JP6837315B2 - 静電アクチュエータの駆動回路、カメラモジュール、電子機器、容量測定回路 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

スマートホンやタブレットＰＣなどのさまざまな電子機器に、カメラモジュールが搭載されている。カメラモジュールは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサやＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子と、オートフォーカス用あるいは手ぶれ補正用のレンズ、レンズを動かすアクチュエータおよびそのドライバ回路を備える。

従来のカメラモジュールでは、アクチュエータとして、ボイスコイルモータやステッピングモータが用いられていた。ボイスコイルモータやステッピングモータは、コイルに駆動電流を流し、コイルが発生する磁界と永久磁石との間の相互作用によってトルクあるいは推進力を発生させるものであるが、駆動電流として１００ｍＡオーダーを要するため、カメラモジュールひいては電子機器の低消費電力化の妨げとなっていた。

特開２００５−３３１３９９号公報 特開２０００−２９５８３２号公報 特開２０１１−２０３０７４号公報

ボイスコイルモータやステッピングモータとなり得るアクチュエータとして、本発明者は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスなどのマイクロアクチュエータ（静電アクチュエータ）に着目した。静電アクチュエータは、駆動のために高電圧が必要であるが、消費電流が非常に小さいため、ボイスコイルモータ等に比べて消費電力を大幅に削減できる。

静電アクチュエータは可変電極を有し、可変電極が形成する容量が、変位量（可動電極の位置）に応じて変化する。したがって駆動回路から静電アクチュエータの電極を望んだ容量を測定すれば、モータの位置検出として一般的なホール素子などによらずに、可動電極の位置を検出することが可能である。

従来では、ＣＶ変換法や高周波信号を利用して、電極の容量を検出するアプローチが採られていたが、回路形式が複雑であり、また十分な分解能が得られないといった問題があった。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、静電アクチュエータを駆動しつつ、位置検出が可能な駆動回路の提供にある。

本発明のある態様は、静電アクチュエータの駆動回路に関する。駆動回路は、静電アクチュエータが接続されるべき出力端子と、イネーブル状態において、駆動電圧を出力端子に印加し、ディセーブル状態において、その出力がハイインピーダンスとなる駆動部と、出力端子と接続され、出力端子に電流をソースし、および／または出力端子から電流をシンクする電流生成回路と、駆動部のイネーブル状態、ディセーブル状態を制御するコントローラと、駆動部のイネーブル状態において出力端子に発生する第１電圧と、駆動部がディセーブル状態において出力端子に発生する第２電圧と、にもとづいて、静電アクチュエータの可動電極の位置を検出する位置検出回路と、を備える。
この態様によると、静電アクチュエータを位置を制御しつつ、位置を検出できる。

駆動部は、駆動アンプと、駆動アンプの出力経路に設けられた第１スイッチと、を含み、第１スイッチのオン状態がイネーブル状態、第１スイッチのオフ状態がディセーブル状態に対応し、コントローラは、第１スイッチのオン、オフを制御してもよい。

電流生成回路は、電流を発生するイネーブル状態と、電流を停止するディセーブル状態が切りかえ可能であり、コントローラは、駆動部と電流生成回路を、相補的に制御してもよい。駆動部のイネーブル状態において電流生成回路を停止しておくことで、無駄な電流を削減できる。

電流生成回路は、電流の遮断、導通を切りかえるための第２スイッチを含み、第２スイッチのオン状態がイネーブル状態、第２スイッチのオフ状態がディセーブル状態に対応してもよい。

位置検出回路は、駆動部がディセーブル状態となった後、第２電圧と第１電圧の電位差が所定値に達するまでの時間を測定し、測定した時間に応じて、可動電極の位置情報を生成してもよい。

位置検出回路は、駆動部がディセーブル状態となった後、所定時間の経過後における第２電圧と第１電圧の電位差を測定し、測定した電位差に応じて、可動電極の位置情報を生成してもよい。

駆動部は、出力経路上に設けられた出力抵抗を含んでもよい。出力抵抗によって、ラッシュ電流を抑止できる。

位置検出回路は、駆動部の第１スイッチより内部側の電圧と、駆動部の第１スイッチより外部側の電圧と、の電位差を増幅する差動アンプと、差動アンプの出力電圧を所定の第１しきい値と比較する電圧コンパレータと、第１スイッチをオフしてから、電圧コンパレータの出力が変化するまでの時間を測定するタイマー回路と、を含んでもよい。

電流生成回路は、出力端子に電流をソースする充電モードと、出力端子から電流をシンクする放電モードと、が切りかえ可能であってもよい。

コントローラは、出力端子の電圧が第２しきい値より低いとき、電流生成回路を充電モードにセットし、出力端子の電圧が第３しきい値より高いとき、電流生成回路を放電モードにセットしてもよい。これにより、充電や放電による電圧変化によって、上側ヘッドルームあるいは下側のヘッドルームが不足するのを防止できる。

コントローラは、出力端子の電圧が所定の範囲に含まれるとき、電流生成回路を、交互に充電モードと放電モードにセットしてもよい。充電モードと放電モードの１セットで、充放電電流による電圧変化を相殺できる。

駆動回路は、出力端子に着脱可能に接続される基準容量をさらに備えてもよい。位置検出回路は、基準容量について予め測定された基準時間と、静電アクチュエータについて測定した時間の比にもとづいて、可動電極の位置情報を生成してもよい。
これにより、電流生成回路が生成する電流のばらつきの影響をキャンセルでき、高精度な位置検出が可能となる。

