광디스크 드라이브 방진설계 순 천 향 대 학 교 기 계 공 학 과 김 국 원

1. 개 요 광디스크 드라이브: CD, DVD Page 1 CD DVD 레이저 기판 Al 반사막 보호막 판독 방향 랜드 피트 레이블 판독 방향 랜드 피트   CD DVD 기록 용량 650 MByte 4.7 Gbyte/편면 단층 8.5 Gbyte/편면 복층 9.4 Gbyte/양면 단층 19 Gbyte/양면 복층 트랙 피치 1.6 mm 0.74 mm 최소 피트 길이 0.8 mm 0.4 mm

1. 개 요 시스템 개략도 Page 2 Disk Objective Lens Spindle Motor Pick-Up Tray Objective Lens Spindle Motor Pick-Up Rubber Mount Pick-up Base Base Rubber Mount

2. 연구 배경 광 디스크 드라이브의 고밀도화 고배속화 고무 부품에 대한 체계적인 설계 곤란 컴퓨터의 발달 - 유한요소법 적용 Page 3 광 디스크 드라이브의 고밀도화 고배속화 기계적 진동/소음 문제 심각하게 대두 방진부(특히 방진고무) 설계 중요시 고무 부품에 대한 체계적인 설계 곤란 기하학적, 재료적 비선형 초탄성, 점탄성, 물성치가 주위환경에 민감 컴퓨터의 발달 - 유한요소법 적용

Strain Amplitude (log scale) 2. 연구 배경 Page 4 고무 물성치의 특징 주파수, 온도, 동적진폭, 초기 변형률 등의 영향을 받음 주파수 특성 온도 특성 Es Rubbery Region  Storage Modulus, Es Loss Factor  Storage Modulus, Es  Loss Factor  Es Frequency (log scale) Temperature 동적 진폭에 의한 특성 예하중 의한 특성 Es Increasing prestrain  Storage Modulus, Es  Storage Modulus, Es Loss Factor  Loss Factor  Es Strain Amplitude (log scale) Frequency

유한요소 해석에 정적강성과 시편의 동특성 실험값으로부터 3. 발표 내용 Page 5 방진고무 동특성 해석 및 예측 방진고무 압축의 변화(0.8, 1.3, 2.25 mm) 유한요소 해석에 의한 강성변화 예측 재료 비선형성 고려 접촉 요소 사용, 현실적인 경계조건 동특성 영향 고찰 정적 강성의 변화로써 동특성 변화 예측 인장시험에 의한 RUBBER의 변형률에너지 함수의 결정 : Mooney-Rivlin 상수 결정 유한요소 해석에 정적강성과 시편의 동특성 실험값으로부터 방진고무 동특성 예측 NoteBook용 방진고무 설계

4. 방진고무 동특성 해석 방진고무 모델링 M K*=K(1+jh) Page 6 고무의 강성 모델링 1. K* = const ANALYSIS DESIGN 고무의 강성 모델링 1. K* = const 2. K*(w) : 주파수에 따른 강성 증가 고려 3. K*(w,l) : 예하중 및 주파수 의존성 고려 (재료의 비선형성 : 변형률에너지) 5. K*(w,l,a,T...) : 가진 진폭, 온도 등의 영향 고려 4. K*(w,l) : 경계조건의 비선형 고려 (접촉해석)

4. 방진고무 동특성 해석 변형률에너지 함수의 결정 Page 7 초탄성 거동 : 변형률 에너지 함수 이용 재료 거동 표현 여기서 : second Piola-Kirchhoff 응력 텐서 : Green-Lagrange 변형률 텐서 등방성 및 비압축성이라 가정 여기서 : 변형률 불변계수 변형률 에너지 함수를 표현하는 재료 모델 RIVLIN OGDEN 본 연구에서는 MOONEY-RIVLIN 재료 모델 사용 여기서 C1, C2는 재료시험으로부터 결정

4. 방진고무 동특성 해석 Page 8 인장시험 인장시험 : UTM(Universal Testing Machine, Instron) 시편 : KS M6782 아령 1호형, 두께 2.5 mm 경도 30 부틸고무 인장속도 5 mm/min, 시험온도 23 oC Figure Stress-strain relation from uniaxial test and curve fitting for Mooney-Rivlin coefficient 실험으로부터 얻어진 Mooney-Rivlin 계수 C1 = 4.91x104, C2= 1.59x104 [N/m2]

Figure Schematic diagram of the rubber mount 4. 방진고무 동특성 해석 Page 9 방진고무 강성 계산 문제정의, 해석 방법, 모델링 System mass Screw 시스템의 무게 스페이서의 압축량 변화 0.8 mm 1.3 mm 2.25 mm 각각의 강성 변화 예측 Spacer Rubber Figure Schematic diagram of the rubber mount

Figure Axisymetric finite element model of the rubber 4. 방진고무 동특성 해석 Page 10 방진고무 강성 계산 유한요소해석 Contact element Ground Spacer A B C 스페이서의 압축 (2.25 mm) 스페이서 + 시스템 질량 Figure Axisymetric finite element model of the rubber

4. 방진고무 동특성 해석 방진고무 강성 계산 해석 결과 Page 11 축방향 변형률 분포 반경방향 변형률 분포 Table Comparison between FEM analysis and measurement for deflection 해석 결과 축방향 변형률 분포 반경방향 변형률 분포 전단 변형률 분포

