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Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen
Aufzeichnungs/Wiedergabekopf für digitale Daten, insbesondere auf einen verbesserten
Dünnfilm-Magnetaufzeichungs-/Wiedergabekopf, der in der Lage-ist, mit
Bitdichten bis zu 39.370 Flußwechseln pro cm (39,3T kfc.cm) (100.000
Flußwechseln pro Zoll (100 kfci)) und mit Frequenzen von 100 MHz und darüber zu
arbeiten.
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Aus Magnetkernmaterial, zum Beispiel Permalloy, hergestellte Dünnfilmköpfe
bieten wesentliche Verbesserungen hinsichtlich magnetischer Leitfähigkeit und
Frequenzgang und ermöglichen damit höhere Datenübertragungsraten.
Kernmaterialien dieser Art weisen höhere Sättigungs-Flußdichten auf als übliche
Ferrite. Dies ermöglicht die Verwendung stärkerer Felder beim Aufzeichnen
und die Benutzung von Aufzeichnungsmedien mit hoher Koerzitivfeldstärke bei
Sättigung, wie sie für die Aufzeichnung mit hoher linearer Dichte erforderlich
sind.
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Die geringe Eingangs-Induktivität sowie die geringen
Aufzeichnungs-Strompegel und Wiedergabespannungen, die von diesem
Permalloy-Dünnfilmkonstruktionen erzeugt werden, sind für herkömmliche Aufzeichnungs/Wiedergabe-
Elektroniken gut geeignet. Um höhere Datendichten und Übertragungsraten zu
erreichen, ist es daher wünschenswert, die Leistung des magnetischen
Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes zu erweitern, ohne daß dadurch
entsprechende Fortschritte in der Elektronik-Technologie erforderlich werden.
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Eine Bitdichte von 100 kfci bedeutet, daß jedes Daten-"Bit" eine
Aufzeichnungslänge von nur etwa 0,25 µm (10 Mikrozoll), also eine extrem geringe
Länge aufweist! Um diese Dichte zu erreichen, muß zwischen den Polstücken
des magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes ein Hauptspalt von
weniger als etwa 0,25 µm vorgesehen werden. Um dem Kopf einen guten, hohen
Frequenzgang zu geben, werden seine Polstücke aus sehr dünnen Schichten
eines magnetisch weichen Materials, zum Beispiel aus eine hohe elektrische
Leitfähigkeit aufweisendem "Permalloy", hergestellt. Um Wirbelstrom- und
andere unerwünschte Effekte (zum Beispiel Domänenschlüsse) zu vermeiden,
werden diese magnetischen Schichten, die gleichzeitig eine hohe elektrische
Leitfähigkeit aufweisen, durch elektrisch isolierende Abstandsschichten
voneinander getrennt. Bei bekannten Geräten bestehen diese Abstandsschichten
normalerweise aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Aluminiumoxid oder einem ähnlichen,
stark isolierenden Material in einer Dicke von wenigen Zehnteln eines nm
(wenigen 100 A), was ungefähr der geringsten Dicke entspricht, die praktisch
ohne Nadelstiche herstellbar ist. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß jede
derartige Abstandsschicht, so dünn sie auch sein mag, gegenüber einem
Hauptkopfspalt von nur 0,25 µm (250 nm oder 2500 A) eine beträchtliche Dicke
aufweist. Praktisch stellt jede derartige Abstandsschicht zusätzlich zum Hauptspalt
des magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes einen magnetischen
Nebenspalt dar, weil Materialien wie SiO&sub2; zwar ausgezeichnet elektrisch
isolieren, aber auch nichtmagnetisch sind: Wenn mehrere derartige
Abstandsschichten vorhanden sind, kann ihre kumulative Dicke jene des Hauptkopfspalts
übersteigen. Dadurch wird die Wirksamkeit des Hauptspalts beträchtlich
verringert. Wie im folgenden noch im einzelnen erörtert wird, wurden bei den
bekannten magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabeköpfen die erwünschte
hohe Frequenz und hohe Dichte durch diese Nebenspalte in unerwünschter
Weise beschränkt. Dieses Problem wird in US-A 4.799.118, Spalte 3, erörtert.
