(57)【要約】【課題】スピンドルモータの振動特性の予測精度を高め、結果を図表化して解析を容易にし、設計、生産の能率を向上させる。【解決手段】ディスク、ロータ、ベースプレートまでを含めて弾性体として取り扱い、ロータの運動方程式を定式化し、更に、電磁励振力を計算で求め、振動応答を計算することで、高精度の振動特性予測を実現する。結果をキャンベル線図表示して解析を容易にする。この技術を、設計から製造に至る過程に適用し、設計能率を高め、能率的な製造を可能にする。【選択図】              図１
2004219121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録ディスクの取り付け部分を有するロータと、シャフトと、スリーブと、シャフト及びスリーブを相対的に回転可能に支持する軸受機構と、ベースプレートと、ベースプレート上に設置されたステータと、前記ロータの周面に前記ステータに対向して設置されたロータマグネットと、
を構成要素として有し、
実使用時には前記ロータに記録ディスクがその内周縁付近で固定して取り付けられるスピンドルモータに対して、
少なくとも前記記録ディスク及び前記ロータ及び前記ベースプレートは弾性体として取り扱い、前記スピンドルモータが所定の回転速度にて回転している条件の下で、ロータの運動方程式を定式化し、固有値問題を解くことにより固有振動数及び固有モードを計算し、
前記ステータ及び前記ロータマグネットについて前記ステータとロータマグネットとの間の相対的な偏心と傾き及び軸方向のずれを各々仮定し、
その条件下で該ステータに駆動電流を通電することで生ずる電磁励振力を計算し、
該電磁励振力をスピンドルモータを加振する外力とし、
該外力によって生ずる前記記録ディスク及び前記ロータの振動の周波数応答を、前記固有振動数及び固有モードを利用して計算する、
スピンドルモータの振動特性推定方法。
【請求項２】
記録ディスクの取り付け部分を有するロータと、シャフトと、スリーブと、シャフト及びスリーブを相対的に回転可能に支持する軸受機構と、ベースプレートと、ベースプレート上に設置されたステータと、前記ロータの周面に前記ステータに対向して設置されたロータマグネットと、
を構成要素として有し、
実使用時には前記ロータに記録ディスクがその内周縁付近で固定して取り付けられるスピンドルモータに対して、
少なくとも前記記録ディスク及び前記ロータ及び前記ベースプレートは弾性体として取り扱い、前記スピンドルモータが所定の回転速度にて回転している条件の下で、（数１）の固有値問題を解くことにより固有振動数及び固有モードを計算し、
前記ステータ及び前記ロータマグネットについて前記ステータとロータマグネットとの間の相対的な偏心と傾き及び軸方向のずれを各々仮定し、
その条件下で該ステータに駆動電流を通電することで生ずる電磁励振力を計算し、
該電磁励振力をスピンドルモータを加振する外力とし、
該外力によって生ずる前記記録ディスク及び前記ロータの振動の周波数応答を（数２）によって計算する、
スピンドルモータの振動特性推定方法。
【数１】
2004219121.tif 000033
【数２】
2004219121.tif 000034
ただし、
Ｍ１        ；  ｉｎｅｒｔｉａ  ｍａｔｒｉｘ
Ｇ１        ；  ｇｙｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｍａｔｒｉｘ
Ｃ１        ；  ｄａｍｐｉｎｇ  ｍａｔｒｉｘ
Ｋ１        ；  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ｍａｔｒｉｘ
Ｈ１        ；  ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒｙ  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ｍａｔｒｉｘ
【数３】
2004219121.tif 000035
Ｒｘ  ，  Ｒｙ     ；  重心の並進
θｘ  ，θｙ        ；  重心回りの回転
ｑｍｎ（ｉ）（Ｉ＝１，２，…．，Ｎ）    ；  ディスクの固有モード
【数４】
2004219121.tif 000036
ｓａｘ  ，  ｓａｙ  ，  ｓｂｘ  ，  ｓｂｙ ； ロータの変位
ｄａｘ  ，  ｄａｙ  ，  ｄｂｘ  ，  ｄｂｙ ；  ベースプレートの変位
【請求項３】
請求項１又は２に記載の振動特性推定方法によって計算される周波数応答について、
該周波数応答の計算結果に影響を及ぼす前記スピンドルモータ又は前記ディスクの物理的条件を一つ以上選択し、
該物理的条件を周波数応答計算におけるパラメータとして複数条件変化させつつ複数個の周波数応答を計算し、
各計算結果を前記パラメータを特定する情報と関連付けて各々記録する、
スピンドルモータの振動特性推定方法。
【請求項４】
スピンドルモータの振動特性推定結果をグラフに表示する方法であって、
該グラフは少なくとも二つの独立な座標軸を有し、
振動の周波数はグラフの一方の座標軸で表され、
前記パラメータはグラフの他方の座標軸で表され、
二つの座標軸によって定まる座標に、請求項３に記載の性能推定方法によって計算された複数個の周波数応答の振動の振幅が円などの図形の大きさによって表され、
