JP2010510911A - 回転超音波シール - Google Patents

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Abstract

本装置は、シール間隙（１７）内のウェブに超音波エネルギーを送出するための細長いシール端面（１６）に結合された超音波アクチュエータ（１２）を有するソノトロード（１０）と、円柱形の回転するアンビル（２４）であって、該アンビルの外面に沿って長手方向に延在し半径方向の外面を有する少なくとも１つの隆起部（２２）を有し、該隆起部がソノトロード（１０）の端面（１６）を通過するように回転する際に、ソノトロード（１０）の端面（１６）とアンビルの隆起部の半径方向の外面との間にシール間隙（１７）が断続的に画成されるアンビル（２４）とを備え、ソノトロード（１０）の細長いシール端面（１６）が略螺旋形の面を有し、円柱形のアンビル（２４）の隆起部（２２）がソノトロード（１０）の端面（１６）を通過するように回転する際に、シール間隙（１７）が略螺旋形の面に沿って螺旋形に移動することを特徴とする。また、特許請求される装置を用いて、ウェブに横断方向のシールを設ける方法も提供される。

Description

本発明は、柔軟なシート材料ウェブどうしを結合させるために、超音波エネルギーを用いて、少なくとも２枚の重ね合わせられた柔軟なシート材料ウェブ間の横断方向のシールを迅速に形成する装置及び方法に関する。
２枚以上の柔軟なシート材料ウェブ間にシール接合部を生成するために、超音波装置を用いることが知られている。このような手順は、内部に材料を包装するパックの製造中に用いられ得る。例えば、特許文献１を参照されたい。この文献は、ソノトロード（sonotrode）及びそれと向かい合うアンビルを開示している。互いに接合されるウェブは、位置決めされた状態でソノトロード及びアンビルの間を通されて共に圧迫され、所望の位置で、ソノトロードを作動させて超音波エネルギーを与えることにより、ウェブどうしがシールされる。同様に動作する、ウェブが装置を通過するのを補助するための回転アンビル（ローラ）を有する装置を開示している特許文献２も参照されたい。
特許文献２に開示されているものなどのソノトロード／回転アンビル構成の１つの開発例を、図１及び図２に示す。この開発例は、ローラアンビルの円周回りに隆起部を設けたものである。これらの隆起部は、ソノトロードが材料ウェブどうしを溶接するために材料ウェブを押し付けることができるローラの個別の領域を提供する。このようにすれば、ローラとソノトロードとの間を通るウェブは、ローラの隆起部とソノトロードとの間で圧迫されている時だけ溶接されるので、溶接の間にソノトロードをオン・オフすることの重要性が低くなる。従って、ソノトロードを超音波アクチュエータで連続駆動できる。これによりスループットが高まる。しかし、この構成でも困難が生じる。第１に、ローラの最大回転速度はソノトロードの利用可能出力によって支配され、ウェブの横断方向の溶接の全体を略同じ時間で形成しなければならないので、ソノトロードに対する要求はむしろ高くなる。しかし、ソノトロードのアクチュエータによって送出可能な超音波エネルギーの量には限界がある。従って、ウェブがソノトロードとローラの隆起部との間を通る際に、ウェブの横断方向に不完全な溶接が形成されるのを防止するために、ローラの回転速度を制限する必要がある。ローラの回転が速すぎる場合には、各溶接は不完全になる。即ち、溶接ラインがソノトロードとローラの隆起部との間に位置する短い時間ではウェブに十分なエネルギーが届かないので、信頼性が高いシールは達成されない。第２に、隆起部がソノトロードに課す高い要求により、ソノトロードの負荷プロファイルは大きなスパイクを有し（図４参照）、これによってソノトロードの寿命が短くなり得るという不都合がある。
米国特許第６８２４６３２号明細書 国際公開第２００４／０００６５９号パンフレット
従って、製造時間の低減及び／又は生産速度の向上を達成できるように、超音波ウェブ溶接装置のスループットを更に高めることが望ましい。
