CN106170056B - 移位检测装置、镜头镜筒和图像拾取装置 - Google Patents

移位检测装置、镜头镜筒和图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移位检测装置、镜头镜筒和图像拾取装置。该移位检测装置包括：具有基准电极段和多个检测电极段的第一电极，具有多个被周期性布置的电极段且可相对于第一电极移位的第二电极，和被配置为基于第一电极与第二电极之间的电容来检测第二电极相对于第一电极的移位的检测器。基准电极段与第二电极中的电极段之间的重叠区域的面积是恒定的。

Description

移位检测装置、镜头镜筒和图像拾取装置
技术领域
本发明涉及用于诸如摄像机和数字静物照相机的光学装置的镜头镜筒。
背景技术
具有所谓的手动聚焦(“MF”)功能的传统镜头镜筒使用电气手段检测操作环的旋转，并且根据旋转电驱动聚焦镜头。
日本专利公开No.2012-255899公开了被配置为基于从一对光中断器(photo-interrupter)获得的检测信号来检测旋转操作单元的旋转量和旋转方向的镜头镜筒，所述一对光中断器检测通过在旋转操作单元的圆周方向上以规则间隔设置的多个狭缝(缺口)的光。在JP2012-255899中公开的镜头镜筒根据包含例如旋转方向和旋转量的旋转操作单元的旋转信息通过步进马达旋转螺杆，并且通过跟随与螺杆接合的螺母的移动实现手动聚焦模式(MF功能)。
在JP 2012-255899中公开的镜头镜筒使用具有所述一对光中断器的非接触型结构来检测旋转操作单元的旋转以用于MF功能。光中断器消耗相当大量的电流。另外，当所述一对光中断器的输出均不改变时，旋转操作单元的旋转不能被检测，因此，难以提高旋转检测分辨率。
发明内容
本发明提供具有低功耗和高分辨率的移位检测装置、镜头镜筒和图像拾取装置。
根据本发明的一个方面的移位检测装置包括：具有基准电极段和多个检测电极段的第一电极；具有多个被周期性布置的电极段且可相对于第一电极移位的第二电极；和被配置为基于基准电极段与第二电极中的电极段之间的电容以及各检测电极段与第二电极中的电极段之间的电容、检测第二电极相对于第一电极的移位的检测器。基准电极段与第二电极中的电极段之间的重叠区域的面积是恒定的。
根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是根据各实施例的图像拾取装置的框图。
图2A和图2B是根据第一实施例的可更换镜头的结构示图。
图3A和图3B是根据第一实施例的可移动电极与固定电极的分解透视图。
图4A～4D是根据第一实施例的可移动电极和固定电极的详细示图。
图5是示出根据第一实施例的可移动电极与固定电极之间的关系的示图。
图6是根据第一实施例的可移动电极和固定电极的等价电路图和信号框图。
图7A～7C是示出根据第一实施例的基于在固定电极与可移动电极之间形成的电容的信号的示图。
图8A～8C是示出根据第一实施例的基于在固定电极与可移动电极之间形成的电容的移位信号的示图。
图9是根据第二实施例的固定电极和可移动电极的等价电路图。
图10A～10D是根据第三实施例的可更换镜头的结构图。
具体实施方式
现在参照附图将给出本发明的实施例的详细描述。
第一实施例
现在参照图1，将给出第一实施例的图像拾取装置(图像拾取装置体或单镜头反射照相机)和可以相对于图像拾取装置体附接和拆卸的镜头镜筒(可更换镜头)的结构的描述。图1示出根据该实施例的图像拾取装置100的框图。在图1中，框之间的实线代表电连接，虚线代表机械连接。
图像拾取装置100包括照相机2(图像拾取装置体)和可以相对于照相机2附接和拆卸的可更换镜头1(镜头镜筒)。附图标记201表示照相机微计算机(控制器)，附图标记202表示触点。照相机微计算机201如后面描述的那样控制照相机2中的各部件，并且在可更换镜头1被附接时经由触点202与可更换镜头1通信。
附图标记203表示二级行程(stroke)型释放开关。从释放开关203输出的信号被输入到照相机微计算机201中。照相机微计算机201在接通第一级按压开关(SW1)时通过确定未示出的测光单元的曝光量以及通过执行以下的AF操作、基于从释放开关203输入的信号准备好进行图像拾取。当在释放开关203中接通第二级按压开关(SW2)时，照相机微计算机201向图像拾取单元204发送图像拾取开始命令以进行实际曝光。图像拾取单元204具有诸如CMOS传感器和CCD传感器的图像传感器，并且通过光电转换由可更换镜头1(光学系统)形成的光学图像来输出图像信号。
附图标记205表示焦点检测器。当照相机2被设定为以下的AF模式且释放开关203中的SW1被接通时，焦点检测器205根据从照相机微计算机201发送的焦点检测开始命令检测焦点检测区域中的物体的聚焦状态。焦点检测器205基于焦点检测结果产生聚焦在物体上所需要的、包含在聚焦镜头106的光轴方向上的移动方向和移动量的移动信息。附图标记206表示被配置为显示通过图像拾取单元204获得的捕获图像的显示单元。
