JP3823195B2 - クロック生成装置およびディスク駆動装置 - Google Patents

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Description

技術分野
この発明は、例えばサンプルサーボ型磁気ディスク装置等に適用して好適なクロック生成装置およびディスク駆動装置に関する。
背景技術
サンプルサーボ型磁気ディスク装置では、磁気ディスク面からヘッド位置サーボ情報を検出するためのタイミング情報を与えるクロック信号が、同心円状の記録トラックに離散的に、かつ等間隔に配置されたサーボ領域内のクロックパターンの再生信号に基づいて生成される。
クロック信号を生成するための位相同期ループ(PLL:phase-locked loop)において、クロックパターンの再生信号の位相比較のために、本出願人は、先にクロックパターン再生信号のサンプル値の線形結合を位相比較結果とする線形結合型位相比較器を提案した(特開平6−290545号公報)。第16A図、第16B図、第16C図は、その位相比較器の動作原理を示している。第16A図は、クロックパターンに対してクロック信号の位相が遅れている場合を示し、第16B図はクロックパターンとクロック信号の位相が一致している場合を示し、第16C図はクロックパターンに対してクロック信号の位相が進んでいる場合を示している。
位相比較出力Pkは、時刻t=(k−1)Tにおけるクロックパターンの一つのエッジからの再生孤立波形のサンプル値Sk-1に重み付け係数C0を掛けたものと、時刻t=(k+1)Tにおける上記再生孤立波形のサンプル値Sk+1に重み付け係数C1を掛けたものとを加算することで得られる。ここで、クロックパターンの一つのエッジからの再生孤立波形は、ほぼ左右対称であるので、C0=1、C1=−1とされる。
再生孤立波形のピークがクロック位相と一致する場合、再生孤立波形のピークが時刻T=kTに存在する場合には、サンプル値Sk-1とサンプル値Sk+1はほぼ等しく、位相比較出力Pkは0となる(第16B図)。しかし、再生孤立波形のピーク位置に対してクロック位相がずれており、位相差が存在する場合には、位相比較出力Pkは0にならない(第16A図、第16C図)。
また、2個のサンプル値だけではなく、クロックパターンの再生孤立波形のさらに多くのサンプル値を使用して位相比較出力を得ることができるが、本出願人は、さらに、線形結合の重み付け係数を、ほぼクロックパターンの再生信号の微分波形のサンプル値と等しくし、理論限界に近い位相比較精度が得られる最尤(Maximum Likelihood)位相比較器を提案した(特開平8−69668号公報)。
クロックパターンの再生孤立波形の傾斜が大きい部分では、位相変化に対するサンプル値のレベル変化が大きいため、ノイズの影響が少なく、効率よく位相ずれを検出できる。一方、クロックパターンの再生信号の微分波形は、再生孤立波形の傾斜の大きい部分で振幅レベルが大きくなる。したがって、線形結合の重み付け係数を、クロックパターンの再生信号の微分波形のサンプル値とほぼ等しくすることで、高精度の位相比較出力を得ることが可能となる。
例えば、第17図に示すようにクロックパターンの再生孤立波形のサンプル値Zk-8,・・・,Zkが使用されるとき、第18図に示すようにクロックパターンの再生信号の微分波形のサンプル値C0,・・・,C8が重み付け係数として使用される。この場合、(Zk-8,・・・,Zk)を成分とするベクトルと、(C0,・・・,C8)を成分とするベクトルとの内積演算をすることで、高精度の位相比較出力が得られる。
ところで、サンプルサーボ型磁気ディスク装置は、ディスク1周当り、例えば200箇所のサーボ領域を持っている。そのため、サーボサンプル周波数を高くできるので、高精度なヘッド位置決めが可能となり、高トラック密度化による高記憶容量化が可能になる。
しかし、データ記録時において、データ記録からサーボ情報再生への切り替え時間が長い場合には、磁気ディスク上に無駄領域が増大し、媒体面の有効利用率を低下させ、高記憶容量化が可能であるという上記利点を相殺する恐れがある。例えば、ディスク1周当り200箇所のサーボ領域を持ち、サーボサンプル周波数が15kHz程度である場合、切り替え時間が1〜3μsであるとすると、磁気ディスク上に2〜5%程度の無駄領域が形成される。なお、この切り替え時間は、記録/再生動作切り替えによる磁気ヘッドの温度変化およびヘッドアンプなどの回路内部の状態が安定し、再生信号波形のDCレベルが安定するのに必要な時間である。
本出願人が先に提案した線形結合型位相比較器あるいは最尤位相比較器によるクロック信号を用いて高精度なヘッド位置検出を実現する場合においても、この媒体面の利用率を低下させる問題は存在していた。
この発明の目的は、位相比較対象信号のDC変動が位相比較結果に及ぼす影響を軽減することにある。
発明の開示
この発明に係るクロック生成装置は、クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、所定タイミング毎に供給され、第1の期間を有する位相比較対象信号を、第1の期間より短い第2の期間毎にクロック信号に基づいてサンプリングし、第1の期間において、N個(Nは自然数)のサンプル値を出力するサンプリング手段と、N個のサンプル値からなる信号ベクトルと、N個の重み付け係数を有する係数ベクトルとの内積を演算し、演算結果を位相比較信号として出力する内積演算手段と、位相比較信号に基づいて、位相比較対象信号の位相とクロック信号の位相とが一致するようにクロック信号生成手段を制御する位相制御手段とを備え、N個の重み付け係数の総和がほぼゼロであることを特徴とするものである。
また、この発明に係るディスク駆動装置は、所定間隔毎にクロック生成のための基準パターンが記録されたディスク状記録媒体を駆動するディスク駆動装置において、ディスク状記録媒体に記録された信号を再生し、再生信号を出力するアクセス手段と、クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、再生信号に所定タイミング毎に含まれ、第1の期間を有する上記基準パターンの再生信号を、第1の期間より短い第2の期間毎にクロック信号に基づいてサンプリングし、第1の期間において、N個(Nは自然数)のサンプル値を出力するサンプリング手段と、N個のサンプル値からなる信号ベクトルと、N個の重み付け係数を有する係数ベクトルとの内積を演算し、演算結果を位相比較信号として出力する内積演算手段と、位相比較信号に基づいて、基準パターンの再生信号の位相とクロック信号の位相とが一致するようにクロック信号生成手段を制御する位相制御手段とを備え、内積演算手段のN個の重み付け係数の総和がほぼゼロであることを特徴とするものである。
