JPWO2020130022A1 - 医療用ガラス製品の切断のための切断部位のダメージング加工装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施例に係る医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置は、ウルトラファストレーザビームをバースト（Ｂｕｒｓｔ）するレーザ光源；前記ウルトラファストレーザビームが複数の焦点距離を有するようになり、細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）形態のプロファイルを有するように成形するビームプロファイル形成部；前記成形されたウルトラファストレーザビームのプロファイルが医療用ガラス製品のガラスの内部に形成されるように照射されるようにして前記医療用ガラス製品のガラスの内部にバルク変形による内部欠陥で形成されるインサイドダメージが形成されるようにするビーム照射部；及び、前記医療用ガラス製品を所定の回転速度で回転させる回転部を含むことができる。従って、本発明によれば、切断の際、パーティクルの発生が最小化される医療用ガラス製品の加工方法が提供される。
Description
本発明は、医療用ガラス製品の切断部位のダメージング装置及び方法に関し、より詳細には、医療用ガラス製品、例えば、ガラスを材料として使用するアンプルや医療機器用ガラスチューブ等の切断部位をウルトラファストレーザ（Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｌａｓｅｒ）でダメージング加工してガラス破片の発生を最小化できるダメージング加工装置及び方法に関する。
本発明は、医療用ガラス製品、例えば、注射液または栄養補充剤を貯蔵するガラスアンプルや、医療用ガラスチューブ等の切断部位をダメージング加工する方法に関する。
注射液または栄養補充剤を貯蔵するガラスアンプル等の医療用ガラス製品は、注射液及び栄養補充剤等の内容物が人体に入ることができる形態で作製されるので、使用の際、ガラス容器またはチューブを分離するために破壊する過程で完全無菌／無塵でオープンされるように製造することが必須である。従って、その製造工程において、細心の配慮と相当な注意を要求するようになる。
しかし、従来の医療用ガラス製品の製造工程では、常にガラス破片等の異物がアンプルの中に入る可能性があった。例えば、注射液または栄養補充剤の容器として使用されるＯＰＣアンプルは、ガラス破片の発生を最小化するために考案されたアンプルであるが、正常に使用するとしても使用者が手で力を入れて切断する時に微細なガラス破片が発生するようになる。
例えば、従来の技術の注射用または栄養補充剤用アンプル２０を示した図８を参照すると、従来のまたは栄養補充剤用アンプル２０は、切断方向表示部２３、切断補助用ノッチ２２及びボトルネック部２４を含む。
この場合、従来の注射用または栄養補充剤用アンプル２０は、高速で回転するダイヤモンドブレードによりアンプルのネック（ボトルネック部２４）の切断部位に切断補助用ノッチ２２を形成させることとなる。そして、切断を容易にするために、切断部位を周辺より直径を小さくしたボトルネック部を備えるようになり、切断方向表示部２３に表示した部分に圧力を加えて使用者が手でアンプルを切断する。すると、切断補助用ノッチ２２を起点として折ってオープンさせ、そこでアンプルの内部の注射液または栄養補充剤を使用できるようになる。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、従来の技術によって切断補助用ノッチ２２を形成したガラスアンプルを使用者が手でオープンさせるとき、ガラスアンプルの切断部分を高速撮影した写真である。図９（ａ）は、ガラスアンプルが正常にオープンされたにもかかわらず、ガラス粉塵が飛散することが見られる。また、図９（ｂ）を参照すると、大きなガラス破片が発生することが見られる。
このとき、ＯＰＣアンプルに入れられた注射液または栄養補充剤で注射または飲むためにアンプルの切断部位を使用者（例えば、看護婦）が切断する時に切断補助用ノッチの形成時に生じた微細なガラス粉がアンプル内に入り得る。
ダイヤモンドブレードを通して切断補助用ノッチを加工したとき、微細なガラス粉塵が発生し得るという問題点を解決するために、レーザで微細な隙間を生成する方式（日本国特開平１１−７１１２４号）も考案されたことがある。しかし、このような方式もアンプルのガラス表面から一部の領域に溝を作る方式であるので、使用者が誤った方向に力を加えた場合は、大きなガラス破片が生じ得るという短所があった。
従って、正しく使用しなかった時（例えば、使用者が切断方向表示部２３に表示された方向と異なる方向に力を加えた場合）には、ガラス破片の発生が顕著に増加し得る。即ち、ＯＰＣアンプル２０は、ガラスが切断されるとき、方向性を与えて破片が発生しないように作製したものであるが、指示された方向の通り力を加えず、異なる方向に力を加えれば、さらに多くのガラス破片が発生するようになる。
このようなガラス破片やガラス粉は、人体に入ったら人体に大きな被害を与え得るため、特に、注射液の使用者は、注射液を全て使用せず、ガラス粉が沈む部分程度の注射液を除いて使用するようになる。
