JP2003315145A

JP2003315145A - 回転機械の振動計測方法及び設計方法

Info

Publication number: JP2003315145A
Application number: JP2002115998A
Authority: JP
Inventors: Harushige Osawa; 晴繁大澤; Tomohiro Hasegawa; 朋広長谷川
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-11-06

Abstract

(57)【要約】【課題】ハードディスクドライブ用スピンドルモータに
ついて、振動分析の精度を高める。また、測定作業の効
率を高める。【解決手段】振動特性測定の際に必要になる加振装置と
して、スピンドルモータそのものを利用する。具体的に
は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相の電源のうち、Ｕ，Ｖ相のみを通
電し、かつ位相を調節して、回転方向の加振力や半径方
向の加振力を発生させ、発生する振動を測定する。加振
装置を付加する必要が無いため、モータ本来の振動を測
定できる。また、作業の手間も減らすことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３相モータを搭載
する回転機械の、振動計測方法、及び、計測方法を利用
した回転機械の設計方法に関する。特に、ハードディス
クドライブや、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ
−ＲＷ等リムーバブルタイプの、デジタル信号記録再生
メディア駆動装置の、振動計測方法、及び、計測方法を
利用した駆動装置の設計方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に回転機械は、回転数などの励振周
波数と装置固有の共振点が一致した状態で急激に振動の
振幅が増大する。このような状態での運転は、動作異常
や装置の寿命を損なう等の悪影響を招くため、出来る限
り避ける必要がある。特に、ハードディスクドライブや
ＣＤ−ＲＯＭ等のデジタル情報機器の場合は、振動の拡
大はデータの読み書きのエラーや、場合によっては記録
面の破損を招く場合もある。このような事態を回避する
ため、これら回転機械の設計、開発に際しては、共振周
波数を初めとする振動特性を正確に把握しておく必要が
ある。

【０００３】対象が単純な形状と構造を有する場合、コ
ンピュータ等を用いて振動解析を行うことにより、比較
的精度良く固有振動数を推定することが出来るが、実際
の回転機械が対象となる場合は、無視できない誤差が伴
うことが多い。このため、実体に対する直接の測定は必
須である。

【０００４】しかしながら、この試験方法については、
これまで必ずしも満足のゆく方法は存在しなかった。す
なわち、振動特性を測定するためには、まず、回転機械
を任意の振動数で振動させることができなければならな
いが、適当な方法がなかった。最も単純には、回転機械
全体、或いは、回転機械の乗っている台に、加振装置を
接続して全体を揺動させる方法が考えられるが、振動さ
せる物体の質量が大きくなるため、加振器に大きな出力
が要求される。これは装置の巨大化を招いて不経済であ
る上に、高い周波数での加振は難しい。或いは、加振装
置を小型化するために、回転体部分のみに接続して加振
する方法も考えられるが、この方法では、回転体部分に
本来は存在しない部品を取り付けることになるため、振
動モードが変化して正確な測定が困難になる。

【０００５】特開２００１−８３０４５号公報には、こ
の前者に含まれる測定方法が開示されている。すなわち
ハードディスクに搭載されるピボット部の共振周波数を
測定するために、ダミーマスを介して加振装置を接続
し、ピボット全体を振動させている。既に述べたよう
に、この種の方法では加振装置が別途必要になることに
加えて、この例ではダミーマスとピボットハウジングの
接続部の剛性にバラツキが生ずるという問題が加わる。

【０００６】このように、加振装置を付加することによ
るトラブルを回避して、回転機械の振動特性を測定する
方法が求められていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】駆動装置を内蔵した回
転機械の、振動特性の計測に於いて、加振器を取り付け
ることに伴う誤差要因を排除し、より簡便で精度の高い
振動特性測定を可能にする

