KR100939386B1 - 진동 요소용 마운트 - Google Patents

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KR100939386B1
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하레고파고팔
나야새틴더케이.
오블랙도널드에스.
거데스로날드더블유.
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 진동 요소를 위한 장착 시스템이다. 진동 요소는 종축, 외측 표면 및 축방향 변위 마디를 포함한다. 장착 시스템은 격리 표면, 격리 본체 및 결합부를 가지는 격리 부재를 포함한다. 결합부는 격리 표면과 방사상으로 대향한 지점에서 격리 본체로부터 방사상 내측으로 연장되며 격리 부재에 움직이지 않게 고정된다. 결합부는 진동 요소의 외측 표면에 결합되도록 배치된다. 진동 요소의 방사상 변위는 결합부를 통해 격리 표면으로부터 차단된다.
진동 요소, 장착 시스템, 격리 본체, 결합부, 격리 표면, 마디

Description

진동 요소용 마운트 {MOUNT FOR VIBRATORY ELEMENTS}
본 발명은 진동 요소에 관한 것이다. 특히 본 발명은 어코스틱 호른(acoustic horn)을 위한 장착 시스템에 관한 것이다.
초음파 용접 같은 어코스틱 용접에서, 결합될 두 부품(통상적으로 열 가소성 부품)은 통상적으로 초음파 호른인 진동 요소 바로 아래에 놓인다. 플런지 용접(plunge welding)에서 호른은 진동을 강제로 발생시켜(부품들 쪽으로 이동) 상측부로 전송시킨다. 통상적으로 이러한 진동은 초음파이다. 진동은 상측부를 거쳐 두 부품 사이의 경계면으로 이동한다. 상기 경계면에서, 진동 에너지는 상기 두 부품을 용융 및 용해시키는 분자간 마찰 때문에 열로 전환된다. 진동이 멈출 때, 두 부품은 힘이 가해진 상태에서 응고되어 결합면에 용접부가 형성된다.
연속 초음파 용접은 통상적으로 섬유, 필름 등을 씰링하는데 사용된다. 연속 용접에서, 초음파 호른은 통상적으로 고정형이고, 부품이 그 아래로 이동한다. 스캔 용접은 부품이 이동하는 연속 용접형태이다. 플라스틱 부품은 일 이상의 고정 호른 아래에서 스캔된다. 트랜스버스 용접(transverse welding)에서, 부품이 고정되고 호른이 그 위로 움직인다.
호른은 기계적 진동 에너지를 부품에 전달하는 예컨대, 알루미늄, 티타늄 또 는 소결 강철로 만들어진 어코스틱 도구이다. 호른의 변위 또는 진폭은 호른 표면의 피크 대 피크 운동(peak-to-peak movement)이다. 호른 입력 진폭 대 호른 출력 진폭의 비율을 게인(gain)이라고 한다. 게인은 진동 입력 및 출력 영역에서 호른의 질량비의 함수이다. 일반적으로 호른에서 호른 용접면의 진폭 방향은 적용된 기계 진동의 방향과 일치한다.
모든 호른들처럼 회전형 어코스틱 호른도 선택된 파장, 주파수, 진폭으로 에너지를 발생시킨다. 회전형 호른은 출력 단부와 동축이면서 출력 단부 상에 장착된 용접부와 출력 단부 및 입력 단부를 구비한 샤프트를 포함한다. 용접부의 직경은 통상적으로 샤프트의 직경보다 크다. 용접부는 진동 에너지가 적용됨에 따라 팽창 및 수축하는 직경을 가지는 원통형 용접면을 가진다. 통상적으로 회전형 호른은 원통형이며 종축을 중심으로 회전한다. 입력 진동은 축방향이며 출력 진동은 방사 방향이다. 호른과 앤빌(anvil)은 서로 근접해 있고, 앤빌은 호른의 반대 반향으로 회전할 수 있다. 결합될 부품은 원통형 표면의 접선 속도와 동일한 선형 속도로 원통형 표면들 사이를 통과한다. 호른과 앤빌의 접선 속도와 재료의 선형 속도를 일치시키는 것은 호른과 재료 사이의 항력(drag)을 최소화하려는 것이다. 축방향으로 여기(excitation)되는 것은 종래의 플런지 용접과 유사하다.
