JPH0660539A - スピンドルモータ制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スピンドルモータの起動時のラッシュカレン
トを解消し、起動力を高め、スピンアップ時間を短縮す
る。 【構成】 トランジスタＱ４はスイッチング動作を行
い、設定された速度を保つように働く。ＢＡＴ１〜ＢＡ
Ｔ３は二次電池であり、ドライブの電源が投入されてい
ると、ダイオードＤ１，Ｄ２，充電抵抗Ｒ１，Ｄ４〜Ｄ
６を通じて充電される。起動信号（ＳＴＡＲＴ）が入る
とリレーＲＬが動作し、ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３は直列接続
となる。そうすると、Ｖ１は高い電圧になり、Ｑ４を介
して巻線Ｕ,Ｖ,Ｗには大きな電流が流れ、モータは急速
に回転数が上昇し、所定の回転数まで迅速に到達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、スピンドルモータ制御回路に関
し、より詳細には、モータの起動時のラッシュカレント
を生じることなく、迅速に立ち上げることのできるスピ
ンドルモータ制御回路に関する。例えば、光ディスクド
ライブや磁気ディスクドライブのスピンドルモータ制御
回路に適用されるものである。

【０００２】

【従来技術】一般的に、光ディスク等のメディアを回転
するためのスピンドルモータとして、ブラシレスモータ
が良く使用されている。このモータは、ＤＣモータ特有
の起動トルクの大きさとホール素子を回転角検出として
用い、電子的に整流（コミュテーション）を行うため
に、ブラシ（コミュテーター）が無いため、丈夫で故障
が少く、小型高能率であるため広く用いられている。一
方、光ディスクは一般にメディア可換型であり、ディス
クローディング後、スピンアップして定速回転までメデ
ィアを回す必要がある。近年、メディアの回転数は益々
高速になり、このスピンアップ時間の増大をもたらし、
ローディング時間を長くしている。このスピンアップ時
間を短縮するためには、モータのトルクを増せば良いの
であるが、トルクを増すと同時に、消費電流も増えてし
まう。しかも、これはスタートのときのみであるので、
そのために大容量の電源装置を備えるのは経済的に見て
非効率である。

【０００３】図５は、従来の光磁気ディスクドライブの
ブロック図で、図中、２１は磁界デバイス、２２は光磁
気ディスク、２３はスピンドルサーボ、２４はスピンド
ルモータ、２５はフォーカスデバイス、２６はトラッキ
ングデバイズ、２７はフォーカスサーボ、２８は半導体
レーザ、２９は受光素子、３０は記録信号処理回路、３
１は再生信号処理回路、３２は移動ステージ、３３はリ
ニアモータサーボ、３４はトラッキングサーボ、３５マ
イクロプロセッサ、３６は外部インタフェースである。

【０００４】光磁気ディスク２２は、スピンドルモータ
２４により駆動される。光ピックアップは、半導体レー
ザ２８からのレーザ光を集光して、ディスク媒体上の目
標の位置に照射し、記録を行うとともに、反射光を電気
信号に変換して情報を再生するユニットで、光学系と駆
動系により構成される。駆動系は対物レンズをディスク
の面の振れに追従させるフォーカシング制御手段２５，
２７、及びトラック振れに追従させるトラッキング制御
手段２６，３４を行ってディスク媒体上の目標位置とレ
ーザ光スポットとの相対的位置関係を常に一定に維持す
るための駆動機構である。

【０００５】図６，図７は、従来の光磁気ディスクドラ
イブの３相ブラシレスモータの動作回路を示す図で、４
１は制御ＩＣ、４２はモータ巻線、４３ａ〜４３ｃはホ
ール素子、４４はマトリクス回路である。モータはブラ
シによる機械的転流の代わりにホール素子による磁界検
出によって回転子の角度を検出し、それによって電子的
にローターの転流を行い、回転磁界によって永久磁石の
ローターを回転させる。その特徴は小型、堅牢、高効率
であり、磁気ディスクや光磁気ディスクのスピンドルモ
ータの主流となっている。

