Piezo-Kippsysteme (Aktive Optik).............................................................................................. 1
Piezo-Kippsysteme
(Aktive Optik) im Überblick...................................................................... 2
Vorteile von
piezoelektrischen Kippsystemen......................................................................... 2
Bauformen
............................................................................................................................... 3
Einachsen-Piezo-Kippsysteme........................................................................................... 3
A) Eingelenk-Piezo-Kippsystem
mit einem Piezo-Aktor.................................................. 3
B) Piezo-Kippsystem mit
differentiellem Piezoantrieb..................................................... 3
Mehrachsen- Piezo-Kippsysteme........................................................................................ 3
A) Piezo-Kippsystem mit
differentiellem Piezoantrieb..................................................... 3
B) Piezo-Kippsystem mit
Dreibein-Piezoantrieb.............................................................. 3
Dynamisches Verhalten....................................................................................................... 5
S-224, S-226
Ultra-Schnelle Miniatur-Piezo-Kippspiegel........................................................ 6
S-310 - S-316
Ultra-Schnelle Dreiachsen-Piezo-Kippsysteme und Linear-Aktoren.............. 7
S-330 Ultra-Schnelle qXqY-Piezo-Kippsysteme...................................................................... 9
S-340 Ultra-Schnelle qXqY-Piezo-Kippsysteme.................................................................... 11
Piezo-Kippsysteme für
Astronomische Anwendungen......................................................... 13
Hinweise (Technische
Daten)............................................................................................... 16
© 1998 Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co
PI bietet
eine große Auswahl an schnellen Piezo-Kippsystemen, die speziell für
Anwendungen der "Aktiven Optik"
und "Adaptiven Optik" entwickelt wurden. Neben den Modellen,
die in diesem Katalog vorgestellt werden, liefern wir auch Sonderanfertigungen
auf Kundenwunsch.
Die Vorteile
piezoelektrischer Kippsysteme liegen z.B. im schnellen Ansprechverhalten
(Sub-ms-Bereich) und der hohen Auflösung (Sub-µrad-Bereich). Sie sind ideal für
den dynamischen Betrieb (z.B. Tracking, Scanning etc.) und die statische
Ausrichtung von Spiegeln, Optiken oder Bauteilen.
Piezo-Kippsysteme
erlauben auch die Kompensation von optischen Fehlern und Instabilitäten, die
z.B. durch Temperaturschwankungen, atmosphärische Turbulenzen, Längenänderungen
des optischen Strahlenganges, Symmetriefehler, Vibrationen, Deformationen usw.
hervorgerufen werden. Dazu können z.B. einzelne Kipp-Spiegel oder ganze
Spiegel-Arrays eingesetzt werden. Die Piezotechnik bietet die idealen
Voraussetzungen, die hohen Anforderungen, die an Dynamik und Genauigkeit
gestellt werden, zu erfüllen.
Typische
Anwendungen von Piezo-Kippsystemen sind:
·
Korrektur
von Fehlern bei Polygonscannerspiegeln (Drucktechnik)
·
Massenspeicherherstellung
(optische Disks)
·
Aktive
Schwingungsdämpfung (Laser Systeme)
·
Bildstabilisierung
(Astronomische Teleskope, Abbildende Systeme)
·
Laserstrahlstabilisierung
(Resonatoren, optische Aufbauten)
·
Laserstrahlscanner
(Mikrolithographie, optische Aufbauten)
·
Laserstrahlsteuerung
und -tracking (Telekommunikations-Satelliten)
·
Zieleinrichtungen
(Verteidigungstechnik)
Die Piezo-Kippsysteme, die in diesem Katalog beschrieben werden, sind
Beispiele für Systemlösungen, die mit piezoelektrischen Antrieben möglich sind.
Darüber hinaus wurden von uns bereits eine Reihe von Spezialsystemen für
OEM-Kunden und Sonderapplikationen realisiert, von der Astronomie über die
Raumfahrt bis zur Medizintechnik.
PI hat heute mehr als 25 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der
Piezosystemtechnik. Unser hochmotiviertes Team aus Physikern und Ingenieuren
verfügt über die modernste Ausrüstung für Konstruktion, Produktion, Simulation
und Test. Jeder Schritt, von der Herstellung des Piezo-Rohmaterials über die
anspruchsvolle Sensorik und Regeltechnik bis zum Endtest des kompletten
Systems, wird von uns kontrolliert. Diese vertikale Firmenstruktur
gewährleistet die effiziente Planung und Durchführung selbst anspruchsvollster
Projekte.
