JP4222375B2 - 加速度センサ及び磁気ディスクドライブ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、携帯機器、その他移動することが予想される設備や機器の移動検出に利用される、多層構造の磁気抵抗効果（ＭＲ）素子を用いた加速度センサ及びこの加速度センサを備えた磁気ディスクドライブ装置に関する。
例えば携帯型パソコン、携帯電話、デジタルオーディオプレーヤ等の携帯機器に組み込まれるハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、又はそれ自体がストレージとして携帯されるＨＤＤ若しくはリムーバブルＨＤＤ等の磁気ディスクドライブ装置においては、落下衝撃によって磁気ヘッドと磁気記録媒体とが衝突することを防ぐために、落下した瞬間を検知し磁気ヘッドを磁気記録媒体面から退避させることが必要となる。このような落下の瞬間は、重力加速度のわずかな変化として検知することができる。
加速度のわずかな変化を検知するための加速度センサとして、錘をばねによって支え、そのばねに圧電素子を貼り付けることにより、錘からばねに印加される力の変化を検知する圧電素子型加速度センサが知られている（例えば、特許文献１）。
加速度の変化を錘の微小変位で検知する加速度センサとして、対向する可動電極と固定電極間の距離の加速度による変化をこれらの静電容量の変化として検出する静電容量型加速度センサも知られている（例えば、特許文献２）。
このような圧電素子型加速度センサや静電容量型加速度センサは、いずれも、ばね自体に、又はばねに取り付けた錘若しくはその近傍に信号を取り出すための電極を設ける必要があるため、配線の引き回しで構造が非常に複雑になる。また、小型化したばねや錘に微小配線を施すことは、過重な衝撃が印加された際に破損を招き、ばねの変位を妨げるので感度を向上する際の障害となっている。この傾向は、加速度センサ全体の小型化を図るほどより顕著となる。
このような圧電素子型加速度センサや静電容量型加速度センサの上述したような不都合を解消できる加速度センサとして、捩れ及び撓みの弾性変形が容易な４本のステーによって支持されており三次元的な捩れを伴う振動が可能な振動子に、Ｚ軸上に軸線を含ませた質点の永久磁石を取り付け、Ｘ軸及びＹ軸の上であって座標軸の原点周りの同心円上にそれぞれ中心を持つ４個以上のＭＲ素子による検出素子を配置し、永久磁石からの磁界強度の変化をＸ軸上の２個のＭＲ検出素子の出力電圧の相対差によりＸ軸方向の、Ｙ軸上の２個のＭＲ検出素子の出力電圧の相対差によりＹ軸方向の、及び全てのＭＲ検出素子の出力電圧の総和によりＺ軸方向の加速度をそれぞれ検出する加速度センサが提案されている（例えば、特許文献３）。
この特許文献３に記載された加速度センサによると、ばねや錘の部分に電極が不要であるため、その意味からは構造が簡単になる。しかしながら、磁石が小型化するにつれて、その発生磁界自体が弱くなり、また、磁石とＭＲ検出素子との距離が離れると磁石から出る磁界が発散するので、加速度検出の感度が低下してしまう。さらに、磁石が小型化されること及び発散して外部にかなりの磁界が漏れることから、外部磁界によって磁石自体が動いてしまう等の影響を受けやすい。しかも、この加速度センサは、単層構造の異方性ＭＲ（ＡＭＲ）素子を用いているので磁気検出感度をさほど高くすることができず、高感度の加速度検出を行なうことが難しい。
そこで本願発明者は、ばね部材に固着された１対の永久磁石から閉磁路を構成する磁界を発生させ、この磁界を巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子に印加する構成とすることにより、外来ノイズに対する耐性が高く、高感度の加速度検出を行なうことができる加速度センサを提案している（特願２００５−２１１１６６号、平成１７年７月２１日出願）。
特許第２７３２２８７号公報 特許第２５８６４０６号公報 特開平１１−３５２１４３号公報
しかしながら、本願発明者によるこの先行出願に記載の発明によると、外力が印加されていない際に、永久磁石からこのＧＭＲ素子に印加される磁界のうちの本来検出すべき方向（ＧＭＲ素子の磁化固定層の磁化方向、以下、ピンド方向と称する）の磁界成分が、変動の比較的大きいピンド方向の分布を有しているため、感度が低下したり、出力の線形性を悪化させる恐れがあった。
また、外力を受けることによって、ピンド方向とは異なる方向の磁界成分であるＧＭＲ素子の磁化自由層の磁化方向（以下、フリー方向と称する）の磁界成分が大きくなると、フリー層へ印加される磁界が反転してしまうことがあり、これはＧＭＲ素子のノイズ出力となってしまう。このようなノイズは、本来検出すべき軸方向（ピンド方向）とは異なる方向の信号（他軸信号）であり、外力に対する加速度センサ出力の線形性が悪化する。
従って本発明の目的は、高感度の加速度検出が行なえる加速度センサ及びこの加速度センサを備えた磁気ディスクドライブ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、外力に対する出力信号の線形性が良好な加速度センサ及びこの加速度センサを備えた磁気ディスクドライブ装置を提供することにある。
本発明によれば、各々の磁界検出センサに対向する面が長手方向及び短手方向を有していると共に磁界検出センサに対向する面が互いに逆極性となるように並列配置された１対の永久磁石と、これら１対の永久磁石を支持しており、外力が印加された際に１対の永久磁石を変位させるばね部材と、１対の永久磁石に対向して固定位置に設けられた磁界検出センサとを備えており、磁界検出センサは磁化固定層（ピンド層）及び磁化自由層（フリー層）を含みかつピンド層が変位検出方向と平行な方向に磁化固定された少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子を備えており、１対の永久磁石は各々の長手方向がピンド層の磁化固定方向（ピンド方向）と平行となるように配置されており、少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子は、１対の永久磁石から印加される磁界のフリー層の磁化方向（フリー方向）の磁界成分が反転しない位置で、１対の永久磁石にそれぞれ対向して配置されている加速度センサが提供される。
永久磁石の長手方向が多層構造ＭＲ素子のピンド方向と平行に配置されることによって、永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分における、このピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の外力検出を行なうことが可能となる。
また、ばね部材や永久磁石の部分に電極を設ける必要がないため、配線構造が簡単となる。さらに、磁界検出センサとしてピンド層及びフリー層を含む多層構造ＭＲ素子、例えば、ＧＭＲ素子又はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子を用いて磁化ベクトル検出を行なっているので、検出したい各方向における加速度の向き及び大きさを１つの磁界検出センサで検出することができる。従って、磁界検出センサ数が低減でき構造を非常に簡単化できるから、加速度センサを小型化することができる。さらにまた、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は磁気検出感度が非常に高いので、高感度の加速度検出を行なうことが可能となる。さらに、圧電素子型加速度センサや静電容量型加速度センサに比して低インピーダンスであるため、外乱の影響を受けにくい。
少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子の各々の中心位置と、１対の永久磁石の各々の中心位置とが、フリー方向に関して同一の位置にあることが好ましい。
少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子の各々の中心位置と、１対の永久磁石の各々の中心位置とが、フリー方向に関して互いに異なる位置にあることが好ましい。さらに、少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子の各々の中心位置が、１対の永久磁石の各々の中心位置よりフリー方向に関してこれら１対の永久磁石の中央側にずれていることがより好ましい。
永久磁石から多層構造ＭＲ素子の膜平面に垂直に磁界が印加された場合は発生しないが、斜めに印加された場合、その磁界は多層構造ＭＲ素子のピンド方向成分とフリー方向成分との２つに分けられる。ピンド方向の磁界成分については問題ないが、フリー方向の磁界成分については、その値がゼロ近傍で急激な変化を示し、僅かなフリー方向の変化が非線形ノイズの発生原因となってしまう。そこで、フリー方向で磁界が反転しないように構成すること、より具体的には、各多層構造ＭＲ素子のフリー方向の中心を各永久磁石のフリー方向の中心から対の永久磁石の真ん中側へずらすことにより、各多層構造ＭＲ素子にバイアス磁界をかけ、この方向の磁界変化に鈍感にしているのである。永久磁石からのこのようなバイアス磁界が印加されるため、多層構造ＭＲ素子は、外部電界及び外部磁界の影響を受けにくくなる。
少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子の各々のピンド方向の長さがフリー方向の長さより長いことが好ましい。
少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子が、１対の永久磁石のピンド方向の中心位置に近づいて配置されていることが好ましい。
少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子の各々が、ピンド方向と垂直方向に延在する直線部分を有する複数の多層構造ＭＲ層を互いに直列接続して構成されていることが好ましい。
ばね部材が、支点を有すると共に支点から偏位した位置に１対の永久磁石が取り付けられるように構成されており、外部から印加される力に対して曲げ応力を発生させて１対の永久磁石を変位させる少なくとも１つの帯状板ばねを備えていることも好ましい。
この場合、少なくとも１つの帯状板ばねが２つの帯状板ばねからなり、各帯状板ばねが、一方の端部に支点を有すると共に他方の端部に１対の永久磁石が取り付けられるように構成されていることがより好ましい。
さらに、少なくとも１つの帯状板ばねが、中央部に支点を有すると共に両方の端部に１対の永久磁石がそれぞれ取り付けられるように構成されている１つの帯状板ばねからなることも好ましい。
少なくとも１対の多層構造ＭＲ素子の各々が、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることが好ましい。
本発明によれば、さらにまた、上述した加速度センサを備えた磁気ディスクドライブ装置が提供される。
本発明によれば、永久磁石の長手方向が多層構造ＭＲ素子のピンド方向と平行に配置されることによって、永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分における、このピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の外力検出を行なうことが可能となる。
図１は加速度センサを組み込んだ磁気ディスクドライブ装置の一例の全体構成を概略的に示す斜視図である。この磁気ディスクドライブ装置は、例えば２．５インチ、１．８インチ、１．３インチ又は１インチ以下の磁気ディスクを用いる超小型ＨＤＤであり、例えば携帯型パソコン、携帯電話、デジタルオーディオプレーヤ等の携帯機器に組み込まれるＨＤＤ又はそれ自体がストレージとして携帯されるＨＤＤ若しくはリムーバブルＨＤＤである。
