KR101295948B1 - 초음파 용착기의 공구혼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 용착기의 공구혼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공구혼의 형태를 다단으로 형성하여 증폭도를 높이는 동시에 응력집중에 의한 피로파괴를 피하도록 설계된 공구혼에 관한 것이다. 본 발명에 의한 초음파 용착기의 공구혼은 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 에너지를 전달하는 공구혼으로서, 상기 공구혼은 다단으로 이루어지도록 직경이 일정 길이마다 작아지도록 형성되되, 그 다단 부분이 라운드지게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 용착기의 공구혼 {Tool horn for ultrasonic welder}

본 발명은 초음파 용착기의 공구혼에 관한 것으로, 더욱 상세히는 공구혼의 형태를 다단으로 형성하여 증폭도를 높이는 동시에 응력집중에 의한 피로파괴를 피하도록 설계된 공구혼에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는 사람의 귀에는 들리지 않는 15~60khz 사이의 음파를 말하는데, 현재 이러한 초음파는 크게 신호적인 방법과 동력적인 방법으로 이용하고 있는 실정이다. 초음파가 신호적으로 이용되는 예는 쏘나, 깊이측정, 그리고 검사 등과 같은 것으로서, 초음파 신호를 발진하여 반사되어 돌아오는 것을 받아들여 측정하거나 영상으로 변환하는 방법으로 이용되고 있다. 또 다른 이용 례는 동력적으로 이용되는 예로서, 초음파 진동에너지를 이용하여 그 열을 이용하는 것이다. 이것이 본 발명에서 적용하고 있는 초음파 용착기이다. 즉 초음파 용착기는 충돌 마찰력을 이용하여 열가소성의 플라스틱 같은 물질을 녹여 접합하는 것이다.

초음파 용착기는 사람의 귀에는 들리지 않는 15~60khz 사이의 음파 에너지를 이용하여 플라스틱이나 구리 알루미늄 같은 연질금속을 녹여 접착하는 장비를 말한다. 초음파 용착기는 용착방법에 있어서 전달용착과 직접용착으로 구분할 수 있는데, 전달용착은 대상물질의 용착부분에 직접 초음파를 제공하는 것이 아니라 다른 부분에 초음파를 공급하여 그 진동에너지가 용착하고자 하는 물질과 접촉하고 있는 부분까지 전달되어 용착이 이루어지는 것을 말한다. 이에 대하여 직접용착은 치약 뒷면 같은 부분처럼 본 발명이 해당되는 RF 카드의 코일 매입(insert) 시 직접 물질에 접촉하여 용착하는 것을 말한다.

초음파 용착기는 통상 전기 에너지를 발생시키는 발진기와 발진기의 전기 에너지를 전달받아 진동으로 변환하는 진동자와, 진동자에서 발생된 진동을 증감시키는 부스터(Booster)와, 부스터와 연결되어 제품과 직접 접촉하여 진동을 전달하게 되는 공구혼(tool horn)으로 구성된다. 부스터는 메인혼(main horn)이라고도 하고, 통상 공구혼은 알루미늄, 티타늄, 스틸 등과 이들의 합금 재질로 이루어진다.

초음파 용착기는 통상 전원이 공급되면 15000~60000hz의 에너지로 변화되고, 이것이 다시 진동자에 의해 기계적 진동에너지로 변화된 다음 부스터로 그 진폭이 조절되어 공구혼에 전달되는 동작을 하게 된다. 공구혼에 전달된 진동 에너지가 용착물에 전달되면 용착물의 접합면에서 순간적인 마찰열이 발생하여 열가소성 플라스틱, 필름, 금속 튜브 등을 신속하게 용착하게 된다. 물론 다른 물질이 들어가지 않기 때문에 그 접착면은 순수하고 청결한 장점이 있다.

본 발명에 의한 초음파 용착기는 RF 카드를 제조하는데 사용된다. 도 1을 참고하면, RF 카드(10)는 카드 중간에 칩(30)이 매입되고 그 칩(30)에 연결되어 코일(20)이 여러 번 그 주위를 감싸도록 환형으로 매입된다. 이렇게 코일(20)을 플라스틱 재질의 카드(10)에 매입할 때 초음파 용착기를 사용하고 있다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이 코일(20)을 카드(10)에 대고 초음파 용착기로 가압하면 코일(20)이 카드(10)에 매입된다. 코일(20)이 매입되면 그 상부에 카드(10)를 붙여 RF 카드(10)를 완성하게 된다.

