KR20000051248A - 압전 세라믹 작동기를 이용한 ｃｄ-ｒｏｍ/ｄｖｄ-ｒｏｍ - Google Patents

압전 세라믹 작동기를 이용한 ｃｄ-ｒｏｍ/ｄｖｄ-ｒｏｍ Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스크(35)의 대물렌즈(33)를 광축 방향 즉, 수직 방향으로 움직여서 디스크(35)의 반사면이 초점 심도 내에 들어오도록 대물 렌즈(33)의 위치를 조정하는 포커싱용 압전 세라믹 작동기(43)와, 아주 미세한 간격으로 나열되어 있는 디스크(35)의 트랙을 추정하기 위해 대물 렌즈의 위치를 마이크로하게 이동시키도록 하는 트랙킹용 압전 세라믹 작동기(44)로 구성되어 있는 압전 세라믹 작동기를 이용한 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치에 관한 것으로, 광픽업 장치에서 CD(35) 등에 저장된 정보를 읽어 들이는 대물 렌즈(33)의 작동기로서 압전 작동기(43,44)와 와이어 서스펜션(38)만이 필요하므로 부피와 무게를 줄일 수 있어 대물 렌즈(33)의 고속 운동이 가능하며, 시스템의 전체 고유 진동수가 증가하여 외부에서 가해지는 외란 등에 대하여 쉽게 가진되는 것을 피할 수 있고, 또한 작동기(43,44)로서 압전재료를 사용하므로 설계가 매우 간단하며, 제작이 용이할 뿐만 아니라 10-60μsec정도의 빠른 응답속도로 수 ㎛까지 정밀 위치제어가 가능하게 된다.

Description

압전 세라믹 작동기를 이용한 ＣＤ-ＲＯＭ/ＤＶＤ-ＲＯＭ 광픽업 장치{CD-ROM/DVD-ROM Optical Pick-Up Using Piezo-electric Ceramic Actuator}
본 발명은 CD-ROM/DVD-ROM의 광픽업 장치(optical pick-up)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CD/DVD로부터 정보를 읽어 들이는 대물렌즈의 광축방향 즉, 수직방향 위치를 조정하여 디스크의 반사면이 초점 심도 내에 들어오도록 하는 포커싱(focusing)용 압전 세라믹 작동기와, 대물렌즈의 수평방향 위치를 조정하여 디스크의 트랙을 추적하기 위한 트랙킹(tracking)용 압전 세라믹 작동기를 구비하여 고배속, 고밀도, 고성능의 CD-ROM/DVD-ROM에 의한 정보저장기능에서 요구되는 성능을 발휘할 수 있도록 한 압전 세라믹 작동기를 이용한 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치에 관한 것이다.
고밀도 대용량 정보 매체로서 각광을 받고 있는 CD-ROM은 현재 24배속, 32배속 등의 고배속이 개발되어 시판되고 있으며 최근에 활발히 보급되기 시작한 DVD는 기존의 CD에 비하여 매우 큰 저장 용량을 가지고 있다. 이러한 CD/DVD ROM 드라이브로는 도 1에 도시된 데스크탑용 CD-ROM이 제안된 바 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 데스크탑용 CD-ROM 드라이브는 크게 피딩 시스템(1), 로딩 시스템(2), 상하 프레임(4), 회로기판(5)으로 구성되어 있다. 상하 프레임(4)은 CD-ROM 드라이브를 보호하고, 데스크탑 본체에 부착된다.
따라서, 사용자가 CD 디스크를 삽입하면 CD 디스크는 로딩 시스템(2)에 의해 피딩 시스템(1) 위로 이동되며, 홀더 척(3)에 의하여 스핀들 모터(11)에 고정되어 회전을 시작한다. 이때부터 피딩 시스템(1)은 피딩 모터(12)와 광 픽업 장치(10)에 의해서 사용자가 원하는 데이터를 읽게 된다.
이러한 피딩 시스템(1)은 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, CD 디스크를 회전시키는 스핀들 모터(11), 광픽업 장치(10), 피딩 모터(2) 그리고 4개의 고무 댐퍼(6,7,8,9)로 이루어져 있다. 고무댐퍼(8,9)는 코어로서 나사를 이용하여 CD-ROM 드라이브 본체에 고정되어 있다. 고무댐퍼(6,7)는 스핀들 모터(11)를 포함한 피딩 시스템(1)과 함께 상하방향으로 5 내지 10㎜의 범위 내에서 이동할 수 있게 되어 있는데 이것은 CD 디스크가 사용자에 의해 피딩 시스템(1)으로 출입될 때 원활한 이동을 할 수 있도록 하기 위해서이다.