なおかつ、
特定の振動成分がグラフから除去され又は極小化され、或いは特定の振動成分のみが抽出して残されている、
事を特徴とする、スピンドルモータの振動特性推定結果の表示方法。
【請求項５】
前記パラメータはスピンドルモータの回転速度である点を特徴とする、請求項４に記載のスピンドルモータの振動特性推定結果の表示方法。
【請求項６】
少なくとも、スピンドルモータの定格回転速度における振動状態を請求項１乃至５の方法によって明らかにし、
この情報を利用して、スピンドルモータの設計を修正する点を特徴とする、スピンドルモータの設計方法。
【請求項７】
少なくとも以下の６つのステップを含む、スピンドルモータの製造方法。
ステップ１：スピンドルモータの設計を一つ以上与える。
ステップ２：与えられた設計について、スピンドルモータの振動特性を請求項１乃至５の方法を利用して推定する。
ステップ３：振動特性の推定結果に基づいて、試作に供する設計を選別する。
ステップ４：選別された一つ以上の設計に基づいて、各々スピンドルモータを試作する。
ステップ５：試作したスピンドルモータの振動特性を実測し、その測定値に基づいて、製造に供する設計を確定する。
ステップ６：振動特性の推定と試作を経て確定した設計に基づいて、スピンドルモータを製造する。
ステップ７：ステップ６に至るまでに検討対象となる設計がなくなった場合は、新たな設計、または修正を加えられた設計を与えて、再度２から６のステップを実行する。
【請求項８】
請求項１乃至３の振動特性推定方法によって得られた周波数応答を基に、前記スピンドルモータが空間に放出する音響インテンシティ、音場を求め、空間の騒音をキャンベル線図表示する騒音特性計算方法。
【請求項９】
請求項８の方法で得られるスピンドルモータ周囲の騒音を、複数の異なる前記回転速度について計算し、その計算結果をキャンベル線図表示することを特徴とする、スピンドルモータ周囲の騒音特性表示方法。
【請求項１０】
請求項６の方法によって設計したスピンドルモータを搭載する点を特徴とする、ハードディスク装置。
【請求項１１】
請求項７の方法によって製造したスピンドルモータを搭載する点を特徴とする、ハードディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスク記録装置などに用いられるスピンドルモータの、振動特性の推定方法、発生する騒音の推定方法、これら推定結果の表示方法、該スピンドルモータの設計方法、及び、該スピンドルモータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク装置に代表されるディスク記録装置は、コンピュータの能力向上に伴って急ピッチで記録容量を増しており、ディスク記録面の単位面積あたりの記録密度も急激に高まっている。これに伴って、スピンドルモータに対する要求も厳しさを増しており、高い記録密度に対応する為に、磁気ヘッドの位置決め不良やディスクへの情報の読み書きエラーの原因となるディスクの振動についても、一層の低減が求められている。
【０００３】
流体動圧軸受の採用は、そのための有力な技術であって、軸受の振動・騒音が小さく、近年スピンドルモータへの適用が急激に拡大している。しかし、軸受の振動・騒音が小さくなった結果、これまでは玉軸受の振動・騒音の陰に隠れていた電磁振動・電磁騒音が顕著になっている。そして、電磁振動・電磁騒音を低減して一層の性能向上を実現することが求められている。
【０００４】
このような性能向上の試みの一つとして、特許文献１には、振動の測定データをキャンベル線図表示する方法が記載されている。この発明によれば、スピンドルモータの振動を実測したデータの内、注目する部分のみをキャンベル線図表示することが可能である。
【０００５】
また、非特許文献１には、ディスク、ロータ、軸受、及びベースから構成されるスピンドルモータに対して、ディスク及びロータの弾性を考慮し、軸受をバネとダンパで表現したモデルにより共振周波数や振幅を計算した例が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−０７４５４７号公報
【非特許文献１】
Ｈａｓｅｇａｗａ，  Ｔｏｍｏｈｉｒｏ  ｅｔ  ａｌ．  ”Ｄｙｎａｍｉｃ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｄｉｓｋ−Ｓｐｉｎｄｌｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ．”  Ａｓｉａ−Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２００２    Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｓｉａ−Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２００２，  ＵＳＡ，  ＩＥＥＥ，  Ａｕｇ，２００２，  ｐ．ＡＡ１−０１．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、スピンドルモータの振動をシミュレーションによって推定することは、部分的にではあるが可能になってきている。しかしながら、対象となる周波数が１ｋＨｚを越えるような高次の振動モードについては、非特許文献１の手法では計算値が実測と一致しなくなる。すなわち、従来は、設計や製造の効率化に寄与するだけの精度を有する計算方法は、存在していなかった。
