KR20210103540A

KR20210103540A - 초음파 용접 시스템

Info

Publication number: KR20210103540A
Application number: KR1020217022624A
Authority: KR
Inventors: 라파엘레 망시니; 스테판 젠들러; 울리히 보글러; 요하네스 폴
Original assignee: 헤르만 울트라샬테흐닉 게엠베하 운트 콤파니 카게
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-08-23
Also published as: US20220088700A1; CN113165018A; EP3898010A1; US11938556B2; WO2020126831A1; JP2022515105A; EP3898010B1; JP7259039B2; CN113165018B; DE102018132837A1

Abstract

본 발명은 소노트로드와 변환기를 갖는 초음파 진동 유닛을 포함하고, 소노트로드와 변환기는 종축을 따라 서로 인접하게 배치되고, 초음파 진동 유닛은 파장(λ/2)을 갖는 종축 방향의 초음파 진동과 공진시킬 수 있고, 초음파 진동 유닛을 홀딩하기 위한 홀더가 제공되는 초음파 용접 장치에 관한 것이다. 앤빌에 대한 소노트로드의 밀봉 표면을 간단하고 신속하게 그리고 매우 정밀하게 조정할 수 있는 초음파 용접 장치를 제공하기 위해, 본 발명에 따라 홀더에는 각도 위치 결정 장치가 있고, 여기서 각도 위치 결정 장치와 초음파 진동 장치는 확실한 잠금 관계로 함께 접속될 수 있도록 구성되고, 그 결과 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 회전은 확실한 잠금 접속에 의해 방지되고, 종축 방향으로 초음파 진동 유닛과 홀더 사이의 상대적 이동이 방해받지 않는다.

Description

초음파 용접 시스템

본 발명은 소노트로드(sonotrode) 및 변환기를 갖는 초음파 진동 유닛을 포함하는 초음파 용접 장치에 관한 것이다. 소노트로드와 변환기는 종축을 따라 서로 인접하게 배치되며, 초음파 진동 유닛은 초음파 진동과 하기 주파수(f)에서 종축 방향으로 공진할 수 있도록 서로 일치한다:

f = v/λ

상기 식에서,

v는 초음파 진동 유닛 내에서 음향 초음파 진동의 전파 방향이고,

λ는 초음파 진동의 파장이다.

이 경우, 초음파 진동 유닛에는 진동 노드(node)와 진동 최대 값을 갖는 정재파(standing wave)가 형성된다. 가장 간단한 경우에, 소노트로드는 정확히 하나의 진동 노드와 2개의 진동 최대값을 가진다. 즉, 소노트로드는 공진 진동의 파장의 절반(λ/2)에 해당하는 길이를 갖는다.

일반적으로 초음파 용접 장치에는 앤빌(anvil)이 있으며, 여기서 가공할 재료는 소노트로드의 밀봉 표면과 앤빌의 밀봉 표면 사이에 배치된다.

초음파 진동 유닛은 가공 작업을 위해 홀딩되어야 하므로 적합한 홀더를 갖는다.

용접 품질에 대한 요구는 항상 점점 더 증가하고 있다. 또한, 예를 들어 금속과 같은 재료가 있는데, 용접 가공 시 소노트로드의 밀봉 표면에 상당한 마모가 발생하여 소노트로드를 자주 교체해야 한다. 복수의 밀봉 표면을 갖고 가끔 회전하는 소노트로드가 이미 제안되었으며, 또 다른 밀봉 표면과 계속 작동하기 위해 밀봉 표면이 마모된 후에 소노트로드가 회전될 수 있다.

특히 금속 용접에서 고품질의 용접을 얻기 위해서는 소노트로드와 앤빌의 밀봉 표면이 매우 정확히 서로 평행하게 위치되어야 한다. 특히, 초음파 진동 유닛과 앤빌에 대한 소노트로드의 밀봉 표면의 평행한 위치 결정은 공지된 초음파 용접 장치에서 매우 복잡하고 힘들며, 특히 소노트로드를 자주 교체해야 하는 경우, 가공 과정이 중단되어 번거롭고, 특히 훈련된 작업원에 의해서만 실행될 수 있는 경우가 많다. 회전 소노트로드의 사용은, 소노트로드를 회전할 때마다 앤빌과 정확히 평행하게 다시 위치해야 하기 때문에, 어떤 식으로든 변경되지 않는다.

따라서, 본 발명의 목적은 앤빌에 대한 소노트로드의 밀봉 표면을 간단하고, 빠르고 매우 정확하게 조정할 수 있는 초음파 용접 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은, 홀더가 각도 위치 결정 장치를 가지며, 각도 위치 결정 장치 및 초음파 진동 유닛은 확실한 잠금 관계에서 함께 접속될 수 있도록 구성되고, 그 결과 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 회전은 확실한 잠금 접속에 의해 방지되고, 초음파 진동 유닛과 홀더 사이의 종축 방향으로의 상대적인 이동은 방해 받지 않는 구성에 의해 달성된다.

그 확실한 잠금 접속에 의해, 초음파 진동 유닛의 각도 위치는 그 종축에 대해 설정된다. 초음파 진동 유닛은 회전 위치를 고정하기 위해 각도 위치 결정 장치에만 접속되어야 한다. 따라서, 초음파 진동 유닛의 위치 결정은 종축 방향으로 적어도 제한된 범위로 실시될 수 있다. 확실한 잠금 접속으로 인해 종축을 중심으로 한 추가 회전이 방지된다. 확실한 잠금 접속이 유효하게 될 때, 확실한 잠금 접속은 각도 위치가 종축에 대해 원하는 위치에 있도록 구성된다. 회전 방향의 추가 조정은 필요하지 않다. 따라서 초음파 진동 유닛은 앤빌과 소노트로드의 밀봉 표면의 거의 완전하게 평행인 배향을 달성하기 위해, 각도 위치 결정 장치에 접속해야만 한다.

