(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙を含むシート材を筒状に巻いて貼り合わせて形成した側壁を有する紙カップに扁平なフランジ部を設けた、フランジ付き紙カップの製造装置であって、
前記紙カップの開口部の内径に等しい外径を有し、当該紙カップの前記側壁内側に嵌合する嵌合部と、当該嵌合部の外周壁に接続され、当該紙カップの開口部に当接する円環状の加工面とを有する超音波ホーンと、
前記紙カップの外径に等しい内径を有し、その内部に当該紙カップの前記側壁が嵌合するカップ受け部と、当該カップ受け部の開口部の上端面に円環状のフランジ受け部とを有する受け治具とを備え、
前記加工面および前記フランジ受け部は、互いに接近するにつれて、前記紙カップの前記側壁の上端縁近傍に形成されたカーリングを押圧および加熱して押しつぶすことで扁平なフランジ部を形成し、
前記受け治具には、前記フランジ受け部の一部分と、前記カップ受け部の内壁のうち少なくとも前記フランジ受け部の前記一部分の近傍とに、凹部が形成され、
前記加工面および前記フランジ受け部を対向して配置したときに両者の間に形成されるクリアランスは、前記側壁を構成する前記シート材を重ねて貼り合わせた貼り合わせ部が配置される部分において、前記凹部によって部分的に大きくなっている、フランジ付き紙カップの製造装置。
【請求項２】
紙を含むシート材を筒状に巻いて貼り合わせて形成した側壁を有する紙カップに扁平なフランジ部を設けた、フランジ付き紙カップの製造装置であって、
前記紙カップの開口部の内径に等しい外径を有し、当該紙カップの前記側壁内側に嵌合する嵌合部と、当該嵌合部の外周壁に接続され、当該紙カップの開口部に当接する円環状の加工面とを有する超音波ホーンと、
前記紙カップの外径に等しい内径を有し、その内部に当該紙カップの前記側壁が嵌合するカップ受け部と、当該カップ受け部の開口部の上端面に円環状のフランジ受け部とを有する受け治具とを備え、
前記加工面および前記フランジ受け部は、互いに接近するにつれて、前記紙カップの前記側壁の上端縁近傍に形成されたカーリングを押圧および加熱して押しつぶすことで扁平なフランジ部を形成し、
前記加工面および前記フランジ受け部を対向して配置したときに両者の間に形成されるクリアランスは、前記側壁を構成する前記シート材を重ねて貼り合わせた貼り合わせ部が配置される部分において、部分的に大きくなっており、
前記超音波ホーンの開口部より内方に、通気孔が形成されている、フランジ付き紙カップの製造装置。
【請求項３】
前記超音波ホーンの開口部より内方に、通気孔が形成されている、請求項１に記載のフランジ付き紙カップの製造装置。
【請求項４】
前記超音波ホーンの加工面は、前記受け治具側に向けて径が広がるテーパー面であり、
前記受け治具のフランジ受け部の上端面には、前記加工面に対応するテーパー面が設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のフランジ付き紙カップの製造装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のフランジ付き紙カップの製造装置を用いたフランジ付き紙カップの製造方法であって、
シート材を巻いて両側縁を部分的に重ね合わせて接合することにより、筒状の側壁を成型し、当該側壁の一方の開口部に底材を接合し、他方の開口部の上端縁をカールさせてカーリングを形成した紙カップを準備する工程と、
前記加工面および前記フランジ受け部とによって、前記カーリングの全周を均等に押圧および加熱して、扁平なフランジ部を形成する工程とを含む、フランジ付き紙カップの製造方法。
【請求項６】
前記フランジ部を形成する工程において、超音波ホーンを用いて押圧および加熱を行い、前記紙カップに気体を吹き込み、当該紙カップの内圧を外圧より高くすることによって、当該紙カップの当該超音波ホーンからの離脱を支援する、請求項５に記載のフランジ付き紙カップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紙カップの開口部の外周縁をフランジ形状に形成するために用いられる紙カップの製造装置および製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インスタントコーヒー等の粉末状の食品の包装容器として、内容物を簡易に包装した詰め替え用の包装容器が知られている。図４は、特許文献１が開示する、このような包装容器９００の縦断面図である。包装容器９００は、円筒形状の側壁を有する紙カップ９２０と、漏斗パーツ９３０と、シール蓋９６０とから構成されている。漏斗パーツ９３０は、紙カップ９２０内部に嵌め込まれ、紙カップ９２０の内面に接合されている。紙カップ９２０の開口部の外周縁には、扁平なフランジ形状を有するフランジ部９２１が形成されている。紙カップ９２０の内部には内容物９５０が充填され、フランジ部９２１の天面にシール蓋９６０が貼り付けられることにより、紙カップ９２０が封止されている。
