JP5216309B2 - 超音波溶着装置およびホイルバッグ処理装置 - Google Patents

超音波溶着装置およびホイルバッグ処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、請求項１の前文に記載されているタイプの超音波溶着装置、およびこれを備えたホイルバッグ処理装置に関する。
超音波溶着は、好ましくは熱可塑性材料、あるいは金属（アルミニウムなど）から作製されている、限られた厚さのホイル層またはその他の材料を接合するために使用されることが好ましい。超音波溶着の特に好ましい使用分野は、食品用のホイルバッグ、特に、周知の飲料パウチの製造である。超音波溶着装置は、通常、超音波振動を発生させるソノトロードを備えている。ソノトロードとアンビルとの間に位置しているホイル層に、ソノトロードを特定の圧力で押し付け、溶着時、ソノトロードおよびアンビルの両方が、重力方向に対して９０度の角度でホイル層に作用する。アンビルは振動するように取り付けられ、ソノトロードの方向に（例えばばねによって）荷重されている。超音波振動によって、ホイル層の間の接合面に摩擦熱が発生し、これにより材料の粘性流を生じさせ、冷却後にホイルが接合される。しかしながら、たとえホイル層が保持手段によって保持されている、あるいはコンベアベルトなどによって支持されていても、振動の衝撃と重力とに起因してホイル層が依然として動きうることが判明しており、状況によっては、これによって溶着線が不正確に形成されうる。このことは、特に、例えばホイルバッグの製造において、充填済みバッグを密封する場合に悪影響を及ぼす。充填済みバッグは、その性質上、直立した状態で搬送する必要があり、従って、充填済みバッグの重量の少なくとも一部を、溶着シーム（welding seam）の領域の材料によって担持しなければならない。この領域は、超音波振動によって材料の粘性流が生じるため、たとえバッグが最適に支持されていても、溶着シームの位置ずれを高い信頼性で防止することが常に可能であるとは限らない。
従って、本発明の目的は、適正な溶着シームを生成する超音波溶着装置、およびこれを備えたホイルバッグ処理装置を提供することである。
この目的は、請求項１に定義されている特徴によって達成される。
本発明の実施形態によると、超音波溶着において、溶着する材料に溶着力の力成分を印加し、この力成分は、重力の方向とは反対に作用し、少なくとも、溶着シームが所定の位置に正確に形成される程度まで、重力の影響を排除するのに十分なものである。本発明による実施形態では、例えば、ソノトロードの超音波振動に関する機械系（荷重装置を備えたアンビル）の振動挙動における大きな慣性に起因して、溶着間隙部内でホイル層が短期解放（short-term release）の影響を補償することにより、重力の影響下で溶着シームが上方にそれないようにできることが判明した。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に定義されている。
通常では重力に対して垂直に延びる方向から溶着力を印加する角度を、比較的小さく偏位させることにより、本発明における目的の効果が十分に達成されることが判明した。
構造的な側面として、角度偏位は、ソノトロードもしくはアンビルもしくは荷重装置またはその両方を傾けることによって、特に容易に達成される。
しかしながら、収容間隙部の中に位置しているホイル層の曲がりを回避するため、ソノトロードもしくはアンビルまたはその両方の有効平面（effective plane）は、重力の方向に平行に延びていることが好ましい。
本発明は、複数の溶着シームを同時に形成する場合にも適用することができ、これは、縦方向に互いに間隔を置いて取り付けられている少なくとも２つの密封唇部によって達成される。
本発明による超音波溶着装置は、コンベアシステムにおいてホイルバッグを直立状態で搬送するホイルバッグ処理装置において、特に有利に使用することができる。
充填済みホイルバッグチを、適切に実施されているコンベアシステムによって、重力の影響に対抗してさらに支持し、この支持は、例えば、ホイルバッグを側部において締め付ける締め付け装置によって達成することができる。
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を用いてさらに詳しく説明する。
図１は、本発明による超音波溶着装置１を極めて概略的に表しており、この装置は、ホイルバッグ２の充填穴２ａの両側のホイル層を互いに溶着する。ホイルバッグ２は、ホイル材から作製されている壁を含んでおり、この壁は、同じ材料または異なる材料（例：熱可塑性ホイル、金属ホイルなど）の１つ以上の層を備えていることができる。場合によっては必要である側部シーム２ｃおよび下部シーム２ｄは、すでに密封されている。ホイルバッグ２は、通常の飲料パウチの１つであることが好ましい。
