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特許7361217面外力及び屈曲振動の位相変動を軽減するための圧電ベースのマイクロアクチュエータ構成
(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】2023-10-04
(45)【発行日】2023-10-13
(54)【発明の名称】面外力及び屈曲振動の位相変動を軽減するための圧電ベースのマイクロアクチュエータ構成
(51)【国際特許分類】
G11B 21/21 20060101AFI20231005BHJP
G11B 5/596 20060101ALI20231005BHJP
【ＦＩ】
G11B21/21 D
G11B21/21 E
G11B5/596
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2022529473
(86)(22)【出願日】2020-06-15
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-17
(86)【国際出願番号】 US2020037820
(87)【国際公開番号】W WO2021201899
(87)【国際公開日】2021-10-07
【審査請求日】2022-05-20
(31)【優先権主張番号】16/835,016
(32)【優先日】2020-03-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】504056130
【氏名又は名称】ウェスタン デジタル テクノロジーズ インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】萩谷 忍
(72)【発明者】
【氏名】土田 裕康
(72)【発明者】
【氏名】パン、ツォンシー
(72)【発明者】
【氏名】新田 晴紀
(72)【発明者】
【氏名】野口 宜伸
【審査官】中野 和彦
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１４７９６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９３７７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】登録実用新案第３１４２７５４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】国際公開第２００８／１１４３４５（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ１１Ｂ ２１／２１
Ｇ１１Ｂ ５／５９６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電デバイスであって、上面及び対向する下面を集合的に有する分極した圧電材料の１つ以上の層と、
前記上面及び電源と電気的に結合される第１の電極層と、
前記下面及び前記電源と電気的に結合される第２の電極層と、を備え、
前記第１の電極層及び前記第２の電極層のうちの少なくとも１つが、材料ボイドのパターンを備えるパターン化電極として形成されて他の電極層の剛性と異なるとともに対応する電極層の剛性を生成し、
前記第１の電極層が、第１のヤング率を有する第１の材料から形成されており、
前記第２の電極層が、前記第１のヤング率とは異なる第２のヤング率を有する第２の材料から形成されている、
圧電デバイス。
【請求項2】
前記圧電材料の１つ以上の層が、分極した圧電材料の複数の層を含む、請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項3】
前記圧電材料の１つ以上の層が、分極した圧電材料の単一層からなる、請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項4】
前記第１の電極層が、スパッタリングプロセスを使用して形成されて対応する第１の電極層剛性を生成し、前記第２の電極層が、スクリーン印刷プロセスを使用して形成されて前記第１の電極層剛性とは異なるとともに対応する第２の電極層剛性を生成する、請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項5】
請求項１に記載の圧電デバイスを備える、ハードディスクドライブ。
【請求項6】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）であって、スピンドル上に回転可能に取り付けられた１つ以上の記録ディスク媒体と、
アクチュエータアームと結合され、かつ前記１つ以上の記録ディスク媒体の記録ディスク媒体から読み取られ、前記記録ディスク媒体に書き込むように構成された読み取り－書き込みトランスデューサを収容するヘッドスライダと、
前記ヘッドスライダを動かして前記記録ディスク媒体の部分にアクセスするように構成された音声コイルアクチュエータと、
前記ヘッドスライダと分離するとともにサスペンション組立品のフレクシャを介して前記ヘッドスライダと機械的にリンクし、前記ヘッドスライダを回転するように駆動させて前記記録ディスク媒体の部分にアクセスするマイクロアクチュエータであって、前記マイクロアクチュエータが、
上面及び対向する下面を集合的に有する分極した圧電材料の１つ以上の層と、
前記上面及びマイクロアクチュエータ駆動回路と電気的に結合され、かつ第１の厚さを有する第１の電極層と、
前記下面及び前記マイクロアクチュエータ駆動回路と電気的に結合され、かつ前記第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する第２の電極層と、を備える、マイクロアクチュエータと、を備え、
前記第１の厚さと前記第２の厚さとの差異は、前記ヘッドスライダに近接する前記マイクロアクチュエータの動作屈曲の方向を制御して、前記記録ディスク媒体の一つに対する前記サスペンション組立品のｚ高さに対応する前記マイクロアクチュエータの傾斜をオフセットさせる、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）。
