CN1851474B - 下落检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种下落检测装置，可以检测伴随有旋转的下落。其根据加速度检测部输出的加速度信号的波形、或者角速度检测部输出的角速度信号来检测伴随有旋转的下落。此外，根据加速度检测部检测的加速度和角速度检测部检测的角速度算出保护对象机器的重心点加速度。由此，即使在保护对象机器旋转下落的情况下，也可以通过所检测的加速度或者角速度检测机器的下落。此外，通过运算不受旋转影响的重心点加速度，即使保护对象机器旋转也可以高精度地检测机器的下落。

Description

下落检测装置
技术领域
本发明涉及一种下落检测装置，其可以检测伴随有旋转的下落。
背景技术
磁盘是一种通过预先获知下落结束时间，以使耐冲击性提高的装置。在磁盘中，与磁头在磁盘上进行数据读写的状态相比，磁头移动到停放区不进行数据读写的停放状态耐冲击性更大。因此，在检测下落时如果在着地前将磁头移动到停放状态，则可提高下落磁盘的耐冲击性。
使用加速度传感器实现上述功能的现有技术，是一种通过将不属于同一平面的三轴方向(例如相互垂直的x、y、z轴)的加速度传感器的输出同时变成大致为0从而判断自由下落的技术(例如，参照特开2000-241442号公报)。
发明内容
在上述现有技术中，在保护对象机器旋转下落的情况下，加速度传感器检测了离心力。因此，如果不将所有轴的加速度传感器的输出同时变成大致为0，则不能检测下落。
为了解决上述问题，本发明提供一种下落检测装置，该装置可以检测伴随有旋转的下落。
本发明的下落检测装置，包括旋转判断部，其根据加速度检测部检测的加速度的波形，或者角速度检测部检测的角速度，来检测伴随有旋转的下落。
此外，根据本发明的下落检测装置，包括重心点加速度运算部，其根据加速度检测部检测的加速度和角速度检测部检测的角速度，算出保护对象机器的重心点加速度。
根据本发明，即使在保护对象机器旋转下落的情况下，也可以通过所检测的加速度或者角速度检测机器的下落。
此外，根据本发明，通过算出不受旋转影响的重心点加速度，即使保护对象机器旋转也可以高精度地检测机器的下落。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的下落检测装置的功能框图。
图2A、2B所示的是旋转判断处理的一个例子。
图3所示的是旋转判断处理的又一个例子。
图4所示的是下落判断方法的适用范围。
图5A、5B、5C是本发明另外实施例的下落检测装置的功能框图。
图6A、6B、6C是本发明其他实施例的下落检测装置的功能框图。
图7A、7B、7C、7D、7E是用于说明图6C所示实施例的动作的图。
图8A、8B是本发明另外其他实施例的下落检测装置的功能框图。
图9所示的是安装有本发明下落检测装置的便携式机器的实施例。
图10A、10B所示的是下落检测装置的设计支持***。
图11A、11B所示的是下落检测装置设计支持***的界面的一例。
图中：1101-加速度传感器；1102-下落判断部；1103、1104-理论运算部；1105-旋转判断部；1106-下落检测输出端子；1107-转换部；1108-选择器；1109-矩阵开关部；1110-角速度传感器；1111-重心点加速度运算部；1112-重心位置、传感器位置、惯性矩信息输入部；1113-几何形状变形信息/可拆卸机器信息输入部；1114-角速度传感器连接部；1115-加速度传感器连接部；1116-参数设定端子；1117-相对关系判断部；1203-可拆卸部件；1204-微型计算机；1205-程序设计端子；1209-主CPU；1210-加速度输出端子；1211-加速度传感器模块；1701-滤波器特性调整部；1702-高通滤波器部；1703-低通滤波器部；1704-运算部；1705-比较部；1706-理论运算部；1707-旋转判断输出部；1708-加速度输入部；1709、1710-比较判断值保持部；1711-电功率运算部；1905-加速度传感器本体；1906-梁；1907-锤；1908-压敏电阻元件。
