KR101430201B1 - 초음파 용접 장치 및 호일 백 취급 장치 - Google Patents
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Abstract
힘을 인가하여 호일층들을 함께 용접하는 소노트로드(8)와 앤빌(7)을 포함하는 초음파 용접 장치(1)가 설명된다. 호일층들은 그에 의해 소노트로드(8)의 유효면(11)과 앤빌(7)의 유효면(12) 사이에 제공되는 리시빙 갭(6)에 위치한다. 웰딩씸의 질을 향상시키는 초음파 용접 장치를 구체화하기 위하여, 인가된 힘의 중력 방향의 반대 방향으로 작용하는 분력이 생성된다.
Description
본 발명은 초음파 용접 장치(ultrasonic welding device)에 관한 것이다.
초음파 용접 장치는 열가소성 물질 또는 알루미늄과 같은 금속으로 만들어진 제한된 두께의 호일층(foil layer)들 또는 다른 재료들을 결합시키기 위해 바람직하게 사용된다. 초음파 용접 장치의 특별히 바람직한 사용 분야는 특히 음료 백(beverage bag)으로 잘 알려진 식품용 백의 제조이다. 초음파 용접 장치는 통상적으로 초음파 진동을 생성하기 위한 소노트로드(sonotrode)를 포함한다. 소노트로드는 앤빌(anvil)과의 사이에 위치하는 호일층들로 특정 압력을 가한다. 여기서, 소노트로드와 앤빌은 모두 용접이 진행되는 동안 중력 방향에 대하여 90°의 각도로 호일층에 작용한다. 앤빌은, 예를 들어 스프링에 의해서, 소노트로드의 방향으로 진동하도록 실장된다. 초음파 진동은 호일층들 사이의 결합면 위에 마찰열을 생성한다. 마찰열은 재료들을 점착성이 있게(viscously) 만들고, 그에 의해 냉각 후 호일들을 결합시킨다. 그러나, 호일층들은 수용 수단(holding means)에 의해 수용되고, 컨베이어 벨트 등에 의해 지지됨에도 불구하고, 진동과 중력의 충격 때문에 여전히 움직일 수 있는 상태에 있게 되며, 그것은 용접 라인(welding line)의 부정확한 작동을 야기시키게 된다. 이것은 특별히 호일 백의 제조시에 내용물로 채워진 백(filled bag)이 봉인되어야 한다면 부정적인 효과를 가진다. 그들의 성질에 따라 내용물로 채워진 백은 직립의 상태로 운반되어야 한다. 그에 의해서 내용물로 채워진 백의 하중의 적어도 일 부분은 웰딩씸(welding seam)의 영역의 재료에 의해 운반되어야 한다. 초음파 진동은 재료를 점착성 있게 만들므로 백이 최상으로 지지되더라도 웰딩씸의 이동(displacement)을 신뢰성 있게 막는다는 것이 항상 가능한 것은 아니다.
그러므로, 본 발명은 정확한 웰딩씸을 제공하는 초음파 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 힘을 인가하여 2 이상의 호일층들을 함께 용접하는 소노트로드와 앤빌을 포함하며, 상기 호일층들은 상기 소노트로드의 유효면과 상기 앤빌의 유효면 사이에 제공되는 리시빙 갭에 위치하며, 상기 힘은 용접이 진행되는 동안 중력 방향과 반대 방향으로 작용하는 분력을 포함하는 초음파 용접 장치에 의해, 성 취될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 용접은 용접되는 재료로 용접력(welding force)의 분력(force component)을 인가한다. 이러한 분력은 중력 방향과 반대로 작용하며, 적어도 웰딩씸이 미리 정해진 영역(predetermined location)에 정확하게 연장될 수 있도록 하는 범위에서 중력의 영향을 제거하기에 충분하다. 놀랍게도, 본 발명의 상기 실시예는 소노트로드 초음파 진동과 관련하여 기계 시스템(로딩 장치를 갖는 앤빌)의 진동 거동(vibration behavior)에서 더 큰 관성에 의해 야기되는 용접 갭(welding gap)에서 호일층들의 단기간의 개봉(short-term release)의 영향을 보상할 수 있다. 그리하여, 웰딩씸은 중력의 영향에 의해 더 이상 윗 방향으로 분기하지 않는다.
