JPS5836744B2 - 磁気感知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁気感知デバイスに関し、更に特定して云えば
シールド材を感知素子と並置した磁界感知デバイスに関
する。

米国特許第３４３２８３７号には、比較的に高い透磁率
の材料を用いた磁気ヘッドが開示されている。

ヘッドと磁気記録媒体との間に、該ヘッドの磁気感知器
よりも更に透磁性の少ない薄い磁性層が介在されている
。

この薄層を設けた目的はＳ／Ｎ比を高め、感知器を摩耗
から保護し、そして磁気記録媒体からヘッドへ磁界を良
く伝わらせることにある。

Ｓ／Ｎ比が改善されるのは、ＮｔＦｅ １ＣｏＮｉ及び
Ｆｅのような介在させた薄材料層により感知器に摩耗に
対する保護を与えることによって、摩耗性の記録媒体を
感知器に近づけ得るという事実から来るのである。

上記米国特許明細書第３欄、第１７乃至第２２行を参照
されたい。

この米国特許は薄層の目的は磁界を感知器へ結合させる
ことにあり、感知器からの磁界を向かわせることにある
のではない場合のことに関する。

従って、この先行技術は全く異った目的のために対立し
た透磁率関係を有する磁性材を介在させることを教えて
いる。

ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎ
ｅｔｉｅｓのＶｏ ｌ ．ＭＡＧ− ３、，／Ｉ６２の
第９６乃至第１００頁（Ｊｕｎｅ １９６７）に″Ｍａ
ｇｎｅｔｉｃ ＳｃａｎＨｅａｄ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ”と題するＣ
ａ．ｍｒａｓの論文に、別個のコア、並びにこれらのコ
アを１時には１つ選択的に付勢するのに共（ど用いられ
るリボン巻線及び掃引用巻線を備えた磁気走査ヘッドが
記述されている。

ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ
ＢｕｌＩ−ｅｔｉｎのＶｏ１．１７、ＡＩＯの第３１
７３乃至第３１７４頁（Ｍａｒｃｈ １ ９ ７ ５
）に”Ａｃｏ ｕ ｓ−ｔｉｃａｌｌｙ Ｓｃａｎｎｅ
ｄ ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＴｒａｎｓｄｕ
ｃｅｒ”と題して、Ｄ ．Ａ．Ｔｈｏｍｐｓｅｎが音響
弾性波に応答しての走査を含むところの磁気抵抗効果素
子のための走査メカニズムを記述している。

この型式の走査制御は、時間の長さがどんな長さであろ
うとも独立にヘッドの所与のセグメントを選択的に付勢
するというよりむしろ、音響弾性波がヘッドに沿って伝
播するにつれて直列にヘッドのすべてのセグメントを横
切って瞬時に走査する。

本明細書で用いる゛゜透磁性゛なる用語は通常の意味を
もっている即ちその意味するところを磁気抵抗なる用語
で表わすことも出来る。

磁気薄膜においては、薄膜の平板内の通路における磁束
に対する透磁性は比透磁率及び厚さに比例する。

飽和磁界なる用語はインクルメンタルな比透磁率に実質
的な減少を生じさせるのに十分な磁界Ｈを意味する。

最も一般的な薄膜磁性材料であるパーマロイは薄膜平板
内において相互に垂直な磁化困難軸及び磁化容易軸を持
った単軸異方性を付与されて製造される。

このようなパーマロイが磁化困難軸方向に沿って磁化さ
れたとき、飽和磁界ＨＫ（代表的には、２エルステッド
）で飽和が生ずるまで比較的に大きな、一定の比透磁率
（代表的には、５０００）を持っている。

