KR20150086855A - 초음파 융착기의 구동장치 - Google Patents

초음파 융착기의 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 융착기의 구동장치이 개시된다. 본 발명의 초음파 융착기의 구동장치는 융착기의 혼 일측에 설치되어 전기 진동신호에 의해 기계적 진동을 발생시키는 진동소자; 진동소자를 구동시키기 위한 구동주파수를 발생시키는 발진부; 및 발진부에서 발생된 구동주파수를 승압시키고, 구동주파수가 직류 공진점과 병렬 공진점의 사이에 위치하도록 복합 공진시켜 전기 진동신호를 진동소자에 출력하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 융착기의 구동장치{APPARATUS FOR DRIVING ULTRASONIC WELDING MACHINE}
본 발명은 초음파 융착기의 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 초음파를 이용하여 모재를 융착시키는 초음파 융착기에서 출력단의 임피던스를 조정하여 발열을 최소화시키면서도 전력효율을 높여 고출력 초음파를 을 발생시킬 수 있도록 한 초음파 융착기의 구동장치에 관한 것이다.
초음파 접합은 초음파 파동에 의한 파동에너지를 이용하여 섬유 집합체에서 섬유 상호간을 접합시킬 수 있는 열에너지로의 전환을 응용한 신기술이다.
초음파 에너지는 단순한 기계적인 파동에너지로 사람이 들을 수 없는 주파수에서 작동한다. 이 주파수는 보통 인간의 가취 영역의 상한선 위인 18,000Hz 이상이다.
초음파 접합 산업은 폴리머 재질의 산업전반에 걸친 영역 확대에 따라 금속재질로서는 구현하기 어려운 형상 및 미관을 폴리머 재료가 수행함으로써 조립공정과 생산 공정, 성형 기술 및 접합 기술에도 발전을 가져오고 있다.
그 중 접합 부분을 살펴보면 낮은 용융점의 폴리머 특성을 이용하여 가열, 용융, 접합의 방식으로 접합하는 가열 접합, 고상 접합법으로 초음파 접합, 진동 접합, 회전접합 등을 들 수 있다.
편재 폴리머계열이나 금속의 고상 접합법으로 각광받고 있는 초음파 접합은 통상 15~60kHz 대의 초음파를 부스터(Booster)와 혼(Horn)의 공질을 이용하여 초음파 에너지를 증폭하여 접합계면의 마찰에너지로 인해 변환되어지는 열을 이용하여 접합한다. 보통 이 방법으로 접합하는 것은 동종 폴리머(Polymer) 계열에 많이 사용되며 특수한 조건을 부여하여 이종재 접합을 실현하는 경우도 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2010-0042890호(2010. 04. 27. 공개, 발명의 명칭 : 초음파 융착기)에 개시되어 있다.
이와 같이 고출력 초음파를 이용하여 모재를 융착시키는 초음파 융착기의 경우 낮은 전압으로 고출력 초음파의 발생을 위해서는 낮은 임피던스를 유지해야 되지만 진동소자에서 많은 열이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 진동소자에서 발생되는 열을 줄이기 위해 높은 임피던스를 유지할 경우에는 전력효율이 떨어져 고출력 초음파를 발생시키기 위해서는 더욱더 높은 전압을 사용해야하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 고출력 초음파를 이용하여 모재를 융착시키는 초음파 융착기에서 출력단의 임피던스를 조정하여 발열을 최소화시키면서도 전력효율을 높여 고출력 초음파를 발생시킬 수 있도록 한 초음파 융착기의 구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 초음파 융착기의 구동장치는, 초음파 융착기의 혼 일측에 설치되어 전기 진동신호에 의해 기계적 진동을 발생시키는 진동소자; 진동소자를 구동시키기 위한 구동주파수를 발생시키는 발진부; 및 발진부에서 발생된 구동주파수를 승압시키고, 구동주파수가 직류 공진점과 병렬 공진점의 사이에 위치하도록 복합 공진시켜 전기 진동신호를 진동소자에 출력하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 증폭부는 발진부에서 발생된 구동주파수를 고전압으로 승압시키기 위한 파워트랜스포머; 발진부에서 발생된 구동주파수를 직렬 공진시키기 위한 직렬공진부; 및 발진부에서 발생된 구동주파수를 병렬 공진시키기 위한 병렬공진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 융착기의 구동장치는 고출력 초음파를 이용하여 모재를 융착시키는 초음파 융착기에서 진동소자를 구동시키기 위한 구동주파수가 직류 공진점과 병렬 공진점의 사이에 위치하도록 복합 공진시켜 출력단의 임피던스를 조정함으로써 발열을 최소화시키면서도 전력효율을 높여 고출력 초음파를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치의 증폭부를 나타낸 회로구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치에서 구동주파수에 따른 출력임피던스의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치는 진동소자(30), 발진부(10) 및 증폭부(20)를 포함한다.
진동소자(30)는 초음파 융착기의 혼(미도시) 일측에 설치되어 전기 진동신호에 의해 기계적 진동을 발생시킨다. 즉, 진동소자(30)는 세라믹 등의 압전 재료에 전기 진동신호가 입력될 경우 수축과 팽창을 통해 기계적 진동을 발생시킨다.