여기에서, 도 3에 따라 일반적인 CD-ROM/DVD-ROM 재생기에서 디스크를 구동하고 신호를 검출하는 디스크 구동/검출부의 구성을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 디스크(21)에 광을 입사시켜 그 반사되는 광을 이용하여 기록신호를 독출하는 광픽업부(10)와, 이 광픽업부(10)를 디스크(21)의 반경방향으로 이동시키는 슬래드(sled)모터(12a)와, 디스크(21)를 회전하도록 구동시키는 스핀들(spindle)모터(12)와, 광픽업부(10)에서 검출되는 신호를 여파정형화시키는 R/F부(23)와, 슬래드모터(12a) 및 스핀들모터(12)를 구동시키는 드라이브부(25)와, 광픽업부(10)에서 출력되는 초점에러(F.E) 및 트랙킹에러(T.E)신호를 입력받아 드라이브부(25)의 구동을 제어하고 R/F부(23)의 출력신호의 동기를 검출하는 서보부(27)와, 이 서보부(27)에서 검출되는 동기를 이용하여 R/F부(23)에 의해 독출되는 신호를 원래의 디지털 신호로 복구하는 디지털 신호처리부(29)와, 광픽업부(10)를 이동시키고 재생동작을 제어하는 마이컴(31)을 포함하여 구성되어 있다.
이상의 구성을 갖는 CD-ROM/DVD-ROM 구동/검출부의 기록신호 검출동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 광픽업부(10)가 디스크(21)의 재생에 따라 이동되면서 계속적으로 디스크(21)에 기록되어 있는 신호를 검출하고, R/F부(23)는 픽업부(10)가 검출한 고주파 신호를 여파 정형화한다. 여파 정형화된 깨끗한 신호는 서보부(27)에 의해 동기가 검출되며, 디지털 신호처리부(29)는 서보부(27)에서 검출된 동기에 의해 R/F부(23)에서 출력되는 고주파 신호를 원래의 디지털 데이터로 복원하여 동영상 데이터로 출력하게 된다. 이후, 사용자가 마이컴(31)으로 탐색모드(search mode), 즉 픽업부(10)가 현재 위치하고 있는 트랙으로부터 다른 위치에 있는 트랙의 재생을 요청하는 경우에는 광픽업부(10)를 목표트랙으로 이동시켜 재생을 수행하게 된다.
위와 같은 동작에서 광픽업부(10)를 목표트랙으로 이동시키는 방법을 도 3의 구성에 따라 설명하면 다음과 같다.
먼저, 마이컴(31)은 디지털 신호처리부(29)로부터 입력되는 재생 제어정보인 디지털 데이터에서 광픽업부(10)의 현재 위치정보를 검출하여 검출된 위치정보에 상응하는 트랙번호를 계산하게 된다. 이때, 현재 위치정보는 디스크(21)가 CD인 경우 M(분)S(초)B(블록) 데이터이고, 디스크(21)가 DVD인 경우 섹터번호이다.
이러한 동작에 의해 재생할 목표위치 트랙의 트랙번호가 계산되면, 현재위치의 트랙번호와의 차를 산출하여 이동해야할 트랙수와 이동방향을 결정하게 되며, 이렇게 해서 이동방향과 이동해야할 트랙수가 산출되면, 마이컴(31)은 위에서 산출된 트랙수와, 표준으로 되어 있는 트랙피치(CD 1.6㎛, DVD 0.74㎛)를 곱하여 광픽업부(10)가 이동해야 할 목표위치까지의 거리를 산출하게 된다.
이후, 마이컴(31)은 서보부(27)를 통해 드라이브부(25)를 제어하여 광픽업부(10)가 산출된 거리만큼 이동되게 하는 구동전류를 슬레드모터(12a)에 출력하도록 하고, 이에 따라 슬레드모터(12a)는 전류 인가된 시간만큼 회전하여 광픽업부(10)를 원하는 방향으로 이동시키게 된다.
슬레드모터(12a)의 회전구동에 의하여 광픽업부(10)가 목표 이동거리 만큼 이동된 후에는 이동된 위치에서 트랙정보를 독출하여 요청된 데이터가 존재하는 목표트랙인지를 확인하고, 아닌 경우 다시 광픽업부(10)를 이동시켜 이동된 위치에서 트랙정보를 재독출하는 미세검색(fine search) 과정이 이루어지게 되며, 이에 따라 목표한 트랙으로의 이동이 완료된다.
