DE2711935C3 - Anordnung zur Dämpfung von mechanischen Vibrationen eines auslenkbaren Trägers mit Übertragerkopf, insbesondere für Videobandgeräte - Google Patents

Description

— den Signalerzeuger (102), der im Resonanzbereich ein gegenüber dem elektrischen Befehlssignal um ungefähr 90° phasenverzögertes Lagcsignal abgibt,

— in Reihe geschaltet ein Differcn/.icrgiiicd (104) und ein phasenvcrschiebendes Schaltungselement (112) zur Aufnahme des Lagesignals und zur Abgabe eines im Resonanzbercich ungefähr 0° Phasenverschiebung in bezug auf das elektrische Befehlssignal aufweisenden Ausgangssignals und

— einen invertierenden Verstärker (114), der ein den Vibrationen im Resonanzbereich entgegenwirkendes elektrisches Dämpfungssignal an ein Verknüpfungselement (96) abgibt, welches das Dämpfungssignal mit dem Befehlssignal verknüpft und das verknüpfte Signal dem Träger (42) zur demgemäßen Auslenkung zuführt.

2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Vibrationen im Bereich mechanischer Resonanzen höherer Ordnung ein Tiefpaßfilter (110) im Rückkoppelschaltungs/wcig vorgesehen ist, dem das phasenverschiebende Schaltungselement (112) nachgeschaltct ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkoppelschaltungszweig ein Verstärker (106) vorgesehen ist, der das verstärkte Lagesignal dem Differenzierglied (104) zuführt.

A. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Vibrationen im Bereich einer mechanischen Antiresonanzfrequenz des Trägers (42), bei der das Ladesignal um etwa 180° gegenüber dem Befehlssignal phasenverschoben ist, ein Addierglied (108) im Rückkoppelschaltungszweig vorgesehen ist, welches einen Teil des vom Verknüpfungselement (96) abgegebenen Signals zum Lagesignal hinzuaddiert.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalerzeuger (102) ein mit dem Träger (42) gekoppeltes piezoelektrisches Element ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das pic/.o-clcktrische Element (102) mit dem ebenfalls pic/.o-cleklrischcn Träger (42) vorzugsweise einstückig verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezo-elektrische Element

(102) gegebenenfalls zusammen mit dem piezoelektrischen Träger (42) als einseitig eingespanntes Biegeelement mit vorzugsweise zwei piezo-aktiven Schichten (44,46) ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen Anordnung besteht die Gefahr, daß der auslenkbare Träger in mechanische Vibration versetzt wird, durch die der Betrieb der Anordnung empfindlich gestört werden kann.

Bei einigen Videobandgeräten berührt der Übertragerkopf das Band, wenn er eine Spur liest Allerdings verliert der Übertragerkopf am Ende einer Spur kurzzeitig den Kontakt mit dem Band, den er dann zu Beginn einer neuen Spur wieder herstellt Beim Herstellen und

Verlieren des Bandkontaktes erhält der Übertrager einen mechanischen Impuls. Bei anderen Videobandgeräten, beispielsweise den meisten Typen mit einem schraubenförmig geschlungenen Band, entsteht zwischen dem Übertragerkopf und dem Band ein Luftfilm, der den

Übertragerkopf an einem Kontakt mit dem Band während dessen Abtastung hindert. Die Übertragerköpfe dieser Gerätetypen erhalten ebenfalls einen Impuls, wenn sie mit der Bandabtastung beginnen und aufhören, weil der Reibungskoeffizient des Luftfilmes um mehrere Größenordnungen größer ist als der Koeffizient unter den Bedingungen des freien Raums, die die Übertragerköpfe zwischen ihren Bandabtastungen antreffen. Ist der Übertragerkopf an einem Ende eines als auslenkbaren Träger dienenden Zwei-Schicht-Elements befestigt, so bringt der Impuls dieses Element zum Vibrieren oder Schwingen und bringt den Übertragerkopf dazu, über seine richtige Position hinauszuschwingen.

Aus der US-PS 37 87 616, NL-OS 74 09 513 und US-PS 35 26 726 sind Einrichtungen zur Lagenachsteuerung von Magnetköpfen mittels durch elektrische Signale auslenkbare (Träger-) Elemente in einem Magnetbandgerät bekannt. Aus der US-PS 37 87 616 ist die mechanische Dämpfung von auslcnkbarcn Elementen bei der Lagenachsteucrung von Magnetköpfen in Magnclbandgeräten bekannt, nämlich mittels Lagerung des auslenkbaren Elements in einem Gummiblock. Diese Art der Dämpfung ist deshalb unbefriedigend, weil sie nicht auf den Bereich der mechanischen Resonanz konzentriert ist. Elektrische Maßnahmen zur Beeinflussung von Vibrationen im Resonanzbereich dieser Elemente sind diesen Druckschriften nicht zu entnehmen. Aus der JP-OS 45-26 466 und der Zeitschrift 'The Journal of the Acoustical Society of America, Vol.23, No.2, March 1951, pp. 209—216" sind in Verbindung mit Lautsprecheranordnungen bzw. meßtechnischen Anordnungen elektrische Maßnahmen zur Beeinflussung von Vibrationen von durch elektrische Signale auslenkbaren Elementen bekannt. Diese Maßnahmen zielen jedoch nicht darauf ab, die Vibrationen im Resonanzbereich zu unterdrücken, sondern im Gegenteil, diese Vibrationen mit auf den jeweiligen Anwendungsfail abgestimmten Bedingungen (Abflachen der Resonanzkurve bzw. konstante Schwingungsamplitude) aufrechtzuerhalten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestehl darin, eine wirkungsvolle Anordnung zur Dämpfung von mechanischen Vibrationen des auslcnkbarcn Trägers, vor allem im Bereich einer mechanischen Resonanz des Trägers, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst

Die Erfindung soll nun in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil eines Videobandgeräts mit schraubenförmig gewundenem Band; die Darstellung ist der Übersicht halber vereinfacht und zeigt vor allem eine drehbare Abtasttrommel und einen Übertragerkopf,

F i g. 2 in einer perspektivischen Ansicht einen auslenkbaren Träger, der mit dem Übertragerkopf der F i g. 1 verwendet werden kann,

F i g. 2a von einem Teil des in F i g. 2 dargestellten Trägers einen vergrößerten Querschnitt; die Figur läßt die Schichtstruktur des Trägers erkennen,

F i g. 3 in einem Blockdiagramm ein Rückkopplungs-Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das die Vibrationen eines Zwei-Schicht-Trägers steuert,

F i g. 4a und 4b in einer graphischen Darstellung, wie der Träger der F i g. 3 auf ein Signal mil konstanter Amplitude und variabler Frequenz reagiert; Fig.4a zeigt die Amplitude; F i g. 4b die Phase der erzeugten Träger-Vibration,

F i g. 5 in einem schematischen Diagramm das in F i g. 3 dargestellte Steuersystem,

F i g. 6 ein zum Stand der Technik gehörendes Verfahren zur Auslenkung eines Zwei-Schicht-Trägers,

F i g. 7 eine verbesserte Methode zur Auslenkung eines Zwei-Schicht-Trägers,

F i g. 8a eine verbesserte Methode zur Änderung der Richtung und Größe bei der Auslenkung eines Zwei-Schicht-Trägers,

F i g. 8b in einer graphischen Darstellung die Summenspannung, die eine Schicht des Zwei-Schicht-Trägers der F i g. 8a empfängt,

F i g. 9 ein verbessertes Verfahren zur Ansteuerung eines Zwei-Schicht-Trägers für den Fall, daß das Auslenksignal für das Element keine Komponenten mit sehr niedriger Frequenz oder Gleichstromanteile enthält, und

Fig. 10 in einem schematischen Diagramm ein System mit einem biegsamen Träger, bei der die in F i g.8a illustrierte Biegetechnik verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf eine Anordnung zur Dämpfung von Vibrationen eines einen Übertragerkopf haltenden auslenkbaren Trägers, die den dynamischen Bereich des auslenkbaren Trägers nicht einengt und auch nicht mit den Nachteilen behaftet ist, die bei den einleitend geschilderten Polstern vor allem dann zu Tage treten, wenn der Träger hohen g- Kräften ausgesetzt ist.

Aus der folgenden Beschreibung wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, insbesondere bei einem Videobandgerät mit schraubenförmig geschlungenem Band, geeignet ist. Auch wenn die Erfindung anhand von Videobandgeräten mit schraubenförmig geschlungenem Band genauer dargestellt und geschildert wird, ist sie keinesfalls auf derartige Gerättypen beschränkt.

⁷ i g. 1 zeigt eine Abtasttrornme! 20 eines Videoband

60

g mit gewendeitem Band. Diese Trommel hat ein

drehbares Teil, das einen Übertragerkopf 34 (Wiedergabe- oder "Lese"-Kopf) trägt. Dieser Kopf 34 steht mit Spuren auf einem magnetischen Videoband 26 in Beruhrung und tastet sie nacheinander ab.

