CN1162859C - 采用环形旋转压电执行机构的高密度硬盘驱动器的双级执行机构系统 - Google Patents

Abstract

公开的一种压电执行机构，包括一个环形压电元件和一个基座。沿着环形压电元件的径向有一个缝隙。该环形压电元件的两端的其中之一，即固定端与基座相连接，而另一端则是自由的，该基座是有压电材料组成的。此外，环形压电元件被加到其两个相反表面的电极图形和/或其极化方向沿着其圆周方向分成两个以上环形部分。当施加驱动电压时，执行机构能绕环形压电元件的中心大约产生旋转运动，环形旋转执行机构可以是单板或多层结构。本发明还涉及一种硬盘驱动器的双级磁头定位执行机构系统，硬盘驱动器有多个磁盘和多个经过环形压电执行机构安装在多个悬臂件的远端的垂直取向的磁头。

Description

采用环形旋转压电执行机构的高密度硬盘驱动器的 双级执行机构系统

所属技术领域

概括地说，本发明涉及压电器件领域，具体而不是作为限制地说，本发明涉及适用于作为硬盘驱动器的双级磁头定位伺服系统的副细执行机构的环形旋转压电执行机构，以及涉及采用环形旋转压电执行机构的高密度硬盘驱动器的双级执行机构系统。

相关先有技术的描述

压电执行机构由于其体积小、结构简单、响应快速和最重要的是低至纳米的可控位移的特性，已经用作诸如光学、精密加工、流体控制和光盘驱动器等的宽频谱领域中的定位器或驱动电机。

然而，在硬盘驱动器领域，微型机械静电执行机构、微型电磁执行机构和压电执行机构之间存在着竞争。微型机械式执行机构是设计用来直接驱动磁头的。这种型式的执行机构的优点是其较高的响应频率，而其行程/电压灵敏度很低。另一方面，压电执行机构通常用来控制悬臂机构的运动。与前者相比，后者具有较大的行程/电压灵敏度和较低的谐振频率。遗憾的是，对于硬盘驱动器的双级磁头定位伺服系统来说，谐振频率和行程同样重要。在由Todd A.Krinke等人于1997年6月13日提交的题为“Base Plate-mountted Microactuator for aSuspension”、已转让给”Hutchinson Technology Incorporated”的美国专利申请No.08/874,814(美国专利U.S.No.5,898,544)中公开了一种压电执行机构。

就压电执行机构而言，为了减低驱动电压，已经有d31型多层、分裂变体和II杆多层作为双级伺服系统的副细执行机构。然而，谐振频率和行程的矛盾仍然没有解决。

在本发明中，提出了一种用来直接驱动磁头的微型机械式压电执行机构，以同时满足对谐振频率和行程的要求。

本发明的概述

本发明总的目的是提供一种具有围绕其形心产生旋转变形的功能的压电执行机构的新颖结构。

本发明的具体目的是提供一种能用作硬盘驱动器的双级伺服系统的副执行机构的压电执行机构。

本发明更具体的目的是提供一种能安装在悬臂件和磁头之间的压电执行机构，驱动磁头的磁极尖，移过数据磁迹，从而获得一种具有高带宽的磁头定位伺服系统。

本发明的还有一个具体的目的是提供一种具有对称结构和简单粘结(potting)处理的压电执行机构，使得它容易制造，又能在磁头万向组件((head gimble assembly)HGA)实施。

本发明的再一个目的是提供一种具有足够位移行程的压电执行机构，以满足高至15V的电源电压下补偿轨迹错误对准的要求。

根据本发明的实施例通过设计结构，选择适当的电极图形和压电元件的相应的极化方案就能达到上述目的。下文讨论典型的实用装置。

根据本发明的一个方面，具有沿径向缝隙的环形压电元件用被在某个半径处沿其圆周的电极裂隙的分成两部分。在这些部分上的极化向量通常是沿其厚度方向的，且能沿着相同或相反的方向极化。压电元件的两端的其中之一固定到一个基座上。驱动电压配置成使两部分的其中之一膨胀，而另一部分则收缩，或者两部分的其中之一膨胀或收缩，另一部分则保持不变。这就导致自由端绕其中心大体上旋转运动，有点象分裂变体执行机构的弯曲，这种弯曲是沿其宽度方向发生的。这种执行机构实际上是一种环形分裂电极旋转型压电执行机构。类似于“分裂变体”的名称，它可以定义为“环形分裂变体”。如果只极化两个部分其中之一，这种执行机构可以称为局部极化环形分裂变体。如果压电元件的两个对应部分的极化向量彼此反向，这种执行机构就称为反平行环形分裂变体。如果极化向量相同，则称它为平行环形分裂变体。

