(57)【要約】【課題】  連続運転時にシール部材の温度を正確に所定の範囲内に納めることが可能で、運転状態と待機状態とが切り替わったときにもヒータの温度をより速く所定温度に到達させることが可能な合成樹脂製品の融着接合方法および装置を提供する。【解決手段】  ＰＩＤ制御によりヒータ３ａの温度を制御しつつ、合成樹脂製品２，２を融着接合する融着接合方法であって、ヒータ３ａで加熱されたシール部材３，３が前記製品２，２に当接して前記製品２，２を連続的または間欠的に加熱する運転状態と、前記製品２，２を加熱することなく待機する待機状態とにおいて、ＰＩＤ制御に際して供給される電源４電力のゲインを操作して得られる電力が、前記運転状態のときに比べて前記待機状態のときに小さくなるように設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＩＤ制御によりヒータの温度を制御しつつ、合成樹脂製品を融着接合する融着接合方法であって、
ヒータで加熱されたシール部材が前記製品に当接して前記製品を連続的または間欠的に加熱する運転状態と、前記製品を加熱することなく待機する待機状態とにおいて、ＰＩＤ制御に際して供給される、電源電力のゲインを操作して得られる電力が、前記運転状態のときに比べて前記待機状態のときに小さくなるように設定することを特徴とする融着接合方法。
【請求項２】
前記運転状態と前記待機状態とを切り替える際に、前記電力のゲインを操作することを特徴とする請求項１に記載の融着接合方法。
【請求項３】
前記電源電力のゲイン操作が交流電源を交流波形の位相角で通電制御するものである請求項１または２に記載の融着接合方法。
【請求項４】
前記運転状態において、ＰＩＤ制御に際して供給される、電源電力のゲインを操作して得られる電力が、電源電力の１００％である請求項１ないし３のいずれかに記載の融着接合方法。
【請求項５】
前記合成樹脂製品が包装用フィルムである請求項１ないし４のいずれかに記載の融着接合方法。
【請求項６】
ＰＩＤ制御装置によりヒータの温度を制御しつつ、合成樹脂製品を融着接合する融着接合装置であって、
前記融着接合装置が、
ヒータで加熱されるシール部材と、
シール部材のヒータに電力を供給する電源と、
前記電源電力のゲインを操作して得られる電力が、前記シール部材が前記製品に当接して前記製品を連続的または間欠的に加熱する運転状態のときに比べて、前記製品を加熱することなく待機する待機状態のときに小さくなるように設定する電力制御手段と、
ＰＩＤ制御することにより、前記電力制御手段を介して前記ヒータに供給される電力のオン−オフを行う温度制御手段と
を備えることを特徴とする融着接合装置。
【請求項７】
前記電力制御手段が前記融着接合装置の運転状態開始または待機状態開始を指示する信号に基づいて前記電源電力のゲインを操作するものである請求項６に記載の融着接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包装用フィルムなどの合成樹脂製品を融着接合するために用いられる融着接合方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成樹脂製品同士を接合する場合、融着接合することは簡易な操作で確実な接合強度が得られることから多用される。例えば、液体や粉末、顆粒体などの内容物を包装するため、合成樹脂製の成型容器にシーラントを備える蓋材でシールしたり、包装袋の製造や前述の内容物を製袋充填包装するに際し長手方向に搬送された長尺のフィルム（シートやチューブ等）を連続的または間欠的に繰り返しヒートシールするヒートシール装置が広く用いられている。この種のヒートシール装置では、ヒータで加熱されたシール部材を合成樹脂製品に当接させることで合成樹脂製品をヒートシールして所要箇所を融着接合するようにしており、連続して融着接合を行う時にシール部材の温度を一定の範囲内で制御するため、種々の提案がなされている（例えば特許文献１参照）。
