KR101577088B1 - 선형 초음파 혼을 위한 공진 노드식 마운트 - Google Patents

Abstract

초음파 제조를 위한 시스템은 미리설정된 주파수에서 공진을 하는 혼(30); 및 마운트(10)를 포함하며, 상기 마운트는 내부 베어링 표면(14)을 갖는 접촉 부분(12), 연결 샤프트로부터 외향으로 연장하며 외주연부(20)를 갖는 플랜지(18), 및 접촉 부분(12)과 외주연부 사이에서 플랜지에 부착되는 환형 장착 부분(22)을 포함하고, 마운트는 대략 상기 미리설정된 주파수에서 공진을 하며, 접촉 부분은 혼이 상기 미리설정된 주파수에서 노드(36)를 갖는 점에서 혼에 결합된다.

Description

선형 초음파 혼을 위한 공진 노드식 마운트{RESONANT NODAL MOUNT FOR LINEAR ULTRASONIC HORNS}

본 발명은 초음파 용접 마운트(ultrasonic welding mount)에 관한 것이며, 특히 미리설정된 공진 주파수를 가지며 대략 동일한 공진 주파수를 갖는 마운트를 구비한 선형 초음파 혼(linear ultrasonic horn)을 위한 마운트에 관한 것이다.

초음파 용접은 전형적으로 열 에너지로 변환되는 진동을 사용하여 다수의 부품을 함께 결합시키기 위해 사용된다. 초음파 용접의 통상의 유형은 플런지(plunge) 및 연속 용접이다. 플런지 용접에서, 초음파 혼이 삽입되어(부품들을 향해 이동함) 진동을 상부 부품으로 전달한다. 연속 용접, 예를 들어 스캔(scan) 또는 회전식 용접에서, 초음파 혼은 전형적으로 정지되거나 회전하며, 부품들이 그 아래로 이동된다. 연속 초음파 용접은 전형적으로 천, 필름, 및 기타 부품들을 밀봉하기 위해 사용된다. 각각의 초음파 용접 유형은 혼을 수반한다.

초음파 혼은 선택된 파장, 주파수, 및 진폭에서 에너지를 용접될 부품에 부여한다. 혼은 이를 여기시키는 초음파 트랜스듀서(transducer)의 주파수에서 공진하며; 약 20,000 헤르츠(Hertz)의 주파수를 갖는 트랜스듀서가 아마도 가장 통상적으로 구매가능한 것이다. 예를 들어, 회전식 혼은 전형적으로 입력 및 출력 단부를 갖는 샤프트, 및 출력 단부 상에 장착되며 출력 단부와 동축인 용접 부분을 포함한다. 용접 부분의 직경은 전형적으로 샤프트의 직경보다 크다. 용접 부분은 진동 에너지의 인가에 의해 확장 및 수축하는 직경을 갖는 원통형 용접 면을 갖는다. 전형적으로, 회전식 혼은 원통형이며, 종축을 중심으로 회전한다. 입력 진동은 축방향으로 이루어지고, 출력 진동은 반경방향으로 이루어진다. 혼 및 앤빌(anvil)은 편리하게 서로 근접하게 장착되며, 앤빌은 혼의 반대 방향으로 회전할 수 있다. 용접될 부품(부품들)은 원통형 표면들의 접선 속도(tangential velocity)와 동일한 선속도(linear velocity)에서 원통형 표면들 사이로 통과한다.

예상될 수 있는 바와 같이, 혼이 강한 진동을 겪는다는 사실은 작동 중에 혼 상의 그립을 유지하는 것에 관한 문제를 발생시킨다. 전형적으로, 초음파 혼을 장착하기 위해 2가지 방법이 사용된다: 노드식 장착(nodal mounting) 및 비-노드식 장착(non-nodal mounting). 노드는 하나 이상의 방향으로 0 변위를 갖는 혼의 위치이다. 본 출원에서 혼과 관련하여 사용될 때, 노드는 혼이 공진 중일 때 종방향 변위가 무시할 수 있거나 0이고 반경방향 변위가 그의 최대치 또는 그 부근인 초음파 혼 상의 점 또는 영역이다. 안티-노드(anti-node)는 종방향 변위가 그의 최대치 또는 그 부근이고 반경방향 변위가 그의 최소치 또는 그 부근인 점 또는 영역이다.

본 명세서에 참고로 포함된, 공히 양도된 미국 특허 제6,786,384호, "초음파 혼 마운트(Ultrasonic Horn Mount)"는 미리설정된 공진 주파수를 갖는 회전식 초음파 혼을 위한 효과적인 마운트를 개시한다. 개시된 마운트는 그 자체가 대략 동일한 공진 주파수를 가져서, 외부 베어링 표면이 (그것이 원주방향으로 회전하는 작동 중에 반경방향으로) 충분하게 움직이지 않게 되도록 혼에 의해 마운트에 부여되는 반경방향 변위가 소산되는 방식으로 보유되는 상태로 마운트가 혼에 의해 구동된다.

