JP2004030731A - 二段アクチュエータの位置決め制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二段アクチュエータにおいて、微動アクチュエータの入出力特性を高速にかつ高精度に推定する適応同定手段を備えるディスク装置を提供する。
【解決手段】粗動用制御ループに周波数ｆｎのノッチフィルタ４８を設け、微動アクチュエータ４０を周波数ｆｎで正弦波状に駆動する。ヘッド位置信号Ｙ４５のｆｎ周波数における信号は微動アクチュエータの出力信号４２と等しくなる。よって、微動アクチュエータの操作信号Ｕｐ５０とヘッド位置信号Ｙ４５とから前記微動アクチュエータのゲインを適応同定手段６１により高精度に推定できる。
【選択図】 図１
【解決手段】粗動用制御ループに周波数ｆｎのノッチフィルタ４８を設け、微動アクチュエータ４０を周波数ｆｎで正弦波状に駆動する。ヘッド位置信号Ｙ４５のｆｎ周波数における信号は微動アクチュエータの出力信号４２と等しくなる。よって、微動アクチュエータの操作信号Ｕｐ５０とヘッド位置信号Ｙ４５とから前記微動アクチュエータのゲインを適応同定手段６１により高精度に推定できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などのディスク装置に関するもので、高応答小ストロークの微動アクチュエータと、低応答大ストロークの粗動アクチュエータとを協調させて高精度な位置決め動作を実現するディスク装置において、特に、微動アクチュエータの入出力特性を同定することのできる二段アクチュエータの位置決め制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスク装置、例えば磁気ディスク装置においては、高密度に記録された情報を高速でアクセスするために、アクチュエータによって駆動される磁気ヘッドを目的のトラックへ高速に移動させ （シーク制御）、目的のトラック中心に高精度に追従させる （フォロイング制御） ことが要求される。このためには、アクチュエータの軽量化および位置決め制御系の高帯域化が必要となるが、軽量化すると剛性が低下するためにアクチュエータの機構共振周波数を上げることには一定の限界があり、位置決め制御系の帯域はこれによって制限される。
【０００３】
現在の磁気ディスク装置のトラック幅は０．５μｍ程度であり、位置決め精度は０．０５μｍ程度である。将来の磁気ディスク装置に要求されるトラック幅は０．２μｍ以下であり、その時の位置決め精度は０．０２μｍ以下を達成しなければならない。
この位置決め精度を達成するには、制御系の帯域を現状の１ｋＨｚ程度から３ｋＨｚ以上に拡大する必要がある。制御帯域を拡大する技術として、ボイスコイルモータで構成される粗動アクチュエータと、ピエゾ素子等で構成される微動アクチュエータとを組み合わせて磁気ヘッドを高精度に位置決めする二段アクチュエータ方式が知られている。通常、ピエゾ素子等で構成される微動アクチュエータに印加する最大電圧は、±３０Ｖ程度で、そのとき、ヘッド位置は約±１μｍ移動する。しかし、その印加電圧とヘッド移動量の関係は、ピエゾ素子の製造ばらつきや、経時変化、温度や湿度等の動作環境によってばらつく。
【０００４】
従来より、例えば、特開２０００−２８５６２１号公報には、微動アクチュエータの入出力特性を推定する位置決め制御技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
二段アクチュエータは、粗動アクチュエータへの印加入力と微動アクチュエータへの印加入力の二つの操作量を有する。一方、出力信号は、粗動アクチュエータの移動量と微動アクチュエータの移動量の加算した移動量がヘッド位置信号となる。実際には、後に詳述するが、ディスクに予め記録された位置情報とヘッド移動量の偏差を検出して、それを出力信号としている。よって、制御対象としての、二段アクチュエータは、２入力１出力系であり、微動アクチュエータの入出力特性を推定するにはなんらかの工夫が必要となる。粗動アクチュエータの入出力特性を推定するには、微動アクチュエータに動作電圧を印加せず、粗動アクチュエータのみ動作させることで、制御対象は１入力１出力系となり、従来の同定手法を用いることで容易に粗動アクチュエータのゲインを推定することは可能である。しかし、微動アクチュエータの入出力特性を推定するために、粗動アクチュエータを動作させず、微動アクチュエータのみでヘッドを位置決め動作させることは、アクチュエータに作用する種々の外乱の大きさに対し微動アクチュエータの移動量が限られていることから実現が困難である。よって、アクチュエータの出力であるヘッド位置信号には、常に粗動アクチュエータの移動量と微動アクチュエータの総和の移動量が観測されることになる。
【０００６】
上記従来技術のなかで特開２０００−２８５６２１号公報は、粗動アクチュエータの特定周波数の誤差圧縮率（感度関数）のゲインを測定し、次に、微動アクチュエータの駆動入力信号とヘッド位置信号の先の特定周波数におけるゲインを測定し、先に求めた粗動アクチュエータの誤差圧縮率のゲインと掛け算することで微動アクチュエータのゲインを推定する手法を提案している。このように推定にあたって二つのステップが必要であることと、ゲインを推定するにあたりフーリエ変換の手法を用いていることから推定時間と推定精度の点で問題があった。さらに、推定時には、正弦波状の外乱入力信号を微動アクチュエータに印加しなければならず、その際にはヘッドはデータの読み書きを実施できないといった問題があり、多くの課題が残されている。
【０００７】
本発明の第一の目的は、微動アクチュエータの入出力特性を高速にかつ高精度に推定する適応同定手段を実現することである。
本発明の第二の目的は、ヘッドがデータの読み書きを実施している際にも微動アクチュエータの入出力特性を推定し、微動アクチュエータのゲイン劣化等を監視する適応同定手段を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出したヘッド位置情報に基づき前記粗動アクチュエータを制御する粗動用制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、前記粗動用制御手段に周波数ｆｎの遮断フィルタを設け、前記微動アクチュエータを周波数ｆｎで駆動する指令値を与える目標値発生手段と、前記微動アクチュエータの操作信号と前記ヘッド位置信号とから前記微動アクチュエータのゲインを推定する適応同定手段を有する二段アクチュエータの位置決め制御装置を提供する。
適応同定手段は、前記微動アクチュエータの特性を表す同定モデルと、推定すべき前記微動アクチュエータのゲインを表す可変ゲインと、前記同定モデルと可変ゲインを積算した同定モデルの出力信号と、前記同定モデルの出力信号と前記ヘッド位置信号との偏差が減少するように前記可変ゲインを調整する適応調整手段とを備えるとよい。
上記構成において、周波数ｆｎで駆動する指令値は、正弦波状の目標値とするとよい。
また本発明は、情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出したヘッド位置情報に基づき前記粗動アクチュエータを制御する粗動用制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、前記ヘッド位置信号の応答波形と、前記微動アクチュエータの応答波形が一致している状態で、前記微動アクチュエータの操作信号と前記ヘッド位置信号とから前記微動アクチュエータのゲインを推定する二段アクチュエータの位置決め制御装置を提供する。
