CN101399505A - 头悬架和压电执行机构 - Google Patents

Abstract

一种带有压电元件的头悬架，具有简单的布线并实现高可靠性。该头悬架具有基板、连接到该基板的负载杆和附接于该负载杆的弯曲部分。一个压电执行机构布置在该基板与该负载杆之间，该压电执行机构具有一个压电元件，该压电元件构造为根据所施加电压的状态而变形并且按照该压电元件的变形沿着摆动方向移动该负载杆的前端。该压电元件具有被相反地极化和根据所施加电压的状态而变形的第一、第二压电部分，形成在第一、第二压电部分的第一表面上的公共电极，形成在第一压电部分的第二表面上的第一电极和形成在第二压电部分的第二表面上的第二电极。

Description

头悬架和压电执行机构

技术领域

本发明涉及一种结合了压电执行机构(piezoelectric actuator)的头悬架(head suspension)，该头悬架根据所施加的电压变形且按照这个变形驱动一个对象(object)，特别地，本发明涉及一种可靠且易于布线的头悬架和压电执行机构。

背景技术

当今的信息设备小型化且精细到必须使用进行精确定位的微型执行机构。控制焦点与倾斜角度的光学系统、喷墨打印机和磁盘装置都特别需要这样的精密微型执行机构。

磁盘装置正在扩大市场并且正在被期待着改善性能和增加存储容量。一般地，如果磁盘装置所采用的磁盘的存储容量增加，磁盘装置的存储容量就扩充。不改变磁盘的直径而增加磁盘的记录密度可以借助于增加每英寸磁道的数量实现，例如，使磁盘上每条磁道变窄。为了操纵这种窄磁道，磁盘装置必须精确控制磁头在磁道宽度方向上的定位，即，需要一种能够在非常小的范围内进行精确定位的执行机构。

磁盘装置或硬盘驱动器(HDD)包括一个磁盘，并且使用一个磁头对磁盘读写数据。磁头包括一个面对磁盘记录表面的浮动块(slider)和与浮动块结合为一体的变换器(transducer)。当磁盘高速旋转时，浮动块轻微地悬浮于磁盘，在磁盘与浮动块之间形成空气轴承(air bearing)。

磁头由一个头悬架支撑。头悬架包括一个负载杆(load beam)和一个与负载杆连接的基板等。负载杆的前端支撑一个由薄片弹簧制成的弯曲部分，弯曲部分的前端固定磁头的浮动块。

硬盘驱动器必须跟踪盘上轨道的中心，误差在相对于轨道宽度的±10％或更低。当今高密度盘的轨道宽度在0.13μm或更窄，增大了浮动块跟踪轨道中心的难度。为了实现精确跟踪操作，必须严格抑制盘的震动和精确地定位浮动块。

硬盘驱动器一般只使用单个执行机构系统，其只以一个的音圈马达(voicecoil motor)驱动头悬架。硬盘驱动器在低频段具有许多共振峰值，归因于此，单个音圈马达高频率驱动附着在头悬架前端的浮动块(头)是困难的，即，对于单个执行机构而言增加伺服带宽是困难的。

为了应对这个问题，已经开发出使用双重执行机构系统的头悬架。该双重执行机构系统除了音圈马达外，还使用由PZT(压电锆酸盐钛酸盐)制成的压电元件作为精确定位执行机构。双重执行机构系统的压电元件在宽度方向(摆动方向)上精确地驱动头悬架的前端或者浮动块。双重执行机构系统通常使用一对在宽度方向上并排布置的压电元件，平滑地驱动一个驱动对象，例如，浮动块。被双重执行机构系统的压电元件驱动的驱动对象比单个执行机构系统的驱动对象轻，因此，双重执行机构系统可以在较高的频率上进行定位。与单个执行机构系统不同，双重执行机构系统对于控制浮动块的位置能够维持一个宽的伺服带宽，因而降低了跟踪误差。

