JP2005291745A - Inertial sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inertial sensor capable of being easily miniaturized with a simple structure. <P>SOLUTION: An acceleration sensor 1 includes a sensor body 3 and a detection means 5. The detection means comprises an elastic member 17, a magnetic field direction sensing element 19, and a magnetic field generating element 21. The elastic member is held to the sensor body in a cantilevered state. The magnetic field direction sensing element is a spin-valve type GMR element, and mounted on a movable part of the elastic member, and the magnetic field generating element is attached to the sensor body at a position opposite to the magnetic field direction sensing element. The sensor body includes a pair of left and right holding frames 7, 9 holding the elastic member, and a pair of upper and lower top plates 11, 13 holding the top plates 11, 13, and the holding frames and the top plates are composed of ceramics. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、慣性センサに関するものである。   The present invention relates to an inertial sensor.

慣性センサの一つである加速度センサには、従来、機械的構造タイプ、圧電タイプが知られている。機械的構造タイプとしては、例えば、特開2002−365307号公報に開示されたものがある。このセンサでは、慣性力によって移動する慣性体を有し、慣性力に応じて慣性体が可動接点を動かす動作を電気的にとらえて加速度をセンシングしていた。   Conventionally, a mechanical structure type and a piezoelectric type are known as an acceleration sensor which is one of inertial sensors. An example of the mechanical structure type is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-365307. This sensor has an inertial body that moves by an inertial force, and senses acceleration by electrically capturing the movement of the inertial body to move the movable contact in accordance with the inertial force.

圧電タイプとしては、例えば、特開平6−273439号公報に開示されたものがある。このセンサでは、バイモルフ型の検出素子の両端が固定されて用いられる。また、バイモルフ型の検出素子は、中央部分と両端部分との三部分に区分され、且つ、中央部分と両端部分との分極方向が逆に設定される。そして、加速度によって検出素子が撓んだ際の信号を検出することによって加速度をセンシングしていた。   An example of the piezoelectric type is disclosed in JP-A-6-273439. In this sensor, both ends of a bimorph type detection element are fixed. Further, the bimorph type detection element is divided into three parts, that is, a central part and both end parts, and the polarization directions of the central part and both end parts are set in reverse. Then, the acceleration is sensed by detecting a signal when the detection element is bent by the acceleration.

しかしながら、上述した機械的構造タイプの加速度センサは、接点などの可動部の磨耗やチャタリングが生じる問題があり、また、概して構造が複雑化し小型化が困難である場合が多かった。一方、圧電タイプの加速度センサでは、次のような問題あった。すなわち、第一に、分極度の劣化による感度低下が生じる。第二に、錘を付けるなどの特別な措置を施さなければ低周波の衝撃信号や加速度信号を検出することができない。第三に、圧電素子が有する焦電効果に起因するポップコーンノイズによって検出特性に影響が生じる。第四に、PZT圧電セラミックが破損するため、レンジを大きく採ることが困難である。第五に、変位が生じた瞬間にのみ検出信号が得られるだけで、一定の持続的変位状態を検出できないという問題点もあった。
特開2002−365307号公報 特開平6−273439号公報
However, the above-described acceleration sensor of the mechanical structure type has a problem of causing wear and chattering of moving parts such as contacts, and generally has a complicated structure and is difficult to reduce in size. On the other hand, the piezoelectric type acceleration sensor has the following problems. That is, first, sensitivity is lowered due to deterioration of the polarization degree. Second, low-frequency impact signals and acceleration signals cannot be detected unless special measures such as attaching weights are taken. Third, the detection characteristics are affected by popcorn noise caused by the pyroelectric effect of the piezoelectric element. Fourthly, since the PZT piezoelectric ceramic is broken, it is difficult to take a large range. Fifth, there is a problem that a constant sustained displacement state cannot be detected only by obtaining a detection signal only at the moment when the displacement occurs.
JP 2002-365307 A JP-A-6-273439

本発明の課題は、シンプルな構造で小型化が容易な慣性センサを提供することである。   An object of the present invention is to provide an inertial sensor that has a simple structure and can be easily miniaturized.

本発明の別の課題は、部品点数が少なく組み立てが容易な慣性センサを提供することである。   Another object of the present invention is to provide an inertial sensor that has a small number of parts and is easy to assemble.

本発明のさらに別の課題は、磨耗や破損などに強い慣性センサを提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide an inertial sensor that is resistant to wear and breakage.

本発明のさらに別の課題は、ダイナミックレンジの広い慣性センサを提供することである。   Still another object of the present invention is to provide an inertial sensor having a wide dynamic range.

本発明のさらに別の課題は、検出感度の高い慣性センサを提供することである。   Still another object of the present invention is to provide an inertial sensor with high detection sensitivity.

本発明のさらに別の課題は、経時変化の少ない慣性センサを提供することである。   Still another object of the present invention is to provide an inertial sensor having little change with time.

上述した課題を解決するため、本発明に係る慣性センサは、センサ本体と、検出手段とを含む慣性センサであって、前記検出手段は、支持部材と、磁場感応素子と、磁場発生素子とを備え、前記支持部材は、前記センサ本体によって保持されており、前記磁場感応素子及び前記磁場発生素子の一方は、前記支持部材の可動部に取り付けられており、他方は、前記センサ本体に取り付けられている。   In order to solve the above-described problems, an inertial sensor according to the present invention is an inertial sensor including a sensor body and a detection unit, and the detection unit includes a support member, a magnetic field sensitive element, and a magnetic field generation element. The support member is held by the sensor body, one of the magnetic field sensitive element and the magnetic field generating element is attached to a movable part of the support member, and the other is attached to the sensor body. ing.

