<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE ep-patent-document SYSTEM "OpenDataPatent_cz.dtd">
<ep-patent-document lang="en" file="OpendataIPOCZ_PT_DIFF_PUV2024-42436.xml" country="CZ" doc-number="38492" kind="U1">
  <bibliographic-data country="CZ">
    <publication-reference>
      <document-id>
        <country>CZ</country>
        <doc-number>38492</doc-number>
        <kind>U1</kind>
        <date>2025-04-15</date>
      </document-id>
    </publication-reference>
    <classifications-ipcr>
      <classification-ipcr sequence="1">
        <section>G</section>
        <class>01</class>
        <subclass>Q</subclass>
        <main-group>10</main-group>
        <subgroup>04</subgroup>
        <ipc-version-indicator>
          <date>20100101</date>
        </ipc-version-indicator>
        <classification-level>A</classification-level>
        <symbol-position>F</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20250326</date>
        </action-date>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
      </classification-ipcr>
      <classification-ipcr sequence="2">
        <section>G</section>
        <class>01</class>
        <subclass>N</subclass>
        <main-group>13</main-group>
        <subgroup>00</subgroup>
        <ipc-version-indicator>
          <date>20060101</date>
        </ipc-version-indicator>
        <classification-level>A</classification-level>
        <symbol-position>L</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20250326</date>
        </action-date>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
      </classification-ipcr>
      <classification-ipcr sequence="3">
        <section>H</section>
        <class>10</class>
        <subclass>N</subclass>
        <main-group>30</main-group>
        <subgroup>85</subgroup>
        <ipc-version-indicator>
          <date>20230101</date>
        </ipc-version-indicator>
        <classification-level>A</classification-level>
        <symbol-position>L</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20250326</date>
        </action-date>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
      </classification-ipcr>
    </classifications-ipcr>
    <classifications-cpc>
      <classification-cpc sequence="1">
        <cpc-version-indicator>
          <date>20130101</date>
        </cpc-version-indicator>
        <section>G</section>
        <class>01</class>
        <subclass>Q</subclass>
        <main-group>10</main-group>
        <subgroup>045</subgroup>
        <symbol-position>F</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20250326</date>
        </action-date>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
      </classification-cpc>
      <classification-cpc sequence="2">
        <cpc-version-indicator>
          <date>20130101</date>
        </cpc-version-indicator>
        <section>G</section>
        <class>01</class>
        <subclass>N</subclass>
        <main-group>13</main-group>
        <subgroup>00</subgroup>
        <symbol-position>L</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20250326</date>
        </action-date>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
      </classification-cpc>
      <classification-cpc sequence="3">
        <cpc-version-indicator>
          <date>20230201</date>
        </cpc-version-indicator>
        <section>H</section>
        <class>10</class>
        <subclass>N</subclass>
        <main-group>30</main-group>
        <subgroup>85</subgroup>
        <symbol-position>L</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20250326</date>
