JPH10512989A - 電流を供給される発熱装置の温度を監視および制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、パッケージング工業において使用され、温度に依存した抵抗を有する材料で作られた電気的に加熱される部材を備えた密封処理装置のための温度制御方法に関する。電流はパルスに分割され、これによりその電流パルス長が制御されるスイッチ装置（６）によって調整される。電流パルスの中断時に、別個の一定した既知の値を有する測定電流パルスが発生され、これらパルスは抵抗部材（２）を横断して電圧降下を生じる。電圧降下は抵抗部材の温度に比例する。調整装置（７）において電圧降下は所望温度に対応した設定されている電位と比較され、測定された電圧降下と設定された電位値との検出電位差が駆動装置（９）の制御に適用されるようになされ、駆動装置が発熱用の電流パルス長を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 電流を供給される発熱装置の温度を監視および制御する方法 技術分野 本発明は、電流が供給され、例えばパッケージの製造において好適な熱可塑性 被覆の表面溶融による密封処理のような製品処理の実行に関連して周期的に熱エ ネルギーを発生するようになされた発熱装置の温度を監視および制御する方法に 関する。このような発熱装置は、温度に依存した抵抗を有する材料で作られ、好 適には加熱ストリップである一つまたは複数の導電抵抗部材と、これらの抵抗部 材に対する発熱用の電流供給源とを備え、電流の供給は毎回の作業サイクルに際 しての電流パルスに分割され、その電流パルス長が制御可能な電流スイッチ装置 によって制御される。 背景技術 パッケージ製造業では、パッケージ製造に関連して、熱および圧力を加えてパ ッケージ材料の表面を互いに密封すなわち溶着させることがしばしば行われてい る。このような密封処理はいわゆる熱密封用顎部すなわち対をなす可動装置を使 用して行われており、密封処理が行われるパッケージ材料の表面がこれら可動装 置の間に受入れられて互いに押圧される。これらの熱密封用顎部の少なくとも一 方に熱発生部材が備えられ、この部材が互いに押圧されている熱可塑性材料の表 面に密封処理のための十分な量の熱を供給して溶融させ、密着した機械的に耐久 性のあるシールを形成する。供給される熱エネルギーが不十分であるとシールは 密着性を損い、すなわち弱まり、熱エネルギーが過剰であると密封処理領域の制 御を不可能にし、また過度に高い温度で熱エネルギーが供給されると退色（変色 ）という形態で材料に焼け損傷を生じて、最悪の場合には根焼き（charring）す なわち炭化を生じることになる。能力を高めるために複数対の独立した密封処理 用顎部を備えて作動するパッキングすなわち充填用の機械においては、各々の顎 部における温度の相違すなわち供給熱エネルギー量の相違によって密封処理結果 に相違を生じるという問題がさらに起きてくる。 発明の概要 したがって密封処理用顎部における熱供給および温度を監視および制御するう えでの問題点、および均質で一様な密封処理結果を与えるように各々の密封処理 用顎部を調整するうえでの問題点の技術的な解決がこの分野で必要とされている 。さきに説明した金属製の部材を流れる上述した電流パルスの間のパルス間隙の 間、一定した既知の電流強度を有する測定電流パルスが発生されて、これらの測 定電流パルスが抵抗部材を横断する電圧を発生させるのであり、この電圧または その電圧に関する電位値は抵抗部材の温度の相対的な測定値を構成しており、上 述した電圧または電位値が予め設定されている基準（正常）電位値と比較され、 また設定基準値と、測定電流により発生された抵抗部材を横断しての確認された 電圧降下との比較結果に応答して、上述した電流パルス長がそれぞれ増大または 減少するように、上述の制御可能な電流スイッチ装置の駆動手段を基準値と検出 値との間の電位差が制御するようになされたことを特徴とする本発明によって上 述の問題点の解決が与えられる。 これまで説明したように、技術的な問題それ自体はこれまで周知で、大きな難 問を生じてきており、またこれまでの解決法は、密封処理用顎部を個別に調整し て最大限に可能なかぎり等しくさせるように、すなわち一般的にいえば「互いに 適合するように」させることであった。最も一般的には、密封処理用顎部の発熱 および熱放出装置は電気抵抗材料で作られた薄いストリップで構成され、このス トリップは絶縁基体上に配置され、絶縁基体は鋼製レール上に配置されている。 