CN103730132B - 具有无源层的多层压电换能器 - Google Patents
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Abstract
用于定位控制对象的装置，例如用于毗邻数据存储介质定位读/写换能器的微致动器。根据一些实施例，压电换能器(PZT)部件适于感应出弯曲工作模式下的控制对象的旋转位移。PZT部件具有多个压电材料层和设置在这些压电材料层之间的多个导电层。压电材料层包括有源层的第一子集以及至少一个无源层。
Description
技术领域
本公开的各实施例总体针对一种定位控制对象的装置，例如用来在数据存储介质附近定位读/写换能器的微致动器。
发明内容
根据一些实施例，压电换能器(PZT)部件适于在弯曲工作模式下导致控制对象的旋转位移。PZT部件具有多个压电材料层和设置在这些压电材料层之间的多个导电层。压电材料层包括有源层的第一子集以及至少一个无源层。
以本发明各种实施例为表征的这些以及其它特征与方面可考虑以下具体讨论与所附附图来理解。
附图说明
图1提供了示例性数据存储设备的分解视图。
图2示出图1的数据存储设备的示例悬架部分。
图3A-3B示出根据各实施例的微致动器组件的示例性操作。
图4A-4D给出根据一些实施例的头万向节组件(HGA)的示例性结构。
图5示出根据一些实施例的另一HGA的平面侧视图。
图6A-6B给出图5的HGA的平面图。
图7是适于致动图3-6B的压电换能器(PZT)部件的控制电路的功能框图。
图8是根据一些实施例的另一PZT部件的立体图。
图9给出图8的PZT部件的横截面图。
图10是另一PZT部件的横截面图。
图11是又一PZT部件的横截面图。
具体实施方式
本公开总地涉及使用压电换能器(PZT)部件定位控制对象，该PZT部件经历弯曲工作模式以使控制对象转动。
数据存储设备可设置有可旋转介质，数据沿众多同心轨道被存储于该可旋转介质。磁头万向架组件(HGA)通过允许换能器沿多个轴作万向运动以跟随介质表面的形貌来将数据读/写换能器精确定位在与轨道毗邻的位置。
已提出将微致动器与HGA一起使用以减少组件的谐振模并提供二次位置控制能力(一次控制是通过摇臂致动器等结构提供的)。微致动器可由压电换能器(PZT)形成以导致HGA数据换能器受控制的旋转。
PZT部件一般工作以响应于电压的施加机械地膨胀或收缩。PZT部件可由多种晶体、陶瓷和聚合材料形成，例如但不限于四氧化硅(SiO4，即“石英”)、钛酸钡(BaTiO3)以及氧化锌(ZnO)。
协同定位的微致动器设计使用在换能器相对两侧上的一对隔开的、悬臂的PZT部件。有控制的将电压施加至PZT部件可致使部件中的一个收缩并使另一部件膨胀，由此随着部件绕中心旋转点弯曲在换能器中诱导出旋转(转矩)。
尽管可工作，然而与这类微致动器相关的局限性包括有限的位移能力、相对高功耗需求、相对低的可靠性和复杂的制造需求。
因此，本文披露的各实施例一般针对具有改善的PZT部件构造的微致动器组件。如下面讨论的，PZT部件具有由多个有源PZT材料层和至少一个无源PZT材料层构成的层叠结构。已发现，使用至少一个无源PZT材料层改善了部件的弯曲模式工作。
图1给出了盘片驱动器数据存储设备100的俯视透视图。提供设备100来展示可在其中有利地实施本公开的各实施例的示例环境。要理解，本公开不受此限，而是能适用于其中使用PZT部件定位控制对象的任何数量的环境。
设备100包括由基座板104和顶盖106形成的密封外壳102。内部设置的主轴马达108被配置成使多个存储介质110旋转。介质110由相应的数据换能器阵列访问，每一个数据换能器都由头万向节组件(HGA)112支撑。尽管图1示出使用两个磁记录盘和四个相应的头，可根据需要可选择地使用其它数量的头和盘(诸如单个盘等)和其它类型的介质(诸如光学介质等)。
每个HGA 112优选地由头堆栈(head-stack)组件114(“致动器”)支承，头堆栈组件114包括柔性悬架组件116，该柔性悬架组件116又由刚性致动臂118支承。通过将电流施加到音圈电机(VCM)122，致动器114优选地绕筒状(cartridge)轴承组件120枢转。以这种方式，VCM 122的受控操作使HGA 112的换能器与界定在介质表面的轨道(未示出)对准，以向其存储数据或从其检取数据。
