(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ホーンと共に使用され、前端をその超音波ホーンに対面させるアンビルであって、
アンビル本体と、
アンビル本体の前方に配置された振動部分と、
振動部分に取付けられたシーリング部分と、
アンビル本体と振動部分との間に配置されてアンビル本体の音響的遮断を行う手段と、
アンビル内部に配置された冷却システムとを備え、
前記冷却システムが、前記振動部分を通る冷却流体用の内部通路を有しているアンビル。
【請求項２】
多数の超音波ホーンと共に使用されるアンビルシステムであって、
アンビル駆動装置に連結され、そのアンビル駆動装置により移動されるアンビルバーと、
アンビルバーに取付けられた複数のアンビルであって、それら複数のアンビルの各々がアンビル本体、このアンビル本体の前方に位置し、冷却流体によりアンビルを冷却するために内部通路を有する振動部分、振動部分の上方に配置されたシーリング部分、およびアンビル本体と振動部分との間に配置されたアンビル本体の音響的遮断を行う手段を含み、またそれらアンビルの各々は超音波ホーンと共に個別にシーリング作動を遂行できるようになされたアンビルと、
複数のアンビルの各々の通路の間に冷却流体を伝えるための複数の相互連結チューブであって、複数の相互連結チューブの各々は少なくとも１つのＯ−リングで複数のアンビルのうちの対応する各々のアンビルにシールされている複数の相互連結チューブと、
入口チューブを通して複数の相互連結チューブと流体連通された冷却流体源と、
出口チューブを通して複数の相互連結チューブと流体連通された排出物受容器とを含んで成るアンビルシステム。
【請求項３】
請求項１に記載されたアンビルであって、アンビル本体と振動部分とが一対の平行なブリッジ部分によって連結され、アンビルの音響的遮断を行う手段が、アンビル本体を振動部分から分離する空間を有しており、該空間が、アンビル本体と振動部分と一対の前記ブリッジ部分との間に形成されているアンビル。
【請求項４】
請求項１に記載されたアンビルであって、アンビルの音響的遮断を行う手段が、繰返し応力を受けたときのアンビルに対する結合力を増大させる形状に形成されたゴムで作られた膜部材を含んで成るアンビル。
【請求項５】
請求項１に記載されたアンビルであって、シーリング部分から突出し、超音波シーリングに干渉するのを避けるようにシーリング部分に配置された複数のパッドを有し、複数のパッドの各々は超音波シーリングを施される対象箇所の最小厚さに実質的に等しい長さを有しているアンビル。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は超音波シーリングアンビルに関する。特に本発明は音響的遮断手段を備えた超音波シーリングアンビルに関する。
背景技術
山形頂部のカートンすなわち容器がミルク、ジュースその他の食品、ならびに他の各種製品を包装するのに広く使用されている。このようなカートンはそれ自体に対して熱シール可能なシート材料から製造される。典型的な材料は、両面をポリエチレンや他の熱シール可能材料によって被覆された厚紙である。
山形の閉止部は一般に、予め形成されている折曲げ線に沿ってカートンを折曲げ、数枚の熱シール可能材料を有する直立折りしろ（または底部閉止部の場合は垂下折りしろ）を形成することで、シールされる。折りしろは超音波シーリングホーンおよびアンビルの間に挟持され、ホーンを通してその結合箇所に伝達された超音波エネルギーがフィルム状の熱シール可能材料を溶融してシールを形成する。
超音波シーリング装置を設計する場合、一般に対処しなければならない１つの問題は、装置の意図的に引離されている可動部分がシーリング作動時に不用意にまたは意図的に接触したときに、それらの部分が互いに溶着するのを如何にして防止するかである。他の問題は、シーリング部分からアンビルまたは機械の他の部分へ超音波振動が漏れ伝わるのを如何にして防止するかである。さらに他の問題は、シーリング作動時にそのシーリング動作を妨げずにアンビル（１つ、または複数）を冷却することである。
