KR100408510B1 - 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법은, 주파수 분석기로부터 오실로스코우프로 소정의 신호를 입력시키는 단계; 레이저 발생장치로부터 자기 디스크 구동장치의 슬라이더에 레이저빔을 조사하는 단계; 상기 슬라이더의 움직임에 따른 레이저빔의 변화를 검출하여 변위와 속도의 프로파일을 구하는 단계; 및 상기 변위와 속도 프로파일로부터 피봇 베어링의 마찰특성을 구하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 피봇 베어링의 움직임을 변위와 속도라는 파라미터를 이용하여 각각의 프로파일을 구하고, 그로부터 마찰특성을 얻게 되므로 기계적인 방법으로는 측정이 어려운 피봇 베어링의 미세한 움직임도 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 베어링의 선택이나 제조에 있어 그 특성을 미리 시뮬레이션을 통하여 검증해 볼 수 있고, 서보 제어기의 설계 시 마찰특성을 보상할 수 있는 제어기를 설계할 수 있다.

Description

회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치

본 발명은 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇(pivot) 베어링의 마찰을 측정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 피봇 베어링의 변위 및 속도 프로파일(profile)을 구함으로써 베어링의 마찰특성을 얻고, 구동부 전체의 설계에 있어서 시뮬레이션 모델링을 가능하게 하는 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

자기 디스크 구동장치의 하나인 하드 디스크 드라이브는 컴퓨터의 보조기억장치로서, 자기 헤드에 의해 자기 디스크에 저장된 정보를 독출하여 재생하거나, 자기 디스크에 새로운 정보를 기록함으로써 컴퓨터의 시스템 운영에 기여하게 된다.

이와 같은 하드 디스크 드라이브는 최근 고속화, 고용량화 및 저진동화의 요구에 부응하기 위해 다양한 연구개발이 추진되고 있으며, 특히 고속화 및 저진동화를 위해 회전체를 지지하는 베어링 구조체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 하드 디스크 드라이브의 구성을 개략적으로 나타내 보인 평면도이다.

도 1을 참조하면, 하드 디스크 드라이브(100)는 기기의 주요 골격을 이루는 베이스 프레임(101)과, 정보의 저장을 위한 자기 디스크(102)와, 그 자기 디스크(102)에 정보를 기록하거나 디스크에 기록된 정보를 읽어내기 위한 헤드 스택 어셈블리(103) 및 그 헤드 스택 어셈블리(103)를 상기 자기 디스크(102)의 반경방향으로 왕복 선회운동시키기 위한 구동력을 제공하는 보이스 코일 모터(104)로 구성된다.

여기서, 상기 자기 디스크(102)는 클램프(105)에 의해 허브(106)에 고정되고, 상기 헤드 스택 어셈블리(103)는 피봇(103p)을 중심으로 선회운동이 가능하게 설치된다. 그리고, 이 헤드 스택 어셈블리(103)는 액츄에이터(103a)와, 그 액츄에이터(103a)에 연장되어 결합된, 탄성력을 가지는 판재형의 로드 빔(load beam) (103b)과, 그 로드 빔(103b)의 단부에 고정되어 상기 자기 디스크(102)에 기록된 정보를 독출하거나 자기 디스크(102)에 새로운 정보를 기록하는 자기 헤드(103h)로 구성된다.

또한, 상기 자기 헤드(103h)와 거의 180°반대방향의, 액츄에이터(103a)의 일측 단부에는 강자성체의 철편(107)이 설치되고, 그 철편(107)의 선회운동 궤적 상에는 하드 디스크 드라이브의 정지 시, 상기 철편(107)을 끌어당겨 흡착함으로써 상기 헤드 스택 어셈블리(103)를 고정시키기 위한 래치(latch)(108)가 설치된다. 여기서, 이 래치(108)는 영구자석(108m)과 그 영구자석(108m)을 고정시키는 고정부재(108s)로 구성된다.

이상과 같은 구성을 가지는 하드 디스크 드라이브에 있어서, 데이터 기록의 고밀도와 데이터 액세스 및 처리의 고속화를 위해서는 헤드 스택 어셈블리(103)의 피봇(103p)에서 발생하는 마찰, 스틱킹(sticking), 히스테리시스(hysteresis) 등의 영향에 대한 분석이 요구된다. 왜냐하면, 그와 같은 요소들로 인해 초정밀 위치제어계에 있어서 오버슈트(overshoot), 세틀링(settling) 시간의 지연 및 정상상태오차 등의 문제가 야기되며, 더 나아가 기계적 열화(劣化)를 초래하기 때문이다. 또한, 피봇 베어링은 속도, 변위, 온도 등에 따라 다양한 변화와 비선형성을 나타내므로, 디스크 폼 팩터(disk form factor)가 작아짐에 따라 피봇 베어링의 비선형성 특성에 대한 고려도 요구되고 있다.

