特許 7143536 紙材料を接合するための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-16

(45)【発行日】2022-09-28

(54)【発明の名称】紙材料を接合するための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   B31F 5/00 20060101AFI20220920BHJP

   B29C 65/56 20060101ALI20220920BHJP

【ＦＩ】

B31F5/00

B29C65/56

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2021551856

(86)(22)【出願日】2020-02-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-08

(86)【国際出願番号】 EP2020054278

(87)【国際公開番号】W WO2020178024

(87)【国際公開日】2020-09-10

【審査請求日】2021-08-31

(31)【優先権主張番号】102019202850.0

(32)【優先日】2019-03-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】521077576

【氏名又は名称】シンテゴンテクノロジー ゲー・エム・ベー・ハー

【氏名又は名称原語表記】Ｓｙｎｔｅｇｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ １３０， ７１３３２ Ｗａｉｂｌｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ウルリッヒ ヴィードゥヴィルト

【審査官】田中 一正

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１２６２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１６５７１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００９－５３７３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２８３２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５２３５９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ３１Ｆ ５／００

Ｂ２９Ｃ ６５／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

紙材料（２，３）を第１の接合領域（２０）と第２の接合領域（３０）とにおいて接合するための方法であって、
－ 前記第１の接合領域（２０）および／または前記第２の接合領域（３０）に給湿するステップと、
－ 前記第１の接合領域（２０）と前記第２の接合領域（３０）とを超音波摩擦溶着装置（６）のホーン（６０）とアンビル（６３）との間で超音波摩擦溶着によって接合するステップであって、前記ホーン（６０）の振動方向（Ａ）が、前記アンビル（６３）の接合力の接合力方向（Ｂ）に対して平行でない、ステップと、
を含む方法において、
前記方法は、前記第１の接合領域（２０）および／または前記第２の接合領域（３０）を粗面化するステップを含む、ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記第１の接合領域および／または前記第２の接合領域を粗面化する前記ステップを、給湿する前記ステップの前に実施する、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記第１の接合領域および／または前記第２の接合領域を粗面化する前記ステップを、給湿する前記ステップの後で実施する、請求項１記載の方法。

【請求項4】

前記振動方向（Ａ）は、前記接合力方向（Ｂ）に対して垂直である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

【請求項5】

前記方法を連続的に実施し、これによって、線状に接合された結合部（１１）を前記紙材料に製作する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

【請求項6】

点状の凸部と凹部との間に２０μｍの帯域幅の粗さが達成されるように、粗面化を実施する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

【請求項7】

粗面化された前記接合領域の幅が、給湿された前記接合領域の幅に等しい、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。

【請求項8】

接合を完全に付加材料なしに実施する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

【請求項9】

接合すべき前記紙材料は、プラスチックおよび接着剤を含まない、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。

【請求項10】

粗面化の前記ステップを超音波によって行う、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。

【請求項11】

粗面化を連続的にまたは断続的に行う、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。

【請求項12】

紙材料（２，３）を該紙材料の複数の接合領域（２０，３０）において接合するための装置であって、
－ 前記接合領域（２０，３０）に給湿するための給湿装置（５）と、
－ 超音波振動を発生させるためのホーン（６０）および接合力を発生させるためのアンビル（６３）を有する超音波摩擦溶着装置（６）であって、前記超音波振動は、前記アンビルの前記接合力の力方向（Ｂ）に対して平行でない第１の方向（Ａ）に向けられている、超音波摩擦溶着装置（６）と、
を備える装置において、
前記装置は、前記紙材料の１つの接合領域（２０，３０）を粗面化するための粗面化装置（４）を備える、ことを特徴とする装置。

【請求項13】

前記アンビルは、ローラまたはドラムとして形成されている、請求項１２記載の装置。

【請求項14】

前記粗面化装置（４）は、超音波によって作業する、請求項１２または１３記載の装置。

【請求項15】

前記粗面化装置（４）は、２０μｍの帯域幅の粗さを発生させる、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の装置。

【請求項16】

前記粗面化装置（４）のホーン（６０）は、面状に形成されていて、粗面化された表面を有する、請求項１４または１５記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

従来技術
本発明は、紙材料、特に紙、厚紙またはボール紙またはこれに類するものを接合するための方法および装置に関する。接合工程は、追加的な補助材料、特にプラスチックおよび／または接着剤なしに実施することができる。