초음파 호른을 장착하는 방법에는 통상적으로 두 가지가 있는데, 마디식 장착(nodal mounting)과 비마디식 장착(non-nodal mounting)이다. 하나의 마디는 일 이상의 방향으로 움직이지 않는 호른의 한 위치이다. 마디식 마운트(nodal mount)로 호른은 단단하게 고정되거나 파지될 수 있다. 비마디식 마운트는 호른 표면이 움직이기(진동하기) 때문에 일부 가요성 요소가 필요하다. 호른 상의 마디는 호른을 중심으로 주연 방향으로 연장되며, 호른의 길이를 따라 축방향으로 이격된다.
파복(anti-node)은 호른 또는 부스터의 최대 변위 영역이며, 이러한 위치나 다른 비마디 위치에 장착 시스템을 부착하기 위해서는 호른으로부터 나오는 진동을 격리시키도록 설계된 마운트가 필요하다.
미국 특허 제3,955,740호에는 부스터 및 호른 사이의 접합부에 위치한 중실형 금속 다이아프램을 이용하는 비마디식 회전형 호른 마운트가 개시되어 있다. 이러한 설계에서는 베어링으로부터 나오는 힘을 격리하기 위해 회전형 튜브를 이용하기 때문에 정하중을 견딜 수 있다. 또한 이러한 설계에서 다이아프램은 호른의 주파수에서 공진하도록 설계된다. 다이아프램은 초음파 요소이다. 다른 형태의 마디식 마운트는 마디 주변에 방사상을 위치한 일련의 고정 나사를 이용한다. 마운트를 호른 주변에 위치시키기 위해, 고정 나사들은 마디식 마운트를 통해 나사 결합되며 호른의 표면과 접촉한다. 통상적으로 이 고정 나사들은 호른의 표면 내의 홈이나 노치 안으로 연장되어 마운트가 호른에 대한 상대적인 위치를 유지할 수 있도록 해준다. 고정 나사식 마운트가 진동 요소로부터 발생된 진동을 격리하지만, 마운트에 가해질 수 있는 정하중은 고정 나사가 힘을 견딜 수 있는 능력에 한정된다.
본 발명은 진동 요소의 장착 시스템이다. 진동 요소는 종축, 외측 표면 및 축방향 변위 마디를 가진다. 장착 시스템은 격리 표면, 격리 본체 및 결합부를 가지는 격리 부재를 포함한다. 결합부는 고정형으로 격리 부재에 고정되며, 격리 표면과 방사상으로 대향하는 지점에서 격리 본체로부터 방사상 내측으로 연장된다. 결합부는 진동 요소의 외측 표면을 결합하도록 배열된다. 진동 요소의 방사상 변위는 결합부를 통해 격리 표면으로부터 실질적으로 차단된다.
본 명세서에서 본 발명의 상이한 실시예들이 설명되었다. 도면 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 장치의 공통되는 특징 또는 구성 요소를 나타내기 위해 사용된다.
도1은 진동 호른에 고정된 본 발명의 두 개의 장착 조립체의 사시도이다.
도2는 도1의 장치의 단부도이다.
도3은 도2의 3-3선을 따라 취한 진동 장치의 단면도이다.
도4는 본 발명의 장착 시스템의 일 실시예에 대한 사시도이다.
도5는 본 발명의 장착 시스템의 일 실시예에 대한 측면도이다.
도6은 본 발명의 장착 시스템의 일 실시예에 대한 정면도이다.
도7은 본 발명의 장착 시스템의 외측 링의 일 실시예에 대한 사시도이다.
도8은 도7의 8-8선을 따라 취한 본 발명의 장착 시스템의 외측 링의 일 실시예에 대한 단면도이다.
도9는 본 발명의 장착 시스템의 내측 링의 일 실시예에 대한 사시도이다.
도10은 도9의 10-10선을 따라 취한 본 발명의 장착 시스템의 내측 링의 일 실시예에 대한 단면도이다.
도11은 본 발명의 장착 시스템의 내측 링의 일 실시예에 대한 측면도이다.
