超聲波馬達(dá)工作原理

環(huán)形USM結(jié)構(gòu)和原理

根據(jù)將超聲波振動(dòng)能量變換的方法來(lái)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(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單：由具有彈性的定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子是一個(gè)鋁質(zhì)環(huán)，通過(guò)凸緣狀彈簧與定子結(jié)合在一起。由于鋁材比較軟，所以結(jié)合部位是經(jīng)過(guò)特殊處理，增加其耐磨性能。

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(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，開(kāi)始將環(huán)形USM大量應(yīng)用于普通鏡頭。

1992年，Canon開(kāi)發(fā)出微型USM，使EF鏡頭全面USM化的進(jìn)程加快。

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

那么究竟什么是超聲波馬達(dá)？其基本工作原理又如何？簡(jiǎn)單地說(shuō)，利用壓電材料輸入電壓會(huì)產(chǎn)生變形的特性，使其能產(chǎn)生超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)，再透過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓超聲波馬達(dá)如同電磁馬達(dá)一般，可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線式移動(dòng)。

通常電磁馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)我們會(huì)覺(jué)得有雜音，這是因?yàn)轳R達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率范圍內(nèi)。超聲波馬達(dá)的振動(dòng)頻率則設(shè)計(jì)在人耳所能聽(tīng)到的范圍之外，所以當(dāng)它運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)我們感覺(jué)不到有聲音，因而覺(jué)得非常安靜，這是超聲波馬達(dá)一個(gè)相當(dāng)重要的特色。

在超聲波馬達(dá)問(wèn)世之前，實(shí)際上已有利用壓電材料振動(dòng)特性來(lái)驅(qū)動(dòng)的壓電馬達(dá)，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(qǐng)了「壓電馬達(dá)」的美國(guó)專利；一九六一年寶路華鐘表公司研制出音叉驅(qū)動(dòng)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(jìn)馬達(dá)，不過(guò)因?yàn)闊o(wú)法達(dá)到較大的輸出力及效率，所以當(dāng)時(shí)并沒(méi)有普遍地應(yīng)用。

一九七三年美國(guó)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(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)，但因?yàn)槟ズ纳系膯?wèn)題，和之前的手表案例一樣，僅發(fā)表出來(lái)而沒(méi)有實(shí)際上的應(yīng)用。幾乎同時(shí)，俄國(guó)人V.H. Lavrinenko也設(shè)計(jì)了一些驅(qū)動(dòng)原理相同的馬達(dá)結(jié)構(gòu)；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）則是利用超聲波轉(zhuǎn)換器作為馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，不過(guò)都沒(méi)有發(fā)展出完整的馬達(dá)結(jié)構(gòu)。

一九八零年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研制出以振動(dòng)片驅(qū)動(dòng)的超聲波馬達(dá)，具有較完整的馬達(dá)結(jié)構(gòu)。至此，以壓電材料產(chǎn)生超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的概念就開(kāi)始慢慢地發(fā)展起來(lái)。雖然因?yàn)槟ズ囊约皽囟壬仙葐?wèn)題，使得這些超聲波馬達(dá)仍然沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用，不過(guò)已具有高精度、低速高轉(zhuǎn)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(dá)驅(qū)動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到磨耗的改善，這才是第一個(gè)真正達(dá)到具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的超聲波馬達(dá)，且首先應(yīng)用在照相機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中，這也是使用超聲波馬達(dá)最多的領(lǐng)域。

佳能的EF自動(dòng)對(duì)焦鏡頭都內(nèi)置了兩個(gè)馬達(dá)，一個(gè)負(fù)責(zé)自動(dòng)對(duì)焦，另一個(gè)負(fù)責(zé)電磁光圈，佳能自動(dòng)對(duì)焦馬達(dá)有三大類，弧形馬達(dá)(ARC FORM DRIVE，簡(jiǎn)稱AFD)，超聲波馬達(dá)(ULTRASONIC MOTOR，簡(jiǎn)稱USM)和微型馬達(dá)(MICRO MOTOR，簡(jiǎn)稱MM)。