附图标记101表示可更换镜头1中的镜头微计算机(控制器)。镜头微计算机101如后面描述的那样控制可更换镜头中的各部件，并且经由触点102与照相机2通信。附图标记103表示AF/MF开关，该AF/MF开关被配置为切换自动聚焦和手动聚焦，且供用户使用以在AF(自动聚焦)模式和MF(手动聚焦)模式之间选择聚焦模式。
在AF模式中，照相机微计算机201向镜头微计算机101发送根据释放开关203的SW1ON从焦点检测器205获得的焦点检测结果。镜头微计算机101基于焦点检测结果使用电能来驱动产生驱动力的聚焦驱动马达104。聚焦驱动马达104产生的驱动力被传送到聚焦驱动机构105。聚焦驱动机构105根据聚焦驱动马达104的驱动力在光轴的方向上将聚焦镜头106驱动必要的移动量。聚焦驱动马达104可使用步进马达、超声马达等。聚焦驱动机构105可使用所谓的杆/套支持直接作用机构和所谓的旋转凸轮机构等，在所谓的旋转凸轮机构中，具有三个凸轮沟槽的凸轮环和具有三个线性沟槽的固定单元协作。
附图标记107表示位置检测编码器(位置检测器)。位置检测编码器107是例如被配置为输出与聚焦镜头106在光轴方向上的位置对应的信息的绝对值编码器。位置检测编码器107可使用被配置为检测基本位置以及使用以微细间隔改变的增量信号(诸如步进马达的驱动脉冲数和MR传感器的重复信号)的积分值来检测绝对位置的光中断器。
在AF模式中，镜头微计算机101根据基于焦点检测器205的焦点检测结果确定的聚焦镜头106的所需移动量来控制聚焦驱动马达104的驱动。当聚焦镜头106的所需移动量等于作为位置检测编码器107的检测结果的实际移动量时，镜头微计算机101使聚焦驱动马达104停止并且向照相机微计算机201通知聚焦控制完成。
在MF模式中，用户操作MF操作环108(可移动部件)以用于控制聚焦。附图标记109表示被配置为检测MF操作环108的旋转角度(移位(displacement))的操作角度检测器(移位检测装置)。当用户在通过显示单元206确认对象的焦点状态的同时旋转MF操作环108时，镜头微计算机101读取光学角度检测器109的输出信号，驱动聚焦驱动马达104并在光轴方向上移动聚焦镜头106。用户可通过用操作角度检测器109精确地检测MF操作环108的旋转来控制精确聚焦并且提高MF模式中的可操作性。将在后面描述操作角度检测器109的检测的细节。
现在参照图2A和图2B，将给出可更换镜头1的结构的描述。图2A和图2B是可更换镜头1的结构图。图2A是可更换镜头1的外观图。如图2A所示，AF/MF开关103被布置在可更换镜头1的后端部(图2A中的右侧)的侧面上。被旋转支撑的MF操作环108被设置在可更换镜头1的顶部(图2A中的左侧)。
图2B是图2A中的椭圆A的放大图和MF操作环108的主要部分的截面图。附图标记11表示可移动电极(第二电极)。可移动电极11是与内周壁一体化的导电电极，该内周壁与MF操作环108的旋转中心轴共轴。附图标记12表示引导圆筒(固定部件)。附图标记13是和可移动电极11相对的与引导圆筒12一体化的固定电极(第一电极)。附图标记14表示在未示出部分处与引导圆筒一体化的前框架。MF操作环108以预定的孔径在光轴OA的前后方向上被设置在表面12a和14a之间，并且通过圆筒表面12b和14b的接合支撑可在恒定的位置处旋转。在本实施例中，可移动电极11在MF操作环108的内周壁上设置作为导电电极的单独部件的金属环，并且该金属环与MF操作环108一体化。固定电极13包含作为电极的柔性布线基板的铜箔图案，并且通过粘接带或粘接剂被固定到引导圆筒12的外周壁上。本发明不限于本实施例，可使用电镀、蒸镀和导电材料的丝网印刷的技术在MF操作环108的内周壁或引导圆筒12的外周壁上直接形成将在后面描述的电极图案。
现在参照图3A和图3B，将给出可移动电极11和固定电极13的结构的描述。图3A和图3B是可移动电极11和固定电极13的分解透视图。图3A是示出MF操作环108、可移动电极11和固定电极13之间的关系的示图。图3B是省略MF操作环108的图3A。如图3A和图3B所示，可移动电极11具有布置在围绕光轴的圆周方向上的整个圆筒上的矩形导电电极段或带的周期性图案。固定电极13是与可移动电极11相对的柔性布线基板，并且在与可移动电极11共轴的圆筒中的有限角度范围中延伸。
现在参照图4A～4D，将给出被配置为检测MF操作环108的旋转角度的操作角度检测器109的检测原理的描述。为了便于描述和更好的理解，将使用沿作为检测方向的旋转方向展开的平面示图。图4A～4D是可移动电极11和固定电极13的详细示图。图4A是固定电极13的平面图。图4B是可移动电极11的平面图。图4C是固定电极13和可移动电极11相互重叠的平面图。图4A中的箭头B的方向是检测方向(旋转方向)。
