JP2021014039A - 界面温度センサを設けたヒートシーラ - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートシールに関係する装置側の加熱系の特定点の温度変化をリアルタイムで計測することで、より正確な温度調節ができるヒートシール方法及び装置を提供する。【解決手段】１対の加熱体の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするヒートシール装置を用い、該ヒートシール装置の少なくとも一方の加熱体のヒートシール材料と接する側の面にカバー材を設けるとともに、該カバー材のヒートシール材料と接する側の面に微細温度センサを取り付け、該微細温度センサが検出する温度によって溶着面（接着面）温度を調節することを特徴とするヒートシール方法と装置によって解決される。【選択図】図５

Description

本発明は、ヒートシール温度を的確に調節できるヒートシール方式に関するものである
プラスチックのフイルムやシートの製袋、密封の加工の接着には発熱体を表面から押し付け、ヒートシール材料（以下、「ワーク」ということがある。）の熱伝導を利用して、接触面を熱接着できるヒートシール技法が多用されている。この加熱接着法（ヒートシール）は半世紀以前から汎用化されている。（ASTM F88 1968年制定）
加熱法には（1）1組の発熱体によって、材料の表面からの熱伝導を利用して、二面から同時に加熱する方法（Jaw
方式）（2）材料の表面から熱伝導を利用して一方のみに発熱体を構成する片面加熱、（3）接着面付近に局部発熱をさせる方法（・超音波、・電磁誘導発熱、・電界損発熱、・熱風吹き付け等）に大別できる。
熱接着（ヒートシール）はプラスチックの熱可塑性現象を利用している。
熱接着の発現は接着面の加熱温度の上昇と共に接着強さが順次上昇する剥がれシール帯（界面接着帯）となる。加熱温度が一定値以上に到達すると溶融状態のペースト状になり、冷却すると接着面が一体になる凝集接着となる。
各加熱温度の標本を引張試験で計測した結果をプロットすると図１示すように加熱温度と加熱速さ（Hishinuma効果）がパラメータになっていることが分かる。
一般的に界面接着の温度帯は３〜８℃である。界面接着と凝集接着の境界温度帯（適正温度帯）に接着面を加熱調整することで、接着面の剥離エネルギーを利用して、エッジ切れが防御でき、個々の材料の特性を巧く利用できる。そして、加熱不足又は過加熱を抑制して、ヒートシールの品質を確保することになる。
現行のヒートジョー方式の特性を解析するために加熱体表面温度をパラメータにして、ワークの溶着面（接着面）センサの温度応答を溶着面温度測定法を適用したラボの計測例を図２に示した。
（１）加熱体表面温度を調節温度Tsに合わせた場合の応答である。理論的にはTsに到達する時間は超長時間である。これを（tc）と称した。
（２）９５％の応答がTsとなる加熱温度（Tsの約1.05倍）にした場合の溶着面（接着面）応答を示している。その時の到達時間を（tb）と称した。
（３）９５％よりも短時間でTsに到達させるために加熱温度を（Ts×1.5）に上昇させた場合の溶着面（接着面）応答を示している。その時の到達時間群を（ta）と称した。
（４）、（５）は更に短時間でTsに到達させるための加熱温度値を変更した場合である。特徴は次項で説明する。
図２に示した事例から、両面同一温度加熱の到達温度と加熱時間の関係を分類すると、収斂する平衡温度（Tc）、９５％到達点（Tb）、高速立ち上がり域（Ta）の３種の応答パターンになる。３種類の応答パターンの特徴は、
（１）平衡温度（Tc）加熱：ワークの接着面が加熱体の表面温度に平衡収斂する原理を利用する。加熱完了までに他の方法より長い時間がかかるが、本質の温度値の操作ができる。ラボでのヒートシール試験には専らこの方法が選択されている。
（２）９５％到達点（Tb）加熱：（加熱体表面温度−環境温度）×95％＋環境温度を目標温度にして、加熱時間を設定する。平衡温度との温度差は5℃以内であり、加熱時間の制御バラツキに対する温度バラツキは2℃以内に収まるので時間設定調節式（以下、「限時式」という。）での実用性が高い。
（３）高速立ち上がり域（Ta）の利用：所望の加熱温度に到達する時間が小さく、一操作が短時間で終了できるので、生産性は高い。９５％到達点（Tb）の温度傾斜は≒3℃/0.1sに対して、0.4〜0.5sの加熱域の立ち上がりは≒10℃/0.1sの高速である。
今日、熱接着技法では、溶着面（接着面）温度の的確な制御技術が確立されていないので、高速領域の加熱操作は到達時間の限時管理となっている。
特徴の発現温度域が狭い剥がれシール等に対応するには高精度の温度調節と高速圧着操作が要求されるが、従来法は、この期待を満足していない。
現状は、生産性を優先して、（３）の高速立ち上がり域（Ta）が常套的に使用されている。しかし、現状は高精度の圧着時間と温度の制御技術が確立していないので、実際での加熱不足を懸念して、10℃程度の上乗せ温度設定が行われている。従って、接着状態は図１に提示した境界温度帯を超えた凝集接着に偏重して、易開封が起こる剥がれシールの界面接着調節を困難にしている。世界的にこの課題の改革が強く望まれている。
一方、本発明者は、加熱体の表面と試験片の溶着面に温度センサを設置して、ヒートシールにおける加熱体の温度設定と圧着時間の決定を行なう方法（特許文献１）、および加熱体の発熱源付近と熱接着面に表面温度センサを設置してヒートシール温度を調節する方法（特許文献２）を開発し、いずれも特許を得ている。
