JP6904253B2 - アンビル及び超音波シール装置 - Google Patents

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Description

本発明は、２以上のシート体が重ね合わされた積層体を帯状のシール位置で接合するための超音波シール装置に関する技術であって、特に、液体や固形物などを収容する紙容器を封止するのに好適な技術に関する。
液体用紙容器は、果実飲料、お茶、コーヒー、乳飲料、スープ等の液体飲料、日本酒、焼酎等の酒類を収容する簡便な容器として広く用いられている。この液体用紙容器には、屋根型やレンガ型、あるいは円筒型などの形状の容器がある。
例えば、レンガ型形状の容器を作製する場合、まず紙層の表裏面に熱可塑性樹脂層を有する包材に、容器用罫線を施し、包材の端部にエッジプロテクトテープを貼り、この包材を筒状に成形して当該包材端部同士を重ねて貼ることで、筒形状の包体とする。そして、この筒状包体の下端部を横断方向に接合して下端部をシール（封止）する。その後、筒状包体の中に内容物を充填した状態で容器の口となる位置を横断方向に液中シールして仕切った後、立体形状に成形することで最終形態の容器形状とする。
上記筒状包体に対する横断方向へのシールは、たとえば特許文献１に記載のような超音波シール装置にて実施される。
超音波シール装置によるシールは、容器のシール位置を、対向するホーンの先端面とアンビルの先端面とで押圧しホーンを超音波振動させることで、包材界面（重なり合うシート体同士の接触面位置）で発生する熱により包材表面に存在する熱可塑性樹脂を溶融させることで実施する。
ここで、液体容器のシールは重要であり、シールには内容物の保護、運搬・落下衝撃に耐えうる強度が必要とされる。このため、レンガ型液体用紙容器の生産においては、通常、生産開始時及び生産中に一定の生産個数ごとにシール状態の確認が行われる。その確認方法は引っ張り試験や漏れ試験などの、所謂、破壊検査である。
十分なシールを確保する観点からは、所定樹脂量以上の熱可塑性樹脂を、ホーンの先端面（振動付与面）とアンビルの先端面（当接面）とで溶融させて帯状にシールさせることが好ましい。しかし、溶融させる熱可塑性樹脂が過剰の場合には、シール位置の側方に溶融した樹脂が断続的且つ不定形にはみ出して、シール位置側方に対し不定形な樹脂塊が発生することがある。
このようなシール位置の側方に形成された不定形な樹脂塊は、包材表面から剥がれ易く、内容物側へ脱落するおそれがある。
特許第４０９３７７５号公報
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、剥がれやすい樹脂塊の形成を抑制可能なアンビル及び超音波シール装置の提供を目的とする。
課題を解決するために、本発明の一態様のアンビルは、２以上のシート体が重ね合わされた積層体を、ホーンの先端面に形成された帯状の振動付与面とアンビルの先端面に形成された当接面とで挟み込み、上記振動付与面に伝達された超音波振動で上記シート体に設けられた熱可塑性樹脂を溶融することで当該積層体を接合する超音波シール装置における上記アンビルであって、上記当接面には、上記ホーン側に突出し先端面が上記振動付与面と対向する帯状の溶着面部と、上記帯状の溶着面部の側方に位置して上記溶着面部の延在方向と同方向に沿って並び互いに非接触の複数のブロック体とを有し、上記複数のブロック体の高さは、上記溶着面部の高さ以下であることを特徴とする。
本発明の態様によれば、ホーンの振動付与面とアンビルの溶着面部の先端面との間に位置する熱可塑性樹脂が溶融して、振動付与面と溶着部先端面との間に位置する２以上の積層したシート体が帯状のシール位置で溶着して接合される。
このとき、ホーンの振動付与面とアンビルの溶着部先端面とによる押圧及び超音波振動の付加によって、シール位置の熱可塑性樹脂は加熱及び加圧されるが、当該熱可塑性樹脂の量が過剰の場合には、シール位置の側方に所定の圧をもって押し流される。
これに対し、本発明の態様によれば、帯状の溶着面部の側方に複数のブロック体を並列させることで、シール位置から押し出された熱可塑性樹脂は、溶着面部とブロック体の列との間に形成された空間（以下空隙部とも呼ぶ）に流れ込み、複数のブロック体の列によってそれ以上外側に移動することが抑制される。すなわち、押し出された熱可塑性樹脂の移動は複数のブロック体の列によって堰き止められる。またこのとき、溶融した熱可塑性樹脂が所定の圧で空隙部に向けて移動する際に、上記空隙部に存在した空気はブロック体間の間隙から外方に抜けることで圧抜きが行われる。このため、上記空隙部に移動した溶融状態の熱可塑性樹脂に対する空気の混入が抑制されると共に、堰き止められた熱可塑性樹脂の形状不良を防止することが可能となる。