【０００８】
更に、周波数応答は、単に計算できるだけでなく、回転速度の変化に伴うピークの周波数や振幅の推移などを可視化し、キャンベル線図表示などによって図表化し、対象の振動特性全般を容易に把握できなければならない。しかし、十分な精度で周波数応答を計算し、その上で適切に図表化する手法はこれまで存在しなかった。
【０００９】
以上のような状況に鑑み、本願発明が解決を図る課題は、スピンドルモータの設計や製造の効率化に実際に寄与できるだけの精度を有する振動特性推定方法、及び振動特性を表示する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、請求項１の発明では次の振動特性推定方法を提案する。この方法において、スピンドルモータは、記録ディスクの取り付け部分を有するロータと、シャフトと、スリーブと、シャフト及びスリーブを相対的に回転可能に支持する軸受機構と、ベースプレートと、ベースプレート上に設置されたステータと、ロータの周面にステータに対向して設置されたロータマグネットと、を構成要素として有している。そして、実使用時にはロータに記録ディスクがその内周縁付近で固定して取り付けられるものである。このようなスピンドルモータについて、少なくとも記録ディスク及びロータ及びベースプレートは弾性体として取り扱い、スピンドルモータが所定の回転速度にて回転している条件の下で、ロータの運動方程式を定式化し、固有値問題を解くことにより固有振動数及び固有モードを計算する。更に、ステータ及びロータマグネットについてステータとロータマグネットとの間の相対的な偏心と傾き及び軸方向のずれを各々仮定し、その条件下でステータに駆動電流を通電することで生ずる電磁励振力を計算し、この電磁励振力をスピンドルモータを加振する外力とし、外力によって生ずる記録ディスク及びロータの振動の周波数応答を、前記固有振動数及び固有モードを利用して計算することで、スピンドルモータの振動特性を推定する。
【００１１】
請求項２の発明では、次の振動特性推定方法を提案する。この方法において、スピンドルモータは、記録ディスクの取り付け部分を有するロータと、シャフトと、スリーブと、シャフト及びスリーブを相対的に回転可能に支持する軸受機構と、ベースプレートと、ベースプレート上に設置されたステータと、ロータの周面にステータに対向して設置されたロータマグネットと、を構成要素として有している。そして、実使用時にはロータに記録ディスクがその内周縁付近で固定して取り付けられるものである。このようなスピンドルモータについて、少なくとも記録ディスク及びロータ及びベースプレートは弾性体として取り扱い、スピンドルモータが所定の回転速度にて回転している条件の下で、先に示した（数１）の固有値問題を解くことにより固有振動数及び固有モードを計算する。更に、ステータ及びロータマグネットについてステータとロータマグネットとの間の相対的な偏心と傾き及び軸方向のずれを各々仮定し、その条件下でステータに駆動電流を通電することで生ずる電磁励振力を計算し、その電磁励振力をスピンドルモータを加振する外力とし、外力によって生ずる記録ディスク及びロータの振動の周波数応答を先の（数２）によって計算することで、スピンドルモータの振動特性を推定する。
【００１２】
請求項３の発明では、次の振動特性推定方法を提案する。請求項１又は２に記載の振動特性推定方法によって計算される周波数応答について、周波数応答の計算結果に影響を及ぼすスピンドルモータ又はディスクの物理的条件を一つ以上選択し、物理的条件を周波数応答計算におけるパラメータとして複数条件変化させつつ複数個の周波数応答を計算する。そして、各計算結果をパラメータを特定する情報と関連付けて各々記録する。
【００１３】
請求項４の発明では、振動特性推定結果をグラフに表示する、次の方法を提案する。グラフは少なくとも二つの独立な座標軸を有している。振動の周波数はグラフの一方の座標軸で表され、パラメータはグラフの他方の座標軸で表される。二つの座標軸によって定まる座標に、請求項３に記載の性能推定方法によって計算された複数個の周波数応答の振動の振幅が円などの図形の大きさによって表される。そして更に、特定の振動成分がグラフから除去され又は極小化され、或いは特定の振動成分のみが抽出して残されて表示される。
【００１４】
請求項５の発明では、請求項４におけるパラメータがスピンドルモータの回転速度である、振動特性推定結果をグラフに表示する方法を提案する。
【００１５】
請求項６の発明では、少なくとも、スピンドルモータの定格回転速度における振動状態を請求項１乃至５の方法によって明らかにし、この情報を利用して、スピンドルモータの設計を修正する、スピンドルモータの設計方法を提案する。
【００１６】
請求項７の発明では、次の製造方法を提案する。その方法は、少なくとも次の６つのステップを含む。ステップ１：スピンドルモータの設計を一つ以上与える。ステップ２：与えられた設計について、スピンドルモータの振動特性を請求項１乃至５の方法を利用して推定する。ステップ３：振動特性の推定結果に基づいて、試作に供する設計を選別する。ステップ４：選別された一つ以上の設計に基づいて、各々スピンドルモータを試作する。ステップ５：試作したスピンドルモータの振動特性を実測し、その測定値に基づいて、製造に供する設計を確定する。ステップ６：振動特性の推定と試作を経て確定した設計に基づいて、スピンドルモータを製造する。ステップ７：ステップ６に至るまでに検討対象となる設計がなくなった場合は、新たな設計、または修正を加えられた設計を与えて、再度２から６のステップを実行する。
