DE3208834C2 - Abtastnadel für Kapazitäts-Schallplatten - Google Patents

Abstract

Zur Erfassung von Signalen, die in Form von Grübchen längs Spuren als Kapazitätsveränderungen auf einem Aufzeichnungsträger (D) aufgezeichnet sind, wird eine Abtastnadel (S) verwendet, die einen Schaft aufweist mit einem Abschnitt, dessen Querschnittsfläche zu einem Ende der Nadel hin abnimmt. Ein teilweise in dem Schaft eingebetteter Diamant (7) besitzt gleichfalls in Fortsetzung der abnehmenden Schaft-Querschnittsfläche einen abnehmenden Querschnittsbereich zu diesem Ende der Nadel hin. Die mit einer Elektrode (3) versehene Rückfläche (2) des Diamanten ist gegenüber der auf dem Aufzeichnungsträger aufsitzenden Grundfläche (4) so geneigt, daß der eingeschlossene Winkel unter 90 ° liegt. Die Elektrode (3) reicht von der Grundseite des Diamanten bis zum anderen Ende der Nadel. Durch diese Einrichtung besitzt die Elektrode eine Neigung entgegengesetzt zur Ablaufrichtung des Aufzeichnungsträgers, so daß sich eine geringere Konzentration der elektrischen Feldlinien an der hinteren Unterkante der Nadel ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastnadel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine bekannte Abtastnadel des Kapazitäts- Erfassungstyps besteht aus einem isolierenden Körper, beispielsweise einem Diamant oder Saphir, und einer an einer Rückfläche des isolierenden Körperö angebrachten, zum Beispiel abgeschiedenen Elektrode. Die Elektrode, deren Breite im wesentlichen gleich der Spurbreite ist, erstreckt sich von der Grundfläche des isolierenden Körpers bis zu seinem oberen Ende und wird dort mit einer externen Verarbeitungsschaltung verbunden. Die Stärke der Elektrode liegt typischerweise in der Größenordnung von 200 bis 300 nm zur Aufnahme von Signalen, die in Form von Grübchen mit einer minimalen Länge von 300 nm und gleicher Tiefe in der Laufrichtung der Platte aufgezeichnet sind. Zum Erfassen der Kapazitätsänderungen wird eine hochfrequente Vorspannung, typischerweise mit einer Frequenz von 1 GHz an die Nadelelektrode gegenüber einem in der Aufzeichnungsplatte eingebetteten leitfähigen Film angelegt. Bei bekannten Kapazitäts-Abtastnadeln tritt ein Verschleißproblem auf, und zwar verschleißt die Unterkante der Elektrode so, daß ihre Länge um etwa 50 nm abnimmt mit sich daraus ergebendem erhöhten Abstand zwischen der Elektrode und der Aufzeichnungsfläche. Damit verschlechtert sich bei den bekannten Kapazitätserfassungs-Abtastnadeln der Signal-Ausgangspegel mit der Zeit, wobei gleichzeitig das Signal/Rausch-Verhältnis und die Hochfrequenz-Empfindlichkeit abnimmt, wobei möglicherweise Übersprechen von benachbarten Spuren auftritt.

Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, das Verschleißproblem zu umgehen, und zwar gründeten sich diese Versuche auf die Annahme, daß der Verschleiß durch die unterschiedliche Materialhärte und den unterschiedlichen Abriebwiderstand des isolierenden Trägers und der Elektrode erfolgt Dabei wurde beispielsweise die Elektrode zwischen zwei isolierenden s Trägern eingeschlossen, so daß die Rückfläche der Elektrode nicht direkt an die Umgebung grenzt Ein anderer Versuch besteht darin, eine isolierende Schutzschicht beispielsweise aus Aluminiumoxyd oder Siliziumdioxyd, auf die Elektrode aufzubringen. Diese Versuche ergaben jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Neigung der Elektrode, d. h. der zwischen ihrer Längsachse und der Aufzeichnungsfläche eingeschlossene Winkel, ein kritischer Faktor ist der die nutzbare Lebensdauer der Nadel begrenzt Bekannte Kapazitätserfassungs-Abtastnadeln besitzen eine Elektrode, die an einer vertikalen oder nach hinten geneigten Rückfläche ausgebildet ist Es hat sich herausgestellt, daß eine größere Anzahl von elektrischen Feldlinien an der hinteren Unterkante als an der vorderen Unterkante auftritt die an der Diamantstütze anliegt wenn die Aufzeichnungsplatte sich mit hoher Geschwindigkeit dreht Es hat sich gezeigt, daß die primäre Verschleißursache die Konzentration des hochfrequenten elektrischen Feldes an der hinteren Unterkante der Elektrode ist Diese Feldkonzentration ergibt einen Elektrodenverschleiß, so daß sich eine abgerundete Kante ausbildet, die so wirkt daß eine noch größere Anzahl von elektrischen Feldlinien den Verschleiß beschleunigt

