Begriffe & Erläuterungen


Auflösung

Die Auflösung gibt die kleinstmögliche messbare Bewegung des Aktors an. Sie ist fast unendlich und hängt von Umwelteinflüssen, Drift und mechanischen Faktoren ab. PZTs haben eine nahezu unbegrenzte Auflösung.

Sie wird typischerweise begrenzt durch das Rauschen der angelegten Spannung. Hochauflösende Piezo - Verstärker von piezosystem jena haben ein Rauschen < 0,3 mV@500 Hz.

Alle Werte, die in unserem Katalog und in den Datenblättern angegeben werden basieren auf dem Mittelwert aller Messwerte der betreffenden Serie.

Ausführliche Informationen finden Sie unter Piezo-Theorie (Punkt 3.3).

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ASI/ASC

piezosystem jena bietet mit ASI und ASC neue Funktionen für piezoelektrische Systeme an. Die Funktionen ermöglichen eine Sensoridentifikation und die Fähigkeit, einzelne Teile eines Systems auszutauschen (Aktor oder Elektronik) Eine neue Kalibrierung ist nicht notwendig. Die Systemteile, die nicht zurück geschickt werden müssen, können in ihrer Position verbleiben, was Geld für einen zusätzlichen Versand spart.

ASI Funktion = Automatische Sensor Identifikation

Die ASI Funktion erlaubt den Austausch des gleiches Aktortyps und dessen Verwendung mit demselben Verstärker. Eine neue Kalibrierung ist nicht mehr notwendig (gültig nur bei Standardkalibrierungen).

ASC Funktion = Automatische System Kalibrierung

Zusätzlich zu ASI bietet die ASC Funktion noch mehr Service für unsere Kunden. Hierbei werden bei geregelten Systemen im Aktor auch Parameter für die Kalibrierung gespeichert, wie zum Beispiel:

  •    Verfahrweg
  •    Name
  •    Achse
  •    Seriennummer
  •    PID-Kontroller

Durch diese Funktion kann die Elektronik nicht nur den Aktor erkennen, sondern auch dessen Kalibrierungsdaten. Wird der Aktor mit einem anderen getauscht, ist keine Neukalibrierung notwendig und das System arbeitet sofort wieder.

Ein vollständiger Funktionsgenerator-Setup (Amplitude, Offset, Frequenz usw) ist im ID-Chip gespeichert, so dass das Setup sofort nach Anschalten der Elektronik wieder aktiv ist.

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Blockierkraft

Die größte Kraft erzeugt ein Aktor, wenn dieser zwischen zwei Wände gespannt wird und gegen sie drückt (mit einer unendlich großen Steifigkeit). Die erzeugte Kraft ist der Wert für die Blockierkraft.

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Bidirektionales Antriebsdesign

Als Piezo-Nanopositionierer mit bi-direktionalem Antriebsdesign wurde die Systemserie nanoX entwickelt. Mittels aktiv gegenläufig angesteuerten Piezo-Keramiken wurde ein Aktor-Antrieb entwickelt, welcher in Bezug auf Anstiegszeit, Führungsgenauigkeit und Last- Kraftverhalten neue Maßstäbe in der Nano-Scanner-Technologie setzt. Basiert bei herkömmlichen Piezo-Nanopositionierern die Rückstellkraft alleine auf der Federkraft der Festkörpergelenke oder der Kraft externer Federkomponenten, so wird bei einem nanoX-Piezoantrieb von piezosystem jena die Rückstellkraft durch die zweite aktive Piezo-Keramik erreicht. Dazu werden beide Keramiken gegenläufig angesteuert. Bei einer oszillierenden Bewegung. z.B. Sinus-Signal, erfolgt die Bewegung des Antriebs um einen zentralen Mittelpunkt gleichförmig in beide Richtungen. Die gegeläufig gesteuerten Piezo-Keramiken ziehen und schieben wechselseitig. Mit diesem Prinzip können deutlich höhere Lasten dynamisch positioniert werden als mit herkömmlichen Antrieben, in denen die verwendeten Piezo-Keramiken nur in eine Richtung wirkt.

