DE1948215A1 - Duennschicht-Magnetkopf - Google Patents
Duennschicht-MagnetkopfInfo
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- G11B5/332—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using thin films
Description
IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen Gesellschaß mbH
Böblingen, 17. September 1969 ni-hl-rz
Anmelderin:
International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10 504
Amtliches Aktenzeichen:
Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin:
Docket YO 968 030
Die Erfindung betrifft einen Magnetkopf in Dünnschichttechnik als Einzel- oder Mehrspurausführung mit einer Nutzspaltftillung aus
nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material und einem einen Leiter der Signalübertragungswicklung aus ebenfalls derartigem
Material umfassenden insb. U-förmigen Dünnfilmkern für jede Magnetkopf
e inhe i t .
Zur magnetischen Datenspeicherung werden bekanntlich je nach
Systemauslegung Speicherkerne, Magnetplatten oder Magnetbänder verwendet, wobei der Kostenfaktor d.h. die durchschnittlichen Kosten pro Bit in Massenspeichern eine große Rolle spielt. Die fortschreitende Entwicklung der Datenverarbeitung mit immer
Systemauslegung Speicherkerne, Magnetplatten oder Magnetbänder verwendet, wobei der Kostenfaktor d.h. die durchschnittlichen Kosten pro Bit in Massenspeichern eine große Rolle spielt. Die fortschreitende Entwicklung der Datenverarbeitung mit immer
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größeren und schnelleren Speichern bedingte natürlich eine fortgesetzte
Erniedrigung dieses Kostenfaktors, der bei Platten kleiner
als bei Kernen'und bei Bändern noch beträchtlich kleiner als
dieser ist. Erreicht wurde diese Kostensenkung durch eine erhöhte
Packungsdichte der magnetischen Information, was logischerweise die die binäre Information enthaltende magnetische Speicherstelle
und den Betrag der darin gespeicherten magnetischen Energie immer kleiner werden ließ. Die Übertragerköpfe, die diese
Informationen aufzeichnen bzw. abtasten sollen, müssen dementsprechend bezüglich ihrer Ausmaße und ihrer Empfindlichkeit angepaßt
werden, um zwischen der binären 1 und der binären 0 unterscheiden zu können.
Die meisten bekannten Einrichtungen zum Schreiben oder Lesen von
magnetischen Aufzeichnungen benützen elektromagnetische Übertrager.
Solche Übertrager enthalten einen geschlossenen magnetischen Kreis niedrigen magnetischen Widerstandes, der von einem Kern
aus hochpermeablern Material und einem sehr schmalen Nutzspalt
mit einer Füllung aus Luft oder nicht magnetischem Material ge- ,
bildet wird. Durch eine Relativbewegung zwischen dem Nutzspalt
und der im Aufzeichnungsträger gespeicherten magnetischen Energie wird im Kern ein magnetischer Fluß induziert. Ein elektrischer
Leiter, der den geschlossenen magnetischen Teil senkrecht durch-
■ ■ ■ ' ■-■'. ■-■-"'
setzt, wird von dem induzierten Fluß geschnitten, wodurch in ihm
ein Spannungsimpuls induziert wird, der einem geeigneten Abtast-.
Docket YO 968 030 '009816/1561
- 3 mechanismus zugeleitet wird.
Ist die gespeicherte magnetische Energie gering» so ist logischerweise
der induzierte Spannungsstoß unerwünscht klein. Um diesem Nachteil zu begegnen und die daraus resultierenden spezifischen
Schwierigkeiten zu kompensieren, wurde gekanntermaßen ein Übertragerkopf
vorgeschlagen, der einen geschlossenen Kreis aus einem weichmagnetischen, nichtlinearen Kernmaterial und einem nichtmagnetischen Nutzspalt enthält. Bewegt sieh bei dieser 'Anordnung
der Nutzspalt relativ zur gespeicherten Magnetisierung, so. schal·?
tet das im geschlossenen Kreis, induzierte magnetische PeId das
weichmagnetische Material von dem einen magnetischen Remanenzzustand
in den anderen um. Ein elektrischer Leiter, der mit dem schaltbaren nichtlinearen magnetischen Material gekoppelt ist erhält
einen induzierten. Spannungsimpuls, welcher von einem passenden Spähnungsindikator abgetastet wird« Ein Beispiel für einen
solchen Aufzeichnungskopf ist in dem Artikel "Rea.dback Head for
High Density Recording" im "IBM Technical Disclosure, Bulletin"
Band 9, Juli 1966, Seite 124 wiedergegeben. Dieser Typ eines Aufzeichnungskopfes hat aber den Nachteil, daß es sehr schwierig ist,
sein magnetisches Kernmaterial von einem Remanenzzustand in den
anderen umzuschalten, da das schwache magnetische Feld im Aufzeichnungsträger
den ganzen Kopf umschalten muß und das Volumen des magnetischen Materials der meisten Köpfe zu groß ist, um
von den schwachen magnetischen Feldern, die den magnetischen Aufzeichnungen
bei hoher Packungsdichte eigen sind, umgeschaltet
Docket YO 968 030 0 0 9 816/1561
. : . . ■ . " . ; - - 4 werden
zu können.
