JP3557442B1 - 磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法、及び、磁気記録装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法、及び、磁気記録装置に関し、流し得るセンス電流の上限による高感度化の制約を打破する。
【解決手段】トランジスタ２及びＬＣ回路３からなる発振回路１のトランジスタ２とＬＣ回路３の帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子４を接続するとともに、スイッチング手段５を設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】トランジスタ２及びＬＣ回路３からなる発振回路１のトランジスタ２とＬＣ回路３の帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子４を接続するとともに、スイッチング手段５を設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法、及び、磁気記録装置に関するものであり、特に、従来より高感度で磁気情報を検出するための回路構成に特徴のある磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法、及び、磁気記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度磁気記録装置における再生用磁気ヘッドとして、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を利用した磁気ヘッドが用いられている。
【０００３】
この様な磁気ヘッドにおける磁気センシング方法においては、磁化方向が固定された磁性層（ピンド層）と磁化方向が自由な磁性層（フリー層）との間に非磁性導電層を設けたＧＭＲ素子に一定のセンス電流を流し、高密度に磁気記録信号が書き込まれた磁気記録媒体から漏洩する磁束の変化に対応してＧＭＲ素子の電位差が変化する現象を利用している。
したがって、大電流を流せばオームの法則により大きな出力が得られるが、発熱等により実際に流せるセンス電流には限界がある。
【０００４】
近年、このようなＧＭＲ素子に代わる次世代の再生用磁気ヘッドとしてスピントンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を用いた磁気ヘッドの研究が進められている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このＴＭＲ素子は、磁化方向の固定された磁性層（ピンド層）と磁化方向が自由な磁性層（フリー層）との間にＡｌ−ｏｘｉｄｅ等の絶縁層を挟んだ構造となっており、センス電流を磁気感知膜面に垂直に流した場合に、２つの磁性層の磁化方向のなす角により絶縁膜を通過するトンネル電流が変化し、その変化をＴＭＲ素子の電位差の変化として読み取るものである。
【０００６】
このＴＭＲ素子は、例えば、数十％程度の非常に大きな抵抗変化率が得られるため、大きな出力が期待される。
【０００７】
しかし、ＴＭＲ素子はＡｌ−ｏｘｉｄｅ等の絶縁膜を挟んでいるため抵抗値が非常に大きく実際には大きなセンス電流を流すことができず、したがって、大きな出力が得られないという問題がある。
【０００８】
また、抵抗が大きいため、ノイズが大きいという欠点があり、ＴＭＲ素子の出力を増幅した場合には出力は大きくなるもののノイズも大きく増幅され、微弱な磁束の検出を高精度で行うことができなくなる。
【０００９】
一方、検出感度の低いＭＲ素子においては、ＭＲ素子をハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路に組み込むことにより、ＭＲ素子の抵抗変化をリアクタンス変化に変換し、それによって、高周波信号の有無を検出することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２３７６２８号公報
【特許文献２】
特開平０６−３３８００５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の特許文献２の場合には、ＭＲ素子がＬＣ回路の一部を構成、即ち、ＭＲ素子が発振回路の共振部を構成しているため、ＭＲ素子の抵抗が変化すると発振が不安定になるという問題がある。
【００１２】
そのため、画像データを記録するビデオテープ記録装置のように１０−４〜１０−５程度のエラーが許容される場合には実際上問題が生じなくても、ハードディスク装置のように１０−７程度以下のエラーレートが要求されるセンシング法としては向いていないという問題がある。
【００１３】
また、ＭＲ素子が共振回路を構成しているため、ＭＲ素子に大きな電流が流れ、それによって、素子特性が変化したり破壊する虞がある。
特に、絶縁層を有し絶縁破壊が問題となるＴＭＲ素子の場合は、上述の回路構成は実用的でない。
【００１４】
したがって、本発明は、流し得るセンス電流の上限による高感度化の制約を打破することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）本発明は、磁気抵抗効果を用いた磁気センサにおいて、トランジスタ２及びＬＣ回路３からなる発振回路１のトランジスタ２とＬＣ回路３の帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子４を接続するとともに、スイッチング手段５を設け、スイッチング手段５のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することを特徴とする。
