JP2005069963A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型且つ低コストとしつつ小さな加速度が検出可能な加速度センサを得る。
【解決手段】 ワイヤ１６がケース１２に片持ち状に支持され、ワイヤ１６の先端側に上方向に屈曲された形の支持部１６Ｂが形成され、マグネット１８が固定される。マグネット１８は、円筒形の上下の端面１８ＢにそれぞれＮＳの磁極を有する。マグネット１８の磁束方向の変化を検出し得るスピンバルブ型ＧＭＲ素子２１の感応部２１Ａが、基板２１Ｂに搭載された形で設けられる。マグネット１８の両端面１８Ｂ間を繋ぐ外周面１８Ｃとマグネット１８の下側の端面１８Ｂとが交わるマグネット１８の部分である角部１８Ｄの近傍に、この感応部２１Ａが配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型且つ低コストとしつつ小さな加速度が検出可能な加速度センサに関し、特に携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用機器に好適なものである。

例えば携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用機器では、ハードディスクドライブ（以下ＨＤＤと言う）が記憶装置として近年内蔵されるようになった。しかし、携帯用機器中のＨＤＤは、携帯用機器が手振れなどで揺動したり、或いは落下した場合等に故障することがあるので、この時の加速度を初期段階で検出し、ＨＤＤの磁気ヘッドの退避や磁気ヘッドに加わる衝撃を打ち消す制御を行なう必要がある。従って、この携帯用機器に加わる加速度を初期段階で検出する為に小さな加速度を検出し得る加速度センサが必要となるが、以下に加速度センサの従来例を具体的に挙げて、背景技術を説明する。

第１の従来例の加速度センサとして、特許文献１〜３に記載されているように、加速度が加わるのに伴ってボールが転がったり平盤が移動したりする構造とし、これら可動部となるボールや平盤の変位を光等を用いた非接触センサで検知するものがあった。

第２の従来例の加速度センサとして、特許文献４、５に記載されているように、可動部にマグネットを取り付けると共に、磁気インピーダンス効果を有するセンサである磁気検出素子を固定部に取り付け、可動部の動きをこの磁気検出素子で検出するものがあった。

第３の従来例の加速度センサとして、特許文献６、７に記載されているように、板バネの先端にマグネットを取り付け、このマグネットの変化量を磁気検出素子で検出するものがあった。

第４の従来例の加速度センサとして、特許文献８に記載されているように、半導体技術を用いてシリコン基板上に薄膜磁気抵抗素子を取り付けると共に、外部に磁性発生体を設けて、この磁性発生体の動きを薄膜磁気抵抗素子で検出するものや、マイクロ−エレクトロ−メカニカル−システム（ＭＥＭＳ）によるもの等があった。
特開平５−８７８２８号公報 特開平９−１０１３２３号公報 特開平６−１４８２２４号公報 特開２０００−２７１５号公報 特開平１０−３３２７３３号公報 特開平１０−３２５７１９号公報 特開平１０−３１９０３４号公報 特開平９−２０３７４８号公報

例えば、携帯用機器に内蔵されるＨＤＤに加速度センサを取り付けて小さな加速度を検出するには、加速度センサの取り付け空間が余り無い為、２ｍｍ×３ｍｍ×１．５ｍｍ程度の大きさにまでこの加速度センサを小型化することが要求される。

しかし、第１の従来例では、小型化するのに伴って可動部が軽量になる為、ボールや平盤等が小さな加速度に対しては反応し難くなる結果、この動きを光等によって確実に検出するのは困難であった。

また、第２及び第３の従来例では、小型化に伴って磁気検出素子でマグネットの変化量を検出するのが困難となる。つまり、磁気検出素子には、多層膜ＧＭＲ素子、ＭＲ素子、ホール素子などが知られているが、これらは磁束の強さの変化を検出する方式である為、小型化に伴ってマグネットと磁気検出素子との間のストロークが十分に取れなくなり、小さな加速度の検出には不向きな構造となっている。

