JP2000513284A - 円形材料のブランクを固定溶接するために超音波を使用する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 パッケージング容器例えばブロー成形プラスチックボトルの製造において、或る場合には円形材料ブランクがスリーブ状のケーシング部分の一端に固定溶接される。数ある中でエネルギーの観点から、溶接は超音波を使用して行われるのが有利であるが、その場合に円形材料ブランクがその中央領域に変形または破壊を生じる程に超音波エネルギーを吸収することが立証された。このような欠点を生じないで円形材料ブランク１３を固定溶接するために超音波を使用する方法が本発明により提供され、この方法では超音波によって発生される振動は円形材料ブランク１３の中央領域の機械的な安定化によって減少され、この機械的安定化は真空圧および円形材料ブランクの中央領域に形成された解放パターン１８によって有効化される。円形材料ブランク１３を所定位置に固定溶接するために超音波を使用する装置は、円形材料ブランクを固定的に保持するための真空室の一部を形成する作用面を備えた対向当接部１２、および溶接サイクル時に円形材料ブランクの中心領域を支持する支持手段として具現される。

Description

【発明の詳細な説明】 円形材料のブランクを固定溶接するために超音波を使用する方法および装置 技術分野 本発明は、円形材料のブランクを、そのブランクが固定されて溶接される物体 と共に環状超音波ホーンと対向当接部との間にクランプして、固定溶接する超音 波法に関する。本発明はまた環状溶接面を有する超音波ホーンと対向当接部とを 含んで成る円形材料ブランクを物体に固定溶接する装置にも関する。 背景技術 ジュース、スポーツドリンクなどの消費者飲料または同様の非炭酸すなわち「 フラット」飲料は、例えばポリエステル製（ＰＥＴ）プラスチックボトルにパッ クできる。この形式のボトルは通常は射出モールド成形されたブランクすなわち 予成形体から製造されており、これらのブランクは中央供給元で製造された後ボ トルのブロー成形機へ供給される。ボトルブロー成形機においては、予成形体は 加熱されて長手方向に機械的に引き伸ばされた後、圧力差を与えられて二分割モ ールド型の内面に当接するように膨張される。 予め製造された中空予成形体が加熱されて密閉型すなわち包囲型の内部で膨張 されることによって所望の容器形状を与えられる同様形式のブロー成形のプラス チック製ボトルも製造されている。しかしながら開始材料として射出モールド成 形された予成形体を使用するかわりに、予成形体はウェブ状熱可塑材、例えばポ リエステル（ＰＥＴ）または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）から製造されてお り、この例では一つのウェブが円筒体に形成され、他のウェブが底部を製造する のに使用され、底部は円筒体に固定溶接されて予成形体すなわちパリソンが形成 される。ウェブ状材料からこの予成形体を製造することにより、材料消費を最少 限にすると同時に、簡単な方法で例えばガス遮蔽材料層を含む積層材料の使用を 可能にしている。 したがって２つの材料ウェブから形成された部品、すなわち管状ケーシング部 分および実質的に円形の底部プレートは、熱および圧力によって液密溶接結合と なるように互いに連結されることができる。この例では、例えば高温空気ノズル を使用して両部品の縁部をそのプラスチック材料の軟化または溶融温度まで加熱 した後、その材料が溶融して安定化するまで互いに押圧状態に保持することが従 来から工夫されている。この場合、或る熱量が供給されるが、この熱量は作業環 境およびエネルギー消費などのさまざまな理由で最少限に縮小しなければならな い。両部品の縁部の加熱が過剰であると、隣接部分が永久的に熱変形する危険性 を伴うと同時に、冷却作業が長くなり、このことは製品の生産速度を遅くする。 それ故に２部品を加熱して互いにシールする他の方法、すなわちスリーブ内に配 置された実質的にマンドレル状の対向当接部と協働して底部およびケーシング部 分の両方の縁部を互いに押圧すると同時にエネルギーを供給される実質的に環状 の作用面を有する超音波ホーンを使用する方法が試験されてきた。