【００１６】
この様に、発振回路１を構成するトランジスタ２とＬＣ回路３の帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子４を接続することによって、従来の数十倍の高出力で磁気信号を検出することが可能になる。
また、スイッチング手段５を設けることによって、一度始まった発振の停止を制御することができ、このスイッチング手段５のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することができる。
【００１７】
（２）また、本発明は、上記（１）において、発振回路１が、ハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
この様に、ハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路という良く知られている発振回路を用いることによって、簡単な回路構成によって安定した発振動作を得ることができる。
即ち、ＭＨｚ以上の高周波帯域において磁気信号を検出するために、高周波発振が可能なハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路が適しているためである。
【００１９】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、磁気抵抗効果素子４が、トンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする。
【００２０】
磁気信号を検出する磁気抵抗効果素子４としては、相対的に大きな磁気抵抗効果が得られる、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）或いはスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）のいずれかが好適である。
特に、高周波数の磁気信号を検出する場合には、磁気抵抗効果素子４としては、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）のように容量性の素子である場合に特に効果が著しい。
【００２１】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法において、スイッチング手段５のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することを特徴とする。
【００２２】
この様に、磁気データの読取速度は発振の停止を制御するスイッチング手段５のスイッチング周波数によって規定されるので、スイッチング手段５のスイッチング周波数を高くすることによって、高速読出が可能になる。
但し、発振回路１の発振周波数はスイッチング周波数に応じて変える必要があり、発振周波数は、スイッチング周波数の１０倍以上とすることが望ましい。
【００２３】
（５）また、本発明は、磁気記録装置において、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサを再生用磁気ヘッドとして備えたことを特徴とする。
【００２４】
この様に、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサを再生用磁気ヘッドとして備えることによって、微細化により漏洩磁界が微弱になる高密度磁気記録装置の実現が可能になる。
【００２５】
また、高感度になることにより、単純に増幅器を用いた場合に比べてＳ／Ｎ比を大きくすることができ、したがって、磁気抵抗効果素子４の特性のばらつきの影響を受けにくくなるので、素子特性の再現性に乏しいＴＭＲ素子の製造歩留りの向上が可能になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
ここで、図２及び図３を参照して本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知方法を説明する。
図２参照
図２は、本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知装置の回路構成図であり、ハートレー型発振回路１０とＲＦスイッチング回路３０とから構成される。
【００２７】
ハートレー型発振回路１０を構成する直列接続したインダクタ１３とインダクタ１４とコンデンサ１５との並列接続からなるＬＣ共振回路と、トランジスタ１６のドレインとの間に、ＲＦスイッチング回路３０及び抵抗器１８を介してＴＭＲ素子２０を直列接続する。
【００２８】
この場合、ＴＭＲ素子２０に流れる直流電流及び交流電流を小さくし素子の破壊及び特性変化を防ぐために、ＴＭＲ素子２０に直列に抵抗器２１を接続するとともに、並列にコンデンサ２２を接続し、ＴＭＲ素子２０の一端を抵抗器１２及びインダクタ１１を介して電源ＶＤＤに接続する。
【００２９】
この場合のＴＭＲ素子２０としては、どの様なものでも良いが、ここでは、ＦｅＣｏピンド層／Ａｌ−ｏｘｉｄｅ／ＮｉＦｅフリー層からなるＴＭＲ素子とし、ＦｅＣｏとＮｉＦｅの保磁力の差を利用してＦｅＣｏピンド層の磁化方向を初期の外部磁場の印加方向に固定する。
【００３０】
