JP2008152910A - 熱電冷却デバイスを有する磁気書込みヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】以前のヘッド設計によって生成される書込み磁界より大きい書込み磁界を生成することができる記録ヘッドを提供すること。
【解決手段】装置が、書込み磁極と、書込み磁極に隣接して位置決めされた冷却デバイスとを備える。書込み磁極は、希土類金属、又は希土類金属を含む合金を含むことができる。磁気記録ヘッド内で書込み磁極の一部分の磁気モーメントを増大するように冷却デバイスを使用する方法も提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、データ記憶デバイスに関し、より詳細には、データ記憶デバイス内で使用するための磁気記録ヘッドに関する。

磁気記録時には、記録ヘッドがデータ記憶媒体に近接して位置決めされ、ヘッド内の書込み極が、記憶媒体内の磁区の磁化の方向に影響を及ぼす磁界を生成する。磁気データ記憶デバイス内で記憶されるデータの面密度を増大するために、記録ヘッドによって生成される書込み磁界（write field）を増大させることが望ましい。磁極片材料と、記録ヘッドと媒体の間の距離とにより、媒体によって捉えられる書込み磁界の大きさが決定される。媒体にヘッドをより近づけて飛行させることは、書込み磁界を増大するための自明の選択肢のように思われるが、非常に厳しい工学上の挑戦課題が残っている。したがって、書込み磁界を増大するための、手近な唯一の他の選択肢は、極先端材料を、大きな磁気モーメント（４πＭ）を有する強磁性材料に変更することである。現在、室温での最大磁気モーメントは、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ合金（ただしｘ＝０．５〜０．６）に見出される２．４５Ｔである。これらのＦｅＣｏ合金は、５０年以上前に発見されており、依然として、知られている最も高いモーメントの材料のままである。

書込み磁界を増大するために、書込み極の磁気モーメントを増大することが望ましいであろう。以前のヘッド設計によって生成される書込み磁界より大きい書込み磁界を生成することができる記録ヘッドが求められている。

第１の態様では、本発明は、書込み磁極と、書込み磁極に隣接して位置決めされた冷却デバイスとを備える装置を提供する。書込み磁極は、希土類金属、又は希土類金属を含む合金を含むことができる。

書込み磁極は、第１の磁気飽和を有する第１の磁極片と、第２の磁気飽和を有する第２の磁極片とを備えることができ、第１の磁気飽和が第２の磁気飽和より大きい。

第１の磁極片は、第２の磁極片より低いキュリー温度を有することができる。冷却デバイスは、第１の磁極に隣接して位置決めすることができ、たとえばペルチェ・デバイス又は熱電子（thermionic）デバイスを含むことができる。

他の態様では、本発明は、磁気記録ヘッド内で書込み磁極の一部分の磁気モーメントを増大するように冷却デバイスを使用するステップを含む方法を提供する。

キュリー温度は、外部磁界がないとき、強磁性体が、正味の磁化（net magnetization）を有するためのその強磁性能力を失う温度である。記録ヘッド内の磁極片は、その磁極片の材料のキュリー温度より低い温度で動作する。図１は、いくつかの材料に関する磁気飽和対温度のグラフである。図１からわかるように、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、及びジスプロシウム−ロジウム合金（ＤｙＲｈ）などの材料は、室温（３００Ｋ）より低いキュリー温度を示す。

第１の態様では、本発明は、書込み極内の強磁性材料の有効書込み磁界（４πＭ）値を増大するために、高モーメント書込み磁極片をそのキュリー温度未満に冷却するための冷却デバイスを含む磁気記録ヘッドを提供する。冷却デバイスは、書込み磁極片を周囲温度又は室温未満に冷却するために使用することができる、ペルチェ・デバイスなど熱電（thermoelectric）冷却デバイスとすることができる。

磁極片材料を室温未満に冷却することにより、一般に従来のＦｅＣｏ合金より大きな磁気モーメントを有するが室温より低いキュリー温度を有する希土類金属及び合金を使用することが可能になる。書込み磁界の大きさを増大するために、本発明の記録ヘッドは、高モーメント書込み磁極片をその極材料のキュリー温度未満に冷却し、したがって、自然に４πＭ値を増大する。書込み極における４πＭの大きさの増大に伴って、媒体設計、保護用オーバーコート、及び潤滑剤の変更は必要とされない。

