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特許7051322分極されるが不活性であるＰＺＴ抑制層を有する多層ＰＺＴマイクロアクチュエータ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-04-01
(45)【発行日】2022-04-11
(54)【発明の名称】分極されるが不活性であるＰＺＴ抑制層を有する多層ＰＺＴマイクロアクチュエータ
(51)【国際特許分類】
H01L 41/047 20060101AFI20220404BHJP
G11B 21/10 20060101ALI20220404BHJP
G11B 21/21 20060101ALI20220404BHJP
H01L 41/04 20060101ALI20220404BHJP
H01L 41/083 20060101ALI20220404BHJP
H01L 41/09 20060101ALI20220404BHJP
H01L 41/257 20130101ALI20220404BHJP
【ＦＩ】
H01L41/047
G11B21/10 N
G11B21/21 D
H01L41/04
H01L41/083
H01L41/09
H01L41/257
【請求項の数】
11
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2017149136
(22)【出願日】2017-08-01
(65)【公開番号】P2018050033
(43)【公開日】2018-03-29
【審査請求日】2020-07-28
(31)【優先権主張番号】15/227,780
(32)【優先日】2016-08-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】517151084
【氏名又は名称】マグネコンプ コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＧＮＥＣＯＭＰＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
(74)【代理人】
【識別番号】100121728
【弁理士】
【氏名又は名称】井関 勝守
(74)【代理人】
【識別番号】100165803
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 修平
(72)【発明者】
【氏名】クエン チー イー
(72)【発明者】
【氏名】ダビッド グライス
(72)【発明者】
【氏名】ロン ジャン
(72)【発明者】
【氏名】ピーター ハーン
【審査官】小山 満
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－０６５７６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０６０１３２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０６－２３２４６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００６／０７３０１８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０１７２４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００５６３６６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００７／００８４０３４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ４１／００－４１／４７
Ｇ１１Ｂ ２１／２１
Ｇ１１Ｂ ２１／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
多層圧電マイクロアクチュエータ組立体であって、それぞれが分極圧電材料を含む第１圧電層及び第２圧電層と、第１電極と、第２電極とを含み、
前記第１圧電層は前記第２圧電層よりも前記マイクロアクチュエータ組立体が接合された表面に近く、前記第１電極は前記第１圧電層の底部側に配置され、前記第２電極は、前記第１電極及び前記第２電極に与えられた第１電圧差が前記第１圧電層にわたる電界を誘起するように、前記第１圧電層の上部側で、且つ前記第２圧電層の下に配置され、
前記第１電極が第１電圧に作動的に接続され、前記第２電極が前記第１電圧とは異なる第２電圧に作動的に接続されることで、前記第１圧電層に与えられる第１電圧差を規定し、前記第１電圧差は前記第１圧電層を膨張又は収縮させる前記第１圧電層にわたる第１電界を誘起し、
電圧差は実質的に前記第２圧電層には与えられず、
前記第２圧電層は実質的に不活性の圧電層であり、前記第１圧電層の膨張又は収縮に抵抗するために抑制層として作用し、
前記マイクロアクチュエータ組立体の全体的な膨張又は収縮は、前記第２圧電層が存在しない場合よりも、前記第１圧電層に与えられる前記第１電圧差に応じて大きくなり、
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは、前記第１圧電層と前記第２圧電層とにわたり印加された等しい強度の電界に対して、前記第２圧電層が、前記第１圧電層の同時の膨張又は収縮の１０％内に膨張又は収縮するように分極されたものである、多層圧電マイクロアクチュエータ組立体。
【請求項2】
多層圧電マイクロアクチュエータ組立体であって、
それぞれが分極圧電材料を含む第１圧電層及び第２圧電層と、第１電極と、第２電極とを含み、
前記第１圧電層は前記第２圧電層よりも前記マイクロアクチュエータ組立体が接合された表面に近く、前記第１電極は前記第１圧電層の底部側に配置され、前記第２電極は、前記第１電極及び前記第２電極に与えられた第１電圧差が前記第１圧電層にわたる電界を誘起するように、前記第１圧電層の上部側で、且つ前記第２圧電層の下に配置され、
前記第１電極が第１電圧に作動的に接続され、前記第２電極が前記第１電圧とは異なる第２電圧に作動的に接続されることで、前記第１圧電層に与えられる第１電圧差を規定し、前記第１電圧差は前記第１圧電層を膨張又は収縮させる前記第１圧電層にわたる第１電界を誘起し、
電圧差は実質的に前記第２圧電層には与えられず、
前記第２圧電層は実質的に不活性の圧電層であり、前記第１圧電層の膨張又は収縮に抵抗するために抑制層として作用し、
前記マイクロアクチュエータ組立体の全体的な膨張又は収縮は、前記第２圧電層が存在しない場合よりも、前記第１圧電層に与えられる前記第１電圧差に応じて大きくなり、
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは、前記第１圧電層と前記第２圧電層とにわたり印加された等しい強度の電界に対して、前記第２圧電層が、前記第１圧電層の同時の膨張又は収縮の２５％内に膨張又は収縮するように分極されたものである、多層圧電マイクロアクチュエータ組立体。
【請求項3】
前記第２圧電層が前記第２電極と第３電極との間に配置されるように前記第２圧電層上に延び、且つ浮遊電極である、第３電極をさらに含む、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項4】
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは等しい厚みを有し、等しい強度の電界を用いて分極されたものである、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項5】
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは、１０％未満異なる厚みを有し、１０％未満異なるそれぞれの電界強度を用いて分極されたものである、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項6】
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは、２５％未満異なる厚みを有し、２５％未満異なるそれぞれの電界強度を用いて分極されたものである、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項7】
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは、異なる厚みを有し、前記第１圧電層と前記第２圧電層とにそれぞれ与えられた異なる電圧差を用いて分極されたものである、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項8】
前記第２圧電層は、前記第１圧電層にわたり与えられた前記第１電界の１０％未満である、前記第２圧電層にわたり与えられた第２電界を有する、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項9】
前記第２圧電層は、前記第１圧電層にわたり与えられた前記第１電界の２５％未満である、前記第２圧電層にわたり与えられた第２電界を有する、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項10】
前記第１圧電層と前記第２圧電層とは、前記第１圧電層と前記第２圧電層との両方にわたり印加された単一の電界を用いて同時に分極されたものである、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。
【請求項11】
前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に配置され、分極された活性の圧電層である第３圧電層をさらに含む、請求項１又は２に記載のマイクロアクチュエータ組立体。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］
