JPH03500480A - 熱的に可変な抵抗網を使用するモータにおける抵抗補償 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱的に可変な抵抗網を使用するモータにおける抵抗補償皿１班監免且臣 本発明は例えば米匡特許１ｍ１１６．３７４号（−ハウジングステップモータ、 発明者クライン、１９８７年１１月２日付）に開示のモータに有益である。

光里見北肚 本発明はディスクドライブ中に使用するステップモータ、殊に温度変化によって 生ずるモータの抵抗の変化を補償するための方法と装置に関する。

ｌユ■！景 ステップモータを使用する典型的なディスクドライブにおいては、ヘッドを１ト ラツクから１００もしくはそれ以上のトラック隔ったもう一つの選択トランクへ 移動させるためにステップモータを制御するアルゴリズムを開発する必要がある 。このことを行う過程において、モータをすこぶる高速にまで加速した後急速に 減速させ停止させる。このように急速に加速した後減速させるには一部はルック アップテーブル内の各ステップパルス間の時間をモータ制御マイクロプロセッサ がアクセスできるようにすることによって行われる。これらの時間はディスクの 性能にとって極めて重要である。それら時間が１マイクロセカンドシフトすると 時間を混乱させるため、ディスクドライブ上のトランクに対するヘッドの整定か 最早最適ではなくなる。

ハードディスクドライブ内のステップモータは特定の広い、予め規定された熱領 域（４℃〜７０℃）にさらされるため、ステップモータの巻線抵抗は変化する温 度のために変化することになろう、この変化は予測可能であって反復可能である 。典型的な場合、特表千３−５００４８０　（２） モータ抵抗（Ｒ−）は約１．３９３％／℃変化することになろう、任意の温度の 下におけるモータ抵抗の等式は以下の如く表現することができる。

Ｒ１１＝　Ｒｏ＋　ＲｏＴｃｍ　（Ｔ　−Ｔｏ）　（１）但し、 Ｒｏ−周囲室温における公称抵抗 Ｔｃ−一熱抵抗係数（銅のばあい０．３９３％／℃）Ｔｏ＝２５℃の周囲室温 Ｔ　一作業温度 高温下でこのように抵抗が増加することは、（低温下でのトルクよりも）モータ トルクを小さくしシステムのＬ／Ｒ時定数を変えるからモータの性能にとって有 害である。Ｌ／Ｒ時定数の変化は特に有害である。何故ならば、上記ルックアッ プテーブルを組込んだモータのステップアルゴリズムを調節しなおして電気系統 におけるこの変化に対処することはできないからである。

電流が変化する結果、モータのトルクが変化することになろう。

このトルクの変化は一部は大抵のディスクドライブメーカが行っているようにモ ータ電圧を調節することによって最小限にすることができる。然し、成る程度ま でそのモータの適当な調節はこのｔ流の変化によって克服される。何故ならば、 調節によって達成されるモータ電圧の変化は部分的にｔ流を変化させ抵抗の変化 を補償することができるからである。しかし補正は期待する程には完全でも正確 でもない。即ち、Ｌ／Ｒ時定数はその位相に加えた電圧が変化するに応じて変化 しないであろうし、従って、印加電圧を変更することによる調節はシステム内の この変化を正確には補償しないであろう、かくして、温度が変化するにつれての Ｌ／Ｒ時定数の変化の可能性は、ディスクドライブに必要とされる高い精度を維 持するためには何か他の方法で説明する必要がある。

１皿ｑ！旌 従って、本発明の目的はディスクドライブ内に使用するモータでその性能がより 信転でき作業環境温度の変化によって惹起されるモータトルクの変動の影響から より十分に隔離されたものを提供することである。

殊に、本発明の目的は負温度係数のサーミスタを使用することによってディスク ドライブの運転期間中に発生する温度の変化によってモータコイル抵抗が変化す るその変化を補償するための方法を提供することである。

それに関連する目的としてディスクドライブモータ内に負温度係数のサーミスタ を組込んでＬ／Ｒ時定数の変化を回避し、そのことによって作業温度の変化に伴 うモータトルクの変動を回避することである。

以上の、またその他の目的はハウジングと、ロータを包囲するハウジングの内壁 上に取付けられた複数の平行ステータ積層より成るステップモータにより達せら れる。上記ステータはステータ極の周囲に巻きつけた複数のコイルより成る。互 いに直列に接続された各コイルもしくはコイル群は更にサーミスタ網と直列に接 続される。サーミスタはコイルの実際の作業温度に正確に反応できるように隣接 しあうステータコイルに直かに隣接するが両者間のスペース内に挿入した形で、 コイルと隣合って取付けられた印刷回路板上に支持される。

