(57)【要約】【課題】サーボ引き込み可能な範囲を大幅に改善し、より短時間でサーボ引き込み動作を完了することが可能な情報記録再生装置の提供。【解決手段】記録媒体１０１と、記録再生部１０３と、該記録再生部を移動させるアクチュエータ１１１と、このアクチュエータを駆動するドライバ回路１０９と、誤差信号に基づいて、前記ドライバ回路１０９を制御する制御手段１０７とを備え、前記制御手段１０７は前記誤差信号による誤差検出可能範囲内では該誤差信号に基づいて、該誤差検出可能範囲外では制御対象モデルによるモデル出力に基づいてそれぞれ制御フィルタにより算出される制御出力を用いて前記ドライバ回路を制御することを特徴とする情報記録再生装置。【選択図】　図５
2004046925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録媒体と、この記録媒体上で情報の記録もしくは再生を行う記録再生部と、この記録再生部を前記記録媒体との関係で特定された位置に位置決めするために該記録再生部を移動させるアクチュエータと、このアクチュエータを駆動するドライバ回路と、前記記録再生部と前記位置との間の相対距離を検出可能な誤差信号に基づいて、前記ドライバ回路を制御する制御手段とを備えた情報記録再生装置において、
前記制御手段は、前記誤差信号による誤差検出可能範囲内では該誤差信号に基づいて、該誤差検出可能範囲外では制御対象モデルによるモデル出力に基づいてそれぞれ制御フィルタにより算出される制御出力を用いて前記ドライバ回路を制御することを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項２】
記制御手段は、前記誤差検出可能範囲を横切り中の信号波形に基づいて前記記憶媒体と前記記録再生部との相対速度を測定し、該相対速度に基づいて前記制御対象モデルを演算した結果を前記誤差検出可能範囲外における誤差信号として用いることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記誤差検出可能範囲外における前記制御対象モデルによる前記モデル出力を所定範囲内に制限することを特徴とする請求項２記載の情報記録再生装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記誤差検出可能範囲外から該誤差検出可能範囲内に復帰する際に、前記制御フィルタの状態量を前記相対速度に関連した値にリセットする事を特徴とする請求項２又は３のいずれか一項に記載の情報記録再生装置。
【請求項５】
光ディスクと、この光ディスク上で情報の記録もしくは再生を行うため光ビームスポットを該光ディスク上に集光させる対物レンズと、この対物レンヌを前記光ディスクとの関係で特定された位置に位置決めするために該対物レンズを移動させるアクチュエータと、このアクチュエータを駆動するドライバ回路と、前記対物レンズと前記位置との間の相対距離を検出可能な誤差信号に基づいて、前記ドライバ回路を制御する制御手段とを備えた光ディスク装置において、
前記制御手段は、前記誤差信号による誤差検出可能範囲内では該誤差信号に基づいて、該誤差検出可能範囲外では制御対象モデルによるモデル出力に基づいてそれぞれ制御フィルタにより算出される制御出力を用いて前記ドライバ回路を制御することを特徴とする光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ）などの光ディスクやＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）などの磁気ディスクを用いる情報記録再生装置に関し、特にフォーカスやトラッキングに代表されるサーボの引き込み方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関する従来技術について、光ディスク装置のフォーカスサーボ方式を例に説明する。
【０００３】
ＣＤ及びＤＶＤなどの光ディスクのフォーカスサーボにおいては、レーザを対物レンズによってディスク記録面上に集光させ、そのディスクからの反射光から生成されるフォーカス誤差信号を対物レンズとディスク記録面との相対距離センサとして利用する。対物レンズはＶＣＭ（ボイスコイルモータ）などからなるアクチュエータで光軸方向に可動できるように構成され、前述の距離センサを基に相対距離を一定距離に保つ、いわゆるフォーカスサーボが行われる。
【０００４】