바람직한 실시형태에서, 초음파 진동 유닛은 적어도 하나의 오목부가 있는 외부 비드를 가지며, 여기서 각도 위치 결정 장치는 오목부에 대응하고 오목부에 결합할 수 있는 적어도 하나의 돌출부를 가지며, 따라서 확실한 잠금 접속을 제공하게 된다.

이와 관련하여 외부 비드는 복수의 오목부를 가지며, 여기서 바람직하게는 각도 위치 결정 장치는 복수의 오목부에 대응하는 복수의 돌출부를 가지며, 특히 바람직하게는 초음파 진동 유닛은 종축을 중심으로 서로에 대해 회전되는 복수의 위치에서 각도 위치 결정 장치에 확실한 잠금 관계로 접속될 수 있다.

특히, 소노트로드가 복수의 밀봉 표면을 갖는 회전 소노트로드의 형태 인 경우, 후자의 실시형태가 유리하다. 확실한 잠금 접속이 각도 위치 결정 장치와 초음파 진동 유닛 사이의 상대적 회전을 방지하는 어떠한 위치에서도, 초음파 진동 유닛은 복수의 밀봉 표면 중 하나가 최적의 방식으로 배향되는 회전 위치에 있다.

외부 비드는 임의의 원하는 구성일 수 있다. 예를 들어, 외부 비드는 T 자형 단면을 가질 수 있다. 외부 비드는 다리의 한쪽으로부터 직각으로 양측에 연장되는 플랜지와 다리를 갖고 있다. 그 다음, 오목부(들)는 바람직하게는 플랜지에 제공될 수 있다.

각도 위치 결정 장치의 적어도 하나의 돌출부는, 그것이 초음파 진동 유닛에의 확실한 잠금 접속을 제공할 수 있는 한, 원칙적으로 임의의 방향으로 연장될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 각도 위치 결정 장치의 돌출부는 축 방향으로 연장된다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 외부 비드의 적어도 하나의 오목부 및 각도 위치 결정 장치의 돌출부는, 초음파 진동 유닛이 각도 위치 결정 장치 내부로 피팅(fitting)될 때 종축을 중심으로 초음파 진동 유닛의 회전 시 서로 접촉하게 되는 상호 대응하는 접촉 표면을 갖고, 여기서 바람직하게는 오목부 및/또는 돌출부의 접촉 표면은 종축에 대해 경사져 있다. 기본적으로 이 실시형태는 한편으로는 각도 위치 결정 장치와 다른 한편으로는 초음파 진동 유닛 사이의 톱니 구성을 나타낸다.

확실한 잠금 접속을 가능한 한 유격이 없도록 하기 위해, 바람직한 실시형태는 돌출부 및/또는 오목부가 점으로 수렴하도록 구성되며, 그 결과 접촉 펴면이 종축에 대해 경사져 있다. 예를 들어, 돌출부와 오목부는 허스 톱니(Hirth serration) 모양일 수 있다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 각도 위치 결정 장치는 각도 위치 결정 장치를 기계 스탠드에 고정하기 위한 고정 요소를 가지며, 고정 요소에 대해 종축 방향으로 2 위치 사이에서 왕복 운동 가능한 결합 요소를 가지며, 여기서 확실한 잠금 접속은 결합 요소와 초음파 진동 유닛 사이에서 이루어질 수 있다. 이 경우에, 결합 요소는 위치들 중 하나에 탄성적으로 프리스트레싱(pre-stressed) 될 수 있다.

각도 위치 결정 장치의 2 부분 구조로 인해, 결합 요소는 초음파 진동 유닛과의 확실한 잠금 접속을 포함할 수 있거나 또는 그의 종축을 중심으로 초음파 진동 유닛의 회전을 가능하게 하기 위해 그와의 결합을 해제할 수 있다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 고정 요소와 결합 요소의 사이에 압력 판이 제공되고, 결합 요소는 압력 판에 대해 종축을 중심으로 회전 가능하다. 또한, 결합 요소는 초음파 진동 유닛의 종축을 중심으로 한 결합 요소의 회전이 방지되는 방식으로 결합 요소가 구속될 수 있는 구속 장치가 제공된다. 바람직한 실시형태에서 구속 장치는 홀더에 고정된다.

결합 요소가 종축을 중심으로 고정 요소에 대해 2개의 회전 위치 사이에서 전후로 회전될 수 있는 미세 조정 장치가 제공될 수 있으며, 특히 바람직하게는 미세 조정 장치는 결합 요소에 접속될 수 있는 슬롯이 있는 조정 요소와 슬롯을 통해 결합하고 홀더의 나사 보어 내부로 결합되는 나사를 포함한다.

