CS266563B2 - Magnetická hlava pro záznam a/nebo čtení informace a způsob její výroby - Google Patents

Abstract

Magnetická hlava obsahuje dvojici polopólů, z nichž každý sestává ze soustavy plechů z měkkého železa o předem určených profilech. Polopóly jsou k sobě navzájem připojeny tak, aby vytvářely vzduchovou mezeru před magnetickým nosičem jako je páska. Na jádře je uspořádána cívka. Tenké tvrdé pokovené vrstvy či fólie jsou rozmístěny na površích plechů alespoň v oblasti vzduchové mezery a čelního pásma s nosičem, čímž se získá laminátová sendvičová struktura, ve které se tvrdost periodicky mění podle šířky nosiče. Vzhledem k tuhosti nosiče tvrdé pokovené vrstvy vzdoruji otěru způsobenému klouzavým pohybem nosiče. Přítomnost tenkých pokovených vrstev nesnižuje výslednou permeabilitu jádra. Pokovení je provedeno prostřednictvím techniky vysoce intenzivního reaktivního katodového nanášení, která zajištuje optimální tvrdost a kohezi k železné podložce. Výhodný materiál pro pokovení je nitrid titanu.

Description

Vynález se týká magnetické hlavy pro záznam a/nebo čtení informace, opatřená magnetickým jádrem sestávajícím z tvarovaných plechů, cívkou uspořádanou kolem jádra, vzduchovou mezerou vytvořenou napříč aktivního čelního pásma jádra, jsoucího v kluzném kontaktu s nosičem informace, přičemž ve vzduchové mezeře k bočním povrchům plechů přiléhá nemagnetický materiál a hlava je opatřena nosičem pro držení jádra a způsobu její výroby.

Vývoj techniky záznamu informací vytvořil několik typů hlav. Běžně používaná hlava obsahuje magnetické jádro vyrobené z profilovaných plátů z měkkého železa v laminovaném uspořádání, přičemž mezi plechy je uspořádána vzduchová mezera právě přes čelní zónu, která přiléhá k magnetickému nosiči. Okolo jádra je navinuta cívka, která je připojena k vhodným elektronickým obvodům. Takové hlavy jsou upevněny v nosiči hlav a jsou obklopeny magnetickým stíněním. Ukázalo se, že tyto hlavy jsou populárním mají dosti dobré elektrické vlastnosti, alespoň v aplikacích pro záznam zvuku, a jejich výroba nebyla příliš drahá. Základní nevýhodou takových hlav je to, že měkký materiál jádra se brzy opotřebí třecími účinky pásky.

Technický vývoj sebou přinesl materiál chromdioxidové a kovové pásky, které byly mnohem tvrdší než normální pásky, a laminátovaná jádra nebyla schopna vydržet opotřebení způsobené takovými materiály.

Ve zlepšené technologii se na snímací části takových hlav provádí tvrdé pokovení, čímž se tvrdost povrchu zdála dostatečně vysokou. Problém spojený s takovými hlavami spočívá v tom, že pokovovací materiál zvyšuje efektivní vzduchovou mezeru podle dvojnásobku své tloušEky a ve většině aplikací se vysokofrekvenční odezva záznamu značně zhoršila oproti hlavám bez takového pokovení.

Další druh konstrukce hlavy je založen na aplikaci feritových nebo skleněných keramických materiálů. Tyto materiály mají dostatečnou tvrdost, aby vydržely zvýšené opotřebení, a jsou také výhodné vzhledem ke své kmitočtové odezvě. Nevýhoda takových hlav spočívá v poměrně nízké hodnotě permeability, čímž jsou elektrické signály na nižší úrovni než v případě permaloyových jader. Největší nevýhoda takových hlav spočívá v obtížích objevujících se v průběhu výroby. Tyto tvrdé materiály se obtížně formují a opracovávají a jejich výroba je nákladná a vyžaduje mnoho času a práce. Další nevýhodou takových hlav je jejich nízká tepelná vodivost. V činnosti může účinek tření způsobovat extrémní teploty v sousedství vzduchové mezery a za těchto zvýšených teplot může na hraničním povrchu skla a feritového materiálu dojít k rekrystalizaci, což efektivně zvětšuje vzduchovou mezeru a snižuje frekvenční odezvu. Teplotní singularity mohou často vést k malým prasklinám, což znamená konec jejich životnosti.

