JP4877906B2 - 飲料用又は食品用の密封容器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー溶接法を用いて、密封性が高い飲料用又は食品用の密封容器を安価で製造することが可能な技術に関する。

密封容器、例えば飲料用容器には、壜、缶、プラスチック容器等の各種容器が知られている。近年、その良ハンドリング性等の利便性の観点から缶やプラスチック容器が広く用いられるようになってきている。

このうち、缶は、容器価格の低さ、生産速度の速さ、輸送効率の高さ等の理由により広く流通している。この缶は、通常、有底の円筒形をした「容器胴体」と容器胴体の口部を密閉する「蓋」とからなる。この容器胴体と蓋を適切に接合して、食品飲料等の中身を密封する方法が限定されるため、現在の市場ではアルミニウムやスチール等の金属製の缶が流通している。

この容器胴体と蓋の接合は、容器胴体の端部と蓋の端部を重ねてフランジ構造を形成し、機械的に重畳させる巻締めにより行なわれる。この巻締工程は金属部材の機械的変形を利用した工程のため、蓋は一般に容器胴体よりも厚い部材からなり、中身密封用にスチレンブタジエンラバーやポリ塩化ビニルなどのポリマー材を備えている。このようにポリマー材が必要であり、また、蓋を厚肉とすることから、金属材の使用量が多くなってしまう。

そこで、これを解決するために、金属缶を対象にして、缶の密封をレーザー溶接で行なう技術が開示されている（例えば特許文献１〜３を参照。）。

金属缶のもう１つの特色は、毎分数百缶から２０００缶におよぶ高速製造ラインの使用である。従来の巻締装置では、この製造速度に対応するために、複数の巻締ヘッドを必要とするので装置サイズが比較的大きくなる。その結果、内溶液が充填された容器胴体に、巻締装置内で蓋を装着するまでの間、一般には数メートルの距離を容器胴体が外気に対して開口された状態でコンベア上を搬送される必要がある。搬送速度が大きいことと巻締装置とコンベアの間での容器胴体の乗移りとによって、容器胴体は外部からの衝撃を受け、その結果、外気との気体交換や液こぼれが起きてしまう。気体交換は、酸素ピックアップにより内溶液の劣化を早める。特に炭酸飲料の場合は内溶液の炭酸ガス濃度を低下させてしまい香味に影響する。また液こぼれは、製品の内容量管理を困難にしたり、製造設備の汚れとなり、製造の安定稼動・衛生管理の問題が生じる場合がある。

プラスチック容器に関しては、巻締工程を実施することが困難であり、飲料用金属缶容器のように巻締めをして密封するプラスチック容器は流通していない。プラスチック容器において、最も流通している容器はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）ボトルである。ＰＥＴボトルにおいては、ボトル口部にキャップをねじ込む方式が密封方式として使用されている。しかし、このキャップが容器全体の中で大きなコストアップ要因となっている。さらにキャップは主としてＰＰ（ポリプロピレン）製のため、リサイクルの障害となっている。

ＰＥＴボトルにおいても、毎分数百本の処理能力がある高速製造ラインの使用が一般的になっている。充填直後にキャッパーで蓋の装着と密封が行われるのが一般的である。

また、カップ状の容器に対して、プラスチック樹脂層とアルミニウム箔層を有する蓋を、レーザー光を照射してヒートシールする技術も開示されている（例えば特許文献４を参照。）。

ＷＯ０２／４２１９６ Ａ２号公報 特開昭６３−１９４８８５号公報 特開昭６１−２８９９３２号公報 特開昭６０−１９３８３６号公報

金属製の缶の密封を行なうに際して行なわれる巻締方式によれば、ポリマー材の使用と巻締部分における缶材料の余分な使用及び缶胴部と比較して肉厚な蓋の使用が必須でコストアップの要因となっている。一方、特許文献１をはじめとするレーザー溶接された缶容器は、材料の使用量削減やポリマー材の不要化を目的として検討され、従来の巻締めの代わりにレーザー溶接を試みるものである。しかし、レーザーの出力方法や容器胴体と蓋の重ね合せ方法において溶接工程の生産速度や経済性において巻締方式を凌駕することはできなかったため、実用化されていない。

このような状況下、従来の飲料又は食品用に使用される容器と同様の形状で材質の容器をレーザー溶接法により密封を行なう場合、確実な溶着を目的として、レーザースポットを線状の溶接箇所に沿って移動させる方法、或いは、レーザースポットの位置を固定し、線状の溶接箇所が順次レーザースポットに照射されるように移動する方法を行なうことが考えられる。しかし、飲料用又は食品用の容器のように中身を充填した後で密封を試みる場合、口部などの容器各所が濡れている可能性があり、しかも密封速度が毎分数百容器以上の高速プロセスが要求される条件下では、レーザースポットによる溶接方法が必ずしも有効な溶接方法にならないことが判明した。

アルミ製容器の場合、アルミ溶融箇所の酸化防止のためにパージガスを供給する。このパージガスによって、溶接予定箇所の水滴を十分に除去できる。しかし、レーザースポットにより密封可能に溶接できるエネルギー供給量の範囲が材料自体の性質に由来してあまり広くない。結果として、レーザースポットが飲料用又は食品用の容器で求められる密封工程のプロセス速度に対応した適切な移動速度で移動する場合に、レーザースポットを線状の溶接予定箇所に対して何周させるのかを極めて精密に制御しなければならない。例えばレーザースポットを開始点から１周させて開始点に戻ったところを終了点とする場合、終了点をいくらか通過してしまうと通過箇所にエネルギーの供給過剰が生じ、極端な場合、部材の溶け落ちに至り密封性や溶着力を損ねてしまうこととなる。