따라서 위와 같은 CD-ROM/DVD-ROM 재생기는 스핀들 모터(12)의 회전시 발생하는 진동과 외부의 충격 그리고 피딩 시스템(1)의 기울어짐으로 인해 큰 변위의 진동이 발생하며 이것은 서보 제어에 나쁜 영향을 미치게 되므로 CD/DVD-ROM 드라이브의 오작동을 발생시키게 된다.
또한, CD/DVD-ROM의 고배속화, 고밀도화에 따라 위와 같이 CD/DVD-ROM 드라이브의 높은 정밀도와 높은 서보제어 강인성이 요구되어짐과 동시에, 필연적으로 CD에 저장되어 있는 정보를 읽어 들이는 광픽업 장치의 고성능화를 요구하게 되는데, 예를 들어 24배속 CD-ROM의 경우 디스크의 회전 속도가 위에서 언급한 바와 같이 약 4000rpm 정도가 되며 따라서 광픽업의 재생 속도도 여기에 맞추어 지지 않으면 안된다.
또한 DVD의 경우에는 광디스크의 디스크 상의 빛을 반사하는 금속막 위에 파여진 부분을 디지털 정보의 최소 단위인 1과 0으로 구분하는데 이때 파인 부분을 피트(pit)라고 할 때, 일반적으로 CD의 경우에는 이 피트가 1.83㎛ 이고 DVD는 기록 밀도를 높이기 위해 0.4㎛로 하고 있다. 또한 디스크에서 피트들이 기록된 궤적을 트랙(track)이라 하며 트랙과 트랙간의 거리를 트랙 간격이라 하는데 이 간격이 작을수록 기록 밀도가 증가하지만 이에 따라 광픽업의 정확도도 증가되어야 한다. 보통 CD의 트랙 간격은 1.6㎛이며 DVD의 경우는 0.74㎛이다. 이러한 차이로 인해 기존의 CD가 680MByte의 저장용량을 가진 반면, DVD의 경우는 최고 17GByte의 용량을 가질 수 있다. 따라서 이와 같이 고배속 CD-ROM이나 DVD등의 광픽업 장치는 대물 렌즈가 요구되는 트랙을 정확히 추적하는 트랙킹(tracking)이나 CD의 반사면에 정확한 초점을 맞추기 위한 포커싱(focusing)의 고속, 고정밀 운동이 요구된다.
그런데, CD의 대량 생산의 결과로 발생하는 디스크 성형 시의 뒤틀림, 두께 편차로 인하여 생기는 높은 주파수의 면진동, 디스크의 가운데 구멍(15)의 편차 때문에 발생하는 CD회전시의 편차, 디스크 제조 공정상 수지의 사출 및 경화과정에서 발생하는 뒤틀림 등에 의하여 발생하는 편심 등의 문제점들은 고배속, 고밀도, 고정밀 정보저장기기로서의 시스템 성능 저하의 원인이 되며 이를 극복하기 위해 고성능의 광픽업 장치가 요구된다.
그런데, 종래의 광픽업 시스템은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 영구자석(19)으로부터 발생되는 자기장내에서 포커싱(focusing)용 코일(15)이나 트랙킹(tracking)용 코일(14)에 전류가 가해지면 기전력이 발생하여 그 힘으로 대물 렌즈(13)를 이동시키게 된다.
따라서 발생하는 기전력이 트랙킹이나 포커싱 전 영역에서 균일하게 발생하지 않기 때문에 대물 렌즈(13)에 바람직하지 않은 틸팅(tilting)이 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한 CD의 정보를 읽어 들이는 대물 렌즈(13)외에 부가적으로 영구자석(19), 요크(17), 광픽업의 판 스프링(16)이나 와이어 서스펜션(18), 작동기용 코일(14,15)등이 필요하게 되어 대물 렌즈(13)의 부피 및 무게가 증가함으로써 고속, 고정밀을 요구하는 최근의 추세에 충분히 부합할 수 없는 문제점이 있다.
더욱이, CD에서 정보를 읽는 동안 광픽업의 대물 렌즈(objective lens)는 초점 심도가 약 1㎛ 정도밖에 되지 않으며, 디스크의 구부러짐(angle deviation) 및 편심도 등으로 인해 디스크와 광픽업과의 거리는 계속해서 변화하게 되므로 디스크의 반사면에 핀트를 정확히 맞힌다는 것이 매우 곤란하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같은 종래의 광픽업 장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 빠른 응답 속도와 수 ㎛까지 정밀 제어가 가능한 지능 재료(smart material)중의 하나인 압전 재료(piezoelectric material)를 이용한 CD-ROM/DVD-ROM의 광픽업 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 CD-ROM 드라이브의 전체 조립 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 CD-ROM 드라이브의 피딩 시스템의 개략 평면도.
