Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung hat einen Gleitkörper mit
verbessertem Profil zum Gegenstand. Sie findet Anwendung bei der
Aufzeichnung und/oder Wiedergabe der Daten eines magnetischen
Trägers, insbesondere einer Festplatte.
Stand der Technik
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Die beigefügten Fig. 1 bis 8 ermöglichen, den Stand der
Technik bezüglich der Gleitkörper zu erläutern und insbesondere
das technische Problem zu beschreiben, das mit dem Abheben der
Gleitkörper und mit ihrem Verhalten während des Betriebs verbunden
ist.
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Die Fig. 1 erinnert zunächst sehr schematisch an die
Struktur eines Gleitkörpers. Dieser Gleitkörper trägt das
Bezugszeichen 10 und umfaßt auf der dem Aufzeichnungsträger
zugewandten Seite zwei Schienen bzw. Kufen (oder "Skis") 12 und
14. Ein Magnetkopf zum Schreiben und/oder Lesen 16 befindet sich
auf der Rückseite des Gleitkörpers. Dieser Kopf kann auf der
Schnittfläche des Gleitkörpers angebracht sein (wie dargestellt)
oder auf der Unterseite einer der Kufen. Außerdem weist die
Vorderseite jeder Kufe eine Schrägung 18 auf.
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Die Fig. 2 zeigt einen solchen Gleitkörper in Ruhestellung
auf einem Aufzeichnungsträger 20, von dem angenommen wird, daß es
sich um eine Festplatte handelt. Wenn die Platte stillsteht,
befindet sich der Gleitkörper in Kontakt mit der Platte.
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Wenn die Platte zu rotieren beginnt, reibt der Gleitkörper
auf der Platte. Sobald die Geschwindigkeit einen bestimmten
Schwellenwert erreicht (Abhebegeschwindigkeit genannt), staut sich
unter der Schrägung 18 Luft, die eine Auftriebskraft erzeugt, die
den Gleitkörper abheben läßt, wie dargestellt in Fig. 3, wo der
Luftstrom mit 22 bezeichnet ist.
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Wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Platte ihre
Nominalgeschwindigkeit erreicht, befindet sich der Gleitkörper im
dynamischen Gleichgewicht zwischen einerseits der Auftriebskraft,
die auf die Schrägung und die Kufen wirkt, und andererseits einer
Auflagedruckkraft (schematisiert durch den Pfeil 24), die auf der
anderen Seite des Gleitkörpers durch eine nicht dargestellte Feder
ausgeübt wird, die den Gleitkörper mit 3 bis 5 g belastet.
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Der Winkel α, den der Gleitkörper mit der Platte bildet,
muß im Moment des Abhebens möglichst groß sein, um ein schnelles
Abheben des Kopfes sicherzustellen und ein längeres Reiben des
Kopfes auf der Platte zu vermeiden.
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Wenn der Winkel α jedoch zu groß ist, verschlechtert sich
die Schwebestabilität des Kopfes.
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Man muß also einen Kompromiß zwischen diesen Antagonismen
finden. In der Praxis ist der Winkel α auf einige Mikroradianten
festgelegt.
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Man muß außerdem beachten, daß ein Gleitkörper sich vor dem
Abheben über inneren Spuren der Platte befindet, d. h. nahe der
Plattenmitte, dort wo die Tangentialgeschwindigkeit der Platte am
geringsten ist (bei einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit). Das
Abheben findet folglich bei geringen Geschwindigkeiten statt.
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Es wäre also vorteilhaft, die Schrägung 18 möglichst groß
zu machen, um ein schnelles Abheben des Kopfes zu gewährleisten.
Wenn jedoch der Kopf sich zu den mittleren oder äußeren Spuren der
Platte bewegt, nimmt die Tangentialgeschwindigkeit zu, was die
Wirkung hat, den Gleitkörper weiter anzuheben, den Winkel α zu
vergrößern und folglich das Fliegen bzw. Schweben des Kopfes
instabil zu machen.
