KR20240036512A

KR20240036512A - 힘 센서를 포함하는 초음파 용접 장치

Info

Publication number: KR20240036512A
Application number: KR1020237043824A
Authority: KR
Inventors: 스테판 뮐러; 다니엘 귄터
Original assignee: 슈운크 소노시스템스 게엠바하
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2024-03-20
Also published as: CN117693400A; WO2023006199A1; EP4308312A1

Abstract

소노트로드 배열(3), 앤빌(5), 변위 장치(7), 및 힘 센서(9)를 포함하는 초음파 용접 장치(1)가 제안된다. 소노트로드 배열(3)은 소노트로드 헤드(11)를 갖는다. 상기 소노트로드 배열(3)은 상기 소노트로드 헤드(11)가 상기 소노트로드 배열(3)의 진동 방향(17)으로 진동하고, 상기 소노트로드 배열(3)이 상기 진동 방향(17)을 기준으로 상기 소노트로드 헤드로부터 이격되어 배치되는 영점 위치(21)에서 상기 진동 방향(17)으로 최소 진동하도록, 상기 소노트로드 헤드로부터 멀리 떨어진 영역(13)에서의 상기 소노트로드 배열에서 생성된 초음파 진동을 상기 소노트로드 헤드(11)로 전달하도록 구성된다. 상기 변위 장치(7)는 상기 소노트로드 배열(3) 및 상기 앤빌(5)을 변위 방향(19)으로 서로에 대하여 변위시키도록 구성된다. 상기 힘 센서(9)는 상기 영점 위치(21)에 인접한 접촉 영역(23)에 위치되고, 상기 힘 센서(9)의 도움으로, 상기 변위 방향(19)에 평행한 상기 힘 센서(9) 상에서의 상기 소노트로드 배열(3)에 의해 가해지는 힘들(Fs)이 측정될 수 있도록 구성된다. 폐루프 제어 장치(39)는 측정된 힘(Fs)에 기초하여 초음파 용접 장치(1)의 기능 또는 특성을 조절할 수 있다.

Description

힘 센서를 포함하는 초음파 용접 장치

본 발명은 초음파 용접 장치 및 이 초음파 용접 장치를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

다양한 기술 응용 분야의 경우 두 구성 요소를 기계적으로 안전 및/또는 전기 전도성 방식으로 결합해야 할 수 있다. 예를 들어, 다양한 목적으로 케이블 스트랜드를 기계적으로 그리고 전기 전도성 방식으로 연결하는 것이 필요할 수 있다. 따라서, 예를 들어 차량 내부의 전기 소비자를 서로, 에너지원 및/또는 제어 시스템에 전기 전도성 방식으로 연결하는 데 사용될 수 있는 와이어링 하네스 또는 케이블 직조기를 제조하는 것이 가능하다.

소위 초음파 용접은 전기 전도성 구성 요소 사이에 물질 간 결합을 생성하여 높은 강도와 우수한 전기 전도성을 제공하기 위해 개발되었다. 용접 대상 부품을 결합 파트너로서 서로 접촉시켜 저압 및 고주파 기계적 진동 하에서 서로 반대 방향으로 이동하는 특수한 형태의 마찰 용접이다. 진동은 일반적으로 20 kHz 내지 50 kHz의 주파수를 갖는 초음파 진동이 생성되어 결합 파트너 중 적어도 하나에 전송되는 소노트로드 배열의 도움으로 생성될 수 있다. 그러면 플라스틱 흐름을 통해 결합 파트너가 표면 가까이에서 서로 스며들거나 서로 맞물릴 수 있으므로 결합 파트너의 재료가 반드시 녹지 않아도 된다. 따라서 초음파 용접을 사용하여 충격이 적고 빠르고 경제적으로 결합 파트너를 결합할 수 있다.

초음파 용접은 특히 여러 가닥의 케이블을 함께 용접하거나, 한 가닥 내의 개별 와이어를 압축하여 용접하거나, 하나 이상의 가닥을 접촉 요소에 용접하거나, 금속 시트를 용접하는 등 금속 결합 파트너를 용접하는 데에도 사용할 수 있다. 이를 위해 결합 파트너는 일반적으로 초음파 용접 장치의 수용 챔버에 삽입된 다음 초음파 진동 소노트로드의 소노트로드 헤드와 앤빌 사이에서 함께 용접된다.

소노트로드 배열을 사용한 초음파 용접 중에 용접될 결합 파트너에 초음파 진동을 가할 수 있도록 소노트로드는 일반적으로 한쪽 끝에서 진동 발생기에 기계적으로 연결된다. 진동 발생기와 떨어져 있는 소노트로드에는 소노트로드 헤드가 있다. 예를 들어 컨버터를 통해 진동 발생기에 의해 발생하고 선택적으로 부스터에 의해 수정되는 초음파 진동은 일반적으로 소노트로드의 긴 몸체 및/또는 추가 구성 요소를 통해 소노트로드 헤드로 전달된다. 소노트로드와 앤빌을 서로에 대한 상대적인 방향으로 이동시키고, 이에 따라 이들 사이의 결합 파트너를 고정시킴으로써, 초음파 진동이 결합 파트너에게 전달될 수 있다.

초음파 용접 작업의 결과는 특히 작업 중에 결합 파트너에 가해지는 힘에 크게 좌우될 수 있다는 것이 관찰되었다.

초음파 용접 작업의 결과를 개선할 수 있는 초음파 용접 장치 및 이 초음파 용접 장치를 작동하기 위한 방법에 대한 요구 사항이 있을 수 있다. 특히, 결합 파트너를 연결하는 용접 조인트의 기계적 강도, 전기 전도도 등과 같은 결과 용접의 특성을 개선할 수 있는 방식으로 초음파 용접 작업 중에 우세한 조건을 모니터링 및/또는 조절할 수 있는 해당 초음파 용접 장치 또는 작동 방법에 대한 요구사항이 있을 수 있다.

이러한 요구 사항은 독립 청구항의 주제에 따라 충족될 수 있다. 유리한 실시예는 종속 청구항 및 다음 설명에 정의되어 있다.

본 발명의 첫 번째 측면은 소노트로드 장치, 앤빌, 변위 장치 및 힘 센서를 포함하는 초음파 용접 장치에 관한 것이다. 소노트로드 배열은 말단 영역에 소노트로드 헤드를 포함한다. 상기 소노트로드 배열은 상기 소노트로드 헤드가 상기 소노트로드 배열의 진동 방향으로 진동하고, 상기 소노트로드 배열이 상기 진동 방향을 기준으로 상기 소노트로드 헤드로부터 이격되어 배치되는 영점 위치에서 상기 진동 방향으로 최소 진동하도록, 상기 소노트로드 헤드로부터 멀리 떨어진 영역에서의 상기 소노트로드 배열에서 생성된 초음파 진동을 상기 소노트로드 헤드로 전달하도록 구성된다. 변위 장치는 소노트로드 배열과 앤빌을 변위 방향으로 서로에 대해 변위시키도록 구성된다. 힘 센서는 영점 위치에 인접한 접촉 영역에 위치되고, 힘 센서의 도움으로 변위 방향과 평행하게 힘 센서 상에 소노트로드 배열에 의해 가해지는 힘이 측정될 수 있는 방식으로 구성된다.

