WO2022086061A1 - 회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치 및 이를 이용한 용접방법 - Google Patents

회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치 및 이를 이용한 용접방법 Download PDF

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WO2022086061A1
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anvil
welding
horn
ultrasonic
plane
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지호준
최항준
문정오
박진용
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic welding apparatus comprising a rotatable anvil. Specifically, in order to prevent a deviation in parallelism between the welding surface of the horn and the upper surface of the anvil for ultrasonic welding, an ultrasonic welding apparatus including an anvil rotatable to match the parallelism with the welding surface of the horn, and a welding method using the same .
  • the lithium secondary battery can be divided into a cylindrical secondary battery or a prismatic secondary battery made of a metal material, a pouch-type secondary battery made of a laminate sheet, and the like.
  • the pouch-type secondary battery is stacked with a high degree of integration to have high energy density per weight, low manufacturing cost, and easy shape deformation, and thus is used in various devices.
  • the pouch-type secondary battery is manufactured by accommodating the electrode assembly and the electrolyte therein, then sealing the outer periphery by heat sealing, and the electrode lead of the electrode assembly is exposed to the outside of the outer periphery to become an electrode terminal.
  • the electrode lead may be combined with a bundle of electrode tabs to which a plurality of electrode tabs are coupled by welding.
  • resistance welding or laser welding is used, excessive energy is applied to the electrode assembly, so the performance of the lithium secondary battery may be deteriorated.
  • eco-friendly ultrasonic welding which has been in the spotlight as the field of application increases in recent years, is mainly used.
  • the ultrasonic welding apparatus may include an ultrasonic oscillator, an ultrasonic vibrator, a booster, a horn, and an anvil.
  • the ultrasonic oscillator converts an AC current of 60 Hz into a high-frequency current of 20 kHz or more and supplies it to the ultrasonic vibrator.
  • the ultrasonic vibrator converts the high-frequency current generated by the ultrasonic oscillator into ultrasonic waves, and the converted ultrasonic waves move to a booster, which amplifies the received ultrasonic waves and transmits them to the horn.
  • the horn presses the electrode tab and the electrode lead surface placed on the upper surface of the anvil with a constant load, and at the same time applies the amplified ultrasonic wave transmitted from the booster to weld.
  • the condition for ensuring high welding quality is that the parallelism of the horn and the anvil match.
  • the anvil is fixed to the main body, there is no problem such as distortion during setting, but since the horn is connected to a cylindrical booster, it is slightly deviated from its original position in the process of fixing it with a bolt after checking the horizontal setting of the horn with the naked eye.
  • Figure 1 shows a welding process using a conventional ultrasonic welding apparatus.
  • the horn when the horn is welded in a twisted state, it causes uneven wear of the protrusions formed on the horn, so that the lifespan of the horn is shortened, and the shortening of the replacement cycle of the horn reduces the operation rate of the production line.
  • Patent Document 1 discloses a horn parallelism setting device capable of correcting the angle of the horn so that the parallelism of the horn is consistent with the anvil standard through a setting block when the parallelism between the horn and the anvil is checked.
  • the horn parallelism setting device of Patent Document 1 includes a horn parallelism setting block, a measuring unit on both sides of the setting block, and a horn angle correction unit for setting the horn parallelism. There is a problem to secure space and cost to do it.
  • Patent Document 2 relates to a leveling jig for leveling the horn and anvil constituting an ultrasonic welding apparatus, and discloses a method of inserting each of the horn and anvil into a jig frame and adjusting the level of the horn and anvil.
  • Patent Document 2 since it is necessary to manually tighten the bolts in order to level the horn and anvil, precise control may be difficult.
  • the present invention is to solve the above problems, and by easily adjusting the parallelism of the horn and the anvil of the ultrasonic welding apparatus to match, an ultrasonic welding apparatus including a rotatable anvil that can ensure good welding quality, and welding using the same
  • the purpose is to provide a method.
  • an anvil unit including an anvil and a support part on which the anvil can rotate, and a welding body to which the horn unit and the anvil unit are fixed, wherein the anvil has a welding surface of the horn and the upper plane parallel It may be in the form of rotational motion by the support part so as to be in one state.
  • the anvil is a cylindrical or elliptical column with a cut surface perpendicular to the bottom, or one of a spherical shape with a cut surface, the cut surface becomes a plane of the upper portion, and the support portion is the cylindrical, elliptical column, or the curved surface of the sphere It is in the form of a container having an inner space that can be rotated, and when the anvil is in an initial state in which it is stopped, the upper plane may be disposed to protrude to the outside of the support part.
  • a lubricant or a bearing may be added to a contact surface between the support and the anvil.
  • the support part may be fixed to the welding body.
  • a groove or a through hole may be formed in at least a portion of an outer surface other than the upper plane of the anvil.
  • the anvil is a shape cut perpendicularly to the bottom of the cylinder so that less than 50% of the cylinder remains, and includes a planar cut surface, the cut surface becomes a flat surface of the upper part, and the support part is the inside in which the curved surface of the cylinder can be rotated
  • An ultrasonic welding device in the form of a container in which a space is provided, and the central axis on which the cut cylinder rotates coincides with the central axis of the horn.
