JP4020216B2 - 非接触位置センサ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般に、可動物体のわずかな変位を正確に測定するための方法及び装置に関するものであり、より詳しくは、こうした変位測定を可能にする単純ではあるが、精密な光学的方法及び装置に関するものである。
発明の背景
多くの用途において、所望の位置に対する可動物体の位置をモニタすることが大いに必要とされている。例えばディスクドライブのサーボシステムにおいては、所望の既知の位置に対する回転式読み取り／書き込みヘッドアームの位置を正確に検出し、ヘッドアームを移動させて、ディスク上の所望の半径方向トラック位置とアライメントをとり、そのような位置から読み取り及びそのような場所に書き込むための読み取り／書き込みヘッドとすることが望ましい。位置検知装置は、こうした位置検出を可能にすることを目的とした装置である。変位センサは、所望の位置からの物体の変位を繰り返し測定することによって、可動物体の位置をモニタする位置検知装置である。
従来の変位センサの例には、キャパシタンスゲージ装置、光ファイバ近接センサ及び一般にディスクドライブサーボシステムに用いられている干渉計センサのような光学センサが含まれている。先行技術による変位センサの多くは、所定の用途（ディスクドライブサーボシステムのような）によって必要とされる分解能（最小測定可能変位）の程度を実現することができないか、あるいはこうした分解能を実現するのに、高価であり及び／又は複雑である回路要素及びハードウェアを必要とする。高分解能を実現するため、変位センサによっては、例えば正確かつ強力なレーザ光源又は検知素子と可動物体との間における極度の近接性を必要とするものもあり、こうした装置の実施を費用のかさむ、困難なものにしている。従って装置の性能と単純さとの間でバランスがとれるようにしなければならない。
Tsaiに対する米国特許第5,315,372号には、光学変位センサを用いた先行技術によるディスクドライブサーボシステムの記載がある。Tsaiの装置には、光源と隔置された位置において、ディスクドライブの外部に配置された回転式マスタアームに取り付けられた、光検出器アレイが含まれている。リフレクタが、読み取り／書き込みヘッドとアームの回転軸間の位置において、回転式読み取り／書き込みヘッドアームに取り付けられている。動作中、先ず干渉計装置を用いて、マスタアームとディスク上の所望の半径方向トラック位置との正確なアライメントがとられる。次に変位センサが作動して、マスタアームに対するヘッドアームの位置を測定し、ヘッドアームを移動させて、マスタアームとのアライメントをとることができるようにする。
変位センサの光源によって、入射光ビームが生じ、リフレクタによって光検出器アレイに対して反射される。光ビームが反射によって送り込まれる光検出器アレイの位置は、ヘッドアームとマスタアームの相対的半径方向位置によって決まる。該アレイの各光検出素子は、受光強度に比例した振幅を備える電気信号を発生する。該アレイによって生じる信号は、従ってヘッドアームとマスタアームの相対的半径方向位置を表している。処理回路要素は、光検出器アレイによって出力される信号を受信して復号化し、相対的ヘッドアーム位置を判定し、それに従ってモータに制御を加えて適正なアライメントがとれるまで、ヘッドアームを回転させる。
Tsaiの特許に開示された装置にはいくつかの欠点がある。Tsaiの装置は、比較的構造が単純で、実施コストがかなり安くなるが、操作が厄介である。Tsaiの装置は、光検出器アレイによって生じる電気信号を正確に判断するために、各マスタアーム位置及び相対的ヘッドアーム位置に関する予備情報を必要とする。また、リフレクタとヘッドアームの読み取り／書き込みヘッドとの間のかなりの間隔のため、またヘッドアームとマスタアームの二重回転軸のために、性能の精度がかなり犠牲にされる。さらにTsaiの変位センサは、マスタアームに対するヘッドアームの半径方向移動（軸まわりの回転によって生じる移動）をモニタすることを目的としている。リフレクタは入射ビームをリフレクタからかなり間隔をあけた光検出器に対して直接反射するので、センサはヘッドアームの半径方向移動だけでなく、リフレクタの角度方向移動にも感応する。従ってヘッドアームにおけるリフレクタの正確な角度方向の配向は、正確な動作にとって重要である。ヘッドアームに対するリフレクタの角度方向移動によって、誤った測定結果を生じることがある。
従って本発明の一般的な目的は、単純であるが、正確な変位センサを提供することにある。
発明の概要
本発明の実施態様の１つは、可動物体の変位を測定するための装置を目的としたものである。該装置には、入射光ビームを発生する固定光源が含まれている。物体に取り付けられた又は一体成形された目標造作（target feature）が、入射光ビームを反射し、目標造作のすぐそばに光源の第１のイメージを形成する。第１のイメージは、目標造作と共に移動する。結像レンズ（imaging lens）が、反射光ビームを受光し、固定光検出器上に光源の第２のイメージを形成する。物体から隔置された光検出器が、第２のイメージを受像し、これに応答して、光検出器における第２のイメージの瞬時位置に比例し、物体の位置を表す特性（振幅のような）を備えた電気信号を生じる。目標造作には、光ビームを反射して、小さく、好ましくは点状又は線状をなす光源の第１のイメージが、目標造作の近くに形成されるようにする、光検出器上に第２のイメージとして再形成されるようにする、湾曲表面が含まれている。結果として、本発明の装置は、物体の側方移動だけしか測定せず、物体の角度方向の配向といった他の移動には感応しない。
