(57)【要約】【課題】磁気ディスクの高速度化と高トラック密度化の最大の障害となっている空気の励振力によって生じるディスクフラッタを制振することである。特に従来の空気の外乱力の大きさを小さくする手段または空気軸受のばね効果と外部減衰材の減衰力を利用した動吸振器の原理によるのではなく、もっと簡単な手段によってフラッタの振動を制振することである。【解決手段】本願発明のディスクフラッタ制振装置は、１枚または複数枚のディスクをもつディスクスピンドル機構において、最上面または最下面またはその両者のディスク面またはすべてのディスク面の片面に、円周方向と半径方向に広がった部分的に環状の平滑面をもつスクイーズ空気軸受板を０．３ｍｍ以下のすきまでディスク面に対向させて設置固定したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚または複数枚のディスクをもつディスクスピンドル機構において、最上面または最下面またはその両者のディスク面またはすべてのディスク面の片面に、円周方向と半径方向に広がった部分的に環状の平滑面をもつスクイーズ空気軸受板を０．３ｍｍ以下のすきまでディスク面に対向させて設置固定したことを特徴とするディスクフラッタ制振装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気ディスク記憶装置や光ディスク記憶装置の高回転速度化に伴って空気励振されるディスクフラッタ振動を制振する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気ディスク記憶装置は常に高密度化と高速度化が要求されている。特にハイエンド用磁気ディスク装置ではディスク回転速度は１００００ｒｐｍを越え、今後更なる高回転速度条件下で益々の高記録密度化が要求されている。特にトラック密度を向上することが強く要求されているが、ディスク回転速度の増大につれ、ディスク板間の空気流に渦が形成されたり、ディスク周辺の空気が乱れ、ディスクの固有振動を励振してディスクフラッタと呼ばれるディスクの振動が生じ、これがトラックずれの要因になっている。ディスクスピンドルの振動には各種があるが、その中でも特にディスクと軸とが同相または逆相で傾き振動するロッキングアンバランスモードがトラックずれの主要因となっている。トラックずれの原因となるディスクの振動には、転がり軸受から生じる非回転同期振動もある。これを除去するために流体軸受が使用されようとしているが、流体軸受が用いられても空力的に励起されるディスクフラッタを抑圧しなければ流体軸受の利点を生かすことができない。このためディスクフラッタを制振・除去することが近年、高性能磁気ディスク装置を開発するための大きな課題であった。
【０００３】
この解決策として、ディスク面間の空気の渦を除去しディスク外周周辺の空気の乱れを無くすために、ディスク中央のクランプ機構のスペーサリングに穴をあけ、回転時に空気の遠心力を利用して中央部から空気を吹き出させる構造が提案されている。またディスク周辺の密閉カバーをディスク側面に接近させて乱流を防ぐ構造などが提案されていた。更にディスク板間に生じるセル状の渦、これによるヘッドサスペンションのフラッタを防ぐためにスポイラーと呼ばれる部分板をディスク層間に局部的に挿入する方法も提案されている。しかしこれらはディス板の振動を減衰によって抑圧するのではなく、ディスク層間に生じる乱流や渦流の発生を防ぐためであった。またこれらの方法は必ずしも広い周波数領域にわたってフラッタを抑圧できる効果が無かった。一方では減衰の大きいセラミック製ディスク板を使用する案も提案されているが、高価となり生産技術の変更も必要でデメリットが大きかった。
【０００４】
