JPH06105518A

JPH06105518A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JPH06105518A
Application number: JP27947892A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Nakamura; 展明中村
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1992-09-24
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】ハードディスクの高速度化に良好に対応で
き、高効率で耐衝撃性に優れた、ポータブルタイプの機
器のＨＤＤに好適なブラシレスモータを提供する。【構成】コアレスコイル６４に通電方向を制御しつつ
電流を流すと、コアレスコイル６４の発生磁界とマグネ
ット６６による磁界とが作用してハブ５８が矢印ＦＡ方
向（又はその反対方向）に回転する。ベアリングホルダ
５４とハブ５８とが一体成形されており、これとヨーク
とが兼用されているので、ハブ５８内部のスペースは非
常に有効に活用され、小型化を実現して、耐衝撃性の十
分なベアリングボールを使用できる。また、コアレスコ
イル６４が用いられているため、鉄損やコギングトルク
の発生がない。このため、低消費電流で効率的な高速駆
動が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシレスモータにか
かり、特に、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などに好適な
ブラシレスモータの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＨＤＤを駆動するスピンドルモータとし
て使用されているブラシレスモータとしては、駆動部分
をハブの外に形成するアウタロータタイプと、ハブ内に
駆動部分を形成するインハブタイプがある。図７には、
インハブタイプの従来のブラシレスモータが示されてい
る。同図は、回転中心に沿った断面の右半分を示すもの
である。この図において、シャフト１０には、ベアリン
グ１２，１４を介して円筒状のハブ１６が回転自在に取
り付けられている。シャフト１０は、下方でモータベー
ス１８に一体成形されており、このモータベース１８が
ＨＤＤのシャーシ（図示せず）に固定されている。ハブ
１６の下方内側では、シャフト１０にコア付きのコイル
２０が設けられており、これに対向するようにマグネッ
ト２２がハブ１６の内周面に取り付けられている。

【０００３】ハブ１６の下側外周にはディスクホルダ２
４が形成されており、このディスクホルダ２４とクラン
パ２６との間にハードディスク２８が狭持されている。
そして、上部のハードディスク２８は、ハブ１６の上面
にねじ止めされたクランパ３０によって固定されてい
る。ハードディスク２８に対するアクセスは、ヘッド３
２（一部のみ図示）によってその両面に行われるように
なっている。

【０００４】コイル２０に通電方向を制御しつつ電流を
流すと、コイル２０の発生磁界とマグネット２２による
磁界とが作用してハブ１６は矢印ＦＡ方向（又はその反
対方向）に回転するようになる。これにより、ヘッド３
２に対してハードディスク２８が回転することになる。
ヘッド３２は、同図の左右方向に移動して所望のトラッ
クにアクセスする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来技術には、次のような不都合がある。（１）ノートブック型のパーソナルコンピュータなどに
みられるように、ポータブルタイプの機器のＨＤＤに
は、小型化，低消費電力化，低電圧化が要求されてお
り、また、ＨＤＤ自身も高容量化，高速度化が要望され
ている。しかし、上述した従来技術では、コイルにコア
が存在するため、回転速度の増大とともに鉄損が増大す
る。鉄損は、一般に回転速度の２乗に比例する。従っ
て、高速度化により急激に損失が増大して消費電流が増
加することになり、低消費電流による高速回転という要
求を満足することができない。

【０００６】また、コイル２０のコアの存在によりいわ
ゆるコギングトルクが発生するが、このコギングトルク
は有効トルクを減少させることになる。更に、コアの存
在によってインダクタンスも高くなるとともに、マグネ
ット２２によるＮ，Ｓの極性変化に伴ってインダクタン
スも変化することになる。

【０００７】（２）構造上、ベアリング１２，１４の軸
スパンを十分に取ることができないので、共振点が低下
して振動が生ずることがあるという不都合がある。（３）更に、ポータブルタイプの機器で落下などが生ず
ると、それに内蔵されているＨＤＤでは、モータのベア
リング部分が大きな衝撃を受ける。この衝撃に耐えるよ
うにするためにはベアリングのボール径を大きくする必
要があるが、限られたスペースの中でモータを構成しな
ければならず、ボール径を大きくするにも限界がある。