本発明の実施態様の１つでは、光検出器には、バイセル（bi-cell）光検出器のような、空間配列が施された光検出器が含まれる。本発明の別の実施態様では、光検出器は位置センサを含む。
本発明の実施態様の１つでは、目標造作は好ましくは、0.2〜0.5mmの範囲内の曲率半径を備えている。
本発明の実施態様の１つでは、入射光ビーム及び反射光ビームが、検知すべき移動方向に対してほぼ垂直な平面を形成する。該実施態様において、バイセル検出器の各セルの中心点を通って形成される軸は、該平面に対してほぼ直交し、物体の移動方向に対してほぼ平行である。
本発明のもう１つの実施態様は、ディスクドライブサーボシステムに用いられる光学変位センサを目的としたものである。このセンサは、読み取り／書き込みヘッドアームとマスタアームの相対的半径方向位置をモニタする。該装置には、マスタアームに取り付けられて、入射光ビームを発生する光源が含まれている。ヘッドアームの端に取り付けられるか又はヘッドアームの端に一体成形された目標造作は、入射光ビームを反射して、目標造作のすぐそばに光源の第１のイメージを形成する。第１のイメージは目標造作と共に移動する。結像レンズが、反射光ビームを受光し、光検出器上に光源の第２のイメージを形成する。マスタアームに取り付けられた光検出器は、第２のイメージを受像すると、これに応答して、光検出器上における第２のイメージの瞬時位置に比例し、ヘッドアームの相対的位置を表す振幅を備えた電気信号を生じる。目標造作には、光ビームを反射して、小さく、好ましくは点状又は線状をなす光源の第１のイメージが、目標造作の近くに形成されるようにする、光検出器上に第２のイメージとして再形成されるようにする、湾曲表面が含まれている。変位センサそれ自体は、目標造作の側方移動だけに感応し、他の移動には感応しない。従ってヘッドアームにおける目標造作の角度方向の配向は、測定結果に影響せず、精密である必要はない。
本発明のもう１つの実施態様は、可動物体の変位を測定するための方法を目的としたものである。該方法には、固定光源によって入射光ビームを発生するステップと、目標造作の湾曲表面から入射光ビームを反射して、物体に取り付けられるか又は一体成形された目標造作のすぐそばに光源の第１のイメージを形成するステップと、固定光検出器に光源の第１のイメージをその第２のイメージとして小さく再形成するステップと、光検出器によって、光検出器上における第２のイメージの各瞬時位置に比例し、物体の位置を表す振幅を備えた電気信号を発生するステップが含まれている。
本発明の特徴及び利点については、添付の図面と併せ読むのが望ましい本発明に関する下記の詳細な説明及び付属の請求項からより容易に理解され、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の変位センサの一般的な実施態様に関するブロック図である。
図２は、本発明の変位センサの特定の実施態様に関するより詳細な図である。
図３は、本発明の実施態様の１つによるバイセル光検出器の出力から生じる電気信号を示すグラフである。
図４は、本発明の他の実施態様によるディスクドライブサーボシステムの詳細なブロック図である。
図５は、本発明のディスクドライブサーボシステムの動作を示す、部分構造・部分機能ブロック図である。
図６Ａ及び６Ｂは、本発明のディスクドライブサーボシステムの処理回路要素の電気ブロック図である。
図７は、本発明のディスクドライブサーボシステムに用いられる目標造作の実施態様の１つに関する詳細図である。
図８は、図７に示す目標造作及びヘッドアーム先端の側面図である。
図９は、本出願の変位センサの実施態様の一部に関するより詳細な図である。
詳細な説明
図１は、本発明の変位センサの実施態様の１つに関するブロック図である。図示のように、センサには、固定光源１０、可動物体１４、固定結像レンズ２６及び固定光検出器２０が含まれている。目標造作１６は、可動物体１４に取り付けられるか又はそれと一体化されている。物体１４は矢印Ｘによって示される方向に移動可能であり、変位センサは、基準位置からの物体１４の変位を測定することによって、物体１４の位置をモニタする。
光源１０は、反射光ビーム１８として目標造作１６によって反射される入射光ビーム１２を発生する。光源１０の第１の点状又は線状イメージ（図示せず）は、わずかに湾曲した反射表面により、目標造作１６のすぐそばに形成される。第１のイメージは目標造作の移動につれて移動する。光ビーム１８は、レンズ２６によって焦点を結び、光源の第２のイメージ１９（第１のイメージと同様のイメージ）が光検出器２０の表面に形成される。光検出器２０は、反射光ビーム１８（及び第２のイメージ）の受光に応答して、反射光ビームを受光した（すなわち第２のイメージが形成された）光検出器２０の表面上の位置に比例し、従って物体１４の現在位置にも対応する特性（振幅又は周波数のような特性）を備えた電気信号を発生する。光検出器に処理回路要素（図６Ｂに関連して後述する特定の実施態様）を接続することによって、光検出器が発生する電気信号を受信し、前記信号に処理を施して、物体の位置及び／又は既知の基準位置からの物体の変位を判定することが可能になる。該回路要素には、アナログ信号処理回路要素とデジタル信号処理回路要素の両方を含むことが可能である。
