KR102558789B1 - 용착 제품 표면에 굴곡 및 손상을 줄이고 용착 강도를 증대시키는 초음파 용착기의 면용착 공구혼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용착 제품 표면에 굴곡 및 손상을 줄이고 용착 강도를 증대시키는 초음파 용착기의 면용착 공구혼에 관한 것으로, 본 발명은 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 진동을 전달하는 공구혼(tool horn)에 있어서, 상기 공구혼은 다단으로 형성되고, 말단부로 갈수록 단의 측면 두께가 작아지도록 형성되며, 말단부는 직육면체 형상으로서, 말단부 상측면에는 좌우로 길게 다수의 돌출턱이 형성되고, 상기 돌출턱은 측면부로 길게 돌기와 홈이 교호로 형성되고, 상기 돌기는 측단면이 삼각형 형상인 용착산을 이루도록 말단부가 뾰족하게 형성되며, 돌기들 사이에 높이와 간격을 일정하게 유지하도록 하여 접촉면이 형성되도록 하고, 양측단 돌기 간의 경사면의 각도를 30°로 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 의한 면용착 공구혼이 장착된 초음파 융착기는 용착된 제품의 표면에 굴곡과 손상을 줄일 수 있고, 용착되는 제품의 강도를 증대시키는 장점이 있으며, 용착되는 제품의 두께를 줄일 수 있는 매우 유용한 발명이다.

Description

용착 제품 표면에 굴곡 및 손상을 줄이고 용착 강도를 증대시키는 초음파 용착기의 면용착 공구혼{Surface welding tool horn of an ultrasonic welding machine that reduces bending and damage to the surface of welding products surface and increases weld strength}

본 발명은 초음파 용착기의 공구혼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 용착기에 의해 용착된 제품의 표면에 굴곡과 손상을 줄이고 용착되는 제품의 강도를 증대시키는 초음파 용착기의 면용착 공구혼에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는 사람의 귀에는 들리지 않는 15~60khz 사이의 음파로서, 현재 이러한 초음파는 크게 신호적인 방법과 동력적인 방법으로 이용하고 있는 실정이다.

초음파가 신호적으로 이용되는 예는 쏘나(sonar), 깊이 측정, 그리고 검사 등과 같은 것으로서, 초음파 신호를 발진하여 반사되어 돌아오는 것을 받아들여 측정하거나 영상으로 변환하는 방법으로 이용되고 있다.

또 다른 이용 사례는 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.

상기 부스터는 메인혼(main horn)이라고도 하고, 통상 공구혼(tool horn)은 알루미늄, 티타늄, 스틸 등과 이들의 합금 재질로 이루어진다.

이러한 초음파 용착기의 작동 원리를 살펴보면, 먼저 전원 공급장치를 통해 100~250v, 50/60Hz의 전원을 15,000Hz와 60,000Hz의 에너지로 변환시키고, 이것을 다시 진동자를 통해 기계적 진동에너지로 변환시킨 후 부스터로 그 진폭을 조절한다.

이와 같은 초음파 진동에너지가 공구혼을 통해 용착물에 전달되면 용착물의 접합면에서 순간적인 마찰열이 발생하므로, 용착물이 용해되어 접착되며 강력한 결합이 형성된다.

한편, 차량의 범퍼(Bumper)나 가니쉬(Garnish)와 같은 차량의 부품은 외관 품질을 가장 중요하게 생각하는데, 이러한 범퍼에 장착되는 센서 브라켓(Bracket)이나, 가니쉬에 장착되는 장착 브라켓(Bracket) 등을 범퍼나 가니쉬의 표면이 굴곡지지 않고 매끈하게 장착하기 위해서는 주로 초음파 용착을 한다.

특히 그 중에서도 용착 기법 중의 하나인 초음파 점용착(spot-welding)을 한다.

상기 초음파 점용착(spot-welding)은 열가소성 수지 중에서도 연질에 속하는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 고무 소재인 에틸렌 프로필렌 터폴리머(Ethylene Propylene Terpolymers, EDPM) 등과 같은 제품에 적용하거나, 초음파 용착을 위한 용착산을 형성할 수 없고, 대형 제품인 경우에 적용한다.

이러한 초음파 점용착의 원리를 알아보기 위해 초음파 점용착의 공구혼을 통해 초음파 점용착을 더욱 상세히 알아보기로 한다.

