JP2008529193A - 非線形オブザーバを備えたディスク駆動装置 - Google Patents

非線形オブザーバを備えたディスク駆動装置 Download PDF

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Abstract

光ディスク駆動装置（１）は、ディスク（２）に対して位置付けられるべき読出／書込要素（３４）と、読出信号（ＳＲ）を発生させる検出器（３５）と、読出／書込要素（３４）の位置決めを制御するアクチュエータ手段（５０）とを有する。制御回路（９０）は、読出信号（ＳＲ）を受信して、アクチュエータ制御信号（ＳＣＲ）を発生させる。制御回路（９０）は少なくとも１つの可変ゲイン（γ）を有する。制御回路（９０）、アクチュエータ手段（５０）、読出／書込要素（３４）及び検出器（３５）は、臨界周波数（ωＣＰ）を有する制御ループ（１００）を定める。非線形状態推定器（３５０）は、臨界周波数（ωＣＰ）に対応する所定範囲にある周波数を有する信号成分に関して第１の値へ及び、所定範囲外にある周波数を有する信号成分に関して第２の値へ選択的にゲイン（γ）を設定するために使用される。また、第１の値は第２の値よりも低い。

Description

本発明は、概して、処理又は装置のパラメータ制御の分野に関する。特定の用途において、本発明は、対象の位置制御、更に具体的には、光ディスク駆動の対物レンズの径方向位置制御の分野に関し、本発明は、特に、以下の記載においてこのような用途に関して説明される。しかし、本発明はこのような用途に限定されないことが知られる。例えば、本発明の主旨は、また、磁気ディスクに適用され、また、更に一般的に、非線形制御の分野に適用される。
一般に知られるように、光記憶ディスクは、情報がデータパターンの形で記憶可能な記憶空間を構成する、連続螺旋の形で又は多重同心円の形で少なくとも１つのトラックを有する。光ディスクは、ユーザによってのみ読み出し可能な情報が製造中に記録された読み出し専用型のものであっても良い。光記憶ディスクは、また、情報がユーザによって記憶されるところの書き込み可能な形式のものであっても良い。光記憶ディスクの記憶空間に情報を書き込むために、又はディスクから情報を読み出すために、光ディスク駆動部は、一方で、光ディスクを受けて、回転させるための回転手段と、他方で、光ビーム、通常レーザービームを発生させ、更に、前出のレーザービームにより記憶トラックを走査するための光学手段とを有する。光ディスクの技術、一般に、情報が光ディスクに記憶され得る方法及び、光データが光ディスクから読み出され得る方法は、一般に知られるので、以降更に詳細にこの技術について記載することは必要とされない。
光ディスクを回転させるために、光ディスク駆動部は、通常、光ディスク中心部を嵌め込むハブを駆動するモータを有する。通常、モータは、スピンドルモータとして実施され、モータ駆動されるハブは、モータのスピンドルに直接に配置され得る。
回転するディスクを光学的に走査するために、光ディスク駆動部は、光ビーム発生器デバイス（通常レーザーダイオード）と、ディスク上の焦点に光ビームを合わせるための対物レンズと、ディスクから反射された光を受けて、電気検出器出力信号を発生させるための光検出器とを有する。光検出器は複数の検出器セグメントを有し、夫々のセグメントは個々のセグメント出力信号を供給する。
動作中に、光ビームは、ディスク上で焦点を合わせられたままであるべきである。この目的のために、対物レンズは軸方向に移動可能な方式で配置され、光ディスク駆動部は、対物レンズの軸方向の位置を制御するための焦点アクチュエータ手段を有する。更に、焦点は、トラックに一致したままであるべきであり、あるいは、新しいトラックに対して位置付けられることが可能であるべきである。この目的のために、少なくとも対物レンズは、半径方向に移動可能な方式で取り付けられ、光ディスク駆動部は、対物レンズの径方向位置を制御するための径方向アクチュエータ手段を有する。
多数のディスク駆動部で、対物レンズはチルト可能な方式で配置され、このような光ディスク駆動部は、対物レンズのチルト角度を制御するためのチルトアクチュエータ手段を有する。
これらのアクチュエータを制御するために、光ディスク駆動部は、光検出器から出力信号を受信する制御器を有する。以降読出信号とも呼ばれるこの信号から、制御器は、例えば、焦点誤差信号、径方向誤差信号などの１又はそれ以上の誤差信号を導き出し、これらの誤差信号を基に、制御器は、位置誤差を低減又は除去するようにアクチュエータを制御するためのアクチュエータ制御信号を発生させる。
アクチュエータ制御信号の処理において、制御器は、ある制御特性を有する。このような制御特性は、位置誤差の検出に応答して制御器が動作するように記載されうる制御器の特性である。
実際上、位置誤差は、異なった形式の外乱によって引き起こされうる。２つの最も重要な外乱の分類は、
１） ディスク不良、
２） 外部からの衝撃及び（周期的な）振動
である。
最初の分類は、例えば黒色点などの内部のディスク不良、例えば指紋などの汚れ、例えばひっかき傷などの損傷等を含む。第２の分類は、ディスク駆動部と衝突した対象によって引き起こされた衝撃を含むが、衝撃及び振動は、主に、携帯型ディスク駆動部及び自動車用途で期待され得る。
この点における問題は、第１の分類の外乱の適切な処理が、第２の分類の外乱の適切な処理とは異なる制御特性を必要とすることである。従来、ディスク駆動部の制御器は、固定された制御特性を有する。この特性は、特に第１の分類の外乱を適切に扱うよう適合され（この場合、誤差制御は第２の分類の外乱にとっては最適ではない。）、あるいは、特に第２の分類の外乱を適切に扱うよう適合される（この場合、誤差制御は第１の分類の外乱にとって最適ではない。）。あるいは、制御特性は妥協される（この場合、誤差制御は、第２の分類の外乱に限らず、第１の分類の外乱にとっても最適ではない。）。制御器が線形な制御方式を利用する限り、常に、低周波の外乱の除去と高周波の雑音感度との間には妥協が存在する。