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Verschiedene Ein- und Mehrachsenbauformen sind möglich.
Einachsen-Kippsysteme (qX) sind in zwei Ausführungen verfügbar:
Beispiele: S-224 und S-226, Seite 6.
Die Plattform wird von einem Festkörpergelenk geführt und von einem
Piezo-Translator bewegt (siehe Abb. ). Das Festkörpergelenk bildet den
Drehpunkt und besorgt die Vorspannung für den Piezo-Translator.
Die Vorteile der Eingelenk-Bauform sind die einfache Konstruktion und die
geringen Kosten. Für Anwendungen, die hohe Winkelstabilität in einem breiten
Temperaturbereich erfordern, wird ein differentieller Piezoantrieb empfohlen.
Abb.
1FlexTilt Aufbau eines
Eingelenk-Kippsystems
Beispiele: Sonderausführungen.
Diese Konstruktion basiert auf zwei Piezo-Translatoren, die im
Druck-/Zug-Betrieb die Plattform antreiben (siehe Abb. ). Das Gehäuse mit den
FEM (Finite Elemente Methode)- berechneten, drahterodierten Festkörpergelenken
ist aus einem Metallblock herausgearbeitet. Die reibungsfreien Gelenke sorgen
für exzellente Führungsgenauigkeit.
Die differentielle Bauform bietet höchste Winkelstabilität in einem breiten
Temperaturbereich. Temperaturänderungen wirken sich nur auf die vertikale
Position der Plattform aus, nicht auf den Kippwinkel. Bei positionsgeregelten
Ausführungen ermöglicht die differentielle Auswertung zweier Sensoren optimale
Stabilität und Auflösung. Nach Ausschalten der Betriebsspannung kehrt die
Plattform in die Mittellage zurück.
Abb. 1DiffFlxTilt Konstruktion
eines Kippsystems mit differentiellem Piezoantrieb
PI bietet zwei Bauformen an:
Beispiele: S-330 und S-340, Seite 9, Bookmark not defined..
Die Plattform wird von 4 Piezo-Translatoren (2 Paare) in 90 Grad Abständen
angetrieben. Jedes Paar arbeitet im Druck-/Zug-Betrieb.
Die differentielle Bauform bietet höchste
Winkelstabilität in einem breiten Temperaturbereich. Temperaturänderungen
wirken sich nur auf die vertikale Position der Plattform aus, nicht auf den
Kippwinkel. Bei positionsgeregelten Ausführungen ermöglicht die differentielle
Auswertung von je zwei Sensoren pro Achse optimale Stabilität und Auflösung.
Nach Ausschalten der Betriebsspannung kehrt die Plattform in die Mittellage
zurück.
Beispiele: S-315 und S-316, Seite 7.
Die Plattform wird von drei Piezo-Translatoren in 120 Grad Abständen
angetrieben (Dreibein). Die Steuerung ist komplizierter als bei A), weil die
Auslenkung jedes Piezo-Translators sowohl die qX als auch die qY Drehung beeinflußt. Eine externe
Koordinatentransformation (Software oder Hardware) ist notwendig, um Bewegungen
direkt in qX und qY Koordinaten steuern zu können (Zeichnung und
Transformationsgleichungen siehe unten).
a = [A-1/2 (B-C)] / a
b = (B-C) / b
z = (A+B+C) / 3
Abb. 3-PZT-Tilt A, B, C ist die Linearauslenkung der
entsprechenden Piezo-Translatoren.
Anwendungsbeispiel: S-316, Seite 7.
Æ =
13,9 mm
a = 10,4 mm
b = 12,0 mm
A, B, C 0 bis 12 mm
Der Antrieb mit drei unabhängigen Piezo-Translatoren hat aber auch Vorteile
gegenüber dem differentiellen Antrieb: Zusätzlich zur Kippung kann die
Plattform auch linear bewegt werden, wichtig bei Interferometrieanwendungen und
zur Korrektur optischer Strahllängenunterschiede. Der mögliche zentrale
Durchgang ist ideal für Durchlichtanwendungen.
Wie beim differentiellen Antrieb haben Temperaturschwankungen bei der
Dreibeinkonstruktion keinen Einfluß auf die Winkelstabilität, sondern wirken
sich nur auf die vertikale Position der Plattform aus. Nach Ausschalten der
Betriebsspannung kehrt die Plattform in die Mittellage zurück.
