische AuflösungMaximale Leistungsaufnahme bei Volllast.

Für kapazitive Sensoren. Gemessen bei einer
Bandbreite von 10 Hz, nominaler Messbereich.

Gemessene Werte bei Umgebungstemperatur
20 °C. Als Steuersignal wird ein Sinus verwendet, im ungeregelten Betrieb (open-loop). Der
Verstärker arbeitet innerhalb der Aussteuergrenzen linear, insbesondere ohne thermische
Begrenzung.

Bandbreite
Gemessener Wert. Angegeben ist die Frequenz
in kHz, bei der die Amplitude um -3 dB abgefallen ist. Großsignalwerte: bei maximaler Ausgangsspannung. Kleinsignalwerte: bei Ausgangsspannung von 10 Vpp. Die Werte sind im
Aussteuerdiagramm des Controllers/Verstärkers
abzulesen.

Sinnvolle Piezolast

Funktionsweise, z. B. optisch, magnetisch.

Erweiterungsfaktor für den MessbereichLinearisierung
Integrierte Methode, z. B. ILS, Polynome n-ter
Ordnung, Sensorlinearisierung.

Stromaufnahme
Stromverbrauch des Systems auf der Versorgungsseite. Angegeben im Leerlauf (Controller
ohne Last). Alternativ Leistungsaufnahme.

Betriebsspannung

Linearitätsabweichung

Erlaubter Eingangsspannungsbereich, ggf. auch
Eingangsfrequenz, für die Versorgung desGeräts.

Wert aus Realmessung mit externem, rückführbaren Messmittel. Bezeichnet den Betrag dermaximalen Abweichung von einer idealen
geradlinigen Bewegung. Die Angabe erfolgt in% in Bezug auf den gesamten Messbereich.
Die Linearitätsabweichung hat keinen Einfluss
auf die Auflösung und Wiederholbarkeit einer
Messung.

Strombegrenzung

Messung der Linearitätsabweichung: Die Sollund gemessenen Istwerte der Positionen werden gegeneinander aufgetragen, eine Gerade
durch den ersten und letzten Datenpunkt gelegt
und die betragsmäßig maximale Abweichungvon dieser Gerade bestimmt. 0,1 % Linearitätsabweichung entspricht damit einem Fenster von±0,1 % um die ideale Gerade. Beispiel: Eine
Linearitätsabweichung von 0,1 % über einen
Messbereich von 100 μm ergibt eine mögliche
maximale Abweichung des Messwertes zum
Istwert von 0,1 μm.

Nur für digital angesteuerte Verstärker: Messung des kleinsten digitalen Ausgabewerts(LSB) in mV.

Betriebstemperaturbereich
Im maximal zulässigen Temperaturbereich kanndas Gerät in jedem Fall sicher betrieben werden.
Um ein internes Überhitzen zu vermeiden, steht
jedoch ab einer bestimmten Temperatur (maximale Betriebstemperatur unter Volllast) nicht
mehr die volle Leistung zur Verfügung.

Dauerausgangsstrom
Für Mehrachsen-Controller erfolgt die Angabe
pro Kanal. Gemessener Wert. Steht über längere Zeit zuverlässig zur Verfügung.

PIEZO

NANO

POSITIONING

Kurzschlussfestigkeit.

Überhitzungsschutz
Abschalttemperatur für den Spannungsausgang. Kein automatisches Wiedereinschalten.

Verstärkerauflösung

Verstärkerprinzip
PI verwendet folgende Verstärkerprinzipien:
Ladungsgesteuert, geschaltet (class D), linear.

Welligkeit, Rauschen, 0 bis 100 kHz
Restwelligkeit der Spannung in mVpp mit eindeutiger Frequenz. Rauschen über gesamten Frequenzbereich.

97

98

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Piezoantriebe

Produkte

Seite 100 – 125

Grundlagen der Piezotechnologie

Seite 126 – 157

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PIEZO

NANO

POSITIONING

Piezomotoren
Integrationsbeispiele von Piezolinearmotoren

PILine® Motoren wirken auf einen ringförmigen Läufer underzeugen so eine schnelle Drehbewegung, z. B. für dieseTotalstation Leica TS30 für automatisierte Winkel- undDistanzmessung mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit(Foto: Leica Geosystems)

100

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Piezolinearmotoren

Seite 102

Erste Integrationsstufen für OEM-Anwendungen

Technologien der Piezomotoren

Die Integration von PILine® Ultraschallmotoren ermöglicht besonders niedrig bauende
Kreuztische, z. B. für die Mikroskopie

Kompakte Sonderausführung eines Linearverstellers mit NEXACT® Piezoschreitantrieb undPräzisionslinearführungen. Die Abmessungenbetragen nur 33 mm × 24 mm × 20 mm

Seite 104

PIShift Antriebe justieren die Kippwinkel ineinem kardanischen Spiegelhalter

101

PIEZO

NANO

POSITIONING

Piezolinearmotoren
Erste Integrationsstufen für OEM-Anwendungen

N-216

Highlights■ Breite Auswahl an verschiedenen Piezomotor-Technologien: Kräfte von 10 bis 800 N■ Selbsthemmend mit maximaler Kraft, keine Wärmeentwicklung im Ruhezustand■ Der Stellweg ist skalierbar und wird nur durch die Läuferlänge begrenzt■ Einfache Integration, Ersatz für Motor-Spindel-Antriebe■ Nichtmagnetische Ausführungen auf Anfrage■ Vakuumkompatibel bis 10-6 mbar; UHV auf Anfrage

Anwendungen
Die Anwendungen reichen von der Probenmanipulation in der Biotechnologie bis zur Positionierung optomechanischer
Komponenten in abbildenden Verfahren. PI setzt Piezomotoren als platzsparendes und hochauflösendes Antriebselementin ein- und mehrachsigen Positioniersystemen ein. Die Integration geht bis zu komplexen 6D-Hexapoden, die auch unter
Umgebungsbedingungen wie UHV oder Magnetfeldern eingesetzt werden können.

102

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

N-111

N-310

U-264

N-422

N-216
N-111

N-310

U-264

N- 422

Versionen mit
hochauﬂösendem
integriertem
Linearencoder
verfügbar

Sub-nm Auﬂösung,Geschwindigkeit
regelbar bis auf
wenige nm/s

Preisgünstig und sehrschnellEinfach ansteuerbares
1-Aktor-Prinzip mit
Sub-nm Auﬂösung

Antriebsart

NEXLINE®
Piezoschreitantrieb

NEXACT®
Piezoschreitantrieb

PILine®
Ultraschall-Piezomotor

PIShift
Piezoträgheitsantrieb

Abmessungen in mm

50 × 50 × 80 (N-216)
28 × 40 × 40 (N-111)

25 × 25 × 12

57 × 63 × 10,2

21,5 × 18 × 13

wenige nm/s bis
max. 1 mm/s

wenige nm/s bis
20 mm/s

wenige nm/s bis
500 mm/s

wenige nm/s bis
20 mm/s

Stellkraft in N

bis 600bis 20bis 40bis 10Unbestromte
Haltekraft in N

bis 800 /selbsthemmend

bis 20 /selbsthemmend

bis 40 /selbsthemmend

bis 10 /selbsthemmend

0,03

0,03

50

300 mit E-870 Treiber-250 / 250 V bipolarbis 45 V

bis 200 V
Spannungshub

bis 48 V Spannungshub

20

bis 125

bis 150

bis 401200 (N-216)
300 (N-111)

<100

<100

<30

E-755, E-712 Motion
Controller inkl. TreiberE-862 Treiber, E-861
Motion Controller inkl.
Treiber

C-872 Treiber, C-867
Motion Controller inkl.
Treiber

E-870 Treiber, E-871
Motion Controller inkl.
TreiberGeschwindigkeit

Kleinste Schrittweite
ohne Sensor in nm
Betriebsspannung
Stellweg in mm
Masse in g

Empfohlene
Ansteuerung

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

103

PiezoWalk® Piezoschreitantriebe
Nanometer-Präzision mit hoher Vorschubkraft■ Kräfte von 10 bis 800 N■ Integrationsstufen vom OEM-Motor bis

zum mehrachsigen Positioniersystem■ Variabler Stellweg durch variable Läufer-

länge■ Auflösung bis 0,03 nm■ Selbsthemmend im Ruhezustand, keine

Wärmeentwicklung■ Nichtmagnetisches und vakuumkompa-

tibles Funktionsprinzip

Warum PiezoWalk®?
PiezoWalk® Antriebe
wurden vor mehrals 10 Jahren für die
Halbleiterindustrieentwickelt, die höchste Anforderungen
an die Zuverlässigkeit, Positionsauflösung und Langzeitstabilität stellt.
PI erhielt für die
PiezoWalk® Technologie im Jahre 2005
den SEMI Technology Innovation
Showcase Award.
Die Antriebe werden
ständig weiterentwickelt und heutesteht eine Vielzahl
an Varianten fürunterschiedliche
Einsatzgebiete zur
Verfügung.

Direkt getriebene PiezoWalk® Linearmotoren
Wesentliche Bestandteile des Piezoschreitantriebs sind mehrere piezokeramische Aktoren,
die gegen einen beweglich geführten Läufer
vorgespannt sind. Die Piezoaktoren führen
im Betrieb eine Schreitbewegung aus, diezu einem Vorschub des Läufers führt. Die
Ansteuerung der Aktoren ermöglicht kleinste
Schritt- und Vorschubbewegungen, sodass
eine hohe Bewegungsauflösung von weit untereinem Nanometer erreicht wird.

Bei NEXLINE® Antrieben erfolgt die Schreitbewegung über getrennt angesteuerte, leistungsstarke Längs- und Scheraktoren, wodurch einehohe Steifigkeit mit Vorschubkräften von mehreren 100 N erreicht werden. Die kompakteren
NEXACT® Antriebe setzen die Schreitbewegung mit Biegeelementen um.
Die geeignete Auswahl der Piezoelemente optimiert Schrittweite, Klemmkraft, Geschwindigkeit und Steifigkeit für die jeweiligen Anforderungen.

Piezoschreitantriebe benötigen keine mechanischen Komponenten wie Kupplung oder
Getriebe, die durch Reibung und Spiel die
Präzision und Zuverlässigkeit hochauflösender Motor-Spindel-basierter Antriebssysteme
merklich begrenzen.
Schreitender Bewegungsablauf
Bei PiezoWalk® Schreitantrieben wirken piezoelektrische Aktoren paarweise als Klemm- undVorschubelemente auf einen bewegten Läufer.
Zyklisch angesteuert erfolgt so eine schreitende
Bewegung der Aktoren auf dem Läufer, dieser
wird vor oder zurück bewegt.
Bewegungsablauf eines NEXLINE® Aktors

104

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Piezomotoren sind selbsthemmend
Die Vorspannung der piezokeramischen Aktoren gegen den Läufer sorgen für die Selbsthemmung des Antriebs in Ruhe und im ausgeschalteten Zustand. Dadurch verbraucht erkeine Energie, er erwärmt sich nicht und hält
die Position mechanisch stabil. Anwendungenmit geringer Einschaltdauer, die eine hohe zeitliche und Temperaturstabilität erfordern, profitieren von diesen Eigenschaften.
Lebensdauer und Zuverlässigkeit
Die Bewegung des piezokeramischen Aktors
beruht auf kristallinen Effekten und ist keinem
Verschleiß ausgesetzt. Die Ankopplung der
Aktoren an den Läufer ist anders als bei anderen piezomotorischen Motorprinzipien keinen
Gleitreibungseffekten unterworfen, der Vorschub wird durch ein physikalisches Klemmen
und Abheben der Aktoren erzielt.

Magnetfeldern geeignet. Hierfür werden Sonderversionen der Antriebe angeboten. Piezoschreitantriebe können auch in Reinräumen
oder in Umgebungen mit harter ultravioletter
Strahlung eingesetzt werden.
Zwei Technologien – mehr Möglichkeiten
PI verwendet bei den Piezoschreitantrieben
zwei unterschiedliche Technologien, die auf
die jeweiligen Anforderungen abgestimmt
werden können. NEXLINE ® Schreitantriebe sind für höhere Stell- und Haltekräfte bis
800 N ausgelegt und arbeiten mit geringeren
Geschwindigkeiten. NEXACT® Antriebe sindkompakter und erreichen höhere Geschwindigkeiten, wobei sie Kräfte im Bereich von 10
bis 20 N entwickeln.

Piezomotoren für alle Anwendungen – z. B. im
Vakuum und in starken Magnetfeldern
Piezomotoren von PI sind im Prinzip vakuumtauglich und für den Betrieb unter starken

Verschiedene Bauformen und Größen von NEXLINE® Modulen (links und rechts) sowie
NEXACT® (Mitte)

Konstante Geschwindigkeit und gleichmäßiger Vortrieb
eines NEXLINE® Antriebs sind im Nanoschritt-Betrieb
am besten, aber die maximal erreichbare Geschwindigkeit ist im Vollschritt-Betrieb höher

OEM-Piezomotoren (von links): N-216 und N-111 mit NEXLINE®, N-310 mit NEXACT®
Antrieben

Folge von ungeregelten 1-nm-Bewegungen eines NEXLINE® Antriebs

105

PIEZO

NANO

POSITIONINGPILine® Ultraschall-Piezomotoren
Kompakte Antriebe, schnell und selbsthemmend■ Integrationsstufen

vom preisgünstigen OEM-Motorbis zum mehrachsigen Positioniersystem■ Hohe Dynamik,

schnelles
Einregelverhalten■ Beliebige, unbe-

grenzte Stellwege■ Mechanisch ein-fach integrierbar■ Selbsthemmend

im Ruhezustand■ Haltekraft bis 15 N
■ Geschwindigkeit

bis 500 mm/s
■ Auflösung bis

0,05 μm (50 nm)

Direktangetriebene PILine® Linearmotoren

Piezomotoren sind selbsthemmend

Die Linearantriebe verzichten zugunsten der
Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindelbasierter Antriebssysteme wie Kupplung oder
Getriebe.

Die Vorspannung des piezokeramischen Aktors
gegen den Läufer sorgt für die Selbsthemmungdes Antriebs in Ruhe und im ausgeschalteten
Zustand. Dadurch verbraucht er keine Energie,er erwärmt sich nicht und hält die Position
mechanisch stabil. Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oderwärmeempfindlich sind, profitieren von diesen
Eigenschaften.

Gerade in miniaturisierten Systemen sind diese
Komponenten sehr verschleißanfällig. Wesentlicher Bestandteil des Ultraschall-Piezomotors
ist eine Piezokeramik, die über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist. Das Piezoelement wird zu
hochfrequenten Schwingungen angeregt, diezu einem Vorschub des Läufers führen.

Lebensdauer und Zuverlässigkeit
Die Bewegung des piezokeramischen Aktors
beruht auf kristallinen Effekten und ist keinem Verschleiß ausgesetzt. Die Ankopplung
an den Läufer ist hingegen Reibungseffekten
unterworfen. Abhängig vom Betriebsmodus
werden Laufstrecken über 2 000 km bzw. eine
MTBF von 20 000 Stunden erzielt.
Dynamik in der Anwendung
Die direkt getriebene, stabile Mechanik unddie schnellen Ansprechzeiten der Piezokeramik ermöglichen das hochdynamische Start-/
Stoppverhalten und Geschwindigkeiten bis zu
mehreren 100 mm/s.
Patentierte Technologie
Die in diesem Dokument beschriebenen
Produkte fallen zumindest teilweise unter den
Schutz der folgenden Patente:

Der piezokeramische Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu
Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt. Die Deformation des
Aktors führt zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements
zum Läufer. Je Zyklus beträgt der erzeugte Vorschub etwa 10 nm, die hohen Frequenzen führen zu den hohen Geschwindigkeiten

US-Patent Nr. 6,765,335B2
Europäisches Patent Nr. 1267425B1

106

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

PILine® Ultraschall-Piezomotoren
OEM-Motoren, Technische Daten

PILine® Integrationsstufen (von links): OEM-Motor,
ungeführter RodDrive U-264 und positionsgeregelter,
geführter Linearaktor M-272

Mehrere Integrationsstufen bieten Flexibilität
PILine® Antriebe sorgen in Positioniersystemen
für die hohe Dynamik und kompakte Abmessungen. PI bietet verschiedene Integrationsstufen von PILine® Antrieben an, die einen einfachen Einbau in Kundendesigns ermöglichen:■ RodDrives sind ungeführte und ungeregelte

Linearantriebe, die in der Integration MotorSpindel-Kombinationen ersetzen. Sie können
einfach an eine geführte Plattform angekoppelt werden■ Die Integration von OEM-Motoren ist relativ

aufwendig, da die optimale Vorspannung
zwischen Läufer und Aktor kundenseitig hergestellt werden muss

■ Positioniertische mit integrierten PILine®

Antrieben, angepasst an OEM-Anforderungen■ Linearaktoren bewegen die Last über einen

geführten Stab. Optional besitzen sie eine
Positionsregelung.

Bewegung und Positionieren
Stellweg*

Treiberelektronik
Zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen
im Piezoaktor sind spezielle Treiberelektroniken
erforderlich, die PI ebenfalls anbietet. Diese reichen von OEM-Platinen bis zu integrierten Servocontrollern für positionsgeregelte Systeme.

Treiberelektroniken erzeugen
die Ultraschallschwingungen
im piezokeramischen Aktor desPILine® Antriebs. PI bietet universelle Treiber für alle Aktorgrößen an – wie auch spezialisierte, kompakte Platinen

P-661

U-164

EinheitToleranzbis 1 mm

Unbegrenzt

UnbegrenztmmKleinste Schrittweite, ungeregelt**

0,05

0,05

μm

typ.

Geschwindigkeit, ungeregelt

500

500

mm/s

max.

Steifigkeit, unbestromt

0,7

3

N/μm

±10 %

Haltekraft, unbestromt

1,5

3

N

max.

2

4

N

max.

9

18

N

mittelgeringMechanische EigenschaftenZug- / Druckkraft
Vorlast auf Reibschiene
Integrationsaufwand±10 %niedrig

Antriebseigenschaften
Resonanzfrequenz
Motorspannung

210

155

42 Vrms (120 Vpp)

60 Vrms (170 Vpp)

-20 bis +50-20 bis +50

Aluminium, eloxiert

Aluminium, eloxiert

10

20

kHz

±2 kHzAnschlüsse und Umgebung
Betriebstemperaturbereich
Gehäusematerial
Masse

°C

g

±5 %

* Der Stellbereich von Piezolinearmotoren ist praktisch unbegrenzt und hängt nur von der Länge der Reibschiene ab** Die kleinste Schrittweite ist ein typischer Wert, der im offenen Regelkreis erreicht werden kann. Dabei ist es wichtig, den Montagerichtlinien der Motoren zu folgen

PIEZO

NANO

POSITIONING

107

108

Ungeregelte Schrittfolge eines PILine® basierten Verstellers mit Schritten von ca. 300 nm. Wiederholbare Inkremente können nur im positionsgeregelten Betrieb erzielt werden, da die Schrittweite von der vonaußen wirkenden Kraft abhängt

PILine® Ultraschallantriebe sind hochdynamisch und erreichen
Beschleunigungen bis zu mehreren g. Sie zeigen ein schnelles Einregelverhalten innerhalb einiger 10 Mikrosekunden für kleine Schritte

Maximale Einschaltdauer in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur
bei einem Steuersignalpegel von 100 %Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik eines PILine® Motors mit 6 N
Haltekraft. Die Prozentangaben bezeichnen den Steuersignalpegel,ein Maß für die Einkopplung der elektrischen Leistung in den Aktor

P-661, Abmessungen in mm

U-164, Abmessungen in mm

PP II EE ZZ OO AA N
K TT RO IREEBNE || W
WW
WW
W.. PP II .. DD EEPIShift Piezoträgheitsantriebe
Preisgünstige, kompakte Motoren■ Vom OEM-Antrieb

bis zur Integrationin ein mehrachsiges Positioniersystem■ Beliebige, unbe-

grenzte Stellwege■ Mechanisch ein-fach integrierbar■ Selbsthemmend

im Ruhezustand■ Haltekraft bis 10 N
■ Geschwindigkeitüber 5 mm/s
■ Einfache, preis-

PIShift sind platzsparende und preiswerteepiezobasierte Antriebe mit relativ hohen HalHallunbegrenztekräften bis 10 N und prinzipiell unbegrenz
zStick-Slip-Effekt
tem Stellweg. Sie nutzen den Stick-Slip-Effek
kt(Trägheitseffekt) – ein durch das Piezoelement
Piezoelemennterzeugter zyklischer Wechsel von Haft- undd
LäuGleitreibung zwischen einem bewegten Läu
ufer und dem Piezoaktor – für einen kontinuierlikontinuierliiBetriebschen Vorschub des Läufers. Mit einer Betriebs
sfrequenz von mehr als 20 kHz erreicht PIShiftdadurch Geschwindigkeiten von über 5 mm/s.

Ansteuegünstige Ansteuerung

Das PIShift Antriebsprinzip
basiert auf einem einzelnen
piezoelektrischen Aktor, derüber die Treiberelektronik mit
einer modifizierten Sägezahnspannung angesteuert wird.
Der Aktor dehnt sich langsam
aus und nimmt einen Läufer
mit. Die schnelle Kontraktion
des Aktors kann der Läufer
aufgrund seiner Trägheit nicht
nachvollziehen und verharrt
auf seiner Position

Geräuschlos und energiesparend
Der Antrieb arbeitet bei dieser Frequenz
ge räuschlos. Im Stillstand ist der Antrieb
selbsthemmend, muss nicht bestromt werdenund erwärmt sich nicht. Er hält die Position mit
maximaler Kraft.
Einfache Integration
Zur einfachen Integration wird der Antrieb entweder auf einer ebenen Fläche montiert oderstirnseitig eingeschraubt. Die Last wird am
bewegten Läufer angekoppelt. PI bietet zum
Antrieb passende Treiberelektroniken an, dieüber analoge oder digitale Schnittstellen angesteuert werden können. Die Betriebsspannung
des Piezoelements im Antrieb beträgt dabei
weniger als 50 V.

Ein voller Zyklus liefert einen Vorschub von typischerweise 300 Nanometer. Die mechanischen Komponenten sind so ausgelegt, dass der Backstep während derschnellen Kontraktion minimal ist

PIEZO

109

NANO

POSITIONING

Piezoaktoren mit Führung und Vorspannung

In Mikroventilen können Translationsaktoren
mit und ohne Vorspannung eingesetzt werden, für größere Hübe sind hebelübersetzte
Antriebssysteme geeignet

110

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

PiezoMove® Hebelaktoren
PiezoM

Seite 112

Geführteund vorgespannte PICMA®
Gefüh
MultilMultilayer-Piezoaktoren mit Hebelübersetzung

Vorge
Vorgespannte Piezostapelaktoren

Seite 114

für dydynamische Anwendungen

Technologie: Führung und Vorspannung

Seite 116

Piezostapelaktoren

PiezoMove® Hebelaktoren

bis ca. 300 μm

bis 1 mm

eine

eine

Sensorik

optionale DMS

optionale DMS

Linearität

bis 99,8 %bis 99,8 %Führungkeine

Festkörpergelenke für Verkippungen <10“Platzbedarf

geringgeringPreis

geringgeringIntegrationsaufwand

mittelgeringStellwege
Bewegte Achsen

111

PIEZO

NANO

POSITIONING

PiezoMove® Hebelaktoren
Geführte und vorgespannte PICMA®
Multilayer-Piezoaktoren mit Hebelübersetzung

P-603
PiezoMove® Hebelaktor
Highlights■ Sub-Millisekunden-Ansprechzeit und Sub-Nanometer-Auflösung
■ Versionen mit DMS-Sensoren für Wiederholgenauigkeiten von nur wenigen Nanometern■ Preisgünstige OEM-Lösungen zur Integration■ Für hohe Stückzahlen

Anwendungen
Für Ventile, Pumpen, Mikro- und Nanoliterdosierung, aktive Schwingungsisolierung, Probenhandling und Imprinttechniken in Mikrofluidtechnik, Biotechnologie, Medizintechnik, Mechatronik, Adaptronik, Lasertechnik oder Messtechnik.

112

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

P-601

P-602

P-601

P-602

P-603

P-604

16,5 × 12 × 16,5 bis82,5 × 12 × 20,5

28 × 17 × 9 bis
126 × 34 × 14

33,5 bis
62 × 21 × 6

19,5 × 13 × 3

100 bis 400

100 bis 1 000

100 bis 500

300

15 bis 30

100

10 bis 40

2

Zugbelastbarkeit in
Stellrichtung in N

105

10 bis 20

1,5Resonanzfrequenz
unbelastet in Hz

350 bis 750

150 bis 1 000

300 bis 900

900

Elektrische Kapazität
in μF

1,5 bis 51,5 bis 39

1,5 bis 3,70,27Betriebsspannungsbereich in V

-20 bis 120-20 bis 120-20 bis 120-20 bis 120

Versionen mit DMSPositionssensor

verfügbar

verfügbar

verfügbar–

E-610, E-625, E-709

E-610, E-625, E-709

E-610, E-625, E-709

E-610, E-831

Abmessungen in mm
Stellweg in μm
Druckbelastbarkeit in
Stellrichtung in N

Empfohlener Controller

P-604

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

113

Vorgespannte Piezostapelaktoren
für dynamische Anwendungen

P-216
PICA Power Piezoaktor

Highlights■ Sub-Millisekunden-Ansprechzeit und Sub-Nanometer-Auflösung
■ Kompakte Edelstahlgehäuse mit variablen Endstücken
■ Hohe Steifigkeit■ UHV-Ausführungen■ Versionen mit DMS-Positionssensor verfügbar

Anwendungen
Hochdynamische Anwendungen mit gleichzeitig hohen Anforderungen an Präzision und Krafterzeugung gibt es unter
anderem im Präzisionsmaschinenbau, bei der Materialbearbeitung und -formung. Schalt- und Dosieraufgaben gehören
ebenso dazu, wie die aktive Kompensation von Schwingungen. Ausführungen für Vakuum bis 10-9 hPa, besonders hoheoder tiefe Betriebstemperaturen sind verfügbar.

114

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

P-235

P-844

P-820

P-885

P-212
P-216

P-842 bis
P-845

P-810
P-830

P-885
P-888

P-225
P-235

P-840
P-841

P-820

PICA Stapelaktoren
für höchste Kraftentwicklung

PICMA® Stack
Multilayer-Aktoren

PICMA® Stack
Mulitlayer-Aktoren

Gekapselte PICMA®
Stack Multilayer-Aktoren
für den Einsatz in rauer
Umgebung

Ø 18 bis 50
Länge bis 199

Ø 12 bis 19
Länge bis 137

Ø 5,5 bis 10
Länge bis 76

Ø 11,2 bis 18,6
Länge bis 40,5

Betriebsspannungsbereich in V

0 bis 1 000-20 bis 120-20 bis 120-20 bis 120

Stellweg in μm

15 bis 180

15 bis 90

15 bis 60

17 bis 36

Druckbelastbarkeit in
Stellrichtung in N

2 000 bis 30 000

800 bis 3 000

50 bis 1 000

800 bis 3 000

Zugbelastbarkeit in
Stellrichtung in N

300 bis 3 500

50 bis 700

1 bis 10-

Resonanzfrequenz
unbelastet in kHz

bis 17

5 bis 18

8 bis 2235 bis 60

0,05 bis 8

1,5 bis 36

0,3 bis 6

1,5 bis 6

E-481, E-421

E-610, E-621, E-709

E-610, E-621, E-709

E-831, E-610

Abmessungen in mm

Elektrische
Kapazität in μF
Empfohlener Controller

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.piceramic.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

115

Technologie:
Piezoaktoren mit Führung und Vorspannung

Einfache Hebelübersetzung.
Der Punktkontakt entkoppelt
Scherkräfte und damit Zugspannungen an der Piezokeramik

Vorgespannte und gehauste Aktoren
Piezokeramische Aktoren sind unempfindlichgegenüber Druckkräften, müssen aber vor Zugund Scherbelastungen geschützt werden. Ein
Gehäuse entkoppelt mechanisch seitliche Kräfte und isoliert die elektrische Kontaktierung.
Zwischen Gehäuse und Piezo keramik kannz. B. über eine Feder eine Vorspannung aufgebracht werden, die den dynamischen Betrieb
höherer Lasten erlaubt.
Flexureführungen lenken die Bewegung underhalten die Steifigkeit
Präzise geradlinige Bewegungen erfordern
das Einbetten des Piezoaktors in eine Führung.
Dies ist in der Regel eine biegsame Festkörperführung (Flexure), die reibungsfrei ist undbei den möglichen Stellwegen bis zu wenigen
Millimetern eine hysteresefreie Bewegung
erlaubt. Ideal übernimmt dieses mechanische
Führungskonzept auch die Kraftentkopplung
und Vorspannung, ohne dabei die Systemsteifigkeit negativ zu beeinflussen.

116

Hebelübersetzung ermöglicht Stellwege bis
zu 1 mm
Die Auslenkungen von Piezostapelaktoren(„Stacks“) betragen typischerweise bis zu
einigen zehn Mikrometern, maximal können
einige 100 Mikrometer erreicht werden. Die
Flexure-Festkörperführung kann so gestaltet
werden, dass sie wie ein mechanischer Hebel
wirkt. Die Auslenkung des Piezoaktors wird somechanisch vergrößert und wenn nötig in eine
andere Richtung geführt.
Hebelübersetzte Systeme sind sehr anspruchsvoll im Design: Sie sollen zum einen das seitliche Auswandern verhindern und zum anderen
geradlinig führen, obwohl der Hebel immerüber einen Drehpunkt führt. Die Vergrößerungdes Hubs geht außerdem auf Kosten der Steifigkeit.
Die Flexureführung kann so ausgelegt werden,
dass auch für die weitere Integration keine
zusätzliche Führung erforderlich ist.

Der Piezokeramikstapel ist
durch eine Feder mechanischgegen das Gehäuse vorgespannt. Das beugt Zugkräften
vor, wie sie im dynamischen
Betrieb durch die träge Masseder Last verursacht werden

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Vom Stapelaktor zum 6-AchstischIntegrationsstufen von Piezoaktoren

Stapelaktoren

Hebelaktoren

Positioniersysteme

bis ca. 300 μm

bis 1 mmbis 1 mm

eine

eine

bis zu 3 Linear- und 3 Kippachsen

Sensorik

optionale DMS

optionale DMSDMS oder direkt messende
kapazitive Sensoren

Linearität

bis 99,8 %bis 99,8 %über 99,9 %Führungkeine

Festkörpergelenke fürVerkippungen <10“

Festkörpergelenke fürVerkippungen <2“Platzbedarf

geringgering

Abhängig von der Ausstattung

Preisgeringgering

Abhängig von der Ausstattung

Integrationsaufwand

mittelgeringniedrig

Stellwege
Bewegte Achsen

PiezoMove® OEM-Hebelaktoren mit eingebauter Führung
PiezoMove ® Aktoren kombinieren geführte
Bewegung und lange Stellwege bis 1 mmsowie optional einen Sensor, der Genauigkeiten im Bereich bis 10 Nanometern zulässt.
Durch die hochpräzisen, reibungsfreien Festkörperführungen wird eine sehr hohe Steifigkeit erreicht, zugleich auch ein extrem geringes
seitliches Auswandern. Damit sind sie leichter
handhabbar als ein einfacher Piezoaktor, aberdennoch besonders kompakt. Die Zahl undGröße der eingesetzten Piezoaktoren beeinflussen die Steifigkeit und Krafterzeugung.
Aufgrund dieser Eigenschaften, ihren geringen Abmessungen und des kostengünstigen
Designs eignen sich die PiezoMove® Hebelaktoren speziell für OEM-Anwendungen. FürAnwendungen im offenen Regelkreis sind Versionen ohne Sensor erhältlich.
Neben den Standardmodellen aus Stahl sind
auf Anfrage Versionen aus Invar sowie nichtmagnetische Ausführungen verfügbar.

Diese Hebelmechanik mit Flexure-Gelenksführungen übersetzt den Aktorhub (vertikal) in
eine gleichförmige, geradlinige Bewegung (horizontal)

117

PIEZO

NANO

POSITIONING

Piezoaktoren und Piezokomponenten
Direktantriebe für die Präzisionspositionierung und -fertigung, Mikrodosierung,
Schaltanwendungen, Kraft- und Schwingungserzeugung

Aktuell sind PICMA® Aktoren im CheMin Instrument des Mars Rovers Curiosity im Einsatz. Bei dynamischen Tests, die von der NASA für die Mars
Mission durchgeführt wurden, haben PICMA® Aktoren 100 Milliarden Arbeitszyklen ohne Ausfälle und ohne signifikante Leistungseinbußen überstanden (Bild: NASA/JPL)118

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Longitudinale Piezoaktoren / Translatoren

Seite 120

Multilayer-Technologie oder geklebte Stapelaktoren

PICMA® Bender Multilayer-Biegeaktoren

Seite 122

Vollkeramische Biegeaktoren mit großem Hub

Ungeführte Piezoaktoren

Seite 124

und Piezokomponenten

Flexible Anpassung der Aktoren und Komponenten
PI Ceramic ist einer der weltweit führenden Hersteller von Piezotechnologie. Eigene Entwicklungslabors und Einrichtungen
für Prototypenbau und für die Prüfung der fertigen Elemente ermöglichen die schnelle und flexible Anpassung der Standardprodukte an spezielle Einsatzgebiete. Die Formgebung in Press- und Multilayer-Technologie ist jederzeit kurzfristig möglich.
Dabei können auch große Serien bis zu mehreren 100 000 Stück pro Jahr gefertigt werden.
Eigengefertigte PICMA®
Multilayer-Piezoaktoren
bilden zusammen mit
hochpräziser Sensorik und
Mechanikdesign die Basis.
Die von PI speziell entwickelte
Ansteuerungselektronik und
Software machen daraus
Nanopositioniersysteme derExtraklasse

119

PIEZO

NANO

POSITIONING

Longitudinale Piezoaktoren / Translatoren
Multilayer-Technologie oder geklebte Stapelaktoren

PICMA®
Multilayer-Piezoaktoren
Highlights■ Sub-Millisekunden-Ansprechzeit und Sub-Nanometer-Auflösung
■ Hohe Steifigkeit■ Variable Endstücke■ UHV-Ausführungen■ Optional mit DMS-Sensoren für Positionsregelung

Anwendungen
Die Zuverlässigkeit der PI Piezoaktoren ist in vielen Bereichen notwendig: in der Halbleiterindustrie über die Präzisionsmechanik und -fertigung ebenso wie für Schaltanwendungen und zur Ventilsteuerung, z. B. in der Automobilindustrie. Auchin der aktiven Schwingungsdämpfung, in der Nanotechnologie, der Metrologie, Optik und Interferometrie werden Piezoaktoren eingesetzt.

120

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

P-016

P-016

P-887

P-010...Pbis
P-056...P

P-010...Hbis
P-025...H
P-007 bis
P-056

P-882 bis
P-888

PL022 bis
PL088
PD050
PD080

PICA Power
Hochlast-Stapelaktoren

PICA Thru und PICA
Stapelaktoren mit undohne Innenbohrung

PICMA® Stack
Multilayer-Piezoaktoren mit und ohne
Innenbohrung

PICMA® Chip
Miniatur-MultilayerAktoren, auchringförmig verfügbar

Ø 10 bis 56

Ø 7 bis 56
Bohrung bis 16

2 × 3 bis 10 × 10

2 × 2 bis 10 × 10
oder Ø 8 × 2,45

9 bis 169

8 bis 244

9 bis 36

20 bis 1 000

0 bis 1 000-20 bis 120-20 bis 120

5 bis 180

5 bis 300

5 bis 38

2

Blockierkraft in N

1 200 bis 78 000

650 bis 78 000

190 bis 3 800

120 bis 2 000

Resonanzfrequenz
unbelastet in kHz

7 bis 130

5 bis 144

40 bis 135

600

Elektrische Kapazität
in μF

0,017 bis 21

0,011 bis 27

0,15 bis 13

0,025 bis 1,1

Querschnitt in mm
Länge in mm
Betriebsspannungsbereich in V
Stellweg in μm

PL088

PD080

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.piceramic.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

121

PICMA® Bender Multilayer-Biegeaktoren
Vollkeramische Biegeaktoren mit großem Hub

PICMA®
Bender Biegeaktoren
Highlights■ PICMA® Multilayer-Technologie in Bimorph-Aufbau■ Bidirektionale, symmetrische Auslenkung■ Niedrige Betriebsspannung■ UHV-Ausführungen

AnwendungenDurch ihre Zuverlässigkeit und flexible Ansteuerspannung eignen sich die PICMA® Biegeaktoren ideal für Dosier- undPumpvorgänge, zur optischen Strahlablenkung und in kleinsten Abmessungen für den Einsatz in portablen Geräten.
Dort können die Piezoelemente z. B. als akusto-mechanische Wandler eingesetzt werden.