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JP-A-63 079.210 beschreibt einen Magnetkopf mit einem aus einem Film einer
magnetischen Legierung bestehenden, die Spur ausbildenden Bereich, bei
dem abwechselnd Legierungsschichten und weichmagnetische isolierende
Schichten auflaminiert sind und der in Videoband-Aufzeichnungsgeräten usw.
zur Verminderung von Wirbelstromverlusten eingesetzt wird.
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JP-A-61.287.016 beschreibt die Verwendung von durch abwechselndes
Auflaminieren dünner weichmagnetischer Schichten mit geringem spezifischen
Widerstand und dünner weichmagnetischer Schichten mit hohem spezifischem
Widerstand hergestellten laminierten Filmen als magnetisches Kernmaterial,
um dadurch die Effizienz der magnetischen Aufzeichnung und Wiedergabe zu
erhöhen.
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In Anbetracht dessen besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen
laminierten Dünnfilm-Magnetaufzeichnungs-/Wiedergabekopf bereitzustellen, der
wesentlich höhere Bitdichten und Arbeitsfrequenzen ermöglicht als bekannte
Geräte.
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Das Ziel wird erreicht durch einen magnetischen Aufzeichnungs-
/Wiedergabekopf mit einem Magnetkern und einer einen Bereich des Kerns
umgebenden elektrischen Spule. Der Magnetkern weist erste und zweite
Polstückbereiche auf, die an einem Ende voneinander beanstandet sind und
zwischen sich einen Hauptkopfspalt zum Aufzeichnen/Wiedergeben
hochdichter Bits auf einem magnetischen Material ausbilden. Die ersten und zweiten
Kembereiche bestehen jeweils aus einem laminierten Aufbau abwechselnder
dünner Schichten erster und zweiter Materialien. Das erste Material jedes der
Bereiche weist eine hohe magnetische Leitfähigkeit auf. Das zweite Material
jedes der Bereiche weist einen hohen spezifischen Widerstand und eine
beträchtliche magnetische Leitfähigkeit auf, so daß das zweite Material
benachbarte Schichten des ersten Materials elektrisch voneinander trennt und die
Unterdrückung elektrischer Wirbelströme im Kern bewirkt, so daß die
Leistungsfähigkeit und der Frequenzgang des Kopfes wesentlich verbessert
werden.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen wiedergegeben.
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Die Erfindung schlägt einen Dünnfilm-Magnetaufzeichnungs-/Wiedergabekopf
vor, bei dem ausreichend dünne Schichten eines magnetischen Materials
hoher magnetischer Leitfähigkeit, zum Beispiel Permalloy, elektrisch durch sehr
dünne Schichten eines elektrisch isolierenden, dabei aber magnetischen
Materials voneinander getrennt sind, zum Beispiel durch NiZn-Ferrit, das sowohl
einen hohen Durchgangswiderstand als auch eine über etwa Fünfliegende
Leitfähigkeit aufweist. Die nicht leitenden isolierenden Schichten minimieren
Wirbelstrom- und andere Effekte. Andererseits werden durch die magnetischen
Eigenschaften der isolierenden Schichten die bei den bisherigen Dünnfilm
Magnetaufzeichnungs-/Wiedergabeköpfen vorhandenen sekundären
magnetischen Spalte im wesentlichen ausgeschlossen. Dies wiederum bedeutet, daß
der Hauptkopfspalt jetzt klein genug ausgebildet werden kann (zum Beispiel
kleiner als etwa 0,25 um), um Datenbits mit einer sehr viel höheren Dichte
(zum Beispiel 39,37 kfc.cm oder 100 kfci) "aufzeichnen" und/oder "auslesen"
zu können, ohne daß dabei durch zahlreiche Sekundärspalte
Leistungsfähigkeit verlorengeht und ohne die wesentliche Verschlechterung des
Frequenzbandes, die durch unerwünschte Signale von diesen Sekundärspalten
verursacht werden.
