DE102014014039A1

DE102014014039A1 - Method of measuring the non-repeatable impact on rotating components

Info

Publication number: DE102014014039A1
Application number: DE102014014039.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Bauer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2034-09-27
Also published as: DE102014014039B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des nicht wiederholbaren Schlags an einem rotierenden Bauteil mit den Schritten: Erfassen von Abstandswerten zwischen dem Messsensor und dem rotierenden Bauteil in Abhängigkeit des Drehwinkels des rotierenden Bauteils über mehrere Umdrehungen des rotierenden Bauteils, Generieren einer ersten Gruppe von Messwerten aus den erfassten maximalen Abstandswerten in Abhängigkeit des Drehwinkels, Generieren einer zweiten Gruppe von Messwerten aus den erfassten minimalen Abstandswerten in Abhängigkeit des Drehwinkels, Bilden eines ersten Mittelwertes oder Quantils aus der ersten Gruppe von Messwerten, Bilden eines zweiten Mittelwerts oder Quantils aus der zweiten Gruppe von Messwerten, und Ermitteln des nicht wiederholbaren Schlags aus der Differenz zwischen dem ersten Mittelwert oder Quantil und dem zweiten Mittelwert oder Quantil.The invention relates to a method for measuring the non-repeatable impact on a rotating component comprising the steps of: detecting distance values between the measurement sensor and the rotating component as a function of the rotational angle of the rotating component over a plurality of revolutions of the rotating component, generating a first group of measured values the detected maximum distance values as a function of the rotation angle, generating a second group of measured values from the detected minimum distance values as a function of the rotation angle, forming a first mean or quantile from the first group of measured values, forming a second average or quantile from the second group of measured values and determining the non-repeatable beat from the difference between the first average or quantile and the second average or quantile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des nichtwiederholbaren Axial- und/oder Radialschlages an rotierenden Bauteilen, insbesondere an dem Rotor eines Spindelmotors, wie er zum Beispiel zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt wird.The invention relates to a method for measuring the unrepeatable axial and / or radial impact on rotating components, in particular on the rotor of a spindle motor, as used for example for driving hard disk drives.

Spindelmotoren, wie sie in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, dienen zum Antrieb von einer oder mehrerer Magnetplatten, auf die mittels eines Schreib-/Lesekopfes Daten in Form von magnetisierten Bereichen geschrieben und wieder ausgelesen werden. Die Magnetplatten sind auf dem Rotor des Spindelmotors befestigt, wobei der von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetriebene Rotor mittels eines Lagersystems drehgelagert ist. Als Lagersysteme werden vorzugsweise fluiddynamische Lager eingesetzt.Spindle motors, such as those used in hard disk drives, are used to drive one or more magnetic disks onto which data are written and read out in the form of magnetized areas by means of a read / write head. The magnetic disks are mounted on the rotor of the spindle motor, wherein the driven by an electromagnetic drive system rotor is rotatably supported by means of a bearing system. As storage systems fluid dynamic bearings are preferably used.

Aufgrund von unvermeidlichen Bauteil- und Montagetoleranzen gibt es geringe Abweichungen zwischen der tatsächlichen und der theoretischen, zeitlich unveränderlichen Drehachse des Rotors, so dass der Abstand zwischen dem Rotor und einem axial oder radial angeordneten feststehenden Bezugspunkt keinen konstanten, sondern einen sich zeitlich und drehwinkelabhängig ändernden Messwert (Radialschlag, Axialschlag) ergibt. Diese geringfügigen Abweichungen können zu Fehlern beim Lesen und Schreiben der Daten auf die Magnetplatte und schlimmstenfalls zur Kollision des Schreib-/Lesekopfes mit der Magnetplatte führen. Insbesondere eine Verkippung zwischen Drehachse und Rotorbauteil führt zu Abweichungen in radialer Richtung (Radialschlag), was für Festplattenlaufwerke mit mehreren Magnetplatten besonders schädlich ist.Due to unavoidable component and assembly tolerances, there are small deviations between the actual and the theoretical, time-invariable axis of rotation of the rotor, so that the distance between the rotor and an axially or radially arranged fixed reference point not constant, but a temporally and rotational angle dependent changing measurement (Radial impact, Axialschlag) results. These slight variations can lead to errors in reading and writing the data to the magnetic disk and, in the worst case, collision of the read / write head with the magnetic disk. In particular, a tilt between the axis of rotation and the rotor component leads to deviations in the radial direction (radial impact), which is particularly harmful for hard disk drives with multiple magnetic disks.

Der von den Abweichungen zwischen der tatsächlichen und der theoretischen Rotationsachse herrührende Schlag des Rotors wird in der Praxis unterschieden in den wiederholbaren Schlag und den nicht wiederholbaren Schlag. Der wiederholbare Schlag wird beispielsweise durch die Größe RRO (Repeatable RunOut) definiert, wobei zwischen dem axialen RRO (Stirnschlag) und dem radialen RRO (Radialschlag) unterschieden wird. Der RRO ist ein Maß für die Abweichung der tatsächlichen Drehachse infolge von Außenmittigkeit und Kippung sowie für die durch Herstellprozesse verursachten Oberflächenfehler bzw. Formabweichungen. Der RRO tritt periodisch bei jeder Umdrehung des Rotors auf und liegt bei heutigen Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke in der Größenordnung von bis zu einigen Mikrometer.The impact of the rotor due to the deviations between the actual and the theoretical axis of rotation is in practice differentiated into the repeatable impact and the non-repeatable impact. The repeatable beat is defined, for example, by the variable RRO (Repeatable RunOut), wherein a distinction is made between the axial RRO (frontal impact) and the radial RRO (radial impact). The RRO is a measure of the deviation of the actual axis of rotation due to external centering and tilting as well as for the surface defects or shape deviations caused by production processes. The RRO occurs periodically with each revolution of the rotor and is on the order of up to a few microns in today's hard disk drive spindle motors.

