JP5701575B2

JP5701575B2 - 熱融着装置

Info

Publication number: JP5701575B2
Application number: JP2010249768A
Authority: JP
Inventors: 健司佐野; 亮介門屋; 静臺中
Original assignee: 株式会社三協システム
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: JP2012101805A

Description

本発明は、製品が入れられた包装袋の口を熱融着により塞ぐためのシール装置に関し、特にインパルス方式の熱融着装置に関する。

製品を包装するための包装機に関しては、製品が入れられた包装袋の口を熱融着（ヒートシール）により閉じるためのシール装置が設置された包装機が多数提供されており、下記特許文献１乃至６に開示されている。

シール装置としては、比較的素早い温度制御が可能であるとして、発熱体（ニクロム線）にパルス電流を流して熱融着を行うインパルス方式の熱融着装置が提案されており、下記特許文献１乃至５に開示されている。また、下記特許文献１乃至５では、センサー等による測定温度に基づいてシール温度の制御を行うことが開示されている。

特開平６−２４７４２４号公報特開平１１−３５０１４号公報特開２００２−１６６９０４号公報特開２００２−１９３２１７号公報特開２００５−９６８２９号公報特開２００９−９０９８４号公報

ところで、近年、包装機のスピードアップが著しく、一分間あたりのショット数が数十以上、すなわち一分間に数十以上の包装袋をシールする包装機も登場してきている。また、上記特許文献６に開示されているように、ショット数の増加に伴い、高速で動作する包装機の運転を一時的に停止する間欠動作を行わせると、包装機への負担が大きく故障にもつながりかねないため、速度を調整しながらノンストップで動作することのできる包装機も登場してきている。

ここで、上記特許文献１乃至５に開示されたシール装置では、測定した温度等に基づき、発熱体が一定の温度になるように電圧を印加する時間や電圧の大きさをフィードバック制御する温度制御が行われている。しかし、従来のフィードバック温度制御では、高速で作動する包装機や動作速度が変化する包装機には対応が困難であり、シール不良が発生してしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高速動作する包装機や速度可変の包装機にも対応可能な熱融着方法及び熱融着装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱融着装置は、少なくとも一方に発熱体が設置された上側シール部材と下側シール部材とを備え、製品が入れられた包装袋の口を前記上側シール部材と前記下側シール部材との間に挟んで熱融着によりシールするインパルス方式の熱融着装置において、前記発熱体の温度を測定する温度センサーと、前記包装袋をシールする毎に前記発熱体に所定の一定の電圧を所定時間印加することで前記発熱体の温度を瞬間的にシール温度まで上昇させるように制御する制御器であって、シールが良好に行われるように前記発熱体の温度毎の前記発熱体への印加電圧を予め設定した電圧設定テーブルを記憶しておくメモリを有すると共に、前記包装袋をシールする毎に、前記電圧設定テーブルを参照して電圧印加開始時の前記温度センサーの測定温度に基づいて前記発熱体への印加電圧を決定する制御器と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る熱融着方法及び熱融着装置によれば、高速動作する包装機や速度可変の包装機にも対応し、良好なヒートシールを行うことが可能である。

図１は、実施形態に係る熱融着装置の正面図である。図２は、実施形態に係る熱融着装置の温度センサーの設置部分を拡大して示す上面斜視図である。図３は、実施形態に係る熱融着装置の設置位置を説明するための模式図である。図４は、実施形態に係る発熱体への電圧印加による温度変化を説明するための図である。図５は、実施形態に係る電圧設定テーブルの設定例を示す図である。図６は、実施形態に係るタイミング設定テーブルの設定例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る熱融着装置について説明する。図１は、本実施形態に係る熱融着装置の正面図である。図２は、本実施形態に係る熱融着装置の温度センサーの設置部分を拡大して示す上面斜視図である。図３は、本実施形態に係る熱融着装置の設置位置を説明するための模式図である。

なお、本実施形態では、製造機で製造されて計数機で計数された製品（紙おむつ、生理ナプキン、ペットシート等）が所定の個数ずつ入れられた包装袋の入口を熱融着して塞ぐインパルス方式の熱融着装置であって、高速且つ速度可変の包装機に設置された熱融着装置について説明する。

図１に示すように、熱融着装置１は、上側シール部材１０、下側シール部材２０、制御器３０を備えている。熱融着装置１は、包装機内において、製品の入った包装袋が通過する搬送経路上に設置されており、図３に示すように、上側シール部材１０が搬送経路５の上方に設置され、下側シール部材２０が搬送経路５の下側に設置されている。

