JP2005237072A - 静電アクチュエータおよびカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 絶対位置の検出装置が一体化し、部品点数の増加に繋がらない静電アクチュエータおよびこれを用いたカメラモジュールを実現すること。
【解決手段】 第１の電極２２を、筒抜け方向に分割された分割電極ＬおよびＲに２分割し、これら分割電極ＬあるいはＲを構成する短冊状の電極面積が筒抜け方向の位置に比例する値を有し、スイッチ８０により、分割電極ＬおよびＲを電気的にオンオフして接続あるいは切り離し状態とし、スイッチ８０がオフの際に、計測手段７０により分割電極Ｌと第３の電極２４の静電容量を求め、スイッチ８０がオンの際に、可動子１４を移動させることとしているので、第１の電極２２を用いて、可動子１４の絶対的な位置の計測と、可動子１４の移動とを行い、可動子１４の絶対位置を計測することができる簡便な構成の静電アクチュエータ１を実現させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、静電気力で駆動される静電アクチュエータおよびこれを用いたカメラモジュールに関する。

近年、カメラ機能は、カメラのみならず携帯電話その他の小型電子機器にも装着されつつある。これら小型電子機器では、小型化されたレンズおよび撮像素子を含むカメラモジュールが組み込まれ、撮影が行われる。このカメラモジュールは、被写体光の結像を行うレンズの位置合わせに静電アクチュエータを用い、結像位置の設定を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、カメラモジュールは、ズームレンズを用いる場合には、複数レンズの位置合わせをも行う。これにより、カメラモジュールの小型化、高い耐衝撃性、低消費電力化等を実現している。

他方、レンズが組み込まれた静電アクチュエータは、レンズが移動した相対位置を、高精度に把握および制御することができる反面、レンズの静電アクチュエータ内の絶対位置を把握することができない。特に、何らかの外部からの衝撃により、静電アクチュエータ内のレンズ位置がずれた場合には、レンズの絶対位置の把握には困難が伴う。

そこで、静電アクチュエータとは別に、レンズの絶対位置を検出する検出装置が、カメラモジュールに装着される。
特開２００１―３４６３８５号公報、（第１頁、図１）

しかしながら、上記背景技術によれば、カメラモジュールの小型化が妨げられると共に信頼性の低下が生じる。すなわち、検出装置を別途装着することは、部品点数の増加に繋がり、もともと部品点数が少なく小型のカメラモジュールにとっては、小型化の大きな妨げになると同時に信頼性が大きく低下する要因ともなる。

特に、検出装置に機構部分を含む場合には、小型化の妨げおよび信頼性の低下が顕著なものとなる。
これらのことから、絶対位置の検出装置が一体化し、部品点数の増加に繋がらない静電アクチュエータおよびこれを用いたカメラモジュールをいかに実現するかが重要となる。

この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、絶対位置の検出装置が一体化し、部品点数の増加に繋がらない静電アクチュエータおよびこれを用いたカメラモジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかる静電アクチュエータは、対向して配置される第１および第２の固定子と、前記第１および第２の固定子に挟まれる空間に存在し、前記空間の筒抜け方向に移動可能な可動子と、前記第１の固定子の前記筒抜け方向に、等間隔に繰り返し配列される少なくとも３系統の第１の電極と、前記第２の固定子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記可動子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極および前記第２の電極と対向して配置される第３の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極に、前記第３の電極と異なる電位になるように交互に電圧を印加すると共に、前記第１の電極の各系統の印加電圧を、時系列的に順次切り替えて、前記可動子を前記筒抜け方向に移動させる駆動波形発生回路と、を備える静電アクチュエータであって、前記第１の電極あるいは前記第２の電極は、前記筒抜け方向に２分割される、前記筒抜け方向の位置に比例する電極面積あるいは前記筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状の、複数の分割電極からなり、前記２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離すオンオフのスイッチング手段、前記２分割された分割電極の片方と前記第３の電極との静電容量を計測する計測手段および前記スイッチング手段がオンの際に、前記可動子の移動を行い、前記スイッチング手段がオフの際に、前記計測手段の静電容量情報から、前記可動子の前記筒抜け方向の位置を確定する制御部を備えることを特徴とする。

この請求項１に記載の発明では、第１の電極あるいは第２の電極は、筒抜け方向に２分割される筒抜け方向の位置に比例する電極面積、あるいは筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状の複数の分割電極からなり、オンオフのスイッチング手段により、２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離し、計測手段により、２分割された分割電極の片方と第３の電極との静電容量を計測し、制御部により、スイッチング手段がオンの際に、可動子の移動を行い、スイッチング手段がオフの際に、計測手段の静電容量情報から、可動子の筒抜け方向の位置を確定する。

また、請求項２に記載の発明にかかる静電アクチュエータは、前記計測手段が、前記第１の電極あるいは前記第２の電極と、前記第３の電極とに流れる交流電流値から前記静電容量を計測することを特徴とする。

