NO852771L - Magnetisk informasjonsinnspilling- og/eller avspillingshode med oekede slitestyrkeegenskaper, og fremgangsmaate for fremstilling av samme - Google Patents

Abstract

Magnetisk hode for informasjonsopptak og/eller avspilling, med et par halvpoler (10, 11) som hver består av flere plater (12) av bløtt jern, med fastlagte pro-filer. Halvpolene festes til hverandre for å danne en luftklaring (13) i fronten mot en magnetisk bærer (16). En spole (15) er anordnet på kjernen. Tynne harde belegg (18) er pålagt platenes (12) flater, i det minste nær luftklaringen og den fremre kontaktsone (13) med bæreren, idet det oppnås en laminert konstruksjon hvor hardheten periodisk endres langs bærerens bredde. På grunn av bærerens stivhet motstår de harde belegg slitasje på grunn av bærerens glidende bevegelse. De tynne belegg nedsetter ikke kjernens resulterende permeabilitet. Belegget pålegges ved hjelp av høyhastig-hets reaktiv katodespryteteknikk, som gir optimal hardhet og binding til jernsubstratet. Et foretrukket beleggmateriale er titannitrid.

Description

Oppfinnelsen angår en teknikk for magnetisk opptak og gjengivelse av informasjon, især et magnetisk hode for bruk ved avspilling av informasjonsopptak. Betegnelsen "informasjonsopptak" dekker lydopptak på en magnetisk bærer, video-opptak samt opptak av digitalisert informasjon. For enkelt-hets skyld er eksemplene omtalt i foreliggende beskrivelse rettet mot konvensjonell bruk av båndopptak, men enhver bruk for opptak og avlesning betraktes likeverdig.

Utviklingen av opptaksteknikker for informasjon har fremkommet med noen typer hoder.

Et konvensjonelt og meget brukt hode omfatter en magnetisk kjerne fremstilt av profilerte plater av bløtt jern, anordnet laminert og med en luftklaring mellom platene kun over frontsonen som ligger an mot den magnetiske bærer. En spole er viklet rundt kjernen for tilkobling til egnede elek-troniske kretser. Slike hoder holdes i en hodeholder, med en omkringliggende magnetisk avskjerming. Disse hoder har vist seg å være populære, har forholdsvis gode elektriske egenskaper, i det minste for bruk ved lydopptak, og deres fremstilling var ikke kostbar. En prinsipiell ulempe med slike hoder ligger i at det bløte kjernemateriale snart slites ved friksjonspåvirkningen mot båndet.

Utviklingen innen faget har frembragt bånd av krom-dioksyd og metall som er meget hardere enn normale bånd og de laminerte kjerner har ikke vært i stand til å motstå sli-tasjen som forårsakes av slike medier.

Ved en forbedret teknologi er et hårdt belegg anordnet på slike hoders hovedspeil slik at overflatehårdheten er blitt tilstrekkelig høy. Problemet med slik hoder ligger i at beleggmaterialet øker den effektive luftklaring til det dobbelte av dets tykkelse og i de fleste bruksammenheng er opptakets høyfrekvensreaksjon blitt meget dårligere enn uten slike belegg.

En annen gruppe hodekonstruksjoner er basert på bruk

av ferrittiske eller glasskeramiske materialer. Disse materialer har tilstrekkelig hårdhet til å utholde øket slitasje og de foretrekkes også med hensyn til deres frekvensreaksjon. En ulempe med slike hoder ligger i deres forholdsvis lave permeabilitet, idet deres elektriske signaler ligger på et

lavere nivå enn ved permalloykjerner. Den største ulempe ved slike hoder ligger i vanskelighetene ved fremstillingen.. Disse harde metaller er vanskelige å forme og bearbeide og deres produksjon er kostbar og krever lang tid og meget arbeide. En ytterligere ulempe med slike hoder ligger i deres lave varmeledningsevne. Under bruk kan friksjonseffekten forårsake meget høye temperaturer nær luftklåringen og ved disse forhøyede temperaturer kan en rekrystallisering foregå ved bindingsflaten mellom glasset og ferrittmaterialet, noe som i virkelighet øker luftklaringen og nedsetter frekvensreak-sjonen. De termiske singulariteter kan ofte føre til små riss som kan bety slutten på deres levetid.

