JP3244807B2 - センサレス多相直流モータの起動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、動圧軸受構造を採用
したセンサレス多相直流モータの起動方法に関し、特
に、その起動時における軸損を防止する技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスク装置の回転駆動用のモータ
として、従来から、ブラシレス多相直流モータが用いら
れている。この種のモータはスピンドルモータとも呼ば
れ、例えば、励磁状態において磁界を発生するステータ
コイルを備えたステータと、このステータコイルの磁界
との電磁相互作用により回転力を得るロータマグネット
を備えたロータと、ロータマグネットの回転位置を検出
するセンサとを有する構造のものがよく知られており、
このような構造のスピンドルモータでは、多くの場合、
半導体チップ化された電子回路により回転制御が行われ
ている。

【０００３】この場合のステータ側の磁界発生タイミン
グは、センサによりロータマグネットの回転位置を検知
して制御され、この種のセンサには、従来からホール素
子が用いられていた。ところが、近時、モータの小型化
やセンサの特性劣化を回避するために、センサを使用し
ないで、休止中のコイルに発生する誘起電圧を利用して
ロータマグネットの位置を検知するいわゆるセンサレス
多相直流モータが一般化されつつある。

【０００４】センサレスモータの起動に際し、モータ停
止時は、逆起電圧が得られないため、まず、ロータを揺
動させることがおこなわれる。例えば、３相コイルのス
ピンドルモータでは、ステータコイルに励磁電流を順次
供給する歩進工程が繰り返され、この歩進工程中には、
通常、正方向，休止，逆方向の励磁電流を各相に流すス
テップが含まれていて、このようなステップが含まれた
所定パターンの励磁電流を流すことによって発生する磁
界と、ロータマグネットとの間の吸引，反発力により駆
動トルクが発生してモータの起動が行われる。

【０００５】一方、この種のスピンドルモータにおける
小型化技術として、ロータとステータとの間に介装され
る軸受け部に流体動圧軸受けを採用した構造が提案され
ており、例えば、特開平３−６０３５５号公報にその一
例が開示されている。動圧軸受けは、ロータとステータ
との摺接面に、例えば、ヘリングボーン状の溝を刻設
し、ロータが回転することにより、溝部分に充填されて
いる潤滑油などの流体の圧力が高まり、この圧力の上昇
により、ロータをステータ側から離間させ、ラジアルお
よびスラスト方向の軸受け部として機能させるものであ
る。しかしながら、上述したセンサレス多相直流モータ
でより一層の小型化を達成しようとして、その軸受け部
の構造に動圧軸受けを採用すると、特に、その起動時に
以下に説明する技術的課題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、上記センサ
レス多相直流モータにおいては、コイルに鎖交する磁束
による誘起電圧によりロータマグネットの位置を検知し
ているが、モータの停止時には誘起電圧がなく、また、
マグネットの極性が不明なので、始動時には、強制的に
起動をかけている。ところが、モータの軸受け部に動圧
軸受けを採用していると、モータが回転していない状態
では、動圧軸受け部に流体の圧力を高める力が作用して
おらず、ロータがステータに対して両者間に形成された
動圧発生空間としてのギャップ分だけ傾き、ロータとス
テータとの一方の摺接面に他方が片寄りすることにな
る。

【０００７】従って、この状態でモータを強制的に起動
すると、ロータとステータとの間にカジリなどが発生
し、軸損が増大し、円滑な起動が行われないという問題
があった。本発明は、以上のような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、軸損の増大
を効果的に防止できるセンサレス多相直流モータの起動
方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、励磁状態で電流磁界を発生するステータ
コイルを備えたステータと、このステータコイルの電流
磁界との電磁相互作用により回転力を得るロータマグネ
ットを備えたロータと、前記ステータとロータとの間に
設けられた動圧軸受け部とを有するセンサレス多相直流
モータの起動方法において、前記ステータコイルにモー
タの回転系の固有振動数とほぼ同じ周波数の励磁電流を
供給する歩進工程の前に、前記周波数よりも高い周波数
の励磁電流を前記ステータコイルに供給する予備歩進工
程を行い、かつ、前記歩進工程およびまたは前記予備歩
進工程に実質的な休止時間を含まないで励磁電流が正か
ら負、または負から正に逆転する逆励駆動動作を含むこ
とを特徴とする。

