JP3912543B2 - 軸受装置の剛性評価装置及び方法、製造装置及び製造方法、並びに軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば磁気ディスク装置（ハードディスクドライブ）におけるスイングアーム用の軸受装置のように、使用時における半径方向の剛性（共振特性）が重要となる軸受装置に好適に使用できる、軸受装置の製造装置及び製造方法に関する。

最近、磁気ディスク装置には、高密度が益々要求されており、信号を再生・記録するヘッドを搭載するスイングアームには、目標トラックへのアクセスの高速化及び位置決め精度の向上（位置制御の高速化及び高精度化）が必要とされている。そこで、スイングアーム用の軸受装置におけるラジアル方向の共振周波数を管理すること及び、剛性のばらつきを無くすことが求められている。

軸受装置を組み込んだ制御装置（例えばスイングアーム）において、軸受装置の剛性（共振周波数）のばらつきはサーボ系チューニング作業の効率を低下させる要因の一つである。そのため、軸受装置の剛性（共振周波数）を所定範囲に収める技術、製品が重要視される状況となっている。

下記特許文献１に、スイングアーム用の軸受装置におけるラジアル方向の共振周波数を管理する技術が開示されている。

また、下記特許文献２，３，４には、軸受装置のアキシアル共振周波数を求める技術が開示されている。

また、下記特許文献５には、圧電素子により軸受装置に振動を与えて共振周波数を測定しつつ所定の共振周波数になった状態で圧入を終了させる軸受装置の製造方法が開示されている。
特開２００１−８３０４５号公報（第３頁、第１図） 特許２８８２１０５号公報（第４〜５頁、第１図） 特開２０００−１４６７２６号公報（第４〜６頁、第１図） 特開２０００−７４７８８号公報（第４〜５頁、第１図） 特開平６−３４４２３３号公報（第４〜６頁、第１図）

しかしながら、従来の軸受装置の製造装置及び製造方法では、軸受装置の半径方向の剛性（ラジアル剛性）を直接的に評価することが難しかった。

特に、スイングアーム用の軸受装置のように、小型・軽量のものでは、ラジアル剛性に起因する共振周波数が高く、共振ピークの振幅が小さいこと、測定装置系の振動モードと軸受装置の振動モードとが重なること等により、ラジアル共振周波数を正確に測定するのが困難であった。また、軸受装置がラジアル方向に持つ複数の振動モード（ラジアル並進モード、コニカルモード）の共振周波数が近接している場合、正確な共振周波数を求めることができず、ラジアル剛性を正確に評価することができなかった。

そして、上記特許文献５に開示されたものでは、特にラジアル方向の剛性または共振周波数を求める場合に、ピボットを含めた製造装置全体の振動特性の中からピボットの共振周波数を抽出することが困難であった。小型軽量のため、共振周波数が非常に高いことも難しくする要因である。そのため、共振周波数のばらつきを生じ、製造された製品の品質が不安定になるおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、軸受装置のラジアル剛性を正確に求めて製造することができる軸受装置の製造装置及び製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１）内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の剛性評価装置であって、前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与える加振手段と、前記内輪それぞれの又は前記軸両端の振動を検出する一対の入力振動検出手段と、該一対の入力振動検出手段の出力を加算する加算手段と、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けられたマスの振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力と前記加算手段の出力とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出する伝達関数演算手段と、該伝達関数演算手段により算出された共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求める剛性演算手段とを備えることを特徴とする軸受装置の剛性評価装置。
（２）内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の剛性評価方法であって、前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与え、前記内輪それぞれの又は前記軸両端の振動を検出して第一振動検出値及び第二振動検出値を得て、前記第一振動検出値と前記第二振動検出値とを加算して加算値を得て、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けたマスの振動を検出して第三振動検出値を得て、該第三振動検出値と前記加算値とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求めることを特徴とする軸受装置の剛性評価方法。
（３）内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造装置であって、前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与える加振手段と、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出する一対の入力振動検出手段と、該一対の入力振動検出手段の出力を加算する加算手段と、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けられたマスの振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力と前記加算手段の出力とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出する伝達関数演算手段と、該伝達関数演算手段により算出された共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求める剛性演算手段とを備えることを特徴とする軸受装置の製造装置。
（４）前記内輪に前記軸を圧入するための荷重手段をさらに備え、前記伝達関数演算手段により算出された共振周波数又は前記剛性演算手段により求められた剛性の少なくとも１つを検出し、その値が所定の値になったところで圧入を終了することを特徴とする前記（３）に記載の軸受装置の製造装置。
（５）内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取付けられた軸と、前記外輪に取付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造方法であって、前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与え、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出して第一振動検出値及び第二振動検出値を得て、前記第一振動検出値と前記第二振動検出値とを加算して加算値を得て、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けたマスの振動を検出して第三振動検出値を得て、該第三振動検出値と前記加算値とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求めることを特徴とする軸受装置の製造方法。
（６）前記共振周波数又は前記剛性の少なくとも１つを検出し、その値が所定の値になったところで前記内輪への前記軸の圧入を終了することを特徴とする前記（５）に記載の軸受装置の製造方法。
（７）内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造装置であって、前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与える加振手段と、前記内輪に前記軸を圧入するための荷重手段と、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出する一対の入力振動検出手段と、該一対の入力振動検出手段の出力を加算する加算手段と、前記加算手段の出力から反共振周波数を求め且つ当該反共振周波数が所定の値になるように前記荷重手段を制御する演算制御手段と、を備え、前記反共振周波数が所定の値になったところで圧入作業を終了することを特徴とする軸受装置の製造装置。
（８）内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取付けられた軸と、前記外輪に取付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造方法であって、前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与え、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出して第一振動検出値及び第二振動検出値を得て、前記第一振動検出値と前記第二振動検出値とを加算して加算値を得て、前記加算値から反共振周波数を求め、前記反共振周波数が所定の値になったところで前記内輪への前記軸の圧入を終了することを特徴とする軸受装置の製造方法。