また本発明は、情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出したヘッド位置情報に基づき前記微動アクチュエータと前記粗動アクチュエータを制御する制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、前記粗動アクチュエータへの操作量と前記粗動アクチュエータのモデルを用いて、前記粗動アクチュエータの位置を推定する粗動用同定モデルと、前記ヘッド位置情報から前記粗動用同定モデルの出力信号を引算することで得られる前記微動アクチュエータの推定位置信号を具備し、前記微動アクチュエータの操作量と前記微動アクチュエータの推定位置信号とから前記微動アクアクチュエータのゲインを推定する適応同定手段を有することを二段アクチュエータの位置決め制御装置を提供する。
適応同定手段によって推定した微動アクチュエータのゲインが所定の値よりも小さくなった場合には、前記ヘッドは前記ディスクに情報の書き込みを禁止するようにするとよい。
適応同定手段によって推定した微動アクチュエータのゲインに基づき微動アクチュエータの制御手段を調整するようにするとよい。
本発明により、高精度に推定した微動アクチュエータのゲインに基づいて、微動アクチュエータ用のコントローラを適切に再設計することができ、高精度なヘッドの位置決めを達成できる。これによりトラック間距離を狭くすることができるので、ディスク一面あたり大量のデータを記録することができ、装置の大容量化が実現できる。また、本発明により、微動アクチュエータのゲイン劣化を検出することができるので、ゲイン劣化に対応して処置を適切に実施することで、装置の信頼性を高めることが実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面により詳細に説明する。発明者らは、制御対象の二段アクチュエータが２入力１出力系であることを踏まえ、出力信号であるヘッド位置信号から粗動アクチュエータの移動量を特定周波数において零にする手法を発明した。これにより、微動アクチュエータの駆動入力信号とヘッド位置信号とから正確に微動アクチュエータの入出力特性を推定することができる。この本第一の発明を図１から図６までを用いて説明する。次に、粗動アクチュエータのモデルを用い、出力信号であるヘッド位置信号から粗動アクチュエータの移動量を差し引くことで、微動アクチュエータの駆動入力信号とヘッド位置信号とから正確に微動アクチュエータの入出力特性を推定する手法を発明した。この第二の発明を図７から図８までを用いて説明する。
【００１０】
図１に本第一の発明に係わるフォロイング制御系のブロック線図の一実施例を示す。制御対象の二段アクチュエータは、粗動アクチュエータ４０と微動アクチュエータ４１の二つのアクチュエータを有する。粗動アクチュエータへの操作量をＵｖ：４９、微動アクチュエータへの操作量をＵｐ：５０とする。観測することはできないが、粗動アクチュエータの移動量をＹｖ：４３、微動アクチュエータの移動量をＹｐ：４２とする。観測できるヘッドの移動量は、上記ＹｖとＹｐを加算したＹ：４５である。これより、制御対象の二段アクチュエータ系４４は、２入力１出力系であることが分かる。
【００１１】
粗動アクチュエータは通常のフォロイング時に使用する通常の粗動用コントローラ４７でヘッドの位置決めを行う。例えば、粗動用コントローラは、ＰＩ−Ｌｅａｄフィルタや、機構共振のゲインを抑圧するノッチフィルタ等によって構成される。本発明では、これに、遮断周波数ｆｎを有する別のノッチフィルタ４８を粗動アクチュエータループに挿入する。このノッチフィルタの役割は、粗動ループに周波数ｆｎの信号成分を除去する働きを有する。このことは、観測できるヘッド位置Ｙの周波数ｆｎの全ての成分は微動アクチュエータの出力Ｙｐからなることを意味する。ここで、微動アクチュエータを目標値発生器５１を用いて、例えば正弦波（周波数：ｆｎ）で駆動させることを行う。微動アクチュエータの操作量Ｕｐ：４０には周波数ｆｎ、振幅Ａｎの駆動信号が印加される。この時、微動アクチュエータは、周波数ｆｎ、振幅Ｂｎ、そして微動アクチュエータの周波数ｆｎにおける位相遅れ特性分だけ位相の遅れた正弦波状に移動を行う。実際に観測できる信号はヘッド位置信号Ｙであり、それを粗動用コントローラにフィードバック制御する。フィードバックループへの目標値４６はここでは零とする。
【００１２】
粗動アクチュエータ４４と粗動用コントローラ４７の積である開ループ特性の帯域（零クロス周波数）は、１ｋＨｚ程度である。よって、粗動ループの安定性の観点から、ノッチフィルタ４８の遮断周波数を決定する必要がある。ノッチフィルタは位相を遮断周波数より低い周波数では遅らせることから、帯域の１ｋＨｚよりも低い周波数に設定すると位相余裕が減少し、ループが不安定化する場合がある。ここでは、帯域より高い２ｋＨｚにノッチフィルタの遮断周波数ｆｎを設定する。
【００１３】
図３および図４に上記に基づき設計を行った、粗動ループの開ループ特性と誤差圧縮特性（感度関数）の一例を示す。図３の開ループ特性は、図１において、偏差６２から粗動アクチュエータの出力Ｙｖまでの特性である。帯域１ｋＨｚ，位相余裕３０度で安定な特性を示し、ノッチフィルタの挿入により周波数ｆｎでゲインが小さくなっている（遮断されている）ことが確認できる。図４の誤差圧縮特性は、目標値４６からフィードバック偏差６２までの特性を表している。また、同様に、この誤差圧縮特性は、微動アクチュエータの出力Ｙｐ：４２からヘッド位置信号Ｙ：４５までの伝達特性を表している。従来技術においては、求めた微動アクチュエータのゲイン特性にこの誤差圧縮特性を積算して補正することで、微動アクチュエータのゲインを求めることをしていた。本発明によると、周波数ｆｎにおいて、その誤差圧縮特性のゲイン特性は零となり、位相特性も同様に零となっていることが分かる。すなわち、微動アクチュエータを周波数ｆｎで動作させれば、粗動ループは、ゲインの増減をせず、かつ位相の進み遅れをしないことを意味する。
【００１４】
このことを実際の時間応答波形を用いて説明する。微動アクチュエータに±１０Ｖ、２ｋＨｚの正弦波電圧を印加したときの、粗動アクチュエータの位置Ｙｖを図５の上段に、微動アクチュエータの位置Ｙｐを図５の下段に示す。ノッチフィルタ４８の過渡特性（応答の収束性）の関係で、粗動アクチュエータは０．００３秒までは応答をするが、それ以降は応答が零に収束していることが確認できる。微動アクチュエータは、±３０Ｖで±１μｍ移動するとしているので、ここでは、±０．３３μｍの振幅で応答している。この時、観測できるヘッド位置信号Ｙを図６の上段に示す。０．００３秒後のヘッド位置信号Ｙの応答は、図５の下段の微動アクチュエータの位置Ｙｐと完全に一致していることが分かる。
【００１５】
これより、本第一の発明によると、微動アクチュエータへ正弦波を印加してから、ノッチフィルタの過渡特性が収束した後に、微動アクチュエータへの操作量とヘッド位置信号とから微動アクチュエータの入出力特性をなんらかの同定手段で推定すればよいことが分かる。
【００１６】
以下、図１の同定手段の詳細を説明する前に、図２を用いて、本第一の発明に関わるディスク装置の一実施例を示すハードウエアの構成を説明する。磁気ディスク２は、スピンドルモータ１により高速に一定回転し、トラックのセクタの先頭にはあらかじめ位置情報３が記録されている。磁気ヘッド４は、対向するディスク２のデータを読み書きする。磁気ヘッド４は、ばね５によって支えられ、ばね５は、ピエゾ素子６とピエゾ素子７によって駆動され、ピエゾ素子６、７はキャリッジ８に支持される。本実施例では、微動アクチュエータをピエゾ素子で構成するとして説明を行う。ピエゾ素子６が伸び、ピエゾ素子７が縮むと、ヘッド４は微小移動する。逆に、ピエゾ素子６が伸び、ピエゾ素子７が縮むと、ヘッド４は逆方向に微小移動する。キャリッジ８は一体となってボイスコイルモータ１０により駆動される。ボイスコイルモータの移動にともない、キャリッジは、ピボット軸９を中心にディスク２の外周から内周方向あるいはその逆方向に移動する。なお、本実施例では、ピエゾ素子を微動アクチュエータ、ボイスコイルモータを粗動アクチュエータとして記述している。
【００１７】
