(57)【要約】封止した合成樹脂容器を、蓋（３２）とボール（２２）の対向する、全体的に相補の水平な嵌合い面（７０，７２）を所定の軸方向圧力の下で接触させ、この軸方向圧力を実質的に維持しながら、これらの嵌合い面の溶融を作り出すために所望のトルク値に達するまで、ボール（２２）に対する蓋（３２）の回転を急激に加速することによって、スピン溶接する。その後、蓋（３２）の回転を直ちに減速して回転を終了し、嵌合い面（７０，７２）を接着させる。一般的には、トルクを回転加速中に安定状態に達するまで繰返しモニタし、そして、加速工程は、その後この回転工程を少なくとも５０ｍｓｅｃ．の間続けられる。
2004503397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
封止した合成樹脂容器を作る方法であって：
（ａ）　熱可塑性合成樹脂をボールとそれ用の蓋に成形し、該蓋およびボールがそれらの周辺の周りに伸びる実質的の相補の嵌合い面を有するように成形する工程；
（ｂ）　前記ボールの一つを製品で満たす工程；
（ｃ）　前記製品で満たしたボールおよび蓋をしっかりと把持しながら、上記蓋およびボールの対向する、一般的に水平な嵌合い面を所定の軸方向圧力の下で接触させる工程；
（ｄ）　前記軸方向圧力を実質的に維持しながら、前記嵌合い面の溶融を作り出すために所望のトルク値に達するまで、前記ボールに対する前記蓋の回転を急激に加速する工程；および
（ｅ）　次に前記蓋の前記回転を直ちに減速して前記回転を終了し、前記嵌合い面を接着させる工程を含む方法。
【請求項２】
請求項１に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記回転を高度の加速で行い、および前記回転の終了を高度の減速で行う方法。
【請求項３】
請求項１に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、トルクを前記回転加速工程中に安定状態に達するまで繰返しモニタし、およびその後前記回転工程を少なくとも５０ｍｓの間続ける方法。
【請求項４】
請求項３に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記トルクの前記モニタをこの回転加速を生ずるために使うモータが引出す電力をモニタすることによって行う方法。
【請求項５】
請求項１に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記所定の軸方向圧力が１．３８〜３．４５Ｎ／ｍｍ２である方法。
【請求項６】
請求項１に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記回転の加速および終了を前記ボールに対する前記蓋の４回未満の相対回転において行う方法。
【請求項７】
請求項２に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記加速が３５，０００〜２５０，０００ｒｐｍ／ｓの割合である方法。
【請求項８】
請求項２に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記減速が３５，０００〜２５０，０００ｒｐｍ／ｓの割合である方法。
【請求項９】
請求項１に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、前記ボールの前記嵌合い面に、それを前記蓋と接触させる前に、蒸気を導く工程を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、窒素を前記蒸気に混ぜる方法。
【請求項１１】
請求項９に従った封止した合成樹脂容器を作る方法に於いて、部分真空を封止した容器内に生ずる方法。
【請求項１２】
スピン溶接した容器を製造するための装置であって：
（ａ）　ボールをしっかり把持するためのホルダ；
（ｂ）　相補の蓋をしっかり把持するためのホルダ；
