NL8200481A - Magneetkop. - Google Patents

Description

* * ΡΗΝ 10268 ί N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven ---Magneetkop --- _________ De uitvinding heeft betrekking op een magneetkop met een __________ kern uit magnetiseerbaar materiaal die een vrijwel gesloten weg voor magnetische flux bij schrijf-/ lees-operaties van de magneetkop verschaft.

5 Magneetkoppen met een kern uit magnetiseerbaar materiaal, voor welk materiaal in de praktijk i.v.m. zijn superieure combinatie van slijtvastheid en electro-magnetische eigenschappen meestal (één-kristallijn)Mn-Zn ferriet wordt gekozen, zijn bekend uit het Amerikaanse octrooischrift No. 3.079.470.

10 ' Een tot nu toe nog niet goed begrepen probleem dat aan het gebruik van kernen van. êênkristallij n Mh-Zn ferriet voor magneetkoppen kleeft is het verschijnsel, dat er tijdens de leesqperaties magnetische ruis kan optreden in het kernmateriaal t.g.v. discontinuïteiten in de bewegingen van de magnetische doneinwanden, welke veroorzaakt 15 worden door mechanische schokken van de magneetband tegen de magneetkop (rubbing noise geheten). Voorts blijkt dat t.g.v. de hoge magnetische verliezen van het kernmateriaal bij frequenties boven 5 MHz de huidige Mn-Zn ferriet videokoppen minder geschikt zijn voor toepassing in een digitale videorecorder waar deze signalen van 10 MHz moeten kunnen ver- 20 werken.

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag een magneetkop met een kern van magnetiseerbaar materiaal te verschaffen die een verbeterde signaal-ruis verhouding heeft i.h.b. in het frequentiegebied van O, 5 MHz - 10 MHz.

25 De magneetkop volgens de uitvinding heeft daartoe als kenmerk, dat het magnetiseerbare materiaal van de kern in wezen een uniaxiale magnetische anisotropie vertoont met een magnetische voorkeursrichting die dwars staat op het vlak van de weg voor de magnetische flux.

De uitvinding berust erop dat als de magnetische voorkeursas 30 op deze wijze geörienteerd is bewegingen van de magnetische doneinwanden geen rol voor de magneetkop spelen. Dit vermindert de genoemde rubbing noise aanzienlijk.

Tevens kan het anisotrqpieveld van deze uniaxiale voorkeursas 8200481 <'- , » EHN 10268 2 zodanig gekozen worden, dat er bij frequenties beneden 10 MHz geen ferronagnetische resonantie optreedt in het kernmateriaal en derhalve voor frequenties tot 10 MHz een goede signaal- ruisverhouding gehandhaafd kan worden.

5 · De gewenste oriëntatie van de magnetische voorkeursas kan via de magnetostrictieve eigenschappen van het kernmateriaal door het aanbrengen van een mechanische spanning in de kern tot stand worden gebracht. Volgens een uitvoeringsvorm van de magneetkop volgens de uitvinding is het daartoe noodzakelijk dat in het materiaal van de magneet-10 kern een mechanische spanning aanwezig is van een zodanige grootte en aard dat bij een gegeven kristalanisotropie constante en gegeven magnetos trictieconstan ten van het materiaal de door spanning geïntroduceerde magnetische anisotropie groter is dan de kristalanisotropie.

De benodigde mechanische spanning in het kernmateriaal kan 15 gerealiseerd worden door er voor te zorgen dat de vlakken van de mag-neetkem die evenwijdig zijn aan het vlak van de magnetische flux-weg onder een mechanische spanning staan. Deze spanning kan zowel dwars staan qp deze vlakken als evenwijdig zijn aan deze vlakken. In beide gevallen zal de magnetische voorkeurs zich t.g.v. de magnetostrictie, 20 als de juiste spanning is aangebracht, dwars op deze vlakken, en dus dwars qp het vlak van de magnetische fluxweg richten.

De kristaloriëntatie van de (êênkristallijne) kern en de grootte en richting van de uit te oefenen mechanische spanning hangen af van de magnetostrictieconstanten ei de kristalanisotropiecons tante van 25 het gebruikte materiaal. De betekent bijvoorbeeld dat hetzij een trék-spanning, hetzij een drukspanning nodig kan zijn cm de magnetische voorkeursas te oriënteren. De grootte van de benodigde spanningen blijkt bij de tot nu toe voor magneetkoppen gebruikelijke ferrietmaterialen in het gebied van ongeveer 3 tot 50 MPa te moeten liggen.

