(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器及び蓋のレーザ溶着による密封方法において、前記容器がレーザを透過可能な熱可塑性樹脂から成る、底部、胴部及びフランジ部を有するカップ型容器であり、前記蓋が熱可塑性樹脂にレーザを吸収して発熱する発熱物質を含有させた樹脂組成物から成る、前記容器フランジ部に対応する周縁部を有する落とし蓋形状の成形蓋であり、
前記容器のフランジ部及び蓋の周縁部を押圧治具を用いて上方から押圧して密着させた状態で、容器の下方又は側方から容器及び蓋の当接面にレーザを照射し、該レーザが、強度分布が一様な矩形ビームを照射可能なレーザであり、前記容器及び蓋の溶着界面における、レーザ照射により上昇する温度の上限が、前記熱可塑性樹脂の融点以上、且つ熱分解開始温度未満の範囲にあり、下記式（１）
ｔ（ｍｓｅｃ）＝Ｌ／Ｓ        …（１）
式中、Ｌは矩形ビームのスキャン方向の長さ（ｍｍ）、Ｓは１．６５ｍｍ／ｍｓｅｃ以下のレーザのスキャン速度（ｍｍ／ｍｓｅｃ）である、
で表わされる加熱時間ｔ（ｍｓｅｃ）で前記上限温度に達することを特徴とする密封方法。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂が、スチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、又はポリエステル樹脂の何れかである請求項１記載の密封方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂からなる容器及び蓋のレーザ溶着による密封方法に関するものであり、より詳細には、容器及び蓋を短時間で確実に密封し得るレーザ溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
容器を蓋で密封する方法としては、一般に容器及び蓋の当接面に接着剤を施して接着する方法のほか、容器及び蓋の当接面をヒートシール性樹脂から形成し、ヒートシールにより溶着させて密封することが行われている。ヒートシールによる溶着は、簡便な方法であることから一般的に広く採用されている。
しかしながら、ヒートシールによる溶着は、熱溶着工程、及びその後に行われる冷却工程に時間がかかり、生産性の点で十分満足するものではなく、また一般的なヒートシールバーを用いるヒートシール方式においては、溶着部分の外面からシール面に熱を伝導させる必要があることから、厚肉の容器等では熱の伝導に時間がかかり、生産性が低下するためその肉厚に制約があり、容器、蓋形状の自由度が低いという問題がある。更に、ヒートシール部が冷却され、完全に密閉されるまでに所定の時間がかかるため、特に自生圧力を有する内容物を充填する場合や熱間充填する場合などでは、シール熱で熱膨張したヘッドスペースの気体が溶融状態のシール部から逃げることで、シール剥離を発生するおそれもある。
【０００３】
一方、容器及び蓋等の包装体の部材の溶着方法としては、従来よりレーザによる溶着も知られており、例えば、特許文献１には、容器本体に底蓋及び上蓋をレーザ溶着により溶着して一体化することが提案されており、このようなレーザ溶着による包装体の部材等の溶着においては、部材等の肉厚の制約をあまり受けずにシール界面が溶着されるため、ヒートシールの場合に比して溶着に要する時間が短縮されている。
また、本発明者等は、容器及び蓋等の包装体の部材を互いに押圧する自己押圧機構を有する構成とし、溶着部分を予め外部押圧機構により固定しなくてもレーザ溶着することができ、比較的肉厚の包装体の部材でも高速且つ安定的に密封することが可能な溶着方法を提案した（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２８１６６号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、レーザ溶着による容器及び蓋の密封は、従来のヒートシールによる溶着に比べると短時間で生産性よく行われるものであるが、レーザ溶着により容器及び蓋の密封を行う場合においても、更に生産効率を向上させるために短時間で容器及び蓋の溶着を行うことが要求されている。
