現代のカメラレンズ修理の複雑な内部（2024年）
(salvagedcircuitry.com)- 電子制御がまったく応答しなかった Sigma 45mm f/2.8 L-mount レンズは、制御PCBの入力電源ラインにある 0603 SMTヒューズ を交換した後、正常動作に復旧
- 初期症状は、Lumix S5 に装着するとライブ画像は表示されるものの、レンズのダイヤル・スイッチとカメラの制御ダイヤルがすべて動作しない 電気的故障
- 診断手順は、レンズ接点ブロックの10端子フレックスケーブルの導通確認、入力電源の追跡、DC-DCコンバータ と隣接ヒューズの点検
- 故障したヒューズは DC-DCコンバータ入力を保護した状態で、具体的な故障箇所は見つからなかったが、TIデータシートの 過電流条件 が追加分析の手がかりになった
- 修理全体は1時間未満のレンズ完全分解とヒューズ交換で完了し、小さな 電源保護部品 1つで正常なレンズ全体が停止しうる事例
背景
- 動作するレンズの購入を避け、概ね中古販売価格の1/4未満で、機械的損傷がほとんどない、または皆無のレンズにのみ入札する個人的な購入基準
- 最近生産された Sigma I-series レンズの主にアルミニウム製の構造に関心があり、1月に eBay で故障した 45mm f/2.8 レンズが安価に出品された
- 販売者は故障した現代のカメラ機材の在庫を頻繁に持っており、ときには機材を分解して部品として販売することもあった
到着
- レンズは丁寧に梱包されて届き、初期検査では鏡筒と前後のレンズエレメントに傷のない状態だった
- 外部レンズエレメントの検査は、オイルを含まない圧縮空気でほこりを除去した後、Kimwipe とレンズ洗浄液で前後エレメントを清掃する方法
- 外部レンズの大半には薬局のメガネ用クリーナーでも十分で、イソプロピルアルコールも代替になる
- プラスチックレンズにはイソプロピルアルコールを使用しないこと
- Lumix S5 に装着する際、過度な力が必要に感じるほど固かったが、装着後はカメラが正常に起動し、ライブ画像を表示した
- レンズのダイヤルとスイッチはユーザー入力に反応せず、カメラ制御ダイヤルの操作も登録されなかったため、電気的故障と判断
- 制御PCBは通常レンズ後部のリアレンズ接点ブロック近くにあり、非常に固いレンズマウントも合わせて確認できる構造
ツール
- この修理の参入障壁は低く、ほとんどの工具は標準的で汎用的な機材
- レンズ以外で最大のコストはろ過空気だが、圧縮空気ダスターでも使用可能
- カメラ業界の設計人材が日本に集中しているため JIS ねじが標準的で、Phillips ドライバーでも作業できるが、JIS ねじ頭をより早く摩耗させる傾向がある
- 使用工具は Kimwipes／糸くずの出ないレンズワイプ、スプレー式イソプロピルアルコール、メガネクリーナー、マイクロファイバークロス、ニトリル手袋、高性能ろ過作業場エア／オイルレスコンプレッサー、テープ、Sharpie、スカルペル、プラスチック製スパッジャー、拡大鏡／光学機器、JIS x 2.5mm または Philips #00 ドライバー、JIS x 3.0mm または Philips #0 ドライバー
分解
- 分解時は絞り表示が作業者とテーブル前縁を向くようにレンズの向きを設定
- まず後玉周辺のプラスチック製装飾スペーサーを取り外し、黒い機械ねじ3本を外す
- プラスチック製レンズブロック端子インターフェース側面を金属製レンズマウントに固定しているニッケルメッキねじ2本を外す
- ねじはレンズの向きに合わせた配置で両面テープの上に保管し、後の再組み立てを容易にする方法
- レンズマウントのバヨネットとシムは向きと順序が重要なため、別のテープに保管
- カメラボディへの装着に問題があったため、シム、バヨネットマウント裏面、レンズボディの欠陥や表面汚染を点検し、イソプロピルアルコールですべての表面を清掃
- レンズ接点ブロックのフレックスケーブルは取り扱い時に特に注意が必要
- L-mount 接点ブロックは10個の端子を持ち、柔軟なポリイミドケーブルを介して制御PCBと接続
- このフレックスケーブルは裂けやすい傾向がある
- 分解を続ける前にマルチメーターで各トレースの導通確認が必要
- 目視できる裂けがある場合は、問題診断の前にそのフレックスケーブル修理を優先
- このレンズのフレックスケーブルは導通測定で異常なし
