JP2007285805A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ出力に優れ磁気エンコーダを提供し、さらには高分解能も具備する磁気エンコーダを提供する。
【解決手段】磁気媒体と磁気センサとを有する磁気エンコーダであって、前記磁気センサは、少なくとも強磁性固定層と、強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層に挟まれた非磁性層を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子は略長方形をなし、前記強磁性固定層の着磁方向、前記磁気抵抗効果素子の短手方向、前記磁気媒体の着磁方向および前記相対的移動方向が同じであるとともに、前記磁気抵抗効果素子の層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔが異方性磁界Ｈ_ｋ以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを用いた磁気式エンコーダに関するものである。

小型ロボットやデジタルカメラ、インクジェットプリンタなど、民生用途で使用される磁気エンコーダのさらなる高分解能化が求められている。磁気エンコーダには、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダがあるが、いずれも図１４に示した概略図のように、間隔λで多極着磁された記録媒体１と、外部磁界に対して物質の抵抗が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気センサ２を備える。記録媒体の磁化方向の変化に応じて、感磁素子４が受ける磁界の向きも周期λで変化する。高分解能化達成の一手段として、感磁素子幅及び記録媒体の着磁ピッチを狭小化することで、単位移動距離あたりの出力信号数を増加させる方法がある。媒体着磁ピッチを狭小化すると、媒体表面からの漏洩磁界が小さくなることから、感磁素子の感度を高めて、小さい磁界変化に対しても大きな抵抗変化が得られる素子が必要となる。以下、感磁素子に用いられる磁気抵抗効果膜および素子について述べる。

異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）膜を用いたＡＭＲ素子は、通常ＮｉＦｅなどの単層膜をパターニングして素子が形成される。比較的磁場強度の弱い領域でも、磁界の変化によって電気抵抗が数％変化するうえ、製造も容易なため多く用いられている。結合型巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜を用いた結合型ＧＭＲ素子が、特許文献１に示されている。結合型ＧＭＲ素子は、ＡＭＲ素子に比べ２〜４倍大きな電気抵抗変化率を示す。特許文献１のＧＭＲ素子は、ＮｉＣｏＦｅ薄膜と非磁性金属薄膜を数十層交互に積層した人工格子金属膜を用いたものである。

さらに、磁気ディスク装置の再生ヘッドに用いられるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜（ＳＶＧＭＲ膜）が、特許文献２に示されている。ＳＶＧＭＲ膜は、磁界（磁束）の方向が変化しても磁化方向が変化しない固定層と、磁界の変化に追従して磁化方向が変化する自由層、固定層と自由層を磁気的に分離する非磁性層から構成される。固定層と自由層の磁化方向が平行のとき抵抗は最小になり、反平行方向のとき抵抗は最大を示す。非常に弱い磁界（０.８〜２ｋＡ／ｍ（約１０〜２０Ｏｅ））で、１０％以上の抵抗変化を発現する。したがって、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子（以下、ＳＶＧＭＲ素子とも称する。）は感磁素子として有力である。

特許第２８１２０４２号公報 特許第３０４０７５０号公報

磁気エンコーダの高分解能を達成するためには素子幅を狭小化する必要があるが、この点で問題となるのが、素子の形状異方性である。一般に磁気エンコーダの感磁素子は素子長さが数百μｍ、素子幅が数μｍ〜数十μｍ程度であるが、素子幅の狭小化によってアスペクト比（素子長さ／素子幅の比）は大きくなる。その結果、素子全体の磁化方向が一様に向くのに要する磁界である異方性磁界Ｈ_ｋが増加する懸念がある。素子形状に高アスペクト比が必要とされるのは、磁気ヘッド等の場合には必ずしも要求されない磁気エンコーダの高分解能化に特有の要請である。特にＡＭＲ素子を用いる場合、Ｈ_ｋの増加に伴って弱磁場での感度が低下し、所望の出力が得られない。また結合型のＧＭＲ素子においては、素子全体が飽和する磁界Ｈ_ｓが数百Ａ／ｍ〜数ｋＡ／ｍ程度と大きいため、強磁場では大きい抵抗変化率が得られる膜でも、弱磁場では抵抗変化が小さくなってしまう。この点、ＳＶＧＭＲ膜を用いたＳＶＧＭＲ素子は、弱磁場で大きな抵抗変化が得られる点で、磁気エンコーダの感磁素子の高感度化に適していると考えることができる。

しかしながら、ＳＶＧＭＲ素子のＭＲループは、図３（ｂ）に示すように磁界方向に対して非対称であり、ＭＲループの特性が磁気エンコーダの出力に影響しやすい。したがって、ＳＶＧＭＲ素子を、磁気エンコーダに適用する場合には、必ずしも十分な出力が得られるものではなかった。また、感磁素子を記録媒体と組み合わせる場合において、ＡＭＲ素子とＧＭＲ素子の磁気抵抗効果は磁界の方向に影響を受けない。これは図３（ａ）に示す磁気抵抗効果ループ（ＭＲループ）から明らかである。したがって、着磁ピッチλに対して素子出力（抵抗変化）は周期λで得られることとなる。一方のＳＶＧＭＲ素子の場合、固定層の着磁の向きに対する外部磁界の角度差で抵抗変化が生ずるため、ＭＲループは図３（ｂ）のような形状を示す。したがって素子の構成をＡＭＲ素子またはＧＭＲ素子と同様とした場合の素子出力の周期は２λとなり、分解能は１／２になってしまう。このことから、ＡＭＲ素子やＧＭＲ素子の従来素子を単純にＳＶＧＭＲ素子に置き換えても、高分解能の磁気エンコーダを実現するのは困難であった。すなわち、ＳＶＧＭＲ素子を用いた場合磁気エンコーダであっても、前記高出力化のみならず、高分解能化においても満足な特性が得られているとは言い難かった。