Mit der Erfindung soll deshalb die Aufgabe gelöst werden, die Gebrauchsdauer einer mit einer Elektrode auf der Rückfläche beschichteten Abtastnadel zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Abtastnadel gelöst

Im Gebrauch wird die Nadel entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Aufzeichnungsplatte so geneigt daß die Grundfläche des Diamanten mit der Plattenoberfläche ausgerichtet ist während die Rückfläche oder hintere Fläche der Elektrode einen spitzen Winkel zur Scheiben- oder Plattenoberfläche bildet. Dadurch wird die Konzentration der elektrischen Feldlinien an der hinteren Unterkante der Elektrode beträchtlich reduziert und der Verschleiß herabgesetzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht einer Abtastnadel des Kapazitätserfassungstyps,
F i g. 2 eine Schnittansicht der Nadel nach F i g. 1,

so F i g. 3 eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen bei der Erprobung einer erfindungsgemäßen Nadel im Vergleich mit bekannten Nadeln mit unter verschiedenen Winkeln nach hinten geneigten Elektroden, F i g. 4a und 4b Darstellungen des Verschleißvorganges bei nach hinten geneigter Elektrode,

F i g. 5a und 5b Darstellungen ähnlich F i g. 4 zur Verdeutlichung des unterschiedlichen Verschleißverhaltens bei einer nach vorne geneigten Elektrode, und
F i g. 6a und 6b etwa gleichartige Darstellungen wie F i g. 4 und 5, die eine weitere Verschleißursache darstellen.

In einem vorbereitenden Versuch wurde eine Abtastnadel auf eine sich drehende Kapazitätsscheibe ohne Anlegen eines Hochfrequenzfeldes zwischen Nadel und Scheibe aufgesetzt und eine Spieldauer von 500 Stunden eingehalten. Es zeigte sich so gut wie kein Verschleiß an der Elektrode. Bei einem gleichartigen Versuch mit angelegtem Hochfrequenzfeld trat ein be-

trächtlicher Verschleiß auf. Daraus wurde der Schluß gezogen, daß der Verschleiß sich als kombinierte Auswirkung der Elektronen-Emission von der Elektrode ergibt, die Auftritt, wenn die Stärke des Hochfrcquenzfeldes die Austrittsärbeit der Bestandteile der Elektrode übertrifft, und durch die Ionisation der in der Umgebung vorhandenen Luftmoleküle durch die emittierten Elektronen, die auf die Elektrodenoberfläche auftreffen, diese oxydieren und die oxydierten Bestandteile von der Oberfläche entfernen.

