JP2010003339A - 磁気記録方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波アシスト記録を実施する際の問題点であった、円偏光の極性切換えの問題、交流磁場の振幅の大きさの問題、さらには記録媒体が有する共鳴周波数の分散の問題を解決し、高密度記録が可能な磁気記録を実現する磁気記録方法を提供することにある。
【解決手段】マイクロ波アシスト磁気記録に用いる交流磁場を直線偏光とすることにより、円偏光を用いた際の極生切換えが不要となる。さらに交流磁場の基本周波数の０．５％から５０％の範囲内の変調振幅比、および、交流磁場の基本周期に対して２以上２０以下の変調周期比で、交流磁場の周波数変調を施すことにより、磁化反転磁場を著しく低減させることが可能となり、その結果、必要な交流磁場の振幅も大幅に低減できる。また記録媒体が有する共鳴周波数の分散がある状態においても、安定にマイクロ波アシスト記録を実施することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気記録装置に用いられる情報の磁気記録方法に関するものである。

高速かつランダムアクセスが可能な大容量情報記録装置として、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、現在、コンピュータの外部記憶装置、音楽・映像のストレージサーバ等、様々な分野で広く用いられている。このような幅広い普及には、数々の研究開発の蓄積による記録密度の飛躍的な増大と、それに伴う半導体メモリ等の他の競合技術を遥かに凌ぐビット単価の低減とが大きく寄与している。現在のＨＤＤの記録媒体は、磁化の向きがディスク面に対して垂直となる垂直磁気記録方式をとっており、従来の面内磁気記録方式に比べて高密度化に有利とされている。

しかしながら、この垂直磁気記録方式を用いても、次に述べる３つの深刻な問題に基づく原理的な記録密度の限界に近づきつつあり、今後の更なる記録密度の増大は大変難しい状況にある。記録密度の増大には媒体を構成する磁性微粒子の微細化が不可欠であり、その体積をＶ、磁化の方向を固定するための単位体積当りの磁気異方性エネルギーをＫ_ｕとすると、磁性粒子が有する全磁気異方性エネルギーはＫ_ｕＶとなり、記録情報の長期保存性を支配する。ところが、高密度化に伴う粒子体積Ｖの減少は、この磁気エネルギーＫ_ｕＶの減少をまねき、これが熱などの外部擾乱エネルギーと同程度になると、記録情報が消失する。これが一つ目の熱揺らぎ問題と呼ばれるものである。この熱揺らぎ問題を回避するために、最も簡単な方法としてＫ_ｕを大きくすることが考えられるが、これは情報の記録に必要な磁場（磁化反転磁場）Ｈ_ＳがＫ_ｕに比例するため、Ｈ_Ｓの増大を招くことになる。従って、大きなＨ_Ｓを有する媒体に記録を行うために、磁気ヘッドからの発生磁場Ｈ_Ｗを大きくすることが求められる。しかしながら、現在の磁気ヘッドは、現在知られている中で最大の飽和磁束密度を有している材料が既に利用されており、さらなるＨ_Ｓの増大は現行の磁気ヘッドでの書き込みが出来ない、という問題を生じる。これが二つ目の飽和記録限界の問題である。以上２つの問題を回避するためには、議論の最初に立ち返り、粒子体積Ｖを大きくする必要があるが、Ｖの増加は信号ノイズを増加させるため、そもそも高密度の記録が出来ないことになる。これが３つ目の信号ノイズに関する問題である。現行のＨＤＤにおいては、これら３つの問題をすべて満足することが非常に難しい状況となっており、磁気記録におけるトリレンマとして知られている。