두 번째 측면에 따르면, 본 발명의 첫 번째 측면의 실시예에 따른 초음파 용접 장치를 작동시키는 방법이 제안된다. 이 방법은 적어도 다음 단계 - 힘 센서에 소노트로드 배열에 의해 가해지는 힘을 결정하는 단계 및 결정된 힘을 고려하여 초음파 용접 장치를 작동시키는 단계 - 를 포함한다.

본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 본 발명의 실시예와 관련된 아이디어 및 가능한 특징은 특히 아래에 설명된 생각 및 발견에 기초한 것으로 간주될 수 있다.

본 명세서에 설명된 아이디어의 기본 개념을 광범위하고 간략하게 요약하면, 초음파 용접 장치에 용접 작업 중 접합 파트너에 가해지는 힘을 가능한 한 정확하게 측정할 수 있는 기능을 탑재하여 이러한 힘에 대한 정보를 사용하여 예를 들어 용접 작업에 사용되는 파라미터를 최적화할 수 있는 것으로 볼 수 있다. 원하는 힘 측정은 영점 위치 부근에서 소노트로드 배열과 상호 작용하는 힘 센서로 수행하는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 왜냐하면 이러한 위치 지정으로, 특히 힘 센서의 도움으로 측정된 힘은 용접 작업 중에 실제로 접합 파트너에 작용하는 힘에 대해 충분히 정확한 결론을 도출할 수 있고 다른 한편으로 힘 센서가 과도한 진동에 노출되지 않기 때문이다.

본 명세서에 설명된 초음파 용접 장치의 실시예의 가능한 세부 사항이 이하에서 설명될 것이다.

초음파 용접 장치는 소노트로드 배열을 가진다. 소노트로드 배열은 초음파 진동에서 소노트로드 헤드를 설정하도록 설계되었다. 이를 위해 소노트로드 배열은 일반적으로 여러 구성 요소, 특히 진동 발생기와 소노트로드로 구성된다. 진동 발생기는 소노트로드 배열의 근위 단부에 배열되고 초음파 진동을 발생시키기 위해 제공된다. 이를 위해 진동 발생기에는 일반적으로 주기적으로 변화하는 전기 신호를 기계적 진동으로 변환하는 변환기가 있다. 전부는 아니지만 대부분의 경우 진동 발생기에 부스터가 추가로 제공되며, 이를 통해 부스터를 통해 기계적 진동이 진동 발생기에서 소노트로드로 전달되기 전에 수정된다. 진동 발생기에서 초음파 진동이 진동 방향으로 발생한다. 많은 초음파 용접 장치는 초음파 진동을 길이방향 진동, 즉 진동 방향이 소노트로드 배열의 길이방향 방향 범위 방향과 평행하게 진행되는 진동으로 생성하도록 조정된다. 주로 초음파 용접 공정에 사용되는 진동의 진동 진폭은 소노트로드 배열 내에서 진동 전파 방향으로 진행된다. 일반적으로 길쭉한 소노트로드에서는 기계적 진동이 소노트로드 헤드로 유도되며, 소노트로드 헤드는 예를 들어 소노트로드 배열의 말단부 근처에 위치할 수 있다. 대안으로서, 초음파 용접 장치는 원칙적으로 횡방향 진동을 발생시키도록 구성될 수도 있다.

소노트로드 배열은 힘을 가하고 초음파 진동을 결합 파트너에게 전달하기 위한 것이므로 소노트로드 장치의 다양한 구성 요소는 일반적으로 하우징에 고정, 장착 및/또는 지지되어야 한다. 특히 초음파 진동의 결과로 언급된 구성 요소 또는 해당 홀더, 마운트 또는 지지대에 과도한 하중을 가하지 않도록 하기 위해 여기서는 소노트로드 배열을 따라 소노트로드가 진동하지 않거나 적어도 인접 영역보다 훨씬 더 약하게 진동하는 하나 이상의 위치가 일반적으로 있다는 사실을 사용한다. 이러한 위치는 일반적으로 영점 위치라고 하며 소노트로드 배열을 따라 전달되는 진동과 관련하여 노드를 구성한다. 이러한 영점 위치 또는 그 근처에 배열된 홀더, 마운트 또는 지지대를 흔히 영점 베어링이라고 한다.

용접 작업 중에 앤빌은 소노트로드 장치의 소노트로드 헤드에 의해 힘을 받고 진동을 받는 결합 파트너의 카운터 베어링 역할을 한다. 여기서 앤빌은 소노트로드 헤드 쪽으로 변위될 수 있고, 대안적으로 소노트로드 헤드는 변위 방향이나 반대로 앤빌 쪽으로 변위되어 힘을 받을 수 있다. 또 다른 대안으로 앤빌과 소노트로드 헤드를 모두 옮길 수 있다.

결합 파트너를 함께 용접하기 위해 소노트로드 헤드와 앤빌 사이의 수용 챔버에 결합 파트너를 수용한다. 그런 다음 변위 장치를 사용하여 소노트로드 헤드와 앤빌이 서로를 향해 상대적으로 이동된다. 이러한 목적을 위해, 변위 장치는 원하는 상대 운동을 수행하는 데 적합한 메커니즘, 유압 시스템, 공압 시스템 등을 가질 수 있다. 초음파 용접 장치의 설계에 따라, 두 구성 요소 중 하나는 정적 방식으로 유지될 수 있고 다른 구성 요소는 변위 장치에 의해 변위 방향으로 변위될 수 있다. 또는 두 구성 요소가 모두 옮겨질 수도 있다. 변위 방향은 초음파 진동을 전달하기 위해 소노트로드 헤드가 결합 파트너와 접촉하는 소노트로드 헤드의 표면에 횡방향으로, 바람직하게는 수직으로 이어진다. 변위 방향은 일반적으로 소노트로드 배열의 길이방향 방향 범위 방향으로 가로 방향, 특히 수직 방향으로 이어진다.