これらの密封処理用顎部を熱的に絶対的に同一状態にすることの難しさは、加熱 ストリップが厚さ、幅、長さなどで全て一様ではないという事実、また基体に対 する熱的絶縁が各々の密封処理用顎部の間で相違し、これは制御不能な熱消散を 必然的にともなうという事実にある。他の要因は、密封処理用顎部が経年摩耗し て、この結果として熱的特性、すなわち発生する熱量が異なることである。本発 明が提供するこの問題の解決法は、加熱ストリップの温度が調整器により制御さ れる一方、密封処理用基体に対する密封処理用顎部の係合時間が周知の好ましい 機械的手段を使用することによって制御されるようになっていることを必要とし ている。したがって本発明による方法は、起点として密封処理用顎部の加熱スト リップを監視して、これらのストリップが常に同じ（調整可能）温度となり、ま たこのような手段により供給される熱量および密封処理結果を制御する。それ故 に、密封処理結果が望まれたものでなければ、加熱ストリップの温度は所望の密 封処理結果が得られるまで調整される。幾つかの密封処理用顎部が使用されるな らば、各々の密封処理用顎部における密封ストリップの温度は、それらの加熱ス トリップが摩耗しているかどうか、または密封処理用顎部が異なる電気的および 熱的な特性を示すがどうかに関係なく、同一レベルとなるように自動的に調整さ れる。 しかしながら、本発明は密封処理用顎部の温度制御にだけ適用される必要はな く、例えば電流を供給されるフィラメントおよび熱部材の温度を測定して記録す ることを可能にする分野においても必要とされる。例えばフィラメント、熱部材 および加熱ストリップの温度測定および記録を可能にすることが必要である理由 は、この温度が発熱装置の状態の診断結果（diagnostic indication）を与える からである。例えば電球内のフィラメントの場合ではないが、加熱ストリップま たは加熱部材の有効寿命は過度の高温に著しく影響される。そのために欠陥のあ るストリップやフィラメントが「焼き切れ」、作動しなくなる前に交換できるよ うに加熱ストリップやフィラメントの温度を連続的に監視できるようにする必要 性がこの分野で必要である。前述したように、密封装置でも加熱ストリップの温 度を調整することができることが重要である。何故なら、制御される密封処理温 度が最短可能時間で最適密封処理結果を得られるようにするために決定的に重要 だからである。高すぎる密封処理温度は密封処理の対象物に焼け損傷を生じ、ま た低すぎる温度は粗雑な密封処理結果を生じたり長い密封処理時間を要すること になる。したがって、例えば加熱ストリップおよびフィラメントの温度の調整、 および測定値の記録を可能にして、設備の状態を監視し、また温度の調整により 密封処理ユニットにおける密封処理結果を最適化させるようにすることが、極め て必要である。 大多数の金属が温度に依存した抵抗（値）を有するという事実は周知である。 多くのいわゆる抵抗材料は、大きな正の温度依存抵抗を有する、すなわち温度上 昇により抵抗が増大する金属合金で構成されている。温度抵抗の関数はほとんど 全ての金属および合金において比較的広い温度範囲で線形である。例えば電源に よって付勢される加熱部材における加熱ストリップまたは加熱コイルの温度は、 その加熱ストリップを流れる電流が発生する温度によって影響されることに加え て、基体および大気に向けての熱消散（散逸）のような要因によっても影響され るので、センサーを使用して加熱ストリップの温度を検出すること以外の方法で 温度の制御および監視を連続的に可能にすることは困難である。しかしながら、 このような測定は複雑で、遅く、粗い精度しか得られないが、本明細書にて提供 する本発明による方法は正確で、迅速に連続して簡単に実施することができる。 さらに、周知の形式のセンサーはしばしば摩耗すなわち消耗し、またしばしばそ の特性が変化し、この結果として測定精度は低下する。このような欠点が本発明 の方法および装置を悩ますことはない。 添付図面の簡単な説明 添付の概略図面を特に参照して、パッケージ材料のための密封処理装置に適用 された本発明の一つの好ましい実施例を以下に非常に詳しく説明する。図面にお いて、 第１図はパッキング（包装）すなわち充填機における密封処理装置での温度測 定および温度調整用の装置を示し、 第２ａ図は加熱バンドが比較的冷たいときにそのバンドを流れる初期の電気パ ルス長を表す線図を示す。 第２ｂ図には加熱バンドが作動温度に達したときに電気パルスが短くなされた 状態が示されており、 第３図は発熱用の加熱ストリップまたは加熱コイルに使用された形式の抵抗金 属材料の関数としての温度および抵抗を示す線図である。 