JP4589435B2

JP4589435B2 - 光ディスク駆動部においてターンテーブルモータからエネルギーを回収する方法、及び光学装置

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Publication number: JP4589435B2
Application number: JP2008520999A
Authority: JP
Inventors: アーイェーローイマンス，ヘンドリキュス; アーヘーゼマンス，コルネリウス; ベイネン，ヨープファン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-07-06
Also published as: WO2007010423A3; DE602006016950D1; EP1908068A2; KR20080030665A; US20080218106A1; WO2007010423A2; US7683559B2; MY138794A; CN101223593A; TW200710827A; ATE481708T1; CN101223593B; EP1908068B1; JP2009501400A

Description

本発明は、光ディスク駆動部においてターンテーブルモータからエネルギーを回復する方法に関する。本発明は、更に、ターンテーブルモータからのエネルギーが回復され得るところの光学装置に関する。

光学駆動部は、ターンテーブルモータと、通常動作中に幾つかの状況においてターンテーブルにクランプされるディスクとを加速及び減速する必要がある。それは、例えば、読出又は記録をなされる必要がある新しいディスクが駆動部に置かれる場合に、駆動部が電力節約モードに入った後に再起動する必要がある場合に、又は、シークがディスクの外側半径からより小さな半径へとＣＬＶ（ＣｏｎｓｔａｎｔＬｉｎｅａｒＶｅｌｏｃｉｔｙ）モードで実行される場合に、加速する必要がある。また、減速は、同様の状況で、即ち、排出すべきディスクを停止する場合に、電力節約モードへ移行する場合に、又は、ＣＬＶモードで外側シークを実行する場合に、起こる。

ターンテーブルモータ及びディスクが減速されるべき状況で、このようなシステムの運動エネルギーは小さくなる。これは、減速後に、モータが減速前よりも低い周波数で回転しているためである。

光学駆動部のターンテーブルモータを減速するための、先行技術に従う目下利用される方法において、エネルギーの正味の量は、零又は零よりも大きい値のいずれかであるよう電源から要求される。これは、以下の既知の方法を参照する：
− 一定の逆電圧によりモータにブレーキをかける。エネルギーは、摩擦により、更に、電流がコイルの内部抵抗に流れるために、消散する。
− モータ自体のコイルを短絡することによってモータにブレーキをかける。エネルギーは、摩擦により、更に、モータバックＥＭＦが、コイル抵抗を流れる電流を生じさせているために、消散する。
− コイル回路を開放する。故に、モータ及びディスクは摩擦によって減速する。エネルギーは、摩擦によってのみ消散する。

故に、モータ及びディスクの運動エネルギーは小さくなり、従って、エネルギーは放出するが、このエネルギーは、摩擦によって及びモータを駆動することによって消散するエネルギーの量だけ補償される。即ち、エネルギーは、かかる量だけ上回る。

本発明は、摩擦によって及びモータの駆動によって消散するエネルギーの量が、放出される運動エネルギーよりも小さくなり、結果として、システムにおいて他の場所で使用され得る正味のエネルギーの残りが得られるような方法及び光学装置を提供することを目的とする。

上記目的は、独立請求項の特徴によって解決される。本発明の更なる発展及び好ましい実施形態は、従属請求項で述べられている。

本発明に従って、電源と、第１の状態で前記電源からターンテーブルモータへ、及び、第２の状態で前記ターンテーブルモータから前記電源へ電流を選択的に供給することができる回路とを有する光ディスク駆動部において前記ターンテーブルモータからエネルギーを回収する方法であって：
前記モータを減速させる減速ステップ，
減速プロセス全体にわたって積分される電流が前記モータから前記電源へ供給されるように、前記モータを減速させている間、前記モータの角速度に依存して、前記第１の状態の存続時間と前記第２の状態の存続時間との間の比を繰り返し計算する計算ステップ，及び
前記比を計算した後、該計算された比に従って、前記第１の状態の存続時間及び前記第２の状態の存続時間を選択する選択ステップ，
を有する方法が提供される。

当該方法は、ほんの僅かの計算努力に基づいて、アルゴリズムの形で実施され得る。従って、当該方法は、容易に既存のシステムに導入され得る。

具体的に、前記比は、α／（１−α）として定義され、αの最適値は、式α_ｏｐｔ＝（２Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／４Ｖ_ＣＣに従って計算される。ここで、Ｖ_ＣＣは電源電圧であり、Ｖ_ＥＭＦは、式Ｖ_ＥＭＦ＝ｋ_Ｍω_Ｍに従って前記モータの前記角速度ω_Ｍ及びモータ定数ｋ_Ｍに依存する電磁力依存電圧である。

