JP2018043758A - アンビル及び超音波シール装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】一対のホーンを使用した超音波シール技術において、アンビルの形状を工夫することで、シール部のシール性を向上させることを目的とする。【解決手段】一対のホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の先端面に形成された当接面とで積層体を接合する超音波シール装置における上記アンビル４である。当接面には、ホーン３側に突出し２つの振動付与面３ａとそれぞれ対向し当該振動付与面３ａの延在方向に沿って配設された左右の溶着面１０ａを有する。左右の溶着面１０ａは、それぞれ上記延在方向に沿った単位長さ当たりの面積が、２つの振動付与面３ａの隣接側であるシール中央側から離れるほど、連続的若しくは段階的に大きくなるように設定されている。【選択図】 図４

Description

本発明は、２以上のシート体が重ね合わされた積層体を帯状のシール位置で接合するための超音波シール装置に関する技術であって、特に、液体や固形物などを収容する紙容器を構成する、筒状にした積層包材を横断的に封止（超音波シール）するのに好適な技術に関する。
液体用紙容器は、果実飲料、お茶、コーヒー、乳飲料、スープ等の液体飲料、日本酒、焼酎等の酒類を収容する簡便な容器として広く用いられている。この液体用紙容器には、屋根型やレンガ型、あるいは円筒型などの形状の容器がある。
例えば、レンガ型形状の容器は、紙層の表裏面に熱可塑性樹脂層を有する包材に、容器用罫線を施し、包材の端部にエッジプロテクトテープを貼り、この包材を筒状に成形して当該包材端部同士を重ねて貼ることで、筒状形状の包材とする。そして、この筒状の包材の下端部を横断方向に接合して下端部をシール（封止）し、その後、筒状の包材の中に内容物を充填した状態で容器の口となる位置（上端部側）を横断方向に液中シールして仕切った後、立体形状に成形することで最終形態の容器形状とする。
上記筒状の包材に対する横断方向へのシールは、たとえば特許文献１に記載のような超音波シール装置にて実施される。
すなわち、超音波シール装置によるシールは、容器のシール位置を、対向するホーンの先端面とアンビルの先端面とで押圧しホーンを超音波振動させることで、包材界面（重なり合うシート体同士の接触面位置）で発生する熱により包材表面に存在する熱可塑性樹脂を溶融させてシールする。特に、液体容器のシール状態は重要であり、上記のシールには内容物の保護、運搬・落下衝撃に耐えうる強度が必要とされる。
また、シール長さが長い場合等にあっては、特許文献２に記載の図１０のように、並列した一対のホーン（変換器ヘッド）を使用してシール長さを稼ぐ。このとき一対のホーン間の間隙位置に、筒状にした包材端部の貼合わせ部分が位置すると、当該貼り合わせ部分が相対的に厚くなる。このため、特許文献２の技術では、アンビルにおける上記一対のホーンの間の間隙に対応する位置に凹み部分を設けている。
特許第４０９３７７５号公報 特許第３９０４６７５号公報（図１０）
並列した一対のホーンを備えた超音波シール装置を使用した場合、特許文献２のようにアンビルに対し凹み部分を設けたとしても、相対的に厚くなっている上記の貼合わせ部分を支点として、一対のホーンが左右に傾いてハの字の状態（図８参照）となる傾向にある。ここで、シール面圧は均等であることが好ましいが、一対のホーンがハの字状に傾いた場合、超音波溶着される筒状の包材の被溶着部（シール部）の両端部が過剰に加圧された状態で超音波溶着がなされるため、当該両端部では、溶融した熱可塑性樹脂が必要以上に押し出されて、溶着状態が弱くなる恐れがある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、一対のホーンを使用した超音波シール技術において、アンビルの形状を工夫することで、シール部のシール性を向上させることを目的としている。
