KR102285028B1 - 낮은 전달률을 가지는 초음파 앤빌 - Google Patents

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그레고리 엘. 말초우
그레고리 존 라자라
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Abstract

초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템은 적어도 하나의 앤빌 바 길이방향 단부의 앤빌 구멍을 가지되, 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지는, 앤빌 바, 앤빌 바로부터 분리되어 있고 앤빌 구멍에 부분적으로 배치된 샤프트로, 원주면을 가지고 앤빌 바 길이방향 단부 너머 바깥쪽으로 연장되는, 샤프트, 및 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제1 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함하는, 앤빌 조립체; 홀 표면을 가지는 장착 브래킷 홀을 구비한 장착 브래킷; 장착 브래킷 홀에 배치되고 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가지되, 부싱 내부면을 가지는, 부싱; 및 샤프트 원주면과 부싱 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제2 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함한다.

Description

낮은 전달률을 가지는 초음파 앤빌
본 발명은 가공품에 열 에너지를 적용하기 위한, 예로 가공품의 본딩, 밀봉, 절단 등을 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 일회용 기저귀, 용변 연습용 팬티, 여성 위생 용품, 여성 위생 및 실금용 의복 등과 같은 가공품에 초음파 에너지를 적용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
열가소성 수지를 용접하고, 플라스틱을 엠보싱 및 성형하기 위해 초음파 주파수에서 발생된 기계적 진동을 사용하는 것은 확립된 산업 공정이다. 이 기술의 근간을 이루는 물리적 원리는 여기에 설명된 내용과 중요한 관계가 있으므로 간략히 검토 및 논의될 가치가 있다.
상당한 진동 운동을 얻기 위해, 대부분의 초음파 시스템은 그것의 공진 주파수 중 하나에서 작동된다. 초음파 발생기와 초음파 혼(horn)은 모두 동일한 주파수에서 공진하도록 설계되어 있고, 이 경우에 발생기에 의해 발생된 진동은 혼에 전달된다. 혼은 발생기와 동일한 주파수로 조정되기 때문에, 혼은 진동 발생기의 부여된 동작과 일치해서 길이를 따라 팽창 및 수축한다.
혼의 자유면에서 발생된 동작은 그러면, 진동 발생기의 결정에 인가된 전압에 의해 결정된 진폭으로, 혼의 표면에 수직인 표면에서 왕복적(reciprocal), 또는 전후로 이루어진다. 증폭 장치 및 위상 변화 장치를 그렇게 사용된 요소의 시퀀스에 통합하는 것을 포함해, 진동이 혼에 전달되기 전 발생기에 의해 발생된 진동을 조절하는 것이 알려져 있다.
접합 강도는 예를 들어 성인용 실금 제품과 같은 개인 위생 용품에서 엄밀히 모니터링되는 품질 목표이다. 특정 관심 접합은 이런 용품들에서 측면 시임 접합(side seam bond)이다. 측면 시임 본딩은 낮은 평균 접합 강도 및 높은 접합 강도 변동성 기간에 의해 예로부터 시달리고 있다. 솔리드 모델링 및 실험실 테스트는, 현재 프로세스에 사용된 앤빌이 측면 시임 접합기의 초음파 작동 주파수에 가까운 공진 주파수를 갖는 것으로 나타났다. 초음파 작동 주파수가 앤빌 공진 주파수에 가까울 때, 앤빌은 일반적으로 접합 강도(더 높은 변동성, 더 낮은 본딩 효율성), 발생기 전력 요건, 발생기 작동 안정성, 초음파 구성요소 신뢰성, 및 초음파 구성요소 수명에 유해한 방식으로 진동한다.
초음파 작동 주파수보다 충분히 낮은 공진 주파수를 갖는 앤빌 시스템은 더 낮은 접합 강도 변동성, 증가된 본딩 효과, 지속적으로 더 높은 평균 강도, 발생기 결함으로 인한 더 낮은 고장 시간 및 초음파 시스템 구성요소 고장 사이에서 더 긴 평균 시간을 이끌 것이다. 본 발명의 앤빌 시스템은 초음파 작동 주파수보다 실질적으로 더 낮은 고유 주파수를 갖는 앤빌 시스템이다.
본 발명은 일반적으로 초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템에 관한 것으로, 상기 앤빌 시스템은 앤빌 조립체를 포함하고 상기 앤빌 조립체는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 적어도 하나의 앤빌 바 길이방향 단부의 앤빌 구멍을 가지는 앤빌 바를 포함하고, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍에 부분적으로 배치된 샤프트를 포함하고, 상기 샤프트는 원주면을 가지고 앤빌 바 길이방향 단부 너머 바깥쪽으로 연장되고, 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제1 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함하고; 내부에 제1 장착 브래킷 홀을 구비한 제1 장착 브래킷을 포함하고, 상기 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고; 상기 제1 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가진 제1 부싱을 포함하고, 상기 제1 부싱은 부싱 내부면 및 부싱 외부면을 가지고; 샤프트 원주면과 부싱 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제2 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함한다.