ディスク２には、時刻Ｔｓ毎に位置情報３を予め記録させておく。位置情報３は、セクタの先頭を示すマーカ部、ＡＧＣ（オートマティック・ゲイン・コントロール）引き込み部、トラック番号、相対位置を検出するためのバースト信号を記録する。ヘッド５はサンプリング時刻Ｔｓ毎にディスク面に記録された位置情報とヘッドとの偏差を検出する。その偏差信号は、ヘッドアンプ１１で増幅し、位置信号復調回路１２により、ヘッド位置信号Ｙ：１３を生成する。
【００１８】
図２において、図１の粗動用コントローラ４７の演算やノッチフィルタ４８、目標値発生器５１、および同定手段６１は、マイクロプロセッサシステム１９によって実施される。マイクロプロセッサシステム１９は、マイクロプロセッサ１８がバスライン１４を介して，ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１７、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）１６に接続されている。ＲＯＭには各種制御系などのプログラムを格納する。ＲＡＭは、制御系の状態変数や可変ゲインを一時的に格納する。マイクロプロセッサは、各種制御系の演算を実行し、粗動用アクチュエータを駆動する操作量２０と微動用アクチュエータを駆動する操作量２１を出力する。操作量Ｕｐ：２１、Ｕｖ：２０は、それぞれＤ／Ａ変換回路２３、２２でディジタル量からアナログ量に変換され、アンプ２７、２６に送出され、それぞれピエゾ素子６、７、ボイスコイルモータ１０が駆動される。コマンドインターフェイス１５は、上位コントローラからの各種指令をマイクロプロセッサ１８に伝達する。
【００１９】
以下では、図１の同定手段について数式を用いて詳細に説明する。ここでは、逐次型最小二乗法適応調整器を用いて、微動アクチュエータのループゲインを推定する。操作量Ｕｐとヘッド位置信号Ｙは同じフィルタによりノイズ成分を除去する。望ましくは、遮断周波数ｆｎのみを通過するバンドバスフィルタが好適である。なお、以下では、記号の簡略化のため、フィルタ通過後の信号もＵｐおよびＹとして使用する。操作量Ｕｐから出力Ｙｐまでの微動アクチュエータの離散時間モデルを次式とする。微動アクチュエータは機構共振を有するが無視し、ここでは演算時間遅れを１次Ｐａｄｅ近似したものとアンプを１次遅れモデルとしたものとの積の二次系で構成する。
【００２０】
【数１】
ここで、ｋはステップ数、ｚは進み演算子とする。制御対象のループゲインｋｐは、Ｄ／Ａ変換器のゲイン、アンプのゲイン、微動アクチュエータのゲインとからなり、以下このｋｐの推定法を示す。（数１）は、以下の同定表現に書き表される。
【００２１】
【数２】
目的は、Ｙｐ（ｋ）とζ（ｋ）とη（ｋ）からｋｐのよい近似値（推定値）である可変ゲインｋｐ（ｋ）：５８を推定することである。ここでは逐次型最小二乗法によりｋｐの推定を行う。なお、Ｙｐ（ｋ）とヘッド位置誤差Ｙ（ｋ）は、図５および図６より、一定時刻後は等しくなる。よって、上式において、Ｙｐ（ｋ）＝Ｙ（ｋ）として観測できるヘッド位置誤差信号Ｙ（ｋ）を用いてｋｐを推定すればよい。数２の同定表現に対し、以下の同定モデル５６を構成する。
【００２２】
【数３】
ここで、同定誤差５９を次式と定める。
【００２３】
【数４】
このとき、適応調整則５７は、次式のアルゴリズムを用いて可変ゲイン：ｋｐ（ｋ）の更新を行う。
【００２４】
【数５】
なお、学習ゲインγ（ｋ）の更新は次式とする。
【００２５】
【数６】
推定値ｋｐ（ｋ）の初期値は任意だが、ここでは零とする。学習ゲインγ（ｋ）の初期値は、１００程度に設定する。これを小さくすると推定値の分散が抑えられるが、逆に収束速度が遅くなる。
【００２６】
上記の適応同定手段６１によって微動アクチュエータのゲインを推定した結果を図６の下段に示す。推定は、０．００３秒から開始した。推定値は、正しい値の０．０５にわずか０．００１秒程度で高精度に収束することが分かる。これにより、本発明の有効性を確認することができた。この推定結果を用いて、微動用コントローラ７２のゲインや微動用モデル７１のゲインを調整することができる。また、複数のヘッドが存在し、それぞれに対し微動アクチュエータによって位置決めを行うディスク装置の場合には、それぞれの微動アクチュエータのゲインを上記手法により推定することができる。また、推定結果をメモリに格納し、さらには、ディスク面に記録させることによって電源を切断した後でも推定値の情報を保持することができる。これらの作業は、装置組立て後、製造過程で実施することができる。また、ユーザがディスク装置の電源を入れた後に実施することができる。さらには、上位ホストからデータの読み書きの指令がなく、待機状態のときに実施することができる。しかし、微動アクチュエータを制御せず、正弦波で駆動するため、データの読み書きしている最中には本第一の発明を実施することはできない。
【００２７】
なお、微動アクチュエータの出力Ｙｐ：４２が二段アクチュエータの構造によっては、測定できる場合がある。その場合には、図１のノッチフィルタ：４８は不要で、目標値発生器：５１は任意の周波数を発生し、適応同定手段：６１は、微動アクチュエータへの操作信号：５０と微動アクチュエータの出力信号：４２とから、微動アクチュエータのゲインを推定すればよい。
【００２８】
以下では、図７と図８を用いて本第二の発明を詳細に説明する。図１の構成と異なる点は、図１で粗動ループに挿入したノッチフィルタ：４８と目標値発生手段：５１であり、これらは本第二の発明では不要である。図７では、正弦波等で微動アクチュエータを加振することなしに、ヘッドがディスク面の情報を読み書きしている最中にも、微動アクチュエータのゲインを推定する手段を提供する。以下では、微動アクチュエータ用のコントローラ７２と粗動アクチュエータ用のコントローラ４７とを独立に設計可能な、非干渉構造の二段アクチュエータ制御系の設計について示す。ただし、本発明は、二段アクチュエータの構成を特に限定するものではない。
【００２９】
微動アクチュエータは、通常、高域の１０ｋＨｚ程度に機構共振を有する。微動用アクチュエータ用のコントローラ７２には、積分特性を持たせれば、微動アクチュエータを安定に動作可能である。ここでは微動アクチュエータの出力が直接観測できないため、微動用アクチュエータのモデルをオブザーバ７１としてその位置を推定する。ピエゾ素子を用いた微動アクチュエータは、その入力から出力までは、ほぼゲインとして近似することができる。よって、微動用制御器の出力に微動アクチュエータのゲインを乗じたものを微動アクチュエータの出力とみなして、粗動アクチュエータへの偏差信号に加算する７０。粗動用コントローラは微動アクチュエータにより偏差信号が零となった後でも引き続き微動アクチュエータの変位量を減少させるようにフィードバック制御が行われる。これに伴って微動用制御器も動作するので、ヘッド位置誤差信号を目標位置に保ったまま、微動アクチュエータの出力が減少し、やがて零、すなわち可動範囲の中心位置に微動アクチュエータを保持することができる。これにより、ストロークが狭く限られた微動アクチュエータの能力を最大限に生かすことができる。
【００３０】
以下では第二の発明の適応同定手段８８について説明する。微動アクチュエータの操作量Ｕｐ：７３とヘッド位置信号Ｙ：４５および粗動アクチュエータの操作量Ｕｖ：４９は同じフィルタによりノイズ成分を除去する。なお、以下では、記号の簡略化のため、フィルタ通過後の信号もＵｐとＹおよびＵｖとして使用する。微動アクチュエータのゲイン推定の考え方は、第一の発明と変わることはない。図７において、観測できるヘッド位置信号Ｙの応答は、微動アクチュエータの出力信号Ｙｐと粗動アクチュエータの出力信号Ｙｖの加算した信号の応答からなる。よって、微動アクチュエータのみのゲインを推定するためには、微動アクチュエータの出力信号を算出する必要があり、そのためには、観測できるヘッド位置信号Ｙ：４５から粗動アクチュエータの出力信号Ｙｖ：３０を引算すればよい。粗動アクチュエータの出力信号は観測することができないので、ここでは粗動アクチュエータのモデル７９を用いて粗動アクチュエータの出力位置を推定する８２。粗動アクチュエータは通常、ボイスコイルモータとキャリッジからなり、その基本的な特性は、二重積分系である。粗動用同定モデル７９は、それを離散時間表現して用いる。さらに、演算時間遅れを考慮したり、高次に機構共振を考慮するとよりモデルの精度が向上する。
