JP4031953B2 - 磁気ディスク装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気ディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気ディスク装置に対して、は大容量化、小型化に対する要求があり、現状製品レベルでは平面外形１．０インチの磁気ディスク装置が製品化されている。
【０００３】
従来の磁気ディスク装置の構造には、インハブ・モータとアンダーハブ・モータがある。このインハブ・モータは、ディスクを積層するスピンドルの中心ハブの内部に、ロータ、ステータなどの磁気回路を構成しているモータのことであり、現在最も広く利用されている。また、アンダーハブ・モータは、ディスクをスタックするハブ部よりベース寄りにロータ／ステータの磁気回路を構成するもののことである。
【０００４】
インハブ・モータを用いたディスクドライブ構造の一例に、特開平6-68592号公報に記載された構造がある。
【０００５】
上記公報の図２に記載されているように、この構造は、軸固定型のインハブ・モータを採用しているので、ベースに固定されたシャフトに軸受−ベアリング−軸受を介してハブが配置され、ハブの内側にロータを構成する磁石が配置され、ベースにステータが配置されている。
【０００６】
また、アンダーハブ・モータを用いた磁気ディスクドライブ構造としては、特開平7-182771号公報がある。
【０００７】
この公報の図２に記載されているように、軸固定型のアンダーハブ・モータを採用しているので、ベースに固定された固定シャフトに軸受−ベアリング−軸受を介してハブが配置され、ハブの下側にロータを構成する磁石が配置され、ベースにステータが配置されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、薄型の磁気ディスク装置に需要が出てきている。基本的に個々の構成部品を薄くすれば全体も薄くできるが、部品の中には単純には薄くできないものもある。その一つは筐体である。
【０００９】
軸回転型と軸固定型を問わず、シャフトはハブの回転する中心軸となるため、シャフト近辺のベースはシャフトに掛かる大きな力に耐えるために、一定の厚みが必要なる。また、ハブの回転による力に負けない質量も必要になる。
【００１０】
従って、ベースに設ける凹部の特性としては、シャフトから遠くに設けることが好ましく、また、シャフトに近いほど、凹部の面積も小さくすることが好ましい。
【００１１】
しかし、上記従来の技術ではシャフトを覆うようにステータが形成されているので、ステータの位置をベース側に下げることにより薄型化を図ろうとすると、シャフトを中心に円状又は環状に凹部をベースに形成せざるをえない。従って、従来技術は筐体の耐久性を考慮しつつ、筐体を薄くすることに関しては何ら考慮されていなかった。
【００１２】
また、従来の技術では、ステータをベースに搭載することしか記載されておらず、ステータと他の部材との配置、特にベースに対向する筐体部材との関係については何ら考慮されておらず、さらに筐体自体の強度の変化については何ら考慮されていない。
【００１３】
つまり、本発明の目的は、筐体の耐久性を向上させつつ、磁気ディスク装置を薄くすることにある。
【００１４】
また、他に小型にできないものに、スピンドルモータと蓄電器がある。
【００１５】
磁気ディスクでは、スピンドルモータの回転を停止する前に磁気ディスク表面上にある磁気ヘッドを磁気ディスク表面上から退避させる必要がある。通常動作でこれを行うときは外部電源を用いるが、突発的な電源切断があった場合に、外部電源を用いることはできない。
【００１６】
このような動作を行わせるには、磁気ヘッド移動用のモータ（ＶＣＭ）に接続された内部電源が必要であり、一般的には蓄電器がその役目を担う。この蓄電器には必要な逐電容量から大容量の大型の蓄電器を選択せざるを得ない。
