专利名称：跌落检测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种跌落检测设备，其可用于安装有硬盘驱动器的移动电子设备等的跌落检测。
背景技术：
移动电子设备本质上具有偶然被跌落的风险。包含硬盘驱动器的移动电子设备，如笔记本电脑和一些数字音乐播放器，受碰撞特别易损坏，需要防摔措施。当这些设备被放在地面上时，重力加速度施加在它们之上。因为在理想的自由落体过程中没有重力加速度被施加，因此由安装在它们上面的加速度传感器测量到的加速度为零或非常小。因此，通常通过判断测量到的加速度是否小于特定门限来检测设备的自由落体，并且对检测结果采取保护措施。这种跌落判断在日本的公开专利2000-241442和美国专利5,982,573中有描述。在日本专利文献中，当被安装的三轴加速度传感器检测到加速度信号的任何一个轴分量为几乎为零的很小的量，并持续一定的时间，则确定传感器处于自由落体，磁头被移到一个遮蔽区域，以防止磁盘驱动器由于衰落碰撞产生的冲击而被损坏。在美国专利文献中，当三轴加速度的复合矢量的量值小于特定门限的时间大于90毫秒时，则检测出跌落，以将磁头移到一个遮蔽区域，以防止磁盘驱动器由于衰落碰撞产生的冲击而被损坏。
在日本专利文献中所描述的跌落检测中，由三个轴加速度传感器测量到的加速度的轴向分量的每一个绝对值，被与特定值(所谓的门限值Th)进行比较，当加速度分量的每一个绝对值都小于门限值Th时，判定处于跌落中。也即，加速度的x轴分量Ax、y轴分量Ay和z轴分量Az中的每一个绝对值都被与门限值Th比较，当它们中的每一个都小于门限值Th时，判定处于跌落中。所以，假定测量到的加速度A(Ax、Ay、Az)施加于图5A中所示的正交坐标系的原点O上，判断加速度A是否被包含于在x轴、y轴和z轴方向上边长为Th的立方体中。如果加速度A仅包含x轴分量、y轴分量、z轴分量中的一个，当加速度的量值大于门限值Th时，不判定处于跌落中。但是，在图5A中所示的边长为Th的立方体中，从原点O到距离该立方体的观察者最近的定点的对角线距离为Th。当测量到的加速度A处于对角线方向时，为了避免判定处于跌落中，加速度的量值不小于Th是必须的。如在此情况中，尽管检测到加速度大于门限值Th，也存在一些判定处于跌落中的情况。
在美国专利文献所述的跌落检测中，通过一个三坐标加速度传感器测量到的坐标轴方向的加速度分量的组合矢量的量值，被与一个特定值(门限值Th)比较，当组合矢量的量值小于该门限值时，判定处于跌落中。在图5B所示的正交坐标系中，测量到的加速度A(Ax、Ay、Az)施加于其坐标原点O，判断加速度A是否被包含在圆心为原点O半径为Th的圆球中。不管在加速度A所指向的圆球上的任何方向上，加速度A的量值可以被与门限值Th比较。但是，为了比较加速度A的量值与门限值，需要对加速度的每个坐标分量进行平方，并计算平方和的平方根。因为平方和计算需要较大规模的计算电路，小型化用于计算电路的IC将成为一个障碍。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种跌落检测设备，其中改进了与加速度矢量的方向相关的用于加速度判断的有效门限值的一致性，它能够通过简单计算实现关于加速度的跌落判断。
本发明的一种跌落检测设备包括一个三轴加速度传感器，用于测量所施加的加速度的每一个坐标轴分量，并生成测量到的加速度的每个坐标轴分量，一个第一比较装置，它将测量到的加速度的每一个坐标轴分量的绝对值与一个第一门限值进行比较，当绝对值小于第一门限值时产生第一输出，一个第二比较装置，它将测量到的加速度的坐标轴分量的绝对值之和与一个第二门限进行比较，当该和小于第二门限值时产生第二输出，以及一个跌落检测装置，当第一比较器产生第一输出，并且第二比较器产生第二输出时，产生跌落检测信号。
