JP2001052348A - ディスク装置におけるアクチュエータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、位相余裕の改善化が図れるディ
スク装置におけるアクチュエータ制御装置を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】アクチュエータの目標値までの誤差を示す
誤差信号に基づいて第１外乱オブザーバ信号を生成する
第１外乱オブザーバ演算部、制御器によって生成される
駆動信号と第１外乱オブザーバ演算部によって生成され
る第１外乱オブザーバ信号とに基づいて、第２外乱オブ
ザーバ信号を生成する第２外乱オブザーバ演算部、およ
び第２外乱オブザーバ演算部によって生成された第２外
乱オブザーバ信号を入力とし、所定の周波数の位相を持
ち上げてアクチュエータを駆動させるための信号を生成
する位相進み回路を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光ディスク装
置、磁気ディスク装置等のディスク装置におけるアクチ
ュエータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスク装置または磁気ディスク装置
（以下、単にディスク装置という）の技術発達により、
ディスク装置が様々な状況で用いられるようになり、室
内だけでなく屋外で持ち運びながらディスク装置が使用
されることが多くなっている。それに伴い、ディスク装
置と外部からプレーヤに加わる振動や衝撃の問題が重要
になってきた。

【０００３】従来のディスク装置では、振動や衝撃とい
った外乱によってサーボ外れを起こしやすかった。例え
ば、携帯型、或いは車載用ＣＤプレーヤといったプレー
ヤ自体が静止していない状況で使用される装置では、そ
の移動に伴って発生する種々の外乱によって焦点制御で
あるフォーカスサーボやトラック追従制御であるトラッ
キングサーボが外れるといったことが起こっていた。

【０００４】そこで、本出願人は、振動、及び衝撃とい
った外乱に強いアクチュエータ制御装置を開発した。以
下、本出願人が開発したアクチュエータ制御装置につい
て、詳しく説明する。

【０００５】〔１〕光ディスク装置の制御系 図１は、光ディスク装置におけるトラッキングアクチュ
エータ制御装置の一般的な構成を示している。

【０００６】制御器１には、光ピックアップ内の対物レ
ンズが目標値から左右方向に相対的にどれだけずれてい
るかを示す位置誤差信号が入力される。制御器１として
は、ＤＳＰが用いられている。

【０００７】制御対象２は、光ピックアップ内の対物レ
ンズを左右方向に駆動させるトラッキングアクチュエー
タからなり、光ピックアップ内部に設けられている。制
御対象２は、制御器１からの駆動電圧を受けて対物レン
ズを左右方向に移動させる。

【０００８】制御器１から制御対象２に送られた駆動電
圧は、最終的に力となってアクチュエータに印加される
が、その過程で外部から振動やショックといった外乱が
加わると、その外乱によって制御対象２の出力する駆動
量が狂ってしまう。

【０００９】各光ディスクは、偏心（中心位置のずれ）
を持つため、制御対象をそれに追従させるようにするの
がトラッキングサーボの目標である。この追従させるべ
き信号は目標値と呼ばれている。

【００１０】トラッキングサーボ系の制御装置による制
御とは、”外乱の影響を極力抑えながら、偏心に適切に
追従できるようにアクチュエータを駆動させて、対物レ
ンズからの反射信号を正しく読み取れるようにするこ
と”である。具体的には、”光ピックアップ内で位置誤
差信号を検出し、位置誤差信号をできるだけ０に近づけ
るように、制御器１で駆動信号を生成させる”ことを指
す。より具体的には、次の、、の一連の動作を繰
り返して行っていく。

【００１１】 位置誤差信号を用いて制御器１で駆動
電圧信号を計算し、得られた駆動電圧信号を制御対象２
であるアクチュエータへ送る。 駆動電圧信号を受けたアクチュエータは、目標とする
位置とのずれを小さくするように移動する。 その結果、新たに位置誤差信号が検出され、次の駆動
電圧信号を計算するために用いられる。

【００１２】〜の動作は命令があるまで途切れるこ
となくループを描いているので、クローズドループ系(C
losed Loop System)と呼ばれている。

【００１３】クローズドループ系は、一般的に図２に示
すようなブロックで表現されることが多い。

【００１４】大まかな制御性能を調べるには、図３に示
すように、ループを切ったオープンループ系(Open Loop
System)を想定して評価する。

【００１５】〔２〕従来サーボ制御技術の問題点 従来の制御系であれば、”偏心追従性能を上げれば、外
乱抑圧性能が下がる”、あるいは”外乱抑圧性能を上げ
れば、偏心追従性能が下がる”というように、”偏心追
従性能”と”外乱抑圧性能”とはトレードオフの関係に
あるため、両方の性能を共に高めることは困難である。

