Ультразвуковой пьезо двигатель обороты. Как работают автофокус камеры и ультразвуковой мотор в объективе

18.10.2019

Самые массовые китовые объективы 18-55 у кэнона, никона, сони и других.
С этих объективов все начинают.
И потом они ломаются. Ломаются, когда уже приходит пора переходить на более продвинутые.
Они и сделаны на год не больше и то, если бережно к ним относиться.
Даже прибережном отношении со временем пластиковые детали начинают затирать.
Прилагается больше усилий, направляющие гнутся и зум ломается.
У меня на сайте есть статьи по ремонту механики.
Эта статья про ремонт ультразвукового мотора, который изнашивается со временем.

Как извлечь мотор, я не пишу, нет ничего проще.

В моторе нечему ломаться, три детали.

Для усложнения задачи возьмём мотор со сломаным шлейфом.

Ремонтируется прсто, всего три провода, средний земля.
Немного о работе самого двигателя, может, кто не знает.
На металлическое кольцо с ножками наклеены пъезопластины.
Когда к ним подается напряжение с частотой резонанса детали,это статор, он начинает колебаться.
Частота примерно 30 кГц, поэтому ультразвуковой мотор.
Ножки толкают ротор, он вращается и через редуктор двигает линзоблок вдоль оптической оси. Так происходит фокусировка объектива.

Плата мотора выглядит так. DC-DC блок питания и 2 фазоинвертора, три провода к мотору.

Для сравнения просто электромотор не ультразвуковой, у кэнона выглядит так.

Разводка большого USM мотора имеет ещё один немаловажный контакт.
Это четвёртый контакт подстройки частоты блока питания.
Дело в том, что резонансная частота статора меняется в зависимости от температуры.
Если частота питания отличается от резонансной частоты, двигатель работает медленнее.
Нужно сказать, что с подстройкой частоты заморачивается только кэнон, сигма не особо.

Три контакта у сигмы.

Это кэноновский в процессе ремонта, имеет 4 провода.

По большому счёту при сборке объектива на заводе частота блока питания должна подстраиваться до резонансной частоты статора.
В таком случае тупая замена мотора при ремонте невозможна. Нужно подстраивать частоту.

Вернемся к нашему мотору.
Поверхность статора очень чувствительна ко всяким инородным предметам, типа песчинок и нужна хорошая чистота поверхности ножек.
На работу двигателя влияет чистота поверхности и усилие прижимной пружины.
Будем считать, что усилие пружины не изменяется со временем, а вот поверхность истирается.
Я пробую шлифовать поверхность несколькими способами.
Для начала наждачкой 2500, результат плохой.
Ротор сразу нарабатывает задиры и двигатель клинит.
Пробую шлифовать в зеркало на войлочном круге.

Поверхность красивая, но ротор, как бы прилипает, пищит и двигатель плохо вращается.

Последний способ и самый результативный шлифовка с пастой гои на зеркале.

Оказалось важно даже не чистота поверхности а её плоскостность, она даёт наибольшую площадь соприкосновения ротора и статора.

Нет предела совершенству.

Шлейф меняется просто

Провода напаиваются и покрываются поксиполом.

Здесь одна тонкость, прижим деталей усиливается за счёт увеличения толщины статора и двигатель может не пойти.
Лишний клей убираем.

Пружину можно укоротить, но тогда прижим будет совсем непонятный.
В сборе, как то так.

И испытания прошу прощения за ссылки, я не знаю, как вставить медиафайлы, а гифки получаются большие

Интересно, что до сих пор не задумывался, как работает автофокус в камере.

Оказывается, там под основным полупрозрачным зеркалом (толстая чёрная линия под 45 градусов на картинке), которое отводит часть света на видоискатель (8), есть ещё одно "вспомогательное" полупрозрачное зеркало (3), забирающее часть света, идущего на матрицу (4), на нужды сенсора автофокуса (7):

Сенсор автофокуса имеет несколько "зон" ("зоны автофокуса", которые соответствуют определённым местам в кадре), над каждой из которых расположена маленькая линза. У каждой "зоны автофокуса" под линзой есть два маленьких сенсора: условно "левый", принимающий только "левую" сторону света, пришедшего из объектива, и условно "правый", принимающий только "правую" сторону света, пришедшего из объектива.