4. 방진고무 동특성 해석 방진고무 동특성 실험 Page 12 Figure Experimental setup for rubber transmissivity Figure Transmissibility of the rubber

4. 방진고무 동특성 해석 예하중 변화에 따른 동특성 변화 Page 13 정적 강성 변화로부터 고유진동수 변화 예측 Spacer 정적강성 고유진동수 예측 0.8 mm 8.1 MPa - 1.3 mm 12.3 MPa 51.78 Hz 2.25 mm 19.8 MPa 65.94 Hz Spacer 0.8, 1.3 2.25 mm에 대한 전달률 실험 Spacer 고유진동수(실험값) 0.8 mm 42 Hz 1.3 mm 54 Hz 2.25 mm 66 Hz 0.8 mm 압축에 비해 1.52 배 증가 2.44 배 증가 0.8 mm 압축에 비해 1.23 배 증가 1.56 배 증가 0.8 mm 압축에 비해 1.29 배 증가 1.57 배 증가

4. 방진고무 동특성 예측 개요 앞 방법의 단점 원하는 형상의 방진고무를 제작한 후 한번의 동특성 실험이 필요함 Page 14 개요 앞 방법의 단점 원하는 형상의 방진고무를 제작한 후 한번의 동특성 실험이 필요함 본 연구의 목표 시편의 동특성 실험 결과로부터 복잡한 형상의 방진고무 동특성 예측

4. 방진고무 동특성 예측 가정 Page 15 여기서 : 대변형 상태에서의 특정한 형상을 지닌 방진고무의 동적 강성 : 대변형 상태에서의 특정한 형상을 지닌 방진고무의 정적 강성 : 재료시편의 동특성 실험에서 구해지는 동적 탄성계수 : 재료시편의 정적 탄성계수 여기서 탄성계수와 강성의 비가 어떠한 주파수에서도 성립

4. 방진고무 동특성 예측 구하기 동적 탄성계수 Page 16 시편 동적탄성계수 : Impedance Method 경도 30 부틸고무 Pre-strain 5 %, Dynamic Amplitude 2 % 지름 15 mm 길이 5 mm

4. 방진고무 동특성 예측 구하기 Page 17 ANSYS - HYPER56요소 - 요소수 96개 - 축대칭 및 1/2형상 - 경계조건 OX : 고정 OY : 대칭 X Y O 반경방향 응력 축방향 응력

4. 방진고무 동특성 예측 Page 19

4. 방진고무 동특성 예측 연구결과로부터 Page 20 1) 방진고무의 동특성(고유진동수)을 알고 있는 경우, 방진고무 환경의 변화(지지무게의 변화, 방진고무 압축정도의 변화 등)시, 동특성 변화를 정적강성의 변화로써 정확하게 예측 가능함 2) 새로운 방진고무를 설계할 때, 원통형 시편의 동적강성에 대한 실험값을 이용하여, 제작 전 어떠한 형상의 방진고무라도 동특성 예측이 가능(약 20 % 정도의 오차발생)

5. NoteBook용 방진고무 설계 연구배경 최적의 방진고무 설계 요망 IBM NoteBook용 DVD-ROM 납품 Page 21 연구배경 최적의 방진고무 설계 요망 IBM NoteBook용 DVD-ROM 납품

5. NoteBook용 방진고무 설계 진동 요구조건(From IBM) 내부가진 외부가진 Page 22 Self vibration level [from Engineering Specification for Super Slim DVD/CD-ROM with 12.7mm Height 4X Speed / Revision – 4.1] The drive must operate within IBM internal criteria for System vibration level ,   85 dB with 0.30g-cm disk at Full speed (24x CD-ROM) 88 dB with 0.50g-cm disk at 24x or 20x speed. 88 dB with 0.75g-cm disk at 24x or 20x or lower speed. 88 dB with 1.00g-cm disk at 24x or 20x or lower speed. These measurement should be done using the drive mounted in the IBM system value of all 3 axis shall be measured and used for calculation of self vibration level as written in IBM specification. Spin down is allowed, but supplier should achieve the highest possible rotation speed in the given range © IBM 작동중 외부가진은 30분동안 행해지며, IBM C-S 1-9711-002 standard에서 정해놓은, 특정한 값의 power spectral density(PSD)로 랜덤 가진을 행할 시 테이터 재생이 가능해야 한다.

5. NoteBook용 방진고무 설계 Page 23 모델링 및 유한요소해석 반경방향 변형률 축방향 변형률 전단 변형률

5. NoteBook용 방진고무 설계 Page 24 제작 Yamauchi社 제작, 재질 butyl, 경도 30°

5. NoteBook용 방진고무 설계 Page 25 평가 Tri-axial accelerometer

(with Yamauchi 30 Rubber) 5. NoteBook용 방진고무 설계 Page 26 평가 Mass-unbalance LG DS-1, Set 3 Pilot 5th, Firmware 1.03 (with Yamauchi 30 Rubber) LG DS-1, Set 4 IBM Spec. Value Inner race Outer race 0.3 gcm 78.59 dB (76.5 Hz) 83.85 dB (86Hz) 79.56 dB 83.6 dB 85 dB (24 ) 0.5 gcm 85 dB 87. 5 dB (86 Hz) 83.93 Hz 87.4 dB 88 dB (20 )