DE2605615A1

DE2605615A1 - Magnetkopf

Info

Publication number: DE2605615A1
Application number: DE19762605615
Authority: DE
Inventors: Hiroki Fujishima; Kazuo Ohya
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1975-02-15
Filing date: 1976-02-12
Publication date: 1976-09-02
Also published as: DE2605615C2; US4079430A; DE2659820A1; DE2659820C2; JPS5194211A

Description

nipl.-ΐημ.

Rolf Churner

P a 11.· η ι j η w a 11

¹HiO Aug-iburg 31 · Postfach 242

Rehlineenstraße 8
Telefon: 0821/36015

I'.iMsdicckkunlci: München Nr. 1547 HO-S(H

7069/05/Ch/w Augsburg, 11. Febr. 1976

IDK ELECTRONICS CO., LTD.

14-6, Uchikanda 2-chome, Chiyoda-ku

Tokyo, Japan Magnetkopf

Die Erfindung betrifft einen Magnetkopf mit mindestens einem Tonkopf, bestehend aus einem ringförmigen Kern und mindestens einer Magnetspule, wobei der von der Spule magnetisierbare Kern mindestens einen von außen nach innen sich erstreckenden Magnetspalt aufweist, in welchem ein Distanzstück angeordnet ist und wobei der Magnetspalt in Kontakt steht mit einem Magnetaufzeichnungsträger und der Tonkopf als Sprechkopf und/oder Hörkopf betrieben wird.

Der Kern solcher Magnetköpfe besteht üblicherweise aus Permalloy ( 78,5 i° Nickel, 21,5 # Eisen), da sich Permalloy durch seine ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften auszeichnet. Permalloy hat jedoch den Nachteil, daß seine Verschleißeigenschaften nicht besonders gut sind, so daß die Lebensdauer kürzer ist als diejenige eines einzelnen Kristalls aus Ferrit.

Ein Einzelkristall aus Ferrit weist eine hohe Verschleißfestigkeit auf, jedoch sind die Magneteigenschaften schlechter als diejenigen von Permalloy. Weiterhin ist der Nachteil vorhanden, daß eine spanlose Bearbeitung, wie beispielsweise Stanzen eines Kerns aus einem Ferrit-

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einkristall nicht möglich ist, so daß teuere Arbeitsverfahren, wie beispielsweise Sägen, Fräsen und Schleifen erforderlich sind. Hierdurch wird sowohl die Anzahl der Herstellstufen als auch die Kosten eines solchen Magnetkopfes erhöht.

Da der zuvor erwähnte Ferriteinkristall eine besondere kristalline Orientierung bzw. Ausrichtung aufweisen soll, damit sich eine optimale Verschleißfestigkeit ergibt, ist es erforderlich, die Materialien mit dieser speziellen Orientierung auszuwählen.

Es besteht die Aufgabe, einen Magnetkopf zu schaffen, welcher neben einer hohen Verschleißfeßtigkeit gute magnetische und gute Hochfrequenz-Eigenschaften aufweist, wobei die Nachteile der konventionellen Permalloy- und Ferritmagnetköpfe vermieden werden sollen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Magnetkopf der eingangs genannten Art durch einen Kern, der aus einem Metall besteht, welches zumindest aus 50 % einer amorphen Metalllegierung besteht.

Es wurde gefunden, daß eine amorphe Metallegierung magnetische und hochfrequente Eigenschaften aufweist, welche besser oder mindestens gleich denjenigen des konventionellen Permalloy ist. Es wurde weiterhin gefunden, daß die Verschleißfestigkeit gleich hoch ist wie diejenige von Ferrit.

Eine amorphe Substanz ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur unkristallinisch ist. Zur Unterscheidung einer amorphen Substanz und einer kristallinen Substanz wird üblicherweise eine Röntgenstrahl-

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beugungsmessung durchgeführt. Eine amorphe Metallegierung erzeugt ein Beugungsprofil, welches sich geringfügig mit dem Beugungswinkel verändert, weist jedoch keine scharfen Beugungsspitzen auf, wie sie von den G-itterebenen von Kristallen reflektiert werden. Es ist daher möglich, das Verhältnis der beobachteten Spitzenhöhen in Bezug auf die theoretischen Höhen der bekannten Standardspitzen von Kristallen zu errechnen, wobei der amorphe Anteil ausgedrückt wird in Größen dieses Verhältnisses.

