JP3943934B2 - インパルスヒートシーラー等のヒーター線 - Google Patents

Description

技術分野
ポリエチレン等を熱溶着するインパルスヒートシーラー、製本機、ラミネーターに関するものである。
背景技術
インパルスヒートシーラーは２〜５ｍｍ程度の幅のヒーター線に８〜１５Ａといった電流を流して、１秒前後の短い間に１５０℃前後に加熱することによりポリエチレンや、熱溶融性樹脂等を溶かして着けるもので、そのヒーター線には、発熱部に電気抵抗の高い鉄クロムやニクロムの細幅の線材を、発熱しては困る電極部にはメッキした多少厚い銅板や鉄板を用い、両者を圧着やスポット溶接で接合していた。
しかし電流は大きいが、シーラーの長さは２０〜４０ｃｍ程度なので、その両端に架ける電圧は１５〜３０Ｖ程度にしかならなかった。その為商業電源の１００〜２２０Ｖからは、トランスや電子回路による電圧制御装置を用いて調節しなければならなかった。
ヒーター線の圧着やスポット溶接は勘の要る手作業なので、長さが不揃いになったり、不良品が発生したり、確実さが欠ける原因になったし、接合個所が過熱し易かったりして寿命の短い原因にもなった。
その圧着やスポット溶接の電極は厚みもあったので、図５のような従来の伸長吸収装置１５では、厚い電極部がヒーター台の上に載るわけにはいかないので、伸びた時発熱部が両端で空気中に浮くので、その個所が過熱し、その上のポリエチレン等に孔を開けてしまうことも多かった。
又トランスは非常に重いし、電子回路による電圧制御装置は、電源電圧に比べて電圧はかなり低いし電流は大きいので難しく、故障が起き易いし、更にそれらは価格が高かった。
製本機やラミネーターは、ニクロム線を雲母等に巻いたヒーターで、熱容量の大きな金属バーやロールを加熱し、その熱の平衡状態で使用するものであった。従って少量を処理するにも、熱くなる迄５分から１０分も待たなければならなかった。
本発明の先願として、実開昭５７−１６７００４号（以下引用例という）があった。この引用例はガラスエポキシ樹脂基板に貼り付けたテープ状金属層に、長さの直角方向に両側から交互に切り込みを入れて、ジグザグ状にしてヒーター線とするので本発明と形状は非常に似ている。しかしその目的を見ると熱膨張用のバネの張力によるヒーター線の断線防止、幅広ヒーター線の細幅化によるトランスの省略化、放熱性の向上であり、その切り込みの隙間を小さくしてシール線上で無くすことは一言も記述されておらず、目的でもなかった。
隙間の大きさに関しては金属層の約３倍であると記述されているので、引用例の実施例では厚さが０．１ｍｍなので隙間は０．３ｍｍとなる。鉄クロム薄板が焼きの入っていないものだと厚さが０．１ｍｍではその形を維持できないが、本発明のヒーター線ならば問題なく出来るので、それで実験を行うと、このヒーター線に実施例のように０．１ｍｍのテフロンコーティングガラステープを被せてヒートシールすると、シール線上には隙間がはっきりと出てしまう。焼きの入っていない金属線だと厚さが０．２ｍｍは必要だが、引用例の言うとおりだと隙間が０．６ｍｍにもなるのでシール線ではなおさらはっきり出る。
従って引用例で「シール幅は第１図で示した方形パルス波形の幅５ｍｍ」と記述しているのは、シール線もジグザグ状のままである可能性が高いが、もしシール線の隙間が無くなっていたとしても、引用例ではシール時間が４秒と通常のシーラーの０．５〜１秒の４倍〜８倍であるので、基板を含めて周囲に蓄積された熱の影響によるかと思われるし、逆に放熱性が悪いという最初の目的に反する結果かもしれず、何れにしても隙間を出来るだけ小さくすべきであると示唆するものではなかった。
さらに引用例は金属板をガラスエポキシ樹脂基板に貼り付けてその形状を保つことが必須であるが、量産方法として金属部分は感光やエッチングが大きな面積で行わてコストを下げるのであるが、ガラスエポキシ樹脂基板は切断をどうするのか、シーラーの使用温度はＰＰ等の場合は１５０℃以上になるが、エポキシ樹脂基板の耐熱性は大丈夫か、さらに耐久性のある接着剤は何か、先程の疑問のように密着させた基板により放熱性が悪くはないか、その基板に熱を吸収される為にシール時間が長くなるのではないか、両端のリード線部分はプレス面でもあるので平坦のまま外に取り出す方法は、といった問題点が幾つも考えられる、未解決の部分の多い技術であった。
発明の開示