现在参照图4A，将给出固定电极13的电极图案的描述。将在后面参照图5描述各电极的检测方向上的长度。如图4A所示，固定电极13包含基准电极段13a(GND电极段)和检测电极段13b、13c、13d、13e、13f和13g。检测电极段13b、13c、13d、13e、13f和13g分别是S1+电极段、S1-电极段、M1电极段、M2电极段、S2+电极段和S2-电极段。图4A示出相邻的检测电极段似乎相互接触，但这些电极段实际上以微小的间隔分开以绝缘。
图4B是图3A和图3B所示的具有圆筒形状的可移动电极11的展开图。可移动电极11中的黑色区域是导电电极部分。附图标记11a表示被配置为改变检测输出并且以周期性图案布置的电极段(周期性布置的电极段)。附图标记11b和11c是用于使电极段11a相互连接的导电电极条带。图4C示出相互重叠的固定电极13和可移动电极11。在图4C中，可移动电极11由虚线示出。在图4C中，长度h代表与电极段11a(具有多个电极段11d的电极段组11a)和检测电极段13b、13c、13d、13e、13f和13g的检测方向B正交的方向上的重叠区域(长度)，该重叠区域是作为电容器的电容产生区域。图4D示出从与检测方向B和长度h的方向两者正交的厚度方向观看的固定电极13和检测电极11。在图4D中，长度d是电容器中的间隙(间隔)。电容C与相对电极的重叠面积和间隙的介电常数成比例，并且与间隙d成反比。换句话说，建立C＝ε·S/d，这里，C是电容，ε是介电常数，S是重叠面积，d是间隙。
现在参照图5，将给出固定电极13与可移动电极11之间的关系的描述。图5是示出固定电极13与可移动电极11之间的关系的示图。与图4A类似，在图5中的顶部处示出固定电极13的电极图案。在图5中的下侧，以黑色示出可移动电极11的电极段11a。如图4C所示，电极段11a与检测电极段13b～13g形成电容器，其中重叠区域具有长度h。图5以状态0～7和状态0的次序示出可移动电极11在检测方向B上从左到右的移动(移位或旋转)中的八个典型状态。如图4C所示，可移动电极11和固定电极13相互重叠并且形成电容器。为了更好的理解，图5示出它们的布置。
这里，P表示电极段11a的节距(周期)，并且，本实施例将一个节距中的电极段的比率设定为50％。以下的描述将以黑色示出的电极段11a中的一个电极段11d的面积方便地设定为1。两个状态之间的可移动电极11的移动量为(1/8)P，状态0和4相对于节距P相互偏移180°的相位差。
固定电极13的基准电极段13a(GND或接地电极段)在具有作为2P的左端长度和2P的右端长度的和的4P的长度的两侧处与可移动电极11中的电极段11a重叠。基准电极段13a(GND电极段)在14P的长度中的2P长度的左右端部之间的具有长度10P的中央部分中与电极段11a部分重叠。基准电极段13a在检测方向B上具有L×P的长度，其中L是自然数，L在本实施例中为4(左右端部的长度的和或者2P×2＝4P)或14(其14P的总长)。将在后面描述与基准电极段13a的一部分重叠的具有10P的长度的区域的效果。
基准电极段13a(GND电极段)的长度是节距P的整数倍。在基准电极段13a(GND电极段)与可移动电极11的电极部分(电极段11a)之间的重叠区域的面积总是恒定的。当间隙d恒定时，电容C也是恒定的。检测电极段13b(S1+电极段)和检测电极段13c(S1-电极段)中的每一个具有1.5P的长度，并且它们具有180°的相位差。在由(M+0.5)×P表达的长度(其中M是0或自然数)中，M＝1与这种情形对应。检测电极段13b(S1+电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积在状态0中为2、在状态4中为1并且经由状态7返回到状态0的2。这种变化重复。
检测电极段13c(S1-电极)与检测电极段13b(S1+电极)具有180°的相位差。由此，检测电极段13c(S1-电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积在状态0中为1且在状态4中为2。电容C在检测电极段13b(S1+电极)与检测电极段13c(S1-电极)之间反向变化。在本实施例中，检测电极段13b(S1+电极)和检测电极段13c(S1-电极)构成一对移位检测电极段。检测电极段13b(S1+电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积变化量与可移动电极11的移动成比例，并且电容C的变化是线性的。这适用于检测电极段13c(S1-电极)。