図９に関連してさらに詳述されるように、目標造作１６には湾曲表面１７が含まれ、光源１０の小さく、好ましくは点状又は線状をなす第１のイメージが、目標造作のすぐそばに形成され、レンズ２６によって、光検出器２０の表面に第２のイメージとして再形成されるように、湾曲表面１７は入射光ビーム１２を反射する。光検出器２０は、イメージの寸法が小さくなるにつれて、次第によりわずかな変位に感応するようになる。従って光検出器の表面に光源の小さい点状又は線状をなすイメージの再焦点合わせを施すことが望ましい。
さらに詳細に後述するように、目標造作１６の湾曲表面１７は、凹状又は凸状にすることが可能である。目標造作１６は、適当なプレス用具（stamping tool）を用いて物体１４と一体に形成することが可能である。例えば、目標造作１６には、物体１４の一部内にプレス加工された湾曲表面を含むことが可能である。代替案として、目標造作１６は、物体１４に固定された独立した部材とすることも可能である。例えば目標造作１６は、物体１４に対する溶接、ろう付け、ハンダ付け、ねじ込み又は別な方法で物体１４に固定されたピンのような円柱形部材とすることが可能である。目標造作１６の湾曲表面１７は、入射光ビームが効率よく反射されるように、十分に平滑にし、好ましくは研磨すべきである。
図１を参照すると、物体１４が矢印Ｘの方向に移動するにつれて、光検出器２０の表面上における反射ビーム１８の受光位置が、矢印Ｘ’によって示される逆方向に移動する。光検出器２０はこれに応答して、反射ビーム１８の光検出器表面上における位置に比例し、従って物体１４の相対的位置にも比例する特性（すなわち振幅又は周波数）を備えたそれぞれの電気信号を発生する。
光検出器の表面に対して反射される光源のイメージの寸法が縮小するにつれて、センサの変位分解能が高くなる。さらに入射光ビームの強度が増すにつれて、センサの変位分解能が高くなる。湾曲表面を備えた目標造作を利用することによって、光検出器表面に反射される光源イメージの寸法が大幅に縮小されるので（すなわち点状又は線状イメージまで）、高度な変位分解能を実現するために、効率が高くかつ高価なレーザ光源への要件が大幅に緩和される。
図２は、本発明の変位センサの特定の実施態様をより詳細に示す図である。図２における同様の構成要素は、図１と同じ参照文字によって表示されている。図示のように、センサには、レーザダイオード光源２２、目標造作１６が取り付けられた物体１４及びバイセル光検出器２８が含まれている。また屈折率分布型（ＧＲＩＮ）入射レーザダイオードビーム平行化レンズ２４及び反射ビーム集束レンズ２６も含まれている。
従来通り、レーザダイオード２２によって入射レーザビーム１２（図２に２つの独立したレーザビームとして示される）が生じ、入射レーザビームは、ＧＲＩＮ平行化レンズ２４を介して目標造作１６に送られる。レーザダイオード２２、ＧＲＩＮ平行化レンズ２４及びバイセル光検出器２８は、それぞれ従来の素子とすることが可能である。入射レーザビーム１２は、目標造作１６の湾曲表面１７で反射して、目標造作のすぐそばに光源の第１のイメージ（図示せず）を形成し、反射ビーム１８として反射される。小さい点状又は線状の第１のイメージは、レンズ２６によって、バイセル光検出器２８の上部表面３１に第２のイメージ３０として再形成される。レンズ２６は、ビーム１８を受光し、バイセル光検出器２８上に第２のイメージ３０の焦点を結ぶ。目標造作１６の湾曲表面１７によって、バイセル光検出器２８の表面３１上に、光源２２の小さい点状又は線状イメージ３０の焦点を結ぶことが可能になる。
第１の点状イメージは、目標造作のすぐそばに形成されるので、本発明のシステムは、測定しようとされていない物体及び目標造作の移動（半径方向移動のような）に対しては大幅に感度が鈍くなる。例えば物体１４が、Ｙ方向に（目標造作の縦軸と平行な方向）形成された軸まわりをわずかに回転する場合、測定値に影響は生じない。これは、レンズ２６の表面における反射ビーム１８（及び第１のイメージ）の位置は変化するが、光検出器３１上における第２のイメージの位置が変化しないためである。従って本発明のシステムは、物体の半径方向におけるわずかな移動には感応しない。
バイセル検出器２８には、細いストリップ（strip）３２によって分離された２つの光検出器セルＡ及びＢが含まれている。物体１４が方向Ｘに移動すると、点イメージ３０が、バイセル検出器２８の表面３１をセルＡからセルＢに逆方向Ｘ’に横切って移動する。図２に示される点イメージ３０の中心は、セルＡとＢの間のストリップ３２上に位置することになる。点イメージ３０の中心がセルＡとＢの間のストリップ上に焦点を結ぶ場合、センサを較正して、ゼロすなわち基準位置（物体１４が所望の場所につく位置）を得ることが可能である。
