(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂からなる包装材を熱により溶かして接合させる熱溶着装置であって、
加熱手段を有する加熱体と、
前記加熱体を移動させるための押圧手段と、
前記加熱体に掛かる荷重を検出する荷重検出手段と、
前記荷重検出手段が所定の値を検出してからの前記加熱体の移動量を検出するための変位検出手段と、を有し
前記移動量が所定の値となるまで前記押圧手段を移動させる
ことを特徴とする熱溶着装置。
【請求項２】
前記変位検出手段は、エンコーダまたは渦電流センサであることを特徴とする請求項１に記載の熱溶着装置。
【請求項３】
前記押圧手段は、電動アクチュエータであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱溶着装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、ヒータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱溶着装置。
【請求項５】
熱可塑性樹脂からなる包装材を熱により溶かして接合させる熱溶着方法であって、
加熱体を移動させて前記包装材に接触させ、
前記接触させた時の接触荷重から所定の荷重になるまでさらに前記加熱体を移動させ、
前記所定の荷重に到達してから所定の溶込量となるまでさらに前記加熱体を移動させて前記包装材を接合させることを特徴とする熱溶着方法。
【請求項６】
前記所定の荷重に到達してから所定の溶込量となるまで、前記荷重が一定になるよう前記加熱体を移動させることを特徴とする請求項５に記載の熱溶着方法。
【請求項７】
前記包装材の容器のリブを溶かして接合させることを特徴とする請求項５または６に記載の熱溶着方法。
【請求項８】
前記リブの幅は、高さが高くなるほど狭くなっていることを特徴とする請求項７に記載の熱溶着方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱溶着装置によって接合されたことを特徴とする包装材の製造方法。
【請求項１０】
請求項５〜８のいずれか一項に記載の熱溶着方法を用いることを特徴とする包装材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂の熱溶着装置および方法に関するものであり、たとえば容器と蓋とを接合する際に使用される。本発明は、特に精密部品で超音波溶着などの接合方法が利用できない場合に有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な包装材の接合を行う装置には、高速化が求められるため熱溶着や超音波溶着、振動溶着などの様々な接合方法が用いられている。特に振動を嫌う精密部品に関しては、主に熱溶着が用いられている。熱溶着とは、加熱手段を有する加熱体を押圧し包装材の容器と蓋を潰し込むことにより接合させる技術である。
【０００３】
包装材の役割は、輸送時の圧力変動や温度変化に耐え得る密閉性を確保することである。また、相反する要件として、人手で剥がし易い程度の溶着強度であるという容易開封性も重要となる。このように包装材の役割として、密閉性と容易開封性を両立させる必要がある。密閉性の品質評価方法としては、加圧と減圧を繰り返す加減圧試験や、高温環境下と常温環境下に交互に置くヒートサイクル試験が一般的に行われている。また容易開封性の品質評価方法としては、溶着部の剥離試験を実施している例がある。密閉性と容易開封性の両要件を同時に満足するためには溶着強度の管理が必要である。溶着強度は接合面積に基づいて決定される。一般に、被溶着物である容器側の溶着リブの蓋と接合する面には、容器と蓋の潰し込みを効果的に行うために、図７（ａ）に示すように、開口部の周囲に凸状形状の溶着リブが形成されている。図７（ｂ）および（ｃ）は凸状形状の溶着リブの断面の例を示したものである。この凸状形状が一定の幅でない場合、容器と蓋の潰し代にあたる変位量を管理することが重要である。図７（ｂ）に示すように溶着リブの凸状形状の幅が均一な場合、潰し代の管理を行わなくても接合長さ１と２が一定となるため溶着強度は一定となる。潰し代によって溶着バリの発生量は異なるが、溶着強度には影響しない。しかし図７（ｃ）に示すように、容器を金型で成形するために、凸状形状の幅が高さによって異なる場合がある。その場合、潰し代によって接合長さが変わるため、所定の溶着強度を保つには潰し代を管理する必要がある。
