JP2004205315A - 軸受構造体の動作評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのような回転動作装置に使用される軸受構造体の振動計測を、回転動作装置側の影響を受けることなく行い得、取り扱い性並びにコストメリットを高める。
【解決手段】固定部材と、この固定部材に対して相対的に回転自在である回転部材と、固定部材と回転部材との間に介在された軸受構造体と、回転部材に対して回転駆動力を発生させるための駆動部とを備えてなる回転動作装置における軸受構造体の動作評価方法である。軸受構造体３０を単体で支持し、この軸受構造体３０に振動を測定するセンサ５４を取り付け、軸受構造体３０の回転要素３６に外部より回転力を付与し、回転要素３６の回転中に軸受構造体３０を単体で振動測定する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の回転動作装置に用いられる軸受構造体の振動測定に基づく動作評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
評価対象物の振動を計測し、発生頻度、振幅、周波数成分などを解析し、評価対象物の形状機能を損なうこと無しに欠陥の存在を評価し、品質分析などの判定を行う技術がある。
【０００３】
一例として、アコースティックエミッション（以下、ＡＥという）センサを用いた技術が知られている。ＡＥとは、固体が変形あるいは破壊される際に、固体がそれまで蓄えていたひずみエネルギーを解放する結果として発生する弾性波として知られている。また、広義には、小さな摩擦や衝突などに起因する固体の高周波微少振動も含んでいる。
【０００４】
特許文献１には、モータの備える軸受の摩擦による振動をＡＥセンサにより測定し、軸受の動作評価を行う動作評価装置が公開されている。この動作評価装置では、モータを定格回転数にて回転させ、ＡＥセンサの測定値を所定の規格値と比較することにより評価を行っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３０７０８１号公報 （第２頁）
【発明が解決しようとする課題】
一方、評価対象物が軸受、回転機あるいは回転機を用いた装置など回転動作を伴う回転動作装置である場合、回転動作装置が主に使用される動作回転数だけで評価を行うのではなく、低速回転から高速回転までの幅広い回転数において漏れなく評価を行うことが望まれる。具体的には、ハードディスク駆動装置の場合、通常ある一定の動作回転数で動作されるが、起動・停止を繰り返すため、起動時から動作回転時までのすべての回転数において評価を行うことが求められる。
【０００６】
しかし、上記従来技術においては、軸受の摩擦による振動をモータの回転時に行うことを基本としており、モータノイズ、つまりモータ電流の切り換えに伴うスイッチングノイズのような電気的ノイズや、ステータとロータマグネットとの間の電磁力によるコギングつまり磁気的ノイズが影響し、正確な軸受部の振動測定に限界を有している。
【０００７】
上記特許文献１には、軸受のコスレをＡＥセンサで検出する一方、モータノイズをＡＥセンサにより検出し、両センサによる検出信号を演算処理してモータノイズの影響を取り除いた検査方法が示されているが、二カ所にＡＥセンサを取り付けた上でコンピュータなどでの演算処理を行う必要があり、取り扱い性が悪いだけでなく装置が大掛かりとなり、しかも上記検査により不良と判断された場合にはモータ単体での廃却が余儀なくされ、無駄が大きくなる難点を有している。
【０００８】
また、このことは、ＡＥセンサを用いた評価に限らず、振動を測定し回転動作装置の動作評価を行う動作評価装置一般についても当てはまる。
【０００９】
そこで、本発明では、モータのような回転動作装置に使用される軸受構造体の振動計測に際し、回転動作装置側の影響を受けることがなく、取り扱い性並びにコストメリットの高い軸受構造体の動作評価方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる軸受構造体の動作評価方法は、回転動作装置に使用される軸受構造体を単体で支持し、この軸受構造体にセンサを取り付けた上で、軸受構造体の回転要素に外部回転力を与えて回転し、この状態でセンサによる振動測定を行う。ここで、回転動作装置とは、軸受構造体、軸受構造体を備える回転機および回転機を備える装置など回転動作を伴う装置である。
【００１１】
