Приводы фокусировки

Полностью электронная система крепления и система привода, встроенная в объектив, — это ответ компании Canon на проблемы, присущие системам привода, встроенным в корпус фотокамеры, а также ключевой пункт при реализации бесшумной, плавной и быстрой автофокусировки с высокой точностью, которая принесла известность системе EOS. Эта система представляет правильную реализацию концепции Canon по разработке фотоаппаратов с использованием мехатроники, суть которой — «размещение привода вблизи соответствующего перемещаемого блока и полностью электронное управление всеми операциями передачи данных и сигналов управления». Эта исключительно рациональная и логичная система обладает следующими преимуществами над обычными системами.

Функции

1. Так как каждый объектив EF можно оснастить оптимальным приводом, соответвующим определенным характеристикам автофокусировки, то можно создать высокоскоростной привод объектива без перегрузок для всего диапазона объективов: от объектива «рыбий глаз» до супертелеобъектива. Преимущество этой системы над системами привода, встроенного в корпус, возрастает по мере удаления перемещаемого блока от корпуса камеры  в  длинных супертелеобъективах,  что позволяет компании  Canon   встраивать  автофокусировку  во  все супертелеобъективы, включая EF 600mm f/4L IS USM.
2. Так как привод находится рядом с перемещаемым блоком, то энергия привода передается эффективно, с минимальными потерями и шумами.
3. Использование   электронной    системы    крепления предоставляет разработчикам объективов широкий выбор типов приводов.
4. Система  позволяет  с  легкостью  встраивать  новые высокопроизводительные приводы по мере их разработки, обеспечивая замечательный потенциал для усовершенствования в будущем.

В настоящее время Canon использует пять типов приводов, выбирая лучший тип в соответствии с характеристиками объективов.

• Кольцевой USM
• Micro USM
• AFD   (Привод  дуговой  формы:  круговая  деформация бесщеточного двигателя)
• Микродвигатель постоянного тока общего назначения без сердечника
• Микродвигатель постоянного тока общего назначения с сердечником

К другому типу приводов, используемых в объективах EF, относится EMD (электромагнитная диафрагма), в которой объединен шаговый двигатель деформации управляемой диафрагмы и блок лепестковой диафрагмы. Подробные сведения будут изложены далее.

Рис. 1 — Различные приводы двигателей

USM (ультразвуковой двигатель) — это новый тип двигателей, впервые примененный в фотографических объективах Canon EF. Кольцевой USM, дебютировавший в 1987 году в объективе EF 300mm f/2.8L USM, поразил мир своей беззвучной и сверхскоростной автофокусировкой. Затем, в 1990 году, компания Canon внедрила новую технологию серийного производства на основе усовершенствованного кольцевого USM для использования в объективах массового спроса. В 1992 году последовала успешная разработка Micro USM, нового типа USM, позволяющего использовать методы автоматизированного производства, а в 2002 году был разработан сверхкомпактный Micro USM II, вдвое короче Micro USM. С таким арсеналом USM недалек тот день, когда Canon реализует свою мечту: использовать USM во всех объективах EF.

Рис. 2 — Объектив EF 28-135mm f/3.5-5.6 IS USM, в котором показан двигатель USM

Описание кольцевого USM

Существует множество различных типов и конструкций обычных двигателей; в их основе лежит преобразование электромагнитных сил в крутящий момент. Ультразвуковые двигатели, с другой стороны, используют абсолютно новый принцип,  когда сила вращения формируется  из энергии ультразвуковых колебаний. В настоящее время известны три типа USM, включая USM, находящиеся в стадии исследования и разработки, классифицируемые по способу преобразования энергии колебаний в крутящий момент: стоячая волна, бегущая волна и вибрирующий язычок. По этой классификации все USM, используемые в объективах Canon, относятся к типу бегущей волны. Базовая конструкция двигателя очень простая, она состоит из эластичного статора и вращающегося ротора. Нижняя часть статора состоит из эластичного металлического кольца с прикрепленным к нему пьезоэлектрическим керамическим элементом, а верхняя часть состоит из множества равноотстоящих выступов с поперечным сечением трапециевидной формы. Статор изготовлен из особого материала с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения пьезоэлектрического керамического элемента, что минимизирует искривления кольца, возникающие при изменении температуры. Этим обеспечивается стабильная работа в широком диапазоне температур. Ротор представляет собой алюминиевое кольцо с пружиной в форме фланца в месте контакта со статором, поэтому ротор прижат к статору. Так как алюминий — довольно мягкий материал, в месте контакта ротора со статором поверхность покрыта особым износостойким материалом.

