JP2008052777A - ドライブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置誤差信号に含まれる外乱成分を有効に抑制し、良好な位置決め制御を行うことが可能なドライブ装置を提供する。
【解決手段】ドライブ装置１では、誤差信号生成部２３が、磁気ディスク２から読出されたサーボデータに基づいて位置誤差信号（ＰＥＳ：Position Error Signal）を生成し、ＰＥＳに含まれる周期的変動成分の周波数を目標周波数として、目標周波数がデジタルフィルタ２６の有効周波数範囲から逸脱する場合に、ダウンサンプラ２５が、ＰＥＳをダウンサンプリングした上でデジタルフィルタ２６に供給することによって、有効周波数範囲をシフトさせる。これにより、シフトさせた有効周波数範囲の範囲内において、設定変更部２７が、デジタルフィルタ２６の設定周波数を目標周波数に追従させることが可能となるので、その結果、目標周波数の信号成分（ＰＥＳに含まれる周期的変動成分）を有効に低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等のドライブ装置に関する。

ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、磁気ディスクの表面にサーボデータ（位置データ）を記憶するための領域とユーザデータを記憶するための領域が設けられており、ヘッドが読取ったサーボデータに基づいて所定の領域へアクセスし、ユーザデータの書込みや読取りを行う。ここで、ヘッドを所定の領域に位置するように位置決めする制御は、ヘッドが読取ったサーボデータからヘッドの位置誤差量を表す位置誤差信号を生成し、ヘッドの位置を移動させるボイスコイルモータをその位置誤差信号に基づいて制御するというようなフィードバック制御によって行われる。
特開２００３−１０９３３５号公報

しかしながら、例えばハードディスクでは、磁気ディスクの中心とスピンドルモータの回転中心とがずれているなど、種々の要因によって、位置決めを行うためのフィードバック制御に対して外乱が作用し、位置誤差信号に外乱に起因する外乱成分が乗ってしまって、ヘッドの位置決めが困難となる場合がある。外乱は種々の要因によって発生することから、位置誤差信号に含まれる外乱成分の周波数を予め特定することができず、このような外乱成分を有効に除去することは困難である。

そこで、特許文献１には、利得が有効となる設定周波数を変更可能なデジタルフィルタを設け、位置誤差信号に含まれる外乱成分の周波数にデジタルフィルタの設定周波数を追従させて、外乱成分を除去するハードディスクドライブが開示されている。ここでは、位置誤差信号の位相とデジタルフィルタの出力信号の位相とが一致する場合には、位置誤差信号がデジタルフィルタの出力信号よりも周波数が低く、位相が１８０度ずれる場合には、位置誤差信号がデジタルフィルタの出力信号よりも周波数が高いという事象から、両者の比較を行うことによってデジタルフィルタの設定周波数を上げるべきか下げるべきかの判断を行い、外乱成分の周波数にデジタルフィルタの設定周波数を追従させている。

ところが、こうしたデジタルフィルタでは、設定周波数が所定ビット長のレジスタに格納されるため、このビット長で表現可能な範囲外の周波数は設定できない。また、設定周波数がデジタル値で表現されていることから離散的となって、分解能が十分得られない場合がある。この場合、位置誤差信号に含まれる外乱成分に対してデジタルフィルタの特性を有効に作用させることができない場合もある。

本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、位置誤差信号に含まれる外乱成分を有効に抑制し、良好な位置決め制御を行うことが可能なドライブ装置を提供することをその目的の一つとする。

上記課題を解決するため、本発明のドライブ装置は、記録媒体と、記録媒体にデータを書込み、記録媒体からデータを読取るヘッドと、ヘッドを記録媒体に対して相対移動させるアクチュエータと、ヘッドが記録媒体から読取るデータに基づいて、ヘッドの位置誤差量を表す位置誤差信号を、所定のサンプリング周期で生成する信号生成回路と、設定された設定周波数に対して利得が有効となるデジタルフィルタ回路と、位置誤差信号のうち周期的に変動する信号成分の周波数を目標周波数として、デジタルフィルタ回路の有効周波数範囲内で、設定周波数を目標周波数に追従させる設定変更回路と、目標周波数が、有効周波数範囲から逸脱するときに、デジタルフィルタ回路に供給される位置誤差信号のサンプリング周期を変更して、目標周波数を有効周波数範囲内の周波数に変換する周期変更回路と、フィルタ回路から出力される信号に基づいてアクチュエータを駆動する制御回路と、備える。