【０００９】

【作用】上記構成のセンサレス多相直流モータの起動方
法によれば、ステータコイルにモータの回転系の固有振
動数とほぼ同じ周波数の励磁電流を供給する歩進工程の
前に、前記周波数よりも高い周波数の励磁電流をステー
タコイルに供給する予備歩進工程を行うので、ロータに
微小振動が発生し、これによりロータを浮上させること
ができ、その後のモータ起動時の軸損が減少する。そし
て、モータが起動されると、その回転により動圧軸受け
部の流体圧力を高め、円滑な運転が確保される。

【００１０】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照にして詳細に説明する。図１から図３は、本発明
にかかるセンサレス多相直流モータの起動方法の一実施
例を示している。図１は、本発明の起動方法が適用され
るセンサレス直流モータの一例を示している。同図に示
すモータは、３相の直流モータであって、断面が略凹形
に形成されたブラケット（ステータ）を有し、ブラケッ
ト１０は、最外周に設けられたリング状のフランジ部１
０ａと、その内側に位置する外周壁部１０ｂと、その外
周壁部１０ｂの内方下部に形成された環状の第１底部１
０ｃと、底部１０ｃの内周側に設けられた内周壁部１０
ｄと、内周壁部１０ｄの基部内方に形成された環状の第
２底部１０ｅとを有している。

【００１１】そして外周壁部１０ｂと底部１０ｃと内周
壁部１０ｄとにより、内外周壁部１０ｂ，１０ｄ間に上
方に開口した環状凹部１２が形成されている。ブラケッ
ト１０の第２底部１０ｅの中心には、円柱状の固定支柱
１４の下端側が嵌合固定されている。固定支柱１４は、
その下端部がブラケット１０の第２底部１０ｅに形成さ
れた貫通孔１６に嵌合固定された状態で、ブラケット１
０に対し、上向きに突設されている。

【００１２】この固定支柱１４の外周面には、その軸方
向に所定の間隔をおいて、一対のヘリングボーン溝１
８，２０が刻設されている。なお、このヘリングボーン
溝１８．２０は、図１においては、固定支柱１４の外周
面を平面に展開したような状態で簡略化して示してい
る。２２は、リング状のスラスト軸受け部材であり、こ
の部材は、固定支柱１４が第２底部１０ｅから上方に突
出した部分の下端に嵌合固定されている。

【００１３】スラスト軸受け部材２２は、内周壁部１０
ｄの内周径よりも小さい外径に形成され、その内周部に
下方に突出する部分が形成され、この突出部分が第２底
部１０ｅに当接するようにして固定され、その下面と第
２底部１０ｅの上面との間には、潤滑油を貯留する空隙
部２３が形成されている。また、スラスト軸受け部２２
の上面側には、スパイラル状の溝（図示省略）が形成さ
れている。

【００１４】一方、ブラケット１０の内周壁部１０ｄの
外周面には、ステータコア２６が固設され、このステー
タコア２６には、３相のステータコイル２６（ｕ，ｖ，
ｗ）が捲回されている。図１において、符号２８は、略
椀形状に形成されたロータハブ（ロータ）であって、ロ
ータハブ２８は、中央部に嵌合孔３０が貫通する基部２
８ａと、基部２８ａの外周に垂下形成された外壁部２８
ｂと、外壁部２８ｂの外方に張出形成された張出部２８
ｃとを有している。

