しわ発生の少ない紙成形体とその製造方法
【課題】本発明の目的は、絞り加工により紙を主体とするブランクの外周縁部を立ち上がり形状に成形したものにおいて、紙コップ等の紙容器の底部部材に用いた場合に漏れや、接着状態の不安定の要因となるしわの発生をなくし、加工部に生じるしわの少ない紙成形体とその製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工するものであって、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構を備え、該しわ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性において、しわ発生開始高さが求められるしわ発生のない高さ寸法を越えるしわ押さえ圧力の割合値以上１２％以下としたことを特徴とする。前記ダイスの先端部形状Ｒは前記パンチを嵌合するブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとする。
【解決手段】本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工するものであって、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構を備え、該しわ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性において、しわ発生開始高さが求められるしわ発生のない高さ寸法を越えるしわ押さえ圧力の割合値以上１２％以下としたことを特徴とする。前記ダイスの先端部形状Ｒは前記パンチを嵌合するブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、しわ発生の少ない紙成形体とその製造方法及びそれによって製造された胴部部材及び底部部材からなる紙容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より紙成形体は、包装容器の分野で汎用され、種々の容器形態に成形されている。紙トレー、紙皿などの１ピースからなる紙成形体や、胴部部材と底部部材からなる２ピースからなる紙容器がある。
【０００３】
紙を主体とするブランクを絞り成形される紙成形体は、金属のような展性・延性がないため、その加工で周端部の立ち上がり形状部分にしわが発生する。図１０は、胴部部材（ロ）と底部部材（イ）からなる２ピースの紙容器を示す。底部部材（紙成形体）は絞り成形される。これら、紙成形体のしわを抑制する技術として以下の手法が開示されている。
【０００４】
特許文献１は、しわの発生を少なくし且つ深い絞り成形が可能な紙成形容器を目的とし、フランジ押さえとダイス上面を一定の隙間にしながら絞り成形する方法が開示されている。また、特許文献２は、胴部との間で良好な密着が得られる紙カップ用底を目的とし、底紙の外縁部を上方から押圧する方法が開示されている。また、特許文献３は、折り重なるほど高くないひだ（しわ）を有する紙コップ底を目的とし、原紙（ブランク）の厚さよりも引き出し部（パンチ）と開口部（ダイス）の隙間を小さくして絞り成形する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１２１８３２号公報 「成形容器の製造方法と製造装置及び成形容器」 平成２０年５月９日登録 平成２０年７月２３日発行
【特許文献２】特開２００１−２７００１３号公報 「紙カップ底紙の成形装置及び成形方法」 平成１３年１０月２日公開
【特許文献３】特開２０００−２３８１５０号公報 「紙カップ底及び紙コップ底の製造方法とその装置」 平成１２年９月５日公開
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の方法で製造された紙成形体は、細かなしわを成形し押しつぶされ易い折り重ね部が形成されること、又は、絞り加工時にブランクよりも狭い厚さの隙間を通過することで細かいしわがつぶされ、しわを目立たなくすることなどが提案されている。しかしながら、これまでの加工方法では、完全にしわをなくすまで至っていない。
また、飲食料品の容器分野で通常の保存期間よりも長い、いわゆるロングライフ用の紙容器は、一般的に薬剤による殺菌がなされる。底部部材の側壁にしわのある状態で加工すると内容品側で底部部材側壁と胴部部材の接点近傍に隙間が生じて、薬剤が届き難いことにより殺菌が不十分になったり、薬剤が残留する問題や、内容品が漏れる虞がある。これらの問題を解決する紙成形体、加工方法が求められている。
本発明は、上記の問題を解決すべく、紙成形体及びそれを用いた紙容器、並びにその加工方法を提供することにあり、第１に、紙成形体の表面が平滑で外観が良好な紙成形体を提供すること、第２に、胴部部材との接着性が良好な紙成形体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工するものであって、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構を備え、該シワ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性において、しわ発生開始高さがαの閾値を越えるしわ押さえ圧力の割合値以上１２％以下としたことを特徴とする。ただし、閾値αは製造において求められるしわ発生のない高さ寸法を表わすものとする。
また、前記パンチを嵌合する前記ダイスの先端部形状Ｒをブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとするようにした。
また、前記加圧力は前記しわ押さえ部材が前記ダイスの上面との一定の隙間及び一定の圧力によって印加されるようにした。
本発明の１形態では、しわ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚みｔ以下の値に設定し、絞り加工の過程でブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記間隙が可変となるようにして過度の加圧力を防止するようにした。
また、他の形態では前記しわ押さえ部材先端面とダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの原紙厚みｔ以上の値に設定し、絞り加工の途中からブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記隙間が可変となるようにして過度の加圧力を防止するようにした。
【０００８】
また、本発明の紙成形体を製造する方法の１形態は、上記構成に加え前記ダイスのアプローチ角を０.１°〜５°とすると共に、前記ダイス内周面と前記パンチ外周面間のクリアランスをＣＬとして、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率(red)の値が２０以下となるようにＣＬを設定し、絞りしごき加工するようにした。
また、前記ブランクの外周縁部の端部がしごき成形されないように先端部に続くパンチ外周面に逃がし部テーパー角度を設けるようにした。
【０００９】
本発明の紙成形体は、上記の製造方法によって紙を主体とするブランクの外周縁部を立ち上がり形状に壁部を成形したものであって、ブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる高さα以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みのものとした。