【請求項7】
前記圧電材料の１つ以上の層が、分極した圧電材料の複数の層を含む、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項8】
前記圧電材料の１つ以上の層が、分極した圧電材料の単一層からなる、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項9】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層の両方に駆動電圧を印加して、前記分極した圧電材料を駆動して、伸長及び収縮するように構成されたマイクロアクチュエータ駆動回路を更に備える、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項10】
前記第１の電極層が、第１のヤング率を有する第１の材料から形成されており、前記第２の電極層が、前記第１のヤング率とは異なる第２のヤング率を有する第２の材料から形成されている、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項11】
前記第１の電極層が、スクリーン印刷プロセスを使用して形成されて対応する第１の電極層剛性を生成し、前記第２の電極層が、スパッタリングプロセスを使用して形成されて前記第１の電極層剛性とは異なるとともに対応する第２の電極層剛性を生成する、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項12】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層のうちの少なくとも１つが、材料ボイドのパターンを備えるパターン化電極として形成されて他の電極層の剛性と異なるとともに対応する電極層の剛性を生成する、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項13】
前記第１及び第２の厚さが、前記アクチュエータアームと前記記録ディスク媒体との間のｚ高さの動作変動に関連する望ましくない面外運動の変動を軽減するように集合的に構成されている、請求項６に記載のＨＤＤ。
【請求項14】
ハードディスクドライブ用の圧電マイクロアクチュエータを製造する方法であって、前記圧電マイクロアクチュエータは、
上面及び対向する下面を集合的に有する分極した圧電材料の１つ以上の層と、
前記上面及と電気的に結合される第１の電極と、
前記下面と電気的に結合されるとともに、前記第１の電極と対向する第２の電極と、を備え、
前記方法は、
第１のヤング率を有する第１の材料から、前記第１の電極を材料ボイドのパターンを備えるパターン化電極として形成することと、
前記第１のヤング率とは異なる第２のヤング率を有する第２の材料から、前記第２の電極を形成することと、
前記第１の電極及び前記第２の電極の両方を電源に電気的に結合することと、
を含む、
方法。
【請求項15】
システムであって、上面及び対向する下面を集合的に有する分極した圧電材料の１つ以上の層を備えるとともに、フレクシャを介してヘッドスライダに機械的に結合されている圧電マイクロアクチュエータと、
前記圧電マイクロアクチュエータの屈曲運動を制御し、前記フレクシャに関連する振動の位相変動を軽減することによって前記圧電マイクロアクチュエータの動作傾斜が前記ヘッドスライダに与える影響をオフセットする、システム。
【請求項16】
圧電デバイスであって、上面及び対向する下面を集合的に有する分極した圧電材料の１つ以上の層と、
前記上面及び電源と電気的に結合される第１の電極層であって、スパッタリングプロセスを使用して形成されて対応する第１の電極層剛性を生成する、前記第１の電極層と、
前記下面及び前記電源と電気的に結合される第２の電極層であって、スクリーン印刷プロセスを使用して形成されて前記第１の電極層剛性とは異なるとともに対応する第２の電極層剛性を生成する、前記第２の電極層と、
を備える、圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、概して、ハードディスクドライブに関し、特に圧電（ＰＺＴ）マイクロアクチュエータに関し得る。
【背景技術】
【0002】
ハードディスクドライブ（hard disk drive、ＨＤＤ）は、保護エンクロージャ内に収容され、かつ磁気表面を有する１つ以上の円形ディスク上にデジタル符号化データを記憶する、不揮発性記憶デバイスである。ＨＤＤが動作中のとき、各磁気記録ディスクは、スピンドルシステムによって急速に回転される。データは、アクチュエータによってディスクの特定の場所の上に位置付けられた読み取り－書き込みヘッド（又は「トランスデューサ」）を使用して磁気記録ディスクから読み取られ、磁気記録ディスクに書き込まれる。読み取り－書き込みヘッドは、磁場を使用して、磁気記録ディスクの表面にデータを書き込み、この表面からデータを読み取る。書き込みヘッドは、書き込みヘッドのコイルを通って流れる電流を使用して磁場を生成することによって機能する。異なるパターンの正及び負の電流を伴って、書き込みヘッドに電気パルスが送られる。書き込みヘッドのコイル内の電流は、ヘッドと磁気ディスクとの間の間隙にわたる局所的な磁場を生成し、次いでこの磁場が記録媒体上の小領域を磁化する。
【0003】
読み取り－書き込みヘッドは、磁場を使用して、磁気記録ディスクの表面にデータを書き込み、この表面からデータを読み取る。磁気双極子場が磁極からの距離とともに急速に減少するにつれて、スライダに収容される読み取り－書き込みヘッドと、磁気記録ディスクの表面との間の距離は厳密に制御されなければならない。アクチュエータは、磁気記録ディスクが回転する間に、読み取り－書き込みヘッドと磁気記録ディスクの表面（「飛行高さ」）との間の適切な距離を提供するために、スライダ上のサスペンションの力及びスライダ空気軸受表面（air bearing surface、ＡＢＳ）の空力特性に部分的に依存している。
【0004】
