DE60130940T2

DE60130940T2 - Piezoelektrischer Aktor und Vorrichtung zur Informationsspeicherung

Info

Publication number: DE60130940T2
Application number: DE60130940T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Kawasaki Kurihara; Masaharu Kawasaki Hida; Tsuyoshi Kawasaki Mita; Shigeyoshi Kawasaki Umemiya; Michinori Kawasaki Kutami
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: US20010040773A1; DE60130940D1; EP1154496B1; US20030193755A1; EP1154496A2; US6721136B2; EP1154496A3; JP3857020B2; US6587313B2; KR20010104201A; JP2001327178A; KR100691683B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Betätiger und eine Informationsspeichervorrichtung, in der der piezoelektrische Betätiger verwendet wird.
Als Informationsspeichervorrichtung, die in elektronische Vorrichtungen wie beispielsweise einen Personalcomputer und einen Wortprozessor eingebaut ist oder damit verbunden ist, ist bislang ein Festplattenlaufwerk bekannt gewesen. Das Festplattenlaufwerk ist im Allgemeinen mit einer Platte als Informationsspeichermedium und einem Kopf zum Lesen/Schreiben eines Aufzeichnungsbits bezüglich der Platte versehen und ist ferner mit einem Arm zum Halten des Kopfes in der Nähe der Platte und einem elektromagnetischen Betätiger zum Antreiben des Arms versehen, um den Kopf entlang der Platte zu bewegen.
Eine Aufzeichnungsdichte des Festplattenlaufwerks hat einhergehend mit der Entwicklung des Personalcomputers oder dergleichen zugenommen und hat sich besonders in den letzten Jahren bei einem wachsenden Bedarf an Bild- oder Musikbearbeitung mit dem Personalcomputer oder dergleichen rapide erhöht. Darüber hinaus ist einhergehend mit der Verbesserung der Aufzeichnungsdichte des Festplattenlaufwerks ein Aufzeichnungsbit auf der Platte fein geteilt worden, hat die Plattenrotationsgeschwindigkeit zugenommen und sind eine hohe Präzision und ein hohes Tempo beim Positionieren des Kopfes verlangt worden. Des Weiteren sind auch die Miniaturisierung, die Gewichtsverringerung und die Energieersparnis des Festplattenlaufwerks befürwortet worden.
Um den Kopf mit hoher Präzision und hohem Tempo zu positionieren, ist deshalb ein Festplattenlaufwerk vorgeschlagen worden, in dem ein piezoelektrischer Betätiger, der von dem herkömmlichen elektromagnetischen Betätiger unabhängig ist, auf halber Strecke des Arms angeordnet ist.
Jedoch haben der piezoelektrische Betätiger und das Festplattenlaufwerk, die zuvor vorgeschlagen wurden, die Probleme, dass keine ausreichende Versetzung erhalten werden kann, die Antriebsspannung hoch ist, die Abmessungen und das Gewicht groß sind, das Trägheitsmoment während des Kopfantriebs groß ist und die Herstellungskosten hoch sind.
Diese Probleme werden nicht nur in dem Festplattenlaufwerk verursacht, sondern werden bezüglich der Informationsspeichervorrichtung allgemein verursacht, in der der Kopf durch den Arm gehalten und bewegt wird.
Daher ist es wünschenswert, einen piezoelektrischen Betätiger vorzusehen, in dem eine große Versetzung bei einer niedrigen Spannung erhalten wird, der kleine Abmessungen und ein leichtes Gewicht hat und dessen Herstellungskosten niedrig sind, und eine Informationsspeichervorrichtung, in der der piezoelektrische Betätiger inkorporiert ist, dessen Trägheitsmoment während des Kopfantriebs klein ist, und die eine hohe Aufzeichnungsdichte, kleine Abmessungen und ein leichtes Gewicht besitzt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Betätiger vorgesehen, der umfasst: eine piezoelektrische Schicht, die aus piezoelektrischem Material mit zweidimensionaler Form gebildet ist und mit einem zentralen Abschnitt versehen ist, und mit einer Gruppe von Armabschnitten, die sich in einer Krümmung von dem zentralen Abschnitt nach außen erstrecken, bei einer Anordnung, die rotationssymmetrisch, aber nicht linearsymmetrisch ist, und die in einer schichtinternen Richtung kontrahiert/ausgedehnt wird, um zu bewirken, dass der zentrale Abschnitt angetrieben wird, um zu rotieren; und eine Vielzahl von Elektrodenschichten, zwischen denen die piezoelektrische Schicht gehalten wird, welche Elektrodenschichten den größten Teil der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht bedecken.
Hier kann die piezoelektrische Schicht eine flache Schicht mit der zweidimensionalen Form sein, oder eine Schicht, die in der zweidimensionalen Form gekrümmt ist.
Wenn eine Spannung auf die piezoelektrische Schicht angewendet wird, wird die piezoelektrische Schicht in der schichtinternen Richtung kontrahiert. Falls hierbei vordere Enden von jeweiligen Armabschnitten, die die Armabschnittsgruppe bilden, an einem gemeinsamen starren Körper befestigt sind, wird der zentrale Abschnitt wegen der zweidimensionalen Form bei niedriger Spannung im Wesentlichen rotieren. Da die Struktur eines piezoelektrischen Betätigers, der die vorliegende Erfindung verkörpert, darüber hinaus leicht herzustellen ist, kann der piezoelektrische Betätiger als Betätiger mit kleinen Abmessungen und leichtem Gewicht preiswert hergestellt werden.
In einem piezoelektrischen Betätiger, der die vorliegende Erfindung verkörpert, sind die Armabschnitte, die die Armabschnittsgruppe darstellen, jeweils so gekrümmt, um eine entgegengesetzte Biegung bezüglich einer Wurzel zu bilden, durch die der Armabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbunden ist.
Darüber hinaus ist ein piezoelektrischer Betätiger, der die vorliegende Erfindung verkörpert, vorzugsweise mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten versehen.