【０００３】
図５は、紙カップ９２０におけるフランジ部９２１の製造方法を示す、超音波ホーン、受け治具および紙カップ９２０の断面図である。紙カップ９２０の材料としては、紙と熱可塑性フィルム等のシーラント層とを積層したシート材が一般的に使用される。紙カップ９２０は、シート材を巻いて両側縁を部分的に重ね合わせて加熱および押圧して接合することにより、筒状の側壁を成型し、一方の開口部に底面となる底材を取り付け、加熱およびローレットがけ等により接合し、さらに、他方の開口部上端縁をカールさせてカーリング９０１を形成することにより、作製する。そして、該紙カップ９２０を受け治具８００で保持し、超音波ホーン７００の加工面７０２を、受け治具８００のフランジ受け部８０１に対向させて接近させ、紙カップ９２０の側壁の上端縁を超音波ホーン７００の加工面７０２を用いて、カーリング９０１を加熱しながら押しつぶすと、カーリング９０１が扁平状に変形した状態で溶着され、フランジ部９２１が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８４１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
紙カップは、シート材を筒状に巻いて両側端を貼り合わせることによって形成されるため、シート材が重なり合う形で貼り合わせ部が存在する。すなわち、この部分は他の部分に比べてかなり厚くなっている。したがって、超音波ホーンと受け治具との間に形成されるフランジ部のうち、この貼り合わせ部は、他の部分に比べてより強い圧力を受けることになる。そのため、貼り合わせ部に超音波のエネルギーが集中して、シート材のシーラント層や紙が焦げやすいという問題があった。この問題は、とくに、シート材の厚さが０．３３ｍｍ以上の場合に顕著であった。
【０００６】
それ故に、本発明の目的は、シート材を焦がすことなく、シール蓋の貼着が容易かつ安定した、開口部の外周縁に扁平なフランジ部を形成した紙カップを製造する装置および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】
本発明は、紙を含むシート材を筒状に巻いて貼り合わせて形成した側壁を有する紙カップの上端縁近傍を、当該紙カップの外側を取り囲む扁平なフランジ部に形成する、フランジ付き紙カップの製造装置であって、紙カップの開口部の内径に等しい外径を有し、紙カップの側壁内側に嵌合する嵌合部と、嵌合部の外周壁に接続され、紙カップの開口部に当接する円環状の加工面とを有する超音波ホーンと、紙カップの外径に等しい内径を有し、その内部に紙カップの側壁が嵌合するカップ受け部と、カップ受け部の開口部の上端面に円環状のフランジ受け部とを有する受け治具とを備え、加工面およびフランジ受け部は、互いに接近するにつれて、紙カップの側壁の上端縁近傍に形成されたカーリングを押圧および加熱して押しつぶすことで扁平なフランジ部を形成し、加工面およびフランジ受け部を対向して配置したときに両者の間に形成されるクリアランスは、側壁を構成するシート材を重ねて貼り合わせた貼り合わせ部が配置される部分において、部分的に大きくなっている。受け治具には、フランジ受け部の一部分と、カップ受け部の内壁のうち少なくともフランジ受け部の一部分の近傍とに、凹部が形成され、上記クリアランスは、この凹部によって部分的に大きくなっている。あるいは、超音波ホーンの開口部より内方に、通気孔が形成されている。また、本発明はこのようなフランジ付き紙カップの製造装置を用いたフランジ付き紙カップの製造方法にも向けられている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、シート材を焦がすことなく、シール蓋の貼着が容易かつ安定した、開口部の外周縁に扁平なフランジ部を形成した紙カップを製造する装置および方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波ホーンを示す図
【図２】本発明の一実施形態に係る受け治具を示す図
【図３】本発明の一実施形態に係る紙カップの製造方法を示す図
【図４】従来の紙カップを示す図
