JP6473758B2 - 予熱ユニットをもつ超音波溶着デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも２枚の材料ウェブを超音波溶着する装置に関する。
そのような装置は、例えば、プラスチックの材料ウェブを超音波溶着するために使用できる。通常、そのような装置は、超音波振動で励振させることのできるソノトロードと、対応ツールと、溶着対象の材料ウェブをソノトロードと対応ツールとの間を通過させることができるように設計された材料ウェブガイドとを有している。
ソノトロードを超音波振動で励振させるために、ａｃ電圧を発生させるジェネレータと、一般に圧電素子によりそのａｃ電圧を機械振動に変換するコンバーターとを備える超音波生成デバイスが使用される。コンバーターは、ソノトロードに直接接続してもよいし、あるいは機械振動の振幅にのみ影響し機械振動の周波数には影響しないいわゆる振幅トランスデューサ−をそれらの間に接続してもよい。
超音波は、可聴限界を超えた機械振動である。周波数の範囲は、約２０ｋＨｚから始まり、１ＧＨｚの周波数まで広がる。一般に、そのような超音波周波数は、圧電音響トランスデューサ−によって電気エネルギーから発生させる。
超音波振動ユニットによって超音波振動を効果的に伝達するためには、超音波振動ユニットを共鳴状態にする必要がある。超音波振動ユニットは、その構造に応じた複数の自然周波数を有する。超音波振動ユニットの共鳴振動が生じるのは、コンバーターが超音波振動ユニットの自然周波数を生成したときのみである。従って、コンバーターと超音波振動ユニットとを互いに対して調整して合わせなければならない。
一般に、対応ツールは、例えばフィルムウェブのような材料ウェブをソノトロードと対応ツールとの間に容易に導入して、そして溶着力により重畳された超音波振動を溶着作業において材料ウェブに付与できるように、ソノトロードに対して移動可能である。その場合、基本的に２つの加工方法、すなわち２枚以上の材料ウェブを互いに溶着する超音波溶着と、超音波により材料ウェブを分断する超音波切断とを区別する必要がある。超音波溶着及び超音波切断は、例えば、包装材料に２本の平行な溶着シームが形成されると同時に、それら２本の平行な溶着シーム間において材料ウェブが分断されることにより、同時に行われることが少なくない。
例えば、上述の装置は、縦シームを溶着するチューブ状袋用の包装機械に使用できる。ここで、包装対象の材料を受容するためのチューブは、材料ウェブの２つの縦縁部が重なり合うように互いに接合されることによって、その材料ウェブから形成される。その場合、接合される材料ウェブの縁部を、ソノトロードと対応ツールとの間を連続的に移動させる。一般に、その目的のために、ソノトロードと対応ツールとの両方が、円筒状面の形態の溶着面を有する。
従って、以下において、材料ウェブの溶着について言及する場合は、例えば同一の材料ウェブの縁部を溶着することを常に意味する。重要な点は、溶着対象の材料が、溶着作業により互いに接合される少なくとも２つの層を備えることのみである。
溶着面という用語は、溶着作業において加工対象の材料ウェブと接触する面を示すために使用される。
現在、横溶着シームを製造するには、熱シール装置が一般に使用される。しかしながら、以前から超音波加工装置も、横溶着シールを製造するために使用されることがある。しかしながら、これらは、ソノトロードを不連続で動作させている。すなわち、ソノトロードは回転せず、略矩形状の溶着面を周期的に材料ウェブと接触させて横溶着シームを製造する。その場合、溶着作業中に材料ウェブの前進移動を停止させることができ、あるいはソノトロード及び対応ツールを、溶着作業中に材料ウェブがそれらに平行に移動する際に移動させることができる。
溶着材料ウェブに対して超音波ソノトロードを使用することによって、従来の通常の熱シール法と比較して、溶着作業における加工速度が飛躍的に上昇した。これは、超音波ソノトロードの使用によって、溶着作業に必要な温度上昇を、溶着対象の材料ウェブの境界面においてほぼ点又は線の形態で局所的に作り出せるからである。これは、本明細書の冒頭部分で説明した連続的な方法の実施も可能にする。
しかしながら、ここで、信頼性の高い超音波加工を確実にするために十分なエネルギーを材料ウェブの境界面に導入する必要もある。
超音波加工における加工速度を一層増大させるために、超音波加工作業の前に、予熱デバイスを用いて材料ウェブを加熱する試みが既に行われている。その目的のために、加熱された空気流が溶着対象の表面に向けられる。
確かにこの方法によって加工速度を増大できるとともに、材料ウェブを予熱するおかげで、溶着対象の２枚の材料ウェブ間の境界面領域に超音波ソノトロードを介して導入すべきエネルギーが小さくなる。しかしながら、熱風を作り出すことは、高エネルギーコストに繋がる。また、食品分野において熱風を使用することは、環境に含まれている可能性のある塵粒子や微生物等が、加工対象の材料に直接吹き付けられ得るため問題がある。