そこで、本発明は、ＳＶＧＭＲ素子を磁気エンコーダに適用し、センサ出力に優れ磁気エンコーダを提供し、さらには高分解能も具備する磁気エンコーダを提供することを目的とした。

本発明の磁気エンコーダは、磁気媒体と、該磁気媒体に対して所定の間隔で対向して相対的に移動する磁気センサとを有し、前記磁気媒体が前記磁気センサとの相対的移動方向に交互に多極着磁されている磁気エンコーダであって、前記磁気センサは、少なくとも強磁性固定層と、強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層に挟まれた非磁性層を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子は略長方形をなし、前記強磁性固定層の着磁方向、前記磁気抵抗効果素子の短手方向、前記磁気媒体の着磁方向および前記相対的移動方向が同じであるとともに、前記磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔが異方性磁界Ｈ_ｋ以上であることを特徴とする。

また、前記層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔが、前記磁気センサが検知する磁気媒体からの漏洩磁界以下であることが好ましい。さらに、前記層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔは４０００Ａ／ｍ以下であることが好ましい。

さらに、前記磁気エンコーダにおいて、前記層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔと前記異方性磁界Ｈ_ｋとの和が前記漏洩磁界以下であることが好ましい。

さらに、前記磁気エンコーダにおいて、前記磁気媒体は、隣り合う一対の着磁領域の着磁方向の長さをピッチ２λとして多極着磁されており、前記磁気センサは、それぞれ２ｎ個（ｎは自然数）の前記磁気抵抗効果素子が前記相対的移動方向にピッチλで配置され、かつ直列に接続された第１の素子列と第２の素子列とを備え、前記第１の素子列の一端と前記第２の素子列の一端とは、距離（ｍ＋１／２）×λで離間しており、前記第１の素子列の一端は電源に、前記第１の素子列の他端は前記第２の素子列の一端に接続され、前記第２の素子列の他端は接地され、前記第１の素子列の他端と前記第２の素子列の一端との接続部分から中点電位を検出することが好ましい。

さらに、前記磁気エンコーダにおいて、異方性磁界Ｈ_ｋが５００Ａ／ｍ以下であることが好ましい。ここでいうＨ_ｋは素子形状加工する前のＳＶＧＭＲ膜の異方性磁界である。

さらに、前記磁気エンコーダにおいて、前記磁気抵抗効果素子の素子幅をｗ（μｍ）、ＳＶＧＭＲ膜の層間結合磁界をＨ_ｉｎｔ（Ａ／ｍ）、異方性磁界をＨ_ｋ（Ａ／ｍ）、強磁性自由層の飽和磁化をＭ_ｓ（Ａ／ｍ＝１０^３ｅｍｕ／ｃｍ^３）、磁気媒体の着磁ピッチをλ（μｍ）、素子の不感磁界をδ（Ａ／ｍ）とした場合、前記δは０以上で、かつ前記磁気センサが検知する磁気媒体からの漏洩磁界以下であるとともに、
０＜Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ＜Ｍ_ｓ×λ／（２ｗ）＋δ
の関係を満たすことがこのましい。ここでいうＨ_ｋは素子形状加工する前のＳＶＧＭＲ膜の異方性磁界である。

本発明によれば、ＳＶＧＭＲ素子を用いて、センサ出力に優れた磁気エンコーダを提供し、さらには高分解能も具備する磁気エンコーダを提供することができる。さらに着磁ピッチを狭小化しても十分な信号出力を得ることが可能である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
本発明に係る磁気エンコーダは、図１４で示した構成と同様に、磁気媒体１と、該媒体に対して所定の間隔で対向して相対的に移動する磁気センサ２とを有し、前記磁気媒体が前記磁気センサとの相対的移動方向に交互に多極着磁されている。前記磁気センサは、図１に示すように、少なくとも強磁性固定層５と、強磁性自由層６と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層に挟まれた非磁性層７を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子（ＳＶＧＭＲ素子）を備える。

ＳＶＧＭＲ素子を構成する磁気抵抗効果膜は，ＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて作製した．磁気抵抗効果膜は，基板上に下地層（ＮｉＦｅＣｒ（３ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１ｎｍ））／反強磁性層（ＭｎＰｔ（１４ｎｍ））／強磁性固定層（ＣｏＦｅ（１.８ｎｍ）／Ｒｕ（０.９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２.２ｎｍ））／非磁性中間層（Ｃｕ（２.１ｎｍ））／強磁性自由層（ＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ））／背後層（Ｃｕ（０.６ｎｍ））／保護層（Ｔａ（３ｎｍ））という順で薄膜を積層したものである（括弧内の数字は膜厚を示す）。

前記磁気抵抗効果素子は略長方形をなしている。略長方形とは、全体が長手方向と短手方向を有する形状であり、凹凸、曲線部分等の存在も許容する。但し、図１に示すように感磁素子として機能する部分は長方形であることが好ましい。図１では、配線部分の図示は省略してある。強磁性固定層５の着磁方向と、前記磁気抵抗効果素子の短手方向、すなわち幅方向と、磁気媒体１と磁気センサ２との相対的移動方向とは、同じになるようにしてある。磁気媒体から漏洩磁界が作用していないときの図１に示す強磁性自由層の磁化方向は、実線の矢印の方向であり、強磁性固定層５の磁化方向と同じである。実線の矢印とは逆方向の磁界が磁気媒体から作用すると強磁性自由層６の磁化の向きは図の点線の矢印のように逆方向となる。このとき、強磁性固定層５の磁化方向と強磁性自由層６の磁化方向とは反平行となり、電気抵抗が増加する。実線の矢印の方向、すなわち、強磁性固定層５の磁化方向と同じ方向に磁界が作用しているときは磁化の方向は変化しないため、電気抵抗も変化しない。磁気媒体１と磁気センサ２とが相対的に移動することによって、磁気センサを構成するＳＶＧＭＲ素子の強磁性自由層６の磁化方向が、強磁性固定層５の磁化の方向と平行な状態と反平行の状態とを遷移するため、大きな抵抗変化率を示す。本発明では、上記ＳＶＧＭＲ素子において、層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔと異方性磁界Ｈ_ｋの関係を規定する。すなわち、前記磁気抵抗効果素子の層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔを異方性磁界Ｈ_ｋ以上とする。

ここで，Ｈ_ｉｎｔは強磁性固定層と強磁性自由層との間に働く磁界であるので、非磁性中間層膜厚を変えることで変化する。具体的には、Ｃｕ膜厚が薄い領域（＜２ｎｍ以下）では固定層／自由層の間隔が狭くなってＨ_ｉｎｔも大きくなる。Ｃｕ膜厚が厚い領域（２．２ｎｍ以上）では逆に間隔が広くＨ_ｉｎｔも小さくなる。さらに、Ｃｕを介した強磁性層間のＲＫＫＹ的相互作用もＨ_ｉｎｔに影響するため、実際にはＣｕ膜厚により強磁性／反強磁性的結合が増減する。

磁気抵抗効果膜のＨ_ｋは自由層材料によりほぼ一義的に決定されるが、素子形状にパターニングした場合の実効的なＨ_ｋ（以下Ｈ_ｋ ^＊と表記する）は素子幅ｗにより変化する。具体的には、素子幅が狭くなるとＨ_ｋ ^＊は増大する。エンコーダ向け感磁素子は素子自体を高抵抗化するため、素子長さＬは１００μｍ以上とすることが好ましい。これに対して幅ｗは数十μｍ程度で圧倒的に短いため、素子自身の形状異方性がＨ_ｋ ^＊を増大させることになる。素子幅ｗは着磁ピッチλの１／２よりも小さくなくてはならず、かつ十分な感度を得るために所望の幅以上、具体的にはλの１／１０程度以上に設定する必要がある。たとえばλ＝２０μｍの場合，ｗの好ましい範囲は２〜１０μｍである。素子長Ｌとの比Ｌ／ｗの比で言えば、１０以上が好ましい。また、強磁性自由層の膜厚Ｔとの比ｗ／Ｔで言えば、５００〜２５００が好ましい。

図３（ｃ）に、ＭＲループにおけるＨ_ｉｎｔとＨ_ｋの測定箇所を示す。Ｈ_ｉｎｔはＭＲ比が最大値の１／２となる磁界であり、Ｈ_ｋはＨ_ｉｎｔを通るＭＲループの接線上において最大ＭＲ比を示す磁界からＨ_ｉｎｔを差し引いた磁界である。かかる構成のＳＶＧＭＲ素子を用いて磁気エンコーダを構成する実施形態について、図を用いてさらに具体的に説明する。ＳＶＧＭＲ素子を用いて磁気エンコーダを実現する構成例を，図４を用いて説明する。図４の構成はＡＭＲ素子と同様な形状のＭＲループを得るための素子配置である。１番目のＳＶＧＭＲ素子２１に対して着磁ピッチλだけ離した位置に２番目のＳＶＧＭＲ素子２２を配置し、該２つのＳＶＧＭＲ素子を接続することで、図５に示すＭＲループが得られる。一つのＳＶＧＭＲ素子２１では、磁気媒体の着磁ピッチλに対して得られるＭＲ比の信号の周期は２λであるが、上記のようにλだけ離した位置にＳＶＧＭＲ素子２２を設けることによって周期λの信号を得ることができる。図５の磁界の正と負は、ＳＶＧＭＲ素子に印加される磁界の逆転を意味する。例えば、図４（ａ）の状態ではＳＶＧＭＲ素子２１には、磁気媒体１からの漏洩磁界３のうち図の右から左へ向かう磁界が作用する。このとき、ＳＶＧＭＲ素子２２には図の左から右へ向かう磁界が作用する。この場合を正とする。ＳＶＧＭＲ素子と磁気媒体とが相対的に移動し、ＳＶＧＭＲ素子２１が図４（ａ）のＳＶＧＭＲ素子２２の位置にくると、ＳＶＧＭＲ素子２１には図の左から右へ向かう磁界が作用し、ＳＶＧＭＲ素子２２には図の右から左へ向かう磁界が作用する。この場合を負とする。このように各ＳＶＧＭＲ素子に印加される磁界方向の反転を正負で表している。

