专利名称：磁场中热处理炉及用其进行热处理的方法
技术领域：
本发明涉及一种在MR(磁阻)磁头、GMR(大磁阻)磁头、MGMR(磁性随机存取存储器)等的制造过程中，对形成它们的薄片基板等在磁场中进行热处理的热处理炉及用其进行热处理的方法。
背景技术：
磁头一般具有在基板上叠置多个强磁性层的构造。例如，GMR磁头具有在强磁性层之间形成非磁性绝缘层的构造。另外，MRAM磁头有从基板一侧顺序地具有反强磁性层、固定磁性层、非磁性导电层及自由磁性层地构造。固定磁性层以整体单一方向被磁化。
为了把固定磁性层磁化成单一方向，在基板上形成磁性薄膜后必须要在磁场中进行热处理。通常需要施加0.5T(特斯拉)以上的定向磁场，根据固定磁性层的材质，还需要超过1.0T的定向磁场。为了在薄片基板上施加定向磁场，现有技术中使用如图15所示的真空热处理炉。该真空热处理炉由带有冷却管112的磁场发生线圈113、设置在线圈113内侧的高频线圈114以及保持设置在高频线圈114内侧的多个薄片基板110的真空容器106构成。
但是，该磁场中热处理炉的磁场发生机构由电磁铁构成，为了产生1.0T以上的磁场，线圈中需要流过500-800A的大电流，安全性不好。不仅需要使用大电流的设备，而且还需要用于产生磁场的高额的电费，另外，为消除由大电流而产生的热，还必须使用大量冷却水。因此，处理成本很高。此外，由于上述构成中漏磁也相当大，考虑到对人体的危险性，除设备空间之外，不仅需要留出确保安全的较大空间，还需要用铁及坡莫合金铁等磁性体围住装置以阻止对周围的电子设备的影响。
使用超导线圈时，不需使用大量电力就可以产生磁场。在使用超导线圈时，与电磁铁相比，励磁电流消耗得到抑制，但却必须经常耗费维持超导状态的液体氮或氦，运行成本较高。另外，在使用超导线圈的方式中，磁场变动时，在局部超导状态变为常导状态而使线圈发热，放置时，装置整体的超导状态就完全崩溃。另外，超导线圈可以产生数T或数10T的强磁场，与电磁铁同样的是强的漏磁范围与该磁场强度成比例地增大。因此，存在着与电磁铁相同的漏磁场问题。
作为不使用励磁电流就可以适宜地改变磁场强度的方式来说，还有由具有大致相同磁力但磁化方向不同的多个永久磁铁扇形体组合而成的ハルバツハ型磁性回路。例如参照，“Joumal of Applied Physics Vol.86，No.11，1 December 1999”及“Joumalof Applied Physics Vol.64，No.10，15 Novermber 1988”、及日本特开平6-224027号。
图16中示出一例ハルバツハ型磁性回路。图16所示的圆形ハルバツハ型磁性回路由可相对旋转的内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2构成。内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2处于如图16(a)所示的位置时，内侧环状永久磁铁组合体1的磁场方向与外侧环状永久磁铁组合体2的磁场方向相同。因此，在内侧环状永久磁铁组合体1的中空部20内，具有由内侧环状永久磁铁组合体1产生的磁场与由外侧环状永久磁铁组合体2产生的磁场合成的磁场强度的如箭头方向示出的合成磁场。
如图16(b)所示，在从图16(a)的位置使外侧环状永久磁铁组合体2旋转180度的状态下，由于内侧环状永久磁铁组合体1的磁性回路产生的磁场与外侧环状永久磁铁组合体2的磁性回路产生的磁场的磁化方向相反而相互抵消。因此，在中空部20内，磁场基本为零。这样，磁场的大小可以通过调整两圆筒的回转角度从基本为零而调整到最大。
在热处理件具有磁阻膜的薄片基板的情况下，为了可靠地提高磁阻效果，不但通常需要1.0T以上的较大的磁场，而且还需要使磁场相对于磁性膜的磁化方向平行且均匀。但是，在现有技术的有电磁铁的热处理炉中，不能产生与磁性膜平行的均匀磁场。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以在产生均匀的平行磁场的同时降低漏磁场的、安全性较高的小型高精度的磁场中热处理炉。
本发明的另一个目的是提供一种使用这种磁场中热处理炉对热处理件进行磁场中热处理的方法。
本发明中发现并想到，在将多个热处理件在磁场中一起进行热处理时，通过在加热热处理件的机构的外周上设置冷却机构，可以使用作为磁场发生机构的永久磁铁，另外，通过使用作为磁场发生机构的双重圆筒型ハルバツハ型磁性回路，可以在热处理中的热处理件的径向高精度地施加均匀的平行磁场。
本发明第一方面磁场中热处理炉包括(a)磁场发生机构，其由一个环状永久磁铁组合体构成，该环状永久磁铁组合体由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状；(b)热处理机构，其位于所述环状永久磁铁组合体中空部内、从外侧依次设有冷却机构、加热机构及热处理容器。该热处理容器包含保持多个热处理件的热处理用保持器。
所述环状永久磁铁组合体最好具有120mm以上的内径及300mm以上的外径，且具有100mm以上的轴线方向长度。另外，所述环状永久磁铁组合体最好越往半径方向外侧其轴线方向越短。
构成所述环状永久磁铁组合体的各永久磁铁扇形体最好具有1.1T以上的残留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的顽磁力。
