JP4746232B2

JP4746232B2 - Magnetic recording head with background magnetic field generator

Info

Publication number: JP4746232B2
Application number: JP2001525691A
Authority: JP
Inventors: リトヴィノフ、ドミトリ; キツロエフ、サクラット
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-09-19
Also published as: KR20030024652A; EP1214709A1; WO2001022407A1; JP2003510739A; KR100705853B1

Description

【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、１９９９年９月２０日出願の米国仮特許出願第６０／１５４，８８０号の利益を主張するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、磁気記憶媒体と共に使用するための記録ヘッドに関し、さらに詳細には、磁気媒体中にバックグラウンド磁界を生成する垂直記録ヘッドに関する。
【０００３】
（背景情報）
垂直磁気記録ヘッドは、ハード・ディスク・ドライブ・システムに使用するために開発されたものである。Ａｓｈｉｋｉらへの米国特許第４，４３８，４７１号、Ｂｏｎｉｎらへの第４，５４１，０２６号、Ｔｏｄａらへの第４，５４６，３９８号、Ｈｏｓｏｋａｗａへの第４，５７５，７７７号、Ｋａｎａｉらへの第４，６１３，９１８号、Ｓａｗａｄａらへの第４，６４９，４４９号、Ｌａｚｚａｒｉへの第４，７３１，１５７号、Ｋａｎａｍｉｎｅらへの第４，９７４，１１０号、およびＮａｋａｍｕｒａらへの第５，７３８，９２７号に、いくつかの垂直記録ヘッドの例が記載されている。
【０００４】
ハード・ディスク・ドライブのデータ記憶密度を増すために、磁気異方性の強い磁気媒体の使用が提案されているが、異方性の強い媒体は、例えば５，０００エルステッドを優に超える、極端に高い保磁力を示す。従来の垂直磁気記録ヘッドでは、このように保磁力の高い媒体には記録させることができない。
【０００５】
本発明は前述の観点から開発されたものであり、従来技術の他の欠陥に対処するものである。
【０００６】
（発明の概要）
本発明により、磁気記録媒体中にバックグラウンド磁界を生成するように構成され、かつ、位置決めされた磁界発生コイルを有する磁気記録媒体と共に使用するための磁気記録ヘッドが提供される。磁気記録ヘッドは、垂直構成を含むことが好ましい。本発明によれば、垂直記録ヘッドにより補足磁界が生成され、従来の垂直記録ヘッドに比べて記録磁界が強くなっている。そのような用途に限定するものではないが、本発明による垂直記録ヘッドは、特にコンピュータ・ハード・ディスク・ドライブに有用である。
【０００７】
典型的な垂直記録ヘッドは、主磁極、主磁極に磁気結合された対向磁極、および主磁極を取り巻く導電性磁化コイルを備えている。通常、対向磁極の底部の表面積は、主磁極の先端表面積より著しく広くなっている。好ましい実施形態では、磁化コイルを流れる電流が、主磁極先端を通る磁束を生成し、かつ、記録媒体中にバックグラウンド磁界を生成している。
【０００８】
この垂直記録ヘッドと共に使用するための典型的な磁気記録媒体は、非磁気変態によって分離された複数の磁気透過性トラックを有する上部層、および磁気透過性下部レベルを備えている。下部レベルは、トラックと比較すると軟磁性である。
【０００９】
磁気記録媒体に書き込むために、記録ヘッドは、浮上高として知られる距離だけ、磁気記録媒体から離されている。磁気記録媒体は、記録ヘッドが磁気記録媒体のトラックを追従するように、記録ヘッドの先を移動し、先ず対向磁極の下を通過し、続いて主磁極の下を通過する。電流がコイルを通って流れ、主磁極内に磁束が生成される。磁束は、主磁極先端からトラックを通過して下部層中に入り、対抗磁極に達することになる。主磁極先端で生成される磁界の他に、本発明による補足磁界が生成される。磁極先端からの磁束とコイルからの磁束の結合により、トラック内の磁界が記録ヘッドの磁束と整列する。電流の方向が変化すると、記録ヘッドによって生成される磁束の方向が変化し、したがって磁気記録媒体内部の磁界が変化する。
【００１０】
本発明の一態様により、先端を有する主磁極および導電性磁化コイルを備えた垂直記録ヘッドが提供される。導電性磁化コイルは、主磁極先端に十分に近接して位置決めされており、電流が磁化コイルを流れると、磁気記録媒体中にバックグラウンド磁界が生成される。
【００１１】
本発明の他の態様により、磁気記録媒体および記録ヘッドを備えた磁気記録装置が提供される。磁気記録媒体は、複数のデータ記憶トラックを有する上部層、およびデータ記憶トラックと比較して軟磁性である下部層を備えている。記録ヘッドは、先端を有する主磁極および導電性磁化コイルを備えている。導電性磁化コイルは、主磁極先端に十分に近接して位置決めされており、記録ヘッドが磁気記録媒体上の浮上高の位置に置かれ、電流が磁化コイルを流れると、磁気記録媒体中にバックグラウンド磁界が生成される。
【００１２】
本発明のさらに他の態様により、磁気記憶媒体上にデータを記憶させる方法が提供される。上記方法には、磁気透過性主磁極を用意する段階、主磁極に隣接する磁気記憶媒体を用意する段階、主磁極から磁気記憶媒体へ磁束を導く段階、および磁気記憶媒体中にバックグラウンド磁界を追加生成する段階が含まれている。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の態様は、以下の説明からより明らかになるであろう。
【００１４】
（詳細な説明）
本発明の好ましい実施形態により、磁気記録媒体と共に使用するための垂直記録ヘッドが提供される。本明細書において使用するように、「記録ヘッド」は、読取りおよび／または書込みオペレーション用に適合したヘッドを意味している。
【００１５】
