JP2911934B2 - 熱的に可変な抵抗網を使用するモータにおける抵抗補償 - Google Patents

熱的に可変な抵抗網を使用するモータにおける抵抗補償

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Description

【発明の詳細な説明】 関連出願の引照 本発明は例えば米国特許願116,374号（−ハウジング
ステップモータ、発明者クライン、1987年11月２日付）
に開示のモータに有益である。
発明の分野 本発明はディスクドライブ中に使用するステップモー
タ、殊に温度変化によって生ずるモータの抵抗の変化を
補償するための方法と装置に関する。
発明の背景 ステップモータを使用する典型的なディスクドライブ
においては、ヘッドを１トラックから100もしくはそれ
以上のトラック隔ったもう一つの選択トラックへ移動さ
せるためにステップモータを制御するアルゴリズムを開
発する必要がある。このことを行う過程において、モー
タをすこぶる高速にまで加速した後急速に減速させ停止
させる。このように急速に加速した後減速させるには一
部はルックアップテーブル内の各ステップパルス間の時
間をモータ制御マイクロプロセッサがアクセスできるよ
うにすることによって行われる。これらの時間はディス
クの性能にとって極めて重要である。それら時間が１マ
イクロセカンドシフトするとパルス発生が最適な時間の
前後にわずかにずれるため、ディスクドライブ上のトラ
ックに対するヘッドの整定が最早最適ではなくなる。
ハードディスクドライブ内のステップモータは特定の
広い、予め規定された熱領域（４℃〜70℃）にさらされ
るため、ステップモータの巻線抵抗は変化する温度のた
めに変化することになろう。この変化は予測可能であっ
て実験的に再現可能である。典型的な場合、モータ抵抗
（Rm）は約1.393％／℃変化することになろう。任意の
温度の下におけるモータ抵抗の等式は以下の如く表現す
ることができる。
Rm＝Ro＋RoTcm（Ｔ−To） （１） 但し、 Ro＝周囲室温における公称抵抗 Tcm＝熱抵抗係数（銅のばあい1.393％／℃） To＝25℃の周囲室温 Ｔ＝作業温度 高温下でこのように抵抗が増加することは、（低温下
でのトルクよりも）モータトルクを小さくしシステムの
L/R時定数を変えるからモータの性能にとって有害であ
る。L/R時定数の変化は特に有害である。何故ならば、
上記ルックアップテーブルを組込んだモータのステップ
アルゴリズムを調節しなおして電気系統におけるこの変
化に対処することはできないからである。
電流が変化する結果、モータのトルクが変化すること
になろう。このトルクの変化は一部は大抵のディスクド
ライブメーカが行っているようにモータ電圧を調節する
ことによって最小限にすることができる。しかしなが
ら、そのモータ電圧の適当な調節は、電流の変化に或る
程度圧倒される。何故ならば、調節によって達成される
モータ電圧の変化は、ある程度電流を変化させ抵抗の変
化を補償するが、その補償は、所望される程完全で正確
なものではないからである。言い換えれば、トルクの変
化はモータ電圧を調節することにより最小にすることが
できるが、この問題を排除するための適当な調節は、抵
抗の変化を補償する変化電流の問題のために完全には達
成されない。即ち、L/R時定数はシステムに加えた電圧
が変化するに応じて変化しないであろうし、従って、印
加電圧を変化することによる調節はシステム内のこの変
化を正確には補償しないであろう。かくして、温度が変
化するにつれてのL/R時定数の変化の可能性は、ディス
クドライブに必要とされる高い精度を維持するためには
何か他の方法で克服される必要がある。
発明の要約 従って、本発明の目的はディスクドライブ内に使用す
るモータでその性能がより信頼でき作業環境温度の変化
によって惹起されるモータトルクの変動の影響からより
十分に隔離されたものを提供することである。
殊に、本発明の目的は負温度係数のサーミスタを使用
することによってディスクドライブの運転期間中に発生
する温度の変化によってモータコイル抵抗が変化するそ
の変化を補償するための方法を提供することである。
それに関連する目的としてディスクドライブモータ内
に負温度係数のサーミスタを組込んでL/R時定数の変化
を回避し、そのことによって作業温度の変化に伴うモー
タトルクの変動を回避することである。
以上の、またその他の目的はハウジングと、ロータを