第４の従来例では、半導体技術やマイクロ−エレクトロ−メカニカル−システムを使用するので、加速度センサの小型化に伴って、製造コストが増大し実施化が困難となっていた。
本発明は上記事実を考慮し、小型且つ低コストとしつつ小さな加速度が検出可能な加速度センサを提供することを目的とする。

請求項１による加速度センサは、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
このマグネットが弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられた弾性部材と、
両端部間を繋ぐ面と何れかの端部とが交わるマグネットの部分の近傍に配置される磁化方向感応素子と、
を有したことを特徴とする。

請求項１に係る加速度センサでは、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットが、弾性部材の弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられており、また、マグネットの両端部間を繋ぐ面とマグネットの何れか一方の端部とが交わるこのマグネットの部分の近傍に、磁化方向感応素子が配置された構成になっている。

つまり、本請求項では、所定の質量を有するマグネットに加速度が加わった場合、弾性部材が弾性変形するのに伴って、このマグネットが変位する。この為、マグネットの両端部間を繋ぐ面とマグネットの何れかの端部とが交わるこのマグネットの部分の近傍となる磁束方向の変化が特に大きい位置に配置された磁化方向感応素子が、マグネットの変位に伴う磁束方向の変化を検出する。

以上より、本請求項によれば、単にマグネット、弾性部材及び磁化方向感応素子のみの簡単な構造の加速度センサにより、磁束方向の変化の形で加速度を検出できるので、加速度センサを小型化できると共に低コストで製作できるだけでなく、この加速度センサにより小さな加速度を検出可能になる。

ここで、加速度センサの小型化を可能とする磁化方向感応素子としてスピンバルブ巨大磁気抵抗素子（以下、スピンバルブ型ＧＭＲ素子という）を用いることが考えられる。つまり、このスピンバルブ型ＧＭＲ素子は、磁気の強弱を検出する他の素子とは違って、微少な磁束方向と電流方向の角度変化でインピーダンスが変化する素子である。そして、この微少な磁束方向と電流方向の角度変化によりインピーダンスが変化する特性を応用し、マグネットの周囲における磁束の角度変化が大きい個所に、このスピンバルブ型ＧＭＲ素子の感応部を小型のマグネットの磁束方向の変化を捕らえられる向きに適切に配置することで、小型のマグネットの微少変位をも検出可能となる。

請求項２に係る加速度センサによれば、請求項１の加速度センサと同様の構成の他に、弾性部材が、片持ち状に支持された線材とされるという構成を有している。従って、本請求項によれば、特に変形し易くなるように片持ち状に支持された線材で弾性部材が形成されているので、微小な加速度が加わった場合でも、この線材がマグネットの重量で容易に変形してマグネットが変位し、これに伴って磁束方向が変化するので、微小な加速度が検出可能となる。

請求項３による加速度センサは、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
このマグネットが弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられた弾性部材と、
このマグネットの何れかの端部の中心部分と対向して配置される磁化方向感応素子と、
を有したことを特徴とする。

請求項３に係る加速度センサでは、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットが、弾性部材の弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられており、また、このマグネットの何れか一方の端部の中心部分と対向する位置に、磁化方向感応素子が配置された構成になっている。

つまり、本請求項では、所定の質量を有するマグネットに加速度が加わった場合、弾性部材が弾性変形するのに伴って、このマグネットが変位する。この為、磁束方向の変化が特に大きい位置となる磁極が存在するマグネットの端部の中心部分と対向する位置に配置された磁化方向感応素子が、マグネットの変位に伴う磁束方向の変化を検出する。