同図は磁気ディスクドライブ装置の蓋を外した状態を示しており、１０は動作時にスピンドルモータにより回転する磁気ディスク、１０ａは落下検出時に磁気ヘッドが移動するデータの書き込まれていない退避ゾーン、１１は動作時に磁気ディスク１０の表面に対向する磁気ヘッドを先端部に有するヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）、１２は磁気ヘッドに電気的に接続された配線部材であるフレクシブル回路（ＦＰＣ）、１３はＨＧＡ１１を支持する支持アーム、１４は支持アーム１３を回動軸１５を中心に回動させて位置決めするためのアクチュエータであるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、１６は落下検出時に支持アーム１３の爪１３ａが乗り上げて磁気ヘッドを磁気ディスク表面から離れるための退避ランプ、１７は回路基板１８上に搭載された加速度センサをそれぞれ示している。
図２は本発明の加速度センサの一実施形態における全体構成を概略的に示す分解斜視図であり、図３はハウジング部材の内部に設けられるばね部材、磁界発生錘部材及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す分解斜視図である。
これらの図に示すように、本実施形態における加速度センサは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸加速度を検出するためのものであり、ハウジング部材２０内に、第１の帯状板ばね２１ａ、２つの第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃ並びに磁界発生錘部材を支持するための４つの錘支持部２１ｄ〜２１ｇを一体的に形成してなるばね部材２１と、永久磁石の伸長方向が異なることを除いて寸法、形状及び重量等の構成が共に同じである４組の磁界発生錘部材２２ａ〜２２ｄと、Ｘ軸Ｚ軸用の第１の磁界検出センサチップ２３と、Ｘ軸Ｚ軸用の第２の磁界検出センサチップ２４と、Ｙ軸用の第３の磁界検出センサチップ２５と、支点部材２６とを収納するように構成されている。
ハウジング部材２０は、基板自体が例えばポリイミド又はＢＴレジン等の樹脂材料による平板形状の基板に配線パターン（図示なし）を設けることで形成された配線基板２０ａと、この配線基板２０ａを覆って密封する磁性金属材料によって形成されたカバー部材２０ｂとから構成されている。本実施形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸加速度を、配線基板２０ａによる１平面上に搭載した３つの磁界検出センサチップ２３〜２５で検出することが可能となる。
ばね部材２１は、例えばＮｉＦｅやＮｉ等による薄膜金属板か、ステンレス鋼等の薄板か、又はポリイミド等による薄い樹脂板を、本実施形態では、図３に示すように形状加工することによって一体的に形成されている。
第１の帯状板ばね２１ａは主ばねを構成しており、外部から印加される力に対して曲げ応力及び／又は捩り応力を発生させる。第１の帯状板ばね２１ａの中央部は支点を構成しており、この中央部は一端が配線基板２０ａに固着されている支点部材２６の他端に固着されている。２つの第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃは副ばねを構成しており、外部から印加される力に対して曲げ応力のみを発生させる。これら第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃは、中央部が第１の帯状板ばね２１ａの両端にそれぞれ一体的に連結されている。第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃの両端は互いに同一形状の錘支持部２１ｄ〜２１ｇにそれぞれ一体的に連結されている。なお、錘支持部２１ｄ〜２１ｇは図では矩形であるが、円形であってもその他の形状であっても良い。
磁界発生錘部材２２ａ〜２２ｄは、ばね部材２１の錘支持部２１ｄ〜２１ｇの一方の面（磁界センサチップに対向する面とは反対側の面）上にそれぞれ接着剤で固着されている。磁界発生錘部材２２ａ〜２２ｄは、それぞれ、磁界発生用の１対の永久磁石２２ａ１及び２２ａ２、２２ｂ１及び２２ｂ２、２２ｃ１及び２２ｃ２、並びに２２ｄ１及び２２ｄ２から構成されている。
Ｘ軸Ｚ軸用の第１の磁界検出センサチップ２３、Ｘ軸Ｚ軸用の第２の磁界検出センサチップ２４及びＹ軸用の第３の磁界検出センサチップ２５は、４組の磁界発生錘部材２２ａ〜２２ｄのうちの３組の磁界発生錘部材２２ａ〜２２ｃにそれぞれ対向して、具体的には錘支持部２１ｄ〜２１ｆの他方の面にそれぞれ対向して、配線基板２０ａ上に接着剤で固着されている。従って、磁界発生錘部材２２ａ〜２２ｃは、加速度に応じて角度の変化する磁界を第１〜第３の磁界検出センサチップ２３〜２５にそれぞれ印加することとなる。なお、本実施形態では、磁界発生錘部材２２ｄは、ばね部材２１の平衡を保つことのみを目的として設けられている。
１対の永久磁石２２ａ１及び２２ａ２は、Ｘ軸方向に互いに平行に伸長する直方体形状のフェライト材料で形成されており、Ｘ軸Ｚ軸用の第１の磁界検出センサチップ２３に対向している。これら１対の永久磁石２２ａ１及び２２ａ２は、第１の磁界検出センサチップ２３に対向する面が互いに逆極性となるように配置されており、両者で閉磁路を構成している。後述するように、第１の磁界検出センサチップ２３のスピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路内にその積層面とほぼ垂直な方向に磁界が印加されるように配置される。特に、これら１対の永久磁石２２ａ１及び２２ａ２は、各々の長手方向が第１の磁界検出センサチップ２３のスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｃ並びに２３ｂ及び２３ｄ（図４及び図５参照）のピンド方向と平行に配置されている。これにより、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分について、ピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の加速度検出が可能となる。
１対の永久磁石２２ｂ１及び２２ｂ２は、Ｘ軸方向に互いに平行に伸長する直方体形状のフェライト材料で形成されており、Ｘ軸Ｚ軸用の第２の磁界検出センサチップ２４に対向している。これら１対の永久磁石２２ｂ１及び２２ｂ２は、第２の磁界検出センサチップ２４に対向する面が互いに逆極性となるように配置されており、両者で閉磁路を構成している。後述するように、第２の磁界検出センサチップ２４のスピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路内にその積層面とほぼ垂直な方向に磁界が印加されるように配置される。特に、これら１対の永久磁石２２ｂ１及び２２ｂ２は、各々の長手方向が第２の磁界検出センサチップ２４のスピンバルブＧＭＲ素子２４ａ及び２４ｃ並びに２４ｂ及び２４ｄ（図４及び図５参照）のピンド方向と平行に配置されている。これにより、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分について、ピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の加速度検出が可能となる。
１対の永久磁石２２ｃ１及び２２ｃ２は、Ｙ軸方向に互いに平行に伸長する直方体形状のフェライト材料で形成されており、Ｙ軸用の第３の磁界検出センサチップ２５に対向している。これら１対の永久磁石２２ｃ１及び２２ｃ２は、第３の磁界検出センサチップ２５に対向する面が互いに逆極性となるように配置されており、両者で閉磁路を構成している。後述するように、第３の磁界検出センサチップ２５のスピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路内にその積層面とほぼ垂直な方向に磁界が印加されるように配置される。特に、これら１対の永久磁石２２ｃ１及び２２ｃ２は、各々の長手方向が第３の磁界検出センサチップ２５のスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ及び２５ｃ並びに２５ｂ及び２５ｄ（図４及び図５参照）のピンド方向と平行に配置されている。これにより、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分について、ピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の加速度検出が可能となる。
図４は本実施形態の加速度センサにおける配線基板上の結線及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す図であり、図５は本実施形態の加速度センサにおける配線基板及び磁界検出センサチップの電気的構成を概略的に示す回路図であり、図６は本実施形態の加速度センサにおける等価回路図である。
これらの図に示すように、Ｘ軸Ｚ軸方向の加速度を検出するための第１の磁界検出センサチップ２３には、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿った直線部分を有する４つ（２対）のスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び２３ｄが互いに平行に形成されている。スピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂは対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＸ１に接続されている。スピンバルブＧＭＲ素子２３ｃ及び２３ｄも対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＺ１に接続されている。
スピンバルブＧＭＲ素子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び２３ｄの各々は、基本的には、反強磁性材料及び強磁性材料からなる磁化固定層（ピンド層）と、非磁性中間層と、強磁性材料による磁化自由層（フリー層）とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向、従って磁化方向（フリー方向）と垂直な方向（ピンド方向）に磁化固定されている。即ち、これらスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び２３ｄのピンド層は、全てＸ軸方向の同一向きに磁化固定されている。
図７はスピンバルブＧＭＲ素子の積層面への印加磁界角度に対するＭＲ抵抗変化特性を表す図であり、図８は印加磁界角度θを説明する図である。即ち、図７において、横軸は印加磁界のピンド方向となす角度θ（°）、縦軸はＭＲ抵抗（Ω）をそれぞれ表している。なお、ここではフリー方向への傾きは無いものとしている。図７から分かるように、ＭＲ抵抗は印加磁界がθ＝９０°近傍で僅かに変化しても大きく変化する。印加磁界の微小角度θの変化は９０±θであるから、磁界発生錘部材の、従って１対の永久磁石の僅かな傾きが抵抗変化として取り出され、しかも、磁化ベクトルとして、大きさのみならずその正負の方向も取り出せることとなる。