【０００８】本発明は、これらの点に着目したもので、
ハードディスクの高速度化に良好に対応でき、高効率で
耐衝撃性に優れた、ポータブルタイプの機器のＨＤＤに
好適なブラシレスモータを提供することを、その目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ディスク媒体
が固定されるハブがベアリングホルダによってベアリン
グに取り付けられており、回転駆動用のマグネットがハ
ブの内部に設けられており、このマグネットに対向する
ようにコイルがモータベースに設けられており、前記マ
グネットによる磁界と、前記コイルへの通電による磁界
とを作用させて前記ディスク媒体を回転駆動するブラシ
レスモータにおいて、前記ベアリングホルダとハブとを
一体に成形するとともにヨークと兼用し、前記コイルを
コアレスコイルで構成したことを特徴とする。

【００１０】本発明の主要な態様によれば、マグネット
の磁束がコアレスコイルと効率的に鎖交するように、ハ
ブ内にコアレスコイルが延長して形成される。更に、他
の主要な態様によれば、マグネットの厚みは、総磁路長
の１／３〜２／３の大きさに設定される。

【００１１】

【作用】本発明によれば、コアレスコイルが使用され、
また、ベアリングホルダとハブとが一体成形されるとと
もにヨークと兼用する構成となっているので、効率的に
磁気回路が構成される。また、回転数の２乗に比例する
鉄損がコアレスによって低減されるため、低消費電流で
高速度化を達成できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明によるブラシレスモータの実施
例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、
上述した従来例と同様の構成部分又は従来例と対応する
構成部分については、同一の符号を用いる。

【００１３】＜第１実施例＞最初に、図１及び図２を参
照しながら、本発明の第１実施例について説明する。図
１は、実施例にかかるブラシレスモータの回転軸に沿っ
た断面の右半分を示す一部省略したものである。同図に
おいて、シャフト１０には、ベアリング５０，５２を介
して円筒状のベアリングホルダ５４が回転自在に取り付
けられている。シャフト１０は、下方でモータベース１
８に連続して一体となっており、このモータベース１８
がＨＤＤのシャーシ（図示せず）に固定されている。ベ
アリングホルダ５４の内側には、ベアリング５０，５２
の間にコイルスプリング（予圧スプリング）５６が設け
られている。

【００１４】次に、ベアリングホルダ５４は、断面略Ｌ
字状のハブ５８に連続して一体となっている。そして、
このハブ５８の下側外周にはディスクホルダ６０が形成
されており、ハブ上方からハードディスク２８がはめ込
まれている。ハードディスク２８は、その内周側がディ
スクホルダ６０に接しており、更にクランパ２６がハブ
５８にはめ込まれてハードディスク２８が狭持されてい
る。２枚目のハードディスク２８は、クランパ２６，３
０によって教示されている。ハードディスク２８に対す
るアクセスは、ヘッド３２によってその両面に行われる
ようになっている。

【００１５】次に、モータベース１８の底部であってベ
アリングホルダ５４側には、コイルホルダ６２に立設さ
れたコアレスコイル６４が適宜のクリアランスをもって
設けられている。また、ハブ５８の内側には、コアレス
コイル６４と適宜のクリアランスをもってマグネット６
６が対向配置されている。なお、コアレスコイル６４
は、モータベース１８を介して駆動回路が形成されてい
るフレキシブルプリント基板（図示せず）に接続されて
いる。また、シャフト１０の上部にはスリーブ５７が設
けられており、このスリーブ５７に対向するように、マ
グネット５９がハブ５８側に設けられている。そして、
スリーブ５７とマグネット５９間に磁性流体６１が満た
されており、これによってベアリング５０，５２に対す
るオイルシールが行われている。

【００１６】次に、図２を参照しながらコアレスコイル
６４について説明する。この例は、例えば８極，６コイ
ルの３相モータの場合のものであり、同図（Ａ）に示す
ように６個のコイル６４Ａが円筒状に配置されて樹脂成
形されている。これらコイル６４Ａとマグネット６６と
の関係は、同図（Ｂ）に示すように、マグネット６６は
電気角で２π／８に着磁され、コイル６４Ａは電気角で
２π／６の間隔となっている。このようなコアレスコイ
ル６４は、コア（鉄芯）を持たないため、鉄損が発生し
ないという特長がある。

【００１７】次に、本実施例では、マグネット６６とし
て、例えばＳｍＣｏ，Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂなどの非常に良好
な磁気特性を有する材料が使用されている。本実施例で
は、コアレスコイル６４を用いているためにエアギャッ
プが従来のコア付きモータよりもコイル厚さ分だけ大き
くなり、モータのトルクに与える磁束Φが減少する。そ
こで、特性のよい磁性材料を用いることでかかる磁束Φ
の減少を防止するように工夫している。