【００１７】
基板に小型の蓄電器を分散させて搭載する配線抵抗による性能低下や実装面積が増加するなどの問題があり、具体的な解決さを考慮されていない。
【００１８】
すなわち、本発明の目的は、筐体の耐久性の低下を抑えると共に蓄電器搭載面積も減らし、磁気ディスク装置を薄くするとともに、小型化することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様の一つとしては、筐体の少なくとも一つの面を構成するベースと、ベースに固定されたシャフトと、シャフトを回転軸にして回転するロータと、ロータを回転させるステータと、磁気ディスクを備え、ステータをベースに対向する面に配置しているものがある。本態様では、ベースにステータを配置せずに、ベースに対向する面に配置しているので、シャフトから遠い領域を削ればよく、シャフト近辺のベースに必要な厚みを確保できている。つまり、本態様の構造を採用することにより筐体の耐久性の低下を抑えつつ、磁気ディスク装置を薄くすることができる。
【００２０】
また、本発明の異なる態様によれば、軟磁性金属板と、軟磁性金属板の両面に配置されている配線と、軟磁性金属板の両面に配置されている配線を導通させるスルーホールとを備え、配線及びスルーホールをらせん状に構成してコイルを形成する。このように構成することにより、基板加工のプロセスをそのまま利用することができるようになるので、ステータを薄くすることができる。また、電子回路基板の製造プロセス（プリント基板製造技術）を採用していることより、電子基板もステータコアと同一材料で形成可能になる。また、同一材料で形成するならば、一括形成が可能になるので、筐体の耐久性の低下を抑えつつ、磁気ディスク装置を薄くすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る磁気ディスク装置の構造について図を用いて説明する。
【００２２】
磁気ディスク装置は、主に、磁気ヘッド位置決め機構、磁気ディスク、アルミ製の筐体（カバー及びベース）、コネクタ、ステータ、ロータ部およびステータ部で構成されている。外形寸法はコンパクトフラッシュ（登録商標）メモリｔｙｐｅ１と同一サイズ（４３ｍｍ×３６ｍｍ×３．３ｍｍ）である。
【００２３】
この磁気ディスク装置の筐体上面のカバーをはずした場合の上面図を図１に示す。なお、実際の磁気ディスク装置としては、上面のカバーに接着剤でステータを含む基板を接着し、ネジで固定する。
【００２４】
図１の100は軟磁性金属板をコア材とするメタルコア配線基板１００で、そのメタルコア配線基板100には主に２つの穴が形成されている。これらの穴は磁気ヘッド位置決め機構１１０、磁気ディスク回転中心シャフト１２０に対応している。磁気ヘッド位置決め機構１１０には、磁気ヘッドを搭載したアーム１１１等の磁気ヘッド位置決め機構が配置され、穴１２０にはロータ磁石（永久磁石）１２１や配線基板の下方に磁気ディスク１２２が配置されている。メタルコア配線基板１００の穴以外の領域にはステータコイル１０１と配線が形成されている、なお、１０２は筐体１０３に固定するねじ孔である。
【００２５】
この図１のＡ１−Ａ２断部分を表す図２を用いて本発明の磁気ディスク装置構造の一部を説明する。磁気ヘッド位置決め機構１１０はベアリング１１３を介して、固定シャフト１１２に回転可動に取り付けられている。磁気ヘッド位置決め機構１１０には、磁気ヘッド１１７の位置決め用ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）のコイルアセンブリ１１４と磁気ヘッド１１７を搭載したヘッド・アームアセンブリ１１１が取り付けられている。コイルアッセンブリ１１４は磁石１１５とヨーク１１６の間に設置される。磁気ヘッド位置決め機構のＶＣＭは１１０から１１６の部材により構成されている。筐体１０３と対向する側の磁気ディスク装置内部機構保護カバー１０４により行われている。
