JPWO2005052601A1

JPWO2005052601A1 - 加速度検出装置

Info

Publication number: JPWO2005052601A1
Application number: JP2005515740A
Authority: JP
Inventors: 純多保田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2007-12-06
Also published as: WO2005052601A1

Abstract

【課題】１つの取付平面上に２個の加速度センサを取り付けることで、取付平面に平行な方向の加速度と垂直な方向の加速度とを独立して検出できる加速度検出装置を提供する。【解決手段】センサ取付平面１０に対する最大感度軸方向が取付平面１０に対して角度θをもつ同一の２個の加速度センサＡ，Ｂを、取付平面１０内で１８０°反転して取り付け、２個の加速度センサの出力ＳＡ，ＳＢの和（ＳＡ＋ＳＢ）から取付平面に垂直な方向の加速度を求め、出力ＳＡ，ＳＢの差（ＳＡ−ＳＢ）から取付平面に平行な方向の加速度を独立に検出可能とした。

Description

本発明は加速度検出装置、特に２つの加速度センサを用いて直角な２方向の加速度を独立して検出できる加速度検出装置に関するものである。

従来、磁気ハードディスク装置に加わる衝撃や加速度を検出するために、加速度センサが用いられている。磁気ハードディスク装置の場合、構造的に衝撃に弱い部分は、図１に示すピボット状に回転駆動するヘッドアーム１の機構である。この機構は、磁気ディスク２の面に垂直な方向と半径方向には弱いが、ヘッドアーム１の長手方向には比較的強い。したがって、このような機構の保護のために、加速度又は衝撃を検出する場合は、３軸方向全てである必要はなく、より弱い２軸方向の加速度を検出することが効果的である。この方向は、センサ取付面３に対して、水平方向と垂直方向に相当する。

図２に示すように、加速度センサの取付平面３をＸＹ平面とし、これに垂直な方向をＺ方向とした場合、Ｘ軸（又はＹ軸）とＺ軸との２方向に加わる加速度を独立して検出するには、少なくともＸＹ平面３に平行な方向に最大感度軸を持つ水平タイプの加速度センサ４と、Ｚ軸方向に最大感度軸を持つ垂直タイプの加速度センサ５との２種類のセンサを用いる必要がある。
しかし、水平タイプのセンサ４と垂直タイプのセンサ５は、取付面との関係でその構造が全く異なる場合が多く、２種類のセンサを別々に用意する必要があるため、コスト高になる不都合があった。

一方、図３に示すように、水平な取付面６と垂直な取付面７とからなる直交する２面を設け、これら取付面６，７に同一タイプ（例えば水平タイプ）のセンサ８，９をそれぞれ取り付けることで、Ｘ軸とＺ軸との２方向の加速度を独立して測定することも可能である。この場合には、センサにかかるコストは低減できるが、直交する２つの取付面６，７を必要とするため、電子機器などの製品の厚みが大きくなるという欠点があった。

特許文献１には、センサ取付平面に対する最大感度軸方向が取付平面に対して平行でも垂直でもない２個の加速度センサを、取付平面上に直交方向に取り付けることで、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸の加速度を検出できる加速度検出装置が提案されている。
この装置は、少ない個数の加速度センサで広い範囲の加速度を検出できる利点はあるが、３軸の加速度成分の相対的な比を検出するだけで、各軸の加速度を独立して検出できる訳ではない。
特開平８−２０１４１９号公報

そこで、本発明の目的は、１つの取付平面上に２個の加速度センサを取り付けることで、取付平面に平行な方向の加速度と垂直な方向の加速度とを独立して検出できる加速度検出装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、センサ取付平面に対する最大感度軸方向が前記取付平面に対して平行でも垂直でもない同一の感度軸を持つ２個の加速度センサを、前記取付平面内で１８０°反転して取り付けるとともに、前記２個の加速度センサの出力Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂの和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）を求める手段と、前記出力Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂの差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）を求める手段とを設け、前記出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）から前記取付平面に垂直な方向の加速度を、前記出力の差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）から前記取付平面に平行な方向の加速度を独立に検出可能としたことを特徴とする加速度検出装置を提供する。

