(57)【要約】【課題】起動トルクの大きい磁気ディスク装置の外形を小さくする。【解決手段】ディスクと該ディスクが固定されているハブと該ハブを回転させる磁力を発生させる永久磁石とを有するロータと、軟磁性金属板で構成され該永久磁石に対向する位置に配置されているステータコアと該軟磁性金属板の周囲に絶縁膜を介して形成されたスルーホール及び配線が螺旋状に結線されているステータコイルとを有するステータと、前記軟磁性金属板の上に該ステータコイルに電圧を印加するドライバと該ステータコイルを駆動電圧の相毎に直列に接続する第一の状態と並列に接続する第二の状態を切り替える切替手段とを有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクと、該ディスクが固定されているハブと、該ハブを回転させる磁力を発生させる永久磁石と、を有するロータと、
軟磁性金属板で構成され該永久磁石に対向する位置に配置されているステータコアと、該軟磁性金属板の周囲に絶縁膜を介して形成されたスルーホール及び配線が螺旋状に結線されているステータコイルと、を有するステータと、
前記軟磁性金属板の上に、該ステータコイルに電圧を印加するドライバと、該ステータコイルを駆動電圧の相毎に直列に接続する第一の状態と並列に接続する第二の状態を切り替える切替手段とを有することを特徴とするディスク駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ロータの姿勢は、流体軸受けで保持されていることを特徴とするディスク駆動装置。
【請求項３】
ステータと、ディスクを保持するロータとを有するディスク駆動装置において、
ロータの回転及びロータの姿勢を保持する流体軸受けを有し、
温度が低いときには大きな回転トルクを与え、温度が高いときには小さな回転トルクを与える手段を有することを特徴とするディスク駆動装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記大きなトルクは同相のステータコイルを並列接続にすることにより与え、前記小さなトルクは同相のステータコイルを直列接続にすることにより与えることを特徴とするディスク駆動装置。
【請求項５】
ステータと、ディスクを保持するロータとを有するディスク駆動装置において、
ロータの回転及びロータの姿勢を保持する流体軸受けと、
温度が低いときには各相毎のステータコイルを直列に接続させ、温度が高いときには各相毎のステータコイルを並列に接続させる切替手段を有することを特徴とするディスク駆動装置。
【請求項６】
ステータと、ディスクを保持するロータとを有するディスク駆動装置において、
ロータの回転及びロータの姿勢を保持する流体軸受けと、
定格トルクよりも大きな起動トルクを発生させる手段を有することを特徴とするディスク駆動装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記起動トルクを発生させる際に同相のステータコイルを並列接続にし、前記定格トルクを発生させる際に同相のステータコイルを直列接続にするよう配線を切り替える切替手段を有することを特徴とするディスク駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディスク駆動装置、特に記録媒体である磁気ディスクを回転駆動する磁気ディスク駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディスクを駆動するモータは一般にその設計において起動トルクと定格トルクおよび定格回転数が設定される。
【０００３】
ディスクを小型にする場合、磁気回路（ロータとステータ）に許容される体積が少なくなり、巻線が制限されるため、ステータコイルの巻線を増やすことは難しい。
【０００４】
また、ステータコイルに印加する電圧を上げる場合、起動トルクを得ることができるが、定格回転数における定格トルクは、目的とするトルクを上回ってしまい、不要な電力を消費してしまうことになる。
【０００５】
従来、図８に示すようにサーボ回路の出力トランジスタ１を用い、起動時は電源Ｂの電圧Ｅ１がコイル２に加わるように制御し、定格回転数Ｎ１を実現する際はより低い電圧Ｅ２がコイル２に加わるように制御する技術がある。
【０００６】
しかし、上記サーボ回路を用いて定格トルクを制御する方式では、電圧降下（Ｅ１−Ｅ２）とコレクタ電流ｉの積、（Ｅ１−Ｅ２）×ｉで表される電力が回路で消費され、定格回転時に余分な電力を無駄なエネルギーとして消費することになる。
