JP2005229772A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータのラジアル方向振動を低減し、低振動なブラシレスモータを提供する。
【解決手段】コア１のスロットの開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する様にすることにより、コア１の左右の磁気吸引力を異ならせ、ロータを常にラジアル方向の１方向に押さえつける側圧力が加わる様にする。所定角度ずつずらしたコア形状を適時組み合わせて構成することによりコギングトルクをキャンセルさせ、コギングトルクの絶対値を小さく抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気ディスク装置や、光ディスク装置に用いられるスピンドルモータ等に関する。

磁気ディスク装置や、光ディスク装置は、年々機器の高速化、高容量化が進み、ディスク駆動用のスピンドルモータにはモータの高速、高トルク化と同時に低振動、低騒音化が求められている。

例えば、書換え型ＤＶＤ装置等は最大６０００ｒ／ｍｉｎ程度で書き込みを行う場合があり、ディスクの僅かな振動が書き込みミスにつながるため、ディスクを駆動するスピンドルモータには特に低振動が要求されている。

この様なスピンドルモータの低振動化（特にラジアル方向振動の低減）に関しては、近年固定型磁気ディスク装置等を中心として、軸受に従来使用されていたボールベアリングに替わり、動圧流体軸受を用いることにより、軸を強い流体膜によりラジアル方向に非接触状態で保持することにより低振動化を図る方法が一般化してきている。

また、別の方法として軸受そのものは焼結含油軸受等を用いるが、コア形状を左右非対称に構成することにより、ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を発生させ、軸のがたつきを抑制して低振動化を図る方法も提案されている。(例えば、特許文献１・特許文献２参照)
特開平９−２８５０４７号公報 特開２００１−１６８０６号公報

しかしながら前者の動圧流体軸受等を用いる方法は、軸受を非常に精密な精度で加工する必要がある関係で、軸受自体が非常に高価であり、モータのコストが高くなりがちであった。

また後者のコア形状を左右非対称に構成する方法は、特別な部品を一切使用しないため低コスト化を図れる可能性があるが、コアの非対称性に起因する余計な振動が発生し易いという課題があり、このために商品化されている例は殆どないという状況であった。

上記課題を解決するために本発明は、後者のコア形状を左右非対称に構成する方法を改良し、コアのスロットの開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する様に構成する。

本件出願に係る第１の発明は、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁されたマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有するブラシレスモータにおいて、
前記コアのスロット（隣り合う突極間の隙間）の開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する構成を有し、この構成により前記コアと前記ロータとの磁気吸引力を部分的に異ならせ、前記ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を生じさせるブラシレスモータである。

本件出願に係る第２の発明は、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁されたマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有するブラシレスモータにおいて、
前記コアの突極先端部の開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する構成を有し、この構成により前記コアと前記ロータとの磁気吸引力を部分的に異ならせ、前記ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を生じさせるブラシレスモータである。

本件出願に係る第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、コア形状を、スロット開角を一定とした形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度ずつずらしたｎ個（ｎは３以上の整数）のコア形状を適時組み合わせた形状に構成したことを特徴とするブラシレスモータである。

本件出願に係る第４の発明は、第１の発明、第２の発明、又は第３の発明において、このブラシレスモータ内で生じるコギングトルク成分群を互いに打ち消すように、コアのスロット毎の開角が一定値でなく、前記開角が複数種類の値であることを特徴とするブラシレスモータである。

本発明のブラシレスモータによれば、コア形状の不均一性が円周方向に分散されるので、コアの非対称性によって生じる振動を最小限に抑えることができる。

また、所定角度ずつずらしたコア形状を適時組み合わせて構成することにより同一モータ内でコギングトルクをキャンセルさせることにより、コギングトルクの絶対値を小さく抑制することができる。

したがって、コアの形状のみを変更するという極めて簡単な構成ながら、ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を発生させ、軸のがたつきを抑えることができ、低コストでかつ振動の少ないブラシレスモータが提供できる。

回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有するモータであって、
前記コアのスロットの開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する様にすることにより、コアの左右の磁気吸引力を異ならせ、ロータを常にラジアル方向の１方向に押さえつける側圧力が加わるようにする。