磁極片材料を室温未満に冷却することの利点については、図１に示されている磁化対温度図を使用して述べることができる。テスラ（Ｔ）単位の磁化が、様々な異なる強磁性金属及び合金について、温度の関数としてプロットされる。図１において考察されている材料のうち、ＦｅＣｏ合金が最も高いキュリー温度（Ｔｃ＞１３００Ｋ）と、２．４５Ｔという最も大きな室温（３００Ｋ）磁気モーメントとを有する。室温未満では、非常に高いキュリー温度のため、ＦｅＣｏの磁化が無視できるほどしか変化しない。なぜなら、飽和磁化が、８００Ｋ未満から始まるほぼ一定の値に安定するからである。Ｔｃ＝６２０Ｋを有する純粋なＮｉについて、同じ結論に到達することができる。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びそれらの合金など、従来の強磁性体の磁化は、それらの材料が３００Ｋより低い温度に冷却されたとき実質的に増大しないことが明らかである。

本発明に従って構築された記録ヘッドは、希土類合金など、他の強磁性材料を含むことができる。図１より、Ｇｄ及びＨｏ、並びに合金ＤｙＲｈの磁化は、２．４５Ｔより実質的に高いモーメントを有することがわかる。しかし、大きな磁化は、室温より十分に低い温度で実現することができるにすぎない。したがって、希土類合金で構成され室温より低い温度で保持された記録ヘッド書込み磁極片は、従来のＦｅＣｏ合金より１．５倍大きい書込み磁界を生成することができる。

図２は、ペルチェ冷却デバイス１０の概略図である。ペルチェ冷却デバイス１０は、第１の端部１６及び１８で導電体２０によって電気的に接続される（図２ではＡ及びＢの符号が付けられた）第１の材料１２及び第２の材料１４を含む。電気接点２２及び２４が、材料１２及び１４の第２の端部２６及び２８に設けられる。電圧源３０が接点２２及び２４に接続され、デバイスに電流を供給する。

ペルチェ効果は、互いに２つの接合部で接続されている２つの異種材料を介して電流が送られたとき発生する。デバイスの一方の側から他方の側にかけて電気的に推進される熱伝達が生じ、２つの材料間の一方の接合部は温かくなり、それに対して、他方の接合部は冷える。この伝達は、低温側を室温より十分に低くするほど劇的である可能性がある。ペルチェ・ユニットは、市販されてはいるが、電力ケーブル、ヒート・シンク、ファンを有し、かなり大きなものである。実際の記録ヘッド内で使用することができるユニットの機能部は、図２に示されている構成によって簡潔に表すことができる。

材料Ａ及びＢは、異なる導電材料であり、異なる電子密度を有する。導電体により材料Ａと材料Ｂが互いに接続されたとき、自由電子の新しい平衡が確立されることになる。電位移動により、接続部のそれぞれを跨いで電界が生み出される。その後で電流がユニットを通過させられたとき、新しい平衡を維持しようと試みられ、一方の接続部で電子がエネルギーを吸収し、他方の接続部で電子がエネルギーを放つ。これにより、デバイスの低温端３２及び高温端３４が生じる。

図３は、多段ペルチェ冷却デバイス５０の概略図である。図３の例では、電気接続部５２、５４、５６が、図のようにＮ型材料５８、６０、及びＰ型材料６２、６４を接続するように使用される。材料６０と材料６２は、導体５２によって第１の端部６６で電気的に接続される。材料５８と材料６２は、導体５４によって第２の端部６８で電気的に接続される。材料６０と材料６４は、導体５６によって第２の端部６８で電気的に接続される。

接続部５４と接続５６の間に電圧が印加されたとき、矢印７０によって示されている電流がデバイスに注入される。電子不足の材料（たとえば、Ｐ型材料）から電子余りの材料（たとえば、Ｎ型材料）に移動する電子は、コネクタ部でエネルギーを吸収することになり、一方、Ｎ型からＰ型に移動する電子は、コネクタ部でエネルギーを放つことになる。このエネルギーは、熱の形態で吸収され、また放たれ、第１の端部６６を低温にし、第２の端部６８を高温にする。この効果の大きさは、ユニットを介して送られる電流の量と共に増大する。