バイセル光検出器２８の各セルＡ又はＢは、セル表面における点イメージ３０の位置によって決まる振幅を備えた、アナログ電気信号を発生する。各セルは、点イメージ３０全体が該セルの表面上に位置する場合、最強の電気信号を発生する。（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の比をモニタすることによって（ここで、Ａ及びＢは、それぞれ検出器２８のセルＡ及びＢにおいて生じる電気信号の振幅を表している）、光検出器２８の表面上における点イメージ３０の位置をモニタすることができ、これによって物体１４の位置（固定光源及び光検出器に対する位置）をモニタすることができる。これは、光検出器２８の表面上における点イメージ３０の位置と物体１４の相対的位置が線形に関連づけられるためである。（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の比は、バイセル検出器２８の出力に電気的に接続されることになるであろう処理回路要素（図６Ｂ参照）を用いてモニタすることが可能である。こうした回路要素には、ユーザが物体１４の位置を簡単に視覚的にモニタできるように、ディスプレイを備えたコンピュータに接続することが可能なデジタル信号処理回路要素を含むことが可能である。
該センサは、Ｙ、Ｙ’、Ｚ又は（Ｙ軸まわりの）角度方向の移動には感応しない。この実施態様の場合、物体の垂直方向移動（レーザダイオード及び光検出器から離れるか又はそれらに向かう）に対するセンサの感度を低下させることを目的で、入射レーザビーム１２及び反射レーザビーム１８によって形成される平面は、セルＡの中心点とセルＢの中心点の間に形成される軸に対してほぼ直交し、ストリップ３２に対してほぼ平行である。従って例えば物体１４が、図２に示す位置のような第１の位置から、垂直に（レーザダイオード及び光検出器から離れるように）矢印Ｚの方向に、第２の位置まで移動する場合、点イメージ３０は、光検出器２８の表面上を、方向Ｘに垂直な矢印Ｙ’の方向に移動することになり、光検出器の電気出力信号には影響しないであろう。
加えて本発明の一実施態様においては、図２に示すように、センサが側方（Ｙ方向又はＹ’方向）へのわずかな移動には感応しなくなるように、目標造作１６は、入射レーザビーム１２と反射レーザビーム１８によって形成される平面（点線で示される）に対して平行であり、バイセル光検出器２８のストリップ３２に対して平行かつバイセル検出器２８の各セルの中心点を通るように形成された軸に対して垂直である縦軸を備えている。
本発明は、都合の良いことに、Ｚ方向（上方）、Ｙ又はＹ’方向（入射光ビームと反射光ビームによって形成される平面内において横方向）及び半径方向（Ｙ方向に形成される軸まわり）における物体の移動に対して感応しない。Ｘ方向（入射ビームと反射ビームによって形成される平面に対して垂直な方向）における物体の移動だけが測定されることになる。
図３は、物体１４が矢印Ｘの方向に移動する際の（図２に示すように）、信号Ａ及びＢの振幅の差（Ａ−Ｂ）と時間の関係を示すグラフである。この例の場合、物体１４は、時間ゼロの位置にあって、点イメージ３０の焦点がバイセル光検出器２８の表面３１からはずれている（セルＡの表面に達する前）ものと仮定する。物体１４がＸ方向に移動すると、点イメージ３０は、先ずセルＡの表面３１に到達し、その後引き続きストリップ３２を横切って、セルＢに達する。
点イメージ３０（寸法が有限で、ＡとＢの間のギャップ幅よりかなり大きい）の前縁が、セルＡのエッジに達すると（時点１の後）、信号（Ａ−Ｂ）がゼロから増大し始め、イメージ全体がセルＡ上にくると（時点２）、その最大値に達する。イメージの前縁がセルＡとＢの間のギャップに達すると（時点３）、信号（Ａ−Ｂ）は減少し始め、点イメージの中心がセルＡとＢの間のギャップ上にきて、セルＡ及びＢ上に等しく位置することになると、信号はゼロを通過する。点イメージが引き続きセルＢに向かうと、信号（Ａ−Ｂ）は減少を続け、イメージ全体がセルＢ上にくると（時点４）、その最小値に達する。点イメージがセルＢを離れると（時点５）、信号（Ａ−Ｂ）は増大して、ゼロに戻る。曲線（Ａ−Ｂ）対イメージ位置の勾配は、イメージがＡとＢの両方に位置する時、最大となり、点イメージの寸法が小さくなるにつれて、ただし依然としてセルＡとＢの間のギャップ幅より大きい間は、その勾配は増す。
従って信号（Ａ−Ｂ）を観測することによって、バイセル光検出器２８の表面３１上における点イメージ３０の位置、つまり物体１４の線形に関連した相対的位置をモニタすることができるのが明らかである。同様に、物体１４の第１の位置と第２の位置との間における変位を測定することが可能である。
センサのダイナミックレンジ（正確な測定が可能な物体の位置範囲）は、（Ａ−Ｂ）信号曲線の線形範囲内にあり、図３のグラフのＤＲと表示された点線間（ほぼ時点2.5と3.5の間）に示されている。さらに該システムは、信号（Ａ−Ｂ）の正確に検出可能な最低レベルである、最小捕捉範囲を備えている。この捕捉範囲は、ＣＲと表示された点線間に示されている。線形ダイナミックレンジ（mA／μm単位）内における（Ａ−Ｂ）信号曲線の勾配は、バイセル検出器の応答性（又は感度）に対応する。この領域内における曲線の勾配が増すと、このセンサで実現可能な分解能（物体の検出可能な最小変位）が高くなるが、センサのダイナミックレンジは狭くなる。従って当然明らかなように、本発明のセンサの場合、ダイナミックレンジと変位分解能との間でバランスがとれるようにしなければならない。
