(57)【要約】【課題】一定の仕上り寸法のフランジ部を有する紙カップを安定して生産できる超音波溶着装置、超音波ホーン、カップ受け金型及びこれらを使用した紙カップの製造方法。【解決手段】超音波ホーンは、先端外周部にトップカール部を挿入可能な溝部を有し、溝部の外側円筒面は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、カップ受け金型は、紙カップを保持する空間と、上端がドーナツ状のカップ受けとを有し、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、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、外径は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、超音波ホーンの溝部の底面と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超音波溶着装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波溶着装置用超音波ホーン。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波溶着装置用カップ受け金型。
【請求項４】
請求項１に記載の超音波溶着装置を用いて、トップカール部を扁平なフランジ状に成形することを特徴とする紙カップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紙カップのトップカール部をフランジ状に成形加工するために使用する、超音波溶着装置と、これに用いる超音波ホーンならびに、これと一対にして使用するカップ受け金型及びこれらを用いた紙カップの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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形容器の上部開口部は、蓋材とのシール性を確保するために、上端が平坦なフランジ形状に成形することが行われている。このような紙カップに使用される材料としては、紙と熱可塑性フィルムを貼り合わせたラミネート材料が一般的に使用される。従来、カップの上端部を平坦に成形する方法として、予めカップ上端を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溶着機によって圧締、加熱、溶着して平坦に成形する方法が採られている。
【０００３】
従来この時に使用する超音波溶着機の構造は、図５に示したように、予めカップ上端にトップカール部６を形成した紙カップ本体３をカップ受け金型２によって保持し、フランジ部分の仕上がり外径に合わせて製作した外径規制リング１４によって仕上がり外径寸法を規制しつつ、上部から超音波ホーン１３を下降させて、カップ受け２ａの上面と超音波ホーン１３の下面とでトップカール部６を圧締して、フランジ部を成形する。この時超音波ホーンの下面外周部と外径規制リングは、直接接触し、スプリング１５が縮むことによって外径規制リング１４が下方に移動して、フランジ部が成形される。
【０００４】
図６は、フランジ成形部分の拡大図であるが、超音波ホーン１３の下面外周部と外径規制リング１４とが直接接触することによって、しばしば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はみ出してフィルムはみ出し１６となることがあった。フィルムはみ出し１６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、極端な場合には口を切ることもある。また発生したフィルムはみ出し１６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。またさらに外径規制リング１４が摩耗してフランジ外径寸法が規格通りに仕上がらないという問題も発生することがあった。
【０００５】
弊社出願の特許文献１に示した飲料用紙カップ及びその製造方法は、その特許請求範囲に記載された通り、胴部と底部とからなり、開口部周縁が外側にカールしたカップリム部を有する紙カップであって、前記胴部を構成する胴部材、底部を構成する底部材ともに、少なくとも内面側に熱可塑性樹脂層が積層された複合紙から構成され、前記カップリム部が上下方向より押圧されて扁平に形成されると共に、先端部は曲線を描いて下方に曲がって形成されていることを特徴とする飲料用紙カップであり、紙カップを作製後、超音波ホーンを用いて前記紙カップのカップリム部を扁平に押圧して融着させると同時に、カップリム部の先端部分を下方に曲げて成形することを特徴とする飲料用紙カップの製造方法である。
【０００６】