Die Abtasttrommel 20 enthält zwei Trommelteile 22, 24, um die das Videoband 26 geschlungen ist. Das Band 26 wird durch einen (nicht dejgestelken) Bandtransportmechanismus dazu gebracht, sich in Richtung der Pfeile A zu bewegen und umschlingt die Trommelteile 22, 24 auf einer schraubenförmigen Bahn. Das Band 26 wird durch Führungsrollen 28, 30 und durch die Spannung, die durch den Bandtransportmechanismus auf das Band ausgeübt wird, in engem Kontakt und Übereinstimmung mit den Trommelteilen 22,24 gehalten.

Bei einem Videobandgerät mit gewendeitem Band verlaufen die Informationsspuren diagonal zur Längsachse des Bandes. Ein Teil einer solchen Spur 32 ist — zur Verdeutlichung größer als in Wirklichkeit — in F i g. 1 eingezeichnet Damit die auf der Spur 32 aufgezeichnete Information abgetastet werden kann, ist ein Übertragerkopf 34 auf dem Trommelteil 22 montiert, das in Richtung des Pfeiles B rotiert Die Bewegung des Bandes 26 und die Rotation des Übertragerkopfes 34 bewirken, daß der Übertragerkopf 34 das Band 26 längs der Spur 32 kontaktiert und ein Signal erzeugt, das die zuvor auf der Spur 32 aufgezeichnete Information wiedergibt. Dieses elektrische Signal wird auf einen Signalverarbeitungsschaltkreis gegeben, der es in bekannler Weise verarbeitet.

Offensichtlich hängt die Wiedergabetreue, mit der der Übertragerkopf 34 die ursprünglich auf die Spur 32 aufgezeichnete Information wiedergeben kann, davon ab, wie genau der Übertragerkopf 34 der Spur 32 folgt. Abtastprobleme entstehen beispielsweise dann, wenn die Videobänder oder die Spuren gestört werden. Dies kann geschehen durch Dimensionsänderungen im Band aufgrund von Temperaturschwankungen oder Feuchtigkeit oder aufgrund fehlerhaft arbeitender Bandspannmechanik.

Wegen solcher Abtastschwierigkeiten ist es wünschenswert, die momentane Position des Übertragerkopfes 34 relativ zur Spur 32 zu ermitteln. Immer dann, wenn der Übertragerkopf 34 der Spur 32 nicht genau folgt, wird ein elektrisches Korrektursignal auf einen einseitig eingespannten, biegsamen Träger 42 beispielsweise einem Zwei-Schicht-Element gegeben, auf dem der Übertragerkopf 34 befestigt ist. Das Korrektursignal bringt den Träger 42 dazu, den Übertragerkopf 34 zur Spurmitte hin auszulenken und reduziert somit Abtastfehler.

Eine Auslenkung des ÜbertragcrkopFcs isi auch bei Videobandgeräten mit gewendeitem Band wünschenswert. Bei diesem Gerätetyp können Zeitlupeneffekte und andere Effekte in einer wiedergegebenen Bildszene hervorgerufen werden. Ein Zeitlupeneffekt mit annähernd halber Geschwindigkeit entsteht beispielsweise dadurch, daß die Bandtransportgeschwindigkeit auf die Hälfte ihres normalen Wertes herabgesetzt wird und der Übertragerkopf jede Spur zweimal liest Für diesen Wiederholungsvorgang muß der Übertragerkopf auf den Anfang der erneut zu lesenden Spur zurückgesetzt werden. Diese Rückstellung kommt folgendermaßen zustande: ein elektrisches Rückstellsignal wird auf den beweglichen, den Übertragerkopf haltenden Träger gegeben und bewirkt eine Biegung des Trägers und damit eine Auslenkung des Übertragerkopfes. Die Auslenkung ist so groß, daß der Übertragerkopf auf den Anfang der erwünschten Spur gebracht wird.

Das Rückstellsignal hat die Form eines elektrischen Imposes, der in dem Träger Vibrationen oder Schwingungen hervorrufen kann. Derartige Vibrationen müssen gedämpft werden, damit eine korrekte Übereinstimmung zwischen dem Übertragerkopf und der jeweiligen Spur des Bandes sichergestellt ist.

Vibrationen, im biegbaren Träger entstehen auch dann, wenn der Übertragerkopf mit dem Band in Kontakt kommt oder diesen Kontakt wieder verliert. Dies ist bei jeder Umdrehung der Trommel 30 der Fall. Im Bereich zwischen den Führungsrollen 28 und 30 hat der Übertragerkopf 34 keinen Kontakt mit dem Band 26; der Kontakt zwischen dem Übertragerkopf 34 und dem Band 26 wird wieder hergestellt, wenn.der Übertragerkopf 34 bei seiner Drehung in Richtung des Pfeils B die Führungsrolle 28 passiert.

Die in einem biegsamen Träger hervorgerufenen Vibrationen sind natürlich unerwünscht, da sie dazu führen können, daß der Übertragerkopf seine Spur verliert. Dieser vibratiionsbedingte Spurverlust kann sehr klein gehalten oder gar eliminiert werden, wenn man die Vibrationen im Träger registriert und auf den auslenkbaren Träger ein Dämpfungssignal gibt, das den Vibrationen entgegenwirkt.

Deshalb empfiehlt es sich, bei Videobandgeräten mit gewendeltem Band, die zur Verringerung von Abtastfehlern mit einem biegsamen Träger ausgestattet sein sollten, Vorkehrungen zur Dämpfung von elektrisch und mechaniisch erzeugten Vibrationen im Träger zu treffen. Vorzugsweise sollte die Vibrationsdämpfung elektronisch erfolgen. In diesem Fall sind einige Schaltkreise erforderlich, die die Vibrationsamplitude registrieren und ein diese Größe darstellendes elektrisches Lagesignal erzeugen.

F i g. 2 zeigt eine auslenkbare Übertragereinheit 36, deren Vibrationen registriert werden.

An einem Ende der Einheit 36 befindet sich der Übertragerkopf 34. Dessen Ausgang ist über Drähte 38 mit zwei Übertrager-Ausgangsklemmen 40 verbunden, von denen eine Leitung 82 zu einem üblichen Videoverarbeitungsschaltkreis 84 führt.

Ein mit dem Bezugszeichen 42 bezeichneter Träger haltert den Übertragerkopf 34 und lenkt ihn aus. Dieser Träger 42 ist ein piezoelektrisches Zwei-Schicht-Element, das sich unter einem Auslenkpotential biegt. Das Zwei-Schicht-Element enthält eine Anzahl von miteinander verbundenen Schichten und wirkt als ein piezoelektrisches Antriebselement 43. Es enthält eine obere piezokeramische Schicht (Deckschicht) 44 und eine untere piezokeramische Schicht (Bodenschicht) 46. Die verschiedenen Schichten der Übertragereinheit 36 sind am deutlichsten in F i g. 2a zu erkennen. Die piezokeramischen Schichten 44 und 46 sind beide mit einem gemeinsamen, elektrisch leitfähigen Substrat 48 verbunden. Das Substrat 48 schränkt die Bewegung des Zwei-Schicht-Elements auf eine Biegebewegung unter einem elektrischen Potential ein.

Dm die piezokeramischen Schichten 44 und 46 an ein Potential legen zu können, bedecken leitfähige Schichten 50 und 5:2 die äußeren Oberflächen der piezokeramischen Schichten 44 und 46. Klemmen 54 und 56 (F i g. 2) sind mit den Schichten 50 und 52 elektrisch verbunden und empfangen die elektrische Auslenkspannung. Das Substrat 48 enthält außerdem eine Eingangsklemme 58, die für die angelegten Auslenkspannungen als gemeinsamer Pol dient Die Spannung für den Träger 42 wird auf die piezokeramische Schicht 44 zwischen den Klemmen 54 und 58 und auf die piezokeramische Schicht 46 zwischen den Klemmen 56 und 53 gegeben.

Um den Träger 42 dazu zu bringen, sich an seinem freien, mit dem Übertragerkopf 34 versehenen Ende zu biegen, ist der Träger 42 zwischen isolierenden Abstandselementen 64 eingespannt Die Abstandselemente 64 können mittels eines (nicht dargestellten) Bolzens fixiert werden, der durch eine Öffnung 66 führt.