본 발명은 또한 초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템에 관한 것으로, 상기 앤빌 시스템은 앤빌 조립체를 포함하고 상기 앤빌 조립체는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 통하는 앤빌 구멍을 가지는 앤빌 바를 포함하고, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍에 부분적으로 배치된 샤프트를 포함하고, 상기 샤프트는 샤프트 원주면을 가지고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머 바깥쪽으로 연장되고, 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에 배치된 샤프트 분리 시스템을 포함하고; 내부에 제1 장착 브래킷 홀을 구비한 제1 장착 브래킷을 포함하고, 상기 제1 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고; 상기 제1 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가진 제1 부싱을 포함하고, 상기 제1 부싱은 부싱 내부면 및 부싱 외부면을 가지고; 샤프트 원주면과 부싱 내부면 사이에 배치된 제1 장착 분리 시스템을 포함한다.
본 발명은 추가로 초음파 접합기에서 앤빌 바의 고유 주파수를 감소시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 앤빌 바-샤프트 조합체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 앤빌 바는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 통하는 앤빌 구멍을 가지고, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 샤프트는 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍 내에 부분적으로 배치되어 있고, 상기 샤프트는 샤프트 원주면을 가지고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머 바깥쪽으로 연장되고; 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에 샤프트 분리 시스템을 배치하는 단계를 포함하고; 제1 장착 브래킷 홀에 배치된 제1 부싱을 사용해 제1 장착 브래킷 홀을 가지는 제1 장착 브래킷에 앤빌 바-샤프트 조합체를 장착하는 단계를 포함하고, 상기 제1 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고 상기 제1 부싱은 부싱 내부면과 부싱 외부면을 가지고; 상기 부싱 내부면과 상기 샤프트 원주면 사이에 제1 장착 분리 시스템을 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 측면이 본 명세서에서 더욱 상세하게 논의된다.
다음과 같은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조할 때, 본 발명이 보다 완전히 이해될 것이고, 또 다른 특징들이 명백해질 것이다. 도면은 단지 대표적인 것일 뿐, 청구항의 범위를 한정하려는 것이 아니다.
도 1은 초음파 접합기의 일 스테이션에 대한 초음파 혼 및 앤빌의 일반적인 배열을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 앤빌 조립체의 자기 정렬 형상부를 도시한 정면도이다.
도 3은 내부 부분을 도시한 본 발명의 앤빌 조립체의 분해 사시도이다.
도 4는 샤프트와 접촉하는 O 링의 유효 스프링 상수를 계산하기 위해 사용된 공식의 개략도이다.
도 5는, 스틸 샤프트와 접촉하는, 두 개의 다른 O 링 크기에서 단일 O 링에 대해 그리고 세 개의 O 링에 대해 유효 스프링 상수 Ke의 그래프이다.
도 6은 두 개의 상이한 O 링 크기에서 1, 3 및 17개의 O 링을 갖는 앤빌 조립체의 고유 주파수 f 고유 의 그래프이다.
도 7은 초음파 변환기, 혼 및 앤빌의 집중 매개변수 기계 시스템 모델의 개략도이다.
도 8은 전달률의 상대적 크기: 음향 혼 및 변환기로부터 주어진 입력 변위에 대한 앤빌 변위의 주파수 응답 플롯이다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자의 반복적인 사용은 본 개시의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위해 의도된다. 도면은 대표적인 것이고 반드시 일정 축척으로 도시되어야 하는 것은 아니다. 도면의 특정 비율은 과장될 수 있는 반면, 다른 부분은 최소화될 수 있다.
본 논의는 예시적인 측면의 설명일 뿐, 본 발명의 보다 넓은 측면을 한정하려는 것이 아님을 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 이해될 것이다.
