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ピエゾによる精密位置決めソリューションは、レーザービームのコ ントロールとフォーカシングに興味深い可能性をもたら し様々なメリットをもたらすと考えています。
角膜の曲率に影響を与えて視力を矯正するさまざまなレーザー方法が確立されています。これらの方法に共通しているのは、レーザービームの制御と集光に高精度の位置決めシステムが必要なことです。ピエゾ製品を使ったソリューションはこの点において有利です。必要な精度で動作し、高速で信頼性が高く、様々でコンパクトなデザインのため用途に適していると考えております
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このカタログについて
ドキュメント名 | <眼へのピエゾ製品の用途例>人間の眼への精密作業向けにピエゾ製品の用例 |
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ドキュメント種別 | 製品カタログ |
ファイルサイズ | 946.1Kb |
取り扱い企業 | ピーアイ・ジャパン株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧) |
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このカタログの内容
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Precision Work on the Human Eye
WHITEPAPER – PIEZO-BASED NANOPOSITIONING SYSTEMS FOR OPHTHALMOLOGY
Birgit Bauer
人間の眼への精密な作業
ピエゾによるの眼科用ナノポジショニングシステム
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Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Roemerstrasse 1_76228 Karlsruhe, Germany
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 Email info@pi.ws, www.pi.ws
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Introduction、Precision Work on the Human Eye
WHITEPAPER – PIEZO-BASED NANOPOSITIONING SYSTEMS FOR OPHTHALMOLOGY
Birgit Bauer
はじめに 人間の眼への精密な作業
人間は視覚的な動物であり、ほとんどの情報を視覚か 現在では、屈折矯正手術の技術により、高い視度数ま
ら得ています。そのため、視覚が非常に重要であるこ での屈折異常を矯正することができます。そのために
とは不思議ではありません。13世紀以降、視力障害は は、角膜(上皮)の屈折力が眼球の長さと一致するよ
眼鏡で矯正されてきました。角膜を「整形」するため うに、角膜の小さな粒子をレーザー光で除去して、角
の手術方法を検討する最初の臨床研究は、1930年代に 膜の形状を光軸方向にモデル化します(図1)。
始まりました。 エピレーシック(Epi-LASIK:Epithelial Laser In Situ
現在では、角膜の曲率に影響を与えて視力を矯正する Keratomileusis)では、まずマイクロケラトーム(機
さまざまなレーザー方法が確立されています。これら 械的切片用メス)やレーザーで上皮切片を作ります。
の方法に共通しているのは、レーザービームの制御と そして、できあがった薄い角膜のフラップを横に持ち
集光に高精度の位置決めシステムが必要なことです。 上げます。また、治療部位の角膜の最上層の細胞を、
ピエゾ素子を使ったソリューションは、通常、この点 スクレーパーの形をした小さな特殊な器具を使って除
で有利です。必要な精度で動作し、高速で信頼性が高 去することもできます(PRK=光屈折性角膜切除
く、様々でコンパクトなデザインのため、今日のレー 術)。いわゆるLASEK(Laser-Assisted Sub-Epithelial
ザーシステムにうまく組み込むことができます。 Keratomileusis)の場合は、角膜の表面に「スクラッ
チリング」で穴を開けた後、アブレーション用の弱い
アルコール溶液で短時間湿らせ、手で慎重に横に押し
ていきます。このとき初めて、実際のレーザー治療が
行われます。
Fig. 1 屈折異常を補正するために、角膜(上皮)の屈折力が眼球の長さと一致するように、角膜の小さな粒子を
レーザー光で除去して、角膜の形状を光軸上にモデル化しています。