具体实施方式
图1是本发明一个实施例的下落检测装置的功能框图。首先对使用加速度临界值的下落检测部的动作进行说明。加速度检测部检测不属于同一平面的三轴方向(相互垂直的x、y、z轴)的加速度，通过下落判断部1102对由多轴加速度传感器1101检测的各轴方向的加速度进行临界值判断处理。通过理论运算部1103将临界值判断结果变成理论积，在所有轴的加速度小于临界值的情况下，也就是大致为0的情况下判断为下落状态，通过下落检测输出端子1106输出判断结果。在此，Atx、Aty、Atz为判断各轴方向的下落所使用的加速度临界值，例如0.4G等接近0G的值。
而且，在本实施例中，通过旋转判断部1105对来自多轴加速度传感器1101的输出进行旋转判断处理。在旋转判断部1105中根据由旋转下落过程中的离心力所产生的加速度波形的特征进行旋转判断。旋转判断处理结果由理论运算部1104结合上述临界值的判断结果进行判断，并输出到下落检测输出端子1106。此外，临界值判断结果即不旋转时的下落判断结果与旋转时的下落判断结果，也可以不通过理论运算部1104而分别单独地输出。
图2A、2B所示的是旋转判断处理的一个例子。图2A所示的是单轴的旋转判断部。在本处理中，下落过程中伴随有旋转，由设置在下落保护对象机器上的加速度传感器所检测的加速度波形近似于比较平滑的正弦波，本发明的发明人利用的正是这种新发现。在近似于正弦波波形的情况下，如图2B所示，加速度波形的频谱呈现出高频成分PH少于低频成分PL的形状。因此，可以将以某频率fc为边界的高频成分和低频成分的功率比作为指标。具体地说，在图2A中，通过可以分别滤出以频率fc为边界的高频成分和低频成分的高通滤波器1702和低通滤波器1703将来自加速度输入部1708的加速度值分成高频成分和低频成分。这些成分分别通过电功率运算部1711变换成电功率值，由运算部1704进行以低频成分的电功率值除高频成分的电功率值的运算。运算结果通过比较部1705与比较判断值保持部1709中保持的电功率比的临界值进行比较。在运算结果小于临界值的情况下，即近似于正弦波波形的情况下，比较部1705的输出变成理论值1。在此，高频和低频的边界fc可以通过滤波器特性调整部1701进行设定。另外，来自加速度输入部1708的加速度值可以不通过滤波器部而是由电功率运算部1711将其变换成总电功率值。此总电功率值与由比较判断值保持部1710保持的总电功率临界值通过比较部进行比较。在比较的结果为总电功率值大于总电功率临界值的情况下，比较部的输出变成理论值1。这两个比较部的输出值的理论积由理论运算部1706运算，并且在两个输出值均为理论值1的情况下，理论积为1即从旋转判断部1707输出旋转下落的判断结果。此外，之所以运算加速度波形的总电功率值是因为在运算部1704进行的除算中，当分母/分子均为很小的值时偶尔会输出与旋转状态相同程度的运算结果(商)。此外，在本实施例中，通过隐藏总电功率值的下限值，将所使用的触发脉冲比较器作为其上限值，从而可以降低由脉冲形加速度引起的误动作，提高判断精度。
图3所示的是旋转判断结果的一个例子。波形1801为加速度值，波形1802为下落过程中旋转判断的结果，即图2A中的旋转判断部1707的输出。波形1802的顶部(Rot)为检测自由下落过程中的旋转的状态，底部(Not Rot)为非检测状态。加速度的波形大致呈正弦波形，旋转下落时1803与波形1802检测旋转的状态部分基本一致。此外，加速度波形并不局限于大致呈正弦波形的情况，只有是比较平滑并且高频成分较少的重复波形就适用于图2A、2B所示的旋转判断处理。