また、下側シール部材２０は、搬送経路５の近傍（5mm程度下方）に設置されているのに対して、上側シール部材１０は、搬送経路５から上方に離れたところに設置されている。そして、包装袋の入口が熱融着装置１のところに搬送されてきたときに、図示しない駆動部材の駆動により上側シール部材１０及び下側シール部材２０が搬送経路５の位置まで下降及び上昇駆動され、上下シール部材１０，２０の間に包装袋の口を挟んで熱融着する。

上側シール部材１０は、上側シール本体１１、上側シール本体１１の下面上に図中左右に延在して設置された帯状のニクロム線からなる上側発熱体１２、上側発熱体１２の温度を測定する熱電対からなる棒状の上側温度センサー１５を備えている。

下側シール部材２０は、下側シール本体２１、下側シール本体２１の上面上に図中左右に延在して設置された帯状のニクロム線からなる下側発熱体２２、下側発熱体２２の温度を測定する熱電対からなる棒状の下側温度センサー２５を備えている。

制御器３０は、配線３１により発熱体１２，２２のそれぞれの両端に接続されると共に、配線３３により上側温度センサー１５及び下側温度センサー２５に接続されている。制御器３０は、上側発熱体１２及び下側発熱体２２にパルス電流を流して電圧を印加することで、発熱体１２，２２を発熱させるように制御する。

なお、制御器３０は、シール時以外の待機時にも発熱体１２，２２を所定の待機温度（本実施形態では60℃）に保つように、発熱体１２，２２に所定の電圧（例えば、2〜3V）の電圧を印加するように制御している。

続いて、図２を参照しながら、下側温度センサー２５の設置状況について説明する。棒状の温度センサー２５は、下側シール本体２１の両側面に設けられた二つの穴を貫通して、帯状発熱体２２の延在方向に直交するように下側シール本体２１に固定されている。

また、下側シール本体２１の下側温度センサー２５の設置場所には凹みが設けられており、帯状の発熱体２２は、この凹みに落ち込むことで温度センサー２５の下側を廻っており、温度センサー２５に下方から接触している。

また、発熱体２２と温度センサー２５の接触位置は、温度センサー２５の先端から10mm根元側に寄った位置となっており、先端で測定するよりも接触面積を大きくして確実な温度測定が可能となっている。なお、上側温度センサー１５の設置状況についても、上下逆になるが上述した下側温度センサー２５と同様である。

ここで、本実施形態に係る熱融着装置１が設置された包装機は、仮想制御系により制御されるサーボ機構を採用し、単位時間当たりのショット数が可変の包装機である。仮想制御系では、所定の周期で同期駆動される複数のサーボ機構の制御系を同一の仮想軸に連結しており、角度により各サーボ機構が制御され、熱融着装置１もこの仮想軸に連結されたサーボ機構により駆動される。

以上、熱融着装置１の構成について説明したが、続いて、制御器３０による発熱体１２，２２への電圧印加制御について説明する。本実施形態では、まず、包装機の高速化や速度変化（ショット数の変化）に対応可能なように、電圧印加開始時の温度センサー１５，２５の測定温度に基づき、印加電圧の大きさを制御することを大きな特徴としている。

最初に、図４を参照しながら、電圧印加時の一般的な発熱体（ニクロム線）の温度変化について説明する。図４は、発熱体への電圧印加による温度変化を示し、横軸が時間、縦軸が発熱体の温度を示している。図４（ａ）は、低速搬送時の発熱体への電圧印加による温度変化、図４（ｂ）は、高速搬送時の発熱体への電圧印加による温度変化を示している。

従来は、包装袋が搬送されてくる毎に一定の電圧を所定時間印加することで、瞬間的に発熱体の温度を所定のシール温度（本実施形態では約180℃）まで上昇させてシールを行っており、発熱体の温度は、図４（ａ）に示すように変化していた。しかし、包装機の高速化により、電圧印加終了（ＯＦＦ）後、加熱された発熱体の温度が自然冷却により待機温度まで戻る前に次の電圧印加が行われるケースが発生するようになっている。

そうすると、従来と同じ電圧を同じ所定時間印加したのでは、図４（ｂ）に示すように、発熱体の温度が次第に上昇して所定のシール温度を大きく超えてしまい、シール不良が発生する原因となる。

そこで、本実施形態では、電圧印加開始（ＯＮ）時の発熱体１２，２２の温度に応じて、印加する電圧の大きさを予め設定しておき、電圧印加開始時の発熱体１２，２２の測定温度に基づき、予め定められた電圧を印加するように制御器３０が制御することで、適切なシール温度を得ることができるようにした。