Bei dem piezoelektrischen Betätiger, der den Armabschnitt enthält, der von dem zentralen Abschnitt nach hinten gewandt ist, ist ein Rotationsbetrag des zentralen Abschnittes hinsichtlich des Kontraktionsbetrages des Armabschnittes groß. Bei dem piezoelektrischen Betätiger, der mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten versehen ist, ist der Kontraktionsbetrag der piezoelektrischen Schicht hinsichtlich der zwischen den Elektrodenschichten angewendeten Spannung groß. Deshalb kann durch diese piezoelektrischen Betätiger eine größere Versetzung bei einer niedrigeren Spannung erhalten werden.
Wenn ein piezoelektrischer Betätiger, der die vorliegende Erfindung verkörpert, mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten versehen ist, ist die Vielzahl der Elektrodenschichten mit demselben Potential vorzugsweise über ein Durchgangsloch miteinander verbunden.
Der piezoelektrische Betätiger, bei dem das Durchgangsloch als Mittel verwendet wird, um die Elektrodenschichten miteinander zu verbinden, lässt sich leicht herstellen und hat niedrige Herstellungskosten.
Des Weiteren ist in einem piezoelektrischen Betätiger, der die vorliegende Erfindung verkörpert, die piezoelektrische Schicht vorzugsweise aus piezoelektrischer Keramik auf der Basis von Bleizirconat-Titanat (PZT) gebildet, besser noch aus piezoelektrischer Keramik auf der Basis von PNN-PT-PZ.
Als piezoelektrisches Material zum Bilden der piezoelektrischen Schicht können PZT, PT, Bariumtitanat, geschichtetes Perowskit und andere piezoelektrische Materialien genutzt werden, aber piezoelektrische Keramik auf der Basis von PZT ist preiswert, hat eine große piezoelektrische Konstante und ist als piezoelektrisches Material zum Bilden der piezoelektrischen Schicht geeignet. Speziell piezoelek trisches Material auf der Basis von PNN-PT-PZ unter den piezoelektrischen Materialien auf PZT-Basis weist eine besonders hohe piezoelektrische Konstante auf, hat ein besseres Sintervermögen und ist deshalb als piezoelektrisches Material zum Bilden der piezoelektrischen Schicht bevorzugt geeignet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Informationsspeichervorrichtung vorgesehen, die umfasst:
einen Kopfabschnitt, an den ein Kopf zum Ausführen von wenigstens einem von der Informationsaufzeichnung und der Informationswiedergabe bezüglich eines vorbestimmten Informationsspeichermediums montiert ist;
einen Armabschnitt zum Halten des Kopfabschnittes auf solch eine Weise, dass der an den Kopfabschnitt montierte Kopf in der Nähe von oder in Kontakt mit dem Informationsspeichermedium angeordnet ist;
einen Armabschnittsbetätiger zum Antreiben des Armabschnittes, um den Kopf, der an den Kopfabschnitt montiert ist, der durch den Armabschnitt gehalten wird, längs des Informationsspeichermediums zu bewegen; und
einen Kopfabschnittsbetätiger zum Rotieren des Kopfabschnittes bezüglich des Armabschnittes und Zentrieren auf einem Schwerezentrum des Kopfabschnittes,
bei der der Kopfabschnittsbetätiger eine piezoelektrische Schicht umfasst, die den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert.
Hierbei kann der Kopf ein Magnetkopf oder ein optischer Kopf sein.
Bei einer Informationsspeichervorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, enthält der Kopfabschnitt den Kopf und einen Gleiter, mit dem an ihn montierten Kopf, zum Gleiten auf dem Informationsspeichermedium, enthält der Armabschnitt den Arm, der durch den Armabschnittsbetätiger angetrieben wird, und eine Aufhängung, die mit dem Arm verbunden ist, und kann der Kopfabschnittsbetätiger zwischen der Aufhängung und dem Gleiter angeordnet sein.
Alternativ dazu enthält bei einer Informationsspeichervorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, der Kopfabschnitt den Kopf, den Gleiter, mit dem an ihn montierten Kopf, zum Gleiten auf dem Informationsspeichermedium, und eine Aufhängung zum Halten des Gleiters, und der Kopfabschnittsbetätiger kann zwischen der Aufhängung und dem Armabschnitt angeordnet sein.
Gemäß einer Informationsspeichervorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, ist auf Grund dessen, dass der Kopfabschnitt zentrierend auf dem Schwerezentrum durch den Kopfabschnittsbetätiger rotiert wird, das Trägheitsmoment während des Kopfantriebs klein und kann die Kopfposition äußerst präzise gesteuert werden. Da der Kopfabschnittsbetätiger darüber hinaus ein Betätiger mit kleinen Dimensionen und leichtem Gewicht ist, kann die Informationsspeichervorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, als Vorrichtung mit kleinen Abmessungen und leichtem Gewicht mit einer hohen Aufzeichnungsdichte realisiert werden.
Des Weiteren ist bei einer Informationsspeichervorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, der Kopfabschnittsbetätiger mit dem Armabschnitt vorzugsweise durch einen Abschnitt entsprechend dem vorderen Ende des Armabschnitts verbunden, der die Armabschnittsgruppe bildet, die sich von dem zentralen Abschnitt erstreckt, und mit dem Kopfabschnitt durch einen Abschnitt entsprechend dem zentralen Abschnitt verbunden. Weiterhin ist in der vorzugsweise gebildeten Informationsspeichervorrichtung die Elektrodenschicht so, dass die Spannung auf den Kopfabschnittsbetätiger in seinem Abschnitt angewendet wird, der mit dem Armabschnitt verbunden ist. Die bevorzugt gebildete Informationsspeichervorrichtung lässt sich leicht herstellen.
