様々なシーンで活躍する 外付けハードディスク特集

ハードディスクの中には、「プラッター」に磁気を帯びさせる
「磁気ヘッド」という重要な部品があります。

磁気ヘッドは「スライダー」と呼ばれる極小のチップに埋め込まれており、プラッター上の磁気方向を変えるために、アームによってプラッター上をめまぐるしく移動します。

この「プラッター」と「磁気ヘッド」は、いわば「レコード盤」と「レコードの針」の関係なのですが、レコードと違い接触していません。

磁気ヘッドは「針」の代わりに「磁界」を発生させることで、「プラッター」に触れずにデータを(正確には磁気を)書き込んだり、読み取ったりしています。物理的に接触していないので、「使いすぎで削れてしまう」なんてことが無いようになっているのですね。

すると、問題になるのが、「プラッター」と「磁気ヘッド」および「スライダー」の距離。

近すぎれば接触の危険性が増し、遠すぎれば磁気を変えられない
つまり、「ギリギリまで接近し、出来るだけ小さな面積で磁気方向を変えられる」ことが至上命題なのです。
そこで、数多くの技術者が努力を重ね、「プラッター」と、磁気ヘッドを備える「スライダー」を接近させました。
結果、プラッターとスライダーの隙間は現在…

わずか『数～10nm(ナノメートル)』に！！

…といっても、イメージが沸きづらいかと思いますので、比較画像をご用意しました。驚きの比較図をご覧ください。

これほどの小さな隙間を維持するため、スライダーはもはやアームにしっかりとは固定されておらず、なかばぶら下がっているような状態です。
ハードディスクが動き出し、プラッタが回転しだすと、回転によって「風」が生まれます。
その「風」によって、スライダーが持ち上がり、プラッタ上を接触せずに移動することが出来るようになるのです。

すなわち、スライダーは風を受けて『飛んでいる』のです！

プラッター上を低空飛行するために、スライダーは空力学を利用したデザインすら採用しているとか。

さらにいうと、図解上ではわかりやすくするため「アーム」や「スライダー」は小さく表示しましたが、
実際のスライダー部分は長方形で、もっとも長い部分の長さが「1.2mm」ほどもあります。

「1.2mmほどの大きさのものが、プラッターから10nmの高さで飛行している」

ということは、これを大きなもので対比させてみると…

全長70mの「ボーイング747」が、地上高度0.6mmを飛んでいる！！

…ということと、同じことなのです。
こんな極小の隙間を、人間の創意工夫で生み出しているとは、驚きの技術と言えるでしょう。

よくパソコン利用中の「NG行動」として「動作中のパソコンの電源を抜いてはいけない」だとか、「ハードディスクのアクセスランプが付いているうちは、強制終了をしてはいけない」「使用中に衝撃を与えてはいけない」などの諸注意を見聞きしたことがあるかと思います。

「そんなことでは壊れたことない！」と意に介したことがない方もいるかもしれませんが、すべては、
『スライダーをプラッタに墜落させないための注意』
だったのでした。しつこく注意されるのもうなずけます。

わずか「10nm」しかない隙間を守るため、パソコンはやさしく扱いましょう。

なんだか小難しい方式の名前が出てきましたが、ハードディスクの容量が2TB、4TBと大容量化するにあたって必須だったすばらしい技術が、
この「垂直磁気記録方式」だったりします。テラバイトクラスのハードディスクでは、ほぼこの方式が採用されているとか。

ただ、この技術の説明の前に、中高年以上の方ならほとんどがお世話になったであろう、「カセットテープ」や「ビデオテープ」での記録方法「磁気で記録する」仕組みについて、わかりやすく解説させてください。

「磁気で記録」とは一体どういうことなのでしょう？
レコードは音の振動を「レコード盤の溝」に掘り込むことで「記録」してあります。
CD、DVDといった「光学メディア」は、レーザー光線を当てた時に決まった形に反射するよう
「溝」や「突起」を作ることで「記録」をしています。
では、「磁気で記録」とは…？

「カセットテープ」や「ビデオテープ」、「ハードディスクのプラッター」の表面には、「磁性体」が存在しています。
この「磁性体」は、強い磁力を当てることで好きな方向、好きな強さに磁気を帯びさせることが出来ます。
つまり「S極」「N極」を磁性体の上に、好きに作ることができるわけですね。

この「S極N極の向き」と「電気信号の置き換え」が「磁気で記録」の肝となります。

カセットテープの「アナログ」方式での記録を例でいうと、次のような手順を踏み「録音」がなされています。

1. 音(空気の振動)を、マイクで「電気信号」に変換。
2. その「電気信号」をコイルで磁気に変換。
3. コイルの隙間から漏れる磁気をテープ表面の「磁性体」にあて、同一方向、同一強度の磁気を生むように記録。