ここで着目すべきは、２つのＳＶＧＭＲ素子を接続して得られたＭＲ比は、周期としてはλの信号が得られるが、単一素子の場合のＭＲ比に比べて１／２になっていることである。これはすなわち、素子出力が低下することを意味する。この問題は、同様に組み合わせたＳＶＧＭＲ素子２３及び２４の素子列２６を、ＳＶＧＭＲ素子２１及び２２の素子列２５と図４に示すように配置してブリッジ接続し、図６に示す回路を構成することで解決できる。

磁気媒体１は、隣り合う一対の着磁領域の着磁方向の長さをピッチ２λとして多極着磁されている。図４（ａ）では、長さλの互いに逆の着磁方向の領域が交互に設けられており、一対のピッチは２λである。一対のピッチが２λであれば、正方向、逆方向の着磁領域のピッチは必ずしもλでなくてもよく、異なっていてもよい。２個のＳＶＧＭＲ素子２１と２２は相対的移動方向にピッチλで配置され、直列に接続されて第１の素子列２５を構成している。また、２個のＳＶＧＭＲ素子２３と２４も相対的移動方向にピッチλで配置され、やはり直列に接続されて第２の素子列２６を構成している。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の素子列２５の一端と第２の素子列２６の一端とは、距離λ／２離間している。かかる構成において、図４および図６に示すように、第１の素子列２５の一端は電源Ｖｃｃに接続され、他端は第２の素子列２６の一端に接続されている。第２の素子列２６の他端は設置され、第１の素子列２５の他端と第２の素子列２６の一端との接続部分から中点電位Ｖ_ｏｕｔを検出する。このような構成にすると、磁気抵抗変化の信号の周期をλとして高分解能を維持しつつ、素子出力の低下も抑制することができる。図４の構成では、各素子列を構成するＳＶＧＭＲ素子の数は２個としているが、これは２ｎ個（ｎは自然数）としてもよい。素子数が多くなると素子特性のばらつきの影響が緩和される。また、第１の素子列の一端と前記第２の素子列の一端とはλ／２だけ離間させているが、（ｍ＋１／２）×λ（ｍは整数）としても同じ効果が得られる。

ＳＶＧＭＲ素子のＭＲループは、素子を構成する膜の膜厚や材料により変化し、さらに素子形状によっても変化する。具体的には、層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔは固定層／自由層間の中間層膜厚や膜表面の凹凸などによる影響を受け、異方性磁界Ｈ_ｋは自由層の層構成、膜厚構成、材料により値が変化する。さらにＨ_ｋは素子形状による形状異方性の変化によっても影響を受ける。具体的には素子幅の狭小化によって素子長さ方向への異方性が大きくなり、Ｈ_ｋは増大する。これらの値が変化すると、図５に示した２素子の合成ループの形状が大きく変わり、素子そのものの感度に大きく影響を及ぼすのである。

Ｈ_ｋはＭＲループの傾きの指標でもある。Ｈ_ｋの値が大きいとＭＲループはｙ切片を持つため、２素子を合成した場合単素子の最大ＭＲ比とｙ切片までのＭＲ変化しか利用できず出力が著しく低下することになる。さらにＭＲループの傾きはすなわち素子の感度であるので、Ｈ_ｋが大きくなることは素子の感度が低下することと同義である。Ｈ_ｉｎｔはＭＲループの原点からのオフセットに相当する。Ｈ_ｉｎｔの値が小さいとｙ切片を持つため好ましくないが、大きすぎると大きな磁界を印加しないと抵抗変化が見られなくなるため、低磁界で十分な感度が得られなくなってしまう。狭ピッチ磁気エンコーダを実現するためには低磁界での感度が低下することは好ましくない。

図７にはλを３種類変化させた際の、媒体表面からの距離（ギャップ）による漏洩磁界の依存性を示す。ギャップ長ｚにおける漏洩磁界Ｈは，媒体表面での磁界Ｈ_０に対してＨ＝Ｈ_０×ｅｘｐ（−ｚ／λ）で変化するため，λが小さい（＝狭ピッチ）ほどギャップ依存性が大きく、また同じギャップ位置で比較した場合でも狭ピッチになるほど磁界が低下することは明らかである。たとえば、フェライト系材料をベースとした磁気媒体を用い、ギャップ長を１５μｍとした場合、漏洩磁界は４０００Ａ／ｍ（＝５０Ｏｅ）程度となる。このときＳＶＧＭＲ素子は±４０００Ａ／ｍで飽和する必要があり、Ｈ_ｉｎｔはそれ以下としないとＭＲ変化の最大値が使えない。すなわち、Ｈ_ｉｎｔが磁気センサが検知する媒体からの漏洩磁界以下であることが好ましい。

