JP6589154B2 - チューブ容器端部の超音波シール装置及び超音波シール方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂で成形されたチューブ容器の端部を工具ホーンとアンビルで挟持して超音波振動を与えて溶着するチューブ容器端部の超音波シール装置と超音波シール方法に関し、特に、工具ホーン先端の押圧力によるたわみを小さくして所望の溶着を行うようにしたチューブ容器端部の超音波シール装置と超音波シール方法に関する。

従来から、熱可塑性樹脂で成形されたチューブ容器の開口した端部を、工具ホーンとアンビルとで挟持した状態で超音波振動を与えて溶着する超音波シール装置が実用化されている。これら超音波シール装置では、（１）チューブ容器端部の表面に対して工具ホーンの縦振動を与えるタイプ、（２）工具ホーンの先端をチューブ容器端部の表面に沿って振動させるタイプ、（３）工具ホーンの縦振動をチューブ容器端部の表面に対して斜めに与えるタイプ、の３タイプが知られている。

その中で上記（１）チューブ容器端部の表面に対して工具ホーンの縦振動を与えるタイプでは、チューブ容器端部の表面と振動方向が直交しているため、チューブ容器端部を閉じるように重ねた溶着範囲内にチューブ容器に充填された充填物が残って、チューブ容器端部に溶着されない部分、あるいは溶着強度が小さい部分が生じることがあった。そこで、超音波振動によりチューブ容器端部を重ねた溶着範囲内から充填物を押し出す効果がある上記（２）の工具ホーンの先端をチューブ容器端部の表面に沿って振動させるタイプや、上記（３）の工具ホーンの縦振動をチューブ容器端部の表面に対して斜めに当てるタイプ、が好ましいと言われていた（例えば、特許文献１参照）。

図１６に、上記（２）の工具ホーンの先端をチューブ容器端部の表面に沿って振動させるタイプの超音波シール装置の要部側面図を示す。図１６では、支持台１５上に置かれたチューブ保持具１６で、キャップ付きチューブ容器１７を、キャップ１７ａを下に、チューブ容器端部１７ｂを上にした状態で直立状態に保持している。チューブ容器端部１７ｂの右側には、アンビル支持部１８に支持されたアンビル１９が配置されている。また、チューブ容器端部１７ｂの左側には、図面の上下方向（Ａ矢印方向）に超音波振動する工具ホーン１０の側面が配置され、チューブ容器端部１７ｂは、アンビル１９と工具ホーン１０の側面で挟持される。超音波振動子１３とブースターホーン１４と工具ホーン１０は、それぞれネジＳによって一体に接続されている。図示しない超音波振動制御装置により超音波振動子１３に生じた超音波振動は、ブースターホーン１４を経由して、工具ホーン１０に伝わり、工具ホーン１０の先端の側面からチューブ容器端部１７ｂに伝わる。なお、ネジＳによって一体に接続されている超音波振動子１３とブースターホーン１４と工具ホーン１０は、ブースターホーン１４のフランジ１４ａを揺動アーム１２内の段付き孔に入れて、アーム蓋１２ａで挟持する形で支持されている。揺動アーム１２は、支点２０を中心として揺動自在に支持されている。１１は揺動アーム１２を揺動させるレバーであり、レバー１１が支点２０を中心に時計回り方向に回転すると、工具ホーン１０の先端はチューブ容器端部１７ｂから離れる。レバー１１が支点２０に対して反時計回り方向に回転すると、工具ホーン１０の先端の側面はチューブ容器端部１７ｂを押圧し、チューブ容器端部１７ｂは工具ホーン１０とアンビル１９の間に所定圧力で挟持される。この状態で、工具ホーン１０を矢印Ａで示した上下方向に、数十μｍの振幅で、１５ｋＨｚ以上の周波数で超音波振動させると、工具ホーン１０とアンビル１９で挟持されたチューブ容器端部１７ｂは発熱して溶着する。

ここで、工具ホーン１０の先端には反力Ｆ₂がかかっているため、工具ホーン１０は、ブースターホーン１４と接続している位置から先端までの腕の長さＨ₂をかけた曲げモーメントがかかり、次式で示されるたわみδ₂を生じている。

（式１） δ₂＝（１／３）Ｆ₂×Ｈ₂ ³／ＥＩ

上記（式１）で、Ｅは縦弾性係数（ヤング率）、Ｉは弾性二次モーメントである。

工具ホーン１０の断面形状は、図１６に示したように、ブースターホーン１４に接続している側は太く、チューブ容器端部１７ｂを押圧する先端に向かって、曲線状に細くなっている。これは、ブースターホーン１４で得た超音波振動の振幅を増大するためである。工具ホーン１０の形状は超音波溶着に必要とされる周波数と振幅の大きさにより定まり、断面二次モーメントＩも決まる。そして、チューブ容器端部を溶着する際に必要な押圧力の大きさ（反力Ｆ₂の大きさ）も溶着条件を満たす所定値に決まる。そして、工具ホーン１０のたわみδ₂が決まるのであるが、たわみδ₂は小さいことが好ましい。たわみδ₂が大きいと、工具ホーン１０の先端がチューブ容器端部１７ｂの表面に片当たりする。そうすると、工具ホーン１０の先端部分のチューブ容器端部１７ｂを押圧する圧力分布が不均一となり、工具ホーン１０とアンビル１９で挟持している部分に、溶着過多の部分と溶着不足の部分が生じる。そして、溶着領域として、一定の溶着強度以上の溶着部分を一定幅以上確保できなくなる。

