JP3001452B2 - 磁界センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば極薄板材の
微細ピンホールの探査や紙幣検査などの診断用、スピン
ドルモータ等に組み込まれるロータリーエンコーダの回
転角モニタやステージ組込みリニアスケールの位置モニ
タ等の制御用および、ハードディスク装置の磁気ヘッド
等に用いられる磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種物品の非破壊検査のための磁
界計測や、制御や位置情報などの変位・角度計測あるい
は、磁気ヘッドなどの磁気記録などでは、特に高感度
化、広帯域化および小型化が強く求められている。従来
の磁界センサとしては、ホール効果や磁気抵抗（ＭＲ）
効果を利用した素子が一般的であったが、これに加えて
現在では、アモルファス・ワイヤや磁性薄膜を用いた磁
気−インピーダンス効果を利用した素子の開発が進めら
れている。「磁気−インピーダンス効果」は磁性材料の
透磁率が外部印加磁界によって変化することに伴ない素
子の電気的インピーダンスが変化する現象であり、これ
を利用したものが各種提案されている。

【０００３】例えば図７には、上述のアモルファス・ワ
イヤを感受素子に用いこれに直接高周波電流を流したと
きの素子両端の電圧が外部磁界の強さに応じて変化する
ような従来の磁界センサ構造が示されている。日本応用
磁気学会誌(Vol.18,No.2,493, 1994) によれば、磁界変
化は素子インピーダンスの変化を誘起し、この結果高周
波電流（但し一定振幅）によるキャリア電圧が振幅変調
されることで磁界が検出される。このセンサは、フラッ
クスゲート型磁界センサ等にみられる巻き線が不要であ
るために素子構造が単純であり、反磁界の無いワイヤ円
周方向の磁束変化、即ち透磁率の変化により素子インピ
ーダンスが変化するため低キャリア電力駆動が可能であ
るので、小型の高感度なセンサが構築可能である。透磁
率の変化は、キャリア周波数が１０ＭＨｚ程度までは表
皮効果により、１００ＭＨｚ程度までは高周波電流磁界
に追従して回転する磁化成分が変化することによると考
えられる。１００ＭＨｚ程度以上では共鳴によりインピ
ーダンス変化が小さい。振幅変調で検出可能な磁界の周
波数の上限はキャリア周波数の１０分の１程度であるの
で、この素子の検出帯域は１０ＭＨｚ程度である。

【０００４】一方、磁気記録装置に用いる磁気ヘッドと
しての磁界センサなどでは、素子の微細化を計り高い検
出分解能を実現する必要がある。このためには、薄膜技
術の適用が不可欠である。図８には、日本応用磁気学会
第９６回研究会資料96-6,37,1996にも掲載されたIEEE
Trans.Magn.,Vol.30,No.6,4611，1994の磁性薄膜を用い
た磁気−インピーダンス効果を利用した磁界センサを例
示する。この磁界センサは、薄膜導体にこれを囲むよう
に磁性薄膜を配置し、この磁性薄膜が磁気ヘッドのコア
としてハードディスク等の記録媒体からの信号磁界によ
って磁化されることで、感磁部のインピーダンスが変化
するものである。素子と周辺回路とのインピーダンス整
合をとりＵＨＦ帯( 数百ＭＨｚ) の高周波信号をキャリ
アとすることにより、８０ＭＨｚ( ５０Ω整合、−３ｄ
Ｂ帯域) の帯域幅( 信号周波数帯域としては４０ＭＨ
ｚ) と、スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子の１０倍以上
の信号出力( １２７ｍＶｐｐ／μｍ) を得るものであ
る。