- 後部の CNC 加工アルミニウムシェルが次の分解対象
- 接地ストラップ2本がニッケルメッキ機械ねじで後部シェルに固定されている
- ストラップ位置はおおよそ2時方向と7時方向
- 11時方向の押し込み式スイッチのフレックスコネクタはピンセットで揺らして外せる
- 黒色酸化処理セルフタッピングねじ4本がシェルと中央プラスチック製レンズモジュールを結合
- 制御PCBはフレックスケーブルを外した後、レンズボディから取り出して詳細点検が可能
- PCB固定ねじはそれぞれ2時、7時、10時方向の黒いセルフタッピングねじ3本
PCB分析
- C字型PCBは他のレンズ制御PCBと同様に、メインマイクロコントローラ、DC-DCコントローラ、モータコントローラ、クリスタルオシレータ、多数の受動部品で構成
- 反対面には FPC（Flexible Printed Circuit）コネクタ、テストポイント、メインマイクロコントローラ直下の8ピン SPI flash パッケージが配置
- 不明なPCB故障の点検は入力電源ラインの追跡から始める方式
- ボードがどこから電源を受けるべきか確認
- V+ と Gnd トレースがPCB上で最初に始まる位置を確認
- ボードで最初に電源を受ける部品を確認
- PCBレイヤーとジャンプしたトレースが複雑な場合があるため、簡単な電源フローのメモが有用
- レンズ端子ブロックから入力電源を追うと、太いフレックスPCBトレースが V+ と Gnd と見られる部分
- このPCBでは入力電源の追跡が難しい構造
- フレックスケーブルの大きなトレースが FPC コネクタの下に隠れている
- via を通ってPCB反対面へ抜けている
- 電源トレースは小さな正方形の黒いチップである DC-DCコンバータへ接続
- DC-DCコントローラの手がかりは、隣接する大きく厚い黄褐色・ベージュ色・黒色のブロック部品
- 表示された「2R2」部品は 2.2µH の インダクタ
- インダクタを電源コントローラ近くに置く配置は、放射エミッションとノイズを減らすための半導体メーカーの一般的推奨
- Sigma レンズPCBには「PA71 TI 18i」と表示された 16-VQFN パッケージの TI TPS62140RGTR Buck コンバータが使用されている
- レイアウトは TI データシート推奨配置と非常によく似ており、C1 は Vin と Gnd を接続する DC-DCコンバータの主入力フィルタコンデンサとして機能
- 入力電圧レール上で C1 の隣にある「N」表記パッケージは、DC-DC を損傷から保護するヒューズ
- マルチメーター点検でそのヒューズはオープン状態だった
- ヒューズが DC-DCコンバータを破壊から保護していた状態
- 「N」表記ヒューズを検索しても有意な結果は多くなかったが、AliExpress では 2A 定格 SMT ヒューズ案が表示された
- TPS62140RGTR データシートには 2A 出力電流が記載されており、Panasonic Semi SMT ヒューズの経験をもとに、2A 32V 速断ヒューズ ERB-RE2R00V を選択
- Lumix GH3、GH4、GH5 カメラでは 32V 2.5A と 1.5A ヒューズが混在して使われている
- カメラ電子回路では、任意の1文字表記がある2端子抵抗形状パッケージは SMT ヒューズである場合が多く、ときにはホタテ貝状の端子を持つ
- 故障ヒューズのサイズは 0603 で、比較的安価で精度の低い装備でも修理可能
- 0402 や 0201 ヒューズも存在する
- レイアウトはヒューズ横に修理工具がアクセスできる空間を残した構造
- Lumix GH3/GH4 メインボードのバッテリー入力ヒューズは、SDカードスロットと突出したバッテリーコネクタの間に挟まれている例
- SMT ピンセットを使えばヒューズ交換は容易で、暫定的にははんだごて2本でも対応可能
- 修理手順は、故障ヒューズの取り外し、パッド清掃、新しいヒューズの位置合わせ、ヒューズ固定後に端子ごとにはんだ付けする順序
ヒューズ調査
- ヒューズがなぜ故障したのかという具体的な故障箇所は見つかっていない状態
- 原因候補として検討された使用条件は、AFC（連続オートフォーカス）モードでレンズを付けたまま、カメラが数時間または数日間フォーカスを探し続ける状況
- TI データシートの動作条件は故障箇所分析の手がかり