이러한 코일(20)의 매입과정에 사용되는 종래 초음파 용착기의 공구혼(40)이 도 3에 도시되어 있다. 도 4의 오른쪽 그림은 종래 공구혼(40)을 종방향으로 반으로 자른 단면을 보여준다. 도시된 바와 같이 종래 공구혼(40)은 원뿔형으로 끝단으로 갈수록 지름이 일정하게 작아지는 모습을 하고 있다. 즉 단면을 잘라 보면 빗면이 일정한 기울기로 작아지는 직선 모양을 취하고 있다. 이러한 모양의 공구혼(40)은 그 증폭도가 아래의 수식1에 의해 정해진다. 이렇게 일정한 기울기를 갖도록 직경이 줄어드는 모양의 경우 외에도 지수 함수를 따라 줄어들도록 기울기를 설계한 것도 있는데 이 또한 아래의 수식1에 따른 증폭도 계산을 따른다.

즉 상하단의 비율에 따라 증폭도가 결정된다.

공구혼은 이러한 모양들 말고, 계단식으로 단을 형성한 경우도 있다. 즉 단을 이루면서 직경이 작아진 형태를 말한다. 이러한 경우도 사용되고 있다. 이렇게 단을 이루는 것은 아래의 수식 2에 의한 값이 되는 바, 상술한 수식 1에 의한 값에 제곱이 증폭도가 된다.

그러나, 종래의 원뿔형 공구혼(40)의 경우에는 증폭도가 작아 실제로 사용 시 일정속도 이상을 낼 수 없어 작업 시간 단축이 한정되고, 단을 가진 경우의 공구혼은 증폭도가 대폭 증가하게 되나 작업 시 발생되는 진동에 의해 그 단을 이루는 부분에 응력이 집중되어 오랜 시간 사용할 수 없고, 이른 시간에 공구혼을 교체해야 하기 때문에 작업속도와 비용에도 문제가 생긴다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 공구혼의 형태를 다단으로 구성하고, 그 단이 진 부분은 라운드지게 구성하여 증폭도는 조금 낮추게 되나 응력집중에 의한 피로파괴를 방지하여 공구혼의 수명을 연장하여 작업 비용을 절감하면서 작업 속도를 높일 수 있는 초음파 용착기의 공구혼을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 에너지를 전달하는 공구혼으로서, 상기 공구혼은 다단으로 이루어지도록 직경이 일정 길이마다 작아지도록 형성되되, 그 다단 부분이 라운드지게 형성된다.

바람직하게, 상기 공구혼의 라운드지게 형성된 부분은 큰 직경을 D1, 작은 직경을 D2라 할 때 아래의 수식에 의해 라운드 R 값이 정해진다.

바람직하게, 상기 공구혼은 3단으로 형성하고, 상기 공구혼은 2단의 측면으로부터 시작하여 3단 끝단까지 관통되도록 코일이 지나가는 구멍이 형성된다.

바람직하게, 상기 공구혼을 3단으로 구성하여 몸체가 3개일 때, 직경이 큰 몸체일수록 그에 비례하여 길이도 크게 형성되도록 구성한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 공구혼이 3단의 스텝형으로 구성되어 증폭도를 아래의 수식 5와 같이 대폭 향상시킨다.

(2) 공구혼의 단이 형성된 스텝부분을 라운드지게 형성함으로써 응력집중에 의한 피로파괴를 줄여 수명을 연장하는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 초음파 용착기의 공구혼이 사용되는 RF 카드의 생산 중의 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 초음파 용착기의 공구혼에 의해 코일이 RF 카드에 인서트 되는 동작을 보여주는 카드 단면도이다.
도 3은 종래기술에 의한 초음파 용착기 공구혼의 사시도와 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 초음파 용착기 공구혼의 사시도와 종단면도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공구혼은 도 4를 참고하면, 본 발명에 의한 초음파 용착기는 진동에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 에너지를 전달한다. 본 발명에 의한 공구혼(50)은 스텝형으로 구성되어 있다. 즉 다단으로 이루어지도록 직경(D1,D2,D3)이 일정 길이마다 작아지도록 형성되고, 그 다단 부분인 스텝 부분(R1,R2)이 라운드지게 형성된다.

이렇게 스텝형으로, 다단으로 형성된 공구혼(50)의 증폭도는 상술한 수식 2에 의해 결정된다. 즉 원뿔형의 증폭도의 제곱으로 증폭도가 대폭 증대된다. 그러나 종래기술의 문제점으로 상술한 바와 같이 그 스텝 부분에 응력집중에 의한 피로파괴가 진행되기 때문에 문제점이 많아 본 발명에서는 공구혼(50)의 단이 형성된 부분인 스텝부분(R1,R2)을 라운드지게 형성한다.