工具ホーン１０の長さは、超音波振動の腹から腹までの１／２波長（１／２λ）であることが必要であり、長さは変えられない。また、（式１）で、腕の長さＨ₂、反力Ｆ2、縦弾性係数Ｅは変えられない。たわみδ₂を小さくするには、（Ａ）剛性の高い（断面二次モーメントＩの大きい）工具ホーンを用いる、（Ｂ）工具ホーンの先端がたわんでもチューブ容器端部から逃げないように、大振幅・大出力の超音波振動を工具ホーンに伝える、（Ｃ）工具ホーン１０の先端のたわみを見込んで、工具ホーンの先端のチューブ容器端部の押圧面を一定角度傾斜させて、押圧力を均一化する、という対策が行われている。

図１７に、上記（３）の工具ホーンの縦振動を、チューブ容器の端部表面に対して斜めに与えるタイプの超音波シール装置の要部側面図を示す。チューブ容器端部１７ｂの表面には、超音波振動が斜めに伝わる。そのため、チューブ容器１７の中に化粧品などの充填物が入っていたとしても、充填物は、チューブ容器１７の下方、つまり、キャップ１７ａ側に押しやられる。そのため、チューブ容器端部１７ｂに充填物が無い状態で超音波溶着することができる。

ただし、図１７の構造でも、工具ホーン１０の先端は、下式で示されるたわみδ₃を生じる。

（式２） δ₃＝（１／３）Ｆ₃×Ｈ₃ ³／ＥＩ

工具ホーン１０が傾いただけ、腕の長さＨ₃が、既に説明した図１６のＨ₂より小さくなっているが、工具ホーン１０の長さとしては、ブースターホーン１４との接続位置から先端までの長さとして一定長が必要である。工具ホーン１０の先端によりチューブ容器端部１７ｂを押圧すると、工具ホーン１０が撓んで押圧力が逃げる。そのため、ブースターホーン１４の超音波振動エネルギーがチューブ容器端部に伝わりにくい。たわみδ₃を小さくするには、図１６で説明したときと同様に、（Ａ）剛性の高い工具ホーンを用いる、（Ｂ）工具ホーンの先端がたわんでもチューブ容器端部から逃げないように、大振幅・大出力の超音波振動を工具ホーンに伝える、（Ｃ）工具ホーン１０の先端のたわみを見込んで、工具ホーンの先端のチューブ容器端部の押圧面を一定角度傾斜させて、押圧力を均一化するという対策が必要であった。

特開昭６２−２４６７１７号公報

本発明は、工具ホーンの先端をチューブ容器端部に押圧したときの工具ホーンの先端のたわみを小さくして、工具ホーンの超音波振動エネルギーをチューブ容器端部に効率よく伝え、従来に比べて小さい振幅、小出力の超音波振動を工具ホーンに与えることでチューブ容器端部を溶着できる超音波シール装置と超音波シール方法を提供することを課題としている。

本発明の請求項１に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、超音波振動を発生させる超音波振動子と、前記超音波振動子と接続され、前記超音波振動の節となる位置に固定用のフランジを有するブースターホーンと、前記ブースターホーンと接続され、前記ブースターホーンを介して超音波振動子から受けた縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンと、を備え、前記工具ホーンは、前記ブースターホーンのフランジに位置する超音波振動の節から、超音波振動の半波長（１／２λ）離れた位置で縦方向の振動軸と直交する線上において、超音波振動を縦方向から横方向に変換し、縦方向の振動軸と直交する交点から１／４波長（１／４λ）の位置にあるチューブ表面を押圧することで前記チューブ表面に横方向の超音波振動を伝える押圧面が形成され、超音波振動子から工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向の超音波振動にして、横方向に超音波振動する工具ホーンの押圧面をチューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して、チューブ表面に沿った方向の超音波振動により超音波振動エネルギーを付与し、チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしている。

本発明では、超音波振動発生手段から工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンを用い、横方向に超音波振動する工具ホーンの先端部分をチューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧している。これにより、工具ホーンに加わるモーメントの腕の長さを、従来の工具ホーンの１／２にして、従来と比べて、工具ホーンの先端のたわみδを基本的に１／８に減少させている。このことにより、工具ホーンの先端をチューブ容器端部に押圧しても、工具ホーンのたわみは小さく、工具ホーンは均一圧力でチューブ容器端部を押圧して溶着する。そして、一定の溶着強度の溶着部分を一定幅で得ることができる。また、工具ホーンに与える振幅を小振幅とし、工具ホーンに与える出力を小出力にすることができる、チューブ容器端部の超音波シール装置を提供することができる。

本発明の請求項２に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、更に、前記工具ホーンの横振動部が前記超音波振動を縦方向から横方向に変換するの振動軸と直交する交点の前記縦方向及び前記横方向に直交する奥行方向上にて前記工具ホーンを支持する支持手段を設け、当該支持手段で前記工具ホーンを支持し、当該支持手段とともに前記工具ホーンを移動させて、横方向に超音波振動する前記工具ホーンの先端部分押圧面を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴としている。
本発明の請求項３に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、超音波振動子から工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンとして、十字型工具ホーンを用いることを特徴としている。工具ホーンとして十字型工具ホーンを用いると、例えば十字型工具ホーンの４つの先端の側面の表裏に押圧部を８つ形成可能である。そのため、工具ホーン先端の側面の合計８箇所の押圧部をそれぞれチューブ容器端部に順次対向させて取り付けることにより、１つのホーンの工具寿命を８倍に長寿命化し
て使用することができる。