【０００４】
下記特許文献１には一般的な包装材の熱溶着方法及び装置が開示されている。対象となる包装材は熱可塑性樹脂の容器とフィルム状の蓋とからなる。この熱溶着装置は、容器と蓋をそれぞれ供給する機構と、容器を間欠運動させる搬送路、被包装物を容器に収納する機構、加熱体を押圧することにより蓋を容器に熱溶着する機構から構成されている。供給された容器に被包装物を収納しその上に蓋を供給し、加熱手段を有する加熱体により蓋と容器を押圧することで熱溶着を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−８１３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の熱溶着方法では、時間管理によって溶着強度の管理を行っていた。しかしこの方法では、蓋や容器の溶着リブの高さや幅のばらつきに関わらず一律に一定の時間で溶着を終了してしまうため、接合された包装材の溶着強度のばらつきが大きくなってしまうという課題があった。
【０００７】
そこで、かかる課題を解決するために、蓋や容器の溶着用凸状リブの高さや幅のばらつきの影響をキャンセルすることが可能な溶込量制御を行う必要がある。
【０００８】
しかしながら、熱可塑性樹脂同士を溶着する場合、熱変形してしまうため、剛体同士であれば容易に検出できる接触荷重を検出することが難しい。接触荷重を正確に検出するためには、荷重を低く設定するか、もしくは、加熱体の温度を低く設定する必要がある。しかし、１．０秒以内の高速タクトで熱溶着を行うためには溶着荷重を高く設定するか、もしくは加熱体の温度を高く設定する必要がある。溶着荷重を高くすると、きちんと熱が伝達されないうちに溶着が完了してしまい、溶着強度が低下するという課題が生じる。また同様に加熱体を高温にすると加熱体が蓋に接近した時点で熱可塑性樹脂が溶融し始めて軟化してしまい、溶着強度が安定しない。そのため高速タクトでは、加熱体が蓋に接触する際の荷重を検出しにくいため、溶着強度の管理が難しくなる。
【０００９】
そこで、本発明による熱溶着装置および方法では、簡易な構成で溶着強度を安定化させるとともに、高速化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、本発明は上記目的を達成するために、熱可塑性樹脂からなる包装材の容器と蓋を熱溶着により接合させる熱溶着装置であって、加熱手段を有する加熱体と、変位検出手段を有する押圧手段と、荷重検出手段とを有しており、該荷重検出手段によって該加熱体に掛かる荷重を検出し、溶着物や被溶着物の個体差の影響を受けずに溶着強度を管理可能としたものである。
【００１１】
また、第２の課題解決手段は、上記熱溶着装置であって、前記加熱体と前記蓋が接触した直後の接触荷重を検出した位置からの変位量を管理可能とする変位量管理用に、エンコーダや渦電流センサなどの位置検出手段を有するアクチュエータを有する構成としたものである。
【００１２】
上記第１の課題解決手段による作用は次の通りである。すなわち、蓋と容器の接触点を毎回検出するので、蓋や容器などの溶着物や被溶着物の個体差の影響を受けずに溶着強度を管理可能とすることができる。
【００１３】
また、第２の課題解決手段による作用は、位置検出手段を有するアクチュエータを用いることで、容易に溶込量制御を行うことができるという効果を発揮する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱溶着装置および方法によれば、高速タクトでも溶着強度のばらつきを抑えることが可能となり、密閉性や容易開封性の不良による不良品の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の熱溶着装置の構成を示した概略図
【図２】第１の実施の形態における動作フローを示した図
【図３】第１の実施の形態における荷重と変位の時間変化を示した図
【図４】比較例１における動作フローを示した図
【図５】比較例１における押圧荷重と変位の変化を示した図
【図６】第２の実施の形態における動作フローを示した図