この請求項２に記載の発明では、計測手段は、交流電流値から静電容量を計測する。
また、請求項３に記載の発明にかかる静電アクチュエータは、前記制御部が、予め測定される前記可動子の前記筒抜け方向の位置ごとの前記静電容量の情報に基づいて、前記筒抜け方向の位置を確定することを特徴とする。

この請求項３に記載の発明では、制御部は、可動子の位置ごとの静電容量の情報に基づいて、可動子の位置を確定する。
また、請求項４に記載の発明にかかる静電アクチュエータは、前記制御部が、前記第１の電極が前記分割電極を有する際に、前記スイッチング手段をオフにする前に、前記第２の電極が、前記第３の電極よりも高い電位になる電圧を印加することを特徴とする。

この請求項４に記載の発明では、制御部は、第１の電極が分割電極を有する際に、スイッチング手段をオフにする前に、第２の電極を、第３の電極よりも高い電位にさせる。
また、請求項５に記載の発明にかかる静電アクチュエータは、前記制御部が、前記第２の電極が前記分割電極を有する際に、前記スイッチング手段をオフにする前に、前記第１の電極が、前記第３の電極よりも高い電位になる電圧を印加することを特徴とする。

この請求項５に記載の発明では、制御部は、第２の電極が分割電極を有する際に、スイッチング手段をオフにする前に、第１の電極を、第３の電極よりも高い電位にさせる。
また、請求項６に記載の発明にかかるカメラモジュールは、撮像素子と、前記撮像素子に被写体からの光を結像するレンズと、前記レンズの前記撮像素子からの距離を調整する静電アクチュエータと、を備えるカメラモジュールであって、前記静電アクチュエータは、対向して配置される第１および第２の固定子と、前記第１および第２の固定子に挟まれる空間に存在し、前記空間の筒抜け方向に移動可能なレンズを有する可動子と、前記第１の固定子の前記筒抜け方向に、等間隔に繰り返し配列される少なくとも３系統の第１の電極と、前記第２の固定子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記可動子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極と対向する第３の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極が、前記第３の電極と異なる電位になるように交互に電圧を印加すると共に、前記第１の電極の各系統の印加電圧を、時系列的に順次切り替えて、前記可動子を前記筒抜け方向に移動させる駆動波形発生回路とを有し、前記第１の電極あるいは前記第２の電極は、前記筒抜け方向に２分割される、前記筒抜け方向の位置に比例する電極面積あるいは前記筒抜け方向の長さに比例して電極面積が変化する形状の複数の分割電極からなり、前記２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離すオンオフのスイッチング手段、前記分割電極と前記第３の電極との静電容量を計測する計測手段および前記スイッチング手段がオンの際に、前記可動子の移動を行い、前記スイッチング手段がオフの際に、前記計測手段の静電容量情報から、前記可動子の前記筒抜け方向の位置を確定する制御部を備えることを特徴とする。

この請求項６に記載の発明では、静電アクチュエータは、第１の電極あるいは第２の電極は、筒抜け方向に２分割される筒抜け方向の位置に比例する電極面積あるいは筒抜け方向の長さに比例して電極面積が変化する形状の複数の分割電極からなり、オンオフのスイッチング手段により、この２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離し、計測手段により、分割電極と第３の電極との静電容量を計測し、制御部により、スイッチング手段がオンの際に、可動子の移動を行い、スイッチング手段がオフの際に、計測手段の静電容量情報から、可動子の筒抜け方向の位置を確定する。

以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、第１の電極あるいは第２の電極は、筒抜け方向に２分割される筒抜け方向の位置に比例する電極面積、あるいは筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状の複数の分割電極からなり、オンオフのスイッチング手段により、２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離し、計測手段により、２分割された分割電極の片方と第３の電極との静電容量を計測し、制御部により、スイッチング手段がオンの際に、可動子の移動を行い、スイッチング手段がオフの際に、計測手段の静電容量情報から、可動子の筒抜け方向の位置を確定することとしているので、可動子の移動および絶対位置計測を、同一の電極を用いて行い、少ない部品点数で、正確な可動子の位置制御を行い、ひいては静電アクチュエータの小型化あるいは信頼性の向上を計ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、計測手段は、交流電流値から静電容量を計測することとしているので、簡易に静電容量を計測することができる。
請求項３に記載の発明によれば、制御部は、可動子の位置ごとの静電容量の情報に基づいて、可動子の位置を確定することとしているので、正確な位置を特定することができる。

請求項４に記載の発明によれば、制御部は、第１の電極が分割電極を有する際に、スイッチング手段をオフにする前に、第２の電極を、第３の電極よりも高い電位にさせることとしているので、第２の電極と第３の電極を吸引状態とさせ、分割電極と第３の電極を絶縁し、電極間に容量を持たせることができる。

請求項５に記載の発明によれば、制御部は、第２の電極が分割電極を有する際に、スイッチング手段をオフにする前に、第１の電極を、第３の電極よりも高い電位にさせることとしているので、第１の電極と第３の電極を吸引状態とさせ、分割電極と第３の電極を絶縁し、電極間に容量を持たせることができる。

