PI Newsletter 37

Piezo · Nano · Positioning
news
Ausgabe 37 · April 2008
Technik, die unter die Haut geht
Piezo-Ultraschall-Linearantriebe – Neue Anwendung in der nicht-invasiven Medizintechnik
Moderne PILine ® Piezo-Ultraschall-Linearantriebe ermöglichen in der Medizin-
technik Anwendungen, die mit klassischen Elektromotor-Spindelkom-
binationen nicht realisierbar sind
Aufgrund des piezoelektrischen
Prinzips und der direkten Erzeugung
linearer Bewegung sind die PILine ® -
Antriebe nicht nur schneller, leichter
und kompakter als konventionelle
motorische Antriebe, sondern auch
unmagnetisch. Sie bieten Auflösungen
von 20 nm (0,02 µm) und Verfahrgeschwindigkeiten
bis 1 m/s. Mit
prinzipiell unbegrenzten Verstell-
Fortsetzung auf Seite 2
wegen sind sie in
vielen Integrationsstufen
erhältlich, passend
zur jeweiligen (OEM-)
Applikation. Die Medizintechnik
liefert dafür
ein aktuelles Beispiel.
Piezotechnik ermöglicht
schnelle und kompakte OCT-
Scanner mit hoher Auflösung
Um in der klinischen und kosmetischen
Forschung Hautveränderungen
zu erkennen, gibt es neben den klassischen
invasiven Eingriffen (Stanzenbiopsien)
bisher eine Reihe nicht ganz
befriedigender Nichtinvasiv-Verfahren:
den auf Ultraschall basierenden Techniken
fehlt es an der Auflösung, und
die konfokale Mikroskopie kann nicht
tief genug in die Haut hineinblicken.
Inhalt Seite
Piezo-Ultraschall-Linearantriebe 1, 2
NEXACT ® Controller 3
P-726 – für hochdynamische
Nanopositionierung 4
MercuryDC-Motor Controller 4
Hochlast-Hexapod 5
E-712 – der neue modulare
Piezocontroller 6
Neue PI Tochtergesellschaften 6
P-653 – kleinster Ultraschall-
Linearantrieb 7
Termine, Impressum 8

2
Fortsetzung von Seite 1
Jetzt besteht jedoch eine praxisgerechte
Alternative: ISIS Optronics,
Mannheim, hat mit dem SkinDex
einen neuen optischen Scanner entwickelt,
der die Vorteile von konfokaler
Mikroskopie und Ultraschalltechnik
vereint. Der SkinDex basiert auf der
OCT-Technologie (Optical Coherence
Tomography) und untersucht nichtinvasiv
das Gewebe an und unter der
Hautoberfläche. Dabei liefert das
Gerät erstaunliche Ergebnisse. Die
zwei- bzw. dreidimensionalen Schnittbilder
bieten einen ähnlichen
Informationsgehalt wie histologische
Befunde.
Dazu nutzt das OCT-Verfahren die
prinzipielle Lichtdurchlässigkeit der
Haut und den physikalischen Effekt
der Weißlicht-Interferenz. Die Lichtführung
erfolgt über optische Fasern.
Exakte Positionierung für präzise
Messergebnisse
Um mit Interferenzmessungen zweibzw.
dreidimensionale Bildinformationen
zu generieren, müssen die
optischen Fasern während des Scannens
sowohl axial als auch lateral verschoben
werden. Für diese Aufgabe
sind Positioniersysteme erforderlich,
die mit höchster Präzision arbeiten.
Schließlich bestimmt die Positionsauflösung
des Antriebs die Auflösung
des Gesamtsystems und damit die
Bildqualität.
Für die Positionierung des Spiegels
im Referenzarm (Tiefenscan) wird der
PILine ® OEM-Motor P-661 eingesetzt,
der in der Anwendung vor allem
durch seine Kompaktheit und die mit
2 N im Hinblick auf die kleinen Abmessungen
großen Kräfte überzeugt.