도 1a는 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼의 정면을 보여주는 정면도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 점용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도이다.

또한, 도 1c는 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼의 측면을 보여주는 측면도이고, 도 1d는 도 1c에 도시된 점용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도이다.

도 1e는 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼의 전체적인 상태와 그 상태의 돌기를 확대하여 보여주는 사시 및 확대도이다.

도 1a 내지 도 1e를 통해 확인되는 바와 같이 점용착 공구혼(10)은 공구혼의 상측면(11)에 2열 횡대로 나열된 복수의 돌기(20)가 형성되고, 상기 돌기(20)는 일정한 간격을 유지하고 있으며, 각 돌기는 원기둥 형상으로 하측에서 상측으로 갈수록 좁아지는 하광 상협의 형상으로서, 상측면은 평평하고 둘레가 원형이며, 말단부가 뾰족한 형상이다.

이러한 점용착 공구혼에 의한 초음파 점용착의 원리는 뾰족한 공구혼으로 상제품을 관통한 후 상제품 두께의 1/2 깊이 만큼 하제품을 녹여서 상하 제품에서 발생된 용융물이 공구혼의 가압에 의해 관통된 구멍 주위로 퍼져 구멍 주위가 용착이 이루어지는 원리이다.

자동차 범퍼에 장착되는 센서 브라켓을 예로 들면, 자동차 범퍼의 접합면을 점용착 공구혼이 관통한 후 범퍼 접합면의 1/2 깊이 만큼 센서 브라켓을 녹여서 범퍼와 브라켓의 용융물이 점용착 공구혼의 가압에 의해 관통 구멍 주위에 퍼져 구멍 주위가 용착이 된다.

도 1f는 종래 기술에 의한 점용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 제거한 후의 범퍼 접합면을 보여주는 도면 대용 사진이고, 도 1g는 종래 기술에 의한 점용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 범퍼로부터 제거한 후의 브라켓의 상태를 보여주는 도면 대용 사진이다.

도 1f와 도 1g를 참고하면, 초음파 점용착은 초음파 부하를 줄이고 제품 간의 접촉면을 최소화하여 범퍼의 외관 품질을 좋게 만들기 위함이나 점용착의 원리 상 범퍼의 접합면을 손상시켜 용착이 이루어지기 때문에 도면에서 보는 바와 같이 제품의 외관에 손상이 오거나 굴곡이 발생하게 되고, 용착 강도에 아주 민감한 문제점이 발생한다.

따라서 초음파 용착기에 의해 용착된 제품의 표면에 굴곡과 손상을 줄이고 용착되는 제품의 강도를 증대시키는 초음파 용착기 공구혼이 절실히 요구되는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1886542호, 2018년 08월 07일 공개 대한민국 등록특허 제10-1836754호, 2018년 03월 08일 공개 대한민국 등록특허 제10-1599987호, 2016년 03월 04일 공개 대한민국 등록특허 제10-1331335호, 2013년 11월 20일 공개

따라서 상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 첫 번째 목적은 초음파 용착기에 의해 용착된 제품의 표면에 굴곡과 손상을 줄일 수 있는 초음파 용착기의 공구혼을 제공하는 데 있으며, 두 번째 목적은 초음파 용착기에 의해 용착되는 제품의 강도를 증대시킬 수 있는 초음파 용착기 공구혼을 제공하는 데 있으며, 세 번째는 초음파 용착기에 의해 용착되는 제품의 두께를 줄일 수 있는 초음파 용착기 공구혼을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파 용착기를 구성하는 공구혼(tool horn)에 있어서, 상기 공구혼은 다단으로 형성되고, 말단부로 갈수록 단의 측면 두께가 작아지도록 형성되며, 말단부는 직육면체 형상으로서, 말단부 상측면에는 좌우로 길게 다수의 돌출턱이 형성되고, 상기 돌출턱은 측면부로 길게 돌기와 홈이 교호로 형성되고, 상기 돌기는 측단면이 삼각형 형상인 용착산을 이루도록 말단부가 뾰족하게 형성되며, 돌기들 사이에 높이와 간격을 일정하게 유지하도록 하여 접촉면이 형성되도록 하고, 양측단 돌기 간의 경사면의 각도를 30°로 유지되도록 하는 구성에 의해 달성된다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면 초음파 용착기에 의해 용착된 제품의 표면에 굴곡과 손상을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 용착되는 제품의 강도를 증대시키는 장점이 있다.

