JP2001322173A - 超音波溶着装置 - Google Patents

超音波溶着装置

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JP2001322173A JP2000142599A JP2000142599A JP2001322173A JP 2001322173 A JP2001322173 A JP 2001322173A JP 2000142599 A JP2000142599 A JP 2000142599A JP 2000142599 A JP2000142599 A JP 2000142599A JP 2001322173 A JP2001322173 A JP 2001322173A
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horn
seal bar
ultrasonic welding
top surface
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Yasuo Noguchi
康夫 野口
Arihiro Kaneda
有弘 金田
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジニアリングプラスチックス製フィル
ム、シート類の溶着シールに関し、信頼性高く、短時間
に行える超音波方式の新規なシール方式を提供する。 【解決手段】 エンジニアリングプラスチックス等に適
した形状の超音波シールバー、超音波ホーンに加熱手
段、シール用アンビルに加熱手段と断熱手段を設け、更
に超音波シールバー表面及びアンビル天面を梨子地状に
した超音波溶着装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラスチックスフ
ィルム、シート特に融点の高いエンジニアリングプラス
チックスフィルム類の超音波方式による溶着装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】プラスチックスフィルム、シート類は、
その用途上、袋状或いは容器形状等の形態とするため
に、溶着或いは接着等のプロセスが必要である。接着
は、接着剤を使用するがために、操作が煩雑となるだけ
ではなく、硬化に時間を要するという二点から、実用上
は、もっぱら熱による溶着方式が使用されている。この
熱によるフィルム、シート類の溶着方式は、一般的には
ヒートシールと呼ばれ、電熱ヒーターにて加温された熱
板或いはシールバーにて二枚のフィルム、シート類を融
点以上に加温且つ圧力を加えて互いに融着する方式であ
り、原理が簡単で装置化も容易且つ安価であるが故に、
昔から多用されている溶着方式である。
【０００３】しかしながら、昨今のプラスチックス合成
技術、フィルム、シート化への加工技術の進歩により、
より高い軟化温度即ち高融点化された耐熱性の高い熱可
塑性樹脂が開発され、所謂エンジニアリングプラスチッ
クスの領域が著しく広がってきている。このようなエン
ジニアリングプラスチックスとしては、ポリスルホン、
ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、
ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテ
ルケトン等いずれも融点を表す一つの指標としてガラス
転移点をとるなら、２７０〜３５０℃さらには４００℃
近く迄になるプラスチックスも現れてきており、ますま
すそれらの用途特に工業分野での用途が広がってきてい
る。
【０００４】これらの高融点領域のフィルム、シートを
ヒートシール方式で溶着するには、熱板シールの場合だ
と、熱板温度を３００℃以上に上げ、シール時間も１０
秒以上からシート、フィルムの材質、厚みによっては、
数十秒迄掛けてなんとかくっつく状態にはなる。また、
インパルスシール方式を用いることにより、比較的低融
点領域であるポリフェニレンサルファイド、ポリエーテ
ルスルホンは熱板に比し比較的短時間で溶着可能である
が、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、
ポリエーテルエーテルケトン等高融点側のフィルム、シ
ートでは、熱板温度を上げ、シール時間を長くしても溶
着状態はシール部及びその周辺が熱収縮を起こし、しわ
しわ状態を呈し、シール温度、シール時間を各種検討し
ても良好な状態とはならず、特にポリエーテルエーテル
ケトンでは殆ど不可能な状態に近い。
【０００５】一方、この様な高い温度で長時間のシール
時間を掛ける事は、内容物に当然熱的影響を及ぼし、内
容物が水分等揮発分を有するものの場合には、品質劣化
を起こすと共に、発生蒸気の影響でシール性を更に悪化
させ、内容物の保存性を向上させる目的である包装の目
的を達する事ができなくなる。また、内容物が電子部
品、例えば、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体製品の場合には、
この熱によりその機能を破損させてしまう。この様に、
高融点耐熱性を特長としたエンジニアリングプラスチッ
クスのフィルム、シート類のパッケージング分野への応
用は、折角フィルム、シート類の材質面からの高機能
化、高品質化が図れても、包装分野への適用は、パッケ
ージング手法即ちシール方式が従来の熱板或いはインパ
ルスシール方式等熱による溶着である限り、その実用化
