JPH0566643B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ポンプアウト型のスパイラルグルー
ブを備えた回転ヘツドアセンブリに関するもので
ある。

従来例の構成とその問題点 代表例として、VHS型ビデオテープレコーダ
（以下VTRと略記する）について説明する。従来
の回転ヘツドアセンブリは、第１図にその具体例
を示すように、磁気テープ１（以下“テープ”と
略記する）に対し、1800rpmで回転摺動する回転
部材２と、非回転摺動する固定シリンダ３でこれ
を支持する構成を取つている。固定シリンダ３上
にはテープ１の走行時の位置規制を行なう目的で
リード４が設けられている。回転シリンダ２上に
マウントされた磁気ヘツド５が、テープ１上を正
確にヘリカルスキヤンすることによつて、テープ
を介した映像信号の正確な入出力が実現されるも
のである。しかしながら、固定シリンダ３ではテ
ープ１がほぼ接触摺動して走行する為、テープ１
は動摩擦力を受ける。特にVTRが、高湿度雰囲
気中又は、急激な温度変化条件下で使用される場
合には、ミクロな水滴が、テープ１と固定シリン
ダ３との間に結露し、数百〜数千オングストロー
ムオーダの薄い水膜が形成される。この水膜の存
在によつて生ずる水の粘性抵抗力により、テープ
１と固定シリンダ３が完全に付着を起こしたり、
あるいは間欠付着現象によりテープ側に一種の自
励振動が励起される場合が多い。上記の場合、正
確な映像及び音声信号のテープを介する入出力は
望めず、VTR性能は大幅に下降し、または全く
使用不可能の状況に陥る。

一方、小型軽量タイプのVTR開発の必要性か
ら、テープ側には、磁気記録密度向上化が要求さ
れる。すなわち、テープは従来のフエライトある
いは、２酸化クロムの磁性粉を樹脂のバインダと
共に塗布したものから、樹脂ベース上に、ニツケ
ル・コバルト合金を蒸着したり、あるいは塗布し
た金属テープへと移行する動向にある。この場
合、金属テープは、相手シリンダとの摺動状態が
金属対金属摺動になつて相対的な摩擦係数はより
高くなり、テープ走行の安定化を確保し難くな
る。

そこで、本発明者らは、上記の欠点を解消する
ために、第２図〜第４図に示す構成の新型回転ヘ
ツドアセンブリをすでに提案した。これは回転部
材２の特定の部分に設けられたスパイラルグルー
ブ６が、回転部材２の回転によつて作動し、動圧
を発生させることにより、回転部材２及び固定シ
リンダ３上でテープ１が微小量約５〜10μｍ浮上
し、ヘツド５のみがテープ１に接触する様に考案
されたものであつた。この考案によりシリンダア
センブリの対テープ摺動特性の大幅改善によるテ
ープ走行安定化，自励振動除去、耐環境条件性確
保などが図られるとともに、テープ及び上下シリ
ンダ双方の摩耗劣化を抑止出来るという顕著な効
果を有するものである。

しかしながら、上記新構成シリンダヘツドアセ
ンブリにおいて、スパイラルグルーブの吐出能力
を最大限に発揮し得る設計条件が明確になつてい
ないという問題が懸念される。

発明の目的 本発明は上記欠点に鑑み、最適設定されたスパ
イラルグルーブの動圧発生によりテープをシリン
ダ上で浮上させ、テープの安定走行による映像・
音声信号の正確な入出力を実限するとともに、シ
リンダ・テープ双方の耐摩耗特性向上を図つた回
転ヘツドアセンブリを提供するものである。

発明の構成 本発明は、円筒部を有する固定シリンダと、こ
の固定シリンダの円筒部と略同一直径の円筒部を
有し、上記固定シリンダに近接して同一軸上に設
けられ、上記固定シリンダに対して相対的に回転
する回転部とを有し、相対回転部における対向面
のいずれか一方の面に、グループ角度βを15°近
傍とし、溝幅比γを0.2≦γ≦0.8の範囲に設定し
たポンプアウト型スパイラルグルーブを有して構
成されており、回転ヘツドアセンブリ上でのテー
プ浮上に必要な吐出動圧を得る為の必要条件を提
供するという特有の効果を有する。

