JP3644424B2 - モータおよびディスク装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円盤状媒体を回転駆動するために用いられるモータであって、特に回転界磁型のモータで、特に、電機子の構造に特徴を有するモータに関するものである。また、これらのモータを使用した円盤状媒体の回転駆動装置、例えばディスク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
円盤状媒体を回転駆動するために用いられるモータには滑らかな回転と簡単な構造から回転界磁型のアウタロータ形式のモータが一般に用いられる。そこで、アウタロータ形式のモータを例にして従来の技術を説明する。
【０００３】
なお、円盤状媒体とは中心孔を有する同心円盤状媒体を指し、例えば、旧レコード（ＬＰ、ＥＰ等）盤をはじめ、フロッピーディスク、ＭＯ、ＭＤ、ＰＤ、ＣＤ（ＲＯＭ，Ｒ，ＲＷ）、ＤＶＤ（ＲＯＭ，Ｒ，ＲＷ，ＲＡＭ）等の媒体を意味する。これらを包括する総称として、以下簡単にディスクと称するものとする。また、ディスクの回転駆動を目的とするから、ディスクがジャケットに収納されているか否かを問わずディスクと称する。
【０００４】
先ず、従来のモータの技術として、周対向モータ（ラジアルギャップモータ）と面対向モータ（アキシャルギャップモータ）について、以下に説明する。図１７は従来の周対向モータの斜視図であり、図１８は図１７のＸ−Ｘ線断面図である。図１７の斜視図と図１８の断面図に基づいて、従来の周対向モータの構成を説明する。
【０００５】
１０はポールであって、渦電流を防止するために複数枚の珪素鋼板を積層して形成された積層鉄心のポール１０である。４６はコイルであって、ポール１０に巻回され、駆動電流が通電される。６１はマグネットであって、ポール１０と対向するように配置される。１３はディスクを載置して回転させるターンテーブルである。２１は軸受けであって、ターンテーブル１３の中心軸を保持する。１５はターンテーブル１３にディスクを装着させるチャッキングユニットであり、一般にチャッキングボール１６でディスクの中心位置を決めてディスクをターンテーブル１３に密着させるものもある。
【０００６】
次に図１９は、図１７の回転動作説明図である。図１９において、周対向モータのマグネット６１は内周側と外周側に、それぞれＳ極とＮ極が分布するように着磁されている。駆動電流をコイル４６に通電すると右ねじの法則に従ってポール１０が磁化される。こうして、ポール１０の磁極とマグネット６１との間に反発力、もしくは吸引力が発生する。ここで、複数のコイル４６に流す電流とそのタイミングを制御することにより、図１９に示すように、マグネット６１とコイル４６の間に発生する反発力、吸引力を交互に発生させかつ切り替えて連続的に一定方向へ推力を生じ、ロータマグネットであるターンテーブル１３を、回転させるものである。
【０００７】
次に、他の従来の技術として、面対向モータを説明する。図２０は従来の面対向モータの斜視図、図２１は図２０のＹ−Ｙ線断面図、及び図２２は図２０の回転動作説明図である。図２０の斜視図、図２１の断面図において、４７は駆動電流が通電されるコイルである。そして、複数のコイル４７をプリント基板に形成した後、樹脂などの絶縁材料でコーティングしてコイル基板４９に一体に構成される。６２はマグネットであって、コイル基板４９と平行に配置される。
【０００８】
５１はマグネット６２に密着するように取り付けられた強磁性体のヨークである。３４はディスクを載置して回転駆動するターンテーブル、２２はターンテーブル３４の中心軸を保持する軸受けである。１５はチャッキングユニットであって、チャッキングボール１６でディスクの中心位置を決め、さらにディスクをターンテーブル３４に密着させるものもある。
【０００９】
次に図２２に基づいて、面対向モータの回転動作を説明する。前述のように、マグネット６２は、上面側と下面側にそれぞれＳ極とＮ極が現れるように円周方向に分布して着磁されている。また、図２３は、図２０のマグネットの着磁分布図である。図２３に示すように、マグネット６２は円周方向に複数の領域に分割して着磁される。そこで、図２１に示すように、マグネット６２をターンテーブル３４とヨーク５１により挟持するからアキシャル（モータの回転軸）方向に磁束が生じる。さらに、コイル４７に駆動電流を通電すると、右ねじの法則に従ってコイル電流による磁束が生じる。
【００１０】
こうして、コイル電流による磁束とマグネット６２との間に反発力、もしくは吸引力が発生する。ここで、複数のコイル４７に流す電流とそのタイミングを制御することにより、図２２に示すように、マグネット６２とコイル４７との間に発生する反発力、吸引力を交互に発生させかつ切り替えて連続的に一定方向へ推力を生じ、面対向モータにおいても周対向モータと同様にロータマグネットであるターンテーブル３４を回転させるものである。そして、以上の周対向、面対向いずれの場合も、回転するターンテーブル３４によってディスクを回転駆動し、ディスク装置として機能する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された、従来のモータでは以下に説明するような問題点があった。すなわち、従来の周対向モータは、界磁のＮ、Ｓ極と電機子（コア）の突極との間で磁気吸引力や反発力を利用して回転するのがモータ動作原理である。つまり、モータ一周期中にその吸引と反発を繰り返す。その繰り返しは、そのままトルク変動となりトルクむらとなる。このトルクむらに関し、全トルクに対するトルクむら部分をコギングと称する。以上の動作原理から、周対向モータは回転に伴うコギングを避けられないものと、通常されていた。
【００１２】
また、従来の面対向モータではヨークとコイル基板とロータマグネットとを軸方向に積み重ねる構造になるため、薄型にするには限界がある。また、前述のコイル基板の配置とコイルの構造により、大きなトルクを発生することが周対向構造のモータに比較して不利であった。
【００１３】
特に、小型のディスクを使用する機器にあっては、小型の特徴を生かすためにさらに薄型で、しかも強いトルクを発生することのできるモータが要求されている。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、コギングの発生を少なくし、薄型で、強いトルクを発生することのできるモータおよびこのモータを使用したディスク装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであって、円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部を形成したモータであり、このモータを使用したディスク装置である。
【００１５】
以上のモータ構成にすることによって、対消費電力の効率が高く、温度変化に対して消費電流の変化の少ないモータで、薄型に構成することが可能なモータおよびディスク装置を提供することかできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１から請求項２に記載の発明は、円筒状に形成された電機子ヨークと電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、電機子ヨークは電機子コイルの電流切り替え部において、電機子ヨークから円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成したことを特徴とするモータである。
【００１７】
電機子ヨークに巻回されたコイルに電流が流されたときに電機子ヨーク中に発生する磁束を電機子ヨークに設けられた凸形状から排出し、排出された磁束が界磁から発生する磁束と合流することにより、磁束が増強され、強いトルクを生じることのできるモータで、薄型に構成することの可能なモータおよびこのモータを使用したディスク装置を提供することができる。
【００１８】
本発明の請求項３から請求項８に記載の発明は、円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部を形成し、前記電機子コイルは前記凸部の両側に２つのコイルを巻回し、一の側の巻き終わりと他の側の巻き終わりとを接続して１群の電機子コイルとしたことを特徴とするモータであり、請求項９に記載の発明は請求項１から請求項９のモータを使用したディスク装置である。
【００１９】