本発明によると、位置誤差信号に含まれる外乱成分を有効に抑制し、良好な位置決め制御を行うことができる。

本発明のドライブ装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の例について説明しているが、これに限られるものではない。

図１は、ドライブ装置１の構成を表すブロック図である。ドライブ装置１は、筺体内に、記録媒体としての磁気ディスク２と、ヘッド４と、ヘッドアッセンブリ５と、アクチュエータとしてのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）６と、ヘッドアンプ８と、スピンドルモータ（ＳＰＭ）３と、を備える。また、ドライブ装置１は、リードライトチャネル（Ｒ／Ｗチャネル）９と、ドライバ７と、ＭＰＵ集積回路／ハードディスクコントローラ（ＭＰＵ／ＨＤＣ）１０と、メモリ１１と、を備えた回路基板を含む。

磁気ディスク２の表面には、データの記録領域が設けられており、この記録領域は、サーボデータ（位置データ）を記憶するためのサーボデータ記憶領域と、ユーザデータを記憶するためのユーザデータ記憶領域とに分かれている。サーボデータ記憶領域は、放射状に複数形成されており、ユーザデータ記憶領域は、その間の領域に形成されている。また、ユーザデータ記憶領域には、複数のデータトラックが同心円状に形成されている。

サーボデータ記憶領域には、アドレス情報領域とバーストパターン領域が設けられている。アドレス情報領域には、データトラックに対応するトラックアドレス等のアドレス情報が記憶されている。また、バーストパターン領域には、トラックの中心に沿って千鳥状にバーストパターンが配列しており、これらのバーストパターンから得られる信号の振幅のバランスを図ることによって、後述するヘッド４がトラックの中心に位置決めされる。

なお、本実施形態では、片面のみに記録領域が設けられた一枚の磁気ディスク２の例を図示しているが、これに限らず、記録領域を両面に設けても良いし、磁気ディスク２を複数枚設けても良い。

ＳＰＭ３は、回転軸に固定された磁気ディスク２を回転させる。ヘッド４は、回転する磁気ディスク２の円周方向に沿って、ユーザデータの書込みおよび読取り、サーボデータの読取りを行う。ヘッドアッセンブリ５は、ヘッド４を磁気ディスク２の記録面に近接させた状態で保持している。また、ヘッドアッセンブリ５は、回動可能に支持されており、ヘッド４を磁気ディスク２の径方向に対して相対移動させることを可能としている。ＶＣＭ６は、ヘッドアッセンブリ５に駆動力を伝える。ドライバ７は、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０から制御信号を受けて、ＳＰＭ３およびＶＣＭ６を駆動する。

ヘッドアンプ８は、Ｒ／Ｗチャネル９から受けた書込み信号を増幅してヘッド４へ供給する。また、ヘッドアンプ８は、ヘッド４から受けた読出し信号を増幅してＲ／Ｗチャネル９へ供給する。

Ｒ／Ｗチャネル９は、データの書込み時に、ＭＰＵ／ＨＤＣ１から受けた書込みデータをコード変調し、書込み信号としてヘッドアンプ８に出力する。また、Ｒ／Ｗチャネル９は、データの読取り時に、ヘッドアンプ８から受けた読取り信号をコード復調し、読取り信号としてＭＰＵ／ＨＤＣ１０に出力する。さらに、Ｒ／Ｗチャネル９は、磁気ディスク２のサーボデータ記憶領域から読出されるサーボデータ（位置データ）を検出する回路としても動作する。