ペルチェ・デバイスの「低温」側は、磁気記録ヘッド内の高モーメント強磁性書込み磁極片と密接に熱接触するように位置決めすることができる。選択される強磁性磁極片材料は、低温で実質的な磁気モーメントを有することになり、室温で非磁性であってもよい。たとえば、この材料は、３００Ｋ未満のキュリー温度を有することができる。

このタイプのデバイスを用いて達成することができる温度は、周囲温度、熱負荷の性質、デバイスへの電流送達の最適化、及びヒート・シンクの最適化など、多数の事柄によって決まる。高モーメント合金のキュリー温度より十分に低い温度に到達するために、多段ペルチェ・デバイスが必要とされる可能性がある。しかし、磁気記録ヘッド内で使用されるペルチェ・デバイスは、たとえば１００ｎｍ^２の面積、すなわち実際の書込み極のサイズを冷却することを必要とすることになるにすぎない。したがって、電力消費は問題にならないはずであり、より重要なことには、小さいサイズにより、デバイスは、６４．５ｃｍ^２（１０ｉｎ^２）程度の面積を冷却している商用のユニットに比べて、より低い温度に到達することができることになる。

記録ヘッド設計の例が、図４に提示されている。この記録ヘッドは、従来の磁気媒体を使用しながら、原理上、隣接する記憶媒体上に記憶されたデータの面密度増大を可能にすることになるペルチェ・デバイスの形態で、冷却デバイスを含む。また、この冷却概念は、熱雑音作用を減少させながら巨大な磁気抵抗応答（magnetoresistance response）を改善するために、リーダに対して拡張することができるであろう。

図４は、高モーメント強磁性書込み磁極片８４と密接に熱接触する単一段ペルチェ・デバイス８２の形態にある冷却デバイスを含む磁気記録ヘッド８０の横断面図である。この記録ヘッドは、この例では５ターン８８を有するコイル８６と、いくつかの軟強磁性磁極片８４、９０、９２、９４とを含む。磁極片９０の横断面積は、磁極片８４の横断面積より大きい。磁極片８４及び９０は、書込み極を形成する。磁極片９２は戻り極であり、磁極片９４は、書込み極を戻り極に磁気的に結合するペデスタルである。ペルチェ・デバイス８２は、第１の端部１００及び１０２で導電体１０４によって電気的に接続される第１の材料９６及び第２の材料９８を含む。電気接点１０６及び１０８が、材料９６及び９８の第２の端部１１０及び１１２にそれぞれ電気的に接続される。一例では、材料９６はＮ型導体とすることができ、材料９８はＰ型導体とすることができる。Ｎ型材料は、たとえばＳｅドープされたＢｉ_２Ｔｅ_３とすることができ、Ｐ型材料は、たとえばＳｂドープされたＢｉ_２Ｔｅ_３とすることができる。

コイル及び冷却デバイスは、アルミナなど絶縁体１１４に埋め込むことができる。アルミナとすることができる絶縁層１１６が、戻り極を基板１１８から分離する。高モーメント強磁性書込み磁極片８４は、記録ヘッドのエア・ベアリング表面１２０に隣接して位置決めされる。記録ヘッドは、記録媒体１２２に隣接して位置決めされ、エア・ベアリング１２４によって記録媒体から分離される。

磁極片とコイルの組合せにより、電磁石が形成される。ペルチェ・デバイスは、電磁石の内側で位置決めされる。ペルチェ・デバイスに対する電気接続は、磁極片に対する短絡を防止するように構成することができる。最も大きな書込み磁界（４πＭ）は、ペルチェ・デバイスの低温側と直接接触する高モーメント磁極片８４から発生する。ペルチェ・デバイスは、適切なエッチング・ステップ及び側壁堆積と共に、スパッタ堆積及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）めっきによって作製することができる。

図４の例では、有効書込み磁界（４πＭ）を自然に増大する方法として、電磁石の一部分、すなわち高モーメント磁極片を冷却するために、ディスク・ドライブなど磁気記憶デバイス用の磁気記録ヘッドにペルチェ・デバイスが組み込まれる。磁極片９０、９２、９４は、ＦｅＣｏ合金など、従来の材料製とすることができる。高モーメント磁極片８４は、低温でＦｅＣｏ合金に比べて著しく大きな４πＭ値を有する希土類金属及び合金製とすることができる。ペルチェ・デバイスは、スパッタ堆積又はめっき技法によって作製することができる。高モーメント磁極片合金は、ＲＥを希土類金属（たとえば、ＧｄＲｈ、ＤｙＲｈ、ＴｂＲｈ、ＨｏＲｈなど）として、ＲＥ−Ｒｈベースの合金とすることができる。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなど追加の遷移金属を上記の合金に追加し、たとえばＦｅＤｙＲｈＣｏなどを形成することもできる。