在此，图1中的各轴方向的旋转判断处理1～3也并不局限于图2A、2B所示的方式，也可以是其他各种各样的判断处理方式，此外也不一定非要以相同的方式处理。这是因为由于各轴方向的主惯性矩值通常不相同，各轴方向的加速度波形的特征根据保护对象装置的质量分布的不同而不同。因此，优选地，通过模拟基于保护对象装置质量分布的旋转运动和模拟质量分布的试验装置进行实测，从而决定旋转判断处理1～3的内容。此外，所说的主惯性矩是将二次张量的惯性矩张量对角化。在以下记载中，所说的惯性矩是指主惯性矩。
图4所示的是下落判断方法的适用范围。通过将检测加速度变成总轴临界值以下进行检测的方法适用于保护对象装置下落时的旋转速度较低的情况；通过旋转判断处理检测下落过程中的旋转适用于下落时旋转速度较高的情况。以中等速度旋转的情况可以通过对两种方法的判断结果赋予适当的比重进行综合判断。
图5A-5C是本发明其他实施例的下落检测装置的功能框图，所示的是旋转判断处理不与每轴对应的情况和旋转判断处理可切换情况下的实施例。
图5A是将旋转判断部1105设置成只与单轴例如x轴对应的实施例。通常，如果旋转判断的轴只限定为一个，则在以该轴为中心产生稳定旋转的情况下，难以根据加速度的变化判断旋转的特征。然而，通常在各轴方向上主惯性矩的值是不相同的。众所周知，特别是具有中间值惯性矩的轴周围的旋转运动变动较大，不稳定，由此通过选择可检测该轴变动的方向的加速度轴用于旋转判断处理，可以将旋转判断部1105减少为只有一个。图5A中，选择x轴作为检测轴。在此情况下，将x、y、z轴周围的主惯性矩分别称为Ix、Iy、Iz，形成Iy＞Ix＞Iz或者Iz＞Ix＞Iy的关系。通过只设置一个旋转判断处理部，可以降低下落检测装置的电路规模，制造成本，电功率消耗，减少调整点数。
另外，在图5A的实施例中，优选地，按照旋转判断处理所使用的加速度检测轴偏离惯性主轴方向的方式设置加速度传感器。由此，旋转运动的变化增大，检测精度提高。此外，根据可能产生的旋转状态，也可以对两个或者两个以上但少于总轴数的加速度检测轴设置旋转处理判断部。
图5B是可以通过切换部1107和选择部1108对旋转判断处理所使用的轴进行选择的实施例。根据本实施例，可以减小包括位于保护对象机器内的加速度传感器的下落检测装置的安装方向的限制。由切换部1107和选择部1108进行的轴的选择可以在设计保护对象机器时进行。此外，设有参数设定端子1116用以改变旋转判断部中的参数设定值例如图2A中的fc和临界值等。在本实施例以外的实施例中，虽然省略了上述参数设定端子但也可以设置。
图5C所示的是在将所有的三轴用于旋转判断处理的情况下，可以对用于旋转判断处理的轴进行切换的实施例。在本实施例中，使用矩阵开关部1109可以任意改变检测轴x、y、z与旋转判断部1，2，3的连接。根据本实施例，不仅可以将所有的三轴作为旋转判断处理的对象而且可以减小包括位于保护对象机器内的加速度传感器的下落检测装置的安装方向的限制。用于旋转判断处理的轴数与加速度检测轴的总数不一定非要相同。此外，例如只有旋转判断部1进行需要集成电路的波形判断，旋转判断部2，3可以进行不需要集成电路的简便处理等等，需要集成电路的旋转判断部的数量也可以随着加速度检测轴数量的不同而不同。此外使用相对关系判断部1117，并使用由多轴的旋转判断部所抽出的旋转运动的特征量的相对关系，也可以提高旋转判断的精度。作为相对关系判断基准的例子，例如各轴获得的加速度波形的中心频率的相对值是否处于预定的比率范围内，或者时间范围加速度波形的最大振幅是否处在下落期间各轴共同的预定振幅范围内等。另外，相对关系判断部并不局限于图5C的实施例，也可以适用于使用多个旋转判断部的其他结构。而且，也可以将相对关系判断部1117包含在旋转判断处理部1105的内部，并相互连接在多轴的旋转判断处理部1105之间。
图6A-6C是本发明其他实施例的下落检测装置的功能框图，所示的是同时使用了加速度传感器和作为角速度检测部的角速度传感器(陀螺仪)的实施例。
图6A是同时使用了三轴加速度传感器1101和单轴角速度传感器1110的实施例。旋转判断部1105根据角速度传感器1110检测的角速度信号波形的特征判断伴随有旋转的下落。另外，与图3A的实施例相同，优选地，选择旋转变化较大的轴作为角速度传感器1110的检测轴。或者也可以将角速度检测轴设置成以使其偏离稳定的惯性主轴方向。
