DD294126A5

DD294126A5 - Duennfilmtransformator und mit einem derartigen transformator versehener magnetkopf

Info

Publication number: DD294126A5
Application number: DD88317842A
Authority: DD
Inventors: Victor Zieren; Jacobus J M Ruigrok
Original assignee: �K�K@��}@��k��
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1991-09-19
Also published as: NL8701667A; EP0300556A1; US4927804A; CN1030669A; KR890002914A; JPS6437004A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Duennfilmtransformator mit einem durch zwei magnetisch permeablen duennen Schichten gebildeten Magnetjoch und einer durch eine elektrisch leitende duenne Schicht gebildeten Primaerwindung und einer durch eine elektrisch leitende duenne Schicht gebildeten Sekundaerwindung. Zwischen der ersten Schicht und den genannten Windungen ist eine weitere duenne Schicht aus einem superleitenden Material angebracht oder die Windungen sind dicht aneinanderliegend angebracht und selbst aus einem superleitenden Material hergestellt. Ein derartiger Transformator kann auch als Magnetkopf verwendet werden.{Duennfilmtransformator; Schicht, magnetisch, permeabel, duenn; Magnetjoch, elektrisch, leitend, superleitend; Primaerwicklung; Sekundaerwicklung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit einem Magnetjoch und mindestens einer ersten elektrischen Windung und mindestens einer zweiten elektrischen Windung.

Derartige Transformatoren sind allgemein bekannt und werden meistens dazu verwendet, Wechselspannungen bestimmter Werte in Wechselspannungen anderer Werte umzuwandeln. Die bekannten Transformatoren weisen ein durch einen Eisenkern gebildetes Magnetjoch auf, um das meistens eine Anzahl erster elektrischer Windungen zum Bilden einer Primärspule und eine Anzahl zweiter elektrischer Windungen zum Bilden einer Sekundärspule gewickelt sind. Die bekannten Transformatoren sind relativ groß bemessen, was die Transformatoren zum Gebrauch in fortschrittlichen Schaltungsanordnungen, in denen meistens kleine bis sehr kleine elektrische, elektronische oder magnetische Elemente verwendet werden, weniger geeignet macht.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, die großen Abmessungen zu verringern. Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat zur Aufgabe, Transformatoren mit ausgezeichneten Eigenschaften zu schaffen, die klein bemessen sind und sich insbesondere zum Gebrauch in oder bei modernen Schaltungsanordnungen eignen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Transformator mit einem Magnetjoch und mindestens einer ersten elektrischen Windung und mindestens einer zweiten elektrischen Windung gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er nach einer Dünnfilmtechnik aus einer Anzahl Schichten aufgebaut ist, wobei eine erste magnetisch permeable Schicht und eine zweite magnetisch permeable Schicht zusammen das Magnetjoch bilden, In dem sich die aus elektrisch leitenden Schichten gebildeten Windungr - erstrecken. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die genannten elektrisch leitenden Schichten ein superleitendes Material aufweisen.

Unter einem superleitenden Material wird in diesen Zusammenhang ein Material verstanden, das sich in einem superlaitenden Zustand befindet und den Meissner-Effekt völlig oder nahezu völlig aufweist. Aus praktischen Gründen empfehlen sich Werkstoffe, die eine relativ hohe kritische Temperatur aufweisen, die beispielsweise über der Temperatur liegt, bei der sich Stickstoff bei normalem atmosphärischem Druck verflüssigt. Geeignete Werkstoffe sind beispielsweise superleitende Keramiken aus Verbindungen von Lanthan, Barium, Kupfer und Sauerstoff, wie LaI₄₁Ba_xCuO₄, wobei χ zwischen 0,15 und 0,6 liegt; Lanthan, Strontium, Kupfer und Sauerstoff, wie La₂₀₁Sr_xCuO₄, wobei χ zwischen 0,15 und 0,2 liegt; Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff,

wte YBaiCU)07 -1, wobei d zwischen 0,0 und 1,0 liegt oder Yo.4Bao,«Cut^03,o; Yttrium, Barium, Strontium, Kupfer und Sauerstoff, wie YBa₂ - ,Sr_xCu₃Oa, wobei ein Teil der Elemente teilweise substituiert sein kann, beispielsweise Sauerstoff durch Fluor oder Strontium durch Kalizium.