信号（Ａ＋Ｂ）の振幅は（点イメージ３０がバイセル検出器２８の表面３１に焦点を結ぶと）、ほぼ一定に保つことができるので、信号（Ａ−Ｂ）をモニタするだけで、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）比のモニタをより簡単に実施することが可能である。信号（Ａ＋Ｂ）は、レーザダイオード２２に電気的に結合された自動利得制御（ＡＧＣ）回路要素（図６Ａに関連して後述される実施態様の１つ）を用いて入力レーザビーム１２の強度を制御することによって、一定に保つことができる。後述のように、ＡＧＣ回路要素は、信号（Ａ＋Ｂ）をモニタし、同時に、レーザダイオードに供給される電力を制御する。従ってバイセル検出器２８によって生じる出力電気信号のモニタに必要な処理回路要素をより単純化するために、ＡＧＣ回路を用いることが可能である。
光源１０は、特定の用途の感度要件を満たす光検出器によって検出するのに十分な強度を備えた入射光ビームを発生する、任意のタイプの光源とすることが可能である。例えば光源には、レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤ、タングステン光源又は光ファイバ光源を含むことが可能である。光ファイバ光源が用いられる場合、一対の光ファイバ又は分岐ファイバを用いて、反射レーザビームが光検出器に送られる。本発明の実施態様の１つでは、光源のパワーが、0.1mW〜20mWの範囲内に納まるのが望ましい。また入射レーザビームの強度は、ほぼ1mW/100μに等しいのが望ましい。
さまざまなタイプの集束光学素子を用いて、入射及び反射光又はレーザビームの方向付けを行うことが可能である。例えば従来のレンズ、球面又は円柱ミラー、ＧＲＩＮレンズ又は成形非球面レンズを用いることが可能である。
光検出器は、検出器の表面上における受光ビームの位置に比例する特性を備える（例えば、振幅又は周波数のような）電気信号を発生する、任意のタイプの光検出器とすることが可能である。例えば光検出器は、発生する電気信号の振幅がセンサの反射ビームを受光する位置に正比例する位置センサとすることが可能である。該光検出器には、（（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）のような）比率を生じる可能性のある信号を発生することが可能な、空間的に配列された光検出器が含まれる。例えば光検出器は、バイセル光検出器、クォッドセル（quad-cell）検出器、ＣＣＤアレイ等とすることが可能である。
本発明のセンサの利点は、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の比をモニタすることによって、センサが、光源の強度、目標造作の反射率及び光検出器の感度に対して幾分か感度が鈍い点である。
本発明の実施態様の１つでは、バイセル検出器の各セルは、0.6mm×1.2mmの寸法を備え、セル間のギャップ（ストリップ３２の幅）は、ほぼ10μmに等しい。イメージ３０の幅は、50μm〜100μmの範囲内とすることが可能である。こうした光検出器の標準的な感度は、ほぼ0.4A/Wに等しい。
サーボシステム用途（後述する）のような典型的な用途の場合、レンズ２６は、目標造作１６と光検出器２８の間に、それぞれから約20mmの、ほぼ等距離に配置される。反射ビームレンズ２６は、一般に、焦点距離が10mmである。本発明の実施態様の１つでは、目標造作１６の湾曲表面１７の曲率半径は、0.5〜5.0mmの範囲内であることが望ましい。
図４は、光学変位センサがディスクドライブサーボシステムにおいて用いられる本発明のもう１つの実施態様を示す図である。図示のように、サーボシステムには、一般に、回転式マスタアーム４０（ディスクドライブ（不図せず）の外部に配置される）と、読み取り／書き込みヘッドアーム４２（ディスクドライブ内に配置される）が含まれている。マスタアーム４０及びヘッドアーム４２は、どちらも共通軸４４のまわりを回転する。ヘッドアーム４２の端部５４の上部表面には、たわみ部材（図示せず）を介して、読み取り／書き込みヘッド（図示せず）が取り付けられている。データの書き込み及び読み取りが行われるディスク（やはり図示せず）が、ヘッドアームの上方に配置されている。
ディスクドライブサーボシステムにおける通常の方法に従い、先ずマスタアームを回転させて、書き込み又は読み取りを行うべき半径方向のトラック位置とアライメントのとれる基準位置につける。次に本発明の光学変位センサシステムを用いて、ヘッドアームを回転させて、マスタアームとのアライメントをとり、読み取り／書き込みヘッドが、ディスクの所望の半径方向トラック位置において読み取り又は書き込みを実施できるようにする。
先ず光学式干渉計システムを用いて、マスタアームのアライメントがとられる。光学式干渉計システムには、マスタアーム４０の下側に取り付けられるレーザ光源４６、折り返しミラー４８、レーザ干渉計５０、再帰反射器５２及び干渉計出力信号検出器６１（図５に示す）が含まれている。マスタアームＶＣＭ（音声コイルモータ）駆動回路要素６３が、干渉計出力信号検出器６１と音声コイルモータ（ＶＣＭ）６５の間に結合され、マスタアーム４０の回転運動を制御する。
