(57)【要約】【課題】従来の紙カップフランジ製造装置を使用でき、紙カップの飛び出しが生じにくい紙カップフランジ成形金型を得ること。【解決手段】超音波ホーンに取り付けられる上型（７）と、紙カップ本体が挿入される下型（８）からなり、紙カップの上端部（５１３）をフランジ状に成形する紙カップフランジ成形金型において、上型のフランジ部上面が接する当り面に、外側が下方に向かって広がるテーパー面（７１）を設け、フランジ外周面（３１）は、下型に設けられた、超音波ホーンの可動に平行で上型方向に付勢されたプラリング内周面（８２０）によって規制し、プラリング上面内周近傍が上型のテーパー面に当接可能なテーパー面を有し、フランジ下面は、下型に設けられ、上端がテーパー面に平行なドーナツ状のアンビル（８１）によって規制していることを特徴とする紙カップフランジ成形金型。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ホーンに取り付けられる上型と、紙カップ本体が挿入される下型からなり、紙カップの上端部をフランジ状に成形する紙カップフランジ成形金型において、
上型の紙カップ先端のフランジ部上面が接する当り面に、外側が下方に向かって広がるテーパー面を設け、
フランジ外周面は、下型に設けられた、超音波ホーンの可動に平行で上型方向に付勢されたプラリング内周面によって規制し、
プラリング上面内周近傍が上型のテーパー面に当接可能なテーパー面を有し、
フランジ下面は、下型に設けられ、上端がテーパー面に平行なドーナツ状のアンビルによって規制していることを特徴とする紙カップフランジ成形金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、ジュースなどの飲料、ポテトチップなどの固形菓子など、液体、粒体、粉体などを収納する、紙を基材に用いた紙カップを製造するときに用いるカップのフランジ部を成形する金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジュース、コーヒーなどの自動販売機に用いられる紙カップや、カップスープやカップ味噌汁などのインスタント食品に使用される蓋付きの紙製カップ成形容器の上部開口部は、容器の上部を手で持っても形が崩れないように、容器に剛性を持たせる役目を有している。
また、必要に応じて、紙製カップ成形容器の上部開口部に蓋を融着し、内容物の湿気や酸化を防いでいる。
紙カップの製造に使用する積層シートは、紙を基材とし、内側面および外側面をヒートシール性に優れたポリオレフィン系樹脂とする構成で、これに、内容物の成分によっては、ガスバリヤ性を付与する層を加えられていた。
例えば、自動販売機のジュースやコーヒー類では、〔紙カップ外側〕ポリエチレン／紙／ポリエチレン〔容器内側〕構成のような単純な積層シート５である。
しかし、長期に保存することが必要なカップスープやインスタント味噌汁などの容器向けには、酸素ガスや油に対するバリヤ性を有する構成が必要で、
〔紙カップ外側〕ポリエチレン／ポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと略す）フィルム／ポリエチレン／紙／ポリエチレン／アルミ箔／ポリエチレン〔容器内側〕構成のような多層の積層シート５からなる。このような構成は、保香性が必要なものや、酸化し易い内容物を充填する容器として広く使用され、剛性など、カップ容器自体の強度も向上する。
通常、このような積層シート５を抜き加工した後、側面下側に底面材を挿入して曲げて融着し、剛性のある底部を作ると共に、容器側面の上端外周のフランジ部分を超音波などによって1周以上巻き込んだトップカール部を形成させ、開口部の剛性を得て、容器の形状を保ちやすくしている。
このトップカール部の製造は、予めカップ上端を広げ、丸くカール状に加工した後、このトップカール部分を超音波融着機によって圧縮、加熱、融着して平坦に成形する方法が採られてきた。
【０００３】