  • the anvil may have a three-dimensional shape, and a cut surface provided on the upper portion may be a flat surface of the upper portion, and the support portion may be fixed to the welding body through a fixed shaft penetrating the anvil.
  • the fixed shaft may be in a form parallel to the upper plane or may be in a form parallel to a portion of the rotation surface of the anvil.
  • a protrusion may be formed on at least one of the surfaces in contact with the horn and the anvil.
  • the present invention also provides a welding method using the ultrasonic welding apparatus.
  • the welding method includes the steps of (S1) arranging the object to be welded on a plane of the upper part of the anvil, (S2) arranging the welding surface of the horn on the upper surface of the object to be welded, (S3) the plane of the upper part and the It may include rotating and aligning the anvil so that the welding surface of the horn is parallel, and (S4) welding by applying ultrasonic waves.
  • the anvil After the rotation of the anvil is stopped, it can be welded by applying ultrasonic waves.
  • the present invention can also be provided by various combinations of means for solving the above problems.
  • the anvil can be rotated according to the angle of the welding surface of the horn.
  • the process of matching the parallelism between the horn and the anvil can be quickly and accurately performed.
  • the anvil is fixed to the welding body by the support part even though it is in a rotatable form, it is possible to prevent the anvil from moving in the vibration direction of the horn.
  • the upper plane of the anvil protrudes from the upper end of the support, the upper plane of the anvil protrudes from the support is maintained even when the anvil mounted on the support is rotated, so that an area required for welding can be secured.
  • FIG. 2 is a perspective view of an ultrasonic welding apparatus according to the present invention.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of the anvil unit according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a vertical sectional view of the anvil unit of FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view of an anvil unit according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a front view of the anvil according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view of an ultrasonic welding apparatus according to a fourth embodiment.
  • FIG 8 is a front view of an anvil according to a fifth embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view of various types of anvils.
  • FIG. 2 is a perspective view of an ultrasonic welding apparatus according to the present invention.
  • the ultrasonic welding apparatus according to the present invention, a horn unit 100 including a horn 110 that vibrates in contact with a welding object and a vibrator 120 that applies vibration to the horn 110, welding
  • the anvil unit 200 including an anvil 210 including a flat surface on which the object is placed and a support 220 in which the anvil can rotate, and a welding body to which the horn unit 100 and the anvil unit 200 are fixed 300 is included, and the anvil 210 is rotated by the support 220 so that the welding surface 111 and the upper plane of the horn 110 are parallel to each other.
  • the horn 110 After the horn 110 is mounted on the horn holder 130 and before the ultrasonic wave is applied, the horn 110 so that the parallelism between the welding surface 111 of the horn 110 and the upper plane of the anvil 210 matches A process of aligning the direction of
  • the process of aligning the direction of the horn 110 was performed as a process of realigning the horn 110 by visually confirming the direction of the horn, fixing it, and determining the welding state from the result of welding. Therefore, even if the parallelism between the welding surface 111 of the horn 110 and the upper plane of the anvil 210 is slightly shifted, there is a problem in that it is difficult to adjust in advance.
  • the anvil 210 of a rotatable type since the anvil 210 of a rotatable type is used, even if the welding surface 111 of the horn is disposed not parallel to the upper surface of the welding object, the anvil 210 in which the welding object is located is the horn ( 110), a structure that can be rotated to be parallel to the welding surface 111 is presented.
  • the horn 110 vibrates in the x-axis direction by ultrasonic vibration, and the anvil 210 needs to be fixed in place within the support unit 220 .
  • the support 220 may prevent the anvil 210 from moving in the x-axis direction by being fixed to the welding body 300 .
  • FIG 3 is an exploded perspective view of the anvil unit according to the first embodiment.
  • the anvil 210 has a shape in which a cut surface is cut perpendicularly to a circular base in a cylinder, and the cut surface becomes the upper plane 211 .
  • the support unit 220 is formed in a form in which an inner space 222 in which the anvil 210 can be accommodated and rotated is provided.
  • the support 220 of FIG. 3 is formed in a form in which two separable members are coupled.
  • the horn vibrates and rubs on the upper surface of the object to be welded, and when the anvil is rubbed on the lower surface of the object to be welded, weldability is further improved by the protrusion can be
  • the protrusions may also be formed on the surface of the weld surface of the horn, and the size of the protrusion formed on the surface of the weld face of the horn and the size of the protrusion formed on the plane of the upper part of the anvil may be the same, or protrusions of different sizes may be formed. .
  • FIG. 4 is a vertical sectional view of the anvil unit of FIG.
  • FIG. 4 shows a spaced space formed between the anvil 210 and the support part 220 for convenience of understanding, in reality, the anvil 210 may flow within the support part 220 . It can be understood that there is almost no space for separation.
  • a lubricant or bearing may be added to all contact surfaces of the support 220 and the anvil 210 , and when the anvil rotates in the direction of the arrow, there may be little frictional force.