また、本発明の紙容器は上記紙成形体である底部部材と胴部部材の２ピースからなり、ロングライフ用に適するものとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の紙成形体を製造する方法は、しわ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性において、しわ発生開始高さがαの閾値を越えるしわ押さえ圧力の割合値以上１２％以下とすることにより、ブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる高さα以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みしかないものとなるから、絞り成形した部分の表面に肉眼で目立つようなしわのない滑らかな紙成形体を提供できる。
また、本発明の紙成形体を製造する方法は、更に、前記パンチを嵌合する前記ダイスの先端部形状Ｒをブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとするものとしたことにより、上記効果を更に確実なものにすることができる。
【００１１】
本発明の紙成形体を製造する方法は、前記加圧力について前記しわ押さえ部材が前記ダイスの上面との一定の隙間及び一定の圧力で印加されるという単純な手段で実現することが出来た。
更に、この手段において前記フランジ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚みｔより小さい値に設定することにより、加工初期段階において安定的に所定の圧力を得ることができる。
また、絞り加工の過程でブランクの外周縁部の厚さが増すのに応じて前記隙間が可変となるようにして押さえ圧力を調整するようにすることで、過剰なしわ押さえ圧力によるフランジの破断を抑制することができる。この機構を備えることにより、前記フランジ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚み以上に設定しても所望の加工を実現することが出来る。
また、本発明の紙成形体を製造する方法は、前記ダイスのアプローチ角を０.１°〜５°とすると共に、前記ダイス内周面と前記パンチ外周面間のクリアランスをＣＬとして、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率(red)の値が２０以下となるようにＣＬを設定することにより、戻り変形の少ない形状保持機能を備えるものとした。
更に、前記先端部に続くパンチ外周面に逃がし部テーパー角度を設けるようにしたことにより、ブランクの外周縁部の端部がしごき成形されないようになり、細かい紙粉の飛散を防止できる。
【００１２】
本発明の紙成形体は、上記の条件の下に製造することによりブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる高さα以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みしかないものとなるから、絞り成形した部分の表面に肉眼で目立つようなしわのない滑らかな紙成形体を提供できる。また、上記紙成形体である底部部材と胴部部材の２ピースからなる本発明の紙容器は、表面が滑らかであるから胴部部材との接着が緻密に行われ、ロングライフ用の容器に用いても殺菌剤の残留、酸素バリヤ性、防湿性の低下、内容物の漏れ等の問題を生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】紙成形体の成形方法を実施する本発明の１形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係るダイスとパンチの形状を説明する図である。
【図３】本発明に係る紙成形体の製造形方法によって形成した底部部材の外観像と顕微鏡組織図である。
【図４】従来の製造方法の紙成形体の外観像と顕微鏡組織図である。
【図５】ブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性を示すグラフである。
【図６】本発明の紙成形体の底絞りしわ断面の顕微鏡写真である。
【図７】従来品１の紙容器の底絞りしわ断面の顕微鏡写真である。
【図８】従来品２の紙容器の底絞りしわ断面の顕微鏡写真である。
【図９】窪み計測説明図である。
【図１０】２ピースの紙コップの底部構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工するものであって、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構によって適切なしわ押さえ圧力を加えつつ絞り加工を施すものとする。その際の該しわ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性に対応させて、しわ発生開始高さがαの閾値を越えるような適正範囲を割り出すものとした。
【００１５】
本発明の紙成形体は、胴部部材と底部部材の２ピースからなる紙容器の底部として用いることができる。底部部材は、紙シートからブランクを打ち抜き後、絞り成形される。得られた底部部材を筒状の胴部部材に挿入し胴部部材側壁に接着して紙容器が成形される。また、胴部部材の下端部を内側に折り込んで底部部材と加熱圧着することも可能である。このとき、内容品側で底部部材側壁と胴部部材の接点近傍に隙間が存在しないことが重要になる。本発明の底部部材は、底部から立ち上がる側壁近傍の表面が平滑となるので、胴部部材との貼り合わせにおいて空洞部が存在せずに良好な接着性を有することが可能となる。
【００１６】
絞り成形において、パンチを嵌合するダイスの先端部形状Ｒは、２.５ｔ〜６ｔ（ｔ：ブランクの厚さ）とする。２.５ｔよりも小さいとこの部分に負荷が集中しブランクが破断する原因になり、６ｔよりも大きいとしわが発生するとの知見を得たことによる。しわが発生する理由は、ダイスの先端形状Ｒが大きいとしわを押さえる部分からパンチまでの距離が大きくなる分、しわ押さえ圧力から早く開放されるためである。なお、しごき成形を行わなかった以外は後述する表１の本発明と同じ条件で加工を行った場合も同様に表面が平滑な紙成形体を得ることができる。
【００１７】
しわ押さえ方法については、図１を参照しながら以下に説明する。絞り加工初期に所望のしわ押さえ圧力が印加していれば、これに限定されるものではないが、具体的な方法は、しわ押さえ部材５がダイス１の上面との一定の隙間及び一定の圧力によって印加する。このときのダイス１の上面としわ押さえ部材５との距離は、ブランク厚みｔよりも小さくなるようにし、一定の距離を保つようにしわ押さえ部材に下死点を調整する手段が設けられている。しわ押さえ部材の加圧手段としては、エアシリンダやバネなどが採用できる。
【００１８】
また、しわ押さえ部材５は、絞り加工の過程で径が狭められることに起因してブランクの外周縁部の厚さが増すに応じてそれを許容可能にすべく、しわ押さえ部材先端面とダイス上面との隙間が上方に可変となるように過度の加圧力を防止する手段を備えている。これは、ブランクの元板厚みが想定する範囲を超え、ブランク６ａの周縁部への押さえ圧力が想定値を上回る場合があったとしても、本発明ではその現象を回避して、安定的なしわ押さえ圧力による印加を可能とするためである。
【００１９】
紙容器の底部の製造方法としては、紙シート６をブランキング用ダイス２とブランキング用パンチ４で所定の形状に切断し、次いで、しわ押さえ部材５が下降すると同時にパンチとダイスが相対的に移動することで絞り加工が行われ、底部部材が成形される。成形された底部部材は、図示しないが、筒状の胴部部材内に挿入し、胴部部材側壁に接合して、紙容器が製造される。
【００２０】
また、図示されていないが、ブランキング用パンチ４には、それ以上下方に変位させない手段を備えている。また、しわ押さえ圧力をブランク６ａの周縁部を確実に印加するために、図１の左下方に図示しているようにダイス１とブランキング用パンチ４との間Ｄ１と、ダイス１としわ押さえ部材５の間Ｄ２との関係がＤ１＞Ｄ２となるように設定される。そして、しわ押さえ部材５にもそれ以上下方に変位させない手段（この例ではブランキング用パンチの段部４ａとしわ押さえ部材の段部５ａの係合）を備えることで、ダイス天面との隙間の調整が可能となる。
【００２１】