고정 요소에 대한 결합 요소의 회전성은 소노트로드의 밀봉 표면과 앤빌 밀봉 표면의 평행성으로부터 여전히 존재할 수 있는 어떠한 이탈도 보상하는 역할을 한다. 이는 미세 조정 장치를 통해 매우 정확하게 수행될 수 있다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 외부 비드는 소노트로드, 또는 소노트로드와 변환기 사이에 배열된 진폭 트랜스포머에 배치되고, 여기서 바람직하게는 비드는 파장(λ/2)의 공진 진동의 진동 노드에 배치된다. 진동 노드의 배치는 홀더 또는 각도 위치 결정 장치에 의해 공진 진동에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다. 외부 비드가 다리의 측면으로부터 직각으로 양쪽으로 연장되는 플랜지와 다리가 있는 T 자형 단면인 경우, 다리는 공진 진동의 진동 노드에 배치되어야 한다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 종축에 수직으로 소노트로드에 가해지는 힘을 지지하기 위한 지지 요소가 제공되고, 여기서 소노트로드 및 지지 요소는 적어도 종축에 수직으로 소노트로드에 힘이 가해질 때 서로 접촉하는 상호 대응하는 지지 표면을 가지며, 여기서 지지 표면은 서로 접촉할 때 종축 방향으로 지지 요소에 대한 소노트로드의 상대적인 이동을 방지하고, 종축을 중심으로 한 소노트로드의 회전을 방해하지 않도록 구성된다.

이 실시형태는, 용접 작업 동안 소노트로드에 가해지는 힘이 지지 요소에 의해 전달될 수 있는 큰 레버 작용을 갖기 때문에, 각도 위치 결정 장치를 위한 외부 비드가 진폭 트랜스포머 상에 배치될 때 특히 유리하다. 소노트로드와 앤빌의 밀봉 표면이 서로 정확히 평행하게 배향되어 있을지라도, 소노트로드는 종축을 가로 지르는 굽힘 모멘트를 가하면 변한다. 그것은 소노트로드의 밀봉 표면이 종축에 대해 수직으로 배치되지 않는 경우에는 언제든지 그러하다. 특히, 금속 용접에서 소노트로드의 밀봉 표면은 일반적으로 밀봉 표면에 대한 법선이 종축과 직각을 포함하는 방식으로 배향된다. 금속 용접에서와 같이, 비교적 큰 힘을 가해야 할 필요가 있고, 초음파 진동 유닛의 굴곡이 발생하고, 그 결과 소노트로드의 밀봉 표면이 더 이상 앤빌의 밀봉 표면과 정확히 평행하게 배향되지 않아 용접 품질이 저하된다. 또한, 초음파 진동 유닛의 구성 요소는 높은 굴곡 모멘트에 의해 손상될 수 있으므로 피해야 한다. 굴곡 및 그와 함께 평행도(parallelism)로부터의 이탈은 지지 요소에 의해 감소되고, 홀더 또는 초음파 진동 유닛의 구성 요소에 대한 손상이 방지된다.

예로서, 소노트로드는 리브를 가질 수 있고, 지지 요소는 지지 작용을 제공하기 위해 서로 결합되는 홈(groove)을 가질 수 있다. 대안적으로, 소노트로드는 홈과 지지 요소 리브를 가질 수 있다. 그 다음, 리브와 홈은 대응하는 지지 표면을 갖는다. 바람직하게는 소노트로드의 리브 또는 홈은 공진 진동의 진동 노드에 배치된다.

[025] 바람직한 실시형태에서, 대응하는 지지 표면은 종축에 수직인 평면에 대해 경사져 있다. 특히 바람직한 실시형태에서, 홈과 리브는 모두 사다리꼴 단면을 갖는다. 이러한 조치는 초음파 진동 장치의 축 위치 결정이 매우 간단하고 정확하다는 것을 제공한다.

추가의 바람직한 실시형태에서는, 대응하는 도구가 있으며, 여기서 소노트로드 및 대응 도구는 종축에 수직인 방향으로 서로에 대해 이동 가능하고, 지지 요소는 대응 도구에 의해 가능한 소노트로드와 대응 도구 사이의 재료를 통해 소노트로드에 가해지는 힘이 지지 요소로 전달되도록 배치된다. 따라서 기본적으로 대응 도구와 지지 요소는 소노트로드의 반대편에 배치된다.

추가 실시형태에서 지지 요소는 홀더에 고정되고, 바람직하게는 지지 요소는 홀딩 위치와 해제 위치 사이에서 홀더에 대해 왕복운동 할 수 있다. 홀딩 위치에서, 대응하는 접촉 표면은 서로 접촉하는 반면, 해제 위치에서 초음파 진동 유닛은 지지 요소에 의해 이동이 방해 받지 않고 종축 방향으로 이동될 수 있다. 특히 바람직한 실시형태에서, 홀딩 위치에서 지지 요소를 잠금 수 있는 잠금 장치가 제공된다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 진폭 트랜스포머가 소노트로드와 변환기 사이에 제공되며, 여기서 진폭 트랜스포머는 종축에 대해 수직인 평면의 모든 방향에서 확실한 잠금 관계를 제공하는 확실한 잠금 접속에 의해 변환기 및/또는 소노트로드에 접속된다. 예를 들어, 진폭 트랜스포머와 변환기 사이 또는 진폭 트랜스포머와 소노트로드 사이의 확실한 잠금 접속은 핀 및 대응하는 개구를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 핀은 진폭 트랜스포머 및 소노트로드 또는 변환기의 대응하는 개구에 배치된다.

