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Amtlichen Aktenzeichen: Neuanmeldung
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Aktenzeichen der Anmelderin: GE 976 032 Vertikales magnetisches Informationsaufzeichnungssystem
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur magnetischen Informationsauf zeichnung/-Wiedergabe
unter Verwendung eines Materials Lit zur Aufzeichnungsfläche senkrechter Anisotropie.
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;Die Verwendung von magnetischen Materialien mit senkrecht zur Materialoherfläche
stehender unaxialer Anisotropie ist aus der Technik der magnetischen Blasen-Domänen
bekannt. Als Beispiel ,sei auf die DT--OS 2 232 902 bzw. das Buch ~Magnetic Bubbles'l
von A. H. Bobeck und E. Della Torre, 1975 verwiesen. Magnetblasenspeicher erlauben
aufgrund der sehr geringen Größe der stabilen Blasen-Domänen den Aufbau vielversprechender
Speicher, erfordern andererseits zur Ausnutzung eine extrem hohe Beweglichkeit der
Blasen innerhalb des Materials, damit sie entsprechend der zu ;speichernden Information
geschrieben, gelesen und verschoben werden können. Dazu ist ein recht erheblicher
Aufwand notwendig, der grundsätzlich verschieden ist von dem Aufwand an Lesetechnik,
der bei heute überwiegend hblichem longitudinalem Magnetaufzeichnungsverfahren angewendet
wird.
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Das derzeit meist verwendete longitudinale Aufzeichnungsverfahren
;beinhaltet die Speicherung der informationen in magnetischen Bereichen, deren Magnetisierungsrichtung
parallel zur Schichtebene und parallel zu der Relativbewegung zwischen dem magnetischen
Aufzeichnungsmaterial und dem Magnetkopf liegt. Diese Technik, die weit verbreitet
in Magnetplatten- und Magnetbandspeichern
Verwendung findet, ist
beispielsweise in dem Buch "Computer Handbook-' von Harry D. Huskey und Granino
A. Korn, McGraw Hill Book Company, Inc., New York, London, 1962, in der Sektion
12 auf den Seiten 12-19 bis 12-28 beschrieben.
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Bei den herkömmlichen, longitudinalen Aufzeichnungsverfahren magnetisiert
die Horizontalkomponente des Streufeldes des Arbeitsspaltes eines Magnetkopfes,
der einen geschlossenen magnetischen Kreis mit einem Arbeitsspalt aufweist, den
Aufzeichnungsträger in der Schichtebene parallel oder antiparallel zur Bewegungsrichtung
des Aufzeichnungsträgers relativ zum Kopf. Um hohe Aufzeichnungsdichten bei maximalen
Lesesignalen zu erhalten, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: 1. Der Schenkelabstand
1, d.h. die Länge des Arbeitsspaltes, plus der Dicke d eines Kopfschenkels muß der
Bitlänge X entsprechen, was die Abstimmungsbedingung für maximale Lesesignale ist.
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2. Das Streufeld des Magnetkopfes im Arbeitsabstand h über dem Aufzeichnungsträger
muß größer sein als die Koerzitivfeldstärke HC des Aufzeichnungsträgers.
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3. Die maximal erreichbare Bitdichte wächst mit der Koerzitivfeldstärke
Hc.
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4. Die maximal erreichbare Bitdichte wächst mit kleiner werdendem
magnetischem Flächenmoment Mr 5. Das magnetische Flächenmoment Mr o, 6 muß genügend
hoch sein, ca. 5 ~ 10 2 G/cm, damit Signale mit genügendem Rauschabstand erzielt
werden.
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Die maximal erzielbare Bitdichte ergibt sich im wesentlichen aus der
Breite der Übergangs zonen zwischen den einzelnen magnetischen Bereichen, besser
gesagt von einem magnetischen Bereich zu einem anderen direkt benachbarten. Diese
Breite der Übergangszone hängt
in der vorstehend angegebenen Weise
von der Koerzitivteldsta#rke HC und von dem magnetischen Flächenmoment Nr o 6 ab.