더불어, 용착되는 제품의 두께를 줄일 수 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1a는 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼의 정면을 보여주는 정면도
도 1b는 도 1a에 도시된 점용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도
도 1c는 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼의 측면을 보여주는 측면도
도 1d는 도 2c의 점용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도
도 1e는 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼의 전체적인 상태와 그 상태의 돌기를 확대하여 보여주는 사시 및 확대도
도 1f는 종래 기술에 의한 점용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 제거한 후의 범퍼 접합면을 보여주는 도면 대용 사진
도 1g는 종래 기술에 의한 점용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 범퍼로부터 제거한 후의 브라켓의 상태를 보여주는 도면 대용 사진
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 용착기를 보여주는 사시도
도 3a는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼의 정면을 보여주는 정면도
도 3b는 도 3a의 면용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도
도 3c는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼의 측면을 보여주는 측면도
도 3d는 도 3c의 면용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도
도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼의 전체적인 상태와 그 상태의 돌기를 확대하여 보여주는 사시 및 확대도
도 3f는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 제거한 후의 범퍼 접합면을 보여주는 도면 대용 사진
도 3g는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 범퍼로부터 제거한 후의 브라켓의 상태를 보여주는 도면 대용 사진

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 진동을 전달하는 공구혼(tool horn)에 있어서, 상기 공구혼은 다단으로 형성되고, 말단부로 갈수록 단의 측면 두께가 작아지도록 형성되며, 말단부는 직육면체 형상으로서, 말단부 상측면에는 좌우로 길게 다수의 돌출턱이 형성되고, 상기 돌출턱은 측면부로 길게 돌기와 홈이 교호로 형성되고, 상기 돌기는 측단면이 삼각형 형상인 용착산을 이루도록 말단부가 뾰족하게 형성되며, 돌기들 사이에 높이와 간격을 일정하게 유지하도록 하여 접촉면이 형성되도록 하고, 양측단 돌기 간의 경사면의 각도를 30°로 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 초음파 용착기를 보여주는 사시도로서, 도 2를 참조하면, 초음파 용착기에는 베이스 프레임(30)을 중심축으로 하여, "a" 위치에 공구혼이 장착된다.

아래에서 상기 초음파 용착기의 작동상태를 자동차 범퍼에 용착되는 센서 브라켓을 예로 들어 설명하도록 한다.

작업자가 범퍼에 용착될 센서 브라켓을 하지그(미도시)에 올려 놓으면, 센서 브라켓이 안착된 하지그 이송부(80)가 하강하게 되고, 하다이 이송부(90)가 펀칭 위치로 전진 상승하게 되며, 다시 작업자가 범퍼를 올려 놓고 시작 버튼을 누르면 상지그 이송부(40)가 하강하면서 상지그(70) 및 상지그 누름지그부(60)가 장착된 상지그 이송몸체(50)가 하강하면서 범퍼에 펀칭을 한 후 상승을 하게 되며, 하 다이 이송부(90)는 원위치로 복귀하게 되고 센서 브라켓이 안착된 하지그가 상승하면서 초음파 용착을 하게 된다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼의 정면을 보여주는 정면도이고, 도 3b는 도 3a의 면용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도이며, 도 3c는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼의 측면을 보여주는 측면도이다.

도 3a 내지 도 3c를 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 용착 제품 표면에 굴곡 및 손상을 줄이고 용착 강도를 증대시키는 초음파 용착기의 면용착 공구혼은 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 진동을 전달하는 공구혼(tool horn)에 있어서, 상기 공구혼은 다단으로 형성되고, 말단부로 갈수록 단의 측면 두께가 작아지도록 형성되며, 말단부는 직육면체 형상으로서, 말단부 상측면(101)에는 좌우로 길게 다수의 돌출턱(110)이 형성된다.

또한, 상기 돌출턱(110)은 측면부로 길게 돌기(111)와 홈(112)이 교호로 형성되고, 상기 돌기(111)는 측단면이 삼각형 형상을 이루도록 말단부가 뾰족하게 형성되며, 돌기들 사이에 높이와 간격을 일정하게 유지하도록 하여 접촉면(120)이 형성되어 면용착을 하게 된다.

특히, 측단면이 삼각형 형상인 용착산을 형성하게 되고 도 3c에서와 같이 접촉면이 형성되어 면용착을 하게 된다.

