在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷金鋼石類碳的方法及裝置的製作方法

2023-05-03 17:38:41 3

專利名稱：：在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷金鋼石類碳的方法及裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷金鋼石類碳(di-amond-likecarbon)的方法及裝置，特別是一種通過物理蒸汽沉積弧方法(physicalvapordeposition-arcmethod)在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷金鋼石類碳的方法及裝置。在現有技術中，在製作錄像機磁頭時，先用環氧樹脂塗層將一種底材固定到一種韌皮纖維(bass)基體上，再用一種強粘合劑將鐵氧體粘附到其端部，然後對鐵氧體進行研磨。這種磁頭是一臺錄像機的核心部件，它用來記錄或重現圖象信號，其壽命只不過1,000小時左右。為了延長鐵氧體的壽命，人們設想了各種各樣的技術方案，其中之一便是將一種金鋼石類碳塗敷到鐵氧體表面上，以便使之具有更高的耐磨性能。錄像機的磁頭鼓包括一個用來將圖像信號記錄在一個磁帶上，或者對所記錄的圖像信號進行重放的磁頭，一個用來將磁頭保持在一預定高度上的上磁鼓，以及一個用來支撐上磁鼓旋轉以及起導帶作用的下磁鼓。磁頭鼓驅動錄像帶高速運動，它應當具有耐磨性及平滑性，以便維持高速驅動並對磁帶進行保護。與近來高解析度電視機的發展趨勢相一致，對具有高性能及高功能的磁頭鼓的需求也在增加。傳統的錄像機磁頭鼓在製造過程中需經過鍛鋁之後的熱處理以及後續加工。採用該方法製造的磁頭鼓均勻性差，導致產品降級，其生產過程要經歷多種製造步驟。錄像機磁頭鼓要在以高速驅動金屬帶這樣苛刻的條件下使用，並應具有極好的耐磨性能及極好的平整表面。在傳統技術中採用鋁材，這就大大降低了其耐用性及耐磨性，從而對其應用帶來了限制。作為解決上述問題的一個方案，人們建議了一種方法，即通過化學蒸汽沉積方法，在700℃以上溫度下在鋁製磁頭鼓表面上形成一層金剛石類碳膜。但是，在這種方法中，金剛石類碳膜直接形成於鋁表面上，由於一層Al2O3薄膜會在大氣條件下自然生成，從而導致其附著強度降低。為了提高附著強度，現已公開了在鋁表面上沉積SiC並形成一層金剛石類碳膜這樣一種技術，和一種在鋁磁頭鼓表面上施加CH4氣體或H2氣體的技術，以及一種使用A1N、B4C、Si3N4、SiO2等物質的技術，但所有這些均未獲得令人滿意的效果。金剛石類碳膜是一種無定形固相膜，它具有硬度、耐磨性、潤滑性、電絕緣性、化學穩定性以及光學方面的良好性能。近來，膜相金剛石(filmphase-diamond)合成技術已有很大發展，其應用也在迅速擴大。將該技術應用於錄像機磁頭及磁頭鼓的研究工作正在進行，以提高驅動安全性、耐磨性以及從其上去除無關的物質。金剛石類碳膜在高溫條件下化學性能不穩定，因為該碳膜的性質將變得近似於石墨的性質，所以形成薄膜的溫度限定在500℃以下。合成膜的附著強度較差，從而限制了它的應用。由於合成膜具有很高的壓應力，一層薄膜可以阻止膜的破壞，而一層厚膜則存在彎曲問題，因為膜會翹曲，特別是，在高溼度的情況下，翹曲會加速，這就對金剛石類碳膜的使用環境構成了限制。由於塗有金剛石類碳膜的錄像機磁頭及磁頭鼓的製造未能解決上述問題，所以其附著性及耐磨性仍然很差，其使用也受到局限。