헤드-디스크 운동을 고려한 작동 중 유연 하드디스크 드라이브의 유한 요소 고유 진동 및 충격 해석

Abstract

충격에 의한 과도한 진동은 헤드와 디스크 표면의 접촉 및 이로 인한 자기필름(magnetic film)의 마모를 발생시킬 수 있는 Head crash라는 오작동을 유발하기 때문에 HDD의 충격 해석은 HDD 산업에서 중요한 과제이다. HDD의 충격 특성은 회전하는 디스크-스핀들, 헤드-서스펜션-액츄에이터, 지지구조와 유체동압베어링, 볼베어링, 공기베어링의 동특성에 의해 결정된다. 그러나 HDD 주요 구성 요소를 모두 포함하며 회전하는 디스크-스핀들 시스템의 자이로스코픽 효과를 고려한 HDD의 동특성 해석 모델은 아직 개발되지 않았다. 그 이유 중 하나는 유연 지지구조와 회전 디스크-스핀들 시스템의 연결이 어렵다는 것이고 다른 이유는 유체 동압 베어링, 볼 베어링, 공기 베어링의 강성 및 감쇠 계수를 결정하기 어렵기 때문이다. 많은 연구자들이 여러 가지 방법을 사용하여 HDD의 동특성 혹은 충격 응답을 연구해 왔다. 그들 중 한 부류는 HDD에서 회전하는 디스크-스핀들 시스템을 고려하지 않고 디스크, 공기 베어링, 서스펜션의 결합체에 대한 동특성을 연구했지만 HDD의 전체 구성요소 혹은 디스크-스핀들의 회전을 고려하지 못했다. 연구자들의 다른 부류는 공기 베어링, 서스펜션, 액츄에이터 결합체를 고려하지 않고 회전하는 디스크-스핀들 시스템의 동특성을 연구하였다. 하지만 그들의 모델은 헤드-서스펜션-액츄에이터, 회전하는 디스크와 헤드 사이의 공기 베어링을 포함하지 않았다. 본 연구에서는 유한 요소법을 이용하여 유체 동압 베어링을 가지는 유연 회전 디스크-스핀들 시스템, 피봇 베어링을 가지는 헤드-서스펜션-액츄에이터, 복잡한 형상을 가지는 베이스 플레이트로 구성된 유연 HDD에 대한 모드 해석과 충격 응답 해석 방법을 제안하였다. HDD를 구성하는 각 기계 요소에 대해 타당한 유한 요소로 모델링하고 실제 상용의 HDD 시스템에 적용시켜 고유 모드 해석을 수행하였다. 회전하는 디스크, 허브와 유체 동압 베어링은 각각 annular sector 요소, beam요소와 강성/감쇠 요소로 분할된다. 이 논문에서는 3-D 사면체 요소와 2-D 쉘 요소사이의 기하학적 적합성을 유지하면서 얇은 서스펜션을 효과적으로 모델링하기 위해 회전 자유도를 포함한 2-D 사변형 4절점 쉘 요소를 사용한다. 베이스 플레이트(base plate), 암(arm), 이블록(E-block), 팬테일(fantail)은 사면체 요소로 모델링 한다. 액츄에이터의 피봇 베어링은 강성 요소로 모델링 된다. 공기 베어링은 축 방향 강성 요소로 모델링 되고 수학적으로 회전하는 디스크와 헤드 사이에 연결된다. 액츄에이터를 포함하는 HDD의 유연 회전 디스크-스핀들 시스템의 지배방정식은 자유도가 매우 크고 회전에 따른 자이로스코픽(Gyroscopic) 항과 유체 동압 베어링의 비대칭 동특성 계수로 인해 비대칭 형태를 가지게 된다. 이러한 유한 요소 지배 방정식의 고유치 수치 해석을 위해 본 연구에서는 비대칭 행렬의 고유치 해석에 적합한 Arnoldi method를 사용하였다. 제안한 방법으로 2.5인치 HDD 모델을 개발하여 고유 모드 해석결과를 기술하고 실험을 통해 해석결과의 타당성을 검증하였다. 검증된 고유 모드를 중첩하는 모드 중첩법을 이용하여 강제 진동 해석을 수행하고 강제 진동 실험을 통해 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 또한 실제 HDD가 설치되는 환경을 묘사할 수 있도록 충격 응답 해석 방법을 제안하고 헤드-디스크 상대 운동의 모드 기여도를 분석하였다. 또한 유체 동압 베어링이 충격 특성에 미치는 영향을 분석하고 헤드가 도약하는 현상을 해석하였다. 전체 HDD의 고유 모드 해석을 통해 디스크 모드와 관련된 진동 모드가 연속적으로 공기 베어링을 통해 헤드-서스펜션-액츄에이터의 탄성 변형을 야기시킴을 보였다. 충격시 헤드-디스크 상대 운동의 모드 기여도를 분석하여 디스크가 고정되는 경계가 외측으로 고정되고 서스펜션의 두께가 얇을수록 HDD가 충격에 강인한 것을 알 수 있었다. 또한 유체 동압 베어링이 충격 특성에 미치는 영향을 분석하여 스러스트 그루브의 깊이가 깊을수록 충격 성능이 향상됨을 보였다. 제시한 충격 응답 해석 방법은 HDD가 장착되는 여러 자세와 다양한 가진력에 대해 해석이 가능하고 이를 통해 충격에 강인한 HDD의 설계에 유용할 것으로 사료된다.; Shock analysis of a HDD has been important in the HDD industry because severe vibration due to shock results in read/write error or head crash ? a failure of the HDD in which the head scrapes across the platter surface, often grinding away the thin magnetic film. Shock characteristics of a HDD are determined by the dynamics of a HDD including the flexibility of the spinning disk-spindle, the head-suspension-actuator, the supporting structure and the fluid dynamic bearings (FDBs), ball and air bearings. A shock simulation model of a whole HDD including every component has not yet been developed. One difficulty is that the commercial softwares cannot handle the spinning disk-spindle system including the flexibility of complicated supporting structure such as base and