JP3699882B2 - ヘッド位置決め装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスク装置に係り、特に、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制御するディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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の技術が知られている。例えば、特開平４−３６８６７６号公報には、粗動アクチュエータの制御系と微動アクチュエータの制御系とを協調させて制御系の高帯域化を実現する位置決め制御技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平４−３６８６７６号公報では、二段アクチュエータ制御系の構造の開示のみにとどまっていて、制御系を高帯域化する上で好適な制御系の設計技術については述べられてはいない。
【０００４】
磁気ディスク装置は年々、高密度化が進むと共に、ディスク回転の高速化によるデータ転送速度の高速化のニーズもある。現在、ディスク回転は7200rpm程度であるが、今後12000rpmを超える装置がでてくる。外乱成分のなかで特にディスクフラッターや風乱に起因した位置外乱ＤDはディスク回転の増加とともにその誤差成分が存在する周波数領域も増大する。現状、ディスク回転7200rpmの位置外乱は、500Hzから２kHz程度に存在するため、帯域500Hzの制御系では位置外乱を増幅している、ここで例えば、帯域を500Hzから2kHzに上げたとすると位置誤差外乱は大幅に圧縮することができる。しかしながら、ディスク回転の増加に伴い、位置外乱の周波数領域も増加し、例えば15000rpmの装置では2kHzから4kHzにまで増加することが知られている。
【０００５】
特開平４−３６８６７６号公報に開示された二段アクチュエータの制御系の構造で設計を行ったときの二段アクチュエータシステムの感度関数（外乱圧縮特性）では、2kHz以下の帯域で外乱を圧縮し、２kHz以上の周波数では逆に各外乱を増幅する特性となる。
【０００６】
これより従来技術の二段アクチュエータ制御システムでは、帯域を上げたにも係わらず、ディスク回転の増加にともない、位置外乱の存在する周波数帯域も増加することから、帯域向上によって期待された位置決め誤差の低減が実現できない。これらの各種外乱成分を機構系の改良によって低減することも考えられるが装置のコストの増加につながり望ましくない。
【０００７】
よって、二段アクチュエータ制御系の高精度位置決め技術の課題は重要であり、解決されなければならない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、粗動アクチュエータと微動アクチュエータを有する二段アクチュエータシステムにおいて、全ての周波数において外乱を増幅することのない感度関数（外乱抑圧特性）を実現するディスク装置および位置決め制御方式を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のヘッド位置決め装置は、ディスク全体にわたってヘッドを動作できるストロークをもつ粗動アクチュエータＰVと、前記粗動アクチュエータを駆動するための粗動用制御器ＣFBVと、前記粗動アクチュエータによって移動可能でストロークが小さく限られている微動アクチュエータＰPと、前記微動アクチュエータを駆動するための微動用制御器ＣFBPと、前記微動アクチュエータによって微動位置決めされる前記ヘッドとを備えたヘッド位置決め装置において、前記ヘッドの位置を検出して求めたヘッド位置信号と目標位置とを比較して求めた位置偏差信号を前記粗動用制御器と前記微動用制御器の双方にフィードバックし、前記微動アクチュエータの変位量を前記粗動制御器に加算する構成とし、前記粗動アクチュエータの伝達関数がＰV、前記微動アクチュエータの伝達関数がＰP、前記微動用制御器の伝達関数がＣFBPであるとき、前記伝達関数Ｐ P が前記粗動アクチュエータと前記粗動用制御器とで構成される粗動ループの制御帯域より高い周波数領域に共振を有し前記共振に対して低周波数領域で一定のゲインを有するように前記微動アクチュエータを構成し、前記微動アクチュエータと前記微動用制御器の外乱圧縮特性を示す微動ループの感度関数ＳPを１/(１＋ＰP×ＣFBP)とし、希望する位置決め装置の感度関数のモデルであるＳMODELをすべての周波数において０ｄ B を超えることのないハイパスフィルタ形の伝達関数として定め、前記粗動用制御器の伝達関数ＣFBVを(１/ＰV)×((１/ＳMODEL)×ＳP−１)として構成した。
【００１２】
また上記目的を達成するために、本発明のヘッド位置決め装置は、ディスク全体にわたってヘッドを動作できるストロークをもつ粗動アクチュエータＰVと、前記粗動アクチュエータを駆動するための粗動用制御器ＣFBVと、前記粗動アクチュエータによって移動可能でストロークが小さく限られている微動アクチュエータＰPと、前記微動アクチュエータを駆動するための微動用制御器ＣFBPと、前記微動アクチュエータによって微動位置決めされる前記ヘッドとを備えたヘッド位置決め装置において、前記ヘッドの位置を検出して求めたヘッド位置信号と目標位置とを比較して求めた位置偏差信号を前記粗動用制御器と前記微動用制御器の双方にフィードバックし、前記粗動アクチュエータの伝達関数がＰV、前記微動アクチュエータの伝達関数がＰP、前記微動用制御器の伝達関数がＣFBPであるとき、前記伝達関数Ｐ P が前記粗動アクチュエータと前記粗動用制御器とで構成される粗動ループの制御帯域より高い周波数領域に共振を有し前記共振に対して低周波数領域で一定のゲインを有するように前記微動アクチュエータを構成し、希望する位置決め装置の感度関数のモデルであるＳMODELをすべての周波数において０ｄ B を超えることのないハイパスフィルタ形の伝達関数として定め、前記粗動用制御器の伝達関数ＣFBVを(１/ＰV)×((１/ＳMODEL)−ＰP×ＣFBP−１)として構成した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、各外乱成分からヘッド位置誤差信号にいたる外乱圧縮特性を示す感度関数に着目し、この感度関数を全ての周波数において０ｄＢ以下、すなわち、外乱を増幅することない感度関数を備えるディスク装置としたものである。
【００１７】
まず、二段アクチュエータ制御系の技術課題を容易に理解するために、粗動アクチュエータであるボイスコイルモータのみでヘッドを駆動した場合の技術課題を説明する。図１２は、粗動アクチュエータフィードバック制御系と各信号に印加される外乱信号を示すブロック線図である。ここで、制御対象である粗動アクチュエータの機構系はＰ２０９で表しており、それを駆動するための制御器はＣ２０６で表している。この系で、アクチュエータに働く力として外乱ＤＦ２０７、機構系の振動外乱ＤM２１１、ディスク振動や風乱に起因したヘッドの位置誤差外乱ＤD２１２、検出ノイズＤN２０４等がある。
【００１８】
図において、制御対象Ｐの出力には、機構系の振動外乱と位置誤差外乱が加わり、ヘッド位置Ｙ２００が確定される。ヘッドの位置は、自身のヘッド位置Ｙ２００と、ディスク上に予め記録されている位置情報Ｖ２０１との差を、復調してヘッド位置誤差信号ＹPES２０５として検出する。その際、検出ノイズ２０４が加わる。制御器Ｃ２０６はヘッド位置誤差信号を元に制御対象を安定化し、かつ制御系の高帯域化を図るために、通常、位相進み・位相遅れ補償器などで設計される。図１２において、制御目的は、各外乱が加わっている状態で、検出可能なヘッド位置誤差信号ＹPESの分散を小さくするための制御器Ｃを求めることである。ここで、各外乱からヘッド位置誤差信号２０５に至るまでの伝達関数を以下に示す。
【００１９】
【数１】
【００２０】
ここで、次式を感度関数Ｓとして定義する。また、感度関数は上式より、外乱からヘッド位置誤差信号への圧縮率を表すことから外乱圧縮特性とも呼ばれている。
【００２１】
【数２】
【００２２】
これより、制御器Ｃで制御対象Ｐの安定化を図ると共に、ゲインを上げて高帯域化を図ることにより、感度関数の分母（１＋PC）が大きくなり、よって、各外乱からヘッド位置誤差信号ＹPESに至る外乱成分を圧縮できる。この理由により、制御系の高帯域化が強く望まれている。
【００２３】