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Die maximale Arbeitsfrequenz eines Kippsystems hängt u.a. von seiner
mechanischen Resonanzfrequenz ab (die elektronischen Eigenschaften des
Verstärkers, Reglers und Sensors dürfen nicht außer acht gelassen werden). Um
die effektive Resonanzfrequenz eines Kippsystems (Plattform + Spiegel)
abzuschätzen, muß zuerst das Trägheitsmoment des Spiegelsubstrats berechnet werden.
Trägheitsmoment eines
rotationssymmetrischen Spiegels
IM = m [(3R² + H²)/12 + (H/2 + T)²]
Trägheitsmoment eines
rechteckigen Spiegels
IM = m [(L² + H²)/12 + (H/2 + T)²]
mit
IM = Trägheitsmoment des
Spiegels [gmm²]
L = Länge des Spiegels orthogonal
zur Kippachse [mm]
H = Spiegeldicke [mm]
T = Abstand Drehpunkt -
Plattformoberfläche (s. technische Daten) [mm]
R = Spiegelradius [mm]
m = Spiegelmasse [g]
Mit der Resonanzfrequenz der Plattform (s. technische Daten) und dem
Trägheitsmoment des Spiegelsubstrats ergibt sich die Systemresonanzfrequenz
entsprechend folgender Gleichung:
Resonanzfrequenz eines
Kippsystems mit Spiegel
f' = f0 * 1/
Ö(1 + IM
/I0)
mit
f’ = Resonanzfrequenz der Plattform
mit Spiegel [Hz]
f0 = Resonanzfrequenz der
Plattform ohne Spiegel [Hz]
I0 = Trägheitsmoment der
Plattform (siehe technische Daten) [gmm²]
IM = Trägheitsmoment des
Spiegels [gmm²]
Weitere Informationen zum statischen und dynamischen Verhalten von
Piezo-Aktoren finden Sie im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren mit
Piezoelektrischen Aktoren".
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· Sub-µrad-Auflösung
· Sub-ms-Ansprechzeit
· Kippwinkel 2,2 mrad
· Optionaler Positionssensor
· Mit BK7 Spiegel
Die S-224 und S-226 Miniatur-Kippspiegel
sind extrem schnelle und kompakte Einheiten, die einen Kippwinkel von 2,2 mrad
und eine Ansprechzeit im Sub-Millisekundenbereich bieten.
S-224.00 ist
für den Betrieb im offenen Regelkreis vorgesehen. Hier verhält sich der Kippwinkel
ungefähr proportional zur Piezospannung Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren”, zum Verhalten von spannungsgesteuerten Piezos).
S-224 ist daher ideal für Anwendungen, bei denen die genaue Winkelposition
durch einen externen optischen Sensor (z.B. CCD- Kamera, Photodiode etc.)
ermittelt werden kann.
Die
positionsgeregelte Version S-226.00 erlaubt absolute Positionierungen, hohe
Linearität und Wiederholbarkeit durch integrierte hochauflösende
DMS-Positionssensoren.
Beide
Versionen werden mit einem Æ 15 x 4 mm BK7 Glasspiegel mit l/8 Ebenheit und Reflektivität > 92% bei
633 nm ausgeliefert. Die Montage der Einheiten erfolgt durch Klemmung am
Flansch.
Abb. S224-6 S-226 Piezo-Kippspiegel
Abb. S224-6 S-224, S-226 Abmessungen
Anwendungsbeispiele: Laserstrahlsteuerung, Laserscanning,
Laserstrahlstabilisierung, Bildstabilisierung, Korrektur von
Polygonspiegelfehlern.
Funktionsprinzip: Die Kippspiegel sind mit einem
Niedervolt-Piezoantrieb ausgerüstet (0 bis 100 V), der eine Plattform antreibt,
die von einem reibungsfreien Festkörpergelenk geführt wird. Das FEM (Finite
Elemente Methode)- berechnete Gelenk ermöglicht höchste Führungsgenauigkeit und
stellt gleichzeitig die Vorspannung für den Piezo zur Verfügung. Ein integrierter
Sensor (bei S-226.00) sorgt für höchste Auflösung und Stabilität im
positionsgeregelten Betrieb (mit PI-Piezo-Elektronik).
Bestellinformation:
S-224.00 qX- Piezo Kippspiegel 2,2 mrad
S-226.00 qX- Piezo Kippspiegel 2,2 mrad, DMS Sensor
Hochauflösende Verstärker u. Regelelektroniken in digitaler und analoger Technik finden Sie im Kapitel “Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
Sonderausführungen auf Anfrage!