課題を解決するために、本発明の一態様は、それぞれ先端面に帯状の振動付与面が形成された一対のホーンが上記振動付与面の延在方向に沿って並ぶように設けられ、上記一対のホーンの振動付与面とアンビルの先端面に形成された当接面の溶着面部とで、熱可塑性樹脂層を有する２以上のシート体が重ね合わされた積層体を挟み込み、上記各振動付与面に伝達された超音波振動で上記シート体に設けられた熱可塑性樹脂を溶融することで当該積層体を接合する超音波シール装置における上記アンビルであって、
上記溶着面部は、上記ホーン側に突出し上記一対のホーンに形成された各振動付与面とそれぞれ対向し当該振動付与面の延在方向に沿って配設された左右の溶着面を有し、上記左右の溶着面は、それぞれ上記延在方向に沿った単位長さ当たりの面積が、上記一対のホーンの振動付与面の隣接側であるシール中央側から離れるほど、連続的若しくは段階的に大きくなるように設定されていることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、相対的に厚くなっているシール中央側の貼合わせ部分を支点として、一対のホーンがハの字状に傾いたとしても、シール部の両端部側での面圧の上昇が従来より抑制されて、両端部で溶融された熱可塑性樹脂の押し出され量が低減する。この結果、シール性が向上する。
本発明に基づく実施形態に係る超音波シール装置を説明するための模式的側面図である。 本発明に基づく実施形態に係る一対のホーンとアンビルとの関係を示す模式図である。 ホーン及びアンビルの先端部形状を説明するための図１の部分的拡大図である。 左右の溶着面とブロック体の列を説明する平面的模式図である。 包材の層構造を説明する図である。 筒状包材を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 左右の溶着面の他のシール形状を説明する平面的模式図である。 シール時のホーンの姿勢とそのときのシール面圧分布の例を説明する図であって、（ａ）は一対のホーンのハの字状態を、（ｂ）はシール方向に沿った面圧分布の例を示す図である。 左右の溶着面の他のシール形状を説明する平面的模式図である。 左右の溶着面の他のシール形状を説明する平面的模式図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
超音波シール装置１は、模式図である図１に示すように、超音波発振器９と、超音波振動子であるコンバータ２と、一対のホーン３（図１では１つのホーン３のみ図示）と、アンビル４とを有する。符号５は、アンビル４を支持するジョーを示す。符号６は、一対のホーン３をともに保護するホーンカバーを示す。
コンバータ２は、超音波発振器９から電力が供給されて超音波振動を発生し、発生した振動を一対のホーン３にそれぞれ伝達し、そのホーン３の先端部が超音波振動する。
一対のホーン３は、図２に示すように、所定間隙（例えば１ｍｍの間隙）を開けてシール方向に沿って並ぶように配列した状態で、１つのコンバータ２に支持されている。それぞれ個別のコンバータに支持する構成でも良い。このとき、一対のホーン３は、それぞれ縦方向の振幅が０（ゼロ）になるノーダルポイントの位置でＯリング４０を介して支持される。
本実施形態は、同時に上下２条のシールを行う場合の例である。すなわち、先行の紙容器の上端開口部と後続の紙容器となる部分の下端部とを同時にシールする場合の例である。このため、各ホーン３の先端部は二股に分岐しその２つの先端面で、図３に示すように、２条の振動付与面３ａが形成される。各振動付与面３ａは、帯状（若しくは短冊状）の形状をしており、２条の振動付与面３ａは互いに平行に延在する。なお、２条の振動付与面３ａは、図１では、紙面直交方向に延在している。つまり、図１では、一対のホーン３も、紙面直交方向に並んで配設されている。また、２条の振動付与面３ａの間には溝３ｂが形成されている。
アンビル４の先端面は、ホーン３側を向いた当接面４Ａを構成する。その当接面４Ａに形成された溶着面部１０と、ホーン３の先端面に形成された振動付与面３ａとで、２以上のシート体が重ね合わされてなる積層体を厚さ方向から所定の荷重で挟み込み可能となっている。