図８はＨ_ｋを変化させた際のＳＶＧＭＲ素子のＭＲループである。Ｈ_ｉｎｔは１６００Ａ／ｍ（２０Ｏｅ）とした。Ｈ_ｋの増加に伴って、合成したＭＲループの傾きが小さくなり、Ｈ_ｋが１６００Ａ／ｍより大きい場合は、外部磁界が印加されない状態でも個々のＳＶＧＭＲ素子のＭＲ比は有限値を持つ。そのため、合成したＭＲループの最大ＭＲ比は、個々のＳＶＧＭＲ素子のＭＲ比が有限値を持たない場合よりも低下する。

図９はＨ_ｋの異なるＳＶＧＭＲ素子について、規格化したＭＲ比のＨ_ｉｎｔ依存性を示す。Ｈ_ｉｎｔが増加するにしたがってＭＲ比が増加して、ＭＲ比は飽和する。Ｈ_ｋの増加に伴って、ＭＲが飽和して最大を示すＨ_ｉｎｔはより高磁界側にシフトするが、Ｈ_ｉｎｔ≧Ｈ_ｋの条件を満たすと、ＭＲ比を最大限高く保つことができることがわかる。逆に、Ｈ_ｉｎｔが最大を示す前記Ｈ_ｉｎｔよりも小さいとセンサの感度が低くなる。

図１０はＨ_ｉｎｔを変化させた際のＳＶＧＭＲ素子のＭＲループである。Ｈ_ｋは１６００Ａ／ｍ（２０Ｏｅ）とした。Ｈ_ｉｎｔが１６００Ａ／ｍ以上となりＨ_ｉｎｔ≧Ｈ_ｋを満たす場合には、ブリッジ出力で得られるＭＲ比は高い値を示すが、Ｈ_ｉｎｔの増加に伴いＭＲ比が０を示す磁界範囲が広がる。この範囲の弱磁界ではセンサは抵抗変化を示さないことが分かる。ＭＲループがｙ切片を持たないためには、Ｈ_ｉｎｔはＨ_ｋ以上の値にする。また、ＭＲループはＨ_ｉｎｔ＋Ｈ_ｋの印加磁界で飽和する。したがって、Ｈ_ｉｎｔとＨ_ｋの和が磁気センサが検知する磁既媒体からの漏洩磁界以下であれば高いＭＲ比を維持できるので好ましい。図１０に示す場合であれば、想定される４０００Ａ／ｍ（５０Ｏｅ）の低磁界でＳＶＧＭＲ素子が本来発揮しうるＭＲ比を維持するためには、Ｈ_ｋ１６００Ａ／ｍに対して、Ｈ_ｉｎｔは２４００Ａ／ｍ以下であることが好ましい。高感度を得るためにはＨ_ｉｎｔとＨ_ｋが等しいことがさらに好ましい。このような特性を有するＳＶＧＭＲ素子を用いることで、ＡＭＲ素子と同様に着磁ピッチλ周期の出力信号が得られ、かつＡＭＲ膜よりも高いＭＲ比が得られることから、高感度かつ高精度の磁気エンコーダが実現できる。該磁気エンコーダは、例えば、着磁ピッチλが４０μｍ以下、さらには２０μｍ以下または１０μｍ以下、或いはギャップが１５μｍ以下、さらには１０μｍ以下であるような挟ピッチ対応の磁気エンコーダとして好適である。

なお、Ｈ_ｉｎｔが負側に大きい場合（０Ａ／ｍ未満）、適切なＨ_ｋとの組み合わせ、すなわちＨ_ｉｎｔの値を−Ｈ_ｋよりも負側に大きく取る構成とすることで、図５の上下を反転させた形状のブリッジ出力を得ることも可能だと考えられる。しかしながら、Ｈ_ｉｎｔは固定層／中間層界面の凹凸によるNeel’s Orange Peel Effectと、中間層を介した固定層／自由層間のＲＫＫＹ的相互作用の和であり、負の値を示すには後者の作用が大きく現れるようにしなければならない。前者の影響は無視することが出来ないため、Ｈ_ｉｎｔが０Ａ／ｍ未満の素子を制御性よく得ることは困難である。さらに、Ｈ_ｋは素子のパターニングにより増加する傾向にあることから、Ｈ_ｉｎｔ＜０Ａ／ｍの領域で素子を作製することは、素子幅の変動に対して安定した出力を得る上で好ましくない。したがってＨ_ｉｎｔは少なくとも０Ａ／ｍ以上の値をとる必要がある。また、このようなＨ_ｉｎｔとＨ_ｋとの関係は、図２および図４のようにＳＶＧＭＲ素子を配置する場合に限らず、単体のＳＶＧＭＲ素子の場合にも当てはまる。すなわち、ＳＶＧＭＲ素子単独の場合でも、Ｈ_ｉｎｔをＨ_ｋ以上とすれば、ＭＲループがｙ切片を持たないようになるのでＭＲ比の低下が抑制されるのである。