현재의 측면 시임 접합기는 Rajala 등의 미국 특허 제5,667,608호 및 제5,660,679호에 기재되어 있으며, 이것은 본원에서 그것이 충돌하지 않는 범위로 참고로 원용된다. 접합기는 원 주위에 균일하게 이격된 6개의 스테이션을 포함하고 각각의 스테이션은 연속된 웹 또는 재료의 웹 상에 횡방향 접합을 생성하기 위해 초음파 혼과 함께 작동하는 앤빌을 갖는 초음파 접합기를 포함한다. 이러한 혼/앤빌 부분의 일반적인 배열은 도 1에 도시되어 있다. 초음파 접합기(10)는 웹(20)의 폭을 가로질러 앞뒤로 횡단하는 음향 혼(15)을 가져서 웹 방향을 가로지르는 접합을 형성한다. 앤빌 조립체(30)는 드럼 구조체(미도시)에 장착된 부싱들에 지지되는 저널 상에서 축회전한다. 각각의 앤빌 바(34)는 각 단부로부터 돌출된 샤프트 저널을 갖는 직사각형 스틸 바일 수 있다. 현재 디자인에서 측면 시임 접합기 상의 앤빌 바(34)는 앤빌 바(34)에 일체인 저널에서 지지된다. 저널은 측면 시임 접합기 드럼 구조체에 견고하게 볼트 고정된 장착 브래킷(80)의 일부인 샤프트 부싱에서 지지된다. 앤빌 저널은 샤프트 부싱에 의해 지지되어 앤빌 조립체(30)가 자유롭게 축회전하여 음향 혼(15)과 정렬되도록 한다. 현재 앤빌의 문제점은 그것의 질량에 비해 매우 강성이 높다는 것이다. 현재 앤빌 시스템 구성의 강성과 앤빌의 질량은 조합되어 500Hz 이상의 기본 공진 주파수와 수만 Hz로 확장되는 고조파를 갖는 앤빌을 생성한다. 따라서 앤빌은 초음파 혼 작동 주파수에 가까운 진동 모드를 갖는다.
음향 혼이 현재 앤빌 시스템에 닿을 때, 앤빌은 음향 혼의 진폭과 동일한 진폭으로 진동하지만 반드시 음향 혼과 위상이 일치하지는 않는다. 이것은, 발생기가 때때로 과부하가 걸리거나 폐쇄되는 지점까지 음향 발생기의 전력 및 작동 주파수가 변동하도록 유발한다. 이러한 고도의 전력 및 주파수 변동성은 또한 불량한 접합 품질을 유발하는데, 왜냐하면 발생기에 의해 출력된 전력이 반드시 본딩의 유용한 작업을 수행하게 되지 못하고 그 대신 시스템 구성요소에 열을 발생시키기 때문이다.
초음파 작동 주파수보다 충분히 낮은 공진 주파수를 갖는 앤빌 시스템은 더 낮은 접합 강도 변동성, 증가된 본딩 효과, 지속적으로 더 높은 평균 강도, 발생기 결함으로 인한 더 낮은 고장 시간, 및 초음파 시스템 구성요소 고장 사이에서 더 긴 평균 시간을 이끌 것이다. 본 발명의 앤빌 시스템(25)은 초음파 작동 주파수보다 실질적으로 낮은 고유 주파수를 갖는 앤빌 시스템(25)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 앤빌 시스템(25)은 또한 종래의 앤빌 조립체(30)의 자기 정렬 형상부를 유지한다.
본 발명의 앤빌 시스템(25)은, 혼 진동에 대한 앤빌의 격렬한 진동 반응의, 측면 시임 접합기 내에서 오래된 문제점을 해결한다. 이 해결책은 축회전 자기 정렬 특징과 조합하면 측면 시임 접합기를 더 높은 수준의 생산성으로 되게 할 수 있는 가능성을 제공한다. 초음파 접합기(10)에 대한 본 발명의 분리 시스템은 임의의 바람직한 본딩 패턴과 함께 사용될 수 있음을 주목해야 한다.
이상적 상황은 마치 진동 없이 완전히 단단한 것처럼 작용하는 앤빌을 갖는 것이다. 이것은, 예를 들어, 진동 기계가 스프링에서 지지되는 베이스 상에 놓이는 진동 시스템에서 가능하다. 스프링의 컴플라이언스와 조합된 기계의 질량은 특정 공진 주파수를 갖는 기계 시스템을 유발한다. 기계가 시스템의 공진 주파수보다 실질적으로 더 높은 주파수에서 진동을 발생시키는 속도로 작동된다면, 기계는 고정된 베이스에 안착된 것 같을 것이다. 지지부의 공진 주파수에 가까운 주파수로 기기를 작동하면, 지지부는 격렬하게 진동할 것이다. 기계가 공진보다 훨씬 낮은 주파수에서 작동하면, 시스템은 입력과 동일한 진폭 및 주파수로 진동할 것이다.
도 3은 본 발명의 앤빌 시스템(25)의 세부사항을 도시한다. 앤빌 시스템(25)은 앤빌 조립체(30)를 포함하고, 여기에서 앤빌 바(34)를 위한 지지부는 더이상 앤빌 바(34) 그 자체와 일체로 되지 않는다. 앤빌 조립체(30)는, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들(38, 42), 앤빌 구멍(46), 및 축방향과 반경방향(50, 54)을 갖는 앤빌 바(34)를 포함한다. 앤빌 구멍(46)은 하나 또는 양쪽 앤빌 길이방향 단부들(38, 42)로 부분적으로 연장되고, 축방향(50)으로 앤빌 바(34)의 전체 길이를 통하여 연장될 수 있다. 앤빌 구멍(46)은 앤빌 구멍 내부면(58)을 포함한다.