  • FIG. 4 shows an anvil 210 having a semicircular side surface, and the lengths of the lines (a), (b), and (c) are the same. However, in the range of making the lengths of the line (a) and the line (c) the same, by forming the length shorter or longer than the length of the line (b), the side surface can be transformed into an oval anvil and used.
  • the upper end 230 of the support should be formed at a height that does not protrude than the plane 211 of the upper portion of the anvil.
  • the upper plane 211 of the anvil protrude more than the upper end 230 of the support part.
  • FIG. 5 is a perspective view of an anvil unit according to a second embodiment.
  • the anvil unit is composed of an anvil 310 formed by cutting a sphere, and a support portion 320 having an internal space having a size corresponding to the outer surface of the sphere.
  • the upper plane 311 of the anvil 310 is formed to protrude from the upper end of the support part 320 .
  • the anvil 310 and the support part 320 have a corresponding size without a space therebetween, and by adding a lubricant or the like between the anvil 310 and the support part 320 , the anvil 310 rotates in the support part 320 . can do. Even when the anvil rotates, it is preferable that the upper plane 311 of the anvil always protrude from the upper end 330 of the support part.
  • FIG. 6 is a front view of the anvil according to the third embodiment.
  • the anvil 410 is a shape cut perpendicular to the bottom of the cylinder so that less than 50% of the cylinder remains, and includes a planar cut surface, the cut surface becomes a flat surface of the upper part, and the anvil 410 in the form of a cut cylinder ) is rotated by the central axis 401 coincides with the central axis of the horn 110 .
  • the degree of parallelism between the welding surface of the anvil and the horn may be kept consistent throughout the rotation angle of the anvil 410 in the range of 0 degrees to 360 degrees.
  • FIG. 7 is a perspective view of an ultrasonic welding apparatus according to a fourth embodiment.
  • the anvil 510 has a three-dimensional shape, and the cut surface provided on the upper part becomes the upper plane 511 , and the support part 520 has the anvil 510 by the fixed shaft passing through the anvil 510 . It is in the form of being fixed to the welding body 300 .
  • the anvil 510 may maintain a fixed position even in the vibration of the horn 110 .
  • FIG 8 is a perspective view of an ultrasonic welding apparatus according to a fifth embodiment.
  • the anvil 610 is a semi-circular column shape cut perpendicular to the circular side of the cylinder, and the support part 620 of the anvil 610 has a fixed shaft that moves the anvil 610 in the thickness direction (in FIG. 9 ).
  • the fixed shaft is parallel to a portion of the rotational surface 618 that is a curved surface of the semicircular column of the anvil 610 .
  • (b) is a state in which (a) the anvil 610 rotates the support part 620 counterclockwise with the fixed axis, (c) is the anvil 610 rotates the support part 620 with the fixed axis clockwise is in one state
  • FIG. 9 shows a perspective view of various types of anvils.
  • (a) to (d) are three-dimensional shapes in which cut surfaces are formed, and the cut surfaces become upper planes 711a, 711b, 711c, and 711d on which a welding object is disposed.
  • (a) is a quadrangular truncated pyramid shape
  • (b) is a shape cut along a line parallel to the major axis of one elliptical surface in an elliptical column
  • (c) is a line parallel to the minor axis of one elliptical surface in an elliptical column It is cut according to the shape.
  • the external shape of (d) is the same as that of (b), but a through hole 250 penetrating the anvil in the thickness direction (T) is formed.
  • the interior of the anvil is filled as in (a) to (c), and the form in which a groove is formed on the outer surface of the anvil is also included in the scope of the present invention.
  • the anvil is a form applicable when the form of the support is a fixed shaft form parallel to the plane of the upper part of the anvil, (b) to (d) the anvil, the form of the support is the plane of the upper part of the anvil In the case of a fixed shaft shape parallel to, or in the case where the shape of the support part is parallel to a part of the rotation surface of the anvil, or in the case of using a support part in a form in which an internal space is formed, it is applicable.
  • the welding method according to the present invention is specifically, (S1) arranging the welding object on a flat surface of the upper part of the anvil, (S2) arranging the welding surface of the horn on the upper surface of the welding object, (S3) the upper part of the and rotating and aligning the anvil so that the plane and the welding surface of the horn are parallel to each other, and (S4) welding by applying ultrasonic waves.
  • the entire plane of the upper part of the anvil and the entire welding surface of the horn are in close contact
  • the anvil rotates as much as possible.
  • welding is performed by applying ultrasonic waves.
  • the present invention relates to an ultrasonic welding apparatus including an anvil rotatable to match the parallelism with the welding surface of the horn in order to prevent a deviation in parallelism between the welding surface of the horn and the upper surface of the anvil for ultrasonic welding, and a welding method using the same Invar, available for industrial use.

