JP4764506B2 - ディスク記憶装置及びサーボ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にはディスク記憶装置に関し、特に、ディスク偏心の測定技術に関する。

一般的に、ハードディスクドライブを代表とするディスク記憶装置（以下、ディスクドライブと表記する場合がある）は、磁気記録媒体であるディスクに対して、磁気ヘッド（以下、単にヘッドと表記する）によりデータの記録及び再生を行なう。ディスクドライブでは、ディスクは、スピンドルモータ（ＳＰＭ）により回転するように、スピンドルモータの回転軸に取り付けられている。

このような構造のディスクドライブでは、スピンドルモータの取り付け誤差などを要因として、ディスク偏心（disk runout）という現象が発生する。ディスク偏心が発生すると、ディスクの回転中心（ＳＰＭ回転中心）に対する回転円軌跡から、サーボトラック（サーボシリンダ）の偏差（サーボトラック偏心）が発生する。このようなディスク偏心が発生すると、ディスクが１回転したときに、リード／ライト（Ｒ／Ｗ）オフセット値が変化するダイナミック・オフセット（ＤＯ：dynamic offset）が生ずる。

ここで、ディスクドライブでは、ヘッドは、リードヘッドとライトヘッドとが分離して実装されている構造である。このため、ディスク上の半径方向に対して、リードヘッドとライトヘッドのそれぞれのトラック軌跡に、一定のオフセット（位置ずれ）が発生している。これをＲ／Ｗオフセットと呼ぶ。

ディスクドライブは、ダイナミックオフセットを抑制する方法として、データの書き込み時に、Ｒ／Ｗオフセット量を調整するライト・ダイナミックオフセット制御（ＷＤＯＣ：write dynamic offset control）を実行するサーボ制御機能を有する。ＷＤＯＣを適切に実行するためには、ディスク偏心量（以下、単に偏心量又は偏心情報と呼ぶ場合がある）を高精度に測定し、当該偏心量をメモリ又はディスクに記憶しておく必要がある。従来、偏心量を測定するための具体的方法が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

特許文献１に開示されている測定方法は、ヘッドを物理的に静止させた状態でサーボ信号を読み込み、偏心量を計測して、偏心補正テーブルとしてメモリに記憶する。コントローラは、偏心補正テーブルの偏心量を使用してヘッドの位置を補正し、ディスクの回転中心に対して真円になるようにデータトラックのデータ書き込みを行なう。また、特許文献２に開示されている測定方法は、ディスクを回転させた時のヘッドの回転円軌跡に沿うように制御するための回転円軌跡サーボ情報を生成して記憶する。コントローラは、回転円軌跡サーボ情報に基づいてヘッドを制御する。

特開平９−１２８９１５号公報 特開平９−３３０５７１号公報

前述の先行技術文献に開示されている方法は、内周押当て方式またはサーボフリー方式による測定方法で測定した偏心情報を用いて偏心補正を実行し、ヘッドが真円の軌道を走行するように制御する。

ここで、内周押当て方式は、ディスクの内周側のストッパにアクチュエータ（ヘッドを搭載しているキャリッジ）を押し当てて、ヘッドによりサーボ情報（位置情報）を読み出して偏心量を測定する偏心量測定方法である。しかしながら、この方法は、ストッパにアクチュエータを例えばドライブの起動時に毎回押し当てるため、コンタミ（contaminant）と呼ぶ微小な塵埃が発生する問題がある。従って、ディスクドライブに対して悪影響を及ぼす可能性が高いため、実用面で課題がある。

また、サーボフリー方式はアクチュエータのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）に流す電流の一定値をフィードフォワード制御で印加し、そのときのサーボ情報（位置情報）を観測して偏心量を算出する。しかしながら、この方法は、外乱が発生した場合を想定すると、ヘッドがディスク上の半径方向に変動してしまうため、安定した偏心量測定は困難である。