122

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

P-871

P-871

PL112
bis
PL140
PD410

Applikationsspezifische AusführungenFertig konfektioniert nach Kundenvorgaben
Für besonders kompakte OEM-Lösungen
Multilayer-Kontraktorplatten
Rund (als Scheibe) oder eckig (als Platte) herstellbar
Zur Applikation auf Metall- oder Siliziumsubstrat

Piezoelement aufgebracht auf
passivem Substrat
UHV-kompatibelbis 10-9 hPa

PICMA® Bender
Biegeaktoren mit
DMS-Positionssensor

18 × 10 × 0,65 bis
45 × 11 × 0,60
Ø 44 × 0,65

22 × 10 × 0,65 bis
49 × 11 × 0,60

0 bis 60

0 bis 60

Auslenkung in μm±80 bis ±1 000±80 bis ±1 000

Blockierkraft in N

±0,5 bis ±2±0,5 bis ±2

Resonanzfrequenz
unbelastet in Hz

160 bis 2 000

160 bis 2 000

Elektrische Kapazität
in μF

2 × 1 bis 2 × 4

2 × 1 bis 2 × 4

E-650

E-651, E-614

Abmessungen in mm

Betriebsspannungsbereich in V

Empfohlener Controller/
Verstärker

Unidirektionale Auslenkung, dadurch höhereSteifigkeit und größere relative Auslenkung
Beliebige Konturen
Auch mit vollständig keramisch isolierter Bohrung

Variable Höhe der aktiven Schichten
Bis zu 15 μm für Ansteuerspannung von nur 10 V
Miniaturausführungenmit nur 4 mm × 10 mm Kantenlänge

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.piceramic.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

123

Ungeführte Piezoaktoren
und Piezokomponenten

PT120 bis PT140

Highlights■ Flächiger DuraAct Piezowandler zum Aufbringen auf Strukturmaterialien■ PT-Tube Piezorohre für Mikrodosierung, Mikromanipulation und Scanning-Anwendungen■ Kompakte PICA Shear Aktoren für Auslenkung in bis zu 3 Achsen■ Bleifreie Piezoaktoren in Picoactuator® Technologie■ Flexibel durch zahlreiche Ausführungsvarianten

Anwendungen
So vielfältig wie die Produkte sind auch die Applikationen: DuraAct Piezowandler werden für Condition Monitoring undadaptive Systeme eingesetzt. Piezorohre sind für die Mikrodosierung z. B. mit Jet-Technologie geeignet, als Mikro- und
Nanomanipulatoren wie als Faserstrecker. PICA Shear Scheraktoren sind mit die kleinsten XYZ-Positionierer und in
Varianten für kryogene Umgebung bis zu -269 °C und Vakuum bis 10-9 hPa verfügbar. Der kristalline Picoactuator® zeigt
auch ohne Positionregelung eine hochlineare Auslenkung und kann daher für Positionierungen den vollen dynamischen
Bereich ausnutzen.

124

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

P-876

PT-Tube

P-141

P-405

P -876

PT - Tube

P-111 bis
P-151

P-405

DuraAct Piezowandler
für aktorischen und
sensorischen Einsatz

Piezorohraktoren fürradiale, laterale undaxiale Auslenkung

Hochzuverlässige
PICA Shear Scheraktoren

Picoactuator® aus
bleifreiem kristallinem
Material

X-, XY-, XZ- und
XYZ-Versionen

Verfügbare Versionen

Auf Anfrage inverschiedenen
Formen undAbmessungen oder
als Array erhältlich

UHV-kompatible
Versionen bis 10-9 hPa

Betriebsspannungsbereich in V

-50 bis +200,-100 bis +400 oder-250 bis +1000

0 bis 1 000 oder ±250

-250 bis 250±500

laterale Kontraktion
bis 800 μm/m. Auslenkung abhängig
vom Strukturmaterial

5 bis 15 axial,±10 bis ±35 lateral

1 bis 101

Blockierkraft in
Stellrichtung in N

90 bis 800

–

–

–

Resonanzfrequenz
unbelastet in kHz––

30 bis 530

bis 160

Elektrische
Kapazität in nF

bis 150

3 bis 70

0,2 bis 230 je Achse<4

Querschnitt in mm

61 × 35

Ø 2,2 bis 40

3 × 3 bis 16 × 16

5 × 5 bis 10 × 10

20 bis 40

3,5 bis 40

bis 19–E-508, E-413, E-536

E-421

Stellweg in μm

Länge in mm

Empfohlener Controller/
Verstärker

E-835, E-413 für aktorische AnwendungenE-821 für Energy
Harvesting

Varianten fürkryogene und
UHV-Umgebung

Longitudinal- undScheraktoren

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.piceramic.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

125

Grundlagen der Piezotechnologie

Grundlagen der Piezoelektrizität

Seite 127

Piezoelektrischer Effekt – Ferroelektrische Polarisation – Ausdehnung der polarisierten Piezokeramik
Piezoelektrische Aktormaterialien

Seite 128

Auslenkungsarten piezoelektrischer Aktoren

Seite 129

Herstellung von Piezoaktoren

Seite 134

Multilayer-Folientechnologie – Presstechnologie – PT-Tube Rohraktoren – DuraAct
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

Seite 137

Auslenkungsverhalten

Seite 137

Nichtlinearität – Hysterese – Kriechen – Positionsregelung
Temperaturabhängiges Verhalten

Seite 140

Kräfte und Steifigkeiten

Seite 142

Vorspannung und Belastbarkeit – Steifigkeit – Krafterzeugung und Auslenkung
Seite 146

Dynamischer Betrieb
Resonanzfrequenz – Wie schnell kann sich ein Piezoaktor ausdehnen – Dynamische Kräfte

Seite 147

Elektrische Ansteuerung
Elektrische Kapazität – Leistungsaufnahme – Kontinuierlicher Betrieb – Pulsbetrieb

Seite 150

Umgebungsbedingungen
Vakuumumgebung – Edelgase – Magnetfelder – Gammastrahlung – Flüssigkeiten
Zuverlässigkeit von PICMA® Multilayer-Aktoren

Seite 151

Lebensdauer bei Gleichspannungsbelastung – Lebensdauer im dynamischen Dauerbetrieb
Verstärkertechnik: Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren
Charakteristisches Verhalten von Piezoverstärkern

Seite 153
Seite 153

Leistungsanforderungen – Aussteuerkurve – Einstellen der Steuerspannung
Lösungen für dynamische Daueranwendungen

Seite 154

Geschaltete Verstärker mit Energierückgewinnung – Temperaturüberwachung – Ladungssteuerung
Handhabung von Piezoaktoren

Seite 156

Mechanischer Einbau – Elektrischer Anschluss – Sicherer Betrieb

126

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Grundlagen der Piezoelektrizität

Ferroelektrische Polarisation

In piezoelektrischen Materialien bewirkteine Druck einwirkung, dass Ladungen an
den Oberflächen entstehen. Dieser direkte
piezoelektrische Effekt, auch Generator- oder
Sensoreffekt genannt, wandelt mechanischein elektrische Energie um. Umgekehrt be wirkt in diesen Materialien der inverse piezoelektrische Effekt eine Längenänderung beim
Anlegen einer elektrischen Spannung. Dieser
Aktoreffekt wandelt elektrische in mechanische
Energie um.

Zur Minimierung der inneren Energie desMaterials bilden sich in den Kristalliten derKeramik ferroelektrische Domänen (Abb. 2).
Innerhalb dieser Volumenbereiche sind die
Orien tierungen der spontanen Polarisation
gleich. Die unterschiedlichen Ausrichtungenaneinandergrenzender Domänen sind durch
Domänenwände getrennt. Um die Keramik auch makroskopisch piezoelektrisch zu
machen, ist ein ferroelektrischer Polungsprozess nötig.

Der piezoelektrische Effekt tritt sowohl in einkristallinen Materialien als auch in polykristallinen ferroelektrischen Keramiken auf. In
Einkristallen genügt als Voraussetzung eine
Unsymmetrie im Aufbau der Elementarzellen
des Kristallgitters, d. h. eine polare Achse,
die sich unterhalb der Curie-Temperatur TC
herausbildet.

Dabei wird ein starkes elektrisches Feld voneinigen kV/mm angelegt, das im zuvor ungeordneten Keramikverbund eine Unsymmetrieerzeugt. Das elektrische Feld sorgt für eine
Umorientierung der spontanen Polarisation.
Gleichzeitig wachsen Domänen mit günstiger
Orientierung zur Polungsfeldrichtung, solche
mit ungünstigerer Orientierung schrumpfen.
Die Domänenwände werden dabei im Gitterverband verschoben. Nach dem Polungsprozess bleibt der größte Teil der Umorientierungen auch ohne elektrisches Feld erhalten(Abb. 3). Ein geringerer Teil der Domänenwände wird jedoch beispielsweise durch innere
mechanische Spannungen zurück verschoben.

(2)

O2
Pb
Ti, ZrAbb. 1(1) Elementarzelle mit symmetrischer, kubischer
Struktur oberhalb derCurie-Temperatur TC(2) Tetragonal verzerrte
Elementarzelle unterhalb
der Curie-Temperatur TC
mit spontaner Polarisation
und spontaner Dehnung–

Ausdehnung der polarisierten Piezokeramik

Der extrinsische Anteil beruht auf einer reversiblen ferroelektrischen Umorientierung derElementarzellen. Er erhöht sich mit wachsender Ansteuerfeldstärke und ist für den
wesentlichen Teil der nichtlinearen Hystereseund Drifteigenschaften von ferroelektrischen
Piezokeramiken verantwortlich.
Abb. 2: Der Schnitt durch eine ferroelektrische Keramik
zeigt deutlich die unterschiedlich polarisierten Domänen
innerhalb der einzelnen Kristallite(Quelle: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden)

–

–

–

+

+

+

–

+

–

–

–

–

+

+

+

+

–

+

–

+

+

–

–

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+
+

–

Das erneute Anlegen eines Feldes unterhalb
der Polungsfeldstärke führt zu einer Ausdehnung der Keramik. Ein Teil dieses Effekts
ist auf die piezoelektrische Ionenverschiebung
im Kristallgitter zurückzuführen und heißt
intrinsisch.

–

+

–

Piezoelektrische Keramiken weisen zusätzlich eine spontane Polarisation auf, d. h. derpositive und der negative Ladungsschwerpunkt der Elementarzellen sind voneinander
getrennt. Gleichzeitig verlängert sich die Achse
der Elementarzelle in Richtung der spontanen
Polarisation und es kommt zu einer spontanen
Dehnung (Abb. 1).

(1)+

Piezoelektrischer Effekt

(1)

(2)
–

+
–

+

–

–

+
–

+
–

–

+
–

+ +
– –

+
–

+
–

+

+

+

(3)

Abb. 3Ausrichtung der spontanen
Polarisation innerhalb einerpiezo-ferroelektrischen
Keramik(1) Unpolarisierte Keramik(2) Keramik während derPolung und (3) Keramiknach der Polung

127

PIEZO

NANO

POSITIONING

Piezoelektrische Aktormaterialien
Grundlagen der Piezoelektrizität

(Z)
3

6

P

5
2(Y)

(X)

1

4

Abb. 4
Orthogonales System zur
Beschreibung der Eigenschaften einer polarisierten
Piezokeramik. Achse 3 ist die
Polarisationsrichtung

Kommerziell verfügbare piezokeramische Werkstoffe basieren meist auf dem Materialsystem
Bleizirkonat-Bleititanat (PZT). Zusätze anderer
Materialien beeinflussen die Eigenschaften der
PZT-Zusammensetzungen.
Für aktorische Anwendungen kommen ferroelektrisch weiche Piezokeramiken mit niedrigen Umpolfeldstärken zum Einsatz, da hierdie extrinsischen Domänenbeiträge zu hohen
Gesamt-Piezomodulen führen. Dazu gehören
die Piezokeramiken PIC151, PIC153, PIC255,
PIC252 und PIC251.

PIC151

PIC153

PIC255/252

PIC050Physikalische und dielektrische Eigenschaften
Dichte ρ [g/cm3]

7,80

7,60

7,80

4,70

Curie-Temperatur Tc [°C]

250

185

350

> 500

2 400
1 980

4 200

1 750
1 650

60
85

20

30

20

<1

600

- 180
400
550

40
80

Relative Permittivitätszahl
in Polarisationsrichtung ε33Τ/ε0quer zur Polung ε11/ε0Dielektrischer Verlustfaktortan δ [10-3]

Ferroelektrisch harte PZT-Materialien wie
PIC181 und PIC300 werden vorwiegend in
Leistungsschallanwendungen eingesetzt. Sie
besitzen eine höhere Umpolfestigkeit, hohemechanische Güten sowie geringere Hysteresewerte bei reduzierten piezoelektrischen
Deformationskoeffizienten. Die Picoactuator®Serie basiert auf dem einkristallinen Material
PIC050, das eine hochlineare, hysteresefreie
Kennlinie bei allerdings kleinen piezoelektrischen Koeffizienten aufweist.
Aktormaterialien von PI Ceramic
PIC151 Modifizierte PZT-Keramik mit ausgewogenen Aktoreigenschaften. Hohepiezoelektrische Kopplung, mittlere Permittivität, relativ hohe Curie-Temperatur.
Standardwerkstoff für die Produktlinien
PICA Stack, PICA Thru und PT Tube.
PIC153 Modifizierte PZT-Keramik für große
Auslenkungen.
Hohe piezoelektrische Deformationskoeffizienten, hohe Permittivität,
relativ geringe Curie-Temperatur.
Sonderwerkstoff für die Produktlinien
PICA Stack und PICA Thru sowie fürverklebte Biegeaktoren.

Elektromechanische Eigenschaften
Piezoelektrischer Deformationskoeffizient, Piezomodul*
d31 [pm/V]
d33 [pm/V]
d15 [pm/V]

- 210
500

Akustomechanische Eigenschaften
Elastische
Nachgiebigkeitskonstantes11E [10-12 m2 /N]
s33E [10-12 m2 /N]
Mechanischer Gütefaktor Qm

15,0
19,0

PIC255 Modifizierte PZT-Keramik, die sichbesonders für den bipolaren Betrieb,
in Scheraktoren sowie bei hohen
Umgebungstemperaturen eignet.
Hohe Umpolfeldstärke (>1 kV/mm),
hohe Curie-Temperatur. Standardwerkstoff für die Produktlinien PICA Power,
PICA Shear, PT-Tube und DuraAct.

16,1
20,7
100

50

80

Erläuterungen und weitere Daten siehe Katalog „Piezokeramische Materialien und Bauelemente“* Der Deformationskoeffizient entspricht dem Ladungskoeffizienten bei Piezokomponenten. Der
Wert ist von der Ansteuerfeldstärke abhängig (Abb. 22, S. 137). Die Angabe in der Tabelle bezieht
sich auf sehr geringe Feldstärken (Kleinsignal)

PI Ceramic bietet eine große Vielfalt weiterer Materialien an, darunter
bleifreie Piezokeramiken, die derzeit vor allem als Ultraschallwandler
eingesetzt werden.

PIC252 Variante des PIC255-Werkstoffes mit
niedrigerer Sintertemperatur für den
Einsatz im Multilayer-Folienprozess.
Standardwerkstoff für die Produktlinien
PICMA® Stack, PICMA® Chip, PICMA®
Bender sowie einiger DuraAct-Produkte.
PIC050 Kristalliner Werkstoff für lineare, hysteresefreie Positionierung mit kleinen
Auslenkungen im offenen Regelkreis.

Für anwendungsspezifische Eigenschaften können Aktoren aus Sondermaterialien hergestellt werden, wobei die technische Umsetzung individuell geprüft werden muss. www.piceramic.de
128

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Hervorragende Stabilität, hohe CurieTemperatur.
Standardwerkstoff für die Picoactuator®Produktlinie.

Auslenkungsarten piezoelektrischer Aktoren
Grundlagen der Piezoelektrizität

Beispiele für longitudinale Stapelaktoren
sind die MultilayerPiezoaktoren PICMA®
Stack, PICMA®
Gekapselt, PICMA®
Chip sowie die aus
Einzelplatten geklebten Stapelaktoren
PICA Stack, PICA
Power, PICA Thru
und der kristalline
Picoactuator®.

Longitudinale Stapelaktoren
In longitudinalen Piezoaktoren wird das
elek trische Feld in der Keramikschicht parallel zur Richtung der Polarisation angelegt.
Dadurch wird eine Dehnung oder Auslenkung in Richtung der Polarisation induziert.
Einzelne Schichten liefern relativ geringe
Auslenkungen. Um technisch nutzbare Auslenkungswerte zu erreichen, werden Stapelaktoren aufgebaut, in denen viele Einzellagenmechanisch in Reihe und elektrisch parallelverschaltet sind (Abb. 5).

Longitudinale Stapelaktoren eignen sichdurch ihre hohen Resonanzfrequenzen hervorragend für den hochdynamischen Betrieb. Eine
mechanische Vorspannung des Aktors unterdrückt dynamisch induzierte Zugkräfte im spröden Keramikmaterial, sodass Ansprechzeiten
im Mikrosekundenbereich und hohe mechanische Leistungen erzeugt werden können.

ΔLlong longitudinale

Auslenkung [m]d33(GS) longitudinaler

piezoelektrischer
GroßsignalDeformationskoeffizient [m/V]nAnzahl der
gestapelten
Keramikschichten

V

Betriebsspannung [V]long

Die Wandlungseffizienz elektrischer in mechanische Energie ist für longitudinale Stapelaktoren hoch. Sie erzielen Nominalauslenkungen von etwa 0,1 bis 0,15 % der Aktorlänge.

Die Nominalblockierkräfte liegen in der
Größenordnung von 30 N/mm2, bezogen auf
die Aktorquerschnittsfläche. Im Aktor können
damit Werte bis zu mehreren 10 000 Newton
erreicht werden.

Bei Ansteuerung mit einem elektrischen
Feld parallel zur Richtung der Polarisation
findet im Piezoaktor neben der Verlängerung in Polarisationsrichtung, die bei
Longitudinalaktoren genutzt wird, gleichzeitig immer eine Kontraktion orthogonal
zur Polarisation statt.

P

V
GND

E
V

P
P
P
P
P
P
P
P

E
E
E
E
E
E
E
E

GND

Abb. 5∆Llong = n d33(GS) V (Gleichung 1)

Dieser sogenannte transversale piezoelektrische Effekt wird bei Kontraktoren, Piezorohren oder Biegeaktoren ausgenutzt.
129

PIEZO

NANO

POSITIONING

Außerdem können Scherspannungen nicht
durch eine mechanische Vorspannung kompensiert werden. Beides begrenzt die sinnvolle
Aufbauhöhe von Scherstapeln.

Ein typischer Einsatzfall für Scheraktoren
sind Antriebselemente
für sog. Stick-SlipMotoren.
Scheraktoren von
PI Ceramic werden
in den Produktlinien
PICA Shear und
Picoactuator® angeboten.

Picoactuator® Technologie

Scheraktoren

shear

V
GND

V

P

P
P
P
P
P
P
P
P

E

E
E
E
E
E
E
E
E

Abb. 6∆Lshear = n d15(GS) V(Gleichung 2)

GND

Scheraktoren kombiniert mit Longitudinalaktoren ergeben sehr kompakte XYZ-Stapel
mit hohen Resonanzfrequenzen.

In piezoelektrischen Scheraktoren wird das
elektrische Feld in der Keramikschicht orthogonal zur Richtung der Polarisation angelegt
und die Auslenkung in Richtung der Polarisation ausgenutzt. Auch hier summieren sichin gestapelten Aktoren die Auslenkungen dereinzelnen Schichten auf (Abb. 6).

Picoactuator® Longitudinal- und Scheraktoren
bestehen aus dem kristallinen piezoelektrischen Material PIC050. Die spezifische Auslenkung liegt bei ±0,02 % (Scheraktoren)
bzw. ±0,01 % (Longitudinaler Piezoaktor) der
Aktorlänge und ist damit 10 mal geringer als
für klassische Piezoaktoren aus BleizirkonatBleititanat (PZT). Die Auslenkung ist dabei hochlinear mit einer Abweichung von nur 0,2 %.

Die Scherdeformationskoeffizienten d15 sindin der Regel die größten der piezoelektrischen
Koeffizienten. Bei Ansteuerung mit den nominalen Spannungen erreichen PIC-Keramiken
Werte d 15(GS) bis zu 2000 pm/V. Die zulässige Ansteuerfeldstärke ist begrenzt, um ein
Umpolen der senkrecht orientierten Polarisation zu vermeiden.
Wenn Querkräfte auf den Aktor wirken, wird
die Scherbewegung zusätzlich durch eine
Biegung überlagert. Derselbe Effekt tritt beim
dynamischen Betrieb in der Nähe der Resonanzfrequenz auf.

Abb. 7:
Gemessene Nichtlinearität eines Picoactuator®

130

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Rohraktoren
Rohraktoren sind radial polarisiert. Die Elektroden sind auf den Mantelflächen aufgebracht,
sodass das Feld parallel zur Polarisation ebenfalls in radialer Richtung verläuft. Rohraktoren
nutzen den transversalen piezoelektrischen
Effekt, um Auslenkungen zu erzeugen. Möglich sind axiale Auslenkungen bzw. Längenänderungen (Abb. 8), laterale Bewegungenwie Änderungen des Radius (Abb. 9) sowie
Biegungen (Abb. 10).

Dabei auftretende unerwünschte Verkippungen oder axiale Bewegungen können durch
komplexere Elektrodenanordnungen vermieden werden. So erzeugt eine 8-Elektrodenanordnung eine Gegenbiegung und erreicht
insgesamt eine laterale Verschiebung ohne
Verkippung.
PI Ceramic bietet Präzisionsrohraktoren in der
Produktgruppe PT-Tube an.

Axiale Auslenkung

ΔLshear Scheraus-

ΔLaxial = d31(GS) l Vtlenkung [m](Gleichung 3)

Großsignal-ScherDeformationskoeffizient [m/V]

P

GND

Weitere Anwendungsbeispiele finden
sich in der Mikrodosierung zum Aufbau
von Nanoliterpumpen oder Tintenstrahldruckern.

nAnzahl der
gestapelten
Keramikschichten

V

Betriebsspannung [V]ΔLaxial axiale Rohr-V

auslenkung [m]E

Abb. 8

ΔLradial radiale Rohr-

auslenkung [m]Radiale Auslenkung(Radiusänderung)radialΔLlateral laterale Rohr-

auslenkung [m]Für große Radien gilt
folgende Abschätzung:

Rohraktoren werden häufig in Rastersondenmikroskopen zur Erzeugung dynamischer Scan-Bewegungen im offenen
Regelkreis sowie als Fiberstretcher angewendet.

d15(GS) piezoelektrischer

axial

Um die Biegung eines Rohres zu erzeugen, wird die äußere Elektrode in mehrere
Abschnitte segmentiert. Durch Ansteuerung
der jeweils gegenüberliegenden Elektroden
verbiegt sich das Rohr in lateraler Richtung.

d31(GS) transversaler

E∆Lradial ≈ d31(GS) ID V
2tpiezoelektrischer
GroßsignalDeformationskoeffizient [m/V]

P(Gleichung 4)
V

l
ID

GND

Rohrlänge [m]Rohrinnendurchmesser [m]tRohrwandstärke(=(OD-ID)/2) [m]Alle Rohrabmessungens. Datenblatt

Abb. 9Biegeaktoren,
XY-Scannerrohre∆Llateral = 0.9 d31(GS)laterall2 V
ID(Gleichung 5)

Abb. 10

PIEZO

NANO

-V

GND

+V

131

POSITIONING

ΔLtrans transversale

Auslenkung [m]d31(GS) transversalerpiezoelektrischer
GroßsignalDeformationskoeffizient [m/V]l

Länge der Piezokeramik in Auslenkungsrichtung [m]hDicke einer Keramikschicht [m]nAnzahl der
gestapelten
Keramikschichten

V

Betriebsspannung [V]ΔLbend Biegeaus-

Kontraktoren

lenkung [m]lffreie Biegerlänge [m]hp

Höhe Piezokeramikelement [m]
lf
P
P

Rh

RE

VF

132

E
E

hP

Verhältnis derHöhen von Substrat (hs) und Piezokeramikelement(hp) in einem
Verbundbieger(Rh=hs/hp)
Verhältnis der
Elastizitätsmodulevon Substrat (Es)und Piezokeramikelement (Ep) ineinem Verbundbieger (RE=Es/Ep)
Festspannung zur
Biegeransteuerung [V] (V und VF
können mit einer
Offsetspannungüberlagert werden)

Piezokontraktoren sind typischerweise flache
Bauelemente. Ihre Auslenkung erfolgt quer
zur Polarisationsrichtung und zum elektrischen Feld. Die Auslenkung von Kontraktoren beruht auf dem transversalenpiezoelektrischen Effekt, wobei nominal bis
ca. 20 μm erreicht werden.
Multilayer-Elemente bieten gegenüber einschichtigen Piezoelementen entscheidende Vorteile für die technische Realisierung:
Aufgrund der größeren Querschnittsfläche
erzeugen sie höhere Kräfte bzw. können sie
mit niedrigerer Ansteuerspannung betrieben
werden (Abb. 11).

Durch die Kontraktion entstehen in der Piezokeramik Zugspannungen, die in der spröden
Keramik Schäden verursachen können. Eine
Vorspannung ist daher empfehlenswert.
Für die Patchaktoren der Produktgruppe
DuraAct wird ein Piezokontraktor in einem
Polymer einlaminiert. Dadurch wird einemechanische Vorspannung erreicht, die die
Keramik vor Bruch schützt.
Multilayer-Kontraktoren können als Sonderversionen der PICMA ® Bender Produktlinie
angefragt werden.

Abb. 11

ΔLtrans = d31 (GS) l V (Gleichung 6)
h

V
GND

P

L trans

V

E

P
P
P
P

pi_120137_illustrationen_variante.indd 1

www.piceramic.de

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

E
E
E
E

GND

04.04.12 1

mik ein Biegemoment, welches die geringetransversale Längenänderung in eine große
Biegeauslenkung senkrecht zur Kontraktion
umwandelt. Je nach Geometrie sind Übersetzungsfaktoren von 30 bis 40 erreichbar, allerdings auf Kosten der Wandlungseffizienz undder Krafterzeugung.

Aufgebracht auf ein Substrat wirken Kontraktoren als Biegeaktoren (Abb. 12). Fürden Aufbau von Vollkeramikbiegern werden
zwei aktive Piezo keramikelemente zusammengefügt und elektrisch angesteuert. Wird
ein passives Substrat z. B. aus Metall oder
Keramikmaterial verwendet, spricht man vonVerbundbiegern. Die Piezokeramikelementekönnen sowohl als Einzelschichten als auch als
Multilayer-Elemente ausgeführt sein.
Piezoelektrische Biegeaktoren funktionieren
nach dem Prinzip von Thermobimetallen.
Durch die Kopplung eines flächigen Piezokontraktors mit einer zweiten Schicht entsteht bei
der Ansteuerung und Kontraktion der Kera-

Abb. 17Durch die Wahl einer zweiseitigen Einspannung mit
drehbarer Lagerung (unten)
statt einer einseitigen festen
Einspannung (oben) kanndas Verhältnis zwischen
Auslenkung und Kraft desBiegers verändert werden.
Die Auslenkung reduziert sichum den Faktor vier, während
sich die Blockierkraft um den
Faktor vier erhöht. Besonders
hohe Kräfte können erreicht
werden, wenn man statt streifenförmiger Bieger zweiseitig
eingespannte flächige Biegeplatten bzw. -scheiben einsetzt

Mit piezoelektrischen Biegeaktoren können
Auslenkungen bis zu einigen Millimetern bei
Ansprechzeiten im Millisekundenbereich erzielt
werden. Die Blockierkräfte sind jedoch relativ
gering. Sie liegen typischerweise im Bereichvon Millinewton bis zu wenigen Newton.
bend

Biegeaktoren

V F+
V
V F-

P
P

E
E

Abb. 12: Auslenkung von Biegeaktoren

Vollkeramikbieger für die Parallelschaltung

ΔLbend =lf3
n d 2 V (Gleichung 7)
8
hp

ΔLbend =lf 2
3Vn d31(GS)
8
hp2

2

+VF
V
-VF

P
P

E
E

Abb. 13

Vollkeramikbieger für die Reihenschaltung

V
GND

P
P

(Gleichung 8)(Betrieb gegen die Polarisationsrichtung nur mit reduzierter Spannung bzw. Feldstärke möglich, vgl. S. 137ff.)

EE

Abb. 14

Zweischicht-Verbundbieger mit einseitiger Auslenkung

V
GND

P

l2
2RhRE (1+Rh)
3V
ΔLbend = n d31(GS) f 2
8
hp RhRE (1+Rh)2+0.25(1-Rh2RE)2

E

Abb. 15(Gleichung 9)
Anwendung DuraAct, PICMA® Bender (Sonderversionen)V

Symmetrischer Dreischicht-Verbundbieger für die Parallelschaltung

+VF
V
-VF

P

E

P

E

1+Rh
l2
3
V
ΔLbend = n d31(GS) f 2
8
hp 1+1.5Rh+0.75Rh2+0.125RERh3
Abb. 16(Gleichung 10)

Gleichungen nach Pfeifer, G.: Piezoelektrische lineare Stellantriebe. Wiss. Schriftenreihe der TU Chemnitz 6/1982

PIEZO

NANO

POSITIONINGPI Ceramic bietet
vollkeramische Multilayer-Biegeaktoren
mit sehr niedrigen
Ansteuerspannungenin der Produktlinie
PICMA® Bender an.
Verbundbieger können als Sonderversionen hergestellt
werden, sowohl in
Multilayer- als auchin Einzelschichtausführung bzw. mit
DuraAct-Aktoren.

P
P
P
P

E
E
E
E

Abb. 18:
Die Produkte des PICMA®
Bender Sortiments sind
Vollkeramikbieger, derenzwei Piezokeramikelemente
jeweils aus mehreren aktiven
Schichten bestehen (Multilayer-Aktoren)

VF+
VF-

133

Herstellung von Piezoaktoren
Grundlagen der Piezoelektrizität

Multilayer-Folientechnologie
Aufbereiten desPiezokeramikpulvers
Verschlickern
Foliengießen
Siebdrucken
der Innenelektroden
Stapeln, Laminieren
Isostatisches Verpressen
Schneiden undGrünbearbeitung
Entbindern und Sintern(Cofiring)
Schleifen, Läppen
Aufbringen der
Außenelektroden

Multilayer-Folientechnologie
Die Technologien zur Herstellung piezoelektrischer Aktoren tragen entscheidend zu
deren Funktion, Qualität und Effizienz bei.
PI Ceramic beherrscht ein breites Spektrum
an Techniken, von der Multilayer-Folientechnologie für PICMA® Stapel- und Biegeaktorenüber geklebte Stapelaktoren für Longitudinalund Scherauslenkungen bis hin zum Aufbau
kristalliner Picoactuator® Aktoren, der DuraAct
Flächenwandler und piezokeramischer Rohre.
PI Ceramic Multilayer-Aktoren, kurz PICMA®,
werden in größeren Chargen in Folientechnik
gefertigt. Zunächst werden dünne PZT-Folien
hergestellt, die noch im ungesinterten Zustandmit dem Innenelektrodenmuster bedruckt undanschließend zu einem Multilayer-Verbund
laminiert werden. Im darauffolgenden CofiringProzess werden Keramik und Innenelektroden
gemeinsam gesintert. Das fertige, monolithische Multilayer-Piezoelement hat keinerlei
Polymeranteile mehr.

Die Innenelektroden aller PICMA® Aktoren sindkeramisch isoliert (Abb. 19). PICMA ® Stack
Aktoren verwenden dazu einen patentierten
Aufbau, bei dem eine dünne keramische Isolierfolie die Elektroden abdeckt, ohne die Auslenkung signifikant einzuschränken.
Je feinkörniger das verwendete Keramikpulver ist, umso dünnere Multilayer-Schichten können hergestellt werden. In PICMA ®
Stack Stapelaktoren beträgt die Höhe deraktiven Schichten 60 μm, in PICMA® Bender
Aktoren 20 bis 30 μm, sodass die Bieger mit
einer sehr geringen Nominalspannung von nur
60 V betrieben werden können.

Für Anwendungen in extrem hohen Luftfeuchtigkeiten
bzw. in rauen Industrieumgebungen wurden hermetischgekapselte PICMA® entwickelt. Sie sind mit korrosionsfesten Edelstahlbälgen, Inertgasfüllung, Glasdurchführungen und Laserschweißungen ausgerüstet

Polarisieren
In den vergangenen Jahren wurden die Techniken zur
Bearbeitung der Aktoren im ungesinterten Zustandkontinuierlich weiterentwickelt. Daher können auchrunde Geometrien bzw. PICMA® Aktoren mit Innenbohrung hergestellt werden

Konfektionieren
Endkontrolle

Ceramic
insulation
layer

E
0

134

100μm

Abb. 19:
In PICMA® Stack Aktoren deckt
eine keramische Isolierfolie
die inneren Elektroden ab

PICMA® Multilayer-Aktoren werden in unterschiedlichsten Formen hergestellt. Je nach Anwendungsfall können sie
zusätzlich mit angepassten keramischen oder metallischen Endstücken, zusätzlicher Umhüllung, Temperatursensoren usw. konfektioniert werden

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Presstechnologie
PICA Stapelaktoren wie PICA Stack, Thru oder
Shear bestehen aus dünnen piezokeramischen
Platten mit einer Standardschichtdicke von0,5 mm. Zur Herstellung werden piezokeramische Zylinder oder Blöcke in Presstechnologie
geformt, gesintert und anschließend mithilfe
von Diamant-Wafersägen in Platten getrennt.
Metallische Elektroden werden je nachMaterial mit Dünn- oder Dickschichtverfahren
aufgebracht, anschließend wird die Keramik
polarisiert.

Picoactuator ® Piezoaktoren bestehen aus
kristallinen Schichten mit einer Dicke von0,38 mm. Im Unterschied zur Keramik wird
die Orientierung der spontanen Polarisation
nicht durch eine ferroelektrische Polung, sondern durch die Schnittrichtung im Einkristall
bestimmt. Alle weiteren Verarbeitungs- undMontageschritte ähneln denen gestapelter
PICA Aktoren.

Presstechnologie
Aufbereiten desPiezokeramikpulvers
Mischen der Rohstoffe
Kalzinieren, Vorsintern
MahlenFertig konfektionierte Stapelaktoren mit Metallendstück und
DMS-Ausdehnungssensor (links),
mit Anschlusslitzen, Temperatursensor und transparentem FEPSchrumpfschlauch (rechts)

Der Aufbau zu Stapelaktoren erfolgt durch
Verkleben der Platten, wobei zur Kontaktierung der aufgebrachten Elektroden jeweils
ein dünnes metallisches Kontaktplättchenzwischen zwei Keramikplatten liegt. Ein Lötschritt verbindet die Kontaktplättchen miteinander, anschließend wird der fertige
Stapel mit einer Polymerschutzschicht undgegebenenfalls mit einem zusätzlichen
Schrumpfschlauch versehen.

Sprühtrocknen
Pressen und Formgebung
Entbindern und Sintern
Läppen, Schleifen,
Diamant-Trennsägen
Aufbringen der
Elektroden durch Siebdrucken oder Sputtern
Polarisieren
Aufbau- und
Verbindungstechnik:
Kleben, ggf. UltraschallBohren für Innenbohrung,
Löten, Umhüllen
Endkontrolle

Die Endverarbeitung der in Presstechnologie hergestellten piezokeramischen Platten ist auf den künftigen Einsatz
abgestimmt. Im Bild verschiedene Piezoaktormodule

135

PIEZO

NANO

POSITIONING

DuraAct Flächenaktoren/-wandler
Ausgangsprodukt zur Herstellung von DuraAct
Patch-Aktoren sind Piezokeramik-Kontraktorplatten. Je nach Piezokeramikhöhe werden diese Platten in Presstechnologie (> 0,2 mm) oder
Folientechnologie (0,05 bis 0,2 mm) gefertigt.
Die Platten werden mit leitfähigen Gewebelagen, Positionierfolien und Polyimid-Abdeckfolien zu einem Komposit verbunden.
Der Verbindungsprozess erfolgt in einem Autoklaven im Vakuum mithilfe eines Injektionsverfahrens. Dadurch entstehen völlig blasenfreie
Laminate höchster Qualität.

Strukturierte Elektroden erlauben die gezielte Ansteuerung der Rohraktoren

PT-Tube Rohraktoren
PT-Tube-Aktoren werden aus piezokeramischen Zylindern gefertigt, die zuvor in Presstechnologie hergestellt wurden. Der Außendurchmesser und die Endflächenparallelität
werden durch spitzenloses Rundschleifen undPlanschleifen präzise eingestellt. Das Innenloch
wird mit einem Ultraschallverfahren gebohrt.

Das Aushärtetemperaturprofil des Autoklavenist so gewählt, dass eine definierte interne Vorspannung der Piezokeramikplatten aufgrund
der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien
entsteht.
Das Ergebnis dieser patentierten Technologiesind robuste, biegbare Wandlerelemente, die in
großen Stückzahlen gefertigt werden können.

Anschließend erfolgt die Metallisierung mit
Dünn- bzw. Dickschichtelektroden und gegebenenfalls die Strukturierung der Elektroden
mit einem Laserabtragsverfahren.
Neben dem beschriebenen Ablauf zur Herstellung von Präzisionsrohren mit engsten
geometrischen Toleranzen steht auch das
preisgünstigere Extrusionsverfahren bei
kleinen Durchmessern zur Verfügung.