ホイルバッグ２は、すでに充填された状態（すなわち側壁が膨らんでいる状態）で、かつ直立した状態（すなわち充填穴２ａが上方を向いた状態）で、コンベアシステム３によって超音波溶着装置１まで搬送される。コンベアシステム３は、任意の様式で設計することができ、搬送する製品に適合させることができる。図示した実施形態においては、コンベアシステム３は、少なくとも１つの把持部４を備えていることが好ましく、この把持部は、ホイルバッグ２が超音波溶着装置１を通過するとき、ホイルバッグ２の片側または両側における側部シーム２ｃと係合することにより、ホイルバッグ２を移動させる、または支持する。さらに、コンベアシステム３は、ホイルバッグ２およびその充填物の重量がコンベアシステム３によって担持されるように、例えば搬送ベルトなどの形態の支持面５を備えていることもできる。
コンベアシステム３は、互いに溶着させる領域（図示した実施形態においては、充填穴２ａの下の領域における対向する壁部分のホイル層）が、超音波溶着装置１のアンビル７とソノトロード８（超音波ハンマ）との間の収容間隙部６に、図１の投影面に垂直に送り込まれるように、ホイルバッグ２を超音波溶着装置１に搬送する。超音波溶着装置１の動作態様は公知であり、さらに詳しく説明する必要はない。要約すれば、ソノトロード８の超音波振動によって、アンビル７に対するソノトロード８の接触圧力の影響下で、溶着する材料に、溶着に必要な超音波エネルギが供給される。接触圧力は、予荷重手段９によって決定、緩和され（buffered）、予荷重手段９は、ばねによって振動するよう荷重されて、アンビル７をソノトロード８の方向にあらかじめ荷重することが好ましい。アンビル７には、ホイルバッグ２に面する基面１０ａに、溶着シームの位置とその数とを決定する密封唇部１０が設けられている。図示した例示的な実施形態においては、少なくとも２つ（または少なくとも２グループ）の溶着唇部が、縦方向に互いに間隔を置いて設けられている。
図２〜図４において理解できるように、超音波溶着装置１は、重力Ｇの方向とは反対向きの溶着力成分ｇが印加されるように設計されており、この場合、溶着（加圧）力は、主として収容間隙部６における接触力から生じる。重力の方向とは反対向きの力成分ｇを印加することにより、例えば、ソノトロードおよびアンビルの異なる慣性の衝撃と、内容物によって側壁が膨らむことによってホイル層にかかる張力の衝撃と、下から支持されていないバッグ２による重力の衝撃とが補償されるように、互いに溶着するホイル層を下側端部から上側端部に斜めに支持し、これにより、「所定の位置からはずれる」ことのない、まっすぐに延びる溶着線が可能となる。この目的には、通常では水平に（すなわち重力Ｇの方向に垂直に）延びる力の印加を、斜め上に比較的小さな角度だけ偏位させることで十分であることが判明した。特に良好な結果は、角度偏位がわずか約２°であるとき、すなわち、重力Ｇの方向に対する角度αが約８８°であるときに得られた。しかしながら、角度αは、例えば、７０°以上、８０°〜８９．５°の間、８５°〜８９°の間、あるいは８７°〜８９°の間とすることもできる。
重力の作用とは反対向きの成分ｇは、力の印加が中心線に平行である場合、この中心線を重力Ｇの方向に対して角度αだけ傾けて配置することによって得ることが好ましい。最も容易な方法においては、これは、ソノトロード８を傾けることによって、すなわち、力の印加の中心線に平行なその中心線８ａを角度αの方向に向けることによって達成される。この方式では、成分ｇは、アンビル７に対する接触圧力と、超音波振動に起因する音圧の両方によって生成される。しかしながら、これに加えて、あるいはこれに代えて、角度αの向きの反対力をアンビル７によって印加することも同様に可能であり、この場合、アンビル７もしくは予荷重手段９またはその両方を傾けることが好ましい。
図示した例示的な実施形態においては、収容間隙部６が重力Ｇの方向に実質的に一定の幅で延びるように、ソノトロード８の有効平面１１とアンビル７の有効平面１２は、重力Ｇの方向に平行に、従って互いに平行に延びている。有効平面１１，１２として定義される平面は、溶着を実質的に形成するポイントがソノトロード８およびアンビル７上に位置する平面である。すなわち、ソノトロード８のヘッド８ｂは、有効平面１１内にあるその前面がソノトロード８の中心線８ａに対して角度αをなすように実施されている。しかしながら、ソノトロードもしくはアンビルまたはその両方の有効平面を、重力の方向に対して傾ける方法も、それによって生じる溶着シームの上の領域のわずかな曲がりが、溶着シームの下の領域に影響を及ぼさないならば、可能である。
