1.5. Магнитные головки

Наибольшее распространение в АМЗ получили магнитные головки кольцевого типа, одна из возможных конструкций которых показана на рис. 1.2. Сердечник, состоит нз двух механически соединенных половин - полусердечннков. В месте соединения полусердечников с помощью немагнитных прокладок, например из стекла или бериллиевой бронзы, образуются рабочий зазор и дополнительный зазор (ДЗ). На полусердечниках размещается обмотка. Рабочий зазор служит для создания локального магнитного поля при записи и обеспечения воспроизведения с локального участка дорожки записи. Ширина его составляет от долей до единицы микрон. Дополнительный зазор предназначен для предотвращения остаточного намагничивания сердечника при записи и поэтому бывает только у записывающих головок. Ширина ДЗ составляет от 30.... 40 мкм. У стирающих головок ширина РЗ равна 100. ..150 мкм.

Для изготовления сердечников головок применяют магнитомягкие материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью μ_Η и малой коэрцитивной силой H_c. Соответственно у таких материалов узкая петля гистерезиса и, следовательно, малые потери на гистерезис. Кроме высокой магнитной проницаемости материалы, используемые для сердечников головок, должны обладать рядом других достоинств: допускать механическую обработку, не изменяя при этом магнитных свойств; не содержать посторонних включений; иметь высокую износостойкость к истиранию магнитной лентой. В качестве материалов для сердечников в настоящее время используют железоникелевые сплавы (пермаллой, μ_Η = 20000), железоаллюминиевые сплавы (альфенол, μ_Η =10000), железоалюминийкремниевые сплавы (сендаст μ_Η=35000), аморфные сплавы (μ_Η=5000) и ферриты. Недостатками пермаллоя являются значительные изменения магнитных свойств при механической обработке и большие потери на гистерезис на частотах выше 20 кГц. Поэтому пермаллой применяется только в сердечниках головок звукозаписывающей аппаратурры. Альфенол более устойчив к механической обработке и поэтому предпочтителен при массовом производстве головок. Сендаст имеет малые потери на гистерезис и обладает высокой износостойкостью. Это определило его использование в качестве сердечника головок, записывающих высокочастотных, в частности телевизионные сигналы. Ферриты чаще всего используют в сердечниках стирающих головок. Металлические сердечники для уменьшения потерь на гистерезис изготавливают из отдельных тонких пластин путём их склеивания. На практике используется более 10 различных конфигураций пластин, а в зависимости от ширины дорожки записи их толщина может меняться от долей до нескольких миллиметров.

Как уже отмечалось, головки бывают записывающими, воспроизводящими и стирающими. Однако в некоторых случаях для снижения стоимости аппаратов головки совмещают функций записи и воспроизведения. Такие головки называются универсальными.

Способность магнитной головки создавать локальное магнитное поле характеризует ее статическое магнитное поле, т.е. поле, которое образуется в районе рабочего зазора при подключении обмотки к источнику постоянного тока. При расчете этого поля исходят из предположений о том, что магнитная проницаемость сердечника головки равна бесконечности и что длина рабочей поверхности головки значительно больше ширины рабочего зазора. При используемых в настоящее время конструктивных параметрах головок и соотношениях между начальными магнитными проницаемостями материалов головок и лент эти предположения вполне оправданы.

Расчеты статического поля головки показывают, что напряжённость создаваемого ею магнитного поля существенно от радиуса закругления граней рабочего зазора ρ, его ширины 2 и расстояния от поверхности головки а. На рис..8,а показана зависимость отношений напряженности поля рассеяния Ηх к напряженности поля внутри рабочего зазора H₀ при разных ρ от расстояния до центра рабочего зазора. Видно, что напряженность поля имеет максимумы на гранях рабочего зазора, забывающие с ростом ρ. Поэтому, чтобы свести ρ к минимуму, при изготовлении головок большое внимание приходится уделять точности обработки граней рабочего зазора.