当然明らかなように、レーザ干渉計は、移動する目標（すなわち、再帰反射器５２）から反射される第１のレーザビームと、一定距離を進行する基準レーザビームを用いて、移動目標の位置（又は変位）を測定する。レーザ光源４６によって、レーザビームが放射され、レーザビームは、折り返しミラー４８で反射されて、レーザ干渉計５０を通り、再帰反射器５２に送られる。このビームは、再帰反射器５２によって反射され、干渉計５０によって基準ビームと結合される。干渉計５０によって、結合ビームが検出器６１に送られると、該検出器は、これに応答して、マスタアーム４０の変位（すなわち位置の変化）を判定する。次に検出器６１から駆動回路要素６３に位置変化を表した信号が送られ、さらに該駆動回路要素によって、選択された半径方向トラック位置とアライメントがとれるまでマスタアーム４０を回転させる信号がＶＣＭ６５に加えられる。
マスタアーム４０が適正なアライメントをとられると、次に本発明の変位センサを用いて、ヘッドアーム４２とマスタアーム４０のアライメントがとられる。センサには、光源モジュール５６（レーザダイオードを含めることが望ましい）、リフレクタ５８及び検出器モジュール６０（バイセル光検出器を含めることが望ましい）が含まれており、全てマスタアーム４０の上部表面に取り付けられている。図１及び図２に関連する上述の、本発明の変位センサの一般的な実施態様と同様、動作中、光源モジュール５６内のレーザダイオードは入射レーザビームを放射し、入射レーザビームはリフレクタ５８によって反射されて、ヘッドアーム４２の端部５４の下側と一体になったもしくはそれに取り付けられた目標造作（図示せず）に送られる。上述のように、目標造作は、湾曲表面を備えており、入射レーザビームは該表面から反射されると、目標造作のすぐそばに光源のイメージを形成する。次に反射レーザビームは、リフレクタ５８から検出器モジュール６０に反射される。イメージはモジュール６０内の光検出器に再焦点合わせが施される。
ヘッドアーム４２とマスタアーム４０の適正なアライメントがとられると、小さい点状又は線状イメージ３０（図２参照）が、検出器モジュール６０内におけるバイセル検出器のセルＡとＢとの間にある分割ストリップ３２の表面に焦点を結ぶように、該システムの較正が実施される。変位センサ処理制御回路要素６７（図５に示す）は、光源モジュール５６及び検出器モジュール（図４）に電気的に接続されており、さらに詳細に後述するように、ヘッドアームとマスタアームの相対的位置を表す信号である、信号（Ａ＋Ｂ）と（Ａ−Ｂ）の値を画定してモニタするための回路要素が含まれている。ヘッドアームＶＣＭ駆動回路要素６９は、変位センサ処理制御回路要素６７とヘッドアームＶＣＭ７１の間に結合されている。変位センサ処理制御回路要素６７によって、相対的なヘッドアームとマスタアームの位置を表したデジタル出力信号がヘッドアームＶＣＭ駆動回路要素６９に加えられ、該駆動回路要素は、これに応答して、ＶＣＭ７１に制御信号を加えて、マスタアーム４０とのアライメントがとれるまでヘッドアーム４２を回転させる。図６Ａに関連してさらに詳述するように、該センサには、光検出器とレーザダイオードの間に結合される、信号（Ａ＋Ｂ）を一定に保つためのＡＧＣ回路要素も含まれている。
図６Ａには、ブロック図の形で、本発明のセンサＡＧＣ回路要素が示されている。説明の便宜上、該回路要素には、図示のように、バイセル検出器６２（検出器モジュール６０内に含まれる）と、レーザダイオード７２（光源モジュール５６内に含まれる）が含まれている。該回路要素には、それぞれバイセル検出器６２からの出力信号Ａ及びＢを受信するように接続された、従来のアナログ信号増幅器６４及び６６が含まれている。アナログ信号増幅器６４及び６６は、それぞれアナログ信号Ａ及びＢを増幅する。増幅されたアナログ信号Ａ及びＢは、出力として送り出され、ＡＧＣ回路７３にも加えられる。ＡＧＣ回路７３は、アナログ加算回路６８と、レーザパワー制御回路７０から構成される。加算回路６８は、和信号（Ａ＋Ｂ）を生じる。和信号（Ａ＋Ｂ）は、レーザパワー制御回路７０に加えられ、該制御回路７０は、和信号（Ａ＋Ｂ）の大きさをモニタし、さらにレーザダイオード７２のパワーを制御する出力信号を送り出して、信号（Ａ＋Ｂ）がほぼ一定に保たれるようにする。もちろん、レーザダイオードによって生じる入射レーザビームの強度は、信号（Ａ＋Ｂ）が一定に保たれるようにするため、例えば目標の反射率の変動に応じて変化させることができる。
図６Ｂには、ブロック図の形で、ヘッドアームＶＣＭ７１を制御するヘッドアーム処理制御回路要素６９が示されている。図示のように、信号Ａ及びＢは、それぞれ増幅器及び信号（Ａ−Ｂ）と（Ａ＋Ｂ）を発生するための加算及び減算回路を含むブロック７４によって受信される。信号（Ａ−Ｂ）は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）７６に加えられて、アナログ信号（Ａ−Ｂ）からデジタル信号に変換される。デジタル信号は、従来のバッファ７８に供給され、該バッファから信号（Ａ−Ｂ）を表すデジタル出力が送り出される。