원칙적으로 초음파 용접 장치 내부에서 결합 파트너에 가해지는 힘을 다양한 방식으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 변위 장치에 의해 영향을 받는 힘을 직접 측정할 수 있다. 그러나 쉽게 구현할 수 있는 이 접근 방식의 경우 변위 장치에서 측정된 힘이 결합 파트너에 실제로 가해지는 힘과 일치하지 않는 경우가 많다는 것이 확인되었다. 예를 들어 변위 중에 변위 장치에 의해 이동한 경우 발생할 수 있는 마찰 효과, 접착 효과(특히 소위 슬립 스틱 효과의 형태), 다른 부품에 대한 부품의 일시적인 기울기 등으로 인해 변위 장치에 의해 영향을 받는 힘이 결합 파트너에게 완전하고 재현성 있게 전달되지 않는 것으로 가정한다.

대안적인 접근법으로서, 본 명세서에 설명된 초음파 용접 장치는 힘 센서를 소노트로드 배열의 제로 위치에 인접하게 배치하는 것이 제안된다. 여기서 힘 센서는 영점 위치에 위치하거나 이 영점 위치로부터 충분히 작은 거리에 위치한 제한된 접촉 영역 내에 배치되어야 한다.

힘 센서는 이를 이용하여 변위 방향과 평행하게 이어지는 방향으로 소노트로드 장치에 의해 가해지는 힘을 측정할 수 있는 방식으로 위치 및 구성되어야 한다. 이 목적을 위해, 힘 센서는 힘이 가해질 수 있는 힘 측정 표면(force-measuring surface)을 가질 수 있다. 그러면 힘 센서는 가해진 힘에 의존하여 힘 측정 신호를 생성할 수 있다. 힘 센서는 예를 들어 힘 측정 표면을 통해 소노트로드 배열의 표면과 직접 또는 간접적으로 접촉할 수 있다. 특히, 힘 측정 표면은 전달될 초음파 진동의 전파 방향과 평행하게 연장되는 소노트로드 배열의 측면 표면과 중간 구성 요소를 통해 직접 또는 간접적으로 상호 작용할 수 있다.

여기서 주목해야 할 점은 소노트로드 배열에 의해 힘 센서에 전달되는 모든 힘이 변위 방향과 평행하게 향할 필요는 없다는 것이다. 대신 이 총 힘은 변위 방향과 비스듬히 작용할 수도 있다. 그러나, 힘 센서는 그러한 총 힘 중 변위 방향과 평행하게 향하는 힘의 일부, 즉 변위 방향과 평행하게 향하는 힘 성분도 측정할 수 있도록 배치 및 구성되어야 한다.

소노트로드 배열의 영점 위치에 인접한 접촉 영역에서의 힘 센서의 설명된 배치, 및 소노트로드 배열에 의해 전달되는 힘이 이 힘 센서의 도움으로 측정될 수 있는 방식은 다양한 이점을 가능하게 할 수 있다.

특히 영점 위치에 배열된 힘 센서에 소노트로드 배열에 의해 가해지는 힘을 측정하면 궁극적으로 소노트로드 배열이 결합 파트너에 가하는 힘에 대해 특히 정확한 결론을 내릴 수 있다는 것이 관찰되었다. 이는 특히 힘 센서가 소노트로드 배열과 상호작용하는 위치와 소노트로드 헤드가 결합 파트너와 상호 작용하는 위치 사이에서 일반적으로 마찰 손실, 슬립 스틱 효과로 인한 접착 손실, 구성 요소의 기울기 등이 전혀 또는 거의 발생하지 않기 때문에 발생할 수 있다.

또한 소노트로드 배열의 치수는 일반적으로 매우 정확하게 알려져 있다. 따라서, 예를 들어 힘 센서가 소노트로드 배열과 상호작용하는 위치와 소노트로드 헤드가 결합 파트너와 상호작용하는 위치 사이의 거리를 매우 정확하게 알 수 있다. 따라서, 알려진 치수를 기반으로, 예를 들어 초음파 용접 장치 내의 레버 비율에 대한 결론을 도출할 수 있다. 따라서, 힘 센서에 의해 결정된 힘은 높은 정확도로 결합 파트너에 가해지는 힘으로 변환될 수 있다.

또한 소노트로드 배열의 길이 방향을 따라 전달되고 소노트로드 헤드를 진동 방향으로 설정하기 위한 초음파 진동이 영점 위치에서의 진동 방향으로는 미미하지만, 진동 방향과 횡단하는 방향으로 진동하는 상당한 진동이 영점 위치에서 발생하는 것은 충분히 가능하다는 것이 인식되었다. 즉, 소노트로드 배열을 따라 전달되는 종방향 진동은 영점 위치에서는 미미하지만 영점 위치에서는 반경방향 진동 또는 이에 수직으로 향하는 횡방향 진동이 상당할 수 있다. 이러한 방사형 진동은 소노트로드 배열의 주기적인 가로 수축으로 인해 발생하기 때문에 수축 진동이라고도 한다. 일반적으로 반경 방향 진동은 길이방향 진동에 비해 180° 위상 변이로 진동한다. 이들의 진폭은 일반적으로 길이방향 진동의 진폭에 비해 상당히 작다. 즉, 예를 들어 약 1/3에 불과한다. 반경 방향 진동은 일반적으로 변위 장치의 상기 설명된 변위 방향과 대체로 평행하게 향하고, 따라서 힘 센서에 진동력으로서 작용하며, 이때 힘은 힘 센서의 힘 측정 표면에 실질적으로 수직으로 향한다.

방사형 진동은 소노트로드 헤드로 전달될 초음파 진동과 상관관계가 있기 때문에, 소노트로드 헤드에 의해 결합 파트너에게 전달되는 초음파 진동에 관한 정보는 방사형 진동에 의해 영향을 받는 힘을 측정함으로써 도출될 수 있다. 특히, 진동 주파수, 진동 진폭 및/또는 다른 진동 특성에 관한 정보가 도출될 수 있다. 예를 들어, 방사형 진동의 주파수는 일반적으로 결합 파트너에게 전달되는 초음파 진동의 주파수와 동일하며, 방사형 진동의 위상 및/또는 진폭은 일반적으로 결합 파트너에게 전달되는 초음파 진동의 해당 값과 미리 결정된 방식으로 상관관계가 있다. 이 정보는 초음파 용접 장치를 사용하여 수행된 용접 작업에 영향을 미치거나 평가하는 데 유용할 수 있다.

또한 힘 센서가 소노트로드 배열의 영점 위치 또는 그 근처에 배치될 때 소노트로드 배열을 따라 전달되는 초음파 진동에 의해 비교적 적은 양의 하중을 받는 것이 관찰되었다. 이는 힘 센서가 충족해야 하는 사양 및/또는 힘 센서의 서비스 수명에 유리한 영향을 미칠 수 있다.