が難しいという根本的な問題点を有するのが現状であ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の熱
板、インパルスシーラー等の熱によるシール方式が高融
点を有するエンジニアリングプラスチックスの場合に
は、高温下で多大の熱量と時間を要し、しかも目的とす
る溶着外観を得ることが困難であると共に、この熱によ
り内容物の変質、劣化、更には破損を来してしまうとい
う問題点を有していたものを解決せんとなされたもので
あり、その目的とするところは、パッケージの内容物に
熱的な影響を与える事無く、確実且つ信頼性が高くしか
も短時間に溶着できるフィルム、シート類用の新規な超
音波溶着装置を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、熱可塑性樹脂
からなるフィルム、シート類を超音波振動によって溶着
する装置において、溶着用ホーンの超音波シールバーの
天面がフラットな山形形状をなし、山の高さが被溶着フ
ィルム、シートの合計厚み以上であって、山の天面コー
ナー部が曲線形状をなしたホーン形状であることを特徴
とする超音波溶着装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下本発明の構成について説明す
る。図１は本発明を実施する上での超音波発振装置の全
体構成図であり、図１（Ａ）に超音波アクチェーター１
４及び超音波発振器を、図１（Ｂ）に超音波アクチェー
ターの振動分布を示す。超音波発振装置は、超音波振動
子１，ブースター２，ホーン３から構成される超音波ア
クチェーター及び超音波発振器４から大きくはなる。超
音波振動子１は、電歪型振動子或いは磁歪型振動子のど
ちらでも本目的には使用可能であるが、電気的エネルギ
ーの機械的エネルギーへの変換効率に優れた電歪型振動
子が最近は多用されており、図１に示す超音波振動子は
電歪型振動子の場合を示す。
【０００９】超音波振動子１は、裏打ち板５、複数枚の
振動素子６、複数枚の電極板７及び前面板８からなり、
振動素子６、電極板７は共に例えば五円玉の如き中空形
状であり、図示していないがこの中空部にイモボルト等
の締結手段を貫通させ、裏打ち板５及び前面板８の軸セ
ンター部に設けた雌ネジにより、互いに締め付けた所謂
ボルト締めランジェビン型振動子構造をとる。振動素子
６は前述のとおり中空の円板形状をとり、チタン酸バリ
ウム、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックス製の圧電
材料からなるが、高出力用途にはチタン酸ジルコン酸鉛
が望ましく、偶数枚重ね合わせて使用しその重ね合わせ
の方向は、振動素子の圧電性の極性が互い違いになる方
向とする。
【００１０】電極板７は、振動素子６の両面に超音波発
振器４からの高周波電力を供給するための極板であり振
動素子６の直径と同等ないしはやや大きめとし、その材
質はセラミックスである振動素子６の中空の円板面にな
じみやすく、超音波周波数下の高速振動に耐えられ且つ
導電性に優れたベリリウム銅の中空薄円板が通常は使用
される。裏打ち板５は、鋼、ステンレス鋼或いはチタン
合金等からなるが、超音波周波数下の高速振動に耐えら
れる材質として強靱鋼或いはチタン合金が望ましく、そ
の形状は、振動素子６の直径と同等以上の直径を有する
円柱ブロックでその軸センターに前述の締結用センター
ボルトと同じネジサイズの雌ネジを設けたものである。
【００１１】前面板８は、裏打ち板５と材質的には同種
の物でよく通常は後述する振動振幅を上げるためにブー
スター２に接続される側の直径を振動素子６側に接する
直径よりも小さめとし、裏打ち板５と同目的にて軸セン
ター部に雌ネジを設け、複数枚の振動素子６及び複数枚
の電極板７を挟み込む形で裏打ち板５、図示していない
がセンターボルト及びこの前面板８にて適正トルクで締
め付けることによりボルト締めランジェビン型振動子と
して完成する。
【００１２】次にブースターについて説明する。ブース
ター２は超音波振動子１と加工具であるホーン３との間
に挿入締結して使用するものであり、その目的とする機
能は超音波振動子１の前面板８の先端部の振動振幅を拡
大してホーン３に伝搬させる役割を有するものであり、
拡大させないで逆に縮小させる場合にはデブースターを
用いる。ブースター２の形状は、軸に直交する断面が円
板状で、振動子側大径部９の直径に対してホーン側小径
部１０の直径が小さいという異径の丸棒状であり、振動
子側大径部９と超音波振動子１の前面板８との接続は振
動子側イモネジ１２等の適宜のネジ締結手段にて接続
し、ホーン側小径部１０とホーン３との締結はホーン側
イモネジ１３等の適宜のネジ締結手段にて接続する。
【００１３】取付フランジ１１は、ブースター２の軸方
向のほぼセンター近傍に位置させ図示していないが内部
にＯリング等の振動吸収リングを介してブースター本体
の振動との分離を図り、超音波振動子１、ブースター２
及びホーン３からなる超音波アクチェーター１４を支
え、エアーシリンダー等の上下駆動手段に締結させる役
割をなすものである。ブースター２の材質は、超音波周
波数下の高速振動に耐え得る抗張力、靱性を有する金属
が適しており、この様な金属としては超々ジュラルミ
ン、チタン合金等が望ましい。取付フランジ１１の材質
は、超音波アクチェーターが作業するに耐え得る強度で
あればよく、鋼、アルミニウム或いはジュラルミン等が
適している。尚、超音波振動子１の節部（ｂ）にブース
ター２の取付フランジ１１等と同様の固定手段をとり得
る場合で、振動振幅の拡大或いは縮小の必要のない場合
は、ブースター２を使用しないで超音波振動子１に直接
ホーン３を接続することも可能である。
【００１４】次にホーン３について説明する。図１
（Ａ）に示すホーン３は、本発明の構成要件の一つであ
るホーン形状をなしているがその具体的な形状等は後述
するが、その役割は作業端として目的用途に応じた形状
を取り得る。ホーン３のブースター側接続端面１５は、
ブースター２のホーン側小径部１０の先端部の振動振幅
をホーン３に伝搬させる接続部であり、ホーン３とブー
スター２のホーン側小径部１０との締結は、ホーン側イ
モネジ１３等の適宜のネジ接続手段を用いる。ホーン作
業端１６は、超音波アクチェーター１４で発生させた超
音波周波数下の機械的振動により被加工物に対して加工
等の作業をする工具の役割をする部分であり、ここの部
分の振動振幅を超音波アクチェーターの中では最大値と
なるよう通常は設計する。ホーン３の材質は、この部分
が超音波周波数下の高速振動をすると共に被加工物から
の様々な応力をも受けるので、強靱性に富み、高い抗張
力を有すると共に加工物に対して化学的な影響を与えに
くい材質を種々選択して決定するが、この様な材質とし
ては、ジュラルミン或いはチタン合金系が望ましい。超
音波発振器４は、超音波アクチェーター１４の超音波振
動子１に超音波アクチェーター１４の固有の共振周波数
に相当する高周波電力を発生させ、高周波ケーブル１７
を介して超音波振動子１の電極板７に供給する高周波発
生器である。
【００１５】次に図１（Ｂ）及び図１（Ａ）を用いて超
音波アクチェーター１４の振動モードについて説明す
る。図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示す超音波アクチェータ
ー１４の軸方向即ち縦振動モードの振動分布を示す一例
である。超音波振動子１の持つ固有の共振周波数は、複
数枚の振動素子６の圧電定数及び素子の枚数、裏打ち板
５，前面板８及び複数枚の電極板７のそれぞれの長さを
合計した全体の長さ及びそれぞれの音速の合計値とから
一義的に決まってくるので、目標とする共振周波数を得
るための振動素子６の電気機械的設計と裏打ち板５及び
前面板８の材質及び寸法設計を最適化し目標の共振周波
数で駆動する超音波振動子１を得る。この共振周波数を
ｆ、超音波振動子１の合成された音速をＣ、波長をλと
すると、Ｃ＝λ・ｆの関係が成立し、超音波振動子１の
全長を１／２・λ相当長さに設計する。この設計によれ
ば、超音波振動子１の裏打ち板５の図面上の上端面部は
振動の腹の位置即ち（ａ）の位置となり、超音波振動子
１の前面板８の下端面部も振動の腹の位置即ち（ｃ）の
位置となり、（ａ）と（ｃ）のほぼ中間位置となる
（ｂ）の位置即ち複数枚の振動素子６の最下端部近傍が
振動の節の位置となる。
【００１６】ブースター２の固有の共振周波数は、超音
波振動子１の共振周波数に一致させるのが望ましく、ブ
ースター２の材質の音速Ｃ、目標共振周波数ｆとする
と、Ｃ＝λ・ｆの関係式から導き出される波長λの１／
２となる相当長さにブースター２の全長を決定する。こ
の設計にて製作したブースター２の振動モードは図１
（Ｂ）に示すとおり、ブースター２の図面上の上端面部
の位置即ち（ｃ）の位置が振動の腹の位置となり、また
ブースター２の下端面即ち（ｅ）の位置が１／２・λの
もう一方の腹の位置であり、ブースター２の軸方向長さ
のほぼ中間位置となる（ｄ）の位置が振動の節の位置と
なる。従って超音波アクチェーター１４を支える取付フ
ランジ１１の取付位置を丁度この節となる（ｄ）の位置
近傍とすれば、ブースター２の縦振動が取付フランジ１
１に伝搬する量を最低限に押さえることができる。
【００１７】ホーン３もブースター２と同様の設計手順
にて全長が１／２・λ相当長さに設計製作すれば、ホー
ン３の図面上の上端面即ち（ｅ）の位置及びホーン作業
端１６となる下端面即ち（ｇ）の位置がそれぞれ振動の
腹の位置となり、ホーン３の軸長さ方向のほぼ中間位置
即ち（ｆ）の位置が振動の節の位置となる。超音波振動
子１、ブースター２及びホーン３の全てを１／２・λと
したので、超音波アクチェーター１４の全長は１／２・
λの整数倍長さとなり全体として目標共振周波数下で振
動が可能となる。
【００１８】（ａ）の位置から（ｇ）の位置に至るそれ
ぞれの振動振幅値は、超音波振動子１の発生できる振動
振幅の（ｃ）の値を基準にして、ブースター２の振動子
側大径部９の質量とホーン側小径部１０の質量の比にほ
ぼ比例して拡大され、更にホーン３の節の位置である
（ｆ）から上部側の質量と下部側の質量の比にほぼ比例
して拡大され、ホーン３のホーン作業端１６の振幅は、
図１（Ｂ）に図示する振動分布の横軸方向のピークから
ピークの高さとなる。基準となる（ｃ）の位置に於ける
振動振幅値は、超音波発振器４から供給される電力の大
きさにほぼ比例した値となる。本発明に使用する超音波
の周波数、ホーンの振幅は特に限定はされないが、超音
波の発振周波数は５ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ好ましくは１
０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚ、ホーン先端の振幅は１μｍ〜１
００μｍ、好ましくは２０μｍ〜７０μｍが本目的用途
には適している。
【００１９】次に、本発明によるエンジニアリングプラ
スチックスフィルム溶着用ホーンの一実施例を図２に従
