JPH09243721A

JPH09243721A - 磁気センサ

Info

Publication number: JPH09243721A
Application number: JP5440396A
Authority: JP
Inventors: Hideo Matsuyama; 秀生松山; Kazuyuki Koike; 和幸小池; Takashi Furukawa; 貴司古川; Teruo Takahashi; 照生孝橋; Chitsumi Oginoya; 千積萩野谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】微小領域から漏れでる微小磁場を高感度に検出
する磁気センサを提供する。【解決手段】磁性材とその支持手段と被分析磁場が印加
されたときの磁歪効果による磁性材の変形量（変位量）
を計測する手段を備えた磁気センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気センサおよび磁
気記録再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の磁気センサ、特に磁気記録再生装
置用の再生ヘッドは、例えばアイトリプルイー・トラン
ザクションズ・オン・マグネティックス第３０巻，３８
０１頁（１９９４）(IEEE Transactions on Magnetic
s，30，3801 (1994)）に記載されている。そこでは非磁
性スペーサを磁性薄膜で挟み、さらに一方の磁性薄膜に
反強磁性薄膜が積層された４層構造となっている。反強
磁性薄膜と磁性薄膜間には異方的交換相互作用が働き磁
性薄膜内の磁化が一方向にピン止めされている。このた
め被分析磁場によって磁化が回転することはない。もう
一方の磁性薄膜では、磁気異方性等で一方向に向けられ
た磁化が被分析磁場によって容易に磁場方向に回転す
る。このため磁性薄膜間の磁化の角度が被分析磁場によ
って変化する。このとき磁性薄膜に電流を流しておくと
磁気抵抗効果によって磁場の変化を抵抗値の変化として
読み取ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この再生ヘッドで微小
領域から漏れでる磁場を検出する場合、その微小領域に
対応して磁性薄膜を微小化する必要がある。通常、磁場
による抵抗変化率は１０％前後と小さいので、磁性薄膜
の微小化により抵抗値が減少すると、磁場による抵抗変
化を検出することが困難になる。また、異方的交換相互
作用を安定に作用させることが難しく、さらに４層以上
の薄膜を成膜する必要があった。

【０００４】本発明の目的は、（１）微小領域から漏れ
でる微小磁場を高感度に検出する磁気センサを提供する
こと、（２）異方的交換相互作用を使用しない磁気セン
サを提供すること、（３）磁場検知部として４層未満の
磁性あるいは非磁性薄膜のみの成膜しか必要としない磁
気センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題は磁性材とこれ
を支える支持手段と被分析磁場が印加されたときの磁歪
効果による磁性材の変形量（変位量）を計測する手段を
備えた磁気センサ、特に磁性材として磁性薄膜を使用
し、磁性薄膜の少なくとも一ヶ所を支持手段に固定し、
さらに磁性薄膜の変形量（変位量）を計測する手段とし
て原子間力，トンネル電流，光の干渉，エバネッセント
光，静電容量等を利用した変位計を用いることで解決す
ることができる。

【０００６】上記課題を解決するための手段の作用を図
１を使用し説明する。図１は磁気センサの断面図であ
り、変位量を計測する手段を省いている。図１（ａ）は
磁場のない状態を表し、図１（ｂ）は被分析磁場が印加
された状態を表す。磁性薄膜１は軟磁性材とし、また磁
歪定数の絶対値の大きいものとする。支持手段２上にこ
の磁性薄膜１の両端を固定し、膜全体を支持する。また
支持手段２が膜中央部分に接しないように図１（ａ）に
示すように凹状に整形しておく。これは整形前（直方体
状）の支持手段２にあらかじめ磁性膜１を成膜し、その
後収束イオンビーム等を用いて支持手段２を加工するこ
とで得ることができる。また、プラズマエッチング等を
使用し加工することも可能である。

