超声波技术在usm上的使用

　　USM的问世，突破了由电磁效应获得转速和转矩的局限，它是利用压电材料的逆压电效应产生超声振动直接驱动转子获得运动和力。与传统用于调焦镜头的电磁电机相比， USM具有低速大扭矩、响应快、断电自锁、易于微、小型化等特点，更适合于对调焦/变焦速度和精度有较高要求的系统，不但可以在较低的成本下做得很小，而且可以得到很高的进给精度。

　　根据移动体的运动方式可以将USM分为旋转型USM和直线型USM两类。本文特别介绍了我国USM在调焦镜头中的研发、应用和展望。

　　日本USM在相机镜头调焦中的应用为了实现宁静、高速、对焦的目的，佳能公司相继开发了环形USM （ R ing- USM ）和棒型USM（M icro- USM ）。佳能公司U SM的产量大约占日本USM产量的33 ，约40的USM用于相机。

　　惯性冲量式直线型USM用于变焦镜头采用直线型USM作为变焦镜头的驱动源，可以省掉旋转型电机所需的运动转换机构，如螺纹、齿轮或凸轮，驱动更简便。通常将直线型USM的移动体固定在需要移动的镜片架上，驱动镜片架，使之作直线移动。韩国科技学院的Seok- jin Yoon等人研制了惯性冲量式直线超声波微电机，并将其应用在超微型调焦镜头模组中。a为惯性冲量式直线型USM模块TULA 35 （振子直径3. 5 mm ）和TU- LA50（振子直径5mm），其中包括压电换能器、轴和移动单元。当一个锯齿波的缓慢上升沿加在压电单元上，压电元件沿着导轴的轴向产生向上的变形，如b所示。摩擦力带动移动单元随固定在压电元件上的导轴一起向上运动，当锯齿波的急速下降沿加在压电单元上，压电元件带动导轴产生急速向下的变形，此时移动单元与导轴脱开。当驱动电压（峰值）为40 V时，大驱动力为120 mN，大移动速度约为6. 7 mm /s.实验表明，使用矩形波可达到更好的效果。

　　惯性冲量式USM及其工作原理用惯性冲量式USM为手机开发了调焦（AF）镜头模组，采用多个电机开发出了变焦（ Zoom） +调焦模组（ AF）。美国Scale Technologies公司研发的花体螺纹电机花体螺纹电机结构原理如a所示。该电机是空心方柱摇头电机，金属定子外粘有四个压电片，两端各有一个具有内螺纹的螺母放置在金属方柱的圆孔内，用与螺母堵头的内螺纹相啮合的螺杆作为转子轴螺杆（ screw）。b是由此电机组成的透镜组。在电信号激励下，利用两端自由一阶弯曲模态通过螺母堵头驱动螺杆旋转并转换旋转运动为直线运动。

　　花体螺纹电机的特性电机具有亚微米精度，大推力，低功耗，螺纹直接直线驱动，节省了90的零件，并能适用于高低温范围（由陶瓷材料确定），且价格低廉，约2美元一个单元，现已开发了IC芯片， 3 V相机供电，输出达40 V。与其它USM相比花体螺纹电机的尺寸约减少一半。两个花体螺纹电机分别驱动两个透镜聚焦和变焦4德国PI公司设计的直线USM如所示，德国PI公司为维达力实业（深圳）有限公司设计了直线USM，该电机用于手机透镜调直线USM驱动手机光学镜头组焦。2004年12月申请的中国专利中描述：这种手机光学镜头组，设置于一基座上，所述透镜组设置在至少一管件内，该管件设置为垂直可位移改变的导向结构，由于采用了超声波电动机作为光学镜头的驱动装置，不仅光学镜头体积小，而且耗电少，调节速度均匀，精度高，运行平稳。

　　多面体USM直接螺纹驱动透镜调焦/变焦清华大学与博立码杰通讯（深圳）有限公司合作， 2005年6月发明了直接多面体螺纹驱动透镜调焦/变焦系统。该系统的特点是利用具有环形内螺纹的多面体外表面粘结压电片，使体内产生面内弯曲行波，原有的透镜或透镜组是带外螺纹的转子，恰好与多面体的螺纹相咬合。当给压电片施加信号电压时，透镜组由旋转运动直接变成直线运动，达到调焦/变焦目的。

　　世界小的透镜AF模组6展望USM驱动系统由于结构紧凑、直接驱动、速度快、耗电少、定位精度高和温度适应性好的特点，因而比传统电机更适用于驱动精密的光学调焦/变焦系统。在光学调焦/变焦透镜系统中，除日本佳能外，韩国三星和美国Scale近两三年提出并实现了USM应用于手机中的透镜调焦/变焦系统，并且有些方案已经得到成功应用。

　　我国清华大学拥有USM独立知识产权，几年来一直紧追国际上的相关研究，通过与博立马杰（深圳）通讯有限公司的技术合作，研发成一体化多面体USM直接螺纹驱动透镜调焦/变焦样机。由于U SM本身是一种新兴的技术，整体的技术基础还比较薄弱。特别是我国的工业基础要完全满足USM驱动的光学变焦镜头系统的微型化和广泛的市场，就更需要作一些基础性的应用技术研究，比如：（ 1）为了满足驱动电源的微型化需求，需要进行USM的低电压驱动和单相驱动技术的研究，这涉及到研制新型高效压电陶瓷和压电电机结构的基础研究，以及驱动方法研究。（2）低成本的接触表面摩擦材料的研究，比如涂层式摩擦材料的研究，耐磨材料的选择。（3） USM的环境适应性研究。比如电机应具备较高的耐冲击性和适应较大的温、湿度范围，以及适应低真空和辐射环境。（4）解决实现规模化生产的设备与工艺。

　　可以预见，在今后一至三年内中国的具有独立知识产权的USM必定能成功地用于光学镜头调焦/变焦系统，特别是数码相机和手机中。整个国际市场还会出现USM用于透镜调焦/变焦系统的热潮。