KR102495445B1

KR102495445B1 - 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치

Info

Publication number: KR102495445B1
Application number: KR1020187002824A
Authority: KR
Inventors: 피터 솔렌탈러; 토마스 휘닉
Original assignee: 텔소닉 홀딩스 에이쥐
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2023-02-02
Also published as: WO2017001255A2; CN108025388A; US11247294B2; EP3317040B1; US20180185956A1; US20200171598A1; CN108025388B; JP2018527187A; WO2017000998A1; KR20180020301A; US10532424B2; JP6983667B2; WO2017001255A3; EP3317040A2

Abstract

본 발명은 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치(10')에 관한 것이다. 이 장치(10')는, 진동 발생기에 의해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 생성하도록 여기될 수 있는 소노트로드 헤드(12')를 구비한 소노트로드(11')을 포함하며, 적어도 하나의 용접면(14')이 비틀림 축선(T)에 대해 둘레측에서 소노트로드 헤드(12') 상에 배치된다. 그 장치(10')는 또한, 소노트로드 헤드(12'')의 진동 노드를 포함하는 지지 영역(16')에서 소노트로드 헤드(12')를 지지하는 지지 장치(15')를 포함한다. 지지 영역(16')와 용접면(14')는 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 연장하는 공통 평면(E) 내에서 적어도 부분적으로 연장한다. 본 발명은 또한 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치(10')에 관한 것으로, 소노트로드(11')는 비틀림 축선(T)에 대해 실질적으로 수직으로 지지 영역(16')를 관통하는 보어(17')를 포함하며, 지지 장치(15')는 보어(17')를 통과해 연장하는 지지 핀(18')를 포함하며, 이 지지 핀이 보어(17') 내에서 지지 영역(16')에서의 소노트로드(11')을 지지한다. 본 발명은 또한 온도 제어 장치를 이용하여 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치(10')에 관한 것이다.

Description

초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치

본 발명은, 독립 청구항들의 전제부에 따른 소노트로드 헤드(sonotrode head)를 지지하는 지지 장치를 갖는, 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치에 관한 것이다.

소노트로드 헤드를 위한 공지의 지지 장치는 최소 진폭을 갖는 위치에 부착된다(제로 포인트 지지로서 알려져 있다). 이는 실제 용접 작업에 제공될 초음파 에너지 중 가능한 한 적은 초음파 에너지가 지지 장치를 통해 제거되는 상황을 달성할 수 있다. 그 결과, 지지 장치에서 원하지 않는 온도 상승이 역시 회피될 수 있다.

예를 들어, US 3,184,841은 예를 들면 초음파 트랜스듀서의 도움으로 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있는 비틀림 소노트로드를 개시하고 있다. 환형 용접 팁의 가공면은 비틀림 축선에 대해 수직으로 연장한다. 그 소노트로드는 소정 진동 노드(oscillation node)에서 소정 질량체에 의해 지지된다.

WO 02/061895 A1은 예를 들면 비틀림 소노트로드 또는 종방향 오실레이터에 의해 달성될 수 있는 전기 전도체들의 연결에 관한 것이다. 그 종방향 오실레이터는 진동 노드에 장착될 수 있다.

EP 2 261 008 A1은 또한 초음파 처리를 위한 장치 및 방법을 개시하고 있다. 소노트로드는 비틀림 초음파 진동을 수행하도록 여기된다. 용접될 2개의 플라스틱 필름을 위해 용접 간극이 형성되는 결과로, 앤빌의 맞물림 부재가 도입될 슬롯을 구비하고 있다. 동작 섹션의 영역에서, 맞물림 부재는 웨지면(wedge face)이 인접한 크래들 에지(cradle edge)를 갖고 있다. 맞물림 부재나 홈 저부에 배치된 지지 세그먼트가 원추형 팁을 갖고 있고, 이 원추형 팁은 비틀림 축선의 방향으로 놓여, 용접 중에 진동하지 않은 제로 포인트 접점(zero point contact)을 형성한다.

WO 2011/138404 A1에 개시된 비틀림 소노트로드는 그 둘레 영역에 가공면을 갖는 돌기를 포함한다. 각 경우에, 비틀림 소노트로드의 고유 진동의 파장과 관련하여 노드 라인에 놓이는 하나의 환형면이 가공면의 양측에 마련된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 지지 장치는 그 환형면 주위에 맞물린다. 가압력이 압력 장치의 도움으로 생성된다.

WO 2012/069413 A1의 예시적인 실시예에서, 비틀림 오실레이터는 소노트로드 뒤의 종방향 위치에서 비틀림 오실레이터를 위한 베어링을 형성하는 클램핑 링에 의해 둘러싸인다. 그 클램핑 링은 통상 진동 노드에 배치된다.

하지만, 상기한 공지의 지지 장치들 모두는 그 진동 노드의 위치가 소노트로드 헤드에 작용하는 힘 및 토크에 의존한다는 단점을 갖는다. 일반적으로 말해, 진동 노드는 수 밀리미터만큼 변위될 수 있다. 이는 초음파 에너지의 바람직하지 못한 제거 및 앞서 이미 설명한 관련 단점들을 야기한다.