136

Verschiedene Formen von DuraAct Aktoren mit
Keramikplatten in Press- und Multilayer-Technologie

Einlaminierte Keramikschichten in einer DuraAct
Wandleranordnung (Array)P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren
Auslenkungsverhalten

PS

In den PI- und PICDatenblättern werden
die freien Auslenkungen der Aktoren bei
Nominalspannung
angegeben.

Prem

unipolarsemi-bipolar
unipolarbipolarsemi-bipolar
Srem

bipolar

Ec

-Ec

Ec

E

E

a)

b)

Abb. 20: Auslenkung ferroelektrischer Piezokeramiken bei verschiedenen Ansteueramplituden parallel zur
Polarisationsrichtung. Großsignalkennlinien in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke Ea) elektromechanisches Verhalten der longitudinalen Dehnung S, b) dielektrisches Verhalten der Polarisation P

Nichtlinearität
Die spannungsabhängigen Auslenkungskurven von Piezoaktoren haben aufgrund der
ex trinsischen Domänenanteile einen stark
nichtlinearen und hysteresebehafteten Verlauf.

S

ΔS

E
ΔE

d(GS) =

∆S

(Gleichung 11)∆E

Abb. 21: Unipolare und semibipolare elektromechanische Kennlinien ferroelektrischer Piezokeramiken und
Definition des piezoelektrischen Großsignal-Deformationskoeffizienten d(GS) als Anstieg zwischen den
Umkehrpunkten einer Teilhysteresekurve

Aus der Nominalauslenkung kann daher nicht
linear auf Zwischenpositionen bei bestimmter
Ansteuerung interpoliert werden. Die elektromechanischen und dielektrischen Großsignalkennlinien von Piezokeramiken verdeutlichen
die Charakteristik (Abb. 20). Der Ursprung derDiagramme wird jeweils durch den thermischdepolarisierten Zustand definiert.

Piezoelektrischer
Deformationskoeffizient (Piezomodul)
Die Anstiege ΔS/ΔE
zwischen den beiden
Umkehrpunkten der
nichtlinearen Hysteresekurven werden
als piezoelektrische
Großsignal-Deformationskoeffizienten d(GS)definiert (Abb. 21).
Wie der progressive
Verlauf der Kurven
zeigt, nehmen diese
Koeffizienten gewöhnlich mit steigender
Feldamplitude zu(Abb. 22).

Die Form beider bipolaren Großsignalkennlinien wird vom ferroelektrischen Umpolvorgang beim Erreichen der Koerzitivfeldstärke
EC im Gegenfeld bestimmt. Die dielektrische
Kennlinie zeigt die sehr großen Polarisationsänderungen an diesen Umschaltpunkten.
Gleichzeitig schlägt die Kontrak tion derKeramik nach der Umpolung wieder in eine
Ausdehnung um, da die Polarisation und die
Feldstärke erneut die gleiche Orien tierung
besitzen. Diese Eigenschaft verleiht der elektromechanischen Kennlinie ihre charakteristische
Schmetterlingsform. Ohne elektrisches Feld
verbleiben die remanenten Polarisationen
Prem /-Prem bzw. die remanente Dehnung Srem.
Piezoaktoren werden in der Regel unipolarangesteuert. Eine semibipolare Ansteuerung
erhöht die Dehnungsamplitude, verursachtaber eine stärkere Nichtlinearität und Hysterese, die sich aus den zunehmenden extrinsischen Domänenanteilen am Auslenkungssignal ergeben (Abb. 21).

PIEZO

137

NANO

POSITIONING

d(GS) [pm/V]

Abschätzung der zu erwartenden
Auslenkung
Setzt man die Werte aus Abb. 22 in die
Gleichungen 3 bis 10 (s. S. 131 – 133) ein,so kann man daraus die erreichbare Auslenkung bei einer bestimmten Ansteuerspannung abschätzen. Die Feldstärke
kann aus den Schichthöhen des konkreten
Bauelementes und der Ansteuerspannung
VPP berechnet werden. Die Schichthöhen
der PI Ceramic-Standardprodukte sind ab
S. 134 angegeben.

d15 PIC155 bipolar
d15 PIC255 bipolar
d33 PIC153 unipolar
d33 PIC151 unipolar

1500

d33 PIC255 unipolar
d33 PIC252 unipolar-d31 PIC252 unipolar
1000

500

0
0,0

0,5

1,0

1,5

2,5

Abb. 22: Piezoelektrische Großsignal-Deformationskoeffizienten d(GS) für verschiedene Materialien und
Ansteuerformen bei Raumtemperatur und quasistatischer Ansteuerung. Bei sehr kleinen Feldamplituden
stimmen die Werte der Koeffizienten mit den Materialkonstanten von S. 128 überein40%
d15 PIC155 bipolar
35%

ΔL

2,0

EPP [kV/mm]

Hdisp

Die tatsächlich erreichbare freie Auslenkung des Bauelementes hängt vonweiteren Faktoren ab, wie der mechanischen Vorspannung, der Temperatur, derAnsteuerfrequenz, den Abmessungen unddem passiven Materialanteil.

2000

d15 PIC255 bipolar
d33 PIC151 unipolar30%

d33 PIC252/255 unipolar
d33 PIC153 unipolar

25%
20%
15%

Max Diff ΔL

ΔLmax
10%
5%
0%
0,0

U

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

EPP [kV/mm]
Abb. 23: Der Hysteresewert Hdisp ist als Verhältnis
zwischen der maximalen Öffnung der Kurve und dermaximalen Auslenkung definiert

Abb. 24: Auslenkungshysterese Hdisp verschiedener
Aktormaterialien im ungeregelten, spannungsgesteuerten Betrieb für verschiedene Ansteuerformen bei
Raumtemperatur und quasistatischer Ansteuerung

Hysterese138

Im ungeregelten, spannungsgesteuerten
Betrieb zeigen die Auslenkungskennlinien
piezokeramischer Aktoren eine starke Hysterese (Abb. 24), die mit zunehmender Spannung
bzw. Feldstärke in der Regel ansteigt. Beson-ders hohe Werte entstehen bei Scheraktoren
bzw. bei bipolarer Ansteuerung. Verantwortlich für diese Zunahme ist die steigende Beteiligung extrinsischer Umpolungsvorgänge am
Gesamtsignal.

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Abb. 25: Auslenkung eines Piezoaktors nach
Ansteuerung mit einer Sprungfunktion. Das Kriechenverursacht ungefähr 1 % Auslenkungsänderung pro
logarithmischer ZeitdekadeAbb. 26: Eliminieren von Hysterese und Kriechen im
piezokeramischen Aktor durch Positionsregelung

KriechenPositionsregelung

Das Kriechen beschreibt die Änderung derAuslenkung mit der Zeit bei unveränderter
Ansteuerspannung. Die Kriechgeschwindigkeit nimmt logarithmisch mit der Zeit ab. Die
gleichen Materialeigenschaften, die für die
Hysterese verantwortlich sind, erzeugen auchdas Kriechverhalten:

Hysterese und Kriechen der piezokeramischen
Aktoren lassen sich am wirkungsvollsten
durch eine Positionsregelung im geschlossenen Regelkreis beseitigen. Zum Aufbau vonpositionsgeregelten Systemen können die PI
Ceramic-Piezoaktoren der PICA Stack und PICA
Power Produktreihe optional mit applizierten
Dehnungsmessstreifen angeboten werden.

ΔL(t) ≈ ΔLt = 0.1s 1 + γ lg (t
ΔL(t)ΔLt=0,1s
γ

t )
0.1s

(Gleichung 12)

In Anwendungen mit rein dynamischer Ansteuerung kann die Hysterese auch ohne Regelung durch die Verwendung eines Ladungsverstärkers wirkungsvoll auf Werte von 1 bis
2 % reduziert werden (s. S. 155).

Zeit [s]Auslenkung als Funktion der Zeit [m]Auslenkung bei 0,1 Sekunden nach dem
Ende der Spannungsänderung [m]Kriechfaktor, abhängig von den Materialeigenschaften (ungefähr 0,01 bis 0,02,
entspricht 1 %bis 2 % pro Zeitdekade)

139

PIEZO

NANO

POSITIONING

Temperaturabhängiges Verhalten
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

S

S

Srem

S

Srem

Srem
Ec

E

Ec

E

Ec

E

Abb. 27: Bipolare elektromechanische Großsignal-Kennlinie piezokeramischer Aktoren
bei verschiedenen Temperaturen. Von links: Verhalten bei tiefen Temperaturen, bei
Raumtemperatur, bei hohen Temperaturen

Relative Auslenkung

Maßgeblich ist die Temperaturabhängigkeit
der remanenten Dehnung und der Koerzitivfeldstärke unterhalb der Curie-Temperatur.
Dadurch ändern sich zum einen die erreichbare
Auslenkung bei elektrischer Ansteuerung undzum anderen die Abmessungen des Piezokeramikelements.

100%
unipolar 0 ... 120 V
80%

60%bipolar -120 ... 120 V
40%

Je kühler der Piezoaktor ist, umso größer sinddie remanente Dehnung Srem und die Koerzitivfeldstärke Erem (Abb. 27). Die Kennlinien
verlaufen bei abnehmenden Temperaturen
immer flacher, wodurch der durch eine unipolare Ansteuerung induzierbare Dehnungsanteil immer geringer wird, obwohl die
Gesamtamplitude der bipolaren Dehnungskurve sich über weite Temperaturbereichekaum verändert. Die remanente Dehnung ist
umso größer je geringer die Temperatur ist.
Insgesamt hat die Piezokeramik einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
d. h. die Piezokeramik verlängert sich. Zum
Vergleich: Eine Strukturkeramik zieht sich bei
Abkühlung mit einem relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammen.
Dieser überraschende Effekt ist umso stärker,
je vollständiger die Piezokeramik polarisiert ist.
Auslenkung in Abhängigkeit
von der Temperatur

20%

0%
1

10

100

1000
Temperatur [K]Abb. 28: Relative Abnahme der Auslenkung am Beispiel eines PICMA® Stack Aktors im kryogenen Temperaturbereich bei verschiedenen Ansteuersignalen,bezogen auf die Raumtemperatur-Nominalauslenkung

Wie stark sich eine Kenngröße des Piezoaktors mit der Temperatur ändert, ist vom
Abstand zur Curie-Temperatur abhängig.
PICMA ® Ak toren besitzen eine relativ hoheCurie-Temperatur von 350 °C. Ihre Auslenkungändert sich zu hohen Einsatztemperaturen nur
um den Faktor 0,05 % / K.

140

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Abmessung in Abhängigkeit
von der Temperatur
Der Temperaturausdehnungskoeffizient eines
vollkeramischen PICMA® Stack Aktors beträgt
näherungsweise -2,5 ppm/K. Dagegen führen
in einem PICA Stack Aktor die zusätzlichen
Metall-Kontaktplättchen sowie die Klebstoffschichten zu einer nichtlinearen Charakteristik mit einem positiven Gesamtkoeffizienten(Abb. 29).

Temperatureinsatzbereich
Der Standardtemperatureinsatzbereich verklebter Aktoren beträgt -20 bis 85 °C. Durch
die Wahl von Piezokeramiken mit hohen
Curie-Temperaturen und geeigneten Klebstoffen kann dieser Bereich erweitert werden. Die meisten PICMA® Multilayer-Produktesind für den erweiterten Bereich von -40 bis
150 °C spezifiziert. Mit speziellen Loten kann
der Temperaturbereich noch weiter nach oben
ausgedehnt werden, sodass Sondermodelle
von PICMA® Aktoren von -271 °C bis 200 °C,
d. h. über eine Spanne von nahezu 500 K einsetzbar sind.

Therm. Dehnung [%]Bei kryogenen Temperaturen verringert sich
die Auslenkung. Piezoaktoren erreichen bei
unipolarer Ansteuerung im Temperaturbereich
von flüssigem Helium noch 10 bis 15 % derAuslenkung bei Raumtemperatur. Deutlichhöhere Auslenkungen bei tiefen Temperaturen können durch eine bipolare Ansteuerung erzielt werden. Da die Koerzitivfeldstärke bei Abkühlung ansteigt (Abb. 27), ist esmöglich, den Aktor mit höheren Spannungenauch entgegen seiner Polarisationsrichtung
anzusteuern.

0.08

0.06

0.04

Wird ein Positioniersystem im geschlossenen
Regelkreis betrieben, so eliminiert dies neben
Nichtlinearität, Hysterese und Kriechen auchdie Temperaturdrift. Die dafür vorzuhaltende
Regelreserve reduziert jedoch die nutzbare
Auslenkung.
Daher wird häufig die Temperaturdrift durcheine geeignete Auswahl der beteiligten Materialien, der Aktortypen oder des Systemdesigns passiv kompensiert. Beispielsweisehaben vollkeramische PICMA® Bender Aktoren
aufgrund ihres symmetrischen Aufbaus eine
minimale Temperaturdrift in Auslenkungsrichtung.

0.02
PICMA® Stack
0
PICA Stack / PICA Power-0.02
E = 1 kV/mm
ohne Vorspannung-0.04
Messrichtung
-0.06
-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100
Temp. [°C]

Abb. 29: Temperaturausdehnungsverhalten von PICMA®
und PICA Aktoren bei elektrischer Großsignalansteuerung

141

PIEZO

NANO

POSITIONING

Kräfte und Steiﬁgkeiten
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

E*

A
l
kA
ΔL0
Fmax
kL
Feff

effektiver
Elastizitätsmodul:
linearer Anstieg
einer SpannungsDehnungs-Kurve
eines Probekörpers
oder -aktors aus
dem entsprechenden Piezokeramikmaterial (Abb. 30)
Aktorquerschnittsfläche
Aktorlänge
Aktorsteifigkeit
Nominalauslenkung
Blockierkraft
Laststeifigkeit
effektive Kraft

Vorspannung und Belastbarkeit
Die Dauerzugfestigkeiten spröder Piezokeramik- und Einkristallaktoren sind mit Werten
im Bereich von 5 bis 10 MPa relativ gering.
Daher wird empfohlen, die Aktoren in derAnwendung mechanisch vorzuspannen. Die
Vorspannung sollte so niedrig wie möglich
gewählt werden. Erfahrungsgemäß genügen
zur Kompensation von dynamischen Kräften
15 MPa (s. S. 146), bei konstanter Belastungsollten 30 MPa nicht überschritten werden.
Querkräfte bewirken in kurzen Aktoren hauptsächlich Scherspannungen. Bei längeren
Aktoren mit größerem Aspektverhältnis werden zusätzlich Biegespannungen erzeugt. Die
Summe beider Spannungen ergeben maximale Querbelastbarkeiten, die für die PICA
Shear-Aktoren im Datenblatt angegeben sind
Die Werte können auf Aktoren mit ähnlicher
Geometrie übertragen werden. Grundsätzlich
wird jedoch empfohlen, die Aktoren durch Führungselemente vor Querkräften zu schützen.
Steifigkeit
Die Aktorsteifigkeit kA ist ein wichtiger Parameter zur Berechnung von Krafterzeugung,Resonanzfrequenz und Systemverhalten.
Piezokeramische Stapelaktoren zeichnen sichdurch sehr hohe Steifigkeitswerte bis zu einigen Hundert Newton pro Mikrometer aus. Zur
Berechnung dient folgende Gleichung:kA Stack = E* A (Gleichung 13)lBiegeaktoren hingegen haben um mehrere
Größenordnungen geringere Steifigkeiten
von einigen Newton pro Millimeter. Neben
der Geometrie hängt die Steifigkeit auch bei
ihnen vom effektiven Elastizitätsmodul E* ab.
Die Form der Spannungs-Dehnungs-Kurven(Abb. 30) ist aufgrund mechanischer Depolarisationsvorgänge ähnlich nicht-linear undhysteresebehaftet wie die der elektromechanischen Kennlinien (Abb. 21). Darüber hinaus
hängt die Kurvenform von den jeweiligen elektrischen Ansteuerbedingungen, der Ansteuerfrequenz und der mechanischen Vorspannungab, sodass Werte in einem Bereich von 25 bis
60 GPa gemessen werden können. In der Folge
ist es daher schwer, einen allgemeingültigen
Steifigkeitswert zu definieren.
Für die Angabe der technischen Daten für
Piezoaktoren wird die quasistatische Großsignalsteifigkeit bei gleichzeitiger Ansteuerung
mit einer hohen Feldstärke bzw. Spannung
und geringer mechanischer Vorspannung bestimmt. Damit wird ein ungünstiger Betriebsfall betrachtet, d. h. in einer Anwendung ist die
reale Aktorsteifigkeit häufig höher.
Die Klebeschichten in den PICA Aktoren
reduzieren die Steifigkeiten nur wenig. Durch
den Einsatz optimierter Technologien sind die
Klebespalten nur wenige Mikrometer hoch,sodass die Großsignalsteifigkeit gegenüber
Multilayer-Aktoren ohne Klebstoffschichten
nur um ca. 10 bis 20 % geringer ist.
Einen weit stärkeren Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit hat das Aktordesign, z. B. ballige
Kopfstücke mit einem relativ nachgiebigen
Punktkontakt zur Gegenfläche.

Grenzen der Vorspannung
Bereits bei einigen 10 MPa beginnt der Aktor mechanisch zu depolarisieren. Eine Großsignalansteuerung repolarisiert den Aktor, wodurch einerseits zwar die induzierte Auslenkung zunimmt, andererseits aber die effektiven Kapazitäts- und Verlustwerte ansteigen,was nachteilig für die Lebensdauer des Bauelementes ist.
Eine Druckvorspannung erzeugt partiell auch Zugspannungen (s. S. 156). Daher besteht bei
sehr hohen Vorspannungen die Gefahr, dass die Zugspannungsfestigkeit lokal überschritten
wird. Die Größe der möglichen Vorspannung wird nicht durch die Festigkeit des keramischen
Materials bestimmt. Piezoaktoren erreichen Druckfestigkeiten von mehr als 250 MPa.
142

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Krafterzeugung und Auslenkung

Typische Lastfälle

Die Erzeugung von Kraft oder Auslenkung
im Piezoaktor lässt sich am besten aus dem
Arbeitsdiagramm entnehmen (Abb. 32). JedeKennlinie wird durch zwei Werte bestimmt: die
Nominalauslenkung und die Blockierkraft.

Die Aktorsteifigkeit kA kann aus dem Arbeitsdiagramm (Abb. 32) entnommen werden:

0
12
V
V
80
V
60
V

V

Da eine solche Steifigkeit real nicht existiert,
wird die Blockierkraft folgendermaßen gemessen: Die Aktorlänge vor Ansteuerung wird
erfasst. Anschließend wird der Aktor ohne Last
bis zur Nominalauslenkung ausgelenkt und mit
einer ansteigenden externen Kraft bis auf die
Ausgangsposition zurück gedrückt. Die dafür
notwendige Kraft ist die Blockierkraft.

V

Die Blockierkraft F max ist die maximal vom
Aktor erzeugte Kraft. Diese Kraft wird erzielt,
wenn man die Auslenkung des Aktors vollständig blockiert, d. h. er arbeitet gegen eine
Last mit unendlich hoher Steifigkeit.

Sie entspricht dem invertierten Anstieg derKennlinie. Mit dem Aktor kann bei entsprechender Last und Ansteuerung jeder
Auslenkung-Kraft-Punkt auf und unterhalb
der Nominalspannungs-Kennlinie erreicht
werden.

20

Blockierkraft

kA = Fmax (Gleichung 14)∆L040

Die Nominalauslenkung ΔL0 ist in den technischen Daten eines Aktors spezifiziert. Zur
Ermittlung des Wertes wird der Aktor frei,
d. h. ohne Vorspannung durch eine Feder,
betrieben, sodass bei der Auslenkung keine
Kraft erzeugt werden muss. Nach dem Anlegen der entsprechenden Spannung wird die
Auslenkung gemessen.

ΔL0

0
10

Nominalauslenkung

Δl

Fmax

Auslenkung ohne Vorspannung,
Last mit geringer Steifigkeit
Arbeitet der Piezoaktor gegen eine Federkraft,verringert sich seine induzierte Auslenkung, dasich bei der Stauchung der Feder eine Gegenkraft aufbaut. Bei den meisten Anwendungenvon Piezoaktoren ist die effektive Steifigkeit derLast kL deutlich geringer als die des Aktors kA.
Die resultierende Auslenkung ΔL liegt dahernahe an der Nominalauslenkung ΔL0:
∆L ≈ ∆L0

kA
kA + kLF

Abb. 32: Arbeitsdiagramm
eines PICMA® Stack Aktors bei
unipolarer Ansteuerung mit
verschiedenen Spannungen(Gleichung 15)

Die Auslenkung-Kraft-Kurve in Abb. 31 rechts wird
als Arbeitskennlinie des Aktor-Feder-Systems
bezeichnet. Der Anstieg der Arbeitskennlinie
Feff /ΔL entspricht der Laststeifigkeit kL.

S

Δl

Δl

ΔT
T
ΔL0

al

ign

ins

A

al

Kle

G
ro

ßs
ig
n

ΔL

V0

ΔL

ΔS
B
kL

kL

V0

kA

Abb. 30: Spannungs-Dehnungs-Kennlinie eines
piezokeramischen Stapelaktors bei Ansteuerung mit
einer hohen Feldstärke, um mechanische Depolarisationen zu vermeiden. Der lineare Anstieg ΔT/ΔS
definiert den effektiven Großsignal-Elastizitätsmodul E*(GS). Kleinsignalwerte der Elastizitätsmodule
sind immer größer als Großsignalwerte

PIEZO

V

0V

Feff

Fmax

F

kA

Abb. 31: Lastfall geringe Federsteifigkeit ohne Vorspannung:Skizze, Auslenkungs-SpannungsDiagramm, Arbeitsdiagramm
mit Arbeitskennlinie

143

NANO

POSITIONING

Krafterzeugung ohne Vorspannung,
Last mit hoher Steifigkeit

ΔlΔl

Wenn große Kräfte erzeugt werden sollen,muss die Laststeifigkeit kL größer als die des
Aktors kA sein (Abb. 33):

ΔL0

ΔL0
A

kL

B

ΔL

0V
V0

kA

A

Feff ≈ Fmax

V0

ΔL
kL

V

Feff

Fmax

Die sorgfältige Krafteinleitung ist bei diesem
Lastfall besonders wichtig, da im Aktor große
mechanische Spannungen entstehen. Um
eine hohe Lebensdauer zu erreichen, müssen
lokale Zugspannungen unbedingt vermieden
werden (s. S. 142).

B

ΔlNicht-lineare Last ohne Vorspannung,öffnen und schließen eines Ventils

Δl

ΔL0

ΔL0
A
ΔL

V0

ΔL
B

V0

0V

V

Feff

Fmax

F

Abb. 34: Nicht-lineare Last ohne Vorspannung:Skizze, Auslenkungs-Spannungs-Diagramm,
Arbeitsdiagramm mit Arbeitskennlinie

A

Wird auf den Aktor eine Masse gelegt, führt
die Gewichtskraft FV zu einer Stauchung desAktors.
Die Nullposition bei Beginn der darauffolgenden Ansteuerung verschiebt sich entlang derSteifigkeitskennlinie des Aktors. Während derdarauffolgenden Ansteuerung entsteht keine
zusätzliche Kraft, sodass die Arbeitskennlinie
näherungsweise dem Verlauf ohne Vorspannung entspricht.

Δl

ΔL0
A

Als Beispiel eines Lastfalls, bei dem eine nichtlineare Arbeitskennlinie entsteht, ist in Abb.
34 eine Ventilsteuerung skizziert. Der Start derAuslenkung entspricht dem Betrieb ohne Last.
In der Nähe des Ventilschlusses wirkt einestärkere Gegenkraft durch die Fluidströmung.
Beim Erreichen des Ventilsitzes wird die Auslenkung nahezu vollständig blockiert, sodass
sich nur die Kraft erhöht.
Große konstante Last

B
Δl(Gleichung 16)

F

Abb. 33: Der Aktor arbeitet ohne Vorspannung
gegen eine Last mit hoher Steifigkeit. Von links: Skizze,
Auslenkungs-Spannungs-Diagramm, Arbeitsdiagramm
mit Arbeitskennlinie

kA

kL
kA + kL

V0
ΔL’0
B
~ΔL0

m

V0

V

F

Fv
0V
F’max

F’

Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die
Dämpfung von Schwingungen einer Maschine
mit großer Masse.

Abb. 35: Lastfall große Masse: Skizze,
Auslenkungs-Spannungs-Diagramm, Arbeitsdiagramm mit Arbeitskennlinie
A

B

Beispiel: Die Steifigkeit steigt deutlich, wenn der Aktor elektrisch mit einer hohen Impedanz betrieben wird, wie sie bei
Ladungsverstärkern gegeben ist (s. S. 155). Bei mechanischer Belastung wird eine Ladung generiert, die aufgrund derhohen Impedanz nicht abfließen kann und daher ein versteifendes Gegenfeld erzeugt.
144

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

FedervorspannungΔlWird die mechanische Vorspannung durcheine relativ weiche Feder in einem Gehäuse
aufgebracht, findet die gleiche Verschiebung
auf der Steifigkeitskennlinie wie beim Auflegender Masse statt (Abb. 36). Bei elektrischer
Ansteuerung erzeugt der Aktor jedoch einekleine zusätzliche Kraft und die Auslenkung
wird durch die Vorspannfeder gegenüber dem
Fall ohne Last etwas reduziert (Gleichung 15).
Die Steifigkeit der Vorspannfeder sollte daher
mindestens eine Größenordnung unter der des
Aktors liegen.

Δl

ΔL0

ΔL0
A
ΔL’0
V0

KL

Fv
B

V0

V
FV

F

kL

0 V F’eff

F’max

F’

Abb. 36: Lastfall Federvorspannung:Skizze, Auslenkungs-Spannungs-Diagramm,
Arbeitsdiagramm mit Arbeitskennlinie
A

B

Aktordimensionierung undenergetische Betrachtung
Bei longitudinalen Stapelaktoren ist die Aktorlänge die bestimmende Größe für die Auslenkung ΔL0. Bei Nominalfeldstärken von 2 kV/mmsind Auslenkungen von etwa 0,10 bis 0,15 %der Länge erzielbar. Die Querschnittsfläche
bestimmt die Blockierkraft Fmax. Hier können
etwa 30 N/mm² erreicht werden.
Für die erzielbare mechanische Energie
Emech=(ΔL0 Fmax)/2 ist demzufolge das Aktorvolumen der bestimmende Parameter.
Die Energiemenge Emech, die beim Betrieb eines
Aktors von elektrischer in mechanische Energie umgewandelt wird, entspricht der Fläche
unter der Kennlinie in Abb. 37. Von dieser
Gesamtmenge kann jedoch nur ein Bruchteil Eout an die mechanische Last abgegeben
werden. Das mechanische System ist energetisch optimiert, wenn die Fläche ihr Maximum
erreicht. Dieser Fall tritt ein, wenn die Laststeifigkeit und die Aktorsteifigkeit gleich sind.
Δl

Die im Arbeitsdiagramm hellblau dargestellte
Fläche entspricht diesem Betrag. Ein longitudinaler Piezoaktor kann ca. 2 bis 5 mJ/cm³
mechanische Arbeit verrichten, ein Biegeaktor
erreicht etwa 10-fach geringere Werte.
Wirkungsgrad und Energiebilanz
eines piezoaktorischen Systems
Die Berechnung und Optimierung des Gesamtwirkungsgrades eines piezoaktorischen Systems
hängt von der Effizienz der Verstärker elektronik, der elektromechanischen Wandlung,des mechanischen Energietransfers und dermöglichen Energierückgewinnung ab. Grundsätzlich handelt es sich bei dem Großteil derelektrischen und mechanischen Energien um
Blindenergien, die unter Abzug der Verluste,
z. B. durch Wärmeentwicklung, wieder zurückgewonnen werden können. Damit können, vor
allem in dynamischen Anwendungen, sehreffiziente Piezosysteme aufgebaut werden.

Abb. 37: Mechanische Energiebeträge
im Arbeitsdiagramm eines Piezoaktors
mit Federlast: gewandelte mechanische
Energie Emech und abgegebene mechanische Energie Eout

ΔLo

ΔL
Eout
Emech

Feff

Fmax

F

145

PIEZO

NANO

POSITIONING

Dynamischer Betrieb
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

Abb. 38: Auslenkung eines ungedämpften Piezosystems nach Ansteuerung mit einem
Spannungssprung. Die Nominalauslenkung wird nach etwa einem Drittel der Periodendauer erreicht

Dieses Verhalten ist besonders bei dynamischen Anwendungen wie z. B. in der Scanning-Mikroskopie, der Bildstabilisierung, in
Ventilsteuerungen, bei der Erzeugung von
Schockwellen oder in der aktiven Schwingungsdämpfung erwünscht. Ein Piezoaktor
kann bei schlagartigem Anstieg der Steuerspannung seine nominale Auslenkung in ungefähr einem Drittel der Periodendauer seiner
Resonanzfrequenz f0 erreichen (Abb. 38).
Tmin ≈

m
M
φ
f0
f0'
Fdyn
meff

meff'

ΔL
f

Masse desPiezoaktors
zusätzliche Last
Phasenwinkel[Grad]
Resonanzfrequenzohne Last [Hz]Resonanzfrequenz
mit Last [Hz]dynamische
Kraft [N]effektive Masse
Piezostapelaktor[kg]
effektive Masse
Piezostapelaktor
mit Last [kg]Auslenkung(Spitze-Spitze) [m]Ansteuerfrequenz [Hz]

M

146

m

m

meff ≈ m/3

meff' ≈ m/3 + M

Resonanzfrequenz
Die in den technischen Daten angegebenen
Resonanzfrequenzen von longitudinalen
Stapel aktoren beziehen sich auf den beidseitig freien Betrieb. In einer Anordnung
mit einseitiger Einspannung muss der Wert
halbiert werden.
Der reduzierende Einfluss einer zusätzlichen
Last auf die Resonanzfrequenz kann mit folgender Gleichung abgeschätzt werden:
meff

√m‘

f0‘ = f0

(Gleichung 17)

eff

Piezoaktoren werden in Positionieranwendungen deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben, um die Phasenverschiebungzwischen Ansteuersignal und Auslenkung
gering zu halten. Der Phasengang eines
Piezosystems entspricht ungefähr dem eines
Systems zweiter Ordnung:f
φ ≈ 2 arctan(Gleichung 18)
f0
Wie schnell kann sich ein Piezoaktor
ausdehnen?
Schnelles Ansprechverhalten ist eine charakteristische Eigenschaft von Piezoaktoren. Eineschnelle Änderung der Betriebsspannung
bewirkt eine schnelle Positionsänderung.

1
3f0(Gleichung 19)

In diesem Fall kommt es zu starkem Überschwingen, das durch entsprechende Steuertechnik teilweise kompensiert werden kann.
Beispiel: Ein Piezoaktor mit einer Resonanzfrequenz bei einseitiger Einspannung f0 = 10 kHz
kann seine nominale Auslenkung in 30 μs
erreichen.
Dynamische Kräfte
Bei geeigneter Ansteuerelektronik können
Piezo aktoren hohe Beschleunigungen voneinigen Zehntausend m/s² erzeugen. Durch
die Trägheit evtl. angekoppelter Massen sowie
der Aktoren selbst entstehen dynamische Zugkräfte, die durch mechanische Vorspannungenkompensiert werden müssen (vgl. S. 142 ff).
Im Sinusbetrieb können die maximalen Kräfte
wie folgt abgeschätzt werden:
Fdyn ≈ ±4π2 meff ΔL f 2
2(Gleichung 20)

Beispiel: Die dynamischen Kräfte bei 1 000
Hz, 2 μm Auslenkung (Spitze-Spitze) und 1 kg
Masse betragen ungefähr ±40 N.

Abb. 39: Berechnung dereffektiven Masse meff und meff’eines einseitig eingespannten
Piezostapelaktors ohne und
mit Last

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Elektrische Ansteuerung
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

Bei Betriebsfrequenzen weit unterhalb der
Resonanzfrequenz verhält sich ein Piezoaktor
wie ein Kondensator. Die Auslenkung ist in
erster Näherung proportional zur gespeicherten elektrischen Ladung.
Die Kapazität des Aktors hängt dabei vonder Fläche und Dicke der Keramik sowie denMaterial eigenschaften ab. Bei Aktoren, die
aus mehreren elektrisch parallel geschalteten
Keramikschichten aufgebaut sind, wird die
Kapazität auch durch die Anzahl der Schichten bestimmt.
In den Aktoren gibt es Leckstromverluste, dieaufgrund des hohen Innenwiderstandes im
μA-Bereich oder darunter liegen.
Elektrische Kapazitätswerte
Die Kapazitätswerte in den technischen Datensind Kleinsignalwerte, d. h. sie sind gemessen
bei Ansteuerung mit 1 V, 1 000 Hz, 20 °C, lastfrei. Die Kapazität der Piezokeramik ändert sichmit der Spannungsamplitude, der Temperatur
und der Last auf bis zu 200 % des unbelasteten
Kleinsignalwertes bei Raumtemperatur. FürBerechnungen unter GroßsignalbedingungenCn

Die Kleinsignalkapazität C eines Stapelaktors
kann wie beim Kondensator abgeschätzt werden:
C=n

T
33

A

ε33T

(Gleichung 21)

hLA

Bei fester Aktorlänge l gilt mit n ≈ l/hL:
C = l ε T A (Gleichung 22)
33

l
hL

hL2

I
Q
V

Demnach hat ein PICMA® Stack Aktor mit
einer Schichthöhe von 60 μm eine ca. 70 mal
höhere Kapazität als ein volumengleicher
PICA Stack Aktor mit einer Schichthöhe von
500 μm. Die elektrische Leistungsaufnahme P
beider Typen ist aufgrund der Beziehung
P ~ C V2 etwa gleich, da sich die Ansteuerspannung proportional zur Schichthöhe verändert.

tKapazität [C]Anzahl der
Keramikschichten
im Aktor
Permittivität =ε33 /ε0 (vgl. Tabelle
S. 128) [As/Vm]
Aktorquerschnittsfläche [m²]Aktorlänge [m]Schichthöheim Aktor [m]Strom [A]Ladung [C, As]
Spannung
am Piezoaktor [V]Zeit [s]Positionierbetrieb, statisch und
mit geringer Dynamik
In einem elektrisch geladenen Piezoaktor ist
etwa die Energie E = 12 CV2 gespeichert. Jede
Ladungsänderung und damit Auslenkungsänderung ist mit einem Ladungstransport verbunden, der den folgenden Strom I benötigt:
I = dQ = C · dV (Gleichung 23)dt
dt
Für langsame Positionsänderungen wird nur
ein geringer Strom benötigt. Zum Halten der
Position ist selbst bei hohen Lasten nur die
Kompensation der sehr geringen Leckströme
nötig. Die Leistungsaufnahme ist entsprechendgering.

ΔL

Elektrisches Verhalten

genügt häufig ein Sicherheitsfaktor von 70 %,der zur Kleinsignalkapazität addiert wird (Abb. 40).

Polarisation
axis

+
o

PI Ceramic bietet verschiedene Typen vonPiezoaktoren mit unterschiedlichen Schichthöhen an. Daraus ergeben sich nominale
Betriebsspannungen von 60 V für PICMA® Bender bis zu 1 000 V für Aktoren der PICA-Serien.

L

Betriebsspannung

Abb. 41: Aufbau und Kontaktierung eines gestapelten
Piezotranslators

Wenn ein geladener Piezoaktor plötzlich vonder elektrischen Quelle getrennt wird, kommt
es zu keiner rapiden Positionsänderung. Die
Entladung und damit die Rückkehr zur Nullposition geschieht kontinuierlich und sehrlangsam.

