KR100196654B1 - 자기신호 검출장치 - Google Patents

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모리시따 요오이찌
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Abstract

본 발명은 강성 박막 자기저항소자를 이용한 자기신호 검출장치에 관한 것으로서, 작은 바이어스 자계로 박막 자기저항체의 지화방향을 최적치로 하여 직선성 좋게 최대출력을 얻는다.
기판(1)상의 박막 자기저항체(2)의 길이방향인 전류(Ⅰ) 방향에 대하여 바이어스 자계(Hb)의 각도 56°를 주도록 바이어스 자석(3)을 배치함으로써 자화(M)의 방향을 45°로 하여 직선성이 좋은 최대출력을 전언단자(4, 5) 사이에 얻는 것이다.

Description

[발명의 명칭]
자기신호 검출장치
[기술분야]
본 발명은 강자성 박막 자기저항소자를 이용한 자기신호 검출장치에 관한 것이다.
[배경기술]
강자성 박막 자기저항소자(MR 소자)를 재생헤드로서 사용하여 이 강자성 박막 자기저항소자가 갖는 자화(M)의 방향이 저항체를 흐르는 전류(Ⅰ)와 이루는 각도를 θ로 하고, θ를 대략 45°로 설정하면, 미소신호 자계(Hs)를 저항체의 저항변화로 변환할 때 재생출력 및 재생감도가 높아지는 것은 공지의 사실이다. 바이어스 자계(Hb)를 전류(Ⅰ)의 방향에 대하여 45°의 방향으로 인가하는 종래예로서 제8도에 도시한 것이 있다. 제8도에 있어서, 제9도의 자기-저항 변화특성에 도시한 바와 같이, 박막 자기저항체(2)를 흐르는 전류(Ⅰ)의 방향에 대하여 대략 45°의 방향으로 바이어스 자석(3)에 의하여 바이어스 자계(Hb)를 가함으로써 리니어리티(linearity)가 좋고 재생출력이 커지는 점을 동작점으로 하는 방법이다. 그리고 제8도에 있어서 4,5는 박막 자기저항체(2)에 전류를 공급하는 전원단자이다.
또, 이하에 기술하는 바와 같이, 강자성 박막 저항체르 자기격자피치(λ)의 1/2의 간격으로 배치하고 바이어스 자계를 인가하여 사용하는 방법도 이미 공지되어 있으나, 이에 더하여 바이어스 자계를 45°방향으로 인가하는 방법으로서 제10도에 도시한 것이 있다(특공평 1-45008호). 그리고 제10도에 있어서 6, 8은 전원단자, 7은 출력단자, 9는 바이어스 자계, 10은 신호자계 기록체이다.
상기의 어느 방법도 저항체의 길이방향(전류방향)에 대하여 45°를 이루는 방향으로 바이어스 자계를 인가하는 것이다. 기판(세라믹 또는 유리재료 등으로 이루어짐) 위에 착막(着膜)한 MR막에 패터링(pattering)하여 저항체(막폭 수 ㎛~수 10㎛)를 작성하면, 저항체가 갖는 자화(M)의 방향은 형상 효과에 의하여 저항체의 길이방향으로 향하나, 이를 저항체 길이방향에 대하여 45°방향으로 인가한 바이어스 자계에 의하여 길이방향에 대하여 45°방향으로 자화를 향하게 하기 위해서는 저항체가 갖는 형상 에너지가 상당히 크기 때문에 수천~1만 가우스의 큰 바이어스 자계량을 인가하여야 한다. 또는 비교적으로 작은 바이어스 자계량(수백 가우스)을 인가하였을 대에는 저항체의 자화의 방향이 45°보다도 작은 방향으로 향한다. 이들 현상 때문에 다음에 기술하는 바와 같은 문제점이 생긴다.
(1) 저항체의 자화를 큰 바이어스 자계량으로 구속하고 있기 때문에, 또는 자화(M)의 방향이 45°보다도 작은 각도이기 때문에, 검출할 자기신호 착자체(磁氣信號着磁體)의 미약한 누설자계의 검출출력은 작은 값이 되어 신호대 잡음비가 나쁘고 왜곡이 증가하여 신호처리회로에서의 처리가 곤란하게 된다. 최근에 기기의 소형화, 제어 정밀도의 향상, 고충실도 재생 등을 위하여 미세한 착자 신호가 필요하게 되고 이 때문에 검출할 누설자계가 점점 미약하게 된다.
