JP4398857B2 - 超音波シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに接近及び離間する方向に相対移動可能なホーンとアンビルで狭持したチューブ容器等の溶着対象部を、超音波振動により発生する摩擦熱で溶着する超音波シール装置に関する。

化粧料等を収容する合成樹脂製チューブ容器等の端部を超音波振動により溶着する技術は従来から広く知られている。例えば、溶着面に対して直交する方向に超音波振動を加える縦振動型、溶着面に対して平行方向に超音波振動を加える横振動型、溶着面に対して斜め方向に超音波振動を加える斜め振動型、等の超音波シール装置が実用化されている。

その中でも、斜め振動型の超音波シール装置は、縦振動型と横振動型の両方の長所を持ち、効率の良い溶着を行うことができる（特許文献１参照）。

この斜め振動型の超音波シール装置は、図８及び図９に示すように、支持桿１１の先端に支持腕１２を回動自在に連結し、この支持腕１２に超音波発振器１３、増幅器１４、ホーン１を同一線上に配置して取り付けたもので、超音波振動はこの軸線方向に向くように発振される。そして、前記ホーン１は先端両側に一対の接触面３を有し、この各接触面３はそれぞれホーン１の軸線に対する角度θが例えば２０度となるように傾斜していると共に、接触面３に例えばハニカム形の凸部が繰り返しパターンで形成されている。

そして、ホーン１先端の一方の接触面３を直立させて固定すると、この直立した接触面３に対して超音波発振器１３、増幅器１４、ホーン１を結ぶ軸線が角度θで傾斜するよう支持腕１２が固定されたこととなり、これによりホーン１の位置が固定される。

そして、直立したホーン１先端の接触面３に対向して、アンビル２が設置され、このアンビル２のホーン１側対向面に接触面３が形成され、この接触面３にもハニカム形の凸部が形成されている。このアンビル２は図示しない油圧シリンダによりホーン１側に向かって進退自在に設けられ、その進退位置においてホーン１先端の接触面３とアンビル２の接触面３とが例えば１０ｍｍ離れているように設定される。

図９に示すようにアンビル２が退行しているとき、ベルトコンベア１５上のホルダ１６に保持されて搬送されてくる断面円形のチューブ容器１７の底部を扁平にしてホーン１とアンビル２との間に案内するガイド１８、１８がホーン１とアンビル２とに隣接して設けられている。このガイド１８、１８は、チューブ容器１７を扁平にするために一対の退行するテーパー面１９、１９を有している。

ホーン１とアンビル２との間に侵入したチューブ容器１７の底部はアンビル２の進出によりホーン１先端の接触面３とこのアンビル２の接触面３とで加圧状態に狭持され、超音波振動により溶着される。この超音波振動はチューブ容器１７の底部の溶着面に対して角度θを以て加えられるため、溶着面に対して直交する方向と、平行な方向とに分散される。
特公平５−７２８５７号公報

このような超音波シール装置においては、縦振動型と横振動型の両方の長所を持つため
、効率の良い溶着を行うことができるものの、以下の点でさらに解決すべき課題もあった。

第１に、溶着対象部に疑似溶着が発生する問題である。この問題は、アンビル２の往復移動を油圧シリンダを用いて行う構成に起因しているものと考えられる。即ち、超音波溶着では、互いの溶着面が溶けてゆく速さに比例してアンビル２をホーン１側へ押し込んでゆく制御を行う必要がある。しかし、この油圧ユニット系の制御では、作動油の温度（粘度）変化の影響等を受けやすく、その微調整が難しいという問題があった。特に、溶着対象部を加圧し過ぎる傾向にあり、溶着面が充分に溶融していない、いわゆる圧着のような形態での疑似溶着が発生することがあった。

第２に、容器の斜めシールが生じてしまう問題である。従来は、図９に示すように、ガイド１８、１８のテーパ面１９、１９によって、ベルトコンベア１５にて搬送されてくる断面円形のチューブ容器１７の底部を扁平にしてからホーン１とアンビル２との間に案内していた。そのため、チューブ容器１７に加わるストレスで容器自体が僅かに傾斜することもあり、これが原因で容器の斜めシールが生じてしまう問題である。