此外，大規模生產這種磁頭及磁頭鼓的設備也尚不具備。本發明的目的在於解決上述問題。本發明提供了一種通過在錄像機磁頭以及錄像機磁頭鼓表面的鐵氧體基體上形成一層附著輔助層以及一層附著增強層來提高磁頭表面的耐磨性及平坦性的裝置，本發明裝置可以在同一時間塗敷各種材料，從而大大延長了錄像機磁頭及磁頭鼓的壽命，並可在穩定條件下進行大規模生產。為了實現上述目的，本發明包括一種用來將金剛石類碳塗敷在錄像機磁頭及磁頭鼓上的裝置，包括一個真空箱，它包括若干個陰極，它們分別用來蒸發Ar、SiO、Ti以及金剛石類碳，以及一個位於其底部中心處的心軸；以及安裝在真空箱心軸上的上、下支承架以及若干根支承杆，下支承架隨心軸旋轉，支承杆則獨立於心軸轉動。作為本發明的另一方面，提供了一種將金剛石類碳塗敷在錄像機磁頭上的方法，該方法包括以下步驟將磁頭放入真空箱內，使其真空度達到1.5×10-4～1.5×10-6乇，溫度為20～150℃；由一Ar陰極產生Ar+離子，對磁頭表面進行清洗；由一SiO陰極蒸發SiO，以在清洗後的磁頭上形成一層SiO的附著增強層；由Ti陰極蒸發Ti，以在附著增強層上形成一層Ti附著層；以及由金剛石類碳陰極蒸發金剛石類碳，以在Ti附著層上形成一層薄膜。作為本發明的另一個方面，提供了一種將金剛石類碳塗敷在錄像機磁頭鼓上的方法，該方法包括以下步驟將磁頭鼓放入一真空箱內，調整其真空度為1.5×10-4～1.5×10-6乇；由一Ar陰極產生Ar+離子，對磁頭鼓表面進行清洗；由一Ti陰極蒸發Ti，以在清洗後的磁鼓表面上形成一層Ti薄膜；由一SiO陰極蒸發SiO，以在Ti薄膜上形成一層SiO薄膜；由Ti陰極蒸發Ti，以在SiO薄膜上形成一層Ti薄膜；以及由一金剛石類碳陰極蒸發金剛石類碳，以在Ti薄膜上形成一層金剛石類碳膜。用本發明裝置及方法形成的磁頭及磁頭鼓具有良好的耐磨性，因而可延長其壽命，且可在穩定條件下批量生產。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1是本發明的用來在錄像機磁頭及其磁頭鼓上塗敷一層金剛石類碳膜的裝置的透視圖；圖2是本發明裝置的平面圖；圖3是本發明裝置的剖面圖；圖4是本發明中錄像機磁頭鼓的一支承杆在使用時的視圖；圖5是本發明的一種帶有一磁頭支承架的塗敷裝置的剖面圖；圖6是本發明的磁頭支承架的一個透視圖7是本發明的磁頭支承架使用時的一個視圖；以及圖8是依照Auser測量法對錄像機磁頭表面進行元素分析所得的測量值繪製的圖象。下面將參照附圖對用來在錄像機(VCR)磁頭鼓上塗敷一層金剛石類碳膜的裝置及方法作詳細描述。圖1和圖2分別是本發明用來在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷一層金剛石類碳膜的裝置的透視圖及平面視圖。圖3則是本發明裝置的剖面圖，而圖4則是本發明錄像機磁頭鼓的一支承杆在使用時的一幅視圖。本發明裝置包括若干個陰極3、4及5，它們位於真空箱2的內壁上，用於蒸發氬(Ar)、鈦(Ti)以及碳(C)，在真空泵1的作用下，真空箱2處於真空條件下，以便進行塗敷，Ar陰極的四個屏極(target)沿一條直線排布，Ti陰極的二個屏極則面對面排布，C陰極的屏極沿對角線上下布置。一個SiO陰極6自真空箱2的頂部中心向下設置，並與具有許多孔眼的鉬管(Motube)相連接。上述陰極的位置根據被塗鍍的物件的形狀和材料可以有所不同，與一心軸旋轉馬達相連接的心軸7在真空箱2的底部中心處與其相接合。