Brevet FR2493089A1 — publié le 19820430

La présente invention se rapporte à des têtes de coupe adaptées à la formation de motifs topographiques représentatifs de signaux sur un support d'enregistrement, et elle se rapporte plus particulièrement à des têtes de coupe permettant de former un déplacement sensiblement uniforme et répondant au signal, de l'aiguille de coupe sur une bande relativement large de fréquences comme on peut en employer dans un système de vidéodisque. Dans le brevet US No. 3 842 194 au nom de J.K. Clemens, io est révélé un vidéodisque à utiliser avec un système de restitution du type à variations capacitives. Dans une configuration du système de Clemens, l'information repré- sentative de l'image et du son à enregistrer est enregistrée sous forme d'un motif en relief dans un sillon en spirale relativement fin à la surface d'un disque. Par exemple, on peut utiliser des largeurs du sillon de l'ordre de 2,5)i et des profondeurs de ce sillon de l'ordre de 0,5 È1. Pendant la restitution, les variations capacitives entre une électrode conductrice sur une aiguille et une propriété conductrice du disque sont détectées pourrestituer l'in- formation préenregistrée. Selon le format de Clemens, l'information vidéo peut être enregistrée sous forme de variations relativement courtes (comme 0,6-1,6 p) du relief sur la longueur du sillon en spirale. A titre d'exemple, le procédé d'enre- gistrement peut être du type indiqué dans le brevet US No. 4 044 379 au nom de J.B. Halter. Selon le procédé de Halter, une aiguille à commande électromécanique (par exemple en diamant) de forme triangulaire, sensible à un signal vidéo et audio combiné, enregistre des variations géométriques relativement courtes, représentatives des variations dans le temps, du signal, sur la surface d'un substrat en métal. Après l'opération d'enregistrement électromécanique, les variations géométriques coupées dans le substrat en métal doivent être une représentation sensiblement fidèle du signal d'enregistrement vidéo et audio. Certaines caractéristiques de l'opération d'enregistrement doivent être contrôlées avec précision pour effectuer cette réplique et ainsi améliorer la performance du vidéodisque pendant la restitution. Par exemple, le déplacement de l'aiguille de coupe qui détermine la profondeur du signal enregistré doit être linéaire avec la tension du signal appliqué et indépendant de la fréquence. Par ailleurs, la relation de phase entre le signal appliqué et le déplacement du moyen de coupe doit être linéaire avec la fréquence. Dans le système du type Clemens, la bande de fréquencesd'intérêt peut atteindre 9 MHz, néces"itant ainsi un contrôle sur une large gamme de fréquences.Bien entendu, si la coupe du signal se produit à une certaine fraction du temps réel (par exemple demi- temps) alors, en conséquence, la gamme des fréquences critiques est réduite par cette fraction. De façon idéale, une aiguille de coupe électromécanique est excitée de façon à se déplacer vers le haut et vers le bas pour couper le motif (c'est-à-dire les variations en relief) du signal le long du sillon. En général, les dispositifs électromécaniques utilisés pour couper une information de signal sur la large bande décrite ici ont de nombreux modes de résonance mécanique qui se trouvent dans la bande de fréquenes d'intérêt. Par ailleurs, l'aiguille peut présenter des mouvements dans des directions autres que la direction de coupe du signal vers le haut et vers le bas, du fait du mouvement d'étirement et de contraction des divers éléments d'un ensemble de coupe tandis que l'aiguille se déplace vers le haut et vers le bas. Du fait de ces résonances dans la lrgeur de bande oenitm& et des contractions et del'lireEnmt dans les directions du mouvement, l'aiguille peut se déplacer de façon que le mouvement que l'aiguille trace ne soit pas une représen- tation sensiblement fidèle de la source. Les composantes de mouvement dans des directions autres que la direction entraînée et des déphasages non linéaires entre le 2493089 - déplacement de l'aiguille de coupe dans la direction entraînée et la tension d'entraînement peuvent produire des effets néfastes qui sont visibles lors d'une restitution d'un disque fabriqué à partir d'un substrat coupé avec un ensemble formant tète de coupe. Selon les principes de la présente invention, un ensemble transducteur électromécanique ayant une structure et une composition réduisant ces effets néfastes est prévu. Par ailleurs, selon les principes de l'invention, on prévoit un appareil pour enregistrer électromécaniquement une information de signal ayant une largeur de bande de plusieurs mégahertz, le long d'une piste sur un support d'enregistrement en déplacement. L'appareil comprend un socle de montage ayant une surface de montage d'une tête de coupe. Un organe de base qui est relié à la surface de montage du socle a un premier axe de symétrie et une première surface perpendiculaire au premier axe. L'appareil comprend de plus un élément piézoélectrique et une aiguille de coupe. L'élément piézoélectrique a un second axe de symétrie et des première et seconde surfaces parallèles et opposées qui sont perpendiculaires au second axe. L'aiguille de coupe qui est montée sur la première surface parallèle et opposée de l'élément piézoélectrique a une face de coupe qui est perpendiculaire à une tangente à la piste. L'élément piézoélectrique est relié à l'organe de base en couplant la seconde surface opposée de l'élément piézoélectrique à la première surface de l'organe de base. L'élément piézo- électrique est agencé sur l'organe de base de façon asymétrique pour réduire un mouvement parasite de la face de l'aiguille de coupe le long de la piste. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une tête de coupe de vidéodisque construite selon les principes de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe faite suivant les flèches 2-2 de la figure 1; et - la figure 3 est un schéma simplifié d'un dispositif pour l'enregistrement mécanique d'une piste de signaux sur un vidéodisque.. En se référant aux figures 1 et 2, un ensemble 10 formant tête de coupe comprend une aiguille de coupe 12 en un matériau dur et rigide (comme du diamant) ayant une face de coupe 14. L'aiguille 12 est montée sur un matériau piézoélectrique 16 qui, dans l'agencement illustré, est en forme de cylindre circulaire et droit. Bien que l'élément piézoélectrique 16 soit illustré comme un cylindre circulaire et droit, cet élément peut prendre d'autres formes, par exemple un parallélépipède rectangle ou un cône tronqué. L'aiguille 12 est fixée de façon rigide à l'élément piézoélectrique 16, par exemple au moyen d'un ciment époxy. On peut citer comme matériaux piézoélectriques typiques adaptés pour l'élément 16, ceux du type titanate de zirconium-plomb commercialisés par Clevite Corporation sous le nom de PZT-8 ou PZT-4. L'élément piézoélectrique 16 est relié à un organe de base 18. Typiquement, l'organe de base 18 peut être formé en acier et joint à l'élément piézoélectrique 16 par une soudure. Une fréquence porteuse, modulée par un signal vidéo, est appliquée à l'élément piézoélectrique 16 par des bornes 20 et 22. Du fait de la tension du signal appliquée aux bornes 20 et 22, la longueur de l'élément piézoélectrique 16 varie selon l'information modulée, ainsi l'aiguille 12 accomplit un mouvement oscillant dans une direction parallèle à l'axe Z. En se référant à la figure 3, une piste 32 ayant un motif en relief géométrique selon l'information qui est enregistrée, est coupée dans un substrat 34 de vidéodisque. L'organe de base 18 est relié à un organe d'amortissement 28 qui, à son tour, est relié à une patte de montage 24, typiquement formée en un matériau rigide tel que de l'aluminium, de l'acier ou de la céramique. Ltensemble 26 qui comprend l'organe de base 18, l'élément piézoélectrique 16 et l'aiguille 12 est isolé de la patte de montage 24 au moyen de l'organe d'amortissement 28. L'organe d'amortissement 28 peut se composer de couches relativement minces d'un matériau pliable,séparées par des couches d'un matériau rigide comme, par exemple, LAPTON commercialisé perDuPont Corporation. Les couches minces de matériau pliable peuvent être en caoutchouc de silicone ou nitrate de cellulose très plastifié au moyen de tricrêsyl phosphate. L'organe d'amortissement 28 agit essentiellement comme un point passif de référence pour l'ensemble actif 26, et il assure une liberté consi- dérable de mouvement à l'ensemble 26. L'organe 28 produit une force de restauration par suite de son élasticité. Si le module d'élasticité de l'organe d'amortissement 28 est choisi pour être faible et par conséquent, si son amortissement est élevé, les résonances de l'ensemble 26 peuvent tre maintenues en-dessous de la limite la plus basse des fréquences de la région de réponse utile du moyen de coupe -(par exemple en-dessous de 650 KHz). Si l'ensemble 26 est relié de façon très serrée à la patte de montage 24, un spectre des résonances à basse fréquence et des harmoniques du fait de la patte de montage peut apparaitre, pouvant provoquer des déplacements non voulus de l'aiguille de coupe 12. L'ensemble idéal 26 présente un mouvement de l'aiguille uniquement dans une direction parallèle à l'axe Z. Dans la pratique réelle, des composantes du mouvement de l'aiguille sur l'axe X et sur l'axe Y existent. La composante Y peut généralement être ignorée parce qu lle n'effectue qu'une faible modulation d'amplitude de second ordre du mouvement Z ou de la composante du signal. Comme le signal enregistré est généralement codé FMdansunsystème de vIffodisyee, la modulation d'amplitude est perdue pendant la démodulation du signal pendant sa restitution. Cependant, la composante X, provoque une modulation de phase du signal enregistré qui peut affecter de façon sérieuse la repro- duction des signaux de courte longueur d'onde. On pense que ces mouvements transversaux