【００１６】このため、外乱の影響を大きく受ける携帯
機器用光ディスク装置では、次ののように、電機的
あるいは機械的に”外乱の影響を表面上表れにくくす
る”ような処理が施されている。

【００１７】メモリ蓄積法（ＭＤ法） 再生信号を高速でメモリに蓄積した後、通常速度で再生
信号を読み出す。これによって、外乱でサーボが外れた
際に、サーボが復帰するまでの時間を稼ぐ方法である。

【００１８】しかしなから、この方法では、１）限られ
た期間（１０秒程度）しか効果がない、２）再生信号の
み扱うので、記録型のドライブには適用できない可能性
がある、３）追加メモリが必要である、といった問題が
ある。

【００１９】衝撃吸収材でプレーヤを包む方法 車載用プレーヤでは、プレーヤを衝撃吸収材で包むこと
によって、外乱を吸収しようとしている。しかしなが
ら、この方法では、１）サイズ的に大きくなるとともに
重くなるので、携帯機器には向かない、２）記録型には
使えない、といった問題がある。

【００２０】最近では、高速回転のＣＤ−ＲＯＭが普及
しているが、この高速回転モータの発生する振動がアク
チュエータに外乱として加わり、偏心成分が大きくなる
ことが分かっている。また、ＣＤ−Ｒに代表される記録
型では、データ記録時にアクチュエータに微振動が発生
し、偏心成分が大きくなることが分かっている。上記
の方法では、このような外乱を吸収することができな
い。

【００２１】〔３〕外乱オブザーバの基本的な考え方 オブザーバとは、直接測定できない信号を、測定できる
信号や入手可能な信号を用いて、計算（アルゴリズム）
によって導出する機能を持つものの総称を指す。

【００２２】外乱オブザーバとは、加速度センサなどを
用いないと測定できないショック・振動といった外乱成
分を計算によって導出し、得られた推定外乱信号を用い
て入力外乱を打ち消す（キャンセルする）役割を持つも
のをいう。外乱オブザーバは、制御器として位置付けら
れる。

【００２３】〔３−１〕 外乱オブザーバのない通常の
制御系 図４は、外乱オブザーバのない通常の制御装置の構成を
示している。

【００２４】図４において、Ｃ（ｓ）は制御器１の伝達
関数を、Ｐａ（ｓ）は制御対象( アクチュエータ) ２の
モデルを、ｅ（ｓ）は制御器１への入力（電圧信号）
を、ｙ（ｓ）は制御対象２の出力( 位置信号) を、ｄ
（ｓ）は外乱信号をそれぞれ表している。

【００２５】制御器１は、入力信号ｅを用いてアクチュ
エータ２を適切に動作させるための信号を計算し、アク
チュエータ２に送る。その結果、アクチュエータ２はｙ
という移動を行う。

【００２６】振動やショックなどの外乱ｄがない場合の
アクチュエータの出力ｙ（＝ y_{no-d ist} ）は、次の数式
１で表される。

【００２７】

【数１】

【００２８】しかしながら、制御系に振動やショックな
どの外乱ｄが加わると、アクチュエータの出力ｙは、次
の数式２のようになり、外乱ｄがない場合に比べて、Ｐ
ａ・ｄ分だけ、乱れることになる。このアクチュエータ
の出力ｙの乱れは、信号読み取り誤差を大きくするだけ
でなく、サーボ外れ（信号が大き過ぎて制御ができなく
なる）の原因ともなる。

【００２９】

【数２】

【００３０】〔３−２〕 外乱オブザーバの動作原理 図５は、外乱オブザーバの動作原理を示すブロック図で
ある。図５において、破線で囲んだ部分１０が外乱オブ
ザーバである。

【００３１】図５において、Ｃは制御器１の伝達関数
を、Ｐａは現実的な( 厳密な) 制御対象( アクチュエー
タ) ２のモデルを、伝達関数１／Ｐｎを有する要素３に
おけるＰｎはＰａから非線形な部分を除いた理想的なモ
デルを、要素４は低域通過フィルタ（Ｑフィルタ) を、
ｅは制御器１への入力（電圧信号）を、ｙは制御対象２
の出力( 位置信号) を、ｄは外乱信号を、ｄ^* は外乱推
定信号をそれぞれ表している。