印加磁界が更に大きくされると、インクルメンタルな比
透磁率は飽和になる前よりも相当小さくなる（代表的に
は、１００分の１より小さくなる）。

本発明の良好な実施例は磁化困難軸方向に沿って磁界の
作用を受ける単軸パーマロイ膜若しくは単軸ＮｉＦｅＣ
ｏ膜を利用する。

しかしながら、パーマロイほど理想的な急峻特性を示さ
ないが、用いられるすべての磁性材料は飽和現象を呈す
るのがよく、これらの磁性材料の内の多くの材料は本発
明の目的を達するのに適しているということを念頭に置
かれたい。

電磁薄膜デバイスはホール効果型感知器及び磁気抵抗効
果型感知器を含む。

本発明によれば、磁気感知素子を含む構造体が提供され
る。

磁気感知素子は第１の透磁レベル及び第１の飽和磁界レ
ベルを有する。

上記第１の透磁レベルよりも高い透磁レベルと上記第１
の飽和磁界レベルよりも低い飽和磁界レベルとを有する
可飽和磁性体が上記磁気感知素子と並置されるが、こう
すれば上記磁気感知素子は、上記可飽和磁性体によって
吸収される磁界分だけ低められたところの予じめ決めら
れた磁界レベルより高い磁界に対する感雇範囲を持つよ
うになる。

更に、本発明によれば、磁気抵抗効果型磁界感知素子は
電流供給導体を結合した強磁性金属から成る薄膜ストラ
イプから成る。

一層高い透磁性を有する薄膜ストライプが第１の薄膜ス
トライプと電気的に絶縁されている。

第１の薄膜ストライプに流れる電流は第２の薄膜ストラ
イプを飽和させるのに十分な強い磁界を発生させず、且
つ第１の薄膜ストライプを飽和させるのに必要な内部磁
界は第２の薄膜ストライプを飽和させるのに必要な磁界
の少なくとも２倍である如き電流が電流源からら第１の
薄膜ストライプに流され、第１の薄膜ストライプの抵抗
変化を検出するのに電気手段が上記電流を用いる。

本発明の他の観点においては、磁気感知素子及びこれに
並置される可飽和磁性体を使用するのであるが、これら
に隣接して、可変バイアス磁界発生体が置かれる。

磁気感知素子の長さ方向に沿って該素子に達する実効磁
界は可変バイアス磁界発生体又は可飽和磁性体のいづれ
か 方の断面積を変えれば変わって来る。

このような構成によりマルチトラック・ヘッドが形成さ
れる。

本発明の１つの目的は応答特性が改善された磁界感知器
を提供するにある。

本発明の他の目的はバブルのために改良された磁気抵抗
効果型感知器、キーボード用感知器、又は走査可能な磁
気ヘッドを提供するにある。

第１図は導線１１によって例示された磁界源からの磁界
を感知する磁気抵抗効果型感知素子１０を示している。

感知素子１０は二酸化シリコン層１３に隣接して置かれ
る。

層１３の反対側に高い透磁性の材料例えば２エルステッ
ドのＨＫ （飽和での内部磁界）を有するパーマロイの
層１２がある。

感知素子１０は低い透磁性の材料例えば１０エルステッ
ドのＨＫを有するＮｉＦｅＣｏから構成されている。

層１２が相対的に高い透磁性である（層１２の厚さは必
要な相対的透磁性を与える厚さである。

）ために、層１２は導線１１から発生される磁束量が少
ない場合にはその大半を吸収して、この磁束を感知素子
１０に到達させない即ちこの磁束に対し感知素子１０を
シールドする。

