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発明の名称 磁気記録装置および浮上現象解析装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−93852
公開日 平成7年(1995)4月7日
出願番号 特願平5−234459
出願日 平成5年(1993)9月21日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】宮井 暎夫
発明者 溝尾 嘉章 / 養田 広
要約 目的
この発明は、計算機シミュレーションによってVTR等の磁気記録装置のテープ張力の幅方向の分布の最適化をはかり、電磁変換特性、テープ耐久性に優れた磁気記録装置を提供するものである。

構成
流体および構造物に関するデータを読み込むためのデータ入力部31と、上記データに基づき流体および構造の基礎方程式と摩擦の方程式を連立させて解く得る浮上解析部32と、上記解析結果を出力する結果出力部33とを備えた浮上解析装置で、走行系の最適化を行う。回転ドラムの入側でヘッド突入端の張力を、回転ドラムの出側でヘッド離脱端の張力を、それぞれ他方の側の端部の張力より大きくする。
特許請求の範囲
【請求項1】 少なくとも磁気ヘッドを支持した回転ドラムと、この回転ドラムと同軸に支持された固定ドラムと、前記回転ドラムおよび固定ドラムにヘリカルに磁気テープを巻き付ける固定ポストおよび回転ポストとを有する磁気記録装置であって、前記回転ドラムのテープ入側で前記磁気ヘッドの突入する一方の磁気テープ側端部の張力が他方の磁気テープ側端部の張力より高く、前記回転ドラムのテープ出側で前記磁気ヘッドの離脱する一方の磁気テープ側端部の張力が他方の磁気テープ側端部の張力より高くなるように、回転ドラム,固定ドラム,回転ポストおよび固定ポスト等の構造物の傾斜を設定したことを特徴とする磁気記録装置。
【請求項2】 2つ以上の相対運動する構造物および構造物の間の流体の特性を表わす各々の基礎方程式を連立させて解く浮上現象解析装置であって、前記流体および前記構造物に関するデータを入力するデータ入力部と、前記データに基づく前記流体および前記構造物の基礎方程式および前記流体の粘性摩擦、前記構造物の接触摩擦を連立させて解く解析部と、前記解析部による解析結果を出力する結果出力部とを備え、磁気記録装置における2つ以上の独立した回転ドラム,固定ドラム,回転ポストおよび固定ポスト等の構造物の傾斜と、前記回転ドラム,固定ドラム,回転ポストおよび固定ポスト等の構造物との摩擦によって生ずるテープ張力を求めることを特徴とする浮上現象解析装置。
【請求項3】 請求項2の浮上現象解析装置を用いて構造設計された構造物を持つことを特徴とする請求項1記載の磁気記録装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、オーディオ機器、ビデオ機器、コンピュータ等に用いられる磁気記録装置に関するものであり、特に、磁気ヘッド・磁気テープの接触状態を良好に保つのに適した走行系を持つ磁気記録装置および最適な走行系を設計するための浮上現象解析装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】VTR,DATをはじめとする回転型磁気ヘッドとフレキシブルな磁気テープを用いる磁気記録装置は、図5に示すように、磁気ヘッドを支持した回転ドラム11、回転ドラム11と同軸に設けた固定ドラム12、多数の固定ポスト16、17等、多数の回転ポスト18、19等から成り立っている。
【0003】このような磁気記録装置においては、高速で回転する回転ドラム11および固定ドラム12と磁気テープ10との間に空気の流体膜が発生する。磁気テープ10は、回転ドラム11、固定ドラム12および磁気ヘッドとの接触摩擦および空気の粘性摩擦を受け、磁気テープ幅方向に不均一なテンション分布が発生する。さらに、回転ドラム11に磁気テープをヘリカルに巻き付けるため、多数の固定ポスト16、17、回転ポスト18、19は、回転ドラム11に対して傾斜している。このため、磁気テープの幅方向に不均一な張力分布が発生する。