ＭＰＵ／ＨＤＣ１０は、ドライブ装置１全体の制御を司るものであり、ヘッド４のシーク制御、ポジショニング制御、外部ホストとの間のインターフェース制御などの各制御を行う。メモリ１１は、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０の動作に必要なプログラムやデータを格納しているＲＯＭや、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０のワークメモリとして動作するＲＡＭを有する。

ここで、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０が行うヘッド４のポジショニング制御（位置決め制御）は、ヘッド４を目標位置までシークさせるシーク制御（移動制御）の後に、Ｒ／Ｗチャネル９からフィードバックされたサーボデータ（位置データ）に基づいてヘッド４の位置を判断し、ヘッド４の目標位置からの偏差に応じて、後述するようにヘッド４の位置を制御するための制御信号を生成して、ドライバ７へ出力するフィードバック制御によって行われる。以下、この位置決め制御の詳細について説明する。

図２は、ドライブ装置１が行う位置決め制御のフィードバック構成を表すブロック図である。ＭＰＵ／ＨＤＣ１０は、機能的に、誤差信号生成部２３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４と、ダウンサンプラ２５と、デジタルフィルタ２６と、設定変更部２７と、反転部２８と、アップサンプラ２９と、サーボコントローラ３０と、加算部３１と、を備える。これらの構成要素は、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０のソフトウエア的な動作によって実現する。また、各構成要素は、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０以外のハードウェアを用いて実装することも可能である。

ＭＰＵ／ＨＤＣ１０には、磁気ディスク２のサーボデータ記憶領域から読出されたサーボデータがＲ／Ｗチャネル９から入力される。誤差信号生成部２３は、入力されたサーボデータを所定のサンプリング周期でＡＤ変換するとともに、バーストパターンから得た信号の振幅比に基づいて、目標トラックの中心位置ｒからのヘッド４のずれの大きさ及び方向を示す位置誤差信号（ＰＥＳ：Position Error Signal）を生成する。そして、誤差信号生成部２３によって生成された位置誤差信号は、デジタルフィルタ２６を含む経路と、サーボコントローラ３０を含む経路へ出力される。

デジタルフィルタ２６を含む経路では、位置誤差信号は、まずＬＰＦ２４を経由して高周波成分が取り除かれた上で、ダウンサンプラ（周期変更回路）２５に入力される。ダウンサンプラ２５は、位置誤差信号をダウンサンプルして（サンプリング周期を増加させて）、デジタルフィルタ２６へ供給する。このダウンサンプラ２５は、位置誤差信号のサンプリング周期を整数倍（例えば４倍）に増加させるようにすることでダウンサンプリングを行う。具体的には、サンプリング周期ＴをＡ倍にする場合には、Ａ個のサンプルにつきＡ−１個のサンプルを間引く処理を行う。ここで、ダウンサンプラ２５の動作のＯＮ／ＯＦＦは、後述する設定変更部２７からの出力によって制御される。

デジタルフィルタ２６は、設定された設定周波数（ピーク周波数）を中心とする周波数域の信号成分を減衰させるピークフィルタとして構成されている。このデジタルフィルタ２６の伝達関数は、以下の式によって表すことができる。

ここで、Ｃpkは、デジタルフィルタ２６の伝達関数である。Ｚは、Ｚ変換の変数であり、サンプリング周期分の時間シフトに相当し、Ｚ演算子と呼ばれる。分子のＣ1(Ｚ)は、設定周波数の設定には関係のない成分であり、主として制御系の安定性を確保するための成分である。分母に含まれるｋは、設定周波数を設定するためのパラメータを表し、以下の式によって表すことができる。

ここで、ｆは、設定周波数（ピーク周波数）を表す。また、Ｔは、入力されるデジタル信号のサンプリング周期を表す。この式から明らかなように、デジタルフィルタ２６における設定周波数ｆを高くする場合にはパラメータｋを小さく、設定周波数ｆを低くする場合にはパラメータｋを大きくすればよい。

