JP2001509443A - チューブ状容器、とくにチューブの端部を溶接するための方法および装置 - Google Patents

チューブ状容器、とくにチューブの端部を溶接するための方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 熱により軟化または溶融し得る薄肉の平坦な材料からつくられた、注入可能な基材で充填されたチューブ状容器、とくにチューブの端部を溶接するための方法である。 【解決手段】チューブ状容器は溶接すべき端部がアクセス可能な形態で保持され、チューブ状容器は周縁領域のアクセス可能な端部においてその溶融を可能にする温度まで加熱され、加熱された端部は容器の長手の延びに対して横方向の細長い溶接継目に沿って合わせてプレスされ、チューブ状容器は静止しており、レーザビームはチューブ状容器の外側に位置付けられた偏向素子を介してチューブ状容器の内壁上に向けられ、偏向素子は周縁領域を加熱するために回転するようにされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、請求項１の前文に従った、チューブ状の容器、とくにチューブの
端部を溶接するための方法および装置に関する。
【０００２】 たとえば化粧品、歯磨き粉、靴墨、およびクリームなどの注入可能なまたはペ
ースト状の基材（media）の多くは、チューブに詰められる。これらのチューブ は、好適な可鍛金属の平坦な材料から作られ得る。しかしながら、同時に、主に
経済上の理由から、プラスチックも利用されている。
【０００３】 空のチューブ状容器の端部をシールする前に、容器はまず、詰めるべき材料で
充填される。取り出し側は、ねじ込みキャップなどの好適なキャップでシールさ
れる。充填端部は充填後にシールされる。可鍛性の平坦な材料により、この充填
端部は従来どおりある線に沿って折り曲げられている。必要に応じて、この端部
領域には線形のプレスが施される。このようにして、受入可能なシールが保証さ
れる。しかしながら、この処理はプラスチックには用いることができず、隣接し
た端部は、溶接されるかまたは他の方法でシールされなければならない。
【０００４】 DE 37 44 402 C2は、プレスによってシール継目を生成する前に熱を導入する ことにより、端部部分を最初に好適な形態に軟化または溶融させるという、プラ
スチック製のチューブ状容器をシールするための方法を開示する。
【０００５】 一連のノズル開口（これを用いてチューブの充填端部の外壁上に熱風を吹き付
ける）が設けられる充填端部のまわりにリングを配置することによって、この軟
化を生じさせる。通常、完全な溶接が要求されるので、十分な熱（すなわち約１
８ｋＷの電力）を外部から導入しなければならない。この方法は今日の充填（pa
ckaging）技術において一般的に行なわれており、「ホット・エア」法と呼ばれ る。
【０００６】 このホット・エア法と類似して、溶接すべき端部の軟化または溶融は、従来、
超音波またはマイクロ波の輻射を用いて行なわれている。
【０００７】 材料を溶融するための装置とプレス装置とは同じ空間を占めることができない
ので、すべての方法において、溶融および後に続くプレス作業を連続した製造工
程で行なうことが必要である。さらに、通常、プレス工程に続いて、最初に加熱
されたチューブを冷却しなければならない。なぜなら、そうしなければ望ましく
ない塑性変形が起こり、製品が熱による損傷を受ける恐れもあるからである。こ
の冷却処理に付随する余分な労力のため、この方法が極めて無駄の多いものにな
ってしまう。
【０００８】 DE 22 61 388は、プラスチック製の端部部分をチューブ状のプラスチック本体
に溶接するための方法であって、端部部分のチューブ状の部位をチューブ本体に
挿入する方法を開示する。チューブ状の本体の外部を照射するためにレーザが用
いられ、そこでは、チューブは端部部分とともに回転する。プレスローラは加温
された領域を合わせてプレスし、ある型の溶接物を生成する。
【０００９】 この発明の基礎となる目的は、チューブ状の容器、とくにチューブの端部を溶
接するための方法および装置であって、すべての型のチューブプラスチックに対
して用いることができ、消費エネルギーが小さく、簡単な態様で速い製造速度を
保証する、方法および装置を創り出すことである。
【００１０】 この目的は請求項１および８の特徴部分により達成される。 当然、レーザビームは周縁の壁上に光の点またはスポットを生成することしか
できない。この周縁部分の付近に延びる平坦な輪形状の領域を軟化させなければ