따라서, 본 발명의 과제는 상기한 단점들을 갖지 않는 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치를 제공하는 데에 있다. 따라서, 특히 그 장치의 소노트로드는, 초음파 에너지의 인지 가능한 감소가, 정확하게 말해 힘 또는 토크가 소노트로드 헤드에 작용하는 지에 관계없이 발생하지 않도록 하는 식으로 지지될 것이다.

상기한 목적 및 다른 목적은, 본 발명의 제1 양태에 따라 소노트로드 헤드 및 지지 장치를 갖는 소노트로드를 포함하는 초음파 용접에 의해 부품들을 용접하는 장치를 통해 달성된다. 소노트로드 헤드는 진동 발생기에 의해 비틀림 축선에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있다. 본 발명의 제1 양태에 따르면, 적어도 하나의 용접면(welding face)이 비틀림 축선에 대해 둘레측에서 소노트로드 헤드 상에 배치된다. 지지 장치는 그 소노트로드 헤드의 진동 노드를 포함하는 지지 영역에서 소노트로드 헤드를 지지한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 지지 영역과 용접면은 비틀림 축선에 대해 수직으로 연장하는 공통 평면 내에서 적어도 부분적으로 연장한다. 이 실시예는, 힘 또는 토크가 용접면에 작용하는 지에 진동 노드의 위치가 실제로 의존하지 않는다는 이점을 갖는다. 초음파 에너지의 대부분이 용접이라는 실제 목적을 위해 이용 가능하다는 점에서, 힘 또는 토크와 관계없이, 지지 장치를 통한 초음파 에너지의 인지 가능한 제거가 발생하지 않는다.

유리하게는, 지지 영역이 소노트로드 헤드의 내측 영역(비틀림 축선에 대해)만을 형성한다. 그 결과, 비틀림 진동의 진폭이 외측 영역보다는 내측 영역에서 더 작기 때문에, 지지 장치에서 제거되는 초음파 에너지가 역시 감소될 수 있다.

본 발명의 제2 독립 양태에 따르면, 그 장치는 마찬가지로 초음파에 의해 부품들을 용접하도록 구성되는 것으로, 진동 발생기에 의해 비틀림 축선에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있는 소노트로드 헤드를 갖는 소노트로드; 및 그 소노트로드 헤드의 진동 노드를 포함하는 지지 영역에서 소노트로드 헤드를 지지하는 지지 장치를 포함한다. 하지만, 제2 양태에 따르면, 용접면이 반드시 비틀림 축선에 대해 둘레측에서 소노트로드 헤드 상에 배치될 필요는 없고, 대신에, 적어도 하나의 용접면은 소노트로드 헤드에 있어서의 비틀림 축선에 대해 수직한 단부면에 배치될 수도 있다. 제2 양태에 따르면, 지지 영역과 용접면은 또한 반드시 비틀림 축선에 대해 수직으로 연장하는 공통 평면 내에서 적어도 부분적으로 연장할 필요는 없다.

제2 양태에 따르면, 소노트로드는 비틀림 축선에 대해 실질적으로 수직하게 지지 영역을 관통하는 보어를 구비하며, 지지 장치는 보어를 통과해 연장하고 보어 내에서 지지 영역 내의 소노트로드를 지지하는 지지 핀을 포함한다. 여기서는 물론 이하의 설명에서, "비틀림 축선에 대해 실질적으로 수직한" 관통이란 표현은 보어가 80° 내지 100°의 각도로 지지 영역을 관통하는 것을 의미하는 것으로 이해해야 할 것이다. 그 각도는 바람직하게는 85° 내지 95° 범위 내에, 더 바람직하게는 89° 내지 91° 범위 내에 있으며, 90°가 매우 특히 바람직하다. 이는 그 각도가 90°에 가까울수록 초음파 에너지는 덜 제거되기 때문이다. 이러한 식으로, 지지는 단지 소노트로드 헤드의 내측 영역(비틀림 축선에 대해)에서만 특히 간단하게 실현될 수 있고, 그 결과 앞서 이미 설명한 이점들이 달성될 수 있다. 제시한 바와 같이, 완전히 놀랍게도, 소노트로드의 음향적 특성은 그를 관통하는 보어 및 이를 통과해 연장하는 지지 핀에 의해 불리하게 영향 받지 않는다. 이러한 형태의 지지 핀은 특히 소노트로드가 재배치 또는 교체되는 경우에 그 소노트로드가 정밀하게 이용될 수 있다는 이점을 갖는다.

본 발명의 범위 내에서, 소노트로드와 지지 핀은 서로 단일 피스로 구성하는 것도 고려할 수 있다. 하지만, 소노트로드와 지지 핀은 유리하게는 서로 결합된 2개의 별개의 부품이다. 지지 핀은 예를 들면 중간 끼워 맞춤(transition fit), 수축 끼워 맞춤 또는 압입을 통해 보어 내에서의 지지 영역에서 소노트로드를 지지할 수 있다.