【００２６】
次に図１のＢ１−Ｂ２断面を表す図３を用いて本発明の磁気ディスク装置構造の一部を説明する。磁気ディスクの回転中心となる磁気ディスク回転中心シャフト１２０にはロータ磁石１２１及び磁気ディスク１２２が取り付けられ、可動回転軸１２３を介して筐体１０３に固定されたベアリング軸受け１２４に取り付けられている。なお、ハブとは磁気ディスクに回転を伝える部材１２０,１２１,１２３及び１２４の総称である。
【００２７】
メタルコア配線基板１００の端部には外部との電気信号を送受するために複数の信号ピンが形成されたコネクタ１０５が配置されている。コネクタの筐体内側には封止樹脂が塗布され、塗布後加熱硬化されてコネクタに形成されている貫通孔を塞いでいる。これは外部から進入する塵が磁気ディスク表面に付着しないようにすることが目的である、また、メタルコア配線基板には磁気シールド薄板１０６が搭載される。
【００２８】
環状永久磁石に対してロータの回転中心になるシャフトの遠心方向であって、磁気ディスクに重畳するカバーの内側にはステータが接着される。
【００２９】
図２及び図３に示すように、軟磁性金属板を積層してコアとしたメタルコア配線基板１００が筐体上部のカバーに接着されるので実質上、筐体の上面ほぼ部材となっている。そのため、筐体上面の強度を向上させることができるとともに、磁気ディスク装置全体も耐衝撃性が向上し、装置全体を薄くすることができている。
【００３０】
また、メタルコア配線基板を他の部材に比べて衝撃に強いステータのコアに用いているので、磁気ディスク装置全体も衝撃に対する耐久性を向上させながら、薄い小型磁気ディスク装置に実現できている。
【００３１】
カバーの端部には外部との電気信号を送受するために複数の信号ピンが形成されたコネクタが配置され、そのコネクタの筐体内側には外部から進入する塵が磁気ディスク表面に付着しないように熱硬化性の封止樹脂が塗布され、塗布後加熱硬化されることにより形成された端子ピンと物理的電気的結合をとるための貫通孔が塞がれている。
【００３２】
次に、図１の領域Ｃの拡大図である図４を用いてステータとロータ磁石との関係を説明する。
【００３３】
ロータの概ね外縁に設けられた円周方向に１６極に分割して磁化されている環状のロータ磁石（永久磁石）１２１の外側には、ラジアルギャップを介しステータ磁極（鉄心片）先端部１０７が配置されている。ステータ磁極１０８は環状永久磁石の極数の１．５倍である２４極であり、ステータ磁極先端部１０７とロータ磁石１２１との間の磁力によりロータは回転する。
【００３４】
ステータは、珪素鉄の軟磁性金属板の積層体をコアとし、ステータ磁極１０８の周囲には、絶縁膜を介して配線及びスルーホールが巻き線状に結線されたコイルが配置されている。このステータコイルへの電流を制御することでロータ磁石に対する磁界を制御し、ロータ部を回転させるトルクを発生する。図４は、配線基板の製造方法で形成したコイルを示す。有機絶縁材料１３１により珪素鉄コアからなるステータ磁極１０８から絶縁し、その上に銅製の金属薄板をエッチングすることにより多数の短冊状に配線形成する。この配線層１３２がステータコイルの一部になる。
【００３５】
図４のＤ１−Ｄ２の断面図である図５を用いてステータ磁極用コイルについて説明する。本態様では、ステータコアが４層、配線層がステータコア層の上下各２層の４層である。ステータ磁極の周囲は有機絶縁材料１３１に覆われている。この有機絶縁材料部分を表裏貫通する１個１個のスルーホールをあけてその後内側にメッキによる導通処理を行い、表裏導通配線１３３を形成する。これを二重の螺旋になるように表裏４本の配線層１３２、１３４で接続した上で、図４のステータ磁極の中心軸Ｅ１−Ｅ２方向に接続していくことで、ステータコイルとなる。配線層を表裏１組としたときは一重の螺旋となる。
【００３６】