30 Een mechanische spanning dwars qp de zijvlakken van de kern kan gerealiseerd worden door bijvoorbeeld met een schroef druk op de zijvlakken uit te oefenen, of door de kern m.b.v. een hechtmiddel dat een druk- of trekspanning qp de kern uitoefent, in een behuizing in te lijmen. Het is met deze methoden niet mogelijk cm de benodigde 35 spanning zeer nauwkeurig in te stellen.

Het instellen kan nauwkeuriger zijn als de benodigde spanning in het vlak van de zijvlakken wordt uitgeoefend. Men kan dan nog kiezen tussen het aanbrengen van een uniaxiale (trék- of druk) spanning en een biaxiale (trek- of druk) spanning. Het voordeel van een biaxiaal 8200481 ΕΗΝ 10268 3 Μ \ ______ georiënteerde spanning is dat cm hetzelfde effect te verkrijgen een biaxiale spanning minder groot hoeft te zijn dan een uniaxiale spanning.

Een zeer praktische methode cm een biaxiale spanning van een 5 ‘ gewenste grootte in het’ vlak van de zijvlakken aan te brengen is cm qp de vlakken in kwestie een materiaal aan te brengen bij een hogere temperatuur dan die waarop de magneetkop bedreven wordt, waarbij de thermische uitzetting van dat materiaal van die van het kernmateriaal moet verschillen. Cm 'een trékspanning in de zijvlakken van de kern te 10 verkrijgen moet de uitzetting van het opgebrachte materiaal lager zijn dan die van het kernmateriaal, cm een drukspanning te verkrijgen groten

Als het kernmateriaal ferriet, i.h.b. êénkristallijn Mh-Zn-ferriet is, kan men een gewenste mechanische trékspanning aanbrengen door laagjes Si, SiO of SiC>2 bij een temperatuur van 200°C of hoger 15 qp te sputteren en te laten afkoelen. Deze hebben een lagere uitzet-tingscoëfficient dan férriet. Si heeft het voordeel dat het zich het snelst laat opsputteren. De meeste glazen hébben een hogere uitzettings-coëfficient. dan ferriet en zijn bruikbaar als een drukspanning moet warden aangebracht. De mechanische spanningen die dienen te worden aan-20 gelegd cm de gewenste magnetische oriëntatie te realiseren blijken i.h.a. groter te zijn dan de mechanische spanningen die door verdere bewerkingen van de magneetkop (bijvoorbeeld inlaseren van een wikkel-opening of van de spleetbreedte definiërende uitsparingen) geïntroduceerd worden. Dit betekent dat het schrijf- leesgedrag van de magneet-25 kop volgens de uitvinding minder afhankelijk is van de toegepaste toptechnologie dan dat van conventionele magneettoppen.

Een uitvoeringsvorm van de uitvinding zal bij wijze van voorbeeld nader warden toegelicht aan de hand van de tekening.

Figuur 1 toont schematisch een perspectivisch aanzicht van een 30 magneetkop.

Figuur 2a toont schematisch de magnetische dcmeinenstructuur van een deel van het loopvlak van een magneetkop op de kern waarvan geen mechanische spanning wordt uitgeoefend.

Figuur 2b toont schematisch de magnetische dcmeinenstructuur 35 van een deel van het loopvlak van een magneetkop op de kern waarvan een biaxiale trékspanning in een bepaald vlak wordt uitgeoefend.

Figuur 3 toont het sameastellingsdiagram van Mn-Zn ferriet net daarin aangegeven lijnen met eenzelfde magnetostrictieconstante A^gQ, 8200481 ^ EHN 10268 4 respectievelijk en lijnen met een zelfde kristalanisotropie cctóstante K1(=0).

Figuur 4 toont de reële component R en de imaginaire cent- 11 f ponent jl van de magnetische permeabiliteit als functie van de fre-5 ' quentie f in MHz van een’ spanningsloze en een onder spanning staande magneetkem.

Figuur 1 toont schematisch een magneetkop van een type dat in videorecorders wordt toegepast. Magneetkop 1 omvat een kern 2 van een kristallijn Mn-Zn ferriet (als voorbeeld dient een samenstelling die