【００１７】
請求項８の発明では、請求項１乃至３の振動特性推定方法によって得られた周波数応答を基に、スピンドルモータが空間に放出する音響インテンシティ、音場を求め、空間の騒音をキャンベル線図表示する騒音特性計算方法を提案する。
【００１８】
請求項９の発明では、請求項８の方法で得られるスピンドルモータ周囲の騒音を、複数の異なる回転速度について計算し、その計算結果をキャンベル線図表示することを特徴とする、スピンドルモータ周囲の騒音特性表示方法を提案する。
【００１９】
請求項１０の発明では、請求項６の方法によって設計したスピンドルモータを搭載する点を特徴とする、ハードディスク装置を提案する。
【００２０】
請求項１１の発明では、請求項７の方法によって製造したスピンドルモータを搭載する点を特徴とする、ハードディスク装置を提案する。
【００２１】
以下、これらの手段によって課題が解決される理由を説明する。
【００２２】
本願発明では、スピンドルモータの周波数応答を計算するに際して、記録ディスクや、ロータに加えて、すくなくとも、ベースプレートも弾性体として取り扱う。各部品を弾性体として取り扱うことでスピンドルモータの振動計算の精度が向上することは、従来から予想されており、例えば非特許文献１にも記載されている。
【００２３】
しかし、非特許文献１の記載からも明らかなように、現実には、ベースプレートを剛体として計算しても、実測値と良く一致した周波数応答を得ることができる。加えて、ベースプレートを弾性体として取り扱うことは手間がかかる。これらの理由によって、この種のスピンドルモータのシミュレーションにおいては、従来、ベースプレートを弾性体として扱った実用的な検討例は無かった。
【００２４】
本願発明者は、１ｋＨｚ以上の高次振動モードの計算精度向上を目指して種々の検討を行い、その中から、この条件下での精度確保の為には、ベースプレートを弾性体として考慮し、運動方程式を定式化することが必須の要件であり、計算精度を飛躍的に高められることを見出した。
【００２５】
また、計算結果をスピンドルモータの性能向上に活かすには、計算結果をキャンベル表示するだけでは必ずしも十分とは言えず、振動特性の計算とその表示とをシステムとして一体化して作業性を高めなければ、実際の設計作業に当たっては効果が限られる事も明らかになった。本願発明はこれらの知見に基づくものである。
【００２６】
請求項１に記載の発明では、ベースプレートを含めて弾性体として取り扱って振動を計算する。また、ステータとロータマグネットとの間の相対的な偏心と傾き、及び軸方向のずれを与え、その際に生ずる電磁励振力を、スピンドルモータを振動させる外力として扱う。
【００２７】
請求項２に記載の発明では、（数１）及び（数２）を利用して、振動を計算する。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、パラメータを変化させつつ周波数応答を計算し、振動周波数とパラメータによって、一つの振動状態が指定されるような、２次元のデータ配列を実現する。パラメータとしては、回転速度の他に、スピンドルモータが駆動する時間、温度、等であっても良い。また、目的によっては、回転速度と温度といったような異なる物理量を一連    のパラメータの中に含めて計算しても良い。更に、スピンドルモータの一連の設計や、部品のサイズなどをパラメータとすることも可能である。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項３の方法で生成した２次元のデータ配列について、一定の加工を施してキャンベル線図表示することが出来る。この方法によれば、データ配列中に含まれる、特定の振幅の大きな成分を除去、或いは極小化して微小振動を可視化することが可能である。
【００３０】
請求項５に記載の発明では、スピンドルモータの回転速度に対する振動応答の変化をグラフ化する。
【００３１】
請求項６に記載の発明では、請求項１乃至５の方法で把握したディスクの振動状況を元に、スピンドルモータの設計に変更を加える。
【００３２】
請求項７に記載の発明では、請求項１乃至３の方法を利用することで、効率的にスピンドルモータを製造する。この発明においては、まず、候補となる一つ以上の設計について、請求項１及び５の方法を利用して振動特性を推定し、試作に供する設計を選別する。そして、試作品の性能を実測して、本当に狙いの性能が得られているか否かを確認し、最終的に製造に供する設計を絞り込む。従来は、製造開始までに多数回の試作を繰り返さざるを得なかった。なお、請求項１乃至３の発明を利用する際には、請求項４及び５に開示した表示方法を併用しても良い。
【００３３】
請求項８に記載の発明では、請求項１又は２の方法により、スピンドルモータが周囲の空間に放出するおける音響インテンシティを求める。
【００３４】
請求項９の発明によれば、請求項８の方法で求めた音圧分布について、キャンベル線図を作成する。
【００３５】
請求項１０の発明によれば、ハードディスク装置の重要部品であるスピンドルモータの信頼性が高まり、発生する騒音も減少する。