此外，图6B是同时使用了三轴加速度传感器1101和三轴角速度传感器1110的实施例。在图6B所示的实施例中，旋转判断部通过加速度传感器连接部1115输入由加速度传感器1101输出的加速度信号，并同时使用由角速度传感器1110输出的角速度信号判断伴随有旋转的下落。另外，角速度传感器连接部1114可以断开，在没有角速度传感器的情况下也可以通过加速度传感器连接部1115只使用由加速度传感器1101输出的加速度信号进行旋转判断处理。而且角速度传感器的轴数并不局限于三轴。另外，角速度传感器可以和加速度传感器一起封装在同一组件或模块内，也可以封装在不同的组件和模块内。
图6C是包括重心点加速度运算部1111的实施例，重心点运算部1111使用来自加速度传感器的加速度信号和来自角速度传感器的角速度信号，运算保护对象机器重心点的加速度来检测下落。使用图7A-7E对本实施例的运作进行说明。
图7A-7B所示的坐标系分别对应于轴周围的角速度(ωa、ωb、ωc)和从重心(GC)朝向加速度传感器位置的位置矢量(ra、rb、rc)，在保护对象机器下落状态中没有外力作用的情况下，通过使以下的算式1成立就可以判断下落。在此，Da、Db、Dc分别为a、b、c轴方向的加速度传感器获得的加速度值。
算式1
( ω b 2 + ω c 2 ) · r a - ( ω b · r b + ω c · r c ) · ω a - D a ( ω c 2 + ω a 2 ) · r b - ( ω c · r c + ω a · r a ) · ω b - D b ( ω a 2 + ω b 2 ) · r c - ( ω a · r a + ω b · r b ) · ω c - D c ≅ 0 0 0
由图7C所示的重心位置、传感器位置、惯性矩信息输入部1112为上述算式1的运算提供必要的信息。此外，实际上优选地需要考虑由空气阻抗和所使用传感器的精度引起的误差。另外，在保护对象装置的形状不对称的情况下，需要根据惯性主轴的倾斜程度进行适当的坐标变换。根据本实施例，由于可以知道保护对象装置重心位置的加速度，因此传感器也可以设置在偏离保护对象装置的重心附近的位置。因此可以降低传感器封装位置的限制，另外如图7C所示，即使在重心(GC)位于保护对象机器的外部的情况下也可以适用。此外，如果使用图6C的几何形状变形信息/可拆卸机器信息输入部1113，则可以获得与由保护对象装置重心位置变化引起的形状变化有关的信息。因此，如图7D所示，可以根据折叠型便携式终端折叠情况下的重心位置变化进行下落的判断。另外，一旦重心位置变化则算式1中的从重心到传感器的位置矢量将变化。如图7E所示，安装可拆卸部件1203可以作为导致重心位置变化的其他例子。在可拆卸部件中还可以包括用于扩展功能的其他部件、与内置电池容量不同的外装电池组等。即使在由于安装该部件而引起重心位置变化的情况1202中，也可以使用由几何形状变形信息/可拆卸机器信息输入部1113输入的信息对重心位置进行补正。本实施例中所示的角速度并不局限于从角速度传感器获得的角速度值，也可以使用由配置成特定几何形状的多个加速度传感器运算出的角速度值。
图8A、8B是本发明又一其他实施例的下落检测装置的功能框图。
图8A是使用微型计算机1204进行下落判断的实施例。通过微型计算机1204中的程序进行上述各实施例中的下落判断处理，例如，不旋转时的下落检测处理，通过将不在同一平面上的三轴方向的加速度同时大致变成0来检测自由下落；以及旋转判断处理，检测自由下落过程中的旋转等等。旋转判断处理不一定非要使用各传感器的总轴数。此外，在使用多轴加速度传感器1101和角速度传感器1110的情况下，与图6C所示的结构相同，也可以通过求解保护对象装置的重心运动的算式1进行下落判断。可以从编程端子1205输入用于下落判断的程序或者设定参数中的至少一种。该程序至少包含根据由下落过程中的离心力产生的加速度波形的特征来判断旋转的部分或者通过算式1判断下落的部分中的至少之一。另外，断裂线包围的部分1206、虚线包围的部分1207和点划线包围的部分1208分别表示单模块化或者单芯片化的部分。