好適には、前記支持部材は、前記センサ本体に片持ち状態で保持されている。また、前記磁場感応素子は前記支持部材に取り付けられ、前記磁場発生素子は前記センサ本体に取り付けられていてもよいし、あるいは、前記磁場発生素子は前記支持部材に取り付けられ、前記磁場感応素子は前記センサ本体に取り付けられていてもよい。   Preferably, the support member is held in a cantilever state on the sensor body. The magnetic field sensitive element may be attached to the supporting member, and the magnetic field generating element may be attached to the sensor body, or the magnetic field generating element may be attached to the supporting member, and the magnetic field sensitive element may be It may be attached to the sensor body.

このような構成によれば、可動部品としては、支持部材と、それと一体的な磁場感応素子又は磁場発生素子とを用いるだけであり、極めてシンプルな構造で検出を行うことができ、センサの構造簡易化や小型化を図ることができる。   According to such a configuration, only the support member and the magnetic field sensitive element or the magnetic field generating element integrated therewith are used as the movable parts, and detection can be performed with an extremely simple structure. Simplification and miniaturization can be achieved.

さらに、可動部品の他の部位への当接を伴わないため、磨耗や衝撃などによる損傷を回避することができる。さらに、支持部材としては、従来のように圧電セラミックを使用する必要がなく、弾性強度の十分な部材を使用することができるため、ダイナミックレンジを広くすることができる。   Furthermore, since it does not involve contact with other parts of the movable part, damage due to wear or impact can be avoided. Furthermore, as the support member, it is not necessary to use a piezoelectric ceramic as in the prior art, and a member having sufficient elastic strength can be used, so that the dynamic range can be widened.

また、前記磁場感応素子は、スピンバルブ型GMR素子でなり、膜面にほぼ平行な面内における磁場の相対的な方向変化を捉えるか、該膜面にほぼ垂直な面内における磁場の相対的な方向変化を捉えるようにしてもよい。   Further, the magnetic field sensitive element is a spin valve type GMR element and captures a relative direction change of the magnetic field in a plane substantially parallel to the film surface or relative to the magnetic field in a plane substantially perpendicular to the film surface. It is also possible to capture various direction changes.

これによれば、磁場感応素子の検出特性が外部磁場の方向に依存し、外部磁場の大きさには依存しないため、磁場発生素子の保持力低下に起因した経時変化を呈することがないという利点を得ることができる。   According to this, since the detection characteristic of the magnetic field sensitive element depends on the direction of the external magnetic field and does not depend on the magnitude of the external magnetic field, there is an advantage that it does not exhibit a change with time due to a decrease in the holding power of the magnetic field generating element. Can be obtained.

また、前記支持部材は、直交2軸方向の加振力に応答するように配置されているとよい。   The support member may be arranged so as to respond to the excitation force in the orthogonal biaxial direction.

このような構成によれば、2軸センサとして機能することが可能である。   According to such a configuration, it is possible to function as a biaxial sensor.

また、前記磁場感応素子の検出出力は、前記センサ本体の両端部から取り出されるようにしてもよい。   The detection output of the magnetic field sensitive element may be taken out from both ends of the sensor body.

このような構成によれば、慣性センサの基板への取り付けが好適に行える。   According to such a configuration, the inertial sensor can be suitably attached to the substrate.

前記センサ本体は、前記支持部材を挟持する左右一対の保持枠と、該一対の保持枠を挟持する上下一対の天板とを含み、前記一対の保持枠及び一対の天板はセラミックで構成されていてもよい。   The sensor main body includes a pair of left and right holding frames that sandwich the support member, and a pair of upper and lower top plates that sandwich the pair of holding frames, and the pair of holding frames and the pair of top plates are made of ceramic. It may be.

これによれば、支持部材、保持枠及び天板という極めて少ない部品点数から加速度センサを構成することができるので、構造のシンプル化、小型化、組み立ての容易化、製造・組み立て時のコスト低減を図ることができる。   According to this, since the acceleration sensor can be configured from an extremely small number of parts such as the support member, the holding frame, and the top plate, the structure is simplified, the size is reduced, the assembly is facilitated, and the manufacturing and assembly costs are reduced. Can be planned.

本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。   Other features of the present invention and the operational effects thereof will be described in more detail by embodiments with reference to the accompanying drawings.

以下、この発明に係る慣性センサを加速度センサとして実施した場合の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。   Hereinafter, an embodiment in which the inertial sensor according to the present invention is implemented as an acceleration sensor will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

図1は、本実施の形態に係る加速度センサの分解斜視図である。加速度センサ1は、センサ本体3と、検出手段5とを備えている。さらに、センサ本体3は、左右一対の保持枠7、9と、上下一対の天板11、13と、スペーサ15とを備えている。また、検出手段5は、弾性部材(支持部材)17と、磁場方向感応素子(磁場感応素子)19と、磁場発生素子21とを備えている。なお、説明に用いる方向は、図1中に示したX方向を左右方向とし、Y方向を前後方向、Z方向を上下方向として行うものとする。   FIG. 1 is an exploded perspective view of the acceleration sensor according to the present embodiment. The acceleration sensor 1 includes a sensor body 3 and detection means 5. The sensor body 3 further includes a pair of left and right holding frames 7 and 9, a pair of upper and lower top plates 11 and 13, and a spacer 15. The detection means 5 includes an elastic member (support member) 17, a magnetic field direction sensitive element (magnetic field sensitive element) 19, and a magnetic field generating element 21. In addition, the direction used for description shall be made into the X direction shown in FIG. 1 as the left-right direction, the Y direction as the front-back direction, and the Z direction as the up-down direction.