従来、この超音波融着機に取り付けるフランジ成形金型の構造は、予めカップ上端を広げ、丸くカール状に加工した紙カップ本体を、下型に保持し、フランジの仕上がり外径に合わせた外径規制リング８３によってフランジ外径寸法を、上型の上型の下面外周部７２はフランジ内径寸法を規制しつつ、上部から上型を下降させて、下型カップ受けの上面８４と、上型のフランジ押さえ面７４とでトップカール部を圧締して、フランジ部を成形する。この時、上型外周部７５と外径規制リング８３は直接接触し、スプリングが縮むことによって上型のフランジ押さえ面７４と共に外径規制リング８３も下方に移動して、フランジ部が徐々に巻き上げられて、成形された。このような紙カップフランジ成形金型を図３−１、図３−２に断面で示した。
ところで、フランジ成形で、上型の下面外周部７２と外径規制リング８３とが直接接触することによって、超音波振動で接触面が高速でたたきつけられので、接触面が摩耗してしまう問題が発生していた。磨耗は、均等に磨耗することはなく、部分的に接触圧の高い部分が磨耗し、不均一な状態になる問題が発生する。そのため、生産が開始されると、すぐに接触面が摩耗して隙間が生じ、この隙間に熱によって溶融したフィルムの樹脂が水平方向にはみ出して、図３−３に拡大図で示すように、樹脂が水平方向に飛び出すことがあっ
た。
樹脂の水平方向への飛び出し３４が発生すると、カップの使用時に口当たりが悪くなったり、極端な場合には手や口を切ることもあった。また発生したフィルムはみ出しが脱落して容器の内容物である食品に混入する危険性もあった。さらにまた、外径規制リング８３が摩耗しやすくなったり、カスが堆積するなどして、フランジ外径寸法が規格通りに仕上がらないなどといった、多くの問題を発生する要因になっていた。
【０００４】
このような紙カップのフランジ成形の問題を解決する紙カップのフランジ成形金型に対して、特許文献１では、超音波ホーンならびにカップ受け金型を用いて、紙カップのトップカール部を扁平なフランジ状に成形する超音波溶着装置であって、該超音波ホーンは、先端の外周部に前記紙カップのトップカール部を挿入可能な深さを有する円形の溝部を有し、該溝部の外側円筒面は前記超音波ホーンの可動方向に対して平行であり、かつ内周寸法がカップフランジの仕上がり外径寸法に等しい外径規制つばを形成し、前記カップ受け金型は、紙カップ本体を収納、保持する空間と、上端がドーナツ状のカップ受けとを有し、該カップ受けは、上端部の内径が、紙カップのトップカール部直下の外径にほぼ等しく、また該カップ受けの外周面は、前記超音波ホーンの可動方向に対して平行であり、かつ外径は、前記超音波ホーンの溝部の外側円筒面に嵌合可能な寸法であり、前記超音波ホーンの溝部の底面と前記カップ受け金型のカップ受け上面とで、紙カップのトップカール部を圧締してカップフランジ部を成形する際に、前記超音波ホーンと前記カップ受け金型とが直接接触しないことを特徴とする超音波溶着装置を提案している。
この紙カップ成形金型を図４−１、図４−２に示した。
【０００５】
しかしながら、このような超音波溶着装置で、紙カップのフランジ部を加工した場合、超音波ホーンの溝部７３の外側円筒面７３１は超音波振動しながら下降してくるので、溝部７３の外側円筒面７３１とカップ受け８４の外周面８４１がどうしても接触して、摩耗してしまう。このため、この接触部に隙間が生じ、こすれたりして軟質化した基材の表裏に設けられた溶融樹脂は、図４−３の拡大断面図で示すように、水平方向ではないが、下向きに樹脂の飛び出し３５を発生させる。
この樹脂の下向きへの飛び出し３５が発生すると、水平方向と同じように、カップの使用時に口当たりが悪くなったり、極端な場合には手や口を切ることもある。また発生した樹脂の飛び出し３５が脱落して容器の内容物である食品に混入する危険性もあった。さらに、下側に生じた樹脂飛び出しの向きが加工時に寝てしまい、外側に向いて、フランジ外径寸法が規格通りに仕上がらないとか、蓋材をヒートシールする時に、バラツキが生じ、シール不良を発生させる、などといった問題も頻度は低下したものの、まだ、発生する問題を抱えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