図４のＥ１−Ｅ２断面図である図６により、ステータ磁極の構造を詳細に説明する。ステータ磁極はコイル形成部とコイルが形成されていないステータ磁極先端部１０７を有する。ステータ磁極のコア部であるステータ磁極先端部１０７は３層の接着絶縁層１０９と４層の軟磁性金属板であるステータ磁極１０８とが交互に積層される計７層のコアから構成される。コイル形成部は二重巻きしたコイルを構成するため、ステータ磁極の軟磁性金属板コア層の表裏に配線層１３２、１３４と接着絶縁材料１３１で表裏４層ずつ形成されたコイル層とで構成されている。ステータ磁極先端部１０７のロータ永久磁石１２１側の端面は珪素コア材を保護するための有機絶縁層１０９で表面が覆われている。
【００３７】
ステータの厚さは磁気ヘッドがエアギャップを介して配置された磁気ディスクとロータを含む回転体を一定の回転数で回転させるのにスピンドルモータが必要とする電流値によりその最小値が決まる。
【００３８】
このスピンドルモータではステータの極数を２４、ステータの硅素鉄は０．１ｍｍ厚さを４枚、コイル部分の金属配線層厚さ４０mｍ、絶縁層３５mｍとしてステータ厚さが０．７ｍｍ、ステータコイル線幅を１５０mｍ、線間隔を１００mｍ、スルーホール部は外径１００mｍ、内径６０mｍとしてステータの１極あたりの巻数を４０ターンとした。一方、ロータ磁石を磁極数１６、外径１３．２ｍｍ、厚さ０．７ｍｍとしてモータのトルク定数を測定したところ電流１Ａあたり約０．００１８Ｎｍ（ニュートンメートル）であった。ステータコイルの直流抵抗は約６Wであった。このスピンドルモータの定常回転トルクは約０．０００１１Ｎｍであった。従って、このスピンドルモータは定常電流６０ｍＡ程度で動作する。
【００３９】
モータのトルク定数（Ｋｔ）は一般に下記の式で表される。
【００４０】
Ｋｔ＝ＡｘＷｂｘＮｘＮｓ……（１）
ここでＡは定数、Ｗｂはロータ・ステータ間の磁束密度、Ｎはステータ１磁極あたりのコイル巻数、Ｎｓはモータ１相あたりの磁極数である。
【００４１】
本態様を基にステータ部分の厚さとロータ磁石の軸方向厚さを同一とし、ステータコイルの配線ルールを一定とした上で、ステータの厚さを変化させてモータ特性を計算すると図８のような数値が得られる。
【００４２】
ステータ厚さ０．３５ｍｍの例については、実際には配線基板として考慮したとき、配線層が片面１層では不充分であり、片面２層について考察する必要がある。このときの方法として、コイル及び絶縁層の厚さを半分にして全体の厚さを０．３５ｍｍに保つ場合と、コアのみ０．２ｍｍとして配線層は４層のものをそのまま用い、厚さを０．５ｍｍとする場合について考察する。
【００４３】
この場合はそれぞれのステータコイルの直流抵抗のみ異なり、前者では１２W、後者は６Wとなる。また、ステータ磁極の飽和磁束密度（１．５Ｔ）から、飽和電流はおよそ０．６２Ａとなる。定常回転時の電流はステータ磁極が飽和しない範囲内で６０ｍＡと０．７ｍｍ厚の例と同等となるが、最大トルクは約６０％となる。これでもスピンドルモータとしては使用可能であり、本態様によれば０．３５ｍｍより厚いメタルコア配線基板によるステータの薄型モータが構成できることが判る。
【００４４】
一方、ステータの厚さが大きい側の限界については、ステータ磁極を形成するコイルの表裏貫通スルーホールによる導通配線の形成技術による。本態様の技術の検討では１．１ｍｍ厚のステータ積層コアに対して０．１１ｍｍ（アスペクト比１０）の貫通スルーホールを開け、内壁に導通めっきを形成したところ、めっき厚さのばらつきが生じていた。これはコイルの直流抵抗のばらつきに影響を与えるものであり、特性や製造歩留りに影響がある。更に、アスペクトが大きな貫通スルーホールの内面に安定してめっきが可能になれば１．１ｍｍ厚さを超えるステータコアの使用も可能となる。従って、本態様の製造技術によれば、ステータコア１．１ｍｍと配線層０．３ｍｍの１．４ｍｍ厚さのステータが、メタルコア配線基板を用いた薄型モータの厚さ上限であることが判る。