センサ本体3を構成する保持枠7、9は、平面視コ字状の部材であり、凹面を相互に内側に向けた状態に配置される。また、保持枠7、9は、本実施の形態ではセラミックで構成されている。保持枠7、9の両端部には、磁場方向感応素子19の検出出力を取り出すための端部電極23、25が形成されている。   The holding frames 7 and 9 constituting the sensor body 3 are U-shaped members in plan view, and are arranged in a state in which the concave surfaces face each other inward. The holding frames 7 and 9 are made of ceramic in the present embodiment. End electrodes 23 and 25 for taking out the detection output of the magnetic field direction sensitive element 19 are formed at both ends of the holding frames 7 and 9.

天板11、13は、平板状の部材であり、本実施の形態ではセラミックによって構成されている。上側の天板11の下面及び下側の天板13の上面にはそれぞれ、弾性部材17の動作を阻害しないように凹部27が形成されている。天板11、13は、かかる凹部27を相互に内側に向けた状態に配置される。また、天板11、13の両端部にも、磁場方向感応素子19の検出出力を取り出すための端部電極23、25が形成されている。   The top plates 11 and 13 are flat plate-like members and are made of ceramic in the present embodiment. Concave portions 27 are formed on the lower surface of the upper top plate 11 and the upper surface of the lower top plate 13 so as not to hinder the operation of the elastic member 17. The top plates 11 and 13 are arranged in a state in which the concave portions 27 face each other. End electrodes 23 and 25 for taking out the detection output of the magnetic field direction sensitive element 19 are also formed at both ends of the top plates 11 and 13.

スペーサ15は、保持枠7、9の前方側の端部に介在されており、六面からなる部材である。スペーサ15の高さは、保持枠7、9や弾性部材17と同じ高さに設定されている。スペーサ15の厚みは、弾性部材17の厚みと等しく設定されており、スペーサ15の前後長さは、保持枠7、9の前側において内側へ突出する端面(以下、前側突出端面と称する)7a、9aと同じ長さに設定されている。また、スペーサ15は、保持枠7、9と同材料から構成されている。   The spacer 15 is a six-sided member interposed at the front end of the holding frames 7 and 9. The height of the spacer 15 is set to the same height as the holding frames 7 and 9 and the elastic member 17. The thickness of the spacer 15 is set to be equal to the thickness of the elastic member 17, and the longitudinal length of the spacer 15 is an end surface (hereinafter referred to as a front protruding end surface) 7 a protruding inward on the front side of the holding frames 7, 9. It is set to the same length as 9a. The spacer 15 is made of the same material as the holding frames 7 and 9.

検出手段5を構成する弾性部材17は、短冊状に構成された平板部材であり、前後方向に最も長く延び、左右方向の厚みが薄く形成されている。弾性部材17は、樹脂、セラミック、シリコン、金属などで構成することができる。金属で構成する場合には、絶縁処理を施して使用する。また、弾性部材17は、その両側面が、慣性センサの取り付け面B(図3参照)に対して直交するような状態で保持されている。   The elastic member 17 that constitutes the detection means 5 is a flat plate member that is formed in a strip shape, and extends the longest in the front-rear direction, and is formed with a thin thickness in the left-right direction. The elastic member 17 can be made of resin, ceramic, silicon, metal, or the like. When it is made of metal, it is used after being insulated. Further, the elastic member 17 is held in a state in which both side surfaces thereof are orthogonal to the inertia sensor mounting surface B (see FIG. 3).

図2は、天板を除いた保持枠及び検出手段に関する斜視図であり、図3及び図4はそれぞれ、加速度センサの正面図及び平面図である。図1〜図4に示されるように、弾性部材17は、左右一対の保持枠7、9によって片持ち状態で挟持されている。具体的には、弾性部材17の後端(従って固定端となる)が、保持枠7、9の後側において内側へ突出する端面(以下、後側突出端面と称する)7b、9bによって固定される。一方、保持枠7、9の前側突出端面7a、9aの間には、スペーサ15が挟持される。   FIG. 2 is a perspective view of the holding frame and the detection means excluding the top plate, and FIGS. 3 and 4 are a front view and a plan view of the acceleration sensor, respectively. As shown in FIGS. 1 to 4, the elastic member 17 is sandwiched between a pair of left and right holding frames 7 and 9 in a cantilever state. Specifically, the rear end (and hence the fixed end) of the elastic member 17 is fixed by end surfaces (hereinafter referred to as rear protruding end surfaces) 7b and 9b protruding inward on the rear side of the holding frames 7 and 9. The On the other hand, a spacer 15 is sandwiched between the front projecting end faces 7a, 9a of the holding frames 7, 9.

一対の保持枠7、9の間に弾性部材17及びスペーサ15が挟持された状態では、保持枠7、9の間に揺動スペース29が確保される。弾性部材17は、揺動スペース29内で前後方向に延長している。弾性部材17の前端(自由端)は、スペーサ15に達することなく終端している。また、保持枠7、9、弾性部材17及びスペーサ15は、組み上がった状態で、突出部のない六面体を構成する。   In a state where the elastic member 17 and the spacer 15 are sandwiched between the pair of holding frames 7 and 9, a swing space 29 is secured between the holding frames 7 and 9. The elastic member 17 extends in the front-rear direction within the swing space 29. The front end (free end) of the elastic member 17 terminates without reaching the spacer 15. In addition, the holding frames 7 and 9, the elastic member 17, and the spacer 15 constitute a hexahedron having no protruding portion in an assembled state.