본 발명에 사용된 장치의 다른 실시예들이 상기 도면에 도시되었지만, 논의된 바와 같이 다른 실시예들도 구현될 수 있다. 모든 경우에서 본 명에서는 본 발명을 설명하고자 함이며 한정하고자 함이 아니다. 여러 가지 다른 변형 및 실시예들이 당해 분야의 숙련자들에 의해 본 발명의 원리에 대한 범위 내에서 고려될 수 있다.
본 발명의 장착 시스템(10)이 도1에 도시되었다. 본 발명의 장착 시스템(10)은 비공명 마디식 마운트(non-resonant nodal mount)이다. 본 발명의 장착 시스템(10)은 진동 요소(12)에 고정되어 있다. 일 실시예에서, 진동 요소(12)는 열가소성 재료를 함께 용접하기 위해 사용된 초음파 호른(ultrasonic horn)이다. 그러나 진동 요소(12)로 발생된 진동이 장착 시스템(10)을 거쳐 장착 시스템(10)에 연결된 어떠한 구조물(통상적으로 지지 구조체 형식)이든지 이러한 구조물로 이동하는 것을 막거나 진동을 "흡수(decouple)"하는 것이 바람직한 곳에 장착 시스템(10)이 진동 요소와 함께 사용될 수 있다.
진동 요소(12)는 종축(14)과 진동 외면(16)을 포함한다. 전술된 바와 같이, 진동 요소의 한가지 실시예는 초음파 호른이다. 초음파란 통상적으로 진동 주파수가 20kHz 또는 그 이상인 것을 의미한다. 또한 도1에 도시된 진동 요소[또는 "호른(horn)"]의 구조는 장착 시스템(10)이 고정된 작은 장착부(20)와 넓은 용접부(18)를 나타내며, 이러한 구조는 예시적인 것이지 이에 한정되는 것이 아님을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 두 개의 장착 시스템(10)을 이용하지만, 하나의 장착 시스템(10)만을 가지는 "외팔보형(cantilevered)" 호른 또는 두 개의 장착 시스템(10) 이상을 이용하는 호른도 구현될 수 있음을 알 수 있다. 베어링 조립체(도시 안됨)는 통상적으로 장착 시스템(10)에 고정되어 진동 요소(12)가 그 종축(14)을 중심으로 회전할 수 있게 한다.
도2에 도시된 바와 같이 장착 시스템(10)은 격리 부재(isolation member)(30)를 포함한다. 격리 부재(30)는 격리 본체(31), 격리 표면(32), 내측면(38) 및 결합부(34)를 포함한다.
결합부(34)는 격리 부재(30)의 내측면(38)으로부터 방사상 내측으로 연장된다. 일 실시예에서, 결합부(34)는 일련의 결합 부재(또는 탭)(36)를 포함한다. 주연 방향으로 배치된 6개의 결합 부재(36)로 도시되지만, 본 발명의 범위 내에서 여러 개의 결합 부재(36)가 사용될 수 있다. 또한 하나의 결합 부재(36)는 내측면(38) 주변으로 비절단형 링 내로 연장되며, 이는 도4를 참고로 아래에 자세히 설명될 것이다.
격리 부재(30)의 결합부(34)는 도3에 도시된 바와 같이 진동 요소(12)의 진동 외면(16) 상에 있는 축방향 마디(axial node)(40)에 대해 배치된다. 축방향 마디(40)(점선으로 도시됨)는 진동 요소(12)의 종축(14)을 따라 한 지점에서 진동 외면(16)에 대해 주연 방향으로 연장된다. 통상적으로 다수의 축방향 마디는 종축(14)을 따라 여러 지점에서 이격된다. 축방향 마디들은 호른의 축방향으로 실질적 으로 매우 적은 진폭[즉, 종축(14) 방향에서의 진동]이 발생되는 지점들이다. 이는 방사 방향으로 최대 진폭이 발생되는 지점인데, 다시 말해 축방향 마디가 방사상 파복(anti-node)이다.
축방향 마디(40)에 격리 부재(30)를 고정시킴으로써 진동 요소(12) 및 장착 시스템(10) 사이의 결합이 종방향으로 안정적이고 진동 요소(12) 및 결합부(34)의 마모를 방지한다.