温度が上昇すると共に、負温度係数のサーミスタの抵抗は低下し、モータ回路の 抵抗を低下させシステムのＬ／Ｒ時定数を維持することになる。う、温度が低下 する場合にはその反対の効果が生ずるであろう、その結果、一定の温度範囲にフ いて一定のトルクが維持される。

温度の変化につれてコイルを巻くために使用されるワイヤの抵抗の変化を正確に 反映するサーミスタが利用できない場合に備えて、抵抗器をサーミスタと平行に 配線し、同抵抗器がサーミスタ網によって表わされるコイルに対する全抵抗を変 更するために選ばれた価を有することによつて補償が温度とモータ設計の広範囲 の変化に対して正確に行われるようにする。分巻抵抗器はゼロから無限まで任意 の選択値を存することによってモータ設計の変更を補償することができるからモ ータを設計する上で柔軟性に富んでいる。もしそのような柔軟性が必要でなけれ ば、サーミスタと抵抗器は隼−のパッケージ内に組込むことができよう。

皿皿東呈皇星Ｒ里 本発明の特徴と利点は以下の図面を参照することによってよりり十分に理解する ことができよう。

第１図は本発明を組込んだステップモータの分解図、第２図は印刷回路板を取外 してステータコイルとロータの構成を示した第１図のモータの底面図、 第３図は本発明のサーミスタ回路の概略図、第４Ａ図は第２図に示されたコイル 底部上に嵌装され本発明の分を抵抗器とサーミスタ回路を支持する印刷回路板の 一方側を示したもの、 第４Ｂ図は本発明のサーミスタ回路を支持する印刷回路板の他方側の平面図、 第５図は温度変化と共に補償されるモータコイルの抵抗と補償されない抵抗を示 す、 第６図は温度と共に抵抗を変化させる際のサーミスタ補償網の効果を示す、 第７Ａ−７Ｄ図は実際のディスクドライブにおいて本発明を組込んだ場合のアク セスタイムに対する影響を示す、第８図と第９図はシミュレートされた作業条件 下でテストされるモータ外部の印刷回路板上に本発明を組込んだ場合の影響を示 す代替例図。

大差土江」置引Ｕ肌 まづ、第１図について述べると、本発明を組込んだタイプのモータの本質的要素 が示されている。このモータは例示用として説明するもので本発明の抜用は、特 定のモータ設計に限定されるものではない、第１図に示されるモータ設計の詳細 は上記したエンリッククラインの出願明細書に見出すことができる。

モータ１はステータスタック４内に組込まれたステータコイルを選択的に駆動し ながら回転するロータ３を支持する中心軸２を内蔵する。ステータスタンク４は ハウジング５内に支持されそのロータ４との整合を維持する。中心軸２の上部は プーリ６を担っており、同プーリ６は遠端に接続されたバンドをリード／ライト トランスジューサを取付けるキャリッジに取付けるために使用される、例えばビ ンを備えており、シャフトが回転すると共にキャリッジを選択位置決めする。シ ャフトの上端はまた、プーリ６下方に保持リング７、シールスリーブ８、磁気シ ール９、および玉軸受１０を担っている。ステータスタックは絶縁体１１によっ てハウジングから絶縁される。ロータ３下部にはシャフト２に沿って軸受ホルダ １２、同ホルダ１２を所定位置に維持するためのディスクばね１３、後部玉軸受 １４、および保持ばね１５が存在する。上記組成体は後部カバー１６、フシ中１ ７、およびねじ１８によって完成し、それらは組立てられたモータを共に保持し ている。

第２図の底面図に詳細に描かれているように、複数のアクチュエータ極２６が設 けられていて、その上部にステータのコイルが巻かれている。先に論じた如く、 補償する必要があるのはモータハウジング内の温度の変化と共にステータコイル ２Ｂの１ｉ線の抵抗の変化である。もし正確な補償を組込むことができれば、ス テップモータのコイルは、抵抗がディスクドライブの正規規定作業温度範囲にわ たって実質上一定となった電気的負荷として作用する。