핀 및 대응하는 개구는 바람직하게는 종축에 대해 회전 대칭이 아니므로, 진폭 트랜스포머에 대한 소노트로드 또는 진폭 트랜스포머에 대한 변한기의 회전 위치 결정은 확실한 잠금 접속에 의해 실현된다. 대안적으로, 복수의 핀 및 이에 대응하는 개구가 제공될 수 있다. 이 경우 핀(들)은 진폭 트랜스포머가 규정된 회전 각도 위치에서만 소노트로드 또는 변환기와 결합할 수 있도록 구성되어야 한다.

그 점에서, 특히 바람직한 실시형태에서 핀 및 대응하는 개구는 n 배 회전축을 갖는 종축을 중심으로 회전 대칭을 갖는다. 소노트로드가 종축 중심으로 회전 대칭적으로 회전하는 소노트로드의 형태이고, 회전 축이 m 배인 경우, 바람직하게는 m = n이다. 즉, 진폭 트랜스포머는 n개의 규정된 회전 각도 위치에서만 소노트로드 또는 변환기와 결합할 수 있다.

확실한 잠금 접속은 일반적으로 한편으로는 진폭 트랜스포머와 다른 한편으로는 소노트로드 또는 변환기와의 사이에서 축 방향 이동을 가능하게 한다. 예를 들어, 요소들을 서로 고정적으로 접속하기 위해, 진폭 트랜스포머에는 나사 보어가 있을 수 있고, 소노트로드 또는 변환기는 단차 관통 보어를 가질 수 있으므로, 축 방향 고정은 관통 보어를 통과하여 나사 보어에 결합하는 나사로 실현될 수 있다.

대안적으로 개구는 또한 핀 상을 향해 축소될 수도 있다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 핀 및 대응하는 개구가 원추형이거나 또는 원추형 부분을 갖는 것이 제공된다. 원추형은 한편으로는 소노트로드와 진폭 트랜스포머 사이의 접속 또는 진폭 트랜스포머와 변환기 사이의 접속을 중앙에 배치하는 역할을 한다. 다른 한편으로는, 접속은 원뿔 형상으로 인해 자체 잠금 특성을 가질 수 있다. 따라서 최대 2°의 원뿔 각도가 유리하다.

추가의 바람직한 실시형태에서, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 왕복 운동할 수 있는 클램핑 장치를 갖는 홀더가 제공된다. 이 경우 개방 위치에 있는 초음파 진동 유닛은 홀더로부터 제거될 수 있다. 폐쇄 위치에서 클램핑 장치는 적어도 2개의 홀딩 지점에서 초음파 진동 유닛과 접촉하고 초음파 진동 유닛이 홀딩되도록 그에 힘을 가한다.

이러한 점에서, 홀딩 지점은 바람직하게는 외부 비드 상에 배치된다.

특히 바람직한 실시형태에서, 클램핑 장치는 슬롯이 있는 결속 슬리브 형태이다. 그러한 배열에서, 결속 슬리브는 초음파 진동 유닛 일부의 외부 표면에 대응하는 내부 표면을 갖는다. 슬롯은 슬리브의 외부 표면을 슬리브의 내부 표면에 접속하여 슬리브가 슬롯을 구분하는 2개의 서로 대향하는 슬롯 벽을 갖도록 한다. 슬롯 벽이 서로를 향해 이동하여 내부 표면에 의해 둘러싸인 공간이 줄어들고 초음파 진동 유닛이 슬리브 내에 클램핑되는 결속 장치가 제공된다.

예로서, 나사형 보어는 하나의 슬롯 벽에 제공될 수 있고, 다른 슬롯 벽에는 단차형 관통 보어가 제공되어 결속 장치로 작용하는 나사가 단차형 관통 보어를 통해 나사형 보어 내부로 결합될 수 있고, 나사의 회전에 따라 2개의 슬롯 벽이 서로를 향해 이동할 수 있다.

클램핑 장치에 의한 초음파 진동 유닛의 손상을 방지하기 위해, 바람직한 실시형태는 슬롯 벽이 접합(abutment) 표면으로 작용하도록 제공한다. 따라서, 초음파 진동 유닛 외부 표면의 일부와 결속 슬리브의 내부 표면이 서로 일치하므로, 슬롯 벽이 접촉하면 초음파 진동 유닛은 초음파 진동 유닛의 손상 없이 클램핑 장치에 의해 견고하게 홀딩된다.

본 발명의 추가적인 장점, 특징 및 가능한 용도는 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 이후의 설명 및 관련 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 용접 장치의 평면도이다.
도 2는 홀더가 없는, 도 1의 초음파 용접 장치의 사시도이다.
도 3은 진동 구조가 없는, 도 1의 홀더의 사시도이다.
도 4a, 4b, 4c, 4d는 도 1의 각도 위치 결정 요소의 결합 요소에 대한 사시도, 및 각도 위치 결정 요소와 홀더의 단면도이다.
도 5는 도 1의 실시형태의 단면도이다.
도 6은 도 1의 진폭 트랜스포머의 사시도이다.
도 7은 도 1의 소노트로드의 사시도이다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 용접 장치의 제1 실시형태를 도시한다. 이 초음파 용접 장치는 특별히 금속 용접을 목적으로 하고 있다. 그 장치는 소노트로드(1), 진폭 트랜스포머(4) 및 변환기(3)를 포함하는 초음파 진동 유닛을 갖는다. 초음파 진동 유닛의 요소는 종축을 따라 서로 나란히 배치되어 있다. 변환기(3)는 전기 교류 전압을 기계적 초음파 진동으로 변환한다. 그 기계적 진동은 진폭 트랜스포머(4)에 의해 그 진폭이 변화하지만, 그 주파수는 변화하지 않고, 소노트로드(1)로 전달된다. 변환기(3) 반대편의 소노트로드(1) 측면에는 처리될 재료와 접촉하도록 제공된 밀봉 표면이 모두 4개 있다. 개별 요소를 갖는 초음파 진동 유닛, 즉 변환기(3), 진폭 트랜스포머(4) 및 소노트로드(1)는 파장의 초음파 주파수와 공진하도록 설정될 수 있는 방식으로 서로 일치되어 있다. 소노트로드 내에는 스탠딩(standing) 종방향 반파(half-wave)가 형성되어 있다. 초음파 진동 유닛은 기계 지지대에 홀딩되어야 한다. 홀더(5)는 그 목적을 위해 제공되며, 이후에 상세히 설명된다.

