JP4432013B2 - 磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システムに関するものである。
【０００２】
さらに詳述すると、本発明は、予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用するための、磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システムに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ハードディスク装置は、磁気ディスク（以下、メディアあるいはハードディスクともいう）に書き込んであるサーボ信号に基づいて、ヘッドの位置決めを行う。
【０００４】
図８は、従来から知られているハードディスク装置１のトラック位置決め機構の概略図を示す。本図において、メディア２はスピンドルモータ３により数千ｒｐｍで高速回転され、メディア２上を流れる空気流によりロータリーポジショナ４先端に位置するスライダ５が微小量浮上する。磁気ヘッド６は、スライダ５の端部に位置する。メディア２上には、サーボ信号が磁気的に書き込まれており、この信号をプリアンプ７で増幅し、サーボ復調回路８によりトラック情報（ヘッドがどのトラック上にいるかを表す情報）とＰＥＳ（Position Error Signal：ヘッドがトラック中心上からどれだけずれているかを表す情報）を復調する。補償器９は目標指令値ｒと上記ＰＥＳ信号との差に基づいて、ロータリーポジショナ駆動入力を求め、パワーアンプ１０により電流指令に変換してロータリーポジショナ４を駆動させる。このように、ＰＥＳ信号をフィードバックすることにより、目標トラック１１とヘッド位置との位置誤差を小さくすることができる。絶対座標でみると、目標トラック位置はディスク偏心により回転周期で変化する。
【０００５】
従来、サーボ信号はメディア２をハードディスク装置１に組み込んだ状態（スピンドルモータ３にメディア２をクランプした状態）で、ＳＴＷ（サーボトラックライタ）と呼ばれる装置により書き込まれる。
【０００６】
図９は、ＳＴＷ１２によりサーボトラック書き込みを行う時の構成例である。ＳＴＷ１２は位置決めピン１３により、ハードディスク装置（ドライブ）１内のロータリーポジショナ４を機械的に保持しつつ、ＳＴＷ１２内部のスケールに基づき、精密回転機構１４によりヘッド位置を決める。
【０００７】
サーボ信号は各トラック毎に用意される。従って、ＳＴＷ１２はメディア上の全トラック上に正確に位置決めしながら、サーボ信号を書き込む必要がある。記録密度向上により、トラック数は増大し、一方トラック幅は減少するため、ＳＴＷ１２としては、より高精度の位置決めを、より多くのトラック上で実施する必要がある。そのためには、高精度位置決めを実現するための高剛性・ハイコストな機械的位置決め機構を必要とし、また書き込みのため多大の時間を要する故、ＳＴＷを複数台用意して並列に処理を行うことが必要となり、ＳＴＷを配置すべきクリーンルームのスペースも増大して、コスト高を招いていた。
【０００８】
近年では、図９に示したＳＴＷ１２を省略し、ハードディスク装置自身による“セルフサーボライティング”を行う手法が注目されている。
【０００９】
図１０は、この“セルフサーボライティング”手法の一例を示す。すなわち、予めメディア２に仮のサーボ信号１５を書き込んでおき（例えば磁気転写等の技術を用い、磁気パターンをマスタからメディア２へコピーすれば、サーボ信号の書き込みはＳＴＷを使用するよりも格段に速くすることができる）、そのメディア２をハードディスク装置に組み込んだ後に、ハードディスク装置単体にて、仮サーボ信号１５に基いて実際のサーボ信号１６を書き込む。
【００１０】
仮サーボ信号１５は、メディア２上に単体で記録されたものである。従って、メディア２をハードディスク装置１のスピンドルモータ３にチャックする際、記録済の仮サーボ信号１５の中心位置とスピンドルモータ３の中心位置が数十〜数百μｍずれる可能性があり、これは仮サーボ信号１５が形成するトラックの偏心として観測される。
【００１１】
一方、実際のサーボ信号１６はスピンドルモータ中心軸の同心円上に書き込むことが求められるため、書き込み時のヘッド位置はスピンドルモータ中心軸の同心円上に保持しなければならない。これを行うためには、磁気ヘッド６から読み込まれる仮サーボ信号（偏心数十〜百μｍを含む）からヘッド位置を推定し、仮サーボ信号１５が形成するトラック上ではなく、スピンドルモータ中心の同心円上に磁気ヘッド６を保持することが必要となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通り、予め磁気ディスクに仮のサーボ信号を書き込んでおき、その磁気ディスクをハードディスク装置に組み込んだ後に、ハードディスク装置単体で仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を書き込む、というセルフサーボライティング方式においては、実際のサーボ信号を書き込む時、スピンドルモータ中心軸からみると偏心している仮サーボ信号をヘッドで読み取り、この信号からヘッド位置を推定することにより、仮サーボ信号が形成するトラック上ではなく、スピンドルモータ中心の同心円上にヘッドを正確に保持することが必要となる。
【００１３】