일 실시예에 따르면, 힘 센서가 소노트로드 배열 상에 배열되는 접촉 영역은 접촉 영역 내에서 영점 위치까지의 최대 거리가 영점 위치와 소노트로드 헤드의 기하학적 중심 사이의 거리의 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만 또는 5% 미만인 방식으로 영점 위치에 인접하여 연장된다.

힘 센서를 소노트로드 배열의 영점 위치에 최대한 가깝게 배치하는 것이 유리할 수 있다는 것이 인식되었다. 특히, 힘 센서가 소노트로드 배열과 상호작용하는 위치, 특히 영점 위치와 소노트로드 헤드 사이의 거리와 관련하여, 영점 위치와 소노트로드 헤드 사이의 거리와 관련하여, 영점 위치로부터 가능한 한 적은 간격을 유지해야 한다. 예를 들어, 힘 센서의 기하학적 중심과 영점 위치 사이의 소노트로드 배열 범위 방향으로 측정한 측면 거리는 일반적으로 20mm 미만, 바람직하게는 10mm 미만일 수 있다. 예를 들어, 여기서 언급한 이 거리는 예를 들어 20kHz 영역의 초음파 진동을 위해 설계되고 소노트로드 헤드의 중심과 영점 위치 사이의 측면 거리가 예를 들어 약 60mm에서 70mm 사이일 수 있는 소노트로드 장치에 관한 것이다. 더 높은 주파수를 위해 설계된 소노트로드 배열은 일반적으로 더 짧기 때문에 언급된 거리는 더 작게 선택해야 한다.

따라서, 특히 힘 센서가 일반적으로 낮은 기계적 강도를 갖는 방향으로 힘 센서 상의 소노트로드 배열에 의해 가해지는 진동, 특히 길이방향 진동은 낮게 유지될 수 있다. 또한, 진동, 특히 반경 방향 진동은 힘 센서에 의해 쉽게 감지될 수 있고 선택적으로 소노트로드 장치에 의해 전달될 초음파 진동에 대한 결론을 도출할 수 있게 해주는 반경 방향 진동은 힘 센서에 의해 특히 잘 측정될 수 있다는 것이 달성될 수 있다.

예를 들어, 힘 센서는 영점 베어링에 통합될 수 있으며, 이를 통해 소노트로드 배열은 영점 위치에 지지되거나 장착된다.

일 실시예에 따르면, 소노트로드 장치는 진동 발생기 및 소노트로드를 포함한다. 여기서 힘 센서는 영점 위치에 인접한 접촉 영역의 소노트로드 상에 배열된다.

즉, 소노트로드 배열은 크게 적어도 두 부분으로 나눌 수 있다. 진동 발생기는 예를 들어 컨버터를 사용하여 초음파 진동을 생성하고 선택적으로 부스터로 이를 수정한다. 생성된 초음파 진동은 소노트로드로 전달되며, 여기서 소노트로드는 일반적으로 진동 발생기와의 인터페이스와 소노트로드 헤드 사이의 일체형 부분에 위치한다. 하나 이상의 노드가 진동 발생기, 특히 진동 발생기의 선택적 부스터와 소노트로드 모두에서 발생할 수 있으며, 따라서 하나 이상의 영점 위치가 있을 수 있다. 힘 측정에 사용할 힘 센서를 진동 발생기의 영점 위치가 아니라 소노트로드의 영점 위치에 배치하는 것이 유리한 것으로 인식되고 있다. 소노트로드 상의 이러한 영점 위치에 배치된 힘 센서의 경우 일반적으로 일체형 소노트로드를 통해 소노트로드 헤드와 매우 직접적인 기계적 결합이 이루어진다. 따라서 힘 센서에 의해 검출된 힘을 기반으로 소노트로드로부터 소노트로드에 인접한 결합 파트너로 전달되는 힘 및/또는 진동에 관한 결론을 쉽게 도출할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 초음파 용접 장치는 힘 센서의 힘 측정 표면과 소노트로드 배열의 표면 사이에 인터포징되는 베어링 요소를 더 포함하며, 베어링 요소는 힘 측정 표면을 적어도 제1 표면과 접촉시키고 소노트로드 배열의 표면을 적어도 제2 표면과 접촉시킨다.

다시 말해, 힘 센서는 바람직하게는 힘 측정 표면이 소노트로드 장치의 표면에 직접 닿아 있는 것이 아니라 중간 베어링 요소를 통해 그 표면과 간접적으로 상호작용할 수 있다. 베어링 요소는 소노트로드 배열로부터 제2 표면의 베어링 요소에 작용하는 진동, 특히 초음파 진동과 같은 진동을 힘 센서의 힘 측정 표면으로 변형된 방식으로 반대쪽 제1 표면으로 전달하도록 구성될 수 있다. 특히, 베어링 요소는 주파수 스펙트럼에 대해 존재하는 초음파 진동을 필터링하고 및/또는 진폭에 대해 초음파 진동을 감소시키도록 구성될 수 있다.

따라서, 특히 힘 센서에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다. 한편, 베어링 요소의 탄성 특성 및/또는 감쇠 특성이 충분히 알려진 경우, 힘 센서에 의해 측정되고 선택적으로 진동하는 힘을 기반으로 소노트로드 배열에서 작용하는 힘 및/또는 진동에 대한 충분히 정확한 결론이 도출될 수 있다. 예를 들어, 베어링 요소는 유리-섬유 복합재로 형성될 수 있다. 이러한 베어링 요소는 층 방향에 수직인 약 500 MPa(ISO 604에 따라 측정) 및/또는 층 방향에 평행한 약 100 kJ/m2(VDE 0318/2에 따라 측정)의 전단 강도를 가질 수 있다. 여기서 언급된 수치들은 단지 예시를 통해서만 그리고 십수 차수의 의미로만 이해되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 베어링 요소는 영점 위치에 인접한 접촉 영역의 소노트로드 배열과 접촉할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 베어링 요소는 소노트로드 배열보다 더 탄성적일 수 있다.

즉, 베어링 요소 또는 베어링 요소의 재료는 소노트로드 배열, 특히 그 소노트로드, 또는 그 각각의 재료보다 낮은 탄성 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 베어링 요소의 재료 탄성 계수는 굽힘 시험에 의해 ISO 178 RT에 따라 측정된 약 22,000 MPa일 수 있으며, 여기서 언급된 수치는 단지 예시적인 의미로만 이해되어야 하며 규모의 순서에 따라 이해되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 소노트로드 장치에 의해(준)정적인 힘을 받을 때 베어링 요소가 실질적으로 치수적으로 안정적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 고주파 진동은 베어링 요소를 통해 어느 정도 필터링되어 전달될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 힘 센서는 소노트로드 헤드와 앤빌 사이에 압력이 가해질 때 소노트로드 장치에 의해 힘 센서가 압력을 받는 방식으로 배열된다.