Abb. 40: Die elektrische Kapazität wächst mit
steigender Ansteuerspannung und Temperatur

147

PIEZO

NANO

POSITIONING

Betrieb mit Positionsregelung
Beim Betrieb im geschlossenen Regelkreis
wird die maximale Arbeitsfrequenz auch durch
Phasen- und Amplitudengang des Systems
begrenzt. Es gilt: je höher die Resonanzfrequenz der Mechanik, desto höher kann die
Regelbandbreite eingestellt werden. Auch die
Sensorbandbreite und Leistungsfähigkeit desReglers (digital/analog, Filter- und Reglertyp,Bandbreite) begrenzen die Betriebsbandbreite
des Positioniersystems.
Leistungsaufnahme des Piezoaktors
In dynamischen Anwendungen nimmt die
Leistungsaufnahme des Aktors linear mit Frequenz und Aktorkapazität zu. Ein kompakter
Piezotranslator mit ca. 100 N Belastbarkeit
benötigt bei 1 000 Hz und 10 μm Hub weniger
als 10 Watt Blindleistung, während ein Hochlastaktor (>10 kN Belastbarkeit) bei gleichen
Bedingungen einige 100 Watt erfordert.
Wärmeerzeugung in einem Piezoelement bei
dynamischem Betrieb
Da sich Piezoaktoren wie kapazitive Lasten verhalten, steigen ihre Lade- und Entladeströme
mit der Arbeitsfrequenz an. Die dabei im Aktor
erzeugte thermische Leistung P kann wie folgt
abgeschätzt werden:P ≈ π · tanδ · ƒ · C · V 2 (Gleichung 24)
pp

4
Bei Aktor-Piezokeramik liegt der Verlustfaktor
unter Kleinsignalbedingungen in der Größenordnung von 0,01 – 0,02. Dadurch werden bis
zu 2 % der elektrischen Leistung, die in den
Aktor fließt, in Wärme umgewandelt. Bei Großsignalbedingungen kann dieser auf deutlichhöhere Werte ansteigen (Abb. 42). Die maximale Arbeitsfrequenz hängt deshalb auch vonder zulässigen Betriebstemperatur ab. Bei
hohen Frequenzen und Spannungsamplituden
können Kühlungsmaßnahmen notwendig wer-

den. PI Ceramic bietet für diese Anwendungenauch Piezoaktoren mit integrierten Temperatursensoren zur Überwachung der Keramiktemperatur an.
Kontinuierlicher dynamischer Betrieb
Um einen Piezoaktor mit gewünschter Dynamik betreiben zu können, muss der Piezoverstärker bestimmten Mindestanforderungengenügen. Zu deren Abschätzung betrachtet
man die Beziehung zwischen Verstärkerausgangsstrom, Betriebsspannung des Piezoaktors und Arbeitsfrequenz.
Ansteuerung mit Sinusfunktion
Bestimmend für den kontinuierlichen Betrieb
mit einer Sinusfunktion ist der Effektiv- oder
Dauerstrom Ia des Verstärkers, der in den entsprechenden Datenblättern genannt ist. Die
Dauerstromwerte werden unter den definierten Umgebungsbedingungen zeitlich unbegrenzt garantiert.
Ia ≈ ƒ · C · Vpp (Gleichung 25)
Für sinusförmige Einzelpulse, die nur fürkurze Dauer ausgeführt werden, kann Gl. 26
angewendet werden. Sie ergibt den notwendigen Spitzenstrom für eine Halbwelle. Der
Verstärker muss diesen Spitzenstrom mindestens für eine halbe Periodendauer liefern
können. Für wiederholte Einzelpulse darf das
zeitliche Mittel der Spitzenströme den erlaubten Dauerstrom nicht überschreiten.
Imax ≈ ƒ · π · C · Vpp (Gleichung 26)

tan δ

Dauerstrom, Spitzenstrom
und Kleinsignalbandbreite
für jeden Piezoverstärker
von PI können den technischen Daten entnommen
werden.
P
Leistung, die in
Wärme umgewandelt wird [W]tan δ
dielektrischer
Verlustfaktor (Verhältnis von Wirkzu Blindleistung)fArbeitsfrequenz [Hz]C
Aktorkapazität [F]VppAnsteuerspannung(Spitze-Spitze) [V]0,30
PIC255 Scher bipolar
PIC255 longitudinal bipolar

0,25

PIC151 longitudinal unipolar
PIC252/255 longitudinal unipolar
0,20

148

Abb. 42: Dielektrische Verlustfaktoren tan δ für verschiedene Materialien und Ansteuerformen bei Raumtemperatur und quasistatischer Ansteuerung. Die
Umrechnung zwischen Spannung und Feldstärke für
konkrete Aktoren erfolgt mit den Schichthöhen, die ab
S. 134 angegeben werden. Der tatsächliche Verlustfaktor im Bauelement hängt von weiteren Faktoren ab,
wie der mechanischen Vorspannung, der Temperatur,der Ansteuerfrequenz und dem passiven Materialanteil.

0,15

0,10

0,05

0,00

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

EPP [kV/mm]

Ansteuerung mit Dreiecksfunktion

Schaltanwendungen, Pulsbetrieb

Für die Ansteuerung eines Piezoaktors mit
einer symmetrischen Dreiecksfunktion sind
sowohl der Dauerstrom als auch der Spitzenstrom des Verstärkers maßgeblich. Die maximale Betriebsfrequenz eines Verstärkers kannfolgendermaßen abgeschätzt werden:
1
Ia
fmax ≈·(Gleichung 27)
CVpp

Die schnellstmögliche Auslenkung eines Piezoaktors kann in 1/3 der Periode seiner Resonanzfrequenz erfolgen (vgl. S. 146). Anstiegszeiten
im Mikrosekundenbereich und Beschleunigungen von mehr als 10 000 g sind möglich, erfordern aber vom Piezoverstärker besonders hohe
Spitzenströme.

Dabei gilt zusätzlich die Nebenbedingung,dass der Verstärker wenigstens Imax = 2 Ia für
die Ladezeit, d. h. für die halbe Periodendauer, liefern kann. Sofern das nicht möglich ist,
sollte die maximale Arbeitsfrequenz entsprechend niedriger gewählt werden. Für Verstärker, die keinen höheren Spitzenstrom liefern
können oder nicht ausreichend lange, sollte
stattdessen mit dieser Gleichung gerechnet
werden:1
Ia
f max≈·(Gleichung 28)
2·C
Vpp
Signalform und Bandbreite
Neben der Leistungsabschätzung des Piezoverstärkers ist bei allen von der Sinusform
abweichenden Signalformen die Betrachtung
der Kleinsignalbandbreite wichtig.
Je mehr Oberwellen des Ansteuersignals nicht
mehr übertragen werden, umso mehr nähert
sich die resultierende Form wieder der Grundwelle, also einer Sinusform an. Die Bandbreite
sollte daher mindestens zehnmal so hoch sein
wie die Grundfrequenz, um eine Signalverfälschung aufgrund der nicht mehr übertragenen
Harmonischen zu vermeiden.
Die nutzbare Grenze der Frequenzanteile,denen das mechanische Piezosystem nochfolgen kann, ist in der Praxis die mechanische
Resonanzfrequenz. Das elektrische Ansteuersignal muss daher aber auch keine deutlichhöheren Frequenzanteile enthalten.

Dadurch werden schnelle Schaltanwendungen wie z. B. Einspritzventile, Hydraulikventile,
Schaltrelais, optische Schalter und adaptive
Optik möglich.
Für Ladungsvorgänge mit konstantem Stromkann mit folgender Gleichung die Mindestanstiegszeit im Pulsbetrieb ermittelt werden:
t≈C·

Vpp
Imax

(Gleichung 29)

Ia

Dauerstrom
des Verstärkers(Source / Sink) [A]Imax
Spitzenstrom
des Verstärkers(Source / Sink) [A]fArbeitsfrequenz [Hz]fmax
maximale Arbeitsfrequenz [Hz]C
Aktorkapazität,
Großsignal[Farad (As/V)]
Vpp
Ansteuerspannung(Spitze-Spitze) [V]tZeit bis Vpp am
Piezoaktor anliegt [s]Kleinsignalbandbreite,
Dauerstrom und Spitzenstrom für jeden Piezoverstärker von PI können
den technischen Datenentnommen werden.

Auch hier ist die Kleinsignalbandbreite desVerstärkers bestimmend. Die Anstiegszeit
des Verstärkers muss deutlich kürzer als die
Piezo-Ansprechzeit sein, um die Auslenkung
nicht durch den Verstärker zu begrenzen. Fürdie Praxis gilt die Faustregel, die Bandbreite
des Verstärkers zwei- bis dreimal höher als die
Resonanzfrequenz zu wählen.
Vor- und Nachteile einer Positionsregelung
Ein Positionsregler arbeitet immer im linearen Aussteuerbereich der Spannungen undStröme. Da der Spitzenstrom zeitlich begrenzt
und daher nicht linear ist, kann er für einestabile Wahl der Regelparameter nicht genutzt
werden. Dadurch begrenzt die Positionsregelung die Bandbreite und lässt einen Pulsbetrieb, wie beschrieben, nicht zu.
In Schaltanwendungen kann daher häufig eine
erforderliche Positionsstabilität und Linearität
nicht durch Positionsregelung erreicht werden.
Eine Linearisierung kann z. B. durch die Ladungssteuerung der Verstärker (s. S. 155) oder durch
numerische Korrekturverfahren erreicht werden.

Abb. 43: PICMA® Aktoren
mit patentierten, mäanderförmigen Außenelektroden
für bis zu 20 A Ladestrom

149

PIEZO

NANO

POSITIONING

Umgebungsbedingungen
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

Bei Fragen zum Einsatz in besonderen
Umgebungen wenden Sie sich an

Piezoaktoren eignen sich für den Betrieb in verschiedensten, teilweise extremen Umgebungsbedingungen. Hinweise zur Anwendung bei
hohen Temperaturen bis 200 °C sowie in kryogenen Umgebungen befinden sich ab S. 140.

info@pi.ws oder
info@piceramic.de.

Vakuumumgebung
Dielektrische Stabilität
Die Durchschlagsspannung eines Gases hängt
nach dem Paschen-Gesetz vom Produkt aus
dem Druck p und dem Elektrodenabstand s
ab. Luft hat sehr gute Isolationswerte bei atmosphärischem Druck und bei sehr geringen
Drücken. Die minimale Durchschlagsspannung von 300 V liegt bei einem ps-Produkt
von 1 000 Pa mm. PICMA® Stack Aktoren mit
Nominalspannungen deutlich unterhalb von
300 V können deshalb bei jedem Zwischendruck betrieben werden. PICA Piezoaktoren mit
Nominalspannungen oberhalb von 300 V sollten hingegen bei Luft im Druckbereich 100 bis
50 000 Pa nicht oder nur bei stark reduzierten
Spannungen angesteuert werden, um Durchschläge zu vermeiden.
Ausgasen
Das Ausgasverhalten hängt von der Bauform
und der Konstruktion der Piezoaktoren ab.
Hervorragend für den UHV-Einsatz geeignet
sind PICMA® Aktoren, da sie ohne Polymeranteile hergestellt und bis zu 150 °C ausgeheizt
werden können. UHV-Optionen mit minimalen
Ausgasraten werden auch für verschiedene
PICA Aktoren angeboten.
Edelgase
Piezoaktoren sind für den Einsatz in Edelgasen
wie z. B. Helium, Argon oder Neon geeignet.
Allerdings müssen auch hier die druckabhängigen Überschlagsfestigkeiten der PaschenKurven beachtet werden. Für den Einsatz werden die keramisch isolierten PICMA® Aktoren
empfohlen, da deren Nominalspannung unterhalb der minimalen Durchschlagsspannungenaller Edelgase liegt. Bei PICA Aktoren mit höheren Nominalspannungen sollte zur Reduktion
des Überschlagrisikos die Betriebsspannung
in bestimmten Druckbereichen herabgesetzt
werden.

Magnetfelder
Piezoaktoren eignen sich hervorragend fürden Einsatz in sehr hohen Magnetfeldern, z. B.
auch bei kryogenen Temperaturen. PICMA®
Aktoren werden komplett ohne ferromagnetische Materialien gefertigt. PICA Stack Aktoren
können optional ohne ferromagnetische Anteile angeboten werden. Bei diesen Produkten
wurden Restmagnetismen im Bereich weniger
Nanotesla gemessen.
Gammastrahlung
PICMA® Aktoren können auch in hochenergetischer, kurzwelliger Strahlung betrieben
werden, wie sie beispielsweise an ElektronenBeschleunigern auftritt. In Langzeituntersuchungen wurde der problemfreie Einsatz bei
Gesamtdosen von 2 MegaGray nachgewiesen.
Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit
Beim Betrieb in trockener Umgebung ist die
Lebensdauer von Piezoaktoren grundsätzlichhöher als in hoher Luftfeuchtigkeit. Bei derAnsteuerung mit Wechselspannungen höherer Frequenz tritt eine Eigenerwärmung der
Aktoren ein, sodass die Feuchtigkeit lokal sehrgering ist.
Dauerbetrieb mit hohen Gleichspannungenin feuchter Umgebung kann Piezoaktoren
schädigen (s. S. 151). Dies gilt insbesondere
für die Aktoren der PICA Produktreihen, da hierdie aktiven Elektroden nur durch eine Polymerschicht geschützt sind, die von der Luftfeuchtigkeit durchdrungen werden kann. Die
Aktoren der PICMA® Produktreihen besitzen
eine vollkeramische Isolation, welche die
Lebensdauer bei feuchten Umgebungsbedingungen im Vergleich zu polymerumhüllten
Aktoren wesentlich verbessert (s. S. 151).
Flüssigkeiten
Für den Einsatz in Flüssigkeiten werden
ge kapselte PICMA ® bzw. speziell gehauste
PICA Aktoren angeboten. Bei allen anderen
Aktortypen sollte der direkte Kontakt mit
Flüssigkeiten vermieden werden. Ausnahmen
können hochisolierende Flüssigkeiten sein. In
der Regel muss die Kompatibilität der Aktoren
mit diesen Flüssigkeiten jedoch in Lebensdauertests geprüft werden.

150

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Zuverlässigkeit von PICMA® Multilayer-Aktoren
Eigenschaften piezoelektrischer Aktoren

Lebensdauer bei Gleichspannungsbelastung
In Nanopositionieranwendungen liegen am
Piezoaktor häufig konstante Spannungen überlängere Zeit an. In diesem GleichspannungsBetriebsmodus wird die Lebensdauer vor
allem durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst.
Bei sehr hohen Feuchte- und Spannungswerten kommt es zu elektrochemischen Reaktionen, die Wasserstoffmoleküle freisetzen,
welche anschließend den Keramikverbund
durch Versprödung zerstören.
Vollkeramische Schutzschicht
Mit dem patentierten PICMA ® Design wird
diese Reaktion wirkungsvoll unterdrückt.
Die anorganische keramische Schutzschicht(s. S. 134) verhindert im Gegensatz zu reinpolymeren Umhüllungen den Kontakt derWassermoleküle mit den Innenelektroden underhöht auf diese Weise die Lebensdauer um
mehrere Größenordnungen (s. Abb. 44).

Abb. 44: Ergebnisse eines beschleunigten Lebensdauertests mit erhöhter Luftfeuchtigkeit (Testbedingungen: PICMA® Stack und polymerumhüllte Aktoren, Abmessungen:5 x 5 x 18 mm³, 100 V DC, 22 °C, 90 % RH)

Quasistatische Bedingungen:
Beschleunigte Lebensdauerprüfung

Berechnung der Lebensdauer
bei Gleichspannungsbelastung

Die hohe Zuverlässigkeit macht es praktischunmöglich, die Lebensdauer von PICMA ®
Aktoren bei realen Anwendungsbedingungenexperimentell zu ermitteln. Zur Abschätzung
der Lebensdauer dienen daher Prüfungenunter extremen Belastungsbedingungen:erhöhte relative Luftfeuchtigkeit bei gleichzeitig hohen Umgebungstemperaturen und
Ansteuerspannungen.

In aufwändigen Untersuchungen wurde für die
PICMA® Stack Aktoren ein Modell zur Berechnung der Lebensdauer entwickelt. Unter konkreten Anwendungsbedingungen müssen
folgende Faktoren berücksichtigt werden: die
Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchte und die Höhe der angelegten Spannung.

In Abb. 44 werden die Ergebnisse eines Tests
bei einer stark erhöhten Luftfeuchtigkeit von
90 % RH bei 100 V DC und 22 °C gezeigt. Die
extrapolierte mittlere Lebensdauer (MTTF,“Mean Time To Failure”) für PICMA® Aktoren
liegt bei mehr als 400 000 h (ca. 47 Jahre),während Vergleichsaktoren mit Polymerumhüllung unter diesen Bedingungen nur eine
MTTF von ca. einem Monat erreichen.

Die einfache Formel
MTTF = AU · AT · AF (Gleichung 30)
erlaubt die schnelle Abschätzung der mittleren Lebensdauer in Stunden. Die Faktoren AU
in Abhängigkeit von der Betriebsspannung,AT für die Umgebungstemperatur und AF für
die relative Luftfeuchtigkeit können aus dem
Diagramm (Abb. 45) abgelesen werden.

Wichtig:
Mit sinkenden Spannungswerten steigt die
Lebensdauer exponentiell an. Beispielsweise
ist die zu erwartende
Lebensdauer bei 80 V DC
10-mal so hoch wie bei
100 V DC.
Mit dieser Berechnung
kann eine neue Applikation bereits in derDesignphase bezüglich ihrer Lebensdauer
optimiert werden. Das
Absenken der Ansteuerspannung, die Kontrolle
von Temperatur und
Luftfeuchtigkeit mittels
Spülluft oder die Einkapselung des Aktors
spielen hier eine große
Rolle.

Tests unter realitätsnahen Bedingungen bestätigen bzw. übertreffen diese Ergebnisse noch.

151

PIEZO

NANO

POSITIONING

Abb. 45: Diagramm zur
Berechnung der Lebensdauer
von PICMA® Stack Aktoren bei
Gleichspannungsbelastung.
Für einen Dauerbetrieb bei
100 V DC mit 75 % Luftfeuchtigkeit (RH) und einer Umgebungstemperatur von 45 °Ckann man folgende Werte
aus dem Diagramm ablesen:
AF = 14 (Luftfeuchte, blaue
Kurve), AT = 100 (Temperatur, rote Kurve) und
AU = 75 (Betriebsspannung,schwarze Kurve). Das Produkt
ergibt eine mittlere Lebensdauer von 105 000 h, alsoüber 11 Jahren

Lebensdauer im dynamischen Dauerbetrieb

Abb. 46: Deutlich sichtbar
ist das patentierte PICMA®
Aktordesign mit definierten Schlitzen („Slots“), das
unkontrollierte Dehnungsrisse
bei dynamischer Ansteuerung verhindert

Zyklische Beanspruchung mit einem schnellen
Wechselfeld und hohen Ansteuerspannungen(typisch > 50 Hz; > 50 V) tritt häufig bei Anwendungen z. B. in Ventilen oder Pumpen auf.
Piezoaktoren können unter diesen Bedingungen extrem hohe Lastwechselzahlen erreichen.
Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Lebensdauer der Piezoaktoren sind dabei die elektrische Spannung und die Signalform. Die Luftfeuchtigkeit ist kaum relevant, weil diese lokal
durch die Eigenerwärmung der Piezokeramik
reduziert wird.
Industrietauglich: 1010 Arbeitszyklen

152

Prüfungen mit besonders hoher Ansteuerfrequenz belegen die Robustheit der PICMA®
Piezoaktoren. Vorgespannte PICMA® Aktoren
der Größe 5 x 5 x 36 mm3 wurden dazu bei
Raumtemperatur und Druckluftkühlung mit
einem Sinussignal von 120 V unipolarer Spannung bei 1157 Hz belastet, was 108 Zyklen täglich entspricht. Auch nach über 1010 Arbeitszyklen gab es keinen einzigen Ausfall unddie Aktoren zeigten keine signifikanten Auslenkungsänderungen. In jüngsten Leistungs-

und Lebensdauertests der NASA erreichten
PICMA ® Aktoren nach 100 Milliarden (10 11)
Zyklen noch 96 % ihrer anfänglichen Leistungsdaten. Aus einer Reihe verschiedener Piezoaktoren wurden sie daher für das Science Lab
im Marsrover Curiosity ausgewählt. (Quelle:
Piezoelectric multilayer actuator life test. IEEE
Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2011
Apr; Sherrit et al. Jet Propulsion Laboratory,
California Institute of Technology, Pasadena,
CA, USA)
Patentiertes Design reduziert
die mechanische Spannung
PICMA® Aktoren verwenden ein besonderes,
patentiertes Design. Seitliche Schlitze(„Slots“) verhindern wirksam die Überhöhung der mechanischen Zugspannungen inden passiven Bereichen des Stapels und die
Ausbildung unkontrollierter Risse (Abb. 46),
die zu elektrischen Durchschlägen und damit
Schäden am Aktor führen könnten. Der patentierte mäanderförmige Aufbau der äußeren
Kontaktstreifen (Abb. 43) sichert den stabilen
elektrischen Kontakt aller Innenelektroden
selbst bei extremen dynamischen Belastungen.

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Piezoelektronik
zur Ansteuerung von Piezoaktoren
Charakteristisches Verhalten von Piezoverstärkern

Schnelles Einschwingen oder langsame
Geschwindigkeit mit hoher Konstanz, hohe
Positionsstabilität und -auflösung, hohe Dynamik – die Anforderungen an Piezosysteme
sind höchst unterschiedlich und erfordern ein
hohes Maß an Flexibilität der Steuerung undRegelung.
Die Ansteuerelektronik spielt eine Schlüsselrolle für die Leistungsfähigkeit piezoelektrischer Aktoren und Nanopositioniersysteme.
Für die präzise Positionierung werden besonders rauscharme, hochstabile Linearverstärker
benötigt, denn Piezoaktoren reagieren auf die
geringste Spannungsänderung mit einer Auslenkung. Ein „Rauschen“ oder Driften gilt es
so weit wie möglich zu vermeiden. Voraussetzung für die hochdynamische Auslenkung desAktors ist, dass die Spannungsquelle genügend Strom liefert, um die Kapazität zu laden.
Leistungsanforderungenfür den Piezobetrieb
Die Aussteuergrenze eines Verstärkers mit
einem gegebenen Piezoaktor hängt von der Verstärkerleistung, dem Verstärker design und
der Kapazität der Piezokeramik ab (vgl. S. 148– 149). In hochdynamischen Anwendungenbenötigen Piezoaktoren hohe Lade- und Entladeströme. Dabei kommt, speziell bei sinusförmigem Betrieb oder bei Pulsbetrieb, dem
Spitzenstrom eine besondere Bedeutung zu.
Piezoverstärker von PI sind deshalb so ausgelegt, dass sie hohe Spitzenströme abgeben
und aufnehmen können. Wird ein Verstärker
mit einer kapazitiven Last und Frequenz betrieben, bei der er nicht mehr den erforderlichen
Strom aufbringen kann, kommt es zur Verzerrung des Ausgangssignals. Als Folge davon
kann die volle Auslenkung nicht mehr erreicht
werden.

Der Leistungsverstärker arbeitet innerhalb
seiner Aussteuergrenzen linear, sodass das
Steuersignal unverzerrt verstärkt wird. Insbesondere tritt keine thermische Begrenzung
ein, d. h. der Verstärker überhitzt nicht, wasVerzer rungen der Sinuskurve verursachen
könnte. Der Verstärker liefert die Ausgangsspannung kontinuierlich auch über längere
Zeit. Für Spitzenwerte, die nur über einen kurzen Zeitraum zur Verfügung stehen, kann die
Aussteuerkurve nicht verwendet werden.

Abb. 47: Aussteuerkurve,
ermittelt mit verschiedenen
Piezolasten, Kapazitätswerte
in μF. Ansteuersignal Sinus,
Betriebsdauer > 15 min, 20 °C

Die Kurven beziehen sich auf den ungeregelten Betrieb (open-loop); im geregelten Betrieb
begrenzen andere Faktoren die Dynamik.
Einstellung der Steuerspannung

Aussteuerkurve

Nachdem die Aussteuergrenze des Verstärkers
erreicht ist, muss bei weiter ansteigenden Frequenzen die Amplitude der Steuerspannung
im gleichen Verhältnis reduziert werden, wie
die Ausgangsspannung abfällt. Dies ist wichtig, da der Strombedarf kontinuierlich mit der
Frequenz ansteigt. Ansonsten wird das Ausgangssignal verzerrt.

Für jedes Verstärkermodell werden die Aussteuergrenzen mit verschiedenen Piezolasten
in Abhängigkeit von der Frequenz und Ausgangsspannung gemessen und als Aussteuerkurven grafisch dargestellt, um die Auswahl
zu erleichtern. Die Messungen werden nach
15 Minuten Dauerbetrieb (Piezo und Verstärker) bei Raumtemperatur durchgeführt. Im
kalten Zustand nach dem Einschalten kannkurzzeitig mehr Leistung zur Verfügung stehen.

Beispiel: Der E-503 (E-663) Verstärker kannbei einer Ausgangsspannung von 100 V eine
Piezokapazität von 23 μF mit einer maximalen
Frequenz von ca. 15 Hz betreiben (bei Sinusansteuerung). Bei höheren Frequenzen sinkt
die Aussteuergrenze, z. B. bei 20 Hz auf 80 V.
Um bei dieser Frequenz ein verzerrungsfreies
Ausgangssignal zu erhalten, muss die Eingangssteuerspannung auf 8 V (Spannungsverstärkung = 10) reduziert werden.

PIEZO

NANO

POSITIONING

153

Lösungen für dynamische Daueranwendungen
Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren

Geschaltete Verstärker mit Energierückgewinnung
Häufig werden Piezoaktoren für eine besonders präzise Materialbearbeitung eingesetzt,
zum Beispiel im Maschinenbau zur Feinpositionierung in Fräs- und Drehmaschinen.
Dabei sind sowohl hohe Kräfte als auch Dynamik gefragt. Für die großen Kräfte sind die
Piezoaktoren entsprechend dimensioniert,
das heißt, hier werden Piezoaktoren mit hoher
Kapazität verwendet. Um sie mit der geforderten Dynamik zu be- oder entladen, werdenbesonders hohe Ströme benötigt. Ähnliche
Eigenschaften erfordert auch die Ansteuerung
von Ventilen.
Energierückgewinnung minimiert den
Energieverbrauch im Dauerbetrieb

Im Gegensatz zu konventionellen Class
D-Schaltverstärkern sind PI Schaltverstärker
für Piezoelemente strom- und spannungsgeregelt. Produktbeispiele sind E-617 für PICMA®
Aktoren und E-481 für die PICA Aktorserien.
Schutz des Piezoaktors durch
Temperaturüberwachung
Beim Dauerbetrieb ist die Wärmeentwicklung
im Piezoaktor nicht zu vernachlässigen (vgl.
S. 148). Entsprechende Elektroniken können
deshalb die Signale eines Temperatursensors
am Piezo auswerten. Auf diese Weise wird die
Keramik vor Überhitzung und Depolarisation
geschützt.
Geltende Patente
Deutsches Patent Nr. 19825210C2Internationales Patent Nr. 1080502B1
US-Patent Nr. 6617754B1

100

25

80

20

Leistungsaufnahme in W

Abb. 48: Piezoaktor
im Gehäuse mit
Anschlüssen fürTemperatursensor
und Kühlluft

Wirkungsgrad in%

Da diese Anwendungen häufig sieben Tage
die Woche rund um die Uhr arbeiten, ist derEnergieverbrauch des Verstärkers wichtig.
PI bietet hierfür geschaltete Verstärkerelektroniken an, bei denen die Pulsweite desAnsteuerungssignals moduliert (PWM) und
dadurch die Ausgangsspannung geregelt
wird. Ein besonders hoher Wirkungsgrad
ist die Folge. Zusätzlich ist eine patentierte
Schaltung zur Energierückgewinnung integriert: Sie speichert beim Entladen desPiezos einen Teil der zurückfließenden Energie in einem kapazitiven Speicher und stellt
sie für den nächsten Ladevorgang wieder zur
Verfügung. Auf diese Weise lassen sich
Energieeinsparungen von bis zu 80 % realisieren. Außerdem erwärmt sich der Verstärker
nicht so stark und beeinflusst somit die eigentliche Anwendung weniger.

60

40

20

15

10

5

0

0

20

40
60
Relative Ausgangsleistung in %Geschalteter Verstärker

80

0

100

0

500

1000

1500

2000

Frequenz in Hz

Linearverstärker

Geschalteter Verstärker
Linearverstärker

Abb. 49: Bei gleicher Ausgangsleistung verbrauchen PI
Verstärker mit patentierter Energierückgewinnung nur
ca. 20 % des Bedarfs eines entsprechenden Linearverstärkers

154

Abb. 50: Leistungsaufnahme eines Piezoverstärkers mit
linearer und geschalteter Endstufe am Piezoausgang,kapazitive Last 1 μF. Die Messwerte zeigen deutlich,dass der pulsweiten-modulierte Verstärker eine wesentlich höhere Dynamik erlaubt als der klassisch linear
arbeitende. Der Linearverstärker erreicht bei Frequenzen bis ca. 700 Hz die Obergrenze seiner Leistungsaufnahme, der geschaltete erst bei weit über 2 kHz

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Linearisierter Verstärker
für Piezoauslenkung ohne Hysterese
Piezoelektronik zur Ansteuerung von Piezoaktoren

Ladungssteuerung

Ladung und Auslenkung

Ein typischer Anwendungsbereich für Piezoaktoren bzw. Nanopositioniersysteme ist das
dynamische Scannen. Hier kann man zwischenzwei Methoden unterscheiden: dem Step-andSettle-Betrieb, bei dem eine Position präzise
und wiederholbar angefahren wird und dem
Rampenbetrieb mit besonders linearem Verlauf der Piezoauslenkung. Im ersten Fall ist eingeschlossener Positionsregelkreis erforderlich,der dafür sorgt, dass Positionen zuverlässig
wiederholbar angefahren und die Schrittgrößen konstant gehalten werden.

Die Ladungssteuerung nutzt die Tatsache, dassbei Piezoaktoren der Zusammenhang zwischenelektrischer Ladung und Auslenkung sehr viellinearer ist, als der zwischen angelegter Spannung und Auslenkung. Die Hysterese beträgt
im ersten Fall nur etwa 2 %, während sie
bei ungeregelter Spannungssteuerung etwa
zwischen 10 bis 15 % liegt (Abb. 51). Mit derLadungssteuerung ist es daher in vielen Fällen
möglich, die notwendige Präzision auch ohne
Regelkreis zu erreichen. Das verbessert die
Dynamik und ist preiswerter. Von der Ladungssteuerung profitiert man aber keineswegs nur
bei hochdynamischen Anwendungen, sondern
bereits bei sehr geringen Betriebsfrequenzen.
Für Aufgaben, bei denen Positionen überlängere Zeit gehalten werden müssen, ist sie
jedoch ungeeignet.

Natürlich lässt sich auch der Rampenbetrieb
mit linearem Verlauf der Piezoauslenkungüber Positionsrückmeldung und Regelkreis
steuern. Allerdings bestimmt dann der Regelkreis die Dynamik des Gesamtsystems, wasin manchen Fällen die Anzahl der Zyklen, diepro Zeiteinheit gefahren werden können, deutlich einschränkt. Dies umgeht man bei einem
alternativen Verstärkerprinzip: der Ladungssteuerung.

Für dynamische
Anwendungen:
Aktive Schwingungsdämpfung
Adaptronik
Schnelle mechanische Schalter
Ventilsteuerung(z. B. Pneumatik)
Dosieren

Der ladungsgesteuerte Verstärker
E-506.10 bietet hochlineare, dynamische
Steuerung für PICMA® Piezoaktoren

Δl

Δl

Q

ΔV

Abb. 51: Typische Auslenkungscharakteristik von Piezoaktoren im Verhältnis zur angelegten Spannung (links) undzur Ladung (rechts). Die Hysterese ist durch die Kontrolle der aufgebrachten Ladung deutlich reduziert

155

PIEZO

NANO

POSITIONING

Handhabung von Piezoaktoren

Piezoaktoren sind hohen mechanischen undelektrischen Belastungen ausgesetzt. Die spröden keramischen oder kristallinen Materialien
erfordern zudem eine sorgfältige Handhabung.
Vermeiden Sie mechanische Stöße auf
den Aktor, wie sie z. B. beim Herunterfallen
entstehen können.
Verwenden Sie beim Einbau keine
metallischen Werkzeuge.

Abb. 52: Vermeiden von
Querkräften und Momenten

Vermeiden Sie beim Einbau undwährend der Anwendung ein Zerkratzen
der Keramik- bzw. Polymerumhüllung
und der Endflächen.

Unbenannt-2
Unbenannt-2
1
1

Vermeiden Sie den Kontakt der Keramikoder Polymerisolierung zu leitfähigen
Flüssigkeiten (u. a. Fingerschweiß) sowie
zu Metallstaub.
Wenn der Aktor im Vakuum betrieben
wird: Beachten Sie die Hinweise zu den
30.03.12 16:56
zulässigen Ansteuerspannungen in
bestimmten Druckbereichen (s. S. 150).

Abb. 53: Vermeiden
von Drehmomenten

Wenn der Aktor in Kontakt mit isolierenden
Flüssigkeiten, wie Silikon- oder Hydrauliköle, kommen kann, wenden Sie sich an
info@piceramic.de.
Wenn der Aktor versehentlich verunreinigt
wurde, reinigen Sie den Aktor vor der
Wiederinbetriebnahme sorgfältig mit Isopropanol bzw. Ethanol. Anschließend
trocknen Sie ihn vollständig in einem
Trockenschrank. Verwenden Sie zur
Reinigung keinesfalls Aceton. Reduzieren
Sie bei der Reinigung im Ultraschallbad
den Energieeintrag auf das notwendige
Minimum.

Abb. 54: Vermeiden vonZugspannungen durchmechanische Vorspannung

30.03.12 16:56

Abb. 55: Montage eines
einseitig vorgespannten
Biegeaktors durch Klebung

Empfehlung: Tragen Sie während des Einbaus und der Inbetriebnahme Handschuhe
und Schutzbrille.

DuraAct Patch Aktoren und gekapselte PICMA®
Piezoaktoren sind besonders robust aufgebaut.
Für sie gelten Ausnahmen von diesen allgemeinen Handlungshinweisen.

Mechanischer Einbau (Abb. 52, 53, 54)
Vermeiden Sie Momente und Querkräfte
während der Montage und im Betrieb des
Aktors durch geeignete Konstruktionen
bzw. Führungselemente.
Wenn der Aktor dynamisch betrieben wird:
Bauen Sie den Aktor möglichst so ein,dass der Masseschwerpunkt des bewegten
Systems mit der Aktorachse übereinstimmt
und verwenden Sie bei sehr großen Masseneine Führung.
30.03.12 30.03.12
16:56 16:56

Stellen Sie an den Endflächen eines
Stapelaktors einen möglichst vollflächigen
Kontakt her.
Wählen Sie Gegenflächen mit einer
Ebenheit von wenigen Mikrometern.
Verkleben
Bei unebenen Montageflächen verwenden
Sie Epoxidharzklebstoffe zum Einkleben
der Aktoren. Gut geeignet sind kalthärtende 2K-Klebstoffe, um die thermomechanischen Spannungen zu reduzieren.
Halten Sie bei der Aushärtung den für den
Aktor spezifizierten Betriebstemperaturbereich ein und beachten Sie die Temperaturausdehnungskoeffizienten derbeteiligten Materialien.
Unebene Montageflächen gibt es beispielsweise bei PICMA® Bender und PICMA® Chip
Aktoren, da diese Flächen nach der Sinterung
nicht überschliffen werden (Abb. 55).
Vorspannung aufbringen (Abb. 54)
Erzeugen Sie die Vorspannung entweder
extern im mechanischen Aufbau oderintern in einem Gehäuse.
Bringen Sie die Vorspannung achsenahim Kernquerschnitt des Aktors auf.
Wenn der Aktor dynamisch betrieben und
die Vorspannung mit einer Feder erzeugt
wird: Verwenden Sie eine Feder, deren
Gesamtsteifigkeit um etwa eine Größenordnung unter der des Aktors liegt.

30.03.12 16:56

156

P I E Z O A N T R I E B E | W W W. P I . D E

Last homogen einleiten (Abb. 56)
Parallelitätstoleranzen der Mechanik und desAktors führen zu einer inhomogenen Lastverteilung. Dabei können im Aktor bei Druckbelastung Zugspannungen entstehen. Es stehenverschiedene konstruktive Lösungen zur
homogenen Lasteinleitung zur Verfügung, diesich hinsichtlich der axialen Steifigkeit, derLösbarkeit der Verbindung, sowie der Drehbarkeit im Betrieb, z. B. bei Hebelübersetzung,unterscheiden.

Tensilestresses

Abb. 56: Vermeiden einer inhomogenen Lasteinleitung

Isolieren Sie den Aktor elektrisch gegendie umgebende Mechanik. Beachten Sie
dabei die gesetzlichen Vorschriften für die
jeweilige Anwendung.

Einkleben des Aktors (vgl. Abschnitt
Verkleben)
Gehärtetes Kugelkopfstück mit Punktkontakt zu ebener Gegenfläche

Beachten Sie beim Anschließen
die Polarität des Aktors.

Gehärtetes Kugelkopfstück mit Ringkontakt
zu einer Kalotte

Montieren Sie den Aktor nur im
kurzgeschlossenen Zustand.

Verbindung über ein Festkörpergelenk

Wenn sich der Aktor aufgeladen hat,entladen Sie den Aktor kontrolliert mit
einem 10 kΩ-Widerstand. Vermeiden Sie
das direkte Kurzschließen der Anschlusskontakte des Aktors.

Wenn die Ankopplung des Aktors in einer
Frästasche erfolgt, stellen Sie sicher, dassan der Endfläche des Aktors vollflächiger
Kontakt besteht. Wählen Sie dazu die
Abmessungen der Frästasche entsprechend oder bringen Sie in der Frästasche
Freischnitte an (Abb. 57).
1
Wenn eine Punktlast aufUnbenannt-2
das Endstück
desAktors einwirkt: Dimensionieren Sie das
Endstück so, dass seine Dicke der halben
Querschnittsabmessung entspricht, um
Zugspannungen am Aktor zu vermeiden(Abb. 58).