Durch den Meissner-Effekt wird vermieden, daß zwischen den auf beiden Seiten der Schicht aus einem superleitenden Werkstoff befindlichen Teilen der magnetisch permeablen Schichten magnetische Kurzschlußströme entstehen. Mit anderen Worten, dem Entstehen magnetischen Streuflusses zwischen der ersten und der zweiten magnetischen permeablen Schicht des Magnetjoches wird durch die vorhandene Schicht aus einem superleitenden Werkstoff entgegengewirkt. Dadurch können große Potentialverluste vermieden werden, und die Gesamtverluste des belasteten Transformators nach der Erfindung lassen sich im wesentlichen auf Verluste infolge des magnetischen Widerstandes des Werkstoffes des Magnetjoches und des elektrischen Widerstafides des Werkstoffes der Windungen beschränken. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist daher ein Transformator hohen Wirkungsgrades erzielbar. Der Transformator bietet durch seinen Aufbau selbstverständlich den weiteren Vorteil, daß er klein bemessen ist.

Zweckmäßig ist zwischen einerseits den Windungen und andererseits einem Teil des Magnetjoches eine Schicht aus einem superleitenden Material vorgesehen. In dieser Ausführungsform wird das Phänomen benutzt, daß der elektrische Widerstand eines In einem superleitenden Zustand befindlichen Werkstoffes Null oder nahezu Null ist. In dieser Ausführungsform Ist dadurch eine wesentliche Verringerung des elektrischen oder Ohmschen Widerstandes der Windungen orzielbar und folglich eine wesentliche Verringerung der Wärmeerzeugung. Dabei Ist wenigstens innerhalb des Magnetjoches der Abstand zwischen den benachbarten Windungen aus einem superleitenden Material gegenüber der Breite der Schichten einzelner Windungen gering.

Dieser erfindungsgemäße Transformator bietet den Vorteil, daß die superleitenden Windungen keinen oder einen äußerst geringen elektrischen Widerstand aufweisen, wodurch bei Belastung Potentialverluste in den Windungen nicht oder kaum auftreten. Weiterhin bietet dieser Transformator den Vorteil, daß die in einem äußerst geringen Abstand voneinander liegenden Windungen innerhalb des Magnetjoches gleichsam einen superleitenden Schild bilden, der magnetischen Streufluß zwischen der ersten und der zweiten magnetisch permeablen Schicht des Magnetjoches vermeidet. Dadurch lassen sich große Potentialverluste vermeiden und sind die Gesamtverluste dieses belasteten Transformators im wesentlichen auf Verluste Infolge des magnetischen Widerstandes das Materials des Magnetjoches beschränkbar. Vorzugsweise wird ein Abstand zwischen den Windungen gewählt, der kleiner ist als die Hälfte der Breite der einzelnen Windungen. Auch dieser Transformator bietet selbstverständlich, ebenso wie der obenstehend beschriebene Transformator nach der Erfindung den Vorteil, daß er klein bemessen ist.

Transformatoren werden auch bei Magnetköpfen mit einem oder mehreren induktiven Übertragungselementen zum Transformieren magnetischer Information zugeordneter Wechselspannungen verwendet. Die erfindungsgemäßen Transformatoren sind wegen der günstigen Eigenschaften durchaus dazu geeignet, in Kombination mit einem derartigen Magnetkopf verwendet zu werden. Wenn der Magnetkopf außerdem vom Dünnfilmtyp ist, bietet die Erfindung die überraschende Möglichkeit, den Transformator und den Magnetkopf als eine einzige Einheit auszubilden. In diesem Fall ist der erfindungsqemäße Transformator so ausgebildet, daß mindestens ein durch eine der elektrisch leitenden Schichten gebildetes induktives Übertragungselement und eine Fläche zur magnetischen Flußkopplung des Übertragungselementes mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium vorgesehen Ist, wobei an der genannten Fläche ein Übertragungsspalt vorhanden ist, und wobei die genannten magnetisch permeablen Schichten sich auf beiden Seiten des Übertragungselementes erstrecken.