以下に、本件出願に係る発明の実施例について説明する。

図１は本実施例１のブラシレスモータの構造断面図である。

図１においてリング状の永久磁石２は回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に１２極着磁されており、鉄板をプレス成型によりカップ状に成型されたロータフレーム３内周に接着固定されている、ロータフレーム３中央部にはシャフト４が圧入固定され、これらでロータを構成している。シャフト４は多孔質の焼結合金に潤滑油を含浸した焼結含油軸受５により回転自在に保持されている。ロータ内周には永久磁石２とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回されたコア１が固定されている。

ここで、ロータの位置に応じてコイルに通電を行うことにより、ロータが回転駆動される構成となっている。

本実施例で採用している焼結含油軸受は、金型で連続的に成型することが可能で低コストなうえ、寿命も比較的長いことから、情報機器、ＡＶ機器等に使用される小型モータ等に一般的に使用されている。

しかしながら、焼結含油軸受はシャフトを支持する油膜が弱いため、シャフトが軸受−シャフト間のクリアランス内で振れ回る為、不定期な振動を生じ易く、モータの振動を悪化させる原因となっていた。

そこで、本実施例１では、コア１の形状を工夫することにより、側圧力を付与し、シャフトの振れ回りを抑制している。

図２は本実施例１におけるコア形状を示す図である。

図２において、コアのスロットの開角は左側から時計回りに小−中−中−大−大−大−中−小−小−の順番に多段階にスロットの開角が変化するように構成されている。

この様にスロットの開角を左右で非対称にすると、永久磁石２とコア１の吸引力が左右で異なるため（永久磁石２とコア１の吸引力が部分的に異なるため）、ロータを常にラジアル方向の１方向に押さえつける側圧力が発生する。側圧力を発生させると、シャフトは軸受のクリアランス内で一方向に押さえつけられて回転することになり、シャフトの振れ回りが抑制され、モータ回転精度が向上する。

また、本実施例の多段階にスロットの開角が変化するようにすることは、コアを左右非対称に構成しても不具合影響を抑制する作用がある。

以下に、本発明がコアを左右非対称に構成されたことによる不具合影響の抑制について説明する。

図３は、比較のためにコアの一部のスロットのみ切り欠いたコア形状を示す図である。

図３においてコアのスロットの開角は左側から時計回りに小−小−小−大−大−大−小−小−小−の順番に配置されている。

図３のコア形状においても、永久磁石とコアの吸引力が左右で異なるため、ロータを常にラジアル方向の１方向に押さえつける側圧力が発生し、シャフトの振れ回りが抑制されることは全く同様である。

しかしながら、その側圧力の挙動を詳細に検討すると、図２のコア形状と図３のコア形状では側圧力の挙動が全く異なることが分かる。

本実施例においては、側圧力の挙動を検討するため、有限要素法を用いた磁界解析を行い側圧力がロータの回転に伴いどの様に変化するかを詳細に検討する。

なお、解析対象のモデルはコア外径が２０．４ｍｍ、コア積厚が４．５５ｍｍのＤＶＤ用スピンドルモータをモデルとして解析を行っている。

図４（ａ）、（ｂ）は磁界解析によって求めた側圧力の挙動を示す図である。

図４（ａ）は本発明のコア形状の場合
図４（ｂ）は一部のスロットのみ切り欠いたコア形状の場合である。

なおグラフにおいての力単位はＮ（ニュートン）で記載している。

図４（ａ）、（ｂ）ともに側圧力は、一回転に１２回の周期で側圧力の大きさ及びその方向が変化する。ちなみにこの１２回という数値は永久磁石の着磁極数と一致している。

図４（ａ）、（ｂ）を比較すると一目瞭然であるが、図４（ａ）に示す本発明のコア形状による側圧力の変化は、図４（ｂ）に示す一部のスロットのみ切り欠いたコア形状による側圧力の変化より大幅に小さくなっていることが分かる。

これは一部のスロットのみ切り欠いたコア形状の場合、スロット幅が変化する部分で大きな吸引力の変化を生じその吸引力の変化が側圧力の変化としても現れるが、本発明のコア形状ではスロット幅が多段階に変化するようにすることにより、各位置でのスロット幅の変化を小さくすると共に、スロット幅の変化する位置を回転方向に分散して配置することにより、吸引力の変化を回転方向に分散させ、全体としての側圧力の変化を小さく抑えることができるからである。

