JP4384012B2 - 静電アクチュエータ及びその駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、静電アクチュエータ及びその駆動方法に係り、特に、低消費電力の静電アクチュエータ及びその駆動方法に関する。

静電力によって可動子を上下に駆動する静電アクチュエータは、特許文献１〜４に開示されるように、一対の固定子電極間に可動子電極を備えた可動子が配置され、固定子電極及び可動子電極に印加する電圧を制御することによって可動子が上下動される構造を備えている。また、固定子電極の少なくとも一方が電気的に分離されたセグメント電極で構成され、このセグメント電極が可動子の移動方向に沿って配列された構造にあっては、セグメント電極に印加する電圧を順次シフトさせることによって、可動子を微少移動させることができる。即ち、セグメント電極を備えた静電アクチュエータにあっては、可動子がセグメント電極に向けられる際に可動子の上下動に伴い可動子が前方或いは後方に変位される。従って、セグメント電極に印加する電圧のシフト方向に依存して可動子が前進或いは後退させることができる。

このように静電アクチュエータは、微細加工によって微小化が可能であり、高い精度で可動子を微動させることができることから、様々な分野での利用が可能であるとされている。例えば、静電アクチュエータが撮影装置に設けられ、可動子に撮影レンズが設けられる場合には、ズーミング可能なレンズ系を構成することができる。また、単に上下動する静電アクチュエータにおいては、撮影用のＣＣＤが可動部に設けられて外部振動に応じてこの可動部を上下動させてカメラ装置における手ぶれ防止機構を実現することができる。
特開２００１−３４６３８５ 特開２００２―１９９７４７ 特開２００３−９５５０ 特開２００３−１６４１６７

静電アクチュエータは、それ自体低消費電力で可動子を駆動可能であるが、可動子を動作させない際に可動子を保持する為に一方の固定子に吸着させることが必要とされている。即ち、可動子自体は、一対の固定子間で微動可能であるため、非動作状態の保持モードにおいては、固定子電極及び可動子電極が単に接地電位に接続されると、外力或いは自重で可動子が固定子間を移動し、可動子が固定子に不用意に接触して可動子或いは固定子電極が破損する虞がある。このように非動作時に可動子が自由に移動することを防止する為に可動子及び固定子電極の一方との間に電圧を印加して可動子をその固定子電極に吸着させて移動不能としている。このように非動作状態においても、電圧が可動子及び固定子電極の一方との間に継続的に電圧を印加し続けることが要求される為に、駆動時において、低消費電力で駆動可能であっても、非駆動時に低消費電力ではあるが、電力が消費される問題がある。従って、このような静電アクチュエータによれば、消費電力が小さい駆動装置を実質的に実現することができず、また、小型化された装置の電池寿命を短縮してしまう問題が生じている。

この発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、消費電力の少ない静電アクチュエータ及び静電アクチュエータの駆動方法を提供することにある。

この発明によれば、
移動方向に沿って配列されている複数のセグメント電極から構成される第１の固定子電極及びこの第１固定子電極を被覆する第１の誘電体膜を備える第１の基板と、
前記第１の固定子電極に対向する第２の固定子電極及びこの第２固定子電極を被覆する第２の誘電体膜を備える第２の基板と、
前記第１及び第２の固定子電極に夫々対向する第１及び第２の可動子電極を有し、前記第１の基板と前記第２の基板との間で上下動可能であって前記移動方向に沿って移動可能に配置されている可動子と、
前記可動子を前記移動方向に沿ってシフトするように前記第１の基板に向けて移動させる第１の移動モード及び前記可動子を前記第２の基板に向けて移動させる第２の移動モードに交互に切り換えて前記第１及び第２の基板間で前記可動子を移動させながら前記可動子を前記移動方向に沿って移動させる移動モード、前記第１の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第１の保持モード及び前記第２の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第２の保持モードのいずれかを選択的に設定するスイッチング回路を含む駆動回路であって、
前記移動モードにおいて、前記第１及び第２の可動子電極に第１の期間低電位を付与し、この第１の期間に続く第２の期間高電位を付与し、前記第１及び第２の期間を交互に繰り返して低電位及び高電位を交互に付与するようにスイッチング回路を切り換え、
前記第１の期間の前記第１の移動モードにおいては、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第１の高電位を付与し、前記第２の固定子電極に第１の低電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
前記第１の期間の前記第２の移動モードにおいては、前記第２の固定子電極に前記第１の高電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第１の低電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
前記第２の期間の前記第１の移動モードにおいては、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第２の低電位を付与し、前記第２の固定子電極に第２の高電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
前記第２の期間の前記第２の移動モードにおいては、前記第２の固定子電極に前記第２の低電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第２の高電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
前記第１の保持モードにおいて、前記第１の可動子電極及び第１の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第１の可動子電極と前記第１の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第１の可動子電極及び前記第１の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与するようにスイッチング回路を切り換えて前記可動子を前記第１の保持モードに維持し、
前記第２の保持モードにおいて、前記第２の可動子電極及び第２の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第２の可動子電極と前記第２の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第２の可動子電極及び前記第２の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与するようにスイッチング回路を切り換えて前記可動子を前記第２の保持モードに維持する駆動回路と、
を具備することを特徴とする静電アクチュエータが提供される。

