HDD 용 유체동압베어링 성능평가 시스템 설계 및 동적거동 측정
Design of Performance Evaluation System and Measurement of Dynamic Behavior for Fluid Hydrodynamic Bearing in HDD
강정우1, 이태휘2, 이형욱3, 박성준4,
Jung Woo Kang1, Tae Whi Lee2, Hyoung Wook Lee3 and Sung-Jun Park4,
1 충주대학교 기계공학과 대학원 (Graduate School of Mechanical Engineering, Chungju National University) 2 (주)사이로직 (Psylogic, Inc.) 3 충주대학교 에너지시스템공학과 (Department of Energy System Engineering, Chungju National University) 4 충주대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Chungju National University.)
Corresponding author: [email protected], Tel: 043-841-5130 Manuscript received: 2011.5.9 / Revised: 2011.6.13 / Accepted: 2011.7.12
The recording density of HDD is increasing in ratio of 100% each year. Because the increasing of recording density requires the feature of high rotation, fixation and low-noise, fluid hydrodynamic bearing(FDB) has been paid attention to overcome a limitation in ball bearing. Most of researches related to improving performance of FDB have been studied in Japan which has 80% more market share of HDD spindle motor assembly. Main subject of studies are about for the design of the groove shape, manufacturing process of fluid dynamic bearing, performance evaluation and measurement. In HDD, non-repeatable runout(NRRO) is most important parameter which determines the performance of HDD spindle system because NRRO is unpredictable that cannot be compensated in head/slider servo system. In this study, performance evaluation system can measure dynamic behaviors were designed and methodology for calculating imbalance, RRO, and NRRO were proposed.
Key Words: Runout (런아웃), RRO (주기적 런아웃), NRRO (비주기적 런아웃), Balancing (밸런싱), Fluid Hydrodynamic Bearing (유체동압베어링), Imbalance (편심)
1. 서론
하드디스크(Hard Disk Drive : HDD)의 기록밀도 (track density) 는 연간 100% 비율로 증가하고 있다.
기록밀도의 상승은 하드디스크 스핀들 모터의 고 회전, 고정도, 저소음 특성과 연관 있으며, 스핀들 모터에는 Fig. 1 과 같은 구조로 회전장치의 고정부 와 접촉이 없고 윤활오일에 의한 감쇠효과를 통해 뛰어난 진동 및 소음특성을 갖는 유체동압베어링 (Fluid Hydrodynamic Bearing : FDB) 이 사용된다.
1하드디스크는 실질적으로 스핀들 모터 위에 플
래터(platter)를 장착하여 회전을 하기 때문에 스핀
들 모터가 회전을 시작하여 안정상태에 도달하기
까지 베어링은 선회(whirling), 부상(flying), 기울기
(tilting) 와 같은 3 가지 동적거동을 하게 된다. 선회
거동은 x-y 평면의 회전궤도를 의미하며, 이때 발
생하는 회전성분들은 주기적 회전성분(Repeatable
RunOut : RRO) 과 비주기적 회전성분(Non Repeatable
RunOut : NRRO) 으로 나눌 수 있다. RRO 는 제어시
스템에 의해 보상되기 때문에 보통 성능평가에서
제외되지만 NRRO 의 경우 데이터를 읽고 쓰는데 오류를 주는 추적 오차(tracking error)를 발생시키고 제어 시스템에 의해 보상할 수 없기 때문에 하드 디스크의 성능과 직결되는 지표이다. 따라서 기록 밀도의 상승과 함께 NRRO 를 감소시키려는 요구 가 높아지고 있다. 부상거동은 스핀들 모터가 정 지상태에서 안정상태까지 도달하는 동안 z 축 방향 으로의 부상높이를 측정한 것이다. 부상높이가 낮 을수록 헤드를 디스크표면 가까이 접근시키고 높 은 기록밀도를 만들기 때문에 하드디스크의 성능 에 영향을 미친다. 기울기거동은 베어링을 설계하 는데 긴밀한 상관관계를 가지고 있다.
2,3동적거동 은 하드디스크의 가공오차, 외부환경 등으로 발생 하는 편심(imbalance)과 밀접한 관계가 있으며, 편 심량은 유체동압베어링의 회전 안정성에 영향을 주기 때문에 밸런싱(balancing)을 통해 편심량 보정 을 하여 성능평가를 할 수 있다.
본 논문에서는 평가 핵심 요소인 NRRO 를 측 정할 수 있는 시스템을 제작하고 그래픽 기반의 프로그래밍 언어인 LabVIEW 를 사용하여 자체적 으로 성능을 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였 다. 또한 회전 시 발생하는 편심량을 측정하여 편 심량과 회전성분의 관계를 파악하고자 하였다.
(a) Spindle motor assembly of HDD
(b) Structure of the FDB Fig. 1 Structure of the HDD and FDB
2. 동적거동
2.1 스핀들 회전성분
실제 회전하는 스핀들은 내부적인 결함이나 외 부적 환경에 의해 회전축을 중심으로 이상적인 진 원을 그리며 움직이는 것은 불가능하다. Fig. 2 와 같이 회전축 옆면에 변위량을 측정해 보면 움직여 야 할 위치를 벗어나는 것을 확인할 수 있으며, 이때 발생하는 오차를 런아웃(runout)이라고 정의 한다. 앞서 설명한 바와 같이 런아웃의 성분 중 주기적으로 발생하는 성분을 RRO 라고 하며, 주기 적이지 않은 성분을 NRRO 라고 한다. 회전하는 스핀들에 발생하는 런아웃을 다른 각도에서 살펴 보면 Fig. 3 과 같이 나타낼 수 있으며, 여러 회전 데이터를 회전각도에 따라 변화하는 변위량을 나 타낸 그래프이다. 회전하는 동안 최대, 최소 변위 량의 차이를 구한 값을 TIR(Total Indicated Runout) 이라고 한다. 실선으로 나타낸 부분은 TIR 에서 반 복적으로 발생하는 평균값의 높이로 RRO 라고 할 수 있다. TIR 성분에서 RRO 성분의 차에 의한 성분 을 NRRO 라고 정의한다. NRRO 성분은 비주기적이 기 때문에 통계치와 주파수분석을 통해 계산할 수 있고, 주파수분석은 항상 주기적인 것을 측정하기 때문에 주기적 성분을 제외한 나머지 성분을 분석 하여 NRRO 를 검출할 수 있다.
Fig. 2 Rotating components for the spindle motor
Fig. 3 Components for TIR and RRO
2.2 NRRO 해석방법NRRO 를 파악하기 위해 일반적으로 계산이 쉽
고 전체적인 NRRO 를 파악할 수 있는 장점을 지 닌 평균법(average method)을 사용한다. 평균법은 시간영역에서 스핀들의 회전수를 가지고 성분을 분석하는 방법으로 모터의 1 회전 주기를 L 개의 섹터로 나누고 연속된 M 번의 회전에 대하여 각 섹터의 변위를 측정하여 l 번째 섹터, m 번째 회전 의 변위를 TIR(l, m)이라고 하면 평균법에 의한 NRRO 는 식(1)과 같이 정리할 수 있다. 불규칙한 성분의 NRRO 는 충분히 큰 개수의 데이터에 대해 그 평균은 0 에 수렴하기 때문에 TIR 을 각 섹터별 로 평균을 내어 TIR 에서 TIR 의 평균을 빼면 NRRO 를 구할 수 있다. NRRO 를 해석할 수 있는 또 다른 방법으로 모터의 위치에 대한 정보없이 주파수분석을 통해 회전성분을 계산할 수 있는 주 파수영역법이 있다.
4) , ( ) ( ) ,
(lm RROl NRROl m
TIR = +
(1)
∑
∑
mM=TIRlm =M mM= RROl +NRROlmM 1 1
)]
, ( ) ( 1 [
) , 1 (
∑
= +∑
== M m
M m
m l M NRRO l M RRO
1 1
) , 1 (
) 1 (
) (l RRO
=
∑
=−
=
M m
m l M TIR m l TIR m l NRRO
1 ) , 1 (
) , ( ) , (
3. 성능평가 시스템 설계 및 측정방법
하드디스크의 동적거동을 측정하기 위해 Fig. 4 와 같이 시스템을 설계하였다. 동적성분을 측정하 기 위해 반경 방향과 축 방향으로 센서를 설치했 으며, 중앙에는 하드디스크를 고정시킬 포트를 설 치하였다. 하드디스크의 동적거동을 측정하기 전 에 편심량을 측정해야 하기 때문에 지면과 스테이 지간의 절연을 시킬 수 있도록 중간에 방진고무를 설치한다.
