Technology&Philosophy

技术与哲学

vol.4

幕后的主角--机械设计
(AF-S 尼克尔 24-70mm f/2.8E ED VR)

机械设计是什么

光学设计原田

上次主要谈了光学设计人员的想法。在将他们精心打造的光学设计形成实际产品时,需要组建起项目组。在这当中,其实机械设计人员发挥着巨大作用。

原田 壮基 (Hiroki Harada)

影像业务部 开发统括部 光学设计

从高中加入美术俱乐部时开始摄影。购买的第一部相机是1950年代的皮腔照相机。从冲印出的照片中感受到的立体感,从此成为了他对镜头的评价标准。在大学攻读物理时,整整6年不去上课,总在摄影部的暗室中闭门不出。进入尼康后从事了3年步进曝光机的技术开发工作。此后,按本人的请求被调动到光学设计部门。一开始担任的工作是AF-S 24-70mm f/2.8G ED镜头。又通过AF-S 24mm f/1.4G ED、AF-S DX 55-300mm f/4.5-5.6 G ED VR、AF-S 35mm f/1.8G ED以及取景器方面的工作积累了经验,并倾力于这次的AF-S 24-70mm f/2.8E ED VR镜头开发工作。在个人生活中主要使用60~90年的大口径镜头。

开发主管藤原

做好光学设计方案后,就要由机械设计团队决定形成产品时的主要条件。可以说,将企划部门想法付诸于现实的,正是机械设计。我们统括了机械、光学、电气等整体开发工作,并涉及生产技术。思考怎样为产品赋予附加值的,也是机械设计。我们的工作不仅是追求自动对焦速度和牢固性等功能,还包括追求易握持、易操作等体验性的要素。但是,要将这些要素全部放进产品的话,就会碰到如何实现小型、轻量化这一大课题。

藤原 诚 (Makoto Fujiwara)

影像业务部 开发统括部 开发主管

自小爱好汽车,在学生时代埋头于汽车竞技和维修。原打算就职于汽车行业,因对研究活动中的精密加工产生了兴趣而改志愿为精密仪器设计,就职于尼康。此后负责可更换镜头的机械设计。其实,在刚进公司时,对自己被分配到可更换镜头的机械设计部门曾感到不满,现在却对在数码盛行的时代仍保留浓厚模拟色彩的这项工作感到无比的魅力和骄傲。曾经担任AF-S 尼克尔 24-70mm f/2.8G ED、1 尼克尔 VR 10-30mm f/3.5-5.6等镜头的开发工作。平常散步时爱携带相机,主要拍摄动、植物和自己的孩子。

AF-S 尼克尔 24-70mm f/2.8E ED VR 是这样诞生的

光学设计原田

之前的24-70mm f/2.8G是由我负责光学设计,机械方面的副手则是藤原先生。实际上当时我们也研究过导入手震补正VR。但是当时的技术会导致尺寸过大,因而放弃。在这层意义上,此次是约时隔10年的再次挑战。在组建项目组之前,我和藤原先生就已经开始研究设计的问题。

开发主管藤原

其实刚进公司时,我曾听说镜头设计部门有许多“怪人”,因此一开始分配到这个部门时曾担心自己能否胜任。通过之前从事24-70mm f/2.8G相关工作,我了解到机械设计的有趣之处和精深奥妙,开始希望更进一步探求。
此前的24-70mm f/2.8G,在设计之初其实尺寸更大型化。但在设计过程中我们发现,如果将某个零部件缩小0.1mm,令内部结构完全发生变化,就能令外径缩小约10mm。当时,我们深入研究了人在握持物品时感觉舒适的大小及粗细度。
根据当时的经验,我们在开始这次设计时,重点放在了人手握持的易握持性和易操作性。粗细是一大重点,因此在理念上,我们决定,先确定操作环的直径。

机械主设计堀越

根据尺寸,由此开始着手机械设计的做法基本没有先例,因此难度大增。但在负责人的坚持与追求下,我也下决心一定要令项目成功!

堀越 诚 (Makoto Horiloshi)

影像业务部 开发统括部 机械主设计

从小爱好富有机械感的东西,是一个总是在对机械结构进行观察和素描的男孩。大学时代攻读机械专业。对实验中使用的大量金属试样每天都进行拍摄和冲印,常在暗室中闭门不出,并由此对照片开始产生了兴趣。从事制造业之后,于2008年转职到尼康,被分配到现属的可更换镜头设计部门,主要从事远摄、远摄镜头方面的机械设计工作。休假日爱和家人一起观看日本职业足球联赛川崎队的比赛,还喜欢观察职业摄影师在球场边使用的镜头的品牌或机型。

开发主管藤原

我们追求的是人手握持时的感受和操作感,为此制作了多种模型,将确定理想尺寸优先于内部结构设计,这种尝试启动了整项设计工作。

挑战

光学设计原田

这次,为了在增加减震功能的同时进一步改善光学性能,我们采用了不同的光学设计。在选择变焦类型时,起初我们探讨了其他公司也采用的、适合从标准到远摄变焦镜头的“凸透镜在先型”变焦类型。虽然这种类型能缩短镜头总长度,但会使镜头变得太粗。因此,我们探讨了从光学常识来看是“无用功”的凹透镜在先型变焦类型。然而,尝试的结果却出乎我的意料,看似行得通。于是我便抱着聊胜于无的心情去找藤原商量,问他在机械方面是否可行。

开发主管藤原

我脑子里已有了一个主意,那就是将另一款不同光学类型产品的机械结构应用到这款镜头中,于是就回答说,“没问题,能行。”谁想到就是这句话,将开发工作引向的变焦类型的设计。在实际工作中,我们遇到了从未经历过的困难。总之5个机械设计成员全力出战,每天都提出各自的想法与提议。

机械主设计堀越

以前的24-70mm f/2.8G镜头本身就较细,再要加入减震结构的话,就要考虑更多空间的问题。所以我们围绕着约0.1mm的空间和光学设计人员每天都交换了意见。之后发现,如果使用已有的用于自动对焦的宁静波动马达(SWM),那么在机械方面就怎么也行不通。于是我提出,需要一个体积小,但功率却更大的宁静波动马达(SWM)的要求。

马达开发武藤

宁静波动马达(SWM)将大约1μm的行波转换成转动能来驱动对焦光学系统。虽然这需要精度较高的零部件加工技术,但能实现宁静的自动对焦操作。不仅要将宁静波动马达(SWM)硬挤进比以往更狭小的空间,还需要更大的功率,这可真是个很困难的课题。我们还是成功地在保持零部件强度的同时将尺寸减小了几毫米,还将功率提高了约50%。用拳击作比方,就好像是在增强体力的同时,使体重下降了3个级别。

武藤 梓 (Azusa Muto)

影像业务部 开发统括部 马达开发

1981年出生于秋田县。高中时参加了摄影俱乐部。在大学攻读电气工程专业,专攻超声波探伤技术。凭着对在研究中用到的精密技术的兴趣和高中时代课外俱乐部活动的经验,进入尼康。此后从事超声波马达的开发和设计工作。在经历了杆式小型超声波马达、大口径环形超声波马达等的开发工作后,负责本镜头中装载的马达开发工作。热爱运动和音乐,喜欢和“怪僻”的同事们一起跑步、组乐队和参加音乐节。

机械主设计堀越

成功完成这个宁静波动马达(SWM)可谓是本次产品化的关键。既然SWM如预期般完成,那么为了能彻底地利用其在尺寸和性能上的优势,我们就在机械结构上也下了一番功夫。已有的24-70mm f/2.8G镜头在自动对焦的速度方面受到了大家的好评。这次,我们在控制方面也作了调整。结果,实现了在自动对焦不仅精确度仍保持在高水平,而且速度提高到以往的大约1.5倍。

马达开发武藤

SWM由少数的零部件组成。因此,为了提高其性能,必须将每个零部件都优化。我们对各零部件重复过100多种组合的模拟。结果,凭借技术人员的直觉从中找到了合适的形状。

机械主设计堀越

此后的设计就如同是三维拼图。必须先放入的是对焦和变焦的结构件、宁静波动马达(SWM)、减震和光圈结构件。先对这些结构件进行三维布置,然后再根据零部件的组成、材料、加工和装配程序,通过3D-CAD反复循环地尝试。我已经对重复循环作业相当习惯了(笑)。
我也和减震、光圈结构件的机械设计师进行了合作。结果,产品的减震效果达到标准变焦镜头的高水准,而且曝光精度也相当高。

镜头设计是团队协作

开发主管藤原

在这次产品开发过程中,我尤其注重了与团队成员的相互沟通。统管包括光学设计和生产技术在内的开发全局也是机械设计的乐趣所在。全体成员每天都在轻松、畅所欲言的气氛中愉快地相互提出正面的意见。几乎天天都要讨论到很晚。

机械主设计堀越

这次的开发工作推翻重来过多达6次。我们曾攀登到几乎已能看到山顶的高度,却为了进一步提高光学性能而突然改变途径。正是因为这样改变途径,才使产品在机械方面也变得更为精简。

光学设计原田

多亏了开发过程中多次的磨练,使得这次的产品成为我负责过的镜头中透镜排列样式较美的一款镜头。一款好镜头,其截面图就能给人带来美感。这款镜头尤其是从前数第4到第12片透镜,排列得相当漂亮。

开发主管藤原

在开发过程中,我们曾几乎要放弃过以一开始定下的构想实现产品化,但大家还是坚持寻找途径并一个劲地向前迈进。当我遇到这样的困难时,经常会冒出些点子来。总之,大家都有自己的一套想出点子的方法。在公司以外的时间里我们也经常会去思考。从这个角度来说,我们的工作中也存在着一些创新的要素。

马达开发武藤

其实,宁静波动马达早在设计产品之前就已经开始开发了。这次,因为在半途经历了大幅度的转轨,所以不得不再次开发。我们的目标是在增强功率的基础上还要实现小型化。为了设法达到这个目标,我想尽了办法来摸索更为合适的形状。在进行加工时,为了在后阶段切合零部件的高精度的要求,我多次到工厂和那里的人员磋商。

机械主设计堀越

当设计有了头绪,我便和工厂联系实施量产事宜。对我负责的结构方面的问题和工厂进行了彻底地沟通,将那些“不可能解决”的难题逐一解决了。

开发主管藤原

我认为,能从中寻找乐趣并和团队成员共同努力才是成功的秘诀。

光学设计原田

守旧就开发不出优秀的镜头。在开始这次开发时,我们定下了“所有项目都要达到致高级别”的目标。就这样,在开发过程中,团队成员自主地将性能目标不断地提高了(笑)。所以我们才能攀登到目前可能性的高点。

开发主管藤原

确实如此。这款镜头在所有方面都需要从零开始考虑。我们成功的原因很大一方面在于我们的团队,以及团队成员都从工作中享受到了乐趣。

机械主设计堀越

这款镜头是全体团队成员坚持不断追求可能性所带来的结果,也是由这个团队拥有的直觉产生的佳作。只要你拿在手上便能感受到镜头里不仅装满着零部件,更充满着我们开发人员的热情。

开发主管藤原

现代的镜头汇集团队的力量而成。团队成员都向着同一目标奋斗、进取,这种感觉就很具有尼克尔特性。