Изображение на этих двух маленьких сенсорах будет совпадать, если объектив сфокусирован правильно (другими словами, если "красный" луч света на картинке попадает точно в центр "красного" сенсора, и "зелёный" луч света на картинке попадает точно в центр "зелёного" сенсора, то изображение на этих двух маленьких сенсорах будет совпадать, объектив сфокусирован правильно).

Алгоритм автоматического поиска фокуса работает так (случаи пронумерованы как на картинке):

1. Линза объектива выдвинута слишком близко. Фотоаппарат может это угадать, заметив, что картина распределения интенсивностей такая же, как если бы она состояла из двух одинаковых картин интенсивностей, сдвинутых друг относительно друга (это можно сразу засечь, чуть-чуть сдвинув фокусировочную линзу объектива; алгоритм угадывания выполняется на процессоре фотоаппарата).

2. Объектив сфокусирован точно - две одинаковые световые картины максимально наложились друг на друга.

3. Линза объектива выдвинута слишком далеко.

4. Вообще не в фокусе.

Для того, чтобы этот алгоритм давал верные результаты, очевидно, требуется, чтобы сенсор автофокуса и матрица были равноудалены от "вспомогательного" полупрозрачного зеркала.

А ещё сейчас в моде объективы с "ультразвуковым мотором".
Звучит-то как!
Прямо как "лазерный принтер"...
Наверняка в 90-ых, услышав в первый раз о таких принтерах, первое, что каждый себе представлял — это как принтер выжигает на бумаге изображение разноцветными лазерами из фантастических фильмов...

Оказалось, что, как и ожидалось, маркетологи всех снова обманули, и мотор никакой не ультразвуковой (не крутится с ультразвуковой скоростью).
Тем не менее, конструкция очень остроумная.

Ультразвуковой двигатель объектива состоит из двух колец: ротора (синий) сверху и статора (красный) снизу.
В свою очередь, статор (красный) состоит из тонкого пьезоэлектрического керамического кольца снизу и толстого (но "эластичного") зубчатого слоя сверху.

Когда на статор (красный) подаётся ток ультразвуковой частоты, в нём возникает резонанс (стоячая волна), и волна эта начинает по кругу путешествовать по статору (красный):

При этом, обратите внимание на то, что статор (красный) стоит не месте и никуда не крутится — он просто "волнуется", как море.
А вот ротор (синий) уже как раз крутится.
Спрашиваете, почему?

А из этой картинки и не поймёте.

Крутится ротор потому что на статоре есть зубцы.
Они очень мелкие (порядка 0,001 мм), и их очень много.

Работают они так, как показано на рисунке: когда под зубец подходит волна, он отклоняется на некоторый угол в сторону движения этой волны, и пока волна проходит под ним, он сначала выравнивается вертикально, а потом наклоняется в уже другую сторону (когда волна уходит из-под него).
Получается, что каждый зубец описывает дугу, и именно это создаёт вращение ротора.

В моторе нечему ломаться, три детали.

Для усложнения задачи сломаем шлейф.

Ремонтируется прсто, всего три провода, средний земля.
И немного о работе самого двигателя, может, кто не знает.
На металлическое кольцо с ножками наклеены пъезопластины.
Когда к ним подается напряжение с частотой резонанса детали,это статор, он начинает колебаться.
Частота примерно 30 кГц, поэтому ультразвуковой мотор.
Ножки толкают ротор и происходит фокусировка.

Плата мотора выглядит так. DC-DC блок питания и 2 фазоинвертора, три провода к мотору.

Для сравнения просто электромотор не ультразвуковой, у кэнона выглядит так.

Разводка USM мотора имеет ещё один немаловажный контакт.
Это четвёртый контакт подстройки частоты блока питания.
Дело в том, что резонансная частота статора меняется в зависимости от температуры.
Если частота питания отличается от резонансной частоты, двигатель работает медленнее.
Нужно сказать, что с подстройкой частоты заморачивается только кэнон, сигма не особо.

Три контакта у сигмы.

Это кэноновский в процессе ремонта, 4 провода.

По большому счёту при сборке объектива на заводе частота блока питания должна подстраиваться до резонансной частоты статора.
В таком случае тупая замена мотора при ремонте невозможна. Нужно подстраивать частоту.

Поверхность красивая, но ротор, как бы прилипает, пищит и двигатель плохо вращается.

Последний способ и самый результативный шлифовка с пастой гои на зеркале.