불행하게도, 이러한 개시 내용은 스캔 용접을 위한 선형 혼을 장착하는 것과 관련하여 도움이 되지 못하다. 기술은 선형 용접 혼에 대한 공진 노드식 마운트의 이점을 제공함으로써 향상될 것이다.

선형 혼에 특히 적합한 공진 노드식 마운트가 본 명세서에 기술된다. 일 실시 형태에서, 본 개시 내용은 미리설정된 주파수에 공진을 하는 혼, 및 상기 혼을 위한 마운트를 갖는 초음파 제조를 위한 시스템을 기술한다. 마운트는 혼과 실제로 접촉하도록 사용되는 내부 베어링 표면을 갖는 접촉 부분을 포함한다. 플랜지(flange)가 연결 샤프트로부터 외향으로 연장하여, 외주연부에서 종료한다. 환형 장착 부분이 접촉 부분과 외주연부 사이에서 플랜지에 부착된다. 마운트는, 마운트가 대략 상기 미리설정된 주파수에서 공진을 하며, 작동 시에 혼이 상기 미리설정된 주파수에서 노드를 갖는 점에서 마운트의 접촉 부분이 혼에 결합되도록 구성된다.

<도 1>
도 1은 마운트의 측단면도.
<도 2>
도 2는 도 1에 따른 수 개의 마운트를 포함하는 용접 시스템의 단면 사시도.
<도 3>
도 3은 클램핑 바아에 의해 지지되는 도 2의 용접 시스템의 단면 사시도.
<도 4>
도 4는 마운트가 미리설정된 주파수에서 공진 중일 때 부여되는 운동의 범위에서의 마운트의 전형적인 단면의 비교 시각화 도면.

이제 도 1을 참조하면, 마운트의 단면도가 도시되어 있다. 마운트(10)는 도시된 단면을 갖는 회전 입체(solid of revolution)이다. 마운트(10)는 내부 베어링 표면(14)을 갖는 접촉 부분(12)을 포함한다. 접촉 부분(12)은 선택적으로 보어(bore)(16)를 가질 수 있다. 플랜지(18)가 접촉 부분(12)으로부터 외향으로 연장하여, 외주연부(20)에서 종료한다. 환형 장착 부분(22)이 접촉 부분(12)과 외주연부(20) 사이에서 플랜지(18)에 부착된다. 플랜지(18) 반대편의 환형 장착 부분(22)의 단부는 외부 베어링 표면(24)이다. 일 실시 형태에서, 환형 평형추(counterweight)(26)가 주연부(20)에 인접하여 플랜지(18) 상에 장착된다.

도 2를 참조하면, 도 1에 따른 수 개의 마운트를 포함하는 용접 시스템의 단면 사시도가 도시되어 있다. 마운트(10)는 선형 혼(30)을 지지한다. 선형 혼(30)은, 예를 들어 스캔 용접을 위해 시트 재료가 대항하여 통과하는 용접 표면(32)을 갖는다. 일 실시 형태에서, 선형 혼(30)은 단부(34)에서 작용하는 초음파 트랜스듀서에 의해 여기된다. 마운트(10)는 혼이 미리설정된 주파수에서 여기될 때 노드(36)인 점에서 선형 혼(30)과 접촉한다. 마운트(10)는 마운트가 대략 이 미리설정된 주파수에서 공진을 하도록 구성된다.

이제 도 3을 참조하면, 클램핑 바아(clamping bar)에 의해 지지되는 도 2의 용접 시스템의 단면 사시도가 도시되어 있다. 클램핑 바아(40, 42)는 마운트-혼 조립체를 조여서, 예를 들어 용접되어야 하는 재료를 운반하는 웨브취급 라인(webhandling line) 내에서 효과적으로 지지될 수 있게 한다. 얕은 카운터보어(counterbore)(44)가 마운트(10)의 장착 부분(22)을 수용하기 위해 존재할 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, 마운트가 미리설정된 주파수에서 공진 중일 때 부여되는 운동의 범위에서의 마운트(10)의 전형적인 단면의 중첩된 비교 시각화 도면이 도시되어 있다. 마운트(10)는 그의 비응력 구성에서 점선으로 도시되어 있고; 그의 최대 응력 구성(진동하는 선형 혼(30)의 측방향 확장이 최대일 때)이 실선으로 도시되어 있다. 내부 베어링 표면과 비교하여 외부 베어링 표면(24)이 나타내는 비응력 상태로부터의 변위가 얼마나 훨씬 더 작은지에 주목하여야 한다. 외부 베어링 표면(24)에서의 이러한 작은 변위에 의해, 마운트는 클램핑 바아(40)(도 3에 도시됨)에 의해 성공적으로 보유될 수 있다.

