JP2003037312A - 応力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気抵抗効果素子を用いた応力センサーにお
いて、外乱ノイズに強いセンサーを提供する。 【解決手段】 基板１０に梁部材１１を片持ち状態で取
り付け、梁部材１１の基部側に磁気抵抗効果素子１２を
取り付け、磁気抵抗効果素子１２を包囲する状態で第１
の磁気シールド１３および第２の磁気シールド１４を基
板１０に取り付ける。これにより、両磁気シールド１
３，１４をもって、磁気的な外乱ノイズを遮蔽し、ノイ
ズに対して強い応力センサーを提供することができる。
また、第１の磁気シールド１３および第２の磁気シール
ド１４は、片持ち状態の梁部材１１の自由端１１ａまで
延在されており、それぞれの内面は梁部材１１の揺動に
対する規制面１３ｂ，１４ｂとなっている。これによ
り、オーバーＧストッパーを兼用し、構造の簡素化を図
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果素子
を備える応力センサーにかかわり、特には、外乱磁界の
影響を抑制するための技術に関する。本発明の応力セン
サーは、特に振動を受けやすい携帯型電子機器に搭載さ
れるハードディスクドライブ用のものとして有用なもの
となる。

【０００２】

【従来の技術】従来から、応力センサーは、圧力センサ
ー、加速度センサー、衝撃センサー等として利用されて
いる。応力センサーでは、ピエゾ効果や圧電効果など、
機械的な変形を電気信号に変換する物理現象が応用され
ている。

【０００３】応力センサーの一つとして磁気抵抗効果素
子を用いた応力センサーが提案されている（特開平７−
２０９１００号公報参照）。

【０００４】この応力センサーにおいては、機械的な変
形を、逆磁歪効果を用いて電気信号に変換する。つま
り、機械的な変形すなわち応力が磁気抵抗効果素子に加
わると、逆磁歪効果により素子の磁化の向きが回転し、
その結果、磁気抵抗効果により素子の抵抗値が変化する
ことで、応力を電気信号に変換する。

【０００５】前記公報には具体的な記載は無いが、近年
開発が盛んに行われているＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効
果素子）やＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）
といった、抵抗変化率が１０％から数十％の素子を用い
れば、この磁気抵抗効果および逆磁歪効果を応用した応
力センサーは、ピエゾ効果や圧電効果を応用したものを
はるかに凌ぐ感度を得ることが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁気抵
抗効果を用いたセンサーは、外乱磁界によって磁気抵抗
効果素子の抵抗値が変化する。その結果、本来検知すべ
き応力に応じた抵抗変化に、外乱磁界に起因する抵抗変
化がノイズとして加わるため、安定したセンサーの出力
が得られないという問題を有している。

【０００７】したがって、例えば、磁気ディスク装置に
おける加速度センサーや、車載用の衝撃センサーなど、
比較的大きな外乱磁界が発生するところへの応用が困難
になっている。

【０００８】本発明は上記した課題の解決を図るべく創
作したものであって、磁気ディスク装置内や自動車内の
ように、大きな外乱磁界が発生する環境下でも安定した
出力が得られる、磁気抵抗効果素子を用いた応力センサ
ーを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】応力センサーについての
本発明は、次のような手段を講じることにより、上記の
課題を解決するものである。すなわち、磁気抵抗効果素
子は、印加応力に応じて磁化の向きが回転し、抵抗値が
変化することにより前記印加応力を検出するものである
が、このような磁気抵抗効果素子を備える応力センサー
において、前記磁気抵抗効果素子を磁気シールドによっ
て包囲してある。

