(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも熱可塑性樹脂層を含む積層体からなる包材をチューブ状とし、該チューブ状の包材を液面下に横断状に超音波シールする装置において、細長くかつ平坦なシール面を有するホーンと、該ホーンのシール面と協働して包材を押圧する押圧部分を含む作用面を備えた対向ジョーとを有し、該対向ジョーの作用面に、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が少なくとも設けられ、夾雑物を溶融熱可塑性樹脂とともにシール帯域から積極的に排出し、かつ接液側に流出した溶融熱可塑性樹脂の厚みと幅を制御しうることを特徴とする超音波シール装置。
【請求項２】
対向ジョーの作用面に、シール帯域の切断側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波シール装置。
【請求項３】
対向ジョーの作用面に、溶融熱可塑性樹脂をシール帯域から切断側に流出し得る傾斜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波シール装置。
【請求項４】
溝及び／又は傾斜により押圧部分の幅がシール面の幅よりも狭くなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の超音波シール装置。
【請求項５】
溝が、断面円弧状をし、その深さ寸法がその幅の１／２よりも小さい溝であることを特徴とする請求項１、２又は４記載の超音波シール装置。
【請求項６】
積層体が、紙層を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の超音波シール装置。
【請求項７】
対向ジョーが、カッティング機構を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の超音波シール装置。
【請求項８】
チューブ状の包材が、包材をチューブ状とするに際して、シーリングテープを用いてチューブ状としたチューブ状包材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか記載の超音波シール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長期保存が可能な紙容器入り液体飲料等を製造するための充填包装機における超音波シール装置、より詳しくは、溶融熱可塑性樹脂の流れを制御してシール性を向上させるための特定形状の作用面を有する対向ジョーを備えた超音波シール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ジュース等が充填される直方体状の包装容器用の包装材料ウェブを殺菌して用いる包装機として、図１に示す充填包装機が知られている。この充填包装機全体の概要は、積層包装材料ウェブ１をロール状に支持しているリワインダ２と、リワインダから順次巻戻された板状の積層包装材料ウェブを殺菌する殺菌装置３と、殺菌された積層包装材料ウェブの長手方向両端部をシールし、チューブ状積層包装材料ウェブを形成する縦シール部４と、チューブ状に成形されたウェブ内に流動性内容物を充填する給液管５と、内容物の充填されたチューブをほぼ容器１個に相当する長さ分だけ下方に送りながら、チューブ状積層包装材料ウェブの長手方向と直交する方向に液面下で横断状にシールし、同時に断面矩形の枕状容器６を連続的に成形する横シール装置７と、枕状容器６の端部を折り曲げ、最終形態である直方体状容器８に成形する容器整形装置を備えている。そして、上記横シール装置７は、シール装置と該シール装置を固定するシールジョーと該シールジョーを駆動する駆動手段から構成されている。
【０００３】
また、超音波シール装置としては、Ａ．Ｃ．電流供給源に連結される、圧電セラミックス板を有する圧電駆動ユニット又は磁気歪み駆動ユニットと、細長いシール表面を備えたホーンとを有する超音波シール装置にして、当該装置は、さらに、ホーンとともに半波長を形成する１つまたはそれ以上の反作用体を備えていることを特徴とする超音波シール装置（特開平７−２２３１号公報）の他、多くの超音波シール装置が知られている（特公昭６２−２２７８４号公報、特開平２−７２０２４号公報、特開平７−３３１２１号公報、特開昭５６−９２０４６号公報、特開平６−１５７４１号公報等）。
【０００４】
