JPS6019677B2 - 電気−機械変換素子の自励振動抑止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電素子で構成された通称／ゞィモルフ等の電
気−機械変換素子を用いて、回転磁気へッドの機械的高
さ位置を変化させるようにした磁気記録再生装置（ＶＴ
Ｒ）等における前記電気−機械変換素子の駆動方法に関
するものであり、特にバィモルフに急激な変化をさせた
時に生じる目励振動を、特に、ダンパ部材等を用いずに
除去する方法を提供するものである。

回転ヘッド形ＶＴＲにおいて、回転磁気ヘッドの機械的
高さ位置を圧電素子で構成されたバィモルフを用いて回
転軸方向に変位させる方法は既に０公知であり、記録ト
ラックの曲がりに追従する方法及び、スチル、スロー、
倍速再生等の特殊再生時に記録トラック上を忠実に再生
ヘッドが追従する方法等に適用できる。

圧軍素子で構成されたバィモルフ１は第１図に５示すよ
うに、矢印Ｐで示す方向の分極をもった２枚の庄電素子
２及び３を共通電極４を有するように貼り合わせ、さら
に両側電極５，６が蒸着等の方法により形成されてなる
。

このような構成のバイモルフ１を変位させる場合には共
通電極４より０引出した端子７と、両側電極５，６を電
気的に後続した線より引出した端子８との間に電圧を印
加すればよい。例えば端子７に由を、端子８にｅ電圧を
印加した場合、圧電素子２はその長手方向に伸び圧鰭素
子３は縮み「その結果／ゞィモルフ１は夕曲がり変位を
生じる。該曲がり方向は端子７，８間に印加する電圧の
極性及び圧電素子２及び３の分極方向に左右されること
は周知である。かかる構成をもつバイモルフを用いた磁
気ヘッド可動装置を第２図イ，口に示す。

第２図において９は圧電素子１０，１１で構成されたバ
ィモルフであり、一端には磁気ヘッド１２が接着等の方
法で固着され、他端は接着剤１３により取付け部材１４
上に固着されている。取付け部材１４はビス止め等の方
法で回転ディスク上に固定される。従って第２図に示す
磁気ヘッド可動装置は回転ディスクと共に回転する。圧
電素子に電圧を印加しなければ、磁気ヘッド１２は従来
の回転ヘッド形ＶＴＲに使用されている磁気ヘッドと同
様に回転軸に垂直な平面内で円運動を行なうだけである
が、圧電素子の各電極に接続された引出し線１５に外部
よりブラシ等を介して電圧を印加した場合、磁気ヘッド
１２は前記円運動と共に矢印１６で示す方向（回転軸方
向）に変位する。磁気ヘッド可動装置に用いられるバィ
モルフの周波数特性を第３図に示す。

一定電圧の正弦波信号をバィモルフに印加した場合、振
れ量は印加信号の周波数によって同図ａに示すごとく変
化し、周波数ｆ，で正の共振を、周波数らで負の共振特
性を示す。一方、位相特性は同図ｂで示すように正の共
振部で急激な変化をし、この時の位相遅れは１８０度で
ある。従って正の共振部近傍ではバィモルフを２次系と
して扱うことができる。共振周波数はバイモルフの形状
によってほぼ決定され、該形状は回転シリンダの径、必
要振れ量、強度等によって決定される。例えば長さ１２
側、幅８柵、厚さ０．４帆の時、共振周波数ｆ，は約Ｉ
ＫＨｚである。またこの時のｆ，におけるＱは１０程度
が普通であり、比較的大きい値である。かかる特性をも
つバイモルフに第４図ａで示すようなステップ電圧を印
加した場合、バィモルフの振れ量は同図ｂで示すように
急激な変化部において自励振動１７を生じる。

