JP2005114641A - 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】 蓋材１２Ｂに弾性変形し得るゴム材１６の基端側が固定されて、ケース１２Ａ内にこのゴム材１６が配置される。ゴム材１６の先端側に直方体状に形成されたマグネット１８が接着され、マグネット１８がゴム材１６の弾性変形に伴って変位可能となる。マグネット１８の両端部となる上下の端面１８Ａの中心部分にそれぞれＮＳの磁極中心部分を有している。パッケージ２４がケース１２Ａの他端に固定されることで、マグネット１８の下側の端面１８Ａの中心部分と対向した位置に、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２２の感応部２２Ａ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に記載されているように角速度が加わるのに伴って、それぞれコイルバネとされる４つの支持部に支持された振動質量がこれら支持部の変形で移動する構造として、この振動質量の変位を駆動電極及び検出電極等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２に記載されているように加速度が加わるのに伴って、シリコン基板の中央に配置された中央厚肉部が変位する構造とし、この中央厚肉部の変位を電極膜が接点に接触することで、検出するものがあった。
特開平９−４２９７３号公報 特開２０００−１０６０７０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×１ｍｍ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振動質量が軽量になる為、コイルバネとされる支持部が変形し難くなる結果、この振動質量の変位を確実に検出するのは困難であった。また、支持部が４つ必要なこと等から部品点数が多く製造コストを低減することも困難であった。

さらに、第２の従来例でも、支持部分の剛性が高いので、小型化に伴って中央厚肉部が変位し難くなる結果、電極膜が接点に接触することでこの中央厚肉部の変位を確実に検出するのは困難であった。

つまり、これら第１及び第２の従来例は、小型且つ低コストとしつつ小さな加速度の検出を可能にするには不向きな構造となっていた。
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、
このマグネットが一端側に支持される弾性体と、
弾性体の他端側が固定された保持部材と、
保持部材に取り付けられてこのマグネットの磁極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１に係る加速度センサでは、弾性変形し得る弾性体の他端側である基端側が保持部材に固定されていて、両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットが、この弾性体の一端側である先端側に支持されている。また、この保持部材に取り付けられた磁化方向感応素子が、このマグネットの磁極中心部分と対向して配置された構成になっている。

つまり、本請求項では、片持ち状に弾性体が支持されて変形し易い構造になっているので、所定の質量を有するマグネットに微小な加速度が加わった場合でも、マグネットの重量で弾性体が容易に弾性変形するのに伴い、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中心部分が存在することにな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ことができる。

以上より、本請求項によれば、単にマグネット、弾性体、磁化方向感応素子及び保持部材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微小な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、弾性体の硬さが、ＪＩＳ−Ａ（shore Ａ）のゴム硬度で２以下とされるという構成を有している。従って、弾性体がＪＩＳ−Ａのゴム硬度で２以下の物性を有したことで、微小な加速度が加わった場合でも弾性体が大きく変形するようになる。つまり、本請求項によれば、小さな加速度がより確実に検出可能な小型の加速度センサとなる。

請求項３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、保持部材が、筒状に形成されたケース及びこのケースの一端に取り付けられた蓋材により構成され、一体成形により弾性体がマグネットと蓋材との間に形成されたという構成を有している。

従って、保持部材の一部を構成する蓋材とマグネットとの間に、一体成形により弾性体が形成されてこれら蓋材及びマグネットと接合されていることから構造が簡素化され、加速度センサを構成する各部材がそれぞれ極端に小さくなった場合であっても組立が容易となり、加速度センサの製造コストが低減されるようになる。

請求項４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、蓋材をケースの一端に取り付けると共に磁化方向感応素子をケースの他端に取り付けることで、マグネットと磁化方向感応素子とを相互に対向して配置するという構成を有している。

従って、筒状に形成されたケースの両端に、蓋材及び磁化方向感応素子をそれぞれ取り付けるという単純な動作で、マグネットと磁化方向感応素子とを相互に対向して配置できるようになるので、組立がより一層容易となるだけでなく、組立て精度が高まって歩留りが向上する結果として、加速度センサの製造コストがさらに低減される。

請求項５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、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の作用効果がより確実に達成できるようになる。

請求項６に係る加速度センサによれば、請求項１から請求項３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、保持部材の一部を構成するケースと一体成形されたという構成を有している。従って、本請求項によれば、保持部材の一部を構成するケースに磁化方向感応素子が一体成形されていることから構造が簡素化され、加速度センサを構成する各部材がそれぞれ極端に小さくなった場合であっても、請求項３と同様に組立が容易となり、加速度センサの製造コストが低減されるようになる。

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５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の外枠部分を角筒状に形成されたケース１２Ａが構成しており、内部に空間を有したこのケース１２Ａの一端には、板状に形成された蓋材１２Ｂが取り付けられている。そして、これら加速度センサ１０の保持部材１２を構成するケース１２Ａ及び蓋材１２Ｂは、それぞれ合成樹脂材により形成されていて、図１に示すように、例えばこの保持部材１２の長さ寸法Ｌは約２．３ｍｍとされ、縦寸法Ｗは約１ｍｍとされ、横寸法Ｈは約２．２ｍｍとされている。