【００１５】この実施例では、張出部２８ｃは、外壁部
２８ｂの下端から約１／３の高さ位置まで設けられてい
て、この張出部２８ｃの上方に複数枚のハードディスク
がスペーサを介在させて外嵌固定されることになる。ま
た、外壁部２８ｂの内周側にあって、ステータコア２４
と対向する位置には、円筒状のロータマグネット３２が
配置され、このロータマグネット３２は、外壁部２８ｂ
に固定されている。

【００１６】そして、ロータハブ２８の嵌合孔３０に
は、円筒状の回転スリーブ部材３４が、その略下半分を
嵌合孔３０から下方に突出するようにしてロータハブ２
８と同軸上に嵌合固定されている。このように構成され
たロータハブ２８を回転スリーブ部材３４内に固定支柱
１４を挿入して装着すると、回転スリーブ部材３４の下
端がスラスト軸受け部材２２上に当接して回転自在に支
持され、回転スリーブ部材３４と固定支柱１４との間に
潤滑油を充填することにより、ヘリングボーン溝１８，
２０と回転スリーブ部材３４の内周面との間にラジアル
動圧軸受け部が形成されるとともに、スラスト軸受け部
材２２の上面と回転スリーブ部材３４の下端面との間に
スラスト動圧軸受け部が形成される。

【００１７】４０は、ロータハブ２８の上端面部の内周
から回転スリーブ部材３４の上端面上に亘って設けられ
た環状の緩衝部材であり、緩衝部材４０の上端面は、固
定支柱１４の上端面よりも下方に位置し、緩衝部材４０
の内周部は、固定支柱１４の外周面と径方向に間隙を設
けて囲繞している。緩衝部材４０の下端内周部には、環
状切欠部４２が形成され、この切欠部４２と回転スリー
ブ部材３４の上端面とにより潤滑油貯留溝４４が形成さ
れている。

【００１８】以上のように構成されたモータでは、例え
ば、ブラケット１０のフランジ部１０ａをハードディス
ク駆動装置の基盤４６に固定し、固定支柱１４の上端部
をねじ４８により駆動装置の天板５０に固着することに
より、ハードディスク装置に組み込まれる。一方、上記
構成の３相直流モータの駆動制御回路は、図２に示すよ
うに構成されている。同図に示す制御回路は、予備歩進
信号発振器１と、歩進信号発振器２と、タイマー３と、
歩進タイミング発生回路４と、通電切換ロジック５と、
出力ドライバ６と、逆起電圧検出回路７とを有し、出力
ドライバ６の出力側にステータコイル２６の３相コイル
ｕ，ｖ，ｗが接続されている。

【００１９】予備歩進信号発振器１は、歩進信号発振器
２に比べて１０倍程度高い、例えば、５５０Ｈｚの信号
を送出する。歩進信号発振器２は、予備歩進信号発振器
１の出力信号を分周して、モータの固有振動数とほぼ同
じ周波数の、例えば、５５Ｈｚ程度の信号を送出する。
タイマー３は、予備歩進および歩進動作の区間や休止区
間の時間を設定するものである。

【００２０】歩進タイミング発生回路４は、予備歩進信
号発振器１，歩進信号発振器２，タイマー３の出力を受
けて、タイマー３で設定された時間に基づいて、これら
の発振器１，２からの出力信号を通電切換ロジック５に
送出するタイミングを調整するものである。通電切換ロ
ジック５は、歩進タイミング発生回路４からの予備歩進
および歩進信号を受けて、コイルｕ，ｖ，ｗの通電時間
と方向とを切り換えるものである。出力ドライバ６は、
コイルｕ，ｖ，ｗに励磁電流を供給するものである。逆
起電圧検出回路７は、コイルｕ，ｖ，ｗの逆起電圧を検
出して、これを通電切換ロジック５に送出する。