【課題を解決するための手段】前記の課題を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、３相モータと、前記３
相モータによって回転させられる回転体とを有し、該回
転体は定格運転においては連続回転させられることを前
提に設計された、回転機械に対して、前記３相モータの
各相に印加する電圧の振幅と相対的な位相差を所定の値
に設定することで該３相モータの固定子と回転子を加振
装置として機能させ、前記固定子と前記回転子の間に加
振力を発生させ、該加振力によって引き起こされる前記
回転機械の振動を、振動計測装置にて計測する点を特徴
とする振動計測方法を提案する。

【０００８】前記の課題を達成するため、請求項２に記
載の発明では、前記３相モータの各相に印加する電圧の
振幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで、前
記固定子と前記回転子の間に、該回転子の直径方向の直
線加振力を発生させる点を特徴とする、請求項１に記載
の振動計測方法を提案する。

【０００９】前記の課題を達成するため、請求項３に記
載の発明では、前記３相モータの各相に印加する電圧の
振幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで、前
記固定子と前記回転子の間に、該回転子の回転軸回りの
回転加振力を発生させる点を特徴とする、請求項１に記
載の振動計測方法を提案する。

【００１０】前記の課題を達成するため、請求項４に記
載の発明では、前記３相モータの各相に印加する電圧の
振幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで、前
記固定子と前記回転子の間に、該回転子の直径方向の直
線加振力を発生させ、なおかつ、前記回転機械に対する
前記直線加振力の加振方向を、特定の位相方向に設定す
る点を特徴とする、請求項１に記載の振動計測方法を提
案する。

【００１１】前記の課題を達成するため、請求項５に記
載の発明では、前記印加電圧の周波数を変化させつつ、
前記回転機械の振幅を測定することにより、該回転機械
の共振周波数を測定することを特徴とする、請求項１乃
至４に記載の振動計測方法を提案する。

【００１２】前記の課題を達成するため、請求項６に記
載の発明では、前記各相への印加電圧の何れか一つ以上
及び前記回転機械の振動を同時に測定し共に記録する方
法と、前記各相への印加電圧の何れか一つ以上及び前記
回転機械の振動を互いに一定の時間間隔をあけて測定し
共に記録する方法と、前記印加電圧の何れか一つ以上を
監視し該印加電圧の監視結果が所定の条件を満たしたと
きのみ前記回転機械の振動を測定し記録する方法の、何
れか１つの方法を採る点を特徴とする請求項１乃至５に
記載の振動計測方法を提案する。

【００１３】前記の課題を達成するため、請求項７に記
載の発明では、前記回転機械表面の特定の線上、或い
は、該表面の特定の領域内において、測定点を順次移動
させつつ、該線上或いは該領域上の複数点で前記振動を
測定する点に特徴を有する、請求項６に記載の振動計測
方法を提案する。

【００１４】前記の課題を達成するため、請求項８に記
載の発明では、前記３相モータに印加する電圧の内、２
相のみを通電する点を特徴とする、請求項１乃至７に記
載の振動計測方法を提案する。

【００１５】前記の課題を達成するため、請求項９に記
載の発明では、レーザ光をプローブとして利用する振動
計によって、前記回転機械に対して非接触の状態で振動
を計測する点を特徴とする、請求項１乃至８に記載の、
振動計測方法を提案する。

【００１６】前記の課題を達成するため、請求項１０に
記載の発明では、請求項１乃至９に記載の振動計測方法
において、前記回転体は弾性体からなる一枚以上の円板
であり、かつ、前記３相モータはブラシレスＤＣモータ
である点を特徴とする、振動計測方法を提案する。

【００１７】前記の課題を達成するため、請求項１１に
記載の発明では、回転機械の構造決定に際して、該回転
機械の振動を請求項１乃至１０の方法によって測定し、
該測定結果を基に構造の修正有無を判断し、必要に応じ
て修正する点を特徴とする、回転機械の構造決定方法を
提案する。