さて、図１３に感度関数Ｓの一例を示す。ボイスコイルモータによる粗動アクチュエータ機構を制御対象Ｐとし、制御器Ｃに位相進み・遅れ補償を用い、そのクロスオーバ周波数（制御帯域）を５００Hzに設定した。図１３（ａ）は横軸を対数表示したものである。感度関数は３５０Hz以下の周波数で外乱を圧縮する特性を示すが、３５０Ｈｚから３kHz程度までは逆に外乱を増幅する特性を示すことが分かる。より理解を深めるために図(a)と同じ感度関数の横軸をリニア表示した図を（ｂ）に示す。ここで３５０Hz以下の外乱を圧縮する面積（−）と３５０Hz以上の外乱を増幅する面積（＋）とは等しいことが、例えば、１９９７年にDaniel Abramovitchらによって発表された論文The PES Pareto Method: Uncovering the Strata of Position Error Signals in Disk Drives、Proceeding of the American Control Conference、 page 2888-2895によって示されている。この理論はウォーターベッド効果として広く知られており、二次系のフィードバック制御系において避けることはできない性質である。
【００２４】
図１１に特開平４−３６８６７６号公報に示された２段アクチュエータの制御系の構造とした時の感度関数を示したものである。この感度関数は、図１３で示した粗動アクチュエータの感度関数と微動アクチュエータの感度関数の積で表され、この従来の制御技術の感度関数（外乱圧縮特性）では、２ｋＨｚ以下の帯域で外乱を圧縮し、２ｋＨｚ以上の周波数では逆に外乱を増幅する特性となる。本発明は高周波数帯域でも外乱を抑制できる制御系を提供するものである。これらを踏まえて次に本発明を説明する。
【００２５】
第一の実施例を図１から図８までを用いて説明する。図１は、本発明の磁気ディスク装置の構成図である。
【００２６】
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する。磁気ディスク２上に設けられたトラックのセクタの先頭には、予め位置情報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、サスペンション5によって弾性支持されている。サスペンション５は、微動アクチュエータであるピエゾ素子６と７によって小ストロークで駆動される。ピエゾ素子６、７はキャリッジ８に支持されている。ピエゾ素子６が伸び、ピエゾ素子７が縮むことにより、ヘッド４はディスク上の略外周方向に微小移動する。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（内周方向）に微小移動する。
【００２７】
キャリッジ８はサスペンション等と一体となって、粗動アクチュエータであるボイスコイルモータ１０により大ストロークで駆動される。ボイスコイルモータ１０の移動に伴い、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、以下では、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する。
【００２８】
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４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、ヘッド位置誤差信号ＹPES１３を生成する。位置信号は、目標の位置軌道Ｒ１４と比較され、微動アクチュエータの制御器１６により、微動アクチュエータの操作量１９を演算する。通常のフォロイング制御状態では目標位置軌道Ｒは０に設定している。微動アクチュエータは、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の制御器１６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。
【００２９】
なお、微動アクチュエータの出力が直接観測できないため、オブザーバにより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１８と見なして、粗動アクチュエータへの偏差信号１５に加算する。粗動用制御器１７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１３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。
【００３０】
操作量ＵP１９、ＵV２０は、それぞれＤ／Ａ変換回路２２、２１でディジタル量からアナログ量に変換され、アンプ２４、２３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。図１において、本第一の発明の感度関数を実現する微動用制御器と粗動用制御器の設計については後で詳細に説明する。なおここでは、微動アクチュエータとしてピエゾ素子を、粗動アクチュエータとしてボイスコイルモータを例として説明しているが、それぞれの目的を達成できるアクチュエータであればよいことは言うまでもない。
【００３１】
図２は、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を示す。図１のハードウエアの構成をブロック線図によって示したものである。このブロック線図をここでは非干渉構造と呼ぶ。ここで、ＰP５２は、Ｄ／Ａ変換回路２２から微動アクチュエータ６、７を含み微動アクチュエータの出力信号までの伝達関数を表わし、ＣFBP５０は、微動アクチュエータ用制御器１６の伝達関数を表わす。ＰV４７は、Ｄ／Ａ変換回路２１からボイスコイルモータ１０を含みキャリッジの特性８までの伝達関数を表わし、ＣFBV４５は、粗動アクチュエータ用制御器１７の伝達関数を表わす。
【００３２】
図２では、微動アクチュエータの変位ＹP５３が検出できるものとしているが、実際のシステムでは、微動アクチュエータの変位ＹPを直接検出することは困難である。よって、ピエゾ素子の入出力関係がほぼ比例関係であることより、図１に示す如く、操作量ＵＰ:５１を用いて変位ＹPを推定することととも可能である。また、オブザーバ等の理論を用いても変位ＹPを推定することは可能である。位置誤差を減少させるよう粗動アクチュエータは駆動する一方、応答しきれずに残された偏差を微動アクチュエータの制御器で圧縮する。さらに、微動アクチュエータの出力位置の中心に粗動アクチュエータを位置決めする。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。
【００３３】
図２を用いてディスク面上に記録された位置情報Ｖ４０から検出可能なヘッド位置誤差信号ＹPES４２までの伝達関数を以下に示す。この伝達関数は二段アクチュエータ制御系の感度関数として定義されている。また、外乱の圧縮率を表わすことから外乱抑圧特性とも呼ばれている。
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここでは、図１２を用いて示した力外乱ＤF２０７、機構系の振動外乱ＤM２１１、およびディスクフラッターや風乱に起因した位置外乱ＤD２１２については、簡略化のため省略している。基本的には数１に示したとおり、これらの外乱は上記の二段アクチュエータの感度関数を通して圧縮され、位置誤差信号ＹPESに表れる。位置情報Ｖ４０も真円で記録されていることはなく、回転に同期した振動成分を有する。二段アクチュエータの制御系は数３に従って、位置情報Ｖの影響を圧縮してヘッド位置誤差信号ＹPESに現れないようにしている。
【００３６】
ここで、粗動アクチュエータＰVとその制御器ＣFBVを用いて図１２に示すことく通常のフィードバック制御系を構成したときの、各外乱からヘッド位置誤差信号に至るまでの伝達関数、すなわち粗動ループの感度関数ＳVは以下である。
【００３７】
【数４】
【００３８】
一方、微動アクチュエータＰPとその制御器ＣFBPを用いて通常のフィードバック制御系を構成したときの、微動ループの感度関数ＳPは以下である。
【００３９】
【数５】
【００４０】
従って、図２に示す非干渉構造においては、二段アクチュエータの感度関数数３は、粗動ループの感度関数数４と微動ループの感度関数数５の積と等しいことが分かる。即ち、微動アクチュエータの制御系と粗動アクチュエータの制御系を各々安定に設計しておけば、全体の二段アクチュエータの系は安定に動作し、サーボ系の設計や調整を行うに際し非常に好都合な特性となっている。これが非干渉と呼ばれる理由である。
【００４１】
一方、図３に本第一の発明に係わるフォロイング制御系の別のブロック線図を示す。図２と異なる点は、微動アクチュエータの出力５３を粗動用制御器４５の目標値にフィードバックしていないことである。これは粗動アクチュエータループと微動アクチュエータループとが並列に構成されることから並列構造と呼ばれる。並列構造においてディスク面に記録された位置信号Ｖ４０からヘッド位置誤差ＹPES４２までの伝達関数は、以下となる。