この出願は、２０１６年２月２８日に出願された米国特許出願第１５／０５５，６１８号の一部継続出願であり、米国特許出願第１５／０５５，６１８号は、２０１５年３月２８日に出願され、現在では米国特許第９，３３０，６９８号である米国特許出願第１４／６７２，１２２号の継続出願であり、米国特許出願第１４／６７２，１２２号は、２０１４年３月１４に出願され、現在では米国特許第９，１１７，４６８号である米国特許出願第１４／２１４，５２５号の一部継続出願であり、米国特許出願第１４／２１４，５２５号は、２０１３年３月１８日に出願された米国仮特許出願第６１／８０２，９７２号、及び２０１３年９月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／８７７，９５７号に基づく優先権を主張するものである。米国特許出願第１４／６７２，１２２号はまた、２０１４年１２月１０に出願され、現在では米国特許第９，３３０，６９４号である米国特許出願第１４／５６６，６６６号の一部継続出願でもあり、米国特許出願第１４／５６６，６６６号は、２０１４年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／０６１，０７４に基づく優先権を主張するものである。米国特許出願第１４／６７２，１２２号はまた、２０１４年１１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／０８５，４７１号に基づく優先権をも主張する。これらの出願すべては、言及によって、本明細書に全体が記載されているように組み込まれる。
この出願は、２０１６年２月２８日に出願された米国特許出願第１５／０５５，６１８号の一部継続出願であり、米国特許出願第１５／０５５，６１８号は、２０１５年３月２８日に出願され、現在では米国特許第９，３３０，６９８号である米国特許出願第１４／６７２，１２２号の継続出願であり、米国特許出願第１４／６７２，１２２号は、２０１４年３月１４に出願され、現在では米国特許第９，１１７，４６８号である米国特許出願第１４／２１４，５２５号の一部継続出願であり、米国特許出願第１４／２１４，５２５号は、２０１３年３月１８日に出願された米国仮特許出願第６１／８０２，９７２号、及び２０１３年９月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／８７７，９５７号に基づく優先権を主張するものである。米国特許出願第１４／６７２，１２２号はまた、２０１４年１２月１０に出願され、現在では米国特許第９，３３０，６９４号である米国特許出願第１４／５６６，６６６号の一部継続出願でもあり、米国特許出願第１４／５６６，６６６号は、２０１４年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／０６１，０７４に基づく優先権を主張するものである。米国特許出願第１４／６７２，１２２号はまた、２０１４年１１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／０８５，４７１号に基づく優先権をも主張する。これらの出願すべては、言及によって、本明細書に全体が記載されているように組み込まれる。
【0002】
［技術分野］
本発明は、ハードディスクドライブのサスペンションの分野に関する。特に、本発明は、２段アクチュエータ方式サスペンションに用いるための、１つ以上の活性圧電抑制層を有する多層圧電マイクロアクチュエータの分野に関する。
本発明は、ハードディスクドライブのサスペンションの分野に関する。特に、本発明は、２段アクチュエータ方式サスペンションに用いるための、１つ以上の活性圧電抑制層を有する多層圧電マイクロアクチュエータの分野に関する。
【背景技術】
【0003】
磁気ハードディスクドライブや、光学ディスクドライブなどの他のタイプの回転媒体ドライブは、周知のものである。図１は、本発明を適用可能な、例示の先行技術ハードディスクドライブ及びサスペンションの斜視図である。先行技術のディスクドライブユニット１００は、ディスクドライブ保管データを構成する磁気による１と０のパターンを包含する回転磁気ディスク１０１を含む。磁気ディスクは駆動モータ（図示せず）によって駆動される。ディスクドライブユニット１００はディスクドライブサスペンション１０５をさらに含み、該サスペンション１０５には磁気へッドスライダー（図示せず）がロードビーム１０７の遠位端部近傍で実装される。サスペンション又はロードビームの「近位」端部は支持される端部である、即ち、アクチュエータアームにかしめ固定された又は実装されたベースプレート１２に最も近傍の端部である。サスペンション又はロードビームの「遠位」端部は、近位端部の反対の端部である、即ち「遠位」端部はカンチレバーの端部である。
【0004】
サスペンション１０５はアクチュエータアーム１０３に連結され、該アクチュエータアーム１０３は、データディスク１０１の適切なデータトラック上にヘッドスライダーを配置するためにサスペンション１０５を円弧状に動作させるボイスコイルモーター１１２に連結される。ヘッドスライダーはジンバルに保持され、該ジンバルはスライダーの前後左右への揺れを可能にしてスライダーが回転ディスク上の適切なデータトラックを追従し、ディスクの震動、バンピングなどの慣性イベント、及びディクス表面の不規則性などの変化が許容される。
【0005】
１段アクチュエータ方式ディスクドライブサスペンション及び２段アクチュエータ方式（dual stage actuated、DSA）サスペンションがともに周知である。１段アクチュエータ方式サスペンションにおいて、ボイスコイルモーター１１２のみがサスペンション１０５を動作させる。
【0006】
ＤＳＡサスペンションにおいて、例えばＭｅｉ等による特許文献１、及び他の多数のもののように、サスペンション全体を動作させるボイスコイルモーター１１２に加えて、少なくとも１つの追加マイクロアクチュエータが、磁気ヘッドスライダの微細な動作をもたらし、回転ディスクのデータトラック上に適切にアライメントさせるために、サスペンションに配置される。マイクロアクチュエータは、サスペンション、つまり磁気ヘッドスライダーを比較的大きく動作させるのみであるボイスコイルモーター単独よりも、サーボ制御ループの微細な制御やさらに高いバンド幅を提供する。単にＰＺＴとして言及されることがある圧電素子がマイクロアクチュエータモーターとして用いられることが多いが、他のタイプのマクロアクチュエータモーターも使用可能である。
【0007】
図２は、図１における先行技術のサスペンション１０５の上面図である。２つのＰＺＴマイクロアクチュエータ１４は、ＰＺＴがベースプレート１２の各間隙をつなぐようにベースプレート１２内に形成されたマイクロアクチュエータ実装シェルフ１８上のサスペンション１０５に取り付けられる。マイクロアクチュエータ１４は、その各端部でエポキシ１６によって実装シェルフ１８に取り付けられる。種々の技術により、ＰＺＴからサスペンションの可撓性ワイヤトレース及び／又はプレートに、正や負の電気接続が行われることが可能である。マイクロアクチュエータ１４は、作動されるとき、拡張又は収縮して実装シェルフ間の間隙の長さを変え、サスペンション１０５の遠位端部に実装された読み取り・書き込みヘッドの微細動作を行う。
【0008】
図３は、図２の先行技術のＰＺＴマイクロアクチュエータ及び実装部の側部断面図である。マイクロアクチュエータ１４は、ＰＺＴ素子２０自体、及び、ＰＺＴを作動するための電極を規定するＰＺＴ上の上部金属化層２６及び底部金属化層２８を含む。ＰＺＴ１４は、図に示されるように、その左右両側においてエポキシ又ははんだ１６によって間隙にわたって実装される。
【0009】
ＤＳＡサスペンションにおいて、入力電圧ユニット毎にＰＺＴからの長いストローク距離を得ること、又は端的に言えば単に「ストローク長さ」を得ることは、概して望ましい。
【0010】
過去の数多くのＤＳＡサスペンション設計では、実装プレートにＰＺＴを実装している。そうした設計において、ＰＺＴの線形動作は、ＰＺＴの回転中心と読み取り・書き込みトランスデューサーヘッドとの間のアームの長さによって増大される。ゆえに、ＰＺＴの小さい線形動作が、読み取り・書き込みヘッドの比較的長い半径方向動作をもたらす。
【0011】
他のサスペンション設計では、ジンバルにおいて、又はジンバル近傍でＰＺＴが実装される。ジンバル実装ＰＺＴの例は、本発明の譲受人に譲渡された特許文献２に示されるＤＳＡサスペンションである。ジンバル実装ＤＳＡサスペンション（「ＧＳＡ」サスペンション）において、長いストローク長さを得ることは特に重要であり、これは、これらの設計がＰＺＴと読み取り・書き込みトランスデューサーヘッドとの間のアーム長さほど長くないためである。より短いアーム長さでは、得られる読み取り・書き込みヘッドの動作は相応に小さい。つまり、長いストローク長さを得ることはＧＳＡ設計において特に重要なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【文献】米国特許第７，４５９，８３５号明細書
【文献】米国特許第８，８７９，２１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本願の発明者等は、先行技術における実装ＰＺＴマイクロアクチュエータを有するサスペンションにおけるＰＺＴストローク長さが短い原因を特定し、ストローク長さが短い原因を排除するＰＺＴマイクロアクチュエータ構造体及びその製造方法を開発した。
【課題を解決するための手段】
【0014】
図４Ａは、ＰＺＴを膨張するように印加された駆動電圧によってＰＺＴが作動されるときの、図２の先行技術におけるサスペンションに実装されたＰＺＴマイクロアクチュエータ１４の側部断面図である。ＰＺＴの底部層２２は、それが実装されたサスペンション１８に接合されることで部分的に抑制されるので、上部層２４ほど直線方向に膨張しない。上部層２４は底部層２２よりも膨張するので、ＰＺＴ１４は下向きに湾曲し、上部から見たときにわずかに凸状の形状を取る。直線ストローク長さの結果的な損失は、δ１として図に示される。
【0015】
図４Ｂは、ＰＺＴを収縮するように印加された駆動電圧によってＰＺＴが作動されるときの、図４ＡのＰＺＴマイクロアクチュエータ１４を示す。ＰＺＴの底部層２２は、それが実装されたサスペンション１８に接合されることで部分的に抑制されるので、上部層２４ほど直線方向に収縮しない。上部層２４は底部層２２よりも収縮するので、ＰＺＴ１４は上向きに湾曲し、上部から見たときにわずかに凹状の形状を取る。直線ストローク長さの結果的な損失は、δ２として図に示される。
【0016】
このように、作動の際にＰＺＴが単に直線的に膨張及び収縮することが望まれるが、従来の実装では、ＰＺＴには、ストローク長さの損失をもたらす上又は下方向の湾曲が起こる。
【0017】
図５は、ＰＺＴの湾曲により加えられる又は失われる有効な直線ストロークの量の模式図及び関連式である。図４Ｂに示されるように、ビームが湾曲して持ち上がるとき、湾曲角度が小さいと底部先端にはｘ方向に正の変位δがある。
【0018】
図６は、３つの異なる厚みのＰＺＴの湾曲角度に対する湾曲によるストローク損失のプロットである。図に示されるように、１．５０ｍｍの長さ及び４５μｍの厚みを持つＰＺＴでは、湾曲角度が５度未満であるとき湾曲はｘ方向の正の変位δをもたらす。この湾曲量について、より厚いビームが、より薄いビームよりも大きいｘ方向の変位をもたらすことが見て取れる。同様に、ＰＺＴが印加電圧下で膨張するとき、ＰＺＴの右半分が下方向に湾曲し、サスペンションに接合されたＰＺＴの底部先端には、ｘ方向に負の変位が起こる。換言すると、従来の、サスペンションのＰＺＴ実装において、湾曲による直線変位の成分δはＰＺＴの作動と反対の方向である。ゆえに、このδを低減又は除去する、又はこのδの符号をも逆転して、総直線膨張量又は収縮量が実際に増加するという最終結果になることが望まれる。