(2) 마찬가지로, 큰 출력을 얻기 위해서는 될 수 있는한 자기신호 착자체에 검출소자를 접근시켜 검출할 신호자계가 큰 영역에서 검출할 필요가 있다.
검출대상의 착자체와 검출소자와의 상대적인 직선변위 또는 회전변위를 균일한 미소갭으로 검출하려면, 착자체 표면의 정밀가공 등을 행하여 갭지(gap sheet) 등을 사용하여 갭조정을 해야하므로 제조에 시간이 소모된다.
[발명의 개시]
그래서, 본 발명은 상기한 이들 종래의 문제점을 해결하여 될 수 있는 한 작은 바이어스 자계량으로 자화(M)를 전류에 대하여 ±45°또는 ±135°방향으로 향하게 할 수 있는 자기신호 검출장치의 제공을 목적으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 자기신호 검출장치는 기판상에 자기신호 기록면에 대하여 면대향 또는 수직으로 대향하도록 형성되고, 또한 강자성 금속박막으로 된 이방성을 가진 저항체와, 이 저항체에 소정각도의 바이어스 자계를 가하는 자계인가장치를 가지며, 상기 자계인가장치에 의한 바이어스 자계인가 방향을 저항체를 흐르는 전류방향에 대하여 다음식을 만족시키도록 배치한 구성으로 되어 있다.
단, ø=45°또는 135°, α; 전류와 바이어스 자계가 이루는 각도, Ku; 이방성 에너지(J/m3), Ks; 형상 이방성 에너지(J/m3), H; 바이어스 자계량(A/m), M; 포화자화량(T).
또한, 구체적으로는 저항체에 대한 바이어스 자계가 전류방향에 대하여 대략 ±47°이상이고 또한 대략 ±75°이하이거나 또는 저항체에 대한 바이어스 자계가 전류방향에 대하여 대략 ±105°이상, 그리고 대략 ±133°이하인 구성으로 되어 있다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 제1실시예의 박막 자기-저항소자의 구성도.
제2도는 다른 실시예의 검출소자의 자기신호 기록체에 대한 배치도.
제3도는 또 다른 실시예의 검출소자의 자기신호 기록체에 대한 배치도.
제4도는 바이어스 자계 인가시의 바이어스 자계(Hb)의 방향과 자화(M)의 방향과의 관계도.
제5도는 전류의 방향에 대하여 56°방향으로 바이어스 자계를 인가한 때의 중간점 출력전압을 설명하는 설명도.
제6도는 바이어스 자계강도를 패러미터로 한 바이어스 자계각도와 자화의 각도를 도시한 도면.
제7도는 바이어스 자석으로 바이어스 자계를 인가할 때의 바이어스 자석과 기판과 MR소자의 관계를 도시한 배치도.
제8도는 종래예의 박막 자기저항소자의 구성도.
제9도는 자화(M)를 대략 45°방향으로 하였을 때의 자기-저항변화 특성도.
제10도는 종래예의 검출소자의 자기신호 기록체에 대한 배치도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 박막 자기저항체
3 : 바이어스 자석 4,5,6,8 : 전원단자
7 : 출력단자 9 : 바이어스 자석
10 : 신호자계 기록체 Hb : 바이어스 자계방향
I : 전류방향 M : 자화방향
λ : 자기격자피치 α : 바이어스 자계와 전류가 이루는 각도
θ : 자화와 전류가 이루는 각도 Vcc : 전원전압
Vo : 중점출력
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
강자성 박막 자기저항체의 길이방향(즉, 전류(Ⅰ) 방향)으로 자화가 용이한 축을 형성한 막에 제4도에 도시한 바와 같이 바이어스 자계강도(Hb)를 인가하면, 자화(M)의 방향은 이방성 에너지(Ku*SIN2θ)와 형상효과에 의한 정자에너지(magneto-static energy, 靜磁에너지) (Ks*SIN2θ)와 제만 에너지(-H*M*COS(θ-α)]를 가산한 다음식의 토탈 에너지(Et)가 가장 낮은 상태로 안정되고 자화(M)의 전류(Ⅰ)와 이루는 각도가 결정된다.
단, Ku; 이방성 에너지(J/m3), Ks; 형상 이방성 에너지(J/m3), M; 포화자화량(T), H; 바이어스 자계량(A/m), θ; 전류와 자화가 이루는 각도, α;전류와 바이어스 자계가 이루는 각도.
