JP2007178295A - 落下検出装置及び落下検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】、比較的簡単なアナログ回路構成により落下状態を安定的に検出する。
【解決手段】落下検出装置１０は、磁気抵抗素子であるＧＭＲ素子と磁石とを用いて構成された加速度センサ１１と、加速度センサ１１の出力信号から所定の第１の周波数以上の高周波成分を除去する第１のローパスフィルタ１２と、加速度センサ１１の出力信号から第１の周波数よりも高い第２の周波数以上の高周波成分を除去する第２のローパスフィルタ１３と、第１のローパスフィルタ１２の出力信号と第２のローパスフィルタ１３の出力信号との差分を増幅する差動増幅回路１４と、差動増幅回路１４の出力信号を全波整流する全波整流回路１５と、全波整流回路１５の出力信号を閾値と比較する比較回路１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、落下検出装置及び落下検出方法に関し、特に、ハードディスクドライブなどの電子機器の落下状態を早期に検出する落下検出装置及び落下検出方法に関するものである。

近年、ハードディスクドライブの普及は目覚ましく、パソコンはもちろんのこと、ビデオレコーダから携帯音楽プレーヤまで、ありとあらゆる情報機器に搭載されるようになってきた。最近は５ＧＢの容量をもつ１インチのハードディスクドライブも登場するなど、ハードディスクドライブの小型・薄型化が急速に進んでおり、将来的には携帯電話機の多くにハードディスクドライブが搭載されるものと期待されている。

このように、ハードディスクドライブが携帯機器に搭載され、頻繁に持ち歩かれるようになると、ハードディスクドライブを落として壊してしまうという事故が頻繁に発生することが容易に予想できる。ハードディスクドライブにとって大きな衝撃は致命的であるため、落下状態を直ちに検出して磁気ヘッドを待避させる等、衝撃を回避するための手段が必要となっている。

このような問題を解決するため、例えば、静電型の加速度センサからの信号をセンサ内部の回路、若しくはセンサに接続された外部回路でアナログ演算し、３軸方向（ＸＹＺ方向）の加速度センサより得られる加速度の値がすべてゼロになった状態が一定時間以上継続した場合に落下状態と判定する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、マイコンを用いて構成されたセンサ装置も提案されている（特許文献２参照）。このセンサ装置は、圧電素子による加速度センサと、加速度センサによるアナログ信号を増幅すると共に、アナログフィルタとして所定周波数帯域の信号を取り出す信号処理回路と、信号処理回路を介して供給される加速度センサの信号を演算処理するマイコンとを備えており、マイコンが有するデジタルフィルタの機能により共振周波数近傍におけるセンサ感度を低下させ、センサ出力の共振の影響を低減している。
特開２０００−２４１４４２号公報 特開２００３−３１５３５６号公報

特許文献１に記載の方法では、簡単なアナログ回路だけで構成し、ある閾値よりも高いか低いかといった単純な判断により落下検出を行っているため、例えば温度変化等でセンサ出力にドリフトが発生した場合や、電池消耗によってセンサ出力が変動した場合に、実生活での通常の使用状態であるにもかかわらず誤って落下状態と判定するおそれがあり、安定した落下検出を行うことができないという問題がある。また、ＸＹＺの軸の数だけ演算回路が必要となる。また、特許文献２に記載の方法では、落下検出の際に周波数成分を選別するためのフィルタ機能が必要になるという問題がある。

したがって、本発明の目的は、比較的簡単な回路構成により落下状態を安定的に検出することが可能な落下検出装置及び落下検出方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、加速度センサと、前記加速度センサの出力信号に含まれる第１の周波数よりも低い周波数成分を除去するノイズ除去回路と、前記周波数成分が除去された前記加速度センサの出力信号を閾値と比較する比較回路とを備えることを特徴とする落下検出装置によって達成される。

前記ノイズ除去回路は、前記加速度センサの出力信号から前記第１の周波数以上の周波数成分を除去する第１のローパスフィルタと、前記加速度センサの出力信号と前記第１のローパスフィルタの出力信号との差分信号を生成する差動増幅回路を含み、前記比較回路は、前記差分信号を閾値と比較することが好ましい。