電機子ヨークに巻回されたコイルに電流が流されたときに電機子ヨーク中に発生する磁束を電機子ヨークに設けられた凸形状から排出し、排出された磁束が界磁から発生する磁束と合流することにより、磁束が増強され、強いトルクを生じることのできるモータで、薄型に構成することの可能なモータおよびこのモータを使用したディスク装置を提供することができる。
【００２０】
本発明の請求項１０から請求項１２に記載の発明は、円筒状に形成された電機子ヨークに電機子コイルを巻回する巻線方法であって、電機子ヨークは電機子ヨークから円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、電機子コイルは前記凸部の両側に２つのコイルを同一方向に巻回し、１の側の巻き終わりと他の側の巻き終わりとを接続して１群の電機子コイルとしたことを特徴とする巻線方法である。本発明によれば、巻き線工程を容易にすることができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。本願発明の特徴を効果的に活用することのできるモータの種類として、ディスク駆動用のスピンドルモータを例にして本発明を以下に説明する。なお、説明に用いた例は本発明をスピンドルモータの用途に限定的に解釈するものではない事は言うまでもない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態におけるモータの斜視図である。図１において、１はモータの回転軸である。２は回転軸１のための軸受けである。３はバックヨークであって、回転軸１に対し同心円状に配置し、磁性材料によってマグネット６が存在する方向（本実施の形態では、バックヨーク３の外周部）に凸部３１と、マグネット６が存在しない方向（本実施の形態では、バックヨーク３の内周部であり、凸部３１の裏面に相当する）に凹部３２とをそれぞれ設けた円筒環状に形成されている。４はバックヨーク３に巻回されたコイルである。
【００２３】
５はヨーク、６はマグネットであって、マグネット６がヨーク５に密着吸引することによりマグネット６を保持するとともに、ラジアル方向の平面はターンテーブル１３の機能を有する。なお、ターンテーブル１３上に設けたチャッキングユニット１５とチャッキングボール１６は従来の技術で説明したものと同様であるから、同一名称と符号を付して説明の重複を省略する。
【００２４】
マグネット６は円筒状に構成され、円筒周面の円周方向にＮ／Ｓ交互に複数極を着磁している。マグネット６とコイル４が巻かれたバックヨーク３とは互いに所定の間隙を保って回転軸１に対して同心円状に配置される。８はモータベースであって、軸受け２やバックヨーク３を固定している。
【００２５】
次に、本発明の特徴である電機子（ステータ）部分について詳細に説明する。図２は図１の要部平面図である。図２において、電機子部分は、バックヨーク３とコイル４とで構成される。先ず、バックヨーク３は高透磁率の強磁性体を磁性材料によって形成される。特にその周面において、マグネット６が存在する方向（本実施の形態では、バックヨーク３の外周部）に凸部３１を形成し、マグネット６が存在しない方向（本実施の形態では、バックヨーク３の内周部）に凹部３２を形成した円筒環状に形成する。加工性と入手の容易な磁性材料であって、材質は炭素鋼、電磁鋼、珪素鋼を一般的に使用する。そのバックヨーク３は円柱形状に構成してもよい。このバックヨーク３には交流状の磁束が流れるので、渦電流損失を軽減する目的で薄板状に形成した強磁性体を積層して使用しても良い。また、バックヨーク材質として量産時の経済性を考慮し、成形加工が容易に出来る焼結材料を使用することも可能である。この場合、フェライト系焼結材などが好適に用いられる。
【００２６】
次に、本発明の第１の特徴であるバックヨーク３へのコイル４の巻き線方法について説明する。図３は図１のコイル巻き線方法を説明する図である。ここでは、説明の便宜上、１８個のコイル４、１２極のマグネット６により構成されるモータについて説明を行う。図３において、バックヨーク３に対して、１８個のコイル４は、全て同一のＡ方向に巻回して、巻線工程の簡易化を図る（全てのコイルに対して、Ａ方向と逆向きに巻くことも可能である。）。今、コイル４は最小の構成単位であるから、後の説明を容易にするために単位コイル４１と略称する。
【００２７】
そして、図４は図１のコイル接続を説明する図であり、図５は図１の全コイルの結線図である。隣り合う２個の単位コイル４１は、一方の巻き終わりと他方の巻き終わりとを接続する。従って、一方の単位コイル４１の巻き始めをＨ方向から入った電流が単位コイル４１の下方向から上方向のＩ方向流れ、一方の巻き終わりから隣りの単位コイル４１の巻き終わりへＪ方向に流れ、さらにその単位コイル４１の巻き終わりから巻き始めに向かって上方向から下方向のＫ方向流れ、その単位コイル４１の巻き始めからＬ方向へ流れ出るように結線を行う。こうして、隣り合う単位コイル４１の結線を行い９個のコイルが形成される。この接続された隣り合う単位コイル４１を後の説明を容易にするためにコイル群４２と略称する。
【００２８】
図２と図５とにおいて、これらの９個のコイル群４２はそれぞれ、結線された中央部がバックヨーク３に設けられた凹部３２、凸部３１をまたぐように取り付けられる。つまり、図４と図５とにおいて、単位コイル４１に流れる電流は凸部３１を挟んで互いに逆向きに流れることになる。すなわち、コイル群の電流切り替え部が凸部３１に位置する。また、単位コイル４１は巻線に隙間がないように密着させてバックヨーク３に整列巻きを行う。従って、凸部３１、凹部３２の領域にはコイル４が配置されず、凸部３１、凹部３２の存在しないバックヨーク３の円筒部分にコイル４を整列巻きすることとなる。
【００２９】
図５において、結線を行った９個のコイル群４２は、それぞれ２個隣（つまり３個目）のコイル群４２の巻き始めに直列接続する。従って、９個のコイル群４２は３個のコイル群４２を直列接続した３並列回路に編成される。すなわち３相の電機子コイルとなる。各直列接続の巻き終わり端子は全て接続してＣＯＭ端子とし（図中Ｃ表示）、全回路の共通電源（例えば、０Ｖ）に接続する。各直列接続の巻き始め端子はそれぞれ３相の各相（図中、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に表示）電源に接続する。なお、図５に示した上記回路構成は基本構成を説明するために例示したものであって、本発明を上記内容に限定するものではなく、例えば、直列接続するコイル群４２の数は１回路でも良いし４回路以上であっても良い。また、並列回路数も３相に限らず、６相であっても良い。
【００３０】
図６は他の巻線を有するモータの斜視図であり、図７は図６の隣り合うコイルの接続を説明する図である。さらにコイル４の巻線工程の簡易化を図ったコイル巻き線方法を説明するものである。図６と図７において、バックヨーク３の凸部３１にコイルの中央部を保持するコイルフック９を設け、コイル中央部をコイルフック９に係止する。次に、コイル４の両端部をそれぞれ、Ｂ方向、Ｃ方向へ回転させるようにバックヨーク３に巻回する。つまり、コイル中央部を固定してバックヨーク３に対して同一方向にコイル両端を回転させるように巻き付ける。巻き付けるのは同一方向であるが、コイル中央部が折り返されているから左右の単位コイル４１はバックヨーク３に対して逆回転して巻き付けられることとなる。こうして、９個のコイルを作成する。本巻線方法によれば、コイル４が前述のコイル群４２に相当し、コイル４を中央部から１／２に分割すると前述の単位コイル４１に相当する。つまり、コイル４はコイル中央部を有するコイル群４３（図９参照）であり、互いに逆巻きされた単位コイル４１を有する。
【００３１】
図８は図６のコイル電流を説明する図である。巻回されたコイル群４３へ通電すると、Ｐ方向から入った電流はコイルの下方向から上方向のＱ方向へ流れ、コイル中央部をＲ方向へ流れ、さらに上方向から下方向のＳ方向へ流れ、最後にＴ方向へ電流が流出していく。９個のコイル群４３はそれぞれ、コイル中央部がバックヨーク３に設けられた凹部３２と凸部３１とをまたぐように取り付けられる。また、単位コイル４１は巻線に隙間がないように密着させてバックヨーク３に整列巻きを行う。図６に示す他の巻線方法であっても、図４、図５と同様に、単位コイル４１に流れる電流は凸部３１を挟んで互いに逆向きに流れることになる。つまりコイル群４３の電流切り替え部が凸部３１に位置する。
【００３２】