【００３１】
微動用同定モデル８１、推定する微動アクチュエータの可変ゲイン８６、および適応調整器８３は、第一の発明を同一の手段（（数１）から（数６））を用いることができる。
【００３２】
なお、（数５）と（数６）は、逐次型最小二乗法の演算アルゴリズムであり、計算過程に割り算等が含まれており、ディスク面のデータを読み書きしている際に、さらに演算負荷を増大させる可能性がある。よって、以下では、計算負荷が小さい勾配法に基づいた適応調整器を示す。目的は、誤差ｅ：８５を最小とすることであるから、評価関数Ｊを次式で定義する。
【００３３】
【数７】
上記評価関数の偏微分をとると、可変ゲインｋｐ：８６の推定式は以下のように得られる。
【００３４】
【数８】
これより、（数５）（数６）と上記（数８）を比較すると、演算量は（数８）が極端に少ない。このため、リアルタイム演算が可能となる。その反面、推定精度が多少悪化したり、推定速度が遅くなる問題が生じる。ここでσは、学習ゲインである。
【００３５】
図８に、本第二の発明の有効性を検討するために、（数８）を用いて微動アクチュエータのゲインを推定した結果を示す。約０．１秒で真値の０．０５に収束しているのが分かる。これは、第一の発明の例として示した最小二乗法による推定結果と比較すると遅い。しかしながら、微動アクチュエータの経時変化を推定する場合には、特に問題となることはない。０．５秒からは、微動アクチュエータのゲインを意図的に、０．０５から０．０４に変化させてみた時の応答を示している。精度良く推定できていることが分かる。なお、図中、０．１秒毎の線：２００，２０１等は、その区間の推定結果の平均値を示している。推定結果から平均値を求め、その平均値に対して、微動アクチュエータのゲインの劣化を比較することでより推定の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
図９は、第二の発明により微動アクチュエータのゲイン低下を検出した際の処理フローを示している。ゲイン低下が予め定めた閾値よりも小さくなった時：１００には、データの読み書きを禁止する：１０１。次に、第一の発明により微動アクチュエータの正確なゲインを推定する：１０１。その値が閾値よりも大きかったら：１０３、推定した結果に基づき微動用コントローラを調整し、データの読み書きを許可するフラグを立てる：１０５。これにより通常の状態に戻る。たとえば、微動アクチュエータのゲインが劣化した場合には、逆に、粗動アクチュエータのコントローラのゲインを増大させればよい。一方、閾値よりも小さかった場合には：１０３、上位コントローラに警告を発し、ゲインが劣化した微動アクチュエータで読み書きしていたディスク面のデータを読み出し、他のディスク面に記録する：１０４。閾値よりも小さくなった場合には、データの読み書きができなくなる可能性があり、また、微動アクチュエータがなんらかの要因により故障した可能性が考えられる。よって、本発明により、それらの要因を除外することが可能となり、装置信頼性が向上する。
【００３７】
本発明は微動アクチュエータのゲインを推定するものであるが、微動アクチュエータを動作させない場合には、本発明の適応同定手段と同一のアルゴリズムを用いて粗動アクチュエータのループゲインを推定することができる。その場合には、図１において、ノッチフィルタ４８を取り除き、目標値４６に正弦波を印加し、微動用の操作量Ｕｖとヘッド位置信号Ｙとから適応同定手段を働かせればよい。同一のアルゴリズムを用いることでソフト量の削減が可能となる。
【００３８】
なお、上述した実施例では、磁気ディスク装置を取り上げたが、本発明は、他の記憶媒体、例えば、光ディスクやＤＶＤ−ＲＡＭを用いる場合にも同様に実現が可能である。光ディスクやＤＶＤ装置などは、実施例で説明したように、粗動アクチュエータと微動アクチュエータを備え、本第一の発明と本第二の発明を適用する好適な例の一つである。また、他の二つ以上のアクチュエータを持つ位置決め制御装置においても同様な理由により実施が可能である。
【００３９】
また、本実施例では微動アクチュエータをピエゾ素子として説明したが、本発明はその形態に制限を受けない。すなわち、微動アクチュエータを電磁アクチュエータ、静電アクチュエータなどに置き換えても本発明は実施可能である。
【００４０】
さらに、粗動アクチュエータ、微動アクチュエータ、そしてさらに軽量で高応答な極微動アクチュエータを有する三段アクチュエータに対しても、三段アクチュエータの微動アクチュエータを上述した実施例の粗動アクチュエータに、三段アクチュエータの極微動アクチュエータを実施例の微動アクチュエータに置き換えることで同様に実施可能である。すなわち、本発明はアクチュエータの個数による制限は受けない。
【００４１】
また、上述した実施例では、いくつかの数値を具体化して説明したが、本発明は、これらの数値による制限は受けない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明では、高応答小ストロークの微動アクチュエータと、低応答大ストロークの粗動アクチュエータとを有する二段アクチュエータにおいて、微動アクチュエータの入出力特性を高速にかつ高精度に推定する適応同定手段を実現できる。また、本発明では、ヘッドがデータの読み書きを実施している際にも微動アクチュエータの入出力特性を推定し、微動アクチュエータのゲイン劣化等を監視する適応同定手段を実現できる。本発明により、高精度に推定した微動アクチュエータのゲインに基づいて、微動アクチュエータ用のコントローラを適切に再設計することができ、高精度なヘッドの位置決めを達成できる。これによりトラック間距離を狭くすることができるので、ディスク一面あたり大量のデータを記録することができ、ディスク装置の大容量化が実現できる。また、本発明により、微動アクチュエータのゲイン劣化を検出することができるので、ゲイン劣化に対応して処置を適切に実施することで、装置の信頼性を高めることが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本第一の発明の一構成を示す図。
【図２】本発明のディスク装置のハードウエアの構成図。
【図３】本第一の発明の粗動ループの開ループ特性を示す図。
【図４】本第一の発明の粗動ループの誤差圧縮特性を示す図。
【図５】本第一の発明の粗動アクチュエータ位置と微動アクチュエータ位置の時間応答を示す図。
【図６】本第一の発明のヘッド位置と微動アクチュエータのゲイン推定結果の時間応答を示す図。
【図７】本第二の発明の一構成を示す図。
【図８】本第二の微動アクチュエータのゲイン推定結果の時間応答を示す図。
【図９】本発明の動作ステップ手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…スピンドル、２…ディスク、３…位置情報、４…ヘッド、６、７…ピエゾ素子、１０…ボイスコイルモータ、１３…ヘッド位置信号、１９…マイクロプロセッサシステム、４０…微動アクチュエータ、４１…粗動アクチュエータ、４７…粗動用コントローラ、４８…ノッチフィルタ、５１…目標値発生器、５７…適応調整器、５８…可変ゲイン（推定値）、６１…適応同定手段、７１…微動用モデル、７２…微動用コントローラ、８３…適応調整器、８６…可変ゲイン（推定値）、８８…適応同定手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などのディスク装置に関するもので、高応答小ストロークの微動アクチュエータと、低応答大ストロークの粗動アクチュエータとを協調させて高精度な位置決め動作を実現するディスク装置において、特に、微動アクチュエータの入出力特性を同定することのできる二段アクチュエータの位置決め制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスク装置、例えば磁気ディスク装置においては、高密度に記録された情報を高速でアクセスするために、アクチュエータによって駆動される磁気ヘッドを目的のトラックへ高速に移動させ （シーク制御）、目的のトラック中心に高精度に追従させる （フォロイング制御） ことが要求される。このためには、アクチュエータの軽量化および位置決め制御系の高帯域化が必要となるが、軽量化すると剛性が低下するためにアクチュエータの機構共振周波数を上げることには一定の限界があり、位置決め制御系の帯域はこれによって制限される。
