磨損測量計及使用方法
2023-06-09 06:24:21
專利名稱：磨損測量計及使用方法
技術領域：
本發明涉及磨損測量計，尤其涉及用於測量磁帶記錄系統中磁頭磨損的磨損測量計，以及涉及測量磁頭接觸壓力分布和磨損的方法。
背景技術：
在磁性記錄系統中，磁頭和記錄介質之間機械相互作用是決定該系統的性能和可靠性的一個重要因素。理想地，磁頭與移動的記錄介質接觸或準接觸以使讀/寫過程最優化。磁頭/介質界面處的接觸導致了作為影響磁頭和介質的性能與壽命的主要因素的磨損。
在磁帶和磁碟記錄系統中，人們已經做了很大的努力來確定與記錄介質接觸的磁頭材料的耐磨性。隨著記錄密度的增加，對磁頭磨損特性的了解變得越來越重要，因為即使磁頭表面非常小的尺寸變化都能產生記錄系統性能的降低。
一種用來確定磁頭磨損的通用方法是，在與移動磁性介質的運轉接觸中運行磁頭一段持續時間。例如，美國專利4,091,654揭示了一種測試記錄頭磨損的方法。根據這一發明，在與記錄表面進行給定量的接觸之前和之後，通過利用光纖發射器/檢測器來測量從磁頭表面反射的光線，從而測量由拋光鋼或其他材料製成的模擬磁頭的光滑度。然而，這類測試不能測量出磨損率或分辨出磁頭上的具體磨損範圍。
美國專利3,753,093揭示了一種用來確定與移動磁帶接觸的模擬記錄頭的磨損率的裝置。與磁帶接觸的模擬頭的表面在其上沉積有與實際記錄頭的合金類似的磁性合金條。在磁帶運轉操作過程中，磁性合金條電阻的增加被監視，以測量磁性合金條的磨損率。這類的測試要求複雜的過程來沉積磁性合金條和電接觸，並且不提供微觀磨損分布的有效測量。
對於提供簡單而廉價的工具來評估在磁性記錄系統中磁頭磨損和磁頭/介質配合性的磨損測量計和使用方法有著持續的需求。本發明提供了一種改進的磨損測量計及使用方法來滿足這一需求。
發明內容
依照本發明的原理，揭示了用來在磁性記錄頭與磁性存儲介質的界面處模擬磁性記錄頭的磨損的一種磨損測量計，這種磨損測量計包含一個其磨損表面基本接近磁性記錄頭的工作表面的幾何尺寸和輪廓的磨損測量塊，其中，磨損表面有一層具有適當磨損特性的透明材料塗層。
揭示了一種測試磨損測量計的磨損的方法，該磨損測量計在記錄頭與磁性記錄介質界面處模擬磁性記錄頭。該測試方法包括在測試固定架上安裝具有磨損表面的磨損測量計；安置磁帶並在磨損表面邊緣處調整包角(wrap angle)及外包角(overwrap angle)；選擇期望的磁帶張力，速度和運行時間；在與磨損表面運轉接觸的狀態下最好單向地運行磁帶一段該期望運行時間；在白色光線照明下檢查磨損表面；記錄觀測到的磨損表面上幹涉測量顏色變化的位置；將顏色變化轉換成磨損表面上透明塗層的厚度變化；根據需要運行表面光度儀掃描穿過磨損表面。
上述的以及附加的本發明的目的，特性及優點將會在下面的描述中變得更加清晰。
為了能更充分地了解本發明的特性和優點，以及最優使用方式，應該參照隨後的結合附圖一起閱讀的詳細描述。在下面的圖示中，類似附圖標記在所有圖示中指示同類或相似部件圖1是一個不按比例的由本發明的磨損測量計的實施例所模擬的雙向扁平輪廓讀/寫磁帶記錄頭的端視圖；圖2是一個不按比例的描述磁帶與圖1中扁平輪廓記錄頭的傳感表面的分離的端視圖；圖3a是一個不按比例的與磁帶記錄系統一起使用的本發明的磨損測量計實施例的透視圖；
圖3b是一個不按比例的圖3a中磨損測量計的端視圖，其顯示了磁帶與測量計的接觸；圖4是一個顯示利用本發明的磨損測量計進行磨損測試的方法的示意圖；圖5是與磁帶相互作用後，用白色光線觀察的本發明磨損測量計的頂面的視圖；圖6是與磁帶相互作用後，圖5中磨損測量計的頂面的表面光度儀的掃描；圖7a-c是在第一種方法的各個製造階段本發明的磨損測量計的不按比例的透視圖；而圖8a-d是在本發明的磨損測量計的利用第二種方法的各個製造步驟中晶片的不按比例的頂視圖和側視圖。
