СПОСОБ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА МАГНИТНОМ НОСИТЕЛЕ И ГОЛОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G11B11/00 G11B13/00 

Изобретение относится к области накопления информации, а именно к способам и устройствам для записи-хранения-считывания информации, используемых в вычислительной технике, профессиональной и бытовой аппаратуре аудиовидеозаписи, системах двустороннего кабельного телевидения с регистрацией видеоинформации.

Наибольшая перспектива применения предлагаемых способа и устройства соответствует области записи информации на ленточные магнитные носители в видеомагнитофонах, видеокамерах, цифровых магнитофонах. Возможно также широкое использование способа для реверсивных устройств внешней памяти вычислительных машин, ЗУ на магнитных дисках (жестких и гибких), в других типах дисководов или в статических устройствах магнитной записи.

Известные способы и устройства записи и считывания кодированной информации с использованием различных видов носителей: лент, дисков (реже магнитных барабанов, стержней, проволоки) основаны как на чисто магнитном принципе наведения-регистрации локальных (на доменном уровне) зон намагниченности материала носителя, так и на сочетании процессов различной природы: магнитооптических, термомагнитных, голографических, магнитоакустических, магнитостатических, магнитострик- ционных, магниторезистивных и т.п. [1-5] Системы магнитной записи на движущийся носитель занимают значительный объем в общей классификации ЗУ. Их широкое распространение обусловлено экономической эффективностью при относительной простоте технической реализации, а также высокими показателями по таким параметрам, как цифровая скорость потока данных, плотность записи, информационный КПД, низкая стоимость записи-хранения-считывания на единицу информации (с учетом стоимости оборудования и носителя). Технико-технологические преимущества преобразова- ний ток записи остаточная индукция и остаточная индукция ЭДС магнитной головки в сочетании с высокими характеристиками носителей и сигналограмм определяют перспективу дальнейшего развития традиционной магнитной записи наряду с новейшими способами накопления информации.

Для более сложных способов термомагнитной и магнитооптической записи предельные значения поверхностной плотности составляют 1-3 Гбит/мм², что обусловлено принципиальным физическим пределом минимальными размерами неразрушаемого идентифицируемого изображения в носителе. В настоящее время в магнитной записи широко освоены значения этого параметра в 10000 раз меньше предельного, что является предпосылкой дальнейшего совершенствования способов и устройств.

Способы и устройства подразделяются в зависимости от конфигурации "информационного следа" в движущемся носителе на три основные группы: многодорожечную продольную запись с использованием неподвижных многоканальных головок (блоков головок), поперечно-строчную запись вращающимися головками при взаимной перпендикулярности векторов скоростей ленты и головки и наклонно-строчную запись вращающимися головками с острым углом между векторами скоростей ленты и головки.

Многодорожечно-продольный формат характеризуется достоинствами, связанными со стационарным положением головок (компактность, малый износ, относительная простота) и низкой относительной скоростью движения носителя, однако имеет невысокую поверхностную плотность записи.

Поперечно-строчный формат, устраняя недостатки первого, связан со значительным увеличением относительной скорости головка лента и неравномерностью механического нагружения серединной и периферийных областей по ширине ленты при поперечном охвате цилиндрического (дискового) блока головок с горизонтальной осью вращения.

Наклонно-строчный формат отличается компактным исполнением ЗУ, уменьшением деформации ленты и высокими относительными скоростями, обеспечивающими требуемые скорости потоков данных, динамический диапазон, плотность и емкость сигналограмм. Этот формат применяется в устройствах видеозаписи (ВЕТА, Video 8, UHS, S-UHS), цифровой записи звука (R-DAT, A-DAT) и цифровых накопителях информации большой емкости для ЭВМ. Достоинства тонкие строчки 50-20 мкм с плотностью 20-50 линий на миллиметр, вследствие чего высоки поверхностная плотность (100 кбит/мм²) и емкость (до 4 Гбайт на кассету). Высокая точность слежения за дорожками обеспечивается электронными схемами автотрекинга. Недостатки: механическое вращение необходимо для строчного сканирования с высокой скоростью движения головка лента (до 10 м/с), вследствие этого механический износ головок и ленты, их малая долговечность. Кроме того, при переходе к более узким и уплотненным дорожкам записи на качестве последней (и воспроизведении) отражается отрицательное влияние "тремора" строк, выдвигающее проблему прецизионного автотрекинга на первый план.