この発明において、位相比較対象信号がクロック信号に基づいてサンプリングされ、N個のサンプル値からなる信号ベクトルが生成され、この信号ベクトルと総和がほぼゼロとなるN個の重み付け係数を有する係数ベクトルとの内積が演算されて位相比較信号が得られる。この場合、N個の重み付け係数の総和がほぼゼロであることから、位相比較対象信号のDC変動の位相比較信号に及ぼす影響が軽減される。そのため、位相比較対象信号のDC変動に依らず、クロック信号生成手段で生成されるクロック信号位相は位相比較対象信号の位相に高精度に同期したものとなる。
データ記録領域とは独立した領域にクロック生成のための基準パターンが記録されたディスク状記録媒体を取り扱うディスク駆動装置において、記録モードでは、データ記録領域からサーボ領域に入るとき、記録/再生動作の切り替えが行われるが、上述したように再生信号のDCレベルが安定するために所定の切り替え時間が必要となる。しかし、上述したように位相比較対象信号のDC変動の位相比較信号に及ぼす影響が軽減され、位相比較対象信号のDC変動に依らず基準パターンの再生信号に高精度に同期したクロック信号を得ることができることから、記録/再生動作の切り替え後に、再生信号のDC成分の完全安定を待たずにサーボ情報の再生動作を開始することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の最良の形態における磁気ディスクの概略構成を示す図である。第2A図および第2B図は、クロックパターンに対応して得られるダイパルスを示す図である。第3図は、この発明の最良の形態としてのサンプルサーボ型磁気ディスク装置を示すブロック図である。第4図は、ヘッドずらし量と第1相〜第4相のファインパターンの再生信号との関係を示す図である。第5図は、ヘッドずらし量と第1相、第3相のファインパターンの再生信号の減算信号、第2相、第4相のファインパターンの再生信号の減算信号との関係を示す図である。第6図は、ファインパターンと磁気抵抗効果型ヘッド(MR型ヘッド)との位置関係を示す図である。第7図は、磁気ディスク装置を構成するクロック生成器を示すブロック図である。第8図は、係数発生器の具体構成を示すブロック図である。第9A図〜第9M図は、クロック生成器の動作を説明するためのタイミングチャートである。第10図は、データ再生モードの再生信号波形を示す図である。第11図は、データ記録モードの再生信号波形を示す図である。第12図は、クロック生成器で使用される従来と最良の形態とにおける係数の例(係数総数N=11)を示す図である。第13図は、クロック生成器で使用される従来と最良の形態とにおける係数の例(係数総数N=21)を示す図である。第14図は、シミュレーションに用いたサーボ領域の再生信号を示す図である。第15図は、サーボ領域の再生信号に重畳したDC成分dが誤差に与える影響を示す図である。第16A図、第16B図および第16C図は、特開平6−290545号公報に記載された位相比較器を説明するための図である。第17図および第18図は、特開平8−69668号公報に記載された位相比較器を説明するための図である。
発明を実施するための最良の形態
第1図は、最良の形態におけるサンプルサーボ型の磁気ディスク11を示している。磁気ディスク11上には、複数のサーボ領域SARが、データ領域DARを寸断して等間隔に形成されている。このサーボ領域SARは、トラック1周に例えば200箇所設けられている。
データ領域DARには、512バイトのセクターと呼ばれる単位でデータが記録される。そして、各セクターのデータには、セクターID(Sector Identification Code)やECC(誤り訂正符号)等が付加されて記録される。セクターIDは、複数のヘッドのどれかを示すヘッド番号、トラック番号、セクター番号の他に、そのセクターがディフェクト等により使用不能であることを示す情報等も含む。
サーボ領域SARは、アドレス領域ADA、クロック領域CKAおよびファイン領域FNAから構成されている。
アドレス領域ADAには、アドレスパターン(トラックアドレスコード)12が記録されている。アドレスパターン12は、磁気ヘッドの位置サーボのうち、目標トラックに磁気ヘッドを移動させるトラックシーク・モードにおいて必要となる。このアドレスパターン12では、トラックアドレスがトラックごとに異なるように長さと配置を変えたパターンからなるグレイコードで構成される。
クロック領域CKAには、クロック信号生成のためのタイミング基準パターンとしてのクロックパターン13が半径方向に連続して記録されている。この場合、クロックパターン13の再生孤立波形において、例えばピーク値の存在タイミングは、データ系、サーボ系に対して磁気ディスク11の回転に同期したクロック情報を与える。
ファイン領域FNAには、ファインパターン14が記録されている。ファインパターン14は、磁気ヘッドの位置サーボのうち、目標トラックの中心にヘッドを正確に位置決めするトラッキングモードにおいて必要であり、トラックに対する磁気ヘッドの位相位置を示すパターンである。
ファインパターン14は、ディスクの径方向に1/2トラックピッチずつ順次ずれた、つまり90°ずつ位相がずれた第1相から第4相のファインパターンP0,P1/2,P1,P3/2で構成されている。この場合、ファインパターンP0,P1/2,P1,P3/2の径方向の幅はトラックピッチTpと等しくされる。また、第1相、第3相のファインパターンP0,P1の中心はそれぞれ隣接する2つのトラックの間に位置するようにされ、第2相、第4相のファインパターンP1/2,P3/2の中心はそれぞれトラックのセンターに位置するようにされている。
クロックパターン13への同期は、第3図に示すクロック生成器46で行われるが、ユニークパターン検出信号UPDが供給されて同期が確立する前は、まずクロックパターン13のおよその存在位置を捜さなければならない。そのための同期補助パターンとして、ユニークパターン15が、アドレス領域ADAにアドレスパターン12に替わって一定周期で、例えばトラック1周に数10箇所程度の間隔で記録されている。このユニークパターン15は、半径方向に連続する複数の線(パターン)より構成されており、位相の合ったクロック信号が生成される以前においても容易に検出できるようになされる。一般に、符号化したデータ系列には現れ得ないバイオレーションコードなどが使用される。