弧形馬達(dá)是佳能EF自動(dòng)對(duì)焦鏡頭中最早使用的馬達(dá)，它是一種弧形無(wú)刷電機(jī)，這樣它就可以安放在鏡頭圓柱壯的鏡筒內(nèi)而不用改變鏡筒的形狀了，由于其轉(zhuǎn)子小巧的尺寸使得它有非常好的開(kāi)始/停止反應(yīng)和控制力，又由于它的無(wú)刷設(shè)計(jì)使得它有很長(zhǎng)的使用壽命。雖然隨著高性能的超聲波馬達(dá)和成本更低的微型馬達(dá)的出現(xiàn)，使用這種馬達(dá)的鏡頭在已經(jīng)不多見(jiàn)了，但在某些著名的EF鏡頭中我們?nèi)匀荒堋翱吹健彼纳碛?，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(dá)和傳統(tǒng)的馬達(dá)有很大區(qū)別，不管傳統(tǒng)的馬達(dá)有多少種，其原理一般就是將電磁力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)力，而超聲波馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)力則是產(chǎn)生于超聲波振動(dòng)的能量。如上所述，超聲波馬達(dá)分環(huán)形和微型超聲波馬達(dá)兩種。

環(huán)形超聲波馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子的直徑和鏡筒直徑相當(dāng)，可以和鏡筒完美的結(jié)合。超聲波馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于：一. 由于其低轉(zhuǎn)速和高扭矩的特性，使得它可以直接驅(qū)動(dòng)鏡頭而不需要額外的減速機(jī)構(gòu)；二. 定位扭矩大，換句話說(shuō)就是當(dāng)馬達(dá)停下來(lái)的時(shí)候，鏡頭就像有剎車那樣自動(dòng)停止對(duì)焦；三. 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單；四. 對(duì)啟動(dòng)和停止的控制能力非常好，它可以快速啟動(dòng)，也可以立即停止，而且可以被很精確地控制；五. 操作起來(lái)非常安靜—幾乎無(wú)聲。除此之外，佳能的環(huán)形超聲波馬達(dá)還有如下特點(diǎn)：六. 其高效率和低能耗的特性使得它可以用相機(jī)的電池來(lái)供電；七. 環(huán)狀的馬達(dá)和鏡頭鏡筒非常合適；八. 低旋轉(zhuǎn)速度非常適合鏡頭的驅(qū)動(dòng)；九. 旋轉(zhuǎn)速度可以在0.2RPM(五分鐘旋轉(zhuǎn)一周)到80RPM(每分鐘旋轉(zhuǎn)80周)的大范圍內(nèi)連續(xù)無(wú)級(jí)的調(diào)整，所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭的高精度和高速驅(qū)動(dòng)；十. 可以實(shí)現(xiàn)高精度的手控電驅(qū)動(dòng)的調(diào)焦，即所謂的全時(shí)手動(dòng)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(dá)和環(huán)形超聲波馬達(dá)不一樣，它的定子和轉(zhuǎn)子等被整合在一個(gè)非常小的裝置中，與環(huán)形超聲波馬達(dá)相比有如下的特點(diǎn)：由于沒(méi)有鏡頭直徑的限制，微型超聲波馬達(dá)可以不用考慮光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而裝在各種鏡頭內(nèi)；其轉(zhuǎn)子、定子和能量輸出部分被整合到一個(gè)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(dá)的一半；其成本只是普通環(huán)形超聲波馬達(dá)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(lái)說(shuō)環(huán)形超聲波馬達(dá)主要用于L級(jí)專業(yè)鏡頭，而微型超聲波馬達(dá)則主要被用于我們所說(shuō)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(dá)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(ài)好者的我們?nèi)缡褂蒙鲜鰩卓铉R頭也能感受環(huán)形超聲波馬達(dá)帶來(lái)的寧?kù)o、高速的自動(dòng)對(duì)焦和全時(shí)手動(dòng)的樂(lè)趣。

微型馬達(dá)，除了弧形馬達(dá)和超聲波馬達(dá)外，佳能還有另外一種馬達(dá)—微型馬達(dá)，微型馬達(dá)一般用于佳能價(jià)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(dá)，它就是EF100mm f/2.8 Macro微距鏡頭，想來(lái)佳能認(rèn)為一般使用微距的人是不會(huì)使用自動(dòng)對(duì)焦的吧。