側圧力の変動はロータが回転する際に、ロータをラジアル方向に加振する力となるため、モータの余計な振動を発生する要因となる場合があるが、本発明のコアを用いることにより、この様な振動は大幅に抑えられることは明らかである。

なお上記では詳しく説明しなかったが、図２に示す本実施例１のコア形状は、図５に示す様に、スロット開角を一定とする形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度α°ずつずらした３個のコア形状をそれぞれ斜線部分３分の１ずつ組み合わせて構成するものである。

この様に、ベースとする基本形状のスロット開角、及び組み合わせる形状のずれ角度α°を適切な値にすることにより、同一モータ内でコギングトルクをキャンセルさせることにより、コギングトルクの絶対値を大幅に小さく抑えることができ、コギングトルクを小さく抑えることにより、モータのジッター（回転速度の変動）を低減することができる。

具体的には本実施例の場合ベースとするコアのスロット開角を電気角で９０°とし、組み合わせる形状のずれ角度α°を電気角で１０°としている。

これにより、コアの形状のみを変更するという極めて簡単な構成ながら、ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を発生させ、軸のがたつきを抑えることができると同時に、コギングトルクも小さく、低コストでかつラジアル方向振動およびジッターの少ないブラシレスモータが提供できる。

図６は本実施例２におけるコア形状を示す図である。

図６において、コアの突極先端の開角は右側から時計回りに小−中−中−大−大−大−中−小−小−の順番に多段階に突極先端の開角が変化するように構成されている。

図７は本実施例２のコア形状の構成方法を示す図である。

図７に示す様に本実施例２のコア形状は、スロット開角を一定とする形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度α°ずつずらす３個のコア形状をそれぞれ斜線部分３分の１ずつ組み合わせて構成する。

本実施例２のコア形状は、上記実施例１のコア形状と比較して、スロットの開角を基準として構成しているか、それとも突極先端の開角を基準として構成しているかの違いであり、いずれも同様の効果が得られている。

なお、図６に示す本実施例２のコア形状の場合スロット開角が一番大きいスロットは、右端の突極開角が小さい突極同士に挟まれた２箇所のみとなるが、図２に示す上記実施例１のコア形状の場合、スロット開角が大きいスロットが右側に３つ並んで配置される状態となっており、ホール素子等のロータ位置検出素子を設置するのに最適であり、ホール素子等を設置する必要がある場合は実施例１の場合がより適している。

上記実施例１及び実施例２は磁極数が１２極、コアの突極数が９極の場合を示しているが、以下に説明する実施例３及び実施例４では磁極数が１６極、コアの突極数が１２極の場合である。

図８は本実施例３におけるコア形状を示す図である。

図８において、コアのスロットの開角は左側から時計回りに小−小−中小−中小−中大−大−大−大−中大−中大−中小−小−の順番に多段階にスロットの開角が変化するように構成されている。

図９は本実施例３のコア形状の構成方法を示す図である。

図９に示す様に本実施例３のコア形状は、スロット開角を一定とした形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度β°ずつずらされた４個のコア形状をそれぞれ斜線部分４分の１ずつ組み合わせて構成する。

本実施例３のコア形状は、上記実施例１、実施例２と比較して、スロット幅の変化による吸引力の変化を回転方向に分散して配置する効果がより高く、側圧力の変化をより一層小さく抑えることができる。

この様に、スロット数が多いモータでは、スロット幅の変化をより多段階に分けることにより、側圧力の変動が小さく低振動なブラシレスモータが提供できる。

図１０は本実施例３におけるコア形状を示す図である。

図１１において、コアの突極先端の開角は右側から時計回りに小−小−中小−中小−中大−大−大−大−中大−中大−中小−小−の順番に多段階にスロットの開角が変化するように構成されている。

図１１は本実施例３のコア形状の構成方法を示す図である。

図１１に示す様に本実施例３のコア形状は、スロット開角を一定とする形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度β°ずつずらされた４個のコア形状をそれぞれ斜線部分４分の１ずつ組み合わせて構成する。