所述环状永久磁铁组合体的轴线方向长度H1和外径D2最好满足2≤D2/H1≤10的条件。
本发明第二方面的磁场中热处理炉包括(a)磁场发生机构，其包括外侧环状永久磁铁组合体，其由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状，内侧环状永久磁铁组合体，其设置在所述外侧环状磁铁组合体内侧且由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状，(b)热处理机构，其位于所述内侧环状永久磁铁组合体的中空部内、并从外侧依次设有冷却机构、加热机构及热处理容器。其热处理容器包含保持多个热处理件的热处理用保持器。
在第一及第二方面的磁场中热处理炉中，热处理炉内最好是真空，但对真空度没有限定。另外，热处理炉内也可以包含少量惰性气体。
在第一及第二方面的磁场中热处理炉中，所述冷却机构最好具有冷却液流过的冷却管及在所述冷却管的外周设置在所述内侧环状永久磁铁组合体的内侧的散热板。
在第一及第二方面的磁场中热处理炉中，所述磁场发生机构的轴线方向的磁场中心最好与插入所述热处理容器内的热处理件集合体的轴线方向的磁场中心基本一致。
所述外侧环状永久磁铁组合体与所述内侧环状永久磁铁组合体可以相对旋转，且最好不改变在所述中空部内热处理的热处理件与内侧环状永久磁铁组合体的相对方向。由于所述内侧环状永久磁铁组合体及所述外侧环状永久磁铁组合体可以相对旋转，因此所述中空部内的磁场强度可以在0-2T的范围内增减。
所述内侧环状永久磁铁组合体的内径最好为120mm以上，所述外侧环状永久磁铁组合体的外径最好为300mm以上，且所述内侧环状永久磁铁组合体或所述外侧环状永久磁铁组合体的轴线方向的长度最好为100mm以上。
在本发明的另一希望的实施例中，所述内侧环状永久磁铁组合体及所述外侧环状永久磁铁组合体具有不同的轴线方向长度。
在本发明的又一希望的实施例中，所述内侧环状永久磁铁组合体和/或所述外侧环状永久磁铁组合体越往半径方向外侧其轴线方向越短。
构成所述外侧环状永久磁铁组合体及所述内侧环状永久磁铁组合体的各永久磁铁扇形体最好具有1.1T以上的残留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的顽磁力。
所述内侧环状永久磁铁组合体的轴线方向长度H1和所述外侧环状永久磁铁组合体的外径D2最好满足2≤D2/H1≤10的条件。
本发明使用上述磁场中热处理炉对多个热处理件同时进行热处理的方法包括以下工序(1)在所述中空部内的径向的磁场实际上变为零的所述内侧环状永久磁铁组合体和所述外侧环状永久磁铁组合体的相对旋转位置，将叠积多个所述热处理件的热处理用保持器插入所述热处理容器内；(2)在通过使所述外侧环状永久磁铁组合体相对所述内侧环状永久磁铁组合体旋转而使所述中空部内存在规定的磁场的状态下，通过所述加热机构对所述热处理容器内的热处理件热处理的同时，由所述冷却机构对所述磁场发生机构进行冷却；(3)在所述热处理件的热处理结束之后，在所述中空部内的径向的磁场实际上变为零的所述内侧环状永久磁铁组合体与所述外侧环状永久磁铁组合体的相对旋转位置，从所述热处理容器中取出多个热处理物品。
所述热处理件最好为表面形成磁性膜的薄片基板。
最好在多个所述热处理件的集合体的轴线方向的中心与所述磁场发生机构的轴线方向的磁场中心基本一致的位置，将所述热处理件集合体保持在所述热处理容器内。
最好在所述热处理容器内实际为真空状态下进行热处理。
图1(a)是表示本发明第一方面的磁场中热处理炉的一实例的纵剖面图1(b)是表示本发明第二方面的磁场中热处理炉的一实例的纵剖面图2(a)是示意地表示在本发明磁场中热处理炉的磁场发生机构中外侧环状永久磁铁组合体及内侧环状永久磁铁组合体的各永久磁铁扇形体的磁化方向一致时的剖面图2(b)是示意地表示在本发明磁场中热处理炉的磁场发生机构中外侧环状永久磁铁组合体及内侧环状永久磁铁组合体的各永久磁铁扇形体的磁化方向基本相反时的剖面图2(c)是示意地表示在本发明磁场中热处理炉的磁场发生机构中外侧环状永久磁铁组合体相对内侧环状永久磁铁组合体以角度α旋转时的剖面图3是表示内侧环状永久磁铁组合体及外侧环状永久磁铁组合体的另一种组合的实例的剖面图4是表示内侧环状永久磁铁组合体及外侧环状永久磁铁组合体的又一种组合的实例的剖面图5是表示内侧环状永久磁铁组合体及外侧环状永久磁铁组合体的再一种组合的实例的剖面图6(a)是表示内侧环状永久磁铁组合体及外侧环状永久磁铁组合体的轴线方向关系的一实例的剖面图6(b)是表示内侧环状永久磁铁组合体及外侧环状永久磁铁组合体的轴线方向关系的另一实例的剖面图6(c)是表示内侧环状永久磁铁组合体及外侧环状永久磁铁组合体的轴线方向关系的又一实例的剖面图7是表示沿环状永久磁铁组合体的轴线方向的中空部内的磁场强度分布的曲线图8是表示中空部内的磁通密度相对磁性回路的外径及轴线方向长度的依存性的曲线图9是表示外侧环状永久磁铁组合体相对内侧环状永久磁铁组合体的旋转角度与合成磁场的振角的关系的曲线图10是表示由多个永久磁铁片构成永久磁铁扇形体的一实例的平面图及剖面图11是表示由多个永久磁铁片构成永久磁铁扇形体的另一实例的平面图12(a)是表示永久磁铁扇形体的断面形状的一实例的平面图及剖面图12(b)是表示永久磁铁扇形体的断面形状的另一实例的平面图及剖面图13是表示由磁化方向不同的两种永久磁铁构成的环状永久磁铁组合体的一实例的平面图14是表示在圆周方向由8个永久磁铁扇形体构成的环状永久磁铁组合体和由12个永久磁铁扇形体构成的环状永久磁铁组合体中，环状永久磁铁组合体的中空部内的轴线上的磁通密度与从环状永久磁铁组合体中心的轴线方向距离之间的关系的曲线图15是表示具有电磁铁的现有技术的磁场中热处理炉的示意剖面图16(a)是ハルバツハ型磁性回路、表示外侧环状永久磁铁组合体及内侧环状永久磁铁组合体的永久磁铁扇形体的磁化方向一致的情况的示意剖面图。