この動作評価方法では、回転動作装置に使用される軸受構造体を単体で振動測定することから、回転動作装置のノイズを含まない軸受構造体それ自身の振動を測定し、振動計測に基づく評価を行うことができる。
【００１２】
請求項２にかかる軸受構造体の動作評価方法は、請求項１に記載の軸受構造体の動作評価方法であって、軸受構造体は、動圧軸受を有している。
【００１３】
この動作評価方法では、動圧軸受を有している軸受構造体の動作評価を行う。動圧軸受では、回転中の擦れが軸受の性能に影響を与える。この擦れから生じる軸受構造体の振動を測定し、動作評価を行う。
【００１４】
請求項３にかかる軸受構造体の動作評価方法は、請求項１に記載の軸受構造体の動作評価方法であって、軸受構造体の回転要素に羽根車が同軸状に連結され、この羽根車に空気流を付与することにより羽根車を回転し回転要素に回転力を付与する。
【００１５】
この動作評価方法では、軸受構造体の回転要素に外部から回転力を付与するために、空気流により回転する羽根車が使用され、回転動作装置の駆動に際して発生するスイッチングノイズ等の電気的なノイズがセンサの測定に与える影響を考慮する必要がなく、しかも回転動作装置がモータの場合のステータとロータマグネットとの間に生じるコギングといった磁気的なノイズがセンサの測定に影響を与えることもなく、センサを用いて精度よく軸受構造体の動作評価を行うことができる。
【００１６】
請求項４にかかる軸受構造体の動作評価方法は、請求項１ないし３に記載の軸受構造体の動作評価方法であって、振動は、アコースティックエミッション（ＡＥ）センサにより測定される。
【００１７】
請求項５にかかる軸受構造体の動作評価方法は、請求項１〜４に記載の軸受構造体の動作評価方法であって、回転動作装置の起動時から動作回転時までのすべての回転数において振動測定が行われる。
【００１８】
この動作評価装置では、回転動作装置の起動から動作回転時の幅広い回転数において漏れなく振動の計測に基づく評価を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態につき図面を用いて説明する。この実施の形態では、回転動作装置としてハードディスク駆動装置に用いるハードディスク回転駆動用スピンドルモータの場合を示している。
【００２０】
図３は、スピンドルモータ１の概略構造を示した断面図であり、固定部材となるモータブラケット１０に対して回転部材となるロータハブ２０が軸受構造体３０を介して相対的に回転自在に支持されている。モータブラケット１０はハードディスク駆動装置のベースにねじ止め等の手段により固定されるが、このベース自体に軸受構造体３０を介して回転部材を支持するかたちであってもよく、この場合、ベースが直接固定部材を構成する。
【００２１】
モータブラケット１０には中央部に円筒状ボス部１２が一体的に突設されており、このボス部１２の内側に軸受構造体３０が内嵌固定されている。ボス部１２の外周面にはモータ駆動部の一部を構成するステータ１４が外嵌固定されている。ステータ１４はステータコア１６とこれに巻装されたコイル１８とからなる。
【００２２】
また、ロータハブ２０は逆カップ状に構成され、ロータハブ２０の外周筒部にディスクが嵌合されて装着されることによりディスクがロータハブ２０と一体となって回転する。ロータハブ２０の外周筒部の内周面には、モータ駆動部の一部を構成する円筒状のロータマグネット２２が装着され、ステータコア１６の外周面に僅かの隙間を介して対向している。
【００２３】
軸受構造体３０は、動圧軸受を有しており、円筒状スリーブ３２と、このスリーブ３２の下端開口を閉塞するように取り付けられたスラストカバー３４と、スリーブ３２及びスラストカバー３４で構成する有底円筒体の内側に挿入されたシャフト３６と、を備えており、スリーブ３２より突出したシャフト３６の上端部にロータハブ２０が同軸的かつ一体的に連結されている。
【００２４】
スリーブ３２の円筒内周面は、その大半を占める軸受内周部３２ａと、下端部に設けられ円筒内周面３２ａより大径の拡大内径部３２ｂとからなる。シャフト３６は、スリーブ３２の軸受内周部３２ａと微小間隙を介して対向する軸部３６ａと、この軸部３６ａの下端に一体に設けられ軸部３６ａより大径に形成された円盤状スラスト板部３６ｂとからなり、スラスト板部３６ｂがスリーブ３２の拡大内径部３２ｂに配置されている。スラスト板部３６ｂの上面はスリーブ３２の軸受内周部３２ａと拡大内径部３２ｂとの間の段付き部の下面に微少間隙を介して対向し、スラスト板部３６ｂの下面はスラストカバー３４の上面に微少間隙を介して対向している。これらシャフト３６とスリーブ３２及びスラストカバー３４との間の微少間隙にはオイル等の潤滑流体が連続して充填されている。
