(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気記録媒体に対向する第１の対向面を有するスピントルク発振素子と、
前記スピントルク発振素子が間に配置される一対のシールド部であって、前記磁気記録媒体に対向する第２の対向面をそれぞれ有する一対のシールド部と、
を具備し、
前記スピントルク発振素子に作用する、情報を読み出す対象の媒体ビットに隣接する媒体ビットからの磁場を低減するために、前記第２の対向面のそれぞれと前記磁気記録媒体との距離を、前記第１の対向面と前記磁気記録媒体との距離よりも短くしたことを特徴とするスピントルク発振素子再生ヘッド。
【請求項２】
前記一対のシールド部により規定される部分に設けられ、前記磁気記録媒体に対向する第３の対向面を有する絶縁層をさらに具備し、
前記第２の対向面のそれぞれと前記第３の対向面とが連続していることを特徴とする請求項１に記載のスピントルク発振素子再生ヘッド。
【請求項３】
前記スピントルク発振素子は、磁化が回転可能な発振層を含む多層構造からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のスピントルク発振素子再生ヘッド。
【請求項４】
前記発振層は、前記一対のシールド部の間の中心部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のスピントルク発振素子再生ヘッド。
【請求項５】
前記発振層にバイアス磁場を印加するためのバイアス磁場源をさらに具備することを特徴とする請求項３又は４に記載のスピントルク発振素子再生ヘッド。
【請求項６】
前記発振層は、該発振層の膜面の長手方向に規定される第１軸、及び該膜面の短手方向に規定される第２軸を備え、前記磁気記録媒体から発生されて前記発振層に作用する媒体磁場の向きと、前記第２軸と、が平行になるように前記発振層が配置される、ことを特徴とする請求項５に記載のスピントルク発振素子再生ヘッド。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスピントルク発振素子再生ヘッドと、
前記磁気記録媒体と、を具備する磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スピントルク発振素子を備える磁気再生ヘッド、及びこの磁気再生ヘッドを備える磁気記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録媒体を備える磁気記録再生装置としては、例えば、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと呼ぶ）がある。ＨＤＤでは、磁気記録媒体としての磁気ディスクに記録されている磁気情報は、磁気再生ヘッド内の磁気センサによって読み出される。磁気再生ヘッド用の磁気センサとしては、従来からＧＭＲセンサ又はＴＭＲセンサといった磁気抵抗効果センサが用いられている。
【０００３】
ＨＤＤにおける磁気記録密度は、年々増加している。２０１１年現在で製品化されているＨＤＤの最大面記録密度は、約７００Ｇｂｉｔ／ｉｎ２である。ＨＤＤの技術ロードマップによれば、面記録密度は、２０１３年頃に１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２、２０１５年頃に２Ｔｂｉｔ／ｉｎ２に達するとされる。
【０００４】
面記録密度を大きくすることは、磁気ディスク内の媒体ビットのサイズを小さくすることに対応する。磁気センサのサイズは、媒体ビットのサイズに適合するように小さくする必要がある。今後、媒体ビットのサイズ及び磁気センサのサイズがさらに小さくなると、再生信号中のノイズが増大し、従来の磁気抵抗効果センサでは実用的なＳＮ比（signal-to-noise ratio）を確保できなくなると考えられている。ＳＮ比低下の要因としては、例えば、熱的マグノイズ、ビット間干渉ノイズ等がある。熱的マグノイズは、磁気センサ内の磁性層磁化の熱による揺らぎに起因するノイズである。ビット間干渉ノイズは、情報を読み出したい媒体ビット（ターゲットビット）以外の媒体ビットによる磁場が磁気センサに作用することに起因するノイズである。
【０００５】
熱的マグノイズを抑制することができる磁気センサとして、スピントランスファ効果を利用するスピントルク発振素子磁気センサが提案されている。スピントルク発振素子（Spin-Torque Oscillator; ＳＴＯ）は、磁化フリー層、スペーサ層、及び強磁性層（例えば磁化ピンド層）を順次に積層した積層膜を基本構造として持つ。スピントルク発振素子に通電すると、電流が磁化ピンド層によりスピン偏極され、スピン偏極した電流により磁化フリー層の磁化が定常振動する。スピントルク発振素子を磁気センサとして用いる磁気再生ヘッド（スピントルク発振素子再生ヘッドともいう。以下、ＳＴＯ再生ヘッドと称する。）は、磁化振動の振幅及び周波数がスピントルク発振素子に作用する外部磁場に依存することを利用して、磁気記録媒体から情報を読み出すことができる。磁化の振動エネルギーが熱的エネルギーよりも十分大きければ、磁化の熱による揺らぎが相対的に抑制されるので、スピントルク発振素子を磁気センサとして用いることにより、熱的マグノイズの問題を回避することができると考えられている。
【０００６】