그 지지 핀은 특히 유리하게는 비틀림 축선과 교차한다. 이러한 식으로, 지지 핀은 소노트로드 헤드의 내측 영역(비틀림 축선에 대해)을 특히 효과적으로 지지할 수 있다.

소노트로드 헤드의 내측 영역(비틀림 축선에 대해)에서만 지지를 가능하게 하기 위해, 보어는 지지 영역의 방향으로 테이퍼질 수 있다. 이는 보어가 원추형 영역을 갖는 경우는 물론, 그 보어가 소노트로드 밖으로 개구되는 서로 대향한 2개의 개구 섹션과 지지 영역 모두에서 원통형인 실시예도 포함하데, 이 실시예에서는 보어가 지지 영역에서 제1 내경을 가지며 이 제1 내경은 개구 섹션에서의 보어의 제2 내경보다 작다. 이러한 형태의 계단 형상이 원추형 영역보다 제조하기가 더 용이하다.

대안적으로 또는 추가적으로, 지지 핀이 지지 영역의 방향으로 넓어질 수 있다. 마찬가지로, 이는 지지 핀이 제1 외경의 중간 영역 및 제1 외경보다 작은 제2 외경을 갖는 2개의 단부 영역을 갖는 것을 포함하다. 지지 영역이 길수록 지지는 보다 안정적이다. 하지만, 한편으로는 지지 영역의 길이가 증가함에 따라, 비틀림 진동의 원하지 않고 또한 증가하는 감쇠가 생성될 수 있다. 실제로, 지지 핀을 따른 지지 영역의 길이가 지지 핀을 따른 소노트로드 헤드의 크기의 10% 내지 30%, 바람직하게는 20 내지 25%라면 유리한 것으로 입증되었다.

다른 유리한 실시예에서, 지지 핀은 서로 대향하고 각각 하나의 베어링 개구 내에 수용되는 2개의 단부를 구비할 수 있다. 이러한 식으로, 용접 중에 생성되는 힘 및 토크가 베어링 시스템에 전달될 수 있다. 각 베어링 개구는 각각 단일 피스의 베어링 부시의 개구로서 구성될 수 있다. 대안적으로, 각 베어링 개구는 2개의 베어링 부품, 예를 들면 베어링 블록과 클램핑 클로우에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 다른 용접면이 용접에 이용될 수 있게 소노트로드를 다른 위치로 옮기기 위해, 그러한 형태의 클램핑 클로우를 베어링 블록으로부터 해제함으로써 지지 핀은 특히 간단하게 접근 가능하게 될 수 있다.

그 장치는 특히 유리하게는 특히 단일 피스로 이루어지고 2개의 베어링 개구를 적어도 부분적으로 형성하는 베어링 블록을 포함한다. 이러한 형태의 단일 피스의 베어링 블록은 구조적 측면에서 특히 단순하다. 하지만, 대안적으로는 본 발명의 범위 내에서는 2개의 베어링 부시가 서로 단일 피스로 구성되지 않는 것도 고려될 수 있다.

또한, 그 장치는, 베어링 블록에 비틀림 축선에 대해 실질적으로 수직하게 작용하는 힘을 생성하는 가압 장치를 포함할 수 있다. 여기서는 물론 이하의 설명에서, "비틀림 축선에 대해 실질적으로 수직하게 작용하는 힘"이란 표현은 그 힘과 비틀림 축선 간의 각도가 70° 내지 110° 범위, 바람직하게는 80° 내지 100° 범위, 특히 바람직하게는 85° 내지 95° 범위, 매우 특히 바람직하게는 90°임을 의미하는 것으로 이해해야 할 것이다. 이러한 식으로, 용접면이 제2 부품에 연결될 제2 부품에 압박될 수 있다. 본 발명에 따른 지지 장치로 인해, 가압 장치에 의해 생성되는 힘은 진동 노드의 어떠한 인지 가능한 변위도 야기하지 않는다.

지지 핀은 중공 핀으로 구성될 수 있거나 중실 재료로 이루어질 수도 있다. 중공 핀은 개선된 진동 감쇠의 이점을 갖는 반면, 중실 재료로 이루어진 핀은 기계적으로 보다 안정하다.

제3 독립 양태에서, 본 발명은 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치에 관한 것으로, 그 장치는, 진동 발생기에 의해 진동을 수행하도록 여기될 수 있는 소노트로드 헤드를 갖는 소노트로드; 및 그 소노트로드 헤드의 진동 노드를 포함하는 지지 영역에서 소노트로드 헤드를 지지하는 지지 장치를 포함한다.