さらに、この蓋材１２Ｂには、弾性変形し得る弾性体であるゴム材１６の基端側が固定されて、ケース１２Ａ内にこのゴム材１６が配置されている。このゴム材１６は、ＪＩＳ−Ａのゴム硬度を２以下としたシリコンゴム製とされ、大きさを例えば長さ寸法Ｌ１が０．４ｍｍとされ、縦寸法Ｗ１が０．５ｍｍとされ、横寸法Ｈ１が０．４ｍｍとされた直方体状に形成されている。

このゴム材１６の先端側には、直方体状に形成されたマグネット１８が接着されている。つまり、蓋材１２Ｂに片持ち状に取り付けられたゴム材１６の先端側に、周囲をゴム材１６により包まれる形で接着されたマグネット１８が支持されていて、このゴム材１６の弾性変形に伴い、図１に示すゴム材１６の長手方向Ｚに対して直交する方向に沿って、このマグネット１８が変位可能となっている。

また、このマグネット１８は、大きさを例えば長さ寸法Ｌ２が０．５ｍｍとされ、縦寸法Ｗ２が０．５ｍｍとされ、横寸法Ｈ２が１．０ｍｍとされた直方体状に形成されているが、直方体の両端部となる図１及び図２における上下の端面１８Ａの中心部分にそれぞれＮＳの磁極中心部分を、このマグネット１８は有していて、図２に示すように上下の端面１８Ａの中心から磁束Ｂが広がるように存在している。尚、マグネット１８の比重は６〜７程度とされると共に上記の寸法との関係から、本実施の形態のマグネット１８の重量は１ミリグラム程度となる。

一方、図３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が、基板２２Ｂに搭載された形で設けられている。この感応部２２Ａは、基板２２Ｂ上をジグザグに延びる形で形成されていて、一対の端子２２Ｃがこの感応部２２Ａにそれぞれ繋がった構造になっている。

さらに、図１及び図２に示すように、このスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２は、合成樹脂製のパッケージ２４内に封入されると共に、基板２２Ｂ上の一対の端子２２Ｃと一対のリードフレーム２６との間が配線２８を介して繋がった形で、これらリードフレーム２６に接続されるような構造とされている。

そして、図１に示すようにこのパッケージ２４がケース１２Ａの他端に取り付けられて固定されることで、このマグネット１８の下側の端面１８Ａの中心部分と対向した位置に、このスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の感応部２２Ａが配置されている。以上より、感応部２２Ａにそれぞれ繋がる一対の端子２２Ｃが一対のリードフレーム２６を介して外部の図示しない回路に接続されることになり、これに伴い必要な検出データがこれらリードフレーム２６を介して取り出せるようになっている。

この際、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２２の感応部２２Ａが磁化方向感応素子とされているが、この感応部２２Ａの特に磁束方向の変化に敏感な方向が、図１（Ｃ）の矢印Ａで示す方向とされている。つまり、加速度の検出が本来必要な２軸である相互に直交するＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれに対して４５°の角度で傾くように、磁束方向の変化に敏感な方向が向く形で感応部２２Ａは配置されている。

尚、図３に示すスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の感応部２２Ａは、図４（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４（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４（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２２の感応部２２Ａが、周囲の磁化方向の変化を検出できるようになる。

他方、この加速度センサ１０を組み立てる際には、予めスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を作製して図２に示すようにパッケージ２４内に封入し、さらにマグネット１８、蓋材１２Ｂ及びケース１２Ａ等を形成しておくことにする。次に、図示しない成形金型内にこれらの内のマグネット１８及び蓋材１２Ｂを入れて、一体成形によってマグネット１８と蓋材１２Ｂとの間に配置する形で、図２に示すゴム材１６を形成する。

最後に、このようにゴム材１６及びマグネット１８が取り付けられた蓋材１２Ｂをケース１２Ａの一端に取り付けると共に、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が内蔵されたパッケージ２４をケース１２Ａの他端に取り付けることで、図１に示すように加速度センサ１０が完成する。

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、小さな加速度でも弾性変形し得るようにＪＩＳ−Ａのゴム硬度を２以下とした物性を有するゴム材１６が、その基端側で蓋材１２Ｂに固定されていて、両端部にそれぞれＮＳの磁極を有するマグネット１８の一端部が、このゴム材１６の先端側に支持されている。そして、この蓋材１２Ｂが角筒状に形成されたケース１２Ａの一端に取り付けられた構造になっている。

また、このケース１２Ａの他端に、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が内蔵されたパッケージ２４がはめ込まれて取り付けられることで、このスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の感応部２２Ａが、このマグネット１８の他端部の中心部分となる磁極中心部分と対向して配置された構造になっている。

