推 innocences :棒!!!收精華區 05/30 13:26
作者：高頡
發表於：無名網誌 / 影麻吉 Image September 15, 2006
文章網址：
http://www.wretch.cc/blog/GauJei/3791238
原文轉貼：
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[教學] 淺談超音波馬達 USM
1. 前言
這幾天都在下雨，沒什麼作品可以放......，看看自己的教學文
章有些都是勸敗文，偶而也要來點營養的東西。工程師玩攝影......
還是有工程師的味道......，有些事情還是瞭解一下會比較有安全感
。人家說沒吃過豬肉也看過豬走路，沒用過CANON EF系列超音波馬達
USM(Ultrasonic Motor)，至少要懂一點皮毛。今天我們要來簡單介
紹超音波馬達，高頡以前研究所論文是做音波控制的(說到聲音和振
動真是有夠難搞)～先跟各位介紹一下什麼是超音波。人的耳朵所能
聽到的聲音頻率範圍大約在20Hz～20KHz之間，所以超過這個範圍之
外的震動，人的耳朵無法隨之響應(也就是聽不到)，而超過20KHz以
上的聲音頻率，就叫做超音波。那低於這個範圍的聲音頻率叫什麼呢
？如果沒記錯，就是叫做次聲波。題外說明，超音波在怎麼大，人不
會隨之產生共振，但是次聲波如果能量夠大是會讓人掛點的！砲彈爆
炸通常不是被炸死就是被次聲波振死，因為人的內臟共振頻率約
7～8Hz。一般的激磁馬達工作頻率，是在人耳可以聽的頻率範圍內，
所以當馬達內部結構產生振動時我們就可以聽到機械的聲音，而超音
波馬達震動頻率高達 20KHz以上，所以我們才會覺得安靜無聲！接下
來，我們就來聊聊這USM的故事吧！
2. 壓電材料帶來的展望
早在二十世紀末期七○年代就有美國人提出以壓電元件產生震動
來驅動馬達，到了八○年代日本人實際研製以振動片驅動的超音波馬
達，進而研發出具有商業價值的超音波馬達，而最早使用超音波馬達
的產品即是相機的自動對焦系統。返回來說明，什麼是壓電材料呢？
十九世紀末期美國科學家發現天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽
等材料會因為晶體受到壓力而發生體積變化，在晶體表面會有微小電
荷產生；相隔不久亦即發現這個現象是可逆的，晶體置於電場中時也
會造成體積上的變化，所以把材料因體積變化而產生電壓的效應稱為
「正壓電效應」；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應稱為
「逆壓電效應」；而具有壓電效應的材料則統稱為「壓電材料」。後
來還以人工的方式製造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、複合材料等
做成壓電材料。其中陶瓷材料因為製造容易、可製成任何形狀、且其
特性可隨組成做多樣性的變化等優點，目前已經成為壓電元件的主流
。一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、響應快速、位移量小、消耗
功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材質易脆等。雖然可
以承受較大的正向壓力，但是當它承受不均勻的力量時，也很容易造
成材料的破壞。另外，其特性受溫度影響大也是一種限制，故而直接
影響超音波馬達的性能。
3. Canon EF系列超音波馬達介紹
超音波馬達，主要是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應，從外部輸
入高頻電壓訊號產生壓電材料變形，產生高頻的機械振動，透過摩擦
驅動構件，讓超音波馬達如同一般馬達一樣具有旋轉運動和線型運動
。雖然壓電材料體積的變化量非常小，約微米甚至是奈米量級，不過
透過一秒數萬次的振動放大(此頻率大於人耳可聽範圍 20KHz)，使得
超音波馬達可以兼顧高位移解析度與長行程的特色。CANON最早將超
音波馬達使用在照相機的透鏡驅動上，因為超音波馬達可以做成中空
的結構，使得對焦系統的結構變得簡單。而且由於直接驅動的特性，
沒有減速齒輪的慣性以及噪音。此外，當電源切斷時，馬達會立即停
止不再移動，具有高度的制動性，不但對焦快速而且準確，大大提升
了照相機的對焦性能。
Canon大部分EF系列鏡頭使用的對焦馬達，一共有四種：分別是
