As the high capacity multimedia contents become popular among consumers, the demand for the high capacity storage device is increasing. Especially for the optical storage device, the near field recording (NFR) system becomes a key candidate for high-density recording method with the introduction of solid immersion lens (SIL). Using the solid immersion lens and its optical property, a gap between disc and lens could be calculated and controlled under nano-scale by the precise actuating motion of wire type actuator.
Generally, a 3-axis wire type actuator is widely used for the conventional ODD system, and it guarantees a precise servo not only in the focusing-tracking direction, but also in the low frequency radial tilt direction. With this good performance of 3-axis actuator, the NFR system also adopted a 3-axis actuator from the initial stage of development. However, when the linear and rotational motion coupled together, unwanted motion was observed, and it produced unstable servo performance. Moreover, since previous research was focused on angle compensation of disc for low frequency range, it is not necessary to understand high frequency characteristics of actuator in the rotational direction. Therefore, this paper analyzed the coupled motion of 3-axis actuator and tried to introduce the design guide of 3-axis actuator by constructing the generalized equation of motion.
Coupled behavior was analyzed by singular value decomposition of transfer function matrix, and it showed that rotational motion affected to the linear motion in the high frequency range. Therefore, to decouple linear and rotational motion, off-diagonal term of transfer function matrix should be minimized, and to do that, two approaches were considered.
At first, by adding decoupling matrix in front of actuator plant model, system optimization was examined. By synthesizing decoupler and original plant model, pseudo-plant could be built and by simple arithmetic operation, off-diagonal term of pseudo-plant could be eliminated. However, non-minimum phase system of original transfer function matrix led to unstable pseudo-plant system, and unstable step response was observed. Therefore, in the second place, structural optimization was tried, critical variables which affected coupled motion were selected, and their values were adjusted. By the sensitivity analysis, moment of inertia about z axis $I_{oz}$ and mass distribution in x, y direction $S_x$, $S_y$ were selected for critical variables. And range of $10^{-10} < I_{oz} < 10^{-8}$ and $S_x, S_y < 10^{-8}$ were selected for optimal ranges of decoupling. Actually, when we applied the above optimal range to the modeling, coupling behavior disappeared.
After selecting the optimal range of design variables, optimal shape of actuator was modeled by FEM topology, and rib structure was suggested for reducing mass distribution in x-direction without loss of stiffness.
To measure the linear and rotational error signal, optical property of SIL based NFR was used. In case of gap error, by the brightness of reflected beam at photo-detector, a gap distance between disc and SIL was calculated. For the tracking error, 1 beam push-pull method was applied, and for tilt error signal, modified gap error signal was used.
Using these error signals, system block diagram was constructed, and to minimize error signals under disc disturbance, compensator part was added on. In this paper, to detect low frequency disturbance and compensate phase over the 1st resonance frequency of actuator, lead-lag filter was constructed, and its performance was verified with experimental result by digital signal analyzer.
Finally, servo-test in each direction was performed, and showed a good result. In case of gap servo, residual error level was controlled under 5nm, and tracking error was eliminated perfectly. For tilt servo, disc run-out from 0.1°to 0.5°was compensated successfully. Also, sensor coupling between linear and rotational motion was measured. To solve this problem, slit structure was inserted in front of photo-detector, and its performance was verified by experimental result.
본 연구는 차세대 광 디스크 드라이브의 후보 중 하나로 현재 활발한 연구가 진행되고 있는 근접장 정보 저장 시스템의 구동기의 설계 및 제어에 관한 것이다. CD, DVD와 같은 기존의 광 정보저장기기는 하나의 대물렌즈를 통해 빛의 초점을 만들어 정보 저장에 이용하는 원리에 기초한 것으로, 최대 기록 밀도는 빛의 파장 이하로 초점을 생성 시킬 수 없는 회절 한계에 의해 제약 받게 된다. 근접장 광 정보 저장 기기는 이러한 회절 한계를 극복하고, 보다 높은 기록밀도를 구현하기 위한 새로운 광 정보저장 방법이다.
근접장 광 정보저장기기에서는 기록 밀도가 증가함에 따라 트랙간의 간격도 약 100nm 수준으로 줄어들고, 디스크와 렌즈간의 간격도 30nm 수준으로 유지하여야 하므로, 디스크와 렌즈간의 기구적 허용 각도는 ±0.4도 수준이며, 이로 인해 기존 광 디스크 드라이브에서 사용되는 구동계에 회전 방향 구동을 추가하여 총 3자유도 운동이 가능한 정밀 구동계를 이용하여야 한다. 3 자유도, 즉 3축 운동 구동계는 디스크의 런-아웃을 보상하기 위해 상하 방향으로 이동하는 포커싱 방향, 디스크 중심과 트랙 중심간의 불일치로 인해 발생하는 편심을 보상하기 위해 좌우 방향으로 이동하는 트랙킹 방향, 디스크 회전 중 발생하는 상대 경각을 보상하기 위해 회전하는 롤링 방향을 구동축으로 하여, 와이어 서스펜션에 의해 지지되는 능동 서보 구동계이다. 이와 같은 3축 구동계에 대해서 일반화된 수학적 모델링을 세워 선형 방향 운동과 회전 방향 운동간의 상호 교섭 여부를 파악해 보았다.