また、この発明によれば、
第１の固定子電極を備える第１の基板と、
前記第１の固定子電極に対向する第２の固定子電極を備える第２の基板と、
前記第１及び第２の固定子電極に夫々対向する第１及び第２の対向面を有する可動子と、
を具備する静電アクチュエータの駆動方法において、
前記第１の対向面及び第２の固定子電極に第１電位を付与し、前記第１の固定子電極に前記第１電位と異なる電位の第２電位を付与して前記可動子を前記第１の基板に向けて移動させ、
前記第２の対向面及び第１の固定子電極に前記第１電位を付与し、前記第２の固定子電極に前記第２電位を付与して前記可動子を前記第２の基板に向けて移動させ、
前記第１の固定子電極と前記第２の固定子電極と前記第１及び第２の対向面の少なくとも１つを電気的にフローティングに維持して前記可動子を保持させること、
を特徴とする静電アクチュエータの駆動方法が提供される。

また、この発明によれば、
移動方向に沿って配列されている複数のセグメント電極から構成される第１の固定子電極及びこの第１固定子電極を被覆する第１の誘電体膜を備える第１の基板と、
前記第１の固定子電極に対向する第２の固定子電極及びこの第２固定子電極を被覆する第２の誘電体膜を備える第２の基板と、
前記第１及び第２の固定子電極に夫々対向する第１及び第２の可動子電極を有し、前記第１の基板と前記第２の基板との間で上下動可能であって前記移動方向に沿って移動可能に配置されている可動子と、
を具備する静電アクチュエータの駆動方法において、
前記可動子を前記移動方向に沿ってシフトするように前記第１の基板に向けて移動させる第１の移動モード及び前記可動子を前記第２の基板に向けて移動させる第２の移動モードに交互に切り換えて前記第１及び第２の基板間で前記可動子を移動させながら前記可動子を前記移動方向に沿って移動させる移動モードにおいて、前記第１及び第２の可動子電極に第１の期間低電位を付与し、この第１の期間に続く第２の期間高電位を付与し、前記第１及び第２の期間を交互に繰り返して低電位及び高電位を交互に付与し、
前記第１の期間の前記第１の移動モードにおいて、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第１の高電位を付与し、前記第２の固定子電極に第１の低電位を付与し、前記第１の期間の前記第２の移動モードにおいて、前記第２の固定子電極に前記第１の高電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第１の低電位を付与し、
前記第２の期間の前記第１の移動モードにおいては、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第２の低電位を付与し、前記第２の固定子電極に第２の高電位を付与し、前記第２の期間の前記第２の移動モードにおいては、前記第２の固定子電極に前記第２の低電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第２の高電位を付与し、
前記第１の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第１の保持モードにおいて、前記第１の可動子電極及び第１の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第１の可動子電極と前記第１の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第１の可動子電極及び前記第１の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与して前記第１の保持モードを維持し、
前記第２の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第２の保持モードにおいて、前記第２の可動子電極及び第２の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第２の可動子電極と前記第２の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第２の可動子電極及び前記第２の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与するようにスイッチング回路を切り換えて前記可動子を前記第２の保持モードに維持することを特徴とする静電アクチュエータの駆動方法が提供される。

以下、図面を参照して、この発明の一実施の形態に係る静電アクチュエータについて説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に係る可動子が固定子間で往復方向に微動する構造を有する静電アクチュエータ及びその周辺回路を示している。図１に示すように第１及び第２の基板２，４が互いに対向されるような中空筒状の筐体７が構成され、この第１及び第２の基板２，４上には、夫々第１及び第２の平坦な固定子電極６，８が設けられている。この第１及び第２の固定子電極６，８は、第１及び第２の基板２，４上に設けられた第１及び第２の誘電体膜１０，１２で被覆され、可動子１４が直接第１及び第２の固定子電極６，８に接触することが防止されている。

可動子１４は、筐体７内の中空部の形状に対応した形状を有し、第１及び第２の固定子電極６，８との間に微小なギャップを空けることができるように第１及び第２の固定子電極６，８間に配置されている。可動子１４は、第１及び第２の固定子電極６，８に対向する第１及び第２の面を有し、この面には、同電位に維持される可動子電極１６，１８が設けられている。この可動子１４には、この可動子１４によって微動（図面中では左右方向に微動）される部品、例えば、レンズやカメラ用ＣＣＤ（図示せず）が設けられ、可動子１４が制御されて微動されることによって部品を最適状態、例えば、外部からの振動をキャンセルすることができる状態に、維持することができる。

尚、この可動子１４は、後に述べるように第１及び第２の固定子電極６，８に対向する面に可動子電極１６，１８が設けられず、それ自体が半導体で作られ、第１及び第２の対向面を第１及び第２の固定子電極６，８として用いても良い。

第１及び第２の固定子電極６，８は、抵抗２０，２２を介して第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の固定側端子２４Ａ，２６Ａに接続され、可動子電極１６，１８は、抵抗２８を介して第３のスイッチング素子ＳＷ３の固定側端子３０Ａに接続されている。第１、第２及び第３のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２,ＳＷ３は、接地された第１可動側端子２４Ｂ，２６Ｂ,３０Ｂ、電圧源３２に接続された第２可動側端子２４Ｃ，２６Ｃ,３０Ｃ及びフローティング状態にある第３可動側端子２４Ｆ，２６Ｆ,３０Ｆを備えている。

図１に示される静電アクチュエータにおいて、可動子１４が第１及び第２の基板２，４の側に向けて移動される第１及び第２移動モードに応じて次のように第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が切り替えられる。即ち、第１移動モードでは、第１のスイッチング素子ＳＷ１の固定側端子２４Ａが第２可動側端子２４Ｃに接続され、第２のスイッチング素子ＳＷ２の固定側端子２６Ａが第１可動側端子２６Ｂに接続され、また、第３のスイッチング素子ＳＷ３の固定側端子３０Ａが第３可動側端子３０Ｂに接続されると、高い電圧が第１の固定子電極６に印加され、可動子電極１６，１８及び第２の固定子電極８が接地される。従って、可動子１４がクーロン力によって第１の固定子電極６に引き寄せられて第１の基板２側に移動し、第１の固定子電極６上に保持される。ここで、可動子１４が第１の固定子電極６上に保持されるとは、可動子１４が第１の固定子電極６との間に一定間隔、例えば、第１の誘電体膜１０の厚みに相当する間隔を空けて第１の誘電体膜１０に配置される場合を当然に含むものである。