このように、Ｖ_ＥＭＦの実際の値に依存して、αは、Ｖ_ＥＭＦの上位値、例えば０．８５から、０．５のより低い値の間で変化し、従って、ω_Ｍ＝０である。

実際には、前記第１の状態の存続時間及び前記第２の状態の存続時間は、前記モータへ適用される対応するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を選択することによって選択される。このように、電圧の更新はαの更新を意味する。電圧は、ＰＷＭ信号として前記モータへ印加される。従って、電圧の更新は、パルスのデューティーサイクルαが変化しうることを意味する。実際には、電圧又はαの変化は、ドライバ集積回路（ＩＣ）の入力部へ異なる電圧を印加することによって行われる。概して、ドライバは、入力ピンでの電圧を出力段でのＰＷＭ信号へと変換する電子回路を備えられる。

本発明の具体的な実施形態に従って、前記計算ステップ及び前記選択ステップは、前記減速プロセス全体にわたって一定の周波数を有して実行される。十分に高い一定の周波数の選択は、システムのプログラミング努力が削減されるという意味では、本発明に従う方法を実施する従来の方法である。

好ましい実施形態に従って、前記計算ステップ及び前記選択ステップは、より後の減速期間よりも、より早い減速期間の間に、より頻繁に実行される。これは、プログラミング努力の増大を必要とする。しかし、これは、より早い減速期間の間、経時的なαの変化及び回収され得るエネルギーが、より後の減速期間の間よりも高いという事実によって正当化される。従って、かかるより早い期間の間、この増大したプログラミング努力と、更に、より高い計算努力とを費やすことが有用である。

具体的に、前記計算ステップ及び前記選択ステップは、時間の関数としての前記比が所定の時間プロファイルに適合するように実行される。これに基づき、本発明は、如何なる所望の性能に関しても最適化され得る。また、時間依存に加えて、あるいは、時間依存に代えて、モータの速度の関数として計算ステップの前記周波数を選択することも可能である。

本発明に従って、更に、電源と、第１の状態で前記電源からモータへ、及び、第２の状態で前記モータから前記電源へ電流を選択的に供給することができる回路とを有する光学装置であって：
前記モータを減速させる減速手段，
減速プロセス全体にわたって積分される電流が前記モータから前記電源へ供給されるように、前記モータを減速させている間、前記モータの角速度に依存して、前記第１の状態の存続時間と前記第２の状態の存続時間との間の比を繰り返し計算する計算手段，及び
前記比を計算した後、該計算された比に従って、前記第１の状態の存続時間及び前記第２の状態の存続時間を選択する選択手段，
を更に有する光学装置が提供される。

具体的に、前記減速手段、前記計算手段及び前記選択手段のうちの少なくとも１つは、当該光学装置の一般動作タスクを実行するために設けられるデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）に実装される。

更なる実施形態に従って、前記減速手段、前記計算手段及び前記選択手段のうちの少なくとも１つは、当該光学装置の一般動作タスクを実行するために設けられるマイクロプロセッサに実装される。

この意味で、本発明は、先行技術の光学装置に存在する構成要素に基づいて実施され得る。

これは、また、第１の状態で前記電源から前記モータへ、及び、第２の状態で前記モータから前記電源へ電流を選択的に供給する能力が、フルＨブリッジを用いる集積回路（ＩＣ）によって提供されるところの好ましい実施形態に適用される。フルＨブリッジを用いる処理装置の例は、フィリップス製のＳＡ５６２０２プロセッサである。

本発明に従って、ターンテーブルモータからのエネルギーは、光ディスク駆動部の既存の構成要素に１つのプログラミングコードを導入することによって、容易に回収され得る。モータドライバＩＣは、フルＨブリッジを用いることによってモータを駆動するように選択されるべきであり、従って、その電源に電流を戻すことができる。減速相の間、モータへ印加される電圧は、所定のプロファイルに適合するように実時間で更新される。