Im Betrieb werden geeignete Auslenkspannungen über die Klemmen 54, 56 und 58 piezokeramischen Schichten 44 und 46 gegeben. Der Träger 42 biegt sich dann an seinem freien Ende 60 und lenkt den Übertragerkopf 34 in eine Richtung und in einem Maß aus, das von der Polarität und Größe der auf die Klemmen 54,56 und 58 gegebenen Spannungen abhängt
In einigen Anwendungsfällen braucht ein piezoelektrisches Antriebselement nur eine piezokeramische Schicht, verbunden mit einem Substrat, zu enthalten. Beispielsweise könnte eine einzige piezokeramische Schicht eine mit einer leitfähigen Schicht bedeckte Oberfläche und eine mit einem leitfähigen Substrat verbundene Bodenfläche aufweisen. Dieses Substrat würde die Schicht biegen, wenn zwischen dem Substrat und der leitfähigen Schicht eine Spannung anliegen würde. Sind allerdings große Auslenkungen erforderlich, wie dies beispielsweise bei Videoband-Übertragern der Fall ist, so ist ein Antriebselement mit zwei piezokeramischen Schichten (Schichten 44 und 46 der F i g. 2) vorzuziehen.

Die Übertragereinheit 36 hat neben dem piezoelektrischen Antriebselement 43 zur Auslenkung des Übertragerkopfs 34 auch noch einen Vibrationssensor in Form eines piezoelektrischen Wandlers 68. Zum Wandler 68 gehört im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Eckteil 70 der piezokeramischen Schicht 44, deren Bodenfläche, wie bereits beschrieben, mit einem Substrat 48 verbunden ist Es sei jedoch hervorgehoben, daß der Wandler 63 auch durch ein Teil gebildet werden könnte, das sich in der Mitte der Schicht 44 befindet. Der Wandler 68 enthält eine gesonderte leitfähige Schicht 72, die über dem Eckteil 70 liegt. Die Schicht 72 ist von der leitfähigen Schicht 50 über einen dielektrischen Spalt 74 isoliert, damit der Ausgang des Wandlers 68 von der auf die Schicht 50 gegebenen Spannung elektrisch getrennt ist

Der Wandler 68 ist am Ort 76 eingespannt. Sein gegenüberliegendes Ende (Ende 78) ist frei und kann ausgelenkt werden. Somit tritt immer dann, wenn Schwingungen oder Auslenkungen im Antriebselement 43 aufgrund von elektrischen oder mechanischen Impulsen auftreten, eine entsprechende Schwingung bzw. Auslenkung am freien Ende 78 des Wandlers 68 auf. Die Bewegung des Endes 78 erzeugt zwischen dem gemeinsamen Substrat 48 und der leitfähigen Schicht 72 ein elektrisches Lagesignal, das ein Maß für den momentanen Auslenkungsgrad des Antriebselementes 43 und des Übertragerkopfes 34 ist

Wie bereits erwähnt, gehört zum Wandler 68 ein piezokeramisches Eckstück 70 der Schicht 44 und enthält das Anlriebselement 43 den Hauptteil der Schicht 44. Wie in den F i g. 2 und 2a dargestellt ist dus Cckstück 70 vorzugsweise ein Bestandteil einer umfassenden piezokeramischen Schicht 44. Das Eckstück 70 muß aber nicht notwendigerweise Bestandteil einer größeren Einheit sein. Beispielsweise könnte der Spalt 74 tiefer sein und die Schicht 44 durchschneiden, so daß ein gesonder-

d0 tes Teil 70 entstünde. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die auf die Schichten 44 und 46 gegebenen Auslenksignale, selbst wenn sie große Amplituden haben, mit dem Wandler 68 praktisch nicht gekoppelt sind, wenn das Stück 70 Teil der einstückigen Schicht 44 ist Allerdings ist bei einer Durchtrennung beider Teile, d. h. bei einer Vertiefung des Spaltes bis zum Boden, die Isolation zwischen Antricbselement und Generator besser und die Unempfindlichkeit gegenüber Oberflächcnvcr-

schmutzung größer.

Jeder Vibrationssensor, der ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von den Trägervibrationen abgibt, sollte auf Vibrationen in einem Frequenzbereich zwischen etwa 10 Hz bis mindestens 400 Hz ansprechen. Bei 400 Hz hat der dargestellte Zwei-Schicht-Träger 42 eine Resonanzfrequenz. Der Wandler 68 der F i g. 2 zeigt, weil er sich längs des Triigeis 42 crslrwkl, in der Till über den verlniigleii Iteieidi eine gute !''requenzenipfiiKlIii-hkeil. Diese Ansprechcharakteristik scheint, vor allem bei niedrigen Frequenzen, viel besser zu sein als die Empfindlichkeit eines Wandlers, der sich quer zur Längsachse des Trägers 42 erstreckt.

Ein bevorzugter Träger hat folgende Abmessungen: die Länge L, gemessen vom freien Ende 60 bis zur Einspannstelle 76, beträgt etwa 2,3 cm (0,9"), und die Breite W beträgt etwa 1,5 cm (0,5"). Die Schichten 44, 46 und 48 sind dabei jeweils vorzugsweise etwa 0,015 cm (0,006") dick, während die Dicken der leitfähigen Schichten 50,52 und 72 im Bereich von einigen Mikron liegen. Ferner beträgt die Breite der leitfähigen Schicht 72, gemessen zwischen dem Spalt 74 und der nächsten Kante des Trägerarms 36, vorzugsweise etwa 1,3 mm (50 mils). Das Substrat 48 besieht vorzugsweise aus Messing, die leitfähigen Schichten 50, 52 und 72 sind Nickelabscheidungen. Die piezokeramischen Schichten 44,46 sind mit dem Substrat 48 über einen Epoxykleber od. dgl. verbunden.

Die Übertragereinheit 36 kann in einem (nicht dargestellten) Gehäuse mit Deck- und Bodenteilen untergebracht sein, die die Einheit 36 zwischen sich aufnehmen. Die gesamte Einheit einschließlich des Gehäuses kann mit einem Bolzen zusammengehalten werden, der durch eine geeignete Öffnung im Deckteil des Gehäuses, durch die Öffnung 66 (F i g. 2) und durch eine weitere Öffnung im Bodenteil des Gehäuses hindurchragt.

Die bereits beschriebene piezoelektrische Kombination aus dem Antriebselement 43 und dem Wandler 68 ist preisgünstig, zuverlässig und kann gesteuert ausgelenkt werden und dabei gleichzeitig ein Lagesignal erzeugen, das die gesteuerte oder vibrationsbedingte Auslenkung darstellt. Die Kombination eignet sich vor allem für eine Übertragereinheit eines Videobandgerätes und sei im folgenden in Verbindung mit den nachstehend geschilderten Videobandsystemen schematisch dargestellt

Die geschilderte piezoelektrische Antriebselement-Wandler-Kombination, die zugleich einen Übertragerkopf auslcnkt und die Übertragervibrationen registriert, ist Teil eines elektronischen Rückkopplungssteuersystems zur Dämpfung der Übertragervibrationen (Vibrationen des den Übertragerkopf haltenden Trägers).

Man hat, wie bereits erwähnt, bereits versucht, Übertragervibrationen mit Polstern aus unelastischem Gummi abzufangen. Diese Polster schränken jedoch den effektiven Auslenkbereich des Übertragers ein. Werden die Polster ^;m Bereich des Übertragerkopfes in einem drehbaren Abtastantrieb angebracht, so sind sie bei rotierender Trommel hohen ^-Kräften ausgesetzt Unter diesen Bedingungen kann es schwierig sein, die Polster in ihrer richtigen Lage auf der Trommel zu halten. Ein verbessertes Dämpfsystem, in dem die bereits beschriebene Antriebselement-Wandler-Kombination verwendet werden kann, ist schematisch in F i g. 3 dargestellt Bevor auf dieses Dämpf system näher eingegangen wird, soll jedoch der Übertrager-Schaltkreis kurz erläutert werden, damit die Art des Zusammenwirkens zwischen dem Dämpfsystem und dem zugeordneten Schaltkreis klarwird.

Der in F i g. 3 eingezeichnete Übertragerkopf 34 liest, wie bereits beschrieben, die zuvor auf Videobandspuren aufgezeichnete Information. Der Übertragerkopf 34 ist

Teil der Übertragereinheit 36, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, die den auslenkbaren Träger 42 enthält, der den Übertragerkopf 34 auf Auslenksignale hin auslenkt. Diese Auslenkung dient ilii/.u, die I Ibereinsiimmimj· des Uberlragerkopfes J4 mil einer Spur sielier/.iislelleti

&iacgr;&ogr; oder, beispielsweise bei dem bereits beschriebenen Zeillupenbetrieb, den Übertragerkopf auf den Anfang einer Spur zurückzusetzen. Der Träger 42 ist am Punkt 76 eingespannt, sein gegenüberliegendes Ende trägt den Übertragerkopf 34 und kann frei ausgelenkt werden.

!5 Der Übertragerkopf 34 gibt das von ihm erzeugte elektrische Signal auf die Leitung 82, die dieses Signal zu dem üblichen Videoverarbeitungsschaltkreis 84 führt. Dieser Schaltkreis bildet beispielsweise ein zusammengesetzten Fernsehsignal für eine RF-Übertragung.

