JP2008076092A

JP2008076092A - 磁気エンコーダ装置

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Publication number: JP2008076092A
Application number: JP2006252928A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hoshiya; 裕之星屋; Kenichi Meguro; 賢一目黒; Kazuhiro Nakamoto; 一広中本; Taisuke Abe; 泰典阿部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-19
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Abstract

【課題】分解能及び出力の高い磁気エンコーダ装置と、エンコーダ装置用磁気抵抗効果センサを提供する。
【解決手段】２層の軟磁性層を反平行に結合した積層軟磁性膜で自由層を構成し、センサユニットの幅を２〜４μｍとすることで、微細かつ反磁界を低減したセンサを実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反磁界を低減した幅の狭い磁気抵抗効果センサを用いた磁気エンコーダ装置に関するものである。

磁気エンコーダ装置は、磁気抵抗効果型センサなどを用いて駆動体の位置や回転数を測ることの用に供される技術である。磁気センサ部に用いられる磁気抵抗効果膜としては、異方性磁気抵抗効果のある磁性薄膜や、強磁性金属層を非磁性金属層を介して積層した多層膜のいわゆる巨大磁気抵抗膜、トンネル磁気抵抗効果膜などが知られている。磁気ヘッドの再生センサとして用いられる同様の技術としてスピンバルブ膜があり、これは巨大磁気抵抗効果を感度よく得られる技術として知られている。

米国特許第５，４０８，３７７号明細書特許第３０１７０６１号公報特開２００３−１０６８６６号公報特開２００６−０２３１７９号公報

磁気抵抗効果を用いたセンサはエンコーダ用として検討が行われてはきたが、従来の技術では、近年、エンコーダに要求されるより高い分解能を実現することが困難であった。従来の磁気エンコーダ装置において磁気抵抗効果センサで高い分解能を実現しようとする際の欠点は、形状異方性が大きくなってしまう点である。エンコーダ用磁気抵抗効果センサは通常一つ以上のセンサユニットを磁気媒体に対向するように配置してなり、各センサユニットは幅の狭い帯状に長い部分を持つようにパターニングされる。これは、第一に幅を狭くすることでこの方向に対するセンサユニットの占める空間を狭く設定し、感知する磁界の空間分解能を上げるためである。第二に、長い方向に電流を流すことでセンサ全体としての電気抵抗を高くし、電流を低くして電力消費を低く抑えるためである。

例えば、エンコーダとしての磁気的なピッチ（一つのＮもしくはＳの長さ）を２０μｍとすると、センサユニットの幅はこれより短くなる。磁気信号を電気信号として適切な形態で取り出すために、一つのピッチ内に例えば２つのセンサを配置して回路を組む場合、ピッチ内で最も近接する２つのセンサユニットとセンサユニット間の間隔を保持するため、幾何学的に一つのセンサの幅は２０μｍ÷４＝５μｍ程度となる。同様に、ピッチの長さを１０μｍにするためには、一つのセンサの幅は２．５μｍ程度とすることが必要である。一つのピッチ内に２つでなくて一つのセンサユニットだけ配置してセンサを構成することも原理的には可能であるが、センサユニットの幅が広ければ広いほどセンサユニットの磁場に対する空間分解能は低下する。したがってセンサユニットの幅は、より狭く作ることで空間分解能が高く、かつセンサユニットの組合せ型のバリエーションが多様に活用できるメリットがでるのである。一方で、センサの長さはエンコーダの磁気コードの幅の中に納まる範囲で長い方が電力消費を抑えることが出来るため、数百μｍ程度と長い。

この結果として、磁気抵抗効果センサを構成する磁性膜には長手方向を容易軸方向とする形状異方性が発生する。この形状異方性の大きさは、感知すべき磁界に対して感応する磁性膜の厚さと飽和磁化の大きさに比例し、センサの幅におよそ反比例する。したがって分解能の高いエンコーダを実現するために磁気抵抗効果センサの幅を狭く作製すると、反磁界と呼ばれる大きな一軸性の形状異方性が発生し、磁気抵抗効果センサの動作が所望の磁界応答からはずれてしまうのである。このような形状異方性の増加を防ぐには、磁気抵抗効果センサの磁性膜の厚さを極端に薄くするか、飽和磁化を下げることが考えられるが、何れの場合も磁気抵抗効果の減少が発生するので、高い出力、高い分解能と所望の磁界応答挙動をすべて満たすことは従来では実現できなかった。