特許第３４６５７４１号公報 特許第４６２３６６２号公報
従来、加熱体(ヒートバー)の温度調節精度に対する規定（ASTM F2029；2000）がある。加熱体の表面温度は、加熱体の大きさ、形状、加熱源の位置、ヒータの発熱斑、検出センサの位置、制御速さ、取り付け方法、放熱（保温）性等が複合的に関係して、熱接着面の加熱温度斑は１０℃以上になっていて、ワーク（プラスチック材）の本来的な特性発揮には、溶着面温度を３℃以内のバラツキに抑えることが要求されている。
現在は的確な制御方式がないので加熱体の圧接時間を調整する限時式が採用され、実際に生産された標本の目視検査、サンプリングした標本の部分的な引張試験(JIS Z 0238、ASTM F88)を拠り所にしている。やむを得ず、熱接着強さ(ヒートシール強さ)が一定値を示す凝集接着状態が推奨されている。（JIS Z 0238）
安定した熱接着の品質維持には、本質的なパラメータである溶着面（接着面）温度の直接的な制御技術の開発が期待されている。
本発明者が先に開発した温度調節法は、いずれも試験片の熱接着面間に温度センサを挟むものであるから、この温度センサは、ヒートシール後は製品中に取り込まれてしまう。従って、実機でのヒートシールは、この予備実験で得られたデータを基に管理温度を時間調節に頼るものであった。
一方、実機でのヒートシール温度を追跡できればより正確な温度調節を行なうことができる。
本発明の目的は、ヒートシールに関係する装置側の加熱系の特定点の温度変化をリアルタイムで計測して、より正確な温度調節をできる手段を提供することにある。
本発明者は、加熱源からヒートシール材料の熱接着面への熱流が溶着面（接着面）温度と直接的に関係していることに着目した。加熱体表面に設置したカバー材の表面に微細な温度センサを設置して、昇温域の加熱流による温度差を検知して、溶着面温度応答のシミュレーションに成功した。カバー材とヒートシール材の界面温度計測の実際はヒートシール材料の表面温度の計測と同等である。
溶着面温度応答式の説明
図３にヒートジョー方式の概要図を示した。図３(a)は一対の加熱体の加熱温度を同一に調節した場合のワーク内の温度分布の変化を示している。
他方図３(b)は片方の加熱体のみを温度調節をし、他方は室温状態にした場合のワーク内の温度分布の変化を示している。
加熱体を短時間で圧接すると溶着面（接着面）の温度応答はステップ応答で取り扱うことができる。
T1、T2、T3の定義は図３に示した。材料の熱伝導度と厚さ等の熱容量で決まる定数をｋ；時定数、環境温度をT3とすれば、両面加熱を含めた溶着面温度応答は一般式として、次式で表される（図３参照）。

Tb＝[T2-(T2-T1）・n]・(1-e-kt)+
T3 （１）

ここに、Tbは、前述の９５％到達点の温度であり、T1とT2は各加熱体の表面温度である。nは

n＝（R1＋R3＋r1）／２（R1＋R3＋r1） （２）

で示され、kは抵抗とコンデンサで構成される１次遅れの電気回路で定義されるk＝RCである。図４の回路図ではR＝R1＋R3＋r1，C＝C3になる。tは時間である。
両面同一温度の加熱の場合はT2＝T1となるから接着面の温度応答は発熱源温度のT2のみで決まる図３(a)の応答になり、最終的にはT2に収斂する。
受け台を室温にすればT1＝T3として、1次遅れの図３(b)のようになる。
ｎは熱接着面に正対する材料の熱伝導性で決まる係数である。正対する材料が同一ならｎ＝１／２となる。
通常は両面加熱と片面加熱を分類して扱っているが、各加熱体の温度設定の相違だけであるので、理論的には、両面加熱と片面加熱は、設定温度の限定条件であることを理解していれば、実際の不具合を系統的に扱うことができる。
両面／片面加熱の特徴説明
（1）両面加熱の特徴：発熱源を内蔵した一対の金属体の圧接加熱で、ワークの表面から材料の熱伝導を利用し接着面の加熱を行う。一対の発熱体の材料との接触面温度を同一にすれば、環境温度等の他の要素の影響を受けることなく接着面温度を加熱体表面温度に平衡化できる特長を持っている。
（2）片面加熱の特徴：片面加熱は一方が発熱体、他方は発熱機能のない常温の受圧板で構成されるから、加熱流は発熱体の表面温度と常温の受圧板の温度差に比例した一方向の熱流が接着面を通過する。平衡状態では、加熱側と受圧側の表面温度差の１／２付近に平衡する。しかし、加熱時間が長くなると通過した加熱流による受圧板の表面温度は徐々に上昇する。上昇分の約1／２は、接着面温度の変化に直接的に関係し、加熱時間と共に徐々に上昇するので、的確な接着面温度調節の阻害になる。インパルスシール方式は片面加熱になる。
すなわち、本発明は、１対の加熱体の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするヒートシール装置を用い、一対の加熱体の表面に同一のカバー材を配す。該カバー材のヒートシール材料と接する面のどちらかに微細温度センサを取り付け、該微細温度センサが検出する温度によって加熱体の離脱を調節することを特徴とするヒートシール方法と、
発熱素子と受け台の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするインパルス加熱を用い、該インパルス装置の発熱素子がヒートシール材料と接する側の面にカバー材を設けるとともに、該カバー材のヒートシール材料と接する側の面に微細温度センサを取り付け、該微細温度センサが検出する温度によって、発熱素子の印加電源のOn-Off調節することを特徴とするヒートシール方法を提供するものである。