次に、ダイスとパンチ形状について説明する。図２Ａは、まずはダイス１のパンチ導入側曲率半径Ｒａの値をブランク６ａの厚さをｔとして、２.５ｔ〜６ｔに設定する。また、パンチ３の先端部の曲率半径Ｒｂは０.３ｔ〜６ｔに設定する。ダイス１とパンチ３とのクリアランスは、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率（red）の値が２０以下となるようにダイス１最小内径とパンチ３の最大外径との差であるクリアランス（ＣＬ値）とすることが好ましい。ブランク６ａの外周縁部の端部がしごき成形されないようにパンチ３の先端部に続く外周面に逃がし部テーパー角度を設ける。これは、外周縁部の端部がしごき成形されないことにより紙粉の発生を防止するためである。
【００２２】
図２Ｂは、ダイス１のパンチ導入側形状とパンチ３先端部形状が二重に描かれている。内側の形状はアプローチ角を付与した形態であり、このアプローチ角を付与することで絞り加工において緩やかに圧縮が掛かるようにするための形状である。アプローチ角度の範囲は、０.１°〜５°とし、好適には０.５°〜２°である。また、パンチの先端逃がし角βも上記範囲と同様とする。しごき成形は、底部から立ち上がる角度をほぼ垂直にするとともにブランクの外周縁部の戻りを少なくすることができる。
【００２３】
ブランク６ａとは、原紙の両側にポリオレフィンでラミネートし、紙シート６を打ち抜き加工されたものである。ブランクのラミネート層の構成としては、ポリオレフィン、ＥＶＯＨ、無機蒸着フィルム、有機系コート系フィルム、アルミ箔などを中間層に用いた多層構成とすることもできる。
【実施例】
【００２４】
本発明の紙成形体は以下の製造装置を用いて作製した。図１の左半分はブランキング後の状態を示し、右半分は底部部材成形途中の状態を示している。右側下方部には底部部材成形途中の加工箇所を部分的に拡大して示した図である。紙を主成分としたシート６はブランキング用のパンチ４の変位によってダイス２との協働して円形にブランク６ａを型抜きする。このブランキング用のパンチ４の内側にはしわ押さえ部材５が配置され、それはリング形状であって、左下方の拡大図に図示されているように先端面は中央から内側にかけて平坦であるがブランキング用のパンチ４と接する外周部分はなだらかな傾斜面となっており全体に凸形状となっている。また、しわ押さえ部材５には段部５ａが形成されており、ブランキング用のパンチ４の内側に形成された段部４ａと係合可能な形態となっており、ダイス１としわ押さえ部材５との間隙Ｄ２の限界値を確保すると共に、更にしわ押さえ部材５はブランキング用のパンチ４の上方部から所定圧で下方に押さえ圧力が印加される形態がとられ、隙間調整部を構成している。したがって、異物の接触が無いフリーの状態では図の左側下方部に示されるようにしわ押さえ部材５の平坦な先端面はブランキング用のパンチ４の下端面に対して若干下方に位置する（この例では０.０５ｍｍの段差）ものとなっている。図１の左側に示されたブランキング後の状態ではブランキング用のパンチ４の下端面はダイス１の天面との間でブランク６ａの元板厚み（この際の厚みは紙シート６の厚みに等しい）で停止され、しわ押さえ部材５の先端面はブランク６ａの面を押圧している。しわ押さえ部材５の先端面が円形に型抜きしたブランク６ａの周縁部を押圧している状態、すなわち、ブランク６ａの周縁部を所望のしわ押さえ圧力を印加する機能を持たせた状態で図１の右側に示すようにパンチ２が下方に変位しダイス１と協働してブランク６ａを絞り成形する。所望のしわ押さえ圧力は試験を重ねる中で以下に説明するように所定範囲に設定するのがよいとの知見を得た。
【００２５】
（しわ押さえ圧力の測定）
ＪＩＳ規格（Ｐ８１１３）の値からブランクの元板厚みを除した値をブランクの単位面積当たりの荷重（ＭＰａ）としてブランクの引張り強度を測定し、初期加工段階におけるしわ押さえ圧力をブランクの引張り強度１００に対する割合とした。なお、しわ押さえ圧力は、単位面積当たりの荷重（ＭＰａ）とした。
【００２６】
次に、従来の製造方法による紙成形体と本発明の製造方法による紙成形体との比較データを示す。ブランクとしては坪量２００ｇ／ｍ２の原紙両面にポリエチレンをラミネートした素材を用い、成形時にはパラフィン油系の潤滑剤を使用した。この潤滑剤は紙コップ成形では一般的に使用されているものである。また、ブランク６ａの外周縁部を所定圧で押圧した状態でダイス１の天面に対し変位可能であるための機構として、バネ機構とした。
これらの実施条件の一覧を表１に示す。それ以外は同様の条件で行った。
【表１】
【００２７】
上記のような実施条件の下で製造された紙成形体の顕微鏡組織は図３と図４に示すとおりであった。図３は本発明による紙成形体、図４は従来方法による紙成形体である。図中Ａは外観を撮像した写真、Ｂは観察用顕微鏡写真の部位を示す図、Ｃは底面から２ｍｍの位置の顕微鏡組織、Ｄは底面から５ｍｍの位置の顕微鏡組織、Ｅは底面から８ｍｍの位置の顕微鏡組織である。Ｃの底面から２ｍｍの位置の顕微鏡組織で比較すると図４の従来方法のものは原紙に小さな凹部（窪み）が形成されているのが観察される。しかし、５ｍｍの位置、８ｍｍの位置になると凹部形状は大きくなり、外観を撮像した写真のＡでも明らかなしわの発生が確認できる。底部部材の厚さも５ｍｍ，８ｍｍと段々に大きくなっている。これに対し、本発明によるものは底面から２ｍｍの位置の顕微鏡組織のみならず、５ｍｍの位置、８ｍｍの位置における顕微鏡組織でも原紙に小さな凹部も観察されない。外観を撮像した写真のＡでは肉眼で見えるようなしわは発見できない。底部部材の厚さもほぼ均一である。この比較実験によりできあがった成形品には、このように顕著な差異があることが確認できた。
【００２８】
次に、ブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係を検証した。前述のブランクを用いて、しわ押さえ圧力とダイスの形状をそれぞれ変更した以外は、表１に示す条件と同様に紙成形体を製造した。しわ発生開始高さの測定は、底面から立ち上がる外周方向でしわが開始される位置を目視で確認し、しわの発生開始高さとした。結果を図５に示す。ダイスＲの値が２.９ｔ、４.３ｔ、５.７ｔ、８.６ｔの４種類のダイスを用いてその特性を求めた。しわ発生開始高さが３ｍｍ以上のものを良品と判定する閾値とした。要するに、しわ発生開始高さが３ｍｍ以上となるものが本発明の課題を満たす紙成形品となるわけである。ここでは閾値αの値を３ｍｍとしている。図に示された結果から分かるようにダイスＲの値が大きくなるに連れてこの関係特性は傾斜がなだらかになることが見て取れる。８.６ｔのものではしわ発生開始高さが閾値の３ｍｍ以上となることはなく、良品が得られないことが分かる。また、反対にダイスＲの値が小さすぎるとダイス先端部にＲをつけた効果が低くなり、加工時に局部的な負荷が大きくなってブランクが破断する危険性が高くなる。適正値は２.５ｔ〜６ｔの範囲と認められた。また、ブランク引張り強度に対するしわ押さえ圧力の割合は、低すぎるとしわ発生開始高さが３ｍｍ以下となってしまうことが図に示す結果から分かる。また、しわ押さえ圧力の割合が高すぎるとブランクが破断する危険性が高くなり、１２％以下が適正範囲と認められた。したがって、適正領域は図５における網掛け領域となるので、本発明のしわ押さえ圧力の適正値はダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性においてしわ発生開始高さが３ｍｍの閾値を越えるしわ押さえ圧力の割合以上１２％以下が適正範囲となる。因みにダイスＲ値が２.９ｔの場合は２％以上１２％以下、４.３ｔの場合は３％以上１２％以下、５.７ｔの場合は６.７％以上１２％以下となる。
ダイスＲ値については８.６ｔが不適であることは明らかであるが、２.５ｔ〜６ｔが適正範囲と判定した。
【００２９】
