今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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超音波モータにリニアモータ~AF駆動方式で選ぶ、子供撮り一眼カメラ交換レンズ
【今日の夕食】
 今日は、妻と娘(3歳8ヶ月)と息子(0歳4か月)と、私の実家に遊びに行きました。娘は母に、息子は父に遊んでもらい、私はコスモス畑を撮影し、妻はおやつを食べ、楽しく過ごしました。昼食をたらふく頂いたので、夕食は残り物で対応しました。
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FUJIFILM X20;EFL80mm,F2.5,SS1/30,ISO250;EV+0.7
★米飯

★豚ソーキ(先日の残り)

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【今日のおじさん】超音波モータにリニアモータ~AF駆動方式で選ぶ、子供撮り一眼カメラ交換レンズ
 今日は、一眼カメラ用交換レンズの、オートフォーカス用モータの種類について書きます。

★AF速度はレンズによって異なる!
 一眼レフ(ミラーレス含む)を使って、子供(3歳8か月、0歳4か月)を撮っています。子供は予測できない動きをするので、AF(オートフォーカス、自動ピント合わせ)の速度が重要です。
 一眼カメラは、さまざまなレンズを交換して使えるのが特徴です。しかし困ったことに、レンズによって、AFの速度が異なります。この原因として重要なものが、フォーカス用レンズの駆動に用いている駆動装置(モータ、アクチュエータ)の違いです。ピント合わせは、フォーカス用レンズを移動させて行うので、この動作の速さ・スムーズさ(ムダのなさ)が、しばしばAF速度を決定づけるのです(ピント合わせの基本原理については、→こちらの記事)。AF速度を重視する場合には、レンズ選びの際に、駆動装置に注目することが重要そうです。
(なお、AF速度を重視したい場合は、駆動装置のほかにレンズ構成、例えばフォーカス用レンズの構成(全群繰り出し、前群繰り出し、インナーフォーカス、リアフォーカスなど)なども重要です。ですが、今回は駆動装置だけに注目しています。)


★AF方式と駆動装置
 現在、一眼カメラに用いられるピント合わせ(AF)の方式としては、「位相差AF」と「コントラスト方式」の2種類が主要になっているようです。そして、AF方式によって、どのような特性のフォーカス用レンズの駆動装置が好まれるかは異なると考えられます。

◎位相差AF
 従来型一眼レフ(ミラー付き)や、一部のミラーレス(撮像面位相差AF搭載機)で用いられています。位相差AFの詳細については、以前の記事(→こちら)に書いています。位相差AFでは、AF用センサを搭載しており、レンズから被写体までの距離を演算で算出できるので、レンズをピントの合う位置まで一発で移動させることができます。このため、高速で迷いのないピント合わせを実現しやすいようです。
 位相差AFでは、狙った位置までフォーカス用レンズを動かして止める、という動作になります(シングルAFの場合)。即座に動いて即座に止まるような動作ができるモータが適していると思われます。

◎コントラストAF
 ミラーレスのほとんどは、コントラストAFを使用してピント合わせをしているようです。撮像面位相差AF搭載機でも、最終的なピント合わせは、コントラストAFを利用する機種もあります。また、AF専用センサを搭載した一眼レフでも、ライブビュー撮影(液晶画面による撮影)では、コントラストAFが一般的です。
 コントラストAFでは、動作原理上、シングルAFでも、フォーカスレンズを揺り動かすような動作が必要です。すなわち、レンズを動かしてみないとピントが合う位置が分からないので、いったんピント位置を通り過ぎてから戻る、という試行錯誤的な動作をします。このため、狙い通りに往復動作が可能な、速度の制御性の良好なモータが好まれそうです。
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◎ミラーレス一眼の例
・コントラストAF
・リニアモータ駆動
◎一眼レフの例
・位相差AF
・超音波モータ駆動


★レンズ駆動モータのいろいろ
 カメラメーカー、レンズメーカーのカタログを参考に、ピント合わせのためのレンズ駆動に、どんなモータ、アクチュエータが用いられているかを調べました。結果を以下にまとめます。
 なお、「モーター」でなく「モータ」と書いているのは、私が機械メーカー勤務のためです。(業種によっては「モートル」と呼ぶ方もいるようです。)