しかしながら、斯かるサーボ技術は現在のところ明確に確立されておらず、実際にセルフサーボライティング方式を実現することができないという現状である。
【００１４】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、いわゆるセルフサーボライティング方式を実用域まで高めるのに必要なヘッド位置決めサーボ機構を実現し得るようにした、磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システムを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用するに際して、前記磁気ディスク装置のロータリーポジショナに入力される信号と該ロータリーポジショナの位置検出信号に基づいて、前記仮サーボ信号に対するヘッドの相対位置と該ヘッドの絶対速度を推定し、推定ゲインをかけて出力する状態推定ステップと、前記状態推定ステップにおいて出力された前記相対位置および前記絶対速度を表す情報を前記ロータリーポジショナの駆動系にフィードバック制御することにより、前記ロータリーポジショナを同心円上に位置決めするフィードバック制御ステップとを具備し、前記状態推定ステップでは、その推定ゲインを前記駆動系のフィードバック制御ゲインより十分大きくすることにより、取り付けられた磁気ディスクの偏心の影響を無視し、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を正確に推定することを特徴とする、磁気ディスク装置のサーボ制御方法である。
【００２１】
請求項２に係る本発明は、請求項１に係るサーボ制御方法において、前記フィードバック制御ステップでは、前記ヘッドの目標位置を指定する目標指令値に基づいて前記ロータリーポジショナを位置決めする。
【００２２】
請求項３に係る本発明は、予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用する、磁気ディスク装置のサーボ制御システムであって、前記磁気ディスク装置のロータリーポジショナに入力される信号と該ロータリーポジショナの位置検出信号に基づいて、前記仮サーボ信号に対するヘッドの相対位置と該ヘッドの絶対速度を推定し、推定ゲインをかけて出力する状態推定手段と、前記状態推定手段により出力された前記相対位置および前記絶対速度を表す情報を前記ロータリーポジショナの駆動系にフィードバック制御することにより、前記ロータリーポジショナを同心円上に位置決めするフィードバック制御手段とを具備し、前記状態推定手段の推定ゲインを前記駆動系のフィードバック制御ゲインより十分大きくすることにより、取り付けられた磁気ディスクの偏心の影響を無視し、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を正確に推定することを特徴とする、磁気ディスク装置のサーボ制御方法である。
【００２４】
請求項４に係る本発明は、請求項３に係るサーボ制御システムにおいて、前記フィードバック制御手段は、前記ヘッドの目標位置を指定する目標指令値に基づいて前記ロータリーポジショナを位置決めする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、参考例としての第一の実施の形態を含む本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１
図１は、本発明の第一の実施の形態で用いるハードディスク装置のトラック位置決め機構の概略構成（サーボブロック）を示す。本実施の形態では、ロータリーポジショナ４を機械的に固定する機構１０１をもつ。より具体的には、まずハードディスク装置１を立ち上げ、スライダ５をロードした後、ロータリーポジショナ固定機構１０１により磁気ヘッド６をハードディスク２上のある箇所（任意）に保持する。この状態において、仮サーボ信号１５（図１０参照）を読み取り、ディスクチャック等により生じたハードディスク２の偏心量を測定し、メモリ１０２（図２参照）に記録しておく（図１（ａ））。
【００２６】
ハードディスク２の偏心量は、サーボ復調回路８（図８参照）で得られるトラック情報とＰＥＳ（Position Error Signal）から求めることができる。
【００２７】
その後、ロータリーポジショナ固定機構１０１を退避させ、ロータリーポジショナ４をフリーにし、サーボ状態に入る（図１（ｂ））。
【００２８】
図２は、第一の実施の形態におけるサーボブロック図である。ここで、ロータリーポジショナ４は、以下の伝達関数を有する。
【００２９】
【数１】
Ｇ（ｓ）＝Ｋ×（１／ｓ２−１／（ｓ２＋２・ζ・ｗｎ・ｓ＋ｗｎ ２））
・・・（１）
ただし、
Ｋ＝ＫＡＭＰ×Ｋｔ×Ｒｈ／Ｊ
（ＫＡＭＰ：パワーアンプゲイン、Ｋｔ：トルク／電流定数、Ｒｈ：ロータリーポジショナのアーム長、Ｊ：ロータリーポジショナ慣性モーメント）
である。
【００３０】
上記式（１）の第１項は制御入力信号からヘッド位置までのノミナルの伝達関数を表し、第２項は高次共振モデルを表す（１．２ｋＨｚに１５ｄＢの高次共振があるとすると、ζ＝0.0893、ｗｎ＝7600.7）。
【００３１】