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Femtosecond and Excimer Lasers 、High-Precision Piezo Tip/Tilt Mirrors as Single-Axis or Multi-Axis Systems
WHITEPAPER – PIEZO-BASED NANOPOSITIONING SYSTEMS FOR OPHTHALMOLOGY
Birgit Bauer
フェムト秒レーザーとエキシマレー しかし、フェムト秒レーザーでは、屈折異常の矯正はで
ザー きません。これを行うのがエキシマレーザーです。エキ
シマレーザーは紫外線を照射し、そのエネルギーを角膜
これらの屈折矯正手術には、2種類のレーザーが使用さ
の表面に直接照射します。レーザー光は、角膜のマイク
れます。エキシマレーザーとフェムト秒レーザーです。
ロメートル単位の組織層のみを透過し、そこにある組織
フェムト秒レーザーは赤外線領域で作動し、フェムト秒
を蒸発させます。角膜は非常に正確に形成されるので、
の範囲の持続時間を持つ光パルスを送ります(1フェム
近視や遠視、乱視を矯正することができます。
ト秒は10-15秒)。レーザーのエネルギーは角膜の表面
ではなく、内部の所定の深さに数フェムト秒の時間をか そのため、使用する2つのレーザーについては、レー
けて照射されます。このようにして、極めて高い精度 ザー光の正確な配置、またはレーザー光の高速かつ正確
で、実質的に熱を発生させることなく組織を切断するこ な制御が非常に重要となります。エキシマレーザーを使
とができます。これは、例えば、上述のレーシック法に 用する場合、システムに組み込まれたアイトラッカーが
おいて、薄い角膜フラップを除去するために使用され、 眼の位置を監視し、それに対応して光ビームの配置を
また、フェムト秒レーザーは、人工レンズなどの角膜内 10ms以下の反応時間で調整します。また、これに対応
インプラントのための角膜トンネルの切片にも使用され してレーザーも誘導しなければなりません(図2)。
ます。
1軸または多軸システムとしての高
精度ピエゾチップ/チルトミラー
ガルバノスキャナーなどの一般的な偏向ミラー技術は、
通常、誘導原理に基づいており、原理的には人間の目に
対するこのような高精度のアプリケーションに適してい
ますが欠点もあります。2軸で位置決めをするために
は、2つのシステムを連続して切り替えなければなら
ず、さらに積み重ねなければなりません。そのため、ピ
ボットポイントが異なり、必要な設置スペースも比較的
大きくなります。
Fig. 2 レーザービームの制御には最高の精度が求めら Fig. 3 直交2軸、100mradの光学的偏向角、
れます。ピエゾ式ナノポジショニングシステムは、こ 0.0005mradの分解能を持つコンパクトなピエゾチップ/
れらのアプリケーションに最適です。 チルトミラー、長さ38mm
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Piezo Ultrasonic Drives
WHITEPAPER – PIEZO-BASED NANOPOSITIONING SYSTEMS FOR OPHTHALMOLOGY
Birgit Bauer
ピエゾ駆動のチップ/チルトミラーシステム(図3) 複数の動作軸を持つチップ/チルトミラーシステムの場
は、要求される精度だけでなく、コンパクトサイズ、高 合、ピエゾドライブはパラレルキネマティクスの位置決
い加速度、広いダイナミックバンド幅も同時に実現でき めシステムに使用されます(図4)。この構造は、直列
るため、より優れた選択肢となります。 システムと比較して、共通のピボットポイントを持つ移
PI社は、長年にわたってこの分野のスペシャリストとし 動プラットフォームが1つしかないため、ダイナミクス
て知られており、眼科分野のアプリケーション向けに、 が高く、サイズも小さくなるなど、さまざまな利点があ
この分野の特別な要件を満たすだけでなく、レーザーシ ります。さらに、ガルバノスキャナーなどの2つの単軸
ステムにも簡単に組み込むことができるさまざまなソ システムを連続して切り替える場合よりも高い直線性を
リューションを提供しています。これらの製品は、最大 実現しています。内蔵された高解像度の位置センサーに
120mradの光偏向領域、非常に高速な応答動作(ミラー より、全移動範囲において0.25%以下の高い直線性
を使用した場合、10ms~1ms)、およびナノラジアン と、5 µradの再現性が確保されています。
範囲の位置分解能を可能にします。
ピエゾ超音波ドライブ
これらの1軸、2軸、3軸システムの原動力となっている
のがピエゾアクチュエーターです。ピエゾ効果を利用し
PILine®超音波モーターは、レーザービームの制御にも興
たアクチュエーターは、サブナノメートルの分解能、高
味深い可能性をもたらします。非常に高速性と加速性を