다시 말해, 힘 센서는 초음파 용접 장치의 작동 중에 일반적으로 발생하는 힘에 의해 압력을 받는 방식으로 소노트로드 장치 위에 배치되고 소노트로드 배열과 상호 작용하는 것이 바람직하다. 이러한 압력 하중은 대부분의 경우 해당 인장 하중보다 더 쉽게 및/또는 더 정확하게 측정될 수 있다. 대부분의 경우 초음파 용접 장치의 작동 중에 일반적으로 발생하는 힘은 변위 장치에 의해 소노트로드 헤드와 앤빌이 서로를 향해 이동하여 이들 사이에 수신된 결합 파트너와 접촉하고 이들을 적어도 약간 함께 누르기 때문에 발생한다. 일반적으로, 힘은 앤빌로부터 멀어지는 방향으로 소노트로드 헤드에 가해지고, 그 힘은 소노트로드의 영점 위치에 배열된 힘 센서에 인접한 소노트로드 부분에 전달된다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 초음파 용접 장치에서, 소노트로드에 작용하는 힘은 힘 센서의 도움을 받아 결정될 수 있다. 그런 다음 결정된 힘을 통해 소노트로드 헤드와 앤빌 사이에 둘러싸인 결합 파트너에 가해지는 힘에 대한 결론을 도출할 수 있다. 특히, 진동 작용을 갖는 힘도 측정될 수 있다. 용접 작업 중에 결합 파트너에 작용하는 힘 및 진동이 결합 파트너의 용접에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문에 힘 센서에 의해 결정된 신호는 결합 파트너의 용접에 유리하게 영향을 미치는 데 사용될 수 있다.

이를 위해, 일 실시예에 따른 초음파 용접 장치는 힘 센서의 신호를 고려하여 초음파 용접 장치의 특성을 조절하도록 구성된 폐루프 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 이어서 초음파 용접 장치는 힘 센서에 의해 결정된 힘을 고려하여 초음파 용접 장치의 특성이 조절되는 방식으로 작동될 수 있다.

다르게 표현하면, 힘 센서에 의해 전달되는 신호 또는 힘 측정은 초음파 용접 장치의 하나 이상의 특성을 제어할 뿐만 아니라 조절하기 위해 사용될 수 있다.

기존의 초음파 용접 장치에서 용접 작업에 영향을 미치는 특성은 일반적으로 제어 시스템에 의해서만 제어된다. 제어 시스템은 목표 파라미터를 지정하지만, 초음파 용접 장치의 특성이 실제로 해당 목표 파라미터에 따라 발생하는지 여부는 고려하지 않는다. 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 초음파 용접 장치의 경우, 힘 센서로부터의 신호를 고려하여 용접 작업에 영향을 미치는 특성이 조절될 수 있도록 하고, 이러한 신호는 초음파 용접 장치에서 실제로 어떤 특성이 발생하는지 및 원하는 방식으로 목표 파라미터를 따르는지에 대해 충분히 신뢰할 수 있거나 정확한 정보를 제공하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 일 실시예에 따르면, 폐루프 제어 장치는 힘 센서의 신호를 고려하여 소노트로드 배열과 앤빌 사이에서 변위 장치에 의해 생성된 힘을 조절하도록 구성될 수 있다. 이어서 초음파 용접 장치는 소노트로드 배열과 앤빌 사이에서 변위 장치에 의해 생성되는 힘이 힘 센서에 의해 결정된 힘을 고려하여 조절되는 방식으로 작동될 수 있다.

다르게 표현하면, 예를 들어 변위 장치의 메커니즘, 유압 시스템, 공압 시스템, 전기 서보 드라이브 등이 소노트로드 배열과 앤빌을 서로를 향해 이동시키는 힘은 종래의 초음파 용접 장치에서 일반적으로 그렇듯이 목표 힘을 지정하는 것뿐만 아니라 제어할 수 있다. 대신 힘 센서에 의해 결정된 힘을 해당 힘을 설정할 때 고려할 수 있다. 제어된 방식으로만 지정된 기존의 힘 설정에서는 변위 장치의 변위 시 결합 파트너에게 실제로 어떤 힘이 영향을 미치는지 인식할 수 없지만 힘 센서에 의해 결정된 힘을 고려하여 결합 파트너에 실제로 작용하는 힘에 대한 결론을 도출할 수 있다. 따라서, 변위 장치는 폐루프 제어 장치에 의해 적절한 방식으로 조절될 수 있으며, 따라서 실제로 작용하는 이러한 힘은 목표 사양에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 변위 장치에 의해 소노트로드 헤드와 앤빌 사이에서 설정된 상대 위치 및 이에 의해 결합 파트너에 미치는 힘은 예를 들어 슬립 스틱 효과 및/또는 스스로 해결되는 틸팅의 결과로 용접 작업 중에 원하지 않는 방식으로 변경되는 경우 재조정될 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 폐루프 제어 장치는 힘 센서의 신호를 고려하여 소노트로드 배열에서의 초음파 생성을 조절하도록 구성될 수 있다. 이어서, 초음파 용접 장치는 힘 센서에 의해 결정된 시변 힘을 고려하여 소노트로드 배열에서의 초음파 생성이 조절되는 방식으로 작동될 수 있다.

즉, 힘 센서에 의해 생성된 신호와 이에 의해 표현된 결정된 힘을 기반으로 용접 작업 중에 결합 상대방에게 실제로 어떤 힘이 작용하는지 결론을 내릴 수 있다. 이 힘 진행 변화의 시간적 해상도는 결합 파트너에게 전달되는 초음파 진동에 대한 결론을 내릴 수 있을 만큼 충분히 높을 수 있다. 결합 파트너에서의 이러한 초음파 진동은 용접 작업 중에 가해진 힘에 따라 및/또는 진동 발생기에 의해 생성된 초음파 진동에 따라 변할 수 있다. 특히, 측정된 힘은 영점 위치에서 소노트로드 배열의 위에서 설명한 방사형 진동에 의해 발생할 수 있으며, 따라서 초음파 주파수 범위에서 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 이러한 변화는 힘 센서에 의한 힘 측정을 기반으로 인식될 수 있고, 따라서 힘 센서의 신호에 기초하여 피드백이 폐루프 제어 장치로 전송될 수 있다. 이 피드백에 기초하여, 폐루프 제어 장치는 예를 들어 제어 신호를 진동 발생기에 적절하게 적응시킴으로써 초음파 진동의 발생을 조절할 수 있다. 따라서 용접 작업의 결과에 영향을 미치는 영향 요인, 예를 들어 진동 주파수 및/또는 진동 진폭은 가능한 한 수정 및 최적화되는 것이 유리할 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 초음파 용접 장치는 힘 센서의 신호를 기반으로 초음파 용접 장치의 현재 상태에 관한 정보를 결정하도록 구성된 모니터링 장치를 더 포함할 수 있다. 여기서 초음파 용접 장치는 힘 센서에 의해 결정된 힘을 고려하여 현재 상태에 관한 정보가 결정되고 출력되는 방식으로 작동될 수 있다.