Es wurde ermittelt, daß eine amorphe Metallegierung, welche zumindestens 50 #, vorzugsweise nicht weniger als amorph ist, folgende Eigenschaften aufweist:

Eine Koerzitivkraft (Hc) von mehr als 0,2 Oersted,

eine maximale Magnetflußdichte (Bm) von nicht weniger als 5.500 Gauss, vorzugsweise nicht weniger als 8.700 Gauss,

einem spezifischen Widerstand (7 ) von nicht weniger als 150 χ 10""⁶n-cm,

eine Anfangspermeabilität ( u ) von nicht weniger als 20 χ 10⁵ und

eine Vickershärte (Hv) von nicht weniger als 600.

Im Vergleich hierzu sind die Eigenschaften von Permalloy wie ,folgt:

Hc=O.006, Bm=7.9OO, / =55x10~⁶, μ =7x10⁵ und Hv=150.

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Die Eigenschaften von gesinterten Perriten sind Ho=1,5, Bm=2.500, /= 1O⁷, μ_ο=200 und Hv=400.

Die Eigenschaften eines Ferriteinkristalle sind Hc=O. 1, Bm=4.000, /ί>1, ^i_Q=2x10⁵ und Hv=400.

Demgemäß ist eine amorphe Legierung für die Verwendung in Magnetköpfen sehr gut geeignet. Ein Wirbelstromverlust, welcher entgegengesetzt ist den hochfrequenten Eigenschaften, wird bestimmt durch folgende Gleichung:

f -f

S =

Hierbei ist f die Frequenz des durch die Spule fließenden Stroms, welche um den Magnetkörper herum angeordnet ist, wobei der Magnetkörper die Form eines geschlossenen Magnetkreises bildet. Der Wirbelstromverlust S ist proportional zu Jf . Der Wirbelstromverlust eines amorphen Metalls ist daher im Vergleich zu demjenigen von Permalloy etwa 60 $ geringer mit dem Ergebnis, daß ein Magnetkopf unter Verwendung einer amorphen Metallegierung bessere Aufzeichnungs- und Wiedergabeempfindlichkeiten aufweist als ein Magnetkopf unter Verwendung von Permalloy.

Weiterhin ist die Magnetflußdichte Bm einer amorphen Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung beträchtlich höher als diejenige von Ferrit, wobei diese Magnetflußdichte etwa gleich derjenigen ist von Permalloy. Der Aufzeichnungsträger, welcher in Verwendung mit einem Magnetkopf aus einer amorphen Legierung verwandt wird, kann daher aus einem Material bestehen, dessen Koerzitivkraft höher als 1000 Oe ist.

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Weiterhin ist die Härte der amorphen Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung gleich derjenigen von Ferrit. Infolge dieser Härte ist die Betriebsdauer eines Magnetkopfes mit einer amorphen Legierung gleich derjenigen eines Magnetkopfes mit einem Kern aus Ferrit. Überraschenderweise wurde gefunden, daß in Bezug auf die Lebensdauer ein Magnetkopf mit einem Kern aus einer amorphen Legierung sogar günstiger ist, da infolge der Viscoelastizität der amorphen Metallegierungen sich keine Defekte, wie beispielsweise Löcher oder Risse bilden.

Diese zuvor beschriebenen Eigenschaften machen eine amorphe Metallegierung besonders geeignet zur Verwendung als Kern eines Magnetkopfes,

Die im Rahmen der Erfindung verwendbaren Zusammensetzungen erfassen irgendwelche Metalle, welche in amorpher Form hergestellt werden können, insbesondere solche Zusammensetzungen, welche durch die Formel

MaYb

dargestellt werden, wobei M mindestens ein Metall aus der Eisen, Nickel und Kobalt aufweisenden Gruppe und Y mindestens ein Element ist, ausgewählt aus der Gruppe, welche aus Phosphor, Bor, Kohlenstoff und Silizium besteht, und wobei der Prozentanteil ausgedrückt wird in dem atomaren Prozentanteil von a und b, wobei a zwischen 60 und 95 und b zwischen 5 und 40 liegen soll, wobei a plus b gleich 100 ist. Bei der allgemeinen Formel kann M eine Kombination von Nickel mit Paradium oder Platin sein. Y kann aus mindestens einem Element bestehen, ausgewählt von der Gruppe, bestehend aus Phosphor und Bor. Die oben erwähnten Komponenten M und Y sind vorzugsweise in einem Verhältnis, das der eutektischen Zusammensetzung .dieser Komponenten entspricht.