그 진동 발생기는 비틀림 축선에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 소노트로드 헤드를 여기시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 용접면이 비틀림 축선에 대해 그 둘레측에 배치될 수 있거나, 및/또는 적어도 하나의 용접면이 비틀림 축선에 대해 수직한 단부면에 배치될 수도 있다. 하지만, 대안적으로는 그 진동 발생기는 종방향 진동을 비틀림 축선에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 소노트로드 헤드를 여기시키도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 제3 양태에서, 그 장치는 소노트로드 헤드의 온도를 제어, 특히 소노트로드 헤드를 냉각 또는 가열하는 온도 제어 장치를 구비한다. 그 온도 제어 장치는, 지지 장치를 통과해 안내되는, 온도 제어 매체를 위한 적어도 하나의 온도 제어 피드(temperature control feed), 및 온도 제어 피드에 작동적으로 연결되고 바람직하게는 소노트로드 헤드의 용접면의 영역에 배치된 적어도 하나의 온도 제어 요소를 포함한다. 아래에서 더 설명하는 바와 같이, 작동적 연결은 예를 들면 유체적 연결 또는 전기적 연결로 이루어질 수 있다. 온도 제어 피드가 소노트로드 헤드의 진동 노드를 포함하는 지지 영역에서 소노트로드 헤드를 지지하는 지지 장치에 배치되기 때문에, 온도 제어 피드는 초음파 진동에 의해 사실상 손상되지 않는다. 용접면의 영역에서 소노트로드 헤드의 냉각은 용접 중에 대부분의 열이 거기에서 발생하기 때문에 특히 유효하다. 용접면의 영역에서 소노트로드 헤드의 가열도 몇몇 실시예에서 유리한 것으로 입증되었다. 게다가, 소노트로드 헤드의 온도 제어는 온도 및 그에 따른 공진 진동수가 비교적 일정하게 유지될 수 있다는 이점을 갖는다.

몇몇 예시적인 실시예에서, 온도 제어 피드는 적어도 하나의 피드 덕트를 포함하며, 이 덕트를 통해 온도 제어 유체가 소노트로드 헤드 내로 도입되거나 소노트로드 헤드로부터 배출될 수 있다. 상기한 예시적인 실시예에서, 온도 제어 유체가 온도 제어 매체를 형성한다. 온도 제어 유체, 특히 냉각 유체 또는 가열 유체는 예를 들면 가스나 물 등의 액체일 수 있다. 적어도 하나의 피드 채널이 지지 장치의 개구들에서 개구될 수 있다. 온도 제어 유체는 제1 개구를 통해 도입되고 제2 개구로부터 다시 배출될 수 있다. 온도 제어 요소는 피드 덕트에 유체 연통하게 연결된 온도 제어 유체를 위한 적어도 하나의 온도 제어 덕트를 포함할 수 있다.

대안적으로, 온도 제어 매체는 전류일 수 있다. 전류는 지지 장치 내에 배치된 전선을 통해 소노트로드 헤드에 도입될 수 있고, 그 전선이 온도 제어 피드를 형성한다. 온도 제어 피드는 전선에 전기적으로 연결된 전기적 온도 제어 요소일 수 있다. 전기적 온도 제어 요소는 예를 들면, 소노트로드 헤드를 가열 또는 냉각하도록 펠티에 소자(Peltier element)로서, 및/또는 소노트로드 헤드를 가열하도록 열선으로서 구성될 수 있다.

하나의 가능한 실시예에서, 지지 장치는 중공 핀으로서 구성되고 온도 제어 유체를 위한 피드 덕트가 내부에 수용된 온도 제어 피드를 형성하는 상기한 지지 핀을 포함한다. 피드 덕트는 예를 들면 중공 핀 내에 센터링되게 배치될 수 있고, 원통형 형상으로 이루어질 수 있다. 적어도 하나의 피드 덕트는 지지 핀의 양 단부들에 배치될 수 있는 개구들에서 개구될 수 있거나, 지지 핀의 동일 단부에서 개구될 수 있다. 본 발명의 제1 양태에 따라, 지지 영역과 용접면이 비틀림 축선에 대해 수직하게 연장하는 공통 평면에서 적어도 부분적으로 연장하는 경우, 그 적어도 하나의 덕트와 온도 제어 덕트는 지지 핀 내의 공통 보어에 의해 형성될 수 있고, 그 보어는 전체에 걸쳐 원통형일 수 있다.

다른 실시예에서, 예를 들면, 소노트로드 헤드의 단부에 배치된 펠티에 소자에 전류를 공급하기 위해 전선이 지지 핀을 통과해 안내될 수 있다.

본 발명의 제1 양태는, 보어 및 지지 핀에 의한 것과는 다른 방식으로 소노트로드가 지지 영역에서 지지되는 장치도 포함한다.

소노트로드 헤드는 비틀림 축선에 대해 반경방향으로 연장하는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 돌기를 구비하며, 이들 돌기의 단부에 각각 하나의 용접면이 형성된다. 이러한 형태의 반경방향 돌기의 도움으로, 소노트로드 헤드 전체가 보다 큰 반경을 갖게 할 필요 없이 큰 비틀림 진동 진폭이 용접면에서 달성될 수 있다.

게다가, 소노트로드 헤드가 비틀림 축선에 대해 반경방향으로 연장하고 서로 대향하게 배치된 정확히 2개의 돌기를 구비하고, 그 단부가 각각 하나의 용접면을 형성한다면, 지지 핀은 2개의 용접면을 서로 연결하는 연결 라인에 대해 실질적으로 수직으로 연장하는 것이 유리하다. 여기서, "실질적으로 수직"한 경로는 지지 핀과 연결 라인 간의 각도가 70° 내지 110° 범위, 바람직하게는 80° 내지 100° 범위, 특히 바람직하게는 85° 내지 95° 범위, 매우 특히 바람직하게는 90°임을 의미하는 것으로 이해해야 할 것이다. 이러한 형태의 실질적으로 수직한 경로는 지지 장치를 통한 힘과 토크의 더욱 개선된 전달을 보장한다.