ポリエチレンテレフタレートなどプラスチック製の容器の場合、アルミ製容器に比べて材質に起因する密封可能に溶接できるエネルギー供給量範囲が広く、また供給エネルギーが低くても良い。低エネルギーで溶接する場合、溶接予定箇所に付着したパージガスで除去しきれない水滴を蒸発させる際に損失するエネルギー量が供給したエネルギーに対して相対的に多くなる。このため、これらの水滴による濡れの影響が無視できなくなる。この問題は、単純に供給するエネルギーを多くすることで解決することは困難である。レーザースポットを溶接予定箇所に沿って移動させて溶接を開始すると、溶接予定箇所のうち溶接開始箇所付近が他の箇所に先立って溶着するため、当該他の箇所に向かって水滴が集まる。結果として水滴が集まった箇所では、溶着面積や面積あたりの溶着強度の減少が生じてしまい、安定した溶接が困難となる。

以上のような問題に加えて、レーザースポットを用いた一筆書き様な溶接方法では、線状の溶接予定箇所全体にわたってレーザースポットが順次移動していかなければならないため、溶接が完了するまでの時間が、飲料用又は食品用の容器で求められる密封工程のプロセス速度に対して比較的長くかかってしまうという問題がある。溶接が完了するまでの時間が長くかかると、その分巻締装置のように装置サイズをある程度大きくし、装置内で溶接容器を保持する時間が得られるようにしなければならない。すると、上述の通り、内容液が充填された容器胴体を、蓋がない状態で装置まで搬送する過程を必要とする。

そこで本発明の目的は、レーザー溶接法を用いて、飲料用又は食品用の容器の密封を行なうに際して、（１）密封工程のプロセス速度を高速とすることができ、（２）レーザースポットの走査位置の厳密な制御が不要で且つ部分的なエネルギーの供給過剰が生じ難く、又、（３）水滴の集合による溶着面積や面積あたりの溶着強度の減少を生じさせず、（４）適切な容器の耐圧強度を付与し、密封性と安全性を兼ね備えた溶着とすることができ、（５）さらに溶接装置及びその周辺設備の操作・安定稼動が容易である、という特徴を有する実用的な密封容器の製造方法を提供することである。

本発明者らは、レーザースポットによる一筆書き様の溶接方法での問題を解決するべく鋭意検討したところ、アルミ製容器の溶け落ち等を回避して十分なレーザー光の照射を行なう場合であっても、或いは、プラスチック製容器の溶接箇所の濡れに対して安定した溶着を得る場合であっても、溶接予定箇所全体に、ほぼ同時にレーザー光を照射して溶着させることが効果的であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法はレーザー溶接法によって、容器胴体と該容器胴体の口部に装着された蓋とを溶着して気密状態とした飲料用又は食品用の密封容器の製造方法において、前記容器胴体は口部の外壁に口部の縁と平行に環状のリブを有し、前記蓋は縁に前記リブと密着部分を形成する環状のリングを有し、前記リブと前記リングとの密着部分が溶接予定個所となり、該溶接予定箇所となる密着部分の形状が、前記蓋を天面から見たときに環状の形状であり、かつ、レーザー光を上方から下方に向けて照射し、該レーザー光の照射形状を前記溶接予定箇所の各方向での幅のうち最小の幅よりも大きい幅を有する領域状として、前記溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶着する工程を有することを特徴とする。レーザー光の照射形状を最低限必要な幅を有する領域状とした場合においても、溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶着できる。

本発明に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法では、前記溶接予定箇所全体を包含した領域にレーザー光を照射することが含まれる。溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶着させるためのレーザー光の照射領域を規定するものである。

本発明に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法では、前記容器胴体に前記蓋が装着された飲料用又は食品用の容器が、回転及び／又は搬送されながら、レーザー光を照射されることが好ましい。ここで、前記容器の搬送が一定速度の連続搬送であることが好ましい。容器の搬送を一定速度で連続的に稼動するコンベアとすることで、高速製造ラインにレーザー溶接を使用することができる。また一定速度とすることで、蓋が装着されるコンベアと同一コンベア上でのレーザー溶接が可能となり、容器に中身が充填された後、蓋が装着されるまでの間の時間をごくわずかとし、かつ容器の液面ゆれを最小限とすることができる。特に、レーザー照射部がコンベアに対して固定されているために、製造ライン内の溶接装置のサイズを小さくでき、また巻締装置の各ヘッドで要求されるような微妙な調整を必要としない。ここでさらに、前記容器胴体に前記蓋が装着された飲料用又は食品用の容器が搬送されながらレーザー光を照射されるときに、前記容器が特定の位置範囲にある時間帯に限ってレーザー光が照射されることが好ましい。中身の充填工程を経た容器を引き続き密封工程へと導くことができる。このとき、容器が特定の位置範囲にあるときのみにレーザー光を照射することで、無駄な照射を省き、且つ、溶接予定箇所以外の材質劣化を防止できる。

本発明に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法では、前記容器胴体及び前記蓋が、プラスチック樹脂又は金属により形成されていることが含まれる。