そこで、従来の超音波ホーンを使用した紙カップのフランジ製造装置を使用できて、紙カップの表裏に使用している樹脂の飛び出しが、安定して生じにくい紙カップ成形金型を得ることが、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に係る発明は、超音波ホーンに取り付けられる上型と、紙カップ本体が挿入される下型からなり、紙カップの上端部をフランジ状に成形する紙カップフランジ成形金型において、
上型の紙カップ先端のフランジ部上面が接する当り面に、外側が下方に向かって広がるテーパー面を設け、
フランジ外周面は、下型に設けられた、超音波ホーンの可動に平行で上型方向に付勢されたプラリング内周面によって規制し、
プラリング上面内周近傍が上型のテーパー面に当接可能なテーパー面を有し、
フランジ下面は、下型に設けられ、上端がテーパー面に平行なドーナツ状のアンビルによって規制していることを特徴とする紙カップフランジ成形金型である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の紙カップフランジ成形金型は、従来の超音波ホーンを使用した紙カップの製造ラインが使用可能である。しかも、紙カップの表裏に使用している樹脂の飛び出しが、製造時に生じにくい状態で紙カップを安定して製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明で製造される紙カップの一例を示す外観図と、開口部近傍の断面図である。
【図２】本発明で製造される紙カップの積層シートの展開図である。
【図３】従来の紙カップフランジ成形金型で製造される紙カップの開口部近傍の断面図である。
【図４】従来の紙カップフランジ成形金型を改良した特許文献１で提案された紙カップフランジ成形金型と、その金型で製造された紙カップの開口部近傍の断面図である。
【図５】本発明の紙カップフランジ成形金型と、その金型で製造される紙カップの開口部近傍の断面図である。
【図６】本発明の紙カップフランジ成形金型で製造される紙カップのフランジ部の成形を段階的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の紙カップフランジ成形金型を使用して紙カップフランジ成形の製造実施の形態例について、図を用いて詳細に説明する。
図１−１は、本発明で製造される紙カップ１の一例で、上部開口部２周囲には、フランジ３が形成され、下部には底面が融着されている。
フランジ３に、蓋材４が融着されている例になっている。
【００１２】
図１−２は、紙カップの開口部２近傍のフランジ３の断面図である。
フランジ３は、側面６の上端を少なくとも1周以上、巻き締めて製造される。
本発明は、このフランジ３の巻き締め加工する工程で使用される紙カップの成形金型に関する。
【００１３】
図２に紙カップに使用される形状に抜いた積層シート５を示した。
側面６は、扇形に積層シート５を抜いた側面材５１を錐台の側面形状に巻いて、端部５１１同士を融着して製造される。側面６の下端部５１２は内側に折り曲げられ、底材５２の周囲５２１も折り曲げて、それら折り曲げられた下端部５１２と周囲５２１の端部同士が巻き締め、あるいは包み込むようにして融着され、糸尻９と底部９１とが形成される。
【００１４】
図５は、本発明の紙カップのフランジ成形金型である。
この金型は、超音波ホーンに取り付けられる上型７と、紙カップ本体が挿入される下型８からなり、紙カップの上端部５１３を扁平なフランジ３に成形するための紙カップフランジ成形金型になっている。
上型７の紙カップ先端のフランジ部上面３３が接する当り面に、外側が下方に向かって広がる上型テーパー面７１を設けている。