【0019】
本発明は、作動されるときにＰＺＴの湾曲を低減する、排除する、その方向を変更する、又は湾曲を制御するために、ＰＺＴがサスペンションに実装された側又は面と反対の側又は面に少なくとも１つ接合された１つ以上の硬質抑制層又は抑制素子を有するＰＺＴ素子に関する。直観に反する結果としては、ＰＺＴが、少なくとも表向きにはＰＺＴの膨張及び収縮を抑制する追加の硬質層を有するが、得られる有効な直線ストローク距離は実際に増加するというものである。本発明の抑制層を有するＰＺＴは、ハードディスクドライブサスペンションのマイクロアクチュエータをして用いられることができるが、他のアプリケーションにも用いられることが可能である。
【0020】
好ましい実施形態において、抑制層の効果は、湾曲方向を実際に変更することである。このように、底部面でサスペンションに接合されたＰＺＴでは、抑制層の存在による効果として、圧電素子は、圧電素子を膨張させる電圧によって作動されるときに、上部面を表向き凹形状にさせる方向に湾曲し、圧電素子を収縮させる電圧によって作動されるときに、上部面を表向き凸形状にさせる方向に湾曲する。ゆえに、この効果は、膨張モードにおいて有効な直線膨張を実際に増大させ、収縮モードにおいて有効な直線収縮を増大させるものである。つまり抑制層の存在により、有効なストローク長さが実際に増加する。
【0021】
抑制層を有するＰＺＴは、抑制層を現存のＰＺＴ素子に積層することを含む様々な技術によって製造可能であり、或いはアディティブ法によってＰＺＴ素子及び抑制層の一方が他方の上部に形成されることができる。そうしたアディティブ法は、ステンレス鋼（ＳＳＴ）などの基板に薄膜ＰＺＴを成膜することを含むとよい。抑制層は、ステンレス鋼、シリコン、実質的に不分極（不活性）なセラミック材料、若しくはＰＺＴ素子を構成するものと同じセラミック材料などのセラミックス、又は他の比較的硬質の材料であるとよい。抑制層が非導電性である場合、マイクロアクチュエータの表面からＰＺＴ素子内部に活性化電圧又は接地電位を与えるために、導電性材料のカラムを含む１つ以上の電気ビアが抑制層に形成されることができる。
【0022】
抑制層は、ＰＺＴ素子よりも大きい（より大きい表面領域）、ＰＺＴ素子と同じサイズ、又はＰＺＴ素子よりも小さい（より小さい表面領域）とよい。好ましい実施形態において、抑制層はＰＺＴ素子よりも小さく、抑制層によって被覆されない階段のシェルフを伴う階段状構造をマイクロアクチュエータに与え、またシェルフはＰＺＴに電気接続を行うところである。電気接続が行われるシェルフを含むこうした構成の一有利性は、電気接続を含む組立体全体が、抑制層がＰＺＴ全体を覆う場合よりも、低いプロファイルを有することである。より低いプロファイルは有利なものであり、これは、所定のプラッタ積層高さ内にさらなるハードディスクプラッターやそのサスペンションがともに積層されて、ディスクドライブ組立体の所定の容積内でデータ保管容量を増加させることができるということ意味するためである。
【0023】
シミュレーションでは、本発明に従って構成されたマイクロアクチュエータが、ストローク感度の増加を示すこと、またスウェイモードゲイン及びねじりモードゲインを減少させることが示された。これらは、データシーク時間の減少及び振動に対する感受性の低減の両方に変換される、ヘッド位置決め制御ループバンド幅の増大に有利である。
【0024】
本発明においてＰＺＴに抑制層又は素子を追加することのさらなる有利性は、現在のハードディスクドライブにおいて、ＰＺＴを含むサスペンション及びその部品が通常非常に薄肉であることにある。ＰＺＴが実装プレートに実装される現在のＤＳＡサスペンション設計において用いられるマイクロアクチュエータは、約１５０μｍ厚である。ジンバル実装ＤＳＡサスペンション設計においてＰＺＴはさらに薄肉であり、１００μｍ厚未満であることもある。ゆえに、ＰＺＴ材料は非常に薄肉で脆性であり、ＰＺＴマイクロアクチュエータモーター自体の製造工程、及びサスペンション組み立て工程における自動ピックアンドプレース操作をともに含む製造・組み立て時に、容易く亀裂が起こり得る。次世代ハードドライブのＰＺＴは、７５μｍ厚以下になることが予期され、これは問題を大きくするものである。こうした薄肉のＰＺＴは、製造・組み立て時に損傷を受け易いだけでなく、ディスクドライブが衝撃、つまりＧ力を受けたときに亀裂又は破壊が起こりやすいものにもなり得ると考えられる。本発明における追加の硬質、弾性抑制層は、ＰＺＴにさらなる強度と弾性とを与え、製造・組み立て時及び衝撃イベント時のＰＺＴにおける亀裂又は機械的故障の防止に役立つものである。
【0025】
本発明の他の態様において、マイクロアクチュエータ組立体は、主要な活性ＰＺＴ層の作用を打ち消す傾向のある抑制層として作用する１つ以上の活性ＰＺＴ層を含む複数の活性ＰＺＴ層を伴う、多層ＰＺＴデバイスである。
【0026】
主要ＰＺＴ層の動作に抗う１つ以上の層を追加することで、全体的な最終ストローク長さが増加可能であるという発想は直観に反するものである。主要ＰＺＴ層と反対の方向に能動的に作用する１つ以上の活性層を追加することで、全体的な最終ストローク長さがさらに増加可能であるという考えはさらに直観に反する。しかしながら、これは本発明者らが実証した結果である。
【0027】
さらなる実施形態において、本発明は、分極されるが不活性である圧電材料を抑制層が含む多層ＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体に関する。圧電材料の分極によりその寸法が変わるため、多層デバイスのうちの１層のみを分極することで、デバイスに亀裂、ゆえに故障をさらに起こりやすくさせ得る歪みをデバイスに導入する、ということを発明者等は発見した。従って、サスペンション組立体又は組立体が接合される他の周囲物の表面に最も近接する主要又は活性ＰＺＴ層だけでなく、組立体が接合された周囲物から離れた不活性層も分極することで、デバイスの信頼性は増大する。
【0028】
本発明の例示の実施形態は、図面に関して以下にさらに記載され、図面において同様の数字は同様の部品に関連する。描画される形体は正確な縮尺ではなく、所定の部品は、一般化又は概略化形態で示され、明確性及び簡潔性のため商業上の表示によって特定される。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図4】図４において、図４Ａは、ＰＺＴを膨張させるために電圧がＰＺＴに印加されたときの、図２の先行技術のサスペンションに実装されたＰＺＴマイクロアクチュエータの側面断面図であり、図４Ｂは、ＰＺＴを収縮させるために電圧がＰＺＴに印加されたときの、図２の先行技術のサスペンションに実装されたＰＺＴマイクロアクチュエータの側面断面図である。
【図8】図８において、図８Ａは、ＰＺＴを膨張させるために電圧がＰＺＴに印加されたときの、図７のＰＺＴマイクロアクチュエータの側面断面図であり、図８Ｂは、ＰＺＴを収縮させるために電圧がＰＺＴに印加されたときの、図７のＰＺＴマイクロアクチュエータの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
図７は、本発明の実施形態における、接合された抑制層１３０を有するＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体１１４の側面断面図である。図に示される配置によると、サスペンションに接合されたＰＺＴの側部は、ＰＺＴ１１４の底部側１２９として言及され、ＰＺＴがサスペンションに接合された側から離れたＰＺＴの側部は、上部側１２７として言及される。本発明において、１つ以上の抑制層又は抑制素子１３０が、マイクロアクチュエータＰＺＴ素子１２０の上部側１２７に接合される。抑制層１３０は、ステンレス鋼などの硬質且つ弾性のある材料を好ましくは含み、上部電極１２６を含むＰＺＴ素子１２０の上部面１２７に直接的に好ましくは接合される、或いは、ＳＳＴ材料がそれ自体で上部電極として機能して、上部面を個別に金属化する必要がなくなる。抑制層１３０は十分に硬質であり、作動されるときにＰＺＴの湾曲を著しく低減、排除、又はさらに反対にもする。ＳＳＴ層１３０は、ＳＳＴへの良好な電気接続を実現するために、金又は他のコンタクトメタルの層１３１を好ましくは有する。
【0031】
代替的に、抑制層１３０がステンレス鋼である代わりにセラミックスであってもよく、これは圧電層１２０を形成するものと同じセラミック材料の不活性（極が無い、或いは、不分極な）層などであり得、接合又は成膜によって組立体に一体化されてもよい。セラミック材料は不分極であり、これは、圧電層１２０をなす分極セラミックと同程度の圧電挙動の１０％未満などの、実質的に小さい圧電挙動を示すという意味である。下から電極・分極ＰＺＴ・電極・不分極ＰＺＴからなる積層物をなすそうした組立体は、電極・ＰＺＴ・電極・ＳＳＴの積層物よりも製造しやすいものである。
【0032】
以下の記載において、記載を簡潔にするため、上下の電極１２６、１２８は、図面及び記載から省略されることがあるものの、ＰＺＴマイクロアクチュエータは少なくとも一部のタイプの上下電極をほぼ常に有するということが理解される。
【0033】
Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ等による米国特許第８，３９５，８６６号明細書に記載されるように、ＳＳＴに対する金の密着性を増大させるために金層１３１が付加される前に、ＳＳＴ層１３０に銅又はニッケル層が成膜されるとよい。該米国特許は、本願の譲受人が所有し、他の金属をステンレス鋼に電着するという教示について、言及によって本明細書に組み込まれる。同様に、電極１２６、１２８はニッケル及び／又はクロム、並びに金（ＮｉＣｒ／Ａｕ）の組合せを含むとよい。
【0034】
【0035】
薄膜ＰＺＴは１．２０ｍｍの長さを有し、ＰＺＴ接合は両端で０．１５ｍｍの幅を有し、圧電係数ｄ３１は２５０ｐｍ／Ｖであった。一部の実施形態において、ＳＳＴ層は、適切な支持を行うために少なくとも１２マイクロメートル厚であるとよい。
【0036】
上述の例において、ＤＳＡサスペンションは、シミュレーションによると、２６．１ｎｍ／Ｖのストローク感度を示した。一方、同じ幾何学形状の４５μｍ厚バルクＰＺＴ（ｄ３１＝３２０ｐｍ／Ｖ）は、単に７．２ｎｍ／Ｖのストローク感度を通常示す。
【0037】
ＳＳＴ層のＰＺＴ層に対する厚さ比は、１：１、又はさらに１.２５：１、又はさらに高いものであり得る。抑制層のＰＺＴに対する厚さ比が約１：２５に達すると、抑制層によるストローク感度の向上は負になり始め、ＰＺＴ抑制層の厚みの限界が示唆される。
