JP2019006060A - 超音波溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着の際にシート部材が軸方向に弛むことを抑制する。【解決手段】超音波溶着装置は、アンビル２と、超音波振動部とを備える。アンビル２は、中心軸を中心とする円筒状の外周面２１を有し、中心軸を中心として回転する。超音波振動部は、アンビル２の外周面２１と対向するヘッド３１を有し、ヘッド３１と外周面２１との間を通過する複数のシート部材９を溶着する。アンビル２の外周面２１に複数の突起部２２が設けられ、各突起部２２に吸引孔２３が形成される。各吸引孔２３の周囲に位置する突起部２２の各部位を、凸部として捉えた場合、各吸引孔２３に対して、周方向の両側に２つの凸部がそれぞれ隣接して配置される。これにより、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことを抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波溶着装置に関する。

従来、シート部材の溶着に超音波溶着装置が用いられている。例えば、特許文献１の溶接ユニットは、アンビルローラーと、アンビルローラーと協同する超音波溶接ヘッドとを備える。アンビルローラーにおける円筒状の接触面には、複数の吸引部が周方向に間隔を空けて設けられる。各吸引部には、複数の吸引孔および複数の突出歯が設けられる。複数の吸引孔および複数の突出歯は、軸に平行な各列において交互に配置される。また、周方向に並ぶ複数の列において、軸方向における吸引孔の位置が互いに同じであり、突出歯の位置も互いに同じである。

特開２０１６−１２０２７５号公報

ところで、特許文献１のアンビルでは、突出歯の頂部と中心軸との間の距離が、吸引孔の縁部と中心軸との間の距離よりも大きく、突出歯の頂部と吸引孔の縁部との間に高低差が生じる。既述のように、周方向に並ぶ複数の列において、軸方向における突出歯の位置が互いに同じであるため、突出歯が周方向に連続して並ぶ。同様に、当該複数の列において、軸方向における吸引孔の位置も互いに同じであるため、吸引孔が周方向に連続して並ぶ。また、溶着の際には、アンビルの外周面上のシート部材に対して長手方向の張力は作用するが、長手方向に垂直な軸方向（シート部材の幅方向）には、ほとんど張力が作用しない。したがって、軸方向における吸引孔の位置にてシート部材の部位がアンビル側に窪み、かつ、軸方向における突出歯の位置にてシート部材の部位がヘッド側に突き出た状態、すなわち、シート部材が軸方向に弛んだ状態となる。このような状態で溶着が行われると、複数のシート部材における弛み具合の相違等により、溶着済みのシート部材において大きな皺が生じることがある。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、溶着の際にシート部材が軸方向に弛むことを抑制することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、超音波溶着装置であって、中心軸を中心とする円筒状の外周面を有し、前記中心軸を中心として回転するアンビルと、前記アンビルの前記外周面と対向するヘッドを有し、前記ヘッドと前記外周面との間を通過する複数のシート部材を溶着する超音波振動部とを備え、前記アンビルが、前記外周面に設けられ、溶着の際に前記複数のシート部材を介して前記ヘッドと接する複数の凸部と、前記外周面において前記複数の凸部の間に設けられ、溶着の際にシート部材を保持する複数の吸引孔とを備え、各吸引孔に対して、周方向の両側に２つの凸部がそれぞれ隣接して配置される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波溶着装置であって、前記アンビルの前記外周面を平面に展開した場合に、前記各吸引孔の位置にて前記周方向に対応する方向に延びる直線を、前記位置を中心として前記中心軸に対応する方向の両側に３０度だけ回転した範囲が、前記各吸引孔に対する前記２つの凸部の少なくとも一部と重なる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の超音波溶着装置であって、前記各吸引孔と前記各吸引孔に対する前記２つの凸部のそれぞれとの間の隙間の幅が、前記各吸引孔と前記各吸引孔に隣接する他の吸引孔との間の隙間の幅以下である。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超音波溶着装置であって、前記アンビルの前記外周面に複数の突起部が設けられ、前記各吸引孔が突起部に形成される。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の超音波溶着装置であって、前記各吸引孔が、前記突起部の先端面にて開口し、前記各吸引孔に対する前記２つの凸部が前記突起部の部位である。

本発明によれば、溶着の際にシート部材が中心軸の方向に弛むことを抑制することができる。

超音波溶着装置の構成を示す図である。 アンビルを示す図である。 突起部を拡大して示す図である。 比較例のアンビルを示す図である。 比較例のアンビル上のシート部材を示す図である。 突起部の他の例を示す図である。 アンビルの他の例を示す図である。 突起部の他の例を示す図である。 アンビルの他の例を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る超音波溶着装置１の構成を示す図である。超音波溶着装置１は、例えば、不織布を含む複数のシート部材９を互いに超音波溶着する装置であり、吸収性物品の製造に用いられる。