【００４５】
本態様では、厚さが０．８５ｍｍの磁気ヘッド・アーム・アッサンブリを２組、厚さ０．４ｍｍの磁気ディスクを１枚、厚さ０．７ｍｍのメタルコア基板を用いて、外形寸法が幅４２．８ｍｍ奥行き３６．４ｍｍ厚さ３．３ｍｍである磁気ディスク装置を構成した。磁気ヘッド・アーム・アッサンブリを１本にし、モータの特性からメタルコア基板の厚さを選択することにより、厚さ２．５ｍｍから４．０ｍｍの磁気ディスク装置を実現することが可能である。
【００４６】
とくに、磁気ヘッド・アーム・アッサンブリを１本、磁気ディスクの直径を０．７インチ程度とすることにより、外形寸法が幅２１．５ｍｍ奥行き５０．０ｍｍ厚さ２．８ｍｍである磁気ディスク装置とすることが可能である。
【００４７】
次に低インピーダンスかつ低直流抵抗の電源層について図７を用いて説明する。図７はメタルコア配線基板のうち電子回路形成部分の断面図を示している。軟磁性金属板からなるステータ磁極１０８のうち２枚について、ステータ部及び電子基板部のスルーホール用貫通孔１４２形成後、表面に銅めっき１４１を形成する。メタルコア配線基板として形成した後の２枚の銅めっき軟磁性金属板間隔が５−３０mｍになるように、絶縁材料の厚さを考慮して絶縁接着層１０９を間に挟み積層板を形成する。軟磁性金属板として硅素鋼板を用いるとその体積電気抵抗は約１０mWｃｍ、銅は約１．７mWｃｍであり、表面に約５mｍ厚の銅めっき膜を形成し、これを全面グラウンド層と電源層に使うことにより、表皮効果が影響する高周波領域でインピーダンス化可能である。
【００４８】
半導体素子等の接続は電源系のパッドあるいは半導体素子電源端子１４３に近い位置スルーホール１４４を形成し電源層あるいはグラウンド層に接続することにより低インピーダンスかつ低直流抵抗接続が可能となる。このような電源層を用いた場合、スルーホールの密度により異なるが、配線基板上のどの２０ｍｍ間隔も直流抵抗は数ｍW程度、インピーダンスが数百ｐＨ以下であり、低インダクタンスの小容量蓄電器１４５と電解コンデンサ等の大容量蓄電器１４６を基板上の適切なスペースに搭載して並列に電源層とグラウンド層に接続することにより、直流から数百ＭＨｚまで広い帯域にわたって低インピーダンスの電源系が形成可能である。
【００４９】
従って、低インピーダンス電源系の形成によりパスコンや電源平滑用蓄電器の配置の自由度が増し、基板面積を縮小することが可能となり、磁気ディスク装置全体の小形化が達成される。
【００５０】
なお、電子回路形成部分にはメタルコア配線基板の表裏を貫通して接続する貫通接続部１４７が形成され配線の高密度化が図られる。配線基板１００上には電子部品１４８が搭載され、はんだ１４９やこの図には記載がない金ワイヤによる接続方法を用いて電気的に接続されている。
【００５１】
スルーホール部分１４７は軟磁性金属板コア層全てに孔を形成し、絶縁材料をこの孔の中に充填した後表裏を貫通する孔を形成し、この孔の内壁に配線材料をめっきで形成して導通させる。この形成方法はステータ磁極のコイル形成と電子回路形成部で同一の方法である。このように、電子基板部とステータ部と同じ層構造を採用しているので、同一基板として作ることができる。また、同一基板に作る場合に層の厚さを全面均一にすると、ひとつの製造工程で同時に電子基板部とステータ部を製造することができる。
【００５２】
本態様では、軟磁性コア薄板材料に飽和磁束密度が約１．５Ｔの硅素鉄を用いたが、この値が更に大きなアモルファス材料を用いることにより更に薄型化することが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気ディスク装置の機械的強度を低下させることなく、薄型化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気ディスク装置の上面図。