Umfassende Informationen zur Piezotechnologie finden Sie unter Piezo-Theorie.

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CE/EMV Zertifizierung

Alle Produkte von piezosystem jena sind CE-zertifziert. Alle elektronischen Systeme wurden auf Basis der EMV-Zertifizierung (Deutschland) im Testverfahren überprüft.

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Closed-Loop-Betrieb

Unerwünschte Effekte wie Nichtlinearität, Hysterese und Drift werden durch ein Messsystem kompensiert. piezosystem jena verwendet normalerweise Dehnmessstreifen oder kapazitive Messsysteme. Die mit einem Messsystem ausgestatteten Elemente sind an den Endungen SG (strain gauge) oder CAP (kapazitiv) erkennbar.

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Drift/Kriechen

Drift/Kriechen bedeutet eine Stabilisierung des Verfahrweges über eine bestimmte Zeitspanne. Eine Änderung der angelegten Spannung verursacht einen bestimmten anfänglich zurückgelegten Verfahrweg. Dieser Wert ändert sich noch wenig im Laufe eines längeren Zeitabstandes. Um die Drift zu vermeiden, werden die Systeme mit einem externem Messsystem ausgestattet, wie z.B. Dehnmessstreifen oder kapazitive Sensoren. Im dynamischen Betrieb spielt die Drift eine untergeordnete Rolle.

Ausführliche Informationen finden Sie unter der Piezo-Theorie (Punkt 3.9).

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Fein-/Piezo-Positionierung

Fein-/Piezo-Positionierung - die Positionierung von Bauelementen und Komponenten mittels Piezo als Antriebstechnologie hat die folgenden Vorteile: 

  • erreicht Auflösung im Sub-Nanometerbereich
  • da jegliche Signaländerung in eine Bewegung transfomiert wird, kann mittels der Piezotechnologie sehr schnell positioniert werden (z.B. schnelle Scans)
  • mittels dieser Positioniermöglichkeit und geeigneter Sensorik kann wiederholbar im Sub-Nanometerbereich positioniert werden
  • kein mechanisches Spiel, wenn die Positionierung über Festkörpergelenksysteme erfolgt
  • Verschleißfreiheit und Einsatzmöglichkeit der meisten Piezo-Positioniersysteme unter Vakuum und Tieftemperaturbedingungen.
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Hysterese

Aufgrund der ferroelektrischen Eigenschaft von PZT-Keramiken zeigen Aktoren ein typisches Hystereseverhalten. Sie tritt bei der Rückwärtsbewegung des Verfahrweges auf. Um den Effekt der Hysterese zu vermeiden, müssen die Piezo-Systeme mit einem externen Regelmesssystem ausgestattet werden (Dehnmessstreifen oder kapazitives System).

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Lens-Flex-Adapter

MIPOS Serie: Einfacher Objektivwechsel dank Lens-Flex-Adadapter

Was ist bei Vakuum-Anwendungen zu beachten?

Die neuen Lens Flex-Adapter erleichtert den schnellen und einfachen Objektivwechsel an den Positionierungssystemen der Serie MIPOS. Dabei werden Gewindegrößen u.a. der Hersteller Zeiss, Leica, Nikon, Olympus unterstützt.

Die neue MIPOS mit Lens Flex-Adadapter ermöglicht dadurch die Kombination von Objektiven und Mikroskopen, jeweils unterschiedlicher Hersteller. Durch ein speziell angepasstes Design entstehen keine zusätzlichen Kräfte beim Objektivwechsel.

Die Verwendung austauschbarer Adapter in den Größen von W0.8 x 1/3 "bis zu M32 x 0.75 erlaubt den schnellen und einfachen Objektivwechsel. Somit sind die Systeme uneingeschränkt kompatibel zu den meisten Standardstativen und inversen Stativen. Sie können mit Objektiven von bis zu 40mm Durchmesser eingesetzt werden. Die MIPOS wird dabei im Objektivrevolver fixiert. Lens Flex-Adapter sind sowohl einzeln als auch im Set von sechs Gewinde Adaptern für die einfache Kombination verschiedener Mikroskope und Objektive erhältlich.