目励振動の周波数は正の共振周波数Ｌ‘こ一致し、振幅
は急激な変化部において６ｔを有し、以降徐々に減衰す
る。従ってバィモルフの振れ量は印加電圧Ｖｓに応じた
変位量６ｓに最終的には落ち着く。共振角周波数をのｎ
とした時、２次系の伝達関数Ｇ（ｓ）は一般に【１１式
のごとく表わすことができる。

山名 ‐‐‐（１， Ｇ（Ｓ）＝Ｓ２十２さのｎＳ＋■釜 ‘１１式で示す系の過渡応答は第５図に示すごとく変化
し、減衰係数きが４・さし、程行き過ぎ量が増大し、；
＝０で行き過ぎ量は１となって最大値を示す。

減衰係数；とＱとの関係は■式で示され、Ｑが無限大の
時き‘ま零となる。Ｑ＝２川岸き …【２｝ これらの制御理論を前述のバィモルフにあてはめてみる
。

バイモルフのＱは１０であるためミニ０．０５となり行
きすぎ量はほぼ１に近い。これは第４図ｂにおいて６ｔ
ニ２６ｓであることを示す。次に磁気ヘッド可動装置の
具体的な使用例について説明する。へりカルスキャン型
ＶＴＲでは回転シリンダに内蔵する磁気ヘッドの数によ
って１ヘッド形、２ヘッド形、３ヘッド形・・・・・・
に大別でき、回転シリングへのテープ巻き付け角はそれ
ぞれ略３６０度、１８０度、１２０度……となる。

回転シリンダ内にＡ，Ｂ２個のヘッドを内蔵した２ヘッ
ド形ＶＴＲでは１フィールド分の映像信号を１トラック
として磁気テープ上に各ヘッドで交互に記録し、記録磁
化軌跡は第６図に示すごとくなる。第６図においてＴ＾
，Ｔ８はそれぞれＡヘッド、Ｂヘッドで記録した磁化軌
跡であり、Ｔ＾，ＴＢ間には信号が記録されていないガ
ードバンドＴＧが設けられている。テープの走行方向を
矢印１８方向とし、回転磁気ヘッドの走査方向をａ点か
らｂ点方向とした時、スチル軌跡は１９となる。バィモ
ルフに電圧を印加しない状態で再生を行なった場合、ヘ
ッドがガ−ドバンドを通過するため再生画面上にノイズ
バンドを生じる。ノイズバンドを生じさせないためには
ヘッドの走査軌跡がａ点とｃ点を結ぶ直線となるようバ
イモルフに所定の電圧を印加すればよい。第７図にバィ
モルフへの印加電圧波形を示す。第７図においてａはヘ
ッドスイッチング信号であり、Ａヘッドがテープに当接
している期間はら−ら，ら−ｔ４，……間であり、Ｂヘ
ッドがテープに当俵している期間はら−ｔ３，Ｌ−ｔ５
，……期間である。ｂに示す三角波電圧はＡヘッド駆動
用／ゞィモルフに印加する電圧であり、ｃに示す三角波
電圧はＢヘッド駆動用バィモルフに印加する電圧である
。スチル再生時、ヘッドがテープに当接し始める点が第
６図に示すように記録軌跡の中心ａ点から始まるならば
、Ａヘッド駆動用／ゞィモルフに印加する三角波のｔ，
時点での電圧は零であり、ｔ２時点においては第６図に
示すｂ−ｃ間の変位量に相当する電圧を印加すればよい
。同様にＢヘッド駆動用バィモルフに印加する三角波の
ｔ２時点での電圧は零であり、ｔ３時点においてはｂ−
ｃ間の変位量に相当する電圧を印加すればよい。以下同
様の動作を繰り返えす。従って、各ヘッドがテープに当
俵している期間は各三角波ｂ，ｃの立上り期間に相当し
、立下り期間は次にヘッドがテープに当接し始めるまで
にヘッドの機械的高さ位置を初期の位置にもどすための
期間である。従って各三角波電圧ｂ，ｃの立下り期間は
基本的にはどのようなもどし方をしてもよい。例えばＡ
ヘッドを例にとった場合、第７図ｂの波形は同図ｄに示
すような鏡歯状波としても、印加電圧と同様の変位をバ
イモルフがするならばヘッドがテープに当綾している期
間は記録トラック上を忠実にオントラックして再生走査
することになる。しかしこの場合、実際にはｔ２，ｔ４
等の急激な変化部分において、バィモルフ自体が前述の
自励振動をおこす。自励振動はＱが１坊適度ある場合に
は１フィ−ルド期間（１／６硯妙）内では十分減衰せず
、従ってｔ２時に生じた自励振動はら−ｔ３間で収束せ
ず、ら−ｔ４間にも影響を及ぼすことになる。そしてこ
の時の目励振動の量は再生時のミストラツク量に相当す
る。このような自励振動をさげるため、２ヘッド形ＶＴ
Ｒではヘッドがテープに当接していない期間にヘッドの
機械的高さ位置を初期の値まで徐々にもどしてやるのが
普通である。次に回転シリンダ上に略３６０度テープを
巻きつけた１ヘッド形ＶＴＲでのスチル再生を考えてみ
る。