上記３つの問題のうち、粒子体積Ｖの減少および磁気エネルギーＫ_ｕの増大は、高信頼の記録のために不可欠な要素であるため、残る飽和記録の問題を解決するために様々な技術提案がこれまでになされている。そのうちの一つが、通常の磁気ヘッドからの磁場に加えて、交流磁場を印加し、大きなＫ_ｕを有する材料においてＨ_Ｓの低下を図り、記録し易くするものである。原理的には、交流磁場の周波数が媒体を構成する磁性微粒子の磁気共鳴周波数に近い場合、スピンの歳差運動が励起され、その結果として磁化反転に至ることを利用するものである。この時の周波数が数〜数１０ＧＨｚ程度のマイクロ波帯域であることから、マイクロ波アシスト記録と呼ばれている。例えば、本技術を垂直磁気記録へ応用した場合に、大幅なＨ_Ｓの低減が図れ、高密度の記録が可能であることが数値シミュレーションにより示されている（例えば、非特許文献１参照）。また、交流磁場印加手法として、マイクロ波線路が提案されており、現行の単磁極型磁気ヘッドと組み合わせることにより、磁気ヘッドの磁極幅よりも小さい記録ビットの書き込みが可能であることが示されている（例えば、特願２００７−２４７３５８参照）。しかしながら、その実現のためには次の３つの問題を解決する必要がある。

一つ目は、偏光極性の問題である。一般にマイクロ波では、伝搬方向に対して磁場の振動面が揃っている状態を偏光と呼び、最も基本的な偏光状態が円偏光と呼ばれるものである。この円偏光には、右円偏光と左円偏光の２種類があり、これらを極性とよぶ。一方、上記のスピンの歳差運動においても、同様に右円運動と左円運動の場合があり、どちら向きの歳差運動になるかは、スピンの向きとスピンが感じる磁場の方向とで決まる。従って、マイクロ波アシスト記録を行うためには、その交流磁場の周波数を共鳴周波数に近づけるだけではなく、円偏光の極性も歳差運動のそれと一致させる必要がある。このことは、実際に垂直磁気記録方式にマイクロ波アシスト記録を適用することを想定した場合、ビット内の磁化の向きを下向きから上向き、あるいは上向きから下向きにする場合に、それぞれに応じて交流磁場を右円偏光から左円偏光へ、あるいは左円偏光から右円偏光へと極性を反転させなければならないことを意味している。さらに、この極性の反転は、現行ＨＤＤの書込み（書込み速度〜１０^９ビット/秒）に同期して行わなければならず、その実現は大変困難と予測される。

二つ目は、交流磁場振幅の問題である。数値シミュレーションによれば、マイクロ波アシストの効果を十分に発現させるためには、少なくとも１ｋＯｅ以上の交流磁場振幅が必要と見積もられ、より一層のＨ_Ｓ低下を図るためには、より大きな交流磁場振幅が望ましい。このような大振幅の交流磁場を数〜数１０ＧＨｚの周波数帯で発信させることは、現状では大きな技術的困難が予想される。

三つ目は、媒体の共鳴周波数分散の問題である。記録媒体を構成している磁性微粒子が有するＫ_ｕには数％程度の分散があるのが一般的であり、さらに記録状態に応じて周辺の磁性粒子から受ける静磁気相互作用の大きさが変わる。この２つの効果により、実際の記録媒体の共鳴周波数には、多いものでは数１０％の分散が生じることになる。マイクロ波アシスト記録においては、交流磁場周波数と磁性粒子の共鳴周波数とを合わせることが不可欠であるため、その実現のためには媒体の共鳴周波数の分散の抑制、もしくは分散があってもマイクロ波アシスト記録が可能となるような手法が必要である。

J-G. Zhu et al., "Microwave assisted magnetic recording",IEEE Transactions on Magnetics, 2008, Vol.44, No.1, p.125-131

非特許文献１ならびに特願２００７−２４７３５８において、交流磁場を利用した磁化反転磁場の低減および微小ビットの記録手法が開示されており、これらを実現できれば垂直磁気記録の更なる高密度記録に大変効果的である。しかし、その実現には、交流磁場の円偏光の極性切換え、大振幅交流磁場の発信、さらには共鳴周波数の分散という３つの原理的な技術課題を解決しなければならない。これらの点を鑑みて、本発明の目的は、まず直線偏光の交流磁場を用いることとし、これにより円偏光の極性切換えを不要とするものであり、またそれに加えて交流磁場の周波数を周期的に変調させることにより、共鳴周波数の分散があった場合でもマイクロ波アシスト記録が可能となり、その上、大幅な磁化反転磁場の低減が実現され、結果として必要な交流磁場振幅も小さくすることを可能とするものであり、現行の垂直磁気記録方式にマイクロ波アシスト記録の適用を実現するために有効な手法を提供することにある。