【００３２】このような構成では、アクチュエータの出
力ｙは、次の数式３で表される。

【００３３】

【数３】

【００３４】したがって、ｄとｄ^* とがほぼ等しけれ
ば、外乱の影響を打ち消すことができる。

【００３５】次に、全体の系としてみた場合の入出力関
係（入力ｅおよび外乱ｄと、出力ｙとの関係式）につい
て調べる。図５から、アクチュエータの出力ｙは、次の
数式４で表される。

【００３６】

【数４】

【００３７】ここで、仮に、Ｑ＝1 とおくと、数式４
は、次の数式５となり、外乱信号ｄがいかなる値でも、
出力ｙに表れない。

【００３８】

【数５】

【００３９】また、Ｑ＝０とおくと、数式４は、次の数
式６となり、従来の外乱オブザーバのない系の応答（数
式２の応答）と等しくなる。

【００４０】

【数６】

【００４１】つまり、Ｑ＝1 の範囲内、すなわち、フィ
ルタＱの通過域においては、外乱ｄに関係なく、外乱応
答はゼロになる。また、制御対象が理想的なモデルとし
て動作する。

【００４２】言い換えれば、フィルタＱの特性が外乱抑
制域を決定づける。通常、Ｑとしては低域通過フィルタ
が用いられる。そして、Ｑの通過域が外乱抑制域とな
る。

【００４３】〔４〕外乱オブザーバの実用化 〔４−１〕等化変換による変形

【００４４】図５のブロックは、そのままの形では、実
現できないので、等化変換する必要がある。

【００４５】図６は、図５のブロックを等化変換した図
である。図６では、制御器１と、制御対象２と、伝達関
数１／（１−Ｑ）を有する要素５と、伝達関数Ｑ／Ｐｎ
を有する要素６とを備えている。

【００４６】図６においては、”外乱を推定外乱でキャ
ンセルする”という役割は現れないが、図６に対する入
出力関係を表す数式は、図５に対する入出力関係を表す
数式４と同じとなる。したがって、図６の制御装置にお
いても、外乱抑制効果は維持されている。実際のクロー
ズドループ系は、図７に示すようになる。

【００４７】〔４−２〕 光ディスク装置への外乱オブ
ザーバの適用 モータなどの制御対象であれば、制御対象の移動量ｙは
センサによって測定することが可能である。しかしなが
ら、光ディスク装置の場合、光学ピックアップを用いて
取り出せるのは位置誤差信号ｅだけであるため、図７の
形で外乱オブザーバを実現することが不可能である。し
たがって、何らかの変形を行って光ディスク装置に適用
させる必要がある。

【００４８】そこで、本出願人は、次のような変形を行
って、光ディスク装置に適合した制御装置を開発し、特
許出願をした（特願平１０−１５９１９７）。つまり、
図７において、伝達関数Ｑ／Ｐｎを有する要素６は、測
定不可能なｙを入力としているので、この部分を”ｅ＝
ｒ−ｙ" を入力する要素６ａで代用することによって、
図８に示すような、制御装置を開発した。

【００４９】この制御装置は、次のような特徴を持って
いる。

【００５０】センサやハードウエアが不要である。図
８の制御装置では、外乱オブザーバを制御器（ＤＳＰ）
として設計しているため、従来の振動吸収装置に必要で
あったハードウエアが一切必要なく、付加的コストアッ
プはない。

【００５１】プレーヤの型を選ばない。従来の振動吸
収技術は、携帯機器に向かなかったり、記録型に向かな
かったりというように、適用機種を限定するものであっ
たが、図８の制御装置では制御理論的に外乱に強い制御
系を構築するのを目的としているので、プレーヤの機種
を選ばない。

【００５２】

【発明が解決しようとする課題】本出願人が開発した図
８の制御装置では、従来のＰＩＤ制御のみのシステムに
比べて、位相余裕が若干減少し、安定性が損なわれると
いう減少が見られた。ここで、位相余裕とは、系の安定
度（応答が発振しない）の尺度となる値である。また、
位相余裕が若干減少する結果、ディスク上の傷に弱くな
る、つまり、傷通過時にサーボ外れが起こり易い、誤差
信号の振幅が大きく乱れるという症状が現れた。

【００５３】位相余裕が減少する原因は、明確には不明
であるが、図７の制御装置は図５を等化変換することに
より得られた制御装置であるのに対して、図８の制御装
置では図７における伝達関数Ｑ／Ｐｎを有する要素６
を、”ｅ＝ｒ−ｙ" を入力する要素６ａで代用すること
によって得られた制御装置であるため、図８のシステム
が図５の制御装置と等化ではないことにあると考えられ
る。