一個下支承架8通過一個可隨心軸7轉動的齒輪與心軸7的上部相連接，若干根支承杆9安置在下支承架8上，支承杆9的下部連接到心軸7上部的齒輪上，這樣，可相對於心軸7及下支承架8獨立旋轉。一個上支承架10可以與支承杆9的上部相結合，以便將支承杆9固定住，且支承架10的中心部是空的，SiO陰極通過該孔被插入，其結合設計成可使支承杆9獨立旋轉。以下的描述涉及本發明裝置的工作情況。在對每個磁頭鼓進行安裝時，應將支承杆9插入磁頭鼓的孔眼中。在磁頭鼓安裝之後，將上支承架10接合到上部，以固定支承杆9。在每個陰極中放入Ar、Ti、SiO及C並操作真空泵1，使真空箱2的內部呈現真空。當通過起動心軸馬達而使心軸7轉動時，下支承架8便隨心軸7的轉動而轉動。與此同時，與下支承架8相連接的支承杆9以及上支承架10也開始轉動。支承杆9的下部與位於心軸7上部的齒輪相連，支承杆9除了隨心軸7旋轉外還繞其軸線迴轉。當通過給所有的陰極施加電力進行熱處理時，蒸發出的材料便在磁頭鼓上形成一層塗層。在本發明的單一塗敷裝置中，在一段很短的時間周期內可對多個磁頭鼓進行塗敷，這有利於大規模生產，而且可以確保生產條件的簡化以及加工時間的縮短。本發明的塗敷方法是在上述裝置中進行的，下面將對之作詳細描述。錄像機磁頭鼓被放置在支承杆9上，而支承杆9由上支承架10固定，將材料分別加注到陰極3、4、5及6中，並使真空箱的真空度達到15×10-4～1.5×10-6。心軸馬達起動後，下支承架8以及連接到下支承架8上的支承杆9相應於心軸7的轉動而轉動。支承杆9連接到心軸7以及齒輪上，它除了隨心軸7旋轉外還繞其軸線轉動。當給Ar陰極加以電力時，Ar+離子將會撞擊磁頭鼓的表面，對磁頭鼓進行10分鐘的衝洗，在切斷Ar陰極的電源之後，通過對Ti陰極施加電力而對磁頭鼓進行2～40分鐘的塗敷，Ti沉積在磁頭鼓的表面上，形成一層厚度為500A～3μm的Ti層。切斷Ti陰極的電源之後，再對SiO陰極施加電力，對之加熱1～30分鐘，在Ti薄層上形成一層厚度為200A～2μm的SiO薄層。當該SiO薄層形成之後，切斷SiO陰極電源，在1～5分鐘的間隔之後，對Ti陰極進行加熱1～30分鐘，在SiO薄層上再形成一層厚度為50A～3000A的Ti薄層。當Ti薄層形成之後切斷Ti陰極的電源。再間隔1～5分鐘，然後對碳陰極施加電力。通過對碳陰極加熱10～120分鐘，在Ti薄膜上將會形成一層厚度為50A～30μm的金剛石類碳(DLC)膜。在這種條件下進行的塗敷工藝可以通過強有力的化學鍵而提高DLC薄膜的附著強度，同時使磁頭鼓具有各種不同的顏色。通過適當設置各陰極的角度，用這種方法塗鍍的錄像機磁頭鼓具有非常均勻的塗層，而且根據SiO及Ti膜的厚度，該磁頭鼓具有從紅到紫各種不同的色彩。現參照以下的實施例對本發明的塗敷方法作詳細說明。將磁頭鼓放入一真空箱內，按照如表1所示的下述條件形成薄膜。表1在上述條件下塗敷過的磁頭鼓經歷耐磨、熱收縮/膨脹、擦傷以及附著強度測試。表2測試內容測試條件1、耐磨耐磨測試是在對磁頭鼓擦洗35分鐘以後進行的，用性20,000#的紙，力分別為40g及80g2、熱收對分層的出現的查驗，第一次是在將溫度升至200℃縮/之後薄膜出現熱膨脹時進行的，第二次是在將溫度膨脹降至室溫時進行的。3、擦傷用最大為100g的力對一0.003～0.008μm的測頭進行性加壓及運動之後對磁頭鼓表面劃痕的情況進行查驗。4、附著將一粘結帶粘附在鐵氧體基體上，然後將帶從其上強度取下，隨後再查看其剝離層的情況。按照表2的測試結果，以及按表1條件形成的磁頭鼓的色彩列於表3中。