特許 7457720 複数個の反射面を有するユニタリな固定型光学反射器を用い管状部材をレーザ溶接するシステム及び方法並びに医用デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-19

(45)【発行日】2024-03-28

(54)【発明の名称】複数個の反射面を有するユニタリな固定型光学反射器を用い管状部材をレーザ溶接するシステム及び方法並びに医用デバイス

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/16 20060101AFI20240321BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240321BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240321BHJP

【ＦＩ】

B29C65/16

B23K26/064 Z

B23K26/21 N

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021545409

(86)(22)【出願日】2020-02-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-22

(86)【国際出願番号】 US2020016618

(87)【国際公開番号】W WO2020163363

(87)【国際公開日】2020-08-13

【審査請求日】2023-01-23

(31)【優先権主張番号】62/801,269

(32)【優先日】2019-02-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/352,104

(32)【優先日】2019-03-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】519092897

【氏名又は名称】デューケイン アイエーエス エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ザヴィトゥスキー アレクサンドル

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／１４３１８１（ＷＯ，Ａ２）

【文献】国際公開第２０１８／０５３２３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０４４００９９６（ＣＮ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２００５０１０１９３（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４，２６／２１

Ｂ２９Ｃ ６５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管状のワークピースの周縁を巡り溶接するレーザ溶接システムであって、
レーザビームを差し向けるよう構成されたレーザビーム源と、
少なくとも２個の光学反射面部分が備わる光学反射器を有するアセンブリであり、その光学反射面部分がその光学反射器の第１側面及び第２側面上にそれぞれあり、その光学反射器の第１及び第２側面が互いにある鈍角をなし配列されており、上記ワークピースを、固定された光学反射器に対し、そのワークピースの長軸を横断する軸に沿い動かすことで、それら光学反射器とワークピースとの間の縦方向距離を調整することができ、且つ当該第１及び第２側面により当該長軸を横断する曲線が画定されるアセンブリと、
上記ワークピースに対して移動して上記レーザビーム源を上記光学反射器に沿い動かすことで上記ワークピースを巡る３６０度周縁溶接部を作り出すよう構成されている走査ヘッドと、
を備え、
上記光学反射器が略Ｖ字又はＵ字形状を有し、ひいては上記第１及び第２側面が平坦であり集まってある曲面をなしており、
前記縦方向距離は、上記光学反射器の最下点と上記ワークピースとの間の距離である、
システム。

【請求項2】

請求項１のシステムであって、上記光学反射面部分が上記第１側面の端部から上記第２側面の対応する端部まで連続的に延びるシステム。

【請求項3】

請求項１のシステムであって、上記少なくとも２個の光学反射面部分が、上記第１側面の一端から上記第２側面の一端まで延びる単一の連続的反射面の一部分であるシステム。

【請求項4】

請求項１のシステムであって、上記光学反射器が単体部品であるシステム。

【請求項5】

管状のワークピースの周縁を巡り溶接するレーザ溶接方法であって、
少なくとも２個の光学反射面部分を有し、その光学反射面部分が第１側面及び第２側面上にそれぞれあり、それら第１側面及び第２側面が互いにある鈍角をなし配列されている光学反射器を、準備するステップと、
上記光学反射器が備わるアセンブリ内にワークピースを位置決め及び固定するステップと、
固定されていて不可動な上記光学反射器に対し、そのワークピースの長軸を横断する軸に沿いそのワークピースを動かすことで、それら光学反射器とワークピースとの間の縦方向距離を調整するステップであり、上記第１及び第２側面により当該長軸を横断する曲線が画定されるステップと、
上記調整に応じレーザビームを差し向け上記光学反射器に沿ってそれを動かすことで、上記ワークピースを巡る３６０度周縁溶接部を作り出すステップと、
を有し、
上記光学反射器が略Ｖ字又はＵ字形状を有し、ひいては上記第１及び第２側面が平坦であり集まってある曲面をなし、
前記縦方向距離は、上記光学反射器の最下点と上記ワークピースとの間の距離である、
方法。