图16(b)是ハルバツハ型磁性回路、表示外侧环状永久磁铁组合体及内侧环状永久磁铁组合体的永久磁铁扇形体的磁化方向大体相反的情况的示意剖面图。
具体实施例方式
如图1(a)所示，本发明的第一方面的磁场中热处理炉在由热处理容器6和加热机构5构成的热处理机构的外周通过冷却机构3设置环状永久磁铁组合体1，因此可以以较低成本稳定地在水平面内产生一个方向的均匀磁场。
另外，如图1(b)所示，本发明的第二方面的磁场中热处理炉，通过在热处理容器6和加热机构5构成的热处理机构的外周借助于冷却机构3具有磁场发生机构，可以在集中于轴线方向较为有限范围内的水平面内以较低成本稳定地产生一个方向的均匀磁场。该磁场发生机构具有由内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状磁铁组合体2构成的双重圆筒式的ハルバツハ型磁性回路。另外，中空部20内的磁场强度可以任意调节。从而，可以一次性地热处理多枚较薄的大直径(例如6-8英寸或更大)的磁性膜薄片基板A。
在第二方面的磁场中热处理炉中，构成磁场发生机构的内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2可以彼此间相对自由回转，但最好不改变热处理件A与内侧环状永久磁铁组合体1彼此间相对的方向。例如，最好使热处理件A与内侧环状永久磁铁组合体1同时不旋转。或者，可以使热处理件A与内侧环状永久磁铁组合体1同时旋转，并使外侧环状永久磁铁组合体2相对它们旋转。通过使同心状的双重环状磁性回路1，2相对地旋转，合成了由内外侧环状永久磁铁组合体1，2所产生的磁场，在中空部20内获得任意的合成磁场强度。这样，在各环状永久磁铁组合体1，2的磁场强度为1T时，随着外侧环状永久磁铁组合体2的旋转，中空部20内的水平面内的平行磁场在大致为0-2T的范围内变动。
为使在磁场中热处理的部件的质量稳定，将热处理件A向热处理炉6插入及取出时，最好中空部20内的磁场强度实际上为零。所谓磁场强度的术语“实际上为零”是指磁场强度小到几乎不会影响热处理物品的磁化的程度。当外侧环状永久磁铁组合体2相对于内侧环状永久磁铁组合体1旋转时，内侧环状永久磁铁组合体1的中空部20内的合成磁场如图9所示地旋转，并在大约0-2T的范围内变化。
从而，本发明的热处理方法有如下工序(1)使外侧环状永久磁铁组合体2旋转，以便外侧环状永久磁铁组合体2产生的磁场与内侧环状永久磁铁组合体1产生的磁场的方向成正相反，热处理件A在磁场强度大体为零的状态下插入热处理容器6内，并将热处理件A设置在由两环状永久磁铁组合体1、2的磁性回路产生的合成磁场的轴线方向的中心处，(2)使外侧环状永久磁铁组合体2旋转，并在将磁场强度调整到所希望的强度的状态下对热处理件A进行热处理，(3)热处理结束后，在使附加磁场强度如前所述地再次在实际上为零的状态下，将热处理件A从热处理容器中取出。这时，若将热处理件A固定并使内侧环状永久磁铁组合体1旋转，由于加在热处理件A的磁场变动，会出现热处理件A的磁特性波动或劣化。因此，最好不改变中空部20内的热处理的物品A与内侧环状永久磁铁组合体1之间相对的方向。
将两环状永久磁铁组合体1、2产生的磁场进行矢量合成。因此，在内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2所产生的磁场强度同时为例如0.5T的情况下，外侧环状永久磁铁组合体2相对内侧环状永久磁铁组合体1的旋转角度α与合成磁场的振角θ的关系如图9所示。这样，在使内侧环状永久磁铁组合体1旋转以使磁场强度变化的情况下，磁场方向最终变为成正相反的方向(180°)。但是，在外侧环状永久磁铁组合体2旋转的情况下，合成磁场的振角θ最大为90°。在热处理结束后磁场实际上归零期间，为了向热处理物品A施加一定方向的磁场，与两环状永久磁铁组合体1、2的合成磁场的方向相一致，使内侧环状永久磁铁组合体1或热处理用保持器10旋转。
如果使内侧环状永久磁铁组合体1和外侧环状永久磁铁组合体2之间无间隙且以同心圆状配置，可以出现一个环状磁性回路。如果内侧环状永久磁铁组合体1和外侧环状永久磁铁组合体2之间有间隙，在两者之间磁阻增大，内侧环状永久磁铁组合体1的中空部20内的磁场强度降低。因此，在内侧环状永久磁铁组合体1与外侧环状永久磁铁组合体2之间无间隙的情况下，磁场发生机构的尺寸最小。从而，磁场发生机构的性能是由内侧环状永久磁铁组合体1的内径及外侧环状永久磁铁组合体2的外径来决定的。