앤빌 조립체(30)는 또한 샤프트 원주면(64)과 2개의 샤프트 단부들(68)을 갖는 적어도 하나의 샤프트(60)를 포함한다. 샤프트(60)는 앤빌 구멍(46)의 내부 직경보다 작은 샤프트 직경을 가져서 샤프트(60)가 적어도 부분적으로 앤빌 구멍(46) 내에 배치될 수 있어서 샤프트(60)의 일부는 앤빌 길이방향 단부(38, 42) 너머로 연장된다. 샤프트(60)는 앤빌 구멍(46)을 통해 연장되고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들(38, 42)로부터 연장되는 하나의 부품일 수 있고, 또는 샤프트(60)는 다수의 부품일 수 있다.
앤빌 조립체(30)는 또한 앤빌 구멍 내부면(58)과 샤프트 원주면(64) 사이에 배치된 샤프트 분리 시스템(70)을 포함한다. 샤프트 분리 시스템(70)은 샤프트 원주면(64)과 앤빌 구멍 내부면(58) 사이에서 샤프트 상에 장착된 하나 이상의 탄성중합체 샤프트 O 링(75)을 포함할 수 있다. 이들 샤프트 O 링(75)은 앤빌 바(34)로부터 샤프트(60)를 분리하여서 앤빌 바(34)를 위한 스프링 마운트로서 작용하는 컴플라이언트 연결부를 생성한다.
앤빌 시스템(25)은 또한 앤빌 조립체(30)와 측면 시임 접합기 사이에 계면을 제공하는 장착 브래킷(80)을 포함한다. 장착 브래킷(80)은 부싱(90) 및 앤빌 조립체(30)를 수용하기 위한 장착 브래킷 홀(84)을 포함하고, 여기에서 장착 브래킷 구멍(84)은 구멍 표면(88)을 포함한다. 부싱(90)은 부싱 내부면(94)과 부싱 외부면(98)을 포함한다. 앤빌 시스템(25)은 또한 제1 및 제2 장착 분리 시스템들(100, 104)을 포함할 수 있다. 제1 장착 분리 시스템(100)에서, 부가적인 하나 이상의 탄성중합체 샤프트 O 링들(75)이 샤프트 원주면(64)과 부싱 내부면(94) 사이에서 샤프트(60)에 장착된다. 이들 샤프트 O 링(75)은 부싱(90)으로부터 샤프트(60)를 분리하여서 샤프트(60)를 위한 스프링 마운트로서 작용하는 컴플라이언트 연결부를 생성한다.
선택적으로, 제2 장착 분리 시스템(104)은 부싱 외부면(98)과 홀 표면(88) 사이에서 부싱(90)에 장착된 부싱 O 링들(108)을 포함한다. 이들 부싱 O 링(108)은 부싱(90)으로부터 장착 브래킷(80)을 분리하여서 부싱(90)을 위한 스프링 마운트로서 작용하는 컴플라이언트 연결부를 생성한다.
앤빌 시스템(25)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 동일한 장착 브래킷(80), 부싱(90), 및 대향한 앤빌 바 길이방향 단부(42) 상의 장착 분리 시스템(100, 104) 배열을 포함할 수 있고, 또는 대향한 앤빌 바 길이방향 단부(42)는 임의의 적합한 장착 시스템을 포함할 수 있다.
앤빌 시스템(25)은 또한 앤빌 바 길이방향 단부(38)와 장착 브래킷(80) 사이에서 샤프트(60) 둘레에 배치된 탄성중합체 와셔(112)를 포함할 수 있어서 앤빌 바 길이방향 단부(38)와 장착 브래킷(80) 사이에 컴플라이언트 연결부를 제공한다. 와셔(112)는 고무 또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
앤빌 시스템(25)은 또한 샤프트 단부(68)에 인접한 부싱(90) 내에 배치된 탄성중합체 볼(116)을 포함할 수 있어서 부싱(90)과 샤프트(60) 사이에 컴플라이언트 연결부를 제공한다. 볼(116)은 고무 또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
앤빌 바(34)와 일체로부터 샤프트(60)를 제거하고 다양한 탄성중합체 구성요소를 추가함으로써, 고조파를 포함하여 대략 10,000 Hz 미만의 훨씬 더 낮은 고유 주파수를 갖는 앤빌 바(34)를 유발한다. 적절한 탄성중합체 구성요소를 선택함으로써, 앤빌 바 지지 구조체의 강성이 조정될 수 있어서 앤빌 바(34)의 질량과 조합될 때, 앤빌 바(34)의 공진 주파수는 초음파 작동 주파수의 약 1% 내지 10%이다. 결과적으로, 앤빌 바(34) 및 음향 혼(15)은 다른 고유 주파수를 가지고 결합하지 않는다.
감소된 공진 주파수의 원하는 결과가 달성되도록 보장하기 위해서, 다수의 분석 및 테스트가 수행되었다.
분석에서, 다양한 제약 하에서 빔의 고유 주파수를 계산하는데 사용된 공식과 계수를 사용했다. Harris, C.M. 및 Piersol A.G., Shock And Vibration Handbook, 5판, 2002 McGraw-Hill, p. 1.13 참조. 이 경우에, 다양한 지지 구성 하에 균일한 빔에 대한 최초 5개의 고유 주파수에 대한 공식 및 계수가 사용되었다. 이 경우에, 빔은 각각의 단부에서 간단히 지지된다. 표 1은 본 발명에서 설명된 유형의 전형적인 앤빌 치수의 자유 진동 스틸 빔에 대한 최초 5개 진동 모드의 고유 주파수를 나타낸다.
Figure 112018043797878-pct00001
전형적인 앤빌 고유 주파수, 진동 모드 1 내지 5.
모드 번호 1 2 3 4 5
A자유 = 22.4 31.7 121 200 298
f n = 766 1083 4136 6836 10185 Hz
길이, L의 중간에 (예컨대, 자체 중량 하에) 균일하게 적재된 빔의 유효 스프링 상수. 유효 스프링 상수는 빔의 중심에서 최소이다.
Figure 112018043797878-pct00002
O 링 마운트의 강성은 앤빌의 굽힘 강성보다 작은 크기보다 더 크다. 이 때문에, 가요성 O 링 상에 장착된 앤빌은 질량 M의 강체로서 작용하는 경향이 있다. 도 4는 몸체 직경 D 2 를 갖는 O 링 상에 지지되는, 직경 D 1 의 스틸 샤프트를 개략적으로 도시한다. 앤빌에 음향 혼으로부터 하향 힘 F가 가해질 때 반경 방향(54)으로 편향(y)은 샤프트가 O 링 내로 가라앉는 양을 나타낸다.
O 링의 y-편향에 따른 힘:
Figure 112018043797878-pct00003
O 링의 y-편향에 따른 유효 스프링 상수:
Figure 112018043797878-pct00004
여기서:
Figure 112018043797878-pct00005
E* = 유효 탄성 계수
E1 = 재료 번호 1의 탄성 계수
E2 = 재료 번호 2의 탄성 계수
n1 = 재료 번호 1에 대한 푸아송 비
n2 = 재료 번호 2에 대한 푸아송 비
도 5는 편향보다 10배 큰 직경의 스틸 샤프트와 접촉할 때 하나 이상의 O 링의 유효 스프링 상수를 도시한다. 심지어 세(3) 개의 O 링의 유효 스프링 상수는 균일 분포 하중이 가해진 빔으로서 모델링된 앤빌의 중간 지간에서 유효 스프링 상수보다 훨씬 더 작다는 것을 알 수 있고; 균일 분포 하중은 가속에 의해 적용된 빔의 질량이다.
도 6은 O 링의 유효 스프링 상수와 강성 빔의 질량의 조합으로 인한 고유 주파수를 보여준다. 도 6은 17개의 O 링으로도 고유 주파수가 여전히 빔의 제1 모드 고유 주파수보다 6배 이상 낮다는 것을 나타낸다.
도 7은 초음파 변환기, 혼 및 앤빌 시스템의 집중 매개변수 기계 모델의 개략도이다. 변환기는 입력 전압에 의해 여기될 때 변위 X1을 겪는다. 변환기 변위는, 앤빌에 변위 X2를 유발하는 앤빌에 힘을 인가하는, 여기에 순수한 스프링으로 모델링된, 음향 혼의 일 단부에 작용한다. 진동 시스템에서 출력-입력 관계를 시스템의 전달률이라고 한다. 전달률은 주어진 주파수에서 입력 변위에 대한 물체의 반응의 척도로 생각할 수 있다.
도 8은 다음에서 고유 진동하는 앤빌을 갖는 초음파 시스템에 대한 전달률 주파수 응답 플롯이다: 3,000 Hz, 4,000 Hz, 및 10,000 Hz. 10,000 Hz 이상의 진동 모드 주파수를 갖는 앤빌은 40 KHz 초음파 혼에 의해 여기될 때 감쇠를 겪지 않는 것을 알 수 있다. 도 8은 앤빌이 초음파 혼의 동작 주파수의 약 10 %보다 큰 주파수 모드를 가져서는 안된다는 사실을 보여준다. 17개의 균등한 간격의 O 링과 약 100Hz의 고유 주파수를 갖는 O 링 지지 앤빌을 구비한 40KHz 초음파 시스템은 10,000 Hz를 훨씬 밑도는, 6th 고조파까지, 고조파 주파수를 가질 것이다.