이하의 상세한 설명에서, 본 발명을 복수의 예시적인 실시예 및 도면을 이용하여 상세하게 설명할 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 제1 장치의 개략적 사시도를 도시하며,
도 1b는 도 1a의 장치의 단면도를 도시하며,
도 2a는 본 발명에 따른 제2 장치의 사시도를 도시하며,
도 2b는 도 2a에 따른 장치의 제1 단면도를 도시하며,
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 따른 장치의 제2 단면도를 도시하며,
도 2d는 도 2a 내지 도 2c에 따른 장치의 소노트로드의 단면도를 도시하며,
도 2e는 도 2a 내지 도 2d에 따른 장치의 지지 핀의 사시도를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 제3 장치의 단면도를 도시하며,
도 4는 소노트로드 헤드의 단부면에 배치된 용접면을 갖는 본 발명에 따른 제4 장치의 사시도를 도시한다.

도 1에 개략적으로 도시한 초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치(10)는 2개의 단부 피스(13) 및 이들 사이에 배치된 소노트로드 헤드(12)를 갖는 소노트로드(11)를 포함하며, 그 소노트로드 헤드(12)는 진동 발생기(여기서는 도시 생략)의 도움으로 단부 피스(13)를 통해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있다. 소노트로드 헤드(12)는 비틀림 축선(T)에 대해 반경방향으로 연장하고 서로 대향하게 배치된 2개의 돌기(22)를 구비한다. 각각의 경우에, 하나의 용접면(14)이 돌기(22)의 단부에 형성되며, 그 용접면(14)을 통해 제1 부품이 용접에 의해 제2 부품에 연결될 수 있다. 따라서, 2개의 용접면(14)은 비틀림 축선(T)에 대해 둘레측에 배치될 수 있다. 게다가, 장치(10)는 지지 영역에서 소노트로드 헤드(12)를 지지하는 지지 장치(15)를 포함한다. 도 1b에 더 상세하게 도시한 지지 장치(15)는 소노트로드 헤드(12)의 진동 노드를 포함한다.

도 1b에 따른 단면도는 지지 장치(15)의 세부 구성을 도시한다. 소노트로드(11)는, 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 그리고 2개의 용접면(14)을 서로 연결하는 연결 라인(V)에 대해서도 수직으로 지지 영역(16)을 관통하는 원통형 보어(17)를 구비한다. 게다가, 지지 장치(15)는 지지 핀(17)을 포함하며, 이 지지 핀(18)은 보어(17)를 통과해 연장하고 그 중간 영역(24)이 보어(17) 내에서 지지 영역(16) 내의 소노트로드(11)를 지지한다. 지지 핀(18)은 중간 영역(24)의 방향으로 확장된다. 본 명세서에서 도시한 예시적인 실시예에서, 지지 핀(18)을 따른 지지 영역(16)의 길이는 지지 핀(18)을 따른 소노트로드 헤드(12)의 크기의 약 20%이다. 지지 핀(18)은 보어(17) 내로 압입에 의해 소노트로드(11) 내에 유지된다. 이는, 예를 들면 지지 핀(18)을 냉각에 의해 수축시킨 후에 베어링 개구(29)를 통해 보어(17) 내에 도입하는 저온 수축 끼워 맞춤 프로세스를 통해 달성될 수 있다. 후속 재가열 작업 동안에, 지지 핀(18)은 보어 내에 압박된다.

이러한 식으로, 소노트로드(11)는 소노트로드 헤드(12)의 내측 영역(비틀림 축선(T)에 대해)에서만 지지된다. 다시 말해, 지지 영역(16)이 소노트로드 헤드(12)의 내측 영역(비틀림 축선(T)에 대해)만을 형성한다. 지지 영역(16)과 용접면(14)은 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 연장하는 공통 평면(E) 내에서 연장한다.

본 발명에 따른 실시예의 결과로, 진동 노드의 위치는 힘 또는 토크가 용접면에 작용하는 지에 실제로 의존하지 않는다. 초음파 에너지의 대부분이 용접이라는 실제 목적을 위해 이용 가능하다는 점에서, 힘 또는 토크와 관계없이, 지지 장치(15)를 통한 초음파 에너지의 인지 가능한 제거가 발생하지 않는다.

이러한 예시적인 실시예에서, 지지 핀(18)은 중공 핀(18)으로서 구성된다. 하지만, 대안적으로는 지지 핀(18)이 중실 재료로 이루어질 수도 있다.

지지 핀(18)은 서로 대향하게 배치된 2개의 단부(20)를 구비하며, 이들 단부(20)는 각각 공통의 단일 피스 베어링 블록(23)의 베어링 부시(21)의 하나의 베어링 개구(29) 내에 수용된다. 이러한 식으로, 힘 및 토크가 베어링 시스템에 전달될 수 있다. 지지 핀(18)은 특히 소노트로드 헤드(12)의 정확한 위치 설정을 가능하게 한다.