本発明の別の態様も、静電アクチュエータの駆動回路に関する。駆動回路は、静電アクチュエータが接続されるべき出力端子と、静電アクチュエータに供給すべき駆動電圧を生成する駆動アンプと、駆動アンプの出力と出力端子の間に設けられたスイッチと、出力端子と接続され、出力端子に電流をソースし、および／または出力端子から電流をシンクする電流生成回路と、スイッチのオン、オフ状態を制御するコントローラと、スイッチのオン状態において出力端子に発生する第１電圧と、スイッチがオフ状態において出力端子に発生する第２電圧と、にもとづいて、静電アクチュエータの可動電極の位置を検出する位置検出回路と、を備える。

本発明の別の態様は、カメラモジュールに関する。カメラモジュールは、複数の画素を含む画素アレイを有するイメージセンサと、イメージセンサへの入射光の光路上に設けられたレンズと、レンズを位置決めする静電アクチュエータと、静電アクチュエータを駆動する駆動回路と、を備えてもよい。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は上述のカメラモジュールを備えてもよい。

本発明の別の態様は、容量性デバイスの容量を測定する容量測定回路に関する。容量測定回路である。この容量測定回路は、容量性デバイスが接続されるべき出力端子と、イネーブル状態において、駆動電圧を出力端子に印加し、ディセーブル状態において、その出力がハイインピーダンスとなる駆動部と、出力端子と接続され、出力端子に電流をソースし、および／または出力端子から電流をシンクする電流生成回路と、駆動部のイネーブル状態、ディセーブル状態を制御するコントローラと、駆動部のイネーブル状態において出力端子に発生する第１電圧と、駆動部がディセーブル状態において出力端子に発生する第２電圧と、にもとづいて、容量性デバイスの容量を検出する位置検出回路と、を備える。
この態様によれば、容量性デバイスの容量を検出できる。

本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、上述のいずれかの態様のカメラモジュールを備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

さらに、この課題を解決するための手段の記載は、すべての欠くべからざる特徴を説明するものではなく、したがって、ここに記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明を構成しうる。

本発明によれば、静電アクチュエータを駆動しつつ、位置を検出できる。

実施の形態に係るアクチュエータドライバのブロック図である。 図１のアクチュエータドライバの第１の動作を説明するタイムチャートである。 図１のアクチュエータドライバの第１構成例の回路図である。 電流生成回路の変形例の回路図である。 図４の電流生成回路の動作を示すタイムチャートである。 第３変形例に係るアクチュエータドライバを示す図である。 第４変形例に係るアクチュエータドライバの動作を説明するタイムチャートである。 第４変形例に係る位置検出回路の構成例を示す回路図である。 第５変形例に係るアクチュエータドライバの回路図である。 カメラモジュールの斜視図である。 アクチュエータドライバの制御ブロック図である。 カメラモジュールを備える電子機器の斜視図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

本実施の形態では、静電アクチュエータを駆動する駆動回路（以下、アクチュエータドライバと称する）について説明する。図１は、実施の形態に係るアクチュエータドライバ３００のブロック図である。静電アクチュエータ１０４は、たとえばＭＥＭＳテクノロジーを用いて製造されるマイクロアクチュエータである。静電アクチュエータ１０４は、相対的に変位可能な電極対１０６，１０８を有する。たとえば一方の電極１０６が可動電極であり、他方の電極１０８が固定電極である。静電アクチュエータ１０４の構造は特に限定されず、櫛形であってもよいし、積層型であってもよく、公知技術を用いればよい。

アクチュエータドライバ３００は、電極対１０６，１０８の間に、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加し、電極対１０６，１０８の間隔、すなわち可動電極１０６の位置を制御させる。電極対１０６，１０８の間には、電極間の距離に応じて静電容量Ｃ_ＡＣＴＲが発生する。アクチュエータドライバ３００は、静電容量Ｃ_ＡＣＴＲを測定することにより、可動電極１０６の位置を検出する。

アクチュエータドライバ３００は、出力端子３０１、駆動部３１０、電流生成回路３２０、位置検出回路３３０、コントローラ３４０を備え、ひとつの半導体基板に集積化されたＩＣ（Integrated Circuit）であってもよい。出力端子３０１は、静電アクチュエータ１０４が接続される。

駆動部３１０は、イネーブル状態、ディセーブル状態が切りかえ可能であり、イネーブル状態において、制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬに応じた駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを出力端子３０１に印加する。

駆動部３１０はディセーブル状態において、その出力がハイインピーダンスとなる。駆動部３１０は、イネーブルピンＥＮを有し、イネーブルピンの電気的状態（たとえばハイ、ロー）によって２状態が選択可能となっている。

電流生成回路３２０は、出力端子３０１と接続され、出力端子３０１に電流をソース（吐き出す）し、および／または出力端子３０１から電流をシンク（吸い込む）する。ここでは簡単のために、電流生成回路３２０が、出力端子３０１に対して電流（充電電流Ｉ_ＣＨＧという）をソースするものとする。

コントローラ３４０は、制御信号Ｓ_１を駆動部３１０のイネーブルピンＥＮに供給し、イネーブル状態、ディセーブル状態を制御する。たとえば制御信号Ｓ_１がアサート（たとえばハイレベル）のとき駆動部３１０はイネーブル状態、ネゲート（ローレベル）のとき駆動部３１０はディセーブル状態となる。

たとえばコントローラ３４０は、内部のシーケンサにしたがって、第１状態φ_１と第２状態φ_２が交互に発生するよう構成される。そして第１状態φ_１において、制御信号Ｓ_１をハイレベル、第２状態φ_２において、制御信号Ｓ_２をローレベルとする。