これら超音波シール装置の中でも、ホーンのシール面と協働して積層包装材料を押圧する対向ジョーの作用面の形状に特徴を有するものとしては、ホーンとアンビルとから成る胴部のほぼ中央に重合接着部を有する角筒状の液体容器の上下端の開口部を封着するための超音波シール装置において、前記ホーンの被シール部当接面のほぼ中央に帯状の凸条を設け、アンビルの被シール部当接面のほぼ中央に前記凸条と直交する凹溝を設けて成り、該凹溝の底部は二段構造としてその段差部分及び両端部分をテーパー状として、かつ底部中央の端部には側方に張出した鋭角状の突出傾斜面を設けた液体容器の超音波シール装置が知られている（実開昭６３−１４７４０８号公報、登録実用新案第３００４７８６号）。
【０００５】
他方、高周波ヒートシール装置において、その長手方向の作用面に凸部を設け、該凸部の両側に凸部と平行に形成された溝を有する高周波コイルを用いることにより、包材の樹脂が溶融され凸部により押されても、溶融樹脂をシール帯域外へ流出させることなく、上記溝内に滞留させる高周波ヒートシール装置（特開平８−２３０８３４号公報）や、高周波ヒートシール装置において、シール帯域形成部が外側（容器内面側）にいくにしたがって漸次遠ざかる方向に傾斜するように形成された高周波コイルを用い、液面下でのチューブの加圧時にシール帯域から容器内側に向かって液体及び溶融樹脂をスムーズに排除してヒートシールする高周波ヒートシール装置（特開平８−２４４７２８号公報）も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
液体飲料等の内容物が充填されたチューブ状包装材料を液面下、すなわち液体が存在する状態で横断状にヒートシールする場合、ヒートシールを良好に行うためには、チューブを加圧及び加熱するシール時に、チューブのシール帯域から液体をできる限り排除することが必要である。しかし、液体と接触しているチューブ内面は必ずしも完全に平坦ではなく、微細にみると、ごく僅かな凹凸を有している。そして、特開昭５８−１３４７４４号公報、特開平５−２６９８５４号公報、特開平７−１６４５２３号公報、特開平９−２４０６０７号公報や特開平８−２３０８３４号公報に記載の高周波ヒートシール装置においては、溶融した樹脂をシール帯域外へ流出させることなくシール帯域内で滞留させるシール方式を採用していることから、チューブ内面のごく僅かな凹凸に入った液体や汚れをシール帯域外へ流出させることができず、シール性において充分といいうるものではなかった。
【０００７】
一方、本発明者らは、シール時にこの凹凸に入った液体や汚れを排除するために、シール帯域内の液体を溶融樹脂とともにシール帯域外へ流出させればよいことを見い出し、前記特開平８−２４４７２８号公報に記載の発明を完成するに至ったが、このヒートシール装置を用いる方法では、凹凸に入った液体や汚れを完全に排除し、優れたシール性が得られるものの、容器内側となる接液側に流出した溶融樹脂が均一にはみ出さないことがあり、図２に示すように、容器内側の縁部に波打った溶融樹脂ビード９を形成し、シール工程以後の成形機等による二次工程において、容器に圧力がかかった場合にビード９の波の頂部１０から亀裂が発生し、ごく稀に液漏れが生じることがわかった。そして、かかる高周波シール装置における問題は、超音波シール装置の特殊性を考慮しても、ほぼ同様に発現すると予想された。
【０００８】
超音波シール装置の特殊性、すなわち高周波シール装置との差異として、本発明者らは次のような知見を予備実験から得た。超音波シール装置における超音波ホーンと対向ジョーとの協働によるチュ−ブ状包装材料の押圧において、超音波ホーンのシール面にシール性を向上させる溝や傾斜等の形状を付加すると、付加された凹凸等により振動の均一性が保つことが困難になり、チュ−ブ状包装材料のシール予定部分に適切な圧力を付与することができなくなることを見い出した。また、超音波シールの場合、加圧されていない部分をも加熱することができる高周波シールとは異なり、超音波による振動を確実に伝えることができる加圧されている部分のみが加熱されることから、溶融熱可塑性樹脂の一部は必然的に容器内部となる接液側に流出することも確かめられた。
【０００９】
本発明の課題は、超音波発信機による振動を確実にシールすべき帯域に与えて、縦シール部付近の段差部をも十分に加熱することができ、シールすべき帯域に存在するジュースパルプ等の夾雑物を、溶融熱可塑性樹脂とともにシール帯域から積極的に排出することができ、かつ接液側に流出した溶融熱可塑性樹脂の厚みと幅を制御することにより、波打った溶融樹脂ビードの形成を防止することができ、優れたシール性を有する超音波シール装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究し、ホーンのシール面ではなく対向ジョーの作用面に溶融熱可塑性樹脂の流れを制御しうる構造を付加すると、超音波発信機による振動を確実にシールすべき帯域に与えることができること、及び、対向ジョーの作用面に、