<参照カタログ>
・キヤノン;EFレンズ/EOSアクセサリーカタログ 2014/5
・ニコン;ニッコールレンズ総合カタログ 2014/7
・リコー;PENTAX K-mount LENSES and ACCESSORIES 2014/5
・ソニー;αレンズ/アクセサリー 総合カタログ 2014/8
・タムロン;LENS CATALOGUE 2014/4
・シグマ;LENS CATALOGUE 2014/2
・パナソニック;ルミックスGシリーズ レンズカタログ 2013/6
・オリンパス;レンズ&アクセサリーカタログ 2014/4
・フジフイルム;X MOUNT LENSES 2014/2


◎いちばん普通の「DCモータ」
  DCモータは、フォーカス用レンズの駆動方式として、もっとも一般的なアクチュエータだと思われます。いわゆる「直流モータ」ですので、速度制御性はあまり良好でないと推察されます。また、駆動にはギアを介するので、駆動音が大きい、位置決め精度が劣る(バックラッシなどのため)、などの欠点があるようです。
 メーカーによってはDCモータについて記載がないこともありますが、アクチュエータ種類について何も書かれていないレンズは、おそらくDCモータ駆動である可能性が高いと思われます。

 下表に、各メーカーのカタログに記載された、「DCモータ」の呼称と特徴をまとめました。DCモータ以外の駆動方式の特徴を述べるときには、このDCモータの性能が基準になっているようです。
 なお、ニコン・リコー・ソニーの一眼レフでは、レンズでなく、ボディ内にモータを搭載していて、フォーカス用レンズを駆動するタイプのレンズがあります。これらについては、モータの種類は特に記載されていませんが、汎用性の高いDCモーターであると推定し、ここに記載しておきました。
  モータ呼称カタログ記載の特徴
キヤノンDC、DCモーター+ギヤ駆動(記載なし)
ニコン(ボディ内モーター)(記載なし)
リコーDC、直流モーター・静粛でスムーズなAF(ボディ内モータに比べて)
ボディ内モーター(記載なし)
ソニーSAM、スムーズAFモーター・スムーズで静かなAF駆動(ボディ内モータに比べて)
〃 (ボディ内モーター)(記載なし)


◎位相差AFと相性の良い「超音波モータ」
 超音波モータは、ステータの駆動子を振動させて、ロータを物理的に移動させる原理のモータです。回転タイプが主流ですが、リニア系のタイプも出現の気配があります(タムロンPZD駆動。1点をつついてロータを回転させているが、原理としてはリニアに近い)。
 超音波モータは、電磁力を利用した通常のモータと比べて、高トルクを発生しやすい利点があるようです。また、ステータとロータの摩擦によるブレーキ作用があるので、急停止が得意です。急発進・急停止ができるので、ポイントtoポイントのAF駆動ができればよい「位相差AF」との相性が良いと考えられます。
 超音波モータには、ピント合わせリングをダイレクトに駆動するもの(リングタイプ)と、ギアなどの運動伝達要素を介するもの(マイクロUSM)があります。高速・正確な駆動には、ダイレクトのものが有利だと思われます。ただ、キャノン以外では、どちらのタイプの超音波モータを使用しているか、カタログには明記していないようです。
 モータ呼称カタログ記載の特徴
キヤノンUSM;Ultrasonic Motor、超音波モーター
・リングUSM
・マイクロUSM
・高トルク・高レスポンス
・素早いピント合わせに対応
・作動音がほとんどしない
ニコンSWM;Silent Wave Motor、超音波モーター
・リングタイプSWM
・小型SWM
・静粛性
・スムーズなAF
・快適なAF
・スポーツ・野生動物の撮影に威力
リコーSDM、超音波モーターによるAF機構・静粛でスムーズなAF(ボディ内モーターに比べて)
・高精度な速度制御や位置制御が可能
ソニーSSM、超音波モーター、スーパーソニックウェーブモーター・低速で大きな回転力
・起動/停止のレスポンスが速い
・高速かつ静か
タムロンPZD;Piezo Drive、定在波型超音波モーター・DCモーターに比べ静音
・素早いピント合わせ
USD;Ultrasonic Silent Drive、超音波モーター・スピーディー
・静粛性に優れる
・動きの速い被写体の撮影に対応
シグマ超音波モーターHSM
・リングHSM
・マイクロHSM
・優れた静粛性
・高トルク・高レスポンスによるすばやいピント合わせ