도 3은 CD-ROM/DVD-ROM 재생기에서 CD-ROM/DVD-ROM 구동/검출부의 구성을 나타내는 블록구성 예시도.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 CD-ROM 광픽업 장치의 사시도로서, 도 4a는 힌지 타입 광픽업 장치를, 도 4b는 와이어 서스펜션 타입 광픽업 장치를 각각 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 세라믹 작동기를 이용한 광픽업 장치의 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 포커싱용 압전 세라믹 작동기의 장착상태를 보인 광픽업 장치의 측면도.
도 7은 도 6의 사시도.
도 8은 도 5에 도시된 포커싱용 압전 세라믹 작동기의 장착상태를 보인 광픽업 장치의 측면도.
도 9는 도 5에 도시된 트랙킹용 압전 세라믹 작동기의 장착상태를 보인 광픽업 장치의 측면 사시도.
도 10은 압전 재료의 일반적인 성질을 나타내면 도면으로, 도 10a는 외력이 없을 때의 압전 재료와 전극내의 전하 분포를 보여주는 도면, 도 10b는 압전재료 양단에 응력이 가해진 상태를 보여주는 도면, 도 10c는 도 10b의 상태에서 양단이 절연되어 전압차가 발생하는 상태를 보여주는 도면, 그리고 도 10d는 압전재료에 전압이 가해진 상태를 보여주는 도면.
도 11은 본 발명의 압전 세라믹 바이모프의 개략 사시도.
도 12는 본 발명의 압전 세라믹 작동기를 이용한 광픽업 장치의 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 측면도.
도 13은 도 12의 AA선 단면도.
도 14는 본 발명의 광픽업 장치의 단일 주파수 궤적에 따른 제어 응답 모의 실험결과를 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명의 광픽업 장치의 복합 주파수 궤적에 따른 제어 응답 모의 실험결과를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 광픽업 장치 33 : 대물 렌즈
35 : 디스크 38 : 와이어 서스펜션
40 : 대물렌즈 홀더 41 : 연결부
42 : 포커싱 작동기용 힌지 43 : 포커싱용 압전 작동기
44 : 트랙킹용 압전 작동기 45 : 트랙킹 작동기용 힌지
46 : 베이스 47 : 압전 세라믹
48 : 압전 세라믹 전극 49 : 심(shim) 재료
50 : 공통(심재료) 전극 51 : 압전 세라믹 바이모프
위와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 대물렌즈를 광축 방향 즉, 수직 방향으로 움직여서 디스크의 반사면이 초점 심도 내에 들어오도록 대물 렌즈의 위치를 조정하도록 하는 포커싱용 압전 세라믹 작동기와, CD의 트랙과 트랙사이의 매크로(macro)한 이동은 송출 모터나 리니어 모터로 대강의 위치를 선정하되 아주 미세한 간격으로 나열되어 있는 트랙을 추정하기 위해 대물 렌즈의 위치를 마이크로(micro)하게 이동시키도록 하는 트랙킹용 압전 세라믹 작동기로 구성된 압전 세라믹 작동기를 이용한 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치를 제공한다.
이제, 본 발명에 따른 압전 세라믹 작동기를 이용한 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치를 첨부도면을 참조로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5에 도면번호 1로 도시된 바와 같이 본 발명의 광픽업 장치는 폭 넓은 포커싱과 트랙킹 운동을 하기 위하여 각각의 작동기(43,44)를 압전 세라믹 2개(27)를 이용하여 도 11에 도시된 바이모프(51) 형태로 구성한 후 적용하였다. CD-ROM의 작동 중 트랙과 트랙간의 매크로(macro)한 이동은 종래의 CD-ROM에 장착되어 있는 도 2에 도시된 바와 같은 송출 모터(11)나 리니어 모터를 이용하며, 정밀한 운동이 필요한 트랙킹과 포커싱은 작동기로서 압전 작동기(43,44)를 이용한다.
여기에서 포커싱용 압전 작동기(43)는 압전 세라믹 바이모프(51)가 도 6 및 도 7에 개략적으로 보다 명확하게 도시된 바와 같이, 포커싱 작동기용 힌지(42)에 의해 대물렌즈 홀더(40)의 일측에 부착되어 있으며, 힌지(42)는 바이모프(51) 끝단에 직접 연결된 힌지축(57)과 이 힌지축(57)을 피벗 가능하게 둘러싸고 있는 힌지 가이드(55)로 이루어져 있다.
