[논문]유한요소 해석을 통한 슬림형 광디스크 드라이브의 진동해석 및 구조 동특성 변경

김경태; 임승호; 이용현; 박노철; 박영필; 이인환; 이한백; 차익주

문제 정의

드라이브의 전체적인 강성에 영향을 주는 데크 프레임의 재질과 형상, PCB 기판의 형상, 고무 마운트의 위치를 파라메터로 선택하였고. 고무 마운트의 재질 과 PCB Rib 의 두께의 변화에 따른 결과를 살펴 보았다.
본 연구에서는 슬림형 광디스크 드라이브의 진동 해석 및 구조 동특성 변경을 위해 유한요소 모델을 기반으로 해석을 수행하였다. 슬림형 광디스크 드라이브의 유한요소 모델을 실험 모달 해석을 통해 튜닝 및 검증하였고, 중요 파라메터들의 변경을 통한 성능 개선을 실제 모델 제작 후 실험을 통해 확인하였다.
본 연구에서는 현재 시장에 출시되고 있는 DVD 계열의 슬림형 광디스크 드라이브를 기준으로 24 배속 드라이브의 회전수를 32 배속으로 늘렸을 때 증가하는 진동을 감소시키기 위한 방안을 도출하기 위해서 유한요소 해석을 수행하였다. 여기에서 실제 모델을 기반으로 제작된 유한요소 모델은 튜닝과 실험 모달 해석을 통해 검증하였다.

제안 방법

데크 프레임의 형상 변화의 영향을 알아보기 위해 데크 프레임의 형상을 4 수준으로 바꾸어 가며 해석을 수행하였다. 1,2 수준에서는 데크 프레임의 두께 를 1mm, 0.8mm 로 바꾸어 주었으며, 3,4 수준에서는 데크부의 특정 부분을 구멍을 뚫어 무게를 감소 시키는 경우에 대해 해석을 수행하였다. 이에 대한 결과를 그림 6 에 정리하였다.
각 부품별로 정확한 물성치를 얻기 위해 실험 모달 해석을 수행한 후 유한 요소 해석 프로그램인 ANSYS 와 그 결과를 비교, 튜닝하는 방법을 취했다.
구조 동특성 변경을 위해 시스템 특성에 미치는 영향이 클 것으로 예상되는 설계 인자를 선택하였다. 드라이브의 전체적인 강성에 영향을 주는 데크 프레임의 재질과 형상, PCB 기판의 형상, 고무 마운트의 위치를 파라메터로 선택하였고.
데크 프레임은 사면체 요소를 이용하여 모델링하고, 고무 댐퍼는 선 요소를 이용하여 실험에서 얻은 횡방향 강성 및 종방향 강성 값을 고 려하였다. 그 외의 부품은 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였다. 사용된 요소들을 표 1 에 정리하였다.
여기에서 실제 모델을 기반으로 제작된 유한요소 모델은 튜닝과 실험 모달 해석을 통해 검증하였다. 내부 구조의 파라 메터를 추출하여 감도 해석을 수행하였고, 이를 기반으로 구조 동특성을 변경하였다. 그 결과는 유한 요소 해석 및 실험 모달 해석을 통하여 검증하였다.
유한요소 해석의 정확도 향상과 해석 시간 단축을 위해서 여러 요소 타입을 이용하여 유한요소 모델링을 시도하였다. 데크 프레임은 사면체 요소를 이용하여 모델링하고, 고무 댐퍼는 선 요소를 이용하여 실험에서 얻은 횡방향 강성 및 종방향 강성 값을 고 려하였다. 그 외의 부품은 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였다.
데크 프레임의 형상 변화의 영향을 알아보기 위해 데크 프레임의 형상을 4 수준으로 바꾸어 가며 해석을 수행하였다. 1,2 수준에서는 데크 프레임의 두께 를 1mm, 0.
본 연구에서는 슬림형 광디스크 드라이브의 진동 해석 및 구조 동특성 변경을 위해 유한요소 모델을 기반으로 해석을 수행하였다. 슬림형 광디스크 드라이브의 유한요소 모델을 실험 모달 해석을 통해 튜닝 및 검증하였고, 중요 파라메터들의 변경을 통한 성능 개선을 실제 모델 제작 후 실험을 통해 확인하였다.
슬림형 광디스크 드라이브의 정확한 유한요소 모델을 얻기 위해서, PCB 기판, PCB Rib, 스핀들 모터, 데크 프레임, 고무 댐퍼를 실험을 통해 정확한 물성치를 얻은 후 튜닝하고, 그 부품들을 순차적으로 결합시켜 가며 전체 유한요소 모델을 세우는 방법으로 진행하였다
실험은 실제 슬림형 광디스크 드라이브에 사용되는 모터를 지그에 부착하고, Force Transducer 를 이용하여 표준 디스크와 편심 디스크(편심량 0.3gram·cm)가 회 전할 때 전달되는 힘을 측정하였다.
실험을 통해 얻은 가진력을 앞에서 얻은 유한요소 모델에 대입하여 해석을 수행하였다. 24 배속과 32배속의 회전수는 Hz 단위로 85Hz 와 115Hz 에 해당하기 때문에 유한 요소 모델에서는 앞에서 얻은 가진력의 크기에 각각 해당하는 주파수로 조화 성분의 힘이 작용하도록 하중을 적용하였다.
앞에서 정의된 유한요소 모델을 기반으로 조화해석을 수행하기 위해서 가진력을 측정하였다. 실험은 실제 슬림형 광디스크 드라이브에 사용되는 모터를 지그에 부착하고, Force Transducer 를 이용하여 표준 디스크와 편심 디스크(편심량 0.
본 연구에서는 현재 시장에 출시되고 있는 DVD 계열의 슬림형 광디스크 드라이브를 기준으로 24 배속 드라이브의 회전수를 32 배속으로 늘렸을 때 증가하는 진동을 감소시키기 위한 방안을 도출하기 위해서 유한요소 해석을 수행하였다. 여기에서 실제 모델을 기반으로 제작된 유한요소 모델은 튜닝과 실험 모달 해석을 통해 검증하였다. 내부 구조의 파라 메터를 추출하여 감도 해석을 수행하였고, 이를 기반으로 구조 동특성을 변경하였다.
슬림형 광디스크 드라이브의 유한요소 모델은 PCB 기판과 PCB Rib, 스핀들 모터, 데크 프레임, 픽업, 픽업 가이드 등으로 이루어져 있다. 유한요소 모델의 형상이 복잡하기 때문에 3 차원 설계 프로그램인 SolidWorks 를 이용하여 모델링 및 단순화시키고, 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS 를 이용하여 유한 요소 해석을 하는 방법을 선택하였다. 그림 1 에 각 부품별 명칭과 위치를 설명하였다.
유한요소 해석의 정확도 향상과 해석 시간 단축을 위해서 여러 요소 타입을 이용하여 유한요소 모델링을 시도하였다. 데크 프레임은 사면체 요소를 이용하여 모델링하고, 고무 댐퍼는 선 요소를 이용하여 실험에서 얻은 횡방향 강성 및 종방향 강성 값을 고 려하였다.
현재 시장에 출시된 슬림형 광디스크 드라이브의 구조는 PCB 기판이 데크 프레임에 결합된 구조로서, 실제 작동시 PCB 기판이 다른 부분에 비해 과도하게 진동하는 유연 모드가 나타난다. 이를 개선하기 위해 외부로 돌출된 PCB 기판의 부피를 3 수준에 걸쳐서 줄이고, 추가적으로 PCB 기 판을 데크 프레임에 접착시킨 모델을 해석해 보았다. 모델의 개략도가 그림 7 에 표시되어 있으며, 해석 결과를 그림 8 에 정리하였다.
지금까지의 해석 결과를 기반으로 개선 모델을 제작, 향상된 진동 특성의 확인을 시도하였다. 개선 모델은 데크 프레임을 스틸로 제작하고, 데크 프레임 형상을 위의 데크 프레임 형상 개선 모델 중 1mm 두께를 가지는 모델로 선택하였다.