図５は、高モーメント強磁性書込み磁極片１３４と密接に熱接触する単一段ペルチェ・デバイス１３２の形態にある冷却デバイスを含む別の磁気記録ヘッド１３０の一部分の概略図である。この記録ヘッドは、コイル１３６と、いくつかの軟強磁性磁極片１３４、１３８、１４０、１４２とを含む。磁極片１３８の横断面積は、磁極片１３４の横断面積より大きい。磁極片１３４及び１３８は、書込み極を形成する。磁極片１４０は戻り極であり、磁極片１４２は、書込み極を戻り極に磁気的に結合するペデスタルである。ペルチェ・デバイス１３２は、第１の端部１４８及び１５０で導電体１５２によって電気的に接続される第１の材料１４４及び第２の材料１４６を含む。導電体１５４及び１５６が、材料１４４及び１４６の第２の端部１５８及び１６０にそれぞれ電気的に接続される。一例では、材料１４４はＮ型導体とすることができ、材料１４６はＰ型導体とすることができる。導体１５４及び１５６は、ペルチェ・デバイスの高温端から熱を除去するように、ヒート・シンクとして働くことができる。

本発明は、ペルチェ熱電デバイスに限定されない。たとえば、熱電冷却（thermionic refrigeration）を使用する冷却デバイスをも使用することができる。熱電冷却は、１０^６Ｖ／ｃｍ程度の電界の影響下で半導体ヘテロ構造を使用する、真空内への電子放出に起因する。これにより、ヘテロ構造と接触金属の間のショットキ・バリアに依存する冷却電流が生成される。理論計算により、これらのデバイスは、１００Ｋと同程度の低い温度に達する可能性があることが示唆されている。

記録ヘッドの別の例が、図６に提示されている。この記録ヘッドは、従来の磁気媒体を使用しながら面密度増大を可能にすることになる熱電デバイスの形態にある冷却デバイスを含む。

図６は、高モーメント強磁性書込み磁極片１７４と密接に熱接触する、たとえば熱電子デバイスとすることができる冷却デバイス１７２を含む磁気記録ヘッド１７０の横断面図である。この記録ヘッドは、コイル１７６と、いくつかの軟強磁性磁極片１７４、１７８、１８０、１８２とを含む。磁極片１７８の横断面積は、磁極片１７４の横断面積より大きい。磁極片１７４及び１７８は、書込み極を形成する。磁極片１７４は、たとえば４πＭ_ｓ＞４Ｔを有するＤｙＦｅＲｈＣｏ合金とすることができる。磁極片１８０は戻り極であり、磁極片１８２は、書込み極を戻り極に磁気的に結合するペデスタルである。冷却デバイス１７２は、第１の端部１８４で導電体１８６及び１８８によって電気的に接続される。コイル及び冷却デバイスは、アルミナなど絶縁体１９０に埋め込むことができる。アルミナとすることができる絶縁層１９２が、戻り極を基板１９４から分離する。高モーメント強磁性書込み磁極片１７４は、記録ヘッドのエア・ベアリング表面１９６に隣接して位置決めされる。記録ヘッドは、記録媒体１９８に隣接して位置決めされ、エア・ベアリング２００によって記録媒体から分離される。

また、記録ヘッドは、リーダを含むことができ、ペルチェ・デバイス又は熱電子デバイスなど冷却デバイスは、リーダを冷却し、熱雑音を減少させながらＧＭＲ又はＴＭＲ効果を増大するように、リーダに隣接して位置決めすることもできる。