本発明は、高い磁気抵抗効果と高い分解能、磁気センサに適切な磁界応答挙動を実現することのできる磁気抵抗効果センサ、及びこれを用いたエンコーダを提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決する手段として、反磁界を低減した磁気抵抗効果センサを狭い幅に加工し、エンコーダ用センサに用いる。反磁界低減の具体的手段として、磁気抵抗効果センサをスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜から構成し、軟磁性自由層を互いの磁化が反平行に結合した積層フェリ型の積層体から構成する。より具体的には、軟磁性自由層を、非磁性中間層の側から第一の軟磁性膜、反平行結合膜、第二の軟磁性膜を積層した積層膜とし、第一の軟磁性膜と第二の軟磁性膜の磁化を互いに反平行方向に磁気的に結合させ、第一の軟磁性膜の磁化の量、すなわち飽和磁化と厚さの積をＭ１、第二の軟磁性膜の磁化の量をＭ２とする時に、次式を満たすようにする。
Ｍ１＞Ｍ２
１（ｎｍ・Ｔ（ナノメートル・テスラ））＜Ｍ１−Ｍ２＜３（ｎｍ・Ｔ）

以上の手段により、分解能が高く、かつ高い磁気抵抗効果を有したエンコーダ用磁気センサを実現できる。

本発明によると、より狭い幅、具体的には幅４μｍ以下の幅を有し、かつ反磁界の低減された磁気センサ、特にエンコーダ装置用磁気センサを実現できる。これをエンコーダ装置に用いることで、高感度かつ高分解能の精度のよい位置・回転制御を実現することができる。

本発明の磁気エンコーダ装置の磁気センサの巨大磁気抵抗効果積層膜を構成する薄膜は、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置により以下のように作製した。アルゴン０．０２７〜０．４０（Ｐａ）［０．２〜３（ｍＴｏｒｒ）］の雰囲気中にて、セラミックス基板に以下の材料を順次積層して作製した。スパッタリングターゲットとしてタンタル（Ｔａ），ニッケル−鉄−クロム（ＮｉＦｅＣｒ）合金，ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金，銅（Ｃｕ），コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合金，マンガン−白金（ＭｎＰｔ）合金，ルテニウム（Ｒｕ）の各ターゲットを用いた。積層膜は、各ターゲットを配置したカソードに各々ＤＣ電力を印加して装置内にプラズマを発生させておき、各カソードに配置されたシャッターを一つずつ開閉して順次各層を形成した。

膜形成時には、永久磁石を用いて基板に平行におよそ６．３７（ＫＡ／ｍ）［８０（Ｏｅ）］の磁界を印加して、誘導磁気異方性を付与した。形成した膜を、真空中、磁場中で２７０℃、３時間の熱処理を行ってＭｎＰｔ反強磁性膜を相変態させた。この熱処理で、軟磁性自由層の誘導磁気異方性の容易軸の方向は、強磁性固定層の磁化の着磁方向と平行になっている。この方向からさらに軟磁性自由層の誘導磁気異方性を９０°方向に変えるため、２５０℃、３時間の熱処理を最初の熱処理の磁界と直交する方向の磁界中で行った。基体上の素子の形成にあたっては、フォトレジスト工程によるパターニングを行った。