次に、表１の条件で製造した本発明の紙成形体を筒状の胴部部材内へ挿入して、胴部部材の底端部を折り返して内側へ屈曲させて、胴部部材の下端部と紙成形体である底部部材の外周縁部を挟んで加熱圧着した紙容器を作製した。従来品１はロングライフ用容器、従来品２はデイリー用（保存期間約２週間程度）飲料紙容器として既に市場に出回っているものである。各容器とも図１０における底面からの距離ｌが２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍの位置でカットし、その断面の顕微鏡写真を撮って、窪み深さを測定した。測定値の灰色で網掛けしたものはしわが目で認識できない状態のものを示している。結果を表２に示す。
【００３０】
（窪み深さの測定）
各紙容器の底面から立ち上がる各位置でカットし、その水平断面部の光学顕微鏡写真を撮影した。底部部材の原紙表面部分から垂直方向へ窪み深さａを測定し、以下の式の通り、ブランク原紙厚みに相当する紙容器底部の厚みを１００としたときの割合（％）を窪み深さとした（図８参照）。
窪み深さ＝窪み深さａ（ｍｍ）／ブランク原紙の厚さ（ｍｍ）×１００
【表２】
【００３１】
断面の顕微鏡写真は、図９に例示されているように折り返された胴部部材に底部部材が挟まれた形態となっており、本発明の対象である底部材の絞り加工によって生じるしわの窪み高さを図に示すように厚み方向の寸法ａとして測定した。図６乃至図８に示した断面写真はしわが発生する領域をトリミングしたもので、写真中上方の白い部分が外径側胴部部材の原紙であり、下方が底部部材の原紙、そして中間部分はラミネートされたポリエチレンが熱溶着した接着層である。なお、各写真中に示された線分は２００μｍの寸法を示している。
図５に示される本発明のものは底面から３ｍｍ以内では目視できるしわの発生はなく、表面形状が滑らかであることが確認できた。６ｍｍの位置でも窪みの最大深さは４３％であった。写真から分かるように胴部部材との接着層に気泡（空洞部）の存在などは認められない。また、サンプル毎のバラツキも少なく、３ｍｍの位置では４％であり、６ｍｍの位置でも１７％となっている。長期間内容液を貯蔵しても漏れなく安定して使用に耐えうる。特に底面に近い部分にしわがないことが重要である。ロングライフ用の紙容器としての使用に十分対応できるデータである。
【００３２】
図７に現在流通しているロングライフ用の紙容器を従来品１として３つのサンプル（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）を比較した顕微鏡写真を示す。この写真からまず、はっきりとした窪みが確認でき、胴部部材との接着層に空洞部が認められる。上下の写真は高さ位置が異なるものの周方向位置は揃えてあることから、空洞部は縦方向に連続していることが分かる。この空洞部は漏れの要因となる他そこに殺菌剤が残留する問題やその部分に殺菌処理が及ばないことによる菌の残留といった重大な問題を残す。計測寸法で見ると底面から３ｍｍ位置では平均深さが７５％であり、本発明の１５％と大きく相違している。２ｍｍ位置では窪みの平均深さは３８％となっている。６ｍｍの位置での窪みの平均深さは１３０％となっており、この部分ではしわがかなり大きいことが認められる。サンプル毎のバラツキについては、３ｍｍの位置では１７％であり、６ｍｍの位置では６４％と相当大きくなっている。
【００３３】
図８に示される従来品２は、どの写真からもはっきりとしたしわの窪みが確認でき、空洞部も散見される。底面から３ｍｍ位置では平均深さが７２％であり、本発明の２３％とは大きく相違している。２ｍｍ位置では窪みの平均深さは５２％となっており、６ｍｍの位置での窪みの平均深さは８０％となっており、底位置から徐々に増加の傾向を示しているが、上下方向にわたりしわの深さには大きな差がないことが認められる。そして、底面から３ｍｍまでの位置でみると、２ｍｍ位置で平均深さが５２％、３ｍｍ位置で平均深さが７２％となっており、しわの存在が確認される。
【００３４】
以上のとおり、本発明を従来品と比較するとその成形加工後の表面状態が格段に優れていることが分かる。まず、従来品と異なり、目視できるような明らかなしわが無いこと、そのことによって、成形体の仕上りが綺麗であることは勿論のこと、胴部部材のような他の部材との接着に際しては接着層に空洞部などを生じることなく安定した接着が可能となる。しかも組織的に最も密度が高くなるブランクの外周端部に至るまで、窪みの発生が抑えられているので高さ方向にも良好な接着状態を確保でき、空洞部の発生も防止できることもあってロングライフに耐えられる望ましい紙容器を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本明細書では紙コップ等の紙容器の底部成形を例に説明してきたが、この発明は２ピースの紙容器の底部に限らず、紙皿、紙トレー、１ピースの紙容器など側壁の高さがさほど高くない容器にも適用可能である。本発明の紙成形体又は紙容器に収納される内容品としては、牛乳、ポーション用途ミルク、コーヒーなどの飲料、ジャム、ヨーグルト、チーズ、バター、アイスクリーム、スナック菓子などの食品がある。
【符号の説明】
【００３６】
１ 絞りしごき成形用ダイス ２ ブランキング用ダイス
３ 絞りしごき成形用パンチ ４ ブランキング用パンチ
４ａ ブランキング用パンチの段部 ５ しわ押さえ部材
５ａ しわ押さえ部材の段部 ６ 紙シート
６ａ ブランク
イ 底部部材 ロ 胴部部材
ｄ しわ押さえ部材の先端面とダイスの天面との間隙
α ダイス１のアプローチ角 β パンチ３の先端逃がし角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、しわ発生の少ない紙成形体とその製造方法及びそれによって製造された胴部部材及び底部部材からなる紙容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より紙成形体は、包装容器の分野で汎用され、種々の容器形態に成形されている。紙トレー、紙皿などの１ピースからなる紙成形体や、胴部部材と底部部材からなる２ピースからなる紙容器がある。
【０００３】
紙を主体とするブランクを絞り成形される紙成形体は、金属のような展性・延性がないため、その加工で周端部の立ち上がり形状部分にしわが発生する。図１０は、胴部部材（ロ）と底部部材（イ）からなる２ピースの紙容器を示す。底部部材（紙成形体）は絞り成形される。これら、紙成形体のしわを抑制する技術として以下の手法が開示されている。
【０００４】
特許文献１は、しわの発生を少なくし且つ深い絞り成形が可能な紙成形容器を目的とし、フランジ押さえとダイス上面を一定の隙間にしながら絞り成形する方法が開示されている。また、特許文献２は、胴部との間で良好な密着が得られる紙カップ用底を目的とし、底紙の外縁部を上方から押圧する方法が開示されている。また、特許文献３は、折り重なるほど高くないひだ（しわ）を有する紙コップ底を目的とし、原紙（ブランク）の厚さよりも引き出し部（パンチ）と開口部（ダイス）の隙間を小さくして絞り成形する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１２１８３２号公報 「成形容器の製造方法と製造装置及び成形容器」 平成２０年５月９日登録 平成２０年７月２３日発行
【特許文献２】特開２００１−２７００１３号公報 「紙カップ底紙の成形装置及び成形方法」 平成１３年１０月２日公開
【特許文献３】特開２０００−２３８１５０号公報 「紙カップ底及び紙コップ底の製造方法とその装置」 平成１２年９月５日公開
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の方法で製造された紙成形体は、細かなしわを成形し押しつぶされ易い折り重ね部が形成されること、又は、絞り加工時にブランクよりも狭い厚さの隙間を通過することで細かいしわがつぶされ、しわを目立たなくすることなどが提案されている。しかしながら、これまでの加工方法では、完全にしわをなくすまで至っていない。
また、飲食料品の容器分野で通常の保存期間よりも長い、いわゆるロングライフ用の紙容器は、一般的に薬剤による殺菌がなされる。底部部材の側壁にしわのある状態で加工すると内容品側で底部部材側壁と胴部部材の接点近傍に隙間が生じて、薬剤が届き難いことにより殺菌が不十分になったり、薬剤が残留する問題や、内容品が漏れる虞がある。これらの問題を解決する紙成形体、加工方法が求められている。