Dem RRO überlagert ist der nicht wiederholbare Schlag, der auch als NRRO (Non Repeatable RunOut) bezeichnet wird. Der NRRO beschreibt die zufälligen bzw. stochastischen Abweichungen, die im Gegensatz zum RRO unregelmäßig auftreten, und zwar sowohl bezüglich Phasenlage als auch bezüglich ihrer Amplitude. Ursache sind Unregelmäßigkeiten, die zum einen vom Lagersystem selbst herrühren, bei fluiddynamischen Lagern beispielsweise Formabweichungen der Lagerflächen und Lagerrillenstrukturen, Eigenschaften des Lagerfluids (Schmiermittels) aber auch Oberflächendefekte und Durchmessertoleranzen. Desweiteren können nicht drehsynchrone Anregungen außerhalb des Lagersystems einen Beitrag zum NRRO leisten, beispielsweise verursacht durch die Bewegung des Schreib-/Lesekopfarms, oder durch die Kraftwirkung der nicht immer laminaren Strömung des die Magnetplatten umgebenden Gases (z. B. Luft, Helium) auf die Magnetplatten oder durch Vibrationen, die von außen auf das Festplattengehäuse wirken. Der NRRO liegt bei heutigen Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke in der Größenordnung von bis zu einigen Nanometer und ist somit um einige Größenordnungen kleiner als der RRO.Superimposed on the RRO is the non-repeatable beat, also known as NRRO (Non Repeatable RunOut). The NRRO describes the random or stochastic deviations, which occur irregularly in contrast to the RRO, both in terms of phase position and in terms of their amplitude. Cause are irregularities that originate from the storage system itself, in fluid dynamic bearings, for example, form deviations of the bearing surfaces and Lagerrillenstrukturen, properties of the bearing fluid (lubricant) but also surface defects and diameter tolerances. Furthermore, non-rotationally synchronous excitations outside of the bearing system can contribute to the NRRO, for example caused by the movement of the read / write arm, or by the force effect of the non-laminar flow of the gas surrounding the magnetic disks (eg air, helium) on the Magnetic disks or by vibrations that act on the hard disk housing from the outside. The NRRO is on the order of up to a few nanometers in today's spindle drives for hard disk drives and is thus a few orders of magnitude smaller than the RRO.

RRO und NRRO werden mit Hilfe einer entsprechenden Messeinrichtung erfasst. Hierzu wird der Spindelmotor in eine Messstation eingespannt. Durch einen berührenden oder vorzugsweise berührungslosen Messsensor wird während der Rotation des Motors der Abstand des Messsensors zum Rotor in Abhängigkeit des Rotationswinkels gemessen. Aus dem Ausgangsignal des Sensors können dann RRO und NRRO direkt ermittelt werden. Der RRO beinhaltet alle Harmonischen und stellt sich grafisch aufbereitet meist in Form eines etwa sinusförmigen Signals dar, während der NRRO dem Sinussignal überlagert ist. Da der NRRO sehr viel kleiner ist als der RRO ist auch das Messsignal des NRRO im Vergleich zum RRO sehr klein.RRO and NRRO are registered with the help of an appropriate measuring device. For this purpose, the spindle motor is clamped in a measuring station. By a touching or preferably non-contact measuring sensor, the distance of the measuring sensor to the rotor is measured as a function of the rotation angle during the rotation of the motor. From the output signal of the sensor then RRO and NRRO can be determined directly. The RRO contains all harmonics and presents itself graphically prepared usually in the form of an approximately sinusoidal signal, while the NRRO is superimposed on the sine wave signal. Since the NRRO is much smaller than the RRO, the measurement signal of the NRRO is also very small compared to the RRO.

Gemäß einer üblichen Anwendung zur Messung des nicht wiederholbaren Schlages wird aus den über mehrere Umdrehungen des rotierenden Bauteils gemessenen Abstandswerten jeweils der Mittelwert gebildet. Dieser Mittelwert beinhaltet den wiederholbaren Schlag RRO. Der Mittelwert wird von den jeweils gemessenen minimalen und maximalen Abstandswerten abgezogen.According to a common application for measuring the non-repeatable beat, the average value is formed from the distance values measured over several revolutions of the rotating component. This average includes the repeatable beat RRO. The mean value is subtracted from the respectively measured minimum and maximum distance values.

Mit anderen Worten werden aus den durch den Mittelwert bereinigten Messwerten, die jeweiligen Maximal und Minima berechnet und diese Spitze-Spitze-Amplitudenwerte dann als Wert für den nicht wiederholbaren Schlag NRRO definiert, wie dies beispielsweise auch in den Normen IDEMA T17-91 und ISO 230-7 der Fall ist.In other words, from the averages-adjusted measurement values, the respective maximum and minimum values are calculated, and these peak-to-peak amplitude values are then defined as the value for the non-repeatable beat NRRO, as shown, for example, in US Pat Standards IDEMA T17-91 and ISO 230-7 the case is.