また、磁気ディスク11の回転方向の位置を知るために、回転原点としてホームインデックスパターン16が、1周に1個、上述したアドレスパターン12に替わってアドレス領域に記録されている。初期同期が確立した後、磁気ディスク11の回転方向の位置(磁気ヘッドがアクセスしている位置)を知るためにホームインデックスパターン16の検出を、最も待つときには1周待ってから、記録再生が可能なモードに移行する。
磁気ディスク11は、ディスク基板11aと磁性層11bで構成される。磁気ディスク11のサーボ領域SARには、以下の第1および第2の方法で上述したサーボ情報が記録される。第1の方法は、磁性層を形成した平坦基板の上記磁性層をサーボ情報に応じてエッチング等の手法で一部除去し、残った部分を磁気ヘッド等により一方向に直流磁化するものである。第2の方法は、基板にサーボ情報に対応して凹凸を一括形成した基板上に磁性層を形成し、凹部と凸部とを逆方向に直流磁化するものである。
図1のA−A′断面は、第1の方法でサーボ情報が記録された磁気ディスク11を示している。サーボ領域の磁性層11b上に付された矢印は、磁化の方向を示している。
上述したサーボ領域SARに記録された各パターンを図示しない磁気ヘッドで再生すると、パターンの前縁と後縁にて孤立波形が再生され、両者が合成されていわゆるダイパルスPDIが得られる第2A図、第2B図は、それぞれクロックパターン13に対応して得られるダイパルス(Dipulse)PDIを示している。第2A図は、第1の方法でサーボ情報が記録された磁気ディスク11のクロックパターン12について示している。一方、第2B図は、第2の方法でサーボ情報が記録された磁気ディスク11のクロックパターン12について示している。なお、第2A図、第2B図の磁性層11bの部分に記載した矢印は磁化の方向を示している。
第3図は、最良の形態としてのサンプルサーボ型磁気ディスク装置20を示している。
磁気ディスク装置20は、磁気ディスク11のデータ領域DARにデータを書き込むためのインダクティブ型ヘッド21Aと、そのデータ領域DARやサーボ領域SARよりデータを読み出すための磁気抵抗効果(MR:Magneto-Resistive Effect)型ヘッド21Bとを有している。ヘッド21A,21Bは、例えば複合型ヘッド21として一体的に形成される。
図示せずも、複合型ヘッド21は、一端が回転自在のピボット(図示せず)に保持されたアーム(図示せず)の他端に固定されているサスペンション(図示せず)の先端に取り付けられた浮上スライダ(図示せず)に搭載される。サスペンションは浮上スライダに荷重を付与するためのものである。なお、アームの一端には、駆動モータとしてのボイスコイルモータ(VCM:Voice Coil Motor)22が取り付けられている。浮上スライダは、磁気ディスク11が一定速度で回転している状態では、その表面に対して一定の浮上量で浮上するように構成されている。
また、磁気ディスク装置20は、ホストコンピュータと接続するためのインタフェース部23と、装置全体の動作を制御するためのマイクロプロセッサ(MPU)24と、このマイクロプロセッサ24の動作プログラム等を格納したROM(Read-Only Memory)25とを有している。この場合、ホストコンピュータ(図示せず)より送られてくるライトコマンドやリードコマンドは、インタフェース部23を介してマイクロプロセッサ24に供給される。
また、磁気ディスク装置20は、ホストコンピュータよりインタフェース部23を介して送られてくるライトデータWDを一時的に記憶するライトデータバッファ26と、このバッファ26より磁気ディスクに記録するタイミングに相当するタイミングで読み出されたライトデータWDに対して誤り訂正符号の付加処理、ディジタル変調処理等を施して記録データを得るライトデータ処理回路27とを有している。ディジタル変調方式としては、例えばMFM(Modefied Frequency Modulation)方式やRLL(Run Length Limited)方式等が使用されている。
また、磁気ディスク装置20は、データ処理回路27より出力される記録データに対してライト補償をするライト補償回路28と、この補償回路28の出力データに対応した記録電流信号を得てインダクティブ型ヘッド21Aに供給する記録アンプ29とを有している。補償回路28では、高密度記録の際に発生する磁化反転干渉による読み出し信号のピークシフトを考慮したライト時の磁化反転タイミングの微少補正が行われる。
また、磁気ディスク装置20は、リード時に磁気ディスク11よりMR型ヘッド21Bで再生される信号SMRを増幅するための再生アンプ31と、この再生アンプ31の出力信号のレベルを調製する可変利得増幅器32と、この可変利得増幅器32の出力信号をディジタル信号に変換するためのA/D(analog-to-digital)変換器33と、このA/D変換器33の出力信号に対してFIR(Finite Impulse Response)フィルタ等で波形等化処理をする等化器34とを有している。
また、磁気ディスク装置20は、等化器34の出力信号より再生データを検出するデータ検出器35と、このデータ検出器35で検出される再生データに対してディジタル復調処理、誤り訂正処理等をしてリードデータRDを得るリードデータ処理回路36と、このデータ処理回路36より出力されるリードデータRDを一時的に格納するリードデータバッファ37とを有している。データ処理回路36では、リードデータからの上述したセクターIDの抽出も行われる。このセクターIDはマイクロプロセッサ24に供給される。
また、磁気ディスク装置20は、ボイスコイルモータ22を駆動するためのVCMドライバ41と、ヘッド21A,21Bを磁気ディスク11上の目標トラックに位置決めするためにVCMドライバ41を制御するサーボ制御器42と、A/D変換器33の出力信号より信号振幅を検出し、可変利得増幅器32に利得制御信号SGCを供給する振幅検出器43と、A/D変換器33の出力信号よりサーボ情報を検出するためのサーボ情報検出器44とを有している。
サーボ情報検出器44でえられるトラックアドレス情報TADやトラッキング情報(ファイン位置信号)TRAはサーボ制御器42に供給される。なお、サーボ制御器42には、書き込み時や読み出し時にマイクロプロセッサ24より目標トラックアドレス情報AD0が与えられる。
