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ハードディスクの磁気ヘッドにおけるモード形状の最適化
本資料では、最適設計支援ツールOptimusの概要と、ハードディスクの磁気ヘッドにおけるモード形状の最適化事例をご紹介します。具体的には、支持アームの材料特性や形状寸法を変更することにより、モード形状を最適化します。また、多目的最適化により、変位と固有振動数の競合関係を把握し、バランス違いの解を複数求めます。
ハードディスクと磁気ヘッド
磁気ヘッドは高速な読み出し/書き込みのために超高速で動作するため、磁気ヘッド先端が振動し、読み出し/書き込みの位置決めが困難になります。そこで、振動の節を利用して、磁気ヘッドの位置決め精度の向上を図ります。但し、剛性を確保するため固有値もある程度高くする必要があります。これらの目的を実現するため、支持アームの材料特性や形状寸法を変更します。
多目的最適化問題
磁気ヘッド先端水平変位（刺激関数）の最小化および固有振動数の最大化を目的関数とした多目的最適化を実施します。制約条件は、水平変位≦450、固有振動数≧ 12000 Hzとします。設計変数には、材料特性（ヤング率など）、形状寸法（板厚、回転軸側/先端側の半径R1およびR2、回転軸側/先端側の幅W1およびW2）を設定します。ANSYS Mechanical APDL V14によるモーダル解析（固有値解析）をOptimusで自動化し最適化を行います。
変数間の関係性の把握
実験計画法、応答曲面法により、変数間の関係性を把握します。実験計画法はサンプリング手法、応答曲面法はサンプリングデータから近似式を作成する手法です。Sobol（感度の総和を1とした比率）により、変位に対しては回転軸側半径R1、固有振動数に対しては回転軸側半径R1および先端側半径R2の感度が高いことを確認しました。感度の高い半径R1、R2について、応答曲面法のISOプロット（出力値空間の曲面）を示します。変位と固有振動数のバランスを考慮した白い領域の解を多目的最適化により求めます。
最適解の探索
逐次近似最適化手法であるNon-dominated Sorting Evolutionary Algorithm + （NSEA+）を使用して、材料特性および形状寸法の最適解を探索します。制約条件を満たす23点のパレート解のうち、変位優先のパレート解1と、固有振動数優先のパレート解23を確認しました。その結果、変位優先のパレート解1では、初期形状の刺激関数に対し約1%まで先端変位を抑制しました。このように、多目的最適化により、変位と固有振動数の競合関係を把握し、バランス違いの解を複数求めました。
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