しかしながら、導線１１から発生する磁界（磁束量）が
強く（多く）なれば、層１２は飽和させられ、強さが増
すにつれて感知素子１０に与える作用度も増大する。

感知素子１０の１方の端へ導線１４が接続され他方の端
へ導線１５が接続されている。

導線１４及び１５はホイートストン・ブリッジ１６の一
辺として感知素子１０を接続する。

このブリッジへ接続されたバツテリ１９が感知素子を含
むブリッジを通して電流を流す。

この場合に、導線１１から発生する磁界か十分に強けれ
ば、感知素子の抵抗値は該磁界の関数として変えられる
。

第２図はシールド用層１２を設けない場合における、第
１図に示される感知素子のような磁気抵抗効果型感知素
子の印加磁界に対する抵抗ＪＲの変化状況を点線で示す
。

印加される磁界が零の値から正方向に又は負方向に増大
するとき、抵抗ＪＲは変化しなくなる最小値へ比較的に
鋭く減少する。

第２図には、又シールド用層１２を設けた第１図図示の
感知素子の印加磁界Ｈ印加に対する抵抗ＡＲの変化状況
が実線で示されている。

この場合には、層１２の飽和が生ずるまでＪＲは印加磁
界の関数として一定に留まっているが、飽和が生ずる即
ち印加磁界ＨＳＡＴ若しくはーＨＥＡＴになるとＪＲは
点線と近似して印加磁界の増大と共に下降していく。

その結果は感知素子が小さな磁界変化量の間では印加磁
界の変化に感応しなくなり、鋭い傾斜特性を呈するとい
うことである。

従って、第１図のデバイスは増幅器１７を通して電圧計
１８を駆動させるのにも用いられ、又１型式の変換器と
して動作する素子１０，１１，１２及び１３に流れる電
流レベルの関数、従って磁界レベルの関数としてオン又
はオフに切換わる電子的リレー２０を動作させるのにも
用いられる。

第３及び第４図は第１番目の辺部分２２が約１０μで、
第２番目の辺部分２３が１３μで、第３番目の辺部分２
４が２０μで、第４番目の辺部分２５が４０μであるよ
うなほぼ矩形断面の導体２１を示す。

並置されたシールド用層３２は絶縁層３１によって導体
２１から隔てられ、層３２は絶縁層３３によって並置さ
れた磁気抵抗効果帯状層３０から隔てられている。

例として、銅の導体２１は約１００００人の厚さであり
、ＳｉＯ２の絶縁スペーサ３１は５００００Ａの厚さで
あり、Ｎ ｉ Ｆ ｅのシールド３２は２００人の厚さ
であり、絶縁スペーサ３３は１ ００ ０人の厚さであ
り、モしてＮｉＦｅＣｏの感知素子３０は２００Ａの厚
さである。

この場合にも、シールド３２は２エルステッドのＨＫを
有し、感知素子３０は１０エルスデッドのＨＫを有する
。

第３及び第４図の感知器はシールド３２及び感知素子３
０に対し漸増する磁界を与えるため、導体２１の端３４
と端３５との間に走査直流電圧例えば鋸歯状電圧が印加
されるように構成されている。

導体２２の断面積が第１図の導体１１と同じで電流値も
同じとすれば、導体２１に流れる電流に対する感知素子
区間４２のＪＲの曲線３８（第５図）が感知素子区間４
２に作用する導体区間２２の電流の作用の結果として感
知素子３０の端子線３６と端子線３７との間で得られる
。

点線で示される類似の曲線３９，４０及び４１が夫々導
体２１の区間２３ ，２４及び２５について得られる。

導体２１のより広い区間で発生される磁界はより狭い区
間よりも弱い。

理論的には、導体２１から発生されるバイアス磁界は次
の方程式〔但し、Ｗは電流が流れる導体の幅、■は導体
を流れる電流である。

〕によって定まる。従って、１０μ幅の区間２２で発生
する Ｈバイアスは上記方程式から、４０μ幅の区間２５で発
生するＨバイアスよりも４倍強い。

このことは区間２２に対する曲線３８が先ず急激な変化
を示し、曲線３９乃至４１が夫々同様の対応する急激な
変化を遅れて相継いで示す第５図を参照すれば判る。

従って、導体２１に流れる電流は所望に応じて次のよう
に変えられる。

即ち、感知素子３０の区間４２，４３，４４若しくは４
５の内の１つが最も感知の高い状態に設定され、他のす
べての区間は低いバイアスを与えられる区間では小さな
磁界のため不感応性とされ、飽和された区間では完全な
不感応性とされる如く導体２１の電流は変えられる。