이러한 공구혼(50)의 라운드지게 형성된 부분(R1,R2)은 큰 직경을 D1, 작은 직경을 D2라 할 때 상술한 수식 3에 의해 라운드 R 값이 정해진다.

본 발명에서는 공구혼은 3단으로 형성한다. 즉 수식 3에 따라 R1은 (D1-D2)/2로 되고, R2는 (D2-D3)/2로 된다.

이렇게 공구혼(50)을 수식 3에 따라 라운드지게 형성하면 그 증폭도는 수식 2에 의하지 않고, 아래의 수식 4에 의해 결정된다. 이 경우는 2단으로 형성한 경우이다.

본 발명에서는 3단으로 공구혼(50)을 구성하였기 때문에 최종적인 증폭도는 아래의 수식 5에 의해 결정된다.

종래의 공구혼에 비하여 증폭도가 대폭 향상된 것을 알 수 있다. 이렇게 증폭도를 향상시키고도 단이 형성되는 스텝부분(R1,R2)에서 발생되는 응력집중에 의한 피로파괴를 방지할 수 있는 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 공구혼(50)의 후방에는 부스터가 끼워지는 조립나사구멍이 형성되어 있고, 공구혼(50)은 3단으로 구성되어 있다. 제1몸체(51)는 직경이 D1이고 조립나사구멍이 형성되어 있으며, 제2몸체(52)는 직경 D2를 갖고, 제3몸체(53)는 직경 D3를 갖는다. 각 몸체(51,52,53)의 길이는 몸체(51,52,53)가 갖는 직경에 비례하여 형성한다. 즉 직경의 크기에 따라 제1몸체(51)가 제일 길고 제3몸체(53)가 제일 짧다.

특히 제2몸체(52)의 측면에는 구멍(50a)이 형성되기 시작하여 이 구멍(50a)은 공구혼(50)의 중심부까지 연장된 다음, 다시 제3몸체(53)의 끝단 즉 용착물과 접촉하게 되는 부분 끝까지 관통하도록 형성되어 있다. 이 구멍(50a)에는 도 1과 2에 도시된 코일(20)이 통과하게 된 구성이다. 즉 보빈 등에 감겨진 코일(20)이 자동으로 풀리면서 공급되어 상기 관통구멍(50a)을 통과하여 카드(10)에 인서트 되고, 이러한 과정을 반복하여 진행함으로써 RF 카드의 코일 인서트 작업이 완료되는 것이다.

통상 자동로봇에 초음파 용착기가 고정되고 그 로봇이 정해진 수순에 따라 초음파 용착기를 이송시키면서 코일(20)을 카드(10)에 인서트하게 된다. 따라서 얼마나 신속하게 카드에 코일을 인서트 하느냐가 작업량을 결정하게 된다. 본 발명에서는 상술한 바와 같이 수식 4에 의해 공구혼(50)의 증폭도가 대폭 증가하였기 때문에 작업을 더욱 빠르게 진행할 수 있고, 또한 단이 형성되는 스텝부분(R1,R2)을 라운드지게 처리하였기 때문에 응력집중에 의해 파괴를 피할 수 있어 공구혼(50)의 기본적인 수명을 보장할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

50 : 공구혼 51 : 제1몸체
52 : 제2몸체 53 : 제3몸체
D1,D2,D3 : 직경 R1, R2 : 스텝부분

Claims (5)

1. 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 에너지를 전달하는 공구혼에 있어서,
   상기 공구혼은 다단으로 이루어지고 단부로 갈수록 직경이 일정 길이마다 작아지도록 형성되고, 그 다단 부분이 라운드지게 형성되고,
   상기 공구혼의 2단의 측면으로부터 시작하여 끝단까지 관통되도록 코일이 지나가는 구멍이 형성되며,
   상기 공구혼의 라운드지게 형성된 부분은 큰 직경을 D1, 작은 직경을 D2라 할 때 아래의 수식에 의해 라운드 R 값과 증폭도 M 값이 정해지는 것을 특징으로 하는 초음파 용착기의 공구혼.
   

   

   
   

   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 공구혼은 3단으로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 용착기의 공구혼,
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 공구혼을 3단으로 구성하여 몸체가 3개일 때, 직경이 큰 몸체일수록 그에 비례하여 길이도 크게 형성되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 용착기의 공구혼.
   

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