【００１０】印加応力に応じて磁化の向きが回転し抵抗
値が変化する磁気抵抗効果素子は、応力検出の感度がピ
エゾ効果素子や圧電効果素子に比べて高いが、その反面
で、外乱磁界によって抵抗値変化の影響を受ける。本発
明によると、磁気シールドの存在によって、外乱磁界の
磁束が磁気シールド内に侵入することが抑制される。つ
まり、磁気抵抗効果素子に対する外乱磁界の影響を効果
的に防止することができる。したがって、外乱磁界の影
響のある環境下であっても、当該応力センサーを使用す
るときには、高感度な応力検出を実現することができ
る。

【００１１】また、本発明の応力センサーは、基板と、
この基板に片持ち状態で固定された梁部材と、前記梁部
材の基部側に取り付けられた磁気抵抗効果素子と、前記
基板に取り付けられて前記磁気抵抗効果素子を包囲する
磁気シールドとを備えている。

【００１２】これは、上記の発明をより具体的レベルで
記述したものに相当している。基部側に磁気抵抗効果素
子を取り付けた梁部材を片持ち状態にしてあるので、梁
部材に弾性変位性（撓み性）をもたせて、梁部材にかか
る振動、衝撃、加速度などの印加応力を効果的に捕捉す
ることができる。そして、捕捉した印加応力を適度に増
幅して基部側の磁気抵抗効果素子に伝えることができ
る。また、磁気抵抗効果素子を梁部材の基部側すなわち
揺動支点部に固着してあるで、梁部材が捕捉した印加応
力を効果的に検知することができる。すなわち、磁気抵
抗効果素子を用いた上に梁部材を設けているので、印加
応力の検出感度が高いものとになっている。

【００１３】しかし、このように検出感度が高いので、
他方で、外乱磁界による抵抗値変化の影響も大きくな
る。

【００１４】そこで、磁気抵抗効果素子を磁気シールド
で包囲することにより、磁気抵抗効果素子が外乱磁界か
ら受ける影響を低減している。したがって、高感度状態
での印加応力検出を高精度に行うことができる。

【００１５】本発明において、好ましくは、前記磁気シ
ールドは、前記梁部材の所定量以上の変位を規制する規
制面を有するものに構成されていることである。

【００１６】磁気抵抗効果素子を外乱磁界の影響から遮
蔽するためには、磁気抵抗効果素子の周辺全体を磁気シ
ールドで覆えばよい。その遮蔽のためだけであれば、磁
気シールドを長く延在させる必要はない。磁気シールド
を長く延在させて、梁部材に対する規制面とすること
で、梁部材の所定量以上の揺動を規制する。これによ
り、オーバーＧ（加速度）ストッパーの機能を磁気シー
ルドに兼備させている。過剰に大きな応力が加わったと
きに、センサーが破壊することを防止することができ
る。また、別途にオーバーＧストッパーを設ける必要が
ないため、構造の簡略化を図ることができる。ひいて
は、高感度・高精度な応力センサーを安価に提供でき
る。

【００１７】上記の応力センサーの発明において、好ま
しい態様としては、前記磁気抵抗効果素子が巨大磁気抵
抗効果素子またはトンネル型磁気抵抗効果素子で構成さ
れていることである。すでに説明したように、巨大磁気
抵抗効果素子やトンネル型磁気抵抗効果素子は抵抗変化
率が１０％ないし数十％と大きく、通常の磁気抵抗効果
素子に比べて大きな感度を有する。しかし、その反面、
外乱磁界の影響も大きなものとなる。そこで、巨大磁気
抵抗効果素子やトンネル型磁気抵抗効果素子を用いる応
力センサーにおいて、その磁気抵抗効果素子を磁気シー
ルドで包囲することにより、外乱磁界の影響を効果的に
防止することができる。したがって、外乱磁界の影響の
大きな環境下であっても、巨大磁気抵抗効果素子やトン
ネル型磁気抵抗効果素子を用いた応力センサーを使用す
るときには、充分に高感度で高精度な応力検出を実現す
ることができる。