本発明は、２枚以上のシート材料ウェブが装置のシール間隙を通過する際に、そのシート材料ウェブ間の横断方向に少なくとも部分的にこのシート材料ウェブ間の超音波溶接を形成する装置であって、シール間隙内のウェブに超音波エネルギーを送出するための細長いシール端面に結合された超音波アクチュエータを有するソノトロードと、回転する円柱形のアンビルであって、このアンビルの外面に沿って長手方向に延在し半径方向の外面を有する少なくとも１つの隆起部を有し、この隆起部がソノトロードの端面を通過するように回転する際に、ソノトロードの端面とアンビルの隆起部の半径方向の外面との間にシール間隙が断続的に画成されるアンビルとを備える装置において、ソノトロードの細長いシール端面が略螺旋形の面を有し、円柱形のアンビルの隆起部がソノトロードの端面を通過するように回転する際に、シール間隙が略螺旋形の面に沿って螺旋形に移動することを特徴とする装置を提供する。
また、本発明は、シート材料の第１のウェブをシート材料の第２のウェブに溶接する方法であって、本発明による超音波溶接装置を設ける工程と、シールされるべきウェブを、アンビルとソノトロードのシール端面との間の間隙を通して、アンビルの回転軸に対して略垂直な方向に供給する間に、アンビルを回転させる工程と、ウェブに、このウェブの移動方向に対して略横断方向のシールを形成するために、ソノトロードを作動させる工程とを備え、アンビルの回転速度及びウェブの供給速度が、ウェブに所定の間隔で横断方向のシールを生じるよう選択されることを特徴とする方法を提供する。
ソノトロードの端面の螺旋形の構成では、アンビルの隆起部が端面を通過するよう回転する際、所与の瞬間に、ソノトロードの端面の１つの領域のみがアンビルの隆起部及びウェブと圧迫接触するので、アンビルの所与の回転速度に対して、超音波溶接をより長い時間にわたらせることが可能になる。ソノトロードによって送出される超音波エネルギーはこの領域に集中され、この領域のウェブが迅速に溶接される。接触領域はソノトロードの螺旋に沿って進み、アンビルが回転し且つウェブがソノトロードの端面に対して横方向に移動を続ける間に、接触領域はウェブの幅を横断する。このようにして、超音波溶接領域がウェブを横断して移動し、横断方向のシールを生じる。ソノトロードの螺旋形のシール面の使用により、シール時間を回転アンビルのより広い角度位置の範囲にわたらせることが可能になり、それにより、所与のソノトロード出力及びアンビルの回転速度に対して、より多くの総シールエネルギーを送出することが可能になる。実用上は、これは、所与のソノトロード出力に対するプロセス速度を高める（即ち、アンビルの回転速度及びウェブ供給速度を高める）ことが可能であることを意味する。一般的に、このプロセスの速度は、国際公開第００／２０１９１号パンフレットや特許文献２に記載されているソノトロード上の単純な横断方向のシール面を用いるタイプのプロセスの約２〜約１０倍の速さである。
ソノトロードの螺旋形の端面は、回転アンビルの半径（即ち、アンビルの隆起部の半径＋シール間隙の厚さに等しい）より僅かに大きい螺旋半径を有するのが適当である。螺旋のピッチは、螺旋の両端部間の周方向の距離が、螺旋の円周回りに測定されたシール端面の周方向の平均幅の約１〜約５倍になるよう選択されるのが適当である。
本装置は、シールされるべきウェブを、シール間隙を通して供給するウェブ供給機構を更に備えるのが適当である。ウェブは、シール間隙に沿ったシール領域の螺旋形の移動により、移動するウェブの横断方向に、該ウェブの移動方向に対して垂直な略直線状のシールが生じる速度で供給されるのが適当である。一般的なウェブ供給速度は約２０ｍ／分〜約６０ｍ／分である。一般的なシール速度は１分間当たり約２００箇所の横断方向のシール〜１分間当たり約１０００箇所の横断方向のシール１分当たり（例えば、１分間当たり約３００〜約６００箇所の横断方向のシール）である。