これがアナログ方式における、いわゆる「録音」の極々基本的な仕組みになります。
ビデオテープの「録画」についても、原理は同様。より複雑かつ微細な工夫が施されているというだけです。
そして再生となれば、この手順が逆になるだけ。つまり・・・

1. 「磁性体」の磁気方向や強さをコイルで受ける。
2. 磁性体からの磁気に従い、コイルから「電気信号」が発生。
3. 「アンプ(増幅器)」等で「電気信号」を増幅しつつ、スピーカーで「空気の振動(=音)」に変換。

これがアナログ方式における「再生」の仕組みです。

弱点として、アナログ方式は、音や画像の「電気信号」＝「波形」を、磁気方向と併せて「強さ」として取り込んでいることから、経年劣化や使い込むことによって磁性体の磁気が弱まると、正確な波形が再現できなくなります。
また、磁気の強弱を完璧にコピーすることは出来ないため、いわゆる「ダビング」をすれば再現される波形は元のものより乱れ、画質・音質は劣化していってしまいます。
さらに、上書きの繰り返しなどで磁性体が乱れれば、磁気の正確な記録も出来なくなっていきます。
40代以上の方なら以下のような経験があるのではないでしょうか？

「同じビデオを見すぎて、画質が悪くなってきた…！」
「カセットのダビングをすると、音が悪くなる！」
「上書き録音を何度もやると、音がクリアに録音できない」

これらはすべて、「磁性体の磁気の強弱を100%再現できなくなる」ことに理由があったのです。

そこでやってきた技術革新。「デジタル」の登場です。
デジタル方式の「データ」とは、突き詰めれば「0」と「1」の集合体です。
つまり、磁気記録を考えたときに「0」と「1」さえ判別できれば、「磁気の強弱」は考えなくても良い！
あくまでも記録する量が大きいだけで、そこさえクリアなら「完全な記録やコピーが作成できる」わけです。

そこで、ハードディスクの「プラッター」上で磁気記録は、原理原則はほぼ同じながら、微細化技術で極限まで記録面を小さくすることで、大容量を実現しました。

その基本的な仕組みは…

1. 磁性体上の決まった長さを1つの信号として計測する。
   ルールとして「決まった長さ」の『境界』で磁気の方向が反転したら『1』、方向が継続するなら『0』とする。
2. データの「0」「1」にしたがって、磁性体に磁気の向きを記録。
   読み出し時は磁気の向きを計測し、「0」か「1」かを判別。

これだけです。
難しいのは「大容量化」の部分だけなので、容量と読み書き速度さえクリアすれば良い訳です。

図解をすれば、以下の通り。

容量や読み書き速度問題については、加工技術の進歩や、新素材の開発・発見などでこれを乗り越え、
「磁気で記録」するハードディスクはパソコンにとっての必須装置となりました。

ところが…!

磁気の記録において、古くから利用されていた「S極N極を横に寝かせて記録」という方式に、容量の限界が見え始めます。

磁気を磁性体に定着させるために、コイルの隙間には磁界を発生させます。
磁界を発生させているということは、コイルの隙間の左右も「S極N極」であり、
その磁界が磁性体に写されることで、磁性体に「S極N極」の磁気帯びさせています。
つまり、「コイルのS極とN極を磁性体に沿わせる」ことが必要になるのです。

そうなると、磁性体の「S極N極」はおのずと「横」にならざる得ません。
この記録方式は「水平磁気記録方式」と呼ばれ、
長らく磁気記録方式の基本形でした。

この「横になる」というのが曲者で、極性方向が変わる「境界」では、
同じ極性「S極S極」ないし「N極N極」が隣り合ってしまうことになります。

すると、理科の実験でお馴染みの通り「同じ種類の極は反発しあう」のが自然の法則。

計測対象の「磁性体の長さ」が長ければ影響は少ないのですが、大容量を目指して極限まで小さく(短く)してしまうと、
反発しあう力が磁気の定着を不安定にしてしまうのです。

さらに拍車をかける問題もありました。
磁性体にも抵抗(Ω)があるため、磁気を当てるとある程度の熱を帯びるのですが、
この「熱」のもつエネルギーに磁性体の磁気が負けてしまい(熱ゆらぎ現象)不安定さが増幅されます。
そのため同極性同士の反発と相まって極性がひっくり返ってしまい、記録が破壊されるような現象も発生しました。
これも記録する長さを微細化してきたことで表面化したトラブルでした。