【0038】
図８Ａは、ＰＺＴを膨張させるために電圧がＰＺＴに印加されたときの、図７のＰＺＴマイクロアクチュエータ１１４の側面断面図である。ＰＺＴストロークは２つのベクトルからなり、一方は純粋な伸長ストロークδｅであり、他方は、抑制層がない場合のような下向きの湾曲ではなく、ＰＺＴの右先端を上向きに湾曲させる抑制層による伸長寄与δ１である。総ストローク長さはδｅ＋δ１である。膨張モードでは、ゆえに、ＰＺＴは上部から見たときにわずかに凹状の形状をとる、つまり、ＰＺＴ上部面はわずかに凹状の形状をとり、これは図４の先行技術ＰＺＴの湾曲とは反対の湾曲方向である。従って、本発明のこの湾曲は、有効ストローク長さを減少させるものではなくむしろ有効ストローク長さを増加させるものである。
【0039】
図８Ｂは、ＰＺＴ１１４を収縮させるために電圧がＰＺＴに印加されたときの、図７のＰＺＴマイクロアクチュエータの側面断面図である。ＰＺＴストロークは２つのベクトルからなり、一方は純粋な収縮ストローク－｜δｃ｜であり、他方は、抑制層がない場合のような上向きの湾曲ではなく、ＰＺＴの右先端を下向きに湾曲させる抑制層による収縮寄与δ２である。総ストローク長さは－［δｃ＋δ２］である。収縮モードでは、ゆえに、ＰＺＴは上部から見たときにわずかに凸状の形状をとる、つまり、ＰＺＴ上部面はわずかに凸状の形状をとり、これは図４の先行技術ＰＺＴの湾曲とは反対の湾曲方向である。従って、本発明のこの湾曲は、有効ストローク長さを減少させるものではなくむしろ有効ストローク長さを増加させるものである。
【0040】
ＰＺＴマイクロアクチュエータ１１４に抑制層１３０を追加することは、他の非抑制及び非接合ＰＺＴ１１４については、ストローク長さにおいて認識される影響はない。しかし、図４に示されるように、ＰＺＴがその底端部でサスペンション１８に接合されるとき、抑制層の効果は実際にストローク長さをわずかに増加させる。ステンレス鋼は、約１９０～２１０ＧＰａのヤング率を有する。好ましくは、抑制層用材料は、５０ＧＰａより大きい、より好ましくは１００ＧＰａより大きい、さらにより好ましくは１５０ＧＰａより大きいヤング率を有する。
【0041】
図９は、シミュレーションにおいて、１３０μｍ厚であり、接合されたステンレス鋼の抑制層１３０を有するＰＺＴ１１４について、抑制層厚に対する、ｎｍ／Ｖの単位の単位入力電圧毎ストローク長さを示すグラフである。２０μｍ、４０μｍ、及び６０μｍ厚のＳＳＴ抑制層をＰＺＴ上部面に追加することで、それぞれ総ストローク長さが増加される。つまり、抑制層を追加することで総ストローク長さが実際に増加された。
【0042】
ＰＺＴと抑制層とを合わせた総厚みを一定に保ち、抑制層の最適な厚みを決定することも可能である。図１０は、本発明において、ＰＺＴと、ＰＺＴに接合された抑制層とを合わせたものの側面立面図であり、総厚みが１３０μｍで一定に保たれる。図１１は、図１０のＰＺＴについてＰＺＴ厚に対するストローク長さのグラフであり、ＰＺＴと抑制層とを合わせた厚みは、シミュレーションにおいて１３０μｍで一定に保たれる。抑制層がないと、１３０μｍＰＺＴは約１４．５ｎｍ／Ｖのストローク長さを有する。６５μｍの抑制層１３０厚と６５μｍのＰＺＴ厚では、ＰＺＴは約２０ｎｍ／Ｖのストローク長さを有する。ゆえに、抑制層を追加することで、有効ストローク長さが実際に約３５％増加した。
【0043】
図１２は、シミュレーションにおいて、４５μｍ厚のＰＺＴ素子と、種々の厚みの上部ステンレス鋼抑制層との、図７のマイクロアクチュエータを有するＧＤＡサスペンションについて、抑制層厚に対するＧＤＡストローク感度のグラフである。グラフに見受けられるように、３０μｍ厚の抑制層は、ＧＤＡストローク感度を９ｎｍ／Ｖから１４．５μｍをわずかに超えるところに増加させ、これは５０％を超えるストローク長さの増加を表す。
【0044】
図１３Ａ～図１３Ｈは、本発明の抑制層を有するＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体を作製可能な一製造工程を示す。この方法は、ＰＺＴ材料が抑制層となる基板に成膜されるアディティブ法の一例である。工程は、図１３Ａに示されるような第１基板１４０から開始される。図１３Ｂにおいて、基板に第１ＵＶ・サーマルテープ１４２が付加される。図１３Ｃにおいて、テープに予備成形ＳＳＴ層１３０が付加される。図１３Ｄにおいて、スパッタリング又は他の周知の成膜プロセスによってなどで、ＳＳＴに電極層１２６が成膜される。図１３Ｅにおいて、ゾルゲル法又は他の周知の方法によって、電極層上にＰＺＴ層１２０が形成される。図１３Ｆにおいて、スパッタリングによってなどで、ＰＺＴの露出側に第２電極１２８が成膜される。図１３Ｇにおいて、ＳＳＴ層１３０はテープから分離されて、作製物を第２テープ１４３及び第２基板１４１上にひっくり返す。そして、図１３Ｈにおいて、個々のマイクロアクチュエータ１１４を個別化するために、機械的な鋸切断又はレーザー切断によってなどで、作成物を立方体に切断する。この工程において、電極を含むＰＺＴ素子１２０がＳＳＴ抑制層１３０に直接的に接合され、それらの間で抑制層の抑制効果を低下させるポリイミドなどの有機材料などのいずれの他の材料も有さない、マイクロアクチュエータ１１４が製造される。電極層は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及び／又はＣｕなどの材料製であるとよい。Ａｕは約７９ＧＰＡのヤング率を有し、Ｃｕは約１１７ＧＰａのヤング率を有し、Ｎｉは約２００のヤング率を有し、Ｃｒは約２７８のヤング率を有する。好ましくは、ＳＳＴ抑制層１３０と、２０ＧＰａ未満であるヤング率を有する、又は実質的に抑制層のヤング率に満たないヤング率、若しくは抑制層のヤング率の半分に満たないヤング率を有するＰＺＴ素子１２０との間に、中間層はない。
【0045】
エポキシなどの接着剤によって抑制層をＰＺＴ面に直接的に接合することによってなどで作製物を製造するために、他の方法が用いられ得るが、図１３Ａ～図１３Ｈに示される方法が現在のところ好ましい方法と考えられる。
【0046】
ＳＳＴ抑制層１３０は、アディティブ製造工程時及び最終作製物の両方でＰＺＴ層１２０のための基板として作用する。抑制層１３０はゆえに基板として言及されることがある。
【0047】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明における薄膜ＰＺＴマイクロアクチュエータモーター１１４とともに組み立てられたジンバル実装２段アクチュエータ（ＧＳＡ）サスペンション１５０の斜視図である。ＧＳＡサスペンションにおいて、ＰＺＴは、ジンバル組立体を含むトレースジンバルに実装され、読み取り・書き込みヘッドスライダー１６４を保持するサスペンションのジンバル領域に直接的に作用する。図１４Ａは、ＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体１１４が取り付けられる前のサスペンション１５０を示す。２つのマイクロアクチュエータ１１４のそれぞれが、マイクロアクチュエータ１１４の遠位端部が接合される舌部１５４と、マイクロアクチュエータ１１４の近接端部が接合されるトレースジンバルの部分１５６と、に接合され、それらの間の間隙１７０をつなぐ。図１４Ｂは、ＰＺＴマイクロアクチュエータ１１４が取り付けられた後のサスペンション１５０を示す。マイクロアクチュエータ組立体１１４が活性化されると、膨張又は収縮し、舌部１５４とトレースジンバルの部分１５６との間の間隙１７０の長さを変え、読み取り・書き込みトランスデューサーを保持するヘッドスライダー１６４の微細な配置動作をもたらす。
【0048】
図１５は、切断線Ｂ－Ｂ’に沿った図１４Ｂの断面図である。ＧＳＡサスペンション１５０は、ステンレス鋼層、ポリイミドなどの絶縁体１５７、及びＡｕ、又はＮｉ・Ａｕの組合せなどの保護金属１５９によって被覆されたＣｕなどの信号伝導トレースの層１５８を含むトレースジンバル１５２を含む。マイクロアクチュエータ１１４は、その遠位端部において、導電性にするためにＡｇ粒子含有エポキシなどの導電接着剤１６２によって、ジンバル領域から延びるステンレス鋼舌部１５４に取り付けられ、その近位端部において、非導電エポキシなどの非導電接着剤１６１によって、ステンレス鋼の実装領域１５６に取り付けられる。駆動電圧電気接続は、金めっき銅コンタクトパッド１５８からＰＺＴマイクロアクチュエータ１１４の上部面に、特にこの場合マイクロアクチュエータの上部電極を構成するＳＳＴ層１３０に延びる導電接着剤１６０のスポットによってなされる。
【0049】
ＳＳＴ基板厚は、開示の薄膜ＰＺＴ構造の有利性を損なうことなくある程度変わり得る。図１６は、シミュレーションにおける、図１５のマイクロアクチュエータについてＳＳＴ抑制層厚に対するストローク感度のグラフである。４０μｍ厚のＳＳＴ抑制層を有する薄膜ＰＺＴは、シミュレーションにおいて２０ｎｍ／Ｖのストローク感度を示し、これは前述の４５μｍ厚バルクＰＺＴのストローク感度のほぼ３倍である。しかしながら、４５μｍ厚ＳＳＴ抑制層は、薄膜ＰＺＴマイクロアクチュエータをより良好に保護する。
【0050】
図１７Ａ～図１７Ｆは、本発明におけるＳＳＴ抑制層を有する薄膜ＰＺＴ構造を製造する代替的工程を示す。図１７Ａにおいて、工程は、図１３Ｂに示されるような基板１４０やテープ１４２の代わりにシリコン基板１４４から開始される。図１７Ｂにおいて、シリコンにＳＳＴ層（１３０）が接合される。そして、工程は、図１３Ｃ～図１３Ｈの工程と実質的に同じように進行し、組立体をひっくり返すこと、図１７Ｅにおけるシリコン基板の除去を含む。さらに、これらの図面は、図１３Ｅには明確に示されない最終ＮｉＣｒ／Ａｕ層１３１の付加を明確に示す。
【0051】
上述のように、異なるタイプの抑制層は種々のアプリケーションに用いられるとよい。導電又は非導電性の他の硬質の材料が抑制層又は抑制基板としても使用され得る。例えば、シリコンは、抑制層材料として用いられ得る。図１８は、本発明の実施形態におけるシリコン抑制層を有する薄膜ＰＺＴ構造の上面図である。図１９は、切断線Ａ－Ａ’に沿った図１８のマイクロアクチュエータの断面図である。シリコン抑制層２３０が非導電性であるので、シリコン２３０上のＡｕなどの導電上部層２３４から、ＰＺＴ素子１２０上の金属化電極１２６にＰＺＴ駆動電圧を伝導するために、ビア２３２が提供される。Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ等による米国特許第７，７８１，６７９号明細書に開示されるように、ビアが形成され、導電金属で充填されるとよく、該特許は本発明の譲受人が所有し、導電ビア及び導電ビア形成方法の教示について、言及によって本明細書に組み込まれる。