熱接着加工（ヒートシール）の現場では生産性を確保するために高速域の過渡加熱が利用されている。高速域ではパラメータの加熱温度の直接管理ができる計測・制御技術が未完であるので、限時制御に頼り加熱操作の管理は的確ではない。高速変化域の加熱温度を直接的制御できる本発明は、従来の課題を解決し、ヒートシール技法の信頼性と品質を向上し、ヒートシール操作の究極的課題の密封と易開封の達成を確実にした。
接着強さと接着面温度の関係を示すグラフである。 加熱体表面温度をパラメータにした溶着面温度と圧着時間の関係を示すグラフである。 両面加熱と片面加熱における熱の移動と温度分布を説明する説明図である。 本発明を適用したヒートジョー方式のヒートシール装置の一例の概略構成を示す図である。 本発明の方法で得られた、界面温度と溶着面温度との関係を示すグラフである。 熱伝達現象を電気回路に書き換えた回路図である。 本発明の方法をヒートジョー方式の間欠動作に合わせるやり方を説明する説明図である。 従来のインパルスシーラに、本発明のための温度センサを取り付けた状態を示す図である。 このインパルスシーラで得られた発熱素子、溶着面および受け台の温度変化を示すグラフである。 従来のインパルスシーラでの繰返しシールにおける温度変化を示すグラフである。 本発明を適用したインパルスシーラの構成を示す図である。 その温度調節機構を示す図である。 本発明を適用したインパルスシーラでの繰返しシールにおける発熱素子、カバー材外面およびワーク間の接着面の温度変化（制御性）を示すグラフである。 本発明の一条シールへの適用状態を示す図である。 本発明の実施例で得られた界面温度と溶着温度の関係を示すグラフである。 本発明の実施例で得られた繰返しシールにおける温度変化を示すグラフである。
ヒートシール材料であるフイルムやシートは、ヒートシールができる層があれば単層であっても複数層から形成されていてもよい。このヒートシールできる層の材質はヒートシールできるものであればよいが、通常は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのエチレン共重合体などである。その外、結晶化していないポリエチレンテレフタレートなども用いうる。ヒートシールできる層の厚さも特に制限されないが、通常3〜200μm程度、典型的には5〜150μm程度である。
複数層からなるフイルムやシートは、印刷適性、破損耐性、ガスバリア性の向上、製袋の剛性調整、軟化状態の加熱板への粘着防止の改善等を期して、２種以上の材料を積層したものであり、少なくとも一方の表面層にはヒートシールできる層である接着層（シーラント）が配置される。そして、袋の外面となる表層材は接着層の適用温度域では熱可塑性が起こらない材料が選ばれる。
複数層からなるフイルムやシートの厚さも特に制限されないが、通常20〜200μm程度、典型的には20〜120μm程度である。
代表的なヒートシール方式には、加熱体を使うヒートジョー方式と発熱素子を押し付けて通電加熱するインパルスシール方式があるが、本発明はこの両方式に適用できるものである。
ヒートジョー方式のヒートシール装置は、基本的に１対の加熱体とその作動機構と加熱機構からなる。加熱体は、基本的には、従来のヒートシール装置のものと同じであり、1対の加熱体は加熱面が平行に、従って、ヒートシール時には全面が均等な圧力で加圧するように構成、配置される。加熱面は通常は平面である。そして、その少なくとも一方の加熱面の幅が、ヒートシール材料に形成するヒートシール部のみを加熱しうるようになっている。他方の加熱面は、一方の加熱面と同一であってもよく、あるいは、それより広く、台として機能させるものであってもよい材質は熱伝導性の高い銅、アルミニウム、真鍮やステンレススチールが用いられる。
ヒートシール材料を挟圧させるあるいは解放する加熱体の作動機構は、従来のヒートシール装置と同じでよく、作動は、一方の加熱体のみを動かしても両方を動かしてもよい。
加熱体を加熱する加熱機構も従来のヒートシール装置と同じでよく、通常は電気が用いられる。
本発明を適用したヒートジョー方式のヒートシール装置の概略構成（断面図）を図４に示した。ヒータ２が内蔵された一対の加熱体（ヒートバー）１で構成される。各々の加熱体１−１、１−２には温度センサ３が装着され、温度調節装置４に接続され個別の温度制御が行われる。少なくとも加熱体１の一つは自動圧着装置６が取り付けられ、包装機本体と同期したジョー式の回分動作を行うようになっている。この自動圧着装置６にはエアシリンダが用いられ、加熱体１−１を進退させる。ワーク５はジョー動作に同期して、入り／出しが行われる。従来は焦げ付き対策で、加熱体の表面には、Teflon（登録商標）含浸のグラスウール織布のカバーを設けている。これに替えて、熱流が均一な薄い平滑なTeflonシート又は平滑なナイロンシートをカバー材７として適用した。
加熱体表面温度の発熱が均一になるように、ヒータ２と表面間にヒートパイプ１１を装填してある。
温度センサは、各加熱体１−１、１−２に内蔵させた温度センサ３−１、３−２に加えて、加熱体表面温度センサ８とカバー材７−１の外面に取り付けた界面温度センサ９が設けられている。
界面センサ９が本発明で新たに取り付けられたセンサであり、微細センサはカバー材に開けた微細孔を通して先端部だけを界面に出す。ヒートシール面には0.1mm位の僅かな痕跡は残る。
界面温度センサ９の信号は界面温度調節装置３２に送られて、それにより自動圧着装置６が制御される。
ヒートジョー方式の溶着面温度応答は図２に示したように、収斂する平衡温度（Tc）、95％到達点（Tb）、過渡応答の高速立ち上がり域（Ta）の３種になる。３種の定義の内、現在、温度値を直接取り扱えるのは平衡温度のみである。平衡温度95％到達の加熱方法の実際は限時制御であるが、温度変化が≒1℃／0.1ｓであり、凡そでも実用的な精度（１〜2℃）の確保ができる。