Повышение характеристик ЗУ с подвижным носителем связано, в первую очередь, с совершенствованием способов записи-считывания с синхронной или последовательной комбинацией процессов различной природы при конструктивной оптимизации устройств, что нашло отражение, например, в способе термомагнитной записи-считывания, согласно которому электромагнитным излучением воздействуют на магнитный материал с созданием областей с локальным нарушением магнитопроводности (термомагнитный эффект) и обеспечивают взаимодействие этих областей с зонами намагниченности носителя в процессе перемещения последнего [6] Головка для осуществления такого способа содержит магнитопровод, один участок которого охвачен электрической обмоткой, а другой рабочий участок обращен к магнитному носителю, а также источник электромагнитного излучения (лазерный диод), реализующий условия термомагнитного эффекта.

Однако для них также характерны общие перечисленные недостатки способов-устройств накопления информации на подвижных носителях.

В целях устранения этих недостатков и повышения технических характеристик задача разработки новых способа и устройства заключалась в первую очередь в отказе от применения традиционного магнитопровода головки с механическим зазором, имеющим относительно большие размеры (площадь), и от механического сканирования при записи-считывании информационного следа на носителе.

Сущность изобретения определяется нетрадиционным подходом к организации рабочего процесса: основные комбинированные превращения происходят не в рабочем слое носителя, а в материале магнитопровода головки, сообщая ей свойства, в корне отличные от свойств известных головок.

Предлагаемый способ записи-считывания информации на магнитном носителе имеет в основе физический процесс обратимого локального нарушения магнитопроводимости замкнутого тонкопленочного магнитопровода из ферромагнитного материала при местном разогреве выше точки Кюри (термомагнитный эффект), в результате чего образуется немеханический зазор, называемый виртуальным зазором. Процесс реализуется путем локального энергоподвода направленным на участок магнитопровода электромагнитным (в частности, световым) излучением. В результате величина рабочей площади индуцируемого виртуального зазора может быть значительно меньше величины рабочей площади механического зазора существующих магнитных головок в основном за счет тонкопленочной конфигурации рабочего участка магнитопровода, но также и за счет малости пятна облучения. Таким образом достигаются уменьшение ширины информационного следа на носителе (дорожки записи), увеличение плотности информационных строчек и, следовательно, увеличение поверхностной плотности записи информации (число бит на единицу площади носителя).

Поскольку наиболее общими для цифровых систем являются форматы записи с наклонно-строчной ориентацией дорожек, второй пункт формулы изобретения определяет способ строчной развертки за счет сканирования (перемещения) виртуального зазора без механического перемещения универсальной головки или ее элементов. Последнее способствует тому, что четкость положения информационного следа на носителе (дорожки записи и ее краев) значительно увеличивается. Это связано с уменьшением относительных люфтов тракта носитель головка ввиду стационарности последней и уменьшения величины тремор-детонации записи-считывания.

Третий пункт формулы определяет сам способ сканирования пятна излучения по участку магнитопровода, находящемуся в контакте или вблизи от носителя. Оптоэлектронное сканирование за счет периодического изменения показателя преломления среды волновода (световода) на участке от излучателя до магнитопровода обеспечивает малую инерционность, а следовательно, высокую частоту записи-считывания информационных данных даже при неподвижности носителя. Достигаемая при этом временная плотность потока данных зависит от постоянных нестационарного процесса теплообмена микроскопической области виртуального зазора и в несколько десятков раз превышает соответствующий предельный численный показатель для существующих механически подвижных (вращающихся) головок с механическим зазором.