具體實施例方式
圖1圖示了現有技術的雙向邊讀邊寫(read-while-write)扁平輪廓磁帶記錄頭100。由抗磨損材料，例如通常用於磁碟驅動器磁頭的襯底陶瓷組成的行條(rowbar)襯底102和104，被安裝在彼此以一個小角度α固定的載體105和106中。陶瓷行條襯底102和104配有平坦傳感表面108和110，以及位於間隙112和114表面處的一行傳感器。連接電纜116和118將傳感器連接到相關的磁帶驅動器讀/寫通道。為控制邊緣122和124處磁帶120的外包角θ，提供以期望包角搭接的支架126和128。進到平坦傳感表面的包角通常在1/8度和4.5度之間。各行傳感器由使用與行條襯底102和104相同或相似的陶瓷製成的擋板來保護。
圖2圖示了圖1中扁平輪廓頭100的平坦傳感表面108。當磁帶120在平坦傳感表面108上由左至右或由右至左移動時，磁帶與傳感表面的分離在表面的不同區域是不同的。在邊緣122和222處，外包角導致磁帶彎曲以順應在其中磁帶與邊緣122和222接觸的窄「壓縮區」204中的平坦傳感表面，壓縮區具有約0.1-10微米的有效長度，提高到高於磁頭壽命的15-45微米。通過從移動磁帶表面切碎(scraping)(切薄(skiving))空氣，在磁帶和平坦傳感表面之間形成真空，使磁帶與傳感表面保持接觸；然而，外包(overwrap)造成的記錄磁帶的彎曲導致磁帶在「傘區(canopy zone)」206與傳感表面分離一段由包角，磁帶厚度和磁帶張力及速度決定的距離。對於磁帶張力和磁帶厚度的典型值及在1/2-2度的範圍內的包角，傘區距離在20-200微米範圍內。在「釘扎區(tack-down zone)」208，磁帶與傳感表面之間的真空足以克服這個分離，這樣磁帶120與平坦傳感表面108接觸或準接觸。在扁平輪廓頭100中，傳感器被置於其中磁帶處於接觸或準接觸狀態的釘扎區208內的間隙112和114處。
圖3a是一個磨損測量計300的實施例的透視圖，其適於模擬和測量圖1和圖2中所示類型的扁平輪廓磁頭100的磁帶-磁頭接觸壓力分布及磁頭表面磨損。作為在不同區域中磁帶與傳感表面分離的變化的結果，接觸壓力分布和導致的傳感表面108的磨損在表面上有變化。磨損測量計300的使用提供了一個簡單的手段來測量這種非均勻磨損，並且獲得在這種複雜磨損情況下的接觸壓力分布。
磨損測量計300是一個虛擬扁平輪廓磁頭，其包含具有磨損表面302和空氣削薄邊緣304和306的磨損測量塊301。磨損測量計是由硬的抗磨損材料，最好是用作磁記錄頭襯底的陶瓷AlTiC製成。虛擬磁頭的磨損表面302具有與磁頭100的傳感表面(作用面或工作面)108基本相同的尺寸和邊緣幾何形。表面302具有厚度範圍為50-250nm、最好為SiO2的透明材料的塗層308。或者，可以使用其他的透明塗層，包括但不限於Al2O3，非晶炭和藍寶石。透明塗層材料最好選擇成磨損比工作面更快的材料。通過觀察從塗層的前、後表面反射的光線的光學幹涉，或通過在所選表面區域上進行表面光度測量，測量出磁帶導致的磨損所造成的塗層308的厚度變化。
圖3b圖示了測試固定架320，其顯示安裝於固定架322上的磨損測量計300(磁帶324與測量計接觸)的端視圖。磁帶被顯示為在有塗層的磨損表面302上從左至右(由箭頭326所示)移動。磁帶從右至左的移動也可使用，也可使用雙向運動。通過現有技術已知的手段，外包角θ被控制為1/8到4.5度範圍內的一個精確固定的值，最好是1度。
