부양력을 최소화하기 위한 1 인치 하드 디스크 드라이브용 슬라이더 공기 윤활 베어링 형상 최적설계

Abstract

본 연구에서는 슬라이더의 로드/언로드(Load/Unload; L/UL) 성능 향상과 정상상태에서의 안정적인 부상성능을 동시에 고려하여 공기 윤활 베어링 형상을 결정하는 최적설계를 수행하였다. 언로드 시 슬라이더를 부상시키기 위한 최소 공기 윤활력의 크기를 부양력(lift-off force)이라 정의하며, 이 부양력이 적을수록 슬라이더와 디스크의 충돌 가능성이 감소하고, 안정적으로 언로드가 진행된다. 따라서 언로드 과정에서 슬라이더의 부양력을 최소화하는 것을 최적설계 문제를 위한 목적 함수로 선정하였으며, 슬라이더의 부상성능에 대한 설계요구조건을 만족하도록 구속조건을 설정하였다. 그러나 동적 L/UL 거동은 시간의 함수이며 슬라이더와 서스펜션등 여러 요소의 영향을 받으므로, 동적 L/UL 해석을 통하여 부양력을 구하기 위하여는 오랜 해석시간이 요구된다. 더구나, 최적설계 과정에서는 이러한 동적 L/UL 해석을 많이 요구하므로 합리적인 시간 안에 최적설계 결과를 도출하기 어렵다. 그런데 정적 해석의 결과인 정상상태에서 슬라이더에 발생하는 음압력, 부상높이, 피치 각, 그리고 롤 각과 동적 L/UL 해석 결과인 부양력은 연관되어 있다. 또한, 슬라이더의 매우 짧은 해석 시간 만을(동적 L/UL 해석 시간의 약 1/240) 필요로 한다. 따라서 효율적인 최적설계를 하기 위해 목적함수인 부양력을 정상상태에서의 음압력, 슬라이더 부상높이, 피치 각, 그리고 롤 각의 함수로 표현하는 크리깅모델을 만들어 이를 최적설계 과정에 적용하였다. 결론적으로 상대적으로 짧은 해석시간을 필요로 하는 정적 해석만으로 최적해를 도출 할 수 있는 새로운 설계 방법을 제안하게 되었다. 본 연구에서 제안된 기법의 효율성을 입증하기 위하여, 두 형태의 실제 pico, femto 슬라이더의 모델을 적용하여 최적설계를 수행한 결과, pico 슬라이더의 경우는 목적함수인 부양력이 초기값 대비 약 62 %, femto 슬라이더의 경우는 9 % 감소한 것을 확인 할 수 있었으며, 구속조건 역시 만족함을 알 수 있었다. 목적함수인 부양력을 감소시킨 최적화된 슬라이더를 동적 L/UL 해석을 통해서 동적 L/UL 거동을 확인해 본 결과 언로드 시에 디스크와 슬라이더와 충돌없이 진행하는 것을 확인하였으며, 뿐만 아니라 로드 시에 슬라이더가 빠르고 안정적으로 진행되는 것을 확인 할 수 있었다. 이로써 목적함수인 부양력의 감소로 인하여 동적 L/UL 성능이 향상된 것을 확인 할 수 있었다.; In this study, we present the optimization of a head slider for 1-inch disk drive using the kriging method, which is to reduce the lift-off force during the unloading process while still satisfying a reliable flying attitude in a steady state. The lift-off force, defined as the minimum air bearing force during unloading process, is very important indicator of both unloading and loading performances. Therefore, an optimization problem is formulated to minimize the lift-off force during the unloading process while satisfying the flying attitude in a reliable range over the entire recording band and reducing the probability of contact between the slider and the disk. However, since a dynamics L/UL simulation is a highly time consuming in obtaining the lift-off force, it is almost impossible to directly utilize itself as an analyzer during the iterative optimization process. To overcome this problem efficiently, a simplified lift-off force model, which is a function of air bearing suction force and flying attitudes, is created using kriging method. Finally, with just one static analysis of a slider air bearing, the objective function as well as the constraints in design optimizations can be calculated without the expensive dynamics L/UL analysis. To prove the effectiveness of the propose design approach, two different types of slider models were applied to this study. The simulation result showed that the amplitudes of the lift-off force of the optimized slider models were reduced about 62% and 9% compared with those of initial slider models, respectively. It was demonstrated by the dynamics L/UL simulation that the optimum sliders incorporated with the suspension were not only smoothly loaded onto the disk but also properly unloaded onto the ramp.