互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂのピンド層が同一方向に磁化固定されるのは、対となるスピンバルブＧＭＲ素子の各々に印加される磁界が互いにほぼ逆方向であるためである。即ち、図５に、より分かり易くは後述する図１１に示すように、１対の永久磁石２２ａ１及び２２ａ２によって閉磁路が構成されており、対となるスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂが、閉磁路の逆方向磁界が流れる磁路内に配置されているから磁界が互いにほぼ逆方向となるのである。互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２３ｃ及び２３ｄについても同様である。この場合、閉磁路を構成する磁気回路の中心が、対となるスピンバルブＧＭＲ素子間の中心線上に位置していることとなる。
このように、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されることにより、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂ並びに２３ｃ及び２３ｄのピンド層の磁化固定方向が同一方向となるので、これら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができ、その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
Ｘ軸Ｚ軸方向の加速度を検出するための第２の磁界検出センサチップ２４にも、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿った直線部分を有する４つ（２対）のスピンバルブＧＭＲ素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄが互いに平行に形成されている。スピンバルブＧＭＲ素子２４ｂ及び２４ａは対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＸ２接続されている。スピンバルブＧＭＲ素子２４ｃ及び２４ｄも対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＺ２接続されている。
スピンバルブＧＭＲ素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄの各々は、基本的には、反強磁性材料及び強磁性材料からなる磁化固定層（ピンド層）と、非磁性中間層と、強磁性材料による磁化自由層（フリー層）とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向、従って磁化方向（フリー方向）と垂直な方向（ピンド方向）に磁化固定されている。即ち、これらスピンバルブＧＭＲ素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄのピンド層は、全てＸ軸方向の同一向きに磁化固定されている。
互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２４ａ及び２４ｂのピンド層が同一方向に磁化固定されるのは、対となるスピンバルブＧＭＲ素子の各々に印加される磁界が互いにほぼ逆方向であるためである。即ち、図５に、より分かり易くは後述する図１１に示すように、１対の永久磁石２２ｂ１及び２２ｂ２によって閉磁路が構成されており、対となるスピンバルブＧＭＲ素子２４ａ及び２４ｂが、閉磁路の逆方向磁界が流れる磁路内に配置されているから磁界が互いにほぼ逆方向となるのである。互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２４ｃ及び２４ｄについても同様である。この場合、閉磁路を構成する磁気回路の中心が、対となるスピンバルブＧＭＲ素子間の中心線上に位置していることとなる。
このように、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されることにより、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子２４ａ及び２４ｂ並びに２４ｃ及び２４ｄのピンド層の磁化固定方向が同一方向となるので、これら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができ、その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
Ｙ軸方向の加速度を検出するための第３の磁界検出センサチップ２５には、Ｙ軸方向と垂直な方向（Ｘ軸方向）に沿った直線部分を有する４つ（２対）のスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄが互いに平行に形成されている。スピンバルブＧＭＲ素子２５ａ及び２５ｂは対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＹ１接続されている。スピンバルブＧＭＲ素子２５ｃ及び２５ｄも対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＹ２接続されている。
スピンバルブＧＭＲ素子２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄの各々は、基本的には、反強磁性材料及び強磁性材料からなる磁化固定層（ピンド層）と、非磁性中間層と、強磁性材料による磁化自由層（フリー層）とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向、従って磁化方向（フリー方向）と垂直な方向（ピンド方向）に磁化固定されている。即ち、これらスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄのピンド層は、全てＹ軸方向の同一向きに磁化固定されている。
互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ及び２５ｂのピンド層が同一方向に磁化固定されるのは、対となるスピンバルブＧＭＲ素子の各々に印加される磁界が互いにほぼ逆方向であるためである。即ち、図５に、より分かり易くは後述する図１１に示すように、１対の永久磁石２２ｃ１及び２２ｃ２によって閉磁路が構成されており、対となるスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ及び２５ｂが、閉磁路の逆方向磁界が流れる磁路内に配置されているから磁界が互いにほぼ逆方向となるのである。互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２５ｃ及び２５ｄについても同様である。この場合、閉磁路を構成する磁気回路の中心が、対となるスピンバルブＧＭＲ素子間の中心線上に位置していることとなる。
このように、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されることにより、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ及び２５ｂ並びに２５ｃ及び２５ｄのピンド層の磁化固定方向が同一方向となるので、これら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができ、その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
第１の磁界検出センサチップ２３のスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＸ１から第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１が取り出される。また、第２の磁界検出センサチップ２４のスピンバルブＧＭＲ素子２４ｂ及び２４ａ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＸ２から第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２が取り出される。従って、これらスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂ並びにスピンバルブＧＭＲ素子２４ｂ及び２４ａは、図６（Ａ）に示すようにフルブリッジ接続されていることとなり、信号出力端子ＴＸ１及び信号出力端子ＴＸ２からの信号ＶＸ１及びＶＸ２が差動増幅されてＸ軸方向の加速度信号となる。このＸ軸方向の加速度信号は、印加される加速度の方向によって、磁界発生錘部材２２ａ（従って永久磁石２２ａ１及び２２ａ２）と磁界発生錘部材２２ｂ（従って永久磁石２２ｂ１及び２２ｂ２）とがＺ軸の互いに反対方向に変位した際にのみ出力され、共に同じ方向に変位した際には第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２が互いに打ち消し合って出力されない。
第１の磁界検出センサチップ２３のスピンバルブＧＭＲ素子２３ｃ及び２３ｄ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＺ１から第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１が取り出される。また、第２の磁界検出センサチップ２４のスピンバルブＧＭＲ素子２４ｃ及び２４ｄ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＺ２から第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２が取り出される。従って、これらスピンバルブＧＭＲ素子２３ｃ及び２３ｄ並びにスピンバルブＧＭＲ素子２４ｃ及び２４ｄは、図６（Ｂ）に示すようにフルブリッジ接続されていることとなり、信号出力端子ＴＺ１及び信号出力端子ＴＺ２からの信号ＶＺ１及びＶＺ２が差動増幅されてＺ軸方向の加速度信号となる。このＺ軸方向の加速度信号は、印加される加速度によって、磁界発生錘部材２２ａ（従って永久磁石２２ａ１及び２２ａ２）と磁界発生錘部材２２ｂ（従って永久磁石２２ｂ１及び２２ｂ２）とがＺ軸の共に同じ方向に変位した際にのみ出力され、互いに反対方向に変位した際には第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２が互いに打ち消し合って出力されない。
第３の磁界検出センサチップ２５のスピンバルブＧＭＲ素子２５ｂ及び２５ａ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＹ１から第１のＹ軸方向加速度信号ＶＹ１が取り出され、スピンバルブＧＭＲ素子２５ｃ及び２５ｄ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＹ２から第２のＹ軸方向加速度信号ＶＹ２が取り出される。従って、この第３の磁界検出センサチップ２５のスピンバルブＧＭＲ素子２５ａ〜２５ｄは、図６（Ｃ）に示すようにフルブリッジ接続されていることとなり、信号出力端子ＴＹ１及び信号出力端子ＴＹ２からの信号ＶＹ１及びＶＹ２が差動増幅されてＹ軸方向の加速度信号となる。このＹ軸方向の加速度信号は、印加される加速度によって、磁界発生錘部材２２ｃ（従って永久磁石２２ｃ１及び２２ｃ２）がＺ軸方向に変位した際に出力される。
次に、本実施形態における永久磁石とスピンバルブＧＭＲ素子との位置関係についてより詳細に説明する。
図９は本実施形態において永久磁石が僅かに傾いた際のピンド方向及びフリー方向の磁界成分を説明する図であり、図１０はピンド方向及びフリー方向の磁界成分に対するスピンバルブＧＭＲ素子の抵抗変化特性を表す特性図であり、図１１は本実施形態における永久磁石とスピンバルブＧＭＲ素子との位置関係を説明する斜視図である。