しかし、今日、単位時間当たりの生産量を確保するために、95％到達時間より数分の１の短い、高速立ち上がり域が常用化されている。この領域の昇温特性は100℃／s位あり、≒10℃／0.1sの変化となっている。現状の限時制御では、その制御ズレは熱接着特性の保障域を大きく超えていて、凝集接着に偏重せざるを得ない不具合の原因になっている。
高速立ち上がり域の利用には、95％応答の加熱温度より1.5〜2.5倍の高温加熱の設定が必要となる。（図２参照）
加熱体が包装材料の溶融温度より遥かに高い温度帯に設定するので、チョコ停等の１０秒程度の停止で、装置内に滞留した材料は加熱体等に溶融付着して、装置の汚染を招いている。
ヒートジョー方式では、生産速度を上げるために図２に示したように加熱体の設定温度を上げて、立ち上がりを速くして、加熱時間（Ta）の短い加熱方法を通常的に採用している。しかし、製造工程では、この過渡状態の温度変化を直接計測できないので、限時制御に頼っている。
この限時制御に替えて、実際の加熱温度を指標にした調節法（シミュレーション）の開発が求められている。本発明はこの課題を可能にした。
本発明のヒートジョー方式への展開方法の概要を図４を参照して説明する。加熱体１−１、１−２の表面にはカバー材７−１，７−２で覆う。どちらかのカバー材の表面に微細な界面温度センサ９を常設する。溶着面温度センサ１０はラボ試験の応答検証時のみ設置する。
カバー材の表面温度応答の計測
本発明では加熱体のカバー材７−１、７−２（例、0.15mm Teflon平滑シート）の表面温度（界面温度）がワークへの熱流によって温度降下することに着目して、溶着面温度応答のシミュレーションをする。その測定例を図５に示した。
この測定は、カバー材７の厚さが0.03〜0.2mm Teflonの平滑シート又はナイロンの平滑シートを選択して、加熱体表面温度８、カバー材７とワーク５の接触界面、さらにワークの溶着面(接着面)の応答を調べたものである。図５のグラフ（a）はカバー材７とワーク５の接触界面センサ９の応答である。グラフ（b）はワークの溶着面センサ１０の応答である。
本事例の計測には、溶着面、界面温度の計測スペースは数十μmである。かつ９５％応答を0.05s以下の分解能の高速の計測性能が必要である。本計測では50μmΦのＫ熱電対を適用して、0.001s分解能の温度記録装置を適用している。
カバー材の表面温度モニタによる溶着面温度応答の取得
作動前のカバー材の表面温度は室温にさらされ放熱しているので、加熱体の表面温度より低い値を示している。（140℃調節に対して≒130℃）（図５参照）
圧着によって常温のワークがカバー材Ａ７−１の表面に接触すると界面温度センサ９は急激な下降を検知する。そして、加熱体の表面温度に漸近するように上昇する。（図５グラフ（a）参照）
ワークの溶着面温度は同時に上昇を始め、加熱体の表面温度に漸近するように上昇する。溶着面温度応答と界面温度の差が2℃以内になれば、界面温度値を指標にして直接的な溶着面（接着面）温度の調節が可能になる。この事例では0.4s付近から適格領域になる。この事例のＣＵＴ；９５％は0.8ｓ付近になるので、従来のＣＵＴ；９５％より大幅な時間の短縮化が図れて、本発明の有効性が分かる。
実施事例（図１５）で詳細な説明をした。
製造工程では溶着面(接着面)温度の直接検出はできないが、界面に微細センサを貼り付ければ、図５のグラフ(a)が常時観測できる。グラフ(a)と(b)は同一の熱流現象から起こっている。従って、グラフ(a)の観測によって、溶着面温度応答を直接的に把握することができる。この計測技術が本発明の基幹である。
界面温度が支配している原理
熱接着の熱伝達現象を電気回路に置き換えてその特性を解析する。図５の熱流現象の応答を電気回路に書き換えたものを図６に示した。
圧着前の開放状態では、カバー材７−１の表面温度は、大気中への放熱抵抗R2、カバー材７−１の伝熱抵抗をR1とするとTf・R2／(R1+R2)となるので、加熱体表面温度より低くなる。
加熱体１がジョー動作をして（図６中ではSWの切り替え）、加熱圧着が行われると加熱体１−１，１−２からの熱流はカバー材７の伝熱抵抗R1、接触抵抗R3、ワーク５の熱抵抗ｒを通して、溶着面の熱容量C3にチャージされ、ほぼ１次送れ応答で、溶着面温度を生成する。ジョー方式では、同様の加熱がもう一方の面からも行われ、溶着面は加熱源の加熱体表面温度に漸近して、Tmに平衡する。
加熱体１−１と１−２の設定温度が異なる加熱（いわゆる片面加熱）では、片方が室温等のT3になる。この場合、加熱流は（Tf-T3）に応じて、加熱体１−１から１−２の一方向になる。従って、溶着面温度応答は加熱流によって、加熱体１−２の表面温度が変化しないとすれば、

（Tf−T3）・[(R1+R3+r1)/2(R1+R3+r1)]＋T3＝（Tf−T3）・１/2＋T3 （３）

となる。インパルスシールはこれに相当する。
界面温度９の応答は熱抵抗R1+R3+r1と主に熱容量C3との過渡応答を示している。相似電気回路から分かるように溶着面温度は界面温度応答の一部をなしており、相関している。
従って、常時の計測が可能なカバー材の表面温度応答をモニタすれば、溶着面温度応答をシミュレーションできることが分かった。
カバー材の厚さの選択
カバー材の熱抵抗R1は加熱流検知に直接的に係る。値が大きくなると温度降下が大きくなるので、加熱流の検出感度は高くなる。しかし、この熱抵抗が大きくなれば熱流は抑制されるので、加熱源の高温化になるので好ましくない。