超音波溶着装置１は、アンビル（アンビルロールとも呼ばれる。）２と、超音波振動部３と、複数の案内ローラ４とを備える。アンビル２は、中心軸Ｊ１を中心とする円筒状の外周面２１を有する。アンビル２は、回転機構１１に接続されており、回転機構１１によりアンビル２が中心軸Ｊ１を中心として一定速度にて回転する。図１の例では、アンビル２は中心軸Ｊ１を中心として時計回りに回転する。複数の案内ローラ４は、中心軸Ｊ１に平行な回転軸を有し、連続シートである複数のシート部材９を重ねた状態で、アンビル２の外周面２１へと案内する。各シート部材９は、単一のシート、または、複数のシートの積層体である。アンビル２を通過した複数のシート部材９（後述の積層シート部材９０）の各部位は、図１の右側へと送られる。アンビル２の外周面２１では、各シート部材９に対して所定の大きさの張力が、その長手方向に作用する。アンビル２の詳細については後述する。

超音波振動部３は、ヘッド３１と、超音波発振部３２とを備える。超音波発振部３２は超音波に対応する周波数の電圧を発生させ、ヘッド３１に入力する。ヘッド３１は、振動子およびホーンを有する。振動子は超音波発振部３２からの電圧を縦振動に変換して超音波振動を生成する。ホーンは、アンビル２の外周面２１に対向する共鳴体である。超音波振動は、ホーンを介して外周面２１上の複数のシート部材９に伝達される。ヘッド３１では、振動子とホーンとの間にブースターが設けられてもよい。図１では、ヘッド３１において、アンビル２の外周面２１に対向する面、すなわち、シート部材９に接するホーンの端面に符号３１１を付している。当該端面３１１は、中心軸Ｊ１に平行な軸方向に延びる。図１の例では、当該端面３１１は、軸方向に垂直な方向（アンビル２の外周面２１の接線方向）に短い。

図２は、アンビル２を示す図であり、中心軸Ｊ１に垂直な方向から見た外周面２１を示している。図２では、既述のヘッド３１も図示している。また、互いに重ねられた複数のシート部材９を１本の太い実線にて示している（後述の図４Ｂにおいて同様）。アンビル２の外周面２１では、ヘッド３１の端面３１１と対向しない（法線方向に重ならない）軸方向の範囲は、シート部材９の溶着に影響を及ぼさず、ヘッド３１の端面３１１と対向する軸方向の範囲（以下、「有効範囲」という。）が、溶着に有効となる。以下の説明において、単に外周面２１という場合は、有効範囲に含まれる外周面２１の領域を意味するものとする。

アンビル２は、複数の突起部２２と、複数の吸引孔２３とを備える。複数の突起部２２および複数の吸引孔２３は、外周面２１に設けられる。図２の例では、２以上の突起部２２が軸方向に一定間隔で並ぶことにより、突起部群２２０が形成される。突起部群２２０は、互いに隣接して配置される突起部２２の集合である。外周面２１には、複数の突起部群２２０が、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に等角度間隔で設けられる。複数の突起部群２２０は、例えば、９０度間隔で配置される。典型的には、周方向における２つの突起部群２２０間のスペースの幅は、各突起部２２の周方向の長さよりも十分に大きい。各突起部群２２０における突起部２２の配列は、様々に変更されてよい。例えば、軸方向に並ぶ突起部２２の列を突起部列として、各突起部群２２０において複数の突起部列が周方向に隣接して配置されてもよい。

図３は、突起部２２を拡大して示す図である。図３では、中心軸Ｊ１を中心とする周方向を符号Ｃ１を付す矢印にて示している（後述の図４Ａ、図５ないし図８において同様）。各突起部２２は先端面２２１を有し、当該先端面２２１は、当該突起部２２の位置における外周面２１の法線方向に垂直に広がる。先端面２２１の外形は、例えば円形である。複数（全て）の突起部２２において、中心軸Ｊ１から先端面２２１までの距離はほぼ同じである。複数の突起部２２の先端面２２１は、アンビル２において中心軸Ｊ１から最も離れた最外領域となる。正確には、先端面２２１は、外周面２１の有効範囲において最外領域であればよい。