フランジ部外周面３１は、下型８に設けられた、超音波ホーンの可動に平行で、垂直面を持ち、バネ８２３によって上型方向に付勢されたプラリング８２の内周面８２０によって規制されている。
そして、プラリング８２上面内周近傍は、上型テーパー面７１に当接可能なテーパー面を有している。
フランジ部下面３２は、下型８に設けられ、上端が上型テーパー面７１に平行なドーナツ状のアンビル８１によって規制されている。
【００１５】
図６は、フランジ３の巻き締めにおける製造工程を表している。
この製造工程の前に、図１のところで示したように、紙カップ１は、まず、別の工程で、積層シート５の側面材を円錐台の側面形状のように丸められ、端部５１１同士を融着し、底材５２を側面材５１の下端に融着してある。
図６−１は、この紙カップ１の開口部２が設けられているフランジを作る予備成形作業である。すなわち、開口側先端に開口型７０を押し当て、先端を水平方向に開いてカーブさせ、巻き締めのきっかけであるトップカールを作る工程である。この開口型７０による加工までは、従来の加工と同じで、開口型７０は、図６−２、図６−３、図６−４の工程とは、別の金型による加工となる。
【００１６】
図６−２、図６−３、図６−４は、本発明の紙カップフランジ成形金型を使用する製造工程である。通常、この工程では、上型７に超音波振動を掛け、当たった面近傍の基材表裏にあるプラスチックが軟化し、振動で形状が変化し、広がって曲がりやすいように、超音波ホーンを金型の上端と結合しておく。この超音波振動数は、１５〜２０キロヘルツ（ＫＨｚ）程度の低い振動数が好ましい。ただ、基材表裏にあるプラスチックが融解してしまわないような弱い強度に保つ必要がある。
図６−２で、水平方向に開いた側面材５１の上端部５１３は、外側が下方に向かって広がる上型テーパー面７１を設けた成形金型の上型７を押し付け、上型テーパー面７１と上型垂直面７２との間の上型円弧面７３に当たって、上型円弧面７３に沿って上端部５１３を曲げていく。
そして、フランジ外周面３１は、下型８に設けられた、超音波ホーンの可動に平行で上型方向に付勢されたプラリング８２の内周面８２０によって規制され、内周面８２０に当たった側面材５１の上端５１３は、下側に下降始める。
ここで、プラリング８２上面内周近傍８２１は、上型テーパー面７１に当接可能なテーパー面を有し、プラリング８２の下側に設けられたバネ８２３によって、上型７に当接されていて、上型テーパー面７１とプラリング８２と間には隙間がない。そのため、上端部５１３は下降して巻いていく。
【００１７】
図６−３では、フランジ部下面３２は、下型８に設けられ、上面がテーパー面７１に平行なドーナツ状のアンビル８１によって規制される。
そして、上型７が下降するに従って、そのまま、側面６上端の内側に入り込み、さらに、フランジ部上面３３の内側に沿って巻き込まれていく。
【００１８】
図６−４では、完全に側面材５１の上端部５１３の先端が、フランジ３の内部に巻き込まれ、巻き込みに合わせて上型テーパー面７１とアンビル８１の上面の隙間が減少し、フランジ３は扁平な形に成形されている。
この時点では周囲がテーパーに合わせ、外側に低くなって成形されるが、金型から取り出されると、ほぼ、水平になる。
【００１９】
本発明の紙カップフランジ成形金型の場合、図６−２で示したように、側面６の上端が上型テーパー面７１から外側に移動する前に、テーパー面を持つプラリング８２上面内周近傍８２１が、上型テーパー面７１に当接し、上型テーパー面７１とプラリング８２と間
には隙間がないので、バリを発生させる余地ができない。もし、この上型テーパー面７１が磨耗しても、バネ８２３によって付勢さてれいて、常に上型のテーパー面に当接し、隙間ができない。プラリング８２の内周面８２０も垂直に設計されているので、たとえ、プラリング８２と上型テーパー面７１との間に圧力が掛かっても、プラリング８２と上型テーパー面７１との間を開いて隙間を発生させる力が働きにくくなっている。