実施例の説明 以下本発明の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。第２図は回転部材２と固定シリンダ
３の相対向する、回転軸３ａに垂直な面にポンプ
アウト型のグルーブ６を設けた回転ヘツドアセン
ブリ断面図である。ここでは、テープ１に負荷さ
れるテープ張力（概ね５〜50ｇ重）に抗して、テ
ープ１を一定量浮上させるに必要な圧力を得る為
に不可欠なスパイラルグルーブ形状について述べ
る。

第３図は、本発明の第１の実施例における回転
ヘツドアセンブリにおいて、回転部材２上に設け
られた水平対向型ラジアルスパイラルグルーブ形
状を示すもので、黒色部７が溝，白色部８がラン
ドである（但し、下シリンダ側にラジアルスパイ
ラルグルーブを設けても一般性は失なわない）。
また、溝の傾斜角度βを第４図に示す通りに定義
し、その他のスパイラルグルーブ設定諸元を第５
図〜第６図に示す通りに定義する。但し、第５図
中、Ｇはスパイラルグルーブ設定域を示す。無次
元量として、溝幅比γ，溝深さ比Ｈｇ，内径比
_ｉを各々次式で定義する。

γ≡b₁／ｂ，Hg≡C_r／h₁，_i≡r₁／R_O この時ラジアルスパイラルグルーブ７が対向面
に対しωなる相対回転角速度で運動した時に生ず
るラジアルスパイラルグルーブ内圧力は、吸入
側キヤビテイ部圧力を、１気圧と仮定した時 ＝C_{s s}／2_rcosβ（²−１）＋（１−_O）l_oｒ
／l_or_i＋_O＋C_{s s}／2_rcosβ（１−_i ²）l_oｒ／l_or
_i−(1) で与えられる。但しP_aを大気圧、P_Oを吐出口圧
として ＝Ｒ／R_O，_i＝r_i／R_O，＝Ｐ／P_a，_O
＝P_O／P_{a r} ＝h₁ ³h₂ ³＋b₁（１−b₁）（h₁ ³−h₂ ³）²sin²β／（１
−b₁）h₁ ³＋b₁h₂ ³ _s＝h₁ ³−h₂ ³／（１−b₁）h₁ ³＋b₁h₂ ³，C_s
＝6μωR_O ²／P_aC_r ² ₁（１−₁）sinβ_i ＝h_i／C_r（ｉ＝１，２），₁＝b₁／ｂ，h₂＝C_r である。なお、上記式(1)及び後に示す各吐出圧力
表示式は、「Pan.C.H.T他“Design of Gas
Bearings，”（1972），6.3.3，MTI」に記載さ
れた理論をもとに、回転ヘツドアセンブリ上のテ
ープに作用する動圧として数式展開したものであ
る。