Der Gesamthub beträgt 2 mm, die
Positionsauflösung in dieser Anwendung
30 nm (0,03 µm). Da die Bilder
sequentiell aufgenommen werden,
erweisen sich auch die hohe Verfahrgeschwindigkeit
und das dynamische
Ansprechverhalten des Antriebs als
vorteilhaft. Der SkinDex benötigt zum
Erzeugen seiner aussagekräftigen
Bilder dadurch nur wenige Sekunden.
Auch die laterale Verschiebung für den
Flächenscan der Glasfaser im Objektarm
übernimmt ein Antrieb von PI.
Hier wird mit dem PIHera ® P-622.2CD
ein festkörpergeführtes 2-achsiges
Piezo-Nanopositioniersystem eingesetzt,
das mit Auflösungen um 1 nm
(0,001 µm) arbeitet und sich für Verstellwege
von 250 x 250 µm eignet.
Piezobasierte Antriebslösungen haben
damit wieder einmal zu einer Innovation
beigetragen, von der in Zukunft
sicherlich viele Menschen profitieren
werden.
Blick in die Haut des Handballens.
Auch für das ungeschulte Auge sind
die spiralförmigen Schweißdrüsenkanäle
gut erkennbar.
Integrationsstufen der PILine ® Ultraschall-Motortechnologie:
Vom 8-Millimeter-Antrieb
über die erfolgreichen
RodDrive-Linearantriebe bis hin zu
mehrachsigen integrierten Systemen.
Der SkinDex basiert auf der OCT-Technologie
(Optical Coherence Tomography)
und untersucht nicht-invasiv und
dennoch zuverlässig das Gewebe an und
unter der Hautoberfläche.
Unterhalb der rauen Hautoberfläche
sind einzelne laminare und zylinderförmige
Strukturen (z. B. von größeren
Blutbahnen) zu sehen.
Die Weißlicht-Interferometrie bildet die
Grundlage des OCT:
Licht wird über optische Fasern in einen
Objekt- und einen Referenzarm aufgeteilt.
Nach Reflexion in dem Objekt (also einer
Struktur in der Haut) und am Referenzspiegel
werden die Lichtanteile wieder zusammengeführt
und zum Detektor geleitet.
Hier entsteht ein Interferenzsignal.
Mounting
plattform
Bearing
Glued
friction
bar
exitation
electrodes
Friction tip Piezo Actuator
(stationary)
Prinzipdarstellung eines Ultraschall-
Piezo-Antriebes.

NEXACT ® Controller
Piezolinearmotoren einfach wie DC- und Schrittmotoren betreiben, im Stile eines Mercury
NEXACT ® PiezoWalk ®
Die patentierten NEXACT ®
PiezoWalk ® Schreitantriebe
zeichnen sich durch hohe Kräfte
von mehr als 10 N bei kompakten
Abmessungen aus. Die Schreitantriebe
halten die Zielposition
mit einer Klemmkraft, die oberhalb
der Antriebskraft liegt.
Daher ist es nach dem Erreichen
der Zielposition nicht erforderlich,
den Antrieb in Regelung zu
betreiben, und man vermeidet
so Halteströme, die zu einer
Erwärmung des Systems führen.
Weitere Eigenschaften sind:
■ Positionsauflösung im Bereich
unterhalb eines Nanometers
■ Hochdynamischer Betrieb
innerhalb eines Schritts, z. B.
zur Kompensation externer
Schwingungen
■ Geringe Betriebsspannungen
bis 45 V
Mit dem E-861 bietet PI einen neuen
Controller zur einfachen Inbetriebnahme
und Automatisierung von
NEXACT ® Piezoschreitantrieben an.
Basis des E-861 ist der erfolgreiche
Mercury Controller (siehe Kasten),
der durch hohe Leistung, einfache
Bedienung und günstigen Preis
besticht.
Die Ansteuerung für Piezoschreitantriebe
ist im Vergleich zu klassischen
Gleichstrommotoren etwas
komplexer: Die Schreitbewegung der
integrierten Piezoaktoren wird in
einem DSP koordiniert und mittels
eines speziellen Algorithmus über
vier hochwertige Verstärkerendstufen
ausgelöst.