ならないので、レーザ光スポットのみを用いた場合には、レーザビームと容器と
の間で相対的な回転をさせる必要がある。
【００１１】 この発明に従った装置では、加熱装置は、内部周縁壁にビームが向けられるレ
ーザを含む。回転駆動装置は、容器の外側に配置された光偏向素子をレーザビー
ムの入射軸に対してそれ自体の軸の周りに軸回転させることにより、レーザビー
ムをチューブ容器に対して回転させる。それにより、偏向素子の回転点は、偏向
ミラーの反射点がチューブ状容器の回転対称軸に正確に位置付けられるように配
置される。
【００１２】 チューブ状容器の内壁上へのレーザビームの方向は、チューブ状容器のそれら
の領域が加温され、それが溶接に直接利用されるという利点を有する。
【００１３】 偏向素子としては偏向ミラーを用いるのが好ましく、これは対応する波長に最
適化される。この偏向ミラーは、好ましくは、偏向角度を変えられるように調節
可能である。この偏向角度の変化により、偏向ミラーの下流の回転面において偏
向ミラーに対するレーザ光スポットの高さを変動させて、種々の容器の直径に適
合させることが可能になる。レーザ光スポットを（半径の小さい容器と比べて）
相対的に上方向へ変位させることにより偏向ミラーの中心点に対するさまざまな
容器半径に適合させ、容器壁までの距離の増大を補償することができる。偏向素
子の角度を変える代わりに、偏向素子をチューブ状容器の回転対称軸に沿って線
形に調節し、レーザ光スポットの相対的な高さを調節することもできる。
【００１４】 さらに、充填されたチューブ状容器を回転させることはさまざまな理由から不
利であり、必要速度に伴う遠心力が、開口端部に向けてまたそこを通して製品を
垂直方向に押す傾向にあるということにもさらに注意すべきである。この理由に
より、レーザビームまたは偏向ミラーが回転される。偏向ミラーの表面上の平均
反射点は、チューブ状容器の長手軸において回転されるのが好ましい。
【００１５】 偏向ミラーをチューブ状容器の外側に配置した、レーザ偏向ミラーおよび容器
の好適な構成を用いることにより、加温および溶接処理の前に、製造中に偏向ミ
ラーの下にチューブ状容器を位置付けるだけでよくなる。
【００１６】 １つではなく２つのミラーを用いることによりさらなる利点が生じる。この場
合、１つの偏向ミラーはチューブ状容器の回転対称軸に導入され、この偏向ミラ
ーが、レーザビームを、９０度にわたって、チューブ状容器の回転対称軸と同軸
であるレーザビームの回転軸から外れて反射するようにされる。この変位した反
射に伴って、第２の偏向ミラーが、予測された最小のチューブ状容器の半径に対
応するように第１の容器からある距離のところに配置され、第１の偏向素子とし
て機能する。この構成は、小さなチューブ状容器半径に対して実質的により平坦
な角度で処理することが容易になり、エネルギのプロファイルおよび溶接に悪影
響を与えるであろう急な入射角によるレーザ光スポットの楕円形への歪みを回避
する、という利点を有する。
【００１７】 ２つの偏向ミラーを有するこの構成は非対称的に回転され、第１の偏向ミラー
は、偏向素子を１つしか有さない構成と同様、チューブ状の容器に対して軸方向
に対称的に配置され、第２の偏向素子は回転対称経路に沿って移動する。
【００１８】 プレス処理を始める前に容器を回転させる必要がなく、またジョーをプレスす
るプレス装置の経路からいずれの部品も外さなくてもよく、さらに、この発明に
従った方法では溶接のために複数の製造工程を必要としないので、この発明に従
った製造速度は極めて速い。
【００１９】 この発明の一実施例に従って、効果的でよりきれいな（clean）溶接継目をつ くりだすために、特定の場合においてさらなる駆動装置が設けられ得る。この装
置は偏向ミラーの同軸回転中に偏向ミラーを線形に振動させ、９０度変位させる
。チューブ状容器とそれによって生じるレーザビームとの間での振動相対運動の
結果、たとえば波形の溶接継目ができる。チューブ状の容器を保持する装置は、
好ましくは、チューブ状容器の周縁壁上のレーザビームの光のスポットが同時に
回転するとそれに依存して波形になるように、振動運動するようにされている。
【００２０】 この発明のさらなる構成に従って、それぞれの溶接についてのエネルギ分布プ
ロファイルを最適化するために、ビーム成形装置が設けられる。これは通常、細
長い楕円形のガウス曲線、すなわち横方向の電磁００モードのレーザビームに対
応する。この形態で、溶融ゾーンとそれを取り囲む非溶融ゾーンとの間で緩やか
な移行が生じ、その結果、応力の少ないよりきれいな溶融継目が生成される。
