Магнітні головки запису і відтворення

Магнітні головки запису і відтворення так само, як і магнітні носії, здійснюють певний вплив на найважливіші характеристики тракту магнітного запису. Від вибраного типу магнітного носія і магнітних голівок, ефективності узгодження їх параметрів в основному залежать роздільна здатність тракту (ширина АЧХ), відношення – сигнал-шум, рівень паразитної амплітудної модуляції (ПАМ) і, отже, щільність запису і достовірність цифрових сигналів відтворення. Тому постійно направляються значні зусилля на вдосконалення магнітних головок запису відтворення.

Можна виділити декілька основних напрямків вдосконалення магнітних головок: електромагнітних і механічних параметрів, покращення конструкції і технологічності виготовлення. Більшість параметрів, що характеризують електромагнітні, механічні, конструктивні і технологічні характеристики магнітних головок – взаємозв’язані.

Магнітні головки, які використовуються в ЦМЗ, поділяються на три типи: запису, відтворення і універсальні. На відміну від побутової апаратури магнітного запису, в якому найчастіше використовуються універсальні головки запису-відтворення, в апаратурі ЦМЗ, що використовується в інформаційно-вимірювальній техніці, функції запису і відтворення, як правило, розділені, і тому універсальні головки використовуються в ній значно рідше, ніж в побутовій.

В накопичувачах на магнітних дисках використовуються в основному універсальні головки.

image002

Рис. 2.1.5. Конструкція класичної тороїдальної кільцевої магнітної головки:

а і б – основні різновиди тороїдальних головок;

в – зона робочого зазору (РЗ) головки

В залежності від феромагнітного матеріалу, застосованого для виготовлення осердь, можуть бути виділені такі їх основні різновиди: головки зі сплавів феромагнітних матеріалів на основі Ni i Fe і цілого ряду інших як магнітних, так і немагнітних матеріалів (Si, Al, Ni, Cr, V , Mn, P), наприклад, головки із пермалоя, сендасту, альфенолу та ін; головки із феритових матеріалів (монокристалічних і полікристалічних феритів); головки із аморфних металічних сплавів.

Особливе місце займають так звані тонкоплівочні магнітні головки, при виготовленні яких використовується технологія напилення, осадження та витравлення.

З початку промислового використання (кінець 40-х років) основний принцип магнітного запису на носії, що виконані у вигляді стрічок, не змінився: запис проводиться горизонтальною складовою магнітного поля головки, яка конструктивно представляє собою один із різновидів класичної тороїдальної кільцевої магнітної головки (рис. 2.1.5).

Виконання запису полем, яке вертикальне до площини руху стрічкового носія, дозволяє значно (приблизно на порядок) збільшити повздовжну щільність запису за рахунок зменшення обмежувального впливу саморозмагнічування. Однак ці спроби поки не привели до практично реалізованих результатів. Запис вертикальним полем для дискових носіїв (в НМД) знайшов практичне застосування.

Розглянемо деякі основні особливості роботи магнітних головок запису, які необхідно враховувати при їх проектуванні (розрахунку), виготовленні і експлуатації.

Схематично основні варіанти конструкції магнітної головки запису і відтворення приведені на рис.2.1.5. Основним елементом головки є осердя, яке складається з двох напівосердь 1 з намотаними на них обмотками 3 з обмежувачами 2. Напівосердя в області РЗ розділені прошарком з немагнітного матеріалу: скла, фольги мідної, бронзової або латунної.

Магнітні головки, які використовуються в ЦМЗ при паралельному записі конструктивно об’єднуються в багатоголовочний блок. Це визначає їхні конструктивні особливості. В тому числі, напівосердя головок мають плоскі поверхні, що полегшує збирання багатоголовочного блоку, а конфігурація осердь в області робочого зазору може бути виконана у вигляді дзьобиків, форма яких приведена на рис.2.1.5,в. Прямокутна форма дзьобиків напівосердь головки покращує ідентичність амплітудних і амплітудно-частотних головок запису і відтворення (ідентичність каналів тракту магнітного запису). Довжина дзьобика dk не повинна бути більшою порядку 0,2…0,5мм, що визначається допуском на механічну обробку напівблоків багатоголовочного блоку.