Оказалось важно даже не чистота поверхности а её плоскостность.

Нет предела совершенству.

Шлейф меняется просто

Провода напаиваются и покрываются поксиполом.

Здесь одна тонкость, прижим деталей усиливается за счёт увеличения толщины статора и двигатель может не пойти.
Лишний клей убираем.

Пружину можно укоротить, но тогда прижим будет совсем непонятный.
В сборе, как то так.

И испытания.

Отдельно двигатель вращается.

С редуктором вращается

Тубус объектива вращает

Это для общего развития замер напряжения на двигателе.
Пиковое напряжение доходит до 19 вольт, бъет чувствительно.

А знаете как проверить работает ли статор отдельно?
Погрузить его в воду и получите фонтан. Я не снял, а сейчас уже лень разбирать двигатель.

Да и ещё, эти двигатели не ремонтопригодны их просто меняют.
Причем, если заменить на донорский с поломанного объектива, неизвестно сколько он проработает.

Успехов в фотографии.

Подробности Опубликовано 02.10.2019

ЭБС «Лань» информирует о том, что за сентябрь 2019 года обновлены доступные нашему университету тематические коллекции в ЭБС «Лань»:
Инженерно-технические науки - Издательство «Лань» - 20

Надеемся, что новая коллекция литературы будет полезна в учебном процессе.

Тестовый доступ к коллекции «ПожКнига» в ЭБС «Лань»

Подробности Опубликовано 01.10.2019

Уважаемые читатели! C 01.10.2019 г. по 31.10.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой издательской коллекции в ЭБС «Лань»:
«Инженерно-технические науки» издательства «ПожКнига» .
Издательство «ПожКнига» является самостоятельным подразделением Университета комплексных систем безопасности и инженерного обеспечения (г. Москва). Специализация издательства: подготовка и издание учебно-справочной литературы по пожарной безопасности (безопасность предприятий, нормативно-техническое обеспечение работников системы комплексной безопасности, пожарного надзора, пожарная техника).

Успешное окончание выдачи литературы!

Подробности Опубликовано 26.09.2019

Уважаемые читатели! Мы рады вам сообщить об успешном окончании выдачи литературы студентам первого курса. С 1 октября читальный зал открытого доступа №1 будет работать по обычному графику c 10:00 до 19:00.
С 1 октября студенты, не получившие литературу со своими группами, приглашаются в отделы учебной литературы (помещения 1239, 1248) и отдел социально-экономической литературы (помещение 5512) для получения необходимой литературы в соответствии с установленными правилами пользования библиотекой.
Фотографирование на читательские билеты осуществляется в читальном зале №1 по расписанию: вторник, четверг с 13:00 до 18:30 (перерыв с 15:00 до 16:30).

27 сентября - санитарный день (подписываются обходные листы).

Оформление читательских билетов

Подробности Опубликовано 19.09.2019

Уважаемые студенты и сотрудники университета! 20.09.2019 и 23.09.2019 с 11:00 до 16:00 (перерыв c 14:20 до 14:40) приглашаем всех желающих, в т.ч. студентов первого курса, не успевших сфотографироваться со своими группами, для оформления читательского билета в читальный зал №1 библиотеки (пом. 1201).
С 24.09.2019 возобновляется фотографирование на читательские билеты по обычному графику: вторник и четверг с 13:00 до 18:30 (перерыв с 15:00 до 16:30).

Для оформления читательского билета необходимо при себе иметь: студентам - продлённый студенческий билет, сотрудникам - пропуск в университет или паспорт.

Пьезодвигатели бывают с пьезоэлектрически активным статором и пассивным ротором, активным ротором и пассивным статором, активными статором и ротором. В них могут быть возбуждены колебания сжатия-растяжения, изгиба, сдвига, крутильные и радиальные; возможно сочетание колебаний двух типов. Все это приводит к большому разнообразию теоретически возможных конструкций двигателей. Ниже рассмотрены конструкция и принцип действия двух характерных и получивших практическое применение типов двигателей.

