(57)【要約】【課題】  簡単な回路で構成することにより安価に製造でき、信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に行うことができるスピンドルの製造方法及び製造装置を提供すること。【解決手段】  荷重手段１１と、加振手段１２，１３と、固定手段１４と、振動検出手段１８と、制御手段１９と、を用いて行うスピンドルの製造方法であって、制御手段１９が、スピンドル５０の所定の剛性に対応する共振周波数の正弦波を発生して加振手段１２，１３を駆動するとともに、振動検出手段１８で検出される振動信号の正弦波の位相を検出して位相の値に基づき荷重手段１９を制御するスピンドルの製造方法及び製造装置１０。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルに有する軸受の内輪に圧入された軸を相対的に移動させて予圧を付与するための荷重手段と、該スピンドルに振動を付与するための加振手段と、該スピンドルを固定するための固定手段と、該軸または該内輪及び該軸受の外輪に外嵌されたハウジングまたは該外輪の少なくとも１個の振動を検出する振動検出手段と、該荷重手段及び該加振手段を制御する制御手段と、を用いて行うスピンドルの製造方法であって、
前記制御手段が、前記スピンドルの所定の剛性に対応する共振周波数の正弦波を発生して前記加振手段を駆動するとともに、前記振動検出手段で検出される振動信号の正弦波の位相を検出し、該位相の値に基づき前記荷重手段を制御することにより予圧を設定することを特徴とするスピンドルの製造方法。
【請求項２】
前記制御手段が、前記振動検出手段で検出される前記軸または前記内輪の正弦波振動と、前記ハウジングまたは前記外輪の正弦波振動と、の位相差が９０度に達した時に、該内輪の圧入を停止して荷重を除去するように前記荷重手段を制御することを特徴とする請求項１に記載したスピンドルの製造方法。
【請求項３】
前記加振手段が、前記スピンドルにアキシアル方向の正弦波振動を付与し、前記振動検出手段が、前記軸または前記内輪及び前記ハウジングまたは前記外輪の少なくとも１個のアキシアル方向の正弦波振動を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載したスピンドルの製造方法。
【請求項４】
前記加振手段が、前記スピンドルにラジアル方向の正弦波を付与し、前記振動検出手段が、前記軸または前記内輪及び前記ハウジングまたは前記外輪の少なくとも１個のラジアル方向の正弦波振動を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載したスピンドルの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載したスピンドルの製造方法を用いたことを特徴とするスピンドルの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばハードディスク装置のスイングアーム等のようなスピンドルを組み込んだ制御機械に用いられるスピンドルの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ビデオテープレコーダー（ＶＴＲ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）等のスピンドルモータ、ロータリアクチュエータ、ロータリエンコーダ等の各種精密回転部分に組込まれるスピンドルは、振れ回り運動及び軸方向の振れを防止する為、極めて高精度に製造されたものでなければならない。このため、スピンドルは、予圧を付与した状態で使用される。この予圧を与えることにより、スピンドルに有する軸受の剛性が高く保たれ、軸の振れ精度が向上し、高速回転時における転動体の滑りが防止される。
【０００３】
従来のスピンドルの製造方法及び製造装置の一例として、圧電素子によりスピンドルに振動を与えて共振周波数を測定しつつ、所定の共振周波数になった状態で圧入を終了するようにしたスピンドルの製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
従来のスピンドルの製造方法及び製造装置の他の一例として、モータを制御してねじ送りで圧入し、圧電素子によりスピンドルに測定のための振動を与え、所定の共振周波数になった状態で圧入を終了するようにしたスピンドルの製造方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３２５４８２５号公報（第５〜６頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−３２４２５３号公報（第３〜５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記特許文献１及び特許文献２においては、スピンドルの共振周波数を検出するために、多数または連続的に変化する周波数の正弦波によって加振し、応答の振動信号をフーリエ変換した結果のデータから共振周波数を探し出す、という共振周波数の検出方法が採用されている。このために、複雑な周波数発生機能、信号のディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）機能、これらの制御やフーリエ変換を実行するためのコンピュータ、等の多数の電子装置と制御・演算のためのソフトウェアとが必要であるために高価になり、また、製造装置の信頼性の維持・向上や保守が難しいなどの問題があった。