R1／(R1+R3+r1)を１/4〜1/5の割合に選択する。
図５では事例として、加熱時間0.2s付近の溶着面温度を110℃を調節する手順を示した。モデルデータからカバー材の界面温度が119℃になると溶着面温度は110℃になる。界面温度調節装置の設定値をヒートジョーの作動遅れを分差し引いたT＜119℃を検知したら、界面温度調節装置３２の調節出力で自動圧着装置６の操作で圧着を開放すれば温度を指標にした加熱操作ができる。
モデルデータは、ワークが変われば変動するのでワーク毎のラボデータを保有して参照する。
加熱時間が0.4s付近以上の選択では、界面温度と溶着面温度応答はほぼ一致するから、モデルデータを参照せずに、検出温度信号で自動圧着装置６を直接操作できることが分かる。
この制御時間帯の選択は加熱体１−１、１−２の設定温度（T1、T2）の変更で調整できる。
従来の間欠動作式包装機の多くは一つの動力源で駆動されていて、ヒートジョーの駆動はカム／リンクで構成されている。従って、本発明の界面温度の検出で、圧着動作を調節するには、個別の操作ユニットの設置が必要になる。
本発明を間欠動作に合わせる方策
そこで、間欠動作間隔に合わせた本発明の適用法を考案した。
間欠動作の周期速さは、時々の生産計画によって設定されることが多い。
間欠動作の終了時点で設定温度に到達するように加熱体表面温度を調節すれば、圧着操作の開放操作と同等の効果が得られる。
この考案は、間欠動作間隔のほぼ100％を加熱操作に自動的に適合でき、不必要な高温化加熱を予防できる特長がある。この構成方法を図７に示した。
間欠動作時間に調節温度を合わせる工夫
図７に示したように、現場の包装機では、圧着操作を独立に操作することは少なく、機械の間欠動作に合わせたカム／リンク機構から決まる加熱時間の制約になっている。間欠動作の100％到達時間に調節温度を合わせれば、必要以上な加熱体温度の高温化設定を避けることができる。
間欠動作を管理しているロータリーエンコーダから、例えば、間欠動作の98、99、100％の位置信号を貰い、界面温度の設定値検出信号とのANDロジックを作った。
ロータリーエンコーダの3つ信号と界面温度計の出力のANDロジックは図７中に示したマトリックスになる。
本実施例の実験では98−100％と所望調節温度の出力のロジックがONになる状態を観て、二つ加熱体の調節温度の設定値を手動で、1℃単位の増加又は減少を数回繰返し、99と100％のロジック出力がＯＮ状態になるように調整した。実際の現場の生産作業では調節システムにロジック出力の表示装置を付けてこれを参照しながら手動で設定変更を行うか自動化すればよい。
本発明はインパルスシール方式にも適用できる。
従来のインパルスシーラの構成図を図８に示した。
発熱素子１２はTeflon（登録商標）製の断熱材１３を介して、冷却放熱材１４に固定される。発熱素子１２の他面はTeflon材（テフロン含浸グラスウール織布）１５−１がカバーされ、ワーク５の溶融片の焦付きを軽減している。他方のゴム製の受け台１６にもTeflon材（テフロン含浸グラスウール織布）１５−２がカバーされ、ワーク５の溶融片の焦げ付きを防いでいる。
市場のインパルスシーラの発熱素子１２はニクロム線の発熱抵抗体を適用し、電源をステップ状に印加して発熱・加熱する。発熱抵抗体は薄い板状（約0.15mm）なので、熱容量が小さく100℃/0.5〜1sの高速発熱する特徴がある。
インパルスシールは発熱済みの加熱体を押し付けるJaw方式と異なり、インパルス状の電圧印加によって発熱と圧着を同時に行っている。発熱素子の温度上昇は印加電源に対してはほぼ一次遅れの応答になるが、ワークに対しては直線的な加熱が行われるランプ状入力となる。所望の発熱温度調節は、前記のTaと同様な限時方式が適用されている。
インパルスシール方式では、発熱素子１２の通電時間をタイマーで限時式の調節を行い、仕上がった標本の接着状態を引張試験や目視観察によって、運転者がその都度適否を判定して、限時時間の調整をしている。その定量性の確保が課題になっている。
インパルスシーラでは発熱体の熱容量が小さいので、主にワークの厚さによる熱負荷容量の影響で発熱特性（速さ）が変動する特徴がある。
“ＭＴＭＳ”キットを使って測定したインパルスシーラの溶着面温度応答の事例を図９に示した。測定点は図８のインパルスシーラの発熱素子１２の表面、ワーク５の２枚のシート間および受け台１６のカバー材１５−２にそれぞれ温度センサを取り付け、発熱素子１２の表面温度、溶着面（接着面）温度、受け台１６（弾性体）の表面温度をそれぞれ測定した。
この測定例は交流100V電源から変圧した15Vを発熱素子１２に印加した。通電電流は53A、発熱量は≒800Wである。この装置の平衡状態の温度は200℃以上になるので、熱接着に適用する温度帯は図２で例示した高速上昇のTaに相当する。
ワークに対しては、直線状に上昇するランプ状の加熱源の図９グラフ（A）になる。設定時間になると印加電源は開放されるので発熱素子の残熱は冷却放熱材１４を通して下降するグラフ（B）となる。接着面の溶着面温度応答は直線状のランプ入力対する応答になりグラフ（C）になる。
この片面加熱では、(発熱温度−室温)／2＋室温がモデル溶着面温度となる。1.0s付近の応答帯では、片面加熱の式（１）の状態になっている。片面加熱では、加熱流は発熱素子１２から受け台１６への一方向になるから受け台１６の表面温度はグラフ(D)のように上昇する。