上記の如く設定される例えば電流■１により曲線３９上
の点４６へ設定されると、感知素子３０の区間４３がこ
れと並置される磁界源例えば磁気記録媒体のトラックを
感知するのに用いられる。

バイアス電流■１により曲線３９に関しては点４６であ
るが、曲線３８に関しては点４７となり、従って区間４
２は飽和されるということに注目されたい。

感知区間４４及び４５に夫々対応する曲線４０及び４１
上の点４８はこれらの感知区間が電流■１ではまだ不感
応であるということを示している。

このようにして、空間内に固定されたヘッドが幾つかの
異なるレコード・トラック位置を走査をしうる。

第６図に、バイアス導体５０は一様な幅であり２０００
０人の厚さを有する如き異なる構成が示されている。

ＭＲ帯状感知素子５１、好ましくはＮｉＦｅＣｏは又一
様な厚さ例えば２００人であるが、この場合には感知素
子５１の反対側にあるシールド５２好ましくはＮｉＦｅ
はその厚さが階段状にされている即ち区間５３では２０
０人の厚さ、区間５４では４００人の厚さ、区間５５で
は６００人の厚さ、及び区間５６ではｓ ００ Ａの厚
さとされている。

区間５３乃至５６の長さは好ましくは等しく３５０μと
され、従って４つの区間の合計長は１４００μとなる。

この場合、シールド区間５３乃至５６を飽和させるよう
に印加される磁界は区間５３乃至５６の厚さの１次関数
として増大する。

この場合にも又、導体５０の電流は、第５図の各ＪＲ−
Ｉ曲線と類似の、第７図の各ＪＲ−Ｈ印加曲線の下にお
いて導体５０に隣接した感知素子５１の内の所望の区間
を最も感応性のある状態にするべく走査するよう種々の
電流レベルに設定される。

この構成の下でも磁気記録媒体の複数本のトラックを走
査しうる。

換言すれば、導体５０が一様な磁界を印加するため一定
のバイアス電流を流すとき、感知素子５１で感知される
合成スレツショールド磁界はその長さ方向に沿って変わ
り、そのため感知素子５１の１つの特定区間ヲその感知
レベル即ちスレツショールド・バイアス磁界レベルにバ
イアスする必要があるから感知区間数だけの異なる電流
を導体５０に流さなければならない。

他のすべての区間は磁界の小さな変動に対して実質的に
不感応性にあるようにバイアスされる。

感知素子に流れる電流はシールド層幌磁気的作用を及ぼ
すということは認められよう。

第１のＭＲストライプに流れる電流は第２のストライプ
（シールド）を飽和させるのに十分な強い磁界を発生し
ないようにこの電流を選ぶのがよい。

第８図はバイアス導体９０、感知素子９１及びシールド
９２のいずれも一様な厚さであるが、バイアス導体９０
中の異なる電流値によりこれに対応するシールド幅部分
を飽和させるようにシールドの幅が階段状にされた他の
構成を示している。

第９図は磁気抵抗効果型感知素子１０３がバブル伝播パ
ターンの一部でもある磁気シールド層１０１との磁束結
合のためこれに近接して製造された磁気バブル感知器を
示している。

シールド層１０１は磁気バブル媒体１０２内で各磁気バ
ルブを伝播させるのに用いられる回転磁界の大部分を吸
収するが、絶縁層感知素子１０３とシールド層１０１と
の間にあるが省略によりシールド層１０１と分離されて
いる磁気抵抗効果型感知素子に精確に隣接して存在する
磁気バブル１００（この磁気バブルは感知素子により感
知される状態においては感知素子の真下に来るのである
が、図解の都合上両者を隔て＼示してある。

