JP6738586B2

JP6738586B2 - ソノトロード

Info

Publication number: JP6738586B2
Application number: JP2019506345A
Authority: JP
Inventors: マシーニー、ミッチ
Original assignee: エディソンウェルディングインスティテュート、インク．
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: CA3018946A1; WO2017184202A1; BR112018071361A2; AU2016403777A1; JP2019511435A; EP3445521A1; CA3018949A1; EP3445562A1; AU2016403778A1; MX2018012692A; CA3018946C; EP3445562A4; JP6931515B2; JP2019513652A; BR112018071365A2; EP3445521A4; US9938032B2; US20170297754A1; CA3018949C; AU2016403777B2

Description

本出願は、２０１６年１１月４日に出願された"包装密封システム用モジュール式超音波デバイス"と題する米国特許出願第１５/３４３，４０７号の一部継続出願であり、２０１６年４月１８日に出願された"包装密封システム用モジュール式超音波デバイス"と題する米国仮特許出願第６２／３２４，０６１号に基づく優先権を主張するものである。それらの開示はこの参照によりその全体を本明細書に組み込むものとし、すべての目的において本米国特許出願の一部とする。

本発明は、概して消費者向け包装商品に使用される袋および容器を密封するシステム、デバイス、および方法に関し、より具体的には、食品およびその他の品物を収容するための包装を製造および／または組み立てるものに関する。

前記消費者向け包装商品の産業では、様々な食品を収容するのに使用される包装を密封するため、典型的には、熱活性型封止層で被覆された薄いフィルム材を抵抗加熱式熱把持システムと組み合わせて利用する。熱密封技術は、一般的には２〜１２インチ（５．０８〜３０．４８センチ）幅の包装において、生鮮品で許容可能な密封の品位を維持するのに使用され、その熱密封領域は気体漏出率を軽減するため大きめのサイズになっている。しかしながら、これら大きな熱密封領域であっても依然として高い割合で気体漏出が認められることが知られている。また、大きな熱密封領域では材料費が高くなってしまい、また、その高い気体漏出率によりこの種類の包装に入れられた商品の保存可能期間も短くなる。さらに、包装の前記密封領域に入れる食品またはその他の商品の量が最小限であっても、現在使用されている熱密封システムおよび方法では効率的な密封ができない。この問題により、工場での廃物が多くなり、また、役に立たない又は利用不可能な商品を消費者に届ける可能性が高くなる。

従前の試みでは、超音波密封技術の消費者向け包装商品への取り入れが、わずかな又は何の採択もなくその産業によってなされてきた。現在の超音波密封技術は、大量生産において、幅薄または１２インチ（３０．４８センチ）を越える幅の幅厚なフィルムを密封するのに使用し得る解決策を提供するものではない。超音波密封方法としては、単一のトランスデューサを用いて限られた幅（例えば、８インチまで（２０．３２センチ））の包装を密封することができるものが利用可能な一方、複数のトランスデューサシステムを用いてのみ、より幅広な密封を成しうる。密封システムの多くの利用者が、単一の機器で器具変更を必要とすることなく２〜１２インチ（５．０８〜３０．４８センチ）（又はそれ以上）の幅の密封を可能とする柔軟性を必要としている。このように、より幅広で漏出の無い密封を効率的に形成するとともに、前記密封の領域全体を減らして材料の節約およびコスト削減を可能にする包装密封技術が継続して求められている。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１）米国特許出願公開第２００５／０２４７４０８号明細書
（特許文献２）米国特許出願公開第２０１５／０２１０００２号明細書
（特許文献３）米国特許出願公開第２０１２／００１２２５８号明細書
（特許文献４）米国特許第６，６０５，１７８号明細書

以下は本発明のある例示的な実施形態の概要を提供するものである。この概要は、広範な要約ではなく、また、本発明の重要な又は必須の態様又は要素を特定することやその範囲を記載することを意図したものではない。