根据本发明的另一个方面，为硬盘驱动器提供了一种双级磁头定位执行机构系统，驱动器具有多个硬磁盘和多个经过压电执行机构安装在多个悬臂件的远端的垂直取向的磁头。在一个实施例中，双级磁头定位执行机构系统包括：

一个音圈电机，作为主级执行机构同时以长行程驱动多个悬臂件；以及

多个压电执行机构，作为副细执行机构以微小行程个别驱动磁头，将磁头精确地定位在多个磁盘的相应磁盘表面的预定位置上。

上述执行机构用作细执行机构，多个细执行机构各自通过基座安装在多个悬臂件的其中之一的相关联的挠性舌上，磁头粘结在执行机构的内盘上。

根据本发明的再一个方面，为任何两片压电元件或一个压电元件中的任何两个有源部分提供驱动电压的方案，驱动电压能使两片压电元件或两个有源部分同时分别膨胀或收缩，而驱动电压的方向在整个工作过程中保持对应的片和部分的的极化方向。加到两片和两个部分的电极上的电压是加到正直流偏压上的两个反相交流信号，该正直流偏压与所述两片和两部分的极化向量相同的方向，该偏压大于或等于交流信号的幅值。

因此，驱动电压能精确地控制悬臂件的自由端的旋转角度。

本发明的一个主要优点和新颖方面涉及环形结构以及将环形结构分成有源(active)部分和无源(inactive)部分的方法的特征，这些部分能使执行机构具有在电极平面内产生旋转运动的功能。有了这些优点和特征，尺寸与磁头不相上下的执行机构就能安装在悬臂件，具体地说是挠性舌，与磁头之间，遵循适中的摆动度更宽更快地驱动磁头的磁极尖。

本发明的另一个主要的特征是利用带铸、厚膜丝网印刷、砂磨和MEMS((microelectro mechanical system)微机电系统)技术可以简易地将执行机构制成各种尺寸的多层结构。

本发明的其它目的以及为达到这些目的的结构和特征通过考虑下面结合附图所作的有关最佳实施例的详细描述就会显得很清楚。

附图简介

图1是环形分裂变体的最简单结构的上透视图。

图2是带有内盘的环形分裂变体的上透视图。

图3是带有内盘的多层环形分裂变体的上透视图。

图4是内电极图形及其取向的平面顶视图。

图5是带有内盘的环形分裂变体和矩形外座的平面顶视图和侧视图。

图6是本发明的S型旋转执行机构的正视图。

图7是本发明的三杆型旋转执行机构的正视图。

图8、8A和8B是压电执行机构级的平面顶视图和侧视图。

图9例示本发明的执行机构的典型组件和磁头的结构。

图10是表示旋转执行机构和磁头的相对位置的示意图。

图11和12是具有本发明的微压电执行机构的悬臂组件的侧视图。

图13是HGA实施例的组装图。

最佳实施例的详细描述

下面就参照附图描述本发明的基本结构和最佳实施例。图1-图5示出了本发明的基本结构和相应的工作情况。

具体地参阅图1，图中例示了本发明的最简单的结构。这仅仅是有关具有环形结构的单片压电板，厚度为t，且沿其厚度方向极化。

在图1中，标号1表示环形压电板，沿其径向有一个缝隙2。具有一定图形的电极位于压电板的两个相对表面上。压电板还用电极图形分为两部分，即内部分I和外部分O。标号3和4表示两对上下电极O和I。此外，标号5表示压电板1上没有采用电极的电极裂缝。标号6表示环形板的一端与基座的接合处。7表示环形板的另一端，即自由端。在这个实施例中，环形板和基座是由相同的压电材料组成的一个整体。如上所述，沿相同和相反方向使两部分O和I极化，形成平行的环形分裂变体或反平行环形分裂变体。也可以配置成只使电极I或O极化，形成所谓的局部极化分裂变体。图1中示出了一个平行分裂变体。在所有附图中所示出的箭头下文中都表示极化方向。

如图1中所示，从环形板中心到基座边缘的中点的方向表示为X轴，电极平面表示为X-Y平面，环形板的高度方向表示为Z轴。当自由端在驱动电压的作用下运动时，自由端的变形于是大致上呈绕其中心的转动。因此，可以实现自由端沿着Y轴的位移。在这个实施例中，环形元件的用标号M表示的中间部分也有一个沿X轴的少量位移。通过改变环形元件的内径、外径、厚度t和电极图形的尺寸就能精确地控制执行机构的作为位移/电压灵敏度的转动角度，以及谐振频率。应该指出的是在本说明书中所参考的附图都不是按比例绘制的。