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Abstract

본원발명은 초음파 용접 장치에 대한 것으로서, 용접 대상물과 접촉하여 진동하는 혼(Horn)과 상기 혼에 진동을 인가하는 진동자를 포함하는 혼 유닛, 용접 대상물이 놓이는 상부의 평면을 포함하는 앤빌(Anvil)과 상기 앤빌이 회전할 수 있는 지지부를 포함하는 앤빌 유닛, 및 상기 혼 유닛과 상기 앤빌 유닛이 고정되는 용접 본체를 포함하고, 상기 앤빌은 상기 혼의 용접면과 상기 상부 평면이 평행한 상태가 되도록 상기 지지부에 의해서 회전 운동을 할 수 있는 바, 혼과 앤빌의 평행도를 쉽게 정렬할 수 있고, 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 대표도 : 도 2

Description

회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치 및 이를 이용한 용접방법
본원발명은 2020년 10월 22일자 대한민국 특허출원 제2020-0137617호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원 발명은 회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치에 대한 것이다. 구체적으로, 초음파 용접을 위한 혼의 용접면과 앤빌의 상면 간에 평행도 편차가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 혼의 용접면과 평행도가 일치하도록 회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치 및 이를 이용한 용접방법에 대한 것이다.
모바일 기기와 전기자동차 등의 에너지원으로 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
리튬 이차전지는 케이스의 소재에 따라, 금속 소재로 이루어진 원통형 이차전지 또는 각형 이차전지와, 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 이차전지 등으로 구분할 수 있다. 상기 파우치형 이차전지는 높은 집적도로 적층되어 중량당 에너지 밀도가 높으며, 제조 비용이 낮고 형태 변형이 용이한 장점 때문에 다양한 디바이스에 사용되고 있다.
상기 파우치형 이차전지는 내부에 전극조립체와 전해액을 수용한 후 외주변을 열융착하여 밀봉하여 제조되며, 상기 전극조립체의 전극리드가 상기 외주변 외측으로 노출되어 전극단자가 된다.
상기 전극리드는 복수의 전극탭들이 결합된 전극탭 다발과 용접으로 결합될 수 있는데, 저항 용접이나 레이저 용접 등을 사용하는 경우에는 전극조립체에 과도한 에너지가 인가되기 때문에 리튬 이차전지의 성능이 저하될 수 있다. 이에, 최근 적용분야가 늘어나면서 각광받고 있는 친환경의 초음파 용접이 주로 사용된다.
초음파 용접 장치는 초음파 발진기, 초음파 진동자, 부스터, 혼 및 앤빌을 포함할 수 있다. 상기 초음파 발진기는 60 Hz의 AC 전류를 20 kHz 이상의 고주파 전류로 변환시켜 초음파 진동자에 공급한다. 상기 초음파 진동자는 초음파 발진기에서 생성된 고주파 전류를 초음파로 변환하고, 이와 같이 변환된 초음파는 부스터로 이동하며, 상기 부스터는 전달받은 초음파를 증폭시켜 혼으로 전달한다.
혼은 앤빌 상면에 놓인 전극탭과 전극리드 표면을 일정 하중으로 가압하고, 동시에 부스터로부터 전달받은 증폭된 초음파를 인가하여 용접한다.
초음파 용접 장치를 사용할 때, 높은 용접 품질을 확보하기 위한 조건은, 혼과 앤빌의 평행도가 일치하는 것이다. 일반적으로 앤빌은 본체에 고정되기 때문에 세팅시 틀어짐 등의 문제가 없는데, 혼은 원통형의 부스터와 연결되는 형태인바 육안으로 혼의 수평 세팅을 확인한 후 볼트로 고정하는 과정에서 미세하게 정위치에서 벗어나게 된다.
이와 관련하여, 도 1은 종래의 초음파 용접 장치를 사용한 용접 과정을 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 혼(10)이 X도 만큼 미세하게 틀어지는 경우, 혼(10)과 앤빌(20)의 평행도가 일치하지 않게 된다. 따라서, 용접 대상물(30)에 대한 혼(10)의 접촉 면이 X도 만큼 틀어진 상태로 용접이 진행되는 바, 일부분(b)만 용접이 양호하게 이루어지고 미용접부(a)와 과용접부(c)가 발생된다.
이와 같이 혼과 앤빌의 평행도 정렬이 틀어지는 경우에는, 혼과 앤빌의 밀착도에 차이가 발생하여 용접 대상물에 대한 밀착 압력이 달라지는 바, 이는 용접부의 온도 차이를 유발하기 때문에, 상기와 같은 용접 강도 차이가 발생한다.
또한, 혼이 틀어진 상태로 용접되는 경우에는, 혼에 형성된 돌기의 편마모를 유발하기 때문에, 혼의 수명이 단축되고, 혼의 교환 주기가 짧아지는 것은 생산 라인의 가동률을 저하시키게 되는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1은 혼과 앤빌의 평행도가 어긋남이 확인되면 세팅 블록을 통해 앤빌 기준으로 혼의 평행도가 일치하게 혼의 각도를 보정할 수 있는 혼 평행도 세팅 장치를 개시한다.
특허문헌 1의 혼 평행도 세팅 장치는, 혼 평행도 세팅을 위해 혼 평행 세팅 블록, 세팅 블록 양측 측정부 및 혼 각도 보정부 등을 포함하고 있는 바, 용접 장치의 구조가 복잡해지고, 이와 같은 설비를 구비하기 위한 공간 및 비용을 확보하기 위한 문제가 있다.