従って、このような医療用薬物または栄養補充剤の無駄遣いを防ぎ、人体に有害なガラス破片や粉塵を除去するために、異物がアンプルの中に流入する可能性をなくし、完全無塵の医療用ガラス製品工程を提供できる医療用ガラス製品の製造方法が切実に要求されている状況である。
本発明が解決しようとする課題は、医療用ガラス製品の製造工程中、異物がアンプルの中に流入する根源を除去して完全無塵の医療用ガラス製品ダメージング加工工程を提供することである。
従って、本発明によれば、切断の際、パーティクルの発生が最小化される医療用ガラス製品の加工方法が提供される。
一方、本発明のまた他の目的は、上述したように作製され、アンプルに切断方向を表示しなくても、注射用または栄養補充剤用アンプルをどのような方向に切断してもパーティクルの発生がほとんどない注射用または栄養補充剤用アンプルの製造方法及び注射用アンプルを提供することである。
また、本発明のさらに他の目的は、注射用または栄養補充剤用アンプルの製造の際、ボトルネック部分をわざわざ作製する必要がなく、ボトルネックの製造に必要な工程時間及び欠陥を顕著に減少させることができる注射用または栄養補充剤用アンプルの製造方法及び注射用または栄養補充剤用アンプルを提供することである。
前述したような課題を解決するために、本開示の一実施例に係る医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置は、ウルトラファストレーザビームをバースト（Ｂｕｒｓｔ）するレーザ光源；前記ウルトラファストレーザビームが複数の焦点距離を有するようになり、細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）形態のプロファイルを有するように成形するビームプロファイル形成部；前記成形されたウルトラファストレーザビームのプロファイルが前記医療用ガラス製品のガラスの内部に形成されるように照射されるようにして前記医療用ガラス製品のガラスの内部にバルク変形による内部欠陥で形成されるインサイドダメージが形成されるようにするビーム照射部；及び、前記医療用ガラス製品を所定の回転速度で回転させる回転部を含むことができる。
このとき、医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置は、前記医療用ガラス製品の切断される部位に前記インサイドダメージが複数個形成されるように前記所定の回転速度及び前記レーザビームのバースト速度を制御する制御部をさらに含むことができる。
また、前記インサイドダメージは、前記医療用ガラス製品の円周に沿ってガラスの厚さ方向に形成され得る。
また、前記医療用ガラス製品は、注射用または栄養補充剤用アンプル、採血管、シリンジ（Ｓｙｒｉｎｇｅ）、カートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅｓ）、ガラス薬瓶、医療機器用ガラスチューブのいずれか一つを含むことができる。
従って、本発明によれば、切断の際、パーティクルの発生が最小化される医療用ガラス製品の加工方法が提供され得る。
一方、本発明の実施例に係る注射用アンプルの場合、アンプルの使用時に切断ミスが減少し得る。即ち、アンプルに切断方向を表示しなくても、どのような方向に切断してもパーティクルの発生がほとんどないため、アンプルの使用時の切断ミスが顕著に減少し得る。
また、注射用アンプルの製造の際、ボトルネック部分をわざわざ工程を付加して作製する必要がないので、ボトルネックの製造に必要な工程時間及び欠陥が顕著に減少するようになる。
本発明に係る効果は、以上において例示された内容により制限されず、さらに様々な効果が本明細書内に含まれている。
以下の内容は、単に発明の原理を例示する。それゆえ、当業者は、本明細書に明確に説明または図示されていないが、発明の原理を具現し、発明の概念と範囲に含まれた様々な装置を発明することができるのである。また、本明細書に列挙された全ての条件付き用語及び実施例は、原則的に、発明の概念が理解されるようにするための目的でのみ明確に意図され、このように特別に列挙された実施例及び状態に制限的ではないものと理解されるべきである。
また、以下の説明において、第１、第２等のような序数式表現は、互いに同等で独立した客体を説明するためのものであり、その順序に主（ｍａｉｎ）／副（ｓｕｂ）または主（ｍａｓｔｅｒ）／従（ｓｌａｖｅ）の意味はないものと理解されるべきである。
上述した目的、特徴及び長所は、添付の図面と関連した下記の詳細な説明を通してより明らかになり、それによって、発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が発明の技術的思想を容易に実施することができるだろう。
本発明の様々な実施例のそれぞれの特徴が部分的または全体的に互いに結合または組み合わせ可能であり、当業者が十分に理解できるように技術的に様々な連動及び駆動が可能であり、各実施例が互いに対して独立的にも実施可能であり得、関連関係で共にも実施可能であり得る。