Устройство, позволяющее реализовать настоящий способ, является записывающе-воспроизводящей (универсальной) головкой, названной головка ЕНИЛ-Н. Ее особенности заключаются в следующем. Достигается меньшая пространственная область "вылета" магнитных силовых линий из головки в носитель, что обеспечивает высокие плотностные параметры записи информации, чем у головок с механическим зазором. Достигается компактность устройства за счет интегрального исполнения магнитной и сканирующей частей головки при отсутствии их взаимовлияния (помех): отпадает необходимость механического сканирования дорожек записи. Достигается упрощение конструкции внешней части всего устройства записи-хранения-считывания информации (ЗУ), поскольку функции автотрекинг-регулирования сообщены универсальной головке. Достигаются лучшие динамические показатели процессов записи-считывания, чем в случае механически подвижных устройств, что определяет высокие достижимые значения скорости потока данных.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет производить формирование произвольно позиционируемого виртуального магнитного зазора в тонкопленочном магнитопроводе с достаточно высокой скоростью сканирования узконаправленной области "вылета" магнитных силовых линий в носитель. Уменьшение размеров информационного следа (из-за малости виртуального зазора) при снижении тремор-детонации (за счет неподвижности головки в ЗУ) обеспечивает приближение плотностных параметров магнитной записи информации к их теоретическим пределам, определяемым физическими ограничениями на процессы в носителе и устройстве. Это сочетается с ликвидацией ряда недостатков, присущих существующим способам и устройствам.

Устройство для осуществления способа-головка ЕНИЛ-Н является гибридным интегральным функциональным устройством, изготавливаемым с использованием тонкопленочной технологии.

На чертеже схематически в аксонометрической проекции с искажением пропорций в целях представления компоновки показана головка.

Головка содержит тонкопленочный (толщиной 0,1-1 мкм) рамочный магнитопровод 1, один из участков которого охвачен тонкопленочной электрической обмоткой 2. Оба элемента расположены у края плоской диэлектрической подложки 3, обращенного к движущемуся носителю (магнитной ленте). Сверху магнитопровода и большей части подложки находится планарный волновод (световод) 4, снабженный фокусирующим элементом планарно-цилиндрическими линзами 5, 6, через которые должно проходить излучение лазерного диода 7, зафиксированного на подложке вблизи удаленного от носителя края. Сканирующий (изменяющий направление лазерного луча) элемент 8 представляет собой акустооптический дефлектор на основе встречно-штыревого резонатора возбудителя поверхностных акустических волн (ПАВ). Он расположен таким образом, чтобы ось излучения на выходе из линзы 5 находилась под углом Брега к фронту ПАВ около края световода. У противоположного края расположен поглотитель 9 ПАВ. Элементы 2, 7, 8 электрически связаны с выходами однокристальной интегральной схемы (ИС) автотрекинг-контроллера 10, который также установлен на общей подложке. Герметизация и механическая защита указанных элементов обеспечиваются стеклообразным покрытием 11, а контактные металлические площадки 12 на краю подложки служат для подключения питания и ввода-вывода сигналов устройства.

Действие головки основано на внутреннем периодическом изменении свойств материалов, из которых изготовлены оптоэлектронные и магнитные элементы, и заключается в следующем.

Режим записи. После подачи электропитания на лазерный диод испускаемое им когерентное излучение проходит через планарный волновод из прозрачного материала, например, из ниобата лития, который имеет ярко выраженные пьезоэлектрические свойства. В этом материале методом водородного обмена (диффузией титана или другими методами) созданы оптические элементы 5, 6 и "загибающий" край световода, способствующие тому, что пятно лазерного излучения с достаточной степенью фокусировки попадает на рабочий участок магнитопровода. Поскольку в качестве материала пленочного магнитопровода выбран магнетик со сравнительно низкой температурой точки Кюри, высокой индукцией насыщения, малыми потерями на перемагничивание в слабых полях, низким эффектом Баркхаузена при высокой магнитной проницаемости с резким ее спадом вблизи температуры Кюри, локальный местный перегрев (Т > Т_к) индуцирует виртуальный зазор. Виртуальный зазор малоразмерная область, в которой нарушена магнитная проводимость однородного материала непрерывно-замкнутого магнитопровода.

Поскольку подача электрического сигнала записи на обмотку 2 наводит магнитное поле, замкнутые силовые линии которого концентрируются в магнитопроводе, принудительное локальное нарушение проводимости последнего способствует "вылету" силовых линий в близко расположенный магнитный носитель.

В результате формирования магнитных доменов в "информационный след" движущегося носителя при неподвижном виртуальном зазоре имеет место продольная однодорожечная запись.