【0002】

欧州特許出願公開第０３４０３３４号明細書に基づき、紙製品を超音波で接合する装置が公知である。同明細書では、使用される紙が、熱可塑性のコーティングを有する。この熱可塑性のコーティングが、接合プロセス中に溶融する。次いで、冷却および完全硬化後に、紙層の接合領域は互いに結合されている。さらに、独国特許出願公開第１０２０１３２２５７４５号明細書に基づき、紙材料を結合するための超音波接合法が公知であり、この公知の接合法では、超音波摩擦溶着が実施される。これらの公知の方法は基本的にその有効性が実証されているが、特に環境規定の厳格化に基づき、例えば包装体を完全に、リサイクル可能な、かつ環境負荷を招く恐れがある他の付加的な構成成分、特にプラスチックまたは接着剤またはこれに類するものを含まない紙材料から製造することへの喫緊の需要がある。

【0003】

発明の開示
請求項１の特徴を有する、紙材料を接合するための本発明に係る方法には、従来のものに比べて、例えばパッケージを製造するために、未処理の紙材料を使用することができるという利点を有している。この利点は、本発明によれば、第１の接合領域と第２の接合領域とを有する紙材料を接合するための方法が、第１の接合領域および／または第２の接合領域を粗面化するステップと、第１の接合領域および／または第２の接合領域に給湿するステップと、第１の接合領域と第２の接合領域とを超音波ユニットのホーン(Sonotrode)とアンビル(Amboss)との間で超音波摩擦溶着によって接合するステップであって、ホーンの振動方向が、接合力の接合力方向に対して平行でない、ステップとを含む方法によって達成される。このとき、第１の接合領域と第２の接合領域とは、ただ１つの紙材料に設けられていてもよいし、それぞれ１つの接合領域が、それぞれ別個の紙材料に設けられていてもよい。接合領域の粗面化によって、接合面において、この接合面の三次元的な増大が達成されることが保証される。接合面に水を付加的に与えることによって、接合工程中に水素結合が可能になる。このとき、接合工程は、圧力と超音波作用とによって行われる。

【0004】

紙表面を粗面化するという優れた思想によって、形成された結合部の強度が高められる。粗面化時に、個々の紙繊維が紙複合材から解離され、接合領域の表面に引き出される。これによって、接合面の粗さが高められる。

【0005】

本発明に係る方法は、種々様々な形態で実施することができる。

【0006】

好ましくは、第１のステップで、紙材料の接合領域が粗面化され、次いで粗面化された接合領域に水またはその他の液体が給湿される。第２の接合領域は、未処理のままである。次に接合工程を行うことができる。

【0007】

代替的に、第１の接合領域は粗面化され、第２の接合領域は給湿される。次いで、粗面化された接合領域と、給湿された第２の接合領域とが互いに接合される。

【0008】

代替的な別の実施形態によれば、まず、紙材料の第１の接合領域への給湿が行われ、次いで、給湿された第１の接合領域の粗面化が行われる。第２の接合領域は未処理のままであるか、または代替的に粗面化されるかまたは代替的に給湿されるだけである、またはさらに代替的に粗面化されかつ給湿される。

【0009】

超音波摩擦溶着中に加えられる熱によって、給湿によって加えられた水は蒸発し、両紙材料の間の安定した結合部を得ることができる。

【0010】

本発明は、特に好ましくは、第１の接合領域においてだけ実施され、さらに好ましくは、まず粗面化され、次いで給湿される。これによって、第２の接合領域を未処理のままにすることができ、次いで接合工程を実施することができる。

【0011】

したがって、接合ステップの前に粗面化を実施することによって、紙材料の両接合領域の間における著しく改善された結合部が得られる。好ましくは、粗面化のステップは、機械式に実施され、これによって、常に接合領域の均一な粗面化が達成される。

【0012】

従属請求項には、本発明の好適な発展形態が開示されている。

【0013】

好ましくは、ホーンの振動方向が、接合力方向に対して垂直であるかまたは実質的に垂直であると、特に良好な超音波摩擦溶着工程が保証される。これによって、接合領域への高いエネルギ供給が保証され、その結果、接合時間を有意に短くすることができる。