Abb. 57: Vollflächiger Kontakt
des Aktors

Ziehen Sie das Anschlusskabel zum Verstärker nicht bei anliegender Spannung ab.
Unbenannt-2
1
Unbenannt-2
Unbenannt-2
1
1
Der
dadurchausgelöste mechanische
Impuls könnte den Aktor schädigen.
Sicherer Betrieb

Elektrischer Anschluss (Abb. 59)
Elektrisch gesehen sind Piezoaktoren Kondensatoren, die sehr viel Energie speichern
können. Ihre hohen Innenwiderstände führen
zu sehr langsamen Entladungen mit Zeitkonstanten im Bereich von Stunden. Mechanischeoder thermische Belastungen laden den Aktor
elektrisch auf.
Schließen Sie das Gehäuse bzw. die
umgebende Mechanik normgerecht aneinen Schutzleiter an.

Reduzieren Sie im Betrieb des Aktors
die DC-Spannung soweit wie möglich(s. S. 151). Offsetspannungen können Sie
durch einen semi-bipolaren Betrieb verringern.

Tensilestresses

Abb. 58: Richtiges Dimensionieren der Endstücke bei
punktförmigem Kontakt

Schalten Sie den Aktor immer ab,wenn er nicht benötigt wird.
Vermeiden Sie steile Flanken im Ansteuersignal, da sie bei fehlender Vorspannung des Aktors starke dynamische
Kräfte auslösen können. Steile Flanken
können z. B. beim Einschalten von digitalen Funktionsgeneratoren auftreten.

30.03.12 16:56

Abb. 59: Mechanische Belastungen laden den Aktor
elektrisch auf. Montage
nur im kurzgeschlossenen
Zustand

157

PIEZO

NANO

POSITIONING158

H E X A P O D U N D S PA C E F A B | W W W. P I . D E

Hexapod und SpaceFAB

Produkte

Seite 160 – 179

Technologie parallelkinematischer Präzisionspositionierer

Seite 180 – 189

159

PIEZO

NANO

POSITIONING

Hexapod und SpaceFAB
Parallelkinematiken für 6 Bewegungsachsen

Beim ALMA-Projekt in der Atacama-Wüste in Chile werden bis zu 64 Antennen zu einem riesigen Radioteleskop zusammengefasst. Hexapodsysteme von PI positionieren die Sekundärreflektoren der Teleskope. Die auch gegen extreme Umgebungsbedingungen unempfindlichen Systeme
können Massen bis zu 75 kg bewegen (Foto: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))160

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

Hexapod und SpaceFAB

Seite 162

Controller für Hexapod-Positioniersysteme

Seite 176

6D-Bewegungssteuerung, umfangreiche Funktionen

Zubehör

Seite 178

Für Hexapodsysteme

Parallelkinematik

Nanopositionierung

BIS ZU 6 FREIHEITSGRADE

SUB-NANOMETER AUFLÖSUNG

Technologie parallelkinematischer Präzisionspositionierer

Seite 180

Motion Control Software

Seite 186

Effektive und komfortable LösungenGCS
MOTION CONTROLLER

Antriebstechnologie

Mikropositionierung

D C , S C H R I T T, P I E Z O , M A G N E T I S C H

LANGE STELLWEGE

161

PIEZO

NANO

POSITIONINGKompakte hochpräzise
parallelkinematische Hexapoden

H-811

Highlights■ Sechs-Achsen-Positioniersysteme mit hervorragender Präzision■ System mit leistungsfähigem Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt■ Umfangreiches Softwarepaket mit integrierten Scanalgorithmen für faseroptische Justage■ Optionale SPS/CNC Schnittstelle

Anwendungen
Automatisierte 6D-Justagesysteme übernehmen wichtige Aufgaben bei Test und Herstellung von MEMS und PhotonikZubehör. Dazu gehört auch die Positionierung und Ausrichtung kollimierter Fasern oder Anordnungen.

162

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

H-206

H-810

H-206

H-811

H-810

Ideal fürFaserpositionierung

Vakuumversion bis
10-6 hPa verfügbar

Abmessungen in mm

228 × 220 × 158

Ø 136 × 115

Ø 100 × 116

Stellweg X, Y, Z in mm

12 × 11 × 13

34 × 32 × 13

40 × 40 × 13

Stellweg θX, θY, θZ in °11 × 13 × 11

13 × 13 × 42

20 × 20 × 60

Belastbarkeit bei
horizontaler/beliebiger
Montage in kg2

5 / 2,55 / 2,5

Wiederholgenauigkeit
X, Y, Z in μm±0,3±0,3, ±0,3, ±0,1

±1, ±1, ±0,1

Kleinste Schrittweite
X, Y, Z in μm

0,10,5, 0,5, 0,2

1, 1, 0,5

Max. Geschwindigkeit
in mm/s

10

10

2,5

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

163

Preisgünstige Hexapodsysteme
Für mittlere Lasten

H-840

Highlights■ Sechs-Achsen Positioniersysteme mit hervorragender Präzision■ System mit leistungsfähigem Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt■ Umfangreiches Softwarepaket■ Optionale SPS/CNC Schnittstelle

AnwendungenDiese preisgünstigen 6-Achsen-Systeme sind universell einsetzbar für Positionier- und Scanaufgaben
in allen Freiheitsgraden.

164

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
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WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

H-824

H-820

H-824

H-840

H-820

Präzisions-Hexapod,
Vakuumversionen bis
zu 10-6 hPa

Präzisions-Hexapod

Standard-Hexapod fürAutomatisierungsaufgaben in Biotechnologie
und Life Science

Abmessungen in mm

Ø 280 × 190

Ø 350 × 330

Ø 350 × 330

Stellwege X, Y, Z in mm

50 × 50 × 25

100 × 100 × 50

100 × 100 × 50

Stellwege θX, θY, θZ in °15 × 15 × 25

30 × 30 × 60

30 × 30 × 60

Belastbarkeit in kg

5 bis 1010 bis 30

20

Wiederholgenauigkeit
in μm

bis ±0,1

bis ±0,4±20

Kleinste Schrittweite
in μm

0,3 bis 1

0,5 bis 3

20

1; 25

2,5; 50

20 unter Volllast

Max. Geschwindigkeit
X, Y, Z in mm/s

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

165

SpaceFAB Präzisions-Mikroroboter
6 Freiheitsgrade in sehr flachem Aufbau

SF-450 PS

Highlights■ Große Stellwege in X und Y bei sehr niedrigem Aufbau■ Last bis 3 kg
■ Vakuumversionen bis 10-9 hPa auf Anfrage■ Modular aufgebaut, dadurch flexibel anpassbare Stellwege■ System mit leistungsfähigem Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt

AnwendungenSpaceFAB Designs können schnell und unkompliziert an Kundenvorgaben den Bauraum oder die Stellwege betreffend
angepasst werden. Das macht die 6-Achsen-Systeme geeignet für nahezu jede Präzisionsanwendung, vom Mini-Positionierer für die UHV-Kammer bis zur Integration in Produktionsprozesse.

166

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

SF-3000

SF-6500 PS

SF-3000

SF-6500
PS

SF-450PS

Abmessungen in mm

600 × 444 × 209

276 × 210 × 57

200 × 170 × 77

Stellweg X, Y, Z in mm

50 × 50 × 12,7

13 × 13 × 10

12 × 12 × 6

Stellweg θX, θY, θZ in °10

12 × 12 × 12

13 × 13 × 10

Belastbarkeit in kg

3

2

0,4

Wiederholgenauigkeit
in μm

±0,5

±0,008±0,25

Kleinste Schrittweite
in μm

0,2

0,005

0,025

Max. Geschwindigkeit
in mm/s

30

10

10

2-Phasen-Schrittmotor

NEXACT® Piezoschreitantrieb

PIShift Piezoträgheitsantrieb

MotortypAlle Produktdetails finden Sie unter www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

167

Präzisions-Hexapoden
Für Lasten bis 50 kg

HP-550Highlights■ Sechs-Achsen-Positioniersysteme mit hervorragender Präzision■ System mit leistungsfähigem Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt■ Umfangreiches Softwarepaket

Anwendungen
Die HP-Hexapodsysteme beinhalten einen leistungsfähigen Delta-Tau-Controller, der häufig für Automatisierungsaufgaben in allen Bereichen eingesetzt wird. Dazu gehört die Positionierung von Antennen in Teleskopen ebenso wie die
Anlagensteuerung in der Halbleiterfertigung.

168

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

HP-430

HP-300HP-550HP-430HP-300Ø 550 × 360

Ø 430 × 250

Ø 300 × 176

Ø 130

Ø 90

Ø 60

Stellweg X, Y, Z in mm

100 × 100 × 100

50 × 50 × 30

44 × 44 × 30

Stellweg θX, θY, θZ in °40 × 40 × 60

20 × 20 × 40

18 × 18 × 25

Belastbarkeit bei horizontaler Montage in kg

50

50

10

Wiederholgenauigkeit
in μm

bis ±3bis ±2bis ±1

Kleinste Schrittweite
in μm

0,5

0,5

0,5

Max. Geschwindigkeit
in mm/s2

1

3

Abmessungen in mm
Freie Apertur in mm

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

169

Präzisions-Hexapoden
Für Lasten von 50 kg bis 250 kg

H-850

Highlights■ Sechs-Achsen-Positioniersysteme mit hervorragender Präzision■ System mit leistungsfähigem Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt■ Umfangreiches Softwarepaket■ Optionale SPS/CNC Schnittstelle

Anwendungen
Die Positionierung von Spiegeln in ausgedehnten Teleskopanordnungen ist ein häufiges Anwendungsgebiet von
6-Achsen-Positioniersystemen. Ähnliche Ansprüche an die Präzision stellen Inspektionssysteme z. B. für großformatige
LCD-Bildschirme.

170

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

M-850KWAH

M-850KPAH
M-8
850K
50KPA
PAH

H-850

M-850K
WAH

M-850K
PAH

Hochpräzise,
Vakuumversionen bis
10-6 hPa verfügbar

Sondermodell zur
Positionierung desSekundärspiegels inausgedehnten Teleskopanordnungen

Sondermodell
zur Positionierung
von Patienten in derMedizintechnikØ 350 × 330

Ø 580 × 360

1200 × 530 × 184

Ø 80

Ø 420

–

Stellweg X, Y, Z in mm

100 × 100 × 50

20 × 22 × 32

100 × 100 × 50

Stellweg θX, θY, θZ in °

±15

±3

±5

Belastbarkeit bei
horizontaler Montage
in kg

50 bis 250
20 bis 50 bei
beliebiger Montage

75

200

Wiederholgenauigkeit
in μm±0,2 bis ±1

±5

±100

Kleinste Schrittweite
in μm

0,5 bis 1

2

100

Typ. Geschwindigkeit
in mm/s

0,3 bis 5516

Abmessungen in mm
Freie Apertur in mm

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

171

Präzisions-Hexapoden
Für hohe Lasten ab 1 Tonne

H-845

Highlights■ Sechs-Achsen-Positioniersysteme mit hervorragender Präzision■ System mit leistungsfähigem Controller mit Vektorsteuerung, virtueller Pivotpunkt■ Umfangreiches Softwarepaket■ Optionale SPS/CNC Schnittstelle

Anwendungen
Astronomie und andere Forschungsgebiete, aber auch industrielle Fertigung und Prüfanlagen setzen Parallelkinematiken
ein, um kompakt in 6 Achsen zu positionieren. Die mechanische Ankopplung ist jeweils auf die spezifischen Kundenforderungen abgestimmt.

172

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

M-850KHTH

H-850KHLC

M-850KHLH

H-845.
D11

M-850K
HTH

H-850K
HLC

M-850K
HLH

Belastbar bis 400 kg
in beliebiger Orientierung

Sondermodell
für 1 Tonne Last

Sondermodell
für 1,5 Tonnen Last auchin beliebiger Montageorientierung

Sondermodell
für Vakuumumgebungbis 10-6 hPa

Ø 790 × 660

Ø 900 × 710

Ø 1 200 × 600

Ø 1 000 × 500

220 × 220 × 100

400 × 400 × 200

340 × 340 × 220

24 × 24 × 24

40 × 40 × 60

40 × 40 × 10

40 × 40 × 60

6×6×8

1 000

1 000

1 500

1 000

Wiederholgenauigkeit
in μm

±2

±1

±1

±2

Kleinste Schrittweite
in μm

2

1

1

2

Typ. Geschwindigkeit in
mm/s

20

1

0,3

0,1

Bürstenlose DCMotoren und integrierte
Bremsen

Bürstenlose Motoren
und integrierte Bremsen

Bürstenlose DC-Motoren
mit Getriebe

Bürstenlose DCMotoren mit Getriebe,
integrierte Bremsen

Abmessungen in mm
Stellwege X, Y, Z in mm
Stellweg θX, θY, θZ in °Belastbarkeit in kg

MotortypAlle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

173

Nanometergenaue Parallelkinematiken
Antrieb durch Piezomotoren

P-911KNMV
P-911KN

Highlights
hts■ Sondermodelle für Anwendungen mit sehr hohen Präzisionsanforderungen■ Nichtmagnetische Antriebe■ System mit leistungsfähigem Digitalcontroller und integrierten Endstufen für die Piezoschreitantriebe

AnwendungenGerade in der Halbleiterinspektion sind hochpräzise Mehrachsenpositionierer mit hoher Steifigkeit gefordert. Parallelkinematiken mit PiezoWalk® Piezoschreitantrieben leisten die Nanometer-Genauigkeit, wie sie in der Waferjustage
gebraucht wird.

174

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

N-515KNPH

N-510

P-911KNMV

N-515K
NPH

N-510

Kundenspezifisches
Modell. UHV-kompatibel bis 10-9 hPa,
UV-resistent

Kundenspezifisches
Modell mit hervorragender Auflösung

Kraftvolle Hub- und
Kipp-Plattform

Ø 100 × 90

Ø 380 × 140
Apertur Ø 202

Ø 300 × 60
Apertur Ø 250

Stellwege X, Y, Z in mm

1,5

10

Z: 1,3

Stellweg θX, θY, θZ in °2

6

θX, θY: 0,6

Belastbarkeit in kg

5

50

20

100

5

5

PiezoWalk®
Piezoschreitantrieb

PiezoWalk®
Piezoschreitantrieb

PiezoWalk®
Piezoschreitantrieb

Abmessungen in mm

Rechnerische Auflösung
in nm
MotortypAlle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

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NANO

POSITIONING

175

Controller für Hexapod-Positioniersysteme
6D-Bewegungssteuerung, umfangreiche Funktionen

C-887.11

Highlights■ Leistungsfähiger Controller mit Vektorsteuerung■ Virtueller Pivotpunkt, per Software im Raum frei wählbar■ Datenrecorder■ Makroprogrammierung■ Stand-Alone-Betrieb möglich oder Steuerung mit TCP/IP und RS-232■ Umfangreiche Software■ Im Lieferumfang aller PI Standard-Hexapodsysteme enthalten

176

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

Sondermodell für PiezoWalk® Piezoschreitantriebe

C-887.21

Digitalcontroller
für 6-Achsen-Parallelkinematik

Versionen

C-887.11 19“-Controller, enthält Ansteuerung für zwei weitere Einzelachsen mit Servomotoren, Funktionalität mit
zahlreichen Optionen erweiterbar
C-887.21 Kompaktes Tischgerät für geringeren Systempreis

Funktionen

Positionseingabe in kartesischen Koordinaten, vektorisierte Bewegungen. Stabiler virtueller Pivotpunkt,frei im Raum deﬁnierbar. Echtzeitdatenrecorder zur Aufnahme von Betriebsgrößen wie Motoransteuerung,
Geschwindigkeit, Position oder Positionsfehler. Makroprogrammierung. Stand-Alone-Betrieb möglich mit
Autostart-Makro oder Anschluss von Tastatur und Monitor. Optional: Steuerung über manuelle Bedieneinheit
TCP/IP-Ethernet, u. a. zur Fernsteuerung und Fernwartung. RS-232 für bis zu 25 m Kabellänge.

SchnittstellenStandard Monitor- und Keyboardanschluss.
Optional: Analogeingang. SPS/CNC Schnittstelle. Auf Anfrage: RS-422 für bis zu 1,4 km Kabellänge. GPIB für
Messausrüstung
PIMikroMove® Bedienersoftware. Einheitlicher Befehlssatz für alle PI Positioniersysteme (GCS).

SoftwareDynamische Bibliotheken für Windows und Linux. Vollständiger Satz von LabVIEW-VIs.
Graphische-Eingabeoberﬂächen (GUI), Konﬁgurationssoftware und graphisch dargestellte Scan-Routinen.
Optional: PIVeriMove Software zur Prüfung eines eingeschränkten Bewegungsraums

Sonderausführungen

Für den Einsatz in großen Höhen, z. B. für astronomische Teleskopanwendungen. Auswertungen von Absolutsensoren. Steuerung einer Motorbremse. Auswertung zusätzlicher (redundanter) Positionssensoren für erhöhte
Sicherheitsanforderungen, z. B. in der Medizintechnik

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

177

Zubehör
für Hexapodsysteme

C-887.MC■ Manuelle Bedienung

Bedieneinheit für Hexapoden,
USB-Anschluss, 3 m Kabel■ Freie Definition der Schrittweiten

F-206.NCU■ Besteht aus P-611.3SF NanoCube® XYZ-

Schnelles 3-Achsen-PiezoNanopositioniersystem
zur Verwendung in Kombination mit
Hexapodsystemen■ Display für Positionswerte

Nanopositioniersystem mit DMS-Sensoren,
100 x 100 x 100 μm³, integrierter Faserhalter
und E-760.3S0 NanoCube® Piezocontrollerkarte, ISA-Bus

F-206.VVU
2-Kanal Photometerkarte, sichtbarer
Bereich■ Optische Eingänge für 480 bis 1 040 nm

F-206.iiU
2-Kanal Photometerkarte, IR-Bereich■ Optische Eingänge für 850 bis 1 680 nm■ Analoge Eingänge 0 –10 V■ Analoge Eingänge 0 –10 V

178

H E X APPIOE DZ OUANNDT RSI P
EABC
E E |F A
WBW| WW. PWI .W
D .EP I . D E

C-887.A20
Hexapod Kabelsatz, 20 m

■ Mit 2 Signalverstärkerboxen für

F-206.TMU■ Für schnellen Austausch unterschiedlicher

differenzielle Datenübertragung

Aufbauten

Zusätzliche Montageplattform
für H-206 Hexapoden■ Magnetisch gekoppelt

F-311.LV■ Mehrkanal-Bildverarbeitung für 3D-Unter-

PIMotion&Vision LabVIEW Treibersatz

suchungen oder verschiedene Auflösungen

für intelligente Automatisierungsprozesse■ Bietet Funktionen wie Autofokus,

F-603■ Schnellverschlüsse für einfachen Aufbau

Faser-, Objektiv- undWaveguide-Halter■ Präzisionsbearbeitet aus hochfestem

Kantenausrichtung, Abstandsmessungenbis hin zu komplexen 6D-Justageroutinen

Aluminium / Messing

für H-206 und P-611 NanoCube®

Weitere Informationen unter www.pi.ws

PIEZO

NANO

POSITIONING

179

Technologie parallelkinematischer
Präzisionspositionierer

Hexapoden und SpaceFAB bieten 6 Bewegungsachsen

Seite 181

Kompaktes Positioniersystem – Vorteile gegenüber seriellem Aufbau – Komponenten – Arbeitsraum
Hexapoden in der Automatisierung

Seite 184

Bahnsteuerung auf Basis von G-Code – Benutzerdefinierte Koordinatensysteme –Automatisierungsschnittstellen
Motion Control Software von PI

Seite 186

Universeller Befehlssatz – Hostsoftware PIMikroMove® für schnelle Inbetriebnahme –Schnelle Einbindung in Sprachen und Software von Drittanbietern
Hexapodspezifische Software

Seite 189

Bewegungsraum ermitteln – Zulässige Last prüfen – PIVeriMove: Kollisionen vermeiden bei eingeschränktem
Arbeitsraum – Emulation des Hexapodsystems als virtuelle Maschine – HexaApp: Mit dem iPhone,
iPad oder iPod Hexapoden steuern

180

H E X A P O D U N D S PA C E F A B | W W W. P I . D E

Parallelkinematische
Präzisionspositionierer
Hexapoden und SpaceFAB bieten 6 Bewegungsachsen

Kompaktes Positioniersystem
mit 6 Freiheitsgraden

Vorteile gegenüber seriellem Aufbau

Ein Hexapod ist ein System für die Bewegung
und Positionierung, Justierung und Verschiebung von Lasten in sechs Achsen im Raum,drei linearen und drei rotatorischen.
Hexapoden sind parallelkinematisch aufgebaut, d. h. die sechs Antriebe wirken gemeinsam auf eine einzige bewegte Plattform. Die
Länge der Einzelantriebe ist veränderlich, waseine Bewegung in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden ermöglicht. Das besondere Hexapoddesign optimiert die Gesamtsteifigkeit underlaubt eine große zentrale Apertur.
Präzise Positionierung auch hoher Lasten
Hexapoden können je nach Ausführung Lasten
von einigen kg bis zu einigen Hundert kg, odersogar mehreren Tonnen in beliebiger Raumorientierung, also unabhängig von der Montageausrichtung, mit hoher Präzision positionieren.

Hexapoden erreichen einen deutlich kompakteren Aufbau als seriell gestapelte Mehrachsensysteme. Da nur eine einzige Plattform bewegt
wird, die in den meisten Fällen mit großer
Apertur ausgestattet ist, ist die bewegte Masse wesentlich geringer. Daraus resultieren ein
wesentlich schnelleres Ansprechen und damit
eine verbesserte Dynamik. Außerdem müssen
keine Kabel bewegt werden, und damit entstehen keine zusätzlichen Kräfte und Momente,
die die Genauigkeit vermindern.
Bei aufeinander gestapelten Systemen müssen
die unteren Antriebe nicht nur die Masse der
Nutzlast, sondern auch die Masse der nachfolgenden Antriebe bewegen. Dadurch reduzieren sich die dynamischen Eigenschaften und
die Gesamtsystemsteifigkeit. Zudem summieren sich die Führungsfehler der Einzelachsen
zu einer geringeren Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

PIEZO

181

NANO

POSITIONING

Abgestimmte Komponenten
für hohe Präzision

Kardanische Gelenke desHexapodmodells H-840

Grundlage ist ein möglichst spielfreier Aufbau
und eine entsprechend sorgfältige Auswahl
und Abstimmung der Komponenten. Dazu
gehört zunächst die richtige Materialauswahl,
wenn z. B. mit thermischen Einflüssen am
Einsatzort zu rechnen ist. Der Motor, ggf. mit
Getriebe, eine integrierte Führung, die SpindelMutter-Einheit, ebenso wie die Gelenke für den
geforderten Lastbereich bis hin zur hochauflösenden Positionserfassung im Einzelbein
bestimmen die erreichbare Präzision.
Motoren, Antriebe und Getriebeeinheit

Kugelgelenke

PI Hexapoden basieren auf elektromechanischen Antrieben und sind damit viel genauer als die hydraulischen Hexapoden, die vonFlug- oder Fahrsimulatoren bekannt sind. Präzisionsspindelantriebe oder Piezolinearmotoren kommen zum Einsatz. Die meisten Systeme sind selbsthemmend. Direkt getriebene
Hexapoden bieten höhere Geschwindigkeiten,für den industriellen Einsatz sind insbesondere
bürstenlose Motoren (BLDC) geeignet.

Gelenke
Hexapoden für die Präzisionspositionierung
werden häufig mit kardanischen Gelenken
ausgestattet, bei denen zwei Gelenkachsen
orthogonal angeordnet sind. Damit wird die
optimale Kombination aus zwei Freiheitsgraden und Steifigkeit des Aufbaus erreicht.
Kugelgelenke bieten mehrere Freiheitsgradein einer mechanisch oft einfacheren Konstruktion. Sie können jedoch die Gesamtsteifigkeit und damit die Präzision bei auftretenden
Momenten reduzieren. Eine kompensierende
Vorspannung ist nur möglich, wenn die Antriebe entsprechend hohe Kräfte aufbringen, wie
z. B. die NEXLINE® Piezomotorantriebe.
Für besonders hohe Präzision und geringe
line are Auslenkungen und Winkel können
Fest körpergelenke eingesetzt werden, diereibungsfrei, spielfrei und ohne Einsatz vonSchmiermitteln arbeiten.

Die Anwendung bestimmt die Antriebstechnologien: So sind Hexapoden mit piezoelektrischen PiezoWalk® Schreitantrieben für Ultrahoch vakuum-Anwendungen geeignet undkönnen auch in sehr starken Magnetfeldern
betrieben werden.

182

Die Positioniergenauigkeit eines Präzisionshexapoden H-824 über den vollen Stellweg von 25 mm in Z-Richtung
liegt bei wenigen Mikrometern, die Wiederholgenauigkeit deutlich unter ±0,1 μm

H E X A P O D U N D S PA C E F A B | W W W. P I . D E

Die Gesamtheit aller Kombinationen von Translationen
und Rotationen, die derHexapod von der aktuellen
Position aus anfahren kann,wird als Arbeitsraum bezeichnet; man bezieht sich bei der
Angabe auf den Ursprung desverwendeten Koordinatensystems. Der Arbeitsraum kanndurch externe Faktoren wie
Hindernisse oder die Abmessungen und Position der Lasteingeschränkt werden

Der Arbeits- bzw Bewegungsraum

Spezielle Ansteuerung

Der Hexapod kann mit seiner Plattform im
Rahmen des Aktorhubs und der Gelenkwinkel
beliebige Kombinationen aus Verkippungen undDrehungen um einen frei wählbaren Drehpunkt
und Linearbewegungen ausführen. Die Verkabelung verursacht weder Reibung noch eine
Einschränkung des Bewegungsraums, wie es bei
seriellem Aufbau mit Verkabelung jeder Einzelachse häufig der Fall ist.

Die einzelnen Antriebe eines Hexapoden zeigen
nicht notwendigerweise in Richtung der Bewegungsachsen, weshalb eine schnelle Steuerung,die auch die Koordinatentransformation übernimmt, für den Betrieb benötigt wird.

Design mit konstanter Beinlänge
Alternativ zum Aufbau mit veränderlichen Beinlängen kann das Design auch vorsehen, die
Beinlänge konstant zu halten und stattdessen die
Ankoppelpunkte oder Gelenke zu verschieben.
Vorteile bietet dieses Design vor allem, wenn die
Antriebseinheit getrennt von der Plattform z. B.
außerhalb von Reinräumen oder Vakuumkammern angebracht werden soll.

Design mit konstanter Beinlänge. Die Antriebseinheit
verschiebt die Gelenkposition und bewegt so dieeigentlich passive PlattformPI setzt leistungsfähige Digitalcontroller ein undbietet kundenfreundliche Software zur einfachen
Kommandierung. Die Positionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben, alle Transformationen auf die Einzelantriebe finden im Controller statt.
Eine wesentliche Eigenschaft ist der frei definierbare Dreh- oder Pivotpunkt. Damit kann die
Bewegung der Hexapodplattform gezielt auf die
jeweilige Applikation abgestimmt und in den
Gesamtprozess integriert werden.

Bei dieser 3-Bein-Konstruktion werden zusätzliche Freiheitsgrade dadurch erzeugt, dassein passives Bein in zwei oder mehr Achsen bewegt werden kann. Beispiel: Im SpaceFAB
treibt je eine XY-Anordnung von Linearverstellern die Einzelbeine an

PIEZO

NANO

POSITIONING183

Hexapoden in der Automatisierung
Ansteuerung und Schnittstellen für einfache Integration

Präzise Bahnsteuerung auf Basis von G-CodeDer Hexapodcontroller kann auch die Bahnsteuerung auf Basis von G-Code nach DIN
66025/ISO 6983 vornehmen. G-Code ist dazu
als Kommandosprache direkt auf dem Controller implementiert.
Damit ist das Fahren auch von komplexen Trajektorien mit definierter Bahngeschwindigkeit
und Beschleunigung möglich. So kann beispielsweise der Hexapod ein Werkstück oderWerkzeug während der Bearbeitung mit großer
Präzision ruckbegrenzt verfahren, ohne dassdie Mechanik ins Schwingen kommt.

Die Soll-Positionen des Hexapods können in beliebigen
Koordinatensystemen kommandiert werden

Benutzerdefinierte Koordinatensysteme
Um eine perfekte Anpassung der Trajektorie
an die Applikationserfordernisse zu gewährleisten, ist es möglich mit Hilfe des Controllers verschiedene Koordinatensysteme zu
definieren, beispielsweise Work- und Toolkoordinatensysteme, die sich auf die Lage desWerkstücks oder des Werkzeugs beziehen. Das
ist vorteilhaft in der industriellen Automatisierung, aber auch für Fiber-Alignment-Aufgaben.

184

Standardisierte AutomatisierungsSchnittstellenÜber standardisierte Feldbusschnittstellen ist
die Anbindung an übergeordnete SPS oder
CNC-Steuerungen möglich. Dadurch können
die Hexapoden mit anderen Automatisierungskomponenten taktsynchron im Verbund
arbeiten.

Standardisierte Feldbusschnittstellen vereinfachen die Integration: Hexapoden in der Automatisierungstechnik

H E X A P O D U N D S PA C E F A B | W W W. P I . D E

Die SPS gibt als Master die kartesische SollPosition bzw. Bahnen im Raum vor undbekommt die Ist-Positionen ebenfalls überdie Feldbusschnittstelle zurückgemeldet. Alle
anderen Berechnungen, die notwendig sind,um die Fahrbefehle für das parallelkinematische Sechsachssystem umzusetzen, übernimmt der Hexapodcontroller, also die Transformation der kartesischen Soll-Positionen in
die Ansteuerung der Einzelantriebe. Der Controller verhält sich in diesem Fall wie ein intelligenter Antrieb.

SPS/CNC

Die Zykluszeiten für die Vorgabe neuer Positionen, Signalauswertung und Synchronisation
liegen zwischen 1 und 3 ms. Feldbusschnittstellen gibt es aktuell für Profibus, EtherCAT,
Profinet CANopen und SERCOS.

Berechnung der
inversen Kinematik(FeldbusMaster)

kartesische
Ist-Position

PI
Hexapod

PI Hexapod-Controller

kartesischeSoll-Position

Feldbus-SlaveInterface

Feininterpolation
MotorController
mit Drehzahl-/
Drehwinkelregelung

Transformation
der Encoderwerte
in kartesische
Koordinaten

Blockschaltbild: Der Hexapod-Controller verhält sich wie ein intelligenter Antrieb. Durch die Austauschbarkeit desFeldbus-Interfaces ist die Kommunikation mit einer Vielzahl von SPS bzw. CNC-Steuerungen möglich

185

PIEZO

NANO

POSITIONING

Motion Control Software
Effektive und komfortable Lösungen

Parallelkinematik

Nanopositionierung

BIS ZU 6 FREIHEITSGRADE

SUB-NANOMETER AUFLÖSUNGGCS
MOTION CONTROLLER

Antriebstechnologie

Mikropositionierung

D C , S C H R I T T, P I E Z O , M A G N E T I S C H

LANGE STELLWEGE

Unterstützte
Betriebssysteme■ Windows XP (SP3)■ Windows VISTA■ Windows 7 32/64 Bit■ Linux 32/64 Bit■ Windows 8 32/64 Bit

Alle Digitalcontroller von PI werden mit einem
umfangreichen Softwarepaket ausgeliefert. PI
unterstützt Softwareanwender durch umfangreiche Onlinehilfen und Handbücher, diesowohl die schnelle Inbetriebnahme ermöglichen als auch Detailfragen für den fortgeschrittenen Anwender erläutern. Aktualisierte
Versionen der Software sind für PI Kundenjederzeit kostenlos über das Internet verfügbar.
Die PI Software deckt alle Anwendungsaspekteab, angefangen bei der einfach durchführbaren
Inbetriebnahme über die komfortable Ansteuerung der Systeme über grafische Oberflächen
bis zur schnellen und übersichtlichen Einbindung in externe Programme.

Universeller Befehlssatz vereinfacht Inbetriebnahme und Programmierung
PI hat den PI General Command Set (GCS)
entwickelt, über den alle Nano- und Mikropositioniersysteme, unabhängig von den verwendeten Antrieben und Motion Controllern,angesteuert werden. Die durchgängig einheitliche Kommandostruktur erfordert lediglich eineeinmalige Einarbeitungszeit und vermindert
die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Programmierung. Das spart Zeit bei der Erstellung voneigenen Applikationsprogrammen.

186

H E X A P O D U N D S PA C E F A B | W W W. P I . D E

PIMikroMove® Software sorgt für schnelle
Inbetriebnahme
PIMikroMove® steuert alle Positioniersysteme
von PI übersichtlich und komfortabel an, egal
ob mit piezoelektrischen, magnetischen oderklassischen Elektromotorantrieben, unabhängig von der Zahl und Konfiguration der Achsen.
Alle angeschlossenen Controller und Achsen werden in einer einheitlichen grafischen
Umgebung angezeigt. Dabei können für einemehrachsige Anwendung verschiedene Controller verwendet und dennoch über PIMikroMove® im selben Fenster kommandiert werden. Zwei oder mehrere unabhängige Achsen
können im Position Pad mit der Maus odereinem Joystick bewegt werden, auch vektoriell; Hexapoden werden grafisch dargestellt.
Makros erleichtern wiederkehrende Aufgaben,
wie sie bei automatisierten Vorgängen anfallen. Die Makros werden als GCS-Befehlsfolgen erstellt, die abhängig vom verwendeten
System z. B. in Form von Startup-Makros direkt
auf dem Controller ausgeführt werden können
oder vom Host-PC abgearbeitet werden.

Scanalgorithmen können analoge Werte in
Abhängigkeit von der Position aufzeichnen
und darstellen oder das globale Maximum
eines analogen Wertes vollautomatisch finden.
Abhängig vom Controller unterstützt PIMikroMove® unterschiedliche Funktionalitäten.
Ein Datenrecorder kann z. B. Bewegungs- undSystemparameter aufzeichnen.
Optimales Systemverhalten
Wenn die mechanischen Eigenschaften eines
Systems z. B. durch eine andere Last verändert werden, ist oft eine Parameteranpassung
notwendig. PI Software bietet Tools, um das
Ansprechverhalten und die Systemstabilität zu
optimieren und verschiedene Sätze von Parametern zu speichern, die dann für selbstprogrammierte Applikationen bereit stehen.

187

PIEZO

NANO

POSITIONING

Motion Control Software
Schnelle Einbindung der PI Controller in Programmiersprachen und Softwareumgebungenvon Drittanbietern

Viele Applikationen werden heute in LabVIEW
erstellt, z. B. in der Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik. PI stellt vollständige
LabVIEW-Treiber zur Verfügung. Ein controllerspezifisches Configuration_Setup VI wird am
Anfang der LabVIEW-Applikation eingebunden
und beinhaltet alle zur Inbetriebnahme benötigten Systeminformationen und Initialisierungsschritte. Die Applikation selbst wird mit
controllerunabhängigen VIs umgesetzt.
Bei Controllerupgrades oder -wechseln mussin der Regel nur das Configuration_Setup VI
ausgetauscht werden, der applikationsspezifische Code bleibt aufgrund des einheitlichen
Befehlssatzes GCS identisch.
Der Treibersatz beinhaltet viele spezielle Beispielprogramme, z. B. umfangreiche Scan- und
Alignapplikationen, die als Template für eigene
Programme genutzt werden können. Zudem
ermöglicht der offene Quellcode vieler VIs die
schnelle Anpassung an die Anwenderbedürfnisse.

188

Diese Bibliotheken unterstützen alle gängigen
Programmiersprachen und alle Positioniersysteme von PI. Die Funktionalität des PI GCSBefehlsatzes kann dadurch nahtlos in externe
Programme eingebunden werden.
Softwarepakete von Drittanbietern
Treiber für die PI GCS-Kommandos sind inzwischen in den bekanntesten DrittanbieterSoftwarepaketen integriert. So ist die Ansteuerung von PI Systemen z. B. über MetaMorph,μManager, MATLAB und ScanImage möglich.
Außerdem sind EPICS- und TANGO-Treiberfür die Integration in Experimente in Großforschungsanlagen verfügbar. Die Treiber für
μManager, MATLAB sowie ein großer Teil der
EPICSTreiber werden von PI selbst entwickelt
und gepflegt.

Unterstützte
Sprachen und Softwareumgebungen

Flexible Einbindung in textorientierte Programmiersprachen■ C, C++, Python, Visual C++, Visual

Die Einbindung von PI Positioniersystemenin textbasierte Programmiersprachen unter
Microsoft Windows oder Linux wird durch
Programmbibliotheken und Beispielcodes
erleichtert.

■ LabVIEW, MATLAB, μManager,

Basic, Delphi
EPICS, TANGO, MetaMorph■ sowie alle Programmierumgebungen,die das Laden von DLLs unterstützen

H E X A P O D U N D S PA C E F A B | W W W. P I . D E

Hexapodspeziﬁsche Software

Hexapoden erfordern aufgrund ihres parallelkinematischen Aufbaus eine besonders komplexe Ansteuerung. So werden z. B. die Positionskoordinaten in virtuellen kartesischen Achsen
angegeben, die der Controller in eine Bewegung der einzelnen Aktorkanäle umrechnet.
PI bietet spezielle Software, die die 6-AchsenPositionierer in der Anwendung komfortabler
bedienen und einfacher einbinden lassen.
Bewegungs- bzw. Arbeitsraum ermitteln
Die Grenzen des Arbeitsraums variieren in
Abhängigkeit von der aktuellen Position desHexapods (Translations- und Rotationskoordinaten) und den aktuellen Pivotpunktkoordinaten. Im Lieferumfang der PI Hexapodsoftware
enthalten ist ein Programm, mit dem dieseGrenzen berechnet und grafisch dargestellt
werden können.
Zulässige Last prüfen
Der Grenzwert für die Belastung des Hexapods
variiert in Abhängigkeit von verschiedenen
Faktoren: Dem Startzustand des Hexapodsystems, der Einbaulage des Hexapods, der Last
und der Position ihres Massenschwerpunkts,
der Position (Translations- und Rotationskoordinaten) der bewegten Hexapodplattformsowie den Kräften und Momenten, die an derbewegten Plattform des Hexapods angreifen.
Das Hexapodsoftwarepaket enthält bereits eine
PI Simulationssoftware, die im konkreten Lastfall auftretende Kräfte und Momente berechnet
und sie individuell gegen die zulässigen Werte
für die betreffende Hexapodmechanik prüft.