Diese bisherige Methode zur Erfassung bzw. Bestimmung des NRRO ist sehr empfindlich auf äußere Störeinflüsse, beispielsweise Vibrationen, die auf das Messsystem einwirken oder auch Unregelmäßigkeiten der Drehgeschwindigkeit des zu vermessenden Bauteils. Verursacht durch diese Störeinflüsse gibt es oftmals sehr große Spitze-Spitze-Werte in den Amplituden, was dann zu relativ großen NRRO-Werten führen kann.This previous method for detecting or determining the NRRO is very sensitive to external disturbances, such as vibrations that affect the measuring system or irregularities in the rotational speed of the measuring component. Caused by these interferences, there are often very large peak-to-peak values in the amplitudes, which can then lead to relatively large NRRO values.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung des nicht wiederholbaren Schlages (NRRO) an einem rotierenden Bauteils zuverlässiger und weniger anfällig gegen äußere Störeinflüsse zu machen.The object of the invention is to make a method for measuring the non-repeatable impact (NRRO) on a rotating component more reliable and less susceptible to external interference.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and advantageous features of the invention are indicated in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des nicht wiederholbaren Schlages an einem rotierenden Bauteil, insbesondere einem Rotorbauteil eines Spindelmotors, umfasst die folgenden Schritte:
Erfassen von Abstandswerten zwischen dem Messsensor und dem rotierenden Bauteil in Abhängigkeit des Drehwinkels des rotierenden Bauteils über mehrere Umdrehungen des rotierenden Bauteils,
Generieren einer ersten Gruppe von Messwerten aus den erfassten maximalen Abstandswerten in Abhängigkeit des Drehwinkels,
Generieren einer zweiten Gruppe von Messwerten aus den erfassten minimalen Abstandswerten in Abhängigkeit des Drehwinkels,
Bilden eines ersten Mittelwertes oder ersten Quantils aus der ersten Gruppe von Messwerten,
Bilden eines zweiten Mittelwertes oder ersten Quantils aus der zweiten Gruppe von Messwerten, und Ermitteln des nicht wiederholbaren Schlages aus der Differenz zwischen dem ersten Mittelwert, beziehungsweise Quantil und dem zweiten Mittelwert, beziehungsweise Quantil.The inventive method for measuring the non-repeatable impact on a rotating component, in particular a rotor component of a spindle motor, comprises the following steps:
Detecting distance values between the measuring sensor and the rotating component as a function of the rotational angle of the rotating component over several revolutions of the rotating component,
Generating a first group of measured values from the detected maximum distance values as a function of the angle of rotation,
Generating a second group of measured values from the detected minimum distance values as a function of the angle of rotation,
Forming a first mean or first quantile from the first group of measurements,
Forming a second average or first quantile from the second group of measurements, and determining the non-repeatable beat from the difference between the first average, or quantile, and the second average, or quantile, respectively.

Erfindungsgemäß wird der nicht wiederholbare Schlag nicht als das Maximum der Differenz aus den jeweiligen maximalen und minimalen Messwerten zu identischen Drehwinkeln bestimmt, sondern es wird jeweils ein Mittelwert oder ein Quantil aus allen minimalen Abstandswerten und allen maximalen Abstandswerten gebildet, beziehungsweise bestimmt, und der Mittelwert oder das Quantil der maximalen Abstandswerte von dem Mittelwert oder dem Quantil der minimalen Abstandswerte abgezogen und dieser Differenzwert als nicht wiederholbarer Schlag definiert.According to the invention, the non-repeatable beat is not determined to be the maximum of the difference between the respective maximum and minimum measured values at identical angles of rotation, but an average or quantile is formed or determined from all minimum distance values and all maximum distance values, and the mean or subtracting the quantile of the maximum distance values from the mean or quantile of the minimum distance values, and defining this difference value as a non-repeatable beat.

Bei den bisherigen Messverfahren gingen starke Ausreißer der Messwerte nach unten oder nach oben, beispielsweise hervorgerufen durch externe Störungen, stark in das Messergebnis ein und konnten dieses verfälschen.In the previous measuring methods, strong outliers of the measured values went down or up, for example caused by external disturbances, strongly in the measurement result and could falsify this.

Nunmehr wird ein Quantil, beispielsweise der Median, zur Bestimmung eines Lagemaßes oder zur Bildung der maximalen Abstandswerte und minimalen Abstandswerte verwendet. Diese Methode ist robuster gegen Ausreißer, in Form von stark abweichenden Messwerten. Die Varianz der Messwerte wird durch die Verwendung der Quantile zur Bestimmung des NRRO wesentlich geringer und dadurch lässt sich auch die Messzeit, d. h. die Anzahl der zu vermessenden Umdrehungen des Bauteils, verringern.Now, a quantile, for example the median, is used to determine a positional measure or to form the maximum distance values and minimum distance values. This method is more robust against outliers, in the form of very different readings. The variance of the measured values is considerably reduced by the use of the quantiles for the determination of the NRRO and as a result the measuring time, that is to say the measuring time, can be determined. H. reduce the number of revolutions of the component to be measured.

In der industriellen Fertigung und Vermessung von Motoren bedeutet die Reduzierung der Messzyklen eine erhebliche Einsparung der Messzeit. Bei der Herstellung von Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken wird jeder Spindelmotor hinsichtlich seines radialen und axialen Schlages vermessen. Bisher hat man die Rotoren der Motoren über beispielsweise 128 bis 256 Umdrehungen vermessen, während für das hier vorgestellte Messverfahren lediglich beispielsweise 16 bis 32 Umdrehungen für die Messung ausreichen. Das bedeutet, man kann erheblich Messzeit einsparen und benötigt beispielsweise nur noch 20% der bisherigen Messzeit. Das Messergebnis ist dabei vergleichbar genau bzw. sogar genauer als zuvor.In the industrial production and measurement of motors, the reduction of the measuring cycles means a considerable saving of the measuring time. In the manufacture of spindle motors for driving hard disk drives each spindle motor is measured in terms of its radial and axial impact. So far, the rotors of the motors have been measured over, for example, 128 to 256 revolutions, while for the measuring method presented here only 16 to 32 revolutions are sufficient for the measurement. This means that you can save considerable measuring time and, for example, only need 20% of the previous measuring time. The result is comparable or even more accurate than before.