Der Ausgang des Übertragerkopfs 34 wird zugleich auf einen die Übertragerposition steuernden Schaltkreis 86 gegeben. Von diesem Schaltkreis 86 sei erwähnt, daß er ein "Zitter"-Signal einer festen Frequenz erzeugt und dieses Signal auf den Träger 42 gibt. Der Träger 42 wird daraufhin ausgelenkt, er "zittert" mit einer vorgegebenen Frequenz in Hin- und Herbewegungen über eine Spur hinweg. Da dieses Zittern den Übertrager zu Transversalbewegungen bezüglich der Spur bringt, ist der Signalausgang des Übertragerkopfs 34 mit der Zitterfrequenz amplitudenmoduliert. Die Einhüllende des amplitudenmodulierten Signals enthält eine Information hinsichtlich der Übereinstimmung zwischen dem Übertragerkopf und der abgetasteten Spur. Diese Information wird registriert und zur Bildung eines Korrektursignals verwendet. Das Korrektursignal bewegt dann den Übertragerkopf 34 zur Mitte der Spur hin. Korrektursignal und Zittersignal erscheinen beide auf der Leitung 88 und werden letztlich als Befehlssignal auf den auslenkbaren Träger 42 geleitet.

Ein Signalgenerator 90 (Übertragerrückstellsignal-Generator) bildet ein elektrisches Signal, das auf den

Träger 42 geleitet wird und den Übertragerkopf 34 bei Bedarf selektiv auf den Anfang einer Spur zurücksetzt

Das Rücksleüsägna! des Signalgencrators 90 und das Zitterkorrektursignal aus dem Schaltkreis 86 werden beide (die Befehlssignale ergebend) auf einen Frequenzkompensator 92 gegeben. Dieser Kompensator enthält einen Verstärker, dessen Frequenz-Ansprechcharakteristik die verbliebenen, unerwünschten Empfindlichkeitsschwankungen des Trägers 42 ausgleicht, wenn dieser in der schematisch in F i g. 3 dargestellten Art und Weise mittels einer elektronischen Rückkopplungssteuerung gedämpft wird. Der Frequenzkompensator 92 verstärkt die Wirkung des elektronischen Dämpfkreises, damit sich die erwünschte gleichmäßige Frequenzempfindlichkeit des gesamten Systems einstellt. Der Verstärkungsbereich liegt etwa zwischen 300 und 400 Hz, wo die elektronische Dämpfung den Anstieg in der Frequenzempfindlichkeit des Trägers 42 bei seiner mechanischen Resonanzfrequenz erster Ordnung nicht vollständig beseitigt

Die frequenzkompensierten Befehlssignale des Kompensators 92 werden über eine Leitung 94 auf ein aus einem Summierverstärker gebildetes Verknüpfungselement 96 gegeben. Das Verknüpfungselement 96 addiert zu den Befehlssignalen ein Dämpfungssignal, das durch einen nachstehend beschriebenen Rückkoppelschaltungszweig erzeugt wird. Der Ausgang des Verknüp-

fungselements % wird über eine Leitung 98 auf einen Treiberverstärker 100 geleitet, der seinen Eingang verstärkt und ihn auf den auslenkbaren Träger 42 gibt, damit der Übertragerkopf 34 zur Mitte der Spur gesteuert ausgelenkt wird und in dieser ausgerichteten Lage verbleibt.

Die verschiedenen Befehlssignale, die der Träger 42 empfängt, insbesondere die vom Signalgenerator 90 erzeugten Signale, können den Träger 42 in unerwünschte Vibrationen versetzen. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn der Träger 42 als ein Zwei-Schicht-Element ausgebildet ist, da derartige Elemente aufgrund ihrer Resonanzcharakteristik zu Schwingungen neigen.

Zum Dämpfen derartiger Schwingungen ist im System der F i g. 3 der Rückkoppelschaltungszweig vorgesehen. Dieser Zweig erzeugt das elektrische Dämpfungssignal, das vom Träger 42 empfangen wird und seine Vibrationen oder Schwingungen dämpft. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 enthält dieser Zweig einen Signalerzeuger 102, der mit dem Träger 42 baulich integriert ist. Der Signalcrzeugcr 102 erzeugt ein die momentane Auslenkposition des Übertragerkopfs 34 darstellendes Lagcsignal. Zum Zweig gehört außerdem ein Differenzierglied 104, das das Lagesignal des Übertragerkopfs differenziert. Der Signalerzeuger 102 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Wandler 68 der in F i g. 2 dargestellten Art, bei der der Wandler 68 mit dem als Zwei-Schicht-Element ausgebildeten Träger 42 zusammen ein Teil bildet.

Der Ausgang des Signalerzeugers 1&udiagr;2 wird auf einen Verstärker 106 mit hohem Eingangswiderstand geführt, welcher eine sehr geringe Belastung des Signalerzeugers 102 darstellt. Da der Signalerzeuger 102 im Ersatzschaltbild eine Spannungsquelle in Reihe mit einem Kondensator ist, muß jegliche elektrische Belastung für den Signalerzeuger 102 klein sein, um von ihm Niederfrequenzsignale auskoppeln zu können.

Der Ausgang des Verstärkers 106 ist über ein Addierglied 108, dessen anderer Eingang noch beschrieben werden wird, mit dem Differenzierglied 104 verbunden. Dieses Teil differenziert das vom Lagesignalerzeuger 102 empfangene Lagesignal des Übertragerkopis 34 und wandelt es zu einem tier momentanen Übertragergeschwindigkeit entsprechenden Signal um.

Das Differenzierglied 104 hat eine Arnplitudcn-Frequenz-Charakteristik, die der eines Hochpaßfilters ähnlich ist und verschiebt daher die Phase des differenzierten Signals. Die Bedeutung dieser Phasenverschiebung, die das den Gegenkopplungskreis durchlaufendes Signal erfährt, wird im folgenden erklärt, um das Verständnis für die Funktion der übrigen, noch nicht beschriebenen Elemente des Kreises zu erleichtern.

Da der Träger 4* vorzugsweise ein piezoelektrisches Zwei-Schicht-Element ist, zeigt er die bei piezoelektrischen Kristallen wohlbekannte Charakteristik mit einer Resonanz erster Ordnung, einer Antiresonanz sowie Resonanzen höherer Ordnung. Fig.4a stellt die Frequenz-Ansprechcharakteristik einer Kombination aus einem Zwei-Schicht-Antriebselement und einem Wandler (Fig.2) dar. Diese Ansprechcharakteristik ergibt sich bei Anliegen einer Sinuswelle mil veränderlicher Frequenz und konstanter Amplitude an das piezoelektrische Antriebselement. Gemessen wird der resultierende Ausgang des piezoelektrischen Wandlers. Die Ergebnisse einer solchen Messung sind in F i g. 4a eingezeichnet, die eine Resonanz bei 400 Hz sowie eine Antiresonanz anzeigt, deren ermittelter Wert, abhängig von dem speziellen Zwei-Schicht-Element, schwankt und zwischen etwa 700 und etwa 1000 Hz liegt. Der maximale Ausgangspegel der Antriebselement-Wandler-Kombination tritt bei der Resonanzfrequenz auf, der kleinste Ausgangspegel ist bei sehr geringen Frequenzen und am Antiresonanzpunkt zu verzeichnen. Resonanzen höherer Ordnung sind in F i g. 4a nicht eingezeichnet.

Da der Ausgangspegel der Antriebselement-Wandler-Kombination bei Resonzanz am größten ist, werden Vibrationen oder Schwingungen vorzugsweise bei der Resonanzfrequenz der Kombination auftreten, wenn man das Zwei-Schicht-Element mit einem elektrischen oder mechanischen Impuls erregt. Um die Möglichkeit solcher Schwingungen auszuschalten, ist daher die Rückkopplungsschleife so ausgelegt, daß sie auf das Zwei-Schicht-Element Dämpfungssignale zurückführt, die gegenüber den Signalen (Befehlssignalen), die anfänglich das Element in Schwingungen versetzt haben, eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen, und somit der Schwingungsneigung des Elements entgegenwirken.