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Amorphe Legierungen mit den gewünschten Eigenschaften umfassen beispielsweise folgende legierungen

Co₇₉P₂₁

^Pe80^P13^B7
*^e40^Ni40^PH^B6·

Die amorphe Metallegierung kann erzeugt werden durch irgendwelche geeigneten Verfahren, bei denen die geschmolzene Metallegierung ausreichend rasch abgekühlt wird, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 10 -10 °C/sek, wobei ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt und eine glasige Substanz erhalten wird. Solche Verfahren bestehen beispielsweise aus der Kolbenmethode, bei welcher ein Tropfen der flüssigen Legierung zwischen zwei gegenüberliegenden Kolbenflächen zusammengedrückt wird, die mit hoher Geschwindigkeit aufeinander bewegt werden, das Doppelrollenverfahren, bei welcher die flüssige Metallegierung zwischen zwei sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Rollen zusammengepreßt wird, sowie das Zentrifugalverfahren, bei welcher der Legierungstropfen auf die innere Fläche eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Zylinders geblasen wird, der sich beispielsweise mit 5000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute dreht.

Es ist bekannt, daß eine amorphe Metallegierung sich beim Erhitzen auf hohe Temperatur in eine kristalline Metalllegierung verändert. Bei den vorgeschlagenen Zusammensetzungen liegt diese Temperatur im Bereich zwischen

350 und 450⁰C.

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Die Zahl der "bei einem Magnetkopf verwendeten Tonköpfe hängt ab von der Zahl der Spuren, üblicherweise 1,2, oder 8, sowie von den Funktionsarten, denen die Tonköpfe zugeordnet sind. Jeder Tonkopf beispielsweise kann außer dem zuvor erwähnten Kern und der zuvor erwähnten Spule Befestigungsmittel aufweisen, mit weichender Kern am Gehäuse des Magnetkopfes befestigbar ist. Der Kern kann die Form eines regelmäßigen oder unregelmäßigen Ringes aufweisen, bei welchem die Magnetflußlinien durch den Magnetspalt hindurchgehen. Die Innen- und Außenform des Rings kann beliebig sein, d.h. der Querschnitt des Rings kann kreisförmig, rechteckig, quadratisch, oval oder rechteckig mit verrundeten Kanten sein. Der Kern sollte mindestens einen Spalt aufweisen, bei welchem ein Teil des durch den Spalt wandernden Magnetflusses auf den Bereich eines Aufzeichnungsträgers austritt, welcher in Kontakt steht mit dem Kern im Bereich des Spaltes. Die Kerne sind üblicherweise durch zwei Spalte geteilt in zwei symmetrische Teile. Die Spalte werden ausgefüllt durch einen Einsatz, bestehend beispielsweise aus einer Kupfer-Berkelium-legierung, Titan oder Kunstharz. Der in Kontakt mit dem Kern stehende Aufzeichnungsträger bewegt sich üblicherweise in Bezug auf den feststehenden Magnetkopf. Es sind jedoch auch bewegliche Magnetköpfe bekannt, um eine höhere Aufzeichnungsdichte zu erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Bei den Beispielen werden die Ausgangsmaterialien zuerst gesintert. Da die Ausgangsmaterialien als Pulver mit hoher Reinheit vorliegen, wird dieser Sinterprozess durchgeführt, um zu vermeiden, daß während des Herstellverfahrens irgendwelche Unreinheiten zu den Materialien gelangen.

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Beispiel 1

Eine amorphe Metallegierung von Pe₈₀P₁^Cy wurde durch folgendes Verfahren erzeugt: Elektrolytisch gewonnenes Eisenpulver, rotes Phosphorpulver und Kohlenstoffpulver wurden gemischt im Anteil von 90,3, 8,1, und 1,6 Gewichtsteilen. Das Mischpulver wurde sodann gepreßt bei einem Druck von 35 kg/mm , wodurch ein G-rünling erhalten wird. Dieser Grünling wurde mit einer Geschwindigkeit von 3O°C/Stunde Ms auf 500⁰C erhitzt und wurde auf diese Temperatur von 500⁰C über 24 Stunden lang gehalten. Hierdurch wird eine Sinterreaktion bewirkt. Der so behandelte Grünling wurde sodann erhitzt auf 800⁰C über eine Zeitdauer von 48 Stunden, wodurch sich ein Sinterkörper ergab. Dieser Sinterkörper wurde sodann von Zimmertemperatur erhitzt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes. Die geschmolzene Legierung mit einer Temperatur von 1.200⁰C wurde abgeschreckt mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/Sek. durch Versprühen auf die innere Oberfläche eines mit 5.000 Umdrehungen/min, rotierenden Zylinders. Das erhaltene Metallblatt wies eine Dicke von 100 μ auf. Bei der Röntgenstrahlbeugungsmessung zeigte sich, daß die Legierung zu 75 % amorph und zu 25 % kristallin war.