前記ノイズ除去回路は、前記加速度センサの出力信号から前記第１の周波数よりも高い第２の周波数以上の周波数成分を除去する第２のローパスフィルタをさらに含み、前記差動増幅回路は、前記第１のローパスフィルタの出力信号と前記第２のローパスフィルタの出力信号との差分信号を生成することが好ましい。

本発明の落下検出装置は、前記差分信号を全波整流して前記差分信号の絶対値を出力する全波整流回路をさらに備え、前記比較回路は、前記差動信号の絶対値と前記閾値とを比較することが好ましい。

本発明の落下検出装置は、前記第１の周波数は、０．１Ｈｚから１．０Ｈｚまでの範囲内の周波数であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の落下検出装置。

本発明において、前記第２の周波数は、１Ｈｚから１０Ｈｚまでの範囲内の周波数であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の落下検出装置。

本発明の上記目的はまた、加速度センサの出力信号から所定の周波数以下の周波数成分を除去するステップと、前記周波数成分が除去された前記加速度センサの出力信号を閾値と比較し、前記出力信号が前記閾値を超えた場合に落下状態と判定するステップとを有することを特徴とする落下検出方法によっても達成される。

本発明によれば、比較的簡単なアナログ回路構成により、落下状態を安定的に検出することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態に係る落下検出装置の回路構成を示す回路図である。

図１に示すように、この落下検出装置１０は、磁気抵抗素子であるＧＭＲ（Giant Magnetic Resistance）素子と磁石とを用いて構成された加速度センサ１１と、加速度センサ１１の出力信号から所定の周波数（以下、第１の周波数という）以上の高周波成分を除去する第１のローパスフィルタ１２と、第１のローパスフィルタ１２と同様、加速度センサ１１の出力信号から第１の周波数よりも高い所定の周波数（以下、第２の周波数という）以上の高周波成分を除去する第２のローパスフィルタ１３と、第１のローパスフィルタ１２の出力信号と第２のローパスフィルタ１３の出力信号との差分を増幅する差動増幅回路１４と、差動増幅回路１４の出力信号を全波整流する全波整流回路１５と、全波整流回路１５の出力信号を閾値と比較する比較回路１６とを備えている。

図２は、加速度センサ１１の構成の一例を示す模式図である。

図２に示すように、加速度センサ１１は、ベースプレート２１と、ベースプレートに連結された弾性体２２と、弾性体２２の先端側に取り付けられた錘２３と、錘２３に取り付けられた磁石２４と、磁石２４の直下に配置された磁気抵抗素子２５とを備えている。弾性体２２は、その基端側が連結されて片持ち梁構造とされ、これにより加速度を受けた錘２３は３軸方向に変位可能となっている。磁石２４は磁気抵抗素子２５に対してバイアス磁界を与えているが、錘２３の変位により、磁石２４から発生する磁場も変化するので、磁気抵抗素子２５の抵抗値が変位する。以上の構成により、加速度を検出することができる。

加速度センサ１１の出力信号は、第１及び第２のローパスフィルタ１２、１３にそれぞれ入力される。第１のローパスフィルタ１２は抵抗Ｒ_１とキャパシタＣ_１によって構成され、カットオフ周波数である第１の周波数は０．１〜１．０Ｈｚの範囲内に設定されている。第２のローパスフィルタ１３は抵抗Ｒ_２とキャパシタＣ_２によって構成されており、カットオフ周波数である第２の周波数は１〜１０Ｈｚの範囲内に設定されている。

第１のローパスフィルタ１２と第２のローパスフィルタ１３は共にセンサ信号の高周波成分を除去するものであるが、第１のローパスフィルタ１２は、比較的ゆっくりと変化する信号成分を通過させ、第２のローパスフィルタ１３は、落下時の比較的急激に変化する信号成分を通過させる点で相違する。すなわち、第１のローパスフィルタ１２を通過して得られる信号は、温度変化等でセンサ出力にドリフトの発生、電池消耗によるセンサ出力の変動等に起因する非常に低周波なノイズ成分であり、第２のローパスフィルタ１３を通過して得られる信号は、高周波ノイズが除去された加速度センサ１１の出力信号そのものである。なお、第１の周波数の範囲の低周波側を０．０１Ｈｚ程度まで広げ、より低周波の用途に対応することも可能である。また、第２の周波数の範囲の高周波側を１００Ｈｚ程度まで広げ、より高周波の用途に対応することも可能である。