【請求項6】

請求項５の方法であって、上記少なくとも２個の光学反射面部分が、上記第１側面の一端から上記第２側面の一端まで延びる単一の連続的反射面の一部分である方法。

【請求項7】

請求項６の方法であって、上記光学反射面部分が上記第１側面の端部から上記第２側面の対応する端部まで連続的に延びる方法。

【請求項8】

請求項５の方法であって、上記光学反射器が単体部品である方法。

【請求項9】

請求項１のシステムであって、上記走査ヘッドは、マウントと互いに直交する２つのガントリとに結合されるシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願への相互参照）
本願では、２０１９年２月５日付米国暫定特許出願第６２／８０１２６９号及び２０１９年３月１３日付米国特許出願第１６／３５２１０４号に基づく優先権及び利益を主張するので、それらそれぞれの全容を参照により本願に繰り入れることにする。

【0002】

（発明の分野）
本件開示の諸態様は一般にレーザ溶接システムに関し、より具体的には、複数個の光学反射面を有する単一の固定型光学反射器とレーザビームとを用い管状部材を溶接するシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

大抵の薬剤送達装置においては、プラスチック配管によりその装置の様々な部品が連結され、それらを通じ薬が患者に送達される。様々な管状部材間のジョイント（接合部）、例えばチューブ対ポート又はチューブ対チューブタイプのそれは、最も一般的なサブアセンブリの一つであり、大抵の薬剤送達装置にて見出すことができる。

【0004】

レーザ溶接プロセスは現在のところ最も先進的な組立技術であり、大量製造に関する多数の検証済利点を有している。しかしながら、レーザ溶接プロセスを利用し管状部材同士を接合することや管状部材を他部品に接合することは、それらの合わせ面を巡る３６０°周縁溶接が必要となることから、技術的難題を引き起こすものである。アセンブリを巡りレーザ光源を回動させることや、静止型レーザヘッドの下方でそのアセンブリ（容器その他の部材がそれに装着されていることがある）を自転させることは、製造プロセスに常に適することではないので、その難題に対処すべく多数の方法が提案されている。

【0005】

例えば、管状ワークピースを凹面円形鏡の中心に長手方向沿い配置し、その凹面円形鏡によりそのワークピースを包囲させることができる。その上で、そのワークピースの上方にある鏡を巡りレーザビームを旋回又は周回させることで、そのワークピースの周縁外表面全体を巡りそのレーザビームを差し向ける。その円形鏡の中心を通るワークピースの操作は非常に難しく、とりわけ大量生産設定時には煩わしいので、この従来技術は製造環境に適していない。

【0006】

また例えば、複雑なセットの光学反射器を用い、ワークピースの逆側上へとレーザビームを方向転換させることができる。複数個の凹面鏡及び平坦鏡の組合せ、例えば錐面鏡、球面鏡及び平面鏡の組合せを用いることで、溶接中に、そのワークピースの逆側及び横側の方へとレーザビームの向きを変えることができる。しかしながら、そうした入り組んだ渦巻き状光学システムは非常に高価であり、保守時に修理するのが難しい。

【0007】

別の従来手法が特許文献１にて提案されており、その記載によれば、管状アセンブリの下に配置された一対の可調光学反射器の角度並びに横方向及び縦方向位置を調整することができ、ひいてはそれら反射器から反射されてきたビームによりそのアセンブリの下部の両側をカバーすることが可能となる一方、そのアセンブリの上部を直接ビームに曝してそのアセンブリを横方向に走査することができる。この方法につき記述されている目的は、「より単純でより空間節約的な技術」を届ける、というものである。しかしながら、反射ビームによりアセンブリ下部全体を均一に加熱しその素材の均一熔解を発生させるには、この方法では、そのアセンブリに対するそれら２個の反射器の正しい角度並びに横方向及び縦方向位置を見出すため、各反射器対の時間消費的調整が必要となる。

【0008】

それら２個の反射器間の角度、或いはそれらの横方向位置又は縦方向位置が正しくない場合、その誤差がもとで下部（ワークピース）の様々な部分が不均一加熱されることとなろう。例えば、それら反射器間の角度が広めであったり、それら２個の反射器の基部とそのアセンブリの位置との間のＺ軸（対地垂直軸）沿い距離が大きめであったりすると、ワークピース部品の最下部の過剰加熱並びにその側部の加熱不足につながることとなろう。それら反射器間の横方向距離が大きめであったり、角度が小さめであったり、Ｚ軸分離が短めであったりすると、そのアセンブリの下部の側部の過剰加熱並びにその下部の中央（最下部）の加熱不足につながり、その個所にて不適切加熱及び潜在的漏れ経路が生じることとなろう。そのアセンブリ内でワークピースの下部の両側を均一に加熱するためには、両反射器の表面がＺ軸（鉛直軸）に対しなす角度を厳密同一にする必要があり、また一方の反射器の角度方向位置を調整することは容易であるが、それら反射器間の角度をその固定具内で計測することは非常に厄介、時間消費的且つ難題である。この調整を多数回繰り返さないと、そのアセンブリの特定位置に対応する正しい角度を見出せないし、両反射器の位置を確と同一にすることができない。このように、両反射器同士を精密に角度方向整列させる必要があることが、セットアップの困難性の大きな原因となっている。

