KR20030008084A - 광픽업 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광픽업 액추에이터를 제공한다. 이 광픽업 액추에이터는 광픽업장치에서 대물렌즈를 디스크의 면진동 또는 편심 등에 추종하도록 하여 포커싱과 트래킹 동작이 가능하게 하는 광픽업 액추에이터에 있어서, 포커싱 동작을 위한 포커싱 코일과 트래킹 동작을 위한 트래킹 코일이 설치되는 요크를 포함하되, 이 요크는 자성체인 동시에 비전도체인 재질로 형성된다.

Description

광픽업 액추에이터{OPTICAL PICKUP ACTUATOR}

본 발명은 광픽업 액추에이터(optical pickup actuator)에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 광디스크 드라이브(optical disk drive)에서 대물렌즈(object lenz)를 디스크의 면진동이나 편심 등에 추종하도록 하여 포커싱과 트래킹 동작이 가능하게 하는 광픽업 액추에이터에 관한 것이다.

최근 정보화의 급속한 발전으로 디스크 미디어를 이용한 정보기록장치가 보편화되고 있으며, 드라이브의 고배속화와 더불어 고밀도화의 추세에 있다. 따라서 디스크의 정보를 읽기 위한 광픽업장치는 고배속, 고밀도에 대응하기 위해 더욱 고대역 및 높은 정밀도 특성이 요구되며, 특히 대물렌즈를 디스크의 면진동 또는 편심 등에 추종하도록 하여 포커싱과 트래킹 동작이 가능하게 하는 2축 구동액추에이터는 높은 서보대역에 대응하기 위한 진동특성을 확보해야만 한다. 이와 같은 특성의 요구와 더불어 최근 노트북 PC등 점차 소형화되는 기기의 박형화는 설계의 자유도를 규제하며 더욱 어려운 기술의 시도를 필요로 하고 있다.

본 발명은 이와 같은 필요성에 의한 것으로, 그 목적은 드라이브의 고배속화와 고밀도화에 대응하여 높은 서보대역에 대응할 수 있는 새로운 형태의 광픽업 액추에이터를 제공하는데 있다.

도 1은 광픽업 액추에이터의 일례를 설명하기 위한 도면;

도 2는 광픽업 액추에이터의 주파수응답특성을 보여주는 그래프;

도 3은 광픽업 액추에이터의 서보에서의 위상보상된 주파수응답특성을 보여주는 그래프;

도 4는 포커싱 서보의 블록다이어그램;

도 5는 위상보상회로의 효과를 보여주는 그래프;

도 6a 및 도 6b는 광픽업 액추에이터의 모델을 보여주는 도면들;

도 7은 도 6b와 같은 모델을 사용하여 종래 요크를 시뮬레이션하여 얻어진 임피던스를 보여주는 그래프;

도 8은 종래 요크와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 요크의 임피던스 차이를 보여주는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 광디스크20 : 렌즈홀더

22 : 대물렌즈30 : 요크

32 : 마그네트34 : 트래킹 코일

36 : 포커싱 코일38 : 캡

40 : 와이어 스프링50 : 위상보상회로

52 : 오차신호검출기54 : 증폭기

100 : 액추에이터

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 요크에서 발생되는 와전류(eddy current)를 이용하여 인덕턴스(inductance)를 제어하므로써 드라이브의 고배속화와 고밀도화에 대응하여 높은 서보대역에 대응할 수 있는 광픽업 액추에이터를 제공한다. 이 광픽업 액추에이터는 광픽업장치에서 대물렌즈를 디스크의 면진동 또는 편심 등에 추종하도록 하여 포커싱과 트래킹 동작이 가능하게 하는 광픽업 액추에이터에 있어서, 상기 포커싱 동작을 위한 포커싱 코일과 트래킹 동작을 위한 트래킹 코일이 설치되는 요크를 포함하되, 상기 요크는 자성체인 동시에 비전도체인 재질로 형성된다.