好ましい実施例の説明 本明細書にて説明するパッケージ処理工業における密封処理装置に実際に応用 される本発明の実施例において、その前提条件は、共通する境界面すなわち接触 面に少なくとも沿って熱可塑性材料の層を備えた互いに向い合った、または互い に重ねられた材料が、その可塑性材料の表面を溶融することによって互いに永久 的に密封処理されるということである。この密封処理は、熱可塑性材料を密封処 理温度すなわち溶融温度に加熱し、同時にその材料を互いに押圧して表面を融着 させるようにすることで達成される。 本明細書で引用する形式の密封処理装置は、抵抗材料で作られたストリップ形 部材を含み、このストリップに電流が流れて熱が発生する。これらの加熱ストリ ップは支持部に取付けられ、電気的および熱的な絶縁材料の層が加熱ストリップ と支持部との間に配置されるように固定される。同時に、支持部および加熱スト リップはいわゆる密封処理用顎部を形成しており、この顎部は基体または対向顎 部に対して押圧される可動部材を有しており、密封処理される材料は対向顎部と 密封処理用顎部との間に受入れられる。 最も一般的には、この密封処理装置は、各密封処理時にパルス状に熱量がスト リップ形部材に発生された後、各々の密封処理時にストリップ形部材がそれらの 基体に押圧されて、その熱を密封処理される材料に伝達させるように機能する。 したがって、熱パルスは密封処理の作動と同期されており、この密封処理作動は 圧力付与期間および引続く冷却期間とを含んでいて、冷却期間は表面の溶融され た領域を冷却させて安定化させるためのものである。各々の熱パルスはエネルギ ー、温度およびパルス長の観点から調整され、最適な密封強度が可能とされる最 短時間（能力条件）および適当な付与温度（材料が焼け損傷を受ける程高い温度 ではない）で達成される。さきに説明したように、最適な調整は加熱ストリップ の温度が密封処理時に一定した調整可能なレベルに保持されることで達成され得 る。第１図に概略的に示された装置は、密封処理用顎部１と、その上に配置され た加熱ストリップ２とを備えている。密封処理用顎部１の加熱ストリップ２は電 源３，４に接続されており、これらの電源は例えば２４〜４８ボルトの電圧を有 する直流電源である。電流回路にはさらに電流スイッチ装置６が接続されており 、このスイッチはこの場合はＭＯＳトランジスタで構成されている。トランジス タ６を横断して並列に直流電源が配置されており、この直流電源は一定した調整 可能な電流、例えば１アンペアに調整される電流を供給する。加熱ストリップ２ を横断して並列に調整装置７が配置されており、この調整装置は増幅部１０と、 概略的に示されるスイッチ１１と、コンデンサー１３を含むメモリー回路と、全 集合点（total aggregation point）１２を含む比例積分（ＰＩ）調整回路１４ と を備えている。全集合点１２は電圧源８に接続されており、この電圧源により調 整可能な基準（正常）値を得ることができる。この回路はさらに駆動手段９を含 み、この駆動手段は部分的に作動されてその出力部１６を経てガイド電圧をトラ ンジスタ６に供給し、また部分的に作動されてその出力部１５からの信号でスイ ッチ１１を制御する。密封処理用顎部１が作動サイクルを開始するようになされ るとき、その密封処理用顎部は周知の機構装置によって密封処理用基体に押圧さ れ、圧力の加えられる前後に密封処理手順が開始されて接点３および４に電圧が 加えられる。 この手順が開始されるときには電気スイッチ装置すなわちトランジスタ６は導 電状態にないので、直流電流調整器５がそれに代って例えば１アンペアの電流の 流れを可能にし、この状況ではこの電流は加熱ストリップを通って流れる。この １アンペアの電流は加熱ストリップ２を横断して電圧を発生し、この電圧すなわ ち電位は調整装置７の入力部に印加される。トランジスタ６は導電状態にないの でスイッチ１１は閉成状態にあり、このために増幅器１０によって増幅された加 熱ストリップを横断する電位差がコンデンサー１３に付与され、コンデンサーは その加熱ストリップ２を横断する感知された電圧に比例した電圧で充電される。 調整器１４は、電源すなわち変換器８から供給される「基準電位」とは反対の極 性を有し駆動手段９に対する入力を制御する出力電圧を供給する。調整装置７の 出力部１４における電位が変換器８からの基準値と釣合ったならば、駆動手段９ は出力部１６を経て出力信号を発し、この信号がトランジスタ６を活動（live） 状態となるように「起動（ignite）」するのであり、このとき、加熱ストリップ ２は直流電源の接点３および４の間に直接に接続されて、その後は加熱ストリッ プの抵抗で制御された大電流がその加熱ストリップを流れて、瞬間的に加熱する ようになされる。 