Deshalb ist es die Aufgabe dieser Erfindung, einen Magnetkopf
eingangs beschriebener Art zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird e rf i'ndungs gemäß dadurch gelöst, daß
jede Magnetkopfeinheit einen zentralen prismatischen Teilkörper dreieckförmigen Querschnitts aus nichtmagne ti schein, elektrisch
leitendem Material enthält, dessen Schenkelflächen von je einem
P Kernverlängerungsschenkel aus hochpermeablem Material niedrigen
magnetischen Widerstandes bedeckt sind, dessen Schaltkante samt dem umgebenden Kernschenkelmaterial zur Bildung eines in die
beim Abtragen entstandenen Polspiegelflächen eingebetteten Nutzspalts abgetragen ist und dessen Grundfläche den Leiter der
einwindigen Signalübertragungswicklung trägt, daß der von den Kernverlängerungsschenkeln gebildete magnetische Pfad über den
Dünnfilmkern durch dessen Polflächenkontakt mit deren unteren
Polflächen geschlossen ist und daß der Dünnfilmkern aus einem
fc magnetischen Material mit geringer Koerzitivkraft vor Permeabilität und rechteckförmiger B-H-Charakteristik besteht.
Die Kernverlängerungsschenkel dienen dazu, die im Aufzeichnungsträger gespeicherte, die Bits darstellende magnetische Energie
beim Vorbeibewegen des Nutzspaltes an den Speicherstellen abzufühlen,
den induzierten Fluß zu konzentrieren und ihn konzentriert in den Dünnfilmkern zu übertragen der dadurch umgeschaltet wird
und in der angekoppelten Leiterschleife einen relativ hohen
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T94821S
- 5 Spannungsstoß
erzeugt.
Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße Magnetkopf in Dünnschichttechnik ausgeführt, wodurch er für die Verwendung in.
leichtgewichtigen Speichersystemen hoher Packungsdichte geeign© :
ist. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Eine eingehende
Erläuterung des erfindungsgemäßen Magnetkopfes erfolgt anhand
der beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mehrspuranordnung
von erfindungsgemäßen Magnetköpfen
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer erfindungs gemäßst
Magnetkopfeinheit
Fig. 3 die Unteransicht einer erfindungsgemäßen Magnetkopfeinheit, die die gegenseitige Lage des Leiters
der einwindigen Signalübertragungswicklung und des umschaltbaren Dünnfilmkernes wiedergibt
Fig. 4 die schematische Darstellung eines kurzen Stückes
eines gewöhnlichen Magnetbandes mit magnetisch gespeicherten, binären Informationen
Fig. 5 -schematasch ein Diagramm mit der B-H-Charakteristik
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des ümschaltbareη Dünnfilmkerns des Magnetkopfes
nach der Erfindung
Fig. 6 u. 7 die Spannungsimpulsdiagramme der vom Leiter der
einwindigen Signalübertragungswicklung abgefühlten
Informationssignale
Fig. 8 eine perspektivische schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Magnetkopfeinheit, die zum Aufzeichnen wie auch zum Abfühlen von magnetisch gespeicherten binären Informationen geeignet ist.
In Fig. 1 ist eine Anordnung von beispielsweise drei Magnetkopf-=
einheiten 2 dargestellt, die sich beliebig auf eine große Anzahl
von Magnetköpfen z.B. für Mehrspurmagnetköpfe erweitern läßt. Jede Magnetkopfeinheit 2 enthält einen Kupferteil 4 auf dessen
zwei Schenkel je ein Kernverlänge rungs schenkel 6 bzw. 8 aus hoch«=
" permeablem Material niedrigen magnetischen Widerstandes in der
... Form von dünnen Schichten niedergeschlagen sind. Dieses Material
kann z.B. ein Cu-Zn-Ferrit mit einem Wisraut-Zusatz sein. Durch v
Legierung dieses Materials mit Ni-Zn-Ferrit erhält man eine
ganze Familie von Materialien, welche sowohl eine hohe magnetisch®
Permeabilität als auch eine Frequenzempfindlichkeit großer Bandbreite besitzen. Auf der Grundfläche des Cu-Keils 4 ist ein
dünner Leiterstreifen 10 aus Kupfer oder anderem elektrisch
leitendem Material angeordnet, in dem ein Spannungsimpuls indu-
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ziert wird, wenn eine Magnetisierungsumkehr im Bereich dieses
Leiterstreifens 10 erfolgt.