Uvedené nevýhody dosavadního stavu do značné míry odstraňuje magnetická hlava pro záznam a/nebo čtení informace, opatřená magnetickým jádrem sestávajícím z tvarovaných plechů, cívkou uspořádanou kolem jádra, vzduchovou mezerou vytvořenou napříč aktivního čelního pásma jádra, jsoucího v kluzném kontaktu s nosičem informace, přičemž ve vzduchové mezeře k bočním povrchům plechů přiléhá nemagnetický materiál a hlava je opatřena nosičem pro držení jádra, podle vynálezu, jehož podstatou je, že mezi plechy jsou uspořádány fólie, sahající až k čelnímu pásmu a k bočním povrchům plechů, přičemž fólie jsou z materiálu tvrdšího než plechy. Výhodné přitom, je jestliže fólie jsou tvořeny povlaky umístěnými na povrchu plechů, případně jestliže tloušEka povlaků je rovna alespoň polovině mikrometru a/nebo jestliže povlak je umístěn na každém plechu a/nebo jestliže povlaky jsou z nitridu titanu, nitridu chrómu, karbidu křemíku, nitridu tantalu, nitridu wolframu nebo z podobných tvrdých slitin a/nebo jestliže plechy jsou sdruženy do samostatných jader pro jednotlivé stopy a mezi sousedními jádry je uspořádáno magnetické stínění, přičemž stínění jsou opatřena fóliemi tvořenými tvrdými povlaky. Tyto nevýhody odstraňuje i způsob výroby magnetické hlavy podle vynálezu, jehož podstatou je, že se z materiálu s vysokou permeabilitou vyrobí pólové plechy, alespoň na jednom z obou protilehlých bočních povrchů plechů se vytvoří nemagnetická vrstva v tloušEoe alespoň 0,5 jum a plechy se spojí, přičemž jejich boční

CS 266 563 B2 povrchy leží na sobě, vyznačující se tím, že nemagnetická vrstva se vytváří vysoce intenzivním reaktivním nanášením povlaku nitridu titanu, nitridu chrómu, karbidu křemíku, nitridu tantalu nebo nitridu wolframu. Výhodné je, jestliže povlak se nanáší v pásmu kontaktu pólových plechů jader s magnetickou páskou;

Vynález je založen na myšlence, že při zvyšování tvrdosti hlav s měkkým jádrem by vhodný materiál měl být uspořádán spíše mezi plechy z měkkého železa než na zrcátku magnetické hlavy. Pokud je tvrdý materiál, jako například nitrid titanu, umístěn na hlavním povrchu železných plechů vytvářejících jádro, potom tvrdost takto získané laminární sendvičové struktury bude kolísat podél tloušEky nosiče informací, to jest pásku, jako hřebenová funkce. Poněvadž páska má dostatečnou tuhost v napjatém stavu vzhledem k malým rozměrům, klouže jen na tvrdých okrajích a nezpůsobuje tak otěr materiálu z měkkého železa mezi tvrdými povlaky. Tento účinek je podobný přejíždění kol auta na mřížce uličního kanálu nebo podobně. Kolo se nemůže dostat mezi kovové tyče, pokud jsou tyče uspořádány v dostatečné hustotě. .

Výhody magnetické hlavy podle vynálezu spočívají zejména v tom, že jak bylo experimentem zjištěno, dokonce tak tenká pokovení, jako je půl mikrometru nebo menší, mohou zajistit zvýšenou výslednou tvrdost. Pokud je tloušťka pokovené vrstvy nad asi 2 mikrometry, výsledná tvrdost se zvyšující se tloušEkou pokovení nebude význačně zvyšovat. Uspořádání tvrdého materiálu mezi plechy má za následek další výhodu spočívající v tom, že struktura hlavy zůstává nezměněna i po určitém opotřebení. Zatímco na čelní desce uložená tvrdá vrstva se zničí po otěru asi jednoho mikrometru, sendvičová struktura podle vynálezu zachovává svou tvrdost až do konce hloubky vzduchové mezery.

