KR100438817B1 - 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및그 장치 - Google Patents

회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법은, 저주파수의 소정 전압 레벨의 제1 입력 신호를 회전형 자기 디스크 드라이브 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하는 단계;상기 제1 입력신호보다 상대적으로 더 큰 전압 레벨의 제2 입력신호를 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하는 단계; 상기와 같은 방법으로 점차적으로 더 큰 전압 레벨의 제3, 제4,...,제n 입력신호를 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 각각 측정하는 단계; 상기 측정된 출력신호 레벨의 결과를 바탕으로 시스템의 속도와 변위의 특성을 모델링하는 단계; 및 상기 속도와 변위의 특성에 대한 모델링을 바탕으로 자기 디스크 드라이브의피봇 베어링의 마찰특성을 모델링하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 시스템의 구동부의 속도와 변위 특성을 측정하여 모델링하고, 그 모델링을 바탕으로 피봇 베어링의 마찰 특성을 모델링하므로, 기계적인 방식으로는 측정하기 어려운 피봇 베어링의 미세동작 시의 마찰 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 마찰로 인한 구동부의 비선형성을 모델링할 수 있고, 서보 제어기의 설계시 마찰을 보상하기 위한 제어기를 설계할 수 있는 장점이 있다.

Description

회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치
본 발명은 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 상세히는 회전형 자기 디스크 드라이브에 있어서 액츄에이터의 입력에 대한 속도 및 변위 모델을 구함으로써 피봇 베어링의 정확한 마찰 특성을 얻을 수 있는 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.
회전형 자기 디스크 드라이브에 있어서, 고밀도, 고속화를 위해서는 액츄에이터의 피봇부에서 발생하는 건마찰(coulomb friction), 점성(viscous) 마찰, 스틱션(stiction), 히스테리시스(hysteresis) 등의 영향에 대한 분석이 요구된다. 왜냐하면, 마찰이 위치제어계의 안정도나 위치결정도를 향상시키기는 경우도 있지만, 대부분의 초정밀 위치계의 경우 오버슈트(overshoot), 세틀링(settling) 시간, 정상상태 오차 등의 문제를 유발하고 기계적 감쇄를 발생시키기 때문이다. 또한, 피봇 베어링은 속도, 변위, 온도, 프리로드(preload), 윤활, 베어링 등급 및 조립공정 등에 따라 다양한 변화와 비선형성을 나타내므로, 디스크 폼 팩터(form factor)가 작아짐에 따라 피봇 베어링의 비선형성 특성에 대한 고려가 요구된다.
한편, 범용 토오크 측정장비를 이용하여 피봇 베어링의 마찰을 측정하기 위해서는, 베어링축을 수평방향으로 하고 베어링의 외륜을 지그(jig)에 고정시킨 후, 토오크를 가하면 축과 베어링 외륜이 상대운동을 하게 되는데 이때의 과도상태의 최대 토오크를 측정한다. 그런데, 이와 같은 측정방법에 있어서의 문제점은 측정장비축의 잘못된 조정으로 토오크 및 스틱션이 피봇 베어링의 회전과 동시에 발생하게 되며, 따라서 관성의 영향을 최소화하기 위해 초저속 회전이 필요하다. 이때, 건마찰은 베어링축을 수평방향으로 하고 베어링의 외륜을 지그에 고정시킨 후, 축의 회전속도를 일정하게 유지하였을 때 필요한 토오크로 측정할 수 있고, 점성마찰은 회전속도의 증가량에 대한 베어링의 회전마찰 토오크의 변화이므로, 속도를 일정 시간 간격으로 계속 증가시키면서 회전마찰 토오크를 측정한다.
그런데, 이상과 같은 측정방법은 마찰 토오크 측정장비의 분해능의 한계와 지그 조정 등의 복합적 요인으로 정확한 결과를 얻기 어렵고 근사치 정도만을 얻을 수 있다. 결론적으로, 기계적인 장치 및 방법으로는 피봇 베어링의 마찰 특성의 측정 및 반복적인 결과를 얻기 어렵다.
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 자기 디스크 드라이브에 있어서의 구동부의 입력에 대한 속도 및 변위 모델을 구함으로써 피봇 베어링의 정확한 마찰 특성을 얻을 수 있는 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치의 개략적인 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법에 따라 구한 변위를 모델링한 특성 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법에 따라 구한 속도를 모델링한 특성 그래프.