特定の実施形態では、ソノトロードの端面の幅及び／又は円柱形のアンビルの隆起部の幅（円柱の回転軸に対して略垂直方向に、即ちウェブ供給方向に測定される）は、その長さに沿って略一定である。これらの実施形態は、ウェブの横断方向に略一定の幅のシールを生じるために用いられる。他の実施形態では、ソノトロードの端面の幅及び／又は円柱形のアンビルの隆起部の幅は、その長さに沿って一定ではなく、それにより長さに沿って変化する幅を有するシールを形成可能である。ソノトロード端面の平均幅（螺旋の円周回りに測定される）は約１０ｍｍ〜約６０ｍｍであるのが適当である。
特定の実施形態では、ソノトロード端面の高さ及び／又は円柱形のアンビルの隆起部の高さは、その長さに沿って一定ではなく、それにより、ソノトロード端面とローラの隆起部との間に画成されるシール間隙の厚さは、シール面の長さに沿って一定ではない。これらの構成は、幅にわたって厚さが変化するウェブにシールを形成するのに有用である。例えば、ウェブは、その１つの縁部に、折りたたまれた部分や挿入された襠部を有し得るので、襠部におけるウェブの厚さは、ウェブの他の部分の厚さの約２倍になる。このような折りたたまれた襠が組み込まれたウェブは、例えば国際公開第２００４／０００６５６号パンフレットに記載されている。これら両方の部分の光学シールを行う際のこの厚さの変化は、形状がついたソノトロード端面を用いることによって対処可能である。
ソノトロード端面及びアンビル隆起部は、シール間隙がウェブの移動方向に先細りになり、間隙がウェブの入口の地点ではより広くウェブの出口の地点ではより狭くなるよう構成されるのが適当である。即ち、ウェブに面するソノトロードの面（端面）又はアンビルの面、及び回転アンビルの隆起部は、アンビル表面と端面との間の距離が横方向（即ち、ウェブが間隙を通る方向）に先細りになるよう、ウェブの移動方向に対して角度がついている。このタイプの先細りのシール間隙は、国際公開第００／２０１９１号パンフレットに詳細に記載されている。この先細りのシール間隙により、ウェブが間隙（端面とアンビルとの間）を更に通る際に、溶接がウェブの材料を徐々に深く通ることが可能になると共に、ウェブどうしが溶接のために十分に圧迫されて、ウェブ間のしっかりしたシールが設けられることが確実になる。シール間隙の平均厚さは、シールされるべきウェブの厚さに応じて、一般的に約１００マイクロメートル〜約７００マイクロメートルである。
ソノトロードとアンビルとの間の入口の間隙は、一般的に、出口よりも１．２〜３倍大きい。
ソノトロードは略連続的に作動されるのが好ましい。別の実施形態では、ソノトロードは断続的に運転され得る。即ち、ウェブがソノトロードとアンビルとの間を通る時に、ウェブの横断方向にウェブ間の溶接を行うために短時間作動され、シール動作の合間には短時間停止される。ソノトロードは、２０ｋＨｚ〜約４０ｋＨｚ範囲内の周波数及び約１０マイクロメートル〜約１００マイクロメートル（例えば約４０マイクロメートル〜約８０マイクロメートル）の振幅で振動するのが適当である。特定の実施形態では、ソノトロードはラム又は釣り合い錘と結合されており、約１０５〜１０７Ｐａ（例えば約０．２×１０５〜約６×１０５Ｐａ）の特定の圧力をシール間隙内のウェブに及ぼすようになっている。
アンビルローラは、その円周回りに２つ以上の略同一の隆起部を有するのが好ましい。４〜２０個の隆起部（例えば５〜１０個の隆起部）があるのがより好ましい。
各隆起部は、単純に、アンビルの横断方向にまっすぐに延びる（即ち、ローラの回転軸に対して略平行な）直線状のリッジを画成してもよい。各隆起部は、ウェブの幅を横断する溶接ラインを構成する。或いは、隆起部及びソノトロードのシール面に異なる形状を設けることにより、より複雑な溶接設計も可能である。
円周回りに２つ以上の隆起部を有するローラについては、略同一の隆起部がローラの円周回りに均等に離間されると共に略同一の構成を有するのが好ましい。
本装置は、冷却中のウェブの層間の溶着を補助するために、ソノトロードの間隙から出た後のシールされたウェブに軽い圧迫を加えるよう構成された１つ以上の固着ローラを更に備えるのが適当である。このローラは、特に、飲料用の小袋の内部で用いられるフィルタ材料等の不織材料に対して、溶接の均質性及び強度を向上させる利点を有する。固着ローラは、通常、回転アンビルと同軸である。圧迫は、固着ローラの外面と回転アンビルの隆起部の１つとの間に加えられるのが一般的である。固着ローラは、ソノトロードの間隙のできるだけ近くに位置するのが好ましい。ウェブに順次圧迫を加えるために、２つ以上の固着ローラが回転アンビルの周方向に離間され得る。