PIVeriMove: Kollisionen vermeiden bei eingeschränktem Arbeitsraum
Eine zusätzlich verfügbare Simulationssoftware von PI ermöglicht offline die grafische
Konfiguration und Simulation des Hexapods
in der Anwendungsumgebung. Durch einfache Formen wie Zylinder und Quader können
Objekte definiert oder anhand von CAD-Dateneingelesen werden. PIVeriMove prüft dann daraus resultierende Einschränkungen im Arbeitsraum. Implementiert in die Controllerfirmware
oder in die Applikationssoftware wird so verhindert, dass Positionen angefahren werden,
in denen der Hexapod oder die montierte Last
mit der Umgebung kollidieren würden.

Die Simulationssoftwarestellt die Position und den zur
Verfügung stehenden Arbeitsraum des Hexapodmodells
grafisch dar

Emulation: Das Hexapodsystem als virtuelle
Maschine
Oft besteht der Wunsch nach einer frühzeitigen
Implementation der Kundensoftware oder derPrüfung des benötigten Arbeitsraumes für die
anstehende Aufgabe, ohne dass das Systembereits vor Ort zur Verfügung steht. PI stellteine geeignete Software zur Verfügung, mit
der ein vollständiges Hexapodsystem (Hexapodmechanik und Controller, ggf. auch mit
Peripherie) als virtuelle Maschine auf dem
Host-PC realisiert werden kann. So können
schon vor Erhalt des Systems Anwendungsprogramme entwickelt und vorgetestet werden, Lastfälle simuliert und der Bewegungsraum ermittelt werden. Bei der Lieferung ist
dann alles schon fertig!
PITouch: Mit dem iPhone, iPad oder iPodPI Hexapoden steuern
Das Hexapodsystem kann auch drahtlos vonmobilen Apple-Endgeräten aus gesteuert werden. Eine entsprechende App ermöglicht die
Kommandierung über Touchscreen, Bewegungssensoren oder – gewohnt präzise – überein Kommandoeingabefenster.

189

PIEZO

NANO

POSITIONING190

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Motorisierte Positioniersysteme

Produkte

Seite 192 – 251

Grundlagen motorisierter Positioniersysteme

Seite 252 – 265

191

PIEZO

NANO

POSITIONING

Präzisionslinearversteller

System mit hochpräzisen PI miCos Linear- und Rotationsachssen
für die Positionierung von Wafern in der Chipherstellung192

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Linearversteller mit Piezomotoren

Seite 194

Kleine Präzisions-Linearversteller

Seite 198

Linearversteller für Stellwege bis 1 m

Seite 202

Nanometer-Präzision über lange Stellwege

Seite 208

Schnelle Scans mit konstanter Geschwindigkeit

Hochgeschwindigkeitstische mit hervorragender Präzision

Seite 210

Elektromagnetischer Linearmotor kombiniert mit hochauflösendem
Encoder

Präzisions-Hubtische

Seite 212

Manuelle Versteller unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

193

Miniaturtische mit Piezomotoren
und direkter Positionsmessung
Piezomotoren ersetzen Elektromotor-Spindel-Antriebe in Kleinstverstellern

LPS-45Highlights■ Linearencoder mit Auflösung bis wenige Nanometer■ Sehr kompakte XY-Kombinationen■ Vakuumversionen bis 10-9 hPa verfügbar
■ Nichtmagnetische Ausführungen auf Anfrage

Anwendungen
Piezoelektrische Linearmotoren ermöglichen Versteller mit kleinsten Abmessungen. Der Direktantrieb vermeidet mechanische Komponenten wie Getriebe und Spindeln und ist daher zuverlässig und hochauflösend bis auf einzelne Nanometer. Piezomotoren sind prinzipiell vakuumkompatibel und erzeugen keine magnetischen Störungen. Dadurch eröffnen
sie Anwendungsbereiche, in denen Elektromotoren nicht eingesetzt werden können. In Kombination mit einem direkt
messenden optischen Encoder ermöglichen z. B. die Tische mit PIShift Trägheitsantrieben eine sehr präzise und wiederholbare Positionierung. Je nach Antriebsprinzip werden hohe Geschwindigkeit, hohe Kräfte und/oder hohe Auflösung
erreicht.
194

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

LPS-23

LPS-24LPS-23

LPS-24

M-663

LPS-45

Kleinstes geregeltes
Positioniersystem

Bestes Kraft-BauraumVerhältnis

Schneller Linearmotor
mit bis zu 250 mm/s

Hohe
Führungsgenauigkeit

13, 2615

19

13, 2623 bis 35 × 23 × 10

33 bis 60 × 24 × 20

35 × 35 × 15

48 bis 63 × 45 × 15

Rechnerische Auflösung
in μm

0,001

0,002

0,1; 0,6

0,001

Kleinste Schrittweite
in μm

0,01

Sensorabhängig
0,3 bis 0,04

Sensorabhängig
0,3 bis 3

0,006

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,02

Sensorabhängig
0,3 bis <0,01

Sensorabhängig
0,3 bis 0,20,018Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±80 bis ±110

±100

±300

±50, ±80

Geschwindigkeit in mm/s

10

10

250

10

Belastbarkeit in N

2

10

5

10

Druck- / Zugkraft in N

2

5

2

8

Haltekraft in N

2

7

2

8

PIShift Piezoträgheitsantrieb

NEXACT®
Piezoschreitantrieb

PILine® UltraschallPiezomotor

PIShift Piezoträgheitsantrieb

48

55

120

48

E-871 einachsig

E-861 einachsig

C-867 ein- oder zweiachsig

E-871 einachsig

Stellweg in mm
Abmessungen in mm

MotortypBetriebsspannung
Spitze-Spitze in V
Empfohlener Controller

M-663

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

195

Linearversteller mit Piezomotoren
und direkter Positionsmessung
Piezodirektantrieb ermöglicht sehr niedrige Bauhöhe

LPS-65Highlights■ Direkte Positionsmessung mit hochauflösendem optischem Encoder■ Selbsthemmend im Ruhezustand, keine Wärmeentwicklung■ Sehr kompakte XY-Kombinationen■ Vakuumversionen verfügbar

AnwendungenTestausrüstungen für industrielle Fertigung oder Qualitätssicherung profitieren vom geringen Platzbedarf der Piezomotoren. Der große Dynamikbereich von PILine® Ultraschallantrieben macht sie für Life Science-Anwendungen oder
Forschungseinrichtungen in der Biotechnologie interessant, wo ein schnelles Umschalten vom Scanbetrieb zu präziser
Positionierung nötig ist.

196

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-664

M-683

LPS-65
S 65

M
M-664
664

M-664KM
M-683
68

M-664K
CEP

Sondermodell
Stellweg in mm

13, 26, 52

25

50

50

80 bis 160 × 65 × 20

90 × 50 × 16

130 × 95 × 21

120 × 40 × 9

Rechnerische Auflösung
in μm

0,0005

0,1

0,02

0,5

Kleinste Schrittweite
in μm

0,001

0,6

0,1

3

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,001

0,2

0,1

1

Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±40 bis ±60±75 / ±50±150 / ±50±150

Geschwindigkeit in mm/s

10

400

350

100

Belastbarkeit in N

20

25

50

–

Druck- / Zugkraft in N

10

2,5

6

2

Haltekraft in N

10

2,5

6

2

NEXACT®
Piezoschreitantrieb

PILine® UltraschallPiezomotor

PILine® UltraschallPiezomotor

PILine® UltraschallPiezomotor

55

200

200

200

E-861 einachsig

C-867 ein- oder zweiachsig

C-867 ein- oder zweiachsig

C-867 OEM-Version,vernetzbar

Abmessungen in mm

MotortypBetriebsspannung
Spitze-Spitze in V
Empfohlener Controller

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

197

Kleine Präzisions-Mikrostelltische
mit Elektromotoren
Stellwege bis 52 mm (2“), Lasten bis 50 N

M-110

Highlights■ Für Lasten bis zu 5 kg
■ Sehr kompakte XY- und XYZ-Kombinationen■ Stellwege bis 52 mm (2“)

AnwendungenKompakte Antriebslösungen sind für automatisierte Abläufe in vielen Bereichen von der Mikrobearbeitung im Präzisionsmaschinenbau bis hin zur Photonikfertigung unerlässlich. Sowohl für Testsysteme als auch zum Einsatz im Produktionsprozesssind diese Kleinverstellerserien hervorragend geeignet. Unterschiedliche Motorisierungen, Positioniergenauigkeit und Stellwege bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

198

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

LS-40

M-122

LS-40

M-110
M-111
M-112

M-122

13, 26, 52

5 bis 25

25

62,5 bis 101,5 × 40 × 20
plus Motor 77 × 40 × 26

60 bis 80 × 62 × 20,5

86 × 60 × 20,5

bis 0,01

bis 0,007

0,1

Kleinste Schrittweite
in μm

0,1

0,05 bis 0,20,2Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm0,10,1 bis 0,50,15Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad±150 bis ±190

±50 bis ±150

±150

Geschwindigkeit in mm/s

5

1 bis 220

Antriebsspindelsteigung
in mm

0,5; 1

0,4; 0,5

0,5Belastbarkeit in N

30

20 bis 30

50

Druck- / Zugkraft in N

20

10

20

DC-Getriebemotor /2-Phasen-Schrittmotor
mit und ohne Getriebe

DC-Getriebemotor /2-Phasen-Schrittmotor

DC-Motor

SMC Controller

C-863 einachsig
C-663 einachsig

C-863 einachsig

Stellweg in mm
Abmessungen in mm
Rechnerische Auflösung
in μm

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

199

Kompakte Präzisions-Linearversteller
mit Elektromotoren
Stellwege bis 100 mm, Lasten bis 300 N

MTS-65Highlights■ Große Auswahl an Modellen mit unterschiedlichen Antriebsspindeln■ Kompakte XY-Kombinationen■ Zahlreiche Motorvarianten

AnwendungenDiese kompakten Linearversteller bieten Stellwege bis 100 mm (4“) und sind in weiten Bereichen einsetzbar. Typischerweise werden sie für Inspektionssysteme mit geringem Platzangebot benötigt. Zu den Aufgaben gehören die Mikromanipulation z. B. von optischen Komponenten, bis hin zur hochpräzisen Positionierung von Lasten bis zu 30 kg in Test- undPrüfeinrichtungen.

200

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-126

LS-65

M-605

MTS-65

M-126

LS-65

M-605

13 bis 52

20 bis 25

26 bis 102

25, 5038,5 bis 62 × 65 × 31

101,5 x 83 x 26
plus Motor 115 × 40 × 34

93 bis 171 × 65 × 30
plus Motor 90 × 40 × 40

194 × 113 × 33,5

Rechnerische Auflösung
in μm

bis 0,05

bis 0,0035

bis 0,50,1

Kleinste Schrittweite
in μm

bis 0,05

0,1 bis 1

0,2 bis 0,5

0,3

0,1

0,1 bis 0,20,3 bis 0,50,1Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±40 bis ±80±50±70 bis ±130±30Geschwindigkeit in mm/s

80,7 bis 50

13 bis 20

50

Antriebsspindelsteigung
in mm

1

0,5 bis 1

1

1

Belastbarkeit in N

10

200

60

300

Druck- / Zugkraft in N

3

40/40 bis 50/50

25

20

2-Phasen-Schrittmotor

DC-Getriebemotor,
DC-Motor mit integrierten ActiveDrive
Verstärkern

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Motor mit integrierten ActiveDrive
Verstärkern

SMC Controller

C-863 einachsig
C-663 einachsig

SMC Controller

C-863 einachsig

Stellweg in mm
Abmessungen in mm

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

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PIEZO

NANO

POSITIONING

201

Linearversteller für Stellwege bis 600 mm
und Lasten bis 200 N
Viele Varianten der Motorisierung

M-404

Highlights■ Vorgespannte Präzisionsgewindespindeln oder Kugelumlaufspindeln für hohe Geschwindigkeit und Zyklenzahlen■ Variable Stellwege von 25 bis 600 mm■ XY- und XYZ-Kombinationen■ Für günstige Systemlösungen■ Vakuumversionen verfügbar

Anwendungen
Die Anwendungen sind breit gefächert und reichen von der Prozessautomatisierung über industrielle Testsysteme bis zu
Aufgaben der Qualitätssicherung. Diese Verstellerserien positionieren zuverlässig Lasten im mittleren Bereich von 50 bis
zu 200 N. Die vielen Varianten können ideal für die jeweilige Situation ausgewählt werden.

202

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-413

VT-80

VT-75

M-403
M-404

M-413
M-414

VT-80

VT-75

25 bis 200

100 bis 300

25 bis 300

50 bis 600

141 bis 316 x 80 x 40,5

255 bis 455 × 120 × 57

100 bis 375 × 80 × 25
plus Motor 70 × 40 × 40

181 bis 781 × 75 × 30
plus Motor 110 × 43 × 70

bis 0,012

bis 0,018

bis 0,5bis 2

0,1 bis 0,25

0,1 bis 0,50,2 bis 0,50,4 bis 2

0,5 bis 1

0,5 bis 1

0,4 bis 0,80,4 bis 2±75 bis ± 200
pro 100 mm±100 bis ±300
pro 100 mm±100 bis ±210

±40 bis ±110Max. Geschwindigkeit
in mm/s

50

100

20

150

Antriebsspindelsteigung
in mm

1, 2

1, 2

1

4

Belastbarkeit in N

200

500

50

50

50, 100

50, 200

30

18 bis 88

DC-Getriebemotor, DCMotor mit integrierten
ActiveDrive Verstärkern,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Getriebemotor, DCMotor mit integrierten
ActiveDrive Verstärkern,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

C-863 einachsig
C-663 einachsig

C-863 einachsig
C-663 einachsig

SMC Controller

SMC Controller

Stellweg in mm
Abmessungen in mm
Rechnerische Auflösung
in μm
Kleinste Schrittweite
in μm
Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μmÜbersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

Druck- / Zugkraft in N

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

203

Linearversteller für Stellwege bis 500 mm
Präzisions-Mikrostelltische für Lasten bis 1000 N

LS-110Highlights■ Abdeckung der Mechanik zum Schutz vor Staub und Schmutz■ Kombinationen unterschiedlicher Motorisierungen und variable Stellwege■ Hohe Steifigkeit und mechanische Stabilität

AnwendungenIndustrielle Anwendungen im Produktionsprozess wie z. B. die Laserbearbeitung profitieren von der präzisen Positionierung dieser Versteller. Die variablen Verstellerserien mit geringer Bauhöhe machen sie universell einsetzbar, vonTesteinrichtungen bis hin zu Fertigungsstrecken in der Präzisionsautomatisierung.

204

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-410LS-180

M-505

M-405
M-410
M-415

M-505

LS-110LS-180207 bis 307 × 106,5 × 40
plus Motor 125 × 60 × 36

245 bis 370 × 108 × 43

225 bis 480 × 110 × 45

470 bis 920 × 180 × 55

Stellweg in mm

50 bis 150

25 bis 150

26 bis 305

155 bis 508

Rechnerische Auflösung
in μm

bis 0,0035

bis 0,017

bis 0,05 mit
Linearencoder

bis 0,05
mit Linearencoder

Kleinste Schrittweite
in μm

0,1 bis 0,25

0,05 bis 0,25

0,05 bis 1

0,05 bis 0,50,20,1 bis 0,25

0,05 bis 1

0,05 bis 0,5Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±25 bis ±75±25±30 bis ±100

±40 bis ±100

Geschwindigkeit in mm/s

0,7 bis 15

3 bis 50

45 bis 90

75 bis 200

Antriebsspindelsteigung
in mm

0,5

1

2

5

Belastbarkeit in N

200

1000

100

1000

40 bis 50

50

80

200

DC-Getriebemotor, DCMotor mit integrierten
ActiveDrive Verstärkern,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Getriebemotor, DCMotor mit integrierten
ActiveDrive Verstärkern,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

C-863 einachsig
C-663 einachsig

C-863 einachsig
C-663 einachsig

SMC Controller

SMC Controller

Abmessungen in mm

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

Druck- / Zugkraft in N

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

205

Linearversteller für Stellwege bis 1 m
Hochpräzisionspositionierung mit Schrittweiten bis einige 10 nm

M-511

Highlights■ Positionierung der Referenzklasse■ Hervorragende Langzeitstabilität durch hochsteife Grundprofile■ Hochpräzise Komponenten wie Kreuzrollenführungen und spielfreie Kugelumlaufspindeln■ XY-Kombinationen; passende Hubtische verfügbar
■ Optional direkte Positionsmessung mit Linearencoder

Anwendungen
Die Anwendungsbereiche dieser Verstellerserien gehören zu den anspruchsvollsten in der Präzisionspositionierung. Dazu
zählen die Inspektion von Wafern in der Halbleiterindustrie, Justage und Integration in Testvorrichtungen in der Photonikfertigung, oder auch Mess- und Inspektionsaufgaben in der Qualitätssicherung.

206

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

PLS-85

HPS-170

PLS-85

HPS-170

M-511
M-521
M-531

LS-27026 bis 155

52 bis 305

102 bis 306

155 bis 1016

119,5 bis 257,5 × 85 × 35
plus Motor 100 × 43 × 70

261 bis 556 × 170 × 50
plus Motor 100 × 75 × 50

400 bis 600 × 140 × 55

550 bis 1 400 × 270 × 100

0,05

bis 0,05

bis 0,02

bis 0,05

Kleinste Schrittweite
in μm

0,05 bis 1

0,05 bis 0,20,1 bis 0,50,05 bis 0,5Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,05 bis 1

0,05 bis 0,2±0,1 bis ±0,50,05 bis 0,5Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±60 bis ±150

±20 bis ±40±25 bis ±50±20 bis ±120

Geschwindigkeit in mm/s

20 bis 90

35 bis 90

6 bis 125

50 bis 150

Antriebsspindelsteigung
in mm

1, 2

2

2

5

Belastbarkeit in N

100

350

1 000

1 500

Druck- / Zugkraft in N

50

bis 150

80/80

bis 260

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

Bürstenloser DC-Motor(BLDC), DC-Getriebemotor, DC-Active-Drive,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

SMC Controller

SMC Controller

C-863 einachsig
C-663 einachsig

SMC Controller

Stellweg in mm
Abmessungen in mm
Rechnerische Auflösung
in μm

MotortypEmpfohlener Controller

LS-270Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

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PIEZO

NANO

POSITIONING

207

Nanometer-Präzision über lange Stellwege
Schnelle Scans mit konstanter Geschwindigkeit

N-664

Highlights■ Nanometer-Schrittweiten■ Direkte Positionsmessung■ Einregeln in wenigen Millisekunden

AnwendungenBei der Oberflächeninspektion z. B. mit Weißlichtinterferometrieverfahren kommt es auf gleichmäßigen Vorschub mit
konstanter Geschwindigkeit und nanometergenaues Positionieren an. Auch schnelle Scans profitieren davon.

208

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-511.HD

M-714

UPM-160

M-714

N-664

UPM-160

100

7

30

55 bis 205

400 × 140 × 51,5

140 × 120 × 55

120 × 65 × 20

210 bis 360 × 160 × 55
plus Motor 120 × 60 × 55

2

2

0,5

bis 0,001

Kleinste Schrittweite
in μm

0,004

0,004

0,002

0,035 bis 0,05

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,01

0,01

0,00050,035 bis 0,05Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±25

±10

±20

±15 bis ±30

Geschwindigkeit in mm/s

50

0,2

10

18 bis 100

Antriebsspindelsteigung
in mm

2

1

ohne Spindel

2,5; 5

200

–

20

350

80/80

100/100

10100

Hybrid: DC-Motor mit
Piezodirektantrieb

Hybrid: DC-Getriebemotor mit Piezodirektantrieb

NEXACT® Linearantrieb

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

C-702 zweiachsig

C-702 zweiachsig

E-861 einachsig

SMC Controller

M-511.HD

Stellweg in mm
Abmessungen in mm
Rechnerische Auflösung
in nm

Belastbarkeit in N
Druck- / Zugkraft in N

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

209

Hochgeschwindigkeitstische mit
hervorragender Präzision
Elektromagnetischer Linearmotor kombiniert mit hochauflösendem Encoder

UPS-150

Highlights■ Direktantrieb ohne zusätzliche mechanische Komponenten, also weniger Verschleißteile■ Hohe Geschwindigkeiten von mehreren 100 mm/s
■ Präzision nur von Encoder und Führungen abhängig
■ Kombinierbar mit hochdynamischen direkt getriebenen Rotationstischen■ Endschalter zum Schutz der Mechanik

AnwendungenInsbesondere industrielle Anwendungen nutzen die Zuverlässigkeit und hervorragende Präzision dieser Tische mit Direktantrieb. Ihre hohe Dynamik sorgt für hohe Durchsatzraten bei automatisierten Aufgaben im Bereich von Testsystemenz. B. in der Halbleiterindustrie. Sie steigern auch die Effizienz z. B. in Elektronikfertigungslinien oder der Laserbearbeitung.

210

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

LMS-60

LMS-180

LMS-60

UPS-150

LMS-180V-106

15 nm-Linearencoder
integriert

1 nm- oder 15 nm-Linearencoder integriert

15 nm-Linearencoder
integriert

VoiceCoil-Antrieb fürschnelles Scannen
und Positionieren25, 6552 bis 305

155 bis 508

6, 20

145 bis 185 × 60 × 14

198 bis 454 × 150 × 55

470 bis 820 × 180 × 55

120 × 120 × 44

0,015

0,001 bis 0,015

0,015

0,1

Kleinste Schrittweite
in μm

0,1

0,015 bis 0,02

0,04

0,2

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,10,015 bis 0,025

0,05

0,2

Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±80 bis ±100

±15 bis ±40±40 bis ±80±25Geschwindigkeit in mm/s

500

600

500

270

Belastbarkeit in N

30

150

450

36, 81

Druck- / Zugkraft in N

7 (typ.), 31 (max.)

22 (typ.), 88 (max.)

50 (typ.), 170 (max.)

5, 3,3

Empfohlener Controller

SMC Controller

SMC Controller

SMC Controller

C-863 einachsig

Stellweg in mm
Abmessungen in mm
Rechnerische Auflösung
in μm

V-106

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

211

Präzisions-Hubtische
Hohe Lasten mit hervorragender Genauigkeit positionieren

UPL-120

Highlights■ Für hohe Lasten■ Stellwege bis 13 mm■ Mit integrierten Endschaltern

Anwendungen
Lithografieverfahren, Waferinspektion oder die Photonik stellen höchste Anforderungen an die Präzision der Positioniersysteme. Diese Z-Versteller sind speziell für Lasten bis 300 N ausgelegt, so dass sie wenn nötig auch noch weitere Verstellerachsen tragen können.

212

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

NPE-200

UPL-120

M-451

NPE-200

M-451

Hervorragende
Ablaufgenauigkeit

Kompatibel mit
Piezopositioniertischen

170 × 110 × 55

238 × 200 × 85

154 × 150 × 95 plus
Motor 110 × 60 × 40

13

13

12,5

Rechnerische Auflösung
in μm

bis 0,013

0,001

bis 0,0028

Kleinste Schrittweite
in μm

0,1 bis 0,5

0,005

0,2

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,05 bis 0,5

0,04

0,3

Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad

±100

±20

±75

Geschwindigkeit in mm/s

60,20,8 bis 3

Antriebsspindelsteigung
in mm

0,268

2

0,5

bis 200

300

120

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Getriebemotor

DC-Getriebemotor, DCActiveDrive, 2-PhasenSchrittmotor

SMC Controller

SMC Controller

C-863 einachsig
C-663 einachsig

Abmessungen in mm
Stellweg in mm

Belastbarkeit in N

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

213

Präzisions-Hubtische
Kombinieren mit Linear- und Rotationsverstellern

M-501

Highlights■ Verschiedene Lastklassen■ Stellwege bis 25 mm■ Mit integrierten Endschaltern

Anwendungen
Für Bewegungen in Z stehen spezielle Hubtische zur Verfügung, die möglichst kompakt mit Lineartischen oder
Rotationstischen kombiniert werden können. Alternativ zu Hubtischen können Linearversteller über Adapterwinkel
für Z-Bewegungen genutzt werden, womit auch längere Stellwege realisiert werden können.

214

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

ES-82

ES-100ES-82

ES-100M-501

Zur Kombination mit
PLS-85, LS-65 und
MTS-65

Zur Kombination mit
LS-110 und PRS-110

Zur direkten Montage
auf M-511, M-521, M-531

92 × 82 × 45

140 × 100 × 90 bis 105

130 × 130 × 95

13

13 und 26

12,5

bis 0,05

bis 0,05

bis 0,005

Kleinste Schrittweite
in μm

0,1 bis 0,30,05 bis 0,5<0,1Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,1 bis 0,30,05 bis 0,50,1Übersprechen rotatorisch(Neigen / Gieren) in μrad±75±100 bis ±150

±15Geschwindigkeit in mm/s

0,08 bis 0,1

15 bis 20

1 bis 3

Antriebsspindelsteigung
in mm

7

1

1

Belastbarkeit in N20

bis 5550, 100

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Getriebemotor,
DC-Active-Drive

SMC Controller

SMC Controller

C-863 einachsig

Abmessungen in mm
Stellweg in mm
Rechnerische Auflösung
in μm

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

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PIEZO

NANO

POSITIONING

215

Präzisionskreuztische
Für Mikroskopie und Inspektionsaufgaben

Endothelzellen unter dem Mikroskop (Quelle: Lemke Group, EMBL Heidelberg)

216

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Mikroskopietische

Seite 218

Kreuztische mit Apertur

Präzisionskreuztische

Seite 220

Scanner für Inspektions- und Mikroskopieaufgaben

Z-Piezoscanner und Objektivfokussierer

Seite 44

Objektiv und Probe schnell und präzise positionieren

217

PIEZO

NANO

POSITIONINGMikroskopietischeKreuztische mit Apertur

M-687

Highlights■ Passend auf gängige Mikroskope bekannter Hersteller wie Nikon, Zeiss, Leica und Olympus■ Stabile Positionierung■ Niedrige Bauhöhe für einfache Integration■ Kompakte und flache Bauform erlaubt freien Zugang zur Probe■ Hohe Geschwindigkeitskonstanz auch bei Geschwindigkeiten um 10 μm/s
■ Passende Piezo-Scantische für XYZ- und Z-Probenpositionierung verfügbar

Anwendungen
Für Superresolution-Mikroskopie, Tiling, automatisierte Scanning-Mikroskopie218

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-545

M-686

M-545

M-686

M-687

Manueller Antrieb mit
Mikrometerschrauben,
optionale Motorisierung

Dynamisch durch
Direktantrieb mit
Ultraschall-Piezomotor

Dynamisch durch
Direktantrieb mit
Ultraschall-Piezomotor

P-545 PInano®

P-563 PIMars, P-541

P-736 PInano®

140 × 100
für Objektträger undPetrischalen

78 × 78

160 × 100
für Multititerplatten

230 × 240 × 30

170 × 170 × 32

400 × 297 × 48
(für Nikon Eclipse Ti)
400 × 237 × 36
(für Olympus IX2)

25 × 25

25 × 25

135 × 85(für Nikon Eclipse Ti)
100 × 75
(für Olympus IX2)

0,046 (motorisiert)

0,1

0,1

1 (motorisiert)

0,3

0,3

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

2

0,3

0,3

Max. Geschwindigkeit in
mm/s

1,5

100

120

Belastbarkeit in N

50

50

50

Motorisiertes Systeminkl. Controller und
JoystickC-867 PILine® Motion
Controller zweiachsig

System inkl. Controller
und Joystick

Passende
Piezo-Scantische
Freie Apertur in mm

Abmessungen in mm

Stellweg in mm

Rechnerische Auflösung
in μm
Kleinste Schrittweite
in μm

Empfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

219

Präzisionskreuztische
Scanner für Inspektions- und Mikroskopieaufgaben

MCS

Highlights■ Stabile Plattformen mit Elektromotoren■ Mit Apertur für Durchlicht- und Auflicht-Mikroskopie geeignet■ Optional mit Linearencoder■ Minimale Ebenheitsabweichung

Anwendungen
Die Führungs- und Positioniergenauigkeit dieser Mikroskopie-Kreuztische wird vor allem in der industriellen Messtechnik
benötigt. Anwendungsgebiete sind industrielle Oberflächenmesstechniken wie Topologiemessungen an Werkstücken und
Optiken oder Strukturmessungen an Halbleiterwafern. Die hohen Traglasten ermöglichen die Montage weiterer Achsen,z. B. von Drehverstellern, Hubmodulen und Kippverstellern auf der Plattform.

220

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

CS-430

MCS

M-880

CS-430M-880

380 × 380 × 80

430 × 430 × 100

600 × 600 × 105

150 × 150

–

Ø 160

102 × 102
205 × 205 / 305 × 305
auf Anfrage

350 × 300

20 × 20
rotatorisch in θZ: 8°

0,005 bis 0,2

bis 0,05–

bis 0,005

0,1 bis 0,5–0,20,1 bis 0,50,5Übersprechen in μrad

±40 / ±20±80–Max. Geschwindigkeit
in mm/s

35 bis 300

100

20

200

300

1500 (Haltekraft)

80 bis 200

110

200

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor, Linearmotor

2-Phasen-Schrittmotor

DC-Motor ActiveDrive

SMC Controller

SMC Controller

Systemcontroller

Abmessungen in mm
Freie Apertur in mm

Stellweg in mm

Rechnerische Auflösung
in μm
Kleinste Schrittweite
in μm
Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

Belastbarkeit in N
Druck- / Zugkraft in N
MotortypEmpfohlener Controller

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PIEZO

NANO

POSITIONING

221

Präzisionsrotationstische

Zwei Drehtische sind über einen Winkel verbunden undrealisieren ein 2-Kreis Goniometer: ein kardanisches Gelenk
mit gemeinsamem Drehpunkt

222

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Kleine Rotationstische mit Piezomotoren

Seite 224

Dynamischer Direktantrieb

Kleine Rotationstische mit Elektromotoren

Seite 226

Für kompakte gestapelte Mehrachs-Positioniersysteme

Präzisionsrotationstische

Seite 228

Ultrapräzise Rotationstische

Seite 230

Drehtische der Referenzklasse für höchste Ansprüche

Goniometer und Kipptische

Seite 232

1- oder 2-Achsenbewegung

223

PIEZO

NANO

POSITIONING

Kleine Rotationstische mit Piezomotoren
Dynamischer Direktantrieb

M-660

Highlights■ Dynamisches Start-/Stoppverhalten■ Kompakte Kombinationen mit Lineartischen möglich■ Direktmetrologie: Integrierte optische Encoder für direkte Positionsmessung■ Selbsthemmend im Ruhezustand, keine Wärmeentwicklung, kein Servozittern■ Hohe Führungsgenauigkeit■ Vakuumversionen verfügbar

AnwendungenDiese Miniaturtische sind flexibel einsetzbar, z. B. in der Materialprüfung oder zur Instrumentierung von Strahlexperimenten an Beschleunigerringen. Ihr Piezoantrieb ist prinzipiell vakuumtauglich und unmagnetisch, die Tische selbst sind sehr
kompakt.

224

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

U-624

M-660

U-628

U-624

U-628

vorläufige Daten

vorläufige Daten

Abmessungen in mm

116 × 116 × 14

30 × 30 × 12

50 × 50 × 16

Rotationsbereich in °unbegrenzt

unbegrenzt

unbegrenzt

Rechnerische Auflösung
in μrad (°)

4 / 34 (0,0002 / 0,002)

10 (0,0006)

3 (0,0002)

Kleinste Schrittweite
in μrad (°)

12 / 34 (0,0007 / 0,002)

70 (0,004)

10 (0,0006)

Max. Geschwindigkeit
in °/s

720

> 360

> 720

Belastbarkeit (Axialkraft)
in N

20

2

20

Drehmoment in Nm

0,3

0,02

0,05

Ultraschall-Piezomotor

Ultraschall-Piezomotor

Ultraschall-Piezomotor

C-867 PILine® Motion
Controller

C-867 PILine® Motion
Controller

C-867 PILine® Motion
Controller

Antrieb
Empfohlener Controller

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PIEZO

NANO

POSITIONING

225

Kleine Rotationstische mit Elektromotoren
Für kompakte gestapelte Mehrachs-Positioniersysteme

RS-40

Highlights■ Unbegrenzter Rotationsbereich mit kontaktlosem Referenzschalter■ Präzisionstische für minimiertes Umkehrspiel

AnwendungenViele Anwendungen in der Mikroskopie erfordern einen freien Durchgang für Licht. Diese kompakten Rotationstischekönnen auch in Optikanwendungen eingesetzt werden, wo sie z. B. Filter zuverlässig und mit hervorragender Wiederholgenauigkeit positionieren.

226

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

DT-34

M-116

DT-65 N

DT-34
-34
4

M-116

RS-40

DT-65 N

Vorgespannter
Riemenantrieb

Spielfrei vorgespannter
Schneckenantrieb

Spielfrei vorgespannter
Schneckenantrieb

Spielfrei vorgespannter
Schneckenantrieb, vorgespannte zweireihige
Kugelführung für minimale Verkippung

Freie Apertur Ø in mm

10

19

20

25

Abmessungen in mm

34 × 58 × 18,566 × 70 × 23,5

56 × 64 × 20

70 × 92,5 × 25

Rechnerische Auflösung
in μrad (°)

bis 0,7 (0,00004)

2,5 (0,00015)

bis 0,5 (0,00003)

bis 17 (0,001)

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μrad (°)

700 (0,04)

10 bis 12(0,0006 bis 0,0007)

90 (0,005)

35 (0,002)

Max. Geschwindigkeit
in °/s

675

20

7

60

Belastbarkeit in N

15

15

20

30

bis 0,9bis 1,50,20,82-Phasen-Getriebeschrittmotor,
DC-Getriebemotor

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

2-Phasen-Getriebeschrittmotor, DC-Getriebemotor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

SMC Controller

C-863 einachsig
C-663 einachsig

SMC Controller

SMC Controller

Antriebsdetails

Drehmoment in Nm

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

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PIEZO

NANO

POSITIONING

227

Präzisions-Rotationstische

PRS-110Highlights■ Spielfrei vorgespannter Schneckenantrieb■ Unbegrenzter Rotationsbereich mit kontaktlosem Referenzschalter

AnwendungenDiese hochpräzisen Rotationstische werden in vielen Anwendungsbereichen in Industrie und Forschung eingesetzt.
Testausrüstungen in der Materialprüfung oder die optische Messtechnik in der Photonik-Fertigung profitieren von der
hervorragenden Ablaufgenauigkeit und dem gleichmäßigen Vorschub.

228

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-062
DT-80 R

M-060
M-061
M-062

PRS-200

DT-80
DT-80 R

PRS-110

PRS-200

Mit manuellem Antrieb
verfügbar

Riemenübersetzte Version für hohe Geschwindigkeit >3 Umdrehungen/Sekunde

Vorgespannte undkalibrierte Lager fürminimale Verkippung

Vorgespannte Kugelführung für minimale
Verkippung

Freie Apertur Ø in mm

20 bis 45

40

35

120

Drehteller Ø in mm

60 bis 120

64

85

190

Abmessungen in mm

90 × 70 × 29 bis
150 × 130 × 38
plus Motor

83 × 86 × 30
plus Motor

125 × 110 × 55
plus Motor

225 × 200 × 75
plus Motor

Rechnerische Auflösung
in μrad (°)

bis 0,96 (0,00006)

bis 17 (0,001)

bis 1,7 (0,0001)

bis 1,3 (0,00008)

Kleinste Schrittweite
in μrad (°)

bis 5 (0,0003)

bis 17 (0,001)

bis 1,7 (0,0001)

bis 1,3 (0,00008)

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μrad (°)

bis 50 (0,003)

170 (0,01)

bis 3,5 (0,0002)

bis 5,2 (0,0003)

90

40
Hochgeschwindigkeitsversion: 1170

200

150

500 bis 650

20

100

500

4 bis 80,1

3

4

DC-Motor, ActiveDrive,
DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

C-863 einachsig
C-663 einachsig

SMC Controller

SMC Controller

SMC Controller

Besonderheiten

Max. Geschwindigkeit
in °/sBelastbarkeit in N
Drehmoment in Nm

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

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PIEZO

NANO

POSITIONING

229

Ultrapräzise Rotationstische
Drehtische der Referenzklasse für höchste Ansprüche

UPR-120

Highlights■ Optional sind alle Serien mit Luftlagern erhältlich für eine taumelfreie Bewegung ohne Spiel durch Reibungseffekte■ Bürstenlose Torquemotoren für besonders ruhigen Gleichlauf auch bei langsamen Geschwindigkeiten■ Unbegrenzter Rotationsbereich mit kontaktlosem Referenzschalter■ Direkte Positionsmessung

AnwendungenDiese Rotationsversteller der Referenzklasse zielen auf Applikationen, die gleichzeitig hohe Dynamik und Präzision der
Positionierung erfordern. Forschungsbereiche z. B. an Beamlines oder die Halbleitertechnologie mit ihren hohen Anforderungen an Genauigkeit und Durchsatz sind die Zielmärkte.