面密度（ディスク表面の所与の領域に記憶され得る情報ビットの量の尺度）の増加により、比較的粗い位置決めを提供する一次音声コイルモータ（voice coil motor、ＶＣＭ）アクチュエータに加えて、比較的微細な位置決めを介した改善されたヘッド位置決めのための二次及びさらなる三次アクチュエータの必要な開発及び実装をもたらした。いくつかのＨＤＤは、記録トラックに対するヘッドのより正確な位置決めを可能にするために、記録ヘッドの第２及び／又は第３段階の作動を提供するために、マイクロアクチュエータ設計又はミリアクチュエータ設計を用いる。ミリ－アクチュエータは、サスペンションの前端全体：バネ、ロードビーム、フレクシャ、及びスライダを移動するアクチュエータとして広く分類されており、典型的には、第２段階のアクチュエータとして使用される。マイクロ－アクチュエータ（又は「マイクロアクチュエータ」）は、典型的には、第３段階のアクチュエータとして使用され、スライダのみを移動（例えば、回転）させるアクチュエータとして広く分類され、サスペンション及びロードビームに対してそれを移動させるか、又はスライダ本体に対して読み取り－書き込み要素のみを移動させる。第３段階のアクチュエータは、より正確なヘッド位置決めのために、第１段階のアクチュエータ（例えば、ＶＣＭ）及び第２段階のアクチュエータ（例えば、ミリアクチュエータ）と併せて使用され得る。圧電（ＰＺＴ）ベース及び容量性マイクロ機械加工トランスデューサは、ＨＤＤスライダとともに使用するために提案された２つのタイプのマイクロアクチュエータである。
【0005】
本セクションに記載された手法は、追求し得る手法であるが、必ずしも以前に考案又は追求された手法ではない。したがって、別段の指示がない限り、本セクションに記載された手法のいずれも、それらが本セクションに含まれることによって単に先行技術として適格であると仮定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【0006】
実施形態は、添付図面の図において、限定としてではなく、例として示されており、同様の参照番号は類似の要素を指す。
【0007】
【図1】実施形態による、ハードディスクドライブを示す平面図である。
【0008】
【図2A】実施形態による、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）サスペンションを示す平面図である。
【0009】
【0010】
【0011】
【図3A】理想的なＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。
【0012】
【図3B】ランダムな変動電極を有するＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。
【0013】
【図4A】低いｚ高さ構成のＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。
【0014】
【図4B】高いｚ高さ構成のＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。
【0015】
【図5】実施形態による、厚さの異なる電極を有するＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。
【0016】
【図6A】実施形態による、第１のパターンの電極を示す平面図である。
【0017】
【図6B】実施形態による、第２のパターンの電極を示す平面図である。
【0018】
【図6C】実施形態による、第３のパターンの電極を示す平面図である。
【0019】
【図7】実施形態による、ＰＺＴデバイスを製造する方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
圧電（ＰＺＴ）ベースのデバイスへのアプローチが記載されている。以下の説明では、説明を目的として、本明細書に記載された本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本明細書に記載された本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施され得ることは明らかであろう。他の例では、本明細書に記載された本発明の実施形態を不必要に不明瞭にすることを回避するために、周知の構造及びデバイスがブロック図の形態で表される。
序論
序論
【0021】
本明細書における「実施形態」、「一実施形態」などへの言及は、記載されている特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味することが意図される。しかしながら、そのような語句の実例は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すとは限らない。
【0022】
「実質的に」という用語は、大部分又はほぼ構造化された、構成された、寸法決めされたなどの特徴を記載していることが理解されるであろうが、その製造公差などは、実際には、構造、構成、寸法などが、常には又は必ずしも正確に述べられない状況を結果として生じ得る。例えば、「実質的に垂直な」として構造を記載するとすれば、側壁は全ての実用上の目的で垂直であるが、正確に９０度ではない場合があるように、その用語にはその明白な意味が割り当てられる。
【0023】
「最適な」、「最適化する」、「最小の」、「最小化する」、「最大の」、「最大化する」などの用語は、それに関連付けられた特定の値を有しない場合があるが、そのような用語が本明細書で使用される場合、当業者であれば、そのような用語が、本開示の全体と一致する有益な方向に、値、パラメータ、メトリックなどに影響を及ぼすことを含むと理解することが意図される。例えば、何かの値を「最小」として記載することは、値が実際に理論上の最小値（例えば、ゼロ）に等しいことを必要としないが、対応する目標が理論上の最小値に向かって有益な方向に値を移動させることになるという点で、実際的な意味で理解されるべきである。
【0024】