この実測データの120℃／1.2ｓ付近に溶融化した変曲点（溶融点）が見られ、1.2ｓ以降は加熱面がペースト状になっている。120℃辺りが、加熱の上限温度になる。すなわち、120℃附近がシーラントの溶融点となり、シーラントは液状化しているので、この標本材は115〜120℃の加熱が期待されている。溶融点を超えると熱伝導が変わるので、温度上昇は速まっている。この温度域の利用は、ポリ玉の生成になり、ピンホールやエッジ切れの原因となる。
受け台の表面温度は加熱開始と共に上昇する。加熱停止後も余熱で上昇を続けた後、自然冷却下降している。
通電加熱の限時式インパルスシーラにおいて、繰返し操作による発熱素子１２と受け台１６の蓄熱により起動時の始発温度が変動する。この影響で同一時間の加熱時間（通電時間）を正確に制御しても、調節温度は20℃もバラついている。従って、冷却が完了しない短時間の繰返し連続的使用は、正確な限時制御をしても、発熱体温度は同一にならない原理的な不具合がある。限時式制御は不適格であることが分かった。
限時制御の市販機の繰返し操作で起こる温度ドリフトの計測事例を図１０に示した。実測結果から、146℃／1.00s、154.3℃／1.04s、166.5℃／1.00s、152.2℃／0.92sが得られた。限時性能のバラツキは0.1s程度に収まっているが、温度値は10℃もバラついている。現状の不具合を明快に把握できた。
図１０の応答例は市販機の発熱素子１２の起動温度が室温の場合である。印加電源の開放後の発熱素子１２の応答を見ると室温に冷却するのに時間を要して、ドリフトが発生している。この特性が限時方式での短時間間隔の繰返し操作の障害になっている。
本発明では、図８の装置においてインパルスシーラの発熱素子１２にカバー材１５に代えてカバー材１８を配した。具体的には、従来、使用していたテフロン含浸グラスウール織布に代えて発熱素子１２に厚さ0.03〜0.2mm の平滑なTeflonシート又は平滑なナイロンシートのカバー材１８を使用する。界面温度検出用の約50μmΦの界面温度センサ（熱電対）９をワーク５との接触面側のカバー材１８の表面に常時装着する。受け台の温度センサ１７を常設する。溶着面温度検出センサ１０は特性計測用であり、実働機には設置しない。本発明の適用構成の概要図を図１１に示した。
そして、カスケード温度調節装置２０を設けて、界面温度センサ９と受け台１６の温度センサ１７の出力信号を受け、それにより発熱素子１２へ電気を送るトランス１９のスイッチを制御できるようにした構造を図１２に示す。
本発明方式では、所望温度に到達したら、（時間に関係なく）加熱電源を開放し、加熱を停止する。発熱素子１２の起動時の初期温度の影響がない調節法となっている。そして、加熱時間変更の補助作業を不要化し、接着状態の頻繁な検査の介添えを極小化した。
製品種が変わり、ワークの厚さや材質が変わると熱容量の相違によって、昇温特性は変化するので、限時式ではズレに直接的に影響する。
従来は、仕上がった標本の接着状態の目視観察や引張試験によって、圧着時間の適否を経験則に頼って調整していた。加熱不足を懸念して、接着強さが高め（溶融状態）になるような温度を設定していた。
図１１、図１２の装置で用いた計測例を図１３に示した。グラフ中に「界面温度の制御結果」と「溶着面温度の応答値」を列挙した。カバー材１８とワーク５接触面の温度応答を直接検知することによって、より溶着面温度点に接近し、バラツキ要因を排除できた。界面温度の制御結果は、124.9−121.5℃（3.4℃）のバラツキ、溶着面温度は、111.1−107.2℃（3.9℃）のバラツキとなっている。
インパルスシールは片面加熱であるから、所望値を直接制御することはできない。図１３の例のように毎回の調節結果がほぼ同一になることが肝心である。
本発明法の繰返し操作によって、発熱素子１２の加熱は、適正加熱範囲が保たれるので、過加熱が避けられた。従って、受け台部に蓄熱も最小化できた。
おおよそ10ｓ程度の繰返し操作での受け台の温度変化は約3℃となっている。
受け台温度の変動の補正方法
ワークの溶着面温度は発熱素子温度T2と受け台温度T1の温度差で決まる（式（１）参照）。受け台温度T1が変動すれば、加熱部温度T2を精密に調節しても、溶着面温度は一定にならない。実際にはT1の変動分の≒1/2を増加減して、温度調節計２０の設定値を受け台温度センサ１７の出力信号で、カスケード制御補正する（図１２参照）。
本発明によって、インパルスシールにおいても溶着面温度を３℃以内に調節／管理できるようになった。
高速温度応答の検出法の改善
本発明が対象とする加熱時間帯のは、おおよそ0.2ｓ以上としている。
短時間の高速変化を検知するには、その変化に見合った計測機が必要である。
例えば、インパルスシーラの発熱素子１２の昇温速さは25−150℃／1.0sであった。昇温特性は125℃／sとなる。すなわち12.5℃／0.1s、1.25℃／0.01sの昇温変化となる。通常、温度調節計はデジタル式を使っているので、そのサンプリング周期によって、検出温度のバラツキが発生する。サンプリング周期を0.01s、0.02s、0.05sに変化して、検出バラツキの試算を行った。
表１に演算結果を示した。温度調節の精度を高めるためには0.01〜0.02sのサンプリング周期の調節計の選択が必要である。好ましくは、0.01sの選択がよいことが分った。
実際の制御系の実験から、加熱停止後の溶着面温度のオーバーランは0.01sあり、温度ズレは≒2℃が認められた。この値はスイッチ動作等の調節系の遅れである。このズレはいつも一定なので、定数的に上乗せ設定補正で扱える。
Figure 2021014039
一条シールのインパルスシールへの展開
