KR101804334B1 - 플라스틱제 케이스의 용접 방법 - Google Patents

플라스틱제 케이스의 용접 방법 Download PDF

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KR101804334B1
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헨릭 프렌첼
폴커 뮐러
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

케이스의 두 부품을 용접할 때 둘러싼 테두리에 따라 생성된 용융물은 미리 설계된 외곽에 의해, 다시 말하여 주로 회로기판 방향으로 유도되어 이 기판을 형태 접합식으로 고정시킨다. 본 발명은 이미 알려진 플라스틱 레이저 용접에 바탕을 두고 있다. 본 발명에서는 거기서 지정된 기본 윤곽을 변형하여 용융물이 제어되지 않고 양쪽 방향으로 분산되지 않고 의도적으로 케이스 내부 공간 방향으로 유도되도록 하였다. 이러한 개념의 장점은 회로기판을 고정하고 케이스를 밀폐할 때 단 한 번만 작업하면 된다는 점이다. 또한 회로기판의 고정면도 기존의 고온 가스 리벳에서보다 훨씬 넓다. 이때 지지면이 회로기판의 테두리 구역에만 영향을 주기 때문에 회로기판이 필요로 하는 면적도 적다. 또한 이 테두리 구역은 개별 회로기판이 패널에서 분리되므로 차단 구역으로 정의된다. 접촉면이 넓어지기 때문에 플라스틱의 유동에 의한 기본 장력의 손실은 장애가 되지 않는다. 위에서 언급한 장점 외에도 본 방법은 공정 시 상당히 안전한 바, 왜냐하면 특히 힘을 평가하여 용접 궤적을 제어하기 때문이다. 그러므로 기본 장력이 상승할 때(스토퍼가 회로기판에 놓인 후) 회로기판에 하중을 강하게 가하지 않고 용접을 중단시킬 수 있다.

Description

플라스틱제 케이스의 용접 방법 {METHOD FOR WELDING A PLASTIC HOUSING}
본 발명은 청구항 1의 상위 개념에 따른 플라스틱제 케이스의 용접 방법에 관한 것이다.
오늘날에는 특히 전자식 어셈블리, 예를 들어 차량의 컨트롤유닛과 같은 어셈블리의 플라스틱제 케이스를 밀폐할 때 흔히 플라스틱제 부품을 용접하는데, 이 방법에서는 레이저에 의한 열에너지의 침투를 특히 선호하는 바, 왜냐하면 이때 열에너지가 케이스 부품의 내적 연결부에 정확히 침투할 수 있어 아주 균일하고 모든 부위에서 밀착된 용접을 할 수 있기 때문이다.
차량의 컨트롤유닛과 같은 전자식 어셈블리의 경우, 케이스 내부에 회로기판과 같은 상호연결장치가 장착되어 있는데, 이 장치는 케이스의 한 면에 고정되어 있어야 하는 바, 이는 특히 감지하는 가속도를 수신하기 위해 적절하게 단단히 고정되어야 하는 가속도 감응형 센서가 이 상호연결장치에 장착되어 있는 경우 그러하다.
DE 102005000160 A1에서 레이저 용접을 하면서 어느 한 부품의 성형적 변형을 통해 두 부품을 형태 접합하는 방법과 장치가 알려져 있는 바, 여기서는 케이스의 한 면에서 볼트 하나가 회로기판의 구멍을 통과하고 이 볼트가 레이저 광선에 의해 가열되고 압력에 의해 변형되어 리벳 헤드 형태를 띤다. 이 방법은 회로기판의 볼트용 구멍과 케이스의 두 상이한 위치에 레이저 광선이 침투한다는 것을 전제로 하므로 회로기판의 가용 면적이 감소된다.
본 발명의 과제는 저렴하지만 안전하게 회로기판을 고정시킬 수 있는 플라스틱제 케이스의 용접 방법을 기술하는 것이다.
이러한 과제는 독립 청구항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명은 종속 청구항에 의해 유용하게 더욱 발전되는 바, 이때 각 특징을 서로 결합하고 개선하는 것도 생각해 볼 수 있다.
