JPS62109272A - 回転記録体のサーボ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、回転記録媒体に対するサーボ方式にかかわ
り、特に、光ディスクの情報を読み出す光学ピックアッ
プに好適なサーボ方式に関するものである。

〔発明の概要〕

この発明は、例えば光ディスク等の回転記録媒体に記録
されている情報を読み出すときに必要とされるトラッキ
ングサーボ装置、スピンドルサーボ装置またはフォーカ
スサーボ装置等に対して、そのフィードバックサーボル
ープ内に少なくとも回転記録媒体の偏心誤差等に対応す
るような関数のモデルを含ませるようにしたものである
。そのため、回転記録媒体の回転数が変化する場合でも
、サーボ装置を省電力化させることができるとともに、
定常偏差を少なくすることができ、高速回転に対しても
サーボ装置を安定に応答させることができるようになる
。

〔従来の技術〕

回転記録媒体としては、磁気ディスク、または光ディス
ク等が実用化されているが、特に、光ディスクの場合は
、記録面密度が非常に高く設計されており、かかる記録
情報を読み出す光学ピックアップとしては、高い応答性
をもち、かつ、定常偏差の小さいサーボ装置が必要とさ
れる。

そのため、従来の光ディスクに対するサーボ装置は高い
ループゲインと安定性を得ることを中心として設計され
、例えば、光ビームを光ディスクの記録トラックに対し
て照射するためのアクチュエータ（２軸機構）の応答性
を改善するとともに、アクチュエータの２次特性の位相
廻りによる安定化を補償するために、複雑な位相補償回
路を使用して一巡伝達関数のゲインが零となる周波数を
なるべく高い周波数にまで拡大し、いわゆるサーボ帯域
を広くすることによって、結果的に低域におけるループ
利得を高くするように設計している。

すなわち、第１１図に示すようにピックアップのトラッ
キングサーボ装置の場合は、サーボ装置の一巡伝達関数
Ｇを曲線Ｂに示すように、従来の特性Ａより高くするこ
とによって定常偏差を圧縮し、かつ、そのサーボ帯域を
高域まで広げることによって応答性の改善をはかってい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、一般的に特性Ｂに示すようにサーボ帯域の高域
限界を高くし、かつ、全体のループ利得を高くすること
は安定性を損なう要因となり、そのため、この高くなっ
た領域の位相廻りを補償するため補償回路が複雑になる
とともに、サーボ信号と無関係な高い周波数成分の信号
等がサーボ装置内に漏れ込み、無駄な熱損失を発生して
アクチュエータの温度上昇と、電源の電力損失を誘発す
るという問題があった。

すなわち、従来のこのような設計手法によって構築され
たサーボ装置は、高い領域までサーボ帯域が伸びている
ので、光ディスクの場合は、その再生時に記録されてい
るＲＦ信号成分がサーボ帯域に漏れるという問題がある
と同時に、不要なノイズがアクチュエータに注入され、
電力消費が増大する。また、サーボ装置の応答性をよく
するためには、サーボ帯域を拡げ、かつゲインを高くし
て定常偏差を少なくすることが要求されるが、ループゲ
インを高くすることは安定性を確保する点で制限され、
結果的に定常偏差を圧縮することが困難になっている。

そこで、本出願人は先に回転記録媒体の偏心等によって
発生する周期的なトラッキングエラー信号、またはフォ
ーカスエラー信号に対してループ利得を向上させるよう
なサーボ回路を設けることを提案した（特開昭５２−１
２０８０５号公報）。

しかし、上述のサーボ装置の場合は回転記録媒体の回転
数が変化するような場合は、その効果が発揮できないと
いう欠点がある。

この発明は、かかる問題点を解消するために、サーボ装
置の設計手法をより現実的な方法で行い、サーボ装置の
省電力化、高性能化　および高速回転化に対応できるよ
うにした回転記録媒体に適用されるサーボ装置を提供す
るものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

この発明のサーボ方式には、制御目標値に対応するモデ
ルがフィードバック制御回路内に含まれるようなサーボ
回路を採用し、前記制御目標値の変化に追従してフィー
ドバックルーズの一巡ループケイン特性が変化するよう
に構成する。