一方近年Ｉ．Ｙ．Ｓｈｅｎらは図１に示すように、ディスクスピンドルの最上面に近接して環状円板６を装置の上カバー７から粘弾性材８を介して支持設定し、動吸振器の原理を用いてディスクスピンドルの振動エネルギーを吸収するフラッタ制振機構を提案している。環状円板とディスク最上面とのすきまは０．６３５ｍｍ程度で、動圧空気軸受を形成し、空気の圧縮性によるばね効果を利用してディスクスピンドルの振動を同調された質量に伝達されるようにしている。彼らは近接した環状円板だけでもディスクフラッタは制振する減衰が生じることを示しているが、これだけでは効果が少ないとして図１の動吸振器構造を提案している。この場合のように、ディスク面に対向する平滑面のすきまが大きすぎて、ディスク振動振幅がすきまの１パーセント以下の場合にはスクイーズ減衰効果はあまり生じないので、動圧軸受として生じるばね効果を利用してディスク振動の加振力を環状円板に伝達し、その振動を粘弾性材で減衰させる方法が有効になる。この動吸振器形制振機構では、ディスクのフラッタの減衰は環状円板とディスクの間の空気膜ではなく、環状円板に伝達した振動を環状円板を支持する粘弾性材で吸収する関係になっている。しかしこの種の制振機構は同調設計と支持減衰材の減衰効果の設計が容易でなく、しかも機構が複雑となる欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記のように磁気ディスクの高速度化と高トラック密度化の最大の障害となっている空気の励振力によって生じるディスクフラッタを制振することである。特に従来の空気の外乱力の大きさを小さくする手段または空気軸受のばね効果と外部減衰材の減衰力を利用した動吸振器の原理によるのではなく、もっと簡単な手段によってフラッタの振動を制振することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のディスクフラッタ制振装置は、ディスク面の片面の半径方向と円周方向に広がった部分環状面領域に、ディスク面に十分接近させてディスク面とほぼ平行な平滑な固定壁面を設置し、ディスク面と固定板面とのすきまにスクイーズ空気軸受原理に基づく減衰効果を形成させたことを特徴とし、以下図面を用いて詳細に説明する。
【発明の効果】
【０００７】
以上幾つかの実施例で述べたように、本発明は一定の円周角度領域と半径方向の幅をもつ部分環状の平滑な面をもつ軸受板をディスク面に０．３ｍｍ以下のすきまでほぼ平行に設置固定したことを特徴とするものであり、スクイーズ空気膜の減衰効果によりディスクフラッタを顕著に制振する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図２、図３は本発明の基本的な実施形態を示す図である。第２図は基本構造の断面図で、１はディスク、２は中心固定軸、３は基板、４はモータ、５は転がり軸受である。１１は本発明の中心をなすスクイーズ空気軸受板、１２はディスク板とスクイーズ空気軸受板のすきまである。また１０は上面カバー、１３は上面カバーと中心固定軸を結合するねじ、１４は複数のディスク板を一定のすきまで固定するためのスペーサリング、１５は側面筐体で、基板３に固定されている。図３は図２のスクイーズ軸受板の形状の特徴を示す外観図で、図２の上面カバー１０、基板３および側面筐体１５などを省略した図である。１６は記録再生ヘッド、１７はヘッド位置決め機構である。
【０００９】
スクイーズ空気軸受板１１の第１の特徴は、ディスク面に対向する面が平滑に加工され、ディスク面とほぼ平行にその周辺部でディスク装置の側面筐体１５に固定されていることである。第２の特徴は、スクイーズ空気軸受板１１とディスク１の最上面とのすきま１２が十分小さく、具体的には０．３ｍｍ程度以下であることである。特にこの点が図１に示した従来技術と異なる効果を生じさせる重要な点であり、このように小さくすることによって、ディスク面に作用する空気膜のスクイーズ減衰力がフラッタを制振させるに十分な大きさにすることができる。スクイーズ空気軸受板１１の第３の特徴は、小さいすきまを形成する軸受面がディスク面の全体でなくディスク面の一部をカバーしていることである。このカバー領域はディスク装置の他の設計条件によっても変わるが、３．５インチディスクの場合、通常円周方向にθ＝６０°〜２７０°の範囲で、半径方向に外周側からｌｘ＝１０ｍｍから２０ｍｍの範囲にある。半径方向の長さはディスクの径に依存し一般に有効半径の１／２程度以下が望ましい。この範囲は大きい方が効果が大きいが、半径方向の内周側にあまり大きくしても、内周側ではフラッタ振幅も小さくなるので減衰効果の増加率が減少するからである。
【００１０】
