超聲波馬達

1987年。Canon推出第一支裝備有環(huán)形USM的鏡頭是：EF 300/2.8L USM。

1990年，Canon實現(xiàn)了量產(chǎn)，開始將環(huán)形USM大量應用于普通鏡頭。

1992年，Canon開發(fā)出微型USM，使EF鏡頭全面USM化的進程加快。

環(huán)形USM結構和原理

根據(jù)將超聲波振動能量變換的方法來分，有三類USM：

1、駐波型(Standing Wave Type)；

2、行波型(Traveling Wave Type)；

3、振簧型(Vibrating Reed Type).

Canon EF鏡頭中使用的USM，全部屬于行波型。

環(huán)形USM的結構很簡單：由具有彈性的定子和轉子組成。

定子是一金屬環(huán)，底部有壓電陶瓷元件，上部均勻排列著梯形凸出物。

定子是用特殊材料制造的，它的熱膨脹系數(shù)同壓電陶瓷元件的一樣，這樣可以避免溫度變化的影響。

轉子是一個鋁質環(huán)，通過凸緣狀彈簧與定子結合在一起。由于鋁材比較軟，所以結合部位是經(jīng)過特殊處理，增加其耐磨性能。

在超聲波馬達問世之前，實際上已有利用壓電材料振動特性來驅動的壓電馬達，惟其頻率并不限于超聲波的范圍。早在一九四八年威廉和布朗就申請了「壓電馬達」的美國專利；一九六一年寶路華鐘表公司研制出音叉驅動的手表；一九七〇～一九七二年西門子和松下兩公司發(fā)展出線型壓電步進馬達，不過因為無法達到較大的輸出力及效率，所以當時并沒有普遍地應用。

一九七三年美國IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用壓電組件以超聲波振動的方式來驅動的馬達，但因為磨耗上的問題，和之前的手表案例一樣，僅發(fā)表出來而沒有實際上的應用。幾乎同時，俄國人V.H. Lavrinenko也設計了一些驅動原理相同的馬達結構；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）則是利用超聲波轉換器作為馬達的驅動來源，不過都沒有發(fā)展出完整的馬達結構。

一九八零年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研制出以振動片驅動的超聲波馬達，具有較完整的馬達結構。至此，以壓電材料產(chǎn)生超聲波振動來驅動馬達的概念就開始慢慢地發(fā)展起來。雖然因為磨耗以及溫度上升等問題，使得這些超聲波馬達仍然沒有實際的應用，不過已具有高精度、低速高轉矩等特色。

直到一九八二年，指田年生又發(fā)展出一種新型的超聲波馬達驅動方式，在設計上已經(jīng)考慮到磨耗的改善，這才是第一個真正達到具有商業(yè)應用價值的超聲波馬達，且首先應用在照相機的自動對焦系統(tǒng)中，這也是使用超聲波馬達最多的領域。

佳能的EF自動對焦鏡頭都內置了兩個馬達，一個負責自動對焦，另一個負責電磁光圈，佳能自動對焦馬達有三大類，弧形馬達(ARC FORM DRIVE，簡稱AFD)，超聲波馬達(ULTRASONIC MOTOR，簡稱USM)和微型馬達(MICRO MOTOR，簡稱MM)。

弧形馬達是佳能EF自動對焦鏡頭中最早使用的馬達，它是一種弧形無刷電機，這樣它就可以安放在鏡頭圓柱壯的鏡筒內而不用改變鏡筒的形狀了，由于其轉子小巧的尺寸使得它有非常好的開始/停止反應和控制力，又由于它的無刷設計使得它有很長的使用壽命。雖然隨著高性能的超聲波馬達和成本更低的微型馬達的出現(xiàn)，使用這種馬達的鏡頭在已經(jīng)不多見了，但在某些著名的EF鏡頭中我們仍然能“看到”它的身影，如EF50mm f/2.5 Compact Macro和EF100-300mm f/5.6 L以及EF135mm f/2.8 Soft Focus柔焦鏡頭等。

超聲波馬達和傳統(tǒng)的馬達有很大區(qū)別，不管傳統(tǒng)的馬達有多少種，其原理一般就是將電磁力轉變?yōu)檗D動力，而超聲波馬達的轉動力則是產(chǎn)生于超聲波振動的能量。如上所述，超聲波馬達分環(huán)形和微型超聲波馬達兩種。

