专利名称：磁盘装置的电机驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种用于再现记录信息的磁盘装置，尤其涉及在对使用温度等耐环境性要求严格的情况下，例如装载在汽车等交通工具上时的磁盘装置驱动方法。
背景技术：
在磁盘装置中，随着磁盘层叠数的增多和接触起动停止方式(CSS)的采用，在主轴电机起动时所需的起动转矩变得越来越大，满足该要求的现有技术记载在日本专利JP 2796333中。根据该专利所记载的，主轴电机的线圈是三相Y连接的，在线圈各相内设有引线以切换定子的匝数来控制电机。具体的，为了得到在起动时所需的大转矩，在起动时要使用n圈全部区域，在达到稳定旋转过程中用引线来将其切换到定子绕组的部分区域。
另外，在美国专利US5471353的说明书中公开了在该磁盘装置中具有多个电机驱动方式，在电机达到稳定旋转过程中切换驱动方式的一项技术。根据该说明书，主轴电机具有两个或两个以上的线圈绕组，其以单极性模式和双极性模式来驱动主轴电机。具体构成为在盘驱动器起动时采用双极性模式，在稳定旋转时采用单极性模式，在电机起动时采用在低电流下的大转矩双极性模式。即，通过采用双极性驱动方式在起动时得到大转矩，在转矩增大的过程中转换到单极性驱动方式，抑制反向电压，从而可以稳定旋转。
用作外部存储装置的磁盘装置，一般设想被装载在个人计算机上并在规格上来确定保证其操作的温度范围。例如，现有的磁盘装置将5℃-55℃的范围作为保证操作进行的温度。
近年来，磁盘装置开始在除个人计算机以外的便携机上使用，活用用途正在扩大。与此同时，和原来的使用条件相比，温度范围趋向于扩大。例如，在装载在汽车上的导航系统中，由于要在环境温度严格的条件下使用，所以磁盘装置的温度范围变为-30℃-85℃。
另一方面，使磁盘旋转的主轴电机除现有的使用滚珠轴承的装置外；根据小型化和薄型化的要求，利用流体动压轴承(Fluid Dynmic BearingFDB)的结构也正实用化。使具有这种轴承的电机旋转时，由于用于轴承的润滑油或油的粘度依赖于温度，因此，旋转负载变为具有温度特征，特别是，由于低温时负载增大，所以与通常的使用状态即常温时相比，需要大的转矩。
磁盘装置的主轴电机使用了直流(DC)电机，为覆盖上述的负载变化范围，作为电机的转矩特性，需要对低温时所需的生成转矩降低反向常数(与转矩常数等价)，以保证大的电压裕量(生成于电机转矩特性和负载特性间的差)(将在下面作详细描述)。由于上述情况意味着要降低转矩常数，因此，电机的驱动电流加大，消耗功率变大。但由于便携机要求低消耗功率，所以，上述电机驱动电流加大成为应解决的问题。
在作为现有技术示出的日本专利JP2796333中公开了既能保证电机起动时所需的大转矩又能保证稳定旋转时的旋转裕量的方法，但在该专利中没有考虑在生成低温时稳定旋转所需的转矩和常温时的低消耗功率(降低驱动电流)。并且，在上述的美国专利说明书中，具有多个电机驱动方式，在起动时使用双极性方式，在起动过程中进行切换，使用单极性驱动方式，但也没有解决在低温时稳定旋转的问题。
发明概述本发明的目的在于提供一种电机驱动方式，使得在低温时增大生成转矩和保证低温时稳定旋转裕量的同时，在常温的稳定旋转时降低消耗功率。
为解决上述技术问题，本发明主要采用如下结构。
一种磁盘装置的电机驱动方法，该装置具有作为信息记录介质的磁盘、在上述磁盘上记录并再现信息的磁头和驱动上述磁盘的电机，其中，具备上述电机具有以多相Y连线连接中点的连接点，并具有依次励磁各相的单极性驱动方式和同时励磁两个相邻相的双极性驱动方式；如果上述磁盘装置内的温度是规定温度以下的低温时，则选择上述单极性驱动方式；如果超过上述温度则选择上述的双极性驱动方式。
附图的简要说明
图1是表示根据本发明实施例的磁盘装置的整体构成图；图2是根据本实施例的磁盘装置所用的主轴电机的示意图；图3是表示在本实施例中所使用的DC电机的转矩与转数的关系，转矩与驱动电流关系的特性图；图4是表示根据本实施例的在三相Y连线电机中双极性驱动方式(曲线B)和单极性驱动方式(曲线U)中转矩-转数曲线和转矩-驱动电流曲线的特性图；图5A、5B是表示根据本实施例的三相Y连线DC电机中的双极性驱动方式和单极性驱动方式的驱动电流图；图6是表示根据本实施例的三相Y连线DC电机中的双极性驱动方式和单极性驱动方式中各相线圈的电流波形图；图7是表示根据本实施例的双极性驱动方式和单极性驱动方式的驱动方式的切换和各个驱动方式的驱动形态图。
