JP4817747B2 - 加速度センサ及びこれを装備したハードディスクドライブ並びに加速度計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサにかかり、特に、磁界の向きの変化に基づいて加速度を計測する加速度センサに関する。また、これを装備したハードディスクドライブ、さらには、加速度計測方法に関する。

従来より、所定の物体の動作を検出するために、かかる物体の加速度を検出する加速度センサの利用が検討されている。例えば、産業ロボットの操作部分、自動車のエアバック装置、さらには、携帯型パソコンに搭載されるハードディスクドライブなど、種々の用途が考えられる。特に、ハードディスクドライブについては、無理な移動や落下を瞬時に検出して磁気ヘッドの退避を行うなど、データの損傷を抑制するために利用される。

そして、従来例における加速度センサの構成としては、例えば特許文献１に開示されているように、加速によって構造体に生じるひずみを検出する手法が多く採られている。具体的には、十字状のばね性を有する支持部材の中心（交点）におもりを装備し、かつ、支持部材の各梁の部分に歪検出素子を固定装備する。そして、この歪検出素子からの検出値に基づいて各梁の変形を検出し、各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向の加速度を検出する。例えば、歪検出素子として半導体ピエゾ素子を利用してその抵抗値をブリッジ回路を組んで検出したり、あるいは、特許文献１に示すように圧電振動子を利用して歪による発信周期を検出することにより、加速度を検出する手法がある。

特許第２７３２２８７号公報

しかしながら、上記従来例における方法では、十字状の支持部材（ばね）自体やその近辺に、歪を検出するための信号を取り出す際に用いる電極を設ける必要があり、配線によって構造が複雑化しうる。また、支持部材に歪検出素子を装着するため、その小型化を図ることができない。さらには、支持部材のばね部分に歪検出素子を装着あるいは内蔵させるため、ばねの変位を妨げ、精度よく加速度を検出することが困難になる、という問題が生じていた。

このため、本発明では、上記従来例の有する不都合を改善し、特に、高精度に加速度を検出できると共に、簡易な構成にて、小型化かつ低コスト化を図ることができる加速度センサを提供することをその目的とする。

そこで、本発明の一形態である加速度センサは、
同一直線上又はほぼ平行に、固定端と自由端との位置が相互に反対向きに配置され、各自由端が同一方向に沿って撓むよう自由度を有する一対の片持ち梁と、
各自由端にそれぞれ装備され磁界を発生する一対の磁界発生手段と、
各磁界発生手段に対向してそれぞれ配置され当該各磁界発生手段による磁界の向きを検出する一対の磁界検出手段と、
を備えたことを特徴としている。

このとき、磁界検出手段を、片持ち梁の長手方向の加速度計測用と、片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に沿った当該片持ち梁の長手方向に直交する方向の加速度計測用と、それぞれ一対ずつ設けた、ことを特徴としている。さらに、磁界発生手段による磁界の向きを、片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に沿った当該片持ち梁の長手方向に直交する方向に設定した、ことを特徴としている。そして、例えば、上記加速度センサを、ハードディスクドライブに備える。このとき、加速度センサを構成する一対の片持ち梁の長手方向を、ハードディスクドライブの使用状態における水平面に沿って配置すると望ましい。

上記発明によると、まず、所定の方向に加速が生じると、各自由端にモーメントによって回転力が生じ、各片持ち梁はそれぞれ撓む。そして、各自由端に装備された磁界発生手段が傾き、これによる磁界の向きも変化する。このとき、各自由端は、所定の２軸方向においてそれぞれ異なるよう撓む。ここで、加速度センサが装備された装置において、当該装置の使用状態で、水平面をＸ軸とＹ軸にて構成されるＸ−Ｙ平面とし、その垂直方向をＺ軸方向とすると、Ｚ軸方向に撓むようＸ軸（又はＹ軸）に沿って一対の片持ち梁を設けた場合には、Ｘ軸方向（又はＹ軸方向）への加速に対しては一対の片持ち梁がそれぞれ反対方向に撓み、一方、Ｚ軸方向の加速に対しては、同一方向に撓む。そして、このような一対の片持ち梁の撓みの状態を、磁界発生手段からの磁界の向きの変化として各磁界検出手段にて検出することで、少なくとも２軸方向の加速度を検出することができる。従って、簡易な構造であるため、小型かつ低コストにて加速度センサを構成することができる。特に、２軸方向、つまり、片持ち梁の長手方向（Ｘ軸あるいはＹ軸）と、片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に沿った当該片持ち梁の長手方向に対する直交方向（Ｚ軸方向）それぞれの加速度を検出する磁界検出手段を設けることで、より容易かつ高精度に加速度を検出することができる。

また、上記構成に加えて、
一対の片持ち梁は、当該梁の捩れ方向に自由度を有すると共に、
片持ち梁が捩れることによって変化する磁界の向きを検出する他の磁界検出手段を、少なくとも一方の磁界発生手段に対向して設けた、
ことを特徴としている。

また、一対の片持ち梁は、当該片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に直交する平面を有する板状の梁である、ことを特徴としている。

これにより、上述した２軸（例えば、Ｘ軸とＺ軸）以外の他の１軸（例えば、Ｙ軸）方向に加速されると、片持ち梁が捩れ、これによる磁界発生手段による磁界の向きも変化する。そして、他の磁界検出手段にてかかる磁界の向きの変化を検出することで、当該他の１軸（例えば、Ｙ軸）方向の加速度も検出することができる。特に、梁を板状に形成することで、各軸方向に沿った加速度に対して、上述したように容易に撓みと捩れを生じさせることができる。従って、簡易な構成にて３軸方向の加速度を検出できる加速度センサを形成することができ、小型化、低コスト化を図ることができる。