弾性部材17の可動部すなわち本実施の形態では自由端近傍には、磁場方向感応素子19が取り付けられている。磁場方向感応素子19には、スピンバルブ型GMR素子が用いられている。磁場方向感応素子19は、板状の弾性部材17の右側面に貼付されており、当該素子19の一つの出力線T1は、図4に一点鎖線で示されるように、弾性部材17の右側面に沿って延長し、後側の端部電極25へ接続する。磁場方向感応素子19のもう一つの出力線T2は、図4に二点鎖線で示されるように、弾性部材17に設けられたスルーホールを介して弾性部材17の左側面に導かれ、同左側面に沿って延長し、左側の保持枠7の内向き凹面に沿って延長して、前側の端部電極23へ接続する。なお、各図面においては、視認性や説明の明瞭性を優先するため、磁場方向感応素子19や磁場発生素子21を誇張して描画している。   A magnetic field direction sensitive element 19 is attached to the movable portion of the elastic member 17, that is, in the present embodiment, in the vicinity of the free end. As the magnetic field direction sensitive element 19, a spin valve type GMR element is used. The magnetic field direction sensitive element 19 is affixed to the right side surface of the plate-like elastic member 17, and one output line T1 of the element 19 is the right side surface of the elastic member 17 as shown by a one-dot chain line in FIG. And is connected to the rear end electrode 25. Another output line T2 of the magnetic field direction sensitive element 19 is led to the left side surface of the elastic member 17 through a through hole provided in the elastic member 17 as shown by a two-dot chain line in FIG. Is extended along the inward concave surface of the left holding frame 7 and connected to the front end electrode 23. In each drawing, the magnetic field direction sensitive element 19 and the magnetic field generating element 21 are exaggerated in order to prioritize visibility and clarity of explanation.

右側の保持枠9の内向き凹面における、磁場方向感応素子19と対向する位置には、磁場発生素子21が取り付けられている。磁場発生素子21としては、本実施の形態では小型の磁石が用いられるが、本発明はこれに限定されず、塗布型磁性体、薄膜型磁性体など、磁化物であれば広く適用することができる。磁場発生素子21と磁場方向感応素子19とは、慣性力の無負荷状態において離隔するように配置されている。   A magnetic field generating element 21 is attached to a position facing the magnetic field direction sensitive element 19 on the inward concave surface of the right holding frame 9. As the magnetic field generating element 21, a small magnet is used in the present embodiment. However, the present invention is not limited to this, and can be widely applied to any magnetized material such as a coating type magnetic material and a thin film type magnetic material. it can. The magnetic field generating element 21 and the magnetic field direction sensitive element 19 are arranged so as to be separated in a no-load state of inertia force.

本実施の形態においては、保持枠7、9の前側突出端面7a、9a及び後側突出端面7b、9b、保持枠7、9の内向き凹面の底面、弾性部材17の左右両側面、並びに、スペーサ15の左右両側面はすべて平行となるように形成され組立てられている。   In the present embodiment, the front protruding end surfaces 7a and 9a and the rear protruding end surfaces 7b and 9b of the holding frames 7 and 9, the bottom surfaces of the inwardly concave surfaces of the holding frames 7 and 9, both the left and right side surfaces of the elastic member 17, and The left and right side surfaces of the spacer 15 are all formed and assembled so as to be parallel.

保持枠7、9、弾性部材17及びスペーサ15の上下面は、対応する一対の天板11、13によって覆われている。保持枠7、9の間に形成された揺動スペース29の上方及び下方には、天板11、13の凹部27によって画定される余剰空間が広がっている。   The upper and lower surfaces of the holding frames 7 and 9, the elastic member 17, and the spacer 15 are covered with a pair of corresponding top plates 11 and 13. Above and below the swinging space 29 formed between the holding frames 7 and 9, an extra space defined by the concave portions 27 of the top plates 11 and 13 is widened.

ここで、磁場方向感応素子19としてのスピンバルブ型GMR素子の抵抗特性について、図5〜図7を参照しながら説明する。スピンバルブ型GMR素子は、図5に示されるように、基本的には、自由回転層19a、Cu層19b、ピン層19c、反強磁性層19dからなる四層構成を備える。ピン層の磁化方向Pは、反強磁性層19dとの磁気結合によって固定されている。これに対して、磁場方向感応素子19の膜面と平行な面内において回転するような外部磁化が作用した場合、その抵抗特性は、図6に示されるようになる。横軸は、外部磁化方向H及びピン層磁化方向Pとの成す角度θ1であり、縦軸は、抵抗値の変化率ΔR/Rである。一方、磁場方向感応素子19の膜面と垂直な面内において回転するような外部磁化が作用した場合、その抵抗特性は、図7に示されるようになる。横軸は、外部磁化方向V及びピン層磁化方向Pとの成す角度θ2であり、縦軸は、抵抗値の変化率ΔR/Rである。このように、スピンバルブ型GMR素子は、磁場方向の変化を抵抗値の変化として捉えることができる。   Here, resistance characteristics of the spin valve type GMR element as the magnetic field direction sensitive element 19 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5, the spin valve GMR element basically has a four-layer structure including a free rotation layer 19a, a Cu layer 19b, a pinned layer 19c, and an antiferromagnetic layer 19d. The magnetization direction P of the pinned layer is fixed by magnetic coupling with the antiferromagnetic layer 19d. On the other hand, when external magnetization that rotates in a plane parallel to the film surface of the magnetic field direction sensitive element 19 acts, the resistance characteristic is as shown in FIG. The horizontal axis is the angle θ1 formed by the external magnetization direction H and the pinned layer magnetization direction P, and the vertical axis is the resistance value change rate ΔR / R. On the other hand, when external magnetization that rotates in a plane perpendicular to the film surface of the magnetic field direction sensitive element 19 acts, the resistance characteristic is as shown in FIG. The horizontal axis is the angle θ2 formed by the external magnetization direction V and the pinned layer magnetization direction P, and the vertical axis is the resistance value change rate ΔR / R. Thus, the spin valve type GMR element can grasp the change in the magnetic field direction as the change in the resistance value.

