JP6446770B2 - 無菌充填システム - Google Patents

Description

本発明は、無菌条件下で容器に内容物を充填、密封する無菌充填システムに関するものであり、より詳細には、密封をレーザ溶着で行う無菌充填システムに関する。

殺菌済みの容器への殺菌された内容物の充填工程、及びこの内容物が充填された容器の密封工程を無菌環境下で行う、無菌充填システムは、従来より実用化されている。この無菌充填システムにおいては、薬剤や熱水等によって充填装置や密封装置等を含む無菌チャンバー内を殺菌し、無菌環境を形成している。
このような無菌充填システムにおける密封工程においては、容器及び蓋材の当接面をヒートシール性樹脂から形成し、ヒートシールにより溶着させて密封する技術が広く用いられている（特許文献１等）。
一般に、ヒートシールによる溶着は、簡便な方法であることから、無菌充填システムにかかわらず広く採用されているが、熱溶着工程、及びその後に行われる冷却工程に時間を要するため、短時間シールによる生産効率の向上が望まれている。また、飲料等の液体を充填するための容器においては、一旦開封した蓋により再度密封できることが要求されているが、ヒートシールによる蓋ではリシール性を確保することができないという問題がある。

このような問題を解決する密封方法として、レーザによる溶着も知られており、例えば、下記特許文献２には、容器本体に底蓋及び上蓋をレーザ溶着により溶着して一体化することが提案されている。
このようなレーザ溶着による包装体の部材の溶着においては、ヒートシールの場合に比してレーザビームを照射した後すぐ溶着されるため、溶着に要する時間が短縮されている。また、レーザ溶着による容器及び蓋材の密封方法においては、レーザビームの照射方向によって容器側壁部の外面側、内面側、或いはフランジ部等種々の溶着箇所を選択することができ、形状に制約を受けることなく確実に溶着を行うことが可能であり、優れた密封性を容器に付与することができるという利点もある。

特開平１１−３３４７０９号公報 特開２０００−１２８１６６号公報

レーザ溶着により密封する場合、溶着箇所に近いところからレーザ光を照射することがシール精度及びシール強度の点から望ましいことから、無菌充填システムにおいてレーザ溶着による密封を採用するには、レーザ光照射装置の照射ノズル（以下、レーザ光照射ノズルと称す）を無菌チャンバー内に設置し、前記無菌チャンバー内を薬剤や熱水等で殺菌した後にレーザ溶着により密封が行われる。
しかしながら、無菌チャンバー内の殺菌に用いられる薬剤や熱水によって、上述したレーザ光照射ノズルが劣化されてしまうと共に、レーザ光照射ノズルの保護ガラスに噴霧された薬剤や熱水の水滴が残り、光軸のズレが生じてレーザ光の精度が低下するおそれがある。また水滴が蒸発乾燥した場合でも、保護ガラスの汚れとなってレーザ光の精度が低下し、その結果、シール不良や所定のシール強度が得られずに密封不良が発生するという問題があった。
また、無菌充填チャンバー内に、レーザ光照射ノズル或いはその一部が設置されているため、部品の交換や修理等を容易に行うことができないという問題もある。

従って本発明の目的は、レーザ溶着による密封手段を備えて成る無菌充填システムにおいて、無菌チャンバー内の薬剤や熱水を用いた殺菌によるレーザ光照射ノズルへの影響が低減されると共に、レーザ光の精度を低下させることなく確実な密封が可能な無菌充填システムを提供することである。
本発明の他の目的は、レーザ光照射ノズルが無菌チャンバー外にありながら、レーザ光照射ノズルを溶着箇所に近接可能で、溶着効率に優れた無菌充填システムを提供することである。

