JP2565637B2

JP2565637B2 - 振動分離装置及び方法

Info

Publication number: JP2565637B2
Application number: JP5058287A
Authority: JP
Inventors: ジェフリー・エフ・ボイゲンザーン; ロナルド・ジョン・デード; マイケル・アンソニー・モーサー; サブラーマニヤン・ナガラジャン; ハル・ジャルマー・オッテセン; アラン・シャーマ; マササビィ・スリジャヤンサ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1996-12-18
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: EP0567833A2; CA2089792A1; EP0567833A3; JPH0612852A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直接アクセス記憶装置
（ＤＡＳＤ）に関する。詳細にいえば、外部振動を受け
るヘッド・ディスク・アセンブリ（ＨＤＡ）の線形及び
回転振動モードを分離するＤＡＳＤ用のショック・マウ
ントに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１を参照すると、回転アクチュエータ
・ディスク駆動機構１０の絶縁システムは、ＨＤＡが受
けるショック及び振動のレベルを最小限とするように設
計されている。ＨＤＡはモータ（図示せず）によって駆
動されるスピンドル１４とともに回転する回転ディスク
１２を含んでいる。ディスク１２はアクチュエータ・ア
ーム１８の端部に取り付けられた読み書きヘッド１６と
相互に作用する。アーム１８はボイス・コイル・モータ
のコイル２２の作用のもとでピボット・ポイント２０を
中心としてピボット運動する。

【０００３】ユーザ・フレーム２４（たとえば、パーソ
ナル・コンピュータのディスク駆動機構取付けエンクロ
ージャ）が外部加速入力を受けた場合、駆動機構１０と
フレーム２４の間に配置されている多数のショック・マ
ウント２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄが駆動機構１
０の作動に対するショック及び振動の影響を最小限のも
のとする。しかしながら、加速入力はショック・マウン
トを介して伝えられる。ショック・マウントを有するデ
ィスク駆動機構は、外部線形加速によって励起された場
合、一般に、ＨＤＡレベルで線形及び回転両方の振動を
受ける。回転アクチュエータを有するＤＡＳＤの場合、
サーボ排除が問題の振動範囲で充分な高さのものでない
場合、回転運動はトラック誤整合（ＴＭＲ）成分をもた
らす。回転アクチュエータ・ベースのＤＡＳＤのＴＭＲ
に関連した障害モードによって、絶縁マウントを回転加
速結合に対する線形入力を最小限とするように最適な設
計を行えないことが明らかとなった。場合によっては、
形状係数（form factor）に関する考慮事項がショック
・マウントの設計に利用できる自由度を制限することが
ある。現在まで、回転モードの力学を抑制する系統だっ
た設計手法が存在していなかった。高トラック密度を有
するディスク駆動機構の場合、ショック及び振動の分離
が、形状係数の制約と同様に重要なものとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ユー
ザ・フレームが外部加速入力を受ける場合にＨＤＡが受
けるショック及び振動レベルを最小限とするように設計
された回転アクチュエータ・ディスクを提供することで
ある。

【０００５】本発明の他の目的は、駆動機構が線形加速
を受けた場合、この加速がＨＤＡの回転運動に変換され
ない、回転アクチュエータ・ディスク駆動機構用の取付
け構成を提供することである。

【０００６】本発明のさらに他の目的は、等方性の絶縁
装置を使用することのできる回転アクチュエータ・ディ
スク駆動機構用の取付け機構を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、外部線
形振動をエンクロージャに取り付けられた装置から分離
し、結果としてもたらされる装置の回転運動を軽減する
装置は、剛性中心とダンピング中心が装置の質量中心と
一致しているという特性を有し、かつこのように配置さ
れたｎ個の振動絶縁マウントからなる。本発明を取付け
構成の形状もしくはＨＤＡの質量分布が必ずしも対称的
である必要のない任意の取付け構成に適用するのが有利
である。あるいは、ダンピング及び剛性パラメータを装
置の平面で等方性とすることができ、また振動絶縁マウ
ントの軸線を装置の平面に直角に配置することができ
る。

【０００８】さらに、本発明によれば、剛性及びダンピ
ング定数を各取付け点に対して等しくし、取付け点を装
置の平面に関して対称となるように配置することができ
る。剛性中心及び質量中心も、装置の平面に対して直角
な軸線に沿った同じ点にすることもできる。必要に応
じ、つりあい質量を装置に適用し、その質量中心が剛性
の中心と一致するように変更することができる。