以下、添付の図面を参照して、本発明の様々な実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例に係る医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置１０００のブロック図である。図１によれば、ガラス製品の切断部位ダメージング装置は、制御部１００、レーザ光源２００、エネルギー制御モジュール３００、ビーム拡張部（Ｂｅａｍ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）４００、ビームプロファイル形成部５００、ビーム照射部６００、回転部７００、距離調節部８００を含むことができる。ここで、医療用ガラス製品は、注射用または栄養補充剤用アンプル、採血管、シリンジ（Ｓｙｒｉｎｇｅ）、カートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅｓ）、ガラス薬瓶等、チューブ形態の部分を含みながらガラスで加工された切断面を有し、内部にガラス破片やガラス粉塵が入ってはならない医療用ガラス製品を意味する。
ガラス製品の材料としては、ソーダ石灰（soda lime）、石英、ホウケイ酸ガラス（borosilicate）などが使用される。特に、医療用ガラス容器の場合には、ホウケイ酸ガラスが好ましい。
制御部１００は、レーザビーム１５０のエネルギー、被加工物（医療用ガラス製品）１０とビーム照射部５００との距離及び回転部７００の回転速度を制御することができる。また、第１集光レンズ６３０と第２集光レンズ６５０の距離を調節する制御を通して倍率を調整することができる。また、制御部１００は、回転部７００の回転速度に合わせてレーザビーム１５０のバースト（ｂｕｒｓｔ）数を制御することができる。
レーザ光源２００は、ウルトラファストレーザビーム１５０を生成して照射する光源である。
また、エネルギー制御モジュール３００及びビーム拡張部４００は、被加工物１０に達するレーザビームのエネルギー量と大きさを調節するための構成である。この場合、レーザ光源で生成されたレーザビームがビームプロファイル形成部５００及びビーム照射部６００に達するようにするために複数のミラー４１０のような光学機構をさらに設けることができる。
ビームプロファイル形成部５００は、アキシコンレンズの自己（Ｓｅｌｆ）回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームのプロファイルを形成するための構成であり、好ましくは、アキシコン（Ａｘｉｃｏｎ）レンズを使用する。
図２に示したように、アキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームは、一般に、円錐形態のレンズ、例えば、アキシコンレンズ５００の通過時、レンズを通過したレーザビームの干渉を通して形成される。このとき、レーザビームの波面は、アキシコンレンズを通過するガウシアンビームの回折により形成される。干渉縞は、長さが長く、マイクロ単位直径の中心コアと、これらのコアを囲んでいる相対的に低い強さ強度を有するいくつかのリングとからなっている。即ち、本発明の実施例によれば、ビームプロファイル形成部５００は、ウルトラファストレーザビームが複数の焦点距離を有するようになり、細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）形態の高縦横比のプロファイルを有するように成形する。
この場合、レーザビームは、被加工物１０のガラスを通過しながら一部吸収されてガラスの構成分子にエネルギーを伝達するようになるが、このとき、吸収されるエネルギー密度が高く、瞬間的に被加工物１０のガラスの内部にプラズマが形成される。図３を参照すると、上述したプラズマは、被加工物１０のガラスの内部に高縦横比のバルク変形による内部欠陥を形成するようになる。このようにレーザビームにより形成された内部欠陥を本明細書においてはダメージ（ｄａｍａｇｅ）といい、ダメージを形成する加工をダメージ加工といい、ダメージが形成されて医療用ガラス製品の切断を補助する構造をインサイドダメージ（Ｉｎｓｉｄｅ Ｄａｍａｇｅ、図３及び図６を参照）１５という。
本発明の実施例においては、レーザビームによりダメージを連続的に形成させる工程を利用して従来の技術のダイヤモンドブレードを用いた切断補助用ノッチを代替する構造を形成するようになる。さらには、インサイドダメージ形成によって医療用ガラス製品を切断する方法及び装置も本発明の範疇に含まれる。
この場合、アキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームの中心コア半径（ｒ）は、下記の数１で示すことができる（図２に示した部分は直径であり、２ｒで示す）。
ここで、θは、アキシコンレンズにより形成された二つの回折されたウェーブベクトル間の角度である（図２参照）。このような角度は、アキシコンパラメータにより決定される（例えば、アキシコンパラメータは、アキシコンレンズの頂点の角度及び光学的屈折率を含む）。さらに幾何学的観点から焦点深度（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｏｃｕｓ）と呼ぶアキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームの長さ（Ｌ）は、下記の数２により演算され得る。
ここで、ｗは、アキシコンレンズに入射するレーザビーム１５０の直径である。