次に、第２移動モードでは、第１のスイッチング素子ＳＷ１の固定側端子２４Ａが第１可動側端子２４Ｂに接続され、第２のスイッチング素子ＳＷ２の固定側端子２６Ａが第２可動側端子２６Ｃに接続され、また、第３のスイッチング素子ＳＷ３の固定側端子３０Ａが第３可動側端子３０Ｂに接続されると、高い電圧が第２の固定子電極８に印加され、可動子電極１６，１８及び第１の固定子電極６が接地される。従って、可動子１４がクーロン力によって第２の固定子電極８に引き寄せられて第２の基板４側に移動し、固定子電極６上に保持される。ここで、可動子１４が第２の固定子電極６上に保持されるとは、可動子１４が第２の固定子電極６との間に一定間隔、例えば、第２の誘電体膜１２の厚みに相当する間隔を空けて第２の誘電体膜１２に配置される場合を当然に含むものである。

このように第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が交互に電圧源３２及び接地に接続されることによって、第１及び第２移動モードが繰り返される。即ち、可動子１４が第１及び第２の固定子電極６，８に引き寄せられ、可動子が第１及び第２の固定子電極６，８間で微動される。

尚、第３のスイッチング素子ＳＷ３の固定側端子３０Ａが第３可動側端子３０Ｃに接続されている場合においても、同様に第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が交互に電圧源３２及び接地に接続されることによって、可動子１４が第１及び第２の固定子電極６，８に引き寄せられ、可動子が第１及び第２の固定子電極６，８間で微動される。

図１に示されるように可動子電極１６が第１の固定子電極６上の第１の誘電膜１０に接触している状態で、可動子１４が固定状態に保持される保持モードに静電アクチュエータが移行する場合には、図１に示すように第２のスイッチング素子ＳＷ２の固定側端子２６Ａが第１可動側端子２６Ｂに接続され、第１のスイッチング素子ＳＷ１の固定側端子２４Ａが第３可動側端子２４Ｆに接続され、また、第３のスイッチング素子ＳＷ３の固定側端子３０Ａが第３可動側端子３０Ｆに接続される。従って、第２の固定側電極８が接地され、互いに接触していた可動子電極１６及び第１の固定子電極６がフローティング状態に維持される。

可動子１４が第１の固定子電極６上の誘電膜１０に接触している保持モードの状態では、可動子１４及び第１の固定電極６が分極し、両者間に生ずるクーロン力により可動子１４が第１の固定子電極６上の第１の誘電膜１０に接触している状態に維持される。フローティング状態にあり、その間で分極が生じている可動子電極１６及び第１の固定子電極６間は、等価的には、抵抗及びキャパシタの直列回路と看なすことができ、時間の経過とともに分極された電荷は、抵抗及びキャパシタから成る直列回路からリークされることとなる。電荷がリークされて可動子１４の保持出来なくなると、外部からの衝撃で可動子１４の位置がずれてしまう。従って、静電アクチュエータが保持モードにある際には、周期的に第１のスイッチング素子ＳＷ１の固定側端子２４Ａが第２可動側端子２４Ｃ、第３のスイッチング素子ＳＷ３の固定側端子３０Ａが第１可動側端子３０Ｂに接続されて第１の固定子電極６に高い電圧が印加される。この高い電圧の印加によって可動子１４及び第１の固定電極６は、十分に分極され、可動子１４が第１の固定子電極６上の誘電膜１０に保持される。

上述の保持モードでは、可動子電極１６が第１の固定子電極６上の第１の誘電膜１０に接触している状態で説明しているが、可動子電極１８が第２の固定子電極８上の第２の誘電膜１２に接触している状態では、可動子電極１８及び第２の固定子電極８がフローティング状態に維持されて可動子１４が第２の固定子電極８上の第２の誘電膜１２に保持される。

また、上述の保持モードでは、可動子電極１６が第１の固定子電極６上の第１の誘電膜１０に接触している状態または可動子電極１８が第２の固定子電極８上の第２の誘電膜１２に接触している状態にて、可動子１４が固定状態に保持される場合を説明したが、必ずしも第１の誘電体膜１０または第２の誘電膜１２に接触している状態である必要性はない。すなわち、可動子１４が第１の基板２または第２の基板４に向けて移動し、死点にて保持されても良い。例えば、第１及び第２の基板２、４に支柱などのストッパが設けられている場合、可動子電極１６、１８がストッパと接触した位置が死点となり、この死点の位置にて可動子１４が固定状態に保持されても構わない。

図１に示される実施の形態においては、可動子電極１６及び第１の固定子電極６がフローティング状態に維持されているが、その一方のみをフローティング状態に維持しても良く、また、可動子電極１６及び第１の固定子電極６のみでなく、第２の固定子電極８もフローティング状態に維持されても良い。分極されて電荷がリークされずに、十分に充電されている状態をできる限り維持する観点からは、全ての電極６，８，１６がフローティング状態に維持されることが好ましい。

また、同様に可動子電極１８及び第２の固定子電極８がフローティング状態に維持されている場合についても、その一方のみをフローティング状態に維持しても良く、また、可動子電極１８及び第２の固定子電極８のみでなく、第１の固定子電極６もフローティング状態に維持されても良い。