本発明によれば、無菌チャンバーと、該無菌チャンバー内を、殺菌剤による殺菌と無菌水による洗浄、又は無菌熱水による殺菌洗浄を行う手段、殺菌済みの容器及び蓋を供給する手段、該殺菌済み容器に殺菌された内容物を充填する充填手段、該内容物充填済み容器及び殺菌済み蓋をレーザ溶着により密封する密封手段を、前記無菌チャンバーの内側に備え、前記無菌チャンバーの外側に、レーザ光照射ノズルを収納する収納部を備えて成る無菌充填システムであって、前記収納部は、無菌チャンバー側面から無菌チャンバー内の前記容器及び蓋の溶着部に向かって突出し、該突出部分の先端にレーザ光透過部材を備えており、前記密封手段におけるレーザ照射が、前記無菌チャンバー外に設置されたレーザ光照射ノズルから照射され、前記レーザ光透過部材を透過して容器及び蓋の溶着箇所に照射されることを特徴とする無菌充填システムが提供される。

本発明の無菌充填システムにおいては、
１．無菌チャンバーが、レーザ光透過部材の無菌チャンバー内表面の付着物を除去する付着物除去手段を有すること、
２．付着物除去手段が、無菌エアの噴射装置であること、
３．容器がフランジ付容器であり、該フランジ付容器に蓋が載置された状態でフランジ部分を上方から押圧する容器及び蓋の固定手段、及びレーザ照射に際してフランジ付容器を自転させる回転手段を有し、フランジ部分に下方からレーザ光を照射するようにレーザ光透過部材が設置されていると共に、該レーザ光透過部材表面が傾斜していること、
が好適である。

本発明の無菌充填システムにおいては、レーザ光照射ノズルが無菌チャンバー外に設置されるため、チャンバー内に噴霧される殺菌のための薬剤や熱水の影響を受けることがなく、前記レーザ光照射ノズルの劣化が有効に防止されると共に、部品交換や調整等も容易に行うことができる。
また、無菌チャンバーに形成されたレーザ光透過部材の付着物を除去する付着物除去手段が形成されていることにより、容器内に充填される内容物或いは殺菌のための薬剤や無菌水が付着した場合にもレーザ光透過部材の透明性が維持されるため、レーザの精度が損なわれることなく確実にレーザ溶着により密封することが可能になる。
更に、本発明の無菌充填システムにおいては密封手段がレーザ溶着により行われているため、適用し得る容器の形状等の制約がなく、しかも生産性よく内容物の充填及び密封を行うことができる。

本発明の無菌充填システムの一例の概略を説明するための参考図である。 図１に示した無機充填システムにおける密封工程を説明するための図である。 図２に示した密封工程のレーザ溶着を説明するための図である。

本発明の無菌充填システムは、無菌チャンバー内に、殺菌済みの容器及び蓋を供給する供給手段、殺菌済み容器に殺菌された内容物を充填する充填手段、内容物充填済み容器及び殺菌済み蓋をレーザ溶着により密封する密封手段を備えて成り、密封手段におけるレーザ照射が、無菌チャンバー外に設置されたレーザ光照射ノズルから照射されたレーザ光を、無菌チャンバーに形成されたレーザ光透過部材を透過させて容器及び蓋の溶着箇所に照射することが重要な特徴である。
図１は、カップ型容器を用いた場合における、無菌充填システムにおける各工程の流れの一例を示す参考図であり、全体を１で示す無菌チャンバー内には、容器を保持するカップホルダー２ａ，２ｂ・・・２ｈを有する上流側ターレット３、カップホルダー４ａ，４ｂ・・・４ｄを有する中間ターレット５、カップホルダー６ａ，６ｂ・・・６ｆを有する下流側ターレット７が、上流側ターレット３から中間ターレット５を介して下流側ターレット７に容器が搬送されるように配置されている。