サーボ情報検出器44では、アドレスパターン12の再生信号に基づいてトラックアドレス情報TADが検出されると共に、ファインパターン14の再生信号に基づいてトラッキング情報TRAが検出される。このトラッキング情報TRAは、例えば以下のようにして形成される。すなわち、A/D変換器33の出力信号よりファインパターンP1/2,P3/2,P0,P1の再生信号の振幅F1/2,F3/2,F0,F1を検出する。そして、振幅F0から振幅F1を減算して減算信号(F0−F1)を得る。その後に、減算信号(F0−F1)のレベルや正負の符号を修正することでトラッキング情報TRAが形成される。
第4図は、第6図に示すように、MR型ヘッド21Bが磁気ディスク11の径方向に移動していく際に、ファインパターンP0,P1,P1/2,P3/2よりそれぞれ再生される信号F0,F1,F1/2,F3/2を示している。そして、第5図は、減算信号(F0−F1)、(F1/2−F3/2)を示している。なお、理解が容易となるように、第4図、第5図における各信号は、MR型ヘッド21Bの幅wがトラックピッチTpと一致する場合について示している。第6図において、TRCはトラックセンターを示している。
減算信号(F0−F1)は、その正負の符号と磁気ヘッド21Bの位置ずれ方向との関係が1トラック毎に逆転したものとなる。しかし、減算信号(F1/2−F3/2)も1トラック毎に正負の符号が反転するため、この減算信号(F1/2−F3/2)を使用することで、減算信号(F0−F1)の正負の符号と磁気ヘッド21Bの位置ずれ方向との関係が各トラックで一定となるように修正できる。
また、磁気ディスク装置20は、ユニークパターン15を検出するためのユニークパターン検出器45と、磁気ディスク11の回転に同期したクロック信号CLKを生成するクロック生成器46と、サーボ情報検出器44で使用されるタイミング信号等、磁気ディスク11上における種々の情報点位置を示すタイミング信号を発生するタイミング発生器47とを有している。
クロック生成器46では、クロックパターン13の再生信号に同期したクロック信号CLKの生成が行われる。このクロック生成器46には、ユニークパターン検出器45よりユニークパターン検出信号UPDが供給され、またマイクロプロセッサ24よりライトあるいはリードのいずれのモードにあるかを示す、1ビットのモード信号R/Wが供給される。クロック生成器46で生成されるクロック信号CLKは、振幅検出器43、サーボ情報検出器44、タイミング発生器47等に供給される。
タイミング発生器47には、サーボ情報検出器44より、図1に示すホームインデックスパターン16を検出して得られる原点位置を示す信号STPが供給されると共に、上述したようにクロック生成器46よりクロック信号CLKが供給される。タイミング発生器47では、原点位置からのクロック数がカウントされ、そのカウント値に基づいて種々のタイミング信号が発生される。
第7図は、クロック生成器46の構成を示している。このクロック生成器46は、線形結合型位相比較器を用いたデジタルPLL(phase-locked loop)で構成される。
クロック生成器46は、後述するループフィルタの出力信号が制御信号として供給されてクロック信号CLKを出力する電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)51と、クロックパターン13の再生信号とクロック信号CLKとの位相を比較する位相比較器52と、この位相比較器52より出力される位相比較誤差信号f(θ)をアナログ信号に変換するD/A(digital-to-analog)変換器53と、このD/A変換器53の出力信号に含まれている不要なノイズや高調波成分を除去すると共に、時間領域応答特性や周波数領域応答特性を決めるループフィルタ54とを有して構成される。ここで、電圧制御発振器51より出力されるクロック信号CLKは、A/D変換器33にサンプリングクロックとして供給されると共に、位相比較器52に動作クロックとして供給される。
位相比較器52は、クロックパターン13の再生信号z(t)をクロック信号CLKでサンプリングして得たN個(Nは自然数)のサンプル値と、後述する係数発生器より出力されるN個の重み付け係数との線形結合(クロックパターン13の再生信号をクロック信号CLKでサンプリングして得たN個のサンプル値を要素とする信号ベクトルと、N個の重み付け係数を並べた係数ベクトルとの内積)を計算するディジタル内積演算器61と、この演算器61における信号ベクトルと係数ベクトルとの内積の計算結果をラッチし、位相比較誤差信号f(θ)として出力するDフリップフロップ62と、N個の重み付け係数を出力する係数発生器63とを有している。
第8図は、係数発生器63の構成を示している。係数発生器63は、係数を記憶する係数メモリ63aと、この係数メモリ63aに供給する5ビットの読み出しアドレス信号ADRの下位4ビットの信号(a0,a1,a2,a3)を生成するアドレス発生器63bとを有して構成されている。アドレス発生器63bは、クロックパターン13の再生信号に同期して係数メモリ63aよりN個の重み付け係数ciが読み出されるように、後述するPLLコントローラ64からのタイミング信号STMでリセットされ、クロック信号CLKに同期して読み出しアドレス信号ADRの下位4ビットの信号(a0,a1,a2,a3)を順次生成する。
なお、上述したようにマイクロプロセッサ24より供給されるモード信号R/Wは読み出しアドレス信号ADRの上位1ビットの信号(a4)として供給される。これにより、リード時およびライト時に係数メモリ63aより読み出されるN個の重み付け係数ciが異なるようにされている。
演算器61は、信号ベクトルのN個の要素と係数ベクトルのN個の重み付け係数とを順次掛算する1個の乗算器71と、この乗算器71の掛算結果を順次加算していく1個の累加算器72とから構成される。累加算器72は、加算器72aおよび累積レジスタ72bで構成される。ここで、乗算器71の出力側は加算器72aの一方の入力側に接続され、加算器72aの出力側は累積レジスタ72bの入力側に接続され、このレジスタ72bの出力側は加算器72aの他方の入力側に接続されている。