従って、上述の技術水準を基本的な起点として、本発明の目的は、上述の欠点を回避しつつも高い加工速度を利用可能とする超音波溶着装置を提供することにある。
上記の目的を達成する本発明の装置は、超音波振動で励振させることができる加工ソノトロードと、加工対応ツールと、材料ウェブを加工ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させることができるように設計された材料ウェブガイドとを備え、溶着作業の前に少なくとも１枚の材料ウェブを加熱するデバイスが設けられ、少なくとも１枚の材料ウェブを予熱するデバイスが、超音波振動で励振させることのできる予熱ソノトロードを有する、少なくとも２枚の材料ウェブを超音波溶着するための装置において、加工ソノトロードが溶着面幅ａをもつ溶着面を有し、予熱ソノトロードが予熱面幅ｂをもつ予熱面を有することを特徴とするものである。
好ましい実施形態において、予熱ソノトロードと対応付けられた予熱対応ツールが設けられ、材料ウェブガイド手段が、少なくとも１枚の材料ウェブを、予熱ソノトロードと予熱対応ツールとの間を通過させることができるようになっている。より好ましくは両方の材料ウェブを予熱ソノトロードと予熱対応ツールとの間を通過させることができるようになっている。
従って、言い換えると、溶着対象の材料ウェブを、まず材料に超音波振動を付与してそれを加熱する予熱ソノトロードと予熱対応ツールとの間を通過させる。直後に、その材料ウェブを、予熱された領域において材料ウェブの溶着を実施する加工ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させる。
更に好ましい実施形態において、加工ソノトロードが溶着面幅ａをもつ溶着面を有し、予熱ソノトロードが予熱面幅ｂをもつ予熱面を有し、ｂはａよりも大きく、ｂは好ましくはａの５０％超だけ大きく、ｂは最も好ましくはａの約２倍の大きさである。
溶着面幅は、予熱又は溶着対象の各領域の幅を確立する。しかしながら、予熱の直後に溶着が行われるにもかかわらず、溶着面の領域に導入された熱エネルギーは、材料内部の熱伝導によって周囲の領域へと放出される。従って、予熱ソノトロード、すなわち、材料の予熱に関与するソノトロードの溶着面幅は、溶着作業に供されるソノトロードの溶着面よりも広いことが望ましいことが証明されている。ここで、この状況は確かに、予熱処理直後における材料内部の熱伝導を伴うことにより、材料は加熱された部分の縁部領域において特に、熱伝導により冷却されるが、予熱される領域は溶着対象の領域よりも広く選択されており、溶着対象の領域は実質的に溶着作業において周囲温度との関係で加熱されるため、溶着作業を加工ソノトロードによる超音波で極めて迅速に行うことができ、それにより加工速度又は材料の供給速度を増大させることができる。
原則として、本発明に係る手法は、連続法及び断続作業法の両方において有利である。しかしながら、記載の利点は、連続法において特に顕著であることが分かっている。従って、好ましい実施形態において、少なくとも加工ソノトロードが、略円筒状面の形態の溶着面を有する回転ソノトロードの形態である。好ましくは予熱ソノトロードも、略円筒状面の形態の予熱面を有する。
また、少なくとも加工対応ツールが回転可能であり、略円筒状面の形態の溶着面を有すると全体的に有利である。更に好ましくは予熱対応ツールも、回転可能であり、略円筒状面の形態の予熱面を有する。
溶着加工の速度をより一層増大するために、加工ツール自体も超音波振動で励振させることのできるソノトロードの形態とすることができる。その点に関し、２つのソノトロードが、異なる自然周波数を伴い、相互の振動影響を回避するために異なる超音波周波数で励振されると有利である。従って、基本的に材料ウェブは、対向配置された２つのソノトロードにより溶着される。
対応ツールに関するそのような構成は、原則として、予熱を促進したり、より均一に熱エネルギーを分配したりできるよう、予熱対応ツールにおいても想定することができる。
代替の好ましい実施形態において、加工対応ツールが予熱ソノトロードとも対応付けられ、材料ウェブガイド手段が材料ウェブを最初に予熱のために予熱ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させ、そして次に、溶着のために加工ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させるようになっている。