図１に示される実施の形態においては、可動子１４には、可動子電極１６，１８が設けられ、可動子電極１６，１８が直接に第３のスイッチング素子ＳＷ３に接続されず、可動子１４の本体を介して接地或いは電圧源３２に接続されても良い。可動子１４が半導体で形成され、その面に可動子電極１６，１８が設けられる場合には、フローティング状態にある可動子１４及び固定子電極６，８間に生ずる抵抗及びキャパシタの直列回路における抵抗の値を比較的大きく設定することができ、電荷の放電時定数を大きく設定できることから、周期的に第１の固定子電極６に高い電圧を印加する期間を比較的長く設定することができる。従って、可動子１４及び第１の固定子電極６が分極され、可動子１４が第１の固定子電極６上の誘電膜１０に保持される期間が長くなり、結果として消費電力をより小さくすることができる。

図２は、可動子１４が半導体で形成された場合において、フローティング状態にある可動子１４及び固定子電極６，８間に等価的に生ずる抵抗及びキャパシタから成る直列回路からリークされる電荷に基づく固定子電極６，８における電位の変化を示すグラフである。即ち、図２は、可動子１４に一定の抵抗値（半導体）を与える材料を用いた場合における残留電荷の変化を示している。図２に示されるように可動子１４が半導体で形成された場合においては、比較的長い時間に亘って固定子電極６，８における電位が維持され、十分に長い期間経過後に第１の固定子電極６に高い電圧を印加すれば良いこととなる。図２に示されるような特性は、同様に他の材料においても、緩和時間及び電位が異なって測定可能である。用いる材料の物性値及び電極に印加する電圧、また周辺環境（例えば、湿度が高いと、空中からのリーク電荷の量が増加する）により、図２に示されるグラフは変化される。この図２に示す特性に応じて、静電アクチュエータのシステム運用として、どれだけの時間間隔で、間欠的に電源からの電荷供給をするかを機器設計及びシステム設計に適するように決定することができる。

図３（ａ）及び（ｂ）は、図１に示される静電アクチュエータの駆動回路の具体的回路図を示している。図３（ａ）に示される駆動回路は、固定子電極６，８の一方に印加される駆動電圧信号のみを出力するように構成され、固定子電極６，８の他方に印加される駆動電圧信号を出力する駆動回路は、駆動信号が単に固定子電極６，８の一方に印加される駆動電圧信号と相補的な関係となるため、実質的に図３（ａ）に示される回路と同様に構成され、その回路は、省略して示している。また、図３（ａ）に示される回路では、可動子１４の可動子電極１６，１８に電圧を印加する回路についても、図３（ａ）に示される回路と同様に構成されるため、その回路は省略して示している。既に説明した記述から明らかなように、保持モードにおいては、可動子１４の電極１６，１８がフローティング状態に維持されることが好ましい。

図３（ａ）に示すように静電アクチュエータは、既に説明したキャパシタ３２及び抵抗３４の直列回路３６に等価的に置き換えられて示されている。また、以下の説明において、図３（ａ）に示す回路では、可動子１４の電極１６，１８は、接地電位に維持されているものとする。この駆動回路は、電源ライン３５及び接地間に接続された電源スイッチ３８を備え、この電源スイッチ３８は、電源ライン３５から供給される電圧を昇圧する昇圧回路４０に接続され、昇圧された高電圧がドライバ回路４２に供給されている。このドライバ回路４２は、静電アクチュエータを駆動するタイミング信号Signal_Inが入力される信号入力端子４４及び静電アクチュエータを第１及び第２移動モード或いは保持モードに設定する制御信号Pos_Controlが入力される制御信号端子４６を備えている。また、ドライバ回路４２は、等価的に直列回路３６で示される静電アクチュエータに対して駆動モード時に駆動電圧信号Voutを出力し、保持モード時に周期的に静電アクチュエータを充電して可動子１４を停止状態に維持する停止電圧信号Voutを出力する出力端子４８を備えている。

ドライバ回路４２は、制御信号端子４６に制御信号Pos_Controlとして駆動モード信号が入力されると、駆動回路を駆動モードに設定し、信号入力端子４４に入力されるタイミング信号Signal_Inに応じてその出力端子４８に交互に高電圧及び低電圧を供給する。また、ドライバ回路４２は、制御信号端子４６に保持モード信号が入力されると、駆動回路を保持モードに設定し、信号入力端子４４に入力されるタイミング信号Signal_Inがあっても、その出力端子４８をフローティング状態に維持し、ある所定の周期で静電アクチュエータのキャパシタ３２を充電して可動子１４を固定子電極６，８の一方に引き付けたままに維持している。尚、ある特定の周期でキャパシタ３２を充電するための制御は、外部に設けられたコントローラ等を用いて、信号入力端子４４にタイミング信号Signal_In、制御信号端子４６に制御信号Pos_Controlを入力して行ってもよい。

図３（ｂ）に示されるように、図３（ａ）に示されるドライバ回路４２として第１及び第２のドライバ回路４２−１，４２−２が例としてあげられる。第１の固定子電極６の側の等価直列回路３６−１は、ドライバ回路４２―１の出力端４８−１に接続され、キャパシタ３２−１及び抵抗３４−１からなるものとする。第２の固定子電極８の側の等価直列回路３６−２は、ドライバ回路４２―２の出力端４８−２に接続され、キャパシタ３２−２及び抵抗３４−２からなるものとする。