        </action-date>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
      </classification-cpc>
    </classifications-cpc>
    <application-reference>
      <document-id>
        <country>CZ</country>
        <doc-number>2024-42436</doc-number>
        <date>2024-11-27</date>
      </document-id>
    </application-reference>
    <language-of-filing>cs</language-of-filing>
    <language-of-publication>cs</language-of-publication>
    <priority-claims>
      <priority-claim sequence="1" kind="national">
        <country>CZ</country>
        <date>2024-11-27</date>
      </priority-claim>
    </priority-claims>
    <invention-title lang="CS">Piezoelektrický skener pro přesné polohování na nanoskopické úrovni</invention-title>
    <invention-title lang="EN">A piezoelectric scanner for precise positioning on a nanoscopic level</invention-title>
  </bibliographic-data>
  <description id="desc" lang="cs">
    <p num="1">
      <b>Piezoelektrický skener pro přesné polohování na </b>
      <b>nanoskopické</b>
      <b> úrovni</b>
    </p>
    <p num="2"> </p>
    <p num="3"> </p>
    <p num="4">Oblast techniky </p>
    <p num="5"> </p>
    <p num="6">Piezoelektrický skener pro přesné polohování na nanoskopické úrovni spadá do oblasti mikroskopie a nanoskopické metrologie, kde se klade důraz na analýzu materiálů s rozlišením na úrovni nanometrů. Zařízení je navrženo pro aplikace, které vyžadují vysoce přesné řízení pohybu v osách X, Y a Z, což je klíčové například při mapování povrchů, měření topografie nebo charakterizaci mechanických a elektrických vlastností vzorků. Díky využití piezoelektrických aktuátorů a zpětnovazebních senzorů zařízení umožňuje dosáhnout mimořádné přesnosti a opakovatelnosti měření. Skener nachází uplatnění v oblastech, jako je kontrola kvality v průmyslu, výzkum materiálů, biotechnologie a nanotechnologie, kde jsou klíčové nízký šum a vysoká rychlost pohybu. </p>
    <p num="7"> </p>
    <p num="8"> </p>
    <p num="9">Dosavadní stav techniky </p>
    <p num="10"> </p>
    <p num="11">Piezoelektrické skenery představují klíčovou technologii pro přesné polohování v nanoskopické metrologii a mikroskopii. Tyto systémy nacházejí široké uplatnění v aplikacích, kde je nezbytná extrémní přesnost, minimální šum a schopnost manipulace s objekty na nanometrické úrovni. Základním principem piezoelektrických skenerů je využití piezoelektrických aktuátorů, které přeměňují elektrický signál na mechanický pohyb. Každý piezoelektrický aktuátor obsahuje piezoelektrický element, jenž mění své rozměry v závislosti na aplikovaném napětí, přičemž mechanické uchycení a konstrukční prvky zajišťují jeho efektivní využití. Piezoelektrický element je vyroben z piezoelektrických materiálů, jako je titanát zirkoničitý (PZT), které vykazují schopnost deformovat se při aplikaci elektrického napětí, což umožňuje velmi jemné pohyby v řádu nanometrů. Tento pohyb je využíván k přesnému polohování měřicích hlav, vzorků nebo jiných komponent v osách X, Y a Z. </p>
    <p num="12"> </p>
    <p num="13">Na trhu jsou dostupné různé typy piezoelektrických skenerů, které se liší svým konstrukčním řešením, principem řízení a oblastí použití. Piezoelektrické skenery se využívají například v atomární silové mikroskopii (AFM), kde umožňují mapování povrchů s atomárním rozlišením a analýzu mechanických vlastností materiálů. Tato zařízení však často narážejí na problémy s nízkou rychlostí a vysokým šumem při měření v ose Z. Další kategorií jsou skenery určené pro optické mikroskopy, které slouží k polohování vzorků nebo optických