包囲するハウジングの内壁上に取付けられた複数の平行
ステータ積層体より成るステップモータにより達せられ
る。上記ステータはステータ極の周囲に巻きつけた複数
のコイルより成る。互いに直列に接続された各コイルも
しくはコイル群は更にサーミスタ網と直列に接続され
る。サーミスタはコイルの実際の作業温度に正確に反応
できるように隣接しあうステータコイルに直かに隣接す
るか両者間のスペース内に挿入した形で、コイルと隣合
って取付けられた印刷回路板上に支持される。
温度が上昇すると共に、負温度係数のサーミスタの抵
抗は低下し、モータ回路の抵抗を低下させシステムのL/
R時定数を維持することになろう。温度が低下する場合
にはその反対の効果が生ずるであろう。その結果、一定
の温度範囲について一定のトルクが維持される。
温度の変化につれてコイルを巻くために使用されるワ
イヤの抵抗の変化を正確に反映するサーミスタが利用で
きない場合に備えて、抵抗器をサーミスタと平行に配線
し、同抵抗器がサーミスタ網によって表わされるコイル
に対する全抵抗を変更するために選ばれた値を有するこ
とによって補償が温度とモータ設計の広範囲の変化に対
して正確に行われるようになる。分巻抵抗器はゼロから
無限まで任意の選択値を有することによってモータ設計
の変更を補償することができるからモータを設計する上
で柔軟性に富んでいる。もしそのような柔軟性が必要で
なければ、サーミスタと抵抗器は単一のパッケージ内に
組込むことができよう。
図面の簡単な説明 本発明の特徴と利点は以下の図面を参照することによ
ってよりり十分に理解することができよう。
第１図は本発明を組込んだステップモータの分解図、 第２図は印刷回路板を取外してステータコイルとロー
タの構成を示した第１図のモータの底面図、 第３図は本発明のサーミスタ回路の概略図、 第4A図は第２図に示されたコイル底部上に嵌装され本
発明の分巻抵抗器とサーミスタ回路を支持する印刷回路
板の一方側を示したもの、 第4B図は本発明のサーミスタ回路を支持する印刷回路
板の他方側の平面図、 第５図は温度変化と共に補償されるモータコイルの抵
抗と補償されない抵抗を示す、 第６図は温度と共に抵抗を変化させる際のサーミスタ
補償網の効果を示す、 第7A−7D図は実際のディスクドライブにおいて本発明
を組込んだ場合のアクセスタイムに対する影響を示す、 第８図と第９図はシミュレートされた作業条件下でテ
ストされるモータ外部の印刷回路板上に本発明を組込ん
だ場合の影響を示す代替例図。
実施例の詳細な説明 まづ、第１図について述べると、本発明を組込んだタ
イプのモータの本質的要素が示されている。このモータ
は例示用として説明するもので本発明の効用は、特定の
モータ設計に限定されるものではない。第１図に示され
るモータ設計の詳細は上記したエンリッククラインの出
願明細書に見出すことができる。
モータ１は、中心シャフト２を有し、この中心シャフ
ト２は、ステータ積層体すなわちステータスタック４内
に組み込まれたステータコイルの選択的な駆動によりロ
ータ３を回転するように支持している。ステータスタッ
ク４は、ロータ３との整合が維持されるように、ハウジ
ング５内に支持されている。中心シャフト２の上部に
は、ピン（図示せず）を有するプーリ６が取り付けら
れ、このピンは、読み書きトランスジューサ取付けキャ
リッジの遠端に接続されて中心シャフトの回転に伴って
キャリッジを選択位置決めするバンド（図示せず）、を
取り付けるために使用される。シャフトとの上端はま
た、プーリ６下方に保持リング７、シールスリーブ８、
磁気シール９、および玉軸受10を担っている。ステータ
スタックは絶縁体11によってハウジングから絶縁され
る。ロータ３下部にはシャフト２に沿って軸受ホルダ1
2、同ホルダ12を所定位置に維持するためのディスクば
ね13、後部玉軸受14、および保持ばね15が存在する。上
記組成体は後部カバー16、ワシャ17、およびねじ18によ
って完成し、それらは組立てられたモータを共に保持し
ている。
第２図の底面図に詳細に描かれているように、複数の
アクチュエータ極26が設けられていて、その上部にステ
ータのコイルが巻かれている。先に論じた如く、補償す
る必要があるのはモータハウジング内の温度の変化と共
にステータコイル28の電線の抵抗の変化である。もし正
確な補償を組込むことができれば、ステップモータのコ
イルは、抵抗がディスクドライブの正規規定作業温度範