ここで第７図に示す様に、ラジアルスパイラル
グルーブ７が生成した空気圧によつて、テープ１
が浮上し、テープ１に加えられている張力Ｔと、
ラジアルスパイラルグルーブ７が生成した動圧と
の釣合いが取れる状態を安定浮上条件として前(1)
式を書き改めると、_O −１＝Λ（１−r_i ²）γ（１−γ）（１／Hg^-1）（１
／Hg³−１）sinβcosβ／２｛１／Hg³＋γ（１−γ）（
１／Hg³−１）²sinβ｝−(2) と表現される。(2)式で左辺がテープ張力に対応す
る項と見做して良い。一方右辺は、ラジアルスパ
イラルグルーブの形状から決定される吐出圧を示
す。従つて、(2)式右辺が最大となる様に無次元量
を決定すれば、最適化設定が出来る。(2)式中Λは
ベアリング定数と呼ばれる無次元量であり、空気
の動粘性係数μを用いてΛ＝6μωR_O ²／P_aC_c ²で表
わされる。^r _iは回転ヘツドアセンブリ内の設計寸法
上の制約から決定される量である。従つて実際の
設計上の制約が加わらない範囲の諸元は、(2)式右
辺のうちの(3)式で表示される項Ｓ Ｓ≡γ（１−γ）（１／Hg^-1）（１／Hg
^3-1）sinβcosβ／１／Hg³⁺〓^(1-〓⁾（１／Hg^3-1）²sin
²β−(3) を最大に取る条件γ，β，Hgで決定される。こ
こで(3)式をγで偏微分すると明白な様に、Ｓはγ
＝0.5で極大値を取る。第８図にγ＝0.5とした場
合、横軸にHg，縦軸に吐出圧の無次元量を、β
をパラメータとしてプロツトした計算例を示す。
βが15°の時に吐出圧は最大値を示す。βを0°に
近づけるにつれピークの立上り形状は、せん鋭と
なるが吐出圧は低化しHgの設定幅条件は狭くな
る。一方βを大きく取ると、Hgの設定幅条件は
広範囲に取れるが矢張り吐出圧が低下する。

テープ張力（概ね５〜50ｇ重）に対抗し得る圧
力として、スパイラルグルーブが発生し得る吐出
最大圧力は、本計算式(2)式を用いる場合、概略的
にテープ張力相当圧力とほぼ同オーダと計算され
る。特にテープ張力の設定値が50ｇ重程度になる
時には、スパイラルグルーブによる吐出圧は、ω
＝1800rpmの回転ヘツドアセンブリを仮定した
時、少くとも最大吐出圧力の70％を確保する必要
がある。

従つてγ＝0.5，β＝15°と設定した時に実現す
る最大吐出圧に対し、その70％以上の吐出圧力を
確保し得る構成としては、βが2°≦β≦45°の範
囲にあることが必要条件である。

一方、β＝15°と固定した場合に、溝幅比γを
パラメータとし、横軸にHg，縦軸に吐出圧力の
無次元量をプロツトしたグラフを第９図に示す。
先に示した通り、最大吐出圧の70％以上を確保す
る条件として、γは0.2≦γ≦0.8と設定すること
が必要条件である。ここで、(3)式中γに関する項
はγ（１−γ）の形式で表現され、γ＝0.5の極値
を中心に、γ（１−γ）値は対称形となる為、例
えばγ＝0.1とγ＝0.9の特性は全く同一となる。

以上示したβ及びγに関する設定上の必要条件
を満足しない位置で、β，γのどちらか一方、あ
るいは双方が設定された場合には、回転ヘツドア
センブリ上でのテープ浮上は保障されず、スパイ
ラルグルーブを設けても効果が発揮出来なくな
り、当初の目的達成という観点上全く無意味とな
つてしまう。従つて上記の設定範囲は必要不可欠
な条件である。Hg値は各々のβ，γ設定条件に
よつて最適値が変わるが、前記β，γの設定範囲
の必要条件から、概ね0.1〜0.5に限定される。

上記以外のパラメータとして、スパイラルグル
ーブ面と、これに向かい合う対向面との間の距離
δ₁（以後ギヤツプと呼ぶ）や、内径比_iあるい
は、スパイラルグルーブを設けたシリンダ自身の
相対回転角速度ω等があるが、これらのパラメー
タは純設計構成上の問題に帰着される。すなわち
理想的には、ギヤツプδ₁は小さい程、内径比_i
と相対回転数ωは、大きい程、吐出圧力値の向上
に直接貢献する。

以上の様に、本実施例によれば、スパイラルグ
ルーブの、溝幅比γを特に0.2≦γ≦0.8の範囲
に、グルーブ角βを特に2°≦β≦45°の範囲に設
定することを必要条件とすることで、一般に使用
されるテープ張力５〜50ｇ重下での回転ヘツドア
センブリまわりのテープ浮上を実現させることが
出来、スパイラルグルーブの能力を本使用例にお
いて確実に発揮出来る。

以下、本発明の第２の実施例について、図面を
参照しながら説明する。

第１０図は、回転部材２と固定シリンダ３の間
に、円筒面のオーバラツプ部を設け、この面６上
にポンプアウト型グルーブを形成し、上下両シリ
ンダの間からの気流によりテープ１を浮上させよ
うとする構成の回転ヘツドアセンブリ実施例であ
る。グルーブの設定諸元表示に関しては、第１の
実施例の内容を併用する。ただしグルーブ角β
は、第１１図に示す様に改め、またグルーブ設定
領域幅L₁，外径Ｄ，全幅Ｌを新たに定義する。
第１１図に示す通り、ａ域で示されるグルーブを
設けた領域と、ｂ域で示されるグルーブを設けな
い領域の双方を含む構成を持ち、その周囲に近接
して設置された対向部（固定シリンダ３の一部）
において、相対回転角速度ωでグルーブ７が回転
した時、空気は矢印Ａの方向に吐出される。ここ
で吐入側Ｂ端での圧力を大気圧と仮定した場合、
反対側Ｃ端で発生する吐出圧がテープ張力相対圧
力に等しいと置いた時、スパイラルグルーブによ
り生成される無次元化表示された圧力_O−１は、_O −１＝Λ｛γ（１−γ）（１／Hg−１）（１／Hg³−
１）sinβcosβ／１／Hg³＋γ（１−γ）（１／Hg³−１
）²sinβ｝L₁／Ｄ(4) と表示される。

(4)式中、右辺の中括弧でくくつた部分は、第１
の実施例説明中のＳ（(3)式）値に全く一致する。

Λは、先にも述べたベアリング定数で Λ＝6μω（Ｄ／２）²／P_aC_r ²で表示される。

本実施例においても、テープ張力が５〜50ｇ重
の範囲で使用される一般の回転ヘツドアセンブリ
上でテープを確実に浮上せしめる為の必要条件
は、βに関しては2°≦β≦45°，γに関しては0.2
≦γ≦0.8であり、特にγ＝0.5と設定した場合、
γについての条件は最良となる。また溝深さ比に
関しては概ね0.1≦Hg≦0.5の範囲に設定すべきで
ある。

上記以外の設定条件Ｄ，L₁，ω，δ₂に関して
は、純設計構成上の問題となり、Ｄ，ω，L₁に
ついては大きく取る程、δ₂については小さく取る
程、グルーブ自身の性能を向上させられることは
言うまでもない。

以上の様に、回転・固定シリンダ間に円筒面の
オーバラツプ部を構成し、この面上にグルーブを
設ける場合、グルーブの溝幅比γを特に0.2≦γ
≦0.8の範囲に、またグルーブ角βを特に2°≦β
≦45°の範囲に設定することを必要条件とするこ
とで、回転ヘツドアセンブリまわりのテープ浮上
を、一般使用条件であるテープ張力５〜50ｇ重に
おいて確保可能とするものである。以下、本発明
の第３の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１２図は、固定シリンダ３と回転部材２との
対向面が円錐形状を形成した構成の回転ヘツドア
センブリにおいて、円錐面上にポンプアウト形の
グルーブ７を設けた実施例である。この場合は、
第１の実施例に示した水平対向型ラジアルスパイ
ラルグルーブ方式に比べ、溝幅比_iを実質的に
大きく取る為に考案したもので、すでに本発明者
らの提案中に説明した通り傾斜角の取り方で
１／cos倍に_iを増加させることが出来るもの
であつた。ここで、本実施例を別の観点から検討
した場合、＝０とした場合が第１の実施例、
＝90°とした場合が第２の実施例に各々対応する
と見做せる。従つて上記以外の値について、第
３の実施例が全て包括するものである。