【００３６】
請求項１１の発明によれば、ハードディスク装置の重要部品であるスピンドルモータの開発から製造に至る過程が迅速かつ確実になる。開発コストが低減されるため、低価格での供給が可能になる。スピンドルモータが発生する騒音も減少する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の計算方法について、図１、図３、図８および（数６）から（数３４）までの数式を用いて、その原理を解説する。
【００３８】
図３に、一般的なスピンドルモータの構造を示す。スピンドルモータ１は、ロータ１００、軸受機構１０７，１０８、及びベース１０３を構成要素としている。図３はシャフト回転型のスピンドルモータであるが、この場合ロータ１００は、シャフト１０１、及び図８に図示されるディスク１８などから構成される。ロータ１００は、軸受機構１０７，１０８を介してスリーブ１０２によって支持される。スリーブ１０２はベース１０３に固定されており、ステータ１０４も同様にベース１０３に固定されている。
【００３９】
軸受機構１０７、１０８においては、シャフト外周若しくはスリーブ内周にへリングボーン形状の動圧発生溝が形成されており、シャフト外周とスリーブ内周の間隙に保持される潤滑剤と共に、動圧軸受が構成されている。
【００４０】
このような構成を有するスピンドルモータは、図１の様にモデル化することが出来る。図中で、（１）はロータ部分で、軸受機構（２）を介して、ベース（３）によって支えられている。
【００４１】
（２）の軸受機構部分は、バネ要素ｋとダンパ要素ｃによって構成されており、これらの係数を変えることで、動圧軸受機構や玉軸受機構等の、軸受機構ごとの特性の違いを再現することが出来る。
【００４２】
スピンドルモータの構造としては、図３に示したシャフト回転型の他に、シャフトがベースに固定され、軸受機構を介してロータがその周りを回る、シャフト固定型などがあるが、そのような構造上の差は、このモデルでは、（３）のベース部分や、（１）のロータ部分の剛性や質量、慣性モーメントの違いとして表現される。
【００４３】
図１において、重心の並進と回転をＲｘ，  Ｒｙ，θｘ，θｙとし、ディスクの固有モードをｑｍｎ（ｉ）（Ｉ＝１，２，…．，Ｎ）とする。ここで、ｍとｎはディスクモードの節円と節直径の数である。また、ｓａｘ  ，  ｓａｙ  ，  ｓｂｘ  ，  ｓｂｙ  はロータの変位であり、ｄａｘ  ，  ｄａｙ  ，  ｄｂｘ  ，  ｄｂｙ  はベースプレートの変位を表す。
【００４４】
ディスク（ｍ，１）モードと重心点、及び軸受部について、自由振動の運動方程式は次式となる。
【００４５】
【数５】
2004219121.tif 000003
ここで、（数５）のＭ１，  Ｇ１，  Ｃ１，  Ｋ１，  Ｈ１はそれぞれ、
Ｍ１    ；  ｉｎｅｒｔｉａ  ｍａｔｒｉｘ
Ｇ１    ；  ｇｙｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｍａｔｒｉｘ
Ｃ１    ；  ｄａｍｐｉｎｇ  ｍａｔｒｉｘ
Ｋ１    ；  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ｍａｔｒｉｘ
Ｈ１    ；  ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒｙ  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ｍａｔｒｉｘ
また、
【数６】
2004219121.tif 000004
【数７】
2004219121.tif 000005
である。ここで、（数５）を整理すると、
【数８】
2004219121.tif 000006
となる。系の固有振動数、及び固有モードは（数８）の固有値問題を解くことにより得ることができる。なお、重心のアキシャル方向の運動とディスク（０，  ｎ）モードとの連成、及びディスクモード  （ｎ≧２）  についても同様にモデル化することが可能であるが、ここでは省略する。また、外力をＦ０（ｓ）とすると、周波数応答は次式となる。
【００４６】
【数９】
2004219121.tif 000007
ここで、ｓ  はラプラス演算子で、ｓ  ＝  ｊωである。
【００４７】
（数５）乃至（数８）におけるＭ１、及びＧ１は、
【数１０】
2004219121.tif 000008
【数１１】
2004219121.tif 000009
ただし、
Ｍ    ；  ｔｏｔａｌ  ｍａｓｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉｓｋ／ｓｐｉｎｄｌｅ  ｓｙｓｔｅｍ
Ｉ１    ；  ｄｉａｍｅｔｒａｌ  ｍｏｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉｓｋ／ｓｐｉｎｄｌｅ  ｓｙｓｔｅｍ
Ｉ３    ；  ｐｏｌａｒ  ｍｏｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｎｅｒｔｉａ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉｓｋ／ｓｐｉｎｄｌｅ  ｓｙｓｔｅｍ