【００４２】
【数６】
【００４３】
以下では図２に示すフォロイング制御系の非干渉構造と図３に示す並列構造に対して本第一の発明の詳細な説明を行うが、本発明はそのフォロイング制御系の構造を限定するものではない。
【００４４】
図４に本第一の発明の感度関数の周波数特性を示す。ＳPESが本発明によって得られた二段アクチュエータ制御系の感度関数、ＳPが微動ループの感度関数、ＳVが粗動ループの感度関数である。まず、図２のブロック線図を用いてその設計方法を詳細に説明する。微動用制御器５０に積分特性を持たせ、微動アクチュエータＰP５２とその制御器ＣFBP５０で構成したサーボ帯域を２kHzに設定すると、感度関数は数５に従って図４のＳPとなる。微動用制御器はサンプリング時間Ｔsを５０μｓとした。また、演算に要する時間を２５μｓとした。よって、純粋な積分特性の性質から離散化にともなう零次ホールド特性や演算時間遅れの位相遅れ特性は、微動ループの感度関数のピークが持ち上がる原因となっている。すなわち、２kHz以下では外乱成分を圧縮し、２kHz以上では逆に外乱成分を増幅する従来通りの感度関数である。
【００４５】
次に粗動用制御器４５の設計において、従来からの位相遅れ・位相進み補償に加え、２kHzから８kHzまでの周波数帯域においてそのゲインを特に上げることで、感度関数をその帯域で下げることを行う。そのときの粗動ループのサーボ帯域は５００Hzに設定した。これにより、５００Hzから２kHzまでは粗動ループは外乱を増幅するが、それ以外では外乱を圧縮する。そして、二段アクチュエータとしての感度関数は微動ループの感度関数ＳPと粗動ループの感度関数ＳVの積であるＳPESとなる。すなわち、微動ループの感度関数の盛り上がりの形状と０dBを中心軸にして逆の特性を粗動ループの感度関数に持たせることで、それらの積で表される二段アクチュエータ系の感度関数を０ｄB以下に設定することができる。以上により、本発明によると、感度関数は全ての周波数で外乱を増幅することのない特性が得られる。
【００４６】
以上の本発明の設計ステップを図５および数式を用いて詳細に説明する。
【００４７】
まずステップ１：３０１として、微動用制御器ＣFBP５０の設計を行う。ここでは、ピエゾアクチュエータはほぼゲインとして近似できるため、積分特性によって安定化を図る。クロスオーバー周波数（サーボ帯域）はここでは２kHzに設定した。これにより、数５の感度関数ＳPが定まる。次に、ステップ２:３０２として、希望する二段アクチュエータ系の感度関数ＳMODELを定める。ここでは、１kHzに折れ点周波数をもつ１次ハイパス補償器を３つ直列に並べた構造を感度関数のモデルＳMODELとして用いた。このモデルは１次関数の組み合わせであるため、全ての周波数において０ｄBを超えることはない。そしてステップ３:３０３として、粗動用制御器ＣFBV４５の設計を行う。感度関数のモデルを数５に一致させることが目的なので、両者を一致させる。
【００４８】
【数７】
【００４９】
これより、上式を粗動用制御器ＣFBVについて解けば、
【００５０】
【数８】
【００５１】
となる。この粗動用制御器ＣFBVの周波数特性を図６に示す。
【００５２】
従来の位相進み補償に対して、２kHzから１０kHz程度までの周波数においてゲインを特に増加させている。このゲインの増加が外乱成分の圧縮につながり、図４で示す感度関数ＳVの２kHzから８kHz程度に至るまでのゲインの低下につながる。
【００５３】
最後に、ステップ４:３０４として、得られた制御ループの安定性を調べる。微動アクチュエータは既に示したように制御器に積分特性をもたせ、単独で安定になるように設計が行われているので、ここでは、粗動ループの安定性のみを検証すればよい。そのためには、粗動アクチュエータＰV４７と粗動用制御器ＣFBV４５の開ループ特性ＰV・ＣFBVの周波数特性を調べればよい。図７に粗動ループの開ループ特性を示す。本発明の手順によって設計した粗動用制御器は、サーボ帯域６５０Hz程度、ゲイン余裕は１０dB、４kHz程度にゲインのピークが０dBより超えている個所があるが、位相特性を見ると-３６０度付近であるため、このピークは安定である。これより、粗動ループは、安定であることが分かる。以上より、本発明により設計した二段アクチュエータ系の感度関数は実現的であり、全ての周波数において外乱成分を増幅しないことから、ヘッド位置誤差信号ＹPESの分散を最小に抑えることができる。また、特に、従来設計においては制御系で外乱成分を増加していた、２kHzから４kHz付近に存在する、ディスク回転数の増加にともなう位置外乱成分の影響などを受けず、良好な特性が得られる。
【００５４】
以上は、図２に示す非干渉構造に対する本第一の発明の感度関数を実現する設計手順であったが、図３に示す並列構造の場合は数７および数８は以下の通りになる。すなわち、並列構造の場合、希望する感度関数ＳMODELと（数６）の関係は以下となる。
【００５５】
【数９】
【００５６】
これより、上式を粗動用制御器ＣFBV４５について解けば、
【００５７】
【数１０】
【００５８】
となる。すなわち、ステップ４においては、構造を選択してその構造に基づいた感度関数を導き、希望する感度関数のモデルに一致するための粗動用制御器を求める。
【００５９】
なお、ここでは微動ループの感度関数が０ｄＢを超えている周波数帯域において、粗動用制御器ＣFBVのゲインを増大することを行ったが、粗動アクチュエータのゲインを用いても同様なことが実施できる。すなわち、粗動用アクチュエータは、通常４ｋＨｚ程度に主共振モードが存在するためそのピークをノッチフィルタ等で抑圧せずに、残したまま、安定化を図る。その主共振モードのピーク周波数と微動ループの感度関数の盛り上がりのピーク周波数を合わせることで、ある程度二段アクチュエータ系の感度関数の盛り上がりをなくすことができる。この粗動アクチュエータの主共振モードと粗動用制御器を組み合わせることで、より容易に二段アクチュエータ系の感度関数の整形を行うことができる。
【００６０】
図８は、本発明のディスク装置において本発明によって得られた各感度関数を測定評価するためのハードウエアの構成図である。図１と異なる点は、外部入力手段ＴV８０をＤ／Ａ回路２１と粗動用アンプ２３の間に設け、また外部入力手段ＴP８２をＤ／Ａ回路２２と微動用アンプ２４の間に設けたことである。ともに外部入力手段はここではアナログ信号であり、これにより、本発明の位置決め制御装置の内部特性を測定することができる。
【００６１】
図８において、図１のディジタル制御器の演算部２５は、マイクロプロセッサシステム８７によって実施される。マイクロプロセッサシステム８７は、マイクロプロセッサ８４がバスライン８９を介して、ＲＡＭ(ランダムアクセスメモリ)８５、ＲＯＭ(読み出し専用メモリ)８６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１９を出力する。ここで、外部入力手段８０、８２からの信号がないとき、図１における目標位置指令Ｒから偏差Ｅに至る伝達関数は、感度関数ＳPESと同じ特性をもつ。よって、ブロック２５はマイクロプロセッサシステム８７内の演算処理部であるため、目標位置指令Ｒに正弦波を入力し、その周波数を移動させ、各周波数における、目標値指令Ｒのゲインから偏差Ｅのゲインに至る比を図示化することで二段アクチュエータ系の位置決め制御系の感度関数ＳPESを測定することができる。しかしながら、ブロック２５はプロセッサ内の演算処理部であるため、上記の処理は新たなプログラムを作成しなければならない。
【００６２】
そこで、外乱入力手段８０、８２を設け、感度関数の測定を外部の測定器を用いて実施する方法を説明する。まず、微動アクチュエータへの制御入力を遮断する。すなわち、微動制御器１６の出力を０にする。ヘッドは粗動アクチュエータによってのみ移動可能とする。このとき、外部入力手段ＴV８０から加算後の信号８１までに至る粗動ループの感度関数ＳVは数４となる。逆に粗動アクチュエータを止めて、微動アクチュエータのみでヘッドが動作可能であれば、外部入力手段ＴP８２に正弦波を印加して、外部入力手段ＴP８２から加算後の信号８３までに至る微動ループの感度関数ＳPを測定することが可能となる。しかし、通常ヘッドには外力が働くため、駆動範囲が限られている微動アクチュエータのみでヘッドを位置決めすることは困難な場合もある。
【００６３】
