DE3200452A1 - Anordnung zum magnetischen aufnehmen und wiedergeben von signalen und magnetischer uebertragungskopf fuer diese anordnung - Google Patents

Description

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"Anordnung zum magnetischen Aufnehmen und Wiedergeben von Signalen und magnetischer Ubertragungskopf für diese Anordnung"

BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die magnetische Aufnahme und/oder Wiedergabe von Signalen auf einem flexiblem Aufzeichnungsmittel mit einem magnetischen Ubertragungskopf und mit Fortbewegungs- und FührungsmitteIn zum Herstellen des mechanischen Kontakts der aufeinaderfolgenden Teile eines flexiblen Aufzeichnungsmittels mit einer Kopffläche, die eine bestimmte Krümmung und

einen nicht magnetischen Ubertragungsspalt besitzt. 10

STAND DER TECHNIK

Für ein erfolgreiches Aufnehmen und Wiedergeben von Signalen auf flexiblen Aufzeichnungsträgern, insbesondere bei hohen Dichten, ist es für einen Mindestsignalverlust wichtig, dass im Bereich des Ubertragungsspalts

der Abstand zwischen dem Ubertragungskopf und dem Aufzeichnungsmedium minimal ist, vorzugsweise gleich Null. Das Gebiet, in dem die letzte Anforderung erfüllt wird (die sog. Kontaktfläche) wird hier als das Gebiet definiert, in dem der Abstand zwischen Kopf und Aufzeichnungsträger kleiner als das ungefähre Dreifache der kombinierten Rauhheit ihrer Oberflächen ist. (Der Ubertragungskopf ist dabei vom in-Kontakt-Typ.) Bei grösseren Werten ist die Rede von einem Luftfilm zwischen den Oberflächen. (Der Ubertragungskopf ist dabei vom Typ "fluid foil bearing").

In Anordnungen zum Aufnehmen und Wiedergeben von Signalen, die mit flexiblen Aufzeichnungsmedien arbeiten, wirkt sich die Wechselwirkung einer Vielzahl von Parametern stark auf die Voraussagbarkeit und auf die Möglichkeit zum

__n Aufrechterhalten eines derartigen Mindestabstands zwischen Kopf und Aufzeichnungsmedium aus. Die diesen Abstand beeinflussenden Parameter umfassen u.a. die Kontur der dem Aufzeichnungsmedium zugewandten Fläche des Kopfs. Die

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• O · 4

relative Geschwindigkeit zwischen dem Ubertragungskopf und dem Aufzeichnungsmedium, die Bandspannkraft und die Mediumparameter, wie die die Biegesteifheit bestimmende Dicke, den Elastizitätsmodul und die Querkontraktion (Poisson-Konstante).

Die bisher üblichen Magnetköpfe werden mit kreisförmigen Profilen mit konstantem Radius versehen. Die

Dicke h des Luftfilms zwischen der Kopffläche und dem ο

Aufzeichnungsmedium kann dabei mit der Theorie von A. Eshel und H.G. Elrod Jr. (siehe: "The Theory of the infinitelywide, perfectly flexible foil bearing, Journal of Basis Engineering, Transactions A.S.M.E., Serie D, Vol.87, 1965» S. 831 ... 836), wie folgt geschrieben werden:

_°. _ κ ( ⁶JHL)

R - *Ή ^ T '
worin

IT, = Viskosität des Mediums, in dem sich das Aufzeichnungsmedium verschiebt (meist Luft) U = relative Geschwindigkeit des Aufzeichnungsträgers gegen den Kopf T = Bandspannkraft ( = Zugkraft/Bandbreite) R = Radius des Kopfprofils K_n = Modellkonstante, abhängig vom Umschlingungswinkel, von der Breite und von der Biege-Steifheit des Aufzeichnungsträgers.