電流生成回路３２０は、充電電流Ｉ_ＣＨＧを生成するイネーブル状態と充電電流Ｉ_ＣＨＧを停止するディセーブル状態が切りかえ可能であってもよい。コントローラ３４０は、駆動部３１０と電流生成回路３２０を相補的にイネーブル状態にセットする。具体的には、第１状態φ_１において、制御信号Ｓ_２をネゲートして電流生成回路３２０をディセーブル状態にセットし、第２状態φ_２において制御信号Ｓ_２をアサートして電流生成回路３２０をイネーブル状態にセットする。

位置検出回路３３０は、駆動部３１０のイネーブル状態において出力端子３０１に発生する第１電圧Ｖ_１と、駆動部３１０がディセーブル状態において出力端子３０１に発生する第２電圧Ｖ_２と、にもとづいて、静電アクチュエータ１０４の可動電極１０６の位置を検出する。なお、図１や後出の図６、図１０において、第１電圧Ｖ_１の検出箇所が駆動部３１０の出力として示されるが、これは理解の容易化のために回路動作を模式的に表したものに過ぎず、後述のように、第１電圧Ｖ_１の検出箇所は駆動部３１０の内部（図３、図８）であってもよいし、駆動部３１０の入力（図９）であってもよい。

より詳しくは位置検出回路３３０は、駆動部３１０がディセーブル状態となった後、第２電圧Ｖ_２と第１電圧Ｖ_１の電位差が所定値Ｖ_ＤＩＦＦに達するまでの時間Ｔ_ＭＥＡＳを測定し、測定した時間Ｔ_ＭＥＡＳに応じて、可動電極の位置情報を生成してもよい。

以上がアクチュエータドライバ３００の基本構成である。続いてその動作を説明する。
図２は、図１のアクチュエータドライバ３００の第１の動作を説明するタイムチャートである。本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

はじめに第１状態φ_１に設定される。コントローラ３４０は制御信号Ｓ_１をハイレベルにセットし、駆動部３１０をイネーブル状態とする。時刻ｔ_０に、とある制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬが与えられると、出力端子３０１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬに応じた駆動電圧レベルＶ_ＤＲＶ１まで上昇する。この電圧Ｖ_ＤＲＶ１が、上述の第１電圧Ｖ_１である。第１電圧Ｖ_１は、第２状態φ_２に遷移する直前の値であることが望ましい。

続いて、アクチュエータドライバ３００が第２状態φ_２に遷移する。コントローラ３４０は制御信号Ｓ_１をローレベルにセットし、駆動部３１０をディセーブル状態とする。駆動部３１０がディセーブル状態になると、電流生成回路３２０が生成する充電電流Ｉ_ＣＨＧによって電極間の静電容量が充電される。その結果、第２状態φ_２における出力端子３０１の電圧（出力電圧ともいう）Ｖ_ＯＵＴ、すなわち第２電圧Ｖ_２は、第１電圧Ｖ_１を初期値として式（１）にしたがって増大していく。
Ｖ_２＝Ｖ_１＋∫Ｉ_ＣＨＧ（ｔ）／Ｃ_ＡＣＴＲ …（１）

充電電流Ｉ_ＣＨＧを一定とすると式（２）を得る。
Ｖ_２＝Ｖ_１＋ｔ×Ｉ_ＣＨＧ／Ｃ_ＡＣＴＲ …（２）

上述のように位置検出回路３３０は、第２電圧Ｖ_２と第１電圧Ｖ_１の電位差ΔＶを監視する。この電位差ΔＶは、式（３）で与えられる。
ΔＶ＝Ｖ_２−Ｖ_１＝ｔ×Ｉ_ＣＨＧ／Ｃ_ＡＣＴＲ …（３）

そして、電位差ΔＶが所定値Ｖ_ＤＩＦＦに達するまでの時間Ｔ_ＭＥＡＳは、式（４）で表される。
Ｔ_ＭＥＡＳ＝Ｖ_ＤＩＦＦ×Ｃ_ＡＣＴＲ／Ｉ_ＣＨＧ …（４）

ここで、電圧Ｖ_ＤＩＦＦおよび充電電流Ｉ_ＣＨＧは既知であるから、静電容量Ｃ_ＡＣＴＲは、測定時間Ｔ_ＭＥＡＳを用いて式（５）で計算できる。
Ｃ_ＡＣＴＲ＝Ｔ_ＭＥＡＳ／Ｖ_ＤＩＦＦ×Ｉ_ＣＨＧ …（５）
このようにして位置検出回路３３０は、測定した時間Ｔ_ＭＥＡＳに応じて、可動電極１０６の位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成する。なお位置検出回路３３０において、必ずしも静電容量Ｃ_ＡＣＴＲを計算する必要は無く、測定された時間Ｔ_ＭＥＡＳから可動電極１０６を位置が求められればよい。可動電極１０６の位置は、演算によって求めても良いし、時間Ｔ_ＭＥＡＳと位置の関係をテーブルに格納しておき、テーブル参照によって求めてもよい。

時刻ｔ_１に、制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬが新たな値に変化する。第１状態φ_１において出力端子３０１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、新たな制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬに応じた駆動電圧レベルＶ_ＤＲＶ２に変化する。これにより可動電極１０６の位置が変化し、静電容量Ｃ_ＡＣＴＲも変化する。

続く第２状態φ_２において、充電電流Ｉ_ＣＨＧによって静電容量Ｃ_ＡＣＴＲが充電されると、出力端子３０１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、すなわち第２電圧Ｖ_２が時間ととともに上昇する。そして電位差ΔＶが所定値Ｖ_ＤＩＦＦに達する時間Ｔ_ＭＥＡＳが測定され、現在の可動電極１０６の位置を示す位置情報Ｓ_ＰＯＳが生成される。

