超音波焊頭三要素：頻率、振幅、振態
頻率
目前一般使用的超音波發振系統為λ/2共振系統，即半波長共振系統，
故超音波焊頭設計亦皆以λ/2為設計基準，可作1λ、1λ/2、2λ、2λ2、、、。
理論上在系統功率能推動焊頭的條件下，只要是λ/2的倍數都可設計焊頭，
因此我們 亦可稱此種焊頭為λ/2共振焊頭。
超音波焊頭頻率測試方法
A、阻抗分析儀
超音波焊頭裝置於振動子或振動部組之上，將輸出線連接於阻抗分析儀
，再設定頻率範圍搜尋，阻抗最低、波形良好者即為諧振頻率。在阻抗分析
儀測試頻率，可以很精確的看出焊頭的頻率及振態；且其搜尋頻率範圍可設
定，對於新研發焊頭，在初測頻率時無法判斷焊頭形狀及高度，可幫助設計
者瞭解焊頭的振態及頻率，故是焊頭的研展測試不可或缺的測試手段。
B、信號產生＋計頻器
超音波焊頭裝置於振動子或振動部組之上，將輸出線連接於信號產生器
，在信號產生器上搜尋焊頭的諧振頻率，尋至最低電壓時計頻器所示之頻率
，即為焊頭的諧振頻率。以此方式測試焊頭可避免焊頭因製作過程中，頻率
或諧振點偏離太多，製作中即造成焊頭的損壞。
C、HORN CHECK＋計頻器
超音波焊頭裝置於振動子或振動部組之上，將輸出線連接於HORN
CHECK，調整HORN CHECK之調頻鐵粉芯，尋至最低電壓時計頻器所示之
頻率，即為焊頭的諧振頻率。
D、超音波機台＋計頻器
將計頻器接收信號線夾於振動線外皮，直接在超音波機台測頻率，調至
機台發振箱之電壓表、電流表最低點時，計頻器所示之頻率，即為焊頭的諧
振頻率。
其它的頻率測試方法還很多，如敲擊焊頭以音響接收器接收，配合計頻
儀器亦可測得焊頭的頻率、、、等。頻率測試時除要熟悉測試儀器的特性及
操作要領，經驗判斷亦是非常重要，尤其對於焊頭本身尺寸，或幾何體結構
已先天不良時更須謹慎，否則常會發生誤判諧振頻率的錯誤。
振幅
超音波焊頭振幅的設計，主要考慮因素是加工塑膠材質熔接難易度，應
用的需要性及焊頭壽命性。原則上愈難熔接的塑膠材質或許會需高振幅的應
用，其焊頭振幅設計要的要求即會愈大，但亦要考慮焊頭材質的耐交變應力
強度；反之，愈容易熔接的塑膠材質或許不需設計高振幅應用，其焊頭振幅
設計即不需太大，以避免因此造成焊頭易破壞、壽命性減低。
上述所謂材質熔接難易度，簡單判斷的基準就是塑膠材質的熔點，一般
熔點愈高即表示此材質熔接難度愈高，反之，塑膠材質的熔點愈低即表示此
材質愈容易熔接；塑膠材料除本身材質外其添加物亦是要予以特別注意考慮
，通常添加物多會影響超音波熔接。
超音波焊頭振幅量測的方法
A、機械式量錶〈1/1000MM探針式量表〉
量測時將超音波焊頭鎖固於HORN CHECK，或機台振動部組上，先將系
統調至最佳諧振點；將探針座確實固定，探針與焊頭成垂直接觸，然後
CHECK超音波系統，從量錶的指針移動數據即可知振幅量的大小。此種量測
方法誤差較大，唯振幅數據仍可供製作參考，由於量測方法簡便適合於製程
中量測振幅。
B、光纖測距儀〈FOTONIC SENSOR〉
需配合示波器，量測時將超音波焊頭鎖固於HORN CHECK，或機台振動
部組上，將系統調至最佳諧振點；然後將光纖探頭確實固定，使探頭與焊頭
成垂直接觸，然後CHECK超音波系統，將測距儀的指針移動數據，導入計算
公式經換算，即求得振幅量的大小。此種量測方法誤差較小，適合精密量測
振幅或振幅量太小的焊頭振幅量測，故此種量測手段多用於設計開發時量測
振幅。
超音波焊頭振幅均勻度會影響焊頭的壽命，及超音波加工品質，從電腦
輔助設計有限元素分析發現，當超音波焊頭的振幅不均勻時，其焊頭的內交
變應力會集中，且會因有斜振動或斜擺振動而產生內交變應力，此時焊頭斜
振動的位置如是在溝槽接近小端處，即可能會造成該處破裂。超音波焊頭振
幅不均在加工時需耗較長的熔接時間，且熔接強度是不一致，更甚者會造成
加工物的破壞。
超音波焊頭的幾何型體如果是完整對稱時，且焊頭寬度尺寸未超過2/3λ
時，從目前電腦輔助有限元素分析的經驗得知，超音波焊頭都可從設計上調
整，使焊頭壓著面（作用端）振幅均勻。也就是說除因加工件需不規則成型
的超音波外，絕大多數的超音波焊頭都是可設計到壓著端振幅均勻。
從有限元素分析過程中發現當焊頭振幅越均勻時，其內交變應力也會因
此均勻分佈，交變應力之相對質會變小，焊頭的整體振態呈絕佳諧振狀態，
同理可知熔接能力也會相對變得更好。從有限元素分析過程中發現，超音波
焊頭的設計最重要的，就是要焊頭振幅均勻，因為焊頭振幅均勻時，就是超
音波焊頭振態最好的狀態。
振態
焊頭振動型式需為諧振模態，振幅分佈均勻，內交變應力分散，且數值
要愈小愈好。振態的好壞影響超音波焊頭的壽命及熔接能力，更嚴重會致使
超音波系統損壞，因此判斷超音波焊頭的振態是否正常，是製作超音波焊頭
最重要的工作。以往超音波焊頭設計製作多以經驗為主，對振態的好壞判斷
，除從HORN CHECK上之電流表、電壓表的數值研判外，主要是以手感觸
測焊頭的振動狀態，此需有相當長的時間的經驗累積才能正確判斷，因此對
振態測試應以儀器數據為主，須經驗的手感觸測為輔。
超音波焊頭振態測試、判斷的方法
A、HORN CHECK機台測試
檢視超音波焊頭發振時頻率（F）電流值〈A〉、電壓值〈V〉是否在標
準值之內；頻率不在標準的範圍內時，超音波的電氣特性有可能是不一樣的
。也就是說當焊頭不在標準頻率時其諧振，並不代表其在標準頻率範圍內仍
是可以保持諧振的。檢視超音波焊頭起振時之電流、電壓是否有不正常之
PULSE，PULSE大表示超音波焊頭起振困難，即此表示超音波焊頭振態不佳。
B、阻抗分析儀〈HP 4194〉測試
利用頻率掃描檢視超音波焊頭共振頻率之波形是否正常，是否有複頻率
存在，焊頭除諧振頻率外有接近的頻率存在表示此焊頭是異常的。檢視超音
波焊頭共振阻抗值是否正常，原則上阻抗越低越好。
C、量測超音波焊頭振幅檢視振幅分佈
超音波焊頭振幅呈平均分佈表示焊頭振態佳，應力分散。
D、手感觸測焊頭的振動狀態
正常的超音波焊頭其發振時是振動狀態平順，如起振時有抖動、兩段發
振或明顯的橫振波的情況都是屬不正常，以手感觸測時是可以察覺。超音波
焊頭正常狀況短時間發振測試是不會有溫升，如在測試時即有溫升狀況是屬
不正常的超音波焊頭。
E、以電腦分析焊頭的振動狀態
將超音波焊頭之幾何型體繪製成3D圖檔，配合有限元素分析軟體，輸入
焊頭材質、材質之傳導音速度及頻率範圍等、、、參數，經掃描分析即可從
電腦摹擬動畫或影像上，檢視判讀焊頭的振動狀態及焊頭的應力、振幅分佈
狀況。
振幅未調整之焊頭
振幅調整均勻後之焊頭
前述有限元素分析圖像承蒙 國立勤益科技大學洪榮崇副教授提供
摘錄自：96年度教育部推動技專校院與產業園區產學合作實施計畫
計劃名稱：超音波振幅放大器端面輸出振幅分佈最佳化設計
計畫主持人：洪榮崇
共同主持人：洪景華
計畫參與人員：研究生 陳聖平
執行單位：國立勤益科技大學 機械工程系
（待續...）