NRRO 를 측정하기 위해서는 X, Y 축의 반경 방향으로 변위량을 측정해야 하며, X, Y 축이 완전 히 90 도의 직각도를 유지해야 정확한 형상을 얻을 수 있다. 또한 트랙피치의 5%이내 값을 측정할 수 있는 1nm 급의 분해능을 갖는 정전용량형 변위센
서를 사용하였다. 부상높이(flying height)는 스핀들 의 윗면 중앙을 측정해야 하기 때문에 Z 축에서 축 방향으로 변위량을 측정해야 한다. 스핀들의 회전속도와 1 회전의 정확한 인덱스 신호(index signal) 를 얻기 위해 스핀들의 바깥쪽 부분에 인덱 스 센서를 설치한다. 인덱스 신호는 스핀들이 회 전 시 변위센서에 의해 측정되는 변위 신호와 정 확히 동기화가 되어야 실제 발생하는 오차와 관계 없이 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
Fig. 4 Structure of the performance evaluation system
3.1 스핀들 모터의 편심량스핀들 모터와 같은 회전체는 회전 시 진원을
그리지 못하고 움직이는데 이것은 Fig. 5 에 표현된
것과 같이 편심량 위치(heavy spot)라는 특정 지점
에 본래 편심량이 존재하기 때문이다. 편심량의
크기와 위치를 구하고 동일한 중량을 제거하거나
반대 위치에 동일한 중량을 추가시켜 진원에 가깝
게 움직일 수 있는데 이러한 기술을 밸런싱이라고
한다. 회전체의 중심선에 대한 회전체 중량의 불
균일한 분포상태를 불평형 상태라고 정의하며, 불
평형으로 인한 힘은 회전속도와 불평형량에 따라
다르다. 회전 중심선으로부터 어떤 반경(r)에 위치
한 편심량 위치(U)에 의해 발생하는 원심력(F)은
식(2)와 같이 표현한다. 여기서 w 는 각속도, N 은
회전수를 의미한다. 편심에 의한 힘은 속도의 제
곱에 비례하므로 고속으로 움직이는 회전체에는
작은 불평형에도 상당한 원심력을 유발시키기 때 문에 동적거동을 측정하기에 앞서 밸런싱은 필수 적으로 거쳐야 하는 단계라고 할 수 있다. 본 연 구에서는 단일면법(single plane method)을 통해 스핀 들 모터에 존재하는 본래의 편심량 크기와 위치를 계산하였다.
RPM Force r
(radius)
Fig. 5 Definition of the imbalance in rotary system
2 2
60 2
= ⋅
⋅
⋅
= πN
g r w U g r
F U
(2)
r N ⋅U⋅
⋅
= 2
01 1000 . 0
3.2 데이터 수집방법
스핀들의 변위를 측정하기 위해 신호를 샘플링 하는 방법에는 Fig. 6 과 같이 장치의 구조에 따라 두 가지로 분류한다. Fig. 6(a)는 모든 채널에 대해 하나의 멀티플렉서(MUX), 하나의 증폭기와 하나 의 A/D 변환기로 구성된다. 멀티플렉서를 이용한 샘플링에는 간격(interval)샘플링 구조가 있다. 만약 여러 채널에서 데이터를 수집한다고 가정하면 멀 티플렉서는 첫 번째 채널에서 먼저 데이터를 수집 하고 나서 두 번째 채널에서 데이터를 수집하는 스위칭 방식의 샘플링을 하기 때문에 시간지연이 존재하게 된다. 이 방법은 여러 채널로부터 데이 터를 수집할 때 시간오차가 발생하여 각 채널이 동시간에 정확한 데이터 획득이 요구될 시 데이터 를 왜곡시킬 수 있다. 반면 Fig. 6(b)는 한 채널당 하나의 A/D 변환기를 사용하기 때문에 여러 채널 이 독립적으로 데이터를 획득할 있다. 이 방법은 시간오차 없이 동시에 샘플링이 가능하며, 이를 동시(simultaneous)샘플링 구조라고 한다.
(a) Interval sampling
(b) Simultaneous sampling Fig. 6 Structure of the data sampling
Fig. 7(a) 는 일반적으로 스핀들 회전 시 단위시 간 당 데이터를 수집하는 하드웨어 트리거 방식의 even time spacing 샘플링이다. Fig. 7(b)는 1 회전을 기 준으로 데이터를 수집하는 방법으로 샘플링된 측 정신호와 인덱스 신호를 통해 리샘플링시켜 각 회 전에 대한 데이터 위치를 정렬시키는 equal position spacing 샘플링 방법으로 오더분석(order analysis)이 라 한다. 오더분석은 식(3)과 같이 주파수 값을 오 더 값으로 바꾸는 간단한 컨셉트 같지만 복잡한 알고리즘을 이용하여 수집된 데이터를 재배치한다.