上記のような形状とディスク面との位置関係をもつスクイーズ空気軸受板１１では、ディスクの振動によってすきま内の空気がディスクの振動によりすきまから出入りし、空気の粘性によってディスクの振動速度に比例した粘性抵抗力がディスクに作用する。この粘性抵抗力は周波数特性を持っているが、５００Ｈｚから数キロＨｚまでの成分をもつフラッタ振動を少なくとも１／２以下に低減するには軸受板とディスク板とのすきま十分小さくすることが重要である。この有効な減衰効果を得るためのすきまは軸受面積が大きいほど大きくて良いが、例えば３．５インチ径ディスクの場合少なくとも０．３ｍｍ以下にしなければならない。また軸受面積が小さくなるに従って更に小さくする必要がある。以下実験と解析によって得られたスクイーズ空気軸受板の基本的な減衰効果を詳細に説明する。
【００１１】
図４は１枚のディスクを９６００ｒｐｍで回転させたとき、固定板が無い場合と、スクイーズ空気軸受板を付けたときのディスク振動の周波数スペクトルの測定結果である。ディスクの振動はスクイーズ空気軸受板の下流近傍で測定した結果であるが、軸受板の近傍上流側でもほぼ等しい。スクイーズ空気軸受板は半径方向の幅ｌｘ＝１５ｍｍ，円周方向の角度θ＝９０°の範囲でディスク面と平行な微小すきまを保つように設置されており、軸受板のすきまをｈ＝５０〜１００μｍの範囲で変化させたときのフラッタ制振効果の実験結果である。この図におけるスペクトルのピークは回転速度の整数倍のものとそれ以外の成分からなる。前者はディスク面のうねりによるものなので本スクイーズ空気軸受板によって振幅は変化しないが、トラックずれの原因にならない。後者のみが空気によってランダムに励起されるディスクフラッタで、トラックずれの主要因となるディスク振動成分である。この図から分かるように、スクイーズ空気軸受板１１が無い場合には、空気流の外乱力により０．５ｋＨｚ〜２．５ｋＨｚの領域でディスクの各種固有振動が励振されているが、すきまｈ＝５０μｍの場合には、全てのフラッタ成分がほぼ完全に制振されている。すきまｈ＝１００μｍ程度になると制振効果が弱まるが、最も周波数が小さい５００Ｈｚ近傍の成分を除けば、振動振幅はほぼ１／１０に低減している。これらの図から本発明のスクイーズ空気軸受効果を利用したディスクフラッタ制振装置は顕著な効果があることが明らかである。本制振装置を付けたディスクの振動はスクイーズ空気軸受板１１の近傍が最も振動が抑圧されるので実際のディスク装置への適用に際しては、図３に示すように、ヘッド位置決め機構１７をさけて、記録再生ヘッド１６に近い位置に設置するのが最も効果的である。しかしスクイーズ空気軸受板１１から最も離れた角度位置のディスクフラッタも振動モードの性質からして十分制振されるので軸受板の設置場所は他の設計条件により決定すればよい。
【００１２】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、軸受板の長さを円周角でθ＝９０°相当とし、その幅をｌｘ＝１５ｍｍおよび１０ｍｍの場合の矩形スクイーズ軸受における単位幅当たりのスクイーズ減衰力Ｆ／α＝Ｃｓω（Ｆは減衰力、αはディスク振動振幅、Ｃｓは減衰係数、ωは角周波数）の理論解析結果である。パラメータはスクイーズ空気膜厚さ即ちディスク面と軸受板とのすきまｈである。減衰力Ｃｓωが周波数に比例的に増大する領域は減衰係数が一定となる周波数領域であり、このとき空気膜は主として減衰力が支配的となる。しかし図５（ａ）のｈ＝４０〜５０μｍの場合のように、すきまが小さくなり、且つ周波数が高くなる領域では減衰力は飽和して空気の圧縮性のため空気膜の減衰効果は減り、代わりにばねの効果が支配的となってくる。本発明は減衰力が周波数に比例する領域を利用することを特徴とし、よってディスクと軸受板とすきまはあまり小さすぎても効果を発揮できない。この図からｌｘ＝１５ｍｍの場合、数ｋＨｚ以下のディスクフラッタ振動を低減するにはすきまｈ＝４０μｍ程度が最適である。幅が大きくなればこの減衰効果が最大となるすきまは比例的に大きくできる。実際には組立公差のの関係からすきまを５０μｍ以下にすることは困難で、またすきまを小さくすると空気膜の粘性力のため駆動トルクが大きくなる。単板ディスクを用いた実験によれば、ｌｘ＝１５ｍｍ、θ＝１８０°の最も面積の大きい軸受板をすきま４０μｍで設定したときの駆動モータの電流の増大量は１０％程度であった。しかし実際の磁気ディスク装置ではカバーや側壁に囲まれているので軸受板による駆動トルクの増大はもっと大きくなると予想される。したがって実用化に際しては、フラッタ振動の減衰効果と駆動トルク増大とのトレードオフおよび組立精度を考慮してすきまが決定される。