检测电极段13f(S2+电极)和检测电极段13g(S2-电极)中的每一个具有由(M+0.5)×P(其中M为0或自然数)表达的长度，并且它们具有180°的相位差，从而形成一对移位检测电极段。在检测电极段13f(S2+电极)和检测电极段13g(S2-电极)中，与检测电极段13b(S1+电极)和检测电极段13c(S1-电极)类似，M为1。
这两对移位检测电极在检测方向B上具有6P+(1/8)P的相位差，并且当如图5所示的那样被转换成节距P时，电容C改变(1/8)P。检测电极段13f(S2+电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积在状态1中为2且在状态5中为1。检测电极段13g(S2-电极)与检测电极段13f(S2+电极)有180°的相位差。由此，检测电极段13f(S2+电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积和检测电极段13g(S2-电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积在同一状态中具有相反的关系。
检测电极段13d(M1电极)具有2P的长度。检测电极段13d(M1电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积从状态0到状态7总是2，并且因此不改变。检测电极段13e(M2电极)具有1P的长度。检测电极段13d(M2电极)与电极段11a之间的重叠区域的面积从状态0到状态7总是1，并且因此不改变。检测电极段13e(M2电极)和检测电极段13d(M1电极)构成具有由N×P和(N+Q)×P(其中N和Q是自然数)表达的长度的一对参照电极，在本实施例中，N和Q均为1。
现在参照图6，将给出本实施例中的由固定电极13和可移动电极11形成的电容的等价电路和信号处理器的描述。图6是固定电极13和可移动电极11的等价电路图和信号处理框图。
固定电极13具有基准电极段13a(GND电极段)、检测电极段13b(S1+电极段)、检测电极段13c(S1-电极段)、检测电极段13d(M1电极段)、检测电极段13e(M2电极段)、检测电极段13f(S2+电极段)和检测电极段13g(S2-电极段)。如图6所示，固定电极13中的各电极段与可移动电极11形成电容器。假定CG、CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6代表由基准电极段13a和检测电极段13b～13g形成的电容器的电容。当间隙d恒定时，电容CS1、CS2、CS5和CS6是随着可移动电极11移动而改变的可变电容器。电容CG、CS3和CS4为具有不随着可移动电极11移动而改变的固定值的电容器的电容。
附图标记15表示模拟开关阵列，附图标记16表示电容检测电路，附图标记17表示计算电路(检测器或信号处理器)。模拟开关阵列15具有模拟开关15b、5c、15d、15e、15f和15g。本实施例分别将模拟开关15b～15g串联连接至检测电极段13b～13g。计算电路17通过时间分割逐个设定模拟开关15b～15g。电容检测电路16检测通过组合电容CG和与电容CG串联连接的电容CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6得到的(组合)电容。计算电路17基于电容检测电路16的检测结果输出信号S1、S2、S1P、S2P和INT。将在后面详细给出这些信号的描述。
现在参照图7A～7C，将给出基于由固定电极13和可移动电极11形成的电容器的电容的输出信号(一对移位检测电极段和一对参照电极段的输出信号)的描述。图7A～7C是示出基于由固定电极13和可移动电极11形成的电容的输出信号的示图。特别地，图7A～7C示出与检测电极段13b(S1+电极)、检测电极段13c(S1-电极)、检测电极段13d(M1电极)和检测电极段13e(M2电极)对应的电容器的电容。在图7A～7C中，横坐标轴代表参照图5描述的状态0～4，纵坐标轴分别代表(组合)电容(图7A)、差分信号(图7B)和归一化信号(图7C)。在图5中方便地示出的间隙为d且面积为1的情况下，各电容器的电容为0.1pF。在图7A和图7B中，电容CG分别被设定为0.1pF、0.4pF(与图5中的4P的长度对应)和4.0pF的三种类型。
图7A是示出电容CG与电容CS1之间的组合电容CG_S1以及电容CG与电容CS2之间的组合电容CG_S2的示图。串联连接的两个电容器的组合电容CG_S1和CG_S2中的每一个的倒数等于两个电容器的倒数的和。1/CG_S1＝1/CG+1/CS1且1/CG_S2＝1/CG+1/CS2。例如，当CG＝0.4pF且CS1＝0.2pF(在图5中的状态0中)时，CG_S1＝0.133pF。当CG＝0.4pF且CS1＝0.1pF(在图5中的状态4中)，CG_S1＝0.080pF。这与图7A中的实线71b所示的组合电容对应。