差動増幅回路１４は、主としてオペアンプＯＰ_１で構成されている。差動増幅回路１４は、ローパスフィルタ１２，１３の出力信号の差分を演算し、加速度センサ１１の出力信号の急激な信号変化分を取り出す。こうしてセンサ信号から比較的緩やかに変化する信号成分を除去することにより、電源電圧の変動、センサ特性の経時変化、周囲温度の変化等の影響を取り除くことができ、落下時の急激な変化を確実に検出することが可能となる。差動増幅回路１４で生成された差分信号は、全波整流回路１５に入力される。

全波整流回路１５は、オペアンプＯＰ_２、ダイオードＤ_１、Ｄ_２、オペアンプＯＰ_３等で構成されており、センサ出力の絶対値を算出する。図２に示した加速度センサを用いた場合、落下による加速度の方向は、正方向の加速度になるか、負方向の加速度になるか不明であるため、加速度の絶対値を用いて落下状態を判定する必要がある。なお、非常に短い衝撃によるノイズの影響を取り除くため、全波整流回路１５内にローパスフィルタを設けてもよい。全波整流回路１５の出力信号は、比較回路１６に入力される。

比較回路１６は、主としてオペアンプＯＰ_４で構成されており、全波整流回路１５の出力信号を所定の閾値と比較する。比較回路１６の一方の入力端子には全波整流回路１５の出力信号が供給され、他方の入力端子には閾値電圧Ｖ_ｓが供給されている。こうして、比較回路１６は全波整流回路１５の出力信号を閾値と比較し、全波整流回路１５の出力信号が閾値を超えた場合には、落下状態にあるものと判定する。

図３は、落下検出装置１０内の各点における信号波形図であり、横軸は時刻ｔ、縦軸は信号レベルを示している。図３において、信号Ｓ_１は加速度センサ１１の出力信号、信号Ｓ_２は第１のローパスフィルタ１２の出力信号、信号Ｓ_３は第２のローパスフィルタ１３の出力信号、信号Ｓ_４は差動増幅回路１４の出力信号、信号Ｓ_５は、全波整流回路１５の出力信号をそれぞれ示している。つまり、信号Ｓ_１〜Ｓ_５は、図１中のＰ_１〜Ｐ_５点における信号レベルにそれぞれ対応している。

図３に示すように、加速度センサ１１の出力信号は、タイミングｔ_１において急激に大きくなり、タイミングｔ_２において急激に低下している。これは、ｔ_１において落下検出装置１０が落下し始め、加速度が急に大きくなったことを意味しており、またタイミングｔ_２において落下検出装置１０が地面に到達し、加速度が急に小さくなったことを意味している。このような加速度センサ１１の出力信号Ｓ_１が第１のローパスフィルタ１２を通過した後の信号Ｓ_２の波形は、図示のように非常に緩やかな波形になるが、第２のローパスフィルタ１３を通過した後の信号Ｓ_３の波形は、フィルタリング前の信号Ｓ_１の波形とほぼ等しい。そして、信号Ｓ_２と信号Ｓ_３との差分信号Ｓ_４の波形は、図示のようにｔ_１〜ｔ_３間でマイナス側に大きく振れ、タイミングｔ_３以降はプラス側に大きく振れた波形となる。そして、この差分信号Ｓ_４を全波整流した後の信号Ｓ_５の波形は、ｔ_１〜ｔ_３間の波形がプラス側に反転した波形となる。このような信号Ｓ_５のレベルを所定の閾値と比較することにより、落下状態かどうかを判定することができる。