一方、ビット間干渉ノイズは、ターゲットビット以外の媒体ビットからの磁場を吸収するように磁気シールドを設けることで抑制できるとされる。磁気シールドは、磁気センサが磁気シールド間に配置されるように設けられる。媒体ビットのサイズの縮小化には、磁気シールド間のギャップを小さくすることで対応する。しかしながら、磁気センサは、磁気シールド間に配置されるので、磁気シールド間のギャップは、磁気センサの積層膜の厚さより小さくすることができない。このため、磁気シールド間のギャップの狭小化によるビット間干渉ノイズの抑制には限界があるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０９８７８６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Mizushima et al., “Signal-to-noise ratios in high-signal-transfer-rate read heads composed of spin-torque oscillators”, Journal of Applied Physics, 107, 063904 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、スピントルク発振素子を磁気センサとして用いることにより、熱的マグノイズの問題は回避できると考えられているが、ビット間干渉ノイズの低減には限界があるとされる。従って、ＳＴＯ再生ヘッドにおいては、再生信号におけるビット間干渉ノイズを低減できることが求められる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、再生信号におけるビット間干渉ノイズを低減することができるＳＴＯ再生ヘッド及び磁気記録再生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態に係るスピントルク発振素子再生ヘッドは、スピントルク発振素子及び一対のシールド部を備える。スピントルク発振素子は、磁気記録媒体に対向する第１の対向面を有する。前記スピントルク発振素子は、１対のシールド部の間に配置される。シールド部は、前記磁気記録媒体に対向する第２の対向面をそれぞれ有する。前記第２の対向面のそれぞれと前記磁気記録媒体との距離は、前記第１の対向面と前記磁気記録媒体との距離よりも短い。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドを概略的に示す断面図。
【図２】図１に示したスピントルク発振素子の上部に絶縁層が設けられている例を示す断面図。
【図３】図１に示したスピントルク発振素子に作用する磁場の大きさの距離依存性を示すグラフ。
【図４】（Ａ）は図１のスピントルク発振素子の周波数変化の測定結果を示すグラフであり、（Ｂ）は図１のスピントルク発振素子に印加したパルス磁場を示すグラフである。
【図５】第２の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドを概略的に示す断面図。
【図６】第３の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドを概略的に示す断面図。
【図７】第４の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドを概略的に示す断面図。
【図８】図７に示した発振層、ターゲットビット及びバイアス磁場源を抜き出して示す概略図。
【図９】第４の実施形態の変形例に係るＳＴＯ再生ヘッドを概略的に示す断面図。
【図１０】第４の実施形態の他の変形例に係るＳＴＯ再生ヘッドを概略的に示す断面図。
【図１１】図７のXI-XI線に沿ったＳＴＯ再生ヘッドの断面図。
【図１２】図７に示すバイアス磁場源からのバイアス磁場に対する発振周波数変化量を示すグラフ。
【図１３】第５の実施形態に係る磁気記録再生装置を概略的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、実施形態に係るスピントルク発振素子再生ヘッド及び磁気記録再生装置を説明する。以下の実施形態では、スピントルク発振素子再生ヘッドをＳＴＯ（Spin-Torque Oscillator）再生ヘッドと称する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
【００１４】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッド１００を概略的に示している。このＳＴＯ再生ヘッド１００は、磁気記録媒体１５０に記録されている情報を再生するために使用される。磁気記録媒体１５０としては、例えば、ハードディクスドライブ（ＨＤＤ）に搭載される磁気ディスクがある。本実施形態では、ＳＴＯ再生ヘッド１００がＨＤＤに適用される場合を例に挙げて説明する。本実施形態の磁気記録媒体１５０は磁気ディスクである。
【００１５】
磁気記録媒体１５０には、その中心から半径方向に沿って等間隔に複数の円環状のトラックが形成されている。これらトラックの各々には、媒体ビット（例えば、媒体ビット１５１、１５２、１５３）が等間隔に配列されている。媒体ビットが配列される間隔は、同一トラック内で等間隔であればよく、トラックごとに異なっていてもよい。