さて、目標位置指令Ｒから偏差Ｅまでの伝達関数より、二段アクチュエータ系の感度関数ＳPESを測定することを示したが、以下では、外部入力手段を用いて、感度関数ＳPESを測定する方法を説明する。そのために、ここでは外部入力手段ＴP８２からヘッド位置誤差信号１３までの伝達関数を測定する。この関係は、
【００６４】
【数１１】
【００６５】
である。数４と数１１とを比較すると数１１において分子に微動アクチュエータの伝達関数がついていることがわかる。よって、別に測定した微動アクチュエータの伝達関数ＰPを数１１から引くことで二段アクチュエータの感度関数を測定することができる。
【００６６】
図９および図１０を用いて本発明のフラット感度関数を実現する本第二の発明であるディスク装置の構成を示す。基本的には、粗動制御ループをディジタル回路１０１で動作させ、微動制御ループをアナログ回路１０２で動作させる。微動ループをアナログ回路で構成することで、ループ内の遅れがなくなり、微動ループの感度関数の盛り上がりがなくなる。
【００６７】
微動ループのアナログ回路１０２の構成は以下とする。ピエゾ素子の変位をセンスアンプ９１により検出増幅する。ピエゾ素子は基本的にはコンデンサーであるため、そこにたまった電荷をセンスアンプ内のコンデンサに蓄え、その両端の電位差を測ることでピエゾ素子の変位量が測定できる。微動アクチュエータの変位ＹP９８はハイパスフィルタ９２を通して高周波数成分のみを通す。一方、サンプリングＴsで測定した位置誤差信号１３はD/A変換され、ローパスフィルタ９３によってその低周波数成分のみを取り出し、加算する(94)ことで連続的なヘッド位置誤差信号ＹPESP９５を作成する。ヘッド位置誤差信号ＹPES１３には微動アクチュエータの変位量が含まれるが、微動アクチュエータの動作帯域は比較的高いところにあるため、その信号をローパスフィルタ９３に通すことで、粗動アクチュエータの低周波数成分のみを取り出している。
【００６８】
その連続的なヘッド位置誤差信号９５を微動用制御器９６に印加し、微動用アンプ２４に送出して、微動アクチュエータであるピエゾ素子６、７を駆動する。一方、微動アクチュエータの変位を粗動用制御器の目標値にフィードバックする必要があるため、Ａ／Ｄ変換９９してディジタル回路１０１に送出する。この構成は図３に示した非干渉構造のフォロイング制御系を基本構造としているが、図４に示す並列構造を基本構造にしても適用が可能である。この場合には、信号線１８、Ａ／Ｄ変換器９９、および加算器１０３が必要ない。
【００６９】
図１０に、図９によって構成した二段アクチュエータ系の感度関数の周波数応答の一例を示す。ここでは粗動ループのサーボ帯域は５００Hz、微動ループのサーボ帯域を１kHzと設定した。粗動ループの感度関数ＳVは、盛り上がりをもつ。一方、微動ループの感度関数ＳPはアナログ回路で構成したため、盛り上がりを持たない。よって、その感度関数の積で表わされる二段ループの感度関数ＳPESは盛り上がりをもたない感度関数となる。この構成においては、微動ループの帯域を１ｋHz以上に設定すれば、かならず二段アクチュエータ系の感度関数は全ての周波数において０ｄＢ以下を実現できることを確認している。
【００７０】
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。
【００７１】
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、本発明はそれ以外の駆動素子、例えば、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よい。
【００７２】
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フラット感度関数が実施可能である。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。
【００７３】
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。
【００７４】
最後に、上述した実施例において、例えば、二段アクチュエータ系の感度関数は０dB（ゲイン１）を超えないとして記述しているが、本発明おいて０ｄＢという数値に本質的な意味があるのではなく、本発明を実施することにより二段アクチュエータ系の感度関数のピークゲイン値を小さくすることが可能であるということに発明の本質がある。すなわち、従来のピークゲイン値は７dB（２．２４倍）から１０dB(３．１６倍)の間に存在することが知られており、本発明によってその値が０dB(１倍)から３dB(１．４１倍)程度にまでピーク値を低減することが可能となり、装置性能の向上につながる。さらに述べるならば、特異な鋭いピークが０dBや３dB以上に存在していたとしても、基本的に本発明によってピークゲインを下げることが可能となれば、装置性能は飛躍的に向上することは明らかであり、特異なピークが存在しているからといって、本発明の本質を変えるものではない。
【００７５】
【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および位置決め制御方式を提供した。本発明によると、外乱成分からヘッド位置誤差信号にいたるまでの感度関数を整形することが可能となり、すべての周波数において外乱を増幅することのないフラット感度関数を実現することができる。
【００７６】
すなわち、本発明においては、微動アクチュエータの位置決め制御系の感度関数のゲインが０ｄＢを超える周波数帯域において、粗動アクチュエータの感度関数のゲインを下げることで、二段アクチュエータの制御系の感度関数をすべての周波数において０ｄＢ以下とすることができる。
【００７７】
従来技術においては、外乱を増幅していた周波数帯域が存在していたにもかかわらず、本発明によって、すべての周波数において外乱を圧縮することが可能となる。これにより、ヘッドの高精度な位置決めが可能となり、トラック間距離が狭くでき、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディスク装置のハードウエアの構成図。
【図２】本発明の一構成を示す図。
【図３】本発明の別の構成を示す図。
【図４】本発明の制御技術による感度関数の周波数特性。
【図５】本発明の制御技術の設計ステップを示すフローチャート。
【図６】本発明の制御技術による粗動用制御器の周波数特性。
【図７】本発明の制御技術による粗動ループの開ループ系の周波数特性。
【図８】本発明のディスク装置において感度関数を測定するための構成図。
【図９】本発明の他の実施例のディスク装置のハードウエアの構成図。
【図１０】本発明の他の実施例の制御技術による感度関数の周波数特性。
【図１１】従来技術による二段アクチュエータの位置決め制御系の感度関数の周波数特性。
【図１２】粗動アクチュエータの位置決め制御系の構成を示す図。
【図１３】粗動アクチュエータの制御技術による感度関数の周波数特性。
【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…ヘッド位置誤差信号、１６…微動用制御器、１７…粗動用制御器、２５…マイクロプロセッサ、４２…ヘッド位置誤差信号、４５…粗動用制御器、４７…微動アクチュエータ、５０…微動用制御器、５２…微動アクチュエータ、８０、８２…外部入力手段、９２…ハイパスフィルタ、９３…ローパスフィルタ、９６…微動用制御器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスク装置に係り、特に、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制御するディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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の技術が知られている。例えば、特開平４−３６８６７６号公報には、粗動アクチュエータの制御系と微動アクチュエータの制御系とを協調させて制御系の高帯域化を実現する位置決め制御技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平４−３６８６７６号公報では、二段アクチュエータ制御系の構造の開示のみにとどまっていて、制御系を高帯域化する上で好適な制御系の設計技術については述べられてはいない。
【０００４】