発明の開示
本発明は、閉止部をシールする位置に配置された第１および第２面を有するカートンの該閉止部をシールするために、超音波ホーンと共に使用されるアンビルである。本発明のアンビルによりシールされる典型的な閉止部は、液体食品用カートンのための山形頂部または底部の閉止部である。本発明は、山形頂部カートン用包装機械（パッケージング機械）におけるステーションとされるカートンシーリング装置（シーラー）の構成部材である。
本発明の１つの概念は、超音波ホーンと関連して使用されるアンビルである。このアンビルは、アンビル本体、振動部分、予め定めたシーリングパターンを有するシーリング部分、アンビル本体の音響的遮断手段、および冷却システムを含む。振動部分はアンビル本体よりも前方に位置される。シーリング部分は振動部分の上方に配置される。アンビル本体の音響的遮断手段は、アンビル本体と振動部分との間に配置される。
本発明の他の概念は、多数の超音波ホーンに関連して使用される１つのアンビルシステムである。このアンビルシステムはアンビルバー、複数のアンビル、複数の相互連結チューブ、ヒートシンク流体源、および排出物受容器を含む。アンビルバーは、アンビルに動きを与えるアンビル駆動装置に連結されている。複数のアンビルがアンビルバーに取付けられる。複数のアンビルの各々はアンビル冷却用通路を有しており、アンビルからその通路を通して流れるヒートシンク流体に熱を伝達することでアンビルを冷却する。複数のアンビルの各々は、１つの超音波ホーンと関連して別々にシーリング作動することができる。複数のアンビル相互連結チューブがヒートシンク流体を複数のアンビルの各々の間で移動させる。複数のアンビル相互連結チューブの各々は、少なくとも１つのＯ−リングによって複数のアンビルのうちの各々の対応するアンビルに対してシールされる。ヒートシンク流体源は入口チューブを通して複数のアンビル相互連結チューブと流体連通されている。排出物受容器は出口チューブを通して複数のアンビル相互連結チューブと流体連通されている。
複数のアンビル相互連結チューブの各々は実質的にステンレス鋼材料で作られている。複数のアンビル相互連結チューブは、各個のアンビルを互いに独立して移動できるようにしている。多数の超音波ホーンの各々は対流装置すなわちコンベクタと、音極すなわちソノトロード（sonotrode）とを含む。ソノトロードは、超音波シーリングによる影響を避けるために、ソノトロードから突出し且つソノトロード上に配置された複数のパッドを有する。複数のパッドの絵各々は超音波シールされる対象箇所の最小肉厚に実質的に等しい予め定めた長さを有する。
本発明の第１の目的は、アンビル本体および振動部分の音響的遮断手段をアンビルに備えたアンビルを提供することである。
本発明の付随的な目的は、相互連結された冷却システムを有するアンビルシステムを提供することである。
本発明の付随的な目的は、ホーンからアンビルへ向かう損傷を防止するために複数のパッドを備えたアンビルを提供することである。
本発明の付随的に目的は、相互に交換できるシーリング部分を備えたアンビルを提供することである。
【図面の簡単な説明】
図１には本発明の超音波アンビルの１実施例の斜視図が示されている。
図２には本発明のアンビルシステムが示されている。
図３には図２のアンビルシステムにおけるアンビルの部分的切除図が示されている。
図４には遮断手段として特別な形状をしたゴム膜を有する本発明のアンビルの側部斜視図が示されている。
図５Ａには先行技術のアンビルの頂部斜視図が示されている。
図５Ｂには先行技術のアンビルの側部斜視図が示されている。
図６Ａには図４のゴム膜を備えたアンビルの頂部斜視図が示されている。
図６Ｂには図４のゴム膜を備えたアンビルの側部斜視図が示されている。
図７Ａには代替ゴム膜を備えたアンビルの頂部斜視図が示されている。
図７Ｂには代替ゴム膜を備えたアンビルの側部斜視図が示されている。