Ein als Magnetkopf verwendeter erfindungsgemäßer Transformator weist gegenüber einem bekannton Magnetkopf das Kennzeichen auf, daß außer einer ersten elektrisch leitenden Schicht zum Bilden des Übertragungselementes noch eine zweite elektrisch leitende Schicht vorhanden ist, die zusammen mit der ersten elektrisch leitenden Schicht und dem Magnetjoch einen der bereite beschriebenen erfindungsgemäßen Transformatoren bildet.

Der erfindungsgemäße Transformator läßt sich als Mehrschicht-Dünnfilmstruktur herstellen, die ggf. auf einem Substrat angebracht ist. Kathodenzerstäubungsverfahren, Photoätztechniken, galvanische Ablagerungsverfahren und Aufdampftechniken sind zur Verwirklichung der Mehrachichtstruktur »Mwendbar. Die Erfindung bietet den Vorteil, daß mit nur einer geringfügigen Anpassung des Fertigungsverfahrens eines bekannten Magnetkopfes ein Dünnfilmmagnetkopf erhalten werden kann, in dem ein Transformator hohen Wirkungsgrades vorhanden ist. Die Verwendung eines einzelnen Transformators ist in diesem Fall folglich überflüssig.

Eine günstige Ausführungsform des Transformators weist in diesem Fall das Kennzeichen auf, daß sich in dem Übertragungsspalt bis an die Fläche zur magnetischen Flußkopplung des Übertragungselementes mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium eine Schicht aus einem superleitenden Material erstreckt. Die in dem Spalt vorhandene Schicht aus einem superleitenden Material vermeidet durch die magnetische Abschirmung, daß zwischen der ersten und der zweiten magnetisch permeablen Schicht Streufluß entsteht, und zwar an der Stelle des Spaltes. Das Ergebnis der in dieser Ausführungsform angewandten Maßnahme ist daher ein hoher Wirkungsgrad des Magnetkopfes.

AusfQhrungsbelspiele Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1: eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformators; Fig. 2: einen schematischen Schnitt gemäß den Pfeilen H-Il in Fig. 1; Fig.3: einen schematischen Schnitt gemäß den Pfeilen Ill-Ill in Fig.1; Fig. 4: eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformators bei seiner Verwendung als Magnetkopf;

Fig. 5: einen schematischen Schnitt gemäß den Pfeilen V-V in Flg.4 und Fig. 6: einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformators bei einer

Verwendung als Magnetkopf.