Eine Möglichkeit zum Erreichen eines Mindestwerts für h in einer gegebenen Aufnahme- und Wiedergabeanordnung und unter Verwendung eines gegebenen Magnetbands als Aufzeichnungsmedium (wobei die Viskosität Π. des Mediums, in dem sich das Aufzeichnungsmedium verschiebt, seine Geschwindigkeit U, die Bandspannkraft T und die Konstante K„ festliegen) ist es, den Krümmungsradius R klein zu machen. Dies hat jedoch einige Folgen.

Der Kontaktdruck ρ kann für kreiszylindrische Profile wie folgt geschrieben werden:

P = T/R,

worin ρ = örtlicher Kontaktdruck T = Bandspannkraft

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-Γ*

R = Profilradius.

Das bedeutet, dass wenn der Radius des Profils

kleiner wird, der Kontaktdruck ρ sich vergrössert und das

£ h bedeu-et, dass die Verschleissgeschwindigkeit ~r~Ti die

^ ^x

wie folget beschrieben werden kann:

-JX = K - (p - p_o)^a
worin

h = örtliche Verschleisstiefe jQ 1 = passierte Bandlänge

(= U χ Zeit)

ρ - örtlicher Kontaktdruck K und OL sind Modellkonstanten,

bei einer für optimalen Kontakt zwischen Kopf und Auf-J5 ze ichnungs träger erforderlichen Verkleinerung von R ansteigt.

Die Spalttiefe ist einer der wichtigsten Parameter, die sich während des VerschleissVorganges ändert. Für eine maximale Übertragungsfunktion ist eine geringe Spalttiefe erwünscht. Je grosser die Verschleissgeschwindigkeit, umso früher überschreitet die Verschleisstiefe die Spalttiefe, wodurch der Kopf unbrauchbar wird.

Zwar kann die maximale Verwendungsdauer des Kopfs dadurch verlängert werden, dass beim Entwurf von einer grösseren Spalttiefe ausgegangen wird, aber dies geht auf Kosten der Qualität.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es offensichtlich nicht möglich ist, mit einem einzigen Freiheitsgrad (der Radius R) sowohl die Dicke des Luftfilms als auch den Kontaktdruck unabhängig voneinander auf einen Mindestwert zu bringen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung schafft eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einem Ubertragungskopf der eine verbesserte Verschleissfestigkeit mit einem guten Anliegen des Aufzeichnungsträgers am Kopf verbindet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Krümmungsradius der Kontaktfläche zwischen Ubertragungskopf und Aufzeichnungsmedium an der Stelle des

• β β * OO * ««,

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Ubertragungsspalts einen Maximalwert hat und vom Ubertragungsspalt sow.ahl zu dem nach dem Ubertragungs spalt verlaufenden Teil des Aufzeichnungsträgers als auch zu dem vom Ubertragungsspalt weglaufenden Teil des Aufzeichnungsträgers wenigstens von einem bestimmten Punkt kontinuierlich abnimmt. Vorzugsweise wird der Krümmungsradius vom Ubertragungsspalt kontinuierlich kleiner.

Mit dieser einzigartigen Form des Kopfprofils

wird erreicht, dass der Kontaktdruck an der Stelle des 10

Ubertragungsspalts minimal ist, so dass dort die Verschleissgeschwindigkeit minimal und ausserhalb des Spaltgebiets an den Rändern des Kontaktgebiets, an welcher SteJLle der Verschleiss eine geringere Rolle· spielt, der Kontaktdruck gross ist. Es zeigt sich, dass durch diesen

(hohen) Gradienten des Kontaktdruckes der Luftfilm an der Stelle des Ubertragungsspalts schnell verschwindet, so dass dort trotz des niedrigen örtlichen Kontaktdrucks ein gutes Anliegen des Aufzeichnungsträgers am Kopf verwirklicht wird. Das Verschieben eines grossen Kontaktdrucks aus dem Spaltbereich (auf die "Schultern") bedeutet ausserdem, dass erst nach einem bestimmten Zeitverlauf der Verschleissbereich den Spalt erreichen und eine Ab-

o
nähme der Spaltlänge auftreten wird. In der Idealsituation

,ε muss die erforderliche Lebensdauer des Kopfs in diese Zeit fallen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine bekannte Ausführung eines Magnetkopfs mit einem konstanten Krümmungsradius der Bandkontaktfläche ,