本発明は、従来のハード・ディスク・ドライブ・システムが抱える幾つかの問題を解決するために開発されたものである。ハード・ディスク・ドライブ・システムに使用されている粒状磁気記録媒体は、粒子の異方性エネルギー（Ｋ_u×Ｖ、Ｖは粒子の体積）が、熱的揺らぎのエネルギーｋＴに匹敵するようになると、集合常磁性不安定の影響を受けやすくなる。記録密度を増すためには、粒度の不断の細分化が必要である。媒体を熱的に安定に保つためには、異方性の強い材料が望ましい。例えば、Ｃｏ₅₀Ｐｔ₅₀のＬ１０位相の異方性エネルギーは（ＣｏＣｒ媒体のＫ_u＝〜１０⁵Ｊ／ｍ³と比較すると）、Ｋ_u＝４×１０⁶Ｊ／ｍ³である。このような高異方性により、粒子が熱的に不安定になる臨界粒度が１ｎｍ未満に縮小される。このような材料を記録媒体に利用することにより、潜在的に１００ギガビット／６．４５ｃｍ²（１インチ²）を優に超える記録密度に増加させることができる。しかし、高異方性媒体の利用を妨げている主な障害は、このような媒体が、例えば５，０００エルステッドを超える例外的な高保磁力を示すことである。
【００１６】
従来の垂直記録ヘッドが生成する磁界の大きさは、ヨーク材の飽和モーメントによって制限されている。図１は、磁極材としてＦｅＡｌＮ（飽和モーメント２テスラ）を利用した従来の単極垂直ヘッドに対する、磁界強度の磁極先端すなわちエア・ベアリング表面（ＡＢＳ）からの距離への依存性を示すグラフである。ＡＢＳからの距離が１５ｎｍを超えると、磁界は５，０００エルステッド未満に低下する。したがってこの構造は、保磁力が５，０００エルステッド以上の媒体上への記録のためには不十分である。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態による単極垂直記録ヘッド１０の概略を示したものである。垂直記録ヘッド１０は、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＮｉＦｅ、ＦａＡｌＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはこれらの材料の複数の層すなわち積層物を含むその他の任意の種類の軟磁性体など、磁気透過性の材料でできたヨーク１２を備えている。主磁極先端１６を備えた主磁極１４が、ヨーク１２から延びている。主磁極１４は、ＮｉＦｅ、ＦｅＡｌＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＮ、またはこれらの材料の複数の層を含むその他の任意の種類の軟磁性体など、任意の適当な磁気透過性材料で作ることができる。対向磁極１８が主磁極１４に磁気結合されている。本発明によれば、導電性磁化コイル２０がヨーク１２および主磁極１４を取り巻いている。図２に示すように、磁化コイル２０は、主磁極先端１６の近くに配置されている。電気接続部２２を介して、コイル２０に電流が供給される。磁化コイル２０は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはその他の任意の高導電率材料または合金など、任意の適当な導電材料で作ることができる。
【００１８】
垂直記録ヘッド１０は、図２に示すように、硬磁性記録層および軟磁性下部層３２を備えた磁気記憶媒体上に位置付けされている。擬似ダイヤモンドカーボンなどの保護被覆３３が、記録層３０を覆って塗布されている。記録オペレーションの間、磁気媒体は、図２に示す矢印の方向に移動する。
【００１９】
記録層３０は、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔＴａ、ＣｏＣｒＰｔＢ、ＣｏＣｒＰｔＴａＮｂ、またはその他の高異方性六角Ｃｏ含有合金など、任意の適当な硬磁性材料で作ることができる。また、記録層３０は、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄ、またはその他の高異方性Ｌ１０材料で作ることもできる。また、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＢ／Ｐｄ、ＣｏＣｒ／Ｐｄ、ＣｏＣｒＰｔ／Ｐｄ、ＣｏＣｒＰｄ／Ｐｔ、ＣｏＢ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＣｒ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄ、およびＦｅ／Ｐｔなどの高異方性材料を、記録層３０として使用することもできる。さらに、Ｂａフェライトなどの高異方性フェライトを、記録層３０として使用することもできる。記録層３０のための好ましい材料には、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄ、およびＣｏ／ＰｔとＣｏ／Ｐｄを多層にしたものなどのＬ１０材料がある。記録層の異方性エネルギーＫ_uは比較的大きく、例えば約１０⁶ｊ／ｍ³を超えている。例えば、異方性エネルギーＫ_uのレベルが約１０⁶ｊ／ｍ³から約１０⁸ｊ／ｍ³までの記録層を使用することができる。また、記録層は、５，０００エルステッドを超える、例えば８，０００エルステッドあるいは１０，０００エルステッドを超える比較的高い保磁力を有している。下部層３２は、ＦｅＡｌＮ、ＦｅＴａＮ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＮ、またはその他の高モーメント軟磁性材料、あるいはこれらの材料の複数の層を含む軟磁性膜など、任意の適当な軟磁性材料で作ることができる。
【００２０】
図３は、図２の垂直記録ヘッド１０の一部の拡大図であり、ヨーク１２、主磁極１４、および磁化コイル２０の寸法の詳細が示されている。磁化コイル２０の半径寸法Ｒは、ヨーク１２の中心、すなわち主磁極１４の縦軸から測定した半径寸法Ｒである。コイル２０は、主磁極先端１６から、主磁極１４の縦軸に平行（記録層３０の表面に直角）に測定した距離Ｄの位置に位置付けされている。主磁極先端１６は、保護層３３の上部表面上の浮上高Ｈの位置に位置付けされている。主磁極先端１６は、記録ヘッド１０のエア・ベアリング表面部分を形成することが好ましい。磁化コイル２０は、記録層３０の上部表面から、主磁極１４の縦軸に平行に測定した距離Ｚの位置に位置決めされている。距離Ｚは、距離ＤとＨの和に、保護層３３の厚さを加えたものに等しい。図３にさらに示しているように、ヨーク１２の厚さはＴ_yであり、Ｔ_yは、主磁極１４の厚さＴ_pより大きいことが好ましい。