Für den geregelten Betrieb mit einem
Positionssensor verfügt der E-861
über einen Encodereingang und die
entsprechende DSP-Rechenleistung.
Wird der NEXACT ® Schreitantrieb
ohne Positionsregelung betrieben,
lässt er sich über die Parameter
Schrittanzahl und -weite steuern.
Erreicht werden Geschwindigkeiten
von über 10 mm/s bei einer Auflösung
im Bereich eines Nanometers.
Mercury Controller
PI bietet mit der neuesten
Generation der Mercury
Controller preiswerte Systemkomponenten
für verschiedene
mechanische Antriebe an.
Klassischerweise für Schritt-
(Produktnummer C-663) oder
DC-Servomotoren (C-863, neu!)
bieten Controller der Mercury-
Klasse hohen Leistungsumfang
und Bedienkomfort.
Dazu zählen:
■ Vernetzbarkeit für mehrachsige
Anwendungen
■ USB-Schnittstelle
■ Joystickanschluss
■ 5,6 kHz Sensorbandbreite
■ Makrofunktion, die den Betrieb
unabhängig von einem Host-
PC erlaubt
Das Herzstück des Mercury
findet Anwendung im E-861 für
NEXACT ® Schreitantriebe und
künftig auch im C-867 Controller
für PILine ® Piezo-Ultraschallmotoren.
Selbstverständlich sind alle
Mercury miteinander vernetzbar
und besitzen dieselbe Kommandostruktur.
3

4
Hochdynamische Nanopositionierung auch für schwere Objektive
P-726 Hochleistungs PIFOC ®
position / µm
PI hat seine erfolgreiche PIFOC ®
Objektiv-Nanopositionier-Baureihe
um einen neuen Hochleistungsantrieb
erweitert.
Mikroskopobjektive mit Massen von
über 200 Gramm können mit dem
neuen P-726 PIFOC ® hochdynamisch
bewegt werden – mit Genauigkeiten
um 1 Nanometer über 100 Mikrometer
Stellweg.
Einschwingverhalten des P-726 bei Vollauslenkung
Mercury DC-Motor Controller
Mikropositioniersysteme mit DC-Servomotoren
bilden mit dem Mercury
Controller eine besonders kostengünstige
Systemlösung für die Automation.
Der bewährte Mercury Einkanal-Controller
für Positioniertische mit
DC-Motoren wurde einem Lifting
unterzogen und in vielen Punkten
weiter verbessert. Als Modell C-863
bleibt er jedoch voll kompatibel zu den
Geräten der letzten Generation und
kann deshalb auch „gemischt“ in
Mehrachsenkombinationen betrieben
werden.
Für eine Vielzahl an Automatisierungsaufgaben
können mit C-863 und
Tischen der Serien M-403 bis M-414
besonders kostengünstige Positionierlösungen
eingesetzt werden.
Features:
10 µm step
Setting time: 5,6 ms
time / s
Leistungsdaten, die überzeugen
– gemessen mit dem
modularen Controllersystem
E-500 (E-503.00/E-509.C1A) und
einer Last von 300 Gramm:
■ Resonanzfrequenz: 430 Hz (mit
300 g), 1100 Hz ohne Objektiv
■ Positionsrauschen in Regelung:
0,4 nm
■ Positionsdrift über 100 s: 4 nm
■ Maximale Betriebsfrequenz
unter 10 µm: 150 Hz
■ Maximale Betriebsfrequenz mit
Vollauslenkung (100 µm): 60 Hz
■ Einschwingen bei 10 µm Schrittweite:
6 ms
■ Einschwingen bei Vollauslenkung:
15 ms
■ USB- und vernetzbare RS-232 Schnittstellen für noch
flexibleren Einsatz
■ Höhere Encoderzählrate bis 20 MHz. So ist hochpräzise
Positionierung auch bei hohen Geschwindigkeiten möglich
■ Autarker Betrieb ohne PC-Anbindung durch intern ablegbare und komfortabel
editierbare Makrobefehle möglich
■ Kommandierung sowohl durch PI General Command Set als auch durch
die klassische Mercury Mnemonic-Sprache
■ Mehrachsenbetrieb: Bis zu 16 Mercury TM -Controller für DC-Motoren
(C-863 als auch das Vorgängermodell C-862) und Schrittmotoren (C-663)
miteinander vernetztbar
■ Flexible Automatisierung durch digitale I/O-Leitungen, z.B. zur systeminternen
Kommunikation ohne PC
■ Manuelle Steuerung direkt per analogem Joystick
■ Bis zu 30 V Motorausgangsspannung für Hochleistungsmotoren
(je nach verwendeten Netzteil)

Vakuumtauglicher Hochlast-Hexapod bewegt Lasten bis zu 1 t mit Mikrometergenauigkeit
Massenbewegung in sechs Achsen
Dass das Parallel-Kinematik-Prinzip
auch für besonders hohe Lasten ein
hervorragendes Ergebnis in puncto
Positioniergenauigkeit erreicht, beweist
der M-850K Hochlast-Hexapod.