図３（ｂ）に示すドライバ回路４２−１においては、直列にＰＮＰトランジスタＴＲ１−１及びＮＰＮトランジスタＴＲ２−１の直列回路が電源ライン３５と接地との間に接続され、両トランジスタＴＲ１―１、ＴＲ２−１の接続点が抵抗５４―１を介して出力端子４８−１に接続されている。ここで、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−１及びＮＰＮトランジスタＴＲ２−１は、図１に示されたスイッチング素子ＳＷ１に相当している。また、抵抗５３−１とＮＰＮトランジスタ５６−１の直列回路が電源ライン３５と接地との間に接続され、抵抗５３−１とＮＰＮトランジスタ５６−１の接続点がトランジスタＴＲ１―１のベースに接続されている。ＮＰＮトランジスタ５６−１のベースには、インバータ５８−１を介して信号入力端子４４−１に接続され、ＮＰＮトランジスタＴＲ２−１のベースには、ＡＮＤ回路６０−１が接続されている。ＡＮＤ回路６０−１の入力端は、夫々信号入力端子４４−１及び制御信号端子４６に接続されている。

また、図３（ｂ）に示すドライバ回路４２−２においては、同様に直列にＰＮＰトランジスタＴＲ１−２及びＮＰＮトランジスタＴＲ２−２の直列回路が電源ライン３５と接地との間に接続され、両トランジスタＴＲ１―２、ＴＲ２−２の接続点が抵抗５４―２を介して出力端子４８−２に接続されている。ここで、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−２及びＮＰＮトランジスタＴＲ２−２は、スイッチング素子ＳＷ２に相当している。また、同様に抵抗５３−２とＮＰＮトランジスタ５６−２の直列回路が電源ライン３５と接地との間に接続され、抵抗５３−２とＮＰＮトランジスタ５６−２の接続点がトランジスタＴＲ１―２のベースに接続されている。ＮＰＮトランジスタ５６−２のベースには、インバータ５８−２を介して信号入力端子４４−２に接続され、ＮＰＮトランジスタＴＲ２−２のベースには、ＡＮＤ回路６０−２が接続されている。ＡＮＤ回路６０−２の入力端は、夫々信号入力端子４４−２及び制御信号端子４６に接続されている。

図３（ｂ）に示すドライバ回路の動作について、図４（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。制御信号端子４６に図４（ａ）に示される高レベルを有する制御信号Pos_Controlが入力されてドライバ回路４２−１、４２−２が第１及び第２移動モードに設定される。図４（ｂ）に示すように高レベルのタイミング信号Signal_Inが時点ｔ０でドライバ回路４２−１の信号入力端子４４−１に入力されると、図４（ｃ）に示されるようにインバータ５８−１の出力が低レベルとなり、ＮＰＮトランジスタ５６−１がオフされる。従って、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−１のベース電位が高レベルとなり、このＰＮＰトランジスタＴＲ１−１もオフされる。図４（ｂ）に示すように高レベルのタイミング信号Signal_Inは、他方の入力端に高レベルを有する制御信号Pos_Controlが入力されているＡＮＤ回路６０−１に入力される。従って、図４（ｄ）に示すようにこのＡＮＤ回路６０−１からの出力が高レベルとなってＮＰＮトランジスタＴＲ２−１がオンされて出力端子４８−１には、抵抗５４−１を介して接地電位Vout（低レベル）が出力される。その結果、固定子電極６が接地される。

これに対して、図４（ｅ）に示すように低レベルのタイミング信号Signal_Inが時点ｔ０でドライバ回路４２−２の信号入力端子４４−２に入力されると、図４（ｆ）に示されるようにインバータ５８−２の出力が高レベルとなり、ＮＰＮトランジスタ５６−２がオンされる。従って、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−２のベース電位が接地電位、即ち、低レベルとなり、このＰＮＰトランジスタＴＲ１−２がオンされる。図４（ｅ）に示すように低レベルのタイミング信号Signal_Inは、他方の入力端に高レベルを有する制御信号Pos_Controlが入力されているＡＮＤ回路６０−２に入力される。従って、図４（ｇ）に示すようにこのＡＮＤ回路６０−２からの出力が低レベルとなってＮＰＮトランジスタＴＲ２−２がオフされて出力端子４８−２には、抵抗５４−２を介して電源電位Vout（高レベル）が出力される。その結果、第２の固定子電極８に高い電位が印加されて第２移動モードが設定され、可動子１４が第２の固定子電極８に向けて引き付けられる。

時点ｔ１では、図４（ｅ）に示すように高レベルのタイミング信号Signal_Inがドライバ回路４２−２の信号入力端子４４−２に入力されると、図４（ｆ）に示されるようにインバータ５８−２の出力が低レベルとなり、ＮＰＮトランジスタ５６−２がオフされる。従って、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−２のベース電位が高レベルとなり、このＰＮＰトランジスタＴＲ１−２もオフされる。図４（ｆ）に示すように高レベルのタイミング信号Signal_Inは、他方の入力端に高レベルを有する制御信号Pos_Controlが入力されているＡＮＤ回路６０−２に入力される。従って、図４（ｇ）に示すようにこのＡＮＤ回路６０−２からの出力が高レベルとなってＮＰＮトランジスタＴＲ２−１がオンされて出力端子４８−２には、抵抗５４−２を介して接地電位Vout（低レベル）が出力される。その結果、第２の固定子電極８が接地される。

また、時点ｔ１では、図４（ｂ）に示すように低レベルのタイミング信号Signal_Inがドライバ回路４２−１の信号入力端子４４−１に入力されると、図４（ｃ）に示されるようにインバータ５８−１の出力が高レベルとなり、ＮＰＮトランジスタ５６−１がオンされる。従って、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−１のベース電位が接地電位、即ち、低レベルとなり、このＰＮＰトランジスタＴＲ１−１がオンされる。図４（ｄ）に示すように低レベルのタイミング信号Signal_Inは、他方の入力端に高レベルを有する制御信号Pos_Controlが入力されているＡＮＤ回路６０−１に入力される。従って、図４（ｄ）に示すようにこのＡＮＤ回路６０−１からの出力が低レベルとなってＮＰＮトランジスタＴＲ２−１がオフされて出力端子４８−１には、抵抗５４−１を介して電源電位Vout（高レベル）が出力される。その結果、固定子電極６に高い電位が印加されて第１移動モードが設定され、第２の固定子電極８から可動子１４が第１の固定子電極６に向けて引き付けられる。