本发明的跌落检测设备将测量到的加速度的每一坐标轴分量的绝对值与第一门限值进行比较，将加速度的坐标轴分量的绝对值之和与第二门限值进行比较。当测量到的每一个坐标轴分量的绝对值等于第一门限值时，绝对值之和为最大，并且是第一门限值的倍。通过将第二门限值设置为适当值，可以当未跌落时使第二比较器上的判断为负，并可以避免跌落检测信号。
例如，设置第二门限值为第一门限值的倍。当测量到的加速度的每个坐标轴分量的绝对值彼此相等，并且当坐标轴分量的绝对值之和为第二门限值时，加速度矢量的幅值与第一门限值相同。所以，将测量到的加速度的坐标轴分量的绝对值之和与第二门限值进行比较，与将加速度矢量的幅值与第一门限值进行比较相同，并到其小于第一门限值时判断跌落。
基于此理由，最好是第二门限值是第一门限值的1.5至2倍。如果设置的第二门限值小于第一门限值的1.5倍，则即使当施加的加速度非常小而处于跌落中时，也判定未在跌落中。相反，如果第二门限值大于第一门限值的2倍，则即使当施加的加速度非常大而未在跌落中，也判定处于跌落中。另外，即使没有施加加速度，加速度传感器也具有特定量的偏移输出。为了避免由偏移输出引起的错误判断，希望第二门限值是第一门限值的1.5至2倍。
同样，在上述根据本发明所述的跌落检测设备中，最好是当第一比较器和第二比较器的输出持续预定时间后，跌落检测器产生跌落检测信号。来自第一和/或第二比较器的跌落检测输出在跌落开始后的短时间内可能会消失。例如，加速度传感器被振动，或者为设备采取了避免跌落的措施。为了避免在这些情况下的跌落检测判断，希望判断第一比较器和第二比较器的输出是否持续了预定的时间，并且仅当输出持续这样一个特定时间后才产生跌落检测信号。
根据本发明的跌落检测设备，可以通过简单的计算而不需要平方和计算而执行加速度判断，并且提高了与加速度矢量的方向相关的用于加速度检测的有效门限值的一致性。
图1的框图示出了根据本发明的实施例1的一个跌落检测设备。
图2A示例性的示出了三轴正交坐标系中的一个区域，其中加速度的每个轴分量都小于一个第一阈值Th。图2B示例性的示出了三轴正交坐标系中的一个区，其中加速度的各轴分量的绝对值之和小于第二阈值Th，图2C示例性的示出了本发明的一个加速度判断区。
图3的方框图示出了根据本发明的实施例2的一个跌落检测设备。
图4的方框图示出了根据本发明的实施例3的一个跌落检测设备。
图5A示例性的示出了一个区域，其中加速度的每个轴分量都小于一个阈值Th。图5B示例性的示出了其中加速度的幅度小于一个阈值的一个区。
具体实施例方式
实施例1图1的方框图示出了根据本发明的实施例1的一个跌落检测设备。图1的该跌落检测设备包括一个三轴加速度传感器1，一个加速度判断装置2，和一个连续时间判断装置3。该加速度判断装置2包括第一比较装置21，22和23，它们判断测量的加速度的每个轴分量Ax，Ay，Az的绝对值是否是否小于第一阈值Th，和第二比较装置24，其判断测量的加速度的各轴分量Ax，Ay，Az的绝对值的和是否小于第二阈值，该第二阈值是第一阈值的倍，第一比较单元21，22和23的判断结果传送到一个逻辑乘电路25，当所有的第一比较单元21，22，23的判断结果都是“真”(是)时，该逻辑乘电路25产生一个输出(第一输出)“真”。该逻辑乘电路25的输出和第二比较单元24的判断结果输出到一个逻辑乘单元26，该单元当逻辑乘电路25的输出(第一输出)为“真”且第二比较装置24的判断结果(第二输出)为“真”时产生一个加速度判断输出。这里，一个加速度判断就是判断测量的加速度是否小于一个特定的值，一个加速度判断输出装置输出“处于跌落”作为一个判断结果。该加速度判断输出可被用作一个跌落检测信号。或者，连续时间判断装置3关于所述小加速状态(或跌落状态)持续是否超过了预定的时间的判断结果作为跌落检测信号。