【０００９】所与の質量及び慣性の分布に対して、絶縁
マウントを三角形、四辺形、五角形、六角形ならびに、
一般的に、多角形の構成に配置し、臨界方程式を満た
し、完全剛性体分離モードが生じるように設計する。マ
ウントの剛性及びダンピングがすべてのマウントに対し
て同一であるものと想定した場合、これらの位置の幾何
学的配置を単純化し、二等辺三角形、台形、正方形、長
方形などの正多角形をもたらすような対称性を有するよ
うにする。

【００１０】本発明はこの装置をもたらす方法も対象と
する。

【００１１】

【実施例】本発明による絶縁システムを作成する方法
を、典型的な回転駆動機構のパラメータを参照して説明
する。仕様は以下の通りである。

【数９】ｍ＝ＨＤＡの質量＝０．０４７０ｋｇ

【００１２】

【数１０】Ｉ_zz＝ＨＤＡの重心回りの慣性モーメント＝
0.263^*10^-4kg・m²

【００１３】フレームに関する回転駆動機構の重心の座
標（ｍ単位）は次の通りである。

【数１１】ｘ_cg＝＋４．００^*１０^-3

【数１２】ｙ_cg＝−２．００^*１０^-3

【００１４】装置には３つのショック・マウントがあ
る。ショック・マウントは以下の座標に配置されてい
る。マウント１。

【数１３】ｘ（１）＝（−３２．７^*１０^-3）−ｘ_cg；

【数１４】ｙ（１）＝（２３．１^*１０^-3）−ｙ_cg；

【００１５】マウント２。

【数１５】ｘ（２）＝（３１．５^*１０^-3）−ｘ_cg；

【数１６】ｙ（２）＝（−１．５^*１０^-3）−ｙ_cg；

【００１６】マウント３。

【数１７】ｘ（３）＝（−３２．７^*１０^-3）−ｘ_cg；

【数１８】ｙ（３）＝（−２３．１^*１０^-3）−ｙ_cg；

【００１７】個々の設計手順は以下の通りである。１．
ＨＤＡピーク共振周波数として、次のものを選ぶ。

【数１９】ｆ_p＝３５０Ｈｚｘ方向の総有効剛性はｋ_xEFFＮ／ｍであり、ｙ方向の
ものはｋ_yEFFＮ／ｍである。

【数２０】

【００１８】２．ｘ方向の有効ダンピング定数ｃ_xEFF及
びｙ方向の定数ｃ_yEFFを決定する。伝達関数における共
振ピークを中心とする３５０Ｈｚ／５ｄＢの周波数応
答の場合、次のようになる。

【数２１】

【００１９】ｃ_xEFF＝ｃ_yEFF＝４３．７４Ｎ／ｍ／ｓを選ぶ。ここで、ａ_yHDA＝ＨＤＡのｙ軸線形加速出力、ａ_yUF＝ユーザ・フレームのｙ軸線形励起加速である。