また、位相比較器52は、N個の重み付け係数の出力開始を示すタイミング信号STMを係数発生器63に供給し、演算器61を構成する累積レジスタ72bにクリア信号SCLを供給し、さらにDフリップフロップ62にラッチイネーブル信号SLAを供給するPLLコントローラ64を有している。PLLコントローラ64には、ユニークパターン検出器45よりユニークパターン検出信号UPDが供給される。なお、ユニークパターンの内容に関しては、例えば特開平6−290545号(USP 5,526,200)に記載されている。PLLコントローラ64では、ユニークパターン15の検出時点を基準に、上述したタイミング信号STM、クリア信号SCL、ラッチイネーブル信号SLAが形成される。
ここで、タイミング信号STMは、ユニークパターン15の検出時点から予め決められたクロック数でなる所定時間後に出力される(第9H図、第9I図)。クロック信号CLK(第9M図)の位相がクロックパターン13の再生信号z(t)(第9A図)の位相と一致している場合、この所定時間経過後に、上述した信号ベクトルを構成する最初の要素が演算器61の乗算器71に供給される。また、ラッチイネーブル信号SLA(第9L図)は、演算器61で信号ベクトルと係数ベクトルとの内積計算が行われた後に出力される。さらに、クリア信号SCL(第9A図〜第9M図には図示せず)は、ラッチイネーブル信号SLAが出力された後、演算器61で次回の内積計算を開始する前に出力される。
第7図に示すクロック生成器46の動作を説明する。クロックパターン13の再生信号z(t)(第9A図)は、A/D変換器33でディジタル信号に変換された後に位相比較器52に供給され、ディジタル内積演算器61によって線形結合、すなわち上述した信号ベクトルと係数ベクトルとの内積が計算される。つまり、クロックパターン13の再生信号z(t)をクリア信号CLKでサンプリングして得たN個のサンプル値z(i・Ts)(第9B図)を要素とする信号ベクトルと、係数発生器63より出力されるN個の重み付け係数Ci(第9C図、第9K図)を要素とする係数ベクトルとの内積が演算される。これにより、Dフリップフロップ62より位相比較誤差信号f(θ)(第9G図)が出力される。
この位相比較誤差信号f(θ)はD/A変換器53でアナログ信号に変換され、さらにループフィルタ54によって不要なノイズや高調波成分が除去されると共に、時間領域応答特性や周波数領域応答特性が整えられ、制御信号として電圧制御発振器51に供給される。これにより、電圧制御発振器51より出力されるクロック信号CLKの位相が制御され、クロックパターン13の再生信号z(t)に同期したクロック信号CLKが得られる。
なお、第9A図〜第9M図のタイミングチャートはN=11個の場合を示している。また、クロック信号CLKの位相がクロックパターン13の再生信号の位相と一致している場合を示しており、従って位相比較誤差信号f(θ)=0となっている。また、第9D図は乗算器71の出力信号Saを示し、第9E図は加算器72aの出力信号Sbを示し、第9F図は累積レジスタ72bの出力信号Scを示し、さらに第9J図は係数発生器63aに供給される読み出しアドレス信号ADRを示している。
上述したように、位相比較器52における演算器61は、クロックパターン13の再生信号z(t)をクロック信号CLKでサンプリングして得たN個のサンプル値z(i・Ts)と、係数発生器63より出力されるN個の重み付け係数Ciとの線形結合が計算される。
例えば、係数総数N=11であるとき、演算器61では、逐次供給される信号サンプル値z(i・Ts)(i=-5,-4,・・・,0,・・・,4,5)と、各々対応する重み付け係数ci(i=-5,-4,・・・,0,・・・,4,5)とが乗算され、その乗算結果が累加算される。そのため、位相比較誤差信号f(θ)は、(1)式で表される。すなわち、クロックパターン13の再生信号z(t)とクロック信号CLKとの位相誤差θの関数として、位相比較結果を表すことができる。なお、Tsはサンプル間隔を示している。
Figure 0003823195
ここで、高い位相比較精度を得るために、重み付け係数c(i)として、(2)式に示すように、位相比較対象信号としてのクロックパターン13の再生信号の理想値、すなわちノイズを含まないクロックパターン13の再生信号s(t)の時間微分波形のサンプル値と等しい係数(以下、「従来型の重み付け係数」という)c1iを用いることが提案されている(特開平8−69668号公報参照)。
Figure 0003823195
なお、上述した(1)式の線形結合演算は、別の見方をすると、(3)式に示すように、信号サンプルz(i・Ts-θ)を要素として並べた信号ベクトルZ(θ)と、重み付け係数ciを並べた係数ベクトルCとの内積を計算することとも考えられる。ただし、信号ベクトルZ(θ)は(4)式で表され、係数ベクトルCは(5)式で表される。ここで、Tはベクトルや行列の転置を表している。
Figure 0003823195
さて、磁気ディスク装置20がデータ再生モードにある場合は、サーボ領域SARからサーボ情報を再生し、ヘッド位置サーボを行いながらデータ領域DARからデータを再生する。そのため、磁気ヘッド21(MR型ヘッド21B)およびヘッドアンプ(再生アンプ31)は常に再生動作を行うため、第10図に示すように、サーボ領域SARとデータ領域DARの両領域に跨って連続的に再生信号が出力され、その直流成分は安定している。
ところが、磁気ディスク装置20がデータ記録モードにある場合は、サーボ領域SARからサーボ情報を再生し、ヘッド位置サーボを行いながらデータ領域DARにデータを記録する。そのため、磁気ヘッド21がサーボ領域SARにさしかかる毎に、磁気ヘッド21およびヘッドアンプの動作が記録から再生に切り替えられる。第11図は、この切り替え時付近の再生信号波形を示している。再生動作の開始直後は、サーボ情報に応じた再生信号が得られるものの、再生信号全体のDCレベルが変動し、いわゆるベースラインゆらぎが生じている。
このDCレベルの変動の性質としては、切り替え後にゆっくり安定すること、変動の速さを表わす時定数が数μs以上であること等が判っている。このDCレベルの変動の原因としては、大別して以下の2種類が考えられる。
すなわち、記録再生切り替えに伴って磁気ヘッド21の内部の各種電流(記録電流、センス電流、バイアス電流)がオン/オフされる。そのため、発熱量の変化による磁気抵抗効果素子の温度変化によりその磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化し、再生信号のDCレベルに変動が生じる。