【００１８】次に、以上のような実施例の作用について
説明する。コアレスコイル６４に通電方向を制御しつつ
電流を流すと、コアレスコイル６４の発生磁界とマグネ
ット６６による磁界とが作用してハブ５８は矢印ＦＡ方
向（又はその反対方向）に回転するようになる。これに
より、ヘッド３２に対してハードディスク２８が回転す
ることになる。ヘッド３２は、図１の左右方向に移動し
て所望のトラックにアクセスする。

【００１９】ところで、この場合において、本実施例で
は、上述したようにコアレスコイル６４よりも外側にマ
グネット６６を配置するとともに、ベアリングホルダ５
４とハブ５８とを一体成形している。すなわち、マグネ
ット６６のバックヨークとハブ５８とが兼用されてお
り、また、磁路形成のための内側のヨークとベアリング
ホルダ５４とが兼用されているので、ハブ５８内部のス
ペースは非常に有効に活用されている。従って、小型
化，軽量化に好適である。

【００２０】次に、本実施例では、コアレスコイル６４
が用いられている。このため、コアの存在に起因して生
ずる鉄損やコギングトルクの発生がなく、インダクタン
スも減少する。従って、高速回転に伴う消費電流の増大
も抑制されて、有効トルクの増大による効率的な駆動が
可能となり、高速度化に好適となる。また、振動や騒音
も低減される。更に、ベアリング５０，５２のスパンが
大きいため、レゾナンス（共振点）が高くなって安定し
た駆動を実現できる。

【００２１】次に、ベアリング５０，５２のボール径に
ついて説明する。ＨＤＤは、ハードディスク２８のサイ
ズが３．５インチ，２．５インチ，１．８インチとダウ
ンサイジングに伴って可搬性に富むようになるため、耐
衝撃性の向上が要求される。表１には、使用限度におけ
るベアリング５０，５２のボール径と耐衝撃性との関係
が示されている。

【００２２】

【表１】

【００２３】例えば、ディスクサイズが３．５インチの
場合は、ディスク内径がφ＝２５ｍｍであり、ハブ／デ
ィスク重量（ロータ部分の重量に対応）は７３ｇｒとな
る。このときの最小限度使用ボール外径は１３ｍｍであ
り、ボール静荷重は４４Ｋｇ，対荷重は６００Ｇであ
る。他のディスクサイズについても、同表に示す通りで
ある。

【００２４】ところが、従来のコア付きコイルを用いた
ものでは、ディスクサイズが１．８インチの場合、外径
がφ５のボールを使用するとモータの磁気回路を構成す
ることが不可能となって、ダウンサイジングに対応でき
ない。しかし、本実施例によれば、コアレスコイル６４
を使用しているために磁気回路のスペースが少なくてよ
い。このため、ディスクサイズ１．８インチでもφ５の
ボールを使用してベアリング５０，５２を構成でき、良
好な耐衝撃性を維持してダウンサイジングを実現でき
る。１．８インチのディスクサイズまで考慮したとき、
表１に示すボール外径／ディスク内径＝φ５／φ１２≒
０．４の関係を維持できるのはコアレスモータの場合の
みである。

【００２５】次に、本実施例に関して試作した装置と従
来装置の特性測定を行って比較したところ、次の表２の
ような結果が得られた。

【００２６】

【表２】

【００２７】この表２によれば、従来と比較して、無負
荷電流はコアレスによる鉄損の低減によって３０〜４０
％も減少し、インダクタンスに至っては約６０％も減少
している。また、最大速度は約４０％も増大し、振動や
騒音は２０〜３０％低減されている。更に、レゾナンス
（共振点）は５％も上昇している。このように、本実施
例によれば、高高速化，低消費電流、高効率化に対応し
た耐衝撃性の良好なラジアルギャップ型のコアレスモー
タを実現できる。

【００２８】＜第２実施例＞次に、図３を参照しながら
本発明の第２実施例について説明する。なお、上述した
第１実施例と同様の構成部分又は第１実施例に対応する
構成部分には、同一の符号を用いることとする（以下の
実施例についても同様）。

【００２９】一般にハードディスク装置においては、ヘ
ッド３２への磁束の飛び込みによるリード／ライトエラ
ーが発生する場合がある。このため、モータ側のマグネ
ットから生ずる漏れ磁束は極力小さくする必要がある。
本実施例は、この点に着目して前記第１実施例を更に改
良したもので、図３に示すように、コアレスコイル６４
とマグネット６６とが互いに逆の配置となっている。す
なわち、ベアリングホルダ５４の外側にマグネット６６
が設けられており、このマグネット６６とハブ５８との
間に適宜のクリアランスをもってコアレスコイル６４が
配置されている。

