The objective of this study is the actuator design for the future optical disk drive. The conventional optical data storage devices such as CDs and DVDs are based on focusing propagating light with an objective lens. The maximum density in the conventional optical data storage devices is limited since the spot size cannot be less than the wavelength of the light due to diffraction limit. Near field recording (NFR) has been introduced as a new optical data storage method to realize higher data density beyond the diffraction limit. As the data density increases, the track pitch is reduced to about 400㎚. Compared with 1.6㎛ -track pitch of CD and 740㎚-track pitch of DVD, we recognize that track pitch is remarkably reduced and the more precise actuator for NFR is required. In this paper, dual servo actuator is proposed and manufactured to improve the accuracy of actuator.
Actuator in data storage device plays a role to find and follow the destination track under several disturbances. These disturbances includes disk eccentricity, disk vibration, actuator vibration, and wobbling. The main disturbance among these is disk run-out by disk eccentricity. Thus, detail design specifications of actuator is derived from the disk run-out specifications. The target specifications of NFR actuator are listed in the contents.
In this paper, rotary type voice coil motor (VCM) which is mainly used in HDD is selected as a coarse actuator. Generally, the rotary type VCM has faster seek characteristic than linear type VCM because of its lever structure. In design of VCM actuator, a novel magnetic circuit of VCM with multi-segmented magnet array (MSMA) is proposed. It can generate higher air gap flux density than the magnetic circuit of VCM with the conventional magnet array. High flux density in the air gap generates large actuating force and makes the seek time short. The comparative analysis is carried out to prove the effectiveness of MSMA in rotary type VCM. The result shows 13.6% increase in the normal component of the flux density to adopt the MSMA on VCM without any change of total thickness, air gap thickness, and magnet area. It is a notable fact that we can reduce the thickness of the magnet and increase thickness of the base yoke in the MSMA VCM than in the conventional VCM. The saturation level at the center of the base yoke is decreased, therefore we can reduce the thickness of the base yoke and increase the thickness of the magnet. The flux density is saturated at the center of the cover yoke in the MSMA VCM while it is done at the center of base yoke in the conventional VCM. It is also proved that the total thickness of the magnetic circuit for a VCM can be reduced without changing the coil and air gap parameters if the MSMA is applied to a VCM. From simulation results, the total thickness of the VCM can be reduced by 14.8 % (0.74 ㎜) without changing in coil parameters and air gap parameters if we apply the MSMA to a rotary-type VCM.
The optimization of MSMA VCM including coil parameters will be also carried out. The optimal design is performed to maximize the VCM acceleration constant under geometric constraints. As the design variables, air gap thickness, upper yoke thickness, base yoke thickness, magnet thickness, and coil diameter are choosen. The total thickness of actuator is restricted to 5㎜ to satisfy small form factor requirement as a constraint. Other constraints are selected as flux non-saturation constraint and heat dissipation constraint. The acceleration constant of coarse actuator manufactured with optimally designed parameters is $683.2 m/s^2/A$.
In design of fine actuator, the fine actuator including PMN-PT single crystal instead of the conventional PZT is proposed. PMN-PT is a single crystal material and driving voltage of it is lower than that of PZT. All design procedures are also presented. The fine actuator is designed to amplify the displacement. Each PMN-PT element contracts or expands alternately with the application of drive voltages. The differences in length between the two PMN-PT elements provide a rotation motion to the hinge plate. The small contraction or expansion is amplifed by the length of HSA (Head Suspension Assembly). The displacement gain of PMN-PT fine actuator is about 26 nm/V and that of PZT fine actuator is about 17 nm/V. The displacement gain is increased by 53 %.
To evaluate track seeking peformance of the manufactured rotary type actuator, an appropriate control method, proximate time optimal servomechanism is selected and control system is implemented. The track seeking requires a long range actuator to cover the whole data track areas. The designed fine actuator can cover the range of ±500㎚ and the effect of fine actuator is small in seeking control. Therefore, only the coarse actuator is used in track seeking. The experimental result of track seeking shows that the 5% settling time of $500\mu m$ track seeking range is 2.60 msec.
The objective of track following cotnrol is to maintain the head as close as possible to the destination track center under disturbances. The PQ method is selected to assign the proper role to each actuator and dual servo control system is implemented to evaluate track following performance. From experiment results, the total bandwidth of the dual servo actuator is increased to 2.5kHz and the resolution is 25㎚. It is also proved that the manufactured dual servo actuator can cover $±44.8㎛$ disk run-out disturbance at 3360rpm.
In conclusion, a rotary type dual servo actuator which consists of MSMA VCM coarse actuator and PMN-PT fine actuator is proposed and evaluated in this thesis. Its performance is evaluated by experiment. The proposed dual servo actuator shows satisfactory performances to be applied to NFR and it can be applied to other future disk drives.
본 연구는 차세대 광 디스크 드라이브용 구동기에 관한 것이다. CD, DVD와 같은 기존의 광 정보저장기기는 하나의 대물렌즈를 통해 빛의 초점을 만들어 정보 저장에 이용하는 원리에 기초한 것으로, 최대 기록 밀도는 빛의 파장 이하로 초점을 생성 시킬 수 없는 회절 한계에 의해 제약 받게 된다. 근접장 광 정보저장기기는 이러한 회절 한계를 극복하고, 보다 높은 기록밀도를 구현하기 위한 새로운 광 정보저장 방법이다. 근접장 광 정보저장기기에서는 기록 밀도가 증가함에 따라 트랙간의 간격도 약 400㎚ 수준으로 줄어들 것으로 예상된다. 기존의 CD의 트랙간격인 1.6㎛, DVD의 트랙간격인 740㎚ 와 비교하여 보면, 근접장 광 정보저장기기의 경우 트랙 간격이 현저히 줄어들어 정밀도가 향상된 구동기를 필요로 함을 알 수 있다. 본 연구에서는 구동기의 정밀도 향상을 위하여 이중 서보 구동기를 제안하였다.