Beispielhaft wird nun Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
1 ein Diagramm ist, das eine erste Ausführungsform einer Informationsaufzeichnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine vergrößerte Ansicht nahe einer Aufhängung ist;
3 eine vergrößerte Ansicht eines vorderen Endabschnittes der Aufhängung ist;
4 ein Diagramm ist, das eine Form einer piezoelektrischen Schicht zeigt;
5 ein Diagramm ist, das die Form einer Energiezufuhrelektrodenschicht zeigt;
6 ein Diagramm ist, das die Form einer Erdelektrodenschicht zeigt;
7 ein Diagramm ist, das die Verdrahtung in der Aufhängung zeigt;
8 ein Diagramm ist, das einen Herstellungsprozess eines piezoelektrischen Betätigers zeigt;
9 ein Diagramm ist, das eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine perspektivische Explosionsansicht nahe der Aufhängung der zweiten Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
11 ein Diagramm ist, das eine dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ein Diagramm ist, das den Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigers der dritten Ausführungsform zeigt.
1 ist ein Diagramm, das eine erste Ausführungsform einer Informationsaufzeichnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein Festplattenlaufwerk (HDD) 100, das in 1 dargestellt ist, zeigt die erste Ausführungsform der Informationsaufzeichnungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei die erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung darin inkorporiert ist. Ein Gehäuse 101 des Festplattenlaufwerks 100 enthält: eine Magnetplatte 103, die an einer Rotationswelle 102 angebracht ist, um zu rotieren; einen Gleiter 104, an den ein Magnetkopf zum Ausführen der Informationsaufzeichnung und Informationswiedergabe bezüglich der Magnetplatte 103 montiert ist; eine Aufhängung 108 zum Halten des Gleiters 104 über den später beschriebenen piezoelektrischen Betätiger; einen Wagenarm 106, an dem die Aufhängung 108 befestigt ist und der sich zentrierend auf einer Armwelle 105 und längs der Oberfläche der Magnetplatte 103 bewegt; und einen Armbetätiger 107 zum Antreiben des Wagenarms 106. In dem Festplattenlaufwerk 100, das in 1 gezeigt ist, bilden der Magnetkopf und der Gleiter 104 den Kopfabschnitt, auf den bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, und die Aufhängung 108 und der Wagenarm 106 bilden den Armabschnitt, auf den bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird. Deshalb entspricht der Armbetätiger 107 einem Armabschnittsbetätiger, auf den bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird.
Während der Aufzeichnung von Informationen in der Magnetplatte und der Wiedergabe der Informationen, die in der Magnetplatte 103 gespeichert sind, treibt der Armbetätiger 107, der aus einer Magnetschaltung gebildet ist, den Wagenarm 106 an, treibt der später beschriebene piezoelektrische Betätiger den Gleiter 104 an und wird der Magnetkopf in einer gewünschten Spur auf der rotierenden Magnetplatte 103 positioniert. Bei der Rotation der Magnetplatte 103 erreicht der an den Gleiter 104 montierte Magnetkopf sukzessive jeweilige Mikrobereiche, die in jeweiligen Spuren der Magnetplatte 103 angeordnet sind. Während der Informationsaufzeichnung wird ein elektrisches Aufzeichnungssignal dem Magnetkopf eingegeben, der sich der Magnetplatte 103 auf diese Weise genähert hat, wendet der Magnetkopf ein Magnetfeld auf die jeweiligen Mikrobereiche als Antwort auf das Aufzeichnungssignal an und werden die durch das Aufzeichnungssignal transportierten Informationen als Magnetisierungsrichtung der jeweiligen Mikrobereiche aufgezeichnet. Während der Informationswiedergabe extrahiert der Magnetkopf ferner die Informationen, die als Magnetisierungsrichtung der jeweiligen Mikrobereiche aufgezeichnet sind, als elektrisches Wiedergabesignal für das Magnetfeld, worin die Magnetisierung erzeugt wird. Ein Innenraum des Gehäuses 101 ist mit einer Abdeckung (nicht gezeigt) verschlossen.
2 ist eine vergrößerte Ansicht nahe der Aufhängung 108, die in 1 gezeigt ist.
2 zeigt den vorderen Endabschnitt des Wagenarms 106 von 1. Die Aufhängung 108 ist, wie oben beschrieben, an dem vorderen Endabschnitt des Wagenarms 106 befestigt. Die Aufhängung 108 fungiert als Blattfeder, die in einer Richtung gebogen ist, in der die Magnetplatte angebracht oder gelöst wird (vertikale Richtung von 2). Des Weiteren hält die Aufhängung 108 den Gleiter 104 über einen piezoelektrischen Betätiger 200, und ein Magnetkopf 109 ist an den Gleiter 104 montiert. Der piezoelektrische Betätiger 200 treibt den Gleiter 104 unabhängig von dem in 1 gezeigten Armbetätiger an, um den Magnetkopf 109 geringfügig zu bewegen. Der piezoelektrische Betätiger 200 zeigt die erste Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung und zeigt auch ein Beispiel für einen Kopfabschnittsbetätiger, auf den bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird. Wenn der piezoelektrische Betätiger 200 den Magnetkopf 109 geringfügig bewegt, wird der Magnetkopf 109 exakt positioniert.
3 ist eine vergrößerte Ansicht des vorderen Endabschnittes der Aufhängung 108.
Der piezoelektrische Betätiger 200 ist an einem Anbringungsabschnitt 108a an dem vorderen Ende der Aufhängung 108 angebracht, und eine Peripherie des Anbringungsabschnittes 108a ist von einer Nut 108c umgeben, ausschließlich eines extrem schmalen Brückenabschnittes 108b. Dadurch wird besonders die Funktion der Aufhängung 108 als Blattfeder in dem Anbringungsabschnitt 108a verbessert.