図７は、本発明に従って構築された記録ヘッドを含むことができるディスク・ドライブの形態にある磁気記憶デバイスの絵図である。ディスク・ドライブ２１０は、ディスク・ドライブの様々な構成要素を容れるようにサイズ決めされ構成されたハウジング２１２（この図では、上部が取り外され、下部が見える）を含む。ディスク・ドライブ２１０は、ハウジング２１２内で、磁気記録媒体とすることができる少なくとも１つの記憶媒体２１６を回転させるために、スピンドル・モータ２１４を含む。少なくとも１つのアーム２１８がハウジング２１２内に含まれ、各アーム２１８は、記録ヘッド又はスライダ２２２を有する第１の端部２２０を有し、第２の端部２２４は、軸受け２２６によってシャフト上で旋回可能に載置される。アクチュエータ・モータ２２８は、記録ヘッド２２２をディスク２１６の所望のセクタ又はトラック２３０の上で位置決めするようにアーム２１８を旋回するために、アームの第２の端部２２４に位置する。アクチュエータ・モータ２２８はコントローラによって調節され、コントローラはこの図に示されておらず、当技術分野で周知である。

本発明に従って構築された記録ヘッドは、磁界がデータ記憶媒体に印加される他のタイプのデータ記憶デバイスで使用することができる。

本発明についていくつかの例によって述べたが、添付の特許請求の範囲に述べられている本発明の範囲から逸脱することなしに、様々な変更を、述べられている例に加えることができることが、当業者には明らかとなるであろう。

いくつかの材料に関する磁気飽和対温度のグラフである。 ペルチェ冷却デバイスの概略図である。 ペルチェ冷却デバイスの概略図である。 冷却デバイスを含む磁気記録ヘッドの横断面図である。 冷却デバイスを含む磁気記録ヘッドの一部分の等角投影図である。 冷却デバイスを含む磁気記録ヘッドの横断面図である。 本発明に従って構築された記録ヘッドを含むことができるディスク・ドライブの形態にある磁気記憶デバイスの絵図である。

符号の説明

８０、１３０、１７０ 磁気記録ヘッド
８２、１３２ 単一段ペルチェ・デバイス
８４、１３４、１７４ 高モーメント強磁性書込み磁極片
８６、１３６、１７６ コイル
８８ ５ターン
９０、９２、９４、１３８、１４０、１４２、１７８、１８０、１８２ 磁極片
９６、１４４ 第１の材料
９８、１４６ 第２の材料
１００、１０２、１４８、１５０、１８４ 第１の端部
１０４、１５２、１５４、１５６、１８６、１８８ 導電体
１０６、１０８ 電気接点
１１０、１１２、１５８、１６０ 第２の端部
１１４ 絶縁体
１１６、１９２ 絶縁層
１１８、１９４ 基板
１２０、１９６ エア・ベアリング表面
１２２、１９８ 記録媒体
１２４、２００ エア・ベアリング
１７２ 冷却デバイス

Claims (16)

1. 書込み磁極と、
   前記書込み磁極に隣接して位置決めされた冷却デバイスと
   を備える装置。
2. 前記書込み磁極が、希土類金属、又は希土類金属を含む合金を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記書込み磁極が、
   第１の磁気飽和を有する第１の磁極片と、
   第２の磁気飽和を有する第２の磁極片とを備え、
   前記第１の磁気飽和が前記第２の磁気飽和より大きい、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の磁極片が、前記第２の磁極片より低いキュリー温度を有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記冷却デバイスが、前記第１の磁極片に隣接して位置決めされる、請求項３に記載の装置。
6. 前記冷却デバイスが、ペルチェ・デバイス又は熱電子デバイスを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記冷却デバイスが、ドープされたテルル化ビスマス材料を含むペルチェ・デバイスを含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記書込み磁極が、Ｒｈベースの合金を含む、請求項１に記載の装置。
9. 磁気記録ヘッド内で書込み磁極の一部分の磁気モーメントを増大するように冷却デバイスを使用するステップ
   を含む方法。
10. 前記書込み磁極の前記一部分が、希土類金属、又は希土類金属を含む合金を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記書込み磁極が、
    第１の磁気飽和を有する第１の磁極片と、
    第２の磁気飽和を有する第２の磁極片とを備え、
    前記第１の磁気飽和が前記第２の磁気飽和より大きい、請求項９に記載の方法。
12. 前記第１の磁極片が、前記第２の磁極片より低いキュリー温度を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記冷却デバイスが、前記第１の磁極片に隣接して位置決めされる、請求項１１に記載の方法。
14. 前記冷却デバイスが、ペルチェ・デバイス又は熱電子デバイスを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記冷却デバイスが、ドープされたテルル化ビスマス材料を含むペルチェ・デバイスを含む、請求項９に記載の方法。
16. 前記書込み磁極が、Ｒｈベースの合金を含む、請求項９に記載の方法。

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