Figure 112018043797878-pct00006
Figure 112018043797878-pct00007
B 1 = 초음파 변환기의 감쇠 계수 (힘*시간/길이)
M 1 = 초음파 변환기의 집중 질량 (힘*시간2 /길이)
K 1 = 초음파 변환기의 스프링 상수(힘/길이)
f n1 = 초음파 변환기의 공진 주파수(초음파 작동 주파수에 대응)(사이클/초)
ω n1 = 초음파 변환기의 공진 각 주파수(w n1 = 2pf n1 ) (라디안/초)
ζ 1 = 초음파 변환기의 감쇠비, 무차원수
B 2 = 초음파 앤빌의 감쇠 계수 (힘*시간/길이)
M 2 = 초음파 앤빌의 집중 질량 (힘*시간2 /길이)
K 2 = 초음파 앤빌의 스프링 상수, K 2 = K 빔 (힘/길이)
f n2 = 앤빌의 공진 주파수(사이클/초)
ω n2 = 초음파 앤빌의 공진 각 주파수(w n2 = 2pf n2 ) (라디안/초)
ζ 2 = 초음파 앤빌의 감쇠비, 무차원수
공식(6)을 사용하기 위해서 변환기와 앤빌의 질량, 변환기와 앤빌의 공진 주파수, 및 변환기와 앤빌의 감쇠비의 추정값을 알 필요가 있다. 초음파 변환기와 앤빌의 감쇠비들은 전형적으로 보통 내지 낮고, ζ 1 , ζ 2 ≤ 0.7이다.
제1 특정 측면에서, 초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템은 앤빌 조립체를 포함하고 상기 앤빌 조립체는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 적어도 하나의 앤빌 바 길이방향 단부의 앤빌 구멍을 가지는 앤빌 바를 포함하고, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍에 부분적으로 배치된 샤프트를 포함하고, 상기 샤프트는 원주면을 가지고 앤빌 바 길이방향 단부 너머 바깥쪽으로 연장되고, 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제1 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함하고; 내부에 제1 장착 브래킷 홀을 구비한 제1 장착 브래킷을 포함하고, 상기 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고; 상기 제1 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가진 제1 부싱을 포함하고, 상기 제1 부싱은 부싱 내부면 및 부싱 외부면을 가지고; 샤프트 원주면과 부싱 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제2 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함한다.
제2 특정 측면은 제1 특정 측면을 포함하고, 부싱 외부면과 홀 표면 사이에서 제1 부싱에 배치된 탄성중합체 부싱 O 링을 더 포함한다.
제3 특정 측면은 제1 및/또는 제2 측면을 포함하고, 앤빌 구멍은 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 연장되고, 샤프트는 앤빌 구멍을 통하여 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머로 연장된다.
제4 특정 측면은 측면들 1 내지 3 중 하나 이상을 포함하고, 제1 장착 브래킷에 대향한 앤빌 바 길이방향 단부에 배치된 제2 장착 브래킷을 더 포함하고, 상기 제2 장착 브래킷은 내부에 제2 장착 브래킷 홀을 갖는다.
제5 특정 측면은 측면들 1 내지 4 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제2 장착 브래킷 홀에 배치되고 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가진 제2 부싱을 더 포함하고, 상기 제2 부싱은 제2 부싱 내부면과 제2 부싱 외부면을 갖는다.
제6 특정 측면은 측면들 1 내지 5 중 하나 이상을 포함하고, 상기 샤프트 원주면과 상기 제2 부싱 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제3 탄성중합체 샤프트 O 링을 더 포함한다.
제7 특정 측면은 측면들 1 내지 6 중 하나 이상을 포함하고, 상기 앤빌 바 길이방향 단부와 상기 제1 장착 브래킷 사이에서 샤프트 둘레에 배치된 탄성중합체 와셔를 더 포함한다.
제8 특정 측면은 측면들 1 내지 7 중 하나 이상을 포함하고, 샤프트의 단부에 인접한 제1 부싱 내에 배치된 탄성중합체 볼을 더 포함한다.
제9 특정 측면은 측면들 1 내지 8 중 하나 이상을 포함하고, 상기 앤빌 바는 샤프트에 대해 반경 방향으로 움직일 수 있도록 구성된다.
제10 특정 측면은 측면들 1 내지 9 중 하나 이상을 포함하고, 상기 앤빌 바는 장착 브래킷에 대해 축회전하도록 구성된다.