そして、先に測定し記録しておいた偏心量を偏心基準信号（偏心モデル）とし、ヘッド位置信号と偏心基準信号（偏心モデル）との差分をフィードバックして、位置決めを行う。フィードバック補償器１０３は、位相進み補償器であり、上記の差分を表す信号からロータリーポジショナ４への制御入力信号を求める。また、位置検出器１０４では、ロータリポジショナ４の先端にある磁気ヘッド６（図８参照）を用いてディスク上に書かれている位置信号を読み出し、その位置信号に基づいてヘッド位置（＝ｘ＋ｄ）を検出する。
【００３２】
図３は、図２に示したサーボブロックのシミュレーションモデルである。図４は、図３のシミュレーションモデルによるシミュレーション結果を示す。
【００３３】
磁気ヘッド６から得られる位置信号は、仮サーボ信号に対するヘッド相対位置ｙである。これは、ヘッド絶対位置ｘに実際の偏心ｄを加えたものに等しい。先に記録してあった偏心基準信号（偏心モデル）ｄ＊から、このヘッド相対位置信号を引き算し、フィードバック補償器１０３において、その差分（ｄ＊−ｄ）−ｘからロータリーポジショナ駆動信号を求め、磁気ヘッド６の位置決めを行う。
【００３４】
目標指令値ｒは、偏心基準信号（偏心モデル）ｄ＊の加算箇所と同じ点に入力する（図３では、１０μｍ（10e-6）を入力している）。その結果、図４より、±５０μｍの偏心ｄを含む場合にも、磁気ヘッド６を同心円上（精度±０．５μｍ以下）に保持できていることがわかる。
【００３５】
（実施の形態１による効果）
本実施の形態では、予め仮のサーボ信号を書き込んでおいたハードディスクをハードディスク装置に組み込み、ハードディスク装置単体で仮サーボ信号に基づき、実際にハードディスク装置で使用するサーボ信号を書き込むセルフサーボライト方式を採用するにあたり、ロータリーポジショナを機械的に保持可能な機構と、ロータリーポジショナを機械的に保持する間に、偏心信号を記録するメモリ機能を有するハードディスク装置装置において、記録した偏心信号を基準信号とし、その基準信号とヘッド位置信号との差分を求め、フィードバック補償器で、残った位置誤差分からポジショナ駆動信号を求め、ヘッド位置決めを行うものである故、仮サーボ信号が形成するトラックに±５０μｍの偏心が含まれていても、仮サーボ信号に基づきながら同心円上に、ヘッドを保持し、本サーボ信号を書き込むことができる。
【００３６】
実施の形態２
図５は、本発明の第二の実施の形態によるサーボブロックを示す。本実施の形態では、状態推定器２０５により、仮サーボ信号に対する相対位置推定値ｙ＊とヘッド絶対速度推定値ｘ’＊を求める。フィードバック補償器２００は推定した状態量［ｘ'ｙ］ｔからロータリーポジショナ４への制御入力信号を求める。
【００３７】
次に、状態推定器２０５の詳細について述べる。ノミナルのロータリーポジショナモデルは、以下に示す運動方程式（２）で記述される。
【００３８】
【数２】
ｄ２ｘ／ｄｔ２＝ＫＡＭＰ・Ｒｈ・Ｋｔ／Ｊ×ｕ ・・・（２）
磁気ヘッドから得られる位置信号は、仮サーボ信号に対するヘッド相対位置ｙであり、ヘッド相対位置ｙとヘッド絶対位置ｘとの関係は、
【００３９】
【数３】
ｙ＝ｘ＋ｄ ・・・（３）
である。いま、状態変数ＺをＺ＝［ｘ' ｙ］tとすると、
【００４０】
【数４】
ｄＺ／ｄｔ＝ＡＺ＋ＢＵ＋ＱＷ ・・・（４）
と表される。だだし、システム入力Ｕ＝［ｕ］、外乱Ｗ＝［ｄ'］（ｄ'は偏心の時間微分）であり、Ａ，Ｂ，Ｃは以下の通りである。
【００４１】
【数５】
【００４２】
システム出力Ｙが状態変数Ｚと等しいとすると、
【００４３】
【数６】
【００４４】
である。これに対し、状態推定器２０５は次式（６）の状態推定方程式に基づいて、Ｚの推定を行う。
【００４５】
【数７】
ここで、Ｚ＊はＺの推定値である。Ｌは状態推定器２０５の推定ゲインであり、任意の２×１行列である。式（４）と式（５）の差をとり、Ｚ^＝Ｚ−Ｚ＊とおくと、
【００４６】
【数８】
ｄＺ^／ｄｔ＝（Ａ−Ｌ・Ｃ）・Ｚ^＋Ｑ・Ｗ ・・・（７）
となる。この式（７）は、ノイズＱ・Ｗが混入した推定誤差方程式である。ここで、Ｃ行列とＱ行列は同じオーダであるから、Ｌ・Ｚ^≫Ｗとなるように、Ｌを十分大きくとれば、ノイズ項Ｑ・Ｗによる誤差を小さくしつつ、推定を行うことができる。
【００４７】
さらに別の観点から、状態推定器２０５の動作について説明する。
【００４８】
いま、状態変数ＸをＸ＝[ｘ' ｘ]tとすると、ロータリーポジショナの状態方程式は、次の式（８）で与えられる。
【００４９】
【数９】
【００５０】
である。そして、状態推定器出力Ｚ＊にフィードバックゲインを掛けることにより、状態フィードバックを実現する。式（８）のＵに−Ｋ・Ｚf ＊を代入すると、
【００５１】
【数１０】
ここで、Ｄ＝[０ ｄ]tは外乱項である。
【００５２】
次に、式（７）と式（９）を比較する。式（７）ではＬとＱを独立に決定可能であるので、Ｌ・Ｚ>>Ｗとなるように状態推定器のフィードバックゲインＬを決定することにより、ノイズ項Ｑ・Ｗによる誤差を小さくすることができる。他方、式（９）において、Ｋfを大きくすると、ノイズ項（Ｂ・Ｋf・Ｄ）も大きくなるため、制御系のフィードバックゲインを大きくとるメリットは小さい。
【００５３】
すなわち、目安として、状態推定器のフィードバックゲインＬはＬ・Ｚ>>Ｗを満たすだけ十分大きく、制御系のフィードバックゲインＫはシステム行列Ａと入力行列Ｂの比Ａ／Ｂよりも小さい程度に設定すればよいことになる。
【００５４】