이와 같은 본 발명의 광픽업 액추에이터는 바람직하게 상기 요크는 'U'자형의 단면으로 형성되고, 상부의 개구에 결합되는 캡을 포함하되, 상기 캡은 자성체인 동시에 비전도체인 재질로 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 광픽업 액추에이터는 바람직하게 상기 자성체인 동시에 비전도체인 재질은 페라이트계일 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 광픽업 액추에이터는 요크(yoke)에서 발생되는 와전류(eddy current)를 이용하여 인덕턴스(inductance)를 제어하는 것이다. 이를 이하여 본 발명의 요크는 자성체인 동시에 비전도체인 재질을 사용하여 형성된다. 특히 본 발명의 바람직한 실시예에서 광픽업 액추에이터의 요크는 페라이트계의 재질을 사용하여 형성된다.

현재 광디스크 드라이브의 고배속화가 급속도로 진행됨에 따라 디스크에 저장된 정보를 정확히 감지할 수 있는 광픽업의 서보도 고주파수 대역으로 점차 증가되어야 한다. 따라서 광픽업 액추에이터의 고주파수 특성이 매우 중요하게 된다. 그러나 일반적으로 광픽업장치는 이 부분을 서보 영역에서 다루려고 하고 있으며, 광픽업 액추에이터 영역에서는 단지 적용 드라이브에서 주어지는 설계에 따라가는 방식을 취하고 있다.

이에 본 발명자는 광디스크 드라이브의 고배속화에서 문제되고 있는 고주파수 특성을 광픽업 액추에이터에서도 기술적으로 대응하고자 본 발명을 개발하게 되었다. 본 발명자는 특히 고배속 서보에서 문제가 되는 인덕턴스를 광픽업 액추에이터에서 최소화하여 고배속 서보를 원활히 하는데 초점을 맞추었다. 광디스크 드라이브의 고배속화에 따라 광픽업 액츄튜에이터에 가해지는 전류는 고주파수를 가지게 된다. 따라서 광픽업 액츄에이터의는 주파수에 대한 감도와 위상이 중요하게 된다.

이하, 본 발명을 개발하게 된 과정 및 그와 관련된 기술적 사항들을 설명한다.

도 1은 소형 기기를 위한 비대칭형 광픽업장치를 위한 광픽업 액추에이터의 일례를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 광디스크(10)는 면진동 또는 편심 등에 의해 상하, 내외주로 움직이게 된다. 따라서 대물렌즈(22)도 함께 움직여야 정확한 정보를 검출할수 있다. 이에 광픽업 액추에이터는 대물렌즈(22)가 설치된 렌즈홀더(20)를 광디스크(10)의 면진동 또는 편심 등에 의한 거동에 추종하여 포커스 및 트래킹이 가능하도록 한다. 광픽업 액추에이터의 구동은 마그네트(magnet)(32)에서 발생되는 자기장과 트래킹 코일(34)와 포커싱 코일(36)에 흘려주는 전류에 의해 힘을 발생시키므로써 이루어진다. 이 광픽업 액추에이터는 4개의 와이어 스프링(40)으로 지지되고 마그네트(32)는 요크(30)의 양내측에 설치된다. 요크(30)의 내측에서 두 마그네트(32) 사이에는 트래킹 코일(34)일 위치되고, 요크(30)의 일측을 둘러서 포커싱 코일(36)이 위치된다.