Ein häufig verwendetes Quantil ist der Median. Der Median oder Zentralwert ist ein Mittelwert für Verteilungen in der Statistik und ist beispielsweise bei einer Anzahl von Messwerten die Zahl, welche an der mittleren Stelle der nach der Größe sortierten Messwerten steht. Der Median gehört zur Gruppe der Quantile und wird auch als 0,5-Quantil bezeichnet. Dabei sind 50 Prozent aller Messwerte kleiner oder gleich dem Medianwert und 50% der Messwerte größer oder gleich dem Medianwert.A commonly used quantile is the median. The median or central value is an average for distributions in the statistics and, for example, for a number of measured values, is the number which is at the middle position of the size-sorted measured values. The median belongs to the group of quantiles and is also called 0,5-quantile. In this case, 50% of all measured values are less than or equal to the median value and 50% of the measured values are greater than or equal to the median value.

Das vorgeschlagene Messverfahren ist weniger empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen, da durch die Mittelwertbildung, beziehungsweise die Charakterisierung der Verteilung der Messwerte mittels der Quantile, Ausreißer in den Messwerten nicht entscheidend in das Messergebnis eingehen. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der Messungen signifikant.The proposed measuring method is less sensitive to external disturbing influences, since the averaging, or the characterization of the distribution of the measured values by means of the quantiles, does not make a decisive contribution to outliers in the measured values. This significantly improves the reliability of the measurements.

Als Messsensor für die Messung kann beispielsweise ein berührender aber vorzugsweise ein berührungsloser Messsensor, beispielsweise ein kapazitiver Abstandssensor oder ein optischer Sensor, verwendet werden.As a measuring sensor for the measurement, for example, a contact, but preferably a non-contact measuring sensor, for example, a capacitive distance sensor or an optical sensor can be used.

Die vom Abstandssensor gelieferten Messwerte werden digitalisiert und aus den digitalen Werten die entsprechenden Größen und letztendlich der nicht wiederholbare Schlag berechnet.The measured values provided by the distance sensor are digitized and the corresponding values and finally the non-repeatable beat are calculated from the digital values.

Üblicherweise wird als Quantil der ersten und zweiten Gruppe von Messwerten jeweils der Median, das 0,5-Quantil, verwendet, d. h. die jeweiligen Gruppen von Messwerten werden nach der Größe sortiert und genau der Wert als Quantil verwendet, der an mittlerer Stelle steht. Bei einer geraden Anzahl von Messwerten wird der Median beispielsweise aus dem Durchschnittswert der beiden mittleren Messwerte gebildet. Die Werte der einen Hälfte der Messwerte sind kleiner oder gleich dem Medianwert und die der anderen Hälfte größer oder gleich dem Medianwert. The quantile of the first and second group of measured values is usually the median, the 0.5-quantile, used, ie the respective groups of measured values are sorted according to size and exactly the value used as the quantile, which is in the middle position. For an even number of measured values, the median is formed, for example, from the mean value of the two mean measured values. The values of one half of the measured values are less than or equal to the median value and those of the other half greater than or equal to the median value.

Es kann erfindungsgemäß aber auch vorgesehen sein, das Quantil nicht als 0,5-Quantil zu definieren, sondern beispielsweise als 0,3-Quantil, d. h. das Quantil teilt die nach Größe sortieren Messwerte ebenfalls in zwei Hälften, wobei jedoch 30% der Messwerte kleiner oder gleich dem Quantil und 70% der Messwerte größer oder gleich dem Quantil sind.However, it can also be provided according to the invention not to define the quantile as a 0.5-quantile, but rather as a 0.3-quantile, for example. H. the quantile also divides the readings sorted by size into two halves, but 30% of the readings are less than or equal to the quantile and 70% of the readings are greater than or equal to the quantile.

Ein solches 0,3-Quantil kann beispielsweise aus dem Grund verwendet werden, dass die Empfindlichkeit des nicht wiederholbaren Schlages in Bezug auf Änderung der Drehgeschwindigkeit des Messobjekts bei kleinen Steigungswerten des wiederholbaren Schlages geringer ist als bei großen Steigungswerten des wiederholbaren Schlages.Such a 0.3-quantile can be used, for example, for the reason that the sensitivity of the non-repeatable beat with respect to change of the rotational speed of the measurement object is smaller for small slope values of the repeatable beat than for large repetition-rate slope values.

Es kann vorteilhaft sein, wenn aus den minimalen und maximalen Abstandswerten unterschiedliche Quantile bestimmt werden. Beispielsweise kann aus den maximalen Abstandswerten ein p-Quantil und aus den minimalen Abstandswerten ein (1 – p)-Quantil bestimmt werden, wobei p eine reelle Zahl zwischen 0 und 1 ist.It may be advantageous if different quantiles are determined from the minimum and maximum distance values. For example, a p-quantile can be determined from the maximum distance values, and a (1-p) quantile can be determined from the minimum distance values, where p is a real number between 0 and 1.

Erfindungsgemäß werden die Abstandswerte über N-Umdrehungen des rotierenden Bauteils gemessen, wobei N vorzugsweise ≤ 50 ist. Bei bisherigen Messverfahren war es notwendig, sehr viel mehr Umdrehungen zu messen, mit Werten von N > 100 oder darüber, um eine gute Genauigkeit zu erhalten.According to the invention, the distance values are measured over N revolutions of the rotating component, wherein N is preferably ≦ 50. In previous measurement methods, it was necessary to measure many more revolutions, with values of N> 100 or above, to obtain good accuracy.