本発明によるソノトロード／アンビル構成の模式的側面図。 図１のアセンブリのソノトロードの端面及び回転アンビルの模式的平面図。 従来技術によるソノトロード端面を示す図２と類似の図。 図３に示される従来技術によるソノトロードヘッドを用いたシールについての時間に対するエネルギー伝達のグラフ。 図１及び図２に示される本発明によるソノトロードヘッドを用いたシールについての時間に対するエネルギー伝達のグラフ。
次に、添付の図面を参照し、本発明の実施形態を純粋に例として詳細に説明する。
図１を参照すると、本装置は、ソノトロードアセンブリ１０と回転アンビル２４とを有する。ソノトロードアセンブリ１０は、ソノトロードヘッド１８に結合された１つ又は複数のブースター１１に結合された超音波アクチュエータ１２を有する。ソノトロードヘッド１８は、回転アンビル２４に面した、細長い、形状がついたシール端面１６を有する。アンビル２４は、４つの隆起部２２が設けられたローラを有する。４つの隆起部２２は、略一定の幅（アンビル円周に沿って測定される）及び高さ（ローラの中心から半径方向に測定される）を有し、アンビルの外面に沿ってアンビルの回転軸２８に対して平行に延在する。図示されている構成では、ソノトロード端面１６とローラアンビルの各隆起部２２の外面との間に断続的にシール間隙１７が画成されることがわかる。
端面１６は、ソノトロードとアンビル２４との間にシール間隙１７を設ける形状を有する。ソノトロードの端面１６は、シール間隙１７が先細りになるような形状を有し、これにより、シールされるべきウェブが入るエッジ１９では比較的広く、シールされたウェブがシール間隙から出るエッジ１６での比較的狭い間隙に向かって先細りになっている。
上述の先細り形状に加えて、ソノトロードアセンブリの端面１６は、図２に示されるように、螺旋形の形状を有する。従来技術のシール装置とは異なり、ソノトロードの細長い端面１６はローラ２４の軸に平行に、直線状に延びるのではない。その代わりに、細長い端面はシールローラの周りで僅かに湾曲しており、ローラの軸２８と一致する軸を有する螺旋形の経路を辿り、細長い端面の第１の端部３２と細長い端面の第２の端部３４とは、ローラに対してそれぞれ異なる周方向の位置にある。この第２の端部の周方向の変位の程度は、端面の幅の約２倍である。
使用中は、回転アンビル２４は、その中心軸２８回りに回転し、それにより、４つの隆起部２２が、ソノトロード１０の端面１６に近接した位置で端面１６を通過するように回転する。従って、各隆起部２２は、間隙１７を通過するシート材料ウェブを共にソノトロード１０の端面１６に押し付けることにより、断続的に圧迫面を構成する。そして、ソノトロード１０が（通常はその軸１５に沿って）超音波で振動し、目的に対して十分な出力及び振幅を有しており、材料ウェブが与えられ、ローラの回転速度が速すぎない場合には、間隙１７においてウェブどうしが溶接される。この図示されている実施形態では、ローラ２４は２つの矢印２６で示されるように反時計回りに回転する。
隆起部２２及び回転ローラ２４は、ウェブがローラ２４の外面と同じ速度でこの外面と位置決めされて間隙１７を通過するように、溶接装置内に配置される。この目的で、ローラ２４はウェブを前方に駆動してもよい。しかし、ローラ２４は単にウェブに追従し、ウェブに対しては別個のウェブ駆動手段（図示せず）が設けられるのがより好ましい。このような駆動手段としては、例えば国際公開第２００４／０００６５６号パンフレットのものが知られている。
この構成では、端面１６は、ウェブを断続的に、即ち、ウェブがローラアンビル２４の隆起部２２によって端面１６に対して圧迫されている時にのみ、溶接する。従って、溶接箇所はウェブの長さに沿って断続的に離間される。
図示されている実施形態では、ソノトロードの端面１６は、回転アンビルの隆起部２２よりも狭い周方向の弧の範囲内にある。しかし、より広い端面１６又はより狭い隆起部を設けるように変更してもよい。