Die Serie MIPOS wurde speziell für die hochgenaue Positionierung von Mikroskopobjektiven entwickelt. Je nach Version decken MIPOS Positionierungssysteme einen Stellbereich von 20 µm bis 500 µm ab. Durch die sehr hohe Genauigkeit und Auflösung eignet sich die MIPOS perfekt zum Upgrade eines bereits bestehenden Mikroskopsystems.

Produkt-Highlights:

  •    Maximaler Hub von bis zu 500 µm
  •    Erhältliche Adaptergrößen : W0.8x1/36” (RMS), M25x0.75, M26x0.75, M26x1/36”, M27x0.75, M32x0.75
  •    Parfocal Spacer Ringe für Rohrverlängerung
  •    Kompatibel zu Standard- und inversen Mikroskopen
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Linearität / Nichtlinearität

Die Linearität gibt die Konvergenz des Verhältnisses zwischen der angezeigten und der tatsächlichen Position an. Die Abweichung der linearen Beziehung gibt die Nichtlinearität an und wird durch ein Polynom höherer Funktion beschrieben.

Die Nichtlinearität wird für jedes kalibriertes System im Kalibrierungsprotokoll angegeben, welches bei jedem ausgelieferten System mit versandt wird. Alle Werte, die in unserem Katalog und in den Datenblättern angegeben werden, basieren auf dem Mittelwert aller Messwerte der betreffenden Serie.

Weitere Informationen finden Sie in der Piezo-Theorie (Punkt 10.2).

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Mikropositionierung

Der Begriff Mikropositionierung steht für höchste Anforderungen an Genauigkeit und Präzision in der Positioniertechnik. Ob auf dem medizinischen Sektor, der Optik und Lasertechnik sowie der Automatisierung, immer kleinere und genauer werdende Strukturen erfordern die entsprechenden Positioniersysteme. Die Piezotechnologie eignet sich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften hervorragend als Antriebslösung für Werkzeuge und in Instrumenten zur Nano- und Mikropositionierung. Typischerweise werden Genauigkeiten <1nm in der Positionierung erreicht und Dank der hohen Dynamik eignen sich Mikropositioniersysteme auf Piezobasis hervorragend für eine Vielzahl von Anwendungen.

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Open-Loop (ungeregelt)

Im ungeregelten Betrieb wird der Antrieb ohne ein Messsystem betrieben. Der auftretende Versatz steht in etwa im Verhältnis zur Ansteuerungsspannung. Effekte wie Nichtlinearität, Hysterese und Drift werden nicht ausgeglichen.

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Piezo

Der Begriff „Piezo“ stammt aus dem Griechischen und steht für „drücken, pressen“. Er beschreibt den Effekt des Entstehens einer elektrischen Spannung bei der Verformung eines Piezomaterials. Als „Piezo“ können alle Produkte bezeichnent werden, die diesen Effekt umsetzen. Bei piezosystem jena wird er als Aktor zur Positionierung eingesetzt. Die Bauform variiert nach Einsatz und Belastungsart. Wenn ein Piezoaktor verwendet wird, spricht man vom inversen Piezoeffekt. Ausführliche Informationen zum Aufbau und zur Funktionsweise unserer Aktoren finden Sie unter Piezo-Theorie.

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Piezoeffekt bei Tieftemperatur

Der Piezoeffekt selbst nimmt zu tiefen Temperaturen mit ca. 0,4% pro Kelvin ab. Im Bereich normaler Raumtemperatur kann dies vernachlässigt werden. Im Bereich tiefer Temperaturen (unterhalb 77 K) kann mit 20-30% des Hubes bei Raumtemperatur gerechnet werden. Unter dieser Einschränkung des verringerten Hubes sind Piezoaktoren grundsätzlich auch bei tiefsten Temperaturen (4 K) einsetzbar. Besonderes Augenmerk muss auf die zusätzlich verwendeten Materialien verwendet werden (z.B. Isolationsmaterialien mit ausreichender Elastizität). Alle Systeme, die in der Vakuumausführung bestellt werden, sind auch für den Einsatz in kryogener Umgebung geeignet.