図１に、本発明の代表的な磁気抵抗効果型再生センサの構造を示す。センサユニット５５は幅Ｗ、長さＬの短冊状にパターンニングされた磁気抵抗効果積層膜１０からなる。長さＬは、幅Ｗに対して幾何学的に十分長く、幅Ｗが２〜４μｍに対して数倍以上長い。具体的には、長さＬは５０μｍ以上であることが望ましい。磁気抵抗効果積層膜１０は、基体５０上に、下地膜１４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３、及び保護膜１７を形成してなる。反強磁性膜１１は強磁性固定層１５の磁化の方向を、磁化固定方向６２の方向に実質的に固定する交換結合力を発生する。軟磁性自由層１３は、第一の軟磁性膜１３１、反平行結合層１３２、第二の軟磁性膜１３３からなる、いわゆる積層フェリ自由層となっている。すなわち第一の軟磁性膜１３１と第二の軟磁性膜１３３は、反平行結合層１３２を介して互いの磁化が反平行に磁気的に結合してなる。この反平行結合の機能により、軟磁性自由層１３の実質的な磁化の量は、第一の軟磁性膜１３１と、第二の軟磁性膜１３３の磁化の量の差分に相当するように動作させることができる。例えば、第一の軟磁性膜１３１の磁化量が、磁化と厚さの積で４（ｎｍ・Ｔ）（ナノメートル・テスラ）、第二の軟磁性膜１３３の磁化量が２（ｎｍ・Ｔ）とすると、軟磁性自由層１３の実質的な磁化の量は４−２＝２（ｎｍ・Ｔ）とすることができる。さらに詳細な構造例を図を用いて説明する。なお、以下では本発明のタイプの積層フェリ型の軟磁性自由層を用いた構成に比較して、従来型の非積層フェリ型の軟磁性自由層を用いた従来構成についても比較のために作製したので、以下、この非積層フェリ型のことを、シングル型と呼称することにする。

図２に、本発明の代表的な磁気抵抗効果型再生センサの詳細な構造例を示す。センサユニット５５、磁気抵抗効果積層膜１０、基体５０、下地膜１４、反強磁性膜１１、強磁性固定層１５、非磁性中間層１２、軟磁性自由層１３、第一の軟磁性膜１３１、反平行結合層１３２、第二の軟磁性膜１３３及び保護膜１７については、図１の説明と同様の構成、機能を有する。強磁性固定層１５は、第一の強磁性膜１５１、反平行結合層１５４、第二の強磁性膜１５２を積層してなる。第一の強磁性膜１５１は反平行結合層１５４を介して、第二の強磁性膜１５２と互いの磁化が反平行に磁気的に結合してなる、いわゆる積層フェリ構造をとっている。この構成により、強磁性固定層１５の磁気的安定性が向上するとともに、強磁性固定層１５からセンサユニット５５の側面端部に漏洩する磁界の量が低減し、軟磁性自由層１３の磁気的な安定性を向上する効果が得られて望ましい。第一の軟磁性膜１３１は、第一の軟磁性層１３１１及び第二の軟磁性層１３１２からなっているが、第一の軟磁性層１３１１及び第二の軟磁性層１３１２は互いの磁化が強く結合していて一体の軟磁性膜として機能する。第一の軟磁性膜１３１を第一の軟磁性層１３１１及び第二の軟磁性層１３１２の積層体とするのは、磁気抵抗効果を増大させる効果があるからである。磁気抵抗効果積層膜１０を構成するそれぞれの層の具体的な例を図２に示した。反強磁性膜１１、第一の強磁性膜１５１、反平行結合層１５４、第二の強磁性膜１５２、非磁性中間層１２、第一の軟磁性層１３１１、第二の軟磁性層１３１２、反平行結合層１３２、第二の軟磁性膜１３３は、それぞれ、ＭｎＰｔ，ＣｏＦｅ，Ｒｕ，ＣｏＦｅ，Ｃｕ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，Ｒｕ，ＮｉＦｅを用いると高い出力と良好な磁気特性を兼ね備えることが出来る。

図３に、本発明のセンサユニットの磁界応答曲線を示す。比較のため、通常のシングル型の自由層を有する従来構造のセンサユニットの磁界応答曲線も示した。ここでシングル型自由層の構成は、非磁性中間層に接する側から、ＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）の構成とし、その磁化量はおよそ４（ｎｍ・Ｔ）である。また、本発明の構成の自由層の構成は、同様にＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）とした。その磁化量はおよそ２（ｎｍ・Ｔ）である。両者とも幅Ｗは２μｍ、長さＬは１００μｍとした。本発明のセンサユニットの磁界応答曲線が、従来構造の磁界応答曲線に比べて、磁界に対するＭＲ比（抵抗変化率）の感度が高いことがわかる。例えば、磁界３．１８（ＫＡ／ｍ）［４０（Ｏｅ）］の時に、従来のセンサはＭＲ比がおよそ９％でまだ飽和していないのに対して、本発明のセンサでは１０％以上のＭＲ比を示していることがわかる。