Ausgestattet mit sechs bürstenlosen
Motoren bewegt dieser Hexapod
Massen bis zu einer Tonne mit bisher
unerreichter Genauigkeit. Er ermöglicht
in jeder Bewegungsrichtung eine
kleinste Schrittweite bis 1 µm über
den gesamten Stellweg von 24 mm,
Verkippungswinkel bis 8° können in
kleinsten Schritten von nur 5 µrad
durchfahren werden.
M-850K Hochlast
Hexapod
Für den Einsatz im Vakuum ist der
Hexapod außerdem mit Motorbremsen
ausgerüstet. So kann jede
Position unbegrenzt gehalten werden,
ohne dass Halteströme zu einer
Erwärmung führen könnten.
In Industrie und Forschung werden
Hexapoden von PI für 6-Achs-
Positionieraufgaben mit extremer
Präzision verwendet. Die Anwendungspalette
reicht vom Großen zum
Kleinsten, von der Astronomie bis hin
zur Medizintechnik oder zur Grundlagenforschung,
z. B. bei Experimenten
an Beschleunigern.
M-850K wetterbeständige
Ausführung für die Astronomie
M-850
Ob Grob- oder Feinpositionierung
– der frei definierbare
Drehpunkt (Pivotpunkt) der
6-Achs-Hexapodsysteme bleibt
unabhängig von der Bewegung
erhalten. Alle Positionen werden
über einen leistungsstarken
Digitalcontroller direkt in
kartesischen Koordinaten programmiert.
Controller und Software
sind dabei vollständig
kompatibel zu allen anderen
Positioniersystemen von PI.
Seit PI die ersten Hexapoden für
Präzisionsoptik-Anwendungen
Anfang der 90er-Jahre auslieferte,
hat sich deren Leistungsspektrum
ständig vergrößert.
Das untere Ende der Tragfähigkeit
wird dabei von dem kürzlich
vorgestellten M-810 Mini-
Hexapod abgedeckt, während
derzeit ein System für Lasten
bis zu 3 Tonnen entwickelt wird.
Das Parallel-Kinematik-Prinzip der
Hexapoden bietet neben der sehr
großen Genauigkeit weitere Vorteile,
wie eine große zentrale Öffnung,
geringere Massenträgheit, höhere
und für alle Achsen gleiche Dynamik
und einen sehr kompakten Aufbau,
denn alle Aktoren wirken auf dieselbe
Plattform.
M-840 M-824 F-206 M-810
5

6
Piezosteuerung für bis zu 6 Achsen
Digitale Nanowelten
Der neue modulare Piezocontroller
E-712 beeindruckt durch schnelle und
hochauflösende Signalverarbeitung
für Sensor, Linearisierung, Regler und
Steuerspannung und einen zentralen
Hochleistungsrechner, der koordinierte
Bewegungen in bis zu 6 Achsen mit
Nanometergenauigkeit ermöglicht.