【００１６】
説明を簡単にするために、図１に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向を定義する。Ｚ方向はトラック方向を表し、Ｘ方向はクロストラック方向（半径方向）を表す。また、Ｙ方向は磁気記録媒体１５０の表面（又は記録面）に垂直な方向を表す。さらに、ＳＴＯ再生ヘッド１００側を上、磁気記録媒体１５０側を下として、Ｙ方向に沿って上下方向を定義する。
【００１７】
図１に示される磁気記録媒体１５０は、記録面に対して垂直な方向に磁化容易軸を有する垂直磁気記録媒体である。媒体ビットは、その磁化方向に応じた情報を保持する。例えば、磁化方向が上向きの媒体ビット１５２は、情報“０”を保持し、磁化方向が下向きの媒体ビット１５１、１５３は、情報“１”を保持する。さらに、媒体ビットは、その磁化方向に応じた媒体磁場を発生する。ＳＴＯ再生ヘッド１００は、スピントルク発振素子１１０に作用する媒体ビットからの媒体磁場を検出することで、その媒体ビットが保持する情報を読み出すことができる。
【００１８】
情報再生時には、磁気記録媒体１５０が図示しない回転機構により回転され、即ち、ＳＴＯ再生ヘッド１００がＺ方向に相対的に移動する。それにより、スピントルク発振素子１１０に作用する媒体磁場が時々刻々と変化する。ＳＴＯ再生ヘッド１００は、時々刻々と変化する媒体磁場を検出することで、磁気記録媒体１５０から情報を次々に読み出すことができる。
【００１９】
本実施形態では、ＳＴＯ再生ヘッド１００の直下に位置し、情報を読み出す対象になっている媒体ビットをターゲットビットと呼ぶ。さらに、ターゲットビットの周辺に位置している媒体ビットを隣接ビットと呼ぶ。図１では、ターゲットビットは媒体ビット１５２であり、隣接ビットは媒体ビット１５１、１５３等を含む。
【００２０】
なお、磁気記録媒体１５０は、ハードディスクドライブの磁気ディスクである例に限らず、任意の他の磁気記録媒体であってもよい。さらに、磁気記録媒体１５０は、垂直磁気記録媒体である例に限らず、記録面に対して水平な方向に磁化容易軸を有する面内磁気記録媒体であってもよい。
【００２１】
図１に示されるＳＴＯ再生ヘッド１００は、スピントルク発振素子１１０及び一対のシールド膜（磁気シールド）１２０Ａ、１２０Ｂを備える。スピントルク発振素子１１０は、シールド膜１２０Ａとシールド膜１２０Ｂとの間に配置されている。スピントルク発振素子１１０は、磁気記録媒体１５０の表面に対向する媒体対向面１１８を有する。また、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂは、磁気記録媒体１５０の表面に対向する媒体対向面１２１Ａ、１２１Ｂをそれぞれ有する。シールド膜は、膜だが厚みがあるので、膜と呼ばないこともある。ここでは、シールド膜をシールド部と呼ぶこともある。
【００２２】
媒体対向面１２１Ａ、１２１Ｂのそれぞれと磁気記録媒体１５０の表面との距離は、媒体対向面１１８と磁気記録媒体１５０の表面との間の距離より小さい。即ち、媒体対向面１２１Ａ、１２１Ｂは、媒体対向面１１８よりも磁気記録媒体１５０側に突出している。媒体対向面１２１Ａ、１２１Ｂの各々と媒体対向面１１８との間のＹ方向の距離は、磁気記録媒体１５０の媒体ビットが発生する磁場の大きさ、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂの材料及び形状等に応じて適宜に決められる。
【００２３】
スピントルク発振素子１１０は、発振層１１４を含む多層構造（積層膜）を有する。具体的には、スピントルク発振素子１１０は、非磁性層１１１と、非磁性層１１１に積層されている強磁性層１１２と、強磁性層１１２に積層されているスペーサ層１１３と、スペーサ層１１３に積層されている発振層１１４と、発振層１１４に積層されている非磁性層１１５とを含む。
【００２４】
スペーサ層１１３は、銅等の非磁性金属で、或いは、酸化マグネシウム、アルミナ等の非磁性絶縁体で形成される。スペーサ層１１３が非磁性金属で形成されている場合、スピントルク発振素子１１０の多層構造は、いわゆるＧＭＲ（giant magnetoresistance effect）素子及びＣＰＰ（current perpendicular plane）−ＧＭＲ素子の多層構造と同一である。また、スペーサ層１１３が非磁性絶縁体で形成されている場合、スピントルク発振素子１１０の多層構造は、いわゆるＴＭＲ（tunnel magnetoresistance effect）素子の多層構造と同一である。
【００２５】
強磁性層１１２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、或いは、それらの合金で形成される。本実施形態の強磁性層１１２は、積層膜の膜面に平行な方向に固定されている磁化１１７を有する。ここでは、非磁性層１１１、強磁性層１１２、スペーサ層１１３、発振層１１４及び強磁性層１１５が積層される方向（積層方向）に垂直な面を膜面と呼ぶ。
【００２６】
発振層１１４は、鉄、コバルト、ニッケル等の金属、或いは、それらの合金で形成される。発振層１１４は磁化１１６を有し、この磁化１１６の向きは可変である。非磁性層１１１、１１５は、非磁性金属で形成される。
【００２７】
シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂは、スピントルク発振素子１１０に作用する磁場の大部分がターゲットビット１５２から発生する磁場になるように、隣接ビット１５１、１５３から発生する磁場を吸収する。即ち、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂは、隣接ビット１５１、１５３からの磁場がスピントルク発振素子１１０に作用するのを防ぐ磁気シールドとして機能する。媒体ビットからの磁場は、図１において磁力線１８０で示されるように、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂに吸収される。シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂは、大きな透磁率を有するパーマロイ等の軟磁性金属で形成される。
【００２８】
さらに、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂは、スピントルク発振素子１１０に通電するための一対の電極として機能する。スピントルク発振素子１１０は、一対のシールド膜１２０Ａ、１２０Ｂを通じて直流電流Ｉを通電することにより発振する。スピントルク発振素子１１０には、図示しない電源から直流電流Ｉが供給される。強磁性層１１２は、直流電流Ｉに対するスピンフィルタとして働く。強磁性層１１２を通過した直流電流Ｉは、発振層１１４に対するスピン偏極電流となり、発振層１１４の磁化１１６にスピントルク（スピントランスファトルクともいう）を作用させる。その結果、磁化１１６は、定常的に振動する。
【００２９】
具体的には、直流電流Ｉは、スピントルク発振素子１１０の積層膜の膜面に対して垂直に通電される。本実施形態では、電流Ｉは、図１の矢印に示されるように、非磁性層１１５から非磁性層１１１の方向に通電される。即ち、電子が非磁性層１１１から非磁性層１１５の方向へ移動する。電子は、強磁性層１１２の磁化１１７によってスピン偏極される。スピン偏極された電子は、スペーサ層１１３を経由して発振層１１４に注入される。スピン偏極された電子が発振層１１４の磁化に作用し、それにより、発振層１１４の磁化１１６の歳差運動が誘起される。このようにして、磁化１１６は、直流電流Ｉの通電下において定常的に振動する。
【００３０】
磁化１１６が振動状態にある場合、磁化１１６と磁化１１７の相対角度が時々刻々と変化する。磁化１１６と磁化１１７の相対角度の変化は、磁気抵抗効果によりスピントルク発振素子１１０の抵抗の変化をもたらす。従って、スピントルク発振素子１１０の抵抗は、磁化１１６と磁化１１７の相対角度の変化に従って変化する。その結果、シールド膜１２０Ａとシールド膜１２０Ｂとの間の電圧に交流成分が生じる。電圧の交流成分は、図示しない高周波回路によって取り出され、高周波電圧（振動電圧）が得られる。このようにして、スピントルク発振素子１１０からは、高周波電圧が出力される。
【００３１】
電圧出力の周波数は、磁化１１６の発振周波数と等価であり、例えば、発振層１１４のサイズ及び膜厚、外部磁場の大きさ等に依存する。電圧出力の周波数は、外部磁場に依存することから、媒体ビットからの磁場にも依存する。従って、電圧出力の周波数を検出することで媒体ビットの磁化方向を検出することができる。
【００３２】
ＳＴＯ再生ヘッド１００による媒体ビットの読み取り動作は、スピントルク発振素子１１０を直流電流Ｉにより発振させた状態でなされる。スピントルク発振素子１１０が発振した状態で、スピントルク発振素子１１０を、Ｚ方向に磁気記録媒体１５０に対して相対移動させることにより、ＳＴＯ再生ヘッド１００は、媒体ビットからの媒体磁場を次々に検出する。媒体磁場の検出は、電圧出力の周波数の変化（周波数変化は位相変化でもある）を検出することによってなされる。
【００３３】
より具体的には、図１は、ＳＴＯ再生ヘッド１００がターゲットビット１５２を読み出す状態を模式的に示している。上述したように、ＳＴＯ再生ヘッド１００においては、媒体対向面１２１Ａ、１２１Ｂのそれぞれと磁気記録媒体１５０の表面との距離は、媒体対向面１１８と磁気記録媒体１５０の表面との間の距離より小さい。この場合、媒体対向面１２１Ａ、１２１Ｂのそれぞれと磁気記録媒体１５０の表面との距離が媒体対向面１１８と磁気記録媒体１５０の表面との間の距離と同じである場合よりも、多くの媒体磁場がシールド膜１２０Ａ、１２０Ｂに吸収される。媒体ビット１５１、１５３を含む隣接ビットからの磁場の大部分は、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂに吸収される。これにより、ターゲットビット１５２からの磁場をピンポイントに検出することが可能になる。その結果、再生信号としての電力出力におけるビット間干渉ノイズを抑制することができる。
【００３４】
なお、図１では、スピントルク発振素子１１０の上部の構造は特に示されていないが、この部分は、自由空間であってもよく、絶縁層を設けてもよい。図２は、スピントルク発振素子１１０の上部であって、シールド膜１２０Ａとシールド膜１２０Ｂとの間の部分に絶縁層２０１が設けられる例を示している。絶縁層２０１は、磁気的に無反応な非磁性体で形成される。
【００３５】
