KR100699898B1 - 낙하감지 및 낙하충격에 대비한 헤드의 대피 기능을 갖는하드디스크 드라이브 - Google Patents

낙하감지 및 낙하충격에 대비한 헤드의 대피 기능을 갖는하드디스크 드라이브 Download PDF

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한재혁
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장건희
박상진
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Abstract

본 발명에 의하면 낙하감지 및 낙하충격에 대비한 헤드의 대피 기능을 갖는 하드디스크 드라이브가 개시된다. 개시된 하드 디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 스핀들 모터에서 회전체가 부상하는 높이를 실시간으로 측정하는 부상높이 센서, 센서에서 검출된 부상 높이를 모니터하고, 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 자유낙하 신호에 응답하여 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 낙하충격에 의한 헤드와 디스크의 손상을 방지함으로써 모바일 환경에서 요구되는 내충격 성능이 확보된 하드디스크 드라이브가 제공된다.

Description

낙하감지 및 낙하충격에 대비한 헤드의 대피 기능을 갖는 하드디스크 드라이브{Hard disk drive having functions of free fall detection and emergency parking for the read/write head before the free fall shocking}
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하드디스크 드라이브의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 하드디스크 드라이브에서 채용된 스핀들 모터의 구조를 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 취한 수직 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 영구자석과 스테이터 사이의 배치 구조를 보인 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 스핀들 모터의 고정체와 회전체에 각각 작용하는 힘과 모멘트의 작용 상태를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 각각 저널 베어링과 트러스트 베어링의 압력 분포를 보인 도면들이다.
도 7은 스핀들 모터의 영구자석과 스테이터의 자기 플럭스 분포를 보인 도면이다.
도 8은 스핀들 모터에 입력되는 구동신호의 일 형태를 보인 도면이다.
도 9는 스핀들 모터에 구비된 회전체의 기하학적 중심과 질량 중심의 이동 궤적을 보인 도면이다.
도 10 내지 도 14는 유한요소해석을 통한 수치 적분의 결과로 얻어진 해석 결과들이다.
도 15는 스핀들 모터의 낙하 자세의 대표적인 유형을 보인 도면들이다.
도 16a 내지 도 16c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 스핀들 모터에 구비된 회전체 부상 높이의 변화를 도시한 도면들이다.
도 17a 내지 도 17c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 스핀들 모터 회전속도의 변화를 도시한 도면들이다.
도 18a 내지 도 18c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 스핀들 모터에 인가되는 구동신호의 PWM 듀티비 변화를 도시한 도면들이다.
도 19a 내지 도 19c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 스핀들 모터 회전체의 위치 변화를 도시한 도면들이다.
도 20a 내지 도 20c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 읽기/쓰기 헤드와 트랙 사이의 위치에러의 변화를 도시한 도면들이다.
도 21a 내지 도 21c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 VCM 모터의 구동신호로서 전류신호의 변화를 도시한 도면들이다.
도 22a 내지 도 22c는 각각 서로 다른 낙하 자세에서 VCM 모터의 구동신호로서 전압신호의 변화를 도시한 도면들이다.
도 23은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하드디스크 드라이브의 개략적인 구조도이다.
도 24는 도 23에 도시된 하드디스크 드라이브의 자유낙하시 하드디스크 드라이브에서 발생되는 내부 신호들을 시간의 경과에 따라 도시한 타이밍도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 스핀들 모터 110 : 고정체
111 : 베이스 부재 112 : 스테이터
113 : 요크 115 : 코일
117 : 슬리브 120 : 회전체
121 : 샤프트 125 : 허브
126 : 영구자석 151 : 저널 베어링
153 : 트러스트 베어링 160 : 액츄에이터
161 : 읽기/쓰기 헤드 170 : 파킹 램프
본 발명은 하드디스크 드라이브에 관한 것으로, 보다 상세히, 자유낙하를 사전에 감지하고, 낙하충격이 가해지기 이전에 데이터의 기록 및 재생을 담당하는 헤드를 안전한 위치로 대피시키는 기능을 갖는 하드디스크 드라이브에 관한 것이다.
컴퓨터의 정보 저장 장치들 중의 하나인 하드 디스크 드라이브(HDD; Hard Disk Drive)는 읽기/쓰기 헤드(read/write head)를 사용하여 디스크에 저장된 데이터를 재생하거나, 디스크에 데이터를 기록하는 장치이다. 이러한 하드 디스크 드라 이브에 있어서, 상기 헤드는 회전하는 디스크의 표면으로부터 소정 높이만큼 부상한 상태로 액츄에이터에 의해 원하는 위치로 이동하면서 그 기능을 수행하게 된다.
그런데, 데이터의 기록/재생 동작을 행하던 읽기/쓰기 헤드가 불의의 충격에 의해 디스크 표면에 충돌되면 디스크에 저장된 데이터가 손상되어 독취가 불가능하게 되고, 헤드 크래쉬(head crash)로 인해 읽기/쓰기 헤드가 물리적으로 손상되어 제 기능을 다하지 못하는 문제점이 있다. 이렇게 외부충격에 취약한 하드디스크 드라이브의 구조로 인하여, 우수한 가격 대비 저장 용량에도 불구하고, 하드디스크 드라이브를 각종 모바일 기기에 적용하는데 일정한 제한을 받아 왔다. 그러나 최근에는 1 인치 이하의 마이크로 드라이브에 대한 연구가 활발히 진행되는 등 하드디스크 드라이브를 모바일 환경에 적용하기 위한 꾸준한 노력이 있어 왔다.
그 중에서, 미국 공개특허공보 제 Re.35269호에는 MEMS 기반의 가속도 센서를 이용하여 하드디스크 드라이브의 낙하 상태를 충격 이전에 감지하여 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 위치로 언로딩시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 종래기술에 의하면, 별도의 가속도 센서를 마련하기 위한 추가적인 비용이 요구됨은 물론이고, 통상 모바일용으로 개발되는 초소형 하드디스크 드라이브에 상기 가속도 센서의 장착공간을 별도로 마련하는 것은 장치의 부피를 증가시킴으로써 경박단소화에 불리하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 낙하충격에 의한 헤드와 디스크의 손상을 방지함으로써 모바일 환경에서 요구되는 내충격 성능이 확보된 하드디스크 드라이브를 제공하는 것 이다.
본 발명의 다른 목적은 낙하 자세에 관계없이 높은 정밀도로 자유낙하 여부를 판단하고, 헤드의 비상대피 조치를 개시할 수 있는 하드디스크 드라이브를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 바와 같은 효과를 달성하면서도 모바일용에 적합한 임펙트한 하드디스크 드라이브를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 스핀들 모터에서 회전체가 부상하는 높이를 실시간으로 측정하는 부상높이 센서, 상기 센서에서 검출된 부상 높이를 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 스핀들 모터의 회전 속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 센서, 상기 회전속도 신호를 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙 하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 것으로, 피드백 제어 루프에 의해 회전 속도가 실시간으로 제어되는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 스핀들 모터의 제어된 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 스핀들 모터에서 회전체의 중심이, 상기 회전체를 지지하는 고정체와의 사이에 마련된 베어링 간극을 통하여, 정중앙 위치로부터 측 방향으로 미소 편심된 양을 정적 편심량이라고 할 때, 상기 정적 편심량을 측정하는 정적 편심 센서, 상기 센서에서 검출된 상기 정적 편심량을 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터, 및 자신의 선단에 읽기/쓰기 헤드를 부착하고 상기 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위해 피봇축을 중심으로 선회 구동되는 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 읽기/쓰기 헤드와 목적 트랙 사이의 위치 오차를 실시간으로 측정하는 위치에러 센서, 상기 위치에러 신호를 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 선단의 읽기/쓰기 헤드를 부착한 액츄에이터에 대해 회전 동력을 제공하는 VCM 모터와, 상기 읽기/쓰기 헤드가 상기 디스크 상의 목적 트랙를 추종하도록 상기 VCM 모터에 제어된 구동신호를 인가하는 피드백 제어 루프를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 VCM 모터의 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 것으로, 속도제어루프에 의해 회전 속도가 실시간으로 제 어되는 스핀들 모터와, 선단의 읽기/쓰기 헤드를 부착한 액츄에이터에 회전 동력을 제공하는 VCM 모터와, 상기 읽기/쓰기 헤드가 상기 디스크 상의 목적 트랙를 추종하도록 상기 VCM 모터에 제어된 구동신호를 인가하는 위치제어루프를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 스핀들 모터의 구동신호 및 VCM 모터의 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서, 상기 스핀들 모터에서 회전체가 부상하는 높이를 실시간으로 측정하는 제1 측정 센서, 상기 스핀들 모터에서 회전체의 중심이, 상기 회전체를 지지하는 고정체와의 사이에 마련된 베어링 간극을 통하여, 정중앙 위치로부터 측 방향으로 미소 편심된 양을 정적 편심량이라고 할 때, 상기 정적 편심량을 실시간으로 측정하는 제2 측정 센서, 상기 제1, 제2 측정 센서에서 검출된 상기 부상 높이와 정적 편심량을 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부 및 상기 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부를 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하드디스크 드라이브에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 하드디스크 드라이브의 개략적인 구조를 보인 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크(130)를 회전시키기 위한 스핀들 모터(100)와, 상기 디스크(130)의 외곽에 피봇팅되고 그 선단의 읽기/쓰기 헤드(미도시)를 상기 디스크(130) 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터(160)와, 상기 액츄에이터(160)에 구동력을 제공하는 VCM 모터를 구비한다.
상기 스핀들 모터(100)는 하드디스크 드라이브의 베이스 부재(111) 상에 설치된다. 이 스핀들 모터(100)에는 하나 또는 복수의 데이터 저장용 디스크(130)가 장착되며, 이 디스크(130)는 상기 스핀들 모터(100)에 의해 일정한 각속도로 회전하게 된다.
상기 액츄에이터(160)는, 상기 베이스 부재(111)에 설치된 액츄에이터 피봇(165)과, 스윙 아암(163)과, 서스펜션(162)과, 코일 지지부(167)를 포함한다. 상기 스윙 아암(163)은 상기 액츄에이터 피봇(165)에 회전 가능하게 결합된다. 상기 서스펜션(162)은 스윙 아암(163)의 선단부에 결합되어 읽기/쓰기 헤드(161)를 디스크(130)의 표면쪽으로 탄성 바이어스되게 지지한다. 상기 읽기/쓰기 헤드(161)는 상기 스윙 아암(163)에 지지된 상태로 고속 회전되는 디스크(130) 상의 특정 트랙(T)을 추종하면서 디스크(130)에 대해 소정의 데이터를 기록하거나, 디스크(130)의 데이터를 재생하게 된다. 디스크(130)의 회전이 정지되면 상기 읽기/쓰기 헤드(161)는 디스크(130) 외곽에 마련된 파킹 램프(170)에 안착된다.
상기 VCM 모터는, 상기 스윙 아암(163)을 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 것으로, VCM 코일(164)에 입력되는 전류와 마그네트(184)에 의해 형성된 자기장 의 상호 작용에 의해 플레밍의 왼손 법칙에 따르는 방향으로 스윙 아암(163)을 회전시키게 된다. 상기 VCM 코일(164)은 상기 스윙 아암(163)의 후단부와 결합된 코일 지지부(167)에 조립된다. 상기 마그네트(184)는 VCM 코일(164)과 대면하도록 마그네트(184)의 상부와 하부에 각각 배치되며, 요크(181)에 부착되어 지지된다. 상기 스핀들 모터(100)와 액츄에이터(160)는, 상하로 마주보게 결합되는 베이스 부재(111)와 커버 부재(191)에 의해 마련된 내부 공간에 수용된다.
도 2에는 도 1에 도시된 스핀들 모터에 대한 수직 단면구조가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 스핀들 모터(100)는 회전 중심이 되는 샤프트(121)와, 상기 샤프트(121)에 끼워지고 상기 샤프트(121)와 함께 일체로 회전되는 허브(125)와, 상기 허브(125)의 외측에서 상기 허브(125)와 소정 간격을 사이에 두고 마주보도록 베이스 부재(111) 상에 고정 설치된 스테이터(112)를 포함한다. 상기 허브(125)의 외주 단부에는 영구자석(126)이 설치되고, 상기 영구자석(126)과 마주보게 배치된 스테이터(112)는 자성체로 이루어진 요크(113)와 상기 요크(113)에 권선된 코일(115)을 포함한다. 하드디스크 드라이브에 전원이 온(ON) 되면, 허브(125)에 지지된 영구자석(126)과 구동전류가 인가되어 자화된 스테이터(112) 사이에서 전자기적인 상호 작용이 일어나게 되고, 전자기적인 인력과 척력에 의해 상기 허브(125)는 회전 중심이 되는 샤프트(121)와 함께 회전된다.
상기 베이스 부재(111)에는 상기 샤프트(121)를 지지하기 위해 소정 높이로 돌출되게 넥크부(111a)가 마련되고, 상기 넥크부(111a)의 개구에는 상기 샤프트(121)를 둘러싼 슬리브(117)가 끼워진다. 상기 샤프트(121)는 원통 형상의 몸체 를 이루는 저널부(121a)와 상기 샤프트(121)가 상기 슬리브(117)에서 축 방향으로 이탈되지 않도록 반경 방향으로 돌출된 트러스트부(121b)를 포함한다. 상기 스핀들 모터(100)는 크게 회전 구동되는 회전체(120)와, 상기 회전체(120)를 지지하기 위한 지지구조로서 고정적으로 설치된 고정체(110)를 구비하는데, 본 명세서를 통하여, 상기 회전체(120)는 샤프트(121)와 허브(125)를 포함하고, 상기 고정체(110)는 스테이터(112)와 베이스 부재(111) 그리고 슬리브(117)를 포함한다.
한편, 상기 샤프트(121) 주위에는 상기 샤프트(121)를 회전 가능하게 지지하도록 유체 동압 베어링이 마련되는데, 보다 구체적으로, 상기 샤프트(121)를 그 축 방향으로 회전 가능하게 지지하는 상부 및 하부의 트러스트 베어링(153)과, 상기 샤프트(121)를 그 반경 방향으로 회전 가능하게 지지하는 저널 베어링(151)이 마련된다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 샤프트(121)의 외주면에는 샤프트(121)의 회전에 따라 반경 방향으로 유체 동압을 발생시키기 위한 빗살 무늬의 그루브가 형성될 수 있으며, 도시된 바와 달리, 상기 그루브는 상기 샤프트(121)와 마주보는 슬리브(117)의 내주면에 형성될 수도 있다.
도 3에는 허브에 장착된 영구자석(126)과 상기 영구자석(126)과 마주보게 배치된 스테이터(112)의 배치구조가 도시되어 있다. 도시된 일례에서, 원형의 영구자석(126)은 12개의 극으로 구성되어 있고, 영구자석(126)과 마주보게 9개의 요크(113)들이 영구자석(126)의 외부에 원형으로 배열되어 있다. 상기 요크(113)들은 상기 요크(113)들을 외측에서 지지하는 환형의 외륜부로부터 내부의 영구자석(126)을 향해 돌출되게 마련된다. 인접한 두 요크(113)들에는 코일(115)이 권선되고, 코 일(115)이 권선된 요크(113)들 사이에는 코일이 권선되지 않은 요크(113)가 배치된다. 브러쉬리스 DC 모터(brushless DC motor)가 적용된 도시된 일례에서, 상기 코일(115)에 정극성(+) 신호와 부극성(-) 신호를 교대로 갖는 교류 신호를 인가함으로써, 코일(115)이 권선된 요크(113)는 일정한 주기로 N극과 S극의 자성을 교대로 갖게 된다.
이하에서는 본 발명의 하드디스크 드라이브에 채용된 낙하감지방법에 대해 설명하기로 한다. 도 4는 스핀들 모터의 고정체(110)와 회전체(120)에 가해지는 힘과 모멘트의 작용 상태를 모식적으로 보여준다. 도면을 참조하면, 고정체(110)와 회전체(120)에는 각각 고정 좌표계(xS,yS,zS)와 상대 좌표계(xR,yR,zR)가 설정되어 있으며, 고정체(110)와 회전체(120) 사이의 베어링 간극은 윤활 유체에 의해 채워져 있다. 상기 고정체(110)에는 중력에 의한 자신의 하중(FG S)과, 유체 동압 베어링(150)으로부터의 반력(FHDB), 그리고, 불평형 전자기력(FEM)이 가해지고, 상기 회전체(120)에는 중력에 의한 자신의 하중(FG R)과, 회전축에서 편심된 질량 분포에 기인하는 원심력(FU R), 유체 동압 베어링(150)으로부터의 반력(FHDB) 그리고, 불평형 전자기력(FEM)이 가해진다. 여기서, 상기 고정체(110)와 회전체(120)에 가해지는 유체 동압 베어링(150)으로부터의 반력(FHDB)이나 불평형 전자기력(FEM)은 서로 반대 방향으로 작용하는 작용-반작용 적인 관계를 갖는다. 한편, 회전 방향으로 가해지 는 모멘트로서, 상기 고정체(110)에는 회전체(120)의 구동을 위한 전자기 토크(MEM)와 베어링의 마찰에 의한 마찰 토크(MHDB)가 작용하며, 이와 유사하게 상기 회전체(120)에는 회전 구동력으로서의 전자기 토크(MEM)와 베어링의 마찰 토크(MHDB)가 각각 가해진다. 앞서 설명된 바와 같이 각각의 고정체(110)와 회전체(120)에 작용하는 힘과 모멘트의 합력은 하기 수학식 1의 Newton-Euler 방정식으로 정리될 수 있다.
Figure 112006023025855-pat00001
여기서, FG, FHDB, FEM, FU, MEM, MHDB 는 각각 중력, 유체 동압 베어링의 반력, 불평형 전자기력, 회전체의 불평형 질량에 의해 발생하는 원심력, 전자기 토크, 및 베어링의 마찰 토크를 나타내며, 위 첨자 S, R은 각각 고정체와 회전체에서 작용하는 힘 또는 모멘트를 표시하기 위한 것이다.
상기 Newton-Euler 방정식을 Runge-Kutta 알고리즘을 적용하여 시간에 대한 수치 적분을 행함으로써 초기 고정체(110)에 대한 회전체(120)의 위치로부터 미소 시간 Δt 동안 회전체(120)가 이동한 변위를 구할 수 있고, 구해진 결과에 근거한 새로운 회전체(120)의 위치를 입력하고 시간 적분을 수행하는 과정을 반복함으로써 일정 시간 이후의 회전체(120)의 위치와 자세 등의 정보를 얻을 수 있다. 다만, 고정체(110)와 회전체(120)의 자중(FG S,FG R)을 제외한 다른 힘이나 모멘트들은 이하에서 설명될 Reynolds 방정식에 의한 윤활 유체의 해석과, Maxwell 방정식에 의한 전자장의 해석으로부터 얻어지게 되므로, 상기 Newton-Euler 방정식과 함께 상기 방정식들에 대한 적분도 함께 수행되어야 할 것이다.
상기 유체 동압 베어링(150)으로부터의 반력(FHDB)과, 유체 동압 베어링(150)으로부터의 마찰 토크(MHDB)는 고정체(110)와 회전체(120) 사이의 윤활 유체에 대한 유한 요소 해석(Finite Element Analysis)을 통해 얻어질 수 있으며, 상기 유한 요소 해석에 사용된 지배 방정식으로 Reynolds 방정식은 하기 수학식들로 나타낼 수 있다. 하기 수학식 2와 수학식 3은 각각 저널 베어링과 트러스트 베어링의 윤활 유체에 대한 지배 방정식을 원통좌표계(r,θ,z)로 나타낸 것이다.
Figure 112006023025855-pat00002
Figure 112006023025855-pat00003
여기서, h,p,μ,R 은 각각 유막의 두께, 유막에서 발생되는 압력, 윤활 유체의 점성, 저널 베어링의 반경을 나타낸다.
상기 Reynolds 방정식의 유한요소전개를 통하여, 회전체(120)가 회전됨에 따라 회전체(120)와 고정체(110) 사이에서 발생되는 윤활 유체의 유체 동압의 분포를 계산할 수 있으며, 유체 동압 베어링(150)에 의한 반력(FHDB)과 마찰 토크(MHDB)는 윤활 유체에 의한 압력 및 전단 응력을 해당 영역에 걸쳐서 적분함으로써 얻어질 수 있다. 도 5 및 도 6에는 임의의 시간에 대한 저널 베어링의 압력 분포와 트러스트 베어링의 압력 분포가 각각 도시되어 있다.
한편, 상기 수학식 1에서 전자기 토크(MEM)와 불평형 전자기력(FEM)은 하기 수학식 4에 표시된 스핀들 모터의 구동 회로에 대한 전압 방정식 및 하기 수학식 5에 표시된 전자장에 대한 Maxwell 방정식을 해석함으로써 얻어질 수 있다.
Figure 112006023025855-pat00004
Figure 112006023025855-pat00005
여기서, ν, J, AZ, M 은 각각 투자율의 역수인 저항률, 스핀들 모터에 유입되는 전류 밀도, 자기 벡터 포텐셜, 영구자석의 자화를 나타낸다.
한편, 도 7 및 도 8에는 앞서 설명한 전자기적인 해석을 통하여 얻어진 결과들이 도시되어 있는데, 도 7에는 스핀들 모터의 전자장에 대한 자기 플럭스(magnetic flux)의 분포가 도시되어 있고, 도 8에는 스핀들 모터가 정속도로 회전되기 위해 스핀들 모터에 입력되는 구동전류의 파형이 도시되어 있다.
도 9에는 앞서 설명한 해석결과로 얻어진 회전체 중심의 이동궤적이 도시되어 있다. 도면에서 점선은 회전체의 기하학적 중심에 대한 이동 궤적을 나타내는데, 스핀들 모터의 가동시점에서 상기 기하학적 중심은 원점(0,0)에 존재하다가 스핀들 모터가 구동됨에 따라 나선형상의 궤적을 그리면서 점차 원점에서 오프셋된 상태로 편심되게 된다. 도면에서 실선은 회전체 질량중심의 이동궤적을 나타내는데, 회전체의 질량중심과 기하중심은 서로 비슷한 운동 궤적을 갖지만 서로 일치하지는 않는다.
도 10 내지 도 14에는 드라이브 장치가 지면에 대해 수평하게 낙하되는 경우에, 앞서 설명된 수학식 1 내지 수학식 4를 시간에 대해 수치 적분하여 얻어진 해석 결과들이다. 각 도면들에서 표시된 x,y,z는 각각 도 4에 도시된 바와 같이 고정 체에 대해 설정된 고정 좌표계를 기준으로 한 좌표값이다. 도 10에는 시간의 경과에 따른 중력 방향의 변위(z 방향 변위)를 나타내는데, 대략 0.06초에 낙하가 시작되었음을 알 수 있다. 도 11에는 시간의 경과에 따라, x,y,z 축 방향으로 회전체에 작용하는 분력을 도시한 것인데, x축 방향의 분력과 y축 방향의 분력은 시간의 경과에 따라 일정한 폭을 갖고 정현파형으로 진동하는 경향을 보이고, z축 방향의 분력, 즉, 중력 방향으로 작용하는 분력은 대략 0.01N의 일정한 레벨로 유지되다가 낙하가 시작되는 순간에 제로(zero) 레벨 상태로 급격히 떨어지며, 이로부터, 낙하와 동시에 중력 방향의 분력이 순간적으로 제거됨을 알 수 있다. 이렇게 낙하와 동시에 중력 방향의 분력이 제거되는 것은 자유낙하에 의해 회전체의 자중에 의한 힘이 제거됨으로써 유체 동압 베어링의 축 방향 지지력이 발생하지 않기 때문이다.
도 12에는 시간 경과에 따른 회전체의 부상 높이(flying height)를 나타낸 것인데, 낙하가 시작됨과 동시에 부상 높이가 대략 1.6μm 만큼 높아짐을 알 수 있다. 이렇게 고정체에 대한 회전체의 부상 높이가 급격히 증가함에 따라 고정체와 회전체 사이의 베어링 간극이 급격히 변화되며, 후술하는 바와 같이 유체 동압 베어링에 의한 마찰 토크가 변화하게 된다. 도 13에는 시간 경과에 따라 회전체에 작용하는 마찰 토크의 변화가 도시되어 있는데, 보다 구체적으로, 상부 트러스트 베어링과 하부 트러스트 베어링에 의한 마찰 토크와, 저널 베어링에 의한 마찰 토크가 각각 도시되어 있다. 저널 베어링에 의한 마찰 토크는 낙하 시점 전후로 일정하게 유지되는 반면에, 상부 트러스트 베어링에 의한 마찰 토크는 낙하 이후에 소폭 증가되고, 하부 트러스트 베어링에 의한 마찰 토크는 낙하 이후에 명확하게 감소되 는 경향을 보인다. 이에 따라, 상기 저널 베어링과 상하부 트러스트 베어링에 의한 마찰 토크를 모두 더한 합산 마찰 토크는 낙하와 동시에 대략 4.4% 감소된다. 이렇게 마찰 토크, 특히 트러스트 베어링의 마찰 토크가 감소되는 것은, 도 12를 참조하여 설명된 바와 같이, 하드디스크 드라이브의 자유낙하 시점에서 고정체에 대한 회전체의 부상 높이가 급격히 증가하면서 회전체와 고정체 사이의 상부 베어링 간극과 하부 베어링 간극이 변화하기 때문이다. 유체 동압 베어링의 마찰 토크는 일정한 회전 속도로 정속 구동되어야 하는 스핀들 모터에 대해서는 일종의 회전부하로 작용하게 된다. 드라이브 장치의 낙하시, 일정하게 유지되던 마찰 토크가 갑자기 감소하게 되므로, 정속 회전을 위한 스핀들 모터의 입력 구동신호는 낙하와 함께 줄어들게 될 것이다.
도 14는 스핀들 모터 구동신호의 PWM 듀티비(duty ratio)의 변화가 시간의 경과에 따라 도시되어 있다. 상기 PWM 듀티비(duty ratio)는 로우레벨과 하이레벨이 일정한 주기로 반복되는 경향을 보인다. 드라이브 장치의 낙하시, 상기 듀티비의 하이레벨과 로우레벨은 각각 0.2% 정도 감소하게 된다. 이렇게 PWM 듀티비가 감소하는 것은, 도 13에 도시된 바와 같이, 드라이브 장치의 낙하와 함께 마찰 토크가 감소하므로, 스핀들 모터에 보다 적은 구동전류를 인가하더라도 정속 회전이 가능하기 때문이다.
도 15에는 스핀들 모터가 서로 다른 각도로 낙하하는 3가지 경우가 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 15(a)에는 드라이브 장치가 지면에 평행한 수평한 자세로 낙하되는 경우가 도시되어 있고, 도 15(c)에는 드라이브 장치가 지면에 수직한 자세로 낙하되는 경우가 도시되어 있으며, 도 15(b)에는 드라이브 장치가 수평하거나 수직하지 않은 임의의 각도로 낙하되는 경우가 도시되어 있는데, 일례로서, 지면에 대해 45 도 경사진 자세로 낙하되는 경우가 도시되어 있다. 동 도면에서 도면부호 G는 중력방향을 나타낸다. 후술하는 바와 같이, 드라이브 장치의 낙하시, 낙하 자세에 따라서 낙하 감지를 위해 측정되는 시스템 변수들이 서로 상이하게 된다. 이하에서는 이에 대해 상술하기로 한다.
도 15(a)에서 처럼, 드라이브 장치가 수평한 자세를 취하는 경우, 스핀들 모터에 구비된 회전체의 자중은 트러스트 베어링이 감당하게 되며, 낙하와 동시에 상기 트러스트 베어링에 의한 반력이 제거되므로, 회전체의 부상 높이의 변화를 감지함으로써 자유낙하 여부를 판단할 수 있다. 도 16a 내지 도 16c에는 각각 스핀들 모터의 낙하 자세에 따른 부상 높이의 변화가 도시되어 있고, 이하의 표 1에는 도에 도시된 부상높이의 변화가 수치적으로 나타나 있다. 각도(θx)는 스핀들 모터의 베이스 부재와 수평 연장선 사이의 각도를 나타낸 것으로, θx= 0일 때는 드라이브 장치가 수평하게 낙하되는 경우(이하, 수평 낙하)이고, θx= 90 일 때는 드라이브 장치가 수직하게 낙하되는 경우(이하, 수직 낙하)이며, θx= 45 일 때는 드라이브 장치가 수평과 수직 사이에서 45도의 각도로 낙하되는 경우(이하, 경사 낙하)이다.
Figure 112006023025855-pat00006
도 15(b)에서처럼, 드라이브 장치가 경사진 자세로 낙하되는 경우, 회전체의 자중은 트러스트 베어링과 저널 베어링이 함께 지지하게 되고, 각각의 베어링이 담당하게 되는 회전체의 자중은 구체적인 드라이브 장치의 경사 각도(θx)에 따라 달라지게 될 것이다. 예를 들어, 드라이브 장치가 45도 각도로 경사진 자세라면, 트러스트 베어링과 저널 베어링이 각각 동등하게 분할된 정도의 자중을 감당하게 된다. 이에 따라, 경사 낙하시에도 낙하와 동시에 자중의 일부를 지지하던 트러스트 베어링의 반력이 제거되므로, 표 1에서 볼 수 있듯이 회전체의 부상높이에 변화가 생기지만, 전적으로 트러스트 베어링에 의해 자중이 지지되는 수평 낙하에서보다는 그 변동 폭이 작다.
도 17a 내지 도 17c에는 낙하 전후로 관찰되는 스핀들 모터의 회전속도 변화가 도시되어 있다. 수평 낙하시에는 회전체의 자중을 담당하던 트러스트 베어링의 마찰 토크가 낙하와 동시에 감소하게 되므로, 스핀들 모터의 회전 속도는 낙하 시점(0.3418 sec)에서 순간적으로 증가된다. 반면에, 수직 낙하시에는, 낙하 전후를 통하여 스핀들 모터의 회전 속도가 일정하게 유지되는데, 이는 수직 자세에서는 낙하 여부와 상관없이 트러스트 베어링에 의한 마찰 토크가 스핀들 모터의 회전 속도에 영향을 주지 않기 때문이다. 경사 낙하시에도 회전속도의 변화가 감지되지만, 수평 낙하에 비해 상당히 완만한 증가를 보인다. 낙하로 인한 스핀들 모터의 속도 변화는 드라이브 장치 내에 마련된 속도제어루프에 의해 감지되며, 이 속도제어루프는 순간적으로 증가된 속도 변화를 제거하고 정상 회전속도로 복귀하도록 스핀들 모터에 입력되는 구동신호의 레벨을 낮추게 되는데, 예를 들어, 구동신호의 PWM 듀티비를 낮추게 된다. 도 18a 내지 도 18c에는 스핀들 모터에 인가되는 구동신호의 PWM 듀티비가 도시되어 있다. 도면들을 참조하면, 낙하로 인해 회전속도가 증가되는 수평 낙하 및 경사 낙하에서는 PWM 듀티비가 감소하게 되며, 정량적으로는 수평 낙하시에 0.62% 정도, 그리고, 경사 낙하시에는 0.44% 정도 감소하게 된다.
한편, 도 15(c)에서처럼, 드라이브 장치가 수직 자세로 낙하되는 경우라면, 상기 스핀들 모터에 구비된 회전체의 자중은 저널 베어링이 감당하게 되며, 낙하와 동시에 저널 베어링에 의한 반력이 제거되므로, 상기 부상 높이 대신에, 회전체의 정적 편심량(static eccentricity)을 측정함으로써 낙하 여부를 판단할 수 있을 것이다. 상기 회전체의 정적 편심량은 상기 회전체와 고정체 사이에 마련된 베어링 간극을 통하여 회전체의 중심이 정중앙 위치로부터 측 방향으로 편심된 양으로 정의되는데, 회전체의 중심이 정중앙에 위치된다는 것은 상기 회전체가 고정체의 중앙에서 회전됨을 의미하고, 이 경우 저널 베어링의 간극은 회전방향을 따라 균일하게 형성된다. 스핀들 모터가 수직한 자세로 낙하되면, 회전체를 편심시키려는 경향의 자중이 제거되면서, 회전체의 정적 편심이 순간적으로 제거되므로, 그 변화를 측정함으로써 낙하 여부를 판단할 수 있다. 도 19a 내지 도 19c에는 스핀들 모터의 회전체 중심이 이동하는 궤적이 도시되어 있다. 수평 낙하시에는 도 19a에서 볼 수 있듯이, 대략 원점을 중심으로 한 소정 반경을 따라 회전체 중심이 이동하게 되며, 낙하를 전후로 하여 이동궤적의 변화가 거의 없다. 도 19c에는 수직 낙하를 전후로 한 회전체 중심의 이동궤적이 도시되어 있는데, 도시된 바와 같이, 낙하 이전에는 회전체의 자중을 지지하는 저널 베어링이 눌리면서 회전체 중심이 편심된 상태가 되며, 회전체 중심은 대략 (x,y) = (35nm,-20nm)를 중심으로 한 원형 궤적(C1)을 따라 이동된다. 낙하와 동시에 회전체 자중에 의한 저널 베어링의 변형이 제거되며, 낙하 시점(F) 이후 회전체 중심은 대략 원점을 중심으로 한 원형 궤적(C2)을 따라 이동하게 된다. 도 19b에는 경사 낙하시 회전체 중심의 이동궤적이 도시되어 있는데, 낙하 이전에는 대략 (30nm,-15nm)를 중심으로 한 편심된 원형 궤적(C1)을 따라 회전하다가 낙하와 동시에(낙하 시점 F) 저널 베어링의 변형이 제거되면서 원점 중심의 원형 궤적(C2)을 따라 이동하게 된다.
낙하를 전후로 한 회전체 중심의 이동 변위로부터 정적 편심량이 측정될 수 있고, 표 2에는 낙하 자세에 따른 정적 편심량의 변화가 수치적으로 나타나 있다.
Figure 112006023025855-pat00007
한편, 도 20a 내지 도 20c에는 위치에러신호(position error signal, PES)의 변화가 도시되어 있다. 수직 낙하시에는 회전체의 자중을 지지하고 있던 저널 베어링의 반력이 낙하와 동시에 제거되면서 상기 회전체에 끼워진 디스크 상의 트랙 위치가 순간적으로 쉬프트(shift)된다. 이 때문에, 읽기/쓰기 헤드는 추종중인 특정 트랙으로부터 벗어나게 되며, 헤드의 트랙킹 에러(tracking error)를 보정하기 위한 위치제어루프는 헤드와 트랙 사이의 위치 차이에 해당되는 위치에러 신호를 감지하게 된다. 상기 위치에러 신호는 급격한 변동을 보이는 일종의 외란 신호(burst signal)로 검출되는데, 인접한 트랙과 트랙 사이의 간격을 512 카운트로 등분했을 때, 상기 외란 신호의 하한 피크-상한 피크 사이의 크기는 수직 낙하시에 대략 16 카운트 정도, 경사 낙하시에는 이보다 적은 대략 9 카운트 정도가 된다. 이때, 위치에러의 정량적인 크기는 위치제어루프에 적용된 콘트롤러의 게인(gain)과 제어 분해능에 의해 영향을 받게 될 것이다. 상기 위치제어루프는 낙하로 인한 위치에러를 제거하고 읽기/쓰기 헤드를 목적 트랙 상으로 근접시키기 위해, 상기 읽기/쓰기 헤드를 작동하는 VCM 모터에 대해 제어된 구동신호를 인가하게 된다.
VCM 모터는 구동방식에 따라, 입력전류(Input Current)를 구동신호로 이용하는 전류 구동방식과, 입력전압(Input Voltage)을 구동신호로 이용하는 전압 구동방식으로 분류될 수 있다. 도 21a 내지 도 21c에는 VCM 모터의 구동신호로서 입력전류(Input Current)의 변화가 도시되어 있다. VCM 모터의 구동신호는 수직 낙하 및 경사 낙하시의 위치에러를 제거하기 위해 낙하 직후에 큰 폭의 변동을 보이게 된다. 정량적으로, 수직 낙하시에는 대략 0.51% 정도, 경사 낙하시에는 이보다 적은 대략 0.36% 정도의 변화를 보이며, 낙하 후 일정 시간이 경과되면, 미소 스케일의 주기적인 파형을 갖는 정상 상태(steady state)로 복귀된다. 반면에, 수평 낙하시에는 낙하 전후에 따른 구동신호의 변화가 나타나지 않고, 정상 상태(steady state)에서의 주기적인 파형이 연속되는데, 수평 낙하시에는 헤드와 트랙 사이의 위치에러가 생기지 않기 때문이다. 도 22a 내지 도 22c에는 VCM 모터의 구동신호로서 입력전압(Input Voltage)이 도시되어 있다. 앞서 설명된 바와 유사하게, 수직 낙하와 경사 낙하시에는 구동신호의 변화가 감지되는데, 다만, VCM 코일에 대한 입력이 전압신호로 인가된다는 점에서 차이가 있으며, 정량적으로 전류 구동신호에서와 유사하게 수직 낙하시에는 0.51% 정도, 경사 낙하시에는 0.36% 정도의 변화가 감지된다.
한편, 자유 낙하 여부를 효과적으로 판정하기 위한 시스템 변수들은 낙하 자세에 따라 달라지게 된다. 이하의 표 3에는 수평 낙하, 경사 낙하, 및 수직 낙하 각각의 경우에, 낙하 여부를 판단하기 위한 효과적인 변수 또는 변수의 조합이 표시되어 있다.
Figure 112006023025855-pat00008
표 3에서 볼 수 있듯이, 수평 낙하시에는 스핀들 모터 신호, 예를 들어, 듀티비 만으로 낙하 여부를 용이하게 판정할 수 있으며, 수직 낙하시에는 액츄에이터 신호, 예를 들어, 헤드와 목적 트랙 사이의 위치에러 신호(TMR signal) 또는 VCM 모터의 입력신호(VCM Input)만으로 자유낙하 여부를 용이하게 판정할 수 있다. 예를 들어, PWM 듀티비를 실시간으로 모니터링하면서 사전에 설정된 임계값을 넘는 듀티비의 변동을 감지함으로써 자유낙하 시점을 판단할 수 있다.
수평 낙하 또는 수직 낙하와는 달리, 경사 낙하의 경우에는 상기 스핀들 모터 신호 또는 액츄에이터 신호의 어느 하나만을 근거로 자유낙하 여부를 판정할 수는 없으며, 스핀들 모터 신호와 액츄에이터 신호 모두를 검출하고, 이 두 신호의 변화를 모니터함으로써 자유낙하 여부를 판정할 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 스핀들 모터 신호의 변동 폭과 상기 액츄에이터 신호의 변동 폭을 조합하여 얻어진 연산값이 사전에 설정된 임계값을 초과하는 순간을 감지함으로써 낙하 시점을 포착할 수 있다. 예를 들어, 상기 연산값은 스핀들 모터 신호와 액츄에이터 신호를 각각 서로 다른 가중치로 합산하여 얻어질 수 있다. 결과적으로, 드라이브 장치의 낙하 자세에 무관하게, 예를 들어, 수평, 수직, 또는 임의의 각도로 경사진 자세에 상관없이 높은 정밀도로 낙하 여부를 판정하려면 스핀들 모터 신호와 액츄에이터 신호를 동시에 측정하여, 이들을 근거로 판정하는 것이 바람직할 것이다.
이하에서는 하드디스크 드라이브의 낙하감지동작과, 낙하충격에 대비한 보호동작에 대해 설명하기로 한다. 도 23은 하드디스크 드라이브의 자유낙하를 감지하고, 낙하충격 이전에 읽기/쓰기 헤드를 안전하게 대피시키기 위한 본 발명 하드디스크 드라이브의 일 형태를 개략적으로 보인 구성도이다. 도시된 하드디스크 드라이브는 데이터 저장용 디스크(130)와, 상기 디스크(130)를 일정한 속도로 회전 구동하는 스핀들 모터(100)를 포함하며, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드(161)를 상기 디스크(130) 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터(160)를 포함한다. 특히, 본 발명의 하드디스크 드라이브는 상기 스핀들 모터(100)의 입력신호를 모니터하고 낙하 여부를 판단하기 위한 모니터부와, 상기 모니터부의 출력신호에 근거하여 보호 동작을 개시하기 위해 비상전원 공급부를 가동하는 중앙 제어부를 더 포함한다.
상기 스핀들 모터(100)는 피드백 제어 루프(L)를 통하여 실시간으로 제어되며, 상기 제어 루프(L)에 의해 스핀들 모터(100)의 회전속도는 정상 회전속도로 일정하게 유지된다. 보다 구체적으로, 도시된 제어 루프(L)에서는 스핀들 모터(100)의 정상 회전속도(Ωref)와 측정된 회전속도(Ω)와의 차이에 해당되는 에러 신호(e)가 검출되고, 상기 에러 신호(e)는, 예를 들어, 비례-적분 제어기를 통하여, PWM 듀티비(duty ratio)가 조정된 새로운 구동신호로 변환되어 스핀들 모터(100)에 입력된다. 여기서, 스핀들 모터(100)의 회전속도(Ω)는 스핀들 모터(100)에서 발생되는 역기전력(Back EMF)을 검출하거나, 또는 스핀들 모터(100)의 위상을 측정하여 스핀들 모터의 단위 회전당 발생하는 클럭 펄스(Clock Pulse)를 계수함으로써 측정될 수 있다.
한편, 상기 모니터부는 상기 비례-적분 제어기로부터 출력된 구동신호에 근거하여 하드디스크 드라이브의 낙하 여부를 판단한다. 도시된 일례에서, 상기 모니터부는 PWM의 듀티비(duty ratio)의 변화를 감지하며, 듀티비가 사전에 시스템에 입력된 임계비율 이하로 급격히 떨어질 경우, 상기 모니터부는 드라이브 장치가 자유낙하 상태인 것으로 판단하고, 자유낙하(free fall) 신호를 발생한다.
상기 모니터부로부터 자유낙하를 감지하는 자유낙하(free fall) 신호가 수신되면, 중앙 제어부에서는 비상전원 공급부에 이멀젼시 파킹(emergency parking) 신호를 출력하여 비상전원 공급부를 가동한다. 상기 비상전원 공급부에서는 상기 이멀젼시 파킹 신호에 응답하여 액츄에이터(160)에 최대 가동전류를 공급함으로써 낙하충격이 가해지기 이전에 상기 읽기/쓰기 헤드(161)를 안전한 위치로 긴급 대피시킨다. 이에 따라, 디스크(130) 상에서 정보의 기록 또는 재생 동작을 수행하던 읽기/쓰기 헤드(161)는 동작을 중단하고 디스크(130)의 기록면에서 벗어난 파킹 램프(170)로 신속히 언로딩된다. 이때, 하드디스크 드라이브의 파킹 방식에 따라서, 램프 파킹(ramp parking) 방식에서는 상기 읽기/쓰기 헤드(161)가 디스크(130)의 외곽에 마련된 파킹 램프(170)로 대피되고, CSS(Contact Start Stop) 방식에서는 상기 헤드가 디스크의 내측 원주를 따라서 마련된 파킹 영역으로 대피된다.
도 24에는 임의의 시점에서 하드디스크 드라이브가 자유낙하될 때, 하드디스크 드라이브의 내부에서 발생되는 내부 신호들을 시간 경과에 따라 도시한 타이밍도이다. 도 24(a)는 하드디스크 드라이브의 중력 방향의 변위를 나타낸 도면인데, 도시된 예에서 시간 t=t0 일 때, 자유낙하가 시작된다. 도 24(b)에는 스핀들 모터(100)의 구동신호가 도시되어 있는데, 자유낙하 시점에서 PWM의 듀티비(Duty Ratio)가 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 구동신호의 급격한 변화는 스핀들 모터(100)의 구동신호를 실시간으로 모니터하고 있던 모니터부에 의해 감지되며, 사전에 입력된 임계 비율과의 대조를 통해 드라이브 장치의 낙하로 판단한 모니터부는 도 24(c)에 도시된 바와 같이, 곧바로 자유낙하(free fall) 신호를 발생한다. 모니터부에 의해 출력된 자유낙하 신호는 중앙 제어부로 전달되고, 도 24(d)에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부는 비상전원 공급부에 이멀젼시 파킹(emergency parking) 신호를 출력하여 전원 공급회로를 가동함으로써 액츄에이터(160)에 가용한 최대 전류가 입력되게 한다. 도 24(e)에는 읽기/쓰기 헤드(161)의 위치가 도시되어 있는데, 초기에 디스크(130)의 내주 직경(ID)과 외주 직경(OD) 사이의 특정 트랙(T)을 추종하며 기록/재생 동작을 하고 있던 읽기/쓰기 헤드(161)는 낙하가 감지된 직후, 액츄에이터(160)에 의해 긴급히 디스크(130) 외곽에 배치된 램프(170) 상에 파킹된다. 도시된 예에서는 시간 t=t1 일 때, 읽기/쓰기 헤드(161)가 디스크(130) 외곽의 램프(170)에 파킹된다.
한편, 도 23에 도시된 하드디스크 드라이브에서는 스핀들 모터의 입력신호를 모니터링하고, 그 신호의 변화를 감지함으로써 드라이브 장치의 낙하 여부를 판단하는 프로세스가 채용되고 있으나, 고정체에 대한 회전체의 부상 높이를 모니터링함으로써 드라이브 장치의 낙하 여부를 판단할 수도 있다. 예를 들어, 고정체로서 베이스 부재 상에 부상 높이를 측정할 수 있는 측정 센서를 장착하고, 회전체로서 허브의 부상 높이를 실시간으로 측정하며, 상기 측정 센서와 연결된 모니터부가 임계 비율을 초과하는 부상 높이의 상승을 감지함으로써 드라이브 장치의 낙하 여부를 판단할 수 있다.
한편, 드라이브 장치의 낙하 자세와 상관없이 높은 정밀도로 낙하 여부를 판단하기 위해서는 표 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 스핀들 모터 신호와 함께 액츄에이터 신호를 동시에 모니터하고, 이들의 조합으로부터 자유 낙하 여부를 판단하는 것이 바람직할 것이다. 즉, 상기 읽기/쓰기 헤드는 상기 디스크 상의 특정 트랙을 추종하면서 기록 또는 재생 동작을 수행하며, 상기 헤드가 추종중인 트랙에서 벗어나지 않도록 상기 헤드를 선단에 부착한 액츄에이터는 위치제어루프를 통하여 실시간으로 제어된다. 예를 들어, 상기 위치제어루프에서는 추종중인 트랙과 헤드 사이의 위치 차이에 해당되는 에러 신호를 발생하고, 제어부는 상기 에러 신호에 근거하여 액츄에이터에 대해 새로운 구동신호를 인가함으로써 선단의 헤드를 목적 트랙으로 근접되게 이동시킨다. 여기서, 상기 액츄에이터의 구동신호를 실시간으로 검출하고, 이렇게 얻어진 액츄에이터의 구동신호와 스핀들 모터의 구동신호를 동시에 모니터함으로써 드라이브 장치의 낙하 자세와 무관하게 낙하 순간을 정확하게 감지하고, 이에 대응하여 상기 헤드의 보호동작이 개시되도록 할 수 있다.
본 발명의 하드디스크 드라이브에 의하면, 장치의 자유낙하 여부를 사전에 감지하여, 데이터의 기록 및 재생을 담당하는 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 대피시킴으로써 모바일 환경에서 사용되기 위해 요구되는 내충격 성능을 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 낙하 여부를 판단하기 위해 종래와 같이 별도의 가속도계가 요구되지 않고, 시스템의 기계적 또는 전기적인 변수들의 변화를 감지하여 이를 근거로 낙하 여부를 판단하므로, 모바일 기기에 유리한 임펙트한 하드디스크 드라이브가 제공될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (27)

  1. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 스핀들 모터에서 회전체가 부상하는 높이를 실시간으로 측정하는 부상높이 센서;
    상기 센서에서 검출된 부상 높이를 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부상높이 센서는 상기 스핀들 모터가 장착된 베이스 부재 상에 위치되고, 상기 베이스 부재로부터 상기 회전체의 부상 높이를 측정하여 전기적인 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 센서를 통해 측정된 부상 높이의 상승 폭이 사전에 설정된 임계값을 초과하는 경우, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  5. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 스핀들 모터의 회전 속도를 실시간으로 측정하는 회전속도 센서;
    상기 회전속도 신호를 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 회전 속도의 상승 폭이 사전에 설정된 임계값을 초과하는 경우, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  7. 제5에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  8. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 것으로, 피드백 제어 루프에 의해 회전 속도가 실시간으로 제어되는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 스핀들 모터의 제어된 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 구동신호의 PWM 듀티비(duty ratio)를 실시간으로 모니터하고, 상기 듀티비의 하강 폭이 사전에 설정된 임계값을 초과하는 경우, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  11. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 스핀들 모터에서 회전체의 중심이, 상기 회전체를 지지하는 고정체와의 사이에 마련된 베어링 간극을 통하여, 정중앙 위치로부터 측 방향으로 미소 편심된 양을 정적 편심량이라고 할 때,
    상기 정적 편심량을 측정하는 정적 편심 센서;
    상기 센서에서 검출된 상기 정적 편심량을 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 정적 편심량을 실시간으로 모니터하고, 상기 정적 편심량의 하강 폭이 사전에 설정된 임계값을 초과하는 경우, 자유낙하상태로 판단하 는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  14. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터, 및 자신의 선단에 읽기/쓰기 헤드를 부착하고 상기 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위해 피봇축을 중심으로 선회 구동되는 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 읽기/쓰기 헤드와 목적 트랙 사이의 위치 오차를 실시간으로 측정하는 위치에러 센서;
    상기 위치에러 신호를 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 위치에러 신호를 실시간으로 모니터하고, 급격한 변동 을 보이는 외란 신호(burst signal)의 하한 피크-상한 피크 사이의 크기가 사전에 설정된 임계값을 초과하는 경우, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  17. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 선단의 읽기/쓰기 헤드를 부착한 액츄에이터에 대해 회전 동력을 제공하는 VCM 모터와, 상기 읽기/쓰기 헤드가 상기 디스크 상의 목적 트랙를 추종하도록 상기 VCM 모터에 제어된 구동신호를 인가하는 피드백 제어 루프를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 VCM 모터의 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 구동신호의 변동 폭이 사전에 설정된 임계값을 초과하는 경우, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 구동신호는 상기 VCM 모터에 인가되는 입력전류인 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 구동신호는 상기 VCM 모터에 인가되는 입력전압인 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  22. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 것으로, 속도제어루프에 의해 회전 속도가 실시간으로 제어되는 스핀들 모터와, 선단의 읽기/쓰기 헤드를 부착한 액츄에이터에 회전 동력을 제공하는 VCM 모터와, 상기 읽기/쓰기 헤드가 상기 디스크 상의 목적 트랙를 추종하도록 상기 VCM 모터에 제어된 구동신호를 인가하는 위치제 어루프를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 스핀들 모터의 구동신호 및 VCM 모터의 구동신호를 실시간으로 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 모니터부의 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 스핀들 모터에 대한 구동신호의 변동 폭이 사전에 설정된 제1 임계값을 초과하거나, 상기 VCM 모터에 대한 구동신호의 변동 폭이 사전에 설정된 제2 임계값을 초과하는 경우, 또는 상기 스핀들 모터에 대한 구동신호의 변동 폭과 상기 VCM 모터에 대한 구동신호의 변동 폭을 조합한 연산값이 사전에 설정된 제3 임계값을 초과하는 경우에, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  25. 데이터 저장용 디스크를 회전 구동하는 스핀들 모터와, 데이터의 기록 및 재생을 위한 읽기/쓰기 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함하는 하드디스크 드라이브로서,
    상기 스핀들 모터에서 회전체가 부상하는 높이를 실시간으로 측정하는 제1 측정 센서;
    상기 스핀들 모터에서 회전체의 중심이, 상기 회전체를 지지하는 고정체와의 사이에 마련된 베어링 간극을 통하여, 정중앙 위치로부터 측 방향으로 미소 편심된 양을 정적 편심량이라고 할 때, 상기 정적 편심량을 실시간으로 측정하는 제2 측정 센서;
    상기 제1, 제2 측정 센서에서 검출된 상기 부상 높이와 정적 편심량을 모니터하고, 상기 하드디스크 드라이브가 자유낙하상태라고 판단되면, 자유낙하 신호를 발생하는 모니터부; 및
    상기 자유낙하 신호에 응답하여 상기 읽기/쓰기 헤드의 대피조치를 개시하는 중앙 제어부;를 포함하는 하드디스크 드라이브.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 모니터부는 상기 제1 측정 센서를 통해 측정된 부상 높이의 상승 폭이 사전에 설정된 제1 임계값을 초과하거나, 상기 제2 측정 센서를 통해 측정된 상기 정적 편심량의 하강 폭이 사전에 설정된 제2 임계값을 초과하는 경우, 또는 상기 부상 높이의 상승 폭과 정적 편심량의 하강 폭을 조합하여 얻어진 연산값이 사전에 설정된 제3 임계값을 초과하는 경우에, 자유낙하상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 자유낙하 신호를 수신한 상기 중앙 제어부는 비상전원 공급부를 가동하여 최대 가용전원을 상기 액츄에이터에 공급함으로써 상기 읽기/쓰기 헤드를 안전한 파킹 위치로 신속히 대피시키는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
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