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· 10 mm freier Durchgang
· Dreibein-Piezoantrieb
· Kippwinkel bis ±600 µrad
· Linearstellwege bis 12 µm
· Positionsgeregelte Versionen
· Für Optiken, Spiegel oder andere
Komponenten
Die S-310 bis S-316 piezoelektrische Kippsysteme und Linear-Aktoren sind
schnelle und kompakte Einheiten, die auf einem Dreibeinantrieb basieren. Sie
bieten einen vertikalen Stellbereich bis zu 12 µm und einen Kippbereich bis zu
± 600 µrad mit Sub-ms-Ansprechzeit. Die Systeme sind für Spiegel und Optiken
bis 25 mm Durchmesser ausgelegt und ideal für Durchlichtanwendungen geeignet.
Die
Versionen S-310, S-311, S-314 und S-315 sind für den Betrieb im offenen
Regelkreis vorgesehen. Hier verhält sich der Kippwinkel (Linearstellweg)
ungefähr proportional zur Piezospannung Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren”, zum Verhalten von spannungsgesteuerten Piezos).
Diese Versionen sind daher ideal für Anwendungen, bei denen die genaue Position
durch einen externen optischen Sensor (z.B. CCD-Kamera, Photodiode etc.)
ermittelt werden kann.
Die
positionsgeregelte Version S-316 erlaubt absolute Positionierungen, hohe
Linearität und Wiederholbarkeit durch integrierte hochauflösende
DMS-Positionssensoren.
Abb. S314-6 S-314.10
Abb. S314-6 S-310, S-311, S-315, S-316 Abmessungen
Abb. S315Kabel Kabelkonfiguration
für S-311 und S-315
Abb. S316Kabel Kabelkonfiguration
für S-316
Anwendungsbeispiele: Laserstrahlsteuerung, Laserscanning,
Laserstrahlstabilisierung Bildstabilisierung , interferometrische
Oberflächenstrukturanalyse, Lasertuning.
Funktionsprinzip: Die S-310 bis S-316 piezoelektrische Kippsysteme
sind mit drei Niedervolt-Piezo-Translatoren (0 bis 100 V) ausgerüstet (Details
und Gleichungen s. Seite 3), die die ringförmige Plattform direkt
antreiben. Integriertere Sensoren (S-316.00) sorgen für höchste Auflösung und
Stabilität im positionsgeregelten Betrieb (mit PI-Piezo-Elektronik).
Fünf
verschiedene Versionen sind verfügbar:
·
S-310.10
Linear-Aktor; alle drei Piezo-Translatoren sind elektrisch parallel geschaltet
und ermöglichen die vertikale Positionierung der Ringplattform. Nur ein
Steuerkanal wird benötigt. Die drei Piezo-Translatoren sind auf optimale
Parallelität hin ausgesucht.
·
S-314.10
Linear-Aktor; wie S-310.10, aber doppelter Stellweg.
·
S-311.10
Linear- und Kippsystem; alle drei Piezo-Translatoren können individuell (oder
parallel) mit einem Dreikanalverstärker gesteuert werden. Linear- und
Kippbewegungen sind möglich.
·
S-315.10
Linear- und Kippsystem; wie S-311.10, aber doppelter Kippwinkel/Stellweg
·
S-316.10
Linear- und Kippsystem mit Positionssensoren; alle drei Piezo-Translatoren sind
mit Sensoren ausgerüstet und können individuell (oder parallel) mit einem
Dreikanalverstärker / Servo-Controller positionsgeregelt werden. Linear- und
Kippbewegungen sind möglich. Die hochauflösenden Positionssensoren ermöglichen
Sub-µrad-Auflösung und Wiederholbarkeit (mit PI-Elektronik).
Bestellinformation:
S-310.10 Piezo-Linear-Aktor mit
freiem Durchgang, 6 µm
S-311.10 Dreiachsen-Piezo-Kippsystem
mit freiem Durchgang, ± 300 µrad, 6 µm
S-314.10 Piezo-Linear-Aktor mit
freiem Durchgang, 12 µm
S-315.10 Dreiachsen-Piezo-Kippsystem
mit freiem Durchgang, ± 600 µrad, 12 µm
S-316.10 Dreiachsen-Piezo-Kippsystem
mit freiem Durchgang, ± 600 µrad, 12 µm, Sensor
Hochauflösende
Verstärker u. Regelelektroniken in digitaler und analoger Technik finden Sie im
Kapitel “Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”
Sonderausführungen auf Anfrage!