X, Y résultent d'un couplage interne dû au rapport de Poisson (en effet, le mouvement de contraction et d'étirement en direction Z provoque un mouvement en direction X et Y) dans les diverses pièces de l'ensemble de coupe, qui ont des asymétries physiques et mécaniques accidentelles ou incor- porées de structure et de matériaux. Dans des circonstances mécaniques néfastes, les mouvements sur X et Y peuvent être égaux au mouvement sur Z tandis qu'en général, ils ne doivent jamais dépasser 1/10 du mouvement sur Z. En agençant avec soin les pièces et le géométries de ces pièces, on a trouvé que les mouvements sur X, Y pouvaient être contrôlés sur la largeur de bande d'intérêt. Les mouvements sur X et Y ne sont généralement pas de la même grandeur. L'un peut être plus petit que l'autre de plusieurs db et ils peuvent différer quelque peu par leur réponse en fréquence. On a trouvé que si une faible asymétrie géométrique était introduite volontairement dans l'ensemble 26, la direction du mouvement dans un plan parallèle au plan XY pouvait être contrôlée. L'asymétrie introduite peut être accomplie en coupant des parties plates sur des côtés diamétralement opposés de la surface cylindrique de la forme cylindrique circulaire et droite de l'élément piézoélectrique 16, de façon que ces parties plates soient perpendiculaires à la base cylindrique ou en formant l'organe de base de forme asymétrique ou, comme on peut le voir sur les figures, en montant l'élément piézoélectrique 16 de façon asymétrique par rapport à l'organe de base 18 afin que l'axe Z de l'élément piézo- électrique 16 ne soit pas colinéaire avec l'axe Z de l'organe de base 18. Dans l'agencement représenté sur la figure 1, l'élément piézoélectrique 16 dont l'axe de symétrie est perpendiculaire à la base cylindrique est agencé sur l'organe de base 18 de façon que son axe de symétrie soit perpendiculaire et coupe une diagonale swula surface rectangulaire 40 de l'organe de base 18. La fréquence de résonance limite la plus faible à l'extrémité des hautes fréquences de la réponse en fréquence de la tète de coupe est déterminée par l'ensemble 26 qui agit-comme s'il était dans un espace libre. En général, la forte résonance naturelle la plus basse de l'un des deux éléments, la base ou l'élément piézoélectrique, provoquera la-forte résonance la plus faible de la paire couplée. Dans de telles circonstances l'élément piézo- électrique excite mécaniquement la base et tandis que les fréquences d'excitation varient, la base répond à son propre spectre de résonances Les deux éléments sont des charges l'un pour l'autre et provoquent une certaine modification des réponses séparées. On notera qu'il est évident que certaines résonances aux plus basses fréquences peuvent se produire par l'ensemble agissant comme une unité, mais en général ce sont des réponses de faible amplitude qui peuvent être amorties à un niveau négligeable. Dans l'art antérieur, par exemple de Halter, l'épaisseur de l'organe de base est à peu près égale à l'épaisseur de l'élément piézoélectrique. On a trouvé que si l'épaisseur de la base était progressivement réduite} on pouvait atteindre un point, à titre d'exemple, o le rapport des épaisseurs de la base à l'élément piézoélec- trique était de l'ordre de 1:15, oh l'élément piézo- électrique n'excite plus les modes de résonance de l'organe de base. Par suite, la résonance à basse fréquence de l'ensemble 26 est sensiblement la même que celle de l'élément piézoélectrique 16. En choisissant un organe de base mince, les dimensions en longueur de l'organe de base peuvent ne plus être considérées par rapport à leur effet sur les fréquences de résonance. En conséquence, les dimensions en longueur peuvent être déterminées pour s'adapter aux conditions du montage et de l'isolement. En se référant à la figure 1, l'organe de base 18 qui a la forme d'un parallélépipède rectangle, est illustré comme ayant des côtés "L", "Wu et "D". Quand la longueur "Lw est égale à la largeur "V", la surface de l'organe de base 18 fixé à l'organe d'amortissement 28 est carrée. Dans le mode de réalisation illustré, la profondeur *Du est à peu près égale à un-quinzième de la longueur "L". Un organe de base ayant une face de montage d'une grande surface en comparaison à la surface de la face de montage d'un élément piézoélectrique peut être utilisé pour décaler le centre de gravité de l'ensemble 26 vers l'organe de base, forçant plus du mouvement du système libre à se produire à l'ensemble de coupe,là o on le souhaite. L'organe de base de grande surface offre un isolement accru pour un amortissement accru, plus de sécurité dans le montage de la base à l'organe d'amor- tissement, une suppression de certains modes néfastes de résonance et plus d'espace pour fixer les fils conducteurs. Une difficulté principale concernant la forme pyra- midale et triangulaire d'une structure du type Halter provient du fait que, tandis que certaines résonances non voulues sont supprimées