Ｉ１ｄ    ；  ｄｉａｍｅｔｒａｌ  ｍｏｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｎｅｒｔｉａ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉｓｋ
ω３    ；  ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｓｐｅｅｄ
である。またａｍは、
【数１２】
2004219121.tif 000010
と表すことができる。ここで、ｒ  はディスクの半径方向における位置を示しており、ｒｏ  、ｒｉ  はそれぞれディスクの外径、内径である。ただし、
【数１３】
2004219121.tif 000011
【数１４】
2004219121.tif 000012
【数１５】
2004219121.tif 000013
Ｊｎ（χｒ）    ；  １ｓｔ  ｋｉｎｄ  Ｂｅｓｓｅｌ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ
Ｙｎ（χｒ）    ；  ２ｎｄ  ｋｉｎｄ  Ｂｅｓｓｅｌ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ
Ｉｎ（χｒ）    ；  １ｓｔ  ｋｉｎｄ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｂｅｓｓｅｌ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ
Ｋｎ（χｒ）    ；  ２ｎｄ  ｋｉｎｄ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｂｅｓｓｅｌ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ
Ｅ        ；  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉｓｋ
ρ        ；  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉｓｋ
ｈ        ；  ｄｉｓｋ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
ν        ；  Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ  ｒａｔｉｏ
ωｍｎ     ；  ｎａｔｕｒａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｄｉｓｋ
である。なお、Ｒｍｎ（ｒ）はディスクの固有モードを表す関数で、Ａｍｎ  ，  Ｂｍｎ  ，  Ｃｍｎ  ，  Ｄｍｎは静止状態におけるディスクの固有値解析から得られる定数である。一方、ダンピングマトリクスＣ１は以下のように表される。
【００４８】
【数１６】
2004219121.tif 000014
ただし、
【数１７】
2004219121.tif 000015
【数１８】
2004219121.tif 000016
ここで、ｃｄ  はディスクの材料ダンピングである。また、Ｋ１，  Ｈ１  は、
【数１９】
2004219121.tif 000017
ただし、
【数２０】
2004219121.tif 000018
【数２１】
2004219121.tif 000019
【数２２】
2004219121.tif 000020
【数２３】
2004219121.tif 000021
【数２４】
2004219121.tif 000022
【数２５】
2004219121.tif 000023
【数２６】
2004219121.tif 000024
【数２７】
2004219121.tif 000025
【数２８】
2004219121.tif 000026
【数２９】
2004219121.tif 000027
【数３０】
2004219121.tif 000028
である。Ｃ２２  ，  Ｋ１２、Ｋ２１  ，  Ｋ２２  は、
【数３１】
2004219121.tif 000029
【数３２】
2004219121.tif 000030
【数３３】
2004219121.tif 000031
【数３４】
2004219121.tif 000032
となる。
【００４９】
（第１の実施の形態）次に本発明による、振動応答の計算について説明する。
【００５０】
計算に必要なステータとロータの間のミスアライメントは、寸法公差に基づく偏心や傾き、あるいは軸方向のずれとして与えられる。ミスアライメントによって発生する電磁励振力は、境界要素法などを使った磁場解析により求めることができる。可能であれば、数式による理論計算により求めてもよい。
【００５１】
電磁励振力の計算例を図２に示す。これらは、図３で示すスピンドルモータのステータとロータ間が３０μｍ偏心したときの電磁励振力を境界要素法による磁場解析の結果（図４）を基に計算したものである。図４で、磁束密度は色の濃淡で表されており、左端のスケール付された数値の単位はＴ（テスラ）である。また、磁束の方向は、図中の三角形の矢印で表されている。なお、ここでスピンドルモータの回転数は７２００ｒｐｍである。
【００５２】
図２で求めた電磁励振力を（数９）に代入することで、図５に示すスピンドルモータの振動応答が得られる。