【図５】従来の紙カップの製造方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る超音波ホーン１００を示す図である。図１の（ａ）および（ｂ）は超音波ホーン１００の断面図および下面図である。図１の（ａ）の断面図は、（ｂ）のＡ−Ａ´線に沿った縦断面を示している。超音波ホーン１００は、例えばアルミニウムやチタンなどを材質としており、開口部の周縁に嵌合部１０２を備え、嵌合部１０２の外周に接続された円環状の加工面１０１を備えている。また、超音波ホーン１００の内方には通気孔１０３が形成されている。図１の（ｃ）は、（ａ）の点線で囲んだ部分を拡大したものである。加工面１０１は、嵌合部１０２側（図１（ａ）の下側）に向かって径が広がるテーパー面よりなる。本実施形態では、超音波ホーンの中心軸に直交する平面に対して加工面１０１がなす角度は１５°（すなわち、加工面１０１のテーパー頂角は７５°）とした。
【００１１】
図２は、本実施形態に係る受け治具２００を示す図である。図２の（ａ）および（ｂ）は受け治具２００の断面図および天面(上面)図である。図２の（ａ）の断面図は、（ｂ）のＢ−Ｂ´線に沿った縦断面を示している。受け治具２００は、例えばステンレスを材質とし、筒状の内形を有するカップ受け部２０１、および、カップ受け部２０１の開口部の外周に接続された円環状のフランジ受け部２０２とを備えている。フランジ受け部２０２の一部には、長さ１２ｍｍにわたって、凹部２０３が設けられている。図２の（ｃ）および（ｄ）は、（ａ）および（ｂ）の点線で囲んだ部分をそれぞれ拡大したものである。フランジ受け部２０２の上端面は、テーパー状であり、外周縁が内周縁より受け治具２００の底部側に位置している。本実施形態では、受け治具２００の中心軸に直交する平面に対してフランジ受け部２０２がなす角度は１７°（すなわち、フランジ受け部２０２の上端面のテーパー頂角は７３°）としている。凹部２０３は、フランジ受け部２０２の他の部分より、０．３ｍｍほど凹んでいる。これにより、超音波ホーン１００の加工面１０１と受け治具２００のカップ受け部２０１とのクリアランスは、凹部２０３を設けた箇所では、設けていない箇所より０．３ｍｍほど大きくなっている。また、カップ受け部２０１の内壁のうち、凹部２０３に接続する箇所から、底面にかけての部分に、同様に０．３ｍｍほど凹みを持たせてもよい。
【００１２】
以下に、これらの超音波ホーン１００および受け治具２００を用いて、紙カップのフランジを形成する方法について説明する。まず、シート材を巻いて、両側端を貼り合わせ筒状の側壁を形成し、一方の開口部に底面となる底材を取り付け、他方の開口部上端縁にカーリングを形成した紙カップ３００を準備する。すなわち紙カップ３００は、従来の紙カップ９２０と同様の製造方法で製造され、カーリングは同様の図５に示す従来の紙カップ９２０のカーリング９０１と同様の断面形状を有する。シート材の材質としては、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）／紙／ＬＤＰＥ／アルミ／接着剤／ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）／接着剤／ＬＤＰＥを積層したものが挙げられるが、その他、紙にシーラント層を積層したものならばよい。尚、紙カップ３００は、上述したようにこの時点で、他方の開口部に、底面となる底シート材を取り付けているが、フランジを形成した後で取付けてもよい。
【００１３】
シート材の厚みは０．４０ｍｍとし、シート材を重ねて貼り合わせた貼り合わせ部３０３の幅を１０ｍｍとした。また、フランジ部３０２の仕上がり厚さを、貼り合わせ部３０３では１．３ｍｍとし、貼り合わせ部３０３以外の部分で１．０ｍｍとした。
【００１４】
次に、紙カップ３００を、受け治具２００のカップ受け部２０１の内側に嵌合させる。カップ受け部２０１の内径は、紙カップ３００の外径に略等しくなっている。このとき、紙カップ３００の貼り合わせ部３０３は、受け治具２００のフランジ受け部２０２の凹部２０３に対向するよう位置合わせを行う。なお、凹部２０３の１２ｍｍの長さは、紙カップ３００の貼り合わせ部３０３の１０ｍｍの幅に合わせて定められている。また、凹部２０３の０．３ｍｍの深さは、紙カップ３００のフランジ部３０２の貼り合わせ部３０３の１．３ｍｍの厚さと貼り合わせ部３０３以外の部分の１．０ｍｍの厚さとの差分に合わせて定められている。したがって、凹部２０３の長さおよび深さは、紙カップ３００の貼り合わせ部３０３の幅およびフランジ部３０２に形成したときの仕上がり厚さ等に基づいて適宜設計すればよい。
【００１５】
次に、超音波ホーン１００の嵌合部１０２を、紙カップ３００の内側に嵌合させる。嵌合部１０２の外径は、紙カップ３００の開口部の内径に略等しくなっている。超音波ホーン１００の加工面１０１から、紙カップ３００の開口部に一定の圧力をかけると共に、超音波ホーン１００の加工面１０１と受け治具２００のフランジ受け部２０２との間で、超音波ホーン１００に接続された超音波発振器（不図示）から超音波を発振させて、超音波ホーン１００の加工面１０１から、紙カップ３００のカーリングを加熱する。ここで超音波の発振と略同時に、超音波ホーン１００の通気孔１０３から気体を吹き込む。超音波ホーン１００の加工面１０１からの圧力により、カーリングは、フランジ部３０２の仕上がり厚さにまで、押しつぶされ扁平状に変形する。そして、この状態で、加熱によりシーラント層が溶け、扁平状の変形が維持された状態で溶着される。これにより紙カップ３００のフランジ部３０２が形成される。なお、気体を吹き込むタイミングは、超音波の発振と略同時に限定されるものではなく、超音波の発振から、紙カップ３００を超音波ホーン１００から離すまでのいずれの時点で行ってもよい。尚、気体を吹き込むことの効果については後述する。