）からの付加的な磁束によって実質的に飽和される。

第１０図は永久磁石７１をキー７０のベースへ固着した
タイプライタ・キー７０を示す。

ばね７２がキー７０及び磁石７１をシールド７３及びＭ
Ｒ感知素子７４から遠ざけている。

第１図の装置は、図示されるように、シールド層の飽和
がスレッショールド電流値において実質的に生じている
か否かに関する過負荷検出器としても動作する。

上記の説明は磁気薄膜から食刻によって形成された簡単
な帯状体として磁気抵抗効果型感知素子を用いて来たが
、この分野で知られ付加的な磁気バイアスのために置き
換えうる多くの手段（例えば、米国特許第３８４０９８
号を参照されたい。

）、感知素子内の電流パターンを変えるナこめの導体の
帯状オーバーレイ（例えば、Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ｔｈ
ｅＩｎｔｅｒｍａｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｉ ＥＥ
Ｅ （１９７５５）の”Ｔｈｅ Ｂａｒｂｅｒ Ｐｏｌ
ｅ ａ Ｌｉｎｅａｒ Ｍａｇｎｅ−ｔｏｒｅｓｉｓｔ
ｉｖｅ Ｈｅａｄ”と題する論文１６−５を参照された
い）、エッチング、及び感知素子が電気的なブリッジ回
路の諸素子の内の多くの素子となり、いわゆる“プレー
ナ・ホール効果″若しくは真のホール効果を利用する４
導体構となすよう付加的な導線を取付けることによって
構成される磁気感知器も本発明は意図している。

磁気薄膜から製造されたどのような電磁感知素子も上述
の簡単な磁気抵抗効果帯状体と置換えうる。

感知素子及び各シールド層の存在順序は多くの用途にお
いて重要ではなく、これらが磁束結合のため精確に隣接
して置かれているならば逆にされてもよいということも
又注目されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は測定回路へ接続された磁気抵抗効果型感知素子
及び磁気発生導体に隣接した磁気飽和しうるシールドを
示す図、第２図は導体から印加されるバイアス磁界の関
数として変化する第１図の感知素子の抵抗ＪＲを示す図
、第３図は可飽和シールドへ可変の磁界を与えるよう可
変断面積の磁気バイアス導体を用いた走査可能な磁気抵
抗効果型帯状ヘッドを示す図、第４図は第３図のヘッド
の平面図、第５図は第３及び第４図のヘッドの磁気バイ
アス導体の各区間毎の、抵抗変化ＡＲを磁気バイアス導
体の電流Ｉの関数として示す図、第６図は主として磁気
的に飽和しうるシールドに可変の断面積を与え、各断面
積毎に磁界範囲を感知素子に与えるという点において第
３図とは異なる走査型ヘッドを示す図、第７図は第６図
のヘッドのための、第５図に示される夫々の曲線に類似
のＪ Ｒ − Ｈ印加曲線を各断面積毎に示す図、第８
図は可飽和シールドの幅を変え、各幅毎に磁界範囲を感
知素子に与える如き、走査しうる磁気抵抗効果型帯状ヘ
ッドを示す図、第９図は可飽和シールドを有する磁気抵
抗効果型バブル感知素子を示す図、第１０図は本発明に
従って構成されたタイプライタ・キーボードの磁気応答
素子を示す図である０ １０・・・・・・感知素子、１２・・・・・・シールド
用層、１３・・・・・二酸化シリコン層、１１・・・・
・・磁界源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の透磁レベルを有する磁気感知素子と、該磁気
   感知素子と並置された上記第１の透磁レベルより高い透
   磁レベルを有する磁性体とを有し、上記磁気感知素子は
   上記磁性体による飽和で吸収される予じめ決められた磁
   界レベルを超える磁界範囲に対して感応性を示すことを
   特徴とする磁気感知装置。 ２ 上記感知素子は電磁薄膜デバイスであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の磁気感知装置。 ３ 上記感知素子は磁気抵抗効果素子であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の磁気感知装置。