ソノトロード１０のシール端面１６は、回転アンビル２４の全幅にわたって延在し、従って、シールされるべきウェブの全幅にわたって延在する。ローラ上の隆起部２２がシール面１６を通過するように回転すると、端面１６の第１の端部３２でシールが開始し、ウェブが間隙１７を通って更に進むと、端面の第２の端部３４でシールが終わることがわかる。ウェブ供給速度とローラ回転速度とを適切に同期させれば、ウェブの横断方向に略直線状に延びるシールが得られる。
従って、ソノトロードのシール端面１６の螺旋形の形状は、ウェブの全幅にわたって溶接を行うのにかかる時間を長くし、所与の瞬間のシールエネルギーを、ウェブの全幅ではなくウェブの小さい領域に集中する。図示されている実施形態では、所与の回転速度に対する総シール時間が、図２の従来技術の構成と比べて約３倍に延びていることがわかる。このことは、図２に示されるように、端部３２、３４がローラ２４の中心軸２８に対してオフセットされていることからわかる。
従って、本発明では、先細りの間隙１７及び端面１６の螺旋形の配向の結果、時間に対するウェブに送出されるシールエネルギーのグラフである図５に示されるように、ソノトロードの負荷プロファイルが滑らかになる。
溶接が形成される際、ウェブの材料は収縮する傾向があるので、シール間隙１７の先細りの構成により、隆起部２２とソノトロード１０の端面１６との接触時間が増加する。従って、この先細りの構成により、完全で信頼性の高い溶接の達成が更に確実になる。
この実施形態では、ソノトロードのシール端面１６の幅１９は、端面１６がローラ２４の周方向の約１０°の弧の周囲の範囲内にあるように設定される。しかし、所望であれば、端面１６は、ローラのより広い又はより狭い弧をカバーするように、より広くても又はより狭くてもよい。これにより、例えば異なる材料に対する必要に応じて、溶接時間を増減できる。同様に、（例えば、間隙１７を通るウェブの移動速度を増減することによって）ローラの回転速度を変えても同じ効果を得ることができる。
この実施形態による装置は、固着ローラ２７を更に備える。固着ローラ２７は、冷却中のウェブの層間の溶着を補助するために、ソノトロードの間隙から出た後のシールされたウェブに、軽い圧迫を加えるよう構成されている。
図３は、図１の回転アンビルと類似の隆起部３４を有する回転アンビル３２の横断方向に直線状に延びるソノトロードのシール端面３０を有する比較例の装置を示す、図２と類似の図である。この装置は図１の装置と類似の動作をするが、アンビルの所与の回転速度に対するシール領域３４とソノトロードヘッド３０との総接触時間は、図１及び図２の本発明の実施形態よりも減っており、ソノトロードによって供給されるシールエネルギーは、シール面３０の全長に沿って配分されることが容易にわかる。よって、シールの単位長さ当たりのシールエネルギーは少なくなる。実際には、ソノトロードのアクチュエータのパワー出力には限度があるので、図３の装置で十分なシールを達成するには、アンビルの回転速度を落とさなければならない。図４は、図３に示されるタイプの装置の、時間に対する送出されるシールエネルギーのグラフである。
上述の実施形態は、純粋に例として記載したものである。添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内において、詳細の変更がなされ得ることを留意されたい。
１０ ソノトロードアセンブリ
１２ アクチュエータ
１６ シール端面
１７ シール間隙
１８ ソノトロードヘッド
２２ 隆起部
２４ アンビル（ローラ）
３２ 第１の端部
３４ 第２の端部

Claims (10)

  1. ２枚以上のシート材料ウェブが装置のシール間隙を通過する際に、該シート材料ウェブ間の横断方向に少なくとも部分的に該シート材料ウェブ間に超音波溶接を形成する装置であって、
    前記シール間隙内の前記ウェブに超音波エネルギーを送出するための細長いシール端面に結合された超音波アクチュエータを有するソノトロードと、
