JP6881305B2 - 超音波シール装置 - Google Patents

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康彦 木村
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Description

本発明は、包装資材を封止する超音波シール装置に関する。
現在、紙製の包装資材によって飲料等の液体を収容して販売することが行われている。液体収容後の包装資材は、折り畳まれる、あるいは貼り合わされて三角錘、四角柱さらには円筒形等といった様々な立体形状に成形される。本明細書では、成形後の包装資材を「パッケージ」と記す。
このようなパッケージのうち、例えば、略四角柱のパッケージを製造する場合、先ず、長尺の包装資材は、長手方向に沿う両端が重ね合わされ、貼り合わせられて筒状にされる。次に、筒状の包装資材は、筒の下端が封止されて内容物が充填された後、上端が封止される。両端が封止された包装資材は、押圧されて立体的な四角柱に成形される。なお、本明細書では、包装資材の封止を以降「シール」と記す。
包装資材のシールの技法としては、超音波シールがある。超音波シールでは、包装資材のシールされる部分を、ホーンと呼ばれる共振体とアンビルと呼ばれる受治具とによって挟んで加圧する。また、超音波シールでは、加圧と同時にホーンを介して振動エネルギーをシール部分に加え、包装資材内面の熱可塑性樹脂を溶融して包装資材同士を融着する。
両端が封止された包装資材を加圧する超音波シール装置は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の超音波シール装置は、超音波発生装置を収容するケーシングに折り曲げプレートを設け、折り曲げプレートによって筒状になった包装資材を折り曲げてパッケージを成形している。
特許文献１には、折り曲げプレートのみをケーシングから取り外して超音波装置のヘッドをクリーニングすることが記載されている。
特開２００２−３３７８２１号公報
しかしながら、超音波シール装置のホーンのメンテナンスは、ヘッド部分のクリーニングのみを行うものではない。このため、ケーシングに取り外し可能な折り曲げプレートを設ける構成は、ホーンのヘッドよりケーシング奥の部分のメンテナンスを行おうとする場合には、ケーシングを分解する、あるいはケーシングごとホーンを超音波シール装置から取り外す必要が生じ得る。
また、近年では、超音波シールは増々高速化される傾向にあり、現在では１分間に１００個から４００個ものパッケージが製造されている。超音波シールの処理が高速化されると、ホーンにおいて熱が発生する。ホーンで発生した熱を冷却する方法として、ホーンに水をかけることが考えられる。しかし、ホーンの側周をケーシングによって覆う従来の超音波シール装置では、ホーンに直接水をかけることができず、ホーンの発熱を抑えるための充分な冷却効果を得ることができない。ここに、冷却は、超音波シールの処理を高速で行うほど重要になってくる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ホーンのメンテナンスにかかる作業が容易にでき、かつホーンの冷却効率が高い超音波シール装置を提供することを目的とする。
以上の課題を解決するため、本発明の一態様の超音波シール装置は、包装資材に当接して振動を加えるホーンと、上記ホーンの側周を覆うと共に上記ホーンを包含する空間と外部とを連通する切欠部が形成された枠体を有し、上記ホーンに対して着脱可能なホーンカバーと、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、ホーンのメンテナンスにかかる作業が容易にでき、かつホーンの冷却効率が高い超音波シール装置を提供することができる。
本発明の一実施形態の超音波シール装置を説明するための模式図である。 図１に示したホーン及びホーンカバーを説明するための模式的な図である。 図２に示したホーンカバーを説明するための斜視図である。 図１に示した筒状資材を説明するための図である。 図１に示した筒状資材を説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態は、略四角柱の外観を有し、内部に液体が充填されたパッケージを製造する例を挙げて本実施形態の超音波シール装置を説明する。なお、本実施形態が例示するパッケージは、例えばジュースや酒類等の液体や固形分を有する内容物を長期保存するものである。