また、各自由端において、各磁界発生手段をそれぞれ複数に分割して設けた、ことを特徴としている。これにより、磁界発生手段に対向して配置する磁界検出手段を密集させて配置する必要が無く、また、磁界発生手段が大きくなることによる重量やコストの増加を抑制することができる。

また、一対の片持ち梁をほぼ同一直線状に配置すると共に、それぞれの自由端を相互に反対側に位置するよう配置した、ことを特徴としている。このとき、一対の片持ち梁の各固定端を同一の支持部材に固定すると望ましい。

これにより、一対の磁界発生手段の距離をあけて配置することができ、磁気検出手段による磁界の向きの検出時に、他方の磁気発生手段による影響を抑制することができる。これにより、計測精度の向上を図ることができる。このとき、対峙する固定端側を同一の支持部材にて固定することで、支持部材が占めるスペースの小スペース化を図ることができ、センサの軽量化、小型化を図ることができる。

また、磁界検出手段は、磁界が入力されることにより当該磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子である、ことを特徴としている。そして、いずれの方向にも加速していない場合において、磁気抵抗効果素子を前記磁界の向きに対してほぼ垂直に配置した、ことを特徴としている。これにより、磁界の向きの変化をＧＭＲ素子などを用いて抵抗値として容易に検出することができると共に、かかる検出精度の向上を図ることができ、結果として加速度の計測精度の向上を図ることができる。

さらに、一対の磁気抵抗効果素子を用いて構成したブリッジ回路を備えると共に、このブリッジ回路から出力される差動電圧を検出する差動電圧検出手段を備えた、ことを特徴としている。これにより、微小な抵抗値の変化もブリッジ回路による差動電圧を調べることで検出することができるため、さらに容易かつ高精度に、加速度を計測することができる。

また、本発明の他の形態である加速度計測方法は、
同一直線上又はほぼ平行に、固定端と自由端との位置が相互に反対向きに配置され、各自由端が同一方向に沿って撓むよう自由度を有する一対の片持ち梁にて、
各自由端に装備された各磁界発生手段から発生される磁界の向きを検出し、その変化に基づいて少なくとも２軸方向の加速度を計測する、ことを特徴としている。

このとき、各磁界発生手段から検出したそれぞれの磁界の向きの変化の組み合わせに基づいて加速度を計測する、ことを特徴としている。特に、各磁界発生手段から検出したそれぞれの磁界の向きが、同一方向であるか、あるいは、逆方向であるか、という組み合わせに基づいて加速度を計測する、ことを特徴としている。

また、一対の片持ち梁が捩れることによる磁界の向きの変化に基づいて、他の軸方向の加速度を計測する、ことを特徴としている。

さらに、磁界の向きを、磁界が入力されることにより変化する磁気抵抗効果素子を用いて抵抗値として検出する、ことを特徴としている。

かかる加速度計測方法であっても、上述した加速度センサと同様の作用、効果を有する上記本発明の目的を達成することができる。

本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、一対の片持ち梁を用いて、自由端に設けた磁界発生手段による磁界の向きを検出することで、簡易な構成にて複数方向の加速度を計測することができるため、小型かつ低コストの加速度センサを構成することができる、という従来にない優れた効果を有する。

本発明は、所定の方向への加速に応じて変化する一対の片持ち梁の自由端の位置を、当該各自由端に装着した磁界発生手段による磁界の向きを検出することにより、加速度を計測することに特徴を有する。以下、具体的な構成を実施例にて説明する。

本発明の第１の実施例を、図１乃至図１０を参照して説明する。図１乃至図２は、加速度センサの構成を示す図である。図２乃至図８は、加速度計測の原理及び方法を説明する図である。図９は加速度センサの構成を示す概略図である。図１０は加速度センサの構成の変形例を示す図である。

［構成］
まず、本実施例における加速度センサの構成を、図１乃至図２を参照して説明する。本実施例における加速度センサは、図２（ａ）に示すように、ほぼ３つの構造体（Ａ，Ｂ，Ｃ）にて構成されている。まず、図１を参照して、加速度センサの上部に配置される第一構造体Ａについて説明する。図１（ａ）はその上面図を、図１（ｂ）は下方からの斜視図を示す。

図１に示すように、第一構造体Ａは、所定の厚みを有する略長方形の枠体３を有しており、各短辺の中央には、それぞれ中心に向かって延びる一対の片持ち梁１（各片持ち梁１１，１２）の固定端１１ｂ，１２ｂが一体的に装備されている。そして、この一対の片持ち梁１は、各梁１１，１２が同一直線上に位置するよう形成され、各自由端１１ａ，１２ａが対峙するよう配置されている。つまり、２本の梁１１，１２は、固定端と自由端との位置が相互に反対向きに配置されている。

そして、各梁１１，１２は、枠体３にて形成される平面にほぼ平行な略板状に形成されており、当該平面に対して垂直方向に撓むよう自由度を有している。具体的には、各梁１１，１２の枠体３との連結点を支点として、自由端１１ａ，１２ａが、枠体３にて形成される平面と垂直な平面上にて円弧軌跡（撓み軌跡）を描くよう撓む。また、各梁１１，１２は、捩れ方向にも自由度を有する。なお、各梁１１，１２の長さは、ほぼ同じ長さに形成されており、枠体３の長辺の半分の長さよりも短く形成されている。これにより、枠体３のほぼ中心にて、自由端１１ａ，１２ａが対峙するようになっている。