本発明は、垂直磁気記録媒体に、磁気ヘッドから印加される磁場に加えて、直線偏光の交流磁場を同時に印加し、なおかつ前記交流磁場の周波数を周期的に変調させることにより記録を行うことを特徴とする磁気記録方法である。

本発明によれば、通常の磁気ヘッドから印加される磁場に加えて、直線偏光の交流磁場を同時に印加し、なおかつ交流磁場の周波数を一定周期で変調させることにより、円偏光の交流磁場を用いた際に問題となる極性の切換えが不要となり、さらに媒体を構成する磁性粒子に共鳴周波数の分散があった場合でも安定にマイクロ波アシスト記録が実現でき、その上、大幅なＨ_Ｓの低減が実現され、結果として必要な交流磁場振幅も小さくすることが可能となる。

また、本発明によれば、前記交流磁場の周波数が１GHz以上４０GHz以下の範囲にあり、更にその基本周波数の０．５％から５０％の範囲内の変調振幅比で周波数変調させることを特徴とする磁気記録方法が得られる。４０GHz以上の交流磁場を用いても本発明の効果は損なわれること無く実現されるが、この４０GHz以下の範囲というのは、実際の記録を行う上での限界の目安として与えるものである。また、変調振幅比が基本周波数の５０％以上をもちいても、変調周期比を長くすることにより本発明の効果は現れるが、その分だけ記録に要する時間も長くなってしまう。したがって、この変調振幅比が基本周波数の５０％以下というのは、実際の書込み速度を実現する上での上限として与えるものである。ここで、この変調振幅比は、図１に示すように、周波数が時間変化する際の振幅を変調振幅とし、その平均の周波数を基本周波数とした場合に、％を単位として〔変調振幅比〕＝１００×〔変調振幅〕／〔基本周波数〕で与えられるものである。

また、本発明によれば、前記交流磁場の周波数変調の変調周期比は、前記交流磁場の基本周期に対して２以上２０以下であることを特徴とする磁気記録方法が得られる。変調周期比が基本周期の２０倍以上を用いても、変調振幅比を大きくすることにより本発明の効果は現れるが、その分だけ記録に要する時間も長くなってしまう。したがって、この変調周期比が基本周期の２０倍以下というのは実際の書込み速度を実現する上での上限として与えるものである。ここで、この変調周期比は、図１に示すように、周波数が時間変化する際の周期を変調周期とし、その基本周波数の逆数を基本周期とした場合に、〔変調周期比〕＝〔変調周期〕／〔基本周期〕で与えられるものである。

本発明の特徴について説明する。磁性体の磁化の振る舞いは、ナノ秒オーダーの高速な時間スケールにおいて、以下のLandau-Lifschitz-Gilbert（LLG）方程式に従うことが知られている。