© 1998 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co
·
Kippwinkel ±1 mrad in qX und qY
·
Für Spiegel bis 50 mm Æ
·
Sub-µrad-Auflösung
·
Positionsgeregelte Versionen
·
Differentieller Aufbau für hervorragende Temperaturstabilität
S-330 piezoelektrische Kippsysteme sind schnelle
und kompakte Einheiten, die präzise Kippbewegungen der Deckplattform in zwei
orthogonalen Achsen erlauben. Der Kippwinkel beträgt ±1 mrad (pro Achse) mit
Sub-µrad-Auflösung.
Die Version S-330.30 ist für den Betrieb
im offenen Regelkreis vorgesehen. Hier verhält sich der Kippwinkel ungefähr
proportional zur Piezospannung Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren”, zum Verhalten von spannungsgesteuerten Piezos).
Diese Version ist daher ideal für Anwendungen, bei denen die genaue
Winkelposition durch einen externen optischen Sensor (z.B. CCD-Kamera,
Photodiode etc.) ermittelt werden kann.
Die positionsgeregelte Version S-330.10
erlaubt absolute Positionierungen, hohe Linearität und Wiederholbarkeit durch
integrierte hochauflösende DMS-Positionssensoren.
S-330 Systeme sind für Spiegel bis 50 mm
Durchmesser ausgelegt und bieten hervorragende Winkelstabilität in einem
breiten Temperaturbereich. Die Invar-Deckplattform erlaubt die optimale
Anpassung an Zerodur-Glas-Spiegel.
Anwendungsbeispiele: Bildstabilisierung ,
Laserstrahlstabilisierung, adaptive Optiksysteme, Laserstrahlsteuerung,
Laserscanning, Korrektur von Polygonspiegelfehlern.
Abb. S330 S-330.10 Piezo-Kippsystem
Abb. S330 S-330 Abmessungen
Abb. S330Kabel S-330 Kabelkonfiguration
Funktionsprinzip: Die Plattform wird von vier
Piezo-Translatoren (zwei Paare) in 90 Grad Abständen angetrieben. Jedes Paar
arbeitet im Druck-/Zug-Betrieb (Schaltungsprinzip s. Abb. ). In das Gehäuse
sind reibungsfreie FEM (Finite Elemente Methode)- berechnete Festkörpergelenke
erodiert, die optimale Führungsgenauigkeit ermöglichen. Der differentielle
Betrieb bietet höchste Winkelstabilität in einem breiten Temperaturbereich.
Temperaturänderungen beeinflussen nur die vertikale Position der Plattform,
nicht den Kippwinkel. Nach Ausschalten der Betriebsspannung kehrt die Plattform
in die Mittellage zurück. Bei der Version S-330.10 sorgen integrierte Sensoren
(jeweils ein Paar pro Achse), die differentiell ausgewertet werden, für höchste
Auflösung und Stabilität im positionsgeregelten Betrieb (mit
PI-Piezo-Elektronik).
Abb. S330diff S-330 Schaltungsprinzip
E-500 Chassis mit drei E-505.00 Verstärkermodulen (eines davon spezialkonfiguriert).
Optionen: E-509.S3 Servo-Controllermodul (für geregelten Betrieb,
spezialkonfiguriert). Details zur
Elektronik finden Sie im Kapitel “Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
E-500 Chassis mit einem E-503.00 Verstärkermodul (spezialkonfiguriert).
Optionen: E-509.S3 Servo-Controllermodul (für geregelten Betrieb,
spezialkonfiguriert). Details zur
Elektronik finden Sie im Kapitel “Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
Bestellinformation:
S-330.10 qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, DMS-Sensor
S-330.30 qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad
Sonderausführungen auf Anfrage!
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·
Kippwinkel ±1 mrad in qX und qY
·
Für Spiegel bis 100 mm Æ
·
Sub-µrad-Auflösung
·
Positionsgeregelte Versionen
·
Differentieller Aufbau für hervorragende Temperaturstabilität
S-340 piezoelektrische Kippsysteme sind schnelle und kompakte Einheiten,
die präzise Kippbewegungen der Deckplattform in zwei orthogonalen Achsen
erlauben. Der Kippwinkel beträgt ±1 mrad (pro Achse) mit Sub-µrad-Auflösung.
Die Versionen S-340.x0 sind für den Betrieb im offenen Regelkreis
vorgesehen. Hier verhält sich der Kippwinkel ungefähr proportional zur
Piezospannung Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren mit
Piezoelektrischen Aktoren”, zum Verhalten von spannungsgesteuerten Piezos).