【図７】一般的な容器の上面図と溶着リブの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の好適な実施形態の熱溶着装置の構成を示す概略図である。図１の熱溶着装置により、容器１２に蓋１１を熱溶着（接合）する。蓋１１は容器１２の上に載せられた状態で支持され、容器１２はバックアップ３３により支持されている。
図１において２１は、蓋１１を直接加熱する加熱体である。加熱体２１の内部に、カートリッジヒータやパルスヒータなどの加熱手段２２が設けられている。加熱手段２２は、温度調整用のコントローラ２３によって制御されている。
【００１７】
また、加熱体２１を上下方向に駆動するアクチュエータとして、サーボモータや電動シリンダ、ステッピングモータやリニアモータを使用した単軸ロボットの電動アクチュエータなどの押圧手段３１を具備している。なお、押圧手段３１は、後述する変位量管理機能と荷重切り替え機能の双方を有していてもよい。この押圧手段３１はサーボモータのエンコーダや外部の渦電流センサなどの変位検出手段３２を具備している。また、加熱体２１と蓋１１を押圧する際の荷重を検出するため、ロードセルなどの荷重検出手段４１を有している。
【００１８】
次に、図１に示す熱溶着装置を用いた熱溶着方法について、図２の動作フローを用いて説明する。ステップ１（Ｓ１）では、バックアップ３３に蓋１１と容器１２がセットされ、加熱体２１は蓋１１から離れた位置に待機している。また、加熱体２１は加熱手段２２によって熱せられて加熱状態にある。次にステップ２（Ｓ２）では、加熱体２１全体が押圧手段３１によって移動され所定の移動速度切り替えポイントまで高速移動する。移動速度切り替えポイントは、本実施形態の場合、加熱体２１と蓋１１が接触する位置より０.５ｍｍ以上手前とする。その後、ステップ３（Ｓ３）で押圧手段３１の移動速度の切り替えを行い、ステップ４（Ｓ４）で１０ｍｍ/ｓｅｃ以下の低速の状態で加熱体２１全体が移動開始する。ステップ５（Ｓ５）で低速のまま加熱体２１と蓋１１が接触し、熱可塑性樹脂同士が溶融し始めることで徐々に荷重が高まる。次にステップ６（Ｓ６）で、所定の接触荷重を検出するまで押圧手段３１は移動を続け、加熱体２１と蓋１１が接触したと判断する。その後、ステップ７（Ｓ７）で接触荷重から溶着荷重まで所定の時間で荷重が切り替わるように移動を続け、ステップ８（Ｓ８）で所定の溶着荷重に到達する。次にステップ９（Ｓ９）では、ステップ７の時点での現在位置をゼロ点とし、所定の溶込量に到達するまで荷重が一定になるように移動を続ける。その際、ステップ７、８とステップ９とは同時に行われる。ステップ９で溶込量が所定の値に達した後、ステップ１０（Ｓ１０）で溶着完了となる。その後、ステップ１１（Ｓ１１）で加熱体２１全体がステップ１の際の位置に戻るよう高速移動を開始する。ステップ１と同一の位置に戻ったステップ１２（Ｓ１２）の時点で１サイクル動作が終了する。
【００１９】
このように、図２に示す動作フローの熱溶着方法を行うことで溶着物や被溶着物の個体差による影響を受けることなく常に安定した溶着強度を達成できるよう管理することができる。
なお、上記の熱溶着装置において、加熱体と蓋が接触した直後の接触荷重を検出した位置からの変位量（移動量）を管理可能とする変位量管理用に、エンコーダや渦電流センサのような位置検出手段を有するアクチュエータを備えていてもよい。
【００２０】
次に、本発明の第１の実施の形態の実施例１の熱溶着装置および熱溶着方法について、図１〜図３を参照して説明する。また、比較例１として時間管理によって溶着強度の管理を行う従来技術による熱溶着方法について、図４および図５を参照して説明する。実施例１と比較例１の対照から、荷重切り替えの有無による溶着強度のばらつきの差異の具体例を示す。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２１】
（実施例１）
第１の実施の形態の実施例１における熱溶着装置の装置構成は、図１に概略的に示す通りである。なお、容器１２の上端には蓋１１を溶着するため、図７（a）に示した容器１２の形状と同様の、長さ方向断面が凸状形状である溶着リブがリング状に形成されている。また、凸状形状の幅（リング幅）は高さによって異なっており、図７（ｃ）に示したように、断面がお椀を逆に伏せたような形状となっている。すなわち凸状形状の高さが高くなるほどの凸状形状の幅は小さくなっている。具体的には以下の装置構成で実施した。
【００２２】