【０００６】図６，図７はこのブラシレスモータの回転
速度制御まで含めた回路であり、一定の回転速度で回る
ように制御する。ホール素子４３ａ〜４３ｃは、ロータ
ーの回転角度を検出し、マトリクス回路４４で回転角度
に応じた転流の信号を作り出す。さらに一定速度の制御
を行うため水晶発振子によって一定周波数の信号が作ら
れその信号とホール素子の信号を比較し、速度誤差信号
が作られ振幅制御部に入力される。その結果、転流信号
が速度誤差信号で振幅変調される。この信号が出力アン
プによってモータの電機子への駆動電流になる。これに
よってブラシレスＤＣモータは一定速度で回転すること
になる。

【０００７】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、スピンドルモータの起動時のラッシュカレント
を解消すること、また、スピンドルモータの起動力を高
めてスピンアップ時間を短縮すること、また、従来無駄
な発熱となっていたスピンドルモータ停止過程のエネル
ギーを有効に再利用すること、さらに、停止時に回生電
流をモータに流すことによって、適度なダンピングを与
え、ショックを吸収するとともに迅速に停止するように
したスピンドルモータ制御回路を提供することを目的と
してなされたものである。

【０００８】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
光ディスクドライブや磁気ディスクドライブのスピンド
ルモータ制御回路において、複数の二次電池を直列及び
並列に接続を切り換える切換手段と、前記二次電池の出
力をモータと断続する断続手段と、前記二次電池が並列
接続の場合に該二次電池を充電する充電手段とから成
り、起動時には直列に接続された二次電池から該モータ
に給電すること、更には、（２）前記モータ停止時にロ
ーターの惰性回転力によって発生する起電力である回生
電流を並列接続された該二次電池に導いて充電すること
を特徴としたものである。以下、本発明の実施例に基づ
いて説明する。

【０００９】図１は、本発明によるスピンドルモータ制
御回路の一実施例を説明するための構成図で、図２
（ａ）〜（ｃ）は、図１における信号波形を示す図であ
る。図中、１は充電回路、２はマトリクスアンプ（ＭＡ
Ｔ ＡＭＰ）、３はホール素子、４はモータである。直
流モータは、その構造上起動トルクが大きく、制御も簡
単で効率も良いので、小型モータとして広く用いられて
いる。併し、その構造上回転に同期した転流を必要と
し、従来ブラシを用い、機械的に転流していた。このブ
ラシは、電機子に巻かれた回転子に流れる電流を断続す
るのであるから、そのインダクタンスの大きさから大き
な逆起電力が発生し、スパークが発生して接点を損傷す
る。従って、このブラシの寿命がモータの寿命を決定し
ていた。

【００１０】これに対し、同じ直流モータであるが、回
転子を永久磁石とし、界磁を複数の電磁石として、この
電磁石を回転子の回転角度によって切り替え、回転磁界
を作り出すモータがある。これが、ブラシレスＤＣモー
タといわれるものである。これは、ブラシの代わりにホ
ール素子によって回転子の角度を検出し、その位置によ
ってコイルの電流を断続する。従って、ブラシが無いの
で寿命が長く、信頼性が高い。このモータがこのよう
に、構造は異なるが制御上は従来のブラシ付きの直流モ
ータと同じである。直流モータは、その性能を現わす定
数として誘起電圧定数（Ｋe）があり、これから導かれ
る定数としてトルク定数（Ｋt）がある。モータがある
端子電圧（Ｅ）で回転している時には、次の関係式が成
り立つ。

【００１１】 Ｅ＝ｉ・Ｒa＋Ｋe・ｄθ／ｄt＋Ｌ・ｄi／ｄt （１） Ｔ＝ｉ・Ｋt （２） Ｅ ：電源電圧（端子電圧） ｉ ：電機子電流 Ｒa ：電機子抵抗 Ｋe ：誘起電圧定数 ｄθ／ｄt ：回転速度 Ｌ ：電機子インダクタンス ｄi／ｄt ：電流の時間変化率

【００１２】起動する時は回転数は０であるので、式
（１）の右辺の第二項は０である。さらに、Ｌも小さい
ので無視できる。そうすると、電機子低抗Ｒaと電源電
圧Ｅで決まる起動電流ｉは大きな値となる。これがラッ
シュカレントである。次に、回転数が上がっていくと第
二項が大きくなり、電流は減少する。回転が定常状態に
達すると、電流もある負荷とバランスした一定の値に落
ち着く。次に、停止する場合は電源を遮断するわけであ
るが、その瞬間はまだ電機子は惰性で回転しているので
電機子電流ｉは０になるが、回転数に比例した誘起電圧
が発生する。このように、ＤＣモータは起動トルクが大
きく迅速に回転が立ち上がる利点があるが、それに比例
して大きな起動電流が流れる。電源装置は、この最大電
流を供給しなければならず、負担になる。例えば、光デ
ィスクや磁気ディスクなどのスピンドルモータの場合、
起動時に迅速に規定の回転数まで立ち上がる必要がある
が、その時の起動電流もまた大きな値になる。本発明は
かかる不具合を解消すべくなされたものであり、次のよ
うに動作する。