請求項６に記載の発明によれば、静電アクチュエータは、第１の電極あるいは第２の電極は、筒抜け方向に２分割される筒抜け方向の位置に比例する電極面積あるいは筒抜け方向の長さに比例して電極面積が変化する形状の複数の分割電極からなり、オンオフのスイッチング手段により、この２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離し、計測手段により、分割電極と第３の電極との静電容量を計測し、制御部により、スイッチング手段がオンの際に、可動子の移動を行い、スイッチング手段がオフの際に、計測手段の静電容量情報から、可動子の筒抜け方向の位置を確定することとしているので、可動子の移動および絶対位置計測を、同一の電極を用いて行い、少ない部品点数で、正確な可動子の位置制御を行い、ひいてはこの静電アクチュエータを用いたカメラモジュールの小型化あるいは信頼性の向上を計ることができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる静電アクチュエータおよびこれを用いたカメラモジュールを実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
まず、本実施の形態１にかかるカメラモジュールの全体構成について説明する。図２は、カメラモジュールの全体構成を示す図である。カメラモジュールは、小型カメラあるいは携帯電話等に搭載されるカメラ部分をモジュール化したもので、静電アクチュエータ１、基板２、電気回路部３およびレンズ４を含む。なお、基板２上には、静電アクチュエータ１の背後に、図示しないＣＭＯＳあるいはＣＣＤ等の撮像素子が存在し、レンズ４を介して入射される被写体光は、撮像素子上に結像される。なお、このカメラモジュールは、概ね１ｃｍ³程度の大きさを有する。

静電アクチュエータ１は、レンズ４の撮像素子からの距離を調整し、撮像素子上に結像される被写体像を、ぼけの無い鮮明なものとする。また、電気回路部３は、後述する制御部６０、駆動波形発生回路４０、電圧源４２、スイッチ８０、８１および計測手段７０等を含み、静電アクチュエータ１および撮像素子の駆動および制御を行う。

図３は、静電アクチュエータ１の機械的な構成を示す図である。静電アクチュエータ１は、第１の固定子１２、第２の固定子１３および可動子１４を含む。第１の固定子１２および第２の固定子１３は、対向して配置され、筒状の構造体を形成する。ここで、第１の固定子１２および第２の固定子１３は、平板状あるいは半円筒板状であってもよい。第１の固定子１２および第２の固定子１３が平板状である場合には、可動子１４は、これらとの対向面がほぼ平坦な中空ブロックに形成され、第１の固定子１２および第２の固定子１３が半円筒板状である場合には、可動子１４は、第１の固定子１２および第２の固定子１３の形状に適合する中空シンリンダーに形成される。

可動子１４は、この筒状の構造体の中空部分に配置され、構造体の筒抜け方向にスライド可能となっている。また、可動子１４は、構造体の筒抜け方向と同一方向に筒抜け構造を有し、この筒抜け構造部分にレンズ４が固定される。従って、レンズ４は、可動子１４の移動と共に筒抜け方向に移動し、かつ被写体光を基板２上の撮像素子に集光する。

また、第１の固定子１２および第２の固定子１３の対向する面には、各々第１の電極２２および第２の電極２３が配設される。また、可動子１４の第１の固定子１２および第２の固定子１３と対向する面には、第３の電極２４が配設される。

ここで、本発明の基礎となる静電アクチュエータ１の詳細な構造および動作について、図４および図５を用いて説明する。図４は、静電アクチュエータ１の筒抜け方向に沿った断面および可動子１４の駆動を行う電気回路部分を示すブロック図である。

第１の電極２２は、筒抜け方向に繰り返し配列される短冊状の３系統の電極Ａ、電極Ｂおよび電極Ｃからなる。すなわち、等間隔で配列される同一形状の電極Ａ〜Ｃが、同一の間隔を持って、繰り返し筒抜け方向に配列される。なお、第１の電極２２は、電極Ａ〜Ｃの３系統に限定されず、４系統あるいはそれ以上の数の系統を用いることもできる。

第２の電極２３は、一枚の電極で、第１の電極２２に対向する位置に、概ね同様の大きさのものが配置される。
第３の電極２４は、可動子１４の第１の電極２２および第２の電極２３に対向する各々の面に形成される。第３の電極２４は、第１の電極２２と対向する面に、電極Ａ〜Ｃの繰り返し周期Ｐｈで、先端部が第１の電極２２に吸引される形状の突起部が形成される。この突起部の吸引部分は、概ね電極Ａ〜Ｃの各電極と同一形状をなしている。また、第３の電極２４は、第２の電極２３と対向する面に、第２の電極２３に吸引される形状の一枚の電極を有する。なお、可動子１４が有する、第１の電極２２および第２の電極２３に対向する２つ面は、電気的に接続されており、電気的に等価な第３の電極２４を構成する。また、第３の電極２４は、第１の電極２２および第２の電極２３と近接する部分は絶縁されており、常時接地電位に保たれる。