【００５４】この発明は、位相余裕の改善化が図れるデ
ィスク装置におけるアクチュエータ制御装置を提供する
ことを目的とする。

【００５５】

【課題を解決するための手段】この発明によるディスク
装置におけるアクチュエータ制御装置は、アクチュエー
タの目標値までの誤差を示す誤差信号に基づいてアクチ
ュエータの駆動信号を生成する制御器を備えたディスク
装置におけるアクチュエータ制御装置において、アクチ
ュエータの目標値までの誤差を示す誤差信号に基づいて
第１外乱オブザーバ信号を生成する第１外乱オブザーバ
演算部、制御器によって生成される駆動信号と第１外乱
オブザーバ演算部によって生成される第１外乱オブザー
バ信号とに基づいて、第２外乱オブザーバ信号を生成す
る第２外乱オブザーバ演算部、および第２外乱オブザー
バ演算部によって生成された第２外乱オブザーバ信号を
入力とし、所定の周波数の位相を持ち上げてアクチュエ
ータを駆動させるための信号を生成する位相進み回路を
備えていることを特徴とする。

【００５６】第１外乱オブザーバ演算部は、特定の周波
数帯域の信号を通過させる第１フィルタから構成され
る。第２外乱オブザーバ演算部は、低周波数帯域の信号
の利得を増加させるための第２フィルタから構成され
る。

【００５７】アクチュエータとしては、たとえば、トラ
ッキングアクチュエータ、フォーカスアクチュエータが
ある。アクチュエータがトラッキングアクチュエータで
ある場合には、誤差信号としてはトラッキング誤差信号
が用いられる。アクチュエータがフォーカスアクチュエ
ータである場合には、誤差信号としてフォーカス誤差信
号が用いられる。

【００５８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
を、ＣＤプレーヤのトラッキングアクチュエータの制御
装置に適用した場合の実施の形態について説明する。

【００５９】図９は、トラッキングアクチュエータの制
御装置の構成を示している。

【００６０】この制御装置は、本出願人が既に開発した
図８の制御装置に、位相進み回路を付加したものであ
る。この制御装置は、誤差信号生成部１１、制御器１
２、第１外乱オブザーバ演算部１３、第２外乱オブザー
バ演算部１４、位相進み回路１５および制御対象（トラ
ッキングアクチュエータ）１６を備えている。

【００６１】制御対象１６は、摩擦、むだ時間要素、高
次共振といった非線形要素を考慮に入れた現実に近い制
御対象モデルである。制御対象１６の伝達関数をＰａ
（ｓ）で表す。

【００６２】誤差信号生成部１１は、制御対象１６の望
ましい位置（目標値）とされる基準入力信号ｒと、制御
対象１６の実際の位置を表す出力信号ｙとに基づいて、
制御対象１６の基準信号までのずれを示すトラッキング
誤差信号（以下、単に誤差信号という）ｅを生成する。

【００６３】制御器１２は、誤差信号ｅを入力とし、演
算結果信号ａを出力する。第１外乱オブザーバ演算部１
３は、誤差信号ｅを入力とし、演算によって第１外乱オ
ブザーバ信号ｂを出力する。第２外乱オブザーバ演算部
１４は、制御器１２から出力される演算結果信号ａに、
第１外乱オブザーバ部１３から出力される第１外乱オブ
ザーバ信号ｂが加算された信号（ａ＋ｂ）を入力とし、
第２外乱オブザーバ信号ｃを出力する。位相進み回路１
５は、第２外乱オブザーバ信号ｃを入力とし、ある特定
の周波数における系の位相を持ち上げる。位相進み回路
１５の出力信号ｆは、外乱信号ｄとともに、制御対象１
６に送られる。

【００６４】制御器１２の伝達関数はＣ（ｓ）で表され
る。第１外乱オブザーバ演算部１３の伝達関数は、Ｑ／
Ｐｎ（ｓ）で表される。ここで、Ｑは低域通過フィルタ
である。Ｐｎ（ｓ）はＰａ（ｓ）から非線形な部分を除
いた制御対象１６の理想的なモデルである。第２外乱オ
ブザーバ演算部１４の伝達関数は、１／（１−Ｑ）で表
される。

【００６５】低域通過フィルタＱは、第１外乱オブザー
バ演算部１３の伝達関数Ｑ／Ｐｎ（ｓ）が実現可能、す
なわち、第１外乱オブザーバ演算部１３の伝達関数の分
母の次数が分子の次数より大きいかまたは等しくなるよ
うに、高域で利得が増加しないような伝達関数を有する
ように設定される。

【００６６】なお、請求項２における”第１フィルタ”
は、第１外乱オブザーバ演算部１３の伝達関数Ｑ／Ｐｎ
（ｓ）で表され、特定の周波数帯域の信号を通過させる
特性を有する。