本发明的申请人已在日本未经审查的专利申请出版物No.2002-050140中提出使用双重执行机构系统的头悬架。这种头悬架使用了一对压电元件，包括一个基板、一个具有比基板薄的铰链的连接片、一个负载杆和一个附接于负载杆的弯曲部分。压电元件由PZT制成。这个头悬架能够提高共振频率。另一种头悬架在日本未经审查的专利申请出版物No.2005-312200中披露，这种头悬架包括一个由一对压电元件组成的压电执行机构，在压电执行机构的基板上布置了一个固定电极，该固定电极由在一个绝缘层上形成的导体层和互连导体层组成，压电元件粘附于导体层上，固定电极包括一个不锈钢层、绝缘层和导体层。

这些相关技术中的每一项均安装了一对用于头悬架的压电元件，这两个压电元件需要四个电极，四个电极就需要四个电气连接系统，换言之，每项相关技术均需要多个电气连接系统导致配线复杂和降低可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有压电执行机构，能够简化配线和改善可靠性的头悬架。

为达到这个目的，本发明的一个方面提供了一种头悬架，该头悬架具有基板、连接到基板的负载杆和附加于负载杆的弯曲部分。该头悬架还包括一个具有压电元件的压电执行机构，该压电元件布置在基板与负载杆之间，该压电元件构造为根据所施加电压的状态变形并且按照这个变形在摆动的方向上移动负载杆的前端。该压电元件包括被相反地极化和根据所施加电压的状态变形的第一、第二压电部分，形成在第一、第二压电部分的第一表面上的公共电极，形成在第一压电部分的第二表面上的第一电极，和形成在第二压电部分的第二表面上的第二电极。

根据本发明的这个方面，公共电极形成在第一、第二压电部分的第一表面上，第一电极形成在第一压电部分的第二表面上，第二电极形成在第二压电部分的第二表面上。这种结构减少了导线系统的数量，简化了配线，改善了可靠性，减少了部件数量，使部件易于管理，也降低了成本。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的压电执行机构透视图；

图2是沿图1的A-A线的剖面图；

图3是根据本发明第二实施例的头悬架透视图；

图4是部分地表示环绕图3所示头悬架开口的层压状态的剖面图；

图5是表示图3所示头悬架底部的平面图；

图6是根据本发明第三实施例的头悬架透视图；和

图7是部分地表示环绕图6所示头悬架开口的层压状态的剖面图；

具体实施方式

以下结合附图详细说明根据本发明实施例的头悬架和压电执行机构。

首先说明根据本发明第一实施例的压电执行机构，该压电执行机构与头悬架结合为一体。

图1是根据本发明第一实施例的压电执行机构11的透视图，图2是沿图1的A-A线的剖面图。

压电执行机构11可以根据施加于压电元件13上的电压状态变形，按照此变形去驱动一个驱动对象如负载杆35。“可根据所施加电压的状态变形”的含义是根据一个电压的施加/中止而发生变形和根据所施加电压的水平而发生变形。

压电执行机构11的压电元件13基本上具有矩形的形状，压电元件13包括压电材料21、公共电极19和一对第一、第二电极15和17。电极15、17和19均具有类似平板的形状。

压电材料21包括根据所施电压状态变形的第一压电部分21a和第二压电部分21b，压电部分21a和21b并排布置且极性相反。压电部分21a和21b由例如压电陶瓷制成并且被极化使它们的极性相差180度。压电部分21a和21b分别通过第一、第二电极15和17接受电压，即，压电部分21a和21b根据所施加在电极15和17上的电压的状态变形。

第一电极15形成在第一压电部分21a的第二表面上，第二电极17形成在第二压电部分21b的第二表面上，在电极15和17之间存在一个间隙，即，电极15和17存在于一个公共平面上，相互间由一个预定距离的间隙隔开。电极15和17基本上具有相同的形状和尺寸。

公共电极19形成在第一、第二压电部分21a和21b的第一表面上。根据本第一实施例，公共电极19完全覆盖互相临近布置的压电部分21a和21b的第一表面，公共电极19稳固地保持压电部分21a和21b。