すなわち、当接面４Ａには、各振動付与面３ａに向けてそれぞれ突出する２条の溶着面部１０が形成されている。その各溶着面部１０はそれぞれ、重ね合わされたシート体を挟んで、振動付与面３ａと対向する。
本実施形態では、拡大模式図である図３に示すように、各溶着面部１０の幅（積層体を介して振動付与面３ａと対向する幅）は、振動付与面３ａの幅よりも短く設定されている。
また、帯状の溶着面部１０の側方には、複数のブロック体１１の列を有する。その複数のブロック体１１の列は、溶着面部１０の延在方向と同方向に沿って並び、隣り合うブロック体１１が互いに非接触の状態となっている。
複数のブロック体１１は、各溶着面部１０の両側にそれぞれ存在していても良いが、本実施形態では、複数のブロック体１１の列を、２条の溶着面部１０を間に挟んだ両側に配置する場合を例示している。その各ブロック体１１は、その高さが溶着面部１０の高さ未満か、ブロック体１１の頂面が溶着面部１０の先端面と面一となるように設定されている。
図３では、ブロック体１１の突出方向（ホーン３とアンビル４による挟持方向）から見て、静止状態の振動付与面３ａとブロック体１１とが重ならない場合を例示しているが、静止状態の振動付与面３ａとブロック体１１とが重なる場合には、各ブロック体１１の高さは溶着面部１０の高さ未満であることが好ましい。
各複数のブロック体１１は、図４に示すように、溶着面部１０の延在方向に沿って配列するように設定されている。
ここで、容器を形成する包材３０（シート体）は、例えば図５に示すように、紙からなる基材層３０ａの表面側に外装用樹脂層３０ｂが形成され、また、基材層３０ａの裏面側には、樹脂フィルム３０ｃ、バリア層３０ｄ、及び内装用樹脂層３０ｅがこの順に形成されている。外装用樹脂層３０ｂ、樹脂フィルム３０ｃ、内装用樹脂層３０ｅを構成する樹脂としては、ポリエチレン樹脂を例示出来るが、これに限定されるものではない。ただし少なくとも内装用樹脂層３０ｅは、熱可塑性樹脂から構成される。バリア層３０ｄは、樹脂フィルム３０ｃに蒸着した蒸着膜やアルミ薄板などから構成されて、収容する内容物に応じたバリア性を容器に担保する。
このような包材３０を、内装用樹脂層３０ｅ側を内側に向けて、図６に示すように、端部同士を重ねた筒状包材３１に成形する。この筒状包材３１は、長尺状の筒形状となる。このとき、上記の筒状包材３１を形成する際に重ねた、包材３０の端部３１ａと端部３１ｂとの重なった貼合わせ部分を重なり部分Ｒと記載する。その重なり部分Ｒは、長尺状の筒状包材３１の軸方向に沿って延びている。
その重なり部分Ｒには、図６（ｂ）に示すように、エッジプロテクションテープ３２が貼り付けられている。エッジプロテクションテープ３２は、筒状包材３１の内面側に貼り付けられている。
ここで、少なくともシールするときには、筒状包材３１は、図６（ｂ）のように、扁平に潰された形状となっていて、図６（ｂ）における紙面上下方向から、ホーン３とアンビル４で押圧することで、シール位置では、シート体を構成する包材３０Ａ、３０Ｂが２層重なり合った積層体の状態となる。但し、上記の重なり部分Ｒでは、エッジプロテクションテープ３２を含めると、シート体が４層重なり合った状態となっている。
このように、重なり部分Ｒでは積層数が多いことから、図４に示すように、その重なり分に当接する溶着面部１０の長手方向中央側部分に、その積層に応じた凹部１０ｂが形成されている。
その凹部１０ｂがシール中央部分となる。そして、２条の溶着面部１０はそれぞれ、シール中央側である凹部１０ｂから、左右に延在するように配設した左右の溶着面１０ａを有する。左右の溶着面１０ａは、それぞれ上記延在方向に沿った単位長さ当たりの面積が、凹部１０ｂ側（２つの振動付与面３ａの隣接側であるシール中央側）から離れるほど、連続的若しくは段階的に大きくなるように設定されている。
例えば、左右の溶着面１０ａのシール面形状はそれぞれ、上記シール中央側から離れるにつれて連続的若しくは段階的に幅が広くなる形状となっている。