Um sicherzustellen, daß die Dämpfungssignale die erforderliche Phasenbedingung erfüllen, muß der Phasengang der Kombination aus Zwei-Schicht-Antricbsclcment und Wandler in Betracht gezogen werden. Wie der mit "Zwei-Schicht-Element" bezeichneten Kurve der Fig.4b zu entnehmen, erfahren die Signale nahe der Resonanz (etwa bei 400 Hz) eine Phasenverschiebung von ungefähr 90°, wenn sie die Kombination Antriebselement-Generator durchlaufen. Hochfrequenzsignale werden dabei in der Phase um 180° verschoben. Da alle Signale vor ihrer Abgabe auf den Träger 42 in der Schleife durch einen invertierenden Verstärker 114 in der Phase um 180° verschoben werden, müssen die Signale nahe der Resonanz, wenn sie auf ihrem Weg durch die Rückkopplungsschleife insgesamt eine Phasenverschiebung von 180° erfahren sollen, um 90° phasenverschoben werden. Die 90° -Verschiebung ergibt insgesamt eine Phasenverschiebung von Null am Eingang des invertierenden Verstärkers 114. Damit ist sichergestellt, daß der Kreis bei der Resonanzfrequenz nicht wegen einer Instabilität im Rückkopplungssystem schwingen kann. Da Signale mit einer Frequenz weit weg von der Resonanz eine sehr geringe Amplitude haben, ist der Verstärkungsfaktor des Kreises für diese Signale stets kleiner a!s 1, so daß deren Phasenverschiebung zu keiner Instabilität des Kreises führen.

Im folgenden wird wieder Bezug auf die Fig.3 genommen. Das im Differenzierglied 104 gebildete Signa! wird auf ein Tiefpaßfilter 110 geleitet, dessen obere Grenzfrequenz so gewählt ist, daß sie diejenigen Signale praktisch ausfiltert, die von den Resonanzen zweiter oder höherer Ordnung des Zwei-Schicht-Elements herrühren. Solche Signale haben im allgemeinen eine Frequenz von über 2000 Hz und werden durch das Filter 110 um mindestens 20 dB gedämpft. Das Filter 110 verzögert die Phase der Signale — die Signalphasen sind bereits durch das Zwei-Schicht-Element um 90° verzögert (F i g. 4b) — um einen weiteren kleinen Betrag.
Zum Ausgleich der Phasenverzögerung, die nahe der Resonanz liegende Signale insgesamt erfahren haben, folgt dem Filter 11O ein Schaltungselement 112 in Form eines Netzwerks, das die Phase vorauseilen läßt. Dieses Netzwerk verschiebt die Phase des vom Filter 110 empfangenen Signals so weit, daß Signale mit einer Frequenz nahe der Resonanz bei Verlassen des Netzwerkes als Ausgangssignal eine Phasenverschiebung von insgesamt etwa 0° bezüglich derjenigen Signale (Bcfchlssignale), die anfänglich das Zwci-Schicht-Element erregt

haben, haben. Die mit "Netzwerk zur Phasenverschiebung" bezeichnete Kurve der F i g. 4b gibt die Wirkung des Netzwerks wieder. In der Praxis läßt das Differenzierglied 104 die Phase um einen gewissen Betrag vorauseilen, so daß das Netzwerk bei der richtigen Phaseneinstellung für die Signale nahe der Resonanz durch das Differenzierglied 104 unterstützt wird.

Die vom Schaltungselement 112 in Form des Netzwerks abgegebenen Ausgangssignale nahe der Resonanz haben also eine Phase von etwa 0° und können so wie sie sind dem invertierenden Verstärker 114 zugeführt werden. Dieser Verstärker invertiert die vom Netzwerk empfangenen Signale. Der Ausgang des Verstärkers 114 ist das Dämpfungssignal, das im Verknüpfungselement 96 mit den Befehlssignalen der Leitung 94 kombiniert, im Treiberverstärker Iöö verstärkt und schließlich zur Vibrationsdämpfung auf den Zwei-Schicht-Träger 42 gegeben wird. Beim invertierenden Verstärker 114 ist das Maß der negativen Rückkopplung variabel, damit der Verstärkungsgrad des Rückkopplungskreises auf verschiedene Zwei-Schicht-Elemente abgestimmt werden kann.

Durch das als Phasenkompensator dienende Schaltungselement 112 wird der Rückkopplungskreis bei Frequenzen nahe der Resonanzfrequenz des Trägers (Zwei-Schicht- Element) stabilisiert.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Rückkopplungskreis sind außerdem Vorkehrungen getroffen, um die unterschiedlichen Antiresonanz-Empfindlichkeiten verschiedener Zwei-Schicht-Elemente auszugleichen. In F i g. 4a ist eine mögliche Frequenzcharakteristik durch eine durchgehende Linie veranschaulicht, während eine gestrichelte Linie andeuten solle, daß die Antiresonanzcharakteristik von Element zu Element verschieden sein kann. Beispielsweise kann bei 700 Hz die Frequenzempfindlichkeit eines Elements erheblich geringer sein als die eines anderen, wie aus dem Abstand zwischen der durchgehenden Linie und der gestrichelten Linie bei der Frequenz von 700 Hz zu ersehen. Wie aus der F i g. 4b hervorgeht, hat das Rückkopplungssystem mit dem Netzwerk einen derartigen Phasengang, daß Signale nahe 700 Hz um 180° in der Phase verschoben werden. Werden Signale mit einer 180°-Phasenverschiebung auf den invertierenden Verstärker 114 gegeben, so werden sie letztlich am Träger 42 in Phase mit den ursprünglichen, die Auslenkung erzeugenden Signalen erscheinen. Sie können dann zu Schwingungen bei dieser Frequenz führen, wenn sie bei Frequenzen, bei denen der Kreis positiv rückkoppelt, eine ausreichend hohe Amplitude haben. Zwei-Schicht-Elemente mit einer Frequenzempfindlichkeit, wie sie durch die durchgehende Linie der F i g. 4a dargestellt wird, haben bei 700 Hz einen sehr kleinen Ausgangswiderstand, so daß der Schleifenverstärkungsfaktor des Systems für derartige Signale insgesamt so klein ist, daß Schwingungen — ungeachtet des Phasengangs dieser Elemente — nicht auftreten. Haben Zwei-Schicht-Elemente jedoch bei 700 Hz einen größeren Verstärkungsfaktor, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, so können sie, wenn nicht auf andere Weise für eine (Phasen-) Kompensation gesorgt ist, das System instabil machen. Das in F i g. 3 dargestellte Rückkopplungssystem gleicht derartige Differenzen zwischen verschiedenen Zwei-Schicht-Trägern dadurch aus, daß ein Teil des erregenden Befehlssignals dem Ausgang des Signalerzeugers 102 hinzuaddiert wird. Durch eine solche Addition werden die Signale, die normalerweise eine Phasenverschiebung von 180" zwischen dem Hingang des Zwci-Sehicht-Trägers 42 und dem Ausgang des Sensors 102 erfahren, effektiv zum Verschwinden gebracht. Signale mit einer solchen 180°-Phasenverschiebung liegen, wie aus Fig.4b hervorgeht, in der Nähe der Antiresonanz. Daher können Signale nahe der Antiresonanz wirkungsvoll zu Null

gemacht v/erden, wenn man die Übertragereinheit 36 mit einem Teil des normalerweise eingegebenen Signals "kurzschließt".

Zur Realisierung eines solchen "Kurzschlusses" mit

&iacgr;&ogr; einem Teil des Befehlssignals und zur Zusammenführung dieses Teils mit dem vom Lagesignalerzeuger 102 erzeugten Ladesignal sind ein Potentiometer 116 und das Addierglied 108 vorgesehen. Die am Ausgang des Verknüpfungselements 96 auftretenden verknüpften Signale werden durch das Potentiometer 116 geleitet. Vom Poteniiometer 116 wird ein Teil des Signals über eine Leitung 118 auf das Addierglied 108 gegeben. Das Addierglied 108 empfängt daneben, vom Verstärker 106, die im Signalerzeuger 102 gebildeten Lagesignale.

Die Signale, die auf ihrem Weg vom Eingang des Trägers 42 bis zum Ausgang des Lagesignalerzeugers 102 eine Phasenverschiebung von 180° erfahren (diese Signale haben Frequenzen nahe der Antiresonanz), werden im Summierglied 108 zum Verschwinden gebracht.

so daß die Schleife auch bei Frequenzen nahe der Antiresonanz stabil bleibt. Diese Maßnahme schafft nahe 700 Hz eine künstliche Null, so daß die Übertragereinheit, ungeachtet des verwendeten Zwei-Schicht-Elements, stets so wirkt, als habe sie nahe 700 Hz effektiv den Wert Null. Aus diesem Grund ist der Schleifenverstärkungsfaktor für Signale nahe 700 Hz immer kleiner als 1, der Gegenkopplungskreis für Signale bei derartigen Frequenzen ist stabilisiert. Durch diese vorgeschlagenen Maßnahmen können die Antiresonanzfrequenzen künstlich verstellt werden, um die unterschiedlichen Ansprechcharakteristiken von Zwei-Schicht-Elementen bei ihren Antiresonanzfrequenzen auszugleichen; die Stabilität des Gegenkopplungskreises hängt ja davon ab, daß die Antiresonanzfrequenz einen vorgegebenen Wert hat.