【0009】

言い換えれば、特許文献１にて提案されている手法では、多数の調整コンビネーションを、そのアセンブリの複数個の稼働部材に対しワークピース部品毎になさねばならないため、セットアップ過誤の機会が非常に多くなり又はセットアップ時間が長くなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】米国特許出願公開第２０１７０１８２５９２号明細書（Ａ１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

従って、必要とされているのは、より正確に管状部材をレーザ溶接することができ、それによってより均質且つより高品質な溶接結果を得ることができ、しかも大量生産製造設定に従い溶接する前における広範囲的、誤差誘発的又は時間消費的な事前調整又は校正をそのアセンブリにつき行う必要がないシステム及び方法である。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の諸態様は、特許文献１にて説明された開示事項に改善を反映させたものである。根幹的相違の一つは、本件開示では、一対の光学反射器を用いるのに代え、互いにある鈍角（９０度超１８０度未満の角度）をなすよう角度付けされた複数個の光学反射側面（レーザビームを反射しうるよう構成されたもの）を有する、単一のユニタリな固定型光学反射器を用いることを、提案していることである。もう一つの根幹的相違は、その溶接アセンブリで必要とされる溶接前セットアップを、レーザ溶接開始前における光学反射器対ワークピースのＺ軸調整（縦方向）のみとしたことである。それら反射面同士の個別的な横方向位置又は角度の調整は、ワークピースとの関連では必要ない。実のところ、本件開示の光学反射器は固定されたユニタリ片であるので、そうした調整は可能でさえない。即ち、本光学反射器は、その機器の溶接前セットアップ中、並びにレーザエネルギがそのワークピースに付与される溶接自体の最中の双方で、常時固定されたままとなる。更に、溶接中にレーザ光源をワークピース周りで回動させる必要はなく、寧ろ溶接前セットアップ中及び溶接中の双方にてレーザ光源がワークピースに対しある静止距離に保たれる。大量生産設定では、セットアップ時間を短くする必要がある一方、製造プロセス中にて同じ部品群をする際に、セットアップに対する微調整無しでどの部品でも溶接を均質且つ高品質なものとしなければならないところ、これらの態様によれば、大量生産設定にて、均質且つ高品質な３６０°周縁溶接部が、高い再現性及び非常に低い変動性並びに非常に些少なセットアップ時間及び労力（ワークピースと光学反射器の下部又は中央との間の縦方向距離の調整のみ）で以て作成される。本件開示では、管状部品（ワークピース）の周縁溶接に備えたレーザ溶接セットアップの「セットイットアンドフォーゲットイット」（設定後放置型）コンフィギュレーションが促進され、同じ部品群に係る溶接開始前セットアップ中に必要とされる調整が一種類のみとなり、大量生産設定における同部品の更なる調整が何ら必要とされない。溶接品質が全体として改善されていてどの部品でも目立って均質なだけでなく、セットアップ（アセンブリの一部品の縦方向調整）の時間が短いこと並びにセットアップ完了後に必要であった調整全てが廃止されることから、スループットも顕著に向上する。

【0013】

好適諸実施形態についての後掲の記述と併せ、以下の添付図面を参照することで、本発明をより良好に理解頂けよう。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】レーザアセンブリ及びワークピースアセンブリの一例として、静止反射面同士がある鈍角をなし固定された固定型Ｕ字状光学反射器を有するものを示す図である。