【0052】
図２０は、シミュレーションにおける、図１９のマイクロアクチュエータについてのシリコン基板厚に対するストローク感度のグラフである。グラフに示されるように、３μｍ厚の薄膜ＰＺＴと２０μｍ厚のシリコン基板とは、３１．５ｎｍ／Ｖのストローク感度を示す。これは、４５μｍ厚バルクＰＺＴの設計のストローク感度の４倍を超えるものである。シリコン基板はまた、薄膜ＰＺＴの信頼性を向上するために利用される。
【0053】
図２１Ａ～図２１Ｅは、図１８の薄膜ＰＺＴ構造を製造する工程を示す。図２１Ａ及び図２１Ｂにおいて、工程はシリコン基板から開始され、該シリコン基板はレーザー穴あけによってなどでシリコン基板に形成された孔又はビア２３２を有する。図２１Ｃにおいて、上部電極１２６を形成するために、シリコン基板２３０にＮｉＣｒ／Ａｕ層が付加される。また、ＮｉＣｒ／Ａｕで孔を充填して、電気ビア２３２が作製される。より一般的には、ビアを充填するために他の導電材料が用いられるとよい。図２１Ｄにおいて、ＰＺＴ薄膜１２０はゾルゲル法によってなどで成膜され、底部電極１２８を形成するために、ＮｉＣｒ／Ａｕの他の層が付加される。図２１Ｅにおいて、材料がひっくり返され、最終ＮｉＣｒ／Ａｕ層１３１が付加される。層１３１及び層１２６がビア２３２によって電気的に接続されるので、導電金層１３１に印加される電圧（又は接地電位）がＰＺＴ素子１２６に伝達される。シリコン基板を有する薄膜ＰＺＴマイクロアクチュエータのためのこの製造工程は、ＳＳＴ基板を有する薄膜ＰＺＴのための製造工程ほど複雑ではない。
【0054】
代替的な実施形態において、シリコン基板の中間ビアは、シリコン端部の１つ以上のビアによって置き換えされ得る。ゆえに、最終的な立方体への切断後、シリコンの各端部に半円が形成される。図２２は、金属化層などの導電上部層２３１を備えたシリコン又は他の非導電抑制層３３０を有し、上部層２３１を上部電極１２６に電気的に接続する側部ビア２３４、２３６を有する、薄膜ＰＺＴマイクロアクチュエータの上面図である。図２３は、切断線Ａ－Ａ’に沿った図２２のＰＺＴの断面図である。この実施形態の製造工程は、他の点では図２１Ａ～図２１Ｅのものと同一であり得る。
【0055】
抑制層は、ＰＺＴ素子より大きく（より大きい表面領域）てもよく、ＰＺＴ素子と同じサイズであってもよく、又はＰＺＴ素子よりも小さく（より小さい表面領域）てもよい。図２４は、ＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体４１４の側面断面図であり、該組立体において、抑制層４３０がＰＺＴ素子４２０よりも小さく、階段部４３４、及び抑制層４３０によって被覆されない露出シェルフ４２２を有する階段様構造をマイクロアクチュエータに与え、シェルフ４２２は電気的接続がＰＺＴ素子４２０になされるところにある。電気接続が行われる階段部を含むそうした構成の一有利性は、電気接続部を含む組立体全体が、抑制層４３０がＰＺＴ４２０全体を覆う場合よりも、低いプロファイルを有することである。より低いプロファイルは有利であり、これは、さらなるハードディスクプラッター及びそのサスペンションが所定のプラッタ積層高さ内にともに積層されて、ディスクドライブ組立体の所定の容積内でデータ保管容量を増加させることができるということ意味するためである。シェルフ４２２上の電気接続を得るために、抑制層４３０がＰＺＴ素子４２０の上部表面の５０％を超えるが、９５％未満を被覆すると考えられる。
【0056】
シミュレーションでは、本発明に従って構成されたマイクロアクチュエータがストローク感度の増加を示すこと、またスウェイモードゲイン及びねじりモードゲインを減少させることが示された。これらは、データシーク時間の減少及び振動に対する感受性の低減の両方に変換される、ヘッド位置決め制御ループバンド幅の増大に有利である。
【0057】
【0058】
図２６は、切断線Ａ－Ａ’に沿った図２５のＧＳＡサスペンションの断面図である。この実施形態において、導電エポキシなどの導電接着剤４６０は、抑制層４３０上には延びず、むしろ、導電エポキシ４６０は、ＰＺＴ素子４２０の上部のシェルフ４２２上に延び、表面を介してＰＺＴ４２０及びマクロアクチュエータ組立体４１４全体への電気接続を行う。図に示されるように、導電エポキシ４６０によって規定される電気接続部は、ＳＳＴ抑制層４３０の上部面より低い最上部を有する。より一般的には、電気接続が導電接着剤、超音波熱接合によってなどで接合されるワイヤ、はんだ、又は他の技術でなされるかどうかにかかわらず、マイクロアクチュエータ組立体４１４への電気接続部４６１は、マイクロアクチュエータ４１４の最上部未満又はそれより低くなるように作製され得る。このため、電気接続部を含むマイクロアクチュエータ組立体４１４を可能な限り薄くすることができる。これは、ディスクドライブ組立体のプラッター積層物内におけるデータ保管ディスクプラッターのより高い密度の積層を可能にする。
【0059】
図は、マイクロアクチュエータ４１４が実装されたトレースジンバルのステンレス鋼部１５４上の金層４６９をも明確に示す。金層４６９は耐食性を与え、ＳＳＴへの導電性を向上させる。
【0060】
すべての他の実施形態のようにこの実施形態において、抑制層及びより一般にはＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体の上部表面には、通常、電気接続部以外に接合されるものはない。
【0061】
図２７は、シミュレーションにおける図２６のサスペンションのＰＺＴ周波数応答関数の周波数応答のグラフである。サスペンションは、抑制層４３０を持たないシミュレーションと比較して、スウェイモードゲイン及びねじりモードゲインの減少を示した。これらは、データシーク時間の減少及び振動に対する感受性の低減の両方に変換される、ヘッド位置決め制御ループバンド幅の増大に有利である。
【0062】
図２８Ａ～図２８Ｊは、図２４の薄膜ＰＺＴ組立体１１４を製造する工程を示す。図２８Ａにおいて、バルクＰＺＴウエハ４２０は移行テープ４２２上に配置される。図２８Ｂにおいて、スパッタリング及び／又は電着によってなどで、上部電極層４２６が形成される。図２８Ｃにおいて、上部電極４２６の部分上にマスク４３６が配置される。図２８Ｄにおいて、導電エポキシ４３２が付加される。図２８Ｅにおいて、抑制層４３０となるステンレス鋼層がエポキシに付加され、該エポキシが硬化される。図２８Ｆにおいて、マスク４３６が取り除かれる。図２８Ｇにおいて、組立体はひっくり返されて、第２移行テープ４４３上に配置される。図２８Ｈにおいて、スパッタリング及び／又は電着によってなどで、底部電極層４２８が形成される。そして、ＰＺＴ素子４２０は分極される。図２８Ｉにおいて、組立体は、第３移行テープ４４４へともう一度ひっくり返される。図２８Ｊにおいて、組立体は、切断により個別化されて、最終的なＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体４１４を製造する。
【0063】
図２９は、本発明のさらなる実施形態における多層ＰＺＴ組立体５１４の側面断面図である。組立体は、多層ＰＺＴ素子５２０、デバイスを取り囲む第１電極５２６、第２電極５２８、及びエポキシ５３２によってＰＺＴ素子５２０に接合された抑制層５３０を含む。図は２層ＰＺＴデバイスを示す。より一般には、デバイスはｎ層ＰＺＴデバイスであり得る。
【0064】
図３０は、特に厚い電極が抑制層として作用する、本発明のさらなる実施形態における多層ＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体６１４の側面断面図である。この実施形態おいて、ＰＺＴ素子６２０は、上部電極６２６及び底部電極６２８を有する。上部電極６２６は、シェルフを規定するより薄い第１部分６２２、及び抑制機能の大部分を担うより厚い第２部分６３０を含む。階段部６３４は、より薄い第１部分６２２からより厚い第２部分６３０への移行部にある。階段部６３４を作製するためのマスキングを含む成膜プロセスによって、又は階段部を作製するために材料を選択的に除去する成膜プロセスによって、第２電極６２６はＰＺＴ素子６２０に付加されるとよい。代替的に、第２電極６２６は、個別に形成されてＰＺＴ素子６２０に接合されるＳＳＴなどの導電材料片であるとよい。ゆえに上部電極６２６は、底部電極６２８と同じ材料のものである、又は異なる材料のものであるとよい。より厚い第２部分６３０は、より薄い部分６２２及び／若しくは第２電極６２８よりも少なくとも５０％厚いとよく、又はより厚い第２部分６３０は、より薄い部分６２２及び／若しくは第２電極６２８の少なくとも２倍の厚さであるとよい。図２４～図２６の実施形態のように、電気接続部が、より薄い部分６２２によって規定されたシェルフに設けられ、電気接続部は、抑制層を規定するより厚い部分６３０の上部面ほどの高さに延びない、又はそれ未満であるとよい。
【0065】
本発明の範囲は、提示される実施形態そのものに限定されない。本明細書における教示を得た後に、当業者には変形が明白であろう。例として、抑制層はステンレス鋼である必要はなく、他の比較的硬質且つ弾性のある材料であってもよい。抑制層は、一材料の単層である必要はなく、種々の材料の種々の層からなっていてもよい。抑制層は、表面全体又は実質的に上面全体を被覆してもよいが、例えば、上面領域の９０％を超える、上面領域の７５％を超える、上面領域の５０％を超える、又はさらに上面領域の２５％を超える、表面全体より小さい面を被覆してもよい。階段形体を有する実施形態において、抑制層は、マイクロアクチュエータの上面の９５％未満を被覆すると考えられる。抑制層は単一の一体層である必要はなく、ＰＺＴ上面に並んで配置された複数の抑制ストリップなどの複数の片を含み得、該ストリップは膨張・収縮方向又は垂直方向に延びるものであってよい。一実施形態において、抑制層は、ＰＺＴの上面に接合されたステンレス鋼又は他の材料の２つの抑制片を含み得、２つの抑制片のサイズ及び配置、並びにその接合は、通常、ＰＺＴがその底面で接合される２つの実装シェルフの実装領域に似たものである。デバイス上部の抑制層によって加えられる全体の硬質性が、サスペンションに接合されることによりデバイスの底部に加えられる全体の硬質性と通常合致し、且つ、接合領域が概して対称関係にあるとき、得られる最終的な湾曲はゼロ又はゼロに近いものである。結果として、ＰＺＴマイクロアクチュエータは、サスペンションに実装且つ配置されると、アクチュエーションの際に実質的に湾曲がないものとなる。
【0066】
