静電気学会誌，39, 2（2015）82-87

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

帯電した車載HDD内絶縁体部品に誘起された
Disk電圧と放電メカニズム
宮竹 政実 ，橘 敏彰 ，釘屋 文雄 ，兒玉 直樹
＊, 1

＊

＊

＊＊

（2014年2月7日受付；2014年12月8日受理）

Disk Voltage Induced by Triboelectrical Insulator Parts andDischarge Mechanism in Auto Motive HDD
＊, 1

＊

＊

＊＊

Masami MIYATAKE , Toshiaki TACHIBANA , Fumio KUGIYA and Naoki KODAMA（Received February 7, 2014; Accepted December 8, 2014）
This paper describes the accurate measurement result of the triboelectrical charge on insulator parts and disk voltage induced
by insulator parts in the prototype automotive HDD. Mechanism for static discharge between disk and head is also analyzed.
When static discharge occurs, disk defect and head element breakdown can be observed.

1．はじめにには Head と Disk 間の間隔が 10 nm の場合 Head と Disk

ハードディスクドライブ（ HDD: Hard Disk Drive ）は間の電圧を - 1 V～ + 1 V にする必要がある事，放電発生

データ記録装置で，Disk と Head によってデータの記録の事例として Motor の不具合によりモータ及び Disk が及び再生が行われている．Disk はデータを磁気的に保帯電し，Head と Disk 間で放電した事例については既に存するもので，Head は Disk にデータを磁気的に記録，報告した ．
7）

または Disk のデータを検出するものである．データの一般に HDD 内には Disk と Head の他に，Disk を回転記録または再生時には，Head は Disk 面上に位置するがさせるモータ，Disk の半径方向に Head を移動させる

1 nm ～10 nm 程度の隙間をもって非接触である．

VCM（ Voice Coil Motor ），Head を Disk 面 に Load ま た

この Disk と Head の隙間が狭くなり問題となったのが，は Unload の際に Head をスムーズに移動させる Ramp，

Head と Disk 間の放電で，Head と Disk 間の電位差が大き

カバーの裏側に HDD 内外の気圧調整をする Breathing

くなると放電の発生確率は増加する．この放電が起こる

Filter などの部品がある．

と，Head 及び Disk はダメージを受ける．Head 側がダメ

本論文では車載 HDD に注目した．車載 HDD の特徴ージを受けると Head の電気的特性の劣化や破壊が発生の一つは，前述の Breathing Filter が大きいことで，PCし，正常にデータの記録，再生ができなくなる．Disk 側（ Personal Computer ）に使用されているモバイル HDD のにダメージを受けると Disk 表面に放電痕ができ，この放Breathing Filter の 20 倍以上の大きさである．これは車載

電痕部分は磁化されないため，Head の場合と同様に正常

HDD の環境仕様に適応するためにこの様な設計になっにデータの記録，再生ができなくなる．この様に放電がている ．

起こると HDD は大幅な信頼性低下となってしまう

．

1-5）

8）

記録容量 30 GB 車載 HDD の開発時に試作した HDD でHead と Disk 間の間隔と電位差がある条件になると放データの記録や再生の試験の実施中に突然，正常にデー電が発生するメカニズムは報告した ．この放電を防ぐ

タの再生ができなくなった．この HDD から Head をとりキーワード：放電，静電誘導，ハードディスクドライブ，
磁気抵抗効果ヘッド，磁気ディスク＊
HGST Japan（〒252-8588 神奈川県藤沢市桐原町１番地）
HGST Japan, Ltd. 1, Kirihara, Fujisawa, Kanagawa 2520888, Japan＊＊
山形大学大学院理工学研究科（〒992-8510 山形県米沢市城南 4-3-16 ）Yamagata University, 4-3-16, Jonan, Yonezawa, Yamagata
992-8510, Japan1
masami.miyataka@hgst.com

図 1 放電痕の SEM 写真（白抜き矢印）
Fig. 1 SEM image of head after electric discharge. Electric
discharge marks were observed at the white arrows.