【０００７】
このような電力のロスを低減できる従来構造として、特開平５−３４４７７８号に開示されている直流モータのコイルの結線構造がある。その構造を図７に示す。Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２は６つのコイルを示している。コイルＵ１とＵ２の間に、これら２つのコイルを直列または並列に結線できる切換接続装置１１（切替手段）が設けられている。他のコイルＶ１、Ｖ２、およびＷ１、Ｗ２も、図中の記載を省略しているが、同様の切換接続装置１１が設けられている。切換接続装置１１には２つの切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２が設けられており、ＳＷ１およびＳＷ２の切換動作を制御することでコイルＵ１およびＵ２の結線状態を直列また並列状態に切換える。図７の状態は、コイルＵ１およびＵ２が直列接続となっている状態を示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術の特開平５−３４４７７８号公報では、具体的な配線構造や接続構造が記載されていない。
【０００９】
そこで、本発明者らは、通常のディスク駆動装置の構造に特開平５−３４４７７８号公報の直流モータを適用した場合を考えた。
【００１０】
従来のディスク駆動装置のモータ構造にこの従来技術を適用すると、ロータ磁石の周りを銅線でステータコイルＵ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を巻き、この銅線の一端をフレキシブル基板等の基板に形成した端子へはんだで接続し、フレキシブル基板の一方の端子を回路基板の端子とはんだ接続することになる。
【００１１】
このような構造で並列接続するためには、６本のコイルから合計１２本の銅線を回路基板の端子と接続しなければならない。さらに並列接続数を増やすためにコイル数を１８本、あるいは２４本とすると、銅線の端子数も３６本、あるいは４８本に増加することになる。
【００１２】
このように、端子数が増加すると、大規模な（大面積や多層）フレキシブル基板が必要になる。
【００１３】
したがって、通常のディスク駆動装置に従来技術を適用しただけでは、小型化することに限界があった。
【００１４】
つまり、本発明の目的の一つに、ステータコイルの直列接続・並列接続の切替手段を備えたディスク駆動装置の小型化がある。
【００１５】
なお、起動時には電源電圧を最大限利用し、定格回転時には必要十分なトルクとなるようにコイルに加わる電圧を低く制御する回路方式（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルスの幅を変化させる方式）や、バッテリー電圧より高い電圧を作り出して起動トルクを確保するチャージポンプ方式などもあるが、大規模な回路の変更が必要になるため、上記課題を解決できているとはいえない。
【００１６】
また、従来の技術課題として、静音化がある。この静音化を実現するために、本発明者らは、従来モータの軸受け部に用いられてきたボールベアリングによる玉軸受け構造を、含浸させたオイルのすべりを利用した流体軸受け構造を採用することを考え出した。
【００１７】
しかし、実際に試作したところ、流体軸受け構造は使用環境が低温になるほど、オイルの粘度が上昇して起動しずらくなり、大きな起動トルクが必要であることがわかった。
【００１８】
図９に横軸に磁気ディスクの周囲温度、縦軸に必要な起動トルクを取ったグラフを示す。
【００１９】
室温２０℃から０℃までは玉軸受け、流体軸受けともにほぼ同等の起動トルクであるが、−１０℃以下の低温になると起動トルクの差は約３倍から９倍まで拡大する。これは使用するオイルの粘性が低温時に増加し、それに対抗して回転起動させるために必要なトルクも急増するためである。
【００２０】
近年のディスク駆動装置は、音楽や映像を取り扱う用途が増えており、デジタルカメラや携帯電話などの携帯機器用ストレージや、カーナビゲーション、あるいはカーオーディオ用ストレージとしての製品化が進みつつあり、このような用途では、屋外や自動車内での使用が前提であり、−１０℃〜−３０℃での稼動が要求される。よって、このような用途に使用されるディスク駆動装置に流体軸受け構造を適用しただけでは、安定した起動を実現することができなかった。