【０００６】
さらに、圧入する過程で、応答振動のＡ／Ｄ変換、フーリエ変換と振幅特性の計算、ピークとなる周波数の探索、という一連の処理を短時間の断続的な繰り返しにより実行しなければならないが、共振周波数が高い場合、広い周波数帯域の処理が必要であるから、高速処理に適するコンピュータ等を用いるか、または１回あたりに処理するデータ数を減らすか、が必要になるので装置が高価になったり、検出される共振周波数の精度が悪くなったりするという問題があった。また、ひとつの応答信号のフーリエ変換からピークを探して共振周波数としているので、特に共振のＱ値が高くない場合には、理論上、共振周波数がピークに一致しないということも問題である。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な回路で構成することにより安価に製造でき、信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に行うことができるスピンドルの製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１）本発明に係るスピンドルの製造方法は、スピンドルに有する軸受の内輪に圧入された軸を相対的に移動させて予圧を付与するための荷重手段と、該スピンドルに振動を付与するための加振手段と、該スピンドルを固定するための固定手段と、該軸または該内輪及び該軸受の外輪に外嵌されたハウジングまたは該外輪の少なくとも１個の振動を検出する振動検出手段と、該荷重手段及び該加振手段を制御する制御手段と、を用いて行うスピンドルの製造方法であって、前記制御手段が、前記スピンドルの所定の剛性に対応する共振周波数の正弦波を発生して前記加振手段を駆動するとともに、前記振動検出手段で検出される振動信号の正弦波の位相を検出し、該位相の値に基づき前記荷重手段を制御することにより予圧を設定することを特徴としている。
【０００９】
上記１）に記載のスピンドルの製造方法によれば、振動検出手段を、主として、単一の正弦波の発生と、２信号の位相差の検出と、を行うための比較的簡単な回路から構成できるために、簡単な回路構成で、安価に製造することができる。また、信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に実現でき、さらに、共振周波数が高い場合においても、連続的に正確な検出を行って予圧を設定することができる。
【００１０】
２）本発明に係るスピンドルの製造方法は、上記１）に記載したスピンドルの製造方法において、前記制御手段が、前記振動検出手段で検出される前記軸または前記内輪の正弦波振動と、前記ハウジングまたは前記外輪の正弦波振動と、の位相差が９０度に達した時に、該内輪の圧入を停止して荷重を除去するように前記荷重手段を制御することを特徴としている。
【００１１】
上記２）に記載のスピンドルの製造方法によれば、スピンドルに所定の剛性を付与するために、対応する共振周波数の正弦波のみを用いて加振して位相差が９０度になる瞬間まで圧入するために、高い周波数までも高いＳ／Ｎ比の状態で正確な共振周波数の設定を行うことにより、所定の剛性を設定することができる。
【００１２】
３）本発明に係るスピンドルの製造方法は、上記１）または２）に記載したスピンドルの製造方法において、前記加振手段が、前記スピンドルにアキシアル方向の正弦波振動を付与し、前記振動検出手段が、前記軸または前記内輪及び前記ハウジングまたは前記外輪の少なくとも１個のアキシアル方向の正弦波振動を検出することを特徴としている。
【００１３】
上記３）に記載のスピンドルの製造方法によれば、加振手段によってスピンドルに対するアキシアル方向の正弦波振動が付与され、振動検出手段によってアキシアル方向の正弦波振動が検出されることにより、スピンドルの剛性をアキシアル方向の正弦波振動によって設定することができる。
【００１４】
４）本発明に係るスピンドルの製造方法は、上記１）または２）に記載したスピンドルの製造方法において、前記加振手段が、前記スピンドルにラジアル方向の正弦波を付与し、前記振動検出手段が、前記軸または前記内輪及び前記ハウジングまたは前記外輪の少なくとも１個のラジアル方向の正弦波振動を検出することを特徴としている。
【００１５】
上記４）に記載のスピンドルの製造方法によれば、加振手段によってスピンドルに対するラジアル方向の正弦波振動が付与され、振動検出手段によってラジアル方向の正弦波振動が検出されることにより、スピンドルの剛性をラジアル方向の正弦波振動によって設定することができる。
【００１６】
５）本発明に係るスピンドルの製造装置は、上記１）〜４）のいずれか一項に記載したスピンドルの製造方法を用いたことを特徴としている。
【００１７】