雖然在這個實施例中所描述的磨損測量計被設計成模擬扁平輪廓磁頭的磨損，然而依據本發明原理的磨損測量計可以被設計成具有浮雕圖形狀(contoured)的磨損表面來模擬浮雕圖形狀的磁頭。除了磨損表面302不是平坦的之外，模擬具有圓柱輪廓傳感表面的磁頭的磨損測量計與磨損測量計300相同，該磨損表面具有圓柱輪廓，該圓柱輪廓在磁帶移動經過磁頭的方向具有曲率。在平坦磨損表面的情況下，浮雕圖形狀的磨損表面具有透明材料的薄塗層308。或者，根據本發明原理的磨損測量計也可以製成為模擬與移動磁帶機械接觸的其他元件的磨損，包括但不限於輥子和導杆。用於模擬其他元件的磨損的合適磨損測量計可通過在與移動磁帶接觸的元件的工作面上提供一個透明材料的薄塗層來製成。
根據本發明實施例的測試方法400在圖4中示意圖解。該測試包括在測試固定架320上安裝磨損測量計300(步驟410)，相對於磨損表面302地定位磁帶324，使得邊緣304和306處的外包角θ精確為1度(步驟420)，設置期望磁帶張力，速度和運行時間(步驟430)，以及在一個方向以期望張力和速度運行磁帶一段固定的時間段(步驟440)，最好大約是10個小時或更多。在持續若干小時的運行時間進行磁帶的單向運動可以由幾種方法實現。對於利用具有有限磁帶長度的磁帶盒的測試，磁帶運行到期望停止位置，磁帶停止並且磁頭退回，以及磁帶倒帶並再次停止。磁頭與磁帶重新接觸並且磁帶開始運行。這一過程一直重複到累計了足夠的單向運行時間。或者，不是為倒帶而退回磁頭以使其與磁帶脫離，而是利用可移動的輥子或空氣壓力，可以將磁帶抬離磁頭。另一種可選的測試方法是利用循環磁帶環來運行磨損測試。這種方法的不足之處是需要準備適合的用來做磨損測試的各磁帶類型的環，並且在開始的幾百次循環中磁帶的耐磨性迅速降低。
在測試運行周期的終點，接觸印記和磨損率由在磨損表面302上的SiO2塗層308的厚度變化顯示出來。在入射在塗層308的白色光線照明下，以相對低的放大率觀察磨損表面302(步驟450)。根據由於從塗層的頂面反射的光線以及穿過塗層傳播並且從磨損表面302反射的光線的幹涉效應而產生的顏色變化，觀察和定位塗層的厚度變化(步驟460)。最好使用準垂直入射到磨損表面的平面的光線來照明，因為穿過塗層的光線的光程僅是塗層厚度的兩倍。對於垂直入射，從厚度為t的塗層的背面反射的光線的延遲為2nt，其中n是塗層的折射率。
因為塗層308的折射率為已知或可以測量出的，利用本領域熟知的薄膜幹涉理論的考慮，顏色變化可以容易地轉換成塗層的厚度變化(步驟470)。在進行由觀察到的顏色到塗層厚度的轉換時，必須考慮在入射白色光線的不同光譜分量上的相長幹涉和相消幹涉效應。對於其折射率小於襯底材料的折射率的塗層，相消幹涉的條件是延遲2nt＝λ/2，其中λ是光線的光譜分量在空氣中的波長。對於相長幹涉，條件是2nt＝λ。針對一種特定的塗層，例如SiO2，以及用來檢查磨損測量計的照明條件，可以產生一個顯示反射光線的觀察顏色的圖表，它是塗層厚度的函數。磨損表面上產生反射光線的幹涉色的位置的測量提供一個由於磨損而產生的塗層厚度變化的映射。或者，可以使用單色照明進行檢查，從而觀察到由於塗層厚度變化而導致的相長和相消幹涉區域，然而由於使用單波長入射光，對厚度變化的敏感度下降。在磨損表面302的所選擇的區域上使用本領域已知的市售光度儀進行表面光度測量，以提供塗層308的幹涉測量導出的磨損的定量證實(步驟480)。或者，通過首先用本領域已知的金薄膜覆蓋表面(覆金(goldflashing))，可以進行磨損表面上塗層的光學表面光度儀測量。