第３に、チューブ容器を形成する包材に無駄が生じる問題である。ガイド１８によってチューブ容器１７の底部を扁平にした場合、チューブ容器１７内の充填仕上がり時の充填物のレベルが上がってしまう。そのため、シーム面（溶着面）に内容物が付着しないように安全を見込んでチューブ長を大きめに設計しなければならず、その分、包材の無駄が生じていた。

よって、本発明の課題は、シーム部の溶着を確実にして、疑似溶着の発生を無くすことができ、しかもこれをメンテナンス性に優れた簡易な構成で実現できる超音波シール装置を提供することにある。
さらに、本発明の課題は、斜めシールの発生や包材の無駄等も無くすことができる超音波シール装置を提供することにある。

本発明は、互いに接近及び離間する方向に相対移動可能なホーンとアンビルで狭持した溶着対象部を、超音波振動により発生する摩擦熱で溶着する超音波シール装置であって、前記ホーン又はアンビルの少なくとも何れか一方を移動させる駆動装置を備え、前記駆動装置は、エアーシリンダと、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をホーン又はアンビルの移動方向に変換するカム機構とを含み、前記カム機構は、前記エアーシリンダのロッドに連結されてロッドの伸縮方向に往復移動可能なカム部材と、そのカム部材の往復移動によってロッドの伸縮方向と交差する方向に往復移動可能なスライド部材とを備え、前記スライド部材に前記ホーン又はアンビルが連結され、前記カム部材は、孔の壁面がカム面をなす長孔を有するカム板からなり、前記スライド部材のカム板側の端部には、前記長孔内に位置してカム面に接触する転がりガイドが設けられ、前記カム面をなす長孔は前記ロッドの伸縮方向に対して斜めに傾斜され、かつ前記スライド部材の移動量を大きくするために設けた中央傾斜部と、スライド部材の移動量を小さくするために設けた上部傾斜部及び下部傾斜部とを一対有するように湾曲した形状であることを特徴としている。

本発明によれば、ホーン又はアンビルの少なくとも何れか一方を移動させる駆動装置として、エアーシリンダと、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をホーン又はアンビルの移動方向に変換するカム機構とを含む構成を採用しているので、油圧ユニットを採用していた問題を根本的に解消できる。即ち、シーム部の溶着を確実にして、疑似溶着の発生を無くすことができ、しかもこれをメンテナンス性に優れた簡易な構成で実現できる。

エアーシリンダの場合、そのロッドの伸縮量を一定にする制御は容易であるが、ロッドの伸縮量を微調整する制御には不安定要素を含む。しかし、カム機構を採用することで、エアーシリンダのロッドのストロークを一定とし、そのストロークをカム機構によってホーン又はアンビルの移動方向に変換すれば、ホーン又はアンビルの移動量を常に一定に保つことができ、不安定要素を無くす構成とすることが可能になる。ロッドのストロークは一定であっても、ホーン又はアンビルの移動量はカム機構の設計によって微調整できる。これにより、エアーシリンダの利点のみを活かし、疑似溶着の生じない最適な構成とすることが可能になる。
また、スライド部材を用いることで、エアーシリンダやカム機構をメンテナンス等を考慮した好適な位置に配置することが可能になる。
さらに、前記カム部材は、孔の壁面がカム面にされた長孔を有するカム板からなり、前記スライド部材のカム板側の端部には、前記長孔内に位置してカム面に接触する転がりガイドが設けられているので、カム板の往復移動をスライド部材の往復移動に確実かつ高精度に変換することができる。
さらにまた、ホーン又はアンビルの移動量をカム機構の設計によって微調整できるようにするために、前記長孔は上下に延ばされるととともに斜めに傾斜され、かつ前記スライド部材の移動量を大きくするために設けた中央傾斜部と、スライド部材の移動量を小さくするために設けた上部傾斜部及び下部傾斜部とを一対有するように湾曲された形状とした。
そして、溶着対象部の溶着部分が変化する過程においては、当該溶着部分が無理に加圧されることはない。なぜなら、エアーシリンダの場合、気体の圧縮に伴う反発力を利用しているため、エネルギーの蓄積が容易であり、油圧シリンダに比べて充分な緩衝機能を発揮させることができるからである。しかも、前記した具体的構成（中央傾斜部、上部傾斜部及び下部傾斜部）からなるカム面を有するカム機構を介してその力を伝達する構成を採用しているため、ホーン及びアンビルに必要な相対変位（スライド部材のスライド量）は高精度に調整することができる。その結果、溶着面部分が溶融した分だけ溶着部を加圧して薄くするために必要な力の制御も極めて容易になる。即ち、互いの溶着面が溶けてゆく
速さに比例してアンビルとホーンを互いに接近させることができる。これにより、溶着対象部の溶着を確実にして疑似溶着を無くすことが可能になる。