もはや「水平磁気記録方式」は限界を迎えつつあり、ハードディスク容量は頭打ちになる恐れが出てきたのです。

そこでいよいよ登場したのが、
「垂直磁気記録方式」！！

今まで横に寝かせていた磁気方向を「縦」にしてしまおうという方式です。

この方式の優れた点は、『隣り合う極性が「S極N極」になり、お互いに引き合うため、密度が高くなっても不安定にならない』ということでした。(右図参照)

お互いが引き合う関係になることから、磁気の不安定さが解消され、引き合っているので「熱ゆらぎ現象」にも強く、「水平記録」に比べて、ずっと小さな区分けを作ることができる。
つまり「より大容量化が可能」になるのです。

これを実現するために、プラッターの「記録層」の下に、「横方向に磁気を流しやすい下地層」を作り、
かつ記録層も新素材のものに変更しました。

そしてとうとう、ハードディスクは「テラバイト級」の容量を実現したのです。

具体的な「垂直磁気記録方式」の仕組みは以下図の通り。

コイル(磁気ヘッド)からの磁気を、プラッターの下地層を経由させることで、垂直方向に磁化させる工夫をしたわけです。

「水平記録」の図解と比較していただくだけでも、「垂直記録」がいかに高密度に「0」と「1」を表現できるようになるか、イメージしやすいのではないでしょうか？

かくして、この「垂直記録方式」のおかげで、「1TB」、「2TB」「4TB」といった巨大容量のハードディスクを、個人で購入できる時代が到来したのでした。
ありがたいものです。

現在では、ほぼ全てのハードディスクにおいて、この記録方式が使用されています。

ちなみに、実はこの方式。発想・研究し、実用化の基礎を確立したのは、日本人で東北大学教授だった
「岩崎俊一」氏
（2015年2月現在・東北大学名誉教授・東北工業大学学長・理事長）だったりします。
また、初の商品化も「東芝」の手によるものでした。

思えば、DVD、Blu-Ray Disc、SDカードといったものも日本発の技術です。
日本の開発、発明の多さには、本当に驚かされますね。

00年～05年くらいまでの間に普及した、いまや必須の技術である「流体軸受け」なのですが、
耐久性・静音性を飛躍的に伸ばし、ハードディスク発展の一翼を担った革新的な技術です。
登場した際は、動作音のあまりの静かさに驚愕したものでした。
※ 製品差もあったようなので、すべてが静かだったわけではないようです。

プラッターを回転させている関係上、当然中心には「軸」があります。
プラッターに大量のデータを載せ、しかも高速で読み書きする必要があることから、
プラッターはとてつもない高速で回転します。

その速度は、ハードディスクの性能などで表現される回転数の単位、「rpm」（revolution(rotation) per minute=回転/分）で表現されています。
よく「5,400rpm」とか「7,200rpm」などの表示を見たことがある方もいらっしゃるのではないでしょうか？
これは「毎分5,400回転」「毎分7,200回転」を意味しています。

では実際、どのくらいの速さで「プラッター」が動いているのか？

「7,200rpm」の「3.5インチ」ハードディスク
(※「3.5インチハードディスク」とは「プラッターの直径が3.5インチ」という意味)が、最高速で回転している場合を仮定して考えると、

プラッターの直径「3.5インチ」は「約9cm」つまりプラッター半径は「約4.5cm」

中心から4.5cm付近の外周の円周を、円周率3.14として算出すると、「円周＝直径×3.14」なので、「9×3.14=約28cm」

これが「1分で7,200回転」するので、「28×7200=201600cm/分」

これを「m(メートル)」にするため「201600÷100＝2016m/分」

これを「km(キロメートル)」にするため、「2016÷1000＝約2km/分」

さらに60をかけて「時速」に換算すると…

「時速120km」！！

なんと最外周部分では高速道路の自動車並みの速度で、プラッターは回転しているのです。

これほどの高速回転となると、共に回転しつつそれを支えている「軸」の負担や、求められる精度は相当なもの。

当初は従来の「ボールベアリング」方式の軸を使用していました。
軸の周囲に金属のボールを配置し、潤滑油などで滑らかさを維持して回転させる方式で、
「自転車の車輪軸」など、身近な機器の様々な回転軸として使用されています。

ハードディスクの軸の場合、ボールベアリングを極めて高品質、高強度で作成することで、
高速・連続使用に耐える耐久力や安定した回転を維持していました。

…いたのですが、やはり「微細に作る」ということがネックとなっていきます。

そもそも中心の「軸側」と、外側の「支える側」の間に配置するボールは、小さくなればなるほど、「全て同一のサイズ」で作成することが難しくなるのです。

「滑らかさ」を出すためにはボールを研磨する必要がありますが、この研磨の工程で各ボールはサイズに極わずかなバラツキが出てしまいます。
その差はわずか数um(マイクロメートル)程度なのですが、それでも微細技術の集合体であるハードディスクには致命的でした。

