JP6093067B2 - 蓋が接合された容器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、蓋が接合された容器の製造方法に関する。本発明は、特に精密部品等のように超音波溶着などの接合方法が利用できない場合に有用である。
従来、一般的な包装材の接合を行う装置には、高速化が求められるため熱溶着や超音波溶着、振動溶着などの様々な接合方法が用いられている。特に、振動を嫌う精密部品に関しては、主に熱溶着が用いられている。熱溶着とは、加熱手段を有する加熱体を押圧して包装材の容器と蓋とを潰し込むことにより接合させる技術である。
包装材の役割は、輸送時の圧力変動や温度変化に耐え得る密閉性を確保することである。また、相反する要件として、人手で剥がし易い程度の溶着強度であるという容易開封性も重要となる。このように、包装材の役割として、密閉性と容易開封性を両立させる必要がある。密閉性の品質評価方法としては、加圧と減圧を繰り返す加減圧試験や、高温環境下と常温環境下に交互に置くヒートサイクル試験が一般的に行われている。また容易開封性の品質評価方法としては、溶着部の剥離試験を実施している例がある。密閉性と容易開封性の両要件を同時に満足するためには溶着強度の管理が必要である。溶着強度は接合面積に基づいて決定される。一般に、被溶着物である容器側の溶着リブの蓋と接合する面には、容器と蓋の潰し込みを効果的に行うために、図7(a)に示すように、開口部の周囲に凸状形状の溶着リブが形成されている。図7(b)および(c)は凸状形状の溶着リブの断面の例を示したものである。この凸状形状が一定の幅でない場合、容器と蓋の潰し代にあたる変位量を管理することが重要である。図7(b)に示すように溶着リブの凸状形状の幅が均一な場合、潰し代の管理を行わなくても接合長さ1と2が一定となるため溶着強度は一定となる。潰し代によって溶着バリの発生量は異なるが、溶着強度には影響しない。しかし、図7(c)に示すように、容器を金型で成形するために、凸状形状の幅が高さによって異なる場合がある。その場合、潰し代によって接合長さが変わるため、所定の溶着強度を保つには潰し代を管理する必要がある。
下記特許文献1には一般的な包装材の熱溶着方法及び装置が開示されている。対象となる包装材は、熱可塑性樹脂の容器とフィルム状の蓋とからなる。この熱溶着装置は、容器と蓋をそれぞれ供給する機構と、容器を間欠運動させる搬送路、被包装物を容器に収納する機構、及び加熱体を押圧することにより蓋を容器に熱溶着する機構から構成されている。供給された容器に被包装物を収納し、その上に蓋を供給し、加熱手段を有する加熱体により蓋と容器を押圧することで熱溶着を行う。
従来の熱溶着方法では、時間管理によって溶着強度の管理を行っていた。しかしこの方法では、蓋や容器の溶着リブの高さや幅のばらつきに関わらず一律に一定の時間で溶着を終了してしまうため、接合された包装材の溶着強度のばらつきが大きくなってしまうという課題があった。
そこで、かかる課題を解決するために、蓋や容器の溶着用凸状リブの高さや幅のばらつきの影響をキャンセルすることが可能な溶込量制御を行う必要がある。
しかしながら、熱可塑性樹脂同士を溶着する場合、熱変形してしまうため、剛体同士であれば容易に検出できる接触荷重を検出することが難しい。接触荷重を正確に検出するためには、荷重を低く設定するか、もしくは、加熱体の温度を低く設定する必要がある。しかし、1.0秒以内の高速タクトで熱溶着を行うためには溶着荷重を高く設定するか、もしくは加熱体の温度を高く設定する必要がある。溶着荷重を高くすると、きちんと熱が伝達されないうちに溶着が完了してしまい、溶着強度が低下するという課題が生じる。また、同様に、加熱体を高温にすると加熱体が蓋に接近した時点で熱可塑性樹脂が溶融し始めて軟化してしまい、溶着強度が安定しない。そのため、高速タクトでは、加熱体が蓋に接触する際の荷重を検出しにくいため、溶着強度の管理が難しくなる。
そこで、本発明に係る蓋と接合させた容器(以下、蓋付容器ともいう)の製造方法では、簡易な構成で溶着強度を安定化させると共に、高速化を実現することを目的とする。
そして、本発明は上記目的を達成するために、熱可塑性樹脂からなる容器の一部を熱により溶かして蓋と接合させた容器の製造方法であって、加熱体を移動させて前記蓋に接触させ、前記接触時の接触荷重から所定の荷重に到達するまで前記加熱体をさらに移動させ、前記所定の荷重に到達してから所定の移動量に達するまで前記加熱体をさらに移動させて前記容器を前記蓋と接合させることを特徴とする。
本発明の蓋付容器の製造方法によれば、高速タクトでも溶着強度のばらつきを抑えることが可能となり、密閉性の不足や容易開封性の不良に起因する不良品の発生を防止することができる。
以下、本発明の実施形態を図1〜図6に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の好適な実施形態において用いる熱溶着装置の構成を示す概略図である。図1の熱溶着装置により、容器12に蓋11を熱溶着(接合)する。蓋11は容器12の上に載せられた状態で支持され、容器12はバックアップ33により支持されている。
図1において21は、蓋11を直接加熱する加熱体である。加熱体21の内部に、カートリッジヒータやパルスヒータなどの加熱手段22が設けられている。加熱手段22は、温度調整用のコントローラ23によって制御されている。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の好適な実施形態において用いる熱溶着装置の構成を示す概略図である。図1の熱溶着装置により、容器12に蓋11を熱溶着(接合)する。蓋11は容器12の上に載せられた状態で支持され、容器12はバックアップ33により支持されている。
図1において21は、蓋11を直接加熱する加熱体である。加熱体21の内部に、カートリッジヒータやパルスヒータなどの加熱手段22が設けられている。加熱手段22は、温度調整用のコントローラ23によって制御されている。
また、加熱体21を上下方向に駆動するアクチュエータとして、サーボモータや電動シリンダ、ステッピングモータやリニアモータを使用した単軸ロボットの電動アクチュエータなどの押圧手段31を具備している。なお、押圧手段31は、後述する変位量管理機能と荷重切り替え機能の双方を有していてもよい。この押圧手段31は、サーボモータのエンコーダや外部の渦電流センサなどの変位検出手段32を具備している。また、加熱体21と蓋11を押圧する際の荷重を検出するため、ロードセルなどの荷重検出手段41を有している。
次に、図1に示す熱溶着装置を用いた熱溶着方法について、図2の動作フローを用いて説明する。ステップ1(S1)では、バックアップ33に蓋11と容器12がセットされ、加熱体21は蓋11から離れた位置に待機している。また、加熱体21は加熱手段22によって熱せられて加熱状態にある。次にステップ2(S2)では、加熱体21全体が押圧手段31によって移動され所定の移動速度切り替えポイントまで高速移動する。移動速度切り替えポイントは、本実施形態の場合、加熱体21と蓋11が接触する位置より0.5mm以上手前とする。その後、ステップ3(S3)で押圧手段31の移動速度の切り替えを行い、ステップ4(S4)で10mm/sec以下の低速の状態で加熱体21全体が移動開始する。ステップ5(S5)で、低速のまま加熱体21と蓋11が接触し、熱可塑性樹脂同士が溶融し始めることで徐々に荷重が高まる。次にステップ6(S6)で、所定の接触荷重を検出するまで押圧手段31は移動を続け、加熱体21と蓋11が接触したと判断する。その後、ステップ7(S7)で接触荷重から溶着荷重まで所定の時間で荷重が切り替わるように移動を続け、ステップ8(S8)で所定の溶着荷重に到達する。次にステップ9(S9)では、ステップ7の時点での現在位置をゼロ点とし、所定の溶込量に到達するまで荷重が一定になるように移動を続ける。その際、ステップ7、8とステップ9とは同時に行われる。ステップ9で溶込量が所定の値に達した後、ステップ10(S10)で溶着完了となる。その後、ステップ11(S11)で加熱体21全体がステップ1の際の位置に戻るよう高速移動を開始する。ステップ1と同一の位置に戻ったステップ12(S12)の時点で1サイクル動作が終了する。
このように、図2に示す動作フローの熱溶着方法を行うことで溶着物や被溶着物の個体差による影響を受けることなく常に安定した溶着強度を達成できるよう管理することができる。
なお、上記の熱溶着装置において、加熱体と蓋が接触した直後の接触荷重を検出した位置からの変位量(移動量)を管理可能とする変位量管理用に、エンコーダや渦電流センサのような位置検出手段を有するアクチュエータを備えていてもよい。
なお、上記の熱溶着装置において、加熱体と蓋が接触した直後の接触荷重を検出した位置からの変位量(移動量)を管理可能とする変位量管理用に、エンコーダや渦電流センサのような位置検出手段を有するアクチュエータを備えていてもよい。
次に、本発明の第1の実施形態の実施例1において用いる熱溶着装置および熱溶着方法について、図1〜図3を参照して説明する。また、比較例1として時間管理によって溶着強度の管理を行う従来技術による熱溶着方法について、図4および図5を参照して説明する。実施例1と比較例1の対照から、荷重切り替えの有無による溶着強度のばらつきの差異の具体例を示す。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
本発明の第1の実施形態の実施例1において用いる熱溶着装置の装置構成は、図1に概略的に示す通りである。なお、容器12の上端には蓋11を溶着するため、図7(a)に示した容器12の形状と同様の、長さ方向断面が凸状形状である溶着リブがリング状に形成されている。また、凸状形状の幅(リング幅)は高さによって異なっており、図7(c)に示したように、断面がお椀を逆に伏せたような形状となっている。すなわち凸状形状の高さが高くなるほどの凸状形状の幅は小さくなっている。具体的には以下の装置構成で実施した。
本発明の第1の実施形態の実施例1において用いる熱溶着装置の装置構成は、図1に概略的に示す通りである。なお、容器12の上端には蓋11を溶着するため、図7(a)に示した容器12の形状と同様の、長さ方向断面が凸状形状である溶着リブがリング状に形成されている。また、凸状形状の幅(リング幅)は高さによって異なっており、図7(c)に示したように、断面がお椀を逆に伏せたような形状となっている。すなわち凸状形状の高さが高くなるほどの凸状形状の幅は小さくなっている。具体的には以下の装置構成で実施した。
該装置は、まず黄銅からなる加熱体21と、その内部に加熱手段22として2本の150Wのシース型カートリッジヒータを有している。また、加熱手段22をコントロールするための温度調整器としてサンプリング周期100mSのコントローラ23を使用した。
また押圧手段31としてサーボモータを、荷重検出手段41として最大容量2000N、分解能0.1%のロードセルを備えている。この押圧手段31としてのサーボモータは、荷重検出手段41の検出値に対してフィードバック制御することが可能である。本実施例において使用した蓋11は、熱溶着層として熱可塑性樹脂である無延伸ポリプロピレン層と、インクの蒸発を防ぐガスバリア層、ポリプロピレンよりも融点の高い熱保護層などの複数層からなる総厚120μmの熱可塑性樹脂フィルムであった。容器12はポリプロピレンからなり、熱溶着のために外周に高さ200μm、幅1.2mmの断面逆お椀形状の溶着リブを有する。
次に、実施例1における熱溶着方法について図2および図3を参照して説明する。
図3は、横軸が時間(Sec)、縦軸が荷重検出手段41によって検出した荷重(N)と、変位検出手段32によって検出した変位(mm)の値をそれぞれ表している。また、グラフ中の実線が荷重の推移を表し、鎖線は変位の推移を示している。また、横軸の時間軸に示されているS1、S3、S5、S6、S8、S10は、それぞれ図2に示した動作フローのステップと対応している。
前記の蓋11と容器12を、以下に記載する設定条件で熱溶着した。加熱体21の溶着温度が200℃の恒温状態になるよう、コントローラ23で加熱手段22を制御した。
また、荷重切り替え条件として、図2に示す動作フローにおいてステップ6の接触荷重を200Nに、ステップ8の溶着荷重を500Nに設定し、連続的に荷重の切り替えを行った。また、ステップ8で溶着荷重に到達後に所定の押圧荷重を維持し続けるようフィードバック制御を行うことで、押圧手段31のオーバーランを低減し、溶着強度を管理可能とすることができる。
さらに、図2においてステップ6からステップ10へ歩進するための溶込量の設定値を130μmとした。
(比較例1)
従来技術を用いた比較例1として、荷重切り替えを行わず、時間管理のみを行う熱溶着装置および熱溶着方法について説明する。
従来技術を用いた比較例1として、荷重切り替えを行わず、時間管理のみを行う熱溶着装置および熱溶着方法について説明する。
まず、比較例1における熱溶着装置は、図1に示す装置の構成機器のうち一部の機器を有さずに構成してある。具体的には以下の装置構成で実験を行った。
本比較例の装置構成と実施例1の装置構成との相違点は、本比較例の装置が押圧手段31としてエアシリンダを使用しており、変位検出手段32を有していない点である。また、本比較例の装置は荷重検出手段41も有していない。
本比較例の装置構成と実施例1の装置構成との相違点は、本比較例の装置が押圧手段31としてエアシリンダを使用しており、変位検出手段32を有していない点である。また、本比較例の装置は荷重検出手段41も有していない。
次に、比較例1の熱溶着装置を用いた熱溶着方法について、図4の動作フローを参照して説明する。ステップ1(S1)では、バックアップ33に蓋11と容器12がセットされ、加熱体21は蓋11から離れた位置に待機している。また、加熱体21は加熱手段22によって熱せられて加熱状態にある。次にステップ2(S2)では、加熱体21全体が押圧手段31によって移動を開始し、同時にステップ3(S3)で時間管理を開始する。ステップ4(S4)で加熱体21と蓋11とが接触し、所定の時間に到達した時点でステップ5(S5)で溶着が完了する。その後、ステップ6(S6)で加熱体21全体がステップ1(S1)の時点での位置に戻るよう高速移動を開始する。ステップ1の時点と同一の位置に戻ったステップ7(S7)の時点で1サイクル動作が終了する。
次に、比較例1における熱溶着方法について図4および図5を参照して説明する。
図5のグラフの各軸は図3と同じ時間、荷重、変位の値を表しているが、変位検出手段32と荷重検出手段41を有していないため、荷重と変位については想定される数値を模擬的に示している。具体的には、エアシリンダの推力を荷重と仮定している。
前記の蓋11と容器12を、以下に記載する設定条件で熱溶着した。加熱体21の溶着温度が210℃の恒温状態になるよう、コントローラ23で加熱手段22を制御した。
また、エアシリンダの推力として、エア圧0.4MPaで約500Nを付与した。さらに、ステップ5で溶着完了となるタイマー時間を1.2secとした。
ただし、押圧手段31がエアシリンダであるため、加熱体21と蓋11の接触するステップ4(S4)を検出する手段がなく、蓋11や容器12の溶着リブのばらつきによって一意には定まらない。また、エアシリンダのピストンの動作開始時であるステップ2(S2)や、蓋11に接触したステップ4(S4)の時点でエアシリンダの推力がばらつくおそれがある。
以上のことから、図5の変位1、変位2に示すように、毎サイクル後の溶着完了位置が安定していないことが推測される。
前記の実施例1、比較例1で熱溶着した包装材の溶着強度の評価のために、以下の方法で剥離試験を実施した。具体的には、蓋11の隅をグリッパで保持して容器から剥離し、プッシュプルゲージで剥離時に掛かった荷重を測定する剥離試験を行い、溶着強度のばらつきを測定し、比較した。
溶着強度のばらつきを、標準偏差の3倍の値で示し、実施例1と比較例1について比較した。その結果、比較例1の場合の溶着強度のばらつきが±10.2Nであったのに対して、実施例1の場合は±4.5Nであり、ばらつきが半減した。
また溶着に掛かる時間を比較したところ、比較例における溶着時間が1.0secであったのに対して、実施例1においては0.8secであり、より溶着強度を安定させることができた。さらに加熱体21の動作時間も、エアシリンダではなく速度制御可能なサーボモータなどを使用した実施例1の方が、タクト上有利である。
このように、荷重切り替えを行うことで、溶着荷重を高く設定し、高速化を図っても溶着強度のばらつきは減少し、密閉性や容易開封性の不良による不良品の発生を防ぐことができることが分かる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態は、図1に示す熱溶着装置において加熱体21の加熱手段22として、パルスヒータを用いた場合の例である。その他の装置構成は、図1に示す熱溶着装置と同様である。
本発明の第2の実施形態は、図1に示す熱溶着装置において加熱体21の加熱手段22として、パルスヒータを用いた場合の例である。その他の装置構成は、図1に示す熱溶着装置と同様である。
第2の実施形態の熱溶着方法を、図6の動作フローを参照して説明する。
ステップ1(S1)では、バックアップ33に蓋11と容器12がセットされ、加熱体21は蓋11から離れた位置に待機している。また、加熱手段22は非加熱状態にあり、加熱体21は常温状態にある。次にステップ2(S2)では、加熱体21全体が押圧手段31によって定速で移動する。ステップ3(S3)で定速のまま加熱体21と蓋11が接触し、容器12の溶着リブが弾性変形することで徐々に荷重が高まり、ステップ4(S4)で接触荷重に到達する。その後、ステップ5(S5)で接触荷重から溶着荷重まで所定の時間で荷重が切り替わるように移動を続け、ステップ8(S8)で所定の溶着荷重に到達する。その間にステップ5(S5)に歩進すると同時に、ステップ6(S6)で加熱手段22であるインパルスヒータへ通電し、ステップ7(S7)で瞬時に溶着温度に到達する。次に、ヒータが加熱状態になることにより樹脂が徐々に溶融し始める。その間に、ステップ9(S9)では、ステップ4(S4)の時点での位置をゼロ点とし、所定の溶込量に到達するまで移動を続ける。その際、ステップ5〜ステップ9は並行して行われる。ステップ10(S10)で溶込量が所定の値に達した時点で溶着完了となる。その後、ステップ11(S11)で加熱体21全体がステップ1の時点での位置に戻るよう高速移動を開始する。ステップ1の時点と同一の位置に戻ったステップ12の時点で1サイクル動作が終了する。
このように、図6に示す動作フローの熱溶着を行うことで、図2のステップ2〜4の動作を省略することが可能となり、より高速に安定した溶着強度を管理することができる。
前記の本発明の第2の実施形態は、加熱体21の熱容量が小さい場合、すなわち被溶着物が小さい場合に好ましく適用することが可能である。ただし、被溶着物となる蓋11が複数層の熱可塑性樹脂からなる場合、表面の熱保護層の荷重たわみ温度や接着層の耐熱温度を越えない温度を加熱体21の溶着温度として設定する必要がある。
11蓋
12容器
21加熱体
22加熱手段
23コントローラ
31押圧手段
32変位検出手段
33バックアップ
41荷重検出手段
12容器
21加熱体
22加熱手段
23コントローラ
31押圧手段
32変位検出手段
33バックアップ
41荷重検出手段
Claims (6)
- 熱可塑性樹脂からなる容器の一部を熱により溶かして蓋と接合させた容器の製造方法であって、加熱体を移動させて前記蓋に接触させ、前記接触時の接触荷重から所定の荷重に到達するまで前記加熱体をさらに移動させ、前記所定の荷重に到達してから所定の移動量に達するまで前記加熱体をさらに移動させて前記容器を前記蓋と接合させることを特徴とする蓋が接合された容器の製造方法。
- 前記所定の荷重に到達してから所定の移動量に達するまで、前記所定の荷重が維持されるように前記加熱体を移動させることを特徴とする請求項1に記載の蓋が接合された容器の製造方法。
- 前記容器が有するリブを溶かして接合させることを特徴とする請求項1または2に記載の蓋が接合された容器の製造方法。
- 前記リブの幅は、高さが高くなるほど狭くなっていることを特徴とする請求項3に記載の蓋が接合された容器の製造方法。
- 前記移動量を、エンコーダまたは渦電流センサによって測定す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蓋が接合された容器の製造方法。
- 前記加熱体は、加熱手段によって加熱されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓋が接合された容器の製造方法。
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