理論的にはこ の溶接方法は迅速でエネルギー消費の減少が可能となるが、実際の試行および実 験では超音波エネルギーが底部プレートの中央領域に導かれて集中し、この結果 として超音波溶接作業では底部プレートが容易に変形して破壊されるということ が示された。円形底部プレートでは、典型的にその底部プレートの中央にそれを 貫通する数ミリメートル径の穴が溶接作業で発生する。試行によればこの問題は 一般的に底部プレートすなわち円形ブランクを超音波溶接することで発生するこ とが立証され、またこれまではこの欠点を完全に回避するために従来技術の方法 を全体として使用することが可能であるとは立証されていなかった。超音波エネ ルギーの僅かとは言えない量が底部プレートの中央領域に導かれることから、実 際の溶接部分すなわち円形底部の加熱は相応に減少されることになり、この結果 として不完全すなわち弱い溶接結合が得られることになる。したがってこの分野 においては円形ブランクの中央領域に損傷を生じることなく円形材料ブランクの 環状面積部分の超音波溶接を可能にする方法を実現することが一般に要望される 。 発明の目的−方法 それ故に本発明の一つの目的は、円形材料ブランクを他の物体例えばパッケー ジング容器を形成するためにスリーブ状ケーシングに超音波固定溶接するが、そ の円形ブランクの中央領域に悪影響を与えない、すなわち例えば穴を形成するな どの損傷を生じない方法を実現することである。 本発明の他の目的は、実質的に通常の周知の超音波溶接機材を使用して、迅速 で簡単な溶接サイクルを可能にする円形材料ブランクの超音波溶接法を実現する ことである。 本発明のさらに他の目的は、エネルギーに関して経済的であり、パッケージン グ容器ブランクの迅速な生産に好適で、上述で概要を説明した欠点の影響を受け ない円形材料ブランクの超音波溶接法を実現することである。 解決法 上述の、また他の目的は、円形材料ブランクをそれが固定溶接されるべき物体 と共に環状超音波ホーンおよび対向当接部の間にクランプして固定溶接するため に超音波を使用する方法が、その超音波によって発生する円形材料ブランクの中 央領域の振動がその円形材料ブランクにおける機械的作用によって制限されると いうことを特徴とする本発明によって達成された。 本発明によるこの方法の好ましい実施例は、請求の範囲の従属する請求項２〜 請求項６に記載されたことをさらに特徴とする。 この分野では、本発明によるこの方法を実行する装置、例えば上述した欠点を 解消するように、すなわち他の物体例えばパッケージング容器ブランクの管状ケ ーシングに対して環状溶接されて一体化される円形材料ブランクの中央領域に損 傷が生じるのを防止するように設計された装置、を実現することも必要である。 発明の目的−装置 したがって本発明の他の目的は、円形材料ブランクを環状に固定溶接するため に超音波を使用する装置を実現することであり、この装置は円形材料ブランクの 中央領域が超音波溶接作業で損傷を生じるのを防止する手段を含む。 本発明のさらに他の目的は、本発明の方法を実施する装置であって、パッケー ジング容器ブランクの管状ケーシング部分と、底部プレートとして作用する円形 材料ブランクとを信頼できる状態で迅速に互いにシール可能にする装置を実現す ることである。 本発明のさらに他の目的は、本発明による方法を実施する装置であって、構造 が簡単で信頼性があり、パッケージング容器ブランクの高速製造に使用するのに 好適な装置を実現することである。 解決法 これらの、また他の目的は、他の物体に円形材料ブランクを固定溶接するため に超音波を使用する装置、すなわち環状溶接面を有する超音波ホーンおよび対向 当接部を含む装置が、その円形材料ブランクを固定保持する作動面を有していて 、この作動面が溶接サイクル時に円形材料ブランクの中央領域を支持する手段を 具現するということを特徴とする本発明によって達成される。 本発明による装置の好ましい実施例は、請求の範囲の従属する請求項８〜請求 項１０に記載されたことをさらに特徴とする。 添付図面の簡単な説明 本発明による方法および装置の一つの好ましい実施例が、添付された概略図面 を特に参照して以下に非常に詳細に説明される。