が0°＜＜90°の範囲においても、第１，第
２の実施例において述べたのと同様の計算を行な
うことにより全く同様の結果が得られ、Ｓは、 Ｓ＝γ（１−γ）（１／Hg−１）（１／
Hg³−１）sinβcosβ／１／Hg³＋γ（１−γ）（１／Hg
³−１）²sin²β で表現される。なおグループの設定諸元表示に関
しては前述の表現を併用する。

従つて、本実施例においても、テープ張力が５
〜50ｇ重の範囲で使用される一般の回転ヘツドア
センブリ上で、テープを確実に浮上せしめる為の
必要条件として、βに関して2°≦β≦45°，γに
関して0.2≦γ≦0.8が要求され、特にγ＝0.5と設
定した場合、γについての条件は最良となる。

また、純設計構成上の問題として、ギヤツプδ₁
は小さい程、内径比_iと相対回転角速度ωは大
きい程効果が期待出来ることは前述の通りであ
る。また、溝深さ比に関しては概ね0.1≦Hg≦0.5
の範囲に設定すべきである。

なお、これまで第１〜第３の実施例において
は、VHS型VTRに代表される上シリンダ回転
（回転部材）、下シリンダ固定タイプの回転ヘツド
アセンブリを例に説明したが、前記の内容は、そ
のまま、上下シリンダ固定で、２つの固定シリン
ダ中にはさまれた中央部の磁気ヘツドを保持した
回転部材が回転するタイプの回転ヘツドアセンブ
リについても適用出来ることは言うまでもない。
この場合、グルーブはが０〜90°の如何なる値
を取る時も、中央部の回転部材を中心に上下双方
の固定シリンダとの間に関して設定することが出
来、性能的に有利となる。

更に前記の内容は、回転ヘツドアセンブリ上で
相対速度を生じせしめる構成の任意の部分に、グ
ルーブを設ける全ての場合に成立するものであ
り、グルーブの吐出性能を最大限に発揮させる為
の必要条件である。

なお、上記式(2)を用いた解析の妥当性を実証す
るために行つた実験結果とその比較考察による分
析結果を以下に示す。

まず、上記式(2)の信頼性を確認する実験結果を
第１３図に示す。実験手法は、密閉した回転部材
を逆回転させ、ポンプイン型としたうえ、回転ヘ
ツドアセンブリ内の生成圧力をベツツマノメータ
により実測した結果と、式(2)による解析結果との
比較を行つた（理論的には、ポンプイン型とポン
プアウト型の生成圧力の最大値は同一絶対値をと
る。）。第１３図より、理論に比べ実験が全体的に
低目になつているが、両者は概略近い値を示して
いる。実験結果が低目に出る原因は、式(2)におい
て、空気漏れによるロスを無視しているためと考
えられる。

以上より、式(2)は実験をほぼ正しく評価する式
であり、これを用いた考察の妥当性が確認でき
る。

次に、例として、８ミリビデオ用回転ヘツドア
センブリにおいて、γ＝0.5，β＝15°，Cr＝0.040
mmとした時、回転速度ωを順次変化させた時のテ
ープ浮上量の測定結果を第１４図に示す。縦軸は
テープ浮上量をクリアランスCrで除して無次元
化している。比較のため、グルーブの無い回転ヘ
ツドアセンブリを用いた場合のテープ浮上測定結
果も併記する。テープ浮上量は、光学式非接触変
位計ホトニツクセンサにより測定した結果で示
す。

ここで式(2)より明らかな様にΛすなわちωを変
化させる（実用上は不変）と理論吐出圧はωに比
例して変化するため、実質的にその他のグルーブ
設計緒元値を変化させたと等価な吐出圧力特性が
容易に得られる。本実験の場合ω＝1200rpmでΛ
＝0.04，ω＝1800rpmでΛ＝0.06と設計されてい
る。第１４図の結果よりΛ＝0.04がスパイラルグ
ルーブ効果の臨界点となり、1200rpmは、本８ミ
リビデオ基本製品仕様ω＝1800rpmに対し68％
（すなわち約70％）に相当していることがわかる。
従つて、γ＝0.5かつβ＝15°の理論最高特性点
（第８図，第９図）を100％とした時、実際は回転
数不変として用いるため、設計裕度は単品精度と
して少くとも70％以下の特性低下にならぬことが
必要条件となる。