【0014】

好ましくは、方法は連続的に実施される。これによって、例えば、特にパッケージまたはこれに類するもので使用される閉鎖されたシームを生じさせることができる。方法の連続的な実施は、接合領域での線状の接合結合をも保証する。代替的に、例えば閉鎖された接合結合部を形成することが望まれていない場合には、方法は断続的に実施される。

【0015】

第１の接合領域および／または第２の接合領域の粗面化が、紙材料の中心平面を中心として±２０μｍ、特に±１０μｍの範囲内の粗さが得られるように実施されると、特に良好な接合結果が得られる。これによって、接合領域の表面の実質的に一定の粗面化を達成することができ、これによって、優れた接合結果が得られる。

【0016】

さらに好ましくは、粗面化された接合領域の幅が、給湿された接合領域の幅と同じである。さらに好ましくは、接合の方法は完全に付加材料なしに、特に熱可塑性のプラスチックまたは接着剤またはこれに類するものなしに実施される。特に、接合すべき紙材料は、プラスチックおよび接着剤なしである。さらに、紙材料は、如何なるプラスチック被覆層またはこれに類するものも有していない。

【0017】

方法を実施するための特にコンパクトな装置は、粗面化のステップが同様に超音波によって行われる場合に得られる。このような場合には、２つの超音波ユニットを相前後して配置することができ、第１の超音波ユニットは、少なくとも１つの接合領域を粗面化するために働き、第２の超音波ユニットは、接合ステップを実施するために働く。

【0018】

粗面化は、好ましくは連続的にまたは代替的に断続的に実施される。粗面化を超音波によって実施することが望まれている場合には、好ましくは、１つの超音波ユニットのホーンは、このホーンが、紙材料に向けられたフラットなホーン面を有しているように形成されている。これによって、予め設定された帯域範囲内の優れた粗面化を達成することができる。

【0019】

さらに、本発明は、紙材料を接合するための装置であって、
－ 紙材料の少なくとも１つの接合領域を粗面化するための粗面化装置と、
－ 紙材料の少なくとも１つの接合領域に給湿するための給湿装置と、
－ 超音波振動を発生させるためのホーンおよび接合力を発生させるためのアンビルを有する超音波摩擦溶着装置であって、接合力は、ホーンの超音波振動の方向と異なる、平行でない方向に向けられている、超音波摩擦溶着装置とを備える、装置に関する。

【0020】

したがって、超音波摩擦溶着装置は、ホーンの振動方向と接合力の接合力方向とが互いに平行でなく、これにより、高められた入熱が超音波摩擦溶着工程によって達成されることを保証する。

【0021】

アンビルは、好ましくはローラまたはドラム(Rolle oder Walze)である。これによって、接合力または粗面化力と振動方向との間における種々異なる方向を簡単に得ることができる。

【0022】

さらに好ましくは、粗面化装置は、超音波発生器である。このとき、好ましくは、別個の超音波発生器が使用される。

【0023】

本発明の別の好適な構成によれば、粗面化装置は、±２０μｍ、好ましくは±１０μｍの帯域幅（Bandbreite）の粗さを保証する。

【0024】

さらに、本発明は、本発明に係る方法により製造された紙パッケージに関する。この紙パッケージは、特に好ましくは食品パッケージである。紙パッケージは、プラスチックなしに、かつ他の異物もなしに製造することができるので、紙パッケージの完全なリサイクル可能性が与えられている。

【0025】

本発明の好適な実施形態
次に、添付の図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳説する。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の第１の実施例による、接合するための装置を概略的に示す図である。

【図2】第１の実施例の粗面化装置を概略的に示す図である。

【図3】第１の実施例の粗面化された接合領域の粗さを概略的に示す線図である。

【図4】第１の実施例による超音波溶着装置を概略的に示す図である。

【図5】第１の実施例による、接合するための方法を概略的に示す図である。

【図6】第２の実施例による、接合するための方法を概略的に示す図である。

【図7】第３の実施例による、接合するための方法を概略的に示す図である。

【図8】第４の実施例による、接合するための方法を概略的に示す図である。

【図9】第５の実施例による、接合するための方法を概略的に示す図である。

【図10】第６の実施例による、接合するための方法を概略的に示す図である。

【0027】

本発明の好適な実施形態
次に、図１～図５を参照しながら、本発明の第１の実施例による、紙材料を接合するための装置１および方法について詳説する。

【0028】

図１には、紙材料を接合するための装置１の構造が概略的に示してある。図１から分かるように、装置１は、粗面化装置４、給湿装置５および超音波摩擦溶着装置６を含んでいる。