In F i g. 1 ist eine Ausführung einer Kapazitätserfassungs-Abtastnadel dargestellt. Die Nadel S ist in der dargestellten Weise zur durch den Pfeil X angezeigten Bewegungsrichtung der Kapazitäts-Aufzeichnungsplatte D hin geneigt, wobei die Grundfläche mit der Oberfläche der Aufzeichnungsplatte ausgerichtet ist Die Nadel besitzt einen Abschnitt, in dem die Querschnittsfläche zur Grundfläche der Nadel hin abnimmt Die Nadel enthält einen Diamant 7, der mit seinem größeren Teil in einem aus Metall bestehenden Schaft 8 eingebettet ist wobei der Schaft vorzugsweise aus Titan oder Hafnium besteht Der Diamant und der Metallschaft sind mittels eines Silberlotes miteinander verbunden, das als Schicht 9 erscheint Das untere Ende der Nadel ist so ausgebildet, daß hintere Seitenflächen 10, vordere Seitenflächen 11, eine Rückfläche 2 und eine ebene Grundfläche 4 gebildet sind. Ein elektrisch leitendes Material mit guter Affinität zu Diamant, wie Titan oder Hafnium, wird mit einem Vakuumverfahren an der Rückfläche 2 zur Bildung einer Elektrode 3 abgeschieden, wobei diese sich von der Grundfläche 4 soweit nach oben erstreckt, daß ein ohm'scher Kontakt mit dem elektrisch leitenden Schaft 8 gebildet wird. Die Elektrode verbreitert sich mit zunehmenden Abstand von der Unterkante in solchem Ausmaß, daß ein Spitzenwinke] von ca. 10° an der Unterseite entsteht.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführung ist die Rückfläche 2 so zur Grundfläche 4 geneigt, daß ein Winkel θ entsteht, der gemäß F i g. 2 einen Wert von weniger als 90° aufweist, das heißt, die Rückfläche 2 und die Grundfläche 4 bilden einen spitzen Winkel. Es hat sich gezeigt, daß diese Art der Neigung der mit der Elektrode 3 versehenen Rückfläche 2 den Verschleiß an der hinteren Boden- oder Grundkante der Elektrode beträchtlich verringert.

In Fi g. 3 sind die Ergebnisse von Versuchen zusammengefaßt, die mit verschiedenen Abtastnadeln während einer Betriebizeit von 500 Stunden unter Abtastbedingungen, d.h. mit angelegtem Hochfrequenzfeld ausgeführt wurden. Es ist hier der Pegel des abgegebenen Signals über der Betriebszeit aufgetragen. Bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Abtastnadel besitzt die Elektrode 3 eine Neigung gegenüber der Bewegungsrichtung in der Weise, daß die Rückfläche 2 mit der Grundfläche 4 einen eingeschlossenen Winkel vcn 75° aufweist. Bei dieser Anordnung fällt nach Darstellung Fig.3 der Pegel des Ausgangssignals nur um 1,5 dB während des 500 Stundenprobelaufes ab. Andererseits tritt bei Verwendung einer vertikalstehenden, d. h. tnit 90° zur Grundfläche stehenden Elektrode ein Abfall des Ausgangssignalspegels um 5 dB während der gleichen Zeit auf. Beträgt der Neigungswinkel θ 105° oder 135°, wie es bei bekannten Abtastnadeln bisher üblich war, so tritt ein Abfall des Ausgangssignalspegels von noch größerem Ausmaß, im letzten Fall von 20 dB auf. Da dieser Abfall des Ausgangssignalspegels die Verschleißgröße an der hinteren Unterkante der Elektrode repräsentiert, zeigt sich, daß die Elektrode mit einem kleineren Neigungswinke! Θ, bezogen auf die Grundfläche 4, auch einen geringeren Verschleiß aufweist, und daß insbesondere bei spitzen Neigungswinkeln θ eine beträchtliche Verringerung des Verschleisses erreicht werden kann. In manchen Fällen kann eine derartige Verringerung des Neigungswinkels θ dazu führen, daß der Diamantkörper 7 an der Rückfläche 2 ausbröckelt; dieses Problem kann jedoch dadurch beseitigt werden, daß als Rückfläche 2 eine kristallografische

ίο Ebene verwendet wird, die nicht die (111)-Kristallebene ist

Der Vorteil dieser Art der Neigung der Elektrode 3 wird weiterhin anhand der F i g. 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b erklärt.