図９は図６の全コイルの結線図である。図９において、結線を行った９個のコイル群４３は、それぞれ２個隣（つまり３個目）のコイル群４３の巻き始めに直列接続する。従って、９個のコイル群４３は３個のコイル群４３を直列接続した３並列回路に編成される。すなわち３相の電機子コイルとなる。各直列接続の巻き終わり端子は全て接続してＣＯＭ端子とし（図中Ｃ表示）、全回路の共通電源（例えば、０Ｖ）に接続する。各直列接続の巻き始め端子はそれぞれ３相の各相（図中、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に表示）電源に接続する。なお、図９に示した上記回路構成は基本構成を説明するために例示したものであって、本発明を上記内容に限定するものではなく、例えば、直列接続するコイル群４３の数は１回路でも良いし４回路以上であっても良い。また、並列回路数も３相に限らず、６相であっても良い。
【００３３】
次に、本発明の第２の特徴である凸部について説明する。図１０は、図１の凸部の詳細を説明する図である。図１０（ａ）は凸部の部分拡大図である。図において、バックヨーク３の厚みをヨーク厚みｔとする。さらに、凸部３１に関し、凹部３２との肩部分を肩部ヨーク厚みａ及びｃとし、凸部３１と凹部３２との間の厚みをｂとする。また、バックヨーク３の円筒周面部からの凸部３１の突出量を凸部高さｈとする。バックヨーク３の円筒周面部とマグネット６との間のギャップ長をｇとする。
【００３４】
まず、ヨーク厚みｔは、十分な磁束密度を確保し、渦電流損失を防止し、かつコイル４の抵抗損失を少なくするように設定される。前２者を満たすにはｔを厚くすることが必要であり、後者を満たすにはｔを薄くする必要がある。本発明を応用したディスク装置のスピンドルモータにおいては、ヨーク厚みｔを、１．２≦ｔ≦２．０（ｍｍ）に設定することにより、好適な低損失性能を有するモータを得ることができた。
【００３５】
後述する磁気回路で詳細に説明するように、凸部３１によって磁束をビーム状に形成する。また同時に、磁気回路の断面積はバックヨーク３の円筒周面部と同様の断面積を維持して、磁気飽和の発生を防止するする必要がある。そこで、ａ、ｂ、ｃ≧ｔなる関係を維持することが必要となる。特に、バックヨーク３の加工過程において肩部ヨーク厚みａ及びｃを確保することが重要である。
【００３６】
次に、凸部高さｈは、磁束をビーム状に絞ることによる効果と許容しうるコギングの範囲とによって設定される。本発明を応用したディスク装置のスピンドルモータにおいては、凸部高さｈを、０．１≦ｈ≦０．５（ｍｍ）に設定することによって、必要な高トルクかつ低コギング性能を有するモータを得ることができた。
【００３７】
さらに、図１０（ｂ）は凸部角度を説明する図である。θは凸部角度であって、１個の凸部３１がバックヨーク３の前周囲に占める角度を表す。前述のように、バックヨーク３の円筒部分にコイル４を整列巻きして、単位コイル４１は凸部３１をまたいで配置されるから、凸部３１はコイルが存在しない領域である。従って凸部３１の領域は磁束をビーム状に形成するための重要な要素となる。とりわけ、ターンテーブル径が２９ｍｍのディスク装置用スピンドルモータにおいて、３相の電機子コイルをコイル群３個に構成し、マグネット６を１２極に構成（後述する図１３を参照）したとき、θ＝５±０．５゜において必要な高トルクかつ低コギング性能を有するモータを得ることができた。さらに、コイル群構成を２個あるいは４個に可変して、対応してマグネット６の極数を８極あるいは１６極にしモータ径を極数に応じて変化させると、θは２゜及び８゜が得られる。すなわち、２≦θ≦８（度）の最適条件範囲が得られる。
【００３８】
次に、モータの回転を制御するために、回転状態（回転中の磁束の変化や回転数など）をセンシングする手段が必要である。そのためのセンシング手段として、例えばホール素子などの磁気センサー７を数箇所取り付け、モータの回転状態をセンシングしてフィードバック制御する。図１１は、磁気センサーを用いたモータの斜視図である。７はセンシング手段たる磁気センサーであって、界磁部であるマグネット６とモータベース８下部の隙間に磁気センサー７を配置した状態を表す。マグネット６からの漏れ磁束を利用して磁気センサー７によって界磁の変動を検出する。この検出結果によりコイル群４２（４２、４４）の駆動電流を制御する。マグネット６とモータベース８下部の隙間に磁気センサー７を配置したので、磁気ギャップを広げたり、磁気ギャップ長に長短の変化を付けたりする必要が無くなる。従って、界磁部とコイル群４２（４２、４４）とのエアギャップを精度良く、かつ狭い範囲内に維持することができる。
【００３９】
次に、界磁部について説明する。マグネット６は強磁性体を円筒状に形成する。バックヨーク３と対向する円筒状周面部は外径寸法精度や真円度を高精度に精密加工される。従って、円筒状周面部は平滑で連続した周面に形成される。このマグネット６の円筒状周面部は、円周方向にＮ・Ｓ・Ｎ・Ｓ・・・と順に複数極が着磁されており、ヨーク５はそのマグネット６の外周面に固定保持されている。このヨーク５は、マグネット６とバックヨーク３のギャップ磁束密度を増加させるためのヨークとして機能する。
【００４０】
さらに、マグネット６とコイル群４２（４２、４４）の巻かれたバックヨーク３の配置について説明する。図１２はマグネットとバックヨーク間の吸引力を説明する図である。マグネット６とバックヨーク３間にはマグネット６による吸引力が発生する。マグネット６とバックヨーク３間の距離を近接させると、マグネット６とバックヨーク３間の吸引力にうち勝つために、モータを回転させるためのより大きなトルクを発生させなければならない。また、逆にマグネット６とバックヨーク３間の吸引力を減少させるために、マグネット６とバックヨーク３間の距離を大きくするとコイル４を横切る磁束が減少し、発生するトルクも減少する。よって、マグネット６とバックヨーク３との間隔（ギャップ長ｇ）は、マグネット６とバックヨーク３間に働く吸引力を最小とし、かつコイル４を横切る磁束数を可能な限り大きくし、トルクの発生を最大とする最適な位置関係とする。
【００４１】
再び図１０（ａ）において、ｇはギャップ長をあらわす。バックヨーク３とマグネット６とを冒頭に説明した材質としたとき、１．０≦ｇ≦１．５（ｍｍ）において、必要な高トルクかつ低コギング性能を有するモータを得ることができた。
【００４２】
続いて、本発明のモータの回転動作について説明する。図１３は、本発明の実施の形態におけるモータの磁気回路を説明する図であって、図１３（ａ）はバックヨークの磁束を説明し、図１３（ｂ）はマグネットの磁束を説明するものである。図１３（ａ）、（ｂ）において（図５及び図９参照）、直流モータとして回転力が発生するのはフレミング（Fleming）の左手の法則による。マグネット６とバックヨーク３間の磁束中にコイル４（コイル群４２）が配置される。このコイル群４２のコイル４に電流が流れると、コイル４にはフレミングの左手の法則による電磁力が働く。すなわち、マグネット６からバックヨーク３に向かって通る（ラジアル方向）磁束に対し、コイル４の銅線を流れる電流のアキシャル方向（モータ軸と同じ向き）成分が上記磁束を横切るから、コイル４の法線方向つまり回転方向に電磁力の向きを生ずる。
【００４３】
また、コイル４に電流を流すとバックヨーク３内に磁束の流れが発生する。このバックヨーク３内に発生した磁束はマグネット６から発生する磁束とベクトル方向が重なる（図１３矢印参照）。その結果、コイル４を横切る磁束はさらに増強されて、より大きなトルクを発生させることができる。特に、本発明のバックヨーク３に凸部３１を形成し、しかも、コイル４の電流切り替え部（前述の単位コイル４１接続点、中央部、及び中間部３３を参照）を凸部３１に配置したので、凸部３１とマグネット６との間は磁束がビーム状にしぼられるから、より強く磁束が増強される効果がある。
【００４４】
実際の電機子部は固定側にあるので、反作用によって界磁部つまりマグネット６とヨーク５が回転する。従って、回転界磁型となる。磁気センサー７の信号を用いてコイル４とマグネット６との位置関係に基づいて、コイル４に通電する電流の向きとタイミングとを順番に制御することにより回転する力が順番に発生し、モータが回転し続ける。
【００４５】
次に、コイル９の巻線加工について説明する。図１４は巻き線加工を説明する図である。図１４（ａ）は図１のバックヨーク３を用いた巻き線加工を説明する図である。図１４（ａ）において、図１に示したリング状のバックヨーク３にコイル４にあたり、バックヨーク３下部から入れられたコイル４を受け取り（工程１）、バックヨーク３の上部で受け取り、バックヨーク３に巻きつけるという巻き線処理を行う（工程２）。
【００４６】