最佳实施例的描述参照图1-图7详细说明根据本发明实施例的磁盘装置的电机驱动方法。图1是表示根据本发明实施例的磁盘装置的整体构成图。
图1是装载在现有的笔记本PC机中的2.5型磁盘装置的斜视图。该磁盘装置将主轴电机(图中未示出)压入或粘附固定在壳体405上。更进一步的，主轴电机通过螺钉406或粘接剂将两片磁盘400固定在含有主轴电机的轴心部分。磁盘400通常是由溅射到铝衬底上的磁性膜构成的。简单图示主轴电机的轴，该电机具有转子6a和定子6b(参见图2)。转子6a通过滚珠轴承或动压轴承等轴承单元在内部支持旋转。
壳体405上设有支架413。并且，向磁盘400读写信息的磁头411安装在支架413上的悬臂402的前端。更进一步的，支架413通过枢轴412的作用具有沿磁盘400的半径方向的自由度，并且通过固定在壳体405上的VCM407摇动驱动到磁盘400上的一定位置，可进行移动。壳体405可以完全密封内部的结构部件，也可以通过小的呼吸孔而成为半密封状态。
来自磁头411的信号经过FPC(弹性印刷电路)403由预放大IC404作放大处理。更进一步的，通过图中未示出的连接器连到PCB(印刷电路板)408并由电子部件409作信号处理，通过外部连接器410将信号送到外部。
图2是根据本实施例的用于磁盘装置的主轴电机(下面将其称为电机)的示意图。参照图1和图2，说明电机6的结构。电机包括固定在轴上的转子6a和固定在壳体405侧的定子6b。在转子壳体的内侧沿圆周方向等分地装有磁化的圆筒形永久磁铁即磁体。定子6b是冲压软钢板等磁性材料而层压成的，其外圆周部分具有多处开槽和磁极，定子是通过在各磁极上分别绕线圈而形成的。根据图2的结构，有9个开槽，依次配置为U相、V相和W相。
下面，参照图3、4及5A、5B说明根据本发明实施例的电机驱动方式的种类及各自的功能和作用。图3是表示本实施例中所使用的DC电机的转矩和转数的关系、转矩与驱动电流关系的特性图。图4是表示根据本实施例的三相Y连线电机中双极性驱动方式(图中的B曲线)和单极性驱动方式(图中的U曲线)中的转矩-转数曲线、转矩-驱动电流曲线特性图。图5A、5B是表示根据本实施例的三相Y连线的DC电机中双极性驱动方式和单极性驱动方式的驱动电流图。
由算式表示示于图3的DC电机的特性图的关系VCC＝Ke×N+i×R……(1)T＝Kt×i……(2)在此，VCC表示对电机的直流施加电压，为一常数，Ke为反向电力常数(下面称为反向常数)，是由磁场强度和线圈的圈数所决定的值，N是电机的转数，i是驱动电流，R表示线圈和电路的阻抗值。另外，T为电机的转矩，Kt为转矩常数，是由磁场强度和线圈的圈数所决定的值。虽然Ke和Kt叫法不同，但它们实质上是等同的。
从式1和式2，可得到式3VCC＝Ke.N+(R/Kt)×TN＝-{R/(Kt.Ke}.T+(VCC/Ke)……(3)图3是式3和式2的图形表示。(T-N)曲线的斜率为{-R/(Kt.Ke)}，N轴的结距为(VCC/Ke)。另外，(T-i)曲线的斜率为(1/Kt)。
这里，在根据本发明实施例的磁盘装置中，例如当用于装载在汽车上的导航系统时，环境温度变为严格条件，其温度范围变为-30℃-85℃。特别的，当磁盘装置的温度环境是低温时，如果DC电机的轴承是流体动压轴承(FDB)，和常温时相比轴承的润滑特性发生变化，电机的旋转负载变为具有温度特性(即使是滚珠轴承，也存在一定程度的差异，也会有同样的现象发生)。具体的，在低温时，由于FDB的轴承油或润滑油的粘度降低，所以旋转负载比常温时大。由图3的虚线表示该轴承低温时(1)和常温时(2)的负载特征。另外，虽然对电机的旋转负载来说除轴承负载以外还有磁盘损坏等，但由FDB所造成的负载方的损坏比其大几倍。
从图3的负载特性可知在稳定旋转例如4200rpm时，根据低温时的负载特性需要与A点对应的转矩Ta，在常温时通过转矩Tb就可以稳定旋转。在图3的例子中，在低温时，由于低温时所需的转矩Ta要比To(在4200rmp的稳定旋转中电机本身生成的转矩)大，所以不能得到稳定的旋转。
因此，为了研究，为在低温时也保证稳定的旋转，需要考虑将电机的负载特性变为图3的(2)所示，即降低负载。具体的，在滚珠轴承时可以降低润滑油的粘度，在FDB时可以降低其流体的粘度。但是，降低粘度将引起磁盘装置在高温时FDB用于支撑旋转体的压力不足。该压力不足，会带来轴振动相对外部振动变大，轴承部分接触并产生摩擦而使得磁盘装置的可靠性降低。
为保证低温时的稳定旋转，考虑参照式3来降低反向常数Ke，使得示于图3的(T-N)曲线通过比A点更靠右的一侧。降低Ke就降低了转矩常数Kt，根据式2和VCC是一常数，所以驱动电流变大，消耗功率变大，这样，就和低消耗功率不相容。
作为结论，在本发明中，主要具有下列特征在Y连线DC电机中，在低温时以反向常数低的单极性驱动方式驱动以保证稳定旋转，在常温时切换到双极性驱动方式，以保证在低电流下的大转矩。
以下，参照图4-图7具体说明根据本发明实施例的电机驱动方式。图4和图5A、5B的说明如上所述，图6是表示根据本实施例的三相Y连线DC电机中双极性驱动方式和单极性驱动方式中各相线圈的电流波形图。图7是表示根据本实施例的双极性驱动方式和单极性驱动方式的驱动方式的切换和各个驱动方式的驱动形态。
以示于图2的电机的定子和转子的结构为例进行说明，在图2中例示了9定子的U相、V相和W相的三相Y连线DC电机。如图5所示，单极性驱动方式是不将U相、V相、W相相互重复，而是依次进行驱动的方式。形成图6(2)示出的电流波形，在图5(2)中励磁了3/9的开槽。双极性驱动方式是同时驱动U相和V相(①)，接着同时驱动W相和V相(②)，再接着同时驱动W相和U相(③)，然后，使驱动电流的方向相反，同时驱动V相和U相(④)，接着同时驱动V相和W相(⑤)，再接着同时驱动U相和W相(⑥)，则变为示于图6(1)的电流波形。通常，双极性驱动方式是U、V、W中任意两相(双极性)中流过电流的驱动方式，其励磁了6/9的开槽。
在图4中，以单极性驱动方式(由图中的U表示)和双极性驱动方式(由图中的B表示)来表示DC电机的(T-N)曲线和(T-i)曲线。取(T-N)曲线为例，由于在单极性驱动方式中，线圈的圈数(匝数)是双极性驱动方式的1/2(参照图5的励磁状态)，所以反向常数Ke变为1/2(和双极性驱动方式相比)，N轴的结距变大，同时也更倾斜了(参照图4的T-N曲线的U)。另一方面，在(T-i)曲线中，当为单极性驱动方式时，Ke＝Kt，Kt变为1/2，根据和式2的关系，(T-i)曲线如图所示，也竖起来了(和B曲线相比)。
从图4的(T-N)曲线可知，以FDB为主的负载转矩在低温-20℃时，虽然在曲线B中不能达到稳定转数(例如4200rpm)，但是在曲线U中保证了裕量，并可以保证稳定的转数。但是，在采用单极性驱动方式时，驱动电流变为2倍。
归纳上面所得到的关系，在线圈圈数(匝数)的观点来看，如果在双极性驱动方式(B方式)中设为1，则在单极性驱动方式(U方式)中变为1/2。从Ke(Kt)的观点来看，如果在B方式中为1，则在U方式下变为1/2。从驱动电流的观点来看，如果在在B方式上为1，则在U方式上变为2。顺便说一下，这是因为在图4的(T-N)曲线中，当B方式和U方式为指示图中示出的趋势的根据时，参照图3，在与B方式的对比中，U方式的倾斜度R/(Kt.Ke)变为(2/3)/(1/2×1/2＝1/4)＝8/3(约2.7)，N轴的结距1/Ke变为1/2。并且，R只限于线圈，虽然为1/2，但由于还包含电路阻抗，故设为2/3。
下面，说明示于图7的B方式和U方式的切换控制电路(电机本身的线圈结构和B方式与U方式无关，其线圈是一样的)。图7是示于图5A、5B的B方式和U方式中对流到U、V、W各相进行随时间变化的电流控制用的控制电路。在图7中Sc是切换B方式和U方式的开关，在U方式时为开，在B方式时为关。更进一步的，S1-S6是将VCC加到各相并向地GND导通的开关，进行如图5所示的随时间变化的电流控制。开关Sc、S1-S6的操作控制可以由微处理器来执行。如所例示的，在图5A、5B的双极性驱动方式中①时，只要关闭Sc，只打开S1和S4即可。在单极性驱动方式时，只要打开Sc，只依次打开S1、S3和S5即可。