【0029】

この実施例では、第１の紙材料２と第２の紙材料３とが、接合領域、特に紙材料の縁部領域で互いに接合されることが望まれている。紙材料は、例えば無端物品としてのロールから引き出すことができる。紙材料は、プラスチックおよび接着剤を含んでおらず、如何なる被覆層も有していない。

【0030】

第１の紙材料２には、第１の接合領域２０が設けられている。第２の紙材料３には、第２の接合領域３０が設けられている。このことは、図５における第１の実施例による本発明に係る方法の図に概略的に示してある。

【0031】

第１の実施例では、第１の接合領域２０だけが複数の方法ステップで処理され、これに対して、第２の接合領域３０は、処理なしのままである。すなわち、第２の接合領域３０は、面状の紙材料の表面に相当している。

【0032】

図１および図５から分かるように、第１の紙材料２はロールから引き出され、粗面化装置４に供給される。この粗面化装置４で第１の接合領域２０は粗面化される。

【0033】

この実施例では、粗面化装置４は、図２に詳細に示した超音波粗面化装置である。粗面化装置４は、ダブルコンバータ７１によって振動させられる面状のホーン７０を含んでいる。さらに、粗面化装置４は、面状のアンビル７３を含んでいる。面状のホーン７０は、水平方向の振動方向Ａを有している。アンビル６３は、ホーン振動Ａに対して垂直方向である接合力方向Ｂにおける接合力を提供する。見易くするために図２では、第１の接合領域２０が粗面化される第１の紙材料２は図示しない。

【0034】

図３には、粗面化工程後の第１の接合領域２０の粗さを示す線図が示してある。この線図では、超音波粗面化によって、約２０μｍの高さ分布を有する粗面化が行われ、この高さ分布が、＋１０μｍ～－１０μｍの点状の凸部と凹部とを有していることが明らかである。線図は、第１の紙材料２の走行長さＬに関する粗さＲを示している。

【0035】

粗面化装置４を用いた粗面化時に、振動時間と振動振幅とによって、第１の接合領域２０の表面の粗さに合目的的に影響を及ぼすことができる。振動時間が長ければ長いほど、第１の接合領域２０の表面は強く変化させられ、粗面化される。ホーンの振動の振幅が低減されると、接合された結合部の剥離強さが低減する。

【0036】

第１の紙材料２に対するホーン７０の接触面は、例えばガラスビーズブラストによって幾分粗面化されており、これによって、粗面化工程時における比較的良好な結果が得られる。

【0037】

図４には、超音波摩擦溶着装置６が示してある。この超音波摩擦溶着装置６では、ドラム状のアンビル６３が設けられている。ここではホーン７０の振動方向Ａが、ドラム状のアンビル６３の接合力方向Ｂに対して垂直である。これによって、大きな熱を生じさせることができ、その結果、接合工程を超音波摩擦溶着によって実施することができる。ここで付言しておくと、図４に示した装置は、粗面化装置の変化形態としても使用することができる。

【0038】

図１および図５からさらに分かるように、第１の接合領域２０は、本来の接合工程の前でさらに給湿装置５によって給湿される。給湿のための媒体としては、好ましくは水が使用される。第１の接合領域２０は、給湿の前に粗面化装置４によって粗面化されているので、接合面は三次元的に増大させられている。これによって、給湿による水の存在時には、粗面化されていない表面に対して、改善された水素結合が接合時に可能になる。

【0039】

特に粗面化工程によって、紙材料２，３の付加材料またはプラスチック被覆層またはこれに類するものは不可能である。接合工程のためには未処理の紙材料を使用することができる。これによって、本発明に係る方法は普遍的に使用することができる。

【0040】

図５にはさらに、第１の紙材料２および第２の紙材料３の接合工程の方法経過が概略的に示してある。第１のステップで、第１の接合領域２０は粗面化装置４によって粗面化され、これによって、粗面化された第１の接合領域２０１が発生する。第２の接合領域３０は未処理のままである。

【0041】

次のステップで、粗面化された第１の接合領域２０１は、給湿装置５によって給湿される。これによって、粗面化され給湿された第１の接合領域２０２が発生する。第２の接合領域３０は引き続き未処理のままである。