대상 데이터

개선 모델은 데크 프레임을 스틸로 제작하고, 데크 프레임 형상을 위의 데크 프레임 형상 개선 모델 중 1mm 두께를 가지는 모델로 선택하였다.
구조 동특성 변경을 위해 시스템 특성에 미치는 영향이 클 것으로 예상되는 설계 인자를 선택하였다. 드라이브의 전체적인 강성에 영향을 주는 데크 프레임의 재질과 형상, PCB 기판의 형상, 고무 마운트의 위치를 파라메터로 선택하였고. 고무 마운트의 재질 과 PCB Rib 의 두께의 변화에 따른 결과를 살펴 보았다.

데이터처리

내부 구조의 파라 메터를 추출하여 감도 해석을 수행하였고, 이를 기반으로 구조 동특성을 변경하였다. 그 결과는 유한 요소 해석 및 실험 모달 해석을 통하여 검증하였다.
실험 및 튜닝 과정을 거쳐 만들어진 유한요소 모델의 형태는 그림 2 와 같다. 최종 모델 역시 실험 모달 해석을 통해 검증하였고, 3 차까지의 진동 모드 형상을 그림 3 에 설명하였고, 실험적 결과와 유한요소 모델의 해석 결과를 표 2 에서 비교하였다.

성능/효과

모델의 개략도가 그림 7 에 표시되어 있으며, 해석 결과를 그림 8 에 정리하였다. PCB 기판의 형상 변화는 현재 모델 과 비교하여 더 나은 성능을 가지지만, PCB 기판을 데크 프레임에 접착한 경우가 형상을 변화시킨 것과 비교하여 더 나은 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다.
그림 9 에서 총 4 가지 모델의 실험 결과를 정리하였는데, P 는 기존 모델, PB 는 기존 모델에 PCB 기판과 데크 프레임을 접착 처리한 모델, S 는 개선 모델에서 PCB 기판을 데크 프레임에 접착하지 않은 모델, SB 는 언급한 모든 개선 사항을 적용한 모델이다. 실험 결과를 통 해 최대 61%의 진동 감소가 이루어졌음을 확인할 수 있다. 표 3 은 각 모델별 고유주파수를 유한요소 해석을 통해 얻은 값과 실험 모달 해석을 통해 얻은 값을 비교하고 있다.
위에서 정리한 결과 외에 고무 마운트의 위치, PCB Rib 의 두께, PCB Rib 의 형상 등을 바꿔가며 해석을 실행하였으나, 고무 마운트의 위치와 PCB 기판의 형상은 현재 사용하는 SATA 방식에서는 기판의 형상을 바꾸기 힘든 관계로 구조 변경이 어렵고, 기타 인자들은 진동 특성에 구조 동특성에 미치는 영향이 미미한 것으로 확인되었다.

후속연구

다양한 정보 저장기기 중에서 Optical Disk Drive(ODD)는 뛰어난 배포성과 가격 경쟁력, 휴대성을 기반으로 정보저장기기 분야에서 중요한 부분을 차지하고 있다. 특히 차세대 광학 정보저장기기 등과 관련하여, 기록 용량과 전송속도 향상을 위하여 많은 연구가 이루어지고 있으며, 이 방안으로 트랙 밀도의 증가와 디스크의 회전 속도 증가는 필수적이라 할 수 있다.

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