图8B是通过保护对象装置内的主CPU1209进行下落判断的实施例。图中点划线包围的部分被单模块或者单芯片化以作为加速度传感器模块1211。与图8A相同，主CPU1209中与下落判断有关的程序进行不旋转时下落检测与旋转判断处理组合的下落判断或者进行求解保护对象装置重心运动的算式1的下落判断。主CPU存取的数据可以只是从加速度输出端子1210输出的三轴加速度输出值，或者也可以是不多于两轴的加速度输出值与从下落检测输出端子1106输出的传感器模块中临界值判断后的不旋转时的下落检测输出值的组合。图8B中，在主CPU通过存取三轴加速度并判断临界值对不旋转时的下落进行判断的情况下，加速度传感器模块1211也可以不包括下落判断部1102、理论运算部1103和下落检测输出端子1106，而是由加速度传感器1101和加速度输出端子1210组成。另外，也可以同时使用角速度传感器。此外，上述主CPU也可以兼有对保护对象装置装载的机器进行控制/管理等的CPU。
图9所示的是安装有本发明下落检测装置的便携式机器的实施例。作为保护对象机器的便携式机器1901例如可以是便携式电话等。在便携式机器1901上安装有磁盘。此外，包含加速度传感器本体1905的组件或者模块设置在便携式机器中的安装位置1902。在本实施例中，由于便携式机器中各种部件布置上的限制，加速度传感器的安装位置偏离便携式机器1901的重心1904。如放大图所示，加速度传感器本体1905是通过MEMS(Micro-electromechanical Systems：微型机电***)工艺制造的半导体传感器。在加速度传感器本体1905中，锤1907由梁1906支撑。通过形成于加速度传感器本体上的压敏电阻元件1908检测由加速度引起的梁1906的变形，从而可以检测三轴的加速度。一旦通过该加速度传感器检测下落，则来自传感器模块或者传感器组件或者它们周边电路的磁盘磁头停放命令信号1909传送给磁盘装置1903。由此，由于在便携式机器1901着地前磁头变成停放状态，因此可以提高下落时的耐冲击性。在本实施例中，虽然通过MEMS工艺精细加工半导体基板并使用所制造的半导体加速度传感器，但是也可以使用其他各种各样的加速度传感器。
图10A、10B所示的是下落检测装置的设计支持***。下落检测装置的设计中需要多个要件，例如机器中的安装位置、传感器种类、设置方向、使用轴数等。因此，通过提供传感器附属软件、单独的成套软件(package soft)或者免费软件作为支持下落检测装置设计业务的程序，从而可以设计出检测精度和可靠性更高的下落检测装置。
图10A所示的是下落检测装置设计支持***的一个例子，其中使用了专用程序。使用保护对象装置的质量分布、布置限制数据作为输入数据1301。对于质量分布的建立，可以直接读入由材质和形状组成的CAD数据，并加进每种材质的比重数据内部形成。布置限制数据是可设置传感器的位置、基板上的范围、可设置的方向等数据。根据与该保护对象机器相对应的数据和用户指示的设计选项与替换信息1306，下落传感器设计程序1302就可以对下落检测装置的设计进行支持。用户也可以通过用户控制台1304例如进行答问方式的简便操作。选项和替换的指定方式除了用户控制台以外还可以使用外储存器(file)等进行指定。在输出数据1303中包括传感器的推荐设置位置、推荐设置方向、使用的传感器轴、设定参数、旋转检测规程、推荐的传感器数量、检测性能中的至少一种。
