Einrichtung zum Einhalten eines vorgegebenen Abstandes zwischen einem flachen Gebilde und einer Oberfläche eines Körpers
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Einhalten eines vorgegebenen Abstandes zwischen einem flachen Gebilde und einer Oberfläche eines Körpers während einer Bewegung der beiden relativ zueinander in einer zur Oberflächenausdehnung parallelen Richtung.
Dieses Problem tritt beispielsweise beim Transport von Aufzeichnungsträgern in der Form eines Bandes oder einer Scheibe über einen Magnetkopf auf. Zur Verminderung der Reibung zwischen den beiden ist die Ausnutzung einer Luftschicht bekannt geworden, deren Dicke unter Umständen künstlich durch Bildung eines Vakuums einzustellen versucht wird. Diese Methode weist jedoch erhebliche Nachteile auf. Vor dem Anlauf eines Bandes beispielsweise klebt dieses am Kopf, wenn das Vakuum bereits wirkt, es sei denn,derAbstand zwischen Magnetkopf und Band wäre durch besondere Vorkehren in diesem Zeitpunkt grösser als üblich gemacht worden. Im Fall des Klebens entsteht beim Anlauf Abnutzung. Im anderen Fall muss zur Vermeidung der Abnutzung das Band anlaufen, bevor das Vakuum zur Wirkung gebracht wird.
Wegen des vergrösserten Abstandes zum Magnetkopf aber besteht die Gefahr, dass nun Aufzeichnungen verloren gehen, bevor das Band nach dem Anlauf in Wirkungsnähe des Kopfes gelangt.
Die hier vorgeschlagene Erfindung ist in der Lage, die genannten Nachteile zu vermeiden. Sie gestattet den gewählten Luftabstand mit hoher Genauigkeit einznhal- ten und ist zudem billig in der Verwirklichung. Gekennzeichnet ist sie dadurch, dass in die genannte Körperoberfläche wenigstens an dem Ende, welches infolge der Relativbewegung dem flachen Gebilde entgegenläuft, zwecks Erzeugung von auf beide einwirkenden aerodynamischen Kräften nutenähnliche Vertiefungen eingelassen sind, die von einem seitlichen Rand der Oberfläche zum anderen quer zur Bewegungsrichtung verlaufen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Körpers und eines Bandes in Beziehung zueinander,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Bandes mit einem Körper von grossem Radius,
Fig. 3 eine Draufsicht in der Linie AA der Fig. 1, die die winklige Anordnung von Vertiefungen in dem erwähnten Körper zeigt,
Fig. 4 eine Draufsicht einer anderen Ausführung mit kreisförmigen Rillen,
Fig. 5 eine Draufsicht mit einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Vertiefungen,
Fig. 6 eine Draufsicht einer weiteren Ausführung der Erfindung bei der kreisförmige Rillen an beiden Enden des Körpers angeordnet sind,
Fig. 7 ein Vertikalschnitt durch einen Körper mit Rillen und eingelassenem Lese- und Schreibkopf,
Fig. 8A, B & C Draufsichten verschiedener Breitenverhältnisse bei Ausführung der Erfindung,
Fig.
9 & 10 eine Anpassung der Erfindung an eine Ausführung mit einer flexiblen rotierenden Scheibe.
In Fig. 1 ist eine Ausführung der Erfindung mit einer ebenen Oberfläche 10 eines Körpers 12 dargestellt sowie ein Band 14, das zwischen den Auflagepunkten 26 und 28 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Pfeilrichtung über die Oberfläche 10 bewegt wird. Das ankommende Band 14 erreicht zuerst die Vorderkante 20 des Körpers 12 und verlässt diesen wieder an der gegenüberliegenden Hinterkante 22.