フォーカス誤差信号は幾つかの生成方式があるが、特徴として線形な範囲が比較的狭い範囲（数マイクロメータ）に限られることが上げられる。このため、対物レンズをディスクの合焦点付近へと近接させるサーチ動作がまず行われ、反射光の状態から引き込み可能範囲に入ったことを判断した後にサーボをかけるという一連の動作が行われる。
【０００５】
一般に、サーボをかける際には、ディスクの面ぶれと対物レンズの相対速度を原因とするオーバーシュートを起こしてしまう。オーバーシュートが前述の線形範囲を超えるほど大きなもので有った場合、検出信号が得られなくなるため、引き戻す方向にＢａｎｇ−Ｂａｎｇ的にブレーキをかける方法が一般に採られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の相対速度は、ディスクへの対物レンズの近接速度とスピンドルモータ回転によるディスクの面ぶれ速度、およびレンズ・ディスク間の相対的な位相関係によって決定される。このため、ディスク回転数の上昇、検出範囲の狭化によって、引き込み可能な相対速度範囲に対して余裕度は減る一方である。フォーカス検出範囲は、近年の高密度化に伴うレンズ開口数の上昇のため、また多層化による層間干渉を避けるために狭まる傾向にある。また、高速アクセスへの要求からディスク回転数が増加することに起因して相対速度は大きくなる傾向にある。相対的な位相関係を規定することにより、相対速度を管理し、余裕度内へと誘導する方法が検討される一方、余裕度を増加する手法も同時に求められている。
【０００７】
余裕度を増加する一手法として、Ｂａｎｇ−Ｂａｎｇ的なブレーキにより線形領域に引き戻すオープン制御的な手法が一般に用いられている。しかし、制御系の線形性が崩れるため、特に相対速度が大きくなった場合や、線形範囲が小さい場合に、リミットサイクルと呼ばれる定常発振を起こしてしまい、引き込みに失敗する場合がある。今後の高速化、高密度化に対してもアクセシビリティを保つため、かかるリミットサイクルを回避する手段が必要になる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、記録媒体と、この記録媒体上で情報の記録もしくは再生を行う記録再生部と、この記録再生部を前記記録媒体との関係で特定された位置に位置決めするために該記録再生部を移動させるアクチュエータと、このアクチュエータを駆動するドライバ回路と、前記記録再生部と前記位置との間の相対距離を検出可能な誤差信号に基づいて、前記ドライバ回路を制御する制御手段とを備えた情報記録再生装置において、前記制御手段は、前記誤差信号による誤差検出可能範囲内では該誤差信号に基づいて、該誤差検出可能範囲外では制御対象モデルによるモデル出力に基づいてそれぞれ制御フィルタにより算出される制御出力を用いて前記ドライバ回路を制御することを特徴とする情報記録再生装置を提供する。
【０００９】
かかる本発明にでは、制御手段は、内部に制御対象であるアクチュエータ入力からセンサ出力までの制御対象モデルを持ち、誤差検出可能範囲内では誤差信号を用い、誤差検出可能範囲を外れるとモデル出力に切り替え、見かけ上、誤差検出可能範囲を拡張した効果を得る。また、誤差検出可能範囲を外れるまでに得たセンサ入力信号から通過時の相対速度および変位を測定し、制御対象モデルに渡すことでモデルと実機との偏差を最小限に押さえる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１１】
なお、本実施形態では、光ディスク装置におけるフォーカスサーボ方式を例に説明するが、本発明はそれに限定されるものではなく、光ディスク装置のトラッキングサーボ引き込みや、磁気ディスク、光磁気ディスクを用いる磁気ディスク装置等のトラッキング、フォーカスサーボ引き込み動作など、ディスクとヘッドとの間に相対速度や初期偏差が生じる状況下でサーボ引き込みを行う情報記録再生装置一般に利用できることは言うまでもない。
【００１２】
図１に本実施形態に係る光ディスク装置におけるフォーカスサーボ方式の処理を説明するための概略構成図を示す。
【００１３】
情報記録再生装置である光ディスク装置において、記録媒体であるディスク１０１に記録された信号を正しく再生または記録するためには、スピンドルモータ１０２により回転運動を行い、回転運動に起因する上下方向の面ぶれを起こすディスク１０１に対して、ディスク１０１からの反射光から得られるフォーカス誤差信号を元に記録再生部である対物レンズ１０３とディスク１０１との相対距離をサーボにより焦点深度内に保つことが必要となる。
【００１４】