センサ取付平面に対する最大感度軸方向が取付平面に対して斜め方向の２個の加速度センサを、取付平面内で１８０°反転して取り付ける。例えば取付平面をＸＹ平面とし、２個のセンサの感度軸方向をＸ軸方向に沿って並べると、これら加速度センサの出力Ｓ_Ａ，Ｓ_ＢにはＸ軸方向とＺ軸方向の成分が含まれる。２つの加速度センサの感度軸方向が１８０°反転しているから、出力Ｓ_Ａ，Ｓ_ＢのＺ軸方向の成分は同じで、Ｘ軸方向の成分が正負逆転している。したがって、これら出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）からＺ軸方向の加速度を検出でき、これら出力の差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）からＸ軸方向の加速度を検出できる。これら加速度は、互いに影響を受けない独立したデータであるから、各軸の加速度を個別に検出できる。
このように本発明では、同一の最大感度軸を持った同じ加速度センサを２個用い、かつ１つのセンサ取付平面上に反転させて取り付けるだけでよいので、加速度センサのコストを低くできるとともに、製品の厚みが増大することがない。

請求項２のように、加速度センサの最大感度軸方向が、取付平面から垂直方向に２０〜７０°の範囲内にあるのがよい。
本発明で使用する加速度センサのセンサ取付平面に対する最大感度軸方向は、取付平面に対して平行でも垂直でもない。つまり、最大感度軸方向の取付平面に対する角度θは０°＜θ＜９０°である。
θ＝０°および９０°においては、Ｘ，Ｚの一方の軸方向に感度を持たないが、それ以外であれば、θは任意の角度でよい。但し、より高感度で検出するには、Ｘ軸方向の感度とＸ軸方向の感度との差ができるだけ小さい方がよく、そのため２０°≦θ≦７０°とするのがよい。
前記範囲の中でも、最も望ましいθは４５°である。なぜなら、ＸＺ両軸の感度をほぼ等しくできるからである。

請求項３のように、加速度センサは、圧電セラミックスよりなる検出素子と、この検出素子を収納する絶縁ケースよりなり、前記検出素子は、センサ取付平面を構成する絶縁ケースの底面に対して斜め方向に収納保持されているものがよい。
このような加速度センサとしては、例えば特開平７−２０１４４号公報に示されたものがある。
このセンサは、小型で安価であり、かつ最大感度軸方向がほぼ一定しているので、加速度を精度よく検出できる。

請求項４のように、２個の加速度センサの出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）を求める手段と、差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）を求める手段は、それぞれ独立して増幅率を調整できる機能を有するのがよい。
出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）と差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）から２軸の加速度を独立して検出できるが、最大感度軸方向の取付平面に対する角度θが４５°以外であれば、和差の感度が異なることになる。そこで、和を求める手段と差を求める手段に独立して増幅率を調整できる機能を付加することで、和差の感度を同一にでき、２軸の加速度を同一の感度で検出できる。

請求項１に記載の発明によれば、センサ取付平面に対する最大感度軸方向が取付平面に対して斜め方向の２個の加速度センサを、取付平面内で１８０°反転して取り付けたので、２個の加速度センサの出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）から取付平面に対して垂直方向の加速度を検出でき、出力の差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）から取付平面に対して平行な加速度を検出できる。しかも、これら加速度は独立したデータであるから、各軸の加速度を個別に検出できる。
また、本発明では、全く同じ加速度センサを２個用いればよいので、加速度センサのコストを低くできるとともに、これらセンサを１つのセンサ取付平面上に反転させて取り付けるだけでよいので、薄型に構成でき、製品の厚みが増大する問題を解消できる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図４は本発明にかかる加速度検出装置の第１実施例を示す。
この加速度検出装置は、センサ取付平面１０上に、加速度センサＡと加速度センサＢとを取付平面１０内で１８０°反転して取り付けたものである。センサＡ，Ｂのセンサ取付平面１０に対する最大感度軸方向Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂは、取付平面１０に対して角度θだけ傾いている。
図４において、取付平面１０をＸＹ平面とすると、この実施例では加速度センサＡの最大感度軸方向Ｐ_Ａは、Ｘ軸のプラス方向に対して角度θだけＺ軸方向に傾いており、加速度センサＢの最大感度軸方向Ｐ_Ｂは、Ｘ軸のマイナス方向に対して角度θだけＺ軸方向に傾いている。
ここでは、２個のセンサＡ，ＢをＸ軸方向に沿って配置したが、向きが取付平面１０内で１８０°反転しておれば、位置は任意である。

