JPH05174517A - 磁気ディスク装置のアクセスサーボ機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】データ面とサーボ面から得られる位置情報を周
波数帯域を分けて利用し、全周波数にわたってトラック
の変位を忠実に検出する信号の応答のはやい第一の駆動
手段にフィードバックし、サーボ面から位置情報を第二
の駆動手段にフィードバックする。 【効果】高い応答性能を持つアクセスサーボ機構が得ら
れ、２段サーボ系の設計や調整が容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はハイブリッドサーボ方式
の磁気ディスク装置のアクセスサーボ機構に係り、特
に、高応答小ストロークの駆動手段と、低応答大ストロ
ークの駆動手段とを協調させて高速高精度アクセス動作
を実現するヘッド位置決めサーボ機構の制御系の構成に
関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスク記憶装置は、コンピュータ
の外部記憶装置として広くもちいられており、年々記憶
容量の大容量化、アクセスタイムの短縮がすすんでい
る。現在の磁気ディスク記憶装置では、それぞれ磁性面
をもつ複数のディスクが間隔をおいて層状かつ同軸に設
けられ、スピンドルモータによって一定速度で回転させ
られる一方、各ディスクの磁性面に対応するヘッドは、
適宜数ごとにヘッドアームによってそれぞれ支持され、
これらヘッドアームの基部はキャリッジによって一体に
支持されたうえで、ボイスコイルモータによってディス
クのラジアル方向に移動させられる。また、ヘッドの位
置の検出は、ディスクの磁性面のひとつをサーボ位置情
報の記録のみにもちいて、このサーボ面に対応するヘッ
ドで位置の検出を行うサーボ面サーボ方式、それぞれの
ディスクの磁性面に、あらかじめサーボ位置情報を記録
しておき、記憶すべきデータは、同一面上でサーボ位置
情報とは空間的または周波数的に異なった領域に記憶す
るデータ面サーボ方式、これら両者を併用するハイブリ
ッドサーボ方式が用いられている。検出されたサーボ位
置情報をフィードバックしてボイスコイルモータを駆動
し、上位コントロールからの指示に従ってヘッドの位置
決めを行うのがアクセスサーボ機構の役割である。

【０００３】磁気ディスク装置では、円板上の磁性面に
トラックと呼ばれる同心円状の記憶領域を設け、このト
ラックに沿った磁化状態によって情報を記憶する方式を
とっている。したがって、限られた寸法の中で記憶容量
を大きくするためには、このトラックに沿った磁化状態
の空間周波数をあげて情報の線密度をあげるか、あるい
は、トラックの間隔を詰めてひとつのトラックの幅を狭
くし、トラックの密度をあげるか、いずれかの方策をと
ることになる。後者の方策によって記憶容量の増大を図
ろうとすれば、ディスク面の上を、情報の読み書きを行
うヘッドを移動させるアクセスサーボ機構の位置ぎめ精
度をあげることが必要となる。また、アクセスタイムを
短縮するには、上に述べたアクセスサーボ機構の応答を
高速化することが必要となる。