本実施形態では、図４では、左右の溶着面１０ａのシール面形状はそれぞれ、上記シール中央側から離れるにつれて連続して大きくなる台形形状となっている場合を例示している。図７に示すように、階段状に幅が広くなるようになっていても良いし、幅方向両側のプロフィールも直線状に限定されず、幅が連続的に広くなる曲線状のプロフィールであっても良い。
ただし、外側のブロック体１１の列との間隙は一定となっていることが好ましいことから、本実施形態では、内側のプロフィールだけを傾けることで、シール中央側から離れるにつれて連続して大きくなる台形形状に設定している。片側だけを傾斜させることで溶接面１０ａの設計が容易である。これによって、各溶着面１０ａのシール面形状は、複数のブロック体１１側のプロフィール１０ｘが、当該隣り合う複数のブロック体１１の列との距離が等間隔となるような直線に設計されている。
また、上記説明では、図４のように、ブロック体１１の溶着面部１０からの離間距離が一様に等しい場合を例示しているがこれに限定されない。例えば、重なり部分Ｒでは、シールする際に発生する熱可塑性樹脂の溶融量が相対的に多くなる傾向にあるため、この位置では、ブロック体１１の溶着面部１０からの離間距離を他の位置の離間距離Ａに比べて広く設定することが好ましい。
また隣り合うブロック体１１間の間隙は、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定する。
間隙が０．１ｍｍ未満では、シート体間に、空気が抜けるだけの隙間が形成されがたくなり、一方間隙が２ｍｍを超えると、溶融した樹脂が外方に移動するおそれがあるためである。
また、２条の溶着面部１０の間には、図１及び図４のように、断裁刃７が進退するナイフスリット１５を構成する溝が配置されている。断裁刃７は、ホーン３側に向けて進退可能に設けられ、２条のシール位置の間を切断して先行と後続の紙容器を分離するために使用される。
（動作その他）
図１は、先に容器下端部が封止され、内部に液体を充填されたレンガ型液体用紙容器の口（上端部）をシールすると同時に次の容器の下端部をシールする前の状態を示している。
この図１の状態から、一対のホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の当接面４Ａとで筒状包材３１を両側から所定の荷重で挟み込んで、筒状包材３１を潰してシート体を積層した積層体の状態とし、ホーン３の振動付与面３ａを超音波振動させることで、内装用樹脂層３０ｅを溶融して紙面直交方向に２条のシール位置をシールする。
このとき、シール中央部に積層数が多い重なり部分Ｒが配置された状態で、一対のホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の溶着面部１０とによって所定の加圧で挟み込む事になるため、相対的にシール中央部側の荷重が大きくなる。このとき、一対のホーン３は、Ｏリング４０を介して支持されているため、そのＯリング４０の弾性変形によって、重なり部分Ｒを支点として、図８（ａ）のように、一対のホーン３の姿勢が、コンバータ２側が互いに離れるように左右へハの字状に傾く。これによって、シール両端部での荷重が相対的に大きくなる。しかし、左右の溶着面１０ａは、シール端部に向かうほど単位長さ当たりの面積が大きくなっていることから、圧力（：力÷面積）がその分低減することが可能となる。
図８（ｂ）に、左右の溶着面１０ａの幅が長さ方向に一定の場合（実線）と、本願のように左右の溶着面１０ａの幅がシール端部で２倍に設定した場合（一点鎖線）とで、一対のホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の当接面４Ａとで挟み込んだときの、圧力分布の状態の例を示す。この図８（ｂ）から分かるように、本願発明を採用することで、圧力分布が実線から一点鎖線の状態に変化して、シール端部側の加圧による面圧が約半分程度に低減することが分かる。