以上がアクチュエータドライバ３００の動作である。このアクチュエータドライバ３００によれば、静電アクチュエータ１０４を位置を制御しつつ、可動電極１０６の位置を検出できる。

なお、駆動部３１０のイネーブル状態における出力インピーダンスが十分に低ければ、第１状態φ_１において充電電流Ｉ_ＣＨＧを生成し続けても、駆動部３１０は出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴを、制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬに応じた駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに維持できる。しかしながらこの場合、充電電流Ｉ_ＣＨＧが、駆動部３１０の出力を介して捨てられる場合があり、無駄な電流となりうる。そこで図２に示すように、第１状態φ_１の間、充電電流Ｉ_ＣＨＧを停止しておくことにより、無駄な電流を削減できる。

本発明は、図１のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

図３は、図１のアクチュエータドライバ３００の第１構成例（３００Ａ）の回路図である。

駆動部３１０は、駆動アンプ３１１および第１スイッチＳＷ_１を含む。第１スイッチＳＷ_１は、駆動アンプ３１１の出力から出力端子３０１に至る出力経路３１６に設けられる。第１スイッチＳＷ_１のオン状態がイネーブル状態、第１スイッチＳＷ_１のオフ状態がディセーブル状態に対応する。第１スイッチＳＷ_１は、第１制御信号Ｓ_１に応じて制御される。

たとえば駆動アンプ３１１は、演算増幅器３１２および抵抗３１４を含む。出力抵抗３１４は、出力経路３１６上に第１スイッチＳＷ_１と直列に設けられる。出力抵抗３１４によって、ラッシュ電流を防止できる。なお出力抵抗３１４は省略してもよい。

演算増幅器３１２の非反転入力端子（＋）には制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬが入力され、反転入力端子（−）には出力抵抗３１４と第１スイッチＳＷ_１の接続ノードＮ_１の電圧がフィードバックされている。

第１スイッチＳＷ_１のオン、オフにかかわらず、ノードＮ_１の電圧は、制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬと一致するようにフィードバック制御される。第１スイッチＳＷ_１のオン状態において出力端子３０１にノードＮ_１の電圧が供給され、第１スイッチＳＷ_１のオフ状態において、駆動部３１０の出力はハイインピーダンスとなる。

図３において、駆動アンプ３１１は利得１の非反転アンプ（ボルテージフォロア）であるがその限りではなく、利得が１以外の非反転アンプであってもよいし、反転アンプであってもよい。

上述のように電流生成回路３２０は、充電電流Ｉ_ＣＨＧを発生するイネーブル状態と、電流を停止するディセーブル状態が切りかえ可能である。電流生成回路３２０は、ソース電流源３２２と第２スイッチＳＷ_２を含む。ソース電流源３２２は、充電電流Ｉ_ＣＨＧに相当する一定電流を生成する定電流源である。第２スイッチＳＷ_２は、充電電流Ｉ_ＣＨＧの経路上に設けられる。第２スイッチＳＷ_２のオン状態が電流生成回路３２０のイネーブル状態、第２スイッチＳＷ_２のオフ状態がディセーブル状態に対応する。第２スイッチＳＷ_２は、第２制御信号Ｓ_２に応じて制御される。

なお第２スイッチＳＷ_２は、ソース電流源３２２に内蔵されてもよい。たとえばソース電流源３２２は基準電流を折り返すカレントミラー回路で構成でき、第２スイッチＳＷ_２はカレントミラー回路の動作、停止を切りかえるように接続されてもよい。

位置検出回路３３０は、差動アンプ３３２、電圧コンパレータ３３４、タイマー回路３３６、位置情報生成部３３８を備える。差動アンプ３３２は、駆動部３１０の第１スイッチＳＷ_１より内部側のノードＮ_１の電圧Ｖ_Ｎ１と、駆動部３１０の第１スイッチＳＷ_１より外部側のノードＮ_２の電圧Ｖ_Ｎ２と、の電位差を増幅する。ノードＮ_１の電圧Ｖ_Ｎ１は、上述の第１電圧Ｖ_１に他ならず、ノードＮ_２の電圧Ｖ_Ｎ２は、上述の第２電圧Ｖ_２に他ならない。

電圧コンパレータ３３４は、差動アンプ３３２の出力電圧を所定の第１しきい値Ｖ_ＴＨ１と比較する。第１しきい値Ｖ_ＴＨ１は、上述の所定電圧Ｖ_ＤＩＦＦの設定電圧である。

タイマー回路３３６はデジタルカウンタであり、第１スイッチＳＷ_１をオフしてから（言い換えれば第２状態φ_２に遷移してから）、電圧コンパレータ３３４の出力が変化するまでの時間Ｔ_ＭＥＡＳを、クロックＣＬＫを利用してカウントする。タイマー回路３３６には、時間測定開始のトリガーとなる制御信号Ｓ_３が入力される。

位置情報生成部３３８は、タイマー回路３３６が測定した時間Ｔ_ＭＥＡＳにもとづいて、位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成する。位置情報生成部３３８は、時間Ｔ_ＭＥＡＳと位置の関係を格納するテーブルを含み、テーブル参照によって位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成してもよい。あるいは位置情報生成部３３８は、時間Ｔ_ＭＥＡＳと位置の関係を表す演算式にもとづいて、位置を計算してもよい。

図３の位置検出回路３３０によれば、第１電圧Ｖ_１、第２電圧Ｖ_２の電位差ΔＶが所定しきい値Ｖ_ＤＩＦＦに達するまでの時間Ｔ_ＭＥＡＳを測定でき、位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成できる。