図６は、図５に示したサーボブロックのシミュレーションモデルである。仮サーボ信号に対するヘッド相対位置信号ｙは、ロータリーポジショナの位置誤差信号ｘと偏心ｄとの加算値に等しい。状態推定器で求めたｙ＊、速度推定値ｘ'＊に補償ゲインをかけて、フィードバック制御を行う。コントローラの位置フィードバックゲイン、速度フィードバックゲイン、および状態推定器のフィードバックゲインは極配置法により決定する。
【００５５】
図６に示したシミュレーションモデルでは、コントローラのフィードバックゲインＫfは［速度フィードバックゲイン 位置フィードバックゲイン］＝［0.2，1.7］、Ｌ＝［1000，2000］である。図７より、±５０μｍの偏心を含んだサーボ信号を用いて、磁気ヘッド６を同心円上（精度±０．５μｍ以下）に保持できていることがわかる。
【００５６】
この実施の形態は、先に述べた第一の実施の形態に比べて、速応性は劣るが、ｙだけでなく、ロータリーポジショナのヘッド絶対速度ｘ'を正確に推定、フィードバックして、ロータリーポジショナのヘッド位置を同心円に整定させるものであり、しかも第一の実施の形態で必要とした偏心測定・記録のための手段、つまりロータリーポジショナ固定機構と偏心信号を記録するメモリは不要である。
【００５７】
（実施の形態２による効果）
本実施の形態では、予め仮のサーボ信号を書き込んでおいたハードディスクを、ハードディスク装置に組み込み、ハードディスク装置単体で仮サーボ信号に基づき、実際のハードディスク装置で使用するサーボ信号を書き込むセルフサーボライト方式を採用するにあたり、仮サーボ信号に対するヘッド相対位置とロータリーポジショナのヘッド絶対速度を推定ゲインＬをかけて出力する状態推定器を有し、この状態推定器の推定ゲインＬが駆動系のフィードバック制御ゲインＫより十分大きいため、偏心の影響を低減でき、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を高精度に推定できる。そして、その推定ゲインＬをかけて出力されるヘッド相対位置とヘッド絶対速度をフィードバック制御することにより、仮サーボ信号が形成するトラックに±５０μｍの偏心が含まれていても、仮サーボ信号に基づきながら同心円上に、ヘッドを保持し、本サーボ信号を書き込むことができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、いわゆるセルフサーボライティング方式を実用化する際に必要となる、ヘッド位置決めサーボ機構を実現することができる。
【００５９】
また本発明は、ハードディスク装置のセルフサーボライティング時におけるサーボ機構として適用できるだけでなく、本出願人が先に出願した特願平１１−２９０２６４号、「磁気ディスク評価装置」に記したような、仮サーボ信号によるサーボ性能を評価するサーボ試験機にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態によるヘッド位置決め機構を示す概略説明図である。
【図２】第一の実施の形態によるサーボブロックを示す図である。
【図３】第一の実施の形態におけるサーボシミュレーションモデルを示す図である。
【図４】第一の実施の形態におけるサーボシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態によるサーボブロックを示す図である。
【図６】第二の実施の形態におけるサーボシミュレーションモデルを示す図である。
【図７】第二の実施の形態におけるサーボシミュレーション結果を示す図である。
【図８】一般的なハードディスク装置の位置決め機構を示す概略図である。
【図９】従来のサーボトラックライティング機構を示した説明図である。
【図１０】セルフサーボライティング方式の説明図である。
【符号の説明】
１ 磁気ディスク装置
２ 磁気ディスク（ハードディスク，メディア）
３ スピンドルモータ
４ ロータリーポジショナ
５ スライダ
６ 磁気ヘッド
７ プリアンプ
８ サーボ復調回路
９ 補償器
１０ パワーアンプ
１１ 目標トラック
１２ ＳＴＷ（サーボトラックライタ）
１３ 位置決めピン
１４ 精密回転機構
１５ 仮サーボ信号
１６ 実際のサーボ信号
１０１ ロータリポジショナ固定機構
１０２ メモリ
１０３，２００ フィードバック補償器
２０５ 状態推定器
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システムに関するものである。
【０００２】
さらに詳述すると、本発明は、予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用するための、磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システムに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ハードディスク装置は、磁気ディスク（以下、メディアあるいはハードディスクともいう）に書き込んであるサーボ信号に基づいて、ヘッドの位置決めを行う。
【０００４】