Je výhodné, je-li tvrdé pokovení prováděno technikou nanášení, zvláště vysoce intenzivním reaktivním katodovým naprašováním. Tato výroba může zajistit řízené fyzikální vlastnosti prostřednictvím příslušného řízení procesů v průběhu nanášení.

Vickerova tvrdost povrchu může být vysoká až = 3 000 kp/mm , což je tvrdost dvacetkrát vyšší než je tvrdost materiálu z měkkého železa.

Výsledné otěrové vlastnosti hlavy podle vynálezu jsou tak dobré, jako je tomu u feritových a keramických hlav, přičemž vyšší výsledná permeabilita materiálu jádra má za následek zvýšení úrovně signálu a takto i lepší poměr signál-šum. Nanášení tvrdé vrstvy nezvyšuje podstatně náklady ve srovnání s dobře známou výrobní technologií hlav s jádry z měkkého železa, což znamená, že tyto hlavy mohou být vyráběny za rozumnou cenu.

Několik dalších vlastností a výhod vynálezu bude popsáno při rozboru několika jeho vhodných provedení podle přiložených výkresů, kde na obr. 1 je zvětšený pohled na polovinu jádra, na obr. 2 je boční pohled na obr. 1, obr. 3 je schematické uspořádání hlavy a pásky, která pro lepší porozumění nebyly nakresleny v měřítku, na obr. 4 je zvětšený částečný řez podél čáry IV-IV z obr. 3, na obr. 5 je křivka závislosti tvrdosti na šířce pro konstrukci z obr. 4, na obr. 6 je zvětšený půdorys čelní zóny z obr. 3 při pohledu přes pásku, na obr. 7 je schematický perspektivní pohled na mnohokanálovou soustavu hlavy a na obr. 8 je křivka tvrdosti podobná křivce na obr. 5 pro hlavu z obr. 7.

Obr. 1, 2 a 3 znázorňují schematicky magnetické póly záznamové snímací hlavy vyrobené podle vynálezu. Hlava obsahuje první a druhý polopól 10 a 11, z nichž každý obsahuje soustavu profilovaných plechů 12 z měkkého železa s vysokou permeabilitou. Plechy 12 jsou poskládány na sebe a spojeny prostřednictvím adhezního lepidla. První a druhý polopól 10 a 11 jsou k sobě navzájem připevněny, jak je znázorněno na obr. 3 a mezi nimi je definována vzduchová mezera 13, vytvořená vložením nemagnetické fólie mezi plochy jejich bočních stran, to jest plochy 14 na obr. 1. šířka vzduchové mezery 13 je v řádu mikrometrů a typicky je mezi 0,6 a 10 mikrometry. Výška boční plochy 14 určuje plnou hloubku vzduchové mezery 13. Cívka 15 je uspořádána na prvním a druhém polopólu 10 a 11 a slouží jako snímací cívka v přehrávacím režimu a jako magnetizační cívka v záznamovém režimu.

CS 266 563 B2

Obr. 3 znázorňuje hlavu v činnosti, když je páska 16 tlačena k čelnímu pásmu 17 a páska 16 se pohybuje předem určenou rychlostí ve směru šipky A. Celní pásmo 17 hlavy je vyrobeno s výhodou broušením a jeho profil je obroben tak, aby dával optimální vedení pásky 16. o čelním pásmu 17 se často hovoří jako o zrcadle hlavy.

Hlava znázorněná na obr. 1 až 3 vypadá jako konvenční hlavy s laminátovým jádrem nebo hlavy široce používané v komerčních magnetofonech. Základní rozdíl mezi hlavou podle vynálezu a běžnou hlavou spočívá v tom, že každý plech 12 je na svém povrchu opatřen fólií 18, a to v oblasti určené hloubkou vzduchové mezery 13 a čelním pásem 17. Fólie 18 je vyrobena z tvrdého materiálu, který má zvýšenou rezistivitu vůči abrazi.