図８には本発明のアンビルの代替実施例の斜視図が示されている。
図９には超音波ホーンのソノトロードと係合された本発明のアンビルの側部斜視図が示されている。
図１０にはカートンに係合する本発明のアンビルの頂部斜視図が示されている。
図１１にはカートンに係合する本発明のアンビルの頂部斜視図が示されている。
図１２にはスコット氏他の特許出願における超音波カートンシーリング装置の頂部斜視図が示されている。
図１３〜図１５には山形閉止部に対して遂行されるシーリング作動が示されている。
発明を実施する最良形態
本発明の超音波アンビルは、１９９６年２月６日付で付与されたスターク氏他の包装機械に関する米国特許第５４８８８１２号に記載された機械のような、カートン形成、充填およびシーリング機械に使用できる。スターク氏他の包装機械は、本発明の超音波アンビルの可能な適用例のうちの１例に過ぎない。当業者は本発明の精神および範囲から逸脱せずにこの超音波アンビルの多数の適用例を認識できる。
図１に示されるように、アンビル２０は前端２１および後端２２を有する。アンビル２０はアンビル本体２３、振動部分２４、シーリング部分２６、およびアンビル本体の音響的遮断手段を含んで折り、この音響的遮断手段は、この実施例のアンビル２０では空間２８とされている。空間２８は、前端の振動部分２４および後端のアンビル本体２３、および側部における一対の平行なブリッジ部分３０，３２によって境界されている。平行なブリッジ部分３０，３２はまた振動部分２４をアンビル本体２３に連結している。図１から明白となるように、平行なブリッジ部分は予め定めた長さのシーリング部分２６の外側に位置している。この設計は、図示していないがカートンを効果的にシールするためにアンビル２０に必要とされる安定状態を可能にする。空間２８は、シーリング工程においてアンビルにエネルギーを伝える超音波ホーンが作動される間、振動部分２４からアンビル本体２３を隔離する、すなわち遮断する。空間２８は、アンビル本体２３を経て図示していないフレームにエネルギーを伝えることなく、振動部分２４にエネルギーを保持することを可能にする。この音響的遮断手段を以下にさらに説明する。
図２に示されるようにアンビルシステム３６は、アンビルバー３８、一連のアンビル２０Ａ〜２０Ｆ、および複数のアンビル相互連結チューブ３９を含む。６つのアンビル２０Ａ〜２０Ｆは、それらの１群のアンビル２０Ａ〜２０Ｆが１回往復作動することで６個のカートンを同時にシールすることを可能にする。この実施例はアンビルバーを有するアンビルシステムを示しているが、当業者には本発明を実施するにおいてこれ以上または少ないアンビルを使用できることが認識されよう。アンビル２０Ａ〜２０Ｆは定期的に容易に交換できるようにするために、アンビルバー３８に取外し可能に取付けられている。
アンビルバー３８はカートンを通過させる開位置と、閉止部シーリング位置に位置決めされた閉止部の片面を支持する閉位置との間で前後に移動できるように構成される。このようにして多数のカートンが１度にシールされる。
超音波エネルギーの幾分かは超音波シーリング装置の作動時に変換器すなわちシーリングホーンからアンビル２０Ａ〜２０Ｆへ伝わる。この超音波エネルギーはアンビル２０Ａ〜２０Ｆから熱となって消散される。超音波シーリング装置の作動時にアンビル２０Ａ〜２０Ｆが過熱するのを防止するために、冷却システムが使用できる。本発明の冷却システムは図３に最もよく示されている。図３に示されるように、冷却システムはアンビル２０Ａ〜２０Ｆの各々を通る内部通路４０、詳しくはアンビル２０Ａ〜２０Ｆの振動部分２４を通る内部通路４０で構成される。内部通路４０の各々は予め定めた直径とされ、アンビル２０の片側から反対側へ延在する。内部通路４０は、冷却能力を最大限に保持する一方、アンビル２０の作動に対する悪影響を最小限にするような位置に位置される。内部通路４０を通るヒートシンク流体（即ち冷却流体）の流量も内部通路４０の冷却能力の要素となる。何故なら、その流量は吸収された熱がアンビル２０Ａ〜２０Ｆから如何に迅速に除去されるかを決めるからである。小さい流量は大きな表面積を必要とし、この逆も言える。したがって、ヒートシンク流体の固定された流量に基づいて予め定めた時間内にアンビル２０から熱を吸収する十分な表面積を内部通路４０は有していなければならない。