Der piezoelektrische Betätiger 200 enthält einen zentralen Körper 200a und zwei Spiralarme 200b, wobei ein vorderes Ende 200c des Arms 200b an dem Anbringungsabschnitt 108a befestigt ist und der zentrale Körper 200a an einem Schwerezentrum des Gleiters 104 befestigt ist. Darüber hinaus ist der piezoelektrische Betätiger 200 mit einer Laminierungsstruktur versehen, die eine piezoelektrische Schicht mit zweidimensionaler Form enthält, die später beschrieben ist, und eine Elektrodenschicht zum Halten der piezoelektrischen Schicht.
4 ist ein Diagramm, das die Form der piezoelektrischen Schicht zeigt, 5 ist ein Diagramm, das die Form einer Energiezufuhrelektrodenschicht zeigt, und 6 ist ein Diagramm, das die Form einer Erdelektrodenschicht zeigt.
Eine piezoelektrische Schicht 201, die in 4 gezeigt ist, eine Energiezufuhrelektrodenschicht 202, die in 5 gezeigt ist, und eine Erdelektrodenschicht 203, die in 6 gezeigt ist, sind in der Reihenfolge der Energiezufuhrelektrodenschicht 202, der piezoelektrischen Schicht 201, der Erdelektrodenschicht 203, der piezoelektrischen Schicht 201, der Energiezufuhrelektrodenschicht 202, der piezoelektrischen Schicht 201, ... laminiert, um den in 3 gezeigten piezoelektrischen Betätiger 200 zu bilden.
Die in 4 gezeigte piezoelektrische Schicht 201 enthält einen zentralen Abschnitt 201a und zwei Armabschnitte 201b, die sich von dem zentralen Abschnitt 201a erstrecken. Dieser zentrale Abschnitt 201a und der Armabschnitt 201b entsprechen dem zentralen Körper 200a bzw. dem Arm 200b des in 3 gezeigten piezoelektrischen Betätigers 200.
Zwei Armabschnitte 201b stellen ein Beispiel für eine Armabschnittsgruppe dar, auf die bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, und die aus zwei Armabschnitten 201b gebildete Armabschnittsgruppe ist insgesamt rotationssymmetrisch, jedoch nicht linearsymmetrisch. Genauer gesagt: eine Symmetrieachse existiert in dem zentralen Abschnitt 201a zweimal, zwei Armabschnitte 201b überlappen einander durch eine Rotationsbewegung von 180° zentrierend auf dem zentralen Abschnitt 201a, aber eine lineare Symmetrie existiert nicht. Des Weiteren sind die jeweiligen Armabschnitte 201b so gekrümmt, um entgegengesetzte Biegungen bezüglich einer Wurzel zu bilden, an der der Armabschnitt 201b mit dem zentralen Abschnitt 201a verbunden ist. Diese Struktur führt zu einer großen Versetzung bei einer niedrigen Spannung, wie es später beschrieben ist.
Jeweilige vordere Enden der zwei Armabschnitte 201b sind mit Durchgangslöchern 201c versehen, durch die Durchgänge hindurchführen, die später beschrieben sind. Die vorliegende Ausführungsform ist mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 201 versehen, so dass die Antriebsspannung verringert wird und der Versetzungsbetrag vergrößert wird.
Die Energiezufuhrelektrodenschicht 202, die in 5 gezeigt ist, und die Erdelektrodenschicht 203, die in 6 gezeigt ist, sind Elektroden, deren Formen für die zwei Armabschnitte 201b, die in 4 gezeigt sind, passend sind, und die piezoelektrische Schicht 201 wird zwischen der Energiezufuhrelektrodenschicht 202 und der Erdelektrodenschicht 203 gehalten. Wenn die Antriebsspannung zwischen der Energiezufuhrelektrodenschicht 202 und der Erdelektrodenschicht 203 angewendet wird, werden die zwei Armabschnitte 201b kontrahiert. Wenn die Antriebsspannung verschwindet, werden die zwei Armabschnitte 201b ausgedehnt, um in einen ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
Ein Durchgang 204 ist mit der Energiezufuhrelektrodenschicht 202 an einer Position von einem der zwei Durchgangslöcher 201c verbunden, und dieser Durchgang 204 verbindet die Energiezufuhrelektrodenschichten 202 miteinander. Des Weiteren ist ein Durchgang 205 mit der Erdelektrodenschicht 203 an einer Position des anderen Durchgangslochs verbunden, und der Durchgang 205 verbindet die Erdelektrodenschichten 203 miteinander.
7 ist ein Diagramm, das die Verdrahtung in der Aufhängung zeigt.
Die Aufhängung 108 ist mit einem Energiezufuhrdraht 108d und einem Erddraht 108e versehen, die von der Wurzel der Aufhängung 108 über den Brückenabschnitt 108b mit dem Anbringungsabschnitt 108a verbunden sind, und der Energiezufuhrdraht 108d und der Erddraht 108e sind mit einem Isolierfilm bedeckt. Ferner sind jeweilige vordere Enden des Energiezufuhrdrahts 108d und des Erddrahts 108e mit einem Energiezufuhranschluss 108f und einem Erdanschluss 108g versehen, und durch eine leitfähige Haftschicht 108h, die auf dem Energiezufuhranschluss 108f und dem Erdanschluss 108g gebildet ist, ist das vordere Ende 200c des Arms 200b des in 3 gezeigten piezoelektrischen Betätigers 200 an der Aufhängung 108 befestigt. Der Energiezufuhranschluss 108f und der Erdanschluss 108g sind mit der in 5 gezeigten Energiezufuhrelektrodenschicht 202 und mit der in 6 gezeigten Erdelektrodenschicht 203 über die leitfähige Haftschicht 108h verbunden, wodurch die Mühe einer Verdrahtung erspart bleibt und Kosten verringert werden.
Wenn die Antriebsspannung zwischen dem Energiezufuhrdraht 108d und dem Erddraht 108e angewendet wird, wird die Antriebsspannung zwischen dem Energiezufuhranschluss 108f und dem Erddraht 108g und zwischen der Energiezufuhrelektrodenschicht 202 und der Erdelektrodenschicht 203 angewendet, und der in 4 gezeigte Armabschnitt 201b der piezoelektrischen Schicht 201 wird in einer schichtinternen Richtung kontrahiert. Als Resultat wird der in 3 gezeigte Arm 200b kontrahiert.