Der in den Fig. 1,2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Transformator bildet mit einem Substrat laus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie Glas, ein Ganzes und kann als auf dem Substrat 1 angebrachte Mehrschicht-Dünnfilmstruktur hergestellt werden. Techniken und Prozesse, wie Kathodenzerstäubung oder Abdampfen, bekannt aus der Dünnfilmtechnik, lassen sich dazu anwenden, die Mehrschichtstruktur zu verwirklichen. Die Mehrschichtstruktur umfaßt eine erste Schicht 3 aus einem magnetisch permeablen Material, wie eine Nickel-Eisen-Legierung, oder eine Eisen-Silizium-Aluminiumlegierung, und eine zweite Schicht 5 aus einem ähnlichen Material. Die erste magnetisch permeable Schicht 3 ist auf einem Substrat 1 angebracht, während die zweite magnetisch permeable Schicht 5 derart angebracht ist, daß die beiden Schichten 3 und 5 in den durch 7 und 9A; 9B; 9C bezeichneten Gebieten magnetisch miteinander verbunden und außerhalb dieser Gebiete magnetisch gegenüber einander isoliert sind. Die Schichten 3 und 5 bilden auf diese Weise zusammen ein magnetisches Joch mit einem Innenraum 11. Um das Gebiet 7 herum sind zwei dünne elektrisch leitende Schichten 13 und 15 aus beispielsweise Kupfer oder Gold, aber vorzugsweise aus einem superleitenden Material wie YBa₂Cu₃ _ _Λ angebracht. Die Schicht 13 bildet in diesem Beispiel etwa nur eine Windung, die als Primärspule des Transformators betrachtet werden kann, während die Schicht 15, die mehr oder weniger einen spiralförmigen Verlauf hat, etwa drei Windungen bildet, die zusammen als die Sekundärwicklung des Transformators betrachtet werden können. Die Schicht 13 ist mit zwei Anschlußflächen 13A und 13 B versehen, mit cjenen nicht dargestellte äußere elektrische Leiter verbunden werden können. Die Schicht 15 ist mit nur einer Anschlußfläche 16 A versehen, macht aber an der Stelle einer Fläche 15B mit einer dünnen zusätzlichen Schicht 17 aus einem elektrisch leitenden Material Kontakt, die mit einer Anschlußfläche 17A versehen ist. Die Schicht 15 kann daher mittels der Anschlußflächen 15 A und 17 A mit weiteren nicht dargestellten Anschlußleitern verbunden werden.

Der erfindungsgemäße Transformator weist eine Schicht 21 aus einem superleitenden Material, beispielsweise einem der bereits gewonnenen keramischen Materialien auf, wobei diese Schicht sich zwischen einerseits elektrisch leitenden Schichten 13 und 15 und andererseits der magnetisch permeablen Schicht 3 erstreckt. Damit das Entstehen unerwünschter Kreisströme in der Schicht 21 vermieden wird, ist in der Schicht 21 eine Unterbrechung 23 angebracht, die sich von dem gegenüber der Schicht 21 mehr oder weniger zentral liegenden Gebiet 7 bis an einen Rand 21A der Schicht 21 erstreckt. Die Unterbrechung 23 kann in der Wickelrichtung der Sekundärspule gesehen schmal sein.

Zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten 3; 21; 13; 16 und 5 sind auf an sich bekannte Art und Welse Isolierschichten vorgesehen. Die gesamten Isolierschichten, die aus beispielsweise Quarz und/oder einem Photolack aufgebaut sein können, sind durch das Bezugszeichen 25 bezeichnet. Vollständigkeitshalber sei bemerkt, daß deutlichkeitshalber in Fig. 1 vorausgesetzt ist, daß die Schichten 5 und 25 transparent sind.