선형 방향 구동이 발생한 상태에서 회전 운동이 발생한 구동부의 평면 모델 벡터로부터 운동 에너지와 위치 에너지를 추출하여 Lagrange 수식에 대입하여 구동부의 최종 방정식을 유도하였으며, 유도된 방정식으로부터 주파수 응답 특성을 분석한 결과, 선형 방향 응답과 회전 방향 응답에 서로 교섭된 효과가 발생하는 것을 관측할 수 있었다.
상호 교섭된 영향을 정량적으로 분석하기 위해 특이값 분해를 수행하였으며, 그 결과 70Hz 이상에 해당하는 고 주파수 영역에서 회전 방향 입력 성분이 선형 방향 출력 성분에 큰 영향을 미치고 있음을 파악할 수 있었으며, 구동계의 전달 함수 행렬 중 비 대각 행렬 성분 최소화를 통해 상호 교섭을 감소 시킬 수 있음을 알 수 있었다. 구동계 전달 함수 행렬의 비 대각 행렬 최소화를 위해서는 시스템 적인 접근과 구조적인 접근 두가지 방식을 수행하였으며, 시스템 접근은 비 대각행렬 제거를 위한 디커플러를 적용하였다.
디커플러를 적용하기 위해 구동계 플랜트 모델의 앞 단에 디커플링 행렬을 추가하였으며, 디커플링 된 전달 함수의 주파수 특성을 분석한 결과 비 대각행렬 성분이 최소화 되는 것을 확인할 수는 있었다. 하지만, 대각 행렬의 스텝 입력 응답을 살펴보면 불안정이 야기되는 것을 발견할 수 있는데, 이는 적용된 디커플러에 RHP zero가 존재함으로 인해 발생하는 것임을 알 수 있었다. 따라서, 시스템 최적화 측면에서 구성하고자 하였던 디커플러를 적용하기 위해서는 원 전달 함수 자체에 RHP zero가 존재해서는 안되며, 이를 위해 구동계의 설계 변수 최적화를 통한 구조적 접근이 필요함을 결론짓게 되었다.
구동계 설계 변수 최적화는 민감도 함수 분석을 통해 추출하였으며, 그 결과 $I_{oz}, S_x, S_y$ 가 순서대로 커플링에 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 따라서, 이 값의 범위를 $10^{-10} < I_{oz} < 10^{-8}$, $S_x, S_y < 10^{-8}$ 로 설정하는 경우 디커플링 효과가 사라져 원 구동계 전달 함수의 대각 행렬에는 더 이상 커플링 성분이 발견되지 않음을 시뮬레이션과 실험으로 확인하였다. 구조 최적화를 위한 설계는 민감도 분석을 통한 변수 최적값 적용과 함께, 구동부의 강성 유지를 위해 Optistruct 소프트웨어를 이용하여, 구동부의 강성은 유지하되 $S_x$ 값의 최소화를 가져오는 형상을 추출하였으며, 이 결과를 토대로 실제 구동계를 제작하였다.
제작된 구동계를 포커싱, 트랙킹, 롤링 세 방향으로 서보하기 위해서는 서보계 설계가 필요하며, 디스크 런-아웃 보상을 위한 저역 보상과 서보 주파수 대역의 위상을 보상하기 위한 lead-lag 보상기를 기본 형태로 하는 PID 제어부를 이용하여, 각 방향 서보 성능을 실험으로 검증하였다. 한편, 회전 방향 기준 신호의 경우는 구동부의 트랙 방향 이동으로 인한 신호가 연성되어 나타나는 문제가 있으므로, 이를 디커플링 시키기 위해 추가적인 slit을 수광부 앞단에 두어 각 방향 기준 신호를 분리하여 검출할 수 있는 가능성을 확인하였다.
결론적으로, 본 논문에서는 근접장 정보 저장 시스템에서 안정적인 신호 검출을 위한 구동계의 최적 설계 가이드를 제안하고, 이에 대한 평가를 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다. 또한 설계된 구동계를 제작하고 각 방향 서보 특성을 확인하여 실제 제품에 적용 가능한 수준의 특성을 확보할 수 있게 되었다. 향후 광 드라이브의 다 자유도 정밀 구동계 설계 시, 각 방향 운동에 대한 체계적인 분석 자료로 활용이 가능하며, 설계 시작 가이드로 삼아 구동계 특성 향상에 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