駆動波形発生回路４０および電圧源４２は、可動子１４を筒抜け方向に移動させる、第１の電極２２および第２の電極２３に対する駆動電圧信号を生成する。図５は、駆動波形発生回路４０により生成され、第１の電極２２を構成する電極Ａ〜Ｃおよび第２の電極２３に印加される駆動波形の例である。図５では、横軸は、すべてのグラフで共通の時間軸をなし、縦軸は、各電極への出力電圧をＨ（Ｈｉｇｈ），Ｌ（Ｌｏｗ）で表す。なお、出力電圧は、Ｈが１００Ｖ程度であり、Ｌは０Ｖである。従って電圧源４２にも１００Ｖ程度の直流電圧源が用いられる。

まず、初期状態として、図４の可動子１４および第３の電極２４が、第２の固定子１３、すなわち第２の電極２３側にある場合を考える。ここで、駆動波形発生回路４０は、第１の電極２２の電極Ａに、第３の電極２４に対して、Ｈの電圧を印加する。すると、電極Ａと、第３の電極２４の突起部との間に静電的なクーロン力が生じ、第３の電極２４が装着された可動子１４は、突起部が電極Ａと合致するように、図４のライン４４の沿って固定子１２の電極Ａが存在する方向に引き寄せられる。この際、可動子１４は、矢印３４で示す筒抜け方向に移動する。

その後、駆動波形発生回路４０は、電極Ａの電圧をＬとし、同時に第２の電極２３の電圧をＨとする。すると、第２の電極２３と、第３の電極２４との間に静電的なクーロン力が生じ、第３の電極２４が装着された可動子１４は、第２の電極２３がある固定子１３と合致するように、筒抜け方向と直交する方向に引き寄せられる。

その後、駆動波形発生回路４０は、第１の電極２２の電極Ｂに、第２の電極２３に対して、Ｈの電圧を印加する。すると、電極Ｂと、第３の電極２４の突起部との間に静電的なクーロン力が生じ、第３の電極２４が装着された可動子１４は、突起部が電極Ｂと合致するように、図４のライン４６の沿って固定子１２の電極Ｂが存在する方向に引き寄せられる。この際、可動子１４は、矢印３４で示す筒抜け方向に、電極Ａ〜Ｃの電極間距離だけ移動する。

その後、駆動波形発生回路４０は、電極Ｂの電圧をＬとし、同時に第２の電極２３の電圧をＨとする。すると、第２の電極２３と、第３の電極２４との間に静電的なクーロン力が生じ、第３の電極２４が装着された可動子１４は、第２の電極２３がある固定子１３と合致するように、筒抜け方向と直交する方向に引き寄せられる。

以後、第１の電極２２あるいは第２の電極２３にＨの電圧を印加する工程を、電極Ａ⇒第２の電極⇒電極Ｂ⇒第２の電極⇒電極Ｃ⇒第２の電極⇒電極Ａ⇒第２の電極⇒・・・の順序で繰り返し、可動子１４は、固定子１２および１３に挟まれた空間を、筒抜け方向に移動する。

また、第１の電極２２あるいは第２の電極２３にＨの電圧を印加する工程を、上述した順序と逆方向、すなわち電極Ａ⇒第２の電極⇒電極Ｃ⇒第２の電極⇒電極Ｂ⇒第２の電極⇒電極Ａ⇒第２の電極⇒・・・の順序で繰り返し、可動子１４を、筒抜け方向の逆方向に移動することもできる。

つづいて、本発明の中核となる第１の電極２２および制御部６０、スイッチ８０、８１、計測手段７０の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明にかかる第１の電極２２、第２の電極２３、第３の電極２４、制御部６０、スイッチ８０、８１および計測手段７０を示す図である。なお、第１の電極２２は、固定子１２の可動子１４と対向する面が図示されている。

第１の電極２２は、筒抜け方向に等間隔で配列された短冊状の電極Ａ〜Ｃが、繰り返し配列された構造を有している。ここで、すべての電極Ａ〜Ｃは、筒抜け方向に２分割された分割電極ＬおよびＲから構成されている。そして、この分割は、２分割された各分割電極ＬあるいはＲが、筒抜け方向の位置に概ね比例する電極面積を有する様になされる。なお、ここで言う比例とは、比例係数が正および負の両方を含む。図１に示した例では、第１の電極２２は、筒抜け方向と所定の角度をなす分割ラインに沿って、分割される。これにより、分割電極ＬおよびＲは、筒抜け方向の位置に比例した面積を有するものとなる。

第２の電極２３、第３の電極２４、駆動波形発生回路４０および電圧源４２は、図４で説明したものと同様であるので説明を省略する。
計測手段７０は、分割電極Ｌおよび第３の電極２４間の静電容量を計測する。この計測にあたっては、電気回路部３を小型化する要求から、簡便なものが好ましい。例えば、計測手段７０は、小型交流電圧源および電流検出回路を備え、分割電極Ｌおよび第３の電極２４間に交流電流を流す。そして、ここに流れる交流電流を計測し、この交流電流値、印加電圧および周波数から、分割電極Ｌおよび第３の電極２４間のインピーダンス、ひいては静電容量を求める。

スイッチ８０は、２分割された第１の電極２２の分割電極を、各電極Ａ〜Ｃごとに接続あるいは切り離しするオンオフのスイッチング手段である。スイッチ８０は、リレーあるい耐電圧の高いアナログスイッチ等が用いられる。