【００２１】以上の制御回路においては、モータの起動
時に、図３に示すような状態の励磁電流がコイルｕ，
ｖ，ｗに供給される。同図に示す例では、スタート信号
がタイマー３に入力されると、タイマー３で設定された
時間だけ予備歩進工程が実行される。ここで実行される
予備歩進工程は、予備歩進信号発振器１からの出力信号
に基づいてコイルｕ，ｖ，ｗを励磁するものであって、
この時の予備歩進信号発振器１の発振周波数は、歩進信
号発振器２の発振周波数よりもほぼ１０倍程度高い周波
数（ｆ₁ ）に設定されている。

【００２２】このような予備歩進工程が完了すると、そ
の後、所定時間の休止区間が設けられ、次いで、モータ
の回転系の固有振動数とほぼ同じ周波数の励磁電流を供
給する歩進工程が実行される。ここで実行される歩進工
程は、予備歩進信号発振器１からの出力信号を約１／１
０に分周した歩進信号発振器２からの出力信号に基づい
てコイルｕ，ｖ，ｗを励磁するものであって、この時の
歩進信号発振器２の発振周波数は、モータの固有振動数
とほぼ同じ周波数（ｆ₂ ）に設定されている。

【００２３】ここで、予備歩進工程後に実行される歩進
工程では、その初期に、いずれかのコイルｕ，ｖ，ｗ
（図３ではコイルｕ，ｖ）において、励磁電流が０にな
る休止期間を瞬時に通過することで、実質的な休止時間
を含まないで励磁電流が正から負、または、負から正に
逆転する逆励磁駆動動作が行われる。このような動作を
行わせると、モータのトルクが非常に大きくなり、確実
にモータを起動させることができる。この場合の逆励磁
駆動動作の詳細について説明する。励磁電流の通電方向
が実質上休止時間を含まないで、正から負、または、負
から正に逆転する逆励磁駆動動作は、例えば、図３に示
されているステータコイルｕへの予備歩進工程における
励磁電流の供給パターンで説明すると、同図の予備歩進
工程では、ステータコイルｕには、最初の内部歩進ステ
ップで正の方向に励磁電流が供給され、続く内部歩進ス
テップで励磁電流が０になる休止期間を経て、さらに次
の内部歩進ステップで負の方向の励磁電流が供給されて
いる。このような励磁電流の供給パターンが通常の励磁
駆動動作（シングル歩進動作）である。これに対して、
逆励磁駆動動作は、図３の歩進工程のステータコイルｕ
への最初の内部歩進ステップを見ると明らかなように、
予備歩進工程の終了時点における負の通電状態が維持さ
れ、最初の内部歩進ステップでこれを正に切り換える動
作が行われていて、これを逆励磁駆動動作と呼んでい
る。このような逆励磁駆動動作によると、以下の作用効
果が得られ起動確率が向上する。すなわち、励磁電流が
０となる休止期間を経て励磁電流の通電方向を正から
負、または、負から正に逆転させると、励磁状態が一旦
０になってから、いずれかの方向に励磁されるので、こ
の時の励磁状態の変化率は、あまり大きくならないが、
励磁電流が０となる休止期間を実質上経ることなく、そ
の励磁ないしは通電方向を正から負、または、負から正
に逆転させると、励磁状態の変化率は、休止時間を設け
た場合の２倍になり、高トルクが得られ、モータの起動
確率が向上する。なお、この逆励磁駆動動作の理論的な
根拠は、本発明者らが平成３年電気学会産業応用部門全
国大会で既に発表している。

【００２４】以上の予備歩進工程および歩進工程が実行
されると、モータは、非常に少ない電流で非常に高い確
率で起動し、ロータハブ２８が定常回転に到達すると、
逆起電圧検出回路７によってコイルｕ，ｖ，ｗの逆起電
圧が検出され、この検出信号を波形処理することによ
り、従来のセンサタイプの直流モータと同様に、ロータ
ハブ２８の同期を制御して、モータの定常運転が行われ
る。