まず、制御手段であるデジタルコントローラ１０７がオープン駆動波形を出力し、対物レンズ１０３は焦点深度内へ近接動作を行う。その後、演算・増幅回路１０５の出力であるフォーカス誤差信号から線形範囲に突入したことを判断すると、デジタルコントローラ１０７はサーボオンモードに切り替わる。
【００１５】
サーボオン後の処理の流れは以下の通りである。まず、ディスク１０１からの反射光はフォトディテクタ（不図示）により光電変換され、プリアンプ１０４にて増幅され、増幅・演算回路１０５でディスク１０１と対物レンズ１０３との相対距離を表すフォーカス誤差信号を表すよう演算される。フォーカス誤差信号は、Ａ／Ｄ変換器１０６によりデジタル入力され、デジタルコントローラ１０７によりある周波数成分を強調、減衰された上でＤ／Ａ変換回路１０８を経てドライバ回路１０９に送られる。ドライバ回路１０９は送られた電圧値に応じた電流をフォーカスアクチュエータ１１１に流し、対物レンズ１０３をフォーカス方向へと駆動する。
【００１６】
フォーカス誤差信号は、ナイフエッジ法あるいは非点収差法などを用いて演算されるが、一般に相対距離に対して図２に示すようなＳ字状の関数となる。合焦点近傍では相対距離に比例する線形なフォーカス誤差信号が得られるが、一定距離離れると焦点ボケにより反射光の光量が低下し、零へと向かう。このように、相対距離をある範囲（誤差検出可能範囲）内でしか検出できないため、オープン駆動信号などによる近接処理を用いて、合焦点付近にオープン駆動することがまず必要となる。
【００１７】
図３は近接動作・サーボオン動作の遷移において、相対変位とフォーカス誤差信号の関係とを示す図である。近接動作中にはフォーカス誤差信号がまず信号範囲内に入り、零から一度負の値を示した後、ピークを迎えて正の方向へと向かう。このとき出力が零を横切る瞬間に、デジタルコントローラ１０９はサーボオンモードへと切り替えられる。サーボオン後は、近接動作時の相対速度の影響でオーバーシュート（行き過ぎ）を起こした後、合焦点へと引き戻される。この相対速度は、オープン駆動による対物レンズ１０３の持つ速度と、ディスク回転によるディスク面ぶれ速度から決まる。
【００１８】
ここで、図２に示すようなフォーカス誤差信号は一定の誤差検出可能範囲外では相対距離を検出することができないため、オーバーシュート量が誤差検出可能範囲を超えると、フォーカスアクチュエータは暴走してしまうことになる。暴走は、検出範囲を超えたことを判別し、逆方向にブレーキをするといういわゆるＢａｎｇ−Ｂａｎｇ的な保護動作を行うことで低減できる。
【００１９】
しかし、このようなＢａｎｇ−Ｂａｎｇ的な動作を行うとき、近接動作時の速度が速い場合に、リミットサイクルと呼ばれる定常振動を起こしてしまう。これは、線形の領域とブレーキ領域である非線形領域の混在する制御系において、相対的に非線形領域の占める割合が大きくなることにより起こる。より物理的な挙動で説明をすると、線形領域を飛び出したあとにブレーキにより偏差ピークを迎え、再び線形領域に戻るまでに、相対距離を測定できれないが故に適度な減速をかけることができず、飛び出した際の速度と同じかそれ以上の絶対値を持った速度で線形領域を再び横切り、また線形領域でも十分な減速をかけることができず、そのまま同程度の速度で線形領域を通り過ぎ、以下同じ動作を延々と繰り返す、というループに陥ってしまうことが原因である。
【００２０】
非線形領域でもうまく減速をかけるためには、飛び出した速度に応じたブレーキをかける方法がある。具体的には、ブレーキパルス幅や振幅を速度の関数として与えるなどである。この方法は調整によっては効果的であるが、パルス状のブレーキでは計測速度の変動に対してロバストでなく、また、非パルス状の任意波形を用いたブレーキでは、調整のための指針が得にくく、調整は困難である。
【００２１】
そこで、本発明では、誤差検出可能範囲外である非線形領域のダイナミクスをモデルにより推定し、そのモデル出力である疑似センサ出力を元に制御するような構成を用いる。図４は、内部モデル表現を用いた制御ループを説明するためのブロック図である。線形領域では制御フィルタ５０１と制御対象５０４による制御ループ５０６が閉ループ系を構成し、非線形領域においては、スイッチ５１０がモデル側に切り替えられ、制御フィルタ５０１と制御対象モデル５０２による制御ループ５０７が閉ループ系を構成する。ここで、制御ループ５０７では切り替え時の初期状態に対する応答を開始し、その際の制御出力５０９はモデル５０２に入力される一方、制御対象５０４も駆動する。
【００２２】