【０００３】
現在の磁気ディスク装置のトラック幅は０．５μｍ程度であり、位置決め精度は０．０５μｍ程度である。将来の磁気ディスク装置に要求されるトラック幅は０．２μｍ以下であり、その時の位置決め精度は０．０２μｍ以下を達成しなければならない。
この位置決め精度を達成するには、制御系の帯域を現状の１ｋＨｚ程度から３ｋＨｚ以上に拡大する必要がある。制御帯域を拡大する技術として、ボイスコイルモータで構成される粗動アクチュエータと、ピエゾ素子等で構成される微動アクチュエータとを組み合わせて磁気ヘッドを高精度に位置決めする二段アクチュエータ方式が知られている。通常、ピエゾ素子等で構成される微動アクチュエータに印加する最大電圧は、±３０Ｖ程度で、そのとき、ヘッド位置は約±１μｍ移動する。しかし、その印加電圧とヘッド移動量の関係は、ピエゾ素子の製造ばらつきや、経時変化、温度や湿度等の動作環境によってばらつく。
【０００４】
従来より、例えば、特開２０００−２８５６２１号公報には、微動アクチュエータの入出力特性を推定する位置決め制御技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
二段アクチュエータは、粗動アクチュエータへの印加入力と微動アクチュエータへの印加入力の二つの操作量を有する。一方、出力信号は、粗動アクチュエータの移動量と微動アクチュエータの移動量の加算した移動量がヘッド位置信号となる。実際には、後に詳述するが、ディスクに予め記録された位置情報とヘッド移動量の偏差を検出して、それを出力信号としている。よって、制御対象としての、二段アクチュエータは、２入力１出力系であり、微動アクチュエータの入出力特性を推定するにはなんらかの工夫が必要となる。粗動アクチュエータの入出力特性を推定するには、微動アクチュエータに動作電圧を印加せず、粗動アクチュエータのみ動作させることで、制御対象は１入力１出力系となり、従来の同定手法を用いることで容易に粗動アクチュエータのゲインを推定することは可能である。しかし、微動アクチュエータの入出力特性を推定するために、粗動アクチュエータを動作させず、微動アクチュエータのみでヘッドを位置決め動作させることは、アクチュエータに作用する種々の外乱の大きさに対し微動アクチュエータの移動量が限られていることから実現が困難である。よって、アクチュエータの出力であるヘッド位置信号には、常に粗動アクチュエータの移動量と微動アクチュエータの総和の移動量が観測されることになる。
【０００６】
上記従来技術のなかで特開２０００−２８５６２１号公報は、粗動アクチュエータの特定周波数の誤差圧縮率（感度関数）のゲインを測定し、次に、微動アクチュエータの駆動入力信号とヘッド位置信号の先の特定周波数におけるゲインを測定し、先に求めた粗動アクチュエータの誤差圧縮率のゲインと掛け算することで微動アクチュエータのゲインを推定する手法を提案している。このように推定にあたって二つのステップが必要であることと、ゲインを推定するにあたりフーリエ変換の手法を用いていることから推定時間と推定精度の点で問題があった。さらに、推定時には、正弦波状の外乱入力信号を微動アクチュエータに印加しなければならず、その際にはヘッドはデータの読み書きを実施できないといった問題があり、多くの課題が残されている。
【０００７】
本発明の第一の目的は、微動アクチュエータの入出力特性を高速にかつ高精度に推定する適応同定手段を実現することである。
本発明の第二の目的は、ヘッドがデータの読み書きを実施している際にも微動アクチュエータの入出力特性を推定し、微動アクチュエータのゲイン劣化等を監視する適応同定手段を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出したヘッド位置情報に基づき前記粗動アクチュエータを制御する粗動用制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、前記粗動用制御手段に周波数ｆｎの遮断フィルタを設け、前記微動アクチュエータを周波数ｆｎで駆動する指令値を与える目標値発生手段と、前記微動アクチュエータの操作信号と前記ヘッド位置信号とから前記微動アクチュエータのゲインを推定する適応同定手段を有する二段アクチュエータの位置決め制御装置を提供する。
適応同定手段は、前記微動アクチュエータの特性を表す同定モデルと、推定すべき前記微動アクチュエータのゲインを表す可変ゲインと、前記同定モデルと可変ゲインを積算した同定モデルの出力信号と、前記同定モデルの出力信号と前記ヘッド位置信号との偏差が減少するように前記可変ゲインを調整する適応調整手段とを備えるとよい。
上記構成において、周波数ｆｎで駆動する指令値は、正弦波状の目標値とするとよい。
また本発明は、情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出したヘッド位置情報に基づき前記粗動アクチュエータを制御する粗動用制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、前記ヘッド位置信号の応答波形と、前記微動アクチュエータの応答波形が一致している状態で、前記微動アクチュエータの操作信号と前記ヘッド位置信号とから前記微動アクチュエータのゲインを推定する二段アクチュエータの位置決め制御装置を提供する。
また本発明は、情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出したヘッド位置情報に基づき前記微動アクチュエータと前記粗動アクチュエータを制御する制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、前記粗動アクチュエータへの操作量と前記粗動アクチュエータのモデルを用いて、前記粗動アクチュエータの位置を推定する粗動用同定モデルと、前記ヘッド位置情報から前記粗動用同定モデルの出力信号を引算することで得られる前記微動アクチュエータの推定位置信号を具備し、前記微動アクチュエータの操作量と前記微動アクチュエータの推定位置信号とから前記微動アクアクチュエータのゲインを推定する適応同定手段を有することを二段アクチュエータの位置決め制御装置を提供する。
適応同定手段によって推定した微動アクチュエータのゲインが所定の値よりも小さくなった場合には、前記ヘッドは前記ディスクに情報の書き込みを禁止するようにするとよい。
適応同定手段によって推定した微動アクチュエータのゲインに基づき微動アクチュエータの制御手段を調整するようにするとよい。
本発明により、高精度に推定した微動アクチュエータのゲインに基づいて、微動アクチュエータ用のコントローラを適切に再設計することができ、高精度なヘッドの位置決めを達成できる。これによりトラック間距離を狭くすることができるので、ディスク一面あたり大量のデータを記録することができ、装置の大容量化が実現できる。また、本発明により、微動アクチュエータのゲイン劣化を検出することができるので、ゲイン劣化に対応して処置を適切に実施することで、装置の信頼性を高めることが実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面により詳細に説明する。発明者らは、制御対象の二段アクチュエータが２入力１出力系であることを踏まえ、出力信号であるヘッド位置信号から粗動アクチュエータの移動量を特定周波数において零にする手法を発明した。これにより、微動アクチュエータの駆動入力信号とヘッド位置信号とから正確に微動アクチュエータの入出力特性を推定することができる。この本第一の発明を図１から図６までを用いて説明する。次に、粗動アクチュエータのモデルを用い、出力信号であるヘッド位置信号から粗動アクチュエータの移動量を差し引くことで、微動アクチュエータの駆動入力信号とヘッド位置信号とから正確に微動アクチュエータの入出力特性を推定する手法を発明した。この第二の発明を図７から図８までを用いて説明する。
