JPH04195909A - 垂直磁化型磁気抵抗素子とそれを用いた磁気抵抗効果型磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、新しい構造の磁界センサ及びこれを用いた磁
気ヘッドに関するものである。更に、詳しく述べれば、
膜面に垂直な磁化を利用した磁気抵抗効果素子と、その
磁気抵抗効果素子を感磁部に用いた磁気記録用の磁気ヘ
ッドに関する。

〔従来の技術］ 高保磁力薄膜媒体と磁気ヘッドの組み合せで、情報を媒
体内の磁化の方向の変化として記憶／再生する磁気記録
方式は、コンピュータの外部記憶装置やビデオテープレ
コーダ、デジタルオーディオテープレコーダの記録再生
方式として広く用いられている。近年、コンピュータの
性能が向上し、取り扱うデータの範囲が単なる文字情報
から画像。

音声のようなマルチメディアに進展するに及び記憶すべ
きデータ量が膨大になってきた。また、コンピュータの
パーソナル化にともない、外部記憶装置の一層の小型化
が望まれている。そのために、記録密度の増大が必須で
ある。動画像を記憶するビデオテープレコーダにおいて
も同様で、装置の小型化、取り扱う画像の高精細化にと
もない、データの記録密度の増大が求められている。

この様な磁気記録における磁気ヘッドは、電磁誘導型の
磁気ヘッドが最もよく用いられている。

！耐誘導型磁気ヘッドでは、媒体内の磁化反転バタンか
ら発生する磁束を磁気ヘッドの軟磁性コアバタンに導き
、ヘッドと媒体の相対運動により生じる磁束の時間変化
をコアバタンのまわりに設けたコイルの両端に生じる誘
導起電力で検知することにより磁化反転バタン情報を再
生する。

外部記憶装置に用いられる磁気ディスク装置の小型化は
、磁気ディスク径の小型化によって行われる。ディスク
径が小さくなるとヘッドと媒体との相対速度が小さくな
り、ヘッド内の磁束の時間変化が小さくなり再生出力が
小さくなる。また、記録密度が高くなるにつれて、記録
トラック幅の減少並びに記録波長の減少による再生出力
の低下が問題になる。

この再生出力の低下を改善するために、磁気抵抗効果素
子を感磁素子とする磁気抵抗効果型磁気ヘッドが提案さ
れてきた。以下では、簡単のためにこのタイプの磁気ヘ
ッドをＭＲヘッドと略称する。磁気抵抗効果素子は、一
般にＮｉＦｅの如き強磁性体の異方性磁気抵抗効果を示
す薄膜バタンを利用した感磁素子である。この感磁素子
は、強磁性薄膜バタンに電流を印加し、電流の印加方向
と薄膜バタンの磁化方向のなす角により電気抵抗が変化
する現象を用いている。通常は、強磁性薄膜バタンの磁
化方向は、薄膜の膜面に垂直な反磁界が極めて大きいた
め、膜面内に存在している。

−ＳにＭＲヘッドでは、シーＪレド型ＭＲへ・７Ｆとヨ
ーク型ＭＲヘノドが知られている。前者は、媒体に面し
たヘッドギャップ内にＭＲ素子を設けたヘッドである。

後者は、ヘッドのリターンヨークの途中にＭＲ素子パタ
ンの中程度のギャップを設け、そのギャンプ内もしくは
ギャップ上にＭＲ素子を設けるヘッド形状をしている。

いずれの形状でも、ヘッド／媒体相対速度にかかわらず
、高再生出力が得られることが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のシールド型ＭＲヘッドは、ＭＲ素子バタンか媒体
に面したヘッドギャップ内に設けられている。このため
、ＶＴＲヘッドやフレクサブルディスク用ヘッドのよう
に、ヘッドが媒体面と摺動する場合には、摩擦熱のため
に熱雑音が生じる問題点及びヘッドギャップが深さ方向
に磨耗して、ＭＲ素子も共に摩耗減耗する問題点がある
。

ヨーク型ＭＲヘッドでは、ＭＲ素子信号磁束の帰還経路
中にギャップを設けている。一般に、ＭＲ素子の厚さは
数十ｎｍで、ヨークバタン厚さに比べて極めて薄い。従
って、ヨークパタン〜ＭＲ素子〜ヨークパタンの部分の
磁気抵抗が増加して、コア効率が低下する。また、非磁
性基板間にコア材料として金属磁性積層膜を挟み込む積
層型ヘッドでは、非磁性基板材料が障害となって、コア
磁性層の近傍にＭＲ素子を設置することは極めて困難で
ある。