본 발명의 기본적인 개념은 케이스의 두 부분을 용접할 때 그 부분을 둘러싸고 있는 테두리에서 발생한 플라스틱의 용융물이 회로기판의 지정된 테두리 구역에 도달하여 냉각된 후 회로기판을 케이스 내에 고정시킨다는 점이다. 따라서 이러한 고정은 흘러내리는 용융물의 플라스틱에 의한 회로기판의 압력 및 형태 접합식 매입을 통해, 어느 한 작업 과정에서 케이스 밀폐 시 직접, 그리고 케이스를 둘러싸는 테두리에서 레이저 광선으로 직접 실현되어 케이스 내부에서 추가 리벳의 리벳 가열 변형 작업이 생략될 수 있다.
본 발명에서 선호하는 방식에서는 케이스의 두 부분이 용접 중 서로 압착되어 케이스의 양쪽 부분 사이에 있는 용접심에서 양호하게 연결되고 용융물이 충분히 강하게 흐르게 한다. 더 나아가 용융물이 냉각될 때까지 커버를 회로기판과 케이스의 아랫면으로 눌러 적절하게 교합하여 그대로 유지시켜 회로기판이 지속적으로 진동하지 않고 고정되게 한다.
공정할 때 특히 이와 같이 안전하게 고정시키고 치수에 오차가 있는 경우에도 허용된 범위 내에서 플라스틱제 부품이나 회로기판 측에서 조정이 가능하도록, 용접하기 전에 케이스의 두 부분 사이에 위치한 용접 부위에 간섭 여유가 계획되어 있으며, 용접 과정은 지정된 변형 궤적이나 또는 지정된 반작용력에 도달한 경우 종료되며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 엔드 스톱에 도달한 경우 종료된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 이 간섭 여유가 없어짐으로써 용융물이 충분히 생성되어 회로기판이 고정되도록 이 간섭 여유의 크기가 정해진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 회로기판이 케이스의 한 부분에 삽입되고, 케이스의 다른 한 부분에는 회로기판 측으로 돌기가 있으며, 이 돌기는 최소한 용접 종료 시점에 회로기판에 도달하고 그 회로기판은 냉각 중 특정 위치에 머문다. 이렇게 하면 용융물이 응고되기 전에 회로기판이 유동하여 분리되는 것을 방지할 수 있다.
이와 동시에 이 돌기는 변형 궤적용 엔드 스톱으로서 사용될 수 있고, 또한 용접 부위, 돌기 및 회로기판 사이에 공동을 형성할 수 있으며, 이때 이 공동에는 용접 중에 최소한 일부라도 생성된 용융물이 충진된다.
회로기판 측으로 향해 있는, 최소한 그 부품 부위에서, 케이스 부품의 최소한 어느 한 부분에 경사나 공동을 만들어, 용융물이 선호하는 회로기판 방향으로 흐르도록 할 수 있다.
이 방법은, 케이스를 레이저로 용접할 때, 기본적으로 그 테두리에서 발생하는 용융물만을 사용하여, 플라스틱제 케이스 내에 있는 전자 회로기판을 본 발명에 따라 고정하기 위하여 사용된다. 허용된 제작 오차가 크거나 회로기판의 두께가 다양한 경우에도, 확실히 단단하게 고정시킬 수 있는 바, 이는 추가 부품(예를 들어 나사, 접착제)을 사용하지 않고 PCB를 진동 없이 장착하기에 적합하며, 센서의 충돌 임펄스를 회로기판에 전달하는 데에도 적합하다. 이와 동시에 이 케이스 밀폐는 물론 방수도 된다.
다시 말하여 본 발명에서는 플라스틱제 케이스를 커버로 밀폐하며, 이와 동시에 예컨대 레이저로 용접을 하는 중 회로기판을 고정시키는 새로운 개념을 다룬다. 이러한 개념의 목표는 회로기판을 고정시켜, 이 기판을 충돌 감지에 사용될 수 있도록 하는 것이다.
이제 이하에서는 도면으로 도시한 실시예를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 기술한다. 이하에서는 기능이 동일하거나 또는 동일한 요소는 동일한 참조 번호로 표기될 수 있다.
이때 강조해야 할 점은 케이스의 어떤 부분이 커버 또는 하부인가와, 아래에서 논의할 돌기가 커버나 하부에 위치하는지 여부는 본 발명에서 전혀 중요하지 않다는 것이다. 이러한 부품의 회로기판에 대한 상대적 위치만이 기능과 관련하여 중요할 뿐이다.
도 1은 용접 시작 시의 케이스 커버, 케이스 하부 및 회로기판이 있는 제 1 실시예를 도시하고,
도 2는 용접 종료 후의 케이스 커버, 케이스 하부 및 회로기판이 있는 제 1 실시예를 도시하며,
도 3은 용접 시작 시의 케이스 커버, 케이스 하부 및 회로기판이 있는 제 2 실시예를 도시하며,
도 4는 용접 종료 후의 케이스 커버, 케이스 하부 및 회로기판이 있는 제 2 실시예를 도시하며,
도 5는 용접 시작 시의 다른 실시예를 도시하며,
도 6은 용접 종료 후의 도 5에 따른 실시예를 도시하며,
도 7은 힘의 추이 도표를 도시한다.
도 1은 케이스 커버(1), 케이스 하부(2) 및 회로기판(3)이 있는 실시예의 도면으로서, 용접을 시작할 때의 상태를 도시한 도면이다. 커버(1)에는 회로기판 측으로 돌기(1.1)와 케이스의 외측으로 외측 돌출부(1.3)가 있으며 커버의 외측 돌출부(1.3)와 케이스 하부의 돌기(2.1) 사이에는 용융물 수용 공간(1.2)이 있다.
케이스 하부(2)에는 임의의 간섭 여유가 있는 돌기(2.1)가 있는데, 이때 이 간섭 여유는 외측 돌출부(1.3) 및/또는 커버의 돌기(1.1)에 대한 것으로서 용융물의 어떤 명확한 재료 용적을 결정하는 바, 이 용적은 용접 중 용융되어 측면으로 눌러져 유출되며, 최소한 부분적으로 특히 주로 회로기판 방향으로 유출된다.
이렇게 레이저 광선은 표시된 부위와 방향에서 커버(1)에 침투하여 맞은 편에 위치한 케이스 하부(2)의 돌기(2.1)를 가열한다.
커버(1)는 적절한 재료 선택에 의해 최소한 레이저가 관통한 구역에서 어떤 형태를 띠는 바, 이 형태에 의해 레이저 광의 대부분은 맞은 편에 위치한 돌기(2.1)의 표면(2.1.1) 방향으로 관통하는데, 이때 거기서는 적절한 재료 선택 또는 그을음 입자 등의 부착에 의해 아주 상당량 흡수되어 레이저 광이 열로 변환하여 플라스틱이 용융된다.
본 발명에서 선호하는 이 실시예에서는 커버(1)에 회로기판(3) 측으로 돌기(1.1)가 있다. 이 돌기(1.1)에는 용접 구역 또는 돌기(2.1)에 대해 임의의 간격이 있어, 용접을 하기 전의 이 간격이 용접 부위(2.1.1), 돌기(1.1) 및 회로기판(3) 사이에 공동(1.2)을 형성하는데, 용접을 하는 중 이 공동(1.2)에 최소한 부분적으로 생성된 용융물(2.4)이 충진되는 바, 도 2와 비교하면 이를 명확히 알 수 있다. 또한, 본 발명에서 선호하는 이 실시예에서는 플라스틱 용융물(2.4)이 회로기판(3)에 도달하도록, 회로기판(3) 위에서 돌기(1.1)와 공동(1.2)이 위치될 수 있다.
용접 중 케이스 부품(1 및 2)은 서로 압착되며, 용접 과정은 지정된 반작용력에 도달하거나 케이스 부품(1 및 2)이 지정된 가압 경로를 이동했을 때 종료된다. 반작용력은 케이스의 한 부분에 엔드 스톱(1.1 및 1.3)을 배치함으로써 적절히 상승할 수 있으며, 엔드 스톱에 도달한 후에만 용접이 종료된다. 이 엔드 스톱의 기능을 외측 돌출부(1.3) 또는, 본 발명에서 선호하는 바로는, 회로기판 측으로 향하는 돌기(1.1)가 담당할 수 있다.