图2示出了本发明的一个加速判断区。当加速度分量的绝对值被处理时，只考虑x轴、y轴和z轴的正区域已经足够，图2仅示出了这三个轴的正区域。其它区可认为关于原点和各个轴是对称的。图2A通过一个长度为Th的立方体示出了第一比较装置21，22，23都为“真”(是)的判断结果区。当测量的加速度的每个轴分量都具有阈值Th的幅度时，该加速度向量位于该立方体的对角线上，加速度向量的幅度为Th。图2B示出了第二比较装置24为“真”(是)的判断结果区。通过每个轴上的Th处的三点的平面由通过斜线阴影化的一个三角形表示，第二比较装置24的判断结果为“真”(是)的判断结果区位于该平面下，即在平面的原点处。假定加速度的轴向分量的绝对值|Ax|、|Ay|、|Az|分别被表示为X，Y和Z，该平面由以下公式表示X+Y+Z＝Th(公式1)该平面下的区域由以下公式表示X+Y+Z＜Th(公式2)从原点到该平面的垂线即上述立方体的对角线，该垂线的长度等于Th。
图2C示出了图2A和图2B的一个公共区域。这是第一比较装置的判断结果都为“真”且第二比较装置的判断结果也为“真”的区域。图重示出了一个形状，该形状是图2B的平面去掉了离图2A的立方体的观测者最近的顶点附近的一部分。通过该公共区域，该立方体的对角方向的阈值从Th减小到Th。有效阈值在图2C所示的变形的六变形的顶点处变得最大，大约为1.24Th。正如从图2看到的，有效阈值的最大值与最小值的比率在本发明中通过合并第二比较装置至第一比较装置而变为1.24，相比之下只有第一比较装置时的比率为1.73。并且，有效阈值的一致性也得以改善。虽然该一致性在第二阈值远离倍的第一阈值而变化时被破坏，但有效阈值的一致性当第二阈值是1.5倍到2倍的第一阈值时是可以接受的。
实施例2根据本发明的实施例2的一个跌落检测设备示于图3的框图，图中示出了一个加速度判断装置的特定结构。绝对值电路201，202和203从一个三轴加速度传感器(未示出)接收检测输出，即轴分量Ax，Ay，Az的模拟电压，并根据检测输出是否高于或低于一个参考电压Vref而在反向和逆反向间切换，以产生该检测输出的绝对值，该参考电压Vref对应于零加速度。比较器205依次比较来自这些绝对值电路的输出与一个阈值电压Vth，并在输出小于该阈值电压Vth时生成逻辑1。虽然该阈值电压Vth相对参考电压Vref有偏移，但该偏移在这里描述的跌落检测设备中被忽略。每一绝对值电路201，202，203与比较器205合并在一起，对应于用于加速度的每个轴分量的第一比较装置。求和电路204利用一个电阻求和电路相加这些绝对值电路的输出的1/3并放大1.73倍。由于1.73倍对应于倍，1/3相加的和与的乘积等价于1/乘以测量的加速度的模拟电压轴分量Ax，Ay，Az的绝对值之和。
求和电路204的输出与阈值电压Vth在比较器205处的比较等效于比较Ax，Ay，Az的绝对值之和与Th的比较，并意味着对应于上述公式2的判断。也就是说，对应于本发明的第二比较装置。如上所述，比较器205依次将每个Ax，Ay，Az的绝对值和它们之和与阈值进行比较。数据锁存电路206，207，208，209在与比较器205中的输入切换同步的锁存脉冲Tx，Ty，Tz和Tsum的时序执行来自比较器205的逻辑输出的数据锁存。由于这些数据锁存电路保留锁存的数据直到下一数据锁存时序，因此就可以通过来自所有这些数据锁存电路的锁存数据的逻辑乘积获得加速度的判断输出。该实施例的优点是单个比较器就能够执行所有的比较，因为与阈值的这些比较是依次进行的。
