JP5840237B2 - 漏れ検出方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス充填容器の高速漏れ検査方法および装置に関する。この種の用途は包装産業においてよく用いられ、本発明は、化粧品、化学製品、薬品、歯磨き剤、食品その他の形の傷みやすい製品を包含する密封包装体の漏れを最大製造速度にて検出することを目的とする。本発明の装置によれば、このような包装体のシール部の完全度および密封度を、高速に、直列状態で、かつ被破壊的方法により検査することが可能となる。

包装体に製品を充填した後、残存する自由空間の空気を置換することにより、傷みやすい商品の保存期間を延長し保全できることが知られている。ガス置換包装（ＭＡＰ：Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｐａｃｋａｇｅ）に最も一般的に用いられる気体は、窒素、二酸化炭素、酸素、またはこれらの混合体である。酸素は主に、生肉の赤色を保つためや、果物や野菜の成熟度を制御するために用いられ、窒素や二酸化炭素は、様々な製品における酸化作用を抑えたり、微生物の好気性増殖を抑えるのに用いられる。

ＭＡＰに用いられる包装材は、樹脂フィルムまたは樹脂コーティング、フィルムコーティングされた紙や薄い金属箔など、実質的に気密性を有する材料のいずれでもよい。

製造上の不具合や、後に受けた損傷により包装体に漏れがあると、置換されたガスが少なくとも部分的に失われるため、予測される保存期間が短縮される場合がある。

漏れの原因で多いのは、溶着その他の技術で封止する前に製品の残渣やしずくがシール面に付着することである。したがって、様々な漏れ径の影響を調査する際は、漏れ経路長を数ミリメートル程度と仮定する。

食品産業における最大許容漏れ径は、包装体の中身や目的によって、５〜１５０μｍに及ぶ。

殺菌・防腐処理された内容物の微生物増殖や酸化を防ぐことを意図したＭＡＰでは、最大許容漏れ径は通常５〜２５μｍの範囲とされ、これより保存期間の短いインスタント食品では、許容漏れ径は３０〜５０μｍの範囲である。

焼いた食品および乾燥食材は主に、カビ増殖や湿度変化に影響されやすいが、通常、許容漏れ径は５０〜１３０μｍである。

様々な漏れ検査装置が提示されており、漏れのある包装体が店の棚に並ぶことを防ぐために用いられているものもある。

数多くの方法が知られているが、上に挙げた漏れ径について個々の包装体を、１分当たり３０個を超える最大製造ライン速度にて全数検査することはできない、という共通の限界がある。この問題は、検査をオフラインの抜き取り検査に限定するか、または同じ検査サイクル中の適切な数の包装体をまとめて検査することにより回避できる。

複数の検査装置を平行に設けて、各装置は低速で動作するが全体としては充填ラインのサイクルタイムに合わせることで、検査可能数を増やすことは可能である。

欧州特許第０８９４２５２号明細書には、「非常に迅速に、通常約１秒で」個々の包装体を検査できる、１分当たり６０個もの検査能力を有するという漏れ検査方法が記載されている。

欧州特許第０８９４２５２号明細書に開示される方法は、希釈水素をトレーサガスとして用いる。水素とヘリウムはトレーサガスとして漏れ検査によく用いられる。これらのガスには、包装材中でガスバリアとして用いられるポリマー薄膜やその他材料を拡散により通過する拡散率が比較的高いという問題がある。トレーサガスが包装体の漏れ防壁を拡散通過すると、包装体の完全性に問題がなくても、漏れ検査装置がこの拡散を漏れとして検出する恐れがある。この問題は、ガス充填と漏れ検査との間隔を充分短くして、ガスがバリア材を透過する前に漏れ検査が行われるようにすることで克服できる。打開策となるこの時間間隔は、使用される材料およびフィルム厚さにより、数秒から数分まである。

欧州特許第０８９４２５２号明細書に開示の方法で可能とされている製造速度が、実際に実現可能であることはこれまで示されていない。その理由は主に次の通りである。
・提案されている種類の（パラジウム薄膜）センサは、高速漏れ検査に用いるにはレスポンスタイムが長過ぎる。このことは、市販の水素センサのほぼ全てに当てはまる。
・提案されているセンサは、リカバリタイムが長すぎる。リカバリタイムは１〜１０秒で、ほとんどの市販のセンサに当てはまる。
・大量の漏れが検出された後には、センサ感度が低くなる期間がある。つまり、大量の漏れの検出後、センサが小量の漏れを検出できない、通常１５〜９０秒の期間がある。

センサのレスポンスタイムは、一定濃度のガスに晒された時、センサ信号が最終値の９０％に達するのに必要な時間と定義される。市販の水素センサはほとんどが、通常５〜３０秒のレスポンスタイムを有する。たとえレスポンスタイム低減アルゴリズムを用いたとしても、欧州特許第０８９４２５２号明細書で典型的に用いられている濃度値に対して、市販のセンサのレスポンスタイムが１秒を切ることはあり得ない。

リアクションタイムとは、全信号の１０％に達するのに必要な時間であるが、しばしば例に挙げられ、誤って「レスポンスタイム」と呼ばれることも多い。リアクションタイムは市販のセンサで最速０．１秒の場合もある。

リアクションタイムとレスポンスタイムのいずれも、通常は、濃度が低ければ低いほど長い。これは、センサハウジング内およびセンサ活物質内の拡散過程に起因する。センサハウジング内およびセンサ物質内のガス濃度は、センサ前の濃度勾配が低濃度側であればあるほどゆっくり増加するため、濃度が低ければリアクションおよびレスポンスは遅くなる。

リアクションタイムとレスポンスタイムを短縮する１つの方法は、センサの動作温度を上げることである。これによりガスが熱されてハウジング内の拡散が進み、センサ物質内の拡散も同様に進むため、レスポンスタイムとリカバリタイムが短縮される。しかしこれらのセンサは常に、熱エネルギーロスを低減し使用材料の損傷を防ぐため、大型のハウジング内に装着されている。このためレスポンスタイム短縮分のほとんどはシステムレベルで相殺されてしまい、産業界で求められる生産速度をいかに達成するかがいまだに問題となっている。