（全体構成）
図１は、本実施形態の超音波シール装置１を説明するための模式図である。超音波シール装置１は、筒状になった包装資材である筒状資材２１に当接して振動を加えるホーン７と、ホーン７と対向して配置されるアンビル６と、ホーン７の側周を覆うホーンカバー９とを備えている。ホーンカバー９は、ホーンカバー９で囲まれた空間（ホーン７が包含される空間）とホーンカバー９の外部の空間とを連通する切欠部としてのスリット９１が形成された枠体を有する。
ホーンカバー９及びホーン７は、超音波発生ユニット５に固定されていて、ホーン７に対して着脱可能に構成されている。シールジョーの役割をするホーン７及びホーンカバー９は、超音波発生ユニット５と共にジョー支持部３によって支持されている。また、シールジョーの役割をするアンビル６は、ジョー支持部４によって支持されている。ホーン７及びホーンカバー９とアンビル６とは、ジョー支持部３、４によって互いに離接する方向に移動可能である。
なお、本実施形態でいう「枠体」とは、一定の平面領域を囲むように形成された一続きの部材（無端環状の部材）を指すものとする。
超音波発生ユニット５は、図示しない超音波発振器及びコンバータを備えている。超音波発振器は、超音波振動子であるコンバータに電力を供給する。超音波発振器によって供給された電力は、コンバータによって機械的な振動に変換された後、ホーン７に供給される。
ホーン７は、アンビル６と共に筒状資材２１を挟み込み、筒状資材２１を加圧すると共に振動を加えて筒状資材２１をシールする。本実施形態では、筒状資材２１のシールされた部分を、以降「シール部分Ｓ」と記す。筒状資材２１は、ホーン７とアンビル６との間でシールされながら、図１中、上から下の一方向に搬送される。
アンビル６のシール部分Ｓに当接する面には、シールバー８が設けられていて、シールバー８が筒状資材２１に当接してホーン７と共に筒状資材２１を加圧する。また、アンビル６は間隙１３を有している。間隙１３は、筒状資材２１の搬送方向の略中央に形成される。その間隙１３内にはホーン７に向かって移動可能な断裁刃１０が収容されている。一方ホーン７には溝部１１が形成されている。溝部１１は、アンビル６の間隙１３と対向する位置に形成され、その溝部１１にホーン７に向かって移動した断裁刃１０が入り込む。断裁刃１０は、溝部１１に入り込むことによって、筒状資材２１のシール部分Ｓを切断する。
（ホーンカバー）
図２は、図１に示したホーン７及びホーンカバー９を説明するための模式的な図である。超音波発生ユニット５は、ケース５１内に図示しない超音波発振器及びコンバータを内蔵している。ケース５１には蓋５２が取り付けられていて、蓋５２によって超音波発振器及びコンバータが設けられた空間を閉じている。ホーン７及びホーンカバー９は、それぞれ別個に蓋５２に取り付けられて固定されている。このため、ホーンカバー９は、ホーン７を蓋５２から取り外すことなく独立して蓋５２から取り外すことができる。このような構成を、本実施形態では、「ホーン７に対して着脱可能である」と記す。
図３は、ホーンカバー９を説明するための斜視図である。ホーンカバー９は、図３に示すように、積層した複数の小枠体９３−１、９３−２、９３−３、９３−４と、基台９０と、を備えている。複数の小枠体９３−１〜９３−４は、基台９０からアンビル６に向かう積層方向ｄに積層されると共に互いに連結することで一体化している。本実施形態では、複数の小枠体９３−１〜９３−４の連結は、ネジ９５が複数の小枠体９３−１〜９３−４及び基台９０を同軸に貫通し、ネジ９５の先端部側が蓋５２にネジ留めされることによって行われる。
なお、小枠体９３−１〜９３−４は、例えば、鉄材、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金などの材料から構成すれば良い。