以上より、本請求項によれば、単にマグネット、弾性部材及び磁化方向感応素子のみの簡単な構造の加速度センサにより、磁束方向の変化の形で加速度を検出できるので、加速度センサを小型化できると共に低コストで製作できるだけでなく、この加速度センサにより小さな加速度を検出可能になる。但し、本請求項では、請求項１と異なる位置に磁化方向感応素子が配置されているので、請求項１の加速度センサが検出する加速度の方向と異なる方向の加速度をマグネットの変位に基づき検出できるようになる。

請求項５による加速度センサは、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
このマグネットが弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられた弾性部材と、
両端部間を繋ぐ面と何れかの端部とが交わるマグネットの部分の近傍に配置される第１の磁化方向感応素子と、
このマグネットの何れかの端部の中心部分と対向して配置される第２の磁化方向感応素子と、
を有したことを特徴とする。

請求項５に係る加速度センサでは、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットが、弾性部材の弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられている。また、マグネットの両端部間を繋ぐ面とマグネットの何れか一方の端部とが交わるこのマグネットの部分の近傍に、第１の磁化方向感応素子が配置されており、さらに、このマグネットの何れか一方の端部の中心部分と対向する位置に、第２の磁化方向感応素子が配置された構成となっている。

つまり、本請求項では、所定の質量を有するマグネットに加速度が加わるのに合わせて、弾性部材が弾性変形するのに伴って、このマグネットが変位する。この為、マグネットの両端部間を繋ぐ面とマグネットの何れかの端部とが交わるこのマグネットの部分の近傍となる磁束方向の変化が特に大きい位置に配置された第１の磁化方向感応素子が、マグネットの変位に伴う磁束方向の変化を検出する。さらに、同じく磁束方向の変化が特に大きい位置となる磁極が存在するマグネットの端部の中心部分と対向する位置に配置された第２の磁化方向感応素子が、第１の磁化方向感応素子により検出される磁束方向の変化と異なる方向の磁束方向の変化をマグネットの変位に伴って検出する。

以上より、本請求項によれば、単にマグネット、弾性部材及び２つの磁化方向感応素子のみの簡単な構造の加速度センサにより、それぞれ磁束方向の変化の形で２方向の加速度を検出できるので、加速度センサを小型化できると共に低コストで製作できるだけでなく、この加速度センサにより小さな加速度を２軸方向に沿ってそれぞれ検出可能になる。

請求項４及び請求項６に係る加速度センサによれば、請求項３及び請求項５の加速度センサと同様の構成の他に、弾性部材が、片持ち状に支持された線材とされるという構成を有している。

従って、本請求項によれば、請求項２と同様に、微小な加速度が加わった場合でも、この線材がマグネットの重量で容易に変形してマグネットが変位し、これに伴って磁束方向が変化するので、より一層微小な加速度を検出可能ともなる。

請求項７に係る加速度センサによれば、請求項１から請求項６の加速度センサと同様の構成の他に、磁化方向感応素子が、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の感応部とされるという構成を有している。従って、本請求項によれば、磁化方向感応素子がスピンバルブ型ＧＭＲ素子の感応部とされたことで、マグネットの変位に伴う磁束方向の変化を確実に検出可能となり、請求項１から請求項６までの作用効果がより確実に達成できるようになる。

本発明によれば、小型且つ低コストとしつつ小さな加速度が検出可能な加速度センサが得られることになる。例えば加速度センサの中でも携帯用機器の揺動又は落下を検出する加速度センサは、±１Ｇ以内の小さな加速度を検出しなければならない。つまり、加速度が小さいのに伴って可動部の変位が非常に少ない上、小さな空間内に配置して使用しなければならない為に重りとなる例えばマグネットの重量が軽量になるが、本発明によればこれらの問題点を解決することが可能となる。

以下、本発明に係る加速度センサの一実施の形態を図１から図７に示し、これらの図面に基づきこの一実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る加速度センサ１０の外枠部分を合成樹脂製のケース１２が構成しており、内部に空間を有したこのケース１２を形成する壁部１２Ａの一端側には、切欠部１４がこの壁部１２Ａを切り欠いて形成されている。