【００１０】
図１に本第一の発明に係わるフォロイング制御系のブロック線図の一実施例を示す。制御対象の二段アクチュエータは、粗動アクチュエータ４０と微動アクチュエータ４１の二つのアクチュエータを有する。粗動アクチュエータへの操作量をＵｖ：４９、微動アクチュエータへの操作量をＵｐ：５０とする。観測することはできないが、粗動アクチュエータの移動量をＹｖ：４３、微動アクチュエータの移動量をＹｐ：４２とする。観測できるヘッドの移動量は、上記ＹｖとＹｐを加算したＹ：４５である。これより、制御対象の二段アクチュエータ系４４は、２入力１出力系であることが分かる。
【００１１】
粗動アクチュエータは通常のフォロイング時に使用する通常の粗動用コントローラ４７でヘッドの位置決めを行う。例えば、粗動用コントローラは、ＰＩ−Ｌｅａｄフィルタや、機構共振のゲインを抑圧するノッチフィルタ等によって構成される。本発明では、これに、遮断周波数ｆｎを有する別のノッチフィルタ４８を粗動アクチュエータループに挿入する。このノッチフィルタの役割は、粗動ループに周波数ｆｎの信号成分を除去する働きを有する。このことは、観測できるヘッド位置Ｙの周波数ｆｎの全ての成分は微動アクチュエータの出力Ｙｐからなることを意味する。ここで、微動アクチュエータを目標値発生器５１を用いて、例えば正弦波（周波数：ｆｎ）で駆動させることを行う。微動アクチュエータの操作量Ｕｐ：４０には周波数ｆｎ、振幅Ａｎの駆動信号が印加される。この時、微動アクチュエータは、周波数ｆｎ、振幅Ｂｎ、そして微動アクチュエータの周波数ｆｎにおける位相遅れ特性分だけ位相の遅れた正弦波状に移動を行う。実際に観測できる信号はヘッド位置信号Ｙであり、それを粗動用コントローラにフィードバック制御する。フィードバックループへの目標値４６はここでは零とする。
【００１２】
粗動アクチュエータ４４と粗動用コントローラ４７の積である開ループ特性の帯域（零クロス周波数）は、１ｋＨｚ程度である。よって、粗動ループの安定性の観点から、ノッチフィルタ４８の遮断周波数を決定する必要がある。ノッチフィルタは位相を遮断周波数より低い周波数では遅らせることから、帯域の１ｋＨｚよりも低い周波数に設定すると位相余裕が減少し、ループが不安定化する場合がある。ここでは、帯域より高い２ｋＨｚにノッチフィルタの遮断周波数ｆｎを設定する。
【００１３】
図３および図４に上記に基づき設計を行った、粗動ループの開ループ特性と誤差圧縮特性（感度関数）の一例を示す。図３の開ループ特性は、図１において、偏差６２から粗動アクチュエータの出力Ｙｖまでの特性である。帯域１ｋＨｚ，位相余裕３０度で安定な特性を示し、ノッチフィルタの挿入により周波数ｆｎでゲインが小さくなっている（遮断されている）ことが確認できる。図４の誤差圧縮特性は、目標値４６からフィードバック偏差６２までの特性を表している。また、同様に、この誤差圧縮特性は、微動アクチュエータの出力Ｙｐ：４２からヘッド位置信号Ｙ：４５までの伝達特性を表している。従来技術においては、求めた微動アクチュエータのゲイン特性にこの誤差圧縮特性を積算して補正することで、微動アクチュエータのゲインを求めることをしていた。本発明によると、周波数ｆｎにおいて、その誤差圧縮特性のゲイン特性は零となり、位相特性も同様に零となっていることが分かる。すなわち、微動アクチュエータを周波数ｆｎで動作させれば、粗動ループは、ゲインの増減をせず、かつ位相の進み遅れをしないことを意味する。
【００１４】
このことを実際の時間応答波形を用いて説明する。微動アクチュエータに±１０Ｖ、２ｋＨｚの正弦波電圧を印加したときの、粗動アクチュエータの位置Ｙｖを図５の上段に、微動アクチュエータの位置Ｙｐを図５の下段に示す。ノッチフィルタ４８の過渡特性（応答の収束性）の関係で、粗動アクチュエータは０．００３秒までは応答をするが、それ以降は応答が零に収束していることが確認できる。微動アクチュエータは、±３０Ｖで±１μｍ移動するとしているので、ここでは、±０．３３μｍの振幅で応答している。この時、観測できるヘッド位置信号Ｙを図６の上段に示す。０．００３秒後のヘッド位置信号Ｙの応答は、図５の下段の微動アクチュエータの位置Ｙｐと完全に一致していることが分かる。
【００１５】
これより、本第一の発明によると、微動アクチュエータへ正弦波を印加してから、ノッチフィルタの過渡特性が収束した後に、微動アクチュエータへの操作量とヘッド位置信号とから微動アクチュエータの入出力特性をなんらかの同定手段で推定すればよいことが分かる。
【００１６】
以下、図１の同定手段の詳細を説明する前に、図２を用いて、本第一の発明に関わるディスク装置の一実施例を示すハードウエアの構成を説明する。磁気ディスク２は、スピンドルモータ１により高速に一定回転し、トラックのセクタの先頭にはあらかじめ位置情報３が記録されている。磁気ヘッド４は、対向するディスク２のデータを読み書きする。磁気ヘッド４は、ばね５によって支えられ、ばね５は、ピエゾ素子６とピエゾ素子７によって駆動され、ピエゾ素子６、７はキャリッジ８に支持される。本実施例では、微動アクチュエータをピエゾ素子で構成するとして説明を行う。ピエゾ素子６が伸び、ピエゾ素子７が縮むと、ヘッド４は微小移動する。逆に、ピエゾ素子６が伸び、ピエゾ素子７が縮むと、ヘッド４は逆方向に微小移動する。キャリッジ８は一体となってボイスコイルモータ１０により駆動される。ボイスコイルモータの移動にともない、キャリッジは、ピボット軸９を中心にディスク２の外周から内周方向あるいはその逆方向に移動する。なお、本実施例では、ピエゾ素子を微動アクチュエータ、ボイスコイルモータを粗動アクチュエータとして記述している。
【００１７】
ディスク２には、時刻Ｔｓ毎に位置情報３を予め記録させておく。位置情報３は、セクタの先頭を示すマーカ部、ＡＧＣ（オートマティック・ゲイン・コントロール）引き込み部、トラック番号、相対位置を検出するためのバースト信号を記録する。ヘッド５はサンプリング時刻Ｔｓ毎にディスク面に記録された位置情報とヘッドとの偏差を検出する。その偏差信号は、ヘッドアンプ１１で増幅し、位置信号復調回路１２により、ヘッド位置信号Ｙ：１３を生成する。
【００１８】
図２において、図１の粗動用コントローラ４７の演算やノッチフィルタ４８、目標値発生器５１、および同定手段６１は、マイクロプロセッサシステム１９によって実施される。マイクロプロセッサシステム１９は、マイクロプロセッサ１８がバスライン１４を介して，ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１７、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）１６に接続されている。ＲＯＭには各種制御系などのプログラムを格納する。ＲＡＭは、制御系の状態変数や可変ゲインを一時的に格納する。マイクロプロセッサは、各種制御系の演算を実行し、粗動用アクチュエータを駆動する操作量２０と微動用アクチュエータを駆動する操作量２１を出力する。操作量Ｕｐ：２１、Ｕｖ：２０は、それぞれＤ／Ａ変換回路２３、２２でディジタル量からアナログ量に変換され、アンプ２７、２６に送出され、それぞれピエゾ素子６、７、ボイスコイルモータ１０が駆動される。コマンドインターフェイス１５は、上位コントローラからの各種指令をマイクロプロセッサ１８に伝達する。
【００１９】