また、各梁１１，１２の対峙する自由端１１ａ，１２ａには、それぞれ磁石２１，２２（磁界発生手段）が装着されていて、一対の磁石２を構成している。各磁石２１，２２は、梁１１，１２の長手方向に対してほぼ垂直に長手方向を有する略直方体形状にて形成されている。そして、図１（ｂ）に示すように、自由端１１ａ，１２ａの下面側に装着されており、下側にＮ極、上側にＳ極が位置するよう装着されている（後述する図４（ａ）を参照）。具体的に、加速度がかかっていない状態においては、磁石２１，２２による磁界の向きは、板状である片持ち梁１１，１２の板面に対してほぼ垂直方向、つまり、片持ち梁１１，１２が撓んだときの軌跡が形成される面に沿って当該片持ち梁１１，１２の長手方向と直交する方向に向いている。なお、磁石２１，２２は、永久磁石である。

ここで、上記第一構造体Ａは、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、枠体３にて形成される平面が、装着される装置（例えば、ハードディスクドライブ）のＸ−Ｙ平面と並行になるよう配置される。そして、枠体３の長辺がＸ軸に、短辺がＹ軸に沿った向きにて配置される。従って、各片持ち梁１１，１２は、Ｘ軸に沿って配置されることとなり、また、Ｚ軸方向に自由度を有して撓むこととなる。そして、上述した磁石２１，２２の磁界の向きは、設置される装置（例えば、ハードディスクドライブ）の使用状態における水平方向に直交するＺ軸方向に向くよう設定されている。

次に、図２を参照して、上記第一構造体の下方に装備される第二構造体Ｂと第三構造体Ｃについて説明する。図２（ａ）は加速度センサの全体構成を示す分解図であり、図２（ｂ）は加速度センサの全体構成を簡略化した側方断面図を示す。

まず、第三構造体Ｃは、上記枠体３とほぼ同一形状である略長方形状の板材である基台５を備えている。また、第二構造体Ｂは、第三構造体Ｃの周囲を囲うよう所定の高さを有する側面体６から成る。この側面体６が、第三構造体Ｃと第一構造体Ａとの間に配置されることで、これら構造体Ａ，Ｃの間には空間が形成される。つまり、第一構造体Ａの一対の片持ち梁１がＺ軸方向に撓むことが許容される空間が形成されることとなる。

ここで、第三構造体Ｃについて詳述する。基台５には、枠体３に装備された上記一対の磁石２に対応してそれぞれ磁界の向きを検出する一対の磁界検出チップ（磁界検出手段）４が配置されている。つまり、各梁１１，１２の自由端１１ａ，１２ａにそれぞれ装着された各磁石２１，２２に対応して、それぞれ磁界検出チップ４１，４２が装備されている。その配置は、加速度センサを組み付けると、図２（ｂ）に示すように、各磁石２１，２２の真下に位置することとなる。

上記磁界検出チップ４１，４２は、具体的には、各磁石２１，２２毎にそれぞれ３つずつ備えられている。つまり、図２（ａ）に示すように、一方の磁石２１に対応する磁界検出チップ４１として、Ｘ軸方向の加速度を検出するため磁界検出チップ４１ｘと、Ｙ軸方向の加速度を検出するため磁界検出チップ４１ｙと、Ｚ軸方向の加速度を検出するため磁界検出チップ４１ｚと、が配置されている。また、同様に、他方の磁石２２に対応する磁界検出チップ４２として、Ｘ軸方向の加速度を検出するため磁界検出チップ４２ｘと、Ｙ軸方向の加速度を検出するため磁界検出チップ４２ｙと、Ｚ軸方向の加速度を検出するため磁界検出チップ４２ｚと、が配置されている。そして、これらの磁界検出チップは、一対の磁石２１，２２に対応して、各軸方向用毎に（Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用ごと）対となって配置されており（４１ｘと４２ｘ、４１ｙと４２ｙ、４１ｚと４２ｚ）、後述するように、かかる一対の磁界検出チップによる検出値を用いて各軸方向への加速度を計測する。

そして、上記各磁界検出チップ４１，４２には、入力される磁界の向きに応じたＭＲ抵抗値を出力することにより、磁界の向きを検出するＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）（例えば、４１ｘａ、４２ｘａ）が、上面の積層面に形成されている。これについて符号４１ｘに示す磁界検出チップを参照して詳述する。かかるチップ４１ｘのＧＭＲ素子４１ｘａは、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に延びる直線状に複数形成されており、互いに直列接続されている。そして、Ｘ軸方向の加速度を検出するためにＸ軸方向に磁化固定されている。符号４２ｘのチップのＧＭＲ素子４２ｘａも同様の構成となっている。また、符号４１ｙ，４２ｙに示す磁界検出チップのＧＭＲ素子は、Ｙ軸方向と垂直な方向（Ｘ軸方向）に延びる直線状に複数形成されていて直列接続されており、Ｙ軸方向の加速度を検出するためにＹ軸方向に磁化固定されている。一方、符号４１ｚ，４２ｚにてチップのＧＭＲ素子は、Ｘ軸用のチップ４１ｘ、４２ｘと同様の構成をしている。つまり、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に延びる直線状に複数形成されていて直列接続されており、Ｘ軸方向に磁化固定されている。また、各磁界検出チップ４１，４２には、上記ＧＭＲ素子の両端に接続された接続端子が形成されている。これにより、後述するように、磁界の向きを、それに応じたＭＲ抵抗値として検出することができる。