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Die Fig. 4 zeigt die Entwicklung des Winkels α als
Funktion des Radius R der überflogenen Spur.
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Der Winkel α1, den man für den Außenradius Rext erhält, ist
der für ein einwandfreies Schweben des Kopfes noch tolerierbare
Winkel. Der Winkel α0 ist der Winkel, den man für den Innenradius
Rint erhält. Optimiert man die Schrägung, um dem Wert α1 für den
Innenradius zu erhalten, so erzielt man gewiß ein schnelles
Abheben des Kopfes für den Innenradius, erhält aber, wenn der Kopf
sich in die äußeren Bereiche bewegt, für den Winkel α Werte, die
sich außerhalb der Norm befinden und die Stabilität des Kopfes
kompromittieren.
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Außerdem muß festgestellt werden, daß eine Schrägung nicht
die einzige Lösung ist, um den für das Abheben nötigen Auftrieb zu
erzeugen. Man kann auch eine Stufe (oder einen Absatz) vorsehen,
was oft einfacher ist.
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Die Fig. 5 zeigt dementsprechend schematisch zwei
Ausführungsarten des Gleitkörpers, entweder mit einer Schrägung 18
oder einer Stufe 19.
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Solche Gleitkörper werden in zahlreichen Dokumenten
beschrieben. Man kann das amerikanische Patent US-A-4,673,996
sowie die europäische Patentanmeldung EP-A-0 543 690 zitieren.
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Das Vorhandensein einer Stufe an der Vorderseite der Kufen
hat die Wirkung, unter den Kufen einen Überdruck zu erzeugen.
Dieser Überdruck ist sehr nahe der Stufe lokalisiert. Dies zeigt
die Fig. 6, wo das Diagramm unten den Überdruck P längs der
Längsachse der Kufe zeigt, und die Figur oben die Lage des
Gleitkörpers. Man sieht, daß der Überdruck in Höhe der Abstufung
23 der vorderen Stufe ein Maximum 21 durchläuft.
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Um die Wirkung der Stufe zu optimieren, ist es vorteilhaft,
ihre Höhe (d. h. die Höhe der Abstufung) an die
Relativgeschwindigkeit Platte-Gleitkörper anzupassen, bei der man den Überdruck
erzeugen möchte.
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So ist z. B. bei einer niedrigen Geschwindigkeit in der
Größenordnung von 3 m/s die Höhe der Stufe ca. 100 nm.
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Bei einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10 m/s
beträgt die Höhe der Stufe ca. 800 nm.
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In dem häufigen Fall, wo ein Gleitkörper von der Innenspur
einer Platte abheben muß (dort, wo die Geschwindigkeit klein ist),
ermöglicht eine Stufe von geringer Höhe den für das Abheben
geeigneten Druck zu erzeugen. Wenn jedoch die Geschwindigkeit der
Platte ihren Nominalwert erreicht hat, verliert die Stufe mit
kleiner Höhe ihre Wirkung. Eine Stufe mit einer größeren Höhe
würde eine bessere Wirkung erzielen.
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Dies ist der Grund, warum vorgeschlagen wurde, den
Vorderteil der Kufen mit zwei Stufen anstatt einer zu versehen.
Dies ist in Fig. 7 dargestellt, wo man eine erste Stufe 30 mit
ihrer Abstufung 31 und eine zweite Stufe 32 mit ihrer Abstufung 33
sieht.
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Diese beiden Stufen sichern zugleich ein einwandfreies
Abheben über den inneren Spuren und eine geeignete Neigung über
den äußeren Spuren.
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Ein Gleitkörper mit zwei Stufen ist in dem amerikanischen
Patent US-A-3 488 648 beschrieben. Festzustellen ist, daß dieser
Gleitkörper insofern ein anderes Funktionsprinzip hat, als er,
wenn die Platte nicht rotiert, von der Platte beabstandet wird
durch einen Balg und, wenn die Platte rotiert, der Gleitkörper
sich der Platte nähert dank der beiden Stufen, die einen Überdruck
unter dem Gleitkörper erzeugen, und dank eines Lochs, durch das
der Überdruck sich im Innern des Balgs ausbreitet.