例えば、特許文献１には、サーミスタ（表面温度検出手段）によってヒートローラ（熱融着部材）の表面温度を検出し、ヒートローラの表面温度の検出によってサーミスタが発する信号電圧をコンパレータにおいて所定の発熱基準電圧と比較し、この結果得られるコンパレータ出力に応じて、リレーを開閉することによりヒートローラの発熱源への入力を制御する技術が開示されている。
また、連続運転時のシール部材の温度を所定の範囲内に納めるため、ヒータをＰＩＤ（比例積分微分）制御によって制御することも検討されている。
【特許文献１】特開２０００−３１８７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
合成樹脂製品、例えば、フィルムのヒートシール装置においては、連続して、あるいは間欠的に断続してヒータで加熱されたシール部材がフィルムに当接してフィルムを加熱しているとき（運転状態）には、シール部材がフィルムから離れて待機しているとき（待機状態）に比べてより多くの熱量がヒータから放出される。つまり、待機状態から運転状態に切り替わったときには、フィルムの温度を上げること、合成樹脂を溶融すること、あるいは、内容物が熱を吸収することでシール部材の温度が大きく低下するので、多大な熱を供給する必要がある。一方、運転状態から解放されて待機状態に切り替わったときには、熱を奪うものがなくなるのでシール部材の温度は上昇する。例えば運転中にトラブルが発生したり、段取り変え等で運転を中断した場合、待機状態から再度、運転状態に切り替わるときに大きな温度変化が発生しており、シール部材が適温になるまで予備的に運転してシール部材の温度を下げることが行われる。この間に使用されたフィルムや内容物は大部分が不良品として廃棄されることになる。
ところで、上述したように、連続運転時にシール部材の温度を所定の範囲内に納めるため、ヒータをＰＩＤ制御によって制御することが考えられるが、ＰＩＤ制御は連続運転時のシール部材の温度を所定の範囲内に納めるなど、変化量が比較的小さい場合は有効であっても、運転状態と待機状態との切り替えなど制御量の大きな変化をともなう場合、ＰＩＤ定数に制約されるためシール部材の温度が収束するまで比較的長い時間を要するという欠点を有していた。このため、シール部材の温度の収束を待っていると、待ち時間が長くなって生産性が低下する。これを避けるために、連続運転時のシール部材の温度範囲を広く設定すると、シール部材温度の調節が不充分となる可能性があり、加熱不足や過加熱等によってヒートシール不良が生じて歩留まりが低下するおそれがある。
したがって、運転状態と待機状態とが切り替わったときにヒータの温度をより速く所定温度に到達させる場合には、ＰＩＤ制御を用いることは困難であった。
このような困難を克服する手段として、例えば特開平７−２１９６４６号公報には、大きな変化量に対応すべく、マスタ調節計およびスレーブ調節計をなす２つのＰＩＤ制御器をカスケード接続した温度制御装置が提案されている。しかし、この公報に記載の発明は、半導体熱処理用の拡散炉における入出炉やバーニングなどの不確定の外乱に対応するものであるため、ＰＩＤ制御器を２つ有するなど制御装置の構成が複雑であり、設置や運用に掛かるコストが増大するなどの問題がある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、連続運転時にシール部材の温度を正確に所定の範囲内に納めることが可能で、運転状態と待機状態とが切り替わったときにもヒータの温度をより速く所定温度に到達させることが可能な合成樹脂製品の融着接合方法および装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため本発明の発明者等は鋭意検討した結果、ＰＩＤ制御のみで最適な状態に温度制御ができるという常識に対して、ＰＩＤ制御が関数によるものなので、連続した制御しかできないという問題、つまり、ヒータへの出力は、一気に上げたり、下げたりできないという問題を、ＰＩＤ制御に際して供給される電力量を状態に応じて切り替えることで、ヒータへの出力を階段状に切り替えることができ、調整計から見たら連続しているので、ＰＩＤ制御自体には問題が発生することなくヒータの温度をより速く所定温度に到達させることができるという知見を得てなされたものである。