Vorzugsweise umfasst das Ermitteln des nicht wiederholbaren Schlags ein Ermitteln des axialen nicht wiederholbaren Schlags.Preferably, determining the non-repeatable beat comprises determining the axial non-repeatable beat.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ermitteln des nicht wiederholbaren Schlags vorzugsweise ein Ermitteln des radialen nicht wiederholbaren Schlags.In another embodiment of the invention, determining the non-repeatable beat preferably comprises determining the radial non-repeatable beat.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des nicht wiederholbaren Schlags eines Motors verwendet.In a further embodiment of the invention, the inventive method for determining the non-repeatable impact of an engine is used.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Motor zum Antrieb in einem Festplattenlaufwerk verwendet.In a particularly preferred embodiment of the invention, the motor is used to drive in a hard disk drive.

In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird zur Bestimmung der Abstandswerte jeweils die Distanz in axialer Richtung zwischen dem Messsensor und einer senkrecht zur Drehachse liegenden Auflagefläche des Motors für die Magnetplatten des Festplattenlaufwerkes gemessen.In some preferred embodiments of the invention, in order to determine the distance values, in each case the distance in the axial direction between the measuring sensor and a support surface of the motor for the magnetic disks of the hard disk drive which is perpendicular to the axis of rotation is measured.

In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird zur Bestimmung der Abstandswerte jeweils die Distanz in radialer Richtung zwischen dem Messsensor und einem Außendurchmesser einer Nabe des Motors gemessen.In some preferred embodiments of the invention, in each case the distance in the radial direction between the measuring sensor and an outer diameter of a hub of the motor is measured to determine the distance values.

In anderen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird zur Bestimmung der Abstandswerte jeweils die Distanz in axialer Richtung zwischen dem Messsensor und einer senkrecht zur Drehachse liegenden Oberfläche der Magnetplatte des Festplattenlaufwerks gemessen.In other preferred embodiments of the invention, in order to determine the distance values, in each case the distance in the axial direction between the measuring sensor and a surface of the magnetic disk of the hard disk drive perpendicular to the axis of rotation is measured.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass zur Bestimmung der Abstandswerte jeweils die Distanz in radialer Richtung zwischen dem Messsensor und einem Außenumfang einer Magnetplatte des Festplattenlaufwerks gemessen wird.A further preferred embodiment of the invention is given by the fact that for determining the distance values in each case the distance in the radial direction between the measuring sensor and an outer periphery of a magnetic disk of the hard disk drive is measured.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.The invention will be described in more detail with reference to the drawings. This results in further features and advantages of the invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Messvorrichtung zur Messung des axialen bzw. radialen Schlages eines rotierenden Bauteils. 1 shows a schematic perspective view of a measuring device for measuring the axial or radial impact of a rotating component.

2 zeigt beispielhaft und schematisch typische Messergebnisse der Messvorrichtungen in einem polaren Koordinatensystem. 2 shows exemplary and schematic typical measurement results of the measuring devices in a polar coordinate system.

3 zeigt die Messergebnisse über eine Umdrehung des rotierenden Bauteils im kartesischen Koordinatensystem. 3 shows the results of one revolution of the rotating component in the Cartesian coordinate system.

4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details X aus 3, wobei hier ein Durchschnittswert des axialen Schlages ein Maximalwert und ein Minimalwert aufgetragen sind. 4 shows an enlarged view of the detail X from 3 , wherein here an average value of the axial impact a maximum value and a minimum value are plotted.

5 zeigt Kurven der maximalen Werte und minimalen Werte aufgetragen über eine Umdrehung, sowie eine Darstellung der jeweiligen Quantile der maximalen und minimalen Werte. 5 shows curves of the maximum values and minimum values plotted over one revolution, as well as a representation of the respective quantiles of the maximum and minimum values.

6 zeigt beispielhaft aufgetragen die jeweils ermittelten Werte für den axialen NRRO und im Vergleich dazu die ermittelten Werte des axialen NRRO mit einem herkömmlichen Messverfahren, jeweils über eine Vielzahl von Einzelmessungen. 6 shows, by way of example, the respectively determined values for the axial NRRO and, in comparison, the determined values of the axial NRRO with a conventional measuring method, in each case via a multiplicity of individual measurements.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der ErfindungDescription of a preferred embodiment of the invention

1 zeigt schematisch eine Messvorrichtung 10 zur Messung des radialen und axialen Schlages an einem rotierenden Bauteil 12. 1 schematically shows a measuring device 10 for measuring the radial and axial impact on a rotating component 12 ,

Die Messvorrichtung 10 umfasst Einrichtungen, um das Bauteil 12 aufzunehmen und um eine Drehachse 14 in Rotation zu versetzen, beispielsweise in Drehrichtung 16.The measuring device 10 includes facilities to the component 12 absorb and about a rotation axis 14 to set in rotation, for example in the direction of rotation 16 ,

Mittels eines Drehwinkelgebers kann beispielsweise während der Messung ständig der entsprechende Drehwinkel des rotierenden Bauteils 12 bestimmt und in Relation zu den Messwerten gesetzt werden. Als Referenzpunkt kann beispielsweise ein Drehwinkel 0° definiert werden.By means of a rotary encoder, for example, during the measurement constantly the corresponding angle of rotation of the rotating component 12 determined and set in relation to the measured values. As a reference point, for example, a rotation angle 0 ° can be defined.

Es sind zwei Messsensoren 18 gezeigt, wobei der untere Messsensor 18 beispielsweise zur Messung des radialen Schlages und der obere Messsensor 18 zur Messung des axialen Schlages verwendet werden kann. Die Messsensoren 18 sind mit einer Auswerteeinrichtung 20 verbunden, welche die Messsignale erfasst, auswertet und in geeigneter Weise, beispielsweise grafisch, darstellt.There are two measuring sensors 18 shown, with the lower measuring sensor 18 for example, for measuring the radial impact and the upper measuring sensor 18 can be used to measure the axial impact. The measuring sensors 18 are with an evaluation device 20 connected, which detects the measurement signals, evaluates and displays in a suitable manner, for example graphically.