특허문헌 2는 초음파 용접 장치를 구성하는 혼과 앤빌의 수평을 맞추기 위한 수평 조절 지그에 대한 것으로, 지그 프레임에 혼과 앤빌 각각을 삽입하고 혼과 앤빌의 수평을 조절하는 방법을 개시한다.
특허문헌 2는 혼과 앤빌의 수평을 맞추기 위해 수동으로 볼트를 조이는 작업을 해야 하기 때문에, 정밀한 제어가 어려울 수 있다.
이와 같이, 초음파 용접 품질을 확보하기 위하여, 초음파 용접 장치의 혼과 앤빌의 평행도를 쉽게 맞출 수 있는 기술에 대한 필요성이 높다.
대한민국 등록특허공보 제2072853호 (2020.01.28) ('특허문헌 1')
대한민국 등록특허공보 제1773644호 (2017.08.25) ('특허문헌 2')
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 초음파 용접 장치의 혼과 앤빌의 평행도가 일치하도록 쉽게 조절함으로써, 양호한 용접 품질을 확보할 수 있는 회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치 및 이를 이용한 용접방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 초음파 용접 장치는, 용접 대상물과 접촉하여 진동하는 혼(Horn)과 상기 혼에 진동을 인가하는 진동자를 포함하는 혼 유닛, 용접 대상물이 놓이는 상부의 평면을 포함하는 앤빌(Anvil)과 상기 앤빌이 회전할 수 있는 지지부를 포함하는 앤빌 유닛, 및 상기 혼 유닛과 상기 앤빌 유닛이 고정되는 용접 본체를 포함하고, 상기 앤빌은 상기 혼의 용접면과 상기 상부 평면이 평행한 상태가 되도록 상기 지지부에 의해서 회전 운동을 하는 형태일 수 있다.
상기 앤빌은 원기둥 또는 타원기둥에서 밑면과 수직인 절단면이 있는 형태이거나, 절단면이 있는 구 형태 중 하나이고, 상기 절단면이 상기 상부의 평면이 되며, 상기 지지부는 상기 원기둥, 타원기둥, 또는 구의 곡면이 회전할 수 있는 내부 공간이 마련된 용기 형태이고, 상기 앤빌이 정지된 초기 상태일 때 상기 상부의 평면이 상기 지지부의 외부로 돌출될 수 있도록 배치될 수 있다.
상기 지지부와 상기 앤빌의 접촉면에는 윤활제 또는 베어링이 부가될 수 있다.
상기 지지부가 상기 용접 본체에 고정이 될 수 있다.
상기 앤빌의 상부 평면을 제외한 다른 외면의 적어도 일부에는 홈이 형성되거나, 관통구가 형성될 수 있다.
상기 앤빌은 원기둥의 50% 미만이 남도록 상기 원기둥의 밑면과 수직으로 절단된 형태로서 평면 절단면을 포함하고, 상기 절단면이 상기 상부의 평면이 되며, 상기 지지부는 상기 원기둥의 곡면이 회전할 수 있는 내부 공간이 마련된 용기 형태이고, 절단된 원기둥이 회전하는 중심축은 상기 혼의 중심축과 일치하는 초음파 용접 장치.
상기 앤빌은 3차원 형태로서 상부에 마련된 절단면이 상기 상부의 평면이 되고, 상기 지지부는 고정축이 상기 앤빌을 관통하여 상기 용접 본체에 고정될 수 있다.
상기 고정축은 상기 상부의 평면과 평행한 형태이거나, 상기 앤빌의 회전면의 일부와 평행한 형태일 수 있다.
상기 혼과 앤빌이 접하는 면 중 적어도 하나에는 돌기가 형성될 수 있다.
본원발명은, 또한, 상기 초음파 용접 장치를 이용한 용접방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 용접방법은, (S1) 용접 대상물을 앤빌의 상부의 평면에 배치하는 단계, (S2) 상기 용접 대상물의 상면에 혼의 용접면을 배치하는 단계, (S3) 상기 상부의 평면과 상기 혼의 용접면이 평행이 되도록 상기 앤빌을 회전하여 정렬하는 단계, 및 (S4) 초음파를 인가하여 용접하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 앤빌의 회전이 정지된 후 초음파를 인가하여 용접할 수 있다.
본원발명은 또한 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합해서도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 초음파 용접 장치를 사용하는 경우에는, 혼의 용접면 각도에 맞춰서 앤빌이 회전될 수 있는 바, 혼과 앤빌을 밀착시키는 것만으로도 혼과 앤빌의 평행도를 쉽게 맞출 수 있다.
또한, 상기 앤빌의 회전면에 생기는 마찰력을 최소화함으로써 혼과 앤빌의 평행도를 맞추는 과정이 신속하고 정확하게 이루어질 수 있다.
또한, 앤빌이 회전 가능한 형태임에도 지지부에 의해 용접 본체에 고정되기 때문에, 혼의 진동 방향으로 앤빌이 이동되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 지지부의 상단보다 앤빌의 상부 평면이 돌출되는 형태인 바, 지지부에 장착된 앤빌이 회전한 상태에도 상부 평면이 지지부보다 돌출된 상태가 유지되는 바, 용접에 필요한 면적을 확보할 수 있다.