발명의 유리한 실시예들은 종속항들에서 정의된다.
중력에 수직하게 연장되는 방향으로부터의 상대적으로 작은 용접력의 각도 편차는 발명이 목적하는 효과를 달성하기에 충분하다.
구조적인 양상에 있어서, 각도의 편차는 각각 소노트로드 및/또는 앤빌 또는 그것의 로딩 장치(loading device)를 기울임에 의해 특별히 용이하게 얻어질 수 있다.
그러나, 리시빙 갭(receiving gap)에 위치하는 호일층의 만곡을 피하기 위하여 소노트로드 및/또는 앤빌의 유효면은 중력 방향과 평행하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 역시 하나 이상의 웰딩씸이 동시에 제공되는 경우에도 적용될 수 있다. 그것은 서로의 아래에 실장되는 적어도 두 개의 씰링 립(sealing lip) 그리고 그들 사이의 간격에 의해 완수된다.
특별히 유리하게는, 본 발명의 초음파 용접 장치는, 내용물로 채워진 호일 백이 직립으로 컨베이어 시스템에서 전달되는 호일 백 취급 장치(handling device)에서 채용될 수 있다.
내용물로 채워진 호일 백은 적절하게 구체화된 컨베이어 시스템에 의해 중력의 영향에 대항하여 지지된다. 이와 같은 컨베이어 시스템은, 예를 들어, 호일 백을 측 방향으로 클램핑(clamping)하는 것을 위한 클램핑 장치에 의해 성취될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면에 의해 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 용접 장치(1)의 개략도이다. 이 초음파 용접 장치(1)는 호일 백(2)의 휠링 홀(filling hole)(2a)의 양측에 있는 호일층들을 용접하기 위해 사용된다. 호일 백(2)은, 예를 들어 열가소성 호일 또는 금속 호일 등의 동일한 또는 다른 물질로 만들어진 하나 이상의 층을 포함하는 호일 재료로 만들어진 벽들을 포함한다. 측면 씸(seam)(2c) 및 바닥(2d)은 이미 봉합되어 있다. 호일 백(2)은 바람직하게는 일반적인 음료 백의 하나이다.
호일 백(2)은 직립으로 컨베이어 시스템(3)에 의해 초음파 용접 장치(1)로 전달된다. 즉, 필링 홀(2a)은 위로 향하며, 호일 백(2)은 채워져 있다(즉, 호일 백의 측벽은 불룩한 상태로 되어 있다). 컨베이어 시스템(3)은 임의의 방식에서 디자인될 수 있으며, 운반되는 물품에 따라 개조될 수 있다. 설명된 것과 같은 실시예에서, 컨베이어 시스템(3)은 바람직하게는 적어도 하나의 그리퍼(gripper)(4)를 가진다. 그리퍼(4)는 호일 백(2)의 일측면 또는 양측면의 측면 씸(2c)을 고정(engage)한다. 그에 의하여 그리퍼(4)는 초음파 용접 장치를 통해 호일 백이 통과하는 동안 호일 백을 이동시키고 지지한다. 컨베이어 시스템(3)은 역시, 예를 들어 컨베이어 벨트 등과 같은 형태의 지지면(5)을 포함할 수 있다. 그래서, 내용물이 채워진 호일 백(2)의 중량은 컨베이어 시스템(3)에 의하여 운반된다.