- 出力電流は電流制限で制限される
- 内部伝搬遅延のため、実際の電流はその時間だけ静的電流制限を超える可能性がある
- ILIMF は High-side MOSFET 順方向電流制限
- テスト条件は VIN=12V、TA=25°C で、最小 2.45A、標準 3A、最大 3.5A
- 過電流状況では、内部伝搬遅延により実際の消費電流が非常に短時間だけ静的電流制限を超えることがある
- レンズ制御PCB設計者が推定どおり 2A 速断 SMT ヒューズを実装していたなら、DC-DCコントローラは 2A ヒューズ仕様の外側で動作していた可能性があるという分析段階の推測
修理結果
- ヒューズ交換後、レンズは正常動作
- AFC 性能は非常に高速というほどではないが、修理結果の確認には十分な状態
- マニュアルフォーカスダイヤルはよく機能し、使いやすいレベルのダンピングを備える
- 絞りリングの感触は Lumix LX100 に近い印象で、非常に優秀という評価
追加トラブルシューティング
- ヒューズに導通があった場合、次の点検対象は DC-DC 出力電圧
- 出力電圧が動作仕様内にあるか確認が必要
- メインマイクロコントローラの電源要求より低いか高いか確認が必要
- このPCBのメインマイクロコントローラは「341Fy 551486」と表示されているが、実際の部品は Toshiba TMPM341FYXBG
- 32bit Arm M3 マイクロコントローラ
- 多くの機能、I/O 周辺機器サポート、モータ制御通信プロトコルを備える
- 制御PCBの主通信ハブとして機能
- 専用マイクロコントローラは回路内の他のマイクロコントローラや周辺機器と通信するため、正確なクロック信号が必要
- PCB上で専用クリスタルオシレータを見つければ、その近くにマイクロコントローラがある可能性が高い
- 伝統的な水晶クリスタルオシレータは動作周波数が多様で、銀色の金属パッケージに封止されている
- 表面実装またはスルーホールパッケージで一般的に存在
- MEMS クリスタルオシレータもあり得るが、やや高価でそれほど一般的ではない
- MEMS オシレータは通常、非常に小さな正方形の反射型チップスケールまたはフリップチップパッケージ
- 一部のマイクロコントローラはオンチップオシレータを備えるが、外部クリスタルほど一貫していないため外部クリスタルが好まれる
- TMPM341FYXBG の入力電源確認が次の段階
- DC-DCコントローラ出力レールと TMPM341FYXBG 電源入力の間の部品故障は、メインマイクロコントローラ誤動作の原因
- TMPM341FYXBG は 0.5mm ピッチ、6×6mm、113ボール P-TFBGA113 BGA パッケージのため、Vin と Gnd の直接プロービングは容易でない
- Arm M3 ベース部品なので 3.3V 部品として扱う
- Toshiba データシートの動作電圧範囲は 2.7〜3.6V
- マイクロコントローラ入力電源がこの範囲を外れているか、その近くで Vin-Gnd 間ショートがあれば危険信号
- リアルタイム電圧プロービングの簡単な方法は、レンズ接点フレックスを制御PCBに差し戻し、カメラボディと接触させるためのダミーレンズ治具を 3D プリントする方法
- Sigma はほぼすべてのカメラボディとアクセサリの STEP ファイルを GrabCAD モデル として無料公開している
- レンズ制御PCBを所定位置に置いたままカメラへ装着し、TMPM341FYXBG 近くの広いトレースから 3.3V をプロービング可能
- マイクロコントローラが仕様内の電源を受けているなら、レンズPCB故障診断のため追加トラブルシューティングが必要
- メインマイクロコントローラ近くの円形テストパッドは、組み立て前に bed-of-nails 治具でプログラミングとテストが行われたことを示す手がかり
- テストパッドにはラベルがなく、正しいパッドを見つけるには試行錯誤が必要
- マイクロコントローラ近傍テストポイントのプロービングにはロジックアナライザが必要
- テストピンで UART を見つけられれば、ブートビット列の解読でマイクロコントローラが正常起動しているか確認できる
- 「GD V4CE 2030」と表示された 8ピン SPI flash パッケージも追加分析対象