【0004】このような回転ドラム11とヘリカルに巻き付けられた磁気テープからなる磁気記録装置では、磁気テープの浮上がテープ入側からテープ出側にかけて減少する。このため特にテープ入側部分での出力の低下が起こりやすい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】流体の粘性による摩擦、あるいは磁気テープとドラムの接触により、回転ドラム、固定ドラムでテープ張力の幅方向の分布の変動があり、これが互換性、記録のリニアリティ等に大きな影響を及ぼしていた。特に、回転ドラムのテープ入側では、磁気テープの浮上量が大きくなるため、テープ入側のエンベロープ低下現象が発生しやすい。このテープ入側のエンベロープ低下現象を抑えるには、磁気テープの下側の張力を大きくするいわゆるテープの下張りが有効である。したがって、テープ走行系は、ドラムのテープ入側およびテープ出側でテープ下端に張力がかかるように実験的に回転ポスト16,17,固定ポスト18,19の傾斜が決められてきた。図5において、矢印は張力分布を示し、長い矢印は張力が高く、短い矢印は張力が低いことを意味する。
【0006】しかし、磁気テープを下張りにすると、テープ出側での磁気テープの浮上量が減少し、固定ドラムでの摩擦の増加による走行テンションの増加、磁気テープ寿命の低下といった副作用が生じていた。また、ドラム周辺の磁気テープの幅方向の張力分布は、大変複雑で多くの要因が関係するため十分解析がなされていない。これらの設計は経験的にパラメータを決めてきたので、必ずしも最適な設計が成されているとは言い難い。
【0007】この発明の目的は、テープ張力の幅方向の分布の最適化をはかり、電磁変換特性、テープ耐久性に優れた磁気記録装置を提供することである。この発明の他の目的は、磁気記録装置のテープ張力の幅方向の分布の最適化をはかり、電磁変換特性、テープ耐久性に優れた磁気記録装置を得るための浮上現象解析装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するため、この発明の磁気記録装置は、少なくとも磁気ヘッドを支持した回転ドラムと、この回転ドラムと同軸に支持された固定ドラムと、回転ドラムおよび固定ドラムにヘリカルに磁気テープを巻き付ける固定ポストおよび回転ポストとを有する磁気記録装置であって、回転ドラムのテープ入側で前記磁気ヘッドの突入する一方の磁気テープ側端部の張力が他方の磁気テープ側端部の張力より高く、回転ドラムのテープ出側で磁気ヘッドの離脱する一方の磁気テープ側端部の張力が他方の磁気テープ側端部の張力より高くなるように、回転ドラム,固定ドラム,回転ポストおよび固定ポスト等の構造物の傾斜を設定したことを特徴とする。
【0009】また、この発明の浮上現象解析装置は、2つ以上の相対運動する構造物および構造物の間の流体の特性を表わす各々の基礎方程式を連立させて解く浮上現象解析装置であって、流体および前記構造物に関するデータを入力するデータ入力部と、データに基づく流体および構造物の基礎方程式および流体の粘性摩擦、構造物の接触摩擦を連立させて解く解析部と、解析部による解析結果を出力する結果出力部とを備え、磁気記録装置における2つ以上の独立した回転ドラム,固定ドラム,回転ポストおよび固定ポスト等の構造物の傾斜と、回転ドラム,固定ドラム,回転ポストおよび固定ポスト等の構造物との摩擦によって生ずるテープ張力を求めることを特徴とする。
【0010】さらに、この発明の磁気記録装置は、浮上現象解析装置を用いて構造設計された構造物を持つことを特徴とする。
【0011】
【作用】単に、回転ドラムのテープ入側で磁気ヘッドの突入する一方の磁気テープ側端部の張力が他方の磁気テープ側端部の張力より高くすると、回転ドラムのテープ出側でも、下端、この例では磁気ヘッドの離脱する一方の磁気テープ側端部と反対側の磁気テープ側端部の張力分布が大きくなる。そこで、回転ドラムのテープ出側の傾斜ポスト、回転ポストを傾斜させ、テープ出側で張力分布を逆に上端で大きくなるようにすると、下ドラム上での張力が減るためテープ浮上量が増加し、回転ドラムおよび固定ドラムでのテンション増加を少なく抑えることができる。しかし、各種の走行モード、各種の磁気テープに対して、実験的にこのこれらのポスト傾斜を決めるのは大変困難である。
【0012】フレキシブルな磁気テープの浮上現象と接触は、有限要素法を用いた構造/流体の連成問題として扱える(小寺他、有限要素法によるVTRのテープ浮上解析(ドラム全体におけるテープの浮上特性)、日本機械学会講演論文集、C、597(1992))。VTRのドラム上での浮上量は一般に100μm以下である。
【0013】したがって、(数1)で示すスリップ流れを考慮した修正レイノルズ方程式で気体潤滑膜は記述できる。
【0014】
【数1】

【0015】ここで、テープの浮上量Hは、(数3)で示される算術平均で表わす平行隙間と(数4)で示される調和平均で表わす垂直隙間の混合平均和で、(数2)で表わされる(三矢、二次元に分布したあらさをもつ面の流体潤滑特性、日本機械学会誌、C−50、No.449、p168)。
【0016】
【数2】

【0017】
【数3】

【0018】
【数4】

【0019】シェル方程式は、磁気テープの機械的異方性を考慮し、面内変形成分として(数5)、(数6)を、まげ変形成分として(数7)を用いる。
【0020】
【数5】

【0021】
【数6】

【0022】
【数7】

【0023】ドラム、ヘッド等の構造物とテープの摩擦は(数8)で、空気の粘性抵抗は(数9)を用い、各節点に境界条件として付加する。
【0024】
【数8】

【0025】
【数9】

【0026】これらの方程式を有限要素法を用いて離散化し、連立方程式を解く。修正レイノルズ方程式が非線形なので、ニュートン・ラフソン法を用いて収束解を得る。ここで、dは磁気テープ厚み、Ex 、Ey は磁気テープのヤング率、Gxyは磁気テープのせん断剛性率、Hは磁気テープと回転ドラム、固定ドラム、回転ポスト、固定ポスト、磁気ヘッドの間の平均隙間、pは圧力、Pa は大気圧、Tは磁気テープの走行テンション、Uは磁気テープと回転ドラムのx方向の相対速度、Vは磁気テープと回転ドラムのy方向の相対速度、εは磁気テープに発生する歪、λは空気の平均自由行程、νx 、νy は磁気テープのポアッソン比、σは磁気テープの面内応力、ρは磁気テープの密度、τはせん断応力、wは磁気テープの変位である。μr1はドラムとテープの働摩擦係数、μr2はドラムのリードとテープの間の働摩擦係数、Nz は接触力である。添字のxは磁気テープの長手方向、yは幅方向を示す。
【0027】
【実施例】以下、この発明の一実施例の磁気記録装置および浮上現象解析装置を図面を参照しながら説明する。図1はこの発明の一実施例の磁気記録装置の回転ドラム周辺部の概略構成図である。図2は同じくこの発明の一実施例の磁気記録装置の走行系の全体の概念図である。図3はこの発明の一実施例の浮上現象解析装置の構成図である。図4は、回転ドラム上で磁気テープに働く力を図示した模式図である。
【0028】図1は、ドラム回転方向が上側回転ドラム11側から見て反時計回りの場合の構成例を示す。例えば、VHS方式VTR、DAT等は磁気テープ10の走行方向と上側回転ドラム11の回転方向が同じで、回転ドラム11の回転方向は反時計回りであり、図1の構成例にあたる。固定ドラム12の上で磁気ヘッド14を支持した回転ドラム11が回転し、磁気テープ10はヘリカルにこれらのドラムに巻き付いている。13は磁気ヘッド取付窓である。
【0029】ドラム上で磁気テープ入側を1で示し、磁気テープ出側を2で示している。磁気テープ入側1でヘッド突入端は磁気テープの下側端面であり、磁気テープ出側2ではヘッド離脱端はテープ上側端面である。この発明は、磁気テープ入側1において、磁気ヘッド突入側の一方の側端部4の張力を他方の側端部3の張力より高くし、磁気テープ出側2において、テープ離脱側の一方の側端部5の張力を他方の側端部6の張力より高くするものである。
【0030】磁気テープ入側1で磁気ヘッド突入端側4の張力を高くすると、磁気テープ10の浮上量が低下しテープ入側のエンベロープ落ちが解消される。また、磁気テープ出側2で磁気ヘッド離脱端側でない他方の端部6の張力が下がることにより、固定ドラム12上での磁気テープの浮上量が大きくなり、固定ドラム12と磁気テープ10の摩擦が減少し、磁気テープの耐久性が向上する。さらに、回転ドラム周辺での摩擦力が減少することにより、走行系の小型化、簡易化が可能となる。
【0031】この磁気テープ10の幅方向の張力の分布は、図2に示すように、回転ドラム11および固定ドラム12と多数の走行系を構成する固定ポスト16、17と回転ポスト18、19と多数のポスト群21の傾きおよび各ポストのテープ走行規制によって作成される。回転ドラム11周辺の摩擦現象が非常に複雑なため、このような磁気テープの張力分布を実験によって規定することは、大変困難である。図4に回転ヘッド周辺の摩擦力を模式図で示す。固定ドラム12上では、磁気テープ10の走行方向9と逆向きに空気の粘性力45、固定ドラム12と磁気テープ10の接触摩擦力46、磁気テープ10と下ドラムリードエッジ41との摩擦力47が働く。回転ドラム11上では、テープ速度よりドラムの回転速度の方が早いため、テープ走行方向に空気の粘性力42、回転ドラム11と磁気テープ10の接触摩擦力43、磁気ヘッド14と磁気テープ10の摩擦力44が働く。これらは複雑にからみあっており、さらに磁気テープ入側1および磁気テープ出側2の各々の上下方向の張力分布に大きく影響される。
【0032】この実施例では、VTRにおけるドラム回転時の磁気テープの浮上現象を流体(空気膜)と構造物との連成問題として解析し、ドラムとテープの間の接触による摩擦、流体による粘性抵抗を扱う。図3はこの発明の浮上現象解析装置の概略構成図である。浮上現象解析装置は、データを読み込むためのデータ入力部31と、浮上解析部32と、浮上解析部で得られた解析結果情報を出力する結果出力部33からなる。浮上解析部32は、入力されたデータに基づき流体および構造物および摩擦力の連立方程式の係数マトリックス部を構築するマトリックス構築部34、非線形の繰り返し計算を行う非線形収束計算部35からなる。
【0033】すなわち、データ入力部31は、解析対象領域を複数個の簡単な形状の要素に分割してできる節点および要素と、平均隙間として扱う微細な構造物の形状データ、空気膜、磁気テープ等の各種物性値、境界条件等のデータを入力する処理装置である。浮上解析部32のマトリックス構築部4は、データ入力部31で入力されたデータに基づき、流体および構造物の連立方程式の係数マトリクスを構築する処理装置である。
【0034】空気膜による圧力pは(数1)の修正レイノルズ方程式によって表わされる。また磁気テープの変位wは(数5)、(数6)、(数7)のシェル方程式で表わされる。また、ドラムとテープの粘性摩擦力42,45は(数9)で、テープとドラムおよびヘッドの接触摩擦力43、44、46、47は(数8)で表わされる。
【0035】同様に多数の回転ポスト、固定ポストと磁気テープの間の摩擦も同じように処理する。非線形収束部35は、(数1)、(数5)、(数6)を有限要素法で解析するため、例えば重み付き残作法等で離散化し、ニュートン・ラフソン法等で非線形連立方程式の収束計算を行う処理装置である。結果出力部33は、浮上解析部32によって得られた磁気テープの張力分布、磁気テープ変形形状、空気膜の圧力分布、構造物と磁気テープの隙間(例えば磁気ギャップ上のテープ浮上量)等のデータを出力する処理装置であって、プリンタ、CRT、プロッタ等である。
【0036】固定ポストは無限に細い針で近似して、摩擦は各節点でオイラーの方程式(数10)で決めてもよい。
【0037】
【数10】

【0038】回転ポストも針で近似して(数10)等の近似式で摩擦力を扱ってもよい。Tout はポスト出側の各要素の張力、Tinはポスト入側の各要素の張力、μはポストの摩擦係数、θはポストへの巻き付け角度である。これらの多数のポストの傾斜角度の決定を実験で行うには、多大の労力と費用を必要する。また、このような測定は、工作精度のばらつき、磁気テープのばらつき、テープ走行系の不安定さ等のため、再現性のよい実験を行うことは極めて困難である。したがって計算機シミュレーションで走行系の最適化が行えれば、その価値は極めて大である。
【0039】走行系の最適化をポストの傾斜で最適化することについて述べたが、回転ポストと固定ポストでは、摩擦係数が変わるため、テープにかかる幅方向の張力分布が変わる。またポストの材質によっても摩擦係数が異なる。したがって、この浮上現象解析装置を用いれば、これらのポストの傾斜と材質の組合せ、回転ポストと固定ポストの組合せの最適化も行える。
【0040】上ドラム回転方式のVTRのドラムの走行系の最適化について述べたが、上ドラム回転のみならず、中ドラム回転の回転ドラムについてもこの発明が適用できることは自明である。固定ドラムにテープ搬送速度を考慮し、通常再生、特殊再生時の走行系の最適化も行える。上記実施例は、修正レイノルズ方程式による解析例を示したが、ナビエストーク方程式、ボルツマン方程式を用いてもよい。シェル方程式は1次の弾性変形方程式であるが、高次の応力成分を考慮してもよい。数値解析の手法として有限要素法、差分法、境界積分法、境界要素法等を用いてもよい。有限要素法の解法として重み付き残差法、変分法、ガラーキン法、ペナルティ法等を用いてもよい。
【0041】なお、この発明における浮上解析部は、コンピュータを用いてソフトウェア的、あるいはファームウェア的に実現してもかまわない。また、出力結果をニューロ処理し、学習することによりドラム構造等を最適化することも効果的である。
【0042】
【発明の効果】この発明によれば、常に良好なエンベロープを得ることができて電磁変換特性を優れたものとでき、さらに磁気テープの耐久性も向上でき、このような高度に最適化された磁気記録装置を作成できることは産業上の利用価値が極めて高いものである。




 

 


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