방사방향으로 진동 요소(12)에 의해 발생된 진동은 격리 부재(30) 통해, 특히 결합부(34)를 통해 격리 표면(32)으로부터 차단된다. 전술된 바와 같이, 베어링 조립체(도시 안됨)는 통상적으로 격리 표면(32)에 장착되어 진동 요소(12)가 종축(14)을 중심으로 회전하도록 한다. 이러한 베어링 조립체 또는 다른 임의의 연결 부재가 사용되어 격리 부재(30)를 지지 부재(도시 안됨)에 고정시킨다. 그러므로 진동 요소(12)로부터 발생된 진동은 격리 표면(32)으로부터 실질적으로 "흡수(decoupled)"되거나 "차단(disconnected)"되며, 축방향 마디(40)에서 진동 요소(12)에 격리 부재(30)를 고정시키고 축방향 진동이 격리 본체(31)를 통해 격리 표면(32)으로부터 방사 방향 진동이 발생되는 것을 막아서 임의의 지지 구조체로부터 상기 진동이 차단된다. 이러한 연결 부재(예컨대, 베어링 조립체)는 도시되지 않았지만, 당해 분야의 숙련자들은 본 발명의 범위 내에서 본 발명의 장착 시스템(10)의 일부로써 이러한 요소들이 추가적으로 포함될 수 있음을 이해할 것이다.
"흡수(decoupling)" 또는 "차단(disconnecting)"은 진동 자체가 결합부(34) 및 격리 본체(31)를 통해 격리 부재(30)의 격리 표면(32)으로 가지 않도록 하면서 격리 본체(31)를 통해 소실되는(즉, 소멸되는) 진동 에너지의 양을 최소화한다는 것을 의미한다. 차단으로 인해서 격리 표면(32)의 변위를 최소화하여, 임의의 연결 부재(예컨대, 베어링 조립체) 또는 격리 표면(32)의 마모나 손상을 줄인다. 또한 격리 부재(30)를 통해 소실되는 에너지를 최소화함으로써 격리 부재(30)의 지나친 에너지 소비나 열 발생을 막는다.
진동 요소(12)에서 발생된 방사 방향 진동은 격리 부재(10)가 진동 요소(12)의 작동 주파수에 근접한 공진 주파수를 갖지 않도록 격리 부재(30)의 크기를 설계하여 격리 부재(30)의 격리 표면(32)으로부터 차단된다. 장착 시스템(10)은 방사상 높은 강성을 제공하여 진동 차단 성능에 영향을 주지 않고 장착 시스템(10)에 외측 방사력(radial force)이 가해질 수 있다. 양호하게는 장착 시스템(10)의 어떠한 공진 주파수라도 진동 요소(12)의 공진 주파수로부터 적어도 500Hz이다. 가장 양호하게는 장착 시스템(10)의 어떠한 공진 주파수라도 진동 요소(2)의 공진 주파수로부터 적어도 1000Hz이다. 또한 양호하게 장착 시스템(10)은 진동 요소(12)를 공진시키기 위해 필요한 동력의 약 25% 이하를 소실시킨다.
많은 적용 분야에서 장착 시스템(10)에 높은 정하중을 가할 필요성이 있다. 큰 정하중을 이용하여 진동 요소의 진동 외면(16)[넓은 용접부(18)를 예로 들면]과 통상적으로 비진동 금속 질량체인 앤빌(anvil)(도시 안됨) 사이에서 용접되는 (통상적으로 중합체인) 재료를 가압한다. 이는 진동 요소(12)와 앤빌(도시 안됨) 사이에서 갭이 유지되는 갭 조절형 형태 용접에서 특히 바람직하다. 상기 갭을 통해 가압되면서 재료의 두께가 변하여 진동 요소(12)의 종축(14)에 대해 횡방향으로 반 력이 발생될 수 있다. 종래의 장착 시스템이 방사상 편향됨으로 인해서 진동 요소와 앤빌 사이의 갭이 커지고 부품에 가해지는 힘을 줄이게 되어 용접 품질에 영향을 주었다. 이는 장착 시스템이 굽힘 및/또는 압축됨으로 인해 발생되었다.
본 발명의 장착 시스템(10)은 이러한 결점들을 극복하여 실질적으로 진동을 차단하여 에너지 손실이 적고, 진동 요소(12)와 지지 구조체 사이에 작동시 적은 진동으로 높은 하중을 전달할 수 있는 능력을 제공한다.