上記構成によれば、軸受装置の変形方向の振動に関する伝達関数を求めることで、軸受装置のラジアル剛性を正確に求めることができる。

上記構成によれば、内外輪のそれぞれで検出される同位相且つ同振幅成分（軸受装置以外の振動成分）を分離して軸受装置のみの振動特性を抽出することができる。特に、外輪取付部材にマスを取付けて、外輪及び外輪取付部材を含む可動部の質量及び慣性モーメントを増加させた場合、共振ピークの検出を容易に行える。可動部の質量増加により、ラジアル剛性に起因する共振周波数を下げ、共振ピークの振幅を上げることができるからである。また、慣性モーメントを増加させることで、軸受装置が持つコニカルモードの共振周波数を効果的に下げてラジアル並進モードの共振周波数との差を広げることができ、正確な共振周波数の測定が可能になる。

また、上記構成によれば、軸受装置のラジアル剛性または共振周波数が所定範囲に収められることにより、例えば、スイングアームに組み込んだ場合に、サーボ系のチューニングを容易に行うことができる。そして、ラジアル剛性または共振周波数の測定精度を飛躍的に向上することができる。更に、ラジアル剛性または共振周波数の測定精度が向上することにより、共振圧入されたピボットの品質を安定させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、第２実施形態以下において、既に説明した部材等と同様な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図１に示すように、第１実施形態の軸受装置の剛性評価装置１０は、軸受装置５を軸方向に支持固定する支持部１と、軸受装置５をラジアル方向に振動させる加振器２と、軸受装置５のラジアル方向の振動を検出する振動検出部３と、振動検出部３の出力に基づいて軸受装置５のラジアル剛性を評価する演算処理部４と、を有している。

ここでは、軸受装置５が軸方向に間隔をあけて配された２個の玉軸受５３，５３と、それら内輪に内嵌された軸５２と、それら外輪に外嵌されたハウジング（外輪取付部材）５１とを有している。そして、ハウジング５１の外周面に、マス５４が取付けられている。マス５４の質量は、例えば、軸受装置５が他の装置（例えば磁気ディスク装置のスイングアーム支持装置）に組み込まれた際に軸受装置５に実際に負荷される質量と同等にすることができる。また、形状（重心、慣性モーメント）についても実際に軸受装置５が支持する部品（例えば、スウィングアーム）と同等にすることができる。

支持部１は、軸受装置５の軸５２に固定力を与えるために軸５２の一端側（上方）に配された荷重装置１１と、その荷重をモニタするために軸５２の他端側（下方）に配されたロードセル（荷重センサ）１２とを有している。これにより、一定の荷重で軸５２を固定することができる。荷重装置１１とロードセル１２は、軸受装置５に対し、同一側に配置しても良い。軸５２の一端面と荷重装置１１との間には支持部品２４ａ及び後述する加振器２３ａが介装され、軸５２の他端面とロードセル１２との間には支持部品２４ｂ及び加振器２３ｂが介装されている。軸５２の両端面と支持部品２４ａ，２４ｂとの間の固定状態が、ラジアル剛性評価結果に影響を与えるため、荷重装置１１及びロードセル１２により適正な荷重で軸５２を固定することが望まれる。