該装置は、まず黄銅からなる加熱体２１と、その内部に加熱手段２２として２本の１５０Ｗのシース型カートリッジヒータを有している。また、加熱手段２２をコントロールするための温度調整器としてサンプリング周期１００ｍＳのコントローラ２３を使用した。
【００２３】
また押圧手段３１としてサーボモータを、荷重検出手段４１として最大容量２０００Ｎ、分解能０．１％のロードセルを備えている。この押圧手段３１としてのサーボモータは、荷重検出手段４１の検出値に対してフィードバック制御することが可能である。本実施例において使用した蓋１１は、熱溶着層として熱可塑性樹脂である無延伸ポリプロピレン層と、インクの蒸発を防ぐガスバリア層、ポリプロピレンよりも融点の高い熱保護層などの複数層からなる総厚１２０μｍの熱可塑性樹脂フィルムであった。容器１２はポリプロピレンからなり、熱溶着のために外周に高さ２００μｍ、幅１．２ｍｍの断面逆お椀形状の溶着リブを有する。
【００２４】
次に、実施例１における熱溶着方法について図２および図３を参照して説明する。
【００２５】
図３は、横軸が時間（Ｓｅｃ）、縦軸が荷重検出手段４１によって検出した荷重（Ｎ）と、変位検出手段３２によって検出した変位（ｍｍ）の値をそれぞれ表している。また、グラフ中の実線が荷重の推移を表し、鎖線は変位の推移を示している。また、横軸の時間軸に示されているＳ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０は、それぞれ図２に示した動作フローのステップと対応している。
【００２６】
前記の蓋１１と容器１２を、以下に記載する設定条件で熱溶着した。加熱体２１の溶着温度が２００℃の恒温状態になるよう、コントローラ２３で加熱手段２２を制御した。
【００２７】
また、荷重切り替え条件として、図２に示す動作フローおいてステップ６の接触荷重を２００Ｎに、ステップ８の溶着荷重を５００Ｎに設定し、連続的に荷重の切り替えを行った。また、ステップ８で溶着荷重に到達後に所定の押圧荷重を維持し続けるようフィードバック制御を行うことで、押圧手段３１のオーバーランを低減し、溶着強度を管理可能とすることができる。
【００２８】
さらに、図２においてステップ６からステップ１０へ歩進するための溶込量の設定値を１３０μｍとした。
【００２９】
（比較例１）
従来技術を用いた比較例１として、荷重切り替えを行わず時間管理のみを行う熱溶着装置および熱溶着方法について説明する。
【００３０】
まず比較例１における熱溶着装置は、図１に示す装置の構成機器のうち一部の機器を有さずに構成してある。具体的には以下の装置構成で実験を行った。
本比較例の装置構成と実施例１の装置構成との相違点は、本比較例の装置が押圧手段３１としてエアシリンダを使用しており、変位検出手段３２を有していない点である。また、本比較例の装置は荷重検出手段４１も有していない。
【００３１】
次に、比較例１の熱溶着装置を用いた熱溶着方法について、図４の動作フローを参照して説明する。ステップ１（Ｓ１）では、バックアップ３３に蓋１１と容器１２がセットされ、加熱体２１は蓋１１から離れた位置に待機している。また、加熱体２１は加熱手段２２によって熱せられて加熱状態にある。次にステップ２（Ｓ２）では、加熱体２１全体が押圧手段３１によって移動を開始し、同時にステップ３（Ｓ３）で時間管理を開始する。ステップ４（Ｓ４）で加熱体２１と蓋１１とが接触し、所定の時間に到達した時点でステップ５（Ｓ５）で溶着が完了する。その後、ステップ６（Ｓ６）で加熱体２１全体がステップ１（Ｓ１）の時点での位置に戻るよう高速移動を開始する。ステップ１の時点と同一の位置に戻ったステップ７（Ｓ７）の時点で１サイクル動作が終了する。
【００３２】
次に、比較例１における熱溶着方法について図４および図５を参照して説明する。
【００３３】
図５のグラフの各軸は図３と同じ時間、荷重、変位の値を表しているが、変位検出手段３２と荷重検出手段４１を有していないため、荷重と変位については想定される数値を模擬的に示している。具体的には、エアシリンダの推力を荷重と仮定している。
【００３４】
前記の蓋１１と容器１２を、以下に記載する設定条件で熱溶着した。加熱体２１の溶着温度が２１０℃の恒温状態になるよう、コントローラ２３で加熱手段２２を制御した。
【００３５】
また、エアシリンダの推力として、エア圧０．４ＭＰａで約５００Ｎを付与した。さらに、ステップ５で溶着完了となるタイマー時間を１．２ｓｅｃとした。
【００３６】