（ｃ）　前記ホルダを互いに対して動かして嵌合い面を接触させるための手段；
（ｄ）　前記嵌合い面に所定の軸方向圧力を加えるための圧力印加手段；
（ｅ）　前記軸方向圧力を実質的に維持しながら、これらのホルダの互いに対する回転を急激に加速するための、および前記相対回転を急激に減速するための加速および減速手段；および
（ｆ）　前記嵌合い面に発生したトルクを検知するため、そして前記加速がこれらの嵌合い面の所望の溶融を示す所望の値に達したときを決めて前記減速を行うために前記加速手段に作用するトルク検知手段、を含む装置。
【請求項１３】
請求項１２に従った容器スピン溶接装置に於いて、前記トルク検知手段は、前記加速および減速手段が安定状態に達するまでに引出した電流を検知する装置。
【請求項１４】
請求項１２に従った容器スピン溶接装置に於いて、前記所定の軸方向圧力が１．３８〜３．４５Ｎ／ｍｍ２である装置。
【請求項１５】
請求項１２に従った容器スピン溶接装置に於いて、前記回転の加速および終了を前記ボールに対する前記蓋の４回未満の相対回転において行う装置。
【請求項１６】
請求項１２に従った容器スピン溶接装置に於いて、前記加速が３５，０００〜２５０，０００ｒｐｍ／ｓの割合であり、および前記減速が３５，０００〜２５０，０００ｒｐｍ／ｓの割合である装置。
【請求項１７】
請求項１２に従った容器スピン溶接装置に於いて、前記ボールの嵌合い面に、それを前記蓋と接触させる前に、蒸気を導くための手段を含む装置。
【請求項１８】
請求項１７に従った容器スピン溶接装置に於いて、窒素をこの蒸気に混ぜるための手段を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、プラスチック容器へのプラスチック蓋または閉鎖体の封止に関し、更に詳しくは、蓋と容器のスピン溶接に関する。
【０００２】
スピン溶接のプロセスは、相対的に回転する蓋とボールおよびカップのような容器との間の摩擦が当接面で合成樹脂を融かし、冷却すると両面を接着させるものである。一般的に、多くのスピン溶接プロセスは、蓋またはカバーを比較的高速で回転し、次にそれを容器と接触させ、それが蓋の回転が低下しその後に停止するときに溶融摩擦を生ずることを必要とした。そのようなプロセスの例は、ブラウン外への米国特許第３，２９７，５０４号である。
【０００３】
この業界は、良好な封止を保証するために全周に亘る確実な溶接を得ながら、この充填および封止プロセスを迅速に処理するために絶えず短いスピン溶接サイクルを求めていた。
【０００４】
ホフィス外の米国特許第５，７７２，１０３号は、代替プロセスを記載し、それは蓋と容器を最初に垂直負荷の下で接触させ、次にプリセットした少数の回転の間回転力を加えて所望の溶融を行う。
【０００５】
どのスピン溶接プロセスにも、表面特性および形態の変動、充填中の容器内容物による突合せ面の汚染等のような変量を取扱う際に問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、表面変動を許容し且つよく封止した容器を作る、蓋と容器をスピン溶接する新規な方法を提供することである。
【０００７】
高速充填ラインで容易且つ迅速に実行できる、そのような方法を提供することも目的である。
もう一つの目的は、表面変動を許容し且つよく封止した容器を作る、蓋と容器をスピン溶接するための新規な装置を提供することである。
【０００８】
（発明の概要）
今や、上述するそして関連する目的は、封止した合成樹脂容器を作る方法であって、熱可塑性合成樹脂をボールと蓋に成形し、それらがそれらの周辺の周りに伸びる実質的の相補の嵌合い面を有する工程を含む方法において容易に達成できることが分った。これらのボールの一つを製品で満たし、このボールおよび蓋をしっかりと把持しながら、この蓋およびボールの対向する、一般的に水平な嵌合い面を所定の軸方向圧力の下で接触させる。この軸方向圧力を実質的に維持しながら、これらの嵌合い面の溶融を作り出すために所望のトルク値に達するまで、このボールに対して蓋を急激な加速で回転する。次にこの蓋の回転を直ちに減速してこの回転を終了し、これらの嵌合い面を接着させる。