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Wie im folgenden noch im einzelnen erläutert wird, wird der Frequenzgang des
erfindungsgemäßen magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes
wesentlich verbessert. Dies wiederum bedeutet, daß die Übertragungsrate der
ausgelesenen Daten entsprechend erhöht werden kann. Ein wichtiger Vorteil dieses
neuen magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes besteht darin, daß er
mit herkömmlichen elektronischen Treiberschaltungen in vollem Umfang
kompatibel ist. Auch kann der Kopf mit der erforderlichen Präzision mit den
gewünschten sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden. Es ist in einfacher
Weise möglich, eine Anzahl derartiger Köpfe nebeneinander mit sehr geringen
Mittenabständen anzuordnen, um eine entsprechende Anzahl gleich
beabstandeter Spuren auf einem magnetischen Medium, zum Beispiel einem üblichen
Metalipartikelband von 1,27 cm (1/2 Zoll) Breite aufzeichnen und auslesen zu
können. Wegen des verbesserten, hohen Frequenzgangs dieses neuen
magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes kann ein solches Band mit den
vorhandenen Bandgeschwindigkeiten, die ja sehr hoch sind, ausgelesen
werden, obwohl die Bitdichte auf dem Band um den Faktor 5 oder mehr gegenüber
den derzeitigen Dichten erhöht ist.
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Diese Vorteile sowie weitere Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besser verständlich.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Mehrspur-Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes, aus der die
Beziehung zwischen dem Kopf und einem magnetischen
Aufzeichnungsmedium ersichtlich ist;
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Fig. 2 eine vergrößerte, teilweise schematische, perspektivische Ansicht
eines der magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabeköpfe aus Fig.
1;
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Fig. 3 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht des magnetischen
Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes entlang der gestrichelten Linie 3-3
in Fig. 2, in der die einzelnen Schichten der Kopfpolstücke und der
Hauptspalt zu erkennen sind;
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Fig. 4 ein Diagramm eines elektrischen Signalimpulses, der beim
Übergang eines Datenbits über den Hauptspalt des Kopfs in einer
Kopfspule des magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes gemäß
Fig. 1, 2 und 3 erzeugt wird; und
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Fig. 5 ein Diagramm eines Signalimpulses nach dem Stand der Technik
und von unerwünschten Sekundärimpulsen, die in der Spule eines
bekannten Kopfes mit nichtmagnetischen isolierenden Schichten
erzeugt wurden.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Mehrspur-Magnetkopf 10, bei
dem eine Vielzahl einzelner Dünnfilm-Magnetaufzeichnungs-/Wiedergabeköpfe
12 erfindungsgemäß in einer seitlichen Reihe angeordnet sind. Der Kopf 10
kann in einem (nicht dargestellten) Geräterahmen derart angeordnet sein, daß
er sich mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 14 relativ zu einem
magnetischen Medium 16 bewegen kann, das zum Beispiel aus einem
Metallpartikelband hoher Koerzitivfeldstärke bei Sättigung bestehen kann. Alternativ
kann der Kopf 10 feststehend angeordnet sein, wobei dann das magnetische
Medium 16 in Richtung des Pfeils 14 entlang des Kopfes beweglich angeordnet
ist.