【００１６】
図３は、この状態における超音波ホーン１００、受け治具２００および紙カップ３００を模式的に示した縦断面図である。図３に示すように、紙カップ３００のフランジ部３０２の貼り合わせ部３０３は、受け治具２００のフランジ受け部２０２の凹部２０３に収容されるため、フランジ部３０２は、全周にわたって均等な圧力および加熱を受けるため、貼り合わせ部３０３の焦げ付きが防止される。なお、凹部２０３は、受け治具２００のフランジ受け部２０２ではなく、超音波ホーン１００の加工面１０１に設けてもよい。ただし、この場合は、凹部２０３に収容された紙カップ３００のフランジ部３０２の貼り合わせ部３０３が、フランジ部３０２の天面側に凸部を形成することになるため、シール蓋等の貼り付けが困難になるおそれがある。
【００１７】
また、フランジ部３０２の形成後、超音波ホーン１００を紙カップ３００の開口部から取り外す際の引き上げる力や、フランジ部３０２がある程度の厚みを有している為、扁平状態から元のカーリングの状態に戻ろうとする力などが働く。超音波ホーンの加工面１０１および受け治具２００のフランジ受け部２０２に上述の傾斜を設けず水平に形成した場合、これらの力により、フランジ部３０２が、水平方向から斜め上方に反り上がる形に形成されるなどして、フランジ部３０２の天面へのシール蓋等の貼り付けが困難となる場合がある。超音波ホーン１００の加工面１０１および受け治具２００のフランジ受け部２０２に上述の傾斜を設けたことにより、フランジ部３０２の天面が水平に形成され、シール蓋等の貼り付けが困難になるのを防止することができる。なお、本実施形態では、超音波ホーン１００の加工面１０１の傾斜角を１５°とし、受け治具２００のフランジ受け部２０２の傾斜角を１７°としたが、超音波ホーン１００の加工面１０１の傾斜角が１２〜４０°の範囲であり、受け治具２００のフランジ受け部２０２の傾斜角が超音波ホーン１００の加工面１０１の傾斜角に対して−２〜５°の範囲であれば、紙カップ３００のシート材の厚さが０．３８ｍｍ以上の場合に、好ましい結果が得られる。
【００１８】
最後に超音波ホーン１００を、受け治具２００から離して、紙カップ３００を取り出す。この際、通気孔から気体が吹き込まれたことにより、紙カップ３００の内圧が外圧に比べ高くなっており、紙カップ３００のフランジ部３０２と超音波ホーン１００の加工面１０１とが、離れやすくなっている。そのため、紙カップ３００が超音波ホーン１００ごと持ち上げられてしまうことに起因する製造ラインでの異常が発生しにくくなっている。また、紙カップ３００を超音波ホーン１００から振り落とすために、再度の超音波発振（アフターバースト）を行う必要がなく、生産速度を向上できるとともに、アフターバーストによる超音波ホーン１００の過熱による発振異常を防止できる。
【００１９】
以上のように、本実施形態では、紙カップ３００のフランジ部３０２を焦げ付きを防止しつつ平坦に成形できるとともに、成形後の紙カップ３００を超音波ホーン１００から離れやすくすることができる。また、本実施形態では紙カップ３００は筒状のストレートタイプのものとしたが、本発明は、テーパーを有するタイプの紙カップに対しても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、シート材を焦がすことなく、開口部の外周縁に扁平なフランジ部を形成した紙カップ等を製造する装置および方法に有用である。
に有用である。
【符号の説明】
【００２１】
１００、７００    超音波ホーン
１０１、７０２    加工面
１０２    嵌合部
１０３    通気孔
２００、８００    受け治具
２０１    カップ受け部
２０２、８０１    フランジ受け部
２０３    凹部
３００、９２０    紙カップ
３０２、９２１    フランジ部
３０３    貼り合わせ部
９００    包装容器
９０１    カーリング
９３０    漏斗パーツ
９５０    内容物
９６０    シール蓋
【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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