磁気ディスク装置は年々、高密度化が進むと共に、ディスク回転の高速化によるデータ転送速度の高速化のニーズもある。現在、ディスク回転は7200rpm程度であるが、今後12000rpmを超える装置がでてくる。外乱成分のなかで特にディスクフラッターや風乱に起因した位置外乱ＤDはディスク回転の増加とともにその誤差成分が存在する周波数領域も増大する。現状、ディスク回転7200rpmの位置外乱は、500Hzから２kHz程度に存在するため、帯域500Hzの制御系では位置外乱を増幅している、ここで例えば、帯域を500Hzから2kHzに上げたとすると位置誤差外乱は大幅に圧縮することができる。しかしながら、ディスク回転の増加に伴い、位置外乱の周波数領域も増加し、例えば15000rpmの装置では2kHzから4kHzにまで増加することが知られている。
【０００５】
特開平４−３６８６７６号公報に開示された二段アクチュエータの制御系の構造で設計を行ったときの二段アクチュエータシステムの感度関数（外乱圧縮特性）では、2kHz以下の帯域で外乱を圧縮し、２kHz以上の周波数では逆に各外乱を増幅する特性となる。
【０００６】
これより従来技術の二段アクチュエータ制御システムでは、帯域を上げたにも係わらず、ディスク回転の増加にともない、位置外乱の存在する周波数帯域も増加することから、帯域向上によって期待された位置決め誤差の低減が実現できない。これらの各種外乱成分を機構系の改良によって低減することも考えられるが装置のコストの増加につながり望ましくない。
【０００７】
よって、二段アクチュエータ制御系の高精度位置決め技術の課題は重要であり、解決されなければならない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、粗動アクチュエータと微動アクチュエータを有する二段アクチュエータシステムにおいて、全ての周波数において外乱を増幅することのない感度関数（外乱抑圧特性）を実現するディスク装置および位置決め制御方式を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のヘッド位置決め装置は、ディスク全体にわたってヘッドを動作できるストロークをもつ粗動アクチュエータＰVと、前記粗動アクチュエータを駆動するための粗動用制御器ＣFBVと、前記粗動アクチュエータによって移動可能でストロークが小さく限られている微動アクチュエータＰPと、前記微動アクチュエータを駆動するための微動用制御器ＣFBPと、前記微動アクチュエータによって微動位置決めされる前記ヘッドとを備えたヘッド位置決め装置において、前記ヘッドの位置を検出して求めたヘッド位置信号と目標位置とを比較して求めた位置偏差信号を前記粗動用制御器と前記微動用制御器の双方にフィードバックし、前記微動アクチュエータの変位量を前記粗動制御器に加算する構成とし、前記粗動アクチュエータの伝達関数がＰV、前記微動アクチュエータの伝達関数がＰP、前記微動用制御器の伝達関数がＣFBPであるとき、前記伝達関数Ｐ P が前記粗動アクチュエータと前記粗動用制御器とで構成される粗動ループの制御帯域より高い周波数領域に共振を有し前記共振に対して低周波数領域で一定のゲインを有するように前記微動アクチュエータを構成し、前記微動アクチュエータと前記微動用制御器の外乱圧縮特性を示す微動ループの感度関数ＳPを１/(１＋ＰP×ＣFBP)とし、希望する位置決め装置の感度関数のモデルであるＳMODELをすべての周波数において０ｄ B を超えることのないハイパスフィルタ形の伝達関数として定め、前記粗動用制御器の伝達関数ＣFBVを(１/ＰV)×((１/ＳMODEL)×ＳP−１)として構成した。
【００１２】
また上記目的を達成するために、本発明のヘッド位置決め装置は、ディスク全体にわたってヘッドを動作できるストロークをもつ粗動アクチュエータＰVと、前記粗動アクチュエータを駆動するための粗動用制御器ＣFBVと、前記粗動アクチュエータによって移動可能でストロークが小さく限られている微動アクチュエータＰPと、前記微動アクチュエータを駆動するための微動用制御器ＣFBPと、前記微動アクチュエータによって微動位置決めされる前記ヘッドとを備えたヘッド位置決め装置において、前記ヘッドの位置を検出して求めたヘッド位置信号と目標位置とを比較して求めた位置偏差信号を前記粗動用制御器と前記微動用制御器の双方にフィードバックし、前記粗動アクチュエータの伝達関数がＰV、前記微動アクチュエータの伝達関数がＰP、前記微動用制御器の伝達関数がＣFBPであるとき、前記伝達関数Ｐ P が前記粗動アクチュエータと前記粗動用制御器とで構成される粗動ループの制御帯域より高い周波数領域に共振を有し前記共振に対して低周波数領域で一定のゲインを有するように前記微動アクチュエータを構成し、希望する位置決め装置の感度関数のモデルであるＳMODELをすべての周波数において０ｄ B を超えることのないハイパスフィルタ形の伝達関数として定め、前記粗動用制御器の伝達関数ＣFBVを(１/ＰV)×((１/ＳMODEL)−ＰP×ＣFBP−１)として構成した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、各外乱成分からヘッド位置誤差信号にいたる外乱圧縮特性を示す感度関数に着目し、この感度関数を全ての周波数において０ｄＢ以下、すなわち、外乱を増幅することない感度関数を備えるディスク装置としたものである。
【００１７】
まず、二段アクチュエータ制御系の技術課題を容易に理解するために、粗動アクチュエータであるボイスコイルモータのみでヘッドを駆動した場合の技術課題を説明する。図１２は、粗動アクチュエータフィードバック制御系と各信号に印加される外乱信号を示すブロック線図である。ここで、制御対象である粗動アクチュエータの機構系はＰ２０９で表しており、それを駆動するための制御器はＣ２０６で表している。この系で、アクチュエータに働く力として外乱ＤＦ２０７、機構系の振動外乱ＤM２１１、ディスク振動や風乱に起因したヘッドの位置誤差外乱ＤD２１２、検出ノイズＤN２０４等がある。
【００１８】
図において、制御対象Ｐの出力には、機構系の振動外乱と位置誤差外乱が加わり、ヘッド位置Ｙ２００が確定される。ヘッドの位置は、自身のヘッド位置Ｙ２００と、ディスク上に予め記録されている位置情報Ｖ２０１との差を、復調してヘッド位置誤差信号ＹPES２０５として検出する。その際、検出ノイズ２０４が加わる。制御器Ｃ２０６はヘッド位置誤差信号を元に制御対象を安定化し、かつ制御系の高帯域化を図るために、通常、位相進み・位相遅れ補償器などで設計される。図１２において、制御目的は、各外乱が加わっている状態で、検出可能なヘッド位置誤差信号ＹPESの分散を小さくするための制御器Ｃを求めることである。ここで、各外乱からヘッド位置誤差信号２０５に至るまでの伝達関数を以下に示す。
【００１９】
【数１】
ここで、次式を感度関数Ｓとして定義する。また、感度関数は上式より、外乱からヘッド位置誤差信号への圧縮率を表すことから外乱圧縮特性とも呼ばれている。
【００２１】
【数２】
これより、制御器Ｃで制御対象Ｐの安定化を図ると共に、ゲインを上げて高帯域化を図ることにより、感度関数の分母（１＋PC）が大きくなり、よって、各外乱からヘッド位置誤差信号ＹPESに至る外乱成分を圧縮できる。この理由により、制御系の高帯域化が強く望まれている。
【００２３】
さて、図１３に感度関数Ｓの一例を示す。ボイスコイルモータによる粗動アクチュエータ機構を制御対象Ｐとし、制御器Ｃに位相進み・遅れ補償を用い、そのクロスオーバ周波数（制御帯域）を５００Hzに設定した。図１３（ａ）は横軸を対数表示したものである。感度関数は３５０Hz以下の周波数で外乱を圧縮する特性を示すが、３５０Ｈｚから３kHz程度までは逆に外乱を増幅する特性を示すことが分かる。より理解を深めるために図(a)と同じ感度関数の横軸をリニア表示した図を（ｂ）に示す。ここで３５０Hz以下の外乱を圧縮する面積（−）と３５０Hz以上の外乱を増幅する面積（＋）とは等しいことが、例えば、１９９７年にDaniel Abramovitchらによって発表された論文The PES Pareto Method: Uncovering the Strata of Position Error Signals in Disk Drives、Proceeding of the American Control Conference、 page 2888-2895によって示されている。この理論はウォーターベッド効果として広く知られており、二次系のフィードバック制御系において避けることはできない性質である。
【００２４】
図１１に特開平４−３６８６７６号公報に示された２段アクチュエータの制御系の構造とした時の感度関数を示したものである。この感度関数は、図１３で示した粗動アクチュエータの感度関数と微動アクチュエータの感度関数の積で表され、この従来の制御技術の感度関数（外乱圧縮特性）では、２ｋＨｚ以下の帯域で外乱を圧縮し、２ｋＨｚ以上の周波数では逆に外乱を増幅する特性となる。本発明は高周波数帯域でも外乱を抑制できる制御系を提供するものである。これらを踏まえて次に本発明を説明する。