公共电极19通过介于它与第一、第二电极15和17之间的压电材料21与第一、第二电极15和17相对受力，公共电极19的形状和尺寸基本上等于电极15、17加上它们之间的间隙的总体形状和尺寸，电极15、17和公共电极19可以由低接触电阻金属(low-contact-resistance metal)例如金(Au)制成。

下面说明压电执行机构11的动作。在压电执行机构11的压电元件13上定义固定侧X和驱动侧Y，如图1所示。第一、第二电极15和17电气接地，给公共电极19施加预定电压。在这种情况下，在第一电极15下面的压电元件13的端面23缩短而在第二电极17下面的压电元件13的端面25伸长，如图1所示。结果，压电元件13作为一个整体基本上变形为梯形，好像压电元件13在方向+Z上转动了一个小的距离(图1)。由于这个变形，压电执行机构11可以移动一个附接于驱动侧Y的驱动对象(未示出)。

与以上相反，公共电极19电气接地，在第一、第二电极15和17上施加预定电压，于是，压电元件13在与方向+Z相反的方向-Z上转动了一个小的距离，转移(displace)附接于驱动侧Y的驱动对象。

如上所述，根据本发明第一实施例的压电执行机构11只需要三个电气连接系统用于三个电极，即，第一、第二电极15和17与公共电极19。根据相关现有技术，使用一对分离的压电元件形成压电执行机构，四个分离的电极需要四个电气连接系统。与此比较，根据本发明第一实施例的压电执行机构11可以简化配线和改善可靠性。

与使用一对分离的压电元件形成压电执行机构的相关现有技术不同，本发明第一实施例使用单个压电元件以减少部件数量，简化部件管理和降低成本。

例如，相关现有技术必须应对压电执行机构的一对分离的压电元件，从而存在压电元件极性错误的风险。第一实施例可以消除这样的风险。

下面结合附图3至5说明根据本发明第二实施例的头悬架31。该头悬架31使用了第一实施例的压电执行机构11。

图3是根据本发明第二实施例的头悬架31的透视图，图4是环绕头悬架31的开口部分地表示其层压状态的剖面图，图5是头悬架31底部的平面图。

头悬架31包括基板33、负载杆35、连接片37和压电执行机构11等。按照压电执行机构11的变形，负载杆35的前端沿摆动的方向移动。

基板33具有例如大约150至200μm的厚度，由金属材料例如不锈钢制成。基板33具有一个基本上圆形的夹持件(boss)45，夹持件45被固定到一个臂(未示出)的前端。该臂由音圈马达(未示出)驱动，以转动基板33。基板33同一个执行机构板34结为一体，压电执行机构11附接于该执行机构板34上。该执行机构板34具有一个开口43和可变形部分41a与41b。

开口43穿过执行机构板34而形成，以容纳压电元件13，其细节在后面说明。

可变形部分41a与41b在执行机构板34的宽度方向上形成，可变形部分41a与41b中的每一个都具有向外突出的U形部分，该U形部分面对放置在开口43中的压电元件13的一个侧面。

基板33和执行机构板34可以用轻合金制成，如铝合金或由轻合金和不锈钢组成的包层金属(clad material)。这样的轻型材料可以减小基板33的惯性，提高沿摆动方向的共振频率，改善头悬架31的跟踪能力。

作为将基板33与具有可变形部分41a、41b和开口43的执行机构板34一体化的替代，基板33可以与执行机构板34分开。在这种情况下，基板33被放置于执行机构板34的后端，用例如激光焊接的方式固定在那里，这样可以拆卸(eliminate)执行机构板34。

换言之，根据本发明的头悬架可以具有基板33和执行机构板34，或可以具有基板33而没有执行机构板34。根据第二实施例，头悬架31具有与执行机构板34一体化的基板33。

负载杆35具有一个弯曲部分39，弯曲部分39的前端提供有一个形成磁头的浮动块39a，负载杆35由例如厚度为30至150μm的不锈钢片制成，以对弯曲部分39的浮动块39a施加负载。弯曲部分39由厚度小于负载杆35的薄精密合金片弹簧(thin precision metal plate spring)制成。