【０００５】またこの他にも、磁性薄膜に直接高周波電
流を通電する構造の素子（参照：日本応用磁気学会誌
V0l.19,No.2,481 ，1995）や、電気的共振現象を利用し
て高感度化された素子（参照：日本応用磁気学会誌 Vo
l.10,No.2,93 1986；日本応用磁気学会学術講演概容集
20pB-11,45，1996）などが在った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし広帯域磁界セン
サを実現するためには、素子に通電するキャリア信号の
高周波化を計る必要がある。例えば、磁気記録分野にお
けるハードディスク装置では、磁気ヘッドの駆動周波数
帯域幅は現在は数十ＭＨｚであるが、近い将来、記録密
度およびデータ転送速度の増大により２００ＭＨｚ程度
まで拡大することが予想されている。この場合、キャリ
ア周波数は数ＧＨｚとなり、従来の素子とこれに付属す
る周辺回路の構成では電気的共振により１ＧＨｚ以上で
の駆動は困難であった。ただし、文献：IEEE Trans.Ma
gn.,Vol.29,No.6,3867，1993には、Ｃｏ−ｐｌａｎａｒ
型導波路を用いた素子により２〜６ＧＨｚのキャリア周
波数範囲で信号出力を得ているものが提案されてはい
る。しかしながらこの方式では、導波路内の定在波を利
用しているために、高密度ハードディスク装置に応用で
きる程度に素子寸法を小さくできないという実用上の不
具合があった。

【０００７】そこで本発明の目的は、磁気−インピーダ
ンス素子にマイクロストリップ線路等を適用することに
より、小型で且つ広帯域な性能を有する高周波高感度な
磁界センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の現状に鑑
みて成されたものであり、上記問題を解消し目的を達成
するために次のような手段を講じている。すなわち、本
発明の磁界センサ素子は、外部磁界により磁化変化を生
じる磁性薄膜の配置された感磁部分と、引出導線を構成
する導体ストリップ、およびこれらの下層の誘電体層あ
るいは誘電体基板、さらにこの下層の接地導体となる導
電性薄膜から成り、これらがマイクロストリップ線路を
構成する要素とする。

【０００９】この場合、感磁部は導体ストリップの片側
あるいは両側に磁気薄膜を配した構成や、その導体スト
リップの長さ方向の一部を磁性薄膜から成る磁性ストリ
ップに置き換えてこれに直接電流を流す構成にすること
ができる。

【００１０】

【作用】本発明の磁界センサにおいては次のような作用
を奏する。すなわち、理想的なマイクロストリップ線路
では、そのインピーダンスは純抵抗（特性インピーダン
ス）となるので、当該線路の電気的共振が回避される。
感磁部および導体ストリップから成る実際のセンサとし
てのマイクロストリップ線路においても広帯域性を確保
できるので、例えば１ＧＨｚ以上のキャリア周波数での
運用が容易に実現可能となる。また、特性インピーダン
スの大きさは、このセンサを構成する導体ストリップの
幅や誘電体層の誘電率およびこの厚みを所望により設定
することで適宜調整可能となる。

【００１１】更に、キャリア信号を発生する電源回路や
信号検波回路とセンサ素子との結線においても同様に導
体ストリップ線路を適用することで、従来よりも損失の
少ないシステムの構築が実現できる。なお、本発明に係
わる素子は４端子構成であるため、信号の伝送出力のみ
ならず、線路の終端を短絡して反射出力より信号の検出
機能も可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の磁界センサについ
ての複数の実施形態および、それらの変形例を挙げて詳
しく説明する。 （第１実施形態）図１（ａ）には本発明の第１実施形態
を示す構造図を示し、図２の各グラフにはこの磁界セン
サの各特性が表わされている。

【００１３】本実施形態の磁界センサは、感磁部として
導体ストリップの一部を磁性薄膜から成るストリップで
置き換え、直接的に磁性薄膜に高周波を通電する構造を
特徴とした磁界センサである。図１（ａ）の如くこの具
体的構造は、例えばガラスから成る１mm厚の基板１の片
面に、接地導体２となる厚さ２μｍのＣｕをスパッタ法
により被着し、他の片面には磁性薄膜から成る磁性スト
リップ７および、Ｃｕ導体薄膜から成る導体ストリップ
６ａ，６ｂを順次形成した構造である。

