超声波马达工作原理

环形USM结构和原理

根据将超声波振动能量变换的方法来分，有三类USM：

1、驻波型(Standing Wave Type)；

2、行波型(Traveling Wave Type)；

3、振簧型(Vibrating Reed Type).

Canon EF镜头中使用的USM，全部属于行波型。

环形USM的结构很简单：由具有弹性的定子和转子组成。

定子是一金属环，底部有压电陶瓷元件，上部均匀排列着梯形凸出物。

定子是用特殊材料制造的，它的热膨胀系数同压电陶瓷元件的一样，这样可以避免温度变化的影响。

转子是一个铝质环，通过凸缘状弹簧与定子结合在一起。由于铝材比较软，所以结合部位是经过特殊处理，增加其耐磨性能。

1987年。Canon推出第一支装备有环形USM的镜头是：EF 300/2.8L USM。

1990年，Canon实现了量产，开始将环形USM大量应用于普通镜头。

1992年，Canon开发出微型USM，使EF镜头全面USM化的进程加快。

人耳所能听到的声音频率范围大约在20赫兹～20千赫兹之间，而超过20千赫兹以上，人耳无法辨识的频率便称为超声波。

那么究竟什么是超声波马达？其基本工作原理又如何？简单地说，利用压电材料输入电压会产生变形的特性，使其能产生超声波频率的机械振动，再透过摩擦驱动的机构设计，让超声波马达如同电磁马达一般，可做旋转运动或直线式移动。

通常电磁马达运转时我们会觉得有杂音，这是因为马达内部结构产生振动，而振动频率恰好在我们耳朵可以感受的频率范围内。超声波马达的振动频率则设计在人耳所能听到的范围之外，所以当它运转时我们感觉不到有声音，因而觉得非常安静，这是超声波马达一个相当重要的特色。

在超声波马达问世之前，实际上已有利用压电材料振动特性来驱动的压电马达，惟其频率并不限于超声波的范围。早在一九四八年威廉和布朗就申请了「压电马达」的美国专利；一九六一年宝路华钟表公司研制出音叉驱动的手表；一九七〇～一九七二年西门子和松下两公司发展出线型压电步进马达，不过因为无法达到较大的输出力及效率，所以当时并没有普遍地应用。

一九七三年美国IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用压电组件以超声波振动的方式来驱动的马达，但因为磨耗上的问题，和之前的手表案例一样，仅发表出来而没有实际上的应用。几乎同时，俄国人V.H. Lavrinenko也设计了一些驱动原理相同的马达结构；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）则是利用超声波转换器作为马达的驱动来源，不过都没有发展出完整的马达结构。

一九八零年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研制出以振动片驱动的超声波马达，具有较完整的马达结构。至此，以压电材料产生超声波振动来驱动马达的概念就开始慢慢地发展起来。虽然因为磨耗以及温度上升等问题，使得这些超声波马达仍然没有实际的应用，不过已具有高精度、低速高转矩等特色。

直到一九八二年，指田年生又发展出一种新型的超声波马达驱动方式，在设计上已经考虑到磨耗的改善，这才是第一个真正达到具有商业应用价值的超声波马达，且首先应用在照相机的自动对焦系统中，这也是使用超声波马达最多的领域。

佳能的EF自动对焦镜头都内置了两个马达，一个负责自动对焦，另一个负责电磁光圈，佳能自动对焦马达有三大类，弧形马达(ARC FORM DRIVE，简称AFD)，超声波马达(ULTRASONIC MOTOR，简称USM)和微型马达(MICRO MOTOR，简称MM)。

弧形马达是佳能EF自动对焦镜头中最早使用的马达，它是一种弧形无刷电机，这样它就可以安放在镜头圆柱壮的镜筒内而不用改变镜筒的形状了，由于其转子小巧的尺寸使得它有非常好的开始/停止反应和控制力，又由于它的无刷设计使得它有很长的使用寿命。虽然随着高性能的超声波马达和成本更低的微型马达的出现，使用这种马达的镜头在已经不多见了，但在某些著名的EF镜头中我们仍然能“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柔焦镜头等。

超声波马达和传统的马达有很大区别，不管传统的马达有多少种，其原理一般就是将电磁力转变为转动力，而超声波马达的转动力则是产生于超声波振动的能量。如上所述，超声波马达分环形和微型超声波马达两种。

环形超声波马达的定子和转子的直径和镜筒直径相当，可以和镜筒完美的结合。超声波马达的优点在于：一. 由于其低转速和高扭矩的特性，使得它可以直接驱动镜头而不需要额外的减速机构；二. 定位扭矩大，换句话说就是当马达停下来的时候，镜头就像有刹车那样自动停止对焦；三. 结构非常简单；四. 对启动和停止的控制能力非常好，它可以快速启动，也可以立即停止，而且可以被很精确地控制；五. 操作起来非常安静—几乎无声。除此之外，佳能的环形超声波马达还有如下特点：六. 其高效率和低能耗的特性使得它可以用相机的电池来供电；七. 环状的马达和镜头镜筒非常合适；八. 低旋转速度非常适合镜头的驱动；九. 旋转速度可以在0.2RPM(五分钟旋转一周)到80RPM(每分钟旋转80周)的大范围内连续无级的调整，所以可以实现对镜头的高精度和高速驱动；十. 可以实现高精度的手控电驱动的调焦，即所谓的全时手动功能；十一. 操作温度范围非常宽，可以在摄氏零下30度到零上60度的温度环境下正常工作，保证了恶劣环境下的稳定操作。