当該技術の状態で、既に、受けた外乱の種類に依存して制御器の制御特性を変更することが提案されてきた。例えば、米国特許番号４，７２２，０７９が参照される。この文献は、制御器のゲインが適応されるところのディスク駆動装置を開示する。
外乱の種類を決定し、その外乱の種類に対して制御特性を適用させることとは別に、外乱の定量的評価を実行し、外乱の程度に制御特性を適応させることが可能である。例えば、機械的な衝撃の場合に、制御器ゲインが増大するのみならず、その増大の量は衝撃の強さに依存しうる。制御器ゲインが高くなればなるほど、ますますより良く駆動部は強い機械的衝撃に抵抗することができる。従って、駆動部の性能は、強い機械的衝撃の場合に、最大ゲイン増大に依存する。
この点における全般的な問題は、ゲインが無制限増大することができないことである。即ち、ゲインの設定が高すぎる場合に、制御器の制御ループは不安定となりうる。
米国特許番号４，７２２，０７９
従って、本発明の全般的な目的は、制御器の不安定性の危険を増大させずに制御器のゲインを更に増大させる方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、制御されるシステムの不安定性の危険を低減するように制御器の特性を動的に修正する方法を提供することである。
本発明の重要な態様に従って、ゲイン増大は、衝撃がある場合に、衝撃の強さのみならず、衝撃の固有周波数にも依存する。衝撃が比較的低い又は比較的高い関連周波数を有するならば、ゲインは比較的大きな程度まで増大する。衝撃が、不安定の危険に関連する所定周波数範囲にある関連周波数を有するならば、ゲインは比較的小さな程度まで増大する。実際に、前出の所定の周波数範囲で、ゲインは一定に保たれても良く、あるいは小さくされても良い。
従って、制御器は可変ゲインによる非線形動作を示す。これは、既に改善を提示する。即ち、大きな誤差信号が大きな低周波の衝撃及び振動によって導入される場合に、制御器のゲインは増大し、一方、衝撃及び振動が存在せず、高周波雑音又はディスク表面の欠陥が存在する場合に、元の制御器のゲインが回復する。
しかし、低周波の外乱及び高周波の外乱が同時に生じる場合がありうる。このような場合に、増大したゲインは、高周波異常に対する好ましくない増大した感度をもたらしうる。本発明の更なる目的は、この問題を解決することである。
この問題に取り組む明らかなアプローチは、高周波の外乱をフィルタ処理するよう低域通過フィルタ素子を加えることである。しかし、これは、非線形制御設計に不可避的に影響を及ぼし、従って、システムの安定性に影響を及ぼすので、低周波の外乱を扱うために使用され得る最大ゲインの低下をもたらしうる。
上記問題を回避しながら制御器を更に改善するよう、本発明の第２の重要な態様に従って、（オブザーバとしても示される）非線形状態推定器が、上記問題を回避しながら制御器を更に改善するように提案される。本発明によって提案される非線形状態推定器は、それが、非線形制御システムの安定性に著しく影響を及ぼすことなく高周波成分を抑制するという重要な特性を有する。
ＵＳ２００４／００３７１９３は、光ピックアップの位置を制御するための制御システムにおける線形カルマンフィルタの使用を開示することが知られる。
ＵＳ５，９８２，７２１は、スライディングモード制御器を含む光ディスク駆動システムを開示することが知られる。スライディングモード制御器は、位置信号及び速度信号を必要とする。これらの信号は、線形推定器によって供給される。
本発明のこれら及び他の態様、特徴並びに利点は、図面を参照して更に説明される。図面において、同一の参照番号は、同一の又は類似する部品を表す。
図１Ａは、通常ＤＶＤ又はＣＤなどの光ディスク２に情報を保存し、あるいは光ディスク２から情報を読み出すのに適した光ディスク駆動装置１を図式的に表す。ディスク２を回転させるために、ディスク駆動装置１は、回転軸５を決めるよう、（簡単のために図示されない）フレームに固定されたモータ４を有する。
ディスク駆動装置１は、光ビームによってディスク２のトラック（図示せず。）を走査する光学システム３０を更に有する。更に具体的に、図１Ａに表される配置の例で、光学システム３０は、光ビーム３２を発生させるよう配置された、光ビーム発生手段３１、通常、例えばレーザダイオードなどのレーザーを有する。光路３９に従う光ビーム３２の異なる区間は、以降、参照番号３２に加えられた文字ａ、ｂ、ｃなどによって示される。
光ビーム３２は、ディスク２に達するよう（ビーム３２ｂ）、ビーム分配器３３、コリメータレンズ３７及び対物レンズ３４を通る。対物レンズ３４は、ディスクの（簡単のために図示されない）記録層上の焦点Ｆに光ビーム３２ｂを合わせるよう設計される。光ビーム３２ｂは、ディスク２から反射され（反射光ビーム３２ｃ）、対物レンズ３４、コリメータレンズ３７及びビーム分配器３３を通って、光検出器３５に到達する（ビーム３２ｄ）。表される場合において、例えばプリズムのような光学部材３８は、ビーム分配器３３と光検出器３５との間に置かれる。
ディスク駆動装置１は、アクチュエータシステム５０を更に有する。アクチュエータシステム５０は、ディスク２に対して対物レンズ３４を半径方向に動かす径方向アクチュエータ５１を有する。径方向アクチュエータはそれ自体知られており、本発明はそれらの設計及び機能に関連しないので、それらについて更に詳細には論じる必要がない。
正確にディスク２の所望の位置での正確な焦点合わせを達成して維持するよう、前出の対物レンズ３４は、軸方向に移動可能な方法で取り付けられ、一方、アクチュエータシステム５０は、また、ディスク２に対して対物レンズ３４を軸方向に動かすよう配置された焦点アクチュエータ５２を有する。焦点アクチュエータはそれ自体知られており、それらの設計及び動作は本発明の主題ではないので、それらについて更に詳細に論じる必要はない。
対物レンズ３４の正確なチルト位置を達成して維持するよう、対物レンズ３４は回転方向に取り付けられ、一方、アクチュエータシステム５０は、また、ディスク２に対して対物レンズ３４を旋回するよう配置されたチルトアクチュエータ５３を有する。チルトアクチュエータ５３はそれ自体知られており、それらの設計及び動作は本発明の主題ではないので、それらについて更に詳細に論じる必要はない。