ここで、ｍは磁化の単位ベクトル、γはジャイロ磁気定数、ｔは時間、αはギルバートのダンピング定数である。また、有効磁場Ｈ_effは、以下で表される。

Ｈ_eff ＝ Ｈ_ｋ ＋ Ｈ_ｄ ＋ Ｈ_Ｄ ＋ ｈ

ここで、Ｈ_ｋは異方性磁場、Ｈ_ｄは反磁場、Ｈ_Ｄはヘッド磁場、ｈは交流磁場である。ＬＬＧ方程式の右辺第１項は、磁場により発生するトルクを表しており、磁化の歳差運動を与える。第２項は、ダンピング項であり、磁化が歳差運動している状態から平衡位置への緩和を与える。つまり、エネルギーの散逸に寄与する。この際に、歳差運動周期に同期させた交流磁場ｈを与えると、磁気共鳴が起こり、交流磁場のエネルギーを効率良く吸収することができる。従って、ダンピング項によるエネルギー散逸よりも大きなエネルギーを与えると、歳差運動の際に次第にエネルギーが蓄積されていき、ある臨界点で磁気異方性エネルギーＫ_ｕが与えるエネルギー障壁を越えると、磁化反転に至ることが出来る。したがって、磁気共鳴の条件において、このような磁化反転が実現されることが理解され、磁化反転磁場を大幅に低下させることが可能となる。

磁気共鳴における歳差運動が、右円運動か左円運動かは上記ＬＬＧ方程式の右辺第一項で与えられ、磁化と有効磁場の向きとで決まることが分かる。この磁気共鳴が励起出来るのは、交流磁場の極性が歳差運動の向きと一致した場合だけであることは既に説明した通りである。一方、直線偏光は同一振幅の右偏光および左偏光の２つの円偏光の重ね合わせとして表わせるため、両方の偏光成分を持っていることになる。したがって、直線偏光を用いることにより、磁化の歳差運動が右円運動か左円運動、つまり磁化の向きが上向きか下向きに関わらず、常に磁気共鳴を励起することが可能となることが分かる。この場合、上向きおよび下向きの両方の磁化の歳差運動が励起されてしまっては記録が出来ないのでは、という懸念が生じるが、ＬＬＧ方程式からも理解されるように、磁気共鳴の周波数は磁気ヘッドからの磁場を含む有効磁場Ｈ_effで決まるため、交流磁場の周波数をその値に設定しておくことで、磁気ヘッドからの磁場が印加されている領域のみで磁気共鳴を起こすことが可能となる。

次に、周波数変調の効果について説明する。マイクロ波アシスト記録においては、磁気共鳴を如何に効率的に起こすか、という点が重要であることは既に述べた通りである。上記ＬＬＧ方程式の中にある有効磁場Ｈ_effには、異方性磁場Ｈ_ｋが含まれているが、このＨ_ｋが磁化の方位、より正確には磁化容易軸からの角度の関数であるため、磁化の歳差運動が励起され、磁化反転に至る過程においては、Ｈ_effは一定値ではなく、順次変化していくことになる。つまり、Ｈ_effの関数として与えられる共鳴周波数も、磁化反転に至る過程で変化することになる。このことは、周波数一定の交流磁場を印加した場合、共鳴周波数と交流磁場の周波数とが一致しているのは、磁化反転に至る過程のごく一部でしかないことを意味しており、この狭い範囲で磁化反転に必要なエネルギーを供給できた場合に磁化反転に至り、その効率は決して良くないことが容易に理解される。したがって、磁化反転に至る過程で変化する共鳴周波数に合わせて、交流磁場の周波数を変化させれば、磁化の歳差運動にエネルギーを供給できる時間を長くすることが可能となり、効率が著しく改善される。したがって、磁化反転磁場Ｈ_Ｓの大幅な低減が実現され、結果として必要な交流磁場振幅も小さくすることが可能となる。

また、一般的に記録媒体を構成している磁性微粒子が有するＫ_ｕには数％程度の分散があり、さらに記録状態に応じて周辺の磁性粒子から受ける静磁気相互作用の大きさが変わるため、この２つの効果により、実際の記録媒体の共鳴周波数には多いもので数１０％もの分散が生じる。したがって、変調振幅をこの共鳴周波数の分散より広く設定することにより、このような共鳴周波数の分散を持っている記録媒体においても、安定にマイクロ波アシスト記録が可能となる。

本発明によれば、垂直磁気記録方式においてマイクロ波アシスト記録を実施する際に問題となる、交流磁場の極性切換え、ならびに大振幅の交流磁場印加の問題を解決し、さらには記録媒体が有する共鳴周波数の分散に対しても実施可能であり、低ノイズ性、熱安定性、ならびに書込み特性に優れた超高密度磁気記録の実現に寄与することができる。