続いて、図３のアクチュエータドライバ３００Ａの変形例を説明する。

（第１変形例）
図４は、電流生成回路３２０の変形例（３２０Ｂ）の回路図である。なお、既に説明した構成と同一の部分については適宜、図示および説明を省略する。

電流生成回路３２０Ｂは、出力端子３０１に電流（充電電流Ｉ_ＣＨＧ）をソースする充電モードと、出力端子３０１から電流（放電電流Ｉ_ＤＩＳ）をシンクする放電モードと、が切りかえ可能となっている。

電流生成回路３２０Ｂは、ソース電流源３２２、シンク電流源３２４、２つの第２スイッチＳＷ_２１，ＳＷ_２２を含む。第２スイッチＳＷ_２１，ＳＷ_２２が両方オフのとき、電流生成回路３２０Ｂはディセーブル状態であり、第２スイッチＳＷ_２１がオン、ＳＷ_２２がオフのとき充電モードφ_２１であり、第２スイッチＳＷ_２１がオフ、ＳＷ_２２がオンのとき放電モードφ_２２である。第２スイッチＳＷ_２１はソース電流源３２２に内蔵されてもよく、第２スイッチＳＷ_２２はシンク電流源３２４に内蔵されてもよい。

電流生成回路３２０Ｂが放電モードで動作する期間の動作は図２と同様である。電流生成回路３２０Ｂが放電モードで動作する期間では、静電アクチュエータ１０４の静電容量Ｃ_ＡＣＴＲの電荷が放電されるため、出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴ（すなわち第２電圧Ｖ_２）は、一定の傾きで低下していく。
Ｖ_２＝Ｖ_１−ｔ×Ｉ_ＤＩＳ／Ｃ_ＡＣＴＲ …（６）
そして、第１電圧Ｖ_１と第２電圧Ｖ_２の電位差ΔＶがしきい値Ｖ_ＤＩＦＦに達するまでの所要時間Ｔ_ＭＥＡＳが測定される。したがって静電容量Ｃ_ＡＣＴＲは、測定時間Ｔ_ＭＥＡＳを用いて式（７）で計算される。
Ｃ_ＡＣＴＲ＝Ｔ_ＭＥＡＳ／Ｖ_ＤＩＦＦ×Ｉ_ＤＩＳ …（７）

図５は、図４の電流生成回路３２０Ｂの動作を示すタイムチャートである。
コントローラ３４０は、電流生成回路３２０Ｂを制御するための制御信号Ｓ_２１、Ｓ_２２を生成する。コントローラ３４０は、出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴ（駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ）が第２しきい値Ｖ_ＴＨ２より低いとき、電流生成回路３２０を充電モードφ_２１にセットする。図５の区間Ｔ_１がこの動作モードを表す。

またコントローラ３４０は、出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴ（駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ）が第３しきい値Ｖ_ＴＨ３より高いとき、電流生成回路３２０を放電モードφ_２２にセットする。図５の区間Ｔ_２がこの動作モードを表す。

またコントローラ３４０は、出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴ（駆動電圧Ｖ_ＤＲＶ）が所定の電圧範囲（たとえばＶ_ＴＨ２〜Ｖ_ＴＨ３の間）に含まれるとき、電流生成回路３２０を、交互に充電モードφ_２１と放電モードφ_２２にセットする。図５の区間Ｔ_３がこの動作モードを表す。

駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが高い状態において、充電電流Ｉ_ＣＨＧを発生すると、出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴがさらに上昇するため、ヘッドルームが不足する可能性があり、Ｖ_ＤＩＦＦ相当の電圧変化を発生させることができなくなる。また駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが低い状態において、放電電流Ｉ_ＤＩＳを発生すると、出力端子３０１の電圧Ｖ_ＯＵＴがさらに低下するため、同様の問題が生ずる。図５の区間Ｔ_１，Ｔ_２の制御によりヘッドルーム不足を解消できる。

また、図５の区間Ｔ_３の制御により、充電モードと放電モードの１セットで、充放電電流による電圧変化ΔＶ_ＣＨＧ，ΔＶ_ＤＩＳを相殺できるため、影響を小さくできる。

（第２変形例）
図４の電流生成回路３２０Ｂのうち、ソース電流源３２２および第２スイッチＳＷ_２１を省略してもよい。すなわち電流生成回路３２０Ｂは、第１状態φ_１においてディセーブル状態にセットされ、第２状態φ_２において放電電流Ｉ_ＤＩＳを生成するイネーブル状態にセットされてもよい。

（第３変形例）
上述のように静電容量Ｃ_ＡＣＴＲは、測定時間Ｔ_ＭＥＡＳを用いて式（５）あるいは（７）で計算される。ここで電流Ｉ_ＣＨＧ（あるいはＩ_ＤＩＳ）がばらつくと、計算された静電容量Ｃ_ＡＣＴＲに誤差が生ずる。

図６は、第３変形例に係るアクチュエータドライバ３００Ｃを示す図である。アクチュエータドライバ３００Ｃは、基準容量（ダミーキャパシタ）３５０、第１スイッチ３５２、第２スイッチ３５３をさらに備える。コントローラ３４０は、キャリブレーションモードにおいて、第１スイッチ３５２をオン状態、第２スイッチ３５３をオフ状態とする。つまり静電アクチュエータ１０４は、駆動部３１０や基準容量３５０から切り離される。

アクチュエータドライバ３００Ｃは、静電アクチュエータ１０４の静電容量を測定するのと同様の動作によって、基準容量３５０の容量値Ｃ_ＲＥＦに応じた基準時間Ｔ_ＲＥＦを測定する。充電電流Ｉ_ＣＨＧを利用した場合、基準時間Ｔ_ＲＥＦは、式（８）で表される。
Ｔ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＤＩＦＦ×Ｃ_ＲＥＦ／Ｉ_ＣＨＧ …（８）
測定された基準時間Ｔ_ＲＥＦはメモリ３５４に保持される。