◎動画が得意な「ステッピングモータ」
 ステッピングモータは、パルス指令によって、決められた位相だけ精密に回転駆動できるモータです。パルスの周波数(単位時間あたりのパルス数)を増せば高速駆動、減らせば低速駆動ができるので、速度制御が容易です。レンズ駆動用のステッピングモータでは、駆動軸と一体に「送りねじ(リードスクリュー、滑りねじ)」を形成して、ダイレクトにレンズを駆動できるようにした設計がとられることも多いようです。ギアを介するものと比べて、駆動精度や静粛性が優れるようです。
 ステッピングモータは、その原理上、オープンループでの制御(実際の位置情報をセンシングせず、指令値だけを与えて位置決めする制御方法)が可能です。しかし一眼カメラのレンズ駆動では、より正確な位置決めのために、エンコーダを用いてクローズドループとした構成がとられることもあるようです(例:パナソニック)。
 ステッピングモータは、位置・速度の制御性に優れるので、コントラストAFと相性が良いと考えられます。このため、もともとはミラーレス一眼用レンズへの搭載が多かったようです。しかし最近では、動画撮影時の駆動音低減や、ピント合わせのスムーズさの利点から、一眼レフ用レンズにも搭載が増えている傾向があるように見えます。
 モータ呼称カタログ記載の特徴
キヤノンステッピングモーター
STM
リードスクリュータイプ
・起動停止のレスポンス・制御性が高い
・シンプルなメカ構造で駆動音が静か
・動画撮影時など駆動音が気になる場面で活躍
・静粛性・スムーズさ
キヤノンステッピングモーター
STM
ギアタイプ
・起動停止のレスポンス・制御性が高い
・シンプルなメカ構造で駆動音が静か
・動画撮影時など駆動音が気になる場面で活躍
・小型化を追求
タムロンステッピングモーター・減速ギアを介さない
・静粛性に優れる
パナソニックステッピングモーター・中継ギアやカムを使わず直接レンズを動かす
・精細でロスがなく静か
フジフイルムステッピングモーター・リードスクリューでダイレクトに駆動
・静粛性に優れる
・シンプル構造でユニットの小型化を実現


◎応答性の高い「リニアモータ」
 ミラーレス用レンズの一部では、リニアモータが用いられています。リニアモータは揺り動かすような動作(揺動運動)が得意なので、コントラストAFとの相性が良いようです。また、駆動音の小ささから、動画撮影にも適しているとされます。
 リニアモーターで駆動する一眼用レンズでは、原理上、メカ式のフォーカスリングの設置が困難そうです。回転モータですと、手動ピント合わせのときのフォーカスリングをモータで回転させる構成にすれば、簡単に手回しのフォーカスリングを実現できます(AF中のリング回転を防ぐために、クラッチを介する場合もある)。しかしリニアモータでは、もともと回転部がありませんので、フォーカスリングを別個に設置する必要があります。構成によっては、フォーカスリングは完全に「電気的なダイヤル(スイッチ)」となりますので、触感などの点で、メカ式のフォーカスリングと比べて違和感を生じる場合もあります(例えば、どこまで回しても終わりなくグルグル回る、など)。
 モータ呼称カタログ記載の特徴
ソニーリニアモーター・静粛かつ高速
パナソニックリニアモーター・ステッピングモータよりも駆動音がさらに少ない
オリンパスリニアモーター・50mm/sの高速移動
・μm単位の正確な位置決め
・ギアを介さない
・静音性、高速性
フジフイルムLM、リニアモーター・静粛性・応答性に優れる


◎その他のモータ
 その他のモータです。構造についての詳しい説明は少なく、よく分かりませんでした。
 モータ呼称カタログ記載の特徴
キヤノンAFD;Arc-Form Drive、円弧型の変形ブラシレスモーター(記載なし)
MM、マイクロモーター(記載なし)
フジフイルムDCコアレスモーター・トルクが大きく起動性能に優れる
・高い応答性


★まとめ:駆動方式を見てレンズを選ぼう!
 調査の結果を以下にまとめます。子供撮りでは、AF速度が重要です。レンズ選びでは、ぜひとも駆動方式(アクチュエータ種類)を参照するべきだと思います。
モータ形式特徴
DCモータもっとも一般的なモータ。
超音波モータ高速、静音。一眼レフ用で用いられる。ストップ&ゴーが得意。
ステッピングモータ静音、スムーズ。ミラーレスで採用多い。動画撮影でメリット多い。
リニアモータ静音、スムーズ。ミラーレスで採用あり。動画撮影でメリット多い。


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