本発明の上記及び他の態様は、以降に記載される実施形態から明らかであり、これらを参照して説明される。

図１は、本発明に従う方法を実現する第１のスイッチング状態にある、ターンテーブルモータを取り付けられた駆動回路を示す。図２は、本発明に従う方法を実現する第２のスイッチング状態にある、ターンテーブルモータを取り付けられた駆動回路を示す。本発明は、スイッチングモータドライバを使用する光学駆動に適用され得る。図１及び図２は、いずれの動作方式についても、一例として、モータ１２を取り付けられたドライバ１０の簡単なモデルを与える。調整は、また、様々な方法で動作する。ドライバ１０は、対で動作することができる４つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４を有する。ＳＷ１及びＳＷ４は閉じられており、ＳＷ２及びＳＷ３は開いている（図１）。あるいは、ＳＷ１及びＳＷ４は開いており、ＳＷ２及びＳＷ３は閉じられている（図２）。従って、接地Ｇｎｄへの供給電圧Ｖ_ＣＣの接続により、電流Ｉは、異なる方向でモータ１２を流れることができる。モータ１２は、モータのバックＥＭＦを表す、電源Ｖ_ＥＭＦ及び抵抗Ｒ_Ｍに直列な自己インダクタンスＬ_Ｍとしてモデル化される。ドライバ１０がモータ１２を駆動している場合に、ドライバ１０は、図１及び図２に従う状態の間で周期的に切り替わる。かかる状態の間での周期的なスイッチングは、モータへのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号の適用により実現される。

以下で、ＰＷＭ信号のデューティーサイクルに依存して、ターンテーブルモータ１２からのエネルギーがターンテーブルの減速中に回復され得ることが導かれ得る。これに関連して、以下の定義が使用される：
Ｔ＝期間時間、
αＴ＝図１に従う状態の存続時間，α＝［０，１］、
（１−α）Ｔ＝図２に従う状態の存続時間，α＝［０，１］。

モータを通って、電源から流れ出る平均電流、即ち、一期間Ｔにわたって平均化される電流、が導出され得る。平均モータ電流Ｉ_Ｍに関する以下の計算において、＋から−へとモータを流れる電流は正と定義される。図１に従う状態では、以下のようになる：
Ｌ（ｄＩ_Ｍ／ｄＴ）＝（Ｖ_ＣＣ−Ｖ_ＥＭＦ−Ｉ_ＭＲ_Ｍ）。

図２に従う状態では、以下のようになる：
Ｌ（ｄＩ_Ｍ／ｄＴ）＝−（Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ＋Ｉ_ＭＲ_Ｍ）。

待機状態で計算すると、図１に従う状態でのΔＩ_Ｍは、図２に従う状態での−ΔＩ_Ｍに等しい。従って：
αＴ（Ｖ_ＣＣ−Ｖ_ＥＭＦ−Ｉ_ＭＲ_Ｍ）＝（１−α）Ｔ（Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ＋Ｉ_ＭＲ_Ｍ）。

Ｉ_Ｍに関して上記式を解くと、以下が求まる：
Ｉ_Ｍ＝−（（１−２α）Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／Ｒ_Ｍ（１）。

同様に、平均供給電流Ｉ_ＰＳは、電源から引き出される電流が正と定義されるように計算され得る。図１に従う状態では、以下のようになる：
Ｉ_ＰＳ＝Ｉ_Ｍ。

図２に従う状態では、以下のようになる：
Ｉ_ＰＳ＝−Ｉ_Ｍ。

一期間Ｔにわたって平均化すると、以下が求まる：
Ｉ_ＰＳ＝（αＴＩ_Ｍ＋（１−α）Ｔ（−Ｉ_Ｍ））／Ｔ。
故に、
Ｉ_ＰＳ＝（２α−１）Ｉ_Ｍ。

この場合に、上記式におけるＩ_Ｍは、式（１）によって置換され得る。これにより：
Ｉ_ＰＳ＝（４Ｖ_ＣＣα^２−（４Ｖ_ＣＣ＋２Ｖ_ＥＭＦ）α＋Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／Ｒ_Ｍ（２）。

式（２）から明らかであるように、電源から引き出される電流は、αに関して以下の値で０に交わる二次関数である：
α_１＝０．５，α_２＝（Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／２Ｖ_ＣＣ（３）。

故に、α_１とα_２との間で選択されるデューティーサイクルにより、モータは電流を電源に戻す。

関数の最小値は、最も高い電流が電源に戻されるところのαの値を表す。かかるアルファ値はα_ｏｐｔと呼ばれる：
α_ｏｐｔ＝（２Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／４Ｖ_ＣＣ（４）。