图2例示了图1中所示的最简单的结构的改型。在图2中，与图1中的相同的标号表示相同的元件。这个执行机构的工作情况是与图1中所示的执行机构相似的。唯一的差别是有一个内盘8与环形板的自由端相连接，它也与环形部分构成一个整体。内盘可以提供粘结要被驱动的物体、例如磁头的较大面积，因此内盘能将自由端的转动传递给该物体。内盘本身也大体上绕中心转动。

获得大动程和高谐振频率是微执行机构设计、尤其是双级伺服系统的副级执行机构的基本要求。这就必须增大高度方向的刚性，同时保持在较低的驱动电压下执行机构的较高位移/电压灵敏度，即获得大再生位移。为了实现这个目的，于是提出了本发明的多层结构，下面就参照附图描述这种多层系统。

由于选定的制造方法的差异，这种多层环形分裂变体有若干种不同的结构。考虑这种极化方案，平行的、反平行的和局部极化的多层执行机构也有区别。通过将两个以上单薄板执行机构粘结在一起就能简单地实现多层结构，或者用各种传统的多层工艺制造多层结构。下面参照图3-图5描述本发明的典型形式和改型。

图3示出了本发明的多层结构的典型设计及其驱动电压图。如图3中所示，每一层实际上是一个平行的环形分裂变体。用标号9-12表示各压电层，压电层与内电极交插。标号11和12各是上下压电覆盖层，防止表面电极裸露出来。内电极层裸露在执行机构的侧面，形成外电极A、B和G。G是总是提供OV地电压的公共电极。电极A和B分别向环形元件的内部分I和外部分O提供驱动电压。加到电极A和B上的电压是两个加到直流正偏压上的反相正弦波信号，这个直流正偏压的方向与压电层的极化向量的方向相同。这个偏压防止在多层结构中容易发生的去极化故障。用两种反相的驱动信号就能获得大的行程。当加上电压之后，有源层9和10能产生如上所述的同步转动。由于压电层的厚度比压电板薄得多，多层环形分裂变体与单板环形分裂变体相比，多层环形分裂变体具有较高的位移/电压灵敏度。当然，有源层的数量可以比附图中所示的两层多得多。

图4例示环形分裂变体的具体电极图形。在图4中，标号13和14表示印在同一层上的内圈电极和外圈电极。15是印在相邻压电层上的、电极13和14的公共地电极的图形。

此外，如果两个电极13和14的其中之一被删除，或者两个部分13和14的其中之一被选定，用来施加驱动电压，多层平行环形分裂变体就成为多层局部极化环形分裂变体。如果每个压电层中的两个对应的部分13和14的极化方向相反，就能制造多层反向平行的环形分裂变体。因此，应该修改驱动电压方案。在相同的驱动电压下，局部极化的执行机构的行程大约为平行或反向平行的执行机构的行程的一半。

图5是本发明的另一个改型。执行机构的基板环绕环形压电元件，使得有一个足够大的粘结区固定执行机构。图5中示出了一个具有长方体结构的执行机构。还提出了另一种改型，现参照附图予以描述。在四个转角上的四个象限圆15是粘结区，这些粘结区也可以制成台阶。这种台阶比环形压电元件的平面稍高，以控制执行机构的可动部分与粘结表面之间的间隙。由于同样的理由，内盘设计成稍高于环形区16，以控制磁头和执行机构之间的间隙。小凸起17的高度与台阶相同，且能限制执行机构的可动部分在工作过程中沿其厚度方向的变形。凸起对执行机构的转动没有什麽影响，且应该用诸如类金刚石碳等的坚固材料组成。台阶和凸起可以利用离子蚀刻、丝网印制方法等制成。

参阅图2，其中所示的环形压电材料加工成C形。然而，压电元件和内盘也可以加工成S形，因此提出一种如图6所示的S型旋转执行机构。与先前的附图中相同的标号表示相同的元件。与C型执行机构相比较，S形执行机构设计成用来提高结构稳定性以及谐振性能。此外，内盘能获得更精确的旋转和平移运动。S形旋转执行机构的驱动机构与C形执行机构的相同。

实际上，图1中的环形压电元件1可以取任何形式，例如，包括三个直杆的方形框架。图7示出了本发明的三杆式旋转执行机构的正视图，与先前的附图中相同的标号表示相同的元件。三杆式旋转执行机构的直杆上配置了一种可以用来控制内电极取向的切缝。由于执行机构上有三个杆，它们的行程比相同长度的一个杆的大。三杆式旋转执行机构的其它优点包括粘结区大，分隔电极容易和尺寸小。