そこで、本発明の目的は、実用的かつ安定した偏心量測定機能を実現したディスク記憶装置を提供することにある。

本発明の観点に従ったディスク記憶装置は、ヘッドをディスク上の半径方向に移動させるアクチュエータ手段と、前記アクチュエータ手段の操作制御量に基づいて、前記ヘッドを前記ディスク上の目標軌道に追従させるサーボ制御手段と、前記ディスクの偏心量の測定時に、前記サーボ制御手段に印加される前記目標軌道の外乱であって前記ディスクの偏心により発生する前記外乱を抑制する仮想目標軌道値を偏心量として算出する偏心量算出手段とを具備し、前記サーボ制御手段は、目標軌道との位置誤差に基づいて前記アクチュエータ手段の操作制御量を算出するフィードバック制御手段であり、前記偏心量算出手段は、前記偏心量の測定時に、前記ディスク上の任意の測定対象位置に前記ヘッドを追従させたときに前記サーボ制御手段から前記ディスクの偏心に追従する前記操作制御量を入力して、前記フィードバック制御手段に印加される前記外乱を抑制するフィードフォワード制御手段から構成されており、設定される伝達特性に基づいて前記偏心を打ち消すような前記仮想目標軌道値を算出するようにして、前記操作制御量がほぼ零となるときの前記仮想目標軌道値を偏心量として算出するように構成されている。

本発明であれば、偏心測定時に微小な塵埃も発生せず、かつサーボ制御の有効時に測定することにより、実用的かつ安定した偏心量測定機能を実現できる。

本発明の実施形態に関するディスクドライブの要部を示すブロック図。 本実施形態に関するサーボ制御モデルを説明するためのブロック図。 本実施形態に関するディスク偏心を説明するための図。 本実施形態に関するＤＯＣの手順を説明するためのフローチャート。 本実施形態に関するディスクシフト判定の手順を説明するためのフローチャート。 本実施形態に関する偏心測定方法の手順を説明するためのフローチャート。 本実施形態に関するディスク偏心測定に応じた操作制御量の特性を示す図。 本実施形態に関するディスク偏心測定に応じた目標軌道の特性を示す図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（ディスクドライブの構成）
図１に示すように、本実施形態のディスクドライブは、垂直磁気記録媒体であるディスク１及びヘッド１０を有する磁気ディスク装置である。ディスク１は、スピンドルモータ（ＳＰＭ）２に固定されて、回転運動するように取り付けられている。ヘッド１０は、アクチュエータ３に搭載されており、ディスク１上の半径方向に移動するように構成されている。アクチュエータ３は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）４により回転駆動する。ヘッド１０は、ディスク１０にデータを書き込むためのライトヘッドと、ディスク１０からデータを読み出すためのリードヘッドとが分離して実装されている構造である。

さらに、ディスクドライブは、ヘッドアンプ集積回路（以下、ヘッドアンプＩＣと表記する）１１と、リード／ライトチャネル（Ｒ／Ｗチャネル）１２と、ディスクコントローラ（ＨＤＣ）１３と、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）１４とを有する。なお、Ｒ／Ｗチャネル１２、ＨＤＣ１３及びＣＰＵ１４は、１チップの集積回路１５に組み込まれている。

ヘッドアンプＩＣ１１は、Ｒ／Ｗチャネル１２から供給されるライトデータに応じたライト信号（ライト電流）をヘッド１０に供給する。また、ヘッドアンプＩＣ１１は、ヘッド１０から出力されたリード信号を増幅して、Ｒ／Ｗチャネル１２に伝送する。

Ｒ／Ｗチャネル１２は信号処理回路であり、ディスクコントローラ１３から転送されたライトデータを符号化したライトデータをヘッドアンプＩＣ１１に出力する。ライトデータは、ディスク１上に記録すべき記録データである。また、Ｒ／Ｗチャネル１２は、磁気ヘッド１０から出力されたリード信号を復号化したリードデータをディスクコントローラ１３に出力する。

ディスクコントローラ１３は、ディスクドライブと図示しないホストシステム（パーソナルコンピュータなど）とのインターフェースを構成し、リード／ライトデータの転送制御を実行する。ＣＰＵ１４は、ディスクドライブのメインコントローラであり、リード／ライト動作の制御及びヘッド１０の位置決めに必要なサーボ制御を実行する。ＣＰＵ１４は、本実施形態に関するディスク偏心測定処理及びダイナミックオフセット制御（ＤＯＣ：dynamic offset control）を実行する。なお、ＤＯＣには、ＷＤＯＣ（write dynamic offset control）も含まれる。

（ディスク偏心）
図３は、本実施形態のディスク偏心測定方法に関し、ディスク偏心の現象を説明するための図である。

まず、ディスク偏心は、ディスク１をＳＰＭ２に取り付ける際に、ディスク１の内径とＳＰＭ２の回転軸の径との隙間などを要因として発生する。図３の実線に示すように、ディスク１は、理想的には、ＳＰＭ２の回転中心２００を基準として、同心円状のサーボトラック３１０が構成される。サーボトラック３１０とは、サーボ情報が記録されているサーボセクタに基づいて周方向に構成されるトラック（シリンダ）である。ディスク１には、半径方向に多数本のサーボトラック３１０が構成される。

ここで、ディスク偏心が発生すると、図３の破線に示すように、回転中心２００に対して半径方向に位置ずれした中心３００がサーボトラックの中心となる。この回転中心２００と偏心した中心３００との位置ずれ量が偏心量となる。

即ち、一般的にディスクドライブでは、ディスク偏心が発生すると、ディスク１が１回転したときにＲ／Ｗオフセット量が１周内で変動するＤＯが生ずるため、ＣＰＵ１４は、ディスク１にデータを書き込むときに、Ｒ／Ｗオフセット量を調整するためのＷＤＯＣを実行する。ＷＤＯＣを適切に実行するためには、当該偏心量を高精度で測定することが必要である。

特に、ディスクドライブの製品出荷後で、電源がオフしているときに前述のディスク偏心によるディスクシフトが発生する可能性がある。このため、ドライブの起動時に、ディスク偏心測定を実行して、ディスクシフトの判定を行なうための偏心情報を更新する必要がある。即ち、通常では、ディスクドライブの内部に設けられているフラッシュメモリやディスクに、製造工程時に測定された偏心情報（偏心量）が格納されている。

（サーボ制御）
図２は、本実施形態のＣＰＵ１４が実行するサーボ制御のモデルを示す図である。

このサーボ制御モデルは、通常のフィードバック制御モデルと、本実施形態のディスク偏心に関係するフィードフォワード制御モデルとから構成されている。

フィードバック制御モデルは、制御器１４０と、プラント１４１とを有する。制御器１４０は補償器（伝達関数Ｃ）であり、具体的にはＣＰＵ１４である。制御器１４０は、ヘッド１０の位置誤差ｅを入力し、当該位置誤差ｅを解消するように操作制御量Ｕｆを算出する。プラント１４１は制御対象（伝達関数Ｐ）であり、具体的にはＶＣＭ４である。プラント１４１は、操作制御量Ｕｆに応じて駆動制御される。

フィードバック制御モデルは、プラント１４１の出力である制御量ｙ（ここではヘッド１０の位置情報）を入力にフィードバックする。入力には、ヘッド１０の目標位置（目標軌道）ｒが与えられている。従って、位置誤差ｅとは、目標位置ｒとフィードバックされる制御量ｙとの誤差となる。

本実施形態のフィードフォワード制御モデルは、ディスク偏心に応じた外乱を抑制するための制御器（便宜的に偏心制御器と表記する場合がある）１４２を有し、外乱抑制入力値（補正値）として目標軌道（以下、仮想目標軌道と表記する）を算出する。偏心制御器１４２は伝達関数（（１＋ＣＰ）／Ｃ）が設定されている補償器であり、操作制御量Ｕｆを入力として仮想目標軌道値Ｕｒを出力する。