静電アクチュエータ１０４を駆動する通常の動作中は、第１スイッチ３５２はオフされ、第２スイッチ３５３がオンされる。そして上述したように、駆動対象の静電アクチュエータ１０４について、式（４）で表される時間Ｔ_ＭＥＡＳが測定される。
Ｔ_ＭＥＡＳ＝Ｖ_ＤＩＦＦ×Ｃ_ＡＣＴＲ／Ｉ_ＣＨＧ …（４）

コントローラ３４０は、基準時間Ｔ_ＲＥＦと測定した時間Ｔ_ＭＥＡＳの相対的な関係（たとえば比）にもとづいて、静電アクチュエータ１０４の可動電極１０６の位置（容量Ｃ_ＡＣＴＲ）を計算する。たとえば以下の計算式（９）を用いることができる。
Ｃ_ＡＣＴＲ＝Ｔ_ＭＥＡＳ／Ｔ_ＲＥＦ×Ｃ_ＲＥＦ …（９）

基準容量３５０の容量値Ｃ_ＲＥＦは既知であり、またばらつきも十分に製造することが可能である。式（９）によって容量値Ｃ_ＡＣＴＲ、ひいては可動電極１０６の位置を計算することにより、電流Ｉ_ＣＨＧ（Ｉ_ＤＩＳ）のばらつきの影響を排除することができ、高精度な位置検出が可能となる。

アクチュエータドライバ３００Ｃは、起動ごとにキャリブレーションモードに設定されて、時間Ｔ_ＲＥＦを測定してもよいし、出荷前の検査工程において時間ＴＲＥＦを測定してもよい。

（第４変形例）
図７は、第４変形例に係るアクチュエータドライバの動作を説明するタイムチャートである。図７には、充電電流Ｉ_ＣＨＧによる容量検出が示される。位置検出回路３３０は、駆動部３１０がディセーブル状態となった後、所定時間Ｔ_ＦＩＸの経過後における第２電圧Ｖ_２と第１電圧Ｖ_１の電位差ΔＶを測定し、測定した電位差ΔＶに応じて、可動電極１０６の位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成する。

式（３）にｔ＝Ｔ_ＦＩＸを代入すると、式（１０）を得る。
ΔＶ＝Ｔ_ＦＩＸ×Ｉ_ＣＨＧ／Ｃ_ＡＣＴＲ …（１０）
Ｔ_ＦＩＸ，Ｉ_ＣＨＧは既知であるから、
Ｃ_ＡＣＴＲ＝Ｔ_ＦＩＸ×Ｉ_ＣＨＧ／ΔＶ
として計算することができる。

なお位置検出回路３３０において、必ずしも静電容量Ｃ_ＡＣＴＲを計算する必要は無く、測定された電圧ΔＶから可動電極１０６を位置が求められればよい。可動電極１０６の位置は、演算によって求めても良いし、電圧ΔＶと位置の関係をテーブルに格納しておき、テーブル参照によって求めてもよい。

図８は、第４変形例に係る位置検出回路３３０Ｄの構成例を示す回路図である。位置検出回路３３０Ｄは、差動アンプ３３２、タイマー回路３６０、Ａ／Ｄコンバータ３６２、位置情報生成部３６４を備える。

タイマー回路３６０は、駆動部３１０がディセーブル状態（第２状態φ_２）となってから所定時間Ｔ_ＦＩＸの経過後に、タイミング信号Ｓ_４をアサートする。Ａ／Ｄコンバータ３６２は、タイミング信号Ｓ_４のアサートに応答して、差動アンプ３３２の出力電圧Ｓ_５をデジタル信号Ｓ_６に変換する。このデジタル信号Ｓ_６は、図７の電位差ΔＶを表す。位置情報生成部３６４は、デジタル信号Ｓ_６にもとづいて可動電極１０６の位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成する。位置情報生成部３６４は、デジタル信号Ｓ_６と位置の関係を格納するテーブルを含み、テーブル参照によって位置情報Ｓ_ＰＯＳを生成してもよい。あるいは位置情報生成部３６４は、デジタル信号Ｓ_６と位置の関係を表す演算式にもとづいて、位置を計算してもよい。

図８の位置検出回路３３０Ｄとの対比によって図３の位置検出回路３３０Ａの利点のひとつが明確となる。すなわち図８の位置検出回路３３０ＤはＡ／Ｄコンバータが必要であるため、回路面積が大きくなるが、図３の位置検出回路３３０ＡはＡ／Ｄコンバータが不要であるため、回路面積を小さくできる。

（第５変形例）
図９は、第５変形例に係るアクチュエータドライバ３００Ｅの回路図である。位置検出回路３３０Ｅは、駆動部３１０への入力電圧Ｖ_ＣＴＲＬを、イネーブル状態において出力端子に発生する第１電圧Ｖ_１として監視する。たとえば図３の駆動部３１０を採用した場合、接続ノードＮ_１の電圧Ｖ_Ｎ１と制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬは等しくなるようフィードバックがかかるため、第１電圧Ｖ_１は、制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬにもとづいて検出可能である。

（第６変形例）
上述のように、アクチュエータドライバ３００による容量検出は静電アクチュエータ１０４の位置検出に好適であるが、その限りではなく、同じ回路構成によって、広くさまざまな容量性デバイスの容量を測定することができる。この場合、アクチュエータドライバ３００を容量検出回路と読み替えればよい。