表3如表3所示，樣品10和11具有極好的耐磨性及潤滑性，導熱性高，不溼潤，而且具有很高的化學穩定性。樣品13的顏色為黃底上的綠色。樣品10及11在所有的方面都極好，它具有藍、紅、綠等不同的色彩，便於識別磁頭鼓是否已塗敷。在本發明錄像機磁頭的附著性方面，附著強化附層及附著輔助層是由SiO及Ti構成的，C12的DLC薄層塗於其上，這樣就增強了附著性及耐磨性等等。此外，本發明沒有採用一種活性氣體來改善附著強度，而且金剛石類碳是在低於常溫下進行塗敷的。這樣，保持了一種不會對鋁磁頭鼓帶來損害的塗敷條件，以進行穩定操作。現參照圖5、6和7，對塗敷錄像機磁頭的裝置及方法進行說明。本發明的塗敷裝置包括位於其側壁上的矩形開口13，以便伸出磁頭末端12，若干個錄像機磁頭11可同時進行塗敷，磁頭支架17上開有一孔眼14，支承杆9通過該孔眼插入。如圖6及圖7所示，塗敷裝置的磁頭支架17裝有若干個磁頭11，放置時應使磁頭末端12從矩形孔13中伸出。支承杆9很平滑地插進磁頭支架17的開口14和磁頭11基體部的孔眼。將若干個磁頭支架17插入支承杆9，上支承架10與支承杆9的上部相接合，以便將支承杆9固定住。在對各陰極裝填Ar、Ti、SiO以及金剛石類碳之後，操作真空泵1，將真空箱2的內部抽真空。如果在心軸馬達(未示出)的帶動下心軸7發生轉動，在心軸7的旋轉作用下下支承架8發生轉動，與下支承架以及上支承架10相連接的支承杆9除隨下支承架8旋轉外，自身也產生轉動。支承杆9的下端齒輪與心軸7的上端齒輪相連接時，應使支承杆9可繞其軸線旋轉，而獨立於心軸7。當對Ar陰極3施加電力及熱量時，產生的Ar+撞擊旋轉著的磁頭表面從而對磁頭表面進行衝洗，由此來清洗該磁頭表面。在清洗之後，即將Ar陰極的電源切斷，並對SiO陰極6加熱，使SiO蒸發，蒸發後的SiO通過鉬管的孔眼而在磁頭表面上形成一層SiO塗層。當SiO塗敷完成之後，將SiO陰極的電源切斷，再對Ti陰極4進行加熱，以便使Ti蒸發。蒸發後的Ti在形成於磁頭表面上的SiO層上形成一層Ti塗層。然後再將Ti陰極的電源切斷，對碳陰極5進行加熱，使C蒸發，蒸發後的碳在磁頭表面的Ti塗層上形成一層金剛石類碳(DLC)膜，從而完成DLC的塗敷過程。通過將Ti陰極的屏極設置成相互對置以及將Ar陰極四個屏極沿直線排布，改善了清洗及塗敷效果。在SiO陰極鉬管上開出若干孔眼，其目的是為了在磁頭表面獲得一個平坦的塗層，碳陰極的屏極沿對角線設置於箱的上、下端，以便獲得最大的離子噴塗角和塗層的範圍。在本發明的單一塗敷裝置中，可以在很矩的時間周期內對若干個磁頭進行有效的塗敷，這樣就為大規模的生產提供了便利，而且減少了作業時間，簡化了裝備。現對本發明的塗敷方法進行說明。將材料填裝在各陰極3、4、5及6中，將真空箱內部在20℃～150℃溫度下抽成1.5×10-4～1.5×10-6乇真空。通過心軸馬達使心軸7轉動時，與上、下支承架相連的支承杆9除了隨心軸7轉動之外，還繞其軸線旋轉。通過對Ar陰極施加熱量，Ar+離子衝擊磁頭表面，對磁頭表面洗滌2～20分鐘。切斷Ar陰極的電源，並對SiO陰極施加電力，對之加熱5～10分鐘。隨後，SiO便通過鉬管的孔眼而蒸發，形成一層厚度為50A-5700A的SiO薄膜。然後再對Ti陰極施加20～30分鐘的電力，在SiO薄膜的上面再形成一層厚度為50A-500A的Ti薄膜。對碳陰極施加20～30分鐘的電力對之加熱，在Ti薄膜的上面再形成一層金剛石類碳(DLC)膜，其厚度為50A～20μm。真空箱內的溫度維持在20～90℃。