【００２０】ＨＤＡの運動方程式は次の通りである。

【数２２】ただし、

【数２３】は質量マトリックスであり、ｍはＨＤＡの質量、Ｉ_zzは
ｚ軸回りの重心で計算した慣性モーメントである。

【００２１】剛性マトリックスは次の通りである。

【数２４】

【００２２】剛性マトリックスの成分は次の式によって
与えられる。

【数２５】

【００２３】ダンピング・マトリックスＣは式（２）と
同様であり、すべてのｋの値をｃで置換したものであ
る。

【００２４】ｘ及びｙ方向に等方の２つのショック・マ
ウントを備えた、上記の仕様を有する装置の場合、上記
の式２から次のようになる。

【数２６】ｋ₁₁＝ｋ_xEFF＝ｋ_x1＋ｋ_x2＋ｋ_x3 ただし、ｋ_x1、ｋ_x2及びｋ_x3はそれぞれｘ方向のマウン
ト１、２及び３の剛性である。

【００２５】同様に、

【数２７】ｋ₂₂＝ｋ_yEFF＝＝ｋ_y1＋ｋ_y2＋ｋ_y3 ただし、ｋ_yはｙ方向の個々のマウントの剛性である。

【００２６】式（２）から、所与の装置に対しては次の
ようになる。

【数２８】

【００２７】ただし、ｙは３つのマウントのｙ座標であ
る。また、次のようになる。

【数２９】

【００２８】ただし、ｘは３つのマウントのｘ座標であ
る。

【００２９】同様に、ダンピング・マトリックスについ
ては、次のようになる。

【数３０】

【００３０】すなわち、

【数３１】ｃ₁₁＝ｃ_xEFF＝ｃ_x1＋ｃ_x2＋ｃ_x3 ただし、ｃ_xは３つのマウントの各々に対するｘ方向の
ダンピング定数である。

【００３１】さらに、次のようになる。

【数３２】

【００３２】すなわち、

【数３３】ｃ₂₂＝ｃ_yEFF＝ｃ_y1＋ｃ_y2＋ｃ_y3 ただし、ｃ_yはｙ方向のダンピング定数である。

【００３３】また、

【数３４】

【００３４】ただし、ｙはマウントのｙ座標である。

【００３５】したがって、

【数３５】

【００３６】式（１）の右辺は強制項（forcing term）
である。本発明の焦点はＴＭＲに対する外部振動の影響
を最小限とすることである。それ故、スピンドルの不平
衡項ｆ（ｔ）をゼロにセットする。（ＴＭＲに対するス
ピンドルの不平衡の影響の解決策は、１９９２年の米国
特許出願第号に記載されている。）ほとん
どのテスト仕様に対して、入力加速は一時に１軸ずつ、
各軸に沿ってユーザ・フレームに印加される。すなわ
ち、ａ_yが活動状態である場合、他の入力加速度ａ_x及び
ａ_zはゼロにセットされる。

【００３７】これらの条件のもとでは、次のようにな
る。

【数３６】

【００３８】及び

【数３７】

【００３９】ただし、ｕ_yドット及びｕ_yはユーザ・フレ
ーム加速度ａ_yの第１及び第２積分である。この強制条
件のもとで、式（１）で表した運動方程式は次の強制
（forcing）ベクトルを有するようになる。

【数３８】

【００４０】したがって、ｕ_θモードは直接励起されな
い。しかしながら、運動方程式の左辺を遵守した場合、
加速入力ａ_yによって発生したｕ_yモードはｃ₂₃及びｋ₂₃
要素（第３列／第２行）を介して非ゼロの結合を発生
し、それ故、ｕ_θモードを活動状態にする。ｕ_θモード
が励起されると、ｕ_xモードがｃ₁₃及びｋ₁₃によって結
合され、ひいてはｕ_θモード自体に影響を及ぼす。した
がって、ＨＤＡの線形加速入力と角度方向の動力を分離
する基準は、マウントの最適位置を選択することによっ
て、あるいは所与の位置に対するマウント・パラメータ
を選択することによって、４つの要素を同時にゼロにす
る。それ故、機構を分離する基準は次の通りとなる。

【数３９】

【数４０】及び

【数４１】

【００４１】本例の回転駆動機構の場合、上記の式か
ら、また等方マウントに関してｋ_xiがｋ_yiに等しいと想
定することによって、剛性の基準は次のようになる。

【数４２】

【００４２】または、

【数４３】

【００４３】したがって、最適な分離に関して、個々の
マウントの剛性ｋ_x1、ｋ_x2及びｋ_x3を決定することがで
きる。

【００４４】本例の回転駆動機構の場合、Ｎ／ｍで表し
た剛性の計算値は次のようになる。

【数４４】ｋ_xEFF＝１．０^*１０⁵

【数４５】ｋ_x1＝０．６５７５^*１０⁵

【数４６】ｋ_x2＝２．０７９０^*１０⁵

【数４７】ｋ_x3＝０．９００３^*１０⁵

【００４５】次の基準はダンピングに関するものであ
る。

【数４８】

【数４９】

【数５０】

【００４６】上記から、ダンピング基準は次の通りとな
る。

【数５１】

【数５２】

【００４７】各マウントのダンピング定数の計算値をニ
ュートン／メートル／秒（Ｎ／ｍ／ｓで表すと次の通り
となる。

【数５３】

【００４８】特許請求の範囲に記載される方程式数１な
いし数８における基準の要点は、次の設計目的を達成す
ることにある。「剛性」及び「ダンピング」の中心を、
ダンピング及び剛性のパラメータｃ及びｋがＸ−Ｙ平面
において等方性である場合に、「質量」の中心と同時に
一致する必要がある。（等方性とはｋ_xj＝ｋ_yjをいう。
これは軸線がＨＤＡのＸ−Ｙ平面に直角である円筒状の
マウントを使用した場合に当てはまる。）

【００４９】図２はｘ−ｙ平面について等方性の絶縁装
置４０のショック・マウントの典型的なジオメトリを示
す。円筒の軸線がｘ−ｙ平面に直角な方向におかれてい
る円筒状のジオメトリを使用する。

