超声波马达(UltraSonic
摩托车,简称USM)最初应用于Canon EF系列镜头,其中最早配备USM马达的镜头是Canon EF 300/2.8L USM。传统马达的工作原理是将电磁能量转化为转动能量,而USM则是利用超声波振动能量转化成转动能量的新原理运作。
超声波马达的发展始于19世纪末,当时已经有利用压电材料振动特性的压电马达,尽管其频率不限于超声波范围。1948年,威廉和布朗提出了“压电马达”的概念并获得了
美国专利。1961年,
宝路华钟表公司推出了
音叉驱动的手表。1970年至1972年间,
西门子股份公司和
松下电器研发出了线型压电步进马达,但由于输出力和效率的问题未能广泛应用。1973年,美国IBM公司的巴特首次提出利用压电组件以超声波振动的方式驱动马达,但因磨损问题未得到实际应用。同年,
俄罗斯科学家V.H. Lavrinenko也设计了类似的马达结构。1978年,P.E. Vasiliev利用超声波转换器作为马达的驱动来源,但仍未能形成完整的马达结构。1980年,
日本的Toshiiku Sashida研制出了以振动片驱动的超声波马达,具有更完善的马达结构。1982年,Sashida再次改进了超声波马达的设计,解决了磨损问题,成为首个具有商业应用价值的超声波马达,并首次应用于
照相机的自动对焦系统中。
超声波马达分为
驻波型、行波型和振簧型三种类型。
佳能 EF镜头中使用的USM均为行波型。环形USM的结构包括弹性定子和转子,定子为金属环,底部设有压电陶瓷元件,上部分布有
梯形凸起。定子采用特殊材料制成,热膨胀系数与压电陶瓷元件一致,以减少温度影响。转子为铝质环,通过凸缘状弹簧与定子连接,转子表面经过特殊处理以提高耐磨性。
1987年,Canon发布了首款搭载环形USM的镜头——EF 300/2.8L USM。1990年,Canon实现了环形USM的量产,并将其广泛应用于普通镜头。1992年,
佳能推出了微型USM,加速了EF镜头的全面USM化进程。
超声波马达具有低转速大扭矩的输出特性、大的制动
力矩、简单的结构、良好的启动和制动可控性以及极低的噪音水平。Canon环形USM还具有高效、低功耗、与镜身完美结合、适用于镜头AF驱动、可在0.2rpm至80rpm范围内自由调节转速、支持灵敏度可调的电子MF以及广温工作范围等特点。Canon曾公布的三种规格环形USM分别为USM-M1、USM-L1和USM-L2,其中USM-L2已不再使用。