図９（Ａ）に示すように、磁界検出センサチップ９３に対向して配置される永久磁石９２が僅かに傾くと、この傾いた永久磁石９２′から磁界検出センサチップ９３に印加される磁界は、磁界検出センサチップ９３のスピンバルブＧＭＲ素子９３ａの膜面に垂直な成分Ｈｚのみならず、図９（Ｂ）に示すようにスピンバルブＧＭＲ素子９３ａの面内におけるフリー方向成分Ｈｘ及びピンド方向成分Ｈｙが発生する。
このようなピンド方向磁界成分Ｈｙが印加された場合のスピンバルブＧＭＲ素子のＭＲ抵抗特性は図１０（Ａ）に示すごとくなり、フリー方向磁界成分Ｈｘが印加された場合のスピンバルブＧＭＲ素子のＭＲ抵抗特性は図１０（Ｂ）に示すごとくなる。図１０（Ａ）に示すように、ピンド方向磁界成分Ｈｙに対するＭＲ抵抗特性は、Ｈｙ＝０近傍での直線性が良好であり、感度が高いため、この方向で外力検出が行なわれている。これに対して、図１０（Ｂ）に示すように、フリー方向磁界成分Ｈｘに対するＭＲ抵抗特性は、Ｈｘ＝０近傍で非線形となって急激な変化を示すため、このフリー方向磁界成分に対しては感度が低いことが望ましい。
元来、Ｈｉｎ（内部結合磁界）が完全にゼロのときは、ピンド方向とフリー方向の角度は、フリー方向磁界成分の変化によって変化しない。しかしながら、実際には この内部結合磁界（Ｈｉｎ）以外に、永久磁石から発生するピンド方向の磁界成分も同様の作用をしている。従って、（１）内部結合磁界Ｈｉｎをできるだけ小さくする、（２）永久磁石によるピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動をできるだけ抑えることが要求される。内部結合磁界Ｈｉｎは、スピンバルブＧＭＲ素子の非磁性中間層（Ｃｕ層）の厚さによってコントロールされるが、その厚さが０．１ｎｍ程度変化しても、数十Ａ／ｍ変化するので、完全に抑え込むことは難しい。特に、ゼロ付近の僅かな信号変化の際にこのようなノイズの発生が最も大きいので完全なノイズ抑制はこれだけでは難しい。また、ピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動も、完全にゼロにするためには、非常に大きな永久磁石となるので、小型化するときの問題になっていた。
そこで、本実施形態においては、図１１に示すように、１対の永久磁石１１２１及び１１２２の各々の長手方向が磁界検出センサチップ１１３におけるスピンバルブＧＭＲ素子１１３ａ及び１１３ｃ並びに１１３ｂ及び１１３ｄのピンド方向と平行となるように配置されている。これにより、１対の永久磁石１１２１及び１１２２から印加される磁界のピンド方向磁界成分が、ピンド方向に沿って変動することが小さくなり、また、フリー方向磁界成分自体も小さくなる。その結果、ノイズ発生が少なく、直線性の良い高感度の加速度検出が可能となる。
図１２は、本実施形態及びその変更態様における永久磁石とスピンバルブＧＭＲ素子との位置関係を説明する断面図である。同図（Ａ）は本実施形態におけるフリー方向断面を表しており、同図（Ｂ）は本実施形態の一変更態様におけるフリー方向断面を表しており、同図（Ｃ）は本実施形態の他の変更態様におけるピンド方向断面を表している。
図１２（Ａ）に示すように、本実施形態では、磁界検出センサチップ１２３における１対のスピンバルブＧＭＲ素子１２３ａ及び１２３ｂの各々のフリー方向に関する中心位置が、それぞれ、１対の永久磁石１２２１及び１２２２の各々のフリー方向に関する中心位置にある。この場合、最も感度が高くなる。
図１３は１対の永久磁石からスピンバルブＧＭＲ素子に印加されるフリー方向磁界成分Ｈｘの分布をシミュレートした結果を３次元で表す特性図である。
このシミュレーション例において、各永久磁石の寸法は、長手方向が６００μｍ、短手方向が３００μｍ、高さが４００μｍである。図１３において、２つの永久磁石の平面領域は一方の永久磁石がピンド方向のＹ＝−３００μｍ〜３００μｍ及びフリー方向のＸ＝−４００μｍ〜−１００μｍであり、他方の永久磁石がピンド方向のＹ＝−３００μｍ〜３００μｍ及びフリー方向のＸ＝１００μｍ〜４００μｍの範囲である。各スピンバルブＧＭＲ素子の寸法は１５０μｍ×１５０μｍであり、永久磁石とスピンバルブＧＭＲ素子との距離は１００μｍである。なお、フリー方向のＸ＝０μｍは１対の永久磁石の中央位置である。
本実施形態における４つのスピンバルブＧＭＲ素子の平面領域はピンド方向のＹ＝−１７５μｍ〜−２５μｍ及びフリー方向のＸ＝−３２５μｍ〜−１７５μｍ、ピンド方向のＹ＝２５μｍ〜１７５μｍ及びフリー方向のＸ＝−３２５μｍ〜−１７５μｍ、ピンド方向のＹ＝−１７５μｍ〜−２５μｍ及びフリー方向のＸ＝１７５μｍ〜３２５μｍ、並びにピンド方向のＹ＝２５μｍ〜１７５μｍ及びフリー方向のＸ＝１７５μｍ〜３２５μｍの範囲である。
図１３より、フリー方向のＸ＝３００μｍ及びＸ＝−３００μｍにおいてＨｘ＝０Ａ／ｍとなっており、この位置の前後でフリー方向磁界成分Ｈｘの反転が生じていることが分かる。従って、本実施形態では、スピンバルブＧＭＲ素子の存在する位置でＨｘの反転が生じていることとなる。
図１４は１対の永久磁石からスピンバルブＧＭＲ素子に印加される垂直方向磁界成分Ｈｚの分布をシミュレートした結果を３次元で表す特性図である。
永久磁石及びスピンバルブＧＭＲ素子の寸法、両者の平面領域、並びに両者間の距離は図１３のシミュレーションの場合と同様である。図１４より、垂直方向磁界成分Ｈｚは永久磁石の真下では磁界強度絶対値の大きな変化はなく均一であるが、対の永久磁石の真下では方向が互いに逆となっている。この垂直方向磁界成分Ｈｚが６００Ａ／ｍ以上の領域ではフリー方向に沿った磁界変化に対して十分な感度を有していることが分かる。
図１５は１対の永久磁石からスピンバルブＧＭＲ素子に印加されるピンド方向磁界成分Ｈｙの分布をシミュレートした結果を３次元で表す特性図である。
永久磁石及びスピンバルブＧＭＲ素子の寸法、両者の平面領域、並びに両者間の距離は図１３のシミュレーションの場合と同様である。図１５より、スピンバルブＧＭＲ素子の存在する位置で方向が反対なピンド方向磁界成分が印加されていることが分かる。このピンド方向磁界成分は、検出目的とする磁界成分であり、ピンド方向に沿った変動ができるだけ小さいことが望ましい。
図１２（Ｂ）に示す本実施形態の一変更態様では、磁界検出センサチップ１２３′における１対のスピンバルブＧＭＲ素子１２３ａ′及び１２３ｂ′の各々のフリー方向に関する中心位置が、１対の永久磁石１２２１′及び１２２２′の各々のフリー方向に関する中心位置とは異なり、フリー方向に関するこれら１対の永久磁石の中央位置側にずれている。これにより、スピンバルブＧＭＲ素子１２３ａ′及び１２３ｂ′には、フリー方向のバイアス磁界が印加される。このようなバイアス磁界が印加されることにより、外力が印加された際にもフリー方向での磁界成分が反転しないように構成することができる。即ち、図１３において、４つのスピンバルブＧＭＲ素子の平面領域をピンド方向のＹ＝−１７５μｍ〜−２５μｍ及びフリー方向のＸ＝−２７５μｍ〜−１２５μｍ、ピンド方向のＹ＝２５μｍ〜１７５μｍ及びフリー方向のＸ＝−２７５μｍ〜−１２５μｍ、ピンド方向のＹ＝−１７５μｍ〜−２５μｍ及びフリー方向のＸ＝１２５μｍ〜２７５μｍ、並びにピンド方向のＹ＝２５μｍ〜１７５μｍ及びフリー方向のＸ＝１２５μｍ〜２７５μｍの範囲にずらせば、スピンバルブＧＭＲ素子の存在する位置でＨｘの反転が生じないこととなる。このように、フリー方向での感度を部分的に低下させているので、スピンバルブＧＭＲ素子は、外部電界及び外部磁界の影響を受けにくくなる。
図１２（Ｃ）に示す本実施形態の他の変更態様では、磁界検出センサチップ１２３″における１対のスピンバルブＧＭＲ素子１２３ｂ″及び１２３ｄ″が永久磁石１２２２″のピンド方向の中心位置にできるだけ接近して配置されていることが好ましい。これにより、これらスピンバルブＧＭＲ素子１２３ｂ″及び１２３ｄ″は、磁界成分の変動が比較的大きい、永久磁石１２２２″のピンド方向の両端から離れて位置することとなる。このため、永久磁石から印加される磁界のピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動がより小さくなる。
図１６は本実施形態及び本実施形態のさらに他の変更態様におけるスピンバルブＧＭＲ素子の構造を示す平面図である。
本実施形態におけるスピンバルブＧＭＲ素子は、同図（Ａ）に示すように、ピンド方向の長さとフリー方向の長さとがほぼ等しい形状を有しているが、一変更態様においては、同図（Ｂ）に示すように、折り返し回数を増やしピンド方向の長さがフリー方向の長さより長い形状を有するように構成している。これにより、図１３において、４つのスピンバルブＧＭＲ素子の平面領域がピンド方向のＹ＝−２７５μｍ〜−２５μｍ及びフリー方向のＸ＝−２２５μｍ〜−１５０μｍ、ピンド方向のＹ＝２５μｍ〜２７５μｍ及びフリー方向のＸ＝−２２５μｍ〜−１５０μｍ、ピンド方向のＹ＝−２７５μｍ〜−２５μｍ及びフリー方向のＸ＝１５０μｍ〜２２５μｍ、並びにピンド方向のＹ＝２５μｍ〜２７５μｍ及びフリー方向のＸ＝１５０μｍ〜２２５μｍの範囲にずれることとなるから、スピンバルブＧＭＲ素子の存在する位置でＨｘの反転が全く生じないこととなる。このように、本来のピンド方向磁界成分の検出感度を落とすことなくフリー方向の磁界成分の検出範囲を狭くしてＨｘの反転を拾わないようにこの方向の感度を低下させることができる。従って、外部電界及び外部磁界の影響をより受けにくくなる。
図１７は本実施形態のまたさらに他の２つの変更態様におけるスピンバルブＧＭＲ素子の構造を示す平面図である。
同図（Ａ）に示すまたさらに他の変更態様においては、１対のスピンバルブＧＭＲ素子１７３ａ及び１７３ｃを各永久磁石のピンド方向の中心位置１７０に近づくように互いに近接して配置している。これにより、これらスピンバルブＧＭＲ素子１７３ａ及び１７３ｃは、磁界成分の変動が比較的大きい、永久磁石のピンド方向の両端から離れて位置することとなる。このため、永久磁石から印加される磁界のピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動がより小さくなる。
同図（Ｂ）に示すさらに他の変更態様においては、折り返し回数を増やしピンド方向の長さがフリー方向の長さより長い形状をそれぞれが有する１対のスピンバルブＧＭＲ素子１７３ａ′及び１７３ｃ′を各永久磁石のピンド方向の中心位置１７０′に近づくように互いに近接して配置している。これにより、これらスピンバルブＧＭＲ素子１７３ａ′及び１７３ｃ′は、本来のピンド方向磁界成分の検出感度を落とすことなくフリー方向の磁界成分の検出範囲を狭くしてＨｘの反転を拾わないようにこの方向の感度を低下させることができ、しかも、磁界成分の変動が比較的大きい永久磁石のピンド方向の両端から離れて位置させているので、ピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動をさらに抑えることができる。
次に、本実施形態におけるばね部材２１についてより詳細に説明する。
図１８はばね部材における帯状板ばねの基本的な動作を説明する図である。
同図（Ａ）は外力が印加されていない場合であり、１８０は帯状板ばね、１８１はその一方の端に位置する曲げ中心又は支点、１８２は曲げ中心１８１から偏位した位置である、帯状板ばね１８０の他方の端部の一面に固着された錘部材をそれぞれ示している。以下の説明のために、帯状板ばね１８０の面と垂直な方向を曲げ方向、帯状板ばね１８０の縦方向を長さ方向と定義する。
同図（Ｂ）に示すように曲げ方向に外力が印加された場合及び同図（Ｃ）に示すように長さ方向に外力が印加された場合のいずれにも、帯状板ばね１８０は曲げ応力を発生させ、その端部及び錘部材１８２は曲げ方向に変位する。