Області дзьобиків магнітних головок повинні оброблятися з максимальною точністю. Найважливішими геометричними параметрами робочого зазору і дзьобика є ширина робочого зазору D; радіус заокруглення робочих граней 4 дзьобика і їх прямолінійність; глибина дзьобика hк, його ширина h і паралельність торців. Для досягнення високих градієнтів магнітного поля в області граней записувальних головок радіус заокруглення робочих граней дзьобика повинен бути якомога меншим. Для зменшення втрат на вихрові струми напівосердя головок (якщо вони виготовляються з металевих сплавів) набираються з тонких (0,01…0,05мм) пластин.

Частотні втрати виникають не тільки в осердях магнітних головок, а також в металевому корпусі багатоканального блоку. Вплив втрат такого роду зростає в міру збільшення густини розміщення головок в багатоканальному блоці (тобто при збільшенні поперечної густини запису).

Прагнення збільшити ефективність магнітних головок за рахунок зменшення їх розмірів і автоматизації процесу виготовлення призвело до створення тонкострічкових магнітних головок (ТМГ), які мають хороші частотні властивості.

Існують спроби конструктивно поєднати ТМГ з електронними пристроями підсилювачів відтворення (ПВ). У цьому випадку ТМГ і ПВ можуть мати загальну кремнієву основу, а їх виготовлення об’єднуються у єдиному технологічному процесі з застосуванням напилення металів у вакуумі, електролітичних осаджень і травлення.

Не дивлячись на привабливі перспективи розвитку і використання ТМГ, технологічні і конструктивні труднощі їх виготовлення, невисокі відношення сигнал-шум на виході тракту магнітного запису, порівняно невеликі надійність і терміни експлуатації, які вони забезпечують, до нинішнього часу суттєво стримують їх промислове використання.

Незалежно від призначення та конструктивних і технологічних особливостей виготовлення магнітних головок запису і відтворення найважливішим фактором, який визначає їх електромагнітні і механічні характеристики, є властивості магнітних матеріалів, що використовуються.

У зв’язку з розробкою і використанням висококоерцитивних магнітних носіїв, які мають підвищену роздільну здатність, а також у зв’язку з розвитком похилострічкового запису і його впровадженням в системи ЦМЗ різко підвищились інтенсивність і результативність дослідницьких робіт, направлених на розробку і використання високоефективних магнітних матеріалів осердь головок, які мають підвищені електромагнітні і механічні властивості.

Магнітні матеріали для осердь магнітних головок повинні відповідати широкій сукупності вимог, основними з яких є: високі магнітна проникність mн, індукція насичення Bs, питомий електричний опір r, відносно низьке значення коерцитивної сили Hс, висока механічна твердість HV і малий коефіцієнт зносостійкості nF. Всі ці параметри повинні бути стабільними в часі і при дії дестабілізувальних факторів зовнішнього середовища, наприклад, температури. Стабільність, розкид і значення електромагнітних параметрів матеріалів осердь головок залежать від магнітострикційних властивостей, які оцінюються коефіцієнтом магнітострикції ls, і властивостей анізотропії, які оцінюються сталою анізотропії ka. Кращі параметри, як правило, мають матеріали, для яких ls і ka малі або рівні нулю. Крім цього, доцільно враховувати, що зменшення коерцитивної сили Hс матеріалів осердь і коефіцієнта ls призводить до зменшення шуму головок відтворення.

Магнітні матеріали, які використовуються для осердь магнітних головок, можна розділити на п¢ять груп:

1. Матеріали на основі пермалоя. Пермалой є різновидністю залізонікелевих магнітом¢яких сплавів з дуже високою магнітною проникністю. Основними компонентами пермалоя є Ni i Fe; в деяких випадках до цих компонентів можуть додаватися Cu i Mo.