また、ＬＣ共振回路の他端は、コンデンサ１７を介してトランジスタ１６のゲートに接続されるとともに、ダイオード１９を介して接地される。
【００３１】
また、ＲＦスイッチング回路３０は、高周波用トランジスタ３１を備え、パルス発生器３２からのパルス入力ＶＩＮは、コンデンサ３３及び抵抗器３５からなる微分回路、ダイオード３４及び抵抗器３６からなる半波整流回路を介して高周波用トランジスタ３１のゲートに入力されて高周波用トランジスタ３１のスイッチング動作を制御する。
【００３２】
このＲＦスイッチング回路３０をＯＮにした状態で、ＴＭＲ素子２０のインピーダンスが外部磁場の影響でハートレー型発振回路１０の発振条件を満たすように変化した場合、直列接続したインダクタ１３とインダクタ１４とコンデンサ１５との並列接続からなるＬＣ共振回路により発振が始まり、発振信号ＶＯＳＣ は、トランスを構成するインダクタ２３を介して検波器とローパスフィルタとからなる直流変換回路２４へ入力され、端子２５から出力されることになる。
【００３３】
しかし、ＴＭＲ素子２０のインピーダンス変化によって一度発振が開始すると、ＴＭＲ素子２０のインピーダンスが元に戻っても発振が停止しないため、ＲＦスイッチング回路３０をＯＦＦにして発振を停止する。
【００３４】
ＲＦスイッチング回路３０をＯＦＦにするためには、ＲＦスイッチング回路３０に印加するパルス入力ＶＩＮの立ち下がり部を利用するものであり、パルス入力ＶＩＮの周波数に応じてスイッチするＯＮ／ＯＦＦのウィンドウを作る。
例えば、２５０ＭＨｚのパルス入力ＶＩＮによってＯＮ時間約３．９ｎｓのウィンドウ内に生じるＴＭＲ素子２０のインピーダンス変化を検出し、ＯＦＦ時間約０．１ｎｓで発振をリセットする。
【００３５】
このハートレー型発振回路１０において、インダクタ１３，１４のインダクタンスを各々０．１ｎＨとし、コンデンサ１５の容量を０．１ｐＦとした結果、１７．２ＧＨｚの発振周波数で発振する。
【００３６】
また、高速磁気検知においては、発振立ち上がり時間を短くする必要があるので、トランジスタ１６として室温動作可能で増幅率の大きな高周波用のＩｎＧａＡｓＦＥＴ等を用いることにより、０．１ｎｓ程度の極短の発振動作立ち上がり時間を実現することができる。
【００３７】
また、上述のＴＭＲ素子２０に流れる直流電流及び交流電流を小さくするために接続した抵抗器２１の抵抗値は例えば、１．３ｋΩとし、コンデンサ２２の容量は５０ｐＦとすることによりＴＭＲ素子２０に流れる電流を約１．７ｍＡに抑えることができる。
なお、この抵抗値及び容量は発振条件にはほとんど影響しない。
【００３８】
また、電源ＶＤＤ、インダクタンス１１、及び、抵抗器１２を、各々１５Ｖ、１ｍＨ、及び、１００Ωとすることによって、ピーク−ピーク発振電圧としてＶｏｓｃ ＝５Ｖｐｐ以上の出力を得ることができる。
なお、コンデンサ１７の容量は１ｐＦであり、また、抵抗器１８の抵抗値は４Ωとする。
【００３９】
次に、図３を参照して、発振出力の検出結果を説明する。
図３（ａ）乃至（ｃ）参照
図３（ａ）は、ＴＭＲ素子２０の抵抗値ＲＴ の変化を説明するタイムチャートであり、ｔ＝１．５ｎｓにおいて、外部磁場により抵抗値ＲＴ が１１０Ωから１００Ωへと変化したことを示している。
また、図３（ｂ）は、パルス発生器３３からのパルス入力ＶＩＮの電圧波形であり、２５０ＭＨｚのパルス電圧として示しており、このパルスの立ち下がりによってスイッチング回路がＯＦＦとなる。
【００４０】
また、図３（ｃ）は、発振検出出力Ｖｏｓｃ の波形図であり、ｔ＝０ｎｓでＲＦスイッチング回路３０がＯＮして、待機状態とし、図３（ａ）に示すように、ｔ＝１．５ｎｓにおいてＴＭＲ素子２０の抵抗値ＲＴ が変化したことを検出して、トランジスタ１６の特性に応じて約０．１ｎｓの発振動作立ち上がり時間で発振が開始する。
【００４１】
次いで、ｔ＝０から３．９ｎｓのＯＮ時間ののち、パルス入力ＶＩＮの立ち下がりと共に約０．１ｎｓのＯＦＦ時間で発振をリセットさせた場合、ｔ＝４．０ｎｓにおいてＲＦスイッチング回路３０がＯＦＦになって、０．１５ｎｓの発振停止遅延時間で発振が停止する。
【００４２】
この場合の発振電圧Ｖｏｓｃ は、ピーク−ピーク電圧で８．３Ｖｐｐとなり、従来のＴＭＲ素子の検出出力の数十倍の高出力が得られる。
【００４３】
即ち、本発明の第１の実施の形態においては、外部磁場の印加によりインピーダンス変化が生ずるＴＭＲ素子２０をハートレー型発振回路１０の帰還ループ内に組み込んでおり、発振周波数は主としてインダクタ１３，１４及びコンデンサ１５等によって決まり安定しているので、１０−７以下のエラーレートを容易に実現することができる。
【００４４】
しかし、安定して発振するため、素子抵抗が元に戻っても発振は停止しないため、発振を制御するＲＦスイッチング回路３０と組み合わせることによって、ある時間内に磁場変化が生じたか否かの信号の有無を高感度で検出することが可能になる。
【００４５】
また、帰還ループのＴＭＲ素子２０に直列に抵抗２１及び並列に２２等を挿入することによって、ＴＭＲ素子２０に流れる電流を低減することができるので、ＴＭＲ素子２０が破壊されることはない。
【００４６】
この様に、本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知装置の場合には、従来に比べて非常に高感度で大出力が得られるため、ＴＭＲ素子の素子特性にバラツキがあっても「０」，「１」信号を安定に検出することができるので、ＴＭＲ素子の良品率を高くすることができ、結果として製造歩留りを向上することができる。
【００４７】