在要进行热处理的薄片的直径为30mm、且确保薄片外周与真空容器6内壁之间的间隙为10mm的情况下，真空容器6的内径为50mm。真空容器6的壁厚例如为5mm，加热器5的厚度例如为5mm，冷却机构3的厚度例如为20mm，因此，在各部件之间的间隙合计为10mm时，内侧环状永久磁铁组合体1的内径为120mm。
永久磁铁的残留磁通密度Br为1.45T时，中空部20内的磁场强度超过1T，如图8所示，在内侧环状永久磁铁组合体1的内径D0为120mm的情况下，环状永久磁铁组合体的外径D最好在300mm以上，其轴线方向的长度H则最好在100mm以上。
根据“Journal of Applied Physics Vol.86，No.11，1 December 1999”，内侧环状永久磁铁组合体的中空部的磁场强度B按照B＝Br/(Ro/Ri)(式中Ri为中空部的半径，Ro为外侧环状永久磁铁组合体的外半径。)计算。摸拟计算磁场强度的结果表明，磁场强度如图8所示地随环状永久磁铁组合体1轴线方向的长度而变化，环状永久磁铁组合体1较短时，中空部20内的磁场强度较小。由此结果可以看出，为使中空部20内的磁通密度为1T以上，外侧环状永久磁铁组合体2的轴线方向长度及内侧环状永久磁铁组合体1的轴线方向长度必须同时为100mm以上。
为了降低漏磁通，外侧环状永久磁铁组合体2在轴线方向的长度最好比内侧环状永久磁铁组合体1的短。此外，通过使内侧环状永久磁铁组合体1和/或外侧环状永久磁铁组合体2越在半径方向外侧越小，可以进一步降低轴线方向的漏磁场。利用这种构造，可以减小环状磁性回路的漏磁通，实现磁性回路小型化及轻量化。
如图3所示，为了使磁性回路小型化，最好使内侧环状永久磁铁组合体1的轴线方向的长度H1小于外侧环状永久磁铁组合体2的H2。为确保相同长度的均匀磁场区域，与增大环状永久磁铁组合体的半径相比，增加长度更有效，因此，可以进一步减小设置面积。
在内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2上使用的永久磁铁具有1.1T以上的残留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的顽磁力，且内侧环状永久磁铁组合体1的轴线方向长度H1和外侧环状永久磁铁组合体2的外径D2最好满足2≤D2/H1≤10的条件。该比值D2/H1越大，均匀磁场就将在轴线方向的更大范围内产生。如在该范围内，就可以减少环状永久磁铁组合体1，2全体的重量，并产生较大的磁场。
在本发明的磁场中热处理炉中，热处理机构如图1所示包括冷却机构3，其带有设置于有镜面壳内的冷却管4；加热机构5，其由埋设在石英玻璃内的碳加热器等构成；真空容器6，其由透明的石英玻璃构成。可多枚载置热处理件A的热处理用保持器10被插入真空容器6内。通过该热处理机构，很容易使热处理件A集合体的中心与由内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2构成的磁场发生机构的磁场中心保持一致。另外，由于在加热机构5及磁场发生机构之间具有冷却机构3，阻断了热对永久磁铁的影响。因此，尽管热处理温度为250～300℃，永久磁铁也不会出现由热引起的劣化。另外，也可以将热处理机构置于氮气等非氧化性环境中。
用于内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2的永久磁铁，可以是例如Ba铁素体系磁铁，Sr铁素体系磁铁，添加La及Co铁素体系磁铁等的铁素体磁铁，另外，还可以是Nd-Fe-B系磁铁，Sm-Co系磁铁，Sm-Fe-N系磁铁等稀土类系磁铁等，但最好是具有高残留磁通密度的Nd-Fe-B系磁铁。永久磁铁不限于烧结磁铁，也可以是粘结磁铁。由于Nd-Fe-B系磁铁耐热温度低，用于现有技术的热处理炉较困难，但通过在热处理机构和磁场发生机构之间设置冷却机构3，就可以适用于本发明的磁场中热处理炉。
在热处理中持续施加磁场的情况下，由于没有必要调整磁场，因此，也可以在内侧环状永久磁铁组合体1的外侧不配置外侧环状永久磁铁组合体2。
实施例1
图1所示的本发明磁场中热处理炉的磁场发生机构具有内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2，并由Nd-Fe-B系永久磁铁形成。该Nd-Fe-B系磁铁使构成各磁性回路1、2的永久磁铁扇形体任一个都具有1.4T的残留磁通密度及1192kA/m的顽磁力。图2表示了内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2的横断面构造。
在该例中，内侧环状永久磁铁组合体1由总共为12个不同磁性方向的3种扇形永久磁铁扇形体11、12及13沿圆周方向配置形成。扇形永久磁铁扇形体11、12及13具有同一形状，因此扇形的中心角为30°。另外，外侧环状永久磁铁组合体2也同样由12个不同磁性方向的3种扇形永久磁铁扇形体21、22及23沿圆周方向配置形成。扇形永久磁铁扇形体21、22及23也具有同一形状，因此扇形的中心角为30°。另外，可以将各永久磁铁扇形体11、12、13、21、22及23的水平断面形状做成梯形，以取代扇形。