図８は、従来から知られているハードディスク装置１のトラック位置決め機構の概略図を示す。本図において、メディア２はスピンドルモータ３により数千ｒｐｍで高速回転され、メディア２上を流れる空気流によりロータリーポジショナ４先端に位置するスライダ５が微小量浮上する。磁気ヘッド６は、スライダ５の端部に位置する。メディア２上には、サーボ信号が磁気的に書き込まれており、この信号をプリアンプ７で増幅し、サーボ復調回路８によりトラック情報（ヘッドがどのトラック上にいるかを表す情報）とＰＥＳ（Position Error Signal：ヘッドがトラック中心上からどれだけずれているかを表す情報）を復調する。補償器９は目標指令値ｒと上記ＰＥＳ信号との差に基づいて、ロータリーポジショナ駆動入力を求め、パワーアンプ１０により電流指令に変換してロータリーポジショナ４を駆動させる。このように、ＰＥＳ信号をフィードバックすることにより、目標トラック１１とヘッド位置との位置誤差を小さくすることができる。絶対座標でみると、目標トラック位置はディスク偏心により回転周期で変化する。
【０００５】
従来、サーボ信号はメディア２をハードディスク装置１に組み込んだ状態（スピンドルモータ３にメディア２をクランプした状態）で、ＳＴＷ（サーボトラックライタ）と呼ばれる装置により書き込まれる。
【０００６】
図９は、ＳＴＷ１２によりサーボトラック書き込みを行う時の構成例である。ＳＴＷ１２は位置決めピン１３により、ハードディスク装置（ドライブ）１内のロータリーポジショナ４を機械的に保持しつつ、ＳＴＷ１２内部のスケールに基づき、精密回転機構１４によりヘッド位置を決める。
【０００７】
サーボ信号は各トラック毎に用意される。従って、ＳＴＷ１２はメディア上の全トラック上に正確に位置決めしながら、サーボ信号を書き込む必要がある。記録密度向上により、トラック数は増大し、一方トラック幅は減少するため、ＳＴＷ１２としては、より高精度の位置決めを、より多くのトラック上で実施する必要がある。そのためには、高精度位置決めを実現するための高剛性・ハイコストな機械的位置決め機構を必要とし、また書き込みのため多大の時間を要する故、ＳＴＷを複数台用意して並列に処理を行うことが必要となり、ＳＴＷを配置すべきクリーンルームのスペースも増大して、コスト高を招いていた。
【０００８】
近年では、図９に示したＳＴＷ１２を省略し、ハードディスク装置自身による“セルフサーボライティング”を行う手法が注目されている。
【０００９】
図１０は、この“セルフサーボライティング”手法の一例を示す。すなわち、予めメディア２に仮のサーボ信号１５を書き込んでおき（例えば磁気転写等の技術を用い、磁気パターンをマスタからメディア２へコピーすれば、サーボ信号の書き込みはＳＴＷを使用するよりも格段に速くすることができる）、そのメディア２をハードディスク装置に組み込んだ後に、ハードディスク装置単体にて、仮サーボ信号１５に基いて実際のサーボ信号１６を書き込む。
【００１０】
仮サーボ信号１５は、メディア２上に単体で記録されたものである。従って、メディア２をハードディスク装置１のスピンドルモータ３にチャックする際、記録済の仮サーボ信号１５の中心位置とスピンドルモータ３の中心位置が数十〜数百μｍずれる可能性があり、これは仮サーボ信号１５が形成するトラックの偏心として観測される。
【００１１】
一方、実際のサーボ信号１６はスピンドルモータ中心軸の同心円上に書き込むことが求められるため、書き込み時のヘッド位置はスピンドルモータ中心軸の同心円上に保持しなければならない。これを行うためには、磁気ヘッド６から読み込まれる仮サーボ信号（偏心数十〜百μｍを含む）からヘッド位置を推定し、仮サーボ信号１５が形成するトラック上ではなく、スピンドルモータ中心の同心円上に磁気ヘッド６を保持することが必要となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通り、予め磁気ディスクに仮のサーボ信号を書き込んでおき、その磁気ディスクをハードディスク装置に組み込んだ後に、ハードディスク装置単体で仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を書き込む、というセルフサーボライティング方式においては、実際のサーボ信号を書き込む時、スピンドルモータ中心軸からみると偏心している仮サーボ信号をヘッドで読み取り、この信号からヘッド位置を推定することにより、仮サーボ信号が形成するトラック上ではなく、スピンドルモータ中心の同心円上にヘッドを正確に保持することが必要となる。
【００１３】
しかしながら、斯かるサーボ技術は現在のところ明確に確立されておらず、実際にセルフサーボライティング方式を実現することができないという現状である。
【００１４】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、いわゆるセルフサーボライティング方式を実用域まで高めるのに必要なヘッド位置決めサーボ機構を実現し得るようにした、磁気ディスク装置のサーボ制御方法およびサーボ制御システムを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用するに際して、前記磁気ディスク装置のロータリーポジショナに入力される信号と該ロータリーポジショナの位置検出信号に基づいて、前記仮サーボ信号に対するヘッドの相対位置と該ヘッドの絶対速度を推定し、推定ゲインをかけて出力する状態推定ステップと、前記状態推定ステップにおいて出力された前記相対位置および前記絶対速度を表す情報を前記ロータリーポジショナの駆動系にフィードバック制御することにより、前記ロータリーポジショナを同心円上に位置決めするフィードバック制御ステップとを具備し、前記状態推定ステップでは、その推定ゲインを前記駆動系のフィードバック制御ゲインより十分大きくすることにより、取り付けられた磁気ディスクの偏心の影響を無視し、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を正確に推定することを特徴とする、磁気ディスク装置のサーボ制御方法である。
