(57)【要約】ＥＣＭ工程で製作された流体力学的溝の特性を明らかにし測定する装置及び方法が開示される。この方法は、工作物を測定装置に整合させる手順、および侵食パターンを正確かつ確実に素早く測定する技法を含む。更に、本発明はこれら溝の侵食の特性を明らかにし測定する装置を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）触針をゲージ・ピンに整合させる段階と、
ｂ）ジャーナルの長さをカバーする段階と、
ｃ）触針を頂点位置に移動させる段階と、
ｄ）ハブを回転させることにより溝の最小位置を位置決めする段階と、
ｅ）前記ハブを固定位置まで回転させる段階と、
ｆ）第１の端点と第２の端点との間を走査し、走査中にデータを収集する段階と、
ｇ）前記データに直線を当てはめることによって前記データを解析する段階と、
ｈ）前記溝の最も低いピークの位置を決定する段階と、
ｉ）侵食値を計算する段階とを含む、穴部の侵食を測定する方法。
【請求項２】
工作物を第２の位置まで固定量だけ回転させる段階と、
前記第２の位置で段階ａ〜ｉを繰り返す段階とを更に含む請求項１に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項３】
前記固定回転量が第１の測定位置から１２０度である請求項２に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項４】
前記工作物を、第３の位置まで第２の固定量だけ回転させる段階と、
前記第３の位置で段階ａ〜ｇを繰り返す段階とを更に含む請求項２に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項５】
前記第２の固定回転量が第２の測定位置から１２０度である請求項４に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項６】
前記データに直線を当てはめる前記段階が、最小２乗近似法を用いる段階を含む請求項１に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項７】
触針をゲージ・ピンに整合させる前記段階が、測定すべき穴部の直径と実質的に同じ大きさのゲージ・ピンを測定する段階を含む請求項１に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項８】
ゲージ・ピンを測定する前記段階が、前記ゲージ・ピンを長さ１０ｍｍ〜３０ｍｍにわたって走査する段階を含む請求項７に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項９】
ゲージ・ピンを測定する前記段階が、前記ゲージ・ピンを長さ１５ｍｍ〜２５ｍｍにわたって走査する段階を含む請求項７に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項１０】
ゲージ・ピンを測定する前記段階が、前記ゲージ・ピンを長さ約２０ｍｍにわたって走査する段階を含む請求項７に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項１１】
ゲージ・ピンを測定する前記段階が、両端間の最大の高さの差が３０μｍ未満の線に沿って前記ゲージ・ピンを走査する段階を含む請求項７に記載された穴部の侵食を測定する方法。
【請求項１２】
測定すべき穴部の直径に実質的に同じ大きさのゲージ・ピンを準備する段階と、
前記ゲージ・ピンを長さ１０ｍｍ〜３０ｍｍにわたって走査する段階と、
両端点間の最大の高さの差が３０μｍ未満になるような両端点を有する線に沿って走査する段階とを含む、移動軸を工作物の軸線に対して整合させる方法。
【請求項１３】
ゲージ・ピンを測定する前記段階が、長さ約２０ｍｍにわたって前記ゲージ・ピンを走査する段階を含む請求項１２に記載された移動軸を工作物の軸線に対して整合させる方法。
【請求項１４】
整合用ゲージ・ピンと、
工作物を支持するシータ・チャックと、
前記シータ・チャック及び前記工作物を回転軸線の周りに回転させることのできるシータ・ステージと、
前記工作物の回転中に前記工作物の表面形状を探るための触針先端部と、
前記触針先端部を支持する触針と、
前記工作物の前記表面形状に対する前記触針の応答を測定し、触針の移動方向に沿って前記触針を移動および制御するための表面スキャナとを含む、穴部の侵食を測定する装置。