도 2는 광픽업 액추에이터에 교류전류를 인가했을 때의 주파수응답특성을 보여주는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 크로스오버 주파수(crossover frequency;f_C)는 광디스크의 면진동(focusing) 또는 편심(tracking) 사양을 고려하여 서보에서 게인(gain)을 0 dB로 맞추는 주파수이다. 즉 광픽업 액추에이터는 크로스오버 주파수보다 낮은 영역에서 광디스크의 면진동 또는 편심에 의한 거동(외란)에 민감해야 하며, 크로스오버 주파수보다 높은 영역에서 거동에 둔감해야 한다. 그렇지 않으면 서보는 발진하게 되므로 서보의 안정성을 높이기 위해 도 3에서 보인 바와 같이 이 주파수에서 위상보상이 이루어진다. 주파수응답특성에 의해 서보에서 드라이브의 배속과 종류(CD, DVD)에 따라 크로스오버 주파수를 설정한다. 여기서 크로스오버 주파수를 1kHz로 잡은 것은 CD 1배속인 경우를 나타낸다. 드라이브의 배속이 올라갈수록이 크로스오버 주파수는 고주파로 이동하게 되며 이로 인해 서보는 불안정해지고 제어의 한계에 이르게 된다. 따라서 드라이브의 배속이 올라가기 위해서는 서보의 안정성이 요구되며 광픽업 액추에이터의 성능향상이 가장 급선무가 된다. 광픽업 액추에이터의 성능사양 중 가장 요구되는 요건은 감도와 Q값(1차공진 게인차) 등 크로스오버 주파수 이하의 영역에서 필요한 값과 위상지연, 게인마진 등 서보의 안정성을 높여주는 크로스오버 주파수 이상의 영역에서 필요한 값들이 있다. 결국 드라이브의 고배속화에 따라 보다 높은 크로스오버 주파수가 요구되고, 이와 동시에 서보의 안성성도 요구되는 것이다.

도 3은 광픽업 액추에이터의 서보에서의 위상보상된 주파수응답특성을 보여주는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 위상마진(phase margin;φm)과 게인마진(gain margin;Gm)은 서보의 안정성을 유지하는데 매우 중요하며, 인덕턴스가 커지게 되면 위상마진이 줄어들어 서보는 불안정해 진다. 현재 드라이브가 고배속화됨에 따라 크로스오버 주파수가 고주파로 이동하게 되면 주파수에 비례함수인 리액턴스(reactance)가 증가하고 위상마진은 매우 감소하게 되어 서보가 매우 불안정하게 된다.

도 4는 포커싱 서보의 블록다이어그램이다.

그림 4를 참조하면, x는 디스크 변동량, Δx는 디스크와 렌즈사이의 상대변동량, x'은 렌즈의 추종값, K_a,K_d는 각각 오차신호 검출기(52)와 액추에이터(100) 감도이고, G는 증폭기(54)의 이득(gain)이다. 이 계(System)가 안정되게 동작하고있는 경우 다음식이 성립한다.

디스크와 렌즈의 상대거리의 변동Δx는 디스크의 면진동 또는 편심에 의한 변동량 x와 루프게인(loop gain) 성분이 초점심도(Δx의 허용범위)가 되는 것을 말한다. 따라서 K_a,G,K_d를 디스크의 변동량(x) 이상으로 설계할 필요가 있다. 액추에이터를 제외한 나머지 부분을 서보라 하면, 기존의 서보가 발진을 하여 액추에이터를 제어하지 못할 경우 드라이브의 속도를 줄이므로써 안정된 서보 영역으로 만든다. 따라서 광 디스크 드라이브는 자신의 배속을 줄임으로써 발진을 막게 된다. 미설명부호 50은 위상보상회로이다.

도 5는 위상보상회로의 효과를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 그래프에서 실선은 위상이 보상된 회로이고, 점선은 위상이 보상되지 않은 회로이다. 서보의 발진조건은 게인이 0dB인 곳에서 위상이 -180도일 경우이다. 이와 같은 이유에서 위상보상을 통하여 서보의 발진조건이 동시에 발생하는 것을 방지한다. 점선과 같이 위상보상이 되지 않을 경우, 서보는 "A"지점의 주파수에서 발진하여 제어불가능하다. 실선과 같이 위상보상이 되었을 경우, 서보는 B와 C에서와 같이 두 지점 모두 발진조건을 만족시키지 않아 발진하지 않는다. 도 3에서 보인 바와 같이, 인덕턴스(inductance)가 클 경우 D영역 주파수 대역에서 위상이 급격히 감소하게 된다. 즉 인덕턴스가 큰 부근에서 위상보상의 한계가 있고, 이것은 크로스오버 주파수가 고주파수 대역으로 갈수록 커지게 된다.