このケース１２の内部には、弾性部材であるワイヤ１６の弾性変形し得る部分が配置されているが、このワイヤ１６は、直径０．１ｍｍ以下で具体的には直径０．０６〜０．０８ｍｍの線径を有したＳＵＳ３０４製のスプリングワイヤとされる線材により形成されている。そして、このワイヤ１６の基端側は図１及び図２においてＵ字形に屈曲された形の固定部１６Ａとされていて、ケース１２の切欠部１４の下側部分の壁部１２Ａを挟み付ける形でこの固定部１６Ａが係止されて、ワイヤ１６がケース１２に片持ち状に支持されている。

このワイヤ１６の先端側には、上方向に屈曲された形の支持部１６Ｂが形成されており、この支持部１６Ｂにマグネット１８が固定されている。つまり、このマグネット１８は、中心部分に軸方向に伸びる孔部１８Ａを有した円筒形に形成されていて、ワイヤ１６の支持部１６Ｂがこの孔部１８Ａを貫通した状態で、接着剤等によりワイヤ１６に固定されている。この結果として、ワイヤ１６の固定部１６Ａと支持部１６Ｂとの間の部分である変形部１６Ｃが弾性変形するのに伴って変位し得る位置にマグネット１８が取り付けられていて、図２に示す蓋材２０で開放端を覆われるケース１２内にこのマグネット１８が配置されることになる。

尚、図２に示すように、例えばこのケース１２の長さ寸法Ｂは約３ｍｍとされ、幅寸法Ｗは約２ｍｍとされ、高さ寸法Ｈは約１．５ｍｍとされている。また、マグネット１８の外径寸法Ｄは約１ｍｍとされ、高さ寸法Ｈ１は約０．５ｍｍとされている。さらに、このマグネット１８は、円筒形の両端部となる上下の端面１８ＢにそれぞれＮＳの磁極を有していて、図３に示すように孔部１８Ａの周囲から磁束Ｂが広がるように存在している。

一方、図４に示すように、マグネット１８の磁束方向の変化を検出し得る第１の磁化方向感応素子となるスピンバルブ型ＧＭＲ素子２１の感応部２１Ａが、基板２１Ｂに搭載された形で、設けられている。そして、図２に示すようにケース１２の壁部１２Ａにこの基板２１Ｂが取り付けられることで、マグネット１８の両端面１８Ｂ間を繋ぐ外周面１８Ｃとマグネット１８の下側の端面１８Ｂとが交わるマグネット１８の部分である角部１８Ｄの近傍に、この感応部２１Ａが配置されている。すなわち、この感応部２１Ａは、角部１８Ｄよりマグネット１８の外周側とされ且つ下側の端面１８Ｂから０．３ｍｍ程度下方に配置されていることになる。

また、同じく図４に示すように、マグネット１８の磁束方向の変化を検出し得る第２の磁化方向感応素子となるスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の感応部２２Ａも、基板２２Ｂに搭載された形で設けられている。そして、図２に示すようにこの基板２２Ｂが蓋材２０に固定されることで、このマグネット１８の上側の端面１８Ｂの中心部分と対向した位置に、この感応部２２Ａが配置されている。さらに、これら感応部２１Ａ及び感応部２２Ａは、それぞれ基板２１Ｂ、２２Ｂ上をジグザグに延びる形で形成されていて、これらに繋がる端子２１Ｃ、２２Ｃを介して外部の図示しない回路に接続されている。この為、必要な検出データがこの端子２１Ｃ、２２Ｃを介して取り出せるようになっている。

尚、この感応部２１Ａの特に磁束方向の変化に敏感な方向が、図２の矢印Ａ１で示す方向となるように感応部２１Ａは配置されており、また、感応部２２Ａの特に磁束方向の変化に敏感な方向が、図２の矢印Ａ２で示す方向となるように感応部２２Ａは配置されている。この為、これら感応部２１Ａ、２２Ａの磁束方向の変化に敏感な方向Ａ１、Ａ２は、ワイヤ１６の変形部１６Ｃが延びる方向に対してそれぞれ直交する方向であり且つ、相互間で直交する方向となっている。