［計測方法］
次に、上記構成によって各軸方向における加速度を計測する原理、方法を、図３乃至図６を参照して説明する。まず、図３を参照して、ＧＭＲ素子に対する磁界Ｈの侵入角と、ＭＲ抵抗値との関係について説明する。図３（ａ）の上方には磁石２１が配置してあるものとするが、いずれの方向にも加速していない場合においては、磁界検出チップ４が磁石２１からの磁界Ｈの向きに対してほぼ垂直となるよう配置されている（図３（ａ）の一点鎖線、及び、図４（ａ）を参照）。そして、後述するように梁１１，１２がＺ軸方向に沿って、つまり、枠体３にて形成されるＸ−Ｙ平面と直交する平面に沿って撓むと、磁石２１の磁界発生面が傾き、ここから発生される磁界Ｈの向きが−△θ（△（デルタ）：変化量を表すこととして用いる）、あるいは、＋△θの角度だけ傾く。すると、図３（ａ）の点線矢印に示すように、所定の角度をもって磁界がＧＭＲ素子に侵入することとなる。このとき、磁界検出チップ４の積層面のＧＭＲ素子は、上述したように一方向（例えば、Ｘ軸方向）に磁化固定されているため、その方向において磁界の向きが変化すると、図３（ｂ）に示すように、ＭＲ抵抗値が変化する。かかる例では、垂直な状態における抵抗値をＲｏと設定したときに、微小角度だけ傾いたときに特に大きく変化するという特性を有する。従って、加速することによって片持ち梁１１，１２の各自由端１１ａ，１２ａが撓み、そこに装着された磁石からの磁界Ｈの向きを、ＧＭＲ素子のＭＲ抵抗値の変化にて検出することができる。

次に、具体的に各軸方向の加速度の検出原理を説明する。ここで、図４乃至図５では、Ｘ軸方向、及び、Ｚ軸方向の加速度を検出する際の原理を説明する。上述したように、磁界検出チップは、Ｘ軸用として一対のチップ４１ｘ，４２ｘ、及び、Ｚ軸用として一対のチップ４１ｚ，４２ｚをそれぞれ配置しているが、それぞれのＧＭＲ素子の磁化固定はＸ軸方向と同一である。従って、同一のチップにて代用することもできるが、後述するように、ブリッジ回路を構成して２軸方向の加速度の計測をするためにＸ軸用とＺ軸用のチップ４１ｘ，４２ｘ，４１ｚ，４２ｚをそれぞれ設けている。

なお、上記Ｘ軸とＺ軸用のチップはＸ軸方向にしか磁化固定されていないため、仮に１つの片持ち梁による磁界の向きを１つのチップだけで検出した場合には、Ｘ軸方向の加速度のみしか計測できないこととなる。しかし、本発明のように、梁１１，１２と磁石２１，２２と磁界検出チップ４１，４２をそれぞれ一対設けることで、以下に説明するように、Ｘ軸方向とＺ軸方向の２軸方向の加速度を計測することが可能となる。

まず、図４（ａ）に示すように、通常は、磁石２１，２２からの磁界Ｈの向きが磁界検出チップ４１，４２の積層面にほぼ垂直に設定されている。但し、図４（ｂ）に示すように、梁１１，２１の自重や磁石２１，２２による質量のため、梁１１，１２の自由端１１ａ，１２ａが下方に常に撓んだ状態にある。かかる場合には、それぞれが垂直方向に対して−△θｇだけ傾いた状態にあるため、ＧＭＲ素子への侵入角も同様に垂直方向に対して−△θｇだけ傾いた状態となる。なお、それぞれの梁１１，１２は相互に反対向きに設けられているので、その角度の正負の向きも逆となる。そして、この図においては、加速度ｇがかかっている状態であるが、このときのＸ軸方向への加速度と、Ｚ軸方向への加速度とは、磁界Ｈの向きの変化量、つまり、上記磁石２１，２２の傾いた角度の和と差を算出することにより、当該算出した角度の大小によって表すことができる。具体的には、Ｘ軸方向の加速度に対応する角度Ａｘは侵入角の差を、Ｚ軸方向の加速度に対応する角度Ａｚは侵入角の和を算出すればよいこととなり、
Ａｘ＝−△θｇ−（−△θｇ）＝０
Ａｚ＝−△θｇ＋（−△θｇ）＝−２△θｇ
となる。

次に、図５（ａ）において、Ｘ軸方向に加速した場合を説明する。この図に示すように、矢印Ｇｘ方向に加速した場合には、一方の梁１１の自由端（磁石２１）はＺ軸の正方向に撓むため、磁石２１は、垂直方向に対して−△θｇ＋△θｘだけ傾くこととなる。そして、他方の梁１２の自由端（磁石２２）はＺ軸の負方向に撓むため、磁石２１は、垂直方向に対して−△θｇ−△θｘだけ傾くこととなる。ここから、Ｘ軸方向の加速度に対応する角度Ａｘと、Ｚ軸方向の加速度に対応する角度Ａｚを求めると、
Ａｘ＝（−△θｇ＋△θｘ）−（−△θｇ−△θｘ）＝＋２△θｘ
Ａｚ＝（−△θｇ＋△θｘ）＋（−△θｇ−△θｘ）＝−２△θｇ
となる。