【００２１】
つまり、本発明の他の目的は、流体軸受けを採用したディスク装置の安定した起動を図ることがある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する解決手段として、次の手段がある。
【００２３】
ディスクと該ディスクが固定されているハブと該ハブを回転させる磁力を発生させる永久磁石とを有するロータと、軟磁性金属板で構成され該永久磁石に対向する位置に配置されているステータコアと該軟磁性金属板の周囲に絶縁膜を介して形成されたスルーホール及び配線が螺旋状に結線されているステータコイルとを有するステータと、前記軟磁性金属板の上に形成された、該ステータコイルに電圧を印加するドライバと、該ステータコイルを駆動電圧の相毎に直列に接続する第一の状態と並列に接続する第二の状態を切り替える切替手段とを有することを特徴とするディスク駆動装置。
【００２４】
ステータコアと配線基板のコア材が一体化されているので、配線をステータコアの延長（同一基板）上に同じプロセスで形成することができる。それに伴い、ドライバ等の回路との結線をフレキシブル基板を用いないで行えるので、フレキシブルプリント基板の大型化の問題を解消できる。
【００２５】
また、ロータの回転及びロータの姿勢を保持する流体軸受け採用することにより、静音化を実現できる。
【００２６】
さらに、流体軸受け構造を採用したディスク駆動装置の使用環境の温度が低いときには大きな回転トルクを与え、温度が高いときには小さな回転トルクを与える手段を備えさせると、−１０度以下のような環境で高まっていた軸受けの流体の粘度を並列回路による発熱量の増加及び起動トルクの増加により、軸受けの流体の粘度を低下させることができるようになるので、消費電力を抑制しつつ、ディスク起動をスムーズに行うことができるようになる。
【００２７】
また、同様な効果は、流体軸受け構造を採用したディスク装置に、定格トルクよりも大きな起動トルクを発生させる手段を有すること又は温度が低いときや起動時には各相毎のステータコイルを直列に接続させ温度が高いときや定格時には各相毎のステータコイルを並列に接続させる手段を有することによっても得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のディスク駆動装置の断面図である。本実施の形態のディスク記憶装置１００は、ベース１０１、コネクタ１７０、カバー１０２で囲まれた空間に外径１インチのディスク１０３とディスクを駆動するロータ部１０９およびステータ部１１０が組込まれた構成であり、外形寸法はコンパクトフラッシュ（Ｒ）メモリｔｙｐｅ１と同一サイズ（４３ｍｍ×３６ｍｍ×３．３ｍｍ）である。
【００２９】
固定シャフト１０５は固定ネジ１０６を用いてベース１０１に固定されている。ハブ１０４は、固定シャフト１０５に対して、軸受け１０７および１０８により回転可能な状態で支持されている。ディスク１０３はリング１１２およびナット１１３を用いてハブ１０４に固定されている。環状永久磁石１１０はハブ１０４の上面に嵌めこまれている。
【００３０】
メタルコア基板２００はモータの鉄心と巻線の機能、およびＩＣなどの部品を搭載する配線基板の機能を有する。メタルコア基板２００はその４隅においてベース１０１の突起部（図示せず）に固定されている。メタルコア基板２００上にはＩＣ１５０およびチップ部品１５１がはんだや金ワイヤなど用いて電気的に接続されている。
【００３１】
メタルコア基板２００の端部には、ディスク記憶装置１００の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１７０が搭載されている。また、ディスク記憶装置１００の外部から進入する粒子がディスク１０３表面に付着しないように、コネクタ１７１に封止樹脂１７１を塗布、加熱硬化させ、コネクタ１７１に形成されている貫通孔をふさいである。
【００３２】
メタルコア基板２００とディスク１０３との間には、メタルコア基板から発生する磁気を遮断してディスク１０３への影響を防ぐための磁気シールド板１６０がメタルコア基板２００の表面に固定設置されている。
【００３３】
図２は本発明の第一実施例であるディスク駆動装置のロータ部１０９およびステータ部１１０の一部を回転軸線１１１方向から見た概略図である。環状永久磁石１１０はロータ部１０９を構成しており、円周方向に１２極また１６極に分割して磁化されている。磁化の方向は図のＮ極およびＳ極に示すように半径方向である。