リアクションタイムとレスポンスタイムを短縮するもう１つの方法は、ガスがセンサハウジング外の流路から内部のセンサ物質自体の表面まで拡散するのに必要な距離を最小限とすることである。センサ物質内の拡散もまたレスポンスタイムに大きく影響する。

欧州特許第０８９４２５２号明細書では、チャンバを用い、その中に包装体をセットする。チャンバは次いで閉じられ、一定限度内の負圧をかける。同文献によれば、それまでのガス検査装置で用いられていた真空度に比べ、このような限度内での真空引きは、迅速にかつ低コスト手段にて行うことができる。包装体は、０．５〜６０秒の範囲とされるドエルタイムの間、チャンバ内に留まる必要がある。

欧州特許第０８９４２５２号明細書には、全体のサイクルタイムに含まれる様々な工程について明確な説明がない。全体のサイクルには少なくとも次の工程が含まれる。
１）包装体の搬入、位置決め、およびチャンバの閉鎖
２）チャンバの減圧
３）サンプリングタイム、すなわち、トレーサガスが漏れ口からセンサの直前位置まで届くのに必要な時間
４）センサのリアクションタイム
５）センサのレスポンスタイム、すなわち、センサのアルゴリズムまたは回路により漏出度を判定するために必要な時間。この間に信号が記録または監視され、漏れの程度を客観的に推定するために十分な情報が得られる。
６）チャンバ洗浄、および、漏れ信号が出された場合はセンサのリカバリ
７）包装体の搬出

欧州特許第０８９４２５２号明細書に記載のドエルタイムとは、工程３〜５を含むであろうと思われる。

これらの工程のいくつかを平行して行うことで、その工程に必要とされる時間を部分的に短縮することは可能である。たとえば、次の包装体の搬入は、検査済み包装体を搬出するのと同時に行うことができるのは明らかである。このような最適化の別の実施例として、センサのリカバリタイムの一部が搬出入工程と重なるようにすることができる。

しかしながら、最適条件で実施したとしても、チャンバの減圧と、何よりも、センサの真のリカバリに要する時間が余分にかかる。センサのリカバリタイムは長く、完全に予測することができないことが多い。このことで、一定速度で稼動できないという、自動システムにとって大きな制約が加わる。

したがって、欧州特許第０８９４２５２号明細書に開示の発明では、今日の業界で求められる、１分当たり６０個を超える製造速度を実現することはできない。１分当たり３０個の速度すら可能かどうか疑わしい。

このことは、化粧品、化学製品、薬品、歯磨き剤、食品その他の形の傷みやすい製品を包含した包装体用の、頑丈で高速な信頼性の高い検査方法および装置がいまだに必要とされていることを意味する。たとえば冷凍および自動車産業などその他の領域においても、高速検査に対する同様のニーズがある。

本発明は、液状またはペースト状の製品を化粧品、化学製品、薬品、歯磨き剤、食品その他の形で包含した密封包装体の漏れを検出する新規な装置および方法を提供することを目的とする。本発明はさらに、柔軟性、可撓性および半硬質性の包装体、容器その他の中空体用の、頑丈で高速な信頼性の高い漏れ検査装置を提供することを目的とする。本目的は、添付の請求の範囲に記載の装置により実現される。

本発明は、検査対象から漏れた場合ガスセンサにより検出されるテストガスの利用に基づいている。本発明の利点は３つの特徴を組み合わせることで最大限得られ、これらの特徴はそれぞれが検査時間を大幅に短縮するものであり、組み合わせることで、１つのセンサのみで１秒当たり少なくとも４個の速度で検査が可能となる。
・第１の特徴は新規な信号処理ルーチンである。
・第２の特徴は、漏れ検査を行なう包装体の一部の上に設けられる開放フードまたはフローガイドである。
・第３の特徴は、ガスサンプリング工程中に包装体内の圧力を周囲より高める手段である。

本発明の範囲は主に、柔軟性、可撓性および半硬質性の包装体からの漏れを検出する装置を提供することにある。本発明は特に、柔軟性、可撓性および半硬質性の包装体のシール部または栓部における漏れを検出するのに適している。以下の記載では「シール部」という用語を、包装体の検査部分を指すものとして用いる。

一実施形態によれば、本発明は、テストガスを包含する包装体の漏れ検出装置に関する。漏れ検出装置は包装体を搬送する搬送手段に隣接して配置され、検査ステーションを備え、該ステーション内に搬送手段により包装体が位置決めされ、包装体は検査ステーション内で周囲圧力より高い内圧を有するよう配される。

本装置は、包装体の検査部分を囲む周囲空気と気体連通するガスセンサを備え、センサは、前記周囲空気中のテストガス濃度を検出し、前記濃度を表す信号を送信するよう構成される。この信号は、前記濃度に比例していてもよい。本装置はさらに、ガスセンサからの信号を受信するよう構成された電子制御装置（ＥＣＵ）を備え、ＥＣＵは、周囲のテストガス濃度の瞬間変化率を求め、瞬間変化率を一定時間監視し、瞬間変化率がこれより前の監視中の瞬間変化率を超えたとき、欠陥信号を発するよう構成されている。

漏れ検出装置は、食品、化粧品、歯磨き剤その他様々な化学製品、薬品の形の傷みやすい製品を包含する包装体用に好適である。

一実施例によれば、本装置はさらに、検査される包装体のシール部または栓部を通過するように周囲空気を吸引するよう構成され連続的または断続的に動作する吸引手段と、吸引手段により吸引される周囲空気流中に配されるガスセンサとを備える。気流を導いて、シール部または栓部を通過してガスセンサに向かわせるために、包装体の漏れ検査部分の上にフローガイドが設けられる。フローガイド手段は、シール部の外周を取り囲み、シール部を所定距離通過して包装体の上部に延出していると有用である。ガスセンサは以下の記述において「センサ」と称する。

漏れが生じている包装体が吸引手段の前にセットされ取り除かれると、ガス濃度が急激に増減し、センサ前の濃度に大きな勾配が現れる。前述のように、これによってセンサ自身内の初期ガス濃度に急速な変化が現れる。結果として得られる定常状態のセンサの出力信号ではなく、信号のこのような初期の急速な変化を評価することで、実際のガス濃度、ひいては漏れの有無を、良好に予測することができる。この方法によれば、検出速度がリアクションタイムに限定されるものの、全レスポンスタイムにより限定されることがなくなる。