【００１３】
スクイーズ空気軸受板の面積一定条件下において減衰効果を最大にするには、軸受面の幅ｌｘと円周角θの何れを大きくすべきかについては、図５（ａ）および５（ｂ）から推測できる。これらの図において振動の周波数が２ｋＨｚですきまｈ＝５０μｍの場合に注目すれば、単位振幅当たりの減衰力Ｆ／α＝Ｃｓωは、ｌｘ＝１５ｍｍおよび１０ｍｍのときそれそれＦ／α＝３Ｎ／ｍおよび１Ｎ／ｍとなっている。即ち軸受面の幅を１．５倍大きくすれば、減衰力は３倍となっている。この理由は、帯状のスクイーズ空気軸受面の場合、減衰力はスクイーズ数σ＝１２μωｌｘ２／ｈ２（μは空気の粘性係数）と軸受面積ｌｘθの積に比例するからである。即ち減衰力は軸受幅ｌｘの３乗に比例し、円周角θに比例する。従ってディスクフラッタの減衰効果を高めるには、軸受面の狭い方の幅ｌｘを大きくした方が円周角長さθを大きくするより効果的である。ただしディスクのフラッタ振動の振幅は半径位置が小さい領域では小さくなるので、軸受面の外周からの幅ｌｘをあまり大きくしても制振効果の増大は望めない。３．５インチディスク装置の場合にはディスクを固定する内半径は約１５ｍｍで、有効ディスク面半径は約３０ｍｍであるから適当な軸受幅ｌｘは２０ｍｍ程度までであろう。一般的には、ディスクの固定ハブから外側の有効半径の１／２程度が適当である。
【００１４】
図４の実験結果からフラッタ制振効果は周波数が高い成分の方が大きく、最も制振効果が小さいのは、最低次の周波数の０．５ｋＨｚ近傍のノード円零、ノード直径１のモードであり、これがトラックずれの要因の一つであるロッキングアンバランス１次モードの後ろ回り成分である。そこで最も制振されにくい最低次のフラッタ振動成分に注目して、軸受幅をｌｘ＝１０ｍｍ，１５ｍｍと円周角をθ＝９０°，１８０°のそれぞれ２水準ずつ変えた４種類のスクイーズ空気軸受板について、軸受板がある場合の振動振幅のスクイーズ空気軸受板が無い場合の振幅との比（振幅低減比）をすきまの関数として示したのが図６である。図６は回転速度が９６００ｒｐｍの場合であり、パラメータは何れも軸受面の大きさの違いである。これらの図から分かることは、一般に軸受面積が大きい方が制振効果が大きいが、特に円周角θを２倍にするより幅ｌｘを１．５倍にした方が制振効果が大きく、これは図５（ａ）および５（ｂ）で示した減衰効果の性質と一致している。この図から、すきまｈ＝１００μｍにおいても、ｌｘ＝１５ｍｍ，θ＝１８０°ではフラッタは約１／１０、ｌｘ＝１０ｍｍ，θ＝９０°でも１／５に低減されており、本発明のスクイーズ空気軸受板の顕著な制振効果が明らかである。ディスクと軸受板面とのすきまを大きくすると制振効果はすきまにほぼ逆比例して減少しており、よってすきまはｈ＝０．２ｍｍ程度でも軸受面積を比較的大きく選ぶことによってフラッタ振動振幅を１／５程度には制振できる。この図には示していないが実験に用いた最も面積の大きいｌｘ＝１５ｍｍ，θ＝１８０°の軸受板の場合、ｈ＝０．３ｍｍのとき振幅低減比は０．５８、ｈ＝０．３７ｍｍのとき０．７８であった。これからフラッタ振動振幅を少なくとも１／２に小さくするには比較的軸受面積が大きい場合でもすきまが０．３ｍｍ以下とする必要があり、駆動トルク条件が許せば一般に軸受すきまは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲が望ましいと考えられる。
【００１５】
以上述べたように本発明のスクイーズ空気軸受板からなるディスクフラッタ制振装置は、従来のスタビライザーのようにディスク板間の空気の乱れを緩和し励振力を低減するものではなく、また動吸振器によるものでもなく、スクイーズ空気膜の減衰力をディスク面に直接作用させることによってディスクフラッタ振動を制振するものであり、従来とは異なる新たな効果を利用したものである。フラッタ振幅が１／２以下となる減衰効果を得るには図６から、スクイーズ空気軸受の空気膜の厚さｈは０．３ｍｍ以下であることが必要である。またスクイーズ空気軸受面の大きさは、すきまが０．