また、プラリング８２とアンビル８１は、同じ下型８に設けられているので、その摺動部分は上下してもクリアランスを最小にすることができるので、バリを発生しにくく、かつ、痛みにくいなどの特徴がある。
【００２０】
本発明の紙カップフランジ成形金型に用いられる金型材料は、上型はチタン材、アルミ合金、ダイス鋼、下型は合金工具鋼、ダイス鋼、ステンレス鋼など、通常の金型材を用いることができるが、上型は特に短時間で温度が変化することから、高温で焼いて、歪みを取っておいた材料を使用することが望ましい。また、上型の表面は硬質クロムめっき、下型はガス窒化、あるいは塩溶窒化して、内部硬度はそのままで、表面硬度を上げるなどして、擦れ等による磨耗などが生じないようにすることが好ましい。
【００２１】
本発明の紙カップに使用する積層シート５の構成は、最外面と最内面に熱可塑性樹脂を用い、基材として、紙を使用したものである。
さらに、層構成中にポリエチレンテレフタレート層、または、酸化珪素やアルミニウムなどの蒸着層を持つポリエチレンテレフタレートフィルムを含有する層を有する構成であっても良い。
たとえば、ポリエチレン／紙／ポリエチレン／ＰＥＴ／シーラント、
ポリエチレン／紙／ポリエチレン／無機酸化物蒸着ＰＥＴ／シーラント、
ポリエチレン／紙／ポリエチレン／アルミ蒸着ＰＥＴ／シーラント、
ポリエチレン／紙／ポリエチレン／アルミ箔／ウレタン接着剤／ＰＥＴ／シーラント、
ポリエチレン／ＰＥＴ／ポリエチレン／紙／ポリエチレン／アルミ箔／シーラント、
などの構成が考えられる。
【００２２】
紙カップの積層シート５における表側の熱可塑性樹脂には、高圧法低密度ポリエチレンの他、直鎖状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・プロピレン共重合体などが使用できる。
また、基材の紙は、カップ容量によって厚みを調整し、紙カップ容量が大きいほど厚くする。通常、紙の厚みである坪量は、２００ｇ／ｍ２から５００ｇ／ｍ２の範囲で使用可能である。
【００２３】
紙カップの積層シート５における紙とシーラント層の間に設けるバリヤ層は、アルミ蒸着ポリエチレンテレフタレートフィルム、酸化アルミ蒸着ポリエチレンテレフタレートフィルム、酸化珪素蒸着ポリエチレンテレフタレートフィルムなどを使用し、その厚みは５μｍから２５μｍなどが使用できる。
【００２４】
紙カップの積層シート５におけるバリア層と基材の紙とは、通常、エクストルーダーラミネート機でバリア層と紙との間に溶融樹脂を押し出しながら、溶融樹脂を接着剤として積層することで、融着させる。使用する溶融樹脂としては、高圧法低密度ポリエチレンの他、直鎖状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレンーメチルアクリレート共重合体、アイオノマー樹脂などが使用できる。このラミネーションに使用される溶融樹脂は、紙の表面性や腰の強さにもよるが、５μｍから７０μｍの厚みで使用する。
【００２５】
紙カップの積層シート５におけるバリア層と最内層のシーラント層の間には、ドライラ
ミネーション用接着剤を使用して接着してもよい。ドライラミネーションする時に使用される接着剤の塗布量としては、１ｇ／ｍ２から５ｇ／ｍ２にするとよい。また、バリア層と最内層のシーラント層の間にも、エクストルーダーラミネート機で溶融樹脂を押し出しながら積層することで、融着させてもよい。この溶融樹脂として、高圧法低密度ポリエチレンの他、直鎖状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレンーメチルアクリレート共重合体、アイオノマー樹脂などが使用できる。このラミネーションに使用される溶融樹脂は、１０μｍから４０μｍの厚みで使用する。
【００２６】