モデル５０２を元にした制御手法は、モデル５０３と実物との偏差を最小化するようなフィードバックを用いるのが一般的であるが、この場合、非線形領域では実物のセンサ出力は得られず、また、高速に横切る際には線形領域においてもフィードバックが収束する時間を十分にとれないため、フィードバックによる方法はあまり効果的ではない。そこで、横切り時に推定された速度と変位を直接モデル５０２の初期状態として引き継ぎ、再び線形領域内に戻るまでの間、モデル５０２を信用して制御を行い、センサ信号が得られた時点でセンサ信号側に切り替えるという形式をとる。ここで、制御フィルタ５０１及びモデル５０２に示されている数式は離散線形システムを示す一般的な差分方程式で、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐ，Ｄｐはいずれもフィルタの周波数特性を変更するための係数を示している。
【００２３】
なお、モデル側の応答だけが収束し、センサ信号が線形領域に戻ってこなくなる場合が考えられるので、安全策として図５で示すように、モデル出力が線形範囲内に戻らないような制限をかける。図５は、内部モデルの出力を制限する折れ線特性を示す図である。図で言う正の方向に線形領域６０９を出た場合、６０１に示すような、正の線形領域の最外点から内側に入れないようなリミットのかかった折れ線特性を用いる。一方、負の方向に線形領域６０３を出た場合は、６０２に示すような折れ線特性を用いる。
【００２４】
こうすることで、モデル化誤差や速度の検出精度の問題でモデル側の出力が先に線形領域に戻ってくるようなことがあっても、引き続き線形領域に引き戻す方向にアクチュエータを駆動し続けることになり、暴走を防ぐことができる。
【００２５】
図７は、折れ線特性によるリミットの様子を示す図である。図は実際の速度に対してかなり小さく見積もってしまった場合の応答を示している。線形範囲を出てからモデルの相対変位が実際よりかなり早く線形範囲に戻ってしまっているのが分かる。モデルの出力は線形範囲内に入ることはないので、偏差は残り、線形範囲内に駆動され続ける。
【００２６】
また逆に、サンプル時間や時間遅れ、ディスクの反射率の違いなどによる影響で、測定した速度が実際よりかなり速かった場合、引き戻すために大きな駆動力が必要となり、結局電流リミット一杯の駆動力を出し続けることになる。こうなるとＢａｎｇ−Ｂａｎｇ制御と何も変わらなくなり、定常発振してしまうことになる。これを防ぐために、測定した速度にゲインをかけたものを状態量としてモデルに渡すことにする。ゲインを大きくすると収束性が増し、ゲインを小さくすると安定性が増す、という基準の調整が可能になる。
【００２７】
また、線形領域に戻るたび、制御フィルタ５０１への入力が切り替わり、入力が不連続になるが、これは閉ループ系に対してインパルス状の外乱が入ることと等価であるため、出力が乱れ、好ましくない。この影響を防ぐために、線形範囲に戻る度に制御フィルタ５０２の状態量をリセットすることが考えられる。リセットすべき値は例えば以下のように求められる。
【００２８】
制御対象の状態空間表現を（Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐ，０）、制御フィルタの状態空間表現を（Ａｃ，Ｂｃ，Ｃｃ，Ｄｃ）とする。ｘｃ０は求めるべき補償器の状態量、ｘｐ０は制御対象の状態量とする。このとき、
【数１】
2004046925.tif 000003
で示されるリアプノフ方程式の解Ｍから求まる
【数２】
2004046925.tif 000004
のような行列Ｎを用いてＮとｘｐ０の積で求まるｘｃ０は、
【数３】
2004046925.tif 000005
で表されるような評価関数を最小化する解である。ここで、ｇは重みであり、評価関数において制御入力と相対偏差のどちらをどの程度重視するかという比率である。高速に線形領域を横切る場合、相対速度及び相対変位で示されるｘｐ０を観測している時間的余裕がないため、線形領域を飛び出した速度とほぼ同絶対値の速度で線形領域に戻ってくるという前提の元で、図７のように線形領域を出る速度を次回の制御フィルタの初期値設定に用いる。
【００２９】
以上の方法を用いた本発明の実施形態に係るフォーカスサーボ方式のアルゴリズムを図８及び図９を用いて説明する。
【００３０】
図８において、まずサーチ動作を開始すると（Ｓ１）、（Ｓ２）、差信号の差分から相対速度を、差信号そのものから相対変位を計算する（Ｓ３）。和信号の値が一定値を超え、かつ差信号の絶対値が一定値以下であれば線形範囲に入ったと判断し（Ｓ４のＹｅｓ）、サーボオン動作に遷移する（Ｓ５）。一方、そうでなければ線形範囲に入っていないと判断し（Ｓ４のＮｏ）、レンズを近接させるための加振信号（サーチ波形）をレンズアクチュエータに出力する（Ｓ６）。