게다가, 장치(10)는 베어링 블록(23)에 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 작용하는 힘(K)을 생성하는 가압 장치(여기서는 도시 생략)를 포함할 수 있다. 이러한 식으로, 용접면(14)들 중 하나가 제2 부품에 연결될 제1 부품에 압박될 수 있다.

도 2a 내지 도 2e는 초음파에 의해 부품들을 용접하는 본 발명에 따른 제2 장치(10')를 도시한다.

도 2a에 따르면, 장치(10')는 소노트로드(11')가 수용되는 체널형 리세스를 갖는 베어링 블록(26')을 포함한다. 그 소노트로드(11')는 또한 2개의 단부 피스(13') 및 이들 사이에 배치되고 2개의 돌기(22')를 갖는 소노트로드 헤드(12')를 포함하며, 그 돌기(22')의 단부에는 각각 하나의 용접면(14')이 존재한다. 단부 피스(13')를 통해, 소노트로드 헤드(12')는 2개의 진동 발생기(도시 생략)에 의해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있다. 지지 핀(8')의 2개의 대향 단부(20')은 클램핑 클로우(27')의 도움으로 베어링 블록(26')에 체결된다. 클램핑 클로우(27')은 스크루 개구(28') 내로 삽입되는 볼트에 의해 베어링 블록(26')에 고정된다. 지지 핀(8')은 베어링 블록(26')으로부터 클램핑 클로우(27')을 해제함으로써 특히 간단하게 접근 가능하게 된다. 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 작용하는 힘(K)은, 예를 들면 공압 실린더 등의 가압 장치(도시 생략)에 의해 베어링 블록(26')에 가해질 수 있고, 그 결과 용접면(14')이 제2 부품에 연결될 제1 부품에 압박될 수 있다.

도 2b에 따른 단면도에서 알 수 있는 바와 같이, 장치(10')는 2개의 지지부(30')를 포함하며, 이들 지지부(30')를 통해 소노트로드(11')의 단부 피스(13')들이 유지된다. 상기한 2개의 지지부(30')는 예를 들면 적층 직물 보드로 이루어질 수 있다. 이들은 마찬가지로 단부 피스(13')들을 지지하는 채널형 함몰부를 포함한다. 소노트로드(11')의 위치는 지지부(30')의 도움으로 특히 정확하게 설정될 수 있다.

도 2c의 단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 소노트로드(11')는 비틀림 축선(T)과 교차하는 한편, 비틀림 축선(T)에 대해 수직하고 그리고 2개의 돌기(22')를 연결하는 연결 라인(V)에 대해서도 수직하게 소노트로드 헤드(12')를 관통하는 보어(17')를 구비한다. 지지 핀(18')이 보어(17') 내에 삽입되며, 그 지지 핀(18')이 보어(17') 내의 지지 영역(16')에서 소노트로드(11')를 지지한다. 여기서, 지지 핀은 필요한 경우, 예를 들면, 마모되었거나, 굴곡되거나 혹은 부러진 경우에 교체할 수 있도록 중간 끼워 맞춤에 의해 유지된다. 지지 영역(16')에 소노트로드 헤드(12')의 진동 노드가 존재한다.

도 2d는 소노트로드 헤드(12')의 상세 사시 단면도를 도시한다. 여기서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 보어(17')는 지지 영역(16')에 제1 내경을 구비하며, 서로 대향하게 배치된 2개의 개구 섹션(19')에서는 제2 내경을 가지며, 제2 내경은 제1 내경보다 크다. 따라서, 보어(17')는 지지 영역(16')의 방향으로 테이퍼진다.

도 2e는 지지 핀(18')을 상세하게 도시한다. 제1 예시적인 실시예의 지지 핀(18)과 달리, 지지 핀(18')은 중실 재료로 이루어진다. 지지 핀(18')은 제1 외경을 갖는 중간 영역(24') 및 서로 대향하게 배치되고 제2 외경을 갖는 2개의 단부 영역(25')를 포함하며, 제2 외경은 제1 외경보다 작다. 지지 핀(18')은 중간 영역의 방향으로 확장되며, 이 중간 영역에서 지지 핀(18')이 소노트로드 헤드(12')를 지지한다.

지지 핀(18')을 따른 지지 영역(16')의 길이는 지지 핀(18')을 따른 소노트로드 헤드(12')의 크기의 약 25%이다.

그 결과, 전체적으로 소노트로드(12')는 소노트로드 헤드(12')의 내측 영역(비틀림 축선(T)에 대해)에서만 지지된다. 게다가, 지지 영역(16')과 2개의 용접면(14')은 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 연장하는 공통 평면(E) 내에서 연장한다. 본 발명에 따른 이러한 구성은 앞서 이미 설명한 이점을 갖는다.