加振部２は、正弦波が所定周波数帯域内で高速に掃引される電圧波形を発生する発振器２１と、発振器２１から発生された電圧波形に対応する振幅及び周波数で加振力を発生する一対の圧電素子型加振器２３ａ，２３ｂと、発振器２１と加振器２３ａ，２３ｂとの間に配された増幅器２２とを有している。一対の加振器２３ａ，２３ｂが、軸５２の半径方向へ同位相で振動することによって、軸受装置５にラジアル方向の振動が与えられる。このとき、軸受装置５に励起される振動は、軸受装置５のラジアル剛性に起因するラジアル並進モード（ハウジング５１の半径方向の剛性並進と軸５２の弾性曲げとに基づく振動のモード）、コニカルモード（ハウジング５１の傾きに基づく振動のモード）、軸受装置５の部品の弾性振動モード、及び支持部１と加振部２とからなる測定装置系から混入する振動モードが、重ね合わされた振動である。

振動検出部３は、ハウジング５１及びマス５４の軸方向中心位置に配された振動検出センサ３１ｃと、軸５２両端の支持部品２４ａ，２４ｂに配された振動検出センサ３１ａ，３１ｂとを有している。これら振動検出センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、軸５２の軸方向を含む同一平面上に配されている。振動検出センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃとしては、圧電素子型センサ、レーザ非接触型センサ、レコードピックアップ等を適宜採用できる。各振動検出センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃで検出される振動は、上記各振動モードが重ね合わされた振動である。軸５２両端の振動検出センサ３１ａ，３１ｂの出力信号（第一振動検出値、第二振動検出値）は、それぞれアンプ３２ａ，３２ｂで増幅された後に加算器３３で加算される。この加算により、軸５２のコニカル振動成分が消去され、軸５２の並進モードのみの信号となる。

加算器３３から出力された信号は加算された信号であるため、メインアンプ３４ｂで増幅され、その後レベル(振幅)を１／２に減らされる。

演算処理部４は、振動検出センサ３１ｃからの出力信号（第三振動検出値）をアンプ３４ａを介して入力されるとともに、加算器３３からの出力信号をアンプ３４ｂを介して入力される、伝達関数演算装置４１を有している。伝達関数演算装置４１は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；Fast Fourier Transform）を利用して、軸受装置５の共振周波数（固有振動数）ｆｒを算出する。具体的には、ＦＦＴにより、内外輪（軸５２、ハウジング５１間）の伝達関数Ｈを演算することにより、入力した上記各信号に含まれる同位相且つ同振幅を持つ振動成分が分離されて位相差がπ／２となるところにラジアル共振周波数ｆｒが現れる。このとき、振動検出センサ３１ｃはハウジング５１及びマス５４の軸方向中心を観測しているため、ハウジング５１の軸方向中心を節として倒れ振動するコニカルモードは検出されにくく、主に上記ラジアル並進モードを検出する。

なお、加振器２の発振器２１が電圧波形を発生するタイミングと、演算処理部４の伝達関数演算装置４１がサンプリングを行うタイミングは、完全に同期させる。

本実施形態では、軸受装置５のハウジング５１にマス５４を取付けたことで、図２に示すように、マスを付加しない場合（軸受装置単体）と比べて、共振周波数が下げられている。また、マス５４を付加したことで、軸受装置単体の場合に比べて、ラジアル並進モードの共振周波数とコニカルモードの共振周波数との差が、約１０倍に広がっている。

図３に、剛性評価装置１０により演算された伝達関数Ｈの周波数特性を示す。（ａ）は位相差、（ｂ）は振幅（ゲイン）を示す。

軸受装置５の軸受５３にシールやグリースが無い場合、軸受５３の持つ減衰は無視できるほどに小さく、伝達関数Ｈの位相差が−π／２となる周波数と振幅がピークとなる周波数とのどちらを測定しても、剛性評価に差はない。

しかし、軸受装置５の軸受５３にシールが設けられていたり、グリースが封入されていたりする場合、軸受５３の持つ減衰を無視できない。このような場合には、振幅がピークとなる周波数のばらつきが大きくなる。しかし、位相差が−π／２となる周波数のばらつきは生じないため、本発明では位相差による評価を行うことによって剛性評価の精度を維持することができる。

図３（ａ），（ｂ）の波形は、図１に示すように、波形表示装置４２に表示される。また、求められたラジアル共振周波数ｆｒは、剛性変換装置４３に入力される。軸受装置のラジアル共振周波数とラジアル剛性との関係は非線形であり、ラジアル共振周波数からラジアル剛性を直接求めることができないために、以下の手法を取る。剛性変換装置４３は、ＦＥＭ（ Finite Element Method；有限要素法）解析により、予め求められた軸受装置のラジアル剛性と、ラジアル共振周波数ｆｒとの関係を、多項式で近似し、該多項式を用いて入力したラジアル共振周波数ｆｒに対する軸受装置のラジアル剛性Ｋｒを算出する。具体的には、ラジアル剛性Ｋｒと共振周波数ｆｒとの関係を示す関数として、
Ｋｒ＝ｆ（ｆｒ，α）
が定義されるので、予め接触角αを与えてＦＥＭ解析により離散値を求め、この離散値から、上記関数を共振周波数ｆｒを変数とする多項式で近似する。そして、この多項式を用いて、実測で求めた共振周波数ｆｒをラジアル剛性Ｋｒに換算できる。

こうして求めた軸受装置のラジアル剛性Ｋｒが所定値に満たない場合や所定値を越える場合、予圧を再設定するなどして、軸受装置５のラジアル剛性を適正にする。

次に、軸受装置５のハウジング５１にマス５４を取付ける方法の例を、図４に基づいて説明する。

図４（ａ）に示す例では、マス５４が第一部分５４ａと第二部分５４ｂとの二部材からなっている。内周側に突出するフランジ５４ｃを大径側の端部に有する段付き円筒状の第一部分５４ａを、ハウジング５１の外周面に装着した後、第一部分５４ａの小径部の外周面に、円筒状の第二部分５４ｂを螺着等により装着する。第二部分５４ｂの一方の端部にもフランジ５４ｄが設けられており、そのフランジ５４ｄと、第一部分５４ａのフランジ５４ｃとにより、ハウジング５１及び一対の軸受５３，５３の外輪を、軸方向に挟持固定する。この挟持固定によるハウジング５１の軸方向変形により、軸受装置５の予圧が変化するおそれがあるため、予め変形量を求めておき補正することが好ましい。

図４（ｂ）に示す例では、円筒状のマス５４がハウジング５１外周面にねじ止めされている。ここでは、マス５４の半径方向に延びる孔にねじ山が切られており、ねじ５９を締めるとマス５４が内周側に移動される。このとき、ハウジング５１外周部とマス５４内周部との接触状態や、ねじ５９の軸力によるハウジング５１の変形が、ラジアル剛性評価に大きく影響するため、適切なトルクでねじ５９を締めることが望まれる。

図４（ｃ）に示す例では、マス５４の軸方向孔がテーパ孔となっており、その内周面に、ハウジング５１の片側の端面チャンファ部を食い付かせて固定する。このときも、マス５４とハウジング５１のチャンファ部との接触状態がラジアル剛性評価に影響するため、挿入力を制御し、軸５２とマス５４との同軸が保たれるように、案内部を設けるなどして固定条件を安定化するのが好ましい。

上記実施形態では、図１に示したように、振動検出センサ３１ｃからの出力信号をアンプ３４ａを介して伝達関数演算装置４１に入力するとともに、加算器３３からの出力信号をアンプ３４ｂを介して伝達関数演算装置４１に入力した。

しかし、これに限定されず、例えば、図５に示すように、アンプ３４ａ，３４ｂと伝達関数演算装置４１との間に、ハイパスフィルタ３５ａ，３５ｂを介装することができる。こうすれば、電源ノイズ等の外部ノイズの不要な周波数成分をカットでき、Ｓ／Ｎを向上させることができる。なお、図５に示していない構成は、図１と同様にすることができる。

また、上記実施形態では、剛性変換装置４３において、ＦＥＭ解析により予め求めた軸受装置５のラジアル剛性と、ラジアル共振周波数ｆｒとの関係を、多項式で近似し、該多項式を用いて入力したラジアル共振周波数に対する軸受装置のラジアル剛性Ｋｒを算出した。しかし、これに限定されず、例えば、軸受５３の外輪とハウジング５１とマス５４とからなる可動部の質量Ｍと、ラジアル剛性Ｋｒのばねからなる１自由度モデルを仮定して、このモデルに基づき、剛性変換装置４３において簡単に共振周波数ｆｒからラジアル剛性Ｋｒを求めることができる。上記モデルでは、ラジアル剛性Ｋｒは、
Ｋｒ＝４Ｍ（πｆｒ）2
で表される。予め、外輪とハウジング５１とマス５４とからＭを求めておき、そのＭと実測により求めたｆｒとを上式に代入してラジアル剛性Ｋｒを求めることができる。