更に、装置フレームに対して対物レンズ３４を支持する手段、対物レンズ３４を軸方向及び径方向に動かす手段、及び対物レンズ３４を旋回する手段は、一般的にそれ自体しられていることが知られる。このような支持及び移動の手段の設計及び動作は本発明の主題ではないので、それらについて更に詳細には論じる必要がない。
更に、径方向アクチュエータ５１、焦点アクチュエータ５２及びチルトアクチュエータ５３は１つの一体化されたアクチュエータとして実施されても良いことが知られる。
ディスク駆動装置１は、モータ４の制御入力部へ接続された第１の出力部９２と、径方向アクチュエータ５１の制御入力部へ結合された第２の出力部９３と、焦点アクチュエータ５２の制御入力部へ結合された第３の出力部９４と、チルトアクチュエータ５３の制御入力部へ結合された第４の出力部９５とを有する制御回路９０を更に有する。制御回路９０は、その第１の出力部９２で、モータ４を制御するための制御信号ＳＣＭを発生させ、その第２の制御出力部９３で、径方向アクチュエータ５１を制御するための制御信号ＳＣＲを発生させ、その第３の出力部９４で、焦点アクチュエータ５２を制御するための制御信号ＳＣＦを発生させ、その第４の出力部９５で、チルトアクチュエータ５３を制御するよう制御信号ＳＣＴを発生させるよう設計される。
制御回路９０は、光検出器３５から読出信号ＳＲを受信する読出信号入力部９１を有する。
図１Ｂは、光検出器３５が、複数の検出器セグメント、この場合には４つの検出器セグメント３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄであって、４つの検出器セグメントの夫々に入射する光の量を示す個々の検出器信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを夫々供給することが可能な検出器セグメント３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄを有することを表す。中央開口検出器セグメントとも呼ばれる検出器セグメント３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、４象限構造で配置される。第１及び第４のセグメント３５ａ、３５ｄを第２及び第３の部分３５ｂ及び３５ｃから分離する中心線３６は、トラック方向に対応する方向を有する。このような４セグメント検出器はそれ自体知られているので、その設計及び機能の更に詳細な記載を提示することは不要である。
図１Ｂは、また、制御回路９０の読出信号入力部９１が、全ての個々の検出器信号を受信する複数の入力部を実際には有することを表す。従って、表される４象限検出器の場合において、制御回路９０の読出信号入力部９１は、実際には、前出の個々の検出器信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを夫々受信する４つの入力部９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄを有する。制御回路９０は、当業者には明らかであるように、前出の個々の検出器信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄからデータ及び制御情報を得るために、それらの信号を処理するよう設計される。例えば、正規化された径方向誤差信号ＲＥｎは、
Figure 2008529193
 に従って決定され得る。
更に、正規化された焦点誤差信号ＦＥｎは、
Figure 2008529193
 に従って決定され得る。
ＲＥｎ及びＦＥｎの夫々は、検出器３５における中心光点のある種の非対称性の程度であり、従って、それらは、ディスクに対する光走査点の移動に反応する。
光検出器の設計に依存して、誤差信号の様々な定義が使用可能であることが知られる。
本発明は、以降、径方向アクチュエータ５１を制御する場合について具体的に説明されるが、当然、同一の又は少なくとも類似する説明が焦点制御、チルト制御などの場合に当てはまる。この説明は、最初に線形制御を扱い、次に非線形制御を扱う。
図２Ａは、トラッキング制御ループ１００を図式的に表す簡単化されたブロック図である。制御回路９０は、レンズ３４の移動を生じさせる、径方向アクチュエータ５１のための制御信号ＳＣＲを発生させる。制御信号ＳＣＲと結果として得られるアクチュエータ力との間の関係を表す径方向アクチュエータ５１の伝達関数は、Ａ（ｓ）と表される。
アクチュエータ力と結果として得られるレンズ移動との間の関係を表すレンズ３４の伝達関数はＨ（ｓ）と表される。簡単なモデルにおいて、Ｈは、
Figure 2008529193
 と書かれることが知られる。なお、ｍはレンズ３４の質量を表す。
レンズ３４の移動は、信号「ｂｅａｍ」と表される光ビーム位置の変化を引き起こす。その一方、また、追随されるべきトラックの位置が、信号「ｔｒａｃｋ」として表されるように変化する。信号「ｔｒａｃｋ」はビームの目標位置を表す。実際のビーム位置と目標ビーム位置との間の差は、減算器３によって表され、検出器３５によって受信される反射光ビームの特徴的な変化をもたらし、ひいては、光読出信号ＳＲの特徴的な変化をもたらす。これから、径方向誤差信号ＲＥｎは計算され得る。制御回路９０の誤差信号計算器９６は、光読出信号ＳＲから径方向誤差信号ＲＥｎを計算する。検出器３５及び誤差信号計算器９６の結合の伝達関数は、一方におけるトラックに対するビーム移動と、他方における径方向誤差信号ＲＥｎとの間の関係を表し、Ｂ（ｓ）と示される。この回路のみが絶対的なビーム及びトラック位置から総体的な位置誤差を計算するので、定義により、誤差信号計算器９６の伝達関数（ゲイン）は１に等しいことが知られる。
制御回路９０の制御信号発生器部９８、例えばＰＩＤ制御器は、径方向誤差信号ＲＥｎを基に制御信号ＳＣＲを発生させる。制御信号発生器９８の伝達関数は、径方向誤差信号ＲＥｎと制御信号ＳＣＲとの間の関係を表し、Ｃ（ｓ）と表される。
前出の伝達関数の全てが一定であるとする。