レーザ溶着においてより生産性を上げるためには、レーザのスキャン速度を上げると共に、短時間の照射で確実に溶着すべく、レーザの出力を上げることが考えられる。しかしながら、レーザ溶着は加熱対象の樹脂物性に大きく影響を受けることから、単にレーザの出力を上げただけでは、局所的に過剰な熱が発生して樹脂が熱分解し、樹脂が発泡する等の問題が生じ、結果として短時間で確実な密封性を確保できないことがわかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、樹脂の発泡等を生じることなく、容器及び蓋を短時間で確実に密封し得るレーザ溶着方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、容器及び蓋のレーザ溶着による密封方法において、前記容器がレーザを透過可能な熱可塑性樹脂から成る、底部、胴部及びフランジ部を有するカップ型容器であり、前記蓋が熱可塑性樹脂にレーザを吸収して発熱する発熱物質を含有させた樹脂組成物から成る、前記容器フランジ部に対応する周縁部を有する落とし蓋形状の成形蓋であり、前記容器のフランジ部及び蓋の周縁部を押圧治具を用いて上方から押圧して密着させた状態で、容器の下方又は側方から容器及び蓋の当接面にレーザを照射し、該レーザが、強度分布が一様な矩形ビームを照射可能なレーザであり、前記容器及び蓋の溶着界面における、レーザ照射により上昇する温度の上限が、前記熱可塑性樹脂の融点以上、且つ熱分解開始温度未満の範囲にあり、下記式（１）
ｔ（ｍｓｅｃ）＝Ｌ／Ｓ        …（１）
式中、Ｌは矩形ビームのスキャン方向の長さ（ｍｍ）、Ｓは１．６５ｍｍ／ｍｓｅｃ以下のレーザのスキャン速度（ｍｍ／ｍｓｅｃ）である、
で表わされる加熱時間ｔ（ｍｓｅｃ）で前記上限温度に達することを特徴とする密封方法が提供される。
【０００８】
本発明の密封方法においては、前記熱可塑性樹脂が、スチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、又はポリエステル樹脂の何れかであること、が好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の密封方法によれば、強度分布が一様な矩形ビームを照射可能なレーザ（以下、単に「矩形レーザ」ということがある）を用いることにより、一般的な円形のスポットレーザに比して効率よくレーザを照射することができ、樹脂の過加熱を生じることなく短時間で確実に溶着することが可能になる。
すなわち、容器及び蓋をレーザ溶着する場合には、容器開口部に対応した円形状にレーザを走査（スキャン）させることが必要であることから、スキャン方向に長さＬを有する矩形レーザを用いることにより、一般的なスポットレーザにおいてその径を大きくするよりもエネルギーを無駄にすることなく、スキャン速度を上げることができ、１．６５ｍｍ／ｓｅｃ以下という高速で容器及び蓋のレーザ溶着による密封を行うことが可能になる。
また、本発明においては、レーザを透過可能な熱可塑性樹脂（以下、「レーザ透過熱可塑性樹脂」ということがある）及び熱可塑性樹脂にレーザを吸収して発熱する発熱物質を含有させた樹脂組成物（以下、「レーザ吸収樹脂組成物」という）の溶着界面の上限温度を、熱可塑性樹脂の融点以上、且つ熱分解開始温度未満の範囲の温度とすることにより、レーザ吸収樹脂組成物の発泡を生じることなく、容器及び蓋を短時間で確実に溶着することが可能になる。
更に本発明においては、上述したレーザ透過熱可塑性樹脂及びレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物に用いられる熱可塑性樹脂として、同種の熱可塑性樹脂を用いることで、これらの界面の溶着を有効に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】容器としてポリプロピレン、蓋としてポリプロピレンにカーボンブラック１０００ｐｐｍを含有させたレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物、を用いた場合のシール界面温度と加熱時間との関係を示す図である。
【図２】容器及び蓋のフランジ部でのレーザ溶着を説明するための図である。
【図３】容器及び蓋の側面でのレーザ溶着を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
レーザ溶着は、レーザ吸収熱可塑性樹脂組成物中に含有される発熱物質がレーザを吸収することによって発熱し、この熱が伝達されることで熱可塑性樹脂が溶融して、シール界面が溶着されるが、この熱の伝達には一定の時間がかかるため、レーザ透過熱可塑性樹脂の温度上昇に遅れが生じる。その結果、溶着時間の更なる短縮を目的に単にレーザの出力を上げるだけではレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物に過加熱による発泡が生じてしまうことから溶着時間の短縮には限界があるという問題がある。
本発明のレーザ溶着による密封方法においては、レーザ吸収熱可塑性樹脂組成物での過加熱を生じさせることなく、シール界面での確実な溶着を短時間で行うべく、スキャン方向に所定長さＬを有する矩形レーザを用いること、及びレーザ溶着に際して容器及び蓋のシール界面の温度を、容器及び蓋を構成する熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解開始温度未満の範囲内の温度に上昇させること、が重要な特徴である。
