JP6054598B2

JP6054598B2 - 部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法

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Publication number: JP6054598B2
Application number: JP2011139930A
Authority: JP
Inventors: 瀧川　健一; 健一瀧川; 利樹安藤
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: JP2013008411A; US20130098156A1; US8794070B2

Description

本発明は、ヘッド・サスペンション等の部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法に関する。

ハード・ディスク・ドライブ（Hard Disk Drive「HDD」）の高性能化により読み書き用の素子を備えたヘッド部をキャリッジ側に支持するヘッド・サスペンションの振動特性の管理が重要となっている。

このヘッド・サスペンションの伝達関数（Transfer Function）は、計算時間短縮の為のテクニックである、モード重ね合わせ法を使った周波数応答解析で計算している。

モード重ね合わせ法とは、外力を与えた時に起こる振動が、外力の周波数に大きく依存する強制振動解と、物体固有の振動である固有振動解の重ね合わせで表すことができると仮定する方法であり、計算時間を大幅に削減することができる。

一方、近年では、ヘッド・サスペンションとしてデュアル・アクチュエータ・タイプのHDDも存在し、ボイス・コイル・モータの他に、ベース・プレートとロード・ビームとの間、又はタング部にPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を取り付け、ヘッド部をベース・プレート側に対してスェイ方向へ微小動作可能としたものがある。

このようなヘッド・サスペンションでは、圧電素子への電圧印加に基づく周波数応答解析を行う必要もある。

例えば、図１０、図１１は、圧電素子を備えたヘッド・サスペンション１０１への外力付与と圧電印加とを示した斜視図である。このヘッド・サスペンション１０１は、ベース・プレート１０３とロード・ビーム１０５とヘッド部１０７を支持したフレキシャ１０９とを備えている。圧電素子は、フレキシャ１０９のタング部に取り付けられている。

ヘッド・サスペンション１０１は、ベース・プレート１０３がキャリッジを介してボイス・コイル・モータに取り付けられ、回転駆動されるものであるから、周波数応答解析のために、図１０のように、Ｙ方向へ９．８０４ｍＮの加振力を付与する。このときベース・プレート１０３のＸ，Ｚ方向の加振力は０、ヘッド部１０７のＺ方向の加振力も０に維持される。

一方、ヘッド・サスペンション１０１は、圧電素子への電圧印加によりヘッド部１０７をスェイ方向へ微小動作させるものであるから、周波数応答解析のために、図１１のように、圧電素子へ１Ｖの電圧印加とする。このとき、このときベース・プレート１０３のＸ，Ｙ，Ｚ方向の加振力は０、ヘッド部１０７のＺ方向の加振力も０に維持される。

Ｙ方向へ９．８０４ｍＮの加振力付与の場合には、モード重ね合わせ法を使うことで短時間に、例えば１０分未満の周波数応答解析で振動特性を得ることができる。

これに対し、圧電素子の圧電解析は、電界/構造の連成解析であるが、圧電解析を用いた周波数応答解析は一般にモード重ね合わせ法が使用できず、直接運動方程式を解くフル法（直接時間積分法）が使用されることになる。
非特許文献１にも、「時刻歴応答解析においては，一般に刻々と系の剛性が変化し，固有振動数や固有モードが変化すると考えられる。非線形問題であるため，線形問題において利用されるモード重ね合わせ法（モーダル解析）7)をそのまま適用することはできない。」（非特許文献１第５７５頁左欄第４行〜第１０行）と記載されている。

このフル法は各周波数毎に運動方程式を解く為、計算時間が大幅に増大する。

例えば50kHzまでの計算を行う場合、周波数Stepを100Hzで計算しても、50000Hz÷100Hz＝５００step（回）の計算が必要であり、1step計算時間約3分とすると、３分×５００step＝１５００分＝２５時間の計算時間を必要とする。

一方、モード重合わせ法では事前にモーダル解析を実施し、モード・ベクトル等を計算する。

ここで圧電素子の圧電解析の場合、ショート回路状態（共振状態）とオープン回路状態（反共振状態）の 2 種類のモードが存在し、両電極を 0[VOLT] に設定した場合はショート回路、片側電極のみ0[VOLT] とした場合はオープン回路状態となる。

これら 2 種類のモードを計算するためには、異なる拘束条件での計算が必要であり、これらのモードを重ね合わせることはできない。

片方のモード、共振モードまたは反共振モードだけのモーダル解析結果を利用して重ね合わせ法を使用する事は可能だが、結果の精度が低下する。

題名：Vibration simulation using MATLAB and ANSYS 著者：Michal R. Hatch、出版社：Chapman and Hall/CRC (2000/9/21)、言語：英語 ISBN-10：1584882050、ISBN-13：978-1584882053、発売日：2000/9/211455501058645_0 「HDD用アクチュエータの振動モード解析」（大川良太、寺田和弘、伊藤憲一郎、渡辺茂：フジクラ技報：99 ページ：7-12 ：2000年10月31日