次に、コイル４の巻き線加工を容易にするために、リング状のバックヨーク３の全周を複数に分割する。例えば、図１４（ｂ）に示すように全周を周方向に９分割し（つまりコイル群４２の数に分割）、分割されたバックヨーク３に対してコイル４を巻きつける。コイル４を巻きつけた複数のバックヨーク３を溶接などの手段により、接合し、リング状のバックヨーク３とする。つまり、図１４（ｂ）に示すように、バックヨーク３を送りながら、コイル４を回転させ、巻きつけることができる。あるいはまた、図１４（ｃ）において、予め単位コイル４１を巻回形成しておき、分割されたバックヨーク３へコイル４を装着することもできる。以上により、巻き線工程を容易にすることができる。
【００４７】
また、図１５は、マグネットを内外周に配置した図である。図１および図６との相違点は、マグネット６を内周と外周の両側に配置して、バックヨーク３とコイル４とをマグネット６で挟むように配置したものである。以上の構成によって、コイル４には内周と外周の双方から電磁力が作用するから、より強力なトルクを発生することができる。
【００４８】
さらに、図１６は温度特性の評価を表す図である。図１６において、標準となる１２ｃｍのディスクをモータに装着して回転させた時の、モータ消費電流を表したものである。比較対照となるモータは従来の技術において図１７に説明したモータである。もちろんモータ駆動用のドライブ装置は同一条件である。図に示すように、本発明の構造のモータは０℃から７０℃の範囲でほとんど一定の消費電流（２４０ｍＡ）であって変化を示さない。他方、従来のモータは３６０（ｍＡ）から（４１１ｍＡ）まで１４．２％もの増加を示した。
【００４９】
このような優れた温度特性は、本発明の構造を有するモータが、従来のモータよりも遙かに小さなギャップ長を有し、しかもモータのロータ全周囲にわたってほぼ一定（上述の凸部において変化するのみ）であるから、モータの磁気回路を形成するパーミアンスが温度による変化を起こさない（換言すればモータの磁気回路に温度の影響を受ける要素が含まれない）ためである。
【００５０】
このような優れた温度特性を有するから本発明の構造を有するモータをディスク装置に使用すると、低温時にディスク装置（例えばラップトップ型コンピュータ）のバッテリ容量が低下したとしても安定した長時間の動作が確保される。あるいはまた、ディスク装置に使用が長時間におよび内部の温度が上昇しても安定した長時間の動作が確保されることになる。
【００５１】
なお、以上の説明は回転界磁型のアウタロータモータを例にして説明した。しかし、本発明は回転界磁型のアウタロータモータに限定するものでは無い。ロータを内周に配置するか外周に配置するかは本発明の主題とするものではなく、単なる構造上の配置に過ぎないから、本発明の構造を活かしてインナロータ構造にすることもまた可能である。さらにまた、界磁部分を固定側に配置し、電機子部分を回転側に配置することもまた同様に可能である。
【００５２】
以上のように構成された本発明のモータは、大きなトルクを生ずることができる。これは、構造上からマグネットとバックヨークとの隙間を狭くすることができ、ギャップ磁束密度を高く確保することができるからである。また同様に構造上、ロータ（界磁部）の最外周付近でモータを回転させる電磁力が発生するからモーメント（半径）が大きく取れるため、モータトルクを大きくすることができる。さらにまた、コイルに構成するで、多数コイルにすることが可能である。また、円筒状マグネットが外周に配置しており、着磁する極数も増加できるから、トルク定数の向上が図れ、モータトルクを大きくすることができる。従って、負荷が同程度ならば、より低消費電力なモータを実現することができる。
【００５３】
さらに、本発明の構成によるモータは、コイルをバックヨークに機械的に固定しているから剛体とする事が出来るので、コイルの振動がほとんどなくなる。さらに、バックヨークに発生する磁束を直接コイルに作用させるから、モータに発生するトルクを増加させると同時に、速やかな加減速動作をすることができる。このような特徴を有するモータをディスク装置に使用すればアクセスタイムの短縮と消費電電力の削減をすることができ、ディスク装置の厚みを薄型に構成することができる。
【００５４】
なお、説明に用いた例は本発明をスピンドルモータの用途に限定的に解釈するものではない。例えば、本発明の構成によるモータの回転界磁と電機子とを回転軸の方向に延長することが可能であり、そうすることによって、モータ径は小さくとも高トルク小慣性で低消費電力のモータを実現することも可能である。
【００５５】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、低消費電力で効率が高く、温度変化に対して消費電流の変化の少ないモータで、しかも薄型に構成することが可能なモータを提供することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、対消費電力の効率が高く、温度変化に対して消費電流の変化の少ないモータで、薄型に構成することが可能なモータを提供することかできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータの斜視図
【図２】図１の要部平面図
【図３】図１のコイル巻き線方法を説明する図
【図４】図１のコイル接続を説明する図
【図５】図１の全コイルの結線図
【図６】他の巻線を有するモータの斜視図
【図７】図６の隣り合うコイルの接続を説明する図
【図８】図６のコイル電流を説明する図
【図９】図６の全コイルの結線図
【図１０】図１の凸部の詳細を説明する図
【図１１】磁気センサーを用いたモータの斜視図
【図１２】マグネットとバックヨーク間の吸引力を説明する図
【図１３】本発明の実施の形態におけるモータの磁気回路を説明する図
【図１４】巻き線加工を説明する図
【図１５】マグネットを内外周に配置した図
【図１６】温度特性の評価を表す図
【図１７】従来の周対向モータの斜視図
【図１８】図１７のＸ−Ｘ線断面図
【図１９】図１７の回転動作説明図
【図２０】従来の面対向モータの斜視図
【図２１】図２０のＹ−Ｙ線断面図
【図２２】図２０の回転動作説明図
【図２３】図２０のマグネットの着磁分布図
【符号の説明】
１ 回転軸
２、２１、２２ 軸受け
３ バックヨーク
４、４６、４７コイル
５、５１ ヨーク
６、６１、６２ マグネット
７ 磁気センサー
８ モータベース
９ コイルフック
１０ ポール
１３、３４ ターンテーブル
１５ チャッキングユニット
１６ チャッキングボール
３１ 凸部
３２ 凹部
４１ 単位コイル
４２、４３ コイル群
４９コイル基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、円盤状媒体を回転駆動するために用いられるモータであって、特に回転界磁型のモータで、特に、電機子の構造に特徴を有するモータに関するものである。また、これらのモータを使用した円盤状媒体の回転駆動装置、例えばディスク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
円盤状媒体を回転駆動するために用いられるモータには滑らかな回転と簡単な構造から回転界磁型のアウタロータ形式のモータが一般に用いられる。そこで、アウタロータ形式のモータを例にして従来の技術を説明する。
【０００３】
なお、円盤状媒体とは中心孔を有する同心円盤状媒体を指し、例えば、旧レコード（ＬＰ、ＥＰ等）盤をはじめ、フロッピーディスク、ＭＯ、ＭＤ、ＰＤ、ＣＤ（ＲＯＭ，Ｒ，ＲＷ）、ＤＶＤ（ＲＯＭ，Ｒ，ＲＷ，ＲＡＭ）等の媒体を意味する。これらを包括する総称として、以下簡単にディスクと称するものとする。また、ディスクの回転駆動を目的とするから、ディスクがジャケットに収納されているか否かを問わずディスクと称する。
【０００４】
先ず、従来のモータの技術として、周対向モータ（ラジアルギャップモータ）と面対向モータ（アキシャルギャップモータ）について、以下に説明する。図１７は従来の周対向モータの斜視図であり、図１８は図１７のＸ−Ｘ線断面図である。図１７の斜視図と図１８の断面図に基づいて、従来の周対向モータの構成を説明する。
【０００５】
１０はポールであって、渦電流を防止するために複数枚の珪素鋼板を積層して形成された積層鉄心のポール１０である。４６はコイルであって、ポール１０に巻回され、駆動電流が通電される。６１はマグネットであって、ポール１０と対向するように配置される。１３はディスクを載置して回転させるターンテーブルである。２１は軸受けであって、ターンテーブル１３の中心軸を保持する。１５はターンテーブル１３にディスクを装着させるチャッキングユニットであり、一般にチャッキングボール１６でディスクの中心位置を決めてディスクをターンテーブル１３に密着させるものもある。