ステータコイルの直下に取付けられた印刷回路板上に、第３図に示すようなサー ミスタ網２９が各コイルもしくは直列接続のコイル群と直列に設けられている。

上記サーミスタ網はＲｔｈ３０で示した、温度上昇と共に電気抵抗が低下する特 性を有するように選んだサーミスタ１０より構成される。ステータコイル設計の 差異を考慮するために分巻抵抗器Ｒｓｈ３２を設けてサーミスタ補償網の抵抗特 性を所望値に変更するようにしである。抵抗器３２とサーミスタ３０網はモータ コイルＲｓ＋３４の抵抗と直列に配置される０本発明の図解例ではモータ内に１ ０個のコイルが使用されている。それらは第３図に示すタイプのサーミスタ補償 網２９がそれぞれの対のコイルと直列に接続される形で直列に対状に接続される 。

第４Ａ図と第４Ｂ図にはサーミスタ網の実際の取付方法が示されている。第４Ａ 図はステップモータ内に通常取付けられるタイプの印刷回路板３６でステータコ イル線に接続される電線触針を備えたものを示す０回路板３６はコイルから隔っ た回路板側に取付けられる抵抗器Ｒｓｈ３２（第４Ａ図に図示せず）を収納する ように変形されている。サーミスタＲｔｈ３０は第４Ｂ図に示すように回路板の 反対側に取付けられる。サーミスタ３０はステータコイル２８に近接するように 、殊にステータコイル２８どうしの間に突出すように配置され隔てられることに よってサーミスタＲｔｈ３０の温度がコイルの温度を正確に反映するようになっ ている。

サーミスタ網の電気回路を第３図に示す、この回路から一対のコイルより成る特 定の位相の抵抗挙動を記述する等式を以下の如く表わすことができる。

但し、 Ｒｔｈ　＝　ｆ　（ｔｅｍｐ）−サーミスタ抵抗Ｒｅ　−ｆ　（ｔｅｍｐ）−モ ータ巻線抵抗Ｒｓｈ−固定分巻抵抗器 モータとサーミスタの抵抗とも（Ｒ−とＲｔｈ）温度の関数であるから、サーミ スタ網全体の抵抗を温度の関数として表わす式を書くことができる。

原型試験に使用されるサーミスタの場合、推奨される抵抗式は以下の通り書くこ とができる。

ｔｓ 但し、 β　−サーミスタ材料定数 Ｒｔｈ−絶対温度Ｔｋにおける抵抗 Ｒ２，＝絶対温度Ｔｋｏにおける抵抗 （メーカ仕様により与えられる） Ｔｋｏ＝２９８．１５’に一２５℃ 等式１と３は等式２に代替することによって特定のモータコイル回路の全抵抗を 温度の関数として表わす最終的な一等式をつくることができる。最終の方程式は コンピュータによってシミュレートすることによってサーミスタ回路の存在の効 果をグラフ表示することができる。

第５図の破線は抵抗器をモータコイルと直列に組込んだ典型的なステップモータ について抵抗と温度の関係を解析的にプロットしたものである。それはまた以下 のパラメータを用いてモータコイル回路の全抵抗と第３図に示すサーミスタ温度 補償網を含む温度との関係をプロット（実線曲ｖＡ）シたものである。

Ｒ＋ａ　−１６，５Ｉｌ（２１，８℃）　Ｒ□−５０ｂ　（２５℃）Ｒｓｈ−１ １ａ　（固定カーボン）　β−３０００この場合、ｌＯＤの直列抵抗器を有する 従来のモータ抵抗はサーミスタ網により補償されるモータコイル回路の抵抗が殆 んど全く一定の温度範囲全体に対してほぼ３．１．偏差する（全体で約１９％変 化する）ことが判る。

コンピュータシミュレーシッンを実験的に検証するための試験を行った。その結 果を第６図に示す、この場合、３つの異なる曲線の組を見ることができる。ｍＡ は解析的シミュレーシッンデータを示し、線Ｂはモータコイル回路内に電流を流 さずに行った実験結果を示す、最後に、ｖＡＣは約１２５ミリアンペアで付勢し たモータコイル回路を示す、同図よりモータコイル回路に電流を加えたとき曲ｖ ＡＣは曲ＱＢから約０．５゜だけ下方にシフトすることが判る。これはサーミス タに固有の自己加勢効果によるものである。抵抗負荷にｔ流を加えると、熱の形 でソフト損が起こる。

（ＩＲ損失）この結果、サーミスタ温度が上昇しそれはサーミスタ抵抗の僅かな 低下に変換される。駆動レベルテストも行い、その結果を第７Ａ−７Ｄ図に示す 、これらの図における曲線は本発明による補償が行われるサーミスタモータのア クセス時間と補償が行われない場合のそれ°を示したものである。