cover. The other difficulty is that the stiffness and damping coefficients of FDBs, ball bearing and air bearing cannot be easily determined. Many researchers have studied the dynamics or the shock response of a HDD by using various methods. One group of them has investigated the dynamics of disk, air bearing and slider, and suspension assembly without considering the spinning disk-spindle system of a HDD itself. They did not consider the whole components of a HDD or the rotation of the disk-spindle system. Another group of researchers has investigated the dynamics of a rotating spindle system without considering air bearing and slider, suspension and actuator assembly. Their model did not include the head-suspension-actuator or the air bearing between spinning disk and head. This research proposes a finite element modal and shock analysis of a flexible HDD composed of the spinning disk-spindle system with FDBs, the headsuspension- actuator with pivot bearings, and the base plate with complicated geometry. Finite element equations of each component of a HDD are consistently derived with the satisfaction of the geometric compatibility in the internal boundary between each component. The spinning disk, hub and FDBs are modeled by annular sector elements, beam elements and stiffness and damping elements, respectively. It develops a 2-D quadrilateral 4-node shell element with rotational degrees of freedom to model the thin suspension efficiently as well as to satisfy the geometric compatibility between the 3-D tetrahedral element and the 2-D shell element. Base plate, arm, E-block and fantail are modeled by tetrahedral elements. Pivot bearing of an actuator and air bearing between spinning disk and head are modeled by stiffness elements. The restarted Arnoldi iteration method is applied to solve the large asymmetric eigen value problem to determine the natural frequencies and mode shapes of the finite element model. Experimental modal testing shows that the proposed method well predicts the vibration characteristics of a HDD. Forced vibration is performed by using the mode superposition for the developed finite element model and the validity of the model is verified by comparing the numerical results with the experimental ones. This research proposes the method to determine the head-disk motion and the modal contribution of a HDD due to the shock. The effect of FDB and lift-off of head are also analyzed This research shows that even the vibration motion of the spinning disk corresponding to half-speed whirl and the pure disk mode are transferred to a head-suspension-actuator and base plate through the air bearing and the pivot bearing consecutively. This research also shows that the coupled disk (0,0) mode plays the dominant role on the head-disk motion under the axial shock. The proposed method can be effectively utilized to investigate the shock response of a HDD and to prevent the head crash in order to design a robust HDD against shock.