１ｍｍなら幅は外周側から１０ｍｍ以上あればよくまた円周角は６０°程度以上あれば振幅低減比は１／３以下が得られる。一方軸受面は半径方向にあまり大きくしてもその効果の増加率は減少するので、軸受面の幅はディスクの有効半径の１／２程度で円周角は９０°から１８０°の範囲が適当である。ただしこれらの値はフラッタ振動を十分減衰するため減衰力を生じさせるための部分環状軸受面寸法の推奨値を示しただけであり、本発明は厳密な軸受面形状やその細かい寸法を規定するものではない。例えば図７に示す構造は、厳密な部分環状面ではなく、ディスクによって引き起こされる空気流を乱さないように、スクイーズ空気軸受板の上流側や下流側の内半径側の端を一部除去し、且つなめらかな傾斜面１８を形成したものである。この場合でもスクイーズ減衰効果を有効に発生するための条件としてすきまを０．３ｍｍ以下にする必要がある。
【００１６】
図２、３および７に示したスクイーズ空気軸受板の減衰効果を利用したディスクフラッタ制振装置はディスク板が２枚の場合の実施例であるが、ディスク板が１枚でも３枚以上でも適用できる。一般にトラックずれの主要因となるフラッタはロッキングアンバランスモードと呼ばれる全てのディスク板と中央部の軸部が同相又は逆相に運動する振動モードであり、この振動は最上部の１枚のディスクに減衰力を作用させることによって制振することができる。
【実施例】
【００１７】
本発明のフラッタ制振装置は幾つかの他の実施例が考えられる。図８は複数枚のディスク１ａから１ｅの最も下のディスク１ｅの下面のみにスクイーズ空気軸受板１１を設置した場合である。軸受板１１は基板３に直接固定することができるので図２、３の実施例より実用化しやすい。
【００１８】
図９は最上ディスク１ａと最下ディスク１ｅの２枚にスクイーズ空気軸受板１１ａおよび１１ｂを設置した実施例である。この場合、ロッキングアンバランスモードのフラッタに対する減衰効果を図８の実施例の２倍に高めることができる。
【００１９】
一方、ディスクスピンドルの各ディスク面の一対が対称に振動するバランスモードの振動もトラックずれの原因となる場合には、図１０に示すように、それそれのディスク面１ａから１ｅに対向させて各ディスク面のいずれかの片面側にスクイーズ軸受板１１ａから１１ｅを設置する構成が重要になる。ここで軸受板は空気の外乱力によって自ら振動を励起しない程度に厚く、且つ不必要に厚くしないことが望ましい。軸受板の推奨できる厚さは幅の大きさによっても異なるが、通常１ｍｍ程度であればよい。また軸受板がディスク板間の空気の流れを乱さないように軸受板の縁を、流線型形状１９とすることが望ましい。この図では軸受板の半径方向の自由縁が流線型で示されているが、ディスク内の円周方向の流れに対する前縁と後縁も同様に流線型形状となっている。なお、図１０ではディスク上面に軸受板が設置されているが、ディスクの下面に設置しても良いことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のフラッタ制振装置の代表例を示す断面図である。
【図２】本発明のフラッタ制振装置の基本構造を示す断面図である。
【図３】図２のカバー、基板および側板を除去した外観図
【図４】本発明のスクイーズ軸受板のフラッタ減衰効果を示す実験データ
【図５】矩形スクイーズ軸受理論によるスクイーズ減衰力の周波数特性
【図６】各種のスクイーズ空気軸受によるフラッタ制振効果の実験値
【図７】本発明のフラッタ制振装置のスクイーズ軸受板の他の形状例
【図８】本発明のフラッタ制振装置の他の実施例
【図９】本発明のフラッタ制振装置の他の実施例
【図１０】本発明のフラッタ制振装置の他の実施例
【符号の説明】
【００２１】
１  ディスク
２  中心固定軸
３  基板
４  モータ
５  転がり軸受
６  環状円板
７  上カバー
８  粘弾性材
９  固定ねじ
１０  上面カバー
１１  スクイーズ空気軸受板
１２  すきま
１３  ねじ
１４  スペーサリング
１５  側面筐体
１６  記録再生ヘッド
１７  ヘッド位置決め機構
１８  傾斜面
１９  流線型形状
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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