Mehrere Rillen 24 sind in die Oberfläche 10 des Körpers 12 eingelassen und laufen über die ganze Oberfläche des Körpers von einer Seite zur anderen. Die in Fig. 3 dargestellte Draufsicht nach der Linie AA der Fig. 1 zeigt den Verlauf der Rillen in der Oberfläche des Körpers unter einem bestimmten Winkel. Die am dichtesten an der Vorderkante 20 gelegenen Rillen 24 laufen über diese Vorderkante 20 des Körpers 12 hinaus, wie am besten aus den Fig. 3 bis 6 zu ersehen ist. Die Anzahl der Rillen 24 ist nicht auf die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten vier Rillen beschränkt, sondern richtet sich nach dem gewünschten Abstand h* zwischen der ausgewählten Oberfläche des Körpers und dem Band.
Natürlich hängt die Anzahl der Rillen 24 noch von verschiedenen anderen Faktoren ab, wie der Rillentiefe, der Winkelanordnung, der Rillenbreite, der Breite der Ober fläche zwischen den Rillen und der Geschwindigkeit V des Bandes, die die Pumpwirkung beeinflussen.
Die Auflagen 26 und 28 für das Band 14 können in beliebiger, bekannter Art mit Mitläufer-Rollen, mit Luftlagern, mit hydrodynamisch geschmierten Lagern usw. ausgerüstet sein. Das Band 14 wird zwischen den Auflagen 26 und 28 mit einer vorgegebenen Spannung gezogen. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, reicht die Spannung aus, um das Band die gerade Linie 30 zwischen den Auflagen 26 und 28 einnehmen zu lassen, solange es nicht bewegt wird.
Wenn das Band 14 zwischen den Auflagen 26 und 28 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt wird, nimmt es die durch die zweite Linie 32 zwischen den Auflagen 26 und 28 angezeigte Lage ein. Die Bewegung des Bandes 14 nach unten von seiner Ausgangsstellung 30 aus bringt eine Verschiebung C von der Grössenordnung von nur 0,1 mm mit sich. Dementsprechend wird das Band um einen kleinen Winkel G um jede Auflage 26 und 28 gekippt. Diesen Winkel kann man je nach Lage als Annäherungs- oder Ausgangswinkel bezeichnen. In Fig. 1 ist ein positiver Winkel G mit z. B. +0,05 Bogeneinheiten gezeigt.
Ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion der Rillen 24 zur Erzeugung des vorbestimmten Abstandes h zwischen dem Körper 12 und dem sich bewegenden Band 14 ist die Bewegungsgeschwindigkeit V des Bandes. Die Konstruktion der Rillen 24 und die Bewegungsgeschwindigkeit V des Bandes sind für einen bestimmten Abstand h* vorgegeben.
Besonders wertvoll ist der Umstand, dass die vorliegende Anordnung jegliche Bandabnutzung durch Reibungsberührung zwischen dem Körper 12 und dem Band 14 verhindert.
Zur besseren Erldärung sind die Proportionen der Darstellung in der Fig. 1 bewusst übertrieben worden.
So wird z. B. der Abstand C nur etwa 0,1 mm, h* etwa 4.10mm und die Dicke B des Körpers kaum 12 mm betragen.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei die Oberfläche 10 des Körpers 12 eine Krümmung miteinem grossen Radius aufweist. Die Erfindung ist also nicht auf Körper mit einer ebenen Oberfläche begrenzt, sondern sie bestimmt auch einen vorgegebenen Abstand zwischen Körper und Band in einem ausgewählten Bereich einer mit einem grossen Radius gekrümmten Oberfläche.
Das Arbeitsprinzip der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungen ist bei Verwendung der folgenden T Formel besser zu verstehen: k = P1 (1) wobei k der Krümmungsradius des Bandes an einem beliebigen Punkt in Bezug auf die gegenüberliegende starre Lagerfläche ist, T die Spannung des Bandes, P1 der Umge bungsdruck auf einer Seite des Bandes an dem betreffenden Punkt und P der Druck auf der anderen Seite des Bandes an demselben Punkt.
Es wird besonders betont, dass bei der Verwendung des Ausdruckes (1) k der Radius eines Längenelementes des sich bewegenden Bandes an einem bezüglich der
Oberfläche definierten Punkt ist. Somit steht der Radius k in Beziehung zu einer statischen Biegebeanspruchung des Bandes aufgrund des auf das Band wirkenden Druckunterschiedes und der Spannung T. Der Radius k ändert sich mit der Änderung der Druckdifferenz längs des Bandes.