【０００６】
次に図１９は、図１７の回転動作説明図である。図１９において、周対向モータのマグネット６１は内周側と外周側に、それぞれＳ極とＮ極が分布するように着磁されている。駆動電流をコイル４６に通電すると右ねじの法則に従ってポール１０が磁化される。こうして、ポール１０の磁極とマグネット６１との間に反発力、もしくは吸引力が発生する。ここで、複数のコイル４６に流す電流とそのタイミングを制御することにより、図１９に示すように、マグネット６１とコイル４６の間に発生する反発力、吸引力を交互に発生させかつ切り替えて連続的に一定方向へ推力を生じ、ロータマグネットであるターンテーブル１３を、回転させるものである。
【０００７】
次に、他の従来の技術として、面対向モータを説明する。図２０は従来の面対向モータの斜視図、図２１は図２０のＹ−Ｙ線断面図、及び図２２は図２０の回転動作説明図である。図２０の斜視図、図２１の断面図において、４７は駆動電流が通電されるコイルである。そして、複数のコイル４７をプリント基板に形成した後、樹脂などの絶縁材料でコーティングしてコイル基板４９に一体に構成される。６２はマグネットであって、コイル基板４９と平行に配置される。
【０００８】
５１はマグネット６２に密着するように取り付けられた強磁性体のヨークである。３４はディスクを載置して回転駆動するターンテーブル、２２はターンテーブル３４の中心軸を保持する軸受けである。１５はチャッキングユニットであって、チャッキングボール１６でディスクの中心位置を決め、さらにディスクをターンテーブル３４に密着させるものもある。
【０００９】
次に図２２に基づいて、面対向モータの回転動作を説明する。前述のように、マグネット６２は、上面側と下面側にそれぞれＳ極とＮ極が現れるように円周方向に分布して着磁されている。また、図２３は、図２０のマグネットの着磁分布図である。図２３に示すように、マグネット６２は円周方向に複数の領域に分割して着磁される。そこで、図２１に示すように、マグネット６２をターンテーブル３４とヨーク５１により挟持するからアキシャル（モータの回転軸）方向に磁束が生じる。さらに、コイル４７に駆動電流を通電すると、右ねじの法則に従ってコイル電流による磁束が生じる。
【００１０】
こうして、コイル電流による磁束とマグネット６２との間に反発力、もしくは吸引力が発生する。ここで、複数のコイル４７に流す電流とそのタイミングを制御することにより、図２２に示すように、マグネット６２とコイル４７との間に発生する反発力、吸引力を交互に発生させかつ切り替えて連続的に一定方向へ推力を生じ、面対向モータにおいても周対向モータと同様にロータマグネットであるターンテーブル３４を回転させるものである。そして、以上の周対向、面対向いずれの場合も、回転するターンテーブル３４によってディスクを回転駆動し、ディスク装置として機能する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された、従来のモータでは以下に説明するような問題点があった。すなわち、従来の周対向モータは、界磁のＮ、Ｓ極と電機子（コア）の突極との間で磁気吸引力や反発力を利用して回転するのがモータ動作原理である。つまり、モータ一周期中にその吸引と反発を繰り返す。その繰り返しは、そのままトルク変動となりトルクむらとなる。このトルクむらに関し、全トルクに対するトルクむら部分をコギングと称する。以上の動作原理から、周対向モータは回転に伴うコギングを避けられないものと、通常されていた。
【００１２】
また、従来の面対向モータではヨークとコイル基板とロータマグネットとを軸方向に積み重ねる構造になるため、薄型にするには限界がある。また、前述のコイル基板の配置とコイルの構造により、大きなトルクを発生することが周対向構造のモータに比較して不利であった。
【００１３】
特に、小型のディスクを使用する機器にあっては、小型の特徴を生かすためにさらに薄型で、しかも強いトルクを発生することのできるモータが要求されている。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、コギングの発生を少なくし、薄型で、強いトルクを発生することのできるモータおよびこのモータを使用したディスク装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであって、円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部を形成したモータであり、このモータを使用したディスク装置である。
【００１５】
以上のモータ構成にすることによって、対消費電力の効率が高く、温度変化に対して消費電流の変化の少ないモータで、薄型に構成することが可能なモータおよびディスク装置を提供することかできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１から請求項２に記載の発明は、円筒状に形成された電機子ヨークと電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、電機子ヨークは電機子コイルの電流切り替え部において、電機子ヨークから円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成したことを特徴とするモータである。
【００１７】
電機子ヨークに巻回されたコイルに電流が流されたときに電機子ヨーク中に発生する磁束を電機子ヨークに設けられた凸形状から排出し、排出された磁束が界磁から発生する磁束と合流することにより、磁束が増強され、強いトルクを生じることのできるモータで、薄型に構成することの可能なモータおよびこのモータを使用したディスク装置を提供することができる。
【００１８】
本発明の請求項３から請求項８に記載の発明は、円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部を形成し、前記電機子コイルは前記凸部の両側に２つのコイルを巻回し、一の側の巻き終わりと他の側の巻き終わりとを接続して１群の電機子コイルとしたことを特徴とするモータであり、請求項９に記載の発明は請求項１から請求項９のモータを使用したディスク装置である。
【００１９】
電機子ヨークに巻回されたコイルに電流が流されたときに電機子ヨーク中に発生する磁束を電機子ヨークに設けられた凸形状から排出し、排出された磁束が界磁から発生する磁束と合流することにより、磁束が増強され、強いトルクを生じることのできるモータで、薄型に構成することの可能なモータおよびこのモータを使用したディスク装置を提供することができる。
【００２０】
本発明の請求項１０から請求項１２に記載の発明は、円筒状に形成された電機子ヨークに電機子コイルを巻回する巻線方法であって、電機子ヨークは電機子ヨークから円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、電機子コイルは前記凸部の両側に２つのコイルを同一方向に巻回し、１の側の巻き終わりと他の側の巻き終わりとを接続して１群の電機子コイルとしたことを特徴とする巻線方法である。本発明によれば、巻き線工程を容易にすることができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。本願発明の特徴を効果的に活用することのできるモータの種類として、ディスク駆動用のスピンドルモータを例にして本発明を以下に説明する。なお、説明に用いた例は本発明をスピンドルモータの用途に限定的に解釈するものではない事は言うまでもない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態におけるモータの斜視図である。図１において、１はモータの回転軸である。２は回転軸１のための軸受けである。３はバックヨークであって、回転軸１に対し同心円状に配置し、磁性材料によってマグネット６が存在する方向（本実施の形態では、バックヨーク３の外周部）に凸部３１と、マグネット６が存在しない方向（本実施の形態では、バックヨーク３の内周部であり、凸部３１の裏面に相当する）に凹部３２とをそれぞれ設けた円筒環状に形成されている。４はバックヨーク３に巻回されたコイルである。
【００２３】