本発明の請求項４に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、十字型ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に突出した凸部、または奥行方向に凹んだ凹部を設けたことを特徴としている。凸部または凹部の大きさを切削加工で調整することにより、十字型工具ホーンの十字の各先端部の振幅を調整することができる。振幅を測定しつつ凸部または凹部を加工して所望の溶着条件を実現することができる。

本発明の請求項５に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に貫通した貫通孔を設けたことを特徴としている。十字に交差する交差部分に貫通孔を設けた構造では、超音波振動の縦方向と横方向の振動方向変換の際に工具ホーンが変形しやすいという利点がある。また、貫通孔の大きさを切削加工で調整することにより、十字型工具ホーンの十字の各先端部の周波数を調整することができる。周波数を測定しつつ貫通孔を加工して所望の溶着条件を実現することができる。

本発明の請求項６に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、十字型ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に突出した凸部、または奥行方向に凹んだ凹部を支持する支持手段を更に設け、支持手段で、凸部または凹部で工具ホーンを支持し、支持手段とともに工具ホーンを移動させて、横方向に超音波振動する工具ホーンの先端部分をチューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴としている。

縦振動と横振動を変換する十字型ホーンの十字に交差する交差部分の凸部、または凹部は、縦振動と横振動の節になるので、これらの凸部または凹部を支持することで、工具ホーンのたわみを小さくしている。

本発明の請求項７に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置では、十字型工具ホーンの先端のうち横方向に超音波振動する一対の先端部分を、それぞれ別のチューブ容器端部における溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して、同時に超音波振動エネルギーを付与し、各チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしている。

本発明の請求項８に記載のチューブ容器端部の超音波シール方法では、超音波振動子からブースターホーンを介して受けた縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンを用い、更に、前記工具ホーンは、前記ブースターホーンの固定用のフランジに位置する超音波振動の節から、超音波振動の半波長（１／２λ）離れた位置で縦方向の振動軸と直交する線上において、超音波振動を縦方向から横方向に変換し、縦方向の振動軸と直交する交点から１／４波長（１／４λ）の位置にあるチューブ表面を押圧することで前記チューブ表面に横方向の超音波振動を伝える押圧面を形成したものを用い、前記超音波振動子から前記工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向の超音波振動にして、横方向に超音波振動する前記工具ホーンの押圧面を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着されるようにしている。

本発明の請求項９に記載のチューブ容器端部の超音波シール方法では、前記工具ホーンとして、縦方向の超音波振動を横方向に変換する十字型工具ホーンを用いたことを特徴としている。

本発明の請求項１０に記載のチューブ容器端部の超音波シール方法では、前記十字型工具ホーンの先端のうち横方向に超音波振動する一対の先端部分を、それぞれ別のチューブ容器端部における溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して、同時に超音波振動エネルギーを付与し、各チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしている。

本発明の超音波シール装置及び超音波シール方法では、超音波振動発生手段から工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンを用い、横方向に超音波振動する工具ホーンの先端部分をチューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧している。これにより、工具ホーンに加わるモーメントの腕の長さを、従来の工具ホーンの１／２にして、従来と比べて、工具ホーンの先端のたわみδを基本的に１／８に減少させている。このことにより、工具ホーンの先端をチューブ容器端部に押圧しても、工具ホーンのたわみは小さく、工具ホーンは均一圧力でチューブ容器端部を押圧して溶着する。そして、一定の溶着強度の溶着部分を一定幅で得ることができる。また、工具ホーンに与える振幅を小振幅とし、工具ホーンに与える出力を小出力に抑えてチューブ容器端部を溶着することが可能になった。

本発明の超音波シール装置及び超音波シール方法の工具ホーンは、十字型の工具ホーンを用いて、先端の側面をチューブ容器端部の押圧部として形成している。そのため、工具ホーンの取り付け方法を変えることにより、最大８ケ所ある先端側面のチューブ容器端部押圧部を順次使用することができるという利点がある。

本発明の超音波シール装置の工具ホーンは、十字型の工具ホーンを用いて、先端部に、先端部の振動方向と直交方向に寸法が拡大した凸部を形成し、凸部の表面にローレット溝を設け、チューブ容器端部の押圧部としている。このことにより、工具ホーンとチューブ容器端部をすべりにくく、超音波振動が伝わりやすくなった。また、凸部のローレット溝を再生加工することにより、チューブ容器端部へのくい込み性能を容易に復活させることができる。

本発明の超音波シール装置の工具ホーンでは、十字型ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に突出した前記凸部、または奥行方向に凹んだ前記凹部を設けている。このことにより、前記凸部、または凹部の大きさを切削加工で調整することにより、工具ホーンの振幅を調整自在にしている。

本発明の超音波シール装置の工具ホーンでは、十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分に貫通孔を設けている。このことにより、貫通孔の大きさを切削加工で調整することにより、十字型工具ホーンの十字の各先端部の周波数を調整自在にしている。

また、貫通孔により工具ホーンが変形しやすくなるため、貫通孔が無い場合に比べて小さい振幅・小出力の超音波振動を与えることで工具ホーンを所定の振幅で振動させ、チューブ容器端部を溶着することができる。

本発明の超音波シール装置では、十字型ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に突出した凸部、または奥行方向に凹んだ凹部を支持する支持手段を更に設け、支持手段で、凸部または凹部で工具ホーンを支持し、支持手段とともに工具ホーンを移動させて、工具ホーンの先端部分を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにして、工具ホーンのたわみを小さくしている。