- 正確なデータシートはないが、「GD」はメモリパッケージメーカー GigaDevice の識別接頭辞
- 8ピンパッケージは小型外部フラッシュパッケージで一般的な形態
- そのパッケージは 3×2mm の XY フットプリントで、GigaDevice データシートの USON8 LGA8 パッケージに非常に近い形状
- フラッシュパッケージ故障が疑われる場合は、チップをデソルダして内容を読み出すか、別のフラッシュパッケージへ複製可能
- フラッシュパッケージ分析はこの修理の範囲を超える作業
- メインマイクロコントローラが正しく動作しているなら、レンズ制御PCB装着時にカメラLCDへ絞りや焦点距離のような入力値が表示される可能性がある
- 値が誤っている場合はあっても、レンズコントローラマイクロコントローラ由来の何らかの値はカメラ表示に出るはず
- 次の点検対象は「U24020 202184」パッケージである Rohm BU24020GU モータコントローラ
- この部品は SPI 周辺機器として構成される
- SPI は同期式通信であり、マスターコントローラとスレーブ機器の間にクロック信号が必要
- BU24020GU 周辺には受動部品が多く、未実装の4ピンパッケージも存在
- Rohm データシートによれば BU24020GU も 3.3V 部品なので、電圧確認が必要
- 入力電圧範囲 2.7〜3.6V を受けられなければチップは正常動作しない
- この部品も BGA のためプロービングが難しい
- 電源トレースは信号トレースより太いという慣例を利用して周辺の電源経路を追跡できる
- U24020 チップ周辺には、接地に結ばれたコンデンサ2個ずつの3配列パターンが存在
- 2つのコンデンサはデカップリングコンデンサ
- 大きいコンデンサは通常 0.1µF〜1µF 範囲
- 小さいコンデンサはナノファラド範囲
- 異なる周波数のノイズを減らすための一般的な配置
- データシートでは BU24020GU を 4チャネルモータコントローラと記載しており、コンデンサ配列はすべてのチャネル電源がPCBに配置されていることを示す
- 電源対の間を測定すれば、必要な電源状態を確認可能
- データシート基準で Vin は DVDD、MVCC12、MVCC34
- Gnd は DVSS、MGND12、MGND34
- モータコントローラが 3.3V を受けているのにフォーカスプル動作でレンズのフォーカスモータが動かなければ、レンズのフォーカスフレックスケーブルの光学的点検が必要
- フレックスケーブルは曲げ半径が小さすぎる状態で圧縮されると、疲労蓄積で断線しやすい傾向
- ケーブルの動きに応じてフォーカス機構が一時的に再動作する場合があるが、これは偽陽性
- 次のフレックスの動きでレンズ通信が切れる可能性がある
その他のレンズPCB観察
- レンズPCBのマクロ写真には、ボード各所に小さな穴が多数存在
- この小さな穴はスルーホール via で、その多くが緑色の上層にあるグラウンドポリゴンへドリル加工された構造
- via は PCB のノイズが大きい部品のためのリターン経路として機能し、外層グラウンドポリゴンを内部グラウンド層に接続
- 特定部位に via の大きな群集ができる理由は via stitching によるもの
- via stitching はノイズの大きい部品が誘起するリターン電流に低インピーダンス経路を提供
- ノイズの大きい部品やPCB領域を囲めば、特定の最大周波数まで電磁波伝播を遮断可能
- このPCBの stitching via は特定トレースや部品を完全に囲んでいない
- Faraday cage や guard ring として動作する構造ではない
- 最終設計工程で放射 EMI を下げるのに役立つノイズリターン経路を提供
結論
- 修理は米国北東部で春最初の開花時期に合わせて約2か月前に完了
- 45mm レンズは庭周辺の撮影や他の電子プロジェクト記録に引き続き使用中
- 小さな 0603 部品1つで正常なレンズを停止させることができた事例
- レンズ全体の分解とヒューズ交換は1時間未満で完了
- 修理記録の作成には実際の修理より1桁以上長い時間を要した
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
TPS62140の30nsの伝搬遅延ではヒューズを飛ばすには不十分。ヒューズの第一原則は部品を生かすためではなく、火災を防ぐためのものだという点で、現代のエンジニアにもこれを知らない人が多い