【００２１】 この発明の一実施例では、効果的なレーザビームを生成するためにＣＯ2レー ザが用いられる。このレーザの標準波長は９μｍから１２μｍの範囲にある。こ
の波長領域では、材料の完全な溶融が期待できる。
【００２２】 約１μｍの波長を有するレーザを用いると、レーザビームの深く作用する依存
性により、最初にチューブ状容器の内部材料を、次いで材料の層を、内側から外
側へ、材料の温度係数に応じて加温する。レーザビームはそれによって外部材料
層を溶融することなく透過して、まず内部材料層を溶融する。この方法は、ＣＯ 2 波長領域を透過する特定の材料に対して用いられ得る。
【００２３】 多くのプラスチックにおいて、確実かつ完全な溶接を創り出すためには、通常
１０μｍの波長が好ましい。さらにこの波長は、二酸化炭素レーザを用いて経済
的に生成することができる。
【００２４】 チューブ状容器の材料によっては、少量のレーザビームが容器の壁を通り抜け
、材料の加温には寄与しない。
【００２５】 この通り抜ける少量のビームを利用するために、この発明の一実施例は、透過
したレーザビームを反射させて周縁領域上に戻し、容器の溶接に用いるために、
反射子を偏向素子に結合させる。反射されたレーザビームがレーザ共振器に直接
戻ってそれを損傷するかまたはその動作を危うくするのを防ぐために、この反射
されたビームは、レーザビームの最初の入射点に対してある特定量だけ周縁方向
に変位された位置へ優先的に向けられ得る。よって、この発明のこの実施例では
、プレス装置で締める（clamp）前に、外部の反射ミラーを取り外す必要がある 。しかしながら、プレスジョーの係合前にプレスする準備においてチューブ状容
器の支持部を下げることも可能である。さらに、加熱装置をプレス装置から少し
離して配置し、外部反射子とチューブ状容器との間の相対運動を回避することも
可能である。
【００２６】 できる限り最適かつ完全な溶接を行なうために必要な回転速度は、この装置の
他のすべてのパラメータ、とくにプラスチックの種類および利用可能なレーザパ
ワーに直接依存している。この時点までは、その適切な値は実験によって決定さ
れるしかない。約１００ワットの出力を有するレーザ源、約５ｍｍの溶接継目の
幅、直径２８ｍｍのポリエチレン製チューブ、および毎分約４５０回転の回転を
用いることにより、この溶接の質が受入可能なものとなる。この回転速度は、レ
ーザパワー、溶接継目の幅、波長、チューブ材料、およびビーム形状に対して調
節すべきである。
【００２７】 この発明は多くの利点を有する。この装置は技術的観点からは比較的簡単であ
り、とりわけ、ほとんどエネルギを必要としない。この装置の平均電気エネルギ
消費量は、約１ｋＷである。さらに、チューブ状容器内に充填された製品が、過
熱処理中に損傷を受けたり飛び出したりすることもない。レーザビームをチュー
ブ状容器の周縁壁上に向ける偏向ミラーは、材料がミラー表面に堆積すると、回
転により自己洗浄動作を行なう。従来と同様、使用される波長に対して完全に透
過性の保護プレートを用いてビーム装置をさらにシールして閉じてしまってもよ
い。最後に、この発明に従った装置は、容易に製造速度を速くする。
【００２８】 以下に図面を参照しつつこの発明を述べる。 図１に示すように、チューブ状容器１０は、基本的に、チューブ状ジャケット
１２と、一方端で容器１０を閉じるためのねじ込みキャップ１４とを含む。いか
なる型のキャップ機構を用いてもよい。充填製品１６がチューブ状容器１０から
下方向に落ち得ないということだけ確実にしておかなければならない。
【００２９】 保持装置１８（概略図で示す）は、容器１０をキャップ１４で垂直位置に支持
する。保持装置１８は、たとえば線形に、たとえばこの図の面内方向に可動であ
る。明らかに、保持装置１８はこの型の容器を複数支持することができ、それら
の容器を図１に示す位置へと連続して運ぶことができる。容器１０は、別個のス
テーションにおいて製品１６が充填される。
【００３０】 容器１０またはジャケット１２の上端は、２０で示すように開いている。偏向
ミラー２２は容器１０の上方に配置され、レーザ光源２４のビーム２６をジャケ
ット１２の内壁上に向ける。ミラー２２はチューブ状容器１０の長手軸のまわり
を回転し、ここでミラー２２の反射点はこの軸上にある。開口に近接した内壁の
輪形状の領域はそれによって照射され、それに伴うレーザビームエネルギで加温
される。図２は、偏向ミラー２２が容器１０の長手軸のまわりを回転するように
支持される態様を２８で示し、ここでシャフト３０が駆動モータ３６で駆動され