本実施形態では、隣接ビット１５１、１５３からの磁場とともに、ターゲットビット１５２からの磁場もシールド膜１２０Ａ、１２０Ｂに部分的に吸収される。従って、発振層１１４に作用するターゲットビット１５２からの媒体磁場も小さくなる。しかしながら、発振層１１４に作用するターゲットビット１５２からの磁場が小さくなったとしても、電圧出力の周波数（又は位相）が十分に変化する。このことを以下に説明する。
【００３６】
まず、図３を参照して、スピントルク発振素子１１０と磁気記録媒体１５０との距離が大きくなるに従い、発振層１１４に作用する媒体磁場が小さくなることを説明する。  
図３は、発振層１１４に作用する媒体磁場の、シールド膜の媒体対向面からの距離依存性を計算した結果を示している。計算は、マイクロマグネティックシミュレーションによって行った。ターゲットビットは、図１の媒体ビット１５２のような上向きの媒体ビットとして、発振層１１４に作用する媒体磁場のＹ方向成分を計算した。図３において、横軸は、シールド膜の媒体対向面とスピントルク発振素子の媒体対向面との距離を示し、縦軸は、発振層に作用する磁場のＹ方向成分の大きさを示す。
【００３７】
このシミュレーションでは、媒体ビットのサイズを２７×９×１２ｎｍ３、媒体ビットの飽和磁化Ｍｓを６００ｅｍｕ／ｃｍ３とした。また、シールド膜間の距離（即ち、シールドギャップ）を１５ｎｍとした。さらに、磁気記録媒体の表面と各シールド膜の媒体対向面との距離を６ｎｍとした。さらにまた、シールド膜の材料として飽和磁化Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ３のパーマロイを用いると仮定した。
【００３８】
図３に示されるシミュレーション結果からは、スピントルク発振素子の媒体対向面と各シールド膜の媒体対向面との距離が大きくなるほど、スピントルク発振素子に作用する媒体磁場が小さくなることがわかる。例えば、サイズが２０ｎｍ程度のスピントルク発振素子が各シールド膜の媒体対向面から約１５ｎｍだけ離して配置される場合には、約５０ Ｏｅの平均媒体磁場がスピントルク発振素子に作用する。
【００３９】
次に、発振層１１４に作用する磁場が小さい場合であっても、スピントルク発振素子の出力電圧の周波数（又は位相）が十分に変化することを説明する。  
発明者らは、ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ系ＴＭＲ膜を用いたスピントルク発振素子を作成し、スピントルク発振素子に約６０ Ｏｅのパルス磁場を印加してスピントルク発振素子の周波数変化を測定した。測定結果からは、スピントルク発振素子の周波数が４００ＭＨｚ／６０ Ｏｅという十分大きな変化を示すことが確認された。この実験について以下に詳細に説明する。
【００４０】
実験に使用したスピントルク発振素子は、膜面の形状が楕円であるピラー状に加工した。この楕円の長径は２１０ｎｍであり、短径は１２０ｎｍである。このスピントルク発振素子では、発振層はＣｏＦｅＢ膜（３ｎｍ）であり、スペーサ層はＭｇＯ膜（０．８５ｎｍ）である。さらに、強磁性層は、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）の積層膜に形成した。素子抵抗は１６４Ωであり、磁気抵抗効果比は７３％であった。スピントルク発振素子に約２９０ Ｏｅの面内磁場を印加し、０．７ｍＡの直流電流を通電すると、発振層の磁化は約３．５ＧＨｚの周波数で発振した。
【００４１】
スピントルク発振素子にパルス磁場を印加するために、スピントルク発振素子の直上にパルス磁場発生用の伝送線路を形成した。伝送線路に約０．４５Ｖの電圧を印加すると、伝送線路からスピントルク発振素子に約６０ Ｏｅの磁場が作用することが確認された。発振層の磁化が約３．５ＧＨｚの周波数で発振した状態で、大きさ約０．４５Ｖ、立ち上がり時間０．３ｎｓ、幅１ｎｓのパルス磁場を印加したところ、スピントルク発振素子の電圧出力がパルス磁場に追従して変化することが確認された。
【００４２】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、上記実験の結果を示している。より詳細には、図４（Ｂ）は、スピントルク発振素子に印加したパルス磁場を示し、図４（Ａ）は、図４（Ｂ）に示されるパルス磁場を印加したときのスピントルク発振素子の電圧出力を示す。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）からは、約６０ Ｏｅのパルス磁場を印加すると、スピントルク発振素子の周波数が約３．５ＧＨｚから約３．１ＧＨｚに変化したことがわかる。なお、図４（Ａ）は、スピントルク発振素子の出力の測定データにヒルベルト変換を施して瞬時周波数を求めてプロットしたものである。
【００４３】
以上のことから、約５０ Ｏｅという小さい媒体磁場であっても、スピントルク発振素子の周波数（又は位相）は十分に変化する。即ち、第１の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッド１００は、約５０ Ｏｅの媒体磁場を十分に検出することが可能である。なお、ＧＭＲセンサ又はＴＭＲセンサを備えた従来の磁気再生ヘッドでは、再生感度を確保するために、媒体磁場の大きさとして、５００ Ｏｅ程度必要である。そのため、上で例示した、約５０ Ｏｅという媒体磁場は、従来の磁気再生ヘッド技術における媒体磁場に比べて非常に小さい。