제11 특정 측면에서, 초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템은 앤빌 조립체를 포함하고 상기 앤빌 조립체는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 통하는 앤빌 구멍을 가지는 앤빌 바를 포함하고, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍 내에 부분적으로 배치된 샤프트를 포함하고, 상기 샤프트는 샤프트 원주면을 가지고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머 바깥쪽으로 연장되고, 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에 배치된 샤프트 분리 시스템을 포함하고; 내부에 제1 장착 브래킷 홀을 구비한 제1 장착 브래킷을 포함하고, 상기 제1 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고; 상기 제1 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가진 제1 부싱을 포함하고, 상기 제1 부싱은 부싱 내부면 및 부싱 외부면을 가지고; 샤프트 원주면과 부싱 내부면 사이에 배치된 제1 장착 분리 시스템을 포함한다.
제12 특정 측면은 제11 특정 측면을 포함하고, 부싱 외부면과 제1 장착 브래킷 홀의 홀 표면 사이에서 제1 부싱에 배치된 제2 장착 분리 시스템을 더 포함한다.
제13 특정 측면은 제11 및/또는 제12 측면들을 포함하고, 상기 샤프트 분리 시스템은 샤프트에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함한다.
제14 특정 측면은 측면들 11 내지 13 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제1 장착 분리 시스템은 상기 샤프트에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함한다.
제15 특정 측면은 측면들 11 내지 14 중 하나 이상을 포함하고, 상기 앤빌 바 길이방향 단부와 상기 제1 장착 브래킷 사이에서 샤프트 둘레에 배치된 탄성중합체 와셔를 더 포함한다.
제16 특정 측면에서, 초음파 접합기에서 앤빌 바의 고유 주파수를 감소시키기 위한 방법은 앤빌 바-샤프트 조합체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 앤빌 바는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 통하는 앤빌 구멍을 가지고, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 샤프트는 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍 내에 부분적으로 배치되어 있고, 상기 샤프트는 샤프트 원주면을 가지고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머 바깥쪽으로 연장되고; 샤프트 원주면과 앤빌 구멍 내부면 사이에 샤프트 분리 시스템을 배치하는 단계를 포함하고; 제1 장착 브래킷 홀에 배치된 제1 부싱을 사용해 제1 장착 브래킷 홀을 가지는 제1 장착 브래킷에 앤빌 바-샤프트 조합체를 장착하는 단계를 포함하고, 상기 제1 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고 상기 제1 부싱은 부싱 내부면과 부싱 외부면을 가지고; 상기 부싱 내부면과 상기 샤프트 원주면 사이에 제1 장착 분리 시스템을 배치하는 단계를 포함한다.
제17 특정 측면은 제16 특정 측면을 포함하고, 상기 부싱 외부면과 상기 홀 표면 사이에 제2 장착 분리 시스템을 배치하는 단계를 더 포함한다.
제18 특정 측면은 제16 및/또는 제17 측면들을 포함하고, 상기 제2 장착 분리 시스템은 부싱 외부면에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함한다.
제19 특정 측면은 측면들 16 내지 18 중 하나 이상을 포함하고, 상기 샤프트 분리 시스템 및 상기 제1 장착 분리 시스템은 각각 샤프트에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함한다.
제20 특정 측면은 측면들 16 내지 19 중 하나 이상을 포함하고, 상기 초음파 접합기는 작동 주파수를 가지고, 상기 앤빌 바의 고유 주파수는 작동 주파수의 10% 이하이다.
본 발명에 대한 이들 및 다른 변형예 및 변경예가 첨부된 청구항들에 보다 구체적으로 기재되어 있는, 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않고서, 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 다양한 측면의 요소들이 전부 및 일부, 둘 모두로 교환될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 상기한 설명이 예시만을 위한 것이고, 이러한 첨부된 청구항에 더 설명되어 있는 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아님을 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템으로, 상기 앤빌 시스템은
    축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 적어도 하나의 앤빌 바 길이방향 단부의 앤빌 구멍을 가지되, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지는, 앤빌 바,
    상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍에 부분적으로 배치된 샤프트로, 원주면을 가지고 상기 앤빌 바 길이방향 단부 너머 바깥쪽으로 연장되어 있는, 상기 샤프트, 및
    상기 샤프트 원주면과 상기 앤빌 구멍 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제1 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함하는,
    앤빌 조립체;
    내부에 제1 장착 브래킷 홀을 구비한 제1 장착 브래킷으로, 상기 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지는, 상기 제1 장착 브래킷;
    상기 제1 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가지는, 제1 부싱으로, 부싱 내부면 및 부싱 외부면을 가지는, 상기 제1 부싱; 및
    상기 샤프트 원주면과 상기 부싱 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제2 탄성중합체 샤프트 O 링을 포함하는, 앤빌 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부싱 외부면과 상기 홀 표면 사이에서 제1 부싱에 배치된 탄성중합체 부싱 O 링을 더 포함하는, 앤빌 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 앤빌 구멍은 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 연장되고, 여기서 상기 샤프트는 상기 앤빌 구멍을 통하여 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머로 연장되는, 앤빌 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 장착 브래킷에 대향한 상기 앤빌 바 길이방향 단부에 배치된 제2 장착 브래킷을 더 포함하되, 상기 제2 장착 브래킷은 내부에 제2 장착 브래킷 홀을 갖는, 앤빌 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가진 제2 부싱을 더 포함하고, 여기서 상기 제2 부싱은 제2 부싱 내부면과 제2 부싱 외부면을 갖는, 앤빌 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 샤프트 원주면과 상기 제2 부싱 내부면 사이에서 샤프트에 배치된 제3 탄성중합체 샤프트 O 링을 더 포함하는, 앤빌 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 앤빌 바 길이방향 단부와 상기 제1 장착 브래킷 사이에서 상기 샤프트 둘레에 배치된 탄성중합체 와셔를 더 포함하는, 앤빌 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 샤프트의 단부에 인접한 상기 제1 부싱 내에 배치된 탄성중합체 볼을 더 포함하는, 앤빌 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 앤빌 바는 상기 샤프트에 대해 반경 방향으로 움직일 수 있도록 구성된, 앤빌 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 앤빌 바는 상기 장착 브래킷에 대해 축회전하도록 구성된, 앤빌 시스템.