컨베이어 시스템(3)은, 용접되는 영역(설명된 실시예에서 필링 홀(2a) 아래 에 있는 영역에서 반대되는 벽 부분 위에 있는 호일층들)이 도 1의 투영면(plane of projection)에 수직한 방향으로, 초음파 용접 장치(1)의 앤빌(7)과 소노트로드(8)(초음파 해머) 사이의 리시빙 갭(6)으로 공급되는 방식으로, 초음파 용접 장치(1)로 호일 백(2)을 운반한다. 초음파 용접 장치의 작동 모드는 공지된 것이므로 상세한 설명은 생략한다. 요약하자면, 소노트로드(8)의 초음파 진동은 앤빌(7)에 대한 소노트로드(8)의 접촉 압력(contact pressure)의 영향 아래에서 용접되는 재료에 용접을 위해 요구되는 초음파 에너지를 공급한다. 접촉 압력은 프리 로딩 수단(preloading means)(9)에 의해 측정되고 완충된다. 프리로딩 수단은 바람직하게는 진동 방식으로 스프링이 장착되고, 소노트로드(8)의 방향에서 앤빌(7)을 프리로드한다. 앤빌(7)의 호일 백(2)과 접하는 베이스 면(10a)에는 웰딩씸들의 위치와 수를 결정하는 씰링 립(10)이 구비된다. 설명된 실시예에서, 적어도 두 개의(또는 적어도 두 그룹의) 웰딩 립들이 서로의 아래에 제공되며, 그들의 사이에는 간격이 제공된다.
도 2 내지 도 4에서 보여지는 바와 같이, 초음파 용접 장치(1)는 중력(G) 방향의 반대 방향으로 작용하는 용접력의 분력 을 얻도록 디자인된다. 여기서, 용접력은 주로 리시빙 갭(6)에서의 접촉력(contact force)으로부터 유래한다. 분력 는 하단으로부터 상단으로 비스듬하게 용접되도록 호일층을 지지한다. 그리하여, 중력과 호일층으로 인가된 장력 뿐만 아니라 소노트로드와 앤빌의 차이나는 관성의 충격은 상쇄되며, 이를 통해 용접 라인(welding line)을 일 직선으로 연장하며 "자 리에서 벗어나는 것(slipped out of place)"을 방지한다. 이를 위하여, 수평으로 연장되게 인가되는, 즉 중력(G)의 방향에 수직한 방향으로 인가되는 힘의 방향을 상대적으로 약간 위로 기울어지게 하는 각의 편차만으로도 충분하다. 특별히 좋은 결과는 대략 2°의 각도 편차에서, 즉 중력 방향을 기준으로 한 각도(α)가 대략 88°일 때 얻어질 수 있다. 그러나, 각도 α는, 예를 들어, 역시 70°이상, 80°내지 89.5°, 85° 내지 89°그리고 87° 내지 89°일 수 있다.
중력의 작용 방향과 반대 방향의 분력은, 인가된 힘이 센터 라인과 평행하게 작용하는 경우에는, 바람직하게는 이 센터 라인을 중력의 방향과 α의 각도로 기울어지게 조정함에 의해 얻어질 수 있다. 가장 쉬운 방식으로, 이것은 예를 들어 소노트로드(8)를 기울임에 의해서, 즉 각도 α에서 인가된 힘의 센터 라인과 평행하게 소노트로드의 센터 라인(8a)을 위치시킴에 의해 수행될 수 있다. 이와 같은 방식에서 분력 는 앤빌(7)에 대한 접촉 압력 및 초음파 진동에 의해 야기되는 음압에 의해 생성된다. 그러나, 역시 추가적으로 또는 대신하여 중력에 대한 저항력은 α의 각도로 형성되는 앤빌에 의해 영향 받을 수 있다. 이 때, 바람직하게는 앤빌(7) 및/또는 프리로딩 수단(9)이 기울어질 수 있다.