即ち、ＴＭＲ素子においては、Ａｌを酸化してＡｌ−ｏｘｉｄｅからなるトンネル絶縁膜を形成する際に、再現性良く均一なトンネル絶縁膜を形成することが困難であるため、素子特性のバラツキが大きくなるが、本発明によって、従来、不良品として扱われていた素子も良品として使用することが可能になる。
【００４８】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態の高感度磁気検知回路を説明するが、上記の第１の実施の形態の高感度磁気検知回路におけるハートレー型発振回路をコルピッツ型発振回路に置き換えたものであり、基本的構成は同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図４参照
図４は、本発明の第２の実施の形態の高感度磁気検知装置の回路構成図であり、ハートレー型発振回路１０を構成する直列接続したインダクタ１３とインダクタ１４とコンデンサ１５との並列接続からなるＬＣ共振回路を、直列接続したコンデンサ４２とコンデンサ４３とインダクタ４１との並列接続からなるＬＣ共振回路に置き換えることによって、コルピッツ型発振回路４０を構成したものである。
【００５０】
この場合、発振信号ＶＯＳＣ は、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサ４２を介して検波器とローパスフィルタとからなる直流変換回路２４へ入力され、端子２５から出力されることになる。
【００５１】
この第２の実施の形態においては、発振回路としてコルピッツ型発振回路を用いているので、ハートレー型発振回路に比べてインダクタの構成が容易で、ＬＳＩ等に向いた回路構成となる。
【００５２】
なお、発振回路の一部をインピーダンス変化する素子で構成し、発振周波数の変化を検出する磁気検知方法が提案（例えば、特開平９−８０１３４７号公報）されているが、これは、発振周波数の変化を検出するものであり、発振の有無を検知する本発明とは原理が全く異なるものである。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、再生ヘッドに用いる磁気センサを前提に説明しているが、再生ヘッド用の磁気センサに限られるものではなく、眠気センサ、タッチセンサ、水位センサ、ごみ処理分別センサ、或いは、防犯センサ等に利用される各種の磁気センサに応用できるものである。
【００５４】
また、上記の実施の形態においては、磁気抵抗効果素子として、ＦｅＣｏ／Ａｌ−ｏｘｉｄｅ／ＮｉＦｅ構造のＴＭＲ素子を用いているが、フリー層とピンド層の組合せは任意であり、保磁力の差を利用すれば良い。
【００５５】
さらには、ピンド層のピン止めは、保磁力の差を利用せずにＩｒＭｎやＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性層を用いてピン止めしても良いものであり、それによって、ピンド層のピン止めが安定化するとともに、ピンド層とフリー層とを同じ材料で構成することが可能になる。
【００５６】
また、図２に示した回路における各構成要素の数値は、単なる一例であることは言うまでもなく、磁気ディスクにおける記録密度に応じてＬＣ発振回路の発振周波数や、パルス入力ＶＩＮの周波数を適宜設定すれば良いものである。
トランジスタ、抵抗、コンデンサ等はディスクリート部品ではなく、ＩＣやＬＳＩのように基板上に集積して用いても良いことはもちろんである。
【００５７】
また、磁気抵抗効果素子として、特に効果が大きいＴＭＲ素子を用いているが、ＴＭＲ素子に限られるものではなく、ＧＭＲ素子或いはＭＲ素子でも良いものであり、少なくとも外部磁場によりインピーダンスが変化するものであれば良いが、特に、インピーダンスの実部だけではなく、ＴＭＲ素子のように虚部も変化する容量性の素子であることがノイズの点から望ましい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、外部磁場によってインピーダンスの変化する磁気抵抗効果素子を発振回路との帰還ループ内に組み込んでいるので、従来の数十倍の安定した出力を得ることができ、次世代の再生用高感度磁気ヘッドの実現に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知回路の回路構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における発振出力結果の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の高感度磁気検知回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１ 発振回路
２ トランジスタ
３ ＬＣ回路
４ 磁気抵抗効果素子
５ スイッチング手段
１０ ハートレー型発振回路
１１ インダクタ
１２ 抵抗器
１３ インダクタ
１４ インダクタ
１５ コンデンサ
１６ トランジスタ
１７ コンデンサ
１８ 抵抗器
１９ ダイオード
２０ ＴＭＲ素子
２１ 抵抗器
２２ コンデンサ
２３ インダクタ
２４ 直流変換回路
２５ 端子
３０ ＲＦスイッチング回路
３１ 高周波用トランジスタ
３２ パルス発生器
３３ コンデンサ
３４ ダイオード
３５ 抵抗器
３６ 抵抗器
４０ コルピッツ型発振回路
４１ インダクタ
４２ コンデンサ