同様に、図５（ｂ）は、Ｚ軸方向に加速した場合である。この図に示すように、矢印Ｇｚ方向に加速した場合には、一対の梁１１，１２の自由端（磁石２１，２２）が共に、Ｚ軸の正方向に撓むため、磁石２１，２２は、垂直方向に対して−△θｇ＋△θｚだけ傾くこととなる。ここから、Ｘ軸方向の加速度に対応する角度Ａｘと、Ｚ軸方向の加速度に対応する角度Ａｚを求めると、
Ａｘ＝（−△θｇ＋△θｚ）−（−△θｇ＋△θｚ）＝０
Ａｚ＝（−△θｇ＋△θｚ）＋（−△θｇ＋△θｚ）＝−２△θｇ＋２△θｚ
となる。

同様に、図５（ｃ）は、Ｘ−Ｚ平面に沿ってＸ軸及びＺ軸方向に加速した場合である。この図に示すように、矢印Ｇｘｚ方向に加速した場合には、Ｘ軸方向の加速を含んでいるため、上述したように、一対の梁１１，１２の自由端（磁石２１，２２）はそれぞれ異なるようＺ軸方向に撓む。このため、一方の磁石２１は、垂直方向に対して−△θｇ＋△θｘ＋△θｚだけ傾くこととなり、他方の磁石２２は、垂直方向に対して−△θｇ−△θｘ＋△θｚだけ傾くこととなる。ここから、Ｘ軸方向の加速度に対応する角度Ａｘと、Ｚ軸方向の加速度に対応する角度Ａｚを求めると、
Ａｘ＝（−△θｇ＋△θｘ＋△θｚ）−（−△θｇ−△θｘ＋△θｚ）
＝＋２△θｘ
Ａｚ＝（−△θｇ＋△θｘ＋△θｚ）＋（−△θｇ−△θｘ＋△θｚ）
＝−２△θｇ＋２△θｚ
となる。

以上のように、一対の片持ち梁１１，１２の自由端が、Ｘ軸方向に加速した場合にはそれぞれ逆方向に撓み、また、Ｚ軸方向に加速した場合にはそれぞれ同一方向に撓むため、各片持ち梁１１，１２のそれぞれの撓み方向の組み合わせを、各磁石２１，２２のＸ軸方向における磁界Ｈの向きを検出して特定することで、Ｘ軸方向、及び、Ｚ軸方向の２軸方向の加速度を計測することができる。

また、図６は、Ｙ軸方向に加速した場合である。Ｙ軸方向に加速すると、両梁１１，１２とも、同一回転方向に捩れる。従って、磁石２１，２２は両方とも同一方向に回転する。このため、両磁石２１，２２は、垂直方向に対して＋△θｙだけ傾くこととなる。従って、この傾きの角度＋△θｙをＹ軸方向の加速度に対応する角度Ａｙとして用いることができる。

次に、図７乃至図９を参照して、各軸方向の具体的な加速度の検出方法及び構成を説明する。図９（ａ）に示すように、各軸毎に一対の磁界検出チップ（（４１ｘ、４２ｘ）、（４１ｙ、４２ｙ）、（４１ｚ、４２ｚ））を設けることとなるが、これら各磁界検出チップ４１，４２にて各磁石２１，２２のＸ軸方向、Ｙ軸方向の傾き検出するために、各チップ４１，４２にて検出するＭＲ抵抗値を用いて図９（ｂ）に示すようブリッジ回路を構成する。つまり、各軸毎にブリッジ回路Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚを組み、それぞれの差動電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚを検出するよう差動電圧検出手段を設ける。そして、出力される差動電圧に基づいて各ＧＭＲ素子の抵抗値の変化を検出する。

ここで、差動電圧検出手段は、例えば、各差動電圧Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚを以下の演算式にて算出する演算装置である。ここで、以下の式では、各磁界検出チップのＧＭＲ素子の抵抗値を、図９（ｂ）に示すように、Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｚ１，Ｒｚ２と示し、その変化量をｄを付けて示す。

Ｖｘ＝（（Ｒｘ１＋ｄＲｘ１）／（Ｒｘ１＋ｄＲｘ１＋Ｒｘ２−ｄＲｘ２）−１／２）×Ｖｃｃ
Ｖｚ＝（（Ｒｚ１＋ｄＲｚ１）／（Ｒｚ１＋ｄＲｚ１＋Ｒｚ２−ｄＲｚ２）−１／２）×Ｖｃｃ
Ｖｙ＝（（Ｒｙ１＋ｄＲｙ１）／（Ｒｙ１＋ｄＲｙ１＋Ｒｙ２−ｄＲｙ２）−１／２）×Ｖｃｃ
となる。

このとき、Ｘ軸方向とＺ軸方向のＧＭＲ素子は、両方ともＸ軸方向に磁化固定されているため、上述したように一対の片持ち梁１１，１２の撓み方向の組み合わせの相違を、各ＧＭＲ素子から出力される抵抗値から検出する必要がある。そのために、各軸における一対の磁界検出チップの配置を以下のように設定する。