Sechs Metallblätter wurden auf diese Weise erzeugt. Ein Film eines Epoxyharzes mit einer Dicke von 1 u wurde zwischen jeweils zwei Metallblätter aufgebracht. Das Laminarteil 1 nach Fig. 1, bestehend aus sechs Metallblättern wurde sodann vier Stunden lang auf HO⁰C erhitzt, so daß die Metallblätter 2 fest miteinander verbunden waren. Die Dicke t des Laminarkörpers betrug 600 u. Der Laminarkörper nach Fig. 1 wurde mit einer Ausnehmung 3 versehen. Hierdurch wird eine Hälfte eines

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ringförmigen Körpers erzeugt. Auf die gleiche Weise wurde eine zweite Hälfte eines ringförmigen Körpers hergestellt. Die so erzeugten Laminarkörper wurden miteinander verbunden über Einsätze 5 aus Kupfer-Berilium-Legierung mit einer Dicke tp von 2 Mikron, wodurch sich ein Tonkopf 4 ergab, der in ein konventionelles Gehäuse eines Magnetkopfes eingesetzt wurde. Der so hergestellte Magnetkopf wurde einem Verschleißtest unterworfen. Bei dem Verschleißtest betrug der Kontaktdruck 3,4 gr/mm , die Umgebungstemperatur betrug 23+1⁰C und die Luftfeuchtigkeit lag bei 65+5 $. Die Laufgeschwindigkeit eines Magnetbandes betrug 19 cm/Sek. und die Dauer des Versuchs betrug 2.500 Stunden. Der bei diesem Test festgestellte Verschleiß am Kern betrug 7 U.

Zu Vergleichszwecken wurden Magnetköpfe getestet, deren Kern bestanden aus 80Ni-20Fe Permalloy, gesintertem Mn-Zn-Ferrit un'd einem Einkristall aus Mn-Zn Ferrit, wobei der Verschleiß 400 μ bei Permalloy und 10u bei den Ferritkernen betrug. Die Magnetköpfe mit Kernen aus gesintertem Ferrit und dem Ferriteinkristall verloren ihre ursprünglichen Laufeigenschaften nach 1500 Stunden infolge der sich bildenden Löcher und Risse an der Kontaktoberfläche der Kerne.

Der Laminarkörper aus Blättern eines amorphen Legierungsmetalls wurde weiterhin bezüglich der magnetischen und elektrischen Eigenschaften getestet. Das Resultat ist in Tabelle I angegeben.

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Tabelle I

Koerzitivkraft (Oe)	0.02
maximale magnetische Flußdichte (α)	8.700
spezifischer Widerstand ( μϊΐ—cm)	160
irrsprungspermeabilitat	24.500
Härte (Hv)	650

Der Curiepunkt der amorphen Legierung betrug 360 C

Beispiel 2

Ein Magnetkopf, in welchem eine amorphe Metallegierung von Fe.Jiah^q Verwendung fand, wurde erzeugt nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß.das
Eisenpulver, Nickelpulver und rote Phosphorpulver verwendet wurden im Gewichtsverhältnis von 45 Teilen,
50 Teilen und 5 Teilen. Die Ergebnisse der Untersuchungen bezüglich der magnetischen, elektrischen, mechanischen und kristallinen Eigenschaften ist in Tabelle II angegeben.

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Tabelle II

Koerzitivkraft (Oe)	0.02
maximale magnetische Flußdichte (G)	7.000
spezifischer Widerstand ( ji-O.-cm)	175
Ursprungspermeabilität	25.000
Härte (Hv)	720
Prüfbedingungen beim Verschleiß
	19
	25.000
Laufgeschwindigkeit des Bandes (cm/Sek.)	6
Dauer (Stunden)	75
Verschleiß in u
amorpher Anteil ($)

Beispiel 5

Ein Magnetkopf mit einer amorphen Metallegierung aus CoggP.]2 wurde erzeugt nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 mit Ausnahme, daß das Mischungsverhältnis von Kobaltpulver zu rotem Phosphorpulver in Gewichtsanteilen 88 Teile und 12 Teile betrug. Dieser Magnetkopf wies folgende Eigenschaften auf:

