超音波諧振電路            

                 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范圍……………。

              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，就使壓材料產生震蕩……

                                圖一   正壓電與負壓電效應

  諧振？超音波為什么要諧振？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

           率的振動組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匹配調諧和數字式振蕩調

           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，就必須對振動組件，

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

           一般是以可調電感為最方便，它有著使用簡單及制造方便的好處；超音波振動組件在震

           蕩的過程當中，會產生熱，熱會使的振動組件產生所謂的”熱脹冷縮”效應，振動組件

           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組件重新做”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，振動組件損壞，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于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

           一套振蕩電路，基本線路也是要做匹配，但準確度無需像自激式，其原理是利用頻率電

           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

             數位式振蕩調諧：

                   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

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

           意圖如圖五：

                                                                          圖五      數字式振蕩調諧取樣位置示意圖

                   數字式振蕩調諧的電路也必須對振動組件作”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組件諧振的目

          的。

                 在目前業界還在一直依賴歐、日、美等國進口數字式振蕩調諧的機器中。

                     數字式振蕩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，數字式振蕩調諧系統不受溫度和HORN尺寸及工作時間長短的影響

          ，只要振動組件是在發振的狀態，系統會自動調諧，并達到系統最佳狀態，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于前兩者，故一般在工作時間長、工作環境溫度

          高、質量穩定度要求高的場所都是數字式振蕩調諧系統的天下……。

              以下簡單列出幾項自激式R.L.C匹配調諧、他激式R.L.C匹配調諧和數字式振蕩調諧

          的優缺點：          

 優點缺點自激式R.L.C匹配調諧1.諧振速度快，在固定的條件之下   ，諧振速度約在幾個毫秒之下就   達到諧振。2.共振效率高，手動調到最佳共振   點時，即達到最效率最佳的位置   。3.維修簡易，使用零件較少。4.線路簡單。5.單價便宜。1.須具備相關R.L.C匹配調諧技術   ，使用不方便。2. 故障率高，發生諧振異常，容   易燒毀重要組件，例如功率電晶   體…。3. 壓電材料易受溫度影響，使諧   振效率變差。4.系統穩定度差，易受時間、溫   度和HORN的尺寸影響。他激式R.L.C匹配調諧1. 諧振速度快，當頻率剛好調至振    動零件的諧振頻率且阻抗匹配也   正好是諧振頻率時，諧振速度約   在幾個毫秒之下就可達到諧振。2. 維修簡易，使用零件較少。3.單價便宜。   1.在負載差異性很大時，此系統   無法使用。2.故障率最高，如發生諧振異常   容易燒毀重要組件，例如功率   晶體或驅動線路。3.系統穩定差，易受時間、溫度   和HORN的尺寸影響。4.一般使用場合須在定負載的環   境，如超音波洗凈機…。數位式振蕩調諧1.空載負載時均諧振。2.長時間工作時壓電材料不受溫   升影響超音波諧振頻率。3.操作簡單，更換在規定頻率范   圍之下的的模具無須調諧。4.線路的擴充性高，在不同頻率   下線路的擴充極為方便。5.系統穩定性高。6.適用場合最多。1.單價高。2.維修不易。3.線路較復雜。