５はヨーク、６はマグネットであって、マグネット６がヨーク５に密着吸引することによりマグネット６を保持するとともに、ラジアル方向の平面はターンテーブル１３の機能を有する。なお、ターンテーブル１３上に設けたチャッキングユニット１５とチャッキングボール１６は従来の技術で説明したものと同様であるから、同一名称と符号を付して説明の重複を省略する。
【００２４】
マグネット６は円筒状に構成され、円筒周面の円周方向にＮ／Ｓ交互に複数極を着磁している。マグネット６とコイル４が巻かれたバックヨーク３とは互いに所定の間隙を保って回転軸１に対して同心円状に配置される。８はモータベースであって、軸受け２やバックヨーク３を固定している。
【００２５】
次に、本発明の特徴である電機子（ステータ）部分について詳細に説明する。図２は図１の要部平面図である。図２において、電機子部分は、バックヨーク３とコイル４とで構成される。先ず、バックヨーク３は高透磁率の強磁性体を磁性材料によって形成される。特にその周面において、マグネット６が存在する方向（本実施の形態では、バックヨーク３の外周部）に凸部３１を形成し、マグネット６が存在しない方向（本実施の形態では、バックヨーク３の内周部）に凹部３２を形成した円筒環状に形成する。加工性と入手の容易な磁性材料であって、材質は炭素鋼、電磁鋼、珪素鋼を一般的に使用する。そのバックヨーク３は円柱形状に構成してもよい。このバックヨーク３には交流状の磁束が流れるので、渦電流損失を軽減する目的で薄板状に形成した強磁性体を積層して使用しても良い。また、バックヨーク材質として量産時の経済性を考慮し、成形加工が容易に出来る焼結材料を使用することも可能である。この場合、フェライト系焼結材などが好適に用いられる。
【００２６】
次に、本発明の第１の特徴であるバックヨーク３へのコイル４の巻き線方法について説明する。図３は図１のコイル巻き線方法を説明する図である。ここでは、説明の便宜上、１８個のコイル４、１２極のマグネット６により構成されるモータについて説明を行う。図３において、バックヨーク３に対して、１８個のコイル４は、全て同一のＡ方向に巻回して、巻線工程の簡易化を図る（全てのコイルに対して、Ａ方向と逆向きに巻くことも可能である。）。今、コイル４は最小の構成単位であるから、後の説明を容易にするために単位コイル４１と略称する。
【００２７】
そして、図４は図１のコイル接続を説明する図であり、図５は図１の全コイルの結線図である。隣り合う２個の単位コイル４１は、一方の巻き終わりと他方の巻き終わりとを接続する。従って、一方の単位コイル４１の巻き始めをＨ方向から入った電流が単位コイル４１の下方向から上方向のＩ方向流れ、一方の巻き終わりから隣りの単位コイル４１の巻き終わりへＪ方向に流れ、さらにその単位コイル４１の巻き終わりから巻き始めに向かって上方向から下方向のＫ方向流れ、その単位コイル４１の巻き始めからＬ方向へ流れ出るように結線を行う。こうして、隣り合う単位コイル４１の結線を行い９個のコイルが形成される。この接続された隣り合う単位コイル４１を後の説明を容易にするためにコイル群４２と略称する。
【００２８】
図２と図５とにおいて、これらの９個のコイル群４２はそれぞれ、結線された中央部がバックヨーク３に設けられた凹部３２、凸部３１をまたぐように取り付けられる。つまり、図４と図５とにおいて、単位コイル４１に流れる電流は凸部３１を挟んで互いに逆向きに流れることになる。すなわち、コイル群の電流切り替え部が凸部３１に位置する。また、単位コイル４１は巻線に隙間がないように密着させてバックヨーク３に整列巻きを行う。従って、凸部３１、凹部３２の領域にはコイル４が配置されず、凸部３１、凹部３２の存在しないバックヨーク３の円筒部分にコイル４を整列巻きすることとなる。
【００２９】
図５において、結線を行った９個のコイル群４２は、それぞれ２個隣（つまり３個目）のコイル群４２の巻き始めに直列接続する。従って、９個のコイル群４２は３個のコイル群４２を直列接続した３並列回路に編成される。すなわち３相の電機子コイルとなる。各直列接続の巻き終わり端子は全て接続してＣＯＭ端子とし（図中Ｃ表示）、全回路の共通電源（例えば、０Ｖ）に接続する。各直列接続の巻き始め端子はそれぞれ３相の各相（図中、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に表示）電源に接続する。なお、図５に示した上記回路構成は基本構成を説明するために例示したものであって、本発明を上記内容に限定するものではなく、例えば、直列接続するコイル群４２の数は１回路でも良いし４回路以上であっても良い。また、並列回路数も３相に限らず、６相であっても良い。
【００３０】
図６は他の巻線を有するモータの斜視図であり、図７は図６の隣り合うコイルの接続を説明する図である。さらにコイル４の巻線工程の簡易化を図ったコイル巻き線方法を説明するものである。図６と図７において、バックヨーク３の凸部３１にコイルの中央部を保持するコイルフック９を設け、コイル中央部をコイルフック９に係止する。次に、コイル４の両端部をそれぞれ、Ｂ方向、Ｃ方向へ回転させるようにバックヨーク３に巻回する。つまり、コイル中央部を固定してバックヨーク３に対して同一方向にコイル両端を回転させるように巻き付ける。巻き付けるのは同一方向であるが、コイル中央部が折り返されているから左右の単位コイル４１はバックヨーク３に対して逆回転して巻き付けられることとなる。こうして、９個のコイルを作成する。本巻線方法によれば、コイル４が前述のコイル群４２に相当し、コイル４を中央部から１／２に分割すると前述の単位コイル４１に相当する。つまり、コイル４はコイル中央部を有するコイル群４３（図９参照）であり、互いに逆巻きされた単位コイル４１を有する。
【００３１】
図８は図６のコイル電流を説明する図である。巻回されたコイル群４３へ通電すると、Ｐ方向から入った電流はコイルの下方向から上方向のＱ方向へ流れ、コイル中央部をＲ方向へ流れ、さらに上方向から下方向のＳ方向へ流れ、最後にＴ方向へ電流が流出していく。９個のコイル群４３はそれぞれ、コイル中央部がバックヨーク３に設けられた凹部３２と凸部３１とをまたぐように取り付けられる。また、単位コイル４１は巻線に隙間がないように密着させてバックヨーク３に整列巻きを行う。図６に示す他の巻線方法であっても、図４、図５と同様に、単位コイル４１に流れる電流は凸部３１を挟んで互いに逆向きに流れることになる。つまりコイル群４３の電流切り替え部が凸部３１に位置する。
【００３２】
図９は図６の全コイルの結線図である。図９において、結線を行った９個のコイル群４３は、それぞれ２個隣（つまり３個目）のコイル群４３の巻き始めに直列接続する。従って、９個のコイル群４３は３個のコイル群４３を直列接続した３並列回路に編成される。すなわち３相の電機子コイルとなる。各直列接続の巻き終わり端子は全て接続してＣＯＭ端子とし（図中Ｃ表示）、全回路の共通電源（例えば、０Ｖ）に接続する。各直列接続の巻き始め端子はそれぞれ３相の各相（図中、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に表示）電源に接続する。なお、図９に示した上記回路構成は基本構成を説明するために例示したものであって、本発明を上記内容に限定するものではなく、例えば、直列接続するコイル群４３の数は１回路でも良いし４回路以上であっても良い。また、並列回路数も３相に限らず、６相であっても良い。
【００３３】
次に、本発明の第２の特徴である凸部について説明する。図１０は、図１の凸部の詳細を説明する図である。図１０（ａ）は凸部の部分拡大図である。図において、バックヨーク３の厚みをヨーク厚みｔとする。さらに、凸部３１に関し、凹部３２との肩部分を肩部ヨーク厚みａ及びｃとし、凸部３１と凹部３２との間の厚みをｂとする。また、バックヨーク３の円筒周面部からの凸部３１の突出量を凸部高さｈとする。バックヨーク３の円筒周面部とマグネット６との間のギャップ長をｇとする。
【００３４】
まず、ヨーク厚みｔは、十分な磁束密度を確保し、渦電流損失を防止し、かつコイル４の抵抗損失を少なくするように設定される。前２者を満たすにはｔを厚くすることが必要であり、後者を満たすにはｔを薄くする必要がある。本発明を応用したディスク装置のスピンドルモータにおいては、ヨーク厚みｔを、１．２≦ｔ≦２．０（ｍｍ）に設定することにより、好適な低損失性能を有するモータを得ることができた。
【００３５】
後述する磁気回路で詳細に説明するように、凸部３１によって磁束をビーム状に形成する。また同時に、磁気回路の断面積はバックヨーク３の円筒周面部と同様の断面積を維持して、磁気飽和の発生を防止するする必要がある。そこで、ａ、ｂ、ｃ≧ｔなる関係を維持することが必要となる。特に、バックヨーク３の加工過程において肩部ヨーク厚みａ及びｃを確保することが重要である。