スイッチ８１は、計測手段７０と分割電極Ｌの電極Ａ〜Ｃとを接続あるいは切り離しする。なお、スイッチ８１は、計測手段７０側で電極Ａ〜Ｃの端子がすべて接続される。従って、スイッチ８１がオンの場合には、分割電極Ｌは、電極Ａ〜Ｃを接続した一枚の電極と電気的に同等となる。ここで、スイッチ８１は、スイッチ８０と同様のスイッチが用いられる。

制御部６０は、ＣＰＵ等からなり、駆動波形発生回路４０からの駆動波形の出力、計測手段７０による計測およびスイッチ８０、８１のオンオフ動作を制御する。
つぎに、本実施の形態１にかかる制御部６０の動作を、図６を用いて説明する。図６は、制御部６０の動作を示すフローチャートである。まず、制御部６０は、スイッチ８０、８１を可動子１４の駆動モードに設定する（ステップＳ６０１）。ここで、駆動モードとは、スイッチ８０がオン、スイッチ８１がオフとなっている状態を示す。この状態では、分割電極ＬおよびＲは電気的に接続された状態にあり、計測手段７０は分割電極Ｌから切り離された状態にある。

その後、制御部６０は、第２の電極２３に電圧を印加する（ステップＳ６０２）。これにより、図４で説明した静電的なクーロン力により、可動子１４は、第２の固定子１３に吸引された状態となる。また、可動子１４は、第１の固定子１２とは切り離された状態となり、可動子１４の第３の電極２４および第１の固定子１２の分割電極Ｌ間には、静電容量が発生する。

その後、制御部６０は、スイッチ８０、８１を可動子１４の計測モードに切り替える（ステップＳ６０３）。ここで、計測モードとは、スイッチ８０がオフ、スイッチ８１がオンとなっている状態を示す。この状態では、分割電極ＬおよびＲは電気的に切り離された状態にあり、計測手段７０は分割電極Ｌに接続された状態にある。

その後、制御部６０は、計測手段７０により、分割電極Ｌおよび第３の電極２４間の静電容量を計測する（ステップＳ６０４）。ここで、図７を用いて、可動子１４の筒抜け方向の位置と、分割電極Ｌおよび第３の電極２４間の静電容量について説明する。

図７は、可動子１４の位置および第１の電極２２を、対向する面と直交する方向から見た俯瞰図である。ここで、可動子１４は、第１の電極２２の筒抜け方向の任意の位置に存在しうる。なお、可動子１４の第３の電極２４は、図示された可動子１４と概ね同一形状を有しており、第１の電極２２と所定間隔を持って対向しており、いわゆるキャパシターを形成する。

いま、第１の電極２２の筒抜け方向の端部を原点とし、可動子１４の中心までの距離を位置ｘとする。また、可動子１４の第３の電極２４と、分割電極Ｌとの対向面で、重なり合う部分の対向面積をＳとする。ここで、第３の電極２４と分割電極Ｌ間の静電容量Ｃは、
Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ）―――――――（１）
の（１）式で現される。なお、εは第３の電極２４と分割電極Ｌ間に存在する物質の誘電率、ｄは第３の電極２４と分割電極Ｌ間の距離である。また、第３の電極２４には突起部があるので、厳密にはｄが一定とならないが、本発明の主旨には影響がないので無視する。

一方、面積Ｓは、分割電極Ｌを構成する短冊状の電極の電極面積が、筒抜け方向の位置に比例して変化するので、同様に、可動子１４の位置ｘに比例して変化する。従って、対向面積Ｓに比例する静電容量Ｃも位置ｘに比例して変化し、逆に静電容量Ｃから位置ｘを推定することができる。

図７（Ａ）に、可動子１４が位置ｘ１あるいは位置ｘ２に存在する場合の例を示す。位置ｘ１に可動子１４が存在する時の分割電極Ｌとの対向部分の対向面積をＳ１、位置ｘ２に可動子１４が存在する時の分割電極Ｌとの対向部分の対向面積をＳ２とする。ここで、ｘ１＜ｘ２の場合には、分割電極Ｌの面積が位置ｘに比例して変化しているので、必ずＳ１＞Ｓ２となる。

図７（Ｂ）に、可動子１４の位置ｘと静電容量Ｃの関係を示す。横軸は、可動子１４の位置ｘ、縦軸は、第３の電極２４および分割電極Ｌ間の静電容量Ｃである。可動子１４の位置ｘが大きくなるにつれて、図７（Ａ）に示した様に、第３の電極２４と分割電極Ｌの対向面積Ｓは減少する。従って、（１）式に従って対向面積Ｓに比例する静電容量Ｃも、減少し、可動子１４の位置ｘと静電容量Ｃとは、比例の関係を示す。図７（Ｂ）では、（１）式に基づいた、対向面積Ｓ１に対する静電容量Ｃ１および対向面積Ｓ２に対する静電容量Ｃ２を、可動子１４の位置ｘ１およびｘ２に対して例示されている。