【００１２】
すなわち、容器及び蓋を構成する、レーザ透過熱可塑性樹脂及びレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物について、用いるレーザの出力に応じて例えば３条件程度照射時間を割り振って試験的に温度を測定して温度係数を算出することで、照射時間に応じた樹脂温度を算出することが可能であることから、図１に示すように、レーザ透過熱可塑性樹脂及びレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物が、熱可塑性樹脂の融点以上及び熱分解開始温度未満の温度に達するのに要する加熱時間ｔ１（ｍｓｅｃ）を求めることができる。一方、この加熱時間は、レーザのスキャン方向の単位長さ（ｍｍ）当たりにレーザが照射される時間であることから、レーザのスキャン方向の長さがＬ（ｍｍ）の矩形レーザを用いた場合には、上記式（１）で表わされる。
従って、本発明においては、上記式（１）で表される加熱時間ｔを、上記加熱時間ｔ１となるように、矩形レーザの長さＬ或いはスキャン速度を設定することにより、レーザ吸収樹脂組成物の発泡を生じることなく、短時間で、容器及び蓋の確実な溶着を行うことが可能になる。
【００１３】
（レーザ透過熱可塑性樹脂）
本発明においてレーザ透過熱可塑性樹脂としては、レーザ透過率が７０％以上、特に８０％以上の熱可塑性樹脂であることが好適である。レーザ透過率は、使用するレーザ光の波長に対応する光について分光光度計を用いて透過率を測定し求めることができる。
尚、レーザ透過率は、同一の熱可塑性樹脂であっても、厚みによって異なるものであり、本発明においては、後述する厚みの範囲内において７０％以上の透過率を有することを意味するものである。
このような熱可塑性樹脂としては、好適には、耐衝撃性ポリスチレン等のスチレン系樹脂、低−、中−、高−密度のポリエチレン、アイソタクチックポリプロピレン、プロピレン・エチレン共重合体、ポリブテン−１、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・ブテン−１共重合体、プロピレン・ブテン−１共重合体、エチレン・プロピレン・ブテン−１共重合体等のオレフィン系樹脂、或いはポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂等、従来包装容器に用いられているものであることが望ましく、特にレーザ吸収樹脂組成物の発熱により容易に溶融するものであることが必要であることから、融点が２５０℃以下の熱可塑性樹脂を用いることが容易に溶着でき好適であり、特にポリエチレン、ポリプロピレンを好適に用いることができる。
【００１４】
（レーザ吸収樹脂組成物）
本発明において、レーザ吸収樹脂組成物においては、上述したレーザ透過熱可塑性樹脂で用いた熱可塑性樹脂と同じ熱可塑性樹脂を用いることが、レーザ溶着性の点から好適である。
本発明のレーザ吸収樹脂組成物においては、樹脂組成物に均一に発熱物質が含有されているものであることがシール界面でのレーザ透過熱可塑性樹脂を容易に溶融させる観点から望ましく、このような発熱物質としては、鉄粉等の酸素吸収剤や、カーボンブラック等の着色顔料を挙げることができる。
発熱物質は、用いる発熱物質の種類にもよるが一般に、熱可塑性樹脂１００重量部当り０．０１乃至０．３０重量部、特に０．０５乃至０．１５重量部の量で配合することが望ましい。
【００１５】
（容器及び蓋）
本発明の容器及び蓋の密封方法は、レーザ溶着により密封して成るものであることから、容器及び蓋の形状の制約を受けず、種々の形態の容器及び蓋の組合せを採用することができる。
本発明においては、容器及び蓋の何れか一方がレーザ透過熱可塑性樹脂から成り、他方がレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成るものであり、何れがレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物であってもよいが、好適には、蓋がレーザ吸収性熱可塑性樹脂組成物から成ることが好適である。
容器としては、具体的には、シート状の単層、積層材料から真空成形、圧空成形、プラグアシスト成形等の熱成形によって成形されたカップ或いはトレイ等の容器や、絞り成形によって成形された有底カップ等を例示することができ、特にフランジ部を有するカップであることが好適であり、この場合には、フランジ部で容器及び蓋を５５０ｋｐａ以上の圧力で当接してレーザを照射し溶着される。
蓋の形状は、容器のカップ或いはトレイ等の形状によって、種々の形状をとることができ、例えば平面状のもの、中央が内方にへこんだ落とし蓋状、頂板部の外周端部から垂下するスカート部を有するオーバーキャップ状の蓋等の成形蓋等、容器との当接部分に合わせて適宜変更することができる。