在图7A中，实线71a、71b和71c代表检测电极段13b(S1+电极段)和基准电极段13a(GND电极段)的组合电容。实线71a代表CG＝4.0pF，实线71b代表CG＝0.4pF，实线71c代表CG＝0.1pF。在图7A中，虚线72a、72b和72c代表检测电极段13c(S1-电极段)与基准电极段13a(GND电极段)之间的组合电容。由于检测电极段13c(S1-电极段)与检测电极段13b(S1+电极段)有180°的相位差，因此，虚线72a、72b和72c在图中与实线71a、71b和71c左右反转(inverse)。如从图7A可以理解的那样，串联连接的电容器的组合电容大部分依赖于较小的电容。因此，随着基准电极段13a(GND电极段)的电容CG增加，组合电容反映作为可变电容器的检测电极段13b(S1+电极段)或检测电极段13c(S1-电极段)的电容CS1或CS2的变化，并且可以获得大的电容变化。如图5所示，提供与电极段11a部分重叠的基准电极段13a(GND电极段)的具有10P的长度的区域，以便增加电容CG。
图7B是示出一对移位检测电极段和一对参照电极段中的每一对的差分输出(差分信号)的示图。在图7B中，实线73a、73b和73c代表组合电容CG_S1和CG_S2的差分信号。换句话说，实线73a、73b和73c分别代表通过从实线71a减去虚线72a、从实线71b减去虚线72b和从实线71c减去虚线72c得到的信号。在图7B中，实线74a、74b和74c代表检测电极段13d(M1电极)和检测电极段13e(M2电极)的差分信号，并且，与图7A类似，与电容CG对应。更具体而言，实线74a、74b和74c代表电容CG和CS3的组合电容CG_S3与电容CG和CS4的组合电容CG_S4之间的差。实线74a、74b和74c的电容CG的值与实线71a、71b和71c的电容CG的值相同。
由于CS3＝0.2pF且CS4＝0.1pF，因此，实线74a、74b和74c具有与实线73a、73b和73c的最大值相等的恒定值。图6所示的计算电路17执行差分运算。
图7C中的实线75b是通过用实线74b的值归一化图7B中的实线73b并然后乘以1000所获得的归一化信号(移位信号)。通过差分计算，通过将图7B中的实线73a除以实线74a得到的值和通过将实线73c除以实线74c得到的值具有相同的最大值、相同的最小值和相同的中间值(0)。这些值之间的值表现稍微的不对称性。实际数值在状态1(和状态3)中是最不对称的，并且当电容CG为0.1pF、0.4pF、4.0pF时，相对于500的真实值偏移-3.03％、-0.62％和-0.01％。图7C示出电容CG为0.4pF的情况，在电容CG具有另一值的情况下，显示被省略，因为即使它们在同一示图中被示出也存在很少的差异。在图7C所示的归一化中，不管电容CG如何，都获得几乎相同的特性。此时，当电容CG保持为大时，原始输出增加，SN(信号与噪声)比改善并且分辨率变得更高。图6所示的计算单元17执行该归一化。
图8A～8C是示出基于由固定电极13和可移动电极11形成的电容的移位信号(来自两对移位检测电极段的输出信号)的示图。图8A针对包含检测电极段13b和13c的一对第一移位检测电极段和包含检测电极段13f和13g的一对第二移位检测电极段、示出图7B和图7C所示的差分运算和归一化运算的结果。图8A中的横坐标轴表示图5所示的状态并且代表两个周期的范围。图8A中的纵坐标轴示出与归一化电容的变化对应的值。
在图8A中，实线81表示基于一对第一移位检测电极段的移位信号S1。虚线82表示基于一对第二移位检测电极段的移位信号S2。如图6所示，从计算电路17输出移位信号S1和S2。移位信号S2与移位信号S1有(1/8)P的相位差(45°的一个状态)。实线83表示中间值(0)，虚线84表示正阈值，虚线85表示负阈值。
图8B是示出通过用虚线84和85所示的正负阈值离散化图8A中的实线81和虚线82所示的移位信号S1和S2所获得的值的示图。在图8B中，虚线84所示的比正阈值高的范围由H表达，虚线85所示的比负阈值低的范围由L表达，M被设置在两个阈值之间。实线86是通过离散化移位信号S1所获得的移位信号S1P，虚线87是通过离散化移位信号S2所获得的移位信号S2P。如图6所示，计算电路17输出移位信号S1P和S2P。图8C是针对各状态的在图8B中示出的移位信号S1P和S2P的表格。由于在从状态0到状态7的8个状态中不出现相同图案，因此本实施例可分开和检测各(1/8)P的角度。