設定変更部２７は、デジタルフィルタ２６におけるパラメータｋを変更することによって設定周波数ｆを変更する。設定変更部２７は、位置誤差信号の位相と、デジタルフィルタ２６から直前に出力された信号の位相と、を比較することによって、両信号の周波数の大小を判断し、位置誤差信号に含まれる周期的変動成分の周波数（目標周波数）に対して設定周波数ｆを一致させる方向に変更することができる。なお、本実施形態では、設定変更部２７は、デジタルフィルタ２６から直前に出力された信号の代わりに、反転部２８から出力された信号を用いて比較を行っている。反転部２８は、デジタルフィルタ２６と同様の計算を行うとともに、ピークの前後で出力を反転させた信号を出力する回路であり、位置誤差信号との比較が容易となる。

具体的には、設定変更部２７は、上述の特許文献１と同様に、位置誤差信号の位相と、反転部２８から出力された信号（あるいは、デジタルフィルタ２６から直前に出力された信号）の位相とを比較し、位相が一致する場合には位置誤差信号が出力信号よりも周波数が低いので、設定周波数ｆを上げるようにパラメータｋを変更する。他方、位相が１８０度ずれる場合には位置誤差信号が出力信号よりも周波数が高いので、設定周波数ｆを下げるようにパラメータｋを変更する。これにより、目標周波数に、設定周波数ｆを追従させることが可能となる。

また、設定変更部２７は、設定周波数ｆが有効周波数範囲（後述）に含まれる所定範囲外になるときに、サンプリング周期の変更を行うようにダウンサンプラ２５およびアップサンプラ２９を制御する。

アップサンプラ２９は、デジタルフィルタ２６から出力される信号を、元のサンプリング周期に戻して、加算部３１に出力する。ここで、元のサンプリング周期とは、サーボコントローラ３０に供給される位置誤差信号やサーボコントローラ３０から出力される制御信号のサンプリング周期と同じである。具体的には、Ａ倍にしたサンプリング周期Ａ×Ｔを元に戻す場合には、１個のサンプルにつきＡ−１個の同値サンプルを挿入する処理を行う。ここで、アップサンプラ２９の動作のＯＮ／ＯＦＦは、設定変更部２７からの出力によって制御される。

他方、サーボコントローラ３０を含む経路では、サーボコントローラ３０は、誤差信号生成部２３から入力された位置誤差信号に基づいて、ＶＣＭ６を駆動するための制御信号を生成して、加算部３１に出力する。加算部３１は、サーボコントローラ３０から入力される制御信号と、アップサンプラ２９から入力されるデジタルフィルタ２６の出力信号と、を足し合わせて、ＶＣＭ６を駆動するドライバ７へ供給する。このようにして、サーボコントローラ３０と加算部３１は、デジタルフィルタ２６から出力される信号に基づいてＶＣＭ６を駆動する（制御部としての動作）。なお、加算部３１をサーボコントローラ３０よりも上流に設け、誤差信号生成部２３から入力される位置誤差信号と、アップサンプラ２９から入力されるデジタルフィルタ２６の出力信号と、を足し合わせて、サーボコントローラ３０へ供給するように構成してもよい。以上のようにして、ドライブ装置１の位置決め制御が行われる。

ところで、設定周波数ｆを変更するための設定変更部２７は、パラメータｋが取り得る値の幅を多数に分割したデジタル値によってパラメータｋを表しており、レジスタに格納されているパラメータｋのデジタル値を変更することによって設定周波数ｆを変更している。

しかしながら、パラメータｋのデジタル値を格納するレジスタの容量（ビット長）には限度があることから、パラメータｋによって定まる設定周波数ｆの設定可能な設定可能範囲にも制約が生じる。すなわち、パラメータｋのデジタル値に上限があることから、パラメータｋによって定まる設定周波数ｆの設定可能範囲には下限が生じる（（２）式参照）。従って、目標周波数が設定可能範囲の下限を下回る場合には、設定周波数ｆを追従させることができなくなる。

