三维悬线式蓝光光学头力矩器的特性研究及优化

发布时间：2020-05-15 18:17

【摘要】：本论文对一种悬线带5°夹角的三维悬线式蓝光光学头力矩器进行了磁场分析、模态和谐响应分析,通过与实验对比建立三维悬线式蓝光光学头力矩器的磁场、低频特性参数的仿真计算模型,同时对力矩器等效刚度模型和灵敏度方面等参数进行理论探讨和优化。首先介绍光学头系统组成以及力矩器实现聚焦运动和循迹运动的控制原理。力矩器作为光存储读取系统光学头中最重要的部件之一,其性能的好坏决定着整个读取头的好坏。随着光存储的发展,特别是蓝光存储的出现传统的二维悬线式力矩器已经不能满足需要,三维悬线式力矩器则成为新的发展方向。在国内对于力矩器的研究还停留着二维力矩器上,而新的三维悬线式力矩器则国内还处于空白。三维悬线式力矩器相对于二维力矩器具有更复杂的结构和更高的灵敏度,其结构尺寸也越来越小,因此具有很高的研究价值。力矩器的两个主要运动:聚焦运动和循迹运动是力矩器最主要的方向上的参数,两个方向上的特性参数和实验测试方法以及光学光学头实现聚焦运动和循迹运动的原理都进行了测量和介绍。利用有限元软件ANSYS的磁场分析模块,建立了三维悬线式蓝光光学头力矩器的磁场分析模型。三维悬线式力矩器实现聚焦运动、聚焦运动和倾斜补偿运动是通过磁场中的通电线圈受力来实现的。对力矩器的磁场分布建立理论模型,永磁铁磁场模型采用磁极化理论来建立,而毕奥-萨伐尔定律来建立通电线圈的磁场模型。利用有限元软件ANSYS中的电磁场模块,对线圈实体建模,并把电流源以电流密度的方式输入,用矢量单元SOLID97代替标量单元,用MVP的方法求解得到力矩器线圈上的磁场分布和有效受力。建立了三维悬线式蓝光光学头力矩器的低频特性仿真分析模型。三维悬线式力矩器主要由可动部件和不可动部件组成,其中不可动部件主要包括磁铁和轭铁为磁场的主要组成部分,可动部件包括物镜架、物镜、五组线圈和六根悬线。三维悬线式力矩器在工作的时候是始终处于一种振动状态。三维悬线式力矩器的力学特性参数如一阶共振频率、一阶共振峰值、5Hz灵敏度和200Hz灵敏度等是体现力矩器性能的主要参数。利用ANSYS中的模态分析模块提取力矩器可动部件的模态。可动部件的低频区域主要为聚焦方向、循迹方向和倾斜方向上的固有频率分别50.5Hz,54.8Hz,205.2Hz,三种模态模拟结果与实验对比误差小于1%;可动部件的高频区域模态主要是物镜架组件的弹性共振,且二阶共振频率均大于20kHz。采用ANSYS软件中的谐响应模块对力矩器的特性参数进行模拟,而力矩器中的阻尼胶效应则使用等效阻尼系统来模拟,通过与实验对比仿真结果误差在5%以内。利用材料力学建立了三维悬线式蓝光光学头力矩器的等效刚度模型。根据振动原理知道六根悬线都作为理想的悬臂梁结构处理且这六根悬线为并联的方式。对每根悬线进行受力分析,采用材料力学中梁的挠度原理求解得到力矩三个方向的等效刚度模型,通过与实验结果对比误差在5%以内。并对悬线的长度、半径、夹角、不同截面以及六根悬线截面的进行不同设计为力矩器的频率优化提供设计方案。采用正交试验设计做为分析方法,提取力矩器磁场的七个磁场因子对力矩器的灵敏度进行优化。对力矩器磁场因子提取七个因子,利用三水平七因子的正交表分析,发现永磁铁的位置和其磁极方向对力矩器的灵敏度有较大的影响可以提高接近40%,为力矩器的灵敏度设计提供了设计基础。
【图文】：

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DVD 类和光盘类产品生产及制造大国。以 DVD 播放机为代表的数字光盘机产业系统迅速建立并成长起来，现在有数十家 DVD 播放机生产商的产品正热销在国内外市场，而我国制造的 DVD 光盘机在国际市场同样具有很强的竞争能力。同时，我国也是 DVD 光碟机系统中主要部件光学头的生产大国，到 2010 年大陆共生产各类光碟机光学头约占世界总产量的 80％以上，但是这些光学头企业都是国外公司扶持或合资的形式，能实现独立自主的生产光学头的企业非常小，而且能生成的都是低端的一些 CD、VCD 光学头[12]，国内自己形成的产业都是对光盘机或光学头的来料加工或组装模式，利润低且处于被动地位。随着我国成为最大的光存储产品生产大国，但是我国并没有掌握光盘系统中的关键技术，特别是在核心技术和自主知识产权这两个方面方面，这些专利和技术基本都被掌握在国外的一些大型企业中，国内几乎是空白。由于自身没有光碟机和光学头类产品的专利技术，而国外掌握这些技术的大型企业对我国的产品征收高额的专利费，就这一项每年我国就需要负大约接近 10 亿美元的专利费。

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芝为首的并与 NEC 开发 Advanced Optical Disk(AOD)，并得到 DVD 联盟的支持下更名为 HD DVD 的阵营相互争斗下，2008 年最终 BD 系统战胜了 HD DVD 并制定了相关的蓝光光盘的标准，，称为新一代光存储发展的趋势。蓝光光盘是采用与 DVD 光盘相同的 1.2mm 厚的蓝光碟片，但是其光学波长选用405nm的蓝光波长的相对于DVD系统的650nm的读写器和CD系统中的红光 780nm 读取器。蓝光光盘由于读取器的波长更短，可以使得蓝光光盘存储的数据信息密度更大、存储容量增大。一个单层的蓝光光碟的容量为 25GB 或是27GB，足够烧录一个长达 4 小时的高解析影片，但是以 6x 倍速烧录单层 25GB的蓝光光碟却只需大约 50 分钟。而双层的蓝光光碟容量可达到 46 或 54GB，足够烧录一个长达 8 小时的高解析影片，而容量为 100 或 200GB 的，分别是 4层及 8 层[14-17]。期胡盛勇：三维悬线式蓝光光学头力矩器的特性研究及优化 I137-6-
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP333.4

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