発熱体１２，２２の温度に応じて発熱体１２，２２への印加電圧の大きさを予め設定した電圧設定テーブルの設定例を図５に示す。図５（ａ）は、電圧設定テーブルの設定例１、図５（ｂ）は、電圧設定テーブルの設定例２を示している。なお、この電圧設定テーブルは、包装袋の品種毎に前もってテスト等を行い、手動で設定しておけば良く、設定例１は品種１に対する設定例、設定例２は品種２に対する設定例を示している。

この電圧設定テーブルは、制御器３０内のメモリに記録されており、熱融着装置１の作動時に、制御器３０がこの電圧設定テーブルを参照しながら、発熱体１２，２２への電圧印加を制御する。また、電圧設定テーブルは、上側シール部材１０と下側シール部材２０とで別々に印加電圧値が設定されており、制御器３０は、温度センサー１５，２５のそれぞれの測定温度に基づき、独立して各発熱体１２，２２への電圧印加を制御する。

例えば、図５に示すように、本実施形態に係る電圧設定テーブルは、電圧印加開始時の測定温度により19段階に印加電圧を設定している。設定例１においては、測定温度が145℃以上と発熱体１２，２２の温度がまだ下がっていない場合には、上側シール部材１０であれば9V、下側シール部材２０であれば8Vの電圧を印加するように設定されている。

また、測定温度が100℃以上105℃未満と発熱体１２，２２の温度が若干下がっている場合には、上側シール部材１０であれば12V、下側シール部材２０であれば11.5Vの電圧を印加するように設定されている。また、測定温度が60℃未満と発熱体１２，２２の温度が待機温度まで十分に下がっている場合には、上側シール部材１０及び下側シール部材２０何れにも15Vの電圧を印加するように設定されている。

このように、電圧印加開始時の発熱体１２，２２の測定温度が待機温度（本実施形態では60℃）よりも高くなるにつれて、待機温度時の印加電圧（15V）から徐々に低い電圧を印加するように制御することで、直前の印加電圧ＯＦＦからどのような温度状態で次の電圧が印加される場合であっても、常に所望のシール温度（本実施形態では約180℃）に発熱体１２，２２を加熱することができる。

また、このように電圧設定テーブルに基づいて印加電圧を決定することで、電圧印加開始時に測定温度に基づき瞬時に印加電圧を決定することができ、高速で作動する場合にも十分に対応することができる。

なお、上記電圧設定テーブルにおいて、同じ測定温度であっても上側発熱体１２への印加電圧を下側発熱体２２への印加電圧よりも若干高く設定しているところがある。これは、待機時であっても下側シール部材２０は、包装袋の搬送経路５の近傍に設置されており、製品が焼けてしまうのを少しでも防ぐためである。

次に、本実施形態に係る熱融着装置１は、包装機の高速化や速度変化（ショット数の変化）に対応可能なように、単位時間当たりのショット数に応じて電圧の印加タイミングを制御することを大きな特徴としている。

上述したように、本実施形態に係る熱融着装置１が設置された包装機は、角度により各サーボ機構を制御するため、包装機のショット数が変化すると、サーボ機構の周期が変わり、上側シール部材１０及び下側シール部材２０を下降及び上昇させる駆動部材の駆動周期も変わる。

そして、本実施形態に係る熱融着装置１は、角度が45〜180°の間、上側シール部材１０及び下側シール部材２０を搬送経路５のところまで下降及び上昇させ、上側シール部材１０と下側シール部材２０とで包装袋を挟み込んでヒートシールを行うように構成されている。すなわち、本実施形態では、シール部材１０，２０が包装袋と接触している角度が45〜180°と一定である。

このため、包装機の速度が変化して仮想制御系の周期が変わると、シール部材１０，２０が包装袋と接触して融着する時間も変化する。例えば、一分間当たりのショット数が20（shot/min）であれば、制御系の一回転（一周期）が3秒となり、接触時間は1.125秒（135°）であるが、ショット数が40（shot/min）になると、一回転が1.5秒となり、接触時間は0.5625秒（135°）となる。

一方、発熱体１２，２２は、図４に示したように、電圧を印加してから温度が上昇するまで一定の時間がかかる。したがって、ショット数が多くシール部材１０，２０と包装袋との接触時間が短い場合には、接触開始時に電圧を印加したのでは、発熱体１２，２２の温度がシール温度まで上昇する前に接触が終了してしまい、加熱量不足によるシール不良が発生してしまう可能性がある。