Darstellung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Gleitkörper mit der
bekannten Anordnung von zwei Stufen, der aber bei kleiner
Geschwindigkeit des Kopfes ein noch schnelleres Abheben
ermöglicht, ohne deswegen bei großer Geschwindigkeit (Außenspur,
nominale Rotationsgeschwindigkeit) einen zu großen Winkel zu
bilden, der nachteilig wäre für die Gleitstabilität des Kopfes.
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Die Erfindung ermöglicht, sowohl auf der Innenspur bei
kleiner Geschwindigkeit als auch auf der Außenspur bei großer
Geschwindigkeit einen Winkel nahe dem optimalen Wert α1 zu
erhalten.
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Die Tatsache, auf der Innenspur einen Winkel α1 zu haben,
ermöglicht ein schnelleres Abheben des Kopfes, um ein längeres
Reiben auf der Platte zu vermeiden und die Abnützung zu
reduzieren.
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Zu diesem Zweck empfiehlt die Erfindung ein spezielles
Profil für die beiden Stufen, nämlich eine bestimmte Schrägheit in
bezug auf die Querrichtung der Kufe. Bei der vorhergehenden
Technik war(en) die Abstufung(en) immer querliegend. Nun sind aber
die Luftströme unter der Kufe nicht immer senkrecht zu der
Abstufung, da auch der Gleitkörper nicht immer tangential zu den
Spuren ausgerichtete ist. Die Erfindung zieht Nutzen aus dieser
Beobachtung, indem sie die Abstufungen in bezug auf die
Querrichtung des Gleitkörpers so anschrägt, daß die
Auftriebsbedingungen sowohl im Moment des Abhebens (wenn der
Gleitkörper sich über inneren Spuren befindet) als auch während
des normalen Gleitens (wenn der Gleitkörper über weiter außen
befindlichen Spuren schwebt) optimal sind.
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Anstatt von der Schrägheit der Abstufungen in bezug auf die
Querrichtung der Kufen zu sprechen, kann man auch von der
Schrägstellung der Abstufungen in bezug auf die Längsrichtung des
Gleitkörpers sprechen: dieser Winkel ist nicht mehr 90º, wie bei
der vorhergehenden Technik, sondern kleiner. Man wählt einen
Winkel zwischen 10º und 60º für die erste Abstufung (z. B. 30º oder
45º) und einen Winkel zwischen 20º und 80º für die zweite (z. B.
45º oder 60º).
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Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung also einen
Gleitkörper zur magnetischen Aufzeichnung zum Gegenstand, der
wenigstens eine Kufe mit einem vorderen Teil und einem hinteren
Teil sowie hinter dem Gleitkörper angeordnete Lese- und/oder
Schreibeinrichtungen umfaßt, wobei der vordere Teil jeder Kufe
eine erste und eine zweite Abstufung mit übereinanderliegenden
Stufen aufweist, einer ersten und einer zweiten, und dieser
Gleitkörper dabei dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste
Abstufung der ersten Stufe mit der Längsrichtung des Gleitkörpers
einen ersten Winkel bildet, enthalten zwischen ungefähr 10º und
ungefähr 60º, und dadurch, daß die zweite Abstufung der zweiten
Stufe mit der Längsrichtung des Gleitkörpers einen zweiten, vom
ersten verschiedenen Winkel bildet, enthalten zwischen ungefähr
20º und ungefähr 80º, wobei der erste und der zweite Winkel in
derselben trigonometrischen Richtung gemessen werden.
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Vorteilhafterweise ist die Höhe der ersten Abstufung
zwischen ungefähr 20 nm und ungefähr 200 nm enthalten und die Höhe
der zweiten Abstufung zwischen ungefähr 200 nm und ungefähr 2 um.