通過適當設置各陰極的角度，錄像機磁頭可以獲得均勻的塗層，而且根據其SiO塗層的厚度可以具有藍、淺黃等七種不同的顏色。真空箱具有15×10-4～1.5×10-6乇的真空度，溫度被控制在20℃～90℃，這就使塗敷表面光潔並改善附著性。採用SiO作為塗敷材料並對磁頭塗敷5～11分鐘使塗敷厚度達到400A～5,700A，確保了其色彩及附著性的提高。使用Ti作為塗敷材料可以改善附著強度及耐用性，碳也被用作塗敷材料，塗敷20～90分鐘而達到30A～2μm的厚度。這樣便在該範圍內產生了豐富的Sp3，並強化了其結構，SiO、Ti以及DLC層的順序塗敷可以產生強有力的化學鍵而有利於附著性的加強。現參照第二個優選實施例對本發明的塗敷方法作詳細說明。按照表4所示的條件形成各層薄膜，磁頭放置到一真空箱中。表4對上述條件下進行塗敷的磁頭，按照表5測試其耐磨性、熱收縮/膨脹性、擦傷性以及附著強度。表5測試內容條件1、耐磨性用20,000#的紙以分別為40g及80g的力對磁頭摩擦35分鐘後測試其耐磨性。2、熱收縮/對分層的出現的查驗，第一次是在將溫度升至200℃膨脹性之後薄膜出現熱膨脹時進行的，第二次是在將溫度降至室溫時進行的。3、擦傷性用最大為100g的力對一0.003～0.008μm的測頭進行加壓及移動之後，對磁頭表面劃痕的情況進行查驗。4、附著強度將一粘結帶粘附在鐵氧體基體上，然後將帶從其上取下，隨後查看其剝離層的情況。在該條件下處理後的磁頭表面的結果及顏色列於表6中。表6樣品6和7在所有方面都極佳，其顏色呈藍色和淺黃色，以區別磁頭是否被塗敷過。圖8表示根據Auser測量對錄像機磁頭表面進行元素分析所得的測試值繪製的圖象，其DLC薄膜令人滿意地附著在磁頭表面。該錄像機磁頭包括一附著強化層，一附著輔助層以及位於這些薄層之上的由C12形成的DLC薄層，以加強附著性及耐磨性，它可以減少磁帶與錄像機磁頭間的空氣間隙，同時可改進錄像機的輸出。在本發明中，並未使用活性氣體，而且DLC塗層是在低於常溫的情況下進行的，這樣就可以在不損害錄像機磁頭的情況下進行穩定操作。權利要求1.一種在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷金剛石類碳的裝置，包括一個真空箱，包括有若干個陰極，它們分別用來蒸發Ar、SiO、Ti以及金剛石類碳，以及一根位於其底部中心處的心軸；以及安裝在真空箱所述心軸上的上、下支承架以及若干根支承杆；所述下支承架隨心軸旋轉，而所述支承杆除隨心軸轉動外還自轉。2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，它還包括一個呈矩形箱子狀的磁頭支架，用以在所述支承杆上安裝若干個磁頭，箱的底部有一孔眼，支承杆穿過該孔眼而插入，還有一矩形開口，磁頭的未端通過該開口從它的一個側壁上伸出。3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，Ar陰極具有四個屏極，它們在真空箱的一個側壁上沿一直線排列；Ti陰極具有二個屏極，它們相互面對面設置；SiO陰極採用鉬管的形式，位於真空箱頂部中心處，其側面具有若干個孔眼；二個碳陰極分別設置在上側部和與該上側部呈對角的下部。4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的Ar、SiO、Ti以及碳陰極用弧方法加熱。5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述真空箱是通過位於其下部的一臺真空泵抽真空的。