즉, 회로기판(3)이 지지면(2.2)에서 케이스의 하부(2)에 삽입되고 돌기(1.1)가 최소한 용접 종료 시점에 회로기판(3)에 도달하면 이 돌기(1.1)가 냉각 중 회로기판(3)을 특정 위치에 머물게 할 수 있어 회로기판(3)의 유동 또는 이동이 억제된다. 또한 플라스틱 재료는 냉각 시 수축되므로 회로기판(3)의 조임 및 고정이 더욱 향상된다.
회로기판(3) 측으로 향해 있는, 최소한 그 부품 부위에서 케이스 부품의 최소한 어느 한 부분에 회로기판 측으로 경사나 공동을 만들어 본 발명의 바람직한 회로기판(3)의 방향으로 용융물(2.4)이 흐르도록 할 수 있다. 도 1 및 도 2에 따른 제 1 실시예에서는 돌기(2.1)가 그 윗면(2.1.1)에서 면 전체에 걸쳐 기울어지고, 본 발명에서 바람직한 방식에서는 그 반대면도 커버(1)에서 그렇게 기울어지는 형태를 띠고 있다. 이에 따라 커버(1)를 흘러나온 용융물로 누를 때 용융물(2.4)로 충진되는 공동(1.2)으로 전단력이 발생한다. 또한 커버(1)나 돌기(2.1)에 홈이나 이와 유사한 공동을 만들 수 있는 바, 이러한 홈이나 공동으로 인해 용융물이 적절히 충분하게 유출될 수 있다.
도 3 및 도 4는 변형된 제 2 실시예를 도시한 도면으로서, 이 실시예에서는 용융물의 일부가 의도적으로도 수용 공간(2.3) 방향으로 유도된다. 케이스의 외측으로 흘러나간 용융물(2.5)은 외측 돌출물(1.3)을 추가로 돌기(2.1)에 고정시키고 케이스를 넓게 밀폐한다.
도 5 및 도 6은 또 다른 실시예를 도시한 도면이다. 케이스 하부(2)에는 임의의 간섭 여유가 있는 돌기(2.1)가 있는데, 이때 이 간섭 여유는 외측 돌출부(1.3) 및/또는 커버의 돌기(1.1)에 대한 것으로서 용융물의 어떤 명확한 재료 용적을 결정하는 바, 이 용적은 용접 중 용융된다. 이와 같이 표시된 부위와 방향에서 레이저 광선이 커버(1)에 침투하여 맞은 편에 위치한 케이스 하부(2)의 돌기(2.1)를 가열한다.
커버(1)는 적절한 재료 선택에 의해 최소한 레이저가 관통한 구역에서 어떤 형태를 띠는 바, 이 형태에 의해 레이저 광의 대부분은 맞은 편에 위치한 돌기(2.1)의 표면(2.1.1) 방향으로 관통하는데, 이때 거기서는 적절한 재료 선택 또는 그을음 입자 등의 부착에 의해 아주 상당량 흡수되어, 레이저 광이 열로 변환하여 플라스틱이 용융된다.
커버(1)에는 회로기판(3) 측으로 돌기(1.1)가 있다. 용접 중 케이스 부품(1 및 2)은 서로 압착되며, 용접 과정은 지정된 반작용력에 도달하거나 케이스 부품(1 및 2)이 지정된 가압 경로를 이동했을 때 종료된다. 반작용력은 돌기(1.1)가 회로기판(3) 위에 놓이고 커버(1)에서 초기 장력이 발생할 때 적절히 상승한다.
회로기판(3)이 지지면(2.2)에서 케이스의 하부(2)에 삽입되고 돌기(1.1)가 최소한 용접 종료 시점에 회로기판(3)에 도달하면, 이 돌기(1.1)가 냉각 중 회로기판(3)을 특정 위치에 머물게 할 수 있어, 회로기판(3)의 유동 또는 이동이 억제된다. 또한 플라스틱 재료는 냉각 시 수축되므로 회로기판(3)의 조임 및 고정이 더욱 향상된다.