本発明の目的は、上記の諸問題点を解決した垂直磁化型
磁気抵抗素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、この垂直磁化型磁気抵抗素子を用
いた磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 第１の軟磁性磁気ヨークと第２の軟磁性磁気ヨークを対
置し、前記ヨークの対置部に間隙を有する磁気回路を有
し、前記間隙内に磁気回路の磁束通過方向に垂直な膜面
を有する異方性磁気抵抗効果薄膜と、磁気抵抗効果薄膜
とヨーク端面間を非磁性電気絶縁薄膜を設けたことを特
徴とする垂直磁化型磁気抵抗効果素子であり、前記異方
性磁気抵抗効果薄膜の膜厚と前記間隙の差と、異方性磁
気抵抗効果薄膜の膜厚との比が０．１以下であることを
特徴とする垂直磁化型磁気抵抗効果素子を、ＭＲ素子と
して用いることが、上記の問題点を解決する手段である
。

〔発明の原理］ 次に、この垂直磁化型磁気抵抗効果素子の構成原理を簡
単に述べる。従来型のＭＲ素子は第２図に示すように、
異方性磁気抵抗効果薄膜１の面内の長手方向に電流２が
印加されているときに、外部から３で示す磁界ＨＩＩＫ
が薄膜１の面内で電流方向と垂直に印加されると、磁化
１１が電流印加方向から角度θの方向を向く。磁界ＨＩ
ＩＸの大きさが変化したときの磁気抵抗Ｎ膜の抵抗値Ｒ
は、第４図に示されるように形状磁気異方性により電流
方向に磁化が揃った時の最大抵抗ＲＩＩから電流方向と
垂直に磁化が揃った時の最小抵抗Ｒ土まで変化する。こ
のとき比ΔＲ／　（（１／３）　ＲＩＩ　＋　（２／３
）　Ｒ±）は磁気抵抗比であり、磁気抵抗効果薄膜の材
料固有の物性値である。

一方、第３図に示すように、３で示す外部磁界Ｈｔｔｘ
を磁性薄膜に垂直に印加する垂直磁化型ＭＲ素子では基
本的には第４図の様な磁界−電気抵抗曲線（Ｒ−８曲線
）を示すが、薄膜の膜厚方向の反磁界係数が大きいため
に、弱い外部磁界では膜厚方向にはほとんど磁化するこ
とができない。したがって、単に、印加磁界方向を膜面
に垂直するだけでは、垂直磁化型ＭＲ素子は実現しない
。

この、垂直磁化型ＭＲ素子を第５図に示す様に軟磁性ヨ
ーク４Ｌ　４２のギャップ内に設ける。ＭＲ素子薄膜の
膜厚をｔ、素子幅をｄ、ヨークと素子の間隙をＳとする
。このＭＲ素子を偏長楕円体と近位すると、第６図に示
す磁束の還流経路を得る。

なお第６図中、１′、１“は鏡像を示している。

この時の等価磁気回路は第７図に示すようになる。

この等価回路を計算することにより、膜厚方向の反磁界
係数Ｎは、以下のように表される。

Ｎ＝２３／　（２３（１＋１／Ｄ）＋１）・・（１）た
だし、Ｓ　＝　ｓ　／　ｔはギャップ比、Ｄ＝ｄ／ｌは
幅比である。

式（１）を幅比（Ｄ）をパラメータとして、反磁界係数
Ｎとギャップ比（２Ｓ）の関係をプロットして第８図に
示す。ギャップ比２Ｓが大きいと、反磁界係数ＮはＭＲ
素子の幅比りを反映した値となっている。ギャップ比２
Ｓは小さくなるにつれて、幅比の大小に拘わらず反磁界
係数Ｎは小さくなる。ギヤツブ比が０．１以下になると
、反磁界係数Ｎは幅比にほとんど依存せず、ギャップ比
２Ｓに等しくなる。換言すれば、どのような幅のＭＲを
持ってきても、ギャップ比２Ｓが０．１以下になると反
磁界係数Ｎはギャップ比２Ｓのみで規定できる自由度が
生じることになる。反磁界係数が０．１以下であるとい
うことは、ＭＲ素子の飽和磁化４πＭｓが８００００ｅ
程度であるので、このＭＲ素子を垂直に磁化する飽和磁
界は強度８０００ｅ以下で十分であることを示している
。飽和磁界を２０００ｅ程度にするには、ギャップ比２
Ｓを０．０２５程度にすれば良いことが図から直ちに判
明する。

以上に述べたように、垂直磁化型ＭＲ素子は、素子の膜
厚とヨークギャップの比を適当に選ぶことにより、垂直
磁化の飽和磁界強度を任意に設定することが出来る。す
なわち感度の調整が容易である特徴を持っている。