発明の効果 以上の様に、本発明は、回転ヘツドアセンブリ
中の、相対回転部における対向面のいずれか一方
の面に、グルーブ角度βを2°≦β≦45°の範囲に、
溝幅比γを0.2≦γ≦0.8の範囲に設定したポンプ
アウト型スパイラルグルーブを設けることによ
り、一般使用状態でのテープ張力条件において、
回転ヘツドアセンブリ上でのテープ浮上に必要な
吐出動圧量を確保することが出来、その実用的効
果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回転ヘツドアセンブリの斜視
図、第２図は、水平対向面にスパイラルグルーブ
を設けた回転ヘツドアセンブリ断面図、第３図は
本発明の第１の実施例における上シリンダの底面
図、第４図〜第６図は、スパイラルグルーブ設定
緒元の説明図、第７図はテープ浮上挙動を示す回
転ヘツドアセンブリの一部断面の斜視図、第８図
はβをパラメータとした吐出性能図、第９図はγ
をパラメータとした吐出性能図、第１０図は本発
明の第２の実施例における回転ヘツドアセンブリ
の一部拡大断面図、第１１図は本発明の第２の実
施例におけるスパイラルグルーブ構成を示す回転
ヘツドアセンブリの一部断面の正面図、第１２図
は本発明の第３の実施例における回転ヘツドアセ
ンブリの断面図、第１３図はスパイラルグルーブ
式回転ヘツドアセンブリの吐出圧特性の理論値及
び実験値を示すグラフ、第１４図はテープ浮上特
性の測定結果の一例を示す図である。 １……テープ、２……回転部材、３……固定シ
リンダ、５……磁気ヘツド、６……スパイラルグ
ルーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定された円筒部を有する固定シリンダと、
   この固定シリンダと略同一径を有し、前記固定シ
   リンダに近接して同一軸上に設けられ磁気ヘツド
   を保持した回転部材とから成り、前記固定シリン
   ダと前記回転部材との間の相対回転部において形
   成される対向面のいずれか一方の面の一部又は全
   部にポンプアウト型のスパイラルグルーブを設
   け、スパイラルグルーブ設定域内の任意の同心円
   とスパイラルグルーブ中心線との交点における前
   記同心円に対する接線とスパイラルグルーブ中心
   線との傾斜角で定義するグループ角度βを15°近
   傍とし、また、スパイラルグルーブを設定した部
   分と設定しない部分とが交互にくり返されるパタ
   ーンにおいて、同心円上の一組のスパイラルグル
   ーブ設定部及び末設定部の幅の合計値で、一個の
   スパイラルグルーブ設定部幅を除し無次元化して
   定義する溝幅γを0.2≦γ≦0.8とした回転ヘツド
   アセンブリ。 ２ 略同一径を有し、間隙をおいて同軸上に配さ
   れた一対の固定シリンダと、前記間隙に前記固定
   シリンダと同軸周りに回転可能に設けられ磁気ヘ
   ツドを保持した回転部材とから成り、前記固定シ
   リンダと前記回転部材との間の相対回転部におい
   て形成される対向面のいずれか一方の面の一部又
   は全部にポンプアウト形のスパイラルグルーブを
   設け、スパイラルグルーブ設定域内の任意の同心
   円とスパイラルグルーブ中心線との交点における
   前記同心円に対する接線と、スパイラルグルーブ
   中心線との傾斜角で定義するグループ角度をβを
   15°近傍とし、また、スパイラルグルーブを設定
   した部分と設定しない部分とが交互にくり返され
   るパターンにおいて、同心円上の一組のスパイラ
   ルグルーブ設定部及び未設定部の幅の合計値で、
   一個のスパイラルグルーブ設定部幅を除し無次元
   化して定義する溝幅比γを0.2≦γ≦0.8とした回
   転ヘツドアセンブリ。