Diese Versionen sind daher ideal für Anwendungen, bei denen die genaue
Winkelposition durch einen externen optischen Sensor (z.B. CCD-Kamera,
Photodiode etc.) ermittelt werden kann.
Die positionsgeregelten Versionen S-340.xL erlauben absolute
Positionierungen, hohe Linearität und Wiederholbarkeit durch integrierte
hochauflösende LVDT-Positionssensoren.
S-340 Systeme sind für Spiegel bis 100 mm Durchmesser ausgelegt und bieten
hervorragende Winkelstabilität in einem breiten Temperaturbereich.
Zur optimalen Anpassung an die Ausdehnungskoeffizienten verschiedener
Spiegelmaterialien werden folgende Deckplattformen angeboten (s. a.
Bestellinformation):
|
Plattform |
Empfohlener Spiegel |
Model |
|
Aluminium |
Aluminium
|
S-340.Ax |
|
Invar |
Zerodur-Glas |
S-340.ix |
|
Titan |
BK7
Glas |
S-340.Tx |
|
Edelstahl
(nicht magn.) |
|
S-340.Sx |
Anwendungsbeispiele: Bildstabilisierung , Laserstrahlstabilisierung,
adaptive Optiksysteme, Laserstrahlsteuerung, Laserscanning, Korrektur von
Polygonspiegelfehlern.
Abb. S340 S-340.AL Piezo-Kippsystem
Abb. S340 S-340 Abmessungen
Funktionsprinzip: Die Plattform wird von vier
Piezo-Translatoren (zwei Paare) in 90 Grad Abständen angetrieben. Jedes Paar
arbeitet im Druck-/Zug-Betrieb (Schaltungsprinzip s. Abb. ). In das Gehäuse
sind reibungsfreie FEM (Finite Elemente Methode)- berechnete Festkörpergelenke
erodiert, die optimale Führungsgenauigkeit ermöglichen. Der differentielle
Betrieb bietet höchste Winkelstabilität in einem breiten Temperaturbereich.
Temperaturänderungen beeinflussen nur die vertikale Position der Plattform,
nicht den Kippwinkel. Nach Ausschalten der Betriebsspannung kehrt die Plattform
in die Mittellage zurück. Bei den Versionen S-340.xL sorgen integrierte
Sensoren (jeweils ein Paar pro Achse), die differentiell ausgewertet werden,
für höchste Auflösung und Stabilität im positionsgeregelten Betrieb (mit
PI-Piezo-Elektronik).
Abb. S340diff S-340 Schaltungsprinzip
E-500 Chassis mit drei E-505.00 Verstärkermodulen (eines davon
spezialkonfiguriert). Optionen: E-509.L3 Servo-Controllermodul (für geregelten
Betrieb, spezialkonfiguriert). Details zur Elektronik finden Sie im Kapitel
“Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
E-500 Chassis mit einem E-503.00 Piezo-Verstärkermodul
(spezialkonfiguriert). Optionen: E-509.L3 Servo-Controllermodul (für geregelten
Betrieb, spezialkonfiguriert). Details zur Elektronik finden Sie im Kapitel
“Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller””.
Bestellinformation:
S-340.A0 qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Aluminium-Deckplatte
S-340.i0 qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Invar-Deckplatte
S-340.S0 qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Edelstahl-Deckplatte
S-340.T0 qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Titan-Deckplatte
S-340.AL qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Aluminium-Deckplatte,
LVDT-Sensor
S-340.iL qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Invar-Deckplatte,
LVDT-Sensor
S-340.SL qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Edelstahl-Deckplatte,
LVDT-Sensor
S-340.TL qXqY-Piezo-Kippsystem, ±1 mrad, Titan-Deckplatte,
LVDT-Sensor
Sonderausführungen auf Anfrage!
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· Aktive Sekundär-Spiegel-Stabilisierung
· Spiegeldurchmesser bis 300 mm
· Integrierte Momentenkompensation
Im letzten
Jahrzehnt hat PI verschiedene Kippspiegelsysteme für die Bildstabilisierung in
der Astronomie entwickelt. Die Auflösung von Teleskopen auf der Erde wird vor
allen Dingen von atmosphärischen Turbulenzen begrenzt, die ein Verwackeln der
Abbildungen erzeugen. Piezoelektrisch getriebene, aktive Sekundär-Spiegel
verbessern die Auflösung bei Langzeitaufnahmen entscheidend, indem sie das
Verwackeln in Echtzeit korrigieren.