低温和常温时的驱动方式的切换可以利用已经内置于磁盘装置中的现存温度检测单元。即，在磁盘装置中设置了温度检测单元，使得当写入数据时规定保证操作的温度，当一超过该温度时，就禁止写入。在本实施例中，可以利用已存在的温度检测单元并通过其检测输出，选定电机的驱动方式。虽然还源于FDB的电路负载，但作为一例，当达到5度以上时就切换到双极性驱动方式。另外，驱动方式的切换并不限于磁盘装置的规定温度，也可以监视单极性驱动时的电流(检测负载变化的其中一个方法)，当电流降低时可以切换到双极性驱动方式。另外，虽然在以上的说明中说明了3相Y连线电机，但并不限于此，也可以是多相Y连线电机。
在本发明的实施例中，首先在磁盘装置起动时由温度检测装置检测环境温度，如果检测温度为比规定温度低的低温时，则选定单极性驱动方式，在适当的时间间隔里进行温度检测，如果其超过规定的温度，就切换到双极性驱动方式。并且，经常或在规定的时间间隔里监视磁盘装置的温度，如果温度降低，就切换到单极性驱动方式。
另外，在本发明的实施例中可以原样利用现在所用的具有中点的Y连线主轴电机，可以新添作为开关单元的晶体管和电机驱动器的驱动定时控制来实现本发明。
如上所说，在本发明的Y连线电机中，在低温时以反向常数低的单极性驱动方式进行驱动，以保证稳定旋转，在稳定旋转过程中监视温度，当温度上升到规定温度以上时，切换到双极性驱动方式。如果磁盘装置开始使用时温度就很高(由温度检测单元的检测输出检测得到)，也可以从一开始使用时就采用双极性驱动方式。
根据本发明，可以生成低温时稳定旋转所需的转矩，在常温时的通常旋转时实现低消耗功率。即，既可以在低温时保证稳定的旋转(增大生成转矩)又可以在常温时保持低消耗功率。
已经参照相应的附图描述了本发明的最佳实施例，但需要明白本发明并不限于该实施例，本领域内普通技术人员可以根据其实现各种改变和修改，而不脱离由所附权利要求所定义的本发明的实质和范围。
权利要求
1.一种磁盘装置的电机驱动方法，该装置具有作为信息记录介质的磁盘(400)、在上述磁盘上记录再现信息的磁头(411)和驱动上述磁盘的电机，其特征在于上述电机具有以多相Y连线连接中点的连接点(图7)，并具有依次励磁各相的单极性驱动方式(图5(2))和同时励磁两个相邻相的双极性驱动方式(图5(1))；如果上述磁盘装置内的温度是在规定温度以下的低温时，就选择上述单极性驱动方式，如果超过上述规定温度时，就选择上述双极性驱动方式。
2.根据权利要求1的磁盘装置的电机驱动方法，其特征在于通过选定上述单极性驱动方式或上述双极性驱动方式来保证电机的稳定旋转。
3.根据权利要求1或2的磁盘装置的电机驱动方法，其特征在于在上述磁盘装置的内部或外部设有温度检测单元；在起动上述磁盘装置时由上述温度检测单元进行温度检测，判断该温度是否是上述规定的温度，并对电机的驱动方式进行切换控制，同时，在起动以后，每隔规定的时间间隔就进行温度检测。
4.根据权利要求1、2或3的磁盘装置的电机驱动方法，其特征在于上述电机的轴承是流体动压轴承(FDB)。
全文摘要
本发明提供了一种电机的驱动方法，使得在低温时保证了生成转矩的增大和低温时稳定旋转的裕量，同时，在常温时的稳定旋转过程中能实现低消耗功率。在磁盘装置的电机驱动方式中，该装置具有作为信息记录介质的磁盘、在磁盘上记录再现信息的磁头和驱动磁盘的电机。电机具有以多相Y连线连接中点的连接点，并具有依次励磁各相的单极性驱动方式和同时励磁两个相邻相的双极性驱动方式，如果磁盘装置内的温度是规定温度以下的低温时，就选择单极性驱动方式；如果超过规定温度，就选择双极性驱动方式。通过选择单极性驱动方式或上述双极性驱动方式来保证电机的稳定旋转。
文档编号H02P6/08GK1467725SQ03120088
公开日2004年1月14日 申请日期2003年2月25日 优先权日2002年6月5日
发明者别府修 申请人:株式会社日立制作所