図２に示すように、本実施形態では、ディスク偏心が発生した場合に、フィードバック制御モデルには、１次の正弦波が目標位置ｒの外乱ｄｒとして印加されることを想定している。偏心制御器１４２は、制御器１４０から算出される操作制御量Ｕｆの１次成分が零となるときの仮想目標軌道値Ｕｒを、ディスク偏心の偏心量として算出する。そこで、操作制御量Ｕｆの１次成分が零となる条件を求める必要がある。サーボ制御モデルでは、下記式（１）により目標軌道（目標位置）に対する外乱ｄｒを算出することができる。

偏心制御器１４２は、外乱ｄｒの１次成分をＤＦＴ（discrete Fourier transform : 離散フーリエ変換）演算により抽出した偏心量として仮想目標軌道値Ｕｒを算出することができる。なお、プラント１４１は特性上のばらつきがあるため、プラントノミナルモデルを用いて、フィードバック制御により制御操作量Ｕｆを零に収束させて、偏心量を算出を求めることが望ましい。

（ダイナミックオフセット制御）
図４は、ＣＰＵ１４が実行するダイナミックオフセット制御の手順を示すフローチャートである。

即ち、ＣＰＵ１４は、偏心測定処理（ブロック４００）及びディスクシフト判定処理（ブロック４１０）を実行した後に、ダイナミックオフセット制御（ＤＯＣ）に移行する（ブロック４２０）。偏心測定処理は、後述するように、本実施形態の方式（便宜的に仮想同心円サーボ制御方式と呼ぶ）により偏心量を測定する。

ディスクシフト判定処理は、図５のフローチャートに示すように、ディスク偏心の発生により許容範囲外のディスクシフトが発生しているか否かを判定する。ＣＰＵ１４は、判定基準となる閾値Ｔｈの設定などの初期化処理を実行する（ブロック５００）。ＣＰＵ１４は、ディスク又はフラッシュメモリ（以下、代表してメモリと表記する）から既存の偏心情報δｓを読み出す（ブロック５１０）。この既存の偏心情報δｓとは、製造工程時に測定された偏心量を示す情報である。

ＣＰＵ１４は、既存の偏心情報δｓと偏心測定処理により測定された偏心量を示す偏心測定情報δｍとの差が閾値Ｔｈを超えているか否かを判定する（ブロック５２０）。ＣＰＵ１４は、閾値Ｔｈを超えている場合には、ディスク偏心の発生により許容範囲外のディスクシフトが発生していると判定し、メモリに格納されている既存の偏心情報δｓを偏心測定情報δｍに更新する（ブロック５３０）。当然ながら、ディスクシフトが許容範囲内の場合には、メモリに格納されている既存の偏心情報δｓがそのまま維持される。

ＣＰＵ１４は、データの書き込み又は読み出しに伴って、ヘッド１０のサーボ制御を実行するときに、メモリに格納されている偏心情報（δｓまたはδｍ）を使用して、ＤＯＣ処理を実行してヘッド１０をディスク１上の目標位置（目標トラック又は目標シリンダ）に位置決めする。即ち、ＣＰＵ１４は、例えばディスク１にデータを書き込むときに、Ｒ／Ｗオフセット量を調整するためのＷＤＯＣ処理を実行し、ヘッド１０をデータを記録すべき目標トラックに位置決めする。

（偏心測定処理）
以下、図６のフローチャートを参照して、本実施形態の仮想同心円サーボ制御方式による偏心測定処理を説明する。

まず、ＣＰＵ１４は、偏心の測定対象となるトラック（シリンダ）にヘッド１０をシークさせる（ブロック６００）。即ち、ＣＰＵ１４は、図２に示すサーボ制御モデルにおけるフィードバック制御を実行する。ＣＰＵ１４は、変数（ｉ，Ｕｒ，閾値Ｔｈｖ）の初期化設定を行なう（ブロック６０１）。ＣＰＵ１４は、変数の初期化設定として仮想目標軌道値Ｕｒをゼロに設定し、図２に示す偏心制御器１４２をオンにして、仮想目標軌道を有効にする（ブロック６０２）。