Pokování může být provedeno konvenční technikou pokovování srážením par, jako je iontové galvanické pokovování nebo katodové naprašování. Poněvadž magnetické hlavy se vyrábějí velkosériově je výhodné, je-li fólie 18 provedena prostřednictvím vysoce intenzivního katodového nanášení, které nabízí nejenom vysokou produktivitu, ale také jednotnou tlouštku fólie 18, perfektní adhezi k materiálu podložky a programovatelné vlastnosti fólie 18. Technika vysoce Intenzivního katodového nanášení je v oboru dobře známá a široce užívaná pro různé aplikace včetně tvrzení břitu, pokovování těles hodinek a náramků a v technice tenkých vrstev. V této technice se na terčík přivádí magnetické pole o speciálním rozložení, čímž jsou elektrony koncentrovány před terčíkem a takto se získávají vysoké hustoty částic, které vedou ke snížení výbojového napětí a vedou k vyšší rychlosti nanášení. Pro vytváření velmi tvrdých vrstev je výhodné použití reaktivního katodového nanášení. Tato technika se používá, mají-li být napařeny oxidy, nitridy nebo karbidy základního kovového materiálu. Základní materiál, například titan, je používán jako štítek. Atmosféra ve vybíjecí komoře je směsí inertního plynu jako argon, a reaktivního plynu, například dusíku. V průběhu procesu nanášení reaguje reaktivní plyn s terčíkem a je bud znovu rozprášen z terčíku nebo se integruje do rozprášené vrstvy v průběhu kondenzace kovových atomů. Tvrdost vrstvy závisí na parciálním tlaku reaktivního plynu a prostřednictvím příslušného řízení procesu lze dosáhnout optimální tvrdosti. .

Při výrobě fólie 18 jsou plechy 12 vloženy do vybíjecí komory a používají se jako podložky. Proces pokovení je usnadněn. Jestliže dvě vysokofrekvenční katody jsou montovány v protilehlých polohách a podložky jsou umístěny ve střední zóně mezi dvěma katodami.

Výhodná vrstva pokovení je nitrid titanu, který může mít tvrdost HV₁₀ asi 30 000 N/mm , je-li parciální tlak dusíku asi 5 až 10.10 ² pascalu. Podobně tvrdé vrstvy lze získat použitím jiných druhů filmů, jako je nitrid chrómu, karbid křemíku, nitrid tantalu, nitrid wolframu a další tvrdé sloučeniny. Existuje několik publikací, které pojednávají o nanášení tvrdých povlaků na kovové substráty, a proto vynález nemůže být omezen na jakoukoliv jednotlivou sloučeninu.

Je třeba poznamenat, že technika vysoce intenzivního reaktivního nanášení zajistila extrémní dobrou přilnavost mezi podložkou a vrstvou pokovení a tato přilnavost vydrží silové a teplotní podmínky, převažující v čelním pásmu 17 mezi páskou a hlavou.

Na obr. 4 je znázorněn zvětšený průřez podél čáry IV-IV z obr. 3. Průřez není pro lepší názornost vyobrazení zakreslen v jednotném měřítku. Páska 16 se pohybuje kolmo k rovině obrázku a tlačí na hlavu tlakem P. Nosná plocha hlavy sestává z laminární sendvičové struktury železných plechů 12 a tenkých fólií 18 na nich umístěných. Tlouštka plechu je přibližně mezi 0,1 až 0,15 mm, zatímco tlouštka tenké fólie 18 je řádu mikrometrů, s výhodou alespoň 1 mikrometr. Vickersova tvrdost Ην^θ struktury měřená podél šířky W pásku je zřejmá z obrázku 5 v jednotkách kp/mm². Výsledná křivka závislosti tvrdosti na šířce má hřebenový 2 2 průběh s hodnotou špiček asi 3 000 kp/mm a s hodnotou základní tvrdosti 150 kp/mm . Experimentálně bylo zjištěno, že vzhledem k tuhosti materiálu pásky na krátké vzdálenosti mezi sousedními tvrdými tenkými fóliemi 18 je výsledná tvrdost struktury určena materiálem tenké fólie 18 a plechy 12 z měkkého železa nemají prakticky funkční roli při určování