Im Ausdruck (1) kann folgender wichtiger Punkt beobachtet werden: Wenn der Druck P auf einer Seite des Bandes 14 gleich dem Umgebungsdruck P1 auf der anderen Seite des Bandes ist, wird der Radius k unendlich, d. h. das Band bewegt sich in einer geraden Linie, wenn die beiden Drücke einander gleich sind.
Auf die Oberseite des in Fig. 1 dargestellten Bandes 14 wirkt immer der Umgebungsdruck P1 , in diesem Beispiel der normale Luftdruck. Wenn sich am Anfang das Band 14 von der Auflage 26 zur Vorderkante 20 des Körpers 12 hinbewegt, wirkt auf beide Seiten des sich gradlinig bewegenden Bandes der Umgebungsdruck P1. Das sich bewegende Band 14 reibt sich an den Luftmolekülen und will diese mitnehmen. Wie in den Fig. 3 bis 6 zu sehen ist, laufen die am dichtesten an der Vorderkante 20 des Körpers 12 gelegenen Rillen 24 sowohl über die Vorderkante als auch über die Seitenwände des Körpers hinaus, wodurch ein erster Luftabzug zwischen dem Band 14 und der Vorderkante 20 des Körpers 12 erzeugt wird. Dadurch wird ein Ausbauchen des Bandes in diesem Bereich verhindert, welches normalerweise durch die Reibung des sich bewegenden Bandes 14 entsteht.
Durch diese Bewegung wird Luft zwischen die Oberfläche 10 und das Band gepumpt, was den Druck P unterhalb des Bandes ansteigen lässt. Fig. 1 zeigt die differentiellen Druckverhältnisse (P-P1) am Band 14 bei seiner Bewegung über die Oberfläche.
Aufgrund der Pumpwirkung oder des Abflusses einiger Luft zwischen dem Band 14 und der Oberfläche 10 durch die einander folgenden Rillen 24 läuft das Band 14 kurz danach dichter über den ausgewählten Bereich der Oberfläche 10 des Körpers 12. In der Praxis verursachen die Rillen 24 eine sägezahnförmige Druckverteilung am Band 14 als Folge des plötzlichen Absaugens einer bestimmten Luftmenge, das sie anregen.
Durch die mittels der Rillen 24 zwischen Ober- und: Unterseite des Bandes 14 bewirkte Druckdifferenz bewegt sich das Band dichter über die Oberfläche 10 des Körpers 12 bis die Drücke P1 und P auf den beiden Seiten des Bandes sich wieder ausgleichen. Dieser Druckausgleich erfolgt, wenn sich das Band nur 0,25-0,50 mm von der letzten Rille 24 wegbewegt hat.
Danach hält das Band 14 über der Oberfläche 10 des Körpers 12 über die Länge LH den konstanten Luftabstand h b von der Oberfläche 10 aufrecht. Somit folgt das Band 14 der Form der Oberfläche nach den Rillen 24 in dem Abstand, bei dem die Drücke am Band einander die Waage halten. Kurz bevor das Band 14 die Oberfläche 10 des Körpers 12 an dessen Hinterkante 22 verlässt, wird ein Druckwirbel über dem Band erzeugt, der den Abstand h bei 0,25-0,50 mm vor dem Ende des Körpers leicht stört.
Ganz kurz nach Verlassen des Endes des Körpers wird der Druck auf den beiden Seiten des Bandes 14 wieder gleich P1. Jetzt bewegt sich das Band 14 wieder in gerader Linie zur Auflage 28.
Auf diese Weise hat sich das Band 14 mit dem konstanten Abstand h* über eine Strecke Ln bewegt, die durch einfaches Ausdehnen der Oberfläche 10 des Körpers 12 beliebig verlängert werden kann.
Wie bereits gesagt, sind Geschwindigkeit V und Spannung des Bandes, Tiefe, Breite und Anzahl der Rillen sowie deren Abstand zueinander bestimmend für die Dicke h des Luftfilmes. Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Winkel der Rillen 24 zur Bewegungsrichtung des Bandes 14. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, zeigt der Scheitelpunkt der dort dargestellten vier Rillen 24 zur Vorderkante 20 des Körpers 12, ist also der Bewegungsrichtung des Bandes entgegengerichtet. In der Praxis erwies sich diese Winkelstellung für das Auftreten der Pumpwirkung als notwendig. Der tatsächliche Winkel, den die Rillen 24 mit der Bewegungsrichtung des Bandes bilden, ist mit e bezeichnet und liegt unter 900.
Bei Umkehrung des Winkels bezüglich der Bewegungsrichtung des Bandes 14 wird die gegenteilige Wirkung erzeugt, d. h. das Band 14 wird von der Oberfläche 10 abgehoben, weil Luft zwischen dem sich bewegenden Band 14 und der Oberfläche 10 gestaut wird. Eine weitere Anordnungsmöglichkeit für die Rillen 24 ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Rillen kurvenförmig konvex zur Vorderkante 20 des Körpers 12 verlaufen. Somit enden die Rillen in einem ähnlichen Winkel zur Bewegungsrichtung des Bandes und verlaufen durchgehend von einer Seite zur anderen des Körpers.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung der Rillen 24 zeigt ein weiteres wichtiges Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Rillen laufen hier nicht ununterbrochen von einer Seite zur anderen quer über den Körper 12, sondern in der Mitte befindet sich ein Einschnitt 34 in Längsrichtung des Körpers 12, der als Luftkanal für die inneren Enden der Rillen 24 dient. Somit kann jeder Keil 36 und 38 des Körpers 12 neben dem Luftkanal 34 als getrennter Körper betrachtet werden, bei dem die Rillen 24 wieder ganz von einer Seite zur anderen laufen, wie es in Verbindung mit Fig. 1 erklärt wurde.
Somit läuft derselbe Vorgang in jedem Abschnitt 36 bzw. 38 ab, der in Fig. 1 erklärt wurde. Die einzelnen Rillen 24 sind also in jedem Abschnitt 36 und 38 symmetrisch um deren Mittellinie 39 bzw. 41 angeordnet und verbinden so die Öffnungen der Rillen 24 miteinander.
Bei der praktischen Ausführung kann das Prinzip dieser Erfindung mit nur einer Rille 24 nachgewiesen werden. Um jedoch bei den in modernen Bandaufzeichnungs- und Abfühigeräten üblichen Bandgeschwindigkeiten den gewünschten Abstand zu erhalten, werden normalerweise 10 oder mehr Rillen 24 verwendet.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführung sind die Rillen 24 an der Vorderkante 20 und der Hinterkante 22 angeordnet, wobei der Abstand L11 dazwischenliegt.
Die Winkelbeziehungen dieser Rillen zur Längsachse des Körpers 12 wie zur Bewegungsrichtung des Bandes 14 sind einander entgegengesetzt. Wenn das Band 14 über die Vorderkante 20 läuft, tritt die durch die Rillen 24 verursachte Pumpwirkung auf und das Band bewegt sich über den ausgewählten Bereich La mit dem gewünschten vorbestimmten Abstand h*. Wenn das Band 14 über die Rillen an der Hinterkante 22 des Körpers 12 läuft, wird der entgegengesetzte Effekt erzeugt und das Band 14 vom Körper abgehoben, weil ja auch die Winkelbeziehung der Rillen 24 zur Bewegungsrichtung des Bandes 14 entgegengesetzt ist. Die Bewegungsrichtung des Bandes 14 kann natürlich bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführung umgekehrt werden und der gewünschte Abstand h* bleibt trotzdem erhalten.
In Fig. 7 ist die Anordnung eines zweiteiligen Schreib- und Lesekopfes 42 bzw. 43 für eine Aufzeichnungsspur im Bereich der Strecke LH gezeigt, vor der die Rillen 24 liegen. Auch hier hat das Band 14 den Abstand h* über dem Körper 12.