この特許文献に記載された紙カップの製造方法によると、坪量が170〜310g/m2程度の紙カップ原紙の片面、又は両面に低密度ポリエチレン樹脂を20〜40μｍ程度塗布したポリエチレン加工紙を使用して一般的な紙カップ成形機を用いて紙カップを成形した後、開口部周縁が外側にカールしたカップリム部を超音波ホーンと超音波ホーンの受け型とによって圧縮して成形するものである。
この時使用する超音波ホーンの受け型には、ドーナツ状の凸部が設けられており、超音波ホーンには、このドーナツ状の凸部を受ける凹部が設けられているので、この凹部と凸部に挟まれた空間で、カップリム部が所望の形状に成形されるものである。
【０００７】
この方法においては、超音波ホーンと、受け型とが直接接触することがないため、金属同志の接触による摩耗の問題は生じないが、カップリム部の仕上がり寸法を規制する機構が存在しないため、カップリム部の仕上がり寸法は、予め成形したカール部分の状態や、圧締圧力、圧締時間等の条件によってばらつくという問題があった。
【特許文献１】特開2004-42987号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は一定の仕上がり寸法のフランジ部を有する紙カップを安定して生産することが可能な超音波溶着装置ならびにこれに用いる超音波ホーンとカップ受け金型を提供することであり、さらにこれらを使用した紙カップの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、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である。
【００１０】
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波溶着装置用超音波ホーンである。
【００１１】
また請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波溶着装置用カップ受け金型である。
【００１２】
また請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の超音波溶着装置を用いて、トップカール部を扁平なフランジ状に成形することを特徴とする紙カップの製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
紙カップのトップカール部をフランジ形状に成形するにあたり、本発明の超音波ホーンならびにカップ受け金型を用いた超音波溶着装置を使用した場合には、超音波ホーンがカップのフランジ仕上がり外径を規制する外径規制つばを形成する溝部を有しており、紙カップのトップカール部が溝部の底面とカップ受け上面とによって成形されるため、形状および外径仕上がり寸法が常に一定となる。また成形加工に当たって、超音波ホーンやカップ受け金型が他の金属部品と直接接触しないので、超音波ホーンやカップ受け金型が摩耗するおそれがなく、長期間にわたって安定した成形加工が可能となり、従来問題となっていたフィルムはみ出しの発生も無くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図面に従って、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る超音波溶着装置を用いて紙カップのカップフランジ部の成形加工を行う状態を示した断面説明図であり、超音波ホーン１の先端の外周部には、紙カップ本体３のトップカール部を挿入することができる深さを有する溝部５が設けられており、一方カップ受け金型２は、紙カップ本体３を収納、保持する空間とカップ受け２ａを有する。
【００１５】
図２は、図１のカップフランジ成形部４の断面拡大説明図であり、成形前の状態を示したものである。超音波ホーン１に設けられた溝部５の外側円筒面５ｂは、超音波ホーンの可動方向と平行であり、本図の場合には、超音波ホーンの可動方向が垂直であるので、垂直となっている。また、溝部内周寸法８は、カップフランジ部の仕上がり外径寸法に等しく、この溝部の外側円筒面５ｂが、外径規制つば９を形成している。一方カップ受け２ａの上端はドーナツ状となっており、その上端部の内径は、紙カップのトップカール部６の直下の外径にほぼ等しい寸法であるので、紙カップがぴったりと密着して保持されるようになっている。またカップ受け２ａの外周面２ｃは、超音波ホーンの可動方向と平行であり、本図の場合は、垂直となっている。またカップ受け２ａの外径７は、超音波ホーンの溝部５の外側円筒面５ｂすなわち外径規制つば９に嵌合可能な寸法であることが必要であり、通常カップ受け外径７は、溝部内周寸法８より0.1mm程度小さくしておくことが好ましい。このことによって、超音波ホーン１とカップ受け金型２とは、0.05mm程度のクリアランスを持つことになり、直接接触することがないので、金属同志の接触による摩耗や変形のおそれがなくなる。また溝部５の深さすなわち外径規制つば９の高さ１１は、成型前のトップカール部６が完全に挿入可能な、十分な高さを有することが好ましい。
このことにより、超音波ホーン１が下降して、トップカール部６を圧締、加熱、成形する際に、溶融した樹脂が外径規制つばとカップ受けの隙間からはみ出すこともなく、安定した成形が行われる。
【００１６】
図３は、図１のカップフランジ成形部の断面拡大説明図であり、成型後の状態を示したものである。超音波ホーン１の溝部５とカップ受け２ａとが嵌合することにより、紙カップ本体３のトップカール部は、溝部底面５ａとカップ受け上面２ｂにより圧締されてカップフランジ１０を形成する。この時、カップフランジ１０の仕上がり外径は、外径規制つば９によって規制され、所定の外径に仕上がる。またこの時、カップ受け外周面２ｃと外径規制つば９との嵌合の深さである外径規制つば嵌合深さ１７は、0.5mm以上あることが好ましい。この深さが浅い場合には、溶融した樹脂がはみ出したりするおそれがある。
【００１７】
図４は、本発明に係る超音波溶着装置を用いて加工した紙カップのカップフランジ部の仕上がり状態を示す断面説明図である。
カップフランジ部外径１２は、超音波ホーンの外径規制つば９の内周寸法すなわち、溝部内周寸法８に等しく、常に安定した仕上がり寸法となる。また従来問題となっていたフィルムはみ出しの問題もなくなった。
【００１８】
次に、本発明の超音波溶着装置を用いた紙カップの製造方法について説明する。
図１に示した図は、カップ受け金型２に紙カップ本体３がセットされ、超音波ホーン１が下降した状態を示しているが、最初の段階では、超音波ホーン１が上方に上昇した位置にある状態で、トップカール部６を形成した紙カップ本体３をカップ受け金型２にセットするか、あるいはカップ受け金型の、同じものを複数設置して、交互あるいは順次、超音波ホーンの位置にセットする方法も用いられる。この場合は、紙カップの着脱は、超音波ホーンの位置から外れた位置で行われ、紙カップを装着したカップ受け金型を超音波ホーンの直下に移動してから超音波ホーンを降下させて成型を行う。通常紙カップの出し入れは、別に設けたカップ脱着機構によって行われ、人の手が触れることはない。
図２に示した図は、図１のカップフランジ成形部の拡大図であるが、カップ受け２ａによって保持された紙カップ本体３のトップカール部６が、カップ受け上面２ｂと下降してきた超音波ホーンの溝部底面５ａとによって圧締され、同時に超音波振動が印加されることにより、瞬時に発熱してカップの構成材料中の樹脂が溶融し、次いで超音波振動を停止することにより冷却固化されて図３のようにカップフランジ１０が形成される。
この時、トップカール部６は、超音波ホーンの溝部５の３つの壁面すなわち溝部底面５ａ、溝部の外側円筒面５ｂ（すなわち、外径規制つば９の内周面）、溝部の内側円筒面と、カップ受け上面とによって囲まれる空間の中で成形されるため、常に一定の形状のカップフランジ１０が形成されることになる。また溝部５の深さ１１をトップカール部がすっぽりと入るだけの十分な深さとすることにより、圧締後の外径規制つば嵌合深さ１７を十分に確保することができるようにすると、従来問題となっていたフィルムはみ出しといった問題も解消されるのである。この外径規制つば嵌合深さ１７については、既に述べたように、少なくとも0.5mm以上であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る超音波溶着装置を用いて紙カップのカップフランジ部の成形加工を行う状態を示した断面説明図。
【図２】図１のカップフランジ成形部の断面拡大説明図（成形前）。
【図３】図１のカップフランジ成形部の断面拡大説明図（成形後）。
【図４】本発明に係る超音波溶着装置を用いて加工した紙カップのカップフランジ部の仕上がり状態を示す断面説明図。
【図５】従来の超音波ホーンとカップ受け金型を用いて紙カップのカップフランジ部の成形加工を行う状態を示した断面説明図。
【図６】図５のカップフランジ成形部の断面拡大説明図（成形後）。
【符号の説明】
【００２０】
１・・・超音波ホーン
２・・・カップ受け金型
２ａ・・カップ受け
２ｂ・・カップ受け上面
２ｃ・・カップ受け外周面
３・・・紙カップ本体
４・・・カップフランジ成形部
５・・・溝部
５ａ・・溝部底面
５ｂ・・溝部の外側円筒面
６・・・トップカール部
７・・・カップ受け外径
８・・・溝部内周寸法
９・・・外径規制つば
10・・・カップフランジ
11・・・外径規制つばの高さ
12・・・カップフランジ部外径
13・・・従来の超音波ホーン
14・・・外径規制リング
15・・・スプリング
16・・・フィルムはみ出し
17・・・外径規制つば嵌合深さ
【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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