本発明の一態様によれば、第１のソノトロードが提供される。このソノトロードは、密封面と、前記密封面に隣接する前４分の１波長領域であって、前記前４分の１波長領域は前記ソノトロードのゲインを増加させるように修正されているものである、前記前４分の１波長領域と、前記前４分の１波長領域に隣接する後４分の１波長領域であって、前記後４分の１波長領域は前記ソノトロードの前記密封面の長さにわたり不均一な振幅プロファイルを形成するように修正されているものである、前記後４分の１波長領域とを有する。

本発明のその他の一態様によれば、第２のソノトロードが提供される。このソノトロードは、長尺密封面と、前記密封面に隣接する前４分の１波長領域であって、前記前４分の１波長領域は前記ソノトロードのゲインを増加させるように修正されているものである、前記前４分の１波長領域と、前記前４分の１波長領域に隣接する後４分の１波長領域であって、前記後４分の１波長領域は前記ソノトロードの前記密封面の長さにわたり不均一な振幅プロファイルを形成するように修正されているものであり、前記前４分の１波長領域への前記修正は、前記後４分の１波長領域に対して前記前４分の１波長領域の質量を低減することを含むものである、前記後４分の１波長領域と、前記ソノトロードの中に形成されて前記ソノトロードの前記振幅プロファイルをさらに調整する少なくとも１つの調整スロットとを有する。

本発明の更なる他の一態様によれば、第３のソノトロードが提供される。このソノトロードは、長尺密封面と、前記密封面に隣接する前４分の１波長領域であって、前記前４分の１波長領域は前記ソノトロードのゲインを増加させるように修正されているものである、前記前４分の１波長領域と、前記前４分の１波長領域に隣接する後４分の１波長領域であって、前記後４分の１波長領域は前記ソノトロードの前記密封面の長さにわたり不均一な振幅プロファイルを形成するように修正されているものであり、前記後４分の１波長領域への前記修正は、当該後４分の１波長領域の中に不均一な質量分布が含まれるように当該後４分の１波長領域を修正することを含むものであり、前記前４分の１波長領域への修正は、前記後４分の１波長領域に対して前記前４分の１波長領域の質量を低減させ、且つ、前記前４分の１波長領域と前記後４分の１波長領域間に段を形成することを含むものである、前記後４分の１波長領域と、前記ソノトロードの中に形成されて前記ソノトロードの前記振幅プロファイルをさらに調整する複数の調整スロットとを有する。

本発明の更なる特徴および態様は、当業者にとって例示的な実施形態についての以下の詳細な説明を知り理解すれば明らかであろう。当業者であれば本発明の範囲および主旨から逸脱することなく本発明の更なる実施形態が可能であることを理解されよう。したがって、図面及び付随の記載は説明的なものであって本質的に限定するものではない。

本明細書に組み込まれその一部を形成する添付の図面は、本発明の１若しくはそれ以上の例示的な実施形態を図式的に説明するものであり、上記一般的な説明及び下記詳細な説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つものである。
図１は、本発明の例示的な実施形態における超音波密封モジュールの斜視図である。図２は、図１の超音波密封モジュールの分解斜視図である。図３は、図１のモジュール式超音波包装密封デバイスの上面図である。図４は、図１のモジュール式超音波包装密封デバイスの側面図である。図５は、本発明の超音波密封モジュールのソノトロード構成要素の例示的な実施形態の上面斜視図である。図６は、図５のソノトロードの上面図であって、ソノトロードの密封面にわたる均一な振幅プロファイル（Ａ）およびソノトロードの密着面にわたる不均一なプロファイル（Ｂ）の外観を表している。図７は、図５のソノトロードの端面図であり、ソノトロードの前４分の１波長および後４分の１波長における振動の振幅を示す。

本発明の例示的な実施形態を図を参照して説明する。様々な要素および構成を言及するため詳細な説明全体にわたり参照番号を使用する。以下の詳細な説明では説明のため特定的なものを多数含むが、当業者であれば以下の詳細の様々な変更形態および代替形態が本発明の範囲内であることを理解されよう。したがって、本発明の以下の実施形態は、請求項に記載の発明へのいかなる一般性を失うものではなく、また限定を課すものでもない。