すなわち、本発明は、ＰＩＤ制御によりヒータの温度を制御しつつ、合成樹脂製品を融着接合する融着接合方法であって、ヒータで加熱されたシール部材が前記製品に当接して前記製品を連続的または間欠的に加熱する運転状態と、前記製品を加熱することなく待機する待機状態とにおいて、ＰＩＤ制御に際して供給される、電源電力のゲインを操作して得られる電力が、前記運転状態のときに比べて前記待機状態のときに小さくなるように設定することを特徴とする融着接合方法を提供する。
この融着接合方法においては、前記運転状態と前記待機状態とを切り替える際に、前記電源電力のゲインを操作することも可能である。
前記電源電力のゲイン操作は、交流電源を交流波形の位相角で通電制御する方法を採用することができる。
前記運転状態において、ＰＩＤ制御に際して供給される、電源電力のゲインを操作して得られる電力が、電源電力の１００％とする方法も採用可能である。
前記合成樹脂製品としては、例えば包装用フィルムを例示することができる。
【０００６】
また、本発明は、ＰＩＤ制御装置によりヒータの温度を制御しつつ、合成樹脂製品を融着接合する融着接合装置であって、前記融着接合装置が、ヒータで加熱されるシール部材と、シール部材のヒータに電力を供給する電源と、前記電源電力のゲインを操作して得られる電力が、前記シール部材が前記製品に当接して前記製品を連続的または間欠的に加熱する運転状態のときに比べて、前記製品を加熱することなく待機する待機状態のときに小さくなるように設定する電力制御手段と、ＰＩＤ制御することにより、前記電力制御手段を介して前記ヒータに供給される電力のオン−オフを行う温度制御手段とを備えることを特徴とする融着接合装置を提供する。
この融着接合装置においては、前記電力制御手段が前記融着接合装置の運転状態開始または待機状態開始を指示する信号に基づいて前記電源電力のゲインを操作するものである構成を採用することも可能である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の融着接合方法によれば、電源から供給される電力のゲイン（電源電力のゲイン）は、運転状態のゲインによって得られる電力量よりも待機状態のゲインによって得られる電力量が小さくなるように設定されるので、シール部材からの放熱量の変化によるヒータの所要電力量を階段状に切り替えることができ、ＰＩＤ制御に要する時間を短縮することが可能となる。しかも、電源電力のゲインの切り替えは、本発明が適用される環境に応じて最適となるよう手動でもよく、運転制御手段から送出される運転信号に基づきヒータの状態の切替と連動して自動的に行われるようにすることもできる。従って、温度調整のための待ち時間を短縮して装置の稼働率および生産性を向上することができる上、フィルムのヒートシール不良を抑制して歩留まりを改善することが可能となる。
電力のゲインの切替操作は、シール部材の運転状態と待機状態とを切り替える際に、同時に行うことが好ましい。この場合、運転状態における電力量よりも待機状態における電力量が小さくなるように電力ゲインを設定することを状態の変化と連動させることにより容易かつ確実になる。
前記電源電力のゲイン操作として、交流電源を交流波形の位相角で通電制御する方法を採用した場合、なめらかで、きめ細かい制御を行うことができる。
前記運転状態において、ＰＩＤ制御に際して供給される、電源電力のゲインを操作して得られる電力が、電源電力の１００％である場合には、ヒータの能力を最大限に利用できるので、温度をより速く収束させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、最良の形態例に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
本形態例における融着接合装置１は、合成樹脂製品としてフィルム２をヒートシールするためのヒートシール装置であり、以下の説明では、融着接合装置をヒートシール装置として説明する。