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Fig. 2 zeigt ein Detail eines der magnetischen
Aufzeichnungs-/Wiedergabeköpfe 12 gemäß Fig. 1 in stark vergrößerter Darstellung. Jeder der Köpfe
umfaßt eine einen "Y-förmigen" Magnetkern 20 umgebende elektrische Spule 18
und ist mit Eingangslausgangs-Anschlüssen 22 und 24 versehen, die mit (nicht
dargestellten) elektronischen Schaltungen verbunden sind. Der Kern 20
besteht aus einem ersten Polstück 26 und einem zweiten Polstück 28, die an
ihren unteren Enden derart miteinander verbunden sind, daß der magnetische
Durchgang sichergestellt ist. Die oberen Enden oder Spitzen der Polstücke 26
und 28 sind in engem Abstand parallel zueinander angeordnet und bilden
einen Hauptkopfspalt 30 aus. Die Länge des Spalts 30, die in Richtung des
Pfeils 14 liegt, entspricht der Länge eines auf dem Band 16 - in Fig. 1 und 3 zu
erkennen - aufgezeichneten Datenbits (zum Beispiel etwa 0,25 µm bei 39,37
kfc.cm oder 100 kfci). Die Breite des Spalts 30 entspricht der Breite einer
Datenspur in Längsrichtung des Bandes 16. Da die Abmessungen des Kopfs 12
derart klein gewählt werden können, sind die Köpfe 12, wie in Fig. 1
dargestellt, mit sehr engen Mittenabständen in einer Reihe nebeneinander
angeordnet, so daß sehr nahe beieinander liegende Spuren auf dem Band ausgelesen
und aufgezeichnet werden können.
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Die Spitzen der Polstücke 26 und 28 sind geläppt, so daß sie eine glatte,
ebene Oberfläche 32 aufweisen. Die Tiefe des Spalts 30 unterhalb seiner
Oberfläche wird wegen Fertigungsaspekten vorzugsweise bei etwa 5 µm
belassen. Die Länge der einzelnen Polstücke (in Richtung des Pfeils 14) sollte im
Hinblick auf ein ordnungsgemäßes Überschreiben oder Neuaufzeichnen auf
einem Metallpartikelband von 1500 Oersted (1 Oersted = 10³/4πA/m) etwa 5
µm betragen. Die Breite der Spitze jedes der Polstücke 26 und 28 kann zum
Beispiel 10 µm betragen. Dies ermöglicht eine Dichte von mindestens 393,7
Spuren pro cm Breite (1000 Spuren pro Zoll Breite) auf dem Band.
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Fig. 3 zeigt eine stark vergrößerte, teilweise abgebrochene Querschnittsansicht
entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, wobei dicht oberhalb der Oberfläche 32 ein Teil
des Bandes 16 vorbeiläuft Hier in Fig. 3 ist zu erkennen, daß das Polstück 26
und das Polstück 28 des Kopfs 12, die voneinander durch einen Spalt 30
getrennt sind, aus einer Vielzahl beabstandeter dünner Schichten 34 bestehen.
Diese Schichten 34 bestehen vorzugsweise aus NiFe-Permalloy 81/19, einem
Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit, das für
Dünnfilm-Magnetaufzeichnungs-/Wiedergabeköpfe besonders gut geeignet ist. Allerdings ist dieses
Material eine Metallegierung und elektrisch stark leitend. Wenn nun die Spule
18 des magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopfes 12 mit einem
Signalimpuls elektrischen Stromes aktiviert wird, werden Gegenströme,
sogenannte Wirbelströme, in den leitenden Bereichen des Kerns 20, nämlich den
Schichten 34, induziert. Diese Wirbelströme sind unerwünscht, weil sie die
Leistungsfähigkeit des Kopfes 12 beträchtlich vermindern. Um die
Wirbelströme bestmöglich zu unterdrücken, sollte die Dicke der einzelnen leitfähigen
Schichten 34 höchstens etwa gleich der doppelten "elektrischen Eindringtiefe"
bei der betreffenden Frequenz sein. Diese Beziehung zwischen der
elektrischen Eindringtiefe und der Frequenz wird durch die folgende Formel
ausgedrückt:
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d 1(2π)&supmin;¹ (10&sup9; r/2µf)1/2 worin
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d die elektrische Eindringtiefe in µm,
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r der spezifische Durchgangswiderstand (20µ Ohm-cm bei Permalloy)
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µ die magnetische Leitfähigkeit (2000 bei Permalloy) und
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f die Frequenz (Hz)
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ist.