〔作用〕

回転記録媒体が光学ディスクであり、サーボ装置の対象
がトラッキングアクチュエータである場合は、制御目標
値の大部分の信号は光ディスクの偏心量に起因するもの
である。したがって、制御目標値は光ディスクの回転周
期の関数で表わされることになるから、この回転周期の
関数の変化に追従して変化するような高利得の伝達特性
を持った制御要素をサーボループ回路内に設けることに
よって定常偏差をきわめて小さい値に圧縮することがで
きると同時に、光ディスクが高速回転となったときにも
目標値の周期関数に対応して制御要素の最大利得となる
周波数が変化するので、常に、制御目標値に対してルー
プゲインを高くすることができる。また、サーボ帯域は
光ディスクの回転周期に対応して必要な領域内に設定さ
れるので、サーボ装置の消費電力を少なくすることがで
きる。

〔実施例〕

目標値に定常偏差なく応答できるサーボシステムを構成
するための条件としては、目標値の関数のモデルが制御
系のループ内に含まれていることが必要な条件とされて
いる。

「例えば、Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｐ
ｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｏｒｌｉｎｅａｒ　Ｍｕｌｔｉｖ
ａｌｉａｂｌｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ　°Ａｐｐｌｉ
ｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ＆　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉ
ｏｎ−Ｖｏ１２　ｍ　Ｎｏ２，１９７５゜Ｓｐｒｉｎｇ
−ｖｅｒｌａｇＪ ところで、光ディスクを記録媒体とするときのトラッキ
ングサーボでは、渦巻状に形成されている記録トラック
を追跡するための主要な目標値ＸｒｅｆＴは、光ディス
クの偏心の基本成分が大部分を占めており、さらに、光
学ピックアップを光ディスクの半径方向に送るための直
流成分も含まれることになる。したがって、光ディスク
の回転角速度をωとすると、目標値Ｘｒｅｆｆはｘｒｐ
ｒｒ＝ＡＳｉｎωｔ＋Ｂｔ　　・−・・・・・−・−・
・（１）として表わすことができる。

通常の光デイスクプレーヤの場合は、（１）式のＢｔ酸
成分光学ピックアップの送りモータに受は持たせること
ができるので、アクチュエータに対しては ｘ　ｒｅｔｒ＝　ＡＳｉｎ　ωＬ　　　　　　−φ・−
”（２）を主波な目標値とすることができる。

第１図は、かかる条件に基づいて構成したこの発明の基
本的なサーボ装置のブロック線図を示したものであって
６ＧＣは伝達特性が、 素、Ｇｏは従来のサーボ回路におけるような外乱等に適
格に応答できる伝達特性を持った伝達要素、Ｇａはアク
チュエータの伝達要素を示している。アクチュエータの
伝達特性は、一般的に２次特性となっているので、 または、 で示される。

伝達要素ＧＣＩは光ディスクの偏心量の基本波成分を構
成する回転数ωｄの信号に対して無限大のωｄは光ディ
スクの回転数を検出した信号Ｓ（ω）によって後述する
ような回路手段で可変されるように構成されている。

そして、そのボード線図は第２図（ａ）、（ｂ）に示す
ように設計されている。

したがって、光ディスクの回転数Ｎに追従して伝達要素
Ｇ　ｃ　ｌのωｄを変化すると、その基本偏心値に対し
ては理想的には無限大の利得を有しており、定常偏差を
０にすることができる。

伝達要素ＧＣ２の特性ａ２５２　＋ａｌ　　Ｓ＋ａ（１
は２次特性とされているアクチュエータの位相補償特性
を示すものであり、そのボード線図は第３図（ａ）、（
ｂ）に示すように、例えばアクチュエータの逆特性とす
ることができる。（（ωａ）はアクチュエータの共振周
波数） なお、伝達要素ＧＣ２の特性はｃｃ２＝ａｌｓとしても
よい。

したがって、前記伝達要素Ｇｅｔ、　ＧＣ２の合成特性
のボード線図は第４図（ａ）、（ｂ）に示すようになる
。

この場合、各伝達要素ＧＣＩ・ＧＣ２・Ｇ、の直列の特
性を考えると、ω＝ωｄの点で急激に位相廻りが１８０
０反転するため、系が不安定になる。

そこで、伝達要素ＧＣ３に第５図（ａ）、（ｂ）に示を
持った位相補償器を付助口し、第４図で点線で示すよう
にω＝ωｄ付近で位相余裕を与え、ω＝ωｄのときのＧ
ｅｌ・ＧＣ２＠　ＧＣ３＊　Ｇ、］の総総合性の安定性
を確保する。