【００２５】
第一の実施例を図１から図８までを用いて説明する。図１は、本発明の磁気ディスク装置の構成図である。
【００２６】
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する。磁気ディスク２上に設けられたトラックのセクタの先頭には、予め位置情報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、サスペンション5によって弾性支持されている。サスペンション５は、微動アクチュエータであるピエゾ素子６と７によって小ストロークで駆動される。ピエゾ素子６、７はキャリッジ８に支持されている。ピエゾ素子６が伸び、ピエゾ素子７が縮むことにより、ヘッド４はディスク上の略外周方向に微小移動する。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（内周方向）に微小移動する。
【００２７】
キャリッジ８はサスペンション等と一体となって、粗動アクチュエータであるボイスコイルモータ１０により大ストロークで駆動される。ボイスコイルモータ１０の移動に伴い、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、以下では、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する。
【００２８】
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４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、ヘッド位置誤差信号ＹPES１３を生成する。位置信号は、目標の位置軌道Ｒ１４と比較され、微動アクチュエータの制御器１６により、微動アクチュエータの操作量１９を演算する。通常のフォロイング制御状態では目標位置軌道Ｒは０に設定している。微動アクチュエータは、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の制御器１６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。
【００２９】
なお、微動アクチュエータの出力が直接観測できないため、オブザーバにより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１８と見なして、粗動アクチュエータへの偏差信号１５に加算する。粗動用制御器１７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１３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。
【００３０】
操作量ＵP１９、ＵV２０は、それぞれＤ／Ａ変換回路２２、２１でディジタル量からアナログ量に変換され、アンプ２４、２３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。図１において、本第一の発明の感度関数を実現する微動用制御器と粗動用制御器の設計については後で詳細に説明する。なおここでは、微動アクチュエータとしてピエゾ素子を、粗動アクチュエータとしてボイスコイルモータを例として説明しているが、それぞれの目的を達成できるアクチュエータであればよいことは言うまでもない。
【００３１】
図２は、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を示す。図１のハードウエアの構成をブロック線図によって示したものである。このブロック線図をここでは非干渉構造と呼ぶ。ここで、ＰP５２は、Ｄ／Ａ変換回路２２から微動アクチュエータ６、７を含み微動アクチュエータの出力信号までの伝達関数を表わし、ＣFBP５０は、微動アクチュエータ用制御器１６の伝達関数を表わす。ＰV４７は、Ｄ／Ａ変換回路２１からボイスコイルモータ１０を含みキャリッジの特性８までの伝達関数を表わし、ＣFBV４５は、粗動アクチュエータ用制御器１７の伝達関数を表わす。
【００３２】
図２では、微動アクチュエータの変位ＹP５３が検出できるものとしているが、実際のシステムでは、微動アクチュエータの変位ＹPを直接検出することは困難である。よって、ピエゾ素子の入出力関係がほぼ比例関係であることより、図１に示す如く、操作量ＵＰ:５１を用いて変位ＹPを推定することととも可能である。また、オブザーバ等の理論を用いても変位ＹPを推定することは可能である。位置誤差を減少させるよう粗動アクチュエータは駆動する一方、応答しきれずに残された偏差を微動アクチュエータの制御器で圧縮する。さらに、微動アクチュエータの出力位置の中心に粗動アクチュエータを位置決めする。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。
【００３３】
図２を用いてディスク面上に記録された位置情報Ｖ４０から検出可能なヘッド位置誤差信号ＹPES４２までの伝達関数を以下に示す。この伝達関数は二段アクチュエータ制御系の感度関数として定義されている。また、外乱の圧縮率を表わすことから外乱抑圧特性とも呼ばれている。
【００３４】
【数３】
ここでは、図１２を用いて示した力外乱ＤF２０７、機構系の振動外乱ＤM２１１、およびディスクフラッターや風乱に起因した位置外乱ＤD２１２については、簡略化のため省略している。基本的には数１に示したとおり、これらの外乱は上記の二段アクチュエータの感度関数を通して圧縮され、位置誤差信号ＹPESに表れる。位置情報Ｖ４０も真円で記録されていることはなく、回転に同期した振動成分を有する。二段アクチュエータの制御系は数３に従って、位置情報Ｖの影響を圧縮してヘッド位置誤差信号ＹPESに現れないようにしている。
【００３６】
ここで、粗動アクチュエータＰVとその制御器ＣFBVを用いて図１２に示すことく通常のフィードバック制御系を構成したときの、各外乱からヘッド位置誤差信号に至るまでの伝達関数、すなわち粗動ループの感度関数ＳVは以下である。
【００３７】
【数４】
一方、微動アクチュエータＰPとその制御器ＣFBPを用いて通常のフィードバック制御系を構成したときの、微動ループの感度関数ＳPは以下である。
【００３９】
【数５】
従って、図２に示す非干渉構造においては、二段アクチュエータの感度関数数３は、粗動ループの感度関数数４と微動ループの感度関数数５の積と等しいことが分かる。即ち、微動アクチュエータの制御系と粗動アクチュエータの制御系を各々安定に設計しておけば、全体の二段アクチュエータの系は安定に動作し、サーボ系の設計や調整を行うに際し非常に好都合な特性となっている。これが非干渉と呼ばれる理由である。
【００４１】
一方、図３に本第一の発明に係わるフォロイング制御系の別のブロック線図を示す。図２と異なる点は、微動アクチュエータの出力５３を粗動用制御器４５の目標値にフィードバックしていないことである。これは粗動アクチュエータループと微動アクチュエータループとが並列に構成されることから並列構造と呼ばれる。並列構造においてディスク面に記録された位置信号Ｖ４０からヘッド位置誤差ＹPES４２までの伝達関数は、以下となる。
【００４２】
【数６】
以下では図２に示すフォロイング制御系の非干渉構造と図３に示す並列構造に対して本第一の発明の詳細な説明を行うが、本発明はそのフォロイング制御系の構造を限定するものではない。
【００４４】
図４に本第一の発明の感度関数の周波数特性を示す。ＳPESが本発明によって得られた二段アクチュエータ制御系の感度関数、ＳPが微動ループの感度関数、ＳVが粗動ループの感度関数である。まず、図２のブロック線図を用いてその設計方法を詳細に説明する。微動用制御器５０に積分特性を持たせ、微動アクチュエータＰP５２とその制御器ＣFBP５０で構成したサーボ帯域を２kHzに設定すると、感度関数は数５に従って図４のＳPとなる。微動用制御器はサンプリング時間Ｔsを５０μｓとした。また、演算に要する時間を２５μｓとした。よって、純粋な積分特性の性質から離散化にともなう零次ホールド特性や演算時間遅れの位相遅れ特性は、微動ループの感度関数のピークが持ち上がる原因となっている。すなわち、２kHz以下では外乱成分を圧縮し、２kHz以上では逆に外乱成分を増幅する従来通りの感度関数である。
【００４５】