【００２５】さて、以上のようなセンサレス多相モータ
の起動方法によれば、ステータコイルｕ，ｖ，ｗにモー
タの回転系の固有振動数とほぼ同じ周波数の励磁電流を
供給する歩進工程の前に、この周波数よりも高い周波数
の励磁電流をステータコイルｕ，ｖ，ｗに供給する予備
歩進工程を行うので、ロータハブ２８に微小振動が発生
し、これによりロータハブ２８を浮上させることがで
き、その後の歩進工程でのモータの起動を円滑に行うこ
とができる。

【００２６】その上、歩進工程の初期に逆励磁動作が行
われるので、大きなトルクが発生して起動が容易にな
る。そして、モータが起動されると、その回転により動
圧軸受け部の潤滑油圧力を高め、円滑な運転が確保され
る。ところで、前述したようなスピンドルモータでは、
上述したような起動状態になると、ハードディスクの表
面と磁気ヘッドとの間に吸着状態が起こり、特にハード
ディスクの枚数が多い時には、いわゆるヘッドスティク
ションが発生し、回転不能になることがある。

【００２７】しかして、上記で説明したように、歩進工
程の前の予備歩進工程でロータハブ２８に微小振動を与
え、ロータハブ２８を浮上させた上で、歩進工程で回転
系の固有振動数で歩進動作を行わせると、ディスクとヘ
ッドとの間のヘッドスティクションを防止することがで
きる。この歩進工程での励磁電流の周波数は、回転系の
固有振動数に固定する以外に、ディスクを含む共振周波
数やヘッドアームに対する共振周波数に順次変化させて
いくことが望ましい。

【００２８】また、実施例では、歩進工程の初期に逆励
磁動作を行わせるようにしているが、予備歩進工程と歩
進工程との一方もしくは両方に逆励磁過程を含むように
してもよい。なお、上記実施例では、本発明の起動方法
を主として磁気ディスク装置の駆動用のものとして説明
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例え
ば、レーザプリンタなどの他の装置に用いられるセンサ
レス多相モータの起動方法にも適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかるセンサレス多相直流モータの起動方法に
よれば、歩進工程の前に、その周波数よりも高い周波数
の励磁電流をステータコイルに供給する予備歩進工程を
行うので、この予備歩進工程によりロータに微小振動が
発生し、この微小振動により、ステータとロータとのカ
ジリなどの不都合を回避しつつロータを浮上させること
が可能になり、このことにより、起動時の軸損を大幅に
減少でき、円滑な起動が実現し、起動電流も減少できる
ものであり、しかも、動圧軸受けを採用することによる
小型化も達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる起動方法が適用されるセンサレ
ス多相直流モータの一例を示す断面図である。

【図２】同センサレス直流モータの制御回路の一例を示
すブロック図である。

【図３】図センサレス直流モータの起動時にステータコ
イルに供給される励磁電流のタイムチャートである。

【符号の説明】 １０ ブラケット（ステータ） １８，２０ ヘリングボーン溝（動圧軸受け部） ２６ ステータコイル ２８ ロータハブ（ロータ） ３２ ロータマグネット ｕ，ｖ，ｗ ステータコイル

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁状態で電流磁界を発生するステータ
   コイルを備えたステータと、このステータコイルの電流
   磁界との電磁相互作用により回転力を得るロータマグネ
   ットを備えたロータと、前記ステータとロータとの間に
   設けられた動圧軸受け部とを有するセンサレス多相直流
   モータの起動方法において、 前記ステータコイルにモータの回転系の固有振動数とほ
   ぼ同じ周波数の励磁電流を供給する歩進工程の前に、前
   記周波数よりも高い周波数の励磁電流を前記ステータコ
   イルに供給する予備歩進工程を行い、かつ、前記歩進工
   程およびまたは前記予備歩進工程に実質的な休止時間を
   含まないで励磁電流が正から負、または負から正に逆転
   する逆励磁駆動動作を含むことを特徴とするセンサレス
   多相直流モータの起動方法。