součástí, jako jsou čočky a filtry. Tato zařízení jsou schopna velmi přesného zaostření, ale nejsou optimalizována pro práci na atomární úrovni a mají omezené možnosti měření mechanických vlastností. V průmyslových aplikacích se používají skenery určené zejména pro kontrolu kvality polovodičů, tenkých vrstev nebo mikročipů. Tato zařízení jsou navržena pro přesné polohování vzorků během inspekce a umožňují detekci defektů a měření rozměrů s vysokou přesností. Nicméně jejich flexibilita a možnosti přizpůsobení konkrétním požadavkům různých výrobních procesů jsou často omezené. Například skenery optimalizované pro kontrolu křemíkových waferů o průměru 300 mm mohou mít potíže přizpůsobit se měření vzorků odlišných rozměrů či nepravidelných tvarů bez dodatečných úprav hardwaru nebo softwaru. Pokročilé vědecké laboratorní systémy, které kombinují piezoelektrické skenery s různými senzory, jsou zase často limitovány nízkou rychlostí skenování a složitou integrací. </p>
    <p num="14"> </p>
    <p num="15">Současná řešení piezoelektrických skenerů trpí několika klíčovými problémy. Prvním z nich je nízká rychlost skenování, která je důsledkem omezené dynamiky pohybu aktuátorů a rezonancí vznikajících během jejich činnosti. Tento problém zpomaluje proces měření, což je nevýhodné zejména v průmyslových aplikacích, kde je rychlost klíčová pro efektivní výrobu a kontrolu kvality. Nízká dynamika také omezuje použití v dynamických aplikacích, jako je sledování chemických reakcí nebo biologických procesů. Dalším zásadním omezením je vysoký šum v měřených datech, který se nejvíce projevuje v ose Z. Tento šum může být způsoben rušením v elektronickém systému, vibracemi aktuátorů nebo nízkou citlivostí senzorů. Negativně ovlivňuje kvalitu měřených dat a schopnost detekce jemných detailů, což je zásadní zejména při měření topografie. Další nevýhodou současných skenerů je jejich komplikovaná integrace s jinými technologiemi. To často vyžaduje komplexní hardwarové a softwarové úpravy. Tyto úpravy mohou zahrnovat změny v komunikačních rozhraních, přizpůsobení napájecích systémů nebo přidání specializovaných modulů pro synchronizaci obou zařízení. Takové zásahy nejenže zvyšují finanční náklady, ale také prodlužují dobu potřebnou k implementaci, což omezuje flexibilitu použití skeneru. Kromě toho jsou elektronické systémy těchto skenerů často navrženy jako pevné, s omezenými možnostmi konfigurace. To znamená, že pokud uživatel potřebuje upravit například kalibrační parametry zařízení, které ovlivňují přesnost pohybu v daném rozsahu, často je nutné provést dodatečné hardwarové nebo softwarové úpravy. V některých případech může být dokonce vyžadován kompletně nový návrh systému, což výrazně zvyšuje náklady a časovou náročnost přizpůsobení zařízení konkrétním požadavkům. Tato rigidita brání snadnému přizpůsobení specifickým aplikacím a omezuje univerzálnost zařízení v dynamických výzkumných či výrobních prostředích. </p>
    <p num="16"> </p>
    <p num="17">Piezoelektrický skener pro přesné polohování na nanoskopické úrovni překonává výše uvedené nedostatky prostřednictvím několika inovativních přístupů. Zařízení využívá pokročilé piezoelektrické aktuátory s optimalizovaným designem, které minimalizují mechanické rezonance a zajišťují vysokou dynamiku pohybu. Díky integraci tenzometrických senzorů poskytujících zpětnou vazbu a adaptivních PID regulátorů dosahuje zařízení mimořádné přesnosti a nízkého šumu, zejména v ose Z. PID regulátory umožňují dynamické nastavení parametrů v reálném čase a přizpůsobení systému aktuálním podmínkám. Elektronický