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Piezoelektrischer Effekt

Der piezoelektrische Effekt - der inverse piezoelektrische Effekt

Wird piezoelektrisches Material mechanisch belastet, so verformen sich dessen Elementarzellen. Die daraus resultierende Trennung der positiven und negativen Ladungen führt zu einer Aufladung der Außenfläche. Wenn Elektroden mit gegensätzlichen Oberflächen verbunden sind, erzeugen die Ladungen eine Spannung U.

F = Kraft durch Belastung d = piezoelektrische Ladungskonstante (richtungsabhängig) C = Kapazität

Das Volumen des Köpers kann dabei mit guter Näherung als konstant betrachtet werden. Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den Gebrüdern Curie an Turmalinkristallen entdeckt. Moderne Anwendungsbeispiele des Piezoeffektes finden sich z. B. in der Sensorik als Kraft-Beschleunigungs-, Wegaufnehmer, Tonabnehmer, Mikrofonen oder auch in Feuerzeugen und Gasanzündern. Beim inversen piezoelektrischen Effekt erfährt ein piezoelektrisches Material eine Verformung, wenn eine äußere Spannung angelegt wird und verursacht eine Bewegung. Dieser Effekt wurde von Lippmann durch thermodynamische Betrachtungen vorausgesagt und von den Gebrüdern Curie experimentell bestätigt. Die ersten technischen Anwendungen dieses Effektes waren Ultraschallgeräte für die Nachrichtenübertragung im Wasser (Sonartechnik). Für die Aktorik erlangte der inverse piezoelektrische Effekt erst mit der Entwicklung spezieller Piezokeramiken an Bedeutung. In der Aktorik werden vorwiegend Sinterkeramiken (PZT - Blei Zirkonat Titanat für Piezoaktoren oder PMN - Blei Magnesium Niobat für Elektrostriktoren) verwendet. Im Zusammenhang mit der Aktorik wird oft vom piezoelektrischen Effekt gesprochen – genaugenommen ist dieses auf den inversen piezoelektrischen Effekt bezogen.

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Piezoelement

Der Begriff Piezoelement wird häufig umgangsprachlich verwendet. Man spricht von einem piezoelektrischen Aktor oder einem piezokeramischen Bauteil. Dabei ist es gleich, ob man dieses Element als Aktor oder Sensor verwendet. In jedem Fall nutzt es den piezoelektrischen Effekt aus, bzw. wird extra verwendet, um den piezoelektrischen Effekt ausnutzen zu können. Spricht man von einem Piezoelement, ist gewöhnlich die gesinterte Keramik als fertiges Bauteil gemeint. Hingegen werden einzelne Piezokomponenten oft auch als Piezokristalle bezeichnet. Die piezosystem jena GmbH nutz den inversen Piezo-Effekt. Die piezoelektrischen Aktoren dienen dabei der hochpräzisen Positionierung von unterschiedlichen Komponenten im Nanometer-Bereich. Unter dem Stichwort Piezo-Theorie erhalten Sie detaillierte Informationen zur Piezotechnologie.

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Piezo-Produktpalette

Die piezosystem jena GmbH ist weltweiter Anbieter von Equipment (Piezoaktoren) zur Mikro- und Nanopositionierung. Hierzu zählen unsere Stapelaktoren in verschiedenen Ausführungen (mit/ohne Gehäuse, Ringausführung, Hochlast), ein- bis fünfachsige Stellelemente, Spiegelkippsysteme, Mikroskop-Objektivpositionierer, Spaltantriebe, Mikrometer-Schraubenpositionierer, Greifer und optische Faserschalter. Zudem bietet die piezosystem jena GmbH auch dazugehörige Controller an. Eine weitere Produktlinie bezieht sich auf Motion Control. Hierbei handelt es sich um Elemente, die eine genaue Positionierung im Millimeter-Bereich gewährleisten. Linearantriebe, rotorische Antriebe und Goniometer stehen dem Anwender zur Verfügung. Unter dem folgenden Link finden Sie eine Übersicht unserer Produkte.