【００１８】このことは、特に振動、衝撃を受けやすい
携帯型電子機器に搭載されるハードディスクドライブの
磁気ヘッドのトラッキング制御を行うための応力センサ
ーの場合に有利となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の応力センサーの実
施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

【００２０】図１は本発明の実施の形態における応力セ
ンサーの概略断面図である。

【００２１】図１において、符号の１０は基板、１１は
梁部材、１２は一定以上の磁歪定数をもつ磁気抵抗効果
素子、１３，１４は上下一対の磁気シールドである。基
板１０に対して梁部材１１の一端側が片持ち状態で固定
されている。梁部材１１の他端側は自由端１１ａとなっ
ている。弧状の矢印ａのように、梁部材１１は、その板
面に対する垂直方向に揺動自在となっている。梁部材１
１の基部側において、基板１０の端縁１０ａの両側にわ
たる状態で、梁部材１１上に磁気抵抗効果素子１２が固
着されている。磁気抵抗効果素子１２としては、異方性
磁気抵抗効果をもつもの、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効
果）をもつもの、あるいはトンネル型磁気抵抗効果（Ｔ
ＭＲ効果）をもつものなどがある。図示はしていない
が、磁気抵抗効果素子１２には、磁気抵抗効果による抵
抗値変化を検出する上で必要な定電流を流すための電極
が設けられている。

【００２２】梁部材１１を、自由端１１ａを有する状態
の片持ち状態にするのは、梁部材１１に弾性変位性（撓
み性）をもたせて、梁部材１１にかかる振動、衝撃、加
速度などの印加応力を効果的に捕捉するためと、捕捉し
た印加応力を適度に増幅して磁気抵抗効果素子１２に伝
えるためである。磁気抵抗効果素子１２を梁部材１１の
基部側すなわち揺動支点部に固着してあるのは、梁部材
１１が捕捉した印加応力を効果的に検知するためであ
る。梁部材１１における弾性変位が磁気抵抗効果素子１
２において応力変化となって現れる。

【００２３】基板１０には、磁気抵抗効果素子１２を外
乱磁界から遮蔽するための上下一対の磁気シールド１
３，１４が取り付けられている。基板１０に関して磁気
抵抗効果素子１２とは反対側にある磁気シールド１３を
第１の磁気シールドと呼び、基板１０に関して磁気抵抗
効果素子１２と同じ側にある磁気シールド１４を第２の
磁気シールドと呼ぶことにする。第１の磁気シールド１
３は、平板状のものであり、その長さが梁部材１１とほ
ぼ同じになっている。第１の磁気シールド１３は、梁部
材１１に対して平行な姿勢に配された状態で、その一端
側が基板１０の裏面に固定され、他端側は梁部材１１の
自由端１１ａの箇所まで延在している。第２の磁気シー
ルド１４は、基板１０に対する取付け基部１４Ａと梁部
材１１に対して平行な平板部１４Ｂとを一連一体の状態
で有するものである。第２の磁気シールド１４も梁部材
１１の自由端１１ａの箇所まで延在している。１３ａ，
１４ａは磁気シールド１３，１４における、梁部材１１
の自由端１１ａ側の端縁である。両磁気シールド１３，
１４の端縁１３ａ，１４ａは、梁部材１１の自由端１１
ａとほぼ同じ位置まで延在している。磁気シールド１
３，１４の構成材料としては、メッキで形成したパーマ
ロイが好ましい。磁気抵抗効果素子１２の構成材料とし
ては、パーマロイをフリー層とするスピンバルブ膜が好
ましい。

【００２４】磁気抵抗効果素子１２を外乱磁界の影響か
ら遮蔽するためには、磁気抵抗効果素子１２の周辺全体
を両磁気シールド１３，１４で覆えばよく、その遮蔽の
ためだけであれば、両磁気シールド１３，１４を図示の
ように長く延在させる必要はない。図示の３分の２程度
でも充分である。図示のように長く延在させているの
は、梁部材１１の揺動規制のためである。