TT ITT

10 voldoet aan de formule MnQ 63ZnQ —Fe Q 05Fe 2°4 die een anis01^0" pieconstante heeft van -1 OOJ/nr bij de werktemperatuur van de kop - 30°C -, en magnetostrictieconstanten /i^^lOxlO-6 en X ^^=2x10~6), die twee evenwijdige zijvlakken 3 en 4 vertoont. Kern 2 bevat een opening 5 waardoorheen een elektrische wikkeling 6 is aangebracht. Met 15 een onderbroken lijn is in de kern 2 een weg voor de magnetische flux B aangegeven. De kristaloriëntatie van de eenkristallijne Mn-Zn ferriet-kem 2 is zodanig dat de weg van de magnetische flux B ligt in een vlak dat evenwijdig is aan een (001) kristalvlak. In het getoonde voorbeeld heeft de kern 2 een loopvlak 7 dat in hoofdzaak evenwijdig is aan een 20 (110) kristalvlak en een spleetvlak G dat evenwijdig is aan een (110) kristalvlak. Teneinde een biaxiale trékspanning aan te leggen zijn de (001) georiënteerde zijvlakken (3, 4) van de kern 2 bedekt met d.m.v. sputteren aangebrachte lagen 8, 9 van Si02· De lagen 8,9 hebben een dikte van ongeveer 5 tegen een dikte t van de kern 2 van 200 J4tr\ . Ze 25 zijn opgesputterd bij een temperatuur van ongeveer 300°C en zorgen voor een biaxiale trékspanning in. het (001) kristalvlak van de kern 2 ter grootte van ongeveer 12 MPa. Onder invloed van deze trékspanning heeft de voorkeursas voor de magnetisatie M zich loodrecht op de (001) vlakken gericht. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van de figuren 2a en 2b, 30 die de dcmeinenstructuur van een deel van het (ΐΤθ) georiënteerde loopvlak van de magneetkop met een éénkristallij ne Mn-Zn ferrietkem van figuur 1 tonen. Als er géén mechanische spanning qp de magneetkem wordt uitgeoefend, staat de voorkeursrichting voor de magnetisatie M langs de ^111^ richting (figuur 2a), terwijl in het geval dat er een 35 biaxiale trékspanning vanaf ongeveer 7 MPa in het (001) vlak wordt aangelegd de voorkeursrichting M dwars op het (001) vlak gaat staan (figuur 2b). De grenswaarde <? voor de biaxiale (trek)spanning volgt

C > 2K

uit de uit de theorie af te leiden formule Cf = 1_.

3 /Ί100 8200481 2 γ ΕΗΝ 10268 5 5

Behalve door een biaxiale (trek) spanning in het (001) vlak aan te leggen kan M ook op de gewenste wijze georiënteerd worden door een uniaxiale (trek) spanning langs de richting aan te leggen.

De grenswaarde voor de uniaxiale (trek) spanning# _ volgt dan uit de 5' " ' formule ,, 4K.

σ’ -—3—— 3</^100+/'l11>

Of er een trek- of een drukspanning moet worden aangelegd hangt af van de tekens (en de grootte) van de anisotropieconstante en de magneto-strictiecontanten, dat wil zeggen van de keu2e van de samenstelling van het materiaal. In het geval van Mn-Zn ferriet (samenstellingsformule

TT TTT

Mr^Zn^Fe cFe zijn in het samenstellingsdiagram van figuur 3 een aantal lijnen (samenstellingen) met gelijke A-jqo' respectievelijk A iii en lijnen met ^ = 0 aangegeven.

15 Het resultaat van het op deze wijze heroriënteren van· de'.mag netische voorkeursas, waardoor de beweeglijkheid van de magnetische’· domeinenwanden sterk beperkt wordt, blijkt een aanzienlijke verbetering te zijn van de magnetische permeabiliteit in het frequentiegebied van 0,5 - 10 MHz tezamen met een sterke afname van de magnetische ver-2Q liezen in de magneetkem.

Deze verbetering wordt geïllustreerd aan de hand van figuur 4 t die een grafiek toont van de reële canponentjLf en imaginaire component JA van de magnetische permeabiliteit zoals die voor verschillende frequenties gemeten zijn aan een ringvormige magneetkem, georiënteerd 25 zoals in figuur 1. Figuur 4 toont de situatie, waarbij de kern span-ningsloos is (GT= 0 MPa) èn de verbeterde situatie, waarbij in de kern een biaxiale trekspanning (f van 12 MPa in het (001) vlak is aangebracht. Tevens blijkt de magneetkem van de magneetkop volgens de uitvinding een zodanig, door magnetoëlastische interactie veroorzaakt, ani-sotropieveld te bezitten dat de gewenste magnetische eigenschappen bij

OU

10 MHz gerealiseerd warden.

De uitvinding is niet beperkt tot magneetkoppen met een kern van (êênkristallijn) ifci-Zn ferriet. Het op de gewenste wijze oriënteren van de magnetische voorkeursrichting kan ook gerealiseerd worden bij __ magneetkoppen met kernen van bijvoorbeeld (êênkristallijn of amorf) sendust of van (amorfe) qp Ni-Fe gebaseerde legeringen.