이러한 면용착 공구혼은 종래의 기술에 의한 점용착 공구혼과 달리 상제품(범퍼)을 공구혼이 관통하지 않고 범퍼와 센서 브라켓과의 접촉 표면에서 용융되어 용착되므로 제품의 표면에 굴곡이나 손상이 발생하지 않으며 공구혼의 돌기 주변에서 하제품(센서 브라켓)의 용융물을 발생하게 하여 상제품(범퍼)과 엉겨 용착하게 하므로 용착되는 제품의 강도를 증대시키는 장점이 있다.

더불어, 용착되는 제품의 강도를 증가시킬 수 있어 용착되는 상제품(범퍼)의 제품의 두께를 줄일 수 있는 매우 유용한 발명이다.

도 3d는 도 3c의 면용착 공구혼의 돌기를 확대하여 보여주는 확대도로서, 도 3d를 참고하면, 돌출턱(110)에 형성된 각각의 양측단의 돌기 간의 경사면의 각도(b)를 30°로 유지하는 것이 용착되는 제품의 강도를 최고로 극대화 할 수 있다. 즉, 앞에서 설명한 용착산이 완만하지 않고 가파르게 형성될 때 제품을 용착강도를 극대화 할 수 있었다.

도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼의 전체적인 상태와 그 상태의 돌기를 확대하여 보여주는 사시 및 확대도로서, 상기 돌출턱(110)에 형성된 돌기(111)의 갯수에 의해 융착 강도가 결정된다. 즉, 돌기의 갯수가 많을 수록 융착 강도가 증대 되었다.

또한, 초음파 융착기의 초음파 주파수의 강도와 초음파 융착기에 의해 용착되는 제품을 형태나 성상을 고려하여 돌기 간의 최대 폭을 결정하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 자동차 범퍼에 센서 브라켓을 용착시키는 경우 돌출턱(110)은 좌우 4쌍을 형성하고, 상기 돌출턱(110)에 돌기는 3개를 형성하고, 그에 따라 홈은 2개를 형성하는 것이 바람직하다.

도 3f는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 제거한 후의 범퍼 접합면을 보여주는 도면 대용 사진이고, 도 3g는 본 발명의 실시예에 의한 면용착 공구혼에 의해 범퍼에 용착된 센서 브라켓을 범퍼로부터 제거한 후의 브라켓의 상태를 보여주는 도면 대용 사진으로서, 전술한 바와 같이 이러한 본 발명의 구성에 의하면 제품의 표면에 굴곡과 손상을 줄일 수 있고, 용착되는 제품의 강도를 증대시키는 장점이 있다.

10 : 점용착 공구혼 11 : (점용착 공구혼) 상측면
20 : (점용착 공구혼) 돌기 30 : 베이스 프레임
40 : 상지그 이송부 50 : 상지그 이송몸체
60 : 상지그 누름부 70 : 상지구
80 : 하지그 이송부 90 : 하다이 이송부
100 : 면용착 공구혼 101 : (면용착 공구혼) 상측면
110 : 돌출턱 111 : (면용착 공구혼) 돌기
112 : 홈 120 : 접촉면
a : 공구혼 장착위치 b : 돌기 경사면 간의 각도

Claims (3)

1. 초음파 용착기에서 진동 에너지를 전달 받아 용착물에 직접 접촉하여 진동을 전달하는 공구혼(tool horn)에 있어서,
   상기 공구혼은 다단으로 형성되고, 말단부로 갈수록 단의 측면 두께가 작아지도록 형성되며, 말단부는 직육면체 형상으로서, 말단부 상측면(101)에는 좌우로 길게 다수의 돌출턱(110)이 형성되고,
   상기 돌출턱(110)은 측면부로 길게 돌기(111)와 홈(112)이 교호로 형성되고, 상기 돌기(111)는 측단면이 삼각형 형상인 용착산을 이루도록 말단부가 뾰족하게 형성되며, 돌기들 사이에 높이와 간격을 일정하게 유지하도록 하여 접촉면(120)이 형성되도록 하고, 양측단 돌기 간의 경사면의 각도(b)를 30°로 유지하는 것을 특징으로 하는 용착 제품 표면에 굴곡 및 손상을 줄이고 용착 강도를 증대시키는 초음파 용착기의 면용착 공구혼(100)
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