그리고 힌지(42)는 홀더(40)의 측벽 중앙에 횡방향으로 배열되어 1개만 부착되어 있으며, 힌지축(57)의 표면에 고체 윤활제인 테프론을 도포하여 힌지 가이드(55)와의 마찰을 최소화하도록 되어 있고, 힌지(42)의 재료로는 값이 싸며 가공이 용이하면서도 가벼우며 높은 강도를 갖고 있는 메틸렌 셀룰로스 플라스틱이 사용된다. 또한 포커싱과 트랙킹 운동이 동시에 발생할 경우 서로의 커플링 효과에 의한 힌지의 손상을 방지하기 위하여 힌지 가이드(55)와 힌지축(57) 사이에는 매우 작은 간격의 틈새가 유지되어 있다.
도 8에 도시된 트랙킹용 압전 작동기(45)는 도 5에도 도시된 것처럼 포커싱용 압전 작동기(43) 양쪽에 1개 씩 2개가 대물렌즈 홀더(40)의 측면에 부착된 압전 세라믹 바이모프(51)와 홀더(40) 측면에 부착되는 바이모프(51)를 피벗 회전가능하게 하기 위해 바이모프(51) 각각의 끝단에 구비되는 힌지(61)로 이루어져 있다.
여기에서 힌지(61)는 바이모프(51) 끝단에 직접 연결된 힌지축(63)과 이 힌지축(63)의 둘레를 감싸고 있는 힌지 가이드(65)로 이루어져 있으며, 각각의 가이드(65) 즉, 힌지(61)는 홀더(40)의 측벽 양단에 힌지(42)를 사이에 두고 종방향으로 배열되어 2개가 부착되어 있다. 이때, 각각의 힌지축(63) 표면에도 힌지(42)의 경우와 마찬가지로 고체 윤활제인 테프론이 도포되어 있으며, 힌지(61)의 재료로 메틸 셀룰로스 플라스틱이 사용되고, 압전 작동기 들의 커플링으로 인한 힌지의 손상을 방지하기 위해 힌지 가이드(65)와 힌지축(63) 사이에 틈새가 유지되어 있다.
여기에서 CD-ROM 광픽업 장치의 포커싱이나 트랙킹은 추적 제어를 위한 것으로 다만 운동 방향이 각각 디스크 회전면과 직교 혹은 평행 방향이라는 차이 뿐이므로 광픽업의 구조 설계와 작동기 구동력의 독립성을 통하여 상호 운동의 간섭을 무시하여서 본 명세서에서는 포커싱에 대해서만 설명하고자 한다.
본 발명의 광픽업 시스템의 구성 요소 중 가장 중요하고 핵심적인 장치는 압전 세라믹 바이모프로서 그 전체 구성도는 다음과 같다.
압전 세라믹 바이모프의 구조는 도 11에 도면번호 51로 도시된 바와 같이 중앙에 심 재료(shim material)(49)를 놓고 상하에 압전 세라믹(47)을 부착하였으며 경계 조건으로서 한쪽 끝단을 도 5에서 처럼 베이스(46)에 의해 고정하였다. 가운데 심 재료(49)에 공통으로 쓰는 음의 전극(50)을 부착하였고 각각의 압전 세라믹에 양의 전극(48)을 부착하였다. 발생하는 변위와 힘을 크게 하기 위하여 상하 세라믹의 운동을 동시에 각각 압축 팽창시켜 고정된 반대쪽의 끝단이 수직방향으로 큰 변위를 얻을 수 있게 하였다. 이와 같은 운동을 해석하기 위하여 압전 세라믹 바이모프(51)를 한쪽이 고정된 보(beam)로 가정하여 해석한다.
제안된 광픽업 시스템의 포커싱용 압전 작동기(43)를 보로 가정하여 전체 시스템을 수학적으로 모델링하면 도 12 및 도 13과 같이 표현할 수 있다. y(x,t)는 압전 작동기의 끝단에서 발생하는 탄성 변형(elastic deflection)을 나타내며, 이 탄성 변형은 모드 가정법(assumed mode method)을 사용하면 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
여기서 길이의 함수 i(x)와 시간의 함수 qi(t)는 i 번째 모드의 고유 함수와 시스템의 일반화 좌표를 나타낸다.
전압 V(t)에 의하여 압전 세라믹으로부터 발생하는 굽힘 모멘트는 축방향에 대한 힘-평형관계로부터 중립축에 대하여 구할 수 있으며 그 결과는 다음 수학식 2와 같다.
여기서 c는 굽힘 모멘트를 전압으로 나눈 것을 의미하며 제안된 시스템의 기하학적 및 재료적 특성에 의하여 결정된다. 그리고 tp, ts는 압전 세라믹(47), 심 재료(49)의 두께이며, bp는 압전 세라믹(47)과 심 재료(49)의 너비이다. Ep는 압전 세라믹(47)의 탄성계수이며 εp는 전압 공급 시 압전 세라믹에서 발생하는 변형률이다.
오일러 베르누이(Euler-Bernoulli) 빔으로 가정하여 인장 및 전단효과를 무시하여 운동 에너지와 위치 에너지를 나타내면 다음 수학식 3과 같다.
여기서 L은 압전 세라믹 작동기(43)의 전체 길이이며, p는 단위 길이 당 질량이며 m은 대물 렌즈(33)의 무게이다. k는 와이어 서스펜션을 스프링(38)으로 가정하였을 때 스프링 상수값이며, EI는 유효 굽힘 강성이다.
이제 이상의 수학식 1 내지 3 들을 이용하여 라그란지 방정식(Lagrange's equations)으로부터 시스템의 운동방정식을 유도하면 다음 수학식 4와 같다.
여기서 Ii는 질량 항이고, Ki는 강성 항이며, Gi는 입력 항이며 V(t)는 제어 입력 전압이다. 제어시스템 모델을 얻기 위하여 유도된 수학식 4와 같은 운동방정식을 이용하면 다음 수학식 5와 같은 상태 공간 모델을 유도할 수 있다.
여기에서 q1, 1,qn, n은 각각 i번째 모드의 시스템 일반화 좌표를 나타내며 ω1,ωn은 i번째 모드의 고유주파수를 나타내고 ζ1,ζn은 i번째 모드의 감쇠 계수를 나타내며, C 행렬의 1(L), n(L)은 i번째 모드의 거리 L에서의 고유함수를 나타낸다.
또한 상기 제어 모델을 이용하여 전압에 따른 압전 재료의 히스테리시스와 시스템 모델링의 불확실성과 외란에 강건한 제어 알고리즘을 구축하여 제어할 수 있다. 제어기법은 추적 오차가 빠르게 영(zero)으로 수렴하고, 불확실성에 강건하도록 슬라이딩모드 제어기를 설계한다.
도 14 및 도 15는 압전 세라믹 작동기를 이용하여 광픽업 장치의 포커싱제어를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 확인한 결과이다. 원하는 위치와 궤적을 추적하고 있음을 알 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 바이모프(51)는 다음과 같은 압전(Piezoelectric) 재료의 특성을 가지고 있는데, 여기에서 압전성(piezoelectricity)이란 물질에 힘 또는 응력을 가했을 때 전하가 발생하는 현상을 말하며, 이것을 직접 압전 효과(direct piezoelectric dffect)라고 하며 반대로 전기장을 물질에 가해 주었을 때 기계적 응력이나 변형이 일어나는 현상을 역압전 효과(converse piezoelectric dffect)라고 한다.
도 10a는 전기장이나 외부의 힘이 가해지지 않았을 때 압전 재료와 전극내의 전하 분포를 보여주는데, 많은 단위 격자들이 가지고 있는 쌍극자 모멘트의 배열로 인해 분극(polarization)현상이 발생한다. 이에 의해 양의 전하는 결정의 한 끝에 모이고, 음의 전하는 반대편 끝에 모인다. 이때 도 10b와 같이 응력 s로 압전 재료를 누르면 재료의 변형이 발생하며, 이 변형은 쌍극자 길이 d를 변화시켜 분극에 영향을 끼친다. 결국 재료가 압축함에 따라 발생된 작은 분극에 의해 결정 양단의 전류 밀도가 증가한다. 만약 양단이 절연되어 있다면 도 10b에 도시된 전압차가 발생하고, 양단이 전기적으로 접촉되어 있다면 도 10c에 도시된 바와 같이 전자가 한 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동한다. 한편 도 10d에 도시된 것처럼 전압이 압전재료에 가해지면 양단의 전류 밀도가 증가한다. 이때 압전 재료 내의 음의 전하는 양의 전극으로 끌려가고, 양의 전하는 음의 전극으로 끌려가서 쌍극자 거리 d뿐만 아니라, 결정의 길이가 변하게 된다.
이와 같은 전기장 부하 시 분극 방향으로의 변형을 종효과라 하는데 이 효과를 이용하여 압전 작동기 1개의 변형량이 1㎛ 이내인데 비해 본 발명과 같이 2개를 이용한 바이모프 타입이나 여러 개를 적층한 적측형은 보다 큰 변형량과 큰 힘을 얻을 수 있으며 응답 속도 또한 수 ㎲로 종래의 기계적 장치에 의해 구현될 수 없는 고속의 고정밀의 소형 기계적 장치에 적용이 용이하다.
이제 본 발명에 따른 광픽업 장치(1)의 제어알고리즘을 살펴보면, 일반적으로 소형 기계장치는 측정 불가능하거나 생략된 파라미터(parameter), 외란(distrubance)등과 같은 불확실성(uncertainties)과 비선형성(nonlinearity)으로 인하여 플랜트(plant)를 정확하게 모델링하는 것과 강건한 제어기를 설계하는 것이 매우 어려우며 또한, 압전 재료는 인가되는 전압에 따라 고유의 히스테리시스(hysteresis)가 존재하는 특성을 갖고 있기 때문에 종래의 선형화된 제어 로직을 적용하여서는 우수한 제어 성능을 얻기 어렵다.
따라서 본 발명에 따른 압전 작동기를 이용한 광픽업 장치의 포커싱 제어를 위하여 앞에서 유도한 시스템 모델을 바탕으로 슬라이딩 모드 제어기(sliding mode controller)를 설계하여 시스템의 불확실성과 외란 등에 대하여 강건한 제어가 가능하게 할 수 있다.
제어기 설계의 목적은 회전하면서 진동하는 CD의 반사면에 정확한 초점을 맞추기 위하여 대물 렌즈와 CD의 반사면 사이에 항상 일정한 거리를 유지하는 것이다. 따라서 다음 수학식 6과 같이 슬리이딩 서피스를 설계한다.
여기서 yd와 d는 요구 궤적과 속도를 나타낸다. g는 슬라이딩 서피스의 기울기를 나타내며 알맞은 슬라이딩 서피스의 기울기를 결정하여 임의의 오차 공간상에 있는 RP(Representative Point)를 이 슬라이딩 서피스 위로 보낼 수 있다면 추적 오차는 점근적으로 영이 될 것이다. 이것은 다음 수학식 7과 같은 슬라이딩 모드 존재 조건을 만족함으로써 성취할 수 있다.
위의 조건을 만족시키기 위하여 다음 수학식 8과 같은 슬라이딩 모드 제어기를 제안한다.
여기서 k는 불연속 게인(discontinuous gain)이다. 광픽업 장치(1)의 대량 생산 시 발생할 수 있는 대물 렌즈의 질량 변화 및 계측상의 오차 등을 고려하면 ωi, ζi등에 변수 변화가 나타나게 되고 이를 다음 수학식 9와 같이 설정할 수 있다.
여기서 ωo,i,ζo,i는 i 번째 모드의 공칭 고유 주파수(nominal natural frequency)와 공칭 감쇠 계수(nominal damping coefficient)이며 δωi,δζi에 의한 영향을 다음 수학식 10과 같이 유도가 가능하다.
따라서 위에서 유도된 슬라이딩 모드 제어기는 다음 수학식 11과 같이 파라미터 변화에 강건한 제어기로 다시 유도될 수 있다.
따라서 도 6에서 대물 렌즈를 통과하여 CD의 반사면에 반사한 후에 되돌아오는 빛을 포커싱 에러 회로(focusing error circuit)를 통하여 위치 에러 신호와 속도 에러 신호로 변환한 후 피드백 하여 슬라이딩 모드 제어기의 입력이 된다. 슬라이딩 모드 제어기는 출력 V(t)를 매 순간마다 압전 세라믹에 인가하여 파라미터 변화나 외란, 압전 세라믹의 히스테리시스 등을 적절히 보상하여 요구하는 운동을 발생시킨다.
이를 도 9에 따라 설명하면, 디스크(35)를 CD-ROM이나 DVD-ROM에 삽입시킨 후 레이져 다이오드(30)에서 나온 레이져 광이 콜리메이트 렌즈(34)와 빔스플리터(36) 그리고 대물렌즈(33)를 통과한 후 CD(35)의 반사면에서 반사된다. 이렇게 반사되어 나온 레이져광은 빔 스플리터(36)에서 방향이 바뀌어 포터 디텍터와 같은 포커싱 에러회로(32)로 들어간다. 이때 수광된 신호를 거리 에러로 변환하여 제어기(37)에서 거리에러를 보상하기 위한 제어입력을 결정한 후 구동회로를 거쳐 압전 세라믹 바이모프(51)에 입력 전압을 인가함으로써 원하는 운동을 수행하게 된다.
이와 같이 본 발명의 광픽업 장치의 작동기인 압전 세라믹에 제어 전압을 가하였을 때 여러 가지 경우에 대한 추적 제어 성능을 컴퓨터로 시뮬레이션한 결과를 도 14 및 도 15에 제시하였다. 도 14의 경우는 CD-ROM이 약 3600rpm으로 회전할 때 요구되는 궤적이 주파수는 60Hz이며 크기는 50㎛인 정현파이다. 도 14에서 보듯이 요구 궤적을 우수히 추적함을 알 수 있으며 제어 입력은 약 ±70 volt가 들어간다.