【０００７】上記の構成において、磁性薄膜１が支持手
段２に固定されていない長さＬの部分が磁場検知部とな
る。また膜内の磁化３はｘ方向を向くように磁気異方性
等で制御する。図１（ｂ）に示すように、この薄膜に磁
場がｙ方向へ印加されると磁化３がｙ方向へ回転する。
このとき磁歪効果によって磁性薄膜１は磁化方向あるい
は磁化３と垂直な方向に伸びようとする。ここでは磁歪
定数を負とし、磁性薄膜１は磁化３と垂直な方向に伸び
るとした。このとき磁場検出部は磁歪定数をａとし、等
方磁歪を仮定すると、Ｌ′＝Ｌ(１−ａ／２)に伸びよう
とする。しかし、磁性薄膜１の両端が固定されているた
め、ｘ方向には伸びることができず、ｚ方向に変位し、
膜が湾曲する。簡単のために、膜の変形を円弧で近似
し、膜内には歪みが蓄えられないとすると、数１の関係
式を導くことができる。

【０００８】

【数１】ｂ＝Ｒ{１−cos(ｔ／２)} Ｒｔ＝Ｌ（１−ａ／２）Ｒsin(ｔ／２）＝Ｌ／２
…（１）ここで、ｂは磁性薄膜の中心位置でのｚ方向への変位
量、Ｒは膜の変形を円弧で近似したときの円の半径、ｔ
は円弧の角度、Ｌ＝１００ｎｍ，ａ＝−３０×１０^-6の
場合、磁歪による伸びはＬ′−Ｌ＝０.００１５ｎｍと
なり、上記の関係式よりｂ＝０.２４ｎｍを導くことが
できる。例えば、トンネル電流を利用する変位量を計測
する手段はÅ以下の測定精度があるので、この手法で変
位量ｂを計測すれば、磁場検知領域として長さＬ，幅は
磁性薄膜１の膜厚程度の磁場を計測することが可能とな
る。磁場の大きさの検出可能限界は磁性薄膜１の保磁力
で決まり、軟磁性体を使用することで微小磁場に対応す
ることが可能となる。いま磁性薄膜１の膜厚を３０ｎｍ
とし、パラメータＬ，ａを用いると、ビット長３０ｎ
ｍ，トラック幅１００ｎｍの磁気記録に対応することが
できる。トラックピッチ２００ｎｍを仮定した場合、記
録密度に換算すると約１００ＧＢ／inch²となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明の実施例を図２により説明する。図
２は本実施例の斜視図を示したものである。磁気センサ
は磁性薄膜１，支持手段２，チップ４，チップ４を支え
るカンチレバー５，ピエゾ素子６，電流計７，電源８か
ら構成されている。磁性薄膜１の磁化３はｘ方向へ向く
ように磁気異方性を付与しておく。磁場がゼロの状態で
チップ４と磁性薄膜１の間にトンネル電流が流れるよう
にピエゾ素子６を使用し、チップ４と磁性薄膜１間の距
離を制御する。ただし、ピエゾ素子６駆動用の電源は図
２では省略した。

【００１０】磁場がｙ方向に生じると磁化３はｙ方向に
回転し、それに伴い磁歪効果のために磁性薄膜１が湾曲
する。このためチップ４と磁性薄膜１間の距離が増加
し、トンネル電流は減少する。そこでトンネル電流をモ
ニタすることによって磁場の存在を検知することができ
る。トンネル電流はチップ４と磁性薄膜１の間の距離に
非常に敏感なので、高精度な磁場測定が可能となる。た
だし、磁場が−ｙ方向に生じた場合もトンネル電流は減
少し、トンネル電流からは磁場の方向を特定することは
できない。

【００１１】磁場方向を特定するには、磁場ゼロのとき
磁化３を例えばｘ方向からｙ方向へ４５度回転した方向
に向けることで可能となる。被分析磁場がｙ方向に印加
された場合には磁化３がｙ方向へ、−ｙ方向に印加され
た場合はｘ方向へ回転するので識別可能となる。