本実施例４のコア形状は、上記実施例３のコア形状と比較して、スロットの開角を基準として構成されているか、それとも突極先端の開角を基準として構成されているかの違いであり、いずれも同様の効果が得られている。

以上実施例１及び２では磁極数が１２極、コアの突極数が９極の場合、実施例３及び４では、磁極数が１６極、コアの突極数が１２極の場合を示しているが、磁極数や突極数に関わらず一般的には、コアのスロット（または突極先端）の開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する様にすることにより、コアの左右の磁気吸引力を異ならせ、ロータを常にラジアル方向の１方向に押さえつける側圧力が加わる様にすることにより、低振動なブラシレスモータが提供できる。

また、コア形状を、スロット開角を一定とする形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度ずつずらされたｎ個（ｎは３以上の整数）のコア形状をｎ分の１ずつ適時組み合わせた形状にすることにより、同一モータ内でコギングトルクをキャンセルさせることにより、コギングトルクの小さく抑えることができ、ジッターが小さいブラシレスモータが提供できる。

また、ブラシレスモータ内で生じるコギングトルク成分群を互いに打ち消すように、コアのスロット毎の開角が一定値でなく、この開角を複数種類の値で構成する。上述と同様に、コギングトルクの小さく抑えることができ、ジッターが小さいブラシレスモータが提供できる。

なお、上記実施例ではコアが内周側でロータが外周側のいわゆるアウターロータ型の構成を示しているが、コアが外周側でロータが内周側のいわゆるインナーロータ型の構成に関しても同様に実施可能である。

また、上記実施例ではロータに多極着磁されたリング型永久磁石を用いているが、各磁極ごとに分割した複数の永久磁石を用いた構成、あるいは、ロータヨークに設けた穴に永久磁石を挿入する構成の所謂磁石埋め込み型のロータ構造の場合でも同様の効果があることは言うまでもない。

本発明のブラシレスモータは、モータのラジアル方向振動を低減するのに最適であり、低振動を要求される用途、例えば磁気ディスク装置、光ディスク装置等のスピンドルモータに有用である。

また、レーザービームプリンタ等の光学走査用に用いられるポリゴンスキャナミラーモータ等にも有用である。

本発明の実施例１におけるブラシレスモータの断面構造図 本発明の実施例１におけるコア形状を示す図 一部のスロットのみ切り欠いた場合のコア形状を示す図 本発明の実施例１における側圧力の挙動を示す図、（ａ）は本発明のコア形状場合を示す図、（ｂ）は一部のスロットのみ切り欠いたコア形状の場合を示す図 本発明の実施例１におけるコア形状の構成方法を示す図 本発明の実施例２におけるコア形状を示す図 本発明の実施例２におけるコア形状の構成方法を示す図 本発明の実施例３におけるコア形状を示す図 本発明の実施例３におけるコア形状の構成方法を示す図 本発明の実施例４におけるコア形状を示す図 本発明の実施例４におけるコア形状の構成方法を示す図

符号の説明

１ コア
２ 永久磁石
３ ロータフレーム
４ シャフト
５ 焼結含油軸受

Claims (4)

1. 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁されたマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有するブラシレスモータにおいて、
   前記コアのスロット（隣り合う突極間の隙間）の開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する構成を有し、この構成により前記コアと前記ロータとの磁気吸引力を部分的に異ならせ、前記ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を生じさせるブラシレスモータ。
2. 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁されたマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有するブラシレスモータにおいて、
   前記コアの突極先端部の開角が回転方向に沿って小−中−大−中−小という順番に多段階に変化する構成を有し、この構成により前記コアと前記ロータとの磁気吸引力を部分的に異ならせ、前記ロータを常にラジアル方向の一方向に押さえつける側圧力を生じさせるブラシレスモータ。
3. コア形状を、スロット開角を一定とした形状を基本形状として、スロットの位置を、所定角度ずつずらしたｎ個（ｎは３以上の整数）のコア形状を適時組み合わせた形状に構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のブラシレスモータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のブラシレスモータにおいて、このブラシレスモータ内で生じるコギングトルク成分群を互いに打ち消すように、コアのスロット毎の開角が一定値でなく、前記開角が複数種類の値であることを特徴とするブラシレスモータ。
   
   

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