また、パラメータｋが三角関数で表されており（（２）式参照）、パラメータｋの値と、当該パラメータｋによって表わされる周波数の値とが線形関係になく、設定可能範囲の中央付近の周波数分解能を高めるように設定されていることから、設定可能範囲の下限付近では周波数分解能が劣化する。このため目標周波数に対して設定周波数ｆを的確に追従させることができなくなる恐れがある。

すなわち、設定変更部２７によって設定される設定周波数ｆには、設定周波数ｆを設定することが可能な設定可能範囲が存在し、さらに、この設定可能範囲の内側には、下限付近を除いた領域に、設定周波数ｆを目標周波数に有効に追従させることができる有効周波数範囲が存在する。

そこで、本実施形態では、設定変更部２７が、設定周波数ｆを追従させている目標周波数が有効周波数範囲から逸脱するか否かを判断し、逸脱する場合に、ダウンサンプラ２５を制御することでダウンサンプルした（サンプリング周期を増加させた）位置誤差信号をデジタルフィルタ２６へ供給する。すなわち、位置誤差信号をダウンサンプルすることにより、デジタルフィルタ２６の有効周波数範囲を低周波数側へシフトさせる。

このように、デジタルフィルタ２６の有効周波数範囲をシフトさせることで、逸脱した目標周波数を有効周波数範囲内へ含める（目標周波数を有効周波数範囲内の周波数に変換する）ことができるので、シフトさせた有効周波数範囲の範囲内において設定周波数ｆを目標周波数に追従させることが可能となる。その結果、目標周波数の信号成分（位置誤差信号に含まれる周期的変動成分）を有効に低減することができる。

ここで、ダウンサンプラ２５によって位置誤差信号をダウンサンプルするのは、上記（２）式によると、パラメータｋは、設定周波数ｆとサンプリング周期Ｔの積を含む関数であることから、位置誤差信号をダウンサンプルしてサンプリング周期Ｔを増加させることで、設定周波数ｆを更に低減可能な余地が生みだすためである。

なお、目標周波数が有効周波数範囲から逸脱するか否かの判断は、設定変更部２７が、目標周波数に追従させている設定周波数ｆの値に基づいて判断しており、設定周波数ｆが有効周波数範囲に含まれる所定範囲外となるときに「逸脱」と判断する。ここで、設定周波数ｆが有効周波数範囲に含まれる所定範囲外となるときにサンプリング周期を変更させるのは、目標周波数が有効周波数範囲から外れそうな場合に有効周波数範囲を予めシフトさせるためである。

また、閾値を複数段階に設けて、設定周波数ｆが複数段階に設けられた閾値を順次に下回る毎に、位置誤差信号のサンプリング周期Ｔの増加幅が段々と大きくなっていくようにすることもできる。例えば、設定周波数ｆが１段目の閾値、それよりも小さい２段目の閾値と順に下回っていくと、サンプリング周期Ｔもそれに伴って、Ａ倍、Ａ＋α倍と順に倍率が大きくなっていくようにすることができる。これによれば、設定周波数ｆが段々と小さくなっていっても、有効周波数範囲をそれに合わせて低周波数側へシフトさせていくことができる。

また、図３に示すように、設定周波数ｆが高周波数側から低周波数側へ第１閾値を下回った場合に、ダウンサンプラ２５にサンプリング周期を変更していない状態から変更した状態へ切替えさせる一方で、サンプリング周期を変更している状態から変更していない状態へ切替え（元に戻す切替え）については、第１閾値よりも大きい値として設定された第２閾値を設定周波数ｆが低周波数側から高周波数側へ上回った場合に、切替えさせるようにすることができる。これにより、目標周波数が閾値の前後を行き来して、ダウンサンプラ２５にサンプリング周期を頻繁に変更させなければならなくなるような事態を防止することができる。

図４は、ドライブ装置１のＭＰＵ／ＨＤＣ１０が行うサンプリング周期の変更を伴う位置決め制御の動作をフローチャートに表したものである。以下、このフローチャートの説明を行う。