【００２１】
寸法Ｒ、Ｄ、Ｈ、Ｚ、Ｔ_y、およびＴ_pは、電流がコイル２０を流れる際に、記録層３０中に十分なバックグラウンド磁界が生成されるよう、本発明に従って選択されることが好ましい。多くの垂直記録ヘッド構成に対して、Ｒの好ましい範囲は、約０．１ミクロンから約５ミクロンまでであり、Ｄの範囲は、約０．１ミクロンから約５ミクロンまで、Ｈの範囲は、ゼロから約０．１ミクロンまでである。また、Ｚの範囲は、約０．１ミクロンから約５ミクロンまでである。ヨークの厚さＴ_yは、通常約０．１ミクロンから約５ミクロンまでであり、好ましくは約０．１ミクロンから約１ミクロンまでである。主磁極の厚さＴ_pは、約０．０１ミクロンから約０．５ミクロンまでであり、好ましくは約０．０１ミクロンから約０．１ミクロンまでである。
【００２２】
本発明によれば、必要なバックグラウンド磁界を記録層３０中に生成するために、以下でさらに詳細に説明するように、距離Ｄに対するコイルの半径寸法Ｒの比率は、制御されることが好ましい。通常、Ｒ：Ｄの比率の範囲は、約１：１から約１０：１までであり、好ましくは約１：１から約５：１までである。また、磁極の厚さＴ_pに対するヨークの厚さＴ_yの比率も制御されている。好ましいＴ_y：Ｔ_pの比率の範囲は、約１：１から約１０：１までであり、さらに好ましいＴ_y：Ｔ_pの比率の範囲は、約２：１から約５：１までである。
【００２３】
図２および図３に示す磁化コイル２０は、単一円形巻線を備えているが、多重巻線および／または他のコイル形状を使用することもできる。例えばコイル２０は、正方形であっても、長方形、螺旋状、あるいは直線状等々であっても良い。同様に、ヨーク１２および主磁極１４の断面形状も、円形、正方形、長方形、または類似の形状を取ることができる。図２および図３に示すように、磁化コイル２０は、ヨーク１２および主磁極１４を取り巻いていることが好ましいが、十分なバックグラウンド磁界が生成される限り、ヘッド１０上の異なる位置にコイルを配置することができる。また、好ましくはないが、コイル２０の代わりに永久磁石を使用することもでき、あるいは永久磁石を追加することもできる。
【００２４】
図４および図５は、本発明による代替コイル構成の概略を示したものである。図４に示す実施形態では、導電性磁化コイル２４は、ヨーク１２の外部表面を取り巻き、かつ、ヨーク１２の外部表面に接触して位置決めされている。図５に示す実施形態では、導電性磁化コイル２６は、ヨーク１２の外部表面を取り巻き、かつ、ヨーク１２の外部表面の周囲を巡らしている凹み部分２８に埋め込まれている。図４および図５では、磁化コイル２４および２６の各々は、ヨーク１２を取り巻く単一巻線として示されている。これに代えて、多重コイル巻線を使用することもできる。図４および図５に示す磁化コイル２４および２６は、正方形の断面であるが、長方形、円形など任意の他の適当な断面形状を使用することもできる。磁化コイル２０、２４、および２６の断面の厚さの範囲は、通常約０．０１ミクロンから約５ミクロンまでであり、好ましくは約０．１ミクロンから２ミクロンまでである。
【００２５】
図２から図５に示す実施形態では、磁極先端１６は、平らな表面を備えている。これに代えて、この設計は、本明細書に援用する、２０００年９月１９日出願の「ＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒＲｅｃｏｒｄｉｎｇＨｅａｄＩｎｃｌｕｄｉｎｇＣｏｎｃａｖｅＴｉｐ」という名称の米国特許出願第＿＿＿＿＿号に記載されている凹面磁極先端などの凹面磁極先端設計を有する垂直記録ヘッドと組み合わせることができる。
【００２６】
本発明によれば、必要なバックグラウンド磁界強度を記録層３０に生成するために、磁化コイル２０への供給電流の量が制御される。通常、バックグラウンド磁界は１００ガウスより大きく、１，０００ガウスあるいは２，０００ガウスを超えることが好ましい。記録層３０におけるバックグラウンド磁界の範囲は、記録層３０の磁気特性に応じて、通常約１００ガウスから約２０，０００ガウスまでであり、好ましくは約１，０００ガウスから約１５，０００ガウスまで、さらに好ましくは約５，０００ガウスから約１０，０００ガウスまでである。バックグラウンド磁界により、記録層３０の保磁力が有効に低減される。記録層３０の保磁力はＨ_cで定義され、バックグラウンド磁界により、保磁力Ｈ_cが、Ｈ_bで定義されるより小さい値に有効に低減される。好ましいＨ_b：Ｈ_cの比率の範囲は、約１：１０から約９：１０までであり、さらに好ましくは約３：１０から約８：１０までである。特に好ましい実施形態では、Ｈ_b：Ｈ_cの比率は、約５：１０である。
【００２７】
本発明のさらに他の態様によれば、主磁極先端１６の部分で生成される磁界強度Ｈ_pに関連して、バックグラウンド磁界Ｈ_bのレベルが制御される。Ｈ_b：Ｈ_pの比率は、好ましくは約１：１０から約１０：１までであり、さらに好ましくは約４：１０から約３：１までである。特定の例として、５，０００エルステッドの磁極先端保磁力Ｈ_p、および８，０００エルステッドのバックグラウンド保磁力Ｈ_bを生成する本発明による記録ヘッドを用いて、保磁力が１０，０００エルステッドの記録層に書き込むことができる。したがって、磁極先端から生成される磁束だけでは記録層に書き込むには不十分であっても、十分なバックグラウンド磁界により、記録層の動的保磁力が有効に低減されるため、記録層への書き込みが可能である。
【００２８】
磁束は、磁極先端が完全に飽和しない限り、主として磁極先端内に集中する。単極ヘッドを動作させるための標準的な方法は、磁極先端を完全に飽和させる電流値Ｉ_SATを選定することである。飽和した磁極によって生成される磁界が局部化され、記録層内部における勾配によって最小ビット・セル・サイズが決定される。コイルを流れる電流がさらに、ΔＩ（ΔＩ＝Ｉ−Ｉ_SAT）だけ増加すると、生成される余分の磁束は、もはや磁極先端内に限定されなくなる。追加磁界ΔＢの大きさは、ΔＩに比例している。記録層中の極めて広い領域に渡って磁束が広がり、その広さは、コイルが記録層に比較的接近しているため、コイルの直径によって決まる。ΔＢの大きさは、コイルを流れる電流によって微調整することができる。単巻きコイルの場合、ΔＢの大きさは、
【数１】