도 4는 도 2 및 도 3의 변위와 속도의 모델링을 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성을 모델링한 상태도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...회전형 자기 디스크 드라이브 101...주파수 분석기
102...레이저 장비 103...오실로스코우프
100c...코일 100m...영구자석
100p...피봇축 401...감산기
402...제1적분기 403...제2적분기
404...속도모델 405...변위모델
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법은, 저주파수의 소정 전압 레벨의 제1 입력 신호를 회전형 자기 디스크 드라이브 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하는 단계; 상기 제1 입력신호보다 상대적으로 더 큰 전압 레벨의 제2 입력신호를 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하는 단계; 상기와 같은 방법으로 점차적으로 더 큰 전압 레벨의 제3, 제4,...,제n 입력신호를 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 각각 측정하는 단계; 상기 측정된 출력신호 레벨의 결과를 바탕으로 시스템의 속도와 변위의 특성을 모델링하는 단계; 및 상기 속도와 변위의 특성에 대한 모델링을 바탕으로 자기 디스크 드라이브의피봇 베어링의 마찰특성을 모델링하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치는, 임의의 자기 디스크 드라이브 시스템에 소정의 입력신호를 제공하는 한편 시스템의 주파수 특성을 측정하기 위한 주파수 분석기; 상기 자기 디스크 드라이브의 슬라이더에 레이저를 비추어 액츄에이터가 동작할 때 슬라이더의 속도와 변위를 측정하기 위한 레이저 장비; 및 상기 주파수 분석기로부터 제공되는 입력신호 및 레이저 장비에 의해 측정된 속도와 변위 특성을 보여주는 디스플레이장치를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 시스템의 구동부의 속도와 변위 특성을 측정하여 모델링하고, 그 모델링을 바탕으로 피봇 베어링의 마찰 특성을 모델링하므로, 기계적인 방식으로는 측정하기 어려운 피봇 베어링의 미세동작 시의 마찰 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 마찰로 인한 구동부의 비선형성을 모델링할 수 있고, 서보 제어기의 설계시 마찰을 보상하기 위한 제어기를 설계할 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치의 개략적인 시스템 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치는 임의의 자기 디스크 드라이브(100) 시스템에 소정의 입력신호를 제공하는 한편 시스템의 주파수 특성을 측정하기 위한 주파수 분석기(101)와, 자기 디스크 드라이브(100)의 슬라이더에 레이저를 비추어 액츄에이터가 동작할 때 슬라이더의 속도와 변위를 측정하기 위한 레이저 장비(102) 및 상기 주파수 분석기(101)로부터 제공되는 입력신호 및 레이저 장비에 의해 측정된 속도와 변위 특성을 보여주는 디스플레이장치(103)로 크게 구성된다. 여기서, 디스플레이장치(103)로는 오실로스코우프가 사용된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치의 동작 및 그에 의해 피봇 베어링의 마찰을 측정하는 과정에 대해 설명해 보기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 임의의 자기 디스크 드라이브(100)에 본 발명에 따른 장치의 설비가 완료되면, 먼저 자기 디스크 드라이브(100)에 입력시킬 입력신호의 주파수를 낮은 주파수로 세팅하고, 소정 전압 레벨의 제1 입력 신호를 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하게 된다.
즉, 처음에는 입력 신호의 주파수를 낮은 주파수의 정현파로 세팅하며, 제1 입력신호의 레벨은 10mV로 한다. 이와 같은 입력신호가 자기 디스크 드라이브(100)의 보이스 코일 모터의 코일(100c)에 인가되면, 코일(100c)에 흐르는 전류로 인해 자장이 생기고, 그 자장은 영구자석(100m)에 의해 형성된 자장과 반발하여 구동부(액츄에이터)가 피봇 베어링이 내장되어 있는 축(100p)을 중심으로 회전하게 된다. 이때, 레이저 장비(102)로부터 발생된 레이저빔(102b)이 자기 헤드를 지지하는 슬라이더를 비추게 되며, 그에 의해 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하게 된다.
이렇게 하여 제1입력신호에 대한 출력신호 레벨이 측정되면, 상기 제1 입력신호보다 상대적으로 더 큰 전압 레벨, 예컨대 20mV의 제2 입력신호를 인가하여 위와 같은 방법으로 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정한다. 그리고, 그와 같은 방법으로 점차적으로 더 큰 전압 레벨의 제3, 제4,...,제n 입력신호를 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 각각 측정한다.
다음의 표 1은 이상과 같은 측정에 의해 얻어진 실제의 실험 데이터의 일예를 나타내 보인 것이다.
한편, 이렇게 하여 출력신호 레벨이 측정되면, 그 출력신호 레벨의 측정결과를 바탕으로 속도와 변위의 특성을 모델링하게 된다. 도 2 및 도 3은 상기 측정결과를 바탕으로 한 변위와 속도특성에 대한 각각의 모델링을 그래프 형태로 나타내 보인 것이다.
여기서, 표 1을 다시 참조하면, 입력신호가 0.06mA일 경우에 변위는 7.50㎛, 속도는 0.90mm/s로 각각 급상승함을 알 수 있는데, 이와 같은 급상승점은 도 2 및 도 3의 특성 곡선에서 각 변곡점(201)(202)(301)(302)에 해당된다. 도 2 및 도 3에서 참조번호 203,303은 선형 스틱션 영역을, 204,304는 비스코스 영역을 각각 나타낸다.
이상에 의해 속도와 변위의 특성에 대한 모델링이 완료되면, 그 속도와 변위의 특성에 대한 모델링을 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성을 모델링하게 된다. 도 4는 상기 도 2 및 도 3의 속도와 변위의 모델링을 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성을 모델링한 것을 나타내 보인 것이다.
도 4를 참조하면, 제1적분기(402)의 출력은 속도에 대한 모델(404)의 입력으로 동작하고, 제2적분기(403)의 출력은 변위에 대한 모델(405)의 입력으로 동작한다. '입력'으로는 상기 주파수 분석기(101)(도 1 참조)로부터의 출력신호가 이용되며, '출력'은 레이저 장비(102)로부터 디스플레이장치(103)로 전송된 신호로서 윈도우에 표시되는 파형으로부터 알 수 있게 된다. 도 4에서 참조번호 401은 '입력'신호에서 각 모델(404)(405)을 거쳐 피드백되는 신호를 감산하여 출력하는 감산기를 나타낸다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법은 시스템의 구동부의 속도와 변위 특성을 측정하여 모델링하고, 그 모델링을 바탕으로 피봇 베어링의 마찰 특성을 모델링하므로, 기계적인 방식으로는 측정하기 어려운 피봇 베어링의 미세동작 시의 마찰 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 마찰로 인한 구동부의 비선형성을 모델링할 수 있고, 서보 제어기의 설계시 마찰을 보상하기 위한 제어기를 설계할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 저주파수의 소정 전압 레벨의 제1 입력 신호를 회전형 자기 디스크 드라이브 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하는 단계;
    상기 제1 입력신호보다 상대적으로 더 큰 전압 레벨의 제2 입력신호를 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 측정하는 단계;
    상기와 같은 방법으로 점차적으로 더 큰 전압 레벨의 제3, 제4,...,제n 입력신호를 시스템에 인가하여 속도와 변위의 시간영역에서의 출력신호 레벨을 각각 측정하는 단계;
    상기 측정된 출력신호 레벨의 결과를 바탕으로 시스템의 속도와 변위의 특성을 모델링하는 단계; 및
    상기 속도와 변위의 특성에 대한 모델링을 바탕으로 자기 디스크 드라이브의피봇 베어링의 마찰특성을 모델링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1입력신호는 저주파수의 정현파로 10mV의 레벨을 가지는 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정방법.
  3. 임의의 자기 디스크 드라이브 시스템에 소정의 입력신호를 제공하는 한편 시스템의 주파수 특성을 측정하기 위한 주파수 분석기;
    상기 자기 디스크 드라이브의 슬라이더에 레이저를 비추어 액츄에이터가 동작할 때 슬라이더의 속도와 변위를 측정하기 위한 레이저 장비; 및
    상기 주파수 분석기로부터 제공되는 입력신호 및 레이저 장비에 의해 측정된 속도와 변위 특성을 보여주는 디스플레이장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 디스플레이장치는 오실로스코우프인 것을 특징으로 하는 회전형 자기 디스크 드라이브의 피봇 베어링의 마찰측정장치.
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