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Bei der Erfindung befindet sich der Lese- und/oder
Schreibkopf auf der Rückseite des Gleitkörpers, d. h. entweder auf
der Schnittfläche des Gleitkörpers, wie dargestellt in Fig. 1,
oder integriert in eine der Kufen, wie beschrieben in dem schon
zitierten Dokument EP-A-0 543 690. Solche Köpfe erhält man durch
die in der Mikroelektronik üblichen Abscheide- und Ätztechniken
dünner Schichten.
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Der erfindungsgemäße Gleitkörper kann nur eine Kufe oder
zwei oder sogar mehr umfassen.
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Wenn er mehrere Kufen umfaßt, kann der Gleitkörper einen
oder mehrere Lese- und/oder Schreibköpfe umfassen.
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Außerdem können mehrere Absätze, Schrägungen, etc... um die
Kufen herum oder an der Rückseite vorgesehen werden, entsprechend
den Anordnungen in den weiter oben zitierten Dokumenten US'995 und
EP'690.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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- Die Fig. 1 zeigt die generelle Struktur eines Gleitschuhs;
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- die Fig. 2 zeigt einen auf einem Aufzeichnungsträger
ruhenden Gleitschuh;
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- die Fig. 3 zeigt das Abheben eines Gleitschuhs;
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- die Fig. 4 zeigt die Neigungsänderung des Gleitschuhs in
Abhängigkeit von seiner Lage längs des Radius der
Aufzeichnungsplatte;
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- die Fig. 5 zeigt Gleitschuhe mit Schrägungen und Stufen;
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- die Fig. 6 zeigt die Verteilung des Überdrucks unter einer
Kufe mit einer Stufe an ihrer Vorderseite;
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- die Fig. 7 zeigt einen Gleitkörper mit zwei Stufen;
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- die Fig. 8 zeigt die Veränderung der Ausrichtung eines
Gleitkörpers in bezug auf eine Tangentialrichtung zu einer
Platte in Abhängigkeit von der Position des Gleitkörpers in
bezug auf die Platte;
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- die Fig. 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Gleitkörper in der
Draufsicht;
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- die Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht des vorderen
Endes einer erfindungsgemäßen Kufe;
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- die Fig. 11 zeigt die Veränderung des Schrägstellungswinkels
eines erfindungsgemäßen Gleitkörpers in Abhängigkeit von
seiner radialen Position auf der Platte.
Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten
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Die Fig. 8 zeigt eine Festplatte 40 mit einem Zentrum C
und Aufzeichnungsspuren enthalten zwischen einem Innenumfang 42
mit dem Radius Rint und einem Außenumfang 44 mit dem Radius Rext.
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Eine Trageinrichtung eines Gleitkörpers 10, nicht im Detail
dargestellt, umfaßt einen um einen Gelenkpunkt P schwenkbaren Arm
50.
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Wenn der Gleitkörper sich in der zentralen Zone der Platte
befindet, bildet die Längsrichtung des Gleitkörpers einen Winkel
β0
von ungefähr -6º in bezug auf die Tangente der
Aufzeichungsspur. Wenn der Gleitkörper sich am Rand der Scheibe befindet,
bildet die Längsrichtung des Gleitkörpers mit der Tangente der
Aufzeichnungsspur einen Winkel β1 von ungefähr 15º (wobei die
Winkel ausgehend von der Tangentialrichtung in der
trigonometrischen Richtung positiv gezählt werden).
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In der Fig. 9 sieht man einen Gleitkörper 10 mit zwei
Kufen 12 und 14 und einem Lese- und/oder Schreibkopf 16.
Erfindungsgemäß umfaßt der Gleitkörper zwei schräge Stufen, die
sich auf der Vorderseite jeder Kufe befinden, nämlich eine erste
Stufe M1 mit ihrer Abstufung CM1 und eine zweite Stufe M2 mit
ihrer Abstufung CM2. Diese Figur zeigt ebenfalls die Ausrichtung
der Abstufungen CM1 und CM2 in bezug auf die Längsrichtung 50 des
Gleitkörpers (oder, was auf dasselbe hinausläuft, jeder Kufe): die
erste Abstufung CM1 bildet einen Winkel γ1 mit dieser Richtung und
die zweite CM2 einen Winkel γ2.