【００３４】
メタルコア基板２００はステータ部１１０を構成しており、磁性金属板２０１、鉄心片２０４、鉄心片先端部２０５、配線２０２、スルーホール２０３からなる。磁性金属板２０１は軟磁性材料、例えばケイ素鉄からなる薄板の積層板であり、モータの鉄損の少ない構造である。鉄心片２０４は磁性金属板２０１の一部であり、その一端に鉄心片先端部２０５を有し、環状永久磁石１１０との間にラジアルギャップ２０６を介して対向している。鉄心片２０４は環状永久磁石１１０の極数の１．５倍の本数からなり、１８本または２４本である。
【００３５】
配線２０２は絶縁層を介して磁性金属板２０１の表面および裏面に形成されており、スルーホール２０３と接続することにより、鉄心片２０４を取り巻く巻線構造となっている。鉄心片２０４それぞれの配線２０２は、互いにメタルコア基板２００上で電気的に接続されており、配線への電流を制御することで環状永久磁石１１１に対する磁界を形成し、ロータ部１０９を回転させるトルクを発生する。また、配線２０２には、ステータコイルの接続を、起動時には並列に、定常時には直列接続に切り替えてドライバＩＣ（図示していないが、メタルコア基板上に搭載されている。）からの信号をステータコイルに印加する切替手段が接続されている。このようにステータコアをメタルコア基板のコア材で形成しているので、ステータコイルと切替手段とを基板上の配線だけで接続できるので、小型化が図れる。
【００３６】
図３は、図２に示す切断面ｃ−ｃ‘における構造の要部を示している。メタルコア基板２００は、２層の表面配線２０８、２層の裏面配線２０９、磁性金属板２０１、スルーホール２０３、および絶縁層２０７からなる。本実施例では、一断面において磁性金属２０１を２回取り巻く巻線構造となっているが、メタルコア基板２００の形成プロセスにおいて配線層をさらに多層化すれば、巻線を更に増やすことができる。
【００３７】
図４は、図２に示す切断面ｄ−ｄ‘における構造の要部を示している。磁性金属板２０１は、その鉄心片２０４においてケイ素鉄からなる厚さ約０．１ｍｍの薄板を４枚積層した構造であり、合計の厚さｔ１は約０．４ｍｍである。また、鉄心片先端部２０５では表面に２枚裏面に２枚の薄板を貼り合せており、合計の厚さｔ２は約０．８ｍｍである。このように鉄心片先端部２０５を厚く形成することで環状永久磁石１１０の磁束を効率良く捕捉してトルクを確保し、それ以外の領域の鉄心片２０４を薄く形成することで、ステータ部としての薄形化を達成できる。
【００３８】
以上に述べた構造により、図１のメタルコア基板２００内部にステータコイルを内蔵する。ステータコイルの一端は基板内の配線パターンとして一体化しているので、コイルの並列接続および直列接続の切換え機能を有するＩＣ１５０をはんだバンプや金バンプを用いてメタルコア基板２００と接続すれば、コイルの並列接続および直列接続の切換え回路を実現できる。
【００３９】
図５はメタルコア基板２００の形成プロセスを示す。
（ａ）メタルコア材として、鉄損の少ないケイ素鉄からなる磁性金属板２０１の薄板（厚さ約０．１ｍｍ）を用意する。
（ｂ）化学エッチングなどの加工プロセスにより鉄心片などの必要な形状を形成し、４枚の磁性金属板を接着剤を介して積層する。
（ｃ）片側に樹脂接着層が予め塗布された銅箔であるＲＣＣ（Ｒｅｓｉｎ　Ｃｏａｔｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ）を上記磁性金属板２０１の表面および裏面に貼り合わせる。
（ｄ）ドリルまたはレーザにより基板を貫通するスルーホール２０３を形成する。
（ｅ）スルーホール２０３の内壁に銅をメッキして表面配線と裏面配線を電気的に導通させる。
（ｆ）銅のエッチングプロセスにより、基板表面及び裏面にＸ方向の回路パターン２０２を形成する。このとき鉄心片を取り巻く配線を同時に形成する。
（ｇ）ＲＣＣを表面および裏面にさらに積層し、Ｙ方向の回路パターン２０２を形成する。ここでも鉄心片を取り巻く２層目の配線を形成する。
（ｈ）はんだ付け部品のはんだの拡散を防ぐためのソルダレジスト層を形成する。
（ｉ）印刷によりはんだを供給後、チップマウンタを用いてＩＣ１５０、チップ部品１５１を搭載し、リフロー炉により部品をはんだ付けする。このときコネクタの搭載も同時に行なう。
【００４０】