【００１８】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。

【００１９】本発明では、回転機械の内部に、駆動装置
として３相モータを内蔵したものを対象とする。請求項
１に記載の発明は、その基本となるものである。通常、
モータの界磁石では、回転子を回転させる為に、回転磁
界が形成される様コイルに電流が供給されている。その
位相条件を異ならせれば、界磁磁石上に、移動せずに強
度のみが振動する磁場を形成させることが出来る。この
場合は、回転子は回転せずに振動するのみになる。ま
た、円周回転方向に振動させる事もできる。

【００２０】つまり、Ｕ，Ｖ，Ｗ、（Ｏ）の３相、Ｙ結
線のモータで説明すると、Ｕ−Ｏに電流を流した時、ロ
ータとステータ間の円周方向に分布して発生する磁力に
より、総合的にロータにはトルクと力が加えられる。Ｖ
−Ｏ間、Ｗ−Ｏ間に電流を流した場合にも同様であり、
それらのコイル配置と流す電流の大きさ、位相とロータ
側の磁石の極配置との関係から、通常は、これら３つの
力の総和を常にゼロに、トルクを常に一定とするように
バランス調整することにより、連続的にスムースな回転
運動が可能なように設定している。しかし、このことは
逆に言うと、そのバランスを崩せば連続的な回転運動は
できなくなり、また相応な調整を行えば、「力の位相方
向を一定に保持したまま変動させ、トルクはゼロに調整
する」、あるいは「力はゼロにし、トルクは変動させ
る」ことも可能であるということであり、本発明はこの
原理を利用するものである。

【００２１】これらの方法は、モータを内蔵した回転機
器にしか適用できないが、その分野に限れば、測定対象
物に新たに部品を付加する必要が無いため、実際の動作
時とほぼ同じ装置条件を保ったままで加振する事が可能
で、高い精度が得られる。しかも、別に加振装置を用意
する必要がないため、簡便でコストも低減できる。

【００２２】請求項２に記載の発明は、回転子の半径方
向に向かって直線状に加振する手法を開示する。実施の
形態で記載するように、本発明では電源や制御回路、あ
るいはロータマグネットを交換することで、回転子の半
径方向の加振力を付加することが可能になる。この為、
高い精度で振動状態を測定することが出来る。

【００２３】請求項３に記載の発明では、回転子の回転
軸回りの加振を開示する。実施の形態で記載するよう
に、本発明では電源振幅や位相を調整するのみで、回転
子の回転軸回りの加振力を付加することが可能になるた
め、測定の作業効率が高まる。

【００２４】請求項４に記載の発明は、半径方向の直線
上で加振する場合の、位相方向を限定する技術を開示す
る。ここで位相方向とは、ステータに巻かれたＵ、Ｖ、Ｗ
三相のコイルに対応する方位であって、静止部品に固定
された特定な方向であり、例えば、長方形のベースに取
り付けられた回転機械において、ベースの長手方向ある
いは短手方向を指す。どの方位に加振されるかは、ロー
タとステータの位置関係に依存するが、その位相方位は
電源電圧の相対的な振幅と位相差を所定の値に設定する
ことで調整できる。これら二つの方法を組み合わせて、
直線加振する場合の加振方向を選択することもできる。

【００２５】請求項５に記載の発明では、印加電圧の周
波数を変化させ、加振周波数を変化させつつ振幅の変化
を測定することで、共振周波数を測定することが出来
る。加振装置を取り付ける必要がある従来の方法では、
共振点にずれが生じて、正確な測定は困難であった。

【００２６】請求項６に記載の発明では、印加する電圧
と振動状態とを関係付けて記録できる。加振力と振動の
位相には、加振周波数と共振周波数との大小に応じて一
定の関係があるが、この発明ではその関係を反映させた
測定が可能である。

【００２７】請求項７に記載の発明では、印加電圧を基
準にして測定することで、ある周波数における変位の分
布を、測定することが出来る。

【００２８】請求項８に記載の方法では、加振のために
電圧を印加する際、Ｕ、Ｖ、Ｗ３相の内、例えばＵ、Ｖ
の２相にしか電圧をかけない。配線が２本で済む上に、
電圧や位相の調整も容易になり、測定作業の効率が高ま
る。

【００２９】請求項９に記載の方法では、振動の測定に
レーザ光をプローブとする、レーザ振動計を使用する。
本願発明の方法では、加振器を付加せずに加振を行える
ため、簡便で精度の高い測定が可能になるのであるが、
しかし、振動を測定するために、加速度計等を回転機械
に付加しなければならないとなると、測定精度が損なわ
れる。そこで、振動の測定にはレーザ光をプローブとし
て用いた非接触の振動計を利用する。こうすることで、
最も精度の高い測定結果が得られる。

【００３０】請求項１０に記載の方法によれば、ディス
クを搭載したハードディスクドライブや、ＣＤ−ＲＯＭ
を初めとするリムーバブルタイプのデータ記録装置つい
て、その振動特性を測定することが出来る。

【００３１】請求項１１に記載の方法によれば、回転機
械の試作品を作った際に、容易にその振動特性を測定で
きるため、その結果を構造の修正作業にフィードバック
して、改善に繋げることが容易である。この手法を回転
機械の設計に導入することで、振動特性に優れた回転機
械を、従来よりも容易に設計できるようになる。また、
開発に要する期間を短縮することが出来る。

【００３２】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）本発明を具
体化した第１の実施形態を図１に従って説明する。図１
は、６極１２スロットの集中巻き３相モータにおける直
線加振の際に、ロータ９の各部にかかる力を、それぞれ
矢印で示したものである。

【００３３】図１では、Ｕ、Ｖ相には、振幅、位相が同
じ電圧を印加し、Ｗ相には振幅が同一で位相がπずれた
電圧を印加した例であり、Ｕ、ＶがＮ極になった瞬間を
示している。ロータマグネットの内、１と４の部位に
は、ロータの半径方向の加振力が働いている。他の、
２、３、５、６の部位には、トルクが発生しているが、
これらは打ち消し合って、全体ではゼロになっている。
なお、直線加振の実験を行う上では、本実施例で示した
磁極数とスロット数、巻線の方法を選択組合せることに
より機構的に対称な構成にして、トルクがゼロになるよ
うにするのは有効な一つの方法であり、必要に応じて、
ロータを付け替えたり、ステータを付け替えたりしても
良い。

【００３４】（第２の実施の形態）本発明を具体化した
第２の実施形態を図２に従って説明する。図２は、１２
スロットの集中巻き３相モータにおける回転方向の加振
の際に、ロータの各部にかかる力を、それぞれ矢印で示
したものである。

【００３５】図２では、Ｕ、Ｖ相のみに通電している。
また、Ｕ相とＶ相の位相はπ異ならせている。ロータマ
グネットの内、１、３、５、７の部位には右回りのトル
クが働くが、半径方向の力は殆ど発生しない。図２は右
回り方向の加振力を受けている瞬間を描いているが、Ｓ
極とＮ極が逆転すれば、左回り方向の加振力を受ける。
この二つの状態を繰り返すことで、回転方向に加振され
る。

【００３６】なお、第１の実施の形態、第２の実施の形
態共に、実際には種々の時定数や特性の差などがあるた
めに、加振されるものの振動・位相を測定し、望む状態
になるように各相に印加する電圧、位相を調整する必要
がある。