（実施形態２）
磁気エンコーダのセンサ素子寸法は、素子幅に比べて素子長さが圧倒的に長いため、素子幅が狭くなると形状異方性は長手方向により強く加わるようになる。これは素子の反磁界Ｈ_ｄが大きくなるためである。ここで、Ｈ_ｄは反磁界係数Ｎと自由層の飽和磁化Ｍ_ｓとの積で表される。エンコーダ素子の場合、Ｎの値は素子長さＬと膜厚ｔの積に比例、素子幅ｗに反比例することから、Ｌとｔが一定の場合、Ｈ_ｄはＮ＝Ａ／ｗなる定数Ａを用いて、次式のように表現できる。
Ｈ_ｄ＝Ｎ×Ｍ_ｓ＝（Ａ×Ｍ_ｓ）／ｗ （式１）
ここでいう「膜厚」とは、ＡＭＲ素子の場合は強磁性層の膜厚そのものであり、ＮｉＦｅ換算で２０〜３０ｎｍである。ＳＶＧＭＲ素子の場合は強磁性自由層の膜厚と等価であり、同じくＮｉＦｅ換算にして４〜５ｎｍであることから、同じ長さの素子をＡＭＲ膜とＳＶＧＭＲ膜とで作製する場合、ＡＭＲ素子のＮはＳＶＧＭＲ素子の約５〜６倍だと言える。ＳＶＧＭＲ膜のＨ_ｋとを区別するためＳＶＧＭＲ素子の異方性磁界をＨ_ｋ ^＊とおくと、実施形態１から次の関係が言える。
Ｈ_ｉｎｔ＝Ｈ_ｋ ^＊＋δ （式２）
ここでδは不感磁界（Ａ／ｍ）で、ＳＶＧＭＲ素子が抵抗変化を示さない磁界の大きさを意味する。理想的にはδ＝０が望ましい。しかしながら，素子形成時のばらつきや自由層保磁力（Ｈ_ｃｆ）が存在することを考えると、たとえばＨ_ｃｆが大きい場合はＭＲループがヒステリシスを示し、Ｈ_ｉｎｔ＜Ｈ_ｋ ^＊となる懸念がある。この場合は素子出力が膜のＭＲ比よりも低下することから，δはＨ_ｃｆよりも大きな値を示すようにδ＞Ｈ_ｃｆに設定することが好ましい。また不感領域が大きいということは弱磁界でセンサ出力が得られないことを意味するので、δは磁気センサが検知する磁気媒体からの漏洩磁界以下とする必要があり、具体的には実施形態１から鑑みてδの最大範囲は概ね４０００Ａ／ｍ（５０Ｏｅ相当）程度とすることが好ましい。Ｈ_ｋ ^＊は膜自身のＨ_ｋと素子形状で決定される反磁界Ｈ_ｄとの和、すなわちＨ_ｋ ^＊＝Ｈ_ｋ＋Ｈ_ｄで表されることから、ＮとＡおよびｗの関係および式１と式２から次の関係が成り立つ。
Ａ＝ｗ×（Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ−δ）／Ｍ_ｓ （式３）
また、素子幅ｗは、第１の要請として、磁気媒体の着磁ピッチλよりも小さいことが必要であるが、高ＭＲ比を得るために上述のように第1の素子群と第２の素子群をλ／２離間させて配置するためには、素子幅ｗはλ／２未満、すなわちｗ＜λ／２とすることが必要になる。この式とＮとＡおよびｗの関係（０＜Ａ＜ｗ）から０＜Ａ＜λ／２が得られる。したがって、かかる式と式３より、高ＭＲ比を得る素子配置の観点からは、次式が満足されることが好ましい。
０＜ｗ×（Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ）／Ｍ_ｓ＜λ／２＋δ×ｗ／Ｍ_ｓ （式４）
または
０＜Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ＜Ｍ_ｓ×λ／（２ｗ）＋δ （式５）
（ｗ：素子幅（μｍ）、Ｈ_ｉｎｔ：ＳＶＧＭＲ膜の層間結合磁界（Ａ／ｍ）、Ｈ_ｋ：素子形状加工前のＳＶＧＭＲ膜の異方性磁界（Ａ／ｍ）、Ｍ_ｓ：自由層の飽和磁化（Ａ／ｍ＝１０^３ｅｍｕ／ｃｍ^３）、λ：磁気媒体の着磁ピッチ（μｍ）、δ：素子の不感磁界（Ａ／ｍ））
式４を満たすようなＨ_ｉｎｔとＨ_ｋの組み合わせを示すＳＶＧＭＲ膜を用いることで、素子形状に加工した場合においても異方性磁界Ｈ_ｋ ^＊の増加によるセンサ感度低下を抑え、ＳＶＧＭＲ膜と同等の抵抗変化率を示すＳＶＧＭＲ素子を得ることができ、かつ従来のＡＭＲ素子を凌ぐ高感度の磁気センサが実現できる。