この、飽和に必要な磁界の大きさの指標として、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*を図４の上部の図のように定義した。ここで、見かけの、と称するのは、このＨｋ^*が、センサユニットを構成する薄膜の誘導磁気異方性や形状異方性などの諸要素の総和からくる値で、その物理的な内容を区別せずに総括して扱う指標だからである。

図４の下部の図は、この見かけの異方性磁界Ｈｋ^*を、本発明のセンサユニット及び従来技術のセンサユニットについて示したものである。センサユニットの幅Ｗに対して、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*は反比例的に変化し、例えば、従来技術のセンサユニットでは幅Ｗが４μｍに狭くなるとＨｋ^*＞２．３９（ＫＡ／ｍ）［３０（Ｏｅ）］となってしまう。すなわち、従来技術のセンサユニットでは、幅Ｗの小さいセンサを作製すると感知すべき磁界が小さい場合に出力が著しく減少する。このことはエンコーダ用センサにおいて磁気媒体とのギャップ間隔が広い場合に出力が得られないことを意味する。一方、本発明のセンサユニットでは、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*が従来構成に比べて半分程度に小さく、このためセンサユニットの幅Ｗが２μｍと狭くなった場合の見かけの異方性磁界Ｈｋ^*の大きさは１．７５（ＫＡ／ｍ）［２２（Ｏｅ）］である。この値は従来構成のセンサユニットで幅Ｗが６μｍの場合と同等であり、本発明の構成を用いると、幅２μｍの微細なセンサユニットにおいて従来構成の場合と同程度の磁気的感度を達成できることがわかる。本発明の構成でセンサユニットの幅Ｗが６μｍよりも小さい場合、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*は０．８０（ＫＡ／ｍ）［１０（Ｏｅ）］以上の値を保持している。見かけの異方性磁界Ｈｋ^*が０．８０（ＫＡ／ｍ）［１０（Ｏｅ）］よりも小さくなると、センサユニットと磁気媒体とのギャップが狭い場合に、センサユニットが容易に飽和してしまう。

実験的にいって、ギャップ間隔依存性が最適であるための適切な領域は、図４に示したように、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*が０．８０〜２．３９（ＫＡ／ｍ）［１０〜３０（Ｏｅ）］の範囲であるときであった。これは、異方性磁界Ｈｋ^*の値が２．３９（ＫＡ／ｍ）［３０（Ｏｅ）］以上に大きくなることにより、感知すべき磁気媒体からの磁界がセンサユニットに誘起する磁気抵抗効果の程度が閾値以下に小さくなってしまい、磁気センサとしての機能を十分に発揮しなくなるからと考えられる。したがって、本発明の好ましい構成は、センサユニットの幅Ｗが６μｍより狭く、特に２〜４μｍの狭い幅でも性能を高く保つことができるということがわかった。

図５に、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*と軟磁性自由層の実効磁化量の関係を示した。本発明の構成では、図１、図２に示したような積層フェリ構成によって軟磁性自由層の実効磁化量は２（ｎｍ・Ｔ）程度と従来構造に比べて低減されている。センサユニットの幅Ｗが一定の場合、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*の大きさは軟磁性自由層の実効磁化量に比例していることがわかる。また、幅Ｗが２μｍのセンサで適切なギャップ間隔依存性を得るために見かけの異方性磁界Ｈｋ^*の値を０．８０〜２．３９（ＫＡ／ｍ）［１０〜３０（Ｏｅ）］の間の適切な値にするためには、軟磁性自由層の実効磁化量をおよそ１（ｎｍ・Ｔ）から３（ｎｍ・Ｔ）の範囲にする必要があることがわかる。