도 2a 내지 도 2c의 하측에 도시한 용접면(14')을 이용 가능하도록 하기 위해, 우선 클램핑 클로우(27')가 베어링 블록(26')로부터 해제될 수 있다. 보어(17')와 지지 핀(18')의 센터링 작용으로 인해, 그리고 전체적 대칭형 배치로 인해, 단부(20')가 역시 베어링 개구(29') 내에 수용된 결과로, 소노트로드(11')는 비틀림 축선(T)을 중심으로 180°만큼 지지 핀(18')과 함께 간단히 회전할 수 있다. 이이서, 클램핑 클로우(27')는 베어링 블록(26')에 다시 체결될 수 있다. 이러한 위치 설정은 지지 핀(18')로 인해 매우 정밀하다.

도 3에 도시한 본 발명에 따른 제3 장치(10'')에서는 도 2a 내지 도 2e에 도시한 장치(10')와는 달리, 지지 핀이 중공 핀(18'')로서 구성된다. 그 핀은 센터에 위치하고 연속적인 원통형 덕트(31'')을 구비하며, 이 덕트(31'')을 통해, 온도 제어 유체, 특히 냉각 매체 또는 가열 매체, 예를 들면 물이 소노트로드 헤드(12'')를 통과해 그 내외로 안내될 수 있다. 이러한 식으로, 용접면(14'')의 영역에서 소노트로드 헤드(12'')의 온도 제어, 특히 냉각 또는 가열이 달성될 수 있다. 덕트(31'')은 지지 핀(18'')의 대향한 단부(20'')들에 배치된 개구(32'', 33'')에서 개구된다. 온도 제어 유체는 제1 개구(32'')를 통해 도입되고 제2 개구(33'')로부터 다시 배출될 수 있다. 덕트(31)는 온도 제어 유체를 도입 및 배출하기 위한 피드 덕트와 온도를 제어하기 위한 온도 제어 덕트를 동시에 형성된다. 냉각 매체가 이용되는 경우, 이 실시예는 용접 중에 대부분의 열이 생성되는 용접면(14'')의 영역에서 소노트로드(11'')의 냉각이 가능하다.

도 4는 소노트로드 헤드(12''')의 단부면에 용접면(14''')이 배치되어 있는 본 발명에 따른 제4 실시예를 개략적으로 도시한다. 여기에서도 지지 핀(18''')이 마련되며, 그 지지 핀(18''')은 보어(17''') 내의 지지 영역(16''')에서 소노트로드(11''')를 지지한다. 지지 핀(18''')의 단부(20''')는 2개의 베어링 개구(도시 생략) 내에 유지된다. 지지 핀(18''')은 피드 덕트(31''')을 포함하며, 이 덕트(31''')를 통해 온도 제어 유체가 소노트로드 헤드(12''') 내로 도입될 수 있다. 소노트로드 헤드(12''')의 내부에는 피드 덕트(31''')와 유체 연통하게 연결되는 온도 제어 채널(마찬가지로 여기서는 도시 생략)이 용접면(14''')의 영역에 마련된다. 이러한 식으로, 소노트로드 헤드(11''')은 용접면(14''')의 영역에서 냉각될 수 있다.

도 4에 따른 소노트로드 헤드(12''')는 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하거나 종방향 진동을 수행하도록 여기될 수 있으며, 그 지지 영역(16''')은 소노트로드 헤드(12'')의 비틀림 또는 종방향 진동 노드를 포함한다. 그 영역에 지지 핀(18''')의 배치로 인해, 온도 제어 유체의 피드가 손상되지 않는다.