【００５０】図３ないし図６はそれぞれｎ＝３、４、５
及び６の場合に対する数１ないし数８の上記の基準を満
たすショック・マウント構成を示す。駆動機構は必要に
応じ、絶縁装置４０に達するこれから延びている延長部
７０を有している。最適なＴＭＲ排除を行うために、設
計者はｋ₃₃成分を最大とする構成を選択する必要があ
る。ショック・マウントのパラメータまたはその位置を
変更して、上記の数１ないし数８の基準を達成するのが
困難な場合には、ＨＤＡの質量中心を移動して、もっと
も近くなると考えられる剛性／ダンピング中心に合わせ
ることができる。これはＨＤＡに質量を追加して行うこ
とができる。

【００５１】図７を参照すると、より一般的な、ｘ−ｙ
平面に異なる剛性及びダンピングを独立して有する１組
のマウントの場合、非対称の構成を設計することができ
る。図７はｎ＝３の３つの場合を示す。構成４３は等し
いマウント・パラメータを有しており、重心は三角形Ａ
ＢＣの重心と一致している。構成４５は位置Ｂ１及びＣ
１に２つのマウントを有しており、パラメータは低くな
っている。構成４７はパラメータの高い１つのマウント
を位置Ｃ２に有している。これらすべての場合に、関連
するモードの分離を行うことができる。

【００５２】図８は取付けシステムの「剛性／ダンピン
グの中心」が駆動機構の質量中心からオフセットしてい
る場合を示す。図９及び図１０は３種類のオフセットに
対する回転モードの伝達関数の影響を示す。質量中心が
剛性とダンピングの中心にあるという理論条件に、設計
が近づくにしたがい、線形モードから回転モードへの結
合の程度が徐々に減少していくことがわかる。

【００５３】図１１はユーザ・フレームすなわちエンク
ロージャ８２内の典型的な駆動機構８０の既存の構造を
示す。質量中心は８４にあり、３つの絶縁装置８６ａ、
８６ｂ及び８６ｃが使用されている。絶縁装置は断面で
示されているが、円形であり、これらの長手方向軸はｘ
−ｙ平面内、またはこれに平行である。駆動機構８０の
ハウジングはいわゆるクラム・シェル・カバーで、線８
８に沿った境界を有している。

【００５４】図１２には、回転モード結合が排除されて
いる改変取付け構成が示されている。この設計はユーザ
・フレーム８２が剛性であると想定している。図２に示
したタイプの４つの絶縁装置すなわち振動絶縁マウント
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ及び９０ｄが使用されている。
さらに、マウント位置の幾何学的配置が改変され、マウ
ントのシリンダの軸線がｘ−ｙ平面に直角になっている
ので、この平面での等方性の要件が満たされている。最
後に、必要に応じ、質量９２が駆動機構８０に付加さ
れ、駆動機構８０の質量中心が上述のように最適な位置
に移動するようになっている。

【００５５】図１３を参照すると、ユーザ・フレームな
いしエンクロージャが剛性でない場合、２つの有害な振
動モードが存在する可能性がある。図１１及び図１２に
示したエンクロージャの場合、「平行四辺形モード」が
優勢となる。しかしながら、取付け位置が適切に選択さ
れていない場合、「弓形モード」も有害である。いずれ
の場合も、ユーザ・フレームの可撓性により、ＨＤＡの
実質的な回転を生じる。モジュラー設計法では、ユーザ
・フレームをできるだけ剛性の高いものにすることが必
要である。図１４には、剛性の高いコーナー１００ａ及
び１００ｂという２つの手法が示されているが、これら
のコーナーは、たとえば、これらの位置の厚さを増やす
ことによって設けられるものである。また、波型の領域
１０２ａ及び１０２ｂも示されているが、これらはフレ
ームの剛性を高めて、弓形モードを抑制する。

【００５６】本発明を特定の実施形に関して説明した
が、当分野の技術者が本発明の精神から逸脱することな
く、開示した実施例の改変形を開発できることが理解で
きよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】コンピュータのユーザ・フレームにおける回転
駆動機構の略図である。