ただし、この方法では、漏出量の計測精度が下がるという限界がある。また、殺菌または防腐処理された包装体の長期保存に関わる極小の漏れを最高速度で検出することはできないという限界もある。しかしながら、シール部または栓部を貫通する漏れのほとんどは、実際の所望の最小値よりかなり大きく、漏れの大多数は検出されること、また、最小の漏れが検出されないとしても、全体の製品品質が向上することは明らかである。

上の実施例で述べた発明の主な利点は、充填後に検査対象を個々に直接検査できることにある。このため、ロット毎の検査による不要な廃棄品を減らし、製造偏差に関するフィードバックを即時に得ることができ、製造を最適化し、製造装置のアップタイムを可能な限り高く維持するために必要な貴重な情報を得ることができる。

信号動向は、センサの出力信号の傾き変動の検出に基づいて評価される。これは、現在進行中の検査以前の信号が増加傾向または減少傾向、または平坦な基線の一定値であるかにかかわらず行なうことができる。

上述の信号処理ルーチンは、センサが直接出力信号または反転出力信号のいずれを出力するものであってもよい、すなわち、出力信号が、テストガス濃度増加に従って減少（下降線）していても、増加（上昇線）していても有効であることは当業者にとって明らかである。単に、正しい方向への変化を検出するだけの問題である。また、センサの出力信号は、電流、電圧、周波数、静電容量その他いずれのアナログ情報でもよく、また、光学または数値の形であってもよいことは明らかである。

明確化を期して、以下の説明では、センサはその出力信号がガス濃度の増加とともに増大するものとする。前述のように、漏れが検出されると、センサ内のガス濃度が上がると信号の傾きは正となる。信号が負の傾きで基線に戻る際に次の漏れが検出されると、傾きが緩やかな負の傾きとなり、センサ内のガス濃度が上がるのに従い最終的には正の傾きとなる。前述のように、現在の包装体について変化率の変動が検出されると、このことは、検査ステーション内に搬入されたばかりの包装体に漏れがあることを表す。

このような信号の傾きにおける変化を、包装体から漏れるトレーサガスのサンプリングと同期させることで、高速に評価を行なう。漏れの程度は、最初の推定時に、包装体から漏れるトレーサガスのサンプリング前後の変化率の違いとして評価される。

実際の同期は、サンプリング中の遅延時間やその他関連要因に従って調整される。

また、薄膜センサとして膜厚の小さいものを使用することで、検査速度をさらに上げることができる。たとえばパラジウムまたはその他の白金族の金属またはその合金などの薄膜は、膜厚の大きなものより膜を通過する拡散距離が短くなるため、同じ動作温度では、速く平衡状態に達する。

要求される検査速度を達成するためには、包装体内のテストガスの圧力が全体として周囲圧力より高く、トレーサガスが強制的に漏れ部分から流れ出ることが必須である。このような圧力上昇は適宜、いかなる方法で行なってもよい。一実施形態では、包装体封止工程において、シール部形成後に包装体の内部容量が減少するようにシール部を形成することにより、このような高圧状態を得る。これに代え、別の実施形態では、ガスサンプリング工程中に包装体の外装に力を加えることによって高圧状態を得る。これは、包装体に外力を加える機械的装置により行なうことができる。

機械的加圧手段によって、真空手段を備えるチャンバを用いるより、より速く簡単に包装体の内外間に圧力差を生みだすことができる。

好適な実施形態では、包装体の片側または両側に所定の圧力を加える機械的圧力上昇手段を用いる。包装体への加圧は、シール部または栓部付近に行なうことが好ましい。加圧手段は、包装体を搬送して漏れ検出装置を通過させるコンベヤの種類により選択すればよい。

別の実施形態によれば、搬送手段を、所定のサイクルタイムおよび所定のドエルタイムを有するステッピングモータ駆動のコンベヤとすることができる。サイクルタイムはもともと、常にドエルタイムより長い。この場合、コンベヤのドエルタイム中に所定の圧力を包装体に加えるよう加圧手段を配する。

包装体を静止面に押しつけて、圧力を包装体の片側から加えてもよいし、包装体を一対の制御可能なアクチュエータ間で圧迫して、同時に両側から加えてもよい。適切な加圧手段の例としては、少なくとも１つの電気アクチュエータまたは流体アクチュエータが挙げられる。加圧手段の作動時間は搬送手段のサイクルタイムおよびドエルタイムより短いため、搬送手段の速度に左右される。

端部シール検査のために直立状態にセットされる充填済み包装体に用いられる搬送手段の適切な送給速度は、１分当たり２５〜２４０個である。これらの速度では、サイクルタイムは０．２５〜２．５秒間隔、ドエルタイムは０．１５〜２秒間隔とすることができる。この種の機械の様々な送給速度におけるサイクルタイムおよびドエルタイムの実施例を以下に挙げる。

実施例１： １分当たり２５個の速度で動作する搬送手段では、サイクルタイムはおよそ２．５秒であり、加圧手段はおよそ２．０秒のドエルタイム間に作動される。

実施例２： １分当たり１００個の速度で動作する搬送手段では、サイクルタイムはおよそ０．６秒であり、加圧手段はおよそ０．４秒のドエルタイム間に作動される。

実施例３： １分当たり１２０個の速度で動作する搬送手段では、サイクルタイムはおよそ０．５秒であり、加圧手段はおよそ０．３秒のドエルタイム間に作動される。

実施例４： １分当たり２４０個の速度で動作する搬送手段では、サイクルタイムはおよそ０．２５秒であり、加圧手段はおよそ０．１５秒のドエルタイム間に作動される。

加圧の前に包装体を停止させる必要があるため、加圧手段の作動時間はドエルタイムよりわずかに短い。また、包装体が検査ステーションから搬出される際の妨げとならないよう、ドエルタイム終了前に包装体を圧力から解放する必要もある。開閉動作にかかる時間は総じて少なくとも０．１秒である。上の実施例に挙げた時間は、使用する機種により変わる。

さらに別の実施形態によれば、搬送手段が連続移動するコンベヤであってもよい。この場合、加圧手段は、検査領域内の吸引手段を一定速度で通過していく包装体のそれぞれに所定の圧力を加えるよう構成する。加圧手段は、一対の対向する制御可能なアクチュエータを備えることができ、アクチュエータは搬送手段と平行に移動可能であり、搬送手段と共に移動して、吸引手段を通過する包装体に所定圧力を加えることができ、その後初期位置に戻る。代替的に、加圧手段は、包装体の両側で搬送手段と同速度で移動する一対の別のコンベヤを備えることができ、この追加のコンベヤが、検査される包装体が吸引手段を通過する際に所定距離に渡って包装体に所定の圧力を加えるよう配されたベルトまたはローラを備えることができる。この場合のサイクルタイムは、シール部が吸引手段を通過するのにかかる時間により決定される。

前述したように吸引手段は連続的または断続的のいずれで動作させてもよい。

速度の観点から言えば、露出時間が低減されるため、通常は前者の方が良い。濃度が充分高ければ、センサハウジング内に充分な量のガスが取り込まれるので、漏出度を客観的に推定することができる。

断続的に動作する吸引手段を設けて、順次、サンプルガスを吸引（サンプリング）、保持、放出することもできる。サンプルガスがセンサの前に保持され、より長い時間をかけてセンサ内に拡散するため、感度の点から言えば通常はこの方法の方がよい。

吸引手段は、検査ステーション内にセットされた包装体のシール部に隣接して位置させるのが好ましいが、必ずしもシール部の上方に位置する必要はない。

吸引手段は、シール部の形状に適合する吸引孔が設けられていてもよい。搬送手段がステッピングモータ駆動のコンベヤの場合は、吸引孔が、シール部の吸引孔に対向する部分とほぼ同じ形状を有していてもよい。ただし、吸引孔の断面積は、孔に隣接するシール部の断面積より大きいことが好ましい。また、吸引孔を、少なくとも部分的にシール部を囲むように配することもできる。たとえば、検査ステーションを連続的に通過する包装体が、少なくとも一対の対向する側壁および上壁を備えて逆Ｕの字の溝形状を有するフローガイド手段を通過するようにすることができる。検査ステーションを連続的に通過する包装体に対してはこのような構成が好ましい。

検査ステーションを断続的に通過する包装体に対しては、フローガイド手段が、シール部を全ての面から囲むような、シール部の形状にほぼ適合する形状を有することができる。さらに別の実施例によれば、フローガイド手段は、シール部の全外周を取り囲み、シール部を越えて包装体の上方に所定距離延出するよう位置させることができる。フローガイド手段はシール部周辺の周囲空気体積を低減させることにより、漏れるガスが比較的少量でも検出されるようにするものである。フローガイド手段はまた、このようなフローガイド手段が無い構成と比べて、シール部を通過して吸引される周囲空気の速度を速める。これによりガスのサンプリング時間が減るため、検査速度を速めることができる。フローガイドはまた、比較的大きな漏れがある場合に発生する、テストガス噴流を捉えるという重要な役割を有している。このような噴流は、通過するサンプルガス流に捉えられずに流出してしまうことが知られている。噴流がフローガイド内に噴出されれば、フローガイドの壁により進路変更し分散されるので、サンプルガス流に捉えられて、正しく検出される。

さらに、密閉チャンバは、高速および多目的の自動機械内に設置、維持管理するのが困難であり、フローガイド構造はこのような密閉チャンバと比べて有利である。開放フードまたはフローガイドと、包装体への機械的加圧との組み合わせによって、包装体に漏れがある場合に漏出するガス流量を増加させるという結果が得られる。

包装体周辺に最適化したデッドスペースを有するフローガイドは、サンプルガス流のみによって迅速にパージが可能であり、別途清浄手段を追加する必要がない。

大きな漏れがあった場合は、従来の送風機またはその他の安価なサーキュレータを用いて検査領域全体を清浄することができる。このような換気装置は、高価な自動制御の必要もなく連続的に稼働することができる。

この種のフローガイドフードはまた、様々な種類の包装体に適合するよう簡単に調節することができ、このような調節は自動で行うこともできる。密閉チャンバを使用する必要がある場合、これは不可能である。

フローガイドの吸引孔は、前記上壁またはシール部に隣接する側壁のいずれか１つに位置すればよい。吸引孔のこの位置は、ステッピングモータ駆動のコンベヤおよび連続移動コンベヤのいずれにも用いることができる。

一実施例によれば、包装体は、包装体内のテストガスが、検査するシール部に隣接して保持されるように、そのシール部分を上向きにして検査ステーションにセットされる。充填および封止ラインにおいて、封止ステーションと検査ステーション間での搬送の間、包装体がこの状態で保持されるのが好ましい。これは、漏れ検出装置が、歯磨きチューブまたは類似の包装体のように可撓性を有するチューブ形状の包装体を検査するよう構成される場合が典型例である。

包装体は通常、充填ステーションにて充填されると直ちに次の封止ステーションに移動される。テストガスは供給ノズルにより、封止の直前に包装体の開放端に供給することができる。これにより、封止ステーションを、充填ステーションと検査ステーションとの間の周囲雰囲気内に位置させることができる。代替的に、封止ステーションを、所定濃度のテストガスを含む、制御下の雰囲気内に位置させてもよい。

テストガスは、０．０１〜１０容量％の水素（Ｈ_２）を含むことができる。テストガスの残り部分の主成分は、窒素（Ｎ_２）やＣＯ_２などの適切な不活性ガスであり、ＣＯ_２がよく用いられる。

混合ガスの可燃性基準に従い、窒素に混入させる水素の割合の可燃性上限は５．７％である。規制上の理由から、「不燃性」と表示される濃度を使用するのが好ましい。ただし、様々な産業用途の漏れ検出において、水素は１０％までの濃度でよく使用されている。これは、バランスガスが単体または混合体の不活性ガスであれば安全に行なうことができる。理論的に安全な上限値と１０％の上限との間の濃度を用いることで、感度を高め、また、安全性検査の努力も報われることが多い。

本発明はまた、所定濃度のテストガスを含み、食品または薬品の形で製品を包含する包装体の漏れを検出する方法に関する。
本方法は以下の工程を含む：
・包装体を検査ステーションにセットすることで、ガスセンサが包装体の検査部分を囲む周囲空気と気体連通するよう位置される工程、
・所定量の圧力を包装体に加える工程、
・前記センサを用いて、包装体を囲む周囲空気中のテストガス濃度を表す瞬間変化率を求める工程、
・検査する包装体を囲む周囲空気中のテストガス濃度を表す瞬間変化率を一定時間監視する工程、および
・瞬間変化率がこれより前の監視中の瞬間変化率を超えたとき、欠陥信号を発する工程。

一実施例によれば、本方法では、検査する包装体を吸引手段に隣接してセットし、周囲空気を吸引手段で吸引し前記センサを通過させる。これは、上で詳しく説明した通りである。

特に、本方法では、現在加圧されている包装体についての瞬間変化率が、監視中の瞬間変化率であって先の包装体について求められた値を超えたとき、欠陥信号を発する。

第１の包装体が検査ステーションから搬出され、次の包装体が検査ステーションに搬入されて、および／または、包装体が外から圧力を受けて、包装体の位置に変化があると、瞬間変化率に変化が生じ得る。瞬間変化率は、検査ステーションに現在セットされつつある次の包装体に漏れがあると、正の値からさらに高い正の値に変化するか、一定値から正の値に変化するか、または、負の値からより低い負の値に変化する。

各包装体について正確な濃度を計測する代わりに、各包装体のシール部を通過して順次吸引される周囲空気中のテストガス含有量を表す曲線の、瞬間変化率を監視することで、サイクルタイムを非常に短くすることができる。この方法では絶対値または閾値の代わりに濃度変化を監視するので、センサのレスポンスタイムを考慮する必要はない。

一実施例によれば、本方法では、吸引手段により連続的に周囲空気を吸引してセンサを通過させ、周囲空気中のテストガス含有量を表す瞬間変化率を連続的または断続的に求める。この場合、各包装体が順次検査ステーションに搬出入される間、または、包装体に圧力が加えられるドエルタイム中に、周囲空気に関する変化率の動向を常に監視する。

別の実施例によれば、本方法では、吸引手段により断続的に周囲空気を吸引してセンサを通過させ、周囲空気中のテストガス濃度を表す瞬間変化率を断続的に監視する。この場合、吸引手段の動作期間中、または、包装体に圧力が加えられるドエルタイム中に、変化率の動向を断続的に監視することができる。

本方法によりサイクルタイムを０．５秒以下とすることができる。上の実施例で述べたように、１分当たり約１２０個の速度または供給量では、サイクルタイムをおよそ０．５秒、ドエルタイムをおよそ０．３秒とすることができる。包装体への加圧は、ドエルタイムよりわずかに短い間に行なわれる。

搬送手段が始動してから、または、しばらく漏れが検出されなかった後に、最初に漏れのある包装体があると、これが検出されたとき変化率は一定値から正の値に変化する。この最初の包装体の直後に漏れが検出されるときはそれぞれ、変化率は負の値から正の値へ変化する。

漏れ検出装置は、所望により、漏れ検出装置周辺の周囲空気中のテストガス含有量の変化率を表す基線を定義することで較正することができる。ただし、本装置は、検出される変化率の変動に対し反応するよう設定することができるので、瞬間変化率の変動を検知するだけで足りる。ＥＣＵが変動を検出しこれが正の傾きであると、現在検査ステーションにある包装体に漏れがあることを示す。

本方法はさらに、吸引手段に接近中の１つの包装体の瞬間変化率が、連続監視中の変化率を表す曲線の変化率を越えたとき、第１の制御信号を発し、漏れのある包装体を廃棄することができる。１つの包装体における漏れは、シール部領域内の材料の欠陥によるものか、または、充填された材料の飛沫または染みがシール部分に残ったために生じることがある。または、包装体の密封前のシール部分加熱が不十分であるための場合もある。このような場合、包装工程は停止されない。ただし、オペレータに警報を発し、漏れのある包装体が検出され、搬送手段から除去されたことを知らせてもよい。

本方法はまた、次の包装体が吸引手段に隣接してセットされ所定圧力を受けるたびに、次の包装体の瞬間変化率が、連続的または断続的に監視中の変化率を表す曲線の変化率を越える場合、第２の制御信号を発し、包装工程を停止させることができる。複数の包装体に続けて漏れがあるのは、封止ステーションに不具合があることを示す場合があるため、搬送手段を停止し、調整または修理を行なう必要がある。

運転中は、包装体充填ステーションにて一列に並べられた包装体が充填され、次の封止ステーションに搬送される。封止ステーションでは、一定量のテストガスがノズルにより、封止される包装体の開放端に向けて供給される。テストガスは充填された内容物の酸化を防ぎ、また、続く漏れ検出装置におけるテストガスとしての、２つの機能を有する。次いで包装体は適切な封止手段により封止され、漏れ検出装置へと搬送される。

漏れ検出装置は、テストサイクルの間、検査する包装体のシール部分に隣接して静止するよう配置される吸引手段を備える。または、テストサイクルの間、検査する包装体のシール部分が吸引手段を通過するよう移動される。したがって、テストサイクルの経過時間は、断続的に移動する搬送手段のドエルタイム、または、代替的に、連続移動する搬送手段の一定速度に左右される。包装体が検査ステーション内にシール部が隣接するようセットされると、加圧手段が駆動され所定の圧力を包装体のシール部隣接箇所に加える。これによって包装体は過圧状態となり、シール部に欠陥がある場合は閉じ込められたテストガスが漏出する。本方法で検出可能な穴の径は、サイクルタイムに左右される。たとえば、未溶着の包装体または溶着が部分的であるシール部を検出することが望まれる場合、穴は比較的大きいため、サイクルタイムは比較的短くすることができる。この目的の場合サイクルタイムは約０．５秒とすることができる。一般に、センサのリカバリタイムに対し「短い」サイクルタイムとは、１秒以下のサイクルタイムであると定義される。

ガスセンサは、アナログ信号を連続的に出力するよう構成され、生成電圧が単位時間当たりのガス漏れ量に比例する。ガスセンサを、搬送手段に隣接する漏れ検出装置の位置における周囲空気を使用して較正する場合は、最初の包装体が検査ステーションに到達する前に行なう。連続アナログ信号は電子制御装置（ＥＣＵ）に送信され、ＥＣＵはセンサからの出力信号を処理し、また、連続的または断続的に監視するよう構成されている。

ＥＣＵはアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、デジタル電圧信号に基づく、一定期間のテストガス濃度を表わす曲線の瞬間変化率を算出する第１プロセッサとを備える。ＥＣＵはＡ／Ｄコンバータにより算出される変化率を処理し、また、連続的または断続的に監視するよう構成されている。ガスセンサが較正されると、ＥＣＵは、漏れ検出装置周辺の周囲空気中のテストガス含有量を表す曲線の瞬間変化率を求める。このときの変化率は、いずれの包装体からも漏れが検出されない状態を表す。したがって、ＥＣＵがセンサから一定の連続信号を受信し、その信号が、水平線を表す既知のほぼ一定の変化率を表すときは、いずれの包装体からも漏れは検出されていない。

しかし、ＥＣＵが、監視中の連続または断続信号の変化率に対してこれから変化した瞬間変化率を検出したことを表す信号をセンサから受信したときは、テストガスの漏れが生じたことを意味する。検出信号から算出される変化率が増加、すなわち正の傾きであれば、検査中の包装体に漏れがあることを表す。するとＥＣＵは欠陥信号を発し、この信号が次の排出ユニットに送信されて、漏れのある１つまたは複数の包装体をコンベヤから取り除く。代替的に、信号によりオペレータに知らせ、オペレータが手で包装体を取り除くか、および／または、漏れ検出装置の上流側の包装体封止ユニットの検査を行ってもよい。

包装体が検査領域から取り除かれると、吸引手段によりセンサを通過するように吸引された周囲空気が漏れたガスを希釈し、連続アナログ信号値が低下する。これにしたがい、漏れたガスの濃度が連続的に下降するにつれ、デジタル信号の変化率も低下して、やがて負の値になるよう変化する。続く包装体が適切に封止されていれば、漏れたガスは検出装置外へ排出され、センサの出力信号は低下し、やがて初期の基線値または較正値に戻る。

しかし、シール部に漏れのある複数の包装体が続けて漏れ検出装置を通過する場合は、センサからの出力信号は、検査されるそれぞれの包装体の間で初期値には戻らない。包装体が外力から解放され検査ステーションから搬出されるにつれ、デジタル信号の変化率は変化し始め、漏れたガスの濃度は連続的に低下する。包装体が検査ステーションから搬出されたとき、前記曲線により表されるデジタル信号の変化率は、最大値まで増加してから平坦になり始める、または平坦になった、または減少し始めたところで、このとき、現在の包装体に関する瞬間変化率が、前記曲線により表される連続的または断続的に監視中の変化率を越える。変化率は、漏れのある次の包装体が検査領域に入り外部から圧力を受けると、正の値からさらに高い正の値へ、または、曲線の最大値付近のほぼ一定の値から正の値へ変化し得る。

本方法によれば、センサの出力信号が初期基線値または較正値に戻るために周囲空気により洗浄を行なうことなく、センサが漏れのある複数の包装体を続けて検知できるため、サイクルタイムを比較的短くすることができる。

漏れのある包装体が複数検出されると、たとえば所定個数の包装体から続けて漏れが検出されると、信号処理手段はさらなる欠陥信号を発する。さらなる欠陥信号は、充填封止装置を制御するため、電子制御装置に送信される。このさらなる欠陥信号は、前記包装体封止ユニットに不具合のあることを表すので、次いで、搬送手段が停止される。

本発明はさらに、充填ステーションと封止ステーションとを備え、本発明の漏れ検査装置を備える包装装置に関する。本装置によれば、製品の充填および封止の後、直ちに漏れの検査を行なうことができる。これにより、短期的な漏れを検出し、たとえば封止ユニットの欠陥を起因として、部分的または全体的に未封止の包装体から部分的または全体的にガスが失われるのを防ぐことができる。

本発明を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。これら図面は例示のみを目的としており、発明を限定する定義として意図されるものではなく、発明の定義は添付の請求の範囲を参照すべきであることを理解されたい。また、これら図面は必ずしも一定率で縮尺されたものではなく、別途示さない限り、本明細書に記載の構造および方法を概略的に図示するものに過ぎないことも理解されたい。

本発明に係る漏れ検出装置が設けられた、充填封止ラインを示す概略図。 １つの包装体から漏れがある場合の、一定期間のテストガス濃度を示す図。 複数の包装体から漏れがある場合の、一定期間のテストガス濃度を示す図。 複数の包装体から漏れがある場合の、一定期間のテストガス濃度を示す別の図。 検査ステーション３の、包装体の長手方向軸に沿う垂直面の部分断面図。 検査ステーション３の、図３の垂直面と直角の垂直面の部分断面図。

図１は、本発明に係る漏れ検出装置が設けられ、充填ステーション１および封止ステーション２を備える包装機械を示す概略図である。図中、複数の、ここでは筒状の包装体Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３が、包装体充填ステーション１で充填され、断続的に動くコンベヤ４により次の封止ステーション２に移動される。封止ステーション２では、封止前の包装体Ｐ_２の開口端部６に向けて一定量のテストガスがノズル５から供給される。包装体Ｐ_２は次いで、熱風または超音波手段による加熱などの適切な封止手段７により封止され、漏れ検出装置上の検査ステーション３へと移動される。

漏れ検出装置は、テストサイクルの間、検査される包装体Ｐ_３の封止端部９すなわちシール部に隣接して固定的に配される吸引手段８を備える。包装体が検査ステーション内にシール部が隣接するようセットされると、加圧手段が駆動され所定の圧力を包装体のシール部隣接箇所に加える。これによって包装体は過圧状態となり、シール部に欠陥がある場合は閉じ込められたテストガスが漏出する。

代替的に、テストサイクル中に、検査する包装体のシール部が吸引手段を通過するように移動させる。

吸引手段８の吸引孔１０を通じて周囲空気を吸引してシール端部９を通過させ、ガスセンサ１１を通過させる。センサ１１の下流には減圧用のポンプ１２が設けられている。ガスセンサ１１は、アナログ信号を連続的に出力するもので、生成電圧が単位時間当たりのガス漏れ量に比例するよう設定されている。センサ１１が出力する連続アナログ信号は電子制御部（ＥＣＵ）に送信され、ここで処理および連続的に監視される。

ＥＣＵはアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、デジタル電圧信号に基づく、一定期間のテストガス濃度を表わす曲線の瞬間変化率を算出する第１プロセッサとを備える。ＥＣＵは、Ａ／Ｄコンバータが算出する変化率を処理および連続監視するよう構成されている。ガスセンサが較正されると、ＥＣＵは、検査ステーション３周辺の周囲空気中のテストガス含有量を表す曲線の瞬間変化率を求める。このときの変化率は、いずれの包装体からも漏れが検出されない状態を表す。したがって、ＥＣＵがセンサから一定の連続信号を受信し、この信号が、テストガスが存在しない水平線を表す既知のほぼ一定の変化率を有する場合は、いずれの包装体からも漏れは検出されていない。

図２Ａは、１つの包装体から漏れが検出される場合の、一定期間のテストガス濃度を示す図である。図から分かるように、計測されるテストガス（ここでは水素）濃度は、初期の基線値から増加し最大値に達する。包装体が検査ステーションから取り除かれると、センサ１１を通過するように吸引された周囲空気が徐々にテストガス濃度を希釈し、検出されるテストガス濃度は再び初期の基線値に戻る。図２Ａから、テストガスが検出されたすぐ後の時点ｔ_１の、曲線Ｃの接線Ｔ_１は瞬間変化率として正の値を有し、これは１つの包装体に漏れがあることを示すことが分かる。

ＥＣＵが、連続信号の変化率に対する瞬間変化率の変動を表す信号をセンサから受信した場合、漏れが生じたことを意味する。検出信号から算出される変化率が増加、すなわち正の傾きであれば、検査中の包装体に漏れがあることを表す。するとＥＣＵは欠陥信号を発し、この信号は続く排出ユニットに送られて、漏れのある包装体がコンベヤから取り除かれる。

包装体が検査領域から取り除かれると、吸引手段によりセンサを通過するよう吸引される周囲空気が、漏れたガスを希釈し、連続アナログ信号値が低下する。したがって、漏れているガス濃度が連続的に低下するため、デジタル信号の変化率が負の値に変化する。続く包装体が適切に封止されていれば、漏れたガスは検出装置外に排出されるので、センサの出力信号は初期値に戻る。

図２Ｂは、複数の包装体から漏れが検出される場合の、一定期間のテストガス濃度を示す図である。図２Ａと同様に、計測されるテストガス濃度は、第１の包装体の漏れにより、上述したように初期の基線値から増加し最大値に達する。第１の包装体が検査ステーションから取り除かれると、センサ１１を通過するよう吸引される周囲空気がテストガス濃度を希釈し、検出されるテストガス濃度は初期の基線値に向けて下がり始める。漏れているガスの濃度が連続的に低下するため、曲線Ｃ_１が示すように、デジタル信号の変化率が負の値に変化し始める。しかし、時点ｔ_２において検査ステーションに漏れのある次の包装体がセットされると、点Ｘ_２における接線Ｔ_２が示すように、変化率は再び正の値に変わる。

シール部に漏れのある複数の包装体が比較的長いサイクルタイムの間に漏れ検出装置を続けて通過する場合は、センサからの出力信号は、検査される各包装体間では初期値には戻らない。漏れているガスの濃度は連続的に減少するため、曲線Ｃ_２で示すように、デジタル信号の変化率が負の値に変わる時間は充分ある。しかし、漏れのある次の包装体が検査領域に進入すると、曲線Ｃ_３で示すように、変化率は再び正の値に変わる。複数の包装体から漏れが検出されると、ＥＣＵはさらなる欠陥信号を発し、この信号により充填封止ラインを停止させ、調整および／または修理を行なう。

図２Ｃは複数の包装体から漏れが検出される場合の、一定期間のテストガス濃度を示す別の図である。図２Ｂと同様に、計測されるテストガス濃度は、漏れのある第１の包装体が検査ステーションから取り除かれるまで、初期の基線値から増加する。第１の包装体が検査ステーションから取り除かれると、センサ１１を通過するよう吸引された周囲空気がテストガス濃度を希釈し、検出されるテストガス濃度は低下し始める。デジタル信号の変化率は正の値のままであるが、変化し始め、曲線Ｃ’_１が最大値に近づくにつれて減少する。漏れているガスの濃度は連続的に低下するため、次の漏れが検出されなければ、変化率はまずゼロになり、次いで負の値となる。しかし、時点ｔ_３において検査ステーションに漏れのある次の包装体がセットされると、点Ｘ_３における接線Ｔ_３と曲線Ｃ’_２が示すように、変化率は正の低い値から増加する。

シール部に漏れのある複数の包装体が比較的短いサイクルタイムの間に漏れ検出装置を続けて通過する場合は、センサからの出力信号が、検査される各包装体間で、初期値にリセットされるための時間がより短い。漏れているガスの濃度は連続的に低下するため、曲線Ｃ’_１が示すように、デジタル信号の変化率は変化し減少し始める。しかし、サイクルタイムが比較的短いため、漏れのある次の包装体が検出される前に曲線Ｃ’_１が最大値に達することがない。曲線Ｃ’_２が示すように、検査領域に漏れのある次の包装体が進入すると、変化率は第１の正の値から、これを超える第２の正の値に変化する。複数の包装体、たとえば３つの包装体から続けて漏れが検出されると、ＥＣＵはさらなる欠陥信号を発し、この信号により充填封止ラインを停止させ、調整および／または修理を行なう。

図３は検査ステーション３の、検査する包装体Ｐ３の長手方向軸に沿う垂直面の部分断面図を示し、この場合、可撓性を有するチューブを、キャップを下向きにコンベヤ（図示せず）上のホルダーで保持し、シール端を上向きに検査ステーション内にセットされている。図は、検査ステーション３内に位置するチューブＰ３に所定圧力を加えるための加圧手段２０の断面を示している。検査ステーション３の、検査するチューブ上に装着された一対の対向する流体アクチュエータ２１、２２により、チューブＰ３のシール部の下に位置する領域に圧力を加える。流体アクチュエータ２１、２２はそれぞれ、アクチュエータ間の支持部３０に固定されたピストン２３、２４と、固定支持部３０に対し移動可能なシリンダ２５、２６とを備える。流体アクチュエータ２１、２２は、圧縮空気源（図示せず）からシリンダ２５、２６上の流出／流入口２９を通って供給される空気圧により動作する。アクチュエータ動作は、バルブ制御（図示せず）により行なわれ、シリンダ２５、２６を固定支持部３０から遠い位置から、この支持部３０に隣接する位置まで移動させる。図３は後者の位置を示している。この位置では、対向するクランプ手段２７、２８がチューブＰ３上部の検査するシール部の下に所定圧力をかけるよう配されている。この位置では、シリンダ２５、２６と、対向するクランプ手段２７、２８との対向部分が、支持部３０内に上向きに延び対向する一対の側壁と、支持部３０の下面よりなる上壁とにより断面逆Ｕ字型の溝である部分的に閉ざされた空間３１を形成する。このように部分的に閉ざされた空間３１を形成するのは、周囲空気がシール部を通過してセンサ１１に向かって流れるようガイドするためである。吸引孔３２は、支持部３０内の上壁に、シール部に隣接して位置している。センサ１１は、吸引孔３２の真上で支持部３０本体を貫通する穴の中に装着されている。塵などの粒子がセンサ１１に触れるのを防ぐため、吸引孔３２内にはフィルタ３３が設けられている。

図４は検査ステーション３の、図３の垂直面と直角の垂直面の部分断面図を示す。図４はチューブＰ３と、チューブＰ３の上端に位置し、一方のクランプ手段２７の上方にあってこれと平行なシール部とを示している。クランプ手段２７の両端には端壁３４、３５が装着され、シール部周辺でフローガイド手段を形成することに貢献している。同様の端壁は対向するクランプ手段２８にも設けられている。シリンダ２５、２６とそのクランプ手段２７、２８がチューブＰ３に向けて移動されるにつれ、この端壁がチューブを通過して吸引される周囲空気の流れをさらに拘束する。フローガイド手段はシール部の外周全体を囲むよう、シール部を越えてチューブＰ３の上方に所定距離延出するのが好ましい。この構成により、周囲空気はシール部を通過して上方に流れ、吸引孔３２を通ってセンサ１１に向け吸いこまれるようガイドされる（図３参照）。フローガイド手段によりシール部周辺の周囲空気体積が減少するため、漏れガスの濃度が比較的低くても検出することができる。また、シール部またはこの隣接部において漏れガスの噴流がセンサ１１に当たらないよう導くことができる。たとえば、圧力がかかると図３に示すシール部に対して下向きの角度方向に細いガス噴流が漏出する場合がある。フローガイド手段によりシール部周辺の周囲空気体積が減少するため、このようなフローガイド手段を備えない構成に比べ、周囲空気はより速い速度でシール部を通過して吸入される。このように、吸引手段により形成される気流の速度を、この種の噴流が検出されるような速度とすることができる。

Claims (10)

1. 包装体（Ｐ３）を搬送する搬送手段（４）に隣接して配され、搬送手段（４）により包装体がセットされる検査ステーション（３）を備え、包装体（Ｐ３）が、検査ステーション（３）内にセットされたとき周囲圧力より高い内圧を有するよう配される、テストガスを包含する包装体（Ｐ３）の漏れ検査装置であって、
   包装体の検査部分を囲む周囲空気と気体流通する位置に設けられ、前記周囲空気中のテストガス濃度を検出し、前記濃度を表す信号を送信するよう構成されたガスセンサ（１１）と、
   ガスセンサ（１１）からの信号を受信し、周囲のテストガス濃度の瞬間変化率を求め、瞬間変化率を一定時間監視し、瞬間変化率がこれより前の監視中の瞬間変化率を超えたとき、欠陥信号を発するよう構成される電子制御装置（ＥＣＵ）と、
   検査する包装体（Ｐ３）のシール部（９）を通過するように周囲空気を吸引するよう構成された連続的に動作する吸引手段と、を備え、
   連続動作する吸引手段（８）に、シール部（９）の形状に適合するフローガイド手段が設けられていることを特徴とする、漏れ検査装置。
2. フローガイド手段が、シール部の外周を取り囲み、シール部（９）を越えて包装体（Ｐ３）の上方に所定距離延出するよう配されていることを特徴とする、請求項１に記載の漏れ検査装置。
3. ガスセンサ（１１）が、吸引手段（８）により吸引される周囲空気の流れ中に位置することを特徴とする、請求項１または２に記載の漏れ検査装置。
4. シール部（９）を囲み、シール部の形状に適合するよう構成された開放フードが配されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の漏れ検査装置。
5. 検査ステーション（３）内にセットする包装体（Ｐ３）の少なくとも片側に所定の圧力を加えるために、加圧手段（２１、２２）が配されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の漏れ検査装置。
6. 加圧手段（２１、２２）が、包装体の対向面に接して配され、所定の圧力または力を包装体のシール部（９）の隣接箇所に加えることを特徴とする、請求項５に記載の漏れ検査装置。
7. 包装体内のテストガスを、検査するシール部に隣接させて保持するために、包装体（Ｐ３）が検査ステーション（３）内でそのシール部分を上向きにしてセットされることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の漏れ検査装置。
8. 漏れ検出装置が、可撓性を有するチューブ形状の包装体を検査するよう構成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の漏れ検査装置。
9. 検査される包装体が、食品、薬物、化学製品、または化粧品の形の傷みやすい製品を包含していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の漏れ検査装置。
10. 製品を順次充填する充填ステーション（１）と、製品を密封する封止ステーション（２）とを備える包装装置であって、封止ステーション（２）の後に請求項１に記載の漏れ検査装置（３）をさらに備えることを特徴とする包装装置。

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