囲にわたって実質上一定となった電気的負荷として作用
する。
ステータコイルの直下に取付けられた印刷回路板上
に、第３図に示すようなサーミスタ網29が各コイルもし
くは直列接続のコイル群と直列に設けられている。上記
サーミスタ網はRth30で示した、温度上昇と共に電気抵
抗が低下する特性を有するように選んだサーミスタ30よ
り構成される。ステータコイル設計の差異を考慮するた
めに分巻抵抗器Rsh32を設けてサーミスタ補償網の抵抗
特性を所望値に変更するようにしてある。抵抗器32とサ
ーミスタ30との回路網はモータコイルRm34の抵抗と直列
に配置される。本発明の図解例ではモータ内に10個のコ
イルが使用されている。それらは第３図に示すタイプの
サーミスタ補償網29がそれぞれの対のコイルと直列に接
続される形で直列に対状に接続される。
第4A図と第4B図にはサーミスタ網の実際の取付方法が
示されている。第4A図はステップモータ内に通常取付け
られるタイプの印刷回路板36でステータコイル線に接続
されるワイヤトレース50を備えたものを示す。回路板36
はコイルから隔った回路板側に取付けられる抵抗器Rsh3
2（第4A図ではRsh32a〜Rsh32eとして図示する）を収納
するように変形されている。サーミスタRth30は第4B図
ではRth30a〜Rth30eとして示すように回路板の反対側に
取付けられる。サーミスタ30はステータコイル28に近接
するように、殊にステータコイル28どうしの間に突出す
ように配置されることによってサーミスタRth30の温度
がコイルの温度を正確に反映するようになっている。
サーミスタ網の電気回路を第３図に示す。この回路か
ら一対のコイルより成る特定の位相の抵抗挙動を記述す
る等式を以下の如く表わすことができる。
但し、 Rth＝ｆ（temp）＝サーミスタ抵抗 Rm＝ｆ（temp）＝モータ巻線抵抗 Rsh＝固定分巻抵抗器 モータとサーミスタの抵抗とも（RmとRth）温度の関
数であるから、サーミスタ網全体の抵抗を温度の関数と
して表わす式を書くことができる。
試作品の試験に使用されるサーミスタの場合、推奨さ
れる抵抗式は以下の通り書くことができる。
但し、 β＝サーミスタ材料定数 Rth＝絶対温度Tkにおける抵抗 R25＝絶対温度Tkoにおける抵抗 （メーカ仕様により与えられる） Tko＝298.15°Ｋ＝25℃ 等式１と３は等式２に代替することによって特定のモ
ータコイル回路の全抵抗を温度の関数として表わす最終
的な一等式をつくることができる。最終の方程式はコン
ピュータによってシミュレートすることによってサーミ
スタ回路の存在の効果をグラフ表示することができる。
第５図の破線は抵抗器をモータコイルと直列に組込ん
だ典型的なステップモータについて抵抗と温度の関係を
解析的にプロットしたものである。それはまた以下のパ
ラメータを用いてモータコイル回路の全抵抗と第３図に
示すサーミスタ温度補償網を含む温度との関係をプロッ
ト（実線曲線）したものである。
Rm＝16.5D（21.8℃） R25＝50D（25℃） Rsh＝11D（固定カーボン） β＝3000 この場合、10Dの直列抵抗器を有する従来のモータ抵
抗はサーミスタ網により補償されるモータコイル回路の
抵抗が殆んど全く一定の温度範囲全体に対してほぼ3.1D
偏差する（全体で約19％変化する）ことが判る。
コンピュータシミュレーションを実験的に検証するた
めの試験を行った。その結果を第６図に示す。この場
合、３つの異なる曲線の組を見ることができる。線Ａは
解析的シミュレーションデータを示し、線Ｂはモータコ
イル回路内に電流を流さずに行った実験結果を示す。最
後に、線Ｃは約125ミリアンペアで付勢したモータコイ
ル回路を示す。同図よりモータコイル回路に電流を加え
たとき曲線Ｃは曲線Ｂから約0.5Dだけ下方にシフトする
ことが判る。これはサーミスタに固有の自己加勢効果に
よるものである。抵抗負荷に電流を加えると、熱の形で
ワット損が起こる。（IR損失）この結果、サーミスタ温
度が上昇しそれはサーミスタ抵抗の僅かな低下に変換さ
れる。駆動レベルテストも行い、その結果を第7A−7D図
に示す。これらの図における曲線は本発明による補償が
行われるサーミスタモータのアクセス時間と補償が行わ
れない場合のそれを示したものである。
第7A図と第7C図は本発明によるサーミスタを使用しな
い場合の一トラック平均シークタイムとランダム平均ト
ラックシークタイムを示す。第7B図と第7D図は本発明を