도 2는 도 1 실시형태의 사시도이다. 여기서, 초음파 진동 유닛의 개별 부품, 즉 변환기(3), 진폭 트랜스포머(4) 및 소노트로드(1)는 실질적으로 회전 대칭이며, 변환기(3)에서 멀리 떨어진 소노트로드(1)의 단부 만이, 정사각형 단면의 각 모서리 표면에 제공된 용접 표면(2)을 갖는 정사각형 구조라는 것을 알 수 있다. 대안적으로, 소노트로드는 또한, 예를 들어 정사각형이 아닌 삼각형, 직사각형 등과 같은 단면일 수도 있다.

특히, 초음파를 이용하여 금속, 보다 구체적으로는, 예를 들어 구리 또는 알루미늄과 같은 비철금속을 용접할 때, 용접 표면은 상당히 마모되므로 초음파 용접 장치는 정기적으로 부분적 또는 완전히 교체되어야 한다.

도시된 소노트로드는 총 4개의 밀봉 표면(2)을 갖기 때문에, 밀봉 표면(2)이 마모될 때 90°회전될 수 있고 그 위치에서 계속 사용될 수 있다.

초음파를 이용하여 금속을 가공하기 위해, 소노트로드(1)의 밀봉 면(2)과 상대 도구(미도시) 사이에 가공할 재료를 배치한 후, 밀봉 표면(2)에 의해 가공할 재료에 초음파 진동이 전달될 수 있도록 한다.

도 1의 홀더(5)는 도 3에 별도로 도시되어 있다. 이는 결속 클램핑 슬리브의 형태이다. 홀더가 진폭 트랜스포머를 완전히 둘러싸고 있음을 알 수 있다. 그러나 그것은 홀더의 2 분지(limb) 요소(12,13)에 의해 형성된 슬롯(11)을 갖는다. 도 3에 나타낸 위치에서, 진폭 트랜스포머(4)는 축 방향으로 홀더(5)에 압입될 수 있다. 그 위치에서 진폭 트랜스포머(4) 및 전체 초음파 진동 유닛은 홀더(5) 내에서 그 종축을 중심으로 회전될 수 있다. 초음파 진동 유닛 또는 소노트로드(1)의 밀봉 표면(2)의 원하는 위치에 도달하자마자, 2 분지 요소(12,13)는 나사형 보어의 형태로 분지 요소(13) 내에, 그리고 관통 보어의 형태로 분지 요소(12) 내에 제공된 보어(14)에 수용되는 나사에 의해 서로를 향해 이동할 수 있다. 그 결과, 슬리브형 홀더(5)의 내경이 감소하고, 진폭 트랜스포머(4)가 홀더(5)에 견고하게 클램핑되며, 홀더(5)에 대해 그의 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 상대적 회전은 더 이상 가능하지 않다. 예시된 실시형태에서, 분지 요소(12,13)는 접합(abutment) 표면으로서 기능 하는 대응하는 슬롯 벽을 갖는다. 이는, 초음파 진동 유닛의 외부 표면 일부와 결속 슬리브의 내부 표면은, 접합 표면이 서로 접촉할 때까지 분지 요소(12,13)가 보어(14)에 결합되는 나사에 의해 서로를 향해 이동될 수 있고, 이러한 상황에서 초음파 진동 유닛은 결속 슬리브 내에 확고하게 홀딩된다는 것을 의미한다. 이러한 구성에 의해, 결속 슬리브가 섬세한 초음파 진동 유닛에 과도하게 큰 압력을 가하지 않도록 한다. 그러므로, 분지 요소(12,13)의 2 슬롯 벽이 만나는 때에 슬리브가 초음파 진동 유닛에 가해지는 힘보다도 더 큰 힘이 초음파 진동 유닛에 가해지는 것은 불가능하다.

도 4a는 각도 위치 결정 장치의 결합 요소(8)의 사시도를 도시한다. 각도 위치 결정 장치는 소노트로드의 밀봉 표면(2)의 각도 위치를 가능한 한 간단하고 정확하게 설정하는 역할을 한다.

각도 위치 결정 장치는 슬리브 형태의 결합 요소(8)를 갖는다. 변환기로부터 멀리 떨어진 측면에는 돌출부(27)와 오목부(28)의 열이 있다.