6）帯電した車載HDD内絶縁体部品に誘起されたDisk電圧と放電メカニズム（宮竹 政実ら）

83（37）

出 し，Head 表 面 を SEM（ Scanning Electron Microscope ）Filter 1，Breathing Filter 2，Breathing Filter 3，Breathingで観測したところ図 1 の白抜き矢印に示す部分で黒点のFilter 4 の 4 箇所で行った．

放電痕を確認した．ここは Head の再生素子がある部分

2.2 絶縁体部品のRampとBreathing Filterの帯電電圧である．放電により再生素子に過電流が流れ破壊したと絶縁体部品の Breathing Filter と Ramp の帯電電圧の湿考えられる ．放電は Disk と Head 間の電位差が，ある度による影響を測定した．図 3 に Breathing Filter と 2 種

電圧値より大きくなると発生する．図 1 の放電の原因と類の Ramp の帯電電圧を示す．横軸は湿度，縦軸は帯電して，絶縁体部品の帯電による静電誘導で Disk の電荷電圧である．サンプル数は各 4 個で最大値を示した．測が誘起し，その結果，Disk 電圧が変化し Disk と Head

定方法は図 2 と同じ条件であるが，車載 HDD の湿度仕間の電位差が大きくなったと考えた．本研究では，この様は 5 ～ 95％より今回の測定では設備の制限より 5％，

静電誘導による Disk 電圧の変化について報告する．

14％，27％，50％，80％とした．

7）

2．実験方法と結果
2.1 試作HDD内部品の帯電電圧測定
図 2 に，図 1 に示した試作 HDD の内部写真と各部品の帯電電圧を示した．この電圧は，湿度 5％，温度 50℃の環境下で 2 時間連続してデータの記録や再生を実施した後，表面電圧計（ Trek-model 344）を用いて測定した結果である．Ramp は - 127 V，Breathing Filter は -150 ～-208 V，Disk は - 0.8 V の電圧が観測された．

図 3 試作 HDD の Breathing Filter と Ramp の帯電電圧
Fig. 3 Static voltage vs humidity graph of trial production HDD
breathing filter and ramps.

2 種類の Ramp を Ramp-G と Ramp-P と称する．Ramp-G
は 製 品 の 車 載 HDD に 適 用 し て い る Ramp で あ る．
Ramp-P は試作 HDD に使用した Ramp である．Ramp-G
はガラスが含まれおり，Ramp-P はポリエステルが含まれている．帯電の極性は，Breathing Filter と Ramp-P はマイナス極性で Ramp-G はプラス極性である．また Breathing
図 2 試作 HDD の部品構成と帯電電圧
Fig. 2 Internal image and electrification voltage of trial production
HDD sample.

Filter も Ramp-G も Ramp-P も湿度が約 20％以下になると帯電電圧は急激に大きく変化している事がわかった．

2.3 Disk電圧測定方法

絶縁体部品の Ramp と Breathing Filter の電圧結果より，

図 4 は車載 HDD の断面図であり，Disk や Head など

これらは帯電していると考えられる．Ramp は Head がの部品名称を示した．Disk と Ramp の間隔は 0.2 mm，Disk 面に Load または Unload をする際に Head と擦る．

Disk と Breathing Filter の 間 隔 は 4 mm で あ る．Head は

その結果，Ramp は帯電したと考えた．Ramp の帯電箇回転している Disk 面上を数 nm で浮上している．

所を調査したところ Ramp 表面全体が帯電していること

絶縁体部品の帯電による Disk への誘導帯電についてを確認した．HDD 内にはイオン化した Fe や Steel など調査をした．Disk はモータのハブ部分で固定されている．

の塵埃がある．Disk は 4200 rpm で回転をしている事にモータは 2000 年頃から FDB（ Fluid Dynamic Bearing ）モ

よって Breathing Filter に，これらの塵埃は付着する．そータが使用されており，これはベアリングを潤滑油によの 結 果 Breathing Filter は 帯 電 し た と 考 え た．Breathing

る流体軸受けにした構造で回転中の機械的振動を小さく

Filter の 帯 電 電圧の測定箇所は，図 2 に示 す Breathing

するために適用された．この流体軸受けの潤滑油は図 4

84（38）

静電気学会誌 第39巻 第 2 号（2015）

図 4 車載 HDD の断面図
Fig. 4 Automotive HDD cross section.