【００３０】このようなマグネット６６のバックヨーク
がベアリングホルダ５４と兼用された構成とすること
で、マグネット６６による磁束の漏れが低減されるよう
になり、エラーの発生は良好に低減される。特に、ディ
スク径が３．５インチ以下と小さい場合には、それに対
応してハブ径も小さくなり、ハブ５８の内部スペースも
小さくなって漏れ磁束が増大するので、本実施例が非常
に有効となる。なお、ベアリングホルダ５４にバックヨ
ーク、ハブ５８に磁路形成のためのヨークを設け、この
ヨーク部材を高透磁率であるケイ素鋼板などを用いるこ
とにより、ベアリングホルダ及びハブの材質を軽合金
（アルミニウムなど）で形成することも可能である。

【００３１】＜第３実施例＞次に、図４を参照しなが
ら、本発明の第３実施例について説明する。この実施例
は、前記第１実施例の効率を更に高めたものである。同
図（Ａ）に示すように、コアレスコイル７０はハブ７２
の上方の凹部７４に延長して設けられており、コアレス
コイル７０のうちのマグネット６６の磁束と鎖交しない
部分が凹部７４内に設けられている。このため、コアレ
スコイル７０は、前記実施例と比較して、磁束Φを切る
部分が全体として長くなっている。従って、マグネット
６６の磁束Φは、同図（Ｂ）にΔＢで示す部分でコイル
７０を切るようになって、結果的に鎖交磁束数が増大す
る。これにより、同一電流でトルクが増加し、ハブ内の
スペースを有効に活用して効率の向上を図ることができ
る。

【００３２】＜第４実施例＞次に、図５及び図６を参照
しながら本発明の第４実施例について説明する。この実
施例は、マグネット６６の厚さの好適な条件に関するも
のである。ハードディスク装置においては、ハブ外径は
ディスクサイズ（例えば、３．５インチ，２．５イン
チ，１．８インチ，１．３インチ，……）によって決定
される。他方、ベアリング５０，５２のボール径も、同
様にディスクサイズによる耐衝撃性により決定される。
そして、これらの値から、インハブ構造をとる場合にお
けるコアレスコイル６４及びマグネット６６を含むエア
ーギャップの長さがほぼ決定される。図５には、第１実
施例のエアーギャップ部分が拡大して示されており、そ
の長さ，すなわち総磁路長はＬである。この総磁路長Ｌ
の中に、最も有効にコアレスコイル６４及びマグネット
６６を配置するのが理想である。

【００３３】なお、同図に示すように、コアレスコイル
６４の厚さはＴｃ，マグネット６６の厚さはＴｇ，ベア
リングホルダ５４とコアレスコイル６４とのギャップは
Ｇ1，コアレスコイル６４とマグネット６６とのギャッ
プはＧ2，ギャップ間のエアーギャップはＤで表わされ
ている。

【００３４】マグネット６６が図６（Ａ）に示すような
Ｂ−Ｈカーブを有しているとする。このような場合、単
位厚み当りＨ₀の起磁力と体積磁気抵抗Ｈ₀／Ｂ₀を持つ
起磁力源と考えられる。そこで、漏れ磁路を無視してマ
グネット６６の厚みをＴgとし、一極当りの面積をＳaと
して、図５の磁気回路を図６（Ｂ）に示すような電気回
路に置き換えることができる。この回路で、起磁力Ｆ
は、Ｆ＝Ｔg・Ｈ₀ ……………………………………
（１）マグネット６６の抵抗Ｒmは、Ｒm＝Ｔg／Ｓa ……………………………………
（２）負荷となるコアレスコイル６４及びギャップＧ₁，Ｇ₂の
磁気抵抗Ｒaは、Ｒa＝（Ｌ−Ｔg）／Ｓa ……………………………
（３）となる。また、一極当りの磁束Φは、同図（Ｂ）の回路
から起磁力Ｆを総磁気抵抗Ｒm＋Ｒaで割ったもので、式
（４）に示すように、マグネット厚みＴgに比例する。 Φ＝Ｆ／（Ｒm＋Ｒa）＝Ｈ0・Ｓa・Ｔg／Ｌ ……………………………（４）

【００３５】次に、コアレスコイル６４側について考察
する。コアレスコイル６４の厚みＴcを可変としたと
き、その巻数Ｎは、式（５）に示すように、厚みＴcの
平方根とコイル抵抗Ｒcの２乗の積に比例する。Ｎ∝√Ｔc・Ｒc² …………………………………
（５）ここで、コイル抵抗Ｒcを一定とすると、式（６）のよ
うになる。Ｎ∝√Ｔc ∝√（Ｌ−Ｇ−Ｔg） ………………………………（６）ただし、Ｇ＝Ｇ₁＋Ｇ₂である。