정보저장기기에서 구동기는 외란하에서 원하는 트랙을 찾고 추종하는 역할을 한다. 여기서 외란이란 디스크 편심, 디스크 진동, 구동기 진동을 포함한다. 이 중 주요 외란은 디스크의 편심에 의한 것으로, 디스크의 편심 규격은 구동기의 목표 규격을 선정에 이용된다. 구체적인 구동기의 목표 규격은 본문에 기술되어 있다.
본 연구에서는 하드디스크 드라이브에서 주로 사용되는 회전형 보이스 코일 모터를 조동 구동기로 사용하였다. 일반적으로 회전형 보이스 코일 모터는 고유의 레버 구조로 인하여 직선형 보이스 코일 모터보다 짧은 탐색 시간 특성을 가진다. 조동 구동기의 설계에서는 다분할 자석 배열을 적용한 보이스 코일 모터가 새로이 제안되었다. 다분할 자석 배열은 기존의 자석 배열보다 큰 자속 밀도를 낼 수 있다. 큰 자속 밀도는 동일한 크기의 구동기에서 큰 힘을 낼 수 있도록 하며, 따라서 구동기의 탐색 시간도 작게한다. 다분할 자석 배열의 효과를 검증한 결과, 회전형 보이스 코일 모터에서 전체 높이, 공기층 두께, 자석의 넓이를 변화시키지 않고도 기존의 자석 배열을 사용하였을 때보다 약 13.6%의 자속 밀도 증가 효과가 있는 것으로 확인되었다. 또한, 다분할 자석 배열을 회전형 보이스 코일 모터에 적용하면 코일과 공기층의 변수를 바꾸지 않고도 보이스 코일 모터의 전체 높이를 약 14.8% 줄일 수 있는 것으로 확인되었다. 이는 소형화를 요구하는 차세대 정보저장기기의 구동기에 다분할 자석 배열이 좋은 대안이 될 수 있음을 의미한다.
또한, 구동기의 최대 성능을 구현하기 위하여 코일 변수를 포함한 다분할 자석 배열 보이스 코일 모터의 최적화도 수행되었다. 최적화는 목적은 가속 상수를 최대화 하는 것이며, 설계 변수로는 공기층 두께, 상부 요크 두께, 하부 요크 두께, 자석 두께, 코일 변수이 선정하였다. 구동기의 전체 높이는 5㎜ 이하가 되도록 설계 제한 조건이 포함되었으며, 자속 밀도의 불포화 조건과 코일의 열 방출 조건등이 설계 제한 조건에 포함되었다. 최적 설계된 치수로 제작된 구동기의 가속 상수는 $683.2 m/s^2/A$ 이다.
미세 구동기의 설계부분에서는, 기존의 PZT를 대신하여 PMN-PT 단결정 재료를 이용한 미세 구동기가 제안하였다. PMN-PT 단결정 재료는 PZT에 비해 같은 입력 전압하에서 보다 큰 구동 변위를 가지는 특성을 가지고 있다. PMN-PT 단결정 미세 구동기의 변위 이득은 26 nm/V이고, PZT 미세 구동기의 변위 이득은 17 nm/V로 변위 이득에서 약 53 %의 증가 효과가 있음이 실험적으로 확인되었다.
제작된 구동기는 Proximate Time Optimal Servomechanism (PTOS) 제어 알고리즘을 이용하여 트랙 탐색 특성을 분석 하였다. 트랙 탐색에서는 전체 정보 저장 영역을 움직일 수 있도록 비교적 구동 범위가 큰 구동기를 필요로 한다. 본 연구에서 제안한 미세 구동기의 경우 구동 범위가 약 ±500㎚ 이므로, 트랙 탐색에서 미세 구동기의 영향은 매우 적어서 조동 구동기가 트랙 탐색을 담당하게 된다. 트랙 탐색 특성 평가 실험 결과에 의하면, 500㎛ 의 탐색 거리에 대해 5% 정착 시간은 약 2.6 msec로 나타났다.
정보 저장기기에서 트랙 추종 제어의 목적은 외란하에서도 헤드를 목표 트랙의 중심에 최대한 위치시키는 것이다. 본 연구에서 트랙 추종 특성 분석을 위해, 주파수 영역에서 각 구동기의 역할 분배가 용이한 PQ method가 사용되었다. 실험 결과에 따르면, 이중 서보 구동기의 전체 제어 대역폭은 2.5kHz이며, 분해능은 약 25㎚에 이르는 것으로 확인 되었다. 또한 제작된 이중 서보 구동기는 3360 rpm에서 약 $±44.8㎛ 의 디스크 편심 외란을 추종 가능한 것으로 실험을 통해 확인되었다.
결론적으로, 본 논문에서는 다분할 자석 배열 보이스 코일 모터와 PMN-PT 미세 구동기로 구성된 회전형 이중 서보 구동기가 제안되고 평가되었다. 제작된 구동기의 성능 평가를 통해 NFR에 성공적으로 적용될 수 있음이 확인되었으며, 다른 차세대 정보저장기기의 구동기로도 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
