JP2005291746A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 加速度センサ１は、センサ本体３と検出手段５とを含む。検出手段は、弾性部材１７と磁場方向感応素子１９と磁場発生素子２１とを備え、弾性部材はその両端部がフリー状態でセンサ本体に対して保持される。磁場方向感応素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であって、弾性部材における可動部に取り付けられ、磁場発生素子は、センサ本体における磁場方向感応素子と対向する位置に取り付けられている。また、センサ本体は、弾性部材を挟持する左右一対の保持枠７、９と、それらを挟持する上下一対の天板１１、１３とを含み、保持枠及び天板はセラミックで構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、慣性センサに関するものである。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、両端部がフリー状態で前記センサ本体に対して保持されており、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。

また、同課題を解決するための本発明に係る別の慣性センサは、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、両端部がフリー状態で前記センサ本体に対して保持されており、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、前後一対のスペーサ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。

センサ本体３を構成する保持枠７、９は、平面視Ｅ字状の部材であり、前後一対の凹面８ａ、８ｂ、１０ａ、１０ｂ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。

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。

前後一対のスペーサ１５は、保持枠７、９の前後の対応する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や、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。

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。

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、反対方向を指向する前後の両端部がフリー状態となるように左右一対の保持枠７、９によって挟持されている。具体的には、弾性部材１７における前後方向中央部（従って固定部となる）が、保持枠７、９の前後方向中央において内側へ突出する端面（以下、中央突出端面と称する）７ｃ、９ｃによって固定される。また、保持枠７、９の前側突出端面７ａ、９ａ及び後側突出端面７ｂ、９ｂの間にはそれぞれ、スペーサ１５が挟持される。

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の間に前後一対の揺動スペース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の前端及び後端（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。

弾性部材１７の可動部すなわち本実施の形態では前側の自由端近傍には、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、右側の保持枠９の中央突出端面９ｃ及び内向き凹面１０ｂに沿って延長して、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８ａ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。

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。

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、後側突出端面７ｂ、９ｂ及び中央突出端面７ｃ、９ｃ、保持枠７、９の内向き凹面８ａ、８ｂ、１０ａ、１０ｂの底面、弾性部材１７の左右両側面、並びに、一対のスペーサ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。

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の間に形成された一対の揺動スペース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。

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。

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。

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、両端がフリー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。

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。

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。

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。

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。

また、磁場方向感応素子１９は、両端フリー状態の弾性部材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。

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。

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。

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。

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。

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、後側突出端面１０７ｂ、１０９ｂ及び中央突出端面１０７ｃ、１０９ｃを有する。保持枠１０７、１０９の前側突出端面１０７ａ、１０９ａ及び後側突出端面１０７ｂ、１０９ｂ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 図１の加速度センサの正面図である。 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。 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。 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。 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。 図４の平面に関する、外力が付加された状態の図である。 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。 図９の加速度センサに関する図３と同態様の図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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、両端部がフリー状態で前記センサ本体に対して保持されており、
   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。
2. 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、両端部がフリー状態で前記センサ本体に対して保持されており、
   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。
3. 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、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。
4. 請求項１乃至３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。
5. 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。
6. 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。

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