ＣＰＵ１４は、フィードバック制御の実行により位置誤差eを検出する（ブロック６０３）。ＣＰＵ１４は、制御器１４０により位置誤差ｅを零に近づけるための制御操作量（ＶＣＭ操作量）Ｕｆを算出する（ブロック６０４）。プラント１４１（ＶＣＭ４）は、制御器１４０から出力される制御操作量Ｕｆに基づいて駆動制御される。即ち、アクチュエータ３は、ヘッド１０を測定対象となるトラックまで移動させる。

一方、ＣＰＵ１４は、偏心制御器１４２にフィードバック制御モデルからの制御操作量Ｕｆを入力し、ＤＦＴ演算処理を実行する。偏心制御器１４２は、ＤＦＴ演算処理により、制御操作量Ｕｆの１次振幅Ｕfgと１次位相Ｕfpを算出する（ブロック６０５）。次に、ＣＰＵ１４は、偏心制御器１４２により、前述の式（１）に基づいた下記式（２）により制御操作量Ｕｆを用いて、偏心に追従しない仮想目標軌道値Ｕｒ（ｉ）を算出する（ブロック６０６）。

ここで、ＣＰＵ１４は、予め設定した操作制御量の１次成分閾値Ｔｈｖと１次振幅Ｕfgとを比較する（ブロック６０７，６０８）。ＣＰＵ１４は、比較結果に基づいて、操作制御量が収束していない場合には偏心が正しく測定できていないと判断して、再測定を実行する（ブロック６０８のＮＯ，６０９）。この場合、２回目以降の測定では、仮想目標軌道値Ｕｒとしては前回の偏心測定値を設定する。ＣＰＵ１４は、制御操作量Ｕｆの１次成分（振幅Ｕfg）が閾値Ｔｈｖ未満になるまで、ブロック６０３から６０９の処理を繰り返す。

ＣＰＵ１４は、制御操作量Ｕｆの１次成分が零に接近すると、偏心制御器１４２をオフにして、仮想目標軌道を無効にする（ブロック６１０）。なお、偏心制御器１４２をオフして仮想同心円サーボ制御が無効になれば、フィードバック制御は、偏心したトラックに追従するサーボ制御となる。ＣＰＵ１４は、測定した偏心情報（仮想目標軌道値Ｕｒ（ｉ））を変数δｍとして一時的にメモリに格納する（ブロック６１１）。なお、ＣＰＵ１４は、図５に示すように、許容範囲外のディスクシフトが検出された場合に、測定した偏心情報δｍをメモリ（又はディスク１）に保存することになる。

従って、図４に示すように、製品出荷後のディスクドライブにおいて起動時の信頼性に影響を与えることなく、ディスク偏心が発生した場合の偏心量を高精度に測定できる。これにより、製品出荷後に許容範囲外のディスクシフトを検出した場合には、測定した偏心量（メモリに格納された偏心情報δｍ）を使用して、ダイナミックオフセット制御（特にＷＤＯＣ）を実行することができる。

以上のような本実施形態の仮想同心円サーボ制御方式により、ディスク偏心を高精度に測定することができる。即ち、本実施形態は、フィードバック制御での制御操作量Ｕｆの１次成分がほぼ零となる仮想目標軌道Ｕｒを算出することにより、ディスク偏心の偏心量（偏心情報δｍ）を求めることができる。

本実施形態の偏心測定方法は、外乱ｄｒが発生した場合には外乱抑圧フィードフォワード制御（偏心制御器１４２）が機能するため、従来のサーボフリー方式より高精度に偏心を測定することが可能となる。また、当然ながら、本実施形態の偏心測定方法は、アクチュエータ３をストッパに押し付けるような状態は無いため、ドライブの内部にコンタミと呼ぶ微小な塵埃が発生する問題も発生しない。

