JP4005826B2 - 永久磁石モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石モータに属し、例えば動圧流体軸受機構を有するスピンドルモータに好適に利用されうる。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスクなどの記録装置において、ディスクを駆動させるために用いられるスピンドルモータ（以下、モータ）は、ディスクを搭載して回転するロータと、軸受機構を介してロータを回転可能に支持するブラケットと、永久磁石からなりロータに設けられた駆動用マグネット（以下、マグネット）と、マグネットに径方向に対向するようにブラケットに配置されたステータとを基本的に備える。
【０００３】
そして、近年、記録装置の小型化、低騒音化、高速化などの要請に対応するため、モータに上記の軸受機構として動圧流体軸受機構が採用されている。動圧流体軸受機構とは、軸及び軸受面のいずれかにヘリングボーン状溝などの動圧流体発生用の溝を形成し、それらの軸と軸受面との隙間に潤滑流体を保持し、ロータの回転に伴って流体に発生する動圧でロータをブラケットに対して非接触に支持するものである。動圧流体軸受機構は、流体を介してロータを支持するので、回転音が比較的小さい点で他の軸受機構よりも優れている。
【０００４】
ところでハードディスクなどの記録装置においては、高速で回転するディスクの上を磁気ヘッドが微小な隙間をあけて浮上しながらトラックに追従している。そのためディスクを搭載して回転するロータは、軸受を介してこれを支持するブラケットに対して回転時に振れたり軸方向に移動したりしてはならない。
そこで、ブラケットに対するロータの位置を安定化させるために、マグネットとステータコアの相対位置を互いの磁気吸引力の中性点から軸方向にずらすことにより、軸方向の磁気吸引力からなるスラスト力を発生させる方法が採られる（特開平６−２２３４９４）。この場合、ずれ量が大きいほど軸方向の磁気吸引力も増すが、それに伴って機械的騒音も増す。そこで、機械的騒音が増加しない程度にマグネットとステータコアの相対位置を軸方向にずらすとともに、マグネットに軸方向に対向して磁性材料からなるスラストヨークをブラケットに配置し、このスラストヨークとマグネットとの磁気吸引力によってスラスト力の不足が補われる。
【０００５】
こうしてロータの回転が安定化し、機械的な騒音も小さくなってきたことから、低騒音化に向けて今後取り組むべき課題は、電磁音の低減、特に駆動回路での相切り替え時にトランジスタのスイッチングノイズがコイル電圧に重畳されて生じる電磁音の低減である。
このような電磁音を低減する手段として、例えば従来より、（１）モータの駆動用マグネットの着磁を弱くする、（２）モータ内で励振源となっているステータ及びその周辺部材を接着剤や樹脂で覆う、（３）駆動回路においてスイッチングをソフトスイッチング方式とする、等の対策が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記対策（１）の場合、モータのトルク定数Ｋｔが低下し、回転トルクを弱めてしまう。対策（２）の場合、工数が多くかかるわりに顕著な効果が得られない。対策（３）は、モータ自体の改良ではないし、駆動回路が複雑になるという不利を伴う。
それ故、この発明の課題は、モータ自体の構造を改良することにより、工数を増すこともトルク定数Ｋｔを低下させることもなく、スイッチングノイズに起因する電磁音を低減した永久磁石モータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するために、この発明の永久磁石モータは、軸または軸受面を有するロータと、ロータの軸または軸受面と対向する軸受面または軸を有してロータを回転可能に支持するブラケットと、前記軸と同心状にロータに保持されたマグネットと、マグネットと径方向に対向してブラケットに固定されたステータと、磁性材料からなり、マグネットとの間で磁気吸引力からなるスラスト力を生じるようにマグネットに軸方向に対向してブラケットに固定されたスラストヨークとを備えた永久磁石モータにおいて、前記マグネットと前記スラストヨークとは前記軸と略直交する略平行な面において対向し、前記マグネットと前記スラストヨークとの間に０．４ｍｍ以上のギャップが設けられており、前記マグネットとステータコアとの軸方向における相対的な位置関係は、互いの磁気吸引力の中性点から０．１ｍｍ以上マグネットがスラストヨークから離れる方向にずらされていることを特徴とする。
【０００８】
上記のギャップによりスイッチングノイズに起因する電磁音が著しく低減されることが実験によって確かめられた。この発明において、上記ギャップの上限は特に限定していない。ギャップを広くすることによって払われる犠牲の一つは、スラスト力の低下であるが、これについては、前記マグネットとステータコアとの軸方向における相対的な位置関係を、互いの磁気吸引力の中性点からｔ＝０．１ｍｍ以上マグネットがスラストヨークから離れる方向にずらすことにより、マグネットとステータ間の軸方向磁気吸引力を利用してスラスト力の不足が補われる。
【０００９】