【００２１】
請求項２に係る本発明は、請求項１に係るサーボ制御方法において、前記フィードバック制御ステップでは、前記ヘッドの目標位置を指定する目標指令値に基づいて前記ロータリーポジショナを位置決めする。
【００２２】
請求項３に係る本発明は、予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用する、磁気ディスク装置のサーボ制御システムであって、前記磁気ディスク装置のロータリーポジショナに入力される信号と該ロータリーポジショナの位置検出信号に基づいて、前記仮サーボ信号に対するヘッドの相対位置と該ヘッドの絶対速度を推定し、推定ゲインをかけて出力する状態推定手段と、前記状態推定手段により出力された前記相対位置および前記絶対速度を表す情報を前記ロータリーポジショナの駆動系にフィードバック制御することにより、前記ロータリーポジショナを同心円上に位置決めするフィードバック制御手段とを具備し、前記状態推定手段の推定ゲインを前記駆動系のフィードバック制御ゲインより十分大きくすることにより、取り付けられた磁気ディスクの偏心の影響を無視し、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を正確に推定することを特徴とする、磁気ディスク装置のサーボ制御方法である。
【００２４】
請求項４に係る本発明は、請求項３に係るサーボ制御システムにおいて、前記フィードバック制御手段は、前記ヘッドの目標位置を指定する目標指令値に基づいて前記ロータリーポジショナを位置決めする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、参考例としての第一の実施の形態を含む本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１
図１は、本発明の第一の実施の形態で用いるハードディスク装置のトラック位置決め機構の概略構成（サーボブロック）を示す。本実施の形態では、ロータリーポジショナ４を機械的に固定する機構１０１をもつ。より具体的には、まずハードディスク装置１を立ち上げ、スライダ５をロードした後、ロータリーポジショナ固定機構１０１により磁気ヘッド６をハードディスク２上のある箇所（任意）に保持する。この状態において、仮サーボ信号１５（図１０参照）を読み取り、ディスクチャック等により生じたハードディスク２の偏心量を測定し、メモリ１０２（図２参照）に記録しておく（図１（ａ））。
【００２６】
ハードディスク２の偏心量は、サーボ復調回路８（図８参照）で得られるトラック情報とＰＥＳ（Position Error Signal）から求めることができる。
【００２７】
その後、ロータリーポジショナ固定機構１０１を退避させ、ロータリーポジショナ４をフリーにし、サーボ状態に入る（図１（ｂ））。
【００２８】
図２は、第一の実施の形態におけるサーボブロック図である。ここで、ロータリーポジショナ４は、以下の伝達関数を有する。
【００２９】
【数１】
Ｇ（ｓ）＝Ｋ×（１／ｓ２−１／（ｓ２＋２・ζ・ｗｎ・ｓ＋ｗｎ ２））
・・・（１）
ただし、
Ｋ＝ＫＡＭＰ×Ｋｔ×Ｒｈ／Ｊ
（ＫＡＭＰ：パワーアンプゲイン、Ｋｔ：トルク／電流定数、Ｒｈ：ロータリーポジショナのアーム長、Ｊ：ロータリーポジショナ慣性モーメント）
である。
【００３０】
上記式（１）の第１項は制御入力信号からヘッド位置までのノミナルの伝達関数を表し、第２項は高次共振モデルを表す（１．２ｋＨｚに１５ｄＢの高次共振があるとすると、ζ＝0.0893、ｗｎ＝7600.7）。
【００３１】
そして、先に測定し記録しておいた偏心量を偏心基準信号（偏心モデル）とし、ヘッド位置信号と偏心基準信号（偏心モデル）との差分をフィードバックして、位置決めを行う。フィードバック補償器１０３は、位相進み補償器であり、上記の差分を表す信号からロータリーポジショナ４への制御入力信号を求める。また、位置検出器１０４では、ロータリポジショナ４の先端にある磁気ヘッド６（図８参照）を用いてディスク上に書かれている位置信号を読み出し、その位置信号に基づいてヘッド位置（＝ｘ＋ｄ）を検出する。
【００３２】
図３は、図２に示したサーボブロックのシミュレーションモデルである。図４は、図３のシミュレーションモデルによるシミュレーション結果を示す。
【００３３】
磁気ヘッド６から得られる位置信号は、仮サーボ信号に対するヘッド相対位置ｙである。これは、ヘッド絶対位置ｘに実際の偏心ｄを加えたものに等しい。先に記録してあった偏心基準信号（偏心モデル）ｄ＊から、このヘッド相対位置信号を引き算し、フィードバック補償器１０３において、その差分（ｄ＊−ｄ）−ｘからロータリーポジショナ駆動信号を求め、磁気ヘッド６の位置決めを行う。
【００３４】
目標指令値ｒは、偏心基準信号（偏心モデル）ｄ＊の加算箇所と同じ点に入力する（図３では、１０μｍ（10e-6）を入力している）。その結果、図４より、±５０μｍの偏心ｄを含む場合にも、磁気ヘッド６を同心円上（精度±０．５μｍ以下）に保持できていることがわかる。
【００３５】
（実施の形態１による効果）