印刷电路线124有利于致动器114与位于设置在外部的设备印刷电路板(PCB)126上的设备控制电子器件之间的电子通信。印刷电路线124可包括多个电路，这些电路容许数据存储设备100的若干不同组件与PCB126的通信。
图2是可用在图1的数据存储设备中的示例悬架(摇臂致动器)组件130的立体图。悬架组件130具有经由预载弯曲部分136支承负载梁134的底座132。HGA 138在负载梁134的远端处被支承，并包括数据换能器(头)140，数据换能器140经由万向节板142和凹座(未独立示出)沿前后(x-轴)和横摇(y-轴)方向作万向运动，以实现多轴旋转。
头140包括滑块，该滑块具有面向相关联的介质表面的空气承载表面(ABS)。ABS与由介质表面的高速旋转所建立的流体流相互作用以毗邻该表面液体动力地支承滑块。这些承载表面经常被称为空气承载表面，即便当不同于大气的不同流体(如，诸如氦气的惰性气体)被维持在外壳102中时也称为空气承载表面。读和写数据换能部件被安装在滑块上，诸如沿其后缘将数据换能到介质表面和/或从介质表面换能出。
图3A示出可被纳入到图2的设备悬架组件130中的HGA 150。HGA 150包括协同定位的微致动器结构，其具有设置在相对的第一和第二压电换能器(PZT)部件154、156之间的滑块152。滑块152和PZT部件154、156的第一端分别地连接至可移动支承件158，该可移动支承件158在这里也被称为万向节岛或支承杆。PZT部件154、156的相对第二端通过固定的支承件160以基本刚性方式被保持。
如图3B所示，将电压控制信号施加至PZT部件154、156诱使部件分别膨胀和收缩，由此诱使滑块152转动。如果PZT部件沿与支承件160相反的端是自由的，则部件仅沿其相应的长度(例如沿X轴)膨胀/收缩。随着滑块转动，协同定位的微致动器结构的捕获性质转化成PZT部件基本在XY平面内的弯曲模式。可能经历一些Z轴偏转(例如横摇)，但这是可忽略的和由悬架的其它方面补偿。通过反转对PZT部件施加的输入电压控制信号，滑块152的转动可以是双向的(例如分别为顺时针和逆时针的)。
图4A-4D示出被配置成使用图3A-3B的原理工作的示例性HGA 160。万向节板162具有贯穿板162的厚度延伸的孔腔164。万向节岛166被设置在万向板162的孔腔164内，并且是不与板162机械耦合的独立部件。也就是说，万向节岛166与万向节板162机械地脱开以允许万向节岛166独立于板162地移动，如下面所述的那样。
此处应该注意的是此处使用的术语“脱开(decoupled)”意指物理上脱离另一个构件以使其与另一个构件不接触并容许相应构件独立移动的独立构件。例如，图4A中的万向节岛166与万向节板162脱开，由此它可作为独立组件转动和偏转而不引起板162上的应力。
应当理解，万向节岛166和万向节板162的大小和形状仅为示例性的并可根据需要而改变。在一些实施例中，万向节岛166被配置成允许万向节岛166中心的最大转动。在其他实施例中，万向节板162的各个部分适于允许万向节岛166的最大转动。
图4B示出能将电信号转移到万向节岛166上的电极170的柔性电路168的附连。在保持与万向板162脱开的同时，万向节岛166由柔性电路168所悬置。这样，万向节岛166的移动将导致柔性电路168的至少一部分的相应移动。在一些实施例中，柔性电路168的整个长度是弹性的，并能维持多个电路路径，这些电路路径可对应于独立电路和通过一个或多个电极170连接至HGA 160的互连电路。
如图所示，六个独立电路位于柔性电路168上并具有六个相应电极170，这些电极170可与诸如数据换能头之类的单个组件或诸如微致动器之类的多个组件电气互连。万向节岛166可具有设置在位于万向节岛166的预确定部分上的多个第二附连焊盘174之间的第一附连焊盘172。一对第三附连焊盘176被定位于万向节板162上与第二附连焊盘174对准的位置。