本発明の超音波シール装置及び超音波シール方法の工具ホーンでは、十字型工具ホーンの横方向に超音波振動する一対の工具ホーンの先端部分を、それぞれ別のチューブ容器端部における溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して、同時に超音波振動エネルギーを付与している。このことにより、工具ホーンの縦振動軸に対してバランスよく左右対象に押圧負荷をかけることができて、工具ホーンの縦振動軸に対するたわみを少なくしている。

本発明の第一の実施の形態にかかるチューブ容器端部の超音波シール装置の概略側面図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンの斜視図。 （ａ）（ｂ）本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンの振動状態を示した図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンの振動状態を示した図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンでチューブ容器端部を溶着しているときの状態を示した要部側面図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンでチューブ容器端部を溶着しているときの押圧力（Ｆ₁）と腕の長さ（Ｌ₁）とたわみ量（δ₁）の関係を示した要部側面図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置と同一の工具ホーンを、従来の工具ホーンの当接方法により、チューブ容器端部に押し当てて溶着したときの押圧力（Ｆ₁）と腕の長さ（Ｌ₁×２）とたわみ量（δ₄）の関係を示した要部側面図。 本発明の第二の実施の形態にかかるチューブ容器端部の超音波シール装置の要部側面図。 本発明の第三の実施の形態にかかるチューブ容器端部の超音波シール装置の要部側面図。 本発明の第四の実施の形態にかかるチューブ容器端部の超音波シール装置の要部側面図。 本発明の第五の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンの斜視図。 本発明の第五の実施の形態にかかる超音波シール装置のスライダーに超音波振動子とブースターホーンと工具ホーンを一体に組み立てた状態を示す側面図。 本発明の第五の実施の形態にかかる超音波シール装置のスライダーに超音波振動子とブースターホーンと工具ホーンを一体に組み立てた状態を示す正面図。 本発明の第五の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンでチューブ容器端部を押圧する前の状態を示した側面図。 本発明の第五の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーンでチューブ容器端部を溶着しているときの状態を示した側面図。 従来のチューブ容器端部の超音波シール装置の要部側面図。 従来のチューブ容器端部を溶着する他の超音波シール装置の要部側面図。

（本発明の第一の実施の形態）
図１に、本発明の第一の実施の形態にかかるチューブ容器端部の超音波シール装置（以下、「超音波シール装置」と略称する）の概略側面図を示す。本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置は、Ｌ字型断面をしたハウジング１の柱部分に、同じくＬ字型断面をしたスライダー２が紙面の上下方向（Ｙ矢印方向）に図示しないエアーシリンダーで往復運動自在に取り付けられている。スライダー２には超音波振動するブースターホーン１４が取り付けられ、ブースターホーン１４の上端には超音波振動子３が、下端には工具ホーン５がそれぞれネジＳで取り付けられている。工具ホーン５は、概ね十字型をしていて、十字の交差部分である中心部には奥行方向に貫通孔５ｃがあいている。

工具ホーン５は、図１のＶ矢印方向（縦方向）に超音波振動するとともに、貫通孔５ｃの中心で直交するＨ矢印方向（横方向）にも超音波振動する点に特徴がある。超音波振動子３と、ブースターホーン１４と、工具ホーン５は、図示しない超音波振動制御手段によりＶ矢印方向に超音波振動するが、超音波振動子３とブースターホーン１４のＶ矢印方向の超音波振動は、工具ホーン５をＶ矢印方向に超音波振動させるとともに、Ｖ矢印方向と直交するＨ矢印方向にも超音波振動させる。超音波振動子３と、ブースターホーン１４と、工具ホーン５は、スライダー２により一体的にＹ矢印方向に下降し、停止し、超音波振動し、超音波振動しながら、あるいは必要により超音波振動を止めてから上昇する往復運動を繰り返すよう構成されている。

ハウジング１の底辺のＬ字型の横方向に張り出した部分には、アンビル６の根元が埋め込まれており、アンビル６が立設している。アンビル６の先端は工具ホーン５のＨ矢印方向に超音波振動する一つの先端部分の下面と一定間隔をあけた形で対向するように配置されている。図１において超音波シール装置の左隣りにはチューブ容器保持手段７があり、チューブ容器８のキャップ９側を把持している。そして、チューブ容器８のキャップ９側とは長手方向逆側の端部８ａが、アンビル６と対向する工具ホーン５の一先端部分（図１では左先端）の下面との隙間に位置するようにしている。

チューブ容器８は、熱可塑組成樹脂からなり、形状的には、例えば、日用品である歯磨きチューブとして観念されるような、一端にネジ付きキャップをねじ込んで取り付け、内部に充填材を入れた後、他端を板状に押さえて密着した状態で溶着するものを想定している。充填物としては例えば粘性材料、液状等の化粧品、歯磨剤、薬品、食品等を想定している。

図１は、アンビル６と対向する工具ホーン５の先端部分の下面との間に、チューブ容器端部を挟持している様子を示している。図１では、アンビル６と工具ホーン５がチューブ容器端部８ａを挟持してから超音波振動を始める。超音波振動子３、ブースターホーン１４、工具ホーン５が、共通の振動軸４ａに沿ってＶ矢印方向に超音波振動をすると、工具ホーン５の縦方向に延びる先端部分はＶ矢印方向に超音波振動するとともに、貫通孔５ｃの中心で直交し横方向に延びる先端部分はＨ矢印方向に超音波振動する。

工具ホーン５のＶ矢印方向（縦方向）の超音波振動とＨ矢印方向（横方向）の超音波振動は、伸縮の位相が互いに補完するようにずれている。すなわち、工具ホーン５がＶ矢印方向に伸びるときはＨ矢印方向に収縮し、工具ホーン５がＶ矢印方向に収縮するときはＨ矢印方向に伸びる動きをする。