【００３６】更に、トルク定数Ｋtは、磁束Φと巻数Ｎ
との積に比例するので、式（７）が得られる。Ｋt∝Φ・Ｎ ∝Φ・√（Ｌ−Ｇ−Ｔg）…………………………（７）この式（７）の関係を、Φ一定としてグラフに示すと、
同図（Ｃ）に示すようになり、最大値Ｔg_MAXを一つ持つ
曲線となる。従って、式（７）をＴgで微分することに
よってトルク定数Ｋtが最大となる最適点Ｔg_Rが求めら
れ、式（８）に示すようになる。Ｔg_R＝２（Ｌ−Ｇ）／３ ……………………………
（８）よって、エアーギャップＧ（図５参照）を０に近づけた
とき、最大効率は、Ｔg＝２／３・Ｌ ……………………………………
（９）となる。

【００３７】従って、マグネット６６，ギャップＤ，コ
イルの巻線Ｎ，マグネット６６のエネルギ積最大の条件
を考慮すると、総磁路長Ｌに対するマグネット６６の厚
みは、Ｌ／３〜２Ｌ／３が好ましいことになる。このよ
うな条件を満たすように各部を設計することで、更に効
率の向上を図ることができる。

【００３８】＜他の実施例＞なお、本発明は、何ら上記
実施例に限定されるものではなく、例えば次のようなも
のも含まれる。（１）前記実施例では、８極，６コイルの場合を示した
が、マグネットの極数やコアレスコイルのコイル数など
は必要に応じて適宜設定してよい。（２）駆動するハードディスクの枚数なども任意であ
り、光ディスクなどの他のディスク媒体にも適用可能で
ある。（３）その他、磁性流体以外の方法でオイルシールを行
う，図５の実施例を図３や図４の実施例に適用するな
ど、同様の作用を奏するように種々設計変更が可能であ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるブラ
シレスモータによれば、コアレスコイルを用いるととも
に、ベアリングホルダとハブとを一体成形してヨークと
兼用することとしたので、ディスク媒体の高速度化に良
好に対応でき、高効率で耐衝撃性にも優れているという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるブラシレスモータの第１実施例を
示す主要部の構成図である。

【図２】前記実施例のコアレスコイル部分を取り出して
示す説明図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す主要部の構成図であ
る。

【図４】本発明の第３実施例を示す主要部の構成図であ
る。

【図５】本発明の第４実施例を示す主要部の構成図であ
る。

【図６】本発明の第４実施例の作用を示す説明図であ
る。

【図７】従来のＨＤＤ用のブラシレスモータの主要部分
を示す構成図である。

【符号の説明】

１０…シャフト、１８…モータベース、２６，３０…ク
ランパ、２８…ハードディスク、３２…ヘッド、５０，
５２…ベアリング、５４…ベアリングホルダ、５６…コ
イルスプリング、５８，７２…ハブ、６０…ディスクホ
ルダ、６２…コイルホルダ、６４，７０…コアレスコイ
ル、６４Ａ…コイル、６６…マグネット、Ｄ…エアーギ
ャップ、Ｆ…等価起磁力、Ｇ₁，Ｇ₂…ギャップ、Ｌ…総
磁路長、Ｒa，Ｒm…等価磁気抵抗、Ｔc…コアレスコイ
ルの厚さ、Ｔg…マグネットの厚さ、Φ…磁束。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディスク媒体が固定されるハブがベアリ
ングホルダによってベアリングに取り付けられており、
回転駆動用のマグネットがハブの内部に設けられてお
り、このマグネットに対向するようにコイルがモータベ
ースに設けられており、前記マグネットによる磁界と、
前記コイルへの通電による磁界とを作用させて前記ディ
スク媒体を回転駆動するブラシレスモータにおいて、前
記ベアリングホルダとハブとを一体に成形するとともに
ヨークと兼用し、前記コイルをコアレスコイルで構成し
たことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】請求項１記載のブラシレスモータにおい
て、前記ハブに凹部を形成するとともに、前記コアレス
コイルのうちのマグネットの磁束と鎖交しない部分を前
記凹部内に設けたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項３】請求項１又は２に記載のブラシレスモー
タにおいて、前記マグネットを、総磁路長の１／３乃至
２／３の厚さに形成したことを特徴とするブラシレスモ
ータ。