これによって、本実施形態では、シール長手方向に沿った面圧が均一に近づき、本実施形態のシール性が向上する。
なお、シールが完了したら、断裁刃７を突出させて２条のシール位置の間を分断する。これによって現在の容器の封止が完了すると共に、上側に位置する次の容器の下端部がシールされる。
また、ホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の当接面４Ａとで筒状包材３１を両側から押圧すると、アンビル４側の包材３０Ｂ部分は、そのアンビル４の当接面４Ａに沿った形状に変形し、振動付与面３ａと溶着面部１０との間のシール位置では、重なり合った２枚の包材３０Ａ、３０Ｂは密着状態となるが、その側方にシール位置に沿った帯状の空隙部Ｓが形成される。この空隙部Ｓの断面形状は、ブロック体１１の溶着面部１０からの離間距離やブロック体１１の高さで規定される。
このとき、複数のブロック体１１間に間隙が存在することから、上記帯状の空隙部Ｓは密封空間状態とはならず、ブロック体１１間の位置で外方に抜ける間隙が２枚の包材３０間に形成されやすくなる。
このような状態で、ホーン３の振動付与面３ａを超音波振動させると、振動付与面３ａと溶着面部１０の間に位置する熱可塑性樹脂が溶融することで、振動付与面３ａと溶着面部１０の間に位置するシール位置で積層した筒状包材３１がシール（封止）される。
このとき、振動付与面３ａと溶着面部１０との間に位置する熱可塑性樹脂が過剰の場合には、溶融した熱可塑性樹脂の一部がシール位置から側方に所定の圧を持って押し出される。
この押し出された熱可塑性樹脂は、上記帯状の空隙部Ｓに流れ込むが、複数のブロック体１１の列によってそれ以上外側に移動することが抑制される。すなわち、押し出された熱可塑性樹脂の移動は複数のブロック体１１の列によって堰き止められる。
またこのとき、溶融した熱可塑性樹脂が所定の圧で空隙部Ｓに向けて流れ込むわけであるが、上記空隙部Ｓに存在した空気はブロック体１１間の間隙から外方に抜けることで圧抜きが行われることから、上記空隙部Ｓに移動した溶融状態の熱可塑性樹脂に対する空気の混入が抑制される。すなわち、溶融樹脂塊への空気の混入による溶融樹脂塊の崩れが防止される。
また、溶融樹脂塊の形状を上記空隙部Ｓに沿った形状にすることが出来る。すなわち、熱可塑性樹脂の形状不良を防止することが可能となる。
このように一列に並ぶ複数のブロック体１１によって、はみ出た熱可塑性樹脂による樹脂塊の厚さと幅を制御可能となることから、過剰に熱可塑性樹脂が溶融された場合であっても、不定形な剥がれ易い溶融樹脂塊の形成を抑止することが出来る。
このとき、本実施形態では、左右の溶着面１０ａの台形形状は、アンビル４の外側（紙容器側）とナイフスリットのある断裁側とで形状が異なり、台形形状の紙容器側はナイフスリット１５と平行な直線であり、断裁側は、角度を有する直線である。これは、アンビル４の外側（紙容器側）には、溶融された熱可塑性樹脂が押し出されたときに、収容する内容物へ過剰な樹脂が導かれないように施すブロックなどを配置するためである。
ここで、上記説明では、帯状からなる左右の溶着面１０ａの幅を、凹部１０ｂから離れるほど連続的に若しくは段階的に大きくなる場合を例示した。本発明に基づく実施形態は、これに限定されない。例えば、左右の溶着面１０ａとして、従来と同様な同幅の帯状の溶着面本体１０ｄと、その溶着面本体１０ｄと分離して別に配置され、溶着面本体１０ｄの側方に沿って配設された溶着面補助部１０ｅとから構成し、その溶着面補助部１０ｅの面積によって、上記各溶着面１０ａは、延在方向に沿った単位長さ当たりの面積が、上記シール中央側から離れるほど、連続的若しくは段階的に大きくなるように設定しても良い。溶着面本体１０ｄと溶着面補助部１０ｅの高さは等しい高さとする。上記の例を図９に示す。図９は単位長さ当たりの面積が段階的に大きくなる例である。