CS 266 563 B2 5 obroušení povrchu. Značný nárůst tvrdosti byl zjištěn dokonce i tehdy, jestliže tlouštka tenké fólie 18 byla zlomkem mikrometru, nicméně z důvodů bezpečnostních je výhodné, je-li tlouštka tenké fólie 18 alespoň 0,5 až 1 mikrometru ještě lépe 2 mikrometry. Jestliže se tlouštka tenké fólie 18 zvětšuje za tuto.hodnotu, nemá to žádný další účinek na tvrdost, nicméně lze silnějších povlaků použít také. Plechy 12 z měkkého železa představují dobrou podložku pro tenké fólie 18 a proto tato tenká vrstva mezi plechy dobře drží. Poněvadž plechy 12 jsou vyrobeny z kovu, který dobře vede teplo, bude teplo vytvářené třením mezi páskou a hlavou, odváděno a proto nemůže docházet ke strmějším gradientům místní teploty. Pokud se struktura hlavy obrousí, sendvičová struktura zůstává nezměněna a lze využít plnou hloubku hlavy v oblasti vzduchové mezery 13. Tyto faktory vysvětlují, proč očekávaná životnost hlavy podle vynálezu je v porovnání s životností běžných hlav z laminátových^ železných plechů podstatně vyšší.

Obrázek 6 znázorňuje pohled shora na oblast zrcadla hlavy z pohledu přes pásku v případě dvoustopé hlavy. V čelním pásmu 17 mezi hlavou a páskou je první a druhá sendvičová struktura 19, případně 20 a každá z nich sestává ze soustavy plechů 12 a k nim přidružených nanesených fólií 18. Páska 16 je širší než stopy a mezi stopami je uspořádáno magnetické stínění 21. Je výhodné, je-li stínění 21 také vyrobeno z železných plechů o vysoké permeabilitě a je pokryto pokovenou vrstvou bud na jedné straně, nebo na obou. Zjištěním tvrdého pokovení na stínění je eliminováno nebezpečí magnetického zkratu mezi drahami, nebot pokovení je provedeno z nemagnetického materiálu. Navíc k této výhodě pokovení stínění 21 může zajistit další oporu pro pásku. Obrázek 6 znázorňuje první a druhý přídavný pokovený plech 22 a 23 na obou stranách struktur 19 a 20, které mohou být umístěny v nosném materiálu hlavy a provedeny obecně v mědi. Použití prvního a druhého pokoveného plechu 22 a 23 může zajistit další oporu pro pásku 16.

Zatímco nanešená fólie 18 byla myšlena jako vrstva uložená na povrchu pólů, je zřejmé, že místo ní mohou být stejně tak dobře použity oddělené fólie, například wolframové fólie nebo fólie z jakéhokoliv tvrdého materiálu. V současných technologiích se nicméně použití nanešené fólie 18 zdá být mnohem výhodnější než použití oddělené fólie.

Plechy 12 mohou být pokoveny na obou stranách nebo pouze na jedné straně nebo lze používat střídavě pokovené a nepokovené plechy. Důležitou věcí je uspořádat tvrdé okraje s takovými roztečemi, aby výsledná tvrdost povrchu čelního pásma 17 byla určena z největší míry právě jimi. Je často výhodné, jsou-li pokoveny celé plochy plechů 12.

Rovina plechů 12 s fólií 18 nemusí být kolmá ke směru pohybu pásky. Náklon v kterémkoliv směru nebo náklon vzhledem k rovině pásky 16 je možný. Existuje několik uspořádání magnetické hlavy, ve kterých se používá skloněných hlav pro dosažení zvýšeného oddělení kanálů. Přítomnost fólie 18 neomezuje konvenční možnosti pro uspořádání hlavy vůči pásce 26.