【０００４】しかし、前述のキャリッジ部の等価質量は
強度剛性面の制約から軽量化には限界があり、ボイスコ
イルモータの推力についても質量寸法発熱等の面からの
制約があるので、従来の構成のまま、アクセスサーボ機
構の高応答化によるアクセス時間の短縮、トラック追従
精度の向上を進めても限界がある。そこで、ボイスコイ
ルモータよりも高い応答性を備えた駆動手段を用いてこ
の限界を打破することが考えられている。このための駆
動手段は一般にストロークが小さいので、ボイスコイル
モータと併用し、２段サーボ系を構成する方法がとられ
ている。たとえば、特開昭60−35383 号公報には、ヘッ
ド支持機構の部分に高応答の微動アクチュエータを組み
込み、位置フィードバック信号に応じてこの微動アクチ
ュエータを制御し、微動アクチュエータの変位量を検出
器によって検出して、粗動アクチュエータの動作を制御
する方式が示されている。光ディスクの分野にも、同様
な２段サーボ系を構成する方法がとられており、たとえ
ば特開平1−109577 号公報には、検出されたヘッドの位
置をフィードバックして位相補償演算を行った信号を周
波数帯域分割し、粗動系と微動系に入力する方式が示さ
れている。また、特開昭61−280080号公報には、精アク
チュエータの周波数特性をシミュレートする回路または
精アクチュエータの動きを検出する検出器を設け、これ
らの出力を粗アクチュエータの偏差入力とする方式が示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】第一の従来技術では、
微動アクチュエータの変位量を検出するための検出器を
キャリッジ部に設ける必要があり、装置の複雑化やキャ
リッジの等価質量の増大等の問題を解決することが必要
となる。また、ふたつのアクチュエータの制御系は複雑
に干渉する特性を有し、制御系の設計が難しい。第二の
従来技術では、周波数帯域分割に使用するフィルタの持
つ位相遅れ特性によってサーボ系の位相余裕が減少する
ために、特に低周波側を分担する粗動アクチュエータの
応答の高速化と安定化の両立を図った設計が難しくな
る。第三の従来技術では、精アクチュエータの周波数特
性をシミュレートする回路を設ける方式では、この回路
と実機との誤差があると、粗アクチュエータに対する動
作の制御が正しく行われない場合が生じる。また、精ア
クチュエータの動きを検出する検出器を設ける方法で
は、第一の従来技術と同様な問題があらわれる。

【０００６】また、ハイブリッドサーボ方式では、通
常、データを記憶するためのデータ面は、放射状の境界
によって等間隔に区切られた扇形の領域であるセクター
に分割されている。各セクターの先頭の部分にはサーボ
位置情報が記憶されており、残りの領域はデータの記憶
に用いられる。円板の回転によって、セクターの先頭の
サーボ位置情報がデータヘッドの下を通過するときだけ
に位置情報が得られることになる。従ってデータ面から
の位置情報は間欠的なものであり、トラックの位置の変
動に関する高い周波数成分まで忠実な信号ではない。こ
のために、高い応答性を持つアクチュエータを生かそう
としても、フィードバック信号の帯域の狭さのために限
界が現れてしまう。一方、サーボ面から得られる位置情
報は時間的に連続であるが、データ面とサーボ面とのト
ラック間のずれや偏心の位相の相違のような低周波数の
誤差信号を含んでいる。

【０００７】本発明の目的は、高応答であるがストロー
クの小さな駆動手段と、ストロークは大きいが応答性は
第一の駆動手段よりも低い駆動手段とを協調させて、ハ
イブリッドサーボ方式の磁気ディスク装置において高い
応答性能を持つアクセスサーボ機構を得ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、データ面及び
サーボ面上にあらかじめ記録されているサーボ情報から
目標トラックの中心に対するヘッドの相対位置を検出
し、目標位置であるトラックの中心位置と比較して、前
記第一の駆動手段及び前記第二の駆動手段の双方にフィ
ードバックを施すことにより、全ストロークにわたる動
作，過渡応答の高速化，小ストローク駆動手段の定常状
態での中立点復帰等を含めた、ふたつの駆動手段の効果
的な協調動作を実現するとともに、このような２段サー
ボ系の設計や調整を容易にしたものである。

【０００９】また、本発明は、第一の駆動手段の高応答
性を生かすため、データ面から得られる位置信号とサー
ボ面から得られる位置信号とを周波数分割してもちいる
ようにしたものである。

【００１０】

【作用】図１は本発明に基づくサーボ系における信号の
伝達特性を示すブロック線図である。ｒは目標値（通常
はトラック中心であり０）、ｙ１は第一の駆動手段の変
位量、ｙ２はサーボ面から検出される第二の駆動手段の
変位量、ｙはデータ面から検出される第一及び第二の駆
動手段の合成変位量である。第一の駆動手段及び動特性
補償要素の伝達関数をＧ₁(ｓ）とし、第二の駆動手段及
び動特性補償要素の伝達関数をＧ₂(ｓ）とすれば、サー
ボ系の特性方程式は、