環(huán)形超聲波馬達的定子和轉子的直徑和鏡筒直徑相當，可以和鏡筒完美的結合。超聲波馬達的優(yōu)點在于：一. 由于其低轉速和高扭矩的特性，使得它可以直接驅動鏡頭而不需要額外的減速機構；二. 定位扭矩大，換句話說就是當馬達停下來的時候，鏡頭就像有剎車那樣自動停止對焦；三. 結構非常簡單；四. 對啟動和停止的控制能力非常好，它可以快速啟動，也可以立即停止，而且可以被很精確地控制；五. 操作起來非常安靜—幾乎無聲。除此之外，佳能的環(huán)形超聲波馬達還有如下特點：六. 其高效率和低能耗的特性使得它可以用相機的電池來供電；七. 環(huán)狀的馬達和鏡頭鏡筒非常合適；八. 低旋轉速度非常適合鏡頭的驅動；九. 旋轉速度可以在0.2RPM(五分鐘旋轉一周)到80RPM(每分鐘旋轉80周)的大范圍內連續(xù)無級的調整，所以可以實現(xiàn)對鏡頭的高精度和高速驅動；十. 可以實現(xiàn)高精度的手控電驅動的調焦，即所謂的全時手動功能；十一. 操作溫度范圍非常寬，可以在攝氏零下30度到零上60度的溫度環(huán)境下正常工作，保證了惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定操作。

微型超聲波馬達和環(huán)形超聲波馬達不一樣，它的定子和轉子等被整合在一個非常小的裝置中，與環(huán)形超聲波馬達相比有如下的特點：由于沒有鏡頭直徑的限制，微型超聲波馬達可以不用考慮光學系統(tǒng)的結構而裝在各種鏡頭內；其轉子、定子和能量輸出部分被整合到一個非常小的裝置中，因此它的尺寸和重量大約只是環(huán)形超聲波馬達的一半；其成本只是普通環(huán)形超聲波馬達的三分之一，因此可以大規(guī)模的用于低成本的鏡頭中。

一般來說環(huán)形超聲波馬達主要用于L級專業(yè)鏡頭，而微型超聲波馬達則主要被用于我們所說的業(yè)余鏡頭中，但在佳能的業(yè)余鏡頭中也有使用環(huán)形超聲波馬達的鏡頭，它們是：EF20-35mm f/3.5-4.5 USM; EF24-85mm f/3.5-4.5 USM; EF28-105mm f/3.5-4.5 USM/ EF28-105mm f/3.5-4.5 USM II; EF28-135mm f/3.5-5.6 IS USM和EF100-300mm f/4.5-5.6 USM，這樣作為普通攝影愛好者的我們如使用上述幾款鏡頭也能感受環(huán)形超聲波馬達帶來的寧靜、高速的自動對焦和全時手動的樂趣。

微型馬達，除了弧形馬達和超聲波馬達外，佳能還有另外一種馬達—微型馬達，微型馬達一般用于佳能價格很低的普及鏡頭中，如EF50mm f/1.8II和那些非USM的普及型變焦鏡頭，如EF28-80mm f/3.5-5.6; EF75-300mm f/4-5.6等，但佳能有一款“很有名”的鏡頭也用的是微型馬達，它就是EF100mm f/2.8 Macro微距鏡頭，想來佳能認為一般使用微距的人是不會使用自動對焦的吧。

全時手動和內對焦/后對焦在佳能EF鏡頭中的應用

一般來說，使用環(huán)形超聲波馬達的鏡頭都可以實現(xiàn)全時手動，而使用微型超聲波馬達的鏡頭則不行，但這并不表明微型超聲波馬達不能實現(xiàn)全時手動，比如著名的EF50mm f/1.4使用的就是微型超聲波馬達，但它和那些使用環(huán)形超聲波馬達的鏡頭一樣，也可以全時手動，所以我們可以說佳能為了保持環(huán)形超聲波馬達的“優(yōu)越性”不愿意將全時手動這一個非常有用的功能賦予所有的微型超聲波馬達。

使用環(huán)形超聲波馬達的鏡頭一般都是采用內對焦或后對焦結構的，因此在對焦時鏡頭的前鏡片是不會跟著轉動的，而大多微型超聲波馬達和微型馬達和許多使用弧形馬達的鏡頭則不行，當然也有例外如使用弧形馬達的EF135mm f/2.8 Soft Focus柔焦鏡頭，EF24mm f/2.8和已經(jīng)被EF17-35mm f/2.8 L USM取代的EF20-35mm f/2.8 L等早期上市的EF鏡頭

人耳所能聽到的聲音頻率范圍大約在20赫茲～20千赫茲之間，而超過20千赫茲以上，人耳無法辨識的頻率便稱為超聲波。

那么究竟什么是超聲波馬達？其基本工作原理又如何？簡單地說，利用壓電材料輸入電壓會產(chǎn)生變形的特性，使其能產(chǎn)生超聲波頻率的機械振動，再透過摩擦驅動的機構設計，讓超聲波馬達如同電磁馬達一般，可做旋轉運動或直線式移動。