また、記録と再生の両回路を含むヘッドアンプのIC内部において、比較的大電流(例えば30mA)を扱う記録回路から微弱電圧(例えば、ピーク・ツー・ピーク値で700μV〜1mV)を扱う再生回路に干渉が生じる。そのため、記録再生切り替え後にはその干渉によって再生信号のDCレベルに変動が生じる。
このDC変動の影響を受けずに、正確にクロックパターン13における位相比較を行うために、本形態においては、重み付け係数ciとして、その総和がゼロになるような係数(DCフリー係数)c2iが用いられる。
この係数c2iは、係数総数N=11の場合、(6)式によって簡単に求めることができる。
Figure 0003823195
この係数c2iの総和がゼロであることは、(7)式によって確認できる。
Figure 0003823195
この係数c2iを用いれば、クロックパターン13の再生信号にDC成分が重畳していても、線形結合演算の演算結果、すなわち位相比較誤差信号f(θ)に影響を与えない。これは、(8)式によって説明できる。この(8)式は、クロックパターン13の再生信号にDC成分dが重畳されているときの位相比較誤差信号f(θ)を示している。
Figure 0003823195
(8)式の右辺第2項は、(7)式の結果からゼロとなる。よって、位相比較誤差信号f(θ)は、(9)式に示すようになり、重畳されているDC成分dの影響を全く受けないものとなる。
Figure 0003823195
第12図、第13図に、本実施の形態におけるライト時の重み付け係数ci=c2iの一例を、従来型(特開平8−69668号公報参照)の重み付け係数c1iと比較して示している。なお、リード時にはクロックパターン13の再生信号z(t)はDC変動がなく安定していることから、リード時の重み付け係数ciとしては従来型の重み付け係数c1iが使用され、上述した最尤位相比較が行われるようになっている。
ここで、重み付け係数c1iは、(2)式に従ってノイズを含まないクロックパターン13の再生信号s(t)を微分して得たものなので、本来は重畳しているDC成分の影響を受けず、係数総数Nが無限大であれば、総和Σc1iはゼロになるはずである。しかし、実際には係数総数Nは有限であり、裾野に対応する係数は使用しないので、総和Σc1iはゼロとはならない。
第12図は、線形結合演算をN=11個の信号サンプルについて行う場合の重み付け係数c1i,c2iの例を示している。(2)式に従ってノイズを含まないクロックパターン13の再生信号s(t)を微分して得た従来型の重み付け係数c1iのうち、マイナス極性の係数は上述の11個に全て含まれる。それに対して、プラス極性の係数は、本来は広い時間範囲に分布しているので、上述の11個には全て含まれない。よって、上述した11個の係数c1iに関しては、プラス極性の係数の総和はマイナス極性の係数の総和よりも小さくなり、Σc1iはゼロでなくマイナスの値になる(これは、以下の第13図に示すN=21個の場合でも同様である)。
これに対して、本形態における重み付け係数c2iにおいては、上述した11個の係数c2iに関して、その総和Σc2iがゼロになるようにしてあるので、従来型の重み付け係数c1iに比べてプラス側にややオフセットした係数値になっている。
同様に、第13図は、線形結合演算を、N=21個の信号サンプルについて行う場合の重み付け係数c1i,c2iの例を示している。この例では、係数の時間分布範囲が広いので、従来型の重み付け係数c1iの総和Σc1iは比較的ゼロに近くなる。そのため、本形態におけるライト時の重み付け係数c2iは、従来型の重み付け係数c1iをプラス側にわずかにオフセットさせたものとなる。
これら、第12図あるいは第13図の例に示したような重み付け係数c2iを用いれば、上述した(8)式、(9)式により説明した効果が得られ、クロックパターン13の再生信号に重畳されたDC成分の影響を受けない位相比較誤差信号f(θ)を得ることができ、クロックパターン13の再生信号に高精度に同期したクロック信号CLKを得ることができる。
これにより、記録/再生動作の切り替え後に再生信号のDC成分が完全に安定するのを待たずにサーボ情報の再生動作を開始できることから、データ領域DARとサーボ領域SARとの間に設けられるDC成分の安定のための無駄領域を大幅に短縮できる。そのため、ディスク面上の有効利用を図ることができ、ディスク面当たりのデータ記録容量を増加させることができる。
なお、第14図、第15図を使用して、本実施の形態の効果をシミュレーションにより定量的に確認した結果を示す。
第14図は、シミュレーションに用いたサーボ領域SARの再生信号z(t)を示している。これは、一つの凸部からなるクロックパターン(クロックマーク)から得られたダイパルス再生信号s(t)に、記録再生切り替えに起因するDC成分dを重畳させ、さらに実際の磁気ディスク装置を良く模擬するために、ノイズn(t)をも重畳させたものである。
ここで、シミュレーションのパラメータとしては、実際の磁気ディスク装置を良く模擬するために、以下の数値を用いた。まず、クロックパターン13の幅(凸部長)は200nsであり、ダイパルスを合成する2つの孤立再生波形の半値幅(half-width)が100nsのローレンツ(Lorentz)型パルスとした。さらに、前記ノイズn(t)は、磁気記録再生系で一般的な白色ガウス性ノイズ(Gaussian Noise)とし、その平均値はゼロ、その標準偏差Nrmsは上述した孤立波形のzero-peak値S0-Pに対し1/20(−26dB)とした。位相比較結果の真値からの誤差の統計的解析のために、統計的性質(平均値、標準偏差値)は同じだが波形が異なるノイズを重畳した再生信号z(t)を200通り用意した。これらの再生信号z(t)を位相比較器52(第7図参照)に与え、得られた200通りの位相比較誤差信号f(θ)の真値からの誤差を統計的に解析し、誤差の平均値を求めた。係数総数Nは11、サンプリング間隔Tsは25nsである。
第15図は、重畳したDC成分が誤差に与える影響を示している。従来型の重み付け係数c1iを用いる場合には、DC成分に反比例して誤差の平均値E1(θ)が変化し、DC成分の影響を大きく受ける。これに対し、本実施の形態における重み付け係数c2iを用いる場合には、DC成分の影響を全く受けず、誤差の平均値E2(θ)は常に0である。