【図２】等方振動絶縁マウントの斜視図である。

【図３】振動絶縁マウントが三角形の頂点におかれてい
る取付け構成の図である。

【図４】振動絶縁マウントが長方形の頂点におかれてい
る取付け構成の図である。

【図５】振動絶縁マウントが五角形の頂点におかれてい
る取付け構成の図である。

【図６】振動絶縁マウントが六角形の頂点におかれてい
る取付け構成の図である。

【図７】本発明による非対称取付け構成の図である。

【図８】ＨＤＡの質量中心が剛性中心以外の点におかれ
ている取付け構成の図である。

【図９】図８の構成のＨＤＡの質量中心と剛性中心の間
のさまざまな距離に対するモード分離のための伝達関数
のグラフである。

【図１０】図８の構成のＨＤＡの質量中心と剛性中心の
間のさまざまな距離に対するモード分離のための伝達関
数のグラフである。

【図１１】典型的な回転駆動機構に対する既存の取付け
構成の図である。

【図１２】図１１の装置を改変した等方振動絶縁マウン
トを使用している取付け構成の図である。

【図１３】非剛性ユーザ・フレームに対して考えられる
振動モードの図である。

【図１４】図１３に示した振動モードを排除するための
ユーザ・フレームの変更点を示す図である。

【符号の説明】

８０駆動機構８２ユーザ・フレーム８４質量中心８６ａ絶縁装置８６ｂ絶縁装置８６ｃ絶縁装置９０ａ絶縁装置９０ｂ絶縁装置９０ｃ絶縁装置９０ｄ絶縁装置９２質量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロナルド・ジョン・デードアメリカ合衆国55901、ミネソタ州ロチェスター、セブンティーンス・アベニュー・ノース・ウエスト 3016 (72)発明者マイケル・アンソニー・モーサーアメリカ合衆国95120、カリフォルニア州サンノゼ、クロスモント・コート 6005 (72)発明者サブラーマニヤン・ナガラジャンアメリカ合衆国55901、ミネソタ州ロチェスター、フォーティファースト・ストリート・ノース・ウエスト 1605 シー・15 (72)発明者ハル・ジャルマー・オッテセンアメリカ合衆国55901、ミネソタ州ロチェスター、ストーンハム・レーン・ノース・ウエスト 4230 (72)発明者アラン・シャーマアメリカ合衆国10804、ニューヨーク州ニュー・ロシェル、ワインディング・ブルック・ロード 51 (72)発明者マササビィ・スリジャヤンサアメリカ合衆国10562、ニューヨーク州オシニング、シャーウッド・アベニュー 32 (56)参考文献特開昭63−203942（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エンクロージャに取り付けられているデバ
イスから外部線形振動により生じる回転運動を軽減する
ように振動を分離する装置であって、前記デバイスと前記エンクロージャの間に位置するｎ個
の振動絶縁マウントを有し、該マウントが剛性中心とダ
ンピング中心とが前記デバイスの質量中心と同じ位置に
なるようにされていることを特徴とする、前記振動分離装置。
【請求項２】前記デバイスが回転ディスク駆動機構であ
り、前記エンクロージャがコンピュータの回転ディスク
駆動機構用のユーザ・フレームである請求項１記載の装
置。
【請求項３】前記ｎ個の振動マウントと、前記コンピュ
ータのユーザ・フレームに取り付けられた回転ディスク
駆動機構と、前記コンピュータとの組合せからなる請求
項２記載の装置。
【請求項４】剛性定数及びダンピング定数が各マウント
について等しく、これらマウントが平面内で互いに対称
的となるように配置されている請求項１記載の装置。
【請求項５】前記マウントが平面内で互いに鏡像点に配
置されている請求項４記載の装置。
【請求項６】前記剛性中心と前記質量中心とが前記平面
に直角な軸線に沿って配置されている請求項４記載の装
置。
【請求項７】前記マウントが多角形の頂点に配置されて
いる請求項１記載の装置。
【請求項８】前記多角形が正多角形である請求項７記載
の装置。
【請求項９】前記多角形が三角形、長方形、五角形及び
六角形のうちのいずれかである請求項７記載の装置。
【請求項１０】さらに、前記デバイスに取り付けられた
つりあい質量を含んでおり、該つりあい質量が前記デバ
イスの質量中心を移動させて、該中心が剛性中心及びダ
ンピング中心にくるようにするためのものである請求項
１記載の装置。
【請求項１１】前記ｎ個の振動マウントが前記デバイス
の運動方程式における剛性マトリックスの成分ｋ₁₃、ｋ
₂₃及びダンピング・マトリックスの成分ｃ₁₃、ｃ₂₃につ
いて下記の関係を満たすようにされている請求項１記載
の装置。【数１】【数２】【数３】【数４】
【請求項１２】エンクロージャに取り付けられているデ
バイスから外部線形振動により生じる回転運動を軽減す
るように振動を分離する方法であって、前記デバイスと前記エンクロージャの間に位置させて、
剛性中心とダンピング中心が前記デバイスの質量中心と
同じ位置になるようにｎ個の振動絶縁マウントを設ける
ことからなる前記方法。
【請求項１３】前記ｎ個の振動マウントを設けるにあた
って前記デバイスの運動方程式における剛性マトリック
スの成分ｋ₁₃、ｋ₂₃及びダンピング・マトリックスの成
分ｃ_13、ｃ ₂₃について下記の関係を満たすようにする請
求項１２記載の方法。【数５】【数６】【数７】【数８】