尚、容器又は蓋の溶着箇所のみがレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物で形成されていてもよく、例えば容器のフランジ部のみがレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成り、容器胴部及び底部は、発熱部材を含有しないレーザ透過熱可塑性樹脂であってもよいし、或いは多層構造が形成されていてもよい。また蓋のフランジ部のみがレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成り、中央部がレーザ透過熱可塑性樹脂から成っていてもよい。
【００１６】
本発明においては、容器及び蓋の溶着箇所における厚みは、レーザ透過熱可塑性樹脂から成る部分が、０．１乃至２．０ｍｍ、特に０．５乃至１．２ｍｍの範囲の厚みにあることが望ましい。上記範囲よりもレーザ透過熱可塑性樹脂から成る部分の厚みが薄い場合には、確実な溶着を行うことができず、一方上記範囲よりも厚い場合には、レーザビームを通常の条件でレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成る部分に到達させることが困難になり、やはり確実な溶着を行うことができない。
また、レーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成る部分は、０．１乃至２．０ｍｍ、特に０．５乃至１．２ｍｍの範囲にあることが望ましい。上記範囲よりもレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成る部分の厚みが薄い場合には、確実な溶着を行うことができず、一方上記範囲よりも厚くても経済性に劣るようになる。
【００１７】
（密封方法）
本発明においては、前述した容器と蓋の当接部分を、レーザ透過熱可塑性樹脂から成る部材側からレーザビームを照射して、レーザ吸収熱可塑性樹脂組成物を発熱させることにより、レーザ透過熱可塑性樹脂を溶融して、容器及び蓋の当接面を溶融密着させる。
本発明の密封方法においては、容器内に内容物を充填した後、容器及び蓋のシール部分の形状に合わせて、容器或いはレーザ発振機を移動（回転）させることにより、レーザを容器及び蓋のシール部分にスキャンさせる。
レーザビームの照射に際し、容器及び蓋の当接面を密着させることが効率よく両者を溶着させる上で重要であり、図２及び３に示すように、両者を押圧固定する治具等を用いて密着させることができる。
【００１８】
図２は、レーザ透過熱可塑性樹脂から成る容器とレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物から成る蓋を、フランジ部で溶着させる密封方法の一例について説明するものであり、容器として、胴部１１、底部１２及びフランジ部１３から成るカップ１０、蓋として容器のフランジ部に対応する周縁部２１よりも内側の中央部２２が内方に凹んだ落とし蓋状の成形蓋２０から成っている。
ターンテーブル３０にカップ１０が設置・固定され、カップ１０のフランジ部１３の位置に成形蓋２０の周縁部２１が位置するように、成形蓋２０を設置する。成形蓋２０の上方から荷重を掛けることにより、カップ１０のフランジ部１３及び成形蓋２０の周縁部２１の当接面を密着させる。
次いで、ターンテーブル３０の回転に合わせ、容器及び蓋の斜め下方からレーザビームが照射されることにより、カップ１０及び成形蓋２０の当接面を溶着して密封することが可能となる。
【００１９】
また、図３に示すように、落とし蓋状の成形蓋２０の側面２３に突起２４が形成されており、該突起２４によってカップ１０の内側面が押圧されて互いに圧着する箇所が形成されているような場合には、容器及び蓋の側方からレーザ照射することもできる。
【００２０】
本発明に用いるレーザとしては、従来レーザ溶着に用いられていたレーザを用いることができ、ガスレーザ、固体レーザ、或いは半導体レーザ等を使用することができ、中でも半導体レーザが設備の小型化やコストの面で好適に使用することができる。
レーザ発振器の出力は１００乃至５００Ｗ、特に２００乃至３５０Ｗの範囲にあることが好ましい。尚、高速での溶着を可能にするためには、レーザ出力を上げることが考えられるが、前述した通り、レーザ吸収熱可塑性樹脂組成物の熱分解による発泡を生じるおそれがあり、本発明においては、従来レーザ溶着に使用されていた範囲の出力で高速溶着を可能にした点に意義がある。
用いるレーザは、商業的には樹脂の透過性とレーザビームを吸収して発熱する物質の性質、及びレーザ発振器の出力、値段、安全性により決まる。
【００２１】