前記駆動装置としては、ホーンを移動させる第１駆動装置と、アンビルを移動させる第２駆動装置とを備え、第１駆動装置は、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をホーンの移動方向に変換する第１カム機構を含み、第２駆動装置は、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をアンビルの移動方向に変換する第２カム機構とを含む構成とすることが望ましい。このように、エアーシリンダとカム機構を含む駆動装置をホーンとアンビルのそれぞれについて設けた場合、疑似溶着防止機能をさらに高めることができるだけでなく、ホーンとアンビルの離間距離を大きくすることができるので、溶着対象部をホーンとアンビルで直接加圧して狭持することも可能になる。これにより、斜めシールの発生や包材の無駄等も無くすことができる。

前記溶着対象部は、合成樹脂製チューブ容器の端部であり、ホーン及びアンビルの相対移動による最大離間距離がチューブ容器の外径よりも大きい構成とすることが望ましい。このように構成した場合、チューブ容器の端部をホーンとアンビルで直接加圧して狭持することができるので、従来必要であった、チューブ容器の端部を扁平にするためのガイドを不要にすることができる。

本発明の超音波シール装置によれば、シーム部の溶着を確実にして、疑似溶着の発生を無くすことができ、しかもこれをメンテナンス性に優れた簡易な構成で実現できる。また、斜めシールの発生や包材の無駄等も無くすことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明を斜め振動型の超音波シール装置に適用した実施の形態を示す要部の正面図である。図２〜図７は同実施形態を示す各部の説明図である。

この斜め振動型の超音波シール装置は、図１〜図７に示すように、スライド部材１１Ａの先端に支持腕１２を連結し、この支持腕１２に超音波発振器１３、増幅器１４、ホーン１を同一線上に配置して取り付けたもので、超音波振動はこの軸線方向に向くように発振される。そして、ホーン１は先端両側に一対の接触面３を有し、この各接触面３はそれぞれホーン１の軸線に対する角度θが２０度程度となるように傾斜していると共に、接触面３に例えばハニカム状の凸部５が繰り返しパターンで形成されている。

なお、スライド部材１１Ａの先端にヒンジを介して支持腕１２を回動可能に連結してもよい。その場合には、ホーン１先端の一方の接触面３を直立させて固定すると、この直立した接触面３に対して超音波発振器１３、増幅器１４、ホーン１を結ぶ軸線が角度θで傾斜するよう支持腕１２が固定されたこととなり、これによりホーン１が位置決めされる。
このホーン１はスライド部材１１Ａに連結された後述する第１駆動装置Ａにより、アンビル２側に向かって進退自在に設けられている。

直立したホーン１先端の接触面３に対向して、アンビル２が設置され、このアンビル２のホーン１側対向面に接触面３が形成され、この接触面３にもハニカム形の凸部５が形成されている。このアンビル２はスライド部材１１Ｂに連結された後述する第２駆動装置Ｂにより、ホーン１側に向かって進退自在に設けられている。

したがって、この実施形態の斜め振動型超音波シール装置は、互いに接近及び離間する方向に相対移動可能なホーン１とアンビル２を備えている。ホーン１を移動させる第１駆動装置Ａは、縦型配置されたエアーシリンダ２１と、エアーシリンダ２１のロッド２２の伸縮動作をホーン１の移動方向に変換する第１カム機構２３とを備えている。第２駆動装置Ｂも、縦型配置されたエアーシリンダ３１のロッド３２の伸縮動作をアンビル２の移動方向に変換する第２カム機構３３とを備えている。

第１カム機構２３は、エアーシリンダ２１のロッド２２に連結されてロッド２２の伸縮方向（鉛直方向）に往復移動可能なカム部材２４と、そのカム部材２４の往復移動によってロッド２２の伸縮方向と９０度交差する水平方向に往復移動可能なスライド部材１１Ａとを備えている。そして、スライド部材１１Ａの先端に連結された支持腕１２を介してホーン１が支持されている。