センサＡおよびＢは、同一の加速度センサであり、その構造は特開平７−２０１４４号公報に示すものと同様である。すなわち、図５に示すように、バイモルフ型の加速度検出素子２０を、絶縁セラミック等からなる絶縁性のケース３０内に両端固定構造で収納支持したものである。ケース３０の底面が前記取付平面１０に取り付けられる。
加速度検出素子２０は、矩形平板状とされ、表裏面上に信号電極２１および中間電極２２が形成された一対の圧電セラミック板２３を対面接合した上、これを最大感度軸Ｐ方向に見合う傾斜角度で切り落としたものである。なお、中間電極２２を介して接合された圧電セラミック板２３の各々が、自らの厚み方向に沿いつつ他方側とは逆向きに分極処理（図５に矢印で示す）されている。また、信号電極２１のそれぞれが各圧電セラミック板２３の長手方向に沿って互いに異なる端部まで引き出されている。なお、図示していないが、ケース３０の外面には、加速度検出素子２０の信号電極２１のそれぞれが引き出された外部電極が形成され、表面実装型のチップ部品として構成されている。

図６は、図４のように取り付けられた加速度センサＡ，Ｂの出力を処理する回路ブロックを示す。
図において、センサＡの出力は初段アンプ１１で増幅され、加算器１３と加算器１４とに入力される。一方、センサＢの出力は、初段アンプ１１と同一の増幅度を持つ初段アンプ１２で増幅され、加算器１３に入力されるとともに、初段アンプ１２の出力をインバータ１５で正負反転させた上、加算器１４に入力される。
加算器１３は、初段アンプ１１で増幅されたセンサＡの出力Ｓ_Ａと、初段アンプ１２で増幅されたセンサＢの出力Ｓ_Ｂとを加算する。一方、加算器１４は、初段アンプ１１で増幅されたセンサＡの出力Ｓ_Ａと、初段アンプ１２で増幅されインバータ１５で反転されたセンサＢの出力−Ｓ_Ｂとを加算する。つまり、加算器１３はＳ_Ａ＋Ｓ_Ｂを出力し、加算器１４はＳ_Ａ−Ｓ_Ｂを出力する。
この例では、出力の差Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂを求めるために、インバータ１５と加算器１４とを用いたが、公知の減算器を用いることもできる。

ここで、本発明の測定原理を説明する。
センサＡ，Ｂの加速度出力をそれぞれＳ_Ａ，Ｓ_Ｂ（ベクトル）とし、これをＸ，Ｙ，Ｚの各軸の成分で表すと、
Ｓ_Ａ＝（Ｋ_Ａｃｏｓθ，０，Ｋ_Ａｓｉｎθ）
Ｓ_Ｂ＝（−Ｋ_Ｂｃｏｓθ，０，Ｋ_Ｂｓｉｎθ）
となる。ここで、Ｋ_Ａ、Ｋ_Ｂは各センサの感度である。
次に、センサＡ，Ｂの出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）と差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）とを考える。
（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）＝（（Ｋ_Ａ−Ｋ_Ｂ）ｃｏｓθ，０，（Ｋ_Ａ＋Ｋ_Ｂ）ｓｉｎθ）
（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）＝（（Ｋ_Ａ＋Ｋ_Ｂ）ｃｏｓθ，０，（Ｋ_Ａ−Ｋ_Ｂ）ｓｉｎθ）
ここで、各センサの感度をＫ_Ａ＝Ｋ_Ｂ＝Ｋとすると、
（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）＝（０，０，２Ｋｓｉｎθ）
（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）＝（２Ｋｃｏｓθ，０，０）
となる。
つまり、和出力（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）はＺ軸方向に主軸感度を持つ垂直タイプのセンサとして働き、差出力（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）はＸ軸方向に主軸感度を持つ水平タイプのセンサとして働く。
例えば、θ＝２５°のセンサＡ，Ｂを使用した場合には、
（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）＝（０，０，０．８４５Ｋ）
（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）＝（１．８１３Ｋ，０，０）
となる。つまり、感度０．８４５Ｋを持つ垂直タイプのセンサと、感度１．８１３Ｋを持つ水平タイプのセンサとを設けたのと等価となる。
このようにして２軸を独立して測定できる加速度検出装置を実現できるが、和差の感度が異なるので、和出力または差出力の一方または双方を補正して感度を同一にするのが望ましい。その場合には、加算器１３，１４に独立に増幅率を調整できる機能を付加し、例えばθ＝２５°の場合には、加算器１３，１４の増幅率の比を、前述の感度比の逆比である１．８１３：０．８４５に設定すればよい。

図７は最大感度軸方向の角度θによる加速度センサＡ単独のＸ：Ｚの感度比、及び加速度センサＡ，ＢによるＸ（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）：Ｚ（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）の感度比を表したものである。ここで、Ｋ＝１とする。
図７より、θは０°および９０°ではＸ，Ｚの一方の軸方向に感度を持たないが、それ以外であれば、任意の角度のものを使用できる。但し、加算器１３，１４の増幅率でＸ，Ｚ両軸の感度を同一にできるといっても、Ｓ／Ｎ等の問題もあり、調整前の両軸の感度はできるだけ等しいことが望ましい。従って、最も望ましい角度θは４５°であり、概ね２０°〜７０°の範囲であれば、問題なく使うことができる。