図７は、本実施形態に関するディスク偏心測定に応じた操作制御量の特性を示す図である。図７において、ｄａｃは、ＶＣＭ４に出力するＤ／Ａコンバータの電流出力値であることを示す。図７に示すように、ドライブ内のディスク１に偏心が発生している場合に、本実施形態の仮想目標軌道Ｕｒを適用した軌道補正を行なった場合の特性７１０に対して、特性７００は当該軌道補正なしで偏心追従した場合である。

また、図８は本実施形態に関するディスク偏心測定に応じた仮想目標軌道Ｕｒの特性を示す図である。当該軌道補正なしで偏心追従した場合の特性８００に対して、特性８１０は本実施形態の仮想目標軌道Ｕｒを適用した軌道補正を行なった場合である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…ディスク、２…スピンドルモータ（ＳＰＭ）、３…アクチュエータ、
４…ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、１０…ヘッド、１１…ヘッドアンプＩＣ、
１２…リード／ライトチャネル（Ｒ／Ｗチャネル）、
１３…ディスクコントローラ（ＨＤＣ）、１４…マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、
１４０…制御器、１４１…プラント、１４２…偏心制御器。

Claims (6)

1. ヘッドをディスク上の半径方向に移動させるアクチュエータ手段と、
   前記アクチュエータ手段の操作制御量に基づいて、前記ヘッドを前記ディスク上の目標軌道に追従させるサーボ制御手段と、
   前記ディスクの偏心量の測定時に、前記サーボ制御手段に印加される前記目標軌道の外乱であって前記ディスクの偏心により発生する前記外乱を抑制する仮想目標軌道値を偏心量として算出する偏心量算出手段とを具備し、
   前記サーボ制御手段は、目標軌道との位置誤差に基づいて前記アクチュエータ手段の操作制御量を算出するフィードバック制御手段であり、
   前記偏心量算出手段は、
   前記偏心量の測定時に、前記ディスク上の任意の測定対象位置に前記ヘッドを追従させたときに前記サーボ制御手段から前記ディスクの偏心に追従する前記操作制御量を入力して、前記フィードバック制御手段に印加される前記外乱を抑制するフィードフォワード制御手段から構成されており、
   設定される伝達特性に基づいて前記偏心を打ち消すような前記仮想目標軌道値を算出するようにして、前記操作制御量がほぼ零となるときの前記仮想目標軌道値を偏心量として算出するように構成されているディスク記憶装置。
2. 前記サーボ制御手段は、
   前記偏心量算出手段から前記仮想目標軌道値を入力し、前記操作制御量が零に収束するようにフィードバック制御を実行するように構成されている請求項１に記載のディスク記憶装置。
3. 前記偏心量算出手段により算出された偏心量を使用して、ディスクシフトを検出する検出手段を含む請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のディスク記憶装置。
4. 前記検出手段により前記ディスクシフトが検出されたときに、前記偏心量算出手段により算出された偏心量を示す偏心情報を記憶する記憶手段を含む請求項３に記載のディスク記憶装置。
5. 前記記憶手段に記憶された前記偏心情報を使用して、前記ディスクの１回転で変動するダイナミックオフセットを補正するためのダイナミックオフセット制御を実行する手段を含む請求項４に記載のディスク記憶装置。
6. アクチュエータ手段の操作制御量に基づいて、ヘッドをディスク上の目標軌道に追従させるフィードバック制御を実行するディスク記憶装置のサーボ制御方法であって、
   前記ディスクの偏心量の測定時に、前記フィードバック制御に対する前記目標軌道の外乱であって前記ディスクの偏心により発生する前記外乱を抑制するフィードフォワード制御を実行する処理において、
   前記偏心量の測定時に、前記ディスク上の任意の測定対象位置に前記ヘッドを追従させる前記フィードバック制御の実行時に前記ディスクの偏心に追従する前記操作制御量を入力し、
   設定される伝達特性に基づいて前記偏心を打ち消すような前記仮想目標軌道値を算出するようにして、前記操作制御量がほぼ零となるときの前記仮想目標軌道値を偏心量として算出するサーボ制御方法。

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