〔実施例］ （実施例１） 第１図に第１の実施例を示す。Ｍｎ−Ｚｎフェライト等
の軟磁性体の磁気へラドコア半体４３及び４４をつき合
わせてなる磁気ヘッドにおいて、磁性媒体に面して記録
再生波長と記録再生トランク幅を規定するフロントギャ
ップ５１に対して逆側にリアギャップ５２がある。リア
ギャップ５２には、ＭＲ素子１が設けられている。ＭＲ
素子はＮｉＦｅ薄膜である。膜厚は２μｍである。ＭＲ
素子とコア半体からなるヨークのギャップ５２は２．２
μｍであり、ＭＲ素子はその中央に設置されている。こ
のときのギャップ比２Ｓは０．１となっている。ＭＲ素
子薄膜とへラドコア半体間は、０．１μｍ厚さのＳｉｎ
、で絶縁されている。

（実施例２） 第９図に第２の実施例を示す。磁気コア半体４３及び４
４は非磁性の基板４５及び４６に挟まれた軟磁性コア４
０から構成されている。具体的には基板材料はＭｎ０−
Ｎｉ０セラミンクである。軟磁性コア材料は、スパッタ
センダスト膜（厚さ５μｍ）を０．１　μｍ５ｉｏ□を
介して４層の積層体で構成されている。スパッタセンダ
スト積層膜をコア材料としているのでこの磁気ヘッドは
、実施例１に比べて記録能力が高い特徴がある。ＭＲ素
子１は、リアギャップ５２に設けられている。ＭＲ素子
の幅は、コア材料の積層幅に等しい。ＭＲ素子膜は厚さ
２．５μｍ１幅２０μｍで形成されている。ＭＲ素子と
コア半体間は厚さ０．１　μｍのＳｉＯ□で絶縁されて
いる。この場合の、ギャップ比２Ｓは０．０８であり、
再生感度の向上が図られている。

実施例１及び２において、磁気回路的に見れば、リアギ
ャップはＭＲ素子で実質的に埋め込まれているので、記
録ヘッドとしてもコア効率の低下はほとんどない。

（実施例３） 本発明はいわゆる薄膜ヘッドに適用した第３の実施例を
第１０図に示す。非磁性基板６はアルミナーチタカーバ
イドのセラミンクである。この上にまず下ヨーク膜とし
てＮｉＦｅ膜を蒸着法もしくはスパッタ法にて成膜し、
下ヨークバタン（下ボール）７０を形成する。０．１　
μｍのアルミナ絶縁膜７１を介して、Ｃｕのコイルバタ
ン７２を作製する。

コイルバタンを樹脂等で平坦化する。再度絶縁膜７３を
設ける。次に、ＭＲ素子バタンとして厚さ２μｍのＮｉ
Ｆｅ１膜パタン１をリアギャップ部５２に作製する。次
いで、０．１μｍのアルミナ絶縁膜７３を付与し、Ｎ　
ｉ　Ｆ　ｅ薄膜にて上ヨークバタン（上ポール）７４を
形成する。このとき、ギャップ比２Ｓは０．１となって
いる。

本実施例では、ＭＲ素子がリアギャップ内にあるため、
フロントギャップ５１はＭＲ素子の有無に拘わりなく設
定することができ、ＭＲ素子の設置による記録再生分解
能の低下は生じない。

（実施例４） 第１１図（ａ）を用いて本発明の第４の実施例を説明す
る。軟磁性体ヨーク４１及び４２のギャップ部５の内部
にＮ１ＦｅＦｌｉｆ膜の垂直磁化型ＭＲ素子１を設ける
。更に、ＭＲ素子１に接して垂直磁化膜１５としてＣｏ
Ｃｒ薄膜を設ける。ＣｏＣｒ薄膜の保磁力は１００００
ｅ程度に設定しておく。ＭＲ素子の薄膜は２．５　μｍ
、ＣｏＣｒ垂直磁化膜の膜厚は０．１　μｍであり、２
．７５μｍの間隙を持つヨークギャップ５の内部に設置
されている。

この素子の膜面に垂直に外部から強い磁化を印加し、Ｃ
ｏＣｒ膜を一方向に磁化する。この磁化から発生する磁
界がバイアス磁界としてＭＲ素子薄膜に印加される。Ｍ
Ｒ素子にバイアス磁界が印加されると、第１１図（ｂ）
に示すように抵抗−磁界曲線の動作点が移動して、磁界
Ｈ１変化に対する抵抗変化の直線性が改善される。