本発明に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法では、前記プラスチック樹脂がポリエチレンテレフタレートであることが好ましい。ここで、前記溶接予定箇所へのレーザー光の照射エネルギーを１平方ミリメートルあたり０．５〜２．１Ｊとすることがより好ましい。レーザー溶接法による密封方法を用いる場合、理論的には溶着された２物体が単一の物体であるときと同じ材料強度にできるため、溶着強度が強くなりすぎる懸念が生じる。飲料又は食品用の容器の場合、過剰な内部圧力に上昇した時点で安全に破断することが使用者の安全上の観点から求められる。このような過剰圧力は例えば炭酸飲料の容器を日なたに放置した場合に発生する。このとき、適度な圧力上昇の時点で容器の密封が破壊されないと、破断時に蓋が著しい速度で飛び出すなど、使用者の人体に危険な事態が発生しうる。このような安全上の観点も、レーザー溶接法による密封方法を実用化するためには重要な要素となる。そこで、ポリエチレンテレフタレートは飲料用又は食品用の容器の材質としてもっとも使用されている樹脂の一つであり、当該樹脂を材質とする容器を適度な溶着強度を有するように密封するためのレーザー光の照射条件を規定するものである。

本発明に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法では、前記容器胴体及び前記蓋が、０．２ｍｍ以下の厚さのアルミニウムにより形成されていることが好ましい。ここで、前記溶接予定箇所へのレーザー光の照射エネルギーを１平方ミリメートルあたり１７〜２６Ｊとすることがより好ましい。アルミニウムは飲料用又は食品用の容器の材質としてもっとも使用されている金属の一つであり、前記した安全上の観点から当該金属を材質とする容器を適度な溶着強度を有するように密封するためのレーザー光の照射条件を規定するものである。

本発明は、レーザー溶接法を用いて、飲料用又は食品用の容器の密封を行なうに際して、密封工程のプロセス速度を高速とすることができる。また、レーザースポットの走査位置の厳密な制御が不要で且つ部分的なエネルギーの供給過剰が生じ難い。さらに、水滴の集合による溶着面積や面積あたりの溶着強度の減少を生じさせない。また、適切な容器の耐圧強度を付与し、密封性と安全性を兼ね備えた溶着とすることができる。さらに溶接装置の操作・安定稼動が容易である。

以下本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。図１〜図６を参照しながら本実施形態に係る密封容器の製造方法を説明する。なお、同一部材・同一部位には同一符号を付した。なお、レーザー光の照射形状を図４又は図５に示したように環状若しくは求心状とし、かつ、環状の溶接予定箇所を同時に溶接する形態は参考例である。

本実施形態に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法は、レーザー溶接法によって、容器胴体と該容器胴体の口部に装着された蓋とを溶着して気密状態とした飲料用又は食品用の密封容器を製造するに際して、前記容器胴体と前記蓋との溶接予定箇所全体を同時若しくはほぼ同時に溶着するというものである。

飲料又は食品が密封された容器を得るためには少なくとも次の工程を経る。図１に本実施形態に係る密封容器の製造方法の一形態を示す工程図を示した。まず、容器胴体１の口部から中身６１を充填する充填工程Ｓ１である。次いで、口部を覆うように蓋３を容器胴体１に供給する蓋供給工程Ｓ２である。次いで、口部を覆うように蓋３が装着される蓋装着工程Ｓ３である。次いで、容器胴体１と蓋３とを溶着させて容器を密封する密封工程Ｓ４である。本実施形態に係る飲料用又は食品用の密封容器の製造方法では、密封工程Ｓ４において、溶接予定箇所全体を同時若しくはほぼ同時に溶着するというものである。なお、充填工程前に容器胴体の内部や蓋を洗浄する洗浄工程を設けても良い。また、密封工程を経た容器にラベルを付すラベリング工程を設けても良い。

充填工程Ｓ１では、例えばターンテーブル（不図示）上に空の容器胴体１が載せられ、ターンテーブルを一回りする間に中身６１が充填される。中身６１は、飲料等の液体若しくは固液混合体、又は食品が例示される。そのスピードは、容器の容量によって違いが有るものの、例えば飲料の場合５００〜２０００容器／分である。

蓋供給工程Ｓ２では、充填工程Ｓ１において中身６１が充填された容器胴体１がコンベア等の搬送手段（不図示）により蓋供給手段６２ｂのところまで搬送されて来る。蓋供給手段６２ｂには、蓋搬送手段６２ａによって蓋３が搬送されて来る。蓋供給手段６２ｂは、蓋３を１つの容器胴体１につき一個、口部まで供給する。このとき、中身６１が発泡している場合には泡切りを行い、炭酸ガスパージ若しくは窒素ガスパージを行なう。

蓋装着工程Ｓ３おいて、蓋配置手段６３によって、蓋３が容器胴体１の特定位置に載置される。ここで、蓋３がレーザー光の照射前にずれたり、或いは落ちたりしないように、容器胴体１と蓋３が密着するように固定されることが好ましい。なお、蓋供給工程Ｓ２と蓋装着工程Ｓ３はほぼ同時に行なっても良い。