Det er et mål for oppfinnelsen å frembringe et magnetisk hode som ikke bare har gode elektriske egenskaper, men som også kan fremstilles til akseptable kostnader og har økede slitasjefaste egenskaper.

Oppfinnelsen er basert på oppdagelsen at det harde materiale bør være anordnet mellom platene av bløtt stål istedenfor på hodespeilet for å øke hårdheten i hodene med bløt kjerne. Dersom et hardt materiale, eksempelvis et titannitrid, er anordnet på hovedflaten av de jernplater som danner kjernen, vil hårdheten for den på denne måte oppnådde laminerte konstruksjon, variere over informasjonsbærerens (båndets) bredde med en funksjon tilsvarende en kam. Da båndet har tilstrekkelig stivhet i strukket tilstand, ved små avstander, vil båndet bare gli på de harde kanter,og ikke forårsake noen slitasje av bløttjernsmaterialet mellom de harde belegg.

Denne effekt tilsvarer forseringen av en bils hjul over risten på en kanal i gaten eller lignende. Hjulet kan ikke komme inn mellom jernvulstene dersom vulstene er anordnet tilstrekkelig tett.

Erfaringen har vist at til og med så tynne belegg som en halv/um eller mindre kan gi en øket resulterende hårdhet. Dersom belggets tykkelse er over omkring 2 yum , vil den resulterende hårdhet ikke økes vesentlig ved økt beleggtykkelse. Anordningen av hårdmetall mellom platene resulterer i en ytterligere fordel, dvs. at konstruksjonen blir uendret etter noe slitasje. Mens det fremre anordnede hårde lag ble øde- lagt på grunn av en slitasje på omkring 1/um, opprettholdt laminatkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen sin hårdhet helt til slutten av luftklaringens dybde.

Det foretrekkes at det hårde belegg fremstilles ved pålegginsteknikk, især ved reaktiv katodesprøyting med høy hastighet. Denne fremstillingsmåte kan sikre kontrollerte fysiske egenskaper ved hjelp av egnet prosesstyring ved på-leggingen.

Platens Vickers-hårdhet kan være så høy som HV^q = 3000 kg/mm<2>, noe som er tyve ganger høyere enn for bløtt jern.

De resulterende slitasjeegenskaper for hodet ifølge oppfinnelsen er like gode som for ferrittiske og keramiske hoder, mens kjernematerialets resulterende høyere permeabilitet resulterer i høyere signalnivå og således bedre signaler i forhold til støynivået. Påleggingsoperasjonen medfører ikke betydelig økede kostnader til den velkjente produksjons-teknologi for hoder med kjerner av bløtt jern, noe som betyr at disse hoder kan fremstilles til akseptable kostnader.

Flere andre egenskaper og fordeler ved den foreliggende oppfinnelsen vil beskrives i sammenheng med foretrukne utfør-elser som er vist på tegningen hvor figur 1 viser et forstør-ret sideriss av en halv kjerne, figur 2 viser et riss fra siden av kjernen på figur 1, figur 3 viser skjematisk arran-gementet av et hode og et bånd under bruk, i en fortegnet målestokk for tydelighetens skyld, figur 4 viser et forstør-ret snitt langs IV-IV på figur 3, figur 5 viser et diagram med hardheten over klaringsbredden for konstruksjonen på figur 4, figur 6 viser et forstørret grunnriss av den fremre sone av hodet på figur 3, sett på tvers av båndet, figur 7 viser skjematisk et perspektivriss av en hodekonstruksjon med flere kanaler og figur 8 viser et diagram tilsvarende figur 5, for hodet på figur 7.

Figur 1-3 viser skjematisk de magnetiske poler for

et opptaks/avspillingshode i henhold til oppfinnelsen.

Hodet omfatter et par halvpoler 10, 11 som hver omfatter flere profilerte plater 12 av bløtt jern med stor magnetisk permeabilitet. Platene 12 er stablet og festet til hverandre ved klebing. De to halvpoler 10, 11 er festet til hverandre som vist på figur 3 og en luftklaring 13 er avgrenset mellom dem ved innsetting av en ikke magnetisk folie mellom deres sideflater 14. Luftklaringens 13 bredde er i mikrometer området og ligger typisk mellom 0,6 og 10 yum. Sideflatens 14 høyde danner luftklaringens 13 fulle dybde. En spole er anordnet på halvpolene og tjener som en raottaksspole ved avspilling og som en magnetiseringspole ved opptak.