に示すようにモータのハブとスリーブ間にある．HDD
ベースとスリーブは金属接続されているため，ハブとHDD ベース間の抵抗は，この潤滑油の抵抗となる．この抵抗をモータ抵抗 Rm と称する．抵抗 Rm は温度によって変化し，常温の 30℃から高温の 85℃では 1 M～ 20
MΩ，低温の - 30℃では 160 MΩ となる ．この抵抗 Rm
7）

による Disk 電圧の影響を調査するため，常温で抵抗が

図 5 Disk 電圧の測定（ a ）Ramp だけ実装された状態．
（b）
Ramp と Breathing Filter どちらも実装された状態 .
Fig. 5 Disk voltage measuring method.（ a ）Only Ramp wasassembled.（ b ）Ramp and Breathing filter wereassembled.

約 1 MΩ，20 MΩ，200 MΩ となっているモータを準備した．これらのモータは異なる潤滑油を使用している．

この状態を mode（Ⅱ）とする．カバーには測定のた準備した 3 台のモータの抵抗 Rm を 1 MΩ，20 MΩ，200

め穴を開けている．

MΩ と称する．下記にそれぞれのモータのモータ抵抗と2.5 Ramp-P搭載の試作HDDのDisk電圧

潤滑油の電気的容量の実測した結果を示す．これは 25

図 6 は 試 作 HDD に 搭 載 さ れ た Ramp-P と Breathing℃で測定した結果である．3 種類の潤滑油の容量を比較

Filter を図 5 の mode
（Ⅰ）
，mode
（Ⅱ）
の順に変更した場合するとほとんど同じである事がわかった．

の Disk の電圧を測定した結果である．湿度 5％，温度

モータ抵抗 Rm 1 MΩ：抵抗 = 1.2 MΩ，容量＝ 450PF

50℃で測定した．モータ抵抗 Rm は 1 MΩ，20 MΩ，200

モータ抵抗 Rm 20 MΩ：抵抗 = 24 MΩ，容量 = 620PF

MΩ の 3 種類で行った．横軸は時間である．

モータ抵抗 Rm 200 MΩ：抵抗 = 190 MΩ，容量 = 510PF

0 秒 ～ 6 秒までの 6 秒間は mode
（Ⅰ）

縁体部品の帯電電圧と，この帯電による静電誘導で変6 秒 ～ 22 秒までは mode（Ⅰ）
から mode（Ⅱ）
へ変更

化する Disk 電圧の測定手順を下記に示す．

22 秒 ～ 32 秒までの 10 秒間は mode（Ⅱ）1）Ramp と Breathing Filter が実装された状態の Disk 電Mode 変更に要した 6 秒 ～ 22 秒までの各 16 秒間は測圧を測定した．
2）Ramp と Breathing Filter に電圧を印加し Disk 電圧を測定することで放電防止仕様を決めた．

定を中断している．各 mode の Disk 電圧の結果を示す．
① mode（Ⅰ）の Disk 電圧は，Ramp-P がマイナス極性に帯電したため電気分極によりマイナス極性の電位と3）放電防止仕様を満足する具体的な対策案を求めた．

2.4 絶縁体部品のRampとBreathing Filter実装による
Disk電圧測定
絶縁体部品の Ramp と Breathing Filter の帯電による静電誘導で Disk 電圧が変化したと考え，Disk 電圧の変化を測定する方法を考案した．図 5 に測定方法を示す．表
面電圧計を用いて測定した．左図は測定時の写真で，右
図は測定状態のイメージ図である．
Ⅰ 図（5 a）は Ramp-G または Ramp-P が実装された状態
で Disk 電圧を測定した図である．この状態を mode
（Ⅰ）
とする．
Ⅱ 図（
5 b）は Ramp-G または Ramp-P と Breathing Filterが実装された状態で Disk 電圧を測定した図である．

図 6 Ramp-P と Breathing Filter 搭載した HDD の Disk 電圧
Fig. 6 Disk voltage in the HDD assembled with Ramp-P and
Breathing Filter.