Der in den Fig.4 und 5 dargestellte Transformator nach der Erfindung läßt sich mit Hilfe von beispielsweise Kathodenzerstäubungsverfahren und/oder Aufdampftechniken herstellen. Er besteht bei einer Variante zur Verwendung als Magnetkopf aus einer Anzahl nacheinander angebrachter dünner Schichten, wobei eine erste Schicht 103 aus einem magnetisch permeablen Material, wie einer NiFe-Legierung (Permalloy), einer FeAISi-Legierung (Sendust) oder einer amorphen Legierung, auf einem verschleißfesten, elektrisch nicht-leitenden Substrat 101 aus beispielsweise Glas oder Aluminiumoxid angebracht ist. Die erste Schicht 103 bildet mit einer zweiten magnetisch permeablen Schicht 105 ein Magnetjoch mit einem an eine Fläche 106 grenzenden Übertragungsspalt 108 mit einer Spaltlänge I, einer Spaltbreite w und einer relativ großen Spalthöhe h und mit Gebieten 107 und 109, wo die Schichten 103 und 105 magnetisch miteinander verbunden sind. Um das Gebiet 107 herum ist eine Schicht 113 aus elektrisch leitendem Material angebracht zum Bilden einer Windung. Die Windung erstreckt sich zwischen räumlich voneinander getrennten Teilen der Schichten 105 und 107 und bildet das induktive Übertragungselement des Magnetkopfes. Um das Gebiet 109 herum ist eine sich spiralförmig erstreckende Schicht 115 aus elektrisch leitendem Material angebracht zum Bilden einer Spule, die zusammen m|t der durch die Schicht 113 gebildeten Windung und dem durch die Schichten 103 und 105 gebildeten Joch einen Dünnfilmtransformator bildet, wobei beispielsweise bei Verwendung des Transformators als Schreibkopf die Schicht 115 als Primärspule und die Schicht 113 als Sekundärspule betrachtet werden können. Die Schicht 115 ist mit einer Anschlußfläche 115 A zum Anschließen ah einen ersten äußeren elektrischen Leiter sowie mit einer Verbindungsfläche 115B versehen. Der Magnetkopf hat weiterhineine Anschlußfläche 117 Azurn Anschließen an einen zweiten äußeren elektrischen Leiter. Die Anschlußfläche 117 A befindet sich auf einer zusätzlichen Schicht 117 aus einem elektrisch leitenden Material, wobei sich auf dieser Schicht 117 weiterhin eine Verbindungsfläche 117 B befindet. Eine elektrisch leitende Schicht 119 überbrückt den Abstand zwischen den beiden Verbindungsflächen 115 B und 117 B und bringt dadurch die elektrische Verbindung zwischen der Schicht 116 und der Anschlußfläche 117 Azustande. Als elektrisch leitendes Material für die elektrisch leitenden Schichten sind beispielsweise Metalle wie Gold oder Kupfer geeignet.

Der Übertragungsspalt 108 ist in diesem Beispiel durch zwei Isolierschichten 125 A und 125B aus einem elektrisch isolierenden Material, wie SiOj, einer sich zwischen denselben erstreckenden Schicht 121A aus einem supjerleitenden Material und einer dritten Isolierschicht 125C. Die supraleitende Schicht 121A erstreckt sich von der Fläche 106, in der die Magnetflußkopplung zwischen dem Übertragungselement und einem sich In Richtung des gezeichneten Pfeiles A längs des Übertragungsspaltes verschiebenden magnetischen Aufzeichnungsmedium erfolgt, bis an das Gebiet 107. Von dem Gebiet 107 bis jenseits des Gebietes 109 befindet sich eine Schicht 121B, ebenfalls aus einem superleitenden Material. Die gesamte supraleitende Schicht befindet sich zwischen einerseits den elektrisch leitenden Schichten 113 und 115 und den räumlich von der Schicht 103 getrennten magnetisch permeablen Teilen der Schicht 105 und andererseits der magnetisch permeablen Schicht 103. Als supraleitendes Material kann eines der bereits genannten Materialien verwendet werden. Wie in Flg.4 ersichtlich, sind die Schichten 121A und 121B derart konstruiert, daß keine unerwünschten Kreisströme entstehen können. Die Isolierschichten 125 A; 125 B und 125C erstrecken sich von der Fläche 106 und füllen den Raum zwischen den Schichten 103 und 121A; 121B bzw, den Schichten 121A; 121B und 105 aus. Zwischen den Schichten 103 und 105 befinden sich selbstverständlich örtlich noch weitere dünne Isolierschichten. Die gesamten Isolierschichten sind in Flg. 5 durch 125 bezeichnet. Vollständigkeitshalber sei erwähnt, daß zwecks einer deutlichen Wiedergabe des Magnetkopfes In Fig.4 vorausgesetzt ist, daß die Schichten 105 und 125; 125 A; B; C durchsichtig sind.

Es sei bemerkt, daß die vorhandene superleitende Schicht 121A eine große Spalthöhe h und eine geringe Spaltlänge 1 gestattet, ohne daß dadurch Wirkungsgradprobleme auftreten. Eine große Spalthöhe h ist zum Erreichen einer langen Lebensdauer bei Dünnfilmmagnetköpfen äußerst erwünscht, während eine geringe Spaltlänge I zum Verbessern des Auflösungsvermögens des Magnetkopfes erwünscht ist. Weiterhin sei bemerkt, daß auf dem Substrat 101 statt nur ein einziger selbstverständlich eine

Anzahl durch magnetisch permeable Schichten 103 und 105 gebildeter Magnetjoche zum Bilden eines Mehrspur-Dünnfilmmagnetkopfes nach der Erfindung vorgesehen sein können, die zum Zusammenarbeiten mit Mehrspur-Magnetaufzeichnungsmedien geeignet sind.