【００１４】なお、後者の片面の具体的な形成方法はつ
ぎのような手順で行う。まず初めに、磁性薄膜であるＣ
ｏ−Ｚｒ−Ｎｂアモルファス膜をスパッタ法にて１μｍ
の厚みに形成し（工程Ｓ１）、フォトリソグラフィ技術
およびイオンミリング装置を用いて幅５μｍ、長さ１ｍ
ｍのストライプパターン７にエッチングする（工程Ｓ
２）。この際、ストリップ幅方向が磁化容易軸となるよ
うに設定する。次に、フォトレジストをストリップ状に
パターニングした上から膜厚２μｍのＣｕを成膜し、リ
フトオフ法により不要な部分のＣｕ薄膜を除去して導体
ストリップ６ａ，６ｂを形成する（工程Ｓ３）。このと
き、磁性ストリップと導体ストリップは部分的に重畳し
て成り、互いの電気的導通を確保している。また導体ス
トリップ６ａと６ｂの間隔は約５０μｍに設定されてい
る。

【００１５】（作用効果１）図１（ａ）のマイクロスト
リップ線路に高周波電流をキャリアとして流し、磁性ス
トリップの長手方向に磁界を印加すると、キャリア電圧
の振幅が印加磁界の強度により変化し、この変化量が磁
界の検出信号電圧となる。

【００１６】図２（ａ）はキャリア周波数１ＧＨｚ、キ
ャリア電力１ｍＷでの信号電圧の外部磁界の依存性、図
２（ｂ）はキャリア電力１ｍＷ、外部磁界２５０ｅでの
信号電圧のキャリア周波数依存性、図２（ｃ）はキャリ
ア周波数１ＧＨｚ、外部磁界２５０ｅでの信号電圧のキ
ャリア電力依存性である。

【００１７】まず図２（ａ）のグラフに表わされている
如く、本実施形態の磁界センサにより低磁界の高感度な
検出が可能である。同図から明らかなように、本磁界セ
ンサでは動作領域での感度と直線性を確保するためのバ
イアス磁界を必要とする。

【００１８】また図２（ｂ）によれば、１ＧＨｚ以上の
キャリア周波数においても電気回路上の共振が無く、従
って３００ＭＨｚ以上（−３ｄＢ帯域幅）の広い周波数
帯域において信号磁界の検出が可能である。

【００１９】さらに図２（ｃ）のグラフに示される如
く、信号電圧はキャリア電力に対して広い範囲でほぼ比
例して増大し、１００ｍＷのキャリア電力に対して約３
Ｖの信号電圧が得られることが解る。約８％の抵抗変化
を示す同寸法のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子に比べ
て約２０倍高い電圧が得られることも解る。

【００２０】（変形例１）なお、本実施形態で教示した
磁界ストリップ内の磁気異方性の向きや、外部磁界の磁
性ストリップに対する印加方向については、これらに限
定されることなく、他の組合せにおいて信号出力が確認
可能に変形実施することもできる。また、本実施形態例
では、磁性ストリップの磁気特性を低磁界での高感度検
出の目的に合致させるように選定しているが、強磁界の
検出が可能な磁気特性に変形実施することもできる。

【００２１】（変形例２）本実施形態例ではガラス基板
１に導体ストリップ６ａ，６ｂ及び磁性ストリップ７と
接地導体層２とに挟持される誘電体層としての機能を兼
備させているが、図１（ｂ）に示す如く、基板１と誘電
体層３を独立して設けた変形実施形態とすることもでき
る。