帯電した車載HDD内絶縁体部品に誘起されたDisk電圧と放電メカニズム（宮竹 政実ら）

85（39）

なった．Disk 電圧は，モータ抵抗 Rm が 200 MΩ の②図 （7 ｂ）mode（Ⅱ）の Disk 電圧は，mode
（Ⅰ）
と同様に，

場合は - 0.8 V，モータ抵抗 Rm が 1 MΩ と 20 MΩ の

湿度 5％の場合が最も大きな電圧で - 1.7 V となった．

場合は - 0.4 V であった．図 2 で示した Disk 電圧の測湿度 27％以上になると Disk 電圧はほとんど変化して定は，モータ抵抗 Rm が 200 MΩ のモータを使用していない事がわかった．

測定した結果である．

マイナス極性で帯電した Ramp-P からの静電誘導で② mode（Ⅱ）の Disk 電圧は，Ramp-P がマイナス極性にDisk 電圧はマイナス極性の電位となった．この状態か帯電し電気分極によりマイナス極性となった状態にらマイナス極性で帯電している Breathing Filter からの静Breathing Filter のマイナス極性の帯電による電気分極

電誘導分が Disk に加わることによって，更に Disk 電圧が加わった状態である．Disk 電圧は，モータ抵抗 Rm

はマイナス極性で大きな電圧になったと考えた．

が 200 MΩ の場合は - 1.7 V となり，20 MΩ の場合は
- 0.7 V，1 MΩ の場合は - 0.6 V となった．

3．放電防止のDisk電圧仕様検討

2.6 Ramp-P搭載の試作HDDのDisk電圧湿度依存性

3.1 静電誘導によるDisk電圧仕様値

図 7 は Ramp-P と Breathing Filter が 実 装 さ れ た 試 作

放電を防止するために静電誘導による Disk 電圧の仕HDD の Disk 電圧を，湿度を変化させて測定した結果で様を下記の方法で求めた．

ある．温度 50℃，湿度は 5％，14％，27％，50％，80％

条件 1 Head と Disk 間の放電を防止にするには Head との条件で測定した．横軸は湿度で縦軸は Disk 電圧であDisk 間の電圧を - 1 V ～＋ 1 V にする必要がある ．

る．サンプル数は 4 で最大値を示した．図 （7 a）は mode

条件 2 モータの発電電圧や Head と Disk の保護膜間で

（Ⅰ）
，図 （
7 b）は mode（Ⅱ）である．各 mode の結果をま発生する電位差分を条件 1 の仕様に考慮するこ

とめると下記となる．

とで，静電誘導による Disk 電圧の変化分の仕①図 （7 a）mode（Ⅰ）の Disk 電圧は，湿度 5％の場合が最様を求める事ができるも大きな電圧で - 0.8 V となった．湿度 14％以上になると Disk 電圧はほとんど変化していない事がわかった．

6）

．

6, 7）

以上の方法より放電防止の Disk 電圧の仕様を - 0.7 V～ + 0.7 V とした．この仕様値を図 7 中に示した．
図（7 b）mode（Ⅱ）の結果より，モータ抵抗 Rm が 200MΩ，
湿度 20％以下の場合，この仕様を満足していない事がわかった．

3.2 絶縁体部品に電圧印加した場合のDisk電圧の評価
3.2.1 絶縁体部品に電圧印加によるDisk電圧測定
Disk 電圧仕様 - 0.7 V ～ + 0.7 V となる Ramp と Breathing
Filter の電圧範囲を実測で求めた．測定方法は Ramp を導電性にし，Breathing Filter の表面に銅膜を貼り付け，それぞれに電圧を印加し Disk 電圧が 0.7 V ～ + 0.7 V となる Ramp と Breathing Filter の電圧範囲を実測で求めた．
モータはモータ抵抗 Rm の 20 MΩ と 200 MΩ の 2 種類で調査をした．調査結果を図 8 に示す．モータ抵抗 Rm
が 20 MΩ の場合は▽印で示し，モータ抵抗 Rm が 200
MΩ の場合は×印で示した．Ramp と Breathing Filter の電圧範囲はモータ抵抗 Rm が 20 MΩ の場合と比べ，モータ抵抗 Rm が 200 MΩ の場合の電圧範囲は狭い事がわ
かった．

3.2.2 試作HDDのRamp-PとBreathing Filter電圧
図 9 は，図 8 と同じ縦軸と横軸のグラフに，記録容量30 GB 装置の開発時の試作 HDD に搭載された Breathing
図 7 Ramp-P と Breathing Filter 搭載した HDD の Disk 電圧 .
（ a ）mode（Ⅰ）の状態．
（ b ）mode（Ⅱ）の状態．
Fig. 7 Disk voltage in the HDD assembled with Ramp-P and
Breathing Filter.（ a ）mode（Ⅰ）（. b ）mode（Ⅱ）.