【請求項１５】
前記ゲージ・ピンが、測定すべき穴部の直径と実質的に同じ大きさを有する請求項１４に記載された穴部の侵食を測定する装置。
【請求項１６】
前記触針先端部が炭素でできている請求項１４に記載された穴部の侵食を測定する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年８月６日出願の米国仮出願第６０／４１０７９６号の優先権に基づくものである。
【０００２】
本発明は、一般に流体動圧軸受の分野に係るものであり、より詳細には、この種の軸受を形成するためにディスク・ドライブのスピンドル・モータ用ハブへの溝のエッチングに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来のディスク・ドライブは、データの記憶および取り出しに材料の磁気特性を利用している。通常、ディスク・ドライブは、コンピュータ装置や家庭娯楽機器などの電子装置に組み込まれていて、大量のデータを素早く確実に取り出せる形で記憶する。ディスク・ドライブの主要な構成要素としては、磁気媒体、読み書きヘッド、モータ、及びソフト・ウェアがある。媒体を毎分数千回の回転数で回転させるために用いるモータは、回転における振動が最小であり、高い信頼性および効率を有するように構成される。これを実現する１つの方法は、動きが過酷なモータ構成部品の適切な潤滑を油により確実に行うことである。モータの適切な潤滑は、通常、電解加工（ＥＣＭ）などの切削加工によって、穴部（ボア）及びシャフトに溝を切り込むことにより達成される。適切な潤滑油の循環の維持にはこの溝は重要なので、溝が侵食（エロージョン）を受けると、潤滑油が適切に循環されなくなり、固着によるモータの不具合を生じることがある。従って、穴部及びシャフトの溝の侵食を測定し把握することは、ハード・ドライブ用として十分に頑丈なモータを作るために重要である。
【０００４】
切削加工は、様々な電食機械加工方法のいずれでも実施できる。放電加工（ＥＤＭ）では、切削液は誘電性の液体、例えば脱イオン水であり、加工電流は一連の電気パルスの形で加えられる。電解加工（ＥＣＭ）では、切削媒体は電解性の液体、例えば電解質水溶液であり、加工電流は連続又はパルス状の大電流である。電解放電加工（ＥＣＤＭ）では、液体媒体は電解性及び誘電性の両性質を有し、加工電流はパルスとして加えられることが好ましく、それにより、導電液媒体を通る電気放電が発生しやすくなる。
【０００５】
工作物を切削液媒体槽中に、切削領域が液中に浸かるように配置してもよい。ただし、より典型的には、被削領域は空気中又は大気雰囲気中に配置される。有利には、従来設計の１又は２個のノズルを工作物の一方の側又は両側に配置して、空気中に置かれ又は液媒体中に浸けられた被削領域に切削液媒体を噴射する。切削液媒体は、上記のように好都合には水であり、所望の電食切削媒体として働くように、脱イオン化されているか、または様々な程度にイオン化されている水である。
【０００６】
最新のハード・ドライブは、微細で極めて重要なフィーチャ（構造）を有する、より小型の高速モータを必要とするので、これらＥＣＭ処理などを用いて製作される微細なフィーチャの製造及び測定は実に難しい問題を抱えている。例えば、モータをより小さくすると、それに対応して以前より更に小さく精密な溝をその穴部及びシャフトに作ることになる。ＥＣＭ処理は当分野では一般に公知である。しかし、ＥＣＭ処理では、表面に複数の溝を正確に且つ一斉に、正確な寸法の間隔を置いて作る必要が生じる。機械の加工公差が緩いと、電極が工作物に対して位置ずれを起こし易く、その結果、間隔が不均一になり、それに応じて流体力学的溝の深さが不均一になる。これら溝の磨耗パターンを把握し最終的にはより良いモータを設計し製作するために、溝を正確に測定する必要がある。モータの構成要素の磨耗を測定するために用いられる従来の方法は、より大きなフィーチャを測定するために開発されたものなので、最新の穴部およびシャフトの溝に見られる小さな寸法を測定するには不適当である。
【０００７】
従って、このような欠点を克服し、モータの穴部およびシャフトの溝のような微細なフィーチャの測定を可能にする装置及び方法が必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＥＣＭ工程で製作された流体力学的溝の特性を示し測定するための装置及び方法を提供する。更に、本発明は、これら溝の侵食の特性を示し測定するための装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