るギア３４に係合するギア３２を有する。ミラー２２は毎分数回転で回転する。
しかしながら、これは、レーザビーム２６のエネルギに依存して実質上より速く
回転することもできる。
【００３１】 ミラー２２の角度位置もまた、双方向矢印２３で示すように、変えることもで
きる。これにより、容器壁の光のスポットの高さが対応して変わるので、容器１
２の半径が調整される。その他に、ミラー２２の高さも調節できる。これは図１
の矢印２５で示され、ここでレーザ源２４およびミラー２２は一体型ユニットを
形成する。
【００３２】 レーザビーム２６と容器１０との間でもまた移動が生じることがあり、たとえ
ば、双方向矢印３８で示すように、保持装置１８を容器１０の長手方向に振動す
るような形態で駆動する。付随する駆動装置は図示しない。よって、容器１０の
内壁の波型領域が照射される。
【００３３】 ここに述べた装置は、内壁の周縁領域を加温し溶融するために用いられ、容器
１０の予め開放された端部２０は、準備に続いて、プレス装置のジョー４０およ
び４２を用いて、合わせてプレスされかつ溶融され得る。
【００３４】 図示した装置はプラスチックのチューブ状容器に限定されず、金属材料を用い
ることもできる。
【００３５】 図３および図４に従った実施例において、図１および図２のものと同じ構成要
素には同じ参照記号に「ａ」をつけたものを付す。第１の偏向ミラー２２ａは、
チューブ状容器１２ａの長手軸と同軸でありレーザビーム２６ａの軸上にある、
回転軸を有する。ビームは、ミラー２２ａから横方向に放射状に分離しているチ
ューブ状容器１２ａのわずか上方に位置付けられる、さらなる偏向ミラー４６へ
と偏向される。この分離は、溶接すべき容器１２ａの最小半径に対応する。ミラ
ー２６保持器は、アーム４８を介してミラー２２ａの保持器へと接続される。よ
ってミラー４６および２２ａは、図１に示したものと同様、ともに回転され、容
器１２ａの内壁上の線形または輪形領域を照射する。この構成は、容器の壁上の
レーザビームの入射方向が、図１に従った単一のミラー２２を用いたものよりも
非常に急角度になるという利点を有する。それによって、より均一なエネルギ分
布がより大きな照射電力で達成される。
【００３６】 図５および図６に従った実施例では、図１および図２と同じ構成要素には同じ
参照記号に「ｂ」をつけたものを付す。
【００３７】 偏向ミラー２２ｂの構成は、図１または図３および図４に従うものにほぼ対応
する。すなわち、ミラー２２ｂの回転軸は容器１２ｂのものと同軸にあり、レー
ザビーム２６ｂの軸と一致する。第２の偏向ミラー５０は容器１２ｂの外側に位
置付けられる。その支持部は、角度アーム５２を介してミラー１２ｂの支持部に
接続されるので、ミラー２２ｂおよび５０はともに回転する。ミラー５０は、同
じ方向にほぼ戻る、容器１２ｂの壁を通り抜ける光を反射するような形態で配置
される。ミラー５０によって反射されるこの光の光スポットは、ミラー２２ｂか
ら入射するビームの光スポットと同じ高さを有するが、わずかに周縁方向に変位
されているので、レーザ共振器へと反射して戻ることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、この発明に従った装置の一例の概略図である。
【図２】 図２は、図１に従った装置の詳細図である。
【図３】 図３は、この発明に従った装置の別の実施例の概略図である。
【図４】 図４は、図３の装置の斜視図である。
【図５】 図５は、この発明に従ったさらなる実施例の概略図である。
【図６】 図６は、図５に従った装置の斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６５Ｄ 35/08 Ｂ６５Ｄ 35/08 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 3E065 BA12 BB02 DC01 DD05 GA01 HA10 4E068 AA02 AA05 AJ03 CA04 CA09 CB05 CD12 DA07 4F209 AA04 AD05 AD12 AG08 AG23 AH55 AK03 NA24 NB01 NJ14 NJ22 NN01 NP01 4F211 AA04 AD05 AD12 AG08 AG23 AH55 AK03 TA01 TC11 TC16 TC22 TD11 TH01 TH06 TJ14 TJ22 TN27 TQ04 TQ06

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 注入可能な基材が充填された、熱によって軟化および溶融さ