図６に、本発明と従来構造のセンサユニットのＭＲ比と軟磁性自由層の実効磁化量の関係について示した。シングル型の自由層を有する従来の構成では、軟磁性自由層の実効磁化量を低減するには、軟磁性自由層の厚さを低減する必要がある。図６の従来構成の例では、ＣｏＦｅ（０．５〜１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１〜２ｎｍ）の構成を用いた。より詳細には、軟磁性自由層の実効磁化量を４（ｎｍ・Ｔ）の場合にはＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）の構成を、同様に２（ｎｍ・Ｔ）の場合にはＣｏＦｅ（０．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１ｎｍ）とした。従来構造のセンサユニットの場合、軟磁性自由層の実効磁化量の低減はＭＲ比の大幅な低減を生じ、実効磁化量を２（ｎｍ・Ｔ）に低減すると、センサとしての出力が大幅に低下することがわかる。一方、本発明の構成では、軟磁性自由層を第一の軟磁性膜及び第二の軟磁性膜の積層体から構成して実効磁化量を低減するため、軟磁性自由層の実効磁化量は、第二の軟磁性膜の厚さを増大させることで達成させる。全体の膜の構成がより複雑になるが、この際、実効磁化量の低減に伴ってＭＲ比はやはり低下するが、その程度は従来の構成の場合に比べて十分小さい。これは、従来構造の場合のＭＲ比の低下が軟磁性自由層の厚さが低減したことによる非弾性散乱の増加とスピン依存散乱の低下によるのに対し、本発明の場合には第二の軟磁性磁性膜の厚さの分だけ電流の分流損失が増大する効果のみにとどまるからである。いずれにせよ軟磁性自由層の実効磁化量の低減はＭＲ比の低下を伴うから、実行磁化量をゼロに向かってとにかく低減すればよいものではない。本発明の構成は、図６のＭＲ比が下がるデメリットと図５の異方性磁界低減効果を比較して、図５の効果が上回るように幅の狭いセンサユニットを形成することにおいて初めて有効になる。

図７に、本発明の構成のエンコーダ装置のセンサユニットの出力と、センサユニット幅Ｗの関係を示した。ここでセンサユニットの出力は、センサユニットの幅Ｗが５μｍの時の出力で規格化して示し、また比較のため、シングル型の自由層を有する従来構成のエンコーダ装置の出力についても示した。測定は磁気ギャップ１５μｍで行った。従来構成のエンコーダ装置では、センサユニットの幅Ｗを狭くしていくと、センサユニットの出力が低下することがわかる。これは、センサユニットの幅Ｗを狭くすることで、前述したように磁気抵抗効果膜の軟磁性自由層の反磁界が増大するためである。したがって従来の構成の磁気エンコーダ装置では、５μｍより狭い磁気記録パターンを有する磁気媒体を検出することが出来ず、すなわち、得ることの出来る磁気エンコーダ装置の分解能は極めて限られていた。一方、本発明の構成では、センサユニットの幅Ｗを２μｍまで狭くしてもセンサユニットの出力はほとんど低下しない。本実施例ではプロセス上の限界で２μｍより狭いセンサユニットを作製することができなかったが、図７に示すように、本発明の構成が４μｍ以下というより狭い磁気記録バターンを検出するエンコーダ装置としての性能を発揮できることがわかる。

図８に、本発明の構成のエンコーダ装置のセンサユニットの長さＬとセンサユニットの電気抵抗の関係を示した。ここでは、本発明構成のセンサユニットの幅Ｗを２μｍとし、比較のためシングル型の自由層を有する従来構成のセンサユニットの幅５μｍの結果も示した。従来構成では、センサユニットの電気抵抗はあまり高くできず、センサユニットの長さを１００μｍと長くしても電気抵抗は５００Ω以下である。センサユニットの電気抵抗が低いと、エンコーダ装置を機能させることによる電力消費量が増大し、エンコーダ装置として実用性が低下する。５００Ω以上、というのは、センサユニットに必要な電気抵抗値の経験的な指標である。従来構造ではセンサユニットの幅が広いので、センサユニットの電気抵抗が、磁気抵抗効果膜のシート抵抗とセンサユニット長さの積に比例し、幅に反比例することによって、このようにセンサユニットを長く作製する必要がある。これに対して本発明の構成では、センサユニットの電気抵抗は、センサユニットの長さＬが５０μｍ程度でも５００Ωと高くできることがわかる。本発明の構成によるとセンサユニットの幅Ｗを２μｍまで細くしても磁気的感度を低下させずに保つことができることから、センサユニットの長さＬについても、従来より広い範囲で電力消費量の少ない実用的なエンコーダ装置を実現することができるのである。