また、静電容量Ｃは、計測手段７０により計測される。この計測は、例えば、計測手段７０内の交流電圧源および交流電流検出装置を用いてなされる。ここで、交流電圧源は、第１の電極２２および第２の電極２３間に印加され、交流電流検出装置は、前記交流電圧源の出力電流を、前記交流電圧源の出力端子に直列接続される抵抗の電圧降下等からオームの法則を用いて測定される。

そして、交流電圧源が周波数ωの正弦波電圧を出力する場合には、交流電圧源の出力電圧をＶ、測定される交流電流をＩとすると、
｜Ｖ｜＝１／（ωＣ）・｜Ｉ｜
の関係により、静電容量Ｃが求まる。

その後、図６に戻り、制御部６０は、計測された静電容量から可動子１４の位置を確定する（ステップＳ６０５）。ここでは、図７（Ｂ）に示した様な可動子１４の位置ｘと静電容量Ｃの関係を示すテーブルを参照して、位置ｘが確定される。なお、このテーブルは、計算により導出されたものを用いることもできるが、予め実験的に計測された位置ｘと静電容量Ｃとの関係を用いることにより、より高精度に可動子１４の位置ｘを求めることもできる。

その後、制御部６０は、スイッチ８０、８１を可動子１４の駆動モードに切り替える（ステップＳ６０６）。そして、制御部６０は、ステップＳ６０５で求めた第１の固定子１２に対する可動子１４の位置に基づいて、可動子１４が目標とする位置までの移動量を算定する（ステップＳ６０７）。ここで、静電アクチュエータ１が、図２に示す様に基板２上に配設される場合は、可動子１４に装着されたレンズ４と基板２上の図示されない撮像素子との距離から、目標とする位置が設定される。そして、ステップＳ６０５で求められる可動子１４言い換えればレンズ４の現在の位置から、相対的な移動量を算定する。

その後、制御部６０は、図５に示した様な駆動波形を用いて、可動子１４を、ステップＳ６０７で求めた移動量だけ移動する（ステップＳ６０８）。これにより、レンズ４を目標とする位置に配設し、本処理を終了する。

上述してきたように、本実施の形態１では、第１の電極２２を、筒抜け方向に分割された分割電極ＬおよびＲに２分割し、これら分割電極ＬあるいはＲを構成する短冊状の電極面積が筒抜け方向の位置に比例する値を有し、スイッチ８０により、分割電極ＬおよびＲを電気的にオンオフして接続あるいは切り離し状態とし、スイッチ８０がオフの際に、計測手段７０により分割電極Ｌと第３の電極２４の静電容量を求め、スイッチ８０がオンの際に、可動子１４を移動させることとしているので、第１の電極２２を用いて、可動子１４の絶対的な位置の計測と、可動子１４の移動とを行い、可動子１４の絶対位置を計測することができる簡便な構成の静電アクチュエータ１とし、外部からの衝撃等による可動子１４の突発的な移動に際しても、可動子１４の絶対位置を正確に把握し、的確な制御を行うと共に、静電アクチュエータ１およびカメラモジュールの小型化および信頼性の向上を計ることができる。

また、本実施の形態１では、分割電極Ｌに計測手段７０を接続し、分割電極Ｒに駆動波形発生回路４０を接続することとしたが、分割電極Ｒに計測手段７０を接続し、分割電極Ｌに駆動波形発生回路４０を接続することもできる。この場合には、図７（Ｂ）に示す可動子１４の位置ｘと静電容量Ｃに関係は、正比例の関係となる。

また、本実施の形態１では、計測手段７０と駆動波形発生回路４０とを、異なる分割電極ＬあるいはＲに接続することとしたが、同一の分割電極ＬあるいはＲに接続することもできる。この場合には、スイッチ８１と同様に、計測手段７０と駆動波形発生回路４０との電気信号の競合を防止するために、駆動あるいは計測モードごとのスイッチ等による切り替えが行われる。

また、本実施の形態１では、可動子１４は１つであるとしたが、複数の可動子を静電アクチュエータ１内に有し、ズームレンズ等の場合に、この複数の可動子の絶対位置を独立に確定し、この情報に基づいて、複数の可動子を独立に位置制御することもできる。

また、本実施の形態１では、駆動モードにより可動子１４の移動を行う前に、計測モードで絶対位置の計測を行うこととしたが、駆動モードにより可動子１４の移動の最中に、適宜計測モードに切り替えて絶対位置の計測を行うこともできる。
（実施の形態２）
ところで、上記実施の形態１では、第１の電極２２を、分割電極ＬおよびＲに分割することとしたが、第２の電極２３を同様に分割し、絶対的な位置の検出装置として機能させることもできる。そこで、本実施の形態２では、第２の電極２３を２分割し、可動子１４の絶対的な位置を計測する場合を示すことにする。

図８は、この実施の形態２にかかる、第１の電極３２、第２の電極３３、第３の電極２４、制御部６１、スイッチ９０、９１および計測手段７０を示す図である。なお、第２の電極３３は、固定子１３に装着される可動子１４と対向する面が図示されている。なお、この図は、図１に対応するものであり、その他の機械的な構成および動作については、図２〜５に示したものと同様なものとなるので、ここではその詳細な説明を省略する。