本発明においては、レーザビームとして矩形ビームのものを用いることが重要であり、これにより、短時間での容器及び蓋のレーザ溶着による密封が可能になる。矩形ビームの寸法としては、前述した通り、用いる熱可塑性樹脂及び発熱物質及びその含有量、並びにスキャン速度によって、矩形レーザビームのスキャン方向の長さを決定することができる。
また、レーザビームの焦点距離は５０乃至２５０ｍｍ、特に１００乃至２００ｍｍの範囲にあることが好ましい。
本発明において、レーザビームのスキャン速度は、高速でのレーザ溶着を目的とすることから、レーザ出力及びレーザ吸収熱可塑性樹脂組成物の熱分解開始温度に応じて１．６５ｍｍ／ｍｓｅｃ以下、特に１．４０乃至１．６５ｍｍ／ｍｓｅｃの範囲となるように設定することが望ましい。尚、スキャン速度（ｍｍ／ｍｓｅｃ）は、容器の口径から算出されるシール長さ（ｍｍ）とレーザの照射時間（ｍｓｅｃ）から算出される。
【実施例】
【００２２】
以下、カップ型容器及び落とし蓋状の成形蓋を準備した。
容器：層構成が（カップ外面側）４５０μｍポリプロピレン／３０μｍ接着剤層／９０μｍＥＶＯＨ（エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂）／３０μｍ接着剤層／（カップ内面側）４００μｍポリプロピレン（融点：１６０℃）となる樹脂シートから、真空成形法にて、側壁部の上部が上方に行くに従って径が減少する逆テーパ状（テーパ角：約１０°）で、開口部外径が８０ｍｍ、内容量が１２０ｍｌのフランジ部を形成したカップ型容器を成形した。
成形蓋：ポリプロピレン樹脂（融点１６０℃）にカーボンブラックを１０００ｐｐｍ添加し、インジェクション成形で厚さが０．７ｍｍの落とし蓋を成形した。
【００２３】
前記カップ型容器に水を１００ｇ充填し、前記カップ型容器のスタック部で容器を保持する受台を用いて、成形蓋を押し込んでカップ型容器と成形蓋を設置・固定し、カップ型容器のフランジ部の位置に成形蓋の周縁部が位置するように、成形蓋を設置した。カップ型容器フランジ部及び成形蓋の周縁部の当接面の接触圧が８００ｋＰａ以上となる様、成形蓋の周縁部に上方から荷重を掛け、カップ型容器のフランジ部及び成形蓋の周縁部の当接面を密着させた。次いで、ターンテーブルを４２０ｒｐｍで回転させ、カップ型容器及び成形蓋の中心軸に対し、Φ７５ｍｍの位置に向けて下方から照射角６０°でレーザビームを０．１５秒間照射し、溶着部の強度を評価した。
【００２４】
溶着条件は以下の通りである。
レーザ発振器：株式会社日鐵テクノリサーチ（最大レーザ出力３３０Ｗ）、半導体（ＧａＡｓ）レーザ、波長８０６±１０ｎｍ、レーザ出力３００Ｗ、レーザ形状１．５×４ｍｍ
レーザ照射位置直径：Φ７５ｍｍ
レーザ発振時間：０．１５ｓｅｃ（受台回転数４２０ｒｐｍ、１．０５回転分照射、スキャン速度１.６５ｍｍ／ｍｓｅｃ）
当接面接触圧：約８００ｋＰａ（当接面面積  約４ｃｍ２、荷重３３０Ｎ）
【００２５】
溶着強度の確認方法として、密封軟包装、容器の試験方法であるＪＩＳ  Ｚ０２３８に基づき試験を行った。また、破裂強さに関しては、前記試験においてレトルト殺菌用容器等に要求される破裂強さである容器内圧０．０２ＭＰａに耐えることを密封性の判断基準とした。確認の結果、溶着強度は確保され、０．１ＭＰａまで容器内圧を上昇させても破裂は発生せず、十分な密封性を有していた。又、樹脂の発泡は見られなかったことにより、容器及び蓋の溶着界面における、レーザ照射によって上昇する温度の上限が、ポリプロピレンの融点以上、且つ熱分解開始温度未満の範囲に収まる加熱時間であることがわかる。
【００２６】
比較例としてレーザ形状を１．５×３ｍｍに変更して同様の条件でレーザを照射し評価したところ、カップ型容器側の樹脂の温度上昇が不十分で必要な溶着強度と密封性が得られなかった。
十分な溶着強度と密封性を得るには、受台回転数３３０ｒｐｍ（レーザ発振時間０．１９ｓｅｃ、１．０５回転分照射、スキャン速度１.３０ｍｍ／ｍｓｅｃ）にする必要があったが、この条件では、成型蓋の周縁部の樹脂に発泡が見られた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のレーザ溶着による密封方法は、容器及び蓋を短時間で確実に溶着することができ、しかも熱可塑性樹脂の融点以上及び熱分解開始温度未満の温度に達する、適切な加熱時間で溶着されるため、樹脂の発泡を生じることなく確実に溶着することができる。そのため、密封性は勿論、生産性にも優れており、大量生産される商品の密封方法として好適に利用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１０  カップ、１３  フランジ部、２０  成形蓋、２１  周縁部。
【図１】
0006024152.tif 000002
【図２】
0006024152.tif 000003
【図３】
0006024152.tif 000004