Основними перевагами пермалоя, які визначили його тривале використання в якості матеріалу для магнітних головок, є високі магнітні проникності mн і mmax і індукція насичення Bs. Найбільш суттєвими недоліками пермалоя є мале значення питомого електричного опору r, який зумовлює великі частотні втрати і відносно невисокі зносостійкість і твердість. Ці недоліки виключають можливість використання пермалоя в головках для широкомаштабних систем ЦМЗ.

2. Матеріали на основі пермалоя, які мають більш високе значення r і підвищені зносостійкість і твердість. До цієї групи матеріалів відноситься так званий твердий пермалой, який має склад Ni, Nb, Ti, Fe. У ньому в якості додаткових використовуються Nb i Ti. Діапазон додатків може бути розширено. Покращення механічних властивостей і деяке збільшення r в них супроводжується, як правило, зменшенням mн і Bs.

3. Феритні матеріали на основі монокристалічних і полікристалічних феритів. Головна перевага феритних магнітних головок — високе значення r і добра зносостійкість. Це визначило основну область їх застосування — відеозапис і запис широкомасштабних сигналів. Однак ферити мають низькі значення Bs і mн. Низька індукція насичення не дозволяє ефективно використовувати ферити спільно з високоокерцитивними носіями.

4. Матеріали групи «сендаст». За своїм хімічним складом сендаст відноситься до сімейства альсіферів. Класичний сендаст має хімічний склад в процентах: 15,4 Al, 9,6 Si, 85 Fe. На даний час до сендастів звичайно відносять систему сплавів, які мають крім вказаних основних компонентів широку гаму додатків, наприклад, таких елементів, як Cu, W, Ni, Nb, V, Mn, Co і інші. Основна перевага таких сплавів міститься у високих значеннях Bs i mн при малих або нульових значеннях коефіцієнта магнітострикції ls і постійної анізотропії kа. Ці сплави також мають добрі механічні властивості. Сукупність перерахованих переваг визначили широке застосування сендастів у якості матеріалів для головок запису і відтворення, універсальних магнітних головок і полюсних наконечників феритних відеоголовок. Недоліком сендастів є відносно низьке значення питомого електричного опору.

5. За останнє десятиріччя розроблена група матеріалів, яку називають аморфними металевими сплавами (АМС). АМС мають ряд високих електромагнітних і механічних властивостей, що роблять перспективними їх використання у якості матеріалів для осердь магнітних головок широкого застосування АМС містять так звані перехідні метали і аморфізатори (склоутворювачі). В якості перехідних металів використовуються феромагнітні метали Fe, Co i Ni, а в якості аморфізаторів — елементи B, C, Si, P i Ge.

Основні переваги АМС: високі значення параметрів mн і Bs, за якими вони не поступаються пермалою; наприклад, відомі матеріали з Bs » 1,7 Тл і mн = 120×103; відносно високе значення r, яке обумовлює низькі втрати на вихрові струми, однак АМС поступаються за цим показником феритам; низький коефіцієнт магнітострикції ls, низькі коерцитивна сила і стала анізотропія і, як наслідок, низький рівень шуму головок; мала чутливість до механічних напруг для більшості АМС, які виникають при штампуванні пластин і монтажі осердь у багатоканальні блоки головок. Перераховані переваги АМС обумовлюють все більш широке їх використання у апаратурі магнітного запису.

Успіхи у розробці нових магнітних матеріалів для магнітних носіїв і головок запису-відтворення, покращення конструкції і технології їх виготовлення роблять реальним вже в найближчий час освоєння діапазону щільності цифрового запису порядку 1000…3000 біт/мм. У значній мірі цьому сприяє також прогрес в області розробки і промислового освоєння досконалих видів механізмів транспортування магнітних стрічок

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні елементи цифрової техніки”

Оставьте комментарий к статье