ＭＰＵ／ＨＤＣ１０は、まず、Ｒ／Ｗチャネル９から入力されたサーボデータから位置誤差信号（ＰＥＳ）を生成する（Ｓ１：誤差信号生成部２３の動作）。次に、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０は、位置誤差信号に対してダウンサンプリングを施して、サンプリング周期を増加させる（Ｓ２：ダウンサンプラ２５の動作）。次に、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０は、位置誤差信号の位相とデジタルフィルタから直前に出力された信号等の位相とを比較して、位相が一致する場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）デジタルフィルタの設定周波数（ピーク周波数）を低減させ（Ｓ４：設定変更部２７の動作）、他方、位相がずれている場合には（Ｓ３：ＮＯ）デジタルフィルタの設定周波数を増加させる（Ｓ５：設定変更部２７の動作）。これにより、位置誤差信号に含まれる周期的変動成分の周波数に、設定周波数ｆを追従させることができる。そして、ＭＰＵ／ＨＤＣ１０は、設定された設定周波数でフィルタ処理を行う（Ｓ６：デジタルフィルタ２６の動作）。その後、デジタルフィルタから出力された信号に対してアップサンプリングを施して、サンプリング周期を元に戻し（Ｓ７：アップサンプラ２９の動作）、この出力信号と位置誤差信号に基づいてＶＣＭ６を駆動するための制御信号を生成し、ドライバ７に供給する（Ｓ８：サーボコントローラ３０と加算部３１の動作）。

ドライブ装置の構成を表すブロック図である。 ドライブ装置のフィードバック制御の構成を表すブロック図である。 サンプリング周期の切替えの説明図である。 ドライブ装置の動作を表すフローチャートである。

符号の説明

１ ドライブ装置、２ 磁気ディスク、３ スピンドルモータ（ＳＰＭ）、４ ヘッド、５ ヘッドアッセンブリ、６ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、７ ドライバ、８ ヘッドアンプ、９ Ｒ／Ｗチャネル、１０ ＭＰＵ／ＨＤＣ、１１ メモリ、２３ 誤差信号生成部、２４ ＬＰＦ、２５ ダウンサンプラ、２６ デジタルフィルタ、２７ 設定変更部、２８ 反転部、２９ アップサンプラ、３０ サーボコントローラ、３１ 加算部。

Claims (3)

1. 記録媒体と、
   前記記録媒体にデータを書込み、前記記録媒体からデータを読取るヘッドと、
   前記ヘッドを前記記録媒体に対して相対移動させるアクチュエータと、
   前記ヘッドが前記記録媒体から読取るデータに基づいて、前記ヘッドの位置誤差量を表す位置誤差信号を、所定のサンプリング周期で生成する信号生成回路と、
   設定された設定周波数に対して利得が有効となるデジタルフィルタ回路と、
   前記位置誤差信号のうち周期的に変動する信号成分の周波数を目標周波数として、前記デジタルフィルタ回路の有効周波数範囲内で、前記設定周波数を前記目標周波数に追従させる設定変更回路と、
   前記目標周波数が、前記有効周波数範囲から逸脱するときに、前記デジタルフィルタ回路に供給される前記位置誤差信号のサンプリング周期を変更して、前記目標周波数を前記有効周波数範囲内の周波数に変換する周期変更回路と、
   前記フィルタ回路から出力される信号に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御回路と、
   を備えることを特徴とするドライブ装置。
2. 請求項１に記載のドライブ装置であって、
   前記周期変更回路は、前記設定変更回路が設定する前記設定周波数が、前記有効周波数範囲に含まれる所定範囲外となるときに、前記位置誤差信号のサンプリング周期を変更させることを特徴とするドライブ装置。
3. 請求項１に記載のドライブ装置であって、
   前記周期変更回路は、前記設定変更回路が設定する前記設定周波数が第１閾値を下回った場合に、前記位置誤差信号のサンプリング周期を増加させていない状態から増加させた状態へ切替えるとともに、前記設定周波数が前記第１閾値よりも大きい値として設定された第２閾値を上回った場合に、前記位置誤差信号のサンプリング周期を増加させた状態から増加させていない状態へ切替えることを特徴とするドライブ装置。
   

Images