【００２２】（第２実施形態）図３（ａ）, （ｂ）には
本発明の第２の実施形態としての磁界センサを示す。こ
の実施形態の前述した第１実施形態と異なるところは、
磁性薄膜が導体ストリップの一部を構成せず、磁性薄膜
が導体ストリップから分離して配置された点にある。ま
ず図３（ａ）に例示する構成は、導体ストリップ６ａ，
６ｂの片面に磁性薄膜１０を配置して導体ストリップの
片面に磁性薄膜を配置したものであり、図３（ｂ）に例
示する構成は、導体ストリップ６ａ，６ｂの両面に磁性
薄膜を配置して周囲を囲んで成る構造の一例である。

【００２３】（作用効果２）前者の実施形態（図３
（ａ））は構成が極めて簡単である特徴を有し、後者の
実施形態（図３（ｂ））は高周波電流の作る磁界に対し
て閉磁路構造となるために、高感度が期待できる。

【００２４】（第３実施形態）次に、前述の磁界センサ
を磁気記録分野における磁気ヘッドに応用して実施する
形態について、図４〜図６に例示し順次説明する。

【００２５】まず図４（ａ）, （ｂ）は磁性薄膜に直接
電流を通電するタイプの実施形態である。図４（ａ）に
は、磁性ストリップ７を記録トラック面（例えばハード
ディスク装置の場合にはディスク媒体面）に対して垂直
に配置した一例が示されている。図示のように、磁性ス
トリップ７の両端部近傍は略Ｌ字形状を成す導体ストリ
ップ６ａ, ６ｂによりそれぞれ支持されると共に電気的
に接続され、一端面が記録媒体に近接して対面し記録ト
ラックの磁界を感知する。なお、この磁性ストリップ７
の幅Ｌは記録トラック幅Ｗに対する再生トラック幅とな
る。

【００２６】同様に図４（ｂ）には、矩形の磁性ストリ
ップ７をディスク媒体面に対して平行に配置した一例が
示されている。この例は前例を変形したもので、短い磁
性ストリップ７の両端部を図示の如き形状の導体ストリ
ップ６ａ, ６ｂにより支持して電気的に接続したもので
ある。そして磁性ストリップ７の一辺面が記録媒体に対
面し記録トラックの磁界を感知するように構成されてい
る。よってこの例でも、磁性ストリップ７の長さＬが記
録トラック幅Ｗに対する再生トラック幅となる。

【００２７】（作用効果３）第１および第２実施形態の
磁界センサを磁気ヘッドに応用して、図示の如き形状の
導体ストリップ６ａ, ６ｂに形成し簡単で短い形状の磁
性ストリップ７の両端を支持する構造だけで記録媒体の
記録トラックの発する信号磁界を検知することができ、
極めて簡単に高周波の信号磁界を高感度に検出できる磁
気ヘッドを提供できる。

【００２８】（第４実施形態）次に図５（ａ）, （ｂ）
には、前述の第２実施形態における矩形の磁性ストリッ
プ７に替えて、この実施形態例では、それぞれ異なるリ
ング型磁気コア９，１１を用い、磁気コアには導体スト
リップ６ａ, ６ｂを介して直接通電する構成を示してい
る。

【００２９】図５（ａ）に例示するような形状のリング
型磁気コア１１は、導体ストリップ６ａ, ６ｂで両側面
を支持され電気的に接続されている。そしてこの磁気コ
ア１１の端面が記録媒体に対面し記録トラックの磁界を
感知するように構成されている。またこのリング型磁気
コア１１の幅は再生トラック幅となる。

【００３０】一方、図５（ｂ）に例示する磁気コア９は
薄い図示の如き形状を成し、そのコアの膜厚ｔが再生ト
ラック幅となるような配置構成を特徴とする磁気ヘッド
である。記録トラックの方向に対するこの磁気ヘッドの
配置は、前述の実施形態とは９０度異なる。

【００３１】（作用効果４）膜厚ｔを薄くすることによ
り簡単に極狭い幅のトラックにも対応でき、よって高密
度記録を可能にし、またヘッド自体の小型化も容易な構
造となる。