この場合、アキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームの形態は、ガラスの厚さに沿って細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）、そして一様なインサイドダメージを作るように設計される。ここで、「細長い」とは、被加工物１０のガラスに加工されるインサイドダメージの長さ（Ｌ）がインサイドダメージの半径（Ｒ）より非常に大きな形態、インサイドダメージの長さ（Ｌ）がインサイドダメージの半径（Ｒ）の１０倍以上である場合を意味する。
ビーム照射部６００は、ビームプロファイル変形部５００で細長いプロファイルを有するように変形されたレーザビームが被加工物１０のガラス部分に入射するようにする光学機構６３０、６５０、及び正確に入射するかが確認できる同軸ＣＣＤカメラ６１０、及びエピスコピック（Ｅｐｉｓｃｏｐｉｃ）照明６２０を含むことができる。このとき、同軸ＣＣＤカメラ６１０及びエピスコピック照明６２０をレーザビーム１６０と整列させるために、ビームスプリッタ６４０及び６６０を含むことができる。
この場合、上述したビーム照射部６００は、第１集光レンズ６３０、第２集光レンズ６５０及び倍率調整装置（図４参照）６３５を含んで被加工物１０のガラス素材の内部に局部的に集中したエネルギーを形成するようにレーザビームを制御することができる。従って、変形されたレーザビーム１６０は、第１集光レンズ６３０及び第２集光レンズ６５０を通して縮小された割合でバルク変形を起こすようにイメージングされる。
本実施例において使用されたレーザビームの波長は、１０３０〜１０７０ｎｍの領域の波長であり、焦点位置は、被加工物のガラス表面からガラスの厚さ方向のガラス製品の内部でアキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームの開始点が形成され得るようにした。
一方、回転部７００は、被加工物１０の円周に沿ってガラスの厚さ方向にインサイドダメージ１５を形成させるために被加工物１０を回転させるための構成である。この場合、ガラスの厚さ方向は、被加工物１０のガラス面と垂直をなす方向を意味する（図５のＡ方向を参照）。この場合、制御部１００は、回転速度及びレーザビームのバースト（Ｂｕｒｓｔ）時点によってインサイドダメージ間の間隔が定まるようになる。また、制御部１００は、バースト数（Ｂｕｒｓｔ Ｎｕｍｂｅｒｓ）を制御してガラスの厚さ方向に提供されるレーザビームのエネルギーを制御することができる。バースト数は、一回のバーストに含まれるパルスの数を意味する。
一方、距離調節部８００は、被加工物１０とビーム照射部６００との間の距離を調整し、アキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームが正確に被加工物１０のガラスの内部にイメージングされ得るようにする。
図６（ａ）乃至図６（ｃ）は、回転部７００で被加工物１０を回転させながら、円周方向に形成されたインサイドダメージを説明するための図である。
図６（ａ）は、被加工物１０の一部を示した図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’部分の断面を示した図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）のインサイドダメージ１５を実際に具現したものを写真で撮った図である。
図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示したように、ビームプロファイル形成部５００で形成させたアキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームにより被加工物１０、例えば、注射用アンプルの切断部位の円周面に沿ってガラスの厚さ方向にインサイドダメージ１５が形成されることが分かる。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の実施例に係る具現例及び効果を説明するための図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）においては、被加工物１０として注射用アンプルを回転させながら、直径２〜４μｍのインサイドダメージを形成させた。そして、アキシコンレンズの自己回折によって複数の焦点距離を有するようになるレーザビームの長さ（Ｌ）は、概ねガラスのガラス厚さ程度に加工した。この場合、アンプルの周りは、約４ｍｍであり、使用されるレーザは、１０３０ｎｍ〜１０７０ｎｍの波長を有し、パルスエネルギーは、８０ｕＪ以上として具現した。そして、１０００Ｋｈｚ以上の速度でウルトラファストレーザビームをバースト（Ｂｕｒｓｔ）した。
上述した条件で加工した時に、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示したように、注射用アンプルの切断面が研磨された表面（２〜３μｍ）と類似した形態で再現され、断面の改質変化やクラックが全く発生しなかった。
従って、本発明によれば、医療用ガラス製品の製造工程中、異物がアンプルの中に流入する根源を除去して完全無塵の医療用ガラス製品工程が提供される。
また、本発明によれば、切断の際、パーティクルの発生が最小化される医療用ガラス製品の加工方法が提供される。