って説明する。図２（Ｃ）はホーン１８の正面図であ
り、図１にて詳述した超音波アクチェーター１４のホー
ン３の一つとして直線シール用に使用するホーン形状の
一例であり、雌ネジ１９によりイモネジ等のボルトによ
ってブースター２に締結される。ホーン１８の軸方向長
さは、図１（Ｂ）に示す１／２・λ相当長さに設計して
おり、超音波アクチェーター１４全体として正規の超音
波振動を発生させるものである。ホーン大径部２０とホ
ーン小径部２１の質量の比に比例して振幅は拡大され
る。
【００２０】ホーン小径部２１の先端に超音波シールバ
ー２２を設ける。この超音波シールバー２２の形状及び
その役割について図２（Ｄ）、図２（Ｅ）に従って詳述
する。図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）に示すホーン１８の底
面図であり、超音波シールバー２２は直線形とし、直線
シール用に適している。 図２（Ｅ）は図２（Ｃ）の超
音波シールバー２２部の拡大図であり、底面図である図
２（Ｄ）のＸ―Ｘ断面矢視拡大図である。超音波シール
バー２２のシールバー天面２３のフラットな形状部であ
るその幅は、使用するシート、フィルムの材質、厚みに
よっても変わるが、０．３〜２ｍｍであり、０．５〜１
ｍｍがシール強度上からさらに好ましい。
【００２１】超音波シールバー２２の山の高さｈ１は、
被溶着シート或いはフィルム２枚分即ち合計厚み以上は
なければ、超音波周波数下で高速振動しているシールバ
ーベース２４に接触し、羽ばたき状の振動が被溶着シー
ト、フィルムに生じ、この振動が高速なるが故に切断し
てしまうという不具合が発生するし、逆に超音波シール
バー２２の山の高さｈ１が大きすぎると被溶着シート、
フィルムの上端面とシールバーベース２４との間に大き
な隙間ができ、この隙間に存在する空気にシールバーベ
ース２４から発生させた超音波の縦波振動即ち圧縮、膨
張が超音波周波数と同じ高速回数発生することに起因す
る所謂超音波風が起こり、被溶着シート或いはフィルム
自体がこの超音波風に煽られて、位置ズレを起こしてし
まうという不具合が生じる。
【００２２】そこで、これらの不具合点を解決すべく種
々検討の結果、超音波シールバー２２の山の高さｈ１
は、被溶着シート、フィルム類の合計厚み以上必要であ
るが望ましくは１．５倍以上１５倍以下、更に望ましく
は、２倍以上８倍以下であることを見出した。また山の
角度θ１は、−２０度未満だとアンダーカット形状であ
るシールバー天面２３に食い込んでしまい、超音波溶着
後、超音波振動を停止しても、ホーン１８から離れない
という不具合を生じ、逆に山の角度θ１が１５０度より
大きすぎると、シールバー傾斜部２７にて、前述のシー
ルバーベース２４で起きた羽ばたき状の振動及び超音波
風が発生し始めるという不具合点が生じてくるので、山
の角度θ１は、−２０度〜１５０度、好ましくは０度〜
１２０度である。
【００２３】また、シールバー天面２３の両コーナーで
ある天面コーナー部２５は、シャープなエッジ形状だと
被溶着シート、フィルム類に傷を付け、そこから所謂エ
ッジ切れを起こすので、アール形状ないしはなだらかな
曲線形状が望ましく、アール形状の場合は、少なくとも
Ｒ（アール）０．１ｍｍ以上、望ましくは０．１５ｍｍ
以上であるが、このＲが大きすぎるとシール面幅が小さ
くなってくるので、Ｒ１．５ｍｍ以下、望ましくは０．
５ｍｍ以下である。
【００２４】一方、シールバーベース２４側の両コーナ
ー部となるベースコーナー部２６も直角等のシャープエ
ッジ構造だと、超音波の高速振動による繰り返し応力が
このベースコーナー部２６に集中しクラック等の発生を
生じ、更にこの高速振動振動を続けると破壊してしまう
という不具合を生じるので、アール形状ないしはなだら
かな曲線形状が望ましく、アール形状の場合は少なくと
もＲ０．１ｍｍ以上望ましくは０．２ｍｍ以上必要であ
り、逆にこのＲが大きすぎると前述の羽ばたき及び超音
波風を発生させる原因ともなるので、１ｍｍ以下、望ま
しくは０．７ｍｍ以下である。
【００２５】次に、本発明によるエンジニアリングプラ
スチックスフィルム或いはシートの溶着用ホーンに関
し、シールバー天面が複数本である一実施例及び三方シ
ール用ホーンの一実施例を、その断面が矩形形状である
ホーンに関して図３及び図４に従って説明する。図３
（Ｆ）はホーン２８の正面図、図３（Ｇ）は右側面図、
図３（Ｈ）は底面図、図４（Ｉ）は図３（Ｈ）の（ａ）
部の５倍拡大詳細図、図４（Ｊ）は図４（Ｉ）のＹ−Ｙ
断面の１．５倍拡大矢視図をそれぞれ示す。ホーン２８
は、図１にて詳述した超音波アクチェーター１４のホー
ン３の一つとして三方シール用に適したホーン形状の一
例であり、雌ネジ２９によりイモネジ等のボルトによっ
て図１のブースター２に締結される。ホーン２８の軸方
向長さは、図１（Ｂ）に示す１／２・λ相当長さに設計
しており、超音波アクチェーター１４全体として正規の
超音波振動を発生させるものである。ホーン大径部３０
とホーン小径部３１の質量の比に比例して振幅は拡大さ
れる。ホーン小径部３１の先端に超音波シールバー３２
を設ける。この超音波シールバー３２の形状及びその役
割について図４に従って以下詳述する。
【００２６】ホーン小径部３１の下端面に超音波シール
バー３２を図３（Ｈ）に図示するとおりコの字型形状に
設ける。このコの字型部３３は後述するが二線シール用
の実施例を示し、このコの字型部３３は、ホーン小径部
３１の底面全体に均等配置してもいいし、その一部に設