Die Beschreibung wird nun unter Bezugnahme auf 3 fortgesetzt.
Da das vordere Ende 200c des Arms 200b an dem Anbringungsabschnitt 108a befestigt ist, wie oben beschrieben, wird bei einer Kontraktion des Armabschnittes mit der piezoelektrischen Schicht durch die angewendete Energiezufuhrspannung eine Kraft erzeugt, durch die die jeweiligen Arme 200b des piezoelektrischen Betätigers 200 hin zu dem vorderen Ende 200c gezogen werden, wie es durch einen Pfeil F1 von 3 gezeigt ist. Anschließend wird der piezoelektrische Betätiger 200 durch die Kraft deformiert, und der zentrale Körper 200a rotiert in der Richtung eines Pfeils F2, und der Gleiter 104 rotiert in der Richtung eines Pfeils F3. Als Resultat bewegt sich der an den Gleiter 104 montierte Magnetkopf.
Diese Wirkung wird auch dann hervorgerufen, wenn der Arm 200b nicht vollkommen spiralig ist, wie in 3 gezeigt, und die Form des Arms und des Armabschnittes kann eine Form sein, die sich durch das Verbinden von Rechtecken ergibt, oder eine andere Form, solange eine Vielzahl von Armen insgesamt rotationssymmetrisch und nicht linearsymmetrisch gebildet ist. Deshalb ist ein Freiheitsgrad hinsichtlich der Form von Arm und Armabschnitt hoch.
Zusätzlich ist die Kraft, die die jeweiligen Arme 200b hin zu dem vorderen Ende 200c zieht, wie durch den Pfeil F1 gezeigt, eine Kraft zum linearen Ziehen der Wurzel, die den Arm 200b mit dem zentralen Körper 200a verbindet, hin zu dem vorderen Ende 200c; aber ähnlich wie der Armabschnitt der piezoelektrischen Schicht bewegt sich die Wurzel, da sich der Arm 200b des piezoelektrischen Betätigers 200 von dem zentralen Körper 200a nach hinten dreht, im Wesentlichen um den zentralen Körper 200a. Selbst wenn der Arm 200b geringfügig kontrahiert wird, rotiert deshalb der zentrale Körper 200a mit einem großen Rotationswinkel, und deshalb wird eine große Versetzung einer Kopfposition bei einer niedrigen Antriebsspannung bewirkt. Wenn zusätzlich der Arm 200b weiter gedreht wird (z. B. einmal um den zentralen Körper 200a herum), vergrößert sich der Rotationswinkel des zentralen Körpers 200a noch weiter. Zusätzlich werden in diesem Fall die Starrheit und die Formbarkeit des piezoelektrischen Betätigers 200 verschlechtert.
Der zentrale Körper 200 des piezoelektrischen Betätigers 200 ist, wie oben beschrieben, an dem Schwerezentrum des Gleiters 104 befestigt. Darüber hinaus bewirkt der piezoelektrische Betätiger 200 eine Rotationsversetzung zentrierend auf dem zentralen Körper 200a, und das Schwerezentrum des piezoelektrischen Betätigers 200 selbst liegt an der Position des zentralen Körpers 200a. Wenn deshalb der piezoelektrische Betätiger 200 versetzt wird, um den Gleiter 104 und den Magnetkopf anzutreiben, ist das Trägheitsmoment klein, ist die Resonanzfrequenz eines Verbundmaterials, das den piezoelektrischen Betätiger 200, den Gleiter 104 und den Magnetkopf enthält, hoch und kann das Verbundmaterial eine Reaktion mit hoher Rate bewirken.
8 ist ein Diagramm, das einen Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigers zeigt.
Hier ist der Herstellungsprozess gezeigt, bei dem der piezoelektrische Betätiger durch ein Laminierungsverfahren von sogenannten Green Sheets oder Grünfolien hergestellt wird, die in einem Schaltungssubstrat oder dergleichen genutzt werden.
Zuerst wird eine 65 μm dicke Grünfolie 210, die piezoelektrisches keramisches Pulver auf der Basis von PNN-PT-PZ enthält, durch ein Rakel-Streichverfahren in einem Umfang einer Vielzahl von piezoelektrischen Betätigern geformt (8A).
Anschließend werden Durchgangslöcher 211 jeweils mit einem Durchmesser von 50 μm an vorbestimmten Positionen der Grünfolie 210 eingestanzt (8B).
Danach wird durch Siebdruck eine Ag-Pd-Elektrodenpaste 212 in dem Durchgangsloch 211 eingebettet, und die Ag-Pd-Elektrodenpaste 212 wird in Form einer Elektrodenschicht gemustert/gedruckt, die in 5 und 6 gezeigt ist (8C).
Die obengenannten jeweiligen Prozesse werden viele Male (hierin viermal) wiederholt, um ein Laminat 213 zu bilden, und das Laminat wird durch eine Heizpresse vereinigt (8D).
Anschließend wird die Elektrodenpaste auf einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche bedruckt, um eine Oberflächenelektrode 214 zu bilden (8E), wird eine spiralige äußere Form durch eine Stanzpresse gebildet und werden die jeweiligen piezoelektrischen Betätiger 200 vereinzelt (8F).
Schließlich erfolgen ein Entfetten und ein Kalzinieren in der Atmosphäre, um den piezoelektrischen Betätiger 200 fertigzustellen (8G). Nach dem Kalzinieren kann eine Weiterbearbeitung erfolgen, wenn dies erforderlich ist.
Der piezoelektrische Betätiger, der durch den Herstellungsprozess hergestellt wird, ist ein piezoelektrischer keramischer Körper, bei dem kaum eine Bearbeitung und Montage erforderlich sind und dessen Herstellung preiswert erfolgen kann.