【００２５】
軸部３６ａの外周面とスリーブ３２の軸受内周面３２ａとの一方若しくは両方にはその上下にヘリングボーン状溝等のラジアル動圧溝が形成されており、これによりシャフト３６とスリーブ３２との相対回転により両者間の微小隙間に充填された潤滑流体の圧力を高めてラジアル荷重を支持する一対のラジアル動圧軸受部４０，４２が形成されている。さらに、スラスト板部３６ｂの上面とスリーブ３２の段付き部下面との一方若しくは両方、並びにスラスト板部３６ｂの下面とスラストカバー３４の上面との一方若しくは両方にはヘリングボーン状或いはスパイラル状のスラスト動圧溝が形成されており、これによりスラスト板部３６ｂ回りの潤滑流体の圧力を高めてスラスト荷重を支持する一対のスラスト動圧軸受部４４，４６が形成されている。
【００２６】
このように軸受構造体３０においては、スリーブ３２及びスラストカバー３４に対してシャフト３６が一対のラジアル動圧軸受部４０，４２及び一対のスラスト動圧軸受部４４，４６を介してラジアル方向及びスラスト方向に回転自在に支持されており、この軸受構造体３０のスリーブ３２を固定したモータブラケット１０に対してシャフト３６に連結されたロータハブ２０が回転自在に支持されることになる。
【００２７】
図１は、上述したスピンドルモータ１に用いられる軸受構造体３０を単体で動作評価するための動作評価装置Ａを示したものである。この動作評価装置Ａは、評価対象としての軸受構造体３０を横方向からクランプすることにより固定する固定治具５２と、軸受構造体３０の底面にスプリング等により押し当てられたアコースティックエミッション（以下、ＡＥという）センサ５４と、軸受構造体３０の回転要素としてのシャフト３６の上端部にねじ５５により同軸状に固定された羽根車５６と、ＡＥセンサ５４からの信号を増幅するアンプ５８と、アンプ５８からのセンサ信号を演算処理し評価しかつ表示するパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）６０とから構成されている。
【００２８】
羽根車５６には、その外周面に多数の羽根５７が周方向等間隔に設けられており、図２に示すように、羽根車５６の近傍にエアノズル６２をそのエア噴出口を羽根車５６の周面（の羽根５７）に向けて配置し、エアノズル６２より空気流を噴出させることにより羽根車５６が回転する。羽根車５６の回転速度はエアノズル６２からの空気流を調整することにより制御可能である。
【００２９】
このように回転する羽根車５６の回転力は軸受構造体の３０のシャフト３６に与えられ、シャフト３６がスリーブ３２に対して動圧軸受部４０，４２，４４，４６により支持されながら回転することになる。シャフト３６が回転する際、ＡＥセンサ５４は動圧軸受部の擦れ（金属接触）などを原因として発生する微少振動を検出する。ＡＥセンサ５４のセンサ信号はアンプ５８において処理に必要なレベルにまで増幅され、ＡＥ測定信号としてパソコン６０に取り込まれ演算処理される。例えば、ＡＥ測定信号をアナログ−デジタル変換したのち、微小振動の周波数解析、波形形状解析などの特性解析が行われ、軸受構造体３０の動作評価に役立てる。
【００３０】
このような動作評価装置Ａにあっては、スピンドルモータ１に用いられる軸受構造体３０を、スピンドルモータ１とは切り離し単体として振動測定する結果、モータ動作時に発生する電磁気ノイズの影響等を一切排除し得、軸受構造体３０自身の振動情報を正確に取得することができ、動作評価の精度を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
また、動作評価装置Ａは、スピンドルモータ１の一部品である軸受構造体３０を単体で取り扱うため、評価対象が小さくなり、取り扱い性が良好になる利点がある。加えて、評価対象が動作評価装置Ａによって不良として判定された場合であっても、その対象である軸受構造体Ａのみを廃却すればよいことから、スピンドルモータ１への組み込み状態での不良廃却の場合に比べ無駄が極端に少なくなり、省力化への期待が高まるものである。
【００３２】
なお、上記実施形態において、空気の噴出圧力に起因する外部振動の影響がある場合は、この空気の噴出圧力による振動周波数帯域が測定帯域と離間していることから、フィルターを用いてその周波数帯域の信号を除去すればよい。
【００３３】