解決しようとする問題点は、圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分を備えた部材の振動特性解析を、正確に短時間で行うことに困難があった点である。

本発明は、圧電素子を介設して電圧印加により動作を行なわせる部分を備えた部材の周波数応答解析を、正確に短時間で行うことを可能とするため、矩形平板状で電圧印加により面に沿った一方向に伸縮変形する圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分を備えた部材の周波数応答をモーダル解析に基づくモード重ね合わせ法により周波数応答解析する部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法において、前記圧電素子に電圧を印加し、該圧電素子に静解析上設定された各節点の反力又は変位を静解析により取得する取得工程と、前記反力又は変位を除いて前記圧電素子の前記各節点に前記取得した反力又は変位を付与する付与工程と、前記モーダル解析結果に基づいて前記反力付与又は変位付与による前記モード重ね合わせ法により前記周波数応答解析を行う解析工程とを備えたことを特徴とする。

本発明は、上記構成であるから、反力付与に基づいたモード重ね合わせ法による周波数応答解析の結果が、圧電素子に電圧を印加したときの部材の振動特性に近似させることができ、精度良い振動特性の管理を行わせることができる。

しかも、モード重ね合わせ法による周波数応答解析ができるから、短時間で振動特性を得ることができる。

部材の振動特性解析方法の工程図である。（実施例１）ヘッド・サスペンションの斜視図である。（実施例１）圧電素子を示すタング部裏面側の拡大斜視図である。（実施例１）圧電素子を示すタング部裏面側の拡大斜視図である。（比較例）（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図である。（実施例１）（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図である。（比較例）ヘッド・サスペンションの斜視図である。（実施例１）（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図である。（実施例１）（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図である。（実施例１）周波数応答解析のためのベース・プレート加振を示すヘッド・サスペンションの斜視図である。（従来例）周波数応答解析のための圧電素子電圧印加を示すヘッド・サスペンションの斜視図である。（従来例）

圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分を備えた部材の周波数応答解析を、正確に短時間で行うことを可能にするという目的を、圧電素子に電圧を印加して該圧電素子に静解析上設定された各節点の変位を静解析により取得する変位取得工程と、電圧印加を除去して圧電素子の前記各節点に取得した変位を与えて各節点の反力を取得する反力取得工程と、前記変位を除いて圧電素子の各節点に取得した反力を付与する反力付与工程と、前記モーダル解析結果に基づいて反力付与によるモード重ね合わせ法により周波数応答解析を行う解析工程とにより実現した。

図1は、部材の振動特性解析方法の工程図である。

図1のように、本発明実施例の部材の振動特性解析方法は、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分としてヘッド部を備えた部材であるＨＤＤのヘッド・サスペンションの周波数応答を解析するものであり、第１の取得工程としての変位取得工程Ｓ１と、第２の取得工程としての反力取得工程Ｓ２と、付与工程としての反力付与工程Ｓ３、解析工程Ｓ４とを備えている。

変位取得工程Ｓ１は、圧電素子に電圧を印加して該圧電素子の各節点の変位を取得する。変位の取得は、静解析で行う。圧電素子は、矩形平板状で電圧印加により面に沿った一方向に伸縮変形するものであり、本発明実施例の部材の振動特性解析方法は、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分としてヘッド部を備えた部材であるＨＤＤのヘッド・サスペンションに用いられるものである。
また、図３のように、フレキシャ９のタング部１５に、圧電素子１７Ａ，１７Ｂが一対備えられ、電圧印加によりタング部１５に支持するヘッド部７をスェイ方向へ微小動作させるものである。
かかる圧電素子の挙動を解析するために、前記圧電素子に電圧を印加し、そのときの変位を、構造解析において一般的な静解析により演算した。

反力取得工程Ｓ２は、Ｓ１での電圧印加を除去して前記圧電素子の各節点に前記取得した変位を与えて各節点の反力を取得する。反力の取得は、静解析で行う。
つまり、Ｓ１の解析で取得した変位を境界条件として各節点に計算上入力し、反力を演算する。

反力付与工程Ｓ３は、Ｓ２で付与した変位を除いて前記圧電素子の前記各節点に前記取得した反力を付与する。解析工程Ｓ４は、Ｓ３での反力付与に基づいてモード重ね合わせ法により周波数応答解析を行う。
モード重ね合わせ法に際しては、事前にモーダル解析が行なわれ、このモーダル解析の結果に基づいて前記反力付与又は変位付与によるモード重ね合わせ法により周波数応答解析を行う。

なお、Ｓ１〜Ｓ４それぞれの工程は、マクロプログラム等により連続して行っても良い。

図２は、周波数応答解析の対象部材であるヘッド・サスペンションの斜視図、図３は、実施例Iに係り、圧電素子を示すタング部裏面側の略斜視図、図４は、比較例に係り、圧電素子を示すタング部裏面側の拡大斜視図、図５は、実施例１に係り、（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図、図６は、比較例に係り、（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図である。

図２のように、ヘッド・サスペンション１は、ベース・プレート３とロード・ビーム５とヘッド部７を支持したフレキシャ９とを備えている。ロード・ビーム５は、剛体部１１及びばね部１３を含んでいる。

フレキシャ９は、ヘッド部を書き込み用及び読み取り用の配線に接続すし、ロード・ビーム５に取り付けられている。圧電素子は、フレキシャ９のタング部に取り付けられている。

図３のように、フレキシャ９のタング部１５に、圧電素子１７Ａ，１７Ｂが一対備えられ、電圧印加によりタング部１５に支持するヘッド部７をスェイ方向へ微小動作させる。

前記反力付与工程Ｓ３では、図３で示す微小な多数の矢印で示すように、圧電素子１７Ａ，１７Ｂの各節点に前記反力を付与する。

図４の比較例では、圧電素子１７Ａ，１７Ｂの各エッジに９．８０４ｍＮの加振力を矢印のように付与する。

図３の反力付与により重ね合わせ法による周波数応答解析をした結果を含むのが図５であり、図４の加振力付与により重ね合わせ法による周波数応答解析の結果を含むのが図６である。

図３に基づく実施例１の周波数解析では、図５の振動特性となった。図５から明らかなように、反力付与による振動特性１９が電圧印加時の振動特性２１にほとんど重なり、正確な特性を得ることができた。

これに対し、図４に基づく比較例の周波数解析では、図６の振動特性となった。図６から明らかなように、加振力付与による振動特性２３が電圧印加時の振動特性２５に対して誤差を生じており、正確な特性を得ることには限界があった。

図５、図６の何れにおいても重ね合わせ法による周波数解析であるため、１０min未満と短時間での処理が可能である。しかし、図５、図６の比較で明らかなように、比較例では正確な特性を得ることには限界があるのに対し、実施例１では、正確な特性を得ることができた。

図７は、他の形態のヘッド・サスペンションの斜視図である。

このヘッド・サスペンション１Ａは、ベース・プレート３Ａとロード・ビーム５Ａとの間に圧電素子１７ＡＡ，１７ＢＡを配置したものである。他の構成は、図２のものと同様であり、対応する構成部分に同符号を付す。

このヘッド・サスペンション１Ａにおいて図１の周波数応答解析により得た振動特性が図８である。図８（Ａ）は、周波数応答解析により得られたゲイン線図、（Ｂ）は、位相線図である。

図８のように、反力付与による振動特性２７が電圧印加時の振動特性２９にほとんど重なり、正確な特性を得ることができた。

図９は、ロード・ビームの剛体部等にダンパー材を取り付けたヘッド・サスペンションおいて図１の周波数応答解析により得た振動特性である。

図９から明らかなように、反力付与による振動特性３１が電圧印加時の振動特性３３にほとんど重なり、正確な特性を得ることができた。

以上、圧電素子の配置形態、ダンパー材の有無に係わらず、図１の周波数応答解析により短時間で正確な振動特性を得ることができる。

［実施例の効果］
本発明実施例の部材の振動特性解析方法は、圧電素子１７Ａ（１７ＡＡ）、１７Ｂ（１７ＢＡ）を介設して電圧印加により動作を行わせるヘッド部７を備えたヘッド・サスペンション１（１Ａ）の周波数応答を解析するヘッド・サスペンション１、１Ａの振動特性解析方法であって、圧電素子１７Ａ（１７ＡＡ）、１７Ｂ（１７ＢＡ）に電圧を印加して圧電素子１７Ａ（１７ＡＡ）、１７Ｂ（１７ＢＡ）の各節点の変位を取得する変位取得工程Ｓ１と、電圧印加を除去して圧電素子１７Ａ（１７ＡＡ）、１７Ｂ（１７ＢＡ）の各節点に取得した変位を与えて各節点の反力を取得する反力取得工程Ｓ２と、変位を除いて圧電素子１７Ａ（１７ＡＡ）、１７Ｂ（１７ＢＡ）の各節点に取得した反力を付与する反力付与工程Ｓ３と、反力付与に基づいてモード重ね合わせ法により周波数応答解析を行う解析工程Ｓ４とを備えた。