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Piezo-Theorie

Link zur Piezo-Theorie.

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Piezotisch (Piezo-Tisch)

Der Begriff "Piezotisch" (Piezo-Tisch) gilt für Piezopositioniersysteme, in denen ein Piezoaktor als Antriebselement verwendet wird. In der Regel bewegt der piezoelektrische Antrieb eine sogenannte Kopf- oder Tischplatte, die mit einem Bohrungs- oder Stiftlochraster versehen ist. Das erlaubt dem Anwender Komponenten einfach und ohne die Gefahr der Beschädigung des Piezoantriebs auf dem Tisch zu montieren.

Die piezosystem jena GmbH ist Anbieter von Piezotischen bzw. Aktoren, die z.B. in der Nanotechnologie, Mikroskopie, Life Science, Material Science oder Automatisierung eingesetzt werden.

X-Achsen, XY-Achsen , XYZ-Achsen und Z-Achsen-Piezotische für die Mikro- und Nanopositionierung sind standardmäßig verfügbar. Aber auch Spiegelkippsysteme, die zum Beispiel zur Strahlablenkung oder -umlenkung geeignet sind, sowie Objektivpositionierer für die Mikroskopie gehören zum Produktprogramm.

Mehr spezielle Informationen finden Sie in der Produktübersicht der piezosystem jena GmbH.

Ausführliche Informationen zum Aufbau und Funktionsweise von Piezoaktoren können Sie in der Piezo-Theorie nachlesen.

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Resonanzfrequenz

Piezoelektrische Antriebe sind oszillierende mechanische Systeme. Diese Oszillation bestimmt die Resonanzfrequenz. Sie wird durch die Steifigkeit und die bewegte Masse innerhalb des Antriebes mitbestimmt. Aktoren von piezosystem jena erreichen Resonanzfrequenzen bis zu 50 kHz. Alle Werte, die in unserem Katalog und in den Datenblättern angegeben werden basieren auf dem Mittelwert aller Messwerte der betreffenden Serie. Achtung! Piezoaktoren stellen ein schwingungsfähiges System dar und besitzen eine Resonanzfrequenz. Durch Montage und Zuladung wird die Resonanzfrequenz verringert.Um Schäden zu vermeiden, sollten Piezoaktoren nur bis ca. 80% ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden. Die im Katalog und Internet veröffentlichten Werte gelten, wenn nicht anders beschrieben, nur für den unbelasteten Zustand!

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Sensoren für Piezos

Unterschiede zwischen kapazitivem Sensor / Messsystem und Dehnungsmessstreifen (DMS/SG) für Closed Loop Systeme

Welche Unterschiede bestehen bei den Closed Loop Versionen zwischen kapazitivem Sensor / Messsystem und Dehnungsmessstreifen (DMS/SG)?

Piezosysteme mit kapazitiven Sensoren als Feedback System, besitzen grundsätzlich die bessere Auflösung (Sensorauflösung 1nm), Nichtlinearität (typ. 0.05%) sowie eine bessere Wiederholbarkeit. CAP-Systeme sind die erste Wahl bei Anwendungen, bei denen z.B. eine gute Langzeitstabilität nötig ist. Kapazitive Sensoren sind in der Regel zwischen Festpunkt und Abtrieb im Aktoraufbau angeordnet, erfassen somit den gesamten mechanischen Aufbau und können daher hochgenau die Position regeln.

Die Auflösung von Open Loop Aktoren hängt vom Kleinsignal-Verhalten (Rauschen) des Verstärkers ab. Verstärker von piezosystem jena haben ein minimales Rauschen von bis zu < 0.15 mV. Die Auflösung von SG-Sensoren (strain gauge – mit Dehnungsmessstreifen) hängt vom Rauschen der Closed-Loop Elektronik und dem Sensor Signal ab. Gewöhnlich ist die Auflösung des SG-Systems 10 mal höher als für das Open Loop System. Aber für die meisten Elemente liegt die Auflösung eines SG-Systems unter 1 nm. Detailierte Werte und vollständige Datenblätter finden sie auf der bestimmten Seite des gesuchten Elements.