回転シリンダの径、テープ速度、記録トラック幅等の値
を適当に選んでやれば、１ヘッド形ＶＴＲにおける記録
磁化軌跡は前述の第６図に示した磁化軌跡と同機のパタ
ーンとなる。但しこの場合、各記録磁化軌跡Ｔ＾，ＴＢ
はすべて同一のヘッドで記録されたものである、１ヘッ
ド形ＶＴＲでスチル再生をする場合にはヘッドがテープ
に当俵してし、ない期間はごくわずかであり、例えば１
岬程度である。但しここで言う日とは１水平走査期間で
ある。従って、この短い期間内にヘッドの機械的高さ位
置をヘッドがテープに当接し始める初期に値にもどす必
要があるため、バィモルフに印加する電圧波形は第７図
ｅに示すごとくなる。しかし、ｅに示す電圧波形をその
ままバィモルフに印加すれば、前述の自励振動の影響に
より満足な再生画面を得ることができなくなる。急激な
バィモルフ変位の必要性は１ヘッド形ＶＴＲにおけるス
チル再生時に限られたものではなく２ヘッド形ＶＴＲに
おいても生じ、例えば記録時のテープ速度よりは速いテ
ープ速度で再生を行なう際にも生じる。記録時よりは速
いテープ速度で再生を行なう必要性は、早送り時に再生
画像をみながら所定の内容が記録されている箇所をみつ
ける際に有効である。第８図において、記録軌跡Ｔ＾，
ＴＢは通常のテープ速度で記録された磁化タ軌跡であり
、軌跡２川ま早送り時のヘッド走査軌跡である。早送り
時のテープ速度を記録時のそれの１坊苔とした時、ヘッ
ドは１／６の砂の間の記録トラックを１０本横切ること
になる。この時バィモルフに電圧を印加しなければ、再
生画面上には９本の０ノイズバンドが生じ非常に見苦し
い画面となる。前述のスチル再生時と同様の考え方でバ
ィモルフに電圧を印加し、ヘッドがテープに当接し始め
た最初の記録トラック上を忠実にオントラックして再生
する方式をとればノイズバンドは回避できる夕が、この
場合に必要なバィモルフの変位量は９トラックピッチ間
隔に相当しバィモルフの最大変位量よりも大きくなる。
前述の長さ１２脚のバィモルフでは３〜４トラックピッ
チ間隔の変位量が限度である。従って早送り状態での再
生時には同一の０記録軌跡上をオントラックして再生す
る方式ではなく、第８図に示す破線２１の走査軌跡をと
る方法が有効である。軌跡２１は一定期間所定の記録ト
ラック上をオントラックして再生し、ガードバンド部通
過の際にはヘッドをガードバンドに直角夕な方向に変位
させ、ヘッドのガードバンド通過時間を短くしようとす
るものである。ヘッドの機械的高さ位置を変化させる方
向はスチル軌跡に垂直方向であり、ガードバンドはスチ
ル軌跡にほぼ平行であるためヘッドをガードバンドに直
角な方向０に変位させることが可能である。従って早送
り時のヘッド走査軌跡を２１で示すごとく変化させれば
再生画面上に生じるノイズバンドの量は非常に少なくな
り、ほぼ満足のできる再生画像を得ることができる。こ
の時バィモルフに印加する電圧波形は第９図に示す鏡歯
状波を印加しなければならず、この時急激なバィモルフ
変位に伴う自励振動が発生する。なお、第９図に示す鋸
歯状波の数は１Ｍ音速再生の場合１フィールド期間に１
川固必要である。以上の２つの例以外にもバィモルフを
急激に変位させる必要が生じることが用途によって発生
し、この時のバィモルフの実際の変位変化は駆動波形に
バィモルフの自励振動分が重畳された形となる。