以上のシミュレーション結果から明かなように、位相比較器52において、係数ciとして、本実施の形態における重み付け係数c2iを用いることにより、クロックパターン13の再生信号z(t)に重畳したDC成分およびDC変動成分の影響をほとんど受けずに、高安定かつ高精度の位相比較を行うことができる。したがって、磁気ディスク装置20の動作をさらに安定化できると同時に、磁気ディスク11のデータ領域DARとサーボ領域SARの間の間隔を狭めることができ、データ領域を広げることができるので、高記憶容量化を図ることができる。
次に、第3図に示す磁気ディスク装置20の動作を説明する。
電源投入直後または同期はずれ後に、上述した初期同期の確立動作が行われる。この場合、磁気ディスク11よりMR型ヘッド21Bで再生される信号は再生アンプ31に供給されて増幅される。そして、クロック生成器46では、上述したように磁気ディスク11のサーボ領域SARの再生信号に含まれるクロックパターン13の再生信号に同期したクロック信号CLKが生成される。
このような初期同期の確立後に、ライト/リードの動作が行われる。まず、ライト動作を説明する。マイクロプロセッサ24は、ホストコンピュータより送られてくるライトコマンドを受信すると、ROM25に記憶されている変換テーブルを利用してコマンドに含まれる論理ブロック番号を磁気ディスク11の物理位置(複数ヘッドのどれかを示すヘッド番号、トラック番号、セクター番号)に変換する。これにより、目標トラックアドレスやライト開始セクターを認識する。
そして、マイクロプロセッサ24は、サーボ制御器42に目標トラックアドレス(トラック番号)情報AD0をセットしてトラックシークの動作を開始させる。トラックシーク動作は、以下のように行われる。
すなわち、サーボ制御器42は、サーボ情報検出器44で得られるトラックアドレス情報TADによるヘッド21A,21Bの現在地のトラックアドレスと目標トラックアドレスを比較し、現在地のトラックアドレスが目標トラックアドレスと一致するようにVCMドライバ41を介してボイスコイルモータ22を制御する。また、現在地のトラックアドレスが目標トラックアドレスと一致した後、サーボ制御器42は、サーボ情報検出器44で得られる上述したファイン位置信号TRAに基づき、ヘッド21A,21Bが目標トラックの中心に位置するようにVCMドライバ41を介してボイスコイルモータ22を制御する。ヘッド21A,21Bが目標トラックの中心に位置する状態となることでトラックシークが完了する。
トラックシークが完了した後に、マイクロプロセッサ24は、読み出しデータ処理回路36で抽出されるセクターIDを参照して、ライト開始セクターにアクセスし、ホストコンピュータより転送されてきてライトデータバッファ26に一時的に記憶されていたライトデータWDの読み出しを開始する。そして、ライトデータ処理回路27ではライトデータバッファ26より読み出されたライトデータWDに対して誤り訂正符号の付加処理、ディジタル変調処理等が施されて記録データが形成され、この記録データはライト補償回路28でライト補償されて記録アンプ29に供給される。
そして、記録アンプ29よりライトデータWDに対応した記録電流信号が出力され、この記録電流信号がインダクティブ型ヘッド21Aに供給される。これにより、ホストコンピュータより転送されてきたライトデータWDが、ライトコマンドで指定された磁気ディスク11の所定セクターに書き込まれる。なお、磁気ディスク11のデータ領域DARのセクターIDの記録はフォーマット時に行われる。
このようなライト時には、上述したように磁気ヘッド21がサーボ領域SARにさしかかる毎に、磁気ヘッド21およびヘッドアンプの動作が記録から再生動作に切り替えられ、再生動作の開始直後は再生信号全体のDCレベルが変動する。しかし、このライト時には、クロック生成器46において、上述したように、クロックパターン13の再生信号z(t)をサンプリングして得たN個のサンプル値z(i・Ts)からなる信号ベクトルと、総和Σc2iがゼロとなるN個の重み付け係数ciを並べた係数ベクトルとの内積を計算して位相比較結果を得ているため、クロックパターン13の再生信号z(t)のDC変動による位相比較結果に及ぼす影響を軽減でき、クロックパターン13の再生信号z(t)に高精度に同期したクロック信号CLKを得ることが可能となる。
次に、リード時の動作を説明する。マイクロプロセッサ24は、ホストコンピュータより送られてきたリードコマンドを受信すると、ROM25に記憶されている変換テーブルを利用してコマンドに含まれる論理ブロック番号を磁気ディスク11の物理位置(ヘッド番号、トラック番号、セクター番号)に変換する。これにより、目標トラックアドレスや読み出し開始セクターを認識する。
そして、マイクロプロセッサ24は、サーボ制御器42に目標トラックアドレス(トラック番号)情報AD0をセットしてトラックシークの動作を開始させる。トラックシーク動作は、上述したライト時と同様に行われる。
リード時には、磁気ディスク11のデータ領域DARよりMR型ヘッド21Bで再生される信号が再生アンプ31に供給されて増幅され、その後に可変利得増幅器32でレベル調整され、A/D変換器33でディジタル化される。A/D変換器33の出力信号に対して等化器34で波形等化処理が行われ、データ検出器35で再生データの検出処理が行われる。そして、データ検出器35より出力される再生データがリードデータ処理回路36に供給される。そして、データ処理回路36では、再生データに対してディジタル復調処理、誤り訂正処理等が施されてリードデータRDが得られる。
トラックシークが完了した後に、マイクロプロセッサ24は、リードデータ処理回路36で抽出されるセクターIDを参照して、リード開始セクターにアクセスする。そして、マイクロプロセッサ24は、リード開始セクターにアクセスした後に、リードデータ処理回路36より出力されるリードデータRDを、リードデータバッファ37を介してホストコンピュータに転送する。これにより、リードコマンドで指定された磁気ディスク11の所定セクターよりリードデータRDが得られ、このリードデータRDがホストコンピュータに転送される。
このようなリード時には、磁気ヘッド21およびヘッドアンプの動作は再生動作に切り替えられたままとされ、クロックパターン13の再生信号z(t)はDC変動がなく安定している。そのため、このリード時には、上述したように、クロック生成器46において、ノイズを含まないクロックパターン13の再生信号s(t)の時間微分波形のサンプル値と等しい係数c1iが重み付け係数ciとして使用され、最尤位相比較が行われるようになっている。なお、このリード時にも、ライト時と同じ重み付け係数を使用できることは勿論である。