systém skeneru podporuje režimy otevřené smyčky a uzavřené smyčky. V režimu otevřené smyčky je aktuátor řízen přímo vstupním elektrickým signálem bez zpětné vazby, což je vhodné pro rychlé, ale méně přesné aplikace. Naopak režim uzavřené smyčky využívá zpětnou vazbu ze senzorů k přesnému řízení polohy aktuátoru, čímž zajišťuje vyšší přesnost i stabilitu měření. Tento systém podporuje nejen různé režimy měření, ale i snadnou přizpůsobitelnost specifickým požadavkům. Díky vysoké rychlosti skenování při zachování extrémní přesnosti a minimálnímu šumu zařízení umožňuje efektivní a spolehlivou analýzu i v náročných podmínkách, a to jak v laboratorním výzkumu, tak v průmyslových aplikacích. Tento užitný vzor přináší řešení, která zvyšují výkon, snižují provozní náklady a rozšiřují možnosti využití piezoelektrických skenerů v moderních vědeckých i průmyslových aplikacích. </p>
    <p num="18"> </p>
    <p num="19"> </p>
    <p num="20">Podstata technického řešení </p>
    <p num="21"> </p>
    <p num="22">Piezoelektrický skener pro přesné polohování na nanoskopické úrovni je navržen jako komplexní systém kombinující inovativní mechanické části s pokročilou kontrolní elektronikou, což umožňuje dosahovat extrémní přesnosti, nízkého šumu a vysoké flexibility při měření. Hlavním cílem technického řešení je překonat omezení současných skenerů, jako je nízká rychlost, vysoký šum a omezená přizpůsobitelnost, a poskytnout univerzální nástroj vhodný pro širokou škálu aplikací. </p>
    <p num="23"> </p>
    <p num="24">Mechanická část zařízení je založena na piezoelektrických aktuátorech, které zajišťují přesný pohyb v osách X, Y a Z s rozsahem pohybu až 100 × 100 × 20 µm. Tyto aktuátory jsou vyrobeny z vysoce kvalitních piezoelektrických materiálů, které vykazují minimální hysterezi a vysokou stabilitu i při dlouhodobém zatížení. Díky optimalizovanému mechanickému designu jsou potlačeny vibrace a rezonance, což zlepšuje dynamiku pohybu a zajišťuje rychlé a stabilní reakce na řízení. Aktuátory jsou navíc vybaveny robustním upevněním a ochrannými prvky, které zvyšují odolnost zařízení vůči mechanickému namáhání. </p>
    <p num="25"> </p>
    <p num="26">Zpětnovazební systém je založen na tenzometrických senzorech, které poskytují vysoce přesné informace o aktuální poloze. Tyto senzory jsou integrovány přímo do mechanického systému, čímž minimalizují vliv rušení a zvyšují přesnost měření. Kombinace piezoelektrických aktuátorů a tenzometrických senzorů umožňuje dosahovat přesnosti polohování na úrovni jednotek nanometrů, přičemž šum v ose Z nepřesahuje hodnotu 20 pm. </p>
    <p num="27"> </p>
    <p num="28">Kontrolní elektronika zařízení je navržena jako modulární systém, který umožňuje snadné přizpůsobení specifickým aplikacím. Jádrem systému jsou adaptivní PID regulátory, které dynamicky upravují parametry řízení na základě dat získaných ze senzorů. Regulátory zajišťují plynulý přechod mezi režimy otevřené smyčky a uzavřené smyčky, což rozšiřuje možnosti použití zařízení. V režimu otevřené smyčky je aktuátor řízen přímo vstupním signálem, což je vhodné pro rychlé aplikace, kde není vyžadována maximální přesnost. Naopak režim uzavřené smyčky využívá zpětnou vazbu ze senzorů k preciznímu řízení polohy, což umožňuje dosahovat vysoké stability a přesnosti i při dynamických změnách podmínek. </p>
    <p num="29"> </p>