容器胴体と蓋が密着するように固定するためには、容器胴体の口部と蓋の構造を工夫することで実現できる。例えば、図２に示すような容器、すなわち口部を閉じたときに自己にひずみを生じさせ、ひずみを緩和する応力によって容器胴体に対して加圧状態の密着部分を生じさせ、且つ、密着部分が封じ目となる、可塑性材料で形成された蓋を使用した容器を用いる。ここで密着部分は常に加圧状態で接触させられており、溶接予定箇所となる。上記構成により、中身がこぼれないことはもとより、密着部分である密着面から中身や掛け水などの夾雑物を排除させておくことができる。したがって、密着部分を溶着させるとき、密着面に夾雑物がないので、夾雑物の気化やレーザー光の照射による熱を奪う等の溶着へ悪影響を及ぼす現象が生じにくい。

図２に示す容器を詳細に説明する。図２に密封容器の一形態を示す概略図を示した。（ａ）は、容器胴体に口部を装着したときの口部付近の縦断面概略図、（ｂ）はＡ方向から見た外観概観図、（ｃ）はＢ方向から見た蓋の斜視概観図である。密封容器１００では、容器胴体１の口部９の外壁に口部９の縁５と平行に環状のリブ６を設け、蓋３の縁７にリブ６と密着部分４を形成する環状のリング８を設け、口部９の外壁のうち、リブ６よりも口部の縁５側に環状の凸起２を設け、蓋３の内壁のうち、蓋３の縁７に設けたリング８との間隔が、口部９に設けた環状の凸起２とリブ６との間隔よりもわずかに長い間隔となる箇所に、環状の凹陥１１を設けている。そして、リブ６とリング８との密着部分４が溶接予定個所となる。

密封容器１００では、蓋３は、装着時に口部９の側壁を周囲から多少締め付けるように内径が設計されている。ここで、環状の凹陥１１とリング８との間隔が、口部９に設けた環状の凸起２とリブ６との間隔よりもわずかに長い間隔となるように形成されている。したがって、蓋３のうち、環状の凹陥１１とリング８との挟まれた部分では、蓋３の締め付けの力によって、図２（ａ）でみると垂直方向にひずみが生じて圧縮応力が生じる。蓋３は可塑性材料で形成されているため、この圧縮のひずみを緩和させるためリング８を下方に押しやる力、即ち、リブ６を押し付ける力２３が発生する。これによって、密着部分４が加圧状態とさせられる。

蓋３は、可塑性材料で形成するが、具体的には、プラスチック樹脂、金属或いはこれらの複合材料で形成する。金属は、例えばアルミニウム、鉄或いはこれらを主成分とする合金である。プラスチック樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、グリコール変性ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴＧ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、シクロオレフィンコポリマ樹脂（ＣＯＣ、環状オレフィン共重合）、アイオノマ樹脂、ポリ−４−メチルペンテン−１樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合樹脂、アクリロニトリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスルホン樹脂、又は、４弗化エチレン樹脂、アクリロニトリル・スチレン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂である。この中で、ＰＥＴとアルミニウムが特に好ましい。ＰＥＴとアルミニウムは、飲料・食品用容器の材料として使用実績がある。ＰＥＴ等の透明樹脂の場合は、レーザー溶接法により融着させる場合、レーザー光に対して吸収がないため、密着部分の密着面にレーザー光に対して吸収性のある着色を施すことで、密着面周辺を直接加熱できる。アルミニウムの場合でも密着部分の密着面の裏面にレーザー光に対して吸収性のある着色を施すことで、密着面周辺を効率良く加熱できる。着色は、例えば顔料や染料を塗布又は含有させることで行なう。なお、プラスチック樹脂と金属との複合材料の例として、プラスチック樹脂シートとアルミニウム材とをラミネートした複合フィルムがある。この複合フィルムには、全体の厚さが０．０５〜０．１μｍと薄いものが含まれる。

容器胴体１は、プラスチック樹脂、ガラス、セラミックス、金属或いはこれらの複合材料で形成する。その形状は、ボトル形状が好ましい。なお、レーザー溶接法によって溶着させて容器の密封を行なうため、容器胴体と比較して蓋を厚肉とする必要はないため、材料の使用量を低減できる。プラスチック樹脂で容器胴体１と蓋３を形成する場合は、金属で形成した場合よりも小さなエネルギーでこれらを接合することが可能である。

密封容器１００では、さらに口部９の外壁のうち、凸起２よりも上方に環状の第２凸起１０を設け、蓋３の内壁に第２凹陥１２を設けている。ここで、縁５と接触する蓋３の内壁部分１３と第２凹陥１２との間隔が、縁５と第２凸起１０との間隔よりもわずかに短くなるように、蓋３が形成している。これによって、縁５と内壁部分１３との当接面が形成され、この当接面では常に加圧状態とされることとなる。したがって、この当接面からも夾雑物が排除され、夾雑物による悪影響がなくなり、当該当接面も併せて溶接する場合、溶着が容易となる。また、２箇所の溶着を行なうこととなるので、容器胴体１と蓋３との接着強度が向上する。

さらに密封容器１００では、蓋３の開封性を向上させるために、つまみ２６が設けられている。また、容器に内圧がかかって、蓋３が飛ばないように、リブ６に対しての引掛け部１４が設けられている。万が一、不用意に蓋３が開封しても、引掛け部１４によって、蓋３の飛び出しが防止される。