6.一種在錄像機磁頭上塗敷金剛石類碳的方法，包括如下步驟將磁頭放入一真空箱的內部並將真空度調至15×10-4～1.5×10-6乇；由Ar陰極產生出Ar+離子以清洗磁頭表面；由一SiO陰極蒸發SiO5～10分鐘以在清洗後的磁頭上形成一層厚度為4000A的附著強化層；由Ti陰極蒸發Ti以在所述附著強化層上形成一層Ti附著層；以及在20C的溫度下由葡萄形的C8或C12金剛石類碳陰極蒸發金剛石類碳20～90分鐘，以在所述Ti附著層上形成一層厚度為500A～2μm的薄層。7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，它還包括在將磁頭放入真空箱之前用離子水洗滌磁頭、再用純水進行衝洗、在一遠紅外爐中對所述磁頭進行烘乾、然後進行超聲波清洗的初始步驟。8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，通過控制SiO及Ti附著層的厚度來改變塗層的顏色。9.一種在錄像機磁頭鼓上塗敷金剛石類碳的方法，包括以下步驟將磁頭鼓放入一真空箱的內部，調整其真空度為15×10-4～1.5×10-6乇；由一Ar陰極產生出Ar+離子，對磁鼓表面進行清洗；由一Ti陰極蒸發Ti，以在清洗後的磁鼓表面上形成一層Ti薄膜；由一SiO陰極蒸發SiO，以在所述Ti薄膜上形成一層SiO薄膜；由Ti陰極蒸發Ti，以在所述SiO薄膜上形成一層Ti薄膜；以及由一金剛石類碳陰極蒸發金剛石類碳，以在Ti薄膜上形成一層金剛石類碳薄膜。10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，在步驟三與四之間以及步驟四與五之間均有1-5分鐘的間隔。11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，步驟二的Ti薄膜通過蒸發Ti2-20分鐘而形成50A～3μm的厚度。12.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，步驟三的SiO薄膜其厚度為200A～2μm，通過蒸發SiO1～30分鐘而形成200A～2μm的厚度。13.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，步驟四的Ti薄膜通過蒸發Ti1～30分鐘而形成50A～3μm的厚度。14.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述金剛石類碳膜通過蒸發金剛石類碳10～120分鐘而形成50A～3μm的厚度。15.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，磁頭鼓的顏色通過控制所述SiO薄層厚度來改變。全文摘要本發明公開了一種通過物理蒸汽沉積弧方法在錄像機磁頭及磁頭鼓上塗敷金剛石類碳的方法及裝置，以及用金剛石類碳塗敷過的錄像機磁頭。本發明裝置包括一個真空箱，它含有若干個陰極，分別用來蒸發Ar、SiO、Ti以及金剛石類碳，以及一根安裝在其底部中心處的心軸；一個錄像機磁頭支承件，它包括安裝在真空箱心軸上的上、下支承架及若干根支承杆；以及一個磁頭支架，若干個磁頭被安裝在其內。文檔編號G11B5/187GK1152765SQ95121189公開日1997年6月25日申請日期1995年12月20日優先權日1995年12月20日發明者李泰永申請人:三信精密株式會社