微型超声波马达和环形超声波马达不一样，它的定子和转子等被整合在一个非常小的装置中，与环形超声波马达相比有如下的特点：由于没有镜头直径的限制，微型超声波马达可以不用考虑光学系统的结构而装在各种镜头内；其转子、定子和能量输出部分被整合到一个非常小的装置中，因此它的尺寸和重量大约只是环形超声波马达的一半；其成本只是普通环形超声波马达的三分之一，因此可以大规模的用于低成本的镜头中。

一般来说环形超声波马达主要用于L级专业镜头，而微型超声波马达则主要被用于我们所说的业余镜头中，但在佳能的业余镜头中也有使用环形超声波马达的镜头，它们是：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，这样作为普通摄影爱好者的我们如使用上述几款镜头也能感受环形超声波马达带来的宁静、高速的自动对焦和全时手动的乐趣。

微型马达，除了弧形马达和超声波马达外，佳能还有另外一种马达—微型马达，微型马达一般用于佳能价格很低的普及镜头中，如EF50mm f/1.8II和那些非USM的普及型变焦镜头，如EF28-80mm f/3.5-5.6; EF75-300mm f/4-5.6等，但佳能有一款“很有名”的镜头也用的是微型马达，它就是EF100mm f/2.8 Macro微距镜头，想来佳能认为一般使用微距的人是不会使用自动对焦的吧。

全时手动和内对焦/后对焦在佳能EF镜头中的应用

一般来说，使用环形超声波马达的镜头都可以实现全时手动，而使用微型超声波马达的镜头则不行，但这并不表明微型超声波马达不能实现全时手动，比如著名的EF50mm f/1.4使用的就是微型超声波马达，但它和那些使用环形超声波马达的镜头一样，也可以全时手动，所以我们可以说佳能为了保持环形超声波马达的“优越性”不愿意将全时手动这一个非常有用的功能赋予所有的微型超声波马达。

使用环形超声波马达的镜头一般都是采用内对焦或后对焦结构的，因此在对焦时镜头的前镜片是不会跟着转动的，而大多微型超声波马达和微型马达和许多使用弧形马达的镜头则不行，当然也有例外如使用弧形马达的EF135mm f/2.8 Soft Focus柔焦镜头，EF24mm f/2.8和已经被EF17-35mm f/2.8 L USM取代的EF20-35mm f/2.8 L等早期上市的EF镜头

USM的基本特点：

1、具有低转速大扭矩的输出特性；

2、制动力矩大；

3、结构简单；

4、马达启动和制动的可控性非常好；

5、转动声音非常小，几乎无声。

Canon环形USM除具备上述基本特点外，自身的特点：

6、高效率，低功耗；

7、环形的马达可以与镜身完美地结合；

8、低转速，特别适合镜头的AF驱动；

9、转动速度可以在0.2rpm ~ 80rpm范围内任意控制；

10、可以实现灵敏度可调的电子MF；

11、工作环境温度是：-30℃ ~ 60℃。

Canon曾经公布过的三种规格的环形USM：

USM-M1 USM-L1 USM-L2

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

用于镜头： 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已经不再使用。2100433B

刨切单板的宽度窄，一般为300mm有特殊要求的场合。

1、低速、大转矩。与电磁马达相比，超声波马达最显著的特点是低速下具有大力矩输出的特性。超声波马达的力矩密度（力矩重量比）是电磁马达力矩密度的100~1000倍以上。

2、结构简单灵活、运动形式多样。超声波马达一般由定子、转子（或移动体）两部分组成，并且可非常方便地将马达的定子、转子分别与运动系统中的固定部件和运动部件做为一体。超声波马达有圆环、圆板、方板、圆柱和球形等多种灵活的结构形式，并且非常容易实现多种形式的运动，如旋转运动、直线运动、二维平面运动和三维运动。

3、寿命、噪声和可靠性问题。由于超声波马达的驱动绝大部分是接触式的，这必然带来定、转子间的摩擦损耗问题。

目前，所研制的小功率超声马达的连续工作寿命一般在几千小时左右。超声波马达寿命短，可靠性差，以及工作不稳定等是制约其实用化和产业化所需急待解决的问题。但目前在某些特殊工作性质或对马达有特殊要求的场合，超声波马达仍可充分发挥其力矩密度大、结构灵活、无电磁干扰和具有大的静态保持力矩等特点的优势。超声马达广泛应用在航空航天、精加工设备、汽车行业、有强磁场或对磁场有要求的科学仪器或医疗器械、精密仪器仪表、办公自动化设备、微型机械、军事工业和半导体加工行业等相关领域。左右或更窄，均需拼接，木材利用率低，而且刨切的生产率仅为旋切的10%左右；目前使用的刨切机仅刨切微薄木。

宾得DA★ 16-50mm f/2.8 ED AL IF SDM标准变焦镜头

清晰的解像力、丰富的对比度、清晰而艳丽的颜色重现性。

它是极具数码图像品质的星级镜头，即使在超广角端扭曲也很少的高品质成像，在变焦全域亮度达F2.8的亮度。

宾得DA★ 16-50mm f/2.8 ED AL IF SDM内置超声波马达

内置由小型的超声波马达驱动的AF机构（SDM机构）。配备制动功能，易于控制速度和位置，实现了流畅的高品质AF工作。

其它性能：SLD超低色散一片、非球面3片

镜头直径：79mm

镜头长度：100mm

镜头重量：610g

产品特点：OS防抖、HSM超声波马达、轻巧以及涵盖大部份常用焦段的新镜头