まず、図７（ａ）（１）にはＸ軸方向（右向き矢印方向）に加速度が生じた場合の一対の片持ち梁１１，１２の様子を、図７（ａ）（２）にはＺ軸方向（上向き矢印方向）に加速度が生じた場合の一対の片持ち梁１１，１２の様子を示す。そして、図７（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＧＭＲ素子に対する磁界Ｈの侵入角と抵抗値との正負の関係を示す。この図において、磁界検出チップ４１ｘ，４２ｘ，４１ｚ，４２ｚ内に図示された三角形は、計測する磁界の向きによる出力抵抗値の正負の向きを示している。なお、各片持ち梁１１，１２は、それぞれ自由端が対峙して設けられているので、磁石２１，２２の傾き角度の正負は、もともと逆方向に設定されていることとする（図４等参照）。

はじめにＸ軸方向のＧＭＲ素子にて検出する抵抗値を考える。図７（ｂ）（１）の上段に示すように反対向きにＧＭＲ素子を配置すると、図７（ｂ）（１）の下段のように抵抗値ｄＲは、それぞれ正負が逆となる。一方、図７（ｃ）（１）の上段ように同一の向きにＧＭＲ素子を配置すると、図７（ｃ）（１）の下段のように抵抗値ｄＲは、それぞれ正となる。このとき、ブリッジ回路によって差動電圧を検出するために、２つの抵抗値の差を算出すると、
図７（ｂ）の場合：Ｄｘ＝＋ｄＲ−（−ｄＲ）＝＋２ｄＲ
図７（ｃ）の場合：Ｄｘ＝＋ｄＲ−（＋ｄＲ）＝０
以上より、Ｘ軸方向用の一対の磁界検出チップ４１ｘ，４２ｘの配置は、図７（ｂ）（１）に示すように逆向きに設定する。

次に、Ｚ軸方向のＧＭＲ素子にて検出する抵抗値を考える。図７（ｂ）（２）の上段ように反対向きにＧＭＲ素子を配置すると、図７（ｂ）（２）の下段のように抵抗値ｄＲは、それぞれ正となる。一方、図７（ｃ）（２）の上段ように同一の向きにＧＭＲ素子を配置すると、図７（ｃ）（２）の下段のように抵抗値ｄＲは、それぞれ正負が逆となる。このとき、ブリッジ回路によって差動電圧を検出するために、２つの抵抗値の差を算出すると、
図７（ｂ）の場合：Ｄｚ＝＋ｄＲ−（＋ｄＲ）＝０
図７（ｃ）の場合：Ｄｘ＝＋ｄＲ−（−ｄＲ）＝＋２ｄＲ
以上より、Ｚ軸方向用の一対の磁界検出チップ４１ｚ，４２ｚの配置は、図７（ｃ）（２）に示すように同一の向きに設定する。

さらに、図８にてＹ軸方向のＧＭＲ素子にて検出する抵抗値を考えてみる。まず、図８（ａ）（１）にはＹ軸方向に加速度が生じた場合の一対の片持ち梁１１，１２の様子を示し、これを左側方から見たときの磁石２１，２２の様子を図８（ａ）（２）に示す。なお、この図においては、各磁石２１，２２の位置をずらして図示している。そして、図８（ｂ）には、それぞれＧＭＲ素子に対する磁界Ｈの侵入角と抵抗値との正負の関係を示す。このとき、磁石２１，２２は、図８（ｂ）の上段のように傾くので、中段に図示するように反対向きにＧＭＲ素子を配置すると、下段のように抵抗値ｄＲは、それぞれ正負が逆となる。このとき、ブリッジ回路によって差動電圧を検出するために、２つの抵抗値の差を検討すると、
Ｄｙ＝＋ｄＲ−（−ｄＲ）＝＋２ｄＲ
以上より、Ｙ軸方向用の一対の磁界検出チップ４１ｙ，４２ｙの配置は、図８（ｄ）に示すように逆の向きに設定する。

以上から、上述したように、図９（ａ）に示すよう、各軸用の各磁界検出チップの向きをそれぞれ設定して配置する。これにより、一対の片持ち梁１１，１２の自由端に装備された磁石２１，２２から発生される磁界の向きの変化を、ＧＭＲ素子の抵抗値の変化としてブリッジ回路によって差動電圧から検出することができる。このとき、差動電圧の大きさは抵抗値の大きさに対応し、また、磁界の向きの変化（垂直方向に対する傾き）の大きさに対応する。従って、各軸毎における磁石２１，２２の傾きを検出することができ、かかる傾きに基づいて各軸方向への加速度を測定することができる。

そして、これは、上述したように、一対の片持ち梁１を設け、その自由端から発生する磁界の変化を検出する構成としたことによる。つまり、所定の方向に加速が生じると、各自由端にモーメントがかかり、各片持ち梁１１，１２はそれぞれ撓む。そして、各自由端に装備された磁石２１，２２による磁界の向きも変化する。このとき、各自由端は、Ｘ軸とＺ軸への加速に対してそれぞれ異なるよう撓む。例えば、Ｘ軸方向への加速に対しては一対の片持ち梁がそれぞれ反対方向に撓み、一方、Ｚ軸方向の加速に対しては、同一方向に撓む。そして、このような一対の片持ち梁の異なる撓みの状態を磁界の向きの変化としてＧＭＲ素子にて検出することで、Ｘ軸方向とＺ軸方向の加速度を検出することができる。そして、さらに、Ｙ軸方向の加速度を検出するＧＭＲ素子を装備することによって３軸方向の加速度を、簡易な構成にて計測することが可能となる。従って、小型かつ低コストにて加速度センサを構成することができる。