チューブ容器端部８ａは、アンビル６に載った状態で、工具ホーン５からＨ矢印方向、即ちチューブ容器端部８ａの表面に沿った方向の超音波振動が与えられ、チューブ容器端部８ａを閉じて重なった上部及び下部同士が発熱・溶融して溶着する。溶着は、０．１秒から１秒程度の瞬時に終わるので、必要により、超音波振動を停止させて工具ホーン５をスライダー２により上昇し、チューブ容器端部８ａから離す。そして、アンビル６上のチューブ容器８を新しいチューブ容器に交換して、工具ホーン５による新しいチューブ容器端部の挟持、溶着、離脱からなるサイクルの作業を繰り返す。

図２に、本発明の第一の実施形態の工具ホーン５の外観斜視図を示す。工具ホーン５は、縦断面が中央に貫通孔５ｃのある十字型をしており、貫通孔５ｃの軸方向（縦方向及び横方向に直交する奥行方向）に一定の長さをもった一つのブロック状（塊状）の形をしている。つまり、工具ホーン５は、上下一対の縦方向の先端部５ｖ、５ｖと、左右一対の横方向の先端部５ｈ、５ｈを有している。そして、貫通孔５ｃの中心から十字状の四方向に張り出した部分の各先端部には、先端部の振動方向と直交方向に寸法が拡大した凸部を形成し、図２において斜線を書き入れたようにローレット溝を付けたチューブ容器端部の押圧部分を８ケ所形成している。また、十字状に張り出した部分の先端の各端面中央には、ブースターホーン１４を接続するための雌ネジ５ａを切ってある。そのため、ブースターホーン１４に対して、取付け面や取付け向き等の取り付け方を変えることにより、８ケ所の押圧部分を、チューブ容器端部の押圧部として順次、利用することができる。工具ホーン５は、十字型をしているが、十字状に張り出した部分の一片の長さは太く短く、特に根元が太く先端と根元を曲面でつないでいる。そのため、図２に示したように、工具ホーン５がたわみにくい形をしている。

十字型の先端の各端面の角は面取り（Ｃ）をしており、貫通孔５ｃの大きさ（直径の大小）を切削加工等で可変することにより、工具ホーン５の周波数の大小を可変することができる。

なお、図２の工具ホーン５の外観斜視図では、上記奥行方向の端面には貫通孔５ｃの周囲に凸状のボス部５ｂを盛り上げた形を示したが、必要により、凹状の段付き穴またはテーパー穴としてもよい。貫通孔５ｃの周囲に凸状のボス部、凹状の段付き穴またはテーパー穴を切削加工等で形成することにより、振幅を調整ができるからである。

図３（ａ）（ｂ）に、工具ホーン５が超音波振動の方向を変換している状態を説明する図を示した。既に説明したように、ブースターホーン１４の上端には超音波振動子３が、下端には工具ホーン５が一体に連結されていて、超音波振動子３からの超音波振動が、ブースターホーン１４、工具ホーン５へ順次伝わってくる。振幅の大きさは、振動の節と腹が振動方向にλ／４の長さごとに交互にあらわれる。図３（ａ）では、工具ホーン５がＶ矢印方向に伸長し、Ｈ矢印方向に収縮しているときの状態を示している。工具ホーン５のＶ矢印方向の長さは伸び、これと反対に工具ホーンのＨ矢印方向の長さが縮んでいる。図３（ｂ）では、これと反対に、工具ホーン５がＶ矢印方向に収縮し、Ｈ矢印方向に伸長しているときの状態を示している。工具ホーン５のＶ矢印方向の長さは縮み、これと反対に工具ホーンのＨ矢印方向の長さは伸びている。工具ホーン５は、図３（ａ）と図３（ｂ）の状態を、１５ｋＨｚ以上の振動数で交互に繰り返す。

図４は、図３（ａ）と図３（ｂ）の状態を重ねて示した図である。工具ホーン５は、紙面の縦方向に伸びるときは、横方向に縮み、縦方向に縮むときは横方向に伸びることが理解されよう。そして、工具ホーン５の各先端に何も当たっていない無負荷状態であれば、図４のように振動する。

図５は、アンビル６にチューブ容器端部８ａを載せ、工具ホーン５の十字状をした一つの先端（横方向の先端部５ｈ）の下面側の凸部を、チューブ容器端部８ａの溶着対象範囲のチューブ表面に押さえつけた状態を示している。工具ホーン５は先に説明したようにスライダー２により、ハウジング１の柱部分をＹ方向に往復運動する。そして、チューブ容器端部８ａを超音波溶着するときは、対向するアンビル６との間にチューブ容器端部８ａを挟持してから超音波振動する。そのため、チューブ容器端部８ａの上部及び下部は、Ｈ矢印方向に超音波振動する工具ホーンの一つの先端の下面Ｂにより、超音波振動エネルギーが与えられる。これにより、チューブ容器端部８ａの上部及び下部は発熱・溶融して溶着する。

図６は、工具ホーン５の横方向の先端部側面（下面）とアンビル６の間にチューブ容器端部８ａを挟持して、超音波溶着するときの工具ホーン５の一つの先端のたわみ量（δ₁）と押圧力（Ｆ₁）と腕の長さ（Ｌ₁）の関係を示した図である。

発明理解のために図７では、従来の工具ホーンの当接方法と同じ状態となるように、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置と同一の工具ホーンにおいて縦方向の先端部５ｖの側面をチューブ容器端部に押し当てて溶着したときの押圧力（Ｆ₁）と腕の長さ（Ｌ₂＝（Ｌ₁×２））とたわみ量（δ₄）の関係を示した。