紙カップの積層シート５における最内層のシーラント層として、高圧法低密度ポリエチレンの他、直鎖状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・プロピレン共重合体などが使用できる。さらに、最内層の一部、又は全部の層に、イージーピールシーラント層を使用して、開封性を向上させることも可能である。このイージーピールシーラント層は、高圧法低密度ポリエチレン、または、直鎖状低密度ポリエチレンに、ポリブテン−１、ポリプロピレン、環状ポリオレフィン、ポリスチレン、タックファイアーなどの異種材料を混合させた樹脂層で、低温で融着しやすく、かつ、開封させることも容易な樹脂層である。そして、このイージーピールシーラント層を、高圧法低密度ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂でバリア層側に積層したり、最内面側に積層したり、表裏から積層したりして使用できる。
同じように、基材の紙の外側にも同様の熱可塑性樹脂層を設ける。その場合、印刷は表面側熱可塑性樹脂の外側、または表面側熱可塑性樹脂の内側に行う。
最内層に使用するシーラント層の厚みは３０μｍ〜９０μｍが適当であり、最外層の表面側熱可塑性樹脂の厚みは５μｍ〜４０μｍで積層される。
容器端面が内側に露出しないように、側面の端部５１１同士のシールで覆えるように、内層の樹脂は厚くすることが好ましい。
また、内層がフランジ３ではシール側になることから、この内層のシーラント層の厚みを上げることは、蓋材４とのシール性も向上するメリットにもなる。
【００２７】
本発明の紙カップフランジ成形金型は、以上の様なもので、
上型７とプラリング８２との当たり面をテーパー同士で当てることで、フランジ成形部分近傍に型の当たり面の圧力を大きくしている。さらに、当たり面がテーパーのため、成形時に位置が多少ずれても、位置が修正され、かつ、樹脂漏れがしない。
さらに、当たり面が磨耗しても、テーパーになっているので、隙間が発生しにくく、水平方向の飛び出し３４が発生しにくい。
しかも、プラリング８２が下型に設けられているので、プラリング８２とアンビル８１との摺動はわずかで、動きに無理がなく、ほとんど隙間を設ける必要がないので、縦方向の飛び出し３６も発生することがない。
したがって、本発明の紙カップフランジ成形金型は、長時間使用しても、磨耗が発生しにくく、飛び出しが生じにくく、発生したとしても、問題にならない大きさにしかならないため、市場からのクレームがなくなる、生産性が高まるなど、本発明のメリットは大きい。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・・・・・・・紙カップ
２・・・・・・・・・開口部
３・・・・・・・・・フランジ
３１・・・・・・・・フランジ部外周面
３２・・・・・・・・フランジ部下面
３３・・・・・・・・フランジ部上面
３４・・・・・・・・飛び出し（水平方向）
３５・・・・・・・・飛び出し（垂直方向）
４・・・・・・・・・蓋材
５・・・・・・・・・積層シート
５１・・・・・・・・側面材
５１１・・・・・・・端部（側面材）
５１２・・・・・・・下端（側面材）
５１３・・・・・・・上端部（側面材）
５２・・・・・・・・底材
５２１・・・・・・・周囲（底材）
６・・・・・・・・・側面
７・・・・・・・・・上型
７０・・・・・・・・開口型
７１・・・・・・・・上型テーパー面
７２・・・・・・・・上型の下面外周部
７３・・・・・・・・上型円弧面
７４・・・・・・・・上型のフランジ押さえ面
７５・・・・・・・・上型外周部
８・・・・・・・・・下型
８１・・・・・・・・アンビル
８２・・・・・・・・プラリング
８２０・・・・・・・内周面（プラリング）
８２１・・・・・・・上面内周近傍（プラリング）
８２３・・・・・・・バネ（プラリング）
８３・・・・・・・・外径規制リング
８４・・・・・・・・型カップ受けの上面
９・・・・・・・・・糸尻
９１・・・・・・・・底部
【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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