図１，図２に示すように、本形態例のヒートシール装置１は、フィルム２をヒートシールするシール部材３と、前記シール部材３のヒータ３ａに電力を供給する電源４と、運転信号を電力制御手段６に向けて送出する運転制御手段５と、前記運転制御手段から送出される運転信号に基づき前記電源から供給される電力のゲインを切り替え制御する電力制御手段６と、前記ヒータ３ａの温度をＰＩＤ制御することにより前記電力制御手段６を介して前記ヒータ３ａに供給される電力のオンオフ切替を行う温度制御手段７と、フィルム２を搬送する搬送手段８を備えている。
【０００９】
フィルム２は、ヒートシールが可能な長尺のフィルムであり、例えば、単層のプラスチックフィルム、共押出により多層のプラスチックを積層させた積層フィルム、アルミ箔などの金属箔や紙等をプラスチックとラミネートしたラミネートフィルムなどを用いることができる。フィルムの様態としては、例えば、１枚または複数枚のシート、チューブ、開口部を有する袋体などを例示することができる。
【００１０】
フィルム２は、搬送手段８によって連続的または間欠的に送り移動されており、フィルム２が連続的または繰り返しヒートシールされることによって、包装袋や包装体などを順次形成することができる。
フィルム２から形成された包装容器内に液体や粉体などの内容物が充填された包装体を製造する場合、内容物の充填は、例えば、ヒートシールによる包装袋の密封工程と交互に行うことができる。また、充填および密封が行われるライン上で製袋を行うこともできるし、内容物の充填を途切れなく行いながらチューブ等のフィルムを順次送り移動させフィルムを所定間隔でヒートシールすることにより、包装体を製造することもできる。
【００１１】
シール部材３は、例えば棒状（バー）または円筒状（ロール）の部材であり、２個を組み合わせて使用する構成が多く用いられている。上記シール部材３，３のうち少なくとも一方は、フィルム２を加熱するためのヒータ（Ｈ１）３ａを備えている。フィルム２のヒートシールは、前記ヒータ３ａを加熱した状態で、シール部材３の間にフィルム２を挟み込むことにより行うことができる。
シール部材３には熱電対（Ｔ１）９が配設されており、この熱電対９によってシール部材３の温度を測定できるようになっている。
【００１２】
シール部材３，３は、図示しない駆動手段によって駆動されており、フィルム２に当接して該フィルム２を加熱する運転状態と、フィルム２から離れて待機する待機状態とをとることができるようになっている。シール部材３，３の駆動は、運転制御手段５から送出される運転信号によって制御されている。
【００１３】
電源４とヒータ３ａとの間には、電力制御手段（Ｇ１）６と、リレー（Ｒ１）１０（例えば半導体リレー）とがこの順序で直列に接続されている。
電力制御手段６（電力調節計）には、運転制御手段５によりヒータ３ａを制御するための運転信号が、ヒータ３ａの運動と同期して送出されている。電力制御手段６は、電源４の電力のゲインを操作して得られる電力（ここでは、電力制御手段６からリレー１０に送出される電力。以下、操作後の電力ともいう）が、前記運転状態のときに比べて前記待機状態のときに低くなるように、前記運転信号に基づいて電力のゲインを切り替え制御するようになっている。ゲインの制御方式としては、例えば電源４の交流波形を任意の位相角の範囲で通電することにより電力調整を行う位相制御方式を採用することができる。この場合、なめらかで、きめ細かい制御を行うことができるので、好ましい。この他、電源電圧がゼロボルトになったところで回路を開閉することにより電力調整を行うゼロクロス制御方式などを採用することも可能である。
【００１４】
さらに、電源４から電力制御手段６を介してヒータ３ａに供給される電力は、温度制御手段（Ｆ１）７によりフィードバック制御されている。温度制御手段７（温度調節計）は、熱電対９によって測定されたシール部材３の温度をＰＩＤ制御することにより、電力制御手段６とヒータ３ａとの間に設置されたリレー１０を開閉（オンオフ）し、これによってヒータ３ａを制御し、シール部材３の温度を所定範囲内に制御する。