ヒーター線を、圧延等により非常に薄くし、焼き入れ等により適当に腰を強くした鉄クロム等の抵抗材薄板をフォトエッチング等により加工し、電極部又は発熱を押さえたい部分はそれなりに幅広にして、発熱部は均一な細幅で求める形状にして、それらを一体に作り出した。
さらに電極部にシール線が脹らむ欠点を、無くす工夫をした。
又上記ヒーター線を、出来たシール線又は面では熱の拡散で消えてしまう小さな間隔で、その発熱部の求められる形状いっぱいに、均一な細幅でジグザグ状にした。
又このヒーター線を利用して瞬時に加熱して、接着剤又は内側樹脂を溶融し、断電して冷却する、インパルス方式の製本機、ラミネーターを製作した。
発明を実施するための最良の形態
図１は本発明の一例のヒーター線１とそのシール線２の平面図である。ヒーター線１は幅２ｍｍの発熱部３と５ｍｍの電極部４を同一の板材からフォトエッチングで作り出したもので、鉄クロム材を０．１ｍｍに圧延し、適当な硬さに調整した薄板に予め感光剤を塗布し、型をフォトマスクして感光させ定着させて、必要な部分だけ皮膜でカバーして、不要な部分を酸で溶かし去れば出来上がる。この電極部のように同一の抵抗材でも、幅を発熱部の２倍程度以上にすれば、シールしないように出来る。
家庭用など使用回数の少ない場合は問題ないが、ある程度連続使用した場合、発熱部３の熱が電極部４にも少しづつ広がっていき、このヒーター線１のシール線２には、両端の電極部４の幅の広がりからくる膨らみ５が出て来る。この膨らみ５に、袋に掛かった力が集中するとシールが破れやすくなる。この解決法は三つある。
第一は図２のように電極部４に重ねて吸熱電極板６をその位置に置くことで、発熱はシール線７のように、その重なった部分で止まる。吸熱電極板６は平成８年特許出願第３４６６５４号に記したもので、ニッケルメッキした燐青銅等の薄板で、電気と特に熱の良伝導体であればよい。欠点はその分部品が多くなるし、発熱部３と吸熱電極板６とで電流をやりとりするので、その接点でヒーター線が比較的早く消耗することである。
第二は袋本体となる側にシール線が脹らまないよう、発熱部３を中心からずらして、袋本体側の幅広部分８を無くして、反対側に２倍にするか、図３のように反対側の袋の縁になる側の幅広部分９に比べて、より離れて、図では両端に近くなって設けるのである。シール線１０の膨らみ１１は出ても袋の縁になる側のみとなる。この袋本体側、縁側は勿論一応の目安であって、悪影響の少ない一方の側に揃えるという意味である。
これらの効果はヒーター線１を図３の破線１２の位置で直角に曲げても同じである。これはシーラーを無駄に長くしないためである。図４の側面図のように電極部４を直角に曲げ、固定するネジ１３の手前で枕状の突起１４を置いてテンションを掛けると、電極部４がそれ自身のバネ性で発熱時におこる発熱部の伸長を充分に吸収してくれるので、図５のような従来の複雑で部品の多い伸長吸収装置１５が不用になる。
発熱部３は直線だけでなく、どの様な形も作ることが出来る。図６の平面図のように楕円のヒーター線１６はポリエチレンショッピングバッグの成形取手のものであり、図７の四角のヒーター線１７はバッグ状フィルターの外枠をシールするものである。なおこのヒーター線１７はその四角のシール線で閉じた空間を作らなければならないが、その接近部１８の隙間を約０．２ｍｍ以下にすれば、シール線では隙間が無いようになる。
この隙間とシール線との関係は、どの様なヒーター線においても起きる。図８は米国特許第５，５４５，１１７号の風船の製法で経験的に用いた、猫の頭が脹らむショッピングバッグ１９のヒーターであるが、ニクロム丸線のヒーター線２０は外形を焼き切りシールするもので、同じくヒーター線２１は猫の頭とバッグの中身とを区分けするための、単にシールするもので、両端の点線部分２２は発熱しないように銅線を接続したものである。それら丸線を求める形状にした後、粘着剤付きフッ素樹脂コーティングガラスクロス等で挟み、固定して、ヒーターとしたものである。猫の顔や取手は分かりやすくする為につけてある。
このとき２本のヒーター線の最接近部、即ち耳の付け根と顎の２個所は気密にしなければならないので、ヒーター線２１のその個所に厚さ０．１ｍｍ程度のガラステープ等を貼り付け密着させるが、電気的には絶縁するのである。その個所はテープを貼ったことにより、シール温度は下がる傾向になるが、ヒーター線が密なので打ち消され、さらに電流を調節することにより充分実用になり、出来たシール線には空気の漏れる隙間は出来なかった。