本発明は、上記の問題を解決すべく、紙成形体及びそれを用いた紙容器、並びにその加工方法を提供することにあり、第１に、紙成形体の表面が平滑で外観が良好な紙成形体を提供すること、第２に、胴部部材との接着性が良好な紙成形体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工するものであって、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構を備え、該シワ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性において、しわ発生開始高さがαの閾値を越えるしわ押さえ圧力の割合値以上１２％以下としたことを特徴とする。ただし、閾値αは製造において求められるしわ発生のない高さ寸法を表わすものとする。
また、前記パンチを嵌合する前記ダイスの先端部形状Ｒをブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとするようにした。
また、前記加圧力は前記しわ押さえ部材が前記ダイスの上面との一定の隙間及び一定の圧力によって印加されるようにした。
本発明の１形態では、しわ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚みｔ以下の値に設定し、絞り加工の過程でブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記間隙が可変となるようにして過度の加圧力を防止するようにした。
また、他の形態では前記しわ押さえ部材先端面とダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの原紙厚みｔ以上の値に設定し、絞り加工の途中からブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記隙間が可変となるようにして過度の加圧力を防止するようにした。
【０００８】
また、本発明の紙成形体を製造する方法の１形態は、上記構成に加え前記ダイスのアプローチ角を０.１°〜５°とすると共に、前記ダイス内周面と前記パンチ外周面間のクリアランスをＣＬとして、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率(red)の値が２０以下となるようにＣＬを設定し、絞りしごき加工するようにした。
また、前記ブランクの外周縁部の端部がしごき成形されないように先端部に続くパンチ外周面に逃がし部テーパー角度を設けるようにした。
【０００９】
本発明の紙成形体は、上記の製造方法によって紙を主体とするブランクの外周縁部を立ち上がり形状に壁部を成形したものであって、ブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる高さα以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みのものとした。
また、本発明の紙容器は上記紙成形体である底部部材と胴部部材の２ピースからなり、ロングライフ用に適するものとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の紙成形体を製造する方法は、しわ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性において、しわ発生開始高さがαの閾値を越えるしわ押さえ圧力の割合値以上１２％以下とすることにより、ブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる高さα以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みしかないものとなるから、絞り成形した部分の表面に肉眼で目立つようなしわのない滑らかな紙成形体を提供できる。
また、本発明の紙成形体を製造する方法は、更に、前記パンチを嵌合する前記ダイスの先端部形状Ｒをブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとするものとしたことにより、上記効果を更に確実なものにすることができる。
【００１１】
本発明の紙成形体を製造する方法は、前記加圧力について前記しわ押さえ部材が前記ダイスの上面との一定の隙間及び一定の圧力で印加されるという単純な手段で実現することが出来た。
更に、この手段において前記フランジ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚みｔより小さい値に設定することにより、加工初期段階において安定的に所定の圧力を得ることができる。
また、絞り加工の過程でブランクの外周縁部の厚さが増すのに応じて前記隙間が可変となるようにして押さえ圧力を調整するようにすることで、過剰なしわ押さえ圧力によるフランジの破断を抑制することができる。この機構を備えることにより、前記フランジ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚み以上に設定しても所望の加工を実現することが出来る。
また、本発明の紙成形体を製造する方法は、前記ダイスのアプローチ角を０.１°〜５°とすると共に、前記ダイス内周面と前記パンチ外周面間のクリアランスをＣＬとして、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率(red)の値が２０以下となるようにＣＬを設定することにより、戻り変形の少ない形状保持機能を備えるものとした。
更に、前記先端部に続くパンチ外周面に逃がし部テーパー角度を設けるようにしたことにより、ブランクの外周縁部の端部がしごき成形されないようになり、細かい紙粉の飛散を防止できる。
【００１２】
本発明の紙成形体は、上記の条件の下に製造することによりブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる高さα以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みしかないものとなるから、絞り成形した部分の表面に肉眼で目立つようなしわのない滑らかな紙成形体を提供できる。また、上記紙成形体である底部部材と胴部部材の２ピースからなる本発明の紙容器は、表面が滑らかであるから胴部部材との接着が緻密に行われ、ロングライフ用の容器に用いても殺菌剤の残留、酸素バリヤ性、防湿性の低下、内容物の漏れ等の問題を生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】紙成形体の成形方法を実施する本発明の１形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係るダイスとパンチの形状を説明する図である。
【図３】本発明に係る紙成形体の製造形方法によって形成した底部部材の外観像と顕微鏡組織図である。
【図４】従来の製造方法の紙成形体の外観像と顕微鏡組織図である。
【図５】ブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性を示すグラフである。
【図６】本発明の紙成形体の底絞りしわ断面の顕微鏡写真である。
【図７】従来品１の紙容器の底絞りしわ断面の顕微鏡写真である。
【図８】従来品２の紙容器の底絞りしわ断面の顕微鏡写真である。
【図９】窪み計測説明図である。
