淺談超音波諧振電路               研發部工程師 魏憲忠

                京華超音超音波致力於超音波應用30幾年，生產超音波熔接機、超音波洗淨機、超

        音波紉機到現在最夯的太陽能鋁帶焊線機……等等，在超音波的應用領域中最主要的應

        用方式為”壓電效應”。

        何謂壓電效應：

                 壓電效應是材料中一種機械能與電能互換的現象， 壓電材料會有壓電效應是因晶

        格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應，而壓電效應又分成正

        壓電效應和逆壓電效應， 一般壓電材料有陶瓷類的鈦酸鋇（PZT）、單晶類的石英（水

        晶）、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽等，或是薄膜類的氧化鋅（ZnO）。而其中逆

        壓電效應，也就是將電能轉換成動能，就是我們現在所討論的範圍……………。

                當在壓電材料表面施加正電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材

        料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，相反的，在壓電材料上施加負電壓，壓電材料就會

        往擠壓，當施予規律的頻率和電壓，就使壓材料產生震盪……

                                圖一   正壓電與負壓電效應

                   諧振？超音波為什麼要諧振？因為壓電材料在一特定的頻率之下，會以最大振幅做

           振動的情形；此一特定頻率稱之為諧振頻率，為使用在不同的場所和需求，便有各種頻

           率的振動元件及各種超音波加工機器。

                   為了使壓電材料能以最大的振幅出力，也就是諧振，其相關驅動電路就顯得相當重

           要，諧振線路又分為共振和反共振線路，其線路結構端看各家超音波公司的設計方式，

           一般共振電路的方式又分自激式R.L.C匹配調諧、他激式R.L.C匹配調諧和數位式振盪調

           諧，以下就介紹這三種方式的差異性。

                                                    圖二   共振線路與反共振線路示意圖

           自激式R.L.C匹配調諧：

                    為了使超音波震動零件達到諧振，在超音波發振器的部分，就必須對振動元件，

           做一個所謂的”阻抗匹配”的動作，作為調整的元件通常以電感、電容和電阻最常見，

           一般是以可調電感為最方便，它有著使用簡單及製造方便的好處；超音波振動元件在震

           盪的過程當中，會產生熱，熱會使的振動元件產生所謂的”熱脹冷縮”效應，振動元件

           熱，尺寸就會變化，尺寸變化超音波波長就會變化，波長一變化，頻率就也變化，這些

           效應會連鎖影響，當頻率一變化，超音波發振器就必須對振動元件重新做”阻抗匹配”

          ，當超音波發振器沒和發振器作組抗匹配而開始做工時，輕則效率變差，嚴重則發振器

           燒毀，振動元件損壞，所以在自激式R.L.C匹配調諧的機器，需注意頻率、溫度的變化，

           當有變化時，須做重新調整這類的機型比較不適用於長時間工作且易熱的加工環境，須

           注意散熱的問題。線路示意圖如圖三：

                                                    圖三      自激式R.L.C匹配調諧示意圖

           他激式R.L.C匹配調諧：

                   因自激式R.L.C匹配調諧在做阻抗批配時，需花費相當的人力及時間，遂發展出另

           一套振盪電路，基本線路也是要做匹配，但準確度無需像自激式，其原理是利用時脈電

           路產生信號，欲達到諧振目的只需調整信號的頻率，當頻率與超音波振動零件的諧振頻

           率相同時，即達諧振。如圖四：

                                                圖四      他激式R.L.C匹配調諧示意圖

           數位式振盪調諧：

                   是利用諧振的特性及原理，再搭配輔助電路對諧振電路作信號取樣，使超音波發振

           器對振動元件達到諧振的目的，每家公司各有自己設計的理念及方法，並不相同……示

           意圖如圖五：

                                                    圖五      數位式振盪調諧取樣位置示意圖

                   數位式振盪調諧的電路也必須對振動元件作”阻抗的匹配”，一般都是取一個近似

          值，在搭配輔助電路做一個強迫諧振的方式，以達到諧振電路系統及振動元件諧振的目

          的。

                   在目前業界還在一直依賴歐、日、美等國進口數位式振盪調諧的機器中，我公司在

          數位式振盪調諧的領域中，自行開發、設計及製造，對於客戶的成本和時間都可以省下

          很多不必要的開支，其效率優於其他同業。

                   數位式振盪調諧在應用的環境及方便性是自激式R.L.C匹配調諧和他激式R.L.C匹配

          調諧所遙不可及的，數位式振盪調諧系統不受溫度和HORN尺寸及工作時間長短的影響

          ，只要振動元件是在發振的狀態，系統會自動調諧，並達到系統最佳狀態，不像自激式

          R.L.C匹配調諧調諧和他激式R.L.C匹配調諧，必須再作重新調整諧，在安全性和方便性

          都高出很多，也因為在溫度影響方面優於前兩者，故一般在工作時間長、工作環境溫度

          高、品質穩定度要求高的場所都是數位式振盪調諧系統的天下……。

                  以下簡單列出幾項自激式R.L.C匹配調諧、他激式R.L.C匹配調諧和數位式振盪調諧

          的優缺點：          

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