同尺寸壓著面,不同幾何體的超音波喇叭設計
相同壓著面的超音波喇叭,在設計上只要頻率、振幅、諧振狀態達
到設計標準,從測試分析中,我們發現可有多種設計選擇;也就是說超
音波喇叭的設計上,可採行以多種不同幾何體的模型設計。目前超音波
市場上即能看到,具相當技術水準的超音波同業,他們設計出來的超音
波喇叭,都有其設計習慣、特色及風格。
對于超音波喇叭設計者而言,喇叭設計的基本要求,不外乎為頻率
要達到與系統匹配的標準,振幅設計針對加工物需求要適當,諧振狀態
必需良好,應力變化則應該是愈小愈好。前述要求達到後,就要考慮超
音波喇叭加工的方便性。因此超音波喇叭設計者就要不斷的發掘、吸取
經驗,捷取他人的設計長處,才能改善併提升超音波喇叭設計的技術。
以下列舉超音波喇叭常用的設計實例說明:
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左三圖示為常見的傳統形式的超
音波15KSW48w24L210 HORN設計,頻率
為15KHz標準頻率,由于HORN設計未經
設計調整振幅,經由分析測試後,明顯
可以看出其振幅差異極大,中間振幅與
兩外側振幅差,幾可能達35﹪以上。且
交變應力集中于HORN的二中間板部位,
位置接近HORN導波散熱溝處,此種傳統
設計,此種設計常會致使喇叭從導波散
熱溝底部破裂。從向量圖示更清楚可以
看出,喇叭幾何體變型的狀況,HORN壓
著面端向兩測丿。
此種傳統設計目前仍被廣泛的應用
,如果使用于低負載熔接,且使用頻率
不高,則尚堪用,對于使用頻率高,需
振幅均勻的加工即會產生問題。
使用此種未經調整振幅喇叭,常見
的問題是熔接不均勻,一般狀況是中間
熔接較牢固,兩側熔接強度較差,如要
使兩側熔接牢固,則會造成中間過熔現
象。且使用者常會誤判為底模平整度造
成的問題,當HORN破裂時,亦常會誤判
為金屬材質出問題,事實上是喇叭設計
不當,造成的問題。
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左三圖示同為15KSW48w24L210
HORN以三導波溝設計:
頻率為15KHz標準頻率,設計調整
振幅,經調整製作分析、測試後,可以
看出其振幅差異性明顯變小,如為單純
平面壓著設計喇叭,其中間振幅與兩外
側振幅差,均勻度可達10﹪以內。
最重要的是喇叭交變應力,已明顯
分散于HORN的各部位,接近導波散熱溝
處的應力亦減少,此種設計使喇叭加工
能力,及壽命性相較于傳統設計大幅提
高。從向量圖示亦可以看出,喇叭幾何
體變型的狀況已明顯的改善。
其調整振幅的設計主要為,減少大
端面兩片中間板的質量,期使喇叭的壓
著面中間振幅降低。超音波喇叭增減大
端的質量,能明顯有效的增減壓著端面
的振幅,此設計例即以堆積兩側振幅較
低處,使振幅均勻。
單以焊頭螺絲面調整振幅有時尚無
法使壓著端面振幅均勻,需要採取其它
調整振幅手法才能使壓著端面振幅均勻
。此設計例是另在喇叭壓著面長端銑小
R,增加兩端局部區域的振幅,振幅量
的增減取決于R的深度,R的深度愈深
振幅量愈大,反之R的深度愈淺振幅量
愈小。
此外導波溝的長度及寬度亦能調整
振幅,導波溝的設計在喇叭設計時即決
定,
當振幅有差異可以調整其長度及寬
度來增減振幅。
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上、左三圖示相同壓著面的超音波
喇叭,15KSW48w24L210 HORN以二短導
波溝設計:
頻率為15KHz標準頻率,在焊頭螺絲
端適當的位置,予以跣切二對稱溝槽,
同樣能得到振幅差均勻度可達10﹪以內
,良好的共振體。其調整振幅的設計主
要以跣切溝的位置,及銑切溝的深度,
來增減其振幅。
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上、左圖示相同壓著面的超音
波喇叭,15KSW48w24L210 HORN二短
導波溝設計:
頻率為15KHz標準頻率,在焊頭
螺絲端中間予以減少質量調整振幅,
同樣能得到振幅差均勻度可達10﹪以
內,良好的共振體。
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上、左圖示相同壓著面的超音波
喇叭,15KSW48w24L210 HORN二長導波
溝設計:
頻率為15KHz標準頻率,為保持焊
頭螺絲端平整,予以喇叭中間板塊節點
調整,及調整增加兩側振幅,同樣能得
到振幅
差均勻度可達10﹪以內,良好的共振體。
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相同壓著面的超音波喇叭,在設計上雖然可以採多種不同的設計,但
並非無限制可完全適用,是有其限制性。最大的限制是僅適用于平面壓著
的超音波喇叭,如喇叭壓著面是需要成型設計時,既會造成喇叭的幾何型
體破壞,當幾何型體完整性破壞,即會致使喇叭不諧振,需以調整振幅的
手段來使喇叭平衡諧振。從前述設計實例設計可以看出,當設計之初喇叭
幾何型體選擇決定,攸關後續調整振幅的手法應用,此時設計者,就僅能
挑選其中一種適用的喇叭型體設計,或者採混合型體的新設計。因此開始
決定採何種幾何型體設計,尤其需成型的超音波喇叭,需多方面的考慮,
且與設計應用經驗有絕對關係。
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