【００１１】

【数１】

【００１２】となる。ここで

【００１３】

【数２】

【００１４】は、第一の駆動手段及び動特性補償要素の
みでフィードバック制御系を構成したときの特性方程式
であり、

【００１５】

【数３】

【００１６】は、第二の駆動手段及び動特性補償要素の
みでフィードバック制御系を構成したときの特性方程式
であるから、各々単独のサーボ系が安定であれば２段サ
ーボ系を構成したときも必ず安定に動作し、単独のサー
ボ系の極を合わせたものが２段サーボ系の極になること
がわかる。これは、サーボ系の設計や調整を行う際に非
常に好都合な特性である。また、本発明に基づく図１の
サーボ系の閉ループ伝達関数Ｇ(ｓ)は、

【００１７】

【数４】

【００１８】となる。各々単独のサーボ系がオフセット
なしに目標値に整定する場合には、この２段サーボ系も
オフセットなしに目標値に整定することはあきらかであ
る。さらに、本発明に基づく図１のサーボ系の感度関数
Ｈ(ｓ)は、

【００１９】

【数５】

【００２０】となる。ここで、

【００２１】

【数６】

【００２２】は、第一の駆動手段及び動特性補償要素の
みでフィードバック制御系を構成したときの感度関数で
あり、

【００２３】

【数７】

【００２４】は、第二の駆動手段及び動特性補償要素の
みでフィードバック制御系を構成したときの感度関数で
あるから、２段サーボ系の感度関数はこれらの積になっ
ていることがわかる。従って、２段サーボ系を構成する
ことによってトラック追従精度は確実に向上する。

【００２５】次に、図１の構成のサーボ系の応答を説明
する。本発明に基づくサーボ系では、目標トラックの中
心に対して、現在のヘッド位置がずれた場合、第一及び
第二の駆動手段の制御系に制御偏差が生じる。双方の制
御系は各々の制御動作に従って操作量を算出して出力
し、これらの信号は、各々対応する駆動手段に入力され
る。これに応じて双方の駆動手段は位置ずれの訂正動作
を開始するが、第一の駆動手段は第二の駆動手段にくら
べて応答が速いため、データヘッドが目標トラックの中
心に整定して第一の駆動手段の制御偏差が０になった時
点では第一の駆動手段の変位量は大きく、第二の駆動手
段の変位量は小さい。このままの状態では、第一の駆動
手段は中立点から大きくずれた位置にあるが、第二の駆
動手段は第一の駆動手段の制御偏差が０になった状態で
も引き続き第一の駆動手段の変位量を減少させる方向に
動作を行う。これに伴って第一の駆動手段も動作するの
で、ヘッドを目標トラック中心上に保ったまま、第一の
駆動手段の変位量が減少し、やがて変位量が０、すなわ
ち、中立位置に達するとサーボ系は全体が定常状態とな
る。