In Fig.4 ist eine Elektrode 3 gezeigt die mit einem stumpfen Winkel von mehr als 90° gegenüber der Grundfläche 4 geneigt ist Die Darstellung bezieht sich auf den Anfang der Abtastzeit und es ist noch keine merkliche Abtragung oder kein merklicher Verschleiß der hinteren Kante der Elektrode 3 aufgetreten. Wie zu sehen, entstehen durch das Hochfrequenzfeld eine größere Anzahl von Feldlinien an der Hinterkante als an der Vorderkante. Im Laufe der Betriebszeit wird die hintere Grundkante gemäß F i g. 4b abgetragen oder einem Verschleiß unterworfen, so daß ein größerer Abstand zur Oberfläche des Aufzeichnungsträgers oder der Aufzeichnungsplatte D an der in Ablaufrichtung liegenden Seite erzeugt wird. Dadurch wird die Bildung einer noch größeren Konzentration von elektrischen Feldlinien an dieser hinteren Seite befördert, so daß die Elektrode noch schneller verschleißt.

In F i g. 5a ist eine Elektrode 3 auf der Rückfläche der Nadel S gezeigt, deren Winkel mit der Grundfläche 4 der Nadel weniger als 90° beträgt.

Dabei ist ebenfalls der Zustand am Anfang der Betriebszeit dargestellt. Das Hochfrequenzfeld tritt hier bevorzugt an der vorderen Bodenkante oder Grundkante der Elektrode 3 auf, da in Folge ihrer Neigung mit spitzem Winkel gegenüber der Grundfläche 4 hier der geringere Abstand der Hauptmasse der Elektrode zur Aufzeichnungsplatte D auftritt, und es ist fast keine Feldkonzentration an der hinteren Kante zu sehen. Aus diesem Grund verschleißt die Elektrode gemäß F i g. 5b nach längerer Betriebszeit nur in geringerem Ausmaß an ihrer Hinterkante.

Es wurde auch festgestellt, daß bei beträchtlich schnell umlaufender Aufzeichnungsplatte D an der Platte etwa vorhandene Oberflächen-Irregularitäten durch die scharfe Kante der Nadel S abgeschnitten oder eingeebnet werden, so daß erhitzte oder aufgeheizte spanartige Elemente entstehen, die sich zur Bildung eines Art Drehspans 12 zusammenballen. Dieser umlaufende Drehspan oder die Drehlocke 12 kratzt beim Ablaufen der Grundkante der Elektrode 3 ab, da sie mit einem gewissen Anstiegswinkel abläuft, wie in Fig. 6a und 6b zu sehen. Besteht die Aufzeichnungsplatte aus einem Hochpolymer-Kunstharz, das feine Kohlenstoffteilchen enthält, so wirkt die Drehlocke als Leitsubstanz, die die effektive Spaltbreite zwischen Elektrode und Aufzeichnungsplatte reduziert. Dadurch wird eine weitere Konzentration der elektrischen Feldlinien erzeugt, und diese Konzentration ist besonders schwerwiegend im Fall einer mit stumpfem Winkel zur Grundfläche geneigten Elektrode nach F i g. 6a. im Vergleich zu der mit spitzem Winkel geneigten Elektrode nach F i g. 6b.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Abtastnadel zum Erfassen von als Kapazitätsänderungen auf einer Aufzeichnungsplatte in Form von längs spiralförmigen oder konzentrischen Bahnen angeordneten Grübchen aufgezeichneten Signalen durch Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Feldes zwischen Nadel und Aufzeichnungsplatte, mit einem Schaft, der einen Abschnitt besitzt, dessen Querschnittsfläche zu einem Ende der Nadel hin abnimmt, mit einem teilweise in dem Schaft eingebetteten Diamant, der gleichfalls eine abnehmende Querschnittsfläche zu dem einen Ende der Nadel hin in Fortsetzung der abnehmenden Querschnittsfläche des Schaftes aufweist und eine Grund- und eine Rückfläche besitzt, wobei eine Elektrode an der Rückfläche angebracht ist, die sich von der Grundfläche des Diamanten bis zu einem oben gelegenen Ende der Nadel erstreckt, und an die im Gebrauch eine hochfrequente Spannung gegen die Aufzeichnungsplatte zur Erzeugung des hochfrequenten elektrischen Feldes angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Grundfläche (4) und der Rückfläche (2) des Diamanten (7) eingeschlossene Winkel(#)wenigerals90° beträgt

2. Abtastnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückfläche (2) des Diamanten (7) durch eine andere Ebene als die (lll)-Ebene gebildet ist.