도5에 도시된 바와 같이, 격리 표면(32)은 격리 부재(30)의 결합부(34)와 방사상으로 정렬된다. 이러한 배치로 지지 구조체로부터 방사상으로 격리 표면(32), 격리 본체(31) 및 결합 부재(36)를 통해 진동 부재(12)로 힘을 전달시킨다. 이러한 방사상 배열로 인해서 방사력에 의해 장착 시스템(10)을 통해 굽힘 모멘트가 발생되는 것을 최소화한다. 본 발명의 장착 시스템(10)은 양호하게는 적어도 약 500 lb(226 kg)의 방사력을 견딜 수 있고, 더욱 양호하게는 약 800lb(363 kg)의 방사력을 견딜 수 있으므로 격리 부재(30)의 편향이 약 0.0003 in(0.08 mm) 이하가 될 수 있다. 동시에 격리 부재는 격리 표면(32)으로부터 발생된 진동을 차단할 수 있다.
일 실시예에서 격리 부재(30)는 적어도 약 2.9 x 108 N/m의 방사상 강성을 가진다. 양호하게는 격리 부재는 약 4.7 x 108 N/m의 방사상 강성을 가진다. 가장 양호하게는 격리 부재는 약 1.36 x 108 N/m의 방사상 강성을 가진다.
그러므로 종래의 장착 시스템과는 달리 본 발명의 장착 시스템은 격리 표면(32)으로부터 결합부(34)에서 발생된 진동을 차단하면서 방사상 강성을 제공한다. 방사상 진동폭은 결합부에서 가장 크고[예컨대, 0.3 mil(0.00762 mm) 피크 대 피크 진폭(peak to peak amplitude)], 방사상 진동은 실질적으로 격리 표면(32)[예컨대, 0.06 mil(0.00152 mm) 피크 대 피크 진폭]에서 격리 부재(30)를 통해 제거된다.
전술된 바와 같이, 결합 부재(36)는 양호하게는 격리 부재(30)의 내측면(38)을 따라 방사상 내측으로 연장된다. 결합 부재(36)는 양호하게 격리 본체(31)에 고정형으로 장착된다. 가장 양호하게 결합 부재(36)는 격리 본체(31)와 일체형으로 형성된다. 격리 본체(31)에 결합 부재(36)를 고정형으로 장착하여(예컨대, 용접이나 일체형으로 형성하여) 격리 본체(31)에 대한 결합 부재(36)의 어떠한 움직임도 없도록 하는데, 이러한 움직임은 (고정 나사형 장착 시스템 같은) 종래의 장착 시스템에서 나타났다. 양호한 실시예에서, 결합 부재(36)는 격리 본체(31) 및 진동 요소(12) 사이의 진동을 실질적으로 차단하는 기능을 한다. 양호하게는 이러한 차단이 진동 요소(12)의 외측면(16)의 움직임에 따라 수축 및 신장하는 결합 부재(36) 때문에 발생된다.
고정형으로 장착된 결합 부재(36)의 또 다른 이점은 격리 부재(30)가 진동 요소(12)와 억지 끼워 맞춤될 수 있다는 것이다. 본 발명의 장착 시스템(10)이 격리 부재(30)의 강성 레벨 때문에 높은 방사력을 견딜 수 있으므로, 결합 부재(36)를 진동 요소(12)에 억지 끼워 맞춤하여 발생된 힘은 본 발명의 장착 시스템(10)의 성능에 영향을 주지 않으면서 견뎌질 수 있다. 예를 들어, 결합 부재(36)는 억지 끼워 맞춤 될 수 있어서 결합 부재(36)에 의해 한정된 내경이 진동 요소(12)의 장착부(20) 외경보다 약 0.004 in(0.1 mm) 내지 약 0.008 in(0.2 mm) 작게 된다. 진 동 요소(12)의 외면(16)에 결합 부재(36)를 억지 끼워 맞춤할 수 있기 때문에 두 부재 간에 결합이 견고하게 되며, 결합 부재들 간에 마모를 일으켰던 종래의 장착 시스템에 발생된 오정렬되는 문제점이 없어진다.