Des Weiteren werden die Schichten einfach und preiswert durch die Durchgangslöcher miteinander verbunden, und durch die Oberflächenelektrode 214 können sie leicht mit dem Anschluss an der Aufhängung verbunden werden.
Zusätzlich wird hier nach dem Bilden des Laminats 213 die äußere Form des piezoelektrischen Betätigers 200 durch die Stanzpresse gebildet, um die Betätiger zu vereinzeln, aber die äußere Form des piezoelektrischen Betätigers 200 kann auch während des Ausstanzens des Durchgangslochs gebildet werden. Darüber hinaus kann der piezoelektrische Betätiger 200 durch eine Ultraschallverarbeitung, Sprengverarbeitung, Laserverarbeitung, Wasserstrahlverarbeitung und dergleichen nach dem in 8D gezeigten Kalzinieren des Laminats 213, Polieren der Oberfläche und Bilden der Oberflächenelektrode vereinzelt werden.
Des Weiteren wird die piezoelektrische Schicht durch das Green-Sheet- oder Grünfolienverfahren gebildet, wobei sie aber auch durch ein mehrschichtiges Druckverfahren gebildet werden kann.
Ferner ist es hinsichtlich der Kosten vorteilhaft, die Oberflächenelektrode 214 integral zu kalzinieren, wie oben beschrieben; aber das Laminat 213 kann vor dem Bilden der Oberflächenelektrode 214 kalziniert werden, und die Oberflä chenelektrode 214 kann dann durch ein Druckverfahren, Gasphasenverfahren oder dergleichen gebildet werden.
Hier wurde der in 3 gezeigte piezoelektrische Betätiger 200 durch den in 8 gezeigten Herstellungsprozess mit folgender Spezifikation hergestellt:
Abmessungen der äußeren Form: 1,0 × 1,0 × 0,16 mm
Gewicht: 0,8 mg
Anzahl der Antriebsschichten (piezoelektrische Schichten): 4 Schichten
Dicke der Antriebsschichten (piezoelektrische Schichten): 40 μm
Piezoelektrisches Material: Keramik basierend auf PNN-PT-PZ (piezoelektrische Konstante d31 = 300 pm/V)
Elektrodenmaterial: Ag-Pd
Als der piezoelektrische Betätiger 200 mit dieser Spezifikation an der Aufhängung 108 und dem Gleiter 104 befestigt wurde, wie in 3 gezeigt, und Operationscharakteristiken bewertet wurden, betrug die Beweglichkeitsdistanz des Magnetkopfes 1,5 μm bei einer Antriebsspannung von 12 V, betrug die Positionierungspräzision des Magnetkopfes 0,03 μm und belief sich die mechanische Resonanzfrequenz auf 12 kHz.
Als andererseits kein piezoelektrischer Betätiger verwendet wurde und die Operationscharakteristiken zum Vergleich mit der vorliegenden Ausführungsform nur mit dem elektromagnetischen Betätiger bewertet wurden, betrug die Positionierungspräzision 0,12 μm und belief sich die mechanische Resonanzfrequenz auf 600 Hz.
Genauer gesagt: bei dem Festplattenlaufwerk unter Verwendung des piezoelektrischen Betätigers der ersten Ausführungsform kann der Magnetkopf mit einer hohen Positionierungspräzision und einer hohen Rate bewegt werden, kann die Aufzeichnungsdichte erhöht werden und kann die Lese-/Schreibrate erhöht werden.
Oben ist die erste Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung und des piezoelektrischen Betätigers beschrieben worden, und im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung und des piezoelektrischen Betätigers beschrieben. Außerdem werden hauptsächlich solche Aspekte der zweiten Ausführungsform beschrieben, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden, und eine redundante Beschreibung wird weggelassen.
9 ist ein Diagramm, das die zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein piezoelektrischer Betätiger 300 der zweiten Ausführungsform ist dem piezoelektrischen Betätiger 200 der ersten Ausführungsform ähnlich, außer dass der Betätiger mit einem zentralen Körper 300a und vier Armen 300b versehen ist, und der piezoelektrische Betätiger 300 der zweiten Ausführungsform ist auch aus der piezoelektrischen Schicht, der Energiezufuhrelektrodenschicht und der Erdelektrodenschicht gebildet. Weiterhin ist die piezoelektrische Schicht auch mit dem zentralen Abschnitt entsprechend einem zentralen Körper 300a versehen, und mit vier Armabschnitten entsprechend vier Armen 300b. Wenn die Antriebsspannung zwischen der Energiezufuhrelektrodenschicht und der Erdelektrodenschicht angewendet wird, rotiert der zentrale Körper 300a gemäß einem Prinzip, das dem des piezoelektrischen Betätigers 200 der ersten Ausführungsform ähnlich ist.
10 ist eine perspektivische Explosionsansicht nahe der Aufhängung in der zweiten Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die zweite Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung ist der ersten Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung ähnlich, außer dass der piezoelektrische Betätiger 300 zwischen einer Aufhängung 110 und einem Wagenarm 111 angeordnet ist.
Der zentrale Körper 300a des piezoelektrischen Betätigers 300 ist an dem Schwerezentrum des Kopfabschnittes befestigt, der einen Gleiter 112 mit dem daran befestigten Magnetkopf (nicht gezeigt) und die Aufhängung 110 enthält, und vordere Enden der jeweiligen Arme 300b des piezoelektrischen Betätigers 300 sind an jeweiligen Befestigungspunkten 111a an dem Wagenarm 111 befestigt. Da ein Versetzungsvergrößerungseffekt durch eine Länge der Aufhängung 110 bewirkt wird, kann der Versetzungsbetrag des piezoelektrischen Betätigers 300 kleiner als beim piezoelektrischen Betätiger 200 von 2 sein.