【００２６】また、低域遮断特性を持つフィルタ手段を
介してサーボ面からの位置信号を用いることでサーボ面
とデータ面の間に存在するトラックずれの影響を避けつ
つ、トラック位置変動の高周波成分を検出することがで
き、高域遮断特性を持つフィルタ手段を介してデータ面
からの位置信号を用いることで間欠的にしか得られない
データ面の位置情報の高域の歪の影響を避けて、データ
ヘッドのオフトラック量の検出を行うことができる。従
って、これらを合成した位置信号は全周波数領域で目標
トラックの動きを忠実に検出できるので、第二の駆動手
段の応答能力の高さを生かすことができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて詳細に説
明する。図２は、本発明に基づく磁気ディスク装置のサ
ーボ系の構成を示すブロック図である。図２において、
スピンドルモータ１０１により一定速度で回転させられ
ている磁気円板の下面１１１はサーボ面となっており、
あらかじめサーボ信号が記録されている。このサーボ信
号は、サーボ面に対向して設けられているサーボヘッド
１１２によって検出されて、増幅器１１３をへて位置検
出回路１２０に入力される。また、磁気円板の上面１１
５は、データを記憶するためのデータ面となっており、
放射状の境界によって等間隔に区切られた扇形の領域で
あるセクターに分割されている。各セクターの先頭の部
分にはサーボ位置情報が記録されており、残りの領域は
データの記憶に用いられる。この面に対向して設けられ
ているデータヘッド１１６によりデータの読み書きおよ
びデータ面上のサーボ信号の検出が行われる。データ面
から検出されたサーボ信号は、増幅器１１７をへて位置
検出回路１２１に入力される。さて、位置検出回路１２
０，１２１は、それぞれサーボ信号を処理して位置決め
制御系で使用される位置信号Ｐｓ，Ｐｄ＊ に変換す
る。本実施例の位置決めサーボ系は、通常の磁気ディス
ク装置と同様に、目標トラックに向けてトラック間の移
動動作を行うシーク動作モードと、目標トラックの中心
にヘッドを追従させるフォロイング動作モードの二つの
動作モードを持っている。まず、シーク動作モードで
は、動作を開始する際には、入力切り替えスイッチ１５
０，入力切り替えスイッチ１５１は、ともに上側に接続
された状態となっている。位置信号Ｐｄは、トラックク
ロッシング検出回路１３１で処理されて、ヘッドがトラ
ックの境界を通過するごとにパルスを発生させる。この
パルスは、残トラック数カウンタ１３２に入力される。
この残トラック数カウンタ１３２は、シーク動作開始時
に目標トラック番号と現在のトラック番号との差の値１
３３が設定され、上述のトラッククロッシングパルスを
計数して値を更新していき、常に、現在ヘッドがあるト
ラックの番号と目標トラックの番号との差の値、すなわ
ち、残トラック数を検出する。この残トラック数の値は
目標速度信号発生回路１４０に入力される。この目標速
度信号発生回路１４０は、残トラック数に応じて、目標
速度テーブル及びこの目標速度に対応する加速度フィー
ドフォワードテーブルを参照し、速度指令値を出力す
る。この速度指令値は、減算回路１４１に入力されて、
後述する速度信号との差をとられ、速度偏差が算出され
る。この速度偏差は、パワーアンプ１６１で増幅されて
ボイスコイルモータ１７０を駆動する。ボイスコイルモ
ータ１７０に流れる電流の値および位置信号は、速度検
出回路１８０に入力され、速度推定演算処理が施されて
速度信号が算出され、減算回路１４１に入力される。一
方、残トラック数カウンタ１３２の状態に応じて圧電素
子クランプ指令回路１９０が動作し、シーク方向に向け
て圧電素子をストロークエンドまで変位させる変位指令
信号が出力される。この変位指令信号は入力切り替えス
イッチ１５１をヘて、圧電素子駆動アンプ１９１で増幅
され、圧電素子１９２を駆動する。

【００２８】シーク動作が進行し、目標トラックに接近
して、ヘッドが所定の位置に到達すると、入力切り替え
スイッチ１５１が下側に切り替えられ、変位指令信号は
フォロイング制御回路２００の出力になる。また、所定
の位置偏差量あるいは速度値に到達すると、入力切り替
えスイッチ１５０が下側に切り替えられ、フォロイング
制御回路２００の出力がパワーアンプ１６１の入力に接
続される。フォロイング制御回路２００の内容について
次に説明する。