특히, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 진폭 트랜스포머는 다리(15)와 제1 및 제2 슬리브 부분(16,17)을 갖는 플랜지에 의해 형성되는 외부 비드를 갖는다. 다리(15)는 진동 노드에서 진폭 트랜스포머(4)에 접속된다. 제1 슬리브 부분(16)은 다리(5)의 단부에 있는 진폭 트랜스포머(4)로부터 변환기(3)의 방향으로 연장되고, 제2 슬리브 부분(17)은 소노트로드(1)의 방향으로 연장된다. 제1 슬리브 부분(16) 및 제2 슬리브 부분(17) 모두는 홀더(5)를 위한 접촉 표면 역할을 하는 주변 칼라(18)를 갖는다. 이러한 종류의 고정은 초음파 진동 유닛의 진동 거동에 주목할만한 영향을 주지 않고 홀딩 작용을 가능하게 한다.

도 6은 진폭 트랜스포머(4)의 사시도를 도시한다. 2개의 주변 칼라(18)를 여기에서 볼 수 있다. 제1 슬리브 부분(16)은 각도 위치 결정 장치의 돌출부(27) 및 오목부(28)에 대응하는 한 열의 돌출부(20) 및 오목부(21)를 갖는다. 따라서 각도 위치 결정 장치의 돌출부(27) 및 오목부(28)는 오목부(21) 및 돌출부(20)에 접속될 수 있다. 이와 같이 확실한 잠금 접속은 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 회전을 방지하는 반면, 초음파 진동 유닛과 각도 위치 결정 장치 사이에서 종축 방향의 상대적인 이동은 방해 받지 않는다.

도 4b는 회전 위치 결정 장치 전체를 도시한다. 도 4a에 이미 도시된 결합 요소(8)는 스프링(10)에 의해 고정 요소(9) 상에 탄성적으로 배치되는 압력 판(31)에 대향하여 지지한다. 고정 요소(9)는 정지된 상태로 배치된다. 스프링(10)에 의해 압력 판은 고정 요소(9)에 대해 축 방향으로 이동될 수 있다. 결합 요소(8)가 압력 판(31)에 대향하여 지지됨에 따라, 결합 요소는 압력 판(31)과 함께 축 방향으로 이동한다. 결합 요소는, 후술하는 바와 같이, 종축을 중심으로 2 위치 사이에서 압력 판(31)에 대해 전후로 회전할 수 있다.

도 4c는 회전 위치 결정 장치와 함께 홀더(5)의 단면도를 도시한다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이, 스프링(10) 요소는 결합 요소(8)를 전방으로, 즉 소노트로드(1)의 방향으로 가압하여 진폭 트랜스포머(4)의 돌출부(20) 및 오목부(21)와 결합하게 된다.

홀더(5)가 아직 클램핑 위치에 있지 않는 한, 초음파 진동 유닛은 스프링(10)의 힘에 대향하여 초음파 진동 유닛에 의해 후방으로, 즉 변환기(3)의 방향으로 가압되는 결합 요소(8)에 의해 그 종축을 중심으로 회전될 수 있다. 초음파 진동 유닛은, 돌출부(20)가 오목부(28)에 놓일 때까지 종축을 중심으로 회전할 수 있다. 따라서 결합 요소(8)는 진폭 트랜스포머(4)의 플랜지에 래치된다.

예시된 실시형태에서, 돌출부(20,27)의 수 및 오목부(21,28)의 수는 소노트로드(1) 상의 밀봉 표면(2)의 수에 해당한다. 따라서, 초음파 진동 유닛이 선택된 각도 위치에만 피팅될 수 있게 한다.

예시된 실시형태에서, 결합 요소(8)의 작은 상대적 회전은 종축을 중심으로 고정 요소(9)에 대해 또한 가능하다. 이러한 약간의 회전 운동을 실현하기 위해, 눈(19)의 형태이고 결합 요소(8)에 해제 가능하게 접속된 조정 요소가 제공된다. 나사 형태의 미세 조정 장치(29)는 조정 요소를 홀더(5)에 접속한다. 따라서 나사(29)를 회전시킴으로써 조절 요소에 접속된 결합 요소(8)는 각도 위치의 미세 조정을 수행하기 위해 홀더(5) 및 고정 요소(19)에 대해 어느 정도 회전될 수 있다. 따라서, 나사(29)는 축 방향 및 반경 방향 모두에서 눈(19)에 제공된 슬롯 내에서 약간의 유격을 갖는다.

도 4d는 각도 위치 결정 장치의 추가 사시 단면도를 도시한다. 눈(19)은 그럽(grub) 나사(32)가 결합되는 나사 보어를 갖는다. 눈(19)은 그럽 나사(32)에 의해 결합 요소(8)에 클램핑 될 수 있어서 결합 요소(8)와 눈(19)은 종축을 중심으로 만 함께 회전될 수 있다.

홀더 내의 초음파 진동 유닛의 제1 조정에서 또는 돌출부(20) 및 오목부(21)에 대한 밀봉 표면의 각도 위치를 알 수 없는 경우, 그럽 나사(32)가 해제되고 초음파 진동 유닛이 홀더 내부로 피팅될 수 있고, 그 결과, 결합 요소(8)는 고정 요소(9)의 방향으로 스프링(10)의 힘에 대항하여 가압된 다음, 초음파 진동 유닛의 돌출부(20) 및 오목부(21)가 결합 요소(8)의 대응하는 돌출부(27) 및 오목부(28)에 놓일 때까지 종축을 중심으로 회전한다. 그 위치에서 결합 요소(8)는 스프링(10)의 힘에 의해 다시 고정 요소(9)로부터 멀어지게 된다. 초음파 진동 유닛은, 밀봉 표면(2)이 대략 원하는 회전 위치에 있을 때까지 종축을 중심으로 회전될 수 있다. 그럽 나사(32)가 해제되면 결합 요소(8)는 압력 판(31)이 그 위치에 남아있는 동안 초음파 진동 유닛과 함께 회전한다.