Um diesen Leiterstreifen herum und zwischen den unteren Polen der Kernverlängerungsschenkel 6 und 8 kann eine isolierende
Zwischenschicht 12 angebracht sein, die den Keil 4 gegen den den magnetischen Schluß zwischen den unteren Polen der Kernverlängerungsschenkel
bildenden Dünnfilmkern 14 aus einem Material niedriger Koerzitivkraft wie z.B. einer Ni-Se-Legierung, Permalloy
u.a. isoliert. Die isolierende Schicht 12 ist zusätzlich und nur
dann erforderlich, wenn ein bestimmtes Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Magnetkopfes seine Verwendung notwendig macht.
Die Polspiegelflächen der Kernverlängerungsschenkel 6 und 8 sowie
des Kupferkeiles 4 sind geschliffen und poliert unreinen
nichtmagnetischen Nutzspalt 16 mit genau definierten Abmessungen zu ergeben. Nach Fertigstellung dieser erfindungsgemäßen Magnetkopfeinheit
hat jeder Kopf in einer Mehrspuranordnung, wie sie nach einem Massenherstellungsprozeß gewonnen werden kann, folgende
beispielsweisen Abmessungen: Breite des Nutzspaltes 16=2,54 um,
Scheitelwinkel θ des Keiles 4 - 7°, Dicke D der Kernverlängerungsschenkel
6 und 8 = 0,254 mm, Länge 1 der Kernverlängerungsschenkel
6 und 8 = 0,508 mm, Basisbreite h des Keiles 4 = 50,8 um, Gesamtlänge
des Dünnfilmkernes 14 = h+2D = 0,56 mm, wobei h ist gleich
θ ■ · 1.
Wie daraus ersichtlich ist, ist die effektive Länge des magne-Docket
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tischen Pfades im umschaltbaren Dünnfilmkern nur 50,8 um. Diese
Fläche dient dazu, die Abtastung des Aufzeichnungsträgers 18 mit Hilfe nur einer Leiterschleife zu bewerkstelligen. Da der Dünnfilm
14 eine hohe Magnetisierung in der Größenordnung von 10.000
Oersted und eine niedrige Koerzitivkraft H von ungefähr 0,5 Oersted oder weniger besitzt, genügt schon ein kleines magnetisches
Feld an der Aufzeichnungsstelle des Bandes 18, um eine
große Flußumkehr im Film 14 und damit einen großen Spannungsstoß in der einwindigen Signalübertragungsleitung 10 zu bewirken.
Nach Fig. 4 ist angenommen, daß die Pfeile 20 die magnetisch gespeicherten
Bits darstellen, wobei die binäre 1 durch einen nach rechts gerichteten Pfeil Und die binäre 0 durch einen nach links
gerichteten Pfeil ausgedrückt isti Der Permalloyfilm 14 ist zu
Beginn des Abtastvorganges zuerst in seinen negativen Remanenzzustand N versetzt. Die im Bit a. gespeicherte magnetische Energie
ist positiv, so daß dieses Bit a den Kern 14 über das Knie K seiner B-H-Schleife hinweg in das positive Sättigungsgebiet S
überführt, wobei zum Zeitpunkt t*, wie in Fig. 4 gezeigt, im
Leiter 10 der Ausgangsspannungsimpuls 1 entsteht. Nach dieser
Umschaltung kehrt der Kern 14 in seinen positiven Remanenzzustand P zurück.
Zum Zeitpunkt t2 wird das Bit b_ vom Magnetkopf 2 abgetastet und,
da die Magnetisierungsrichtung von b_ positiv ist, der Kern 14 in positiver Sättigungsrichtung nach S getrieben und folglich
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kein Umschalten der Magnetisierung bewirkt» Dadurch wird kein
Spannungsimpuls im Leiter 10 induziert und es erscheint zum Zeitpunkt t kein Spannungsimpuls, womit angezeigt wird,, daß das Bit
b_ dieselbe binäre Information wie das Bit a. enthält. Zum Zeitpunkt
t3 wird vom Kopf 2 das Bit £ abgetastet und dessen gespeicherte magnetische Energie schaltet den Kern 14 in negativer
Magnetisierungsrichtung über das Knie K' der B-H-Schleife in den negativen Sättigungszustand S' um. Bei diesem Umschalten wird im
Leiter 10 ein negativer Spannungsimpuls 3 induziert. Zum Zeitpunkt
t wird im Leiter 10 keine Spannung induziert* da das Bit d das·»
selbe wie das Bit £ ist.