【００３６】
次に、凸部高さｈは、磁束をビーム状に絞ることによる効果と許容しうるコギングの範囲とによって設定される。本発明を応用したディスク装置のスピンドルモータにおいては、凸部高さｈを、０．１≦ｈ≦０．５（ｍｍ）に設定することによって、必要な高トルクかつ低コギング性能を有するモータを得ることができた。
【００３７】
さらに、図１０（ｂ）は凸部角度を説明する図である。θは凸部角度であって、１個の凸部３１がバックヨーク３の前周囲に占める角度を表す。前述のように、バックヨーク３の円筒部分にコイル４を整列巻きして、単位コイル４１は凸部３１をまたいで配置されるから、凸部３１はコイルが存在しない領域である。従って凸部３１の領域は磁束をビーム状に形成するための重要な要素となる。とりわけ、ターンテーブル径が２９ｍｍのディスク装置用スピンドルモータにおいて、３相の電機子コイルをコイル群３個に構成し、マグネット６を１２極に構成（後述する図１３を参照）したとき、θ＝５±０．５゜において必要な高トルクかつ低コギング性能を有するモータを得ることができた。さらに、コイル群構成を２個あるいは４個に可変して、対応してマグネット６の極数を８極あるいは１６極にしモータ径を極数に応じて変化させると、θは２゜及び８゜が得られる。すなわち、２≦θ≦８（度）の最適条件範囲が得られる。
【００３８】
次に、モータの回転を制御するために、回転状態（回転中の磁束の変化や回転数など）をセンシングする手段が必要である。そのためのセンシング手段として、例えばホール素子などの磁気センサー７を数箇所取り付け、モータの回転状態をセンシングしてフィードバック制御する。図１１は、磁気センサーを用いたモータの斜視図である。７はセンシング手段たる磁気センサーであって、界磁部であるマグネット６とモータベース８下部の隙間に磁気センサー７を配置した状態を表す。マグネット６からの漏れ磁束を利用して磁気センサー７によって界磁の変動を検出する。この検出結果によりコイル群４２（４２、４４）の駆動電流を制御する。マグネット６とモータベース８下部の隙間に磁気センサー７を配置したので、磁気ギャップを広げたり、磁気ギャップ長に長短の変化を付けたりする必要が無くなる。従って、界磁部とコイル群４２（４２、４４）とのエアギャップを精度良く、かつ狭い範囲内に維持することができる。
【００３９】
次に、界磁部について説明する。マグネット６は強磁性体を円筒状に形成する。バックヨーク３と対向する円筒状周面部は外径寸法精度や真円度を高精度に精密加工される。従って、円筒状周面部は平滑で連続した周面に形成される。このマグネット６の円筒状周面部は、円周方向にＮ・Ｓ・Ｎ・Ｓ・・・と順に複数極が着磁されており、ヨーク５はそのマグネット６の外周面に固定保持されている。このヨーク５は、マグネット６とバックヨーク３のギャップ磁束密度を増加させるためのヨークとして機能する。
【００４０】
さらに、マグネット６とコイル群４２（４２、４４）の巻かれたバックヨーク３の配置について説明する。図１２はマグネットとバックヨーク間の吸引力を説明する図である。マグネット６とバックヨーク３間にはマグネット６による吸引力が発生する。マグネット６とバックヨーク３間の距離を近接させると、マグネット６とバックヨーク３間の吸引力にうち勝つために、モータを回転させるためのより大きなトルクを発生させなければならない。また、逆にマグネット６とバックヨーク３間の吸引力を減少させるために、マグネット６とバックヨーク３間の距離を大きくするとコイル４を横切る磁束が減少し、発生するトルクも減少する。よって、マグネット６とバックヨーク３との間隔（ギャップ長ｇ）は、マグネット６とバックヨーク３間に働く吸引力を最小とし、かつコイル４を横切る磁束数を可能な限り大きくし、トルクの発生を最大とする最適な位置関係とする。
【００４１】
再び図１０（ａ）において、ｇはギャップ長をあらわす。バックヨーク３とマグネット６とを冒頭に説明した材質としたとき、１．０≦ｇ≦１．５（ｍｍ）において、必要な高トルクかつ低コギング性能を有するモータを得ることができた。
【００４２】
続いて、本発明のモータの回転動作について説明する。図１３は、本発明の実施の形態におけるモータの磁気回路を説明する図であって、図１３（ａ）はバックヨークの磁束を説明し、図１３（ｂ）はマグネットの磁束を説明するものである。図１３（ａ）、（ｂ）において（図５及び図９参照）、直流モータとして回転力が発生するのはフレミング（Fleming）の左手の法則による。マグネット６とバックヨーク３間の磁束中にコイル４（コイル群４２）が配置される。このコイル群４２のコイル４に電流が流れると、コイル４にはフレミングの左手の法則による電磁力が働く。すなわち、マグネット６からバックヨーク３に向かって通る（ラジアル方向）磁束に対し、コイル４の銅線を流れる電流のアキシャル方向（モータ軸と同じ向き）成分が上記磁束を横切るから、コイル４の法線方向つまり回転方向に電磁力の向きを生ずる。
【００４３】
また、コイル４に電流を流すとバックヨーク３内に磁束の流れが発生する。このバックヨーク３内に発生した磁束はマグネット６から発生する磁束とベクトル方向が重なる（図１３矢印参照）。その結果、コイル４を横切る磁束はさらに増強されて、より大きなトルクを発生させることができる。特に、本発明のバックヨーク３に凸部３１を形成し、しかも、コイル４の電流切り替え部（前述の単位コイル４１接続点、中央部、及び中間部３３を参照）を凸部３１に配置したので、凸部３１とマグネット６との間は磁束がビーム状にしぼられるから、より強く磁束が増強される効果がある。
【００４４】
実際の電機子部は固定側にあるので、反作用によって界磁部つまりマグネット６とヨーク５が回転する。従って、回転界磁型となる。磁気センサー７の信号を用いてコイル４とマグネット６との位置関係に基づいて、コイル４に通電する電流の向きとタイミングとを順番に制御することにより回転する力が順番に発生し、モータが回転し続ける。
【００４５】
次に、コイル９の巻線加工について説明する。図１４は巻き線加工を説明する図である。図１４（ａ）は図１のバックヨーク３を用いた巻き線加工を説明する図である。図１４（ａ）において、図１に示したリング状のバックヨーク３にコイル４にあたり、バックヨーク３下部から入れられたコイル４を受け取り（工程１）、バックヨーク３の上部で受け取り、バックヨーク３に巻きつけるという巻き線処理を行う（工程２）。
【００４６】
次に、コイル４の巻き線加工を容易にするために、リング状のバックヨーク３の全周を複数に分割する。例えば、図１４（ｂ）に示すように全周を周方向に９分割し（つまりコイル群４２の数に分割）、分割されたバックヨーク３に対してコイル４を巻きつける。コイル４を巻きつけた複数のバックヨーク３を溶接などの手段により、接合し、リング状のバックヨーク３とする。つまり、図１４（ｂ）に示すように、バックヨーク３を送りながら、コイル４を回転させ、巻きつけることができる。あるいはまた、図１４（ｃ）において、予め単位コイル４１を巻回形成しておき、分割されたバックヨーク３へコイル４を装着することもできる。以上により、巻き線工程を容易にすることができる。
【００４７】
また、図１５は、マグネットを内外周に配置した図である。図１および図６との相違点は、マグネット６を内周と外周の両側に配置して、バックヨーク３とコイル４とをマグネット６で挟むように配置したものである。以上の構成によって、コイル４には内周と外周の双方から電磁力が作用するから、より強力なトルクを発生することができる。
【００４８】
さらに、図１６は温度特性の評価を表す図である。図１６において、標準となる１２ｃｍのディスクをモータに装着して回転させた時の、モータ消費電流を表したものである。比較対照となるモータは従来の技術において図１７に説明したモータである。もちろんモータ駆動用のドライブ装置は同一条件である。図に示すように、本発明の構造のモータは０℃から７０℃の範囲でほとんど一定の消費電流（２４０ｍＡ）であって変化を示さない。他方、従来のモータは３６０（ｍＡ）から（４１１ｍＡ）まで１４．２％もの増加を示した。
【００４９】
このような優れた温度特性は、本発明の構造を有するモータが、従来のモータよりも遙かに小さなギャップ長を有し、しかもモータのロータ全周囲にわたってほぼ一定（上述の凸部において変化するのみ）であるから、モータの磁気回路を形成するパーミアンスが温度による変化を起こさない（換言すればモータの磁気回路に温度の影響を受ける要素が含まれない）ためである。
【００５０】