次に、以上のように構成された加速度センサ1の作用について説明する。加速度センサ1は、例えば、携帯用電子機器に組み込まれるハードディスクドライブや光ディスクドライブなどにおける加速度検出対象部に取り付けられる。加速度検出対象部に外力などが作用していない、すなわち無負荷状態においては、図4に示されるように、弾性部材17は前後方向にまっすぐ延長しており、弾性部材17の左右両側面と保持枠7、9の凹面とは平行にほぼ等間隔を保って維持されている。   Next, the operation of the acceleration sensor 1 configured as described above will be described. The acceleration sensor 1 is attached to an acceleration detection target part in, for example, a hard disk drive or an optical disk drive incorporated in a portable electronic device. When no external force is applied to the acceleration detection target portion, that is, in a no-load state, the elastic member 17 extends straight in the front-rear direction as shown in FIG. It is maintained in parallel with the concave surfaces of the frames 7 and 9 at substantially equal intervals.

次に、図8に示されるように、加速度検出対象部に外力Fが作用すると、その力は、加速度検出対象部に一体的に固定された加速度センサ1のセンサ本体3にも作用する。一方、片持ち状態に支持された弾性部材17には、外力に起因した慣性力Iが作用する。弾性部材17は、かかる慣性力Iによって、固定端を支点として例えば図8に示されるように揺動する。これによって、弾性部材17の可動部に固定された磁場方向感応素子19は、磁場発生素子21に対して変位・傾斜する。   Next, as shown in FIG. 8, when an external force F acts on the acceleration detection target part, the force also acts on the sensor body 3 of the acceleration sensor 1 fixed integrally to the acceleration detection target part. On the other hand, an inertial force I caused by an external force acts on the elastic member 17 supported in a cantilever state. The elastic member 17 swings with the inertial force I as shown in FIG. 8, for example, with the fixed end as a fulcrum. Thereby, the magnetic field direction sensitive element 19 fixed to the movable part of the elastic member 17 is displaced / inclined with respect to the magnetic field generating element 21.

このとき、弾性部材17の可動部の動作はX−Y平面内における曲げ運動であるため、磁場方向感応素子19からみると、磁場発生素子21から生じる磁場の方向の変化は、磁場方向感応素子19の膜面(Y−Z平面)と直交する面(X−Y平面)内で回転する現象として捉えられる。よって、磁場方向感応素子19においては、図7に示したような、磁場方向の変化に対応する抵抗値変化が現れる。この抵抗値変化は、電流値の変化として、前述した出力線T1、T2及び厚膜電極として形成された端部電極23、25を介して取り出される。そして、電流値の変化から外力に起因した加速度を検出することができる。   At this time, since the operation of the movable part of the elastic member 17 is a bending motion in the XY plane, the change in the direction of the magnetic field generated from the magnetic field generating element 21 is seen from the magnetic field direction sensitive element 19. This is understood as a phenomenon of rotation in a plane (XY plane) orthogonal to 19 film planes (YZ plane). Therefore, in the magnetic field direction sensitive element 19, a resistance value change corresponding to the change in the magnetic field direction as shown in FIG. 7 appears. This change in resistance value is taken out as a change in current value through the output lines T1 and T2 and the end electrodes 23 and 25 formed as thick film electrodes. And the acceleration resulting from external force is detectable from the change of an electric current value.

以上のように、本実施の形態では、可動部品としては弾性部材17及びそれと一体的な磁場方向感応素子19だけの極めてシンプルな構造で加速度の検出を行うことができる。また、加速度センサ1全体としても、磁場方向感応素子19を有する弾性部材17、磁場発生素子21を有する保持枠7、9及び天板11、13という極めて少ない部品点数から構成されているので、構造のシンプル化、小型化、組み立ての容易化、製造・組み立て時のコスト低減を達成することができた。   As described above, in the present embodiment, acceleration can be detected with an extremely simple structure including only the elastic member 17 and the magnetic field direction sensitive element 19 integrated therewith as movable parts. The acceleration sensor 1 as a whole is also composed of an extremely small number of parts such as an elastic member 17 having a magnetic field direction sensitive element 19, holding frames 7 and 9 having a magnetic field generating element 21, and top plates 11 and 13. Simplification, miniaturization, ease of assembly, and cost reduction during manufacturing and assembly.

また、可動部品の他の部位への当接を伴わないため、磨耗や衝撃などによる損傷を回避することができる。さらに、弾性部材としては、従来のように圧電セラミックを使用する必要がなく、弾性強度の十分な部材を使用することができるため、ダイナミックレンジを広くすることができる。   In addition, since the movable part does not come into contact with other parts, damage due to wear or impact can be avoided. Furthermore, as an elastic member, it is not necessary to use a piezoelectric ceramic as in the prior art, and a member having sufficient elastic strength can be used, so that the dynamic range can be widened.