なお、第１図のＫｌ、に２は係数器であり、従来の伝達
要素Ｇｏ　と、本発明で採用する伝達要素Ｇｃによるフ
ィードバックら（を所定の値に設定するものである。

伝達要素ＧＣＩは回転記録媒体の一つである光ディスク
の回転数をＦＧ等によって検出し、その信号Ｓ（ω）に
よって共振ピーク点ωｄを回転周波数ωに対応して変化
させる。この場合、伝達要素ＧＣ３の時定数ｂｌ、ｂ２
　も同時に前記信号Ｓ（ω）に追従して変化させること
が好ましい。

本発明のサーボ方式の基本回路は上述したように制御目
標値（ｘｒｅｔｔ＝　ＡＳｉｎωｔ）に応答するサーボ
ループ内に含まれているので、理想的には回転記録媒体
の偏心基本波成分に対しては定常偏差をＯにすることが
できる。また、回転記録媒体が高速になったときも、前
記伝達要素ＧＣＩのピーク点ωｄが目標値、すなわち回
転記録媒体の偏心基本波成分（ωｄ）に追従して変化す
るので、従来の制御要素Ｇｏの利得、及びサーボ帯域を
高くして、常時、応答性を高くしておく必要がなくなり
消費電力が増大しない。

すなわち、本発明の〜巡ループ特性は、第６図（ａ）の
実線で示すように、従来のサーボ回路のループ利得曲線
Ａに対してサーボ帯域の上限が低いため高域で混入する
ノイズ成分に対して省電力化が達成されるとともに、目
標値の大部分を占める偏心基本波成分ωｄに対しては部
分なループ利得を１Ｆえることができ定常偏差の小さい
状態でサーボをかけることができる。

また、ディスクが高速回転となった場合も伝達要素ＧＣ
Ｉのピーク点が第６図（ｂ）のように移動して高域の偏
心基本波成分に追従して一巡ループ利得が高くなるので
、高速回転にも対応できる。

第７図はこの発明の伝達要素Ｇｃの具体的な回路例を示
したもので、一点鎖線で囲ったＡのＡ６から形成されて
いるＢの部分を含めると伝達が形成される。

を構成する伝達要素ＧＣ３の回路部分を示す。

伝達要素ＧＣＩを構成する演算増幅器ＡＩ、Ａ？。

Ａ］、Ａ４　は、ステートバリアプルフィルタを構成す
るもので、演算増幅器Ａ１は加算器、同じくＡ２．Ａ３
は精分回路、Ａ４はフィードバック量の設定を行う増幅
回路であって、この増幅回路によって帰塁量を設定し、
前記第（３）式のωｄを設定することができる。

したがって、スイッチＳ１を光ディスクの回転数に対応
して切り換え、抵抗Ｒ１の値を切り換えることにより、
光ディスクの偏心基本波成分に追従して共振点を変化し
、偏心基本波周波数に対して最大のループ利得を学える
ことができる。

演算増幅Ａｂ、Ａ、は伝達要素Ｇｅｌの各部の′上圧Ｖ
、、Ｖノ　を加算することによって前記第４図（ａ）の
周波数特性を形成するものである。

そのため、アクチュエータの機械的な応答特性に関連し
て抵抗ｒ９．ｒ７．ｒｌｌが調整され係数ａ２゜ａｌ＋
ａＯが設定される。

位相すすみ回路を構成する伝達要素ＧＣ３のスイッチＳ
２，３３　も同様に光ディスクの回転数に対応して、ス
イッチＳ１　と同様に切り換え、ωｄ付近の位相廻りを
安定にする。

なお、帰還埴の切り換え（スインチＳ＋）、時定数ｂｌ
、ｂ２の切り換え（スイッチＳ２．Ｓ３）は、非直線性
の電子的な可変抵抗を使用することによって省略するこ
ともできる。

第８図は前記伝達要素ＧＣＩ、　ＧＣ２の特性切換部分
をスインチドキャパシタフィルタによって形成した他の
実施例を示したものである。

この実施例の場合は、第７図と同様にステートバリアプ
ルフィルタで構成され、回路の通過ｌｉｄ域ωｄの変化
を一点鎖線で示すスイッチドキャパシタＳ　（ｒ＋）、
　５　（ｒ２）、　Ｓ　（Ｒ２）、　Ｓ　（Ｒ：＋）テ
行うようにしたものである。

すなわち、各スイッチドキャパシタを構成するスイッチ
Ｓを光ディスクの回転周波数ｆに対応したＦＧ信りによ
って切り換えると、前記第７図の抵抗ｒ１．ｒ２．Ｒ２
，Ｒ３の値を変化させるのと同等の効果を持たせること
ができる。すなわち、となり、（ｋｆ）２＝ωｄ２にす
ることによって光ディスクの回転周波数ｆ（ω）の偏心
基本波成分のエラー信号に対して高いループ利得を安定
領域で形成することができる。

第９図はこの発明のさらに他の実施例を示すサーボ装置
のブロック図を示したもので、ｌは制御目標値と実際の
位置の値の信号（エラー信号）を形成する加算器１０の
高域信号成分を除去するローパスフィルタ、２はＡ／Ｄ
変化変化極２ａジタル演算回路２ｂ、Ｄ／Ａ変換器２Ｃ
から形成されているデジタルフィルタ、３はローパスフ
ィルタ、４は第１の係数器、５は加算器、６はアクチュ
エータの伝達特性Ｇａを示す伝達要素、７は従来の外乱
性のノイズに対してサーボをかけるための伝達要素（Ｇ
ｏ）、８はゲート回路、９は第２の係数器（Ｋ２）であ
る。

この実施例は前記した第１図に示すサーボシステムにお
ける伝達要素Ｇｃを光ディスクの回転周期に対応して、
ピーク点周波数ωｄが可変とされるようなデジタルフィ
ルタで構成したものである。

デジタルフィルタを構成するデジタル演算回路２ｂの演
算スピードは偏心周波数（数１ｏＨｚ）に対して時間遅
れがないものであればよく、マイクロコンピュータ等を
そのまま利用することができる。

ゲート回路８は、例えば、このサーボ装置がトラッキン
グアクチュエータ等に適用される場合、ドロップアウト
等によって瞬間的にサーボの引き込み範囲から逸脱する
事故を防止するために設けられたものである。

すなわち、従来のサーボ装置では、そのループ利得特性
が前述したように、なるべく高帯域まで応答性が高くな
るように設定されているので、光ディスクの記録面にド
ロップアウトがあると、サーボのキャプチャレンジを逸
脱するおそれがあるが、本発明のサーボ装置は偏心の基
本波成分で高利得とされているので、かかるドロップア
ウトに対しては応答性が小さい。したがって、ドロップ
アウトがあるときにゲート回路８を開くように構成する
よ、ドロップアウトによって７クチユエータが作動しな
くなり、本発明の伝達要素ＧＯの慣性にしたがってドロ
ップアウト部分を通過することができるようになる。そ
のため、アクチュエータの無駄な動きを抑圧することが
できるようになる。なお、このゲート回路８は第１図の
基本的なサーボ回路にも適用できることはいうまでもな
い。

第１０図はこの発明のさらに別の実施例を示す伝達要素
の具体例を示したもので、この実施例の分ωｄの変化を
、回路の非直線性によって光ディスクの周期関数に対応
して自動的変化させようとするものである。

ｒ非線型振動論　Ｐ２Ｏ：椹木義−著、共立出版社発行
ｊに記録されている非線形共振要素の解析によると、復
元力が原点に対して対称であり、かつ、洛数次の非線形
特性を有する振動系にＶ工ＰＯＳｉｎωｔなる外力を加
えた場合の強制振動系は、 ｍ父＋ｃｉ＋ｋｘ＋βｘ３　　＝　Ｐｏ−３ｉｎ　　（
１）　ｔとなる運動方程式で示される。

ここで、ｍ：アクチュエータの質量 Ｃ：粘性抗抗項 に：バネ定数 であり、賢、には変位Ｘの２階、および１階微分を示す
。

このような運動方程式を解くと、振動系の共振周波数ｆ
Ｏは、外部から加えられた振動周波数ｆに引き込まれて
共振ピーク点が移動し、非線形同期作用として知られて
いる特性を持つ。

に前記した非線形同期作用を持たせる回路例を示したも
ので、前述した第７図と同一部分は同一符号とされてい
る。

演算増幅器Ａ７．Ａ８．およびダイオードＤＩ、Ｄ２か
らなる非線形回路ＮＡによるフィードバック系は、第１
Ｏ図（ｂ）に示すように入力信号■１と出力電圧ＶＯの
伝達特性が３次の非線形特性を持つように構成されてい
る。

そのため、信号Ｖ１、つまり光ディスクの偏心基本波周
波数ωが変化すると、この回路の伝達特性を示す共振周
波数ωｄもω＝ωｄとなるように追従して変化し、第１
０図（Ｃ）に示すように偏心基本波ωに引き込まれて、
成る範囲内でωｄも追従して変化する。（このような現
象は、一般的に「はなまがり現象」として知られている
。）この追従する範囲は外部から印加される信号■のレ
ベルが大きい程広くなり、ωの５倍程度の変化にも追従
して伝達特性Ｇｃのωｄも変化する。