한편, 피봇 베어링에서의 마찰 토오크는 프리로드(preload), 윤활상태 등에 의해 크기가 결정된다. 그리고, 베어링 등급이나 조립상의 기계적 오차에 의해 회전시 발생하는 마찰변화량이 직접적인 영향을 받으나, 그 크기가 매우 작다. 따라서, 트랙 씨크(seek) 시에는 피봇의 관성력이나 입력토오크에 대하여 피봇 베어링 마찰의 비선형성 영향을 무시할 수 있다. 그러나, 세틀링이나 트랙 추종 시에는 피봇 관성력이나 입력토오크가 마찰 토오크와 유사한 성격을 가지기 때문에 비선형성에 의한 영향을 예측하고 제어하기 위해서는 피봇 베어링 마찰의 정확한 측정이 요구된다.

종래에는 이와 같은 피봇 베어링의 마찰을 측정하기 위하여 범용 토오크 측정장비를 이용하였다. 즉, 피봇 베어링의 마찰을 측정하기 위해서 베어링축을 수평방향으로 유지하고, 베어링의 외륜을 지그(jig)에 고정시킨 후 토오크를 가하면, 축과 베어링의 외륜은 속도 0(zero)에서부터 상대운동을 시작하게 된다. 이때, 과도상태의 최대 토오크를 측정함으로써 베어링의 마찰력을 측정하게 된다. 그러나, 이와 같은 측정방법은 측정장비의 조정오차로 인한 토오크 및 스틱킹이 피봇 베어링의 회전과 동시에 발생하며, 따라서 관성의 영향을 최소화하기 위해 초저속 회전이 필요하다. 또한, 측정장비의 분해능의 한계와 지그 조정 등의 복합적인 요인으로 인해 정확한 측정결과를 얻기 어렵고, 마찰크기의 근사치 정도만을 얻을 수 있다.

결과적으로, 범용 측정장비를 이용하여 피봇 베어링의 마찰을 측정하기란 매우 어려우며 반복적인 결과를 얻기 어렵다.

한편, 범용 측정장비를 이용한 피봇 베어링의 마찰측정과 관련하여 얻어진 속도, 변위특성을 바탕으로, 도 2에 도시된 바와 같이 구성된 프리로드 모델+2-슬로우프 모델에 의해 수행된 속도, 변위의 시뮬레이션(simulation) 결과는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 시간 영역에서 데드 존(dead zone)으로 인한 채터링(chattering) 현상의 발생을 볼 수 있다. 그러나, 실제로 실험을 해보면 그와 같은 데드 존은 나타나지 않는다. 이는 데드 존이 모델링에서 고려되지 말아야 함을 의미한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 피봇 베어링의 마찰을 정밀하게 측정할 수 있는 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 하드 디스크 드라이브의 구성을 개략적으로 나타내 보인 평면도.

도 2는 종래 방법에 의해 얻은 피봇 베어링의 속도, 변위특성을 바탕으로 구성한 프리로드 모델+2-슬로우프 모델의 블록구성도.

도 3a 및 도 3b는 도 2의 프리로드 모델+2-슬로우프 모델에 의해 수행된 속도, 변위의 시뮬레이션 결과를 나타내 보인 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치의 개략적인 구성도.

도 5a 및 도 5b는 도 4의 장치에 의해 측정한 피봇 베어링의 변위 및 속도의 프로파일을 나타내 보인 그래프.

도 6은 본 발명의 방법에 의해 구한 변위와 속도 프로파일을 기초로 하여 구성한 피봇 베어링의 마찰 모델의 블록구성도.

도 7은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해 수행되는 피봇 베어링의 마찰측정의 전체 시뮬레이션 모델의 블록구성도.