このように、制御信号Pos_Controlが高レベルに維持される限りにおいて、第１及び第２の固定子電極６、８間で可動子１４が微動される。ある時点ｔｎにおいて、制御信号Pos_Controlが低レベルに変化されると、即ち、制御信号端子４６に制御信号Pos_Controlとして保持モード信号が入力されると、図４（ｄ）及び（ｇ）に示されるようにＡＮＤ回路６０−１、６０−２からの出力が低レベルに維持される。従って、ＮＰＮトランジスタＴＲ２−１、ＴＲ２−２がオフに維持されて出力端子４８−１、４８−２は、接地電位から隔離されてフローティング状態となる。このフローティング状態において、ＰＮＰトランジスタＴＲ１−１，ＴＲ１−２がオン・オフされると、キャパシタ３２−１，３２−２が所定周期で充電されて可動子１４が保持モードに設定され、第１及び第２の固定子電極６、８のいずれか一方に向けて引き付けられたままに維持される。

上述した動作の真理値表が図５に示されている。この図５は、信号入力端子４４−１，４４−２に入力されるタイミング信号Signal_In、制御端子４８に入力される制御信号Pos_Control、出力端子４８−１，４８−２から出力される出力信号Vout、出力側のトランジスタＴＲ１（ＴＲ１−１，ＴＲ１−２），ＴＲ２（ＴＲ２−１，ＴＲ２−２）の動作の関係を示している。制御信号Pos_Controlが高いレベル（Ｈｉｇｈ）であれば、タイミング信号Signal_Inが高いレベル（Ｈｉｇｈ）でトランジスタＴＲ１が“開（Ｏｐｅｎ）”、トランジスタＴＲ２が“閉（Ｃｌｏｓｅ）”で、出力Ｖｏｕｔが低いレベル（Ｌｏｗ）となる。また、制御信号Pos_Controlが高いレベル（Ｈｉｇｈ）であれば、タイミング信号Signal_Inが低いレベル（Ｌｏｗ）でトランジスタＴＲ１が“閉（Ｃｌｏｓｅ）”、トランジスタＴＲ２が“開（Ｏｐｅｎ）”で、出力Ｖｏｕｔが高いレベル（Ｈｉｇｈ）となる。これに対して、制御信号Pos_Controlが低いレベル（Ｌｏｗ）であれば、タイミング信号Signal_Inが高いレベル（Ｈｉｇｈ）でトランジスタＴＲ１が“開（Ｏｐｅｎ）”、トランジスタＴＲ２も“開（Ｏｐｅｎ）”で、出力Ｖｏｕｔが“フローティング（Floating）”となる。制御信号Pos_Controlが低いレベル（Ｌｏｗ）であれば、タイミング信号Signal_Inが低いレベル（Ｌｏｗ）でトランジスタＴＲ１が“閉（Ｃｌｏｓｅ）”、トランジスタＴＲ２が“開（Ｏｐｅｎ）”で、出力Ｖｏｕｔが高いレベル（Ｈｉｇｈ）でキャパシタ３２が充電される。

尚、トランジスタＴＲ１（ＴＲ１−１，ＴＲ１−２），ＴＲ２（ＴＲ２−１，ＴＲ２−２）が共に“閉（Ｃｌｏｓｅ）”となる状態では、高い電圧（１５０V）がそのまま貫通電流として流れてしまうため、禁止状態としている。上述した説明では、トランジスタとしてバイポーラ型を用いたが、これはスイッチング動作が行える他デバイス（例えば、MOSFETなと）であっても良いことは明らかである。

上述したように、図３（ａ）及び（ｂ）に示すようにドライバ回路４２には、残留電荷による可動子の位置保持の為の制御信号Pos_Controlが入力される制御端子が追加されるだけでフローティング状態を実現することができる。即ち、ドライバＩＣのピン（端子）の数の増加を最小限に抑えてフローティング状態を実現することができる。通常、ピン数が大幅に増加すると、チップ面積増の必要性や、入出力部をペリフェラル型（ＩＣの４辺にバンプ形成）から、エリア型（面全体）へ変更必要性など、デバイス全体でのコストアップにつながる要因となるが、図３（ａ）及び（ｂ）に示すドライバ回路４２では、コストを増大させることなしにフローティング状態を実現することができる。

次に、図６を参照してこの発明の静電アクチュエータの変形例について説明する。図６において、図１に付した符号と同一符号は、同一箇所或いは部分を示してその説明を省略する。

図６に示される静電アクチュエータにおいては、第１の固定子電極６が複数のセグメント電極６Ａ〜６Ｄに分割されて電気的に分離されている。これら複数のセグメント電極６Ａ〜６Ｄは、可動子１４の進行方向５０に沿って配列され、これら複数のセグメント電極６Ａ〜６Ｄには、選択的に駆動信号が、例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示される駆動信号が印加されている。また、可動子１４は、スイッチング素子ＳＷ３に接続され、端子３０Ｆに接続される際には、可動子１４がフローティング状態とされる。このようなスイッチング素子ＳＷ３は、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるドライバ回路４２から当業者であれば容易に実現することができる。この静電アクチュエータは、既に提案されている特許文献１から４の記載から明らかなように複数のセグメント電極６Ａ〜６Ｄに印加される電圧のタイミングを調整することによって可動子１４をシフトするシフトモードが設定されて複数のセグメント電極６Ａ〜６Ｄ及び第２の固定子電極８間で微動（上下動）されるとともに矢印５０で示すよう可動子１４がシフトされて移動（前後に移動）される。