Рис. 8. Напряженность поля головки

На рис. 8,6 приведены зависимости отношения H_k к H₀ при разных расстояниях а от поверхности головки. При удалении от поверхности головки на расстояние, большее, или равное четверти ширины зазора, поле имеет один максимум над центром РЗ. Так как из-за неидеальности поверхностей головки и ленты всегда разделены расстоянием около 1 мкм, а ширина РЗ современных головок не превышает 2...3 мкм, оказывается, что конфигурация поля в районе РЗ всегда имеет форму, близкую к протяженность поля определяет область намагничивания носителя, которая всегда больше ширины рабочего зазора. Протяженность поля, определяющая разрешающую способность записи, зависит от  и а, увеличиваясь с возрастанием ρ/δ и а/.. Поэтому ясно, что для увеличения разрешающей способности головки н соответственно продольной плотности записи недостаточно только уменьшать ширину рабочего зазора, необходимо принимать меры к улучшению контакта ленты и головки (уменьшать a/) и повышению точности обработки рабочих поверхностей головки (уменьшать /).

Вектор напряженности магнитного поля можно разложить на продольную (H_к) и перпендикулярную (H_y) составляющие. Графики H_k и H_y приведены на рисунке 9. Из них видно, что у кольцевых головок H_k обладает чётной, а H_y - нечётной симметрией. Если в процессе записи используется носитель, намагничиваемый продольно, наибольшее влияние на характеристики записи оказывает продольная составляющая поля H_к, при перпендикулярном намагничивании – составляющая H_y._.

Рис 9. Продольная и перпендикулярная составляющие

Напряжённости поля головки.

Поскольку у кольцевой головки H_y < H_x, для увеличения составляющей H_y при перпендикулярном намагничивании используются головки специальной конструкции. Однополюсная магнитная головка с внешним дополнительным полюсом показана на рис. 10, а. Ток сигнала подается в обмотку дополнительного полюса (ДП) магнитный поток, образуемый в сердечнике, замыкается через носитель записи, имеющий подслой из пермаллоя, и главный полюс (ГП). В пределах рабочего слоя носителя (PC) создается перпендикулярное магнитное поле требуемой напряженности. Сердечник ГП выполняется из материала с высокой магнитной проницаемостью. Толщина его при воспроизведении определяет разрешающую способность головка и поэтому должна быть достаточно малой. Обычно толщина ГП составляет около 1 мкм. Располагается ГП между износостойкими керамическими пластинами. Недостатком рассмотренной конструкции является то, что полюса головки находятся по разные стороны от носителя, что затрудняет транспортирование носителя и приводит к большому рассеянию магнитного потока.

си гнал

а б

Рис 10. Однополосные магнитные головки с внешним дополнительным полюсом (а) и (б) одностороннего типа.

Более совершенной является конструкция односторонней однополюсной головки (рис, 10,6), один главный полюс которой соединен с ферритовым сердечником. Обмотка охватывает сердечник. Носитель перемещается около полюса и располагается с одной стороны от головки. Такая конструкция удобнее при работе, и, кроме того, ее эффективность больше, чем у головки с внешним дополнительным полюсом.

По сравнению с массивной кольцевой головкой форма составляющих поля H_y и H_x у однополюсных головок взаимно обратна: H_y соответствует H_x кольцевой, а H_x - ее H_y. В обычных лентах, используемых для продольного намагничивания из-за малой величины магнитной проницаемости рабочего слоя влияние носителя записи на форму поля головки незначительно. В случае перпендикулярного намагничивания подслой из магнитомягкого материала изменяет форму поля головки таким образом, что перпендикулярная составляющая возрастает примерно в 2 раза, а составляющая Н_х ослабевает.

Для осуществления многодорожечной записи головки объединяются в блоки (рис. 11). Головки (Г) в этом случае разделены электромагнитными экранами (Э). Толщина сердечника определяет ширину дорожки записи. При профессиональной монофонической звукозаписи она составляет 6,25 мм, а при стереофонической двухдорожечной записи 2,2 мм. В аппаратуре точной магнитной записи по ширине ленты 25,4 мм размещают 14, 21, 32 или 42 головки.

Рис 11. Многодорожечный блок магнитных головок.

Таким образом, поперечная плотность записи в типовой аппаратуре многодорожечной записи невелика и не превышает 2 дорожек/мм. Связано это с тем, что в рассмотренной конструкции блока головок между каждыми соседними сердечниками должны располагаться объемные обмотки и экраны. Поэтому сблизить сердечники головок ближе чем на 0,5... 0,7 мм технологически очень сложно. В последнее время, однако, появились магнитные головки изготовленные с помощью тонкопленочной технология. Такие головки получили название тонкопленочных. У тонкопленочных магнитных головок (ТМГ) однослойная обмотка имеет плоскую форму, что позволяет примерно на порядок увеличить поперечную плотность записи.