以下では、図１の同定手段について数式を用いて詳細に説明する。ここでは、逐次型最小二乗法適応調整器を用いて、微動アクチュエータのループゲインを推定する。操作量Ｕｐとヘッド位置信号Ｙは同じフィルタによりノイズ成分を除去する。望ましくは、遮断周波数ｆｎのみを通過するバンドバスフィルタが好適である。なお、以下では、記号の簡略化のため、フィルタ通過後の信号もＵｐおよびＹとして使用する。操作量Ｕｐから出力Ｙｐまでの微動アクチュエータの離散時間モデルを次式とする。微動アクチュエータは機構共振を有するが無視し、ここでは演算時間遅れを１次Ｐａｄｅ近似したものとアンプを１次遅れモデルとしたものとの積の二次系で構成する。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】
【数３】
【００２３】
【数４】
【００２４】
【数５】
【００２５】
【数６】
【００２６】
上記の適応同定手段６１によって微動アクチュエータのゲインを推定した結果を図６の下段に示す。推定は、０．００３秒から開始した。推定値は、正しい値の０．０５にわずか０．００１秒程度で高精度に収束することが分かる。これにより、本発明の有効性を確認することができた。この推定結果を用いて、微動用コントローラ７２のゲインや微動用モデル７１のゲインを調整することができる。また、複数のヘッドが存在し、それぞれに対し微動アクチュエータによって位置決めを行うディスク装置の場合には、それぞれの微動アクチュエータのゲインを上記手法により推定することができる。また、推定結果をメモリに格納し、さらには、ディスク面に記録させることによって電源を切断した後でも推定値の情報を保持することができる。これらの作業は、装置組立て後、製造過程で実施することができる。また、ユーザがディスク装置の電源を入れた後に実施することができる。さらには、上位ホストからデータの読み書きの指令がなく、待機状態のときに実施することができる。しかし、微動アクチュエータを制御せず、正弦波で駆動するため、データの読み書きしている最中には本第一の発明を実施することはできない。
【００２７】
なお、微動アクチュエータの出力Ｙｐ：４２が二段アクチュエータの構造によっては、測定できる場合がある。その場合には、図１のノッチフィルタ：４８は不要で、目標値発生器：５１は任意の周波数を発生し、適応同定手段：６１は、微動アクチュエータへの操作信号：５０と微動アクチュエータの出力信号：４２とから、微動アクチュエータのゲインを推定すればよい。
【００２８】
以下では、図７と図８を用いて本第二の発明を詳細に説明する。図１の構成と異なる点は、図１で粗動ループに挿入したノッチフィルタ：４８と目標値発生手段：５１であり、これらは本第二の発明では不要である。図７では、正弦波等で微動アクチュエータを加振することなしに、ヘッドがディスク面の情報を読み書きしている最中にも、微動アクチュエータのゲインを推定する手段を提供する。以下では、微動アクチュエータ用のコントローラ７２と粗動アクチュエータ用のコントローラ４７とを独立に設計可能な、非干渉構造の二段アクチュエータ制御系の設計について示す。ただし、本発明は、二段アクチュエータの構成を特に限定するものではない。
【００２９】
微動アクチュエータは、通常、高域の１０ｋＨｚ程度に機構共振を有する。微動用アクチュエータ用のコントローラ７２には、積分特性を持たせれば、微動アクチュエータを安定に動作可能である。ここでは微動アクチュエータの出力が直接観測できないため、微動用アクチュエータのモデルをオブザーバ７１としてその位置を推定する。ピエゾ素子を用いた微動アクチュエータは、その入力から出力までは、ほぼゲインとして近似することができる。よって、微動用制御器の出力に微動アクチュエータのゲインを乗じたものを微動アクチュエータの出力とみなして、粗動アクチュエータへの偏差信号に加算する７０。粗動用コントローラは微動アクチュエータにより偏差信号が零となった後でも引き続き微動アクチュエータの変位量を減少させるようにフィードバック制御が行われる。これに伴って微動用制御器も動作するので、ヘッド位置誤差信号を目標位置に保ったまま、微動アクチュエータの出力が減少し、やがて零、すなわち可動範囲の中心位置に微動アクチュエータを保持することができる。これにより、ストロークが狭く限られた微動アクチュエータの能力を最大限に生かすことができる。
【００３０】
以下では第二の発明の適応同定手段８８について説明する。微動アクチュエータの操作量Ｕｐ：７３とヘッド位置信号Ｙ：４５および粗動アクチュエータの操作量Ｕｖ：４９は同じフィルタによりノイズ成分を除去する。なお、以下では、記号の簡略化のため、フィルタ通過後の信号もＵｐとＹおよびＵｖとして使用する。微動アクチュエータのゲイン推定の考え方は、第一の発明と変わることはない。図７において、観測できるヘッド位置信号Ｙの応答は、微動アクチュエータの出力信号Ｙｐと粗動アクチュエータの出力信号Ｙｖの加算した信号の応答からなる。よって、微動アクチュエータのみのゲインを推定するためには、微動アクチュエータの出力信号を算出する必要があり、そのためには、観測できるヘッド位置信号Ｙ：４５から粗動アクチュエータの出力信号Ｙｖ：３０を引算すればよい。粗動アクチュエータの出力信号は観測することができないので、ここでは粗動アクチュエータのモデル７９を用いて粗動アクチュエータの出力位置を推定する８２。粗動アクチュエータは通常、ボイスコイルモータとキャリッジからなり、その基本的な特性は、二重積分系である。粗動用同定モデル７９は、それを離散時間表現して用いる。さらに、演算時間遅れを考慮したり、高次に機構共振を考慮するとよりモデルの精度が向上する。
【００３１】
微動用同定モデル８１、推定する微動アクチュエータの可変ゲイン８６、および適応調整器８３は、第一の発明を同一の手段（（数１）から（数６））を用いることができる。
【００３２】
なお、（数５）と（数６）は、逐次型最小二乗法の演算アルゴリズムであり、計算過程に割り算等が含まれており、ディスク面のデータを読み書きしている際に、さらに演算負荷を増大させる可能性がある。よって、以下では、計算負荷が小さい勾配法に基づいた適応調整器を示す。目的は、誤差ｅ：８５を最小とすることであるから、評価関数Ｊを次式で定義する。
【００３３】
【数７】
【００３４】
【数８】
【００３５】
図８に、本第二の発明の有効性を検討するために、（数８）を用いて微動アクチュエータのゲインを推定した結果を示す。約０．１秒で真値の０．０５に収束しているのが分かる。これは、第一の発明の例として示した最小二乗法による推定結果と比較すると遅い。しかしながら、微動アクチュエータの経時変化を推定する場合には、特に問題となることはない。０．５秒からは、微動アクチュエータのゲインを意図的に、０．０５から０．０４に変化させてみた時の応答を示している。精度良く推定できていることが分かる。なお、図中、０．１秒毎の線：２００，２０１等は、その区間の推定結果の平均値を示している。推定結果から平均値を求め、その平均値に対して、微動アクチュエータのゲインの劣化を比較することでより推定の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
図９は、第二の発明により微動アクチュエータのゲイン低下を検出した際の処理フローを示している。ゲイン低下が予め定めた閾値よりも小さくなった時：１００には、データの読み書きを禁止する：１０１。次に、第一の発明により微動アクチュエータの正確なゲインを推定する：１０１。その値が閾値よりも大きかったら：１０３、推定した結果に基づき微動用コントローラを調整し、データの読み書きを許可するフラグを立てる：１０５。これにより通常の状態に戻る。たとえば、微動アクチュエータのゲインが劣化した場合には、逆に、粗動アクチュエータのコントローラのゲインを増大させればよい。一方、閾値よりも小さかった場合には：１０３、上位コントローラに警告を発し、ゲインが劣化した微動アクチュエータで読み書きしていたディスク面のデータを読み出し、他のディスク面に記録する：１０４。閾値よりも小さくなった場合には、データの読み書きができなくなる可能性があり、また、微動アクチュエータがなんらかの要因により故障した可能性が考えられる。よって、本発明により、それらの要因を除外することが可能となり、装置信頼性が向上する。