図６は、ＦＥＭ解析を用いた場合に得られるラジアル剛性と、１自由度モデルを用いた場合に得られるラジアル剛性とを比較したグラフである。このように、両者の相関は高く、誤差は非常に小さい。

軸受装置５の変形方向の振動に関する伝達関数を求めることで、軸受装置５のラジアル剛性を正確に求めることができる。

第１実施形態の軸受装置の剛性評価装置１０によれば、内外輪のそれぞれで検出される同位相且つ同振幅成分（軸受装置以外の振動成分）を分離して軸受装置のみの振動特性を抽出することができる。特に、ハウジング５１にマス５４を取付けて、外輪及びハウジング５１を含む可動部の質量及び慣性モーメントを増加させた場合、共振ピークの検出を容易に行える。可動部の質量増加により、ラジアル剛性に起因する共振周波数を下げ、共振ピークの振幅を上げることができるからである。また、慣性モーメントを増加させることで、軸受装置５が持つコニカルモードの共振周波数を効果的に下げてラジアル並進モードの共振周波数との差を広げることができ、正確な共振周波数の測定が可能になる。

次に本発明の第２実施形態に係る軸受装置の製造装置について説明する。

図７に示すように、第２実施形態の軸受装置の製造装置６０において、一対の加振器２３ａ，２３ｂは、ピボット両端に圧入治具６１を介してラジアル方向の振動を与える。加振器２３ａ，２３ｂは、軸方向に十分な強度及び剛性を有するものが好ましく、例えば、圧電素子や磁歪素子が使用可能である。加振器２３ａ，２３ｂから発生する発振信号はスウェプトサイン信号が良好な結果を得られる。

一方の加振器２３ａは、油圧や送りねじ機構等の直動型の荷重装置１１に接続され、他方の加振器２３ｂは、ロードセル１２に接続され、圧入力を検出することができる。圧入力は、送り速度の制御のためにフィードバックされ、後述する測定値補正にも使用される。

振動センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、軸５２の両端部または、圧入治具６１とハウジング５１または、外輪の外径面に設置されている。振動センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、加振方向と同一平面状に直線的に配されている。

振動センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、加速度ピックアップのような固定型やレコード針等の蝕針型、或いは、レーザドップラ速度計等の非接触型のいずれでも良い。

軸両端の２つの信号は、加算された後にレベルを１／２に落とされてフィルタを通され、ＡＤ変換され、ＦＦＴされる。加算により軸両端における互いに逆位相の振動成分が減算され、処理後の信号は、軸５２の中点における振動信号と等価になる。この信号を入力信号Ｘａと仮定する。

ハウジング５１または外輪の信号は、上記と同様な処理（加算は行わない）が行われる。これを応答信号Ｘｂと仮定する。

そして、入力信号Ｘａと応答信号Ｘｂとから、下式を用いて伝達関数を演算する。ここで、Ｘｂ＊はＸｂの共役複素数である。
Ｈ（ｊω）＝Ｘｂ×Ｘｂ＊／Ｘａ×Ｘｂ＊

図８に示すように、上記演算結果から得られたゲイン及び位相差の周波数特性から、ゲインのピークまたは位相差が−９０°となる周波数がピボットの共振周波数である。

軸受剛性を介して対向する質量（この場合は内輪と外輪）の両者の振動を検出し、その間の伝達関数を求めることにより、両者に含まれる装置全体の周波数特性から、軸受剛性と外輪及びハウジング５１の質量からなるローカルな系の周波数特性のみを抽出し、評価することができる。

上記の効果は、図９に示す振動モデルに表される。

共振周波数から剛性を求める方法としては、下式を用いて表される。
ｆ＝（１／２π）×√（ｋ／Ｍ）

ここで、既知の質量Ｍと、求めた共振周波数ｆとを代入することにより、剛性ｋを求める。

また、有限要素法等の数値解析手法を用いて、予め軸受剛性と固有振動数の関係を求めて関係式を作り、その関係式を用いることもできる。

圧入しているときには、圧入力に相当する荷重が軸５２に作用するために位置予圧が変化し、共振周波数は無負荷時の値よりもずれた状態となっている。そのため、測定値には、軸荷重に対する補正を与える。ロードセル１２から検出される荷重値Ｆを使い、下式によって正規の周波数を求める。
Ｆｒ＝Ｃ（Ｆ）×ｉ
ここで、Ｆｒ：正規の周波数、ｆ：測定周波数、Ｃ（Ｆ）：補正係数である。

