Canon's motortechnologie voor het scherpstellen van het objectief

Als je een foto bekijkt, zie je meteen of die scherp is of niet. Hoewel er een aantal buitengewone foto's zijn die in je gedachten blijven hangen ondanks dat ze onscherp zijn, is het doel en uitgangspunt van bijna alle soorten fotografie om het onderwerp scherp vast te leggen.

Helemaal in het begin van fotografie met autofocus (de eerste spiegelreflexcamera van Canon met AF was de T80 in 1985), zat de AF-aansturingsmotor vaak in de body van de camera of vast aan het objectief, en stuurde deze het objectief mechanisch aan. Met de introductie van de EF-objectiefvatting en de volledig elektronische connectoren in 1987, kon Canon de autofocusmotor verkleinen, zodat die in het objectief zelf paste. Hierdoor werd het mogelijk dat elke AF-motor geoptimaliseerd kon worden voor het objectief waar deze inzat, wat de autofocus sneller maakte.

Er was echter ook behoefte aan een krachtige AF-motor voor objectieven met een snel diafragma met grotere focusgroepen, die efficiënt werkte en snelle, soepele en stille autofocus mogelijk maakte. Dat resulteerde in het EF 300mm f/2.8L USM-objectief, met een ringvormige Ultra Sonic Motor (USM) die zowel snel als bijna geruisloos was. In 1990 maakten nieuwe technieken het mogelijk om de productiekosten ervan te verlagen, waardoor ringvormige USM-motoren in Canon-objectieven gebruikt konden worden tegen consumentenprijzen.

Twee jaar later, in 1992, leidden geautomatiseerde productielijnen tot de ontwikkeling van de Micro USM-motor voor gebruik in objectieven voor consumenten. Tien jaar later in 2002 verscheen de Micro USM II-motor, die maar half zo groot was als de originele Micro USM-motor.

Nog eens tien jaar later, in 2012, werd een nieuw type focusmotor geïntroduceerd, de STM, die zo wordt genoemd door het gebruik van stappenmotoren. Deze werd voornamelijk ontwikkeld met het oog op filmen, omdat er erg soepele en stille overgangen in het scherpstellen mee mogelijk zijn.

In 2016 introduceerde Canon het Nano USM-scherpstellen, waarbij de snelheid van ringvormige USM met de geruisloosheid en soepelheid van het scherpstellen met STM werd gecombineerd.

We zien dus vier soorten USM-motoren: het ringvormige type, het Micro-, Micro II, en het Nano-type. Zoals alle AF-motoren hebben ze als doel om een elektromagnetische kracht om te zetten in rotatiekracht om de elementen voor scherpstelling in het objectief aan te drijven. Wat anders is aan USM-motoren, is dat ze gebruikmaken van de energie van ultrasone trillingen die wordt omgezet in rotatiekracht.

De ringvormige USM-motor is de meest gebruikte AF-motor in de serie EF-objectieven van Canon. Om effectief te werken, moet een ringvormige USM-motor aan bepaalde eisen voldoen. Hij moet krachtig genoeg zijn om de objectiefgroep voor het scherpstellen snel en gemakkelijk met lage snelheid aan te drijven, zodat er geen aandrijfmechanisme nodig is om de snelheid te verlagen. Hij moet over een grote houdkracht beschikken, zodat wanneer de motor is uitgeschakeld, de betreffende objectiefgroep zonder verdere input op zijn plaats blijft. Hij moet makkelijk te produceren zijn, en snel kunnen starten en stoppen voor de beste scherpstelling. Hij moet daarnaast ook zo geruisloos mogelijk zijn tijdens gebruik.

Naast al deze eigenschappen zijn ringvormige motoren tevens zeer efficiënt en verbruiken ze weinig energie, waardoor de accu langer meegaat. Doordat de motor ringvormig is, is deze ideaal voor in de objectieftubus. De scherpstelsnelheid van deze motoren is zeer gecontroleerd, en ze zijn stabiel bij uiteenlopende temperaturen, van -30°C tot +60°C.

De ringvormige USM werkt tevens zeer eenvoudig. Hij bestaat uit een rotor en een stator – een elastische body met daaraan een piëzo-elektrisch keramisch spanningselement bevestigd. Door wisselstroom met een resonantiefrequentie van ca. 30 kHz op de stator te gebruiken, ontstaan er trillingen die ervoor zorgen dat de rotor continu draait. De frequentie van 30 kHz ligt in het ultrasone bereik, waaraan de USM-motor zijn naam ontleent.

Het piëzo-elektrische element genereert ultrasone golven die, een beetje zoals de oceaan een surfer voortstuwt, ervoor zorgen dat de rotor een rotatiekracht creëert die de objectiefgroep laat verplaatsen. Doordat de stroom wordt afgewisseld tussen twee verschillende fasen, verandert de richting van de ultrasone golven. Hierdoor kan de focusgroep in verschillende richtingen worden bewogen, waardoor je controle hebt over de richting, snelheid en mate van scherpstelling.