けてもよいが、図３（Ｈ）に一点鎖線で示す横幅のセン
ター線Ｚ−Ｚに対して対称に設ける事が重要である。な
んとなれば、コの字型部３３は、フィルム或いはシート
同志を溶着するに際し超音波振動振幅が一様でなければ
均一な溶着程度が望めず、特に薄いフィルムの場合は溶
着の不均一さから一部溶着していない箇所が発生する恐
れが出てくる。コの字型部３３の両コーナー部３４はＲ
（アール）形状を成す事が重要であり、図４（Ｉ）のＹ
―Ｙ断面矢視図である図４（Ｊ）及び図３（Ｈ）に従っ
て以下詳述する。
【００２７】図３（Ｈ）のコーナー部の５倍拡大図であ
る図４（Ｉ）において、図４（Ｊ）の内側稜線部３５及
び外側稜線部３６のコーナー部３４の形状は、この部分
が直角等の角張った形状を採った場合には、この角張っ
た形状によりこの部分に接触させ溶着させるべきフィル
ム或いはシートに超音波周波数下の高速振動によりエッ
ジ切れを発生させ、溶着すべきところが切断してしま
う。溶着すべきフィルム或いはシートの材質・強度特に
引っ張り強度にもよるが、前述のエンジニアリングプラ
スチックスの範疇の中であり且つ極力矩形状の三方シー
ルを達成するとするならば、このエッジ切れを起こさな
い最低限の内側のアールであるＲ１の大きさは、１ｍｍ
〜４ｍｍであり、さらに２ｍｍ〜３．５ｍｍが好まし
い。外側稜線部３６のＲ２の大きさは、後述する二線シ
ールの内側シール幅、外側シール幅及び内外のシール幅
の間に設ける谷部４１の寸法によって決まってくる。
【００２８】図４（Ｊ）に於いて、シールバー内側天面
３７及びシールバー外側天面３８の幅は図２（Ｅ）のシ
ールバー天面２３の幅と同じ、超音波シールバー３２の
山の高さｈ２は図２（Ｅ）の超音波シールバー２２の山
の高さｈ１と同じ，山の角度θ２は図２（Ｅ）の山の角
度θ１と同じ、内側稜線部３５及び外側稜線部３６のＲ
の大きさは図２（Ｅ）の天面コーナー部２５のＲの大き
さと同じ、またシールバーベース３９側及びシールバー
ベース４０側のコーナー部のＲの大きさは図２（Ｅ）の
シールバーベース２４側の両コーナー部のＲの大きさと
同じでよい。
【００２９】更に超音波シールバー３２には、シールバ
ー内側天面３７とシールバー外側天面３８の中間に谷部
４１を設け、この谷部４１の深さは、被溶着シート或い
はフィルム２枚分即ち合計厚み以上は最低限必要である
が、シールバー内側天面部３７及びシールバー外側天面
３８と後述するアンビル間で超音波周波数下の高速振動
でシート或いはフィルム２枚の層間及び内部で発生した
摩擦熱による発熱で、シールバー天面の幅で局部的に溶
けたシート或いはフィルムの一部は、超音波アクチェー
ター１４の押しつけ圧力がホーン２８を介してシート或
いはフィルムに加えられるので、シールバー内側天面３
７及びシールバー外側天面３８のそれぞれの両サイドに
移行してゆく。その結果谷部４１の容積が小さい場合に
は移行してきた樹脂を谷部が収容しきれないで逃げ場を
失い、異常な圧力発生が掛かりしかもこの状態で超音波
周波数下の高速振動を与えると異常な摩擦力が発生し、
樹脂が分解していくという不具合が生じる。
【００３０】そこでこの谷部４１の幅及び深さは、各種
エンジニアリングプラスチックスでの実験結果から、幅
はシート或いはフィルム２枚の合計厚みの３倍以上望ま
しくは４倍以上、深さは１．５倍以上望ましくは３倍以
上それぞれ持たせるのが適切である。しかしながら、こ
の幅があまりに大きすぎると２線シールの中間部である
谷部４１部での厚肉化効果によるシール補強効果が低減
するし、深さについても大きすぎると谷部４１に入り込
んだ溶融樹脂による肉盛りが大きくなりシール外観を悪
化させるだけではなく、谷部４１からの離形性が低下す
るという不具合も生じるので、幅はシート或いはフィル
ム２枚の合計厚さの２０倍以下望ましくは１５倍以下、
深さは７倍以下望ましくは５倍以下である。
【００３１】次に、本発明によるシール性向上策につい
て説明する。図５はホーンの内部に加熱手段を設けた事
を特徴とする本発明によるホーンの一実施例であり、図
３及び図４で詳述したホーン２８の振動の節部即ち振動
振幅がほぼゼロとなる近傍に加熱用ヒーターまたは加熱
媒体を通過させるための通路を設けたものである。即
ち、図１（Ｂ）に図示したホーン３の振動の節部である
（ｆ）の位置近傍即ち図５に示すホーン４２の正面図で
ある図５（Ｋ）の節部４３の図面中水平方向に貫通孔４
４を設ける。貫通孔４４の位置は軸方向振動分布のゼロ
となる節部４３と一致させる事により、振動の貫通孔４
４の内壁への伝搬が無視し得る故望ましく、その横方向
の位置は図５（Ｌ）に示す通り、ホーン肉厚方向のセン
ターに設ける事により対称配置となるので、軸方向振動
のバランスを崩すことがないので無理な応力集中もなく
ホーン４２のクラック発生を防止できる。貫通孔４４自
体の形状は孔壁への応力集中を排除する目的で楕円ない
し円がよく、特に真円が望ましく、その直径はホーン４
２の幅の１／３以下望ましくは１／５以下にすることに
より貫通孔４４からのクラックの発生を防止できる。
【００３２】この貫通孔４４内には、貫通孔４４に内接
する外径のシーズヒーター、カートリッジヒーター等の
電熱ヒーターを挿入し、図示していないが適切な温度調
節器で温度コントロールをすることによりホーン４２の
超音波シールバー３２を所望の温度に制御できる。また
ヒーターに代わる加熱手段として、貫通孔４４の両サイ
ドに雌ネジを切り、ニップルを立て、このニップルを介
して液体の加熱媒体を通過循環させる方法によってもホ