230

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

UPR-100

UPR-160

UPR-270

UPR-100

UPR-120

UPR-160

UPR-270<±0,2 μm<±0,1 μm<±0,1 μm<±0,1 μm

Freie Apertur Ø in mm

20

35

35

35

Abmessungen in mm

100 × 100 × 50

155 × 129 × 90

178,4 × 165 × 90

281 × 270 × 135

Rechnerische Auflösung
in μrad (°)

0,17 (0,00001)

0,17 (0,00001)

0,17 (0,00001)

0,17 (0,00001)

Kleinste Schrittweite inμrad (°)

0,35 (0,00002)

0,35 (0,00002)

0,35 (0,00002)

0,17 (0,00001)

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μrad (°)

1,4 (0,00008)

1,4 (0,00008)

1,4 (0,00008)

1,2 (0,00007)

360

360

360

360

15 bis 20

200

200

400

0,25 bis 0,5

2

2

10

SMC Controller

SMC Controller

SMC Controller

SMC Controller

Höhenschlag undExzentrizität mit Luftlager

Max. Geschwindigkeit
in °/sBelastbarkeit in N
Max. Drehmoment in Nm
Empfohlener Controller

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PIEZO

NANO

POSITIONING

231

Goniometer und Kipptische
1- oder 2-Achsenbewegung

WT-90

Highlights■ Große Laufruhe und gleichmäßiger Vorschub mit konstanter Winkelgeschwindigkeit■ Drehachse oberhalb der Plattform bei Goniometern oder in Plattformebene bei Kipptischen■ Gemeinsamer Drehpunkt (Pivotpunkt) möglich für WT-85 auf WT-100, WT-90 auf WT-120■ Vakuumausführungen auf Anfrage

Anwendungen
Goniometer können Rotationstische in Anwendungen mit eingeschränktem Bauraum ersetzen. Davon profitieren z. B. die
Lasertechnologie und Materialforschung, wo optische Elemente in der Strahlführung positioniert werden müssen. FürScanning- oder Trackinganwendungen stehen je nach Applikation motorisierte Kipptische mit zusätzlichem Piezofeinantrieb zur Verfügung oder für besonders hohe Dynamik Piezokippspiegelsysteme.

232

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

WT-85

WT-100

WT-120

M-044

WT-85

WT-100

WT-90
WT-120

M-041
bis
M-044

Goniometer mit freier
Apertur Ø 30 mm

Goniometer mit freier
Apertur 60 mm × 25 mm

Goniometer für hohe
Lasten mit großem
Verstellbereich

Kipptisch mit 1 oder2 Achsen und großer
Plattform

Optional direkte
Positionsmessung

Optional direkte
Positionsmessung

Optional direkte
Positionsmessung

Antrieb spielfrei magnetisch angekoppelt

10

10

90

14 bis 18

Abmessungen in mm

85 × 130,5 × 44
plus Motor

132 × 158 × 37
plus Motor

115 × 125 × 61 (WT-90)
150 × 235 × 106 (WT-120)
plus Motor

60 × 60 × 27 bis
100 × 100 × 47
plus Motor

Rechnerische Auflösung
in μrad (°)

bis 1,7 (0,0001)

bis 1,6 (0,00009)

bis 1,6 (0,00009)

bis 0,23

Kleinste Schrittweite inμrad (°)

bis 87 (0,005)

bis 87 (0,005)

bis 17 (0,001)

bis 65 (0,004) manuell
15 (0,001) motorisiert

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μrad (°)

bis 87 (0,005)

bis 87 (0,005)

bis 17 (0,001)

bis 15 (0,001)

7 bis 15

7 bis 15

15 bis 30

bis 4,5Belastbarkeit in N

20

2080, 200

4 bis 5

Drehmoment in Nm

0,75

0,75

2,5; 8bis 0,75

Besonderheiten
Rotations- / Kippbereichin °Max. Geschwindigkeit
in °/sAntrieb

Empfohlener Controller

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Motor

DC-Motor, optionale Ergänzung durch
Piezofeinantrieb.
Manuelle Tische unter
www.pi.de

SMC Controller

SMC Controller

SMC Controller

C-863 einachsig

Schrittmotorauﬂösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

233

Motorisierte Präzisionslinearaktoren

Das E-ELT, das „größte Auge“ für den Blick in den Weltraum, hat einen Hauptspiegel von ca. 39 m Durchmesser, der aus knapp 800 sechseckigen
Spiegelelementen zusammengesetzt ist. 2018 soll es auf dem gut 3 000 m hohen Cerro Armazones in der chilenischen Atacamawüste in Betrieb
gehen. Jedes Spiegelelement wird von drei Linearaktoren mit hochgenauer Antriebstechnik positioniert. (Bild: European Southern Observatory, ESO)234

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Präzisionsaktoren

Seite 236

Preisgünstige Linearaktoren

Seite 238

Hochlastaktoren

Seite 240

Kompakte Linearaktoren

Seite 242

Für die Justage optomechanischer Komponenten

235

PIEZO

NANO

POSITIONING

Präzisionsaktoren

M-230

Highlights■ Hochauflösende Antriebe mit Präzisionskomponenten■ Vorspannung: spielfreier Aufbau mit nichtdrehendem Kopfstück■ Vakuumvarianten verfügbar

Anwendungen
Die Versteller bieten kompakte Lösungen für kleinen Bauraum z. B. in Test- und Prüfeinrichtungen in Industrie und
Forschung. Ihr nichtdrehendes Kopfstück für gleichförmige Bewegung vermeidet Taumelfehler, Drehmomente und
Verschleiß am Kontaktpunkt. Speziell die Aktoren mit Piezomotor sind ideal als Mikro- und Nanomanipulatorenz. B. in Bio- und Nanotechnologie verwendbar.

236

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-230MP-20

MP-20B

N-381

M-230

MP-20

MP-20B

N-381

Hochauﬂösend

Flexibel im Stellweg

Kompakt durch
gefalteten Antrieb

Nanometer-Präzision
mit Piezomotor,
optional nichtmagnetischØ 19 × 175 bis 205

Ø 20 × 124,5 bis 196,530 x 47,9 × 100 bis 143

Ø 25 × 121,5

Stellweg in mm

10 bis 25

13 bis 76

13 bis 76

30

Kraft axial in N

bis 70bis 125

bis 110

10Max. Querbelastbarkeitin N

bis 301

1

10Max. Geschwindigkeit
in mm/s

1,2 bis 2

0,8 bis 12

0,6 bis 10

10

Rechnerische Auflösung
in nm

4,6 bis 37

22

22

20; 0,03 ungeregelt

Kleinste Schrittweite
in μm

0,05

0,1

0,1

0,02

Umkehrspiel in μm

2

2

2

0,2

0,1

0,3

0,3

0,1

Encodertyp

Rotationsencoder

Rotationsencoder

Rotationsencoder

Linearencoder

Motortyp

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

2-Phasen-Schrittmotor,
DC-Getriebemotor

2-Phasen-Schrittmotor, DC-Getriebemotor

NEXACT® Piezoschreitantrieb

Empfohlener Controller

C-863 einachsig
C-884 bis 4 Achsen
C-663 einachsig

SMC Controller

SMC Controller

E-861 einachsig

Abmessungen in mm

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

Schrittmotorauflösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

237

Preisgünstige Linearaktoren

M-229

Highlights■ Schrittmotoren mit und ohne Getriebe, DC-Servomotor oder geregelter Piezomotor■ Nichtdrehendes Kopfstück für gleichförmige Linearbewegung vermeidet Taumelfehler, Drehmomente und Verschleißam Kontaktpunkt

Anwendungen
Preissensitive Applikationen profitieren vom günstigen Systempreis der Linearachsen. Auch für OEM-Anwendungen inmehreren Achsen hervorragend geeignet. Alternativ zu Motor-Spindel-Kombinationen oder elektromagnetischen Linearmotoren bietet der keramische Direktantrieb Selbsthemmung im Ruhezustand ohne Wärmeentwicklung.

238

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-228

M-229

M-228.11 M-228.10
M-229.26 M-229.25

M-227

M-272

M-227

M-272

Handrad, Sichtfenster
zur schnellen
Positionserkennung

Schlanke Bauform,
Sichtfenster zur
schnellen Positionserkennung

Hochpräzise, optional
mit Piezofeinantrieb

Minimiert Umkehrspiel
durch linearen
Direktantrieb

39 × 39 × 100 bis 120

Ø 21 × 100
Ø 30 × 135

Ø 19 × 125 bis 187

26 × 40 × 130

Kraft axial in N

50; 8020; 5040

8Max. Querbelastbarkeit
in N

bis 0,5bis 0,50,1

10Stellweg in mm

10; 25

10; 25

10; 50

50

5

1,5

0,75

150

0,078

0,046

0,0035

0,6
mit Direktmetrologie

Kleinste Schrittweite
in μm

1

1

0,05

1,8

Umkehrspiel in μm

10

5 bis 102

1

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

2

2

0,1

2

Encodertyp––

Rotationsencoder

Linearencoder

Motortyp2-Phasen-Schrittmotor

2-Phasen-Schrittmotor
mit Getriebe

DC-Getriebemotor,
SchrittmotorvarianteM-168 online

U-164 PILine® Ultraschall-Piezomotor

Empfohlener Controller

C-663 einachsig

C-663 einachsig

C-863 einachsig
C-884 bis 4 Achsen

C-867.OE

Abmessungen in mm

Max. Geschwindigkeit
in mm/s
Rechnerische Auflösung
in μm

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

239

Hochlastaktoren

MA-35

Highlights■ Seitliche Lagerung des Stößels für laterale Kräfte bis 100 N■ Leistungsstarke Antriebe mit Präzisionskomponenten■ Vorspannung für spielfreien Aufbau■ Nichtdrehendes Kopfstück für gleichförmige Bewegung vermeidet Taumelfehler, Drehmomente und Verschleiß am

Kontaktpunkt

Anwendungen
Hohe Belastbarkeit bei hoher Dynamik zeichnen diese Aktoren aus. Lasten von 100, 200 oder gar 500 N werden zuverlässig und wiederholbar präzise positioniert. Sowohl für Test- und Prüfeinrichtungen als auch zum Einsatz in Fertigungslinien im Präzisionsmaschinenbau gibt es die richtige Lösung.

240

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

M-235

M-238

M-235

MA-35

MA-35

M-238

Ø 27 × 166 bis 196

Ø 40 × 249

Ø 40 × 275 bis 300

Ø 42 × 247,2

bis 120500

bis 300

400

8

10

10

100

Stellweg in mm

20 bis 50

52

52

50

Max. Geschwindigkeit
in mm/s

2,6 bis 30

bis 5

bis 9030

Rechnerische Auflösung
in μm

0,016 bis 0,5

bis 0,01

0,5

0,13 bis 0,1

Kleinste Schrittweite
in μm

0,1 bis 0,5

bis 0,1

bis 0,1

0,5 bis 0,3

Umkehrspiel in μm

1

2

2

3/1

0,1 bis 0,50,2

bis 0,2

1 bis 0,3

DC-Getriebemotor,
DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Getriebemotor

DC-Motor, 2-PhasenSchrittmotor

DC-Motor, ActiveDrive

C-863 einachsig
C-884 bis 4 Achsen
C-663 einachsig

SMC Controller

SMC Controller

C-863 einachsig
C-884 bis 4 Achsen

Abmessungen in mm
Kraft axial in N
Max. Querbelastbarkeit
in N

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

MotortypEmpfohlener Controller

Schrittmotorauflösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING241

Kompakte Linearaktoren
Für die Justage optomechanischer Komponenten

N-470 PiezoMike

Highlights■ Linearantriebe der Präzisionsklasse■ Hochwertige Komponenten■ Motorisierung von manuellen Positioniertischen

Anwendungen
Die kompakten Micro Pusher sind ideal geeignet, um optomechanische Komponenten stabil zu positionieren. Klassischmotorisierte Linearachsen passen direkt an manuelle Verstelltische und Spiegelversteller. PIShift Antriebe eignen sich vor
allem für die driftfreie Langzeitpositionierung.

242

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

MP-15

M-231
M
-

MP-15

M-231
231

M
M-232
232

N
N-470
470

Vakuumvarianten bis
10-6 hPa verfügbar

Schlanker
Getriebemotor

Kompakt durch
gefalteten Antrieb

PIShift Piezomotor mit
hoher Haltekraft

Ø 17 × 85 bis 108

Ø 19 × 134

20 × 49 × 72

16 × 28 × 48

Stellweg in mm

6; 12,7

17

17

7,4

Kraft axial in N

10

40

40

22 aktiv,
Haltekraft > 100 N

Max. Geschwindigkeit
in mm/s

0,3

1,5

1,5

0,06

bis 0,05

0,007

0,007

–

Kleinste Schrittweite
in μm

0,2

0,1

0,1

0,03

Umkehrspiel in μm

10

2

2

–

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit in μm

0,5

0,2

0,2

–

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

DC-Getriebemotor,
2-Phasen-Schrittmotor

PIShift Piezoträgheitsantrieb

SMC Controller

C-863 einachsig
C-884 bis 4 Achsen

C-863 einachsig
C-884 bis 4 Achsen

E-870

Abmessungen in mm

Rechnerische Auflösung
in μm

MotortypEmpfohlener Controller

M-232

Schrittmotorauflösung controllerabhängig

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING243

Motion Controller

target–control
voltageoffsetdisturbancesignal

DDL
signalControlalgorithm

controlvariableresultingcontrol
voltagecontrol
voltageAmp.

PI – stage
with sensor

Output Matrix

feedback

specialfiltered
sensorsignalaxis
feedback
signaltargetX

Sensorfilterchannel signal area

Input Matrix

axis signal arearaw
sensorsignallinearized
sensorphysicalsignallinearized
sensorsignalMechanics
linearization

Sensorelectronics
linearization

Regelung eines mechanischen Systems mit integrierter aktiver Schwingungsdämpfung
Für die Präzision entscheidend kann die Entkopplung von niederfrequenten Umgebungsschwingungen sein, die Resonanzen
des mechanischen Systems anregen und damit die präzise Positionierung beeinträchtigen würden. Piezoaktoren unterdrücken mit Hilfe eines eigens konstruierten 6D-Beschleunigungssensors und eines entsprechenden Digitalcontrollers die
Anregungen im Bereich bis ca. 50 Hz. Digitale Linearisierungsalgorithmen für Mechanik und Elektronik sowie Filterfunktionen
für die Sensorwerte ermöglichen dann eine Unterdrückung mehrdimensionaler Schwingungen mit Dämpfungsfaktoren vonüber 20.

244

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

DC-Servomotor-Controller

Seite 246

Schrittmotor-Controller

Seite 248

Digitale Controller für Piezomotoren

Seite 250

245

PIEZO

NANO

POSITIONINGDC-Servomotor-Controller

C-884

Highlights■ P-I-D-Regler, Parameteränderung im Betrieb■ Benutzerfreundliche Bedienersoftware PIMikroMove®
■ Bewegungssteuerung von PI Positioniersystemen mit DC-Motoren: direkte Motoransteuerung, PWM-Ansteuerung für PI

Stelltische mit integrierten ActiveDrive Verstärkern oder für Versteller mit integrierter Blockkommutierung (bürstenlose
Motoren). Unterstützt Motorbremse■ Datenrecorder. Parameteränderung im Betrieb. Umfangreiche Softwareunterstützung, z. B. für LabVIEW, dynamische

Bibliotheken für Windows oder Linux■ Lineare Vektorbewegung bei Mehrachsencontrollern

246

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

C-863

C-843

C-885

C-863

C-884

C-843

C-885

Motion Controller für
1 Achse

Motion Controller für
4 Achsen

PCI-Motorsteuerkarte
für 2 oder 4 Achsen

Modularer Aufbau,
Controllermodule fürverschiedene Antriebstechnologien

1

4

2, 4

bis zu 40

Profilgenerator

Trapezförmiges
Geschwindigkeitsproﬁl

Trapezförmiges
Geschwindigkeitsprofil

Trapezförmiges oder
S-Kurven-Geschwindigkeitsprofil

Trapezförmiges
Geschwindigkeitsprofil

Schnittstelle /Kommunikation

USB, RS-232

TCP/IP, USB, RS-232

PCI-Bus

TCP/IP, USB

I/O-Leitungenanaloge/digitale Eingänge, digitale Ausgänge

analoge/digitale Eingänge, digitale Ausgänge

digitale Ein- undAusgänge

digitale Ein- undAusgänge

Softwaretreiber

LabVIEW-Treiber, dynamische Bibliotheken fürWindows und LinuxLabVIEW-Treiber, dynamische Bibliotheken fürWindows und LinuxLabVIEW-Treiber,
GCS-DLLLabVIEW-Treiber, dynamische Bibliotheken fürWindows und Linux

Unterstützte Funktionen

Punkt-zu-Punkt-Bewegung, leistungsfähige
Makroprogrammiersprache, Stand-AloneBetrieb

Lineare Vektorbewegung,Punkt-zu-Punkt-Bewegung, leistungsfähige
Makroprogrammiersprache, Stand-Alone-Betrieb

Triggerprogrammierung

Punkt-zu-Punkt-Bewegung, leistungsfähige
Makroprogrammiersprache, Stand-AloneBetrieb

Pushbutton Box,
Joystick

USB Schnittstelle für
HID-konforme Geräte

nur über PC–

Netzteil im
Lieferumfang

Netzteil im
Lieferumfang

Versorgung über PC

Netzteil integriert

130 × 76 × 40 mm3

320 × 150 × 80,5 mm3

PCI-Karte

19-Zoll-Gehäuse

KanäleManuelle Bedienhilfe

Betriebsspannung
Abmessungen

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

247

Schrittmotor-Controller

SMC hydra

Highlights■ Sensorauswertung und PID-Regelung für Versteller mit 2-Phasen-Schrittmotoren■ Datenrecorder. Parameteränderung im Betrieb■ Lineare Vektorbewegung bei Mehrachsencontrollern■ SMC Controller verwenden eine spezielle Technologie mit bis zu 300 000-facher Schrittinterpolation. Dies ermöglichteine extrem präzise Kommandierung von Positionen. In Kombination mit einem Wegmesssystem erreicht ein Schrittmotorversteller damit eine hervorragende Laufruhe und Trajektorientreue.

248

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

SMC corvus

SMC pollux

C-663

C-663

SMC
corvusSMC
hydra CM

SMC
pollux

Auch als PCI-Karte oder
Tischgerät

Auch für andere
Motorarten, wie
DC-Motoren, Linearmotoren, etc.

Optional mit integriertem Motor–

70 × 240 × 305

48 × 56 × 150

48 × 56 × 77

130 × 76 × 40

2, 3

2

1

1

>60 000>60 000>60 000

16

RS-232, TCP/IP, GPIB

RS-232, TCP/IP

RS-232

USB, RS-232––

Bis zu 16 Einheiten an
einer Schnittstelle

Bis zu 16 Einheiten an
einer Schnittstelle

optional digitale Einund Ausgänge

optional digitale Einund Ausgänge–

analoge/digitale Eingänge, digitale Ausgänge

Venus-1 ASCII

Venus-3 ASCII

Venus-2 ASCIIPI General CommandSet (GCS)

Softwaretreiber

LabVIEW-Treiber,
dynamische Bibliotheken für Windows

LabVIEW-Treiber,
dynamische Bibliotheken für Windows

LabVIEW-Treiber,
dynamische Bibliotheken für Windows

LabVIEW-Treiber,
dynamische Bibliotheken für Windows undLinux

Unterstützte Funktionen

Positionsregelung,Lineare Vektorbewegung, Punkt-zu-PunktBewegung

Positionsregelung,Lineare Vektorbewegung, Punkt-zu-PunktBewegung

Positionsregelung, Lineare Vektorbewegung,Punkt-zu-Punkt-Bewegung, Startup-Makro

Startup-Makro

Manuelle Bedienhilfe

Joystick, 3-AchsenHandrad

Joystick, 3-AchsenHandrad–

Joystick, Pushbutton
Box

Strombegrenzung/
Motorphase in A

3

3

1,2

1

Betriebsspannung

90 bis 250 V

externes Netzteil

externes Netzteil

Netzteil im Lieferumfang

Abmessungen in mm
KanäleMikroschrittinterpolation
Schnittstelle /Kommunikation
Controllernetzwerk

I/O-LeitungenBefehlssatz

Alle Produktdetails finden Sie unter www.pi.de und www.pimicos.de

PIEZO

NANO

POSITIONING

249

Digitale Controller für Piezomotoren
Systemoptimierung und Bedienkomfort: Plug-and-play

E-871

Highlights■ Umfangreiche Softwareunterstützung, z. B. für LabVIEW, dynamische Bibliotheken für Windows und Linux.

Datenrecorder z. B. für Positionswerte■ Auswertung inkrementeller Sensoren■ Analoge I/O z. B. für Anschluss eines Joysticks und digitale für Automatisierungsaufgaben■ Integrierte Treiber optimiert für die jeweilige Antriebsart z. B. mit autoresonanten Ultraschallfrequenzen

oder koordinierte Auslenkung von Scher- und Longitudinalaktoren■ Alternativ: Treiberelektroniken ohne integrierte Regelung für Aufbau eines externen Regelkreises

250

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

E-755

E-861

C-867

E-755

E-861

E-871

C-867

Für NEXLINE®
Piezoschreitantriebe

Für NEXACT®
Piezoschreitantriebe

Für PIShift
Piezoträgheitsantriebe

Für PILine®
Ultraschallantriebe

Besonderheiten

Polynom-Linearisierungsverfahren füreine hervorragendeLinearität der Bewegung, Abweichungca. 0,001 % über den
gesamten Stellweg
des NEXLINE® Nanopositionierers

Unterstützt alle
Bewegungsmoden:
Punkt-zu-PunktBewegung, Analogmodus für nanometergenaue Positionierung
an der Zielposition.
Nichtflüchtiger
Makrospeicher

Unterstützt alle
Bewegungsmoden:
Punkt-zu-PunktBewegung, Analogmodus für nanometergenaue Positionierung
an der Zielposition.
Nichtflüchtiger
Makrospeicher

Unterstützt alle
Bewegungsmoden:
Punkt-zu-PunktBewegung, Langsamfahrt bei μm/s,
präzises Einregeln.
Nichtflüchtiger
Makrospeicher

Schnittstellen /Kommunikation

RS-232

USB, RS-232

USB, RS-232

USB, RS-232

Mehrachsenansteuerung

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain.
Modularer Mehrachsen-Controller E-712
für unterschiedliche
Antriebsarten
verfügbar

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain.
MehrachsenController E-712

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain

Bis 16 Geräteüber Daisy-Chain.
2-Achsen-Controller
verfügbar

Ungeregelte Versionen /Treiberelektronik

Ungeregelte Version
verfügbar

OEM-Treiberelektronik
E-862 verfügbar

OEM-Treibereelektronik E-870 verfügbar

OEM-Version in Europakartenformat oder
OEM-Treiberelektronik
C-872 verfügbar

251

PIEZO

NANO

POSITIONINGGrundlagen motorisierter Positioniersysteme

Motoren und Antriebe

Seite 253

Linearantriebe – Piezoantriebe – Drehende Elektromotoren – Kombinationen aus Piezoaktor und Elektromotor
Antriebselemente

Seite 257

Getriebe – Spindelarten
Metrologie

Seite 258

Indirekte Metrologie – Direktmetrologie – Erweiterte Metrologiekonzepte
Führungen, Lager

Seite 259

Linearführungen – Luftlager – Flexure FestkörpergelenksführungenEinsatz im Vakuum

Seite 261

Entscheidend: Die Materialauswahl – Bevorzugte Materialien – Montage im Reinraum – Zu beachten bei
Vakuumverstellern – Controller, Verstärker und andere elektronische Geräte – Anpassungen der Versteller
für verschiedene Vakuumklassen
SMC Controller Technologie

Seite 263

Präzise Positionierung mit dem SMC Controller – Positionsregelung, Geschwindigkeit, Korrektur der
Positionsabweichung im Controller
GlossarSeite 266

252

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Motoren und Antriebe

Linearantriebe
Linearantriebe erlauben prinzipiell unbegrenzte Stellwege. Sie wirken direkt ohne Zwischenelemente wie Spindeln oder Getriebe und sindumkehrspielfrei. Die Positioniergenauigkeit desGesamtsystems wird nur durch die Positionsmessung und die Führungen bestimmt.

mit Stellwegen bis zu einigen zehn Millimetern zum Einsatz. Um eine Position stabil zu
halten, muss der Voice-Coil, wie jeder magnetische Direktantrieb, in Regelung betrieben odergebremst werden.

Elektromagnetische Linearantriebe
Linearservomotoren werden sowohl für sehrhohe als auch für sehr geringe Vorschubgeschwindigkeiten eingesetzt. Sie arbeiten präzise in einem Bereich von unter 0,1 μm/s bis zuüber 5 m/s. In Kombination mit Luftlagern ist
eine Positionsauflösung bis zu wenigen Nanometern erreichbar.
Voice-Coil Linearantriebe, Tauchspulantriebe
Diese reibungsfreien magnetischen Linearantriebe werden durch hohe Dynamik, aberrelativ geringe Haltekräfte charakterisiert. Sie
kommen besonders bei Scananwendungen

Mit Voice-Coil-Antrieben der PIMagTM Serie sind ausgesprochen kleine Bauformen realisierbar

Piezoantriebe
Piezoaktoren
Piezoaktoren ermöglichen Positionsauflösungen von unter einem Nanometer. Für verschiedene Mikropositioniertische sind zusätzliche
Piezofeinantriebe verfügbar. Alternativ zu
dieser seriellen Konfiguration werden sie zu
Hybridantrieben kombiniert, bei denen eine
gemeinsame Regelschleife für Motor und Piezoaktor verwendet wird.

Piezomotoren übertragen auf die bestmögliche Weise die spezifischen Eigenschaften vonPiezoaktoren auf längere Wege. Angepasst an
die benötigte Kraft- und Geschwindigkeitsentwicklung hat PI eine Reihe unterschiedlicher
Piezomotortechnologien entwickelt, die den
Schwerpunkt jeweils auf andere Merkmalelegen.

Piezoaktoren können extrem hohe Beschleunigungen von mehreren Tausend g übertragenund sind reibungs- und umkehrspielfrei. Ihr
Stellweg ist in der Regel auf unter einen Millimeter begrenzt.

Eigenschaften von Piezomotoren■ Selbsthemmend im ausgeschalteten

Zustand mit maximaler Kraft■ Skalierbare Stellwege

Piezomotoren: PiezoWalk®, PILine®, PIShift■ Nanometergenaue Auflösung

Piezomotoren erzeugen weder Magnetfelder
noch werden sie von diesen beeinflusst. Siewerden zum Aufbau von nanometergenauen
Stellsystemen mit langem Stellbereich verwendet.

■ Mechanisch einfach integrierbar

PIEZO■ Verschiedene Technologien optimiert

für hohe Geschwindigkeiten oder fürhohe Kräfte
253

NANO

POSITIONINGPI Piezomotoren im Vergleich mit Piezoaktoren
Piezoaktoren mit und ohne PiezoWalk®
Flexureführungen
Piezoschreitantrieb

PILine®
Ultraschall-Piezomotor

PIShift
Piezoträgheitsantrieb

Sub-Nanometer-Auﬂösung

Sub-Nanometer-Auflösung

Sub-Mikrometer-Auﬂösung

Sub-Nanometer-Auflösung

Kleinste Ansprechzeiten im
Mikrosekunden-Bereich

Geschwindigkeit bis 10 mm/s
Hochdynamischer Scanmodus

Sehr hohe Betriebsfrequenz
Geräuschloser Antrieb
Hohe Geschwindigkeit bis zu
mehreren 100 mm/s

Sehr hohe Betriebsfrequenz
Geräuschloser Antrieb
Geschwindigkeit über 10 mm/s

Stellwege bis ca. 300 μm
direkt und 2 mm mit Hebelübersetzung

Lange Stellwege, nur durch die
Läuferlänge begrenzt

Lange Stellwege, nur durch die
Läuferlänge begrenzt

Lange Stellwege, nur durch die
Läuferlänge begrenzt

Hohe Steifigkeit
Kraftentwicklung bis zu
100 kN

Sehr hohe Kräfte bis zu 800 N(NEXLINE®)
Selbsthemmend in Ruhe

Kräfte bis 40 N
Selbsthemmend in Ruhe

Kräfte bis 10 N
Selbsthemmend in Ruhe

Ansteuerung mit analoger
Spannung
Spannungshub 150 V(PICMA® Multilayer-Aktoren),
1 100 V (PICA Hochlastaktoren)

Mehraktorantrieb erzeugt Schreitbewegung
Spannungshub 55 V (NEXACT®),
500 V (NEXLINE®)

Einaktorantrieb
Ansteuerung mit hochfrequenter
Wechselspannung (Sinus)
Spannungshub 120 V, 200 V.
Minimotoren deutlich darunter

Einaktorantrieb
Ansteuerung mit hochfrequenter
Wechselspannung (modiﬁzierter
Sägezahn)
Spannungshub <48 V■ Nanometergenaue Positio-■ Nanometergenaue■ Positionierung mit Sub-μm-■ Nanometergenaue undnierung mit hoher Dynamik■ Hebelübersetzte undgeführte Systeme■ Piezoscanner■ Feinjustage■ Krafterzeugung■ Aktive Schwingungsisolierung

Positionierung■ Quasistatische Anwendungenmit großer Haltekraft■ Stellwege bis einige mm■ Grob- und Feinjustage■ Krafterzeugung■ Aktive Schwingungsisolierung■ Betrieb mit konstanter niedriger
Geschwindigkeit

Genauigkeit■ Schnelles Einregeln■ Scanbetrieb mit hohen
Geschwindigkeiten■ Betrieb mit konstanter niedriger
Geschwindigkeit

Ideal für:langzeitstabile Positionierung■ Quasistatische Anwendungenmit geringer bis mittlerer
Haltekraft

Drehende Elektromotoren
DC-Motor / Servomotor

254

Ein Gleichstrommotor mit Positionserfassung
wird als Servomotor bezeichnet. Typisch fürDC-Servomotoren sind der gleichmäßige,schwingungsfreie Betrieb, ein weiter Ge schwin dig keitsbereich und hohe Drehmomente bei geringer Geschwindigkeit. Um die
Eigenschaften bestmöglich zu nutzen, benötigt
man eine Motorsteuerung mit proportionaler,
integraler und differentieller (PID-) Regelung
und geeigneten Filtern. Der Servomotor bietet viele Vorteile wie gute Dynamik, schnelles
Ansprechen, hohe Momente bei kleinen Drehzahlen, geringe Wärmeentwicklung und wenig
Vibration.

DC Servomotoren benötigen eine Betriebsspannung bis zu 12 VDC. Die Rotationsgeschwindigkeit des Motors ist direkt proportional zur
Spannung, das Vorzeichen bestimmt die Stellrichtung. Zur wiederholbaren Positionierung ist
ein zusätzliches Messsystem erforderlich.
Bürstenloser DC-Motor
Zunehmend setzt PI elektronisch kommutierte,bürstenlose DC-Motoren ein. Hohe Drehmomente erreichen dabei optimierte Hohlwellenoder Torquemotoren. Gleichzeitig kann damit
der Antriebsstrang bei gleichbleibendem Stellweg kürzer gebaut werden, denn die Antriebswelle ist innerhalb des Motors untergebracht.

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

DC-Motoren mit ActiveDrive

Schrittmotorantriebe

DC-Motorantriebe haben verschiedene Vorteile
wie z. B. gute dynamische Eigenschaften mit
einem weiten Regelbereich, hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen, geringe Wärmeerzeugung und Vibrationsarmut bei hoher
Positionsauflösung. Die Kosten für einen leistungsfähigen linearen Verstärker sind jedochüblicherweise höher als bei Schrittmotoren.

Im Gegensatz zu DC Motoren nehmen Schrittmotoren nur diskrete Positionen innerhalb
einer Umdrehung ein. Da diese Schritte einenkonstanten Abstand haben, kann über deren
Anzahl eine Position kommandiert werden,
ohne dass ein Positionssensor erforderlich
ist. Üblich sind 200 bis 1 000 Vollschritte pro
Motorumdrehung. Die tatsächlich erreichbare
Schrittweite wird von der Schrittmotorsteuerung bestimmt, die je nach Ausführung bis zu
mehrere Hunderttausend Mikroschritte zwischen den Vollschritten elektronisch interpoliert. PI setzt laufruhige 2-Phasen-Schrittmotoren ein.

Das ActiveDrive System reduziert diesen Aufwand erheblich, indem ein im PWM-Modus(Pulsweitenmodulation) getriebener Servoverstärker mit im Motorgehäuse integriert ist. Die
Betriebsspannung von meist 24 V für ActiveDrive Motoren wird von einem separaten Netzteil bereitgestellt, das bereits im Lieferumfang
enthalten ist. Das ActiveDrive Konzept hat viele
Vorteile:■ Höherer Wirkungsgrad durch Ausschaltung

von Leistungsverlusten zwischen Verstärker
und Motor■ Geringere Kosten, kompakterer Aufbau undhöhere Zuverlässigkeit, weil kein externverkabelter Verstärker benötigt wird
■ Vermeidung von Störstrahlung, weil Ver-

stärker und Motor zusammen in einem
geschirmten Gehäuse montiert sind

Schrittmotoren haben eine hohe Lebensdauer und sind im Vergleich zu DC-Motoren
besonders bei Anwendungen mit geringerer
Dynamik und im Vakuum gut geeignet. Einmechanischer Dämpfer auf der Motorwelle,
der gleichzeitig als Handrad dient, unterstützt
die Laufruhe.
Wenn die Position gehalten werden soll, müssen Schrittmotoren ohne selbsthemmendes
Getriebe permanent bestromt werden. Daskann ein Positionszittern zwischen den Schritten und die Erzeugung von Wärme zur Folge
haben.

Kombinationen aus Piezoaktor und Elektromotor
PI bietet in der Mikrostelltechnik Kombinationen aus piezogetriebenen und motorisiertenoder manuellen Verstellern. Der Motor-Spindelantrieb liefert lange Stellwege und der zusätzliche Piezofeinantrieb bietet Nanometergenauigkeit und schnelles Ansprechverhalten. Die
Regelung bei solchen gestapelten Systemenarbeitet unabhängig voneinander über separate Positionssensoren, und der Piezo tritt erst
in Aktion, wenn der Motor hält. Die Positioniergenauigkeit (nicht die rechnerische Auflösung)eines solchen Aufbaus wird vom motorisierten
System begrenzt. Ideal wird diese Kombination
durch einen externen Regelkreis ergänzt.

Dieses 3-Achsen-Faserpositioniersystem kombiniert motorisierte Versteller für den
Grobstellbereich über bis zu 15 mm mit 50 nm Schrittweite mit einem schnellen Piezoscanner für die Feinjustage über 100 μm Stellweg mit 1 nm Auflösung. Die Intensität
des in die Faser eingekoppelten Lichts bestimmt die optimale Position und dient als
externe Regelgröße

255

PIEZO

NANO

POSITIONING

HybridHybridkonzept
mit übergeordneter Positionsmessung und Regelung
messunSchematische Darstellung des Hybridantriebs. Die gemeinsame Regelung des Motors(blau) und des Piezoaktors (gelb) über einen einzigen hochauflösenden Linearencoder(grün) ermöglicht die extrem konstante Geschwindigkeit und hohe Positioniergenauigkeit

Vorschub über 1 mm mit Hybridversteller, Geschwindigkeit 100 μm/s. Die Abweichungvon der kommandierten Trajektorie beträgt weniger als 10 nm

ist die bewegte Plattform
Beim HybridantriebH
motorisierten Antriebsstrang über den
vom mhochsteifen Piezoantrieb und spiel- und reihochst
bungsfreie Festkörpergelenke entkoppelt. Im
bungsfPositionierbetrieb erfolgt das Einschwingen
Positio
auf die Position binnen weniger Millisekunden
kleinste Schritte im Bereich der Auflösung
und klewerden zuverlässig ausgeführt.
des Encoders
En
Piezoaktoren ermöglichen im dynamischen
Die Pie
Betrieb eine hohe Konstanz der Geschwindigdurch Kompensation von Regelabweikeit duchungen des motorisierten Antriebs. Stick-/
Slip-Effekte beim Anfahren oder Umkehrspiele
können ebenfalls kompensiert werden.
Die gemeinsame Regelung auf einen einzigen
hochauflösenden Sensor bedeutet, dass beide Bewegungssysteme nicht mehr getrennt zu
betrachten sind, sondern als ein System mit
Stellwegen über hunderte Millimeter und mit
der Präzision eines piezobasierten Nanopositioniertischs. Die Auflösung und damit die
Positioniergenauigkeit hängen von der Wahldes verwendeten Positionssensors ab. Für die
Hybridsysteme von PI werden hochgenaue
optische Linearencoder mit einer Auflösung
von derzeit bis zu 2 nm verwendet.
Hybridversteller sind besonders gut geeignet
für Anwendungen, in denen die Position hochgenau ausgewertet und wieder angefahren
werden muss, oder für Oberflächeninspektion
und Messtechnik, wenn eine Zielposition nanometergenau erreicht werden soll.