４３ コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法、及び、磁気記録装置に関するものであり、特に、従来より高感度で磁気情報を検出するための回路構成に特徴のある磁気抵抗効果を用いた磁気センサ、磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法、及び、磁気記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度磁気記録装置における再生用磁気ヘッドとして、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を利用した磁気ヘッドが用いられている。
【０００３】
この様な磁気ヘッドにおける磁気センシング方法においては、磁化方向が固定された磁性層（ピンド層）と磁化方向が自由な磁性層（フリー層）との間に非磁性導電層を設けたＧＭＲ素子に一定のセンス電流を流し、高密度に磁気記録信号が書き込まれた磁気記録媒体から漏洩する磁束の変化に対応してＧＭＲ素子の電位差が変化する現象を利用している。
したがって、大電流を流せばオームの法則により大きな出力が得られるが、発熱等により実際に流せるセンス電流には限界がある。
【０００４】
近年、このようなＧＭＲ素子に代わる次世代の再生用磁気ヘッドとしてスピントンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を用いた磁気ヘッドの研究が進められている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このＴＭＲ素子は、磁化方向の固定された磁性層（ピンド層）と磁化方向が自由な磁性層（フリー層）との間にＡｌ−ｏｘｉｄｅ等の絶縁層を挟んだ構造となっており、センス電流を磁気感知膜面に垂直に流した場合に、２つの磁性層の磁化方向のなす角により絶縁膜を通過するトンネル電流が変化し、その変化をＴＭＲ素子の電位差の変化として読み取るものである。
【０００６】
このＴＭＲ素子は、例えば、数十％程度の非常に大きな抵抗変化率が得られるため、大きな出力が期待される。
【０００７】
しかし、ＴＭＲ素子はＡｌ−ｏｘｉｄｅ等の絶縁膜を挟んでいるため抵抗値が非常に大きく実際には大きなセンス電流を流すことができず、したがって、大きな出力が得られないという問題がある。
【０００８】
また、抵抗が大きいため、ノイズが大きいという欠点があり、ＴＭＲ素子の出力を増幅した場合には出力は大きくなるもののノイズも大きく増幅され、微弱な磁束の検出を高精度で行うことができなくなる。
【０００９】
一方、検出感度の低いＭＲ素子においては、ＭＲ素子をハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路に組み込むことにより、ＭＲ素子の抵抗変化をリアクタンス変化に変換し、それによって、高周波信号の有無を検出することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２３７６２８号公報
【特許文献２】
特開平０６−３３８００５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の特許文献２の場合には、ＭＲ素子がＬＣ回路の一部を構成、即ち、ＭＲ素子が発振回路の共振部を構成しているため、ＭＲ素子の抵抗が変化すると発振が不安定になるという問題がある。
【００１２】
そのため、画像データを記録するビデオテープ記録装置のように１０−４〜１０−５程度のエラーが許容される場合には実際上問題が生じなくても、ハードディスク装置のように１０−７程度以下のエラーレートが要求されるセンシング法としては向いていないという問題がある。
【００１３】
また、ＭＲ素子が共振回路を構成しているため、ＭＲ素子に大きな電流が流れ、それによって、素子特性が変化したり破壊する虞がある。
特に、絶縁層を有し絶縁破壊が問題となるＴＭＲ素子の場合は、上述の回路構成は実用的でない。
【００１４】
したがって、本発明は、流し得るセンス電流の上限による高感度化の制約を打破することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）本発明は、磁気抵抗効果を用いた磁気センサにおいて、トランジスタ２及びＬＣ回路３からなる発振回路１のトランジスタ２とＬＣ回路３の帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子４を接続するとともに、スイッチング手段５を設け、スイッチング手段５のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することを特徴とする。
【００１６】
この様に、発振回路１を構成するトランジスタ２とＬＣ回路３の帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子４を接続することによって、従来の数十倍の高出力で磁気信号を検出することが可能になる。
また、スイッチング手段５を設けることによって、一度始まった発振の停止を制御することができ、このスイッチング手段５のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することができる。
【００１７】
（２）また、本発明は、上記（１）において、発振回路１が、ハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
この様に、ハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路という良く知られている発振回路を用いることによって、簡単な回路構成によって安定した発振動作を得ることができる。