Ein Schaltungszweig, der die Funktionen der in F i g. 3 schematisch als Blöcke angedeuteten Einheiten bewirkt, ist in F i g. 5 dargestellt.

Die Befehlssignale für das Übertragerelement, einschließlich des Zittersignals und der erwähnten Rückstellsignale, werden an der Klemme 120 auf den Frequenzkompensator 92 gegeben. Der Kompensator enthält zwei übliche Verstärker 122 und 124. Der Frequenzgang des Kompensators 42 ist in üblicher Weise durch die /?C-Kopplung in der Umgebung des Verstärkers 122 und zwischen den Verstärkern 122 und 124 bestimmt und hat eine Gesamtverstärkung, die mit der Frequenz im Bereich zwischen 300 und 400 Hz abnimmt. Diese Einsattelung dient dazu, die bei der elektronischen Dämpfung verbliebenen frequenzabhängigen Schwankungen in der Auslenkempfindlichkeit des Trägers 42 auszugleichen.

Der Ausgang des Verstärkers 124 wird über die Leitung 94 auf das Verknüpfungselement 96 gegeben, das außerdem, an seinem nicht-invertierenden Eingang, ein Signal vom Rückkopplungskreis empfängt Der Ausgang des Verknüpfungselements 96 wird über die Leitung 98 zum Treiberverstärker 100 geleitet
Der negative Rückkoppelschaltungszweig beginnt an der Klemme 126, an der das Lagesignal des Signalerzeugers 102 auftritt. Das Signal vom Signalerzeuger 102 wird auf den Verstärker 106 gegeben, der aus einem üblichen, frcquen/.kompcnsicrlcn Rückkopplungsver

.stärker 128 besteht Der Ausgang des Verstärkers 128 wird auf den invertierenden Eingang des Addierglieds 108 gegeben, das außerdem am gleichen Eingang einen Teil der Befehlssigiuile empfängt, um, wie bereits beschrieben, bei der Antiresonan/.frequen/. eine künstliche Null zu erzeugen. Dioden 131 schützen den Verstärker

128 vor zerstörenden Hochspannungsschwankungen, die durch versehentliche Kurzschlüsse zwischen dem Signalerzeuger 102 und dem Eingang des Trägers 42 hervorgerufen werden könnten.

Der Ausgang des Addierglieds 108 wird dann auf das Differenzierglied 104 geleitet, das einen Kondensator

129 in Reihe mit einem Widerstand 130 enthält

Das Tiefpaßfilter 110, das den Ausgang des Differenzierglieds 104 empfängt, besteht aus einem aus zwei Verstärkern 132 und 134 gebildeten aktiven elliptischen Filter 135.

Das phasenverschiebende Schaltungselement 112 in Form eines Netzwerks empfängt den Ausgang des Filters 1110; es enthält einen Kondensator 136 in Reihe mit einem Widerstand 138. Das Ausgangssignal des Netzwerks wird auf den invertierenden Eingang eines herkömmlichen invertierenden Verstärkers 114 geführt, dessen Rückkopplung und damit auch dessen Durehlaßvcrslärkung durch Einstellung eines variablen Widerstands 140 verändert werden kann. Das Dämpfungssignal am Ausgang des Verstärkers 114 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verknüpfungselements 96 verbunden und wird dann auf den Treiberverstärker 100 geführt, der seinerseits den Träger 42 erregt und damit den Übertragerkopf 34 in der bereits geschilderten Weise auslenkt

Das beschriebene Dämpfsystem schafft eine verbesserte Dämpfung für auslenkbare Videoband-Übertrager ohne Beschränkung des dynamischen Auslenkbereichs. Die Rückkopplungsschleife sorgt in Verbindung mit der Antriebselement-Wandler-Übertragerkopfeinheit dafür, daß Videobandgeräte zuverlässig und mit geringen Kosten vibrationsgedämpft werden. Neben Videobandgeräten kommen auch andere Vorrichtungen in Frage, bei denen Vibrationen in einer Übertragereinheit mit einem auslenkbaren Zwei-Schicht-Element eine Dämpfung erfordern.

Bisher wurde beschrieben, wie ein Videoband-Übertrager gesteuert ausgelenkt und gedämpft werden kann, damit die Übereinstimmung zwischen Übertrager und Bandspur gewahrt bleibt. Im folgenden soll ein verbessertes Zwei-Schicht-Übertragersystem einschließlich eines Verfahrens zum Anlegen von Auslenksignalen an ein auslenkbares Zwei-Schicht-Element geschildert werden, mit dem sich eine besonders große Auslenkempfindlichkeit erzielen läßt. Ein derart verbessertes Systems eignet sich für die bereits erläuterte Bandgerät-Anordnung und wird im Zusammenhang mit dieser Anordnung dargestellt werden. Es ist jedoch selbstverständlich, daß das nachstehend beschriebene Verfahren zum Betrieb eines auslenkbaren Zwei-Schicht-Elements auch bei anderen Anwendungsfällen, bei denen ein großer Auslenkbereich für das Zwei-Schicht-Element er-Kielt werden sollte, sinnvoll ist.

Ein Zwei-Schicht-Element für eine Auslenkung in beiden Richtungen besteht im allgemeinen aus zwei Schichten aus piezokeramischcm Material, die an gegenüberliegende Seiten eines leitfähigen Substrates fixiert sind. Ein Ende des Zwei-Schicht-Elements ist eingespannt, das gegenüberliegende Ende endet frei und biegt sich, wenn man eine Spannung an das Element legt.

Die Richtung, in die sich das Zwei-Schicht-Element biegt, hängt von der Polarität der angelegten Spannung sowie von der Polungsrichtung der beiden piczokeramischen Schichten ab. Die Polung.srichliing einer pie/.oke-

^r> ramisehen Schicht wird dadurch erzeugt, daß man sie zunächst einem gerichteten elektrischen Feld aussetzt, das die Schicht in Feldrichtung polarisiert Die polarisierte piezokeramische Schicht hat dann eine sog. "Polungsrichtung" und zeigt daraufhin charakteristische

&iacgr;&ogr; mechanische Eigenschaften, wenn man Spannungen anlegt

Eine bekannte Methode zur Auslenkung eines Zwei-Schicht-Elementes ist in Fig.6 dargestellt. Bei dieser Technik enthält ein Zwei-Schicht-Element 142 piezokeramische Schichten 144 und 146, die an gegenüberliegenden Seiten eines leitfähigen Substrats 148 fixiert sind. Das Element 142 ist am Ort 150 eingespannt, während sein; freies Ende 152 frei endet und sich biegen kann.

Die piezokeramischen Schichten 144,146 sind jeweils mit einem Pfeil versehen, der ihre jeweiligen Polungsrichtungen anzeigt. Sind sie so, wie in F i g. 6 dargestellt, ausgerichtet (beide Pfeile weisen in die gleiche Richtung), so haben sie "ine gemeinsame Polungsrichlung.

Die dargestellten Polungsrichtungen kommen dadurch zustande, daß man an einer piezokeramischen Schicht eine Spannung anlegt, deren positives Potential am Ende des Pfeils und deren negatives Potential an der Pfeilspitze lfegt In F i g. 6 wird beispielsweise das EIement 142 nach oben durch eine Spannungsquelle 154 gebogen, die zwischen den Elementen 144,146 und dem Substrat 148 eingeschaltet ist Die Pole der Quelle 154 liegen so, daß die am Element 144 liegende Spannung dieselbe Richtung hat wie die ursprüngliche Polarisierungsspannung, während die Quelle 154 auf die Schicht 146 eine Spannung gibt, deren Polarität zu der der ursprünglichen Polarisierungsspannung entgegengesetzt ist. Stimmt die Polarität einer auf eine piezokeramische Schicht gegebenen Auslenkspannung mit der Polarität der ursprünglichen Polarisierungsspannung für diese Schicht überein, so spricht man davon, daß die angelegte Auslenkspannung in der Polungsrichtung anliegt. Demgemäß ist die Quelle 154 mit der Schicht 144 in deren Polungsrichtung und mit der Schicht 146 entgegengesetzt zu deren Polungsrichtung verbunden.

Werden zwei piezokeramische Schichten so zusammengesetzt und eingespannt, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist, so biegt sich das Zwei-Schicht-Element in Richtung derjenigen Schicht, die in Richtung ihrer Polungsrichtung erregt wird. Demgemäß biegt sich das Element 142 nach oben zur Seite der Schicht 144, wenn sie durch eine Quelle 154 mit der eingezeichneten Polarität angetrieben wird. Legt man an das Zwei-Schicht-Element keine Spannung, so tritt keine Auslenkung auf. Verbindet man das Substrat 148 und die Schichten 144,146 mit einer Spannungsquelle mit umgekehrter Polung (Quelle 156 in F i g. 6c), so wird die Schicht 146 in ihre Polungsrichtung! gebogen, und das Element 142 bewegt sich, wie dargestellt, nach unten.