また、検出手段として磁場方向感応素子を用いているため、圧電素子のような分極度の劣化の問題が生じることなく、検出感度の良好なセンシングを維持できる。さらに、スピンバルブ型GMR素子における抵抗値の変化特性は、外部磁場の方向に依存し、外部磁場の大きさには依存しないため、磁場発生素子の保持力低下に起因した経時変化を受けずに済む。   In addition, since the magnetic field direction sensitive element is used as the detection means, sensing with good detection sensitivity can be maintained without causing the problem of deterioration of the degree of polarization unlike the piezoelectric element. Furthermore, since the change characteristic of the resistance value in the spin valve type GMR element depends on the direction of the external magnetic field and does not depend on the magnitude of the external magnetic field, it does not receive a change with time due to a decrease in the holding power of the magnetic field generating element. That's it.

また、磁場方向感応素子19は、片持ち状態の弾性部材17の自由端近傍に取り付けられているため、曲げによる振幅の大きい位置で加速度の検出が行え、精密な検出を行える。さらに、磁場方向感応素子19を振幅の大きい可動部に取り付けている態様であっても、スルーホール、弾性部材17の両側面(両側部)、保持枠7、9の内面を用いて検出出力を取り出すことにより、センサ本体3の両端部から出力を行うことが可能となっている。   In addition, since the magnetic field direction sensitive element 19 is attached in the vicinity of the free end of the elastic member 17 in a cantilever state, acceleration can be detected at a position where the amplitude is large due to bending, and precise detection can be performed. Furthermore, even in a mode in which the magnetic field direction sensitive element 19 is attached to a movable part having a large amplitude, a detection output is obtained using the through holes, both side surfaces (both side parts) of the elastic member 17 and the inner surfaces of the holding frames 7 and 9. By taking it out, it is possible to output from both ends of the sensor body 3.

また、磁場方向感応素子19と磁場発生素子21との相対変位による磁場変化を捉える検出態様であるため、DC成分より使用することができる。さらに、上述の構成より、小型低背の構成を採ることができ、近年求められている表面実装型センサのニーズにも応えることができる。また、保持枠7、9や天板11、13は、セラミックで構成されているため、上述した形態に構成するにあたって大量生産時の加工性を向上させることができた。   Moreover, since it is a detection aspect which catches the magnetic field change by the relative displacement of the magnetic field direction sensitive element 19 and the magnetic field generating element 21, it can be used from a DC component. Furthermore, a smaller and lower profile can be adopted than the above-described configuration, and the needs of surface mount sensors that have been demanded in recent years can be met. In addition, since the holding frames 7 and 9 and the top plates 11 and 13 are made of ceramic, workability at the time of mass production can be improved when the holding frames 7 and 9 and the top plates 11 and 13 are formed in the above-described form.

なお、本実施の形態では、スピンバルブ型GMR素子のピン層の磁化方向は、図8の部分拡大斜視図E1において符号Pで示されるように設定されており、すなわち、磁場方向感応素子19の膜面(感応面)がY−Z平面と平行に指向されていたが、これに代えて次のような態様であってもよい。図8の部分拡大斜視図E2に示されるように磁場方向感応素子19を配置し、磁場方向感応素子19の膜面(感応面)のピン層磁化方向PをX−Y平面と平行に指向させてもよい。その場合、外部磁場の相対的な変化は、磁場方向感応素子19の感応面(X−Y平面)と平行な面(X−Y平面)内で回転する現象として捉えられる。よって、磁場方向感応素子19においては、図6に示したような、磁場方向の変化に対応する抵抗値変化が現れる。   In the present embodiment, the magnetization direction of the pinned layer of the spin valve GMR element is set as indicated by symbol P in the partially enlarged perspective view E1 of FIG. Although the film surface (sensitive surface) is oriented parallel to the YZ plane, the following mode may be used instead. As shown in the partially enlarged perspective view E2 of FIG. 8, the magnetic field direction sensitive element 19 is arranged, and the pin layer magnetization direction P of the film surface (sensitive surface) of the magnetic field direction sensitive element 19 is oriented parallel to the XY plane. May be. In that case, the relative change of the external magnetic field is regarded as a phenomenon of rotating in a plane (XY plane) parallel to the sensitive surface (XY plane) of the magnetic field direction sensitive element 19. Therefore, in the magnetic field direction sensitive element 19, a resistance value change corresponding to the change in the magnetic field direction as shown in FIG. 6 appears.

次に、本発明の他の実施の形態について、図9及び図10を参照しながら説明する。本実施の形態は、磁場方向感応素子の感応面や弾性部材の向き及びそれに伴う構造以外の部分については、図1〜図5で示される上記実施の形態と同様であるものとする。図9及び図10は、図1(天板は省略)及び図3に対応する図である。   Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is the same as the above-described embodiment shown in FIGS. 1 to 5 except for the sensitive surface of the magnetic field direction sensitive element, the direction of the elastic member, and the accompanying structure. 9 and 10 correspond to FIG. 1 (the top plate is omitted) and FIG.