ここで、上記では、ブリッジ回路を構成して各ＧＲＭ素子の抵抗値の変化を検出して、これに基づいて各片持ち梁１１，１２に設けられた各磁石２１，２２の傾きを検出し、最終的に各軸方向の加速度を計測する構成を例示したが、かかる構成にて計測することに限定されない。ブリッジ回路を用いずに、各ＧＭＲ素子の抵抗値を検出する構成、方法を採ってもよい。

また、ブリッジ回路を用いずに、他の構成、方法にて、各片持ち梁１１，１２のＺ軸方向に沿った撓み方向の相違を検出して、Ｘ軸方向とＺ軸方向との加速度を計測してもよい。かかる場合には、Ｚ軸用の一対の磁界検出チップ４１ｚ、４２ｚのＧＭＲ素子を相互に逆向きに配置してもよい（図７（ｂ）（２）に示す配置）。このとき、例えば、直接各ＧＭＲ素子の抵抗値を検出し、その変化量の正負をも区別して検出することで、Ｘ軸用とＺ軸用とを共用することができ、さらに構成の簡素化を実現できる。

また、上記では、一対の片持ち梁１１，１２を同一直線状に配置したが、同一直線状ではなく、これらをほぼ平行に配置してもよい。このようにしても、Ｘ軸、Ｚ軸方向への加速度に対して、上述同様に作用しうる。また、磁石２１，２２を装備した各自由端を相互に対峙するよう配置したが、後の実施例にて説明するように、それぞれが反対側に位置するよう配置してもよい。

さらに、上記では、梁１１，１２をＸ軸に沿って配置する構成を例示したが、いかなる向きに配置してもよい。例えば、梁１１，１２をＹ軸方向に沿って配置して、その撓み方向がＺ軸方向となるよう配置してもよい。

また、一対の片持ち梁１１，１２の自由端に設けた各磁石２１，２２は、上述した形状に限定されない。例えば、図１０の第一構造物Ａ’を下方から見た斜視図に示すように、梁１１，１２との係合部分にて分割された形状（符号２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ参照）であってもよく、さらに異なる形状であってもよい。これにより、磁石２１，２２の磁界発生面を離して設けることができ、磁石２１，２２に対向して配置する磁界検出チップを密集させて配置する必要が無く、また、磁石２１，２２の重量やコストの増加を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施例を、図１１乃至図１２を参照して説明する。図１１は、本実施例における一対の片持ち梁及び磁石を含む第一構造体の構成を示す図であり、図１１（ａ）は、上方から見た斜視図を、図１１（ｂ）は裏面側から見た斜視図である。図１２は、そのときの磁界検出チップの配置を示す図である。

図１１に示すように、本実施例における一対の片持ち梁１０１は、ほぼ同一直線状に配置され、各梁１１１，１１２の各固定端が対峙して配置されている。そして、各固定端側で１つの板状の支持部材１３０にて固定されている。従って、各梁１１１，１１２の各自由端は、相互に反対側に位置している。これにより、各自由端に装備された各磁石１２１，１２２間の距離を離して配置することができる。また、各磁石１２１，１２２は、さらに２つに分割されて設けられている。このとき、各梁１１１，１１２の自由端部から梁１１１，１１２に対して垂直に延びる長さの短い補助部材が設けられており、その両端部に分割された各磁石（１２１ａ，１２１ｂ、及び、１２２ａ，１２２ｂ）が設けられている。

これに対応して、各磁石１２１，１２２の下方には、上述した実施例と同様に、各軸毎に一対の磁界検出チップが配置されている。このとき、各磁界検出チップは、分割された磁石１２１，１２２に対応するよう配置されている。具体的には、図１２（ａ）に示すように、符号１２１ａの下方には、Ｘ軸用の一方のチップ１４１ｘと、Ｚ軸用の一方のチップ１４１ｚが配置され、１２１ｂの下方にはＹ軸用の一対のチップ１４１ｙ，１４２ｙが配置されている。また、符号１２２ａの下方には、Ｘ軸用の他方のチップ１４２ｘと、Ｚ軸用の他方のチップ１４２ｚが配置されている。なお、図１２（ｂ）に示すように、Ｙ軸用の一対のチップ１４１ｙ、１４２ｙをそれぞれ一対の磁石１２１ｂ，１２２ｂの下に配置してもよい。

このようにすることにより、一対の磁石１２１，１２２の距離をあけて配置することができ、チップによる磁界の向きの検出時に、他方の磁石による影響を抑制することができる。これにより、計測精度の向上を図ることができる。また、チップを密集させて配置する必要は無いため、設計及び製造が容易となる。さらに、図１に示すような枠体３を用いることを抑制でき、中央に配置された支持部材１３０にて一対の片持ち梁１０１を支持しているため、センサ自身の省スペース化、及び、低コスト化を測ることができる。

次に、上述した構成の加速度センサの実装例を説明する。例えば、ハードディスクドライブの筐体内に加速度センサを装備する。このとき、加速度センサを構成する一対の片持ち梁の長手方向を、ハードディスクドライブが使用されるときの状態における水平面に沿って配置する。つまり、ハードディスクドライブのＸ軸上に片持ち梁が配置されるよう加速度センサを設置し、これにより、片持ち梁がＺ軸方向、つまり、ハードディスクドライブの高さ方向に撓むよう配置される。