负载杆35的两侧形成折边(bent edge)36a和36b以提高负载杆35的刚性。负载杆35的后端与连接片37结为一体。负载杆35可以用轻合金制成，如铝合金或由轻合金和不锈钢组成的包层金属。使用这样的轻型材料导致减小负载杆35的惯性，提高其沿摆动方向的共振频率，改善头悬架31的跟踪能力。

连接片37以例如大约30μm厚的弹性金属片制成，起铰链的作用。连接片37有一个孔47以降低连接片37沿厚度方向上的抗弯刚度(bending rigidity)。孔47的每一边均有沿厚度方向可弯曲的铰链49a和49b。连接片37的后端与位于基板33前端的执行机构板34连接，即，连接片37的后端置于执行机构板34前端的背面，用例如激光焊接的方式固定在那里。结果，负载杆35被连接到基板33，因而当可变形部分41a与41b伸缩(flex)时，负载杆35沿着摆动方向移动。

压电元件13置于执行机构板34的开口43中，固定在那里如图3和4所示。压电元件13在预定位置被开口43的内圆周面保护和被从其底部支撑。此时，压电元件13被执行机构板34和基板33环绕。

在这种状态下，第一、第二电极15和17在压电元件13的上边(upper side)(背向弯曲部分39)而公共电极19在它下边(low side)(面向弯曲部分39)。如图4所示，公共电极19通过开口43面对形成在弯曲部分39上的导线55(例如铜制成)。通过从弯曲部分39部分地去掉金属基底59和电气绝缘层61，一部分面向公共电极19的导线55被暴露出来。

在压电元件13和开口43之间沿着开口43的前边缘和后边缘形成一个适当厚度的非导电粘合剂层51。为了牢固地保持压电元件13，开口的前边缘和后边缘被部分刻蚀。

非导电粘合剂层51保证压电元件13的公共电极19与执行机构板34之间的电气绝缘，并向负载杆35有效地传递压电元件13的变形(位移)。执行机构板34与连接片37互相接触的部分担当压电执行机构11的驱动侧Y。

如图4和5所示，在压电元件13的公共电极19与弯曲部分39的导线55之间存在一个间隙，在此间隙中，形成一个导电粘合剂层57以在公共电极19与导线55之间建立电气连接。也可使用集成电路引线接合(wire bonding)、软焊接和超声连接等代替导电粘合剂层57使公共电极19与导线55互相连接。

在压电元件13的第一、第二电极15和17与弯曲部分39的对面上的执行机构板34之间施加导电粘合剂35a和53b以保证电气连接。

下面说明头悬架31的动作。第一、第二电极15和17电气接地，给公共电极19施加预定电压。在这种情况下，在第一电极15下面的压电元件13的端面23缩短而在第二电极17下面的压电元件13的端面25伸长，如图1所示。结果，压电元件13作为一个整体基本上变形为梯形，好像压电元件13在方向+Z(图3)上转动了一个小的距离。即，压电执行机构11沿摆动方向+Z移动一个移动对象，例如负载杆35。

与以上相反，公共电极19电气接地，给第一、第二电极15和17施加预定电压。在这种情况下，压电元件13在方向-Z(图3)上变形了一个小的距离，沿摆动方向-Z移动负载杆35。

根据第二实施例的与压电执行机构11结合为一体的头悬架31需要保护三个电极的三个电气连接系统，即压电元件13的第一、第二电极15和17与公共电极19。与相关现有技术必须保护四个电气连接系统的头悬架比较，第二实施例的头悬架31可以简化配线和改善可靠性。