図１９は図１８に示した帯状板ばねが曲げ中心から両側に２つ展開した構成の帯状板ばね、換言すれば、中央部に支点１９１を有し、両端部に錘部材１９２ａ及び１９２ｂが取り付けられた帯状板ばね１９０の動作を説明する図である。
同図（Ａ）は曲げ方向に外力Ｆｚが印加された場合であり、この場合に帯状板ばね１９０の両端部及び錘部材１９２ａ及び１９２ｂは共に同一の曲げ方向に変位する。一方、同図（Ｂ）は長さ方向に外力Ｆｘが印加された場合であり、この場合に帯状板ばね１９０の両端部及び錘部材１９２ａ及び１９２ｂは互いに反対の曲げ方向に変位する。ここで、同図（Ａ）の外力Ｆｚと同図（Ｂ）の外力Ｆｘとが、｜Ｆｚ｜＝｜Ｆｘ｜の場合には、錘部材１９２ａ及び１９２ｂの変位量は等しくなる。錘部材１９２ａ及び１９２ｂの変位量は、錘部材１９２ａ及び１９２ｂの変位角θに比例する。錘部材を磁界を発生する永久磁石とすれば、スピンバルブＧＭＲ素子は、この変位角θを検出して印加される外力を検出することができる。
図２０は本実施形態におけるばね部材の動作を説明するための図である。ただし、図２０では、磁界発生錘部材２２ｃ及び２２ｄの伸長方向が本実施形態と異なって表されているが、ばね部材としての動作は同じである。
同図（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向の外力Ｆｘが印加されると、主ばねである第１の帯状板ばね２１ａ及び副ばねである第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃが共に曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで主ばねの曲げ方向に変位する。この場合、磁界発生錘部材２２ａ及び２２ｃと磁界発生錘部材２２ｂ及び２２ｄとの変位方向は互いに逆方向である。同図（Ｂ）に示すように、Ｚ軸方向の外力Ｆｚが印加されると、主ばねである第１の帯状板ばね２１ａ及び副ばねである第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃが共に曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで主ばねの曲げ方向に変位する。ただし、この場合、磁界発生錘部材２２ａ及び２２ｃと磁界発生錘部材２２ｂ及び２２ｄとの変位方向は共に同じ方向である。さらに、同図（Ｃ）に示すように、Ｙ軸方向の外力Ｆｙが印加されると、主ばねである第１の帯状板ばね２１ａはその長さ方向の中心を軸として回転する捩れ応力を発生させ、副ばねである第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃは曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで主ばねの長さ方向の中心を軸とした回転方向に変位する。この場合、磁界発生錘部材２２ａ及び２２ｂと磁界発生錘部材２２ｃ及び２２ｄとの変位方向は互いに逆方向である。
Ｘ軸方向の外力Ｆｘが印加され、磁界発生錘部材２２ａ及び２２ｃ並びに磁界発生錘部材２２ｂ及び２２ｄが上述のごとく主ばねの曲げ方向に変位すると、スピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｂ並びに２４ｂ及び２４ａに印加される磁界の角度がこれに伴って同じ方向に変化し、第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２を加算した差動出力が得られ、これがＸ軸方向の加速度信号となる。この場合、第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２が互いに打ち消し合い、Ｚ軸方向の加速度信号は出力されない。また、この場合、磁界の角度がスピンバルブＧＭＲ素子２５ｄ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ａのフリー層の延在方向に沿って変化するため、第１のＹ軸方向加速度信号ＶＹ１及び第２のＹ軸方向加速度信号ＶＹ２は出力されず、従ってＹ軸方向の加速度信号は出力されない。
Ｚ軸方向の外力Ｆｚが印加され、磁界発生錘部材２２ａ及び２２ｃ並びに磁界発生錘部材２２ｂ及び２２ｄが上述のごとく主ばねの曲げ方向に変位すると、スピンバルブＧＭＲ素子２３ｃ及び２３ｄ並びに２４ｃ及び２４ｄに印加される磁界の角度がこれに伴って反対方向に変化し、第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２を加算した差動出力が得られ、これがＺ軸方向の加速度信号となる。この場合、第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２が互いに打ち消し合い、Ｘ軸方向の加速度信号は出力されない。また、この場合、磁界の角度がスピンバルブＧＭＲ素子２５ｄ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ａのフリー層の延在方向に沿って変化するため、第１のＹ軸方向加速度信号ＶＹ１及び第２のＹ軸方向加速度信号ＶＹ２は出力されず、従ってＹ軸方向の加速度信号は出力されない。
Ｙ軸方向の外力Ｆｙが印加され、磁界発生錘部材２２ａ及び２２ｃ並びに磁界発生錘部材２２ｂ及び２２ｄが上述のごとく主ばねの長さ方向の中心を軸とした回転方向に変位すると、スピンバルブＧＭＲ素子２５ｄ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ａに印加される磁界の角度がこれに伴って同じ方向に変化し、第１のＹ軸方向加速度信号ＶＹ１及び第２のＹ軸方向加速度信号ＶＹ２を加算した差動出力が得られ、これがＹ軸方向の加速度信号となる。また、この場合、磁界の角度がスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ〜２３ｄ及び２４ａ〜２４ｄのフリー層の延在方向に沿って変化するため、第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２並びに第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２は出力されず、従ってＸ軸方向及びＺ軸方向の加速度信号は出力されない。
以上説明したように、本実施形態によれば、各永久磁石２２ａ１、２２ａ２、２２ｂ１、２２ｂ２、２２ｃ１、２２ｃ２の長手方向が磁界検出センサチップ２３、２４、２５におけるスピンバルブＧＭＲ素子２３ａ及び２３ｃ、２３ｂ及び２３ｄ、２４ａ及び２４ｃ、２４ｂ及び２４ｄ、２５ａ及び２５ｃ、２５ｂ及び２５ｄのピンド方向と平行となるように配置されていので、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向磁界成分が、ピンド方向に沿って変動することが小さくなり、また、フリー方向磁界成分自体も小さくなる。その結果、ノイズ発生が少なく、直線性の良い高感度の加速度検出が可能となる。
さらに、本実施形態の図１２（Ｂ）の変更態様によれば、フリー方向に関するこれら１対の永久磁石の中央位置側にずれているので、フリー方向のバイアス磁界が印加される。このようなバイアス磁界が印加されることにより、外力が印加された際にもフリー方向での磁界成分が反転しないように構成することができるから、外部電界及び外部磁界の影響を受けにくくなる。
またさらに、本実施形態の図１２（Ｃ）の変更態様によれば、１対のスピンバルブＧＭＲ素子が永久磁石のピンド方向の中心位置にできるだけ接近して配置されていることにより、これらスピンバルブＧＭＲ素子は、磁界成分の変動が比較的大きい、永久磁石のピンド方向の両端から離れて位置することとなる。このため、永久磁石から印加される磁界のピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動がより小さくなる。
図１６（Ｂ）の変更態様によれば、折り返し回数を増やしピンド方向の長さがフリー方向の長さより長い形状を有するように構成しているので、スピンバルブＧＭＲ素子の存在する位置でフリー方向の磁界成分Ｈｘの反転が全く生じないこととなる。このように、本来のピンド方向磁界成分の検出感度を落とすことなくフリー方向の磁界成分の検出範囲を狭くしてＨｘの反転を拾わないようにこの方向の感度を低下させることができるから、外部電界及び外部磁界の影響をより受けにくくなる。
図１７（Ａ）及び（Ｂ）の変更態様によれば、１対のスピンバルブＧＭＲ素子が永久磁石のピンド方向の中心位置にできるだけ接近して配置されていることにより、これらスピンバルブＧＭＲ素子は、磁界成分の変動が比較的大きい、永久磁石のピンド方向の両端から離れて位置することとなる。このため、永久磁石から印加される磁界のピンド方向磁界成分のピンド方向に沿った変動がより小さくなる。
さらに、図１〜図１２（Ａ）に示す本実施形態によれば、中央に支点を有し両端部に磁界発生錘部材をそれぞれ固着した第１の帯状板ばね２１ａの曲げ動作を利用すると共に、第１の磁界検出センサチップ２３の一部出力ＶＸ１又はＶＺ１と第２の磁界検出センサチップ２４の一部出力ＶＸ２又はＶＺ２との差動出力を取り出すようにしているので、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の加速度成分を確実に分離して正確に検出することができる。また、第１の帯状板ばね２１ａの捩り動作を利用すると共に、第３の磁界検出センサチップ２５の磁界検出方向を工夫しているので、Ｙ軸方向の加速度成分を確実に分離して正確に検出することができる。
またさらに、本実施形態によれば、主ばねである第１の帯状板ばね２１ａ及び副ばねである第２の帯状板ばね２１ｂ及び２１ｃが共に曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで変位するように構成されているため、小型でかつ変位量が大きい、従って小型で感度の高いばね構造とすることができ、小型かつ高感度の加速度センサを提供することができる。
ばね部材の４つの端部の構造を同一形状とすることができるため、検出したい各方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の感度、感度指向性が揃った加速度センサを提供することができる。
また、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向における加速度の向き及び大きさを３つの磁界検出センサチップで検出できるので、磁界検出センサチップ数が低減でき構造を非常に簡単化でき、加速度センサ全体を小型化することができる。また、スピンバルブＧＭＲ素子は磁気検出感度が非常に高いので、高感度の加速度検出を行なうことが可能となる。
さらに、各磁界検出センサチップにおいて、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されるため、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子のピンド層の磁化固定方向が同一方向となりこれら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができる。その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
さらにまた、本実施形態によれば、対となる２つの永久磁石によって、広い範囲に分布した垂直方向の磁界による閉磁路が形成され、スピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路中に配置されるため、必要最小限の磁界しか閉磁路から外部へ漏れず、漏れ磁界が少なくなるから充分に大きな磁界が印加されることとなり、永久磁石が小型となった場合にも、加速度の検出感度が安定してかつ高くなり、しかも外部電界及び外部磁界の影響を受けにくくなる。