따라서, 융착기의 혼에서는 진동소자(30)를 고정시켜 모재를 가압한 후, 진동소자(30)의 기계적인 진동을 증폭시켜 모재의 가압된 부분을 가열함으로써 모재를 융착시키게 된다.
발진부(10)는 진동소자(30)를 구동시키기 위한 구동주파수를 발생시킨다. 즉, 초음파 진동이 발생되도록 구동주파수를 발생시킨다.
증폭부(20)는 발진부(10)에서 발생된 구동주파수를 승압시키고, 구동주파수가 직류 공진점과 병렬 공진점의 사이에 위치하도록 공진시켜 전기 진동신호를 진동소자에 출력한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치의 증폭부를 나타낸 회로구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치에서 구동주파수에 따른 출력임피던스의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 융착기의 구동장치의 증폭부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 파워트랜스포머(24), 직렬공진부(22) 및 병렬공진부(26)를 포함한다.
직렬공진부(22)는 제1커패시터(C1)와 제1인덕터(L1)가 직렬로 연결되어, 발진부(10)에서 발생된 구동주파수(fc)를 직렬 공진시킨다.
이렇게 직렬공진을 수행할 경우 출력단(A-B)에서의 임피던스(Z)는 도 3에 도시된 바와 같이 직렬 공진주파수(fs)까지 임피던스가 감소한 후 직렬 공진점(S)을 변곡점으로 다시 상승한다.
파워트랜스포머(24)는 발진부(10)에서 발생된 구동주파수를 600V~1000V의 고전압으로 승압시켜 진동소자(30)에 인가함으로써 고출력 초음파를 발생시킨다.
병렬공진부(26)는 제 2커패시터(C2)와 제 2인덕터(L2)가 병렬로 연결되어, 발진부(10)에서 발생된 구동주파수(fc)를 병렬 공진시킨다.
이렇게 병렬공진을 수행할 경우 출력단(A-B)에서의 임피던스(Z)는 도 3에 도시된 바와 같이 병렬 공진주파수(fp)까지 임피던스가 상승한 후 병렬 공진점(P)을 변곡점으로 다시 하강한다.
이때 증폭부(20)에서 직렬공진부(22)는 파워트랜스포머(24)의 전단에 설치되고, 병렬공진부(26)는 파워트랜스포머(24)의 후단에 설치된 상태로 설명하고 있으나, 직렬공진부(22)와 병렬공진부(24)의 위치가 서로 바뀔 수도 있을 뿐만 아니라 파워트랜스포머(24)의 전단에 직렬공진부(22)와 병렬공진부(26)가 모두 설치될 수도 있고, 파워트랜스포머(24)의 후단에 직렬공진부(22)와 병렬공진부(24)가 모두 설치될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 직렬공진과 병렬공진을 모두 적용한 복합공진을 통해 출력단(A-B)에서의 임피던스(Z)가 직렬 공진주파수(fs)와 병렬 공진주파수(fp)의 발진범위에 진동소자(30)의 구동주파수(fc)가 위치할 수 있도록 직렬공진부(22)와 병렬공진부(26)의 공진주파수를 조절하여 설정한다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 출력단(A-B)에서의 임피던스(Z)의 변화를 살펴볼 때, 병렬 공진주파수(fp)와 직렬 공진주파수(fs)의 발진범위(R)에서는 선형적인 특성을 보이고 있기 때문에 구동주파수(fc)가 발진범위(R) 내에 위치할 수 있도록 직렬공진부(22)와 병렬공진부(26)의 인덕턴스와 커패시턴스를 조정하여 출력단(A-B)에서의 임피던스(Z)를 설정함으로써 진동소자(30)에서의 발열을 최소화시키면서도 전력효율을 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 초음파 융착기의 구동장치에 따르면, 초음파 융착기의 구동장치는 고출력 초음파를 이용하여 모재를 융착시키는 초음파 융착기에서 진동소자를 구동시키기 위한 구동주파수가 직류 공진점과 병렬 공진점의 사이에 위치하도록 복합 공진시켜 출력단의 임피던스를 조정함으로써 발열을 최소화시키면서도 전력효율을 높여 고출력 초음파를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 발진부 20 : 증폭부
22 : 직렬공진부 24 : 파워트랜스포머
26 : 병렬공진부 30 : 진동소자

Claims (2)

  1. 초음파 융착기의 혼 일측에 설치되어 전기 진동신호에 의해 기계적 진동을 발생시키는 진동소자;
    상기 진동소자를 구동시키기 위한 구동주파수를 발생시키는 발진부; 및
    상기 발진부에서 발생된 상기 구동주파수를 승압시키고, 상기 구동주파수가 직류 공진점과 병렬 공진점의 사이에 위치하도록 복합 공진시켜 상기 전기 진동신호를 상기 진동소자에 출력하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 융착기의 구동장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 증폭부는
    상기 발진부에서 발생된 상기 구동주파수를 고전압으로 승압시키기 위한 파워트랜스포머;
    상기 발진부에서 발생된 상기 구동주파수를 직렬 공진시키기 위한 직렬공진부; 및
    상기 발진부에서 발생된 상기 구동주파수를 병렬 공진시키기 위한 병렬공진부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 융착기의 구동장치.
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