PIOne Sensoren – Höchstleistung für Nanopositioniersysteme

Eine Eigenentwicklung für höchste Genauigkeit über große Stellwege

Piezoschreitantriebe oder magnetische Direktantriebe erlauben auch über große Stellwege eine hochgenaue Positionierung. Hohe Auflösung und Linearität über große Stellwege ist jedoch nicht denkbar ohne den Einsatz höchstauflösender Messsysteme und Messmethoden.

In der klassischen Nanopositionierung mit Piezoaktorik und Stellwegen bis 1 mm erzielen kapazitive Sensoren eine Auflösung im Sub-Nanometerbereich und sehr hohe Stabilität und Linearität. Für Messbereiche ab ca. 1 mm stoßen kapazitive Messsysteme jedoch an ihre Grenzen: Auflösung und Linearität nehmen ab oder die Größe der aktiven Sensorfläche nimmt zu und damit auch der benötigte Bauraum. Bei größeren Stellwegen werden daher inkrementelle Positionssensoren eingesetzt. Auf dem Markt verfügbare Linearencoder sind jedoch für die Anforderungen der Nanopositionier-Mechaniken oftmals nicht ausreichend.

„Es war eine anspruchsvolle Aufgabe, sowohl die Grundlagen zu erarbeiten als auch die technische Umsetzung zu realisieren. Für mich als Entwickler eine spannende Mischung aus optischen, mechanischen und elektronischen Komponenten, die als Produkt zusammen funktionieren müssen.“

Dr. Axel Grabowski
(Leiter Entwicklung Sensorik bei PI)

„Wir haben PIOne entwickelt, da es auf dem Markt keine Sensoren kleiner Bauform im Auflösungsbereich 1 nm und besser gab“, erklärt Dr. Axel Grabowski, Leiter der Entwicklung Sensorik bei PI. „Einige der auf dem Markt verfügbaren Sensoren erreichen zwar solche Auflösungen, sind jedoch größer als so manche von unseren Positioniersystemen und verbrauchen relativ viel Leistung. Bei der Eigenentwicklung sollte daher ein Sensor kleiner Bauform mit höchster Auflösung und moderatem Energieverbrauch realisiert werden. Mit dem inkrementellen Positionssensor PIOne ist uns das gelungen.“

Auflösung bis 20 Pikometer

Die Auflösung des inkrementellen Sensors, d. h. die kleinstmögliche messbare Verschiebung des Messkopfes gegenüber dem Maßstab, wird im Wesentlichen von der Länge der Signalperiode des Sensors, dem Rauschen der Verarbeitungselektronik und dem elektronischen Interpolationsfaktor der Signale bestimmt.

Die Höhe des Interpolationsfaktors ist jedoch durch das Rauschen der Signale begrenzt und kann nicht beliebig hoch gewählt werden. Eine möglichst kleine Signalperiode ist daher von Vorteil, da so eine hohe Auflösung auch bei einem geringeren Interpolationsfaktor erzielt werden kann.

Die Auflösung von 20 Pikometern und besser erreicht PIOne durch seine kleine Signalperiode von 0,5 µm und die optimierte Signalverarbeitung. Dabei ist eine Interpolation mit einem Faktor von 4.000 rauschfrei möglich.

Der Sensorkopf des PIOne beinhaltet ein Mach-Zehnder Interferometer, bei dem die optischen Wege abgeglichen und vollsymmetrisch sind, wodurch Umgebungseinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit kompensiert werden.

Da die Signale des PIOne von verschiedenen PI Controllern weiterverarbeitet werden können, kann der Sensor in Positioniersystemen mit unterschiedlichsten Antriebstechnologien eingesetzt werden.




Über den Autor

Doris Knauer

Projektleiterin Marketingkampagnen, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

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