Während des Messvorgangs dreht sich das rotierende Bauteil 12 mit möglichst konstanter Geschwindigkeit, wobei die Messsensoren 18 über mehrere Rotationsperioden Messwerte erfassen, die in der Auswerteeinrichtung 20 abgespeichert werden. Beispielsweise werden Messsignale über 16 bis 32 Rotationsperioden gemessen und ausgewertet. Im Beispiel misst der obere Messsensor den Abstand zwischen dem Messsensor 18 und einer senkrecht zur Drehachse liegenden Oberfläche. Der untere Messsensor 18 misst hingegen den Abstand zwischen dem Messsensor 18 und einer radial verlaufenden Oberfläche am Außenumfang eines drehbaren Lagerbauteils; wie beispielsweise einer Nabe eines Elektromotors. Bei Festplattenlaufwerken kann es auch vorgesehen sein, dass die Abstandsmessungen in radialer und/oder in axialer Richtung jeweils den Abstand zwischen einer Magnetplatte des Festplattenlaufwerks und dem jeweiligen Messsensor 18 messen.During the measuring process, the rotating component rotates 12 with as constant a speed as possible, with the measuring sensors 18 Acquire measured values over several rotation periods in the evaluation device 20 be stored. For example, measurement signals are measured and evaluated over 16 to 32 rotation periods. In the example, the upper measuring sensor measures the distance between the measuring sensor 18 and a surface perpendicular to the axis of rotation. The lower measuring sensor 18 On the other hand, it measures the distance between the measuring sensor 18 and a radially extending surface on the outer periphery of a rotatable bearing member; such as a hub of an electric motor. For hard disk drives, it can also be provided that the distance measurements in the radial and / or in the axial direction in each case the distance between a magnetic disk of the hard disk drive and the respective measuring sensor 18 measure up.

2 zeigt schematisch die Darstellung solcher Messwerte in einem polaren Koordinatensystem, wobei für jede Rotation des rotierenden Bauteils 12 eine Messkurve 22 dargestellt ist, die beispielsweise den axialen Schlag des rotierenden Bauteils 12 angibt. 2 schematically shows the representation of such measured values in a polar coordinate system, wherein for each rotation of the rotating component 12 a trace 22 is shown, for example, the axial impact of the rotating component 12 indicates.

In 2 sind die Messkurven bzw. deren Amplituden zur besseren Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt. Tatsächlich sind die Abweichungen der Messkurven von einem „idealen” Kreis sehr viel geringer.In 2 the curves or their amplitudes are exaggerated for clarity. In fact, the deviations of the traces from an "ideal" circle are much smaller.

3 zeigt die Messwerte 22 aufgetragen in einem kartesischen Koordinatensystem, wobei auf der Abszisse jeweils der Umdrehungswinkel von 0 (entspricht 0°) bis 1 (entspricht 360°) dargestellt ist und auf der Ordinate der gemessenen Abstandswerte um einen festgelegten Nullwert. Man erkennt, dass die Abstandswerte mit einer Amplitude von etwas über +/–2 Mikrometer von dem Nullwert abweichen. 3 shows the measured values 22 plotted in a Cartesian coordinate system, wherein the abscissa shows the angle of rotation from 0 (corresponds to 0 °) to 1 (corresponds to 360 °) and to the ordinate of the measured distance values by a fixed zero value. It can be seen that the distance values with an amplitude of slightly more than +/- 2 micrometers deviate from the zero value.

Die Messwerte 22 beschreiben dabei in diesem Fall annähernd eine Sinuskurve (eigentlich mehrere überlagerte Sinuskurven), deren Periode einer Rotationsperiode des vermessenen Rotorbauteils 12 entspricht. Die von der Sinuskurve 22 beschriebenen Abweichungen um den Nullwert beschreiben den wiederholbaren Schlag des rotierenden Bauteils, der sich bei jeder Rotationsperiode gleichmäßig wiederholt.The measured values 22 In this case, approximately describe a sine curve (actually several superimposed sinusoids) whose period of rotation period of the measured rotor component 12 equivalent. The of the sinusoid 22 The deviations around the zero value described describe the repeatable impact of the rotating component, which is repeated uniformly with each rotation period.

Dieser Sinuskurve überlagert ist der nicht wiederholbare Schlag, der sich als leichtes „Zittern” oder Rauschen der Kurve 22 bemerkbar macht. Die Amplituden des nicht wiederholbaren Schlages sind jedoch um mehrere Größenordnungen kleiner als die des wiederholbaren Schlages und damit in diesem Darstellungsmaßstab kaum sichtbar.Superimposed on this sine wave is the non-repeatable beat, which appears as a slight "jitter" or noise in the curve 22 makes noticeable. However, the amplitudes of the non-repeatable beat are smaller by several orders of magnitude than the repeatable beat and thus barely visible in this representation scale.

4 zeigt eine Auswertung der Messwerte in Form eines vergrößerten Ausschnitts des Details X der Kurve von 3. 4 shows an evaluation of the measured values in the form of an enlarged detail of the detail X of the curve of 3 ,

Die Kurve 22a beschreibt den Durchschnittswert der Messwerte über alle Rotationsperioden, also das arithmetische Mittel der Kurven 22.The curve 22a describes the mean value of the measured values over all rotation periods, ie the arithmetic mean of the curves 22 ,

Die Kurve 22b, beschreibt die Hüllkurve der Maximalwerte aller Messwerte in Bezug auf den jeweiligen Drehwinkel und die Kurve 22c beschreibt die Hüllkurve der Minimalwerte aller Messwerte in Bezug auf den jeweiligen Drehwinkel. Beispielsweise werden über alle Rotationsperioden alle Messwerte für einen Drehwinkel von 10° betrachtet und der Maximalwert und der Minimalwert bestimmt. Entsprechend werden dann die Maxima und Minima für alle Drehwinkel von 0°–360° (0–1) in Abständen von beispielsweise 0.7 Grad bestimmt. Dann werden die Hüllkurven 22b, 22c für die Maxima und Minimal ermittelt.The curve 22b , describes the envelope of the maximum values of all measured values with respect to the respective rotation angle and the curve 22c describes the envelope of the minimum values of all measured values in relation to the respective rotation angle. For example, all measured values for a rotation angle of 10 ° are considered over all rotation periods and the maximum value and the minimum value are determined. Accordingly, the maxima and minima for all angles of rotation of 0 ° -360 ° (0-1) are determined at intervals of, for example, 0.7 degrees. Then the envelopes 22b . 22c determined for the maxima and minimum.