현재 광디스크 드라이브에서는 배속이 낮은 편이고, 서보가 발진할 경우 자동으로 배속을 낮추는 방식을 채택하기 때문에 큰 문제는 없다. 그러나 이와 같은 방법은 광디스크 드라이브가 가지고 있는 최고 배속을 계속 유지할 수 없고, 더 빠른 정보의 기록 및 인식에 있어서 해결방안이라고는 할 수 없다. 따라서 광픽업 액추에이터 자체에서 인덕턴스를 낮출 수만 있다면, 서보는 더욱 안정되어 드라이브의 최고배속을 계속 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 더 높은 배속의 드라이브 개발에 큰 효과를 볼 것으로 본 발명자는 예측하게 되었다.

이하, 본 발명에 따른 광픽업 액추에이터의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 6a 내지 도 8에 의거하여 상세히 설명하며, 도 1 내지 도 8에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 각 도면에 있어서 본 발명을 설명하기 위한 주 요소외의 부분들의 도시는 간략히 하거나 생략하였으며, 일반적인 광픽업 액추에이터로부터 이 분야의 종사자들이 기본적으로 적용할 수 있는 구성요소들의 도시는 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다. 특히, 요소들 사이의 크기 비가 다소 상이하게 표현되거나 서로 결합되는 부품들 사이의 크기가 상이하게 표현된 부분도 있으나, 이와 같은 도면의 표현 차이는 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들이므로 별도의 설명을 생략한다.

도 6a 및 도 6b는 광픽업 액추에이터의 모델을 보여주는 도면들이다.

현재 광픽업 액추에이터의 인덕턴스를 계산하고 이를 줄이는 방안을 제시하기위해 도 6a과 같은 실제 광픽업 액추에이터의 모델을 도 6b와 같이 단순화시켜서 시물레이션(final element method;FEM)하여 계산하였다. 즉 실제 광픽업 액추에이터의 모델은 도 6a에서 보인 바와 같이 요크(30), 마그네트(32), 트랙킹 코일(34), 포커싱 코일(36), 캡(38)을 구비하여 이루어진다. 이를 본 시물레이션에서는 도 6b에서 보인 바와 같이 요크(30)와 포커싱 코일(36)로 단순화시켰다. 이와 같이 단순화시킨 이유는 시뮬레이션에서 마그네트(32)가 포함될 경우 문제가 복잡(마그네트의 특성은 비선형성을 지님)해질 뿐만 아니라, 본 발명의 인덕턴스를 제어하는 방법에는 마그네트(32)가 아닌 요크(30)를 사용할 것이기 때문이다.

이와 같은 실험에서 기준되는 인자는 먼저 액추에이터의 감도가 최소한 줄어들지 않는 범위내에서 이루어져야 하는 것이다. 이는 요크의 투자율이 기존의 물질과 비슷해야 하는 것이다. 이를 만족시키기 위해서 요크의 재질을 자성체(Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금)로 한다. 또한 인덕턴스를 줄이기 위해서는 와전류(eddy current)효과를 최소로 줄이는 것이 이루어져야 하는 것이다. 이는 요크의 도전율(conductivity)이 매우 작아야 한다. 이를 만족시키기 위해서 요크의 재질을 비전도체(전기전도율이 0에 가까워야 한다)로 한다. 따라서 본 실시예에서 상기 요크의 재질은 자성체인 동시에 비전도체인 페라이트를 이용하였으며, 후술하는 시물레이션의 결과와 같이 인덕턴스를 줄일 수 있었다. 상기 페라이트는 여러 이온들을 혼합시켜 투자율을 조절할 수 있으므로 광픽업 액추에이터의 감도 향상도 가능할 것이다. 시물레이션에서는 교류저항(impedance)를 계산하였고, 절대적인 값을 얻기보다는 기존의 재질과의 차이를 주파수 특성을 통해 실수항(real part)과허수항(imaginary part;위상항)로 분리하여 증명하였다. 따라서 여기서 나오는 수치는 실제물과 비교해 코일이 단면적당 흐르는 전류를 대입하였고, 코일턴(coil turn)수는 적용하지 않았다. 즉 굵은 1개의 단선으로 보았다. 인덕턴스는 다음과 같이 구해진다.