Принцип действия вращающегося пьезодвигателя удобно рассмотреть на примере конструктивной схемы двигателя с пьезоэлементом, совершающим продольные и изгибные колебания (рис.6.2). На активном статоре 1 установлен пьезоэлемент, представляющий собой керамическую пластину 3 с помещенными на её боковых поверхностях электродами 4. Один конец керамической пластины закреплен в статоре с помощью эластичной прокладки 2, изготовленной из фторопласта или резины и обеспечивающей акустическую изоляцию осциллятора от статора. На другом конце пластины, обращенном к ротору, установлена износостойкая прокладка 8. Пассивный ротор 9 выполнен в виде гладкого цилиндра из стали или твердых сплавов. Вал ротора 10 закреплен в подшипниках 11. Вибратор прижимается к ротору в поперечном направлении стальной пружиной 5, усилие регулируется винтом 6, упирающимся в эластичную прокладку 7.

Электроды вибратора расположены таким образом, что при подаче на них напряжения переменного тока требуемой частоты, близкой к резонансной частоте продольных колебаний вибратора, пластина вибратора совершает продольные колебания. При продольном смещении свободного конца пластины в сторону ротора пластина давит на ротор в точке А и заставляет его поворачиваться с угловой скоростью ω р. Контактная точка А перемещается вместе с поверхностью ротора, т. е. смещается и в поперечном направлении. Поперечная составляющая силы, действующей на вибратор в зоне контакта, возбуждает изгибные колебания вибратора. При обратном продольном смещении пластины её конец отходит от ротора, и ротор движется по инерции. В результате установившихся продольных и изгибных колебаний происходит устойчивое преобразование электрической энергии, потребляемой вибратором, в механическую энергию вращения ротора.

Следует отметить, что у двигателей рассматриваемого типа в контактной точке происходит фактически соударение двух поверхностей, поэтому их иногда называют пьезодвигателями ударного типа. Двигатель, представленный на рис. 6.2, является нереверсивным, однако при определенном усложнении конструкции возможно создание реверсивного двигателя.

Угловая скорость ротора ω р может быть определена через линейную скорость ротора ν р и его диаметр D р по формуле ω р =ν р /(D р /2).

Линейная скорость ротора зависит от амплитуды и частоты смещения свободного конца вибратора. При увеличении напряжения питания двигателя в довольно широком диапазоне возрастает амплитуда смещения вибратора, соответственно увеличивается линейная и угловая скорость ротора. Максимум амплитуды смещения ограничивается пределом прочности материала пьезоэлемента или его перегревом.

Выполняя двигатели с ротором большого диаметра D р, можно получать низкую частоту вращения ротора ω р без применения механических редукторов при сохранении достаточно высокой мощности на валу на единицу массы.

У современных двигателей номинальное напряжение питания лежит в диапазоне от десятков вольт до 400 вольт; регулирование напряжения позволяет получать частоты вращения в диапазоне от 20 до 10.000 об/мин. Частота напряжения питания обычно выбирается из условия резонанса колебаний; у современных вращающихся двигателей номинальная частота порядка 50-80 кГц.

Двигатель аналогичной конструкции может работать и в шаговом режиме при рабочей частоте вращения 0,2-6 об/сек. При подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента выполняется дискретный шаг порядка 0,1– 4 угловых секунд.

Конструктивная схема двигателя второго типа с активным статором, совершающим радиальные колебания, представлена на рис.6.3.

Внешний пассивный ротор 1 выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри него находится кольцевой цилиндричесий статорный пьезоэлемент 2, на торцевых поверхностях которого нанесены электроды, а внутренняя поверхность покрыта акустически изолирующим материалом. По внешней образующей статора закреплены упругие стальные пластины – толкатели 3, установленные под определенным углом к внутренней поверхности ротора и прижатые к нему с некоторым усилием.

Если внешний диаметр пьезоэлемента значительно больше его толщины и высоты, то при подаче переменного напряжения на торцевые электроды внешняя поверхность пьезоэлемента начинает совершать радиальные колебания. При положительной полуволне сигнала диаметр статора увеличивается и толкатели, увеличивая нажатие на ротор, поворачивают его на некоторый угол. Отрицательная полуволна сигнала вызывает уменьшение диаметра статора, и толкатели проскальзывают по внутренней стороне поворачивающегося ротора.

Рассмотренный пьезодвигатель является нереверсивным. Однако совмещение в одном корпусе двух таких комплектов с разворотом толкателей в противоположные стороны позволяет получить реверсивный двигатель. В таблице 6.1 приведены технические данные таких двигателей, выпущенных в виде опытной серии.

Таблица 6.1

Похожие статьи: