KR20010068360A - 디스크 드라이브의 자동 균형 장치 - Google Patents

Abstract

디스크 드라이브의 자동 균형장치에 관한 것으로,상기 자동 균형장치의 수납홈내의 외측벽면에 그루브(Groove)를 형성하여,회전체의 회전에 따라 수납홈에 충진된 유체가 회전방향에 대해 그루브의 방향을 따라 중앙부위로 모이도록 압력을 받고,이에 따라 수납홈내의 외측벽에는 압력구배가 형성되어 볼과 접촉되는 지점에서 압력이 최고치에 달하게 되어,볼과의 접촉점에서 반경방향으로 회전체의 회전에 따른 볼의 원심력과 반대방향의 힘을 전달함으로써,볼과 벽사이에 매우 작은 간격의 유막이 형성되고,이로인해 마찰력이 줄어들어 볼의 이동을 자유롭게 하여,회전체인 공진주파수에 따라 볼의 이동이 자유롭게 되어 자동 균형장치의 성능을 높일 수 있도록 한 발명이다.

Description

디스크 드라이브의 자동 균형 장치 {Automatic balancing devices of disc drive system}

본 발명은 디스크 드라이브에 관한 것으로, 특히 질량 불균형에 의해 초래되는 기기 내부의 진동과 외부 케이스로의 진동전달율을 저감시키도록 하는 디스크 드라이브의 자동 균형장치에 관한 것이다.

최근 광 기록/재생 장치의 추세는 차세대 미디어인 디브이디-롬(DVD-ROM), 디브이디-램(DVD-RAM),시디-알더블유(CD-RW)등의 등장과 함께 지속적으로 고배속,대용량화 하고 있다. DVD-ROM의 경우,데이타 기록용량이 4.7GB로서,최초 개발된 CD에 비해 7배이상 증가하였으며,이에 따라 데이타의 기록밀도가 비약적으로 높아진 상태이다. 이와 더불어, 고배속화도 꾸준히 진행되어 멀지 않은 시기에 10,000rpm 이상으로 작동하는 광 기록/재생 기기의 등장도 예견된다. 고배속,고밀도의 광 기록/재생 장치는 안정적으로 데이타를 독취하는 것이 무엇보다도 중요한데, 이는 서보적인 특성만으로는 한계가 있으며, 필수적으로 기계적인 진동 특성으르 개선해야 한다. 진동과 충격에 민감한 광 기록/재생 장치의 약점은 외란에 의해 광 픽업(Optical Pick-up)부가 독취하여야 할 트랙의 순서를 놓친다거나,데이타를 아예 읽지 못하는 오동작을 나타내는 양상으로 나타나는데,이는 고배속화에 따라 기기 내부의 회전체인 스핀들 모터가 고속으로 회전함에 따라 유발되는 내부 진동원에 대해서 발생할 가능성이 높다.

기존의 저배속,저밀도의 광 기록/재생장치에서 데이타를 재생할 때, 진동과 소음의 제어는 상대적으로 용이하였으나, 고배속/고밀도의 장치에서는 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 고배속/고밀도의 광 기록/재생 장치에서 트랙과 초점의 벗어남(off-track,off-focusing)에 의한 작동 오류를 서보 제어 기술로만 극복하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 진동제어에 의한 정숙하고,강건한 광 기록/재생 장치의 개발이 요구되고 있다.

기존의 진동제어는 일레스토머(Elastomer)를 이용해 진동 경로를 차단하는 수동제어(passive control)로 이루어져 왔지만,고배속에서 디스크에 심한 불평형 질량(unbalanced mass)가 존재할 경우,한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해,최근에는 회전체내에 자동 불 균형장치(automatic ball-balancer)를 채택하는 추세에 있다. 자동 볼 균형 장치는 불균형이 있는 회전체가 전체 시스템의 고유 진동수를 넘어설 때, 볼과 회전계의 편심질량의 위상이 서로 180도 위상차를 갖게되어 편심된 질량을 상쇄하는 원리를 이용한 것으로서, 회전계의 전체적인 균형을 맞추는 장치이다. 이러한 자동 볼 균형장치는 세탁기등 주로 고부하,저회전수의 회전체에 적용되고 있지만, 광 기록/재생 장치에 사용되는 고회전수의 회전체에서는 제작 정밀도에 따라 오히려 불균형을 가중시키는 문제점이 있다.

도 1은 1932년 테를(Thearle)에 의해 최초로 제안된 자동 볼 균형 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 자동 볼 균형장치는 환형의 수납홈(4a)이 형성된 회전체(4)와 수납홈(4a)에 유동 가능하게 수납된 복수개의 볼(2)을 구비한다.수납홈(4a)에는 과도 상태에서의 감쇠 효과를 주기위한 충진유체(6)가 채워져 있다. 회전체의 내경중심에는 회전기기의 회전축(8)이 압입되어지게 된다.

광 기록/재생 장치에 있어서, 디스크를 회전시키기 위한 회전기기는 스핀들 모터(spindle motor)와 클램퍼(clamper)로 구성된다. 따라서, 광 기록/재생 장치에 적용되는 자동 볼 균형장치는 스핀들 모터 또는 클램퍼에 적용되는 두 종류로 대별된다. 이러한 자동 볼 균형장치의 기본원리는 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템의 고유진동수 w_n가 변화함에 따라 볼(2)의 질량이 회전계의 편심질량과 반대되는 위상에 놓여짐으로써 회전계의 균형을 맞추는데 기초한다. 도 2에서 m_e는 회전계의 편심된 질량을 나타낸다. 축의 회전 각속도 w에 따른 볼(2)의 위상변화를 살펴보면, 축의 회전 각속도 w 가 고유진동수 w_n보다 낮은 경우에는 (A)와 같이 회전계의 편심질량 m_e와 볼(2)는 동위상에 위치하게 된다. 회전축의 회전 각속도 w가 더 빠르게 되면, 볼(2)에 원심력이 작용하게 되고, 축의 회전 각속도 w가 고유진동수 w_n과 동일하게 될 때, 회전계의 편심질량 m_e와 볼(2)는 (c)와 같이 180도 위상차를 가지게 되어 볼(2)이 질량에 의해 회전계의 편심질량 m_o를 상쇄하게 된다.

이와같이, 볼을 이용한 자동 균형과정이 이루어지기 위해서는 휘돌림(whirling)이 큰 회전계를 전제하고 하고 있다. 대부분의 광 기록/재생 장치에서는 도 3과 같이, 스핀들 모터(1)가 슬레드 베이스(8)에 의해 지지되고, 슬레드 베이스(8)는 방진고무(12)를 사이에 두고,세트에 의해 체결되어 있다. 여기서,스핀들 모터는(10)는 슬레드 베이스(8)에 4점 혹은 3점 지지로 하여 지지되어 있으므로, 스핀들 모터(1)에 가해지는 회전계의 회전에 의해 방진고무(12)에 의한 슬레드 베이스(8)가 휘돌림 운동을 하게된다. 휘돌림이 없을 경우,볼(2)이 수납홈(4a)에 안착된 상태라면,회전계가 회전하더라도 볼(2)의 이동이 거의 일어날 수 없으므로 회전계의 편심된 질량을 보정하는 효과를 기대할 수 없다. 이를 수학적으로 고찰해 보면 다음과 같다. 슬레드 베이스(8)의 휘돌림이 없고,스핀들 모터(1)의 회전운동만 있다고 가정하면, 자동 볼 균형장치의 수납홈에 안착된 볼의 힘균형은 도 4에 도시된 바와 같이,원주방향의 힘 F는 중력 g에 의한 마찰력 u_smg 와 반경방향의 마찰력 u_smr_bw²의 합에 의해 평형을 이루게 된다. 이는 아래의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

mr_ba = u_smg + u_smr_bw²

여기서 m 은 볼의 질량, r_b는 회전계의 중심과 볼의 중심까지의 거리,u_s는 마찰계쑤,g는 중력가속도,w는 회전수,a는 각 가속도를 나타낸다. 이 때, 볼이 움직일 조건은 좌항이 우항보다 커질 경우가 된다. 따라서, 자동 균형장치의 성능을좋게하기 위해서는 회전계가 고유 진동수를 넘어서 볼의 이동이 쉽게 되도록 하는 것이 필요하게 된다. 즉,디스크의 회전장치가 고배속으로 회전할 수록 자동 균형장치 내부의 볼이 수납홈내의 외측벽면에 대한 마찰력을 줄이는 것이 관건이 되고 있다. 그러나,종래 기술에 이용되는 자동 균형장치에서는 디스크 드라이브의 회전장치가 고배속으로 회전할 경우 볼이 수납홈내의 외측벽면에서 마찰력을 많이 받게 되어 볼의 운동이 제한을 받게 된다. 따라서,이러한 문제점을 해결하기 위해 수납홈내의 외측벽면을 매끄럽게 가공하는 미세가공을 수행하여 마찰력을 줄이고자 하는 시도가 많이 수행되고 있으나, 어느정도 마찰력을 줄일 수는 있으나, 그리 만족할 만한 결과는 나오지 않고 있다.

본 발명의 목적은 볼의 이동을 원활하게 하여 회전계의 불균형을 최소화 하도록 한 디스크 드라이브의 자동 균형장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전계의 소음 및 진동을 최소화 하도록 한 디스크 드라이브의 자동 균형장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 회전계가 고유진동수를 넘어설 때, 불균형 질량과 자동 균형장치의 볼의 위상이 바뀌도록 볼의 이동을 보다 쉽게 하는데 있다.