In den Fig. 8A bis C sind Rillen 24 verschiedener Längen annähernd quer zur Bewegungsrichtung des Bandes sowie die Anordnung von Lese- und Schreibköpfen an verschiedenen Stellen der Oberfläche 10 gezeigt.
Die in Fig. 8A vor dem Lese- bzw. Schreibkopf 44 und 45 dargestellten Rillen 24 haben eine Gesamtlänge, die kürzer ist als die Breite des darüberlaufenden Bandes 14. Die Fig. 8B zeigt eine gestaffelte Anordnung mit Lese- und Schreibkopf 46, 47 bzw. 48, 49, 50, 51 und 52, 53 für die einzelnen Spuren des Bandes, vor denen Rillen 24 verlaufen, deren Gesamtlänge grösser ist als die Breite des darüberlaufenden Bandes 14. Bei der Anordnung in Fig. 8C liegen Lese-und Schreibkopf 54, 55 bzw. 56, 57 für die beiden Spuren nebeneinander und die Gesamtlänge der Rillen 24 ist wesentlich grösser als die Breite des darüberlaufenden Bandes 14, so dass diese Anordnung mit den verschiedensten Bandbreiten arbeiten kann.
Sowohl bei der in Fig. 8B wiedergegebenen Anordnung als auch bei der Anordnung der Fig. 8C kann der konstante Abstand h* für jede Breite des Magnetbandes 14 aufrechterhalten werden, die kleiner ist als die Länge der Rillen 24.
Ausser den bisher beschriebenen Anordnung mit einem beweglichen Band 14 können auch die in den Fig.
9 und 10 dargestellten Anordnungen mit einer umlaufenden flexiblen Scheibe 60 benutzt werden. Letztere ist über einer Platte 64, die eine Vielzahl auf der Oberfläche verteilter Löcher aufweist, zentrisch mit einem Motor 61 verbunden. Die umlaufende Platte 64 stabilisiert grundsätzlich die Lage der Scheibe 60. In diesem speziellen Fall liegt der Spalt eines Kopfes 66 genau in der Oberfläche hinter den Rillen 24, wie bereits beschrieben. Der Kopf 66 ist mechanisch in einem festen Körper 12 eingeschlossen, der auf die bei Platten übliche Art von einem Servoarm 68 getragen und mit diesem über die Verbindungsstange 70 verbunden ist. Im Betrieb wölbt sich die Oberfläche der Platte 60 leicht gegenüber der Oberfläche des Körpers 12, um den gewünschten Abstand h* zu erhalten.
Natürlich ändert sich die Dicke des Luftschmierfilmes für den Kopf etwas je nach dem bestrichenen Radius der Scheibe 60, da mit diesem sich die Geschwindigkeit ändert. Unter diesen Bedingungen kann sich h* um einen Faktor von vielleicht zwei-zu-eins verändern, was jedoch im allgemeinen zulässig st.
Wenn das Abfühlen und Schreiben des Bandes 14 nur in einer Bewegungsrichtung erfolgt, wird beim Rückspulen des Bandes 14 durch die Anordnung der Rillen 24 am Ende des Körpers 12 eine entgegengesetzte Pumpwirkung erreicht. Dann wird das Band 14 weiter vom ausgewählten Bereich LH der Oberfläche 10 weggedrückt anstatt dichter herangezogen zu werden und nimmt etwa die durch die gestrichelte Linie 30 in Fig. 1.
dargestellte Lage ein. Sollte nun trotz Rücklauf des Bandes ein Abfühlen durch den Lesekopf erforderlich sein, kann dies mittels Markierungssignaien niedriger Dichte auf dem Band erreicht werden. Der Kopf kann diese abtasten, während das Band im grösseren Abstand C vor dem Kopf vorbeiläuft.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist auch auf Fälle anwendbar, in denen die Oberfläche 10 des Körpers 12 irgenrd eine zusammenhängende ebene Fomhat, d. h. gleichförmige Änderungen in der Oberflächenkontur sind zulässig, solange die Kontur nicht unterbrochen wird. Eine Unterbrechung der Kontur der Oberfläche 10 beeinträchtigt die erwünschte Wirkung.