Filter と Ramp-P の帯電電圧の測定結果を示した．湿度 5％で測定し，サンプル数は 20 個である．図中に△と▲印
で 示 し た．ま た，図 中 に モ ー タ 抵 抗 Rm が 200MΩ で86（40）

静電気学会誌 第39巻 第 2 号（2015）
した．これより Disk 電圧は，Breathing Filter のマイナス
極性と Ramp-G のプラス極性で互いに打ち消す事で Disk
電圧を小さくする事ができないかと考えた．

3.3.1 Ramp-G搭載の製品HDDのDisk電圧
図 10 は現在製品 HDD に搭載されている Ramp-G とBreathing Filter を 図 5 の mode
（Ⅰ）
，mode
（Ⅱ）の 順 に 変
更した場合の Disk 電圧を測定した結果である．測定条
件は図 6 と同じである．各 mode の結果を以下にまとめて記述する．
① mode（Ⅰ）の Disk 電圧は，Ramp-G がプラス極性の帯電したため電気分極によりプラス極性の電位となった．Disk 電圧はモータ抵抗 Rm が 200 MΩ の場合は +図 8 Breathing Filter と Ramp の帯電電圧．▽と×は電圧印
加試験結果．
Fig. 8 Charging voltage results of Ramp and Breathing filter. ▽& × were measured in voltage charge. examination.

0.8 V， モ ー タ 抵 抗 Rm が 20 M と 1 MΩ の 場 合 は +0.4 V であった．
② mode（Ⅱ）の Disk 電圧は，Ramp-G がプラス極性に帯電 し 電 気 分 極 に よ り プ ラ ス 極 性 と な っ た 状 態 に，Breathing Filter のマイナス極性の帯電による電気分極が加わった状態である．モータ抵抗 Rm が 200 MΩ の場合 - 0.6 V，モータ抵抗 Rm が 20 M と 1 MΩ では - 0.18
V となった．

図 9 Breathing Filter と Ramp の帯電電圧．△と▲は Ramp-Pの電圧印加試験結果．
Fig. 9 Charging voltage results of Ramp and Breathing filter. △& ▲ were measured in Ramp-P.

Disk 電圧仕様 - 0.7 V ～ + 0.7 V となる Ramp と Breathing

図 10 Ramp-G と Breathing Filter 搭載 HDD の Disk 電圧
Fig. 10 Disk voltage in the HDD assembled with Ramp-G andBreathing Filter.

Filter の電圧範囲を示した．
測定したサンプルの 50％ が放電防止の Breathing Filter

3.3.2 Ramp-G搭載の製品HDDのDisk電圧湿度依存性と Ramp の電圧範囲を満たしていない事がわかった．ま図 11 は Ramp-G と Breathing Filter が実装された状態

た△印は図 1 の放電痕を確認した HDD のデータである．

で Disk 電圧の湿度依存性を測定した結果である．温度，

3.3 放電対策の検証

湿度，サンプル数，グラフ条件は，図 7 と同じで mode（Ⅱ）

マイナス極性に帯電する Ramp-P と，同じマイナス極の結果を示した．湿度 5％の場合の Disk 電圧が最も大性で帯電する Breathing Filter からの静電誘導により Disk

きな電圧で - 0.6 V となった．湿度依存性から湿度 14％

電圧はマイナス極性に大きく帯電した．この結果 Head以上になる Disk 電圧はほとんど変化していない事がわと Disk 間で放電が発生したと考えた．この対策としてかった．Disk 電圧仕様 - 0.7 V ～ + 0.7 V を満足している