仮に、他のボールと比べて、直径が1um(マイクロメートル)だけ大きいボールが1つ使用されていたとすると、1回転ごとに軸も「1um」のブレが生じてしまいます。

「1umくらい…」と思うかもしれませんが、ハードディスクの記録層1列分(「トラック」といいます)の幅は、「0.5um以下」しかありません！
「1um」もプラッターがずれてしまうと、磁気ヘッドが隣の列までジャンプしてしまうことと同じ。
データの読み書きは事実上不可能になってしまうのです。

さらに、潤滑油で滑らかさを出しているとはいえ、結局はボールと軸、外郭は接触しているため、極わずかに削れる事もあります。
その「ゴミ」がベアリングの中にあった場合、ボールがその「ゴミ」と接触するたびに巨大な振動が発生することにもなってしまいます。
※ もちろん、そういった「ゴミ」を吸着するような仕組みも、搭載されてはいました。ただ、どんな状況でも100%ゴミを回収できるわけではありませんでした。

小さく作ることが至上命題であるハードディスクにおいて、ボールベアリングの使用は限界に達していました。

そこで登場したのが…

「流体軸受け」！

「潤滑油」としていたオイルを、「軸の支え」に使ってしまおうという方式です。

「液体を支えにする」というとイメージが沸きづらいかもしれません。

しかしモノが極小・軽量なため、支える力は極わずかでいい。
そこで、軸をオイルで包んだ際に、軸の側面、底面に「ある工夫」を施しました。

回転軸側に「溝」を掘り、オイルに圧力が発生するようにしたのです！

…といっても、やはりイメージが沸きづらいので、以下の図をご覧ください。

軸および軸受けの溝を正確に作ってさえおけば、回転中は360度全周囲から支えを得られます。
またこの支えは高速に回転すればするほど圧力が増し、軸をしっかりと支えることとなります。
しかも、軸は液体中に浮いている状態にあるため、「摩擦」や「磨耗」がほとんどなく、長期間にわたって一定かつ滑らかな回転を得ることができるのです。

デメリットとしては「停止時は接地状態にあるため、回転開始時には多少力が多めに必要」という点と、「オイルの粘性が変わってしまうため、極寒の状態などではうまく動作しない可能性がある」といった点ですが、ボールベアリングと比較した静音性・耐久性を考えれば、欠点を補ってあまりあるメリットがあったのでした。

以上のことを踏まえれば、「流体軸受け」という技術が、ハードディスクに欠かせないスタンダードな仕組みになったというのもうなずけるのではないでしょうか？

ハードディスクの極基本的な、それでいて驚きに値する技術を取り上げてみました。

このほかにも「ガラスプラッター」「GMRヘッド」「多段アクチュエーター」などなど、驚異の技術が数多くあるのですが、
いよいよ専門書のような難解な話とならざる得ないため、以上といたしました。

もしもより興味をもたれた方がいらっしゃれば、ネット検索などをご活用いただき、理解を深められることをお勧めいたします。

ご紹介した技術を念頭に、今後パソコンの中から「カリカリカリ…」と音が聞こえてきたなら…
「あぁ、オイルに支えられたプラッターが最高時速120kmで動いているな？」とか
「磁気が縦方向に敷き詰められている最中かもしれないな」とか
「スライダーがプラッター上空10ナノメートルを飛行中なんだな」などと
想像してみるのも面白いかもしれませんね。
…ちょっと変な感慨かもしれませんが。

【ご注意】
内部の仕組みを詳しくご紹介いたしましたが、ハードディスクの分解は決してしないでください。
プラッターの多くはガラス製で、相当な強度をもっていますが、万が一破壊した場合、とても細かく、かつ鋭利に砕けます。指を切ったり、皮膚に刺さったり、衣服・じゅうたん等の隙間に入り込み、掃除機などでも取り除けなくなる可能性があります。
また分解後、再度組み立てたところで、「10nmを飛行するスライダー」にホコリが激突し、高確率で直後～短期間で故障します。もちろん、メーカー保証などは効きませんし、データ救出も修理もほぼ不能となります。ハードディスクの組み立ては、高価な設備を使用した、チリひとつない「クリーンルーム」で製造されているのです。

くれぐれも興味本位で「ハードディスクの分解・分解後の再利用」などをしないよう、ご注意ください