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Actuador de triple etapa: innovaciones en discos duros

Actuador de Triple Etapa: Innovaciones en Discos Duros

Una unidad de disco duro (HDD) es un dispositivo extremadamente complejo que involucra componentes tanto de hardware como de software. Compuesto por alrededor de 300 piezas procedentes de diversos proveedores de todo el planeta, su fabricación requiere una precisión altísima, presentando muchos de los criterios de diseño tolerancias inferiores a 1 nm. Además, cuenta con más de un millón de líneas de código de software para gestionar la comunicación con el host, las operaciones mecánicas y la escritura y lectura de datos.

El aumento en el número de pistas por pulgada (TPI) y el crecimiento en la densidad de área, que indica la cantidad de datos que se pueden almacenar en un disco duro, promueven mayores capacidades y son el resultado de la constante innovación en la tecnología HDD.

Las innovaciones mecánicas para aumentar el TPI y la densidad de área incluyen el actuador de triple etapa (TSA) incluido en los discos duros DC HC550 18TB CMR y Ultrastar DC HC650 20TB SMR de Western Digital.

El brazo actuador y su evolución

La siguiente imagen muestra el esquema de un brazo actuador para un disco duro, mostrando el movimiento de arco que realiza el brazo para colocar el cabezal de lectura/escritura sobre los discos.

Brazo actuador de un disco duro

Brazo actuador de un disco duro. Crédito de la imagen: Divulgación

Es un brazo actuador de una sola etapa: el motor de bobina móvil (VCM) se encarga de todo el movimiento mediante una corriente eléctrica aplicada a la bobina (número 30 en la figura), haciéndola moverse sobre un eje (32 en la figura).

Movimiento de arco

El brazo actuador se mueve formando un arco sobre los platos HD para acceder a diferentes pistas de datos. Esto es necesario para posicionar el cabezal de lectura/escritura en el punto exacto donde se encuentran los datos.

Posicionamiento 34, 35 y 36, en la imagen.

34: Muestra una posición más alejada en el rango de movimiento, donde el brazo accede a las pistas en la parte más externa de los platos, lo que generalmente ofrece velocidades de transferencia más rápidas debido a la mayor densidad de datos en los bordes del disco, lo que permite que más información se lea o escriba por revolución del disco.

35: Indica una posición intermedia en el rango de movimiento, donde el brazo estaría accediendo a vías ubicadas en una región más medial del disco.

36: Muestra una posición del brazo actuador en el borde interior de los platos HD, representando una pista más cercana al centro.

El movimiento descrito en los números 34, 35 y 36 representa la variación en la posición del actuador a medida que recorre las pistas de datos, ajustándose según sea necesario para la lectura y escritura. El movimiento del brazo está guiado por comandos precisos, permitiendo el acceso a diferentes áreas de almacenamiento del disco duro.

Pero hay un problema de desalineación del cabezal de lectura/escritura (en verde y rojo) con relación a la pista de datos (en naranja), debido al movimiento del arco de el actuador del brazo. Esta desalineación se produce porque el brazo sigue un arco fijo, mientras que las pistas están dispuestas en círculos concéntricos en los platos del disco duro.

Este efecto se conoce como error de desplazamiento radial o error de desvío, y surge porque el movimiento del cabezal no es lineal, sino curvo. Este problema se acentúa en las pistas interior y exterior (como las posiciones que indican los números 34 y 36 en la imagen), donde el ángulo de inclinación entre la posición del cabezal lector y la pista se hace más evidente. El cabezal lector no se posiciona correctamente en la pista del disco.

La precisión del posicionamiento es fundamental para los discos duros modernos, que son cada vez más rápidos, de alta capacidad, con gran densidad de datos y miniaturizados. La necesidad de sistemas servo de mayor ancho de banda capaces de posicionar de forma rápida y precisa el cabezal de lectura/escritura en una alta densidad de pistas es cada vez más urgente.

La tecnología de los actuadores ha evolucionado desde una sola etapa hasta dos etapas y tres etapas.

Actuador de dos etapas y actuador de tres etapas

Actuador de dos etapas y actuador de tres etapas. Crédito de la imagen: Divulgación

Cada evolución aumenta la precisión del posicionamiento de los cabezales de lectura y escritura, al tiempo que reduce el tiempo necesario para acceder y escribir datos en los medios, además de reducir la vibración.

Los actuadores de dos etapas utilizan el miliactuador para mover la viga de carga, que es la suspensión metálica al final del brazo del actuador. Aquí es donde se ubica el conjunto del cardán principal (HGA), donde se instala el SLIDER, que "vuela" aproximadamente a 3 nm de la superficie del disco y es responsable de la lectura y escritura magnética.

Actuadores mili y micro piezoeléctricos

Actuadores mili y micro piezoeléctricos. Crédito de la imagen: Divulgación

O miliatuador e o microatuador possuem, cada um, um par de elementos piezoelétricos (ou “elementos piezo”) conectados aos diferentes componentes da suspensão. O atuador realiza uma pequena rotação quando uma tensão é aplicada, fazendo com que um elemento piezoelétrico se expanda enquanto o elemento piezo oposto se contrai.

El miliactuador puede girar hasta 200 nm, mientras que el microactuador puede girar hasta 100 nm, actuando este último sobre el HGA.

Los tres puntos de los actuadores

Los tres puntos de los actuadores. Crédito de la imagen: Divulgación

TSA con tres puntos de pivote puede aumentar la granularidad durante el seguimiento y la búsqueda de senderos.

Esto permite un posicionamiento más preciso del cabezal en la pista del disco duro.

Durante la búsqueda, el brazo actuador se desplaza de una pista a otra. A medida que el brazo se acerca a la trayectoria del objetivo, el miliactuador y el microactuador se encienden para alinearse con la trayectoria del objetivo más rápidamente. Un control de posicionamiento más preciso permite llegar al sendero más rápido y al mismo tiempo reducir el ruido y la vibración.

Y aquí está el actuador piezoeléctrico que NGK produce en masa para discos duros.

Actuador piezoeléctrico fabricado por NGK Insulators

Actuador piezoeléctrico fabricado por NGK Insulators. Crédito de la imagen: Divulgación

Fantástico, ¿verdad?

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