초음파 진동 유닛의 원하는 회전 위치에 거의 도달하자마자, 그럽 나사(32)를 조여 눈(19)을 결합 요소(8)에 접속할 수 있다. 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 추가 회전은 나사(29)의 회전에 의해서만 여전히 매우 제한적으로 가능하다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 진폭 트랜스포머는 소노트로드(1)를 향하는 측면에 핀(22)을 갖는다. 도 7은 소노트로드(1)의 사시도를 나타낸다. 진폭 트랜스포머(4)를 향한 측면에서 소노트로드(1)는 핀(22)에 대응하는 개구(26)를 갖는다. 핀(22)은 대응하는 개구(26)에서도 볼 수 있는 절결부(cut-outs)(23)를 갖는다. 이때, 핀(22)이 종축을 중심으로 한 회전 방향의 관점에서 소노트로드(1)와 진폭 트랜스포머(4) 사이에 확실한 잠금 접속을 제공하는 개구(26) 내부로 피팅된다.

소노트로드(1)는 단차 보어 형태의 중앙 보어(25)를 가지며, 이를 통해 나사가 진폭 트랜스포머의 대응하는 중앙 나사형 보어(24) 내부로 통과되어 소노트로드(1)를 진폭 트랜스포머(4)에 고정시킬 수 있다.

도 5의 단면도에서 알 수 있는 바와 같이, 소노트로드(1)는 소노트로드(1)의 공진 주파수의 진동 노드에 배치된 외부 리브(6)를 갖는다. 외부 리브는 예시된 실시형태에서 주변으로 연장되도록 구성되어 있다. 홀더(5)에 고정된 지지 요소는 초음파 진동 유닛이 홀더에 수용될 수 있는 외부 위치와 지지 요소가 종축 방향에서 초음파 진동 유닛의 이동을 방지하는 내부 위치와의 사이에서 반경 방향으로 이동할 수 있다. 지지 요소는 외부 위치의 방향으로 지지 요소(7)의 원치 않는 이동을 방지하기 위해 그 위치에서 구속될 수 있다. 지지 요소(7)는 외부 리브(6)가 놓이게 되는 홈(30)을 갖는다. 도 5에서와 같이 가공할 재료에 의해 위로부터 소노트로드에 힘이 가해지면, 그 힘은 지지 요소(7)에 의해 전달된다. 진폭 트랜스포머(4)에 둘러싸여 제공된 홀더(5)는 기계 가공 위치, 즉 밀봉 표면(4)으로부터 비교적 멀리 떨어져 있기 때문에, 밀봉 표면(2)에 대한 약간의 용접력은 초음파 진동 유닛이 굴곡될 것이다. 이러한 목적으로 지지 장치(7)가 제공된다.

초음파 진동 유닛을 홀더에 수용하기 위해서는 먼저 보어(14)의 나사에 의한 클램핑 작용이 해제되어야 한다. 또한, 지지 요소(7)는 반경 방향 외측으로 변위 되어야 한다. 초음파 진동 유닛은 홀더(5) 내부로 피팅될 수 있다. 이 경우, 결합 요소(8) 및 압력 판(31)은, 외부 리브(6)가 반경 방향 내측으로 이동하여 구속된 후 지지 요소(7)의 홈(30)에 놓일 때까지, 스프링(10)의 힘에 대향하여 고정 요소(9)의 방향으로 압박된다. 이것은 초음파 진동 유닛의 축 방향 위치를 설정한다. 그 다음, 결합 요소(8)의 돌출부가 제1 슬리브 부분(16)의 대응하는 개구에 래치될 때까지, 초음파 진동 유닛이 종축을 중심으로 회전함으로써 각도 위치 결정이 이루어진다. 그 다음, 각도 위치도 해당 위치에서 거의 완벽하게 배향된다. 미세 조정은 미세 조정 장치, 즉 눈(19) 및 나사(29)에 의해 수행되며, 이에 의해 각도 위치의 미세 조정이 수행될 수 있다.

초음파 진동 유닛의 정확한 위치에 도달하자마자, 분지 요소(12,13)는 슬롯(11)을 줄이고 홀딩 슬리브에서 초음파 진동 유닛을 클램핑 방식으로 수용하기 위해 보어(14) 내부로 결합되는 고정 나사에 의해 서로를 향해 이동할 수 있다.

1: 소노트로드 2: 밀봉 표면
3: 변환기 4: 진폭 트랜스포머
5: 홀더 6: 외부 리브
7: 지지 요소 8: 결합 요소
9: 고정 요소 10: 스프링
11: 슬롯 12,13: 분지 요소
14: 보어 15: 다리
16: 제1 슬리브 부분 17: 제2 슬리브 부분
18: 칼라 19: 눈
20,27: 돌출부 21,28: 오목부
22: 핀 23: 절결부
26: 개구 29: 나사
30: 홈 31: 압력 판
32: 그럽 나사 33,34: 슬롯 벽