Рис. 3 — Конструкция кольцевого USM

Возможности кольцевого USM

Основные возможности ультразвуковых двигателей состоят в следующем:

1. Можно легко реализовать выходные характеристики с низкой скоростью и  высоким  крутящим  моментом   (USM  может генерировать большее количество энергии на более низких скоростях,  чем  обычный  двигатель,  который  вращается электромагнитной силой), что позволяет выполнять прямое перемещение  без  использования  понижающей  зубчатой передачи.
2. Большой момент вращения удержания. Другими словами, когда двигатель останавливается, объектив автоматически удерживается на месте тормозом диска.
3. Конструкция предельно проста.
4. Хорошая управляемость и реакция при запуске и остановке. (Возможен быстрый запуск и остановка, точное управление.)
5. Предельно тихая работа (практически бесшумная).

В добавление к вышесказанному кольцевые USM компании Canon обладают также следующими возможностями:

1. Высокая эффективность и низкое энергопотребление позволяют приводить USM в действие от элементов питания фотокамеры.
2. Кольцевая форма двигателя является оптимальной для встраивания в тубус объектива.
3. Низкая скорость вращения оптимально подходит для привода объектива.
4. Возможно непрерывное изменение скорости вращения в широком диапазоне от 0,2 об/мин (один оборот за пять минут) до 80 об/мин, что обеспечивает высокую точность и высокую скорость управления приводом объектива.
5. Стабильность работы достигается в самых жестких условиях, при использовании в широком диапазоне температур от -30°C до +60°C.

Для любого двигателя система управления двигателем привода является важной подсистемой, необходимой для полного достижения конкретных характеристик двигателя. Это верно и для ультразвуковых двигателей. В объективах Canon USM такие функции, как обнаружение ультразвукового резонанса при изменении температуры, генерация двух напряжений переменного тока с разными фазами, управление запуском и остановкой, электронное регулирование скорости ручной  фокусировки,  управляются  микрокомпьютером, встроенным в объектив.

Фото 1 — Кольцевой USM

Принцип действия кольцевого USM состоит в следующем: вибрация воздействует на эластичное тело, называемое статором, в результате чего в статоре возникают вибрации. Эта энергия колебаний через плотный контакт между ротором и статором вызывает непрерывное вращение ротора. Говоря более технически, сила трения, порожденная бегущей волной изгиба в статоре, является источником силы вращения. Рис. 4 иллюстрирует способ передачи силы бегущих волн изгиба, сформированных в статоре, на ротор. Если рассмотреть движение конца штырька P при распространении волны слева направо, видно, что он движется в направлении, противоположном движению волны. Ротор сдвигается под действием силы трения в каждой точке P, таким образом выполняя рабочий цикл.

Рис. 4 — Вращение ротора под действием распространения волн изгиба

Как показано на рис. 5 и 6, бегущие волны изгиба формируются с помощью пьезоэлектрического керамического элемента (элемент, который расширяется и сжимается под действием переменного напряжения), который прикреплен к основанию статора и управляется электронной схемой.

Рис. 5 — Колебания, создаваемые пьезоэлектрическими керамическими элементами

Рис. 6 — Схема расположения пьезоэлектрических керамических элементов (в основании статора)

Этот пьезоэлектрический керамический элемент попеременно поляризуется в направлении толщины, к нему прикладывается напряжение переменного тока с частотой, близкой к резонансной частоте колебаний изгиба и приблизительно равной 30 000 Гц (это частота находится в ультразвуковом диапазоне, откуда и произошло название USM). Прикладываемое напряжение порождает колебания в статоре (с амплитудой всего лишь около 0,001 мм), которые объединяются со сдвинутыми по фазе колебаниями, создаваемыми другим пьезоэлектрическим элементом, прикрепленным к основанию статора в другом месте, смещенном на одну четвертую часть периода. Эта порождает волну — бегущую волну изгиба (7 колебаний волны за цикл), движущуюся вдоль статора, которая и является источником энергии вращения двигателя.

Описание и возможности Micro USM

Кольцевой USM является ультразвуковым двигателем, который с самого начала разрабатывался для встраивания в объективы с круглым тубусом. Micro USM, напротив, является новым двигателем, который разрабатывался как «многоцелевой миниатюрный ультразвуковой двигатель». Micro USM обладает следующими возможностями:

• Так как отсутствует ограничение, связанное с диаметром объектива, Micro USM можно встраивать в различные объективы, независимо от конструкции оптической системы.
• Статор, ротор и выходная зубчатая передача встроены в единый компактный блок, размер и вес которого приблизительно вдвое меньше кольцевого USM.
• Поскольку его цена меньше цены кольцевого USM, его можно использовать в недорогих объективах.