また、上述した動作評価において、スピンドルモータ１の起動から定格回転数までの全ての回転数での軸受構造体３０の振動測定するには、例えば羽根車５６を定格回転数で回転し、その後羽根車５６を停止するまで惰性回転させ、その際の軸受構造体３０の振動をＡＥセンサ５４で測定するようにすればよい。特に、上述した動圧軸受を有する軸受構造体３０では、起動・停止時の金属接触が軸受性能に大きく影響することから、全ての回転数での動作評価は有益である。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、評価対象は上述の動圧軸受を有する軸受構造体３０に限定されるものではなく、他の方式（構造上他の方式である場合や潤滑流体を磁性流体や他の液体或いは空気とした方式）を採用した動圧軸受を有する軸受構造体でもよく、或いは滑り軸受やころがり軸受を有する軸受構造体であってもよい。
【００３５】
さらに、軸受構造体の回転要素に外部から回転力を付与する手段としては、他の風力利用や水力利用等の方式が利用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１にかかる発明では、軸受構造体の回転要素に外部より回転力を付与して回転させた状態でこの軸受構造体の振動をセンサにより測定するようにしたので、軸受構造体単体での振動測定が可能となり、軸受構造体をモータ等の回転動作装置に使用した際に回転動作装置の駆動に際して発生する各種電磁気ノイズの影響を全く受けることなく軸受構造体自体の動作評価を正しく実施でき、精度の高い測定が可能になるものである。加えて、軸受構造体を単体で振動測定できるため、測定対象の取り扱い性が格段に向上し、しかも測定対象の不良に対しても軸受構造体のみの対応（廃却）でよくなり、回転動作装置には何ら影響を及ぼすことがなく、省力化が図れるものである。
【００３７】
請求項２にかかる発明では、軸受構造体に動圧軸受を有しているため、軸受構成部材同士の擦れに起因する振動を精度よく測定することができる。
【００３８】
請求項３にかかる発明では、軸受構造体の回転要素に連結された羽根車に空気流を付与して回転要素を回転させることができ、回転要素を回転動作装置とは関係なく独自に回転させることができる。
【００３９】
請求項４にかかる発明では、軸受構造体の振動をＡＥセンサにより測定するので、高感度での振動測定が実現する。
【００４０】
請求項５にかかる発明では、回転動作装置の起動時から動作回転時までの幅広い回転数において漏れなく振動の計測に基づく評価を行うことができる。
【００４１】
請求項９にかかる発明では、ＡＥ規格値が回転数毎に設定されており、ＡＥセンサの測定値が回転数に依存する場合であっても、各回転数における回転動作装置の動作評価を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としての動作評価装置１の概略構成図である。
【図２】図１の一部の平面図である。
【図３】軸受構造体を使用するスピンドルモータの断面図である。
【符号の説明】
１ スピンドルモータ（回転動作装置）
１０ モータブラケット（固定部材）
１６ ステータ（駆動部）
２０ ロータハブ（回転部材）
２２ ロータマグネット（駆動部）
３０ 軸受構造体
３６ シャフト（回転要素）
４０，４２ ラジアル動圧軸受部
４４，４６ スラスト動圧軸受部
５４ ＡＥセンサ
５６ 羽根車

Claims (5)

1. 固定部材と、該固定部材に対して相対的に回転自在である回転部材と、前記固定部材と前記回転部材との間に介在された軸受構造体と、前記回転部材に対して回転駆動力を発生させるための駆動部とを備えてなる回転動作装置における軸受構造体の動作評価方法であって、
   前記軸受構造体を単体で支持し、該軸受構造体に振動を測定するセンサを取り付け、前記軸受構造体の回転要素に外部より回転力を付与し、該回転要素の回転中に軸受構造体を単体で振動測定することを特徴とする軸受構造体の動作評価方法。
2. 前記軸受構造体は、動圧軸受を有している請求項１記載の軸受構造体の動作評価方法。
3. 前記軸受構造体の回転要素には羽根車が同軸状に連結され、該羽根車に空気流を付与することにより羽根車を回転し、前記回転要素に回転力を付与することを特徴とする請求項１又は２記載の軸受構造体の動作評価方法。
4. 前記振動は、アコースティックエミッション（ＡＥ）センサにより測定される請求項１〜３の何れかに記載の軸受構造体の動作評価方法。
5. 前記軸受構造体は、当該軸受構造体が搭載される回転動作装置の起動時から動作回転時までのすべての回転数において振動測定が行われる請求項１〜４の何れかに記載の軸受構造体の動作評価方法。

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