図９は、左右の溶着面１０ａのうちの端部側にそれぞれ帯状の溶着面補助部１０ｅを配置した例である。溶着面補助部１０ｅを設ける補助部形成位置の領域Ｇは、例えば、対応する溶着面本体１０ｄの外端から、対応する溶着面本体１０ｄにおける延在方向の長さの２／３の範囲の部分の側方位置の領域とする。溶着面補助部１０ｅを設ける位置は、領域Ｇ内であれば溶着面本体１０ｄの端部側に寄せて設定、例えば端部から長手方向１／３の範囲に設定してもよい。
溶着面補助部１０ｅは、溶着面本体１０ｄに対しナイフスリット１５側に配置することが好ましい。帯状の溶着面補助部１０ｅの幅は、長手方向に沿って同幅でも良いし、シール端部側幅広となるように設定しても良い。また、溶着面補助部１０ｅは、図１０のように、補助部形成位置の領域Ｇの領域内で溶着面本体１０ｄに沿って並ぶ、１又は２以上の凸部１０ｆから構成しても良い。すなわち、溶着面補助部１０ｅは必ずしも連続していなくても良い。図１０は、単位長さ当たりの面積が段階的に大きくなる場合の例である。
１ 超音波シール装置
２ コンバータ
３ ホーン
３ａ 振動付与面
４ アンビル
４Ａ 当接面
５ ジョー
６ ホーンカバー
７ 断裁刃
９ 超音波発振器
１０ 溶着面部
１０ａ 左右の溶着面
１０ｂ 凹部
１０ｄ 溶着面本体
１０ｅ 溶着面補助部
１０ｆ 凸部
１１ ブロック体
１５ ナイフスリット
３０ 包材
３１ 筒状包材

Claims (5)

  1. それぞれ先端面に帯状の振動付与面が形成された一対のホーンが上記振動付与面の延在方向に沿って並ぶように設けられ、上記一対のホーンの振動付与面とアンビルの先端面に形成された当接面の溶着面部とで、熱可塑性樹脂層を有する２以上のシート体が重ね合わされた積層体を挟み込み、上記各振動付与面に伝達された超音波振動で上記シート体に設けられた熱可塑性樹脂を溶融することで当該積層体を接合する超音波シール装置における上記アンビルであって、
    上記溶着面部は、上記ホーン側に突出し上記一対のホーンに形成された各振動付与面とそれぞれ対向し当該振動付与面の延在方向に沿って配設された左右の溶着面を有し、
    上記左右の溶着面は、それぞれ上記延在方向に沿った単位長さ当たりの面積が、上記一対のホーンの振動付与面の隣接側であるシール中央側から離れるほど、連続的若しくは段階的に大きくなるように設定されていることを特徴とするアンビル。
  2. 上記左右の溶着面はそれぞれ、上記シール中央側から離れるにつれて連続的若しくは段階的に幅が広くなる形状となっていることを特徴とする請求項１に記載したアンビル。
  3. 上記一対のホーンの先端面にはそれぞれ、所定間隔を開けて並列した２条の振動付与面を有し、アンビルの先端面にも、上記２条の振動付与面に対応して２条の溶着面部を有する超音波装置における上記アンビルであって、
    上記当接面には、上記２条の溶着面部を間に挟んだ両側にそれぞれ上記溶着面部の延在方向と同方向に沿って並び互いに非接触の複数のブロック体の列を有し、上記複数のブロック体の高さは、上記溶着面の高さ以下であり、
    上記左右の各溶着面のシール面形状は、上記複数のブロック体側のプロフィールが、当該隣り合う複数のブロック体の列との距離が等間隔となるように設計されていることを特徴とする請求項２に記載したアンビル。
  4. 上記左右の溶着面は、帯状の溶着面本体と、その溶着面本体と分離して配置され、溶着面本体の側方に沿って配設された溶着面補助部とから構成され、その溶着面補助部の面積によって、上記各溶着面は、延在方向に沿った単位長さ当たりの面積が、上記シール中央側から離れるほど、連続的若しくは段階的に大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載したアンビル。
  5. 内部に液体若しくは固形物を収容する容器の口を溶着により封止する超音波シール装置であって、
    請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したアンビルを有することを特徴とする超音波シール装置。
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