図３に示すように、各吸引孔２３は突起部２２に形成される。具体的には、吸引孔２３は、突起部２２の先端面２２１の中央において開口する。吸引孔２３の縁部の全体は、当該先端面２２１に含まれる。すなわち、吸引孔２３の縁部全体は、アンビル２の最外領域に含まれる。吸引孔２３は、アンビル２の内部空間を介して減圧機構に接続される。吸引孔２３は、溶着の際に吸引によりシート部材９を保持する。ここで、吸引孔２３の周囲に位置する突起部２２の各部位を、凸部として捉えると、アンビル２の外周面２１には、複数の吸引孔２３と、複数の凸部とが設けられるといえる。複数の吸引孔２３は、複数の凸部の間に配置される。

図１の超音波溶着装置１では、複数の案内ローラ４により複数のシート部材９が互いに重なった状態でアンビル２の外周面２１に案内される。複数のシート部材９は、吸引孔２３により外周面２１上に保持された状態で、ヘッド３１と外周面２１との間を通過する。すなわち、ヘッド３１とアンビル２との間において、複数のシート部材９が外周面２１と同じ方向に同じ速度で移動する。また、超音波振動部３では、突起部群２２０がヘッド３１に対向する位置へと到達する際に、超音波振動が生成され、ヘッド３１の端面３１１と対向する複数のシート部材９の部位に、超音波振動が付与される。これにより、複数のシート部材９の当該部位において、突起部２２の先端面２２１と対向する領域が、超音波振動により溶着（接合）する。以下の説明では、溶着により互いに接合された複数のシート部材９を、「積層シート部材」という。図１では、積層シート部材に符号９０を付している。

積層シート部材９０では、溶着の際に各突起部２２に対向する領域が、互いに溶着した溶着領域となる。超音波溶着装置１では、突起部群２２０に対応する溶着領域群が、積層シート部材９０に対して長手方向に間欠的に形成される。例えば、パンツタイプの使い捨ておむつの製造において、使い捨ておむつの前方部に対応する部位が連続するシート部材と、後方部に対応する部位が連続するシート部材との間欠的な接合（サイドシール）等において、図２のアンビル２を利用した積層シート部材９０の形成が行われる。

ここで、特開２０１６−１２０２７５号公報（特許文献１）のように、中心軸に平行な各列において突出歯および吸引孔が交互に配置される比較例のアンビルを想定する。図４Ａは、比較例のアンビル８を示す図であり、アンビル８の外周面８１を平面に展開した展開図である。比較例のアンビル８では、突出歯８４の頂部と中心軸との間の距離が、吸引孔８３の縁部と中心軸との間の距離よりも大きく、突出歯８４の頂部と、吸引孔８３の縁部との間に高低差が生じる。また、周方向（図４中の矢印Ｃ１の方向）に並ぶ複数の列において、軸方向における突出歯８４の位置が互いに同じであるため、突出歯８４が周方向に連続して並ぶ。同様に、当該複数の列において、軸方向における吸引孔８３の位置も互いに同じであるため、吸引孔８３が周方向に連続して並ぶ。また、溶着の際には、アンビル８の外周面８１上のシート部材９に対して長手方向の張力は作用するが、長手方向に垂直な軸方向（シート部材９の幅方向）には、ほとんど張力が作用しない。したがって、図４Ｂに示すように、軸方向における吸引孔８３の位置にてシート部材９の部位がアンビル８側に窪み、かつ、軸方向における突出歯８４の位置にてシート部材９の部位がヘッド側に突き出た状態、すなわち、シート部材９が軸方向に弛んだ状態となる。このような状態で溶着が行われると、複数のシート部材９における弛み具合の相違等により、積層シート部材９０において大きな皺が生じることがある。

これに対し、図２のアンビル２を有する超音波溶着装置１では、アンビル２の外周面２１に複数の突起部２２が設けられ、各吸引孔２３が突起部２２の先端面２２１にて開口する。そして、溶着の際に、各吸引孔２３の縁部全体が、複数のシート部材９を介してヘッド３１の端面３１１と接する。このように、アンビル２の最外領域である突起部２２の先端面２２１にてシート部材９を吸引することにより、シート部材９が軸方向にある程度張った状態が維持される。すなわち、吸引孔２３によるシート部材９の吸引に起因して、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことを抑制することができる。その結果、積層シート部材９０において大きな皺が生じることを防止することができる。