【図１０】２ピースの紙コップの底部構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の紙成形体を製造する方法は、紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工するものであって、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構によって適切なしわ押さえ圧力を加えつつ絞り加工を施すものとする。その際の該しわ押さえ部材の圧力を前記ダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性に対応させて、しわ発生開始高さがαの閾値を越えるような適正範囲を割り出すものとした。
【００１５】
本発明の紙成形体は、胴部部材と底部部材の２ピースからなる紙容器の底部として用いることができる。底部部材は、紙シートからブランクを打ち抜き後、絞り成形される。得られた底部部材を筒状の胴部部材に挿入し胴部部材側壁に接着して紙容器が成形される。また、胴部部材の下端部を内側に折り込んで底部部材と加熱圧着することも可能である。このとき、内容品側で底部部材側壁と胴部部材の接点近傍に隙間が存在しないことが重要になる。本発明の底部部材は、底部から立ち上がる側壁近傍の表面が平滑となるので、胴部部材との貼り合わせにおいて空洞部が存在せずに良好な接着性を有することが可能となる。
【００１６】
絞り成形において、パンチを嵌合するダイスの先端部形状Ｒは、２.５ｔ〜６ｔ（ｔ：ブランクの厚さ）とする。２.５ｔよりも小さいとこの部分に負荷が集中しブランクが破断する原因になり、６ｔよりも大きいとしわが発生するとの知見を得たことによる。しわが発生する理由は、ダイスの先端形状Ｒが大きいとしわを押さえる部分からパンチまでの距離が大きくなる分、しわ押さえ圧力から早く開放されるためである。なお、しごき成形を行わなかった以外は後述する表１の本発明と同じ条件で加工を行った場合も同様に表面が平滑な紙成形体を得ることができる。
【００１７】
しわ押さえ方法については、図１を参照しながら以下に説明する。絞り加工初期に所望のしわ押さえ圧力が印加していれば、これに限定されるものではないが、具体的な方法は、しわ押さえ部材５がダイス１の上面との一定の隙間及び一定の圧力によって印加する。このときのダイス１の上面としわ押さえ部材５との距離は、ブランク厚みｔよりも小さくなるようにし、一定の距離を保つようにしわ押さえ部材に下死点を調整する手段が設けられている。しわ押さえ部材の加圧手段としては、エアシリンダやバネなどが採用できる。
【００１８】
また、しわ押さえ部材５は、絞り加工の過程で径が狭められることに起因してブランクの外周縁部の厚さが増すに応じてそれを許容可能にすべく、しわ押さえ部材先端面とダイス上面との隙間が上方に可変となるように過度の加圧力を防止する手段を備えている。これは、ブランクの元板厚みが想定する範囲を超え、ブランク６ａの周縁部への押さえ圧力が想定値を上回る場合があったとしても、本発明ではその現象を回避して、安定的なしわ押さえ圧力による印加を可能とするためである。
【００１９】
紙容器の底部の製造方法としては、紙シート６をブランキング用ダイス２とブランキング用パンチ４で所定の形状に切断し、次いで、しわ押さえ部材５が下降すると同時にパンチとダイスが相対的に移動することで絞り加工が行われ、底部部材が成形される。成形された底部部材は、図示しないが、筒状の胴部部材内に挿入し、胴部部材側壁に接合して、紙容器が製造される。
【００２０】
また、図示されていないが、ブランキング用パンチ４には、それ以上下方に変位させない手段を備えている。また、しわ押さえ圧力をブランク６ａの周縁部を確実に印加するために、図１の左下方に図示しているようにダイス１とブランキング用パンチ４との間Ｄ１と、ダイス１としわ押さえ部材５の間Ｄ２との関係がＤ１＞Ｄ２となるように設定される。そして、しわ押さえ部材５にもそれ以上下方に変位させない手段（この例ではブランキング用パンチの段部４ａとしわ押さえ部材の段部５ａの係合）を備えることで、ダイス天面との隙間の調整が可能となる。
【００２１】
次に、ダイスとパンチ形状について説明する。図２Ａは、まずはダイス１のパンチ導入側曲率半径Ｒａの値をブランク６ａの厚さをｔとして、２.５ｔ〜６ｔに設定する。また、パンチ３の先端部の曲率半径Ｒｂは０.３ｔ〜６ｔに設定する。ダイス１とパンチ３とのクリアランスは、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率（red）の値が２０以下となるようにダイス１最小内径とパンチ３の最大外径との差であるクリアランス（ＣＬ値）とすることが好ましい。ブランク６ａの外周縁部の端部がしごき成形されないようにパンチ３の先端部に続く外周面に逃がし部テーパー角度を設ける。これは、外周縁部の端部がしごき成形されないことにより紙粉の発生を防止するためである。
【００２２】
図２Ｂは、ダイス１のパンチ導入側形状とパンチ３先端部形状が二重に描かれている。内側の形状はアプローチ角を付与した形態であり、このアプローチ角を付与することで絞り加工において緩やかに圧縮が掛かるようにするための形状である。アプローチ角度の範囲は、０.１°〜５°とし、好適には０.５°〜２°である。また、パンチの先端逃がし角βも上記範囲と同様とする。しごき成形は、底部から立ち上がる角度をほぼ垂直にするとともにブランクの外周縁部の戻りを少なくすることができる。
【００２３】
ブランク６ａとは、原紙の両側にポリオレフィンでラミネートし、紙シート６を打ち抜き加工されたものである。ブランクのラミネート層の構成としては、ポリオレフィン、ＥＶＯＨ、無機蒸着フィルム、有機系コート系フィルム、アルミ箔などを中間層に用いた多層構成とすることもできる。
【実施例】
【００２４】
本発明の紙成形体は以下の製造装置を用いて作製した。図１の左半分はブランキング後の状態を示し、右半分は底部部材成形途中の状態を示している。右側下方部には底部部材成形途中の加工箇所を部分的に拡大して示した図である。紙を主成分としたシート６はブランキング用のパンチ４の変位によってダイス２との協働して円形にブランク６ａを型抜きする。このブランキング用のパンチ４の内側にはしわ押さえ部材５が配置され、それはリング形状であって、左下方の拡大図に図示されているように先端面は中央から内側にかけて平坦であるがブランキング用のパンチ４と接する外周部分はなだらかな傾斜面となっており全体に凸形状となっている。また、しわ押さえ部材５には段部５ａが形成されており、ブランキング用のパンチ４の内側に形成された段部４ａと係合可能な形態となっており、ダイス１としわ押さえ部材５との間隙Ｄ２の限界値を確保すると共に、更にしわ押さえ部材５はブランキング用のパンチ４の上方部から所定圧で下方に押さえ圧力が印加される形態がとられ、隙間調整部を構成している。したがって、異物の接触が無いフリーの状態では図の左側下方部に示されるようにしわ押さえ部材５の平坦な先端面はブランキング用のパンチ４の下端面に対して若干下方に位置する（この例では０.０５ｍｍの段差）ものとなっている。図１の左側に示されたブランキング後の状態ではブランキング用のパンチ４の下端面はダイス１の天面との間でブランク６ａの元板厚み（この際の厚みは紙シート６の厚みに等しい）で停止され、しわ押さえ部材５の先端面はブランク６ａの面を押圧している。しわ押さえ部材５の先端面が円形に型抜きしたブランク６ａの周縁部を押圧している状態、すなわち、ブランク６ａの周縁部を所望のしわ押さえ圧力を印加する機能を持たせた状態で図１の右側に示すようにパンチ２が下方に変位しダイス１と協働してブランク６ａを絞り成形する。所望のしわ押さえ圧力は試験を重ねる中で以下に説明するように所定範囲に設定するのがよいとの知見を得た。
【００２５】
（しわ押さえ圧力の測定）
ＪＩＳ規格（Ｐ８１１３）の値からブランクの元板厚みを除した値をブランクの単位面積当たりの荷重（ＭＰａ）としてブランクの引張り強度を測定し、初期加工段階におけるしわ押さえ圧力をブランクの引張り強度１００に対する割合とした。なお、しわ押さえ圧力は、単位面積当たりの荷重（ＭＰａ）とした。
【００２６】