次に粗動用制御器４５の設計において、従来からの位相遅れ・位相進み補償に加え、２kHzから８kHzまでの周波数帯域においてそのゲインを特に上げることで、感度関数をその帯域で下げることを行う。そのときの粗動ループのサーボ帯域は５００Hzに設定した。これにより、５００Hzから２kHzまでは粗動ループは外乱を増幅するが、それ以外では外乱を圧縮する。そして、二段アクチュエータとしての感度関数は微動ループの感度関数ＳPと粗動ループの感度関数ＳVの積であるＳPESとなる。すなわち、微動ループの感度関数の盛り上がりの形状と０dBを中心軸にして逆の特性を粗動ループの感度関数に持たせることで、それらの積で表される二段アクチュエータ系の感度関数を０ｄB以下に設定することができる。以上により、本発明によると、感度関数は全ての周波数で外乱を増幅することのない特性が得られる。
【００４６】
以上の本発明の設計ステップを図５および数式を用いて詳細に説明する。
【００４７】
まずステップ１：３０１として、微動用制御器ＣFBP５０の設計を行う。ここでは、ピエゾアクチュエータはほぼゲインとして近似できるため、積分特性によって安定化を図る。クロスオーバー周波数（サーボ帯域）はここでは２kHzに設定した。これにより、数５の感度関数ＳPが定まる。次に、ステップ２:３０２として、希望する二段アクチュエータ系の感度関数ＳMODELを定める。ここでは、１kHzに折れ点周波数をもつ１次ハイパス補償器を３つ直列に並べた構造を感度関数のモデルＳMODELとして用いた。このモデルは１次関数の組み合わせであるため、全ての周波数において０ｄBを超えることはない。そしてステップ３:３０３として、粗動用制御器ＣFBV４５の設計を行う。感度関数のモデルを数５に一致させることが目的なので、両者を一致させる。
【００４８】
【数７】
これより、上式を粗動用制御器ＣFBVについて解けば、
【００５０】
【数８】
となる。この粗動用制御器ＣFBVの周波数特性を図６に示す。
【００５２】
従来の位相進み補償に対して、２kHzから１０kHz程度までの周波数においてゲインを特に増加させている。このゲインの増加が外乱成分の圧縮につながり、図４で示す感度関数ＳVの２kHzから８kHz程度に至るまでのゲインの低下につながる。
【００５３】
最後に、ステップ４:３０４として、得られた制御ループの安定性を調べる。微動アクチュエータは既に示したように制御器に積分特性をもたせ、単独で安定になるように設計が行われているので、ここでは、粗動ループの安定性のみを検証すればよい。そのためには、粗動アクチュエータＰV４７と粗動用制御器ＣFBV４５の開ループ特性ＰV・ＣFBVの周波数特性を調べればよい。図７に粗動ループの開ループ特性を示す。本発明の手順によって設計した粗動用制御器は、サーボ帯域６５０Hz程度、ゲイン余裕は１０dB、４kHz程度にゲインのピークが０dBより超えている個所があるが、位相特性を見ると-３６０度付近であるため、このピークは安定である。これより、粗動ループは、安定であることが分かる。以上より、本発明により設計した二段アクチュエータ系の感度関数は実現的であり、全ての周波数において外乱成分を増幅しないことから、ヘッド位置誤差信号ＹPESの分散を最小に抑えることができる。また、特に、従来設計においては制御系で外乱成分を増加していた、２kHzから４kHz付近に存在する、ディスク回転数の増加にともなう位置外乱成分の影響などを受けず、良好な特性が得られる。
【００５４】
以上は、図２に示す非干渉構造に対する本第一の発明の感度関数を実現する設計手順であったが、図３に示す並列構造の場合は数７および数８は以下の通りになる。すなわち、並列構造の場合、希望する感度関数ＳMODELと（数６）の関係は以下となる。
【００５５】
【数９】
これより、上式を粗動用制御器ＣFBV４５について解けば、
【００５７】
【数１０】
となる。すなわち、ステップ４においては、構造を選択してその構造に基づいた感度関数を導き、希望する感度関数のモデルに一致するための粗動用制御器を求める。
【００５９】
なお、ここでは微動ループの感度関数が０ｄＢを超えている周波数帯域において、粗動用制御器ＣFBVのゲインを増大することを行ったが、粗動アクチュエータのゲインを用いても同様なことが実施できる。すなわち、粗動用アクチュエータは、通常４ｋＨｚ程度に主共振モードが存在するためそのピークをノッチフィルタ等で抑圧せずに、残したまま、安定化を図る。その主共振モードのピーク周波数と微動ループの感度関数の盛り上がりのピーク周波数を合わせることで、ある程度二段アクチュエータ系の感度関数の盛り上がりをなくすことができる。この粗動アクチュエータの主共振モードと粗動用制御器を組み合わせることで、より容易に二段アクチュエータ系の感度関数の整形を行うことができる。
【００６０】
図８は、本発明のディスク装置において本発明によって得られた各感度関数を測定評価するためのハードウエアの構成図である。図１と異なる点は、外部入力手段ＴV８０をＤ／Ａ回路２１と粗動用アンプ２３の間に設け、また外部入力手段ＴP８２をＤ／Ａ回路２２と微動用アンプ２４の間に設けたことである。ともに外部入力手段はここではアナログ信号であり、これにより、本発明の位置決め制御装置の内部特性を測定することができる。
【００６１】
図８において、図１のディジタル制御器の演算部２５は、マイクロプロセッサシステム８７によって実施される。マイクロプロセッサシステム８７は、マイクロプロセッサ８４がバスライン８９を介して、ＲＡＭ(ランダムアクセスメモリ)８５、ＲＯＭ(読み出し専用メモリ)８６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１９を出力する。ここで、外部入力手段８０、８２からの信号がないとき、図１における目標位置指令Ｒから偏差Ｅに至る伝達関数は、感度関数ＳPESと同じ特性をもつ。よって、ブロック２５はマイクロプロセッサシステム８７内の演算処理部であるため、目標位置指令Ｒに正弦波を入力し、その周波数を移動させ、各周波数における、目標値指令Ｒのゲインから偏差Ｅのゲインに至る比を図示化することで二段アクチュエータ系の位置決め制御系の感度関数ＳPESを測定することができる。しかしながら、ブロック２５はプロセッサ内の演算処理部であるため、上記の処理は新たなプログラムを作成しなければならない。
【００６２】
そこで、外乱入力手段８０、８２を設け、感度関数の測定を外部の測定器を用いて実施する方法を説明する。まず、微動アクチュエータへの制御入力を遮断する。すなわち、微動制御器１６の出力を０にする。ヘッドは粗動アクチュエータによってのみ移動可能とする。このとき、外部入力手段ＴV８０から加算後の信号８１までに至る粗動ループの感度関数ＳVは数４となる。逆に粗動アクチュエータを止めて、微動アクチュエータのみでヘッドが動作可能であれば、外部入力手段ＴP８２に正弦波を印加して、外部入力手段ＴP８２から加算後の信号８３までに至る微動ループの感度関数ＳPを測定することが可能となる。しかし、通常ヘッドには外力が働くため、駆動範囲が限られている微動アクチュエータのみでヘッドを位置決めすることは困難な場合もある。
【００６３】
さて、目標位置指令Ｒから偏差Ｅまでの伝達関数より、二段アクチュエータ系の感度関数ＳPESを測定することを示したが、以下では、外部入力手段を用いて、感度関数ＳPESを測定する方法を説明する。そのために、ここでは外部入力手段ＴP８２からヘッド位置誤差信号１３までの伝達関数を測定する。この関係は、
【００６４】
【数１１】
である。数４と数１１とを比較すると数１１において分子に微動アクチュエータの伝達関数がついていることがわかる。よって、別に測定した微動アクチュエータの伝達関数ＰPを数１１から引くことで二段アクチュエータの感度関数を測定することができる。
【００６６】
図９および図１０を用いて本発明のフラット感度関数を実現する本第二の発明であるディスク装置の構成を示す。基本的には、粗動制御ループをディジタル回路１０１で動作させ、微動制御ループをアナログ回路１０２で動作させる。微動ループをアナログ回路で構成することで、ループ内の遅れがなくなり、微動ループの感度関数の盛り上がりがなくなる。
【００６７】
微動ループのアナログ回路１０２の構成は以下とする。ピエゾ素子の変位をセンスアンプ９１により検出増幅する。ピエゾ素子は基本的にはコンデンサーであるため、そこにたまった電荷をセンスアンプ内のコンデンサに蓄え、その両端の電位差を測ることでピエゾ素子の変位量が測定できる。微動アクチュエータの変位ＹP９８はハイパスフィルタ９２を通して高周波数成分のみを通す。一方、サンプリングＴsで測定した位置誤差信号１３はD/A変換され、ローパスフィルタ９３によってその低周波数成分のみを取り出し、加算する(94)ことで連続的なヘッド位置誤差信号ＹPESP９５を作成する。ヘッド位置誤差信号ＹPES１３には微動アクチュエータの変位量が含まれるが、微動アクチュエータの動作帯域は比較的高いところにあるため、その信号をローパスフィルタ９３に通すことで、粗動アクチュエータの低周波数成分のみを取り出している。