256

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Antriebselemente

Getriebe

Kugelumlaufspindeln

Getriebe werden zwischen Motor und Antriebsspindel eingesetzt und erhöhen die Positionsauflösung sowie das Drehmoment. Bei denmeisten Ausführungen sind die Getriebe zur
Reduktion des Umkehrspiels vorgespannt.

Kugelumlaufspindeln sind deutlich reibungsärmer als Gewindespindeln, weil hier statt derGleitreibung die wesentlich geringere Rollreibung genutzt wird.

Gewindespindeln
Mit Gewindespindeln können sehr hohe Auflösungen und ein gleichmäßiger Lauf erreicht
werden. Ein Gewindespindelantrieb besteht
aus einer motorgetriebenen Spindel, deren
Mutter mit dem Schlitten des Verstelltisches
verbunden ist. Durch Federvorspannung der
Mutter kann das Umkehrspiel minimiert werden. Sie weisen dadurch eine höhere Reibung
als Kugelumlaufspindeln auf, wodurch sie
einerseits selbsthemmend sind, was sich andererseits auf die Geschwindigkeit, Antriebsleistung und Lebensdauer auswirkt. Typische
Gewindesteigungen liegen zwischen 0,4 und
0,5 mm / Umdrehung, bis zu 1 mm / Umdrehung für längere Stellwege.

Ein Kugelspindelantrieb besteht aus einer
motorgetriebenen Spindel, deren Mutter mit
dem Schlitten des Verstelltisches verbundenist. Zwischen der Mutter (Kugelgehäuse) undder Spindel laufen Kugeln in einem geschlossenen Kreislauf. Durch geeignetes Abstimmen
von Kugeldurchmesser und Profil der Gewindegänge zwischen Spindel und Mutter kanndas Umkehrspiel minimiert werden. Kugelumlaufspindeln sind nicht selbsthemmend, abersehr effizient und ermöglichen hohe Geschwindigkeiten und Standzeiten im Dauerbetrieb.
PI setzt Gewindesteigungen von 0,5, 1 und
2 mm / Umdrehung ein.

Rollengewindetriebe
Rollengewindetriebe verwenden Rollen anstelle von Kugeln als Wälzkörper. Dadurch können
höhere Tragzahlen, höhere Geschwindigkeit
und deutlich höhere Lebensdauern erreicht
werden.

257

PIEZO

NANO

POSITIONING

Metrologie

Zur Positionserfassung werden optische Linear- und Rotationsencoder eingesetzt.

Indirekte Metrologie
Positionssensor-Konfiguration, bei der die
Bewegung der Plattform indirekt bestimmt
wird. Der Sensor ist meist im Antriebsstrang
integriert, beispielsweise durch einen Rotationsencoder auf der Motorwelle. Vorteil hierist die vereinfachte Anbringung des Sensors.
Umkehrspiel und mechanisches Spiel beeinflussen allerdings das Messergebnis.
Rotationsencoder
Ein Rotationsencoder ist an einer sich drehenden Stelle im Antriebsstrang implementiert,z. B. auf der Motorwelle. Zur relativen Positionsbestimmung zählt der Controller die Encodersignale (Impulse). Um die absolute Position
zu messen, muss auf ein End- oder Referenzschaltersignal referenziert werden. Typische
Schrittweiten mit Rotationsencodern liegenbei 0,1 μm.

Direktmetrologie
Kontaktlose optische Linearencoder messen
die Ist-Position mit höchster Genauigkeit direkt
an der bewegten Plattform (Direktmetrologie).
Dadurch werden Fehler im Antriebsstrang wie
z. B. Nichtlinearität, mechanisches Spiel undelastische Deformation nicht berücksichtigt.
Die Auflösung von Linearencodern reicht bis
in den Nanometerbereich.

Erweiterte Metrologiekonzepte
Absolutencoder
Absolutencoder liefern eine zusätzliche Information über die absolute Position der bewegten Plattform.
Parallele Metrologie
Positionssensor-Konfiguration für mehrachsige parallelkinematische Systeme, bei der alleSensoren die Position zwischen der Grundplatte und der bewegten Plattform messen.
Wesentlich ist, dass alle Bewegungsabweichungen von der vorgegebenen Bahn erkannt
werden und ausgeregelt werden können. Das
bedeutet, dass das Positionsübersprechen einzelner Achsen aller Aktoren kompensiert werden kann („Active Trajectory Control“). Das
erfordert hochkomplexe Kontrollalgorithmen.
Serielle Metrologie
Positionssensor-Konfiguration für mehrachsige Systeme, bei dem einige Sensoren die
Position zwischen zwei bewegten Plattformen
messen. Vorteile sind die einfache Integration in ein seriellkinematisches System undein einfaches Regelkonzept. Führungsfehler
beim Positionsübersprechen der dazwischen
liegenden Plattformen können nicht ausgeglichen werden.
Tachometer
Tachometer werden zur Messung und Regelung der Geschwindigkeit eingesetzt. Alternativ
zur direkten Messung kann für die Geschwindigkeitsregelung auch der zeitliche Verlauf der
Positionsdaten aus dem Encoder verwendet
werden.

258

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Führungen, Lager

Linearkugellager

Kugelumlauflager

Die Kugeln laufen in einem Messingkäfig undsind gegenüber den gehärteten Präzisionsführungswellen vorgespannt. Um Spiel und
Reibung möglichst gering zu halten, müssen
exakte Toleranzen zwischen Führung undLager eingehalten werden. Die Belastbarkeit
ist begrenzt.

Hochpräzisionsversteller sind mit Doppelkugelumlauflagern ausgerüstet. Diese Lagerzeichnen sich bei entsprechend sorgfältiger
Montage durch eine vorteilhafte Kombination aus hoher Belastbarkeit, Lebensdauer,
Wartungsfreiheit und Führungsgenauigkeit
aus. Der bewegliche Teil der Tische wird vonvier vorgespannten Kugelumlaufschuhen, die
auf zwei Führungsschienen laufen, getragen.
Jeder Lagerschuh beinhaltet zwei unabhängige Reihen umlaufender Kugeln. Kugelumlauflager sind unempfindlich gegen das Wandern
der Wälzlager, das bei Kreuzrollenlagern auftreten kann, wenn kleine Bereiche häufig abgescannt werden.

Kreuzrollenlager
Bei Kreuzrollenlagern wird der Punktkontakt
der Kugeln in Kugellagern durch den Linienkontakt gehärteter Rollen ersetzt. Sie sind
dadurch wesentlich steifer und kommen mit
geringerer Vorspannung aus, was die Reibung
reduziert und einen gleichmäßigeren Laufermöglicht. Kreuzrollenlager zeichnen sichdarüber hinaus durch hohe Führungsgenauigkeit und Tragfähigkeit aus. Zwangsgesteuerte
Wälzkörperkäfige verhindern ein Auswandern
der Wälzlager.

Luftlager
Ein Luftfilm von einigen Mikrometern übernimmt die Funktion eines Lagers. Dadurch sind
Luftlager reibungsfrei und ermöglichen einebis zu 10-fach bessere Führungsgenauigkeit als
mechanische Lager. PI miCos setzt Luftlager
in ultrapräzisen und HochgeschwindigkeitsVerstellern ein.

259

PIEZO

NANO

POSITIONING

Magnetische Lager

Flexure FestkörperführungenDas magnetische Schweben („Magnetic Levitation“) ermöglicht hervorragende Führungsgenauigkeit in der Ebene sowohl linear als auchrotativ: Der passive Läufer schwebt auf einem
magnetischen Feld und wird durch dieses aktiv
geführt. Ablauffehler werden von hochgenauen berührungslosen Sensoren gemessen undausgeregelt. Im Gegensatz zu den ebenfalls
hochgenauen Luftlagern können magnetische
Lager auch im Vakuum verwendet werden.

Die Bewegung eines Flexuregelenkes beruht
auf der elastischen Deformation eines Festkörpers. Dadurch treten weder Haft-, Roll- noch
Gleitreibung auf. Die Flexureelemente zeigen
hohe Steifigkeit, Belastbarkeit und sind dabei
sehr unempfindlich gegen Schockbelastungen und Vibrationen. Flexure Führungen sindwartungs- und verschleißfrei. Sie sind 100 %vakuumkompatibel, arbeiten in einem weiten
Temperaturbereich und benötigen keinerlei
Schmierstoffe.
In der Nanostelltechnik haben sich Festkörpergelenksführungen von PI bewährt. Sie führen
den Piezoaktor und dienen der geradlinigen
Bewegung ohne Verkippung oder seitlichen
Versatz. Über ein haft- und gleitreibungsfreies
Element (Flexure) erfolgt die elastische Deformation eines Festkörpers – völlig ohne rollende oder gleitende Teile. Diese Verformung
reicht aus, um den Aktor über Stellwege voneinigen 10 bis einigen 100 μm zu führen.

Der Läufer schwebt auf einem magnetischen Feld, daslediglich durch sechs planare Spulen im Stator erzeugt
wird

Flexure Festkörperführungen verlängern den Stellweg,
können die Bewegung umlenken und bieten dabei hervorragende Führungsgenauigkeit ohne Reibung. Die
gezeigte Hebelmechanik mit Flexure Gelenksführungenübersetzt den Aktorhub (vertikal) in eine gleichförmige,
geradlinige Bewegung (horizontal)

260

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

Einsatz im Vakuum

Fast alle Versteller können für den Einsatz inverschiedenen Vakuumklassen modifiziert
werden. Auf Wunsch werden Ausgastests
mit Aufnahme eines Massenspektrogramms
durchgeführt.

UHV-geeigneter Versteller mit
Ausrüstung für den Einsatz inkryogener Umgebung bei 77 K

Klassifizierung von Vakuum bei PI
Zulässiger Temperaturbereichder Motoren

Druckbereich

Feinvakuum

FV-20 bis +150 °C

bis 1 × 10-3 hPa

Hochvakuum*

HV-20 bis +210 °C

1 × 10-3 hPa bis 1 × 10-7 hPa

Ultrahochvakuum, keine Schmiermittel

UHV-20 bis +210 °C

1 × 10-7 hPa bis 1 × 10-9 hPa

Ultrahochvakuum, Vakuumschmiermittel

UHV-G-20 bis +210 °C

1 × 10-7 hPa bis 1 × 10-9 hPa

Ultrahochvakuum Kryo

UHV-C

-269 bis +40 °C

bis 1 × 10-11 hPa

Extrem hohes Vakuum

XHV-20 bis +300 °C

1 × 10-9 hPa bis 1 × 10-11 hPa

1 hPa = 1 mbar
Design und Fertigung für Bereiche außerhalb dieser Grenzwerte werden auf Anfrage angeboten.
* Üblich ist auch eine Einteilung der Klasse Hochvakuum bis 1 × 10-6 hPa.

Entscheidend: Die Materialauswahl
Um die erforderliche Vakuumklasse zu bestimmen ist es notwendig, die Applikation möglichst gut zu kennen. Beispielsweise haben
Kristallographie oder Optikbeschichtung unterschiedliche Anforderungen nicht nur in Bezug
auf den Druckbereich, sondern auch auf dieerlaubten Reststoffe innerhalb der Vakuumkammer. Häufig ist der erreichte Partialdruckvon Kohlenwasserstoffen entscheidend. Diesesind in Schmierstoffen und Kunststoffen enthalten, werden beim Abpumpen der Vakuumkammer freigesetzt und können Oberflächen
kontaminieren. Insbesondere Laseranwendungen im UV-Bereich sind sehr sensibel, weil
Kohlenwasserstoffe aufgespalten werden undsich an der Optik niederschlagen.

Für die Verwendung in HV und UHV werden
spezielle Vakuumschmiermittel verwendet.
Auf Wunsch kann das Schmiermittel bei der
Auftragsvergabe definiert werden. Der Einsatz
von Kunststoffen und Klebstoffen wird so weit
wie möglich reduziert.

Bevorzugte
Materialien■ Edelstahl■ Aluminium■ Titan■ Messing■ FKM, z. B. Viton■ Keramik■ Saphir■ PTFE, z. B. Teflon■ PEEK■ Polyimid,z. B. Kapton■ Glaskeramik,z. B. Macor
261

PIEZO

NANO

POSITIONING

Montage im Reinraum
Vakuumversteller werden unter Reinraumbedingungen montiert. Alle Komponenten
werden im Ultraschall gereinigt. Der Versand
erfolgt in einer partikelfreien und antistatischen Verpackung.

Zu beachten bei Vakuumverstellern■ Geringe Geschwindigkeit: maximal 10

Motorumdrehungen pro Sekunde■ Geringere Betriebsdauer■ Vakuumversteller sollten ausschließ-lich im Vakuum betrieben werden
Wenn nicht anders vereinbart, gilt:■ Ausheiztemperatur max. 80 °C■ Bei Auslieferung montierte Stecker

Controller, Verstärker und andere
elektronische Geräte

am Versteller sind nicht vakuumkompatibel. Diese Teststecker müssen
kundenseitig durch Vakuumstecker
ersetzt werden■ Vakuumdurchführungen sind im Lie-

Die Ansteuerelektronik ist grundsätzlich nicht
geeignet, in der Vakuumkammer betrieben zu
werden und muss außerhalb der Vakuumkammer aufgestellt werden.

ferumfang normalerweise nicht enthalten und können bei Bedarf dazu
bestellt werden

FV bis 10-3 hPa

HV von 10-3 bis 10-7 hPa

UHV von 10-7 bis 10-9 hPa

Motor- (wie Luft)

Vakuummotor

geeigneter Vakuummotor

Encoder- (wie Luft)

modiﬁziert

modiﬁziert

Kabel- (wie Luft)

1 m PTFE - (Teﬂon-) Kabel

1 m PI - (Kapton-) Kabel

Endschalter- (wie Luft)- (wie Luft)keine
auf Wunsch spezielle UHV-Endschalter

Oberfläche

eloxiert (wie Luft)nicht-eloxiert*

nicht-eloxiert

Schrauben

Edelstahl

Edelstahl

Edelstahl mit Silberbeschichtung,Ausgasbohrung

Schmierung (Führungen,
Antriebsstrang)

Vakuumschmiermittel

Vakuumschmiermittel

UHV: ohne Schmierung
UHV-G: Vakuumschmiermittel

Stecker- (wie Luft)

Teststecker,
nicht vakuumgeeignet

Teststecker,
nicht vakuumgeeignet

Bohrungen- (wie Luft)nur Durchgangsbohrungen

nur DurchgangsbohrungenWeitere Materialien- (wie Luft)keine CuZn-Legierungenkeine CuZn-Legierungen,keine Kunststoffe

Ausheiztemperaturbis 50 °C

bis 80 °C

bis 120 °C, ggf. bis 150 °C* Für den Einsatz bei bis zu 10-6 hPa werden auch Vakuumversteller mit eloxierter Aluminiumoberfläche angeboten.

262

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

SMC Controller Technologie

Die Ansteuerungstechnik der SMC Schrittmotorsteuerungen bewirkt einen besonders
ruhigen Lauf der Motoren. Das Ergebnis ist
eine sehr hohe Positionsauflösung, gleichmäßiger Vorschub und ein weiter Dynamikbereich
der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die
Effizienz der SMC Steuerungen ist sehr hoch,was die Erwärmung der Motoren vermeidet.
SMC Controller basieren auf einem 32-Bit Prozessor mit hochauflösenden Endstufen, dieeine Positionsauflösung bis in den Nanometerbereich ermöglichen. In Kombination mit
Hochpräzisionsmechaniken werden gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeiten deutlich
unter 1 μm/s erreicht.
Das Beschleunigungsprofil kann statt linear
als sin2-Profil gewählt werden, sodass ruckfreie Beschleunigungs- und Abbremsphasen
möglich sind.

Abb. 1

PLS-85 mit 2-Phasen-Schrittmotor, ohne Positionsregelung, 100 nm Schritte

Abb. 2

PLS-85 mit 2-Phasen-Schrittmotor, ohne Positionsregelung, 25 nm Schritte

Wenn eine stabile Langzeitpositionierung
gefragt ist, werten SMC Schrittmotorcontroller auch Positionsmesssysteme aus und regeln
präzise. Die Auswertung eines analogen 1 V– Spitze-Spitze – Wertes erlaubt die hochgenaue, stufenlose Einstellung der Position, ohne
Limitierung durch eine bitgebundene Digitalwandlung.
SMC Controller stehen in unterschiedlichen
Ausführungen, vom einkanaligen Kompaktgerät bis zu Mehrachsen-Steuerung im 19-ZollGehäuse zur Verfügung.

Präzise Positionierung mit dem SMC
Controller
Abbildung 1 zeigt 100 nm Schritte eines Linearverstellers PLS-85 mit 2-Phasen-Schrittmotor
ohne zusätzliche Positionsrückmeldung. Diese
Schritte führt der Versteller sehr präzise aus.
Bei Kommandierung von 25-nm-Schritten(s. Abb. 2) treten mehr Variationen in deneinzelnen Schritten auf. Im Mittel liegen die
Abweichungen nur um ±5 nm.

263

PIEZO

NANO

POSITIONING

Positionsregelung
Das Positionsverhalten für kleine Schritte kannnoch weiter verbessert werden durch die Verwendung einer Positionsregelung, insbesondere wenn zur Auswertung das analoge Ausgangssignal eines hochauflösenden Sensors
verwendet wird.

Abb. 3LS-110 mit 2-Phasen-Schrittmotor in Regelung,
1 V-Spitze-Spitze Sensorsignal, 50 nm Schritte

SMC Controller können Sensorauflösungenbis 2 nm verarbeiten, die Positionsauflösung
ist also nur durch den Sensor vorgegeben.
Allerdings sind die Umgebungseinflüsse nicht
zu vernachlässigen: Die Schwankung der
Umgebungstemperatur um nur 0,01 °C bewirkt
bereits eine thermisch bedingte Ausdehnung
des Verstellers um etwa 10 nm. Bei Bedarf
kommen Ultrapräzisionsversteller zum Einsatz
oder spezifische Entwicklungen wie Versteller
auf Granitbasis mit entsprechend hochauflösenden Linearencodern.
Abbildung 3 zeigt die gemessene kleinste
Schrittweite eines LS-110 Verstellers mit Linearencoder. Die 50 nm Auflösung ist deutlicherkennbar in klar abgegrenzten Stufen. Selbst
Lastwechsel beeinflussen diese Positionsgenauigkeit nicht.

Geschwindigkeitsregelung
Einer der bestimmenden Parameter für die
Auswahl eines Positioniersystems ist dieGeschwindigkeit. Oft geht es dabei um diehöchste erreichbare Geschwindigkeit, abereinige Anwendungen erfordern eine speziell
langsame und gleichmäßige Vorschubbewegung. Das ist sowohl für Schrittmotoren aberauch für DC-Motoren eine große Herausforderung.

Abb. 4

PLS-85 mit 2-Phasen-Schrittmotor in Regelung, Geschwindigkeit 100 nm/s

Die Geschwindigkeitsregelung der SMC Controller erreicht eine hervorragende Geschwindigkeitskonstanz des Verstellers im Bereichvon << 1 μm/s. Eine höhere Encoderauflösung
verbessert die Ergebnisse noch weiter.
Abbildung 4 zeigt Messergebnisse eines
PLS-85 Verstellers mit integriertem Linearencoder mit 10 nm Auflösung. Die Geschwindigkeit war auf 100 nm/s eingestellt, was einem
Vorschub von 360 μm pro Stunde oder ca.

264

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

10 mm pro Tag entspricht. Die Bewegung ist
sehr gleichmäßig. Die abgebildeten einzelnen
Schritte sind auf die Interferometer-Auflösung
von 5 nm zurückzuführen.

Korrektur der Positionsabweichungim Controller
Die Qualität der Führungen und des Antriebsstrangs limitiert normalerweise die erreichbare
Positioniergenauigkeit. Eine Nichtlinearität derSpindelsteigung führt beispielsweise zu einer
Abweichung von der kommandierten Position.
In einigen Anwendungen ist es wichtig, dieabsolute Positionsgenauigkeit zu verbessern,
während die bidirektionale Wiederholgenauigkeit weniger relevant ist. Die Fehlerkorrektur
im SMC Controller speichert die gemessene
Abweichung und korrigiert dann die Zielposition entsprechend.

Abb. 5LS-180 mit 2-Phasen-Schrittmotor, ohne Positionsregelung,
Positionsmessung

Abb. 6LS-180 mit 2-Phasen-Schrittmotor, ohne Positionsregelung, Positionsmessung
mit Korrektur

Abbildung 5 zeigt die Positionsabweichungvon 32 μm zwischen Soll- und Ist-Positioneines LS-180 über den Stellweg von 100 mm.
Die Messung enthält beide Verfahrrichtungen,die bidirektionale Wiederholgenauigkeit liegt
im Mittel bei 1,78 μm.
Das Ergebnis zeigt Abbildung 6: Die Abweichung ist deutlich verringert und beträgt nur
noch um ±1,5 μm. Die Wiederholgenauigkeit
kann durch eine Positionsregelung weiter verbessert werden.

265

PIEZO

NANO

POSITIONING

Glossar

Absolute Genauigkeit
Die absolute Genauigkeit ist die maximale Differenz zwischen der Soll-Position und der IstPosition. Die Genauigkeit wird durch Umkehrspiel, Hysterese, Drift, Nichtlinearität im Antrieb
oder Messsystem, Verkippung etc. begrenzt. Die
höchste Genauigkeit kann mit DirektmetrologieMesssystemen erreicht werden. Dabei wird z. B.
mit einem Interferometer oder Linearencoder
direkt die Position der Stellplattform gemessen,
sodass mechanisches Spiel innerhalb desAntriebsstrangs keinen Einfluss auf die Positionsmessung hat. Systeme mit indirekter Metrologie (z. B. Rotationsencoder auf der Motorwelle) oder ungeregelte, schrittmotorgetriebene
Tische bieten deutlich schlechtere Absolutgenauigkeit. Unabhängig davon können sie trotzdem hohe Auflösungen und Wiederholbarkeiten
erreichen.

Richtung der Achsen bei Linearversteller,siehe auch „Führungsgenauigkeit“

Begriffsdefinition beim Drehversteller: Taumeln (wobble), Ebenheit (flatness), Exzentrizität (eccentricity)

Siehe "Rechnerische Auflösung" und "Kleinste
Schrittweite".

Druck-/Zugkraft, max.

Belastbarkeit

Maximale Kraft in Bewegungsrichtung. Einige
Versteller bringen evtl. höhere Kräfte auf, wasdie Lebensdauer beeinträchtigen kann.

Betriebstemperaturbereich
Sicherer Betrieb, ohne Schaden für den Antrieb.
Alle technischen Daten im Datenblatt beziehen
sich auf Zimmertemperatur (22 ±3 °C).

Bidirektionale Wiederholgenauigkeit
Die Genauigkeit, mit der jede Position innerhalb
des Stellbereiches nach einer beliebigen Positionsänderung erneut angefahren werden kann.
Effekte wie z. B. Hysterese und Umkehrspiel
wirken sich direkt auf die bidirektionale Wiederholbarkeit aus, wenn das System nicht über„Direktmetrologie“ verfügt. Siehe auch "Unidirektionale Wiederholbarkeit"

Cosinusfehler
Der Cosinusfehler ist ein akkumulativer Positionsfehler in Linearsystemen, der auftritt, wenn
ein Winkelfehler zwischen dem Antrieb und derStellplattform existiert. Der Positionsfehler
errechnet sich aus dem Produkt der Positionsänderung und der Differenz zwischen 1 und dem
Cosinus des Winkelfehlers.

Definition der Linear- und Drehachsen

266

X: Linearbewegung in Richtung derPositionierung
Y: Linearbewegung senkrecht zur X-Achse
Z: Linearbewegung senkrecht zu X und Y
θX: Drehung um X
θY: Drehung um Y
θZ: Drehung um Z

Der Betrieb in Regelung erfordert die Auswertung eines Positionsmesssystems. Ein Regelalgorithmus vergleicht dann die kommandierte
Soll- mit der gemessenen Ist-Position. Die Regelung sorgt für bessere Wiederholgenauigkeit
und Positionsstabilität.

Geschwindigkeit, max.

Auflösung

Maximale Belastbarkeit vertikal, wenn der Versteller horizontal montiert ist. Der Angriffspunkt
der Last liegt in der Mitte der Plattform.

Geregelter Betrieb

Endschalter
Jeder Endschalter sendet sein Signal auf einer
eigens zugewiesenen Leitung zum Controller.
Der Controller sorgt dann für den Abbruch derBewegung und verhindert so, dass der Versteller bis an den mechanischen Anschlag fährt und
Schaden nimmt. PI Versteller sind mit mechanischen oder mit berührungslosen optischen oder
Hall-Effekt-Endschaltern ausgestattet.

Exzentrizität
Die Abweichung von theoretischer und tatsächlicher Rotationsachse bei Drehverstellern.

Freiheitsgrad
Ein Freiheitsgrad entspricht einer aktiven Achseeines Positioniersystems. Ein XY-Positioniertisch hat zwei Freiheitsgrade, ein Hexapod
sechs.

Führungsgenauigkeit, Führungsfehler
Der Führungsfehler beschreibt die Abweichungen der Stellplattform von der gewünschten
Bahn senkrecht zur Stellrichtung, sowie die Verkippung um die Achsen. Bei einem einachsigen
Lineartisch sind das z. B. die unerwünschten
Bewegungen in allen anderen fünf Freiheitsgraden. Für jede Translation in X treten auch lineare Komponenten in Y und Z und Verkippungenum X (θX, Rollen), um Y (θY, Neigen) und um Z
(θZ, Gieren) auf. Führungsfehler werden durch
das Führungssystem, die Montage des Positioniertisches (Verspannungen) und die Last (z. B.
Drehmomente) verursacht.

Angegeben ist der kurzzeitige Spitzenwert bei
horizontaler Montage, ohne zusätzliche Last.
Dieser Wert ist nicht für den kontinuierlichen
Betrieb geeignet. Durchschnitts- und Dauergeschwindigkeit sind niedriger als der Spitzenwert
und hängen von den Randbedingungen derAnwendung ab. Daten für Vakuumversionen
können abweichen.

Haltekraft, unbestromt
Piezomotor-Linearantriebe sind im Ruhezustandselbsthemmend, verbrauchen keinen Strom underzeugen keine Wärme. Bei längerem Abschalten sinkt die Haltekraft, dies ist typisch für Piezomotoren. Die Daten geben die Mindesthaltekraft im Langzeitbetrieb an.

Hysterese
Die Hysterese ist ein Positionsfehler, der beim
Umkehren der Stellrichtung auftritt. Sie kanndurch elastische Deformation, wie reibungsbedingte Ver- und Entspannungen, verursacht
werden. Die Hysterese eines Positioniersystemsändert sich meist mit der Belastung, Beschleunigung und Geschwindigkeit.

Kleinste Schrittweite
Die kleinste Bewegung, die wiederholbar durchgeführt werden kann, wird kleinste Schrittweiteoder typische Auflösung genannt und wird durch
Messungen ermittelt. Die Datentabelle enthält
typische Messwerte.
Die kleinste Schrittweite unterscheidet sichmeist stark von der "rechnerischen Auflösung",
die numerisch wesentlich kleiner ausfallen kann.
Wiederholbare Bewegungen im Nanometeroder Sub-Nanometerbereich können mit Piezostelltechnik und reibungsfreien Flexure Führungen durchgeführt werden.

Material
Mikropositioniertische sind normalerweise aus
eloxiertem Aluminium oder rostfreiem Stahlgefertigt. Geringe Mengen anderer Materialienkönnen enthalten sein, z. B. für Lager, Vorspannung, Kupplung, Montage, etc. Auf Wunschkönnen andere Materialien, wie z. B. unmagnetischer Stahl oder Invar verwendet werden.

Messwerte
Die Messwerte wie Umkehrspiel und Wiederholgenauigkeit werden nach der VDI-Norm 3114
ermittelt.

M O T O R I S I E R T E P O S I T I O N I E R S Y S T E M E | W W W. P I . D E

MTBF“Mean Time Between Failure”. Maß für die
Betriebsdauer und Zuverlässigkeit des Verstellers.

Neigen / Gieren
siehe Übersprechen

Orthogonalität
Siehe "Rechtwinkligkeit".

Parallele Kinematik
Mehrachsiges System, bei dem alle Aktoren
direkt auf dieselbe bewegte Plattform wirken.
Vorteile gegenüber serieller Kinematik sind ein
geringeres Massenträgheitsmoment, keine
bewegten Kabel, niedrigerer Schwerpunkt, keine
Akkumulation von Führungsfehlern und ein
kompakterer Aufbau.

Bei indirektem Positionsmessverfahren gehen
in die Berechnung der Auflösung z. B. die Werte
für die Spindelsteigung, Getriebeuntersetzung,
Auflösung des Motors bzw. Sensors/Encoders
etc. ein, sie liegt oft wesentlich unter der kleinsten Schrittweite der Mechanik. Bei direkten
Messverfahren wird die Auflösung des Sensorsystems angegeben.

Rechtwinkligkeit, Orthogonalität
Die Rechtwinkligkeit beschreibt die Abweichungvom idealen 90° Winkel der X, Y und Z Bewegungsachsen.

Referenzschalter
Viele Versteller verfügen über einen richtungserkennenden Referenzschalter ungefähr in derMitte des Stellbereichs. Für die beste Wiederholbarkeit des Positionierens empfiehlt es sich, denReferenzschalter immer von derselben Seite
anzufahren.

Sensorauflösung
Rotationsencoder: Impulse pro Spindeldrehung
Linearencoder: Kleinste Bewegung, die vom
verwendeten Sensorsystem noch detektiert wird

Serielle Kinematik

Parallel- und seriellkinematischer Aufbau eines
6-Achsen-Positionierers im Vergleich

Präzision
Präzision ist ein nicht genau definierter Begriff
und wird von verschiedenen Herstellern unterschiedlich für Wiederholbarkeit, Genauigkeit
oder Auflösung verwendet. PI verwendet den
Begriff im Sinne einer nicht quantifizierten
hohen Genauigkeit.

Mehrachsiges System, bei dem alle Aktoren auf
eine eigene Stellplattform wirken. Vorteile sindeinfacher mechanischer Aufbau und Kontrollalgorithmen. Nachteile gegenüber paralleler
Kinematik sind schlechtere dynamische Eigenschaften, keine integrierte Parallelmetrologie
möglich, Akkumulation von Führungsfehlern,geringere Genauigkeit.

Stellweg
Der maximal mögliche Stellweg wird durch die
Länge der Antriebsspindel begrenzt. Falls vorhanden, bestimmt der Abstand der Endschalterden Stellbereich.

Pulsweitenmodulation (PWM)

Stick-Slip-Effekt, Reibung

Der PWM-Modus ist ein hocheffizienter Verstärkerbetrieb, bei dem nicht die Amplitude des
Ausgangssignales geregelt wird, sondern dessen Einschaltdauer. Siehe „DC-Motoren mit
ActiveDrive“.

Dieser Effekt begrenzt die kleinste Schrittweite.
Er tritt beim Übergang von der Haftreibung zur
Gleitreibung auf und bewirkt einen Bewegungssprung. Reibungsfreie Antriebe, wie z. B. Piezoaktoren mit Flexure Festkörperführungen, werden vom Stick-Slip-Effekt nicht beeinträchtigt
und ermöglichen deshalb Auflösungen im SubNanometerbereich.

Querbelastbarkeit
Maximal zulässige Kraft orthogonal zur Stellrichtung. Dieser Wert gilt direkt für die bewegte
Plattform und reduziert sich, wenn die Kraft
oberhalb der Plattform angreift.

Rechnerische Auflösung
Die theoretisch kleinste Bewegung, die ein Positioniersystem durchführen kann, wird rechnerische Auflösung genannt. Dieser Wert darf nicht
mit der kleinsten Schrittweite verwechselt werden.

Verkippung um die Y- (Neigen) und Z-Achse(Gieren), wobei die Bewegung in X-Richtung
erfolgt (rechtwinkliges Koordinatensystem). Die
Datentabelle enthält typische Messwerte als+/- Werte.
Geradheit (bezogen auf Z) und Ebenheit (bezogen auf Y) beziehen sich auf die entsprechende
Absolutabweichung und werden in μm angegeben.

Umkehrspiel
Der Positionierfehler, der bei einer Richtungsänderung auftritt, wird Umkehrspiel genannt. Er
wird durch mechanisches Spiel im Antriebsstrang, z. B. in Lagern oder Getrieben, und durch
Reibung der Führungen verursacht. Im Gegensatz zur Hysterese kann Umkehrspiel in positionsgeregelten Systemen zur Instabilität führen,da es für eine Totzeit im Regelkreis sorgt. Das
Umkehrspiel hängt ab von Temperatur, Be schleunigung, Belastung, Spindelposition, Stellrichtung, Abnutzung usw.
Umkehrspiel wird unterdrückt durch Vorspannung des Antriebsstrangs. Ein Positionsmessverfahren, das die Position der Plattform direkt
misst, eliminiert sämtliche Fehler aus dem
Antriebsstrang (Direktmetrologie).
Die Datentabelle enthält typische Messwerte.
Daten für Vakuumversionen können abweichen.

Ungeregelter Betrieb
Betrieb ohne Auswertung eines Positionssensors und Regelkreis. Versteller mit Schrittmotoren führen präzise und wiederholbare Schritte
aus und benötigen daher keine Regelung. Die
Regelung sorgt für bessere Wiederholgenauigkeit und Positionsstabilität.

Unidirektionale Wiederholgenauigkeit
Die Genauigkeit, mit der jede Position innerhalb
des Positionierbereichs nach einer beliebigen
Positionsänderung aus der gleichen Richtung
wieder angefahren werden kann. Weil Hystereseund Umkehrspiel nur einen geringen Einfluss
auf die unidirektionale Wiederholbarkeit haben,
ist dieser Wert meist deutlich besser als die"Bidirektionale Wiederholbarkeit".

Taumelfehler
Der Taumelfehler beschreibt bei Rotationstischen das unerwünschte Verkippen um die
Drehachse je voller Umdrehung.

Übersprechen:
Neigen / Gieren, Geradheit / EbenheitÜber den gesamten Stellweg gemessene Abweichung von der idealen, geraden Bewegung als

PIEZO

NANO

POSITIONING

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Patente

Folgende produktbezogenen Patente werden von PI gehalten. Sie dienen dem Schutz der Technologie und gewährleisten den technologischen Vorsprung.
In Produktbeschreibungen und -beschriftungen wird auf die auf das Produkt zutreffenden Patente verwiesen. Dieses
ist in Teilen der Welt erforderlich, um den Patentschutz aufrecht zu erhalten.

PatentZugeteilt am

Betrifft die Produkte

Deutsches Patent Nr. 10021919

08.08.2001

PICMA®, P-88x, alle Produkte, die PICMA® verwenden

Deutsches Patent Nr. 10234787

30.10.2003

PICMA®, P-88x

Deutsches Patent Nr. 10348836

08.11.2004

PICMA®, P-88x

US Patent Nr. 7,449,077

08.11.2008

PICMA®, alle P-5xx, P-6xx, P-7xx, P-8xx, P-9xx

Deutsches Patent Nr. 29618149,805.12.1996

F-206, F-206.S, H-206

US Patent Nr. 6,765,335

20.04.2004

PILine®, M-663, M-664, M-272, M-683, M-686, M-687, P-661,

Deutsches Patent Nr. 10154526

08.02.2007

U-161, U-164, U-264, U-628

US Patent Nr. 6,800,984

05.10.2004

Deutsches Patent Nr. 10148267

24.11.2005

US Patent Nr.6,950,050

27.09.2005

Deutsches Patent Nr. P4408618.0

22.04.2004

Europäisches Patent 0 624 912 B1

22.01.1997

Deutsches Patent Nr. 102004011724

10.08.2006

Deutsches Patent Nr. 10051784

14.08.2002

US Patent Nr. 6,930,439

16.08.2005

Deutsches Patent Nr. 19825210C2

25.09.2003

Internationales Patent Nr. 1080502B1

10.07.2002

US Patent Nr. 6617754B1

09.09.2003

NEXLINE®, P-911, N-111, N-216

HyperBit

NEXACT® N-310, N-381, N-664, LPS-24, LPS-65

P-712, P-713

P-876 DuraAct

E-481, E-482, E-504, E-617

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Impressum

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Auf der Römerstrasse 1
D-76228 KarlsruheTel.: +49 0721 4846-0
Fax: +49 0721 4846-1019
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Altgeräte Registrierungsnummer (WEEE-Reg.-Nr.): DE 93978928
Persönlich haftende Gesellschafterin: Physik Instrumente (PI) Verwaltungs GmbHReg.-Gericht Mannheim: HRB 109941
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