図１に示されるようにアンビルの音響的遮断手段が空間２８や、図４または図５に示されるようなゴム膜などのいずれであっても、内部通路４０は音響的遮断手段と接触しないようにされる。音響的遮断手段を回避する要件は、アンビル２０Ａ〜２０Ｆの各々の内部通路４０の寸法および位置の因子による。冷却能力を最適化するために、内部通路４０は十分大きい表面積を有することが必要であるが、遮断手段と干渉するような寸法であってはならない。同様に内部通路４０の位置は遮断手段と干渉するようなものであってはならないが、この要件はアンビル２０から効率的に熱を除去する能力とバランスされねばならない。
アンビル２０Ａ〜２０Ｆにおける各々のアンビルの内部通路４０の各々は、アンビル相互連結チューブ３９を経て互いに連結されている。アンビル相互連結チューブ３９の各々は、それらのチューブ３９が内部通路４０の各々に挿入でき、またそれらのチューブ３９を通して流体を効率的に流せる直径を有する。内部通路４０に一旦挿入されたならば、アンビル相互連結チューブ３９は少なくとも１つの、好ましくは２つのＯ−リング４２によってアンビル２０Ａ〜２０Ｆの各々に対してシールされる。Ｏ−リング４２は、隣合うアンビル２０Ａ〜２０Ｆの間に配置されたアンビル相互連結チューブ３９の係合が外れずに各個のアンビル２０が互いに対して移動できるようにする。アンビル相互連結チューブ３９は、アンビル２０が隣のアンビル２０との整合状態から外れて移動するときに、隣合うアンビル２０Ａ〜２０Ｆの間の連結を保持できる十分な長さを与える予め定めた長さを有する。好ましい実施例において、アンビル相互連結チューブ３９はプラスチック材料で構成される。しかしながらステンレス鋼のような他の材料も使用できる。しかしながら、当業者は多数の他の材料が本発明の範囲から外れずにステンレス鋼と置換できることを認識するであろう。２つの端部のアンビル２０Ａ及び２０Ｆの各々に一端が連結されるアンビル相互連結チューブ３９は、図２に示されるように入口チューブ４４および出口チューブ４６に対して反対端部で連結される。このようにして全ての内部通路４０、全てのアンビル相互連結チューブ３９、入口チューブ４４および出口チューブ４６は互いに全て流体連通状態にある。
入口チューブ４４は図示していないヒートシンク流体源４８と流体連通され、出口チューブ４６は図示していない廃液保管部と流体連通される。ヒートシンク流体は、対象箇所とヒートシンク流体との間の熱伝達によって温度を実質的に維持する流体であると定義される。本発明では、ヒートシンク流体は恐らく対象箇所すなわちアンビルからヒートシンク流体へ熱を伝えることにのみ使用される。好ましいヒートシンク流体は水であるが、他の流体も本発明の実施において使用できる。入口チューブ４４は共通の水源に直接に連結されることができ、またはまず最初に水冷却装置に連結されることができる。水は入口チューブ４４を通して第１アンビル相互連結チューブ３９へ流れ、第１アンビル２０Ａの内部通路４０に流入した後、同様に残りのアンビル２０Ｂ〜２０Ｆを通して流れる。水が最後のアンビル２０Ｆを通って流れたならば、出口チューブ４６を通って排水システムに流体連通されているシンクのような廃液保存部５０へ流れる。これに代えて、水は出口チューブ４６から水を入口チューブ４４へ再循環させる循環システムへ流されることができる。アンビル相互連結チューブ３９にプラスチックまたはステンレス鋼材料を使用することは、それらのチューブ３９が水で酸化される可能性を低くする。
作動において、冷却システムは冷却した水のようなヒートシンク流体をアンビル２０Ａ〜２０Ｆに与えてアンビル２０Ａ〜２０Ｆから流体へ熱が伝わるようにする。入口チューブ４４からアンビル２０Ａ〜２０Ｆを通って出口チューブ４６へ流体が流れるとき、流体へ熱が伝えられてアンビル２０Ａ〜２０Ｆの作動温度を低下させ、これによりアンビル２０Ａ〜２０Ｆの過熱によって悪影響の生じる可能性を低減する。