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Bei einer Frequenz f von 100 MHz oder 10&sup8; Perioden pro Sekunde ist die
Eindringtiefe
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d 1 (2π)&supmin;¹[(10&sup9;) (20 × 10&supmin;&sup6;)/(2 × 2000 × 10&sup8;)]1/2 = 0,36 µm
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Damit jedes der Pol stücke 26, 28 eine Dicke von etwa 5 µm aufweist, sollten
daher etwa 7 Schichten 34 in jedem Polstück 26, 28 vorgesehen werden.
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Die magnetischen (metallischen) Schichten 34 sind, wie dies in Fig. 3 zu
erkennen ist, voneinander durch sehr dünne Isolierschichten 36 elektrisch
getrennt. Erfindungsgemäß bestehen diese Isolierschichten 36 jeweils aus einem
Material, das sowohl magnetisch ist als auch gut elektrisch isoliert.
Vorzugsweise bestehen die Schichten 36 aus NiZn-Ferrit mit einer Dicke im Bereich
von etwa 25 nm bis 50 nm. Dieses magnetische Material weist einen hohen
spezifischen Durchgangswiderstand (der zum Beispiel millionenmal größer als
1 Ohm-cm ist) und eine über etwa 5 liegende magnetische Leitfähigkeit auf.
Andere Ferrite haben zwar etwas höhere magnetische Leitfähigkeiten, jedoch
spezifische Widerstände im Halbleiterbereich (das heißt von etwa 1 Ohm-cm)
und sind daher in diesem Fall als Isolierschichten ungeeignet.
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Die Ferrit-Isolierschichten 36 werden vorzugsweise mittels eines
Abscheidungsverfahrens auf die einzelnen Permalloy-Schichten 34 aufgebracht,
wodurch die Temperatur des Werkstücks nicht über etwa 250ºC angehoben und
die erwünschten magnetischen Eigenschaften der Schichten 34 und des Kopfs
12 nicht zerstört werden. Ein derartiges Verfahren ist in einem Artikel mit dem
Titel "High Rate Deposition of Magnetic Films by Sputtering form Two Facing
Targets" von M. Naoe et al., Journal of Crystal Growth, Band 45 (1978), S. 361-
364, beschrieben.
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Der Spalt 30 des Kopfs 12 ist vorzugsweise mit SiO&sub2; (oder einem ähnlichen
nicht magnetischen Isoliermaterial) gefüllt, das in einer gewünschten Dicke
zwischen den Polstücken 26 und 28 aufgebracht wird. Die Herstellung von
Dünnfilm-Magnetaufzeichnungs-/Wiedergabeköpfen allgemein ist dem
Fachmann bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden.
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In Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung das Magnetband 16 in seiner Lage
dicht über der Oberfläche 32 der Polstücke 26 und 28. Das Band kann mit
hoher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 14 über den Kopfspalt 30
hinwegbewegt
werden. Der klareren Darstellung halber ist auf dem Band 16 direkt
über dem Spalt 30 ein einzelner positiver magnetischer Übergang,
entsprechend einem auf dem Band 16 aufgezeichneten "Bit" durch zwei vertikale
Reihen von "+"- Zeichen auf dem Band 16 dargestellt. Zu beachten ist dabei, daß
die Länge des Spalts 30 etwas geringer ist als der Abstand in Richtung des
Pfeils 14 zum nächsten (nicht dargestellten und negativen) magnetischen
Übergang, der ein weiteres Bit repräsentiert. Wie bereits besprochen, weist
wegen der sehr hohen Dichte von 39,37 kfc. cm (100 kfci) jedes "Bit" auf dem
Band 16 zum nächsten "Bit" einen Abstand von etwas weniger als 0,25 µm auf.
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An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß zur Unterdrückung von
Wirbelströmen bei 100 MHz die einzelnen Schichten 34 nur wenig dicker sind
als der Hauptspalt 30. Da, wie vorstehend bereits erläutert, zahlreiche leitende
magnetische Schichten 34 erforderlich sind, wird auch eine Vielzahl
isolierender Schichten 36 zur Trennung benachbarter magnetischer Schichten benötigt.