図２Ａは、更に、制御回路９０が、本例では誤差信号計算器９６と制御信号発生器９８との間に配置されるように示された、ゲインγを有する増幅器９９を有しても良いことを示す。増幅器９９から制御信号発生器９８によって受信される信号は、増幅誤差信号γＲと表される。
実際には、制御システムは、アクチュエータ５１の入力部で制御ループへ加えられた、図２Ａで外乱信号Ｄと表される外乱を受けることがある。外乱の影響は、サーボループが動作中である場合に制御信号発生器９８の出力に対するアクチュエータ５１の入力部での小さな外乱Ｄの伝達を表す、閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）によって記載可能である。当業者には当然のことながら、閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）は、
Figure 2008529193
 と書くことができる。なお、Ｘ（ｓ）＝Ｃ（ｓ）・Ａ（ｓ）・Ｈ（ｓ）・Ｂ（ｓ）である。
図２Ｂは、制御ループ１００の閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）の一例の周波数応答に関する、参照番号１０１によって表されるナイキストプロットを示すグラフである。横軸は実数部Ｒｅ（Ｇ（ｊω））を表し、一方、縦軸は虚数部Ｉｍ（Ｇ（ｊω））を表す。曲線１０１の右上端はω＝０に対応し、一方、曲線１０１の左上端はω＝∞に対応する。
図２Ｂで、１０３で示される臨界点ＣＰは、閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）の点として定められ、この場合に、実数部Ｒｅ（Ｇ（ｊω））は最低値ＲＭＩＮを有する。この臨界点ＣＰに対応する周波数は、臨界周波数ωＣＰと表される。当業者には明らかであるように、ＲＭＩＮの値は、ゲインγの最大値を決定する。即ち、ＲＭＩＮが低くなればなるほど（即ち、｜ＲＭＩＮ｜が高くなればなるほど）、γの最大値はますます低くなる。γが、臨界周波数ωＣＰの範囲で周波数を有する、衝撃が生じた場合のこの最大値を上回るならば、システムは不安定となりうる。
当業者には明らかであるように、制御回路９０は、システムが図２Ａの線形状態で安定するような設計を有するべきである。これは、ゲインγの限界を暗示する。これは、衝撃及び振動の場合に満足できないことがある。衝撃及び振動は、通常、臨界周波数ωＣＰよりもずっと低い範囲にある周波数を含むので、より高いゲインが安定性の低下の恐れを伴わずに可能である。臨界周波数ωＣＰの範囲にある周波数を有する外乱に対する制限されたゲインの必要条件並びに衝撃及び振動の場合の高ゲインの必要条件の両方を受け入れるよう、制御回路９０は可変な制御特性を有する。更に具体的に、制御回路９０は、可変ゲインγを有する増幅器９９を有する。このゲインγは、γ＝γＣ＋γＶと書くことができる。なお、γＣはゲインの一定部を示し、一方、γＶはゲインの可変部を示す。図２Ｃは、一定ゲインγＣを有する一定増幅器９９Ａ及び可変ゲインγＶを有する可変増幅器９９Ｂの並列結合としての増幅器９９を示す、増幅器９９の代用回路のブロック図である。当然、γＶ＝０である場合に、増幅器９９の全ゲインγは、上述されたように安定性要求を目的として設定された一定ゲインγＣによって完全に決定される。言い換えると、システムは、γＶ＝０である場合に安定であるとされる。
制御回路９０は、衝撃を検出して、衝撃状態が検出される場合にその制御特性を適合させることができる。更に具体的に、制御回路９０は、衝撃が検出される場合にγＶを増大させるよう設計され、この場合に、ゲイン増大の大きさは、受けた衝撃の大きさに依存する。衝撃検出を用いて、それに応じてそのゲインを修正する制御回路は、それ自体知られていることが知られる。従って、更に詳細にこの態様について記載することは不要である。特に、衝撃検出の方法はこの点において重要でない。これは、本発明が、如何なる形式の衝撃検出方法とともに実施されても良いことによる。なお、衝撃検出方法は、定量的な衝撃の大きさ検出を可能にする方法が好ましい。
衝撃検出機能は、別個の衝撃検出器（例えば、機械的な衝撃検出器）が可変増幅器９９Ｂの設定を制御するように表され、更に実施されても良い。その場合に、可変増幅器９９Ｂは、入力制御信号によって決定されるゲインを有する制御可能な増幅器でありうる。しかし、本実施例で、衝撃検出機能は、可変増幅器９９Ｂの入力データ経路において接続された動的フィルタ２９７において実施されると考えられる。従って、衝撃検出機能は、可変増幅器９９Ｂによって受信される入力信号の周波数成分（即ち、この例では径方向誤差信号ＲＥｎの周波数成分）の解析に基づく。これは、図２Ｄに表される。図２Ｄは、図２Ａの増幅器９９の代用回路のブロック図である。
動的フィルタ２９７のフィルタ動作は、周波数依存の減衰Ｆ（ｓ）を導入すると考えられる。即ち、新しい閉ループ伝達関数Ｇ′（ｓ）は、Ｇ′（ｓ）＝Ｇ（ｓ）・Ｆ（ｓ）と書くことができる。動的フィルタ２９７は、臨界周波数ωＣＰの範囲で周波数を選択的に抑制するよう設計される。適切に、動的フィルタ２９７は、図２Ｅに表されるように、臨界周波数ωＣＰにおおよそ等しい中心周波数ω０を有する帯域阻止フィルタ又はノッチフィルタとして設計される。フィルタ２９７は、また、低域通過フィルタとして設計されても良いことが知られる。
図２Ｆは、本発明に従う可変増幅器２９９Ｂの可変ゲイン動作を図式的に表すグラフである。横軸は、可変増幅器部２９９Ｂの入力部で受信した信号ＳＩＮの大きさ（任意の単位）を表し、縦軸は結果として得られるゲインγＶ（任意の単位）を表す。閾値ＲＴを下回る大きさを有する小さな信号に関して、可変ゲインγＶはゼロに等しいままである。信号の大きさが前出の閾値ＲＴを上回る場合にのみ、可変ゲインγＶはゼロを上回る。原理上、可変ゲインγＶはゼロと一定の高値（Ｈｉｇｈ）との間で切り換えられることが可能であるが、表されるように、望ましくは、可変ゲインγＶは、信号の大きさに比例して増大する。しかし、これは線形関係を含む必要はない。