全時(shí)手動(dòng)和內(nèi)對(duì)焦/后對(duì)焦在佳能EF鏡頭中的應(yīng)用

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

使用環(huán)形超聲波馬達(dá)的鏡頭一般都是采用內(nèi)對(duì)焦或后對(duì)焦結(jié)構(gòu)的，因此在對(duì)焦時(shí)鏡頭的前鏡片是不會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)的，而大多微型超聲波馬達(dá)和微型馬達(dá)和許多使用弧形馬達(dá)的鏡頭則不行，當(dāng)然也有例外如使用弧形馬達(dá)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

USM的基本特點(diǎn)：

1、具有低轉(zhuǎn)速大扭矩的輸出特性；

2、制動(dòng)力矩大；

3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

4、馬達(dá)啟動(dòng)和制動(dòng)的可控性非常好；

5、轉(zhuǎn)動(dòng)聲音非常小，幾乎無(wú)聲。

Canon環(huán)形USM除具備上述基本特點(diǎn)外，自身的特點(diǎn)：

6、高效率，低功耗；

7、環(huán)形的馬達(dá)可以與鏡身完美地結(jié)合；

8、低轉(zhuǎn)速，特別適合鏡頭的AF驅(qū)動(dòng)；

9、轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以在0.2rpm ~ 80rpm范圍內(nèi)任意控制；

10、可以實(shí)現(xiàn)靈敏度可調(diào)的電子MF；

11、工作環(huán)境溫度是：-30℃ ~ 60℃。

Canon曾經(jīng)公布過(guò)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(chǎng)合。

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

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、運(yùn)動(dòng)形式多樣。超聲波馬達(dá)一般由定子、轉(zhuǎn)子（或移動(dòng)體）兩部分組成，并且可非常方便地將馬達(dá)的定子、轉(zhuǎn)子分別與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的固定部件和運(yùn)動(dòng)部件做為一體。超聲波馬達(dá)有圓環(huán)、圓板、方板、圓柱和球形等多種靈活的結(jié)構(gòu)形式，并且非常容易實(shí)現(xiàn)多種形式的運(yùn)動(dòng)，如旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、二維平面運(yùn)動(dòng)和三維運(yùn)動(dòng)。

3、壽命、噪聲和可靠性問(wèn)題。由于超聲波馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)絕大部分是接觸式的，這必然帶來(lái)定、轉(zhuǎn)子間的摩擦損耗問(wèn)題。

目前，所研制的小功率超聲馬達(dá)的連續(xù)工作壽命一般在幾千小時(shí)左右。超聲波馬達(dá)壽命短，可靠性差，以及工作不穩(wěn)定等是制約其實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化所需急待解決的問(wèn)題。但目前在某些特殊工作性質(zhì)或?qū)︸R達(dá)有特殊要求的場(chǎng)合，超聲波馬達(dá)仍可充分發(fā)揮其力矩密度大、結(jié)構(gòu)靈活、無(wú)電磁干擾和具有大的靜態(tài)保持力矩等特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。超聲馬達(dá)廣泛應(yīng)用在航空航天、精加工設(shè)備、汽車行業(yè)、有強(qiáng)磁場(chǎng)或?qū)Υ艌?chǎng)有要求的科學(xué)儀器或醫(yī)療器械、精密儀器儀表、辦公自動(dòng)化設(shè)備、微型機(jī)械、軍事工業(yè)和半導(dǎo)體加工行業(yè)等相關(guān)領(lǐng)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(jī)僅刨切微薄木。

賓得DA★ 16-50mm f/2.8 ED AL IF SDM標(biāo)準(zhǔn)變焦鏡頭

清晰的解像力、豐富的對(duì)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(zhì)的星級(jí)鏡頭，即使在超廣角端扭曲也很少的高品質(zhì)成像，在變焦全域亮度達(dá)F2.8的亮度。

賓得DA★ 16-50mm f/2.8 ED AL IF SDM內(nèi)置超聲波馬達(dá)

內(nèi)置由小型的超聲波馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的AF機(jī)構(gòu)（SDM機(jī)構(gòu)）。配備制動(dòng)功能，易于控制速度和位置，實(shí)現(xiàn)了流暢的高品質(zhì)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(zhǎng)度：100mm

鏡頭重量：610g

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