Voor Mn-Zn ferriet is bij voorkeur de absolute waarde van de kristalanisotropie K1, die afhankelijk van de samenstelling tussen 0 en 150 J/tcT kan liggen, bij de werktenperatuur van de kop (30 a 40°C) niet.

8200481 FHN 10268 6 9 Λ groter dan 100 ^/in . Dit in verband met de sterke afhankelijkheid van K1 van de temperatuur. Ligt vast dan 'worden de kristaloriëntatie en de grootte en de aard van de mechanische spanning die moet worden aangelegd bepaald qp basis van de magnetiostrictieconstanten van het kem-5' materiaal. Zo kant men in het voorbeeld tot het kiezen van het (001) kris-talvlak evenwijdig aan de magnetische fluxweg in combinatie net een biaxiale trekspanning in het (001)vlak van tenminste 7 MPa. (Biaxiale) spanningen tot een grootte van 50 MPa zijn beheersbaar aan te leggen.

Dit betekent dat men in het algemeen voor de kern een materiaal moet 10 kiezen met een kristalanisotropie die lager is dan de magnetostrictieve anisotropie die geïnduceerd kan worden door een spanning van‘50 MPa. In het geval van Mn-Zn ferriet betekent dit dat de absolute waarden van de anisotropieconstante en de magnetostrictieconstante van het Mn-Zn ferriet een zodanige waarde hebben dat de grootte van de uit 2Kl 15 de betrekking o = —; afgeleide waarde van de in de aan de c -3 Λ xyz magnetische fluxweg evenwijdige (xyz) vlakken van de kern (2) aangelegde biaxiale spanning G*c kleiner is dan 50 MPa.

Qpgonerkt wordt nog dat de verwijzingscijfers in de con-20 clusies geen beperkte werking op de interpretatie van de conclusies dienen te hebben en uitsluitend bedoeld zijn als verduidelijking.

25 30 35 8200481

Claims (11)

1. Magneetkop (1) meteen '' kern (2) uit magneti- seerbaar materiaal die een vrijwel gesloten weg voor magnetische flux (B) bij schrijf - leespperaties van de magneetkqp (1) verschaft, met het kenmerk, dat het magnetiseerbare materiaal van de kern (2) in wezen 5' een uniaxiale magnetische anisotrqpie vertoont met een magnetische voorkeursrichting die dwars staat op het vlak van de weg voor de magnetische flux.

2. Magneetkop volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in het materiaal van de magneetkem (2) een mechanische spanning aanwezig is 10 van een zodanige grootte en aard dat bij een gegeven kristal anisotrqpie-constante en gegeven magnetostrictieconstanten van het materiaal de door spanning geïntroduceerde magnetische anisotrqpie groter is dan de kristalanisotrqpie.

3. Magneetkqp volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de zij-15 vlakken (3, 4) van de:kem (2) die evenwijdig zijn aan het vlak van de magnetische fluxweg onder een mechanische spanning staan.

4. Magneetkop volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de mechanische spanning in het vlak van de genoemde zijvlakken (3, 4) wordt uitgeoefend.

5. Magneetkqp volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de mecha nische spanning biaxiaal georiënteerd is.

6. Magneetkop volgens conclusie 5/ met het kenmerk, dat de genoemde zijvlakken (3, 4) van de kern (2) bedekt zijn, met een laag (8, 9) van een materiaal met een thermische uitzetting die verschilt 25 van die van het materiaal van de kern (2).

7. Magneetkqp volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de genoemde zijvlakken (3, 4) bedekt zijn met een laag opgesputterd materiaal.

8. Magneetkop volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat het kernmateriaal ferriet is en de genoemde zijvlakken (3, 4) van de 30 kern (2) bedekt zijn met een laag van een materiaal geselecteerd uit de groep bestaande uit glas, Si02, SiO en Si,

9. Magneetkop volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het magnetiseerbare materiaal van de kern (2) uit êênkristallijn Mi-Zn ferriet bestaat.

10. Magneetkqp volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de ab solute waarden van de anisotropieconstante Kj en de magnetostrictiecon- stante A van het Mn-Zn ferriet een zodanige waarde hebben dat de xyz 8200481 EHN 10268 8 * *1 grootte van de uit de betrekking Cf ---- afgeleide waarde 3^ van de in de aan de magnetische fluxweg evenwijdige (xyz) vlakken van de kern (2) aangelegde biaxiale spanning (f kleiner is dan 50 MPa. 5

' 11. Magneetkop volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de (001) georiënteerde vlakken van het Mn-Zn ferriet eenkristal evenwijdig zijn aan de magnetische fluxweg. 10 15 20 25 30 35 8200481