在各环状永久磁铁组合体1、2中的多个永久磁铁扇形体，磁化方向几乎与磁通的流束一致，并组合成环状，以使磁通沿直径方向流过中空部内。因此，内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2的合成磁场(由箭头示出)沿半径方向施加到中空部20。
在该例中，内侧环状永久磁铁组合体1的内径D0为360mm，外径D1为560mm。另外，外侧环状永久磁铁组合体2的外径D2为1200mm。两环状永久磁铁组合体1、2的轴线方向长度(高度)H为420mm。为使内侧环状永久磁铁组合体1与外侧环状永久磁铁组合体2可以相对自由旋转，两者之间有少许间隙。内侧环状永久磁铁组合体1被固定。作为外侧环状永久磁铁组合体2的驱动机构(未图示)，是在外侧环状永久磁铁组合体2的保持部件15的下部设置齿轮(未图示)，并使该齿轮与伺服电机等接合。因此，外侧环状永久磁铁组合体2可以相对内侧环状永久磁铁组合体1旋转。
本实施例的热处理机构具有水冷机构3，其带有内表面经电镀处理以形成镜面的不锈钢板；电加热器5，其加热在真空容器6内的热处理件A；真空容器6，其由设置在电加热器5内侧的内径约为220mm的石英玻璃构成。在水冷机构3内具有水冷管4。除了水冷管4之外，水冷机构3也可以具有散热板，该散热板可以设置在水冷管4与内侧环状永久磁铁组合体1之间。由于真空中的加热以辐射热为主，因此构成真空容器6的石英玻璃最好是透明的。由于热处理件A设定为6～8英寸的薄片基板，真空容器6的内径最好是约170～220mm。
真空容器6的一端由密封部件7密封，另一端由密封用阳螺纹部8和密封用阴螺纹部9密封。在密封用阴螺纹部9的轴19上具有用于将热处理件A保持在真空容器6的大致中央部位的热处理用保持器10。
热处理用保持器10将用于载置如形成磁性膜的薄片基板的托架沿轴线方向以大约6mm的间隔配置25枚。热处理用保持器10可以在真空容器6内在水平面内自由旋转。当为调整磁场而使外侧环状永久磁铁组合体2旋转时，内侧环状永久磁铁组合体1与外侧环状永久磁铁组合体2的合成磁场也必然旋转。从而，为了防止合成磁场相对热处理件A旋转，最好使热处理用保持器10旋转，以使热处理件A经常与合成磁场同方向。
利用热处理用保持器10的上端、中央及下端所带有的热电偶对温度进行测定，并对电加热器5的温度进行PID控制。在密封部件7上具有吸气口。排气口与设置在真空容器6上部的真空泵(未图示出)连接，真空容器6内维持真空状态。例如，在热处理件A形成磁性薄膜的基板的情况下，最好在大约1×10-5～1×10-6Pa的真空状态下进行热处理。吸气口与高压氮储气瓶连接，根据需要使真空容器6内为惰性气氛。
如图2(b)所示，直到中空部20内的磁场基本为零的位置，使外侧环状永久磁铁组合体2旋转。介于非磁性绝缘层之间带有叠置多个强磁性层的磁性膜的多个薄片基板排列在热处理用保持器10的托架上，并插入真空容器6内。这时，重叠的基板整体的中心与内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2的中心基本一致。
把密封用阴螺纹部9与密封用阳螺纹部8接合并使真空容器6内呈气密状态后，真空容器6由真空泵进行排气，达到1×10-5～1×10-6pa的真空度。将薄片基板与内侧环状永久磁铁组合体1的相对位置固定后，只使外侧环状永久磁铁组合体2旋转。由于在中空部20内作用有所希望大小的合成磁场，外侧环状永久磁铁组合体2可以如图2(c)所示地相对内侧环状永久磁铁组合体1只旋转所希望的角度α。
在冷却水在冷却管4内流动的同时，使薄片基板由电加热器5加热并以5℃/min的速度升温。在300℃±％的温度下保持30-60分钟，然后，真空容器6内的温度以2℃/min的速度下降，在薄片温度为150℃以下时，再如图2(b)所示，调节内侧环状永久磁铁组合体1与外侧环状永久磁铁组合体2的角度α，使磁场基本为零。
表1
注(1)磁通密度的均匀度由(Tmax-Tmin)/Tmax算出。
由表1可以确认，中空部20内的磁场在轴线方向的磁场中心±5％以内是均匀的。如图7所示，从具有薄片基板的两环状磁性回路的轴线方向的长度(420mm)的中央±80mm的范围内可以获得10％以下的均匀磁场强度。各测定位置的磁场的斜向角度全部在2°以内。用进行这种磁场中热处理的薄片基板形成的磁头的磁特性良好，不良率为零。
沿轴线方向距磁性回路端面350mm的位置的漏磁场减小到10mT以下，另外，距磁性回路侧面1m的位置的漏磁场也减小到1mT以下。
实施例2
如图3所示，除了改变外侧环状永久磁铁组合体2A与内侧环状永久磁铁组合体1A轴线方向的长度，并使薄片基板不与内侧环状永久磁铁组合体1A一起旋转以外，其它的与实施例1相同进行磁场中热处理。各环状永久磁铁组合体由12个不同磁性方向的3种扇形永久磁铁扇形体沿圆周方向配置形成。各永久磁铁扇形体的磁化方向与图2所示的相同。
作为8英寸的薄片基板的磁场中热处理炉，内侧环状永久磁铁组合体1A的内径D0为360mm，外径D1为560mm。另外，外侧环状永久磁铁组合体2A的外径D2为1100mm。内侧环状永久磁铁组合体1A轴线方向长度H1为420mm，外侧环状永久磁铁组合体2A的轴线方向长度H2为500mm。
表2
注(1)磁通密度的均匀度由(Tmax-Tmin)/Tmax算出。