Der in Fig.6 dargestellte als Dünnfilmmagnetkopf verwendete Transformator weist ein Substrat 201 aus einem verschleißfesten Material auf, eine erste Schicht 203 und eine zweite Schicht 205, je aus magnetisch permeablem Material, ein induktives Übertragungselement und einen Transformator. Das Übertragungselement ist durch eine in Form einer Wicklung angebrachten Schicht 213 gebildet, und der Transformator ist durch die Schicht 213 in Kombination mit einer in Form einer Wicklung angebrachten Schicht 215 gebildet. Die Schichten 213 und 215 sind aus superleitendem Material, beispielsweise einem der bereits genannten superleitenden Materialien gebildet und bilden zusammen ein Magnetjoch. Dieser Magnetkopf kann beispielsweise als Lesekopf verwendet werden, wobei die Schicht 213 als Primärspule und die Schicht 215 als Sekundärspule des Transformators betrachtet werden kann. Der Abstand zwischen den durch die Schichten 213 und 215 gebildeten nebeneinander liegenden Windungen ist viel kleiner als die Breite der einzelnen Windungen. Der Magnetkopf weist weiterhin einen an eine Fläche 205 für magnetische Kopplung des Übertragungselementes mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium grenzenden Übertragungsspalt 208 auf, in dem sich ein Teil der durch die Schicht 213 gebildeten Windungen befindet. Zwischen den Schichten 203 und 213; 215 bzw. den Schichten 213; 215 und 205 befinden sich selbstverständlich Isolierschichten. Diese sind als Ganzes mit dem Bezugszeichen 225 bezeichnet.

Der als Magnetkopf verwendete Transformator aus Fig. β ist etwas einfacher im Bau als der in den Fig.4 und 5 dargestellte Transformator, weist aber dieselben günstigen Eigenschaften auf. Auch dieser Transformator kann als Mehrspurmagnetkopf ausgebildet werden.

Claims

1. Dünnfilmtransformator mit einem Magnetjoch und mindestens einer ersten elektrischen Windung und mindestens einer zweiten elektrischen Windung, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einer Dünnfilmtechnik aus einer Anzahl Schichten aufgebaut ist, wobei eine erste magnetisch permeable Schicht und eine zweite magnetisch permeable Schicht zusammen das Magnetjoch bilden, in dem sich die aus elektrisch leitenden Schichten gebildeten Windungen erstrecken.

2. Dünnfilmtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten elektrisch leitenden Schichten ein superleitendes Material aufweisen.

3. Dünnfilmtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einerseits den Windungen und andererseits einem Teil des Magnetjoches eine Schicht aus einem superleitenden Material vorgesehen ist.

4. Dünnfilmtransformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens innerhalb des Magnetjoches der Abstand zwischen den benachbarten Windungen aus einem superleitenden Material gegenüber der Breite der Schichten einzelner Windungen gering ist.

5. Dünnfilmtransformator nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein durch eine der elektrisch leitenden Schichten gebildetes induktives Übertragungselement und eine Fläche zur magnetischen Flußkopplung des Übertragungselementes mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium vorgesehen ist, wobei an der genannten Fläche ein Übertragungsspalt vorhanden ist, und wobei die genannten magnetisch permeablen Schichten sich auf beiden Seiten des Übertragungselementes erstrecken,

6. Dünnfilmtransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Übertragungsspalt bis an die Fläche zur magnetischen Flußkopplung des Übertragungselementes mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium eine Schicht aus einem superleitenden Werkstoff erstreckt.