上記５）に記載のスピンドルの製造装置によれば、振動検出手段を、主として、単一の正弦波の発生と、２信号の位相差の検出と、を行うための比較的簡単な回路から構成できるために、簡単な回路構成で、安価な製造装置を得ることができる。また、製造装置における信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に実現でき、さらに、共振周波数が高い場合においても、連続的に正確な検出を行って設定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスピンドルの製造方法及び製造装置によれば、高価になる、信頼性の維持・向上や保守が難しい、共振周波数が高い場合に検出される共振周波数の精度が悪くなる、共振周波数がピークに一致しない、という問題を解消でき、簡単な回路で構成することにより安価に製造でき、信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に行うことができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る好適な実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るスピンドルの製造方法及び製造装置の一実施形態が用いられるスピンドルの製造装置の全体構成図、図２は圧入時のスピンドルの振動モデル説明図、図３は圧入時の振幅特性図、図４は圧入時の位相特性図、図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は圧入過程における共振周波数の移行を説明する伝達特性図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明の一実施形態であるスピンドルの製造装置１０は、荷重手段である荷重装置１１と、加振手段である一対の加振器１２，１３と、固定手段である圧入治具１４と、ロードセル１５と、振動検出手段である軸振動センサ１６及びハウジング振動センサ１７と、振動検出器１８と、制御手段である制御装置１９と、から構成されている。スピンドル５０は、一対の軸受５１，５１の内輪（図２に示す）５２，５２に軸５３が内嵌され、外輪（図２に示す）５４，５４にハウジング５５が外嵌されている。
【００２１】
荷重装置１１は、下面に、上方側の加振器１２が組み付けられており、制御装置１９に電気的に接続されている。荷重装置１１は、油圧や送りねじ機構などの直動型の荷重装置であって、制御装置１９から与えられた電気信号によりロードセル１５に向けて予め定められた押圧力を発生することにより、スピンドル５０の軸５３を相対的に移動させて予圧を付与する。
【００２２】
上方側に配置された加振器１２は、下面に、圧入治具１４に有する上側押圧部材２０が組み付けられている。加振器１２は、制御装置１９に電気的に接続されているために、制御装置１９から与えられた電気信号により上側押圧部材２０にアキシアル方向の振動を与える。
【００２３】
下方側に配置された加振器１３は、上面に、圧入治具１４に有する下側押圧部材２１が組み付けられているとともに、下面が、ロードセル１５に組み付けられている。加振器１３は、制御装置１９に電気的に接続されているために、制御装置１９から与えられた電気信号により下側押圧部材２１にアキシアル方向の振動を与える。加振器１２，１３は、スピンドル５０に設定すべき剛性の方向、すなわちアキシアル方向かラジアル方向かによって加振する方向に適するものが必要であるが、スピンドルの製造装置１０の構造は概念的には同じであるから、ここでは、アキシアル剛性を設定する場合のみを説明する。加振器１２，１３は、軸方向に十分な強度、剛性を有するものが好ましく、例えば電圧素子や磁歪素子が使用可能である。また、加振器１２，１３は、圧入力を検出することができる。検出された圧入力は、送り速度の制御のためにフィードバックされ、測定値補正に使用することができる。
【００２４】
圧入治具１４は、上側押圧部材２０と下側押圧部材２１とを一対に有する。上側押圧治具２０は、下端部に軸形状に形成された突出部分がスピンドル５０の軸５３に当接している。下側押圧治具２１は、上側押圧治具２０に対向して上端部に円筒形状に形成された突出部分がスピンドル５０に有する軸受５１，５１の内輪５２，５２の端面に当接している。上側押圧部材２０は、加振器１２を介して荷重装置１１から与えられた荷重でもって軸５３を押圧し、下側押圧部材２１は、加振器１３を介してロードセル１５側で軸受５１，５１の内輪５２，５２を支持する。
【００２５】
ロードセル１５は、基台２２上に配置されており、制御装置１９に電気的に接続されているために、加振器１３を介して圧入治具１４の下側押圧部材２１から与えられた荷重を電気信号に変換して制御装置１９に与える。
【００２６】
軸振動センサ１６は、センシング部が圧入治具１４の上側押圧部材２０の端面に取付けられているとともに、振動検出器１８に電気的に接続されているために、上側押圧部材２０に発生した振動成分を電気信号（第１の信号）に変換して振動検出器１８に与える。軸振動センサ１６は、加速度ピックアップのような固定型やレコード針などの触針型、レーザードップラ速度計などの非接触型のいずれでもよい。
【００２７】