即ち、ＭＨｚ以上の高周波帯域において磁気信号を検出するために、高周波発振が可能なハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路が適しているためである。
【００１９】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、磁気抵抗効果素子４が、トンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする。
【００２０】
磁気信号を検出する磁気抵抗効果素子４としては、相対的に大きな磁気抵抗効果が得られる、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）或いはスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）のいずれかが好適である。
特に、高周波数の磁気信号を検出する場合には、磁気抵抗効果素子４としては、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）のように容量性の素子である場合に特に効果が著しい。
【００２１】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法において、スイッチング手段５のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することを特徴とする。
【００２２】
この様に、磁気データの読取速度は発振の停止を制御するスイッチング手段５のスイッチング周波数によって規定されるので、スイッチング手段５のスイッチング周波数を高くすることによって、高速読出が可能になる。
但し、発振回路１の発振周波数はスイッチング周波数に応じて変える必要があり、発振周波数は、スイッチング周波数の１０倍以上とすることが望ましい。
【００２３】
（５）また、本発明は、磁気記録装置において、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサを再生用磁気ヘッドとして備えたことを特徴とする。
【００２４】
この様に、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサを再生用磁気ヘッドとして備えることによって、微細化により漏洩磁界が微弱になる高密度磁気記録装置の実現が可能になる。
【００２５】
また、高感度になることにより、単純に増幅器を用いた場合に比べてＳ／Ｎ比を大きくすることができ、したがって、磁気抵抗効果素子４の特性のばらつきの影響を受けにくくなるので、素子特性の再現性に乏しいＴＭＲ素子の製造歩留りの向上が可能になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
ここで、図２及び図３を参照して本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知方法を説明する。
図２参照
図２は、本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知装置の回路構成図であり、ハートレー型発振回路１０とＲＦスイッチング回路３０とから構成される。
【００２７】
ハートレー型発振回路１０を構成する直列接続したインダクタ１３とインダクタ１４とコンデンサ１５との並列接続からなるＬＣ共振回路と、トランジスタ１６のドレインとの間に、ＲＦスイッチング回路３０及び抵抗器１８を介してＴＭＲ素子２０を直列接続する。
【００２８】
この場合、ＴＭＲ素子２０に流れる直流電流及び交流電流を小さくし素子の破壊及び特性変化を防ぐために、ＴＭＲ素子２０に直列に抵抗器２１を接続するとともに、並列にコンデンサ２２を接続し、ＴＭＲ素子２０の一端を抵抗器１２及びインダクタ１１を介して電源ＶＤＤに接続する。
【００２９】
この場合のＴＭＲ素子２０としては、どの様なものでも良いが、ここでは、ＦｅＣｏピンド層／Ａｌ−ｏｘｉｄｅ／ＮｉＦｅフリー層からなるＴＭＲ素子とし、ＦｅＣｏとＮｉＦｅの保磁力の差を利用してＦｅＣｏピンド層の磁化方向を初期の外部磁場の印加方向に固定する。
【００３０】
また、ＬＣ共振回路の他端は、コンデンサ１７を介してトランジスタ１６のゲートに接続されるとともに、ダイオード１９を介して接地される。
【００３１】
また、ＲＦスイッチング回路３０は、高周波用トランジスタ３１を備え、パルス発生器３２からのパルス入力ＶＩＮは、コンデンサ３３及び抵抗器３５からなる微分回路、ダイオード３４及び抵抗器３６からなる半波整流回路を介して高周波用トランジスタ３１のゲートに入力されて高周波用トランジスタ３１のスイッチング動作を制御する。
【００３２】
このＲＦスイッチング回路３０をＯＮにした状態で、ＴＭＲ素子２０のインピーダンスが外部磁場の影響でハートレー型発振回路１０の発振条件を満たすように変化した場合、直列接続したインダクタ１３とインダクタ１４とコンデンサ１５との並列接続からなるＬＣ共振回路により発振が始まり、発振信号ＶＯＳＣ は、トランスを構成するインダクタ２３を介して検波器とローパスフィルタとからなる直流変換回路２４へ入力され、端子２５から出力されることになる。
【００３３】
しかし、ＴＭＲ素子２０のインピーダンス変化によって一度発振が開始すると、ＴＭＲ素子２０のインピーダンスが元に戻っても発振が停止しないため、ＲＦスイッチング回路３０をＯＦＦにして発振を停止する。
【００３４】