本実施の形態では、予め仮のサーボ信号を書き込んでおいたハードディスクをハードディスク装置に組み込み、ハードディスク装置単体で仮サーボ信号に基づき、実際にハードディスク装置で使用するサーボ信号を書き込むセルフサーボライト方式を採用するにあたり、ロータリーポジショナを機械的に保持可能な機構と、ロータリーポジショナを機械的に保持する間に、偏心信号を記録するメモリ機能を有するハードディスク装置装置において、記録した偏心信号を基準信号とし、その基準信号とヘッド位置信号との差分を求め、フィードバック補償器で、残った位置誤差分からポジショナ駆動信号を求め、ヘッド位置決めを行うものである故、仮サーボ信号が形成するトラックに±５０μｍの偏心が含まれていても、仮サーボ信号に基づきながら同心円上に、ヘッドを保持し、本サーボ信号を書き込むことができる。
【００３６】
実施の形態２
図５は、本発明の第二の実施の形態によるサーボブロックを示す。本実施の形態では、状態推定器２０５により、仮サーボ信号に対する相対位置推定値ｙ＊とヘッド絶対速度推定値ｘ’＊を求める。フィードバック補償器２００は推定した状態量［ｘ'ｙ］ｔからロータリーポジショナ４への制御入力信号を求める。
【００３７】
次に、状態推定器２０５の詳細について述べる。ノミナルのロータリーポジショナモデルは、以下に示す運動方程式（２）で記述される。
【００３８】
【数２】
ｄ２ｘ／ｄｔ２＝ＫＡＭＰ・Ｒｈ・Ｋｔ／Ｊ×ｕ ・・・（２）
磁気ヘッドから得られる位置信号は、仮サーボ信号に対するヘッド相対位置ｙであり、ヘッド相対位置ｙとヘッド絶対位置ｘとの関係は、
【００３９】
【数３】
ｙ＝ｘ＋ｄ ・・・（３）
である。いま、状態変数ＺをＺ＝［ｘ' ｙ］tとすると、
【００４０】
【数４】
ｄＺ／ｄｔ＝ＡＺ＋ＢＵ＋ＱＷ ・・・（４）
と表される。だだし、システム入力Ｕ＝［ｕ］、外乱Ｗ＝［ｄ'］（ｄ'は偏心の時間微分）であり、Ａ，Ｂ，Ｃは以下の通りである。
【００４１】
【数５】
システム出力Ｙが状態変数Ｚと等しいとすると、
【００４３】
【数６】
である。これに対し、状態推定器２０５は次式（６）の状態推定方程式に基づいて、Ｚの推定を行う。
【００４５】
【数７】
【００４６】
【数８】
ｄＺ^／ｄｔ＝（Ａ−Ｌ・Ｃ）・Ｚ^＋Ｑ・Ｗ ・・・（７）
となる。この式（７）は、ノイズＱ・Ｗが混入した推定誤差方程式である。ここで、Ｃ行列とＱ行列は同じオーダであるから、Ｌ・Ｚ^≫Ｗとなるように、Ｌを十分大きくとれば、ノイズ項Ｑ・Ｗによる誤差を小さくしつつ、推定を行うことができる。
【００４７】
さらに別の観点から、状態推定器２０５の動作について説明する。
【００４８】
いま、状態変数ＸをＸ＝[ｘ' ｘ]tとすると、ロータリーポジショナの状態方程式は、次の式（８）で与えられる。
【００４９】
【数９】
である。そして、状態推定器出力Ｚ＊にフィードバックゲインを掛けることにより、状態フィードバックを実現する。式（８）のＵに−Ｋ・Ｚf ＊を代入すると、
【００５１】
【数１０】
【００５２】
次に、式（７）と式（９）を比較する。式（７）ではＬとＱを独立に決定可能であるので、Ｌ・Ｚ>>Ｗとなるように状態推定器のフィードバックゲインＬを決定することにより、ノイズ項Ｑ・Ｗによる誤差を小さくすることができる。他方、式（９）において、Ｋfを大きくすると、ノイズ項（Ｂ・Ｋf・Ｄ）も大きくなるため、制御系のフィードバックゲインを大きくとるメリットは小さい。
【００５３】
すなわち、目安として、状態推定器のフィードバックゲインＬはＬ・Ｚ>>Ｗを満たすだけ十分大きく、制御系のフィードバックゲインＫはシステム行列Ａと入力行列Ｂの比Ａ／Ｂよりも小さい程度に設定すればよいことになる。
【００５４】
図６は、図５に示したサーボブロックのシミュレーションモデルである。仮サーボ信号に対するヘッド相対位置信号ｙは、ロータリーポジショナの位置誤差信号ｘと偏心ｄとの加算値に等しい。状態推定器で求めたｙ＊、速度推定値ｘ'＊に補償ゲインをかけて、フィードバック制御を行う。コントローラの位置フィードバックゲイン、速度フィードバックゲイン、および状態推定器のフィードバックゲインは極配置法により決定する。
【００５５】
図６に示したシミュレーションモデルでは、コントローラのフィードバックゲインＫfは［速度フィードバックゲイン 位置フィードバックゲイン］＝［0.2，1.7］、Ｌ＝［1000，2000］である。図７より、±５０μｍの偏心を含んだサーボ信号を用いて、磁気ヘッド６を同心円上（精度±０．５μｍ以下）に保持できていることがわかる。
【００５６】
この実施の形態は、先に述べた第一の実施の形態に比べて、速応性は劣るが、ｙだけでなく、ロータリーポジショナのヘッド絶対速度ｘ'を正確に推定、フィードバックして、ロータリーポジショナのヘッド位置を同心円に整定させるものであり、しかも第一の実施の形態で必要とした偏心測定・記録のための手段、つまりロータリーポジショナ固定機構と偏心信号を記録するメモリは不要である。
【００５７】
（実施の形態２による効果）