【００１２】磁化３を４５度方向に固定するには、例え
ば磁性薄膜１を磁性層／絶縁層／非磁性層の３層膜構造
とし、非磁性層に電流をｘ方向に流す。この電流は磁性
薄膜１上ｙ方向に磁場を生じる。この磁場によって、磁
化３を４５度方向に傾けることが可能となる。この場
合、磁性膜１にあらかじめ磁場が印加された状態になる
が、被分析磁場が印加されたときの磁場変化を検知する
ことになるのみであり、上記の議論と本質的な違いはな
い。また磁性薄膜１を成膜する時、磁場を４５度方向に
印加することによって磁気異方性を磁場方向に付与する
ことが可能となる。これらの方法は以下の実施例でも有
効である。

【００１３】（実施例２）本発明の他の実施例を図３に
より説明する。本実施例は原子間力を利用し、光てこ方
式により磁性薄膜１の変位量を検出するもので、磁性薄
膜１，支持手段２，チップ４，チップ４を支えるカンチ
レバー５，ピエゾ素子６，半導体レーザ９，２個の光検
出器１１より構成されている。

【００１４】磁性薄膜１の磁化３はｘ方向へ向くように
磁気異方性を付与しておく。半導体レーザ９から照射さ
れたレーザ光１０はカンチレバー５で反射され光検出器
１１に入射する。磁性薄膜１にある値の磁場が印加され
た状態（磁場ゼロも含む）で２個の光検出器１１の出力
が等しくなるように、ピエゾ素子６を使用しチップ４と
磁性薄膜１間の距離を制御する。このときチップ４と磁
性薄膜１間の距離は原子間力が働くまで近づくことにな
る。

【００１５】磁性薄膜１にさらに磁場がｙ方向に重畳さ
れた場合、図２の実施例と同様にチップ４と磁性薄膜１
間の距離が増加するため原子間力が減少する。そのため
カンチレバー５のたわみ量が変化し、レーザ光１０の光
検出器１１への入射位置も変化する。これにより２個の
光検出器１１の出力に差が生じることになり、磁場の変
化を検知することができる。原子間力はチップ４と磁性
薄膜１の間の距離に非常に敏感なので、高精度な磁場測
定が可能となる。

【００１６】（実施例３）本発明の他の実施例を図４に
より説明する。本実施例は磁性薄膜１２，非磁性薄膜１
３，磁性薄膜１４，支持手段２，チップ４，カンチレバ
ー５，ピエゾ素子６，電流計７，電源８から構成されて
いる。磁場検知部１６は磁性薄膜１２，非磁性薄膜１
３，磁性薄膜１４を積層した３層膜構造になっており、
その片側を支持手段２に固定され片持ちとなっている。
磁性薄膜１２，１４は磁歪定数がそれぞれ正負、あるい
は大きさの異なる正（負）のものを使用する。異方性は
ｘ方向につけておく。

【００１７】ゼロ磁場での磁性薄膜１２内の磁化３、お
よび磁性薄膜１４内の磁化は、磁性膜端面に現れる磁極
による静磁エネルギを減少させるために互いに逆方向を
向いて安定化し、さらに各磁性薄膜は単磁区構造とな
る。磁場がｙ方向に印加されると磁性薄膜１２，１４内
の磁化はｙ方向にそれぞれ回転する。このとき磁性薄膜
１２の磁歪定数が正なのでｘ方向に縮み、磁性薄膜１４
の磁歪定数は負なのでｘ方向に伸びる。このため多層膜
は全体としてｚ方向に湾曲する。

【００１８】例えば磁歪定数が両方正（負）のものを使
用した場合でも、磁歪の大きさがそれぞれ異なるので上
の例と同様に多層膜は全体としてｚ方向に湾曲すること
になる。この変位を上記実施例ですでに述べたトンネル
電流を用いた変位計で測定することによって磁場の存在
を検出することが可能となる。