本実施の形態の加速度センサ101は、高さ方向に対して傾斜した弾性部材117を有する。弾性部材117は、左右一対の側面117a、117bが慣性センサの取り付け面B(図10参照)に対して傾いて交差するように、すなわち、平行でも垂直でもない関係となるように、保持される。かかる弾性部材117の右側の側面117bには、磁場方向感応素子19が取り付けられている。   The acceleration sensor 101 of the present embodiment includes an elastic member 117 that is inclined with respect to the height direction. The elastic member 117 is held so that the pair of left and right side surfaces 117a and 117b intersect with the inertia sensor mounting surface B (see FIG. 10) at an angle, that is, in a relationship that is neither parallel nor vertical. . A magnetic field direction sensitive element 19 is attached to the right side surface 117 b of the elastic member 117.

また、弾性部材117を挟持する保持枠107、109は、弾性部材117の側面117a、117bと平行に延長する前側突出端面107a、109a及び後側突出端面107b、109bを有する。保持枠107、109の前側突出端面107a、109aに挟持されるスペーサ115は、弾性部材117同様、高さ方向に対して傾斜した左右一対の側面を有する。一方、保持枠107、109の内向き凹面は、高さ方向に沿って延長している。   The holding frames 107 and 109 that sandwich the elastic member 117 have front protruding end surfaces 107a and 109a and rear protruding end surfaces 107b and 109b extending in parallel with the side surfaces 117a and 117b of the elastic member 117. Like the elastic member 117, the spacer 115 sandwiched between the front projecting end surfaces 107a and 109a of the holding frames 107 and 109 has a pair of left and right side surfaces inclined with respect to the height direction. On the other hand, the inwardly concave surfaces of the holding frames 107 and 109 extend along the height direction.

このように弾性部材が直交2軸方向の加振力に応答するように配置されている本実施の形態では、図1〜図5に示す実施の形態の作用効果に加え、次のような効果も得られる。すなわち、弾性部材117がX−Y平面及びY−Z平面の二面に対して同時に傾斜しているため、X方向の慣性力とZ方向の慣性力とを検出することが可能な2軸センサとして機能することができる。   In this embodiment in which the elastic member is arranged so as to respond to the excitation force in the orthogonal biaxial direction as described above, in addition to the effects of the embodiment shown in FIGS. Can also be obtained. That is, since the elastic member 117 is simultaneously inclined with respect to the two surfaces of the XY plane and the YZ plane, the biaxial sensor capable of detecting the inertia force in the X direction and the inertia force in the Z direction. Can function as.

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。   Although the contents of the present invention have been specifically described with reference to the preferred embodiments, various modifications can be made by those skilled in the art based on the basic technical idea and teachings of the present invention. It is self-explanatory.

例えば、検出手段としては、磁場方向感応素子のほうを保持枠などに固定するようにし、磁場発生素子のほうを弾性部材と一体的に可動するように設けてもよい。また、磁場方向感応素子及び磁場発生素子は一組だけ設ける態様には限定されず、複数組設けてもよい。その場合、弾性部材の片側に設けてもよいし、両側に振り分けて設けてもよい。さらに、磁場方向感応素子又は磁場発生素子は、可動部であれば弾性部材の自由端近傍には限らず、弾性部材の長手方向中央部近傍に設けてもよい。   For example, as the detection means, the magnetic field direction sensitive element may be fixed to a holding frame or the like, and the magnetic field generating element may be provided so as to move integrally with the elastic member. Further, the magnetic field direction sensing element and the magnetic field generating element are not limited to a mode in which only one set is provided, and a plurality of sets may be provided. In that case, you may provide in the one side of an elastic member, and you may distribute and provide in both sides. Further, the magnetic field direction sensitive element or the magnetic field generating element is not limited to the vicinity of the free end of the elastic member as long as it is a movable part, and may be provided in the vicinity of the central part in the longitudinal direction of the elastic member.

また、磁場方向感応素子又は磁場発生素子が取り付けられる支持部材としては、極めて微小範囲で変形するものでもよく、従って、一般的には弾性部材とは称されないものも用いることができる。   Further, the support member to which the magnetic field direction sensitive element or the magnetic field generating element is attached may be a member that deforms in a very small range, and therefore, a member that is not generally called an elastic member can be used.

また、センサ本体の外部に磁気シールド部材を被覆したり、センサ本体に磁気シールド材を含有させたりして、磁気シールド効果を確保すると好適である。さらに、磁場方向感応素子としては、GMR素子であればスピンバルブ型には限定されず、トンネル電流を利用してMR(Magnetic Resistance)を発生する、いわゆるTMR素子を用いることもできる。   In addition, it is preferable to ensure the magnetic shielding effect by covering the outside of the sensor body with a magnetic shield member or including a magnetic shield material in the sensor body. Further, the magnetic field direction sensitive element is not limited to a spin valve type as long as it is a GMR element, and a so-called TMR element that generates MR (Magnetic Resistance) using a tunnel current can also be used.

また、スペーサは、必ずしも保持枠等と同材料から構成されていることには限定されない。   Further, the spacer is not necessarily limited to being made of the same material as the holding frame or the like.

さらに、本実施の形態は、加速度センサとして用いることには限定されず、広く慣性センサとして実施することができる。また、ここでいう慣性センサとは、慣性力に起因して変化する物理量を検出することができるセンサを意味し、例えば、衝撃センサ、角速度センサ、角加速度センサなどが例示できる。   Furthermore, this embodiment is not limited to use as an acceleration sensor, and can be widely implemented as an inertial sensor. Further, the inertia sensor here means a sensor that can detect a physical quantity that changes due to an inertia force, and examples thereof include an impact sensor, an angular velocity sensor, and an angular acceleration sensor.