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Bei sehr hohen Bitdichten führen die vorstehend genannten fünf Bedingungen
zu bestimmten Schwierigkeiten. Je kleiner nämlich der Abstand 1 der Schenkel des
Schreibkopfes ist, d.h. je kleiner der Arbeitsspalt ist, desto mehr Streufluß geht
durch den magnetischen Kurzschluß zwischen den Schenkeln verloren und desto kleiner
ist das im Arbeitsabstand h' über dem Aufzeichnungsträger zur Verfügung stehende
Streufeld. Dieses Verhalten steht den unter zwei und drei genannten Bedingungen
entgegen. Desweiteren widersprechen sich die unter vier und fünf genannten Bedingungen
direkt, da die Forderung nach genügendem Rauschabstand des Signals durch hohe Schichtdicke
der Forderung nach hoher Aufzeichnungsdichte widerspricht.
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In heutigen magnetischen Aufzeichnungssystemen der longitudinalen
Aufzeichnungsart muß also ein Kompromiß zwischen den genannten fünf Bedingungen
geschlossen werden, die eine entsprechende Abstimmung der Kopfanordnung und des
Aufzeichnungsträgers aufeinander erfordert. Ein solcher Kompromiß anhand der genannten
fünf Bedingungen stellt somit die praktische Grenze für maximal erreichbare Bitdichten
bei den heutigen Systemen dar.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Angabe eines magnetischen Aufzeichnungssystems,
welches es zum einen erlaubt, die Bitdichte über diese genannten Grenzen hinweg
ganz erheblich zu erhöhen und trotzdem ein Aufzeichnungsverfahren dabei anzuwenden,
welches mit dem des herkömmlichen longitudinalen Auf zeichnungssystems generelle
allgemeine gleiche Grundlagen aufweist und dementsprechend keine neue oder neuartige
Technologie des Einschreibens und des Auslesens erforderlich macht. Insgesamt soll
also bei extrem hohen Bitdichten das Aufzeichnungsverfahren einfach und zuverlässig
betreibbar sein.
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Diese Aufgabe wird bei der Anordnung der eingangs genannten Art mit
Hilfe der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegten
Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Informationen in streifenförmigen,
senkrecht zur Oberfläche des Aufzeichnungsträgers parallel bzw. antiparallel magnetisierten
Bereichen gespeichert. Dabei lassen sich Streifenbreiten stabiler Natur in der Größenordnung
von einem Mikrometer ohne weiteres erreichen. Die Streifenbreite bei Betrachtung
in Aufzeichnungsrichtung bestimmt dabei die Bitlänge. Dies entspricht einer Bitdichte
von ca.
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10 000 Bit/cm in Aufzeichnungsrichtung gesehen. Dies ist ein Wert,
der um ein Vielfaches höher ist als heute erzielte Werte.
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Anhand des in den Fign. dargestellten Ausführungsbeispieles wird im
folgenden der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung näher
erläutert.
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Die Fign. zeigen im einzelnen: Fig. 1 schematisch in perspektivischer
Ansicht die erfindungsgemäße Anordnung; Fig. 2 im Vergleich zu der erfindungsgemäßen
Anordnung gemäß Fig. 1 eine schematisierte Anordnung prinzipieller Art nach dem
herkömmlichen longitudinal arbeitenden Aufzeichnungsverfahren und Fig. 3 Magnetisierungskurven
eines in der Anordnung gemäß Fig. 1 vorteilhafterweise verwendbaren Materials.
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Es wird zunächst anhand der Fig. 2 das herkömmliche longitudinale
Aufzeichnungsverfahren erläutert. Dabei ist ein magnetischer Aufzeichnungsträger
21 vorgesehen, der aus einer magnetischen Aufzeichnungsschicht 22 auf einem Träger
23 besteht. Eine Magnetkopfanordnung 24 besteht aus zwei magnetisch aktiven Schenkeln
25 und 26, die durch einen Spalt 27 getrennt sind, welcher die Länge 1 hat. Dies
ist der sogenannte Arbeitsspalt. Die Schenkel 25 und 26 weisen in ihrem aktiven
magnetischen Teil jeweils die Dicke d' auf.