  11. 초음파 접합기에서 사용하기 위한 앤빌 시스템으로, 상기 앤빌 시스템은
    축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 통하는 앤빌 구멍을 가지되, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지는, 앤빌 바,
    상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍 내에 부분적으로 배치된 샤프트로, 샤프트 원주면을 가지고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부 너머 바깥쪽으로 연장되어 있는, 상기 샤프트, 및
    상기 샤프트 원주면과 상기 앤빌 구멍 내부면 사이에 배치된 샤프트 분리 시스템을 포함하는,
    앤빌 조립체;
    내부에 제1 장착 브래킷 홀을 구비한 제1 장착 브래킷으로, 상기 제1 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지는, 상기 제1 장착 브래킷;
    상기 제1 장착 브래킷 홀에 배치되고 상기 샤프트의 단부를 수용하는 크기를 가지는, 제1 부싱으로, 부싱 내부면 및 부싱 외부면을 가지는, 상기 제1 부싱; 및
    상기 샤프트 원주면과 상기 부싱 내부면 사이에 배치된 제1 장착 분리 시스템을 포함하는, 앤빌 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 부싱 외부면과 상기 제1 장착 브래킷 홀의 홀 표면 사이에서 상기 제1 부싱에 배치된 제2 장착 분리 시스템을 더 포함하는, 앤빌 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 샤프트 분리 시스템은 상기 샤프트에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함하는, 앤빌 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 장착 분리 시스템은 상기 샤프트에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함하는, 앤빌 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 앤빌 바 길이방향 단부와 상기 제1 장착 브래킷 사이에서 상기 샤프트 둘레에 배치된 탄성중합체 와셔를 더 포함하는, 앤빌 시스템.
  16. 초음파 접합기에서 앤빌 바의 고유 주파수를 감소시키기 위한 방법으로,
    앤빌 바-샤프트 조합체를 제조하는 단계로, 상기 앤빌 바는 축 방향, 2개의 앤빌 바 길이방향 단부들, 및 하나의 앤빌 바 길이방향 단부로부터 다른 앤빌 바 길이방향 단부까지 통하는 앤빌 구멍을 가지되, 상기 앤빌 구멍은 앤빌 구멍 내부면을 가지고, 상기 샤프트는 상기 앤빌 바로부터 분리되어 있고 상기 앤빌 구멍 내에 부분적으로 배치되어 있고, 상기 샤프트는 샤프트 원주면을 가지고 양쪽 앤빌 바 길이방향 단부들 너머 바깥쪽으로 연장되는, 단계;
    상기 샤프트 원주면과 상기 앤빌 구멍 내부면 사이에 샤프트 분리 시스템을 배치하는 단계;
    제1 장착 브래킷 홀에 배치된 제1 부싱을 사용하여 제1 장착 브래킷 홀을 가지는 제1 장착 브래킷에 상기 앤빌 바-샤프트 조합체를 장착하는 단계로, 상기 제1 장착 브래킷 홀은 홀 표면을 가지고 상기 제1 부싱은 부싱 내부면과 부싱 외부면을 가지는, 단계; 및
    상기 부싱 내부면과 상기 샤프트 원주면 사이에 제1 장착 분리 시스템을 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 부싱 외부면과 상기 홀 표면 사이에 제2 장착 분리 시스템을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 장착 분리 시스템은 상기 부싱 외부면에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 샤프트 분리 시스템 및 상기 제1 장착 분리 시스템은 각각 샤프트에 배치된 적어도 하나의 탄성중합체 O 링을 포함하는, 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 초음파 접합기는 작동 주파수를 가지고, 여기서 상기 앤빌 바의 고유 주파수는 작동 주파수의 10% 이하인, 방법.
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