万向节岛166的预先确定部分的配置以及附连焊盘的数量与类型并不限于图4B-4D所示的实施例，并可按需要被修改而不背离本公开的精神。例如，第一附连焊盘172可以是环氧的或其他介电粘合材料，而第二和第三附连焊盘174、176可以是磁性或物理紧固件。
在图4B-4D中，PZT部件178被连接至万向节岛166的第二附连焊盘174以及万向节板162的第三附连焊盘176。如下文所述，每个PZT部件178由具有有源和无源PZT材料层两者的压电材料构成。PZT部件178与万向节岛166和万向节板162两者的附连使万向节岛166通过一个或两个PZT部件的相应移动而偏转。
万向节岛166保持与万向节板162机械地脱开，但通过PZT部件178与板162悬臂连接。当激活PZT部件178时，万向节岛166将旋转和偏转，如图3B所示，同时维持与万向节岛166机械脱开的关系。
通过将每个PZT部件通过位于万向板162上的节点180直接连接于柔性电路168，进一步维持这样的脱开关系。通过图4B-4D的柔性电路168配置，柔性电路168可因万向节岛166相对于板162旋转而变形。然而，由于万向节岛166与板162之间的脱开关系，柔性电路168的变形并不会压迫或偏转节点180。这样，无需用单独的支承组件(诸如内插器)来建立与微致动器的必要的电互连。微致动器的激活引起如上所述的伸长和/或收缩。
在一些实施例中，PZT部件178被定位以在激活期间工作在伸长模式。相比将微致动器侧边朝下放置，其高度表面毗邻附连焊盘的现有取向，这样的伸长可提供更稳定、更准确的万向节岛166的致动。
图4D进一步示出HGA 160，包括附连在万向节岛166的第一附连焊盘172的换能器，以及将多个电极170(未示出)连接到滑块182。如可理解的那样，转换器包括带有空气承载表面的滑块182，并可包括多个磁和/或光换能组件，这些换能组件具有能从存储介质中读数据和/或写数据至存储介质的能力。滑块182与各电极170(而不是万向板162任何部分)的附连允许滑块在与板162机械地脱开的关系中转动或偏转。如果存在机械地联接至万向节板162的支撑架，则有必须要克服的弹簧阻力或惯性，而这样的脱开配置由于没有任何这样的弹簧阻力或惯性，使PZT部件178可快速地且简便地偏转万向节岛166和滑块182。
图5总地示出根据本公开各实施例的示例性HGA 190的侧视图。HGA 190类似于前面讨论的HGA并包括带孔腔(未示出)的万向节板192(“固定支承件”)，在孔腔内设置万向节岛194(“可移动支承件”或“支承杆”)，如通过板192内的虚线所示那样。柔性电路196位于靠近万向板192和岛194的位置，并以电迹线198的形式提供独立电路。
具有相对的PZT部件200的协同定位微致动器被附连于万向板192和岛194，且顶部微致动器电极202和底部微致动器电极203各自电连接至柔性电路196的一个或多个电迹线198。顶部电极可经由节点204电连接而底部电极可经由节点205电连接。
如图6A-6B进一步所示，滑块206附连至相对的PZT部件200之间的万向节岛194。可经由前述柔性电路和电极将控制信号提供给PZT部件。
HGA 190的悬置，尤其是带有凹座的万向节岛194的悬置，通过直接承载滑块206的负载而进一步减少了微致动器200上的预载应力。预载应力的这样的减少可使微致动器结构在没有降级滥用或产生损害的情况下经受操作冲击。
图7是适于将电压控制信号施加于前面结合图3-6描述的微致动器结构的控制电路210的功能框图。控制器212接收指示HGA的有源部分(例如读或写部件)的要求位置的位置信号。位置信号可以是位置误差信号、位置校正信号等。控制器将相应的输入信号提供给PZT驱动器电路214，该PZT驱动器电路214进而经由相关的传导路径220、222、224、226将电压控制信号施加于相应的PZT部件216、218。电压可以是相等和相反的直流(dc)电压，或具有例如在时变电压轮廓的情形下随时间变化的特别受调节的量级。
图8是根据一些实施例构造的PZT部件220的立体图。图9总地示出横截面中的PZT部件220。要理解，附图中示出的各相对尺寸和宽高比仅为示例性的并且不一定按比例绘制。