여기서는 특히 힘 센서에 의해 측정된 힘, 특히 시간 경과에 따른 이러한 힘의 진행을 통해 초음파 용접 장치의 현재 상태에 대한 결론을 도출할 수 있다는 사실이 관찰되었다는 사실을 활용할 수 있다. 예를 들어, 변위 장치에 의해 소노트로드와 앤빌이 서로를 향해 이동하는 동안 힘 센서에 의해 측정된 힘 진행이 작용하여 이들 사이의 결합 파트너를 고정시키는 방식은 초음파 용접 장치 내의 현재 물리적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이러한 힘 진행 내에서의 급격한 변화 또는 점프는 초음파 용접 장치의 기계적 상태를 나타낼 수 있다. 초음파 용접 장치의 현재 상태에 대한 해당 정보는 예를 들어, 이를 기반으로 초음파 용접 장치의 작동을 조정할 수 있도록 및/또는 결함이 있는 경우 적절한 시정 조치를 제공할 수 있도록, 예를 들어 다른 내부 또는 외부 구성 요소에 신호로 출력되거나 전송될 수 있다.

본 발명의 실시예의 가능한 특징 및 이점이 본 명세서에서는 부분적으로는 초음파 용접 장치와 관련하여 설명되고 부분적으로는 초음파 용접 장치의 작동 방법을 참조하여 설명된다는 점에 유의해야 한다. 본 기술 분야의 숙련자는 개별 실시예에 대해 설명된 특징이 유사한 방식으로 다른 실시예에 적합하게 전달될 수 있고, 본 발명의 추가 실시예에 도달하도록 조정 및/또는 상호 교환될 수 있으며, 가능하다면 시너지 효과를 낼 수 있다는 것을 인식할 것이다.

본 발명의 유리한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 추가로 설명되며, 도면이나 설명 모두 본 발명을 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 초음파 용접 장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 초음파 용접 장치의 구성 요소를 통해 보다 상세한 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 용접 장치에서 측정될 수 있는 하중 진행의 예를 도시한다.
도면들은 단지 개략적이고, 실제와 일치하지 않는다. 여러 도면의 동일한 참조 기호는 동일한 효과를 갖는 동일한 특징 또는 특징을 나타낸다.

도 1은 초음파 용접 장치(1)의 실시예를 고도로 개략적으로 나타낸 것이다. 초음파 용접 장치(1)의 일부 세부 사항은 도 2에 도시되어 있다.

초음파 용접 장치(1)는 소노트로드 배열(3), 앤빌(5), 변위 장치(7) 및 힘 센서(9)를 갖는다. 소노트로드 배열(3)은 근위 영역(13)에 컨버터(27) 및 부스터(29)를 갖는 진동 발생기(25)를 가지며, 이는 여기서 x-방향으로 표시된 진동 방향(17)으로 초음파 진동을 발생시킨다. 도시된 예에서, 길이방향 진동이 발생하는데, 즉 진동 방향(17)은 소노트로드 배열(3)의 길이방향 범위와 실질적으로 평행하다. 소노트로드 배열(3)은 소노트로드(31)를 더 갖고, 소노트로드(31)는 말단 영역(15)에 소노트로드 헤드(11)를 구비한다. 반력을 흡수할 수 있도록, 소노트로드 배열(3)은 부스터(29)의 영점 베어링(45)에 장착되고 소노트로드(31)상의 영점 위치(21)에 지지된다.

앤빌(5)은 소노트로드 헤드(11) 위에 위치한다. 예를 들어 2개 이상의 가닥 또는 케이블 형태의 결합 파트너(43)는 앤빌(5)과 소노트로드 헤드(11)사이에 수용될 수 있다.

변위 장치(7)의 도움으로, 앤빌(5) 및 소노트로드 배열(3)와 그 소노트로드 헤드(11)는 변위 방향(19)으로 서로에 대해 이동될 수 있다. 변위 방향(19)은 여기서 z 방향으로 표시된다. 도시된 예에서, 변위 장치(7)는 앤빌 드라이브 형태일 수 있으며, 예를 들어 힘(Fa)으로 앤빌(5)을 이동시키기 위한 서보 드라이브 또는 공압 실린더를 가질 수 있다.

힘(Fa)는 선택적으로 측정될 수 있다. 그러나, 변위 장치(7)에 의해 영향을 받는 힘(Fa)은 소노트로드(31)에서 발생하거나 결합 파트너(43)에 작용하는 힘과 반드시 일치하지는 않는다는 것이 관찰되었다. 예를 들어 마찰과 소음의 결과로 힘 손실이 발생할 수 있으며 힘 Fa를 측정해도 이러한 힘 손실을 인식하지 못할 수 있다. 다르게 표현하면, 변위 장치(7)의 구동력(Fa)은 예를 들어 가이드 및/또는 용접 재료의 마찰에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한 일반적으로 진폭, 주파수 및 힘 간에 신뢰할 수 있는 관계를 인식할 수 없기 때문에 이를 확실하게 고려하지 못할 수 있다.

결합 파트너(43)에 실제로 작용하는 힘과 가능하다면 결합 파트너(43)에 가해지는 초음파 진동을 더 잘 결정할 수 있도록 초음파 용접 장치(1)는 힘 센서(9)를 구비한다. 힘 센서(9)는 소노트로드(31)의 영점 위치(21)에 인접한 접촉 영역(23)에 위치한다. 힘 센서(9)는 소노트로드 배열(3)의 소노트로드(31)에 의해 가해지는 힘(Fs)을 측정할 수 있도록 구성된다. 이들 힘(F)은 적어도 하나의 힘 성분과 함께 변위 방향(19)과 평행한 방향으로 작용하며, 여기서 소노트로드(31)는 거기에 가해지는 힘(Fa)에 의해 앤빌(5)을 경유하여 간접적으로 변위 장치(7)에 의해 힘을 받는다.

이렇게 배열되고 구성된 힘 센서(9)는 힘(F), 또는 이러한 힘(Fs)의 시간 경과에 따른 진행을 검출하는데, 이는 변위 장치(7)에서 측정된 힘(Fa)의 경우보다 결합 파트너(43)에 작용하는 힘 또는 관련된 힘 진행과 훨씬 더 직접적으로 상관관계가 있다.