par les côtés non parallèles, toutes les résonances ne sontpas éliminées et le spectre de fond est si complexe qu'un équilibrage au-dessus de la résonance au moyen d'un circuit d'équilibrage est difficile. On a trouvé qu'une tentative pour choisir la forge géométrique de l'élément piézoélectrique 16 consistait à choisir une forme simple. Une telle forme donne un spectre simple de résonancesqui peut être équilibré d'une façon plus simple et plus complète. Par exemple, un cube, un parallélépipède rectangle avec une face d'électrode carrée ou un cylindre circulaire droit présentent des formes ayant des spectres de résonance assez simples. Dans des systèmes de simple forme comme ceux décrits ci-dessus, on peut utiliser une conicité en direction Z afin de permettre la suppression d'une partie des modes donnant lieu aux-mouvements sur x et y sans compliquer le spectre. Il peut y avoir d'autres avantages à l'utilisation de structures cylindriques ou rectangulaires pour l'élément piézoélectrique. En général, il est souhaitable que l'élément piézoélectrique présente ses propriétés en masse. Ces propriétés sont perdues quand le volume de l'élément est petit. Par ailleurs, le volume de l'élément piézo- électrique est une mesure de sa résistance physique et de sa solidité. De ce point de vue, la coupe transversale circulaire représente un volume et une résistance rela- tivement élevés tandis que la coupe transversale trian- gulairLe représente un volume et une résistance relativement faibles Par exemple, un élément piézoélectrique de 0,2 mm d'épaisseur (dimension épi) ayant une fréquence de résonance -6 3 de 5 MHz a un volume de l'ordre de 33 x 10 cm quand il a une coupe transversale circulaire, de 29 x 10- cm3 quand il a une coupe transversale carrée et de 22 x l0'o-m3 quand il a une coupe transversale triangulaire. Par conséquent, des géométries simples ayant des spectres de fréquencesde résonance simples peuvent non seulement simplifier le processus d'équilibrage mais également donner volume et résistance à l'élément piézoélectrique. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Appareil pour enregistrer électromécaniquement une information de signal ayant une largeur de bande de plusieurs mégahertz le long d'une piste sur un support d'enregistrement, caractérisé par la combinaison de: un socle de montage (24) ayant une surface de montage; un organe de base (18) relié à ladite surface de montage dudit socle, ayant un premier axe de symétrie et une première surface perpendiculaire audit premier axe un élément piézoélectrique (16) ayant un second axe de symétrie et des première et seconde surfaces parallèles et opposées perpendiculaires audit second axe; et une aiguille de coupe (12) montée sur ladite première surface parallèle et opposée dudit élément piézoélectrique, ayant une face de coupe (14), ladite aiguille de coupe étant agencée sur ledit élément piézoélectrique de façon que ladite face de coupe soit perpendiculaire à une tangente à la piste; ladite seconde surface opposée dudit élément piézo- électrique étant fixée à ladite première surface dudit organe de base et ledit élément piézoélectrique étant agencé sur ledit organe de base de façon asymétrique pour réduire un mouvement parasite de ladite face de coupe de l'aiguille le long de ladite piste. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de base précité a la forme géométrique d'un parallélépipède rectangle. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première surface de l'organe de base précité a la forme géométrique d'un carré. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second axe de l'élément piézoélectrique précité coupe une ligne en diagonale du carré précité de la première surface de l'organe de base précité. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de base précité a la forme géométrique d'un parallélépipède rectangle ayant des côtés 'IL' (longueur), UWV (largeur) et "D" (profondeur); la dimension "Dé étant bien plus petite que la dimension "L" ou "W", et le côté ayant la dimension "D" étant parallèle au premier axe dudit organe de base. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en -ce que la dimension "L" est égale à la dimension "W" et en ce que le--rapport de 'IL" à "D" est supérieure à 15 à 1. 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique précité a une forme géométrique de cylindre circulaire et droit. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le cylindre circulaire et droit précité de l'élément piézoélectrique précité a des parties qui sont coupées sur sa surface cylindrique, lesdites parties plates étant perpendiculaires à la base du cylindre, l'élément piézo- électrique précité étant placé de façon que la position desdites parties plates réduise un mouvement parasite de la face de coupe de l'aiguille précitée le long de la piste. 9. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique précité a la forme géométrique d'un parallélépipède rectangle.