上流側ターレット３の回転に沿って、カップホルダー２ａの位置に、殺菌済み容器を供給する容器供給手段Ａが設置され、カップホルダー２ｂ，２ｃの位置に殺菌された内容物を容器内に充填する充填手段Ｂ（図示せず）が設置されている。
次いで、カップホルダー２ｄの位置に、殺菌された蓋を供給する蓋供給手段Ｃが設置され、その隣のカップホルダー２ｅの位置に、上方から蓋を押圧して容器と蓋を嵌合する嵌合手段Ｄ（図示せず）が設置されている。蓋が嵌合された内容物充填済みの容器は、カップホルダー２ｇの位置で、中間ターレット５のカップホルダー４ａに受け渡され、カップホルダー４ｃの位置で、下流側ターレット７のカップホルダー６ａに受け渡される。
カップホルダー６ｃの位置に、内容物が充填され蓋が嵌合された状態の容器及び蓋の溶着箇所にレーザ照射する密封手段Ｅ（図示せず）が設置され、充填密封が完了した容器がカップホルダー６ｅの位置から無菌チャンバー外に排出される。

図２は、図１に示した無菌チャンバー内の下流側ターレット７を側方から見た図であり、無菌チャンバー１には、チャンバー内に無菌エアを常時流入させてチャンバー内を陽圧化するための無菌エアフィルター８が設置されている。これにより、容器の搬入や搬出等の出入り口からチャンバー内へ外部のエアが流入することが防止される。
また、チャンバー１内には、ターレットや各種手段或いはチャンバー壁面及び底面等のチャンバー内の全てを殺菌して、チャンバー内１の無菌化を行う殺菌剤（薬剤や熱水等）を噴霧するためのノズル９，９・・・が複数個設置されている。
図２に示す具体例においては、内容物が充填されたフランジ付き容器２０に蓋２１が嵌合した状態で無菌チャンバー内の下流側ターレット７のカップホルダーに保持されている。図２の右側に位置する密封手段Ｅにおいては、下方から容器を押し上げる台座１０ａと共に、蓋を上方から押圧する押圧部材１０ｂから成る固定手段１０が設けられており、この固定手段１０によって容器及び蓋の溶着箇所を圧着させる。また、この固定手段１０は、レーザ照射に際して容器の開口部全周にレーザを照射させるために、容器を自転させる回転手段を兼ねている。そして、溶着箇所に斜め下方からレーザ光を照射可能なレーザ光照射ノズル１１が、無菌チャンバー外、即ち外側面に設置されている。

図３は、本発明の無菌充填システムにおける密封工程をより詳細に説明するための図である。図３に示す態様においては、溶着箇所を上方から押圧し、溶着箇所を圧着させるための圧着部材１２を備えていると共に、斜め下方からレーザ光が照射されるように、無菌チャンバー１の外側面から斜め上方に突出した形状のレーザ光照射ノズル１１の収納部１４が形成されている。そして、この収納部１４の先端には垂直方向に対して傾斜するレーザ光透過部材１３が設けられている。レーザ光照射装置は、レーザ発振器（図示せず）及びこのレーザ発振器で発生したレーザ光を照射すべき箇所に導くレーザ光照射ノズル１１から成る。本発明においては、レーザ光照射ノズル１１が収納部１４に収納され、無菌チャンバー１外に設置されていることから、レーザ光照射ノズル１１が殺菌剤等と接触して劣化すること等が有効に防止されていると共に、レーザ光照射ノズル１１を、容器及び蓋の溶着箇所に近接した位置に設置することが可能になり、レーザ溶着の精度を向上することが可能になる。
殺菌された内容物が充填され、蓋２１が嵌合された密封手段Ｅに搬送されるフランジ付容器２０は、圧着部材１２で溶着箇所を圧着した状態で、回転手段（図示せず）により自転させ、フランジ部２２の下方からレーザ光を照射して密封する。

図３に示す具体例においては、レーザ光透過部材１３は、レーザ光を斜め下方から溶着箇所に照射することから垂直方向に対して傾斜する傾斜面として無菌チャンバー１に形成されており、レーザ光透過部材１３の無菌チャンバー１の内側表面に付着した殺菌剤等の水滴はこの傾斜に沿って流れ落ち、レーザ光透過部材１３上に留まることが有効に防止される。また、図３に示す具体例では、レーザ光照射ノズル１１を収納する収納部１４の上方に、レーザ光透過部材１３の表面に無菌エアを吹き付ける付着物除去手段の送風装置１５が設置されている。これにより、レーザ光透過部材１３に付着した水滴を迅速に除去・乾燥され、水滴或いは水滴跡が残らず、レーザの精度が損なわれることがない。