本実施形態によれば、さらに、ばね部材や磁界発生錘部材の部分に電極を設ける必要がないため、配線構造が簡単となる。また、圧電素子型加速度センサや静電容量型加速度センサに比して低インピーダンスであるため、外乱の影響も受けにくい。
図２１は本発明の加速度センサのさらに他の実施形態における全体構成を概略的に示す分解斜視図であり、図２２はハウジング部材の内部に設けられるばね部材、磁界発生錘部材及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す分解斜視図である。
これらの図に示すように、本実施形態における加速度センサは、Ｘ軸方向及びＺ軸方向又はＹ軸方向及びＺ軸方向の２軸加速度を検出するためのものである。ただし、以下の説明では、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の２軸加速度を検出するためのものであるとする。
この加速度センサは、ハウジング部材２１０内に、帯状板ばね２１１ａ、及び磁界発生錘部材を支持するための２つの錘支持部２１１ｂ及び２１１ｃを一体的に形成してなるばね部材２１１と、寸法、形状及び重量等の構成が同じである２組の磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂと、Ｘ軸Ｚ軸用の第１の磁界検出センサチップ２１３と、Ｘ軸Ｚ軸用の第２の磁界検出センサチップ２１４と、支点部材２１６とを収納するように構成されている。
ハウジング部材２１０は、基板自体が例えばポリイミド又はＢＴレジン等の樹脂材料による平板形状の基板に配線パターン（図示なし）を設けることで形成された配線基板２１０ａと、この配線基板２１０ａを覆って密封する磁性金属材料によって形成されたカバー部材２１０ｂとから構成されている。本実施形態では、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の２軸加速度を、配線基板２１０ａによる１平面上に搭載した２つの磁界検出センサチップ２１３及び２１４で検出することが可能となる。
ばね部材２１１は、例えばＮｉＦｅやＮｉ等による薄膜金属板か、ステンレス鋼等の薄板か、又はポリイミド等による薄い樹脂板を、本実施形態では、図２２に示すように形状加工することによって一体的に形成されている。
帯状板ばね２１１ａは、外部から印加される力に対して曲げ応力を発生させる。この帯状板ばね２１１ａの中央部は支点を構成しており、この中央部は一端がカバー部材２１０ｂに固着されている支点部材２１６の他端に固着されている。帯状板ばね２１１ａの両端は互いに同一形状の錘支持部２１１ｂ及び２１１ｃにそれぞれ一体的に連結されている。なお、錘支持部２１１ｂ及び２１１ｃは図では矩形であるが、円形であってもその他の形状であっても良い。
磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂは、ばね部材２１１の錘支持部２１１ｂ及び２１１ｃの一方の面上にそれぞれ接着剤で固着されている。磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂは、それぞれ、磁界発生用の１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２並びに２１２ｂ１及び２１２ｂ２から構成されている。
Ｘ軸Ｚ軸用の第１の磁界検出センサチップ２１３及び第２の磁界検出センサチップ２１４は、２組の磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂにそれぞれ対向して、配線基板２１０ａ上に接着剤で固着されている。従って、磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂは、加速度に応じて角度の変化する磁界を第１及び第２の磁界検出センサチップ２１３及び２１４にそれぞれ印加することとなる。
１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２は、Ｘ軸方向に互いに平行に伸長する直方体形状のフェライト材料で形成されており、Ｘ軸Ｚ軸用の第１の磁界検出センサチップ２１３に対向している。これら１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２は、第１の磁界検出センサチップ２１３に対向する面が互いに逆極性となるように配置されており、両者で閉磁路を構成している。後述するように、第１の磁界検出センサチップ２１３のスピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路内にその積層面とほぼ垂直な方向に磁界が印加されるように配置される。特に、これら１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２は、各々の長手方向が第１の磁界検出センサチップ２１３のスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｃ並びに２１３ｂ及び２１３ｄ（図２３及び図２４参照）のピンド方向と平行に配置されている。これにより、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分について、ピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の加速度検出が可能となる。
１対の永久磁石２１２ｂ１及び２１２ｂ２は、Ｘ軸方向に互いに平行に伸長する直方体形状のフェライト材料で形成されており、Ｘ軸Ｚ軸用の第２の磁界検出センサチップ２１４に対向している。これら１対の永久磁石２１２ｂ１及び２１２ｂ２は、第２の磁界検出センサチップ２１４に対向する面が互いに逆極性となるように配置されており、両者で閉磁路を構成している。後述するように、第２の磁界検出センサチップ２１４のスピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路内にその積層面とほぼ垂直な方向に磁界が印加されるように配置される。特に、これら１対の永久磁石２１２ｂ１及び２１２ｂ２は、各々の長手方向が第２の磁界検出センサチップ２１４のスピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ及び２１４ｃ並びに２１４ｂ及び２１４ｄ（図２３及び図２４参照）のピンド方向と平行に配置されている。これにより、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向成分について、ピンド方向に沿った変動が小さくなるから、高感度の加速度検出が可能となる。
図２３は本実施形態の加速度センサにおける配線基板上の結線及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す図であり、図２４は本実施形態の加速度センサにおける配線基板及び磁界検出センサチップの電気的構成を概略的に示す回路図であり、図２５は本実施形態の加速度センサにおける等価回路図である。
これらの図に示すように、Ｘ軸Ｚ軸方向の加速度を検出するための第１の磁界検出センサチップ２１３には、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿った直線部分を有する４つ（２対）のスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ及び２１３ｄが互いに平行に形成されている。スピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂは対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＸ１に接続されている。スピンバルブＧＭＲ素子２１３ｃ及び２１３ｄも対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＺ１に接続されている。
スピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ及び２１３ｄの各々は、基本的には、反強磁性材料によるピン層及び強磁性材料によるピンド層からなる磁化固定層と、非磁性中間層と、強磁性材料による磁化自由層（フリー層）とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向と垂直な同一方向に磁化固定されている。即ち、これらスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ及び２１３ｄのピンド層は、全てＸ軸方向の同一向きに磁化固定されている。
互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂのピンド層が同一方向に磁化固定されるのは、対となるスピンバルブＧＭＲ素子の各々に印加される磁界が互いにほぼ逆方向であるためである。即ち、図２４に、より分かり易くは図１１に示すように、１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２によって閉磁路が構成されており、対となるスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂが、閉磁路の逆方向磁界が流れる磁路内に配置されているから磁界が互いにほぼ逆方向となるのである。互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２１３ｃ及び２１３ｄについても同様である。この場合、閉磁路を構成する磁気回路の中心が、対となるスピンバルブＧＭＲ素子間の中心線上に位置していることとなる。
このように、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されることにより、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂ並びに２１３ｃ及び２１３ｄのピンド層の磁化固定方向が同一方向となるので、これら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができ、その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
Ｘ軸Ｚ軸方向の加速度を検出するための第２の磁界検出センサチップ２１４にも、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿った直線部分を有する４つ（２対）のスピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ及び２１４ｄが互いに平行に形成されている。スピンバルブＧＭＲ素子２１４ｂ及び２１４ａは対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＸ２接続されている。スピンバルブＧＭＲ素子２１４ｃ及び２１４ｄも対となっており、互いに直列接続されている。その直列接続の両端が電源端子電極ＴＶＣＣ及びＴＶＤＤにそれぞれ接続されており、中点が信号出力端子ＴＺ２接続されている。
スピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ及び２１４ｄの各々は、基本的には、反強磁性材料によるピン層及び強磁性材料によるピンド層からなる磁化固定層と、非磁性中間層と、強磁性材料による磁化自由層（フリー層）とを積層した多層構造を有しており、ピンド層がフリー層の延在方向と垂直な同一方向に磁化固定されている。即ち、これらスピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ及び２１４ｄのピンド層は、全てＸ軸方向の同一向きに磁化固定されている。
互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ及び２１４ｂのピンド層が同一方向に磁化固定されるのは、対となるスピンバルブＧＭＲ素子の各々に印加される磁界が互いにほぼ逆方向であるためである。即ち、図２４に、より分かり易くは図１１に示すように、１対の永久磁石２１２ｂ１及び２１２ｂ２によって閉磁路が構成されており、対となるスピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ及び２１４ｂが、閉磁路の逆方向磁界が流れる磁路内に配置されているから磁界が互いにほぼ逆方向となるのである。互いに直列接続された対となるスピンバルブＧＭＲ素子２１４ｃ及び２１４ｄについても同様である。この場合、閉磁路を構成する磁気回路の中心が、対となるスピンバルブＧＭＲ素子間の中心線上に位置していることとなる。
このように、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されることにより、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子２１４ａ及び２１４ｂ並びに２１４ｃ及び２１４ｄのピンド層の磁化固定方向が同一方向となるので、これら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができ、その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
第１の磁界検出センサチップ２１３のスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＸ１から第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１が取り出される。また、第２の磁界検出センサチップ２１４のスピンバルブＧＭＲ素子２１４ｂ及び２１４ａ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＸ２から第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２が取り出される。従って、これらスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂ並びに２１４ｂ及び２１４ａは、図２５（Ａ）に示すようにフルブリッジ接続されていることとなり、信号出力端子ＴＸ１及び信号出力端子ＴＸ２からの信号ＶＸ１及びＶＸ２が差動増幅されてＸ軸方向の加速度信号となる。このＸ軸方向の加速度信号は、印加される加速度の方向によって、磁界発生錘部材２１２ａ（従って永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２）と磁界発生錘部材２１２ｂ（従って永久磁石２１２ｂ１及び２１２ｂ２）とがＺ軸の互いに反対方向に変位した際にのみ出力され、共に同じ方向に変位した際には第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２が互いに打ち消し合って出力されない。
第１の磁界検出センサチップ２１３のスピンバルブＧＭＲ素子２１３ｃ及び２１３ｄ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＺ１から第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１が取り出される。また、第２の磁界検出センサチップ２１４のスピンバルブＧＭＲ素子２１４ｃ及び２１４ｄ間には電源電圧Ｖｃｃ−Ｖｄｄが印加され、その中点に接続された信号出力端子ＴＺ２から第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２が取り出される。従って、これらスピンバルブＧＭＲ素子２１３ｃ及び２１３ｄ並びに２１４ｃ及び２１４ｄは、図２５（Ｂ）に示すようにフルブリッジ接続されていることとなり、信号出力端子ＴＺ１及び信号出力端子ＴＺ２からの信号ＶＺ１及びＶＺ２が差動増幅されてＺ軸方向の加速度信号となる。このＺ軸方向の加速度信号は、印加される加速度によって、磁界発生錘部材２１２ａ（従って永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２）と磁界発生錘部材２１２ｂ（従って永久磁石２１２ｂ１及び２１２ｂ２）とがＺ軸の共に同じ方向に変位した際にのみ出力され、互いに反対方向に変位した際には第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２が互いに打ち消し合って出力されない。
本実施形態においても、１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２又は２１２ｂ１及び２１２ｂ２の各々の長手方向が磁界検出センサチップ２１３又は２１４におけるスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｃ並びに２１３ｂ及び２１３ｄ又は２１４ａ及び２１４ｃ並びに２１４ｂ及び２１４ｄのピンド方向と平行となるように配置されている。これにより、１対の永久磁石２１２ａ１及び２１２ａ２又は２１２ｂ１及び２１２ｂ２から印加される磁界のピンド方向磁界成分が、ピンド方向に沿って変動することが小さくなり、また、フリー方向磁界成分自体も小さくなる。その結果、ノイズ発生が少なく、直線性の良い高感度の加速度検出が可能となる。
次に、本実施形態におけるばね部材２１１についてより詳細に説明する。
図２６は本実施形態におけるばね部材の動作を説明するための図である。
同図（Ａ）は外力が印加されていない場合であり、変位は発生しない。一方、同図（Ｂ）に示すようにＸ軸方向に外力Ｆｘが印加されると、帯状板ばね２１１ａは曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで曲げ方向に変位する。この場合、帯状板ばね２１１ａの両端部及び磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂの変位方向は互いに逆方向である。また、同図（Ｃ）に示すようにＺ軸方向に外力Ｆｚが印加されると、帯状板ばね２１１ａは曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで曲げ方向に変位する。この場合、帯状板ばね２１１ａの両端部及び磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂの変位方向は共に同じ方向である。磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂの変位量は、それらの変位角に比例する。磁界発生錘部材の角度がこのように変化すると、スピンバルブＧＭＲ素子は、その変位角を検出して印加される外力を検出することができる。外力Ｆｘが印加された際の磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂの変位角をそれぞれθＸ１及びθＸ２とすると、Ｆｘ＝θＸ１−θＸ２で与えられる。また、外力Ｆｚが印加された際の磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂの変位角をそれぞれθＺ１及びθＺ２とすると、Ｆｚ＝θＺ１＋θＺ２で与えられる。
Ｘ軸方向の外力Ｆｘが印加され、磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂが上述のごとく曲げ方向に変位すると、スピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｂ並びに２１４ｂ及び２１４ａに印加される磁界の角度がこれに伴って同じ方向に変化し、第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２を加算した差動出力が得られ、これがＸ軸方向の加速度信号となる。この場合、第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２が互いに打ち消し合い、Ｚ軸方向の加速度信号は出力されない。
Ｚ軸方向の外力Ｆｚが印加され、磁界発生錘部材２１２ａ及び２１２ｂが上述のごとく曲げ方向に変位すると、スピンバルブＧＭＲ素子２１３ｃ及び２１３ｄ並びに２１４ｃ及び２１４ｄに印加される磁界の角度がこれに伴って反対方向に変化し、第１のＺ軸方向加速度信号ＶＺ１及び第２のＺ軸方向加速度信号ＶＺ２を加算した差動出力が得られ、これがＺ軸方向の加速度信号となる。この場合、第１のＸ軸方向加速度信号ＶＸ１及び第２のＸ軸方向加速度信号ＶＸ２が互いに打ち消し合い、Ｘ軸方向の加速度信号は出力されない。
本実施形態においても、図１２（Ｂ）の変更態様、図１２（Ｃ）の変更態様、図１６（Ｂ）の変更態様、図１７（Ａ）の変更態様、及び図１７（Ｂ）の変更態様を適用可能であることは、明らかである。
以上説明したように、本実施形態によれば、各永久磁石２１２ａ１、２１２ａ２、２１２ｂ１、１２２ｂ２の長手方向が磁界検出センサチップ２１３、２１４におけるスピンバルブＧＭＲ素子２１３ａ及び２１３ｃ、２１３ｂ及び２１３ｄ、２１４ａ及び２１４ｃ、２１４ｂ及び２１４ｄのピンド方向と平行となるように配置されていので、各永久磁石から印加される磁界のピンド方向磁界成分が、ピンド方向に沿って変動することが小さくなり、また、フリー方向磁界成分自体も小さくなる。その結果、ノイズ発生が少なく、直線性の良い高感度の加速度検出が可能となる。
さらに、本実施形態によれば、中央に支点を有し両端部に磁界発生錘部材をそれぞれ固着した帯状板ばね２１１ａの曲げ動作を利用すると共に、第１の磁界検出センサチップ２１３の一部出力ＶＸ１又はＶＺ１と第２の磁界検出センサチップ２１４の一部出力ＶＸ２又はＶＺ２との差動出力を取り出すようにしているので、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の加速度成分を確実に分離して正確に検出することができる。
さらにまた、本実施形態によれば、帯状板ばね２１１ａが曲げ応力を発生させ、平衡が保たれる位置まで変位するように構成されているため、小型でかつ変位量が大きい、従って小型で感度の高いばね構造とすることができ、小型かつ高感度の加速度センサを提供することができる。
ばね部材の２つの端部の構造を同一形状とすることができるため、検出したい各方向（Ｘ軸方向及びＺ軸方向、又はＹ軸方向及びＺ軸方向）の感度、感度指向性が揃った加速度センサを提供することができる。
また、２軸方向の加速度の向き及び大きさを２つの磁界検出センサチップで検出できるので、磁界検出センサチップ数が低減でき構造を非常に簡単化でき、加速度センサ全体を小型化することができる。また、スピンバルブＧＭＲ素子は磁気検出感度が非常に高いので、高感度の加速度検出を行なうことが可能となる。
さらにまた、各磁界検出センサチップにおいて、互いにほぼ逆方向の磁界が印加されるため、対をなすスピンバルブＧＭＲ素子のピンド層の磁化固定方向が同一方向となりこれら対をなす４つのスピンバルブＧＭＲ素子を１つのチップ内に形成することができる。その結果、加速度センサ全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