複数の小枠体９３−１〜９３−４は、互いに同一形状の部材であって、矩形形状の平面Ｂを囲む一続きの部材（断面矩形状となっている無端環状の部材）である。平面Ｂの位置は、ホーン７の図示しないヘッド部に対応する。但し、最もアンビル６に近い小枠体９３−１を除く小枠体９３−２〜９３−４は、積層方向ｄに向いた面に各々凹段差部９３１を有し、凹段差部９３１を有する面の裏面に各々凸段差部９３２を有している。
凹段差部９３１及び凸段差部９３２は、互いに隣り合う枠体の凸段差部９３２及び凹段差部９３１同士が係合することで、互いの位置ずれを防止している。また、最もアンビル６に近い小枠体９３−１は、小枠体９３−２に向かう面に凸段差部９３２を有し、凸段差部９３２が小枠体９３−２の凹段差部９３１と係合するようになっている。また、基台９０は、凹段差部９３１を有していて、凹段差部９３１が小枠体９３−４の凸段差部９３２と係合するようになっている。
複数の小枠体９３−１〜９３−４が積層し連結してなるホーンカバー９には、図３中に示した押圧面Ａ、Ａ’が形成される。各小枠体９３−１〜９３−４は、各々が切欠１９１を有している。複数の小枠体９３−１〜９３−４がネジ９５によって連結されると、切欠１９１は、隣り合う小枠体同士が当接することでスリット９１を形成する。このため、ホーンカバー９には、押圧面Ａ、Ａ’にスリット９１が形成されることになる。押圧面Ａ、Ａ’は、後述するように、パッケージを押圧して四角柱に成形することに使用される。本実施形態のスリット９１は、複数の小枠体９３−１〜９３−４の積層方向ｄと交差する方向、例えば直交する方向に延びている。
図３に示したホーンカバー９は、ネジ９５を緩めることによって複数の小枠体９３−１〜９３−４及び基台９０を一度に蓋５２から取り外すことができる。このため、本実施形態は、ホーン７のメンテナンスにあたってホーンカバー９全体を容易に取り外すことができる。
また、ホーンカバー９によれば、押圧面Ａに複数のスリット９１が形成されていることにより、ホーンカバー９に対し外側から水をかけると、複数のスリット９１から、冷却に十分な量の水がホーンカバー９内に入り込む。ホーンカバー９内に入り込んだ水は、ホーン７と直接接触することによってホーン７を効率良く冷却する。
また、ホーンカバー９が有する複数のスリット９１を介してホーン７に空気を吹き付けてパージし、ホーン７に付着した塵や汚れを除去することができる。このような構成によれば、ホーンカバー９を取り外すことなくホーン７のメンテナンスを行うことができる。
また、ホーンカバー９は、単純な且つ基本構想が同一形状からなる、複数の小枠体９３−１〜９３−４を積層することによって形成できるので、ホーンカバー９は、比較的加工及び製造が簡易である。また、小枠体９３−１〜９３−４に切欠１９１を設けてスリット９１を形成することにより、本実施形態では、一体形成のホーンカバー９の壁面をくり抜いてスリットを形成する場合に比べて、簡易にスリット９１を有するホーンカバー９を形成することができる。
ところで、筒状資材２１のシールの状態には、ホーン７のヘッド部分の先端振幅が寄与することが知られている。ホーン７は、金属を材料とし、金属はその母材が個々に持つ音速にばらつきを有する。このため、ホーン７の先端振幅を最適化するため、ホーン７の長さが音速のばらつきに応じて変更されることが考えられる。このとき、ホーンカバー９は、重ね合わされる枠体の数や幅を調整することによって、様々な長さのホーン７に対応することができる。このため、本実施形態は、ホーン７毎に個別形状のホーンカバー９を作製する必要がなく、枠体を組み替えることによって長さの異なる複数のホーン７に対応することができる。
（筒状資材）
ここで、ホーン７とアンビル６とによってシールされる筒状資材２１について説明する。図４は、筒状資材２１の材料となる包装資材４９を説明するための図である。包装資材４９は、樹脂や紙の多層構造を有している。包装資材４９において、内容物が充填されたパッケージ内部に向く面を「内面」、パッケージ表面に向いた面を「表面」と記す。包装資材４９は、内面の側から順に、第１ポリエチレン（PolyEthylene：以下、ＰＥとも記す）樹脂４９１、バリア材４９２、第２ＰＥ樹脂４９３、紙４９４及び第３ＰＥ樹脂４９５の各層が積層されることによって形成されている。