（用途）
続いてアクチュエータドライバ３００を備えるカメラモジュール１００を説明する。図１０は、カメラモジュール１００の斜視図である。カメラモジュール１００は、レンズ１０２、静電アクチュエータ１０４_Ｘ，１０４_Ｙ、イメージセンサ２００、アクチュエータドライバ３００、を備える。

イメージセンサ２００は、複数の画素を含む画素アレイ２０２を有する。レンズ１０２は、イメージセンサ２００への入射光３の光路上に設けられる。たとえばレンズ１０２は手ぶれ補正用のレンズであり、イメージセンサ２００の受光面と平行なＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持される。静電アクチュエータ１０４_Ｘ，１０４_Ｙはそれぞれ、レンズ１０２をＸ方向およびＹ方向に位置決めする。アクチュエータドライバ３００は、静電アクチュエータ１０４_Ｘ，１０４_Ｙを駆動する。

図１１は、アクチュエータドライバ３００の制御ブロック図である。アクチュエータドライバ３００は、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれについて、同様に構成される。アクチュエータドライバ３００は、上述の構成要素に加えて、インタフェース回路３０２、位置制御器３０４、Ｄ／Ａコンバータ３０６を備える。インタフェース回路３０２は、Ｉ^２Ｃ（Inter IC）インタフェースやＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）などのシリアルインタフェースであり、外部のプロセッサ４から、制御対象（すなわちレンズ１０２）の目標位置を示すターゲットコードＴＣを受信する。位置制御器３０４は、位置検出回路３３０が生成した位置情報Ｓ_ＰＯＳが、ターゲットコードＴＣが示す位置指令値Ｓ_ＲＥＦと一致するように、デジタルの制御値Ｄ_ＣＴＲＬを生成する。位置制御器３０４は、ＰＩ（比例・積分）制御器あるいはＰＩＤ（比例・積分・微分）制御器を用いて構成することができるがその限りではない。Ｄ／Ａコンバータ３０６は制御値Ｄ_ＣＴＲＬをアナログの制御電圧Ｖ_ＣＴＲＬに変換し、駆動部３１０に供給する。

図１２は、カメラモジュール１００を備える電子機器２の斜視図である。電子機器２は、スマートホンやタブレットＰＣ、デジタルカメラなどが例示されるがその限りではない。図１２の電子機器２はスマートホンであり、カメラモジュール１００に加えて、バッテリ５００、電源回路５０２、プリント基板５０４、アプリケーションプロセッサ５０６、ケーブル５０８などを備える。そのほか電子機器２には、液晶パネルやオーディオ用ＩＣなどが搭載されるがそれらは省略される。

プリント基板５０４上には、電源回路５０２やアプリケーションプロセッサ５０６が実装される。アプリケーションプロセッサ５０６は、電子機器２を統合的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、画素処理用のプロセッサに対応する。カメラモジュール１００のコネクタ１１４は、ケーブル５０８を介してプリント基板５０４と接続される。

実施の形態に係るカメラモジュール１００を用いることにより、高精度な手ぶれ補正が実現できる。またカメラモジュール１００が低コスト化、小型化可能であることから、電子機器２の低コスト化、小型化に資することになる。なお、静電アクチュエータ１０４によってオートフォーカス用のレンズを駆動してもよい。

２…電子機器、３…入射光、４…プロセッサ、１００…カメラモジュール、１０２…レンズ、１０４…静電アクチュエータ、１０６…可動電極、１０８…固定電極、２００…イメージセンサ、２０２…画素アレイ、３００…アクチュエータドライバ、３０１…出力端子、３０２…インタフェース回路、３０４…位置制御器、３０６…Ｄ／Ａコンバータ、３１０…駆動部、３１２…演算増幅器、３１４…出力抵抗、ＳＷ_１…第１スイッチ、３２０…電流生成回路、３２２…ソース電流源、ＳＷ_２，ＳＷ_２１，ＳＷ_２２…第２スイッチ、３２４…シンク電流源、３３０…位置検出回路、３３２…差動アンプ、３３４…電圧コンパレータ、３３６…タイマー回路、３３８…位置情報生成部、３４０…コントローラ、３５０…基準容量、３５２…第１スイッチ、３５３…第２スイッチ、３５４…メモリ、３６０…タイマー回路、３６２…Ａ／Ｄコンバータ、３６４…位置情報生成部。

Claims (20)