さらに、本実施形態によれば、対となる２つの永久磁石によって、広い範囲に分布した垂直方向の磁界による閉磁路が形成され、スピンバルブＧＭＲ素子がこの閉磁路中に配置されるため、必要最小限の磁界しか閉磁路から外部へ漏れず、漏れ磁界が少なくなるから充分に大きな磁界が印加されることとなり、永久磁石が小型となった場合にも、加速度の検出感度が安定してかつ高くなり、しかも外部電界及び外部磁界の影響を受けにくくなる。
本実施形態によれば、さらに、ばね部材や磁界発生錘部材の部分に電極を設ける必要がないため、配線構造が簡単となる。また、圧電素子型加速度センサや静電容量型加速度センサに比して低インピーダンスであるため、外乱の影響も受けにくい。
なお、上述の実施形態では、閉磁路を形成するために磁界検出センサチップに対向する面が互いに逆極性となるように配置された２つの永久磁石を用いているが、１つの永久磁石と例えば軟磁性体からなるヨークとを組み合わせても閉磁路を形成することは可能である。
また、以上述べた実施形態では、スピンバルブＧＭＲ素子をフルブリッジ接続しているが、一部のスピンバルブＧＭＲ素子を単純な抵抗又は定電流源等に置換してなるハーフブリッジ接続した加速度センサとしても良い。
上述した実施形態では、磁界検出センサとしてスピンバルブＧＭＲ素子を用いているが、その代わりにＴＭＲ素子を用いても良いことは明らかである。
なお、本発明の加速度センサが、上述した実施形態のごとく磁気ディスクドライブ装置のみに適用されるものではなく、加速度を検出するいかなる用途にも適用可能であることはいうまでもない。
以上述べた実施形態及び変更態様は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
本発明の加速度センサを組み込んだ磁気ディスクドライブ装置の一例の全体構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の加速度センサの一実施形態における全体構成を概略的に示す分解斜視図である。 図２に示した加速度センサにおけるハウジング部材の内部に設けられるばね部材、磁界発生錘部材及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す分解斜視図である。 図２に示した加速度センサにおける配線基板上の結線及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す図である。 図２に示した加速度センサにおける配線基板及び磁界検出センサチップの電気的構成を概略的に示す回路図である。 図２に示した加速度センサにおける等価回路図である。 スピンバルブＧＭＲ素子の積層面への印加磁界角度に対するＭＲ抵抗変化特性を表す図である。 印加磁界角度θを説明する図である。 図２の実施形態において永久磁石が僅かに傾いた際のピンド方向及びフリー方向の磁界成分を説明する図である。 ピンド方向及びフリー方向の磁界成分に対するスピンバルブＧＭＲ素子の抵抗変化特性を表す特性図である。 図２の実施形態における永久磁石とスピンバルブＧＭＲ素子との位置関係を説明する斜視図である。 図２の実施形態及びその変更態様における永久磁石とスピンバルブＧＭＲ素子との位置関係を説明する断面図である。 １対の永久磁石からスピンバルブＧＭＲ素子に印加されるフリー方向磁界成分Ｈｘの分布をシミュレートした結果を３次元で表す特性図である。 １対の永久磁石からスピンバルブＧＭＲ素子に印加される垂直方向磁界成分Ｈｚの分布をシミュレートした結果を３次元で表す特性図である。 １対の永久磁石からスピンバルブＧＭＲ素子に印加されるピンド方向磁界成分Ｈｙの分布をシミュレートした結果を３次元で表す特性図である。 図２の実施形態及びこの実施形態のさらに他の変更態様におけるスピンバルブＧＭＲ素子の構造を示す平面図である。 図２の実施形態のまたさらに他の２つの変更態様におけるスピンバルブＧＭＲ素子の構造を示す平面図である。 ばね部材における帯状板ばねの基本的な動作を説明する図である。 中央部に支点を有し、両端部に錘部材が取り付けられた帯状板ばねの動作を説明する図である。 図２の実施形態におけるばね部材の動作を説明するための図である。 本発明の加速度センサのさらに他の実施形態における全体構成を模式的に示す分解斜視図である。 図２１に示した加速度センサにおけるハウジング部材の内部に設けられるばね部材、磁界発生錘部材及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す分解斜視図である。 図２１に示した加速度センサにおける配線基板上の結線及び磁界検出センサチップの構成を概略的に示す図である。 図２１に示した加速度センサにおける配線基板及び磁界検出センサチップの電気的構成を概略的に示す回路図である。 図２１に示した加速度センサにおける等価回路図である。 図２１の実施形態におけるばね部材の動作を説明するための図である。
符号の説明
１０ 磁気ディスク
１０ａ 退避ゾーン
１１ ＨＧＡ
１２ ＦＰＣ
１３ 支持アーム
１３ａ 爪
１４ ＶＣＭ
１５ 回動軸
１６ 退避ランプ
１７ 加速度センサ
１８ 回路基板
２０、２１０ ハウジング部材
２０ａ、２１０ａ 配線基板
２０ｂ、２１０ｂ カバー部材
２１、２１１ ばね部材
２１ａ 第１の帯状板ばね
２１ｂ、２１ｃ 第２の帯状板ばね
２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１１ｂ、２１１ｃ 錘支持部
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｃ′、２２ｄ、２２ｄ′、２１２ａ、２１２ｂ 磁界発生錘部材
２２ａ１、２２ａ２、２２ｂ１、２２ｂ２、２２ｃ１、２２ｃ２、２２ｄ１、２２ｄ２、９２、９２′、１１２１、１１２２、１２２１、１２２１′、１２２２、１２２２′、１２２２″、２１２ａ１、２１２ａ２、２１２ｂ１、２１２ｂ２ 永久磁石
２３、２４、２５、９３、１１３、１２３、１２３′、１２３″、２１３、２１４ 磁界検出センサチップ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、９３ａ、１１３ａ、１１３ｃ、１１３ｂ、１１３ｄ、１２３ａ、１２３ａ′、１２３ｂ、１２３ｂ′、１２３ｂ″、１２３ｄ″、１７３ａ、１７３ａ′、１７３ｃ、１７３ｃ′、２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ、２１３ｄ、２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄ スピンバルブＧＭＲ素子
２６、２１６ 支点部材
１７０、１７０′ 中心位置
１８０、１９０、２１１ａ 帯状板ばね
１８１、１９１ 支点
１８２、１９２ａ、１９２ｂ 錘部材

Claims (12)

  1. 各々の磁界検出センサに対向する面が長手方向及び短手方向を有していると共に該磁界検出センサに対向する面が互いに逆極性となるように並列配置された１対の永久磁石と、該１対の永久磁石を支持しており、外力が印加された際に該１対の永久磁石を変位させるばね部材と、前記１対の永久磁石に対向して固定位置に設けられた磁界検出センサとを備えており、前記磁界検出センサは磁化固定層及び磁化自由層を含みかつ該磁化固定層が変位検出方向と平行な方向に磁化固定された少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子を備えており、前記１対の永久磁石は各々の長手方向が前記磁化固定層の磁化固定方向と平行となるように配置されており、前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子は、前記１対の永久磁石から印加される磁界の前記磁化自由層の磁化方向の磁界成分が反転しない位置で、該１対の永久磁石にそれぞれ対向して配置されていることを特徴とする加速度センサ。
  2. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子の各々の中心位置と、前記１対の永久磁石の各々の中心位置とが、前記磁化自由層の磁化方向に関して同一の位置にあることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  3. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子の各々の中心位置と、前記１対の永久磁石の各々の中心位置とが、前記磁化自由層の磁化方向に関して互いに異なる位置であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  4. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子の各々の中心位置が、前記１対の永久磁石の各々の中心位置より前記磁化自由層の磁化方向に関して該１対の永久磁石の中央側にずれていることを特徴とする請求項３に記載の加速度センサ。
  5. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子の各々の前記磁化固定方向の長さが前記磁化自由層の磁化方向の長さより長いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の加速度センサ。
  6. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子が、前記１対の永久磁石の前記磁化固定方向の中心位置に近づいて配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の加速度センサ。
  7. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子の各々が、前記磁化固定方向と垂直方向に延在する直線部分を有する複数の多層構造磁気抵抗効果層を互いに直列接続して構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の加速度センサ。
  8. 前記ばね部材が、支点を有すると共に該支点から偏位した位置に前記１対の永久磁石が取り付けられるように構成されており、外部から印加される力に対して曲げ応力を発生させて前記１対の永久磁石を変位させる少なくとも１つの帯状板ばねを備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の加速度センサ。
  9. 前記少なくとも１つの帯状板ばねが２つの帯状板ばねからなり、各該帯状板ばねが、一方の端部に前記支点を有すると共に他方の端部に前記１対の永久磁石が取り付けられるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
  10. 前記少なくとも１つの帯状板ばねが、中央部に前記支点を有すると共に両方の端部に前記１対の永久磁石がそれぞれ取り付けられるように構成されている１つの帯状板ばねからなることを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
  11. 前記少なくとも１対の多層構造磁気抵抗効果素子の各々が、巨大磁気抵抗効果素子又はトンネル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１０のいずれか１項に記載の加速度センサ。
  12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の加速度センサを備えたことを特徴とする磁気ディスクドライブ装置。
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