相傳在很久以前,有壹位網友發現,手裏的錐形瓶在接觸超聲波清洗槽中的水時,竟能讓上面插的漏鬥旋轉起來。該網友想知道這算不算超聲波馬達?在另壹段視頻中,壹個人用片狀手柄摩擦塑料棍上的齒槽,讓棍子震動,也同樣能讓頂端的塑料片旋轉起來,這和錐形瓶上的漏鬥有異曲同工之妙。
我們會發現,受迫震動的錐形瓶和塑料棒上面的質點都在震動時做橢圓形運動,導致兩個物體的接觸點發生滑動摩擦,才被推動旋轉起來。而早在上世紀年代,佳能相機配套的EF系列鏡頭裏面,用來移動鏡片組的對焦馬達也采用了相同的原理,它只有兩個鐵圈,帶凹槽的是釘子,上面的質點在振動時做橢圓形運動,到達頂點會對轉子施加切向摩擦力,推動轉子的鐵圈旋轉,而這就是壹個超聲波馬達
但它的工作方式和棍子驅動塑料片如出壹轍,因此超聲波馬達並不是指用超聲波來驅動,而是指它工作時的噪音頻率超過赫茲是超聲波。而摩擦面上的質點之所以能做橢圓形運動,是由於整個摩擦面都在不停的起伏,組成了壹列型波,帶動上面的質點在升降的同時還向側面位移。因此要讓轉子移動,就要在釘子上制造反向運動的行波。於是有人給電極板上安裝了壹排壓電陶瓷,這種材料兩端加上電壓就會伸展變長,電壓反向則會收縮變短,然後給這些壓電陶瓷加上交流電,於是焦變的電壓就開始讓材料受波震動,通過拼命求解振動方程會得到助波解,也就是在壹定的電壓波形下,材料頂面組成了壹列原地震動的柱波,該鑄波的方程就是這個東西,但我們需要的是型波,所以還要給電極板上再安裝壹排壓電陶瓷,通過控制電壓波形
這組材料也是生成了壹列助波,兩列助波振幅相同,但相位差保持度,所以新助波的方程就是這個東西。接著我們把兩個方程疊加壹頓代換,就發現變成了行波的方程,也就是說兩個相差度的柱波就能疊加成行進波,因此材料的接觸面變成了行進的波面,波面上的質點具有向材料收縮方向移動的趨勢,因此在上下運動中還會左右運動,終於畫出了橢圓。
而轉子的位移速度隨著壓電材料振動頻率的增大而減小,因此壓電材料以千赫茲左右振動時,不僅發出無法聽見的超聲波,而且每次振動只能推動轉子移動幾微米,所以該馬達有很高的旋轉精度,同時轉子位移的加速度隨著頻率增大而增大,因此在高頻率下它又具有較大的輸出扭矩,所以超聲波馬達能夠無聲無息的意義高精度和低速大扭矩推動鏡頭組對焦,成了佳能EF鏡頭裏不可或缺的配件。
但隨後廠商發現,其實只要弄壹小塊壓電材料驅動摩擦點做橢圓形運動,照樣能差強人意的搓著圓環轉起來。於是釘子被簡化成了薪塊,完成了偷工減料的華麗轉型。