このような優れた温度特性を有するから本発明の構造を有するモータをディスク装置に使用すると、低温時にディスク装置（例えばラップトップ型コンピュータ）のバッテリ容量が低下したとしても安定した長時間の動作が確保される。あるいはまた、ディスク装置に使用が長時間におよび内部の温度が上昇しても安定した長時間の動作が確保されることになる。
【００５１】
なお、以上の説明は回転界磁型のアウタロータモータを例にして説明した。しかし、本発明は回転界磁型のアウタロータモータに限定するものでは無い。ロータを内周に配置するか外周に配置するかは本発明の主題とするものではなく、単なる構造上の配置に過ぎないから、本発明の構造を活かしてインナロータ構造にすることもまた可能である。さらにまた、界磁部分を固定側に配置し、電機子部分を回転側に配置することもまた同様に可能である。
【００５２】
以上のように構成された本発明のモータは、大きなトルクを生ずることができる。これは、構造上からマグネットとバックヨークとの隙間を狭くすることができ、ギャップ磁束密度を高く確保することができるからである。また同様に構造上、ロータ（界磁部）の最外周付近でモータを回転させる電磁力が発生するからモーメント（半径）が大きく取れるため、モータトルクを大きくすることができる。さらにまた、コイルに構成するで、多数コイルにすることが可能である。また、円筒状マグネットが外周に配置しており、着磁する極数も増加できるから、トルク定数の向上が図れ、モータトルクを大きくすることができる。従って、負荷が同程度ならば、より低消費電力なモータを実現することができる。
【００５３】
さらに、本発明の構成によるモータは、コイルをバックヨークに機械的に固定しているから剛体とする事が出来るので、コイルの振動がほとんどなくなる。さらに、バックヨークに発生する磁束を直接コイルに作用させるから、モータに発生するトルクを増加させると同時に、速やかな加減速動作をすることができる。このような特徴を有するモータをディスク装置に使用すればアクセスタイムの短縮と消費電電力の削減をすることができ、ディスク装置の厚みを薄型に構成することができる。
【００５４】
なお、説明に用いた例は本発明をスピンドルモータの用途に限定的に解釈するものではない。例えば、本発明の構成によるモータの回転界磁と電機子とを回転軸の方向に延長することが可能であり、そうすることによって、モータ径は小さくとも高トルク小慣性で低消費電力のモータを実現することも可能である。
【００５５】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、低消費電力で効率が高く、温度変化に対して消費電流の変化の少ないモータで、しかも薄型に構成することが可能なモータを提供することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、対消費電力の効率が高く、温度変化に対して消費電流の変化の少ないモータで、薄型に構成することが可能なモータを提供することかできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータの斜視図
【図２】図１の要部平面図
【図３】図１のコイル巻き線方法を説明する図
【図４】図１のコイル接続を説明する図
【図５】図１の全コイルの結線図
【図６】他の巻線を有するモータの斜視図
【図７】図６の隣り合うコイルの接続を説明する図
【図８】図６のコイル電流を説明する図
【図９】図６の全コイルの結線図
【図１０】図１の凸部の詳細を説明する図
【図１１】磁気センサーを用いたモータの斜視図
【図１２】マグネットとバックヨーク間の吸引力を説明する図
【図１３】本発明の実施の形態におけるモータの磁気回路を説明する図
【図１４】巻き線加工を説明する図
【図１５】マグネットを内外周に配置した図
【図１６】温度特性の評価を表す図
【図１７】従来の周対向モータの斜視図
【図１８】図１７のＸ−Ｘ線断面図
【図１９】図１７の回転動作説明図
【図２０】従来の面対向モータの斜視図
【図２１】図２０のＹ−Ｙ線断面図
【図２２】図２０の回転動作説明図
【図２３】図２０のマグネットの着磁分布図
【符号の説明】
１ 回転軸
２、２１、２２ 軸受け
３ バックヨーク
４、４６、４７コイル
５、５１ ヨーク
６、６１、６２ マグネット
７ 磁気センサー
８ モータベース
９ コイルフック
１０ ポール
１３、３４ ターンテーブル
１５ チャッキングユニット
１６ チャッキングボール
３１ 凸部
３２ 凹部
４１ 単位コイル
４２、４３ コイル群
４９コイル基板
Claims (12)
- 円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部を形成したことを特徴とするモータ。
- 前記電機子コイルは前記電機子ヨークの凸部、凹部の存在しない円筒部分に密着して整列巻きをしたことを特徴とする請求項１記載のモータ。
- 円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部を形成し、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部を形成し、前記電機子コイルは前記凸部の両側に２つのコイルを巻回し、一の側の巻き終わりと他の側の巻き終わりとを接続して１群の電機子コイルとしたことを特徴とするモータ。
- 円筒状に形成された電機子ヨークと前記電機子ヨークの円筒周面に巻回された電機子コイルとを有する電機子と、円筒状に形成され円筒状周面に複数の磁極を着磁した円筒状界磁とを有するモータであって、前記電機子ヨークには前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する凸部と、前記凸部に対応する前記電機子ヨークの裏面に凹部と、前記凸部に電機子コイルを係止するための係止部とをそれぞれ形成し、前記電機子コイルは予め形成した中央部を前記係止部に係止して前記凸部の両側に巻回したことを特徴とするモータ。
- 前記電機子コイルは前記電機子ヨークの凸部、凹部の存在しないバックヨークの円筒部分に密着して整列巻きをしたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のモータ。
- 前記電機子ヨークと前記円筒状界磁との空隙を１．０から１．５（ｍｍ）の範囲に設定したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ。
- 前記凸部のそれぞれの角度を２から８（度）の範囲に設定したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ。
- 前記凸部の高さを０．１から０．５（ｍｍ）の範囲に設定したことを特
徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ。 - 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のモータと、円盤状媒体を載置し該モータによって回転駆動されるターンテーブルを備えたことを特徴とするディスク装置。
- 円筒状に形成された電機子ヨークに電機子コイルを巻回する巻線方法であって、前記電機子ヨークに対して前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する複数の凸部を形成し、該凸部を中央とする複数の箇所で前記電機子ヨークを予め分割し、前記凸部の両側に２つのコイルを同一方向に巻回し、若しくは予め巻回形成されたコイルを前記凸部の両側から前記電機子ヨークに装着し、さらに一の側の巻き終わりと他の側の巻き終わりとを接続して１群の電機子コイルとし、複数群の電機子コイルを結線して前記電機子コイルを構成するとともに、分割した電機子ヨークを接合することを特徴とする巻線方法。
- 円筒状に形成された電機子ヨークに電機子コイルを巻回する巻線方法であって、前記電機子ヨークに、前記電機子ヨークから前記円筒状界磁に向かって突出する複数の凸部と、電機子コイルを係止するための複数の係止部とをそれぞれ形成し、予めコイルに折り返した中央部を設け、前記係止部に前記中央部を係止して前記凸部の両側に同一方向に巻回することを特徴とする巻線方法。
- 前記凸部を中央とする複数の箇所で前記電機子ヨークを予め分割し、前記コイルを巻回した後に、分割した電機子ヨークを接合することを特徴とする請求項１ １記載の巻線方法。
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