ここで、制御回路９０（図２Ａ）は、図２Ｄに従って実施される増幅器９９とともに、以下のように動作する。光読出信号ＳＲは、衝撃を検出するよう監視されて、処理される。衝撃がない限りは、あるいは、比較的小さな誤差に関しては、ゲインγ＝γＣであるように、それらの誤差の周波数とは無関係にゲインγＶ＝０である。
より大きな誤差に関して、前出の閾値ＲＴを上回る信号の大きさを有する場合、可変ゲインは、誤差周波数がフィルタ２９７の阻止範囲外であるならば増大する。誤差周波数がフィルタ２９７の阻止範囲内であるならば、可変増幅基部２９９Ｂの入力信号ＳＩＮは、誤差信号の大きさよりも低く、従って、ゲイン増大は低下する。抑制は、フィルタ２９７の中心周波数ω０の近くで、可変増幅器部２９９Bの入力信号ＳＩＮが前出の閾値ＲＴより低くなるよう行われ、従って、可変ゲインγＶは、このような周波数に関してゼロに等しいままである。既に上述されたように、安定性は、γＶ＝０である場合に確保される。
図２Ｇは、例えば、フィルタ２９７がノッチフィルタである場合に、参照番号２０１によって示される制御ループの新しい閉ループ周波数応答Ｇ′（ｓ）のナイキストプロットを示す、図２Ｂに相当するグラフである。簡単に参照できるように、元の閉ループ伝達関数Ｇ（ｓ）の元の曲線１０１も示される。元の曲線１０１は、径方向誤差が小さい場合の本発明の制御ループの応答を表し、一方、曲線２０１は、誤差の大きさが大きい場合の本発明の制御ループの応答を表す。フィルタ２９７の効果は、容易に認識可能である。実際に、フィルタ２９７は、臨界周波数ωＣＰでの応答が他の周波数での応答よりも低くなるように閉ループ周波数応答を形成する。
元の曲線１０１は、また、誤差の大きさが大きい場合に関して及び、一定ゲインγＣのある値に関して、（フィルタ２９７がスイッチオフされた状態の本発明の制御ループと等価である）フィルタ２９７を用いない制御ループの応答を表す。一方、曲線２０１は、誤差の大きさが同じであって、且つ、一定ゲインγＣの値が同じである場合の本発明の制御ループの応答を表す。先行技術の制御ループ（又はフィルタ２９７がスイッチオフされた状態の本発明の制御ループ）の場合に、これらの誤差の大きさは、全ての周波数に関して同じである可変ゲインγＶ設定をもたらし、結果として曲線１０１が得られる。本発明の制御ループ（即ち、フィルタ２９７がスイッチオンされた状態の制御ループ）の場合には、同じ誤差の大きさが、臨界周波数ωＣＰ周辺で比較的低い可変ゲインγＶ設定をもたらす。従って、フィルタ２９７の効果は、ＲＭＩＮの絶対値が小さくなることである。結果として、可変ゲインγＶの許容可能な最大値は増大する。
ノッチフィルタ２９７の中心周波数ω０の厳密値は、制御ループの臨界周波数ωＣＰ、即ち、伝達関数Ｇ′（ｓ）が、フィルタ２９７がスイッチオフされた状態（即ち、伝達関数が全ての周波数に関して１に等しい状態）でその最小値ＲＭＩＮを有するところの周波数に依存することが知られる。通常、設計は、制御ループが比較的高い、即ち、２０００Ｈｚを上回る臨界周波数ωＣＰを有するよう行われる。この周波数は、機械的な衝撃に対応する周波数範囲を優に上回り、従って、機械的な衝撃に対応する周波数範囲における周波数応答全体は、実質的に影響を受けない。
記載される例で、フィルタ２９７はノッチフィルタである。代替的に、衝撃が期待されるところの周波数範囲を優に上回るそのカットオフ周波数を有する低域通過フィルタを使用することが可能である。通常、衝撃は２００Ｈｚを下回る周波数を有するので、このようなカットオフ周波数のための適当な選択は、２０００Ｈｚを上回る範囲にある。また、このようなカットオフ周波数に対する適当な選択は、元の臨界周波数ωＣＰにおおよそ等しい。しかし、臨界点ＣＰは可能な限り右側へ動かされるべきであるから、望ましくは、カットオフ周波数は、元の臨界周波数ωＣＰを下回るよう選択される。
フィルタ２９７がノッチフィルタである場合に、適当な設計選択は、元の臨界点ＣＰに対応する周波数に等しくなるようノッチフィルタの中心周波数ω０を選択すべきである。しかし、図２Ｇで表される理想的な場合に、ノッチフィルタの中心周波数ω０は、閉ループ伝達関数Ｇ′（ｓ）が２つの点ＣＰ１及びＣＰ２を有するように、即ち、Ｒｅ（Ｇ′）の最低値ＲＭＩＮが、一方はω０を下回り、もう一方はω０を上回る２つの周波数ω１及びω２に関して得られるように選択される。
以上、非線形制御器９０の動作は、一定増幅器部２９９Ａ及び可変増幅器部２９９Ｂの両方が径方向誤差信号ＲＥｎを受信する場合について記載してきた（可変増幅器部２９９Ｂの場合にはフィルタをかけられた信号ＳＩＮであるが。）。これは、既に、（γＶ＝０に等しい）線形制御器９０と比べて改善を構成し、実際に、このアプローチは、衝撃又は振動しか受けない場合に又は測定雑音又はディスク不良などの高周波の外乱しか受けない場合に満足される。実際上、しかし、低周波の外乱（例えば、衝撃。）及び高周波の外乱（例えば、ディスク不良又は測定雑音。）は同時に起こり得る。低周波の外乱は、望ましくない方法で高周波の外乱を増幅するよう、ゲインを比較的高く設定させる。
性能を改善するよう、本発明は、径方向誤差信号ＲＥｎを推定する状態オブザーバ又は推定器の使用を提案する。これは、図３に表される。図３は、図２Ａの増幅器９９に取って代わる増幅器回路３９９のブロック図である。
増幅器３９９は、並列に配置された一定増幅器３９９Ａ及び可変増幅器３９９Ｂを有する。これらの増幅器３９９Ａ及び３９９Ｂは、夫々、先に説明された増幅器２９９Ａ及び２９９Ｂと同一であっても良く、従って、これらの増幅器の説明を繰り返すことは必要とされない。これらの増幅器３９９Ａ及び３９９Ｂの出力信号は、加算器３０１によって表されるように加算されて、結果として得られる出力信号γＲは、図２Ａの制御信号発生器９８によって処理される。この結果として得られる信号γＲは、γＲ＝γＶＳ＋γＣＲとして書くことができる。なお、γＶＳは可変増幅器３９９Ｂの出力信号を示し、一方、γＣＲは一定増幅器３９９Ａの出力信号を示す。
更に、動的フィルタ３９７は、可変増幅器３９９Ｂの信号入力経路に含まれる。この動的フィルタ３９７は、先に説明された動的フィルタ２９７と同一であっても良く、従って、この動的フィルタ３９７の説明を繰り返すことは必要とされない。