图10B是布置限制数据1301的使用例子。1401为保护对象机器，1402为重心位置传感器设置平面的投影，1403为设计值等高线(contour)。设计值等高线1403是最大加速度的分布，例如是在给定以某初始转数沿各种方向旋转的初始条件并使其下落的情况下的最大加速度的分布。此时，理想地应该在重心投影位置1402设置传感器，然而由于存在布置限制1404，所以难以设置。因此，在只要距离重心最短的观点中，列举设置点1405和设置点1406作为候选设置位置的例子，而参照设置值等高线1403可判断设置点1405的位置更恰当。此外，如果列举第二候选地点，则根据设置值等高线1403，适当的位置不是设置点1406而是设置点1405附近的某个位置。在下落检测的设计支持中，这种动作必须按照用户的指示进行。
图11A、11B所示的是下落检测装置设计支持***的界面的一个例子。
图11A所示的是作为设计选项(图10A，1305)的设定界面的控制台的显示器。在显示器1501中指定所使用的传感器的种类。例如，指定是否只有加速度传感器，还是与角速度传感器等其它传感器并用等等。在显示器中1502指定传感器的型号。这样，随着设计的进行，还可以自动地存入候选项。显示器1503的传感器使用轴数的指定也可以自动地存入。在显示器1503预期的检测灵敏度的指定中，除了高/低的指定以外，还可以显示判断率和检测可能的下落距离等。显示器1505可以在性能优先顺序的指定中进行是否对某性能值进行优先设计的指定。显示器1506的HDD停放时间的指定是指定从所使用的磁盘接受停放信号至变成停放状态的时间，这也可以通过磁盘的型号进行指定。显示器1507指定可检测的下落高度。通常，下落检测高度越高判断下落的时间就越长，从而可以提高下落检测的精度。显示器1508的HDD存取能率(access duty)的指定是指定磁盘的使用频率。例如，在保护对象装置所使用的应用程序要求的数据传输率较低的情况下，磁盘动作时间占保护对象装置的动作时间的比例降低。因此，即使增大了下落的误判断率(将不下落的状态判断为下落状态称为误判断)，也很少有妨碍。通常，在上述误判率较高的情况下，由于真正下落的检测率也很高，因此在允许的范围内通过提高误判率可以使下落的检测灵敏度提高，并可以提高磁盘的保护性能。
图11B中所示的是替换信息(图10A，1306)的一个例子。在下落传感器的设计程序中主要执行注意1601、询问1602、替换信息的指定1603、解析结果显示1604等，通过采用用户界面开展设计业务。
以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本发明技术思想的范围内可以有各种变形实施例。

Claims (5)

1.一种下落检测装置，其特征在于，包括：
加速度检测部，其设置在机器上，用以检测三个轴方向中每个方向上所述机器的加速度；
旋转判断部，其根据所述加速度检测部检测的沿着三个轴方向之一大致为正弦形状的加速度的波形，对所述机器的旋转下落进行检测，其中各轴方向上的主惯性矩值是不相同的，所述三个轴方向之一是具有中间值主惯性矩值的轴。
2.根据权利要求1所述的下落检测装置，其特征在于，所述波形为平滑的重复波形。
3.根据权利要求1所述的下落检测装置，其特征在于，还包括下落判断部，其通过将所述三个轴方向的各个所述加速度大致变为0检测所述机器的下落。
4.根据权利要求1所述的下落检测装置，其特征在于，还包括下落判断部，其通过将所述三个轴方向的各个所述加速度变为小于预定的临界值检测所述机器的下落。
5.一种下落检测装置，其特征在于，包括：
加速度检测部，其设置在机器中用以检测三个轴方向中每个方向上所述机器的加速度；
旋转判断部，其根据所述加速度检测部检测的沿着三个轴方向之一大致为正弦形状的加速度的波形，对所述机器的旋转下落进行检测，其中各轴方向上的主惯性矩值是不相同的，所述三个轴方向之一是具有中间值主惯性矩值的轴；
下落判断部，其通过将所述多个轴方向的各个所述加速度大致变为0来检测所述机器的下落；
端子，其将所述加速度检测部的输出连接到用于检测所述机器的旋转下落的旋转判断部。
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