    <p num="30">Elektronický systém zahrnuje vysokorychlostní digitální rozhraní, například I2C, které umožňuje snadnou komunikaci s dalšími zařízeními a rychlé přenosy dat. Napájecí moduly jsou navrženy tak, aby poskytovaly stabilní napětí pro piezoelektrické aktuátory, a obsahují ochranné obvody proti přepětí, přehřátí a nadproudu. Elektronika také zahrnuje monitorovací systém, který sleduje klíčové parametry, jako je teplota, napětí a proud, a zajišťuje bezpečný provoz zařízení. </p>
    <p num="31"> </p>
    <p num="32">Díky kombinaci optimalizovaného mechanického systému, vysoce citlivých senzorů a adaptivní elektroniky je zařízení schopné rychlého, přesného a spolehlivého polohování. Tato vlastnost jej činí ideálním nástrojem pro aplikace vyžadující extrémní přesnost, nízký šum a schopnost přizpůsobení různým provozním podmínkám. Skener je vhodný jak pro laboratorní výzkum, tak pro průmyslové aplikace, kde zajišťuje efektivní a spolehlivý provoz i v náročných prostředích. </p>
    <p num="33"> </p>
    <p num="34"> </p>
    <p num="35">Objasnění výkresů </p>
    <p num="36"> </p>
    <p num="37">Technické řešení bude blíže osvětleno na následujících výkresech, které znázorňují: </p>
    <p num="38"> </p>
    <p num="39">Obr. 1 - boční pohled na mechanický díl jedné osy skeneru znázorňující uložení piezoelektrického elementu a mechanismus jeho předepnutí </p>
    <p num="40"> </p>
    <p num="41">Obr. 2 - horní pohled na mechanický díl jedné osy skeneru znázorňující umístění tenzometrických senzorů na kovovém těle </p>
    <p num="42"> </p>
    <p num="43">Obr. 3 - znázornění konstrukce skeneru se třemi osami </p>
    <p num="44"> </p>
    <p num="45">Obr. 4 - kompletní blokové schéma kontrolní elektroniky piezoelektrického skeneru </p>
    <p num="46"> </p>
    <p num="47">Obr. 5 - blokové schéma kontrolní elektroniky s napěťovými převodníky  </p>
    <p num="48"> </p>
    <p num="49">Obr. 6 - přední strana desky plošných spojů kontrolní elektroniky </p>
    <p num="50"> </p>
    <p num="51">Obr. 7 - zadní strana desky plošných spojů kontrolní elektroniky </p>
    <p num="52"> </p>
    <p num="53"> </p>
    <p num="54">Příklady uskutečnění technického řešení </p>
    <p num="55"> </p>
    <p num="56">Hlavní částí jedné osy skeneru je z důvodu magnetických vlastností titanové tělo 1.1. Do něj je vložen piezoelekrický element 1.2, který umožňuje pohyb v jedné ose. V titanovém těle jsou pomocí elektroerozivního obrábění vytvořeny meandry 1.3. Ty fungují jako pružina, která pomáhá předepínat piezoelektrický element 1.2. Současně zamezuje namáhání piezoelektrického elementu v jiných směrech, než je směr 1.4 pohybu. K předepnutí rovněž slouží přítlačná deska 1.5 pod piezoelektrickým elementem, která je dotláčena pomocí šroubu s kuličkou 1.6. Tím je dosaženo ideální tuhosti systému. Šroub s kuličkou má jemné stoupání, kterým je umožněno přesně nastavit předepnutí. Kulička ve šroubu umožňuje zatěžovat piezoelektrický element kolmo na jeho čela, čímž je zamezeno jeho nevhodnému namáhání. Drážky 1.7 v hodní části meandru fungují jako klouby, v nichž dochází k největšímu prohnutí. Proto jsou tyto body určeny pro umístění tenzometrických senzorů 2.1. Tenzometrické senzory jsou z důvodů požadované přesnosti a stability zapojeny do tzv. Wheatstonova můstku. Můstek 2.2 je napájen 10 V, výstup 2.3 z něj je pak kalibrován a softwarově převeden na výchylku skeneru. </p>
    <p num="57"> </p>
    <p num="58">XYZ skener je tvořen ze tří sériově spojených os. Toto zapojení eliminuje závislost os na sobě a izoluje pohyby v jednotlivých osách. Nejníže, nejblíže k podstavě je umístěna osa X 3.1, která je nejméně náročná na rychlost pohybu. Na ní je umístěna osa Y 3.2, která je využita k rastrování a je na ni kladen vyšší nárok na přesnost a stabilitu. Jako poslední je v sérii namontována osa Z 3.3. Ta má narozdíl od os X a Y nižší rozsah, ale mnohem vyšší rezonanční frekvenci. To umožňuje dosáhnout požadované rychlosti relativně malých výchylek.<b>