図９に、本発明のセンサ部の構成例を示す。磁気媒体６１には、一周期２λごとに繰り返される磁気パターンが形成されている。センサ部は、４個のセンサユニットと、配線からなる。センサユニット５１，５２，５３，５４は磁気媒体６１に近接して設置され、磁気媒体６１に対して相対運動してエンコーダ装置として機能する。センサユニット５１，５２，５３，５４は、磁気媒体６１の交互に磁化されたビットの配列方向に適切な間隔を空けて配置される。ここでセンサユニットの適切な間隔とは、センサユニット５１と５２、５３と５４がおよそ１／２周期ずつ、すなわちλの間隔を持って配置され、センサユニット５２と５３が１／４周期、すなわち、λ／２の間隔を持って配置されることを基本とする。ここで、幾何学的に等価な構成について触れると、センサユニット間の相対位置が２λの整数倍だけずれたとしても、エンコーダ用磁気抵抗効果センサとしての機能は等価である。これは、磁気媒体６１には周期２λで磁気信号が書き込まれているため、その磁気的周期２λの整数倍だけずれた位置には等価な磁気信号が感知されるためである。しかしながら、最も単純で配置誤差の少ないのは２λの整数倍のずれを増やさないことで達成させるので、本実施例では上記幾何学的に等価な配列の例を列挙せずに、単純な構成で説明することとする。

センサユニット５１，５２，５３，５４は幅Ｗ、長さＬにパターニングされ、各センサユニットの強磁性固定層の着磁方向は磁化固定方向６２の方向である。センサユニット５１，５２，５３，５４には、図９のように電極を接続して電圧を印加、出力電圧を検出する。センサユニットの幅Ｗは、幾何学的制限により、λ／４程度もしくはこれより狭い幅である必要がある。なんとなれば、第一に、図９で明らかなように幅Ｗが広いと、磁気媒体６１上に記録された磁気ビットの情報を広く平均して検出してしまい、磁気媒体６１の場所情報の取得が困難になる、すなわちエンコーダとしての機能が低下する。第二に、各センサユニットを幅方向に隣接して配置するために、センサユニット間の最隣接間距離の半分程度以下、本発明の実施例ではλ／４以下にする必要がある。フォトリソグラフ技術上、パターンの幅と同程度の間隔で隣接パターンを形成することが容易かつ歩留が良いからである。

図１０に、本発明の磁気エンコーダ装置での磁気抵抗効果センサの動作原理を説明する。図１０のＡ列は本発明の磁気抵抗効果センサと磁気媒体を用いたエンコーダの模式図である。センサユニット５１，５２，５２，５４は磁気媒体６１に対向して相対運動する。各センサユニットが感知する磁界は、図１０のＢ列のようになる。磁気媒体６１が図１０のＡ列に示す相対位置の時、センサユニット５１，５２，５３，５４の感じる磁界は、図１０のＢ列の各々対応する黒い矢印の磁界からはじまり、磁気媒体の移動とともに感知する磁界が変化する。

図１０のＣ列は各センサユニットの磁界応答を模式的に示した図で、左からセンサユニット５１，５２，５３，５４にそれぞれ対応する。第一のセンサユニット５１を例に詳細を述べると、Ａ列の配列から白い矢印の方向に磁気媒体６１が移動すると、第一のセンサユニット５１が感知する磁界はゼロからプラスに増加する。このとき、Ｃ列の左の図のように、第一のセンサユニット５１の磁界応答曲線は磁界の増加にともなって図中の太い矢印のような抵抗の増加ΔＲを示す。一方、第二のセンサユニット５２の磁界応答曲線は、磁界ゼロからマイナスへの変化となるので、抵抗変化ΔＲはゼロである。このように適切に配列されたセンサユニットからそれぞれの場所に応じた抵抗変化が検出されるわけであるが、磁気媒体６１が磁気的な一周期分、すなわち、２λ移動すると、各センサユニットは抵抗の増加あるいは減少を生じて、図１０のＤ列のような抵抗変化を示す。ここで２λ＝λａ＋λｂであり、λａ，λｂはそれぞれ磁気媒体６１上に交互に逆方向に記録された磁気信号の長さである。この波形を合成することによって本発明の磁気抵抗効果センサを用いたエンコーダ装置は動作する。