【００１３】破線の内部はブラシレスモータが示されて
いるが、これは通常のＤＣモータと考えてよい。Ｑ４は
モータに流れる電流を制御するスイッチングトランジス
タである。これは、通常速度制御信号に従って制御され
る。まず、モータが停止しているか一定速度で回転して
いる場合、リレーＲＬは二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３を
並列接続の状態にしている。その場合、電源ＶＣＣから
ダイオードＤ１，Ｄ４〜Ｄ６，充電抵抗Ｒ１を通じて充
電される。この充電電流は小さいので、電源の負荷には
ならない。次に、起動時はＲＬは直列に接続になるよう
に動作する。その結果、ＶＣＣより大きな電圧がＶ１に
発生する。その場合、Ｄ１は逆バイアスされ、モータに
は二次電池から電流が供給される。その結果、電源電流
ｉ₁は小さな値であるが、モータには二次電池から大き
な電流が供給され、モータは迅速に立ち上がる。ＲＬは
この立ち上がり時間が過ぎると、もとの状態に復帰し、
並列接続になって充電を行う。

【００１４】図５に示すように、光ディスクドライブ
は、回転するディスク（メディア）にレーザを集光させ
記録再生を行う。その記録位置の移動は相対運動によっ
て行われる。光ディスクの場合、その相対運動は回転に
よって達成される。従って、記録再生の動作に先立ち、
必ずディスクを所定の回転数まで回転させておく必要が
ある。実際の動作で説明すると、まずディスクカートリ
ッジがドライブに挿入されると、それをスイッチで検知
し、カートリッジをドライブ内部に引き込むローディン
グ動作が行われる。この動作によって、ディスクはスピ
ンドルモータの軸に接合され、モータの回転力によって
回転される状態となる。

【００１５】次に、行われるのがスピンアップと呼ばれ
る所定回転数まで回転を加速する動作である。本発明
は、このスピンアップ動作の短縮に関るものである。こ
のスピンアップが終了すると、次にレーザが点灯し、フ
ォーカスサーボとトラッキングサーボが働き、記録再生
の準備が整ったことになる。このように、スピンアップ
は記録再生の準備の一部であるので、短い時間で終了す
るのが望ましい。しかしながら、この時間を短縮しよう
とすると、大きな電流をスピンドルモータに供給する必
要があり、このスピンアップのためだけに大きな容量の
電源装置を備えることは不経済であり、従来はこのスピ
ンアップはある程度（５秒程度）の時間がかかってい
た。

【００１６】スタート信号は、図５のマイクロプロセッ
サから与えられる。スピンドルモータは、回転数による
速度帰還信号によってサーボを構成するが、その設定速
度から検出速度を引いた速度誤差信号がデューティの形
態でＱ４に対して制御信号として与えられる。Ｑ４はス
イッチングで動作しており、もし設定の速度に対して実
際の速度が低い場合は、Ｑ４が導通している時間的割合
が増える方向へ、逆に実際の速度が高い場合は、導通の
時間的割合が減る方向に制御され、結果として設定され
た速度を保つように働く。しかしながら、式（１），式
（２）で示されるように、直流モータは電流に比例した
トルクを発生するが、起動，停止の時には慣性に打ち勝
つ力を与えるために大きなトルクが必要とされるので、
電流も大きな値が必要とされる。しかし、一旦加速，減
速してしまえば、あとは摩擦に打ち勝つ力を供給するの
みであるので、小さな電流でこと足りる。