第２実施形態によれば、軸受装置のラジアル剛性または共振周波数が所定範囲に収められることにより、例えば、スイングアームに組み込んだ場合に、サーボ系のチューニングを容易に行うことができる。そして、ラジアル剛性または共振周波数の測定精度を飛躍的に向上することができる。更に、ラジアル剛性または共振周波数の測定精度が向上することにより、共振圧入されたピボットの品質を安定させることができる。

以下、第２実施形態の変形例について説明する。

測定する共振周波数はピボットのラジアル方向に現れるものであれば良い。

例えば、図１０（ａ）に示す並進モードや、図１０（ｂ）に示すコニカルモードと呼ばれる剛体モードがある。

付加マスを付けても良い。付加マスを付けた場合の効果は、外輪の質量を増加することにより軸受装置５の共振周波数を低下させ、ノイズの影響が少ない低周波領域で共振周波数の評価を行うことができることである。また、共振時の振幅が増幅されることから、ピークの検出を容易に行うことができる。

同時に、外輪の慣性モーメントを増加させ、コニカルモードの固有振動数を低下させる。通常時には、並進モードとコニカルモードの固有振動数が近接していて個々の判別が困難な場合にも、それぞれの固有振動数を引き離すことで双方とも判別を容易に行うことができる。

付加マスの形状を決定する際は、個々のモードが所望の共振周波数になるように、質量、慣性モーメント、重心位置をチューニングすることが効果的である。例えば、重心位置を軸受スパンの中点とするなどが好ましい。

付加マス取付部の剛性（接触剛性）は、ピボットの共振周波数に影響を与えるため、強固に固定できる方法が好ましい。

付加マスに代え、スウィングアーム本体を取付けて、実際の使用状態での評価をしても良い。

図１１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に、付加マスの取付方法を示す。

図１１（ａ）は、円筒型付加マス５４の内径がテーパ穴５４ｅになっており、外輪またはハウジング５１のチャンファ部を食い付かせて固定している。この取付方法は、押込み力を制御することにより、強固にかつ、安定して軸受装置５に付加マス５４を固定することができる。この場合は、図４（ｃ）と同様である。

図１１（ｂ）は、テーパ穴５４ｅの一部にストレート部５４ｆが形成されており、付加マス５４が傾いて固定されるのを抑制するようにしている。

図１１（ｃ）は、円筒２分割であって、軸受端面を狭持している。この場合は、図４（ａ）と同様である。

図１１（ｄ）は、円筒型付加マスをハウジング側面にねじ固定している。この場合、ねじ固定に代えて、接着によっても良い。この場合は、図４（ａ）と同様である。

図１１（ｅ）は、円筒型中空の圧電素子６２を用いて、径方向の膨張収縮を利用している。

図１２には、上下加振器のうち、いずれかを削除またはいずれかのみを駆動する変形例を示している。この場合、一方の加振器２３ａのみを用いている。

上下の加振器を個別の振幅，位相で駆動自在とすることによっても、駆動モードを励起自在にできる。通常は上下同位相、同振幅である。

図１３には、軸両端か圧入治具６１の振動Ｘａだけを検出し、その信号から、反共振周波数を求める変形例を示している。

図１４には、本変形例における測定波形が示される。

この場合、軸受装置５の共振周波数において、ハウジング５１と外輪の振動振幅は最大となり、共振している系は、動吸振器として作用し、内輪及び軸５２の部分は制振され、振幅が最小、つまり反共振の状態となっている。そのため、内輪及び軸５２の部分のみ振動を検出して反共振周波数を求めることによって、軸受装置５の共振周波数を求めるのと同様な効果を得ることができる。このような構成とすることにより、センサや回路数を少なくすることができ、コストダウンが図れる。

また、他の変形例として、簡易的な方法としては、時間軸データから共振周波数を求めることもできる。

この場合、例えば、時間領域で２つの信号より伝達関数を求め、その振幅と予め求めておいたシステムの振幅と共振周波数の関係より、共振周波数を推定することができる。これは、上記の反共振法にも適用できる。