Изменение формата записи на наклонно-строчный и поперечно-строчный достижимо сканированием виртуального зазора по рабочему участку магнитопровода, ребро которого параллельно плоскости носителя (магнитного слоя). Последний находится на малом удалении, а чаще в непосредственном контакте с ребром и краевым торцом подложки головки.

Сканирование развертка луча лазерного диода осуществляется оптоэлектронным способом включением в требуемом режиме (возможно также использование электрооптических и основанных на иных принципах дефлекторов). Синхронизация модулирования источника излучения и работы ПАВ-резонатора осуществляется ИС автотрекинг-контроллера. Частота встречно-штыревого резонатора выбирается на основе расчета акустооптических характеристик дефлектора, периода решетки резонатора. Последний определяет период и длину звуковой волны, которая должна быть сопоставима с длиной волны излучения, т.е. около 0,8-1,6 мкм, что соответствует частоте возбуждения 500-1000 МГц. Полоса частот резонатора выбирается с учетом необходимой девиации для требуемого угла отклонения дифрагированного лазерного луча.

Режим считывания. Процессы в оптоэлектронной части головки аналогичны процессам при записи с отличием по сигналам синхронизации входа в автотрекинг-контроллер (они идут с носителя). Но электрическая обмотка головки в этом режиме включена на вход внешнего усилителя сигналов воспроизведения и выдает ЭДС индукции от поля информационного следа дорожки носителя.

Общим техническим условием для реализации режимов записи-считывания является ограничение минимального размера лазерного пятна на рабочем участке магнитопровода шириной последнего. Применяемые в качестве фокусирующе-коллими- рующих элементов диффузионные оптические элементы 5, 6 обеспечивают диаметр пятна или ширину эллипса от 1 до 10 мкм (в зависимости от указанной ширины магнитопровода). Возможности технологии диффузионных оптических элементов (водородный обмен через маску для ниобата лития) обеспечивают ступенчатое изменение относительного показателя преломления для необыкновенной волны dNe 0,12; для обыкновенной dNe 0,04. Для введения излучения полупроводникового лазера в волноводный слой может быть применен один из широко известных методов, например торцовый, дифракционный или др.

Оценка технических характеристик способа записи-считывания информации и головка с переменным виртуальным зазором (ГПВЗ) при физико-математическом моделировании рабочего процесса экспериментальной системы ЕНИЛ-Н подтверждают ее работоспособность и повышенную эффективность. Достигаемая высокая плотность субмикронных строчек от 1000 до 10000 стр/мм, определяемая малой толщиной пленочного магнитопровода (0,1-1 мкм), позволяет получить для 1 мкм рабочей зоны виртуального зазора поверхностную плотность до 10 Мбит/мм², обеспечивая информационный объем стандартной сигналограммы в UHS-кассете более 10 Тбит (10.000.000.000.000 бит). Скорость сканирования виртуального зазора может достигать 1000 м/с (с учетом теплового обращения при фактическом отсутствии износа ленты и головки), определяя очень высокую скорость информационного потока (до 500 Мбит/с), не достижимую для других способов развертки. Поскольку скоростной локальный разогрев и требуемое сканирование теплового пятна осуществляются полупроводниковым лазером с применением акустооптического дефлектора, а линейная оптика выполнена по диффузионной планарной технологии в интегральном пьезоэлектрическом планарном световоде, то имеет место сочетание новых функциональных возможностей устройства с его высокой технологичностью. ГПВЗ снабжена однокристальной микросхемой, являющейся автотрекинг-контроллером, который управляет резонатором дефлектора, обеспечивающим развертку сканирование зазора по строчкам движущегося в прямом и обратном направлениях носителя и при остановке последнего. Эти особенности ЕНИЛ-Н в сочетании с общей невысокой стоимостью ЗУ предлагаемой системы позволяют получить перспективное техническое средство цифровой регистрации видеоинформации для массовых систем и cистем цифровой записи телевидения высокой четкости. Рассчитанная на использование широко имеющихся стандартных магнитных носителей, обладая высокими конструктивно-эксплуатационными и стоимостными характеристиками, предлагаемая система предназначена для применения во внешних ЗУ сверхбольшого объема с произвольным доступом в режиме блочной адресации с заданным форматом, в архивной памяти. Использование основного принципа системы перспективно для создания дисковых накопителей информации с повышенной плотностью строк, требуемым качеством слежения за ним и сверхбыстрым произвольным доступом, а также других устройств, которые по отмеченным параметрам могут превысить оптические и магнитооптические дисковые устройства записи-хранения-считывания информации. Это достигается использованием основного принципа головки, который снимает некоторое пространственное дифракционное ограничение, свойственное прямым оптическим системам.