駆動手段９はタイマーでもあり、このタイマーはトランジスタ６が導電状態と なって強力な電流が加熱ストリップ２を流れるときに、スイッチ１１によって増 幅器１０とメモリー回路１３との間の接続を切る。駆動手段９はトランジスタ６ の接続周波数（connection-in frequency）のタイマーとしても機能し、またト ランジスタ６を流れる電流のパルス長も制御する。加熱ストリップ２が冷たいな らば（抵抗差により密封処理手順の開始時におけるように）、測定パルスの間に １アンペアを付勢されるので、ストリップを横断する電圧は加熱ストリップが熱 いときの電圧よりも低くなる。第２ａ図から明白となるように、パルス１７はト ランジスタ６が導電状態にある時間で表され、パルス間隙１８はトランジスタ６ が導電状態にない、したがって加熱ストリップ２を通って発熱用電流が導かれて いないときの時間を表す。第２ｂ図から明白となるように、（パルス状の）測定 電流１９は発熱用電流パルス１７の間のパルス間隙１８の間加熱ストリップ２を 通して導かれる。さきに説明したように、一定した電流強度（例えば１アンペア ）のこれらの測定パルス１９が電流パルス間の間隙の間加熱ストリップ２を通し て導かれて、さきに説明した電圧を発生させるのであり、この電圧は加熱ストリ ップ２の温度が上昇するのと同じ速度で増大し、温度の相対的な測定値を構成す る。 したがって各々の密封処理手順は、密封処理用ストリップがそれらの密封処理 用基体に接触する前後に電流パルス１７を供給されるのであり、このパルスは第 ２図から明白となるように加熱ストリップの温度を調整されたレベルまで急速に 上昇させるために最初は比較的長く（第２ａ図）される一方、調整レベルに達し たならば加熱ストリップの温度は安定した短い電流パルス１９（第２ｂ図）を供 給され、加熱ストリップ２を横断する電圧は測定パルスにより連続的に監視され 制御される。第３図から明白となるように、加熱ストリップの抵抗とその温度と の間の関係は比較的線形であり、調整関数としては有利である。 密封処理手順が必要とする時間は、各々の電流パルスの接続時間（connecting -in time）が２つの電流パルス間の時間の最大８０％を構成するように選択され 、これは電流パルス間のパルス間隙に測定パルス用の余地が常にあるようにさせ る。 調整装置７および駆動手段９は、ＭＯＳトランジスタ６および直流調整器５の ように種々の特性を有する市販された周知の要素を構成する。本発明の中心的な 概念は、加熱ストリップを通しての電流供給がスイッチ装置を使用して行われ、 この装置は特別な場合にはトランジスタで構成されること、および発熱用電流が パルスに分割され、このパルスが加熱ストリップ２に熱エネルギーを発生させる ように電流供給が維持される。電流供給パルスの間のパルス間隙に測定電流パル スが一定電流供給装置により発生する。これら測定電流パルスは加熱ストリップ を通して導かれた後、加熱ストリップの温度に比例した電圧を生じる。この電圧 は調整ユニットを通して処理されることができ、これは加熱ストリップの温度に 比例した出力電位を生じるように、また温度に関する相対的な「基準値」を構成 する供給電位によって、基準値の電位と調整装置７から供給された電位との間の 大きな相違が駆動手段９にトランジスタ６への長い接続パルスの供給を必然的に 生じるように、調整器からの出力電位が釣合うようにさせるのであり、これによ り加熱ストリップの温度が急速に変化して、基準値の電位と調整装置７が供給す る電位とが一致するようになされる。基準値の電位とこの供給電位とが等しくな るとき、駆動手段９はトランジスタ６に対してほんの短い接続パルスを供給して 、加熱ストリップの熱放散および冷却だけが補償されて、ストリップの温度が一 定に保持されるようになされる。 上述したように、パッキング材料用の密封処理装置に関する一つの形態を説明 した実施例にて説明してきたが、この装置は示唆されたように、加熱コイルやフ ィラメントの一定した作動温度を得るために、加熱部材またはフィラメントの温 度を監視するのにも使用される。本明細書では、上述した加熱ストリップが金属 であることも提示されたが、本発明による監視および制御装置は、或る種の場合 に従来の金属製加熱ストリップよりはるかに優れたことが立証されているセラミ ックス製の加熱部材に対しても十分に機能する。 本発明は、良好に機能し、作動が信頼できるとともに、フィラメントおよび加 熱ストリップの高い温度は消耗および焼損を急速に生じるという理由から大きな 節約を得られることが立証されている。 