Конструкция одновитковой ТМГ приведена на рис 19. Основную часть магнитной цепи составляют две тонкие магнитные плёнки (ТМП). Между которыми находится проводящий слой (ПС). Через этот проводник протекает ток, создающий в магнитной цепи поток, осуществляющий запись. Рабочий зазор ТМГ шириной 2 совпадает с проводящим слоем. Недостатком одновитковой головки является необходимость использования больших токов записи.

Более совершенны в этом отношении многовитковые головки, в которых витки, создаваемые методами тонкопленочной технологии, располагаются либо в одной плоскости, либо в нескольких параллельных плоскостях. Головки для перпендикулярной записи, объединенные в блок, имеют общий боковой полюс.

Особенности конструкции ТМГ позволили создать блоки головок, реализующие поперечную плотность записи, равную 19. ..20 дор./мм. Достоинствами ТМГ являются также возможность полной автоматизации процесса их изготовления и высокая идентичность (малый разброс параметров).

Рис 12. Конструкция одновитковой тонкоплёночной магнитной головки.

Магнитные головки являются линейными преобразователями, к которым применим принцип взаимности. Поэтому воспроизводящая головка обладает функцией чувствительности η(х), описываемой выражением, аналогичным выражению для напряженности поля в зазоре головки. Так, при ширине рабочего зазора 2 на расстоянии а от поверхности воспроизводящей головки кольцевого типа ее функция чувствительности составляет

(x) = ]

Функция (x) определяет распределение магнитной проводимости в области между головкой и носителем записи и показывает, таким образом, какова в каждой точке пространства степень связи между потоком в сердечнике воспроизводящей головки и намагниченностью носителя. Поэтому, зная намагниченность носителя и функцию чувствительности воспроизводящей головки, можно определить магнитный поток в ее сердечнике и, следовательно, значение выходного сигнала. Из сказанного следует, что конструктивные факторы, влияющие на разрешающую способность тракта записи, влияют также и на разрешающую способность тракта воспроизведения. Так, увеличение расстояния между головкой и снгналограммой (увеличение неконтакта) приводит к увеличению протяженности функции (x) и, следовательно, к ухудшению разрешающей способности процесса воспроизведения.

В индукционной головке ЭДС на обмотке возникает в результате электромагнитной индукции, обусловленной перемещением сигналограммы относительно головки. При этом по закону электромагнитной индукции ЭДС E = -

где Φ - магнитный поток в сердечнике воспроизводящей головки,  - число витков обмотки, v- скорость воспроизведения, х -координата вдоль дорожки записи, t- время. Из этого выражения следует, что ЭДС индукционной головки прямо пропорциональна скорости воспроизведения и градиенту магнитного потока. Поэтому при воспроизведении низкочастотных сигналов из-за малой величины градиента магнитного потока Ф/х, а также при низкой скорости воспроизведения ЭДС падает, ухудшается отношение сигнал-шум и затрудняются условия коррекции сигнала. От этих недостатков свободно воспроизведение с помощью потокочувствителъной магнитной головки, полезный сигнал которой пропорционален внешнему потоку сигналограммы и не зависти от скорости воспроизведения. Потокочувствительные головки бывают разных типов магнитомодуляционные, гальваномагнитные и магниторезистивные. Действие магнитомодуляционных головок основано на периодическом изменении магнитного сопротивления одного из элементов магнитной цепи головки. На рис. 13 дано схематичное изображение потокочувствительной головки этого типа. Ее сердечник, в отличие от сердечника индукционной головки, содержит дополнительный вырез, на который намотана обмотка ₁.

Рис 13. Потокочувствительная магнитомодуляционная головка.

Рис. 14. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного материала от намагничивающего поля: μ_п —начальная магнитная проницаемость.

Эта обмотка подключается к источнику высокочастотных периодических колебаний, создающих в сердечнике поле возбуждения. Поле возбуждения замыкается на участке сердечника возле обмотки и не охватывает сигнальных обмоток w₂. Полезный магнитный поток сигналограммы попадает в головку в районе рабочего зазора и замыкается через сердечник. Значение магнитного потока в сердечнике, создаваемого сигналограммой, зависит, как и для любой магнитной цепи, от магнитного сопротивления сердечника R_M=l/_aS где l - длина тока участка сердечника, для которого рассчитывается R_M, S - площадь его поперечного сечения; μ_Α - абсолютная магнитная проницаемость.