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝を設けることにより、夾雑物を溶融熱可塑性樹脂とともにシール帯域から積極的に排出し、かつ接液側に流出した溶融熱可塑性樹脂の厚みと幅を制御することができることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち本発明は、少なくとも熱可塑性樹脂層を含む積層体からなる包材をチューブ状とし、該チューブ状の包材を液面下に横断状に超音波シールする装置において、細長くかつ平坦なシール面を有するホーンと、該ホーンのシール面と協働して包材を押圧する押圧部分を含む作用面を備えた対向ジョーとを有し、該対向ジョーの作用面に、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が少なくとも設けられ、夾雑物を溶融熱可塑性樹脂とともにシール帯域から積極的に排出し、かつ接液側に流出した溶融熱可塑性樹脂の厚みと幅を制御しうることを特徴とする超音波シール装置（請求項１）や、対向ジョーの作用面に、シール帯域の切断側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波シール装置（請求項２）や、対向ジョーの作用面に、溶融熱可塑性樹脂をシール帯域から切断側に流出し得る傾斜が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波シール装置（請求項３）や、溝及び／又は傾斜により押圧部分の幅がシール面の幅よりも狭くなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の超音波シール装置（請求項４）や、溝が、断面円弧状をし、その深さ寸法がその幅の１／２よりも小さい溝であることを特徴とする請求項１、２又は４記載の超音波シール装置（請求項５）や、積層体が、紙層を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の超音波シール装置（請求項６）や、対向ジョーが、カッティング機構を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の超音波シール装置（請求項７）や、チューブ状の包材が、包材をチューブ状とするに際して、シーリングテープを用いてチューブ状としたチューブ状包材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか記載の超音波シール装置（請求項８）に関する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明における少なくとも熱可塑性樹脂層を含む積層体からなる包材としては、その最内面に加熱手段によってヒートシールすることができるポリエチレン等の熱可塑性樹脂層を有する積層体であれば特に制限されないが、容器の剛性を維持するための紙シート等の紙層を備えるものが好ましい。また、容器内へ空気、微生物等を透過させないアルミ箔層又は酸素不透過性の合成樹脂フィルム層を有する積層体を用いることもできる。また、本発明におけるチューブ状の包材としては、上記包材をチューブ状としたものの他に、シーリングテープを用いて上記包材をチューブ状とした包材も用いることができる。
【００１３】
本発明において、包材をチューブ状とし、該チューブ状の包材を、液面下で横断状に超音波シールする装置としては、細長くかつ平坦なシール面を有するホーンと、該ホーンのシール面と協働して包材を押圧する押圧部分を含む作用面を備えた対向ジョーとを有し、該対向ジョーの作用面に、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が設けられているものであればどのような超音波シール装置でもよく、その対向ジョーの作用面に設けられた溝を除いては、前記従来公知の超音波シール装置をも含めて用いることができる。
【００１４】
例えば、本発明者らによって開発された、図３に示すような長手方向に包装材料をシールする２つの細長くかつ平坦なシール面１１を備えた１つのホーン１２と、該ホーン１２のシール面と反対側に立設され、ホーンを共振させる複数のコンバーター１３とを備え、その長さが一波長の長さであり、固定位置（取り付けフランジ）１４が節平面であるシールジョーを備えた超音波シール装置や、図４に示すような長手方向に包装材料をシールする１つの細長くかつ平坦なシール面１１を備えた１つのホーン・フィクスチャー一体成型体１５上に複数のコンバーター１３が立設されている超音波シール装置を具体的に例示することができ（ＰＣＴ／ＪＰ９９／０１４２８参照）、これら複数のコンバーター１３を有する超音波シール装置を用いることにより、両端部をも含めた細長いシール面全面に均一にヒートシールすることが可能となる。