一般に、圧電効果は、適用された機械的応力に応答して電荷を発生させ、また逆に、電場が印加されるときに応力を発生させる特定の材料の能力を指し、これは材料の下にある結晶構造の操作を介して材料を拡張及び圧縮するように動作することができる。したがって、材料の偏光の向き及び印加電圧に応じて、圧電アクチュエータは、電場が印加されるとき、すなわち、作動されるときに伸長又は収縮するように構成され得る。典型的な製造／合成型の圧電材料は、セラミックの、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１－ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）であり、これは一般に「ＰＺＴ」と称される。この説明全体の実施形態によれば、記載された圧電アクチュエータの各々に使用される材料は、ＰＺＴである。しかしながら、他の圧電材料を利用することができるため、各実施形態は必ずしもその特定の材料に限定されない。
【0025】
圧電（ＰＺＴ）マイクロアクチュエータ（microactuator、ＭＡ）は、ハードディスクドライブの文脈において、ＰＺＴ運動によってスライダを回転させるように設計されている。ＰＺＴ ＭＡは、フレクシャに位置し、フレクシャ構造を介してスライダを駆動するために利用され得る。したがって、そのようなマイクロアクチュエータは、ＰＺＴによってフレクシャモード励起の潜在的な問題を有し得る。サーボシステムの観点から、励起されたフレクシャモードは、制御することがかなり困難であり、しばしばノッチフィルタに依存する。多層ＰＺＴの電極は、隣接するＰＺＴ層の活性長と、振動のフレクシャモードに影響を及ぼす面外力との差を引き起こす。多層ＰＺＴ構造の設計により、そのような面外力及びフレクシャモードの制御を可能にし得るが、いくつかの状況では、より低いコストのために単層ＰＺＴが望ましい場合がある。
ＰＺＴマイクロアクチュエータの面外運動
ＰＺＴマイクロアクチュエータの面外運動
【0026】
図２Ａは、実施形態による、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）を示す平面図であり、図２Ｂは、実施形態による、図２Ａのサスペンションを示す分解図であり、図２Ｃは、実施形態による、図２Ａ（図２Ｂの破線ボックスの拡大図）のサスペンションのフレクシャ及び圧電（ＰＺＴ）マイクロアクチュエータを示す斜視図である。
【0027】
サスペンション２００は、ロードビーム２０４に結合された、ベースプレート２０２（典型的には、図１のアーム１３２などのアクチュエータアーム（ここでは図示せず）に交換される）と、ヘッドスライダ２１０を移動／回転させるためのマイクロアクチュエータ２０８を収容するフレクシャ２０６と、ヘッドスライダ２１０、マイクロアクチュエータ２０８、及びプレアンプ、チャネル電子機器などのいくつかの他の比較的遠隔の電気／電子部品との間などの電気信号を運ぶための電気トレース２１２と、を備える。更に、サスペンション２００などのサスペンションは、サスペンション動的モードを管理するために、ダンパー２０５構造を更に備え得る。
【0028】
実施形態によれば、マイクロアクチュエータ２０８は、圧電（ＰＺＴ）ベースのマイクロアクチュエータであり、マイクロアクチュエータ２０８のＰＺＴ素子は、その上面及び下面の各々に活性電極を備える。電圧が電極に印加されると、垂直方向（ＰＺＴ材料に垂直）の電場がＰＺＴにひずみを生じさせる。したがって、ＰＺＴ素子は、その電極に印加される電圧によって、その長手方向に収縮又は伸長することができる。ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８及びスライダ２１０は、フレクシャ２０６の両側に構成され、例えば、小さなＰＺＴを用いた共振周波数を増加させるために、ＰＺＴがスライダ２１０に近づくことを可能にすることに留意されたい。
【0029】
図３Ａは、理想的なＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。ＰＺＴマイクロアクチュエータ３０８は、ＰＺＴ材料、すなわちＰＺＴ素子３２０を備え、その表面上には、電極３２１ａ（ここでは、上部）及び電極３２１ｂ（ここでは、下部）があるように示されている。構造的／寸法的に（すなわち、「理想的な」ＰＺＴマイクロアクチュエータと）正確に一致するように、幸運なことに、上部及び下部電極３２１ａ、３２１ｂを製造及び形成できる場合、概して、そのような対称的なＰＺＴマイクロアクチュエータ３０８、及び特に、その構成ＰＺＴ素子３２０は、図示されるように、平面方向に直線的に移動する（収縮／伸長する）。しかしながら、部品の製造変動は、上部電極厚と下部電極厚との差を含み得、これは、厚さの変動に基づいて（制御されるのではなく）ランダムに見なされる屈曲を引き起こし、すなわち、ＰＺＴ素子を面外方向に移動させる。図３Ｂは、ランダムな変動電極を有するＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。ＰＺＴマイクロアクチュエータ３２８は、ＰＺＴ材料、すなわちＰＺＴ素子３３０を含み、その表面上に、電極３３１ａ（ここでは、上部）及び電極３３１ｂ（ここでは、下部）があるように示されていて、ここで、一方の電極は、比較的ランダム（例えば、効果的に制御不能）であるが、有意な製造制限及び変動などに起因して、他の電極よりもランダムに厚い。例えば、より厚い上部電極３３１ａは、比較的に剛性の高い上部側をもたらすことができ、その結果、ＰＺＴ素子３３０は、図示されるように、伸長するときに上向きに移動又は屈曲し、収縮するときに下向きに移動又は屈曲する。同様に、より厚い下部電極３２１ｂは、比較的により剛性の低い下部側をもたらすことができ、その結果、ＰＺＴ素子３３０は、伸長するときに下向きに移動又は屈曲し、収縮するときに上向きに移動又は屈曲する（図３Ｂに示すものとは反対）。
ＰＺＴマイクロアクチュエータの挙動に対するＺ高さの影響
ＰＺＴマイクロアクチュエータの挙動に対するＺ高さの影響
【0030】
動作ＨＤＤは、アクチュエータアーム（例えば、図１のアーム１３２を参照）と、対応する記録ディスク（例えば、図１の記録媒体１２０を参照）との間のｚ高さの変動を経験することができ、一般に、ここで、ヘッドジンバル組立品（head gimbal assembly、ＨＧＡ）が（例えば、ディンプルの周りで）ジンバル支持されている。図４Ａは、低いｚ高さ構成のＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図であり、図４Ｂは、高いｚ高さ構成のＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。