Figur 3 viser hodet under bruk når båndet 16 presses mot frontsonen 17 og båndet beveges med en fastlagt hastighet i pilens A retning. Hodets frontsone 17 er fortrinnsvis fremstilt med en slipeoperasjon og dens profil er maskinert for å frembringe en optimal føring for båndet 16. Sonen 17 betegnes ofte som hodespeilet.

Hodet på figur 1-3 ser ut som konvensjonelle hoder med laminert kjerne, dvs. slik de eksempelvis er beskrevet i boken "Magnetbandspeichertechnik" fra VEB Verlag Technik, Berlin, 1969, s. 211-236 av diplomingeniør Chrisian Scholz og som i stor utstrekning benyttes ved kommersielle båndopp-taksmaskiner. En vesentlig forskjell mellom hodet ifølge oppfinnelsen og et konvensjonelt hode ligger i at hver plate 12 omfatter et belegg 18 på overflaten, i det minste i området som avgrenses av luftklaringens 13 dybde og frontsonen 17. Belegget 18 er fremstilt av et hårdt materiale som har en forhøyet motstand mot abrasjon.

Belegget kan fremstilles ved hjelp av konvensjonell damppåleggings teknikk, eksempelvis ionepretering eller katode-påsprøyting. Da magnetiske hoder fremstilles i masseproduk-sjon foretrekkes at belegget 18 fremstilles ved høyhastighet-katodesprøyteteknikk som gir ikke bare en høy produktivitet, men også en ensartet beleggtykkelse, en perfekt klebing til substratmaterialet og styrbare beleggegenskaper. Høyhastig-hetskatodesprøyteteknikken er som sådan vel kjent og benyttes i stor utstrekning for ulike bruksområder, inkludert for hårdpålegging av skjærkanter, belegging av urrammer og arm-bånd samt teknikker for pålegging av tynne filmer. Høyhas-tighetskatodesprøyting er detaljert beskrevet eksempelvis i "Production of hard titanium nitride layers by means of high-rage chathode sputtering" av W.D. Munz og G. Hessberger, utgitt av Leybold-Heraeus GmbH, BRD. Ved denne teknikk an ordnes et magnetisk felt med spesiell fordeling ved målet, idet elektrodene konsentreres ved målets front og store par-tikkel tet the te r oppnås som fører til en reduksjon i utladnings-spenningen og også til en høyere sprøytehastighet. For fremstilling av meget harde lag foretrekkes bruken av reaktiv katodesprøyting. Denne teknikk benyttes dersom et metallisk basismateriale skal pålegges oksyder, nitrider eller karbider. Basismaterialet, eksempelvis titan, benyttes som mål. Atmos-færen i utladningskammeret er en blanding av en inertgass, eksempelvis argon, og en reaktiv gass, eksempelvis nitrogen. Ved sprøyteprosessen reagerer den reaktive gass med målet og sprøytes enten tilbake fra dette eller integreres i sprøyte-laget ved kondenseringen av metallatomene. Lagets hardhet avhenger i stor utstrekning av den reaktive gass' partial-trykk og ved hjelp av en egnet prosesstyring kan optimal hårdhet oppnås.

Ved fremstillingen av belegget 18 mates platene 12 inn

i utladingskammeret og benyttes som substrater. Beleggpro-sessen forenkles dersom et par høyhastighetskatoder monteres i en motstående stilling og substratene plasseres i midtsonen mellom de to katoder. Et foretrukket utstyr for fremstilling av slike belegg er Modular In-Line Sputtering System Z 600

fra Leybold-Hereaus GmbH.

Et foretrukket belegg er titannitrid som kan ha en hardhet HV1Qpå omtrent 3000 kg/mm 2 dersom nitrogenets partial-trykk er omkring 5-10.10 4 mbar. Tilsvarende harde lag kan oppnås ved bruk av andre typer film, eksempelvis kromnitrid, siliciumkarbid, tantalnitrid, wolframnitrid og andre harde forbindelser. Slike forbindelsers hardhet og oppførsel ved oksydering er analysert i "Oxidation behaviour of high rate sputtered TiN, TiC, TiCN, CrN and WN films" utgitt under den 11. ICMC konferanse i San Diego, California, 1984, av W.D. Munz og J. Gobel. Det foreligger også flere publika-sjoner som omhandler pålegging av harde filmer på metallsub-strater, slik at oppfinnelsen ikke kan begrenses til noen spesiell forbindelse.