Aus den Kurven der Maximalwerte 22b und Minimalwerte 22c kann erfindungsgemäß der Wert des nicht wiederholbaren Schlages NRRO bestimmt werden.From the curves of maximum values 22b and minimum values 22c can according to the invention the value of the non-repeatable beat NRRO.

In 5 ist der Verlauf der Hüllkurve der Maximalwerte 22b und der Verlauf der Hüllkurve der Minimalwerte 22c über Drehwinkel von 0–1 (0° bis 360°) dargestellt. Der aus den Messwerten gebildete Mittelwert 22a (4) wird dabei als Nullwert definiert.In 5 is the curve of the maximum value envelope 22b and the shape of the envelope of the minimum values 22c represented by angles of rotation from 0-1 (0 ° to 360 °). The mean value formed from the measured values 22a ( 4 ) is defined as zero value.

Erfindungsgemäß wird nun aus den Werten der Hüllkurven 22b und 22c jeweils das Quantil 24 bzw. 26 gebildet.According to the invention now from the values of the envelopes 22b and 22c each the quantile 24 respectively. 26 educated.

Es muss dabei beachtet werden, dass wenn zur Bestimmung des Quantils 24 der Maximalwerte ein p-Quantil verwendet wird, für das Quantil 26 der Minimalwerte ein (1 – p)-Quantil verwendet werden muss.It must be noted that when determining the quantile 24 the maximum values a p-quantile is used for the quantile 26 the minimum value of a (1 - p) quantile must be used.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zur Bestimmung des Quantils 24 der Maximalwerte ein p-Quantil zu verwenden, wobei p im Bereich von 0,5 bis 0,9 liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn p im Bereich von 0,7 bis 0,85 liegt. Für die Minimalwerte ist dann ein entsprechendes (1 – p)-Quantil 26 vorteilhaft.It has proven advantageous to determine the quantile 24 the maximum values to use a p-quantile, where p is in the range of 0.5 to 0.9. It is particularly advantageous if p is in the range of 0.7 to 0.85. For the minimum values then a corresponding (1 - p) quantile is 26 advantageous.

Aus den Quantilen 24, 26 wird dann erfindungsgemäß der nicht wiederholbare Schlag NRRO ermittelt, indem vom Quantil 24 der Maximalwerte 22b das Quantil 26 der Minimalwerte 22c abgezogen wird, also die Differenz zwischen den Quantilen 24, 26 gebildet wird.From the quantiles 24 . 26 Then, according to the invention, the non-repeatable beat NRRO is detected by passing from the quantile 24 the maximum values 22b the quantile 26 the minimum values 22c is deducted, ie the difference between the quantiles 24 . 26 is formed.

Im vorliegenden Fall errechnet sich dann ein nicht wiederholbarer Schlag NRRO zu 9,51 × 10^–10 m wie es mit dem Doppelpfeil 28 dargestellt ist.In the present case, an unrepeatable strike NRRO is then calculated to be 9.51 × 10 ^-10 m, as with the double-headed arrow 28 is shown.

Bei der bisher verwendeten Methode, bei der die Spitze-Spitze-Werte der Hüllkurven der maximalen und minimalen Werte herangezogen wurden, würde sich ein NRRO von > 16 × 10^–10 gemäß Doppelpfeil 30 ergeben.In the method used so far, which used the peak-to-peak values of the envelopes of the maximum and minimum values, an NRRO of> 16 × 10 ^{-10 would occur} according to the double-headed arrow 30 result.

Dieser sehr viel größere Spitze-Spitze-Wert kommt jedoch insbesondere durch Ausreißer der Messwerte zustande und bildet in der Regel den NRRO als Eigenschaft des Spindelmotors nicht zuverlässig und reproduzierbar ab.However, this much larger peak-to-peak value is due in particular to outliers of the measured values and as a rule does not reliably and reproducibly depict the NRRO as a property of the spindle motor.

Daher wird erfindungsgemäß die Methode unter Verwendung der Quantile verwendet, um solche Ausreißer in den Messwerten, die meistens durch äußere Störeinflüsse bedingt sind, zu eliminieren und einen zuverlässigeren und reproduzierbaren Wert für den nicht wiederholbaren Schlag NRRO zu erhalten.Therefore, according to the invention, the quantile method is used to eliminate such outliers in the measured values, which are mostly due to external disturbances, and to obtain a more reliable and reproducible value for the non-repeatable beat NRRO.

6 zeigt beispielhaft eine Auswertung des NRRO eines Spindelmotors. Es wurden mehrere Messreihen durchgeführt, wobei auf der Abszisse jeweils die Nummer der jeweiligen Messung und auf der Ordinate der in der jeweiligen Messung ermittelte axiale NRRO dargestellt ist. 6 shows an example of an evaluation of the NRRO of a spindle motor. Several series of measurements were carried out, the abscissa representing the number of the respective measurement and the ordinate of the axial NRRO determined in the respective measurement.