効果としては、ＦＦＴが不要になり、演算の高速化が図れる。コストダウン及びサイクルアップにつながる。共振周波数の判定時間が短縮され、圧入の位置決め精度が向上し、剛性のばらつきも小さくすることができる。

更に、他の変形例として、加振手段の変更を行うこともできる。

この場合には、装置全体をラジアル方向へ加振する方法やハウジング５１を加振する方法がある。

例えば、ハウジング５１を打撃する、加振器２３ａ，２３ｂをハウジング５１に突き当てる、音波により非接触に加振をかける、外輪をコイルにして磁界を加える、等の方法がある。

図１５に示すように、静的な荷重を与えた時の変位量を測定して、フックの法則から軸受装置５の静的なラジアル剛性を求めつつ圧入することもできる。

この場合、ハウジング５１または外輪に静的な荷重を与え、ハウジング５１と内輪及び軸５２の変位を接触型または非接触型の変位計で計測する。変位計６３ａ，６３ｂ，６３ｃは、振動センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃに対応した位置に配されている。

計測には下式が用いられる。
Ｆ＝Ｋ（ｘ２−ｘ１）
ここで、Ｆ：荷重、ｘ１：荷重点の変位、ｘ２：軸，内輪の変位である。

また、外輪を回転させながら、測定、圧入することもできる。

この場合、ボール位置や軌道輪精度等により発生しうる剛性の円周方向のばらつきを評価できる。

また、共振測定機能として、圧入装置上において、圧入力以下でワークを固定し、加振、測定を行っても良い。この場合、圧入治具の代わりに軸端を狭持して固定する構造である。その他の機構は第２実施形態の構造と同様でよい。

図１６に示すように、加振器２３ａ，２３ｂで軸端面を狭持しておき、外周部から圧入型（荷重装置）６４を内輪につきあてるようにしても良い。この場合、それぞれの荷重装置は、別機構になっており、狭持力と圧入力を個別に制御することができる。

通常、圧入力が小さい品物については十分な狭持力を得ることができない。そのときには、加振力を十分に伝達することができないばかりか、圧入型の軸受装置支持部の接触剛性が小さくなってしまうため、正しい共振周波数を測定することができない。しかし、このような構造であれば、圧入力が小さい品物に対しても十分な狭持力を確保し、正しい共振周波数を求めることができる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。

例えば、上述した各変形例は、必要に応じて組み合わされれば良い。

また、軸受装置として、玉軸受に限らず、円筒ころ軸受や円すいころ軸受を用いても良い。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本出願は、2001年10月9日出願の日本特許出願（特願2001−311501）、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

以上説明したように、本発明によれば、軸受装置の変形方向の振動に関する伝達関数を求めることで、軸受装置のラジアル剛性を正確に求めることができる。

また、本発明によれば、内外輪のそれぞれの振動に含まれる同位相且つ同振幅を持つ振動成分（軸受装置の剛性に起因する振動以外の振動成分）が分離されたラジアル共振周波数（固有振動数）が求められる。特に、外輪取付部材にマスを取付けて、外輪及び外輪取付部材を含む可動部の質量及び慣性モーメントを増加させた場合、共振ピークの検出を容易に行える。可動部の質量増加により、ラジアル剛性に起因する共振周波数を下げ、共振ピークの振幅を上げることができるからである。また、慣性モーメントを増加させることで、軸受装置が持つコニカルモードの共振周波数を効果的に下げてラジアル並進モードの共振周波数との差を広げることができ、正確な共振周波数の測定が可能になる。

そして、軸受装置のラジアル剛性または共振周波数が所定範囲に収められることにより、例えば、スイングアームに組み込んだ場合に、サーボ系のチューニングを容易に行うことができる。また、ラジアル剛性または共振周波数の測定精度を飛躍的に向上することができる。更に、ラジアル剛性または共振周波数の測定精度が向上することにより、共振圧入されたピボットの品質を安定させることができる。

以上により、軸受装置のラジアル剛性を正確に求めて製造することができる軸受装置の製造装置及び製造方法を提供することができる。

本発明に係る第１実施形態の軸受装置の剛性評価装置の全体図である。 第１実施形態においてマスを付加することによる効果を説明するグラフである。 第１実施形態における伝達関数の周波数特性を示すグラフである。 第１実施形態の軸受装置にマスを取付ける方法の説明図である。 第１実施形態の変形例の説明図である。 他の変形例の効果を説明するグラフである。 本発明に係る第２実施形態の軸受装置の製造装置の全体図である。 第２実施形態におけるＦＦＴ伝達関数演算後の周波数特性図である。 第２実施形態における振動モデルで伝達関数の概念図である。 第２実施形態におけるピボットのラジアル振動モード説明図である。 第２実施形態においてマスを取付ける方法の説明図である。 第２実施形態における変形例の全体図である。 第２実施形態における他の変形例の全体図である。 図１３に示す変形例における測定波形図である。 第２実施形態における他の変形例の全体図である。 第２実施形態における他の変形例の全体図である。