図１１に、本発明の磁気抵抗効果センサの回路例と、その動作原理を示した。図１１のＡ列は、本発明の磁気抵抗効果センサのブリッジ回路を示した図である。センサユニット５１，５２，５３，５４は、それぞれ電気抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。第一のセンサユニット５１及び第二のセンサユニット５２は電気的に直列に接続され、同様に第三のセンサユニット５３と第四のセンサユニット５４は電気的に直列に接続されている。第一のセンサユニット５１の始端は印加電圧Ｖccに、第四のセンサユニット５４の終端は接地に、それぞれ接続され、第二のセンサユニット５２と第三のセンサユニット５３の間の中点接続部の電圧Ｖ_OUTを信号として取り出す。

図１０の説明と同様に、以下本発明の磁気抵抗効果センサの回路の動作原理を説明する。図１１のＢ列は図１０のＤ列と同様に、各センサユニットの一周期分の磁気応答曲線を示す。直列に接続した第一及び第二のセンサユニットの磁気応答曲線は、図１１のＣ列に示すように、第一及び第二のセンサユニットの磁気応答曲線の合計になる。第三及び第四のセンサユニットについても同様である。しかしながら、第三及び第四のセンサユニットは図９に示したように、第一及び第二のセンサユニットに対して１／２×λだけシフトした位置に配置されていることにより、図１１のＣ列では１／２×λ周期分だけ位相がシフトした応答曲線になっている。図１１のＤ列は、中点電位Ｖ_OUTを示した図である。第一及び第二のセンサユニットと、第三及び第四のセンサユニットとのブリッジ回路を形成し、その中点電位を検出することで、本発明のエンコーダ用磁気抵抗効果センサは磁気的な一周期２λのうちに、２周期分の検出信号を得ることが出来る良好な特性を示す。

図１２に、本発明のエンコーダ装置の構成例を示す。駆動体７１はセンサ５５に対して相対的に運動、例えば図中矢印のように回転動作をする。駆動体７１上に磁気媒体６１が配置され、適切なピッチで磁気信号が書き込まれている。センサ５５は適切なギャップを介して駆動体７１上の磁気媒体６１に近接して配置されてなる。ＡＤ変換素子７２及び演算素子７３はセンサ５５からの信号を処理してエンコーダ装置の信号化した出力を発生する。

以上のような構成でエンコーダ用センサを作製した結果、本発明の積層フェリ型軟磁性自由層を有する狭小なセンサユニットからなる磁気抵抗効果センサは磁気ピッチ１０μｍの磁気媒体に対して磁気ギャップの広い範囲において良好な出力を示した。

図１２に例示したエンコーダ装置は円盤型の駆動体の外周面に磁気媒体を配置したものであるが、本発明のセンサユニットを組み込んだセンサは、円盤面に磁気媒体を配置したエンコータ装置に対しても適用できる。また、本発明のセンサユニットを組み込んだセンサは、磁気スケールのような直線的な平面に磁気媒体を配置したエンコーダ装置に対しても適用できる。磁気媒体には、永久磁石単体や永久磁石粉末と樹脂等の複合材を用いることができる。