У индукционной воспроизводящей головки магнитное сопротивление сердечника - величина постоянная. У потокочувствительной магнитомодуляционной головки поле возбуждения периодически перемагничивает участок сердечника в районе выреза, где помещена обмотка w₁. Поскольку из-за нелинейности процесса перемагничивания ферромагнетика значение магнитной проницаемости зависит от величины приложенного поля (рис. 14), магнитное сопротивление этого участка периодически изменяется. Это приводит, в свою очередь, к периодическому изменению величины полезного магнитного потока в сердечнике головки.

Рис 15. Временные диаграммы работы магнитомодуляционной головки.

Магнитный поток сигналограммы, попадающий в сердечник головки, во времени изменяется так, как показано на рис 15, а. Обычно потокочувствительные головки применяют тогда, когда поток является медленно меняющимся. Частота тока в обмотке возбуждения (рис. 15, б) выбирается достаточно высокой. Поскольку магнитная проницаемость материала зависит от абсолютной величины напряженности поля и не зависит от его знака, частота изменения магнитного сопротивления оказывается в 2 раза выше частоты возбуждения (рис.15, в). Магнитный поток в сердечнике Ф_с изменяется с частотой изменения R_M (рис.15, г). Этот поток оказывается уже не медленно меняющимся, а, наоборот, быстропеременным, но амплитуда потока Ф_с пропорциональна мгновенному значению потока сигналограммы Ф. Магнитный поток в сердечнике головки создает по закону электромагнитной индукции ЭДС на ее обмотке (рис.1.15, д), амплитуда которой пропорциональна входному сигналу. Полезный сигнал (рис, 1.15,е) выделяется путем детектирования ЭДС головки.

Таким образом, при воспроизведении магнитомодуляционной головкой сигнал на выходе детектора оказывается пропорциональным магнитному потоку сигналограммы и не зависит от скорости воспроизведения.

Недостатком описанной головки является ее малая чувствительность, связанная с относительно малым изменением магнитного сопротивления при перемагничивании. Более совершенна, но конструктивно более сложна магнитомодуляционная головка с магнитным усилителем, в которой для усиления воспроизводимого сигнала используется явление параметрического резонанса.

Основной недостаток магнитомодуляционных головок — необходимость тщательной балансировки магнитной цепи, а в головках с магнитным усилителем еще и необходимость настройки её цепей в резонанс с полем возбуждения. В противном случае возбуждающий сигнал проникает на выход головки.

Имеются потокочувствительные головки, в которых используются различного рода датчики - преобразователи магнитного поля в электрический сигнал. Так, магнитные головки Холла используют гальваномагнитный эффект, в соответствии с которым при помещении пластины из полупроводникового материала, обладающего этим эффектом (сурьмянистый индий, германий, кремний и др.), в магнитное поле на ее боковых поверхностях возникает ЭДС, пропорциональная напряженности этого поля. Такие пластины называются датчиками Холла. Датчики Холла помещают в рабочий или дополнительный зазор головки. Оба способа имеют определенные недостатки, сводящиеся к тому, что повышение чувствительности головок, связано с ухудшением их разрешающей способности.

В магниторезистивных головках используют явление изменения электрического сопротивления материала в магнитном поле. Магниторезистивные преобразователи нашли наиболее широкое применение в тонкопленочных головках (рис. 16).

Рис 16. Воспроизведение с помощью магниторезистивной головки:

1 – горизонтальная конструкция;

2 – вертикальная конструкция.

Плоскость магниторезистнвного элемента расположена перпендикулярно направлению движения носителя. Под воздействием магнитного поля изменяется удельное сопротивление магниторезистивного элемента, через который пропускается ток. Модуляция тока, вызываемая действием магнитного поля носителя, представляет собой полезный сигнал. Для повышения эффективности такой головки магниторезистивный преобразователь часто помещают в ферромагнитный сердечник.

Полупроводниковым головкам свойственна зависимость характеристик от температуры, что ограничивает их применение.

Из-за более сложной конструкции, недостаточной стабильности, чувствительности к внешним магнитным полям, более низкой разрешающей способности н других факторов потокочувствительные головки получили значительно меньшее распространение, чем индукционные, и применяются при воспроизведении с малой скоростью низкочастотных процессов.