穴部の侵食を測定する方法は、触針をゲージ・ピンに対し整合させる段階、ジャーナルの長さをカバーする段階、触針を頂点位置まで移動させる段階、ハブを回転させることにより溝の最小位置を位置決めする段階、ハブをある固定位置まで回転させる段階、第１の端点と第２の端点との間を走査しその間にデータを収集する段階、そのデータに線を当てはめることによってその解析を行う段階、溝中の最も低いピークの位置を決定する段階、及び侵食値を計算する段階を含む。次に、工作物を新しい位置に回転後、この工程を繰り返す。通常、工作物を１２０度づつ回転して測定し、３回の測定を行う。
【００１０】
穴部の侵食を測定するための装置は、整合用ゲージ・ピンと、工作物を支持するシータ・チャックと、シータ・チャック及び工作物を回転軸線の回りに回転させることのできるシータ・ステージと、工作物が回転している間、工作物の表面形状を探るための触針先端部と、触針先端部を支持する触針と、工作物の表面形状に対する触針の応答を測定し、触針の移動方向に沿って触針を移動させ制御するための表面スキャナとを含む。ゲージ・ピンは、測定すべき穴部の直径と実質的に同じ大きさにでき、長さ約２０ｍｍ以上にわたって高さ変化が最大で３０μｍである線に沿った範囲を有する。
【実施例】
【００１１】
本発明は、ＥＣＭ工程によって作製された流体力学的溝の特性を示し測定する装置及び方法を提供する。それに加えて、その溝の侵食の特性を示し測定する装置及び方法を提供する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による、穴部及びシャフトに溝を有する流体力学的モータのランド部（ｌａｎｄ）侵食を測定するために用いられる好ましい諸段階を示す。まず段階１０５で、回転取付具を、その回転軸線が触針の移動方向に一致するように心合せする。次に、段階１１０で、測定における触針移動の両端点を、触針を第１のジャーナルから第２のジャーナルへ移動することによって設定する。第１のジャーナル及び第２のジャーナルは、典型的には１１．８ｍｍのところに設定されている。
【００１３】
次に段階１１５で、触針をモータ設計で決まる頂点位置まで移動する。段階１２０で、触針を固定しハブを回転させることによって、溝の最小（ＭＩＮ）の位置を探し当てる。段階１２５で、ＭＩＮの位置を決定した後ハブを更にθ度回転して、触針の位置をＭＩＮ＋θ度のところに設定する。θの値は、典型的には１２に設定されるものの、溝の数に基づいて決定される。
【００１４】
次に段階１３０で、触針を第１のジャーナル点から第２のジャーナル点まで取付具を横切って動かして表面を走査し、添付の図に示すような表面の輪郭図（ｐｒｏｆｉｌｅ）を作成する。次に段階１３５で、最小２乗近似手法を用いて、頂点領域に最もよく当てはまる線及び元の直径を計算する。次に段階１４０で、最も低いピークの位置を探し、最小２乗近似線から最も低いピークまでの距離を計算する。段階１４５で、このハブの角度に対する半径侵食値（Ｒｉ）を計算する。通常、前の角度から１２０度づつずらしたハブの各角度ごとに１個づつ、計３個の半径侵食値（Ｒｉ）を測定し、３個の値Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３を得る。
【００１５】
次に段階１５０で、ハブをＭＩＮ＋θ＋１２０度の位置まで１２０度回転させる。段階１５５で、ハブがＭＩＮ＋θ＋３６０度を超える位置まで回転したか否かを判定する。段階１５５でハブの位置がＭＩＮ＋θ＋３６０度を超えていないと判定された場合は、段階１３０から段階１５５までを繰り返す。通常、段階１５５により３回の走査が行われ、異なる３つの角度のところで、上記で段階１４５に関して述べたように３つの侵食値Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３が計算される。段階１５０でハブを１２０度回転したが、ハブを例えば３０度や６０度などいかなる量だけ回転してもよい。回転させる量に制約はない。段階１５５でハブの位置がＭＩＮ＋θ＋３６０度を超えていると判定された場合には、段階１６０が実行される。
【００１６】