【００４４】
以上のように、本実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドは、各シールド膜の媒体対向面と磁気記録媒体の表面との距離がスピントルク発振素子の媒体対向面と磁気記録媒体の表面との間の距離より小さくなるように、スピントルク発振素子がシールド膜間に配置されている。これにより、スピントルク発振素子は、磁気記録媒体のターゲットビットからの磁場を効率的に検出することが可能となる。その結果、再生信号におけるビット間干渉ノイズを低減することができる。
【００４５】
なお、スピントルク発振素子は、図１に示される積層構造を有するスピントルク発振素子に限らず、任意の他のスピントルク発振素子であってもよい。例えば、強磁性層１１２は、磁化の向きが可変であるフリー層であってもよい。強磁性層１１２がフリー層である場合、スピントルク発振素子１１０に直流電流Ｉを通電することで、強磁性層１１２の磁化１１７及び発振層１１４の磁化１１６を、一定の位相差を持って振動させることが可能である。この場合にも、外部磁場（媒体ビットからの磁場）に応じて電圧出力の周波数が変化する。
【００４６】
さらに、電圧出力の周波数の変化を検出する方式に限らず、電圧出力の位相の変化を検出する方式を使用して磁気記録媒体から情報を読み出してもよい。
【００４７】
（第２の実施形態）  
図５は、第２の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッド５００を概略的に示している。ＳＴＯ再生ヘッド５００には、スピントルク発振素子１１０の媒体対向面１１８の下部であって、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂにより規定される部分に絶縁層５０１が設けられている。絶縁層５０１は、磁気的に無反応な非磁性体で形成される。
【００４８】
本実施形態では、絶縁層５０１の媒体対向面５０２とシールド膜１２０Ａの媒体対向面１２１Ａとシールド膜１２０Ｂの媒体対向面１２１Ｂとによって、ＳＴＯ再生ヘッド５００の媒体対向面５１０が形成されている。この媒体対向面５１０は、従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッド及びＴＭＲヘッドの媒体対向面のように、略平坦である。即ち、媒体対向面１２１Ａ、媒体対向面１２１Ｂ及び媒体対向面５０２は連続している。絶縁層５０１によってＳＴＯ再生ヘッド５００の媒体対向面５１０を平坦に形成することは、次に説明するように流体力学的な意義がある。
【００４９】
ＨＤＤでは、磁気ディスクの回転に伴って発生する空気の流れにより、磁気ディスクの表面から所定の浮上量をもって磁気ヘッドが浮上される。磁気ヘッドの浮上に由来して、磁気ヘッドの媒体対向面は、浮上面（ＡＢＳ：air bearing surface）とも称される。磁気ヘッドの媒体対向面が平坦である場合には、磁気ヘッドを安定して浮上させることができる。このため、磁気ヘッドの媒体対向面は平坦であることが好ましい。
【００５０】
本実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドは、平坦な媒体対向面を備える。従って、本実施形態のＳＴＯ再生ヘッドを備える磁気記録再生装置は、磁気再生時にＳＴＯ再生ヘッドを安定して浮上させることが可能となる。
【００５１】
（第３の実施形態）  
図６は、第３の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッド６００を概略的に示している。このＳＴＯ再生ヘッド６００では、発振層１１４がシールド膜１２０Ａ、１２０Ｂ間の略中心に配置されている。即ち、発振層１１４は、シールド膜１２０Ａ、１２０Ｂから空間的に最も離れた位置に設けられている。発振層１１４がシールド膜１２０Ａ、１２０Ｂ間の中心部に配置される場合、シールド膜による磁場吸引効果が最も利きにくく、発振層１１４に作用する媒体磁場が大きくなる。
【００５２】
本実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドでは、発振層がシールド膜間の中心部に配置されるので、ターゲットビットからの媒体磁場を発振層に効率的に作用させることが可能となる。
【００５３】
（第４の実施形態）  
図７は、第４の実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッド７００を概略的に示している。ＳＴＯ再生ヘッド７００は、図２のＳＴＯ再生ヘッド１００の構成に加えて、スピントルク発振素子１１０の発振層１１４にバイアス磁場を印加するためのバイアス磁場源７０１を備える。図７では、バイアス磁場源７０１は、発振層１１４の上方に形成されている。バイアス磁場源７０１は、発振層１１４の磁化１１６の振動中心方向（発振中心方向）が磁気記録媒体１５０の表面に垂直な向き（Ｙ方向又は−Ｙ方向）になるように、発振層１１４にバイアス磁場を印加する。従って、磁化１１６の発振中心方向は、スピントルク発振素子１１０に作用するターゲットビット１５２からの媒体磁場の方向と略平行となる。
【００５４】
磁化１１６の発振中心方向とスピントルク発振素子１１０に作用する媒体磁場の方向とが互いに平行である場合、ターゲットビット１５２からの媒体磁場による磁化１１６の瞬時の周波数（又は位相）変化が大きくなる。従って、発振層１１４にバイアス磁場を印加することにより、再生感度を高めることが可能となる。