【００５３】
なお、本発明においては、ロータやベースプレートは弾性体として計算するが、その剛性の計算方法としては、有限要素法、解析的取り扱いによる計算手法、或いは両者を併用する方法等があり、何れによっても良い。一般に、有限要素法はより複雑な形状を扱える一方で、計算速度は解析的な手法に劣る、というように、手法によって長所短所があるため、必要に応じて使い分けることが好ましい。
【００５４】
（第２の実施の形態）ウォーターフォール線図、キャンベル線図の作図と、その見かたについて説明する。
【００５５】
回転速度をパラメータとして、回転速度ごとに電磁励振力に対するスピンドルモータの応答を計算し、結果をまとめて図表化した例が図６で、ウォーターフォール線図と呼ばれるものである。
【００５６】
本願発明の請求項４の方法によれば、図６は、より振動特性を把握し易い、キャンベル線図（図７）での形式で表示することが出来る。
【００５７】
図７のキャンベル線図は、横軸をスピンドルモータの回転数、縦軸を回転によって励起される振動応答の周波数に取り、振幅の大きさを円の大きさで表したものである。グラフの右上欄外に、円の大きさと振幅の大きさの対応を示すスケールが付されている。また、そのスケールの左側の枠で、”最大円”とあるのは、グラフ中での最大振幅を示しており、この例では２１．４×１０−９ｍである。また、この枠の右側に、”一次以下除去”と表示されているのは、スピンドルモータの回転周期の整数倍の成分のうち、一倍以下、すなわち一次成分のみを表示していないことを示す。
【００５８】
図７のグラフ中には、多数の右上がりの直線が描かれ、その右端部に、”２４ｆｒ”等の符号が付されている。これは、縦軸の応答周波数が、横軸の回転周期に対して何倍の周期であるかを表示する目盛りとなっている。この目盛りがあるため、例えば、図中１及び２の矢印が指し示す振動は、スピンドルモータの回転数に対して２３から２５倍の周期の共振であることが、容易に読み取れる。
【００５９】
図７のキャンベル線図は、図中矢印１、２のほかにも、３、４の矢印で示した部分等で円が特に大きくなっており、これらの条件で共振する事がわかる。中でも１の矢印が示す共振は、共振を起こす回転速度がスピンドルモータが使用される回転速度である７２００ｒｐｍに近いため、このまま製品とすることは好ましくない。
【００６０】
スピンドルモータが使用される回転数における共振を回避するために、モータをどのように対策すればよいかは、必ずしも図表の上から自明でない。しかし、モータを試作して測定する場合と異なり、本発明の方法は計算のみであるため、試行錯誤を繰り返しても、コスト、時間とも、多くを費やす必要がなく、迅速に問題を解決することが可能になる。実際の設計場面では、試行錯誤を強いられる事は少なく無く、そのような場合には、本願発明の方法を利用することで、モータの設計作業の効率が著しく高まる。
【００６１】
なお、図７では、パラメータとして回転速度を選択しているが、パラメータとしては、スピンドルモータが駆動する時間、温度、等であっても良く、これらを選択した場合は、時間経過や温度上昇に伴う、スピンドルモータの性能変化を図表化できる。また、目的によっては、回転速度と温度といったような異なる物理量を一連のパラメータの中に含めて計算しても良い。更に、スピンドルモータの一連の設計や、部品のサイズなどをパラメータとすることも可能であって、これらの場合は、最適設計や最適な部品サイズを判断する為の情報を得ることが出来る。
【００６２】
（第３の実施の形態）量産方法について、各ステップごとに説明を加える。
【００６３】
「ステップ１：スピンドルモータの設計を一つ以上与える」
ステップ１において、候補となるスピンドルモータの設計を選択する。
【００６４】
複数の設計を選択しても良いが、１個だけでも良い。１個だけの場合は、ステップ３又はステップ５で不適格となって、候補が残らない場合が出てくる。その場合は、ステップ７の記載に従って、設計に修正を加えるなどして、再度ステップ１からはじめればよい。
【００６５】
「ステップ２：  与えられた設計について、スピンドルモータの振動特性を請求項１乃至５の方法を利用して推定する」
ステップ２で得られる振動特性をキャンベル線図表示した場合、設計修正の為の指針となる情報を得ることができる。そこで、振動特性を解析して、現状の設計では開発目標に届かないことが明らかになった場合でも、修正を施して性能を改善することが容易になる。
【００６６】
「ステップ３：振動特性の推定結果に基づいて、試作に供する設計を選別する」
ステップ２で得られた情報をもとに、候補を選別する。
【００６７】
例として、ある設計について、先に解説した図７のキャンベル線図が得られた場合を考える。図より、３０００ｒｐｍ、４５００ｒｐｍ、６５００ｒｐｍ、８５００ｒｐｍ付近で共振が発生している事がわかる。許容する振幅にもよるが、使用される回転数がこれらの値に近い場合は、設計が不適当であると判断される。
【００６８】
「ステップ４：選別された一つ以上の設計に基づいて、各々スピンドルモータを試作する」
「ステップ５：試作したスピンドルモータの振動特性を実測し、その測定値に基づいて、量産に供する設計を確定する」