【0042】

次いで、両紙材料２，３は超音波摩擦溶着装置６に供給され、第１の紙材料と第２の紙材料との間の結合部１１が、超音波摩擦溶着によって形成される。第１の接合領域２０の粗面化と給湿とによって、紙材料の優れた結合が可能となる。この際に第２の接合領域３０はまったく加工される必要がない。これによって、この本発明に係る方法は、特に安価に実施することができる。

【0043】

図６には、本発明の第２の実施例による、紙材料を接合するための方法が概略的に示してある。等しい部材および等しい機能を有する部材には、等しい符号が付されている。第１の実施例とは異なり、第２の実施例では第２の接合領域３０も加工される。図６から分かるように、第１の接合領域２０は第１のステップで粗面化装置４によって粗面化される。同時に第２の接合領域３０は給湿装置５によって給湿される。次に、第１の紙材料２および第２の紙材料３は、超音波摩擦溶着装置６に供給され、互いに接合される。この構造では、第１の接合領域２０と第２の接合領域３０とを互いに並行して処理することができるので、特にコンパクトな接合装置１が可能である。

【0044】

図７には、本発明の第３の実施例による方法が示してある。第３の実施例による第１の紙材料２の第１の接合領域２０のための方法は、第１の実施例に相当しているので、第１ステップではまず第１の接合領域２０が粗面化され、次いで、給湿される。しかしながら、第１の実施例とは異なり、第３の実施例では第２の接合領域３０も処理される。図７から分かるように、第２の接合領域３０は第２の粗面化装置４’によって粗面化され、これによって、粗面化された第２の接合領域３０２が形成される。最後のステップで、粗面化された第２の接合領域３０２と、粗面化され給湿された第１の接合領域２０２とは、超音波摩擦溶着装置６において互いに結合される。

【0045】

図８には、第４の実施例による方法が示してある。この第４の実施例では、第１の接合領域２０は、第１の実施例におけるように粗面化と給湿とによって加工され、第２の接合領域３０は、まず、第２の給湿装置５’によって給湿され、次いで、第２の粗面化装置４’によって粗面化される。これによって、第１の接合領域２０と第２の接合領域３０とにおける粗面化と給湿との順序が逆転される。その後、最後のステップで、第１の紙材料２および第２の紙材料３の両接合領域は、超音波摩擦溶着装置６によって接合され、接合された紙材料１０が形成される。ここで付言しておくと、粗面化と給湿との順序は、図８に概略的に示すように、逆転されてもよい。

【0046】

図９には、本発明の第５の実施例による方法が示してある。第５の実施例では、第１の接合領域２０と第２の接合領域３０とが共に加工される。図９から分かるように、第１の接合領域２０および第２の接合領域３０は、第１ステップで共に給湿装置５，５’によって給湿され、次いで、第２のステップで粗面化装置４，４’によって粗面化される。最後のステップで、接合工程が超音波摩擦溶着装置６によって実施される。これによって、第１の接合領域２０がまず給湿されるので、給湿された第１の接合領域２０３が発生し、この第１の接合領域２０３は次いで粗面化され、これによって、給湿されかつ粗面化された第１の接合領域２０２が発生する。同様に第２の接合領域３０もまず給湿され、これによって、給湿された第２の接合領域３０１が発生し、次いで、粗面化され、これによって、給湿され粗面化された第２の接合領域３０３が生じる。次に、両接合領域は再び接合され、接合された紙材料１０が形成される。

【0047】

図１０には、本発明の第６の実施例による方法が示してある。この第６の実施例では、第１の接合領域２０と第２の接合領域３０とが、ただ１つの紙材料２に設けられていて、接合されて、長手方向シーム２１０を備えた筒状袋２００が形成される。この場合、第１の接合領域２０が粗面化され、第２の接合領域３０が給湿される。

【0048】

筒状袋を製造することに関して付言しおくと、図６～図９に記載した変化形態は、単にただ１つの紙材料だけに第１の接合領域２０および第２の接合領域３０を備えて形成することができる。

【0049】

すべての実施例に対してさらに付言しておくと、少なくとも１回の給湿ステップおよび粗面化ステップが、紙材料２，３の一方の接合領域においてまたは両方の接合領域２０，３０において実施される限り、本発明によれば、本発明の種々様々な変化形態を実施できることが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】