本発明は上述し、図面に示した内容に限定して考えるべきでなく、添付の請求 の範囲の精神および範囲から逸脱せずに多くの変更が考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電流を供給され、また例えばパッケージの製造において好まれる熱可塑性 被覆の表面溶融による密封処理のような製品処理の実行に関連して周期的に熱エ ネルギーを発生するようになされた発熱装置であり、温度に依存した抵抗を有す る材料で作られた加熱ストリップすなわち加熱本体とされるのが好ましい一つま たは複数の抵抗部材と、該抵抗部材に対する発熱用の電流供給源とを備え、電流 の供給は毎回の作業サイクルに際しての電流パルスに分割され、その電流パルス 長は制御可能な電流スイッチ装置によって制御されるようになされた前記装置の 温度を監視および制御する方法であって、前記電流パルス（１７）間のパルス間 隙（１８）において前記部材（２）を通る測定電流パルス（１９）が発生され、 該測定電流パルスは一定した既知の電流強度を有し、抵抗部材（２）を横断する 電圧を発生させるのであり、前記電圧またはその電圧に関する電位値は抵抗部材 （２）の温度の相対的な測定値を構成していること、前記電圧電位値が予め設定 されている基準電位値と調整装置（７）にて比較されること、および設定基準値 と、測定電流により発生された抵抗部材（２）を横断する確認された電圧との比 較結果に応答して前記電流パルス長がそれぞれ増大または減少するように、基準 値と検出値との間の電位差が前記制御可能な電流スイッチの駆動手段（９）を制 御するようになされたことを特徴とする方法。 ２．前記発熱装置（１）に対する電流供給手順の開始が、その手順の長さと同 様に、外部制御手段（７，９）で行われ、これら制御手段は各々の作動サイクル において一定した手順長さを与えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載さ れた方法。 ３．密封処理用顎部（１）に配置された加熱ストリップ（２）で構成された密 封処理装置における電流供給手順の開始は、加熱ストリップが密封処理用基体に 接触されるときに行われること、および加熱ストリップ（２）が密封処理用基体 から取外される前に該手順が終了していることを特徴とする請求の範囲第２項に 記載された方法。 ４．前記電流パルス（１７，１９）が固定された周波数で駆動手段（９）によ り開始されること、およびパルス長が２つの連続した電流パルスの間隔時間の最 大８０％を占めることを特徴とする請求の範囲第１項に記載された方法。 ５．前記制御可能なスイッチ装置（６）の接続時間と一致する電流パルス（１ ７，１９）の長さが電流パルスのパルス間隙のときに連結された調整装置（７） によって調整されるようになされ、この装置は一定した測定電流を供給される加 熱ストリップ（２）を横断する電位を検出し、この電位は、調整器（１２）に供 給された、またパワートランジスタ、例えばＭＯＳトランジスタで構成されるの が好ましい前記スイッチ装置（６）を制御するようになされた予め定められた基 準電位値と比較され、このスイッチ装置は作動状態で加熱ストリップ（２）を通 して発熱用電流を導くようなされた請求の範囲第４項に記載された方法。 ６．可塑性材料の密封処理装置に使用するように配置されることが好ましい電 流を供給される発熱装置の温度を制御する装置であって、 ａ） 温度に依存した抵抗を有する導電性の加熱ストリップ（２）を備えた発熱 装置と、 ｂ） パルス電流の供給により前記加熱ストリップ（２）に熱を発生させるため に前記加熱ストリップ（２）に接続可能な電流供給源と、 ｃ） 加熱ストリップ（２）の電流供給回路に配置された電流スイッチ装置（６ ）と、 ｄ） 前記加熱ストリップ（２）を横断する電圧を検出し、検出結果に応答して 駆動手段（９）を制御し、これにより前記電流スイッチ装置（６）の接続時間を 制御するための手段とを有することを特徴とする装置。 ７．前記発熱装置が加熱ストリップ（２）で構成された密封処理装置を含んで 構成され、該装置は熱可塑性材料または熱可塑性材料を備えたパッケージ材料の 密封処理を意図する装置であって、該密封処理装置および熱および圧力の付与に より熱可塑性材料が互いに面する熱可塑性の層の表面を溶融して互いに結合させ ることを特徴とする請求の範囲第６項に記載された装置。 ８．加熱ストリップ（２）が温度依存抵抗の金属またはセラミックス材料で構 成されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載された装置。 ９．電流スイッチ装置（６）が半導体、好ましくはトランジスタで構成されて いることを特徴とする請求の範囲第６項に記載された装置。