よって、本実施形態では、各電圧印加時に電圧を印加しておく時間（電圧印加時間）を一定の時間に設定すると共に、ショット数の変化に合わせて電圧の印加を開始するタイミングを制御することで、接触時間の長短に関わらず適切な加熱量によるヒートシールが行えるようにした。なお、この電圧印加時間も、包装袋の品種毎に一定の時間（例えば1秒間）が設定され、制御器３０内のメモリに別途記録されている。

単位時間当たりのショット数に応じた電圧印加開始タイミングを予め設定したタイミング設定テーブルの例を図６に示す。なお、このタイミング設定テーブルもショット数毎に前もってテストを行い、手動で設定しておけば良い。

また、タイミング設定テーブルは、制御器３０内のメモリに記録されており、熱融着装置１の作動時に、制御器３０は、このタイミング設定テーブルを参照しながら、電圧印加開始時の単位時間当たりのショット数に応じて発熱体１２，２２への電圧印加開始タイミングを制御する。

例えば、図６に示すように、本実施形態に係るタイミング設定テーブルは、単位時間当たりのショット数により6段階に電圧印加開始タイミングを設定しており、各タイミングは角度で設定されている。

このタイミング設定テーブルでは、ショット数が20未満のときには、電圧印加開始タイミングを45°、すなわち上述したシール部材１０，２０と包装袋とが接触を開始する角度と同じに設定されているが、ショット数が20以上25未満のときには、電圧印加開始タイミングを40°と少し前倒しし、ショット数が40以上のときには、電圧印加開始タイミングを20°まで前倒しするように設定されている。

すなわち、この設定テーブルに基づけば、ショット数が多くなり、シール部材１０，２０と包装袋との接触時間が短くなるにつれて、電圧印加開始タイミングを前にずらすように制御することで、接触時間が短くなっても適切な加熱量での良好なシールを実現することができる。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、電圧印加開始時の発熱体１２，２２の温度に応じて、印加する電圧の大きさを予め設定しておき、電圧印加開始時の発熱体１２，２２の測定温度に基づき、予め定められた電圧を印加するように制御器３０が制御することで、高速化した包装機や速度可変の包装機においても適切なシール温度で良好なシールを実現することができる。

また、本実施形態によれば、ショット数の変化に合わせて電圧の印加を開始するタイミングを予め設定しておき、電圧印加開始時のショット数に応じて予め定められたタイミングで電圧印加を開始するように制御器３０が制御することで、接触時間の長短に関わらず適切な加熱量によるシールを行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述した温度、電圧、時間、角度等の各種設定値は適宜変更できるのは言うまでもない。

また、上記実施形態では、上下シール部材にそれぞれ発熱体及び温度センサーが設置され、それぞれの発熱体への電圧印加を上下で独立して制御する場合について説明したが、温度センサーが一方だけに設置され、この温度センサーの測定値に基づいて上下シール部材に設置された二つの発熱体への電圧印加を一括して制御するようにしても良い。また、発熱体及び温度センサーが上下シール部材の一方にだけ設置されていても良い。

１熱融着装置
１０上側シール部材
１１，２１シール本体
１２，２２発熱体
１５，２５温度センサー
２０下側シール部材
３０制御器

Claims

少なくとも一方に発熱体が設置された上側シール部材と下側シール部材とを備え、製品が入れられた包装袋の口を前記上側シール部材と前記下側シール部材との間に挟んで熱融着によりシールするインパルス方式の熱融着装置において、
前記発熱体の温度を測定する温度センサーと、
前記包装袋をシールする毎に前記発熱体に所定の一定の電圧を所定時間印加することで前記発熱体の温度を瞬間的にシール温度まで上昇させるように制御する制御器であって、シールが良好に行われるように前記発熱体の温度毎の前記発熱体への印加電圧を予め設定した電圧設定テーブルを記憶しておくメモリを有すると共に、前記包装袋をシールする毎に、前記電圧設定テーブルを参照して電圧印加開始時の前記温度センサーの測定温度に基づいて前記発熱体への印加電圧を決定する制御器と、を備えることを特徴とする熱融着装置。
前記熱融着装置は、単位時間当たりのショット数が可変のサーボ機構を用いた包装機に設置される熱融着装置であり、
前記制御器のメモリには、シールが良好に行われるようにショット数毎の前記発熱体への電圧印加開始タイミングを予め設定したタイミング設定テーブルが記憶されており、
前記制御器は、前記発熱体への電圧印加開始時に、前記タイミング設定テーブルを参照して前記包装機の単位時間当たりのショット数に対応したタイミングで前記発熱体へ電圧印加を開始するように制御することを特徴とする請求項１記載の熱融着装置。