Für einige Anwendungsfäiie reicht die in F1 g. 6 dargestellte Methode aus, bei der eine Auslenkspannung in die Polungsrichtung einer piezokeramischen Schicht und entgegengesetzt zur Polungsrichtung einer zweiten piezokeramischen Schicht angelegt wird. Werden jedoch große Auslenkstrecken verlangt, so sind entsprechend große Auslenkspannungen erforderlich. Es hat sich herausgestellt, daß das Anlegen von großen Spannungen in einer zur Polungsrichtung einer piezokerami-

sehen Schicht entgegengesetzten Richtung zu einer Depolarisaüon dieser Schicht führen kann und damit das Biegevermögen dieser Schicht verringert.

In F i g. 7 ist ein Verfahren dargestellt, mit dem sich ein Zwei-Schicht-Element mit Auslenkspannungen großer Amplitude betreiben läßt, ohne daß die Polarisierungen bei einer piezokeramischen Schicht zu befürchten sind. Bei diesem verbesserten Verfahren enthält ein Zwei-Schicht-Element zwei elektrisch gepolte piezokeramische Schichten 160,162, die ebenfalls eine gemeinsame Polungsrichtung haben und mit einem gemeinsamen, zwischen den beiden Schichten befindlichen Substrat 164 verbunden sind. Das Element 158 ist an seinem einen Ende 166 eingespannt und an seinem anderen Ende (Ende 168) frei und biegbar. Bei dieser Auslenktechnik werden Auslenkspannungen auf die piezokeramischen Schichten in der Weise gegeben, daß die Polarität der an eine Schicht angelegten Spannung stets mit der Polungsrichtung dieser Schicht übereinstimmt Dadurch kann das Zwei-Schicht-Element stark ausgelenkt werden, ohne daß eine der beiden piezokeramischen Schichten depolarisiert wird.

Wie aus F i g. 7 zu entnehmen, ist für den Fall, daß das Element 158 nach oben ausgelenkt werden soll, eine Spannungsquelle 170 zwischen die piezokeramische Schicht 160 und das Substrat 164 so eingesetzt, daß die Polarität der an der Schicht 160 anliegenden Spannung der Polungsrichtung dieser Schicht entspricht An der Schicht 162 liegt keine Spannung mit entgegengerichteter Polarität, da ein Großteil der Biegebewegung des Elements durch die in ihre Polungsrichtung ausgelenkte Schicht bewirkt wird.

Soll das Zwei-Schicht-Element 158 nach unten ausgelenkt werden, so wird eine Spannungsquelle 172 zwischen die Schicht 162 und das Substrat 164 in der Weise gesetzt, daß die Polarität der an der Schicht 162 anliegenden Spannung gleichgerichtet ist zu der Polungsrichlung dieser Schicht. An der Schicht 160 liegt keine Spannung mit entgcgcngcrichteler Polarität an.

Soll das Zwei-Schicht-Element 158 in seiner Ruhelage verbleiben, so werden Quellen 170 und 172 von gleicher Größe zwischen die Schichten 160 bzw. 162 und dem Substrat 164 eingeschaltet, so daß beide piezokeramischen Schichten 160,162 in ihre jeweiligen Polungsrichtungen erregt werden. Da die auf beide Schichten ausgeübten Auslenkkräfte gleich sind, stellt sich im Ergebnis ein Zustand ohne Auslenkung ein.

Auch wenn die Quellen 170, 172 als Konstantspannungsquellen dargestellt sind, so braucht dies nicht immer der Fall zu sein. Soll das Zwei-Schicht-Element 158 nach oben und nach unten mit variablem Maß ausgelenkt werden, so könnten die Quellen 170, 172 zur Durchführung einer solchen Bewegung entsprechend variabel gestaltet sein. Allerdings sollte die Polarität der auf die Schichten 160,162 gegebenen Spannungen stets zur Polungsrichtung der jeweils beaufschlagten Schichten gleichgerichtet sein.

[■!in Verfahren zur Änderung der Größe und Frequenz der Elemcnt-Auslenkung ist schematisch in Fig.8a dargestellt. Fig.8a veranschaulicht, daß eine Gleichspannung aus einer Quelle 174 auf die Schicht in deren Polungsrichtung angelegt wird. Die Schicht 162 enthält eine Gleichspannung aus einer Quelle 176, ebenfalls unter Beachtung der Polaritätsbedingung. Vorzugsweise sollen die Quellen 174 und 1176 positive bzw. negative Gleichspannungen mit einer Größe von V? V„,,.„ haben, wobei V„_m die Differenz zwischen den Spitzenwerten des größten an die Schichten 160 bzw. 162 gelegten Auslenksignals ist Die Schichten 160 und 162 sind somit mit entgegengesetztem Vorzeichen um V₂ V„,_M "vorgespannt", so daß in Abwesenheit von anderen Auslenkspannungen das Zwei-Schicht-Element 158 nicht ausgelenkt wird.

Zur Erzeugung einer alternierenden Auslenkung des Zwei-Schicht-Elements 158 ist eine Wechselspannungsquelle 178 zwischen die Schichten 160, 162 sowie dem Substrat 164 über zwei Verstärker 180,182 und Gleich-Spannungsquellen 174 und 176 verbunden. Der Abstand zwischen den Spitzenwerten des Wechselspannungs-Auslenksignals, das in Phase an die Schichten 160 und 162 gelegt wird, kann nun so groß wie V„_ax sein, ohne daß eine der beiden Schichten zu irgendeiner Zeit eine Summenspannung mit einer zur Polungsrichtung der Schicht entgegengesetzten Polarität empfängt

Ändert sich das Auslenksignal der Quelle 178 etwa sinusförmig, so liegt an der Schicht 160 eine Summenspannung an, wie sie in Fig.8b eingezeichnet ist Sind die Schichten 160 und 162 entgegengesetzt mit V₂ V_max vorgespannt und befindet sich das überlagerte Wechselspannungssignal in Phase mit den beiden Schichten, so hat die an jeder der Schichten 160 bzw. 162 anliegende Summenspannung stets eine mit der Polungsrichtung der Schichten übereinstimmende Polarität. Die in F i g. 8b mit "Auslenkung" bezeichneten Kurven zeigen, daß das Zwei-Schicht-Element 158 gemäß der momentanen Amplitude der Wechselspannung aus Quelle 178 ausgelenkt wird.

Ist die Summenspannung an der Schicht 160 mehr (oder weniger) positiv, bezogen auf den Wert V₂ VW, so wird die Summenspannung an der Schicht 162 entsprechend weniger (oder mehr) negativ. Wegen der von der Quelle 176 gelieferten Vorspannung wird aber die Summenspannung an der Schicht 162 stets in der Polungsrichtung dieser Schicht bleiben — unter der Voraussetzung, daß die Größe der Wechselspannung den Wen V_1111n nicht überschreitet.

Das zum Betrieb des Zwci-Schichl-Elemenls 158 vorgesehene System der F i g. 8a ist gleichspannungsmäliig vollständig gekoppelt, so daß das Element 158 durch die Quelle 178 bei sehr niedrigen Frequenzen betrieben werden kann. In Fällen, in denen eine Niederfrequenzauslenkung des Zwei-Schicht-Elements nicht erforder-Hch ist, könnte man ein System verwenden, wie es in F i g. 9 dargestellt ist. In diesem System wird lediglich ein Verstärker 184 zur Verstärkung der Wechselspannung der Quelle 186 benötigt. Die verstärkte Auslenkspannung wird an die Schichten 160 und 162 über Koppelkondensatoren 186 bzw. 188 angelegt. Voneinander getrennte Gleichspannungsquellen 190,192, die jeweils eine Amplitude von V₂ V„_mx abgeben, spannen die Schichten 160 und 162 vor, so daß die Summenspannung an jeder Schicht in der Polungsrichtung dieser Schicht bleibt.