第２カム機構３３も、エアーシリンダ３１のロッド３２に連結されてロッド３２の伸縮方向（鉛直方向）に往復移動可能なカム部材３４と、そのカム部材３４の往復移動によってロッド３２の伸縮方向と９０度交差する水平方向に往復移動可能なスライド部材１１Ｂとを備えている。そして、スライド部材１１Ｂの先端にアンビル２が連結されている。

第１カム機構２３のカム部材２４は、孔の壁面がカム面２５ａに形成された長孔２５を有するカム板で形成されている。そして、スライド部材１１Ａのカム板２４側の端部には、長孔２５内に位置してカム面２５ａに接触する転がりガイド２６が設けられている。長孔２５は上下に延びかつ斜めに傾斜している。傾斜方向は長孔２５の上部が支持腕１２から離間し、下部が支持腕１２側に接近する方向である。

なお、第２カム機構３３のカム部材３４も第１カム部材と同様に、孔の壁面がカム面３５ａに形成された長孔３５を有するカム板で形成されている。そして、スライド部材１１Ｂのカム板３４側の端部には、長孔３５内に位置してカム面３５ａに接触する転がりガイド３６が設けられている。長孔３５は上下に延びかつ斜めに傾斜している。傾斜方向は長孔３５の上部がアンビル２から離間し、下部がアンビル２側に接近する方向である。

但し、第１駆動装置Ａでは、カム板２４の下降移動によりホーン１がアンビル２側に移動するように設定され、第２駆動装置Ｂでは、カム板３４の上昇移動によりアンビル２がホーン１側に移動するように設定されている。勿論、何れか一方のカム板を左右反転させた配置としてもよい。その場合には、二つのエアーシリンダ２１、３１を同時に伸長・収縮させる制御を行えばよい。

溶着対象部が、合成樹脂製チューブ容器１７の端部である場合、ホーン１及びアンビル２の相対移動による最大離間距離Ｌは、図４に示すようにチューブ容器１７の外径よりも大きく設定されている。例えば左右それぞれ５０ｍｍ、合計１００ｍｍ程度に設定される。この最大離間距離Ｌは溶着すべきチューブ容器１７の外径によって変化させてもよい。

カム板２４の斜めに延びるカム面２５ａは、図４に示すように、スライド部材の移動量を大きくするために設けた中央傾斜部ａと、スライド部材の移動量を小さくするために設けた上部傾斜部ｂ及び下部傾斜部ｃとを一対有するように湾曲した形状である。カム板３４のカム面３５ａも同様な形状である。

なお、第１駆動装置Ａと第２駆動装置Ｂは、図示しない制御装置により、それぞれ同期して駆動させたり、必要に応じて単独で駆動させたりすることができるように構成されている。

図７に示すようにホーン１及びアンビル２が共に退行しているとき、ベルトコンベア１５上のホルダ１６に保持されて搬送されてくる断面円形のチューブ容器１７は、ホーン１とアンビル２の間に搬送される。ここでは、チューブ容器１７の底部を扁平にしてホーン１とアンビル２との間に案内するための従来のガイド１８（図９参照）は存在しないため、チューブ容器１７にストレスが加わることはない。

ホーン１とアンビル２との間に侵入した状態で、第１駆動装置Ａ及び第２駆動装置Ｂを駆動させる。すると、チューブ容器１７の底部はホーン１及びアンビル２の進出（互いに接近する相対移動）によりホーン１先端の接触面３とこのアンビル２の接触面３とで加圧状態に狭持され、超音波振動により溶着される。

この溶着状態の経過を模式的に示したのが、図５及び図６である。チューブ容器１７の底部は、まず互いの溶着面部分が溶融しはじめると、ホーン１とアンビル２によって加圧されているため次第に薄くなり、超音波溶着に必要な所定時間が経過すると図６に示す厚さに変形する。

このように溶着部分が図５から図６に示すように変化する過程においては、チューブ容器１７の底部が無理に加圧されることはない。なぜなら、エアーシリンダの場合、気体の圧縮に伴う反発力を利用しているため、エネルギーの蓄積が容易であり、油圧シリンダに比べて充分な緩衝機能を発揮させることができるからである。しかも、前記した具体的構成（中央傾斜部ａ、上部傾斜部ｂ及び下部傾斜部ｃ）からなるカム面を有するカム機構を介してその力を伝達する構成を採用しているため、ホーン１及びアンビル２に必要な相対変位（スライド部材のスライド量）は高精度に調整することができる。