請求項１乃至５の振動特性予測技術によって、試作の必要性は大きく減るが、なお、試作を完全に省くには至っていない。この段階で初めて性能不足が明らかになることも有りうる。そのような設計は、この段階で破棄する。ただし、一般に、構造の微調節で必要性能を達成できる場合が多いので、完全に破棄するのではなく、修正して再度ステップ２から始めて工程を繰り返すことが望ましい。
【００６９】
「ステップ６：振動特性の推定と試作を経て確定した設計に基づいて、スピンドルモータを製造する」
以上のような手順を踏むことによって、スピンドルモータの実製造に至るまでの時間とコストは大幅に節約される。これは、いわゆる間接コストを大きく削減することを意味し、スピンドルモータをより低コストで供給することが出来る。
【００７０】
（第４の実施の形態）量産に適し、安価で信頼性の高いハードディスク装置について説明する。
【００７１】
図８に、本発明の第３の実施形態にかかるスピンドルモータ１を備えるハードディスク装置１０の内部構成を模式図として示す。ハウジング１１の内部は塵・埃等が極度に少ないクリーンな空間を形成しており、その内部に情報を記憶する円板状の記録ディスク１８が装着されたスピンドルモータ１が設置されている。加えてハウジング１１の内部には、記録ディスク１８に対して情報を読み書きする磁気ヘッド移動機構１７が配置され、この磁気ヘッド移動機構１７は、記録ディスク上の情報を読み書きするヘッド１６、このヘッドを支えるアーム１５、及びヘッド及びアームをディスク上の所要の位置に移動させるアクチュエータ部１４により構成される。
【００７２】
このようなハードディスク装置１０では、スピンドルモータ１が回転することによって、記録ディスク１８が所定方向に回転駆動される。アクチュエータ部１４はアーム１５を旋回し、それらに装着されたヘッド１６は対応する記録ディスク１８の略径方向に移動し、その結果ヘッド１６の作用によって記録すべき記録情報が記録ディスク１８に磁気的に書き込まれ、又は記録ディスク１８に記録された記録情報がヘッド１６によって読み取られる。
【００７３】
スピンドルモータ１は本願発明の請求項７の方法で製造されたもので、信頼性が高く低騒音であることに加えて、迅速に量産できる。このため、このスピンドルモータを搭載するハードディスク装置１０も信頼性が高く、かつ安価に量産することができる。
【００７４】
【発明の効果】
本願発明によれば、次の効果が得られる。
【００７５】
請求項１及び２に記載の発明によれば、高周波の応答に対しても、精度の高い計算結果が得られる。
【００７６】
請求項３に記載の発明によれば、回転速度、温度などの、種々のパラメータに対する周波数応答を計算し、振動周波数とパラメータによって、一つの振動状態を指定することが出来る、２次元のデータ配列が実現される。
【００７７】
請求項４に記載の発明によれば、特定の大きな振幅成分に埋もれていた別の振動成分を顕在化させたキャンベル線図を作成できるので、より詳細な振動分析が可能になる。
【００７８】
請求項５に記載の発明によれば、スピンドルモータの回転速度に対する振動応答の変化をグラフ化できる。
【００７９】
請求項６に記載の発明によれば、望ましい振動特性を有するスピンドルモータを設計することが容易になる。
【００８０】
請求項７に記載の発明の方法によれば、予め計算によって候補となる構造を絞り込んで置くことが出来るため、開発における試作コストが低減できるだけでなく、開発に必要な期間も短縮することが出来る。また、試作コストの低減や開発期間の短縮により、スピンドルモータの製造にかかわる間接コストが低下するため、スピンドルモータを低価格で供給することが可能になる。
【００８１】
請求項８に記載の発明によれば、音響インテンシティを高い精度で計算出来る。
【００８２】
請求項９に記載の発明によれば、スピンドルモータの回転条件と周囲に与える騒音との関係を、視覚的に把握することが出来る。
【００８３】
請求項１０に記載の発明によれば、低騒音で信頼性の高いハードディスク装置を提供することが可能になる。
【００８４】
請求項１１に記載の発明によれば、低騒音で信頼性の高いハードディスク装置を、低コストで製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スピンドルモータの振動計算モデル
【図２】電磁励振力の計算例
【図３】スピンドルモータの構造
【図４】境界要素法による磁場解析結果
【図５】振動応答の計算結果
【図６】ウォーターフォール線図表示された振動特性
【図７】キャンベル線図表示された振動特性
【図８】ハードディスク装置
【符号の説明】
１  スピンドルモータ
１０  ハードディスク装置
１１  ハウジング
１４  アクチュエータ部
１５  アーム
１６  ヘッド
１７  磁気ヘッド移動機構
１８  記録ディスク
１００  ロータ
１０１  シャフト
１０２  スリーブ
１０３  ベース
１０４  ステータ
１０５  ロータマグネット
１０６  ヨーク
１０７，１０８  動圧軸受機構
【図１】
2004219121.tif 000037
【図２】
2004219121.tif 000038
【図３】
2004219121.tif 000039
【図４】
2004219121.tif 000040
【図５】
2004219121.tif 000041
【図６】
2004219121.tif 000042
【図７】
2004219121.tif 000043
【図８】
2004219121.tif 000044