1. 静電アクチュエータの駆動回路であって、
   前記静電アクチュエータが接続されるべき出力端子と、
   イネーブル状態において駆動電圧を前記出力端子に印加し、ディセーブル状態において、その出力がハイインピーダンスとなる駆動部と、
   前記出力端子と接続され、前記出力端子に電流をソースし、および／または前記出力端子から電流をシンクする電流生成回路と、
   前記駆動部の前記イネーブル状態、前記ディセーブル状態を制御するコントローラと、
   前記駆動部の前記イネーブル状態において前記出力端子に発生する第１電圧と、前記駆動部のディセーブル状態において前記電流生成回路が前記出力端子に電流をソースし、および／または前記出力端子から電流をシンクすることにより、前記出力端子に発生する第２電圧と、にもとづいて、前記静電アクチュエータの可動電極の位置を検出する位置検出回路と、
   を備えることを特徴とする駆動回路。
2. 前記駆動部は、駆動アンプと、前記駆動アンプの出力経路に設けられた第１スイッチと、を含み、前記第１スイッチのオン状態が前記イネーブル状態、前記第１スイッチのオフ状態が前記ディセーブル状態に対応し、
   前記コントローラは、前記第１スイッチのオン、オフを制御することを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記電流生成回路は、前記電流を発生するイネーブル状態と、前記電流を停止するディセーブル状態が切りかえ可能であり、
   前記コントローラは、前記駆動部と前記電流生成回路を、相補的に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
4. 前記電流生成回路は、前記電流の遮断、導通を切りかえるための第２スイッチを含み、前記第２スイッチのオン状態が前記イネーブル状態、前記第２スイッチのオフ状態が前記ディセーブル状態に対応することを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
5. 前記位置検出回路は、前記駆動部がディセーブル状態となった後、前記第２電圧と前記第１電圧の電位差が所定値に達するまでの時間を測定し、測定した時間に応じて、前記可動電極の位置情報を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。
6. 前記位置検出回路は、前記駆動部がディセーブル状態となった後、所定時間の経過後における前記第２電圧と前記第１電圧の電位差を測定し、測定した電位差に応じて、前記可動電極の位置情報を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。
7. 前記駆動部は、出力経路上に設けられた出力抵抗を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動回路。
8. 前記位置検出回路は、
   前記駆動部の前記第１スイッチより内部側の電圧と、前記駆動部の前記第１スイッチより外部側の電圧と、の電位差を増幅する差動アンプと、
   前記差動アンプの出力電圧を所定の第１しきい値と比較する電圧コンパレータと、
   前記第１スイッチをオフしてから、前記電圧コンパレータの出力が変化するまでの時間を測定するタイマー回路と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
9. 前記電流生成回路は、そのイネーブル状態において、前記出力端子に電流をソースする充電モードと、前記出力端子から電流をシンクする放電モードと、が切りかえ可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の駆動回路。
10. 前記コントローラは、前記出力端子の電圧が第２しきい値より低いとき、前記電流生成回路を前記充電モードにセットし、前記出力端子の電圧が第３しきい値より高いとき、前記電流生成回路を前記放電モードにセットすることを特徴とする請求項９に記載の駆動回路。
11. 前記コントローラは、前記出力端子の電圧が所定の電圧範囲に含まれるとき、前記電流生成回路を前記充電モードと前記放電モードに交互にセットすることを特徴とする請求項９または１０に記載の駆動回路。
12. 前記出力端子に着脱可能に接続される基準容量をさらに備え、
    前記位置検出回路は、前記基準容量について予め測定された基準時間と、前記静電アクチュエータについて測定した時間の比にもとづいて、前記可動電極の位置情報を生成することを特徴とする請求項５に記載の駆動回路。
13. 前記位置検出回路は、前記第１電圧として、前記駆動部の入力電圧を監視することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の駆動回路。
14. 静電アクチュエータの駆動回路であって、
    前記静電アクチュエータが接続されるべき出力端子と、
    前記静電アクチュエータに供給すべき駆動電圧を生成する駆動アンプと、
    前記駆動アンプの出力と前記出力端子の間に設けられたスイッチと、
    前記出力端子と接続され、前記出力端子に電流をソースし、および／または前記出力端子から電流をシンクする電流生成回路と、
    前記スイッチのオン、オフ状態を制御するコントローラと、
    前記スイッチのオン状態において前記出力端子に発生する第１電圧と、前記スイッチがオフ状態において、前記電流生成回路が前記出力端子に電流をソースし、および／または前記出力端子から電流をシンクすることにより前記出力端子に発生する第２電圧と、にもとづいて、前記静電アクチュエータの可動電極の位置を検出する位置検出回路と、
    を備えることを特徴とする駆動回路。
15. ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の駆動回路。
16. 複数の画素を含む画素アレイを有するイメージセンサと、
    前記イメージセンサへの入射光の光路上に設けられたレンズと、
    前記レンズを位置決めする静電アクチュエータと、
    前記静電アクチュエータを駆動する請求項１から１５のいずれかに記載の駆動回路と、
    を備えることを特徴とするカメラモジュール。
17. 請求項１６に記載のカメラモジュールを備えることを特徴とする電子機器。
18. 容量性デバイスの容量を測定する容量測定回路であって、
    前記容量性デバイスが接続されるべき出力端子と、
    イネーブル状態において、駆動電圧を前記出力端子に印加し、ディセーブル状態において、その出力がハイインピーダンスとなる駆動部と、
    前記出力端子と接続され、前記出力端子に電流をソースし、および／または前記出力端子から電流をシンクする電流生成回路と、
    前記駆動部の前記イネーブル状態、前記ディセーブル状態を制御するコントローラと、
    前記駆動部の前記イネーブル状態において前記出力端子に発生する第１電圧と、前記駆動部の前記ディセーブル状態において、前記電流生成回路が前記出力端子に電流をソースし、および／または前記出力端子から電流をシンクすることにより前記出力端子に発生する第２電圧と、にもとづいて、前記容量性デバイスの容量を検出する位置検出回路と、
    を備えることを特徴とする容量測定回路。
19. 前記駆動部は、その出力経路に設けられた第１スイッチを含み、前記第１スイッチのオン状態が前記イネーブル状態、前記第１スイッチのオフ状態が前記ディセーブル状態に対応し、
    前記コントローラは、前記第１スイッチのオン、オフを制御することを特徴とする請求項１８に記載の容量測定回路。
20. 前記位置検出回路は、
    前記駆動部の前記第１スイッチより内部側の電圧と、前記駆動部の前記第１スイッチより外部側の電圧と、の電位差を増幅する差動アンプと、
    前記差動アンプの出力電圧を所定の第１しきい値と比較する電圧コンパレータと、
    前記第１スイッチをオフしてから、前記電圧コンパレータの出力が変化するまでの時間を測定するタイマー回路と、
    を含むことを特徴とする請求項１９に記載の容量測定回路。

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