Bei dem dargestellten Beispiel liegt die kumulierte Dicke dieser sehr dünnen
isolierenden Schichten 36 jedes Polstücks wesentlich über der Breite des
Spalts 30. Durch die Erfindung werden aber die unerwünschten magnetischen
Effekte dieses sonst unvermeidlichen Zustandes wesentlich verringert.
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Da die isolierenden Schichten 36 des Kopfs 12 ebenfalls magnetisch sind,
können sie etwas dicker ausgebildet werden als sonst üblich. Dadurch, daß
man diese Schichten 50 nm (500 A) dick ausbildet, können
Fertigungsprobleme, zum Beispiel die Entstehung von Nadelstichen, verhindert werden.
Auch die kapazitive Kopplung zwischen den Permalloy-Schichten 34 wird durch
die etwas dickere Ausbildung der Schichten 36 vermindert, und dies trägt
wiederum zur weiteren Verringerung von Wirbelstromeffekten bei.
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In Fig. 4 ist ein elektrischer Impuls 40 zu erkennen, der in der Spule 18 des
Kopfs 12 erzeugt wird, wenn ein Bit 38 sich mit hoher Geschwindigkeit am
Spalt 30 vorbeibewegt. Da durch die so dünne Ausbildung der Schichten 34
Wirbeistromeffekte unterdrückt wurden, bleiben die hochfrequenten Anteile des
Impulses 40 besser erhalten als bei bekannten Geräten mit dem Ergebnis, daß
das Impulsausgangssignal mit größerer Annäherung perfekt wiedergegeben
wird. Sekundärimpulse, die dadurch erzeugt werden, daß das Bit 38 den
physischen Spalt der einzelnen Isolierschichten 36 passiert, werden wirksam
unterdrückt, weil diese Schichten 36 auch im wesentlichen magnetisch sind.
In Fig. 5 sind ein elektrischer Impuls 42 sowie unerwünschte (sekundäre)
Impulse 44 zu erkennen, die erzeugt werden, wenn die Isolierschichten 36
nichtmagnetisch sind, wie dies bei bekannten Dünnfilm-Magnetaufzeichnungs-
/Wiedergabeköpfen der Fall ist. Wenn ein Bit 38 die aufeinanderfolgenden
physischen Spalte der nichtmagnetischen Schichten passiert, treten, wie
dargestellt, Sekundärimpulse 44 mit abnehmender Amplitude auf. Und der durch
den Hauptspalt 30 erzeugte Hauptimpuls 32 wird hinsichtlich Amplitude und
Schärfe wesentlich verschlechtert. Werden alle diese Impulse (Haupt- und
Sekundärimpulse) eines ausgelesenen kontinuierlichen Bitstroms aufaddiert,
werden sie irgendwann so verzerrt, daß sie nicht mehr voneinander unterscheidbar
sind. Der Kopf wird oberhalb einer bestimmten Bitdichte und Übertragungsrate
unbrauchbar. Dagegen ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau eine
wesentliche Erhöhung der Bitdichte von etwa 3,94 bis 7,87 kfc.cm (10-20 kfci) auf
etwa 39,37 kfc.cm (100 kfci) zusammen mit einer entsprechenden Erhöhung
der Datenübertragungsrate.
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Es versteht sich, daß die vier beschriebenen Ausführungsformen nur zur
Illustration der allgemeinen Prinzipien der Erfindung gedacht sind. Für den
Fachmann sind Abänderungen ohne weiteres naheliegend, ohne vom Umfang der
Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel können die Schichten 34 aus einem
anderen magnetischen Material als Permalloy und die isolierenden Schichten
36 aus einem anderen geeigneten Material als Nickel-Zink-Ferrit hergestellt
werden. Außerdem können die Dicke der Kopf-Polstücke 26, 28 sowie die
jeweilige Anzahl ihrer verschiedenen Schichten entsprechend den
Leistungsanforderungen an den magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf 12
verändert werden.