【００３７】（第３の実施の形態）本発明を具体化した
第３の実施形態を図３に従って説明する。図３は、ブラ
シレスＤＣモータを搭載しディスク２３を回転させる回
転機械２０の、共振周波数を測定するために測定装置を
構成した例である。信号発信器２１は、独立に振幅と位
相を変更できる二つの高周波を発信できる。それら高周
波を、２２の引き出し線の内、図中のＵ相とＶ相にのみ
接続し、回転機械２０を加振する。この例では、回転機
械が搭載するディスク２３の振動を測定するために、レ
ーザ振動計２４はディスク２３を照準して振動を測定し
ている。レーザ振動計の出力と、信号発信器からの出力
を、ＦＦＴアナライザ２５に導き、そこで周波数と振幅
の関係をグラフに表すことで、共振周波数を測定するこ
とが出来る。なお、図では、グランド線や各装置の細部
の記載は省略している。

【００３８】（第４の実施の形態）本発明を具体化した
第４の実施形態を図４に従って説明する。図４は、図３
と同じく、ブラシレスＤＣモータを搭載しディスク２３
を回転させる回転機械２０を測定対象としている。図３
との違いは、共振周波数におけるディスクの振動モード
を明らかにするために、プローブとなるレーザ光でディ
スク表面を走査しつつ測定する構成となっていること
と、測定の各瞬間毎に、加振電圧も測定してコンピュー
タ２６に蓄積するようになっている点である。分析値の
中ある特定の周波数における加振電圧と振動の振幅と位
相を抜き出し、ディスク表面の変位を構成すると、ディ
スクの振動のある瞬間を描き出すことが出来る。このよ
うにしてディスクの変形状況が分かれば、振動モードは
特定できる。

【００３９】上記の説明では、レーザ振動計２４はディ
スク２３の表面を、測定位置を変えながら連続的に測定
するとして説明したが、本発明の実施形態はこれに限定
されない。連続的に測定する代わりに、測定面を有限こ
の点の集まりとして、これらの点を一つ一つ測定し、そ
の結果をコンピュータに蓄積させて行っても良い。この
方法は、コンピュータ制御による測定に適している。

【００４０】なお、図４では、コンピュータ２６に信号
を取り込む部分について、アナログ−デジタルコンバー
タなどのインターフェースは表示していない。レーザ振
動計２４が直接デジタル信号を出力できるように構成さ
れている場合もあり、敢えて明記する必要はないと判断
したからである。同様に、レーザ振動計２４の走査信号
についても、表示を省略している。これも、使用するレ
ーザ振動計の仕様に左右される部分であり、本発明の本
質とは関係しないからである。

【００４１】

【発明の効果】以上に詳述したように請求項１乃至請求
項１０に記載の発明によれば、３相モータを搭載した回
転機械の振動特性を簡便かつ正確に測定することが出来
る。

【００４２】請求項２の発明によれば、更に、直径方法
の直線加振を自在に設定することが可能である。直線加
振に対する振動特性の測定の精度が高まる。

【００４３】請求項３の発明によれば、回転方向の加振
を自在に設定することが可能である。回転方向の加振に
対する振動特性の測定が容易になり、かつ、高い精度が
得られる。

【００４４】請求項４の発明によれば、直線加振におい
て、加振の位相方向を適宜選択することで、様々な加振
方向に対する振動特性を測定できる。

【００４５】請求項５の方法によれば、回転機械の共振
周波数を測定できる。

【００４６】請求項６の発明によれば、特定の領域内に
行ける振動状態の分布を測定できる。

【００４７】請求項７の発明によれば、測定対象表面を
連続的に測定するのではなく、有限個の点として離散的
に測定してゆくため、コンピュータ等のデジタル機器と
の組み合わせによる測定に好適である。

【００４８】請求項８の方法によれば、３相のコイルの
内、２相を通電するのみで試験できるため、位相の調整
等の手間も少なく簡便な測定が可能になる。

【００４９】請求項９の方法によれば、非接触にて振動
を測定できるため、測定の精度が一層高まる。

【００５０】請求項１０の方法によれば、ブラシレスＤ
Ｃモータを搭載し円板を回転する機械に於いて、振動特
性を測定することが出来る。

【００５１】請求項１１の方法によれば、より効率的に
回転機械を設計できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】直線加振の説明図