Durch das
hohe Trägheitsmoment der großen Spiegel und die schnelle Beschleunigung, die
zur Korrektur benötigt wird, treten signifikante Kräfte auf, die Vibrationen in
der Teleskopstruktur verursachen können.
Um diese
Kräfte zu eliminieren, bevor sie Störungen verursachen, hat PI
Kippspiegelsysteme mit integrierter piezoelektrischer Momentenkompensation
entwickelt. Jede Vibration, die durch die Spiegelbeschleunigung verursacht
wird, wird mit einer Effizienz von bis zu 95% durch die interne Kompensation
eliminiert.
Einige
Beispiele:
Abb. Aktiver Sekundär-Spiegel für das 2,2 m ESO
(European Southern Observatory) Teleskop in La Silla, Chile.
Spiegeldurchmesser: 100 mm
Kippwinkel: ± 400 µrad
Resonanzfrequenz : 900 Hz
Abb. S380optPath Bildstabilisierung
mit aktivem Sekundär-Spiegel (Quelle: ESO)
Abb. S380spider Teleskopstruktur
mit aktivem Sekundär-Spiegel (Quelle: ESO)
Abb. S380laSilla Das
Subaru-Teleskop (im Bau), die Keck I und Keck II Observatorien und das NASA
IRTF-Teleskop (Silberdom) auf dem Mauna Kea, Hawaii.
Abb. IRTF-Hex Aktiver
Sekundär-Spiegel für das IRTF-Teleskop (Mauna Kea, Hawaii) mit
Hexapod-Positioniersystem
Spiegeldurchmesser: 244 mm
Kippwinkel: ±250 µrad
Resonanzfrequenz : 490 Hz
Abb. UKIRT-Hex Aktiver
Sekundär-Spiegel für das UKIRT-Teleskop (Mauna Kea, Hawaii) mit
Hexapod-Positioniersystem
Spiegeldurchmesser: 314 mm
Kippwinkel: ±500 µrad
Resonanzfrequenz : 280 Hz
Abb. Subaru-Tilt Aktiver
Quartär-Spiegel für das Subaru-Teleskop (Mauna Kea, Hawaii)
Spiegeldurchmesser: 150 mm
Kippwinkel: ±600 µrad
Resonanzfrequenz : 610 Hz
Abb. 3.14/2 und 3.14/3: Aus "Progress Report on
DISCO: A Project for Image Stabilisation at the 2.2 m Telescope" by F.
Maaswinkel, S. D'Odorico and G. Huster, ESO, F. Bortoletto, Istituto di
Astronomia, University
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Literaturquellen
A2 Kippwinkel
bei 0 bis 100 V
Typischer Kippwinkel im
offenen Regelkreis bei 0 bis 100 V Betriebsspannung. Bei differentiell
getriebenen piezoelektrische Kippsystemen wird die Nullposition bei 50 V
Steuerspannung erreicht, der maximale negative Winkel bei 0 V und der maximale
positive Winkel bei 100 V. Max. Betriebsspannungsbereich kurzzeitig: -20 bis
120 V im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren").
A3 Kippwinkel
(geregelt)
Kippwinkel im
geschlossenen Regelkreis. Bei differentiell getriebenen Piezo-Kippsystemen wird
der Winkel als + / - Wert um die Nullage spezifiziert. PI-LVPZT-Verstärker
haben einen Ausgangsspannungsbereich von -20 bis 120 V, um genügend
Regelreserve für Lastschwankungen etc. zu bieten.
A5 Linearstellweg
bei 0 bis 100 V
Typischer Stellweg im offenen Regelkreis bei 0 bis 100 V Betriebsspannung. Max.
Betriebsspannungsbereich kurzzeitig: -20 bis 120 V " im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren").
A6 Linearstellweg
(geregelt)
Typischer Stellweg im
geschlossenen Regelkreis. PI-LVPZT-Verstärker haben einen
Ausgangsspannungsbereich von -20 bis 120 V, um genügend Regelreserve für
Lastschwankungen etc. zu bieten.
B Integrierter Positionssensor
Absolut
messende LVDT-Sensoren und DMS-Sensoren werden eingesetzt, um die
Positionsinformation an den Regler zurückzumelden im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren").
C1 Auflösung
(geregelt / ungeregelt)
Die Auflösung von
Piezo-Kippsystemen ist praktisch unbegrenzt, weil sie nicht durch Haft- oder
Gleitreibung limitiert wird. Statt dessen wird das Positionsrauschen
spezifiziert. Die Werte sind typische Meßergebnisse (RMS, 1 s), gemessen mit dem E-503 Verstärkermodul im
E-500/501 System.