以上によりメタルコア基板の形成および部品搭載を完了し、図１に示すようにコネクタの側面を樹脂１７１により封止する。ディスク１０３をハブ１０４に取り付け後、固定ネジ１０６を用いて軸受１０７、１０８を含むロータ部１０９をベース１０１に固定する。その後、磁気シールド板１６０を搭載したメタルコア基板２００をベース１０１の４隅に形成された突起部（図示せず）に固定する。最後にカバー１０２を取りつけ、ディスク記憶装置として完成する。
【００４１】
従来の巻線によるモータ構造では、ステータコイルＵ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２と回路基板は別部品であるため、各コイルから引き出される銅線の一端をフレキシブル基板などに形成した端子へはんだ接続し、フレキシブル基板の一方の端子を回路基板の端子とはんだ接続する必要があったが、本発明では、配線基板プロセスによって同一基板上に鉄心および巻線によるコイル、回路切換機能を有するＩＣやチップ部品を搭載する端子、およびこれら相互を接続する配線を全て形成するので、フレキシブル基板が不要となるとともに、コイルの一端のはんだ付け作業も不要となる。また、配線パターン形成用のマスクを変更するだけで、組立プロセスの負担を増やさずにコイルの並列接続数を容易に増やすことができる。
【００４２】
次に、磁気テ゛ィスク装置の他の態様について図６を用いて説明する。
【００４３】
図１〜５と基本的に同じ構造をしているが、図１の軸受け方式、シャフト及びハブの形状である。その他の構造は全く同じ構造である。この構造では、軸受けとして油圧を利用した流体軸受けを用いて軸回転型のスピンドルモータを採用している。そのため、ハブ１００３と結合されている軸１００２がベースの凹部１００１にはめ込まれている。
【００４４】
この構成に対して図２の切り替え手段、つまり、油の粘度が高い低温状態である起動から所定時間の間は、起動トルクを大きくするために並列接続にし、所定時間経過後の油の粘度が低下した時に、直列接続に切り替える手段を用いることにより、流体軸受けの起動時の回転力を向上させることができ、早く定常状態にすることができる。
【００４５】
なお、この制御は時間で制御したが、温度測定手段を設け、所定の温度を定めて温度で制御することは装置の構造上大きくなるが、大きなトルクを得ることを重視するならば、好ましい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、起動トルクの大きい磁気ディスク装置の外形を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディスク駆動装置の断面図である。
【図２】ディスク駆動装置のロータ部およびステータ部の一部を回転軸線方向から見た概略図である。
【図３】図２に示す切断面ｃ−ｃ‘における構造の要部を示している。
【図４】図２に示す切断面ｄ−ｄ‘における構造の要部を示している。
【図５】メタルコア基板の形成プロセスを示す。
【図６】図１とは異なる態様のディスク駆動装置の部分断面図である。
【図７】従来例の直流モータに用いる６つのコイルの接続状態示す回路図である。
【図８】直流モータのトルク制御を行なうサーボ回路の出力段の構成を示す回路図である。
【図９】直流モータの周囲温度に対する起動トルクの変化を、玉軸受けと流体軸受けの場合について示したグラフである。
【符号の説明】
１…出力トランジスタ、２…コイル、３…回転軸、４…ロータ磁石
１００…ディスク記憶装置、１０１…ベース、１０２…カバー、１０３…ディスク、
１０４…ハブ、１０５…固定シャフト、１０６…固定ネジ、１０７…軸受け、
１０８…軸受け、１０９…ロータ部、１１０…ステータ部、１１１…環状永久磁石
１１２…リング、１１３…ナット、１５０…ＩＣ、１５１…チップ部品、
１７１…封止樹脂、２００…メタルコア基板、２０１…磁性金属板、
２０２…配線、２０３…スルーホール、２０４…鉄心片、２０５…鉄心片先端部
２０６…ラジアルギャップ、２０７…絶縁層、２０８…表面配線、２０９…裏面配線
Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２…ステータコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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