増幅器３９９は、更に、第１の入力部３５１、第２の入力部３５２及び出力３５３を有する状態推定器３５０を有する。その第１の入力部３５１で、状態推定器３５０は、可変増幅器３９９Ｂの出力信号γＶＳを受信する。その出力部３５３で、状態推定器３５０は、径方向誤差信号ＲＥｎの推定値である信号
Figure 2008529193
 を供給する。この推定誤差信号
Figure 2008529193
 は、動的フィルタ３９７の入力部で受信される。一定増幅器３９９Ａは、先と同様に、径方向誤差信号ＲＥｎを受信する。
その第２の入力部３５２で、状態推定器３５０は、減算器３４０によって表される、径方向誤差信号ＲＥｎと推定誤差信号
Figure 2008529193
 との間の差δＲを受信する。
状態推定器３５０は、全体としての制御ループの動作を記載するモデルを用いて、且つ、外乱の動作を表すモデルを用いて、２つの入力信号γＶＳ及びδＲからその出力信号
Figure 2008529193
 を計算するよう設計される。
状態推定器３５０はそれ自体知られていることが知られる。従って、状態推定器３５０の設計及び動作の更に詳細な記載は、ここでは与えられない。しかし、状態推定器は、一般に、測定され得ない又は容易には測定されないシステムのどこかでパラメータの値を予測又は推定するよう設計されることが知られる。対照的に、本発明では、状態推定器３５０は、測定信号として入手可能なパラメータ（即ち、径方向誤差信号。）を推定するために使用される。更に、ゲインを変更するために、推定されたパラメータ
Figure 2008529193
 は、改善された性能がもたらされることが知られるので、実際の測定信号ＲＥｎの代わりに用いられる。
更に、状態推定器は、一般に、このような推定器が実施されるところのシステムの動作を表す線型モデルを基にパラメータの値を予測又は推定するよう設計される。対照的に、本発明では、状態推定器３５０は、全体としての制御ループ１００の非線形動作を考慮する。この動作は、状態推定器３５０が可変増幅器３９９Ｂから非線形出力信号γＶＳを受信するという事実によって表される。これは、状態推定器３５０を非線形推定器にする。
更に、本発明では、状態推定器３５０が、期待される外乱の動作に関する所定の情報を考慮することが知られる。この所定の情報は、例えば、周波数スペクトラムに関する。例えば、測定雑音又はディスク不良は、比較的高い周波数成分を有するとする。
全体として、状態推定器３５０は、径方向誤差信号ＲＥｎに作用し、制御システムの安定性に影響を及ぼすことなく、フィルタをかけられた誤差信号
Figure 2008529193
 を可変増幅器３９９Ｂの入力部に供給する高度な低域通過フィルタとして動作する。
状態オブザーバ３５０は、その２つの入力信号を基に及び、観測されるシステム（サーボループ）の（仮定される）動作を示す式を基に出力信号を計算するシステムであると考えられる。これらの入力信号は、動的システムであるところの観測されるシステムで生ずる信号であり、従って、これらの信号は、時間の関数として変化する。これらの信号の変化の仕方は、オブザーバの出力信号に依存し、一方、オブザーバの出力信号は、その入力信号に依存する。従って、オブザーバシステムと観測されるシステムとの間には相互作用が存在する。状態オブザーバが安定したデバイスであることは重要である。これは、オブザーバへの入力信号が制限される場合に、オブザーバ出力信号が制限され、差δＲが、観測されるシステムの動作に関係なくゼロに収束することを意味する。その場合に、状態オブザーバは、観測されるシステムのダイナミクスにそれ以上影響を及ぼさず、一方の状態オブザーバの動作及び他方の観測されるシステムの動作は、分離されていると考えることができる。
本発明によって提案される好ましい実施例で、状態オブザーバは、以下の式
Figure 2008529193
 に従ってその出力信号を計算する。なお、ｘ；＾はオブザーバの状態ベクトルを表し、
Figure 2008529193
 は推定誤差信号、即ち、状態オブザーバの出力信号を表す。
第１の入力部３５１での入力信号γＶＳは、以下の式
Figure 2008529193
 に従って考えられる。なお、φはフィルタ３９７及び可制御増幅器３９９Ｂの動作を示す関数である。
状態オブザーバは、以下の式
Figure 2008529193
 に基づいて、そのオブザーバ状態ベクトル
Figure 2008529193
 を計算する。なお、（Ａ＋ｂ１・ＣＴ）は、制御されるシステムの線形ダイナミクスを示す、即ち、レンズを含むサーボシステムの動作のモデルを表す行列である。なお、ｂ２は入力ベクトルであり、Ｋはカルマンゲイン行列である。
適切なカルマンゲイン行列を決定する幾つかの可能な方法があるが、適切なカルマンゲイン行列を決定する好ましい方法は、以下
Figure 2008529193
 のような変形された線形モデル構造に基づく。なお、ｖは高周波の外乱、即ちディスクエラーを表し、ｗは低周波の外乱、即ち衝撃及び振動を表す。式（２ｂ）はシステム方程式であり、一方、式（２ａ）は測定方程式である。前出の線形モデル方程式は、衝撃及びディスクエラーが分離可能な特有の周波数範囲に関連するという仮定を反映する。
式２ａ及び２ｂにより、一定カルマンゲイン行列Ｋは、
Ｋ＝Ｐ・ｃ （３）
によって与えられる。なお、Ｐ＝ＰＴ＞０は、代数的リカッチ式を解くことによって得られる誤差共分散行列を表す。ｗ及びｖはスカラー値であるという事実により、このリカッチ式は、
Ａ・Ｐ＋Ｐ・ＡＴ＋τｂ１・ｂ１ Ｔ−Ｐ・ｃ・ｃＴ・ＰＴ＝０ （４）
によって与えられる。
この場合に、全ての項は、自由に選択され得るτを除いて、制御されるシステムのモデルによって決定される。τは、高周波及び低周波に関するフィルタ性能を決定する。即ち、τが比較的低い場合に、フィルタ性能は主にディスクエラーによって決定され、一方、τが比較的高い場合には、フィルタ性能は主に衝撃及び振動によって決定される。
安定性解析の目的のために、接続されるシステムダイナミクスは、
Figure 2008529193
 を用いて、以下の式
Figure 2008529193
 によって与えられる。