Claims

소노트로드와 변환기를 갖는 초음파 진동 유닛을 포함하는 초음파 용접 장치로서, 소노트로드와 변환기가 종축을 따라 서로 인접하게 배치되고, 초음파 진동 유닛은 파장(λ/2)을 갖는 종축 방향으로 초음파 진동과 공진시킬 수 있고, 초음파 진동 유닛을 홀딩하기 위한 홀더가 제공되는 초음파 용접 장치에 있어서,
홀더가 각도 위치 결정 장치를 갖고, 각도 위치 결정 장치와 초음파 진동 유닛은 확실한 잠금 관계로 함께 접속될 수 있도록 구성되어, 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 회전은 확실한 잠금 접속에 의해 방지되며, 초음파 진동 유닛과 홀더 사이에서 중축 방향의 상대적인 이동이 방해받지 않는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항에 있어서,
초음파 진동 유닛은 적어도 하나의 오목부가 있는 외부 비드를 가지며, 각도 위치 결정 장치는 오목부에 대응하고 오목부에 결합할 수 있는 적어도 하나의 돌출부를 가지므로 확실한 잠금 접속을 제공하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 2 항에 있어서,
외부 비드가 복수의 오목부를 가지며, 바람직하게는 각도 위치 결정 장치는 복수의 오목부에 대응하는 복수의 돌출부를 가지며, 특히 바람직하게는 초음파 진동 유닛은 종축을 중심으로 서로에 대해 회전되는 복수의 위치에서 각도 위치 결정 장치에 확실한 잠금 관계로 접속되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각도 위치 결정 장치의 돌출부가 축 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
외부 비드의 적어도 하나의 오목부와 각도 위치 결정 장치의 돌출부는, 초음파 진동 유닛이 각도 위치 지정 장치에 피팅될 때, 종축을 중심으로 한 초음파 진동 유닛의 회전 시 서로 접촉하게 되는 상호 대응하는 접촉 표면을 갖고, 바람직하게는 오목부 및/또는 돌출부의 접촉 표면은 종축에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
각도 위치 결정 장치는 각도 위치 결정 장치를 기계 지지대에 고정하기 위한 고정 요소를 가지며, 고정 요소에 대해 종축 방향으로 두 위치 사이에서 왕복 운동가능한 결합 요소를 가지며, 결합 요소와 초음파 유닛 사이에 확실한 잠금 접속이 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 6 항에 있어서,
결합 요소가 위치들 중 하나에 탄성적으로 프리스트레싱 되고, 바람직하게 프리스트레싱이 적어도 하나의 스프링 요소에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
결합 요소에 접속되거나 접속될 수 있는 미세 조정 장치가 제공되며, 바람직하게는 미세 조정 장치는 슬롯이 있는 조정 요소와 슬롯을 통해 결합하고 고정 요소 또는 홀더의 나사형 보어 내로 결합하는 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
외부 비드는 소노트로드 또는 소노트로드와 변환기 사이에 위치한 진폭 트랜스포머에 배치되며, 바람직하게는 비드는 파장(λ)의 공진 진동의 진동 노드에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
종축에 수직으로 소노트로드에 가해지는 힘을 지지하기 위한 지지 요소가 제공되고, 소노트로드와 지지 요소는 적어도 종축에 수직으로 소노트로드에 힘이 가해질 때 서로 접촉하는 상호 대응하는 지지 표면을 갖고, 지지 표면은 서로 접촉할 때 종축 방향으로 지지 요소에 대한 소노트로드의 상대적인 이동을 방지하고 소노트로드의 회전을 방해하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 10 항에 있어서,
소노트로드에 리브가 있고 지지 요소에는 홈이 있거나, 또는 소노트로드에 홈이 있고 지지 요소에는 리브가 있으며, 리브 및 홈은 대응하는 지지 표면을 갖고, 바람직하게는 소노트로드의 비드 또는 홈은 파장(λ/2)의 공진 진동의 진동 노드에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
대응 도구가 제공되며, 소노트로드 및 대응 도구는 종축에 수직인 방향으로 서로에 대해 이동 가능하고, 지지 요소는 소노트로드와 대응 도구 사이에 위치한 재료를 통해 소노트로드에 가해질 수 있는 힘이 지지 요소로 전달되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
소노트로드와 변환기 사이에 배치된 진폭 트랜스포머가 제공되며, 진폭 트랜스포머는 종축에 수직인 평면의 모든 방향에서 확실한 잠금 관계를 제공하는 확실한 잠금 접속을 통해 변환기 및/또는 소노트로드에 접속되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 13 항에 있어서,
진폭 트랜스포머와 변환기의 사이 또는 진폭 트랜스포머와 소노트로드 사이의 확실한 잠금 접속은 핀 및 대응하는 개구를 포함하며, 바람직하게는 핀은 진폭 트랜스포머에 배치되고 대응하는 개구는 소노트로드 또는 변환기에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 14 항에 있어서,
핀 및 대응하는 개구는 종축에 대해 회전 대칭 구조가 아니며, 바람직하게는 핀 및 대응하는 개구는 n-배 회전축을 갖는 종축을 중심으로 한 회전 대칭 구조이고, 여기서 n은 1보다 큰 자연수이고, 특히 바람직하게는 소노트로드는 m-배 회전축을 가진 종축을 중심으로 한 회전 대칭 구성이고, 여기서 m은 n과 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
핀 및 대응하는 개구는 원추형 구성이거나 원추형 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
홀더는 초음파 진동 유닛이 홀더로부터 제거될 수 있는 개방 위치와 클램핑 장치가 적어도 2개의 홀딩 지점에서 초음파 진동과 접촉하여 그에 힘을 가하여 초음파 진동 유닛이 홀딩되도록 하는 폐쇄 위치 사이에서 왕복 운동이 가능한 클램핑 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.
제 17 항에 있어서,
홀딩 지점이 외부 비드에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 장치.