PZT部件220采取具有多个PZT材料层穿插有相对薄的导电层的多层层叠配置。更具体地说，PZT部件220具有3/2配置，即具有三个(3)有源PZT层222、224和226以及两个(2)无源PZT层228、230。
导电层包括顶部导体232、底部导体234以及中间导体236、238、240和242。导体如图所示分别与第一端帽电极244和第二端帽电极246中选定的一个互连。浮置导体242例外，它不连接于端帽电极244或246中的任意一个。
也可毗邻于第一端帽电极244提供相对小的端帽导体248。尽管第一端帽电极244被图示为设定在所施加的负电压(V-)而第二端帽电极246被图示为设定在所施加的正电压(V+)，但要理解可根据要求的是膨胀还是收缩模式而反转相应的极性。
从图9的施加电压可以看到，有源层222、224和226中的每一个被夹设在处于不同电压电位的相应导体对之间。也就是说，顶部有源层222在处于V+的顶部导体232和处于V-的中间导体之间。有源层224在导体236(V-)和导体238(V+)之间。有源层226在导体238(V+)和导体240(V-)之间。
无源层228、230不在处于不同电位的有源导体之间，而是受中间导体240(V-)和下端导体234(也处于V-)约束，这些导体中的每一个基本延伸过无源层的总长度(例如90或更多)。尽管下端导体234不一定需要，然而引入后一导体使无源层叠层确实地受同一选定电压(例如图9中的V-)约束，从而确保保持无源的层不会响应于对端帽电极施加控制电压而以与有源层相同的方式激活。
有源层和无源层中的每一个被图示为具有基本相同的厚度(沿Z方向)，尽管不一定需要这样。预期有源层将最接近万向节(例如从图5看来位于顶部)，尽管也可采用包括相应有源层和无源层的交替层的其它取向。
图10给出又一PZT部件，该PZT部件利用4/3配置，其具有四个(4)有源层252、254、256和258以及三个(3)无源层260、262和264。如图所示地提供中介导体266-280，这些导体除浮置导体276、278外分别互连于端帽电极282。
图11给出又一PZT部件，该PZT部件利用4/1配置，其具有四个(4)有源层302、304、306和308以及一个(1)无源层310。居间导体312-322如图所示地配置以与端帽电极324、326互连。要注意，图11中的PZT部件基本类似于图10中的PZT部件，除了省去浮置导体276、278外。容易想到具有不同数目的有源和无源PZT材料层的其它配置，并且这些其它配置可鉴于本公开容易地构造。
已发现图8-11所示的多层PZT部件相比具有全部有源PZT材料层的多层配置可具有显著改善的位移特性。在一个示例中，类似于图8－9中的PZT部件220的3/2设计被发现具有一行程(例如以纳米/伏(nm/V)计的膨胀/收缩输出)，这大约是所有五个层都是有源的相应5/0设计的行程的70％以上(1.7倍)。
要相信，行程性能通过采用无源层的这种预料之外的改善可涉及无源层适应在协同定位的微致动器环境的弯曲工作模式期间在PZT部件中诱导出的额外应力的能力。相信无源层使PZT部件自然地弯曲，并且这种自然弯曲与受约束状态下的弯曲匹配。如本文披露地使用一个或多个无源PZT材料层显示出减少的叠层内的应力，并且由弯曲模式诱发的无源层内的电位产生倾向于提高向有源层施加的控制信号的效率。
当采用3－1模式控制效果时(例如沿PZT部件的最长长度膨胀)，无源层的引入由此使设计者基本使材料的自然弯曲状态匹配于受约束系统所经历的实际弯曲模式。示例性实施例的叠层性质相比诸如晶片上薄膜PZT和晶片粘合PZT设计的更复杂工艺提供了简化的制造工艺。同一PZT层厚度的使用允许使用大批量制造工艺来容易地达到有源层与无源层的相应比例。
尽管本文披露的各实施例针对流体动力支承的数据换能器的环境，然而要理解这些实施例可适应任何数量的其它环境，只要其中使用PZT部件的弯曲工作模式是合需的，包括牵涉到受约束以将旋转偏转施加至控制对象的单个PZT部件的场合。