この場合に、式５ａは、制御されるシステムのモデルを示し、式５ｂはオブザーバを示す。項ｂ２・γＶＳは、カルマンフィルタと可変ゲイン制御システムダイナミクスとの間の非線形結合を導入するが、線形オブザーバ誤差ダイナミクス、即ち
Figure 2008529193
 を有する効果を伴う。この式は、式５ａ及び５ｂを互いから減ずることによって得られる。
式５ｃ、５ｄ、５ｅ、即ち、δＲ＝ｃＴ・ｘ＋ｖ＋ｗ−ｃＴ・ｘ；＾を用いると、式６ａは、
Figure 2008529193
 のように書くことができる。
式６ｂから、行列（Ａ＋（ｂ１−Ｋ）・ｃＴ）が安定しているならば、誤差
Figure 2008529193
 はゼロに収束することになる。行列（Ａ＋（ｂ１−Ｋ）・ｃＴ）は、カルマンゲイン行列Ｋの選択を考慮して、安定していることが知られる。誤差
Figure 2008529193
 がゼロに収束するとともに、式５ａ及び５ｂは、
Figure 2008529193
 を式５ａに、及び
Figure 2008529193
 を式５ｂに代入することによって書き換えられて、
Figure 2008529193
 を与える。
これら２つの書き換えられた式は、線形分離仮定を反映する。即ち、式５ａ′及び５ｂ′は、互いに独立している。即ち、オブザーバ誤差ダイナミクスはシステムダイナミクスとは無関係である。
前出の手順は、適切なカルマンゲイン行列をもたらすが、記載されるように、このような行列を決定する幾つかの可能な方法が存在する。どんな場合でも、適切なカルマンゲイン行列は、安定している（制限される）べきである。カルマンゲイン行列が安定であるよう、全てのその固有値の実数部は非正、望ましくは負であるべきであることが示されうる。言い換えると、行列の複素固有値のいずれもが正の実数部を有さない限り、行列は、当業者に明らかであるように、使用され得る。
カルマンゲイン行列が前出の式３及び４を用いることによって計算される場合に、安定カルマンゲイン行列は、常に、安定した行列（Ａ＋（ｂ１−Ｋ）・ｃＴ）と、ひいては、ゼロに収束する誤差
Figure 2008529193
 とをもたらすことが示されうる。
当業者には当然ながら、本発明は上述された実施例に限定されず、幾つかの変形及び変更が添付の特許請求の範囲で定義される本発明の保護範囲内で可能である。
例えば、フィルタ３９７並びに可変増幅器３９９Ｂ及び一定増幅器３９９Ａは、１つの信号処理部品に一体化されることが可能である。
また、フィルタ３９７が可変増幅器３９９Ｂの出力部に配置されることも可能であり、この場合に、可変増幅器３９９Ｂは、状態推定器３５０から推定誤差信号
Figure 2008529193
 を直接的に受信することができる。
更に、減算器３４０及び状態推定器３５０は、γＶＳ及びＲＥｎをまさに受信する単一装置として実施されても良く、この場合に、この単一装置は、
Figure 2008529193
 を計算するための内部減算器を有しうる。更に、フィルタ３９７が状態推定器３５０に一体化されることが可能である。この場合に、状態推定器３５０は、推定誤差信号
Figure 2008529193
 に内部でフィルタをかけ、可変増幅器３９９Ｂに入力信号ＳＩＮを供給しうる。
本発明は、本発明に従う装置の機能ブロックを表すブロック図を参照して説明された。当然、これらの機能ブロックの１又はそれ以上はハードウェアにおいて実施可能であり、その場合に、その機能は個々のハードウェア部品によって実行されるが、これらの機能ブロックの１又はそれ以上が、その機能がコンピュータプログラムの１又はそれ以上のプログラム行、あるいは、例えばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどのプログラム可能な装置によって実行されるように、ソフトウェアにおいて実施されることも可能である。
光ディスク駆動装置の該当部品を図式的に表す。 より詳細に光検出器の実施例を図式的に表す。 トラッキング制御ループを図式的に表すブロック図である。 本発明が実施されない閉ループの全伝達関数のナイキストプロットを示すグラフである。 増幅器の代用回路のブロック図である。 増幅器の代用回路のブロック図である。 本発明を実施する際の使用のために適切な動的フィルタの可能な周波数特性を表すグラフである。 可変ゲイン動作を図式的に表すグラフである。 本発明に従って実施される閉ループの全伝達関数のナイキストプロットを示すグラフである。 本発明に従って実施される増幅器の代用回路のブロック図である。

Claims (22)

  1. ディスクに対して位置付けられるべき少なくとも１つの読出／書込要素と、読出信号を発生させる少なくとも１つの検出器とを有する、前記ディスクの記録トラックを走査する走査手段；
    前記少なくとも１つの読出／書込要素の位置決めを制御するアクチュエータ手段；
    少なくとも１つの可変ゲインを有し、前記読出信号を受信して、該読出信号の少なくとも１つの信号成分を基に少なくとも１つのアクチュエータ制御信号を発生させる制御回路；及び
    臨界周波数を有する制御ループを定める前記制御回路、前記アクチュエータ手段、前記読出／書込要素及び前記検出器；
    を有するディスク駆動装置を制御する方法であって：
    前記ゲインを、前記臨界周波数に対応する所定範囲にある周波数を有する信号成分に関しては第１の値へ、また、前記範囲外の周波数を有する信号成分に関しては第２の値へ選択的に設定するよう非線形状態推定器を使用するステップを有し、
    前記第１の値は前記第２の値より低い、方法。
  2. 全ての信号成分に関して、前記ゲインは、かかる信号成分の周波数又は振幅から独立している一定部と、かかる信号成分の周波数又は振幅に依存する可変部とを有し、
    前記一定部は線形且つ安定した制御設計に対応する、請求項１記載の方法。
  3. 前記読出信号を基に誤差信号を計算するステップ；
    第１の処理された信号成分を得るよう前記一定ゲイン値により前記誤差信号を処理するステップ；
    前記誤差信号を基に推定誤差信号を計算するよう前記非線形状態推定器を使用するステップ；