図６の腕の長さ（Ｌ₁）は、図７の腕の長さ（Ｌ₂＝Ｌ₁×２）の半分である。そして、図６のたわみ量（δ₁）は、図７のたわみ量（δ₄）の１／８になる。このことを式で示せば、下記のようになる。

（式３） δ₁＝（１／３）Ｆ₁×Ｌ₁ ³／ＥＩ
（式４） δ₄＝（１／３）Ｆ₁×Ｌ₂ ³／ＥＩ
＝（１／３）Ｆ₁×（Ｌ₁×２）³／ＥＩ
＝（１／３）Ｆ₁×（８×Ｌ₁ ³）／ＥＩ
＝８×｛（１／３）Ｆ₁×Ｌ₁ ³／ＥＩ｝
＝８×δ₁
（式５） δ₁＝１／８×δ₄

以上のように、本実施形態における超音波シール装置及び超音波シール方法ではＶ矢印方向（縦方向）の超音波振動をＨ矢印方向（横方向）に変換可能な工具ホーン５を用いたことにより、工具ホーン５の根元からチューブ容器端部８ａの表面を押圧する先端部５ｈまでの腕の長さが、従来の工具ホーンの１／２になる。そのため、従来と比べて、工具ホーン５の先端のたわみ量（δ）が１／８に減少する。

このことにより、工具ホーン５の先端をチューブ容器端部８ａに押圧しても、工具ホーン５がたわみににくく、押圧力が逃げにくくなり、工具ホーン５は均一圧力でチューブ容器端部８ａを押圧して溶着する。従って、一定の溶着強度の溶着部分を一定幅で得ることができる。

これにより、工具ホーンの超音波振動エネルギーを効率よくチューブ容器端部に伝えることができるため、工具ホーンに与える振幅を小振幅とし、工具ホーンに与える出力を小出力に抑えてチューブ容器端部を溶着することができる。

また、工具ホーン５は、十字型工具ホーンであり、４つの先端の側面の表裏に押圧部を形成していることで、合計８箇所の押圧部を有している。そのため、工具ホーン５の取り付け方法を変えることにより、最大８ケ所ある各先端側面をチューブ容器端部の押圧部として順次使用することができる。

さらに、十字型の工具ホーン５を用いて、先端部の振動方向と直交方向に寸法が拡大した凸部を設け、凸部の表面にローレット溝を設け、チューブ容器端部８ａの押圧部としている。このことにより、工具ホーン５とチューブ容器端部８ａとをすべりにくく、超音波振動が伝わりやすくすることができる。また、凸部のローレット溝を再生加工することにより、チューブ容器端部８ａへのくい込み性能を容易に復活させることができる。

また、十字型の工具ホーン５の十字に交差する交差部分の奥行方向に突出したボス部５ｂ（凸部）を設けている。当該ボス部５ｂは奥行方向に凹んだ凹部としてもよい。このことにより、凸状のボス部５ｂ、または凹部の大きさを切削加工で調整することにより、工具ホーン５の振幅を調整することができる。

また、十字型の工具ホーン５の十字に交差する交差部分の奥行方向に貫通孔５ｃを設けている。このことにより、貫通孔５ｃの大きさを切削加工で調整することにより、工具ホーン５の周波数を調整することができる。また、貫通孔により工具ホーンが変形しやすくなるので、貫通孔が無い場合に比べて小さい振幅・小出力の超音波振動を与えることで工具ホーンを所定の振幅で振動させ、チューブ容器端部を溶着することができる。

（本発明の第二の実施の形態）
図８に、本発明の第二の実施の形態にかかる超音波シール装置の要部側面図を示す。本発明の第二の実施の形態にかかる超音波シール装置は、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の図１と類似しているが、チューブ容器８を直立させ、チューブ容器８のキャップ９側を下に、チューブ容器端部８ａを上して、工具ホーン５を図中のＭ矢印のように動かして、アンビル６と工具ホーン５でチューブ容器端部８ａを紙面の水平方向に挟持するようにした点が異なる。溶着強度等の溶着性能自体は、第一の実施形態と同じであるが、チューブ容器８がキャップ９側を下にして直立しているため、実際の生産工程でチューブ容器の取り扱いが容易となる利点がある。

（本発明の第三の実施の形態）
図９に、本発明の第三の実施の形態にかかる超音波シール装置の要部側面図を示す。本発明の第三の実施の形態にかかる超音波シール装置は、図８に示した本発明の第二の実施の形態にかかる超音波シール装置と構成は似ているが、工具ホーン５の先端のたわみ量を勘案して、チューブ容器端部８ａを押圧する先端の押圧面を超音波振動方向に対して斜めに形成した点に特徴がある。溶着条件として、チューブ容器端部８ａの押圧力が大きく、工具ホーン５の先端のたわみ量が大きい場合に、予め押圧面を斜めにしておくことにより、実際にチューブ容器端部８ａをアンビル６と工具ホーン５で挟持した時に、チューブ容器端部８ａの押圧力が均一となり、所定の溶着力が所定幅の領域にわたって得られるという利点がある。

（本発明の第四の実施の形態）
図１０に、本発明の第四の実施の形態にかかる超音波シール装置の要部側面図を示す。本発明の第四の実施の形態にかかる超音波シール装置は、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波シール装置の工具ホーン５の水平方向の２つの先端部５ｈ、５ｈの下面に、それぞれアンビル６、６を配置して、それぞれの工具ホーン５の先端下面と各アンビル６でチューブ容器端部８ａ、８ａを挟持して、一つの工具ホーン５を超音波振動させることにより、同時に２つのチューブ容器端部８ａを溶着するようにしたものである。工具ホーン５は左右対称の２つの位置でチューブ容器端部を押圧するので、超音波シール装置のスライダー２の負荷は左右にバランスが取れて上下動動作がスムーズである。これにより、一度に２つのチューブ容器端部を溶着するので生産性が２倍に向上するという利点がある。