Weitere Vorteile:
Ausgereifte Programme mit
intuitiver Oberfläche machen
die Bedienung des Systems
fast zum Kinderspiel: Ob
erste Inbetriebnahme, Optimierung
von Systemparametern,
Erzeugung von Kurvenprofilen
für die integrierten
■ Bis zu 50 kHz Sensorabtast- und Servo-Updaterate gewährleisten die
kontinuierliche Aktualisierung der Positions- und Steuerdaten –
wichtig nicht zuletzt für periodische Bewegungen. Außerdem sorgt
der optional zuschaltbare, dynamische Linearisierungsalgorithmus
DDL dafür, dass die Mechanik auch während hochdynamischer Scans
immer unmittelbar der Bahnkurve folgt.
■ Die 20-Bit D/A-Wandler für die auszugebende Piezospannung
erlauben eine Positionsauflösung von unter einem Nanometer, auch
über große Stellwege von mehr als einem Millimeter, wie sie z. B.
von den neuen P-629 PIHera ® Piezo-Nanopositioniertischen
ermöglicht werden.
■ Zentral koordinierte Bewegung von bis zu 6 Achsen über einen Hochleistungsrechner
(embedded PC) mit Echtzeit-Betriebssystem und
Proportional-/Integral-Regler mit zwei Notchfiltern.
■ Digitale Schnittstellen – TCP/IP, USB 2.0 und das bewährte RS-232-
Interface – erlauben die schnelle Kommunikation des Positioniersystems
im Gesamtaufbau. Zusätzliche analoge Eingänge mit 18-Bit
Wandlung können zur unmittelbaren Achskommandierung über
externe Steuersignale genutzt werden.
Funktionsgeneratoren oder
Aufnahme von Prozessgrößen
während der Bewegung – der
Anwender benötigt hierfür keinerlei
Programmierkenntnisse. Dank umfangreicher
Softwareunterstützung
ist aber auch die einfache Implementierung
in das jeweilige Systemumfeld
gegeben, beispielsweise durch
LabView Treiber und DLLs.
Derzeit ist der E-712 als drei- und
sechskanaliger Controller für Nanostelltechniksysteme
von PI erhältlich.
Die Ansteuerung von mehrachsigen,
parallelkinematischen Positioniersystemen
erfolgt in kartesischen Koordinaten
und wird zentral koordiniert:
Zuständig dafür ist ein Echtzeit-
Betriebssystem auf einem Embedded-
PC mit 600 MHz Taktfrequenz, Proportional-/Integral-Regler
und zwei
Notchfiltern.
Stärkung der Präsenz in lokalen Märkten
PI UK
PI France
Reorganisation der PI-Niederlassungen in Europa
Bereits im Jahre 1993 gründete PI zusammen mit Partnern eigene Vertriebsniederlassungen
in Frankreich und Großbritannien.
Stetiges Wachstum und der Ausbau der Geschäftsbereiche haben PI jetzt veranlasst,
aus diesen Partnerschaften heraus jeweils eigene Tochtergesellschaften
zu bilden. So wurde in Frankreich im vergangenen Jahr die PI France S.A.S.
gegründet und aktuell in England die PI (Physik Instrumente) Ltd. Wir können
dadurch einen weiter verbesserten Service und optimale Kundennähe vor Ort
bieten, und verstärken die Fokussierung auf unser Kerngeschäft.
Den Teams in beiden Ländern wünschen wir viel Erfolg und alles Gute unter
der neuen Flagge!

Kurzmeldung: P-653 Piezo-Linearantrieb: 8 mm klein, 160 mm/s schnell
Kleinster Ultraschall-Linearantrieb
ermöglicht neue Anwendungen
Klein – und enthält alles,
was für den Betrieb
erforderlich ist
Als Weiterentwicklung des P-652
wartet der neue P-653 Piezo-
Ultraschall-Linearantrieb bei
noch geringeren Abmessungen
mit erstaunlichen Leistungsmerkmalen
auf:
■ 120 mm/s Geschwindigkeit
■ 2 mm Stellweg
■ 0,15 N Kraft
■ 5,000,000 Zyklen Lebensdauer
■ Minimale Leistungsaufnahme
Bild 1
Integration des P-653 in ein optomechanisches
Modul zur Bewegung
einer Linse.
Bild 2
Einfache Inbetriebnahme für Test- und
Demozwecke: Beim P-653.01D wird der
Antrieb direkt auf einen USB-Stick
gesteckt und über die Schnittstelle
betrieben – inklusive Software!