バィモルフの自励振動を除去するためには何らかのダン
ピング手段が必要であり、これまでには機械的ダンピン
グ方式と電気的ダンピング方式とが考えられている。

機械的ダンピング方式はバィモルフの一部にゴム等の弾
性体を接触させる方式であるが、該方法はバイモルフの
変位量を減少させる欠点を有し、またゴム等の経時変化
による信頼性の問題もある。電気的ダンピング方式はバ
ィモルフの目励振動を何らかの方法で検出した信号をバ
ィモルフ駆動段にフィードバックする方式であるが、該
方法は目励振動を検出する手段およびフィードバック回
路等が複雑となる欠点を有する。本発明は機械的ダンパ
葡材を用いることなく、また目励振動を検出する手段も
用いず、簡単な回路構成で自励振動を防止する方式を提
供するものであり、バィモルフへの印加電圧波形を後述
する所定の波形に一部変換することにより、目励振動の
ないバィモルフの急激な変位を実現するものである。

．以下本発明の詳細を説明する。

第１０図はバィモルフへの印放電圧波形とバイモルフの
実際の変位変化を示したものである。

同図ａにおいてステップ状波形２２はバィモルフへの印
加電圧波形を示する共に、バィモルフが印加電圧に忠実
に応答した時の変位変化をも示す。すなわち、波形２２
は印加電圧に相当するバィモルフ変位量を表わしている
。従って一定の電圧値をステップ的に印加した時、バィ
モルフが忠実に応答すればステップ的に６ｓ，の変位量
を示すことになる。しれし、実際のバイモルフの変位変
化は２３で示すように急激な変位変化部で自励振動を生
じ、該自励振動が徐々に減衰して最終６ｓ，に落着く変
位変化をする。なお、第１０図に示した各種自励振動は
説明の便宜上減衰しない自励振動を示してある。自励振
動の周期Ｔはバィモルフの正の共振周波数に相当する周
期であり、また、印加電圧の立上り部から自励振動の最
初のピーク値までの時間はＴ／２であることが２次系の
過渡応答の理論から言える。さらに、バィモルフのＱが
１の崖度であれば行き過ぎ量は約１であるため、この時
の自励振動の振幅６ｔ，は２６３，に等しいことは前に
述べた。以上のことを前提に第１０図ｂで示す霞０圧波
形を印加した時のバィモルフの応答について考えてみる
。ｂ図に示す負のパルス波形２４の電圧値‘まそこバイ
モルフ変位量に相当し・パルス幅がＴ／２に相当する波
形である。パルス波形２４レ同図Ｃ側ｄ‘こ示すよ化樹
轍学棚当する負のステップ電圧２５と正のステップ電圧
２６との合成により作ることができる。