以上より、上記の第１の磁化方向感応素子及び第２の磁化方向感応素子は、微少な磁束方向の角度変化でインピーダンスが変化するスピンバルブ型ＧＭＲ素子２１、２２の感応部２１Ａ、２２Ａとそれぞれされている。

すなわち、例えば図６に示すようにマグネット１８の周囲に広がる矢印で示す磁束Ｂのベクトルを、Ｚ軸方向のみのベクトルに変換して図７に表すことで、Ｚ軸方向のベクトルである矢印ＣにおけるＺ軸方向のベクトル変化の分岐点が、マグネット１８の上側の端面１８Ｂより上側とされ且つ外周面１８Ｃより外周側とされる領域部分及び、マグネット１８の下側の端面１８Ｂより下側とされ且つ外周面１８Ｃより外周側とされる領域部分に存在することが分かる。従って、この上下方向のベクトル変化の分岐点の周囲に例えば感応部２１Ａを配置することで、マグネット１８の微少な変位を検出可能となる。

一方、図４に示すスピンバルブ型ＧＭＲ素子２１、２２の感応部２１Ａ、２２Ａは、図５（Ａ）に示すように、磁化方向が固定されている強磁性体のピン層３１、非磁性体の中間層３２及び、磁化方向がその面内で自由に変化する強磁性体のフリー層３３が、積層されて形成されている。

そして、このフリー層３３の磁化方向Ｅは外部の磁化方向に合わせて変化するようなっていて、図５（Ｂ）に示すようにピン層３１の磁化方向Ｄに対してフリー層３３の磁化方向Ｅが逆向きとなるようにフリー層３３の面内で変化した場合には、抵抗が最大となり、また、図５（Ｃ）に示すようにピン層３１の磁化方向Ｄに対してフリー層３３の磁化方向Ｅが一致するようにフリー層３３の面内で変化した場合には、抵抗が最小となる。このことから、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の感応部が、周囲の磁化方向の変化を検出できるようになる。

次に、本実施の形態に係る加速度センサ１０の作用を説明する。
本実施の形態に係る加速度センサ１０では、片持ち状に支持された直径０．１ｍｍ以下の線材により形成されたワイヤ１６の弾性変形に伴って変位し得る先端側の位置に、両端面１８Ｂをそれぞれ磁極としたマグネット１８が、取り付けられている。

また、マグネット１８の両端部である上下の端面１８Ｂ間を繋ぐ外周面１８Ｃとマグネット１８の一方の端面１８Ｂとが交わるこのマグネット１８の角部１８Ｄの近傍に、感応部２１Ａが配置される構成になっている。さらに、このマグネット１８の一方の端面１８Ｂの中心部分と対向する位置に、感応部２２Ａが配置された構成ともなっている。

つまり、本実施の形態では、所定の質量を有するマグネット１８に加速度が加わるのに合わせて、ワイヤ１６が弾性変形するのに伴って、このマグネット１８が図２においてＸ軸方向及びＺ軸方向に変位する。この際、本実施の形態では、弾性部材が特に変形し易くなるように片持ち状に支持された直径０．１ｍｍ以下の例えば直径０．０６〜０．０８ｍｍの線材により形成されたワイヤ１６とされているので、微小な加速度が加わった場合でも、このワイヤ１６がマグネット１８の重量で容易に変形してマグネット１８が変位する。