また、本実施形態に係る密封容器の製造方法では、使用する容器として、例えば図３に示す密封容器２００を用いても良い。図３に密封容器の別形態を示す概略図を示した。ここで、容器胴体に口部を装着したときの口部付近の縦断面概略図を示している。図３の密封容器２００においても密封容器１００と同様に、溶接予定箇所において自己にひずみを生じさせることで、密着部分４が形成され、この密着部分４では常に加圧状態とされることとなる。すなわち、密封容器２００では、蓋３の内壁面と口部９の縁５との当接面１９を設け、口部９の外壁に口部９の縁５と平行に環状の凹陥１７を設けている。また、蓋３の内壁面には、環状の凸起１８を設けている。さらに、蓋３の内壁のうち、当接面１９との間隔が、口部９の縁５と口部９に設けた環状の凹陥１７との間隔よりも、わずかに短い間隔となる箇所に、環状の凸起１８を設けている。そして、容器胴体１の外壁に設けた環状の凹陥１７と、蓋３の内壁に設けた環状の１８凸起との密着部分４が溶接予定箇所となる。密封容器２００では、蓋３は、装着時に口部９の側壁を周囲から多少締め付けるように内径が設計されている。ここで、当接面１９と蓋３に設けた環状の凸起１８との間隔が、口部９の縁５と口部９に設けた環状の凹陥１７との間隔よりも、わずかに短い間隔となるように、蓋３が形成されている。したがって、蓋３のうち、当接面１９と環状の凸起１８との挟まれた部分では、蓋３の締め付けの力によって、図３でみると垂直方向にひずみが生じて引張応力が生じる。蓋３は可塑性材料で形成されているため、この引っ張りのひずみを緩和させるため蓋３の内壁面が縁５を押し付ける力２４が発生し、縁５が蓋３の内壁面に当接する。一方、蓋３の環状の凸起１８と容器胴体１の環状の凹陥１７は密着し合い、この密着部分４が加圧状態とさせられる。蓋３と容器胴体１の材質は第１実施形態の場合と同様である。

実施形態に係る密封容器の製造方法では、図２又は図３に示すような自己にひずみを生じさせた容器を使用することに限定して解釈されず、蓋を容器胴体に固定した状態で保持する蓋保持手段（不図示）によって、容器胴体と蓋が密着するように固定させても良い。

密封工程Ｓ４において、溶接予定箇所全体を同時若しくはほぼ同時に溶着する。同時若しくはほぼ同時に溶着するためには、溶接予定箇所全体を包含した領域にレーザー光を照射することが好ましい。本実施形態に係る密封容器の製造方法では、溶接予定箇所全体を同時に溶着する形態と溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶着する形態の２形態がある。同時に溶着する形態としては、環状若しくは円筒状の形状をした溶接箇所全体に対しレーザー光を環状若しくは求心状に照射してレーザー溶接する技術が含まれる。また、ほぼ同時に溶着する形態としては、レーザー光を領域状に照射し当該領域内を容器が通過する際にレーザー溶接する技術が含まれる。レーザー光を領域状に照射するためには、例えば、束とした光ファイバーの光出射口を、コンベアの上方で下方に向けて配置し、溶接予定箇所全体がコンベアによって一定速度で連続的に移動してきて必ず通過する領域に、レーザー光の束を照射する形態がある。この場合、レーザー光の照射形状は、溶接予定箇所の形状に合致していないので、溶接予定箇所全体が溶着するためにはレーザー光の強度の調節が必要であるが、コンベアによって搬送されてくる容器のタイミングと照射タイミングとを厳密に合致させることが不要となる。

まず、溶接予定箇所全体を同時に溶着する形態について説明する。飲料用又は食品用の密封容器が一般天面を有した円筒形の蓋を使用するため、溶接箇所は円形となるのが一般である。そのため、レーザー光を環状若しくは求心状に均一に照射することが有効である。レーザー光を環状若しくは求心状に照射するには、半導体レーザーを用いた場合、光ファイバーでレーザー光を環状若しくは求心状に均一に分散させることで実現できる。密封容器の溶接予定箇所にレーザー発生手段６４を固定し、環状若しくは求心状にレーザー光を一定時間照射すると、環状若しくは円筒状に溶接箇所を形成することができる。

図２の密封容器１００では、密着部分４はリング８の直下に配置している。したがって、密着部分４の形状は、蓋３を天面から見た場合、環状の形状となっている。図４に、図２の密封容器１００の溶接予定箇所であるリング８にレーザー光６６を照射している様子を示した。レーザー発生手段６４から発振したレーザー光６６を伝送させる光ファイバー６４ａの配置によってレーザー光６６の照射形状を環状とすれば、溶接予定箇所全体を過不足なく同時に溶着することができる。ここで、レーザー光６６の照射形状を、例えば図２の密封容器１００のリング８とほぼ同径の環状の照射形状とする。環状の照射形状の幅は、リング８の幅よりも小さくすることが好ましい。レーザー溶接法によれば、溶接箇所と非溶接箇所の境界が明確にすることができるため、余分な溶接を行なう必要は少なく、溶接箇所の品質も高い。また溶接時間を短くすることができる。さらにスポットレーザーを使用するときのようなレーザースポットを走査させる手段が不要であり、レーザー照射装置の簡素化が図れる。なお、環状の照射形状の幅をリング８の幅よりも大きくしても良いが、この場合は溶接予定箇所の周辺に熱損傷を与えないようにレーザーのエネルギー供給量を調節する必要がある。