C3 Wiederholbarkeit
(typ.)
Typische Werte im
geschlossenen Regelkreis. Die Wiederholbarkeit ist vom tatsächlich verstellten
Weg abhängig. Bei kleinen Stellwegen ist die Wiederholbarkeit bedeutend besser.
D1 Steifigkeit
Statische
Großsignalsteifigkeit der Piezokeramik bei Raumtemperatur mit 0 V
Betriebsspannung. Die Kleinsignalsteifigkeit und dynamische Steifigkeit können
sich, bedingt durch die Kombination verschiedener Materialien im Stellsystem
und durch Effekte, die durch die aktive Natur des Piezomaterials hervorgerufen
werden, deutlich unterscheiden im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren").
F1 Kapazität
Die Kapazitätswerte in
den technische Daten sind Kleinsignalwerte (gemessen bei 1 V, 1000 Hz, 20° C, lastfrei; Großsignalwerte bei
Raumtemperatur liegen 30 - 50% höher). Die Kapazität von Piezokeramik ändert
sich mit der Amplitude, Temperatur und Last bis zu 200% des unbelasteten
Kleinsignalwertes bei Raumtemperatur. Weitere Informationen zum elektrischen
Leistungsbedarf sind in den Aussteuerkurven der einzelnen Verstärker im Kapitel
“Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller” enthalten.
F2 Dynamischer Strom-Koeffizient (DSK)
Durchschnittlicher
elektrischer Strom (vom Verstärker), der benötigt wird, um einen Piezo-Aktor
pro Einheit Frequenz [Hz] und Auslenkung [µm] zu betreiben (Sinusbetrieb,
offener Regelkreis; bis 50% mehr im geschlossenen Regelkreis). Beispiel: Um
herauszufinden, ob ein gewählter Verstärker einen Piezo-Aktor bei 100 Hz mit 5
µm Hub betreiben kann, muß der DSK mit 100 und 5 multipliziert werden. Wenn das
Resultat kleiner oder gleich dem Dauerstrom des gewählten Verstärkers ist,
eignet sich dieser für die Anwendung
im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren mit Piezoelektrischen Aktoren").
G2 Resonanzfrequenz
(ohne Last)
Erste Kipp-Resonanzfrequenz
der aktiven Achse ohne Zusatzmasse (Spiegel) (ist nicht gleichbedeutend mit der
maximalen Arbeitsfrequenz). Siehe auch im Kapitel "Tutorium: NanoPositionieren
mit Piezoelektrischen Aktoren".
G3 Resonanzfrequenz
mit Spiegel
Beispiel dafür, wie eine
auf der Plattform befestigte Masse (Spiegel) die Resonanzfrequenz beeinflußt
(rechnerischer Wert). Siehe auch "Dynamisches Verhalten" auf Seite 5.
H2 Betriebstemperaturbereich
Standard-Bereich, andere
Temperaturbereiche auf Anfrage. Positionsgeregelte Systeme werden für optimale
Genauigkeit bei Raumtemperatur abgeglichen. Ein Neuabgleich ist empfehlenswert,
wenn der Betrieb bei einer deutlich höheren oder tieferen Temperatur
stattfinden soll.
J1 Spannungsanschluß
Standardstecker
für die Betriebsspannung sind LEMO-Stecker.
VL:
Niedervolt (Voltage Low) LEMO FFA.00.250, männlich. Koaxialkabel RG 178,
Teflonisolation, 1 m.
Verlängerungskabel
und Adapter finden Sie im Abschnitt "Zubehör" am Ende des Kapitels
“Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
J2 Sensoranschluß
Standardstecker
für die Positionssensoren sind LEMO-Stecker.
L: LEMO
FFA.0S.304, weiblich. Koaxialkabel, PUR-Isolation, 1 m.
Verlängerungskabel
und Adapter finden Sie im Abschnitt "Zubehör" am Ende des Kapitels
“Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
L Material
(Gehäuse / Plattform)
Geringe Anteile anderer
Materialien können intern verwendet werden (für Vorspannung, Ankopplung,
Montage, thermische Kompensation etc.).
Al:
Aluminium.
N-S: unmagnetischer Edelstahl
S: ferromagnetischer Stahl
I: Invar
M Empfohlene Verstärker/Controller
Siehe
Tabelle am Ende des Kapitels “Piezo-Elektronik: Piezoverstärker, Piezo-Controller”.
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© 1998 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co
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