によって与えられる。上式で、Ｒはコイルの半径であり、ｚは、コイルから硬層までの距離である。Ｒ＝０．２μｍ、ｚ＝０．１μｍの場合、単巻きコイルを使用すると、約２５エルステッド／ｍＡの分解能で、１テスラ（１０，０００エルステッド）を超えるバックグラウンド磁界を、４００ｍＡという小さい電流で発生させることができる。
【００２９】
追加バックグラウンド磁界ΔＢが存在することにより、記録層の保磁力が有効に低減される。追加バックグラウンド磁界ΔＢにより、利用可能な軟材料をベースにしたヘッドを使用して、高保磁力媒体上に書き込むことができる。データ転送速度が速いため、このようなバックグラウンド磁界を導入することにより、静的保磁力より遥かに高い動的保磁力を左右することができる。
【００３０】
図６は、様々なコイル電流値に対する、境界エレメント・ソルバーＡｍｐｅｒｅｓを使用した磁界シミュレーションの結果を示したものである。Ｉ＝５０ｍＡ（＝Ｉ_SAT）およびＩ＝２００ｍＡ（ΔＩ＝１５０ｍＡ）における磁界プロファイルが示されている。飽和電流Ｉ_SATにさらに１５０ｍＡの電流を追加することにより、４，０００エルステッドのバックグラウンド磁界が生成される。このバックグラウンド磁界は、記録済みのビット・パターンを消去するには必ずしも十分ではないが、このバックグラウンド磁界により、磁極先端の書込み磁界が有効に増加し、有効媒体保磁力が減少する。
【００３１】
試験は、この設計性能を確認するために実施されたものである。図７は試験の概略を示したものである。コイルがＡＢＳに極めて近接して配置された場合のコイルからのバックグラウンド磁界をシミュレートするために、磁極先端３６すなわちライタのエア・ベアリング表面から遠く離れて配置された磁気コイル３５を有する従来の垂直ライタ３４が、外部磁界源３８（２，０００エルステッドを超える漂遊磁界を生成することができる強希土類ベース永久磁石）と組み合わせて使用されている。記録試験は、ＦｅＡｌＮの下部軟層上の、８，０００エルステッドを超える保磁力を有する２０層のＣｏ／Ｐｄ層からなる多層垂直媒体３０に対して実施され、先ず、多層垂直媒体が、大型電磁石を使用して生成された強磁界中で直流飽和（直流消去）された。期待通り、減磁界により、直流飽和媒体から漂遊磁界が放射されることはなく、その結果、読出し信号はゼロであった。次に、従来の垂直ライタによる記録が試行されたが、記録磁界の大きさが不十分であったため、記録することができなかった。記録の失敗は、読出し信号の欠落によるものであることが確認された。最後に、図７に略図で示すように、記録ヘッド上に、多層垂直媒体に極めて近接して小型永久磁石が配置され、別の記録試行が実施された。その結果は、図８に示す再生ビット・パターンが良好に記録された。図８に示す結果は、バックグラウンド磁界を適用することにより、記録媒体の異方性が、一時的に有効に低減されることを証明している。
【００３２】
この記録システムにより、媒体の保磁力が有効に低減される。これは、記録層に近接して配置される磁化コイルを利用してバックグラウンド磁界を生成することによって実現される。この記録システムは、例えば１００ギガビット／６．４５ｃｍ²（１インチ²）を超える極めて高い記録密度をサポートすることができる高保磁力／高異方性媒体上への書込みを可能にしている。したがって、記録プロセスを大きく変更する必要なく、高記録密度を実現することができる。
【００３３】
以上、本発明を説明するために、本発明の特定の実施形態について説明したが、特許請求の範囲の各クレームで定義される本発明から逸脱することなく、本発明の詳細の様々な変形形態を加えることができることは、当分野の技術者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】エア・ベアリング表面からの距離が増加すると磁界強度が著しく低下することを示す、従来の垂直記録ヘッドの磁界強度対エア・ベアリング表面からの距離を表すグラフである。
【図２】本発明の実施形態によるバックグラウンド磁界生成コイルを備えた垂直記録ヘッドの部分略側面断面図である。
【図３】図２の記録ヘッドの一部の拡大図である。
【図４】本発明の実施形態による垂直記録ヘッドの磁極先端および磁気コイル構成の概略部分側断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態による垂直記録ヘッドの磁極先端および磁気コイル構成の概略部分側断面図である。
【図６】バックグラウンド磁界が生成される垂直記録ヘッドの磁束密度と、バックグラウンド磁界が生成されない垂直記録ヘッドの磁束密度とを比較したグラフである。
【図７】本発明による、バックグラウンド磁界を生成するための試験装置の概略部分側断面図である。
【図８】図７に示す試験装置の有効性を示す、再生レベル対時間を表すグラフである。[0001]
(Cross-reference of related applications)
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 154,880, filed Sep. 20, 1999.
[0002]
(Field of Invention)
The present invention relates to a recording head for use with a magnetic storage medium, and more particularly to a perpendicular recording head that generates a background magnetic field in the magnetic medium.
[0003]
(Background information)
Perpendicular magnetic recording heads have been developed for use in hard disk drive systems. U.S. Pat. No. 4,438,471 to Ashiki et al., 4,541,026 to Bonin et al., 4,546,398 to Toda et al., 4,575,777 to Hosokawa, Kanai No. 4,613,918 to Sawada et al., 4,649,449 to Sawada et al., 4,731,157 to Lazzari, 4,974,110 to Kanamine et al., And to Nakamura et al. No. 5,738,927 describes several examples of perpendicular recording heads.
[0004]
In order to increase the data storage density of hard disk drives, the use of magnetic media with strong magnetic anisotropy has been proposed. Shows a high coercive force. A conventional perpendicular magnetic recording head cannot be recorded on a medium having such a high coercive force.
[0005]
The present invention has been developed from the above viewpoint and addresses other deficiencies in the prior art.
[0006]
(Summary of Invention)
The present invention provides a magnetic recording head for use with a magnetic recording medium configured to generate a background magnetic field in a magnetic recording medium and having a magnetic field generating coil positioned. The magnetic recording head preferably includes a vertical configuration. According to the present invention, the supplementary magnetic field is generated by the perpendicular recording head, and the recording magnetic field is stronger than that of the conventional perpendicular recording head. Although not limited to such applications, the perpendicular recording head according to the present invention is particularly useful in computer hard disk drives.
[0007]
A typical perpendicular recording head includes a main pole, a counter pole magnetically coupled to the main pole, and a conductive magnetizing coil surrounding the main pole. Usually, the surface area of the bottom of the counter magnetic pole is significantly larger than the tip surface area of the main magnetic pole. In a preferred embodiment, the current through the magnetizing coil generates a magnetic flux through the main pole tip and a background magnetic field in the recording medium.
[0008]
A typical magnetic recording medium for use with this perpendicular recording head comprises an upper layer having a plurality of magnetically transmissive tracks separated by a non-magnetic transformation, and a magnetically permeable lower level. The lower level is soft magnetic compared to the track.
[0009]
To write to the magnetic recording medium, the recording head is separated from the magnetic recording medium by a distance known as the flying height. The magnetic recording medium moves ahead of the recording head so that the recording head follows the track of the magnetic recording medium, and first passes under the counter magnetic pole and then passes under the main magnetic pole. Current flows through the coil and magnetic flux is generated in the main pole. The magnetic flux passes from the front end of the main pole through the track and enters the lower layer, and reaches the counter magnetic pole. In addition to the magnetic field generated at the tip of the main pole, a supplementary magnetic field according to the present invention is generated. Due to the coupling of the magnetic flux from the tip of the magnetic pole and the magnetic flux from the coil, the magnetic field in the track is aligned with the magnetic flux of the recording head. When the direction of the current changes, the direction of the magnetic flux generated by the recording head changes, and thus the magnetic field inside the magnetic recording medium changes.
[0010]
According to one aspect of the present invention, a perpendicular recording head including a main magnetic pole having a tip and a conductive magnetizing coil is provided. The conductive magnetizing coil is positioned sufficiently close to the tip of the main pole, and when a current flows through the magnetizing coil, a background magnetic field is generated in the magnetic recording medium.
[0011]