또한 측정하는 동안 모든 데이터 샘플을 가져올 필요 없이 낮은 속도의 샘플링 데이터를 활용하여 회전성분을 분석할 수 있다는 장점이 있다. Fig. 8 과 같이 기존의 측정방법으로 회전성분을 측정한 값과 오더분석을 통해 측정한 값을 비교해보면 약 9%의 오차를 나타낸다. 본 시스템에는 각 채 널에 대해 동시 샘플링을 할 수 있는 동적 신호 분석기를 사용하며, 하드웨어 트리거를 통해 회 전성분을 구하는 방법과 1 회전을 기준으로 데이 터를 수집하는 오더 분석을 통해서도 회전성분을 추정했다.
5Order Frequency=RPM×
60
(3)
(a) Even time spacing sampling
(b) Equal position spacing sampling Fig. 7 Method of the data sampling
Fig. 8 Comparison of the dynamic behavior by means of data sampling method
3.3 성능평가 시스템
NRRO 를 측정하기 위한 실험장치의 개략도는 Fig. 9 와 같다. 인덱스 신호와 변위센서로부터 신 호는 증폭기를 거쳐 동적 신호분석기(Dynamic Signal Analyzer : DSA) 로 입력된다. Fig. 10 은 유체동 압베어링의 성능평가를 위해 개발한 시스템이다.
하드디스크 포트(HDD port)에는 X-Y 축 방향으로 2 축 가속도계 장착되어 있고, 정확한 인덱스 신호 를 받기 위해 20µs 이내의 반응시간을 갖는 광파 이버 센서를 이용하여 회전 시 발생하는 편심량을 측정할 수 있다. 또한, 동적거동 측정을 위해 1nm 급 분해능을 갖는 변위 센서와 5kHz 저역통과 필 터(low-pass filter)가 설정된 증폭기를 사용하였다.
Fig. 9 Experimental runout test set-up
Fig. 10 Developed performance evaluation system
3.4 NRRO 측정 분석기동적거동을 측정하기 위해 Fig. 11 과 같이 그래 픽 기반의 프로그래밍 언어인 LabVIEW 를 이용하 여 개발하였다. 영역[a]는 측정모드이며 과도분석, 평균법과 주파수영역법에 의한 동적거동을 측정할 수 있다. 과도분석은 정지상태에서 안정상태까지 도달하는 동안의 거동을 측정하는 것으로 부상높 이를 측정하는 것이다. 영역[b]는 결과값을 모니터 할 수 있는 차트영역으로 직교 좌표계, 극 좌표계 를 통해 측정값을 확인할 수 있다. 영역[c], [d]는
Fig. 11 Development program for measuring the dynamic behavior in spindle motor
index sensor
capacitance sensor
DSA
측정결과와 측정조건을 입력 확인할 수 있고, 영 역[e], [f]는 모터의 회전속도와 센서의 변위량을 확 인할 수 있다.
4. 동적거동 실험 및 분석
본 연구는 스핀들 모터 위에 플래터를 장착한 5400rpm(90Hz) 의 정격회전 속도를 갖는 2.5″HDD 스핀들 모터로 실험하였다. 편심량을 측정하기 위 해서는 스핀들 모터가 정격회전 속도로 회전 시 가속도계와 인덱스 신호에 대해 1 차 측정을 한다.
2 차 측정은 플래터 임의의 위치에 10.6mg 의 보정 질량을 놓고 측정하는 것이다. 1 차 측정결과와 2 차 측정결과는 영향계수법(influence coefficient)이라 는 방법을 활용하여 편심량의 크기와 위치를 계산 하였다.