図４は、落下検出装置１０による落下検出手順を説明するためのフローチャートである。

図４に示すように、落下検出装置１０による落下検出のための演算処理は、加速度センサ１１の出力信号から第１の周波数以上の高周波成分を除去するステップ（Ｓ４１）と、加速度センサ１１の出力信号から第２の周波数以上の高周波成分を除去するステップ（Ｓ４２）と、第１の周波数以上の高周波成分が除去された信号と、第２の周波数以上の高周波成分が除去された信号との差分信号を求めるステップ（Ｓ４３）と、差分信号の絶対値を算出するステップ（Ｓ４４）と、差分信号の絶対値を閾値と比較し、閾値を超えた場合に落下状態と判定するステップ（Ｓ４５〜Ｓ４７）、により構成されている。ここで、ステップＳ４１〜Ｓ４３は、加速度センサ１１の出力信号から所定の周波数以下の低周波成分を除去するステップであり、ステップＳ４４以降は、低周波成分が除去された加速度センサの出力信号を閾値と比較し、出力信号が閾値を超えた場合に落下状態と判定するステップとして捕らえることができる。上述の落下検出装置１０は、以上のような演算処理をアナログ回路で行うものであり、比較的簡単なアナログ回路構成でありながら、落下状態を安定的に判定することができる。

図５は、落下検出装置１０を内蔵するハードディスクドライブ１００の構成を示す模式図である。

図５に示すように、ハードディスクドライブ１００は、記録媒体であるプラッタ１０１と、プラッタ１０１を回転駆動するスピンドルモータ１０２と、プラッタ１０１にデータを記録し、又は記録されたデータを再生する磁気ヘッド１０３と、磁気ヘッド１０３をプラッタ１０１上でスライドさせるアーム１０４と、アーム１０４を駆動するボイスコイルモータ１０５と、各部を制御するための制御部１０６と、ハードディスクドライブ１の落下状態を検知する落下検出装置１０とを備えている。なお、実際の制御部１６及び落下検出装置１７はハードディスクドライブ１０の筐体内に収容されている。

ハードディスクドライブ１００が損傷する所定の高さから落下し、落下検出装置１０によってハードディスクドライブ１００が自由落下状態にあると判定されると、この判定結果（退避信号）を受けた制御部１０６は、ボイスコイルモータ１５を作動させてアーム及び磁気ヘッド１３を図１の破線で示す退避領域Ｐに移動する。

制御部１０６は、ハードディスクドライブ１００全体の制御に必要とされる一般的な回路であって、例えば、ヘッドアンプ、リードライトチャネル回路、ハードディスクコントローラ、ＣＰＵ、メモリ等で構成されている。制御部７はアナログ系とデジタル系に分けられ、スピンドルモータ１０２やアーム１０４の制御にはアナログ系の回路が用いられる。落下状態を早期に検出し、プラッタ１０１に損傷を与えないようにディスクの回転を停止し、且つ磁気ヘッド１０３を所定の待避位置に待避させるには、落下検出装置１０の判定結果をアナログ系の制御回路に直ちに伝達する必要があるが、落下検出装置１０がアナログ回路で構成されているので、これらのアナログ系制御回路との組み合わせが容易である。すなわち、落下検出装置１０がアナログ回路で構成されていれば、ハードディスクドライブのアクチュエータ駆動用アナログ回路と一体に構成することが可能であり、落下検出結果の伝達遅延の問題はない。また、ノイズの影響を極力少なくするため、アナログ回路はできるだけアクチュエータの近くに配置しなければならず、ハードディスクドライブ１００内の回路配置に大きな制約があるが、本実施形態の落下検出装置１０は比較的簡単且つ小規模な回路構成であるため、特に問題はない。

以上説明したように、本実施形態によれば、加速度センサの出力信号に対して所定のアナログ演算処理を行うことにより、落下状態を早期かつ確実に検出することができるので、ハードディスクドライブ等の衝撃に弱い電子機器を早期に保護することができる。特に、本実施形態の落下検出装置はアナログ回路で構成されているので、ハードディスクドライブのアクチュエータ駆動用アナログ回路内に組み込みやすく、制御回路と落下検出装置とを一体に構成することが可能となる。

本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、全波整流回路１５を用いてセンサ出力の絶対値を算出しているが、落下検出装置１０に加わる落下による加速度の方向が一方向の場合には、全波整流回路１５を省略してもよい。