速断ヒューズでさえ半導体に比べれば非常に遅い。トランジスタがヒューズを「保護」しようとして先に壊れるのを見たこともある。ヒューズは火災を防ぎ、バッテリーを傷めないようにするためのものにすぎない
標準的な回路は、ヒューズ、速いツェナークランプ、ときには小さな抵抗（例: 1Ω）やコンデンサを組み合わせて使う方式だ。抵抗で電流を制限し、ツェナーがヒューズより先に壊れないように設計する
0.5WのUSB機器なら最大電流は100mA程度で、1Ωでの電圧降下は100mVだからほとんど無視できる。高出力機器ではさらに複雑になる
消費者向け製品は修理して使うこともなく、こうした保護設計がセールスポイントにもならず、1セントでも節約しなければならないので、きちんと作る市場圧力がない。それでも昔はこうしていたし、今でも重要な場所ではこうしている。単品や少量生産なら必ず適切な保護を入れる
ただしそのやり方は半導体レベルまで下りてくると通用しない
しばらくカメラ界隈を見ていなかった人にとっては、最近のミラーレスレンズにはファームウェア更新用のUSB-Cポートが付いていることがある
たとえばTamronのレンズは、有線制御やワイヤレスドングルでアプリやPCと通信してレンズの動作を変えられ、物理ボタンやリングの機能も変更できる。ストップモーション風、タイムラプス、スタッキングのために設定を段階的に調整することも可能だ
レンズが単なる金属とガラスだった時代とは大きく隔たっている。欠点は明らかにあるが、実際には大きな進歩だと思う。写真家はそれぞれやることが違うので、機材を完全に調整できるのは大きな恩恵で、とくに速度と即応性が必要なときにはそうだ
もちろん今でも金属とガラス中心のレンズは多く、今後も新たに設計・生産されるだろうが、大きな流れではないと思う
ミラーレスがマニュアルフォーカスレンズの有用性を劇的によみがえらせ、あらゆる価格帯で光学品質の重要な進歩がマニュアルフォーカス側で多く起きている。レンズの個性が持つ価値も再び理解され始めている
これが中国メーカーがオートフォーカスレンズへ移行するための足がかりなのかは、時間が教えてくれるだろう。その要素は確かにあるが、Cosina-Voigtländerや、シネマ寄りのスチルブランド各社からも素晴らしい新しいレンズ設計が多く出ている
映画やテレビでは、カメラオペレーターが今でもたいてい手動でフォーカスを合わせ、レンズ外側に付いたギアを通じて操作することが多い
現代の写真機材に慣れているとマニュアルフォーカスは不便で習得も難しいが、シネレンズにはとても古風でありながら魅力的な感覚がある。操作感も良い
しかもこういうことはカメラ本体のほうがはるかに簡単に処理できそうだ。妙なストップモーションのラックフォーカスのようなことをするなら、なぜカメラとレンズを別々に動かすのか疑問だ。かなり面倒に見える
Samyang Lens Stationを見てそう思う。ユーザーは十分に不満を感じており、新しいレンズにはUSB-Cを入れ始めたようだ
分解したネジを両面テープの上に置くのは本当に良いアイデアだ。次に電子機器を分解するときに試してみたい
これまでは全部容器に入れておいて、再組み立てのときに元のサイズのネジを探すのに時間を使っていた
時計修理ではネジを磁化するのは好ましくなく、カメラでも似たようなものだと思う。磁力で部品同士が引き合うと、動きに対する抵抗が増える可能性がある
作業中の対象を段ボールに描いて、ネジをその位置に差してどこに入るか追跡する賢いやり方も見たことがある
取り出した位置とだいたい同じ配置で、上から下へ、層ごとに分解順に合わせて並べる
保証修理センターでノートPCを扱っていて身についた習慣だ。テープも一度試してみたい
投稿者はPHドライバーをJISネジに使ってもよいと言っているが、私の経験では毎回ネジ頭をなめてしまった
それでも作業自体は驚くほど見事だ
見て回るのが楽しいサイトだった。実験室機器、計測器、光学機器のような使い捨てではない機器を修理したりハックしたりするのが本当に好きだが、よく整理された記事がいくつもある
古いマニュアルレンズだけを直していて助かる。Nikon AI/AI-S時代のレンズはそこまで怖くない
最近、仕事の合間の空白期間にカメラレンズの設計と組み立ての仕事を少しやった。本当に興味深く、満足感があった
続けて残れるだけの給料を出す余裕がなかったのがとても残念だった