【０００９】
この回転は、高い加速度で行われ、そして、この回転の終了は、高い減速度で行われる。このトルクをこの回転加速工程中に安定状態に達するまで繰返しモニタし、そして、その後この回転を少なくとも５０ｍｓｅｃ．の間続ける。このトルクのモニタは、この回転加速を生ずるために使うモータが引出す電力をモニタすることによって都合よく行う。
【００１０】
この所定の軸方向圧力は、１．３８〜３．４５Ｎ／ｍｍ２であるのが好ましく、上記回転の加速および終了をこのボールに対する蓋の４回未満の相対回転内に行う。この加速および減速の両方が３５，０００〜２５０，０００ｒｐｍ／ｓの割合である。
【００１１】
このボールの嵌合い面に、それを蓋と接触させる前に、蒸気を導く工程を含むのが望ましく、窒素をこの蒸気に混ぜるのが好ましい。その結果、この封止した容器内に部分真空が生ずる。
【００１２】
スピン溶接した容器を生産するための装置が、ボールをしっかり把持するためのホルダ、相補の蓋をしっかり把持するためのホルダ、およびこれらのホルダを互いに対して動かして嵌合い面を接触させるための手段を含む。これらの嵌合い面に所定の軸方向圧力を加えるために圧力印加手段を備え、並びにこの軸方向圧力を実質的に維持しながら、これらのホルダの互いに対する回転を急激に加速するために、およびこの相対回転を急激に減速するために、加速および減速手段を備える。これらの嵌合い面に発生したトルクを検知するために、およびこの加速がこれらの嵌合い面の所望の溶融を示す所望の値に達したときを決め、次にこの減速を行うためにこの加速および減速手段に作用するトルク検知手段を含む。
【００１３】
（好適実施例の詳細な説明）
最初に図１ないし図３を参照すると、本発明を具体化する単一ステーション・スピン溶接機が示してあり、それは、全体を数字１２で指す蓋ホルダ組立体を備える、全体を数字１０で指す、蓋支持および回転組立体を使用する。この蓋ホルダ組立体１２のチャック部分組立体１４は、その下端に蓋ホルダ２０を含み、その中に蓋３２が位置する。チャック部分組立体１４および蓋ホルダ２０の回転は、ギヤボックス３０を介してサーボモータ１６によって行い、このサーボモータ１６および蓋ホルダ組立体１２は、スライド３４上の空気シリンダ／ピストン２８によって垂直に動くことができる。
【００１４】
図２で分るように、全体を数字２４によって指す、部分的に示すボールまたはカップ坦持体がその上にカップホルダ２６を有し、その中にカップ２２が蓋３２と整列して位置する。このカップホルダ２６は、相対回転に抗してその中にカップ２２をしっかりと把持するために、その周辺に多数の突起または歯を有する（図８参照）。
サーボモータ１６へのトルクモニタおよび電力供給手段を数字６によって示し、空気シリンダ２８のための制御および動力手段を数字８によって示す。
【００１５】
次に図４を参照すると、チャック部分組立体１４がリニア軸受４４を含み、その中にサーボモータ１６の軸３８が摺動可能に位置するのが分る。この軸３８は、圧縮ばね４０に作用し、それでサーボモータ１６が蓋ホルダ組立体１２をカップ坦持体２４に向けて下方に動かすとき、ばね４０を圧縮し、一方チャック１４は、それに対して上方に摺動する。
【００１６】
図９ないし図１１で解るように、蓋ホルダ２０は、その周りに離間して配置した多数の歯またはグリッパブレード４６を有し、それらはこの下方運動によって蓋３２の中へ追込まれ、その中でのその回転を防ぐ。
【００１７】
図８で解るように、カップホルダ２６は、その周りに離間して配置した歯またはグリッパブレード４８を有し、それらは、蓋ホルダ組立体１２が下方に動くとき、その上面に加えられる圧力によってカップ２２の中へ追込まれる。それで、この蓋３２とカップ２２は、共にそれらそれぞれのホルダ２０、２６に対する回転を抑制される。
【００１８】