実施例１では、同一の感度軸角度θを持つ２個のセンサＡ，Ｂを用いてＸ，Ｚ軸方向の加速度を独立して検出したが、図８に示すように、同一の感度軸角度θを持つ３個のセンサＡ，Ｂ，Ｃを用いてＸ，Ｙ，Ｚ３軸方向の加速度を独立して検出することも可能である。センサＡ，Ｂは実施例１と同じであり、センサＣはＹ軸方向に向けて取付平面１０に取り付ける。つまり、センサＣをセンサＡ，Ｂに対して直交方向に取り付ける。

センサＣのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の感度をＳ_Ｃ（ベクトル）とし、これを各軸の成分で表すと、
Ｓ_Ｃ＝（０，Ｋ_Ｃｃｏｓθ，Ｋ_Ｃｓｉｎθ）
となる。
ここで、センサＣの感度Ｋ_Ｃ＝Ｋ_Ａ＝Ｋ_Ｂ＝Ｋとすると、
Ｓ_Ｃ＝（０，Ｋｃｏｓθ，Ｋｓｉｎθ）
となる。
センサＣの出力Ｓ_Ｃを２倍したものから和出力（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）を差し引くと、
２Ｓ_Ｃ−（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）
＝（０，２Ｋｃｏｓθ，２Ｋｓｉｎθ）−（０，０，２Ｋｓｉｎθ）
＝（０，２Ｋｃｏｓθ，０）
となり、独立にＹ軸の加速度を検出できることがわかる。この後、実施例１と同様に適当な増幅器を通すことで、Ｘ，Ｙ，Ｚの感度を同一に揃えることができる。
この実施例では、同一の３個のセンサを取付平面１０上に所定の向きで固定することで、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向の加速度を独立して検出することができる。そのため、感度調整が容易であり、かつ加速度センサのコストを低くできる。

本発明にかかる加速度検出装置は、前記実施例に限定されるものではない。
加速度センサとして、図５に示すものを使用したが、これに限るものではなく、一定角度θの感度軸を持ち、取付平面に対する取付角度が一定しているものであれば、使用可能である。
また、図８では、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向の加速度を独立して検出するために、同一の角度θを持つ３個のセンサＡ，Ｂ，Ｃを用いた例を示したが、これに限るものではない。例えば、斜め方向の感度軸を持つセンサＣに代えて、公知の水平タイプの加速度センサをＹ軸方向に取り付けることで、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向の加速度を独立して検出することもできる。この場合は、実施例２のような計算を行う必要がない。

磁気ハードディスク装置の概略図である。１つの取付平面に２種類の加速度センサを取り付けた加速度検出装置の斜視図である。直交する２つの取付平面に２個の加速度センサを取り付けた加速度検出装置の斜視図である。本発明にかかる加速度検出装置の第１実施例の取付状態の斜視図である。本発明で使用される加速度センサの一例の斜視図である。本発明にかかる加速度センサの出力を処理する回路ブロック図である。最大感度軸方向の角度θによるＸ：Ｚの感度比および（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）：（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）の感度比を表す図である。本発明にかかる加速度検出装置の第２実施例の取付状態の斜視図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ加速度センサ
１０センサ取付平面
１３，１４加算器（出力の和を求める手段）
１５インバータ
２０加速度検出素子
３０ケース

Claims

センサ取付平面に対する最大感度軸方向が前記取付平面に対して平行でも垂直でもない同一の感度軸を持つ２個の加速度センサを、前記取付平面内で１８０°反転して取り付けるとともに、前記２個の加速度センサの出力Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂの和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）を求める手段と、前記出力Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂの差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）を求める手段とを設け、
前記出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）から前記取付平面に垂直な方向の加速度を、前記出力の差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）から前記取付平面に平行な方向の加速度を独立に検出可能としたことを特徴とする加速度検出装置。
前記加速度センサの最大感度軸方向が、前記取付平面から垂直方向に２０〜７０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
前記加速度センサは、圧電セラミックスよりなる検出素子と、この検出素子を収納する絶縁ケースよりなり、
前記検出素子は、センサ取付平面を構成する絶縁ケースの底面に対して斜め方向に収納保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度検出装置。
前記出力の和（Ｓ_Ａ＋Ｓ_Ｂ）を求める手段と、差（Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂ）を求める手段は、それぞれ独立して増幅率を調整できる機能を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加速度検出装置。