密封と易開封の同時達成は永年のヒートシール技法の究極的な課題であった（ASTM F88,1968年制定に提起）。
従来のインパルスシールでは、4℃以内の溶着面温度応答の制御は困難で、凝集接着状態の選択が精一杯であった。
本発明の適用により的確な温度制御ができるようになって、インパルスシールでも一条シールができるようになった。
発熱素子の中央付近に一条突起を付設することによって「密封」と「易開封」が同時にできる一条シール（Filigree Seal）（特許第5779291号）が可能になる。
この一条シールは、本発明者が先に開発したもので、帯状シールの長尺方向に線条シールを付加した複合ヒートシール構造をしており、この線条シールによってガセット袋のような折り返しによって生じる段差部も確実にシールできるようにしたものである。
発熱素子２７への一条シールユニット３０の付設構成を図１４に示した。
一条シールユニット３０の発熱素子２７への一条突起（高さ；0.1〜0.6mm）の付設はつぎの方法で行う。
（１）発熱素子２７と同一材料（ニクロム）の線材を選択する。
（２）（高さ；0.3mmの場合）0.9mmの線材を半割のかまぼこ型２１に加工して、それを発熱素子２７の７０〜８０％付近に薄いナイロンの薄膜２２で粘着固定する。端末は発熱素子２７と並列に加熱電源に接続する(図１４(a))。
（３）発熱素子２７の長手方向の中央付近に≒0.5mmの半円の溝加工２４をして、
0.8mmの線材２３を嵌め込み薄いナイロンの薄膜２２で粘着固定する。端末は
発熱素子と並列に加熱電源に接続する(図１４(b))。
（４）発熱素子全体を所定の形状の一体の引き抜き材２５製作をする(図１４(c))。
（５）突起部と平面部の発熱を均一にするために線材２１，２３と発熱素子２７との間に絶縁膜２５を配することもできる。又は線材２０，２３の表面又は発熱
素子２７体の表面を薄い絶縁被膜で覆ってもよい。
（６）次に平面部分に、厚さ0.03〜0.2mmのTeflon平滑シートを貼り付け、加熱流検出カバー材Ｄ２８を設ける。
（７）界面温度検出用の約50μmΦの熱電対２９を中央付近のカバー材の表面に貼り付ける。
（８）対面の受け台１６上には段差部の凹凸を吸収するために、硬さA50〜80、厚さ3〜5mm厚の弾性体１６−２を配置する。
（実施例１）
ヒートジョー方式への適用の性能試験
図４に示した構成に実際の条件を設定して性能を試験した。
（１）ヒートジョー寸法；40×40×200mm（ワークとの接触幅15mm）
（２）ヒートジョー材質；真鍮、
（３）加熱ヒータ；400W、10mmΦ
（４）加熱体表面付近に10mmΦヒートパイプを装填
（５）加熱体の温度調節；2位置PID制御
（６）カバー材厚さ；0.15mm平滑Teflonシート
（７）界面温度センサ；50μm、K熱電対
（８）界面温度調節計：高速ON-OFF調節
（９）ワークの材質；OPP30／LLDPE20
（１０）溶着面温度応答（到達温度）設定；130℃
（１１）圧着圧；0.2MPa
（１２）密着状態検査；探傷液を適用
（１３）各検証点の温度応答計測；“ＭＴＭＳ”キット（特許第3465741号、特許第4623662号）を適用
（１４）接着状態の検査：引張試験、探傷液の漏れ試験
実施事例図１５から以下のような本発明の特長が分かった。
（１）加熱体にヒートパイプを装着したので、長手方向の温度斑が1℃以内となりヒートシール面の加熱能力が均一になった。
（２）140℃の加熱体表面温度設定に対して、熱流検出カバー材の待機時の表面温度は135℃であった。
（３）圧着開始直後の界面温度は115℃附近まで下降した後、連続的に上昇を始めた。一旦の下降量はワークの熱容量（厚さ）の大小で変動する。
（４）溶着面温度は圧着直後から上昇を始める。圧着時間が0.27s以降になると界面温度と溶着面温度応答の差は2℃以内となり、界面温度値と溶着面温度値が同等になるので、界面温度で溶着面温度が近似できるようになる。
（５）この加熱の溶着面温度応答のCUT;95%は0.81ｓであった。
（６）0.44s時点で、界面温度応答（≒溶着面温度応答）設定値の130℃を検出し、ジョーの動作を開放した。オーバーランは殆どなく、溶着面温度は130℃で止まった。
（７）0.44sの短時間の加熱状態で溶着面温度を直接制御できることを確認した。
（８）同じ、加熱条件で115℃の調節をするには、界面温度応答と溶着面温度応答のシミュレーションデータを参照して、界面温度が121℃を調節点とすれば≒0.17ｓでジョーを開放すればよいことになる。
（実施例２）
インパルスシールへの適用事例
インパルシールでは発熱素子にステップ状の電圧を操作毎に加え、発熱素子の温度上昇を利用する。従って、加熱はステップ状ではなくランプ状になる。
インパルシールは一方が発熱する片面加熱である。
インパルシールへの本発明の適用は、発熱素子の表面にカバー材１８を配し、微細センサをカバー材１８の表面に設置して、ワークに供給する熱流を検知して、ワークの接着面の温度応答をシミュレーションする方法を考案した。
図１１、図１２に示した構成に、次に示した条件を付与して試験をした。
試験条件
（１）発熱素子：幅；10mm、厚さ；0.15mm、発熱能力；≒800W（100V AC）
（２）発熱素子のON-OFF操作；リレー接点（調節点検出で通電OFF;動作遅れ時間≒0.01ｓ)
（３）温度調節計：サンプリング周期；0.01〜0.05sのデジタル温度計
（４）交流電源調整：スライダック
（５）各検証点の温度応答計測；“ＭＴＭＳ”キット（特許第3465741号、特許第4623662号）を適用
（６）適用材料：OPP(30)/LLDPE(20)
（７）接着状態の検査：引張試験、探傷液の漏れ試験