マグネットとステータとの磁気吸引力の中性点がスラスト方向に一致しているモータの場合、モータ回転時に両者間にスラスト方向の磁気力が作用しないため振動、騒音を低減することができる。勿論モータ効率も良好となる。
一方、スラスト方向に磁気吸引力を付与するために、この発明のようにマグネットに対向してスラストヨークをブラケット側に配置する場合、マグネットとスラストヨークとの間のギャップを小さくすればするほど大きな磁気吸引力が得られるが、マグネットの本来ステータに作用すべき磁束がより多くスラストヨークに逃げることになり、マグネットの機械的中心とマグネットのステータに作用する磁束の磁気中性点とのずれ量が大きくなり、モータ回転時にスラスト方向の磁気力が作用して振動、騒音を招く結果となる。
【００１０】
本発明は、このような事象に鑑み、所望の磁気吸引力を得る場合に、振動、騒音（スイッチングノイズによる振動、騒音）がより小さくなるｄやｔが存在することをつきとめ、これに基づいて構成された永久磁石モータを得るようにしたものである。
尚、上記ｔを定めるときの磁気吸引力の中性点についてはスラストヨークを取り外した状態で定まるものとする。この中性点は、ステータ及びマグネットが軸方向に対称形状をなすときは、それらの上下二等分線に一致する。
【００１１】
このような観点から、前記マグネットとステータコアとの軸方向における相対的な位置関係のずれ量ｔと前記軸方向のギャップｄとの好ましい比ｔ／ｄは０．２５以上０．９以下である。また、この発明の好ましい別の構成は、前記マグネットとステータ及びスラストヨークの両者との間に作用する磁気吸引力の合計が５０ｇｆ以上９０ｇｆ以下のものである。上記のようにマグネットとステータ間の軸方向磁気吸引力とマグネットとスラストヨーク間の磁気吸引力は互いに相補って所定のスラスト力を生じることから、個別の磁気吸引力よりもそれら磁気吸引力の合計が大切だからである。磁気吸引力の合計が５０ｇｆに満たないとロータの回転を安定化させることが困難となるし、他方９０ｇｆを超えると電磁音を低減するために上記ｔ及びｄの両方を著しく大きくしなければならず、小型化に反する。
【００１２】
この発明のモータの軸受機構については、前記ロータ及びブラケットの少なくとも一方の軸または軸受面に動圧流体発生用溝が形成され、互いに対向する軸と軸受面との間に潤滑流体が保持されている動圧流体軸受機構が好ましい。元々比較的機械的騒音が小さいので、電磁音低減効果が顕著となるからである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明のモータの実施形態を図面とともに説明する。図１はハードディスク駆動用の３相モータの軸方向断面図である。
モータ１は、記録ディスクＤを搭載して回転するローター２及びこのロータを回転可能に支持するブラケット３を備えている。ローター２は、回転軸４及びその一方の端に固定された円盤状のハブ５からなり、ハブ５の周縁には回転軸４と同方向すなわち図面の下方に延びる壁が形成され、その壁の内側に回転軸４と同心状且つ複数の磁極に分割されたマグネット６が取り付けられている。
【００１４】
ブラケット３は、回転軸４と同心円状の貫通孔が形成されたブラケット本体３１と、そのブラケット本体３１と回転軸４との間に嵌合された円筒状の支持部材３２と、支持部材３２の開口端面に固定されて回転軸４のハブ５側と反対側の端面と対向する円盤状のカバー３３とからなる。ブラケット本体３１には貫通孔の周縁にハブ５に向かって延びる円筒状の壁が形成され、その壁の外周面にマグネット６と径方向に対向するように複数のステータ７が形成されている。各ステータ７は上記壁の外周面より突出したステータコア７１の周囲にステータコイル７２が巻かれたもので、そのコイルが図略のリードと結線されていて外部より通電可能にされている。更にブラケット本体３１には、磁性材料からなるスラストヨーク３７がマグネット６の下端面と所定のギャップｄをもって軸方向に対向するように固定されている。スラストヨーク３７は、回転軸４と同心リング状をなす。
【００１５】
回転軸４の自由端には環状の切り欠きが形成され、この切り欠きに回転軸４の外周面よりも径方向外方に突出するリング４１が固定されるとともに、このリング４１に対向する支持部材３２の内周面には環状の凹部４２が形成されており、リング４１と凹部４２とが嵌合することで回転軸４の抜け止めがなされている。
【００１６】
そして、支持部材３２の内周面はラジアル軸受面３４となり、このラジアル軸受面３４とこれに対向する回転軸４の外周面との間に潤滑流体８が保持されている。また、支持部材３２のハブ５側端面はスラスト軸受面３５となり、このスラスト軸受面３５とこれに対向する支持部材３２の上面との間に潤滑流体８が保持されている。そして、ラジアル軸受面３４側の潤滑流体とスラスト軸受面３５側の潤滑流体とは連続している。これらの軸受面３４，３５又はこれらと対向するローター側の面には軸方向に非対称なヘリングボーン形状の動圧発生用溝９及びスパイラル状の動圧発生用溝１０が各々形成されている。図１ではこれら動圧発生溝９，１０は便宜上、破線で象徴的に示してある。これらの動圧発生用溝によって回転時にはラジアル軸受面３４と回転軸４の外周面との間に保持された潤滑流体がポンピングされて潤滑流体にラジアル荷重支持圧が発生する。またスラスト軸受面３５とハブ５の下面との間に保持された潤滑流体にスラスト荷重支持圧が発生する。その結果、ローター２がブラケット３に対して非接触状態を保っている。