도 8a 및 도 8b는 도 7의 모델에 의해 수행된 변위 및 속도 시뮬레이션 결과를 각각 나타내 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

41...자기 디스크 구동장치41c...코일

41p...피봇41s...슬라이더

42...레이저 발생장치43...주파수 분석기

43w...디스플레이 윈도우44...오실로스코우프

61...관성 모멘트62...구동부의 아암길이 상수

63...속도 신호64...변위 신호

101...베이스 프레임41d,102...자기 디스크

41h,103...헤드 스택 어셈블리104...보이스 코일 모터

105...클램프106...허브

107...철편108...래치

41m,108m...영구자석108s...고정부재

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법은, 주파수 분석기로부터 오실로스코우프로 소정의 신호를 입력시키는 단계; 레이저 발생장치로부터 자기 디스크 구동장치의 슬라이더에 레이저빔을 조사하는 단계; 상기 슬라이더의 움직임에 따른 레이저빔의 변화를 검출하여 변위와 속도의 프로파일을 구하는 단계; 및 상기 변위와 속도 프로파일로부터 피봇 베어링의 마찰특성을 구하는 단계를 포함한다.

더 나아가, 상기 마찰특성을 모델링하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치는, 자기 디스크 구동장치의 슬라이더에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 발생장치와, 상기 자기 디스크 구동장치 및 레이저 발생장치로부터의 입력신호를 분석하여 그 결과를 출력하는 주파수 분석기와, 상기 주파수 분석기 및 레이저 발생장치로부터의 출력신호를 입력받아 화면상에 나타내는 디스플레이장치를 포함하여 된 점에 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 피봇 베어링의 움직임을 변위와 속도라는 파라미터를 이용하여 각각의 프로파일을 구하고, 그로부터 마찰특성을 얻게 되므로 기계적인 방법으로는 측정이 어려운 피봇 베어링의 미세한 움직임도 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치의 개략적인 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치는 자기 디스크 구동장치(41)의 슬라이더(41s)에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 발생장치(42)와, 상기 자기 디스크 구동장치(41)의 헤드 스택 어셈블리(41h)로부터의 입력신호를 분석하여 그 결과를 출력하는 주파수 분석기(43)와, 그 주파수 분석기(43)로부터의 출력신호를 입력받아 화면상에 나타내는 디스플레이장치로서 오실로스코우프(44)를 구비한다. 참조번호 45는 저항을 나타낸다.

그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.

자기 디스크 구동장치(41)의 코일(41c)에 전류가 흐르면 코일(41c) 주변에는 자장이 형성되고, 이 자장과 영구자석(41m)에 의해 형성된 자장이 상호 작용하여 자기 디스크 구동장치(41)의 헤드 스택 어셈블리(41h)는 피봇(41p)을 중심으로 디스크(41d)의 표면을 슬라이딩하면서 선회운동하게 된다. 그러면, 상기 슬라이더(41s)에 레이저빔을 비추고 있던 레이저 발생장치(42)에서는 변위신호가 발생되며, 그 변위신호는 주파수 분석기(43) 및 오실로스코우프(44)로 입력된다.

한편, 오실로스코우프(44)로 소정의 신호(예컨대, 단일 주파수의 정현파 신호)를 전송하고 있던 주파수 분석기(43)는 레이저 발생장치(42)로부터의 변위신호를 입력받아 그 신호를 분석하여 결과를 출력한다. 따라서, 주파수 분석기(43)의 디스플레이 윈도우(43w)에는 입력 토오크에 대한 변위의 특성 그래프가 나타난다. 그리고, 오실로스코우프(44)의 윈도우에는 시간에 대한 변위와 속도의 특성 그래프가 디스플레이된다. 이와 같이 해서, 피봇 베어링에 대한 마찰특성곡선이 얻어지면, 그를 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성을 모델링하게 된다. 그리고, 그와 같은 모델링은 구동부 설계에 반영된다.

여기서, 상기 주파수 분석기(43)로부터 출력되어 오실로스코우프(44)로 입력되는 신호는 다양하게 만들어질 수 있으나, 본 실시예에서는 단일 주파수의 정현파 신호가 입력되는 것으로 한다. 예를 들면, 처음에는 입력신호의 주파수를 저주파수의 정현파로 세팅한 후, 입력신호의 레벨을 10mV로 하고 이때의 시간에 대한 변위와 속도의 레벨을 측정한다. 그런 다음, 입력신호의 레벨을 20mV로 하고, 마찬가지로 그때의 시간에 대한 변위와 속도의 레벨을 측정한다. 이와 같은 방법으로 점차 입력신호의 레벨을 높여가면서 측정을 하게 되면, 어느 레벨에 있어서 변위와 속도의 레벨이 급변하는 것을 알 수 있는데, 이때가 변위와 속도 프로파일에 있어서의 변곡점이 된다. 도 5a 및 도 5b는 그와 같은 프로파일을 각각 보여주는 입력토오크에 대한 변위와 속도의 특성 그래프이다. 도 5a 및 도 5b의 특성 그래프에서 영점(zero point)을 지나는 부분 A는 선형 스틱킹 영역이고, 부분 B는 점성마찰 영역을 나타낸다. 여기서, 상기 변위 및 속도 프로파일을 함수식으로 나타내면 다음과 같다.