In tegenstelling tot de ringvormige USM, waarbij de stator en rotor verschillende onderdelen zijn, zijn de rotor, stator en het aandrijfmechanisme gecombineerd tot één eenheid in het Micro USM-ontwerp, waardoor deze maar de helft van een ringvormige USM-motor weegt. De krachtigere ringvormige USM is ontworpen om in de cirkelvormige objectieftubus te passen, waardoor hij ideaal is voor gebruik in professionele zoomobjectieven. De Micro USM-motor daarentegen past in allerlei soorten verschillende objectieven, ongeacht het formaat van de objectieftubus. Micromotoren zijn tevens goedkoper te produceren, waardoor ze geschikter zijn voor gebruik in objectieven voor consumenten waar kosten een rol spelen.

De Micro USM werkt in principe op dezelfde manier als de ringvormige USM, met ultrasone trillingen die door piëzo-elektrische elementen worden opgewekt. Er zijn vier piëzo-elektrische lagen, elk opgebouwd uit twee piëzo-elektrische elementen met wisselende fasen. Deze elementen staan in wisselende fasen met 90° haaks op elkaar. Door alleen op de A-fase wisselstroom te zetten, trilt de stator naar links en rechts. Als er stroom wordt gezet op de B-fase, draait de stator naar voren en achteren. Als er stroom wordt gezet op zowel de A-fase als de B-fase, wentelt de stator om één punt, dus bijvoorbeeld van links, naar achteren, naar rechts, naar voren, naar links, naar achteren, naar rechts, naar voren. De rotatiekracht wordt toegepast op het belangrijkste aandrijfmechanisme, dat op zijn beurt het scherpstelmechanisme aandrijft.

De Micro USM II-motor is in feite een verkleinde versie van de Micro USM-motor. Ze werken op een vergelijkbare manier, maar de lengte van de eenheid is een stuk ingekort, zodat deze gebruikt kan worden in ultracompacte zoomobjectieven. De motor kon worden verkleind door de rotor en stator zodanig aan te passen dat, in plaats van dat ze achter elkaar zitten, een deel van de stator in de rotor werd geplaatst. Hierdoor moest met oog op de trillingen een nieuw ontwerp worden gemaakt, zodat de resonantiefrequentie van de piëzo-elektrische elementen niet te hoog was (en trillingen niet sterk genoeg waren).

Het resultaat is dat de Micro USM II ongeveer half zo groot en half zo zwaar is als een Micro USM-motor, terwijl de prestaties vrijwel hetzelfde zijn. Dankzij het kleine formaat is de Micro USM II zeer geschikt voor gebruik in compacte zoomobjectieven. Het eerste objectief waarin de Micro USM II werd gebruikt, was de EF 28-105mm f/4-5.6 USM, die in 2000 op de markt kwam.

De motortechnologie voor scherpstelling die daarna werd ontwikkeld, was wat anders. De STM-objectieven, die in 2012 werden geïntroduceerd, zijn goed voor foto's, maar nog beter voor video's, omdat de stappenmotor (STM) soepel en stil scherpstelt.

Een stappenmotor maakt gebruik van gelijkstroom die door meerdere, in groepen georganiseerde spoelen loopt. Door de groepen in een bepaalde volgorde van stroom te voorzien, draait de motor één stap per keer. Met meer groepen, kun je ook preciezere stappen of bewegingen maken.

Wanneer een compact formaat het belangrijkste is, gebruikt Canon de STM-technologie met schroefwiel. Hier wordt gebruik gemaakt van spiraalvormige tandwielen om het scherpstellen aan te sturen zonder dat ze veel ruimte in beslag nemen. Bij grotere objectieven wordt het STM-systeem met draadspil gebruikt. Dit is weliswaar groter dan de STM-eenheden met schroefwiel, maar daarentegen sneller en stiller.

De nieuwste ontwikkeling, Nano USM-technologie, werd in 2016 geïntroduceerd in het vernieuwde EF-S 18-135mm f/3.5-5.6 IS USM-objectief. Het doel was om een motor te ontwikkelen met de snelheid die fotografen willen voor foto's, maar ook met de soepele, stabiele afstelling die nodig is voor video's.

Net als eerdere USM-motoren, gebruikt de Nano USM-motor ultrasone trillingen om beweging te creëren. Deze is in vergelijking echter zeer klein en levert nog steeds een toonaangevende scherpstelling.

Zoals de andere USM-eenheden heeft de Nano USM-motor een elastische metalen body, een keramisch spanningselement en een aandrijfmechanisme. Door stroom door de keramische elementen te sturen en de spanning te variëren, ontstaan er twee soorten trillingen, waarmee de motor heel precies de snelheid en richting van het aandrijfmechanisme kan regelen. De beweging is in dit geval lineair in plaats van roterend – de scherpstelelementen van het objectief worden aangedreven door een rek met geleidebalken om naar voren en naar achteren te bewegen. Hierdoor kun je soepel scherpstellen met een goede controle over de snelheid en gebeurt dat vrijwel geluidloos.

Het RF 70-200mm F2.8L IS USM-objectief werd uitgebracht in oktober 2019 en is het eerste objectief met Dual Nano USM-technologie. Het heeft twee Nano USM-motoren, die elk een andere objectiefgroep aansturen en samenwerken om sneller en efficiënter scherp te stellen.