ハウジング振動センサ１７は、センシング部がスピンドル５０のハウジング５５の端面に取付けられているとともに、振動検出器１８に電気的に接続されているために、ハウジング５５に発生した振動成分を電気信号（第２の信号）に変換して振動検出器１８に与える。ハウジング振動センサ１７は、軸振動センサ１６と同様にして、加速度ピックアップのような固定型やレコード針などの触針型、レーザードップラ速度計などの非接触型のいずれでもよい。
【００２８】
振動検出器１８は、軸振動センサ１６から与えられた正弦波振動と、ハウジング振動センサ１７から与えられた正弦波振動と、の位相差を演算処理して算出し、その位相差データを制御装置１９に与える。
【００２９】
制御装置１９は、ロードセル１５から与えられた電気信号を演算処理するとともに、振動検出器１８から与えられた位相差データの値に基づいて発生した電気信号により荷重装置１１を駆動するとともに、スピンドル５０の所定の剛性に対応する共振周波数の正弦波電気信号を発生して各加振手段１２，１３を駆動する。そして、制御装置１９は、振動検出手段１８から与えられた位相差データが、９０度に達した時に、内輪５２，５２への圧入を停止して荷重を除去する。制御装置１９内の正弦波発振器は、固定の周波数を発振するもの、または発振周波数を変更・設定できるもののいずれでもよいが、周波数の安定度が高く、低歪率かつ低ノイズであればなおよい。正弦波発振器からは互いに１８０度位相が異なる正弦波にその振幅電圧より大きな直流電圧がバイアスとして重畳された２つの信号が出力されてそれぞれの加振器１２，１３を駆動する。
【００３０】
このようなスピンドルの製造装置１０では、スピンドル５０の軸５３が圧入治具１４の上側押圧部材２０に当接し、スピンドル５０の内輪５２が圧入治具１４の下側押圧部材２１に当接する。そして、内輪５２の下方が、加振器１３を介してロードセル１５に支持された状態で、軸５２の上方が、加振器１２を介して荷重装置１１から荷重を与えられて予圧が付与される。
【００３１】
このようなスピンドルの製造装置１０を用いたスピンドルの製造方法では、圧入治具１４における上側押圧部材２０の端面に取り付けられた軸振動センサ１６で検出された第１の信号と、スピンドル５０のハウジング５５の端面に取り付けられたハウジング振動センサ１７で検出された第２の信号が振動検出器１８に入力され、互いの位相が比較される。このとき、位相比較には公知のどのような方法を用いてもよく、単純に正弦波の周期に対する２つの正弦波のゼロクロス間隔を評価することもできる。重要なことは、第１の信号に対して第２の信号の位相が丁度９０度遅れる場合の正弦波の周波数が正確な共振周波数であるという事実である。これは共振のＱ値が高くない場合にも成り立つことである。また、単一の正弦波のみで定常的に加振するため、従来のものと比べて大きなパワーで駆動するので、高いＳ／Ｎ比の信号を処理している。すなわち、精度の高い検出が可能である。
【００３２】
そして、振動検出手段１８から与えられた位相差データが９０度の位相差になると、共振検出信号が制御装置１９へ送られ、制御装置１９は圧入動作を止めて、逆方向へ戻り移動するように荷重装置１１を制御する。
【００３３】
このように、軸受剛性を介して対向する質量（この場合内輪５２と外輪５４）の両者の加振周波数における振動を検出し、その間の位相差から共振状態を検出することができるので、従来のものでありがちだった両者に含まれる装置全体の伝達特性を基にしていることに起因する誤差のある共振周波数を検出するような問題はない。
【００３４】
図２に示すように、正確な軸受剛性Ｋを知るには、ＸからＹへの伝達特性を正しくとらえるのが有効であることがわかる。加振周波数は、
ｆ＝（１／２π）√（Ｋ／Ｍ）
を用いて、概知の質量Ｍと設定すべき所定の剛性Ｋとを代入して求めた共振周波数ｆに等しく設定する。また、有限要素法などの数値解析手法を用いて予め軸受剛性と固有振動数の関係を求めて関係式を作り、その関係式を用いることもできる。
【００３５】
圧入しているときには、圧入力に相当する荷重が軸５３に作用して予圧が少し変化し、剛性と共振周波数は無荷重時の値よりもわずかにずれた状態となって誤差が問題となる場合がある。この場合、加振周波数には軸荷重に対する補正を加えると、より正確な剛性を設定できる。予めわかっている圧入の荷重値Ｆを使って次式のように補正する。
ｆ´＝Ｃ（Ｆ）×ｆ
ここで、ｆ´：圧入時の共振周波数、ｆ：所定の共振周波数、Ｃ（Ｆ）：補正係数である。
【００３６】
スピンドルによって圧入力が大きくばらつくような状況では、それらスピンドル毎に圧入の開始時にロードセル１５で荷重値Ｆを測定して加振周波数を補正すればよい。さらにこの補正作業を自動化するため、周波数可変の発振器を用いて加振周波数を制御する制御装置のプログラムを作成するのは難しいことではない。
【００３７】
図３に示すように、圧入時の振幅特性は、共振周波数ｆのピーク時が、２５ｄＢであり、ピーク時を除いた部分では、−１０ｄＢから２０ｄＢまでの伝達特性を有する。
【００３８】
図４に示すように、圧入時の位相特性は、０度から−９０度の範囲と、−９０度から−１８０度との中間の−９０度の近傍で大きく変化する。
【００３９】
図５（ａ）に示すように、圧入が開始された時は、隙間＞０の関係にあり、軸受隙間がある。
【００４０】
図５（ｂ）に示すように、圧入により内輪５２が軸５３に対して滑って隙間がなくなると、振幅特性に、３０００Ｈｚ付近に共振のピークが現れて、隙間≦０の関係になる。