以下、垂直磁気記録方式においてマイクロ波アシスト記録を行う場合に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。直線偏光の交流磁場を得るにはマイクロストリップラインのようなマイクロ波線路を用いるのが最も簡単と考えられる。その一例として、図２は、マイクロ波線路１付き単磁極型磁気ヘッドの磁極２の模式図を示している。単磁極型磁気ヘッドの磁極２の片側に、ＳｉＯ₂などの絶縁体からなる薄板状の絶縁体薄板３を形成し、その上にＣｕなどの導体のマイクロ波線路１を配置する。このような構造とすることで、ヘッド磁場に対して直交する方向に直線偏光の交流磁場を印加することが出来る。

次に、本発明の効果を検証するために、モデルを用いた計算を行った。単磁極型磁気ヘッドの磁場が垂直に磁性粒子に印加される条件で、マイクロ波線路１から直交方向に直線偏光の交流磁場が印加されているとし、上記のＬＬＧ方程式を計算することにより、様々な条件での磁化反転磁場を求めた。なお、比較のために、円偏光の交流磁場の条件でも計算を行った。磁場の値ならびに磁性粒子の特性を、表１に示す。磁気記録の高速の書込み速度を考慮し、磁気ヘッドからの磁場の印加時間を１ナノ秒とした。

まずは、周波数変調なしの場合で、円偏光と直線偏光とによる交流磁場の場合の比較を行った。交流磁場の振幅はいずれも１kOeとし、計算により得られた磁化反転磁場を表２に示す。まず、磁化の方向が上向きの場合は右円運動、下向きの場合は左円運動の歳差運動となるが、円偏光の交流磁場を印加した場合には、歳差運動の向きと一致した円偏光の極性を有する場合のみで、磁化反転磁場の減少が確認できる。一方、直線偏光の場合では、どちらの磁化の向きにおいても、全く同様に反転磁場の減少が確認でき、極性切換えを行うこと無しにマイクロ波アシスト記録が実現できることが分かる。

次に、直線偏光の交流磁場を用いて、周波数変調を行った場合の結果について述べる。表３は、変調周期比を６とし、変調振幅比を１０％とした場合の、交流磁場振幅に対する磁化反転磁場の変化を示したものである。周波数変調を施すことにより、磁化反転磁場が著しく低下していることが分かる。

次に、表４は、直線偏光の交流磁場を用いて、変調周期比を６とし、変調振幅比を変化させた場合の磁化反転磁場の変化を示したものである。極僅かの変調振幅比を導入することで著しく磁化反転磁場が低下しているが、変調振幅の変化に対しては、あまり大きく反転磁場は変化しないことが分かる。

次に、表５は、直線偏光の交流磁場を用いて、変調振幅比を１０%とし、変調周期比を変化させた場合の磁化反転磁場の変化を示したものである。変調周期比が大きくなるに従い、磁化反転磁場が低下していることが分かる。

本発明に係る磁気記録方法に関する、交流磁場に周波数変調を施した場合の、交流磁場周波数と時間との関係を示す模式的なグラフである。 本発明の実施の形態の磁気記録方法の、マイクロ波線路付き単磁極型磁気ヘッドの磁極部を示す斜視図である。

符号の説明

１ マイクロ波線路
２ 磁極
３ 絶縁体薄板

Claims (3)

1. 垂直磁気記録媒体に、磁気ヘッドから印加される磁場に加えて、直線偏光の交流磁場を同時に印加し、なおかつ前記交流磁場の周波数を周期的に変調させることにより記録を行うことを特徴とする磁気記録方法。
2. 前記交流磁場の周波数が１GHz以上４０GHz以下の範囲にあり、更にその基本周波数の０．５％から５０％の範囲内の変調振幅比で周波数変調させることを特徴とする請求項１記載の磁気記録方法。
3. 前記交流磁場の周波数変調の変調周期比は、前記交流磁場の基本周期に対して２以上２０以下であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気記録方法。
   
   

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