According to another aspect of the present invention, a magnetic recording device including a magnetic recording medium and a recording head is provided. The magnetic recording medium includes an upper layer having a plurality of data storage tracks and a lower layer that is softer than the data storage tracks. The recording head includes a main magnetic pole having a tip and a conductive magnetizing coil. The conductive magnetizing coil is positioned sufficiently close to the tip of the main pole, and when the recording head is placed at a flying height on the magnetic recording medium and current flows through the magnetizing coil, the conductive magnetizing coil is backed into the magnetic recording medium. A ground magnetic field is generated.
[0012]
According to yet another aspect of the present invention, a method for storing data on a magnetic storage medium is provided. The method includes providing a magnetically transmissive main pole, providing a magnetic storage medium adjacent to the main pole, directing a magnetic flux from the main pole to the magnetic storage medium, and applying a background magnetic field in the magnetic storage medium. Includes additional generation steps.
[0013]
These and other aspects of the invention will become more apparent from the following description.
[0014]
(Detailed explanation)
A preferred embodiment of the present invention provides a perpendicular recording head for use with a magnetic recording medium. As used herein, “recording head” means a head adapted for read and / or write operations.
[0015]
The present invention was developed to solve several problems associated with conventional hard disk drive systems. A granular magnetic recording medium used in a hard disk drive system has a particle anisotropy energy (K _u × V, where V is the volume of the particle) comparable to the thermal fluctuation energy kT. , Susceptible to aggregate paramagnetic instability. In order to increase the recording density, continuous subdivision of the grain size is necessary. In order to keep the medium thermally stable, a highly anisotropic material is desirable. For example, the L10 phase anisotropy energy of Co ₅₀ Pt ₅₀ (compared to K _u = 10 ⁵ J / m ³ for CoCr media) is K _u = 4 × 10 ⁶ J / m ³ . Such high anisotropy reduces the critical particle size at which the particles become thermally unstable to less than 1 nm. By using such a material for the recording medium, it is possible to potentially increase the recording density well above 100 gigabits / 6.45 cm ² (1 inch ² ). However, a major obstacle preventing the use of highly anisotropic media is that such media exhibit exceptionally high coercivity, for example exceeding 5,000 Oersted.
[0016]
The magnitude of the magnetic field generated by the conventional perpendicular recording head is limited by the saturation moment of the yoke material. FIG. 1 is a graph showing the dependence of magnetic field strength on the distance from a magnetic pole tip, that is, an air bearing surface (ABS), to a conventional single pole vertical head using FeAlN (saturation moment 2 Tesla) as a magnetic pole material. . When the distance from the ABS exceeds 15 nm, the magnetic field drops below 5,000 Oersted. Therefore, this structure is insufficient for recording on a medium having a coercive force of 5,000 oersted or more.
[0017]
FIG. 2 schematically shows a monopolar perpendicular recording head 10 according to an embodiment of the present invention. The perpendicular recording head 10 is magnetically permeable, such as NiFe, CoZrNb, CoZrTa, CoNiFe, FaAlN, FeTaN, CoFe, CoFeB, or any other type of soft magnetic material including multiple layers or stacks of these materials. A yoke 12 made of a material is provided. A main magnetic pole 14 having a main magnetic pole tip 16 extends from the yoke 12. The main pole 14 can be made of any suitable magnetically permeable material, such as NiFe, FeAlN, FeTaN, CoFe, CoFeB, CoFeN, or any other type of soft magnetic material including multiple layers of these materials. it can. The counter magnetic pole 18 is magnetically coupled to the main magnetic pole 14. According to the present invention, the conductive magnetizing coil 20 surrounds the yoke 12 and the main pole 14. As shown in FIG. 2, the magnetizing coil 20 is disposed near the main magnetic pole tip 16. A current is supplied to the coil 20 via the electrical connection 22. The magnetizing coil 20 can be made of any suitable conductive material, such as Cu, Ag, Au, or any other high conductivity material or alloy.
[0018]
As shown in FIG. 2, the perpendicular recording head 10 is positioned on a magnetic storage medium including a hard magnetic recording layer and a soft magnetic lower layer 32. A protective coating 33 such as pseudo diamond carbon is applied over the recording layer 30. During the recording operation, the magnetic medium moves in the direction of the arrow shown in FIG.
[0019]
The recording layer 30 can be made of any suitable hard magnetic material such as CoCrPt, CoCrPtTa, CoCrPtB, CoCrPtTaNb, or other highly anisotropic hexagonal Co-containing alloys. The recording layer 30 can also be made of CoPt, FePt, CoPd, FePd, or other highly anisotropic L10 material. Also, highly anisotropic materials such as Co / Pd, CoB / Pd, CoCr / Pd, CoCrPt / Pd, CoCrPd / Pt, CoB / Pt, Co / Pt, CoCr / Pt, Fe / Pd, and Fe / Pt are used. The recording layer 30 can also be used. Further, highly anisotropic ferrite such as Ba ferrite can be used as the recording layer 30. Preferred materials for the recording layer 30 include L10 materials such as CoPt, FePt, CoPd, FePd, and Co / Pt and Co / Pd multilayered. Anisotropic energy K _u of the recording layer is relatively large, for example greater than about 10 ⁶ j / m ^3. For example, a recording layer having an anisotropic energy _Ku level of about 10 ⁶ j / m ³ to about 10 ⁸ j / m ³ can be used. Further, the recording layer has a relatively high coercive force exceeding 5,000 Oersted, for example, exceeding 8,000 Oersted or 10,000 Oersted. The lower layer 32 can be made of any suitable soft magnetic material, such as FeAlN, FeTaN, CoFe, CoFeB, CoFeN, or other high moment soft magnetic material, or a soft magnetic film comprising multiple layers of these materials. it can.
[0020]
FIG. 3 is an enlarged view of a part of the perpendicular recording head 10 of FIG. 2, and details of dimensions of the yoke 12, the main magnetic pole 14, and the magnetizing coil 20 are shown. The radial dimension R of the magnetizing coil 20 is the radial dimension R measured from the center of the yoke 12, that is, from the longitudinal axis of the main magnetic pole 14. The coil 20 is positioned at a distance D measured from the front end 16 of the main pole parallel to the longitudinal axis of the main pole 14 (perpendicular to the surface of the recording layer 30). The main magnetic pole tip 16 is positioned at a flying height H on the upper surface of the protective layer 33. The main pole tip 16 preferably forms the air bearing surface portion of the recording head 10. The magnetizing coil 20 is positioned at a distance Z measured from the upper surface of the recording layer 30 in parallel with the longitudinal axis of the main magnetic pole 14. The distance Z is equal to the sum of the distances D and H plus the thickness of the protective layer 33. As shown further in FIG. 3, the thickness of the yoke 12 is T _y, T _y is preferably larger than the thickness T _p of the main magnetic pole 14.