이와 같이, 혼과 앤빌의 평행도를 쉽게 맞춘 상태로 초음파 용접이 진행되기 때문에, 혼의 돌기에 편마모가 생기는 것을 방지할 수 있고, 혼의 수명이 길어질 수 있으므로 생산 라인의 가동률이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 초음파 용접 장치를 사용한 용접 과정이다.
도 2는 본원발명에 따른 초음파 용접 장치의 사시도이다.
도 3은 제1실시예에 따른 앤빌 유닛의 분해사시도이다.
도 4는 3의 앤빌 유닛의 수직단면도이다.
도 5는 제2실시예에 따른 앤빌 유닛의 사시도이다.
도 6은 제3실시예에 따른 앤빌의 정면도이다.
도 7은 제4실시예에 따른 초음파 용접 장치의 사시도이다.
도 8은 제5실시예에 따른 앤빌의 정면도이다.
도 9는 다양한 형태의 앤빌의 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간값을 포함한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 2는 본원발명에 따른 초음파 용접 장치의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본원발명에 따른 초음파 용접 장치는, 용접 대상물과 접촉하여 진동하는 혼(110)과 혼(110)에 진동을 인가하는 진동자(120)를 포함하는 혼 유닛(100), 용접 대상물이 놓이는 상부의 평면을 포함하는 앤빌(210)과 앤빌이 회전할 수 있는 지지부(220)를 포함하는 앤빌 유닛(200), 및 혼 유닛(100)과 앤빌 유닛(200)이 고정되는 용접 본체(300)를 포함하고, 앤빌(210)은 혼(110)의 용접면(111)과 상부 평면이 평행한 상태가 되도록 지지부(220)에 의해서 회전 운동되는 형태이다.
일반적으로, 혼(110)을 혼 홀더(130)에 장착한 후 초음파를 인가하기 전에, 혼(110)의 용접면(111)과 앤빌(210)의 상부 평면 간의 평행도가 일치하도록 혼(110)의 방향을 정렬하는 과정이 필요하다.
그러나, 종래에는 혼(110)의 방향을 정렬하는 과정이, 시각으로 혼의 방향을 확인한 후 고정하고, 용접한 결과물에서 용접 상태를 판단하여 혼(110)을 재정렬하는 과정으로 진행되었다. 따라서, 혼(110)의 용접면(111)과 앤빌(210)의 상부 평면 간의 미세하게 평행도가 어긋나더라도 이를 미리 조절하기 어려운 문제가 있었다.
이에, 본원발명은, 회전가능한 형태의 앤빌(210)을 사용하기 때문에, 혼의 용접면(111)이 용접 대상물의 상면과 평행하지 않게 배치되더라도, 상기 용접 대상물이 위치하는 앤빌(210)이 혼(110)의 용접면(111)과 평행이 되도록 회전할 수 있는 구조를 제시하였다.
혼(110)은 초음파 진동에 의해 x축 방향으로 진동하는 바, 앤빌(210)은 지지부(220) 내에서 정위치 고정이 이루어져야 한다.
또한, 지지부(220)는 용접 본체(300)에 고정됨으로써 앤빌(210)이 x축 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 제1실시예에 따른 앤빌 유닛의 분해사시도이다.
도 3을 참조하면, 앤빌(210)은 원기둥에서 원형인 밑면에 대해 수직으로 절단한 절단면이 있는 형태로서, 절단면이 상부의 평면(211)이 된다. 지지부(220)는 앤빌(210)이 수용되어 회전할 수 있는 내부 공간(222)이 마련된 형태로 이루어진다. 도 3의 지지부(220)는 분리가능한 2개의 부재가 결합되는 형태로 이루어진다.
앤빌(210)의 상부의 평면(211)에는 돌기가 형성되어 있는 바, 혼이 진동하며 용접 대상물의 상면에서 마찰되고, 앤빌은 용접 대상물의 하면에서 마찰될 때, 상기 돌기에 의해 용접성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 돌기는 혼의 용접면 표면에도 형성될 수 있으며, 혼의 용접면 표면에 형성된 돌기의 크기와 앤빌의 상부의 평면에 형성된 돌기의 크기는 서로 동일할 수 있고, 또는 다른 크기의 돌기들이 형성될 수 있다.
도 4는 3의 앤빌 유닛의 수직단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 4는 이해의 편의를 위하여 앤빌(210)과 지지부(220) 사이에 이격 공간이 형성된 형태로 도시하고 있으나, 실제로는 앤빌(210)이 지지부(220) 내에서 유동할 수 없도록 이격 공간이 거의 없는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 지지부(220)와 앤빌(210)의 모든 접촉면에는 윤활제 또는 베어링이 부가될 수 있는 바, 앤빌이 화살표 방향으로 회전할 때 마찰력이 거의 없는 상태일 수 있다.