【００３２】（第５実施形態）図６（ａ）〜（ｃ）に
は、導体ストリップの周囲に磁性薄膜を配置した構成の
磁気ヘッドの実施形態が示されている。図６（ａ）に例
示する磁気ヘッドは、磁性薄膜と導体ストリップを分離
して配置した構成を特徴とする磁気ヘッドの一例であ
る。この磁気ヘッドは、図６（ｂ）に示す如き断面構造
を有している。すなわち、図６（ａ）中の中心線Ｙ−Ｙ
に沿って切断した部分断面拡大図（ｂ）によれば、磁性
薄膜から成る磁気コア８は図示のようなリング型構造を
成しており、これが導体ストリップ６ａ，６ｂのそれぞ
れの端部を取り囲んでいる。また、記録媒体に対面する
端部には僅かに離間するギャップ８ａが形成されてい
る。

【００３３】一方、図６（ｃ）の部分断面拡大図には他
の実施形態としての磁気ヘッドが示されている。図示の
ように、磁気コア８が記録媒体に接近して対面する主磁
極８ｂを有する単磁極型ヘッド構造を成すように構成さ
れていることを例示している。

【００３４】（作用効果５） なお、本実施形態においては、マイクロストリップ線路
が「１ターン」の記録用コイルとなる故に、機能的には
信号の記録も可能となる特徴を有する構成である。この
ように再生のみならず記録機能をも実施する場合には、
４端子４ａ,４ｂおよび、５ａ,５ｂの一方の端子対に記
録信号を供給し、他方の端子対にはストリップ線路の特
性インピーダンスと同じ大きさの抵抗で終端を短絡す
る。従って、このような記録方式によれば、回路共振の
影響が避けられる故に広帯域な信号の記録が可能とな
り、よって、高周波高感度の磁界センサ機能を有する磁
気ヘッドを提供することができる。

【００３５】（その他の変形例）なお、本発明は上述し
た複数実施形態の他にも発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の変形実施が可能である。例えば、例示した本発明
に係わる磁性ストリップの磁気異方性の向きや磁気特
性、外部磁界の磁性ストリップに対する印加方向のみな
らず、各部位の形状・寸法ならびに材質等は、必要に応
じて種々の変更が可能であると共に、他との適宜な組合
せも可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明の如く、本発明の磁界センサ
によれば次のような効果が得られる。 （効果１）：本発明の磁界センサは、巻き線構造を有さ
ない磁性薄膜素子に高周波電流を流すだけの単純な構造
であることと、マイクロストリップ線路から成ることに
より小型でかつ高周波領域での動作が可能であり、よっ
て、従来に無い高周波帯域での磁界検出が高感度に可能
となる。また、素子構造が単純である故に作製が容易
で、かつ小型化も可能であり、実用上極めて有用と成り
得る。 （効果２）：さらにこの磁界センサを磁気ヘッドに応用
した場合には、極めて高い記録密度を高速度のデータ転
送とともに実現することが可能となる。詳しくは、巨大
磁気抵抗効果( ＧＭＲ) 素子の１０倍以上の感度が期待
でき、よって、将来の１０Ｇbit/inch.inch 以上の超高
密度ハードディスク装置を実現する磁気ヘッドとしても
有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１実施形態
における磁界センサの構成を示す斜視図。

【図２】 図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１実施形態
における磁界センサの特性を示し、（ａ）は信号電圧の
外部磁界依存性、（ｂ）は信号電圧のキャリア周波数依
存性、（ｃ）は信号電圧のキャリア電力依存性を示すグ
ラフ。

【図３】 図３（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態
における磁界センサの構成を示し、（ａ）は、この磁気
ヘッドの構成を示す斜視図、（ｂ）は、この磁気ヘッド
のその他の構成を示す斜視図。

【図４】 図４（ａ），（ｂ）は本発明の磁界センサを
磁気ヘッドに応用した第３実施形態としての磁気ヘッド
を示し、（ａ）は、この磁気ヘッドの構成を示す斜視
図、（ｂ）は、この磁気ヘッドのその他の構成を示す斜
視図。