【００５５】
次に、図８を参照して、磁化１１６の発振中心方向とスピントルク発振素子１１０に作用する媒体磁場の方向とが互いに平行である場合に、ターゲットビット１５２からの媒体磁場による磁化１１６の瞬時の周波数（又は位相）変化が大きくなることを説明する。  
図８は、図７のＳＴＯ再生ヘッド７００から発振層１１４、ターゲットビット１５２及びバイアス磁場源７０１を抜き出して示している。ターゲットビット１５２等を含む媒体ビットからの媒体磁場が作用していない場合、発振層１１４の磁化１１６の発振周波数は、γＨｅｆｆ／２πで表される。ここで、γは磁気回転比である。また、Ｈｅｆｆは磁化１１６に作用する発振中心方向の有効磁場を表す。有効磁場Ｈｅｆｆは、外部磁場、磁気異方性磁場、反磁場に依存する。外部磁場には、バイアス磁場源７０１からのバイアス磁場も含まれる。
【００５６】
ターゲットビット１５２からの媒体磁場ΔＨが発振層１１４に作用すると、発振周波数は、瞬時にγ（Ｈｅｆｆ＋ΔＨ）／２πに変化する。これは、発振層１１４の磁化１１６がターゲットビット１５２からの媒体磁場ΔＨの向きに平行な方向を中心軸として定常振動しており、媒体磁場ΔＨによる磁化１１６の振幅変化（振幅緩和過程）が瞬時には生じないためである。一方、ターゲットビット１５２からの媒体磁場ΔＨの向きに対して磁化１１６の発振中心方向が角度θだけずれている場合には、発振周波数は、γＨｅｆｆ／２πからγ（Ｈｅｆｆ＋ΔＨｃｏｓθ）／２πに変化する。このように、磁化１１６の発振中心方向がターゲットビット１５２からの媒体磁場の方向と平行である場合に、ターゲットビット１５２からの媒体磁場による磁化１１６の瞬時の周波数変化が大きくなる。従って、ターゲットビット１５２からの媒体磁場を有効的に磁化１１６の瞬時の周波数変化に寄与させることができる。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドは、発振層の磁化の振動中心方向が媒体ビットの磁化方向と平行になるように発振層にバイアス磁場を印加するバイアス磁場源を備えるので、電圧出力の周波数変化が大きくなり、媒体ビットからの媒体磁場を容易に検出できるようになる。
【００５８】
なお、バイアス磁場源７０１は、図７に示されるようなスピントルク発振素子１１０の上方に設けられる場合に限定されず、発振層１１４の磁化１１６の振動中心方向が磁気記録媒体１５０の表面に垂直な向きになるように、発振層１１４にバイアス磁場を印加できれば、いかなる場所に設けられてもよい。一例では、図９に示すように、バイアス磁場源７０１が発振層１１４の下方に設けられてもよい。さらに、図１０に示すように、発振層１１４の上方及び下方にバイアス磁場源７０１が設けられてもよい。
【００５９】
（第４の実施形態の変形例）  
図１１及び図１２を参照して、第４の実施形態の変形例に係るＳＴＯ再生ヘッドを説明する。  
図１１は、図７に示されるXI-XI線に沿った発振層１１４の断面図である。図１１では、絶縁層は省略されている。図１１の例では、発振層１１４の断面形状は、長方形である。即ち、発振層１１４は、その膜面において長さの異なる二軸（長軸１１０１及び短軸１１０２）を有する。長軸１１０１は、発振層１１４の膜面の長手方向に規定され、短軸１１０２は、該膜面の短手方向に沿って規定される。発振層１１４の断面（膜面）形状が長方形である場合、長軸１１０１及び短軸１１０２は、互いに直交する。なお、発振層１１４の断面形状は、楕円形などであってもよい。発振層１１４は、媒体磁場ΔＨが作用する向き（即ち、Ｙ方向）と短軸１１０２とが互いに平行となるように配置される。媒体磁場ΔＨが作用する向きと短軸１１０２とが互いに平行となるように発振層１１４が配置される場合、発振層１１４の磁化１１６の媒体磁場ΔＨによる発振周波数変化量｜Δｆ／ΔＨ｜を大きくとることが可能となる。これにより、ターゲットビットからの媒体磁場を有効的に磁化１１６の瞬時の周波数変化に寄与させることができる。
【００６０】
次に、上記の構成により発振層１１４の磁化１１６の媒体磁場ΔＨによる発振周波数変化量｜Δｆ／ΔＨ｜を大きくとれることを説明する。  
薄膜である発振層１１４を楕円形又は長方形のような二軸を有する異方的な形状にすると、発振層１１４の磁化１１６には、実効的な面内磁気異方性磁場Ｈａｎが作用する。また、薄膜であることに起因して、面直方向の実行的な反磁場４πＭｅｆｆも発振層１１４の磁化１１６に作用する。
【００６１】
媒体磁場ΔＨが発振層１１４の長軸方向に作用する場合、発振周波数変化Δｆ／ΔＨは、近似的に下記数式（１）で与えられることが磁化ダイナミクスを記述する現象論的方程式（ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式）からわかる。
【数１】
0005740259.tif 000002
【００６２】
一方、媒体磁場ΔＨが発振層１１４の短軸方向に作用する場合、発振周波数変化Δｆ／ΔＨは、近似的に下記数式（２）で与えられる。
【数２】
0005740259.tif 000003
【００６３】