【0031】
アーム及びディスクがより遠くに離れると、高いｚ高さの場合（例えば、図４Ｂ）と見なされ、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８は、ディスク１２０から比較的遠く離れ、スライダ２１０の端部で下方に向かう。図２Ａ～図２Ｃを参照すると、フレクシャ２０６は、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８及び対応するスライダ２１０を支持する、アウトリガ２０６ａ部分及びトレース２１２の一部分を含む。フレクシャ２０６は、ロードビーム２０４及びベースプレート２０２と機械的に結合され、スライダ２１０は、ディスク１２０の上に位置し、ディンプルによって支持されている。高いｚ高さでは、ベースプレート２０２が上昇し、ロードビーム２０４がディンプルの周りを移動する。したがって、アウトリガ２０６ａ及びトレース２１２は、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８を下方に傾斜させるロードビーム２０４とともに移動する。同様に、アーム及びディスクが閉じているとき、低いｚ高さの場合（例えば、図４Ａ）と見なされ、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８は、ディスク１２０に比較的近づいて、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８が再びアウトリガ２０６ａ及びトレース２１２とともに移動するため、スライダ２１０の端部で上向きに回転する。すなわち、低いｚ高さでは、ベースプレート２０２が下がり、ロードビーム２０４がディンプルの周りを移動する。したがって、アウトリガ２０６ａ及びトレース２１２は、ロードビーム２０４とともに移動し、これにより、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８を上向きに傾斜させる。
高性能ＰＺＴマイクロアクチュエータ
高性能ＰＺＴマイクロアクチュエータ
【0032】
前述を考慮して、ＰＺＴ運動の方向が、電極の厚さ及びｚ高さの変動によって容易かつ多くの場合、望ましくない影響を受ける可能性があることを理解することができる。更に、ＰＺＴによって面外力の方向を容易に反転させることができ、ＰＺＴ励起によるフレクシャ振動の位相変化を引き起こす。マイクロアクチュエータ２０８などのマイクロアクチュエータ（例えば、図２Ｃを参照）は、ヘッドスライダ２１０（例えば、図２Ａを参照）などの対応するスライダの変位に基づいて評価され、フレクシャ２０６の振動（例えば、図２Ａ～２Ｃを参照）はそれに影響を及ぼす。前述の実施例に基づいて、厚い上部電極３３１ａ（図３Ｂ）及び低いｚ高さ（例えば、図４Ａ）の場合は、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８、３２８の移動方向をスライダ２１０から遠ざけるようにし、伝達特性を低下させ得る。したがって、より厚い下部電極３３１ｂ（図３Ｂ）は、低いｚ高さの場合においてスライダ２１０に近いＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８、３２８の移動方向を改善することが予想される。特に、一般に、上部及び下部電極の異なる厚さの設計により、実施形態による、ＰＺＴマイクロアクチュエータ２０８などのＰＺＴマイクロアクチュエータの移動方向のオフセットを可能にし、ｚ高さに基づくＰＺＴ移動の変動を軽減する。
【0033】
図５は、実施形態による、異なる厚さの電極を有するＰＺＴマイクロアクチュエータを示す側面図である。ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８は、必ずしも真の上部又は下部を有していないため、本明細書で使用される場合、「上部」及び「下部」、「上」及び「下」、「上方」及び「下方」、「上の方」及び「下の方」などの対向する用語は、相対的であるが任意的に使用され、絶対的な意味ではないことに留意されたい。図５を参照すると、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８の側面図は、分極したＰＺＴ材料５１０の１つ以上の層が集合的に上面５１０ａ及び対向する下面５１０ｂを有することを示す。ＰＺＴ材料５１０の上面５１０ａは、上部又は第１の導電性電極層５１１ａで覆われている（例えば、コーティング又は堆積される）。同様に、ＰＺＴ材料５１０の下面５１０ｂは、下部又は第２の導電性電極層５１１ｂを用いて覆われている（例えば、コーティング又は堆積される）。電極層５１１ａ及び電極層５１１ｂの各々は、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８の作動を駆動するために、ＰＺＴ材料５１０のそれぞれの上面５１０ａ及び下面５１０ｂに電気的に結合されている。
【0034】
特に、実施形態によれば、電極層５１１ａ（例えば、「第１の電極層」）は、第１の厚さを有し、電極層５１１ｂ（例えば、「第２の電極層」）は、第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する。言い換えれば、第１及び第２の電極層５１１ａ、５１１ｂは、例えば、図３Ｂを参照して説明したように、制御不能なランダムに変化する厚さではなく、意図的に異なる特定の厚さのものである。図５では、電極層５１１ａよりも厚い電極層５１１ｂの描写は、任意的であり、例示目的であることに留意されたい。したがって、繰り返すと、上部及び下部電極層５１１ａ、５１１ｂの異なる厚さの設計により、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８の移動方向のオフセットを可能にし、ｚ高さに基づくＰＺＴ移動の変動を軽減し、同様に、フレクシャ２０６（図２Ａ～図２Ｃ）の振動に対応する位相変動を軽減する。例えば、位相変動は、入力としてのＰＺＴ電圧及び出力としての対応するスライダ変位など、入力信号からの出力信号の時間遅れに対応し得る。そのシナリオでは、位相変動は、遅延としてシステム性能に影響を及ぼす。更に、場合によっては、位相は、リード側にあり得、それにより、出力相は入力相をリードする。そのシナリオでは、制御又は管理されたＰＺＴ運動を利用して、そのようなリード側位相変動を可能にし、遅延を低減し、より良好なシステム性能を可能にすることが予想される。一般に、リード側及びラグ側の両方における広い位相変動は、ＰＺＴデバイス又はマイクロアクチュエータのシナリオでは望ましくないが、一方の側の小さな位相変動は、制御する方が良いと考えられる。