Die Fig. 5,7 und 8 sollen die Anwendung der Erfindung für den
Fall zeigen, daß die binäre Speicherung mit einem durch Pfeile an den Stellen A und C auf dem Band 18 in Fig. 8 ausgedrückten
positiven Magnetismus für die binäre 1 und mit einem durch das Fehlen von Zeilen an den Stellen B und C ausgedrückten Fehlen
von Magnetisierung für die binäre O verwirklicht ist. Das Magnetband
18 wird am Nutzspalt des Magnetkopfes 2 vorbeibewegt, während der Magnetkopf 2 mit Hilfe einer Batterie 22 im Punkt X der
B-H-Schleife nahe dem Knie K1 vorgespannt ist. Beim Vorbeibewegen
der an der Stelle A des Bandes 18 gespeicherten binären 1 am Nutzspalt wird der Kern 14 in den Sättigungszustand S geschaltet,
wobei zum Zeitpunkt tj im Leiter 10 ein Ausgangsspannungsimpuls
7 erzeugt wird. Nach dem Auslesen der Stelle Awürde nun der Kern
14 normalerweise in den Magnetisierungszustand Y der B-H-Schleife
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in Fig. 5 zurückkehren. Jedoch wird nun während jedes Lesezyklus
dem Kern ein negativer Impuls sofort nach dem Auslesen oder ein Abfrageimpuls zugeführt, so daß der Kern 14 in seinen vorgespannten
Zustand X der B-H-Schleife in Fig. 5 zurückkehrt« Zum Zeitpunkt
t existiert keine Magnetisierung an der Stelle B und es wird deshalb keine Spannung im Kopf 2 erzeugt. Aus Fig. 7 geht
hervor, daß eine binäre 0 an der Stelle B durch das Fehlen eines ^ Spannungsimpulses in der Leiterschleife 10 angezeigt wird. Kommt
nun zum Zeitpunkt t die Speicherstelle C zur Abtastung, so erzeugt
die gespeicherte binäre 1 einen Ausgangsspannungsimpuls 9«
Die Vorspannung mittels der Batterie 22 ist allgemein zum Betrieb
des erfindungsgemäßen Magnetkopfes nicht notwendig, aber sie erlaubt
eine Umschaltung des Kerns 14 durch einen kleineren Betrag der Magnetisierung in den Bitstellen des Bandes 18.
Der erfindungsgemäße Magnetkopf kann^ wenn es erwünscht istö auch
lediglich zum Auslesen von Daten verwendet werden. Durch Anordnea*
einer Windung 24 im Kupferkeil 4 und Anschluß dieser Leitung 24
an eine Batterie 26 über einen Schalter 28 kann beim Schließen
des Schalters 28 genügend Strom durch die. Leitung 24 geschickt ,
werden, um eine positive Magnetisierung z.B. für binäre Einsen \
im Magnetband 18 zu erzeugen* Nach diesem Schreibvorgang kann durch einen kleinen Impuls über den LeiteriO der Kern 14 zum
Lesen in einen Zustand niedriger Koerzitivkraft gebracht werdenf
ohne daß der Aufzeichnungsträger 18, der eine groß© Koerzitivkraft besitzt, beeinflußt wird. Bei der Erläuterung der Erfindung
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wurde in dem angeführten Ausführungsbeispiel der zentrale Kupferkeil
in Dreiecksform angenommen. Es soll aber an dieser Stelle
betont werden, daß dieser zentrale, tragende Teil auch eine
rechteckförmige, sphärische oder andere Form erhalten kann, solange
nur ein Material niedriger Koerzitivkraft und hoher magnetischer Permeabilität innerhalb des geschlossenen magnetischen
Kreises niedrigen magnetischen Widerstandes eingelagert ist»
Weiterhin sei noch zu bemerken, daß die Schenkelpartien 6 und 8 der Leiter 10 und der Dünnfilmkern 14 nach der üblichen Dünnschichttechnik
hergestellt werden können. Durch die Anordnung der Kernverlängerungsschenkel aus Material mit niedrigem magnetischem
Widerstand und hoher magnetischer Permeabilität wird der von einem Aufzeichnungsträger abgenommene magnetische Fluß auf
den umschaltbaren Dünnfilmkern konzentriert. Beispielsweise kann ein Permalloykern 14 mit einer Dicke von 5000 Ä und einer Fläche
2
von 0,0485 mm durch eine im Aufzeichnungsträger 18 gespeicherte magnetische Flußdichte von ungefähr 250 Gauss umgeschaltet werden. Dieses Umkippen des Magnetisierungszustandes induziert im Leiter 10 einen Spannungsimpuls von ungefähr 0,6 mV Amplitude und ein Mikrosekundeimpulsbreite. Der Kupferkeil 4 hat außer der mechanisch festen Lagerung der Kernverlängerungsschenkel 6 und 8 noch die Funktion, hochfrequente Flußverluste im Bereich des Nutzspaltes des Magnetkopfes zu verhindern.