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Zwischen der Magnetkopfanordnung 24 und dem magnetischen Aufzeichnungstráger
21 ist üblicherweise eine Relativbewegung gegeben, beispielsweise durch Verschiebung
des magnetischen Aufzeichnungsträgers 21 in R#ichtung des Pfeiles 31 bei feststehendem
Kopf 24.
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Der Kopf schwebt dabei in einer Arbeitshöhe h' oberhalb der Fläche
der magnetischen Schicht 22. Die magnetischen Aufzeichnungen werden in der magnetischen
Schicht 22 in Bereichen 28 aufgezeichnet, in dem die Magnetisierung dieser Bereiche
28 entsprechend den Pfeilen 29 entweder in Transportrichtung oder entsprechend den
Pfeilen 30 entgegen der Transportrichtung, d.h. im allgemeinen parallel zur Transportrichtung
in der Ebene der magnetischen Schicht 22 magnetisiert sind. Die Länge eines einzelnen
magnetischen informationsbits ist dabei durch die Größe A angegeben. Die Dicke-der
magnetischen Schicht 22 des magnetischen Aufzeichnungsträgers 21, der Platten- oder
Bandform haben kann, ist mit o angegeben. Die Breite einer Aufzeichnungsspur senkrecht
zur Bewegungsrichtung 31 ist in dem angegebenen Beispiel gleich der Breite des Magnetkopfes
und mit b' angegeben. In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist nur eine Spur dargestellt,
es sind jedoch üblicherweise auf einem plattenförmigen oder bandförmigen Aufzeichnungsträger
mehrere Spuren parallel nebeneinander angeordnet. Um den Magnetkopf 24 auf die einzelnen
Spuren einzustellen, ist eine Antriebs-und Verstellvorrichtung vorgesehen, die nicht
dargestellt ist, und die den Magnetkopf 24 in Richtung des Doppelpfeiles 32 auf
die gewünschte Spur verstellt.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten herkömmlichen longitudinalen Aufzeichnungsverfahren
werden die einzelnen Bereiche 28 der Magnetschicht 22 durch die Horizontalkomponente
des Streufeldes des Magnetkopfes 24 magnetisiert. Dabei weist der Magnetkopf 24
im abgebrochenen und nicht dargestellten Teil eine geschlossene Flußführung auf,
so daß der Magnetkreis zwischen den Schenkeln 25 und 26 nur im unmittelbar dem Aufzeichnungsträger
21 zugeordneten Teil des Luftspaltes 27 offen ist. Dabei muß die Arbeitshöhe h'
so gering sein, daß ein wesentlicher Anteil der Horizontalkomponente von dem Schenkel
25 zum Schenkel 26 über die Magnetschicht 22 des Aufzeichnungsträgers 21 übergehen
kann.
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Die bei den gemäß Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Verfahren maximal
erzielbare Bitdichte bzw. umgekehrt die am ehesten erzielbare kleinste Bitlänge
A ergibt sich bei der Abstimmungsbedingung für maximale Lesesignale aus dem Abstand
der beiden Schenkel 25 und 26 voneinander, d.h. der Luftspaltlänge 1 plus der Dicke
d' eines Kopfschenkels. Aus den in der Einleitung genannten weiteren vier Bedingungen
ist erkenntlich, daß man bei der Verkleinerung der Bitlänge A auf sehr große Schwierigkeiten
stößt.
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Es wird nun anhand der schematischen Darstelluag in Fig. 1 die erfindungsgemäße
Anordnung näher erläutert. Der magnetische Aufzeichnungsträger 1 besteht aus einer
magnetisierbaren Schicht 2, welche auf einem Träger 3 aufgebracht ist. Die magnetisierbare
Schicht 2 besteht aus einem Material, welches senkrechte Anisotropie in Richtung
der Normalen zum Aufzeichnungsträger 1 aufweist.