Die oberen Messwerte, die als leere Kreise dargestellt sind, zeigen die Ergebnisse einer herkömmlichen NRRO Messung mit einem Spitze-Spitze-Wert, während die unteren Messwerte, die als gefüllte Kreise dargestellt sind, die NRRO-Messung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschreiben.The upper measurement values, shown as empty circles, show the results of a conventional NRRO measurement with a peak-to-peak value, while the lower measurement values, shown as filled circles, describe the NRRO measurement according to the method of the invention.

Man erkennt, dass bei den oberen Messwerten 32, also bei der Spitze-Spitze-Messung, ein durchschnittlicher NRRO von 41,5 Nanometer ermittelt werden konnte, wobei die Messwerte eine Standardabweichung (Sigma) von 2,66 Nanometer aufweisen. Der Unterschied zwischen dem kleinsten und größten Wert ist 13,3 Nanometer.It can be seen that at the upper measured values 32 Thus, in the peak-to-peak measurement, an average NRRO of 41.5 nanometers could be determined, with the measurements having a standard deviation (sigma) of 2.66 nanometers. The difference between the smallest and largest value is 13.3 nanometers.

Bei den unteren Werten 34 gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich ein Durchschnittswert für den NRRO von 32,3 Nanometer. Es ergibt sich eine Standardabweichung (Sigma) von 1,03 Nanometer, d. h. die Varianz kann bei der erfindungsgemäßen Methode um den Faktor 2,7 reduziert werden. Es ergibt sich ferner ein Wertebereich zwischen dem kleinsten und dem größten Messwert von 4,6 Nanometer. Das bedeutet, der Wertebereich wurde ebenfalls um etwas einen Faktor 3 verringert.The lower values 34 according to the present invention give an average value for the NRRO of 32.3 nanometers. The result is a standard deviation (sigma) of 1.03 nanometers, i. H. the variance can be reduced by a factor of 2.7 in the method according to the invention. It also results in a range of values between the smallest and the largest measured value of 4.6 nanometers. This means that the value range has also been reduced by a factor of 3.

Aufgrund der geringen Standardabweichung dem geringeren Wertebereich der Messergebnisse kann die Anzahl der Messungen ohne Verlust an Messgenauigkeit wesentlich verringert werden, vorzugsweise um den Faktor 7 bis 9.Due to the small standard deviation, the lower value range of the measurement results, the number of measurements can be substantially reduced without loss of measurement accuracy, preferably by a factor of 7 to 9.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Messvorrichtungmeasuring device
1212: Rotorbauteilrotor component
1414: Drehachseaxis of rotation
1616: Drehrichtungdirection of rotation
1818: Messsensormeasuring sensor
2020: Auswerteeinrichtungevaluation
2222: Messkurve(n)Trace (s)
22a22a: Mittelwerte der MesskurvenMean values of the measured curves
22b22b: Maximalwerte der MesskurvenMaximum values of the measured curves
22c22c: Minimalwerte der MesskurvenMinimum values of the measured curves
2424: Mittelwert oder Quantil der MaximalwerteMean or quantile of maximum values
2626: Mittelwert oder Quantil der MinimalwerteMean or quantile of the minimum values
2828: Differenz der Quantile/MittelwerteDifference of the quantiles / mean values
3030: Spitze-Spitze-WertPeak to peak value
3232: Messwerte NRRO (Spitze-Spitze)Measurements NRRO (peak-to-peak)
3434: Messwerte NRRO (Median)Measurements NRRO (median)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Standards IDEMA T17-91 [0008]
ISO 230-7 [0008]

Claims

Method for measuring the non-repeatable impact on a rotating component ( 12 ) comprising the steps of: acquiring distance values between a measuring sensor ( 18 ) and the rotating component ( 12 ) as a function of the angle of rotation of the rotating component over several revolutions of the rotating component, generating a first group of measured values ( 22b ) from the detected maximum distance values as a function of the angle of rotation, generating a second group of measured values ( 22c ) from the detected minimum distance values as a function of the angle of rotation, forming a first mean value or first quantile ( 24 ) from the first set of measurements, forming a second mean or second quantile ( 26 ) from the second group of measurements, and determining the non-repeatable beat (NRRO) from the difference between the first average, or quantile ( 24 ) and the second mean, or quantile ( 26 ).

Method according to Claim 1, characterized in that the mean or quantile ( 24 . 26 ) of the first and second group of measurements, the 0.5-quantile is used.

Method according to Claim 1, characterized in that the mean or quantile ( 24 ) of the first group of measurements an x-quantile is used, and as an average or quantile ( 26 ) of the second group of measured values a y-quantile is used, where: 0.1 <= x, y <= 0.9.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that during each measuring operation, the distance values over N revolutions of the rotating component ( 12 ), where N <= 50.

The method of any one of claims 1 to 4, characterized in that determining the non-repeatable beat comprises determining the axial non-repeatable beat.

The method of any one of claims 1 to 5, characterized in that determining the non-repeatable beat comprises determining the radial non-repeatable beat.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the method is used to determine the non-repeatable impact of an engine.

A method according to claim 7, characterized in that the motor is used for driving in a hard disk drive.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that for determining the distance values, the distance in the axial direction between the measuring sensor ( 18 ) and a perpendicular to the axis of rotation bearing surface of the motor for the magnetic disks of the hard disk drive is measured.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that for determining the distance values, the distance in the radial direction between the measuring sensor ( 18 ) and an outer diameter of a hub of the engine is measured.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that for determining the distance values, the distance in the axial direction between the measuring sensor ( 18 ) and a plane perpendicular to the rotation axis surface of the magnetic disk of the hard disk drive is measured.

Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that for determining the distance values, the distance in the radial direction between the measuring sensor ( 18 ) and an outer periphery of a magnetic disk of the hard disk drive.