い動特性、数千ヘルツの走査周波数で動作します。ピエ
もち、かつ非常にコンパクトなサイズで実現します。
ゾアクチュエーターは、結晶効果を利用しているため、
回転部分がなく、摩擦もないため、実質的にメンテナン
スフリーで、磨耗もありません。電子機器に対しては、
ピエゾアクチュエータは静電容量負荷となり、静的な動
作では電力を消費しません。チップ/チルトミラーシス
テムでは、ピエゾアクチュエータはミラープラット
フォームに直接、またはフレクシャージョイントを介し
て作用します。ドライブスクリューやギアヘッドなどの
中間要素を使用していないため、バックラッシュがあり
ません。
Fig. 5 PILine®アクチュエータの機能原理は特許取得済
みです。ピエゾセラミックアクチュエータの超音波振動
が、フリクションバーに沿って直線運動に変換され、機
械構造の可動部を駆動します。
また、特許取得済みの駆動原理(図5)により、静止時に
はセルフロックが可能です。リニアモーターとドライブ
は、お客様のシステムに組み込むことを目的としてお
り、一般的にはガイドなしで使用されます。しかし、多
くのアプリケーションにすぐに設置できるように、設置
可能な完全な位置決めシステムもあります。例えば、精
Fig. 4 パラレル・キネマティクス・システムでは、 密マイクロリニアステージ「M-663」(図6)は、必要に
すべてのアクチュエーターが同じプラットフォーム上 応じてXYコンビネーションにも対応しています。
で直接動作します。
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Author、About PI
WHITEPAPER – PIEZO-BASED NANOPOSITIONING SYSTEMS FOR OPHTHALMOLOGY
Birgit Bauer
PI社について
Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KGは、1ナノメー
トルをはるかに下回る精度の精密位置決めシステムの市
場および技術のリーダーです。40年以上前にPI社がピエ
ゾナノポジショニング技術を導入したとき、典型的な顧
客は、レーザー共振器のチューニング、ファブリ・ペ
ロー干渉計やフィルターの研究を行う研究所や大学でし
た。しかし、産業界全体がナノポジショニングの進歩に
Fig. 6 位置をダイレクト計測しているリニアエンコーダ 依存するようになるとは、ほとんど予測できませんでし
付きPILine®マイクロポジショニングステージ た。
速度は最大400 mm/s、移動距離は最大19 mm、分解能 現在、PI社は、半導体技術、光学計測、バイオテクノロ
は最大0.1 µmです。 ジー、医療機器など、あらゆる重要なハイテク市場にマ
非接触計測の光学式リニアエンコーダにより、高い直線 イクロ・ナノポジショニングソリューションを提供して
性と再現性を実現しています。また、停止後にリファレ います。
ンス動作も必要ありません。高さ15mm、幅30mm、長 PI社は垂直統合戦略を採用しており、すべての主要技術
さ35mmのマイクロポジショニングステージは非常にコ を社内で開発・維持しています。ソフトウェア、精密機
ンパクトなので、多くのアプリケーションに簡単に組み 械、デジタル/アナログ制御エレクトロニクス、サブナ
込むことができます。 ノメートルの静電容量式の位置センサー、ピエゾセラ
ミックス、ピエゾアクチュエータなどの分野で、設計か
ら納品までのすべての段階を網羅しています。これによ
これは、同じメーカーが、マイクロポジショニングス り、最高の品質を保証し、コストを削減することができ
テージに完全に適したドライブエレクトロニクスとコン ます。
トローラを提供していることにも起因しています。この
ような位置決めソリューションは、レーザービームのコ 健全な成長率、700人以上の従業員、柔軟な垂直統合型
ントロールとフォーカシングに興味深い可能性をもたら 組織を持つ企業として、PI社は革新的な精密位置決めの
し、患者にもメリットをもたらすと考えています。 分野で最も多様な要件を満たし、世界中の顧客に優れた
製品を供給することができます。そのため、PI社は最も
医療用アプリケーションにおけるピエゾテクノロジーに 重要な市場に販売とサービスのための子会社を設置して
ついては、www.pi-medical.wsを参照ください。 います。
Author
Birgit Bauer, Business Development Manager Health
Care at Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
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Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 Email info@pi.ws, www.pi.ws