やはり図８で解るように、この蓋３２とカップ２２の周辺部は、協働する円周溝またはくぼみ７０とその中へ伸びる突出円周リブ７２となるように構成してある。カップ２２は、リブ７２の外方へ伸び且つ蓋３２の垂下する円周フランジ７６と協働する円周フランジ７４も有する。
【００１９】
組立てた容器は図１２に示されかつくぼみ７０とリブ７２の周り、およびフランジ７４とフランジ７６の周りに蓋３２とカップ２２の隣接面の樹脂が溶融して接着および封止の比較的大きな面積をもたらすことが解る。これらの隣接面上のあらゆる汚染物が円周方向に絞り出され、あらゆるばりが対向するフランジ７４、７６の間に融合する。
【００２０】
この装置を作動する際、カップ２２をカップホルダ２６に装填し、蓋３２を蓋ホルダ２０に装填する。ピストン／シリンダ２８が制御装置８によって作動させられ、蓋回転組立体１０を坦持体２４の中のカップ２２に向けて下方に動かす。この下方運動が起ると、グリッパブレード４６、４８が蓋３２およびカップ２２に埋込まれ、ばね４０が圧縮されて所望のバイアス力を与える。
【００２１】
制御装置６によってサーボモータ１６を作動させ、所望のトルクに達するまでカップ２２に対する蓋３２の相対回転を行い、所望のトルクに達するとこのサーボモータ１６および相対回転を急激に減速し、蓋３２とカップ２２の対向する面の所望の溶接を作り出す。
【００２２】
このプロセスの所望のパラメータを以下に詳細に議論する。
先に説明した装置は、少量生産並びに材料および構成の試験に適するが、図１３および図１４は、全体を数字８０、８２で指す、協働する１対のベルトドライブユニットによってもたらされる高速パッケージング施設を概略的に示す。ユニット８２は、上に半円形くぼみ８８を備えるカップホルダ要素８６を有する単一駆動ベルト８４を有する。ユニット８２は、上に協同するように構成したカップホルダ要素８６を備える第１駆動ベルト９０を有し、これらのベルト８４、９０は、伝導装置（図示せず）によって同期して駆動される。分るように、ベルト８４、９０の駆動経路は、端がアーチ形で細長い。これらのベルト８４、９０は、最初取入れ端からカップホルダ要素８６を隣接関係にするために収束し、中央スピン溶接領域を通って平行に移動し、次に取外し端で発散する。
【００２３】
コンベヤベルト９４がユニット８０、８２の間をカップホルダ要素８６の下で伸び、カップ２２をベルト８４、９０上のカップホルダ要素８６の間の空間へ運ぶ。ベルト８４、９０が収束するので、ホルダ要素８６がカップ２２をそれらの間にしっかりと把持し、次にコンベヤベルト９４は、望ましくは僅かに降下して、ホルダ要素８６がこの溶接ステーションを通過するとき、カップ２２がこのホルダ要素にだけ支持されるようになる。その後、コンベヤベルト９４が上昇し、ベルト８４、９０がこの施設の排出端の方へ発散するときにホルダ要素が放出した、溶接した容器を支持する。
【００２４】
ユニット８２は、ベルト８４、９０と同期して駆動される第２駆動ベルト組立体９８を備えるタレット９６を有し、それは、上にサーボモータ１０２が取付けてあり且つこの溶接領域の入口および出口端でカム（図示せず）の作用によって垂直支柱１０４上を摺動可能なブラケット１００を坦持する。蓋（図示せず）をこの溶接領域の反対のベルト経路の脇で蓋ホルダ（図示せず）に挿入する。
【００２５】
先の単一ステーション実施例同様、モータ１０２、クラッチおよび蓋を含む蓋ホルダ（全て図示せず）をこの溶接領域の最初にカム（図示せず）によって下方に動かして、ばねを圧迫し且つグリッパブレードをカップおよび蓋に埋込み、およびモータ１０２の短い急激な回転が対向する面のスピン溶接を作り出す。
【００２６】
従来通り、これらのカップまたはボールをコンベヤベルトに載せてスピン溶接施設に運び込む前に製品で満たす。
先に示したように、本発明の方法は、蓋とディスクを接触させてから、このスピン溶接作業中維持する軸方向圧力の下で相対回転を急激に加速することを伴うものである。この回転を生ずるモータが発生する（引出す電力が示す）トルクをモニタしてそれが安定状態に達したときを決め、その後短時間回転を続け、それに続いてこのモータおよび回転を急激に減速する。分るだろうが、このトルクは、対抗面が溶融し、摩擦抵抗が低下するまで増加する。これは、このスピン溶接サイクルが良い接着を作り出すために十分な溶融を得るために必要な時間の間しか続かないことを保証する。