なお、上述の形態においては、位相比較に必要な複数サンプル値の線形結合をA/D変換器33により得た信号サンプルに対するディジタル演算で得るものであるが、この発明は、特開平8−69668号公報に示されるようにアナログ遅延回路と演算増幅器により線形結合を常に計算し、その出力をサンプリングパルス発生器の与える時刻でサンプルホールドして位相比較出力を得るものにも同様に適用できる。この場合、重み付けを行う演算増幅器の利得群がその総和がゼロになるように調整されることで、上述形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、上述の形態では、一つの凸部から構成されるクロックパターン13のダイパルス再生波形を対象として位相比較器52を構成したものであるが、この発明は、複数の凸部が任意に組み合わされたクロックパターンの再生波形を対象として位相比較器を構成してもよい。これは、媒体ノイズやヘッドノイズなどに起因する位相比較誤差をさらに平均化し、位相比較出力ジッタをさらに減少させるために行われる。この場合においても、線形結合の重み付け係数の総和がゼロになるように調整されることで、記録/再生切り替え後のDC変動の影響を受けにくい高安定なクロック生成を行うことができる。
さらに、この発明は、専用クロックパターン13ではなく、サーボ領域SAR中の他用途パターンをクロックパターンと見なして位相比較器を構成する場合においても適用でき、高安定かつ高精度なクロック生成が行うことができる。
以上説明したように、この発明によれば、位相比較対象信号を所定のサンプリング時刻においてサンプリングして得たN個の要素からなる信号ベクトルと、総和がほぼゼロとなるN個の重み付け係数を並べた係数ベクトルとの内積を計算して位相比較結果を得るものであり、位相比較対象信号のDC変動による位相比較結果に及ぼす影響を軽減でき、位相比較対象信号に高精度に同期したクロック信号を得ることができる。
これにより、ディスク装置では、記録/再生動作の切り替え後に再生信号のDC成分の完全安定を待たずにサーボ情報の再生動作を開始できることから、データ領域とサーボ領域との間に設けられるDC成分の安定のための無駄領域を大幅に短縮できる。そのため、ディスク面上の有効利用を図ることができ、ディスク面当たりのデータ記録容量を増加させることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係るクロック生成装置等は、サンプルサーボ型磁気ディスク装置等に適用して好適である。

Claims (9)

  1. クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、
    所定タイミング毎に供給され、第1の期間を有する位相比較対象信号を、上記第1の期間より短い第2の期間毎に上記クロック信号に基づいてサンプリングし、上記第1の期間において、N個(Nは自然数)のサンプル値を出力するサンプリング手段と、
    上記N個のサンプル値からなる信号ベクトルと、N個の重み付け係数を有する係数ベクトルとの内積を演算し、演算結果を位相比較信号として出力する内積演算手段と、
    上記位相比較信号に基づいて、上記位相比較対象信号の位相と上記クロック信号の位相とが一致するように上記クロック信号生成手段を制御する位相制御手段とを備え、
    上記N個の重み付け係数の総和がほぼゼロであることを特徴とするクロック生成装置。
  2. 上記内積演算手段は、乗算器と加算器とレジスタとを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のクロック生成装置。
  3. 上記位相比較対象信号は、上記第1の期間において第1の極大値と上記第1の極大値と極性の異なる第2の極大値とを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のクロック生成装置。
  4. 所定間隔毎にクロック生成のための基準パターンが記録されたディスク状記録媒体を駆動するディスク駆動装置において、
    上記ディスク状記録媒体に記録された信号を再生し、再生信号を出力するアクセス手段と、
    クロック信号を生成するクロック信号生成手段と、
    上記再生信号に所定タイミング毎に含まれ、第1の期間を有する上記基準パターンの再生信号を、上記第1の期間より短い第2の期間毎に上記クロック信号に基づいてサンプリングし、上記第1の期間において、N個(Nは自然数)のサンプル値を出力するサンプリング手段と、
    上記N個のサンプル値からなる信号ベクトルと、N個の重み付け係数を有する係数ベクトルとの内積を演算し、演算結果を位相比較信号として出力する内積演算手段と、
    上記位相比較信号に基づいて、上記基準パターンの再生信号の位相と上記クロック信号の位相とが一致するように上記クロック信号生成手段を制御する位相制御手段とを備え、
    上記内積演算手段の上記N個の重み付け係数の総和がほぼゼロであることを特徴とするディスク駆動装置。
  5. 上記内積演算手段は、乗算器と加算器とレジスタとを有することを特徴とする請求の範囲第4項に記載のディスク駆動装置。
  6. 上記基準パターンの再生信号は、上記第1の期間において第1の極大値と上記第1の極大値と極性の異なる第2の極大値とを有することを特徴とする請求の範囲第4項に記載のディスク駆動装置。
  7. 再生モードと記録モードを切り換える制御手段をさらに有し、
    上記アクセス手段は、上記再生モードにおいて、上記ディスク状記録媒体から上記基準パターンおよび情報信号を再生し、上記記録モードにおいて、上記ディスク状記録媒体から上記基準パターンを再生すると共に上記ディスク状記録媒体に情報信号を記録し、少なくとも上記記録モードにおいて、上記内積演算手段の上記N個の重み付け係数の総和がほぼゼロであることを特徴とする請求の範囲第4項に記載のディスク駆動装置。
  8. 上記制御手段は、上記再生モードと上記記録モードとで、上記内積演算手段のN個の重み付け係数を異なる値に切り換えることを特徴とする請求の範囲第7項に記載のディスク駆動装置。
  9. 上記ディスク状記録媒体が磁気ディスクであることを特徴とする請求の範囲第4項に記載のディスク駆動装置。
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