【００２９】図３は、本発明に基づくフォロイング制御
回路２００の構成の一例を示すブロック図である。第一
の入力部２０１には位置信号Ｐｄ* が入力される。この
位置信号Ｐｄ* はセクターの先頭がデータヘッド１１６
の下を通過したときだけ得られる信号なので、これを時
間的に連続な位置信号Ｐｄに変換するためにホールド回
路２０２がはいっている。この位置信号Ｐｄはローパス
フィルタ２０３で処理されて加算回路２０５の一方の入
力に接続される。また、第二の入力部２０２には、位置
信号Ｐｓが入力される。この位置信号Ｐｓは、ハイパス
フィルタ２０４で処理されて加算回路２０５のもう一方
の入力に接続される。加算回路２０５での加算結果は、
第一の位相補償回路２０６で処理されて、ノッチフィル
タ２０７及び加算回路２０８をへて第一の出力部２０９
に出力される。加算回路２０８では、圧電素子を中立点
を中心として伸縮させるために、バイアス電圧源２１０
から供給されるバイアス信号が加算される。また、位置
信号Ｐｓは第二の位相補償回路２１１及びノッチフィル
タ２１２を経て第二の出力部２１３に出力される。第一
の出力部２０９は図２の入力切り替えスイッチ１５１に
接続され、第二の出力部２１３は図２の入力切り替えス
イッチ１５０に接続される。この実施例では、第一の駆
動手段が圧電素子であり、入力信号にほぼ比例した変位
を生じる。このような要素のフィードバック制御系を構
成するために、位相補償回路に積分特性をもたせてい
る。この実施例ではデータ面とサーボ面の双方から得た
位置信号を合成した新たな位置信号を用いているのは第
一の駆動手段の制御系であるが、第二の駆動手段の制御
系に対しても用いることもできる。

【００３０】図４は、第一の位相補償回路２０６の構成
を示す回路図である。この回路は積分特性を持ってお
り、図３の入力部２０１の信号を積分した値をノッチフ
ィルタ２０７及び加算回路２０８に供給するが、積分値
を記憶するコンデンサ２３１の電圧は、ふたつのツェナ
ーダイオード２３２，２３３によって限界値が設定され
ており、限界値を越えた電圧が積分値としてあらわれる
ことはない。この限界値は、圧電素子の限界電圧に対応
して設定されており、圧電素子による駆動手段のストロ
ークを決定している。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、高応答であるがストロ
ークの小さな駆動手段と、ストロークの大きいが応答性
は駆動手段よりも低い駆動手段とを備えたハイブリッド
サーボ方式の磁気ディスク装置において、２つの駆動手
段を効果的に協調させて、高い応答性能を持つアクセス
サーボ機構が得られるとともに、このような２段サーボ
系の設計や調整が容易になる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のサーボ系における信号の伝達特性を示
すブロック図。

【図２】本発明の磁気ディスク装置のサーボ系の構成を
示すブロック図。

【図３】本発明のフォロイング制御回路の構成の一例を
示すブロック図。

【図４】本発明の第一の位相補償回路の構成を示す回路
図。

【符号の説明】

１１１…サーボ面、１１２…サーボヘッド、１６１…パ
ワーアンプ、１７０…ボイスコイルモータ、１９１…圧
電素子駆動アンプ、１９２…圧電素子、２００…フォロ
イング制御回路、２０３…ローパスフィルタ、２０４…
ハイパスフィルタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁性円板の表面として、サーボ位置情報を
   記録したサーボ面と、データを記憶するデータ面上にデ
   ータとは空間的または周波数的に異なった領域にサーボ
   位置情報を記録したデータ面とを備えた磁気ディスク装
   置に組み込まれて、磁性円板に情報の書き込みや読みだ
   しを行うために、磁気ヘッドを所定のトラック上に位置
   決めする際に、高応答であるがストロークの小さい駆動
   手段と、所要範囲全体にわたって動作可能なストローク
   を有するが応答は遅い駆動手段とを協調させて、トラッ
   ク間の移動及びトラックへの追従動作を含むアクセス動
   作を行う磁気ディスク装置のアクセスサーホ機構におい
   て、 データの読み書きに使用する前記磁気ヘッドの位置を、
   対応するデータ面上の前記サーボ位置情報から検出し
   て、この位置信号を第一の駆動手段のサーボ系にフィー
   ドバックして目標位置と比較するとともに、サーボ面に
   対応する前記磁気ヘッドの位置をサーボ面上の前記サー
   ボ位置情報から検出して、この位置信号を第二の駆動手
   段のサーボ系にフィールドバックして前記目標位置と比
   較する手段を設けてトラック追従動作を行うことを特徴
   とする磁気ディスク装置のアクセスサーボ機構。