図７（ｆ）に示すように可動子１４が接地された状態において、時点ｔ１０において、シフトモードが開始されると、図７（ａ）及び（ｂ）に示すようにセグメント電極６Ａ、６Ｂに高電圧が印加され、図７（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）に示すように他のセグメント電極６Ｃ，６Ｄ及び第２の固定子電極８が接地電位にあると、可動子１４は、セグメント電極６Ａ、６Ｂに向けて引き寄せられる。次に、時点ｔ１１において、図７（ａ）に示すようにセグメント電極６Ａが接地されて第２の固定電極８が高電位に切り替えられると、図７（ｂ）に示すようにセグメント電極６Ｂに高電圧が印加されていても第２の固定電極８の吸引力が大きくなって可動子１４は、固定電極８に引き寄せされる。時点ｔ１２において、図７（ａ）及び（ｂ）に示すようにセグメント電極６Ａ、６Ｂが接地電位に維持された状態で図７（ｃ）及び（ｄ）に示すようにセグメント電極６Ｃ、６Ｄが高電圧に切り替えられても、図７（ｅ）に示すように可動子電極１６，１８が高電位に切り替えられると、可動子電極１６，１８と高電位の第２の固定子電極８との間の反発力及び可動子電極１６，１８とセグメント電極６Ａ、６Ｂとの間の吸引力によって可動子１４がセグメント電極６Ａ、６Ｂ上に向けられる。また、時点ｔ１３において、図７（ａ）に示すようにセグメント電極６Ａが高電位に切り替えられ、固定電極８が接地電位に切り替えられると、可動子電極１６，１８とセグメント電極６Ａ、６Ｃ，６Ｄとの間の反発力及び可動子電極１６，１８と固定電極８との間の吸引力によって可動子１４が再び固定電極８に引き寄せされる。更に、時点ｔ１４において、可動子電極１６，１８が低電位に切り替えられ、セグメント電極６Ｂが高電位に切り替えられと、可動子１４がセグメント電極６Ｂ、６Ｃに向けて移動される。このように同様の電位の変化が繰り返されることによって、可動子１４は、複数のセグメント電極６Ａ〜６Ｄの配列方向に沿って移動される。即ち、可動子１４は、セグメント電極６Ａ、６Ｂに対向する位置からセグメント電極６Ｂ、６Ｃに対向する位置にシフトされ、更には、セグメント電極６Ｂ、６Ｃに対向する位置からセグメント電極６Ｃ、６Ｄに対向する位置にシフトされ、結果として、セグメント電極６Ａ〜６Ｄの配列方向に沿ってシフトされる。

時点ｔ１ｎにおいて、シフトモードから保持モードに切り替えられると、セグメント電極６Ａ〜６Ｄ及び固定電極８が接地電位に切り替えられ、可動子電極１６，１８が高電圧からフォローティング電位に切り替えられる。従って、可動子１４は、帯電されたままフローティング電位Ｍに維持され、セグメント電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ上或いは固定電極８上に保持される。

尚、上述した説明においては、可動子電極１６，１８がフローティング電位に維持されているが、セグメント電極６Ａ〜６Ｄ及び固定電極８或いはそのいずれか又は全ての電極がフォローティング電位に維持されても確実に可動子１４を保持することができる。

上述したようにセグメント電極６Ａ〜６Ｄ、固定電極８或いは可動子電極１６，１８がフローティング電位とされて保持モードが設定されることによって、可動子１４は、確実にセグメント電極６Ａ〜６Ｄ及び固定電極８のいずれかに保持させることができる。

上述した静電アクチュエータは、様々な分野での利用が可能であり、例えば、撮影装置等のレンズ系或いは撮影系に応用することができる。一例として、静電アクチュエータが撮影装置に設けられる場合には、可動子に撮影レンズを設けることによってフォーカス機構を構成することができる。また、固定レンズ系内に可動子とともに移動するレンズを設けることにより、ズーミング可能なレンズ系を構成することができる。更に、単に上下動する静電アクチュエータにおいては、撮影用のＣＣＤが可動部に設けられて外部振動に応じてこの可動部を上下動させてカメラ装置における手ぶれ防止機構や解像度の向上を実現することができる。このような様々な応用分野においても、上述した実施例に係る静電アクチュエータを利用することによって、静電アクチュエータが保持モードに維持されている際に、低消費電力で確実にアクチュエータを保持させることができ、しかも、システムの消費電力を低減させることあできる。

この発明の一実施の形態に係る静電アクチュエータを概略的に示すブロック図である。 図１に示した可動子が特定材料で作られた場合における可動子及び固定子電極との間に残留される電荷により生ずる電位と緩和時間との関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示される静電アクチュエータの駆動回路の一具体例を示すブロック図及びその回路図である。 （ａ）〜（ｇ）は、図４（ａ）に示される駆動回路に与えられる信号波形を示すタイミングチャートである。 図４（ａ）に示される駆動回路に与えられる信号で動作される各部の真理値を示す表である。 この発明の一実施の形態に係る静電アクチュエータの変形例を概略的に示すブロック図である。 図６に示される静電アクチュエータを駆動する駆動信号を示す波形図である。