言いかえれば、パルス電圧２４に対するバィモルフの応
答特０性はステップ電圧２５及び２６に対するバィモル
フの各応答特性を合成したものに等しい。ステップ電圧
２５及び２６に対するバィモルフの応答特性は２７．２
８に示すように周期Ｔをもち変位量の絶対値が６３，に
相当する目励振動となる。従っ夕て２７，２８で示す各
目励振動の符号を考慮して合成してやれば、同図ｅの２
９で示すように振幅が２６３，、周期Ｔの波形が得られ
、該波形２９がパルス電圧２４を印加した時のバィモル
フの過渡応答となる。０ 次にパルス鰭圧２４とステッ
プ電圧２２とを合成した駆動波形によるバィモルフの過
渡応答を考えてみる。

ステップ波形２２とパルス波形２４との合成波形は前述
の振幅及び位相の関係からｆ図に示す階段波信号３０と
なり、該信号３０とバイモルフに印加した時のバィモル
フの過渡応答は各目励振動２３と２９とを合成したもの
である。自励振動２３と２９は振幅及び周期が等しく、
位相が１８０度異なる正弦波信号であるため、合成した
信号の交流成分か零となる。合成信号の直流成分は信号
２３の平均レベル６ｓ，と信号２９の平均レベル＄との
合成であるため、６ｓ，の値をとる。従って、ｆ図に示
す階段波電圧３０を印放した際、バィモルフの過渡応答
はｇ図に示す波形３１となり、Ｔ／ａ類間の立上り部位
降は変位量６ｓ，で−定となる。このことはステップ電
圧２２をバイモルフに印加するかわりに階段波電圧３０
に印加すれば、バィモルフの自励振動が生じないことを
意味する。次に第１１図を用いて本発明の他の実施例に
つき説明する。

第１１図には６ｓ，の変位量に相当する振幅をもつステ
ップ電圧と、幅がＴ／２、振幅が羊‘こ相当するパ肌班
との誠脚を示し、パルス電圧の立下り部はステップ電圧
の立上り部から自励振動の周期Ｔに相当する時間だけ遅
れている。

該電圧波形３２を印加した時のバィモルフの過渡応答は
前述の考え方と同様に、第１１図ｂに示すステップ電圧
３３を印加した時の目励振動３４と、ｃ図に示すパルス
電圧３５を印加した時の自励振動３６とを合成したもの
であり、該合成信号はｄ図に示す波形３７となる。従っ
て、ａ図に示す電圧３２をバィモルフに印加すればバィ
モルフの過渡応答は１サイクル程度の自励振動を生じた
後、所定の値６ｓ，なる変位量に落着くことになる。過
渡応答によるバィモルフの自励振動を防ぐためだけの目
的ならば第１０図ｆに示す階段波電圧３０を印加すれば
よいが、波形処理回路作成上の問題や、目励振動の一部
を他の目的に使用する際などは第１１図ａに示す電圧波
形３２をバィモルフに印加すればよい。なお、この場合
第１１図ａに示すようにパルス波形の立下り部をステッ
プ波形の立上り部からＴで示す時間だけ遅らせる方法に
限定される必要はなく、２Ｔ，３ｒ，・・・・・・と遅
らせてもパルス波形印加後の自励振動は零におさえるこ
とが可能である。また、第１０図及び第１１図では目励
振動が減衰しないものとして説明したが、自励振動が減
衰する場合でも同様の考え方が適用できる。なぜならば
、例えば第１０図におけるステップ電圧２３とパルス電
圧による自励振動２９とは初期の１サイクル時点での振
幅が等しく位相が１８０度ずれていれば、その時点で自
励振動が抑止されるため、以降目励振動は生じない。す
なわち、減衰の度合は問題ではない。また、第１０図ｂ
に示すパルス電圧２４の振幅は学の変位量‘こ相当する
値として説肌柳・この値はバィモルフのＱの値に左右さ
れることは明らかである。さらに、ステップ的な電圧変
化を与える前にバィモルフが何らかの原因で自励振動を
おこしていれば、該自励振動とステップ電圧を印加した
ために生じる宮励振動との合成振動を打ち消すべくパル
ス電圧２４の電圧値を選ぶ必要がある。さらに、本例に
おいては正のステップ電圧による自励振動を打ち消す例
を用いて説明したため、自励振動消去用パルス電圧２４
は負のパルスとしたが、逆に負のステップ電圧による目
励振動を打０ち消すためには正のパルス電圧を印加すれ
ばよい。