    れ得る薄肉の平坦な材料でつくられたチューブ状容器、とくにチューブの端部を
    溶接するための方法であって、前記チューブ状容器は、溶接すべき端部にアクセ
    ス可能なように保持され、前記チューブ状容器はアクセス可能な端部で周縁領域
    付近を溶接可能な温度まで加熱され、加熱された前記端部は容器の長手の伸びに
    対して横方向にわたっている細長い溶接継目に沿って合わせてプレスされ、 前記チューブ状容器（１０）は静止して保持され、レーザビームは前記チュー
    ブ状容器（１０）の外側に配置された偏向素子（２２）を介して前記チューブ状
    容器（１０）の内壁上に向けられ、前記偏向素子（２２）は前記周縁領域を回転
    して加熱するように設けられていることを特徴とする、方法。
  2. 【請求項２】 前記レーザビーム（２６）が偏向ミラー（２２）を介して周
    縁壁上に向けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記偏向ミラー（２２）が前記チューブ状容器（１０）の軸
    のまわりを回転することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 さらなる駆動装置が、前記回転中に前記チューブ状容器（１
    ０）の振動相対運動（３８）およびレーザビーム（２６）を生成することを特徴
    とする、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 ＣＯ2レーザが用いられることを特徴とする、請求項１から ４のいずれか１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】 レーザの波長が０．３から２０μｍの間にあることを特徴と
    する、請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】 レーザが、少なくとも毎分１回転の速度で回転することを特
    徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
  8. 【請求項８】 注入可能な基材が充填された、熱によって軟化および溶融さ
    れ得る薄肉の平坦な材料でつくられたチューブ状容器、とくにチューブを溶接す
    るための装置であって、前記装置は、溶接すべき端部が上方向に向くように前記
    チューブ状容器が保持される保持装置と、容器上方で回転するように支持され、
    回転駆動装置を介して回転するように設けられた偏向素子と、前記偏向素子から
    入射するレーザビームが開放端部に近接した容器の内側に向けられるような形態
    で偏向素子上に向けられて容器の周縁領域を加温するレーザと、容器の上端を合
    わせてプレスして容器の軸に対して横方向に延びる溶接継目を形成するプレス装
    置とを有する、装置。
  9. 【請求項９】 偏向ミラーが、前記チューブ状容器の直径に適合するように
    偏向角度を変えるために調節され得ることを特徴とする、請求項８に記載の装置
    。
  10. 【請求項１０】 偏向素子に結合された反射子が、チューブ状容器の外側に
    配置されて前記容器の壁を通り抜けるビームを照射された周縁領域上に戻すよう
    に反射させることを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記反射子が、前記反射されたビームが偏向素子から入射
    するビームの入射点に対して周縁方向に変位される容器上の位置に入射するよう
    に配置されることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 第１の偏向ミラーがレーザビームの軸に配置され、第２の
    偏向ミラーがそこから放射状に変位されたより低い位置に配置され、チューブ状
    容器の内壁上にレーザビームを向け、これら２つの偏向ミラーが前記チューブ状
    容器の長手軸のまわりを回転することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記第２の偏向ミラーのレーザビーム軸からの分離が、最
    小のチューブ状容器の半径とほぼ等しいことを特徴とする、請求項１２に記載の
    装置。
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