ただし、押圧手段３１がエアシリンダであるため、加熱体２１と蓋１１の接触するステップ４（Ｓ４）を検出する手段がなく、蓋１１や容器１２の溶着リブのばらつきによって一意には定まらない。また、エアシリンダのピストンの動作開始時であるステップ２（Ｓ２）や、蓋１１に接触したステップ４（Ｓ４）の時点でエアシリンダの推力がばらつく恐れがある。
【００３７】
以上のことから、図５の変位１、変位２に示すように、毎サイクル後の溶着完了位置が安定していないことが推測される。
【００３８】
前記の実施例１、比較例１で熱溶着した包装材の溶着強度の評価のために、以下の方法で剥離試験を実施した。具体的には、蓋１１の隅をグリッパで保持して剥離し、プッシュプルゲージで剥離時に掛かった荷重を測定する剥離試験を行い、溶着強度のばらつきを測定し比較した。
【００３９】
溶着強度のばらつきを、標準偏差の３倍の値で示し、実施例１と比較例１について比較した。その結果、比較例１の場合の溶着強度のばらつきが±１０．２Ｎであったのに対して、実施例１の場合は±４．５Ｎであり、ばらつきが半減した。
【００４０】
また溶着に掛かる時間を比較したところ、比較例における溶着時間が１．０ｓｅｃであったのに対して、実施例１においては０．８ｓｅｃであり、より溶着強度を安定させることができた。さらに加熱体２１の動作時間も、エアシリンダではなく速度制御可能なサーボモータなどを使用した実施例１の方が、タクト上有利である。
【００４１】
このように、荷重切り替えを行うことで、溶着荷重を高く設定し高速化を図っても溶着強度のばらつきは減少し、密閉性や容易開封性の不良による不良品の発生を防ぐことができることが分かる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
第２の実施形態は、図１に示す熱溶着装置において加熱体２１の加熱手段２２として、パルスヒータを用いた場合の例である。その他の装置構成は、図１に示す熱溶着装置と同様である。
【００４３】
第２の実施の形態の熱溶着方法を、図６の動作フローを参照して説明する。
【００４４】
ステップ１（Ｓ１）では、バックアップ３３に蓋１１と容器１２がセットされ、加熱体２１は蓋１１から離れた位置に待機している。また、加熱手段２２は非加熱状態にあり加熱体２１は常温状態にある。次にステップ２（Ｓ２）では、加熱体２１全体が押圧手段３１によって定速で移動する。ステップ３（Ｓ３）で定速のまま加熱体２１と蓋１１が接触し、容器１２の溶着リブが弾性変形することで徐々に荷重が高まり、ステップ４（Ｓ４）で接触荷重に到達する。その後、ステップ５（Ｓ５）で接触荷重から溶着荷重まで所定の時間で荷重が切り替わるように移動を続け、ステップ８（Ｓ８）で所定の溶着荷重に到達する。その間にステップ５（Ｓ５）に歩進すると同時に、ステップ６（Ｓ６）で加熱手段２２であるインパルスヒータへ通電し、ステップ７（Ｓ７）で瞬時に溶着温度に到達する。次に、ヒータが加熱状態になることにより樹脂が徐々に溶融し始める。その間に、ステップ９（Ｓ９）では、ステップ４（Ｓ４）の時点での位置をゼロ点とし、所定の溶込量に到達するまで移動を続ける。その際、ステップ５〜ステップ９は並行して行われる。ステップ１０（Ｓ１０）で溶込量が所定の値に達した時点で溶着完了となる。その後、ステップ１１（Ｓ１１）で加熱体２１全体がステップ１の時点での位置に戻るよう高速移動を開始する。ステップ１の時点と同一の位置に戻ったステップ１２の時点で１サイクル動作が終了する
【００４５】
このように、図６に示す動作フローの熱溶着方法を行うことで、図２のステップ２〜４の動作を省略することが可能となり、より高速に安定した溶着強度を管理することができる。
【００４６】
前記の第２の実施形態は、加熱体２１の熱容量が小さい場合、すなわち被溶着物が小さい場合に好ましく適用することが可能である。ただし、被溶着物となる蓋１１が複数層の熱可塑性樹脂からなる場合、表面の熱保護層の荷重たわみ温度や接着層の耐熱温度を越えない温度を加熱体２１の溶着温度として設定する必要がある。
【符号の説明】
【００４７】
１１蓋
１２容器
２１加熱体
２２加熱手段
２３コントローラ
３１押圧手段
３２変位検出手段
３３バックアップ
４１荷重検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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