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Tabelle III

Koerzitivkraft (Oe)	0.06
maximale magnetische Flußdichte (G)	5.500
spezifischer Widerstand ( ,mi- -cm)	150
Härte (Hv)	700
Prüfbedingungen beim Verschleiß
	19
Laufgeschwindigkeit des Bandes fcm/Sek.)	2.500
Dauer (Stunden)	8
Verschleiß in μ	65
amorpher Anteil (fo)

Beispiel 4

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurde diesesmal die beiden Kernhälften nicht durch Schleifen, sondern durch Stanzen erzeugt. Die Versuchsergebnisse waren die gleichen wie im Beispiel 1.

Beispiel 5

Ein Magnetkopf, bei welchem eine amorphe Metallegierung Fe₈QpI-ζΒη verwendet wurde, wurde erzeugt nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1. Das Mischungsverhältnis von

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Fe, B und P Pulver in Gewichtsprozenten betrug 90.3, 8.1 und 1.6. Die erhaltenen Ergebnisse der Tests wie in Beispiel 1 sind in Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

Koerzitivkraft (Oe)	0.08
maximale magnetische Flußdichte (G)	9.000
spezifischer Widerstand ( μη.~οΐα)	160
Ursprungspermeabilität	25.000
Härte (Hv)	630
Prüfbedingungen beim Verschleiß
	19
	2.500
Laufgeschwindigkeit des Bandes (cm/Sek.)	8
Dauer (Stunden)	85
Verschleiß in u
amorpher Anteil ($) ·

Beispiel 6

Ein Magnetkopf mit einer amorphen Metallegierung Fe^₀Ni-QP-] J3g wurde hergestellt gemäß dem Verfahren in Beispiel 1. Die Mischungsverhältni sse in Gewichtsprozenten von Fe, M, P und B Pulver betrug 44, 46,4, 8,5

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und 1,1. Die Versuchsergebnisse mit Versuchen gemäß Beispiel 1 sind in Tabelle V angegeben.

Tabelle V

Koerzitivkraft (Oe)	0.03
maximale magnetische Flußdichte (G)	8.000
spezifischer Widerstand ( u_n_-cm)	175
Ursprungspermeabilität	50.000
Härte (Hv)	720
Prüfbedingungen beim Verschleiß
	19
	2.500
Laufgeschwindigkeit des Bandes (cm/Sek.)	6
Dauer (Stunden	75
Verschleiß in u
amorpher Anteil (%)

- 15 Ansprüche

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Claims

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Ansprüche

Magnetkopf mit mindestens einem Tonkopf, "bestehend aus einem ringförmigen Kern und mindestens einer Magnetspule, wobei der von der Spule magnetisierbare Kern mindestens einen von außen nach innen sich erstreckenden Magnetspalt aufweist, in welchem ein Distanzstück angeordnet ist und wobei der Magnetspalt in Kontakt steht mit einem Magnetaufzeichnungsträger und der Tonkopf als Sprechkopf und/oder Hörkopf betrieben wird, dadurch gekennzeichnet , daß bei dem Kern ein Metall verwendet wird, das aus einer mindest 50%igen amorphen Metallegierung besteht.
2. Magnetkopf nach^Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Metallegierung besteht aus

MaYb,

wobei M mindestens ein Metall der Eisen, Nickel und Kobalt aufweisenden Gruppe ist, Y mindestens ein Element der Phosphor, Bor, Kohlenstoff und Silizium aufweisenden Gruppe ist und wobei der Prozentanteil in Atomgewichtsprozenten bei a zwischen etwa 60 und etwa 95 und bei b zwischen etwa 5 und etwa 40 liegt, wenn a und b gleich 100 ist.
3. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß M aus einer Kombination von Nickel mit Paradium oder Platin besteht und Y Phosphor und/oder Bor darstellt.

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4. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß M Fe und Y P und C ist.
5. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß M Fe und !Ti und Y P ist.
6. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß M Co und Y P ist.
7. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß M Fe und Y P und B ist.
8. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß M Fe und Ni und Y P und B ist,
9. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern eine.
Koerzitivkraft von nicht mehr als 0,2 Oe, eine maximale magnetische Flußdichte von nicht, weniger als 5.500 Gauss, einen spezifischen Widerstand von nicht weniger als 150 χ 10" _n_-cm, eine ürsprungspermeabilität von nicht weniger als 20.000 und eine Yickershärte von nicht
weniger als 600 aufweist.
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