（本発明の第五の実施の形態）
上記第一から第四の実施の形態では、工具ホーンの超音波振動の振動方向を、縦方向から横方向に９０度変換する特徴ある形状として「たわみ」を小さくした本発明の実施形態を説明した。本発明の第五の実施の形態は、上記工具ホーンを支持する構造を改良して「たわみ」を更に小さくしている。

第一から第四の実施の形態では、工具ホーンをブースターホーンに1本のネジで固定し、工具ホーンをブースターホーンの下に吊り下げた形で使用している。本発明の第五の実施の形態では、上記の工具ホーンをブースターホーンの下に吊り下げた形で使用することは同じであるが、十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に凸部または凹部を設け、この凸部または凹部を支持する支持手段を更に設け、当該支持手段で工具ホーンを支持し、当該支持手段とともに工具ホーンを移動させて、横方向に超音波振動する工具ホーンの先端部分をチューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押し付けるようにしている。

第一から第四の実施の形態では、工具ホーンをブースターホーンに吊り下げているネジＳが支点である。これに対して本発明の第五の実施の形態は、十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分に奥行方向に設けた凸部または凹部が支点になる。工具ホーンの変形は、十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分からチューブ容器端部に向けて伸びている腕の部分だけが「片持ちレバー」として変形する。

工具ホーンのたわみは、縦振動の節で支持されている分だけ、第一から第四の実施の形態以上に小さくなる。そして、第一から第四の実施の形態以上にチューブ容器端部を安定的に押圧できるので、第一から第四の実施の形態のときよりも大きな押圧力を押圧面に与えて、均一で良好な超音波溶着を可能にする。

図１１は、本発明の第五の実施の形態に係る工具ホーン５０の外観斜視図である。図１１の工具ホーン５０は、基本的には、図２で示した工具ホーン５の形状と類似しているが、図２で示した工具ホーン５の貫通孔５ｃをあけずに中実のままとして、工具ホーン５０の両端面に支持用凸部５０ｆを形成した点が異なっているという特徴がある。

図１１では、工具ホーン５０の両端に凸状のボス部が無く、代わりに、凹状の段付き穴５０ｅを形成し、段付き穴５０ｅから直方体形状をした支持用凸部５０ｆを突出させた例を示した。工具ホーン５０の振幅の調整は、凹状の段付き穴５０ｅの深さを切削加工で切削量を可変して行う。

貫通孔の無い工具ホーン５０では、貫通孔があるときに比べて剛性が大きく振幅が小さくなる。そのため、工具ホーン５０の横振動方向の先端部分の長さを縦振動方向の先端部分の長さより長くして必要な振幅を得る方法がある。例えば、工具ホーン５０の横振動方向の先端部分の長さを、縦振動方向の長さの１．３倍程度にすれば、貫通孔をあけていたときと同等程度の振幅を得ることが出来る。

図１１の工具ホーン５０では、上面５０ｖｕと下面５０ｖｄをブースターホーン１４の取付け面として、それぞれに雌ネジ５０ａを形成した。図１１の場合、工具ホーンの十字の縦横比が１対１でないために、横振動方向に必要な振幅が取れる工具ホーンの取り付け方の数は図２の場合の半分であり、図１１の工具ホーンでは、斜線ハッチングで示したように４つの面を、溶着の押圧面として利用できるにとどまる。そのため、上面５０ｖｕと下面５０ｖｄには、チューブ容器端部を押圧する部分は設けていない。図１１では、工具ホーン５０の上にブースターホーン１４を想像線で示して、ブースターホーン１４と工具ホーン５０の位置関係を示した。

図１２は、超音波振動子３とブースターホーン１４と工具ホーン５０の３つをそれぞれ相互にネジＳで結合し、超音波振動子３とブースターホーン１４と工具ホーン５０を、スライダー３０に一体に取り付けたときの側面図であり、図１３は正面図である。なお参考までに、図１２と図１３では、振動の腹と節の位置が分かるように縦方向のたわみ量と、横方向のたわみ量を図示した。

ブースターホーン１４のフランジ１４ａの中心位置と、工具ホーン５０の支持用凸部５０ｆの中心位置は、それぞれ超音波振動の節であり、超音波振動時においても相互の距離は変わらない。そのため、ブースターホーン１４のフランジ１４ａをスライダーの第一の保持部３０ａに挟持し、工具ホーン５０の両端に突出している支持用凸部５０ｆをスライダーの第二の保持部３０ｂでそれぞれ挟持することができる。

図１４は、超音波振動子３とブースターホーン１４と工具ホーン５０を一体に取り付けたスライダー３０を、ハウジング１に上下動自在に取り付け、図示しないエアーシリンダーで上方に持ち上げた状態を示した側面図である。ハウジング１に設けたアンビル６の上には、チューブ容器８が載せられている。

図１５は、スライダー３０を図示しないエアーシリンダーで降下させ、工具ホーン５０の一先端部分（図１４の左先端）の下面でチューブ容器８を押圧して、超音波振動を伝えて超音波溶着している状態を示している。特に、工具ホーンの奥行方向両端と上面５０ｖｕ中央の三点を支持しているため、図１５の手前側と奥側とで工具ホーン５０が傾かず、スライダー３０の動き通りに均一に押圧して超音波溶着できるという利点がある。