レーザー光を環状に照射するために、例えば、１つのレーザー光源となるレーザー発生手段６４から１本の光ファイバーで伝送されたレーザー光を、多分岐カプラ、導波路素子、光スターカプラ等の光分岐器６４ｃを用いて、多数の光ファイバー６４ａに分岐させ、その各光ファイバー６４ａをリング８と同径の環状に配列し、各光ファイバー６４ａの末端をリング８に近づける。これによって、リング８の全体に同時にレーザー光６６を照射することができる。例えば密封容器１００に対して適用でき、図４に示したように上方から下方に向けて、環状に各光ファイバー６４ａを配列したレーザー発生手段６４を用いてレーザー光を照射する。

一方、図３に示す密封容器２００のように、溶接予定箇所が蓋３の側壁に円周上に設けられた場合では、密着部分４の形状は、蓋３を側壁面から見た場合、蓋３の中心軸、即ち、容器胴体１の中心軸を中心とする円筒状の形状となっている。図５に密封容器２００の溶接予定箇所である密着部分４の蓋の外壁部分にレーザー光６６を照射している様子を示した。図５において（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。レーザー発生手段６４から発振したレーザー光を伝送させる光ファイバー６４ａの配置を図５（ｂ）に示すように求心状とし、レーザー光６６の照射形状を求心状とすれば、円筒状の形状の溶接予定箇所全体を過不足なく同時に溶着することができる。例えば、図５（ｂ）の密封容器２００の密着部分４に全周から求心状に向かうように、蓋３の側壁にレーザー光６６を照射する。求心状の照射幅は、密封容器２００の密着部分４の幅よりも小さくすることが好ましい。レーザー光の照射形状を環状とした場合と同様に、溶接時間を短くでき、且つ、融着箇所の品質も高い。また、レーザー照射装置の簡素化が図れる。なお、求心状の照射幅を密着部分４の幅よりも大きくしても良いが、この場合は溶接予定箇所の周辺に熱損傷を与えないようにレーザーのエネルギー供給量を調節する必要がある。

レーザー光を求心状に照射するために、例えば、レーザー発生手段６４から１本の光ファイバーで伝送されたレーザー光を光分岐器６４ｃを用いて、多数の光ファイバー６４ａに分岐させ、その各光ファイバー６４ａを求心状に配列し、各光ファイバー６４ａの末端を密着部分４に近づける。これによって、溶接予定箇所の全体に同時にレーザー光を照射することができる。例えば、密封容器２００に適用でき、図５（ｂ）に示したように、容器の中心軸に対して同一の垂直面上で、その中心軸に向かって蓋３の全周からレーザー光６６を照射できるように、求心状に各光ファイバー６４ａを配列したレーザー発生手段６４を用いてレーザー光６６を照射する。

レーザー光の照射形状を環状又は求心状のいずれにした場合においても、密封容器１００，２００は、コンベアで搬送されながら、或いはコンベアで搬送されつつ回転されながら、レーザー光を照射される形態が含まれる。Ｓ１工程からＳ４工程に至る各工程を含め、コンベアで容器を搬送することで、流れ作業的に工程を進めることが可能である、回転させることで、溶接の均一化をより図ることができる。次に、密封容器１００，２００に一定時間レーザー光を照射させた後、溶着し密封した容器を下流の工程に排斥する工程（図１に不図示）を経る。

次に溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶着する形態について説明する。図６にコンベアに流れる容器についてほぼ同時に溶着する実施形態の一形態を示す概略図を示した。図６に示すように、このような形態としては、例えば、蓋３を装着した容器胴体１を搬送するコンベア６５上に、レーザー光を領域状に発するレーザー発生手段６４ｂを等間隔で複数設置し、当該間隔で搬送される蓋付容器がレーザー光の照射領域に到着する度に一定時間レーザー光を照射させた後、容器を下流の工程に移動させる工程を経るという形態である。ここで、レーザー光を常に照射していて、照射強度を容器が通過する際に高めることとしても良いが、蓋付容器が特定の位置範囲にある時間帯に限ってレーザー光を照射することが好ましい。無駄なレーザー出力を省き、溶接予定箇所以外の部分への照射を減らすためである。さらに、溶接の均一化を図るため、溶接する際に容器を回転させていても良い。密封容器としては例えば、図２に示した密封容器１００を使用する。この場合、レーザー光は上方から下方に向けて照射される。レーザー光が照射されている領域に容器を通過させる方法においては、レーザー光の照射形状が前記溶接予定箇所の各方向での幅のうち最小の幅よりも大きい幅を有する領域状であることを要する。また容器を通過させる方向に対する長さは、レーザー光の強度と容器の通過速度を考慮した十分な大きさにする必要がある。

溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶接を行なうために、コンベア速度は、５０ｍ以上／分、又は、約５００容器以上／分とすることが好ましい。容器の搬送は、コンベアをレーザー溶接するときに容器を止める断続的な搬送としてもよいが、レーザー溶接を行なっている最中も動き続ける搬送が好ましく、特に一定速度の連続搬送であることがより好ましい。飲料用又は食品用の容器は、高速ラインが求められ、また例えば液面ゆれが大きく影響する酸素のピックアップを抑制することが求められ、また製品の品質面、装置の稼動面及び衛生管理面を維持する目的で液こぼれを抑制することが求められる。そこで、連続的に高速でコンベアを移動させて、充填後のコンベア速度を、充填直後の容器の移動速度に近づけ、コンベアや装置の間における容器の乗移りや容器と装置との接触をなくして、液面をおだやかに保持した状態で、密封することが理想的となる。