[0021]
The dimensions R, D, H, Z, T _y , and T _p are selected according to the present invention so that a sufficient background magnetic field is generated in the recording layer 30 as current flows through the coil 20. preferable. For many perpendicular recording head configurations, the preferred range of R is from about 0.1 microns to about 5 microns, the range of D is from about 0.1 microns to about 5 microns, and the range of H is From zero to about 0.1 microns. Also, the range of Z is from about 0.1 microns to about 5 microns. The yoke thickness T _y is typically from about 0.1 microns to about 5 microns, and preferably from about 0.1 microns to about 1 micron. The main pole thickness T _p is from about 0.01 microns to about 0.5 microns, preferably from about 0.01 microns to about 0.1 microns.
[0022]
In accordance with the present invention, in order to generate the required background magnetic field in the recording layer 30, the ratio of the radial dimension R of the coil to the distance D is preferably controlled, as will be explained in more detail below. . Typically, the R: D ratio range is from about 1: 1 to about 10: 1, preferably from about 1: 1 to about 5: 1. The ratio of the yoke thickness T _y to the magnetic pole thickness T _p is also controlled. A preferred T _y : T _p ratio range is from about 1: 1 to about 10: 1, and a more preferred T _y : T _p ratio range is from about 2: 1 to about 5: 1. .
[0023]
The magnetizing coil 20 shown in FIGS. 2 and 3 comprises a single circular winding, but multiple windings and / or other coil shapes can also be used. For example, the coil 20 may be square, rectangular, spiral, linear, or the like. Similarly, the cross-sectional shapes of the yoke 12 and the main magnetic pole 14 can be circular, square, rectangular, or similar. As shown in FIGS. 2 and 3, the magnetizing coil 20 preferably surrounds the yoke 12 and the main pole 14, but the coil is placed at different positions on the head 10 as long as a sufficient background magnetic field is generated. Can be arranged. Although not preferred, a permanent magnet can be used in place of the coil 20, or a permanent magnet can be added.
[0024]
4 and 5 schematically show an alternative coil configuration according to the present invention. In the embodiment shown in FIG. 4, the conductive magnetizing coil 24 surrounds the outer surface of the yoke 12 and is positioned in contact with the outer surface of the yoke 12. In the embodiment shown in FIG. 5, the conductive magnetizing coil 26 is embedded in a recessed portion 28 that surrounds the outer surface of the yoke 12 and circulates around the outer surface of the yoke 12. 4 and 5, each of the magnetizing coils 24 and 26 is shown as a single winding that surrounds the yoke 12. Alternatively, multiple coil windings can be used. The magnetizing coils 24 and 26 shown in FIGS. 4 and 5 have a square cross-section, but any other suitable cross-sectional shape such as a rectangle or a circle may be used. The range of cross-sectional thickness of the magnetizing coils 20, 24, and 26 is typically from about 0.01 microns to about 5 microns, and preferably from about 0.1 microns to 2 microns.
[0025]
In the embodiment shown in FIGS. 2-5, the pole tip 16 has a flat surface. Instead, this design includes a concave pole tip described in US Patent Application No. _________________________________________________________________________________________________________________________, /////////////////////////// Can be combined with a perpendicular recording head having a concave pole tip design.
[0026]
According to the present invention, in order to generate the required background magnetic field strength in the recording layer 30, the amount of current supplied to the magnetizing coil 20 is controlled. Usually, the background magnetic field is greater than 100 gauss and preferably exceeds 1,000 gauss or 2,000 gauss. The range of the background magnetic field in the recording layer 30 is usually from about 100 gauss to about 20,000 gauss, preferably from about 1,000 gauss to about 15,000 gauss, depending on the magnetic properties of the recording layer 30. More preferably from about 5,000 gauss to about 10,000 gauss. The coercive force of the recording layer 30 is effectively reduced by the background magnetic field. The coercivity of the recording layer 30 is defined by H _c , and the background magnetic field effectively reduces the coercivity H _c to a smaller value defined by H _b . A preferred H _b : H _c ratio range is from about 1:10 to about 9:10, more preferably from about 3:10 to about 8:10. In a particularly preferred embodiment, the ratio of H _b : H _c is about 5:10.
[0027]
According to still another aspect of the present invention, with reference to the magnetic field strength H _p generated at the portion of the main pole tip 16, the level of background magnetic field H _b is controlled. The ratio of H _b : H _p is preferably from about 1:10 to about 10: 1, more preferably from about 4:10 to about 3: 1. As a specific example, a recording head according to the present invention that produces a magnetic tip coercivity H _{p of} 5,000 Oersteds and a background coercivity H _b of 8,000 Oersteds, and a recording with a coercive force of 10,000 Oersteds. You can write to the layer. Therefore, even if the magnetic flux generated from the magnetic pole tip alone is insufficient for writing to the recording layer, the dynamic coercive force of the recording layer is effectively reduced by the sufficient background magnetic field. Can be written.
[0028]
The magnetic flux is mainly concentrated in the magnetic pole tip unless the magnetic pole tip is completely saturated. The standard method for operating a single pole head is to select a current value I _SAT that fully saturates the pole tip. The magnetic field generated by the saturated magnetic pole is localized and the minimum bit cell size is determined by the gradient inside the recording layer. As the current through the coil further increases by ΔI (ΔI = I−I _SAT ), the extra magnetic flux generated is no longer confined to the pole tips. The magnitude of the additional magnetic field ΔB is proportional to ΔI. The magnetic flux spreads over a very wide area in the recording layer, and the width is determined by the diameter of the coil because the coil is relatively close to the recording layer. The magnitude of ΔB can be finely adjusted by the current flowing through the coil. In the case of a single coil, the magnitude of ΔB is
[Expression 1]