通常電磁馬達運轉時我們會覺得有雜音，這是因為馬達內部結構產(chǎn)生振動，而振動頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率范圍內。超聲波馬達的振動頻率則設計在人耳所能聽到的范圍之外，所以當它運轉時我們感覺不到有聲音，因而覺得非常安靜，這是超聲波馬達一個相當重要的特色。

USM的基本特點：

1、具有低轉速大扭矩的輸出特性；

2、制動力矩大；

3、結構簡單；

4、馬達啟動和制動的可控性非常好；

5、轉動聲音非常小，幾乎無聲。

Canon環(huán)形USM除具備上述基本特點外，自身的特點：

6、高效率，低功耗；

7、環(huán)形的馬達可以與鏡身完美地結合；

8、低轉速，特別適合鏡頭的AF驅動；

9、轉動速度可以在0.2rpm ~ 80rpm范圍內任意控制；

10、可以實現(xiàn)靈敏度可調的電子MF；

11、工作環(huán)境溫度是：-30℃ ~ 60℃。

Canon曾經(jīng)公布過的三種規(guī)格的環(huán)形USM：

USM-M1 USM-L1 USM-L2

尺寸(mm)： φ62-54 x 10 φ77-67 x 10 φ72-63 x 10

用于鏡頭： EF 14/2.8L USM ; EF 100/2 USM;EF 200/2.8L USM;EF 300/4L USM;EF 28-80/3.5-5.6 USM;EF 28-105/3.5-4.5 USM;EF 35-135/4-5.6 USM;EF 35-350/3.5-5.6L USM;EF 70-210/3.504.5 USM;EF 100-300/4.5-5.6 USM; EF 50/1.0L USM;EF 85/1.2L USM;EF 200/1.8L USM;EF 300/2.8L USM;EF 400/2.8L USM;EF 500/4.5L USM;EF 600/4L USM; EF 28-80/2.8-4L USM

重量(g)：26 45 45 ……

基本使用的是USM-M1和USM-L1，USM-L2已經(jīng)不再使用。2100433B

刨切單板的寬度窄，一般為300mm有特殊要求的場合。

1、低速、大轉矩。與電磁馬達相比，超聲波馬達最顯著的特點是低速下具有大力矩輸出的特性。超聲波馬達的力矩密度（力矩重量比）是電磁馬達力矩密度的100~1000倍以上。

2、結構簡單靈活、運動形式多樣。超聲波馬達一般由定子、轉子（或移動體）兩部分組成，并且可非常方便地將馬達的定子、轉子分別與運動系統(tǒng)中的固定部件和運動部件做為一體。超聲波馬達有圓環(huán)、圓板、方板、圓柱和球形等多種靈活的結構形式，并且非常容易實現(xiàn)多種形式的運動，如旋轉運動、直線運動、二維平面運動和三維運動。

3、壽命、噪聲和可靠性問題。由于超聲波馬達的驅動絕大部分是接觸式的，這必然帶來定、轉子間的摩擦損耗問題。

目前，所研制的小功率超聲馬達的連續(xù)工作壽命一般在幾千小時左右。超聲波馬達壽命短，可靠性差，以及工作不穩(wěn)定等是制約其實用化和產(chǎn)業(yè)化所需急待解決的問題。但目前在某些特殊工作性質或對馬達有特殊要求的場合，超聲波馬達仍可充分發(fā)揮其力矩密度大、結構靈活、無電磁干擾和具有大的靜態(tài)保持力矩等特點的優(yōu)勢。超聲馬達廣泛應用在航空航天、精加工設備、汽車行業(yè)、有強磁場或對磁場有要求的科學儀器或醫(yī)療器械、精密儀器儀表、辦公自動化設備、微型機械、軍事工業(yè)和半導體加工行業(yè)等相關領域。左右或更窄，均需拼接，木材利用率低，而且刨切的生產(chǎn)率僅為旋切的10%左右；目前使用的刨切機僅刨切微薄木。

賓得DA★ 16-50mm f/2.8 ED AL IF SDM標準變焦鏡頭

清晰的解像力、豐富的對比度、清晰而艷麗的顏色重現(xiàn)性。

它是極具數(shù)碼圖像品質的星級鏡頭，即使在超廣角端扭曲也很少的高品質成像，在變焦全域亮度達F2.8的亮度。

賓得DA★ 16-50mm f/2.8 ED AL IF SDM內置超聲波馬達

內置由小型的超聲波馬達驅動的AF機構（SDM機構）。配備制動功能，易于控制速度和位置，實現(xiàn)了流暢的高品質AF工作。

其它性能：SLD超低色散一片、非球面3片

鏡頭直徑：79mm

鏡頭長度：100mm

鏡頭重量：610g

產(chǎn)品特點：OS防抖、HSM超聲波馬達、輕巧以及涵蓋大部份常用焦段的新鏡頭