また、上記実施形態においては、第１のローパスフィルタ１２によって高周波成分が除去されたセンサ信号と、第２のローパスフィルタによって高周波成分が除去されたセンサ信号との差分を求めた後、全波整流回路１５で差分信号の絶対値を求めているが、演算処理の順番は逆であってもよい。つまり、第１のローパスフィルタ１２によって高周波成分が除去されたセンサ信号の絶対値と、第２のローパスフィルタ１３によって高周波成分が除去されたセンサ信号の絶対値をそれぞれ求めた後、これらの差分を求めてもよい。

また、上記実施形態においては、第１のローパスフィルタ１２によって高周波成分が除去されたセンサ信号と、第２のローパスフィルタによって高周波成分が除去されたセンサ信号との差分を求めているが、第２のローパスフィルタを省略してもよい。つまり、第１のローパスフィルタ１２によって高周波成分が除去されたセンサ信号と、加速度センサ１１の出力信号そのものとの差分を求めてもよい。

本発明の好ましい実施形態に係る落下検出装置の回路構成を示す回路図である。 加速度センサ１１の構成の一例を示す模式図である。 落下検出装置１０内の各点における信号波形図である。 落下検出装置１０による落下検出手順を説明するためのフローチャートである。 落下検出装置１０を内蔵するハードディスクドライブ１００の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 落下検出装置
１１ 加速度センサ
１２ 第１のローパスフィルタ
１３ 第２のローパスフィルタ
１４ 差動増幅回路
１５ 全波整流回路
１６ 比較回路
２１ ベースプレート
２２ 弾性体
２３ 錘
２４ 磁石
２５ 磁気抵抗素子
ＯＰ_１ オペアンプ
ＯＰ_２ オペアンプ
ＯＰ_３ オペアンプ
ＯＰ_４ オペアンプ
Ｒ_１〜Ｒ_１２ 抵抗
Ｃ_１〜Ｃ_５ キャパシタ
Ｄ_１、Ｄ_２ ダイオード
Ｓ_１ 加速度センサ１１の出力信号
Ｓ_２ 第１のローパスフィルタ１２の出力信号
Ｓ_３ 第２のローパスフィルタ１３の出力信号
Ｓ_４ 差動増幅回路１４の出力信号
Ｓ_５ 全波整流回路１５の出力信号
Ｖ_ｓ 閾値電圧
ｔ_１ タイミング（落下開始）
ｔ_２ タイミング（着地）
ｔ_３ タイミング

Claims (7)

1. 加速度センサと、前記加速度センサの出力信号に含まれる第１の周波数よりも低い周波数成分を除去するノイズ除去回路と、前記周波数成分が除去された前記加速度センサの出力信号を閾値と比較する比較回路とを備えることを特徴とする落下検出装置。
2. 前記ノイズ除去回路は、前記加速度センサの出力信号から前記第１の周波数以上の周波数成分を除去する第１のローパスフィルタと、前記加速度センサの出力信号と前記第１のローパスフィルタの出力信号との差分信号を生成する差動増幅回路を含み、前記比較回路は、前記差分信号を閾値と比較することを特徴とする請求項１に記載の落下検出装置。
3. 前記ノイズ除去回路は、前記加速度センサの出力信号から前記第１の周波数よりも高い第２の周波数以上の周波数成分を除去する第２のローパスフィルタをさらに含み、前記差動増幅回路は、前記第１のローパスフィルタの出力信号と前記第２のローパスフィルタの出力信号との差分信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の落下検出装置。
4. 前記差分信号を全波整流して前記差分信号の絶対値を出力する全波整流回路をさらに備え、前記比較回路は、前記差動信号の絶対値と前記閾値とを比較することを特徴とする請求項２又は３に記載の落下検出装置。
5. 前記第１の周波数は、０．１Ｈｚから１．０Ｈｚまでの範囲内の周波数であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の落下検出装置。
6. 前記第２の周波数は、１Ｈｚから１０Ｈｚまでの範囲内の周波数であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の落下検出装置。
7. 加速度センサの出力信号から所定の周波数以下の低周波成分を除去するステップと、前記低周波成分が除去された前記加速度センサの出力信号を閾値とを比較し、前記出力信号が前記閾値を超えた場合に落下状態と判定するステップとを有することを特徴とする落下検出方法。
   

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