ーン４２の超音波シールバー３２の温度制御ができる。
【００３３】このニップルの材質としては、金属、プラ
スチックス、ゴム等特に限定はされないが、節部４３近
傍の振動を吸収し且つ適切なる強度、耐熱性を有するも
のとして、フッ素樹脂、ポリスルホン、ポリエーテルス
ルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニ
レンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン等のエ
ンジニアリングプラスチックス、フェノール樹脂、エポ
キシ樹脂、ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂等が望ま
しい。また加熱媒体として水、エチレングリコール水等
を用いると、貫通孔４４近傍の僅かな振動ではあるがこ
の振動を加熱媒体が吸収し、加熱媒体中の空気、水蒸気
等の気化成分が気化し気環ポンプ内に気泡等の気体成分
が蓄積しポンプ機能がなくなるという不具合を生じるの
で、泡化する所謂キャビテーション現象が発生し、伝熱
効率を低下させるとともに加熱媒体循このキャビテーシ
ョン現象が発生しにくい加熱媒体として、ジフェニール
エーテル系、アルキルナフタリン系、アルキルビフェニ
ール系、ジベンジルトルエン系、アルキルベンゼン系、
シリコーン系、フッ素系等が使用できるが、広範囲な温
度条件下及び振動条件下でキャビテーションの発生がな
い加熱媒体として、特にシリコーン系、フッ素系が本用
途には適している。尚、本実施例では貫通孔で説明した
が、カートリッジヒーター等のヒーター手段にて加熱す
る場合には、あなぐり孔等の貫通しない孔でもよい。
【００３４】図６は、本発明による加熱手段を有するホ
ーン４２を搭載した超音波アクチェーター１４と本発明
によるシール台４８の一実施例を示す超音波シールの構
成全体図である。シール台４８は、金属或いは大理石等
の強固且つ水平度を有する定盤方式のベース４９の上に
載せて使用する。シール台４８の基本構成は、上から順
番にシール用アンビル４５、加熱板４６及び断熱板４７
からなり、シール用アンビル４５は、この上に溶着すべ
きシート或いはフィルム２枚を載せ、超音波アクチェー
ター１４を図示していないがエアシリンダー等の下降加
圧手段にてシール用アンビル４５の上のシート或いはフ
ィルムに到達させ、加圧を掛け始めて適切な圧力に到達
した時点で、超音波発振を開始しながら更に目標圧力及
び目標時間迄加圧発振させ、その後適切な時間冷却時間
を保持させた後、超音波アクチェーター１４を上昇させ
超音波シールの一工程が終了する。ポリエチレン、ポリ
プロピレン等の融点或いはガラス転移点の低い汎用樹脂
からなるシート或いはフィルムの場合には、本発明によ
る前述のホーン類を使用する事なく、またシール台はシ
ール用アンビルのみで溶着する超音波条件を比較的容易
に見つけ出し得る。しかしながら本発明の目的用途であ
る融点或いはガラス転移点の高いエンジニアリングプラ
スチックスの場合には、前述のとおり超音波シールがう
まくいく領域は殆どない。
【００３５】図６に示す本発明によるシール台４８のシ
ール用アンビル４５は本発明の一実施例を示すものであ
り、形状的にはシート或いはフィルムの目的とする用途
形態によって様々な形を取り得るが、共通する基本形状
はアンビル天面５０がフラットであり、その内部に加熱
孔５１を一本または複数本有するかもしくは有しない構
造をとり、その材質がフェノール樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂または尿素樹脂
等の熱硬化性樹脂を主成分とした板であって、これらの
樹脂に布またはガラスクロス等の補強材を添加または積
層した板が望ましい。また、セラミックスを主成分とし
た板も断熱性、保形性を付与でき本用途には望ましく、
このようなセラミックスとしてはホワイトアルミナ、グ
レイアルミナ等のアルミナ系、酸化チタンを含むアルミ
ナ・チタニア系、酸化チタンを主成分とするチタニア
系、酸化クロムを主成分とするクロミア系、イットリア
安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネ
シア安定化ジルコニア等のジルコニア系、珪酸ガラスを
含むジルコン系、或いはタングステンカーバイド、クロ
ームカーバイド等の炭化物系セラミックス等のセラミッ
クス或いはこれらの複合セラミックスが適しているが、
断熱性即ち熱伝導率が低く且つ比較的強度が高いジルコ
ニア系、ジルコン系セラミックスが更に望ましい。
【００３６】また、セラミックス単品の板では強度不足
の場合即ち超音波アクチェーター１４の押し付け圧が高
く且つホーン４２の振動振幅が高い場合には、シール用
アンビル４５を金属板とし、アンビル天面４５部に前述
のセラミックスをコーティングする事により強度と断熱
性の両要求特性を満足させ得るシール用アンビル４５を
得る事ができ、金属板自体の材質は、鋼、ステンレス
鋼、アルミ合金、チタン合金等特に限定はされないが、
低い熱伝導度で且つ強度を有するチタン合金が望まし
く、また、セラミックスのコーティング法は、スパッタ
ーリング、真空蒸着等の蒸着による方法、プラズマ・ジ
ェットによるプラズマ・パウダー・スプレイ法、ガス燃
焼炎によるローカイド・ロッド・スプレイ法、サーモス
プレイ法等の溶射による方法等によるのが望ましく、コ
ーティング厚みは０．１〜２ｍｍが適切であり、このよ
うな厚肉コーティングには、溶射による方法が、短時間