つまり、前記操作後の電力が、温度制御手段７のフィードバック制御に対する入力であり、すなわち、温度制御手段７のＰＩＤ制御に際して供給される電力となっている。
運転時における前記操作後の電力は、待機時における前記操作後の電力よりも高く設定されている限り、電源４の電力より低くても良い。しかし、ヒータの能力を最大限に利用するためには、運転時における前記操作後の電力が、電源電力の１００％である（電源電力に等しい）ことが好ましく、その場合、温度をより速く収束させることができる。
【００１５】
本形態例のヒートシール装置１の作用について説明する。
ヒータ３ａは、待機状態における放熱量Ｈ０（図２参照）は比較的少なく、温度を一定に保つための電力は少なくて済む。これに対して、運転状態においては、熱がフィルムや内容物に吸収されるため、ヒータ３ａからの放熱量Ｈ１が待機時の放熱量Ｈ０よりも多くなり、温度を一定に保つための電力は待機状態のときよりも多く必要になる。この放熱量Ｈ０とＨ１との間の変化は、温度制御手段のＰＩＤ制御で対応するには制御量が大きく、温度の収束に時間がかかる。
電源電力ゲインを、運転状態のときにシール部材３の温度を収束させるのに好適な程度の比較的大きい値に設定した場合、運転状態から待機状態へ移行するときにはシール部材３温度の収束に長時間を要する。
そこで、電源電力ゲインを、待機状態のときにシール部材３の温度を収束させるのに好適な程度の比較的小さい値に設定すると、待機状態から運転状態へ移行するときにはシール部材３温度の収束に長時間を要する。
【００１６】
合成樹脂製品を連続的または間欠的に加熱する場合、運転時の放熱量Ｈ１および待機時の放熱量Ｈ０は、ヒートシールを行う目的や対象物、ヒートシールを行う時の気温や作業速度などにより、千差万別であるが、比較的変動の少ない条件下で特定の合成樹脂製品をヒートシールする場合などは、ある程度予想可能であり、これに合わせて、おおまかに運転時ゲインＧ１および待機時ゲインＧ０を決定することができる。多少、当初のゲインＧ０，Ｇ１の予測が狂ったとしても、大幅にＧ０を下げない限りゲインを切り替えない場合よりも悪い結果となることはないので、作業に支障を来すことなく実運転した結果を基に、ゲインＧ０，Ｇ１の値を最適値へと修正することができる。
また、例えば、実験によってＧ０，Ｇ１の最適値を求めても良い。すなわち、後述の実施例に倣って、とりあえずＧ１を１００％としておき、Ｇ０を順次下げて、待機時から運転時に状態が移行する時のシール部材の温度を記録し、得られたシール部材の温度のデータより、最適なＧ０を決定し、Ｇ１は１００％で問題がないことを確認する。ヒータの能力が大きいほど運転再開にともなうシール部材の温度低下を素早く回復させることができるので、通常は、Ｇ１は１００％で問題はないが、極端にヒータの能力が大きい場合はシール部材の温度の収束が不安定になることもあり得るので、１００％では大きすぎる場合はＧ１を下げて再度、実験を行う。Ｇ０、Ｇ１が決まったら、運転時から待機時に状態が移行する時のシール部材の温度を記録し、得られたシール部材の温度のデータより、決定したＧ０、Ｇ１で問題がないことを確認する。このようにして、温度変化に見合うような電力ゲインを決めることにより、運転時ゲインＧ１および待機時ゲインＧ０を、実運転に先立って決定することができる。
【００１７】
本形態例のヒートシール装置１の場合、電力制御手段６は、ヒータの温度変化およびＰＩＤ制御の結果とは関係なく、シール部材３の状態を制御する運転信号に基づいて電力ゲインを待機時ゲインＧ０と運転時ゲインＧ１とをそれぞれ予め設定しておいて、状態に応じて切り替えられるようになっているので、待機時から運転時に移行するとき、および運転時から待機時に移行するときに電力ゲインを瞬時に切り替えることができる。これにより、それぞれの状態でシール部材３の温度を収束させるのに好適な電源電力のゲインとし、温度制御手段の制御量を小さくすることができる。この結果、温度調整のための待ち時間を短縮して装置の稼働率および生産性を向上することができる。また、フィルムのヒートシール不良を抑制して歩留まりを改善することが可能となる。