[수학식 1]

f = kav 단,｜x｜< T

[수학식 2]

f = kbv + (ka-kb)T 단,｜x｜> T

[수학식 3]

f = k1x 단,｜v｜< S

[수학식 4]

f = k2x + (k1-k2)S 단,｜v｜> S

상기 수학식 1,2,3,4에서 ka,kb,k1,k2는 비례상수, v는 속도, x는 변위, S,T는 문턱값(threshold)을 각각 나타낸다.

한편, 도 6은 상기 변위와 속도 프로파일을 기초로 하여 구성한 피봇 베어링의 마찰 모델의 블록구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해 수행되는 피봇 베어링의 마찰측정의 전체 시뮬레이션 모델의 블록구성도이며, 도 8a 및 도 8b는 도 7의 모델에 의해 수행된 변위 및 속도 시뮬레이션 결과를 각각 나타내 보인 그래프이다.

도 6을 참조하면, 참조번호 61은 관성 모멘트, 62는 구동부의 아암길이 상수, 63은 속도신호, 64는 변위신호를 각각 나타낸다. 상기 수학식 1∼4에서 문턱값은 속도 프로파일에서는 변위신호(64)에 의해 결정되고, 변위 프로파일에서는 속도신호(63)에 의해 결정된다.

도 7에서 참조번호 71은 도 4에서 주파수 분석기(43)로부터 출력되어 오실로스코우프(44)로 입력되는 입력신호에 해당하는 것으로서, 전술한 바와 같이 단일 주파수의 정현파 신호이다. 참조번호 72는 자기 디스크 구동장치(41)의 코일(41c)의 임피던스와 저항(45), 그리고 토오크 상수를 모델링한 것으로 전압을 토오크 단위로 변환시키는 기능을 갖는다. 참조번호 73은 레이저 발생장치(42)를 모델링한 것으로 속도와 변위의 이득상수를, 참조번호 74는 역기전력을 각각 나타낸다.

도 8a 및 도 8b에서 참조번호 81은 기준 입력신호, 82는 속도, 83은 변위를 각각 나타낸다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법은 피봇 베어링의 움직임을 변위와 속도라는 파라미터를 이용하여 각각의 프로파일을 구하고, 그로부터 마찰특성을 얻게 되므로 기계적인 방법으로는 측정이 어려운 피봇 베어링의 미세한 움직임도 정밀하게 측정할 수 있다. 따라서, 피봇 베어링 선택이나 제작에 있어 그 특성을 미리 시뮬레이션을 통해 검증해 볼 수 있고, 그에 따라 자기 디스크 구동장치의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 마찰을 보상하기 위한 서보제어기의 설계를 한층 정밀하게 할 수 있다.

Claims (4)

1. 주파수 분석기로부터 오실로스코우프로 소정의 신호를 입력시키는 단계;

   레이저 발생장치로부터 자기 디스크 구동장치의 슬라이더에 레이저빔을 조사하는 단계;

   상기 슬라이더의 움직임에 따른 레이저빔의 변화를 검출하여 변위와 속도의 프로파일을 구하는 단계; 및

   상기 변위와 속도 프로파일로부터 피봇 베어링의 마찰특성을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 피봇 베어링의 마찰특성을 구한 후, 그것을 바탕으로 마찰특성을 모델링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정방법.
3. 자기 디스크 구동장치의 슬라이더에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 발생장치와,

   상기 자기 디스크 구동장치 및 레이저 발생장치로부터의 입력신호를 분석하여 그 결과를 출력하는 주파수 분석기와,

   상기 주파수 분석기 및 레이저 발생장치로부터의 출력신호를 입력받아 화면상에 나타내는 디스플레이장치를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 디스플레이장치는 오실로스코우프인 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 구동장치의 피봇 베어링의 마찰측정장치.