前記同時に溶着する形態又は前記ほぼ同時に溶着する形態のいずれの方法においても、アルミ製容器の場合には、各溶接箇所に均一なエネルギー供給ができるために、溶接箇所により溶融しなかったり溶け落ちてしまったりといった問題がなくなり、プラスチック製容器の場合には、溶接箇所に濡れがある場合でも水滴が溶接中に顕著に移動することをなくすことができる。

前記同時に溶着する形態又は前記ほぼ同時に溶着する形態のいずれの方法においても、レーザー光の照射時において、レーザー強度はレーザー出力をモニタリングすることによって監視されていることが好ましい。また、レーザー光の照射位置は、光感受センサー若しくは赤外線センサー等の温度センサーによって発光若しくは発熱をモニタリングすることによって監視されることが好ましい。ＣＣＤ等の画像センサーを併用しても良い。

レーザー発振素子は、半導体レーザー、炭酸ガスレーザー等のガスレーザー、ＹＡＧレーザーが例示され、レーザー溶接を行なう容器胴体及び蓋の材質、レーザー照射移動速度、照射スポット形状等の各種パラメーターによって適宜選択する。レーザー光の波長は、例えば８００−１０００ｎｍである。プラスチック容器やボトル形状の缶容器をレーザー溶接する場合には、半導体レーザーが好ましい。

溶接の際にどの程度のレーザー出力を用いるかは溶接方法及び容器の溶接箇所の構成によるが、上述のいずれの溶接方法を用いても、溶接箇所の単位面積あたりに一定のエネルギーのレーザー光の照射を実施することで密封可能に溶接できることを見出した。

金属製容器の場合、耐圧時に部材の厚さでもって、破断箇所を調整することが行われているが、レーザー溶接の場合、レーザー出力及びパージガスの吹付方法により、ビード部における部材厚さの変化を調整することができる。アルミ製容器において、飲料容器には０．２ｍｍ以下の厚さの部材が広く用いられるが、溶着力が適正な範囲で密封可能に溶着するには、アルミ部材同士を単に溶接する場合と比べて、溶接箇所の単位面積あたりのエネルギー供給量について特定の狭い範囲以外は密封性および破断箇所および内部圧力の調整の観点から許容されない。例えば、容器胴体及び蓋が、厚さ０．２ｍｍ以下のアルミニウム材より形成されている場合或いは厚さ０．２ｍｍ以下のアルミニウム−プラスチック樹脂ラミネートフィルムにより蓋が形成されている場合、溶接予定箇所へのレーザー光の照射エネルギーは１平方ミリメートルあたり１７〜２６Ｊとすることが好ましい。

プラスチック製容器の場合、透明な部材をレーザー光が透過し、溶着面で吸収される方式となるため、溶接箇所へのエネルギー供給量は部材の厚さにはほとんど影響されない。しかし、アルミ製容器同様に密封性および破断箇所・圧力の調整の観点から、プラスチック部材同士を単に溶接する場合と比べて、溶接箇所の単位面積あたりのエネルギー供給量について特定の狭い範囲以外は許容されない。供給エネルギーが小さければ密封ができず、大きすぎれば溶着強度が大きくなりすぎ、容器内圧が過剰に上昇した際に使用者に危険が生じる。そこで、ＰＥＴ容器の場合は、溶接予定箇所へのレーザー光の照射エネルギーは、１平方ミリメートルあたり０．５〜２．１Ｊとすることが好ましい。

本実施形態に係る密封容器の製造方法では、レーザー光の吸収率を高めるために、密着部分にレーザー光の吸収部を設ける工程を設けることが好ましい。吸収部に沿って機械的な接触が複雑となるような輪郭や起伏であっても精度良くレーザー溶接することができる。レーザー光は吸収部を設けたところが主として溶接されるからである。この工程は、レーザー光の照射前であればいつでも良く、充填工程Ｓ１以前、充填工程Ｓ１、蓋供給工程Ｓ２又は蓋装着工程Ｓ３のいずれかの間に設けても良い。なお、この工程はレーザー光に対して吸収帯を有さない材料を溶接する場合に有効であるため必須工程ではない。つまり、一部のカラーボトルのようにレーザー光を接合部分が吸収する場合にはレーザー光を照射するのみでレーザー溶接できる。

本実施形態に係る密封容器の製造方法によれば次の通りの利点がある。
（１）溶接に必要な時間が短い。溶接箇所全体に同時にまたはほぼ同時にレーザー光を照射できるからである。
（２） 溶着強度が安定する。溶接箇所の一部、特に溶接の開始点・終了点付近に過剰なエネルギー供給することを防ぐことができ、また溶接箇所が濡れていた場合に溶接中の水滴の移動を防ぐことができるからである。
（３） 適切な容器の耐圧強度を提供できる。溶接箇所単位面積あたりに安定して一定のエネルギーを供給できるため、密封性と安全性を兼ね備えた溶着が得られるからである。
（４） 溶接装置の操作・安定稼動が容易になる。レーザースポットの移動機構または容器の回転機構といった複雑な可動部がなくなり、レーザー照射装置の上下動やコンベアによる容器の搬送といった単純な可動部だけで溶接が実施できるからである。さらに、レーザースポット光が溶接箇所全体を正確に移動するように機械部品位置・方向を調整する場合に比べ、溶接箇所全体にどのようにレーザー光が照射されるか観察しやすいため、容器の受光位置を調整しやすいからである。