信号（Ａ＋Ｂ）はコンパレータ８０に加えられて、信号（Ａ＋Ｂ）と基準信号（最低しきい値レベル（すなわち、ゼロ））の比較が行われ、信号（Ａ＋Ｂ）が最低しきい値レベルを超えるか否かを表した状況出力ビットが送り出される。回路要素６９は、ＶＣＭ７１を制御して、信号（Ａ−Ｂ）がゼロに等しくなるまでヘッドアーム４２を回転させ、こうした（信号（Ａ−Ｂ）の）ゼロ交差点（zero crossing point）が、バイセル検出器のセルの間におけるストリップに点イメージの焦点が結ばれる時、そのポイントに対応する（ヘッドアーム４２とマスタアーム４０のアライメントがとれることを表す）ものと判定される。当然明らかなように（図３に関連して上述のように）、点イメージがバイセル検出器のセルのいずれかの表面に位置しない場合（ヘッドアーム４２とマスタアーム４０のアライメントがかなりずれていることを示す場合）、信号（Ａ−Ｂ）の値がゼロになる可能性もある。該回路要素は、コンパレータ８０で信号（Ａ＋Ｂ）をモニタすることによって、適合するゼロ交差点への到達を確認する。図３を参照すると明らかなように、信号（Ａ−Ｂ）がゼロに等しくなるか、信号（Ａ＋Ｂ）がゼロを超えると、信号（Ａ−Ｂ）の適合するゼロ交差点に到達することになる。コンパレータ８０によって、信号（Ａ＋Ｂ）がゼロを超えると判定されると、状況ビットが出力される。従ってバッファ７８によって生じるデジタル出力信号及びコンパレータ８０によって生じる状況ビットは、共にヘッドアーム４２とマスタアーム４０の適正なアライメントがとれたことを表す。
図７には、ヘッドアーム４２の端部５４がさらに詳細に示されている。ヘッドアーム４２の底部表面は、目標造作８６を例示するように描かれている。ヘッドアーム４２の上部表面には、溶接によってスライダ（slider）たわみ部材８４が取り付けられている。スポット溶接部８２が示されている。スライダ及び読み取り／書き込みヘッド（図示せず）は、たわみ部材８４の先端に接続されている。たわみ部材、スライダ及び読み取り／書き込みヘッドのこうした構成は、従来のものである。
本発明の実施態様の１つでは、目標造作８６が、ヘッドアーム４２の端部５４と一体成形される。目標造作が、プレス用具を利用して、ヘッドアーム４２の端部５４に、好ましくはヘッドアームの縦軸に平行な縦軸を備える湾曲表面を形成する目標造作をプレス加工することが可能である。例えば目標造作は、図示のように、ヘッドアーム４２内の円筒状へこみ８８とすることが可能である。円筒状へこみ８８は、入射レーザビームを反射する目標造作８６の湾曲表面を形成する。湾曲表面の曲率半径は、この実施態様の場合、0.5〜5.0mmの範囲内であることが望ましい。
図８は、たわみ部材８４に取り付けられたスライダ９２を示すヘッドアーム４２の端部５４に関する側面図である。図示のように、スライダ９２は、ヘッドアーム４２に沿ったほぼ同じ縦軸の点において、目標造作８６の下方に配置されている。目標造作８６をヘッドアーム４２の残りの部分よりわずかに上方に持ち上げる肩（shoulder）９０も示されている。
図９は、光源の第１と第２のイメージの形成を示す、本発明のシステムの一部に関する部分機能・部分構造ブロック図である（図１及び２と同様の）。図９には、本発明のシステムのほんの一部のみが示される。図示の部分には、目標造作１６、結像レンズ２６及び検出器２０が含まれている。
図９には、目標造作１６の２つの位置、すなわち第１の位置（目標造作が実線で示されている）と第２の位置（目標造作が点線で示されている）が示されている。第２の位置には、その第１の位置から横方向Ｘに変位した目標造作が示されており、この変位が本発明のシステムによって測定される。
図示のように、入射ビーム１２は、目標造作１６の湾曲表面１７で反射ビーム１８として反射される。光源の小さい点状の第１のイメージ１００Ａが、目標造作１６のすぐそばに形成される。目標造作１６が、その第１の位置（位置Ａと称する）からその第２の位置（位置Ｂと称する）に移動すると、第１の点状イメージも、目標造作１６と共に、その第１の位置（１００Ａで表示）からその第２の位置（１００Ｂで表示）に移動する。
各位置毎に、反射ビーム１８の一部が、結像レンズ２６によって受光され、光検出器２０の表面にその焦点が結ばれる。位置Ａに関して、第２のイメージ１００Ａ’が光検出器２０の表面に形成される。位置Ｂに関して、第２のイメージ１００Ｂ’が光検出器２０の表面に形成される。目標造作１６が、位置Ａから位置Ｂに横方向Ｘに移動すると、第２の点状イメージが、位置１００Ａ’から位置１００Ｂ’に移動するのは明らかである（図２における光検出器２０の表面３１におけるイメージ３０のＸ’方向への移動に対応する）。当然明らかなように、第２のイメージ１００Ａ’（１００Ｂ’）は、図２の第２のイメージ３０に対応する。
本発明のサーボシステムの実施態様（図４に示す）では、軸４４のまわりにおけるヘッドアームの回転運動（図２のＸ方向における物体１４の移動に対応する）だけが測定されることになる。ヘッドアームに関しては目標造作の半径方向移動（図２のＹ軸のまわりにおける物体１４の回転に対応する）、マスタアームから離れる又はマスタアームに向かうヘッドアームの垂直方向における移動（図２のＺ方向における移動に対応する）もしくはヘッドアームの縦軸によって形成されるいずれか任意の方向における目標造作の移動（図２のＹ方向における移動に対応する移動）のどれも、該システムによって検出されることはない。