Der piezoelektrische Betätiger 300 der zweiten Ausführungsform wurde durch den in 8 gezeigten Herstellungsprozess mit der folgenden Spezifikation hergestellt:
Abmessungen der äußeren Form: 4,0 × 4,0 × 0,16 mm
Gewicht: 15 mg
Anzahl der Antriebsschichten (piezoelektrische Schichten): 4 Schichten
Dicke der Antriebsschichten (piezoelektrische Schichten): 40 μm
Piezoelektrisches Material: Keramik basierend auf PNN-PT-PZ (piezoelektrische Konstante d31 = 300 pm/V)
Elektrodenmaterial: Ag-Pd
Als der piezoelektrische Betätiger 300 mit dieser Spezifikation an dem Wagenarm 111 und der Aufhängung 110 befestigt wurde, wie in 10 gezeigt, und die Operationscha rakteristiken bewertet wurden, betrug die Beweglichkeitsdistanz des Magnetkopfes 1,0 μm bei einer Antriebsspannung von 12 V, betrug die Positionierungspräzision des Magnetkopfes 0,07 μm und belief sich die mechanische Resonanzfrequenz auf 8 kHz. Deshalb kann auch bei der Festplatte, in der der piezoelektrische Betätiger der zweiten Ausführungsform inkorporiert ist, der Magnetkopf mit hoher Positionierungspräzision und mit hoher Rate bewegt werden, kann die Aufzeichnungsdichte angehoben werden und kann ein Lesen/Schreiben mit hoher Rate realisiert werden.
Zusätzlich ist in den obigen ersten und zweiten Ausführungsformen der zentrale Körper des piezoelektrischen Betätigers auf der Seite des Magnetkopfes befestigt, und das vordere Ende des Arms des piezoelektrischen Betätigers ist auf einer Armseite befestigt, so dass das Trägheitsmoment vorteilhaft reduziert werden kann. Jedoch ist hinsichtlich des Befestigungsmodus des Kopfbetätigers, auf den bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, dieser Modus nicht begrenzt, und zum Beispiel kann der zentrale Körper des piezoelektrischen Betätigers auf der Armseite befestigt sein, während das vordere Ende des Arms des piezoelektrischen Betätigers auf der Seite des Magnetkopfes befestigt sein kann.
Weiterhin ist in den ersten und zweiten Ausführungsformen der Armabschnitt der piezoelektrischen Schicht zweifach und vierfach symmetrisch angeordnet, aber der Armabschnitt, auf den bei der vorliegenden Erfindung verwiesen wird, kann dreifach oder fünffach symmetrisch angeordnet sein.
Ferner beträgt in den ersten und zweiten Ausführungsformen die Anzahl der piezoelektrischen Schichten vier, aber die piezoelektrische Schicht, auf die bei der vorliegenden Erfindung verwiesen wird, kann aus einer einzelnen Schicht oder mehreren Schichten sein. Wenn die Anzahl der Schichten zunimmt, werden eine niedrige Spannung, hohe Versetzung und hohe Starrheit vorteilhaft realisiert, aber die Kosten nehmen zu.
Zusätzlich ist ein Leitungsmodus der Elektrode des piezoelektrischen Betätigers mit der Verdrahtung auf der Aufhängung und dem Arm nicht auf das Verbinden durch den leitfähigen Klebstoff begrenzt, und die Leitung kann durch Löten oder durch einfachen Kontakt erreicht werden.
Darüber hinaus sind als Elektrode einer inneren Schicht des piezoelektrischen Betätigers eine Ag-Pd-Elektrode, eine Pt-Elektrode und dergleichen geeignet, da bei piezoelektrischer Keramik auf PZT-Basis ein integrales Kalzinieren möglich ist; aber in Abhängigkeit von dem piezoelektrischen Material kann eine Ag-Elektrode, Ni-Elektrode oder dergleichen genutzt werden. Andererseits wird die Elektrode aus dem Material, bei dem dieselbe Basis wie bei der Elektrode der inneren Schicht verwendet wird, zweckmäßigerweise als Oberflächenelektrode verwendet. Wenn jedoch die Oberflächenelektrode nach dem Kalzinieren gebildet wird, können die Dampfabscheidung und einige andere Elektrodenbildungsverfahren genutzt werden und kann ein großes Sortiment an Materialien eingesetzt werden. Die Verbindung der Elektrodenschichten ist nicht auf die Verbindung durch das Durchgangsloch begrenzt, und es kann auch eine Verbindung längs der Seitenfläche des piezoelektrischen Betätigers zum Einsatz kommen.
Als nächstes wird die dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der piezoelektrische Betätiger der dritten Ausführungsform ist in der Informationsspeichervorrichtung anstelle des piezoelektrischen Betätigers inkorporiert, der in der Informationsspeichervorrichtung der ersten Ausführungsform inkorporiert ist. Die Informationsspeichervorrichtung, die mit dem piezoelektrischen Betätiger der dritten Ausführungsform versehen ist, entspricht einer dritten Ausführungsform der Informationsspeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend wird nur die dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers beschrieben.
11 ist ein Diagramm, das die dritte Ausführungsform des piezoelektrischen Betätigers der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein piezoelektrischer Betätiger 250 der dritten Ausführungsform, der in 11 gezeigt ist, ist mit einer piezoelektrischen Schicht 251 versehen, die einen zentralen Abschnitt 251a und zwei Armabschnitte 251b enthält, und mit einer Energiezufuhrelektrodenschicht 252 und einer Erdelektrodenschicht 253, zwischen denen eine piezoelektrische Schicht 251 enthalten ist. Bei dem piezoelektrischen Betätiger 250 ist die piezoelektrische Schicht 251 in zweidimensionaler Form gekrümmt, worauf bei der vorliegenden Erfindung verwiesen wird. Deshalb unterscheidet sich die Laminierungsrichtung der piezoelektrischen Schicht 251, der Energiezufuhrelektrodenschicht 252 und der Erdelektrodenschicht 253 von der Laminierungsrichtung in dem piezoelektrischen Betätiger der ersten Ausführungsform. Wenn die Energiezufuhrspannung jedoch zwischen der Energiezufuhrelektrodenschicht 252 und der Erdelektrodenschicht 253 angewendet wird, wird die piezoelektrische Schicht 251 ähnlich wie beim piezoelektrischen Betätiger der ersten Ausführungsform in der schichtinternen Richtung kontrahiert und rotiert der zentrale Abschnitt 251a.