Claims

초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치로서,
- 진동 발생기에 의해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있는 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')를 갖는 소노트로드(11; 11'; 11'')로서, 적어도 하나의 용접면(welding face)(14; 14'; 14'')이 상기 비틀림 축선(T)에 대해 둘레측에서 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'') 상에 배치되어 있는 소노트로드(11; 11'; 11''); 및
- 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')의 진동 노드(oscillation node)를 포함하는 지지 영역(16; 16'; 16'')에서 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')를 지지하는 지지 장치(15; 15'; 15'')
를 포함하는 장치에 있어서,
상기 지지 영역(16; 16'; 16'')과 용접면(14; 14'; 14'')은 상기 비틀림 축선(T)에 대해 수직으로 연장하는 공통 평면(E) 내에서 적어도 부분적으로 연장하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 지지 영역(16; 16'; 16'')은 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')의 내측 영역(비틀림 축선(T)에 대해)만을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
초음파에 의해 부품들을 용접하는 장치로서,
- 진동 발생기에 의해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있는 소노트로드 헤드(12; 12'; 12''; 12''')를 갖는 소노트로드(11; 11'; 11''; 11'''); 및
- 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12''; 12''')의 진동 노드를 포함하는 지지 영역(16; 16'; 16''; 16''')에서 소노트로드 헤드(12; 12'; 12''; 12''')를 지지하는 지지 장치(15; 15'; 15''; 15''')
를 포함하는 장치에 있어서,
상기 소노트로드(11; 11'; 11''; 11''')는 상기 비틀림 축선(T)에 대해 실질적으로 수직하게 상기 지지 영역(16; 16'; 16''; 16''')을 관통하는 보어(17; 17'; 17''; 17''')를 구비하며,
상기 지지 장치(15; 15'; 15''; 15''')는, 상기 보어(17; 17'; 17''; 17''')를 통과해 연장하고 상기 보어(17; 17'; 17''; 17''') 내 상기 지지 영역(16; 16'; 16''; 16''')에서 상기 소노트로드(11; 11'; 11'', 11''')를 지지하는 지지 핀(18; 18'; 18''; 18''')을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 지지 핀(18; 18'; 18''; 18''')은 중간 끼워 맞춤(transition fit), 수축 또는 압입을 통해 상기 보어(17; 17'; 17''; 17''') 내 상기 지지 영역(16; 16'; 16''; 16''')에서 상기 소노트로드(11; 11'; 11''; 11''')를 지지하는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 지지 핀(18; 18'; 18''; 18''')은 상기 비틀림 축선(T)과 교차하는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 보어(17; 17'; 17'')는 상기 지지 영역(16; 16'; 16'')의 방향으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 지지 핀(18; 18'; 18'')은 중간 영역(24; 24'; 24'')의 방향으로 확장되며, 이 중간 영역에서 상기 지지 핀(18; 18'; 18'')이 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')를 지지하는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 지지 핀(18; 18'; 18'')을 따른 상기 지지 영역(16; 16'; 16'')의 길이는 상기 지지 핀(18; 18'; 18'')을 따른 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')의 크기의 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 지지 핀(18; 18'; 18'')은 서로 대향하게 놓여 있고 각각 하나의 베어링 개구(29; 29'; 29'') 내에 수용되는 2개의 단부(20; 20'; 20'')를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서,
단일 피스로 이루어지고 적어도 부분적으로 2개의 베어링 개구(29; 29'; 29'')를 형성하는 베어링 블록(23; 26'; 26'')을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서,
적어도 하나의 용접면(14; 14'; 14'')이 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'') 상에 배치되며;
상기 장치는 상기 베어링 블록(23; 26'; 26'')에 상기 비틀림 축선(T)에 대해 실질적으로 수직하게 작용하는 힘(K)을 생성하는 가압 장치를 포함하며, 그 결과, 상기 용접면(14; 14'; 14'')이 제2 부품에 연결될 제1 부품에 압박될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 지지 장치(15''; 15''')는 상기 소노트로드 헤드(12'', 12''')의 온도를 제어하는 온도 제어 장치를 구비하며,
상기 온도 제어 장치는, 상기 지지 장치(15''; 15''')를 통과해 안내되는, 온도 제어 매체를 위한 적어도 하나의 온도 제어 피드(temperature control feed), 및 상기 온도 제어 피드에 작동적으로 연결되는 적어도 하나의 온도 제어 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 온도 제어 피드는 적어도 하나의 피드 덕트(31''; 31''')를 포함하며, 이 피드 덕트(31''; 31''')를 통해 온도 제어 유체가 상기 소노트로드 헤드(12'', 12''') 내로 도입되거나 상기 소노트로드 헤드(12'', 12''')로부터 배출될 수 있으며,
상기 온도 제어 요소는 온도 제어 유체를 위한 적어도 하나의 온도 제어 덕트를 포함하고, 이 온도 제어 덕트는 상기 피드 덕트(31''; 31''')에 유체 연통하게 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 소노트로드(11''; 11''')는 상기 지지 영역(16''; 16''')을 관통하는 보어(17''; 17''')를 구비하며, 상기 지지 장치(15''; 15''')는 상기 보어(17''; 17''')를 통과해 연장하고 상기 보어(17''; 17''') 내 상기 지지 영역(16''; 16''')에서 상기 소노트로드(11'', 11''')를 지지하는 지지 핀(18''; 18''')을 포함하며,
상기 지지 핀(18''; 18''')은 피드 덕트(31''; 31''')를 구비하며, 상기 피드 덕트(31''; 31''')는 상기 지지 핀(18''; 18''')의 대향한 단부(20''; 20''')들에 배치된 개구(32'', 33'')에서 개구되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 온도 제어 요소는 상기 소노트로드 헤드(12'', 12''')의 용접면(14''; 14''')의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')는 진동 발생기에 의해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있으며, 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')는 상기 비틀림 축선(T)에 대해 반경방향으로 있는 적어도 하나의 돌기(22; 22'; 22'')를 구비하며, 이들 돌기(22; 22'; 22'')의 단부에 각각 하나의 용접면(14; 14'; 14'')이 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항, 제4항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')는 진동 발생기에 의해 비틀림 축선(T)에 대해 비틀림 진동을 수행하도록 여기될 수 있으며, 상기 소노트로드 헤드(12; 12'; 12'')는 상기 비틀림 축선(T)에 대해 반경방향으로 있고 서로 대향하게 놓여 있는 정확히 2개의 돌기(22; 22'; 22'')를 구비하며, 이들 돌기(22; 22'; 22'')의 단부에 각각 하나의 용접면(14; 14'; 14'')이 형성되며, 상기 지지 핀(18; 18'; 18'')은 2개의 용접면(14; 14'; 14'')을 서로 연결하는 연결 라인(V)에 대해 실질적으로 수직으로 연장하는 것을 특징으로 하는 장치.