環形超音波馬達(Ring-type-USM)、微型超音波馬達(Micro- USM)、
弧形馬達(AFD)、微型馬達 (Micro-Motor)。環形超音波是EF系列中
最先進的馬達，速度、噪音、準確性、機械性、耗電量等各項指標都
是最優異的，而且可以支援“全時手動 ”(FTM)的馬達(即手動輔助
對焦)，任何時候都可以通過對焦環進行手動對焦，微型超音波是EF
系列的第二種超音波馬達，性能遜於環形超音波，但仍然比其他馬達
要強，它是一種小型圓柱狀超音波馬達，在速度和安靜程度上不如環
形超音波馬達，但因其較低的製造成本，所以較多用在中低檔的EF鏡
頭上。弧形馬達是一種普通的無軸馬達且不能支援“全時手動”(FTM)，
多用於較高檔次的非超音波鏡頭。微型馬達(Micro-Motor)是傳統的
帶傳動軸的馬達，比較耗電、不支援“全時手動”(FTM)、多用於廉
價的低檔次鏡頭。
Canon在EF系列鏡頭的馬達使用上，高檔的L鏡系列是以Ring-USM
與AFD做搭配，而次檔鏡頭則是以Micro-USM與MM馬達作搭配。所以高
階L鏡一定是環型超音波馬達；如果不用超音波，那麼就一定用 AFD
馬達（舊款L鏡）。中階變焦鏡與USM定焦鏡，全部都是使用環型超音
波；非USM定焦鏡中也是AFD馬達鏡頭。而低階USM鏡頭一定是用微型
超音波馬達，非USM一定是用MM馬達。最後，利用環型超音波馬達的
鏡頭一般都使用了內對焦技術，所以對焦時鏡身長度不變，前組鏡片
不轉；而使用微型超音波馬達的鏡頭在對焦時，鏡身長度會變化，前
組鏡片也會跟著旋轉。
這是環形馬達和微型馬達的實際圖
微型圓桶狀馬達
4. 環形超音波馬達的動作原理
環形超音波馬達的結構圖
我們就來簡單介紹一下環形超音波馬達的基本構造，上圖即是一
般環形超音波馬達鏡頭的剖面圖，右半圖即是環形超音波馬達，根據
原廠的解釋，環形超音波馬達最主要由兩部件，以一片環形定子
（Stator）及一片環形轉子（Rotor）所組成，利用驅動晶片產生約
30KHz頻率的AC交流電導入附有極性的壓電陶瓷元件的定子上，使得
定子在壓電陶瓷材料上產生約0.001 mm、30KHz的高頻細微震動，然
後控制產生另外一個以相差四分之一的相位、相同頻率、振幅的振波
附合在同一定子上，此時定子在與轉子接觸部分會因為壓電陶瓷材料
受電壓變化而產生週期變形而形成一個移動波，藉由轉子與定子間的
摩擦力使得轉子形成圓周運動；超音波馬達就是利用這樣的原理，產
生低轉速高扭力的轉動能量。這感覺就好像一隻毛毛蟲在一個鐵環上
面做繞圈圈運動......
環形馬達的部件名稱
定子陶瓷壓電材料的動作原理
環形馬達的動作原理
不輸入電壓的情形下，超音波馬達有其一定的最大靜摩擦力，而
輸入電壓即會產生摩擦力動能使馬達進行旋轉，相對於一般馬達會有
慣性力(扭距小)，使得定位不易，超音波馬達有低轉速高扭力、快速
與精準的定位性能。而一般的馬達若要達到低轉速時有大輸出轉矩的
特性，通常必須加上齒輪變速機構來降低轉速才能夠達成，所以相對
超音波馬達少了這些磨耗而直接驅動超音波環形馬達，也會少了這類
的機構重量、變速齒輪間的摩擦而會比較省電。當然沒有齒輪間的磨
擦，相對噪音也就不會產生。這讓我想到光碟機裡的馬達，如果改成
超音波馬達，那控制系統就不用寫得那麼複雜，可能在高倍速燒錄下
只聽得到碟片轉動的聲音，也不會有其他的噪音(如果也會迷焦……
那就另當別論了)。燒錄機如果將來做到高密度、更微小的軌距，搞
不好超音波線型微型馬達才是解決之道，不過一台能賣多少錢的光碟
機總不能賣得跟一顆鏡頭一樣貴，那可能就沒人要買了。
回到剛剛的主題(怎麼談到光碟機去了)，所以超音波馬達才可以
比一般的驅動馬達做到定位準確、快速、安靜的特性，除了上述主要
的優點外，超音波馬達還具有體積小、重量輕、響應快速、結構簡單
等等的特色。目前在超音波馬達上的應用已經不止在相機鏡頭的對焦
系統，一些CANON的辦公室OA產品也利用超音波馬達的特性，將之應
用在一些特殊的場合。好了......打了這麼多字，手好酸，希望有興
趣的人看了之後讓你對USM比較有多一點點的瞭解。高頡的用心希望
您能體會～
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Maple
/ㄇㄝㄆㄛ/
n.槭樹科落葉喬木;楓;楓樹
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