Det skal nevnes at høyhastighet-reaktivkatodesprøyte-teknikken gir en meget god binding mellom substratet og belegget og denne binding kan med sikkerhet motstå den kraft og de temperaturforhold som oppstår i anleggssonen 17 mellom båndet og hodet. Figur 4 viser et forstørret snitt langs IV-IV på figur 3. Målestokken er forskjøvet for å oppnå bedre illustrasjon. Båndet 16 beveges normalt til tegningens plan og trykkes mot hodet med trykket P. Hodets holdeflate består av en laminert konstruksjon av jernplater 12 som alle har belegg 18. Platenes tykkelse er mellom 0,1 og 0,15 mm mens beleggets tykkelse ligger i mikromillimeterområdet, fortrinnsvis minst 1 / om . Konstruksjonens Vickers-hardhet HV^q målt langs båndets bredde W, kan ses i kp/mm^ på figur 5. Kurven som an-gir den resulterende hårdhet i forhold til bredden, fremviser en kamlignende form med spisser på omtrent 3000 kp/mm 2 og 150 kp/mm 2 i basishardhet. Det er funnet at konstruksjonens resulterende hardhet, på grunn av båndmaterialets stivhet over den korte lengde mellom nærliggende adskilte belegg, avgjøres av beleggmaterialet og platene 12 spiller i praksis ingen funksjonell rolle ved fastleggelsen av flateabrasjonen. Den betydelige økning i hardhet oppnås også dersom beleggets tykkelse kun er en del av en mikrometer, mens det av sikker-hetsgrunner foretrekkes at belegget 18 har en tykkelse på minst 0,5-1 yum , fortrinnsvis 2 / om. Det vil ikke oppnås en ytterligere hardhetseffekt dersom beleggtykkeIsen økes utover denne verdi, mens tykkere belegg naturligvis kan fremstilles. Platene 12 av bløtt jern gir en god støtte for det tynne belegg slik at belegget fastholdes mellom platene. Da platene 12 er fremstilt av varmeledende metall vil den varme som oppstår ved friksjonen mellom båndet og hodet transpor-teres bort slik at betydelige lokale temperaturgradienter ikke vil kunne oppstå. Dersom hodekonstruksjonen slites, vil laminatkonstruksjonen forbli uendret og hodets fulle dybde i luftklaringens 13 område , kan utnyttes. Disse fak-torer forklarer hvorfor den forventede levetid for hodet ifølge oppfinnelsen erøket vesentlig i forhold til konvensjonelle hoder av laminerte jernplater. Figur 6 viser grunnriss av hodespeilets område gjennom båndet, med et dobbeltsporhode. I anleggssonen 17 mellom hodet og båndet foreligger to laminatkonstruksjoner 19 og 20 og hver av disse består av flere plater 12 og tilhørende belegg 18. Båndet 16 ér bredere enn sporene og en magnetisk skjerming 21 er anordnet mellom sporene. Det foretrekkes at skjermingen 21 også fremstilles av stålplater med høy permeabilitet og belegges enten på én side eller på begge sider. Ved å pålegge et hardt belegg på skjermingen elimineres faren for en magnetisk kortslutning mellom sporene da belegget fremstilles av et ikke magnetisk materiale. I tillegg til denne fordel kan skjermingens 21 belegg gi en ekstra støtte for båndet. Figur 6 viser videre to belagte plater 22, 23 som eventuelt kan anordnes på begge sider av konstruksjonene 19 og 20 og som kan plasseres i hodets holder, i det vesentlige fremstilt av kobber. Bruken av de belagte plater 22 og 23 kan gi ytterligere støtte for båndet 16.

Mens belegget 18 var omtalt som et lag som var pålagt polplatenes overflate, er det underforstått at separate folier, eksempelvis wolframfolier eller folier av et hvilket som helst hardt materiale, kan benyttes istedenfor det pålagte belegg. Med de foreliggende teknikker synes imidlertid det pålagte belegg å være betydelig fordelaktigere enn separate folier.