本発明の実施の形態に係る加速度センサの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the acceleration sensor which concerns on embodiment of this invention. 図1の加速度センサに関し、天板を除いた保持枠及び検出手段の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a holding frame and a detection unit excluding a top plate with respect to the acceleration sensor of FIG. 1. 図1の加速度センサの正面図である。It is a front view of the acceleration sensor of FIG. 図1の加速度センサの天板を除いた平面図であって、無負荷状態を示す図である。It is a top view except the top plate of the acceleration sensor of FIG. 1, Comprising: It is a figure which shows a no-load state. 磁場方向感応素子としてのスピンバルブ型GMR素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the spin valve type | mold GMR element as a magnetic field direction sensitive element. スピンバルブ型GMR素子における、素子膜面と平行な面内において回転するような外部磁化が作用した場合の抵抗特性を示す図である。It is a figure which shows a resistance characteristic when external magnetization which rotates in the surface parallel to an element film surface acts in a spin valve type GMR element. スピンバルブ型GMR素子における、素子膜面と垂直な面内において回転するような外部磁化が作用した場合の抵抗特性を示す図である。It is a figure which shows a resistance characteristic when external magnetization which rotates in a surface perpendicular | vertical to an element film surface acts in a spin valve type GMR element. 図4の平面に関する、外力が付加された状態の図である。It is a figure of the state to which the external force was added regarding the plane of FIG. 本発明の別の実施の形態に係る加速度センサに関し、天板を省略した分解斜視図である。It is the disassembled perspective view which abbreviate | omitted the top plate regarding the acceleration sensor which concerns on another embodiment of this invention. 図9の加速度センサに関する図3と同態様の図である。It is a figure of the same aspect as FIG. 3 regarding the acceleration sensor of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1、101 加速度センサ
3 センサ本体
5 検出手段
7、9、107、109 保持枠
11、13 天板
17、117 弾性部材
19 磁場方向感応素子
21 磁場発生素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Acceleration sensor 3 Sensor main body 5 Detection means 7, 9, 107, 109 Holding frame 11, 13 Top plate 17, 117 Elastic member 19 Magnetic field direction sensitive element 21 Magnetic field generating element

Claims (8)

センサ本体と、検出手段とを含む慣性センサであって、
前記検出手段は、支持部材と、磁場感応素子と、磁場発生素子とを備え、
前記支持部材は、前記センサ本体によって保持されており、
前記磁場感応素子及び前記磁場発生素子の一方は、前記支持部材に取り付けられており、他方は、前記センサ本体に取り付けられている、
慣性センサ。
An inertial sensor including a sensor body and a detection means,
The detection means includes a support member, a magnetic field sensitive element, and a magnetic field generating element,
The support member is held by the sensor body,
One of the magnetic field sensitive element and the magnetic field generating element is attached to the support member, and the other is attached to the sensor body.
Inertial sensor.
請求項1に記載の慣性センサであって、
前記支持部材は、前記センサ本体に片持ち状態で保持されている、
慣性センサ。
The inertial sensor according to claim 1,
The support member is held in a cantilever state on the sensor body.
Inertial sensor.
請求項1又は2に記載の慣性センサであって、
前記磁場感応素子は、前記支持部材に取り付けられ、
前記磁場発生素子は、前記センサ本体に取り付けられている、
慣性センサ。
The inertial sensor according to claim 1 or 2,
The magnetic field sensitive element is attached to the support member,
The magnetic field generating element is attached to the sensor body.
Inertial sensor.
請求項1又は2に記載の慣性センサであって、
前記磁場発生素子は、前記支持部材に取り付けられ、
前記磁場感応素子は、前記センサ本体に取り付けられている、
慣性センサ。
The inertial sensor according to claim 1 or 2,
The magnetic field generating element is attached to the support member,
The magnetic field sensitive element is attached to the sensor body,
Inertial sensor.
請求項1乃至4の何れか一項に記載の慣性センサであって、
前記磁場感応素子は、スピンバルブ型GMR素子でなり、膜面にほぼ平行な面内における磁場の相対的な方向変化を捉えるか、該膜面にほぼ垂直な面内における磁場の相対的な方向変化を捉える、
慣性センサ。
The inertial sensor according to any one of claims 1 to 4,
The magnetic field sensitive element is a spin valve type GMR element and captures a relative direction change of the magnetic field in a plane substantially parallel to the film surface or a relative direction of the magnetic field in a plane substantially perpendicular to the film surface. Capture change,
Inertial sensor.
請求項1乃至5の何れか一項に記載の慣性センサであって、
前記支持部材は、直交2軸方向の加振力に応答するように配置されている、
慣性センサ。
The inertial sensor according to any one of claims 1 to 5,
The support member is disposed so as to respond to the excitation force in the orthogonal biaxial direction.
Inertial sensor.
請求項1乃至6の何れか一項に記載の慣性センサであって、
前記磁場感応素子の検出出力は、前記センサ本体の両端部から取り出される、
慣性センサ。
The inertial sensor according to any one of claims 1 to 6,
The detection output of the magnetic field sensitive element is taken out from both ends of the sensor body.
Inertial sensor.
請求項1乃至7の何れか一項に記載の慣性センサであって、
前記センサ本体は、前記支持部材を挟持する左右一対の保持枠と、該一対の保持枠を挟持する上下一対の天板とを含み、
前記一対の保持枠及び一対の天板はセラミックで構成されている、
慣性センサ。
The inertial sensor according to any one of claims 1 to 7,
The sensor body includes a pair of left and right holding frames that sandwich the support member, and a pair of upper and lower top plates that sandwich the pair of holding frames,
The pair of holding frames and the pair of top plates are made of ceramic,
Inertial sensor.
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