【００２７】
図１５で分るように、モータが慣性を克服すると初期スパイクがあり、その後所要電力が低下し、以後樹脂が溶融するので安定状態へ上昇する。この回転は、この安定状態に到達後短時間、通常少なくとも５０ｍｓ続け、対向する面の完全な溶融とその上のあらゆる汚染物の絞り出しを保証する。１００ｍｓを超える継続時間は、実際には何も有意な利益をもたらさず、有害かも知れない。
【００２８】
このスピン溶接サイクル中、対抗面の軸方向圧力は、これらの面が溶融し且つ流動するので圧縮ばねによって維持し、これは、所望の迅速且つ実質的に均一な溶融を保証する。この軸方向圧力は、少なくとも０．６８Ｎ／ｍｍ２であるべきであり、１．３８〜３．４５Ｎ／ｍｍ２の範囲内にあるのが好ましい。
【００２９】
このモータおよびその制御器は、３５，０００〜２５０，０００ｒｐｍ／ｓの割合の急速な加速および減速を行わねばならない。これは、モータ直接または適当な歯車駆動を介して行うことができる。
【００３０】
上に説明したような軸方向圧力を使う本プロセスで、接着すべき面上の汚染物を外方に絞り出し、ばりを好ましくは図示したような１対の協働する円周フランジを設けることによって閉込める。
【００３１】
図５Ａ〜図５Ｄは、三つの異なる試料に対する、同じ圧力並びに加速および減速率を加えながら、所望の平衡状態に達するための回転数の変化を示す。
【００３２】
図６Ａ〜図６Ｄは、直径８７．３ｍｍでポリプロピレン／ポリエチレン樹脂から作り、実質的に図８に示すような構成を有する試料カップおよび蓋に対して、適用した圧力、トルク、速度、加速度、減速度および回転距離の間の関係を示す。
【００３３】
蓋かカップのどちらかを回転してもよいが、小さい慣性およびカップの内容物が急激な加速および減速によって激しく攪拌される傾向のために、蓋が好ましい。
ここで使う“カップ”という用語は、カップ、ボール、瓶および一般的に円形断面のその他の容器を含む。
【００３４】
このスピン溶接組立体に対するコンピュータ制御が幾つかの運動およびサイクルを容易に実行し且つ同期化する。電力需要のモニタは、モータへの回路の中の電流計によって容易に実行し、バイアス力は、ロードセルによって測定できる。蓋組立体のカップへの近接・離隔運動は、油圧または空気圧ピストン／シリンダユニットによって、またはカム等を使う機械的作用によって行うことができる。
【００３５】
もし望むなら、このスピン溶接施設は、蓋を封止するときに容器の頭隙を蒸気が満たすように、溶接ステーションの前に充填したカップの周りに蒸気を導くための一連のノズルを含んでもよい。この蒸気が凝縮するとき、真空がこの容器内にできる。
【００３６】
ある用途には、この頭隙に調節大気を与えることが望ましいかも知れない。知られているように、この頭隙にガスを与えることが蓋を封止した後にこの容器の内容物を調理するために必要な時間を短縮する。回転調理器で、この泡も内容物を攪拌して必要な時間を短縮するだろう。封止前に蒸気および窒素噴射を使うことによって、窒素をこの頭隙に含めることができ、およびそれは内容物に不活性である。
【００３７】
それで、前記の詳細な説明および添付の図面から、本発明の新規なスピン溶接のプロセスが迅速で、効率的で嵌合い面の表面特性の変動およびその汚染物を許容することが解る。この方法は、適当なコストで製作し且つ運転できる高速ラインで実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化したスピン溶接機の蓋回転組立体の正面図である。
【図２】図１の側面図であり、かつボール保持部分組立体も部分的に示す。
【図３】図１の蓋回転組立体の背方面図である。
【図４】拡大尺度で書いたチャック部分組立体の断面図である。