도 4는 측면이 반원 형태인 앤빌(210)로서, 선(a), 선(b) 및 선(c)의 길이는 모두 동일하다. 그러나, 선(a)와 선(c)의 길이를 동일하게 하는 범위에서, 이들의 길이가 선(b)의 길이보다 짧게 또는 길게 형성함으로써 측면이 타원형 형태인 앤빌로 변형하여 사용할 수 있다.
다만, 앤빌의 측면 형태와 관계없이, 앤빌이 혼의 용접면과 평행도를 맞추고 정지된 초기 상태에서, 지지부의 상단(230)은 앤빌의 상부의 평면(211) 보다 돌출되지 않는 높이로 형성되어야 한다.
따라서, 지지부(220)의 내부 공간(222)에 장착된 앤빌이 화살표 방향으로 회전하더라도 앤빌의 상부의 평면(211)은 지지부의 상단(230)보다 돌출되는 것이 바람직하다.
도 5는 제2실시예에 따른 앤빌 유닛의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 앤빌 유닛은 구를 절단한 형태로 이루어진 앤빌(310)과, 구의 외면과 대응되는 크기의 내부 공간이 형성된 지지부(320)로 구성된다.
앤빌(310)의 상부의 평면(311)은 지지부(320)의 상단보다 돌출되도록 형성된다.
앤빌(310)과 지지부(320)는 사이에 이격 공간이 없이 대응되는 크기로 이루어지고, 앤빌(310)과 지지부(320) 사이에 윤활제 등이 부가됨으로써 앤빌(310)이 지지부(320)에서 회전할 수 있다. 앤빌이 회전하더라도, 앤빌의 상부의 평면(311)은 항상 지지부의 상단(330)보다 돌출되는 크기로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 6은 제3실시예에 따른 앤빌의 정면도이다.
도 6을 참조하면 앤빌(410)은 원기둥의 50% 미만이 남도록 원기둥의 밑면과 수직으로 절단된 형태로서, 평면 절단면을 포함하고, 절단면이 상부의 평면이 되며, 절단된 원기둥 형태의 앤빌(410)이 회전하는 중심축(401)은 혼(110)의 중심축과 일치한다.
이와 같은 형태에서는 앤빌(410)의 회전 각도가 0도 내지 360도 범위 전체에서 앤빌과 혼의 용접면 간의 평행도가 일치하게 유지될 수 있다.
도 7은 제4실시예에 따른 초음파 용접 장치의 사시도이다.
도 7을 참조하면, 앤빌(510)은 3차원 형태로서 상부에 마련된 절단면이 상기 상부의 평면(511)이 되고, 지지부(520)는 고정축이 앤빌(510)을 관통함으로써 앤빌(510)을 용접 본체(300)에 고정시키는 형태이다.
지지부(520)는 고정축에 의해 앤빌(510)을 단단히 용접 본체(300)에 고정되기 때문에 혼(110)의 진동에도 위치가 고정된 상태를 유지할 수 있다.
도 8은 제5실시예에 따른 초음파 용접 장치의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 앤빌(610)은 원기둥의 원형 측면에 대해 수직으로 절단한 반원 기둥 형태로서, 앤빌(610)의 지지부(620)는 고정축이 앤빌(610)을 두께 방향(도 9의 T)으로 관통하여 용접 본체에 앤빌(610)을 고정하는 형태로서, 상기 고정축은 앤빌(610)의 반원 기둥의 곡면인 회전면(618)의 일부와 평행한 형태이다.
(b)는 (a) 앤빌(610)이 지지부(620)를 고정축으로 반시계 방향으로 회전한 상태이고, (c)는 앤빌(610)이 지지부(620)를 고정축으로 시계 방향으로 회전한 상태이다.
도 9는 다양한 형태의 앤빌의 사시도를 도시한다.
도 9를 참조하면, (a) 내지 (d)는 절단면이 형성된 3차원 형태이며, 절단면은 용접 대상물이 배치되는 상부의 평면(711a, 711b, 711c, 711d)이 된다.
구체적으로, (a)는 사각뿔대 형태이고, (b)는 타원 기둥에서 타원형 일면의 장경과 평행한 선을 따라 절단한 형태이며, (c)는 타원 기둥에서 타원형 일면의 단경과 평행한 선을 따라 절단한 형태이다. (d)의 외형은 (b)와 동일한 형태이나, 앤빌을 두께 방향(T)으로 관통하는 관통구(250)가 형성된 형태이다. (d)의 다른 실시예로서, 앤빌의 내부는 (a) 내지 (c)와 같이 내부가 채워져 있고, 앤빌의 외면에는 홈이 형성된 형태도 본원발명의 범주에 포함된다.
도 9의 (a)앤빌은 지지부의 형태가 앤빌의 상부의 평면과 평행한 고정축 형태인 경우에 적용가능한 형태이고, (b)앤빌 내지 (d)앤빌은 지지부의 형태가 앤빌의 상부의 평면과 평행한 고정축 형태인 경우, 또는, 지지부의 형태가 앤빌의 회전면의 일부와 평행한 경우, 또는 내부 공간이 형성된 형태의 지지부를 사용하는 경우 모두에 적용 가능하다.