本实施例可提供设定，使得当移位信号S1和S2沿上升方向或下降方向跨越图8A所示的正阈值(虚线84)或负阈值(虚线85)时，计算电路17可输出中断信号INT。由此，中断信号被发送到图1所示的镜头微计算机101，并且镜头微计算机101可容易地基于离散的移位信号S1P和S2P确认MF操作环的旋转角和旋转方向。镜头微计算机101依次从计算电路17读出移位信号S1和S2，并且可更精确地检测MF操作环108的旋转，从而提高MF模式中的可操作性。
在用正负阈值将线性变化的输出信号离散化并且将线性变化的输出信号离散化为“H”、“M”和“L”的三个段时，可通过将两个移位信号之间的相位差设定为(1/8)P或45°来均等地分割脉冲切换，这里，45°是有效的相位差。在使用三对移位检测电极段的三段离散化中，脉冲间隔被均等分割，并且可通过将各相位差设定为(1/12)P或30°获得十二个不同的状态。在这种情况下，30°和60°是有效的相位差。虽然本实施例描述了三阶段离散化，但是，在使用一个阈值对H和L的二相信号进行二阶段离散化的情况下，需要(1/4)P或90°的相位差以获得四个不同的均等分割的状态。在三相信号中，需要(1/6)P或60°的相位差以获得六个不同的均等分割的状态，并且60°和120°是有效的相位差。
本实施例基于用于移位检测的多个移位检测电极段和参照电极通过差分运算获得电容信息。因此，即使在电极和相邻的物质之间出现的杂散电容和寄生电容的情况下，也可稳定地检测移位。即使当周围环境变化或者间隙在可移动电极与固定电极之间波动时，也可通过图7C所示的一对参照电极的输出的归一化运算稳定地检测移位。
第二实施例
现在参照图9，将给出本发明的第二实施例的描述。本实施例与使用模拟开关阵列15和时间分割来检测电容的第一实施例的不同在于，一起向并联连接的检测电极段施加电压以检测电容。
图9是固定电极13和可移动电极11的等价电路图。本实施例讨论一起向并联连接的检测电极段的电压施加。本实施例中的可移动电极11和固定电极13的硬件结构与第一实施例的可移动电极11和固定电极13的硬件结构类似，将省略其描述。
如图9所示，本实施例在基准电极段13a(GND电极段)和各检测电极段13b～13g(S1+电极段、S1-电极段、M1电极段、M2电极段、S2+电极段和S2-电极段)之间施加电压V。VG是在电容CG的两端之间施加的电压。VS是在并联连接的电容CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6(电容器)的两端之间施加的电压。如图9中的式(1)所示，建立V＝VS+VG。QS1、QS2、QS3、QS4、QS5和QS6是在电容CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6中充电的电荷量。由于VS是在各电容器的两端之间施加的电压，因此，如图9中的式(3)所表达的，各电容器的电荷量与电容CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6成比例。
如图9中的式(2)所表示的，通过基准电极段13a在电容CG中充电的电荷量QG等于在电容CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6中充电的电荷量QS1、QS2、QS3、QS4、QS5和QS6的总值(和)。具有电容CS1和CS2的可变电容器的变化有180°的相位差，具有电容CS5和CS6的可变电容器的变化有180°的相位差。由此，(QS1+QS2)和(QS5+QS6)总是具有恒定值。在电容CG中充电的电荷量QG具有恒定值。换句话说，可通过设置被配置为单独地检测在电容CS1、CS2、CS3、CS4、CS5和CS6中充电的电荷量QS1、QS2、QS3、QS4、QS5和QS6的未示出的检测器，来获得与各电容成比例的信息。本实施例可有效地减少在第一实施例中描述的非线性，并且可更精确地检测移位。
第三实施例
现在参照图10A～10D，将给出本发明的第三实施例的描述。图10A～10D示出根据本实施例的可更换镜头1a的结构图。
图10A是可更换镜头1a的概览。附图标记108a表示MF操作环(可移动部件)。图10B是MF操作环108a的透视图。附图标记111表示可移动电极。根据第一实施例的可移动电极11是圆筒状电极，但根据本实施例的可移动电极111是盘形电极。如图10B所示，可移动电极111在圆周方向上具有扇形电极段的周期性图案，每个扇形电极段在径向方向上延伸，并且可移动电极111中的所谓的梳齿部分被外连，多个扇形电极段被连接。
图10C是从光轴方向观看的与可移动电极111一体化的MF操作环108a和包含基准电极段和检测电极段的固定电极113的示图。图10D示出仅包含固定电极113的硬件基板。根据第一实施例描述的基准电极段和检测电极段类似地沿圆周方向被布置在具有扇形并且在圆周方向上延伸的固定电极113上。可移动电极111和固定电极113被设置为彼此相对并且在光轴方向上以恒定的间隙相互分开。与第一实施例类似，即使本实施例的结构也可检测移位。