これをさらに利用したのが図９のヒーター線で、発熱部２３に細いスリットを入れ、抵抗材も細くして、長さ方向に垂直に均一にジグザグにしたもので、図１０〜１２はその一部拡大図である。このヒーター線を使うと、スリットが充分小さければ、図のように綺麗な１本のシール線２４になる。さらに両端の電極部の直前でジグザグをやめて本来の太さに戻すと、そのシール線２４には問題となる端部の膨らみが出ない。これが第三の解決法である。
このジグザグ状ヒーター線の電気抵抗値は、同じシール線となる幅２ｍｍで長さ２００ｍｍのヒーター線の電気抵抗が２Ωであったが、それに発熱部２３のように０．２ｍｍ前後の細いスリットを入れ、大体０．４ｍｍの幅でジグザグにすると、抵抗は２５Ω前後になった。電気的に大体１６Ｖ、８Ａであったヒーター線を、同じシール線で５０Ｖ、２Ａと高電圧、低電流化したことになる。
商業電圧が１００Ｖならば半波整流するだけでよいし、ヒーター線を２８０ｍｍと１．４倍にすれば、１００Ｖを直接かけることも出来る。又商業電圧が２００Ｖならば長さを２倍にすれば半波整流し、さらに幅を３ｍｍにして合計で３倍にすると、２００Ｖをそのままかけられ、完全にトランスや電圧調整回路を省くことも出来た。
このジグザグ状ヒーター線は熱による伸縮を、一寸伸ばして固定すると自分で吸収出来るので、従来の複雑で部品の多い図５の伸長吸収装置は勿論、図４の簡便な装置も一切必要なくなった。
ヒーター線に隙間があってもシール線上に出てこないのは、その上にカバーするフッ素樹脂コーティングガラステープやシールすべきポリエチレンフィルム自体によって、熱が隙間方向にも伝わることによる。従ってそれらの厚みが通常の０．１〜０．２ｍｍよりも厚くなれば、又発生する熱量やその時間が多くなれば隙間が０．２ｍｍ以上でもシール線上では消える。又０．１ｍｍ以下ならば勿論よいが、エッチングで量産するのが難しくなる。請求の範囲ではこれらの大きさの隙間を含むものである。その範囲であれば図１１のように隙間にテーパーが付いても良い。
又ヒーター線の幅を変えられる場合、幅は発熱量と逆比例するので、隙間と組み合わせることにより、効果の変わったヒーターを作ることも出来る。例えば図１２のように、シール的には同一形状又は近いヒーターでありながら、発熱部の幅の中心が高く、周辺が低くなるようにその温度分布を変えられるので、エッジ切れを防ぐことが出来る。実は隙間の幅も発熱密度に逆比例するので、図１１のヒーター線の隙間のテーパーが大きくなると同じような効果が出てくる。
鉄クロム材やニクロム合金の焼き鈍した素材では厚さは０．２ｍｍ程度ないと２ｍｍ幅でも柔らかくて、取り扱い中にヒーター線が変形してしまう。しかし現在経済的な圧延では薄板の厚さを０．１ｍｍに出来るし、ある程度焼きを入れて腰があれば、発熱部を先ほどの０．４ｍｍ幅でジグザグにしても、充分実用的な強度があった。しかし焼きが強過ぎると折れやすくなるので、適度がよい。
ヒーター線の使用温度は２００℃以下で、６００℃以上の焼き入れ温度よりもはるかに低いので、加熱で焼きが戻ることはない。又焼き入れだけでなく圧延や鍛造等による改質等の強化処理でもよい。要は焼き入れ等で補える限り、薄いほどよい。又図１３の平面図のようにジグザグの方向を長さ方向にも取れるが、長いのでより強度を要求される。従ってその形状設計の良し悪しもある。なお図１３のように広い面積のヒーターの場合も、どのように隙間と線で面積を塗り潰してもよいが、請求の範囲でいうジグザグ状にはそれらの全てを含む。又直線だけでなく曲線によるものも含む。発熱線そのものも直線だけでなく曲線、幅の大小等、種々の形状を取り得る。
又これらの加工方法としてはワイヤーカッティングや、レーザー等も可能である。ヒーター線はそう高いものではないが、その加工次第でトランス等も省略出来るとなれば、そのようなコストも加味して製造出来る。従って先ほどのエッチング方法が非常に経済的であるが、それに限られるものではない。図１４の平面図に見られるように、本発明の範囲にはジグザグにした発熱部２３が電極部４と一体で作られたものばかりでなく、ジグザグの部分そのままや、幅広の接合部２５で電極部４とスポット溶接して接合したものも含まれる。
なお本発明のシーラーのプレス機構には、一辺にヒーターを設けたＴ型のハンドタイプのものを手に持って、作業台の上に置いたポリエチレン等を押してヒートシールする、いわば人体を介した押圧動作も含める。又本ヒーターはその電圧制御装置を省略することも出来るので、その場合電源回路は、単に電源からヒーターまでの給電を意味する。本発明におけるインパルスシーラーは軽く、電源と直結出来るので、従来は熱板式ヒーターだけであった分野にも活躍出来る。