本発明は、包装等を密封するシステム、デバイス、方法に関し、より具体的には、包装の超音波密封に使用されるモジュール式デバイスまたは装置に関するものであり、従来のシステムおよびデバイスと比較してより幅広な密封を形成することができるとともに、前記密封の表面積全体を減らし且つ気体漏出を低下させることもできるものである。熱密封と比較して、超音波密封は、その強度に合い又は超え、十分縮小された密封サイズで気体漏出率の低下を実現する。密封サイズの縮小により、包装サイズ全体の縮小が可能となり、材料費の削減にもなる。気体漏出率の減少は生鮮品の保存可能期間を向上させ延ばす。本発明はモジュール式超音波袋密封装置またはデバイスを提供するものであり、当該装置またはデバイスは様々な既存の袋密封システムと共に、また新たに設計された袋密封システムと共に使用されてよい。

図１〜４は本発明の例示的な実施形態における超音波密封モジュールの図を示す。このデバイスは、大量生産環境での使用を意図しているが、その他の環境においても使用でき、広い範囲の厚み及び幅のフィルムの密封を可能とする。図に示されるこのデバイスまたは装置は、一般に使用される熱密封レシプロカル袋のメーカーに改造されてもよく、または、新たな袋メーカーの設立に組み込まれてもよい。本発明は、垂直または水平型充填密封設備（ＶＦＦＳまたＨＦＦＳ）を対象としたものであるが、実際上任意の種類の包装設備での利用に適用または適合させることができる。本発明のモジュール態様は、それを商業的に入手可能な袋製造システムの既存の端部密封機械的動作システムに接続することを可能とする。この発明の超音波密封モジュールに含まれる機械式セルフレベリング機構により、必要な以下の取り付けに応じてモジュールを調整することができる。例示的な実施形態において、本発明は、電源と、トランスデューサと、増幅器とを含む商用オフザシェルフの超音波構成要素を利用する。図５〜７を参照して、前記超音波密封モジュールは、ソノトロードと、独自設計の金敷と、機械的支持システムとを含む。前記ソノトロードは、当該ソノトロードの密封面領域の中心において減少させた振幅を与えるように設計されており、それは前記密封面の幅にわたり均一な振幅を伴うソノトロードを用いた一般的な超音波実施と大きく異なる。前記超音波ソノトロードは、１２インチ（３０．４８センチ）を越える幅とすることができ、また単一の超音波トランスデューサによってエネルギーを与えられ、それは器具変更を必要とすることなく様々なサイズの密封包装に役立つ。従来のシステムおよびデバイスと比較べて、本発明を用いることでより広い継ぎ目を形成することができる。

図を再び参照して、図１〜４に例示的な超音波密封モジュール１０の様々な代替図を示す。当該超音波密封モジュール１０は、第１の密封部材または前把持部２０（ｆｒｏｎｔｊａｗ）および第２の密封部材または後把持部（ｒｅａｒｊａｗ）３０と、前取付板４０と、後取付板５０と、第１のガイドシャフト６０と、第２のガイドシャフト７０とを含む。図５〜７は、例示的な超音波ホーンまたはソノトロード１００の様々な代替図を示す。当該例示的な超音波ホーンまたはソノトロード１００は、先端部または密封面１０２と、前４分の１波長領域１０３と、調整スロット１０４と、後４分の１波長領域１０５と、後４分の１波長領域１０５の外端部１０６と、後４分の１波長領域１０５の第１の修正領域１０８と、後４分の１波長領域１０５の第２の修正領域１１０とを含む。ソノトロード１００は取付フレーム２００内に固定され、そこに積層取付部３００および超音波トランスデューサ４００も取り付けられている。超音波トランスデューサ４００は、超音波密封モジュール１０の動作中に、既定量の超音波エネルギーをソノトロードに与える。後把持部３０は金敷５００を含み、当該金敷５００はフレーム６００に取り付けられており、そして当該フレーム６００は第１のガイドシャフト６０と第２のガイドシャフト７０間にスライド可能に取り付けられている。ソノトロード１００は前把持部２０内に配置され、前把持部２０は、超音波密封モジュール１０の動作中に、後把持部３０上の金敷５００と共働して包装を密封する。