根据第二实施例，在执行机构板34的开口43中保持单个压电元件13，这提高了装配工作的效率。

在开口43中，压电元件13被从其底部支撑且被执行机构板34和基板33环绕。这个结构易于无损害地放置易碎的压电元件13。

公共电极19面对弯曲部分39的导线55，因而能够容易地与导线55连接。

公共电极19和弯曲部分39的导线55通过单一接触互相电气连接，这个结构减少了导线数量和弯曲部分39上导线的位置占用，从而提高弯曲部分的成品率(yield)。

与相关现有技术使用一对分离的压电元件的压电执行机构比较，本发明第二实施例的与头悬架31合为一体的压电执行机构11使用单一的压电元件13。这个结构减少压电部件的数量，提高部件管理的效率，降低了成本。

例如，相关现有技术必须应对一对分离的压电元件，从而存在压电元件极性错误的风险。第二实施例不涉及这样的风险。

下面说明根据本发明第三实施例的头悬架。

图6是根据第三实施例的头悬架71的透视图，图7是部分地表示环绕图6的头悬架开口处层压状态的剖面图。头悬架71基本上与第二实施例的头悬架31相同，因此，相似的部分以相似的标记表示。

与第二实施例在执行机构板34的开口43中保持压电执行机构11的压电元件13不同，第三实施例在执行机构板34的开口43的边缘之间布置和桥接压电元件13，如图6和7所示。

更精确地，沿着执行机构板34的开口43的前后边缘形成导电粘合剂层73a和73b，压电元件13粘在粘合剂层73a和73b上，保证压电执行机构11的第一、第二电极15和17与执行机构板34之间的电气连接，如图6和7所示。

与第二实施例相反，第三实施例的头悬架71这样排列压电元件13，即公共电极19在上边(背向弯曲部分39)，第一、第二电极15和17在下边(面向弯曲部分39)。

头悬架71使用焊接线(bonding wire)75使弯曲部分39的导线55与压电元件13的公共电极19互相电气连接。除了焊接线75，也可以使用其他连接方式如跳线径迹(jumper trace)。作为选择，弯曲部分39的导线55的相应部分可以裸露或镀金，相应部分可以用例如超声连接的方法电气连接到公共电极19。

下面说明第三实施例的头悬架71的动作。就像第二实施例，头悬架71按照压电执行机构11的变形在摆动的方向上移置负载杆35的前端。

第一、第二电极15和17电气接地，给公共电极19施加预定电压。在这种情况下，在第一电极15下面的压电元件13的端面23缩短而在第二电极17下面的压电元件13的端面25伸长。结果，压电元件13作为一个整体基本上变形为梯形，好像它在方向+Z(图6)上转动了一个小的距离，即，压电执行机构11沿摆动方向+Z移动负载杆35。

与上述相反，公共电极19电气接地，给第一、第二电极15和17施加预定电压。在这种情况下，压电元件13在方向-Z(图6)上变形了一个小的距离，沿摆动方向-Z移动负载杆35。

这样，第三实施例提供了与第二实施例相同的效果。与压电执行机构11结合为一体的头悬架71需要保护三个电极的三个电气连接系统，即，压电元件13的第一、第二电极15和17与公共电极19。因此，第三实施例简化配线和改善可靠性。

通过仅在单一位置的焊接线75完成公共电极19和弯曲部分39的导线55之间的电气连接，这个结构减少了导线数量和弯曲部分39上导线的位置占用，从而提高弯曲部分的成品率。

与头悬架71合为一体的压电执行机构11使用单一的压电元件13。这个结构减少压电部件的数量，提高部件管理的效率，降低成本。

头悬架71使用导电粘合剂层73a和73b以保证压电元件13与执行机构板34之间的电气连接和机械连接强度，这个结构可减少工序的数量和降低成本。

本发明并不局限于上述实施例。只要未脱离本技术说明和权利要求所限定的本发明的范围和技术实质，本发明涵盖各式各样的修改与等同变化。这应被理解为基于这些修改与等同变化的头悬架和压电执行机构均落在本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种头悬架，其具有基板、连接到该基板的负载杆和附接于该负载杆的弯曲部分，该头悬架包括：

压电执行机构，其布置在该基板与该负载杆之间，该压电执行机构具有压电元件，该压电元件构造为根据所施加电压的状态变形并且按照该压电元件的变形沿摆动方向移动该负载杆的前端，该压电执行机构包括：