ＲＦスイッチング回路３０をＯＦＦにするためには、ＲＦスイッチング回路３０に印加するパルス入力ＶＩＮの立ち下がり部を利用するものであり、パルス入力ＶＩＮの周波数に応じてスイッチするＯＮ／ＯＦＦのウィンドウを作る。
例えば、２５０ＭＨｚのパルス入力ＶＩＮによってＯＮ時間約３．９ｎｓのウィンドウ内に生じるＴＭＲ素子２０のインピーダンス変化を検出し、ＯＦＦ時間約０．１ｎｓで発振をリセットする。
【００３５】
このハートレー型発振回路１０において、インダクタ１３，１４のインダクタンスを各々０．１ｎＨとし、コンデンサ１５の容量を０．１ｐＦとした結果、１７．２ＧＨｚの発振周波数で発振する。
【００３６】
また、高速磁気検知においては、発振立ち上がり時間を短くする必要があるので、トランジスタ１６として室温動作可能で増幅率の大きな高周波用のＩｎＧａＡｓＦＥＴ等を用いることにより、０．１ｎｓ程度の極短の発振動作立ち上がり時間を実現することができる。
【００３７】
また、上述のＴＭＲ素子２０に流れる直流電流及び交流電流を小さくするために接続した抵抗器２１の抵抗値は例えば、１．３ｋΩとし、コンデンサ２２の容量は５０ｐＦとすることによりＴＭＲ素子２０に流れる電流を約１．７ｍＡに抑えることができる。
なお、この抵抗値及び容量は発振条件にはほとんど影響しない。
【００３８】
また、電源ＶＤＤ、インダクタンス１１、及び、抵抗器１２を、各々１５Ｖ、１ｍＨ、及び、１００Ωとすることによって、ピーク−ピーク発振電圧としてＶｏｓｃ ＝５Ｖｐｐ以上の出力を得ることができる。
なお、コンデンサ１７の容量は１ｐＦであり、また、抵抗器１８の抵抗値は４Ωとする。
【００３９】
次に、図３を参照して、発振出力の検出結果を説明する。
図３（ａ）乃至（ｃ）参照
図３（ａ）は、ＴＭＲ素子２０の抵抗値ＲＴ の変化を説明するタイムチャートであり、ｔ＝１．５ｎｓにおいて、外部磁場により抵抗値ＲＴ が１１０Ωから１００Ωへと変化したことを示している。
また、図３（ｂ）は、パルス発生器３３からのパルス入力ＶＩＮの電圧波形であり、２５０ＭＨｚのパルス電圧として示しており、このパルスの立ち下がりによってスイッチング回路がＯＦＦとなる。
【００４０】
また、図３（ｃ）は、発振検出出力Ｖｏｓｃ の波形図であり、ｔ＝０ｎｓでＲＦスイッチング回路３０がＯＮして、待機状態とし、図３（ａ）に示すように、ｔ＝１．５ｎｓにおいてＴＭＲ素子２０の抵抗値ＲＴ が変化したことを検出して、トランジスタ１６の特性に応じて約０．１ｎｓの発振動作立ち上がり時間で発振が開始する。
【００４１】
次いで、ｔ＝０から３．９ｎｓのＯＮ時間ののち、パルス入力ＶＩＮの立ち下がりと共に約０．１ｎｓのＯＦＦ時間で発振をリセットさせた場合、ｔ＝４．０ｎｓにおいてＲＦスイッチング回路３０がＯＦＦになって、０．１５ｎｓの発振停止遅延時間で発振が停止する。
【００４２】
この場合の発振電圧Ｖｏｓｃ は、ピーク−ピーク電圧で８．３Ｖｐｐとなり、従来のＴＭＲ素子の検出出力の数十倍の高出力が得られる。
【００４３】
即ち、本発明の第１の実施の形態においては、外部磁場の印加によりインピーダンス変化が生ずるＴＭＲ素子２０をハートレー型発振回路１０の帰還ループ内に組み込んでおり、発振周波数は主としてインダクタ１３，１４及びコンデンサ１５等によって決まり安定しているので、１０−７以下のエラーレートを容易に実現することができる。
【００４４】
しかし、安定して発振するため、素子抵抗が元に戻っても発振は停止しないため、発振を制御するＲＦスイッチング回路３０と組み合わせることによって、ある時間内に磁場変化が生じたか否かの信号の有無を高感度で検出することが可能になる。
【００４５】
また、帰還ループのＴＭＲ素子２０に直列に抵抗２１及び並列に２２等を挿入することによって、ＴＭＲ素子２０に流れる電流を低減することができるので、ＴＭＲ素子２０が破壊されることはない。
【００４６】
この様に、本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知装置の場合には、従来に比べて非常に高感度で大出力が得られるため、ＴＭＲ素子の素子特性にバラツキがあっても「０」，「１」信号を安定に検出することができるので、ＴＭＲ素子の良品率を高くすることができ、結果として製造歩留りを向上することができる。
【００４７】
即ち、ＴＭＲ素子においては、Ａｌを酸化してＡｌ−ｏｘｉｄｅからなるトンネル絶縁膜を形成する際に、再現性良く均一なトンネル絶縁膜を形成することが困難であるため、素子特性のバラツキが大きくなるが、本発明によって、従来、不良品として扱われていた素子も良品として使用することが可能になる。
【００４８】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態の高感度磁気検知回路を説明するが、上記の第１の実施の形態の高感度磁気検知回路におけるハートレー型発振回路をコルピッツ型発振回路に置き換えたものであり、基本的構成は同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００４９】
図４参照
図４は、本発明の第２の実施の形態の高感度磁気検知装置の回路構成図であり、ハートレー型発振回路１０を構成する直列接続したインダクタ１３とインダクタ１４とコンデンサ１５との並列接続からなるＬＣ共振回路を、直列接続したコンデンサ４２とコンデンサ４３とインダクタ４１との並列接続からなるＬＣ共振回路に置き換えることによって、コルピッツ型発振回路４０を構成したものである。
【００５０】