【図５】 図５（ａ），（ｂ）は本発明の磁界センサを
磁気ヘッドに応用した第４実施形態を示し、（ａ）は、
この磁気ヘッドの構成を示す斜視図、（ｂ）は、この磁
気ヘッドのその他の構成を示す斜視図。

【図６】 図６（ａ）〜（ｃ）は本発明に係わる第５実
施形態としての磁気ヘッドを示し、（ａ）は、この磁気
ヘッドの構成を示す斜視図、（ｂ）は、この磁気ヘッド
部分の断面拡大図、（ｃ）は、この磁気ヘッド部分を変
形した断面拡大図。

【図７】図７は、アモルファスワイヤを用い「磁気−イ
ンピーダンス効果」利用の従来の磁界センサを示す模式
図。

【図８】図８は、磁性薄膜を用い「磁気−インピーダン
ス効果」利用の従来の磁界センサのその他の例を示す斜
視図。

【符号の説明】

１… 基板、 ２… 接地導体、 ３… 誘電体層あるいは誘電体基板、 ４ａ, ４ｂ… 入力端子、 ５ａ, ５ｂ… 出力端子、 ６ａ, ６ｂ… 導体ストリップ（引出導線）、 ７… 磁性ストリップ、 ８, ９, １１… 磁気コア、 ８ａ… リングヘッドのギャップ、 ８ｂ… 単磁極ヘッドの主磁極、 １０… 磁性薄膜。

フロントページの続き (72)発明者 大内 一弘 秋田県秋田市新屋町字砂奴寄４−21 秋 田県高度技術研究所内 (56)参考文献 特開 平８−274384（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−129058（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−90381（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/00 G01B 7/00 G01R 33/02 G11B 5/39

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導体薄膜から成る導体ストリップに対
   し、近接かつ分離して磁性薄膜を配置した構造の磁気−
   インピーダンス素子、または、導体薄膜から成る導体ス
   トリップに接続された磁性薄膜に高周波電流が通電さ
   れ、外部磁界によって薄膜素子のインピーダンスが変化
   する磁気−インピーダンス素子を有する磁界センサにお
   いて、 前記磁性薄膜から成る感磁部を有し、この感磁部とこの
   感磁部に近接又は接続される前記導体ストリップが誘電
   体層を挟持して他の接地導体層と平行に配置されて成る
   マイクロストリップ線路構造にて構成されていることを
   特徴とする磁界センサ。
2. 【請求項２】 前記センサの感磁部として、前記磁性薄
   膜を前記導体ストリップの片側に配置して成る構造、あ
   るいは、前記磁性薄膜を前記導体ストリップを両側から
   挟み込むように配置して成る構造を有するか、または、
   前記感磁部として、前記導体ストリップの一部を前記磁
   性薄膜から成る磁性ストリップで置き換え、前記磁性ス
   トリップに直接的に高周波電流を通電可能に構成された
   構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁界
   センサ。
3. 【請求項３】 前記磁性薄膜から成る磁性ストリップに
   直接的に通電する構成を有し、この磁性ストリップが所
   定の記録媒体面に垂直または平行に配設されて成る構造
   か、前記磁性薄膜から成るリング型磁気コアに直接的に
   通電するように構成された構造か、前記磁性薄膜から成
   るリング型磁気コアまたは前記磁性薄膜から成る単磁極
   型磁気コア内に前記導体ストリップを配置して成る構造
   のいずれかを有することを特徴とする、磁気ヘッドとし
   て磁気記録に応用された請求項１に記載の磁界センサ。
4. 【請求項４】 前記磁気ヘッドの構造において、所定の
   記録媒体に記録しようとする信号を供給するための記録
   信号線路を、所定のマイクロストリップ線路により構成
   する磁気ヘッド構造を有することを特徴とする、請求項
   ３に記載の磁界センサ。