如表2所示，在中空部20内可以获得±5％以下的均匀磁场强度。另外，在对磁场强度的变化进行测定后，确认可以在距离长度为420mm的内侧环状永久磁铁组合体1A的轴线中心±80mm的范围内获得±5％以内的均匀磁场强度。薄片基板最好设置在该范围内。如果薄片基板保持在该范围以外，由于磁场均匀度降低，由该薄片基板得到的磁头的特性劣化。各测定位置的磁场斜向角度全部在2°以内。利用本实施例进行磁场中热处理的薄片基板形成的磁头的磁特性良好，废品率为零。在热处理结束后薄片温度变为50℃以下的状态，即便不使内侧环状永久磁铁组合体1A与薄片基板旋转、磁场实际为零，得到的磁头仍具有良好的性能。
与实施例1相比，实施例2的外侧环状永久磁铁组合体在轴线方向大约长19％，半径方向大约短10％，但是，就外侧环状永久磁铁组合体来说，实施例2比实施例1的重量稍轻。从而，实施例2的磁场发生装置的设置面积比实施例1小，均匀磁场区域加长。
比较例1
除将加热器5设置在两个环状永久磁铁组合体1、2的轴线方向外侧之外，其它与实施例1相同，进行磁场中热处理实验。在热处理用保持器10的各个位置，温度分布产生偏差，各磁头的磁特性也发生波动。
比较例2
除取下冷却装置3之外，其它与实施例1相同，进行磁场中热处理实验。在热处理用保持器10的各个位置不会产生温度分布偏差，但热处理中热会使内侧环状永久磁铁组合体1的永久磁铁减磁，不能获得足够的磁场强度。
实施例3
与实施例1一样，分别使用具有由图2表示的磁化方向的12个永久磁铁扇形体构成的内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2的磁场中热处理炉。内侧环状永久磁铁组合体1的内径D0为360mm，外径D1为560mm。另外，外侧环状永久磁铁组合体2的外径D2为1100mm。两环状永久磁铁组合体1、2的轴线方向长度(高度)H为420mm。
由于在内侧环状永久磁铁组合体1的壳体11下部设有齿轮，内侧环状永久磁铁组合体1由电机带动可以相对于外侧环状永久磁铁组合体2及薄片基板旋转。从而薄片基板与内侧环状永久磁铁组合体1的相对位置发生变化。除此以外，与实施例1相同。
中空部20的磁场与表2相同，在轴线方向中心具有±5％以下的均匀强度。对沿轴线方向的长度H的磁场强度的变动进行测定后，在距离轴线方向长度H的中央±80mm的范围内可以获得±5％以下的均匀磁场强度。各个测定位置的磁场斜向角度在2°以内。利用本实施例进行磁场中热处理的薄片基板形成的磁头的磁特性良好，但比实施例1及2要低。
实施例4
图4表示内侧环状永久磁铁组合体1B及外侧环状永久磁铁组合体2B组合的另一实例。外侧环状永久磁铁组合体2B的轴线方向长度(高度)比内侧环状永久磁铁组合体1B的短。另外，在图5的实例中，外侧环状永久磁铁组合体2C的轴线方向长度(高度)比内侧环状永久磁铁组合体1C的短，此外，内外环状永久磁铁组合体1C、2C的轴线方向长度朝着半径方向外侧逐渐变短。根据这种构造，可以进一步降低轴线方向的漏磁场。由此，可以实现环状永久磁铁组合体的小型化及轻量化，也可以使磁场中热处理炉整体变低。
图6(a)表示外侧环状永久磁铁组合体2配置成比内侧环状永久磁铁组合体1在轴线方向离热处理件的薄片A的待机位置远ΔL的实例。内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2具有相同的轴线方向的长度L。
图6(b)与图6(a)相同，表示外侧环状永久磁铁组合体2配置成离薄片A的待机位置远ΔL、且外侧环状永久磁铁组合体2的轴线方向的长度L2比内侧环状永久磁铁组合体1的轴线方向长度L1短的实例。内侧环状永久磁铁组合体的轴线长度L1为1000mm，外侧环状永久磁铁组合体的轴线方向长度L2分别为600mm、800mm、1000mm，并对中空部20内的磁通密度及沿轴线方向距离环状永久磁铁组合体的端面150mm位置的漏磁通密度进行模拟。结果如表3所示。中空部20的内径为300mm、内侧环状永久磁铁组合体1的外径D1为450mm、外侧环状永久磁铁组合体的外径D2为670mm。
表3
由表3可以看出，两个环状永久磁铁组合体1、2的轴线方向长度相同情况下的漏磁场大约为0.14T，但外侧环状永久磁铁组合体2的长度在800mm以下时，漏磁场为0.1以下，即减小35％以下。另外，在外侧环状永久磁铁组合体2的长度为600mm时，漏磁场进一步减小。外侧环状永久磁铁组合体2的长度为800mm时的中空部20中心处的磁通密度与1000mm时相比只小3％。因此，可以认为对漏磁场的减小来说，外侧环状永久磁铁组合体2的长度的影响较大。在想在轴线方向减小漏磁场的情况下，如图6(c)所示，使内外环状永久磁铁组合体1、2的下端对齐，最好使外侧环状永久磁铁组合体2的上端比内侧环状永久磁铁组合体1的上端低ΔL的距离。
随着内侧环状永久磁铁组合体1的内径加大，磁性回路的各永久磁铁扇形体由一个永久磁铁片构成就变得很困难。因此，最好通过组合多个永久磁铁片来构成各永久磁铁扇形体。图10示出了一例环状磁性回路的永久磁铁扇形体。在该例中，永久磁铁扇形体由沿半径方向配置的3个永久磁铁片构成，一般也可以使用两个以上的永久磁铁片。内侧的永久磁铁片具有外半径Ra及轴线方向长度La，中央的永久磁铁片具有内半径Ra、外半径Rb及轴线方向长度Lb，外侧永久磁铁片具有内半径Rb、外半径Rc及轴线方向长度Lc。各永久磁铁片的轴线方向长度La＞Lb＞Lc，且朝向外侧逐渐变短。