（実施形態３）
ＳＶＧＭＲセンサでは図６に示されるブリッジ回路の出力を利用しており、複数の感磁素子からの出力を合成したものとなる。したがって、素子間の干渉を排除するためには素子幅ｗは小さいことが好ましい。しかし、式２に示されるように素子感度を決定するための磁場Ｈ_ｋの効果と素子幅ｗの効果が打ち消しあう構成となっているために、素子幅の最適値はＳＶＧＭＲ膜の特性によって変化する。図１１および図１２にＳＶＧＭＲ膜のＨ_ｋについて、素子幅の最適値が変化する様子を示す。図１１では素子加工する前のＨ_ｋ＝７００Ａ／ｍ、図１２では同じくＨ_ｋ＝３５０Ａ／ｍのＳＶＧＭＲ膜を用いたセンサ出力で、それぞれ膜のＨ_ｉｎｔがＨ_ｉｎｔ＝７００、１０５０、および１４００Ａ／ｍの条件となっている。また、図１２にはＨ_ｉｎｔ＝２８００Ａ／ｍのデータも示した。素子幅ｗの減少はＨ_ｋの増加の原因となるため、素子感度が低下して再生出力は減少する。同時に、素子幅ｗの減少は素子抵抗を大きくするため、再生出力は増加する。したがって、これら２つの効果の兼ね合いによって出力が変化し、センサに対する最適素子幅も左右されることになる。

図１１のＨ_ｋ＝７００Ａ／ｍの場合、Ｈ_ｉｎｔの変化に対する最適素子幅は１０から１２μｍであり、図１２のＨ_ｋ＝３５０Ａ／ｍの場合、最適素子幅は８から９μｍである。いずれの場合もＨ_ｉｎｔの変化に対して出力の最大値が変化しているが、前者で１０５０Ａ／ｍから１４００Ａ／ｍ、後者で１４００Ａ／ｍから２８００Ａ／ｍの間で出力が最大となっている。両者の最大出力を比較するとＨ_ｋが小さい方で出力が大きくなっているが、素子幅が変化した場合の最適値の範囲は、Ｈ_ｋが大きい方で許容範囲が広くなっている。また、Ｈ_ｋが小さい場合に最大出力を得るためには大きなＨ_ｉｎｔが必要となり、膜特性の設計上ＧＭＲによる抵抗変化率との整合性を取ることが重要となる。一方、Ｈ_ｋが小さい方では一般的に再生出力が低くなる傾向を示すものの、Ｈ_ｉｎｔの変化に対して最適素子幅の得られる範囲が広くなっていることから、素子の加工精度に関する許容度が大きく、歩留まりの高いデバイスが提供可能である。また、ＳＶＧＭＲ素子列をλ／２ずらして配置するためには、素子の幅はλ／２以下にする必要がある。すなわち、着磁ピッチλを２０μｍとした図１１および図１２で示す例では、素子幅は１０μｍ以下とする必要がある。ＳＶＧＭＲ膜のＨ_ｋが変化すると出力のピークがシフトするため、素子幅が着磁ピッチの１／２以下の素子において効率よく高出力を得るためには、Ｈ_ｋは５００Ａ／ｍ以下であることが好ましい。例えば、図１１では、ＳＶＧＭＲ膜のＨ_ｋが７００Ａ／ｍの場合は出力のピークは１０μｍ以上、すなわちλ／２以上にあるため、前記配置をとる場合は出力ピーク領域を有効に使えない。これに対してＳＶＧＭＲ膜のＨ_ｋが減少すると出力のピークは素子幅が小さい方向にシフトし、図１２に示すように３５０Ａ／ｍでは出力のピーク領域は着磁磁ピッチの１／２以下の素子幅領域８〜９μｍ程度になるので、該出力ピーク領域を利用することが可能となる。かかる観点において、素子幅に余裕を持たせるためにはＳＶＧＭＲ膜のＨ_ｋは３５０Ａ／ｍ以下とすることが好ましい。

上記実施形態１に従い、ＳＶＧＭＲ素子の作製を行った。実施形態１で示した材料、膜構成のＳＶＧＭＲ膜を、フォトリソグラフィープロセスにより加工、作製した。試作素子のパターン幅は５μｍとした。図１３にＳＶＧＭＲ膜及び素子のＭＲループを重ねて示す。素子形成後はＨ_ｋ ^＊がＨ_ｋより大きくなっており、パターニングによりＨ_ｄが増加し、見かけのＨ_ｋが増加していることがわかる。このときＨ_ｉｎｔがＨ_ｋよりも大きい値を取るように中間層（Ｃｕ）膜厚を設定したため、パターニング後においてＭＲループのｙ切片はほぼ０に近い。ここで，素子試作に用いたＳＶＧＭＲ膜の特性は、Ｈ_ｉｎｔ＝２０００Ａ／ｍ、Ｈ_ｋ＝４４０Ａ／ｍ、Ｈ_ｃｆ＝３０Ａ／ｍである。自由層はＣｏＦｅ（１.３ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）の多層構造であり、自由層全体のＭ_ｓは１×１０^６（Ａ／ｍ）である。着磁ピッチλは２０μｍとした。素子幅が５μｍであることと、図１３のＭＲループにおいてδはループ立ち上がりの磁界に相当し、その値はＨ_ｉｎｔやＨ_ｋに比べ非常に小さいことから、ｗ×（Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ）／Ｍ_ｓの値は１.０８×１０^−２（μｍ）となり式４および式５の範囲を満たしている。さらに、実施形態３より、Ｈ_ｋ＝７００Ａ／ｍで検討を行ったＨ_ｉｎｔの範囲において、最適素子幅ｗは１０〜１２μｍであった。本検討ではＭ_ｓ＝１×１０^６（Ａ／ｍ）としており、これらの値からｗ×（Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ）／Ｍ_ｓを算出すると、概ね１.０×１０^−３（μｍ）〜１.０×１０^−２（μｍ）の範囲に収まる。したがって、ＳＶＧＭＲ膜の磁気特性及び素子寸法は、Ａが上記範囲未満となるように設定することが望ましい。このようにして作製したＳＶＧＭＲ素子は、膜と同等のＭＲ比を示すことがわかり、ＡＭＲ素子を凌ぐ感度を示すエンコーダ向け感磁素子を作製することが可能となった。

