Ultraschallmotoren

Immer mehr Hersteller nutzen in ihren Objektiven Ultraschallmotoren zum Scharfstellen. Canon machte den Anfang, Nikon, Sigma und Minolta folgten. Pentax wird der nächste sein.

AufbauEin normaler Ultraschallmotor für Objektive besteht aus zwei Ringen, die das Objektiv umschließen: einem Stator, der mit Piezoelementen versehen ist und fest steht, sowie einem beweglichen Rotor. Zunächst regen die Piezoelemente den Stator zu Schwingungen im Ultraschallbereich an. Den an den Stator gepressten Rotor versetzen die Schwingungen dann in eine Drehbewegung, die auf die Objektivmechanik übertragen wird.

FunktionsweiseDie Piezoelemente befinden sich an der Unterseite des Stators, der aus einem elastischen Metall besteht; sie haben eine abwechselnde Polarität und verformen den Stator. Die 90° phasenverschobenen Wellen von zwei Gruppen von Piezoelementen überlagern sich zu einer Wanderwelle; der Stator beginnt im Ultraschallbereich mit ca. 30 kHz zu schwingen. Diese Frequenz liegt nahe bei der Resonanzfrequenz des Stators, bei der sich die Schwingungen im Stator aufschaukeln. Dies hat eine gute Energieübertragung und eine besonders große Amplitude der Schwingungen des Stators zur Folge.

Auf der Oberseite des Stators sitzen Zähne, die bei eingeschaltetem Motor eine elliptische Bewegung ausführen, die der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen entgegen läuft. Durch Reibung wird diese Bewegung der Zähne auf den Rotor übertragen.

VorteileNeben der simplen Konstruktion bieten Ultraschallmotoren weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektromotoren. Ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl ermöglicht es dem Motor, das Objektiv direkt, ohne Untersetzung, zu bewegen, während bei einem Elektromotor ein kleines Getriebe nötig wäre. Besonders positiv ist das schnelle Ansprechen des Motors und die damit verbundene präzise Steuerung. Der Motor lässt sich so nicht nur sehr genau starten, sondern auch stoppen und positionieren. Materialwahl und fehlendes Getriebe machen die Ultraschallmotoren vorbildlich leise. Die hohe Energieeffizienz dieses Motortyps ist darüber hinaus sicher nicht schädlich für die Akkulaufzeit, auch wenn die Unterschiede eher gering ausfallen.

MaterialienUm einen wirklich zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, mussten die Objektivbauer einige technische Hürden überwinden. So gilt es, Materialien mit entsprechender Flexibilität und Haltbarkeit auszuwählen. Damit die meist aus Aluminium gefertigten Rotoren nicht zu sehr unter den Schwingungen und der Reibung leiden, werden sie extra beschichtet oder als Sandwich mit Materialien aus hochfesten Legierungen zusammengesetzt. Die Form sollte darüber hinaus für eine optimale Übertragung der Energie und geringe Abnutzung optimiert sein. Ein anderes Problem ist der Temperatureinfluss und eine damit einhergehende Verformung der Ringe; daher sollte für den Stator ein Material verwendet werden, das sich bei Erwärmung ähnlich ausdehnt wie die Piezoelemente. Insgesamt funktioniert der Ultraschallmotor in einem Temperaturbereich von etwa -30 bis +60 °C.

Komplexe SteuerungAls größte Hürde entpuppt sich die Steuerung des gesamten Prozesses. Hierzu existieren unzählige Patentanmeldungen, die verschiedene Methoden beschreiben. Ein gern benutzter Vergleich, um die Schwierigkeit der Steuerung zu verdeutlichen, ist der eines Surfers, der versucht, sich auf einer Welle zu halten. Bei Ultraschallmotoren sind dabei allerdings nur die Wellen beeinflussbar, die durch den Stator laufen. Diese müssen den Rotor, auf den man keinen Einfluss hat, vorwärts treiben.

Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, den Stator nahe seiner Resonanzfrequenz zu betreiben; allerdings schwankt die Resonanzfrequenz aufgrund von veränderten Drehmomenten und äußeren Einflüssen wie der Temperatur. Dadurch kann der Motor instabil reagieren und seine Leistung verschlechtert sich stark, wenn die von den Piezoelementen ausgehende Erregerfrequenz zu weit unter die Resonanzfrequenz des Stators fällt.

Um eine optimale Ansteuerung zu gewährleisten, überwacht das System die Temperatur und speichert je nach Auslegung mögliche Resonanzzustände für bestimmte Temperaturen, um sie später abrufen zu können. Des weiteren werden Frequenz und Amplitude der Schwingung im Stator überwacht. Dazu kann zum Beispiel eines der Piezoelemente als Sensor betrieben werden, dessen Ausgangsspannung proportional zur Amplitude der Schwingung des Stators ist und die gleiche Frequenz wie die Schwingung aufweist. Um ein vollständiges Bild über den Zustand des Systems zu erhalten, wird die Drehzahl des Rotors überwacht und ebenfalls in die Steuerung mit einbezogen.

Mechanik zur FokussierungObjektive mit Ultraschall-Ringmotor erlauben es üblicherweise, jederzeit manuell zu fokussieren, ohne dass man wie bei vergleichbaren Objektiven mit klassischem Elektromotor zuerst einen Schalter umlegen oder das automatische Fokussieren beenden müsste. Dazu bedarf es einer Mechanik, die dafür sorgt, dass die Bewegung des Motors oder des manuellen Fokussierrings nur auf die Fokussierung wirkt, aber nicht den jeweils anderen Ring bewegt.

Die Objektivbauer realisieren dies über eine Rutschkupplung: Ein Ausgangsring, der die Linsenelemente des Objektivs zur Fokussierung bewegt, liegt zwischen den Ringen für die manuelle Fokussierung und einem mit dem Rotor des Ultraschallmotors verbundenen Ring. Zum manuellen Fokussieren dreht man am Fokussierring. Dieser liegt auf drei kleinen Rädern, die er in eine Rollbewegung versetzt, die wiederum den Ausgangsring bewegt. Der Ring-Rotor des Ultraschallmotors bleibt dabei unbewegt. Damit dies zuverlässig funktioniert, sollten die Ringe nicht völlig frei drehbar sein; beim Ring für die manuelle Fokussierung reicht bereits ein kleiner Widerstand, zum Beispiel durch Reibung, um ein Mitdrehen zu verhindern. Bei gestopptem Motor bleibt der Rotor durch einen ähnlichen Effekt wie bei Scheibenbremsen ebenfalls in seiner Position.

Alternativ kann das System auch elektronisch - mit Hilfe eines Impulszählers im manuellen Fokussierring - einen Eingriff des Benutzers feststellen und den Motor entsprechend der Benutzereingabe steuern. Diese Technik nutzt aktuell allerdings nur noch das Canon 1,2/85 mm II L.

Ringmotor versus MikromotorCanon verwendet neben dem klassischen Ringmotor auch Mikromotoren, die in der Konstruktion klassischen Elektromotoren ähneln. Allerdings werden anstelle von elektromagnetischen Kräften auch hier Ultraschallschwingungen von einem Stator mit Piezoelementen auf einen Rotor übertragen. Der Rotor liegt jedoch nicht wie ein Ring um das Objektiv, sondern als kompakte Motoreinheit neben den Linsen. Bei diesen Objektiven mit Mikromotor ist manuelles Fokussieren nur in Ausnahmefällen jederzeit möglich.

Im Moment bieten Canon, Nikon, Sigma und Sony (Minolta) Objektive mit entsprechenden Motoren an, wobei nur die ersten drei eine größere Anzahl an Objektiven mit Ultraschallmotoren im Programm haben. Pentax hat angekündigt, in naher Zukunft ebenfalls Objektive mit Ultraschallmotoren anzubieten. Dazu musste allerdings erstmal der Objektivanschluss, der bisher auf einer rein mechanischen Verbindung von Objektiv und Fokussiermotor basierte, überarbeitet werden. Die neue K10D ist bereits mit dem geänderten Bajonett für die Ultraschallobjektive ausgerüstet.