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Desweiteren weist dieses Material eine relativ hohe Koerzitivfeldstärke
HC auf, die von etwa 50 Oersted bis zu etwa 400 Oersted reicht. Die Größe ist dabei
vom jeweils verwendeten Material abhängig. Im Abstand h über einer Datenspur 13
ist ein Magnetkopf 4 angeordnet, welcher einen magnetisch aktiven Teil 5 enthält,
der von einer magnetisierenden Wicklung 6 umgeben ist. Die in dem Spalt 7 zwischen
dem magnetisch aktiven Teil 5 des Kopfes 4 und der magnetisierbaren Schicht 2 des
Aufzeichnungsträgers 1 vorhandene senkrechte Komponente des Streufeldes schreibt
die magnetische
Struktur in dem Aufzeichnungsträger d.h. die magnetische
Struktur wird in streifenförmigen Bereichen 8 entweder in Richtung der Pfeile 9
oder in Richtung der dazu antiparallelen Pfeile 10 senkrecht zur Richtung des Aufzeichnungsträgers
1 und senkrecht zur Relativbewegung zwischen diesem Aufzeichnungsträger und dem
Magnetkopf 4, d.h. der Richtung 11 magnetisiert. Der Magnetkopf 4 ist dabei ein
magnetisch offener Kreis, d.h. es wird nur ein einschenkliger Magnetkopf angewendet.
Dies bringt erhebliche Erleichterungen bei der Herstellung eines solchen Kopfes.
In Fig. 1 ist neben der Aufzeichnungsspur 13, über welcher der Kopf 4 angeordnet
ist, in einigem Abstand eine zweite Aufzeichnungsspur 14 dargestellt, auf die der
Magnetkopf 4 durch Verschiebung eingestellt werden kann. Die Verschiebung des Magnetkopfes
4 erfolgt entlang des Doppelpfeiles 12 durch nicht näher dargestellte Antriebs-und
Einstellmittel.
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Zwischen dem Magnetkopf 4 und dem Aufzeichnungsträger 1 findet wieder
eine Relativbewegung, beispielsweise in Richtung des Pfeiles 11 statt.
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Beim Einschreiben der Information beispielsweise in die Spur 13 in
Fig. 1 wird der Magnetkopf 4 von dem Schreibstrom I über die Wicklungen 6 je nach
der Richtung der gewünschten Magnetisierung d.h. beispielsweise entweder in Richtung
der Pfeile 9 oder antiparallel dazu in Richtung der Pfeile 10 magnetisiert, wobei
der magnetisch aktive Teil 5 des Kopfes 4, der beispielsweise aus Permalloy bestehen
kann, ein Streufeld im Bereich 7 zwischen sich und der Magnetschicht 2 erzeugt das
ausreichend ist, um die Magnetisierung in den Streifenbereichen 8 in die gewünschte
Richtung zu drehen. Somit wird die magnetische Information in streifenförmigen,
antiparallel und senkrecht zur Ebene des Aufseichnungsträgers 1 magnetisierten Bereichen
festgehalten. Beim Lesevorgang wird von dem Magnetkopf 4, oder einem separaten nicht
dargestellten Kopf, beispielsweise einem magnetoresistiven Lesekopf, der aus der
Oberfläche von den streifenförmigen Bereichen 8 austretende Fluß registriert
Wie
vorstehend dargelegt und in Fig. 1 gezeigt, werden die Informationen in schmalen
streifenförmigen Bereichen festgehalten.