본원발명에 따른 용접방법은, 구체적으로, (S1) 용접 대상물을 앤빌의 상부의 평면에 배치하는 단계, (S2) 상기 용접 대상물의 상면에 혼의 용접면을 배치하는 단계, (S3) 상기 상부의 평면과 상기 혼의 용접면이 평행이 되도록 상기 앤빌을 회전하여 정렬하는 단계, 및 (S4) 초음파를 인가하여 용접하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 앤빌의 상부의 평면에 용접 대상물을 배치하고 혼의 용접면을 상기 용접 대상물 상에 배치하면서 앤빌의 상부의 평면 방향으로 혼을 눌러주면, 앤빌의 상부의 평면 전체와 혼의 용접면 전체가 밀착되도록 앤빌이 회전하게 된다. 이와 같이 앤빌의 회전에 의해 용접 대상물을 기준으로 앤빌의 상부의 평면과 혼의 용접면 간에 평행도가 맞춰지면 앤빌의 회전이 정지되는 바, 이 상태에서 초음파를 인가하여 용접이 진행된다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100: 혼 유닛
10, 110: 혼
111: 용접면
120: 진동자
130: 혼 홀더
30: 용접 대상물
20, 200: 앤빌 유닛
210, 310, 410, 510, 610: 앤빌
211, 311, 511, 711a, 711b, 711c, 711d: 상부의 평면
220, 320, 520, 620: 지지부
222: 내부 공간
230, 330: 지지부의 상단
250: 관통구
300: 용접 본체
401: 중심축
618: 회전면
T: 두께 방향
본원 발명은 초음파 용접을 위한 혼의 용접면과 앤빌의 상면 간에 평행도 편차가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 혼의 용접면과 평행도가 일치하도록 회전가능한 앤빌을 포함하는 초음파 용접 장치 및 이를 이용한 용접방법에 대한 것인바, 산업상 이용 가능하다.

Claims (11)

  1. 초음파 용접 장치에 있어서,
    용접 대상물과 접촉하여 진동하는 혼(Horn)과 상기 혼에 진동을 인가하는 진동자를 포함하는 혼 유닛;
    용접 대상물이 놓이는 상부의 평면을 포함하는 앤빌(Anvil)과 상기 앤빌이 회전할 수 있는 지지부를 포함하는 앤빌 유닛; 및
    상기 혼 유닛과 상기 앤빌 유닛이 고정되는 용접 본체;
    를 포함하고,
    상기 앤빌은 상기 혼의 용접면과 상기 상부 평면이 평행한 상태가 되도록 상기 지지부에 의해서 회전 운동을 하는 초음파 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 앤빌은 원기둥 또는 타원기둥에서 밑면과 수직인 절단면이 있는 형태이거나, 절단면이 있는 구 형태 중 하나이고,
    상기 절단면이 상기 상부의 평면이 되며,
    상기 지지부는 상기 원기둥, 타원기둥, 또는 구의 곡면이 회전할 수 있는 내부 공간이 마련된 용기 형태이고, 상기 앤빌이 정지된 초기 상태일 때 상기 상부의 평면이 상기 지지부의 외부로 돌출될 수 있도록 배치되는 초음파 용접 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 앤빌의 접촉면에는 윤활제 또는 베어링이 부가되는 초음파 용접 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지지부가 상기 용접 본체에 고정이 되는 초음파 용접 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 앤빌의 상부 평면을 제외한 다른 외면의 적어도 일부에는 홈이 형성되거나, 관통구가 형성되어 있는 초음파 용접 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 앤빌은 원기둥의 50% 미만이 남도록 상기 원기둥의 밑면과 수직으로 절단된 형태로서 평면 절단면을 포함하고,
    상기 절단면이 상기 상부의 평면이 되며,
    상기 지지부는 상기 원기둥의 곡면이 회전할 수 있는 내부 공간이 마련된 용기 형태이고,
    절단된 원기둥이 회전하는 중심축은 상기 혼의 중심축과 일치하는 초음파 용접 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 앤빌은 3차원 형태로서 상부에 마련된 절단면이 상기 상부의 평면이 되고,
    상기 지지부는 고정축이 상기 앤빌을 관통하여 상기 용접 본체에 고정되는 것인 초음파 용접 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고정축은 상기 상부의 평면과 평행한 형태이거나, 상기 앤빌의 회전면의 일부와 평행한 형태인 초음파 용접 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 혼과 앤빌이 접하는 면 중 적어도 하나에는 돌기가 형성되어 있는 초음파 용접 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 초음파 용접 장치를 이용한 용접방법으로서,
    (S1) 용접 대상물을 앤빌의 상부의 평면에 배치하는 단계;
    (S2) 상기 용접 대상물의 상면에 혼의 용접면을 배치하는 단계;
    (S3) 상기 상부의 평면과 상기 혼의 용접면이 평행이 되도록 상기 앤빌을 회전하여 정렬하는 단계; 및
    (S4) 초음파를 인가하여 용접하는 단계;
    를 포함하는 용접방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 앤빌의 회전이 정지된 후 초음파를 인가하여 용접하는 용접방법.
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