本発明の無菌充填システムにおいては、密封手段におけるレーザ光照射ノズルが無菌チャンバー外に設置されているので、無菌チャンバー内の殺菌に使用される殺菌剤によるレーザ光照射ノズルの劣化等のおそれがないことから、殺菌剤を用いた殺菌を好適に行うことができるが、勿論、熱水のみによる殺菌であってもよい。好適な殺菌方法としては、従来公知の各種殺菌剤を用いた殺菌を行った後、無菌水による洗浄を行う方法、或いは無菌熱水による殺菌洗浄による方法を挙げることができる。
従来公知の殺菌剤としては、これに限定されないが、過酢酸系殺菌剤、過酸化水素、次亜塩素酸ソーダ等を挙げることができる。

本発明の無菌充填システムにおいては、上述した具体例に限定されず、種々の変更が可能である。
例えば、レーザ光透過部材１３の付着物の除去方法として、上述した送風装置１５による無菌エアの吹き付けのみならず、無菌水の吹き付けと無菌エアの吹き付けを交互に行うような手段であってもよいし、或いはレーザ光透過部材１３の表面を拭き取り可能なワイパー手段を設けることもできる。
また、レーザ光の照射方向も斜め下方からに限定されず、容器及び蓋（密封部材）の形状や溶着箇所におけるレーザにより発熱する部材の位置等に応じて、上方、下方、側方など何れの方向からも照射することができ、レーザ光の照射方向に応じて、レーザ光透過部材１３を備えた収納部１４を形成すればよい。尚、収納部１４は、溶着箇所とレーザ光透過部材１３の距離が５０乃至２００ｍｍの範囲となるように形成することが、レーザ溶着を効率的に行う上で好適である。
更に、容器の搬送手段も、図１に示したように複数のターレットの回転により行う場合に限定されず、無菌チャンバー内を循環する複数のカップホルダーを有するコンベアであってもよい。
また、無菌チャンバーに形成するレーザ光透過部材１３としては、殺菌剤に対する耐薬品性などの観点から、石英ガラス、ポリカーボネート等を例示することができる。尚、レーザ透過率は、使用するレーザの波長に対応する光について分光光度計を用いて透過率を測定し求めることができる。
また、レーザ光透過部材１３の無菌チャンバー１内側の表面の撥水性を向上させるように表面処理したものであってもよい。

本発明の無菌充填システムの密封手段に使用するレーザとしては、従来レーザ溶着に用いられている、ガスレーザ、固体レーザ、或いは半導体レーザ等を用いることができ、容器、蓋に用いる材料の種類に応じて選択することができる。
レーザ発振器の出力は、これに限定されないが、２０乃至１５０Ｗ、特に３０乃至１００Ｗの範囲にあることが好ましく、またレーザの波長は２００ｎｍ乃至２０μｍ、特に４００ｎｍ乃至９μｍの範囲にあることが好ましい。またレーザのスポット径が０．２乃至３ｍｍ、特に０．５乃至２ｍｍの範囲にあることが包装体の密閉性の点から好ましい。
また、レーザの焦点距離は１０乃至２００ｍｍ、特に５０乃至１５０ｍｍの範囲にあることが、溶着による密閉性を確保しつつ、樹脂の劣化を防止する上で好ましい。
更に、レーザの掃引速度は、５０乃至８００ｍｍ／秒、特に１００乃至７５０ｍｍ／秒の範囲にあることが、溶着による密閉性を確保しつつ、樹脂の劣化を防止する上で好ましい。