Platene kan belegges på begge sider eller bare på en side, eller det kan ålternerende benyttes belagte og ikke belagte plater. Det viktige er å anordne de harde kanter med slik avstand at den resulterende flatehardhet i frontsonen utelukkende dannes av disse. Det foretrekkes ofte at platene 12 belegges over hele platen.

Platenes 12 og beleggenes 18 plan må ikke være normalt til håndbevegelsens retning. En skråstilling i en retning eller en skråstilling i forhold til båndets plan er mulig. Det foreligger arrangementer av magnetiske hoder hvor det benyttes skråstilte hoder for å oppnå øket kanalsepa-rasjon. Belegget 18 begrenser ikke de konvensjonelle mulig-heter for anordning av hodet i forhold til båndet.

Figur 7 viser et forenklet riss av et hode med flere kanaler, med flere polkonstruksjoner som alle består av plater belagt med en hard film. De magnetiske avskjerminger mellom kanalene omfatter også harde belegg. Kurven på figur 8 med hardhet over bredde viser med stiplede linjer skjermingsplåtene mellom kanalene.

Ifølge oppfinnelsen er hardheten for hoder med bløtt jern øket slik at levetiden dermed er øket med en faktor på 4 til 8 og slike hoder kan lett benyttes med bånd av kromdi-oksyd eller metalltypen på samme måte som ferritt- og glass-keraraikkhoder. Permalloy- k jernehodenes gode magnetiske egenskaper forblir uendret da den lille mengde ikke magnetisk belegg ikke kan nedsette den aktive jernmasse i betydelig grad. Beleggets isolerende egenskaper kan nedsette hvirvelstrøm-tapene da enhver strøm mellom platene blokkeres på en sikker måte. En ytterligere fordel ligger i å kunne oppr.ettholde den høye produksjonseffektiviteten ved konvensjonelle hoder med kjerner av plate, for fremstilling av magnetiske hoder med høy kvalitet og lang levetid.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av magnetiske hoder, hvor det anordnes flere polplater av fastlagt form, fremstilt av et materiale med stor magnetisk permeabilitet, idet hver plate har en frontsone for understøttelse av en magnetisk bærer, og en sideflate som danner en luftklaring, ved å sam-menmontere polplatene for å danne halve kjerner og montere parene sammen med en luftklaring mellom sideflatene, karakterisert ved å anordne et fastlagt antall folier av hardt metall mellom platene ved monteringen, i det minste i aktive områder som avgrenses av frontsonen og sideflaten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å anordne foliene ved damppålegging på platenes flate i form av et pålagt belegg.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved å pålegge belegget ved en høyhastighets reaktiv sprøyting.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved som harde materialer å benytte harde forbindelser som eksempelvis titannitrid, kromnitrid, siliciumkarbid, tantalnitrid og wolframnitrid.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at belegget pålegges hver plate.

6. Magnetisk hode for opptak og/eller avspilling av informasjon, med en magnetisk kjerne bestående av flere profilerte plater, en spole rundt kjernen, en luftklaring over en aktiv frontsone i kjernen, idet frontsonen utsettes for glidende kontakt med en informasjonsbærer, et ikke magnetisk materiale i luftklaringen som ligger an mot platenes sideflater, og en hodestøtte for å holde kjernen, karakterisert ved at foliene er anordnet mellom platene (12) og strekker seg til frontsonen (17) og til sideflatene (14), idet foliene er fremstilt av et materiale som er flere ganger hardere enn platene (12) .

7. Hode ifølge krav 6, karakterisert ved at foliene er belegg (18) som er pålagt platenes (12) flater.

8. Hode ifølge krav 7, karakterisert ved at beleggenes (18) tykkelse er minst 0,5 / om.

9. Hode ifølge krav 7, karakterisert ved at beleggene (18) pålegges hver plate (12).

10. Hode ifølge krav 7, karakterisert ved at beleggene (18) er titannitrid, kroranitrid, siliciumkarbid, tantalnitrid, wolframnitrid eller andre harde forbindelser.

11. Hode ifølge krav 7, karakterisert ved at.kjernene er anordnet i separate spor og tilhørende magnetiske skjermingsplater (21) er anordnet mellom tilstøtende kjerner, hvor skjermingsplåtene (21) omfatter de pålagte harde belegg (18) .