【0035】
分極したＰＺＴ材料５１０の層の数は、実装ごとに変化し得る。したがって、実施形態によれば、ＰＺＴ材料５１０の１つ以上の層は、分極したＰＺＴ材料５１０の複数の層を含み、代替の実施形態によれば、ＰＺＴ材料５１０の１つ以上の層は、分極したＰＺＴ材料５１０の単一層からなる。実施形態によれば、第１の電極層５１１ａ及び第２の電極層５１１ｂの両方は、電源（当技術分野で知られているような電力又は駆動回路など）に電気的に接続することによって「活性」作動電極層であり、それによって、分極した活性ＰＺＴ材料５１０の作動を駆動して、面内方向に伸長及び収縮するように構成される。ＰＺＴ材料５１０層の各々又はいずれかは、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８が作動されたときに、例えば、電圧が電極層５１１ａ、５１１ｂに又はそれを横切って印加され、ＰＺＴ材料５１０にひずみを生じさせるときに、ＰＺＴ層が電場に供されるように、所与のＰＺＴ層を分極することによって、及び対応する電極層５１１ａ、５１１ｂを構成することによって「活性」にすることができる。不活性ＰＺＴ層と活性ＰＺＴ層との組み合わせは、単層ＰＺＴマイクロアクチュエータの実施形態の屈曲運動を制御するために不適用である。しかしながら、「調整された厚さ」の上部及び下部電極、例えば、第１及び第２の電極層５１１ａ、５１１ｂの組み合わせを利用して、単層ＰＺＴマイクロアクチュエータ（例えば、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８の単層実施形態）の屈曲運動を制御することができる。更に、全てのＰＺＴ層が活性である多層ＰＺＴマイクロアクチュエータの実施形態では、「調整された厚さ」の上部と下部電極との組み合わせを利用して、多層ＰＺＴマイクロアクチュエータ（例えば、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８の多層実施形態）の屈曲運動を制御することができる。
【0036】
電極層５１１ａ、５１１ｂの意図的に異なる厚さだけでなく、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８の面外運動（例えば、屈曲）を制御するように構成及び実装され得るが、追加的に、実施形態によれば、電極層は、異なるヤング率を有する異なる材料から形成され得る。すなわち、第１の電極層５１１ａは、第１のヤング率を有する第１の材料と、第１のヤング率とは異なる第２のヤング率を有する第２の材料から形成された第２の電極層５１１ｂとから形成され得る。更に、実施形態によれば、各電極層は、異なる製造プロセスによって形成されて、異なる材料及び／又は厚さで異なるそれぞれの機械的特性を提供し得る。すなわち、第１の電極層５１１ａは、スパッタリングプロセスなどの第１のプロセスから形成され得、第２の電極層５１１ｂは、スクリーン印刷プロセスなどの第２の異なるプロセスから形成され得、逆もまた同様である。異なる電極厚さ、材料、及び／又は製造プロセスなどのＰＺＴマイクロアクチュエータの屈曲運動を制御するための本明細書に記載の様々な実施形態の各々の使用は、単独で又は組み合わせて実装されてもよく、依然として特許請求される実施形態の意図された範囲内にある。
パターン化電極
パターン化電極
【0037】
図６Ａは、実施形態による、第１のパターン化電極を示す平面図であり、図６Ｂは、実施形態による、第２のパターン化電極を示す平面図であり、図６Ｃは、実施形態による、第３のパターン化電極を示す平面図である。図６Ａは、実施形態による、例示的なパターン化電極層６０１を示す。図６Ｂは、実施形態による、例示的なパターン化電極層６１１を示す。図６Ｃは、実施形態による、例示的なパターン化電極層６２１を示す。図６Ａ～６Ｃに示されるこれらの非限定的な例は、パターン形成によって差次的に形成された上部電極及び下部電極を含み、上部又は下部電極層のうちの１つは、図示のように概して同様に形成され、他の電極層はパターン化されていない。パターン化電極の使用により、一方の側が剛性を低下させ、ＰＺＴ素子の面外運動を引き起こすであろう。したがって、本明細書の他の箇所で説明される異なる厚さの電極の実施形態と同様に、パターン化電極の設計により、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８（図５）などのＰＺＴマイクロアクチュエータの移動方向のオフセットを可能にすることができ、ｚ高さに基づくＰＺＴ移動の変動を軽減することができる。
圧電デバイスを製造する方法
圧電デバイスを製造する方法
【0038】
図７は、実施形態による、ＰＺＴデバイスを製造する方法を示すフロー図である。例えば、図７の方法は、図１のＨＤＤ１００などのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）のための、ＰＺＴマイクロアクチュエータ５０８（図５）などの圧電マイクロアクチュエータを製造するために使用され得る。
【0039】
ブロック７０２において、圧電材料の１つ以上の層のグループの第１の表面は、第１の厚さを有する第１の電極を用いてコーティングされている。例えば、ＰＺＴアクチュエータ５０８のＰＺＴ材料５１０（図５）の片側は、電極層５１１ａを用いて少なくとも部分的にコーティングされている。
【0040】