次に、従来の製造方法による紙成形体と本発明の製造方法による紙成形体との比較データを示す。ブランクとしては坪量２００ｇ／ｍ２の原紙両面にポリエチレンをラミネートした素材を用い、成形時にはパラフィン油系の潤滑剤を使用した。この潤滑剤は紙コップ成形では一般的に使用されているものである。また、ブランク６ａの外周縁部を所定圧で押圧した状態でダイス１の天面に対し変位可能であるための機構として、バネ機構とした。
これらの実施条件の一覧を表１に示す。それ以外は同様の条件で行った。
【表１】
【００２７】
上記のような実施条件の下で製造された紙成形体の顕微鏡組織は図３と図４に示すとおりであった。図３は本発明による紙成形体、図４は従来方法による紙成形体である。図中Ａは外観を撮像した写真、Ｂは観察用顕微鏡写真の部位を示す図、Ｃは底面から２ｍｍの位置の顕微鏡組織、Ｄは底面から５ｍｍの位置の顕微鏡組織、Ｅは底面から８ｍｍの位置の顕微鏡組織である。Ｃの底面から２ｍｍの位置の顕微鏡組織で比較すると図４の従来方法のものは原紙に小さな凹部（窪み）が形成されているのが観察される。しかし、５ｍｍの位置、８ｍｍの位置になると凹部形状は大きくなり、外観を撮像した写真のＡでも明らかなしわの発生が確認できる。底部部材の厚さも５ｍｍ，８ｍｍと段々に大きくなっている。これに対し、本発明によるものは底面から２ｍｍの位置の顕微鏡組織のみならず、５ｍｍの位置、８ｍｍの位置における顕微鏡組織でも原紙に小さな凹部も観察されない。外観を撮像した写真のＡでは肉眼で見えるようなしわは発見できない。底部部材の厚さもほぼ均一である。この比較実験によりできあがった成形品には、このように顕著な差異があることが確認できた。
【００２８】
次に、ブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係を検証した。前述のブランクを用いて、しわ押さえ圧力とダイスの形状をそれぞれ変更した以外は、表１に示す条件と同様に紙成形体を製造した。しわ発生開始高さの測定は、底面から立ち上がる外周方向でしわが開始される位置を目視で確認し、しわの発生開始高さとした。結果を図５に示す。ダイスＲの値が２.９ｔ、４.３ｔ、５.７ｔ、８.６ｔの４種類のダイスを用いてその特性を求めた。しわ発生開始高さが３ｍｍ以上のものを良品と判定する閾値とした。要するに、しわ発生開始高さが３ｍｍ以上となるものが本発明の課題を満たす紙成形品となるわけである。ここでは閾値αの値を３ｍｍとしている。図に示された結果から分かるようにダイスＲの値が大きくなるに連れてこの関係特性は傾斜がなだらかになることが見て取れる。８.６ｔのものではしわ発生開始高さが閾値の３ｍｍ以上となることはなく、良品が得られないことが分かる。また、反対にダイスＲの値が小さすぎるとダイス先端部にＲをつけた効果が低くなり、加工時に局部的な負荷が大きくなってブランクが破断する危険性が高くなる。適正値は２.５ｔ〜６ｔの範囲と認められた。また、ブランク引張り強度に対するしわ押さえ圧力の割合は、低すぎるとしわ発生開始高さが３ｍｍ以下となってしまうことが図に示す結果から分かる。また、しわ押さえ圧力の割合が高すぎるとブランクが破断する危険性が高くなり、１２％以下が適正範囲と認められた。したがって、適正領域は図５における網掛け領域となるので、本発明のしわ押さえ圧力の適正値はダイスのブランク引張強度に対するしわ押さえ圧力の割合としわ発生開始高さの関係特性においてしわ発生開始高さが３ｍｍの閾値を越えるしわ押さえ圧力の割合以上１２％以下が適正範囲となる。因みにダイスＲ値が２.９ｔの場合は２％以上１２％以下、４.３ｔの場合は３％以上１２％以下、５.７ｔの場合は６.７％以上１２％以下となる。
ダイスＲ値については８.６ｔが不適であることは明らかであるが、２.５ｔ〜６ｔが適正範囲と判定した。
【００２９】
次に、表１の条件で製造した本発明の紙成形体を筒状の胴部部材内へ挿入して、胴部部材の底端部を折り返して内側へ屈曲させて、胴部部材の下端部と紙成形体である底部部材の外周縁部を挟んで加熱圧着した紙容器を作製した。従来品１はロングライフ用容器、従来品２はデイリー用（保存期間約２週間程度）飲料紙容器として既に市場に出回っているものである。各容器とも図１０における底面からの距離ｌが２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍの位置でカットし、その断面の顕微鏡写真を撮って、窪み深さを測定した。測定値の灰色で網掛けしたものはしわが目で認識できない状態のものを示している。結果を表２に示す。
【００３０】
（窪み深さの測定）
各紙容器の底面から立ち上がる各位置でカットし、その水平断面部の光学顕微鏡写真を撮影した。底部部材の原紙表面部分から垂直方向へ窪み深さａを測定し、以下の式の通り、ブランク原紙厚みに相当する紙容器底部の厚みを１００としたときの割合（％）を窪み深さとした（図８参照）。
窪み深さ＝窪み深さａ（ｍｍ）／ブランク原紙の厚さ（ｍｍ）×１００
【表２】
【００３１】
断面の顕微鏡写真は、図９に例示されているように折り返された胴部部材に底部部材が挟まれた形態となっており、本発明の対象である底部材の絞り加工によって生じるしわの窪み高さを図に示すように厚み方向の寸法ａとして測定した。図６乃至図８に示した断面写真はしわが発生する領域をトリミングしたもので、写真中上方の白い部分が外径側胴部部材の原紙であり、下方が底部部材の原紙、そして中間部分はラミネートされたポリエチレンが熱溶着した接着層である。なお、各写真中に示された線分は２００μｍの寸法を示している。
図５に示される本発明のものは底面から３ｍｍ以内では目視できるしわの発生はなく、表面形状が滑らかであることが確認できた。６ｍｍの位置でも窪みの最大深さは４３％であった。写真から分かるように胴部部材との接着層に気泡（空洞部）の存在などは認められない。また、サンプル毎のバラツキも少なく、３ｍｍの位置では４％であり、６ｍｍの位置でも１７％となっている。長期間内容液を貯蔵しても漏れなく安定して使用に耐えうる。特に底面に近い部分にしわがないことが重要である。ロングライフ用の紙容器としての使用に十分対応できるデータである。
【００３２】
図７に現在流通しているロングライフ用の紙容器を従来品１として３つのサンプル（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）を比較した顕微鏡写真を示す。この写真からまず、はっきりとした窪みが確認でき、胴部部材との接着層に空洞部が認められる。上下の写真は高さ位置が異なるものの周方向位置は揃えてあることから、空洞部は縦方向に連続していることが分かる。この空洞部は漏れの要因となる他そこに殺菌剤が残留する問題やその部分に殺菌処理が及ばないことによる菌の残留といった重大な問題を残す。計測寸法で見ると底面から３ｍｍ位置では平均深さが７５％であり、本発明の１５％と大きく相違している。２ｍｍ位置では窪みの平均深さは３８％となっている。６ｍｍの位置での窪みの平均深さは１３０％となっており、この部分ではしわがかなり大きいことが認められる。サンプル毎のバラツキについては、３ｍｍの位置では１７％であり、６ｍｍの位置では６４％と相当大きくなっている。
【００３３】
図８に示される従来品２は、どの写真からもはっきりとしたしわの窪みが確認でき、空洞部も散見される。底面から３ｍｍ位置では平均深さが７２％であり、本発明の２３％とは大きく相違している。２ｍｍ位置では窪みの平均深さは５２％となっており、６ｍｍの位置での窪みの平均深さは８０％となっており、底位置から徐々に増加の傾向を示しているが、上下方向にわたりしわの深さには大きな差がないことが認められる。そして、底面から３ｍｍまでの位置でみると、２ｍｍ位置で平均深さが５２％、３ｍｍ位置で平均深さが７２％となっており、しわの存在が確認される。
【００３４】