第一压电部分和第二压电部分，该第一压电部分和第二压电部分被相反地极化并且根据所施加电压的状态而变形；

公共电极，其形成在第一压电部分和第二压电部分的第一表面上；

第一电极，其形成在第一压电部分的第二表面上；和

第二电极，其形成在第二压电部分的第二表面上的。

2.根据权利要求1所述的头悬架，其中：

所述压电元件基本上具有一个矩形形状；

所述第一电极和第二电极基本上具有相同的形状和尺寸，并且并排布置，且在所述第一电极和第二电极之间留有间隙；

所述公共电极的形状和尺寸基本上等于所述第一电极、第二电极加上该间隙的总体形状和尺寸；

所述第一压电部分和第二压电部分被极化以使得它们的极性互相相差180度。

3.根据权利要求1所述的头悬架，进一步包括：

执行机构板，其布置于所述基板与所述负载杆之间；

开口，其穿过所述执行机构板而形成；

所述压电元件布置在所述开口中并且附接于所述执行机构板。

4.根据权利要求3所述的头悬架，其中：

在所述第一压电部分和第二压电部分的第一表面上形成的所述压电元件的公共电极临近于所述弯曲部分，在所述第一压电部分和第二压电部分的第二表面上形成的所述第一电极和第二电极位于所述弯曲部分的远端；并且

所述压电元件与所述执行机构板的开口以介于它们之间的非导电材料互相电气绝缘，所述公共电极电气连接到所述弯曲部分的配线，所述第一电极和第二电极电气连接到所述执行机构板。

5.根据权利要求1所述的头悬架，进一步包括：

执行机构板，其布置于所述基板与所述负载杆之间；

开口，其穿过所述执行机构板而形成；

所述压电执行机构桥接于所述开口的边缘之间。

6.根据权利要求5所述的头悬架，其中：

在所述第一压电部分和第二压电部分的第二表面上形成的所述第一电极和第二电极临近于所述弯曲部分，在所述第一压电部分和第二压电部分的第一表面上形成的所述压电元件的公共电极位于所述弯曲部分的远端；

所述第一电极和第二电极附接于且电气连接到所述执行机构板；

所述公共电极电气连接到所述弯曲部分的配线。

7.根据权利要求1所述的头悬架，进一步包括：

弹性连接板，其构造为将所述负载杆连接到所述基板；和

提供给该连接板的铰链，该铰链构造为沿所述基板和负载杆的厚度方向弯曲。

8.根据权利要求1所述的头悬架，进一步包括：

形成在所述基板与所述负载杆之间的所述压电元件的每个纵向侧的可变形部分，该可变形部分从该纵向侧向外突出。

9.根据权利要求1所述的头悬架，其中：

所述公共电极完全覆盖所述第一压电部分和第二压电部分的第一表面。

10.一种用于驱动一个对象的压电执行机构，包括：

一种构造为根据所施加电压的状态而变形并且按照该变形驱动该对象的压电元件，该压电元件包括：

第一压电部分和第二压电部分，该第一压电部分和第二压电部分被相反地极化并且根据所施加电压的状态而变形；

公共电极，其形成在第一压电部分和第二压电部分的第一表面上；

第一电极，其形成在第一压电部分的第二表面上；和

第二电极，其形成在第二压电部分的第二表面上。

11.根据权利要求10所述的压电执行机构，其中：

所述压电元件基本上具有矩形形状；

所述第一电极和第二电极基本上具有相同的形状和尺寸，并且并排布置，且在所述第一电极和第二电极之间留有间隙；

所述公共电极的形状和尺寸基本上等于所述第一电极、第二电极加上该间隙的总体形状和尺寸；

所述第一压电部分和第二压电部分被极化以使得它们的极性互相相差180度。

12.根据权利要求10所述的压电执行机构，其中：

所述公共电极完全覆盖所述第一压电部分和第二压电部分的第一表面。

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