このように一列に並ぶ複数のブロック体によって、はみ出た熱可塑性樹脂による樹脂塊の厚さと幅を制御可能となる。したがって、過剰に熱可塑性樹脂が溶融された場合であっても、不定形な剥がれ易い溶融樹脂塊の形成を抑止することが出来る。
この結果、容器の内容物側に対し樹脂塊の混入を抑制することが可能となる。
本発明に基づく実施形態に係る超音波シール装置を説明するための模式図である。 ホーン及びアンビルの先端部形状を説明するための模式図である。 ブロック体の列形状を説明する平面図である。 包材の層構造を説明する図である。 筒状包体を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 ブロック体の列形状の変形例を説明する図である。 シール時の包材の形状の模式図である。 ブロック体の変形例を示す平面図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
超音波シール装置１は、模式図である図１に示すように、超音波発振器９と、超音波振動子であるコンバータ２と、ホーン３と、アンビル４とを有する。符号５はジョーを示す。符号６は、ホーン３を保護するホーンカバーを示す。
コンバータ２は、超音波発振器９から電力が供給されて超音波振動を発生し、発生した振動をホーン３に伝達し、そのホーン３の先端部が超音波振動する。
本実施形態は同時に２条のシールを行う場合である。このため、ホーン３の先端部は二股に分岐しその２つの先端面で、図２に示すように、２条の振動付与面３ａを形成する。各振動付与面３ａは、帯状（若しくは短冊状）の形状をしており、２条の振動付与面３ａは互いに平行に延在する。なお、２条の振動付与面３ａは、図１及び図２では、紙面直交方向に延在している。また、２条の振動付与面３ａの間には溝が形成されている。
アンビル４の先端面は、ホーン３側を向いた当接面４Ａを構成し、その当接面４Ａと、ホーン３の先端面に形成された振動付与面３ａとで、２以上のシート体が重ね合わされた積層体を厚さ方向から所定の圧で挟み込み可能となっている。
その当接面４Ａには、各振動付与面３ａに向けて突出する２条の溶着面部１０が形成されている。その各溶着面部１０の先端面（以下、溶着押圧面１０ａとも呼ぶ）は、重ね合わされたシート体を挟んで、振動付与面３ａと対向する。
本実施形態では、拡大模式図である図２に示すように、溶着押圧面１０ａの幅は、振動付与面３ａの幅よりも短く設定されている。
また、帯状の溶着面部１０の側方には、複数のブロック体１１を有する。複数のブロック体１１の列は、溶着面部１０の延在方向と同方向に沿って並び、且つ隣り合うブロック体１１が互いに非接触の状態となっている。
複数のブロック体１１は、各溶着面部１０の両側に存在していても良いが、本実施形態では、複数のブロック体１１の列を、２条の溶着面部１０を間に挟んだ両側に配置する場合を例示している。
また、各ブロック体１１の頂面（先端の面）は、その高さが溶着面部１０の高さ未満となっているか、溶着面部１０の先端面と面一となるように設定されている。
図２では、ブロック体１１の突出方向（ホーン３とアンビル４による挟持方向）から見て、静止状態の振動付与面３ａとブロック体１１とが重ならない場合を例示している。静止状態の振動付与面３ａとブロック体１１とが重なる場合には、各ブロック体１１の高さは溶着面部１０の高さ未満であることが好ましい。
各複数のブロック体１１は、図３に示すように、溶着面部１０の延在方向に沿って配列するように設定されている。
ここで、容器を形成する包材３０（シート体）は、例えば図４に示すように、紙からなる基材層３０ａの表面側に外装用樹脂層３０ｂが形成されている。また、基材層３０ａの裏面側には、樹脂フィルム３０ｃ、バリア層３０ｄ、及び内装用樹脂層３０ｅがこの順に形成されている。外装用樹脂層３０ｂ、樹脂フィルム３０ｃ、内装用樹脂層３０ｅを構成する樹脂としては、ポリエチレン樹脂を例示出来るが、これに限定されるものではない。ただし少なくとも内装用樹脂層３０ｅは、熱可塑性樹脂から構成される。バリア層３０ｄは、樹脂フィルム３０ｃに蒸着した蒸着膜やアルミ薄板などから構成されて、収容する内容物に応じたバリア性を容器に担保する。
ここで、外装用樹脂層３０ｂの厚さは例えば１５μｍ、基材層３０ａの厚さは例えば２５０μｍ、樹脂フィルム３０ｃの厚さは例えば１５μｍ、バリア層３０ｄの厚さは例えば１２μｍ、内装用樹脂層３０ｅの厚さは例えば５０μｍである。
このような包材３０を、内装用樹脂層３０ｅ側を内側に向けて、図５に示すように、端部同士を重ねた筒状の包体３１に成形する。この筒状包体３１は、長尺状の筒形状となる。ここで、上記の筒状包体３１を形成する際に重ねた、包材３０の端部３１ａと端部３１ｂとの重なった領域を重なり部分Ｒと記載する。その重なり部分Ｒは、長尺状の筒状包体３１の軸方向に沿って延びている。