第２の電極３３は、筒抜け方向に２分割された分割電極ＬＬおよびＲＲから構成されている。そして、この分割は、２分割された各分割電極ＬＬあるいはＲＲが、筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状を有する。なお、ここで言う比例とは、比例係数が正および負の両方を含む。図８に示した例では、第２の電極３３は、筒抜け方向と所定の角度をなす分割ラインに沿って分割される。これにより、分割電極ＬＬおよびＲＲは、筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状のものとなる。

第３の電極２４、計測手段７０、駆動波形発生回路４０および電圧源４２は、図４で説明したものと同様であるので説明を省略する。また、第１の電極３２は、図１に示した第１の電極２２と比較すると、分割ラインが存在せず、分割電極ＬおよびＲが、電極Ａ〜Ｃを構成する短冊状の電極ごとに接続した構造を有する。

スイッチ９０は、２分割された第２の電極３３の分割電極ＬＬおよびＲＲを、接続あるいは切り離しするオンオフのスイッチング手段である。スイッチ９０は、リレーあるい耐電圧の高いアナログスイッチ等が用いられる。

スイッチ９１は、計測手段７０と分割電極ＬＬを接続あるいは切り離しする。ここで、スイッチ９１は、スイッチ９０と同様のスイッチが用いられる。
制御部６１は、ＣＰＵ等からなり、駆動波形発生回路４０からの駆動波形の出力、計測手段７０による計測およびスイッチ９０、９１のオンオフ動作を制御する。

つぎに、本実施の形態２にかかる制御部６１の動作を、図９を用いて説明する。図９は、制御部６１の動作を示すフローチャートである。まず、制御部６１は、スイッチ９０、９１を可動子１４の駆動モードに設定する（ステップＳ９０１）。ここで、駆動モードとは、スイッチ９０がオン、スイッチ９１がオフとなっている状態を示す。この状態では、分割電極ＬＬおよびＲＲは電気的に接続された状態にあり、計測手段７０は分割電極ＬＬから切り離された状態にある。

その後、制御部６１は、第１の電極３２の電極Ａ〜Ｃに電圧を印加する（ステップＳ９０２）。これにより、図４で説明した静電的なクーロン力により、可動子１４は、第１の固定子１２に吸引された状態となる。また、可動子１４は、第２の固定子１３とは切り離された状態となり、可動子１４の第３の電極２４および第２の固定子１３の分割電極ＬＬ間には、静電容量が発生する。

その後、制御部６１は、スイッチ９０、９１を可動子１４の計測モードに切り替える（ステップＳ９０３）。ここで、計測モードとは、スイッチ９０がオフ、スイッチ９１がオンとなっている状態を示す。この状態では、分割電極ＬＬおよびＲＲは電気的に切り離された状態にあり、計測手段７０は分割電極ＬＬに接続された状態にあり、第３の電極２４は、第１の電極３２に吸引されており電気的な接地状態にある。

その後、制御部６１は、計測手段７０により、分割電極ＬＬおよび第３の電極２４間の静電容量を計測する（ステップＳ９０４）。ここで、可動子１４の位置ｘと計測される静電容量Ｃの間には、図７（Ｂ）に示すのと全く同様の関係が存在する。これにより、制御部６０は、計測された静電容量から可動子１４の位置を確定する（ステップＳ９０５）。ここでは、図７（Ｂ）に示した様な可動子１４の位置ｘと静電容量Ｃの関係を示すテーブルを参照して、位置ｘが確定される。

その後、制御部６１は、スイッチ９０、９１を可動子１４の駆動モードに切り替える（ステップＳ９０６）。そして、制御部６１は、ステップＳ９０５で求めた第２の固定子１３に対する可動子１４の位置に基づいて、可動子１４が目標とする位置までの移動量を算定する（ステップＳ９０７）。ここで、静電アクチュエータ１が、図２に示す様に基板２上に配設される場合は、可動子１４に装着されたレンズ４と基板２上の図示されない撮像素子との距離から、目標とする位置が設定される。そして、ステップＳ９０５で求められる可動子１４言い換えればレンズ４の現在の位置から、相対的な移動量を算定する。

その後、制御部６１は、図５に示した様な駆動波形を用いて、可動子１４を、ステップＳ９０７で求めた移動量だけ移動する（ステップＳ９０８）。これにより、レンズ４を目標とする位置に配設し、本処理を終了する。

上述してきたように、本実施の形態２では、第２の電極３３を、筒抜け方向に分割された分割電極ＬＬおよびＲＲに２分割し、これら分割電極ＬＬあるいはＲＲの形状が、筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状を有し、スイッチ９０により、分割電極ＬＬおよびＲＲを電気的にオンオフして接続あるいは切り離し状態とし、スイッチ９０がオフの際に、計測手段７０により分割電極ＬＬと第３の電極２４の静電容量を求め、スイッチ９０がオンの際に、可動子１４を移動させることとしているので、第２の電極３３を用いて、可動子１４の絶対的な位置の計測と、可動子１４の移動とを行い、可動子１４の絶対位置を計測することができる簡便な構成の静電アクチュエータ１とし、外部からの衝撃等による可動子１４の突発的な移動に際しても、可動子１４の絶対位置を正確に把握し、的確な制御を行うと共に、静電アクチュエータおよびカメラモジュールの小型化および信頼性の向上を計ることができる。