도 1은 종래의 자동 볼 균형 장치를 나타낸 도면

도 2는 도 1에 도시된 볼이 회전수에 따라 변화되는 위상을 모식적으로 나타내는 도면

도 3은 광기록/재생장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면

도 4는 디스크 드라이브의 회전체의 회전시 자동 볼 균형장치에 작용되는 힘을 모식적으로 나타내는 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 내주를 도시한 도면

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 그루브의 각종 형상을 나타내는 도면

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 수납홈내의 외측벽면의 형상을 나타내는 도면

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 그루브가 수납홀내의 내주측면에 형성쇤 모양을 도시한 도면

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 볼 4 : 회전체

4a : 수납홈 5 :그루브

6 : 충진유체

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 디스크 드라이브의 자동균형장치는 회전체가 회전함에 따라 회전체에 수납된 볼이 편심된 질량과 상반된 위상 지점으로 이동되었을 때, 수납홈내의 외측벽면에 대한 볼의 마찰력을 줄여주기 위한 볼과 마찰하는 수납홈내의 외측벽면에 다양한 형태의 그루브(Groove)를 형성한 디스크 회전장치의 수납홈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 내주를 나타내는 도면으로써, 수납홈(4a)내의 외측벽면에 그루브(5)를 낸 상태를 나타낸다. 도 5의 구성에서, 본 발명에 따른 자동 균형장치는 회전체가 회전함에 따라 접선방향으로 이동하여 회전체의 편심된 질량 m_e를 상쇄하기 위한 복수 혹은 단수개의 볼(2)과,회전체의 회전에 따라 수납홈에 충진된 유체가 회전방향에 대해 그루브(5)의 방향을 따라 중앙부위로 모이도록 압력을 받는다. 이에 따라, 수납홈내의 외측벽면에는 압력구배가 형성되어 볼과 접촉되는 지점에서 압력이 최고치에 달하게 된다. 이는 볼과의 접촉점에서 반경방향으로 회전체의 회전에 따른 볼의 원심력과 반대방향의 힘을 전달한다. 따라서, 볼과 벽사이에 매우 작은 간격의 유막이 형성되고, 이로 인해 마찰력이 줄어들어 볼의 이동을 자유롭게 한다. 그러므로, 회전체의 공진 주파수에 따라 볼의 이동이 자유롭게 되어 자동 균형장치의 성능을 높일 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그루브(5) 단면의 각종 형상을 나타낸 것이다. 나사산과 계곡사이의 깊이 비 및 사다리꼴의 각도,원형에서의 곡률등은 임의로 정할 수가 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 바깥쪽 내벽형상을 나타낸 것으로, 볼록 및 오목벽면의 곡률과 삼각형상의 첨점의 높이는 임의로 정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 도면으로서, 볼 대신 블럭 형상(Ring형상을 반경방향으로 자른)의 질량체가 사용되고 있다. 블럭의 밑면과 바깥면은 평면 및 곡면이 가능하다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자동 균형장치의 그루브(5)의 형태를 나타낸 것으로 그루브는 빗살형태 및 나선형 형태가 될 수 있으며,서로 교차될 수도 있다. 또한 중앙에도 원주방향으로 그루브(5)를 형성할 수 있음을 도시한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디스크 드라이브의 자동 균형장치는 회전체의 회전에 따라 수납홈에 충진된 유체가 회전방향에 대해 그루브(5)의 방향을 따라 중앙부위로 모이도록 압력을 받고,이에 따라 수납홈내의 외측벽에는 압력구배가 형성되어 볼과 접촉되는 지점에서 압력이 최고치에 달하게 되어,볼과의접촉점에서 반경방향으로 회전체의 회전에 따른 볼의 원심력과 반대방향의 힘을 전달함으로써,볼과 벽 사이에 매우 작은 간격의 유막이 형성되고, 이로 인해 마찰력이 줄어들어 볼의 이동을 자유롭게 하여,회전체의 공진 주파수에 따라 볼의 이동이 자유롭게 되어 자동 균형장치의 성능을 높일 수 있게 되는 효과가 발생한다.

Claims (4)

1. 환형의 수납홈이 형성된 회전체와 상기 수납홈에 유동가능하게 수납된 복수개의 볼과,상기 수납홈에 충진된 유체를 포함하여 구성된 디스크 드라이브의 자동 균형장치에 있어서,

   상기 수납홈내의 외측벽면에 하나 혹은 그이상의 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브의 자동 균형장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 그루브중 일 그루브의 형상은,반원형,삼각형,사각형,원추형,사다리꼴형중 어느 하나의 형상으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브의 자동 균형장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 형상으로 이루어진 일 그루브는 빗살무늬 형태,나선형 형태,반원형 형태,원주형태, 가위표 형태중 어느하나로 상기 수납홈내의 외측벽면에 연속적으로 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브의 자동 균형장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 수납홈내의 외측벽면은 일직선 형상,경사진 일직선 형상, 오목형상,볼록형상중 어느하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브의 자동 균형장치.