θ가 ±45°또는 ±135°가 될 때의 α와 H의 일반적인 관계는 다음식으로 주어진다.
단, ø; 45°또는 135°, 막재료:NiFe(퍼멀로이(permalloy)), 막두께:0.1㎛, 막폭; 20㎛로 하고, Ku=200, Ks=2000, M=1을 (2)식에 넣으면, α와 H의 관계는 다음식과 같이 된다.
α와 H와의 관계의 (3) 식을 제6도에 도시하였다. 단, H=Hb×80으로 한다.
예컨대, 막두께=0.1㎛, 막폭=20㎛, 바이어스 자계강도 Hb=140에르스텟(이하, Oe라고 한다)로 하여 퍼멀로이막인 경우, 자화(M)의 방향을 저항체 길이방향(전류방향)에 대하여 대략 45°방향으로 향하게 하려면, Hb의 인가 방향은 저항체 길이방향에 대하여 대략 56°가 된다.
지금, 여기서 종래예대로, 대략 45°방향으로 바이어스 자계를 인가하는 경우를 생각하면, 상기의 강자성 박막(이하, MR막)에서는 자화(M)를 대략 45°방향으로 향하게 하기 위한 바이어스 자계강도(Hb)는 10,000 Oe 정도 이상이 된다. 마찬가지로, Hb가 비교적 약한 140 Oe 정도로 전류방향에 대하여 45°방향으로 인가하면 자화(M)는 대략 33°방향을 향한다. MR막두께 0.1㎛, 막폭 20㎛의 MR막을 사용하여 제2도에 도시한 구성으로 자기신호를 재생하는 경우의 출력을 자화(M)의 전류와 이루는 각도를 변수로 하여 계산한다. 인가전압 Vcc=5.0V, 자기저항 변화율 △ρ/ρ=0.26, 신호자계 Hs=10 Oe라고 하면, 바이어스 자계강도 Hb=140 Oe, 바이어스 자계각도 α=56°에서 출력전압 VO=6.6mVp-p이다. 바이어스 자계강도 Hb=1.40 Oe, 바이어스 자계각도 α=45°에서 VO=6.2mVp-p이다. 전자의 쪽이 후자 보다도 약 7% 출력이 높아지는 것을 알 수 있다. 바이어스 자계각도 α=45°에서 자화(M)를 45°로 향하게 하려면, 바이어스 자계강도(Hb)로서 10,000 Oe 이상을 인가할 필요가 있으나, 이때의 출력은 약 0.1mVp-p로 대폭적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, Hb가 140 Oe 전도로 56°방향으로 인가하고 자화(M)가 대략 ±45°방향(또는 대략 ±135°)에 있을 때의 쪽이 재생출력이 증가한다. 또, 자기재생헤드에 있어서도 제1도에 도시한 구성으로, 마찬가지로 바이어스 자계강도 Hb=140 Oe를 α=56°방향으로 인가함으로써 출력이 증가한다.
이와 같이, 약한 자계강도 Hb를 목표로 하는 자화(M)의 각도보다 전류방향에 대하여 보다 직각에 가까운 각도로 인가함으로써 자화(M)의 각도를 전류의 방향에 대하여 대략 ±45°(또는 대략 ±135°)로 함으로써 자기신호의 재생특성이 개선된다.
또한, 제5도에 도시한 바와 같이, 저항체를 2개 직렬로 접속한 경우, 그 중앙으로부터의 출력은 K*Vcc*COS2θ(K:비례상수, Vcc:전원전압, θ:자화(M)가 전류와 이루는 각도)로 표시되고, θ가 45°일 때에 원리적으로 온도 드리프트(temperature drift)가 0이 된다. 이와 같이, 자화(M)를 전류의 방향에 대하여 ±45° 또는 ±135°로 함으로써 자기신호의 재생특성이 개선된다.
제6도에서 알 수 있는 바와 같이, 바이어스 자계강도(Hb)와 바이어스 각도(θ)의 관계는 Hb를 크게 하면, 바이어스 자계강도(Hb)의 각도(α)와 자화(M)의 각도(θ)의 차(θ-α)는 감소하는 관계에 있다.