图8示出了本发明的其它改型。如图8A中所示，执行机构级包括两个如图5中所示的执行机构，执行机构通过内盘的台阶16彼此连接。每个执行机构产生相对于连接部分的相反方向的转动。执行机构的一个表面上的四个台阶15与磁头相连接，其相反表面上的四个台阶15与挠性舌相连接。因此，在磁头上所形成的磁极尖的行程与单执行机构相比扩大至几乎两倍。

如图8B所示，执行机构级还包括两个执行机构，执行机构通过四个台阶15彼此连接。每个执行机构产生相对于连接部分的相反方向的转动。两个执行机构的其中之一的内盘台阶16的一个表面与磁头相连接，另一执行机构的内盘台阶16的相反表面与挠性舌相连接。因此，在磁头上所形成的磁极尖的行程与单执行机构相比扩大至几乎两倍。

虽然图8中所示的执行机构级只包括两个执行机构，但是成堆的执行机构的数量是不受限制的，视具体情况而定。而且，这种方法可以应用于其它优点执行机构，例如同样2、3、6和7中所示的执行机构。

如上所述，执行机构可以是单板或多层执行机构。

下面参照图9-13描述本发明的最佳实施例。在这些实施例中，本发明作为副细执行机构应用于硬盘驱动器的双级执行机构系统。双级执行机构系统包括常用的音圈电机，作为用于寻找磁迹的主执行机构，与调整和跟踪磁迹的副微执行机构耦合。

图9例示了轨迹本发明的双级执行机构系统的实施例。

本发明的特定压电执行机构18的其中之一经过基座表面19安装在挠性舌上。磁头20粘结在执行机构的反面的内盘上。作为副级细执行机构，执行机构使磁头绕内盘中心转动，使得磁迹尖21以很高速度移过一定行程内的数据磁迹，用于调整和磁迹跟踪。

图10示出了旋转执行机构和磁头之间的相对位置。与图9中相同的标号表示相同的元件。

图11中所示的是这个实施例的详细结构，其中执行机构是图3所示的执行机构。在图11中，与图9中相同的标号表示相同的元件。标号22和23表示薄粘结层。24-26分别是挠性舌、载荷杆和通常的悬臂件的凹座。这个实施例的优点是行程较大、执行机构的体积小以及对现有悬臂件的兼容性。

图12中所示的是另一个实施例的详细结构，其中执行机构是图5中所示的多层执行机构。在图12中，与图11中相同的标号表示相同的元件。这个实施例的可贵的优点是对称特征，这对于磁头的动态特性是颇有利的，诸如飞行高度的稳定性、谐振频率等。

图13例示了这个实施例的组装图，与图9中相同的标号表示相同的元件。

虽然通过硬盘驱动器的实例例示了这个实施例的双级执行机构伺服系统，但是它也适用于光盘系统，以获得高紧凑的特性。

下面给出了本发明的典型执行机构的特性。执行机构的行程和谐振频率取决于其尺寸。多层执行机构的典型尺寸如下：总厚度为0.1mm至0.2mm，每个压电层的厚度为0.015mm，环形执行机构的外径为0.8mm至1.2mm，其内径为0.5mm至0.9mm，内盘直径为0.4mm至0.6mm。如果用局部极化执行机构驱动30％皮磁头，在所加的驱动电压为15伏的情况下，极尖的行程为1μm至2.5μm，而执行机构和磁头组件的谐振频率可超过15kHz。

所提出的执行机构的优点很容易明白的。与现有的副微执行机构相比较，它具有足够大的行程和更高的机械谐振频率。这些性能使它非常有希望选作双级伺服系统的副微执行机构。

显然本发明达到了上述目的，以及实现了上述和内在目标，对于本领域的技术人员来说，只要不脱离本发明的精神和范围，可以作各种改型。因此，本发明不限于本文中具体所述的示于附图中的实施例。

Claims (20)

1.一种压电执行机构，包括：

一个由压电材料组成的基座；

一个包括具有沿其径向的缝隙的环形压电元件，该压电元件的固定端与基座相连接，而另一端则是自由的，所述环形压电元件被加到该环形压电元件的两个相反表面的至少其中之一的电极图形沿着所述环形压电元件的圆周方向和该环形压电元件的极化方向分成至少两个环形部分；所述环形压电元件是沿着其厚度方向极化的；

一个电压驱动器与所述环形压电元件相耦合，所述电压驱动器适于将驱动电压加到所述压电元件，使得所述极化部分的第一半是膨胀或伸缩的至少其中之一，而另一半是膨胀或伸缩的至少其中之一、或保持不变，以在所述环形压电元件的所述电极表面的的平面内产生旋转运动，使所述自由端沿着垂直于所述缝隙的方向运动。