ホイル層を溶着してホイルバッグ２とする場合、ホイル層をコンベアシステム３によって収容間隙部６に送り込み、斜め上向きの溶着力を印加することによって接合する。理想的な場合、下方に「落ち込むこと」に対して本発明に従ってホイル層が固定されるのみならず、ホイル層が上方に押されることもないように、すなわち、斜め上向きの溶着力の力成分によって、下向きの力（重力、張力など）の影響が補償されるように、ホイル層を引っ張る力（例えば、内容物によるバッグの側壁の膨らみ、ホイルバッグ２の重量）に応じて、角度αを調節する。しかしながら、安全性のため、これらの力の影響よりも斜め上向きの力成分を大きく選択することができ、さらに、適切な保持手段によって、例えば、側部もしくは上部またはその両方の溶着シームと係合する把持部４（ホイル層が持ち上がることを防止する）によって、十分な対抗力を発生させることができる。
図示および上述した例示的な実施形態の変形形態によると、重力とは反対向きの成分ｇは、互いに平行な有効平面の両方を傾けることによって達成することもできる。すなわち、収容間隙部を傾ける。この実施形態においては、接触力のみが、重力とは反対向きの力成分を発生させる。
本発明による超音波溶着装置の極めて概略的な側面図を示している。 図１の細部Ａの拡大図である。 ソノトロードからアンビルを離した状態として図２の装置を示している。 一般的な力の印加を表している。

Claims (10)

  1. ソノトロード（８）とアンビル（７）とを備え、前記ソノトロード（８）の有効平面（１１）と前記アンビル（７）の有効平面（１２）との間に設けられている収容間隙部（６）の中に位置しているホイル層を、力を印加することによって互いに溶着する超音波溶着装置（１）であって、
    溶着時に重力（Ｇ）の方向とは反対向きである力成分（ｇ）を生成するよう、前記力の印加の方向に平行な前記ソノトロード（８）もしくは前記アンビル（７）またはその両方の中心線が重力（Ｇ）の方向に対して所定の角度（α）だけ傾いており、
    前記所定の角度（α）は、７０°以上であり８９．５°以下である、
    ことを特徴とする超音波溶着装置。
  2. 前記所定の角度（α）は、８０°〜８９．５°の間であることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
  3. 前記所定の角度（α）は、８５°〜８９°の間であることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
  4. 前記所定の角度（α）は、８７°〜８９°の間であることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
  5. 前記所定の角度（α）は、８８°であることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
  6. 前記ソノトロード（８）の前記有効平面（１１）もしくは前記アンビル（７）の前記有効平面（１２）またはその両方が、重力（Ｇ）の方向に平行に延びるよう前記中心線と前記所定の角度（α）をなしていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波溶着装置。
  7. 前記アンビル（７）を前記ソノトロード（８）の方向にあらかじめ荷重する予荷重手段（９）をさらに有し、
    前記予荷重手段（９）が重力（Ｇ）の方向に対して前記所定の角度（α）だけ傾いていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波溶着装置。
  8. 前記アンビル（７）もしくは前記ソノトロード（８）またはその両方に、基面（１０ａ）と、縦方向に互いに間隔を置いて取り付けられている少なくとも２つの溶着唇部（１０）とが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波溶着装置。
  9. 充填済みホイルバッグ（２）を直立状態において搬送するコンベアシステム（３）と、前記ホイルバッグ（２）を密封する請求項１から請求項８のいずれかに記載の超音波溶着装置（１）と、を備えているホイルバッグ処理装置。
  10. 前記コンベアシステム（３）が、前記ホイルバッグ（２）を側部において締め付ける締め付け装置（４）を備えていることを特徴とする請求項９に記載のホイルバッグ処理装置。
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