第１の電極を中心とする静電アクチュエータの電気的な構成を示す図である。 カメラモジュールの全体構成を示す図である。 静電アクチュエータの全体構成を示す図である。 静電アクチュエータの機械的な動作を示す図である。 静電アクチュエータの電極に印加される電気信号を示すタイムチャートである。 実施の形態１の制御部の動作を示すフローチャートである。 実施の形態１の可動子の位置と静電容量の関係を示す図である。 実施の形態２の第２の電極を中心とする静電アクチュエータの電気的な構成を示す図である。 実施の形態２の制御部の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 静電アクチュエータ
２ 基板
３ 電気回路部
４ レンズ
１２、１３ 固定子
１４ 可動子
２２〜２４、３２、３３ 電極
３４ 矢印
４０ 駆動波形発生回路
４２ 電圧源
４４、４６ 分割ライン
６０、６１ 制御部
７０ 計測手段
８０、８１、９０、９１ スイッチ

Claims (6)

1. 対向して配置される第１および第２の固定子と、
   前記第１および第２の固定子に挟まれる空間に存在し、前記空間の筒抜け方向に移動可能な可動子と、
   前記第１の固定子の前記筒抜け方向に、等間隔に繰り返し配列される少なくとも３系統の第１の電極と、
   前記第２の固定子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
   前記可動子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極および前記第２の電極と対向して配置される第３の電極と、
   前記第１の電極および前記第２の電極に、前記第３の電極と異なる電位になるように交互に電圧を印加すると共に、前記第１の電極の各系統の印加電圧を、時系列的に順次切り替えて、前記可動子を前記筒抜け方向に移動させる駆動波形発生回路と、
   を備える静電アクチュエータであって、
   前記第１の電極あるいは前記第２の電極は、前記筒抜け方向に２分割される、前記筒抜け方向の位置に比例する電極面積あるいは前記筒抜け方向の位置に比例して電極面積が変化する形状の、複数の分割電極からなり、
   前記２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離すオンオフのスイッチング手段、前記２分割された分割電極の片方と前記第３の電極との静電容量を計測する計測手段および前記スイッチング手段がオンの際に、前記可動子の移動を行い、前記スイッチング手段がオフの際に、前記計測手段の静電容量情報から、前記可動子の前記筒抜け方向の位置を確定する制御部を備えることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 前記計測手段は、前記第１の電極あるいは前記第２の電極と、前記第３の電極とに流れる交流電流値から前記静電容量を計測することを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
3. 前記制御部は、予め測定される前記可動子の前記筒抜け方向の位置ごとの前記静電容量の情報に基づいて、前記筒抜け方向の位置を確定することを特徴とする請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
4. 前記制御部は、前記第１の電極が前記分割電極を有する際に、前記スイッチング手段をオフにする前に、前記第２の電極が、前記第３の電極よりも高い電位になる電圧を印加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
5. 前記制御部は、前記第２の電極が前記分割電極を有する際に、前記スイッチング手段をオフにする前に、前記第１の電極が、前記第３の電極よりも高い電位になる電圧を印加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の静電アクチュエータ。
6. 撮像素子と、
   前記撮像素子に被写体からの光を結像するレンズと、
   前記レンズの前記撮像素子からの距離を調整する静電アクチュエータと、
   を備えるカメラモジュールであって、
   前記静電アクチュエータは、対向して配置される第１および第２の固定子と、前記第１および第２の固定子に挟まれる空間に存在し、前記空間の筒抜け方向に移動可能な、レンズを有する可動子と、前記第１の固定子の前記筒抜け方向に、等間隔に繰り返し配列される少なくとも３系統の第１の電極と、前記第２の固定子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記可動子の前記筒抜け方向に、前記第１の電極と対向する第３の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極が、前記第３の電極と異なる電位になるように交互に電圧を印加すると共に、前記第１の電極の各系統の印加電圧を、時系列的に順次切り替えて、前記可動子を前記筒抜け方向に移動させる駆動波形発生回路とを有し、前記第１の電極あるいは前記第２の電極は、前記筒抜け方向に２分割される、前記筒抜け方向の位置に比例する電極面積あるいは前記筒抜け方向の長さに比例して電極面積が変化する形状の複数の分割電極からなり、前記２分割された分割電極を電気的に接続あるいは切り離すオンオフのスイッチング手段、前記分割電極と前記第３の電極との静電容量を計測する計測手段および前記スイッチング手段がオンの際に、前記可動子の移動を行い、前記スイッチング手段がオフの際に、前記計測手段の静電容量情報から、前記可動子の前記筒抜け方向の位置を確定する制御部を備えることを特徴とするカメラモジュール。
   
   

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