【００１７】
ステータコイルに給電すると、コイルに流れる電流によってステータ７が磁界を形成し、マグネット６との間で磁気吸引力や反発力を生じてロータ２を回転させる。マグネット６はスラストヨーク３７との間でも磁気吸引力を生じ、これが前記スラスト荷重支持圧とバランスするスラスト力となってロータ２が軸方向に移動することなく安定して回転する。そして、マグネット６とスラストヨークとの間の軸方向のギャップｄは０．４ｍｍ以上に設定されており、これによりスイッチングノイズに起因する電磁音が低減されている。ギャップｄを０．４ｍｍ以上にすることにより、スラスト力が低下し、ロータ２の回転が不安定になる場合は、マグネット６とステータコア７１との軸方向における相対的な位置関係を、互いの磁気吸引力の中性点からｔ＝０．１ｍｍ以上マグネットがスラストヨークから離れる方向にずらすことにより、マグネットとステータ間の軸方向磁気吸引力を利用してスラスト力の不足が補われる。
【００１８】
上記実施形態は、この発明の構成をハードディスク駆動用の動圧流体軸受モータに適用したものであるが、これに限定されず、例えば、CD-R/RW/ROM/RAM用モータやファンモータ等のように含油スリーブ軸受を用いた永久磁石モータ全般にも適用可能である。
【００１９】
【実施例】
上記実施形態のモータの構成を、ディスク直径２．５インチのディスク装置のモータであって、マグネット６の極数が１２、モータ１の全高さが９．５ｍｍであるものに適用し、ギャップｄ及び位置ずれ量ｔを種々変更して試作した。そして、ステータコイルに給電して電磁音を測定した。測定結果を図２に示す。図２は、縦軸に位置ずれ量ｔ、横軸にギャップｄをとって打点したグラフであり、ｔはマグネット６がスラストヨーク３７から離れる方向をプラスとしている。そして、グラフ中の各円の大きさがスイッチングノイズ１次に起因する電磁音の大きさを表す。曲線はマグネットとステータ及びスラストヨーク間の全磁気吸引力の等圧線であり、下から５０ｇｆ、６０ｇｆ、７０ｇｆ、８０ｇｆ及び９０ｇｆの曲線を表す。
【００２０】
図２に見られるように、磁気吸引力の大きさにかかわらず、ｄ＝０．４ｍｍ以上、ｔ＝０．１ｍｍ以上とすることで、電磁音が著しく低減され、その値は、ｄ＜０．４ｍｍの場合の電磁音の値を平均１とすると、平均０．５４であった。ちなみにスイッチングノイズ２次では、この比が１：０．１６、スイッチングノイズ３次では１：０．３４であった。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、この発明の永久磁石モータは、機械的騒音はもとより電磁音も小さいので、記録装置などの使用者は快適な環境で電子データやプログラムの読み出しや書き込みをすることができる。また、この発明の永久磁石モータは、騒音低減のために複雑な製造工程や部品の組み合わせを必要としないので、量産性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態のモータを示す軸方向断面図である。
【図２】 ギャップｄ及び位置ずれ量ｔと電磁音の大きさとの関係を測定したグラフである。
【符号の説明】
１ モータ
２ ロータ
３ ブラケット
４ 回転軸
５ ハブ
６ マグネット
７ ステータ
８ 潤滑流体
９、１０ 動圧発生用溝
３７ スラストヨーク

Claims (3)

1. 軸または軸受面を有するロータと、ロータの軸または軸受面と対向する軸受面または軸を有してロータを回転可能に支持するブラケットと、前記軸と同心状にロータに保持されたマグネットと、マグネットと径方向に対向してブラケットに固定されたステータと、磁性材料からなり、マグネットとの間で磁気吸引力からなるスラスト力を生じるようにマグネットに軸方向に対向してブラケットに固定されたスラストヨークとを備えた永久磁石モータにおいて、
   前記マグネットと前記スラストヨークとは前記軸と略直交する略平行な面において対向し、前記マグネットと前記スラストヨークとの間に０．４ｍｍ以上の軸方向のギャップが設けられており、
   前記マグネットとステータコアとの軸方向における相対的な位置関係は、互いの磁気吸引力の中性点から０．１ｍｍ以上マグネットがスラストヨークから離れる方向にずらされており、
   前記マグネットとステータ及びスラストヨークの両者との間に作用する磁気吸引力の合計が５０ｇｆ以上９０ｇｆ以下であることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 前記マグネットとステータコアとの軸方向における相対的な位置のずれ量ｔと前記軸方向のギャップｄとの比ｔ／ｄが０．２５以上０．９以下である請求項１に記載の永久磁石モータ。
3. 前記ロータ及びブラケットの少なくとも一方の軸または軸受面に動圧流体発生用溝が形成され、互いに対向する軸と軸受面との間に潤滑流体が保持されている請求項１もしくは２に記載の永久磁石モータ。

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