따라서 식(1)에서 인덕턴스(L)항에 N²(실제 제품에서 코일턴수의 제곱)을 곱하면 실제 인덕턴스가 계산된다.

도 7은 도 6b와 같은 모델을 사용하여 종래 요크를 시뮬레이션하여 얻어진 임피던스를 보여주는 그래프로서 기존에 사용하는 요크의 재질과 흡사한 철(iron)의 물성치를 대입하여 계산된 결과이다.

다음 표 1은 철과 페라이트의 시물레이션에 사용된 물성치이다.

물 성	철	페라이트
Rel. Permittivity(Eps)	1	12
Rel. Permeability(Mu)	4000	1000
Conductivity	1.03×107	0.01[siemens/meter]

표 1의 물성치는 일반적인 물성치를 나타낸다. 특히 페라이트인 경우 종류에 따라 그 값들이 매우 차이가 크므로 일반적인 값을 대입시켰다.

도 7을 참조하면, 그래프에서 Y축은 교류저항으로서 인덕턴스 항이 포함된 전체 저항을 말한다. 각 단품에 따른 효과를 보기 위해 코일, 코일과 요크, 코일·요크·캡이 있을 경우, 교류저항의 주파수 특성을 시뮬레이션하였다. 여기서 허수항(imaginary part)이 인덕턴스에 의한 전류, 전압의 위상각과 관련이 있으며, 액츄에이터의 주파수 응답특성의 위상그래프와 비교될 수 있다. 도 7에서 보인 바와 같이 코일에서 교류저항의 크기는 형상에 매우 의존적이고, 교류저항의 위상 또한 형상에 의존적이다. 따라서 요크와 캡이 교류저항(impedance)에 영향을 주는 정도가 큰 것을 알 수 있다.

도 8은 종래 요크와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 요크의 임피던스 차이를 보여주는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 위상그래프를 보면 페라이트의 사용으로 인해 고주파수 대역에서 위상의 안정성을 보이고 있다. 1kHz전후로 불안정한 위상을 보이는 철 요크(iron-yoke)에 비해 페라이트 요크(ferrite-yoke)는 20kHz이상까지 안정성을 보이고 있다. 임피던스의 실수항(real part)에서는 큰 변화를 보이지 않는 것으로 보아 와전류에 의한 인덕턴스의 변화는 교류전류의 크기에는 큰 영향을 주지 않고 위상에만 영향을 주는 것으로 보인다.

다음은 감도 계산방법을 나타낸다.

다음 표 2는 철과 페라이트 요크에서 저역감도의 계산결과를 보여준다.

	철 요크	페라이트 요크
코일에서 받는 힘	0.017852	0.017586[N]
저역 감도	0.834	0.822[mm/V]

표 2에서 보인 바와 같이 본 실시예에 따른 광픽업 액추에이터에서는 감도의 변화는 거의 없었다. 따라서 본 발명에 따른 광픽업 액추에이터는 저역에서 감도에 영향을 주지 않고, 고역에서 위상보상이 가능한 것이다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광픽업 액추에이터를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, 자성체이고 비전도체로 형성되는 요크로서 인덕턴스를 제어하므로써 저역에서 감도에 영향을 주지 않고, 고역에서 위상보상이 가능하다.

Claims (3)

1. 광픽업장치에서 대물렌즈를 디스크의 면진동 또는 편심 등에 추종하도록 하여 포커싱과 트래킹 동작이 가능하게 하는 광픽업 액추에이터에 있어서,

   상기 포커싱 동작을 위한 포커싱 코일과 트래킹 동작을 위한 트래킹 코일이 설치되는 요크를 포함하되,

   상기 요크는 자성체인 동시에 비전도체인 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광픽업 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 요크는 'U'자형의 단면으로 형성되고, 상부의 개구에 결합되는 캡을 포함하되, 상기 캡은 자성체인 동시에 비전도체인 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광픽업 액추에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 자성체인 동시에 비전도체인 재질은 페라이트계인 것을 특징으로 하는 광픽업 액추에이터.