【図２】図１のＡ１−Ａ２断面図
【図３】図１のＢ１−Ｂ２断面図
【図４】図１の領域C拡大図
【図５】図４のＤ１−Ｄ２断面図
【図６】図４のＥ１−Ｅ２断面図
【図７】メタルコア配線基板の電子回路形成部分の断面図
【図８】ステータ厚さとモータ性能の表
【符号の説明】
１００…メタルコア配線基板
１０１…ステータコイル
１０２…ねじ固定穴
１０３…筐体（ベース）
１０４…筐体（カバー）
１０５…インターフェース用コネクタ
１０６…磁気シールド薄板
１０７…ステータ磁極先端部
１０８…ステータ磁極
１０９…絶縁接着層
１１０…磁気ヘッド位置決め機構
１１１…ヘッド・アームアセンブリ
１１２…固定シャフト
１１３…ベアリング
１１４…コイルアッセンブリ
１１５…磁石
１１６…ヨーク
１１７…磁気ヘッド
１２０…磁気ディスク回転中心シャフト
１２１…ロータ磁石
１２２…磁気ディスク
１２３…可動回転軸
１２４…ベアリング軸受け
１３１…有機絶縁材料
１３２…配線層
１３３…表裏導通配線
１３４…配線層
１４１…銅めっき
１４２…スルーホール用貫通孔
１４３…半導体素子電源端子
１４４…スルーホール
１４５…小容量蓄電器
１４６…大容量蓄電器
１４７…表裏貫通接続部
１４８…電子部品
１４９…はんだ

Claims (5)

1. 筐体の少なくとも一つの面を構成するベースと該面に対向し且つ該ベースの上部を覆うカバーとの間に、
   前記ベースの前記面に固定された軸受けと、
   可動回転軸を介して前記軸受けに取り付けられた磁気ディスク回転中心シャフト、及び該磁気ディスク回転中心シャフトに取り付けられたロータ磁石並びに磁気ディスクを含めて構成され且つ該軸受けに対して回転するロータと、
   前記ロータ磁石をその円周方向で囲むように配置され且つ先端が該ロータ磁石に対向した磁極を有し、該磁極の先端部と該ロータ磁石との間の磁力で前記ロータを回転させるステータ磁石とが設けられ、
   前記ステータ磁石は、メタルコア配線基板を用い、そのコアから成る前記磁極と、該メタルコア配線基板の該磁極の周囲に巻き線状に形成されたステータコイルとを含めて形成され、
   前記メタルコア配線基板は前記ベースの前記面に対向する前記カバーの面に接着され、
   前記磁気ディスクは、前記ベースの前記面と、前記メタルコア配線基板から成る前記ステータ磁石との間に配置されていることを特徴とする磁気ディスク装置。
2. 前記メタルコア配線基板は、珪素鉄の軟磁性金属板の積層体からなる前記コアと、該コアを覆う有機絶縁材料の膜とを含み、
   前記ステータコイルは、前記メタルコア配線基板の表面及び裏面に夫々形成された配線層と、該メタルコア配線基板の該表面と該裏面との間を貫通して形成され且つ該表面に形成された該配線層と該裏面に形成された該配線層とを接続する表裏導通配線とで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気ディスク装置。
3. 前記ロータ磁石は、前記磁気ディスク回転中心シャフトの外縁に設けられた環状の永久磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気ディスク装置。
4. 前記磁気ディスクと前記メタルコア配線基板との間に磁気シールドが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気ディスク装置。
5. 前記メタルコア配線基板には、電子部品と接続される電子回路が前記ステータコイルとともに形成され、該電子部品は該メタルコア配線基板の該電子回路が形成された部分に搭載されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気ディスク装置。

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