言い換えると、２つのソノトロードが、好ましくは円筒状面の形態の加工対応ツールと対応付けられ、それら２つのソノトロードが、対応ツールと周方向の空間関係で相互作用する。これにより、溶着対象の材料ウェブを、最初に、境界面領域においてストリップ構成の材料を予熱するように対応ツールと予熱ソノトロードとの間を通過させ、そして次に、予熱された領域内において超音波溶着を実施するために、加工ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させる。しかしながら、この実施形態は十分に柔軟な材料ウェブとのみ使用できる。
しかしながら、原則として、予熱ソノトロード及び予熱対応ツールを備える予熱ユニットと、加工ソノトロード及び加工対応ツールを備える加工ユニットとの間の間隔は、加工前の溶着領域を通過した予熱ユニットによって材料に熱が導入されるのを回避するために、出来るだけ小さくするべきであり、好ましくは１ｍ未満にする。おそらく、予熱ユニットと加工ユニットとの間に、予熱されたが未だ加工されていない材料ウェブを共に押圧するデバイスを設けると有利であろう。そのようなデバイスは、例えば、１つ以上の押圧ローラー又は押圧ベルトを備えることができる。
また、多くの材料に対して、予熱ソノトロードを回転させかつ加工ソノトロードを回転させるデバイスを設け、そのデバイスが加工ソノトロードの周速度が予熱ソノトロードの周速度よりも大きくなるようになっていると有利であろう。これは、予熱ソノトロード及び予熱対応ツールにより材料に付与される圧力のために、予熱作業中に溶着材料が既に引き延ばされる、すなわち長くなる場合に特に有利である。
上記の目的は、少なくとも１枚の材料ウェブを予熱するデバイスが、超音波振動で励振させることのできる予熱ソノトロードを有することで達成される。
従って、本発明によれば、２枚の材料ウェブのうち少なくとも１枚も、超音波加工手段で予熱される。予熱作業においては、溶着対象の材料の融点未満の温度を、溶着対象の材料ウェブの領域において発生させる。例えば、ポリプロピレンを溶着する場合には、約８０℃まで予熱させることができる。しかしながら、本発明によれば、加熱されるのは材料ウェブ全体ではなく、後続の工程において溶着される領域を実質的に含む領域のみ加熱される。
本発明の好ましい実施形態の斜視図である。
本発明の更なる利点、特徴及び可能な使用は、以下の好ましい実施形態の説明及び添付の図面から明らかとなろう。
図１は、本発明に係る超音波溶着装置１の一実施形態を示す。これは、２枚の材料ウェブ２を互いに溶着するのに使用される。
溶着は、加工ソノトロード３及び加工対応ツール４により行われる。加工ソノトロード３及び加工対応ツール４の両方は、円筒状面の形態の溶着面を有し、駆動部７、８によりそれらの長手軸線周りに回転する。図示の実施例において、加工対応ツール４の回転軸線は、機械支持フレーム構造に接続されているが、加工ソノトロード３は、キャリッジ６によりホルダ５に対して鉛直方向に移動させることができる。これによって、加工ソノトロード３と加工対応ツール４との間において、キャリッジ６により所望の溶着間隙を調節できる。装置内を矢印の方向に通過する材料ウェブ２が加工ソノトロード３と対応ツール４との間で溶着されるように、コンバーター（不図示）により加工ソノトロード３に超音波振動を生じさせる。その場合、加工ソノトロード３及び対応ツール４の周速度は、材料ウェブ２の移動速度と等しい。
加工ソノトロード３による材料ウェブの加工中は、十分なエネルギーを材料ウェブ２に導入して２枚の材料ウェブの溶着を保証する必要があるため、材料ウェブの移動速度は、ただ所望の通りに増大させることはできないことは理解されたい。
本発明によれば、材料ウェブの前進速度を増大させるために、本実施形態は、予熱ソノトロード９と予熱対応ツール１０とを有している。予熱ソノトロード９及び予熱対応ツール１０も、円筒状面の形態の溶着面を有し、駆動部１１、１２によりそれらの回転軸線周りに回転可能である。従って、材料ウェブ２が超音波溶着装置内を矢印の方向に搬送されているとき、材料ウェブは、まず予熱ソノトロード９及び予熱対応ツール１０によって、そしてその後は、加工ソノトロード３及び加工対応ツール４によって加工される。予熱ソノトロード９も、キャリッジ１４によってホルダ１３に対して鉛直方向に移動させることができ、予熱対応ツール１０は鉛直方向に移動させることができない。
予熱ソノトロード９及び予熱対応ツール１０は、加工ソノトロード３及び加工対応ツール４により超音波溶着される領域において材料ウェブ２を予熱することを意図している。予熱ソノトロード９も超音波振動によって作用され、従って、結果としてストリップ状領域において２枚の材料ウェブ２が予熱されるように、材料加工作業中、振動エネルギーを材料ウェブ２に送達する。ストリップ状領域の幅は、予熱ソノトロード９及び予熱対応ツール１０それぞれの溶着面幅によって決まり、材料前進方向に延びる。