図５〜６に示されるように、ホーンまたはソノトロード１００は、高強度アルミニウム合金、チタン、またはその他の適切な材料から製造されるものであり、密封面１０２全体にわたり可変の又は不均一な振幅プロファイルを提供するように修正されている。図７は、ソノトロード１００の端面図であり、ソノトロード１００の前４分の１波長および後４分の１波長にわたる振動１１２の振幅の方向を示す。ソノトロードの一般的な設計に関して、前４分の１波長領域１０３は、ソノトロードのゲインを増加させるのに十分な質量低減（または工程構成要素）を含み、後４分の１波長領域１０５は厚みを変化させる個別領域を含むように修正されている。図５〜６に図示された例示的な実施形態によって示されるように、後４分の１波長領域１０５は、後４分の１波長１０５の左右外端部１０６と、後４分の１波長１０５の左右の第１の修正領域１０８と、後４分の１波長１０５の第２の修正領域１１０とを含む。これらの領域の当該低減された、および／または可変な厚みおよび高さは、図６に線Ａで示すような均一な振幅プロファイルとは対照的に、図６に線Ｂで示すような不均一な振幅プロファイルを形成する。調整スロット１０４が、所望により、または必要に応じて、ソノトロード１００の更なる調整を可能にする。調整スロット１０４の数、並びに、調整スロット１０４の長さ、幅、および特定の構造は、所望により、または必要に応じて、変更または修正されてもよい。図示したソノトロード１００の例示的な構成により、密封面１０２の中心部分の前記振幅プロファイルは、密封面１０２の外側領域より（例えば）１０〜２０％低くなる。密封面１０２の中心における前記振幅が低減または低下することにより、包装の裏面包装領域の効率的な密封が可能となる。当該裏面包装領域には、典型的には継ぎ目を形成する包装材３層が含まれる。前記裏面密封領域に３つの層が存在するため、この領域は単位領域あたりに高い力が本質的に認められるが、これは望ましくないものである。したがって、本発明の前記ソノトロードの中心では振幅を低下させて、単位領域あたりの高い力の影響を無効化する。本発明のその他の実施形態では、前記不均一な振幅プロファイルは、前記密封面中心における振幅が前記外端部における振幅より大きいものを含む。

超音波密封（力ｘ振幅＝エネルギー）では、したがって、力がより強い場合、密封された領域の幅に沿って均一なエネルギー入力を実現するため、前記振幅が低減されてもよい。また、少し前の熱密封の結果、裏面密封領域が熱い場合、当該裏面密封領域に超音波端部密封を形成するためには、より低いエネルギーしか必要でないこととなる。前記ソノトロードの端部における空気への熱移動とは対照的に、大量の材料における熱移動のために、前記ソノトロードは前記密封面の中心が一番熱くなる。そして、当該密封面の中心には前記裏面密封領域が典型的に位置する。基本的に、本発明の前記ソノトロードは、ソノトロードの表面にわたり変化する振幅を与えて、効率的に複数（例えば３つ）の層を有する薄いフィルムを互いに溶接し密封を形成する。均一な振幅分布をその密封面にわたり提供する従来技術のソノトロードは、包装の裏面密封領域に過溶接を形成することになり、望ましくない結果となるが、本発明はそれを解決するものである。

この発明の前記モジュール式超音波包装密封デバイスは、器具変更を必要とすることなく、２インチ（５．０８センチ）を下回る幅および１２インチ（３０．４８センチ）を超える幅の超音波密封を作り出すことができる。包装の幅または材料の厚みの変更は、器具の変更を必要としない。本発明は、スナック包装産業で一般に使用される薄いフィルムと、消費者向け商品または食品、例えば青果、鶏肉、または乳製品などを包装するのに使用されるより幅厚なフィルムとを含む包装を密封することができる。この発明により形成される前記超音波密封は、熱密封よりもサイズが小さく、それにより包装材の必要量を減らすことができる。本発明の前記超音波密封プロセスは、また、最小のスナック製品（例えば、チップス、塩、油など）にわたり密封の改善を実現し、それは、工場での廃棄処理を減らし、また腐った商品や悪い商品が消費者に届く可能性を回避し又は減少させる。また、スナック商品を密封する前記改善された性能は、包装容器上部にできた空間を減らすことができ、それは使用材料全体を更に減らす。この発明を用いて形成される前記超音波密封は、大量生産環境（例えば、１００万個の密封包装）で試験されており、従来の熱密封と比較して、より低い気体（例えば酸素）漏出率を有することが証明されている。気体移動率がより低いことにより、商品の保存可能期間も長くなる。