既述のように、アンビル２において、吸引孔２３の周囲に位置する突起部２２の各部位は、凸部として捉えることができる。溶着の際には、各凸部は、複数のシート部材９を介してヘッド３１と接する。ここで、シート部材９に対して、長手方向に所定の大きさの張力が付与されていることを考慮すると、各吸引孔２３に対して、周方向の両側に２つの凸部がそれぞれ隣接して配置されることにより、シート部材９において吸引孔２３に対向する部位が吸引によりアンビル２側に窪むことが抑制されているといえる。すなわち、各吸引孔２３に対する当該２つの凸部の存在により、吸引孔２３によるシート部材９の吸引に起因して、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことが抑制されている。図３では、各突起部２２において上記２つの凸部に相当する部位（以下、単に「凸部」という。）に符号２４を付している。

図３中の上記２つの凸部２４は、突起部２２において、他の部位と明確に区別可能なように設けられてもよい。例えば、図５に示す突起部２２では、円環状の先端面２２１において、吸引孔２３から放射状に延びる複数の溝２２２が形成される。図５の例では、周方向（図５中の矢印Ｃ１の方向）に対して４５度だけ傾斜した方向に延びる４個の溝２２２により、突起部２２が４個の凸部２４に分割される。この場合も、各吸引孔２３に対して、周方向の両側に２つの凸部２４がそれぞれ隣接して配置されるため、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことを抑制することができる。

アンビル２において、個別に設けられる凸部および吸引孔により、シート部材９の軸方向への弛みを抑制する上記構造が実現されてもよい。図６は、このようなアンビル２の外周面２１を平面に展開した展開図であり、複数の凸部２４および複数の吸引孔２３を拡大して示している。図６の例では、周方向に沿って凸部２４と吸引孔２３とが一定の隙間を空けて交互に設けられる。各吸引孔２３と当該吸引孔２３に対して周方向の両側に隣接して配置される２つの凸部２４のそれぞれとの間の隙間の幅Ｗ１は、例えば、当該吸引孔２３と当該吸引孔２３に最も隣接する他の吸引孔２３との間の隙間の幅Ｗ２以下であり、ここでは、吸引孔２３の幅（直径Ｄ１）以下である。また、周方向の各位置では、複数の凸部２４または複数の吸引孔２３が軸方向に一列に並ぶ。

凸部２４および吸引孔２３が独立して設けられる図６のアンビル２においても、各吸引孔２３に対して周方向の両側に２つの凸部２４がそれぞれ隣接して配置される。換言すると、各吸引孔２３に着目した場合に、周方向の両側のそれぞれにおいて、他の吸引孔２３よりも近接する凸部２４が存在する。図６のアンビル２においても、吸引孔２３によるシート部材９の吸引に起因して、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことを抑制することができる。なお、図３および図５の例では、各吸引孔２３と当該吸引孔２３に対して周方向の両側に隣接して配置される２つの凸部２４のそれぞれとの間の隙間の幅は、ほぼ０であり、当該吸引孔２３と当該吸引孔２３に最も隣接する他の吸引孔２３との間の隙間の幅よりも十分に小さい。

また、図５の突起部２２において、吸引孔２３に対して、周方向から僅かに逸れた方向に凸部２４が設けられてもよい。例えば、図７に示す突起部２２では、吸引孔２３から周方向に延びる２個の溝２２２、および、周方向に垂直な方向に延びる２個の溝２２２が設けられ、突起部２２が４個の凸部２４に分割される。この場合も、各凸部２４は、吸引孔２３に対して、周方向に隣接して配置されているといえる。これにより、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことを抑制することができる。

各吸引孔２３から凸部２４に向かう方向と、周方向とがなす角度は、シート部材９の軸方向への弛みが抑制される範囲内で適宜決定されてよい。ここで、図７のようにアンビル２の外周面２１を平面に展開した場合に、各吸引孔２３の中心の位置Ｐ１にて周方向に対応する方向に延びる直線Ｌ１を、位置Ｐ１を中心として中心軸Ｊ１に対応する方向の両側（すなわち、図７の右側および左側）に３０度だけ回転した範囲Ｒ１を設定する。各吸引孔２３に対して、周方向の一方側および他方側にそれぞれ最も隣接する２つの凸部２４の少なくとも一部が、当該範囲Ｒ１と重なる場合に、当該２つの凸部２４により、シート部材９の軸方向への弛みが適切に抑制されるといえる。当該２つの凸部２４のそれぞれの少なくとも一部は、直線Ｌ１を位置Ｐ１を中心として１５度だけ回転した範囲Ｒ２と重なることがより好ましく、これにより、シート部材９の軸方向への弛みが、より確実に抑制される。