一方、本発明の実施例に係る注射用アンプルの場合、アンプルの使用時に切断ミスが減少し得る。即ち、アンプルに切断方向を表示しなくても、どのような方向に切断してもパーティクルの発生がほとんどないため、アンプルの使用時の切断ミスが顕著に減少し得る。
また、注射用アンプルの製造の際、ボトルネック部分をわざわざ工程を付加して作製する必要がないので、ボトルネックの製造に必要な工程時間及び欠陥が顕著に減少するようになる。
以上、添付の図面を参照して、本発明の実施例をさらに詳細に説明したが、本発明は、必ずしもこのような実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を外れない範囲内で多様に変形実施され得る。従って、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。それゆえ、以上において記述した実施例は、全ての面で例示的なものであり、限定的ではないものと理解すべきである。本発明の保護範囲は、下記の請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
１００ 制御部
２００ レーザ光源
３００ エネルギー制御モジュール
４００ ビーム拡張部
５００ ビームプロファイル形成部
６００ ビーム照射部
６３０、６５０ 第１及び第２集光レンズ
７００ 回転部
８００ 距離調節部
２００ レーザ光源
３００ エネルギー制御モジュール
４００ ビーム拡張部
５００ ビームプロファイル形成部
６００ ビーム照射部
６３０、６５０ 第１及び第２集光レンズ
７００ 回転部
８００ 距離調節部
Claims (8)
- ウルトラファストレーザビームをバースト（Ｂｕｒｓｔ）するレーザ光源；
前記ウルトラファストレーザビームが複数の焦点距離を有するようになり、細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）形態のプロファイルを有するように成形するビームプロファイル形成部；
前記成形されたウルトラファストレーザビームのプロファイルが医療用ガラス製品のガラスの内部に形成されるように照射されるようにして前記医療用ガラス製品のガラスの内部にバルク変形による内部欠陥で形成されるインサイドダメージが形成されるようにするビーム照射部；
前記医療用ガラス製品を所定の回転速度で回転させて前記インサイドダメージが前記医療用ガラス製品の円周に沿って複数個形成されるようにする回転部を含む、
医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置。 - 前記医療用ガラス製品の切断される部位に前記インサイドダメージが複数個形成されるように前記所定の回転速度及び前記レーザビームのバースト数（Ｂｕｒｓｔ Ｎｕｍｂｅｒｓ）を制御する制御部をさらに含む、
請求項１に記載の医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置。 - 前記インサイドダメージは、前記医療用ガラス製品の円周に沿ってガラスの厚さ方向に形成される、
請求項１に記載の医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置。 - 前記医療用ガラス製品は、注射用または栄養補充剤用アンプル、採血管、シリンジ（Ｓｙｒｉｎｇｅ）、カートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅｓ）、ガラス薬瓶、医療機器用ガラスチューブのいずれか一つであることを特徴とする、
請求項１に記載の医療用ガラス製品の切断部位ダメージング装置。 - ウルトラファストレーザビームをバースト（Ｂｕｒｓｔ）するステップ；
前記ウルトラファストレーザビームが複数の焦点距離を有するようになり、細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）形態のプロファイルを有するように成形するステップ；
前記成形されたウルトラファストレーザビームのプロファイルが医療用ガラス製品のガラスの内部に形成されるように照射されるようにして前記医療用ガラス製品のガラスの内部にバルク変形による内部欠陥で形成されるインサイドダメージが形成されるようにするステップ；及び
前記医療用ガラス製品を所定の回転速度で回転させるステップを含む、
医療用ガラス製品の切断部位ダメージング方法。 - 前記医療用ガラス製品の切断される部位に前記インサイドダメージが複数個形成されるように前記所定の回転速度及び前記レーザビームのバースト数（Ｂｕｒｓｔ Ｎｕｍｂｅｒｓ）を制御するステップをさらに含む、
請求項５に記載の医療用ガラス製品の切断部位ダメージング方法。 - 前記インサイドダメージは、前記医療用ガラス製品の円周に沿ってガラスの厚さ方向に形成される、
請求項５に記載の医療用ガラス製品の切断部位ダメージング方法。 - 前記医療用ガラス製品は、注射用または栄養補充剤用アンプル、採血管、シリンジ（Ｓｙｒｉｎｇｅ）、カートリッジ（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅｓ）、ガラス薬瓶、医療機器用ガラスチューブのいずれか一つであることを特徴とする、
請求項５に記載の医療用ガラス製品の切断部位ダメージング方法。
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