12 ist ein Diagramm, das den Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigers der dritten Ausführungsform zeigt.
Bei dem Herstellungsprozess wird das piezoelektrische Material durch ein Mundstück, das mit einer Öffnung mit derselben Form wie der zweidimensionalen Form versehen ist, die in 11 gezeigt ist, extrudiert und wird ein langgestrecktes Material 260 gebildet, dessen Schnittform eine zweidimensionale Form ist, die in 11 gezeigt ist (12A).
Anschließend werden die Energiezufuhrelektrodenschicht 252 und die Erdelektrodenschicht 253 auf der peripheren Oberfläche des langgestreckten Materials 260 gebildet (12B). Schließlich wird der piezoelektrische Betätiger 250 durch scheibenweises Zerteilen des langgestreckten Materials 260 erhalten.
Durch den Herstellungsprozess wird eine große Anzahl der piezoelektrischen Betätiger 250 preiswert hergestellt.
In einem piezoelektrischen Betätiger der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Antriebsschichten (der piezoelektrischen Schichten) nicht auf 20 begrenzt und kann natürlich eine beliebige Anzahl von Schichten gebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein piezoelektrischer Betätiger, wie oben beschrieben, mit niedrigen Kosten und hoher Leistung erhalten werden. Wenn ein piezoelektrischer Betätiger eingebaut wird, der die vorliegende Erfindung verkörpert, kann außerdem die Präzision des Lesens/Schreibens von Informationen in der Informationsspeichervorrichtung weitgehend verbessert werden und kann eine Informationsspeichervorrichtung mit kleinen Abmes sungen und leichtem Gewicht bei hoher Aufzeichnungsdichte erhalten werden.

Claims

Piezoelektrischer Betätiger (200; 250; 300) mit: einer piezoelektrischen Schicht (201; 251), die aus piezoelektrischem Material mit zweidimensionaler Form gebildet ist und mit einem zentralen Abschnitt (201a; 251a; 300a) versehen ist, und mit einer Gruppe von Armabschnitten (201b; 251b; 300b), die sich in einer Krümmung von dem zentralen Abschnitt nach außen erstrecken, bei einer Anordnung, die rotationssymmetrisch, aber nicht linearsymmetrisch ist, und die in einer schichtinternen Richtung kontrahiert/ausgedehnt wird, um zu bewirken, dass der zentrale Abschnitt angetrieben wird, um zu rotieren; und einer Vielzahl von Elektrodenschichten (202, 203; 252, 253), zwischen denen die piezoelektrische Schicht (201; 251) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten den größten Teil der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (201; 251) bedecken.
Piezoelektrischer Betätiger nach Anspruch 1, bei dem die Armabschnitte (201b; 251b; 300b), die die Gruppe der Armabschnitte (201a; 251a, 300a) darstellen, jeweils so gekrümmt sind, um eine entgegengesetzte Biegung bezüglich einer Wurzel zu bilden, durch die der Armabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbunden ist.
Piezoelektrischer Betätiger nach Anspruch 1 oder 2, der aus einer Vielzahl von solchen piezoelektrischen Schichten (201; 251) gebildet ist.
Piezoelektrischer Betätiger nach Anspruch 3, bei dem die Vielzahl von Elektrodenschichten (202, 203) mit demselben Potential vorzugsweise durch ein Durchgangsloch (204) miteinander verbunden ist.
Piezoelektrischer Betätiger nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die oder jede piezoelektrische Schicht (201; 251) aus Piezoelektrischer Keramik auf der Basis von Bleizirkonat-Titanat (PZT) gebildet ist.
Piezoelektrischer Betätiger nach Anspruch 5, bei dem die oder jede piezoelektrische Schicht (201; 251) aus Piezoelektrischer Keramik auf der Basis von PNN-PT-PZ gebildet ist.
Informationsspeichervorrichtung mit: einem Kopfabschnitt, an den ein Kopf zum Ausführen von wenigstens einem von der Informationsaufzeichnung und der Informationswiedergabe bezüglich eines vorbestimmten Informationsspeichermediums montiert ist; einem Armabschnitt zum Halten des Kopfabschnittes auf solch eine Weise, dass der an den Kopfabschnitt montierte Kopf in der Nähe von oder in Kontakt mit dem Informationsspeichermedium angeordnet ist; einem Armabschnittsbetätiger zum Antreiben des Armabschnittes, um den Kopf, der an den Kopfabschnitt montiert ist, der durch den Armabschnitt gehalten wird, längs des Informationsspeichermediums zu bewegen; und einem Kopfabschnittsbetätiger zum Rotieren des Kopfabschnittes bezüglich des Armabschnittes und Zentrieren auf einem Schwerezentrum des Kopfabschnittes, bei der der Kopfabschnittsbetätiger eine piezoelektrische Schicht nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch umfasst.
Informationsspeichervorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Kopfabschnittsbetätiger mit dem Armabschnitt durch einen Abschnitt entsprechend dem vorderen Ende des Armabschnittes verbunden ist, der die Armabschnittsgruppe bildet, die sich von dem zentralen Abschnitt erstreckt, und mit dem Kopfabschnitt durch einen Abschnitt entsprechend dem zentralen Abschnitt verbunden ist.
Informationsspeichervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Elektrodenschicht so ist, dass die Spannung auf den Kopfabschnittsbetätiger in seinem mit dem Armabschnitt verbundenen Abschnitt angewendet wird.