本発明の無菌充填システムは、レーザ溶着による密封が可能である限り種々の容器及び密封部材（蓋）の組合わせに使用することができ、このような容器及び密封部材は、少なくとも溶着部分のレーザの入射側においてレーザを透過可能な透明或いは半透明であることが必要であると共に、レーザを熱に変換するために、溶着部分の界面或いは界面近傍には発熱部が設けられていることが必要である。
レーザを透過可能な透明或いは半透明の層を形成し得る樹脂としては、従来包装容器に用いられていた熱可塑性樹脂を用いることができるが、レーザ透過率が７０％以上、特に８０％以上の熱可塑性樹脂であることが好適であり、このような熱可塑性樹脂としてはオレフィン系樹脂、ポリエステル樹脂等を挙げることができる。
また、溶着部分は、上述したレーザを透過可能な樹脂の中でも低−、中−、高−密度のポリエチレン、アイソタクチックポリプロピレン、プロピレン・エチレン共重合体、ポリブテン−１、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・ブテン−１共重合体、プロピレン・ブテン−１共重合体、エチレン・プロピレン・ブテン−１共重合体等のオレフィン系樹脂等を用いることが望ましく、特に融点が１６０℃以下の熱可塑性樹脂を用いることが容易に溶着できるので好適である。
発熱部は、容器又は密封部材（蓋）の何れか一方に形成されていればよいが、界面或いは界面近傍には形成されていることが溶着効率の点から好ましい。発熱部を構成し得るものとしては、金属箔や金属板等の金属、黒色等の着色塗料から成る塗膜、或いは鉄粉等の酸素吸収剤やカーボンブラック等を含有した樹脂、或いは溶着部自体をレーザ照射により自己発熱可能なポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂等を挙げることができるが、生産性等の点から熱可塑性樹脂から成る着色層とすることが好適であり、単層或いは多層形態で用いることができる。

また、容器及び密封部材（蓋）の形状は、レーザのスポット径以上の幅を有する溶着箇所が形成され得る限りその形状は問わないが、図３に示したように、フランジ付容器と落とし蓋形状の成形蓋の組合わせのように、嵌合可能な組合わせであることにより好適にレーザ溶着することができる。

本発明の無菌充填システムは、レーザ溶着による密封手段を有することから、効率よくしかも確実に密封することができることから、高い生産性が要求される大量生産品の充填密封システムとして利用することができる。

１ 無菌チャンバー、２，４，６ カップホルダー、３ 上流側ターレット、５ 中間ターレット、７ 下流側ターレット、９ ノズル、１１ レーザ光照射ノズル、１３ レーザ光透過部材、１４ 収納部、１５ 送風装置、２０ 容器、２１ 蓋。

Claims (4)

1. 無菌チャンバーと、該無菌チャンバー内を、殺菌剤による殺菌と無菌水による洗浄、又は無菌熱水による殺菌洗浄を行う手段、殺菌済みの容器及び蓋を供給する手段、該殺菌済み容器に殺菌された内容物を充填する充填手段、該内容物充填済み容器及び殺菌済み蓋をレーザ溶着により密封する密封手段を、前記無菌チャンバーの内側に備え、前記無菌チャンバーの外側に、レーザ光照射ノズルを収納する収納部を備えて成る無菌充填システムであって、
   前記収納部は、無菌チャンバー側面から無菌チャンバー内の前記容器及び蓋の溶着部に向かって突出し、該突出部分の先端にレーザ光透過部材を備えており、
   前記密封手段におけるレーザ照射が、前記無菌チャンバー外に設置されたレーザ光照射ノズルから照射され、前記レーザ光透過部材を透過して容器及び蓋の溶着箇所に照射されることを特徴とする無菌充填システム。
2. 前記無菌チャンバーが、前記レーザ光透過部材の無菌チャンバー内表面の付着物を除去する付着物除去手段を有する請求項１記載の無菌充填システム。
3. 前記付着物除去手段が、無菌エアの噴射装置である請求項２に記載の無菌充填システム。
4. 前記容器がフランジ付容器であり、該フランジ付容器に蓋が載置された状態でフランジ部分を上方から押圧する容器及び蓋の固定手段、及びレーザ照射に際してフランジ付容器を自転させる回転手段を有し、フランジ部分に下方からレーザ光を照射するようにレーザ光透過部材が設置されていると共に、該レーザ光透過部材表面が傾斜している請求項１〜３の何れかに記載の無菌充填システム。

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