【００６７】また、請求項２における”第２フィルタ”
は、第２外乱オブザーバ演算部１４の伝達関数１／（１
−Ｑ）で表され、低周波数帯域の信号の利得を増加させ
る特性を有する。

【００６８】図１０は、位相進み回路の周波数−位相特
性を表している。

【００６９】図１０の特性から、ある周波数において、
位相が大きく持ち上がっているのが分かる。したがっ
て、この位相進み回路１５を位相余裕を測定する周波数
（ゼロクロス周波数：オープンループ特性のゲインの周
波数応答がゼロになる周波数）において位相が持ち上が
るように設計すれば、低下する位相分を補うことができ
る。

【００７０】本出願人が既に開発した図８の制御装置で
は、０．２ｍｍの傷でサーボ外れが頻繁に起こっていた
が、位相進み回路を追加した図９の制御装置では１．０
ｍｍの傷においてもサーボ外れが発生しなかった。

【００７１】上記実施の形態では、この発明をトラッキ
ングアクチュエータの制御装置に適用した場合について
説明したが、この発明はフォーカスアクチュエータの制
御装置にも適用することができる。

【００７２】

【発明の効果】この発明によれば、位相余裕の改善化が
図れるディスク装置におけるアクチュエータ制御装置が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光ディスク装置におけるトラッキングアクチュ
エータ制御装置の一般的な構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１を、一般的なクローズドループ系で表現し
た場合のブロック図である。

【図３】図２を、オープンループ系で表現した場合のブ
ロック図である。

【図４】外乱オブザーバのない通常の制御装置の構成を
示すブロック図である。る。

【図５】外乱オブザーバの動作原理を示すブロック図で
ある。

【図６】図５のブロックを等化変換した図である。

【図７】図６の制御装置に対応する実際のクローズドル
ープ系を示すブロック図である。

【図８】図７の制御装置から変形を行うことにより、本
出願人が開発した制御装置を示すブロック図である。

【図９】本発明の実施の形態を示すブロック図である。

【図１０】位相進み回路の周波数−位相特性を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１１ 誤差信号生成部 １２ 制御器 １３ 第１外乱オブザーバ演算部 １４ 第２外乱オブザーバ演算部 １５ 位相進み回路 １６ トラッキングアクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１１Ｂ 21/10 Ｇ１１Ｂ 21/10 Ｌ Ｆターム(参考） 5D096 AA05 BB02 CC01 EE01 GG06 GG07 HH01 KK12 5D118 AA24 BF02 CA03 CA04 CB03 CD02 CD03 5H004 GA07 GA15 GB20 HA07 HB07 JB22 KA66 KB02 KB24 KB30 MA12 MA19 5H303 AA22 BB01 BB06 CC02 CC06 DD01 EE03 EE07 FF03 HH01 JJ04 KK02 KK11 MM05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アクチュエータの目標値までの誤差を示
   す誤差信号に基づいてアクチュエータの駆動信号を生成
   する制御器を備えたディスク装置におけるアクチュエー
   タ制御装置において、 アクチュエータの目標値までの誤差を示す誤差信号に基
   づいて第１外乱オブザーバ信号を生成する第１外乱オブ
   ザーバ演算部、 制御器によって生成される駆動信号と第１外乱オブザー
   バ演算部によって生成される第１外乱オブザーバ信号と
   に基づいて、第２外乱オブザーバ信号を生成する第２外
   乱オブザーバ演算部、および第２外乱オブザーバ演算部
   によって生成された第２外乱オブザーバ信号を入力と
   し、所定の周波数の位相を持ち上げてアクチュエータを
   駆動させるための信号を生成する位相進み回路、 を備えているディスク装置におけるアクチュエータ制御
   装置。
2. 【請求項２】 第１外乱オブザーバ演算部は、特定の周
   波数帯域の信号を通過させる第１フィルタから構成さ
   れ、第２外乱オブザーバ演算部は、低周波数帯域の信号
   の利得を増加させるための第２フィルタから構成されて
   いることを特徴とする請求項１に記載のディスク装置に
   おけるアクチュエータ制御装置。
3. 【請求項３】 アクチュエータがトラッキングアクチュ
   エータであり、誤差信号がトラッキング誤差信号である
   請求項１および２のいずれかに記載のディスク装置にお
   けるアクチュエータ制御装置。
4. 【請求項４】 アクチュエータがフォーカスアクチュエ
   ータであり、誤差信号がフォーカス誤差信号である請求
   項１および２のいずれかに記載のディスク装置における
   アクチュエータ制御装置。