【００１９】また第２の実施例で示した光てこを利用し
て磁場検知部１６のたわみ量を計測することも可能であ
る。このときチップ４，カンチレバー５，ピエゾ素子
６，電流計７，電源８は不要になり、その代わり半導体
レーザ９，光検出器１１が必要となる。レーザ光１０は
磁性薄膜１２上に入射され、反射光を光検出器１１で検
出することになる。

【００２０】ここで述べた磁性薄膜内の磁区構造を単磁
区にすることは、他の実施例でも同様に利用することが
できる。ただし、他の実施例では磁歪定数は同符号のも
のを用いなければならない。さらに磁気記録再生装置用
の再生用ヘッドに応用する場合、隣接ビットからの漏れ
磁場によるビットの干渉を防ぐため、通常磁場検知部１
６の一部を磁気シールドする必要がある。

【００２１】例えば本実施例では磁性３層膜構造を非磁
性層を介してさらに磁性膜で挟んだ７層膜構造とするこ
とで磁気シールドすることが可能となる。このとき最上
層と最下層の磁性膜が磁気シールドとして働く。磁気シ
ールドは十分透磁率が大きく、また磁場が印加されても
磁気シールド自信が湾曲しない必要がある。このため磁
気シールドとして磁歪定数がゼロで高透磁率材料である
パーマロイ等を使用する。この磁気シールドに関しても
他の実施例で同様に利用することが可能である。

【００２２】（実施例４）本発明の他の実施例を図５に
より説明する。図５（ａ）は磁場ゼロの状態を、図５
（ｂ）は磁場印加状態を表す。

【００２３】本実施例は磁性薄膜１，支持手段２，金属
薄膜１５，チップ４，カンチレバー５，ピエゾ素子６，
電流計７，電源８で構成されている。磁性薄膜１はカン
チレバー５上に成膜されており、膜内の磁化３はｘ方向
へ向くように磁気異方性を付与しておく。磁場がゼロの
状態でチップ４と金属薄膜１５の間にトンネル電流が流
れるように、その距離をピエゾ素子６を使用して制御す
る。

【００２４】図５（ｂ）に示すように、磁場がｙ方向に
生じた場合磁化３はｙ方向に回転し、磁歪効果のために
磁性薄膜１が伸張する。それに伴いカンチレバー５が−
ｚ方向へ湾曲するので、チップ４と金属薄膜１５の間の
距離が減少し、トンネル電流が増加する。そこでトンネ
ル電流をモニタすることによって磁場の存在を検知する
ことができる。トンネル電流はチップ４と金属薄膜１５
の間の距離に非常に敏感なので、高精度な磁場測定が可
能となる。ただし、この例は磁歪定数を正としている。

【００２５】また第２の実施例と同様に図３で示した光
てこを利用して磁性薄膜１の湾曲を検知することも可能
である。このときチップ４，ピエゾ素子６，電流計７，
電源８，金属薄膜１５は不要になり、その代わり半導体
レーザ９，光検出器１１が必要となる。またカンチレバ
ー５は直接支持手段２に片持ち式となるように固定し、
レーザ光１０を磁性薄膜１上に入射し、反射光を光検出
器１１で検出する。

【００２６】（実施例５）本発明の実施例を図６により
説明する。本実施例は磁性体１，支持手段２，チップ
４，カンチレバー５，ピエゾ素子６，電流計７，電源
８，金属薄膜１５から構成されている。磁性体の磁化３
はｘ方向へ向くように磁気異方性を付与しておく。磁場
がゼロの状態でチップ４と金属薄膜１５の間にトンネル
電流が流れるように、チップ４と金属薄膜１５間の距離
をピエゾ素子６を使用して制御する。