段階１６０で、３つの測定侵食値Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３を平均しその平均値を２倍することにより総侵食値を計算する。上記で段階１４５〜段階１５５に関して述べたように、３回だけではなくＮ回の走査を行った場合には、測定された侵食値の全ての平均を計算し、それを２倍することにより、総侵食値が求まる（即ち、総侵食値＝Σ（Ｒｉ）ｉ＝１〜Ｎ／Ｎ）。最後に、段階１６５で取付具を取り外す。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態による溝測定装置を示す構成図であり、図には工作物２１０、シータ・チャック２１５、シータ・ステージ２２０、回転軸線２２５、触針先端部２３０、触針２３５、測定器ヘッド２３７、表面スキャナ２４０、及び触針の移動方向２４５が描かれている。工作物２１０は、通常、溝を有するモータ軸又は溝を有するモータ・スリーブ、或いは較正に用いるゲージ・ピンである。シータ・チャック２１５は、輪郭図を描いている間、工作物２１０を確実に装着し保持するために用いられる従来のチャックである。シータ・ステージ２２０は、輪郭図を描くために工作物２１０を指定された位置まで回転させるもので、それには、通常は、工作物２１０を０度から３６０度まで０．１度の最小変位角度で回転させることのできるサーボ・モータやステッパ・モータが含まれる。シータ・ステージ２２０は、通常は工作物２１０の対称軸に一致するように設定される回転軸線２２５の周りに工作物２１０を回転させる。通常、シータ・ステージ２２０は、上記で図１に関して説明したように、走査を実施する３つの異なる向き（０度、１２０度、２４０度）に工作物を動かす。
【００１８】
触針先端部２３０は、触針２３５が回転軸線２２５と同じ方向に沿って移動することによって、工作物２１０の上を動かされる。触針先端部２３０が工作物２１０の上を移動するにつれて、触針２３５は、工作物２１０の表面形状に従って上下に移動する。測定器ヘッド２３７が、触針２３５の移動を検出し、触針２３５の移動に対応する電気信号を生成する。この電気信号が、工作物２１０の表面形状の変化をなぞっている。測定器ヘッド２３７は、圧電性物質を用いて触針２３５の機械的移動を測定し、触針先端部２３０と工作物２１０との間の静電容量の差を測定し、または工作物２１０と触針先端部２３５との間の電子トンネル効果を測定するなど、当分野では公知の方法で電気信号を生成することができる。触針先端部２３０は、触針先端部２３０を保持し駆動すると共に測定器ヘッド２３７への結合をもたらす触針２３５に装着されている。表面スキャナ２４０は、触針２３５及び触針先端部２３０を動かすと共に、表面スキャナ中の電子回路によって生成されたデータを記録し解析するために用いられる従来の表面接触式輪郭描画装置である。表面スキャナ２４０は、通常、回転軸線２２５に平行な触針移動方向２４５に、触針２３５及び触針先端部２３０を駆動する。
【００１９】
図３は、溝を有する流体力学式モータの穴部で実施した典型的な測定の走査線を示す図である。図３には３つの溝しか示されていないが、溝の数に制約はない。通常、実際の溝の数は１０から２０の間を取り得る。走査線３３０の方向が示すように、走査方向は左から右である。走査のより詳細については、図４に関して以下に説明する。走査線３３０は、触針２３５がそれに沿って移動する方向であり、触針移動２４５に対応している。
【００２０】
図４は、元の直径４１０、最低ピーク４１５、頂点４２０、最小２乗近似線４２５、及びＥＣＭ半径侵食値４３０を含む、穴部中の溝の典型的な輪郭を示す。元の直径４１０は、スキャナ２４０が生成したデータであり、穴部溝の侵食パターンの形状を明らかにする。最低ピーク４１５は侵食パターンの最も低い部分を表し、ＥＣＭ半径侵食値４３０の決定に使用される。頂点４２０は、侵食パターンの最高の点を表し、やはりＥＣＭ半径侵食値４３０の決定に使用される。最小２乗近似線４２５は、当業者には公知の最小２乗近似手法を用いて計算する。最小２乗近似線４２５は、頂点と元の直径４１０（平穏領域（Ｑｕｉｅｔ  Ｚｏｎｅ））を用いて計算する。
【００２１】
ＥＣＭ半径侵食値４３０は、頂点及び元の直径（平穏領域）を通る最小２乗近似線４２５と、所与のジャーナル上のＥＣＭ穴部の最低ピークとの間の距離として定義される。ＥＣＭ半径侵食値４３０は、以下の方程式を用いて決定される。
【００２２】
Ｒｉ＝ｉ番目の走査で得られる半径侵食値
【００２３】
Ｎ＝走査回数
【００２４】
Ｒａｖｇ＝Σ（Ｒｉ）ｉ＝１  ｔｏ  Ｎ／Ｎ