【図２】回転加振の説明図

【図３】共振周波数測定方法の説明図

【図４】振動モード計測法の説明図

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６、７、８ロータマグネットの
磁極９ロータ１０ステータ１１コイル１２スロット２０回転機械２１信号発生器２２引き出し線２３ディスク２４レーザ振動計２５ FFTアナライザ２６コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G024 AD26 BA15 CA13 DA09 2G064 AA12 AB08 AB09 AB11 BC32 CC43 DD24 5D109 BA20 BA40 DA01 5H615 AA01 BB01 BB07 BB14 PP01 PP02 SS46 SS53 SS57

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３相モータと、前記３相モータによって回
転させられる回転体とを有し、該回転体は定格運転にお
いては連続回転させられることを前提に設計された、回
転機械に対して、前記３相モータの各相に印加する電圧
の振幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで該
３相モータの固定子と回転子を加振装置として機能さ
せ、前記固定子と前記回転子の間に加振力を発生させ、
該加振力によって引き起こされる前記回転機械の振動
を、振動計測装置にて計測する点を特徴とする振動計測
方法。
【請求項２】前記３相モータの各相に印加する電圧の振
幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで、前記
固定子と前記回転子の間に、該回転子の直径方向の直線
加振力を発生させる点を特徴とする、請求項１に記載の
振動計測方法。
【請求項３】前記３相モータの各相に印加する電圧の振
幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで、前記
固定子と前記回転子の間に、該回転子の回転軸回りの回
転加振力を発生させる点を特徴とする、請求項１に記載
の振動計測方法。
【請求項４】前記３相モータの各相に印加する電圧の振
幅と相対的な位相差を所定の値に設定することで、前記
固定子と前記回転子の間に、該回転子の直径方向の直線
加振力を発生させ、なおかつ、前記回転機械に対する前
記直線加振力の加振方向を、特定の位相方向に設定する
点を特徴とする、請求項１に記載の振動計測方法。
【請求項５】前記印加電圧の周波数を変化させつつ、前
記回転機械の振幅を測定することにより、該回転機械の
共振周波数を測定することを特徴とする、請求項１乃至
４に記載の振動計測方法。
【請求項６】前記各相への印加電圧の何れか一つ以上及
び前記回転機械の振動を同時に測定し共に記録する方法
と、前記各相への印加電圧の何れか一つ以上及び前記回
転機械の振動を互いに一定の時間間隔をあけて測定し共
に記録する方法と、前記印加電圧の何れか一つ以上を監
視し該印加電圧の監視結果が所定の条件を満たしたとき
のみ前記回転機械の振動を測定し記録する方法の、何れ
か１つの方法を採る点を特徴とする請求項１乃至５に記
載の振動計測方法。
【請求項７】前記回転機械表面の特定の線上、或いは、
該表面の特定の領域内において、測定点を順次移動させ
つつ、該線上或いは該領域上の複数点で前記振動を測定
する点に特徴を有する、請求項６に記載の振動計測方
法。
【請求項８】前記３相モータに印加する電圧の内、２相
のみを通電する点を特徴とする、請求項１乃至７に記載
の振動計測方法。
【請求項９】レーザ光をプローブとして利用する振動計
によって、前記回転機械に対して非接触の状態で振動を
計測する点を特徴とする、請求項１乃至８に記載の、振
動計測方法。
【請求項１０】請求項１乃至９に記載の振動計測方法に
おいて、前記回転体は弾性体からなる一枚以上の円板で
あり、かつ、前記３相モータはブラシレスＤＣモータで
ある点を特徴とする、振動計測方法。
【請求項１１】回転機械の構造決定に際して、該回転機
械の振動を請求項１乃至１０の方法によって測定し、該
測定結果を基に構造の修正有無を判断し、必要に応じて
修正する点を特徴とする、回転機械の設計方法。