Bei dem System der Fig.8a ist um die Gleichspannungsquelle 174 und den Verstärker 180 eine gestrichelte Linie in Form eines Dreiecks gezogen, um anzudeuten, daß diese beiden Elemente in der Praxis zu einem einzigen zusammengesetzten Verstärker zusammengefaßt werden können, der sowohl das Auslenksignal verstärkt als auch für die geeignete Vorspannung sorgt. Entsprechend können auch die Quelle 176 und der Verstärker 182 zu einer einzigen Verstärkereinheit zusammengezogen werden. Ein Beispiel für zwei solche Verstärkereinheiten zum Betrieb eines Zwei-Schicht-Elements ist in F i g. 10 dargestellt. Das mit dem Schaltkreis in Fig. 10 betriebene Zwei-Schicht-Element ist Teil ei-

&Tgr;&igr; 11

ncr Übertragercinhcil 194, die zur Verwendung in dem Videobandgerät der Ki g. 3 gedacht ist. Die Übcrtragcrcinhcit 194 isl in Fig. 10 schcinalisch und vereinfachl dargestellt, sie ähnelt jedoch vorzugsweise einer Einheit 36 gemäß Fig.2. (Der piezokeramische Generator 68 ist lediglich der Übersicht halber nicht als Teil der Übertragereinheit 194 eingezeichnet)

Die Übertragereinheit 194 enthält eine obere piezokeramische Schicht 1% und eine untere piezokeramische Schicht 198. Beide Schichten sind mit einem gemeinsamen, geerdeten Substrat 200 verbunden. Auslenksignale werden an die Übertragereinheit 194 Ober die obere und untere leitfähige Schicht 202 bzw. 204 gelegt. Die piezokeramischen Schichten 196 und 198 sind, wie durch die Pfeile angedeutet, in einer gemeinsamen Richtung gepolt

Auf der Einheit 194 ist ein Überfager 199 befestigt, der in der bereits geschilderten Art und Weise ausgelenkt wird. Die piezokeramische Schicht 196 wird durch den zusammengesetzten Verstärker (Verstärkereinheit) 205, die pic/.okcramische Schicht 198 durch die Verstärkereinhcil 208 betrieben. Die Verstärker 206 und 208 erhallen an Eingangsanschlüssen 210 Wechselspannungsauslenksignale auf niedrigem Pegel, verstärken diese Signale und geben sie, überlagert einer Gleich-Spannungsvorspannung, auf die leitfähigen Schichten 202 und 204. Im allgemeinen enthält der Verstärker 206 eine erste Verstärkerstufe, die aus einem Differentialtransistorpaar (Transistoren 212 und 214) besteht, und eine zweite Verstärkerstufe, gebildet aus einem weiteren Differentialtransistorpaar (Transistoren 216 und 218). Der Ausgang des Transistors 218 überbrückt den Transistor (Transistor 220) der Gleichspannungsquelle. Das verstärkte Signal am Kollektor des Transistors 2&Iacgr;8 wird auf die Basen von Emitterfolgern 224 und 226 und über Emitterwiderstände 228 und 230 auf eine Ausgangsklemme 232 geführt. Das am Ausgang 232 auftretende Signal wird auf die Basis des Transistors 214 über einen Rückkopplungswiderstand 234 zurückgeführt, so daß der Verstärker 206 wie ein herkömmlicher Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung arbeitet.

Die an der Ausgangsklemme 232 anliegende Gleichspannung betrügt in einem typischen Beispiel +100V und wird durch Widerstände 236 und 238, durch den Rückkopplungswiderstand 234 und durch die ± 200-V-Stromversorgung bestimmt. An der Ausgangsklemme 232 kann ein Wechselspannungssignal mit einer Differenz von 200 V zwischen den Spitzen auftreten, ohne daß die Spannung an der piezokeramischen Schicht 1% eine zu deren Polungsrichtung enlgcgengcsetzte Polarität annehmen würde. Transistoren 240 und 242 stellen für die Emitterfolger 224 bzw. 226 Kurzschlußsicherungen dar, sie begrenzen deren Ausgangsstrom, wenn die Ausgangsklemme 232 versehentlich geerdet werden sollte. Die Verstärkereinheit 208 entspricht der Verstärkereinheit 206 und liefert ein verstärktes Auslenksignal an seinem Ausgang 244. Dieses Signal ist einer Gleichspannung von —100 V überlagert. Die Verstärker 206 und 208 können zusammen verwende! werden, urn die Verstärkung des Treiberverstärkers «&ogr; 100 aus F i g. 1 durchzuführen.

Die Verstärkereinheiten 206 und 208 liefern Wechselspannungsausgangssignale mit großer Amplitude, die einer Gleichspannung überlagert sind. Die Summenspannung erregt das biegbare Zwei-Schicht-Elemcnt ohne es zu depolarisieren, so daß sichergestellt ist, daß das ausgelenkte Element seine A.uslenkempfindlichkeit nicht verliert. Das Übertragersystem der Fig. 10 und die in den F i g. 8 und 9 dargestellten und beschriebenen Verfahren ermöglichen den auslenkbarcn Zwci-Schichl-Elcmcnlen eine verbesserte Arbeitsweise.

Es wurden bisher verschiedene verbesserte Zwei-Schiriit-Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, die in Verbindung mit einem verbesserten Videoband-Lesesystem offenbart wurden. So stellt beispielsweise die Kombination aus dem Zwei-Schicht-Element und dem Wandler eine gedrungene, zuverlässige Vorrichtung zur Registrierung der momentanen Auslenkposition eines auslenkbaren piezokeramischen Trägers dar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Vorrichtung Teil einer verbesserten Videoband-Leseanordnung und erzeugt ein Ausgangssignal, das die Auslenkposition eines Übertragerkopfs anzeigt Mit dieser neuen Anordnung werden Schwierigkeiten überwunden, die sonst bei auslenkbaren Lesevorrichtungen auftreten: Die unerwünschten Übertragervibrationen bei Empfang eines elektrischen oder mechanischen Impulses werden durch Erzeugung eines Ausgangssignals verringert, das in ein Dämpfungssignal umgewandelt werden kann.

Die Dämpfung der Übertragervibralionen wird durch das geschilderte Steuersystem mit Rückkopplung erzielt D'eses System erzeugt ein Signal, das die Geschwindigkeit eines ausgelenkten oder vibrierenden Übertragers anzeigt, wandelt das Geschwindigkeitssignal in ein Dämpfungssignal um und gibt das Dämpfungssignal auf den Trägerarm für den Übertrager und dämpft damit die Übertragerschwingungen. Dia verbesserte Kombination aus Zwei-Schicht-Antriebselement und Generator wird in diesem Dämpfungssystem vorzugsweise dazu verwendet, ein die momentane Übertragerposition anzeigendes Signal zu erzeugen. Das Signal für die Übertragergeschwindigkeit wird durch Differenzierung des Signals für den Übertragerort abgeleitet Bei dem Dämpfsystem sind Vorkehrungen dafür getroffen, daß das Rückkopplungssystem bei Frequenzen nahe der Resonanz und der Antiresonanz der Kombination aus Zwei-Schicht-Antriebselement und Generator . stabilisiert wird. Die Rückkopplungsschleife führt im Zusammenwirken mit der neuen, ein Zwei-Schicht-Antriebselement sowie einen Generator enthaltenden Übertragereinheit zu einer wirksamen Dämpfung eines auslenkbarcn Videoband-Übertragers ohne Einengung des dynamischen Übertragerbereiches. Hinzu kommt, daß dieses elektronische Dämpfsystem durch die hohen Beschleunigungen, denen es normalerweise in einem Videoband-Lesesystem ausgesetzt ist, nicht nachteilig beeinflußt wird.

Die Dämpfsignale sowie die Signale zur Auslenkung des Übertragers werden vorzugsweise mit den hier offenbarten Verfahren und Vorrichtungen gegeben. Auf diese Weise werden die bei früheren Techniken stets aufgetretenen Depolarisationseffekte beseitigt. Dies geschieht dadurch, daß die Auslenksignale eine Polarität haben, die stets mit der Polungsrichtung der piezokeramischen Schicht, an der die Signale liegen, übereinstimmt Eine Verstärkereinheit, mit der diese verbesserte Technik realisiert werden kann, empfängt Auslenksignalp mit großer Amplitude und gibt sie auf das Zwei-Schicht-Element, das in beiden Richtungen stark ausgelenkt werden kann, ohne daß Depolarisationserscheinungen auftreten, und dadurch eine hohe Auslenkempfindlichkeit behält.

Die geschilderten Verbesserungen sind in einem neuen, verbesserten Videoband-Lesesystem für Videobandgeräte, insbesondere für Geräte mit gewendeltem Band, zusammengefaßt gewesen. Es dürfte jedoch klar sein,

daß die einzelnen Verbesserungen auch unabhänig voneinander
und in anderen Anwendungsfällen als Videoband-Lesesystemen
Verwendung finden köryien.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

10

30

J5

40

45

50

55

cu

Claims (1)

Patentansprüche

1. Anordnung zur Dämpfung von mechanischen Vibrationen eines einen Übertragerkopf an einem Speichermedium, insbesondere einem Videoband, haltenden, auslenkbaren Trägers, der auf ein elektrisches Befehlssignal hin ausgelenkt wird und dabei den Übertragerkopf relativ zum Speichermedium bewegt, wobei ein Signalerzeuger vorgesehen ist, der ein der momentanen Auslenkung des Trägers entsprechendes elektrisches Ladesignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Vibrationen eines Trägers (42) mit einer ausgeprägten mechanischen Resonanz ein Rückkoppelschaltungszweig vorgesehen ist, umfassend