【００２５】
ランド部侵食値＝２＊Ｒａｖｇ
【００２６】
図５は、溝を有する流体力学式モータの典型的な走査結果を示す。図５のｘ軸は、１１．８ｍｍの走査長さを示す。走査長さは、通常、５ｍｍから２０ｍｍの間で設定される。走査長さは、測定速度および最小変位の両方が最適になるように選択される。走査長さが長いと、測定に長時間を要し、又、逆も同様である。ｙ軸は、侵食パターンの輪郭深さを表し、したがって、走査長さと輪郭深さを組み合わせると、触針２３５の移動方向に沿った、溝の正確な図が得られる。
【００２７】
図６は、外側穴部の侵食パターン測定の解析及び結果を示す、典型的な走査の別の例である。本発明によれば、図６の走査結果を得るには、先ず、工作物２１０を用いて、表面スキャナ２４０を回転軸線２２５に整合させる。この工作物２１０は穴部直径と同じ大きさを有するゲージ・ピンである。長さ２０ｍｍにわたってゲージ・ピンを走査することにより、整合をとる。走査で得られた輪郭は、両端間の高さの差の最大値が３０μｍ未満の直線でなければならない。シータ軸に関する心合せ（心振れ）は、触針をゲージ・ピンの頂点に置き、ピンを完全に１回転させることにより実施する。回転中、触針の読みは常に一定でなければならない。心合せが終わると、シータ・ステージ２２０に定位置を取らせる。次に、工作物の平らな測定部分が頂点に来て、触針２３５の上辺に平行になるように、測定すべき工作物をシータ・チャック２１５に取り付ける。次に、走査の出発点と穴部の端部との間の移動距離が約１１．９ｍｍになるように、触針２３５を穴部の内側で移動させる。次に、触針を工作物２１０に接触させる。次に、Ｘ及びＺのユーザ座標（ＵＣＳ）をゼロに設定し、工作物を走査する。次に、触針２３５の位置を部品の頂点（例えば２．５ｍｍ位置）に設定し、Ｙステージを穴部の最も低い点まで手動で移動させる。次に、シータ・チャック２１５を、触針インジケータが最低の値を示す、すなわち溝の存在を示す角度まで回転させる。次に、シータ・チャック２１５を約１２度回転させる。この位置を残りの測定に対する０度位置とし、基準点とする。
【００２８】
この時、図５に示すように、ユーザ座標Ｘを１１．８に設定し、Ｚをゼロに設定する。この基準の設定が終われば、走査を行ない、表面輪郭を測定する。輪郭のデータを図６に示す。表面走査が終了すると、データを手動で解析し、Ｚ＝０から最も距離が小さい点として定義される、走査における最高点を見つける。図６に示すデルタＺがＲ１外側穴部（Ｒ１＿Ｏｕｔｅｒ＿Ｂｏｒｅ）である。シータ・ステージ２２０を１２０度回転し、第２の測定位置で、Ｒ２外側穴部（Ｒ２＿Ｏｕｔｅｒ＿Ｂｏｒｅ）と呼ぶ第２の測定値を得るために、同じ測定を行う。シータ・ステージ２２０を更に１２０度回転し、第３の測定値Ｒ３外側穴部（Ｒ３＿Ｏｕｔｅｒ＿Ｂｏｒｅ）を得るために、もう一度測定を行う。最後に、穴部侵食を以下の式を用いて計算する。
【００２９】
Ｒａｖｇ外側穴部＝（Ｒ１外側穴部＋Ｒ２外側穴部＋Ｒ３外側穴部）／３
【００３０】
外側穴部侵食＝Ｒａｖｇ外側穴部＊２
【００３１】
上記で、本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではないことも又、当業者には理解されよう。本発明の上記の様々な特徴や側面は個別にも組み合わせても利用できる。更に、本発明を特定の環境下での特定の応用における実装形態の場合について説明してきたが、本発明の有効性はそれに限られることなく、本発明が限りなく多くの環境下及び実装形態において利用できることが、当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による、穴部及びシャフトに溝を有する流体力学的モータのランド部侵食を測定するために用いられる好ましい諸段階を示すフローチャート。
【図２】本発明の一実施形態による溝測定装置を示すブロック図。
【図３】溝を有する流体力学的モータの穴部に実施した典型的な測定の走査線を示す図。
【図４】半径侵食、頂点、元の直径、及び最も低いピークを含む、穴部溝の典型的な輪郭を示す図。
【図５】溝を有する流体力学的モータの穴部の典型的な走査結果を示す図。
【図６】外側穴部の侵食パターン測定の解析及び結果を示す典型的な走査図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2005534918.tif 000009
2005534918.tif 000010