【００３７】
本発明は微動アクチュエータのゲインを推定するものであるが、微動アクチュエータを動作させない場合には、本発明の適応同定手段と同一のアルゴリズムを用いて粗動アクチュエータのループゲインを推定することができる。その場合には、図１において、ノッチフィルタ４８を取り除き、目標値４６に正弦波を印加し、微動用の操作量Ｕｖとヘッド位置信号Ｙとから適応同定手段を働かせればよい。同一のアルゴリズムを用いることでソフト量の削減が可能となる。
【００３８】
なお、上述した実施例では、磁気ディスク装置を取り上げたが、本発明は、他の記憶媒体、例えば、光ディスクやＤＶＤ−ＲＡＭを用いる場合にも同様に実現が可能である。光ディスクやＤＶＤ装置などは、実施例で説明したように、粗動アクチュエータと微動アクチュエータを備え、本第一の発明と本第二の発明を適用する好適な例の一つである。また、他の二つ以上のアクチュエータを持つ位置決め制御装置においても同様な理由により実施が可能である。
【００３９】
また、本実施例では微動アクチュエータをピエゾ素子として説明したが、本発明はその形態に制限を受けない。すなわち、微動アクチュエータを電磁アクチュエータ、静電アクチュエータなどに置き換えても本発明は実施可能である。
【００４０】
さらに、粗動アクチュエータ、微動アクチュエータ、そしてさらに軽量で高応答な極微動アクチュエータを有する三段アクチュエータに対しても、三段アクチュエータの微動アクチュエータを上述した実施例の粗動アクチュエータに、三段アクチュエータの極微動アクチュエータを実施例の微動アクチュエータに置き換えることで同様に実施可能である。すなわち、本発明はアクチュエータの個数による制限は受けない。
【００４１】
また、上述した実施例では、いくつかの数値を具体化して説明したが、本発明は、これらの数値による制限は受けない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明では、高応答小ストロークの微動アクチュエータと、低応答大ストロークの粗動アクチュエータとを有する二段アクチュエータにおいて、微動アクチュエータの入出力特性を高速にかつ高精度に推定する適応同定手段を実現できる。また、本発明では、ヘッドがデータの読み書きを実施している際にも微動アクチュエータの入出力特性を推定し、微動アクチュエータのゲイン劣化等を監視する適応同定手段を実現できる。本発明により、高精度に推定した微動アクチュエータのゲインに基づいて、微動アクチュエータ用のコントローラを適切に再設計することができ、高精度なヘッドの位置決めを達成できる。これによりトラック間距離を狭くすることができるので、ディスク一面あたり大量のデータを記録することができ、ディスク装置の大容量化が実現できる。また、本発明により、微動アクチュエータのゲイン劣化を検出することができるので、ゲイン劣化に対応して処置を適切に実施することで、装置の信頼性を高めることが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本第一の発明の一構成を示す図。
【図２】本発明のディスク装置のハードウエアの構成図。
【図３】本第一の発明の粗動ループの開ループ特性を示す図。
【図４】本第一の発明の粗動ループの誤差圧縮特性を示す図。
【図５】本第一の発明の粗動アクチュエータ位置と微動アクチュエータ位置の時間応答を示す図。
【図６】本第一の発明のヘッド位置と微動アクチュエータのゲイン推定結果の時間応答を示す図。
【図７】本第二の発明の一構成を示す図。
【図８】本第二の微動アクチュエータのゲイン推定結果の時間応答を示す図。
【図９】本発明の動作ステップ手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…スピンドル、２…ディスク、３…位置情報、４…ヘッド、６、７…ピエゾ素子、１０…ボイスコイルモータ、１３…ヘッド位置信号、１９…マイクロプロセッサシステム、４０…微動アクチュエータ、４１…粗動アクチュエータ、４７…粗動用コントローラ、４８…ノッチフィルタ、５１…目標値発生器、５７…適応調整器、５８…可変ゲイン（推定値）、６１…適応同定手段、７１…微動用モデル、７２…微動用コントローラ、８３…適応調整器、８６…可変ゲイン（推定値）、８８…適応同定手段。
Claims (7)
- 情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出した情報から得られるヘッド位置信号に基づき前記粗動アクチュエータを制御する粗動用制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、
前記粗動用制御手段に周波数ｆｎの遮断フィルタを設け、前記微動アクチュエータを周波数ｆｎで駆動する指令値を与える目標値発生手段と、前記微動アクチュエータの操作信号と前記ヘッド位置信号とから前記微動アクチュエータのゲインを推定する適応同定手段を有することを特徴とする二段アクチュエータの位置決め制御装置。 - 前記適応同定手段は、前記微動アクチュエータの特性を表す同定モデルと、推定すべき前記微動アクチュエータのゲインを表す可変ゲインと、前記同定モデルと可変ゲインを積算した同定モデルの出力信号と、前記同定モデルの出力信号と前記ヘッド位置信号との偏差が減少するように前記可変ゲインを調整する適応調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の二段アクチュエータの位置決め制御装置。
- 前記周波数ｆｎで駆動する指令値は、正弦波状の目標値であることを特徴とする請求項１に記載の二段アクチュエータの位置決め制御装置。
- 情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出した情報から得られるヘッド位置信号に基づき前記粗動アクチュエータを制御する粗動用制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、
前記位置信号の応答波形と、前記微動アクチュエータの応答波形が一致している状態で、前記微動アクチュエータの操作信号と前記ヘッド位置信号とから前記微動アクチュエータのゲインを推定することを特徴とする二段アクチュエータの位置決め制御装置。 - 情報を有するディスクと、前記ディスクの情報を読み出しもしくは情報の書き込みを行うヘッドと、前記ヘッドを支持し前記ヘッドを位置決めする微動アクチュエータと、前記微動アクチュエータを搭載し前記ヘッドを位置決めする粗動アクチュエータと、前記ヘッドが読み出した情報から得られるヘッド位置信号に基づき前記微動アクチュエータと前記粗動アクチュエータを制御する制御手段とを有する二段アクチュエータの位置決め制御装置において、
前記粗動アクチュエータへの操作量と前記粗動アクチュエータのモデルを用いて、前記粗動アクチュエータの位置を推定する粗動用同定モデルと、前記ヘッド位置情報から前記粗動用同定モデルの出力信号を引算することで得られる前記微動アクチュエータの推定位置信号を具備し、前記微動アクチュエータの操作量と前記微動アクチュエータの推定位置信号とから前記微動アクアクチュエータのゲインを推定する適応同定手段を有することを特徴とする二段アクチュエータの位置決め制御装置。 - 前記適応同定手段によって推定した微動アクチュエータのゲインが所定の値よりも小さくなった場合には、前記ヘッドは前記ディスクに情報の書き込みを禁止することを特徴とする請求項１又は５に記載の二段アクチュエータの位置決め制御装置。
- 前記適応同定手段によって推定した微動アクチュエータのゲインに基づき微動アクチュエータの制御手段を調整することを特徴とする請求項１又は５に記載の二段アクチュエータの位置決め制御装置。
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