본 발명의 장착 시스템(10)은 양호하게 회전형 진동 요소와 함께 사용되며, (전술된)격리 표면(32)에 장착된 베어링을 이용한다. 일단 결합 부재(36)가 진동 요소(12)에 억지 끼워 맞춤되면, 격리 표면(32)은 진동 요소(12)와 동심으로 형성될 수 있다. 이러한 형태는 격리 부재(32)를 가공하여 이루어질 수 있다. 그러므로 격리 표면(32)을 진동 요소(12)와 동심이 되게 하기 위해 본 발명의 장착 시스템(10)은 (종래의 장착 시스템에 사용된 고정 나사 같이) 방사상으로 정렬될 필요가 없다. 이와 유사하게, 결합 부재(36)는 동심을 개선하기 위해 억지 끼워 맞춤되기 전에 도4에 도시된 바와 같이 결합 표면(42)을 따라 (역시 양호하게는 가공으로 인해)형성된다.
격리 부재(30)의 결합부(34)가 개별의 결합 부재(36)(즉 6개의 탭)로 설명 및 도시되었지만, 본 발명의 범위 내에서 다른 구조가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 장착 시스템의 내측 표면(38) 주변 주연방향으로 연장된 결합 밴드(44)(점선으로 도시됨)도 결합부(34)로 이용될 수 있다. 또한 결합부(34)는 진동 요소(12)와 억지 끼워 맞춤되는 것으로 설명되었지만, 이와 달리 장착 시스템(10)은 진동 요소(12) 자체를[예컨대, 단편의 금속으로부터 진동 요소(12)와 격리 부재(10)를 가공하여] 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 격리 표면(32)의 일부는 각각의 결합 부재(36)와 방사상으로 대향한 위치에서 격리 부재(30)로부터 방사상 외측으로 연장되어, 장착 탭(50)을 형성한다. 장착 탭(50)은 베어링(도시 안됨)을 장착하기 위한 최적 위치를 표시하는데 사용될 수 있다. 이러한 최적 위치들은 격리 표면(32)의 진폭이 최저로 감소하는(실제적인 이유로 진폭은 원래 O) 지점들이다. 격리 표면(32)의 중간 위치(52)는 장착 탭(50) 사이에서 연장된다. 이러한 방식으로 장착 시스템(10)을 형성하여 격리 부재(30)가 장착 탭(50) 사이에서 약간 방사상으로 움직일 수 있도록 하지만, 이러한 움직임은 격리 표면(32)의 베어링에는 전달되지 않는다.
도5에 도시된 바와 같이, 결합 부재(36)는 격리 부재(30)의 내측 표면(38) 주변으로 등거리 이격된다. 각각의 장착 탭(50)은 하나의 개별 격리 부재(36)로서 동일한 방사상 치수를 따라 외측으로 연장된다.
장착 시스템(10)은 도4에 도시된 바와 같이 단일의 고강도 재료(예컨대, 강철)로 형성될 수 있다. 이와 달리, 2이상의 재료를 이용하는 복합 장착 장치가 사용될 수 있다. 한가지 양호한 실시예에서(도5 및 도6참조), 격리 부재(30)는 밀도가 0.28 lb/in3(7750.37 kg/m3)인 강철로 형성된 외측 링(54) 및 밀도가 0.31 lb/in3(8580.77 kg/m3)인 황동으로 형성된 내측 링(56)을 포함한다. 결합 부재(36)는 황동 내측 링(56)과 일체형으로 형성되고 장착 탭(50)은 강철 외측 링(54)와 일체형으로 형성된다. 황동 및 강철이 일 실시예에서 사용되지만 최종 적용 분야에 따라 외측 링(54) 및 내측 링(56)을 형성하는데 다른 재료로 사용될 수 있음을 알아야 한다.
도5, 도6, 도9, 도10 및 도11에 도시된 바와 같이 내측 링(56)은 내측 링(56)의 나머지 부분에 대한 제2 외경(62)보다 더 넓은 제1 외경(60)을 가지는 립(lip)(58)으로 형성된다. 도5, 도6, 도7 및 도8에 도시된 바와 같이 외측 링(54)의 내경(66)은 내측 링(56)의 제2 외경(62)보다 약간 작다. 그러므로 내측 링(56) 및 외측 링(54) 사이에서 억지 끼워 맞춤되며 립(58)은 내측 링(56)이 외측 링(54) 내에서 축방향으로 병진 운동하지 못하게 한다. 도7 및 도8은 외측 링(54)의 일 실시예를 도시한다. 도7 및 도8에 도시된 실시예는 전술된 바와 같이 장착 탭을 이용하지 않음을 알 수 있다.