【００２５】両磁気シールド１３，１４の内面における
端縁１３ａ，１４ａ側の部分が、梁部材１１の揺動に対
する規制面１３ｂ，１４ｂとなっている。梁部材１１に
おいて、揺動量が最も大きくなるのは自由端１１ａであ
る。規制面１３ｂ，１４ｂは、梁部材１１の自由端１１
ａが所定量以上に振れることを、自由端１１ａとの当接
によって規制する。

【００２６】上記のように構成された応力センサーは、
例えばハードディスクドライブに搭載される場合には、
その筐体のＸ，Ｙ，Ｚの各方向の衝撃を個別に検出する
ために、３つのものが設けられる。その場合、応力セン
サーは、ハードディスクに対してディジタル情報信号を
記録／再生する磁気ヘッドのアクチュエータをフィード
バック制御して、磁気ヘッドを目的トラックに高精度に
位置決めするために用いられる。

【００２７】次に、上記のように構成された応力センサ
ーの動作を説明する。あらかじめ、磁気抵抗効果素子１
２に定電流を流しておく。振動、衝撃、加速度などの印
加応力が加わると、それに応じて梁部材１１が上下に撓
み、その弾性変位が基部側に伝えられ、磁気抵抗効果素
子１２に応力が印加される。応力の印加により、磁気抵
抗効果素子１２においては、磁化の向きが回転し、磁気
抵抗効果により抵抗値が変化する。そして、抵抗値変化
に応じて、磁気抵抗効果素子１２の両端電圧が変化す
る。すなわち、振動、衝撃、加速度などの印加応力を電
気信号へ変換する。

【００２８】外乱磁界の影響については、両磁気シール
ド１３，１４が磁気抵抗効果素子１２のほぼ全体を覆っ
ているので、両磁気シールド１３，１４内へ外乱磁界の
磁束が侵入することが抑制され、磁気抵抗効果素子１２
に対する外乱磁界の影響を効果的に防止することができ
る。

【００２９】具体的に外乱磁界による影響を実験的に確
認した。本実施形態の応力センサーを加振台に載置した
上で、加振台を駆動し、応力センサーに一定周期の振動
を加えた。この状態で、電磁石を用いて変調させた擬似
的な外乱磁界を応力センサーに加え、出力の様子を観察
した。すなわち、応力センサーの出力波形をオシロスコ
ープにより確認した。その結果、一定周期の振動を反映
した正弦波に、乱れは全く生じなかった。

【００３０】なお、上記実施の形態においては、磁気シ
ールドをパーマロイとしたが、一定以上の透磁率を持つ
磁性材料であれば、同様の効果が得られることはいうま
でもない。

【００３１】梁部材１１の長さを適当に長く設定するこ
とにより、印加された振動、衝撃、加速度などの応力を
磁気抵抗効果素子１２へ伝える際の増幅率を大きくし
て、捕捉感度を高いものに維持できる。しかし、長くな
るほど、その大きな増幅率のために、梁部材１１にかか
る力も大きくなる。したがって、梁部材１１が過大な力
によって破壊されることについても配慮をする必要があ
る。

【００３２】本実施形態の場合、磁気抵抗効果素子１２
を外乱磁界から遮蔽するための両磁気シールド１３，１
４を兼用して対応している。

【００３３】すなわち、上述のとおり、両磁気シールド
１３，１４の端縁１３ａ，１４ａを梁部材１１の自由端
１１ａの箇所まで延在させ、その内面をもって梁部材１
１の自由端１１ａに対する規制面１３ｂ，１４ｂとして
いる。振動、衝撃、加速度などの印加がない自由状態に
おいて、梁部材１１と両磁気シールド１３，１４の規制
面１３ｂ，１４ｂとのギャップの寸法を適切に定める。
ここで、その寸法は、梁部材１１のヤング率、曲げ強度
等の機械的な性質や、センサーの用途に応じて決定すべ
きものである。