Фото 2 — Micro USM (слева) Micro USM II (справа)

Основная конструкция Micro USM

Как показано на рис. 7, Micro USM имеет совмещенную конструкцию, в которой пьезоэлектрический элемент, статор и ротор соединены вертикально и объединены с выходной зубчатой передачей в одном компактном блоке. Статор состоит из 5 слоев пьезоэлектрических элементов, причем сверху и снизу от каждого слоя проложены диски металлических вибраторов. В целом блок статора работает как эластичный цилиндрический стержень.

Рис. 7 — Конструкция Micro USM/Micro USM II

Ротор, который объединен с корпусом пружины, прижимается к статору под давлением пружин, встроенных во внутренний цилиндр корпуса пружины. Вращение ротора передается прямо на выходную зубчатую передачу с передаточным соотношением 1:1. Различные компоненты двигателя — статор, ротор и выходная зубчатая передача — объединены в единый блок Micro USM с помощью вала статора, который проходит через центр всех компонентов, и фланца сверху, который удерживает их вместе. Двигатель встраивается в объектив, как показано на рис. 1.

Принцип действия Micro USM

Ультразвуковые вибрации, являющиеся источником энергии вращения, создаются с помощью электронной цепи для движения четырех слоев пьезоэлектрических элементов, которые имеют характеристики, показанные на рис. 8.

Рис. 8 - Характеристики пьезоэлектрического элемента

Каждый из четырех пьезоэлектрических слоев состоит из двух пьезоэлектрических элементов, разделенных на две фазы, фазу A и фазу B, которые сдвинуты друг относительно друга на 90°. В самом основании пакета находится пятый слой пьезоэлектрических элементов, который используется для обнаружения волны резонансного колебания (рис. 9)

Рис. 9 - Конструкция пьезоэлектрического элемента Micro USM

Эти пять слоев встроены в основание статора. Если напряжение переменного тока прикладывается только к фазе A группы пьезоэлектрических элементов, то расширение и сжатие пьезоэлектрических элементов вызывает небольшие колебания верхней части статора влево-вправо (рис. 10).

Рис. 10 - Принцип вибрации статора

Если напряжение переменного тока прикладывается к фазе B, то расширение и сжатие пьезоэлектрических элементов вызывает небольшие колебания верхней части статора вперед-назад. Наконец, если приложить к фазе A и к фазе B переменный ток со сдвигом на 90° по фазе, то сумма колебаний обеих фаз порождает небольшую волну вращения (1 колебание за цикл с амплитудой 0,002 мм), которая вызывает небольшое круговое движение верхней части статора, как показано на рис. 11.

Рис. 11 - Принцип вращения ротора привода Micro USM

В свою очередь, ротор, который прижат к статору благодаря дополнительной энергии пружины, также начнет вращаться из-за силы трения, порождаемой волной вращения. Вращение ротора, в свою очередь, вызывает вращение прикрепленной прямо к нему выходной зубчатой передачи. В Micro USM сохраняется принцип действия кольцевого USM, в котором фрикционные колебания, порожденные сформированными в статоре бегущими волнами изгиба, причем ротор вращается в направлении, противоположном направлению движения волн.

Micro USM II

Micro USM II — ультракомпактный ультразвуковой двигатель, разработанный в качестве привода автофокусировки для встраивания в еще меньшее пространство, обусловленное уменьшением размеров тубусов объективов. Он обладает следующими возможностями.

В обычных Micro USM статор и ротор расположены последовательно. Если просто сократить длину блока без изменения порядка, то резонансная частота колебаний изгиба в статоре становится слишком высокой, не позволяя достичь достаточной амплитуды колебания. Для разрешения этой проблемы часть статора была расположена внутри ротора, а также был разработан абсолютно новый формат колебаний для Micro USM II, что позволило сократить длину блока, не повышая резонансной частоты. В результате был разработан ультракомпактный блок приблизительно вдвое короче и легче двигателя Micro USM, но с почти такими же характеристиками. Привод Micro USM II был впервые установлен в объектив EF 28-105mm f/4-5.6 USM, и разрабатываются планы расширения его использования и в других объективах, в основном, в ультракомпактных зум-объективах.

Типы USM и оснащенные ими объективы

По материалам сайта CANON.RU