上で表される計算は、所与のモータ速度で電源から引き出される電流を示す図３に従うグラフによって表される。このモータ速度は、一例として、Ｖ_ＥＭＦ＝３．５Ｖであるように選択される。他のパラメータは、Ｒ_Ｍ＝３．５オーム及びＶ_ＣＣ＝５Ｖと選択される。

モータ制御における以下の特性範囲が識別され得る：
０≦α≦０．５：モータは能動的に（ａｃｔｉｖｅｌｙ）ブレーキをかけられ、電源から電流を引き出すことが必要とされる。
α＝０．５：モータ電圧は０である。これは、モータコイルの短絡回路を表す。
０．５＜α＜０．８５：モータは能動的にブレーキをかけられるが、回路電流は電源に流れ込んでいる。
α＝０．８５：電流はモータを流れていない。これは、モータコイルの開放を表す。
α＞０．８５：モータは加速され、電源から電流を引き出すことが必要とされる。

留意すべきは、α＝０．８５の点は、異なるモータ速度、即ち、異なるＶ_ＥＭＦが選択される場合に、式（３）に従って変化することである。

式（４）から、且つ、以下：
Ｖ_ＥＭＦ＝ｋ_Ｍ・ω_Ｍ
を考慮すると、全てのモータ速度で、Ｉ_ＰＳ≦０を与える最適値α_ｏｐｔが存在することは明らかである。なお、ｋ_Ｍはモータ定数を表し、ω_Ｍはモータの角速度を表す。故に、次のステップは、このα_ｏｐｔを繰り返し計算して、減速プロセス全体の間、かかる値を使用することである。このような計算は、光学駆動システムで、例えば、ＭＩＰＳプロセッサ及びＲＥＡＬＤＳＰを含むＰＮＸ７８６０ケンタウルス２ＩＣで使用されるマイクロプロセッサ又はＤＳＰにおいて実行され得る。

図４に従うグラフは、この手順のシミュレーションの結果を示す。モータは、８０Ｈｚから０へと減速される。シミュレーションで使用されるパラメータは以下の通りである：
Ｒ_Ｍ＝３．５オーム（コイル抵抗）、
Ｌ_Ｍ＝３．５ｍＨ（コイル自己インダクタンス）、
ｋ_Ｍ＝７ｅ^−３Ｎｍ／Ａ（モータ定数）、
Ｊ_Ｍ＝３２ｅ^−２ｍ^２ｋｇ（モータ及び１２ｃｍディスクの慣性）、
Ｔ_ｆｒ＝Ｔ_ｆｒ（ω）（摩擦）。

グラフから明らかなように、この特定の状況に関して、モータが８０Ｈｚから０へとブレーキをかけられる場合に、１．４５ジュールがモータから回復され得る。モータ８０Ｈｚで回転している場合に、モータでの機械エネルギーはＥ＝１／２Ｊω^２＝４Ｊであった。故に、機械エネルギーの約３６％が回復され得る。残りは、コイルで消散し、更に、摩擦のために消散する。

図５は、本発明に従う方法を表すフローチャートを示す。第１のステップＳ０１で、減速が開始される。減速中に、電磁力依存電圧Ｖ_ＥＭＦは、ステップＳ０２に従って、角速度ω_Ｍ及びモータ定数Ｋ_Ｍを基に決定される。ステップＳ０３で、電磁力依存電圧に依存する所望のデューティーサイクルは、式
α_ｏｐｔ＝（２Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／４Ｖ_ＣＣ
を用いることによって計算される。

ステップＳ０４に従って、計算されたデューティーサイクルは、パルス幅変調信号の適用のために選択される。ステップＳ０５は待機ステップである。待機時間は、一定であっても、あるいは可変であっても良い。かかる待機ステップは、計算努力が節約されるべき場合に存在しうる。待機ステップがない場合、αの調整は準連続的でありうる。

ステップＳ０６で、減速が終了されるべきかどうかが判断される。減速が終了されるべきでない場合、処理はステップＳ０２で続けられ、電磁力依存電圧が決定される。減速が終了されるべきである場合、方法はステップＳ０７で終了する。