Ниже приведена таблица основных показателей современных международных стандартов и системы ЕНИЛ-Н (предполагаемое обозначение стандарта и товарного знака).

Использование: в устройствах записи-хранения-считывания информации, используемых в вычислительной технике, профессиональной и бытовой аудиовидеоаппаратуре, системах двустороннего кабельного телевидения с регенерацией видеоинформации. Сущность изобретения: способ состоит в осуществлении комбинированного физического воздействия на замкнутый тонкопленочный магнитопровод универсальной головки, находящейся в контакте с носителем по всей ширине последнего. Возникающий в результате локального термомагнитного обратимого нарушения магнитопроводности виртуальный зазор на узком рабочем участке магнитопровода позволяет с сильной концентрацией осуществлять запись-считывание информации способом обычной магнитной записи (воспроизведения). Оптоэлектронное позиционирование и сканирование виртуального зазора (развертка по строкам) производится без механического перемещения головки. Головка с переменным виртуальным зазором (ГПВЗ), изготавливаемая по интегральной планарной технологии, содержит помимо магнитопровода электрическую обмотку, полупроводниковый лазерный диод, планарный световод с акустическим дефлектром и оптическими планарными элементами, однокристальную схему автотрекинга, объединенные на одной подложке. Режимы работы, реализуемые ГПВЗ, позволяют достичь поверхностной плотности цифровой магнитной записи 10 Мбит/кв. мм при информационном объеме на сигналограммы YHS-кассете более 1 Тбайт и скорости до 1 Гбит/с, определяя перспективность системы ЕНИЛ-Н для видеозаписи сигналов телевидения высокой четкости, для внешних запоминающих устройств сверхбольшой емкости архивной памяти на распространенных магнитных носителях, для аппаратов цифровой аудиовидеозаписи (возможно многоканальной) с высокими технико-технологическими и эксплуатационными характеристиками. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

1. Способ записи-считывания информации на магнитном носителе, заключающийся в воздействии направленным электромагнитным излучением на магнитный материал с образованием локального обратимого нарушения магнитопроводности и взаимодействии полей головки записи-считывания и зон намагниченности носителя, отличающийся тем, что направленным электромагнитным излучением воздействуют на рабочий участок замкнуто-непрерывного тонкопленочного магнитопровода, обращенный ребром к носителю, с образованием немеханического виртуального зазора в виде локального обратимого нарушения магнитопроводности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что индуцируемый виртуальный зазор сканируют по рабочему участку тонкопленочного магнитопровода головки параллельно поверхности магнитного носителя. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что производят оптоэлектронное измерение направленности и интенсивности электромагнитного излучения. 4. Головка для записи-считывания информации на магнитном носителе, содержащая магнитопровод, один участок которого охвачен электрической обмоткой, а другой рабочий участок обращен к магнитному носителю, источник электромагнитного излучения, отличающаяся тем, что магнитопровод выполнен замкнуто-непрерывным из материала с ярко выраженным термомагнитным эффектом в виде тонкопленочной рамки на немагнитном основании-подложке, на краю которого расположено ребро рабочего участка магнитопровода, обращенное к магнитному носителю, источник электромагнитного излучения установлен у другого края основания-подложки и соединен волноводом с рабочим участком магнитопровода. 5. Головка по п.4, отличающаяся тем, что в волновод введены фокусирующий и сканирующий элементы, ширина волновода в зоне его контакта с рабочим участком магнитопровода не меньше длины этого участка и ширины магнитного носителя, а в качестве источника электромагнитного излучения использован модулируемый лазерный диод. 6. Головка по п.5, отличающаяся тем, что введен контроллер автотрекинга, выходы которого подключены к электрической обмотке, модулируемому лазерному диоду и сканирующему элементу, в качестве которого использован акустооптический дефлектор.