도 15는 CD-ROM이 CD의 데이터를 읽으면서 동시에 외부에서 가진이 인가될 때의 복합 주파수 궤적을 추적하는 것으로 60Hz이며 크기는 30㎛인 정현파와 90Hz이며 크기는 30㎛인 정현파의 합인 복합 주파수 요구 궤적을 추적하는 경로로 요구 궤적을 우수히 추적함을 알 수 있다. 이때 입력은 약 ±70 volt가 들어간다.
따라서 본 발명에 따른 광픽업 장치에 의하면 CD에 저장된 정보를 읽어 들이는 대물 렌즈와 작동기로서 압전 작동기와 와이어 서스펜션만을 사용할 수 있게 되므로 광픽업 장치의 부피와 무게를 줄일 수 있어 대물 렌즈의 고속 운동이 가능하며 또한 시스템의 전체 고유 진동수가 증가하여 외부에서 가해지는 외란 등에 대하여 쉽게 가진되는 것을 피할 수 있다. 또한 제품의 설계가 매우 간단해지며, 제작이 용이할 뿐만 아니라 작동기로 사용된 압전 재료는 10-60μsec정도의 빠른 응답속도를 가지며 또한 수 ㎛까지 정밀 위치제어가 가능하므로 고배속, 고밀도의 CD-ROM이나 DVD에도 적용이 가능하여 앞으로의 매체 및 정보저장기기의 발전에 큰 몫을 할 것으로 기대된다.
본 발명의 광픽업장치는 또한 사용 주파수 영역의 광범위성과 다양한 동적 사용 범위, 얇은 두께로 인한 유연성 및 높은 절연 강도 등의 특성을 보유하고 있는 압전 재료를 이용하여 제작하므로 고배속, 고밀고, 고성능의 정보저장기기가 요구하는 기계적 성능을 만족시킬 수 있게 된다.
본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 디스크(35)의 대물렌즈(33)를 광축 방향 즉, 수직 방향으로 움직여서 디스크(35)의 반사면이 초점 심도 내에 들어오도록 상기 대물 렌즈(33)의 위치를 조정하는 포커싱용 압전 세라믹 작동기(43)와, 아주 미세한 간격으로 나열되어 있는 상기 디스크(45)의 트랙을 추적하기 위해 상기 대물 렌즈(33)의 위치를 마이크로하게 이동시키도록 하는 트랙킹용 압전 세라믹 작동기(44)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 포커싱용 압전 세라믹 작동기(43)와 상기 트랙킹용 압전 세라믹 작동기(44)는 중앙의 심 재료(49), 상기 심 재료(49)의 상하면에 각각 부착되는 압전 세라믹(47)으로 구성된 압전 세라믹 바이모프(51)로 이루어져 있으며, 상기 심 재료(49)에는 음의 공통전극(50)이 부착되고, 상기 압전 세라믹(47)에는 양의 전극(48)이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 포커싱용 압전 세라믹 작동기(43)는 상기 대물 렌즈(33) 홀더(40)의 베이스(46) 측 측면 중앙에 상하로 선회 가능하게 장착된 상기 바이모프(51)로 이루어져 있으며, 상기 트랙킹용 압전 세라믹 작동기(44)는 상기 홀더(40)의 베이스(46)측 측면의 상기 바이모프(51) 좌우측에 좌우로 선회 가능하게 장착된 2개의 상기 바이모프(51)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치.
  4. 제1 항 또는 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포커싱용 압전 세라믹 작동기(43)는 상기 대물렌즈 홀더(40)의 상기 베이스(46)측 측면에 횡방향으로 배열되어 있는 상기 바이모프(51)와, 상기 바이모프(51)의 상기 홀더(40) 측 끝단에 사하로 피벗 회전 가능하도록 형성된 힌지(42)로 이루어져 있으며, 상기 트랙킹용 압전 세라믹 작동기(44)는 상기 대물렌즈 홀더(40)의 상기 베이스(46) 측 측면 양단에 상기 작동기(43)를 사이에 두고 종방향으로 배열되어 있는 2개의 상기 바이모프(51)와 상기 2개의 바이모프(51)의 상기 홀더(40) 측 끝단에 좌우로 피벗 회전 가능하도록 각각 형성된 2개의 힌지(45)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 CD-ROM/DVD-ROM 광픽업 장치.
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