von 0,0485 mm durch eine im Aufzeichnungsträger 18 gespeicherte magnetische Flußdichte von ungefähr 250 Gauss umgeschaltet werden. Dieses Umkippen des Magnetisierungszustandes induziert im Leiter 10 einen Spannungsimpuls von ungefähr 0,6 mV Amplitude und ein Mikrosekundeimpulsbreite. Der Kupferkeil 4 hat außer der mechanisch festen Lagerung der Kernverlängerungsschenkel 6 und 8 noch die Funktion, hochfrequente Flußverluste im Bereich des Nutzspaltes des Magnetkopfes zu verhindern.
Der Magnetkopf nach der Erfindung ist in hervorragendem Maße zur
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Verwendung als billiger Miniaturaufzeichnungskopf mit sehr schnei·
ler Schaltcharakteristik, einem großen Signal-Rausch-Verhältnis und der Möglichkeit zur vorteilhaften Massenherstellung. Solche
Köpfe können in einer Anordnung von 1000 oder mehr Einzelköpfen
als Mehrspurköpfe in einem Epoxydmaterial eingebettet werden,
wodurch die einzelnen Magnetköpfe nach dem Einjustieren in der
richtigen gegenseitigen Lage fixiert werden können.
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Claims (6)
1. Magnetkopf in Dünnschichttechnik als Einzel- oder Mehrspurausführung mit einer Nutzspaltfüllung aus nichtmagnetischem,
elektrisch leitendem Material und einem einen Leiter der Signalübertragungswicklung aus ebenfalls derartigem Material
umfaßenden insbesondere U-förmigen Dünnfilmkern für jede Magnetkopfeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß jede Magnetkopfeinheit (2) einen zentralen prismatischen Keilkörper
(4) dreieckförmigen Querschnitts aus nichtmagnetischem,
elektrisch leitendem Material enthält, dessen Schenkelflächen von je einem Kernverlängerungsschenkel (6, 8) aus hochpermeablem Material niedrigen magnetischen Widerstandes
bedeckt sind, dessen Scheitelkante samt dem umgebenden Kernschenkelwortmaterial zur Bildung eines in die beim Abtragen
entstandenen Polspiegelflächen eingebetteten Nutzspalts (16) abgetragen ist und dessen Grundfläche den Leiter (10) der
einwindigen Signalübertragungswicklung trägt, daß der von den Kernverlängerungsschenkeln (6, 8) gebildete magnetische
Pfad über den Dünnfilmkern (14) durch dessen Polflächenkontakt mit deren unteren Polflächen geschlossen ist und
daß der Dünnfilmkern (14) aus einem magnetischen Material mit geringer Koerzitivkraft, hoher magnetischer Permeabilität und rechteckförmiger B-H-Charakteristik besteht.
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2. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das nichtmagnetische, elektrisch leitende Material Kupfer ist.
3. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das magnetische Kernmaterial mit rechteckförmiger B-H-Charakteristik
Permalloy ist, dessen Koerzitivkraft nicht größer als 0,5 Oersted ist.
4* Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Scheitelwinkel (Θ) des Kei!körpers (4) etwa 7° beträgt.
5. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Längsachse des Leiters (10) iiber die Breite (w) des
Magnetkopfes mit der Längsachse des Dünnfilmkerns (14) einen rechten Winkel bildet.
6. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Keilkörper (4) elektromagnetisch gekoppelte,
an einer Spannungsquelle (22) liegende Leiterschleife vorgesehen
ist, mit Hilfe derer das Kernmaterial in seinem -Ruhezustand magnetisch vorspannbar ist.
Docket YO 968 030 009816/1561
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