以上のように本発明の例証となる少なくとも１つの実施態様について説明をしてきたが、当業者であれば、さまざまな変更、修正及び改良をすぐに思いつくであろう。例えば本発明のセンサは、バイセル検出器を用いて、物体の１次元（又は１方向）に対する位置をモニタするものとして説明されたが、もちろん本発明はそうした制限を受けるものではない。該センサは、クォッドセル検出器を用いることによって、２次元での物体の位置をそれぞれモニタすることが可能である。こうした変更、修正及び改良は、本発明の精神及び範囲の内に含まれるものとする。従って以上の説明は、単なる例示のためのものであって、制限を意図したものではない。本発明は、付属の請求項及びその同等物によって制限されるのみである。

Claims (18)

1. 可動物体の変位を測定するための装置であって、
   入射光ビームを発生する固定光源と、
   前記物体に取り付けられた目標造作と、その目標造作は入射光ビームを反射して、前記目標造作のすぐそばに前記光源の第１のイメージを形成することと、
   第１のイメージを受像して、光検出器上に前記光源の第２のイメージとして第１のイメージを再形成する結像レンズと、
   前記物体から間隔をあけて配置され、第２のイメージを受像すると、それに応答して、光検出器における第２のイメージの受像位置に比例し、かつ前記物体の位置を表す特性を備えた電気信号を発生する光検出器とを含み、
   前記目標造作が湾曲表面を含み、その湾曲表面は、前記光源の小さい第１のイメージが形成されて、さらに光検出器上に小さい第２のイメージとして再形成されるように、光ビームを反射する、装置。
2. 前記光検出器がバイセル光検出器を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記光検出器が位置センサを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記目標造作が前記物体と一体成形される、請求項１に記載の装置。
5. 前記目標造作が、0.2〜5.0mmの範囲内の曲率半径を備えている、請求項１に記載の装置。
6. 入射光ビームと反射光ビームが、検知すべき移動方向に対して垂直な平面を形成する、請求項１に記載の装置。
7. 前記バイセル検出器の各セルの中心点を通って形成される軸が、前記物体の移動方向に対してほぼ平行であり、入射光ビームと反射光ビームによって形成される平面に対してほぼ直交する、請求項２に記載の装置。
8. ディスクドライブにおけるマスタアームの位置に対する読み取り／書き込みヘッドアームの位置を検知するための光学位置検知装置であって、
   マスタアームに取り付けられて、入射光ビームを発生する光源と、
   前記ヘッドアームに取り付けられた目標造作と、その目標造作は入射光ビームを反射して、前記目標造作のすぐそばに前記光源の第１のイメージを形成することと、
   前記目標造作と光検出器との間の光路内に配置され、反射光ビームを受光して、光検出器上に第２のイメージとして前記光源の第１のイメージの再焦点合わせを行う結像レンズと、
   前記マスタアームに取り付けられ、第２のイメージを受像すると、それに応答して、光検出器における第２のイメージの受像位置に比例した、前記ヘッドアームの相対位置を表す特性を備えた電気信号を発生する光検出器とを含み、
   前記目標造作が湾曲表面を含み、その湾曲表面は、前記光源の小さい第１のイメージが形成されて、さらに光検出器上に小さい第２のイメージとして再形成されるように、光ビームを反射する、装置。
9. 前記光検出器がバイセル光検出器を含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記光検出器が位置検知センサを含む、請求項８に記載の装置。
11. 前記目標造作が前記ヘッドアームと一体成形される、請求項８に記載の装置。
12. 前記目標造作が、0.2〜5.0mmの範囲内の曲率半径を備えている、請求項８に記載の装置。
13. 入射光ビームと反射光ビームが、検知すべき移動方向に対して垂直な平面を形成する、請求項８に記載の装置。
14. 前記バイセル検出器の各セルの中心点を通って形成される軸が、前記ヘッドアームの移動方向に対してほぼ平行であり、入射光ビームと反射光ビームによって形成される平面に対してほぼ直交する、請求項９に記載の装置。
15. 前記目標造作及び読み取り／書き込みヘッドが、前記ヘッドアームの先端に隣接して配置される、請求項８に記載の装置。
16. 前記目標造作及び読み取り／書き込みヘッドが、前記ヘッドアームの両側に配置される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記ヘッドアーム及びマスタアームが、回転共通軸を共用する、請求項８に記載の装置。
18. 可動物体の変位を測定する方法であって、
    固定光源によって入射光ビームを発生するステップと、
    前記物体に取り付けられた目標造作の湾曲表面で入射光ビームを反射して、前記目標造作のすぐそばに前記光源の第１のイメージを形成するステップと、
    第２のイメージとして、固定光検出器上に前記光源の第１のイメージの再焦点合わせを施すステップと、
    前記光検出器によって、前記光検出器における第２のイメージの受像位置に比例し、かつ前記物体の位置を表す特性を備えた電気信号を発生するステップとを含む、方法。

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