本明細書に記載される、又は本明細書に提示される実施形態の任意のもの又はすべてにおいて、抑制層は、他の場合ではアクチュエーション時に起こり得るＰＺＴ湾曲を低減するように選択される、又はいずれのＰＺＴ湾曲も可能な限り排除するように選択される、又はＰＺＴ湾曲の符号を逆転するために選択されるとよい。ＰＺＴがハードディスクドライブマイクロアクチュエータとして用いられるアプリケーションにおいて、上述の例示の実施例に提示且つ記載されるように湾曲の符号を逆転するために抑制層を使用することは多くの場合望ましいと見られ、これは有効ストローク長さを増加させるためである。しかし、他のＰＺＴアプリケーションにおいては、符号を逆転することは望ましくないものであり得る。こうして、本発明は、ＰＺＴが任意の特定のアプリケーションにおいて他の部品にどのように実装又は取り付けられても、ＰＺＴ湾曲の方向及び量の両方を制御するために概して用いられ得る。選択されるアプリケーションやパラメータに応じて、抑制層は、ＰＺＴ湾曲をその起こり得るものの５０％未満に、若しくはその起こり得るものの２５％未満に低減するために、又は、湾曲の符号を逆転するために用いられることができる。符号が逆転されるとき、底面の端部で又は端部近傍で接合され、且つ上部に抑制層を有するＰＺＴは、膨張又は伸長モードにあるとき、その上面が凹形状をとり、抑制層を有しない同様のＰＺＴがとるような凸形状をとらないように、湾曲する。同様に、ＰＺＴは、収縮モードにあるときに凸形状をとり、抑制層を有しない同様のＰＺＴがとるような凹形状をとらない。
【0067】
様々な理由により、ＰＺＴ素子はアプリケーションにおいて、ＰＺＴがいずれの電圧でも作動されていないときにいずれかの方向に既に湾曲される、つまり既に凹状又は凸状であるというように、予備荷重を与えられることがある。そうした予備荷重ＰＺＴは、当然のように本発明のマイクロアクチュエータとして使用可能である。そのような場合に、ＰＺＴは、正味若しくは明白な凹形状、又は正味若しくは明白な凸形状に湾曲しないことがある。例として、ＰＺＴが予備荷重を与えられて、既に凹形状を有している場合、正の活性化電圧による活性化の際に、デバイスはより凹状である形状に湾曲され、負の活性化電圧による活性化の際に、デバイスは、表向きには平坦な形状であり得る、あまり凹状ではない形状に湾曲される、又は凸形状になり得る。そして特に定義されない限り、「凹状」及び「凸状」という用語は、絶対的というよりも相対的な意味で理解される必要がある。
【0068】
図３１は、多層マイクロアクチュエータＰＺＴ組立体３１００の実施形態の断面図であり、該マイクロアクチュエータ組立体の抑制層が、マイクロアクチュエータ３１００が接合されるサスペンション面近傍の主要活性ＰＺＴ層３１２０の反対方向に作用する傾向のある１つ以上の活性ＰＺＴ層３１３０、３１４０を含む。ＰＺＴ抑制層３１３０、３１４０は、主要ＰＺＴ層３１２０の動作を抑制し、能動的に対抗するので、「抑制層」又は「対抗層」として言及され得る。
【0069】
ＰＺＴ層３１２０、３１３０、及び３１４０は、互いに積層された平面の関係性で配置される。主要ＰＺＴ層３１２０は、分極時に電界が加えられて分極され、且つデバイス作動時に電界が加えられて膨張又は収縮する活性ＰＺＴ領域３１２１を含み、分極又は作動のいずれの時にも顕著な電界が加えられず、ゆえに圧電的に顕著に活性ではない不活性ＰＺＴ領域３１２２及び３１２３をもを含む。デバイスは、第１又は底部電極３１２４、活性ＰＺＴ領域用の第２又は上部電極３１２６、第３電極３１３２が第１活性抑制層３１３０と第２活性抑制層３１４０との間に延び、ＰＺＴの端部を取り囲むように端部３１２８を含む第３電極３１３２、及び、デバイスの側部及び底部の両方を取り囲む包囲部分３１４３を含む、第２活性抑制層３１４０の上部の第４電極３１４２、を包含する。マイクロアクチュエータ駆動電圧を与える駆動電圧電気コンタクトパッド１５８に、電極３１４２を機械的及び電気的に接合する導電エポキシ３１６０などの導電接着剤を用いて、またサスペンションの接地部分１５４に、デバイスの電極３１２４及び３１２８を機械的及び電気的に接合する導電エポキシ３１６２を用いて、デバイスがサスペンションと接合されるとよい。
【0070】
デバイスの作動を理解するために、デバイスがどのように分極されるかを理解する必要がある。図３２は、図３１のデバイスの分極を示し、活性ＰＺＴ材料の種々の層の結果的な分極方向を含む。以下の３つの電圧が印加される。正の電圧（Ｖｐ＋）は電極３１２４に印加され、負の電圧（Ｖｐ－）は電極３１２８に印加され、そして接地が電極３１４２におこなわれる。図の矢印は、活性ＰＺＴ層３１２０、３１３０、及び３１４０の結果的な分極方向を示す。
【0071】
図３１に戻ると、該図は、この例示実施形態においてデバイス３１００がどのように接続されるかを示すものである。導電エポキシ３１６２は、電極３１２４と３１３２とを架け渡し、電気的にグループにし、実質的に分極時に３極デバイスであったものを作動時に２極デバイスに変える。電極のグループ化は、導電エポキシ３１６２以外の電気接続を行う他の周知手段によって行われるとよいが、デバイスをサスペンション組立体に接合するために用いられるものと同じ導電エポキシ３１６２を用いることで、個別のグループ化ステップの必要なくグループ機能を得る。
【0072】
電圧が電極３１４２に印加されて、主要ＰＺＴ層３１２０を、活性領域３１２１の膨張のため図において見受けられるようにｘ方向に（左から右に）膨張させるとき、活性ＰＺＴ抑制層３１３０及び３１４０はｘ方向に収縮する。つまり、２つの抑制層３１３０及び３１４０は反作用する、又は主要ＰＺＴ層３１２０とは反対の方向に作用する傾向にある。
【0073】
より詳細に説明すると、デバイスが図３２に示されるように分極され、図３１に示されるように電気的に接続されるとき、デバイスは以下のように作動する。電気コンタクトパッド１５８及び電極３１４２に印加された正のデバイス活性化電圧は、接地された電極３１２４とともに、以下の反応をもたらす。主要ＰＺＴ層３１２０に印加された活性化電圧は分極時の極性の反対である。ゆえに主要ＰＺＴ層３１２０はｚ方向に収縮し、ｘ方向に膨張する。同時に、活性化電圧は、分極時に２つの抑制層３１３０及び３１４０に印加されたものと同じ極性である。つまりこれらのＰＺＴ層は、ｚ方向に膨張して、ｘ方向に収縮する。ゆえに、２つの抑制層３１３０及び３１４０が収縮する傾向にあるとき、主要ＰＺＴ層３１２０は関連する方向に膨張する傾向にある。
【0074】
主要ＰＺＴ層と反対の方向に作用する抑制層の効果は、図１０の抑制層１３０などの受動的な抑制層や、上述の他の実施形態における同様の抑制層２３０、３３０、４３０、５３０、及び６３０に関して前述されたものと類似する。活性ＰＺＴ抑制層の作用は、主要ＰＺＴ層及びサスペンションへのその実装（接合）により起こる湾曲を低減し、湾曲の符号を逆転することも可能であり、いずれの場合も実装されたマイクロアクチュエータによってもたらされる最終的な変位を増大させる。
【0075】
図３３は、図３１のマイクロアクチュエータ組立体の分解図であり、概念的に電気接続を示す。図３１及び図３２では示されないが、図３３では示される任意的特性には、電極３１３２上のパターニング３１３３、電極３１４２と連結された電圧抑制器３１４４が含まれ、以下にその機能が示される。
【0076】
より薄いマイクロアクチュエータ組立体は、（１）ＤＳＡサスペンションとして言及されることがあるジンバル型ＤＳＡサスペンションの特にジンバルにおいて又はジンバル近傍において、サスペンション上の質量が小さいこと（これはつまり、Ｇ力で測定される離昇力がより大きい、つまり衝撃に対するより強い耐性を意味する）、（２）風損の低減、及び（３）へッド積層組立体内のより高い積層密度（同じ容積のディスクドライブ積層組立体空間にさらなるデータを保管することができることを意味する）、を含む、多くの理由から望まれている。ゆえに、ＰＺＴ抑制層をある程度薄くすることが望ましい。しかしながら、ＰＺＴ抑制層がより薄いと、作動時にこれらの層にわたって電界強度がより高くなり、電界強度が著しく高いため、作動時に脱分極されやすい。ゆえに、便宜上、主要ＰＺＴ層及び抑制ＰＺＴ層は同じ厚みである必要がある。
【0077】
抑制ＰＺＴ層を脱分極させることなくより薄くするための一解決方法は、主要ＰＺＴ層にわたる電界を著しく低下させることなく、１つ以上の用いられ得る種々の手段を用いて、抑制層にわたって電界強度を低下させることである。この目的を達成する第１の手段は、電極３１３２に孔３１３３を付加する、又は他の電気的間隙を付加することによってなどで、活性ＰＺＴ抑制層の１つと作動上連結されるが、主要ＰＺＴ層とは作動上連結されない１つ以上の電極にパターン形成することである。パターン形成は、平行又は交差導体の格子でその間に電気的間隙のあるものなどのメッシュパターンの形態をとってもよい。平面電極３１３２内の電気導体領域のパーセンテージを低下させることで、抑制層３１３０及び３１４０にわたる電界強度は、主要ＰＺＴ層３１２０にわたる電界強度を低下することなく、効果的に低下される。
【0078】
第２の解決方法は、抑制層の抗電界強度を増大させて、抑制層が脱分極にさらに抵抗性を持つことである。圧電材料に言及するときの抗電界強度、或いは単に「保磁力」は、圧電材料を脱分極するためにどれほど高い電界強度が必要とされるかの尺度である。抑制層３１３０、３１４０が主要ＰＺＴ層３１２０よりも高い抗磁力を有することで、主要ＰＺＴ層と同じ活性化電圧が印加されたときに、脱分極のリスクなくこれらの抑制層をより薄いものにすることが可能である。抑制層３１３０、３１４０は、異なる又はわずかに異なる圧電材料を使用することで、又は他の処理によって、場合によってはｄ３１ストローク長さ又は他の所望される特性をいくらか失うことと引き換えに、より高い抗磁力を有するように作製されることができる。
【0079】
他の解決方法は、分圧抵抗網、ダイオード、電圧調整器、又は当業者が想到する種々の機能的に類似するデバイスのいずれか１つ、などの何らかの種類の電圧抑制器を用いることによって、抑制層と連結された駆動電極に印加される有効電圧を下げることである。図において、概略化された電圧抑制器３１４４は、電極３１４２が受けた電圧を下げて、主要ＰＺＴ層３１２０ではなく抑制層３１４０が受ける電界強度を低下させる。ＰＺＴ材料表面に分圧抵抗網を形成するように電極層を形成する金属化を行うことによってなどで、分圧器が一体的に形成され、隣接する圧電層の間に配置されることも可能である。簡易な抵抗分圧器は、同じ層において行われ得る接地を必要とし得る。そうしたデバイスの設計者には明白であるように多くの構成が可能である。
【0080】
パターニング３１３３と電圧抑制器３１４４とはともに抑制層３１４０を横切る電界強度を下げ、作動時には容認できないほどに脱分極を生じることなく、抑制層３１４０をより薄くすることができる。電極パターニング及び／若しくは電圧抑制器、並びに／又は抑制層３１３０及び／若しくは３１４０にわたって電界強度を低下させる一部の他の手段が用いられるとよい。パターニング３１３３は電極３１３２と一体的に形成されるので、マイクロアクチュエータ組立体と一体的に形成され、マイクロアクチュエータ組立体内に一体的に組み込まれる。電極のうちの１つのための電圧抑制器は、組立体と一体的に形成されて、組立体内に一体的に組み込まれるか、又は、連結された電極がそれ自体の電気リードを有し、他の電極とグループにされないという条件で、組立体の外部に設けられ得る。