第１ＰＥ樹脂４９１は、熱可塑性樹脂であって、包装資材４９の内面同士を溶着する際の接着剤の役割をする。また、バリア材４９２としては、ナイロン（Ｎｙ）類、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン／ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、及びその混合物等が挙げられる。また、バリア材４９２としては、蒸着膜層を形成しバリア性を持たせたポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）やアルミニウム等が挙げられる。
図５（ａ）、（ｂ）及び図５（ｃ）は、筒状資材２１を説明するための図である。図５（ａ）に示すように、筒状資材２１は、長尺形状の包装資材４９の長手方向に沿う端部４９６ａ、４９６ｂを重ね合わせて形成される。このため、筒状資材２１も長尺形状の部材となる。端部４９６ａ、４９６ｂが重ね合わされた重なり部分に「Ｒ」の符号を付して示す。
図５（ｂ）は、図５（ａ）中に示した筒状資材２１の短手方向に沿う線分Ｉ−Ｉで筒状資材２１を切った断面図である。図５（ｂ）に示すように、本実施形態では、端部４９６ａ、端部４９６ｂが重なった領域を重なり部分Ｒと記す。図５（ｃ）に示すように、重なり部分Ｒの端部４９６ａの端部には、エッジプロテクションテープ３１が貼り付けられている。エッジプロテクションテープ３１は、端部４９６ａを包装資材４９の内面に貼りつけて包装資材４９を筒状資材２１に成形している。
筒状資材２１は、ホーン７及びアンビル６によってシールされる。アンビル６の筒状資材２１をシールする面には段差部２３が形成されていて、重なり部分Ｒはシール時に段差部２３によって押圧される。段差部２３は、重なり部分Ｒが他のシール部分よりも厚くなっていることに鑑み、重なり部分Ｒに加わる圧力を軽減して筒状資材２１の表面が損傷することを防ぐものである。
（動作）
次に、本実施形態の超音波シール装置の動作を説明する。
図１に戻り、超音波シール装置１には長尺形状の筒状資材２１がセットされ、筒状資材２１は、図示しない搬送機構によって図１中の上から下に向かって搬送される。なお、筒状資材２１の搬送方向を上から下に向かう方向に設定することにより、筒状資材２１は重力によって弛むことなくホーン７とアンビル６との間を移動する。
ホーン７及びアンビル６は、下方向に搬送される筒状資材２１に対して左右から接近し、筒状資材２１のシール部分Ｓを挟んで加圧すると共に超音波に基づく周波数の振動を加える。振動によって第１ＰＥ樹脂４９１が溶融し、加圧によって筒状資材２１の内面がシールされる。
図１に示すように、アンビル６の間隙１３には断裁刃１０が設けられている。一方、ホーンには対応する溝部１１が形成されている。シールの終了後、断裁刃１０は溝部１１に向けて移動し、シール部分Ｓを上下に切断する。シール部分Ｓの切断により、上部と底部とがシールされたパッケージが完成する。また、シール部分Ｓの切断により、底部のみがシールされた筒状資材２１が形成する。底部のみがシールされた筒状資材２１には液体の内容物２２が充填される。内容物２２が充填された筒状資材２１の上部は、ホーン７及びアンビル６によって上記と同様にシールされる。そして、シール部分Ｓが断裁刃１０によって切断されてパッケージが完成する。パッケージは、超音波シール装置において上から下に搬送される。
本実施形態では、このようなホーン７とアンビル６とのユニットが２式設けられていて、一方が筒状資材２１の上部をシールし、他方が筒状資材２１の下部をシール、切断する。そして、シールが完了すると、上部をシールしたユニットが下がって次回には筒状資材２１の下部をシール・切断し、他方が上がって筒状資材２１の上部をシール・切断する。
さらに、本実施形態では、ホーン７及びアンビル６の上下には図示しないホールディングフラップと呼ばれる枠体が設けられている。下部がシールされて切断された筒状資材２１は、シールを行ったユニットのホーンカバー９の押圧面Ａによってシール部分近傍の四角柱に成形されたときに天面になる部分を押圧し、四角柱に成形されたときに側面となる部分を上側のホールディングフラップに押し付ける。そして、上部がシールされて切断されるとき、シールを行ったホーンカバー９の押圧面Ａ’によってシール部分近傍の四角柱に成形されたときに底面になる部分を押圧し、四角柱に成形されたときに側面となる部分を下側のホールディングフラップに押し付ける。このような動作により、パッケージは、切断されたシール部分が折り畳まれて略四角柱の形状に成形される。