符号の説明

１ 支持部
２ 加振部
３ 振動検出部
４ 演算処理部
５ 軸受装置
１０，６０ 軸受装置の製造装置
２３ａ 圧電素子型加振器（加振手段）
３１ａ〜３１ｃ 振動検出センサ（振動検出手段）
３３ 加算器（加算手段）
４１ 伝達関数演算装置（剛性演算手段）
４３ 剛性変換装置
５１ ハウジング（外輪取付部材）
５２ 軸
５３ 転がり軸受
５４ マス

Claims (8)

1. 内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の剛性評価装置であって、
   前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与える加振手段と、前記内輪それぞれの又は前記軸両端の振動を検出する一対の入力振動検出手段と、該一対の入力振動検出手段の出力を加算する加算手段と、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けられたマスの振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力と前記加算手段の出力とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出する伝達関数演算手段と、該伝達関数演算手段により算出された共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求める剛性演算手段とを備えることを特徴とする軸受装置の剛性評価装置。
2. 内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の剛性評価方法であって、
   前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与え、前記内輪それぞれの又は前記軸両端の振動を検出して第一振動検出値及び第二振動検出値を得て、前記第一振動検出値と前記第二振動検出値とを加算して加算値を得て、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けたマスの振動を検出して第三振動検出値を得て、該第三振動検出値と前記加算値とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求めることを特徴とする軸受装置の剛性評価方法。
3. 内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造装置であって、
   前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与える加振手段と、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出する一対の入力振動検出手段と、該一対の入力振動検出手段の出力を加算する加算手段と、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けられたマスの振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力と前記加算手段の出力とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出する伝達関数演算手段と、該伝達関数演算手段により算出された共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求める剛性演算手段とを備えることを特徴とする軸受装置の製造装置。
4. 前記内輪に前記軸を圧入するための荷重手段をさらに備え、
   前記伝達関数演算手段により算出された共振周波数又は前記剛性演算手段により求められた剛性の少なくとも１つを検出し、その値が所定の値になったところで圧入を終了することを特徴とする請求項３に記載の軸受装置の製造装置。
5. 内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取付けられた軸と、前記外輪に取付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造方法であって、
   前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与え、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出して第一振動検出値及び第二振動検出値を得て、前記第一振動検出値と前記第二振動検出値とを加算して加算値を得て、前記外輪取付部材又は前記外輪取付部材に取り付けたマスの振動を検出して第三振動検出値を得て、該第三振動検出値と前記加算値とから伝達関数を求めて前記軸受装置の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づき前記軸受装置の剛性を求めることを特徴とする軸受装置の製造方法。
6. 前記共振周波数又は前記剛性の少なくとも１つを検出し、その値が所定の値になったところで前記内輪への前記軸の圧入を終了することを特徴とする請求項５に記載の軸受装置の製造方法。
7. 内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取り付けられた軸と、前記外輪に取り付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造装置であって、
   前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与える加振手段と、前記内輪に前記軸を圧入するための荷重手段と、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出する一対の入力振動検出手段と、該一対の入力振動検出手段の出力を加算する加算手段と、前記加算手段の出力から反共振周波数を求め且つ当該反共振周波数が所定の値になるように前記荷重手段を制御する演算制御手段と、を備え、
   前記反共振周波数が所定の値になったところで圧入作業を終了することを特徴とする軸受装置の製造装置。
8. 内輪及び外輪を有する一対の軸受と、前記内輪に取付けられた軸と、前記外輪に取付けられた外輪取付部材とを含んで構成される軸受装置の製造方法であって、
   前記内輪又は前記軸に半径方向の入力振動を与え、前記内輪のそれぞれまたは前記軸両端の振動を検出して第一振動検出値及び第二振動検出値を得て、前記第一振動検出値と前記第二振動検出値とを加算して加算値を得て、前記加算値から反共振周波数を求め、前記反共振周波数が所定の値になったところで前記内輪への前記軸の圧入を終了することを特徴とする軸受装置の製造方法。

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