Fig. 2 schematisch den Verlauf der Bandkontaktfläche eines Magnetkopfs, der sich für eine erfindungsgemässe Anordnung besonders gut eignet, Fig. 3 die Grosse des Krümmungsradius R in verschiedenen Bereichen eines Magnetkopfs mit einem Profil nach Fig. 2,

Fig. h den Kontaktdruck in verschiedenen Bereichen eines Magnetkopfs mit einem Profil nach Fig. 2,

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Fig. 5 die Abweichung eines erfindungsgemässen Kopfprofils in bezug auf die nächstliegende Parabel. BESCHREIBUNG DES AUSFUHRUNGSBEISPIELS Die Bandkontaktflache 1 des in Fig. 1 in Seitenansicht dargestellten bekannten Magnetkopfs 2 hat einen konstanten Krümmungsradius R₁. In der Mitte der Bandkontaktfläche 1 befindet sich ein Ubertragungsspalt 3. Ein magnetischer Aufzeichnungsträger 4 (in diesem Fall ein Magnetband) wird von einer Abwickelspule 5 nach einer Aufwickelspule 6 gebracht, wobei Bandführungsmittel 7, 7' dafür sorgen, dass in dem mit a, b bezeichneten Sektor das Magnetband 4 über den Umschlingungswinkel 2Θ mit der Bandkontaktfläche 1 in Berührung kommt. Das Profil der Bandkontaktfläche 1 ist mit einem konstanten (Krümmungs-) Radius R₁ ^ kreisförmig.

Für einen optimalen Band-Kopfkontakt (für magnetische Übertragung) ist es erwünscht, dass sich kein Luftfilm (ärοdynamische Schmierung) zwischen dem Band und dem Mftgnetspalt befindet. Dies bedeutet, dass grundsätzlich bei optimalem Kontakt immer Verschleiss auftritt.

Verringerung der Verschieissgeschwindigkeit durch Verringerung des Kontaktdrucks ist nur dann zulässig, wenn die erwähnte Anforderung erfüllt wird. Bei einem kreisförmigen Profil kann dies durch die Vergrösserung des Radius erreicht werden. Jedoch bei einem bestimmten Radius bildet sich ein Luftfilm.

Unter Vernachlässigung des Einflusses von Reibungskräften und bei folgender Annäherung für kleine Umschlingungswinkel _

⁵^) - dx² '

ΪΟΓ1Π

R = örtlicher Krümmungsradius w = Verschiebung des Bands aus seiner Ebene χ = Ortskoordinate,
" kann der Kontaktdruck p(x) wie folgt geschrieben werden _P(x) - D ώ - T äf| ,

dx dx
worxn

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ρ(χ) = die Kontaktdruckverteilung
w(x) = das Profil der Kontaktfläche

/ E h_f ³ λ
D = j ι = die Biegesteifheit

T = die Bandspannkraft

oder

_{ρ(χ) =} T _ _D df

Mit obiger Annäherung kann ein kreisförmiges Profil mit dem
Radius R wie folgt angenähert werden

w(x) = w₂x ,
worin _Λ

^W2 - 2R

ρ (χ) = ■ ' = konstant

Zwischen der halben Kontaktlänge L und dem halben ;

Umschlingungswinkel Q gilt folgende Beziehung j

dw (L) . , _ , ι

———^ί— ^u = tg θ , oder ί

L = R tg θ ^ R θ . j

Hieraus lässt sich ein maximaler Radius ableiten: |

η max \

^max - ^emin '
worin ;

2L = die maximale Kontaktlänge (beispielsweise

max

die Breite des' Kopfes) ;