【００３１】
サーボオンした状態でも、フォーカス誤差信号を表す差信号ｄと反射光の光量を表す和信号ｓをサンプルし（Ｓ７）、相対速度と相対変位からなる状態量ｘｐを記憶し（Ｓ８）、前述と同様の判断で線形領域を出たか否かを判断する。線形領域を出ていなければ（Ｓ９のＮｏ）差分方程式に基づいて（Ｓ９）制御出力ｙの出力を行う（Ｓ１１）。
【００３２】
そして、一定時間が経った後（Ｓ１２のＹｅｓ）にまだ線形領域にとどまっていれば、サーボ引き込み動作が完了したと判断し処理を継続する（Ｓ１３のＹｅｓ）。一定時間後にサーボ引き込み動作が終了していない場合は（Ｓ１３のＮｏ）異常と判断してリトライする（Ｓ１４）。
【００３３】
線形領域外に出たことが判断されると（Ｓ９のＹｅｓ）、それまでのサンプルから、相対運動方向ｓと相対速度ｖ０を予測し記憶する（Ｓ１５）。次に、サーボオン時に記憶しておいたｘｐを初期値としてモデル側のフィルタ演算を行い、予測変位ｄを計算する（Ｓ１６）。そして、変位ｄを後述する図９のフローに基づいて制限する（Ｓ１７）。続いて、変位ｄからサーボフィルタのフィルタ演算を行い（Ｓ１８）、制御出力ｙを計算し、出力する（Ｓ１９）。一定時間後に線形領域に入らない場合は（Ｓ２０のＹｅｓ）異常と判断してリトライを行う（Ｓ１４）。
【００３４】
一方、一定時間の経過前は、フォーカス誤差信号を表す差信号ｄ０と反射光の光量を表す和信号ｓ０をサンプルし（Ｓ２１）、同様のモデル演算及びフィルタ演算を繰り返し、線形領域内に入った場合は（Ｓ２２）、サンプルされた差信号ｄ０と先ほど記憶したｖ０に調整のための係数−ｋと最適化係数Ｎを掛けたものを制御フィルタの初期状態として（Ｓ２３）、サーボオンモードに戻る。
【００３５】
次に上述した変位ｄの制限について図９を用いて説明する。図９は、図５で表現した予測相対変位飽和を実現するフローである。変位ｄの制限が開始されると（ＳＳ１）、方向ｓがレンズとディスクが遠ざかる方向で（ＳＳ２のＹｅｓ）、変位ｄがｄｍａｘより小さい場合は（ＳＳ３のＹｅｓ）、変位ｄをｄｍａｘに保持する（ＳＳ４）。
【００３６】
一方、方向ｓがレンズとディスクが近づく方向で（ＳＳ２のＮｏ）、変位ｄが−ｄｍｉｎより大きい場合は（ＳＳ５のＹｅｓ）、変位ｄを−ｄｍｉｎに保持する（ＳＳ６）。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ある相対速度および初期偏差を持つ情報記録再生装置の記録媒体と記録再生部と間におけるサーボ引き込み動作において、誤差検出範囲外における挙動を制御対象モデルで補間することにより、リミットサイクルを回避し、引き込み可能な範囲を大幅に改善し、また、より短時間でサーボ引き込み動作を完了することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ディスク装置におけるフォーカスサーボ方式の処理を説明するための概略構成図。
【図２】フォーカス誤差信号の一例を示す図。
【図３】フォーカス引き込み動作におけるフォーカス誤差信号と相対変位の挙動を示す図。
【図４】内部モデル表現を用いた制御ループを説明するためのブロック図。
【図５】内部モデルの出力を制限する折れ線特性を示す図。
【図６】折れ線特性によるリミットの様子を示す図。
【図７】制御フィルタの状態量セットの方式を説明するための図。
【図８】本発明に係るフォーカスサーボ方式を説明する為のフローチャート図。
【図９】折れ線特性のアルゴリズムを説明するためのフローチャート図。
【符号の説明】
５０１　制御フィルタ
５０２　モデル
５０３　Ｄ／Ａ変換器
５０４　制御対象
５０５　Ａ／Ｄ変換器
５０６　コントローラと実機によるループ
５０７　コントローラとモデルによるループ
５０８　デジタルコントローラ
５０９　制御出力
５１０　スイッチ
【図１】
2004046925.tif 000006
【図２】
2004046925.tif 000007
【図３】
2004046925.tif 000008
【図４】
2004046925.tif 000009
【図５】
2004046925.tif 000010
【図６】
2004046925.tif 000011
【図７】
2004046925.tif 000012
【図８】
2004046925.tif 000013
【図９】
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