また、本実施形態は、以上の動作と平行してホーンカバー９上から水をかけ、ホーン７を冷却する。このとき、水は、押圧面Ａ、Ａ’に設けられたスリット９１からホーンカバー９の内部に入り込む。そして、水はホーン７に直接接触してホーン７を冷却し、ホーン７の発熱を抑える。
以上説明した本実施形態は、ホーン７をホーンカバー９の上から冷却することができる。また、本実施形態は、ホーンカバー９を一度に取り外すことができ、ホーン７のメンテナンスを容易にすることができる。また、本実施形態は、ホーンカバー９をパージしてホーン７に付着した塵等を除去することができる。
さらに、本実施形態は、ホーン７の長さに応じて枠体を組み替えることにより、長さが異なる複数のホーン７に対応することができる。
なお、以上説明した本実施形態は、上記構成に限定されるものではない。すなわち、本実施形態は、ホーンカバー９に切欠としてスリット９１を形成しているが、切欠はスリット９１に限定されるものでなく、ホーンカバー９にホーン７が収容される空間と外部とを連通させるものであればよい。また、本実施形態は、図３に示したように、スリット９１を小枠体９３−１から９３−４が積層される積層方向ｄに直交する向きに形成しているが、スリットの向きは任意の向きであってよい。
以上説明した本実施形態の図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、本実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に記載された発明特定事項によってのみ定められるものである。
以上、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１５−１７１１８７号（２０１５年８月３１日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。
本発明は、包装資材を切り離した後、圧力を加えて折り畳む超音波シール装置であれば、どのような分野においても適用することができる。
１ 超音波シール装置
３，４ ジョー支持部
５ 超音波発生ユニット
６ アンビル
７ ホーン
８ シールバー
９ ホーンカバー
１０ 断裁刃
１１ 溝部
１３ 間隙
２１ 筒状資材
２２ 内容物
２３ 段差部
３１ エッジプロテクションテープ
４９ 包装資材
５１ ケース
５２ 蓋
９０ 基台
９１ スリット
９３−１，９３−２，９３−３，９３−４ 小枠体
９５ ネジ
１９１ 切欠
４９１ 第１ＰＥ樹脂
４９２ バリア材
４９３ 第２ＰＥ樹脂
４９４ 紙
４９５ 第３ＰＥ樹脂
４９６ａ，４９６ｂ 端部
９３１ 凹段差部
９３２ 凸段差部

Claims (4)

  1. 包装資材に当接して振動を加えるホーンと、
    前記ホーンの側周を覆うと共に前記ホーンを包含する空間と外部とを連通する切欠部が形成された枠体を有し、前記ホーンに対して着脱可能なホーンカバーと、
    を備え、
    前記ホーンに対向して配置されるアンビルをさらに備え、
    前記枠体は複数の小枠体によって構成され、複数の前記小枠体は、前記アンビルに向かう方向に積層されると共に互いに連結される、
    ことを特徴とする超音波シール装置。
  2. 前記切欠部は、前記小枠体の積層方向と交差する方向に延びるスリットであることを特徴とする請求項１に記載の超音波シール装置。
  3. 前記アンビルに形成された間隙内に収容され、前記ホーンに向かって移動可能な断裁刃と、
    前記ホーンの前記間隙と対向する位置に形成され、前記ホーンに向かって移動した前記断裁刃が入り込む溝部と、を有し、
    前記断裁刃は、前記溝部に入り込むことによって前記包装資材の封止された部分を切断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波シール装置。
  4. 前記ホーンカバーは、封止後に切断された前記包装資材の部分を押圧することを特徴とする請求項３に記載の超音波シール装置。
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