ブロック７０４において、圧電材料の１つ以上の層のグループの第２の表面は、第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する第２の電極を用いてコーティングされている。例えば、ＰＺＴアクチュエータ５０８のＰＺＴ材料５１０の他方側は、電極層５１１ｂ（図５）を用いて少なくとも部分的にコーティングされている。
【0041】
ブロック７０６において、第１の電極及び第２の電極の両方が電気（電力）源に電気的に結合されている。例えば、電極層５１１ａは、当該技術分野における知識内で、電力ドライバ回路に電気的に結合され、電極層５１１ｂは、電力ドライバ回路に電気的に結合され、それによって作動され、活性化され、ＰＺＴ材料５１０の１つ以上の層のグループの作動を可能にする。
【0042】
したがって、単層及び多層ＰＺＴデバイスの両方のＰＺＴ素子の面外力の制御が可能になり、単層ＰＺＴデバイスは、多層ＰＺＴデバイスよりも単純な構造を有し、したがって、より低いコストを可能にする。様々なｚ高さに対するフレクシャ振動モード及び位相の研究により、特定の位相特性を有するＰＺＴマイクロアクチュエータの設計を可能にする。結果として、単一及び多層ＰＺＴデバイスの上部電極及び下部電極の異なる厚さの組み合わせにより、フレクシャ振動の位相変動を軽減するＰＺＴマイクロアクチュエータの設計を可能にする（これは、前述のノッチフィルタの除去、したがって、低コスト設計を可能にし得る）。
例示的な動作コンテキストの物理的説明
例示的な動作コンテキストの物理的説明
【0043】
実施形態は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）用のＰＺＴベースのマイクロアクチュエータなどの圧電（ＰＺＴ）ベースの作動デバイスのコンテキストで使用され得る。したがって、実施形態により、従来のＨＤＤが典型的にどのように動作するかを説明するのを助けるために、従来のＨＤＤ１００を示す平面図が図１に示されている。
【0044】
図１は、磁気読み取り－書き込みヘッド１１０ａを含むスライダ１１０ｂを含むＨＤＤ１００の構成要素の機能的配置を示す。まとめて、スライダ１１０ｂ及びヘッド１１０ａはヘッドスライダと称され得る。ＨＤＤ１００は、ヘッドスライダを含む少なくとも１つのヘッドジンバル組立品（head gimbal assembly、ＨＧＡ）１１０と、典型的にはフレクシャを介してヘッドスライダに取り付けられたリードサスペンション１１０ｃと、リードサスペンション１１０ｃに取り付けられたロードビーム１１０ｄと、を含む。ＨＤＤ１００はまた、スピンドル１２４上に回転可能に取り付けられた少なくとも１つの記録媒体１２０と、媒体１２０を回転させるためにスピンドル１２４に取り付けられた駆動モータ（不可視）と、を含む。トランスデューサとも称され得る読み取り－書き込みヘッド１１０ａは、ＨＤＤ１００の媒体１２０に記憶された情報をそれぞれ書き込み及び読み取るための書き込み要素及び読み取り要素を含む。媒体１２０又は複数のディスク媒体は、ディスククランプ１２８でスピンドル１２４に固定されてもよい。
【0045】
ＨＤＤ１００は、ＨＧＡ１１０に取り付けられたアーム１３２と、キャリッジ１３４と、キャリッジ１３４に取り付けられたボイスコイル１４０を含む電機子１３６とボイスコイル磁石（不可視）を含むステータ１４４とを含むボイスコイルモータ（voice coil motor、ＶＣＭ、又は「ボイスコイルアクチュエータ」）と、を更に備える。ＶＣＭの電機子１３６は、キャリッジ１３４に取り付けられており、アーム１３２及びＨＧＡ１１０を移動させ、かつ媒体１２０の部分にアクセスするように構成されており、全てまとめて、介在するピボット軸受組立品１５２で枢動シャフト１４８上に装着されている。複数のディスクを有するＨＤＤの場合、キャリッジ１３４は、キャリッジに櫛の外観を与える連動したアームアレイを搬送するようにキャリッジが配置されているため、「Ｅブロック」又は櫛と称され得る。
【0046】
ヘッドスライダが結合されたフレクシャと、フレクシャが結合されたアクチュエータアーム（例えば、アーム１３２）及び／又はロードビームと、アクチュエータアームが結合されたアクチュエータ（例えば、ＶＣＭ）と、を含む、ヘッドジンバル組立品（例えば、ＨＧＡ１１０）を備える組立品は、ヘッドスタック組立品（head stack assembly、ＨＳＡ）と総称され得る。ただし、ＨＳＡは、記載されたものよりも多い又は少ない構成要素を含んでもよい。例えば、ＨＳＡは、電気相互接続構成要素を更に含む組立品を指し得る。一般に、ＨＳＡは、読み取り動作及び書き込み動作のために、ヘッドスライダを媒体１２０の部分にアクセスするように移動させるように構成された組立品である。
【0047】
図１を更に参照すると、電気信号（例えば、ＶＣＭのボイスコイル１４０への電流、及びヘッド１１０ａへの書き込み信号及びヘッド１１０ａからの読み取り信号）は、ときに可撓性印刷回路（flexible printed circuit、ＦＰＣ）とも称される、可撓性ケーブル組立品（flexible cable assembly、ＦＣＡ）１５６（又は「フレックスケーブル」）によって電源から送信される。フレックスケーブル１５６とヘッド１１０ａとの間の相互接続は、読み出し信号用のオンボード前置増幅器、並びに他の読み取りチャネル及び書き込みチャネル電子構成要素を有し得る、アーム電子機器（arm-electronics、ＡＥ）モジュール１６０を含んでもよい。ＡＥモジュール１６０は、図示のようにキャリッジ１３４に取り付けられてもよい。フレックスケーブル１５６は、いくつかの構成では、ＨＤＤ筐体１６８によって提供された電気フィードスルーを通して電気通信を提供する電気コネクタブロック１６４に結合されてもよい。ＨＤＤ筐体１６８（又は「エンクロージャベース」又は「ベースプレート」又は単に「ベース」）は、ＨＤＤカバーとともに、ＨＤＤ１００の情報記憶構成要素のための半封止された（又は、いくつかの構成では気密封止された）保護エンクロージャを提供する。
【0048】