個別に設けられる凸部２４および吸引孔２３により、シート部材９の軸方向への弛みを抑制する場合も、上記と同様に、吸引孔２３に対して、周方向から僅かに逸れた方向に凸部２４が設けられてもよい。図８の例では、複数の凸部２４が、周方向および軸方向にそれぞれ個別のピッチにて配列される。また、複数の凸部２４の配列において、凸部２４を頂点とする最小矩形の中央に吸引孔２３が配置される。この場合も、各凸部２４は、吸引孔２３に対して、周方向に隣接して配置されているといえ、溶着の際にシート部材９が軸方向に弛むことを抑制することができる。図８のように、凸部２４および吸引孔２３を配列する場合でも、各吸引孔２３に対して、周方向の両側に隣接する２つの凸部２４の少なくとも一部が、上記と同様にして設定される範囲Ｒ１と重なることが好ましく、範囲Ｒ２と重なることがより好ましい。

上記超音波溶着装置１では様々な変形が可能である。

アンビル２において突起部２２（および凸部２４）の形状は適宜変更されてよい。積層シート部材９０における溶着領域の形状は、突起部２２の形状に依存するため、突起部２２の形状を変更することにより、様々な形状の溶着領域を実現することができる。もちろん、突起部２２の個数やサイズ、配置についても適宜変更されてよい。

複数の突起部２２において、吸引孔２３が形成されない突起部２２が含まれてもよい。すなわち、全ての突起部２２に吸引孔２３が形成される必要はない。また、凸部２４および吸引孔２３が個別に設けられる場合に、全ての凸部２４が吸引孔２３に対して周方向に隣接する必要はなく、一部の凸部２４が、吸引孔２３から離れた位置に配置されてもよい。

図６および図８のアンビル２において、吸引孔２３の位置に、凸部２４よりも低い突起部２２が設けられ、当該突起部２２の先端面２２１にて吸引孔２３が開口してもよい。この場合、吸引孔２３の開口をシート部材９に近づけることができ、シート部材９をより強固に保持することが可能となる。

アンビル２の外周面２１において、突起部２２（凸部２４）および吸引孔２３が、周方向の全周に亘って配列形成されてもよい。

上記実施の形態では、２つのシート部材９が溶着されるが、３以上のシート部材９が互いに溶着されてもよい。

超音波溶着装置１は、吸収性物品の製造以外に用いられてもよい。また、シート部材９は、不織布以外のシートにより形成されてよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 超音波溶着装置
２ アンビル
３ 超音波振動部
９ シート部材
２１ 外周面
２２ 突起部
２３ 吸引孔
２４ 凸部
３１ ヘッド
２２１ 先端面
Ｊ１ 中心軸

Claims (5)

1. 超音波溶着装置であって、
   中心軸を中心とする円筒状の外周面を有し、前記中心軸を中心として回転するアンビルと、
   前記アンビルの前記外周面と対向するヘッドを有し、前記ヘッドと前記外周面との間を通過する複数のシート部材を溶着する超音波振動部と、
   を備え、
   前記アンビルが、
   前記外周面に設けられ、溶着の際に前記複数のシート部材を介して前記ヘッドと接する複数の凸部と、
   前記外周面において前記複数の凸部の間に設けられ、溶着の際にシート部材を保持する複数の吸引孔と、
   を備え、
   各吸引孔に対して、周方向の両側に２つの凸部がそれぞれ隣接して配置されることを特徴とする超音波溶着装置。
2. 請求項１に記載の超音波溶着装置であって、
   前記アンビルの前記外周面を平面に展開した場合に、前記各吸引孔の位置にて前記周方向に対応する方向に延びる直線を、前記位置を中心として前記中心軸に対応する方向の両側に３０度だけ回転した範囲が、前記各吸引孔に対する前記２つの凸部の少なくとも一部と重なることを特徴とする超音波溶着装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波溶着装置であって、
   前記各吸引孔と前記各吸引孔に対する前記２つの凸部のそれぞれとの間の隙間の幅が、前記各吸引孔と前記各吸引孔に隣接する他の吸引孔との間の隙間の幅以下であることを特徴とする超音波溶着装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の超音波溶着装置であって、
   前記アンビルの前記外周面に複数の突起部が設けられ、
   前記各吸引孔が突起部に形成されることを特徴とする超音波溶着装置。
5. 請求項４に記載の超音波溶着装置であって、
   前記各吸引孔が、前記突起部の先端面にて開口し、
   前記各吸引孔に対する前記２つの凸部が前記突起部の部位であることを特徴とする超音波溶着装置。

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