虽然各实施例描述了旋转的检测，但是，如参照图4A～4D和图5描述的那样，类似的结构可类似地检测线性方向上的移位。各实施例以间隙(间隔)使固定电极和可移动电极相互分开以形成电容器(电容)，但是，只要存在电气间隙，它们就可经由绝缘层相互机械接触。
在各实施例中，移位检测装置(操作角度检测器109)包含第一电极(固定电极13)、第二电极(可移动电极11)和检测器(包含计算电路17的信号处理器)。第一电极包含基准电极段13a和多个检测电极段13b～13g。第二电极具有预定周期图案并且可相对于第一电极移动。检测器基于第一电极与第二电极之间的电容检测移位(旋转角)。
第二电极的预定周期图案可在预定方向(移位方向和检测方向)上具有预定周期(节距P)。第一电极的基准电极段具有作为预定方向上的预定周期的整数倍的(L×P)的长度，这里，L是自然数。
多个检测电极段可包含第一检测电极段(检测电极段13b)和第二检测电极段(检测电极段13c)。第一和第二检测电极段关于第二电极的预定周期图案有180°的相位差。第一和第二检测电极段可以是在预定方向上具有长度(M+0.5)×P的一对检测电极，这里，M是0或更大的整数，P是第二电极的周期。多个检测电极段可在预定方向上具有作为检测电极对的多对检测电极。多对检测电极中的每一对在预定方向上相对于第二电极有有效的相位差。
多个检测电极可包含第三检测电极段(检测电极13d)和第四检测电极段(检测电极13e)。第三和第四检测电极段具有在预定方向上具有N×P和(N+Q)×P的长度的一对参照电极段，这里N和Q是自然数，P是第二电极的周期。多个检测电极段可包含第五检测电极段(检测电极段13f)和第六检测电极段(检测电极段13g)。第五和第六检测电极段相对于第二电极的预定周期图案有180°的相位差。
多个检测电极段可在预定方向上被设置。基准电极段被设置在预定方向上的多个检测电极段的一侧(图5中的左长度和右长度2P中的一个)或两侧(图5中的分别具有2P的长度的左区域和右区域两者)。基准电极段被至少设置在与预定方向正交的方向上的多个检测电极段的一侧(图5中的检测电极段13b～13g的上侧的长度10P的区域中)。基准电极段的一部分在总长度14P中的左长度和右长度2P之间的长度10P的区域中在预定方向上与第二电极的周期图案(电极段11a)重叠。检测器可基于作为基准电极段和多个检测电极段的电容的组合电容(串联连接并且包含基准电极段和各检测电极段的电容器的组合电容)检测移位。
多个检测电极段可包含第一检测电极段(检测电极段13b)和第二检测电极段(检测电极段13c)。基准电极段和第一检测电极将第一组合电容CG_S1(1/CG_S1＝1/CG+1/CS1)形成为组合电容。基准电极段和第二检测电极将第二组合电容CG_S2(1/CG_S2＝1/CG+1/CS2)形成为组合电容。第一和第二组合电容根据第一和第二电极之间的相对移动来改变。第一和第二检测电极段可关于第二电极的预定周期图案有180°的相位差。第一和第二检测电极段中的每一个可具有在预定方向上具有(M+0.5)×P的长度的预定电极中的一对检测电极，这里，M是0或更大的整数，P是第二电极的周期。检测器可基于第一和第二组合电容之间的第一差分信号(CG_S1-CG-S2)检测移位。
多个检测电极段可包含第三检测电极段(检测电极段13d)和第四检测电极段(检测电极段13e)。基准电极段和第三检测单元将第三组合电容CG_S3(1/CG_S3＝1/CG+1/CS3)形成为组合电容。基准电极段和第四检测单元将第四组合电容CG_S4(1/CG_S4＝1/CG+1/CS4)形成为组合电容。检测器基于移位信号(图7C中的实线75b所示的归一化信号)检测移位，该移位信号是基于第一差分信号(CG_S1-CG_S2)与第三组合电容和第四组合电容之间的第二差分信号(GG_S3-CG_S4)获得的。第三和第四检测电极段可以为在预定方向上具有N×P和(N+Q)×P的长度的一对参照电极段，这里，N和Q是自然数。
多个检测电极段可包含第五检测电极段(检测电极段13f)和第六检测电极段(检测电极段13g)。基准电极段和第五检测单元将第五组合电容CG_S5(1/CG_S5＝1/CG+1/CS5)形成为组合电容。基准电极段和第六检测单元将第六组合电容CG_S6(1/CG_S6＝1/CG+1/CS6)形成为组合电容。第五和第六组合电容根据第一和第二电极之间的相对移动改变。移位检测装置还可包括被配置为选择第一组合电容、第二组合电容、第三组合电容、第四组合电容、第五组合电容和第六组合电容中的一个作为组合电容的选择器(模拟开关阵列15)。
每个实施例可以提供具有低功耗和高分辨率的移位检测装置、透镜镜筒和图像拾取装置。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包括所有这些修改以及等同结构和功能。