本発明は、多数の技術分野において適用され得る。関心のある特定の範囲は、電流が電源に戻ることを可能にするスイッチングモータドライバを使用する、例えばノート型コンピュータ又は携帯型ＡＶ機器のような、持ち運び可能な装置のための光学駆動の分野である。本発明を使用しうる用途の例は、将来の“ブルー”ノート型駆動部である。モータ及びディスクにおける機械エネルギーは、駆動部全体で消散するエネルギーに比べて、比較的小さいので、本発明は、多くのスピンアップ／スピンダウン動作と、比較的短い順次的な読出／書込動作とを実行する用途で最も有用である。

上述されていない等価な例及び変形例が、また、本発明の適用範囲を逸脱することなく採用されても良い。本発明の適用範囲は、添付の特許請求の範囲において定義される。

本発明に従う方法を実現する第１のスイッチング状態にある、ターンテーブルモータを取り付けられた駆動回路を示す。本発明に従う方法を実現する第２のスイッチング状態にある、ターンテーブルモータを取り付けられた駆動回路を示す。Ｖ_ＥＭＦ＞０に関し、デューティーサイクルαに依存して、モータ電流Ｉ_Ｍ及び電源電流Ｉ_ＰＭの挙動を表すグラフを示す。本発明を説明するために、ターンテーブルモータの減速中の様々な量の挙動を表すグラフを示す。本発明に従う方法を表すフローチャートを示す。

Claims

電源と、第１の状態で前記電源からターンテーブルモータへ、及び、第２の状態で前記ターンテーブルモータから前記電源へ電流を選択的に供給することができる回路とを有する光ディスク駆動部において前記ターンテーブルモータからエネルギーを回収する方法であって：
前記モータを減速させる減速ステップ，
減速プロセス全体にわたって積分される電流が前記モータから前記電源へ供給されるように、前記モータを減速させている間、前記モータの角速度に依存して、前記第１の状態の存続時間と前記第２の状態の存続時間との間の比を繰り返し計算する計算ステップ，及び
前記比を計算した後、該計算された比に従って、前記第１の状態の存続時間及び前記第２の状態の存続時間を選択する選択ステップ，
を有する方法。
前記比は、α／（１−α）として定義され、
αの最適値は、式α_ｏｐｔ＝（２Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_ＥＭＦ）／４Ｖ_ＣＣに従って計算され、
Ｖ_ＣＣは、電源電圧であり、
Ｖ_ＥＭＦは、式Ｖ_ＥＭＦ＝ｋ_Ｍω_Ｍに従って、前記モータの前記角速度ω_Ｍ及びモータ定数ｋ_Ｍに依存する電磁力依存電圧である、請求項１記載の方法。
前記第１の状態の存続時間及び前記第２の状態の存続時間は、前記モータへ適用される対応するパルス幅変調信号を選択することによって選択される、請求項１記載の方法。
前記計算ステップ及び前記選択ステップは、前記減速プロセス全体にわたって一定の周波数を有して実行される、請求項１記載の方法。
前記計算ステップ及び前記選択ステップは、より後の減速期間よりも、より早い減速期間の間に、より頻繁に実行される、請求項１記載の方法。
前記計算ステップ及び前記選択ステップは、時間の関数としての前記比が所定の時間プロファイルに適合するように実行される、請求項１記載の方法。
電源と、第１の状態で前記電源からモータへ、及び、第２の状態で前記モータから前記電源へ電流を選択的に供給することができる回路とを有する光学装置であって：
前記モータを減速させる減速手段，
減速プロセス全体にわたって積分される電流が前記モータから前記電源へ供給されるように、前記モータを減速させている間、前記モータの角速度に依存して、前記第１の状態の存続時間と前記第２の状態の存続時間との間の比を繰り返し計算する計算手段，及び
前記比を計算した後、該計算された比に従って、前記第１の状態の存続時間及び前記第２の状態の存続時間を選択する選択手段，
を更に有する光学装置。
前記減速手段、前記計算手段及び前記選択手段のうちの少なくとも１つは、当該光学装置の一般動作タスクを実行するために設けられるデジタル信号処理装置に実装される、請求項７記載の光学装置。
前記減速手段、前記計算手段及び前記選択手段のうちの少なくとも１つは、当該光学装置の一般動作タスクを実行するために設けられるマイクロプロセッサに実装される、請求項７記載の光学装置。
第１の状態で前記電源から前記モータへ、及び、第２の状態で前記モータから前記電源へ電流を選択的に供給する能力は、フルＨブリッジを用いる集積回路によって提供される、請求項７記載の光学装置。