この為、マグネット１８の両端面１８Ｂ間を繋ぐ外周面１８Ｃとマグネット１８の何れかの端面１８Ｂとが交わるこのマグネット１８の角部１８Ｄの近傍位置が磁束方向の変化の特に大きい箇所になるので、この箇所に配置された感応部２１Ａが、マグネット１８の変位に伴う磁束方向の変化を検出する。さらに、同じく磁束方向の変化が特に大きい位置となる磁極が存在するマグネット１８の上側の端面１８Ｂの中心部分と対向する位置に配置された感応部２２Ａが、感応部２１Ａにより検出される磁束方向の変化と異なる方向の磁束方向の変化をマグネット１８の変位に伴って検出する。

以上より、本実施の形態によれば、ケース１２に単にマグネット１８、ワイヤ１６及び２つのスピンバルブ型ＧＭＲ素子２１、２２等を取り付けるのみの簡単な構造の加速度センサ１０により、それぞれ磁束方向の変化の形で、２方向の加速度を検出できるようになる。この為、加速度センサ１０を小型化できると共に低コストで製作できるだけでなく、この加速度センサ１０により小さな加速度を２軸方向に沿ってそれぞれ検出可能になる。

尚、上記実施の形態において、加速度を２軸方向に沿ってそれぞれ検出するようにしたが、２つのスピンバルブ型ＧＭＲ素子２１、２２の内のいずれか一方のスピンバルブ型ＧＭＲ素子のみを用いた構造として、１軸方向に沿った加速度のみを検出するようにしても良い。また、上記実施の形態において磁化方向感応素子をスピンバルブ型ＧＭＲ素子としたが、超格子型ＧＭＲ素子又はグラニュラ型ＧＭＲ素子等の磁化方向検出素子を採用しても同様である。

本発明の一実施の形態に係る加速度センサを示す分解斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る加速度センサを示す図であって、（Ａ）は蓋材が無い状態の平面図であり、（Ｂ）は正面図であり、（Ｃ）は一部破断した側面図である。 本発明の一実施の形態に適用されるマグネット周辺に生じる磁束を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に適用されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子を示す平面図である。 本発明の一実施の形態に適用されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子の感応部の構造を示す説明図であって、（Ａ）は積層構造を示す説明図であり、（Ｂ）はピン層の磁化方向に対してフリー層の磁化方向が逆向きとされた状態を示す説明図であり、（Ｃ）はピン層の磁化方向に対してフリー層の磁化方向が一致する状態を示す説明図である。 本発明の一実施の形態に適用されるマグネットの周囲に広がる磁束のベクトルを示す説明図である。 図６の磁束のベクトルをＺ軸方向のみのベクトルに変換した状態を示す説明図である。

符号の説明

１０ 加速度センサ
１６ ワイヤ（弾性部材）
２１ スピンバルブ型ＧＭＲ素子
２１Ａ 感応部（第１の磁化方向感応素子）
２２ スピンバルブ型ＧＭＲ素子
２２Ａ 感応部（第２の磁化方向感応素子）

Claims (7)

1. 両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
   このマグネットが弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられた弾性部材と、
   両端部間を繋ぐ面と何れかの端部とが交わるマグネットの部分の近傍に配置される磁化方向感応素子と、
   を有したことを特徴とする加速度センサ。
2. 弾性部材が、片持ち状に支持された線材とされることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
   このマグネットが弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられた弾性部材と、
   このマグネットの何れかの端部の中心部分と対向して配置される磁化方向感応素子と、
   を有したことを特徴とする加速度センサ。
4. 弾性部材が、片持ち状に支持された線材とされることを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
5. 両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
   このマグネットが弾性変形に伴って変位し得る位置に取り付けられた弾性部材と、
   両端部間を繋ぐ面と何れかの端部とが交わるマグネットの部分の近傍に配置される第１の磁化方向感応素子と、
   このマグネットの何れかの端部の中心部分と対向して配置される第２の磁化方向感応素子と、
   を有したことを特徴とする加速度センサ。
6. 弾性部材が、片持ち状に支持された線材とされることを特徴とする請求項５記載の加速度センサ。
7. 磁化方向感応素子が、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の感応部とされたことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の加速度センサ。
   

Images