【００１７】ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３は二次電池であり、ド
ライブの電源が投入されていると、ダイオードＤ１，Ｄ
２，充電抵抗Ｒ１，ダイオードＤ４〜Ｄ６を通じて充電
されている。その時は、電池は並列に接続されているの
で、ドライブ電源電圧で（通常１２Ｖ）充電可能であ
る。次に、起動信号（ＳＴＡＲＴ）が入ると、リレーＲ
Ｌが動作し、ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３は直列接続になる。そ
うすると、Ｄ７のアノードに高い電圧がかかり、導通状
態になり、Ｖ１は高い電圧になる。その結果、式
（１），式（２）で示される電圧以上の電圧が供給され
るので、Ｑ４を介して巻線Ｕ,Ｖ,Ｗには大きな電流が流
れ、モータは急速に回転数が上昇し、所定の回転数まで
迅速に到達する。しかしながら、この時に電源ＶＣＣか
ら供給される電流は、ＢＡＴ１の充電電流のみであるの
で、非常に少ない値である。これらの様子は、図２に示
されている。すなわち、ドライブへ外部から供給する電
流のピークがなく、かつ高速に所定の回転数に到達して
いることが分かる。

【００１８】図３は、本発明によるスピンドルモータ制
御回路の他の実施例を示す図で、図４は、図３における
信号波形を示す図である。図中、５は固生電流充電回路
で、その他、図１と同じ作用をする部分は、同一の符号
を付してある。図１における実施例と異なるのは、モー
タ巻線からダイオードＤ３，ダンピング抵抗Ｒ２を通じ
てＢＡＴ１〜ＢＡＴ３に充電する径路があることであ
る。再び式（１）に戻るが、電源電圧Ｅが "０" となっ
た場合でも、モータは慣性力によって回り続けようとす
る。その結果、今度はモータが回転数に比例した電圧を
発生する。

【００１９】もし、この起電力をそのままにしてモータ
からなんら電流を取り出さない場合、モータはその慣性
エネルギーが摩擦エネルギー（摩乾及び粘性損失）に消
費されるまで速度は "０" にならない。これに対して、
積極的にモータから電流を取り出せば、この電流に比例
した制動がモータに掛かり、より早く停止する。この性
質を積極的に利用し、且つその電流を前記ＢＡＴ１〜Ｂ
ＡＴ３に導くことによってモータの停止時間を短縮する
とともに、そのエネルギーを蓄えて次の起動のエネルギ
ーに充当する。

【００２０】すなわち、Ｑ４が遮断状態になり、電流が
絶たれた場合、巻線Ｕ,Ｖ,Ｗに発生する起電力は、Ｄ
３，Ｒ２を通じてＢＡＴ１〜ＢＡＴ３に供給される。か
つモータにはその時の電流の値に応じた制動がかかり、
モータは急速に停止し、ドライブのスピンダウンの時間
は短縮される。図４は、その時（停止時）の時間的な様
子を示す。従来の方式に比べて急速に停止している。

【００２１】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、スピンドルモータの起動時のラッシュカレントを生
ずることなく、スピンドルモータを迅速に立ち上げるこ
とができ、また、バッテリーの再充電によってくり返し
使用を可能にし、また、装置内でバッテリーを充電する
ことができ、さらに、モータ制動時のエネルギーを有効
に使えるとともに、モータの迅速な停止を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるスピンドルモータ制御回路の一
実施例を説明するための構成図である。

【図２】 図１における信号波形を示す図である。

【図３】 本発明によるスピンドルモータ制御回路の他
の実施例を示す図である。

【図４】 図３における信号波形を示す図である。

【図５】 従来の光磁気ディスクドライブ回路のブロッ
ク図である。

【図６】 従来の光磁気ディスクドライブの３相ブラシ
レスモータの動作回路（その１）を示す図である。

【図７】 従来の光磁気ディスクドライブの３相ブラシ
レスモータの動作回路（その２）を示す図である。

【符号の説明】

１…充電回路、２…マトリクスアンプ（ＭＡＰ ＡＭ
Ｐ）、３…ホール素子、４…モータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ディスクドライブや磁気ディスクドラ
   イブのスピンドルモータ制御回路において、複数の二次
   電池を直列及び並列に接続を切り換える切換手段と、前
   記二次電池の出力をモータと断続する断続手段と、前記
   二次電池が並列接続の場合に該二次電池を充電する充電
   手段とから成り、起動時には直列に接続された二次電池
   から該モータに給電することを特徴とするスピンドルモ
   ータ制御回路。
2. 【請求項２】 前記モータ停止時にローターの惰性回転
   力によって発生する起電力である回生電流を並列接続さ
   れた該二次電池に導いて充電することを特徴とする請求
   項１記載のスピンドルモータ制御回路。