    回転する円柱形のアンビルであって、該アンビルの外面に沿って長手方向に延在し半径方向の外面を有する少なくとも１つの隆起部を有し、該隆起部が前記ソノトロードの前記端面を通過するように回転する際に、前記ソノトロードの前記端面と前記アンビルの前記隆起部の前記半径方向の外面との間に前記シール間隙が断続的に画成されるアンビルと、
    を備える装置において、
    前記ソノトロードの前記細長いシール端面が略螺旋形の面を有し、前記円柱形のアンビルの前記隆起部が前記ソノトロードの前記端面を通過するように回転する際に、前記シール間隙が前記略螺旋形の面に沿って螺旋形に移動することを特徴とする装置。
  2. 前記シール間隙の前記螺旋形の移動により、前記移動するウェブの横断方向に、該ウェブの移動方向に対して垂直な略直線状のシールが生じる速度で、シールされるべき前記ウェブを、前記シール間隙を通して供給するウェブ供給機構を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 前記ソノトロードの前記端面及び／又は前記円柱形のアンビルの前記隆起部の幅が、その長さに沿って一定ではなく、それにより長さに沿って変化する幅を有するシールを形成可能であることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
  4. 前記シール間隙が前記ウェブの移動方向に先細りになり、前記間隙が、該間隙に入る前記ウェブの入口の地点ではより広く、前記ウェブの出口の地点ではより狭くなるよう、前記ソノトロードの前記端面及び／又は前記アンビルの前記隆起部が構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
  5. 前記アンビルの回転軸から測定された前記ソノトロードの前記端面の高さ及び／又は前記回転するアンビルの前記隆起部の高さが、その長さに沿って一定ではなく、それにより、幅に沿って変化する厚さを有するウェブにシールを形成可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記シール端面の第１の端部が前記シール端面の第２の端部から、該シール端面の周方向の幅の約１〜約５倍の距離だけ周方向に変位されるように、前記ソノトロードの前記螺旋形のシール端面のピッチが設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 複数の前記隆起部が、前記回転するアンビルの周方向に離間されることを特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 冷却中の前記ウェブの層間の溶着を補助するために、前記ソノトロードの前記間隙から出た後のシールされた前記ウェブに圧迫を加えるよう構成された１つ以上の固着ローラを更に備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
  9. シート材料の第１のウェブをシート材料の第２のウェブに溶接する方法であって、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波溶接装置を設ける工程と、
    シールされるべき前記ウェブを、前記アンビルと前記ソノトロードの前記シール端面との間の前記間隙を通して、前記アンビルの回転軸に対して略垂直な方向に供給する間に、前記アンビルを回転させる工程と、
    前記ウェブに、該ウェブの移動方向に対して略横断方向のシールを形成するために、前記ソノトロードを作動させる工程と
    を備え、
    前記アンビルの回転速度及び前記ウェブの供給速度が、前記ウェブに所定の間隔で前記横断方向のシールを生じるよう選択されることを特徴とする方法。
  10. 前記シール間隙の前記螺旋形の移動により、前記移動するウェブの横断方向に、該ウェブの移動方向に対して垂直な略直線状のシールが生じる速度で、シールされるべき前記ウェブが前記シール間隙を通して供給されることを特徴とする請求項９記載の方法。
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