デジタル信号プロセッサ（digital-signal processor、ＤＳＰ）を含むディスクコントローラ及びサーボ電子機器を含む他の電子構成要素は、駆動モータ、ＶＣＭのボイスコイル１４０及びＨＧＡ１１０のヘッド１１０ａに、電気信号を提供する。駆動モータに提供される電気信号は、駆動モータがスピンドル１２４にトルクを提供しながら回転することを可能にし、次いでトルクはスピンドル１２４に添設された媒体１２０に伝達される。その結果、媒体１２０は、方向１７２に回転する。回転媒体１２０は、スライダ１１０ｂが、情報が記録された薄い磁気記録層と接触することなく媒体１２０の表面の上方に浮上するように、スライダ１１０ｂの空気軸受表面（ＡＢＳ）が乗る空気軸受として作用する空気のクッションを形成する。非限定的な例としてのヘリウムなどの、空気より軽いガスが利用されるＨＤＤにおいても同様に、回転媒体１２０は、スライダ１１０ｂが乗るガス又は流体軸受として作用するガスのクッションを形成する。
【0049】
ＶＣＭのボイスコイル１４０に提供される電気信号は、ＨＧＡ１１０のヘッド１１０ａが、情報が記録されるトラック１７６にアクセスすることを可能にする。こうして、弧１８０を通るＶＣＭスイングの電機子１３６は、ＨＧＡ１１０のヘッド１１０ａが媒体１２０上の様々なトラックにアクセスすることを可能にする。情報は、セクタ１８４などの媒体１２０上のセクタに配置された複数の半径方向に入れ子になったトラック内の媒体１２０上に記憶される。それに対応して、各トラックは、セクタ化されたトラック部分１８８などの複数のセクタ化されたトラック部分（又は「トラックセクタ」）から構成される。各セクタ化されたトラック部分１８８は、記録された情報と、エラー訂正符号情報、及びトラック１７６を識別する情報であるＡＢＣＤサーボバースト信号パターンなどのサーボバースト信号パターンを含むヘッダと、を含んでもよい。トラック１７６にアクセスする際、ＨＧＡ１１０のヘッド１１０ａの読み取り要素はサーボバースト信号パターンを読み取り、サーボバースト信号パターンは、サーボ電子機器に位置誤差信号（position-error-signal、ＰＥＳ）を提供し、サーボ電子機器は、ＶＣＭのボイスコイル１４０に提供される電気信号を制御することによって、ヘッド１１０ａがトラック１７６に追従することを可能にする。トラック１７６を見つけ、かつ特定のセクタ化されたトラック部分１８８を識別すると、ヘッド１１０ａは、トラック１７６から情報を読み取るか、又は、外部エージェント、例えば、コンピュータシステムのマイクロプロセッサからディスクコントローラによって受信された命令に応じて、トラック１７６に情報を書き込む。
【0050】
ＨＤＤの電子アーキテクチャは、ハードディスクコントローラ（hard disk controller、「ＨＤＣ」）、インターフェースコントローラ、アーム電子モジュール、データチャネル、モータドライバ、サーボプロセッサ、バッファメモリなどの、ＨＤＤの動作のための自体のそれぞれの機能を実行するための、多数の電子部品を含む。そのような構成要素のうちの２つ以上は、「チップ上のシステム」（system on a chip、「ＳＯＣ」）と称される単一の集積回路基板上で組み合わされてもよい。そのような電子部品の、全てではないがいくつかは、典型的には、ＨＤＤ筐体１６８などのＨＤＤの底部側に結合されたプリント基板上に配置される。
【0051】
図１を参照して示され及び記載されたＨＤＤ１００などの、本明細書におけるハードディスクドライブへの言及は、「ハイブリッドドライブ」と称されることがある情報記憶デバイスを包含してもよい。ハイブリッドドライブとは、一般に、電気的に消去可能でプログラム可能であるフラッシュ又は他のソリッドステート（例えば、集積回路）メモリなどの不揮発性メモリを使用するソリッドステートデバイス（solid-state storage device、ＳＳＤ）と組み合わされた従来のＨＤＤ（例えば、ＨＤＤ１００を参照）の、両方の機能を有する記憶デバイスを指す。異なるタイプの記憶媒体の動作、管理、及び制御は、通常異なるため、ハイブリッドドライブのソリッドステート部分は、それ自体の対応するコントローラ機能を含んでもよく、コントローラ機能は、ＨＤＤ機能とともに単一のコントローラに統合され得る。ハイブリッドドライブは、非限定的な例として、頻繁にアクセスされるデータを記憶する、Ｉ／Ｏ集約データなどを記憶するなどのために、ソリッドステートメモリをキャッシュメモリとして使用するなどによって、ソリッドステート部分をいくつかの方法で動作させて利用するように設計及び構成されてもよい。更に、ハイブリッドドライブは、ホスト接続のための１つ以上のインターフェースのいずれかで、単一のエンクロージャの２つの記憶デバイス、すなわち従来のＨＤＤ及びＳＳＤとして本質的に設計及び構成されてもよい。
拡張物及び代替物
拡張物及び代替物
【0052】
前述の説明において、本発明の実施形態は、実装態様ごとに変わり得る多数の具体的な詳細を参照して記載されてきた。したがって、実施形態のより広い趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を行うことができる。こうして、本発明であり、かつ本出願人らが本発明であることを意図するものの唯一及び排他的な指示物は、本出願に由来する特許請求の範囲のセットであり、そのような特許請求の範囲が由来し、任意の後続の補正を含む、特定の形態をなす。そのような特許請求の範囲に包含される用語について本明細書に明示的に記載される定義は、特許請求の範囲で使用されるような用語の意味を支配するものとする。それゆえ、特許請求の範囲に明示的に記載されていない限定、要素、特性、特徴、利点又は属性は、決してそのような請求項の範囲を限定すべきでない。これにより、本明細書及び図面は、制限的な意味ではなく例示的と見なされるものである。
【0053】
加えて、この説明では、特定のプロセス工程が特定の順序で記載されてもよく、アルファベット及び英数字符号を使用して、特定の工程を識別することができる。説明において特記されない限り、実施形態は、そのような工程を実施する任意の特定の順序に必ずしも限定されない。特に、符号は単に工程の簡便な識別に使用され、そのような工程を実施する特定の順序を指定又は必要とすることは意図されていない。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