なお、第五の実施の形態で説明した、工具ホーンの縦振動軸の節をスライダーで支持する構造を、例えば図１６で示した工具ホーン１０に適用したとしても、元々、工具ホーン１０の縦振動軸の節から先の断面二次モーメント（Ｉ）が小さいので、工具ホーンのたわみは十分に小さくならない。

図１５を見れば、チューブ容器８を一定圧力で押圧した時の工具ホーン５０の変形は、工具ホーン５０の縦振動軸から張り出したアーム部分の変形だけであり、超音波溶着作業を繰り返しても、工具ホーン５０の押圧状態が一定に保たれることが容易に理解される。

本発明は、化粧品などの粘性材料などの充填物の入っているチューブ容器端部の超音波シール装置に適用することができる他、充填物の入っていないチューブ容器端部の超音波シール装置に適用することができる。

１ ハウジング
２、３０ スライダー
３ 超音波振動子
１４ ブースターホーン
５、５０ 工具ホーン
５ｃ 貫通孔
６ アンビル
７ チューブ容器保持手段
８ チューブ容器
δ₃、δ₄ たわみ量
Ｌ₁、Ｌ₂ 工具ホーンの腕の長さ
Ｂ 工具ホーンの押圧面
Ｆ 押圧力
Ｈ矢印 紙面において横の振動方向
Ｖ矢印 紙面において縦方向の振動方向
Ｙ矢印 スライダーの往復運動方向

Claims (10)

1. チューブ容器端部を溶着するチューブ容器端部の超音波シール装置であって、
   超音波振動を発生させる超音波振動子と、
   前記超音波振動子と接続され、前記超音波振動の節となる位置に固定用のフランジを有するブースターホーンと、
   前記ブースターホーンと接続され、前記ブースターホーンを介して前記超音波振動子から受けた縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンと、を備え、
   前記工具ホーンは、前記ブースターホーンのフランジに位置する超音波振動の節から、超音波振動の半波長（１／２λ）離れた位置で縦方向の振動軸と直交する線上において、超音波振動を縦方向から横方向に変換し、縦方向の振動軸と直交する交点から１／４波長（１／４λ）の位置にあるチューブ表面を押圧することで前記チューブ表面に横方向の超音波振動を伝える押圧面が形成され、
   前記超音波振動子から前記工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向の超音波振動にして、
   横方向に超音波振動する前記工具ホーンの押圧面を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、
   前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴とするチューブ容器端部の超音波シール装置。
2. 更に、前記工具ホーンの前記超音波振動を縦方向から横方向に変換する交点の前記縦方向及び前記横方向に直交する奥行方向上にて前記工具ホーンを支持する支持手段を設け、
   当該支持手段で前記工具ホーンを支持し、当該支持手段とともに前記工具ホーンを移動させて、横方向に超音波振動する前記工具ホーンの押圧面を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、
   前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置。
3. 前記工具ホーンとして、前記超音波振動子から前記工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向に変換する十字型工具ホーンを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置。
4. 前記十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に突出した凸部、または奥行方向に凹んだ凹部を設けたことを特徴とする請求項３に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置。
5. 前記十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に貫通した貫通孔を設けたことを特徴とする請求項３又は４のいずれか一項に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置。
6. 前記十字型工具ホーンの十字に交差する交差部分にて奥行方向に突出した凸部、または奥行方向に凹んだ凹部を支持する支持手段を更に設け、
   当該支持手段で、前記凸部または凹部で工具ホーンを支持し、当該支持手段とともに工具ホーンを移動させて、横方向に超音波振動する前記工具ホーンの先端部分を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、
   前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴とする請求項４又は５に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置。
7. 前記工具ホーンの先端のうち、横方向に超音波振動する一対の先端部分を、それぞれ別のチューブ容器端部における溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して、同時に超音波振動エネルギーを付与し、
   各チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載のチューブ容器端部の超音波シール装置。
8. チューブ容器端部を溶着するチューブ容器端部の超音波シール方法であって、
   超音波振動子からブースターホーンを介して受けた縦方向の超音波振動を横方向に変換する工具ホーンを用い、
   更に、前記工具ホーンは、前記ブースターホーンの固定用のフランジに位置する超音波振動の節から、超音波振動の半波長（１／２λ）離れた位置で縦方向の振動軸と直交する線上において、超音波振動を縦方向から横方向に変換し、縦方向の振動軸と直交する交点から１／４波長（１／４λ）の位置にあるチューブ表面を押圧することで前記チューブ表面に横方向の超音波振動を伝える押圧面を形成したものを用い、
   前記超音波振動子から前記工具ホーンに伝わる縦方向の超音波振動を横方向の超音波振動にして、
   横方向に超音波振動する前記工具ホーンの押圧面を前記チューブ容器端部の溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して超音波振動エネルギーを付与し、
   前記チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴とするチューブ容器端部の超音波シール方法。
9. 前記工具ホーンとして、縦方向の超音波振動を横方向に変換する十字型工具ホーンを用いたことを特徴とした請求項８に記載のチューブ容器端部の超音波シール方法。
10. 前記工具ホーンの先端のうち、横方向に超音波振動する一対の先端部分を、それぞれ別のチューブ容器端部における溶着対象範囲のチューブ表面に押圧して、同時に超音波振動エネルギーを付与し、
    各チューブ容器端部の溶着対象範囲を発熱させて超音波溶着させるようにしたことを特徴とする請求項９記載のチューブ容器端部の超音波シール方法。
    

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