したがって、この実施例で示した回路の伝達要素によっ
てサーボ装置を形成すると、光ディスクの回転数を例え
ばＦＧ（周波数発電機）等によって検出することなく、
光ディスクの偏心基本波成分に対応して一巡ループ利得
の高いサーボ装置を構築することができ、定常偏差の小
さいものにすることができる。

さらに、この実施例によると前述した共振点付近の位相
廻りを補償する位相補償器（ＧＣ３）が不要になるとい
う利点もある。

なお、伝達要素ＧＣＩを形成するフィルタに対してに非
線形特性を午えているが、各演算増幅器ＡＩ＋Ａ　２　
、　Ａ　３　、　Ａ　ｒ　、　Ａ　ｓは、もともと大入
力レベルに対して非線形特性を示すので、十分なレベル
の目標値信号Ｘｒｅｆ（を与えることによって非線形周
期原象が得られるので、この場合は非線形回路ＮＡを省
略することもできる。

なお、アクチュエータの伝達特性がＯ型、つま−夕に対
しても、目標値をｘｒｅｆｒ＝ＡＳｉｎωｔ＋Ｃとする
ことによって、前述した各実施例の伝達要素をそのまま
応用することが可能である。

この場合は、送りモータが小型であってＤＣオフセット
特性があるときでも、アクチュエータが直流成分に対し
て無限大の利得（Ｓ→０で、Ｇ＝ｃｌＦ３）で応答する
ため、省電力化とする場合にさらに効果的である。

〔発明の効果〕

以Ｅ説明したように、この発明のサーボ装置は回転記録
媒体に適用した場合、その回転数に対応した制御目標値
に対してきわめて高いループ利得を午えることができる
ので、定常偏差がきわめて低いものにすることができる
。また、サーボ装置の一巡伝達特性の利得曲線が回転記
録媒体の回転周期に追従して変化するように構成されて
いるので、高速回転としたときでも安定に応答すること
ができるとともに、外乱等に対する従来のサーボ回路の
利得およびサーボ帯域のＬ限を下げることができるので
省電力化とすることができる等の効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明のサーボシステムの基本的なブロック
線図、第２図（ａ）、（ｂ）、第３図（ａ）。 （ｂ）、第４図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ伝達要素Ｇ　
Ｃ＋　、　Ｇ　ｔ；　２　、及びＧＣ１＋Ｇ、ｌの伝達
特性を示すボード線図、第５図（ａ）、（ｂ）は位相補
償用の伝達特性を示すボード線図、第６図（ａ）、（ｂ
）は本発明の綜合ループゲイン特性を示す説明図、第７
図は本発明のサーボ装置に使用できるフィードバック伝
達要素の一実施例を示す回路図、：５８図は同じくフィ
ードバック伝達要素の他の実施例を示す回路図、第９図
はデジタルフィルタを伝達要素とする場合のブロック図
、第１０図（ａ）。 （ｂ）、（Ｃ）は非線形共振回路を使用した伝達要素の
回路図と、その特性及び共振周波数を示すグラフ、第１
１図はサーボ装置１こおけるループゲイン特性の説明図
である。 図中、ＧＣＩは回転記録媒体の偏心基本波成分に対して
利得を高くすることができる伝達要素、ＧＣ２はアクチ
ュエータの伝達特性に対する補償を行う伝達要素、ＧＣ
３は位相補償用の伝達要素、ＣＯは外乱等に対して主に
応答する伝達要素、Ｇａはアクチュエータの伝達特性を
示す伝達要素である。 ＩＪＪ　ａｗｄ　　□ω φ Ｇｃ＋−Ｇｃ２（Ｇｃ：＋−Ｇａ）つノｒｖ−トＩＱＢ
第４図 ＧＣ３つ水−’ｈ−，４１−図 第５図 り一一一一−ｌ−−、Ｊ Ｇｃ１◆Ｇｃ２φＧＣ３ｏＩ！！Ｊｒ＞回詳１ｚ＋ｉ、
、　８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転記録媒体に対するサーボシステムループ内に、少な
   くとも回転記録媒体の偏心基本波周波数の変化に追従し
   てピーク値が変化するような伝達特性を有する回路を含
   ませたことを特徴とする回転記録媒体に対するサーボ方
   式。