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Materialien, die Streifendomänen mit senkrechter Anisotropie und relativ
hoher Koerzitivfeldstärke aufweisen sind amorphe Metallschichten von Legierungen
aus einem oder mehreren Übergangsmetallen und einem oder mehreren Elementen aus
der Gruppe der Seltenen Erden. Dabei können als Übergangsmetall vorzugsweise Eisen
und Kobalt verwendet werden. Als Seltene Erdelemente werden bevorzugt Gadolinium,
Terbium und Holmium verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bzw. eines
bevorzugten Materials wird als der magnetisch aktive Teil der Metallegierung ein
Gadolinium-Eisen verwendet. Dieser hat eine Zusammensetzung der Formel Gd Fex, wobei
x zwischen 0,6 und 0,8 liegt. Magnetische Schichten aus diesen Materialien werden
durch Aufdampfen oder Sputtern auf plattenförmigem oder bandförmigem Träger 3, wie
in Fig. 1 dargestellt, hergestellt. Es kann auch ein Gadolinium-Robalt der Formel
Gdl, r Coxt mit x' zwischen 0,6 und 0,9 verwendet werden. Solche Schichten weisen
die gewünschte senkrechte Anisotropie und ein Koerzitivfeldstärke von ca. 50 bis
400 Oersted auf. Sie können eine Anisotropiefeldstärke HK von ca. 2000 Oersted besitzen,
d.h.
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das ist diejenige Feldstärke, die notwendig ist, um den ganzen magnetischen
Film in einer Richtung parallel zur Filmebene sättigend zu magnetisieren.
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Bei einem Gadoliniun-Eisen-Film vorstehend genannter Zusammensetzung
mit einem Eisenanteil von 0,78 und einem Gadoliniumanteil von 0,22, d.h. x = 0,78,
weist die magnetische Struktur im entmagnetisierten Zustand eine Breite der Streifendomänen
von 0,8 pm auf. Dies entspricht dem Gleichgewichtszustand zwischen der Wandenergie,
welche die Streifenbreite erhöhen will und der magnetostatischen Energie, welche
die Streifenbreite verringern will.
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Die minimale stabile Streifenbreite läßt sich theoretisch schwer berechnen.
Sie liegt jedoch erheblich unter der Gleichgewichtsstreifenbreite von 0,8 u. Die
Streifenbreite hängt vom jeweils verwendeten Material bzw. der Koerzitivfeldstärke
ab. Bei höheren Koerzitivfeldstärken ist die Tendenz vorhanden, daß kleinere stabile
Streifenbreiten erreichbar sind. Bei Veringerung der Wandenergie
läßt
sich bei gleicher Koerzitivfeldstärke eine kleinere Streifenbreite stabiler Natur
erzielen. Die Breite der bergangszone von einander benachbarten Streifen entspricht
der Dicke einer Blockwand zwischen diesen Bereichen, welche bei diesen Materialien
einige Hundert i beträgt.
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Wie bereits vorstehend dargelegt, sind stabile Streifenbreiten in
der Größenordnung von 0,8 pm bei den genannten Materialien mit Sicherheit erzielbar.
Die Fig. 3 zeigt die Magnetisierungskurve eines solchen Gadolinlum-Eisen-Films,
bei dem der Gadoliniumanteil zwischen 0,2 und 0,4 des Eisenanteils liegt. Dabei
zeigt #ie äußere Magnetisierungskurve 40 die Abhängigkeit der zur Filmebene senkrechten
Magnetisierung 47rMsenkrecht, gemessen in Gauß, von der von außen angelegten, senkrecht
zur Ebene des Materials wirkenden Feldstärke Hsenkrecht, gemessen in Oersted. Die
äußere Kurve 40 gilt für einen Film der genannten Art, welcher voll in einer Richtung
senkrecht zur Filmebene gesättigt wird.
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Die nächste innere Kurve 41 zeigt den Magnetisierungsverlauf, wenn
der Film nur teilweise, etwa zur Hälfte, in einer Richtung gesättigt wird. Die innerste
Kurve zeigt die Magnetisierung für eines nur schwach in der einen oder der anderen
dazu antiparallelen Richtung gesättigten Films. Die Kurven 40 bis 42 zeigen eindeutig,
daß die Magnetisierungsverhältnisse dieser Materialien sehr stabil sind. Desweiteren
zeigt es, daß erst ab einer bestimmten Größe, im dargestellten Beispiel von ca.