本発明のその他の利点は、前記デバイスの前記超音波把持部を支持するモジュール式機械的構造を含む。この態様は、既存の袋メーカー設備の改造、または新たな袋メーカー設立への組み込みに役立つものであり、また既存の袋メーカー動作システムに取り付けられる機械的構造を提供し、したがって、付属モータやその他の動作デバイスを必要としないものである。本発明は、（ｉ）超音波構成要素へのダメージなく、高い量産率で幅薄なフィルムを密封するシステムと、（ｉｉ）セルフレベリングに軽微な補償を提供するデュアルフォースシステム（バネまたは空気圧）と、（ｉｉｉ）前記ソノトロードと金敷溶接面を互いに平行にする機械式位置調整機構とを提供する。この位置調整は、前記ソノトロードと幅薄なフィルム密封に使用される金敷密封面とのレベリングに関して非常に精密な調整を幅広な密封面にわたり可能にする。

本発明の更なる利点は、チョコレートや類似の物質を含む商品の包装における有用性である。この性質の商品に使用される現在の密封システムおよび方法論は、"低温密封"アプローチを利用しており、ゴム接着剤に類似する感圧接着剤が包装の密封表面に塗布され、その後、一体にして押圧されるものである。本発明を用いた前記超音波密封技術は、前記密封領域に高い熱を発生させないため、チョコレートが入っている商品包装の低温密封の代わりに使用することができ、それにより、包装費を有意に減らすことができる。この発明のその他の用途と同様に、前記密封領域も減らすことかでき、したがって、包装材および材料費を減らすのに貢献する。

本発明はその例示的な実施形態の記載により説明されているが、また当該実施形態はいくらか詳細に記載されているが、それは、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に限定し又は決して制限することを意図したものではない。更なる利点および修正形態が当業者にすぐに理解されよう。ゆえに、本発明はその幅広い態様を、図示または記載されたいずれかの特定的詳細、代表的デバイスおよび方法、並びに／または説明のための例示に限るものではない。したがって、逸脱は、そのような詳細から一般的発明概念の主旨または範囲から逸脱することなくなされるであろう。

Claims

ソノトロードであって、
（ａ）密封面と、
（ｂ）前記密封面に隣接する前４分の１波長領域と、
（ｃ）前記前４分の１波長領域に隣接する後４分の１波長領域と、
（ｄ）前記前４分の１波長領域と前記後４分の１波長領域間に形成された段であって、前記後４分の１波長領域の質量に対して前記前４分の１波長領域の質量を低減するものである前記段と、
（ｅ）前記後４分の１波長領域に形成された厚みが変化している領域及び高さが変化している領域であって、この厚みが変化している領域及び高さが変化している領域は前記後４分の１波長領域に不均一な質量分布を形成するものであり、前記不均一な質量分布は前記密封面の長さ方向にわたり不均一な振幅プロファイルを形成するものである、前記厚みが変化している領域及び高さが変化している領域と
を有するソノトロード。
請求項１に記載のソノトロードにおいて、前記ソノトロードは、さらに、その中に形成されて前記密封面の前記振幅プロファイルをさらに調整する少なくとも１つの調整スロットを含むものである、ソノトロード。
請求項１に記載のソノトロードにおいて、前記不均一な振幅プロファイルは、前記密封面の中心においてより低い振幅の領域と、前記密封面の外端においてより高い振幅の領域とを含むものである、ソノトロード。
請求項１に記載のソノトロードにおいて、前記密封面の中心における前記振幅は前記密封面の外端での振幅よりも１０〜２０％低いものである、ソノトロード。
請求項１に記載のソノトロードにおいて、前記不均一な振幅プロファイルは、前記密封面の外端よりも前記密封面の中心においてより大きい振幅を含むものである、ソノトロード。