【００１５】
本発明においてシール帯域とは、ホーン端部に設けられた細長くかつ平坦なシール面と、対向ジョーの作用面に存する上記ホーンのシール面と協働して包材を押圧する押圧部分とにより、包材の最内面の熱可塑性樹脂層に圧力と機械的振動による熱が負荷され、ヒートシールされている部分をいい、また、便宜上、ヒートシールが予定される部分をシール帯域ということもある。したがって、シール帯域は通常前記押圧部分と一致し、シール帯域の両外側には、接液側隣接領域と包装容器が切り離される切断側隣接領域が形成されることになる。そして、かかるシール帯域は本発明の超音波シール装置を用いることにより連続的に形成されていく。すなわち、超音波シール装置を備えたこの種の充填包装機においては、シールジョーと対向ジョーとからなる一対の加圧部材が通常２組使用され、各一対の加圧部材によるヒートシールにより２つのシール帯域が順次形成され、かかる２つのシール帯域間で枕状に成型された包装容器が順次切り離されるようになっている。
【００１６】
本発明の超音波シール装置は、対向ジョーの作用面に、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が少なくとも設けられていることを特徴とする。すなわち、かかる対向ジョーの作用面に設けられた溝により、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりが形成されることになる。そして、かかる溝は、作用面の押圧部分の接液側に隣接した非押圧部分に設けられた押圧部分長手方向に沿った溝と言い換えることもできる。かかる接液側非押圧面部分の溝に加えて、対向ジョーの作用面に、シール帯域の切断側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が設けられている超音波シール装置や、対向ジョーの作用面に、シール帯域の切断側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂をシール帯域から遠ざかる方向へ流出させるための傾斜が設けられている超音波シール装置を好ましい態様として挙げることができる。
【００１７】
対向ジョーの作用面に、シール帯域の接液側隣接領域や切断側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し得る溝が設けられていると、超音波ヒートシール時に、加圧・加熱により溶融したシール帯域内の熱可塑性樹脂がシール帯域からシール帯域外へ押し流され、シール帯域に夾雑物のない良好なヒートシールを与えるばかりでなく、接液側シール帯域外へ流出した溶融熱可塑性樹脂が、シール帯域の接液側隣接領域に、一定の幅と厚みを有する溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し、好ましくない波打った溶融樹脂ビードの形成を防止することができる。また、切断側シール帯域外へ流出した溶融熱可塑性樹脂が、シール帯域の切断側隣接領域に、一定の幅と厚みを有する溶融熱可塑性樹脂溜まりを形成し、切断部まで流出しないので切断が容易となる。
【００１８】
かかる対向ジョーの作用面に設けられる溝の形状としては、該溝を越えて接液側へ溶融熱可塑性樹脂が流出しない形状であればどのようなものでもよいが、溶融熱可塑性樹脂溜まりの接液側端部が直線となる構造のものが好ましく、例えば断面Ｕ字状、断面Ｖ字状、断面円弧状等の形状のものが挙げることができ、好ましくは断面円弧状でその深さ寸法がその幅の１／２よりも小さい、例えば１／３程度の溝を設けることが望ましい。また、流出した溶融熱可塑性樹脂により溝が埋め尽くされ、シールエッジが均一な幅の溶融熱可塑性樹脂溜まりが形成されるように、あらかじめ上記溝の幅や深さを設定しておくことが好ましい。そして、かかる均一な幅の溶融熱可塑性樹脂溜まりからは亀裂が生じることがなく、容器内圧による突出樹脂からの割れを防止することができる。
【００１９】
また、前記作用面の押圧部分の切断側外側に設けられた溝に代えて、対向ジョーの作用面に、溶融熱可塑性樹脂をシール帯域から遠ざかる方向へ流出させるための傾斜を設けることにより、溶融したシール帯域内の熱可塑性樹脂をシール帯域から切断側シール帯域外へスムーズに流出させ、シール帯域に夾雑物のない良好なヒートシールを与えることもできる。加えて、かかる傾斜を設けておくことにより、溶融熱可塑性樹脂の接液側シール帯域外への流出量が抑制され、特にシーリングテープが溶融する縦シール部での流出量が抑制され、作用面の接液側に設けられた溝を越えて溶融熱可塑性樹脂が充填液中に流出することを防止することができる。
【００２０】
本発明の超音波シール装置を用いてヒートシールをした場合、そのシール帯域の幅は、前記のように、対向ジョーの作用面の押圧部分の幅と通常一致するが、該押圧部分の幅がホーンのシール面の幅と一致する態様と、前記樹脂溜り用溝及び／又は前記傾斜等により押圧部分の幅がシール面の幅よりも狭くなっている態様とがあり、これらの態様を備えた超音波シール装置もすべて本発明に包含される。さらに、本発明の超音波シール装置の対向ジョーの作用面には、シール帯域に対応する押圧部分に連続又は非連続の突条を設けることもできる。非連続の突条は、段差が生じてシール圧が不均一となりやすい縦シール部付近や包材の折り返し部となる両外側部分に設けられ、これによりトンネルが原因となるシール不良の発生を防止することができる。
【００２１】
また、前記のように、超音波シール装置においては、ホーンからなるシールジョーと対向ジョーとからなる一対の加圧部材によるヒートシールにより形成される２つのシール帯域間で枕状に成型された包装容器が切り離されるようになっていることから、本発明の超音波シール装置には、切断刃とその駆動機構からなるカッティング機構が通常対向ジョーに設けられている。そして上記のように、このカッティング機構による切断は、２つのシール帯域間でふつう行われるが、幅広のシール帯域のほぼ中央で切断することができるように、超音波シール装置の下方に切断装置を設けることもできる。
【００２２】
次に、本発明にかかるヒートシール装置を図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６に示される本発明の超音波シール装置は、包材として熱可塑性樹脂層と紙層とを有する積層包装材料ウェブ１を用い、細長くかつ平坦な２つのシール面１１を有するホーン１２と、該ホーンのシール面と協働して包材を押圧する押圧部分を含む細長い作用面１６及びカッティング機構１７を備えた対向ジョー１８からなる。図５に示される超音波シール装置の対向ジョー１８の作用面１６には、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まり１９を形成し得る溝２０及びシール帯域の切断側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まり２１を形成し得る溝２２が設けられ、図６に示されるに超音波シール装置の対向ジョー１８の作用面には、シール帯域の接液側隣接領域に溶融熱可塑性樹脂溜まり１９を形成し得る溝２０及び溶融熱可塑性樹脂をシール帯域から切断側に流出し得る傾斜２３が設けられている。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によると、超音波発信機による振動を確実にシール帯域に与えて、縦シール部付近の段差部をも十分に加熱することができ、シール帯域に存在するジュースパルプ等の夾雑物を、溶融熱可塑性樹脂とともにシール帯域から積極的に排出することができ、かつ接液側に流出した溶融熱可塑性樹脂の厚みと幅を制御することにより、波打った溶融樹脂ビードの形成を防止することができ、これらの結果、優れた超音波ヒートシールを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の充填包装機械の紙パック容器が成形されるまでの過程を説明する図である。
【図２】従来のヒートシール装置を用いたヒートシール部の概略斜視図である。
【図３】本発明の超音波シール装置に用いることができる超音波発生装置の概略斜視図である。
【図４】本発明の超音波シール装置に用いることができる他の態様の超音波発生装置の概略斜視図である。
【図５】本発明の超音波シール装置の概略縦断面図である。
【図６】本発明の他の超音波シール装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１    積層包装材料ウェブ
２    リワインダ
３    殺菌装置
４    縦シール部
５    給液管
６    枕状容器
７    横シール装置
８    直方体状容器
９    溶融樹脂ビード
１０  ビードの波の頂部
１１  シール面
１２  ホーン
１３  コンバーター
１４  固定位置（取り付けフランジ）
１５  ホーン・フィクスチャー一体成型体
１６  作用面
１７  カッティング機構
１８  対向ジョー
１９，２１  溶融熱可塑性樹脂溜まり
２０，２２  溝
２３  傾斜
【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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