힘 센서(9)는 소노트로드(31)의 영점 위치(21) 부근의 접촉 영역(23) 내에 배열된다. 이 접촉 영역(23)은 힘 센서(9)가 영점 위치(21)에 충분히 근접하는 방식으로 치수가 정해진다. 따라서 힘 센서(9)는 길이방향 진동에 의해 거의 하중을 받지 않는데, 이는 길이방향 진동이 영점 위치(21)에서 최소이기 때문이다. 한편, 힘 센서(9)는 소노트로드(31) 내의 방사형 진동으로 인해 힘을 받을 수 있다. 이러한 방사형 진동은 길이방향 진동과 상관관계가 있는 소노트로드(31)내의 시간에 따라 변하는 국부 압축으로 인해 특히 영점 위치(21)에서 횡방향 수축으로 발생하며, 이에 따라 소노트로드(31)는 영점 위치(21)에서 측면 표면을 사용하여 “펌핑”하는 것처럼 보인다.

따라서 힘 센서(9)의 도움으로, 영점 위치(21)에서 소노트로드(31)에 작용하는 힘이 높은 정확도로 결정될 수 있다. 일반적으로 이러한 힘과 결합 파트너(43)에 실제로 작용하는 힘 사이에는 직접적인 상관관계가 있다. 또한 이러한 힘의 시간 경과에 따른 진행 상황을 기록할 수 있다. 따라서, 특히 영점에서의 소노트로드(31)의 횡방향 수축이 결정될 수 있고, 소노트로드 배열(3)에 의한 길이방향 진동, 특히 소노트로드 배열(3)의 주파수, 진폭 및/또는 위상에 관한 정보가 그로부터 도출될 수 있다. 결정된 정보는 초음파 용접 장치(1)를 조절 및/또는 모니터링하는 데 사용될 수 있다.

베어링 요소(33)는 힘 센서(9)의 힘 측정 표면(35)과 소노트로드(31)의 반대쪽 표면(37) 사이에 인터포징된다. 베어링 요소(33)는 특히 과부하, 특히 소노트로드(31)로부터 전달된 길이방향 진동 및/또는 과도한 반경 방향 진동으로 인한 과부하로부터 힘 센서(9)를 보호하기 위한 것이다. 따라서 힘 센서(9)의 적절한 서비스 수명이 달성될 수 있다.

한편, 베어링 요소(33)는 측정될 힘(Fs) 및 시간 경과에 따른 진행에 과도한 영향을 주지 않는 방식으로 구성되어야 하며, 따라서 예를 들어 소노트로드(31)에서 널리 퍼진 바와 같이 상기 힘의 진폭 및/또는 위상이 관련 파라미터와 여전히 충분히 정확하게 상관관계가 있도록 구성되어야 한다.

힘 센서(9) 및 베어링 요소(33)는 한편으로는 초음파 용접 장치(1)의 하우징에 지지될 수 있고, 다른 한편으로는 소노트로드(31)를 그 영점 위치(21)에서 지지할 수 있다. 전반적으로, 소노트로드(31)를 위한 일종의 영점 베어링은 힘 센서(9)와 베어링 요소(33)를 통해 형성될 수 있으며, 여기서 여기서 지배하는 힘(F)은 힘 센서(9)에 의해 결정될 수 있다.

결정된 힘(Fs)에 응답하여 힘 센서(9)에 의해 생성된 신호는 폐루프 제어 장치(39) 및/또는 모니터링 장치(41)에 공급될 수 있다.

폐루프 제어 장치(39)는 이러한 신호에 기초하여 초음파 용접 장치(1)의 특성 및/또는 기능을 의도적으로 조절할 수 있다.

예를 들어, 소노트로드(31)와 앤빌(5) 사이에서 변위 장치(7)에 의해 생성된 힘(Fa)은 힘 센서(9)의 신호를 고려하여 조절될 수 있다. 따라서, 결합 파트너(43)에 실제로 작용하는 힘은 종래의 초음파 용접 장치의 경우보다 더 잘 조정될 수 있다.

또한, 폐루프 제어 장치(39)는 소노트로드 배열(3)에서 원하는 초음파 생성을 수행하기 위해 적절한 방식으로 소노트로드 배열(3)의 컨버터(27)를 조절하기 위해 힘 센서(9)의 신호를 사용할 수 있다.

모니터링 장치(41)는 힘 센서(9)로부터 수신한 신호를 사용하여 초음파 용접 장치(1)의 현재 상태에 관한 정보를 결정할 수 있다. 예를 들어, 초음파 진동의 발생을 켜거나 끌 때와 같이 측정된 힘(Fs)의 진행에 갑작스러운 변화, 즉 힘의 점프가 발생하면 초음파 용접 장치(1) 및 그 구성 요소의 현재 기계적 상태에 대한 결론을 도출할 수 있다.

모니터링 장치(41)는 예를 들어 초음파 용접 장치(1)의 현재 상태에 관한 정보를 폐루프 제어 장치(39)에 포워딩할 수 있으며, 이에 따라 정보가 거기에서 고려될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 정보는 또한 다른 내부 또는 외부 컴포넌트(47)에 전달될 수 있다. 예를 들어, 기술자가 오작동이나 마모 현상을 인식하고 적절한 대응 조치를 시작할 수 있도록 정보를 디스플레이에 표시할 수 있다.

도 3은 시간 t에 의존하는 힘 F의 진행을 예시로 도시한다. 한편으로는 변위 장치(7)에서 직접 측정된 힘(Fa)이 도시되어 있고, 다른 한편으로는 힘 센서(9)에 의해 결정된 힘(F)이 도시되어 있다.

분명히 알 수 있듯이 두 힘 Fa와 Fs의 시간 경과에 따른 진행은 크게 다르다. 변위 장치(7)에 가해지는 힘(Fa)은 제어 신호를 따르고 실질적으로 직사각형 진행을 갖는다.

그러나, 소노트로드(31)에 작용하는 힘(F), 그리고 따라서 결합 파트너(43)에 실질적으로 작용하는 힘(F)은 이러한 직사각형 진행과는 상당히 다를 수 있다. 처음에는 이 힘(Fs)이 급격히 증가하지만 이후에는 최대값에 도달하는 것으로 보인다.

시간(t1)에서 초음파 진동의 생성이 시작되면 측정된 힘(Fs)는 다시 짧은 시간 동안 증가한다. 이는 기존의 기울어짐, 유착 등이 초음파 진동의 영향을 받아 저절로 해소될 수 있기 때문인 것으로 추정된다. 또한, 측정된 힘(Fs)은 초음파 진동에 따라 진동하며, 진동 주파수, 진동 진폭 및/또는 진동 위상과 같은 진동 파라미터는 소노트로드(31)에서 우세한 초음파 진동과 상관관계가 있는 것으로 보일 수 있다.

시간(t2)에서 초음파 진동의 생성이 종료되면 측정된 힘(Fs)은 천천히 감소한다.