설명된 실시예에서, 소노트로드(8)의 유효면(11)과 앤빌(7)의 유효면(12)은 중력 방향과 평행하게 연장되며, 결과적으로 서로 서로 평행하게 된다. 그래서, 리시빙 갭(6)은 실질적으로 중력 방향에서 일정한 폭으로 연장된다. 유효면(1, 2)으 로 정의되는 평면에서는 실질적으로 용접을 생성하는 점들이 소노트로드(8)와 앤빌(7)에 위치한다. 이것은 소노트로드(8)의 헤드(8b)가 유효면(11)에 위치하는 헤드(8b)의 전면이 소노트로드(8)의 센터 라인(8a)과 α의 각도를 갖는 방식으로 구체화된다는 것을 의미한다. 그러나, 역시 중력 방향으로부터 기울어지게 연장되는 소노트로드 및/또는 앤빌의 유효면을 사용하는 것도 가능하다. 이는 이와 같은 유효면을 사용함에 의해 야기되는 웰딩 씸 위의 영역의 약간의 만곡(bent)이 웰딩씸 아래의 영역을 손상하지 않는 경우에 가능하다.
호일 백(2)에 호일층들을 용접하기 위하여, 호일층들은 컨베이어 시스템(3)에 의하여 리시빙 갭(6)으로 도입되고, 기울어지게 위를 향하는 방향의 용접력을 인가함에 의해 결합된다. 이상적인 경우에, 각도 α는 호일층들을 아래로 당기는 힘, 예를 들어 호일 백(2)의 하중 등에 따라 조절된다. 이와 같이 각도를 조절하는 것은, 아래로 가라앉는 것을 대비하여 호일층들을 안전하게 하는 것에 더하여, 호일층들을 위쪽으로 밀리지 않게 하는 방식으로 이루어진다. 즉, 위쪽으로 기울어진 방향의 용접력의 분력은 아래쪽으로 작용하는 힘(중력, 장력 등)의 효과를 상쇄한다. 그러나, 안전을 위하여, 위쪽 방향의 분력은 아래쪽 방향으로 작용하는 힘보다 더 크도록 하고, 충분한 저항력이 적절한 홀딩 수단들에 의해, 예를 들어 측면의 웰딩씸 및/또는 같은 것의 위에 있는 웰딩씸을 고정하는 그리퍼(4)에 의해 생성되게 할 수 있다. 이들은 호일층들이 올려지는 것을 막게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 용접 장치의 개략적인 측면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대된 상세도이다.
도 3은 도 2에서 앤빌로부터 리프트 오프된(lifted off) 소노트로드를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 초음파 용접 장치에 인가되는 힘을 설명하기 위한 도면이다.
Claims (9)
- 힘을 인가하여 2 이상의 호일층들을 함께 용접하는 소노트로드와 앤빌을 포함하며,상기 소노트로드의 유효면과 상기 앤빌의 유효면은 중력방향에 평행하게 형성되고,상기 호일층들은 상기 소노트로드의 유효면과 상기 앤빌의 유효면 사이에 제공되는 리시빙 갭에 중력방향에 평행하게 위치하고,상기 소노트로드의 센터 라인은 중력방향에 기울어지게 형성되며,상기 힘이 용접이 진행되는 동안 중력 방향과 반대 방향으로 작용하는 분력을 포함하도록 상기 힘의 센터라인과 평행하게 상기 소노트로드의 센터 라인을 위치시키는 초음파 용접 장치.
- 제1항에 있어서,용접이 진행되는 동안 상기 힘의 방향은 상기 중력 방향과 80° - 89.5°의 각도에서 작용하는 초음파 용접 장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 앤빌 및 상기 소노트로드 중 적어도 어느 하나는 베이스 면, 서로의 아래에 실장되는 적어도 두 개의 웰딩 립들 및 상기 웰딩 립들 사이의 간격을 포함하는 초음파 용접 장치.
- 내용물로 채워진 호일 백을 직립으로 운반하는 컨베이어 시스템; 및제1항 또는 제2항에 따른 초음파 용접 장치를 포함하는 호일 백의 봉합을 위한 호일 백 취급 장치.
- 제8항에 있어서,상기 컨베이어 시스템은 상기 호일 백을 측면에서 고정시키는 클램핑 장치를 포함하는 호일 백 취급 장치.
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |