JP6273794B2 - ヒートシール品質管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチックフィルムを加熱することによってフィルム同士を溶融接着させるヒートシール技術に関して、製袋機上の製品の良否を判定することができるヒートシール品質管理装置と、このヒートシール品質管理装置を備えたヒートシール装置に関する。

プラスチックフィルムに印刷、加熱、断裁などの処理を行い袋状に仕上げる製袋加工は、洗剤や食料品などの容器として様々な用途で用いられている。

ヒートシールにはシール強度と呼ばれる品質特性があり、これはフィルム間の接着の強さを表すものであるが、十分な加熱が行われない場合にはシール強度不足による品質不良となり、また一方で過剰に加熱を行えばシワや不要な箇所の接着が発生するなどの外観不良に繋がることから、シール強度の品質管理は極めて重要となっている。

ヒートシールにおいて、シール強度はフィルムの溶着が発生する界面の温度（以下、「溶着面温度」と記載する。）がどの程度まで上昇したかによって品質が左右されるという特徴を持つため、逆に溶着面温度を適切に制御することができれば、安定したシール強度を得ることが可能である。

従来、製袋機における溶着面温度は、連続したフィルムが間欠的に搬送されている製造ラインの特性上、直接観測することが困難であった。このため、シール強度品質は仕上がった製袋品の中からサンプルを抜き取り、耐圧試験や落下試験などにより評価を行っており、この評価のために多くの時間を費やすことや、作業負荷が大きいという問題を抱えていた。

このような問題を解決するため、製造ライン上で製品の搬送中にヒートシールの品質を判断するための方法が提案されている。例えば、特許文献１では袋状製品の接着部についてヒートシール後の温度を放射温度計で測定し、所定の温度に満たなければ不良品と判断し、排出するための手法が開示されている。しかしながら、放射温度計ではヒートシール部の外側である基材の温度測定に留まっており溶着面温度は測定できていない。製袋品の場合、厚みや構成材料を変えた多種多様な製品があるため、ヒートシール部の表面温度のみでシール強度品質を判断することは難しい。

特開２００８−２２２２９５号公報

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は製袋機の製造ライン上で、ヒートシールにおけるシール時間、およびシールバー表面温度に基づいて溶着面温度を推定し、溶着面温度の値に応じて、シール品質の良否を判断する装置を提供することを課題としている。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、プラスチックフィルムを袋状に仕上げる製袋加工を行う製袋機での工程の一つであるプラスチックフィルム同士を溶融接着させるヒートシールにおいて、
該プラスチックフィルム同士の溶融接着が発生する界面の温度を溶着面温度と規定するとき、
シール時間とシールバー表面温度に対応する溶着面温度の実測値に基づいて作成される溶着面温度特性モデルを用いて、
製袋機のシール動作毎に製袋機から取得されるシール時間とシールバー表面温度の実測値を該溶着面温度特性モデルに当てはめることによって、
製袋機の製造ライン上の溶着面温度を推定することによって監視し、
あらかじめ設定した管理幅の範囲内に該製袋機の製造ライン上の溶着面温度が含まれるか否かの品質判定を行うことを特徴とするヒートシール品質管理装置である。

さらに、請求項２に記載の発明は、製品の品質判定において、前記製袋機の製造ライン上の溶着面温度が前記管理幅から外れた場合に、該製袋機の製造ライン上の溶着面温度が該管理幅内の値となるように適正なシール時間を算出し、製袋機に対してシール時間の指示値を自動送信することを特徴とする請求項１に記載のヒートシール品質管理装置である。

本発明では、プラスチックフィルムのヒートシール加工において、製造ライン上で溶着面温度を算出・監視することによって、製品が適正なシール強度品質を満たしているか否かを判断することが可能である。

製袋機における溶着面温度は、加工対象のフィルムへのシール時間と、シール時のシールバー表面温度に対応する溶着面温度の関係式である、溶着面温度特性モデルが得られていれば、製造ラインにおけるシール時間やシールバー表面温度を測定することによって推定が可能である。

一般的にヒートシール時の溶着面温度に対するシール強度の関係は、フィルムを構成しているシーラント層の材質によって変わるものである。これはシーラントの融点の違いによるところが大きく、例えばＬＬＤＰＥ（直鎖上低密度ポリエチレン）では、融点が１０３℃から１１６℃程度であるため、同温度帯まで溶着面温度を上昇させることで十分なシール強度が発現する。このような特徴から材料に適した溶着面温度の範囲を管理幅に用いることによって、ヒートシール品質を見極めることが可能である。

このように、本発明によればヒートシール不良の製品の流出を防ぐことが可能であり、さらには抜き取り検査によるシール強度品質確認の手間を大幅に省くことができる。

本発明の一実施形態によるヒートシール品質管理装置の機能ブロック図である。 製袋機によるヒートシール加工を示す図である。 製袋機におけるシールバー表面温度の時間変化を示す図である。 製袋機におけるシール動作毎のシール時間の変化を示す図である。 製袋機におけるシール動作毎の溶着面温度の変化を示す図である。 シール時間、シールバー表面温度に対する溶着面温度の関係を表す図である。 本実施形態のヒートシール品質管理を行うためのフロー図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は本実施形態におけるシール品質管理装置の機能を表すブロック図である。シール品質管理装置１は入力部１１、データ取得部１２、記憶部１３、出力部１４、処理部１５から構成される。まず、入力部１１は、溶着面温度特性モデルを入力するための機能を備える。また、シール品質の良否を判断する溶着面温度の値の範囲の入力を可能とする。データ取得部１２は生産中の製袋機のシール時間およびシールバー表面温度をシール動作毎に取得するための機能を有している。記憶部１３は加工対象のフィルムに対応した溶着面温度特性モデルを記憶するためのもので、メモリやハードディスク等の記憶媒体が用いられる。処理部１５は、取得されたシール時間とシールバー表面温度に基づいて溶着面温度の計算を行う溶着面温度算出部１５１と、溶着面温度からシール品質の良否を判定する品質判定部１５２で構成される。出力部１４は、シール品質判定の結果をオペレータに伝えるための手段であり、モニタやプリンタなどが用いられる。

図２は、プラスチックフィルムを加工し製袋品を製造する製袋機２のヒートシール加工を施す部分の概略図である。連続したフィルムは間欠的に搬送され、最終的な製袋品の底部や横部に相当する場所にシールバーが上下駆動することで押し当てられシールが達成される。製袋機２において、シールバーの温度やシール時間は設定可能なパラメータであるが、機械運転中にはシール動作ごとに刻々と変動するデータであり、実際にフィルムに与えられたシール時間とシール時のシールバー表面温度を測定するための手段を備え、設定値と実効値を把握することが可能である。なお、ヒートシール加工は底シールと横シールなどシール箇所の違いがあり、シール箇所の違いによって加熱対象のフィルムの枚数やシール回数は異なる。

図３は、製袋機におけるシールバー表面温度を測定した結果である。シールバーはシール動作毎にフィルムに熱を供給しており、シールバーの温度を一定に保持するようにヒータの制御を行っている。シールバー表面温度の時間に対する挙動は、シールバーの材質や搬送速度などの各種運転条件によって変化するという特徴を持つ。

図４は、製袋機におけるシール動作毎のシール時間の実測値である。シール時間は、底シールや横シールなどのシール箇所毎に機械調整が行われ、それぞれの設定値からの偏りやばらつきは異なっていることが多い。このため、シール時間の実測値に基づいてヒートシール品質の管理を行うことが重要となる。

図５は、溶着面温度特性モデルを用いて、製袋機におけるシールバー表面温度とシール時間から溶着面温度を予測した値の時系列変化である。シールバー表面温度やシール時間の変動と連動して、溶着面温度も変化する。この溶着面温度に対して、シール品質の許容幅を設けることによって、管理値を逸脱した製品を特定することが可能となる。管理値外れが発生した場合、それが管理上限外れであればシール時間を短縮するように、逆に管理下限外れであればシール時間を増大するようにシールユニットを制御する。

図６は、溶着面温度特性モデルをグラフで表現した図である。グラフの横軸はシール時間を表し、グラフの縦軸はシールバー表面温度を表す。シール時間とシールバー表面温度の交わる点が溶着面温度であり、グラフ上では等高線で表現している。例えば、シールバー表面温度が２３０℃の場合は１８０℃の場合に比べて横軸方向の等高線の幅が狭くなっているが、これはより短いシール時間で溶着面温度が高温に達することを意味する。

図７は、本実施形態のシール品質管理を行うためのフロー図である。まず、入力部１１によって溶着面温度特性モデルを入力し、記憶部１３に記憶する。ここで、溶着面温度特性モデルは、数１の式で表現される数式を用いる。式中の記号は、Ｔ_ｍは溶着面温度、Ｔ_ｆはシールバー表面温度、ｔはシール時間、ａ、ｂ、ｃは調整パラメータを表す。ただし、溶着面温度特性モデルは、さらに当てはまりのよいものであれば、数１と異なっても構わない。
また、溶着面温度で製品の良否判定を行うために、溶着面温度良品判定範囲を入力部１１に入力する（ステップＳ１０）。例えば、シーラント層がＬＬＤＰＥであれば、シーラントが概ね融解している１１０℃から１１５℃を溶着面温度良品判定範囲として設定する。