符号の説明

２，４．．．第１及び第２の基板、７．．．筐体，６，８．．．第１及び第２の固定子電極、１０，１２．．．誘電膜、１４．．．可動子、１６，１８．．．可動子電極、ＳＷ１，ＳＷ２．．．スイッチング素子、４２．．．ドライバ回路

Claims (4)

1. 移動方向に沿って配列されている複数のセグメント電極から構成される第１の固定子電極及びこの第１固定子電極を被覆する第１の誘電体膜を備える第１の基板と、
   前記第１の固定子電極に対向する第２の固定子電極及びこの第２の固定子電極を被覆する第２の誘電体膜を備える第２の基板と、
   前記第１及び第２の固定子電極に夫々対向する第１及び第２の可動子電極を有し、前記第１の基板と前記第２の基板との間で上下動可能であって前記移動方向に沿って移動可能に配置されている可動子と、
   前記可動子を前記移動方向に沿ってシフトするように前記第１の基板に向けて移動させる第１の移動モード及び前記可動子を前記第２の基板に向けて移動させる第２の移動モードに交互に切り換えて前記第１及び第２の基板間で前記可動子を移動させながら前記可動子を前記移動方向に沿って移動させる移動モード、前記第１の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第１の保持モード及び前記第２の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第２の保持モードのいずれかを選択的に設定するスイッチング回路を含む駆動回路であって、
   前記移動モードにおいて、前記第１及び第２の可動子電極に第１の期間低電位を付与し、この第１の期間に続く第２の期間高電位を付与し、前記第１及び第２の期間を交互に繰り返して低電位及び高電位を交互に付与するようにスイッチング回路を切り換え、
   前記第１の期間の前記第１の移動モードにおいては、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第１の高電位を付与し、前記第２の固定子電極に第１の低電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
   前記第１の期間の前記第２の移動モードにおいては、前記第２の固定子電極に前記第１の高電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第１の低電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
   前記第２の期間の前記第１の移動モードにおいては、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第２の低電位を付与し、前記第２の固定子電極に第２の高電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
   前記第２の期間の前記第２の移動モードにおいては、前記第２の固定子電極に前記第２の低電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第２の高電位を付与するようにスイッチング回路を切り換え、
   前記第１の保持モードにおいて、前記第１の可動子電極及び第１の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第１の可動子電極と前記第１の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第１の可動子電極及び前記第１の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与するようにスイッチング回路を切り換えて前記可動子を前記第１の保持モードに維持し、
   前記第２の保持モードにおいて、前記第２の可動子電極及び第２の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第２の可動子電極と前記第２の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第２の可動子電極及び前記第２の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与するようにスイッチング回路を切り換えて前記可動子を前記第２の保持モードに維持する駆動回路と、
   を具備することを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 前記駆動回路は、供給される制御信号に応答して前記第１及び第２の移動モード、前記第１及び第２の保持モードのいずれかに設定されることを特徴とする第１項に記載の静電アクチュエータ。
3. 移動方向に沿って配列されている複数のセグメント電極から構成される第１の固定子電極及びこの第１固定子電極を被覆する第１の誘電体膜を備える第１の基板と、
   前記第１の固定子電極に対向する第２の固定子電極及びこの第２固定子電極を被覆する第２の誘電体膜を備える第２の基板と、
   前記第１及び第２の固定子電極に夫々対向する第１及び第２の可動子電極を有し、前記第１の基板と前記第２の基板との間で上下動可能であって前記移動方向に沿って移動可能に配置されている可動子と、
   を具備する静電アクチュエータの駆動方法において、
   前記可動子を前記移動方向に沿ってシフトするように前記第１の基板に向けて移動させる第１の移動モード及び前記可動子を前記第２の基板に向けて移動させる第２の移動モードに交互に切り換えて前記第１及び第２の基板間で前記可動子を移動させながら前記可動子を前記移動方向に沿って移動させる移動モードにおいて、前記第１及び第２の可動子電極に第１の期間低電位を付与し、この第１の期間に続く第２の期間高電位を付与し、前記第１及び第２の期間を交互に繰り返して低電位及び高電位を交互に付与し、
   前記第１の期間の前記第１の移動モードにおいて、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第１の高電位を付与し、前記第２の固定子電極に第１の低電位を付与し、前記第１の期間の前記第２の移動モードにおいて、前記第２の固定子電極に前記第１の高電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第１の低電位を付与し、
   前記第２の期間の前記第１の移動モードにおいては、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定された前記セグメント電極に第２の低電位を付与し、前記第２の固定子電極に第２の高電位を付与し、前記第２の期間の前記第２の移動モードにおいては、前記第２の固定子電極に前記第２の低電位を付与し、前記第１の固定子電極中から前記移動方向に応じて選定されたセグメント電極に前記第２の高電位を付与し、
   前記第１の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第１の保持モードにおいて、前記第１の可動子電極及び第１の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第１の可動子電極と前記第１の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第１の可動子電極及び前記第１の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与して前記第１の保持モードを維持し、
   前記第２の基板上に前記可動子が接触している状態で前記可動子を保持させる第２の保持モードにおいて、前記第２の可動子電極及び第２の固定子電極のいずれも或いは一方を電気的にフローティング状態とするようにスイッチング回路を切り換え、このフローティング状態から前記第２の可動子電極と前記第２の固定子電極との間に吸引力を発生させる電位を前記第２の可動子電極及び前記第２の固定子電極のいずれも或いは一方に間欠的に付与するようにスイッチング回路を切り換えて前記可動子を前記第２の保持モードに維持することを特徴とする静電アクチュエータの駆動方法。
4. 供給される制御信号に応答して前記第１及び第２の移動モード、前記第１及び第２の保持モードのいずれかに設定されることを特徴とする第３項に記載の静電アクチュエータの駆動方法。

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