このため、反力付与による振動特性１９、２７、３１が電圧印加時の振動特性２１、２９、３３にほとんど重なる図５、図８、図９のような、正確な特性を得ることができた。

ヘッド・サスペンション１、１Ａは、剛体部１１及びばね部１３を含みベース・プレート３、３Ａに剛体部１１の基端側がばね部１３を介して支持されたロード・ビーム５、５Ａと、ヘッド部７を書き込み用及び読み取り用の配線に接続すると共にヘッド部７をタング部１５に支持してロード・ビーム５、５Ａに取り付けられたフレキシャ９とを備え、圧電素子１７ＡＡ、１７ＢＡは、ベース・プレート３Ａとロード・ビーム５Ａとの間、又は圧電素子１７Ａ、１７Ｂは、タング部１５に取り付けられ、ヘッド部７をベース・プレート３、３Ａ側に対してスェイ方向へ微小動作可能とし、圧電素子１７Ａ（１７ＡＡ）、１７Ｂ（１７ＢＡ）への電圧印加に基づくヘッド・サスペンション１、１Ａの周波数応答解析を行う。

このため、各種形態のヘッド・サスペンション１、１Ａについて、反力付与による振動特性１９、２７、３１が電圧印加時の振動特性２１、２９、３３にほとんど重なる図５、図８、図９のような、正確な特性を得ることができた。
［その他］
部材としては、圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分を備えたものであれば、ヘッド・サスペンション以外の他の部材にも図１の部材の振動特性解析方法を適用することができる。

上記実施例の他、第１の取得工程で圧電素子に電圧を印加して各節点の反力を取得し、第２の取得工程で圧電素子の各節点の反力に応じた変位を取得し、付与工程では、取得した各節点の各変位を各節点へ与え、解析工程でモード重ね合わせ法による振動伝搬解析を行わせることもできる。

また、取得工程で圧電素子に電圧を印加して各節点の反力又は変位を取得し、付与工程で各反力又は変位を各節点へ与え、解析工程でモード重ね合わせ法による振動伝搬解析を行わせることもできる。

１、１Ａヘッド・サスペンション
３、３Ａベース・プレート
５、５Ａロード・ビーム
７ヘッド部
９フレキシャ
１１剛体部
１３ばね部
１７Ａ、１７Ｂ、１７ＡＡ、１７ＢＡ圧電素子（ＰＺＴ素子）
１９、２１、２３、２５、２７、２９、３１、３３振動特性
Ｓ１変位取得工程（第１の取得工程）
Ｓ２反力取得工程（第２の取得工程）
Ｓ３反力付与工程（付与工程）
Ｓ４解析工程

Claims

矩形平板状で電圧印加により面に沿った一方向に伸縮変形する圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分を備えた部材の周波数応答をモーダル解析に基づくモード重ね合わせ法により周波数応答解析する部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法において、
前記圧電素子に電圧を印加し、該圧電素子に静解析上設定された各節点の反力又は変位を静解析により取得する取得工程と、
前記反力又は変位を除いて前記圧電素子の前記各節点に前記取得した反力又は変位を付与する付与工程と、
前記モーダル解析結果に基づいて前記反力付与又は変位付与による前記モード重ね合わせ法により前記周波数応答解析を行う解析工程と、
を備えたことを特徴とする部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法。
矩形平板状で電圧印加により面に沿った一方向に伸縮変形する圧電素子を介設して電圧印加により動作を行わせる部分を備えた部材の周波数応答をモーダル解析に基づくモード重ね合わせ法により周波数応答解析する部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法において、
前記圧電素子に電圧を印加し、該圧電素子に静解析上設定された各節点の反力又は変位を静解析により取得する第１の取得工程と、
前記電圧印加を除去して前記圧電素子の前記各節点に前記取得した反力又は変位を与えて各節点の変位又は反力を静解析により取得する第２の取得工程と、
前記反力又は変位を除いて前記圧電素子の前記各節点に前記取得した変位又は反力を付与する付与工程と、
モーダル解析結果に基づいて前記反力付与又は変位付与による前記モード重ね合わせ法により前記周波数応答解析を行う解析工程と、
を備えたことを特徴とする部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法。
請求項１又は２記載の部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法であって、
前記部材は、ディスク・ドライブの読み書き用のヘッド部を支持するヘッド・サスペンションであり、
前記ヘッド・サスペンションは、剛体部及びばね部を含みベース・プレートに前記剛体部の基端側が前記ばね部を介して支持されたロード・ビームと、前記ヘッド部を書き込み用及び読み取り用の配線に接続すると共に該ヘッド部をタング部に支持して前記ロード・ビームに取り付けられたフレキシャとを備え、
前記圧電素子は、前記ベース・プレートとロード・ビームとの間、又は前記タング部に取り付けられ、前記ヘッド部を前記ベース・プレート側に対してスウェイ方向へ微小動作可能とし、
前記圧電素子への電圧印加に基づく前記ヘッド・サスペンションの前記周波数応答解析を行う、
ことを特徴とする部材の振動特性解析方法における境界条件入力方法。