【0081】
上述のこれら３つの解決方法のすべては、単一の活性抑制層、図３１～図３３に示されるような２つの活性抑制層、又はより一般には、図３５に示されるようなｎ個の活性抑制層を有する圧電マイクロアクチュエータに適用され得る。
【0082】
図３４は、４５μｍ厚の主要ＰＺＴ層を備え、電界強度を下げるためのいずれのパターンニング３１３３又は電圧抑制器３１４４も有さない、種々の抑制層構成（constraining layer constructions、ＣＬＣ）についてシミュレーションにおける１つ以上の活性抑制層を有するマイクロアクチュエータのストローク感度（ｎｍ／Ｖ）を示すグラフであり、以下の３つの異なる構成、
ａ）１つの不活性抑制層（「受動的なＣＬＣ」、ひし形データポイント）
ｂ）１つの活性抑制層（「単層」、四角形データポイント）、及び
ｃ）２つの活性抑制層（「２層」三角形データポイント）
について示される。
ａ）１つの不活性抑制層（「受動的なＣＬＣ」、ひし形データポイント）
ｂ）１つの活性抑制層（「単層」、四角形データポイント）、及び
ｃ）２つの活性抑制層（「２層」三角形データポイント）
について示される。
【0083】
データでは、少なくとも検証されたパラメータについて、主要ＰＺＴ層とは反対の方向に作用する１つの活性抑制層を有するＰＺＴマイクロアクチュエータは、抑制層が不活性材料であるものよりも高いストローク感度を常にもたらすということが示される。最高ストローク感度は、抑制層として作用する（即ち主要ＰＺＴ層とは反対の方向に作用する）複数の活性ＰＺＴ薄層を用いて得られる。特に、最高ストローク感度は、それぞれ５μ厚である、又は主要ＰＺＴ層厚の約１１％である２つの抑制層を用いて得られた。このように、抑制層は、好ましくは主要ＰＺＴ層厚の５０％未満、又はより好ましくは主要ＰＺＴ層厚の２０％未満、又はさらにより好ましくは主要ＰＺＴ層厚の５～１５％の範囲内である。
【0084】
２つの活性抑制層について、抑制層厚の増大でストローク感度は大きく低下し、それぞれが約５μｍ厚の２つの活性抑制層の場合に最高ストローク感度を得る。このように、マイクロアクチュエータは、合わせた厚みが主要ＰＺＴ層厚未満である２つ以上の抑制層を好ましくは有し、より好ましくは、合わせた厚みが主要ＰＺＴ層厚の５０％未満であり、さらにより好ましくは、各抑制層が主要ＰＺＴ層厚の半分未満であり、さらにより好ましくは、各抑制層が主要ＰＺＴ層厚の２０％未満であり、さらにより好ましくは、各抑制層が主要ＰＺＴ層厚の５～１５％の範囲内である。
【0085】
単一の活性抑制層を有するマイクロアクチュエータ組立体では、抑制層厚が増大するときのストローク感度の損失は、２つの活性抑制層の場合ほど大きくはないものであった。単一活性抑制層では、局所的最大値は約１０μｍ厚のところである。このように、単一活性抑制層を有するマイクロアクチュエータ組立体では、層厚は、好ましくは主要ＰＺＴ層厚の１０～４０％の範囲、より好ましくは主要ＰＺＴ層厚の約１０～２０％の範囲である。
【0086】
図３５は、マイクロアクチュエータ組立体が複数の活性ＰＺＴ層を含む他の実施形態の断面図であり、分極過程とその結果としての分極方向を概念的に示す。図３５のデバイスが、導電エポキシによってグループ化された電極３５２４及び３５２８で、図３１に示されるようにサスペンションに電気的及び機械的に接合されるとき、結果として、１つの主要活性ＰＺＴ層、及び主要活性ＰＺＴ層の反対方向に作用する傾向があることから抑制層として作用する３つの活性ＰＺＴ層が得られる。すなわち、底部ＰＺＴ層は膨張するが、上部の３つのＰＺＴ層は収縮し、その逆もまた同様である。
【0087】
マイクロアクチュエータ組立体の構成は、図３１～図３３に示されるような１つの活性主要ＰＺＴ層及び２つの活性ＰＺＴ抑制層や、図３５に示される１つの活性主要ＰＺＴ層及び３つの活性ＰＺＴ抑制層を有するデバイスから、任意の数の活性主要層及び活性抑制層に、容易に拡張可能である。１つ以上の抑制層にわたる電界強度は、電極パターニング及び／又は電圧抑制器を含む種々の手段によって低下することができる。実験では、異なるアプリケーションの最適な抑制層数、最適な厚みが示される。
【0088】
ストローク長さを向上させるためのＰＺＴにおける抑制層の効果はまた、図３６～図３９の実施形態のように、上部ＰＺＴ層が活性電圧に応じて底部層とは異なって作用し、ゆえに抑制層として作用する、多層ＰＺＴデバイスを用いても得られる。
【0089】
図３６は、さらなる実施形態における多層ＰＺＴマクロアクチュエータ組立体７１４の側面断面図であり、組立体７１４は複数の圧電層を有する多層ＰＺＴデバイスである。デバイスは一般的な分極化がなされ、これは、デバイスへの印加電圧が両方のデバイスを膨張、又は両方を収縮させることを意味する。上部圧電層７３０は、積層するように底部圧電層７２０上に取り付けられ、該底部圧電層７２０は組立体が接合されるサスペンション面に最も近い層である。上部圧電層７３０は底部圧電層７２０よりも厚いものである。図は、デバイスの構成と分極時に印加される電圧とを示す。分極方法では、第１電極７２６に印加される１つの正電圧（Ｖｐ＋）、電極７２８になされる接地（ＧＮＤ）が用いられ、分極電界は反対方向に配向され、２つの電極は、上部及び底部電極のそれぞれにおいて、ストリップ、又は金属皮膜の間隙などの非導電領域の間隙によって互いに電気的に分離される。これは、現在のところ、多層ＰＺＴ分極に用いられる最も一般的な方法である。この多層ＰＺＴ７１４は「一般的な分極化がなされた」と言われるものである。
【0090】
図３７は、図３６のＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体７１４の側面断面図であり、該組立体がどのようにサスペンションに電気的及び機械的に接合されるかの例を示す。図において、電気回路を含むサスペンションは図２６のものと同じであるが、この実施形態の接合には、導電エポキシ４６０及び１６２のみが用いられ、非導電エポキシは用いられない。作動の際、作動電圧が電極７２６・７２８に印加されるとき、圧電層７２０、７３０は、印加作動電圧の極性に応じて、ともに長さ方向に膨張する、又はともに長さ方向に収縮する。
【0091】
上部ＰＺＴ層７３０は底部ＰＺＴ層７２０よりも厚いため、同じ作動電圧が両層に印加されるとき、上部層にはより小さい電界を生じるので、上部層は底部層ほど膨張（又は収縮）しない。ゆえに、２つの圧電層間の膨張の差異のため、上部圧電層は抑制層として作用する。最終的な効果は、上部圧電層が存在しない場合と比較してデバイスの有効ストローク長さが増加するということであり得る。
【0092】
【0093】
図３８は、またさらなる実施形態における多層ＰＺＴマクロアクチュエータ組立体８１４の側面断面図であり、ここでＰＺＴは多層ＰＺＴであり、上部ＰＺＴ層８３０は、主要ＰＺＴ層８２０として言及される底部ＰＺＴ層８２０とは反対の方向に膨張する傾向のある活性層である。組立体８１４は、３つの個別の電極８２６・８２７・８２８、及び分極時の対応する極を有する。デバイスは逆分極と言われるものである。図は、デバイスの構造と分極時に印加される電圧とを示す。分極方法は、３つの個別の電極８２６・８２７・８２８と、底部電極８２７に印加されるＶｐ＋、上部電極８２６に印加されるＶｐ－、中間又は共通の電極８２８に印加されるＧＮＤである３つの異なる電圧とを用いる。
【0094】
作動の際、同じ電圧が上下電極に印加されるが、ＧＮＤが共通の中央電極に印加される場合、上部ＰＺＴ層８３０又は抑制層は長さ方向に膨張し（又は印加作動電圧の極性応じて長さ方向に収縮し）、一方で底部の主要ＰＺＴ層８２０は長さ方向に収縮し（又は長さ方向に膨張し）、逆もまた同様である。すなわち、ＰＺＴ層８２０及び８３０は、反対の方向に作用する、又は作用する傾向があり、上部圧電層の作用は、底部圧電層の作用に少なくとも部分的に反作用する。このＰＺＴはゆえに「逆分極」と言われるものである。
【0095】
図３９は、図３８のＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体８１４の側面断面図であり、該組立体がどのようにサスペンションに電気的及び機械的に接合されるかの例を示す。右側の導電接着剤１６２は、非導電ストリップ又は間隙８２９を架け渡すために付加され、上部電極８２６と底部電極８２７とに接地を行う。作動の際、作動電圧が上下電極にわたって印加されるとき、上部ＰＺＴ層８３０は膨張し、底部層８２０は収縮する（逆も又同様である）。このように、上部ＰＺＴ層は底部ＰＺＴ層とは反対方向に作用する。上部ＰＺＴ層は受動的な抑制層としてだけでなく、底部層と反対方向に能動的に押す又は引く活性層としても作用する。
【0096】
図４０は、上部ＰＺＴ層の厚みの関数として、基準デバイスのストローク感度と比較した、図３７及び図３９のＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体のストローク感度を示すグラフであり、グラフのすべての線について底部ＰＺＴ層は４５μｍ厚である。基準デバイス（破線で示される）は４５μｍ厚の標準的な単層ＰＺＴである。この基準デバイスは、９．０ｎｍ／Ｖのストローク感度を示す。データはモデリングシミュレーションによるものである。
【0097】
グラフから分かるように、三角形データポイントによって表されるデータである、逆分極を有する図３９の３極構成について、逆分極である上部ＰＺＴ層８３０の存在は、基準デバイスと比較してストローク感度を大きく増加させた。例として、上部ＰＺＴ層が１５μｍ厚である場合、サスペンションストローク感度は２４．５ｎｍ／Ｖであり、これは９．０ｎｍ／Ｖの基準に対して１７２％の増加を表す。このデバイスについて、約１０～１５μｍ厚、又は底部ＰＺＴ層の厚みの約２２～３３％の薄肉の上部抑制層を有する逆分極構成が、最も高いストローク感度をもたらす。ストローク感度は、上部ＰＺＴ層の厚みが増大すると、概して低下する。ゆえに、薄肉の逆分極抑制層を有する図３９の３極構成が概して最も有効であり、望ましい構成である。上部ＰＺＴ層は、好ましくは底部ＰＺＴ層の厚みの５～５０％、より好ましくは底部ＰＺＴ層の厚みの約１０～４０％、さらにより好ましくは底部ＰＺＴ層の厚みの約２０～３５％であると考えられる。
【0098】