これらの図面は本発明を理解す るために不可欠な部品および細部のみを示している。添付図面において、 図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは一端に本発明による方法を使用して円 形材料ブランクが備えられるスリーブ状ケーシング部分の製造を段階的に示して おり、 図２Ａは円形材料ブランクの製造を示しており、図２Ｂおよび図２Ｃは完成し た円形材料ブランクをそれぞれ横断面図および頂平面図で示しており、 図３Ａおよび図３Ｂは本発明による装置を使用して円形材料ブランクをケーシ ング部分の所定位置に取付けて溶接する状態を示している。 図４はパッケージング容器の完成された予成形体すなわちパリソンを示してい る。 好ましい実施例の説明 本発明による方法および装置は熱可塑材の円形材料ブランクを所望の形式の物 体に固定溶接するべく超音波を使用するために利用できるが、本発明を説明する ためにこの方法および装置は以下に例えば周知のボトルブロー成形技術によって 後にプラスチックボトルに再形成される管状すなわちスリーブ状のパッケージン グ容器、パリソンすなわち予成形体の製造に使用されるものとして説明される。 この例において、パッケージング容器すなわち予成形体１は熱可塑材例えばポリ エステル（ＰＥＴ）または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）から製造され、また はその代替として多層材料から製造される。この材料は、積層すなわち互いに結 合された１以上の可塑性の材料で構成された材料ウェブ２，１４であるのが好ま しい。ウェブ状材料は管状スリーブ３の製造のためにロール巻の状態でそれ自体 は周知の機械へ供給され、管状スリーブ３は材料ウェブ２を回旋状に巻いて製造 されるのであり、材料ウェブに対する管状スリーブ３の配向は、管状スリーブ３ の中心軸線４が材料ウェブ２の繰出し方向すなわち配向方向を横断する方向に延 在される。この材料の配向により、製造される管状スリーブ３は後述するように 管状スリーブ３の一端の形成に使用される小さな直径となるように加熱によって 互いに収縮されることができる。さらに正確には、材料ウェブ２は一定した等間 隔位置（材料ウェブに対して横方向の破線６で示される）で分割されて個々のブ ランク２’を形成され、このブランク２’はそれ自体周知の方法で加熱および機 械的処理により実質的に円筒形状に巻かれて縁部を重ね合わされ、この重なり部 分が加熱および機械的処理により互いに溶着されてケーシングの溶接結合部７を 形成され、この溶接結合部７はしたがって完成した予成形体において垂直方向に 延在される。このスリーブの製造技術はそれ自体この分野で周知であり、例えば スウェーデン国特許第ＳＥ７５１００９２５号に記載されており、さらなる詳細 に関してはその特許が参照される。 図１Ｄは前述したように形成されて溶接結合部７を備えたケーシングすなわち スリーブ３が形成具８上に配置された状態を示しており、この形成具８はマンド レル状の部材で、スリーブ３の内径よりも僅かに小さい直径を有している（滑り 嵌合）。形成具８は丸められた下端をさらに有しており、その外方にスリーブ３ が多少突出できるようにされている。この突出したスリーブの下側部分は、例え ばノズル９からの高温空気によって材料が軟化すなわち可塑化する温度であって 、繰出し方向に起因した結果として突出スリーブ部分の収縮により内方へ向かう 係止部分すなわちフランジ１０が形成されるように材料の固有の収縮性が活性化 される温度まで加熱されるのであり、このフランジ１０は垂直方向に可動なプレ ス具１１によって形成具８の実質的に平坦な下端に押圧されて、これによりスリ ーブ３の垂直壁部分に対して直角な良好に適合された形状を得る。スリーブの下 端が冷却されたならば、スリーブ３は形成具８から取外されて対向当接部１２へ 送 られ、その対向当接部１２にて予成形体１の底部の取付けおよび固定が行われる 。 底部プレートすなわち円形材料ブランク１３は材料ウェブ２と同じ種類のウェ ブ状材料１４から製造される（スリーブ３の製造と同時であるのが好ましい）。 材料ウェブ１４は、往復ポンチ１６および環状型１７を含んで成る通常の打抜き 具１５を通して段階的に送られる。