图11示出了组合第一永久磁铁片41及第二永久磁铁片42的永久磁铁扇形体的实例。在图示的实例中，分别将第一及第二永久磁铁片41、42每两个组合在一起，奇数个组合也可以。图中的箭头表示各永久磁铁片的磁化方向。
在永久磁铁扇形体较小的情况下，可以由一个永久磁铁片构成。为了减小漏磁场，例如，如图12(a)及图12(b)所示，永久磁铁的轴线方向断面最好大致为梯形。
在上述的各实施例中，对磁化方向不同的3种永久磁铁进行组合并分别用于内侧环状永久磁铁组合体1及外侧环状永久磁铁组合体2，但也可以构成如图13所示的由磁化方向不同的两种永久磁铁43、44来构成磁性回路。
在各环状永久磁铁组合体1、2中，一圈的永久磁铁扇形体的数量最好为8个以上。对具有120mm的内径及200mm的外径的环状永久磁铁组合体的中空部的磁场(T)进行测定。图14示出了环状永久磁铁组合体轴线方向长度(mm)与磁场(T)(中空部中心的磁通密度)的关系。由图14可知，中空部20的磁场在一圈的永久磁铁扇形体有12个要比8个增大5％。
在本说明书中使用了术语“磁场中热处理”，但该热处理可称为“退火”。
在本发明的磁场中热处理炉中，由于可以对多个磁性膜基板这样的热处理件均匀地施加平行磁场，因此可以使热处理过的磁性膜基板的质量稳定一致。另外，可以相对于中空部的热处理件调整磁场强度。本发明的磁场中热处理炉或不需要用于减小漏磁场的磁屏蔽，因此可以使装置整体小型化。另外，也不需要产生磁场的电力，从而降低了设备成本及运行成本，而且也没有产生磁场用的线圈发热带来的问题。
也可以在设置在内侧环状永久磁铁组合体的中空部内的冷却机构中流动着足够量的冷却水，使永久磁铁的特性不会由热处理温度而变差。因此，本发明的磁场中热处理炉运行成本低。
权利要求
1、一种磁场中热处理炉，其特征在于，包括(a)磁场发生机构，其包括一个环状永久磁铁组合体，其由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状；(b)热处理机构，其位于所述环状永久磁铁组合体中空部内，并从外侧依次设有冷却机构、加热机构及热处理容器，其热处理容器包含保持多个热处理件的热处理用保持器。
2、如权利要求1所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述热处理容器为真空容器。
3、如权利要求1或2所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述冷却机构包括冷却管，其中流有冷却液；散热板，其在所述冷却管的外周设置于所述内侧环状永久磁铁组合体的内侧。
4、如权利要求1至3中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述磁场发生机构的轴线方向的磁场中心与插入所述热处理容器内的多个热处理件集合体的轴线方向的中心基本一致。
5、如权利要求1至4中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述环状永久磁铁组合体具有120mm以上的内径及300mm以上的外径，且具有100mm以上的轴线方向长度。
6、如权利要求1至5中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述环状永久磁铁组合体越往半径方向外侧其轴线方向越短。
7、如权利要求1至6中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，构成所述环状永久磁铁组合体的各永久磁铁扇形体具有1.1T以上的残留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的顽磁力。
8、如权利要求1至7中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述环状永久磁铁组合体的轴线方向长度H1和外径D2满足2≤D2/H1≤10的条件。
9、一种磁场中热处理炉，其特征在于，包括(a)磁场发生机构，其包括外侧环状永久磁铁组合体，其由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状；内侧环状永久磁铁组合体，其设置在所述外侧环状磁铁组合体内侧且由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状；(b)热处理机构，其位于所述内侧环状永久磁铁组合体的中空部内，并从外侧依次设有冷却机构、加热机构及热处理容器，其热处理容器包含保持多个热处理件的热处理用保持器。
10、如权利要求9所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述热处理容器为真空容器。
11、如权利要求9或10所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述冷却机构包括冷却管，其中流有冷却液；散热板，其在所述冷却管的外周设置于所述内侧环状永久磁铁组合体的内侧。