장착 시스템(10)을 형성하기 위해 여러 가지 재료를 이용하는 것은 장착 시스템(10)의 공진 주파수를 변형시키는 이점을 가진다. 이는 장착 시스템(10)이 진동 요소(12)의 공진 주파수와 다른 공진 주파수를 갖도록 장착 시스템(10)을 설계하는데 유용할 수 있다. 또한 복합 재료 장착 시스템(10)의 모양을 변형시킬 수 있는 능력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 장착 시스템의 치수는 진동 요소(12)의 크기와 진동 요소의 주파수에 따라 변할 수 있다. 아래에 설명된 예시적인 실시예에서, 현재 판매되고 있는 유한 요소 분석 프로그램이 사용되어 본 발명의 두 가지 장착 시스템(10)의 치수가 생성되었다. 특정 호른 주파수, 격리 부재 강성의 소정 레벨, 장착 시스템을 통한 최소 에너지 손실을 포함한 설계 기준을 기초로 하여 최종 설계가 이루어졌다. 유한 요소 분석 프로그램은 메사추세츠주, 니드햄에 위치한 파라메트릭 테크놀로지사에서 판매하는 프로-메카니컬 스트럭쳐(Pro-Mechanical Structure)가 사용 되었다. 각각 본 발명의 시스템(10)을 통한 열 손실은 코넥티컷주 단버리 소재의 브란슨 인스트루먼트사에서 제조한 "Branson 935 MA Power Supply" 및 "Branson 전력계"를 사용하여 측정되었다.
제1 설계
하기 표에 참조된 제1 설계치는 모두 강철의 비공진 마디식 마운트(nodal mount)(즉, 격리 부재는 중실형 강철로 형성되었음)를 이용하여 구성되었다. 하기 표에 참조된 제2 설계치는 복합 황동 및 강철 비공진 마운트[즉, 격리 부재는 강철 외측 링(54) 및 황동 내측 링(56)으로 형성됨]를 이용하여 구성되었다.
각 설계에서 유한 요소 모델로 사용된 재료의 특정 파라미터가 표에 참조되었으며, 재료의 밀도, 영스 모듈, 포와송 비, 비공진 마운트의 초기 치수가 포함된다.
그리고 Pro/Mechanica에서 모달 해석(modal analysis)이 실행되었다. 유한 요소 분석 프로그램은 마디식 마운트의 공진 주파수를 계산하였다. 장착 시스템(10)의 공진 주파수가 진동 요소(12)의 구동 주파수(이 경우 약 20 Hz)와 거의 동일하게 발생되었는지를 판단하기 위해 결과를 검사하였다. 만약 공진 주파수가 구동 주파수에 너무 근접하면 장착 시스템(10)의 치수는 이러한 주파수들은 진동 요소(12)의 구동 주파수보다 많이 차이 나도록 조절되었다. 분석은 재실행되었으며, 공진 모드는 다시 체크되었다. 이는 공진 모드가 구동 주파수으로부터 충분히 (적어도 500 Hz) 멀어질 때까지 반복되었다. 최종 장착 시스템 설계가 이루어졌고, 장착 시스템으로 인한 에너지 소비의 증가는 브란슨 전력계를 이용하여 측정되었 다.
각 장착 시스템에 대한 설계 기준, 모델 입력 및 설계된 치수가 다음 표에 도시되었다.