        <i> </i>
      </b>
    </p>
    <p num="59"> </p>
    <p num="60">K ovládání piezoelektrického skeneru byla vyvinuta řídicí karta, jejíž blokové schéma je zobrazeno na obrázku 4. Karta se skládá z několika zesilovacích bloků, PID regulátoru, ochranných prvků a části pro digitální komunikaci. </p>
    <p num="61"> </p>
    <p num="62">Blok 4.1 signálu polohy se vyznačuje tím, že s nízkým šumem, pomocí precizního operačního zesilovače, zpracovává nízko úrovňový signál z můstku, který snímá polohu. Výstupem tohoto bloku je zesílené napětí ze senzoru polohy. Výstupní napětí je na dostatečné úrovni pro další zpracování, přičemž je zároveň dbáno na pracovní rozsah zesilovače, aby nedocházelo ke zkreslení výstupního napětí. </p>
    <p num="63"> </p>
    <p num="64">Blok 4.2 modulace a kalibrace slouží ke zpracování vstupů z externí modulace, která pohání piezoelektrický element. Tyto vstupy jsou vysoko impedančně odděleny, aby nedocházelo k jejich zatížení chybou, a jejich signál je zesílen na požadovanou úroveň. Tento blok kromě pohonu obsahuje také nastavení externího ofsetu pro kalibraci a přepínač pro volbu rozsahu se zesílením A = 1 a A = 0,1. </p>
    <p num="65"> </p>
    <p num="66">Regulační blok 4.3 obsahuje PID regulátor, komparátor a přepínač pro volbu typu řízení, buď otevřená smyčka nebo uzavřená smyčka. V tomto bloku probíhá celková regulace piezoelektrického elementu na základě zvoleného režimu. PID regulátor s komparátorem je používán v režimu uzavřené smyčky. V režimu otevřené smyčky jsou tyto části přemostěny a nejsou využívány. </p>
    <p num="67"> </p>
    <p num="68">Zesilovací blok 4.4 zahrnuje vysokonapěťový zesilovač, který zesiluje nízko úrovňový vstupní signál na vysokonapěťový výstup definovaný použitým piezoelektrickým elementem. V tomto bloku byl použit výkonový operační zesilovač od firmy APEX, který se vyznačuje nízkým šumem, vysokým zesílením a vynikající tepelnou stabilitou. </p>
    <p num="69"> </p>
    <p num="70">Blok 4.5 ochrany je složen z několika částí, jako je monitor saturace, napěťový supervizor, ochrana proti přetížení, tepelná ochrana a nouzový vypínač. Všechny tyto části slouží k ochraně vysokonapěťového výkonového zesilovače v případě poruchy nebo nežádoucího stavu. Monitor saturace detekuje saturaci výstupu vysokonapěťového zesilovače, což může nastat při nevhodně nastavené úrovni ofsetu. Napěťový supervizor kontroluje správné úrovně všech napájecích napětí použitých na kartě. Ochrana proti přetížení je implementována na výstupu vysokonapěťového zesilovače. Při překročení nastavené úrovně proudu je aktivován chybový signál, který vypne výstup zesilovače. Tepelná ochrana zajišťuje vypnutí při překročení maximální teploty chladiče a zároveň reguluje otáčky ventilátorů. Při nízké teplotě pracuje karta pasivně, zatímco při vyšší zátěži a zvýšení teploty se rychlost ventilátorů automaticky přizpůsobí, aby bylo zajištěno dostatečné chlazení. Nouzový vypínač umožňuje rychlé odpojení výkonového zesilovače, aby v případě poruchy nedošlo k dalším škodám. </p>
    <p num="71"> </p>
    <p num="72">Na obrázku 5 je zobrazeno blokové schéma I2C komunikace. Ze schématu je patrné, že všechny chybové výstupy, přepínače regulačních režimů, přepínače vstupního zesílení a regulace ofsetů jsou na kartě připojeny k I2C expanderu a ADC převodníkům. Tyto převodníky společně s expanderem umožňují prostřednictvím digitální komunikace nastavovat hodnoty některých parametrů karty a detekovat chyby. Výhodou tohoto řešení je možnost řídit kartu pomocí externího kontroléru s I2C komunikací, což činí kartu univerzální z hlediska volby způsobu řízení.  </p>