例如，各实施例向固定部件(引导圆筒12)提供第一电极(固定电极13)并且向可移动部件(MF操作环108)提供第二电极(可移动电极11)。但是，本发明不限于各实施例，可向可移动部件提供第一电极，并且可向固定部件提供第二电极。

Claims (15)

1.一种移位检测装置，包括：
第一电极，所述第一电极具有基准电极段和多个检测电极段；
第二电极，所述第二电极具有多个被周期性布置的电极段并且能相对于所述第一电极移位；和
检测器，所述检测器被配置为基于第一电极与第二电极之间的电容来检测第二电极相对于第一电极的移位，
其特征在于，第一电极中的基准电极段与第二电极中的电极段之间的重叠区域的面积是恒定的，以及
在第二电极中的电极段被周期性布置的方向上，第一电极中的基准电极段具有第二电极中的电极段的节距的整数倍的长度。
2.根据权利要求1所述的移位检测装置，其特征在于，所述检测器被配置为基于第一电极中的基准电极段与第二电极中的电极段之间的电容以及第一电极中的多个检测电极段中的每个检测电极段与第二电极中的电极段之间的电容，来检测第二电极相对于第一电极的移位。
3.根据权利要求1所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段包括第一检测电极段和第二检测电极段，其中第一检测电极段和第二检测电极段输出彼此之间具有180°的相位差的相应信号。
4.根据权利要求3所述的移位检测装置，其特征在于，第一检测电极段和第二检测电极段中的每一个在第二电极中的电极段被周期性布置的方向上具有(M+0.5)×P的长度，其中，M是不小于0的整数，P是第二电极中的电极段的节距。
5.根据权利要求3所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段包含输出彼此之间具有有效的相位差的相应信号的一对检测电极段。
6.根据权利要求3所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段包含具有与第二电极中的电极段重叠的第一恒定面积的第三检测电极段和具有与第二电极中的电极段重叠的不同于第一恒定面积的第二恒定面积的第四检测电极段。
7.根据权利要求6所述的移位检测装置，其特征在于，第三检测电极段和第四检测电极段分别在第二电极中的电极段被周期性布置的方向上具有N×P和(N+Q)×P的长度，其中，N和Q是自然数，P是第二电极中的电极段的节距。
8.根据权利要求6所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段包含与第二电极中的电极段重叠的面积能够随着第二电极相对于第一电极移位而变化的检测电极段。
9.根据权利要求6所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段包括第五检测电极段和第六检测电极段，其中第五检测电极段和第六检测电极段输出彼此之间具有180°的相位差的相应信号。
10.根据权利要求1所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段被布置在第二电极中的电极段被周期性布置的方向上，
其中，第一电极中的基准电极段位于第一电极中的所述多个检测电极段的在第二电极中的电极段被周期性布置的方向上的一个端部或两个端部处。
11.根据权利要求1所述的移位检测装置，其特征在于，第一电极中的所述多个检测电极段被布置在第二电极中的电极段被周期性布置的方向上，
其中，第一电极中的基准电极段位于第一电极中的所述多个检测电极段的在与第二电极中的电极段被周期性布置的方向正交的方向上的一个端部处。
12.一种镜头镜筒，其特征在于，包括：
固定部件；
能移动的部件，所述能移动的部件相对于所述固定部件被能移位地支撑；以及
根据权利要求1～11中的任一项所述的移位检测装置，并且所述移位检测装置被配置为检测所述能移动的部件相对于所述固定部件的移位。
13.根据权利要求12所述的镜头镜筒，其特征在于，所述固定部件设置有第一电极，所述能移动的部件设置有第二电极，
其中，检测器被配置为检测所述能移动的部件相对于所述固定部件的移位。
14.根据权利要求12所述的镜头镜筒，其特征在于，第二电极中的电极段被周期性布置的方向是所述能移动的部件的旋转方向。
15.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：
根据权利要求12所述的镜头镜筒；和
图像拾取单元，所述图像拾取单元被配置为拾取经由镜头镜筒形成的光学图像。
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