本発明の磁気エンコーダ装置の代表的な磁気抵抗効果型再生センサのセンサユニットの構造を示した図である。本発明の磁気エンコーダ装置の代表的な磁気抵抗効果型再生センサのセンサユニットの詳細な構造を示した図である本発明、及び従来技術のセンサユニットの磁界応答曲線の例を示した図である。本発明のセンサユニット及び従来技術のセンサユニットの見かけの異方性磁界Ｈｋ^*を示した図である。本発明、及び従来技術のセンサユニットの、見かけの異方性磁界Ｈｋ^*と軟磁性自由層の実効磁化量の関係を示した図である。本発明と従来構造のセンサユニットのＭＲ比と軟磁性自由層の実効磁化量の関係について示した図である。本発明と従来構造のセンサユニットの出力とセンサユニット幅Ｗとの関係とを示す図である。本発明の構成のエンコーダ装置のセンサユニットの長さＬとセンサユニットの電気抵抗の関係を示す図である。本発明の磁気エンコーダ装置の磁気抵抗効果センサを用いたエンコーダ装置の構成例を示す図である。本発明の磁気エンコーダ装置の磁気抵抗効果センサを用いたエンコーダ装置の動作原理を示す図である。本発明のエンコーダ装置の磁気抵抗効果センサ回路の動作原理を示す図である。本発明のエンコーダ装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１０磁気抵抗効果積層膜
１１反強磁性膜
１２非磁性中間層
１３軟磁性自由層
１３１第一の軟磁性膜
１３１１第一の軟磁性層
１３１２第二の軟磁性膜
１３２反平行結合層
１３３第二の軟磁性膜
１４下地膜
１５強磁性固定層
１５１第一の強磁性膜
１５２第二の強磁性膜
１５４反平行結合層
１７保護膜
５０基体
５１第一のセンサユニット
５２第二のセンサユニット
５３第三のセンサユニット
５４第四のセンサユニット
５５センサ
６１磁気媒体
６２磁化固定方向
７１駆動体
７２ＡＤ変換素子
７３演算素子

Claims

第一の方向に着磁された幅λａの領域と第二の方向に着磁された幅λｂの領域とが交互に配置された磁気媒体と、
磁化の方向が外部磁界に応じて変化する軟磁性自由層と、非磁性中間層と、強磁性固定層とが積層された構造を有する磁気抵抗効果膜を短冊状にパターニングしたセンサユニットを前記幅方向に間隔を置いて複数配列してなる磁気抵抗効果センサとを備え、
前記センサユニットの前記軟磁性自由層は、前記非磁性中間層の側から第一の軟磁性膜、反平行結合膜及び第二の軟磁性膜を順次積層した構造を有し、前記第一の軟磁性膜と第二の軟磁性膜の磁化は互いに反平行方向に磁気的に結合しており、
λ＝（λａ＋λｂ）／２の周期を有する電気信号を出力することを特徴とする磁気エンコーダ装置。
請求項１記載の磁気エンコーダ装置において、前記磁気抵抗効果膜は、前記強磁性固定層の磁化を実質的に固定する交換結合磁界を印加する反強磁性膜を有することを特徴とする磁気エンコーダ装置。
請求項１記載の磁気エンコーダ装置において、前記第一の軟磁性膜の飽和磁化と厚さの積をＭ１、前記第二の軟磁性膜の飽和磁化と厚さの積をＭ２とする時、次式を満たすことを特徴とする磁気エンコーダ装置。
Ｍ１＞Ｍ２
１（ｎｍ・Ｔ）＜Ｍ１−Ｍ２＜３（ｎｍ・Ｔ）
請求項１記載の磁気エンコーダ装置において、前記磁気抵抗効果膜は、幅が４μｍ以下、長さが５０μｍ以上であることを特徴とする磁気エンコーダ装置。
請求項１記載の磁気エンコーダ装置において、前記磁気抵抗効果センサは、第一のセンサユニットと、ｎを正の整数として前記幅方向に、前記第一のセンサユニットから（２ｎ−１）λだけ離して配置された第二のセンサユニットと、前記第二のセンサユニットから（２ｎ−１）λ／２離して配置された第三のセンサユニットと、前記第三のセンサユニットから（２ｎ−１）λだけ離して配置された第四のセンサユニットを有し、前記第一、第二、第三、第四のセンサユニットがブリッジ回路を構成していることを特徴とする磁気エンコーダ装置。
請求項５記載の磁気エンコーダ装置において、電源端子と、電気的に直列に接続された前記第一のセンサユニット及び前記第二のセンサユニットと、中点接続部と、電気的に直列に接続された前記第三のセンサユニット及び前記第四のセンサユニットと、接地部とが順次電気的に接続され、前記中点接続部の中点電位を検出することを特徴とする磁気エンコーダ装置。
請求項１記載の磁気エンコーダ装置において、前記λが１０μｍ以下であることを特徴とする磁気エンコーダ装置。