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Column Vol.007 ハードディスクの仕組み

ハードディスクの仕組み 現在のパソコンやブルーレイレコーダーなどには、記録媒体としてハードディスクが使われています。ハードディスクはその名の通り、アルミニウムやガラスなどの堅い材質でできた円盤(プラッター)上に磁性体を塗り、ここに磁気ヘッドを使ってデータの記録・再生を行います。今回はこのハードディスクの仕組みをご紹介します。

ハードディスク内部構造

 ハードディスクの内部は、写真1のような構造になっています。その内部は非常に精密な構造になっており、ホコリやゴミなどの侵入を嫌うため気密構造となっています。従って普通の空間でハードディスクを開封することは厳禁です。(この写真はクリーンルーム内で開封を行っています)
 データは中央部にあるプラッター(磁気ディスク)に記録されます。プラッターは1枚の場合もありますが複数の場合もあります。一般的には、2.5インチハードディスクの場合で1〜3枚、3.5インチハードディスクの場合で1〜4枚程度です。さらに各プラッターの両面に磁気ヘッドが取り付けられた「アクチュエータ」が取り付けられています。アクチュエータは固定軸(アクチュエータ軸)を中心に円弧を描くようにスイングでき、プラッター上を内周から外周まで移動できる構造になっています。
 アクチュエータの付け根にはボイスコイルモーターと呼ばれるコイルが取り付けられており、ケースに取り付けられたマグネットとの電磁作用によってアクチュエータを動かす仕組みになっています。また、非動作時にアクチュエータを動かないように固定するロック機構などで構成されています。
 ハードディスクのうら面にはプリント基板が取り付けられています。(写真2)この基板上にはハードディスクコントローラと呼ばれるマイクロコントローラチップが搭載されており、ここで磁気ディスクのすべてを制御しています。現在のハードディスクのほとんどは、スマートフォンやタブレットなどでおなじみのARMコアプロセッサを内蔵したコントローラが搭載されています。つまりハードディスクはそれ単体で情報機器としての頭脳を備えています。基板上にはこのほかに、読み出したデータを一時的に蓄えたり、書き込み前のデータを保管するためのキャッシュメモリが搭載されています。またプラッターを回転させるスピンドルモーターや、アクチュエータを駆動するボイスコイルモーターなどを制御するモータードライバを搭載したモデルもあります。

写真1 ハードディスクの内部構造。プラッターとアクチュエータの関係は、レコード盤とプレーヤーの関係によく例えられます。実際の動きもよく似ていますが、ハードディスクでは磁気でデータを記録すること、ヘッドとプラッターは非接触であること、プラッターの両面、複数のプラッターを使って記録される点などが異なります。 写真2 ハードディスクの基板は小さな情報機器であり、磁気ディスクに関わるすべての制御を担っています。静電気や電気的な障害で基板上の部品が損傷すると、正常なアクセスができなくなります。

ハードディスクのキーデバイス、アクチュエータ

写真3 ハードディスクの内部でもっとも重要かつデリケートな部分とされているのが、記録媒体であるプラッターと、それをアクセスするための磁気ヘッドです。磁気ヘッドはアクチュエータと呼ばれる駆動装置の先端部分に取り付けられています。

 ハードディスクにとってもっとも重要なデバイスの1つが、アクチュエータ先端部に取り付けられた磁気ヘッドです。(写真3)ハードディスクのハードウェア的なトラブル(物理損傷)の多くが、この部分とプラッター(磁気ディスク)との不具合によって発生します。それだけに非常にデリケートなデバイスだと言えるでしょう。
 アクチュエータの先端部分を確認すると、なにか小さなものが取り付けられていることがわかります。(写真4)これが磁気ヘッドとそれを構成するスライダーと呼ばれる部品です。スライダーはプラッター上をほんのわずかに浮上しながら、プラッター上の磁気データを読み書きする重要な部分です。肉眼で見えるのはこれが限界ですが、さらに拡大してみると、向かい合った2つのスライダーが確認できます。(写真5)この写真の例では、アクチュエータに4個のヘッドが取り付けられており、2枚のプラッターの両面、すなわちおもて面とうら面の両方に磁気データを記録します。1枚のプラッターに記録できるデータ容量は各時代の技術力で決まっているため、同世代の製品で比べた場合、大容量のハードディスクほど多くのプラッターとヘッドを備えています。

写真4 アクチュエータの先端部を拡大したものです。先端部にはスライダーと呼ばれる磁気ヘッドを含むブロックが取り付けられています。このハードディスクにはプラッターが2枚あり、合計4個のヘッドを持っています。 写真5 さらに先端部を拡大すると、スライダーが見えてきます。先端部の2枚の黒い板状のものがスライダーで、普段はこの2枚の間にプラッターを挟んだ状態になっています。

 この微細な磁気ヘッドから読み出された情報は、アクチュエータのベース部に取り付けられたプリアンプ(写真6)に送り込まれます。最近のプリアンプは2mm角前後の非常に小さなチップになっています。磁気ヘッドの近くにプリアンプを設置することで、ハードディスクコントローラに至る伝送経路でのノイズの混入を低減し、より安定した読み書きを行うことが狙いです。
 プラッターを回転させるためのスピンドルモーターは、プラッター中心部に組み込まれています。(写真7)モーター本体はプラッター取り付けベースと一体化しており、またアルミダイキャスト製のシャーシに埋め込まれているため、プラッターを取り外さずにモーターを交換・修理することはできません。スピンドルモーターの軸受部には流体軸受が使用されており、ベアリングによる騒音が出ない構造となっている一方で衝撃などのダメージには弱く、落下などの衝撃で軸受けが損傷し、回転不能あるいは回転障害となるケースがありますので注意を要します。

写真6 アクチュエータのベース部分には、磁気ヘッドから読み出された信号を増幅するためのプリアンプがあります。磁気ヘッドから出力される信号は非常に微細なため、ここで十分なレベルに増幅されてからコントローラへと送られます。 写真7 プラッターの中心部にはスピンドルモーターがあります。この写真はプラッターを取り外した状態のもので、スピンドルモーターがダイキャスト製のシャーシに埋め込まれているのがわかります。

※ハードディスクの開封にはクリーンルームなどの防塵設備と熟練した技術が要求されます。
  一般空間での開封はハードディスクにとって致命的なダメージになりますのでご注意ください。

【次回】ハードディスクの動作の仕組みについて解説します。

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