（８）圧着圧：約0.1MPa
試験方法
（１）供試シーラを作動状態にする
（２）材料（ワーク）を室温状態にして置く。
（３）シーラを10〜30s毎に作動させ、発熱素子と受圧板の温度がドリフト状態を現出させる。
（４）発熱素子の温度応答、受圧板の温度応答、界面温度応答、ワークの溶着面温度応答を“ＭＴＭＳ”キットで計測する。
（５）高速型温度調節計でカバー材とワークの境界面温度を微細センサで検出し、所望温度になったら制御出力で発熱素子の駆動電源をOFFにする。
（６）各部の温度応答の計測結果から本発明の性能を評価する。
試験結果
（１）“ＭＴＭＳ”キットによって計測した各部の温度応答の記録を図１６に示した。
（２）受け台の始発温度が40〜60℃と変動している条件で、調節温度／加熱時間は、155.3℃／1.12s、155.2℃／0.92s、155.4℃／1.12s、155.0／1.00sが得られた。
（３）加熱時間は0.92〜1.12sとなっており、所望温度調節値への到達にバラツキのあることを確認でき、時間制御の欠陥を証明できている。
（４）この結果から、所望溶着面温度に対する境界面温度を決定して、その値に調節操作のオーバーラン値、受け台温度のドリフト値を補正すれば、界面温度の検知で溶着面温度の調節が可能であることを証明できた。
溶着面温度応答、界面温度と発熱素子の表面温度の検証を含めた実測事例は、先の図１３に示してある。
（実施例３）
受け台温度の変動を補正するカスケード制御短時間の繰返し生産操作を行うと受け台に到達した加熱流が蓄熱し、受け台の温度は徐々に上昇する。片面加熱の受け台の影響は前述の式（１）で定義できるので、受け台温度を常時監視すれば、受け台温度の変動を補正できる。
（１）受け台表面に微細センサを常時装着する。
（２）受け台温度の基準値を30℃とした。
（３）10〜30秒加熱操作を繰り返す。
（４）次の操作の直前の受け台温度の表示を確認し、(Tx-30)/2を所望の設定値に手動補正をした。（カスケード制御の手動操作）
（５）（４）の補正操作によって、溶着面温度の制御結果を2℃以内のバラツキに抑えられた。
（６）受け台の表面に温度センサを常時装着して、受け台温度で調節計の設定値を自動で変更するカスケード制御を図ることができる（図１２参照）。
１ 加熱体（ヒートバー）
２ ヒータ
３ 温度センサ
４ 温度調節装置
５ ヒートシール材料（ワーク）
６ 自動圧着装置
７ カバー材
８ 加熱体表面温度センサ
９ 界面温度センサ
１０ 溶着面(接着面)センサ
１１ ヒートパイプ
１２ 発熱素子
１３ 断熱材
１４ 冷却放熱材
１５ カバー材
１６ 弾性受け台
１７ 受け台温度センサ
１８ カバー材
１９ トランス
２０ カスケード温度調節装置
２１ かまぼこ加工突起
２２ ナイロン薄膜
２３ 線材突起
２４ 溝加工
２５ 引抜材突起
２６ 絶縁膜
２７ 発熱素子
２８ カバー材
２９ 界面温度センサ
３０ 一条シールユニット
３１ 操作装置
３２ 界面温度調節装置
本発明は、ヒートシール条件を正確にするものであり、ヒートジョー方式、インパルスシール方式など各種のヒートシール方法によるヒートシールに幅広く利用できる。

Claims (6)

  1. １対の加熱体の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするヒートシール装置を用い、該ヒートシール装置の少なくとも一方の加熱体のヒートシール材料と接する側の面にカバー材を設けるとともに、該カバー材のヒートシール材料と接する側の面に微細温度センサを取り付け、該微細温度センサが検出する温度によって溶着面（接着面）温度調節することを特徴とするヒートシール方法
  2. １対の加熱体の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするヒートシール装置において、少なくとも一方の加熱体のヒートシール材料と接する側の面にカバー材が設けられ、該カバー材のヒートシール材料と接する側の面に微細温度センサが取り付けられ、該微細温度センサの検出結果に基いて、加熱体を進退させる作動機構又は加熱体の加熱機構を調整する制御機構が設けられていることを特徴とするヒートシール装置
  3. 発熱素子と受け台の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするインパルスを用い、該インパルス装置の発熱素子シール装置のヒートシール材料と接する側の面にカバー材を設けるとともに、該カバー材のヒートシール材料と接する側の面に微細温度センサを取り付け、該微細温度センサが検出する温度によって溶着面（接着面）温度を調節することを特徴とするヒートシール方法
  4. インパルスシール装置の受け台の温度を検出して加熱温度の設定値をカスケード制御する請求項３記載のヒートシール方法
  5. 発熱素子と受け台の間にヒートシール材料を挟んでヒートシールするインパルスシール装置において、発熱素子のヒートシール材料と接する側の面にカバー材が設けられ、該カバー材のヒートシール材料と接する側の面に微細温度センサが取り付けられ、該微細温度センサの検出結果に基いて発熱素子へ供給する電気量を制御する制御機構が設けられていることを特徴とするヒートシール装置
  6. 受け台のヒートシール材料と接する側の面にも微細温度センサが取り付けられ、微細温度センサの検出結果も制御機構に送られるように構成されている請求項５記載のヒートシール装置
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