    第２の処理された信号成分を得るよう前記可変ゲインにより前記推定誤差信号を処理するステップ；及び
    前記第１及び第２の処理された信号成分を結合するステップ；
    を有する請求項２記載の方法。
  4. 前記推定誤差信号を受信するステップ；
    前記推定誤差信号に動的にフィルタをかけるステップ；及び
    所定の衝撃閾値を上回る大きさを有するフィルタをかけられた信号成分に可変ゲインを適用するステップ；
    を有する請求項３記載の方法。
  5. 前記非線形状態推定器は、一方では前記誤差信号と前記推定誤差信号との間の差を基に、他方では前記第２の処理された信号成分を基に前記推定誤差信号を計算する、請求項３記載の方法。
  6. 前記非線形状態推定器は、以下の式：
    Figure 2008529193
     に従って前記推定誤差信号を計算し、
    ｘ；＾は、以下の式：
    Figure 2008529193
     に従って計算されるオブザーバ状態ベクトルを表し、
    （Ａ＋ｂ１・ｃＴ）は、制御されるシステムの線形ダイナミクスを示す行列であり、
    ｂ２は入力ベクトルであり、
    Ｋは安定カルマンゲイン行列である、請求項５記載の方法
  7. 前記動的にフィルタをかけるステップは、前記臨界周波数に近い周波数を有する信号成分を選択的に抑制するステップを有する、請求項４記載の方法。
  8. 前記可変ゲインは、前記対応するフィルタをかけられた推定誤差信号成分の大きさに比例する、請求項４記載の方法。
  9. 前記アクチュエータ手段は径方向アクチュエータを有し、
    前記可変ゲインは、前記径方向アクチュエータを制御するための径方向制御ループにおけるゲインである、請求項１記載の方法。
  10. 前記アクチュエータ手段は焦点アクチュエータを有し、
    前記可変ゲインは、前記焦点アクチュエータを制御するための焦点制御ループにおけるゲインである、請求項１記載の方法。
  11. 前記アクチュエータ手段はチルトアクチュエータを有し、
    前記可変ゲインは、前記チルトアクチュエータを制御するためのチルト制御ループにおけるゲインである、請求項１記載の方法。
  12. ディスク駆動装置での使用のための制御回路であって、
    検出器から読出信号を受信する入力部と、
    前記読出信号から得られた少なくとも１つの誤差信号成分を基に少なくとも１つのアクチュエータ制御信号を供給する少なくとも１つの出力部とを有し、
    当該制御回路は可変ゲインを有し、
    当該制御回路は、衝撃があったか否かに依存して、及び／又は衝撃の大きさに依存して、そのゲインを設定するよう構成され、
    当該制御回路は、
    推定誤差信号を計算するよう設計された非線形状態推定器と、
    所定周波数範囲内の周波数を有する信号成分を減衰させるよう設計された動的フィルタ及び可変増幅器の直列接続とを有し、
    該直列接続は、前記推定誤差信号を受信するよう結合される、制御回路。
  13. 前記非線形状態推定器は、前記直列接続の出力信号を受信するよう結合された第１の入力部を有する、請求項１２記載の制御回路。
  14. 前記誤差信号成分と前記推定誤差信号との間の差信号を計算する減算器を有し、
    前記非線形状態推定器は、前記差信号を受信するよう結合された第２の入力部を有する、請求項１２記載の制御回路。
  15. 前記動的フィルタはノッチフィルタを有する、請求項１２記載の制御回路。
  16. 前記動的フィルタは低域通過フィルタを有する、請求項１２記載の制御回路。
  17. 一定ゲインを供給する一定増幅器と、前記一定増幅器及び前記直列接続の出力信号を結合する加算器とを更に有し、
    前記一定増幅器は、前記誤差信号成分を受信するよう結合される、請求項１２記載の制御回路。
  18. ディスクに対して位置付けられるべき少なくとも１つの読出／書込要素と、読出信号を発生させる少なくとも１つの検出器とを有する、前記ディスクの記録トラックを走査する走査手段；
    前記少なくとも１つの読出／書込要素の位置決めを制御するアクチュエータ手段；
    少なくとも１つの可変ゲインを有し、前記読出信号を受信して、該読出信号の少なくとも１つの信号成分を基に少なくとも１つのアクチュエータ制御信号を発生させる制御回路；及び
    臨界周波数を有する制御ループを定める前記制御回路、前記アクチュエータ手段、前記読出／書込要素及び前記検出器；
    を有するディスク駆動装置であって、
    請求項１記載の方法を実行するよう構成されたディスク駆動装置。
  19. ディスクに対して位置付けられるべき少なくとも１つの読出／書込要素と、読出信号を発生させる少なくとも１つの検出器とを有する、前記ディスクの記録トラックを走査する走査手段；
    前記少なくとも１つの読出／書込要素の位置決めを制御するアクチュエータ手段；
    前記読出信号を受信して、該読出信号の少なくとも１つの信号成分を基に少なくとも１つのアクチュエータ制御信号を発生させる制御回路；及び
    臨界周波数を有する制御ループを定める前記制御回路、前記アクチュエータ手段、前記読出／書込要素及び前記検出器；
    を有するディスク駆動装置。
  20. 前記動的フィルタの前記所定周波数範囲は、前記制御ループの前記臨界周波数に対応する、請求項１８記載のディスク駆動装置。
  21. 前記アクチュエータ手段は、前記少なくとも１つの読出／書込要素の径方向位置を制御するよう、且つ／あるいは、前記少なくとも１つの読出／書込要素の軸位置を制御するよう、且つ／あるいは、前記少なくとも１つの読出／書込要素のチルト位置を制御するよう設計される、請求項１８記載のディスク駆動装置。
  22. 前記アクチュエータ手段は、前記少なくとも１つの読出／書込要素の径方向位置を制御するよう、且つ／あるいは、前記少なくとも１つの読出／書込要素の軸位置を制御するよう、且つ／あるいは、前記少なくとも１つの読出／書込要素のチルト位置を制御するよう設計される、請求項１９記載のディスク駆動装置。
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