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Die Fig. 9 zeigt auch die Richtung der auf die Gleitkörper
wirkenden Luftströme. Wenn der Gleitkörper sich in Innenposition
befindet, bildet der Luftstrom F1 einen Winkel β0 (von ungefähr -
6º) mit der Längsrichtung, was dem Kommentar zu Fig. 8
entspricht. Wenn der Gleitkörper sich in Außenposition befindet,
bildet der Luftstrom F2 einen Winkel β1 (von ungefähr 15º) mit
dieser selben Richtung.
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Die Fig. 10 stellt die Form der beiden Stufen mehr im
Detail dar und zeigt deutlich die Schrägstellung der Abstufungen
CM1 und CM2. In dieser Figur sind die Abmessungen nicht
maßstäblich (in der Praxis ist die zweite Stufe ungefähr zehnmal
höher als die erste).
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In der Folge wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Gleitkörpers erläutert.
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Bei einer inneren Position über den Spuren nahe dem Zentrum
der Platte trifft die durch die Rotation der Platte mitgerissene
Luft auf die Abstufung CM1, die aufgrund ihrer Schrägstellung eine
große Breite aufweist und gegenüber der Richtung F1 der Luft eine
wirksame Front bildet. Diese Front ist nicht senkrecht zur Achse
des Luftstroms, wie bei der vorhergehenden Technik, was ihre
Breite verkleinern und ihre Wirkung reduzieren würde.
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Die erste Stufe ist also beim Abheben besonders wirksam.
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In der Außenposition hat der Luftstrom die Richtung F2
unter einem Winkel β1 und die Abstufung CM1 wird nicht mehr
frontal getroffen, wie durch den Luftstrom F1, sondern quasi
tangential. Nun spielt die zweite Abstufung CM2 ihre Rolle, wobei
ihre Breite geringer ist als die der ersten und ihre
Schrägstellung in bezug auf den Luftstrom F2 nicht sehr groß ist
Aus diesen beiden Gründen sorgt die zweite Stufe, die beim
Schweben des Kopfes über den äußeren Spuren die größere Rolle
spielt, für eine Neigung des Gleitkörpers mit einem günstigen Wert
und verhindert zu starke Neigungen, die die Stabilität des
Gleitkörpers ungünstig beeinflussen könnten.
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Die Höhen h1 und h2 der Abstufungen CM1, CM2 werden je nach
Benutzungsbedingungen festgelegt, betragen aber generell zwischen
20 und 200 nm für die erste und 0,2 bis 2 um für die zweite.
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Die Fig. 11 schließlich zeigt die Veränderung des
Neigungswinkels α eines erfindungsgemäßen Gleitkörpers in
Abhängigkeit von seiner radialen Position auf der Platte. Wenn der
Gleitkörper sich in der Nähe der Mitte befindet (bei Rint), ist
der Winkel α0 schon groß (größer als in der vorhergehenden
Technik; s. auch Fig. 4, deren Kurve gestrichelt in die Fig. 11
übertragen wurde), was ein sehr schnelles Abheben des Gleitkörpers
trotz geringer Geschwindigkeit ermöglicht. Aber dieser Winkel
verändert sich praktisch nicht, wenn der Gleitkörper sich von der
Mitte entfernt und Randbereiche erreicht (gegen Rext), wo die
Geschwindigkeit sehr viel höher ist. Der außen erzielte Wert α1
ist gleich oder im wesentlichen gleich α0.
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Um das spezielle Profil der erfindungsgemäßen Stufen zu
erhalten, kann jedes bekannte Bearbeitungs- oder besser
Ätzverfahren benutzt werden. Man kann durch auf den Kufen angebrachte
Masken arbeiten. Es erscheint vorteilhaft, zunächst die zweite
Stufe durch eine erste Maske zu ätzen, dann durch eine zweite
Maske die erste Stufe zu realisieren und dabei das Ätzen der
zweiten zu beenden.