つまり、本実施の形態では、ＪＩＳ−Ａのゴム硬度を２以下とした物性を有するゴム材１６が片持ち状に支持されて変形し易い構造になっているので、マグネット１８に微小な加速度が加わった場合でも、マグネット１８の重量でゴム材１６が容易に弾性変形するのに伴い、このマグネット１８がゴム材１６の長手方向Ｚに対して直交する方向である図１（Ｃ）においてＸ軸方向及びＹ軸方向に変位する。従って、磁束方向の変化が特に大きい位置となる磁極中心部分が存在することになるマグネット１８の端部の中心部分と対向する位置に配置されたスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の感応部２２Ａ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ことができる。

以上より、本実施の形態によれば、単に小型のマグネット１８、ゴム材１６、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２及び保持部材１２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Ｘ軸方向及びＺ軸方向の微小な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軸方向に沿って検出可能になる。

一方、本実施の形態では、ケース１２Ａ及び蓋材１２Ｂにより保持部材１２が構成され、この保持部材１２の一部を構成する蓋材１２Ｂとマグネット１８との間に、一体成形によってゴム材１６が形成されて、これら蓋材１２Ｂ及びマグネット１８と接合されていることから構造が簡素化される。この為、加速度センサ１０を構成する各部材がそれぞれ極端に小さくなった場合であっても組立が容易となり、加速度センサ１０の製造コストが低減されるようになる。

さらにこの後、本実施の形態では、この蓋材１２Ｂをケース１２Ａの一端に取り付けると共にスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２をケース１２Ａの他端に取り付けるようにして、加速度センサ１０が組み立てられることになる。

つまり、本実施の形態によれば、角筒状に形成されたケース１２Ａの両端に、蓋材１２Ｂ及びスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２をそれぞれ取り付けるという単純な動作で、マグネット１８とスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２とを相互に対向して配置できるようになるので、組立がより一層容易となるだけでなく、組立て精度が高まって歩留りが向上する結果として、加速度センサ１０の製造コストがさらに低減されるようになる。

他方、上記実施の形態では、弾性体をシリコンゴム製のゴム材１６としたが、具体的にはポッティング用液状シリコンゴムの内のＪＩＳ−Ａのゴム硬度を２以下としたＴＳＥ３２５４（東芝シリコン社製）や、shore Ｃ硬度１１程度のＹＥ５６２３（東芝シリコン社製）が考えられる。この一方、弾性体をポリウレタン樹脂とし、このポリウレタン樹脂の内のＪＩＳ−Ａのゴム硬度が２以下に相当するshore Ｃの硬度が２７のエイムフレックスＨ−７７６７（第一工業製薬社製）を採用しても良い。さらに、弾性体は、シリコンゴム以外のゴム材や、ポリウレタン樹脂以外の樹脂材料であっても良く、またゲル状のゴム材や樹脂材料であっても良い。

次に、上記実施の形態の加速度センサ１０の構造で、弾性体としてエイムフレックスＨ−７７６７のポリウレタン樹脂を採用した場合と、弾性体としてポッティング用液状シリコンゴムの内のＴＳＥ３２５４を採用した場合とに関し、加速度と出力特性との関係を比較した試験結果を図５のグラフに基づき説明する。

つまり、この図５に示すグラフよりＨ−７７６７及びＴＳＥ３２５４は、１Ｇ以下の微小な加速度であっても、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の感応部２２Ａが加速度を検出してそれぞれ出力の変化が得られるが、特にＨ−７７６７の出力の変化が大きいことが理解できる。尚、この図５に示すグラフにおいて、横軸は加速度であり、縦軸は出力電圧の最大幅の値であり、また加速度の周波数は２Ｈｚとした。

さらに、上記実施の形態においては、一体成形によって弾性体がマグネットと蓋材との間に形成されているが、磁化方向感応素子をケースと一体成形するような構造として、構造を一層簡素化して加速度センサの製造コストを低減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の結果が得られる。

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）は正面から見た断面図であり、（Ｂ）は側面から見た断面図であり、（Ｃ）は底面から見た断面図である。 本発明の一実施の形態に係る加速度センサを示す分解断面図である。 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係る加速度センサの構造で弾性体の材質を変えて試験した結果を表すグラフを示す図である。

符号の説明

１０ 加速度センサ
１２ 保持部材
１２Ａ ケース
１２Ｂ 蓋材
１６ ゴム材（弾性体）
１８ マグネット
２２ スピンバルブ型ＧＭＲ素子
２２Ａ 感応部（磁化方向感応素子）

Claims (6)

1. 両端部にそれぞれ磁極を有するマグネットと、
   このマグネットが一端側に支持される弾性体と、
   弾性体の他端側が固定された保持部材と、
   保持部材に取り付けられてこのマグネットの磁極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。
2. 弾性体の硬さが、ＪＩＳ−Ａのゴム硬度で２以下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. 保持部材が、筒状に形成されたケース及びこのケースの一端に取り付けられた蓋材により構成され、一体成形により弾性体がマグネットと蓋材との間に形成されたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
4. 蓋材をケースの一端に取り付けると共に磁化方向感応素子をケースの他端に取り付けることで、マグネットと磁化方向感応素子とを相互に対向して配置することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
5. 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記載の加速度センサ。
6. 磁化方向感応素子が、保持部材の一部を構成するケースと一体成形されたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の加速度センサ。
   

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