図１２は、これら数式（１）及び（２）をプロットしたグラフである。図１２において、横軸はバイアス磁場源からのバイアス磁場Ｈ０である。ここで、面内磁気異方性磁場Ｈａｎを３００ Ｏｅ、反磁場４πＭｅｆｆを７０００ Ｏｅとした。媒体磁場ΔＨが発振層１１４の長軸方向に作用する場合の発振周波数変化量は、破線（ａ）で示されている。また、媒体磁場ΔＨが発振層１１４の短軸方向に作用する場合の発振周波数変化量は、実線（ｂ）で示されている。図１２からは、媒体磁場ΔＨが発振層１１４の短軸方向に作用する場合のほうが、発振周波数変化量が大きくなることがわかる。なお、Ｚ方向周りに例えば４５°回転した斜めの配置も考えられるが、短軸方向に媒体磁場ΔＨが作用した場合に発振周波数変化量｜Δｆ／ΔＨ｜が最大となる。
【００６４】
従って、長さが異なる二軸を有する形状に発振層を形成し、発振層の短軸と媒体磁場ΔＨが作用する向きとが平行になるように発振層を配置することで、ターゲットビットからの媒体磁場を有効的に磁場の瞬時の周波数変化に寄与させることができる。
【００６５】
以上のように、本実施形態及びその変化例に係るＳＴＯ再生ヘッドは、発振層の磁化の振動中心方向がターゲットビットからの媒体磁場と略平行するためのバイアス磁場源を備えるので、ターゲットビットからの媒体磁場を効率的に検出することができる。
【００６６】
（第５の実施形態）  
第５の実施形態では、上述した各実施形態に係るＳＴＯ再生ヘッドを備えた磁気記録再生装置の一例を説明する。
【００６７】
図１３は、第５の実施形態に係る磁気記録再生装置（ＨＤＤ）１３００を概略的に示している。この磁気記録再生装置１３００は、図１３に示されるように、磁気記録媒体としての磁気ディスク１３０１を備えている。磁気ディスク１３０１は、スピンドル１３０２に装着され、スピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１３０１の近傍に設けられたピボット１３０３には、アクチュエータアーム１３０４が保持されている。アクチュエータアーム１３０４の先端には、サスペンション１３０５が取り付けられている。サスペンション１３０５の下面には、ヘッドスライダ１３０６が支持されている。ヘッドスライダ１３０６には、記録ヘッドと上述した各実施形態のＳＴＯ再生ヘッドとが搭載されている。アクチュエータアーム１３０４の基端部には、磁気ディスク１３０１の径方向の任意の位置にヘッドスライダ１３０６を移動させるためのボイスコイルモータ１３０７が設けられている。
【００６８】
磁気ディスク１３０１を回転させ、ボイスコイルモータ１３０７によりアクチュエータアーム１３０４を回動させてヘッドスライダ１３０６を磁気ディスク１３０１上にロードすると、ヘッドスライダ１３０６の媒体対向面が磁気ディスク１３０１の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、磁気ディスク１３０１に記録された情報を読み出すことができる。
【００６９】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、スピントルク発振素子の媒体対向面と磁気記録媒体の表面との距離が、シールド膜の媒体対向面と磁気記録媒体の表面との距離よりも短くなるように、スピントルク発振素子及びシールド膜が配置される。それにより、発振層に作用する隣接ビットからの磁場が低減される。その結果、再生信号におけるビット間干渉ノイズを低減することができる。
【００７０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１００…スピントルク発振素子再生ヘッド、１１０…スピントルク発振素子、１１１…非磁性層、１１２…強磁性層、１１３…スペーサ層、１１４…発振層、１１５…強磁性層、１１６…磁化、１１７…磁化、１１８…媒体対向面、１２０Ａ，１２０Ｂ…シールド膜、１２１Ａ，１２１Ｂ…媒体対向面、１５０…磁気記録媒体、１５１，１５２，１５３…媒体ビット、２０１…絶縁層、５００…スピントルク発振素子再生ヘッド、５０１…絶縁層、５０２…媒体対向面、７００…スピントルク発振素子再生ヘッド、７０１…バイアス磁場源、９０１…長軸、９０２…短軸、１３００…磁気記録再生装置、１３０１…磁気ディスク、１３０２…スピンドル、１３０３…ピボット、１３０４…アクチュエータアーム、１３０５…サスペンション、１３０６…ヘッドスライダ、１３０７…ボイスコイルモータ。
【図１】
0005740259.tif 000004
【図２】
0005740259.tif 000005
【図３】
0005740259.tif 000006
【図４】
0005740259.tif 000007
【図５】
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【図６】
0005740259.tif 000009
【図７】
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【図８】
0005740259.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0005740259.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
0005740259.tif 000015
【図１３】
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