超音波シーリング作動において、アンビル２０は振動システムの一部であり、機械の残りの部分から音響的遮断を行われなければならない。アンビルは機械構造に対する可能性のある損傷を避けるため、また機械フレームへ超音波エネルギーが消失されるのを減少するために、音響的遮断を行われなければならない。現在のところ、この音響的遮断は振動部分２４とアンビル本体２３との間のゴム層によって得られる。ゴム層はアンビル２０（シーリング部分２６および振動部分２４）の前端２１を撓めるようになし、このようにしてシーリング部分２６の圧力分布に干渉する。ゴムが硬く堅固であると遮断効果は低く、これにより多量の超音波エネルギーが機械フレームに伝達されるようになす。遮断要素が全く備えられていなければ、伝達される超音波エネルギーの量は莫大となる。
本発明において、アンビル２０の音響的遮断を行う手段は、各種の実施例がある。１つの実施例は、図１に示されるように振動部分２４とアンビル本体２３との間の空間２８すなわち空隙である。この空間すなわち空隙２８はアンビル本体２３に伝達される超音波エネルギーの量を減少させる。他の実施例が図４に示されており、これにおいて特別の形状をしたゴム膜５２は、超音波シーリング装置の作動時の繰返し応力に対して、ゴム膜５２に与えられる結合応力、即ちアンビル２０に対する結合力を増大させるように成形されている。図４に示されるようにゴム膜５２は、シーリング部分２６に平行な第１部分５４、角度の付いた第２部分５６、シーリング部分２６に平行な第３部分５８、角度の付いた第４部分６０、およびシーリング部分に平行な第５部分６２を有している。この特別な形状は、繰返し応力に対して結合応力を増大させることでゴム膜５２がアンビル２０から外れるのを防止する。
実質的に真っ直ぐな形状を有するゴム膜５２Ａを使用した先行技術のアンビルが、比較のために、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。先行技術のゴム膜５２Ａは繰返し応力のために、また結合応力の不足のために、脱落し易い。図６Ａおよび図６Ｂには図４のゴム膜５２を備えたアンビル２０が示されている。図６Ａおよび図６Ｂに示されたのとは異なる特別な形状をしたゴム膜５２を備えた代替実施例が図７Ａおよび図７Ｂに示されている。
現在、ほとんどのアンビルは、アンビルで分離不能な要素としてシーリングパターンを備えている。本発明のアンビル２０は先に説明した概念に加えて、シーリング部分を、振動部分２４、およびアンビル２０の残りの部分から分離する新規な構造を包含する。図８に示されるように、本発明のアンビル２０は以下の一般的な部材、すなわちアンビル本体２３、振動部分２４、冷却システムおよびシーリング部分２６に分離できる。多数の部材から成るアンビル２０は、前端をユニットとして交換しなければならない典型的なアンビルに比べて、部材の容易な取替えすなわち交換を可能にする。シーリング部分２６は、振動部分２４とアンビル本体２３との間の遮断を乱すことなく交換できる。
１組のねじ７０がシーリング部分２６を振動部分２４に連結しており、シーリング部分２６の容易な取替えを可能にする。ねじ７０はゴム膜５２または内部通路４０と接触することはない。シーリング部分２６の取替え時に振動部分２４、およびゴム膜５２を取囲むアンビル本体２３は外されないことから、新しいシーリング部分が必要とされるときにゴム膜５２が再加硫（revulcanization）されることも避けられる。