このことは、熱板式ヒーターを使っていた製本機、ラミネーターにも当てはまり、インパルスヒートシーラー方式で行うことが出来る。つまり必要な形状にしたジグザグ状ヒーター線にフッ素樹脂テープを被せ、それを内蔵したプレス機構で製本用紙の束やラミネートフィルムを押さえて、短時間に比較的大電流を流して熱し、断電して冷却することにより、接着剤の熱溶融性樹脂等を溶着するのである。例えばジグザグ状ヒーター線は長方形にも出来るので、身分証明書の写真のラミネートには最適である。これならば使いたい時に直ぐ使え、しかも常時加熱する必要もなく省エネルギーである。請求の範囲のインパルスヒートシーラー等の熱器具にはこのような製本機やラミネーターが含まれる。
産業上の利用可能性
本発明によりヒーター線はフォトエッチング等によるので、どの様な形状でも正確に大量に安価に出来るようになったし、スポット溶接不良による過熱等の寿命の短い原因も取り除けられた。
電極部が発熱部と同じに薄いので、ヒーター台の上にまで伸ばせるので、両端の伸長吸収装置の直前で起きやすい、発熱部が空中に浮くことによる、過熱の孔あきも防ぐことが出来た。
又シール線では消える程度の細いスリットによりジグザグにしたことで、発熱部を電源の電圧に近づけることが出来るようになったので、トランス等の電圧制御装置を不要又は簡単にした。トランスの重量が無くなると、装置は非常に軽くなるし、コストも低くなった。
ヒーター線自体のバネ性で熱膨張の歪みを吸収出来るし、さらに発熱部をジグザグにしたものはなおさら吸収するので、通常設けなければならない両端の伸長吸収装置が簡略又は不要になった。
これらによりインパルスヒートシーラー自体を製造しやすく、且つそのコストを非常に低く出来た。
又本発明のヒーター線を利用すれば、製本機、ラミネーターはインパルスヒートシーラー方式にすることが出来るし、瞬時に使えて、省エネルギーなものにすることが出来た。
【図面の簡単な説明】
図１〜３は本発明の種々のヒーター線及びそのシール線即ちそのシールして出来た溶着跡の平面図で、図４はヒーター線自体の伸長吸収構造を示す側面図で、図５は従来のものの側面図である。図６、７は本発明のヒーター線の応用例を示す平面図で、図８は猫のバッグのヒーター線を示す平面図である。
図９はジグザグ状ヒーター線及びそのシール線の平面図で、図１０〜１２はその発熱部を拡大した平面図、図１３は別のヒーター線を示す平面図、図１４はヒーター線の接合部を示す平面図である。

Claims (5)

1. ヒーター線を、鉄クロム等の電気的抵抗の高い金属の薄板を補強板に貼りつけたりしないでそのまま加工して、発熱部は均一な細幅で求める形状にして、電極部は２倍以上に幅広にして、それらを一体に形成してなることを特徴とする、少なくとも電源回路、それに結線されたヒーター、そのヒーターを内蔵したプレス機構からなり、フッ素樹脂コーティングガラステープ等でカバーされたヒーター線からなるヒーターに、電源回路から短時間に比較的大電流を流して熱し断電して冷却することにより、プレス機構に挟めたポリエチレン等の熱溶融性樹脂を溶着する、インパルスヒートシーラーのヒーター線。
2. ヒーター線が直線状の場合、通常両端の位置で、ヒーター線の長さ方向に走る中心線によって分けられる区分の両側に設けられる電極の幅広部分を、両側のうちの一方の側のみ、両端共に無くすか、設ける場合でも反対側の幅広部分に比べて共に、より端部に近い位置に設けたことを特徴とする、請求項１のヒーター線。
3. ヒーター線を、鉄クロム等の電気的抵抗の高い金属の薄板を補強板に貼りつけたりしないでそのまま加工して、発熱部は均一な細幅で求める形状にして、その発熱部の一部乃至は全部を互いにある程度の小さな隙間で近づけることにより、出来たシール線又は面では熱の拡散で一緒になって、その隙間が消えてシールが一体となる ことを特徴とするインパルスヒートシーラーのヒーター線。
4. ヒーター線が、出来たシール線又は面では熱の拡散で消えてしまう小さな隙間で、その発熱部の求められる形状いっぱいに、均一な細幅でジグザグ状にしてなることを特徴とする、請求項１のヒーター線。
5. 請求項１のヒーター線を用いたインパルスヒートシーラー。

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