また、従来の金属缶の巻締工程においては、容器が適切に密封されたかどうかは巻締工程が実際に行なわれている時点で判断することは困難である。そのため、製造開始前の検査結果が良好であったにもかかわらず、巻締工程での密封不良が発生した場合、実際の不良発生より時間がかなり経過した後、不良発見に至る。このような場合、廃棄が必要となる容器数や、生産装置の停止時間が極めて大きくなる。一方、本実施形態に係る密封容器の製造方法によれば、溶接工程が適切に実施されたか否かを極めて短時間で検出しうるため、金属缶の巻締工程における上記デメリットを受けない。

耐圧を調べるために、図１に係る密封容器１００の形状を有するＰＥＴ容器を準備した。８０８ｎｍの半導体レーザーから分岐した光ファイバーを環状に配置し、１．０Ｊで照射して、溶接予定箇所を溶着した。そして、室温で耐圧強度が１２．０気圧、ホット充填を想定した８０℃における耐熱強度が１０．４気圧あることが測定された。したがって、本発明に係る密封容器は、耐熱容器、又は耐圧容器として使用可能であることが確認できた。

耐圧を調べるために、図３に係る密封容器２００の形状を有し、肉厚１５０μｍのアルミ製容器を準備した。８０８ｎｍの半導体レーザーから分岐した光ファイバーを求心状に配置し、２４．０Ｊで照射して、溶接予定箇所を溶着した。そして、室温で耐圧強度が１２．０気圧、ホット充填を想定した８０℃における耐熱強度が１０．４気圧あることが測定された。したがって、本発明に係る密封容器は、耐熱容器、又は耐圧容器として使用可能であることが確認できた。

本実施形態に係る密封容器の製造方法の一形態を示す工程図を示した。 密封容器の一形態を示す概略図であり、（ａ）は容器胴体に口部を装着したときの口部付近の縦断面概略図、（ｂ）はＡ方向から見た外観概観図、（ｃ）はＢ方向から見た蓋の斜視概観図である。 密封容器の別形態について、容器胴体に口部を装着したときの口部付近の縦断面概略図を示した。 密封容器１００の溶接予定箇所であるリング８にレーザー光を照射している様子を示した。 密封容器２００の溶接予定箇所である密着部分４の蓋の外壁部分にレーザー光を照射している様子を示した。（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。 コンベアに流れる容器についてほぼ同時に溶着する実施形態の一形態を示す概略図を示した。

符号の説明

１００，２００，密封容器
１，容器胴体
２，１８，環状の凸起
３，蓋
４，密着部分
５，７，縁
６，リブ
８，環状のリング
９，口部
１０，環状の第２凸起
１１，１７，環状の凹陥
１２，環状の第２凹陥
１３，蓋の内壁部分
１４，引掛け部
１９，当接面
２３，リブを押し付ける力
２４，蓋の内壁面が縁を押し付ける力
２６，つまみ
６１，中身
６２ａ，蓋搬送手段
６２ｂ，蓋供給手段
６３，蓋配置手段
６４，６４ｂ，レーザー発生手段
６４ａ，光ファイバー
６４ｃ，光分岐器
６５，コンベア
６６，レーザー光

Claims (10)

1. レーザー溶接法によって、容器胴体と該容器胴体の口部に装着された蓋とを溶着して気密状態とした飲料用又は食品用の密封容器の製造方法において、
   前記容器胴体は口部の外壁に口部の縁と平行に環状のリブを有し、前記蓋は縁に前記リブと密着部分を形成する環状のリングを有し、前記リブと前記リングとの密着部分が溶接予定個所となり、該溶接予定箇所となる密着部分の形状が、前記蓋を天面から見たときに環状の形状であり、かつ、
   レーザー光を上方から下方に向けて照射し、該レーザー光の照射形状を前記溶接予定箇所の各方向での幅のうち最小の幅よりも大きい幅を有する領域状として、前記溶接予定箇所全体をほぼ同時に溶着する工程を有することを特徴とする飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
2. 前記溶接予定箇所全体を包含した領域にレーザー光を照射することを特徴とする請求項１に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
3. 前記容器胴体に前記蓋が装着された飲料用又は食品用の容器が、回転及び／又は搬送されながら、レーザー光を照射されることを特徴とする請求項１又は２に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
4. 前記容器の搬送が一定速度の連続搬送であることを特徴とする請求項３に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
5. 前記容器胴体に前記蓋が装着された飲料用又は食品用の容器が搬送されながらレーザー光を照射されるときに、前記容器が特定の位置範囲にある時間帯に限ってレーザー光が照射されることを特徴とする請求項３又は４に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
6. 前記容器胴体及び前記蓋が、プラスチック樹脂又は金属により形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
7. 前記プラスチック樹脂がポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項６に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
8. 前記溶接予定箇所へのレーザー光の照射エネルギーを１平方ミリメートルあたり０．５〜２．１Ｊとすることを特徴とする請求項７に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
9. 前記容器胴体及び前記蓋が、０．２ｍｍ以下の厚さのアルミニウムにより形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。
10. 前記溶接予定箇所へのレーザー光の照射エネルギーを１平方ミリメートルあたり１７〜２６Ｊとすることを特徴とする請求項９に記載の飲料用又は食品用の密封容器の製造方法。

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