【００６８】
その連続的なヘッド位置誤差信号９５を微動用制御器９６に印加し、微動用アンプ２４に送出して、微動アクチュエータであるピエゾ素子６、７を駆動する。一方、微動アクチュエータの変位を粗動用制御器の目標値にフィードバックする必要があるため、Ａ／Ｄ変換９９してディジタル回路１０１に送出する。この構成は図３に示した非干渉構造のフォロイング制御系を基本構造としているが、図４に示す並列構造を基本構造にしても適用が可能である。この場合には、信号線１８、Ａ／Ｄ変換器９９、および加算器１０３が必要ない。
【００６９】
図１０に、図９によって構成した二段アクチュエータ系の感度関数の周波数応答の一例を示す。ここでは粗動ループのサーボ帯域は５００Hz、微動ループのサーボ帯域を１kHzと設定した。粗動ループの感度関数ＳVは、盛り上がりをもつ。一方、微動ループの感度関数ＳPはアナログ回路で構成したため、盛り上がりを持たない。よって、その感度関数の積で表わされる二段ループの感度関数ＳPESは盛り上がりをもたない感度関数となる。この構成においては、微動ループの帯域を１ｋHz以上に設定すれば、かならず二段アクチュエータ系の感度関数は全ての周波数において０ｄＢ以下を実現できることを確認している。
【００７０】
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。
【００７１】
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、本発明はそれ以外の駆動素子、例えば、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よい。
【００７２】
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フラット感度関数が実施可能である。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。
【００７３】
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。
【００７４】
最後に、上述した実施例において、例えば、二段アクチュエータ系の感度関数は０dB（ゲイン１）を超えないとして記述しているが、本発明おいて０ｄＢという数値に本質的な意味があるのではなく、本発明を実施することにより二段アクチュエータ系の感度関数のピークゲイン値を小さくすることが可能であるということに発明の本質がある。すなわち、従来のピークゲイン値は７dB（２．２４倍）から１０dB(３．１６倍)の間に存在することが知られており、本発明によってその値が０dB(１倍)から３dB(１．４１倍)程度にまでピーク値を低減することが可能となり、装置性能の向上につながる。さらに述べるならば、特異な鋭いピークが０dBや３dB以上に存在していたとしても、基本的に本発明によってピークゲインを下げることが可能となれば、装置性能は飛躍的に向上することは明らかであり、特異なピークが存在しているからといって、本発明の本質を変えるものではない。
【００７５】
【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および位置決め制御方式を提供した。本発明によると、外乱成分からヘッド位置誤差信号にいたるまでの感度関数を整形することが可能となり、すべての周波数において外乱を増幅することのないフラット感度関数を実現することができる。
【００７６】
すなわち、本発明においては、微動アクチュエータの位置決め制御系の感度関数のゲインが０ｄＢを超える周波数帯域において、粗動アクチュエータの感度関数のゲインを下げることで、二段アクチュエータの制御系の感度関数をすべての周波数において０ｄＢ以下とすることができる。
【００７７】
従来技術においては、外乱を増幅していた周波数帯域が存在していたにもかかわらず、本発明によって、すべての周波数において外乱を圧縮することが可能となる。これにより、ヘッドの高精度な位置決めが可能となり、トラック間距離が狭くでき、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディスク装置のハードウエアの構成図。
【図２】本発明の一構成を示す図。
【図３】本発明の別の構成を示す図。
【図４】本発明の制御技術による感度関数の周波数特性。
【図５】本発明の制御技術の設計ステップを示すフローチャート。
【図６】本発明の制御技術による粗動用制御器の周波数特性。
【図７】本発明の制御技術による粗動ループの開ループ系の周波数特性。
【図８】本発明のディスク装置において感度関数を測定するための構成図。
【図９】本発明の他の実施例のディスク装置のハードウエアの構成図。
【図１０】本発明の他の実施例の制御技術による感度関数の周波数特性。
【図１１】従来技術による二段アクチュエータの位置決め制御系の感度関数の周波数特性。
【図１２】粗動アクチュエータの位置決め制御系の構成を示す図。
【図１３】粗動アクチュエータの制御技術による感度関数の周波数特性。
【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…ヘッド位置誤差信号、１６…微動用制御器、１７…粗動用制御器、２５…マイクロプロセッサ、４２…ヘッド位置誤差信号、４５…粗動用制御器、４７…微動アクチュエータ、５０…微動用制御器、５２…微動アクチュエータ、８０、８２…外部入力手段、９２…ハイパスフィルタ、９３…ローパスフィルタ、９６…微動用制御器。
Claims (2)
- ディスク全体にわたってヘッドを動作できるストロークをもつ粗動アクチュエータＰVと、前記粗動アクチュエータを駆動するための粗動用制御器ＣFBVと、前記粗動アクチュエータによって移動可能でストロークが小さく限られている微動アクチュエータＰPと、前記微動アクチュエータを駆動するための微動用制御器ＣFBPと、前記微動アクチュエータによって微動位置決めされる前記ヘッドとを備えたヘッド位置決め装置において、
前記ヘッドの位置を検出して求めたヘッド位置信号と目標位置とを比較して求めた位置偏差信号を前記粗動用制御器と前記微動用制御器の双方にフィードバックし、
前記微動アクチュエータの変位量を前記粗動制御器に加算する構成とし、
前記粗動アクチュエータの伝達関数がＰV、前記微動アクチュエータの伝達関数がＰP、前記微動用制御器の伝達関数がＣFBPであるとき、前記伝達関数Ｐ P が前記粗動アクチュエータと前記粗動用制御器とで構成される粗動ループの制御帯域より高い周波数領域に共振を有し前記共振に対して低周波数領域が一定のゲインを有するように前記微動アクチュエータを構成し、前記微動アクチュエータと前記微動用制御器の外乱圧縮特性を示す微動ループの感度関数ＳPを１/(１＋ＰP×ＣFBP)とし、希望する位置決め装置の感度関数のモデルであるＳMODELをすべての周波数において０ｄ B を超えることのないハイパスフィルタ形の伝達関数として定め、前記粗動用制御器の伝達関数ＣFBVを(１/ＰV)×((１/ＳMODEL)×ＳP−１)として構成したことを特徴とするヘッド位置決め装置。 - ディスク全体にわたってヘッドを動作できるストロークをもつ粗動アクチュエータＰVと、前記粗動アクチュエータを駆動するための粗動用制御器ＣFBVと、前記粗動アクチュエータによって移動可能でストロークが小さく限られている微動アクチュエータＰPと、前記微動アクチュエータを駆動するための微動用制御器ＣFBPと、前記微動アクチュエータによって微動位置決めされる前記ヘッドとを備えたヘッド位置決め装置において、
前記ヘッドの位置を検出して求めたヘッド位置信号と目標位置とを比較して求めた位置偏差信号を前記粗動用制御器と前記微動用制御器の双方にフィードバックし、
前記粗動アクチュエータの伝達関数がＰV、前記微動アクチュエータの伝達関数がＰP、前記微動用制御器の伝達関数がＣFBPであるとき、前記伝達関数Ｐ P が前記粗動アクチュエータと前記粗動用制御器とで構成される粗動ループの制御帯域より高い周波数領域に共振を有し前記共振に対して低周波数領域で一定のゲインを有するように前記微動アクチュエータを構成し、希望する位置決め装置の感度関数のモデルであるＳMODELをすべての周波数において０ｄ B を超えることのないハイパスフィルタ形の伝達関数として定め、前記粗動用制御器の伝達関数ＣFBVを(１/ＰV)×((１/ＳMODEL)−ＰP×ＣFBP−１)として構成したことを特徴とするヘッド位置決め装置。
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