超聲波馬達是什么

　　超聲波馬達（UltraSonic Motor）的簡稱是：USM，最早應用于照相機上是Canon EF系列鏡頭。最早裝備了USM馬達的鏡頭是Canon EF 300/2.8L USM.傳統的馬達都是基于電磁原理工作的，將電磁能量變換成轉動能量。而USM則是基于利用超聲波振動能量變換成轉動能量的全新原理來工作的。

　　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生變形的特性，使其能產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。

　　超聲波馬達原理

　　電能和機械功可以通過電磁力以外的方法進行轉換。已知利用作用在電容器的電極之間的力的靜電電動機和利用壓電元件的超聲電動機。盡管靜電馬達已作為MEMS（微機電系統）而受到關注，但很少投入實際使用。另一方面，后一種超聲馬達用于特殊目的，例如驅動相機鏡頭，因為該馬達可以被構造成盤狀。

　　壓電元件（PZT：Pb（Zr，Ti）O 3，鋯鈦酸鉛）具有在施加電壓時沿垂直于電壓的方向延伸的特性。最初研究了利用該特性將位移改變為直線或旋轉運動以制造電動機。但是膨脹和收縮只有幾微米。為了電動機旋轉，需要將壓電體和彈性體組合并以高頻率振動的結構。1980年，通過產生從壓電體到彈性體的行波發明了一種實用的電動機。使用術語“超聲波馬達”是因為其根據彈性體的共振頻率以高于20kHz或更高的可聽范圍的頻率（超聲波）被驅動。如圖示出了行波超聲馬達的操作原理。

　　圖：行波型超聲波電動機的原理

　　定子由壓電元件和彈性體構成的兩層結構，該壓電元件由兩組驅動電極構成。每個電極被布置為行波波長的一半，并且被交替極化以具有相反的極性。當將頻率接近彈性體的彎曲振動的固有頻率的AC電壓施加到驅動電極時，壓電元件交替地膨脹和收縮，導致彈性體彎曲。通過向兩個電極施加相位差為90度的交流電壓，合成在空間和時間上異相的兩個駐波，并獲得如圖4所示的行波。波在彈性體上的最大點通過繪制與行進波相反的橢圓形軌跡而移動。因此，當在轉子（移動體）和定子之間施加高壓時，轉子在行波的波前與彈性體接觸，并且沿著振子表面上的橢圓軌跡在與行波相反的方向上發生摩擦。