12、如权利要求9至11中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述磁场发生机构的轴线方向的磁场中心与插入所述热处理容器内的热处理件集合体的轴线方向的中心基本一致。
13、如权利要求9至12中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述内侧环状永久磁铁组合体相对于所述热处理件不改变方向，所述内侧环状永久磁铁组合体及所述外侧环状永久磁铁组合体可以相对旋转。
14、如权利要求9至13中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述内侧环状永久磁铁组合体及所述外侧环状永久磁铁组合体可以相对旋转，且所述中空部内的磁场可以在0-2T的范围内增减。
15、如权利要求9至14中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述内侧环状永久磁铁组合体的内径为120mm以上，所述外侧环状永久磁铁组合体的外径为300mm以上，且所述内侧环状永久磁铁组合体或所述外侧环状永久磁铁组合体的轴线方向长度为100mm以上。
16、如权利要求9至15中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述内侧环状永久磁铁组合体及所述外侧环状永久磁铁组合体具有不同的轴线方向长度。
17、如权利要求9至16中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述内侧环状永久磁铁组合体和/或所述外侧环状永久磁铁组合体在半径方向外侧在轴线方向较短。
18、如权利要求9至17中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，构成所述外侧环状永久磁铁组合体及所述内侧环状永久磁铁组合体的各永久磁铁扇形体具有1.1T以上的残留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的顽磁力。
19、如权利要求9至18中任一项所述的磁场中热处理炉，其特征在于，所述内侧环状永久磁铁组合体的轴线方向长度H1与所述外侧环状永久磁铁组合体的外径D2满足2≤D2/H1≤10的条件。
20、一种磁场中热处理方法，其使用磁场中热处理炉对多个热处理件同时进行热处理，其中所述磁场中热处理炉包括(a)磁场发生机构，其包括外侧环状永久磁铁组合体，其由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状；内侧环状永久磁铁组合体，其设置在所述外侧环状磁铁组合体内侧且由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状；(b)热处理机构，其位于所述内侧环状永久磁铁组合体的中空部内，并从外侧依次设有冷却机构、加热机构及热处理容器，其热处理容器包含保持多个热处理件的热处理用保持器，其特征在于，包括以下工序(1)在所述中空部内的径向的磁场实际上变为零的所述内侧环状永久磁铁组合体与所述外侧环状永久磁铁组合体的相对旋转位置，将叠积多个所述热处理件的热处理用保持器插入所述热处理容器内；(2)在通过使所述外侧环状永久磁铁组合体相对所述内侧环状永久磁铁组合体旋转而使所述中空部内存在规定的磁场的状态下，通过所述加热机构对所述热处理容器内的热处理件热处理的同时，由所述冷却机构对所述磁场发生机构进行冷却；(3)在所述热处理件的热处理结束之后，所述中空部内的径向的磁场实际变为零的所述内侧环状永久磁铁组合体与所述外侧环状永久磁铁组合体的相对旋转位置，从所述热处理容器中取出多个热处理物品。
21、如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述热处理件是在表面形成磁性膜的薄片基板。
22、如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，在多个所述热处理件的集合体的轴线方向的中心与所述磁场发生机构的轴线方向的磁场中心基本一致的位置，将所述热处理件集合体保持在所述热处理容器内。
23、如权利要求20到22中任一项所述的方法，其特征在于，在所述热处理容器内实际为真空的状态下进行热处理。
全文摘要
一种磁场中热处理炉,其内外环状永久磁铁组合体的轴线方向的磁场中心与热处理容器内的热处理件集合体的轴线方向的中心基本一致。该热处理炉包括:(a)磁场发生机构,该磁场发生机构包括:外侧环状永久磁铁组合体,其由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状;内侧环状永久磁铁组合体,其设置在所述外侧环状磁铁组合体内侧且由具有使磁通沿直径方向定向分布的磁化方向的多个永久磁铁扇形体组成环状;(b)热处理机构,该热处理机构位于内侧环状永久磁铁组合体的中空部内,并从外侧依次设有冷却机构、加热机构及热处理容器,该热处理容器包含保持多个热处理件的热处理用保持器。
文档编号H05B6/22GK1389879SQ0212170
公开日2003年1月8日 申请日期2002年4月17日 优先权日2001年4月17日
发明者栗山义彦, 牛嶋诚, 东康幸 申请人:日立金属株式会社