    <p num="73"> </p>
    <p num="74">Jak bylo uvedeno výše, karta je navržena tak, aby mohla pracovat ve dvou regulačních režimech – otevřené smyčky a uzavřené smyčky. V režimu otevřené smyčky je signál ze vstupu přímo zesílen a přiveden na piezoelektrický element. Pokud dojde ke zkreslení signálu na piezoelektrickém elementu oproti vstupnímu signálu, v tomto režimu není možné provést kompenzaci nebo úpravu tvaru signálu. Tento problém však řeší režim uzavřené smyčky, v němž je signál korigován PID regulátorem. PID regulátor porovnává signály ze vstupu zesilovače a výstupu senzoru pohybu. V případě zkreslení výstupního signálu je toto zkreslení kompenzováno PID regulátorem, což zajišťuje přesně definovaný signál na piezoelektrickém elementu. </p>
    <p num="75"> </p>
    <p num="76">Obrázek 6 a obrázek 7 zobrazují 3D model vyvinuté řídicí karty. Obrázek 6 znázorňuje horní část karty, na které se nachází chladicí systém 6.1 s výkonovým operačním zesilovačem 6.2, teploměr 6.3, pojistky 6.4, filtr 6.5 napájecího napětí a část pomocných zdrojů 6.6, které generují napájecí napětí pro operační zesilovače a digitální řídicí obvody. Obrázek 7 ukazuje spodní část desky, kde jsou umístěny všechny zesilovače a řídicí obvody karty. </p>
    <p num="77"> </p>
    <p num="78">Komunikační blok 7.1 obsahuje I2C adresovací obvod, kterým se nastavuje jedinečná I2C adresa karty. Pomocí této adresy komunikuje karta prostřednictvím I2C a umožňuje identifikovat více karet v systému. Zesilovací blok 7.2 obsahuje vstupní zesilovací obvody a PID regulátor. Ve výkonovém bloku 7.3 jsou zahrnuty obvody vysokonapěťového výkonového zesilovače a jeho ochrany. Na zbývající části řídicí karty jsou umístěny ochranné a komunikační obvody. </p>
    <p num="79"> </p>
    <p num="80">S ohledem na nutnost návrhu s nízkým šumem byla karta realizována na vícevrstvém plošném spoji. Deska je navržena dle standardu DPC ve formátu euroboard s rozměry 160 × 100 mm, což odpovídá běžným průmyslovým standardům. Karta je osazena 96pinovým konektorem DIN 41612, který zajišťuje spolehlivé připojení a umožňuje snadnou integraci do systémů odpovídajících průmyslovým požadavkům. </p>
    <description-of-drawings>
      <p num="1">   </p>
      <p num="2">1.1 - Titanové tělo osy skeneru</p>
      <p num="3">1.2 - Piezoelektrický element</p>
      <p num="4">1.3 - Meandry v titanovém těle</p>
      <p num="5">1.4 - Směr pohybu piezoelektrického elementu</p>
      <p num="6">1.5 - Přítlačná deska pod piezoelektrickým elementem</p>
      <p num="7">1.6 - Šroub s jemným stoupáním a kuličkou</p>
      <p num="8">1.7 - Drážky v horní části meandru</p>
      <p num="9">2.1 – Tenzometrické senzory umístěné v bodech maximálního prohnutí</p>
      <p num="10">2.2 - Napájení Wheatstonova můstku (10 V)</p>
      <p num="11">2.3 - Výstup z Wheatstonova můstku</p>
      <p num="12">3.1 - Osa X skeneru</p>
      <p num="13">3.2 - Osa Y skeneru</p>
      <p num="14">3.3 - Osa Z skeneru</p>
      <p num="15">4.1 - Blok signálu polohy</p>
      <p num="16">4.2 - Blok modulace a kalibrace</p>
      <p num="17">4.3 - Regulační blok</p>
      <p num="18">4.4 - Zesilovací blok</p>
      <p num="19">4.5 - Blok ochrany</p>
      <p num="20">4.6 - Obvody komunikačními bloky</p>
      <p num="21">6.1 - Chladicí systém na desce plošných spojů</p>