Zusammenfassung: 

CAP - Vorteile

  • hohe Messgenauigkeit, optimal für langzeitstabile Applikationen
  • sehr gute Werte hinsichtlich Nichtlinearität, Wiederholbarkeit und Auflösung
  • Achsübersprechen z.B. bei XY Systemen wird ausgeregelt

CAP - Nachteile

  • meist größere Bauform der Piezoaktoren
  • Bandbreite max. 1 kHz (für den Großteil der Anwendungen durchaus ausreichend)
  • höherer Preis gegenüber SG-Systemen

DMS/SG - Vorteile

  • sehr kleine Bauform
  • große Bandbreite bis 5 kHz
  • preiswerter als CAP

DMS/SG - Nachteile

  • keine hohe Langzeitstabilität
  • kleinste Auflösung kann größer sein als bei CAP-Systemen, besonders bei längeren Stellwegen
  • Achsübersprechen bei XYZ Systemen nicht ausgeregelt
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Softstart

Was bedeutet Softstart?

Softstart ist ein Verfahren zur Initialisierung des Systems, welches aus einem Piezoaktuator und einem Verstärker besteht. Nach dem Einschalten des Verstärkers durchfährt dieser seinen gesamten Spannungsbereich einmal. Dabei bewegt sich der Piezoaktuator von der minimalen (Nulllage) bis zur maximalen Position und wieder zurück.

Bei Aktoren der Serien nanoX, nanoSX, nanoSXY und nanoMIPOS sowie bei einigen Spiegelkippsystemen erfolgt die Bewegung von der Mittenposition zur maximalen und zur Nulllage. Dieser Zyklus dauert ca. 3 Sekunden. Danach ist das System betriebsbereit.

Wozu braucht man die Softstart-Funktion?

Der inverse piezoelektrische Effekt ist ein Festkörpereffekt, der darauf beruht, dass sich elektrisch polarisierte Elementarzellen abhängig vom angelegten elektrischen Feld ausrichten. Aufgrund längerer Lagerung können Depolarisationsvorgänge auftreten. Damit verbunden sinkt die Durchbruchfeldstärke der Multilayer der Piezokeramik.

Ein schlagartiges Anlegen von hoher Spannung kann einen Kurzschluss innerhalb des Piezoaktuators verursachen. Um dies zu vermeiden, wird mit dem automatischen Ausführen der Softstartfunktion die Piezokeramik repolarisiert bzw. refresht.

Ist die Softstart-Funktion abschaltbar?

Ja, bei Bedarf kann die Softstartfunktion deaktiviert werden. Dies ist beispielsweise sinnvoll bei Anwendungen, welche täglich gestartet werden, oder wenn ein Vollhub des Piezoaktors zu Kollisionen führen kann.

Das Abschalten der Initialisierung erfolgt per Software oder durch Umsetzen des entsprechenden Jumpers. Bitte informieren Sie uns bei der Bestellung über Ihre Anforderungen.

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Steifigkeit

Die Steifigkeit ist eine Federkonstante. Sie ist ein wichtiger Wert zur Charakterisierung der Resonanzfrequenz und der erzeugten Kräfte.

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Wiederholbarkeit

Die Wiederholgenauigkeit gibt die Abweichung an welche auftritt, wenn dieselbe Position immer wieder angefahren wird. Sie beinhaltet weder Hysterese noch Drift. Die Wiederholbarkeit wird für jedes kalibrierte System im Kalibrierungsprotokoll angegeben, welches bei jedem ausgelieferten System mit verschickt wird. Alle Werte, die in unserem Katalog und in den Datenblättern angegeben werden, basieren auf dem Mittelwert aller Messwerte der betreffenden Serie. Ausführliche Informationen finden Sie in der Piezo-Theorie (Punkt 3.9.1).

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(+49) 3641 66 88-0

Unsere Ingenieure stehen Ihnen gern für eine umfassende Beratung zur Verfügung.

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