Given by. Where R is the radius of the coil and z is the distance from the coil to the hard layer. When R = 0.2 μm and z = 0.1 μm, using a single coil, a background magnetic field exceeding 1 Tesla (10,000 Oersteds) with a resolution of about 25 Oersteds / mA, with a current as small as 400 mA. Can be generated.
[0029]
The presence of the additional background magnetic field ΔB effectively reduces the coercivity of the recording layer. The additional background magnetic field ΔB allows writing on high coercivity media using a head based on available soft materials. Since the data transfer rate is fast, the introduction of such a background magnetic field can influence the dynamic coercivity much higher than the static coercivity.
[0030]
FIG. 6 shows the results of a magnetic field simulation using the boundary element solver Ampers for various coil current values. The magnetic field profiles at I = 50 mA (= I _SAT ) and I = 200 mA (ΔI = 150 mA) are shown. By adding an additional 150 mA to the saturation current I _SAT , a background field of 4,000 Oersteds is generated. This background magnetic field is not necessarily sufficient to erase the recorded bit pattern, but this background magnetic field effectively increases the write field at the pole tip and decreases the effective media coercivity.
[0031]
Tests were conducted to confirm this design performance. FIG. 7 shows an outline of the test. In order to simulate the background magnetic field from the coil when the coil is placed in close proximity to the ABS, a conventional coil having a magnetic tip 35 located far away from the pole tip 36 or writer air bearing surface. A vertical writer 34 is used in combination with an external magnetic field source 38 (a strong rare earth based permanent magnet capable of generating stray magnetic fields in excess of 2,000 Oersteds). The recording test was performed on a multilayer perpendicular medium 30 consisting of 20 Co / Pd layers having a coercive force in excess of 8,000 Oersted on a lower soft layer of FeAlN. First, the multilayer perpendicular medium was a large electromagnet. DC saturation (DC erasure) in a strong magnetic field generated using As expected, stray magnetic fields were not radiated from the DC saturated medium due to the demagnetizing field, and as a result, the read signal was zero. Next, recording by a conventional vertical writer was tried, but recording could not be performed because the recording magnetic field was insufficient. It was confirmed that the recording failure was due to a missing read signal. Finally, as shown schematically in FIG. 7, a small permanent magnet was placed on the recording head in close proximity to the multilayer perpendicular medium and another recording trial was performed. As a result, the reproduced bit pattern shown in FIG. 8 was recorded satisfactorily. The result shown in FIG. 8 proves that the anisotropy of the recording medium is temporarily effectively reduced by applying the background magnetic field.
[0032]
This recording system effectively reduces the coercivity of the medium. This is realized by generating a background magnetic field using a magnetizing coil arranged close to the recording layer. This recording system allows writing on high coercivity / high anisotropy media capable of supporting very high recording densities, for example, exceeding 100 gigabits / 6.45 cm ² (1 inch ² ). Therefore, a high recording density can be realized without having to change the recording process greatly.
[0033]
Although specific embodiments of the present invention have been described above for the purpose of illustrating the invention, various modifications of the details of the invention may be made without departing from the invention as defined by the claims. Will be apparent to those skilled in the art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph representing the magnetic field strength of a conventional perpendicular recording head versus the distance from an air bearing surface, showing that the magnetic field strength decreases significantly as the distance from the air bearing surface increases.
FIG. 2 is a partial schematic side sectional view of a perpendicular recording head including a background magnetic field generating coil according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view of a part of the recording head of FIG.
FIG. 4 is a schematic partial side sectional view of a magnetic pole tip and magnetic coil configuration of a perpendicular recording head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic partial side sectional view of a magnetic pole tip and magnetic coil configuration of a perpendicular recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph comparing the magnetic flux density of a perpendicular recording head that generates a background magnetic field and the magnetic flux density of a perpendicular recording head that does not generate a background magnetic field.
FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional side view of a test apparatus for generating a background magnetic field according to the present invention.
FIG. 8 is a graph showing playback level versus time, showing the effectiveness of the test apparatus shown in FIG.