여기서는 케이스 하부에 위치한 외측 돌출부(2.6)는 용접심을 거기에 직접 작용하는 물체로부터 보호한다.
한 번 더 강조해야 할 점은 본 발명에 따라 생성되고 압착에 의해 유출된 용융물의 양이 기존의 용접 방법에서보다 훨씬 많고 의도된 재료 제거 및 간섭 여유의 재형성이 돌기(2.1)에서 이루어진다는 것이다.
용접 시 발생한 용융물은 미리 설계된 외곽에 의해, 다시 말하여 주로 회로기판 방향으로 유도되어 이 기판을 형태 접합식으로 고정시킨다. 이 회로기판은 또한 커버의 스토퍼에 의해 케이스에 압력 접합식으로 고정된다. 스토퍼에 의한 접합 궤적은 회로기판의 두께에 따라 다르다. 이 궤적의 두께는 예를 들어 0.4 내지 0.8mm이다.
본 발명은 이미 알려진 플라스틱 레이저 용접에 바탕을 두고 있다. 본 발명에서는 거기서 지정된 기본 윤곽을 변형하여 용융물이 제어되지 않은 상태에서 양쪽 방향으로 분산되지 않고, 의도적으로 케이스 내부 공간 방향으로 유도되도록 하였다.
이러한 개념의 장점은 회로기판을 고정하고 케이스를 밀폐할 때, 단 한 번만 작업하면 된다는 점과 둘레의 테두리를 겨냥한 레이저 광선만 필요하다는 점이다. 또한 회로기판의 고정면도 기존의 고온 가스 리벳에서보다 훨씬 넓지만, 지지면이 회로기판의 테두리 구역에만 영향을 주기 때문에 회로기판이 필요로 하는 면적은 적다. 또한 이 테두리 구역은 개별 회로기판이 패널에서 분리되므로 차단 구역으로 정의된다.
접촉면이 넓어지기 때문에 플라스틱의 유동에 의한 기본 장력의 손실은 장애가 되지 않는다.
위에서 언급한 장점 외에도 본 방법은 공정 시 상당히 안전한 바, 왜냐하면 특히 힘을 평가하여 용접 궤적을 제어하기 때문이다. 그러므로 기본 장력이 상승할 때(스토퍼가 회로기판에 놓인 후) 회로기판에 하중을 강하게 가하지 않고 용접을 중단시킬 수 있다.
도 7에는 회로기판이 T1에 도달할 때, 즉 T2에서 차단이 활성화될 때, 반작용력이 상당히 증가하는 회로기판에 상대적인, 커버의 조절로(S)에 대한 전형적인 힘의 추이가 도시되어 있다. 따라서 차단을 위한 반작용력 Fmax가 지정되어 있을 수 있는 바, 그 크기는 이 반작용력에 의해 회로기판과 커버 사이에 어떤 조임이 확실히 구축될 수 있도록 정해져 있다. 또는 상승의 변화, 즉 조절로 ΔF/ΔS에 대한 또는 시간 ΔF/ΔT에 대한 힘의 상대적 변화도 고려할 수 있다.
그 외에도 커버를 용접하면 회로기판을 주물할 때보다 재료를 훨씬 더 많이 절약한다. 용접은 주물과 비교할 때 재료를 절약하는 것 외에 시간도 훨씬 더 절약하는 바, 용접에 의한 연결부는 훨씬 빨리 냉각되고 말릴 필요가 없기 때문이다.
회로기판의 전기적 접촉은 압박 고정 인서트를 사용한 기존으로 방식으로나 또는 단일 핀이나 직접 결합으로 이루어진다.
가장 중요한 점은 용접 중 케이스의 테두리를 따라 회로기판이 고정되고 케이스가 밀폐된다는 점이다.