Ramp を図 3 に示す様にマイナス極性に帯電する Ramp-P

事を確認した．

からプラス極性に帯電する Ramp-G に変更する事を検討

帯電した車載HDD内絶縁体部品に誘起されたDisk電圧と放電メカニズム（宮竹 政実ら）

87（41）が変化した．Disk の近くに実装されている絶縁体部
品の Breathing Filter と Ramp の帯電が Disk 電圧の変化に大きく依存する事がわかった．
2．Breathing Filter と Ramp の帯電と Disk の静電誘導の電圧を測定する方法を考案した．
3．Disk 帯電は，モータのハブとスリーブ間にある潤滑油の抵抗に大きく依存する事がわかった．
4．車載 HDD の試作機で放電が発生した．発生原因を調査すると Ramp の帯電極性がマイナス極性であった．
図 11 mode（Ⅱ）の状態の Ramp-G と Breathing Filter 搭載
HDD の Disk 電圧
Fig. 11 Disk voltage in the HDD assembled with Ramp-G andBreathing Filter at mode（Ⅱ）.

Breathing Filter もマイナス極性に帯電することによりDisk 電圧はマイナス極性で大きく増加し，放電防止仕様を超えた - 1.7 V の電圧になっている事がわかった．試作 HDD の Head を調査すると放電痕を確認した．

4．製品HDDのRamp-GとBreathing Filter電圧検証

5．放電対策として Ramp をプラス極性に帯電する Ramp

図 12 は，図 8 と同じ縦軸と横軸のグラフに，製品 HDDに変更した．Breathing Filter の帯電はマイナス極性よの Breathing Filter と Ramp-G の帯電電圧の測定結果を示

りプラス極性に帯電する Ramp を搭載する事で Disk

した．湿度 5％で測定し，サンプル数は 20 個である．図

電圧の増加を抑える事ができた．これより Disk 電圧

中 に ● 印 で 示 し た．ま た， 図 中 に モ ー タ 抵 抗 Rm がは小さくなり，その結果，放電防止仕様を満足する

200MΩ で Disk 電圧仕様 - 0.7 V ～ + 0.7 V となる Ramp

事を検証した．

と Breathing Filter の電圧範囲を示した．測定したサンプ
ルの全てが放電防止範囲内である事を確認した．
製品車載 HDD には Ramp-G を搭載した．800 万台以上が出荷している HDD において Disk の静電誘導による放電はユーザー使用において発生していない．

参考文献
1） O. Nakamaru: Houden Hando Book ISBN: 4-88686-308-6（1999）
2） Y. Hiroyasu, Y. Kobayashi, T. Shinomiya and M. Yoshinaga:
1.6Gbps R/W Pre-Amplifier for 3.5 Hard Disk Drives. IEICE
Technical Report, M-102［645］（2003）23-27
3） S. Hu, Z. Yuan, S. Leong, B. Santoso, C. Ong and B. Liu:
Tribo-Charge of Diamond-Like Carbon（ DLC ）Contact at
Slider Disk Interface and Tribo Current Flow Through Disk
DLC. IEEE Trans. Magn., 45（2009）5073-5076
4） N. Li, L. Zheng, Y. Meng and D. B. Bogy: Experimental Studyof Head-Disk Interface Flyability and Durability at Sub-1-nm
Clearance. IEEE Trans. Magn., 45（2009）3624-3627
5） S. Moseley and D. B. Bogy: Experimental Evidence of
Lubricant Droplet Transfer from Slider to Disk. IEEE Trans.,
45（2009）867-871

図 12 Breathing Filter と Ramp の帯電電圧．●は Ramp-G の電圧印加試験結果．
Fig. 12 Charging voltage results of Ramp and Breathing filter. ●were measured in Ramp-G.

6） M. Miyatake and N. Kodama: Discharge Mechanism in HDD.
J. Magn, Soc. Jpn, 34（2010）39-44
7） M. Miyatake, F.Kugiya and N. Kodama: Analysis of discharge
mechanism in HDD. IEEE Trans. Device Mater., 10（2011）

5．結論
Head と Disk 間で放電が発生する現象に関して，発生

323-3278） N. Kodama, H. Yoshida, N. Kitamura, M. Miyatake, A. Tobari,

メカニズムを解析して，以下のことを明らかにした．

Y. Nishimura and F. Kugiya: Design concepts and verified

1．車載 HDD において摩擦などで帯電した絶縁体部品

performances in automotive HDD. J.Magn, Soc.Jpn, 34の静電誘導により Disk に電荷が誘起され，Disk 電圧（2010）474-478