そして、各軸方向への所定の値以上の加速度を検出した際には、磁気ヘッドを磁気ディスク上から退避させるよう作動させる機構及び制御装置を装備する。これにより、データの破損を抑制することができる。

本発明である加速度センサは、産業用ロボットやハードディスクドライブなど、衝撃に弱い機器に設置して、所定の加速度を検出したときに動作停止など安全動作を行わせ、装置の破損などを抑制することができる。従って、産業上の利用可能性を有する。

図１は、加速度センサの一部である片持ち梁を有する構成を示す。図１（ａ）は上面図を示し、図１（ｂ）は下方斜視図を示す。 図２は、加速度センサの全体構成を示す。図２（ａ）は加速度センサの分解図であり、図２（ｂ）は側方から見た簡略図である。 図３（ａ），（ｂ）は、加速度の計測原理を示す説明図である。 図４（ａ），（ｂ）は、加速度の計測原理を示す説明図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、加速度の計測原理を示す説明図である。 図６（ａ），（ｂ）は、加速度の計測原理を示す説明図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、適切なセンサの配置を示す説明図である。 図８（ａ），（ｂ）は、加速度の計測原理を示す説明図である。 図９（ａ）は、各センサの配置の様子を示す図であり、図９（ｂ）は、ブリッジ回路の構成を示す。 加速度センサの一部である片持ち梁の変形例を示す下方斜視図である。 第２の実施例における加速度センサの一部である片持ち梁の構成を示す図であり、図１１（ａ）は上方斜視図、図１１（ｂ）は下方斜視図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第２の実施例における片持ち梁に対する各軸方向用センサの配置を示す図である。

符号の説明

１ 一対の片持ち梁
２ 一対の磁石（磁界発生手段）
３ 枠体
４，４１，４２ 磁界検出チップ（磁界検出手段）
５ 基台
６ 側面体
１１，１２ 片持ち梁
２１，２２ 磁石（磁界発生手段）
１１ａ，１２ａ 自由端
１１ｂ，１２ｂ 固定端
４１ｘ，４２ｘ Ｘ軸用磁界検出チップ
４１ｙ，４２ｙ Ｙ軸用磁界検出チップ
４１ｚ，４２ｚ Ｚ軸用磁界検出チップ
４１ｘａ，４２ｘａ ＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）
１０１ 一対の片持ち梁
１１１，１１２ 片持ち梁
１２１，１２２，１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ 磁石
１３０ 支持部材
１４１ｘ，１４２ｘ Ｘ軸用磁界検出チップ
１４１ｙ，１４２ｙ Ｙ軸用磁界検出チップ
１４１ｚ，１４２ｚ Ｚ軸用磁界検出チップ
Ａ 第一構造体
Ｂ 第二構造体
Ｃ 第三構造体

Claims (12)

1. 同一直線上又はほぼ平行に、固定端と自由端との位置が相互に反対向きに配置され、前記各自由端が同一方向に沿って撓むよう自由度を有する一対の片持ち梁と、
   前記各自由端にそれぞれ装備され磁界を発生する一対の磁界発生手段と、
   前記各磁界発生手段に対向してそれぞれ配置され当該各磁界発生手段による磁界の向きを検出する一対の磁界検出手段と、を備え、
   前記磁界検出手段を、前記片持ち梁の長手方向の加速度計測用と、前記片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に沿った当該片持ち梁の長手方向に直交する方向の加速度計測用と、それぞれ一対ずつ設けた、
   ことを特徴とする加速度センサ。
2. 前記磁界発生手段による磁界の向きを、前記片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に沿った当該片持ち梁の長手方向に直交する方向に設定した、ことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記一対の片持ち梁は、当該梁の捩れ方向に自由度を有すると共に、
   前記片持ち梁が捩れることによって変化する磁界の向きを検出する他の磁界検出手段を、少なくとも一方の前記磁界発生手段に対向して設けた、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の加速度センサ。
4. 前記一対の片持ち梁は、当該片持ち梁が撓んだときの軌跡が形成される面に対して直交する平面を有する板状の梁である、ことを特徴とする請求項３記載の加速度センサ。
5. 前記各自由端において、前記各磁界発生手段をそれぞれ複数に分割して設けた、ことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の加速度センサ。
6. 前記一対の片持ち梁をほぼ同一直線状に配置すると共に、それぞれの自由端を相互に反対側に位置するよう配置した、ことを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載の加速度センサ。
7. 前記一対の片持ち梁の各固定端を同一の支持部材に固定した、ことを特徴とする請求項６記載の加速度センサ。
8. 前記磁界検出手段は、磁界が入力されることにより当該磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子である、ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７記載の加速度センサ。
9. いずれの方向にも加速していない場合において、前記磁気抵抗効果素子を前記磁界の向きに対してほぼ垂直に配置した、ことを特徴とする請求項８記載の加速度センサ。
10. 前記一対の磁気抵抗効果素子を用いて構成したブリッジ回路を備えると共に、このブリッジ回路から出力される差動電圧を検出する差動電圧検出手段を備えた、
    ことを特徴とする請求項８又は９記載の加速度センサ。
11. 請求項１乃至１０記載の加速度センサを備えたことを特徴とするハードディスクドライブ。
12. 前記加速度センサを構成する一対の片持ち梁の長手方向を、ハードディスクドライブの使用状態における水平面に沿って配置した、ことを特徴とする請求項１１記載のハードディスクドライブ。
    

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