1: 커버
1.1: 커버에 위치한 회로기판 측 돌기
1.2: 커버에 위치한 돌기와 케이스 하부에 위치한 커버 측 돌기 사이의 용융물 수용 공간
1.3: 커버에 위치한 외측 돌출부
2: 케이스 하부
2.1: 케이스 하부에 위치한 커버 측 돌기
2.1.1: 돌기(2.1)에 위치한 상부
2.1.2 : 돌기(2.1)에서의 유출 단계
2.2: 회로기판 지지면
2.3: 케이스 외측의 잉여 용융물 수용 공간
2.4: 회로기판 측으로 유출되어 경화된 용융물
2.5: 케이스 외측으로 유출된 용융물
2.6: 케이스 하부에 위치한 외측 돌출부
3: 회로기판
F: 힘
S: 조절로

Claims (8)

  1. 두 케이스 부품의 하나의 둘레 테두리에서 두 케이스 부품(1,2)으로 구성된 케이스를 용접하기 위한 방법으로, 이때 케이스에 전자 회로기판(3)이 장착되어 있는 용접 방법에 있어서,
    상기 용접 방법은,
    a) 레이저 광선(레이저)을 이용한 용접 시 두 케이스 부품의 둘레 테두리에 생성된 플라스틱 용융물(2.4)이 회로기판(3)의 테두리 영역에 도달하고,
    b) 냉각 후 회로기판(3)이 케이스 내에서 고정되며,
    c) 이때, 용접 중 케이스 부품(1,2)이 서로 압착되고,
    d) 케이스 부품(1,2) 사이의 용접 부위에 용접 전 간섭 여유가 계획되어 있으며,
    e) 지정된 반작용력에 도달하거나 케이스 부품(1,2)이 지정된 가압 경로를 이동했을 때, 용접이 종료되는
    것을 포함하고,
    회로기판(3)이 케이스의 한 부분(2)에 삽입되고(2.2), 케이스의 다른 한 부분(1)에는 회로기판을 향하는 돌기(1.1)가 제공되고,
    회로기판 측의 돌기(1.1)에는 용접 구역(2.1.1) 쪽으로 정해진 간격이 있어, 용접을 하기 전 이 간격이 용접 부위(2.1.1), 돌기(1.1) 및 회로기판(3) 사이에 공동(1.2)을 형성하고,
    상기 플라스틱 용융물(2.4)이 상기 회로기판(3)에 도달하도록, 상기 회로기판(3) 위에서 상기 돌기(1.1)와 공동(1.2)은 위치되는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    케이스의 어느 한 부분에 엔드 스톱(1.1, 1.3)이 배치되어 있으며, 상기 엔드 스톱에 도달하고 나서야 용접이 종료되는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기(1.1)는 용접 종료 시점에 회로기판(3)에 도달하고, 냉각 중에 회로기판(3)이 지정된 위치에 머무는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    용접을 하는 중 상기 공동(1.2)에, 생성된 플라스틱 용융물(2.4)이 최소한 부분적으로 충진되는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융물(2.4)이 선호하는 회로기판(3) 방향으로 흐르도록, 케이스 부품들 중 최소 한 부분의 회로기판(3) 쪽으로 향해 있는 적어도 일 부위에, 회로기판 쪽으로 경사(2.1.1, 2.1.2)나 공동을 만드는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  6. 두 개의 케이스 부품을 포함하는 플라스틱제 케이스로 이루어진 전자 어셈블리로서,
    상기 케이스 내에 전자 회로기판(3)이 장착되되, 상기 전자 회로기판은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 용접 방법으로 용융물에 의해 고정되고,
    냉각 후 플라스틱 용융물(2.4)은 상기 전자 회로기판(3)의 테두리 영역과 접해있고 상기 전자 회로기판(3)을 상기 케이스 내에 직접적으로 고정하는 것을 특징으로 하는
    전자 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 회로기판(3)은 케이스의 한 부분(2)에 배치되고(2.2) 케이스의 다른 한 부분(1)에는 상기 전자 회로기판(3)을 향하는 돌기(1.1)가 제공되고,
    상기 플라스틱 용융물(2.4)의 냉각 후 상기 돌기(1.1)는 상기 전자 회로기판(3)과 접촉하고 상기 전자 회로기판(3)은 상기 플라스틱 용융물(2.4) 뿐만 아니라 상기 돌기(1.1)에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는
    전자 어셈블리.
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