다음에 현재 입수될 수 있는 바이어스 자석용 자석재료로서 잔류자속밀도(Br)가 큰 재료의 네오듐계(neodium group)가 있고, 최대자속밀도(Brmax)는 약 13KG이다. 제7도에 도시한 방법으로 사용한 경우, 기판의 두께(0.7mm 정도)를 통하여 자계가 박막저항체에 인가되므로 저항체에서의 인가자계강도는 최대 1400 Oe 정도가 된다. 이때 자화(M)가 전류의 방향과 이루는 각도가 대략 ±45°(또는 대략 ±135°)가 되는 바이어스 자계의 각도는 (3) 식으로 부터 대략 ±47°(또는 대략 ±133°)가 된다. 한편, 인가자계강도를 약하게 하면, 140 Oe 근방에서 자화(M)의 각도(θ)가 크게 변화한다.
온도변동에 의한 감자(demagnetization, 減磁)를 고려하면, 인가 자계강도는 적어도 140 Oe가 바람직하다. 인가자계강도 140 Oe에서는 바이어스 자계의 각도는 대략 ±56°(또는 대략 ±124°)가 된다. 따라서 네오듐계 자석을 사용하여 MR막의 막두께 0.05~0.1㎛, 막폭 8~20㎛인 경우의 바이어스 자계의 각도는 대략 ±47°~대략 ±75°(또는 대략 ±105°~대략 ±133°)가 된다.
구체적으로 MR막으로서 NiFe를 사용한 경우, 그 이방성 에너지 Ku=5×40이고, 막두께 0.05~0.1㎛, 막폭 8~20㎛의 MR 막에 Hb로서 140 Oe 또는 1400 Oe를 인가하는 경우, 최대출력을 얻을 수 있는 각도(α)는 다음과 같다.
Ks=막두께/막폭×10 ×40
또, MR 막으로서 NiCo를 사용한 경우, 그 이방성 에너지 Ku=15×40이고, 막두께 0.05~0.1㎛, 막폭 8~20㎛의 MR 막에 Hb로서 140 Oe 또는 1400 Oe를 인가할 때, 최대출력을 얻을 수 있는 각도(α)는 다음과 같다.
Ks=막두께/막폭×10 ×40
따라서, 현재 입수가능한 널리 쓰이고 있는 자석을 사용하여 막두께 0.05~0.1㎛, 막폭 8~20㎛의 MR 막을 사용하는 경우 MR 막에 인가하는 바이어스 자석의 바이어스 각도는 대략 ±47°~대략 ±75°가 된다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 사용하여 상세히 설명한다.
제1도는 제1실시예의 박막 자기저항소자의 구성도로, 자기신호 기록면에 대하여 면대향하는 검출소자에 그 길이방향(전류(Ⅰ)의 방향)으로 56°방향으로 바이어스 자계를 인가하는 경우를 도시한 도면이다. 종래예의 제8도와는 달리, 박막 자기저항체(2)의 길이방향(전류(Ⅰ)의 방향)에 대하여 56°의 각도로 바이어스 자석(3)에 의한 바이어스 자계(Hb)를 인가하여 길이방향에 대하여 45°의 각도로 자화(M)의 방향을 생기게 하고 있다.
제2도는 본 발명의 다른 실시예의 검출소자의 자기신호 기록체에 대한 배치도를 도시한 것이다. 자기격자 피치(λ)에 대하여 박막 자기저항체군을 λ/2 간격으로 배치하고, 저항체 길이방향에 대하여 자화의 방향이 대략 45°방향이 되도록 바이어스 자계(Hb)를 대략 56°방향으로 인가하고 있다.
제3도는 본 발명의 또 다른 실시예의 검출소자의 자기신호 기록체에 대한 배치도로, 저항체군을 간격(λ)의 거리로 배치하고 이들을 제1군, 제2군으로 나누어 제1, 제2의 저항체군의 사이를 (3λ/2) 간격으로 배치하며, 마찬가지로 저항체 길이방향에 대하여 자화의 방향이 대략 45방향으로 되도록 바이어스 자계(Hh)를 대략 56°방향으로 인가하고 있다.