言いかえれば、急激な変化による自励振動を防止するた
めには該変化による自励振動と振幅が等しく、相が１８
０度位異なる目励振動を生じさせるような電圧波形を印
加すればよい。タ 第１２図には本発明による考え方を
１ヘッド形ＶＴＲのスチル再生時に適用した例であり、
従来スチル再生時にバイモルフに印加されていたａ図に
示す鋸歯状波の立下り時を、ｂ図に示すように２段階の
変化をさせることによりバィモルフの目０励振動を防止
することができることはこれまでの説明で明らかであろ
う。

なおこの時の鏡歯状波の周期Ｔｒは１フィールド周期（
約１６．７ｍｓｅｃ）であり、階段波部分の期情ｍ／２
はバィモルフの共振周波数をＩＫＨＺとした時０．５ｍ
ｓｅＣとなるため、１フィタールド周期に比べて十分短
く、１ヘッドＶＴＲ特有の映像信号の欠け期間内（約１
０Ｈ）で自励振動を抑止することが可能である。以上の
説明で明らかなように、本発明によれば機械的ダンパ部
村を用いることなく、また自励振０動を検出してバィモ
ルフに電気的フィードバックをかける必要もなく、バィ
モルフ駆動波形に所定のパルス波形を重畳させるだけで
バィモルフの目励振動を抑止することができる。

図面の簡単な説明第１図は圧電素子で構成されたバィモ
ルフの構成を示す斜視図、第２図イはバイモルフを用い
た磁気ヘッド可動装置の平面図、口は同側面図、第３図
はバィモルフの周波数特性を示す図、第４図はバィモル
フの過渡現象を説明するための図、第５図は２次系にお
ける過渡特性を示す図、第６図はＶＴＲの記録磁化軌跡
を示す図、第７図はスチル再生時にバィモルフに印加す
る電圧波形図、第８図は１ぴ音速再生時のヘッド走査軌
跡を示す図、第９図は１併音速再生時にバィモルフに印
加する電圧波形図、第１０図は本発明によるバィモルフ
の自励振動を抑止するための波形操作原理を説明するた
めの図、第１１図は本発明の他の実施例を説明するため
の波形図、第１２図は本発明を１へッ第１図ド形ＶＴＲ
のスチル再生時に適用した場合のバィモルフへの印加電
圧波形図である。

２，３・・・…圧電素子、４・・・・・・共通電極、５
，６・・・・・・側電極。

第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第９図 第７図 第８図 第１０図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 減衰係数が１以下の２次系で近似される電気−機械
   変換素子において、該電気−機械変換素子に第１の駆動
   電圧を印加した時に得られる機械変換量が、前記第１の
   駆動電圧に相当する機械変換量と前記電気−機械変換素
   子のもつ第１の自励振動成分との合成量として得られる
   時、前記第１の自励振動成分と周期並びに振幅が等しく
   、位相が１８０度異なる第２の自励振動を発生する第２
   の駆動電圧を、前記第１の駆動電圧に重畳させたことを
   特徴とする電気−機械変換素子の自励振動抑止方法。 ２ 電気−機械変換素子に該電気−機械変換素子のもつ
   共振周波数の周期Ｔよりは短い時間で変化する第１の駆
   動電圧を印加した時、前記第１の駆動電圧の変化時より
   ｎＴ（ｎは整数）経過した時点で、幅がＴ／２を有し、
   振幅が前記第１の駆動電圧の変化量よりは少なく、且つ
   前記第１の駆動電圧の変化方向とは逆方向の振幅をもつ
   矩形波パルスを前記第１の駆動電圧に重畳したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電気−機械変換
   素子の自励振動抑止方法。