2.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于还包括一个与所述自由端相耦合的内盘，以提供一个粘结要被驱动物体的区域。

3.根据权利要求2的压电执行机构，其特征在于，所述环形压电元件是以多层结构构成的，其中所述内电极插入所述基座，且裸露在所述基座的侧面，以形成外电极。

4.根据权利要求3的压电执行机构，其特征在于，所述基座围绕所述环形压电元件，以提供一种对称结构。

5.根据权利要求4的压电执行机构，其特征在于，所述基座的两个相反表面其中之一的至少一部分高于所述环形压电元件，而在另一表面，所述内盘高于所述环形压电元件，以控制所述执行机构的可动部分和稳定部分之间的间隙，一个凸起设置在所述内盘表面的中心，以限制所述环形元件沿其厚度方向的变形。

6.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于，所述基座和所述环形压电元件是用相同的材料、相同的方法和技术制成的。

7.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于，所述基座是用与所述环形压电元件不同的材料组成的。

8.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于，至少两个所述极化环形部分的极化向量的方向相同。

9.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于，至少两个所述极化环形部分的极化向量的方向相反。

10.根据权利要求2的压电执行机构，其特征在于，所述内盘和所述环形压电元件是用相同的材料、相同的方法和技术制成的。

11.根据权利要求2的压电执行机构，其特征在于，所述内盘是用与所述环形压电元件不同的材料组成的。

12.根据权利要求2的压电执行机构，其特征在于，所述环形压电元件呈C形。

13.根据权利要求2的压电执行机构，其特征在于，所述环形压电元件和所述内盘呈S形。

14.根据权利要求2的压电执行机构，其特征在于，所述环形压电元件有一个包括三个直条的方形框架，而且，可在所述直条中形成切缝，以控制内电极的取向。

15.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于，所述执行机构适于将该内盘和基座的至少其中之一连接到至少另一个环形压电执行机构，形成一个执行机构级，所述执行机构的转动方向与相邻执行机构的连接部分的转动方向相反。

16.根据权利要求1的压电执行机构，其特征在于还包括：

多个磁盘；

多个垂直取向的磁头，经过微压电执行机构安装在多个悬臂件的远端；以及

一个音圈电机，作为主级执行机构同时以长行程驱动多个悬臂件；

其中所述压电执行机构用作副细执行机构，以微小行程驱动其中一个所述磁头，使所述磁头定位在相对于所述多个磁盘的表面的预定位置，所述压电执行机构通过所述基座安装在所述多个悬臂件的其中之一的相关联挠性舌上，所述磁头粘结在所述执行机构的所述内盘上。

17.根据权利要求16的压电执行机构，其特征在于，所述多个微执行机构各自通过所述执行机构的所述基座安装在所述多个悬臂件的其中之一的基板上，以驱动载荷杆，使所述磁头移过其中一个所述磁盘表面的数据磁迹。

18.根据权利要求16的压电执行机构，其特征在于所述磁头粘结在所述执行机构的所述内盘上，所述磁头的中心至少对中所述内盘的中心，前后偏位。

19.一种为执行机构的压电元件的两个有源部分和两片压电元件的至少其中之一提供驱动电压的方法，该电压使所述压电元件的两个有源部分和两片压电元件的至少其中之一同时分别膨胀和收缩，驱动电压的方向则维持对应的两部分或两片的极化方向，防止压电元件去极化，所述方法包括下列步骤：

将电压加到所述两部分或两片的至少其中之一的电极上，作为加到正直流偏压上的两个反相交流信号，该正直流偏压的方向与所述两部分或两片的至少其中之一的极化向量相同，其中该偏压大于或等于该交流信号的幅值。

20.一种启动压电执行机构的方法，该执行机构包括一个环形压电元件和一个有径向缝隙的基座，其中该环形压电元件包括连接至基座的固定端和自由端，该基座是由压电材料组成的，该环形压电元件被加到该环形压电元件的两个相反表面的至少其中之一的电极图形沿着所述环形压电元件的圆周方向和该环形压电元件的极化方向分成至少两个环形部分；所述方法包括下列步骤：

沿所述环形压电元件的厚度方向极化所述环形压电元件；

施加驱动电压，使得所述极化部分的第一半是膨胀或伸缩的至少其中之一，而另一半是膨胀、伸缩或保持不变的至少其中之一；

在所述环形压电元件的所述电极图形的平面内产生旋转运动，使所述环形压电元件的所述自由端沿着垂直于所述径向缝隙的方向运动。

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