その結果、溶着面部分が溶融した分だけ溶着部を加圧して薄くするために必要な力の制御も極めて容易になる。即ち、互いの溶着面が溶けてゆく速さに比例してアンビル２とホーン１を互いに接近させることができる。これにより、溶着対象部の溶着を確実にして疑似溶着を無くすことが可能になる。

なお、本発明は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、カム機構としては、ホーンとアンビルが互いに接近する方向にスライド部材をスライドさせるときにのみ機能させ、互いに離間する動作はバネの反発力で行うように構成することもできる。

また、実施の形態では、ホーンとアンビルの両方に駆動装置を設けたが、一つの駆動装置でホーンとアンビルの両方を駆動する構成としてもよい。さらに、本発明の技術思想を考慮した場合、ホーンとアンビルの何れか一方のみを駆動する構成としてもよい。

本発明の実施形態に係る超音波シール装置の要部の正面図。 本発明の実施形態に係る超音波シール装置のホーンの正面図。 本発明の実施形態に係る超音波シール装置の接触面の拡大図。 本発明の実施形態に係る超音波シール装置のカム板の正面図。 本発明の実施形態に係る超音波シール装置による溶着面の説明図。 本発明の実施形態に係る超音波シール装置による溶着面の説明図。 本発明の実施形態に係る超音波シール装置の説明図。 従来の超音波シール装置を示す正面図。 従来の超音波シール装置の説明図。

符号の説明

１ ホーン
２ アンビル
３ 接触面
１１Ａ、１１Ｂ スライド部材
１２ 支持腕
１３ 超音波発信器
１４ 増幅器
１７ チューブ容器（溶着対象部）
２１、３１ エアーシリンダ
２２、３２ ロッド
２３ 第１カム機構（カム機構）
３３ 第２カム機構（カム機構）
２４、３４ カム部材（カム板）
２５、３５ 長孔
２６、３６ 転がりガイド
２５ａ、３５ａ カム面
Ａ 第１駆動装置（駆動装置）
Ｂ 第２駆動装置（駆動装置）
ａ 中央傾斜部
ｂ 上部傾斜部
ｃ 下部傾斜部

Claims (3)

1. 互いに接近及び離間する方向に相対移動可能なホーンとアンビルで狭持した溶着対象部を、超音波振動により発生する摩擦熱で溶着する超音波シール装置であって、
   前記ホーン又はアンビルの少なくとも何れか一方を移動させる駆動装置を備え、
   前記駆動装置は、エアーシリンダと、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をホーン又はアンビルの移動方向に変換するカム機構とを含み、
   前記カム機構は、前記エアーシリンダのロッドに連結されてロッドの伸縮方向に往復移動可能なカム部材と、そのカム部材の往復移動によってロッドの伸縮方向と交差する方向に往復移動可能なスライド部材とを備え、前記スライド部材に前記ホーン又はアンビルが連結され、
   前記カム部材は、孔の壁面がカム面をなす長孔を有するカム板からなり、前記スライド部材のカム板側の端部には、前記長孔内に位置してカム面に接触する転がりガイドが設けられ、
   前記カム面をなす長孔は前記ロッドの伸縮方向に対して斜めに傾斜され、かつ前記スライド部材の移動量を大きくするために設けた中央傾斜部と、スライド部材の移動量を小さくするために設けた上部傾斜部及び下部傾斜部とを一対有するように湾曲した形状である超音波シール装置。
2. 前記駆動装置は、前記ホーンを移動させる第１駆動装置と、前記アンビルを移動させる第２駆動装置とを備え、第１駆動装置は、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をホーンの移動方向に変換する第１カム機構を含み、第２駆動装置は、エアーシリンダのロッドの伸縮動作をアンビルの移動方向に変換する第２カム機構とを含む、請求項１に記載の超音波シール装置。
3. 前記溶着対象部は、合成樹脂製チューブ容器の端部であり、前記ホーン及びアンビルの相対移動による最大離間距離が前記チューブ容器の外径よりも大きい、請求項１又は２に記載の超音波シール装置。

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