打抜き具１５の作動により、円形材料ブラン ク１３はそれ自体周知の方法で材料ウェブ１４から打抜かれる。円形材料ブラン クはその後さらに成形処理のために搬送される。材料の選定によっては、これは 熱形成（thermo forming）温度に好適となすために円形材料ブランクにおける材 料の加熱を必要とするのであるが、例えばポリエステルは室温での機械的処理に よって形成される。成形された加工面を有する２つの協働するプレス具（図示せ ず）を使用して、各個の円形材料ブランク１３は、例えば図２Ｃに示されるよう な先端がスリーブ３の周縁から間隔を隔てて位置された４点星形の解放パターン １８を有する中央領域に備えられる。他の解放パターンも選定できるが、重要な 特徴はそのパターンが円形材料ブランク１３の中央から周縁へ向かって延在する 複数の半径方向要素を有するということである。図示した星形形状はその円形材 料ブランクに４つの半径方向の堅固な隆起１９を開示しており、これらの隆起１ ９は本発明によれば円形材料ブランクをスリーブ３に超音波溶接することに関連 して円形材料ブランクに損傷を与える傾向のある振動を防止するうえで極めて有 効であることが立証されている。 このようにして完成された円形材料ブランク１３はその後に既に説明したマン ドレル状の対向当接部１２の下端に配置される。対向当接部１２は中央真空ダク ト２０を含み、この中央真空ダクト２０の一端は真空源２１に連結されると共に 、その他端は対向当接部１２の下端に開口している。さらに正確には、対向当接 部１２の下端には中央座ぐり面２２と、それを取囲んで座ぐり面領域２２を画成 している周縁２３とが見られる。座ぐり面領域２２はさらに中央に芯出しされた 環状の、例えばＯ−リングとされた柔軟シール２８を担持しており、円形材料ブ ランク１３が対向当接部１２の下端に取付けられたならば、このシール２８が室 空間を画成するのであって、その中央領域に真空ダクトが開口２４を有している 。真空源２１が作動すると、対向当接部１２の下端に当接されている円形材料ブ ラ ンク１３は、シール２８と、座ぐり面２２と、円形材料ブランク１３とで適当に 形成された真空室に蓄積される真空圧によって保持されることになる。この真空 圧はシール２８で画成された面積部分の中に実質的に位置する円形材料ブランク １３の解放パターン１８によって、その円形材料ブランクの中央領域全体に伝播 されて分配され、また座ぐり面２２に当接されることで過剰に強力な真空圧が発 生された場合でも開口２４に対して密閉状態に円形材料ブランク１３が吸着され るのを防止する。機械的に当接され、真空圧で強化される結果として、円形材料 ブランク１３は安定化されると共に中央真空ダクト２０の開口２４に向かって「 クランプ」され、このことが円形材料ブランク１３を柔軟性に欠けた状態にして 、円形材料ブランク１３の中央領域に生じる振動を防止する。 円形材料ブランク１３がこのようにして対向当接部１２の下端に取付けられた ならば、前述のように製造されたスリーブ３は、そのスリーブの内側へ向かって 折曲げられたフランジすなわち係止部分１０が円形材料ブランク１３の縁部領域 、すなわち解放パターンの形成されていない円形材料ブランク１３の領域を取囲 むように対向当接部１２上に装嵌される。円形材料ブランクすなわち底部プレー ト１３はこのようにしてフランジ１０の内面に当接されて、底部プレートの周縁 領域が係止部分すなわちフランジに重ね合わされるのであり、また環状作用面２ ５を有する超音波ホーン２６を底部プレート１３およびスリーブ３の重ね合わさ れた部分に接触させることで、係止部分すなわちフランジ１０の片面に対する底 部プレート１３の熱シールがその重なり合った部分の圧縮と同時に行われる。本 発明の方法および装置により達成される底部プレート１３の上述した安定化によ り、底部プレート１３の中央領域に対する超音波振動の伝達はかなり減少され、 この結果としてエネルギーは最小限の損失で溶接箇所に集中することができる。 このように実現された実質的に円形底部の溶接結合部２７はケーシングの溶接結 合部７と同様に圧縮されて全体的に液密となり、これはパッケージング容器すな わち予成形体１の機能を保証するための基本的な当初の要求条件である。