【００４１】
図５（ｃ）に示すように、圧入が進むにつれて、ピークの周波数が８０００Ｈｚ付近まで上昇するとともに高さが増す。このとき、所定の剛性Ｋに対応する共振周波数ｆは、まだピークの周波数より高いので位相は−９０度より負側にある。
【００４２】
図５（ｄ）に示すように、圧入がさらに進行し、ピークの周波数が９０００Ｈｚ付近でｆに達すると、ｆで位相が−９０度になる。この位相差が９０度になった時に、仕上げ周波数に到達することにより圧入が完了する。
【００４３】
このように、圧入過程では、共振周波数の移行状態が起きるので、所定の剛性Ｋに対応する周波数の正弦波で加振して上記した２信号の位相差を監視すればよいことがわかる。実際、圧入初期には、信号の振幅が微弱なために、位相検出が不正確になる場合があるので、信号の振幅が大きくなってからの位相を評価するのが好ましい。
【００４４】
上述したスピンドルの製造装置１０を用いたスピンドルの製造方法によれば、振動検出器１８を、主として、単一の正弦波の発生と、第１，第２の信号の２信号の位相差の検出と、を行うための比較的簡単な回路から構成できるために、簡単な回路構成で、安価に製造することができる。また、信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に実現でき、さらに、共振周波数が高い場合においても、連続的に正確な検出を行って予圧を設定することができる。
【００４５】
また、スピンドルの製造装置１０を用いたスピンドルの製造方法によれば、スピンドル５０に所定の剛性を付与するために、対応する共振周波数の正弦波のみを用いて加振して位相差が９０度になる瞬間まで圧入するために、高い周波数までも高いＳ／Ｎ比の状態で正確な共振周波数の設定を行うことにより、所定の剛性を設定することができる。
【００４６】
また、スピンドルの製造装置１０を用いたスピンドルの製造方法によれば、アキシアル方向の振動を与える加振器１２，１３を用いることによって、スピンドル５０に対するアキシアル方向の正弦波振動が付与され、振動検出器１８によってアキシアル方向の正弦波振動が検出されることにより、スピンドル５０の剛性をアキシアル方向の正弦波振動によって設定することができる。
【００４７】
また、スピンドルの製造装置１０を用いたスピンドルの製造方法によれば、ラジアル方向の振動を与える加振器１２，１３を用いることによって、スピンドル５０に対するラジアル方向の正弦波振動が付与され、振動検出器１８によってラジアル方向の正弦波振動が検出されることにより、スピンドル５０の剛性をラジアル方向の正弦波振動によって設定することができる。
【００４８】
また、スピンドルの製造装置１０によれば、振動検出器１８を、主として、単一の正弦波の発生と、第１，第２の信号の２信号の位相差の検出と、を行うための比較的簡単な回路から構成できるために、簡単な回路構成で、安価にすることができる。また、信頼性の維持及び信頼性の向上を容易に実現でき、さらに、共振周波数が高い場合においても、連続的に正確な検出を行って設定することができる。
【００４９】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、スピンドルに用いられる軸受は、玉軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受等の種々の転がり軸受を適用することができる。
【００５０】
また、正弦波振動の検出は、圧入治具の上側押圧部材とスピンドルのハウジングに限らず、軸または内輪と、ハウジングまたは外輪と、のいずれかで良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係るスピンドルの製造方法及び製造装置の一実施形態が用いられるスピンドルの製造装置の全体構成図である。
【図２】圧入時のスピンドルの振動モデル説明図である。
【図３】圧入時の振幅特性図である。
【図４】圧入時の位相特性図である。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は圧入過程における共振周波数の移行を説明する伝達特性図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０        スピンドルの製造装置
１１        荷重装置（荷重手段）
１２，１３  加振器（加振手段）
１４        圧入治具（固定手段）
１６        軸振動センサ（振動検出手段）
１７        ハウジング振動センサ（振動検出手段）
１９        制御装置（制御手段）
５０        スピンドル
５１        軸受
５２        内輪
５３        軸
５４        外輪
５５        ハウジング
【図１】
2006102918.tif 000003
【図２】
2006102918.tif 000004
【図３】
2006102918.tif 000005
【図４】
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【図５】
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