圖5是在白色光線照明下磨損測量計的磨損表面的彩色視圖的黑白呈現，其描繪了利用磁帶介質進行磨損測試後塗層308的厚度變化。該測試所使用的磨損測量計是一個具有傳感表面的磁帶記錄磁頭的行條(rowbar)，該傳感表面具有厚度接近75nm的SiO2塗層。由箭頭501所示，磁帶運動方向是從左至右。窄亮帶502顯示了磨損測量計的磨損表面的邊緣304和306處的磨損，該邊緣處出現表面處的磁帶包覆(tap overwrap)。亮帶503是由形成陶瓷行條襯底(圖1)的傳感表面上的間隙的氧化鋁導致的。對應於前面參照圖2討論的傘區206中的低接觸壓力的區域512和514在彩色視圖下呈現藍色。這些區域中的低接觸壓力是由於傘區中磁帶與傳感表面的分離而導致的，其中由抵抗磁帶包覆所強加的彎曲的磁帶剛性導致所述傘區。對應於釘扎區中的較高接觸壓力的寬區域516在彩色視圖中呈現深紅色。在低接觸壓力區域512和514與高接觸壓力區域516之間的轉變區域中，可以看到表現為在白色光線檢查下的細微顏色改變的塗層厚度漸變。顏色的每個變化均對應於塗層的厚度變化，從而容許利用視覺檢查來進行磨損量化。
圖6顯示了在圖5所示的磨損測量計的磨損表面上測量的示範表面光度儀跡線。由箭頭601所示，磁帶運動方向是從左至右的。圖6中，輪廓跡線(profile trace)的左和右邊緣處的嚴重磨損610相應於其中出現磁帶包覆的高接觸壓力區域。輪廓跡線中的凸峰612和614對應於前面參照圖2討論的傘區206中的低接觸壓力，其中傘區中磁帶與傳感表面的分離是由抵抗磁帶包覆所強制的彎曲的磁帶剛性導致的。從凸峰612的頂部向對應於釘扎區208(見圖2)的寬中央區域616而測量得到的SiO2塗層的厚度漸減(接近10nm)可以被觀察為顏色漸變，該顏色變化是由在白色光線照明下的磨損測量計檢查期間如上所述的幹涉效應導致的。
圖6的表面光度儀跡線可以與圖5所示的白色光線照明下磨損表面的彩色視圖結合使用，以將磨損的塗層的觀察顏色與磨損表面上相同位置處塗層的測量厚度關聯起來。對於用於磨損表面上的特定塗層材料，校準圖或表可以通過對比觀察顏色和塗層厚度來產生。如果在製造磨損測量計中使用恆定的得到良好控制的塗層厚度，則可以生成對比塗層顏色對磨損量的參考圖表。參考後面的校準表允許根據觀察的顏色直接確定未來磨損測量計測試的定量塗層磨損。
由於SiO2塗層的硬度比典型磁頭的磨損表面硬度小，本發明的磨損測量計的使用提供了一個加速的磨損測試。具有僅僅幾個小時持續時間的磨損測試模擬了在磁帶記錄系統中實際磁頭的長得多的運行時間的效果。當使用不同的磁帶和不同的運行條件，例如磁帶速度和磁帶張力，運行磁頭磨損比較測試時，該加速測試通常是非常期望的。
當運行加速測試時，具備一種在相同操作條件下用實際磁頭磨損校準加速測試的方法是有用的。參考圖3b，可以通過在帶塗層的磨損塊301上運行磁帶一段時間t1而得到這種校準，此時塗層302在邊緣304處剛好磨穿並且磁帶接觸到磨損塊材料。這一點可以通過電流表將襯底接地而檢測到。當磁帶穿透絕緣塗層時，有小摩擦電流流動。第二個測試在未帶塗層的磨損塊上執行，並測量在未帶塗改的邊緣304處發生同等磨損量的時間t2。未帶塗層和帶塗層磨損塊的邊緣磨損時間的比值t2/t1給出被應用於帶塗層磨損表面上的所有磨損的加速係數。
參考圖7a-c可以理解製作磨損測量計300的第一種方法。陶瓷(AlTiC)晶片被切割以形成直線條(四方部分)702，其在與磁帶運動垂直的方向上具有通常比磨損測量計的期望長度更大的寬度704。窄槽705被切割成與四方部分702的端面706垂直。四方部分的端面706被研磨並拋光以形成粗糙度最好在範圍1-4nm內的平坦磨損表面708。平行於磨損表面708的平面的一行切片709將磨損測量計710塊與四方部分702分開。研磨操作磨掉不需要的材料711並形成磨損測量計的空氣切削邊緣712。之後條被切割成期望的長度。透明材料的塗層714通過真空沉積處理，例如濺射沉積，在磨損表面708上形成以完成磨損測量塊。
參考圖8a-d可以理解製作磨損測量計300的第二種方法。由AlTiC的毛坯晶片802開始，槽804被切割以形成寬度最好在範圍500-1000微米內並且彼此隔開1-3mm的高臺806。晶片的頂面808接著被拋光以在高臺806上提供粗糙度約為2nm的平坦磨損表面810。接著晶片被沿著槽804的中心809切片以形成具有圖8d所示剖面的條。這些條然後被切片成具有用於磨損測量計的期望長度的磨損塊811。接著透明材料的塗層812被真空沉積到磨損表面810上從而完成製作過程。這一製作方法是一種非常適合大量生產用於磁帶工業的標準磨損測量計的低成本批處理方法。
雖然本發明以最優實施例為參考得以詳細地示出及描述，然而本領域技術人員可以理解，在不脫離本發明的實質，範圍和教導的情況下可以在形式和細節上做不同的改變。因此，所揭示的發明僅僅被認為是說明性，並且僅由所附權利要求書來限定。
權利要求
1.一種用於模擬磁性記錄元件在其與磁性儲存介質的界面處的工作面上的磨損的設備，所述設備包括具有基本接近磁性記錄元件的工作表面的幾何尺寸和輪廓的磨損表面的磨損測量塊；以及在所述磨損表面上的透明材料的塗層，所述塗層具有以一個厚度分隔的前表面和後表面，該厚度導致從前表面反射的入射可見光與從後表面反射的光的幹涉。
2.根據權利要求1的設備，其中磨損表面是平坦表面。
3.根據權利要求1的設備，其中磨損表面是在存儲介質運動方向具有曲率的圓柱形表面。
4.根據權利要求1的設備，其中塗層由SiO2製成。
5.根據權利要求1的設備，其中從包含SiO2，Al2O3，非晶碳以及藍寶石的材料組中選擇塗層。
6.根據權利要求1的設備，其中塗層具有在50-250nm範圍內的厚度。
7.一種用於模擬磁記錄頭在其與磁性儲存介質的界面處的磨損的設備，所述設備包括具有基本接近磁記錄頭的工作表面的幾何尺寸和輪廓的磨損表面的磨損測量塊；以及在所述磨損表面上的透明材料的塗層，所述塗層具有以一個厚度分隔的前表面和後表面，該厚度導致從前表面反射的入射可見光與從後表面反射的光的幹涉。
8.根據權利要求7的設備，其中磨損表面是平坦表面。
9.根據權利要求7的設備，其中磨損表面是在存儲介質運動方向具有曲率的圓柱形表面。
10.根據權利要求7的設備，其中塗層由SiO2製成。
11.根據權利要求7的設備，其中從包含SiO2，Al2O3，非晶碳以及藍寶石的材料組中選擇塗層。
12.根據權利要求7的設備，其中塗層具有在50-250nm範圍內的厚度。
13.一種製造用於模擬磁記錄頭在其與磁性存儲介質的界面處的磨損的設備的方法，該方法包括製造具有基本接近磁記錄頭的傳感表面的幾何尺寸，輪廓和表面光潔度的磨損表面的磨損測量塊；以及在所述磨損表面上沉積透明材料的塗層，所述塗層具有以一個厚度分隔的前表面和後表面，該厚度導致從前表面反射的入射可見光與從後表面反射的光的幹涉。
14.根據權利要求13的方法，其中磨損表面是平坦表面。
15.根據權利要求13的方法，其中磨損表面是在存儲介質運動方向具有曲率的圓柱形表面。
16.根據權利要求13的方法，其中塗層由SiO2製成。
17.根據權利要求13的方法，其中從包含SiO2，Al2O3，非晶碳以及藍寶石的材料組中選擇塗層。
18.根據權利要求13的方法，其中塗層具有在50-250nm範圍內的厚度。
19.一種測試磨損測量計的磨損的方法，該磨損測量計模擬磁記錄頭在其與磁性存儲介質的界面處的磨損，該方法包括在測試固定架上安裝包括具有第一和第二邊緣的磨損表面的磨損測量計；安置磁帶並調整在第一和第二邊緣處的外包角；選擇磁帶張力，速度和運行時間；在與磨損表面運轉接觸的狀態下運行磁帶一段所選的運行時間；在白色光線照明下檢查磨損表面；記錄在磨損表面上觀察到的幹涉測量顏色變化的位置；以及將顏色變化轉換成磨損表面上透明塗層的厚度變化。
20.根據權利要求19的方法，進一步包括在磨損表面上進行表面光度儀掃描。
21.根據權利要求19的方法，其中外包角為1度。
22.根據權利要求19的方法，其中從包含SiO2，Al2O3，非晶碳以及藍寶石的材料組中選擇塗層。
23.根據權利要求19的方法，其中塗層具有在50-250nm範圍內的厚度。
24.根據權利要求19的方法，其中白色光線照明垂直入射到磨損表面。
25.根據權利要求19的方法，其中磁帶單向運行經過磨損表面。
26.一種製造磨損測量計的方法，包括獲得襯底晶片；在晶片的頂面切割平行的均勻間隔的槽，以產生均勻間隔的高臺；拋光晶片的頂面以提供高臺上的平坦磨損表面；沿槽中心切片晶片以形成條；將條切割為期望長度；以及在磨損表面上沉積透明材料的塗層。
27.根據權利要求26的方法，其中從包含SiO2，Al2O3，非晶碳以及藍寶石的材料組中選擇塗層。
28.根據權利要求26的方法，其中塗層具有在50-250nm範圍內的厚度。
29.根據權利要求26的方法，其中襯底晶片由AlTiC製成。
30.一種製造磨損測量計的方法，包括獲得襯底晶片；切割晶片以形成直線條；在條的端面切割出兩個平行的間隔的槽，所述槽與條的表面垂直；研磨並拋光條的端面；與端面平行地對條進行切片；去掉端面中平行間隔的槽之外的不需要材料；以及在端面上沉積透明材料的塗層。
31.根據權利要求30的方法，其中從包含SiO2，Al2O3，非晶碳以及藍寶石的材料組中選擇塗層。
32.根據權利要求30的方法，其中塗層具有在50-250nm範圍內的厚度。
33.根據權利要求30的方法，其中襯底晶片由AlTiC製成。
34.一種模擬系統元件在其與研磨介質的界面處的工作面上的磨損的設備，所述設備包括具有基本接近系統元件的工作面的幾何尺寸，輪廓和表面光潔度的磨損表面的磨損測量塊；以及在所述磨損表面上的透明材料的塗層，所述塗層具有以一個範圍內的厚度分隔的前表面和後表面，該厚度適合引起從前表面反射的入射可見光與從後表面反射的光的幹涉。
全文摘要
提供磨損測量計以模擬磁性記錄元件在其與磁性儲存介質的界面處的磨損，包括其磨損表面基本接近磁性記錄元件的工作表面的幾何尺寸和輪廓的磨損測量塊，其中，磨損表面具有一個透明材料塗層。測試方法包括在測試固定架上安裝磨損測量計，安置磁帶及調節磨損表面邊緣處的外包角，選擇期望的磁帶張力，速度和運行時間，在與磨損表面運轉接觸的狀態下最好單向地運行磁帶一段期望的運行時間。在白色光線照明下檢查磨損表面來觀測並記錄磨損表面上幹涉測量顏色變化的位置。顏色變化與磨損表面上透明塗層的厚度變化相關聯。
文檔編號G01N21/45GK1715861SQ200510065768
公開日2006年1月4日 申請日期2005年4月15日 優先權日2004年6月29日
發明者羅伯特·比斯克伯恩, 梁穎 申請人:國際商業機器公司