Damit ist er ideal geeignet, kleine
Objekte wie optische Linsen schnell
zu bewegen und zu positionieren,
oder mechanische Manipulationen
vorzunehmen.
Die Integration wird dadurch vereinfacht,
dass der Antrieb in der Ausführungsform
P-653.01 mechanisch
auf einer Platine gehaltert ist. Sie
enthält ihrerseits bereits die für den
Betrieb erforderliche Treiberelektronik.
Die Ansteuerung erfolgt über 5 Volt
Spannungssignale.
1 2
Durch die geringe Leistungsaufnahme
kann die Spannungsversorgung
selbst über eine USB-Schnittstelle zur
Verfügung gestellt werden. Für die
schnelle Inbetriebnahme oder als
Demonstrator wird der Antrieb
zusammen mit einer Ansteuerung
auf einem USB-Stick ausgeliefert
(P-653.01D). Ein kleines Dienstprogramm
installieren, einstecken,
fertig!
7

PI wird 500!
Mit PI arbeiten heißt, sich ehrgeizigen
Zielen zu stellen:
■ Markt- und Technologieführerschaft
in der Nanostelltechnik,
hohe vertikale Integration in
Entwicklung und Fertigung
■ Innovative Anwendungen in
der Halbleitertechnologie,
Biomedizin und Messtechnik
■ Einzigartige Piezotechnologie
individuell für Nischenmärkte
und als alternative Antriebe in
Automatisierung und Handling
■ Zweistellige Wachstumsraten
in den vergangenen Jahren
und hervorragende Perspektiven
für die Zukunft
Willkommen – als Kunde, als
Partner oder als 500. Mitarbeiter.
Impressum:
Herausgeber:
Physik Instrumente (PI)
GmbH & Co. KG
Verantwortlich für den Inhalt:
Dr. Karl Spanner
Redaktion:
Steffen Arnold, Stefan Vorndran,
Sandra Ebler
Gestaltung:
Regelmann Kommunikation,
Pforzheim
Produktion:
Systemedia, Pforzheim
Nachdruck nach Abstimmung mit Herausgeber
unter Angabe von Quellennachweis.
Unterlagen werden zur Verfügung gestellt.
Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Auf der Römerstraße 1
D-76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0
Fax +49 721 4846-100
info@pi.ws
www.pi.ws
PI Ceramic GmbH
Lindenstraße
D-07589 Lederhose
Tel. +49 36604 882-0
Fax +49 36604 882-25
info@piceramic.de
www.piceramic.de
Termine 2008
Kontakte
Vertrieb
Freyer, Mark +49 721 4846-301
(Nord & Ost-Deutschland)
Fehrenbacher, Jürgen +49 721 4846-230
(West-Deutschland)
Jerger, Konstantin +49 721 4846-213
(Süd-Ost-Deutschland & Österreich)
Stamm, Ralf +49 721 4846-211
(Süd-West-Deutschland)
Fluck, Melanie +49 721 4846-218
(Vertriebssekretariat)
Vertrieb
Möller, Frank +49 36604 882-200
(Deutschland)
Rößger, Dirk +49 36604 882-23
(International)
Besuchen Sie uns. Unser Experten-Team freut sich auf ein fachkundiges
Gespräch mit Ihnen.
Hannover Messe 21. 04. – 25. 04. 2008 Hannover
2008 Halle 6, Stand B24
Control 2008 22. 04. – 25. 04. 2008 Stuttgart, Stand-Nr. 1216
Actuator 2008 09. 06. – 11. 06. 2008 Bremen
Semicon 2008 07. 10. – 09. 10. 2008 Stuttgart, Stand-Nr. 1348
Electronica 2008 11. 11. – 14. 11. 2008 München
CompaMed 2008 19. 11. – 21. 11. 2008 Düsseldorf
SPS 2008 25. 11. – 27. 11. 2008 Nürnberg, Halle 1, St. 1-122
NUZ37/D/04/08/12.4.5 Änderungen vorbehalten © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG