JP6101000B2 - 紙成形体を製造する方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、しわ発生の少ない紙成形体の製造方法及びそれを実施する製造装置に関する。

従来より紙成形体は、包装容器の分野で汎用され、種々の容器形態に成形されている。紙トレー、紙皿などの１ピースからなる紙成形体や、胴部部材と底部部材の２ピースからなる紙コップ等の容器がある。

紙を主体とするブランクを絞り加工する紙成形体は、金属のような展性・延性がないため、その加工途上で径が縮められ紙材が寄せ集められて周端部の立ち上がり形状部分にしわが発生する。胴部部材（イ）と底部部材（ロ）からなる２ピースの紙コップの一般的な構造を図６に示す。紙成形体である底部部材は絞り加工によって成形されるが、図に示されるように胴部部材の下端部が折り返され、その部分に底部部材の側壁が挟持される形態で接着一体化される。その際、該側壁に折り重なるような深いしわが存在すると接着面に隙間が生じ接着状態が不完全となる。内容液が供給され、すぐに消費されて破棄されるような紙コップであればこの様な接着不全も問題にはならないが、長時間容器として使用するものには耐えられない。良好な接着状態を担保するため、紙成形体のしわを抑制する技術として以下のような手法が従来から提示されている。

特許文献１には、底部のへりが圧縮される際に、折り重なるほど高くないひだのみを有するコップ底を製造することを目的としたものであって、型締力を、円形厚紙原紙の外周部に加えるという工程と、外周部が動くのを防ぐために型締力を維持しつつ、原紙の中央部を、原紙よりも小さい径をもつ円形の開口部の中に押し込み、それによって原紙が引き伸ばされるという工程と、前工程で原紙が引き伸ばされたのに続いて、徐々に型締力を弱め、外周部が開口部に入り、かつ曲がって、中央部に関して実質的に直角に延在しているへりを形成するという工程とを有することを特徴とする紙コップ用底の製造方法が開示されている。
また、特許文献２には、紙カップの胴部に嵌め込み接合して水漏れ等の少ない底紙を提供することを目的としたものであって、そのための構成として型枠部には貫通孔（メス型）が形成され、コイルばねに付勢された環状の押圧部材が、底紙の折曲げ部を型枠部の段部面に押圧可能に設けられ、そこで、折曲げ部が押圧部材により押圧された状態で、型押し部（オス型）が底紙を絞り加工するようにしたものが提示されている。このように構成したことにより、底板は、折曲げ部の外側が押さえ込まれつつ徐々に絞り込まれるので、折曲げ部には、幅が小さくしわ状で、押しつぶされ易い折り重ね部が形成される。その結果、押圧接合により、底板と胴部とは良好に密着し、水密性の高い紙カップを得ることができるというものである。

特開２０００−２３８１５０号公報の「紙コップ底及び紙コップ底の製造方法とその装置」 平成１２年９月５日公開 特開２００１−２７００１３号公報 「紙カップ底紙の成形装置及び成形方法」 平成１３年１０月２日公開

円形ブランクの外周部に押圧力加えつつ絞り加工を行うという従来の方法で製造された紙成形体は、細かなしわを成形し押しつぶされ易い折り重ね部が形成されること、又は、絞り加工時にブランクよりも狭い厚さの隙間を通過することで細かいしわがつぶされ、しわを目立たなくすることなどが提案されている。しかしながら、これまでの加工方法では、完全にしわをなくすまでに至っていない。
また、飲食料品の容器分野で通常の保存期間よりも長い、いわゆるロングライフ用の紙容器は、一般的に薬剤による殺菌処理がなされる。底部部材の側壁にしわのある状態で胴部材と接着加工すると内容品側で底部部材側壁と胴部部材の接点近傍に隙間が生じて、その部分に薬剤が届き難くなって殺菌が不十分になったり、薬剤が残留する問題や、内容品が漏れるといった虞がある。これらの問題を解決する加工方法及びそれを実施できる製造装置の提供が求められている。
本発明の目的は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工する紙成形体の加工において、上記の問題すなわち、紙成形体の立ち上がり形状部分に識別できるようなしわを発生させない紙成形体の加工方法及びそれを実施する製造装置を提供することにある。

本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とするシート状ブランクをパンチとダイスを用いて絞り加工する際、前記ブランク被加工部の外周縁部領域では、第１のしわ抑え部材とダイスの隙間を一定に維持しつつ第１のしわ抑え部材と第２のしわ抑え部材が一体となって下降変位し、カッターが第１のしわ抑え部材と協働してシート状紙材を抜き取るステップと、その内周領域では、第２のしわ抑え部材を介して一定の押圧力を印加する状態で更にパンチがダイス内に下降変位しつつ両者間で底部材の側壁部を加工するステップを踏むことで、両領域においてブランクに作用する機能の綜合によって、しわの発生を抑制することを特徴とする。

本発明の紙成形体を製造する装置は、紙を主体とするシート状ブランクをパンチとダイスで絞り加工する装置において、前記ブランク被加工部の外周縁部領域に第１のしわ抑え部材、その内周領域に押圧手段を備えた第２のしわ抑え部材を配置し、前記第１のしわ抑え部材の下面と前記ダイス上面の隙間Ｓを一定の隙間に保持する手段と、前記第２のしわ抑え部材は一定の抑え力が印加される加圧機構を備え、前記第２のしわ抑え部材の下面が前記第１のしわ抑え部材の下面に対して凸で、その段差量Ｚがブランクの厚みＴに対して、
Ｓ−Ｔ ≦ Ｚ ＜ Ｓ
なる関係に形成した。
また、本発明の紙成形体を製造する装置は、上記構成に加え、ブランクを切断するカッターを兼ねるように前記第１のしわ抑え部材の外周端部を鋭利に形成した。
更に、本発明の紙成形体を製造する装置は、第１のしわ抑え部材の下端面に対峙する位置にダイス上面に潤滑油供給部材を配置させるようにした。

本発明の紙成形体を製造する方法は、ブランク被加工部の外周縁部領域では、しわ抑え部材とダイスの隙間を一定に維持する構成を採用したことにより、当初ブランクの表面とは非接触であった第１のしわ抑え部材の下端面は、絞り加工が進むに連れブランクの外周縁部の径が縮められることにより、ブランクにしわが寄り表面が湾曲したり、厚みが増したりするが、その際第１のしわ抑え部材の下端面にも接触され、しわの発生、特に大きなしわが発生することを効果的に防止する。すなわち、このブランク被加工部の外周縁部領域は加工後の成形体において側壁部として最も径が圧縮される部分にあたり、しわが発生しやすいところであるが、この第１のしわ抑え部材が加工初期に発生するしわを防止する点に大きな技術的意義がある。そして、胴部部材との接着や接点近傍の隙間抑制に重要な紙成形体の立ち上がり形状部分に対して、その内周領域にある第２のしわ抑え部材が圧力を印加することで、加工途上のしわの発生を防止する。本発明はこの両しわ抑え部材の機能の綜合によって、しわの発生を抑制するものであるから、絞り加工を行う際にブランクに厚みや繊維方向のばらつきがあっても圧力を印加する内周領域のしわ抑え部材の作用により、縮みフランジ変形時にブランク外周縁部領域に生じる周方向の圧縮応力による座屈（しわ）の発生を抑制する。また、外周縁部領域の全体に圧力をかける従来の方法に比べ、本発明は第２のしわ抑え部材のみが圧力を印加するため、摩擦力の低減に繋がり、その結果、紙成形体が受ける加工荷重が低減され、破断事故が生じにくいという効果を有する。
したがって、印加力の不足によるしわの発生や印加力の過剰による破断事故を効果的に防止して所望の紙成形体を製造することが出来る。

本発明の紙成形体を製造する装置は、上記したように絞り加工中にその下面とダイス上面の隙間Ｓを一定の隙間に保持する第１のしわ抑え部材とその内周領域にダイス上面との間でシート状ブランクに圧力を印加する第２のしわ抑え部材を配置したシート状ブランクの押圧手段をブランク被加工部の外周縁部領域に備えると共に、シート状ブランクの存在しない状態では第２のしわ抑え部材の下面が前記第１のしわ抑え部材の下面に対して凸で、その段差量Ｚがブランクの厚みＴに対して、
Ｓ−Ｔ ≦ Ｚ ＜ Ｓなる関係となる構成を採用したものである。上式は絞り加工時に第２のしわ抑え部材によってしわ抑え力が印加され、且つ該第２のしわ抑え部材がダイス天面に衝突しない条件となっている。第２のしわ抑え部材がダイス天面に衝突する設定で加工すると、ピンチングやヘア・紙粉の発生リスクが高まり、さらに加工直後や空運転時に衝突を繰り返す為、工具の耐久性が悪化することから、本発明はこの様な条件を付してこの問題を回避している。

また、本発明の紙成形体を製造する装置は、絞り加工の当初においてはブランク被加工部の外周縁部領域に第２のしわ抑え部材のみが圧力によって押圧するが、絞り加工が進み外周縁部の径が狭められ寄せ集められると表面が湾曲したりその厚みが増してゆき、隙間Ｓを越えた時点で第１のしわ抑え部材によるしわ抑え効果や押圧力が印加されるようになる。第１のしわ抑え部材の下面とダイス上面の隙間Ｓは一定の隙間に保持されるので、この第１のしわ抑え部材が加工初期に発生するしわを防止する。そして、更に加工が進むと第１のしわ抑え部材の領域からブランク材はなくなり、加工後半は第２のしわ抑え部材による押圧力のみが作用するようになる。本発明の紙成形体を製造する装置は、上記の様な作用を及ぼすことにより、紙成形体の立ち上がり形状部分に識別できるようなしわを発生させない紙成形体の加工を効果的に実施することが出来る。
また、本発明の紙成形体を製造する装置は、上記構成に加え、前記第１のしわ抑え部材の外周端部を鋭利にするようにしたので、ブランクを切断するカッターを兼ねるものとなり、装置のコンパクト化が図られている。
更に、本発明の紙成形体を製造する装置は、第１のしわ抑え部材の下端面に対峙してダイス上面に潤滑油供給部材を配置させるようにしたことにより、ブランクの下面に適量の潤滑油が塗布されるため、ダイスとブランク表面間の摩擦力が軽減され、絞り加工をスムーズに行うことができる。

本発明装置の実施形態を示す図である。 本発明の加工プロセスを説明する図である。 本発明による加工品をＣＤ方向から解析した説明図である。 従来品（１）をＣＤ方向から解析した説明図である。 従来品（２）をＣＤ方向から解析した説明図である。 ２ピース紙コップの構造を説明した図である。

図１は本発明に係る紙成形体を製造する装置の加工部の構造を断面図で示したものであるが、中央部左側は加工前の状態を右側は加工中の状態を示している。左右下段に示した図はそれぞれ、要部の拡大図であり、左側上段の図は一定すきま方式の従来装置の部分構造を示したものである。１は第１のしわ抑え部材、２は第２のしわ抑え部材である。第２のしわ抑え部材２は第１のしわ抑え部材１の内側に配置され、両部材の下端面はダイス３の上面3aに対峙している。そして、この第２のしわ抑え部材には一定の抑え力が印加されるように加圧機構４が配置される。ここに示した形態例ではこの加圧機構４は第１のしわ抑え部材１と一体とされた受け部材５と該第２のしわ抑え部材２間に配置されたスプリング4Sとなっている。なお、本構成では加圧機構としてスプリングを用いているが、加圧能力や装置サイズに応じて、空圧や油圧シリンダ、ゴム等の弾性体を用いても良い。
ダイス３の上面外側に載置された６は第１のしわ抑え部材１と協働してシート状紙材をブランクに抜き取る環状のカッターである。紙材を綺麗に切断させるため第１のしわ抑え部材１の外周端部は鋭利な形状に形成されている。７は絞り成形用のパンチであり、その下方内側に嵌合されている部材８は成形された加工品をダイス３から外す押出部材である。第１のしわ抑え部材１と第２のしわ抑え部材２の下端面1a，2aが紙材９と非接触状態にある加工前の状態では、図の中央部左側に示されるように第１のしわ抑え部材１と一体構造の受け部材５と第２のしわ抑え部材２間に配置されたスプリング4Sの作用により第２のしわ抑え部材２が所定の力で下方に押圧され、第１のしわ抑え部材１の段部1bと第２のしわ抑え部材２の段部2bが係合した状態となり、左下段に示した拡大図から分かるように第１のしわ抑え部材１の下端面1aより第２のしわ抑え部材２の下端面2aが段差Ｚだけ下方に位置するように構成されている。また、第１のしわ抑え部材１がシート状紙材９から被加工部材となるブランク9aを抜き取るため下方に変位した状態では右下段に示した拡大図から分かるように第１のしわ抑え部材１の下端面1aはダイス３の上面に対し一定の間隔Ｓが保持される。第１のしわ抑え部材１と第２のしわ抑え部材２が以上の構成を採用したことにより、図の左側上段に示された一定すきま方式の従来装置における一定すきま押さえ部材５０の外形形状を変更することなく設計できたので、従来の装置を大幅に改造することなく所望の紙成形体を得ることができた。
図において１０は潤滑油供給フェルトであり、その上面はダイス３の上面3aと同じ高さで連続し環状のカッター６の内側でやはり環状に配置されている。なお、本構成では潤滑油供給部材としてフェルトを用いているが、例えば多孔質体（金属、セラミックス、プラスチック、等）や環状油溝等を用いることができる。
また、潤滑油供給部材の幅は第１のしわ抑え部材１の幅よりも小さく設定することが望ましい。何故ならば、潤滑油供給部材の幅が第１のしわ抑え部材１の幅よりも大きい場合、フェルトのような軟質な部材では第２のしわ抑え部材２によって生じる圧力が逃げてしまい、しわ抑えの効果を発揮しない上、潤滑油供給部材自体が損傷を受けてしまう虞があるためである。

図２を参照しながら本発明の動作を説明する。（１）に示された状態は初期状態であり、カッター６の上面にシート状紙材９が供給載置された状態である。第１のしわ抑え部材１や第２のしわ抑え部材２及び絞り加工用のパンチ７と押出部材８はシート状紙材９より上方位置に設置されている。（２）に示された状態はシート状紙材９が被加工部材となるブランク9aに抜き取られた状態である。第１のしわ抑え部材１と第２のしわ抑え部材２が一体となって下降変位し、カッター６が第１のしわ抑え部材１と協働してシート状紙材９を円形のブランク9aに抜き取った状態である。この時第１のしわ抑え部材１の下端面1aは前述したようにダイス３の上面に対し一定の間隔Ｓが保持される（図１参照）と共に、第１のしわ抑え部材１の下端面1aより第２のしわ抑え部材２の下端面2aが段差Ｚだけ下方に位置するように構成され、シート状紙材９の厚みをＴとしてＳ≦Ｔ＋Ｚなる関係（図１参照）に設定されているため、第１のしわ抑え部材１の下端面1aはシート状紙材９の表面とは非接触となり、第２のしわ抑え部材２の下端面2aはシート状紙材９の表面にスプリング4Sによって付勢された押圧力を加えることとなる。この第２のしわ抑え部材２の押圧力が円形のブランク9aの周縁部に作用している状態で（３）に示された絞り加工初期段階に移行する。この時、絞り加工用のパンチ７と押出部材８は一体となって下降変位してブランク9aの中央部分をダイス３の内周面に押し込みながら絞り加工を開始する。当初第１のしわ抑え部材１の下端面1aはブランク9aの表面とは非接触であるため、ブランク9aに何らの作用も及ぼさないが、絞り加工が進むに連れブランク9aの外周縁部は径が縮められることによりしわが寄り表面が湾曲したり、厚みが増したりすることにより第１のしわ抑え部材１の下端面1aにも接触されるようになる。この接触がしわの発生特に大きなしわが発生することを効果的に防止する。
また、この時点で潤滑油供給フェルト１０はブランク9aの外周縁部の下面と接触しており、その領域に潤滑油を塗布する。絞り加工が進むに連れブランク9aの外周縁部は径が縮められながら、第１のしわ抑え部材１の下端面1a領域から第２のしわ抑え部材２の下端面2aの領域に移っていき、ダイス３とブランク9aとが接触する全域に潤滑油が行き渡り、接触摩擦を低減する。

（４）に示された状態は絞り加工中期段階である。パンチ７と押出部材８は一体となって更にダイス３内に下降変位しつつ両者間で底部材の側壁部を加工する。この時、ブランク9aの外周縁部は第２のしわ抑え部材２の下端面2aを介してスプリング4Sによって付勢された一定の押圧力がダイス３の上面部に作用している状態で絞り加工が進むことになる。このスプリング4Sによる付勢力はブランク9aの厚みに影響されることなく一定の付勢力となる点が本発明の大きな特徴である。しわ抑え部材とダイス上面間のすきまが一定とされていた従来装置ではブランク9aの素材自体の厚みムラや加工途上での厚さ変動によってブランク9aの外周縁部にかかる押圧力が変動し、破断事故や押圧力不足といった問題を生じていた。本発明ではたとえ、ブランク9aの厚みが変動しても加圧機構４、この実施形態ではスプリング4Sによって、一定の押圧力が印加される機構であるため、厚みの変動は第２のしわ抑え部材２が変位することで吸収できる。（５）に示された状態は絞り加工の最終段階である。ブランク9aの外周縁部が第２のしわ抑え部材２の下端面2aを外れ、ダイス３の内周面に絞り込まれ、底部側壁に形成され、絞り加工を完了する。（６）に示された状態は絞り加工された紙成形体（この実施形態では底部材）をダイスから抜き取る形態を示したものである。パンチ７内に嵌合された状態であった押出部材８が、この時パンチ７から外れ独自に下降変位してダイス３の内側に形成された紙成形体を抜き取る。本発明で得られた紙成形体は、絞り加工した後に、図示しないが筒状の胴部部材内に挿入し、紙成形体壁部と胴部部材側壁を接合することで紙容器を製造することができる。

従来の製造方法による既に流通している紙成形体［従来品（１）］、特開２００１−２７００１３号公報に記載されている方法によって成形した紙成形体［従来品（２）］、そして本発明の製造方法による紙成形体との比較を行った。
ブランクは坪量200ｇ／ｍ^２の原紙両面にポリエチレンをラミネートした素材を用い、成形時にはパラフィン油系の潤滑剤を使用した。この潤滑剤は紙コップ成形では一般的に使用されているものである。また、ブランク9aの外周縁部に一定の押圧力を印加した状態でダイス１の天面に対し変位可能であるための機構として、バネ機構とした。その他、共通条件を下記に示す。
［共通条件］ブランク径：φ６５ｍｍ
ブランク厚み：Ｔ＝０．３７ｍｍ
ダイス穴径：φ４７．１ｍｍ
ダイス肩半径：１．５ｍｍ
パンチ外径：φ４６．０ｍｍ
プレス速度：約 ３６０ｍｍ/ｓｅｃ

次に本発明、従来品（１）、従来品（２）の実施条件を表１に示す。ここで、しわ抑え圧力とは加工初期段階で第２のしわ抑え部材がブランクに作用する圧力を示す。

ブランク素材を絞り加工した場合、紙繊維の方向によって機械的性質が異なる。紙は、抄紙機でパルプを一定方向に流しながら製造するため、進行方向に繊維が揃いやすく「紙の流れ目」ができることになる。本発明においてシート状紙材９は紙の流れ目すなわち、繊維が揃った方向に供給されるが、この方向をＭＤ方向と呼び、直交する方向をＣＤ方向と呼ぶ。紙の性格としてＭＤ方向には伸びにくく丈夫であるが、ＣＤ方向には延びやすい反面、破れやすくしわが発生しやすい。
図３のＡは本発明の紙成形体をＣＤ方向から撮影した写真である。上述の様に紙の性格を考慮し、しわの発生しやすいＣＤ方向のみ写真を撮影した。しわの発生は肉眼では認められず滑らかな仕上りとなっている。そこで、より詳細に評価する目的で走査型電子顕微鏡による観察を実施した。観察倍率は50倍である。
図３のＢに示すように底面より２ｍｍの位置の側壁断面（CD_2）、５ｍｍの位置の側壁断面（CD_5）、上端から１ｍｍの位置の側壁断面（CD_m1）の顕微鏡写真をＣ、Ｄ、Ｅに示す。何れも上端側から断面を観察したものである。CD_2、CD_5にはしわの発生は見られない上、CD_m1においても折り返しは発生しておらず、微小なくぼみを確認できるのみであった。

図４のＡは従来品（１）をＣＤ方向から撮影した写真である。しわの発生は肉眼で観察できる。また同様に観察したところ、CD_5においては細かなくぼみが発生し、CD_m1の位置においては本発明の紙成形体における同じ位置に比べて大きなしわに発展している。

図５のＡは従来品（２）をＣＤ方向から撮影した写真である。肉眼で明瞭かつ大きなしわを観察できる。図３におけるCD_m1を底面から８ｍｍの位置（CD_8）の側壁断面とした以外は同様に観察したところ、全ての断面において明瞭かつ大きなしわが発生している。

上述の結果より、本発明の紙成形体は従来品に比べ、仕上りが綺麗であることは勿論のこと、しわの発生が顕著に少なく、胴部部材のような他の部材との接着に際しては接着層に空洞部などを生じることなく安定した接着が可能となり、ロングライフに耐えられる望ましい紙容器を提供できる。

本明細書では紙コップ等の紙容器の底部成形を例に説明してきたが、この発明は２ピースの紙容器の底部に限らず、紙皿、紙トレー、１ピースの紙容器など側壁の高さがさほど高くない容器にも適用可能である。本発明の紙成形体又は紙容器に収納される内容品としては、牛乳、ポーション用途ミルク、コーヒーなどの飲料、ジャム、ヨーグルト、チーズ、バター、アイスクリーム、スナック菓子などの食品がある。

１ 第１のしわ抑え部材 1a 第１のしわ抑え部材の下端面
1b 第１のしわ抑え部材の段部 ２ 第２のしわ抑え部材
2a 第２のしわ抑え部材の下端面 2b 第２のしわ抑え部材の段部
３ ダイス 3a ダイス上面
４ 加圧機構 4S スプリング
５ 受け部材 ６ カッター
７ パンチ ８ 押出部材
９ シート状紙材 9a ブランク
１０ 潤滑油供給フェルト ５０ 従来装置の一定隙間抑え部材

Claims (4)

1. 紙を主体とするシート状ブランクをパンチとダイスを用いて絞り加工する際、第１のしわ抑え部材と第２のしわ抑え部材が一体となって下降変位し、カッターが第１のしわ抑え部材と協働してシート状紙材を抜き取るステップと、前記ブランク被加工部の外周縁部領域では、第１のしわ抑え部材とダイスの隙間を一定に維持しつつ、その内周領域では、第２のしわ抑え部材を介して一定の押圧力を印加する状態で更にパンチがダイス内に下降変位しつつ両者間で底部材の側壁部を加工するステップを踏むことで、両領域においてブランクに作用する機能の綜合によって、しわの発生を抑制することを特徴とする紙成形体を製造する方法。
2. 紙を主体とするシート状ブランクをパンチとダイスで絞り加工する装置において、前記ブランク被加工部の外周縁部領域に第１のしわ抑え部材、その内周領域に押圧手段を備えた第２のしわ抑え部材を配置し、前記第１のしわ抑え部材の下面と前記ダイス上面の隙間Ｓを一定の隙間に保持する手段と、前記第２のしわ抑え部材は一定の抑え力が印加される加圧機構を備え、前記第２のしわ抑え部材の下面が前記第１のしわ抑え部材の下面に対して凸で、その段差量Ｚがブランクの厚みＴに対して、
   Ｓ−Ｔ ≦ Ｚ ＜ Ｓ
   なる関係に形成したことを特徴とする紙成形体を製造する装置。
3. ブランクを切断するカッターを兼ねるように前記第１のしわ抑え部材の外周端部を鋭利に形成した請求項２に記載の紙成形体を製造する装置。
4. 第１のしわ抑え部材の下端面に対峙する位置にダイス上面潤滑油供給部材を配置した請求項２または３に記載の紙成形体を製造する装置。