この場合、発振信号ＶＯＳＣ は、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサ４２を介して検波器とローパスフィルタとからなる直流変換回路２４へ入力され、端子２５から出力されることになる。
【００５１】
この第２の実施の形態においては、発振回路としてコルピッツ型発振回路を用いているので、ハートレー型発振回路に比べてインダクタの構成が容易で、ＬＳＩ等に向いた回路構成となる。
【００５２】
なお、発振回路の一部をインピーダンス変化する素子で構成し、発振周波数の変化を検出する磁気検知方法が提案（例えば、特開平９−８０１３４７号公報）されているが、これは、発振周波数の変化を検出するものであり、発振の有無を検知する本発明とは原理が全く異なるものである。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、再生ヘッドに用いる磁気センサを前提に説明しているが、再生ヘッド用の磁気センサに限られるものではなく、眠気センサ、タッチセンサ、水位センサ、ごみ処理分別センサ、或いは、防犯センサ等に利用される各種の磁気センサに応用できるものである。
【００５４】
また、上記の実施の形態においては、磁気抵抗効果素子として、ＦｅＣｏ／Ａｌ−ｏｘｉｄｅ／ＮｉＦｅ構造のＴＭＲ素子を用いているが、フリー層とピンド層の組合せは任意であり、保磁力の差を利用すれば良い。
【００５５】
さらには、ピンド層のピン止めは、保磁力の差を利用せずにＩｒＭｎやＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性層を用いてピン止めしても良いものであり、それによって、ピンド層のピン止めが安定化するとともに、ピンド層とフリー層とを同じ材料で構成することが可能になる。
【００５６】
また、図２に示した回路における各構成要素の数値は、単なる一例であることは言うまでもなく、磁気ディスクにおける記録密度に応じてＬＣ発振回路の発振周波数や、パルス入力ＶＩＮの周波数を適宜設定すれば良いものである。
トランジスタ、抵抗、コンデンサ等はディスクリート部品ではなく、ＩＣやＬＳＩのように基板上に集積して用いても良いことはもちろんである。
【００５７】
また、磁気抵抗効果素子として、特に効果が大きいＴＭＲ素子を用いているが、ＴＭＲ素子に限られるものではなく、ＧＭＲ素子或いはＭＲ素子でも良いものであり、少なくとも外部磁場によりインピーダンスが変化するものであれば良いが、特に、インピーダンスの実部だけではなく、ＴＭＲ素子のように虚部も変化する容量性の素子であることがノイズの点から望ましい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、外部磁場によってインピーダンスの変化する磁気抵抗効果素子を発振回路との帰還ループ内に組み込んでいるので、従来の数十倍の安定した出力を得ることができ、次世代の再生用高感度磁気ヘッドの実現に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の高感度磁気検知回路の回路構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における発振出力結果の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の高感度磁気検知回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１ 発振回路
２ トランジスタ
３ ＬＣ回路
４ 磁気抵抗効果素子
５ スイッチング手段
１０ ハートレー型発振回路
１１ インダクタ
１２ 抵抗器
１３ インダクタ
１４ インダクタ
１５ コンデンサ
１６ トランジスタ
１７ コンデンサ
１８ 抵抗器
１９ ダイオード
２０ ＴＭＲ素子
２１ 抵抗器
２２ コンデンサ
２３ インダクタ
２４ 直流変換回路
２５ 端子
３０ ＲＦスイッチング回路
３１ 高周波用トランジスタ
３２ パルス発生器
３３ コンデンサ
３４ ダイオード
３５ 抵抗器
３６ 抵抗器
４０ コルピッツ型発振回路
４１ インダクタ
４２ コンデンサ
４３ コンデンサ
Claims (5)
- トランジスタ及びＬＣ回路からなる発振回路の前記トランジスタとＬＣ回路との帰還ループの一部に磁気抵抗効果素子を接続するとともに、スイッチング手段を設け、前記スイッチング手段のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することを特徴とする磁気抵抗効果を用いた磁気センサ。
- 上記発振回路が、ハートレー型発振回路或いはコルピッツ型発振回路のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサ。
- 上記磁気抵抗効果素子が、トンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサ。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法において、上記スイッチング手段のスイッチング周波数によって磁気データの読取速度を規定することを特徴とする磁気抵抗効果を用いた磁気センサの駆動方法。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果を用いた磁気センサを再生用磁気ヘッドとして備えたことを特徴とする磁気記録装置。
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