ＳＶＧＭＲ素子の膜構成を示す図である。 ＳＶＧＭＲ素子を用いた磁気エンコーダの概略図である。 ＡＭＲ素子のＭＲループ（ａ）と、ＳＶＧＭＲ素子のＭＲループ（ｂ）と、ＭＲループにおけるＨ_ｉｎｔとＨ_ｋ（ｃ）を示す図である。 磁気エンコーダにおけるＳＶＧＭＲ素子の素子配置を断面方向（ａ）、素子面垂直方向（ｂ）から見た図である。 ＳＶＧＭＲ素子群のＭＲループを示す図である。 ＳＶＧＭＲ素子の接続図である。 漏洩磁界強度の媒体表面からのギャップ依存性を示す図である。 Ｈ_ｋを変化させたＳＶＧＭＲ素子のＭＲループを示す図である（Ｈ_ｉｎｔ＝１６００Ａ／ｍ）。 Ｈ_ｋを変化させたＳＶＧＭＲ素子の、規格化ＭＲ比のＨ_ｉｎｔ依存性を示す図である。 Ｈ_ｉｎｔを変化させたＳＶＧＭＲ素子のＭＲループ（Ｈ_ｋ＝１６００Ａ／ｍ）。 素子幅による出力の変化を示す図である（Ｈ_ｋ＝７００Ａ／ｍ）。 Ｈ_ｋ、素子幅による出力の変化を示す図である（Ｈ_ｋ＝３５０Ａ／ｍ）。 素子形成前後のＳＶＧＭＲ膜のＭＲループを示す図である。 一般的な磁気エンコーダの構成を示す概略図である。

符号の説明

１：磁気媒体 ２：磁気センサ ３：漏洩磁界、４：感磁素子
５：強磁性固定層 ６：強磁性自由層 ７：非磁性層
２１、２２、２３、２４：ＳＶＧＭＲ素子 ２５、２６：素子列

Claims (6)

1. 磁気媒体と、該磁気媒体に対して所定の間隔で対向して相対的に移動する磁気センサとを有し、前記磁気媒体が前記磁気センサとの相対的移動方向に交互に多極着磁されている磁気エンコーダであって、前記磁気センサは、少なくとも強磁性固定層と、強磁性自由層と、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層に挟まれた非磁性層を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子は略長方形をなし、前記強磁性固定層の着磁方向、前記磁気抵抗効果素子の短手方向、前記磁気媒体の着磁方向および前記相対的移動方向が同じであるとともに、前記磁気抵抗効果素子を構成する磁気抵抗効果膜の層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔが異方性磁界Ｈ_ｋ以上であることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 前記層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔが、前記磁気センサが検知する磁気媒体からの漏洩磁界以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
3. 前記層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔと前記異方性磁界Ｈ_ｋとの和が前記漏洩磁界以下であることを特徴とする請求項２に記載の磁気エンコーダ。
4. 前記磁気媒体は、隣り合う一対の着磁領域の着磁方向の長さをピッチ２λとして多極着磁されており、
   前記磁気センサは、それぞれ２ｎ個（ｎは自然数）の前記磁気抵抗効果素子が前記相対的移動方向にピッチλで配置され、かつ直列に接続された第１の素子列と第２の素子列とを備え、
   前記第１の素子列の一端と前記第２の素子列の一端とは、距離（ｍ＋１／２）×λで離間しており、
   前記第１の素子列の一端は電源に、前記第１の素子列の他端は前記第２の素子列の一端に接続され、前記第２の素子列の他端は接地され、
   前記第１の素子列の他端と前記第２の素子列の一端との接続部分から中点電位を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気エンコーダ。
5. 異方性磁界Ｈ_ｋが５００Ａ／ｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の磁気エンコーダ。
6. 前記磁気抵抗効果素子の素子幅をｗ（μｍ）、ＳＶＧＭＲ膜の層間結合磁界をＨ_ｉｎｔ（Ａ／ｍ）、異方性磁界をＨ_ｋ（Ａ／ｍ）、強磁性自由層の飽和磁化をＭ_ｓ（Ａ／ｍ＝１０^３ｅｍｕ／ｃｍ^３）、磁気媒体の着磁ピッチをλ（μｍ）、素子の不感磁界をδ（Ａ／ｍ）とした場合、前記δは０以上で、かつ前記磁気センサが検知する磁気媒体からの漏洩磁界以下であるとともに、
   ０＜Ｈ_ｉｎｔ−Ｈ_ｋ＜Ｍ_ｓ×λ／（２ｗ）＋δ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の磁気エンコーダ。