【図５Ａ】それぞれ、異なる試料のカップ／蓋組立体が所定のトルク設定点に達するために加えた圧力、トルク、速度および回転距離の表示グラフである。
【図５Ｂ】それぞれ、異なる試料のカップ／蓋組立体が所定のトルク設定点に達するために加えた圧力、トルク、速度および回転距離の表示グラフである。
【図５Ｃ】それぞれ、異なる試料のカップ／蓋組立体が所定のトルク設定点に達するために加えた圧力、トルク、速度および回転距離の表示グラフである。
【図５Ｄ】それぞれ、異なる試料のカップ／蓋組立体が所定のトルク設定点に達するために加えた圧力、トルク、速度および回転距離の表示グラフである。
【図６Ａ】それぞれ、適用した圧力、トルク、速度および回転距離の関係の表示グラフである。
【図６Ｂ】それぞれ、適用した圧力、トルク、速度および回転距離の関係の表示グラフである。
【図６Ｃ】それぞれ、適用した圧力、トルク、速度および回転距離の関係の表示グラフである。
【図６Ｄ】それぞれ、適用した圧力、トルク、速度および回転距離の関係の表示グラフである。
【図７】スピン溶接サイクルのための論理の流れ図である。
【図８】ボールホルダ、スピン溶接前のボールおよび蓋の拡大破断断面図である。
【図９Ａ】蓋ホルダの底面図である。
【図９Ｂ】蓋ホルダの断面図である。
【図１０】図９の破線円によって示す部分の蓋ホルダブレードの拡大破断断面図である。
【図１１】ブレードホルダおよびそれと係合した蓋の拡大破断説明図である。
【図１２】スピン溶接後の蓋とボールの拡大破断断面図である。
【図１３】スピン溶接する容器用生産ユニットの部分概略斜視説明図である。
【図１４】図１３の生産ユニットの概略平面図である。
【図１５】スピン溶接作業中の速度とトルクの表示グラフである。
【図５Ａ】
2004503397.tif 000003
【図５Ｂ】
2004503397.tif 000004
【図５Ｃ】
2004503397.tif 000005
【図５Ｄ】
2004503397.tif 000006
【図６Ａ】
2004503397.tif 000007
【図６Ｂ】
2004503397.tif 000008
【図６Ｃ】
2004503397.tif 000009
【図６Ｄ】
2004503397.tif 000010
【図７】
2004503397.tif 000011
【図１３】
2004503397.tif 000012
【図１４】
2004503397.tif 000013
【図１５】
2004503397.tif 000014
【国際公開パンフレット】
2004503397.tif 000015
2004503397.tif 000016
2004503397.tif 000017
2004503397.tif 000018
2004503397.tif 000019
2004503397.tif 000020
2004503397.tif 000021
2004503397.tif 000022
2004503397.tif 000023
2004503397.tif 000024
2004503397.tif 000025
2004503397.tif 000026
2004503397.tif 000027
2004503397.tif 000028
2004503397.tif 000029
2004503397.tif 000030
2004503397.tif 000031
2004503397.tif 000032
2004503397.tif 000033
2004503397.tif 000034
2004503397.tif 000035
2004503397.tif 000036
2004503397.tif 000037
2004503397.tif 000038
2004503397.tif 000039
2004503397.tif 000040
2004503397.tif 000041
2004503397.tif 000042
【国際調査報告】
2004503397.tif 000043