실시예

대체로 도 1에 도시된 바와 같은 수 개의 마운트를 티타늄 6Al 4V 합금으로부터 기계가공하였다. 폭이 22.9 ㎝이고 20,000 헤르츠 부근에서 공진하도록 설계되며 역시 티타늄 6Al 4V로부터 제조된 전형적인 선형 혼을 이러한 시험을 위해 사용하였다. 미국 코네티컷주 댄버리 소재의 브랜슨 울트라소닉스 코포레이션(Branson Ultrasonics Corporation)으로부터 구매가능한 초음파 트랜스듀서를 통상의 부스터(booster)의 일 단부에 부착하였고, 이를 이어서 선형 혼에 장착하였다. 이 장치를 3가지 시험 동안 혼을 여기시키도록 사용하였다.

제1 시험에서, 혼은 장치에 의해 소모되는 전력을 양에 대한 대조 값을 제공하기 위해 클램핑하지 않았다. 초음파 전원 장치에 대한 전력 출력을 100%로 설정하였다.

제2 시험에서, 혼을 대체로 도 3에 도시된 바와 같은 한 쌍의 클램핑 바아들 사이에서 4개의 마운트를 사용하여 장착하였으며, 각각의 마운트를 진동 노드에 대항하여 가압시켰다. 초음파 전원 장치에 대한 전력 출력을 50%로 설정하였다.

제3 시험은 전력 설정을 제1 시험과 마찬가지로 다시 100%로 설정한 것을 제외하고는 제2 시험과 유사하였다. 조건 및 결과가 표 1에 요약되어 있다.

가장 확실하게는, 시험 1과 시험 3 간의 동일한 전력 설정에 의해, 전력 소모는 단지 적당한 증가를 보였고, 동조 주파수(tuning frequency)는 매우 적게 변화하였다. 이는 노드식 마운트가 트랜스듀서의 에너지를 상당하게 소산시키지 않아서, 예를 들어 스캔 용접 동안 혼의 효율적인 작동을 가능하게 한다는 것을 예증한다. 또한, 시험 2 및 시험 3 동안 작동은 조용하였다. 시끄러운 작동은 운동 부품과 정지 부품 사이의 효율 손실 및 의도하지 않은 마모 둘다를 의미하는, 마운트와 클램핑 바아 사이의 상대 운동에 대한 지표였을 것이다.

본 발명이 본 발명의 다양한 실시 형태를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 형태 및 세부에 있어서 다양한 다른 변경이 본 발명에서 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (11)

1. 초음파 제조를 위한 시스템으로서,
   미리설정된 주파수에서 공진을 하는 혼(horn); 및
   마운트(mount)를 포함하며,
   상기 마운트는,
   내부 베어링 표면을 갖는 접촉 부분,
   접촉 부분으로부터 외향으로 연장하며, 외주연부를 갖는 플랜지,
   외주연부에 인접하여 플랜지 상에 장착되는 구속받지 않는 환형 평형추(unconstrained annular counterweight), 및
   접촉 부분과 외주연부 사이에서 플랜지에 부착되는 환형 장착 부분을 포함하고,
   마운트는 상기 미리설정된 주파수에서 공진을 하며, 접촉 부분은 혼이 상기 미리설정된 주파수에서 노드(node)를 갖는 점에서 혼에 결합되는 시스템.
2. 초음파 혼을 위한 마운트로서,
   내부 베어링 표면을 갖는 접촉 부분,
   접촉 부분으로부터 외향으로 연장하며, 외주연부를 갖는 플랜지,
   외주연부에 인접하여 플랜지 상에 장착되는 구속받지 않는 평형추, 및
   플랜지 반대편의 환형 장착 부분의 단부가 외부 베어링 표면이 되도록 접촉 부분과 외주연부 사이에서 플랜지에 부착되는 환형 장착 부분을 포함하며,
   내부 베어링 표면이 미리설정된 주파수에서 구동될 때, 외부 베어링 표면이 노드인 마운트.
3. 초음파 혼을 장착하는 방법으로서,
   미리설정된 주파수에서 공진을 하는 혼을 제공하는 단계;
   마운트를 제공하는 단계 - 상기 마운트는,
   내부 베어링 표면을 갖는 접촉 부분,
   접촉 부분으로부터 외향으로 연장하며, 외주연부를 갖는 플랜지,
   외주연부에 인접하여 플랜지 상에 장착되는 구속받지 않는 평형추, 및
   접촉 부분과 외주연부 사이에서 플랜지에 부착되는 환형 장착 부분을 포함하고,
   마운트는 상기 미리설정된 주파수에서 공진을 함 - ; 및
   혼이 상기 미리설정된 주파수에서 노드를 갖는 점에서 마운트의 접촉 부분을 혼에 부착하는 단계를 포함하는 방법.
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