続いて、シールユニットを上下に駆動し、加工対象フィルムをシールバーで挟み込むことにより、フィルムを加熱するシール動作を行う（ステップ２０）。

次に、データ取得部１２において、製袋機の上側、および下側のシールバー表面温度を測定する。また、シール動作中における高さセンサのデータを測定することによって、上下のシールバーの接触開始時刻、および接触終了時刻を割り出し、それぞれの時刻の差分からシール時間を算出する（ステップＳ３０）。

次に、溶着面温度算出部１５１において、取得されたシール時間、およびシールバー表面温度を用いて溶着面温度を算出する（ステップ４０）。図６において、例えばシール時間が０．６５秒、シールバー表面温度が２００℃であった場合、矢印の交点から溶着面温度は１４０℃であると予測できる。

続いて、算出された溶着面温度とあらかじめ入力された溶着面温度良品判定範囲を比較し、範囲内に溶着面温度が含まれていない場合には、シール品質不良を判断する（ステップ５０）。

シール品質不良と判断された製品は良品との区別が付くように、製品自体にマーキングを行う（ステップ６０）。マーキングされた製品はフィルムが断裁され、個別になった段階で排出することにより、不良品の流出を防ぐ。

続いて、シール品質不良が発生した場合、溶着面温度を管理値内に復帰するように、シール時間の調整を行う（ステップ７０）。例えば、シールバー表面温度が低下したことによって、溶着面温度が管理値を下回った場合には、必要な溶着面温度を満たすためシール時間を長くするように指示値を製袋機に対して送信する。逆に、シールバー表面温度が上昇したことによって、溶着面温度が管理値を上回っていれば、シール時間を短くするような指示値を製袋機に送信する。

製袋機では、シール時間の指示値をもとにシールユニットのシール時間設定値を変更する。このことにより、溶着面温度が常に管理幅内に制御された状態で生産を行うことが可能となる。

最後に、シールが完了すると、フィルムを搬送し、次シール動作のシール位置への位置決めを行う（ステップ８０）。すべての予定数量が完了した時点で生産終了となる。

上述した実施形態のヒートシール品質管理装置によれば、製袋機の製造ライン上の溶着面温度を推定することが可能であり、溶着面温度を監視することによってシール強度品質が所望の範囲に含まれているか否かを判断することができる。また、これまで製品のシール強度品質は人手で長時間を費やして評価していたものを、製造ライン上において自動で評価できるようになり、オペレータの作業負荷を大幅に削減することが可能である。

また、本実施形態では、一度加工対象のフィルムに対する溶着面温度特性モデルを作成しておくことで、仮に複数台の製袋機で生産を行う場合であってもシール時間とシールバー表面温度を測定することにより、溶着面温度の算出が可能になり、容易に品質管理手法を展開することが可能となる。

１ シール品質判定装置
１１ 入力部
１２ データ取得部
１３ 記憶部
１４ 出力部
１５ 処理部
１５１ モデル作成部
１５２ 溶着面温度算出部
１５３ 品質判定部
２ 製袋機
２１ 底シール
２２ 横シール

Claims (2)

1. プラスチックフィルムを袋状に仕上げる製袋加工を行う製袋機での工程の一つであるプラスチックフィルム同士を溶融接着させるヒートシールにおいて、
   該プラスチックフィルム同士の溶融接着が発生する界面の温度を溶着面温度と規定するとき、
   シール時間とシールバー表面温度に対応する溶着面温度の実測値に基づいて作成される溶着面温度特性モデルを用いて、
   製袋機のシール動作毎に製袋機から取得されるシール時間とシールバー表面温度の実測値を該溶着面温度特性モデルに当てはめることによって、
   製袋機の製造ライン上の溶着面温度を推定することによって監視し、
   あらかじめ設定した管理幅の範囲内に該製袋機の製造ライン上の溶着面温度が含まれるか否かの品質判定を行うことを特徴とするヒートシール品質管理装置。
2. 製品の品質判定において、前記製袋機の製造ライン上の溶着面温度が前記管理幅から外れた場合に、該製袋機の製造ライン上の溶着面温度が該管理幅内の値となるように適正なシール時間を算出し、製袋機に対してシール時間の指示値を自動送信することを特徴とする請求項１に記載のヒートシール品質管理装置。