その重なり部分Ｒには、図５（ｂ）に示すように、エッジプロテクションテープ３２が貼り付けられている。エッジプロテクションテープ３２は、筒状包体３１の内面側に貼り付けられている。
ここで、少なくともシールするときには、筒状包体３１は、図５（ｂ）のように、扁平に潰された形状となっている。すなわち、図５（ｂ）における紙面上下方向から、ホーン３とアンビル４で押圧することで、シール位置では、シート体を構成する包材３０Ａ、３０Ｂが２層重なり合った積層体の状態となる。但し、上記の重なり部分Ｒでは、エッジプロテクションテープ３２を含めると、シート体が４層重なり合った状態となっている。
このように、重なり部分Ｒでは積層数が多いことから、図３に示すように、その重なり部分に当接する溶着面部１０の先端面に、その積層に応じた凹部が形成されている。その凹部１０ｂの形状の一例を図３に示す。
また、上記説明では、図３のように、ブロック体１１の溶着面部１０からの離間距離が一様に等しい場合を例示しているがこれに限定されない。例えば、重なり部分Ｒでは、シールする際に発生する熱可塑性樹脂の溶融量が相対的に多くなる傾向にあるため、この位置では、図６に示すように、ブロック体１１の溶着面部１０からの離間距離Ａ′を他の位置の離間距離Ａに比べて広く設定することが好ましい。
また隣り合うブロック体１１間の間隙は、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定する。
間隙が０．１ｍｍ未満では、シート体間に、空気が抜けるだけの隙間が形成されがたくなり、一方間隙が２ｍｍを超えると、溶融した樹脂が外方に移動するおそれがあるためである。
また、２条の溶着面部１０の間の溝には、図１のように、断裁刃７が配置されている。断裁刃７は、ホーン３側に向けて進退可能に設けられ、２条のシール位置の間を切断して分離するために使用される。
（動作その他）
図１は、容器下端部が封止され、内部に液体を充填されたレンガ型液体用紙容器の口（上端部）をシールすると同時に次の容器の下端部をシールする前の状態を示している。
この図１の状態から、ホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の当接面４Ａとで筒状包体３１を両側から所定の圧で挟み込んで、包体３１を積層体の状態とし、ホーン３の振動付与面３ａを超音波振動させる。これによって、内装用樹脂層３０ｅを溶融して紙面直交方向に２条のシール位置をシールする。シールが完了したら、断裁刃７を突出させて２条のシール位置の間を分断する。これによって現在の容器の封止が完了すると共に、上側に位置する次の容器の下端部がシールされる。
ここで、ホーン３の振動付与面３ａとアンビル４の当接面４Ａとで筒状包体３１を両側から押圧すると、図７に示すように、アンビル４側の包材３０Ｂ部分は、そのアンビル４の当接面４Ａに沿った形状に変形する。すなわち、振動付与面３ａと溶着押圧面１０ａ（溶着面部１０の先端面）との間のシール位置では、重なり合った２枚の包材３０Ａ、３０Ｂは密着状態となるが、その側方にシール位置に沿った帯状の空隙部Ｓが形成される。この空隙部Ｓの断面形状は、ブロック体１１の溶着面部１０からの離間距離やブロック体１１の高さで規定される。
このとき、複数のブロック体１１間に間隙が存在することから、上記帯状の空隙部Ｓは密封空間状態とはならない。このため、ブロック体１１間の位置で外方に抜ける間隙が２枚の包材３０間に形成されやすくなる。
このような状態で、ホーン３の振動付与面３ａを超音波振動させると、振動付与面３ａと溶着押圧面１０ａの間に位置する熱可塑性樹脂が溶融することで、振動付与面３ａと溶着押圧面１０ａの間に位置するシール位置で積層した包体３１がシール（封止）される。
このとき、振動付与面３ａと溶着押圧面１０ａとの間に位置する熱可塑性樹脂が過剰の場合には、溶融した熱可塑性樹脂の一部がシール位置から側方に所定の圧を持って押し出される。
この押し出された熱可塑性樹脂は、上記帯状の空隙部Ｓに流れ込むが、複数のブロック体１１の列によってそれ以上外側に移動することが抑制される。すなわち、押し出された熱可塑性樹脂の移動は複数のブロック体１１の列によって堰き止められる。
またこのとき、溶融した熱可塑性樹脂が所定の圧で空隙部Ｓに向けて流れ込むわけであるが、上記空隙部Ｓに存在した空気はブロック体１１間の間隙から外方に抜けることで圧抜きが行われる。このため、上記空隙部Ｓに移動した溶融状態の熱可塑性樹脂に対する空気の混入が抑制される。すなわち、溶融樹脂塊への空気の混入による溶融樹脂塊の崩れが防止される。
また、溶融樹脂塊の形状が上記空隙部Ｓに沿った形状にすることが出来る。すなわち、熱可塑性樹脂の形状不良を防止することが可能となる。