以上のとおり、本発明を従来品と比較するとその成形加工後の表面状態が格段に優れていることが分かる。まず、従来品と異なり、目視できるような明らかなしわが無いこと、そのことによって、成形体の仕上りが綺麗であることは勿論のこと、胴部部材のような他の部材との接着に際しては接着層に空洞部などを生じることなく安定した接着が可能となる。しかも組織的に最も密度が高くなるブランクの外周端部に至るまで、窪みの発生が抑えられているので高さ方向にも良好な接着状態を確保でき、空洞部の発生も防止できることもあってロングライフに耐えられる望ましい紙容器を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本明細書では紙コップ等の紙容器の底部成形を例に説明してきたが、この発明は２ピースの紙容器の底部に限らず、紙皿、紙トレー、１ピースの紙容器など側壁の高さがさほど高くない容器にも適用可能である。本発明の紙成形体又は紙容器に収納される内容品としては、牛乳、ポーション用途ミルク、コーヒーなどの飲料、ジャム、ヨーグルト、チーズ、バター、アイスクリーム、スナック菓子などの食品がある。
【符号の説明】
【００３６】
１ 絞りしごき成形用ダイス ２ ブランキング用ダイス
３ 絞りしごき成形用パンチ ４ ブランキング用パンチ
４ａ ブランキング用パンチの段部 ５ しわ押さえ部材
５ａ しわ押さえ部材の段部 ６ 紙シート
６ａ ブランク
イ 底部部材 ロ 胴部部材
ｄ しわ押さえ部材の先端面とダイスの天面との間隙
α ダイス１のアプローチ角 β パンチ３の先端逃がし角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絞り加工により紙を主体とするブランクの外周縁部を立ち上がり形状に壁部を成形したものであって、ブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる閾値α寸法以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みである紙成形体。
ここで、閾値αは求められるしわ発生のない高さ寸法
【請求項２】
胴部部材と底部部材の２ピースからなる紙容器の底部として用いたものである請求項１に記載の紙成形体。
【請求項３】
紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工する方法において、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構を用い、該しわ押さえ部材の圧力をしわ発生開始高さが閾値αを越えるしわ押さえ圧力の割合値以上、前記ブランクの抄紙方向の垂直方向へのブランク引張強度に対するしわ押え圧力の割合１２％以下としたことを特徴とする紙成形体を製造する方法。
ここで、閾値αは求められるしわ発生のない高さ寸法
【請求項４】
前記パンチを嵌合する前記ダイスの先端部形状Ｒをブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとする請求項３に記載の紙成形体を製造する方法。
【請求項５】
前記加圧力は前記しわ押さえ部材が前記ダイスの上面との一定の隙間及び一定の圧力によって印加されることを特徴とする請求項３または４に記載の紙成形体を製造する方法。
【請求項６】
前記しわ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚みｔ以下の値に設定し、絞り加工の過程でブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記間隙が可変となるようにして過度の加圧力を防止することを特徴とする請求項５に記載の紙成形体の製造方法。
【請求項７】
前記しわ押さえ部材先端面とダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの原紙厚みｔ以上の値に設定し、絞り加工の途中からブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記隙間が可変となるようにして過度の加圧力を防止することを特徴とする請求項５に記載の紙成形体の製造方法。
【請求項８】
前記ダイスのアプローチ角を０.１°〜５°とすると共に、前記ダイス内周面と前記パンチ外周面間のクリアランスをＣＬとして、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率(red)の値が２０以下となるようにＣＬを設定する、請求項３乃至７のいずれかに記載の紙成形体の製造方法。
【請求項９】
前記ブランクの外周縁部の端部がしごき成形されないように先端部に続くパンチ外周面に逃がし部テーパー角度を設けるようにした請求項３乃至８のいずれか記載の紙成形体の製造方法。
【請求項１】
絞り加工により紙を主体とするブランクの外周縁部を立ち上がり形状に壁部を成形したものであって、ブランクの原紙厚み１００に対して、底部から立ち上がる閾値α寸法以内の壁部水平断面形状が３０以下の窪みである紙成形体。
ここで、閾値αは求められるしわ発生のない高さ寸法
【請求項２】
胴部部材と底部部材の２ピースからなる紙容器の底部として用いたものである請求項１に記載の紙成形体。
【請求項３】
紙を主体とする一枚のブランクをパンチとダイスで絞り加工する方法において、ブランクの外周縁部をしわ押さえ部材とダイス天面とで加圧して押さえる機構を用い、該しわ押さえ部材の圧力をしわ発生開始高さが閾値αを越えるしわ押さえ圧力の割合値以上、前記ブランクの抄紙方向の垂直方向へのブランク引張強度に対するしわ押え圧力の割合１２％以下としたことを特徴とする紙成形体を製造する方法。
ここで、閾値αは求められるしわ発生のない高さ寸法
【請求項４】
前記パンチを嵌合する前記ダイスの先端部形状Ｒをブランクの厚さをｔとしたとき、２.５ｔ〜６ｔとする請求項３に記載の紙成形体を製造する方法。
【請求項５】
前記加圧力は前記しわ押さえ部材が前記ダイスの上面との一定の隙間及び一定の圧力によって印加されることを特徴とする請求項３または４に記載の紙成形体を製造する方法。
【請求項６】
前記しわ押さえ部材先端面と前記ダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの元板厚みｔ以下の値に設定し、絞り加工の過程でブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記間隙が可変となるようにして過度の加圧力を防止することを特徴とする請求項５に記載の紙成形体の製造方法。
【請求項７】
前記しわ押さえ部材先端面とダイス上面との隙間の所定値ｄをブランクの原紙厚みｔ以上の値に設定し、絞り加工の途中からブランクの外周縁部の厚さが増すに応じて前記隙間が可変となるようにして過度の加圧力を防止することを特徴とする請求項５に記載の紙成形体の製造方法。
【請求項８】
前記ダイスのアプローチ角を０.１°〜５°とすると共に、前記ダイス内周面と前記パンチ外周面間のクリアランスをＣＬとして、{(ｔ−ＣＬ)/ｔ}×１００で表せるしごき率(red)の値が２０以下となるようにＣＬを設定する、請求項３乃至７のいずれかに記載の紙成形体の製造方法。
【請求項９】
前記ブランクの外周縁部の端部がしごき成形されないように先端部に続くパンチ外周面に逃がし部テーパー角度を設けるようにした請求項３乃至８のいずれか記載の紙成形体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図５】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８２１０９（Ｐ２０１３−８２１０９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２８０９（Ｐ２０１１−２２２８０９）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００３７６８）東洋製罐株式会社 (1,150)
【出願人】（０００２２３１９３）東罐興業株式会社 (90)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００３７６８）東洋製罐株式会社 (1,150)
【出願人】（０００２２３１９３）東罐興業株式会社 (90)
【Ｆターム（参考）】
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