さらにグラフから分かるように、四角形データポイントによって表されるデータである、上部層が不活性ＰＺＴ材料である構成は、２番目に最良のストローク感度をもたらす。分極しないことで、及び／又はマイクロアクチュエータデバイス全体が活性化されるときに上部層に電界を生じないように電極を配置することで、上部層を不活性にすることができる。電極がデバイス７１４の上部を取り囲まず、ゆえにＣＬＣ部分７３０が活性化されないように電極７２６を切断することで、それらのいずれか１つが行われ得る。この構成のストローク感度は、作動電圧が上部ＰＺＴ層７３０に印加される図３６～図３７の一般的な分極構成（ひし形データポイントによって表される）よりも高いが、図３８～図３９の逆分極構成未満である。ストローク感度は、基準デバイスのものよりも高く開始されるが、約２５μｍ又は主要ＰＺＴ層の厚みの約５５％に厚みを増大させると増加し、約５５μｍの厚み又は主要ＰＺＴ層の厚みの約１２２％までほぼ一定に留まり、その後、抑制層の厚みがさらに増大するとわずかに低下する。このように、不活性抑制層は０より大きい厚みを有するが、好ましくは、２５～５５μｍの範囲、又は活性ＰＺＴ層の厚みの約５５～１２５％の範囲の厚みを有する。
【0099】
そして、ひし形データポイントによって表されるデータである、上部ＰＺＴ層が底部ＰＺＴ層よりも厚い、図３７の一般的な分極構成は、全体で最も低い性能の設計であった。この構成について、ストローク感度は、上部ＰＺＴ層が約３７μｍ厚、又は主要ＰＺＴ層の厚みの約８２％よりも大きい場合にのみ、基準単層ＰＺＴのストローク感度を超えて向上した。有効ストローク長さは、上部層の厚みが増大すると増加した。上部ＰＺＴ厚が６５μｍであるとき、サスペンションストローク感度は９．０ｎｍ／Ｖの基準よりも２９％高い。基準に対するストローク感度のこの２９％の増加は、この構成で得られる最良の結果を示すものである。一般的な分極の場合において、厚みは、好ましくは主要ＰＺＴ層の厚みの少なくとも８０％であり、より好ましくは主要ＰＺＴ層の厚みよりも大きく、さらにより好ましくは主要ＰＺＴ層の厚みの約１２５％よりも大きい。
【0100】
抑制層として用いられた上部ＰＺＴ層を使用する、図３６～図３９に示されるような多層ＰＺＴマイクロアクチュエータを用いる設計的アプローチは、抑制層として作用する、それぞれ２、３、４又はそれ以上の活性層を有する、３、４、５又はそれ以上の層を有するＰＺＴに、より一般的に拡張されることが可能である。
【0101】
本出願人が所有し、言及によって本明細書に組み込まれる、Ｈａｈｎ等による米国特許第９，０７０，３９４号明細書は、図３１～３５において、抑制層が圧電材料による不分極の不活性層を含む多層圧電デバイスを公開している。本発明者等は、圧電材料の分極がその寸法に永続的変化をもたらすことから、多層圧電デバイスのすべてではない層を分極することで不均質な寸法変化を導き、ゆえにデバイスに荷重を与えるということを発見した。そうした荷重は亀裂を生じさせ、ゆえにデバイスの早期故障を起こすと考えられる。
【0102】
抑制層が不活性ＰＺＴ材料の層である多層圧電デバイスにおけるそうした荷重は、抑制層を分極することで低減可能である。そのように、活性ＰＺＴ層と不活性層とには分極時に同様の永続な寸法変化を生じるので、１つの層のみ分極することで、又は通常はすべてではない層を分極することでもたらされる機械的荷重が除かれる。
【0103】
図４２は、分極されるが不活性の抑制層９３０を有するそうした実施形態におけるＰＺＴマイクロアクチュエータ９１４の側面断面図であり、デバイスの分極を示す。実施形態において、ＰＺＴマイクロアクチュエータ９１４は、先述の実施形態に関して記載されるように、積層関係で配置され、且つともに一体的に形成されることによってなどでともに取り付けられた２つのＰＺＴ層９２０及び９３０を含む。底部圧電材料層９２０は主要又は活性ＰＺＴ層となり、上部圧電材料層９３０は分極されるが不活性の抑制層となる。
【0104】
デバイスを分極する第１の方法は、それぞれ上部電極９２６と底部電極９２７とにわたって電圧差を与え、中間電極９２８を浮遊させるものである。例えば、＋Ｖｐが上部電極９２６に印加され、－Ｖｐが底部電極９２７に印加され、中間電極９２８が浮遊される。この接地方法では、圧電層９２０・９３０にともに印加される均一な電界が得られ、ゆえに両方の圧電層は同時且つ同じ程度に分極される。
【0105】
第２の方法は、図に示されるように、これらの電極にわたり＋Ｖｐ及び－Ｖｐを印加し、中間電極９２８を接地させるものである。
【0106】
より一般には、デバイスは、３つ以上の異なる電圧を３つ以上の端子に印加することで分極されるとよい。
【0107】
すべてではないが多くの場合に、等しい分極、即ち等しい電界強度を用いる同時の分極が好ましい。同等ではない厚みの２つのＰＺＴ層且つ３つの分極電圧電位である場合、異なるＰＺＴ層に同等ではない電圧差を与える必要があり、ゆえにこれら異なるＰＺＴ層にわたる同じ電界強度、つまり同程度の分極が生じる。例として、２つのＰＺＴ層が同等ではない厚みである場合、＋１５Ｖ、Ｇｎｄ、及び－１０Ｖの分極電圧は、これら２つの層の等しい電界強度、つまり等しい分極を生じるために必要な電圧となる。
【0108】
図４３は、図４２のＰＺＴマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図であり、サスペンション内に取り付けられた組立体を示す。作動の際、作動電圧が中間電極９２８に印加され、底部電極９２７は導電エポキシ１６２、金接合パッド４６９、及びサスペンション可撓部のステンレス鋼１５４を介して接地される。上部電極９２６はいずれにも電気的に接続されず、ゆえに浮遊状態である。これは、主要ＰＺＴ層９２０を膨張又は収縮させる該層にわたる作動電界を生じさせ、上部ＰＺＴ層９３０は不活性であり、ゆえに抑制層として作用する。分極されるが不活性の抑制層９３０の存在は、他の実施形態に関して上述されたように、抑制層９３０が存在しない場合と比較して、デバイスの有効ストローク長さを増加させるように作用する。
【0109】
例示の実施形態において、デバイス９１４は全部で３つの電極を有するが、第１及び第２の電極のみが組立体の底部からアクセス可能である。第３電極が駆動電圧とも接地とも接続されない浮遊電極であるため、デバイスの底部又は他の部分からも電気的にアクセス可能にする必要はない。
【0110】
他の実施形態のように、図４２及び図４３の実施形態は２層に限定されない。むしろより一般には、そうした多層圧電アクチュエータは分極され活性である複数のＰＺＴ層、及び分極されるが不活性である複数のＰＺＴ層を含むとよい。
【0111】
多くの場合に等しい分極が望まれるが、抑制層は活性圧電層と全く等しく分極される必要はない。２つの層が実質的に等しく分極されることで通常は十分であると考えられる。２層は、互いの１０％内、又は互いの２５％内に分極されるとよい。同様に、抑制層が完全に不活性であることは厳密に必要なわけではない。それよりも抑制層は、作動時に与えられる電圧差を有し、これは、第１若しくは活性ＰＺＴ層に印加される活性化電圧若しくは活性化電界の１０％未満、又は活性化電圧若しくは電界の２５％未満、又は活性化電圧若しくは電界のさらに５０％未満である。また発明者等は現在のところ、ＰＺＴ層が等しい厚みを有することが通常望ましいと考えているが、ＰＺＴ層が、互いの厚みの１０％内又は互いの厚みの２５％内であるなどの実質的に等しい厚みを有することで十分であると考えられる。
【0112】
第３電極９２６は図４３に示されるように作動時に浮遊状態であり得るが、分極されるが不活性である抑制層９３０に電界が存在しない、又は実質的に電界が存在しないことを確実にする代替的方法は、第３電極９２６を第２電極９２８に電気的にグループ化することであり、こうして抑制層９３０に電圧差が存在しないことを確実にする。
【0113】
本明細書に開示のＰＺＴマイクロアクチュエータは、ディスクドライブサスペンション以外の分野のアクチュエータとして使用可能である。そうしたマイクロアクチュエータ及びその構成の詳細は、どのような環境で用いられるかに関わらず、ディスクドライブサスペンション環境、又は任意の他の環境であっても、進歩的なデバイスである。
【0114】
本明細書及び本明細書の特許請求の範囲内で用いられるような「一般に」、「およそ」、「約」、「実質的に」、及び「同一平面の」という用語は、任意の正確な寸法、測定値、及び配置からの所定の程度の変形を許容するということが理解され、それらの用語が本明細書に開示される本発明の記載及び実施の文脈内で理解される必要があるということが解される。
【0115】
明細書及び特許請求の範囲内で用いられるような「上部」、「底部」、「上」、及び「下」などの用語は、任意の特定の空間的な又は重量の方向ではなく、互いに対する部分の空間的関係性を表す便宜的な用語である、ということがさらに理解される。このように、組立体が、図に示され、明細書に記載される特定の方向、その方向の反対、又は任意の他の回転度に向けられるかどうかにかかわらず、用語は部品の組立体を含むことが意図される。
【0116】
特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む明細書に開示されるすべての特性、並びに開示の任意の方法又は工程におけるすべてのステップは、そうした特性及び／又はステップの少なくとも一部が相互排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組み合わせられ得る。特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む明細書に開示される各特性は、明文化されない限り、同一、同等、又は同様の目的を果たす代替的特性によって置換され得る。このように、明文化されない限り、開示の各特性は、包括的な一連の同等又は同様の特性からの一例であるのみである。
【0117】
本明細書に用いられるような「本発明」という用語は、単一の必須要素又は要素群を有する単一の発明のみが示されることを意味すると理解されるべきではないということが認識される。同様に、「本発明」という用語は、それぞれ個別の発明であると考えられ得る多くの個別の発明を含むということも理解される。このように、本発明は、好ましい実施形態及びその図面に関して詳細に記載されているが、本発明の種々の応用や変形が本発明の趣旨及び範囲から外れることなくなされ得るということが当業者には明白である。ゆえに、上述される詳細な説明及び添付の図面が、以下の特許請求の範囲及びその適切に理解された法的同等物からのみ判断される本発明の範囲を限定するということを意図しないということが認識される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A-C】
【図13D-H】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28A-E】
【図28F-J】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