Claims

In a perpendicular recording head (10) for use with a magnetic recording medium (30, 32),
A main pole (14) having a tip (16);
A yoke (12) connected to the main pole (14) and thicker than the main pole (14);
A conductive magnetizing coil (20) that at least partially surrounds the yoke (12) and is positioned in proximity to the main pole tip (16) and generates a background magnetic field in the magnetic recording medium (30) when a current flows. The main magnetic pole tip (16) is magnetically saturated, and the magnetically saturated magnetic pole tip (16) generates a magnetic field and the background magnetic field. The perpendicular recording head (10) which enables writing on the magnetic recording medium (30, 32) by interaction with the recording head.

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the magnetizing coil (20) at least partially surrounds the main pole.

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the magnetizing coil (20) is spaced from the yoke (12).

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the magnetizing coil (20) is directly adjacent to the yoke (12).

The perpendicular recording head (10) according to claim 1, wherein the magnetizing coil (20) is at least partially embedded in an outer surface of the yoke (12).

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the ratio of the thickness of the yoke (12) to the thickness of the main pole (14) is less than 10: 1.

The perpendicular recording head (10) according to claim 1, wherein the ratio of the thickness of the yoke (12) to the thickness of the main pole (14) is 2: 1 to 5: 1.

The radial dimension R of the magnetizing coil (20) measured from the axis defined by the main magnetic pole (14), and the magnetizing coil (20) from the magnetizing coil (20) itself to the pole tip (16). The perpendicular recording head (10) according to claim 2, wherein the ratio R: D of the magnetic pole tip distance D measured in a direction parallel to the main magnetic pole (14) is from 1: 1 to 10: 1.

The perpendicular recording head (10) of claim 8, wherein the radial dimension R is between 0.1 and 5 microns.

The perpendicular recording head (10) of claim 8, wherein the pole tip distance D is 0.1 to 5 microns.

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the background magnetic field is greater than 100 gauss.

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the background magnetic field is greater than 1,000 gauss.

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the background magnetic field is greater than 2,000 Gauss.

The perpendicular recording head (10) of claim 1, wherein the background magnetic field is from 5,000 gauss to 10,000 gauss.

H of background magnetic field _bb And the intensity of the magnetic field generated at the tip of the main pole is H _pp Then, H _bb : H _pp The perpendicular recording head (10) according to claim 1, wherein the ratio is from 1:10 to 10: 1.

H _bb : H _pp The perpendicular recording head (10) according to claim 15, wherein the ratio is from 4:10 to 3: 1.

A magnetic recording device,
A magnetic recording medium (30, 32) comprising an upper layer (30) having a plurality of data storage tracks, and a lower layer (32) that is softer than the data storage tracks;
A main pole (14) having a tip (16), a yoke (12) connected to the main pole (14) and having a thickness greater than the main pole (14), and partially surrounding the yoke (12); A conductive magnetizing coil (20) positioned close to the magnetic pole tip (16) is positioned at a flying height above the magnetic recording medium (30, 32), and an electric current is passed through the magnetizing coil (20). And a recording head (10) that generates a background magnetic field in the magnetic recording medium (30, 32) when flowing. The current flowing through the conductive magnetization coil (20) is generated by the tip of the main pole (16). Magnetic recording apparatus that causes magnetic saturation and enables writing to the magnetic recording medium (30, 32) by the interaction between the magnetic field generated by the magnetically saturated main pole tip (16) and the background magnetic field.

18. A magnetic recording device according to claim 17, wherein the magnetizing coil (20) at least partially surrounds the main pole (14).

The magnetizing coil (20) has a radial dimension R measured from an axis defined by the main magnetic pole (14) and the magnetizing coil (20) in a direction parallel to the main magnetic pole axis. The magnetic recording apparatus according to claim 18, wherein a ratio R: D of the magnetic pole tip distance D measured from the magnetic pole tip to the magnetic pole tip (16) is from 1: 1 to 10: 1.

The intensity of the background magnetic field is H _bb And the strength of the magnetic field generated at the tip of the main pole (16) is H _pp And H _bb : H _pp The magnetic recording apparatus according to claim 18, wherein the ratio is from 1:10 to 10: 1.

The magnetic recording device according to claim 17, wherein the magnetizing coil (20) generates a magnetic field at the tip of the main pole (16) in addition to a background magnetic field generated when a current flows through the magnetizing coil (20).

A method for storing data on a magnetic storage medium (30, 32), comprising:
Providing a magnetically permeable main pole (14) having a tip (16);
Providing a yoke (12) connected to the main pole (14) and having a thickness greater than the thickness of the main pole (14);
Providing a conductive magnetizing coil partially surrounding the yoke (12) and adjacent to the main pole tip (16);
Providing a magnetic storage medium (30, 32) adjacent to the main pole;
Passing a current through the magnetizing coil to an extent sufficient for the main pole (14) to be magnetically saturated;
Directing a magnetic field from the main pole (14) to the magnetic storage medium (30, 32);
Further generating a background magnetic field from the main pole (14) into the magnetic storage medium (30, 32),
The magnetic storage medium (30, 32) can be written on the magnetic storage medium (30, 32) by the interaction between the magnetic field from the magnetically saturated main pole tip (16) and the background magnetic field. How to store data on top.