【図2】図１に示したワークピースアセンブリの斜視図である。

【図3】本件開示に係る光学反射器を用い達せられたレーザ溶接の一例の図面代用写真である。

【図4】本件開示に係る光学反射器を用い達せられたレーザ溶接の更なる例の図面代用写真である。

【図5】ワークピースと光学反射器の上面の底又は最下点との間の可調な縦方向距離の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１に示すレーザアセンブリ２００は従来型のレーザ光源２１０を有しており、それによりレーザ輻射ビーム１２０が生成されている。マウント２１２ａは相直交するガントリ２１４ａ及び２１４ｂに結合されている。走査ヘッド２１２内に備わる１個又は複数個のスキャナ鏡を、プロセッサ制御型駆動ユニット又は機構２１３により制御することで、レーザビーム１２０を、溶接により接合されるべき管状部品を有する熱可塑性ワークピース１１０が組み込まれたアセンブリ２５０上へと、下向きに差し向けることができる。駆動ユニット２１３を制御しそれらスキャナ鏡の位置を調整することで、レーザビーム１２０を必須要領、即ちアセンブリ１１０内に固定されたワークピース１１０の上面にある所定の溶接ゾーンを照明するのに必要な要領にて、動かすことができる。

【0016】

実験を踏まえ確立されたところによれば、単一のユニタリなＶ字又はＵ字状反射器２６０を用いること、またそれに備わる２個の平坦側面２６２ａ，２６２ｂを約１１０～１３５度（例．±１５％）にて相互固定し端２６４ａから端２６４ｂに至る連続的反射面とすることで、その光学反射器２６０の側面２６２ａ，２６２ｂに対し等距離配置された管状ワークピース１１０向けのセットアップを、従来手法に比べ大きく簡略化することが可能になると共に、必須セットアップ労力がその部品位置の縦方向調整（Ｚ軸）のみに限定される。ワークピース１１０及び光学反射器２６０を動かし互いに近付けること（図５にてラベル付けされている距離Ｄを小さくすること）で、レーザ光源２１０からそのワークピース部品１１０の奥底へとより多くのレーザエネルギを差し向けることが可能となり、またワークピース１１０及び光学反射器２６０を動かし遠ざけること（Ｚ軸沿いに動かし図５に示す距離Ｄを大きくすること）で、そのワークピース１１０の下部の両側の照明量が増すこととなる。部品下部に均一な照明をもたらすＺ値が見つかったら、それらワークピース１１０及び光学反射器２６０をそのＺ値の距離Ｄ（図５）にてロックすることで、セットアップが完了となる。アセンブリ２５０の上方に配置された溶接ヘッド２１２により横方向に沿いレーザビーム１２０で以てワークピース１１０を走査することで（回動無し、図１にてラベル付けされているＸ及び／又はＹ軸参照）、レーザビーム１２０に対する直接露出によりワークピース１１０の上部が照明され、且つＶ字又はＵ字状反射器２６０により反射されたレーザビーム１２０によりそのワークピース１１０の下部が照明されることとなるので、管状ワークピース１１０を巡る３６０°周縁溶接が可能となる。

【0017】

光学反射器２６０の（両）光学反射面２６２ａ，２６２ｂを金メッキ鏡とし、受領したレーザエネルギ１２０を反射するよう構成することができる。表面２６２ａ，２６２ｂに角度が付いているので、ワークピース１１０の表面のうち、ワークピース１１０上方で固定されているレーザビーム１２０では直にアクセスできないところに、そのレーザエネルギ１２０を差し向けることができる。溶接分野に習熟した者（いわゆる当業者）には察せられる通り、表面２６２ａ，２６２ｂ全体を光学反射素材で被覆する必要はない。実際問題としては、光学反射器２６０の表面全体を金その他の光学反射素材で以てメッキするのが都合よいが、無論、光学反射器２６０の表面諸部分のうちレーザビーム１２０が差し向けられることとなる部分にしか、光学反射素材を設ける必要がない。他の諸部分、例えばワークピース１１０の直下にありレーザエネルギが受領されない底部又は最下部２７０（最もよく見えるのは図２及び図５）は、光学反射性である必要がない。ワークピース１１０直下の部分２７０（図２）にて受領されるのは、光学反射器２６０の光学反射面２６２ａ，２６２ｂにて反跳された反射レーザエネルギである。これは即ち、いわゆる当業者には察せられる通り、表面諸部分のうちレーザエネルギ１２０が差し向けられることとなるところしか、その光学反射器２６０上で光学反射性とする必要がない、ということである。ここで肝要な点は、そのアセンブリのセットアップ中を含め常にその光学反射器２６０が不動であり静止していること、またワークピース１１０の下面とそのワークピース１１０の下面の直下にある光学反射器２６０の底又は最下点２７０との間のＺ軸沿い縦方向距離Ｄがそのセットアップ中に最適化されることである。