その点に関し、例えば、ポリプロピレン（ＰＥ）を加工する場合には、約８０℃の温度に達する。その点に関して基本的なことは、材料の融点を超えないということであり、超えてしまうと溶着が行われてしまうことである。
予熱ソノトロード９及び予熱対応ツール１０は、単に材料ウェブ２を予熱することを意図したものである。その後、実際の溶着作業が、加工ソノトロード３及び対応ツール４により行われ、それらが予熱された線状領域内において確実に溶着作業を実行する。材料ウェブは、その線状領域において既に予熱されているため、材料ウェブ２を溶着するために材料ウェブ２に導入すべき振動エネルギーが小さくて済むため、全体として、溶着品質を低下させることなく高い材料の前進速度で作業することが可能である。
溶着作業に関与する加工ソノトロード及び／又は加工対応ツールは、突起で輪郭付けられた溶着面を有することができるが、予熱ソノトロード及び予熱対応ツールは、均一な予熱を実現するために、その周方向において一定な輪郭を有するとより有利である。
例として、予熱ソノトロードは、材料ウェブに対して垂直に延在する断面において、ベル形状又は稜線状又は膨出断面を有してもよい。
１ 超音波溶着装置
２ 材料ウェブ
３ 加工ソノトロード
４ 加工対応ツール
５、１３ ホルダ
６、１４ キャリッジ
７、８、１１、１２ 駆動部
９ 予熱ソノトロード
１０ 予熱対応ツール

Claims (13)

  1. 超音波振動で励振させることができる加工ソノトロードと、加工対応ツールと、材料ウェブを加工ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させることができるように設計された材料ウェブガイドとを備え、
    溶着作業の前に少なくとも１枚の材料ウェブを加熱するデバイスが設けられ、少なくとも１枚の材料ウェブを予熱するデバイスが、超音波振動で励振させることのできる予熱ソノトロードを有する、少なくとも２枚の材料ウェブを超音波溶着するための装置において、
    加工ソノトロードが溶着面幅ａをもつ溶着面を有し、予熱ソノトロードが予熱面幅ｂをもつ予熱面を有し、ｂがａよりも大きいことを特徴とする装置。
  2. ｂがａの５０％超だけ大きい請求項１に記載の装置。
  3. ｂがａの約２倍の大きさである請求項１または２に記載の装置。
  4. 予熱ソノトロードと対応付けられた予熱対応ツールが設けられ、
    材料ウェブガイドが、少なくとも１枚の材料ウェブを、予熱ソノトロードと予熱対応ツールとの間を通過させることができるようになっている請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
  5. 材料ウェブガイドが、両方の材料ウェブを、予熱ソノトロードと予熱対応ツールとの間を通過させることができるようになっている請求項４に記載の装置。
  6. 加工対応ツールが予熱ソノトロードとも対応付けられ、
    材料ウェブガイド手段が、材料ウェブを、まず予熱のために予熱ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させ、そして次に溶着のために加工ソノトロードと加工対応ツールとの間を通過させるようになっている請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
  7. 少なくとも加工ソノトロードが、略円筒状面の形態の溶着面を有する回転ソノトロードの形態である請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 予熱ソノトロードも、略円筒状面の形態の予熱面を有する回転ソノトロードの形態である請求項７に記載の装置。
  9. 少なくとも加工対応ツールが、回転可能であり、略円筒状面の形態の溶着面を有する請求項７に記載の装置。
  10. 予熱対応ツールも回転可能であり、略円筒状面の形態の予熱面を有する請求項９に記載の装置。
  11. 加工対応ツールが、超音波振動で励振させることのできる更なる加工ソノトロードの形態である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
  12. 加工ソノトロード及び更なる加工ソノトロードが、異なる自然周波数を有する請求項１１に記載の装置。
  13. 予熱ソノトロードを回転させかつ加工ソノトロードを回転させるデバイスが設けられ、
    デバイスは、加工ソノトロードの周速度が、予熱ソノトロードの周速度よりも大きくなるようになっている請求項９〜１２のいずれかに記載の装置。
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