: архив : архив журнала "625" : 1999 : #4

Комбинированная магнитная головка
Михаил Халецкий

Наше время в техническом отношении характеризуется бурным, взрывоподобным развитием. Выпускаемое сегодня изделие неизбежно устаревает уже через 5 лет, а то и быстрее. Самое наглядное доказательство этому – развитие электроники. В конце пятидесятых годов мы смотрели на карманный радиоприемник, основой которого был твердотельный триод, как на волшебство. Сегодня он состоит из микросхем, имеющих в своем составе сотни тысяч транзисторов, и даже более. Но не все устаревает так быстро. Появилась бытовая магнитная видеозапись. Чуть более 20 лет тому назад формат VHS начал свое триумфальное шествие по миру, однако сейчас его уже начали заметно теснить цифровые форматы. Правда, магнитная запись, давшая миру это чудо, существует уже более сотни лет.

Вся история магнитной записи – это борьба за плотность записи при постоянно повышающихся требованиях к достоверности и быстродействию. Это отлично демонстрирует импульсная, или цифровая запись. Первое сообщение о применении магнитной записи импульсов в 1947 г., по-видимому, дало начало новому и до настоящего времени востребованному направлению в технике магнитной записи. Появились магнитная лента (МЛ) для записи импульсов и импульсная магнитная головка (МГ). Именно о ней и пойдет речь в этой статье.

Фотография традиционной многодорожечной магнитной головки (слева) и прототип комбинированной магнитной головки (справа).

Устройство МГ в общем виде достаточно простое. Это замкнутый магнитопровод, рабочая зона которого представляет собой участок с высоким магнитным сопротивлением. В режиме записи он является источником полей рассеяния, проходя через который МЛ своей остаточной намагниченностью повторяет закон изменения этих полей рассеяния. В режиме воспроизведения этот участок является апертурой сканирования зон перемагничивания МЛ, закон изменения которых проявляется в изменении напряжения на выходных клеммах МГ.

Было очевидно, что чем уже этот участок (назовем его рабочим зазором, как того требует ГОСТ 13699-80), тем выше разрешающая способность МГ. Можно представить себе эту апертуру в виде язычка, который скользит по кривой намагниченности на МЛ и слизывает на себя ее изменения. В пределе, при ширине этого язычка равной нулю, закон изменения напряжения на выходе МГ будет точно соответствовать закону изменения намагниченности на МЛ. Короче говоря, чем уже этот язычок (иначе, чем выше чувствительность МГ), тем лучше. Но как сделать его уже? Лобовое решение – закладывать в зазор все более тонкие прокладки – себя давным-давно исчерпал. Что же следует делать в таких ситуациях?

Исследования, проведенные в начале шестидесятых годов, показали, что определенные резервы таятся в уменьшениях размеров рабочей зоны МЛ–МГ. Надо признать, что до овладения технологией тонкой пленки, развитие которой начиналось приблизительно в то же время, эти благие надежды были обречены. Размер контактной зоны не намного должен был превышать размер рабочего зазора, только тогда этот прием давал ощутимый эффект. При зазоре 3…5 мкм в традиционных массивных МГ, получившим в те годы самое широкое распространение, размер рабочей поверхности составлял величину порядка 15…20 мкм. Оставим за пределами рассмотрения трудности, связанные с технической реализацией. Но достигнутое преимущество терялось на первых же десятках минутах работы, ибо износ буквально на глазах уносил титанический труд квалифицированных рабочих. Короче говоря, практического смысла в этих работах в ту пору не было, хотя теоретические положения подтвердились экспериментально.

Положение принципиально изменилось после проникновения в технику магнитной записи технологии тонкой пленки. В 1967 г. Д.Р. Грег получил патент в США на первую в мире пленочную МГ, которую в ту пору называли интегральной, поскольку для ее реализации была использована технология интегральных схем. Наконец-то была получена конструкция, у которой размер рабочей поверхности действительно (и надолго) стал соизмерим с размером рабочего зазора. Лавина последующих в семидесятых годах публикаций, направленных на совершенствование конструкций и технологических приемов интегральных (переименованных впоследствии в пленочные) МГ свидетельствовало о принципиальной работоспособности конструкции, но высокая энергоемкость, малое отношение сигнал/шум и наличие отрицательных зон в импульсе воспроизведения мешало ее промышленному освоению.

Этому было несколько причин:

Высокая энергоемкость определялась, с одной стороны, малым числом витков на магнитопроводах, с другой (более сложная картина), определенным поведением векторов намагниченности в самой магнитомягкой пленке. Чтобы не вдаваться в довольно сложную физическую сущность происходящих процессов, скажу только, что для успешной работы пленочной МГ длина полюсных наконечников тоже должна быть соизмерима с шириной рабочего зазора, по крайней мере – одного порядка.

Путь повышения отношения сигнал/шум в целом был известен: необходимо увеличивать размер магнитопровода (что противоречило изначально поставленной задаче) и увеличивать число витков. Но и здесь особенность конструкции МГ накладывала свои ограничения: значительное число витков негде было разместить. Кроме того, витки должны были быть расположены так, чтобы перекрывать друг друга, а это порождало почти неразрешимые технологические трудности, по крайней мере для того периода. Поэтому в состав цепи вводились различные согласующие устройства, дополнительно увеличивавшие уровень шума.