시간(t3)부터 측정된 힘은 다시 급격히 감소하여 궁극적으로 초음파 용접 작업 이전의 수준에 도달한다.

본 명세서에 설명된 초음파 용접 장치(1)와 이것이 규제된 방식으로 작동될 수 있는 방식을 사용하면, 특히 용접하기 어렵거나 결합 파트너를 오염시킨 결합 파트너의 경우 초음파 용접 프로세스의 개선이 달성될 수 있다. 잠재적으로 결함이 있는 용접 조인트는 회피 및/또는 인식될 수 있다.

마지막으로, “갖는다”, “포함한다” 등과 같은 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며 “하나”라는 용어는 복수를 배제하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 또한, 상기 예시적 실시예 중 하나를 참조하여 설명된 특징 또는 단계는 상기 설명된 다른 예시적 실시예의 다른 특징 또는 단계와 조합하여 사용될 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 청구항들에서의 도면 부호들은 한정으로 간주되지 않는다.

1: 초음파 용접 장치
3: 소노트로드 배열
5: 앤빌
7: 변위 장치
9: 힘 센서
11: 소노트로드 헤드
13: 근위 영역
15: 원위 영역
17: 진동 방향
19: 변위 방향
21: 영점 위치
23: 접촉 영역
25: 진동 발생기
27: 컨버터
29: 부스터
31: 소노트로드
33: 베어링 요소
35: 힘 측정 표면
37: 소노트로드 배열의 표면
39: 폐루프 제어 장치
41: 모니터링 장치
43: 결합 파트너
45: 부스터의 영점 베어링
47: 외부 구성 요소
Fa: 변위 장치에 의한 힘
Fs: 힘 센서 상에서의 힘
x: x축
z: Z축

Claims

초음파 용접 장치(1)에 있어서,
소노트로드 배열(3);
앤빌(5);
변위 장치(7); 및
힘 센서(9)를 포함하고,
상기 소노트로드 배열(3)은 소노트로드 헤드(11)를 포함하고,
상기 소노트로드 배열(3)은 상기 소노트로드 헤드(11)가 상기 소노트로드 배열(3)의 진동 방향(17)으로 진동하고, 상기 소노트로드 배열(3)이 상기 진동 방향(17)을 기준으로 상기 소노트로드 헤드로부터 이격되어 배치되는 영점 위치(21)에서 상기 진동 방향(17)으로 최소 진동하도록, 상기 소노트로드 헤드로부터 멀리 떨어진 영역(13)에서의 상기 소노트로드 배열에서 생성된 초음파 진동을 상기 소노트로드 헤드(11)로 전달하도록 구성되고,
상기 변위 장치(7)는 상기 소노트로드 배열(3) 및 상기 앤빌(5)을 변위 방향(19)으로 서로에 대하여 변위시키도록 구성되고,
상기 힘 센서(9)는 상기 영점 위치(21)에 인접한 접촉 영역(23)에 위치되고, 상기 힘 센서(9)의 도움으로, 상기 변위 방향(19)에 평행한 상기 힘 센서(9) 상에서의 상기 소노트로드 배열(3)에 의해 가해지는 힘들(Fs)이 측정될 수 있도록 구성되는, 초음파 용접 장치(1).
제1항에 있어서,
상기 접촉 영역(23)은 상기 영점 위치(21)에 인접하게 연장되고, 상기 접촉 영역(23) 내에서 상기 영점 위치(21)까지의 최대 거리는 상기 영점 위치(21)와 상기 소노트로드 헤드(11)의 기하학적 중심(geometric center) 사이의 거리의 20% 미만인, 초음파 용접 장치.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소노트로드 배열(3)은 진동 발생기(25) 및 소노트로드(31)를 포함하고, 상기 힘 센서(9)는 영점 위치(21)에 인접한 접촉 영역(23)에 상기 소노트로드(31)가 배치되는, 초음파 용접 장치.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 힘 센서(9)의 힘 측정 표면(35)과 상기 소노트로드 배열(3)의 표면(37) 사이에 인터포징된(interposed) 베어링 요소(33)를 더 포함하고, 상기 베어링 요소(33)는 상기 힘 센서(9)의 상기 힘 측정 표면(35)에 제1 표면과 접촉하고, 상기 소노트로드 배열(3)의 상기 표면(37)에 제2 표면과 접촉하는, 초음파 용접 장치.
제4항에 있어서,
상기 베어링 요소(33)는 상기 소노트로드 배열(3)보다 더 탄성이 있는, 초음파 용접 장치.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 힘 센서(9)는 상기 소노트로드 헤드(11) 및 상기 앤빌(5) 사이에 압력이 가해질 때, 상기 소노트로드 배열(3)에 의해 상기 힘 센서(9)가 압력을 받도록 배치되는, 초음파 용접 장치.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 힘 센서(9)의 신호를 고려하여 상기 초음파 용접 장치(1)의 특성을 조절하도록 구성되는 폐루프 제어 장치(39)를 더 포함하는, 초음파 용접 장치.
제7항에 있어서,
상기 폐루프 제어 장치(39)는 상기 힘 센서(9)의 상기 신호를 고려하여 상기 소노트로드 배열(3) 및 상기 앤빌(5) 사이의 상기 변위 장치(7)에 의해 생성되는 힘(Fa)을 조절하도록 구성되는, 초음파 용접 장치.
제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐루프 제어 장치(39)는 상기 힘 센서(9)의 상기 신호를 고려하여 상기 소노트로드 배열(3)에서 초음파 발생을 조절하도록 구성되는, 초음파 용접 장치.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 힘 센서(9)의 신호에 기초하여 상기 초음파 용접 장치(1)의 현재 상태에 대한 정보를 결정하도록 구성되는 모니터링 장치(41)를 더 포함하는, 초음파 용접 장치.
전술한 항 중 어느 한 항에 따른 초음파 용접 장치(1)를 작동하는 방법에 있어서,
상기 힘 센서(9) 상에서 상기 소노트로드 배열(3)에 의해 가해지는 힘(Fs)을 결정하는 단계;
상기 결정된 힘(Fs)을 고려하여 상기 초음파 용접 장치(1)를 작동하는 단계를 포함하는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 결정된 시간 가변 힘(Fs)을 고려하여 상기 초음파 용접 장치(1)의 특성을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정된 힘(Fs)을 고려하여 상기 소노트로드 배열(3) 및 상기 앤빌(5) 사이에서 상기 변위 장치(7)에 의해 생성되는 힘(Fa)을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정된 힘(Fs)을 고려하여 상기 소노트로드 배열(3)에서 초음파 생성을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정된 힘(Fs)을 고려하여 상기 초음파 용접 장치(1)의 현재 상태에 대한 정보를 결정하고 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.