实施例3图4的方框图示出了根据本发明的实施例3的一个跌落检测设备。图4描述了一个在加速度判断装置中利用数字信号处理的结构化实施例。实施例3的该加速度判断装置包括一个复用器211，一个A/D转换器212，一个绝对值电路213，减法电路214，217，218，219，一个第一阈值的存储寄存器215，第二阈值的存储计算器216及数据锁存电路220。从一个三轴加速度传感器1输出的模拟电压通过复用器211进行时间调整(shear)并发送到A/D转换器212以产生数字信号。该数字信号具有2的补数的形式并通常是一个由包含一个正/负符号位的多个比特组成的并行数据。但图4只是简单的用一条线示出了该数字信号。符号位1代表负数，通过反转包含该符号位的所有的比特位然后加1得到绝对值。减法电路用第一阈值Th减去加速度的绝对值。当该加速度的绝对值小于第一阈值Th时，该减法的结果为正，符号位变为0。同样的方式，减法电路217从第二阈值Th中减去加速度的x轴的绝对值，并依次减法电路218，219分别减去加速度y轴和z轴的绝对值。当加速度的轴分量的绝对值的和小于第二阈值时，最后的减法电路219的减法结果为正，其符号位为0。通过在锁存电路220中依次锁存这些符号位，并对锁存电路的QB反转输出进行逻辑乘积，得到加速度的判断输出。很明显从该A/D转换器开始的下游设备进行的数字信号处理可以由运行在微处理器中的软件来执行。
如上所述，本发明中该加速度判断可通过简单的计算来完成，不需要使用复杂的和的平方计算。并且实现了一个跌落检测设备，其中加速度判断的有效阈值的一致性在加速度向量方向方面也得以改善。本发明的该跌落检测设备可安装在一个移动电子设备中，用来检测移动电子设备的跌落并实施防跌落保护。
权利要求
1.一种跌落检测设备包括一个三轴加速度传感器，用于测量所施加的加速度的每一个坐标轴分量，并生成测量到的加速度的每个坐标轴分量，一个第一比较装置，它将测量到的加速度的每一个坐标轴分量的绝对值与一个第一门限值进行比较，并且当绝对值小于第一门限值时产生第一输出，一个第二比较装置，它将测量到的加速度的坐标轴分量的绝对值之和与一个第二门限进行比较，并且当该和小于第二门限值时产生第二输出，以及一个跌落检测装置，当第一比较器产生第一输出并且第二比较器产生第二输出时，产生跌落检测信号。
2.如权利要求1所述的跌落检测设备，其中当由第一比较装置产生的第一输出及由第二比较装置产生的第二输出持续一预定时间时，该跌落检测装置产生跌落检测信号。
3.如权利要求1所述的跌落检测设备，其中第二门限值是第一门限值的1.5至2倍。
4.如权利要求2所述的跌落检测设备，其中第二门限值是第一门限值的1.5至2倍。
全文摘要
提供了一种跌落检测设备，它实现了通过简单计算的对加速度的跌落判断，提高了与施加的加速度的矢量方向相关的用于加速度检测的有效的门限值的一致性。当由一个三轴加速度传感器测量到的加速度的每个坐标轴分量的绝对值小于第一门限值时，并且当加速度的坐标轴分量的绝对值之和小于值为第一门限值的1.5至2倍的第二门限值时，该跌落检测设备产生一个跌落检测信号。
文档编号G11B33/10GK1908675SQ20061011006
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月5日
发明者野田胜, 阿部泰典 申请人:日立金属株式会社