저항체를 구성하는 박막부는 NiFe, NiCo 등의 강자성재료로 이루어지며, 막두께 0.05~0.1㎛, 막폭 8~20㎛ 정도이고 복수의 소편이 지그재그패턴으로 배열되어 있다. 저항체 길이방향(전류방향)에 대하여 대략 56°가 되도록 140 Oe 정도의 바이어스 자계를 인가하고 있다. 검출소자에 바이어스 자계를 주는 자계인가장치인 자석은 페라이트계 또는 희토류계(希土類系)의 등방석 재료로 되어 있으며, 검출소자기판에 수지성형으로 일체로 부착되어 있거나, 에폭시계 접착제로 고착되어 있다. 바이어스 자석으로서는 상기 이외에도 고보자력(高保磁力) 자기필름으로 된 바이어스 영구자석층을 검출소자 근방에 설치하여 바이어스 자계를 인가하는 방법, 코일에 전류를 흐르게 하여 발생하는 자계를 인가하는 방법, 도전부에 전류를 흐르게 하여 도전부 주위에 발생하는 자계를 인가하는 방법 등도 사용된다.
각 실시예에 있어서 박막 자기저항체는 검출할 자기신호 기록면에 대하여 면대향 외에 수직으로 대향하여도 상관없다.
이와 같이 상기 실시예에 의하면, 바이어스 자계를 작게 할 수 있으므로 바이어스 자계인가용의 마그넷이나 코일 등을 작게 할 수 있어서 이 장치를 소형으로 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 자기신호 검출장치는 자기검출소자와 자계인가장치에 의하여 자기신호 착자체로부터의 자기신호 검출시에 바이어스 자계인가 방향을 저항체를 흐르는 전류에 대하여 보다 직각에 가까워지는 각도로 함으로써 자화(M)를 전류방향에 대하여 ±45°또는 ±135°방향으로 향하게 할 수 있고, 작은 바이어스 자계로 직선성이 좋은 최대의 출력을 얻을 수 있어서 자기신호 재생특성이 향상되며, 아울러 장치전체의 소형화를 꾀할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판상에 자기신호 기록면에 대하여 면대향 또는 수직으로 대향하도록 형성되고, 또한 강자성 금속박막으로 된 이방성을 가진 저항체와, 이 저항체에 소정의 각도의 바이어스 자계를 가하는 자계인가장치를 가지며, 상기 자계인가장치에 의한 바이어스 자계인가 방향을 상기 저항체를 흐르는 전류방향에 대하여 다음식을 만족시키도록 배치한 것을 특징으로 하는 자기신호 검출장치
    단, ø=45°또는 135°, α; 전류와 바이어스 자계가 이루는 각도, Ku; 이방성 에너지, Ks; 형상 이방성 에너지, H; 바이어스 자계량, M; 포화자화량.
  2. 제1항에 있어서, 저항체에 대한 바이어스 자계가 전류방향에 대하여 ±47°이상이고, 또한 ±75°이하인 자기신호 검출장치.
  3. 제1항에 있어서, 저항체에 대한 바이어스 자계가 전류방향에 대하여 ±105°이상이고, 또한 ±133°이하인 자기신호 검출장치.
  4. 제1항에 있어서, 저항체를 복수개 직렬로 접속한 제1의 저항체군과, 마찬가지로 복수개의 저항체를 직렬로 접속한 제2의 저항체군을 접속하고, 이 저항체군간의 접속부에 출력단자를 설치함과 동시에, 상기 접속부의 양타단을 전원단자로 하여, 자기격자피치를 λ로 하는 자기신호 기록면과 각 저항체를 면대향으로 하며, 제1의 저항체군과 제2의 저항체군 사이를 nλ/2 또는 (n/2=1/2)λ의 거리에 배치한 자기신호 검출장치.
  5. 기판상에 자기신호 기록면에 대하여 면대향 또는 수직으로 대향하도록 형성되고, 또한 강자성 금속박막으로 된 이방성을 자기즌 저항체와, 이 저항체에 소정의 각도의 바이어스 자계를 가하는 자계인가장치를 가지며, 상기 자계인가장치에 의한 바이어스 자계강도를 140 내지 1400에르스텟, 상기 저항체의 박막의 막두께 0.05~0.1㎛, 막폭 8~20㎛로 하였을 때 상기 자계인가장치에 의한 바이어스 자계인가 방향을 저항체를 흐르는 전류방향에 대하여 ±47° 이상, ±75°이하 또는 ±105°이상, ±133°이하로 한 자기신호 검출장치.
  6. 제5항에 있어서, 저항체가 니켈코발트 합금인 자기신호 검출장치.
  7. 제5항에 있어서, 저항체가 니켈철 합금인 자기신호 검출장치.
  8. 제5항에 있어서, 자계인가장치가 페라이트계 자석 또는 희토류계 자석인 자기신호 검출장치.
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