6동적거동 측정은 모터 회전 시 속도 변동 량(jitter)이 1rpm 미만에서 회전성분을 측정하도록 하였다. 개발 프로그램을 통해 스핀들 모터 회전 시 편심량에 따른 NRRO 값을 측정한 결과 Fig. 12 와 같으며, 편심량이 증가할수록 회전하는 반경 방향으로 NRRO 가 증가하는 것을 볼 수 있다. 고 속으로 움직이는 하드디스크는 편심량의 차이가 수 mg 에 대해서 회전성분에 영향을 주는 것을 확 인할 수 있다. Fig. 13 은 x, y 축을 상대적으로 90 도 위상차를 두고 회전축의 움직임을 2 차원형상으로 회전성분의 평균값을 나타낸 궤도 그래프(orbit plot) 로 주기적 회전성분인 RRO 의 값에 따라 거동 을 확인할 수 있다. 궤도 그래프는 반복적인 회전 체의 거동을 볼 수 있기 때문에 RRO 성분이 작을 수록 더 작은 궤도를 형성하며, NRRO 값에 영향 받지 않는다. Fig. 14 는 스핀들 모터가 정지상태에 서 안정상태에 도달하는 동안 z 축 방향의 부상높이
Fig. 12 Comparison of the dynamic behavior by mass imbalance
RRO=2.079µm, RRO=0.0868µm RRO=3.194µm, NRRO=0.0496µm
RRO=3.749µm, RRO=0.0527µm RRO=4.159µm,NRRO=0.0364µm
Fig. 13 Orbit plot for rotating components
Fig. 14 Flying height for mass imbalance
를 측정하여 NRRO 성분과 부상높이 간의 관계를 측정하여 NRRO 성분과 부상높이 간의 관계를 파 악하였다. NRRO 성분이 증가할수록 부상높이의 변 화폭은 증가하지만 안정상태에 도달하기까지 4 개 의 시편은 편심량에 관계없이 모두 동일하게 약 3300ms 의 시간이 걸렸다.
본 연구에서는 NRRO 를 측정하기 위해 기존
해석방법 중 평균법과 주파수영역법을 통해 회전
성분을 측정하였으며, Fig. 15(a)-(c)는 변위 센서를
통해 측정한 시간영역에서의 신호이며, Fig. 15(c)와
같이 NRRO 의 값을 산출한다. 그리고 Fig. 15(d)-(f)
는 푸리에 변환을 통한 주파수 성분을 나타낸 것
으로 Fig. 15(d)는 TIR 성분을 의미한다. Fig. 15(e)
는 회전주파수 90Hz 의 정수배에 해당하는 RRO 성
분을 의미하고 Fig. 15(f)는 NRRO 성분을 의미한다.
시간영역에서의 TIR 을 나타낸 Fig. 15(a)를 보면 RRO 와 큰 차이를 확인할 수 없지만, 주파수분석 을 할 경우 Fig. 15(d), (e)를 비교해보면 회전주파수 90Hz 의 정수배가 아닌 부분에 대해 TIR 에는 다 른 주파수들이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
(a)TIR (d)TIR
(b)RRO (e)RRO
(c)NRRO (f)NRRO Fig. 15 Rotating components of the FFT and IFFT. (a)-(c)
by time domain, (d)-(f) by frequency domain
5. 결론본 연구에서는 스핀들 모터에 사용되는 유체 동압베어링의 동적거동을 측정하기 위한 시스템을 성공적으로 설계하고 평가했다. 또한 NRRO 값을 측정하는데 있어 기존의 방법과 달리 낮은 샘플링 속도를 적용하여 데이터를 보간하는 오더분석을 통해 NRRO 를 측정했다. 그 결과 기존의 측정방 법 과 비교할 때 NRRO 값은 약 9%의 오차범위를 나타내었고, 이것은 회전성분을 측정하는 새로운 방법을 선행한 것이다. 편심량을 측정하여 그에 따른 회전성분 값을 비교한 결과 TIR, RRO 는 불 규칙적인 양상을 보이는 반면 NRRO 는 편심량 에 대해 비례적으로 증가했으며, 밸런싱을 통해 편심 량을 줄이는 것은 NRRO 값을 줄이는 것으로 볼
수 있다. NRRO 가 증가할수록 부상높이의 변화 폭 을 증가시키기 때문에 NRRO 성분을 낮추는 것은 높은 기록밀도를 만든다고 할 수 있으며, 안정 상 태에 도달하기까지는 약 3300ms 로 4 개의 시편 모 두 동일하였다. 유체동압베어링의 성능을 향상시 키기 위해서는 NRRO 의 값을 낮추어야 하며, NRRO 는 편심량에 영향을 받는 요소이기 때문에 밸런싱을 통해 편심량을 줄이는 것은 필수적이다.
후 기
본 연구는 2010 년도 지식경제부 전략기술개발 사업의 일환으로 연구비를 지원받아 수행되었음.
참고문헌