Obrázek 7 znázorňuje zjednodušený perspektivní pohled na mnohokanálovou hlavu s několika pólovými konstrukcemi, z nichž každá obsahuje plechy pokovené tvrdou tenkou fólií 18. Magnetická stínění mezi kanály obsahují také tvrdá pokovení. Křivka závislosti tvrdosti na šířce je znázorněna na obrázku 8, ve kterém přerušované čáry odpovídají stínícím deskám mezi kanály.

Podle vynálezu může být tvrdost hlav z měkkého železa zvýšena, čímž sě·zvýší i životnost čtyř- až osmkrát a takové hlavy mohou být dobře používány s chromdioxidovými a kovovými páskami stejně jako s feritovými a sklokeramickými hlavami. Dobré magnetické vlastnosti hlav s permaloyovým jádrem zůstávají nezměněny, nebot malé množství nemagnetického pokovení může snížit masu aktivního železa pouze neznatelně. Izolační vlastnosti pokovení mohou snížit ztráty vířivými proudy, poněvadž jakýkoli proud mezi plechy 12 je dobře blokován. Další výhoda spočívá v chování vysoké produktivity práce typické pro konvenční hlavy z p.echových jader, pro vytváření vysoce kvalitních magnetických hlav s dlouhou životností.

Claims (8)

1. PŘEDMÉT VYNÁLEZU

   1. Magnetická hlava pro záznam a/nebo čtení informace, opatřená magnetickým jádrem sestávajícím z tvarovaných plechů, cívkou uspořádanou kolem jádra, vzduchovou mezerou vytvořenou napříč aktivního čelního pásma jádra, jsoucího v kluzném kontaktu s nosičem informace, přičemž ve vzduchové mezeře k bočním povrchům plechů přiléhá nemagnetický materiál a hlava je opatřena nosičem pro držení jádra, vyznačující se tím, že mezi plechy (12) jsou uspořádány fólie (18), sahající až k čelnímu pásmu (17) a k bočním povrchům plechů (12), přičemž fólie (18) jsou z materiálu tvrdšího než plechy (12).
2. 2. Magnetická hlava podle bodu 1, vyznačující se tím, že fólie (18) jsou tvořeny povlaky umístěnými na povrchu plechů (12).
3. 3. Magnetická hlava podle bodu 2, vyznačující se tím, že tloušťka povlaků je rovna alespoň polovině mikrometru.
4. 4. Magnetická hlava podle bodu 2, vyznačující se tím, že povlak je umístěn na každém plechu (12).
5. 5. Magnetická hlava podle bodu 2, vyznačující se tím, že povlaky jsou z nitridu titanu, nitridu chrómu, karbidu křemíku, nitridu tantalu, nitridu wolframu nebo z podobných tvrdých slitin.
6. 6. Magnetická hlava podle bodu 2, vyznačující se tím, že plechy (12) jsou sdruženy do samostatných jader pro jednotlivé stopy a mezi sousedními jádry je uspořádáno magnetické stínění (21), přičemž stínění (21) jsou opatřena fóliemi (18) tvořenými tvrdými povlaky.
7. 7. Způsob výroby magnetické hlavy podle bodů 1 až 6, u něhož se z materiálu s vysokou permeabilitou vyrobí pólové plechy, alespoň na jednom z obou protilehlých bočních povrchů plechů se vytvoří nemagnetická vrstva v tlouštce alespoň 0,5 ^m a plechy se spojí, přičemž jejich boční povrchy leží na sobě, vyznačující se tím, že povlak se vytváří vysoce intenzivním reaktivním nanáěením povlaku nitridu titanu, nitridu chrómu, karbidu křemíku, nitridu tantalu nebo nitridu wolframu.
8. 8. Způsob podle bodu 7, vyznačující se tím, že povlak se nanáší v pásmu kontaktu pólových plechů jader s magnetickou páskou.