〔発明の効果］ 以上に述べたように、本発明は従来のＭＲ素子と異なり
、膜面に垂直に磁化が回転するモードを用いている。ま
た、ＭＲ素子とヨークの間隙が十分小さ（、ヨーク〜Ｍ
Ｒ素子〜ヨークの磁気回路の磁気効率は低下しない。

更に、本発明のＭＲ素子をＶＴＲ型ヘッドのリアギャッ
プ内で用いたときには、テープによるヘッドの摩耗はＭ
Ｒ再生出力には影響を及ぼすことはない。薄膜ヘッドの
リヤギャップに本発明を適用することにより、フロント
ギャップを十分に小さくすることが可能となり記録再生
の記録密度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図、第２図は従来
のＭＲ素子を示す図、 第３図は垂直磁型ＭＲ素子を示す図、 第４図はＭＲ素子の電気抵抗の印加磁界依存を示す図、 第５図は本発明の詳細な説明する図、 第６図は反磁界計算説明図、 第７図は本発明の等価磁気回路図、 第８図は反磁界係数のボールギャップ依存を示す図、 第９図は本発明の第２の実施例を示す図、第１０図は本
発明の第３の実施例を示す図、第１１図は本発明の第４
の実施例を示す図である。 １・・・磁気抵抗効果素子 １’、１’・・・ＭＲ素子の鏡像 ２・・・電流方向 ３・・・外部磁界 ５・・・ギャップ部 ６・・・基板 １１・・・磁化方向 １５・・・垂直磁化バイアス膜 ４０・・・軟磁性体 ４１、４２・・・ヨーク ４３、４４・・・コア半体 ４６・・・非磁性基板 ５１・・・フロントギャップ ５２・・・リアギャップ ７０・・・下ボール ７１・・・絶縁層 ７２・・・コイルバタン ７３・・・絶縁層 ７４・・・上ボール 錦４図 鴫５図 集６図 第７図 反ｍ場係数Ｎ 第８図 第９図 第１０図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の軟磁性磁気ヨークと第２の軟磁性磁気ヨー
   クを対置し、前記ヨークの対置部に間隙を有する磁気回
   路を有し、前記間隙内に磁気回路の磁束通過方向に垂直
   な膜面を有する異方性磁気抵抗効果薄膜と、この磁気抵
   抗効果薄膜とヨーク端面間に非磁性電気絶縁薄膜を設け
   たことを特徴とする垂直磁化型磁気抵抗効果素子。
2. （２）異方性磁気抵抗効果薄膜の膜厚と前記間隙の差と
   、前記異方性磁気抵抗効果薄膜の膜厚との比が０．１以
   下であることを特徴とする請求項１記載の垂直磁化型磁
   気抵抗効果素子。
3. （３）第１の軟磁性磁気ヨークと第２の軟磁性磁気ヨー
   クを対置し、前記対置部に間隙を有する磁気回路を持ち
   、前記間隙内に磁気回路の磁束通過方向に垂直な膜面を
   有する異方性磁気抵抗効果薄膜と、この異方性磁気抵抗
   効果薄膜に接して膜面に垂直異方性を有する高保磁力薄
   膜を設け、更に前記磁気抵抗効果薄膜とヨーク端面間に
   非磁性電気絶縁薄膜を設けたことを特徴とする垂直磁化
   型磁気抵抗効果素子。
4. （４）軟磁性からなる一対のコア半体を付き合わせてな
   る磁気ヘッドにおいて、 リアギャップ内に膜面がこのギャップ面に平行になるよ
   うに異方性磁気抵抗効果薄膜を設け、前記ギャップ面と
   前記異方性磁気抵抗効果薄膜間を非磁性電気絶縁薄膜で
   分離したことを特徴とする磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
5. （５）リアギャップの間隙と異方性磁気抵抗効果薄膜の
   膜厚の差と、前記異方性磁気抵抗効果薄膜の膜厚との比
   が０．１以下であることを特徴とする請求項４記載の磁
   気抵抗効果型磁気ヘッド。
6. （６）コア半体が、非磁性基板間に積層された金属磁性
   薄膜または金属磁性薄膜積層体からなることを特徴とす
   る請求項４記載の磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
7. （７）非磁性基板の上に、下ヨーク、絶縁膜、薄膜コイ
   ル、絶縁膜及び上ヨークを順次積層してなる薄膜ヘッド
   において、 フロントギャップとは反対にある下ヨークと上ヨークの
   接合部に間隙を設け、この間隙内に異方性磁気抵抗効果
   薄膜を設け、前記間隙と前記磁気抵抗効果薄膜の膜厚の
   差と、前記磁気抵抗効果薄膜の膜厚との比を０．１以下
   に保つことを特徴とする磁気抵抗効果型磁気ヘッド。