で密着性の良いコーティングが可能であり本目的用途に
は適している。
【００３７】加熱板４６はシール用アンビル４５と断熱
板４７との間に挟んで使用する板状のものであり、シー
ル用アンビル４５と同等以上の面積を有し、その内部に
加熱孔５２を一本または複数本有し、その材質は鋼等の
鉄、アルミニウム合金、チタン合金等の金属からなる。
断熱板４７は加熱板４６とベース４９との間に挟んで使
用する板状のものであり、加熱板４６と同等以上の面積
を有し、その材質はロックウール、石膏及びアルミナ、
ジルコニア等のセラミックスを主成分とした板形状また
は熱硬化性樹脂を主成分とした板形状であればよいが、
取り分けセラミックス系素材が断熱性と圧縮強度の両性
能を兼ね備えているので最も望ましい。加熱板４６に設
けた加熱孔５２内及びシール用アンビル４５に設けた加
熱孔５１内にはシーズヒーター、カートリッジヒーター
等の電熱ヒーターを挿入するかまたは図５のホーンのと
ころで前述したのと同方法にて加熱媒体を循環させる方
法のどちらでも選択し得る。また、シール用アンビル４
５に加熱手段を設けた場合には、加熱板４６を用いない
ことも可能である。
【００３８】以上詳述したホーン４２に設けた加熱手段
およびシール用アンビル４５の加熱手段および／もしく
は加熱板４６を設けたことによる作用効果は、本発明の
目的用途であるプラスチックスの超音波シールに際し
て、特に融点もしくはガラス転移点の高いエンジニアリ
ングプラスチックス製シート或いはフィルムの超音波シ
ールにおいて、アンビル天面５０とホーン４２の超音波
シールバー３２と間に圧接したシート或いはフィルム
に、超音波アクチェーター１４から発生させた超音波周
波数下の高速振動により、シート或いはフィルムの表面
及び内部に摩擦熱を発生させることにより融点以上の温
度に瞬間的に上昇させ、シート或いはフィルムを溶融さ
せることにより溶着させるという超音波シールのメカニ
ズムから、折角発生させた摩擦熱が超音波シールバー３
２を介してホーン４２側へ、またアンビル天面５０を介
してシール用アンビル側の両方に伝熱によって逃げてし
まうのを防止するとともに、融点或いはガラス転移点の
高いシート或いはフィルムを予熱し超音波振動による摩
擦熱に補助的に熱量を付与するという二つの作用効果が
出てくる。 また、シート或いはフィルムの材質、厚み
及びホーン４２の振幅、付与する超音波エネルギーが十
分の場合には、ホーン４２側及び／もしくはシール台４
８側の加熱手段を用いることなく、本発明によるシール
用アンビル４５を採用するだけでも効果を発揮する場合
もある。
【００３９】次に、シート或いはフィルムの超音波溶着
に際して、更に短時間且つ安定した超音波溶着が達成で
きる本発明による超音波シールバー３２及びシール用ア
ンビル４５について図６を用いて説明する。ホーン４２
の超音波シールバー３２とシール用アンビル４５のアン
ビル天面５０との間に圧接された二枚のシート或いはフ
ィルムに超音波振動が与えられると、二枚のシート或い
はフィルムの固定の仕方が完璧或いは十分でない場合に
は、二枚のシート或いはフィルム相互が接触している界
面で横方向即ち図面上は水平方向の滑りが発生し、本来
の溶着エネルギーである軸方向の振動即ち図面上縦方向
の振動が二枚のシート或いはフィルムの同じ界面に与え
られることが不可能となり、全く溶着できないか或いは
溶着不良を起こすという現象が発生する。特に融点或い
はガラス転移点の高いエンジニアリングプラスチックス
のシート或いはフィルムにおいて顕著に発生する。この
現象をくい止める本発明による手段は、シール用アンビ
ル４５のアンビル天面５０及び／または超音波シールバ
ー３２の表面を梨子地状の細かい凹凸を設けることにあ
り、シール用アンビル４５及び超音波シールバー３２の
材質が金属の場合には、サンドブラスト、ラッピング、
放電加工、化学的エッチング処理等により、シール用ア
ンビル４５の材質がセラミックスの場合には、フッ酸等
による化学的エッチング、ダイアモンド砥粒によるラッ
ピング、或いは溶射等により、シール用アンビル４５の
材質がプラスチックスの場合には、サンドブラスト、ラ
ッピング、化学的エッチング等が適している。これらア
ンビル天面５０及び超音波シールバー３２の表面粗さ
は、０．８Ｓ〜１２．５Ｓ、さらに望ましくは、１．６
Ｓ〜６．３Ｓが適切である。
【００４０】
【発明の効果】本発明の方式に従うと、従来のヒートシ
ール、インパルスシール等の熱的シール方式及び従来の
超音波シール方式では、シールの安定性及び信頼性の不
足、溶着時間に長時間を要し、しかもシール外観が美麗
でなかったもの並びにシール自体が不可能あった樹脂材
質に対しても、安定性及び信頼性に優れ、短時間溶着シ
ールを可能ならしめ、しかも現存するあらゆる熱可塑性
エンジニアリングプラスチックスからなるシート或いは
フィルムの溶着シールに適応可能な工業的に優れた超音
波溶着装置である
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による超音波アクチェーター部の全体
図及び振動分布図である。
【図２】 本発明による線シール用ホーンの一実施例で
ある。
【図３】 本発明による三方シール用コの字型ホーンの
一実施例である。
【図４】 本発明による三方シール用コの字型ホーンの
詳細図である。
【図５】 本発明による加熱手段を具備した超音波ホー
ンの一実施例である。
【図６】 本発明による超音波アクチェーター及びシー
ル台の一実施例である。
【符号の説明】