このように一列に並ぶ複数のブロック体１１によって、はみ出た熱可塑性樹脂による樹脂塊の厚さと幅を制御可能となる。したがって、過剰に熱可塑性樹脂が溶融された場合であっても、不定形な剥がれ易い溶融樹脂塊の形成を抑止することが出来る。
この結果、容器の内容物側に対し樹脂塊の混入を抑制することが可能となる。
また、包材３０が重なり合う段差部分である上記重なり部分Ｒや、筒状包体３１の長手方向に貼られるエッジプロテクトテープのある部分では、積層数が３層若しくは４層と多くなって、その他の位置に比べて熱可塑性樹脂の溶融量が多くなる。しかし、図６のように、離間距離を相対的に広く設定することによって、溶融した溶融樹脂塊が空隙部Ｓから溢れて、波打った不定形の溶融樹脂塊が形成されることを防止することが出来る。この結果、容器の内容物側に対し樹脂塊の混入を防止する効果を持つ。
ここで、上記実施形態では、ブロック体１１の形状を、立設方向からみて矩形形状の場合を例示しているがこの形状に限定されない。例えば、図８のように、ブロック体１１の角部を斜めに面取りして、空隙部Ｓの空気がブロック体１１間の間隙から抜けやすくしても良い。
また、空隙部Ｓの底面位置とブロック体１１間の間隙とが同じ高さであるため、ブロック体１１間の間隙が大き過ぎる場合には、その間隙から、空隙部Ｓに移動した溶融した樹脂の一部が間隙位置に入り込む可能性が大きくなる。このため、溶着面部１０とブロック体１１の列との間の面（空隙部Ｓの底面）よりもブロック体１１間の間隙の高さを嵩上げしておいても良い。例えばブロック体１１の高さの１０％以上５０％以下の範囲の嵩上げ量とする。例えば、溶着面部１０とブロック体１１の列との間に位置する当接面４Ａに半円弧状の１条の凹部を形成することで相対的に当該溶着面部１０とブロック体１１の列との間を低くする。
以上、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１５−１９７０４８号（２０１５年１０月 ２日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。
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。
１ 超音波シール装置
２ コンバータ
３ ホーン
３ａ 振動付与面
４ アンビル
４Ａ 当接面
９ 超音波発振器
１０ 溶着面部
１０ａ 溶着押圧面
１０ｂ 凹部
１１ ブロック体
３０ 包材
３０Ａ 包材
３０Ｂ 包材
３０ａ 基材層
３０ｂ 外装用樹脂層
３０ｃ 樹脂フィルム
３０ｄ バリア層
３０ｅ 内装用樹脂層
３１ 包体
Ａ 離間距離
Ｃ 間隙の寸法
Ｓ 空隙部

Claims (5)

  1. ２以上のシート体が重ね合わされた積層体を、ホーンの先端面に形成された帯状の振動付与面とアンビルの先端面に形成された当接面とで挟み込み、上記振動付与面に伝達された超音波振動で上記シート体に設けられた熱可塑性樹脂を溶融することで当該積層体を接合する超音波シール装置における上記アンビルであって、
    上記当接面には、上記ホーン側に突出し先端面が上記振動付与面と対向する帯状の溶着面部と、上記帯状の溶着面部の側方に位置して上記溶着面部の延在方向と同方向に沿って並び互いに非接触の複数のブロック体とを有し、
    上記複数のブロック体が一列に並ぶ複数のブロック体であり、一列に並ぶ複数のブロック体は、上記溶着面部の延在方向と同方向に沿って並び、且つ隣り合うブロック体が互いに非接触の状態となっており、
    上記複数のブロック体の高さは、上記溶着面部の高さ以下であることを特徴とするアンビル。
  2. 上記帯状の溶着面部が２条形成され、その２条の溶着面部を間に挟んだ両側に上記複数のブロック体の列をそれぞれ形成することを特徴とする請求項１に記載したアンビル。
  3. 上記溶着面部に対する上記ブロック体の離間距離は、上記シート体の積層数に応じて設定され、相対的に、上記積層数が多い位置での上記離間距離は、上記積層数が少ない位置での上記離間距離よりも広く設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したアンビル。
  4. 隣り合う上記ブロック体間の間隙は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載したアンビル。
  5. 内部に液体若しくは固形物を収容する容器の口を溶着により封止する超音波シール装置であって、
    請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したアンビルを有することを特徴とする超音波シール装置。
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