真空圧 によって円形材料ブランクを対向当接部１２の下端に機械的に固定するために使 用される中央解放パターンを底部プレート１３に形成するという既に説明した対 策の結果として、超音波溶接作業時に底部プレート１３の中央領域において材料 に対 して悪影響する振動の生じる危険性は防止され、また実際にこの解決策は底部プ レート１３の中央領域にこれまで発生していた変形や穴開きを完全に排除するこ とが立証された。 したがって上述した方法で製造された予成形体１（図４）は、垂直に延在する ケーシングの溶接結合部７を有する実質的に円筒形のケーシング部分と、実質的 に円形の底部プレートの溶接結合部２７を介してケーシング部分に連結される底 部プレート１３を含む底部部分とを含んで成る。この容器の製造はこれにより完 全に可能となされるが、このように製造された容器をそれ自体周知の方法でブロ ー成形プラスチックボトルの製造のための予成形体すなわちパリソンとして使用 することも考えられる。 円形材料ブランク１３の解放パターンに代えて（または補完するものとして） 円形材料ブランクの上述した実施例の一つの代替例として、同様な作用パターン が対向当接部の端面に備えられる実施例も考えられる。しかしながら真空圧を伝 播させるために、また円形材料ブランクが安定化されることを保証するために、 星形溝、ダクトまたは空気が浸透できる面（焼結面）は実際の試行において限ら れた結果を与えており、最適安定化および減衰性は請求の範囲の１以上の請求項 に記載されたように対策と実際構造および手段との組合わせをもってのみ達成で きることを示すように考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 円形材料のブランク（１３）を、そのブランクが固走されて溶接される物 体と共に環状超音波ホーン（２６）と対向当接部（１２）との間にクランプして 、固定溶接するために超音波を使用する方法であって、超音波により円形材料ブ ランク（１３）の中央領域に生じる振動が円形材料ブランクに対する機械的作用 によって制限されることを特徴とする方法。 2. 請求項１に記載された方法であって、円形材料ブランク（１３）が真空圧 で対向当接部（１２）の作用面に固定されることを特徴とする方法。 3. 請求項２に記載された方法であって、溶接サイクル時に円形材料ブランク （１３）の自由面の中央領域内に作用するように真空圧が発生されることを特徴 とする方法。 4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された方法であって、溶 接サイクルの前に円形材料ブランク（１３）の中央領域に解放パターン（１８） を形成されることを特徴とする方法。 5. 請求項４に記載された方法であって、円形材料ブランク（１３）が熱形成 によってパターンを与えられ、このパターンが半径方向の要素部分を有すること を特徴とする方法。 6. 請求項４または請求項５に記載された方法であって、円形材料ブランク（ １３）が溶接サイクルの前の別作業において実質的に半径方向に堅固な隆起また は襞（１９）のパターンを形成されることを特徴とする方法。 7. 円形材料ブランク（１３）を物体（３）に固定溶接するのに超音波を使用 する、環状溶接面（２５）および対向当接部（１２）を有する超音波ホーン（２ ６）を含んで成る装置であって、円形材料ブランク（１３）を固定保持するため の作用面を有し、前記作用面は溶接サイクル時に円形材料ブランクの中央領域を 支持する手段をなしていることを特徴とする装置。 8. 請求項７に記載された装置であって、作用面が円形材料ブランク（１３） の片側に画成された真空室空間を含むことを特徴とする装置。 9. 請求項８に記載された装置であって、円形材料ブランク（１３）に当接さ れ、作用面に開口する真空ダクト（２０）を取囲む環状シール（２８）によって 真空室空間が画成されたことを特徴とする装置。 １０．請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載された装置であって、 作用面が対向当接部（１２）の一部を構成することを特徴とする装置。