１ 超音波振動子 ２７ シールバ
ー傾斜部 ２ ブースター ２８ ホーン ３ ホーン ２９ 雌ネジ ４ 超音波発振器 ３０ ホーン大
径部 ５ 裏打ち板 ３１ ホーン小
径部 ６ 振動素子 ３２ 超音波シ
ールバー ７ 電極板 ３３ コの字型
部 ８ 前面板 ３４ コーナー
部 ９ 振動子側大径部 ３５ 内側稜線
部 １０ ホーン側小径部 ３６ 外側稜
線部 １１ 取付フランジ ３７ シール
バー内側天面 １２ 振動子側イモネジ ３８ シール
バー外側天面 １３ ホーン側イモネジ ３９ シール
バーベース １４ 超音波アクチェーター ４０ シール
バーベース １５ ブースター側接続端面 ４１ 谷部 １６ ホーン作業端 ４２ ホーン １７ 高周波ケーブル ４３ 節部 １８ ホーン ４４ 貫通孔 １９ 雌ネジ ４５ シール
用アンビル ２０ ホーン大径部 ４６ 加熱板 ２１ ホーン小径部 ４７ 断熱板 ２２ 超音波シールバー ４８ シール
台 ２３ シールバー天面 ４９ ベース ２４ シールバーベース ５０ アンビ
ル天面 ２５ 天面コーナー部 ５１ 加熱孔 ２６ ベースコーナー部 ５２ 加熱孔

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱可塑性樹脂からなるフィルム、シート
    類を超音波振動によって溶着する装置において、溶着用
    ホーンの超音波シールバーの天面がフラットな山形形状
    をなし、山の高さが被溶着フィルム、シートの合計厚み
    以上であって、山の天面コーナー部が曲線形状をなした
    ホーン形状であることを特徴とする超音波溶着装置。
  2. 【請求項２】 超音波シールバーの天面のフラットな部
    分の幅が０．３〜２ｍｍである請求項１記載の超音波溶
    着装置。
  3. 【請求項３】 超音波シールバーの山の高さが被溶着フ
    ィルム、シートの１．５〜１５倍である請求項１又は２
    記載の超音波溶着装置。
  4. 【請求項４】 超音波シールバーの山の傾斜部の角度が
    −２０〜１５０度である請求項１〜３記載のいずれかの
    超音波溶着装置。
  5. 【請求項５】 超音波シールバーの天面コーナー部のア
    ール（Ｒ）が０．１〜１．５ｍｍである請求項１〜４記
    載のいずれかの超音波溶着装置。
  6. 【請求項６】 超音波シールバーのベースコーナー部が
    曲線形状をなし、曲線部分のアール（Ｒ）が０．１〜１
    ｍｍである請求項１〜５記載のいずれかの超音波溶着装
    置。
  7. 【請求項７】 超音波シールバーの天面が少なくとも複
    数本に区切られ、複数本のシールバー天面間に谷部を有
    する請求項1〜６記載のいずれかの超音波溶着装置。
  8. 【請求項８】 谷部の幅が被溶着フィルム、シートの合
    計厚みの３〜２０倍であって、谷部の深さが１．５〜７
    倍である請求項７記載の超音波溶着装置。
  9. 【請求項９】 超音波シールバーがコの字型形状をなし
    ている請求項１〜８記載のいずれかの超音波溶着装置。
  10. 【請求項１０】 コの字型形状のシールバー天面が複数
    本に区切られている請求項９記載の超音波溶着装置。
  11. 【請求項１１】 コの字型の超音波シールバーの両コー
    ナー部が曲線形状であって、その曲線部分の内側のアー
    ル（Ｒ）が１〜４ｍｍである請求項９又は１０記載の超
    音波溶着装置。
  12. 【請求項１２】 超音波シールバーのコの字型部がホー
    ン作業端底面部の横幅のセンター線に対して左右対称形
    状である請求項９〜１１記載のいずれかの超音波溶着装
    置。
  13. 【請求項１３】 ホーンの軸方向超音波振動の節部近傍
    に貫通孔又はあなぐり孔を設け、電熱ヒーター又は加熱
    媒体を通過させる加熱手段を具備してなる請求項１〜１
    ２記載のいずれかの超音波溶着装置。
  14. 【請求項１４】 貫通孔又はあなぐり孔の位置がホーン
    肉厚方向のセンターであって、貫通孔の形状が略円形で
    あり、略円形の直径がホーン肉厚の１／３以下である請
    求項１３記載の超音波溶着装置。
  15. 【請求項１５】 シール用アンビル又はシール用アンビ
    ルに接する加熱板に貫通孔又はあなぐり孔を設け、電熱
    ヒーター又は加熱媒体を通過させる加熱手段を具備した
    請求項１〜１４記載のいずれかの超音波溶着装置。
  16. 【請求項１６】 加熱手段を有するシール用アンビル又
    は加熱板のいずれかに接する断熱板を設けた請求項１５
    記載の超音波溶着装置。
  17. 【請求項１７】 超音波シールバーのシールバー天面及
    び／又はシール用アンビルのアンビル天面に梨子地状の
    凸凹を設けた請求項１〜１６記載のいずれかの超音波溶
    着装置。
  18. 【請求項１８】 シールバー天面及び／又はアンビル天
    面に設けた梨子地状の凸凹が０．８〜１２．５Ｓである
    請求項１７記載の超音波溶着装置。
  19. 【請求項１９】 シール用アンビルが熱硬化性樹脂樹
    脂、補強材入り熱硬化性樹脂又はセラミックスを主成分
    とする材質からなる板もしくはセラミックスを表面にコ
    ーティングした板である請求項１５〜１８記載のいずれ
    かの超音波溶着装置。
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