350 Oersted, der von außen zugeführten senkrechten Feldstärke eine Ummagnetisierung
stattfindet, unabhängig von der Ausgangsmagnetisierung.
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Der Magnetkopf 4, der einschenklig ausgeführt und keinen geschlossenen
Magnetkreis aufweist, wird in seiner Dicke d in vorteilhafter Weise mittels der
Dimensionierung des magnetisch aktiven Kerns 5 auf die stabile Streifenbreite des
jeweils zur Anwendung kommenden Materials abgestimmt. Im genannten Beispiel mit
einer stabilen Streifenbreite des Filmmaterials von 0,8 pm, entspricht dies einer
Dicke d von ebenfalls 0,8 ym, Die Breite b des magnetisch aktiven Teils 5 des Kopfes
4, kann in der Größenordnung von etwa
10 bis 20 pm liegen unc c'ie
Lange L, gemessen senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungsträgers 1, kann etta in der
Crößenordnung von 1000 µm liegen. Die zur Magnetisierung des Kernes 4 erforderlichen
Windungen 6 werden ebenso wie der Kern 4 selbst vorteilhafterweise in Dünnfilintechnolocie
angefertigt. Als Material für den Kern 5 kann bevorzugt Permalloy Verwendung finden.
Das von den Windungen mit Hilfe des Stromes I erzeugte Luftfeld kann in der Größenordnung
von 10 Oersted liegen und treibt den Permalloykern 5 in eine Sättigung von ca. 10
000 Gauß. Wird der Magnetkopf 4 in sogenannter fliegender Weise über dein Aufzeichnunqsträger
in geringer Höhe h angeordnet, beispielsweise mit nicht dargestellten Gleitflachen
für die Bereitstellung eines Luftpolsters, so reicht diese Sättigungsmagnetisierung
des Kernes 5 ohne weiteres aus, ur,l das notwendige Streufeld im Bereich 7 zu erzeugen,
um die einzelnen Streifen @ des Magnetmaterials 2 in der qewünschten Richtung zu
magnetisieren. Bei geeigneter Dimensionierung des Magnetkopfes 4 reicht beim Lesen
die aus den streifenförmigen Bereichen 8 austretende Streufeldenergie aus, um ein
genügend großes Lesesignal abzugeben. Eine andere Möglichkeit für das Lesen besteht
darin, daß ein separater Magnetkopf nur zum Lesen verwendet wird, der dann anders
dimensioniert sein kann, als der Schreibkopf. Zum Lesen kann dabei auch ein magnetoresistiver
Magnetkopf Verwendung finden.
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In der Darstellung gemäß Fig. 1 sind zwei zueinander parallele Spuren
13 und 14 dargestellt. Der Abstand dieser Spuren hängt im wesentlichen nur von der
Positioniergenauigkeit ab, mit der der D.;agnetkopf z in Richtung des Doppelpfeiles
12 über den entsprechenden Spuren positioniert werden kann. Eine Beschränkung durch
das magnetische Verhalten und die Magnetstruktur ist hier nicht gegeben. Es können
also von der Magneteigenschaft her direkt die Spuren 13 und 14 einander benachbart
sein.
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Die vorstehend bereits erwähnte Streifenbreite von O, 3 u für einen
Gadoliniurct-Eisen-FiIm führt zu einer Bitdichte pro Längeneinheit, in Richtung
11 der Relativbewegung zwischen dem Magnetkopf
4 und dem Aufzeichnungstrager
1 gesehen, von ca. 12 500 Bit/cm. Dies ist um ein Vielfaches höher als bei heute
üblichen longitudinalen Aufzeichnungsverfahren. Lcßt sich die Spurpositionieruny
wesentlich verfeinern, so kann auch durch die engere Belegung des Aufzeichnungsträgers
1 mit zueinander parallelen Spuren 13 und 14 die Speicherdichte pro Flächeneiheit
darüberhinaus noch um ein Vielfaches erhöht werden.
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L e e r s e i t e