      <p num="22">6.2 - Výkonový operační zesilovač</p>
      <p num="23">6.3 - Teploměr</p>
      <p num="24">6.4 - Pojistky</p>
      <p num="25">6.5 - Filtr napájecího napětí</p>
      <p num="26">6.6 - Pomocné zdroje</p>
      <p num="27">7.1 - Komunikační blok s I2C adresovacím obvodem</p>
      <p num="28">7.2 - Zesilovací blok s PID regulátorem</p>
      <p num="29">7.3 - Výkonový blok vysokonapěťového zesilovače</p>
    </description-of-drawings>
  </description>
  <claims id="claim">
    <claim num="1">
      <claim-text>Piezoelektrický skener pro přesné polohování na nanoskopické úrovni zahrnuje mechanické části a kontrolní elektroniku, přičemž mechanické části obsahují titanové tělo (1.1) pro uložení piezoelektrického elementu (1.2) a mechanismus předepnutí zahrnující pružinové meandry (1.3) s drážkami (1.7), přítlačnou desku (1.5) a šroub (1.6) s jemným stoupáním, přičemž kontrolní elektronika zahrnuje regulační blok (4.3), ochranný blok (4.5) a komunikační blok (4.6), 
   <b>vyznačující se tím</b>, že drážky (1.7) v horní části pružinových meandrů (1.3) tvoří body maximálního prohnutí, šroub (1.6) s jemným stoupáním je určen pro nastavení zachování předepnutí a paralelnosti ploch piezoelektrického elementu (1.2), přičemž regulační blok (4.3) v režimu uzavřené smyčky pro regulaci polohování zahrnuje PID regulátor propojený s tenzometrickými senzory (2.1) pro snímání mechanických deformací v pružinových meandrech a pro automatickou kompenzaci zkreslení signálu, přičemž ochranný blok (4.5) obsahuje saturační monitor, napěťový supervizor, nadproudovou ochranu a tepelnou ochranu pro úpravu napájení nebo odpojení zařízení při překročení limitních hodnot, a komunikační blok (4.6) obsahuje rozhraní I2C určené pro přenos řídicích signálů a diagnostických údajů do externího řídicího systému.
  </claim-text>
    </claim>
    <claim num="2">
      <claim-text> Piezoelektrický skener podle nároku 1, 
   <b>vyznačující se tím</b>, že regulační blok (4.3) dále obsahuje komparátor pro porovnání referenčního signálu s aktuálním signálem z tenzometrických senzorů (2.1) a pro poskytování korekčního vstupu pro PID regulátor, přičemž komparátor je propojený se vstupem PID regulátoru v režimu uzavřené smyčky.
  </claim-text>
    </claim>
    <claim num="3">
      <claim-text> Piezoelektrický skener podle nároku 1, 
   <b>vyznačující se tím</b>, že komunikační blok (4.6) dále zahrnuje ADC převodníky pro převod analogových signálů na digitální data.
  </claim-text>
    </claim>
  </claims>
  <drawings id="draw">
    <figure num="1">
      <img file="2556109img0001.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="550" he="433"/>
    </figure>
    <figure num="2">
      <img file="2556109img0002.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="550" he="336"/>
    </figure>
    <figure num="3">
      <img file="2556109img0003.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="550" he="374"/>
    </figure>
    <figure num="4">
      <img file="2556109ydvj0vb778im8pss8wm.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="550" he="331"/>
    </figure>
    <figure num="5">
      <img file="2556109bh79i1kfbmm8pssn3z.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="527" he="380"/>
    </figure>
    <figure num="6">
      <img file="2556109img0006.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="550" he="432"/>
    </figure>
    <figure num="7">
      <img file="2556109img0007.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="550" he="465"/>
    </figure>
  </drawings>
</ep-patent-document>