제1 설계 : 중실형 강철 비공진 마디식 마운트
설계 기준 모델 입력 설계된 치수
호른 주파수 = 20 KHz 강철 밀도 = 7500 kg/m3 격리 부재의 외경 0.139 m
마디식 마운트가 설치된 주파수 = 20 KHz 강철 탄성계수 = 203,000 MPa 격리 부재의 내경 0.086 m
격리 부재의 방사상 강성 = 4.7 x 108N/M 강철 포와송비 : 0.295 격리 부재의 축방향 두께 0.038 m
마디식 마운트가 설치된 전력 소비에서 측정된 증가분의 최대치 = 100 Watts(약 25% 증가) 결합 부재의 방사상 높이 5.08 x 10-3m(부재 6개)
결합 부재 면적(5.65 x 10-5 m2)
제2 설계 : 복합 황동 및 강철 비공진 마디식 마운트
설계 기준 모델 입력 설계 치수
호른 주파수 = 20 KHz 강철 밀도 = 8300 kg/m3 강철 링 외경 0.139 m
마디식 마운트가 장착된 주파수 = 20 KHz 강철 탄성계수 = 103,000 MPa 강철 링 내경 0.114 m
격리 부재의 방사상 강성 = 4.7 x 108 N/M 강철 포와송비 : 0.35 황동 링 외경 0.114 m
마디식 마운트가 설치된 전력 소비에서 측정된 증가분의 최대치 = 80 Watts(약 20% 증가) 강철 밀도 = 7500 kg/m3 황동 링 내경 0.086
강철 탄성계수 = 203,000 MPa 격리 부재의 축방향 두께 0.038 m
강철 포와송비 : 0.295 결합 부재의 방사상 높이 5.08 x 10-3 m(부재 6개)
결합 부재 면적 5.65 x 10-5 m2
본 발명은 양호한 실시예들을 참고하여 설명하였지만, 본 발명의 기술 사상 및 범주 내에서 그 형태와 상세 내역에 대한 변형이 있을 수 있다는 것을 당업자라 면 알 수 있을 것이다. 상기 설명 부분에서 인용된 참고 문헌들 및 공보들은 참고 문헌으로서 그 전체 내용이 본 명세서에 합체되어 있다.

Claims (31)

  1. 종축과, 외측 표면과, 외측 표면 상에 축방향 변위 진동 마디를 갖는 진동 요소를 위한 장착 시스템이며,
    격리 표면, 격리 본체 및 결합부를 갖는 격리 부재를 포함하고,
    결합부는 진동 요소의 외측 표면과 결합하도록 격리 본체에 고정식으로 고정되어 격리 표면과 방사상으로 대향된 지점에서 격리 본체로부터 방사상 내측으로 연장되고,
    진동 요소의 방사상 변위는 결합부를 통해 격리 표면으로부터 실질적으로 차단되고,
    격리 부재는 진동 요소를 중심으로 동심으로 연장되고,
    결합부를 형성하고, 격리 본체로부터 연장되고, 진동 요소를 중심으로 주연방향으로 등거리로 배치되고, 축방향 마디에서 진동 요소의 외측 표면과 각각 억지 끼워 맞춤되는 복수의 결합 부재를 더 포함하는, 진동 요소를 위한 장착 시스템.
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  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 결합 부재는 총 6개이고, 격리 표면의 일 부분은 각각의 결합 부재와 방사상으로 대향된 위치에서 격리 본체로부터 방사상 외측으로 연장되고, 격리 부재는 4.7 x 108 N/m의 방사상 강성을 갖는, 진동 요소를 위한 장착 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 격리 부재는 제1 재료로 형성된 제1 링과, 제2 재료로 형성된 제2 링을 더 포함하며, 제1 링은 결합부와 일체로 형성되는, 진동 요소를 위한 장착 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 진동 요소는 초음파 호른인, 진동 요소를 위한 장착 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 결합부는 비공진 수축 및 신장에 의해 격리 표면으로부터 진동 요소의 진동을 실질적으로 차단하도록 구성되는, 진동 요소를 위한 장착 시스템.
  7. 종축 및 외측 표면을 갖는 진동 요소를 위한 장착 시스템이며,
    격리 표면을 갖는 격리 부재와,
    격리 표면과 방사상 대향된 위치에서 격리 부재로부터 방사상으로 연장되는 결합 부재를 포함하며,
    결합 부재는 진동 요소의 종방향 축에 대해서 수직이 되도록 배치되고,
    격리 부재 및 결합 부재는 진동 요소와 비공진하며,
    결합 부재와 격리 부재는 4.7 x 108 N/m 이상의 강성을 가지면서 격리 표면으로부터 진동 요소 부재의 진동을 실질적으로 차단하고,
    격리 부재는 진동 요소를 중심으로 동심으로 연장되는, 진동 요소를 위한 장착 시스템.
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