超音波シーリング時に、包装材料のようなシールする対象箇所（若しくは対象物）がない場合、アンビルおよび超音波ホーン７４のソノトロード７２を損傷することになる。幾つかの特別なシーリング適用例において、超音波作動時にソノトロード７２とアンビル２０との間に予め定めた距離を保持することが必要とされる。溶融した包装材料がシーリング面積部分から押出される結果をもたらすことになる超音波シーリングを施される包装材料に対する過剰圧力は、ソノトロード７２とアンビル２０との間に最小距離を保持することを必要とする特別なシーリング適用例の一例である。アンビル２０およびソノトロード７２に対する損傷を防止するために、またアンビル２０とソノトロード７２との間に予め定めた距離を保持するために、本発明はソノトロード７２とアンビル２０との間に空隙を形成するための複数の支持パッド７６を含んでいる。
図９に示されるように、アンビル２０は複数の支持パッド７６を有し、それらの支持パッドはカートン折りしろに対する過剰シーリングおよびシーリング装置に対する損傷を防止するために予め定めた位置に配置されている。複数の支持パッド７６はアンビル２０に配置される。支持パッド７６はクリープが小さく、繰返されるシーリング工程に耐える十分な耐久性を有する熱抵抗プラスチック材料で構成される。支持パッド７６の長さはシーリングの必要条件によって決る。図１０および図１１に示されるように、支持パッド７６の長さは超音波ホーンおよびアンビルでシールされる閉止部の厚さによって決る。この長さが不十分であると、閉止部の材料はシーリング作動時に外方へ押出される。その長さが必要以上に長いと、シーリング作動時に対象箇所即ち閉止部が適当にシールされない。好ましい支持パッド７６はポリエーテルエーテルケトン（「ＰＥＥＫ」）で構成される。このポリエーテルエーテルケトン（「ＰＥＥＫ」）材料は支持パッド７６上で３０００Ｎまでの巨大な荷重に耐えることができる。
工業的な適用例
スコット氏他の特許出願による超音波カートンシーリング装置が図１２に示されている。既に説明したように、本発明の新規なアンビルはスターク氏他の特許に記載されたようなカートン充填およびシーリング機械におけるカートンシーリング装置の一部材として使用できる。図１２に示されるように、カートンシーリング装置は閉止部に加えるシーリング作動を遂行するために多数の部材を有している。関心の持たれるのは、アンビル２０Ａ〜２０Ｈ、アンビルバー３８および超音波ホーンである。
図１３〜図１５は山形頂部の閉止部に遂行されるシーリング作動を示している。図１３において、アンビル２０は超音波ホーン７４に対向して配置されている図１４において、山形頂部の閉止部の折りしろ８０は、超音波エネルギーによってシールされることを見越して、アンビル２０と超音波ホーン７４との間に位置されている。図１５において、超音波ホーン７４で発生される超音波エネルギーにより閉止部が互いにシールされるように、アンビル２０が折りしろ８０と係合されて超音波ホーン７４に対して折りしろ８０を押圧している。音響的遮断のための手段は、振動部分２４からアンビル本体２３へ伝達される超音波エネルギーの量を減少させる。このことはまたカートンシーリング装置および機械の他の部材に対して伝達される超音波エネルギーの量を減少させる。
【図１】
0004107357.tif 000002
【図２】
0004107357.tif 000003
【図３】
0004107357.tif 000004
【図４】
0004107357.tif 000005
【図５Ａ】
0004107357.tif 000006
【図５Ｂ】
0004107357.tif 000007
【図６Ａ】
0004107357.tif 000008
【図６Ｂ】
0004107357.tif 000009
【図７Ａ】
0004107357.tif 000010
【図７Ｂ】
0004107357.tif 000011
【図８】
0004107357.tif 000012
【図９】
0004107357.tif 000013
【図１０】
0004107357.tif 000014
【図１１】
0004107357.tif 000015
【図１２】
0004107357.tif 000016
【図１３】
0004107357.tif 000017
【図１４】
0004107357.tif 000018
【図１５】
0004107357.tif 000019