本実施の形態では、予め仮のサーボ信号を書き込んでおいたハードディスクを、ハードディスク装置に組み込み、ハードディスク装置単体で仮サーボ信号に基づき、実際のハードディスク装置で使用するサーボ信号を書き込むセルフサーボライト方式を採用するにあたり、仮サーボ信号に対するヘッド相対位置とロータリーポジショナのヘッド絶対速度を推定ゲインＬをかけて出力する状態推定器を有し、この状態推定器の推定ゲインＬが駆動系のフィードバック制御ゲインＫより十分大きいため、偏心の影響を低減でき、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を高精度に推定できる。そして、その推定ゲインＬをかけて出力されるヘッド相対位置とヘッド絶対速度をフィードバック制御することにより、仮サーボ信号が形成するトラックに±５０μｍの偏心が含まれていても、仮サーボ信号に基づきながら同心円上に、ヘッドを保持し、本サーボ信号を書き込むことができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、いわゆるセルフサーボライティング方式を実用化する際に必要となる、ヘッド位置決めサーボ機構を実現することができる。
【００５９】
また本発明は、ハードディスク装置のセルフサーボライティング時におけるサーボ機構として適用できるだけでなく、本出願人が先に出願した特願平１１−２９０２６４号、「磁気ディスク評価装置」に記したような、仮サーボ信号によるサーボ性能を評価するサーボ試験機にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態によるヘッド位置決め機構を示す概略説明図である。
【図２】第一の実施の形態によるサーボブロックを示す図である。
【図３】第一の実施の形態におけるサーボシミュレーションモデルを示す図である。
【図４】第一の実施の形態におけるサーボシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態によるサーボブロックを示す図である。
【図６】第二の実施の形態におけるサーボシミュレーションモデルを示す図である。
【図７】第二の実施の形態におけるサーボシミュレーション結果を示す図である。
【図８】一般的なハードディスク装置の位置決め機構を示す概略図である。
【図９】従来のサーボトラックライティング機構を示した説明図である。
【図１０】セルフサーボライティング方式の説明図である。
【符号の説明】
１ 磁気ディスク装置
２ 磁気ディスク（ハードディスク，メディア）
３ スピンドルモータ
４ ロータリーポジショナ
５ スライダ
６ 磁気ヘッド
７ プリアンプ
８ サーボ復調回路
９ 補償器
１０ パワーアンプ
１１ 目標トラック
１２ ＳＴＷ（サーボトラックライタ）
１３ 位置決めピン
１４ 精密回転機構
１５ 仮サーボ信号
１６ 実際のサーボ信号
１０１ ロータリポジショナ固定機構
１０２ メモリ
１０３，２００ フィードバック補償器
２０５ 状態推定器
Claims (4)
- 予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用するに際して、
前記磁気ディスク装置のロータリーポジショナに入力される信号と該ロータリーポジショナの位置検出信号に基づいて、前記仮サーボ信号に対するヘッドの相対位置と該ヘッドの絶対速度を推定し、推定ゲインをかけて出力する状態推定ステップと、
前記状態推定ステップにおいて出力された前記相対位置および前記絶対速度を表す情報を前記ロータリーポジショナの駆動系にフィードバック制御することにより、前記ロータリーポジショナを同心円上に位置決めするフィードバック制御ステップとを具備し、
前記状態推定ステップでは、その推定ゲインを前記駆動系のフィードバック制御ゲインより十分大きくすることにより、取り付けられた磁気ディスクの偏心の影響を無視し、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を正確に推定することを特徴とする磁気ディスク装置のサーボ制御方法。 - 請求項１に記載のサーボ制御方法において、
前記フィードバック制御ステップでは、前記ヘッドの目標位置を指定する目標指令値に基づいて前記ロータリーポジショナを位置決めすることを特徴とする、磁気ディスク装置のサーボ制御方法。 - 予め仮サーボ信号を書き込んでおいた磁気ディスクを磁気ディスク装置に組み込み、該仮サーボ信号に基いて実際のサーボ信号を該磁気ディスク装置自体により書き込むセルフサーボライト方式を採用する、磁気ディスク装置のサーボ制御システムであって、
前記磁気ディスク装置のロータリーポジショナに入力される信号と該ロータリーポジショナの位置検出信号に基づいて、前記仮サーボ信号に対するヘッドの相対位置と該ヘッドの絶対速度を推定し、推定ゲインをかけて出力する状態推定手段と、
前記状態推定手段により出力された前記相対位置および前記絶対速度を表す情報を前記ロータリーポジショナの駆動系にフィードバック制御することにより、前記ロータリーポジショナを同心円上に位置決めするフィードバック制御手段とを具備し、
前記状態推定手段の推定ゲインを前記駆動系のフィードバック制御ゲインより十分大きくすることにより、取り付けられた磁気ディスクの偏心の影響を無視し、ヘッド相対位置とヘッド絶対速度を正確に推定することを特徴とする磁気ディスク装置のサーボ制御システム。 - 請求項３に記載のサーボ制御システムにおいて、
前記フィードバック制御手段は、前記ヘッドの目標位置を指定する目標指令値に基づいて前記ロータリーポジショナを位置決めすることを特徴とする、磁気ディスク装置のサーボ制御システム。
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