第７Ａ図と第７Ｃ図は本発明によるサーミスタを使用しない場合の一トラック平 均シークタイムとランダム平均トラックシークタイムを示す、第７Ｂ図と第７Ｄ 図は本発明を使用した場合において温度の変化に伴い低いアクセス時間が維持さ れる様子を示す。

これらのテストより、サーミスタ網はモータ巻線の温度の変化による抵抗の変化 を補償することが結論できる。その代わりに、サーミスタ補償回路はモータ外部 の回路板上に配置することもできる。

サーミスタ回路をモータ内でなく外部回路板上に取付けた場合にそれがどのよう に全体の抵抗に影響を及ぼすかを予測できるように外部回路板温度がどのように モータ温度から偏差するかを示すテストを行つた。このために、モータと外部回 路板の温度を約７０分間監視するテストを行った。これらのテストによる実験結 果を第８図に示す。

これらのテストから、駆動板の温度はモータよりもほぼ１０℃高いところにある ことが判る。これはコンピュータシミュレーション中に入力し、新たな最適サー ミスタと分流器の組合せを発見した。第９図はサーミスタと外部駆動板に取付け た場合の（サーミスタ網とモータコイルの双方による）全抵抗と温度の関係をプ ロットしたものである。このプロットよりサーミスタが２０．で分巻抵抗器が１ ２．の場合、回路は駆動板上に取付けたサーミスタによって正確に補償できるこ とが判る。

本発明の開示を研究する当業者は種々の変形を想起することができよう、それ故 、本発明の範囲は後述の請求範囲によってのみ限定されるべきものである。

ト サーミスタ補償網 抵抗 抵抗 時間（ミリセカンド） 時間（ミリセカンド） 時間（ミリセカンド） 温度（”Ｃ） 抵抗 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示　ＰＣ丁／ＵＳ８９１０３０９１３、補正をする者 事件との関係　出願人 ４、代理人 ５、補正命令の日付　自　発 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．ハウジングと、上記ハウジング内に取付けられてロータを担う回転シャフト と、上記ハウジング内の表面上に平行に取付けられる複数のステータコイルと、 上記コイルの露出端に隣接して上記ハウジングにより支持される印刷回路板と、 上記コイルに隣接して上記印刷回路板上に取付けられ上記コイルの少なくとも一 つに接続され上記コイル内の温度変化に反応する少なくとも一つのサーミスタと を備え、その作業温度範囲にわたってモータの全抵抗を一定レベルに維持するデ ィスクドライブ用モータ。
2. ２．上記モータコイルが対状に直列に接続され、サーミスタが上記対コイルの各 々と直列に接続され上記コイルに隣接して取付けられコイル温度を検出し、サー ミスタの抵抗が温度と共に変化してコイルに対する電圧を変化させる請求の範囲 第１項記載のディスクドライブ用モータ。
3. ３．上記コイルが上記ハウジングの内表面周囲に規則的な間隔をおいて円周状に 配置され、上記サーミスタが上記直列対状のコイルの各々に接続され上記コイル に近接してそれらの間に突出す印刷回路板により支持される請求の範囲第２項記 載のディスクドライブ用モータ。
4. ４．更に、抵抗器を上記サーミスタの各々と並列に含む請求の範囲第３項記載の ディスクドライブ用モータ。
5. ５．ステップモータで、ハウジングと、同ハウジング内に取付けられロータを担 う回転シャフトと、上記ハウジング内に取付けられる複数のステータコイルと、 上記コイルに連結し同コイルを選択的に付勢して上記ロータを回転させる制御線 とから成るものと、更に、上記コイルと直列に接続されてディスクドライブ内の 温度変化に応答するサーミスタを支持する印刷回路板とより成り、全モータ抵抗 を上記モータの作業温度範囲にわたって一定レベルに維持するディスクドライブ 。
6. ６．上記モータコイルが対状に直列に接続され、上記サーミスタの一つが上記対 コイルの各々と直列に接続されディスクドライブ内の温度を検出し、サーミスタ の抵抗が温度と共に変化してコイルに対する電圧を変更する請求の範囲第５項記 載のディスクドライブ。
7. ７．上記サーミスタの各々と、並列な抵抗器を含み、モータの性能をサーミスタ のモータコイルからの間隔にかかわりなく温度によって調節することの可能なサ ーミスタ回路を形成する請求の範囲第６記載のディスクドライブ。
8. ８．上記モータがステップモータである請求の範囲第１〜４の何れかに記載のモ ータ。