使用した場合において温度の変化に伴い低いアクセス時
間が維持される様子を示す。
これらのテストより、サーミスタ網はモータ巻線の温
度の変化による抵抗の変化を補償することが結論でき
る。その代わりに、サーミスタ補償回路はモータ外部の
回路板上に配置することもできる。
サーミスタ回路をモータ内でなく外部回路板上に取付
けた場合にそれがどのように全体の抵抗に影響を及ぼす
かを予測できるように外部回路板温度がどのようにモー
タ温度から偏差するかを示すテストを行った。このため
に、モータと外部回路板の温度を約70分間監視するテス
トを行った。これらのテストによる実験結果を第８図に
示す。
これらのテストから、駆動板の温度はモータよりもほ
ぼ10℃高いところにあることが判る。これはコンピュー
タシミュレーション中に入力し、新たな最適サーミスタ
と分流器の組合せを発見した。第９図はサーミスタを外
部駆動板に取付けた場合の（サーミスタ網とモータコイ
ルの双方による）全抵抗と温度の関係をプロットしたも
のである。このプロットよりサーミスタが20Dで分巻抵
抗器が12Dの場合、回路は駆動板上に取付けたサーミス
タによって正確に補償できることが判る。
本発明の開示を研究する当業者は種々の変形を想起す
ることができよう。それ故、本発明の範囲は後述の請求
範囲によってのみ限定されるべきものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランチシ ディヴィッド マイケル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95062 サンタ クルーズ イースト クリフ ドライヴ ２‐2020 (56)参考文献 特開 昭62−254645（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−20399（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−70283（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02P 8/00 - 8/42

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ハウジングと、ロータを支持するように上
    記ハウジング内に取り付けられた回転シャフトと、上記
    ハウジングの内表面上に平行に取り付けられた複数のス
    テータコイルと、上記コイルの露出端に隣接して上記ハ
    ウジングにより支持された印刷回路板と、サーミスタ回
    路とを含むディスクドライブ用モータであって、上記サ
    ーミスタ回路が、上記コイルに隣接して上記印刷回路板
    の第１の側に取り付けられ上記コイルの少なくとも一つ
    に直列に接続された少なくとも１つのサーミスタと、上
    記印刷回路板の上記第１の側と反対の第２の側に取り付
    けられた分路抵抗とを有し、上記分路抵抗が上記サーミ
    スタ回路に並列に接続され、上記サーミスタ回路が上記
    コイルの温度変化に応答して上記モータの作業温度の範
    囲にわたってモータの全抵抗を一定のレベルに維持す
    る、 ことを特徴とするディスクドライブ用モータ。
  2. 【請求項２】上記モータコイルが対状に直列に接続さ
    れ、サーミスタが、上記対コイルの各々と直列に接続さ
    れ上記コイルの温度を検出するように上記コイルに隣接
    して取り付けられ、サーミスタの抵抗が温度と共に変化
    してコイルに対する電圧を変更する請求項１記載のディ
    スクドライブ用モータ。
  3. 【請求項３】上記コイルが、上記ハウジングの内表面周
    囲に規則的な間隔をおいて円周状に配置され、上記サー
    ミスタが、上記直列対状のコイルの各々に接続され上記
    コイルに近接してそれらの間に突出するように印刷回路
    板により支持される請求項２記載のディスクドライブ用
    モータ。
  4. 【請求項４】更に、上記サーミスタの各々と並列な抵抗
    器を含む請求項３記載のディスクドライブ用モータ。
  5. 【請求項５】上記モータがステップモータである請求項
    １ないし４の何れかに記載のモータ。
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