2Θ . = minimaler Umschlingungswinkel
BEISPIEL
Für eine Kopfbreite von 8mm, d.h. L=4 mm und

einen Umschlingungswinkel von 10 =0,2 radial, gilt

R = -τ—τ = 20 mm.
max 0,2

Weiter sei bemerkt, dass beim Verschleissvorgang
die Kontaktlänge ansteigt und der Umschlingungswinkel
kleiner wird, so dass der Radius sich vergrössert und damit
der Luftfilm.¹

Bei einem Profil mit variabler Krümmung ist es
grundsätzlich möglich, Kontaktlänge, Umschlingungswinkel
und Kontaktdruck auf den Spalt unabhängig voneinander

PHN 9936 "* " Jj-* 15.6.1981

vorzus chreiben.

Ein beliebiges kontinuierliches Profil lässt sich wie folgt beschreiben:

oO
w(x) \

i=O

Bei einem symmetrischen Profil folgt w. =0 bei i ungerade.

Die Koeffizienten des Profils w. (i = gerade) lassen sich aus den Randbedingungen bestimmen. Beschränken wir uns auf 3 Randbedingungen:

2. p(0) = P₀

3. w(0) = 0,

so können wir mit einem Profil mit folgender Form auskommen ( \ 2 k

worin

w =0 ο

-p_nL^J + 6D tg θ

1 ί

6D + Tl/
ρ L + T tg θ

6D + TL /

Der örtliche Krümmungsradius beträgt dabei - RU) ' 1 - ³ 2~"

und der zugeordnete Kontaktdruck

Beispiel:

Aus P = -1670 N/m²

L = 1 mm

θ = 10° =0,2 radial

T = 0,5 N/0,000635 m

h„ = 26 Mikrometer

E = 7x1O⁹ N/m²
folgt

PHN 9936 · J8- **** 15.6.1981

w^ = 2,44 χ 10⁷ l/m³

W₂ = 52,5 1/m

r(o)= -9,652 χ 10"-^m; p(o) = -I670 N/m²

R(|)= -5,64 χ 10"³In₅ p(|) = -7433 N/ "·³; p(L) = -2^725 N/m²

m² . R(L)= -2.67X1O"·³; p(L) = -2^725 N/m

Ein Profil obiger Form ist mit 10 in Fig. 2 bezeichnet. Der örtliche Krümmungsradius dieses Profils ist mit 11 in Fig. 3 und der örtliche Kontaktdruck mit 12 in Fig. k bezeichnet. Hierin sind der Aufbau zweier Druckmaxima ¹^ seitlich der Spaltlage χ = 0 und ein Druckminimum an der Stelle der Spaltlage klar ersichtlich.

Ein Profil mit verlaufender Krümmung lässt sich auf zwei Arten mit einem kreisförmigen Profil vergleichen:

1. Die Abweichung vom nächstliegenden Kreis zur ^⁵ Spezifikation der Formgenauigkeit,

2. Der Luftfilm und die Kontaktlänge, wenn ein Kreis mit dem Radius R = T/P benutzt wird.

Abweichung vom nächstliegenden Kreis.

Zur Vereinfachung der Berechnungen wird die nächstliegende Parabel benutzt. Für kleine Umschlingungswinkel ist dies erlaubt, denn in diesen Fällen ist der Unterschied zwischen einer Parabel und einem Kreis vernachlässigbar klon. Es wird g(x) = g + g„ χ als die nächstliegende Parabel

nach folgendem Kriterium definiert: 25 _L

J - -J-

_L
f [w(x) - g{x)J ² dx

Die Koeffizienten g und g„ folgen aus folgenden Bedingungen

Sj _o

so dass

e_o = - 35- ^W4 ^l4

6 2

35 S₂ = W₂ + η W^ L

Zum Analysieren der Abweichungen wird die Differenz— funktion definiert

PHN 9936 ßr- " " "*"* 15.6. 1981

& (χ) = w (χ) - g (χ)

4 , \ 2

Die Differenzfunktion zeigt folgende Nullpunkte:

x^ = f2 ^2 Vf^{2 2} '