Фотография зазора комбинированной магнитной головки

Что касается наличия отрицательных зон в импульсном сигнале воспроизведения, то они присутствуют всегда там, где есть резкая граница взаимодействия МГ и МЛ. Подобное явление наблюдалось и в массивных МГ тогда, когда МЛ достаточно быстро теряла контакт с рабочей поверхностью МГ. Для борьбы с этим явлением пленочные МГ усложнялись, превращаясь в многослойные структуры, которые так и не получили широкого применения. Самые большие заслуги в преодолении перечисленных проблем принадлежат французскому ученому Ж.-П. Лазари, руководителю лаборатории МГ французского отделения фирмы IBM.

Рис. 1

В результате была предложена конструкция, свободная от всех указанных недостатков (рис. 1). Она представляет собой магнитную головку традиционной конструкции, зона рабочего зазора которой существенно изменена с целью минимизации рабочей поверхности. Магнитная связь с магнитной лентой и в режиме записи и в режиме воспроизведения осуществляется тонкой магнитомягкой пленкой с микронными геометрическими размерами. Она располагается в рабочем зазоре массивного магнитопровода и выходит за его пределы в рабочей зоне контакта с магнитной лентой. В центре или с небольшим смещением в рабочем зазоре расположен магниторезистивный элемент для считывания информации в потокочувствительном режиме, если в этом возникает необходимость. В целом предлагаемая конструкция – своеобразный гибрид пленочной и традиционной магнитных головок.

Рис. 2

Минимизированная рабочая поверхность обеспечивает повышенный градиент поля рассеяния при записи (и это подтвердили измерения), что должно способствовать формированию перехода намагниченности на магнитной ленте меньшей протяженности; а при воспроизведении за счет фильтрации низкочастотных составляющих индуцирует отклик на переход намагниченности меньшей длительности. Надо признать, что реальные измерения протяженности зоны перехода намагниченности на МЛ методами электронной микроскопии значительных изменений не показали (рис. 2).

Рис. 3

Геометрические параметры тонкопленочных полюсных наконечников находятся в определенном числовом соответствии с размерами массивных магнитопроводов, что позволяет в индукционном режиме воспроизведения получить отклик практически без характерных отрицательных зон в форме сигнала, которые ограничивают возможности при дешифрации сигнала. Такое соотношение размеров, пожалуй, единственное, которое простейшим способом решает задачу ликвидации отрицательных зон в отклике на импульсное воздействие магнитного перехода МЛ. Физический смысл здесь следующий. Как уже упоминалось, функция чувствительности МГ с полюсными прямоугольными наконечниками обязательно имеет отрицательные зоны (рис. 3), а функция чувствительности классической МГ их не имеет. В предложенной комбинированной МГ (КМГ) работают обе функции одновременно. В результате того, что классическая МГ отодвинута от поверхности МЛ, ее величина ослаблена. Однако можно подобрать длину и ширину полюсных наконечников и глубину зазора классической МГ таким образом, что ордината отрицательного отклика будет настолько существенно компенсирована ординатой положительного отклика, что результирующая кривая будет гладкой без отрицательных зон.

Фотография зон перехода намагниченности, сделанная с помощью электронного микроскопа

Экспериментальная проверка полностью подтвердила изложенное, о чем свидетельствуют прилагаемые осциллограммы одиночного отклика системы на импульсное воздействие (рис. 4).

Рис. 4. Отклики на единичное воздействие

Наличие массивных магнитопроводов позволяет реализовать конструкцию высокого импеданса, не требующую дополнительных устройств для согласования со всеми вытекающими отсюда преимуществами.

Износостойкий немагнитный материал, формирующий поверхность трения и являющийся конструктивно необходимым для формирования плоскости размещения магнитомягкой пленки полюсного наконечника, создает "мост износостойкости", повышая долговечность магнитной головки. Проведенные в течение 3000 часов испытания не выявили сколько-нибудь заметных изменений геометрических параметров МГ.

Рис. 5. Осцилолграмма четырех "единиц", окруженна четыремя "нулями"

Предлагаемое устройство, по всей вероятности, единственное, которое с помощью специальной конструкции позволяет получить более узкий отклик на импульсное воздействие (без характерных искажений сигнала воспроизведения, свойственных всем магнитным головкам с ограниченной рабочей поверхностью), и, следовательно, более высокую плотность записи при прочих равных. Это хорошо видно на сравнительных осциллограммах кодограмм, состоящих из четырех "единиц" и полученных при плотности 1000 бит/мм (рис. 5). Совершенно очевидно, что кодограмма, полученная при помощи комбинированной МГ, обладает значительным запасом по увеличению плотности записи относительно той же кодограммы классической МГ. Все эксперименты ставились в полностью сопоставимых условиях.

Конечно, ничего бесплатного, кроме сыра в мышеловке, в этом мире не бывает. Так, и широкополосный сигнал получен за счет отсечки низкочастотных составляющих импульсного сигнала воспроизведения, то есть потери в амплитуде. Но велика ли потеря? И каков выигрыш?

Как свидетельствует рис. 4, потеря в амплитуде сигнала порядка 30% сопровождается уменьшением длительности отклика по нулевому уровню более чем в два раза. Несомненно, овчинка стоит выделки. Поэтому простая замена имеющихся магнитных головок на КМГ в устройствах, использующих цифровую магнитную запись сигнала (цифровых видеомагнитофонах, видеокамерах, компьютерах и т.п.), позволит, как минимум, вдвое увеличить емкость памяти.