そして、本形態例のヒートシール装置は構成が簡易なので、既に設置済みの従来装置から簡単に改造することができ、運用も容易なので、低コストで設置および運用が可能である。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明で用いられる温度制御方法を検証するため、図２に示すような温度制御回路を構成し、そのヒータ３ａに対して温度を低下させるような外乱（本実験においてはファンによる送風）を与えながら、ヒータ３ａの温度の変動を計測した。この検証実験において、ヒータ３ａに外乱を与えたときが本発明における運転時に対応し、ヒータ３ａが外乱から解放されたときが本発明における待機時に対応する。
運転状態ではヒータ３ａの温度を収束させるのに好適な電源電力のゲインとして、電力制御手段６の存在に関わらず、１００％の電力をリレー１０に供給し、待機状態では電力制御手段６の存在により、運転状態の４０％〜１００％の電力をリレー１０に供給するようにゲインを操作した。待機状態における電源電力のゲインを、４０％、５０％、６０％、８５％に下げたものを実施例とし、電力を下げずに１００％の場合を比較例とした。
図３には、待機状態から運転状態に切り替えたときの温度の経時変化を示す。また、図４には、運転状態から待機状態に切り替えたときの温度の経時変化を示す。
図３および図４において、グラフの線には、待機時電力が４０％の場合に二点鎖線、５０％の場合に一点鎖線、６０％の場合に実線、８５％の場合に破線、１００％の場合に点線をそれぞれ用いた。
【００１９】
図３に示すように、ヒータを待機状態から運転状態に切り替えたときのヒータ３ａの温度を収束させる時間は、待機時の電源電力のゲインが小さかったほど、収束時間は短くなり、１００％未満の実施例においては短時間で所定の温度に収束できた。
待機時の電源電力のゲインが５０％または６０％であった場合には、ヒータ３ａの温度の収束も速くすることができた。待機時の電源電力のゲインを運転時の４０％に設定した場合にはハンチングを起こし、収束がやや不安定となった。
【００２０】
図４に示すように、ヒータを運転状態から待機状態に切り替えたときのヒータ３ａの温度を収束させる時間は、待機時電力が小さいほど、収束時間は短くなり、１００％未満の実施例においては短時間で所定の温度に収束できた。
特に、待機時の電源電力のゲインが６０％の場合には、温度の収束も速く、安定に制御することができた。待機時電力が４０％または５０％の場合にはハンチングを起こし、収束がやや不安定となった。
【００２１】
以上の結果から、本実施例においては、待機時に供給する電力を運転時に供給する電力の６０％に設定したときに、ヒータ３ａの温度の収束に優れる制御を実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、合成樹脂製品を融着接合する目的、例えば、包装袋を製袋したり、包装袋や合成樹脂製成型容器に液体や粉末、顆粒体などの内容物を充填し開口部をヒートシールしたり、フィルムから包装容器を形成しつつ包装する製袋充填包装などの目的に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のヒートシール装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１のヒートシール装置の作用を説明するブロック図である。
【図３】待機状態から運転状態への切替時の温度変化の例を示すグラフである。
【図４】運転状態から待機状態への切替時の温度変化の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２４】
１…ヒートシール装置（融着接合装置）、２…フィルム（合成樹脂製品）、３…シール部材、３ａ…ヒータ、４…電源、５…運転制御手段（温度調節計）、６…電力制御手段（電力調節計）、７…温度制御手段。
【図１】
2005305865.tif 000003
【図２】
2005305865.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005305865.tif 000006