2w₄ ± ^{T (}

6 2 _4_ 2 = 14 ^L ± 14 ^L ^ 5

Es zeigt sich, dass die Ableitungen folgende Eigenschaften besitzen:

öi ⁼ " ^W4 ^x ' ^x

L¹

.2

H = ^{12 W}4 ^{χ2 + 2} (^W2

ix

^- = O für x = O

<j * 2

2 W₄

^-| = - 2 w₄ . I L²< O für x = 0

= ~ψ ^W4 L²>0 für χ = ± L If^₄-

d.h.. im Intervall -L ^- χ JL L hat Δ(χ)

j - 24

ein allgemeines Minimum χ = + L V6/14 Λ = - -ττ-τ— w, L

— » *·* 2k3

.3 örtliches Maximum χ = 0 Δ = ·~— W₄ L

allgemeines Maximum an den Rändern:

Für das gewählte Beispiel folgt (siehe Fig. 5):

-6 x =0 Δ(ο) = 2,1 χ 10 m

... = 0,34 χ 10"^m

i I

= 0,655 χ 10"³m λ (χ ) = -2,4 χ 10~⁶m

^Xs2 ⁼ °'^{86 X} ^°~^^m Δ (^xs2^ ^ά °

χ = L = 10""-³IIi £ (L) = 3,6 χ 10" m

» tf «

PHN 993ο *"" *'* Jfir*° ··· *..*»;.« 15.6.1981

Über eine KontaJctlänge von 1 nun hat das Profil ■w(x) eine Abweichung von ¹^ 2, 1; 2, k und 6 Mikrometer in bezug auf den nächstliegenden Kreis mit E ^ 7 ™ (bzw. Parabel g(x) = -2, 1 χ 10" + 731h X²^iZ

Leerseite

Claims (1)

1. PHN 9936 ,-U— ' 16.6.81

   PATENTANSPRÜCHE:

   (J Λ Anordnung zum magnetischen Aufnehmen und/oder Wiedergeben von Signalen auf einem flexiblen Aufzeichnungsmedium mit einem magnetischen Ubertragungskopf und mit Fortbewegungs- und Führungsmitteln zum Herstellen des

   mechanischen Kontakts aufeinanderfolgender Teile eines flexiblen Aufzeichnungsmediums mit einer Fläche des Kopfs, die eine bestimmte Krümmung aufweist und einen nicht magnetischen Ubertragungsspalt enthält, dadurch gekennzeichnet,

   dass der Krümmungsradius der Kontaktfläche an der Stelle 10

   des Ubertragungsspalts einen maximalen Wert hat und vom Ubertragungsspalt sowohl zu dem nach dem Ubertragungsspalt laufenden als auch zu dem vom Ubertragungsspalt weglaufenden Teil des Aufzeichnungsmediums wenigstens

   von einem bestimmten Punkt kontinuierlich abnimmt, 15

   so dass der Kontaktdruck an der Stelle des Spalts geringer als der Kontaktdruck an den weitest vom Spalt entfernten Stellen ist.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius vom Ubertragungsspalt kontinuierlich abnimmt.

   3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktdruck im Bereich des Ubertragungsspalts zumindest zweimal kleiner als an den

   weitest vom Spalt entfernten Stellen ist. 25

   h. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor, mit dem der Krümmungsradius abnimmt, zwischen 2 und 10 liegt.

   5· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius mit einem ¥ert von höchstens

   20 mm auf einen Wert von mindestens 2 mm abnimmt. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme des Krümmungsradius an der Seite

   ■■ e « · ο · · a

   PHN 9936 ' TS- 16.6.81

   des zum Ubertragungsspalt laufenden Teils des Aufzeichnungsmediums sich von der Abnahme an der Seite des vom Ubertragungsspalt weglaufenden Teils des Mediums unterscheidet.

   7. Magnetkopf mit einer gekrümmten Bandkontaktfläche und einem Ubertragungsspalt für eine Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der Bandkontaktfläche von einem Maximalwert beim Ubertragungsspalt abnimmt.