【0018】

その固定型光学反射器２６０の第１側面２６２ａ及び第２側面２６２ｂは、互いにある固定鈍角αをなし配列されている。固定とは、レーザ溶接開始前のセットアップ中でもその角度αが変化しない、という意味である。アセンブリ２５０は高さ調整機構（図示せず）を有しており、ワークピース１１０の長軸（例．Ｙ軸）を横断するＺ軸に沿い光学反射器２６０の最下点２７０とワークピース１１０の下面との間の縦方向距離Ｄを調整しうるようそれが構成されている。好ましいことに、ワークピース１１０はアセンブリ２５０の可調部品であるので、光学反射器２６０に対しワークピース１１０を上下動させることで、縦方向距離Ｄ（図５に示すそれ）を変化させることができる。これに代え、ワークピース１１０を固定し光学反射器２６０を上下方向に調整して縦方向距離Ｄを変化させることもできるが、何れにせよ反射面２６２ａ・２６２ｂ間の角度αは一定且つ固定とする。更にそれらに代え、ワークピース１１０及び光学反射器２６０双方をＺ軸に沿い調整して距離Ｄを変化させること、例えば本件開示に従い構成されうるよう改造又は修正されたアセンブリ２５０にてそうすることができる。

【0019】

第１及び第２側面２６２ａ，２６２ｂは上記長軸（例．Ｙ軸）を横断する曲線を画定しており、その曲線により光学反射器２６０のＶ字又はＵ字形状がかたちづくられている。なお、この部分にはレーザエネルギが向かわず、ひいてはその形状が役目無しであって光学反射に影響を及ぼさないので、同部分が厳密に曲線状である必要はない。寧ろ、反射面２６２ａ，２６２ｂのデザインパラメタ及び角度次第で、相対的に平坦にすることやノッチ化することもできる。また、そこを光学反射素材で以て被覆する必要もないが、製造容易性の観点からすれば、光学反射器２６０の表面全体を被覆するのが望ましい。

【0020】

ある態様によれば、光学反射器２６０上の反射面を連続的なものとすることができるが、いわゆる当業者には察せられる通り、光学反射器２６０のうち（入来レーザビーム１２０を基準として）ワークピース１１０の直下又は下方に座している部分ではレーザビーム１２０を直に受け取らないので、同面のその部分を光学反射性にする必要はない。連続的表面を製造する方が容易ではあるが、本件開示は連続的表面に限定されない。光学反射器２６０の平坦な側面２６２ａ，２６２ｂに反射性光学被覆を受け入れうる一方、その光学反射器２６０のうちワークピース１１０直下に座している部分２７０は反射性光学被覆無しとすることができる。更に、単体のユニタリな光学反射器２６０であることも述べられているが、他の諸態様によれば、光学反射器２６０を複数個の部品で構成すること、但しそれらのなす角度αをアセンブリ２５０のセットアップ中に調整し得ないようそれらの部品全てを互いに固定且つ静止とすることもできる。要点は、少なくとも２個の反射面２６２ａ，２６２ｂがあり、アセンブリ２５０のセットアップ中にそれらが固定且つ静止とされること、ひいてはワークピース１１０とそれら反射面２６２ａ，２６２ｂとの間の距離Ｄの縦方向調整しかセットアップ中に必要とされないことである。それら反射器の横方向距離及び角度方向変位並びにそれら反射器とワークピースとの間の距離の調整につき過大な自由度を許容したことで、却って、セットアップ時間の長時間化、セットアップパラメタの更なる複雑化、それらセットアップパラメタの反復的調整その他、上掲の諸問題につながっていた従来手法とは、この点で異なっている。

【0021】

図３及び図４に描かれているのは、本願開示の溶接装置及び方法により接合された熱可塑性標本ワークピースの断面写真であり、その接合界面の周縁を巡る高品質で均質、均一な溶接部を示している。反射面２６２ａ，２６２ｂは１３３度なる角度αに角度付けされている。本願開示の溶接方法は、周縁溶接が必要なあらゆるデバイス用の部品、例えば一般に薬剤送達デバイスを含め医用デバイス用の部品の溶接に、用いることができる。

【0022】

ある種の好適諸実施形態又は諸例との関連で本発明及びその他の諸態様が記述されているが、ご理解頂けるように、本件開示はそれら特定の諸実施形態又は諸例に限定されるものではない。その逆に、本件開示は、添付する特許請求の範囲により定義されている発明の神髄及び技術的範囲内に収まりうるところの、全ての代替物、修正物及び等価配列をカバーすることを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】