【００２７】磁性体１の磁歪定数を正とすると、磁場が
ｚ方向に生じると磁化３はｚ方向に回転し、それに伴い
磁歪効果のために磁性体３がｚ方向に伸びる。このため
チップ４と金属薄膜１５間の距離が減少し、トンネル電
流は増加する。そこでトンネル電流をモニタすることに
よって磁場の存在を検知することができる。トンネル電
流はチップ４と金属薄膜１５の間の距離に非常に敏感な
ので、高精度な磁場測定が可能となる。ただし、磁歪に
よる伸びは極微小なのでこの手法は上で述べた実施例よ
り感度が落ちる。

【００２８】（実施例６）実施例で述べた磁気センサを
再生用ヘッドとして用いた磁気記録再生装置の実施例を
図７に示す。磁気記録媒体１８が蒸着されている磁気デ
ィスク１７は高速で回転する。磁気記録媒体１８には記
録用ヘッドにより情報が記録されている。記録用ヘッド
および再生用ヘッド１９はスライダ２０に、スライダ２
０はアーム２１にそれぞれ固定され、アーム２１はサー
ボ機構２２により駆動する。ただし、ここでは再生用ヘ
ッド１９のみを示しており、また信号処理回路系、サー
ボ制御系等は省略した。ここで再生用ヘッドすなわち本
発明の磁気センサは図１から図６中に示されている座標
系のｘｚ面が媒体面となるようにスライダ２０に固定さ
れている。スライダは高速回転している磁気ディスク直
上に浮上し、それに固定されている再生用ヘッドは磁気
記録媒体に十分接近する。これにより再生ヘッドは磁気
記録媒体上の微小領域から漏れでる微小磁場（情報）に
十分接近することが可能となり、磁場を高感度に検出す
ることが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、微小領域から漏れでる
微小磁場を高感度に検出することができ、異方的交換相
互作用を使用しない磁気センサを提供することができ、
磁場検知部として４層未満の磁性あるいは非磁性薄膜の
みの成膜しか必要としない磁気センサを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す変位量を測定する手段を省
いた磁気センサの断面図。

【図２】トンネル電流を利用した変位計を搭載した実施
例を示す磁気センサの斜視図。

【図３】原子間力を利用し、光てこを応用した変位計を
搭載した実施例を示す磁気センサの斜視図。

【図４】トンネル電流を利用した変位計を搭載した実施
例を示す磁気センサの斜視図。

【図５】トンネル電流を利用した変位計を用いた実施例
を示す磁気センサの斜視図。

【図６】トンネル電流を利用した変位計を搭載した実施
例を示す磁気センサの断面図。

【図７】本発明の磁気センサを応用した磁気記録再生装
置の実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

１…磁性薄膜、２…支持手段、３…磁化、４…チップ、
５…カンチレバー、６…ピエゾ素子、７…電流計、８…
電源。

フロントページの続き (72)発明者孝橋照生埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者萩野谷千積埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性材とこれを支える支持手段と被分析磁
場が印加されたときの磁歪効果による磁性材の変形量を
計測する手段を備えたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】請求項１において、前記磁性材として磁性
薄膜を使用し、前記磁性薄膜の少なくとも一ヶ所を支持
手段に固定する磁気センサ。
【請求項３】請求項２において、前記磁性薄膜の変形量
を計測する手段として原子間力，トンネル電流，光の干
渉，エバネッセント光，静電容量を利用した変位計を用
いる磁気センサ。
【請求項４】請求項１，２または３において、前記磁性
材または前記磁性薄膜として磁歪定数が＋１０×１０^-6
以上，−１０×１０^-6以下のものを使用する磁気セン
サ。
【請求項５】磁気記録媒体を配置したディスク，ディス
ク駆動装置，記録・再生用ヘッド，記録・再生ヘッド支
持手段、および記録・再生用ヘッド用駆動装置から構成
され、前記記録媒体からの漏れ磁場を検出する再生用ヘ
ッドとして請求項１，２，３または４に記載の前記磁気
センサを使用する磁気記録再生装置。