【００３４】印加される振動、衝撃、加速度が過大にな
って、梁部材１１の振れが過剰になろうとするときは、
梁部材１１の自由端１１ａが両磁気シールド１３，１４
の規制面１３ｂ，１４ｂに当接し、それ以上の振れを規
制することができる。これにより、梁部材１１の破損を
防止することができる。

【００３５】なお、上記実施の形態においては、梁部材
をもつタイプの応力センサーについて説明したが、必ず
しもそれにとらわれる必要性はなく、梁部材を有しない
タイプの応力センサーに本発明を適用してもよい。

【００３６】また、梁部材を有するタイプの応力センサ
ーにおいても、磁気抵抗効果素子を磁気シールドで包囲
するのであれば、梁部材の揺動規制を磁気シールドで兼
用することに代えて、磁気シールドとは別部材で規制す
るようにしてもよい。

【００３７】また、感度を増すために、梁部材の先端部
に重錘を取り付けてもよい。

【００３８】

【発明の効果】応力センサーについての本発明によれ
ば、磁気抵抗効果素子を磁気シールドで包囲してあるの
で、印加応力に応じて磁化の向きが回転し抵抗値が変化
するだけでなく外乱磁界によっても抵抗値が変化してし
まう磁気抵抗効果素子に対する外乱磁界の影響を抑制す
ることができる。その結果、外乱磁界中においても安定
した出力が得られ、印加応力の高精度検出を実現するこ
とができる。

【００３９】また、磁気抵抗効果素子を片持ち状態の梁
部材の基部に取り付けることにより印加応力の検出感度
を高めるとともに、検出感度が高いゆえに外乱磁界によ
る抵抗値変化の影響が大きくなるにもかかわらず、磁気
抵抗効果素子を磁気シールドで包囲することにより、磁
気抵抗効果素子が外乱磁界から受ける影響を低減してい
る。したがって、高感度状態での印加応力検出を高精度
に行うことができる。

【００４０】本発明による応力センサーは、特に、外乱
磁界の発生が大きい環境下である磁気ディスク装置にお
ける加速度センサーや車載用の衝撃センサーに有効とな
る。

【００４１】また、片持ち状態の梁部材に対する規制面
として磁気シールドを兼用することでオーバーＧストッ
パーの機能をもたせているので、過剰に大きな応力が加
わったときに、センサーが破壊することを防止すること
ができる。また、別途にオーバーＧストッパーを設ける
必要がないため、構造の簡略化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態における応力センサーの
概略断面図

【符号の説明】

１０……基板 １１……梁部材 １１ａ…梁部材の自由端 １２……磁気抵抗効果素子 １３……第１の磁気シールド １３ａ…端縁 １３ｂ…規制面 １４……第２の磁気シールド １４ａ…端縁 １４ｂ…規制面 １４Ａ…取付け基部 １４Ｂ…平板部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深澤 利雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 印加応力に応じて磁化の向きが回転し抵
   抗値が変化することにより前記印加応力を検出する磁気
   抵抗効果素子を備える応力センサーであって、前記磁気
   抵抗効果素子を磁気シールドによって包囲してあること
   を特徴とする応力センサー。
2. 【請求項２】 基板と、この基板に片持ち状態で固定さ
   れた梁部材と、前記梁部材の基部側に取り付けられた磁
   気抵抗効果素子と、前記基板に取り付けられて前記磁気
   抵抗効果素子を包囲する磁気シールドとを備えているこ
   とを特徴とする応力センサー。
3. 【請求項３】 前記磁気シールドは、前記梁部材の所定
   量以上の変位を規制する規制面を有するものに構成され
   ていることを特徴とする請求項２に記載の応力センサ
   ー。
4. 【請求項４】 前記磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗
   効果素子またはトンネル型磁気抵抗効果素子であること
   を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記
   載の応力センサー。