可以理解的是，即使在上述描述中陈述了本发明的各个实施例的众多特征和优点，以及本发明的各个实施例的结构和功能的细节，但该细节描述仅仅是说明性的，且在由表达所附权利要求所采用的术语的广义一般含义所指示的本发明原理的最大可能范围内，可对细节做修改，特别是对部件的结构和排列的方面的修改。
Claims (20)
1.一种用于定位控制对象的装置，包括：
控制对象；以及
压电换能器(PZT)部件，其适于在弯曲工作模式下使所述控制对象的旋转位移，所述PZT部件包括多个压电材料层和介于所述压电材料层之间的多个导电层，所述压电材料层包括有源层的第一子集和至少一个无源层。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电材料层的至少一个无源层受相对的第一和第二导电层约束，每个导电层具有与所述至少一个无源层的总长度基本相等的总长度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括在所述压电材料层的相对两端上的第一和第二端帽电极，以使所述导电层的第一子集与第一电压电位下的所述第一端帽电极电气互连，使所述导电层的第二子集与不同的第二电压电位下的所述第二端帽电极电气互连，而所述导电层的第三子集不与所述第一和第二端帽电极中的任一个互连。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PZT部件的第一端刚性地固定于底座，而所述PZT部件的相对第二端刚性地固定于所述控制对象并受约束，以使所述PZT部件响应于施加控制电位的膨胀或收缩诱发所述PZT部件的弯曲工作模式和所述控制对象的转动。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PZT部件被表征为第一PZT部件，所述装置还包括标称上等同于所述第一PZT部件的第二PZT部件，所述第一和第二PZT部件被配置成位于所述控制对象的相对两侧，以使所述第一PZT部件的膨胀和所述第二PZT部件的同时收缩诱发两个部件的弯曲和所述控制对象的转动。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括自由本体支承杆，所述第一和第二PZT部件中的每一个的第一端以及所述控制对象固定于所述自由本体支承杆。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制对象是头万向节组件(HGA)的数据换能器，其中所述装置进一步包括可旋转的数据存储介质，其中所述第一和第二PZT部件提供所述数据换能器毗邻于所述存储介质的微致动定位。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有源层的第一子集中的每一个和所述至少一个无源层中的每一个具有相同的厚度。
9.一种用于定位控制对象的装置，包括：
数据换能器；以及
第一和第二压电换能器(PZT)部件，其被配置在所述数据换能器的相对两侧以形成协同定位的微致动器结构，当所述第一和第二PZT部件相应地膨胀和收缩时，所述微致动器结构响应于弯曲工作模式诱使所述数据换能器转动，所述第一和第二PZT部件中的每一个包括具有同一厚度的多个压电材料层以及介于所述压电材料层之间的多个导电层，所述压电材料层包括有源层的第一子集以及至少一个无源层。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述压电材料层包括第一复数的所述有源层和第二复数的所述无源层，而所述第二复数小于所述第一复数。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括固定的支承件和可移动的支承件，所述固定的支承件刚性地支承所述第一和第二PZT部件的相应第一端，所述可移动的支承件刚性地支承所述第一和第二PZT部件的相对第二端以及所述数据换能器。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述压电材料层的至少一个无源层受相对的第一和第二导电层约束，每个导电层具有与所述至少一个无源层的总长度基本相等的总长度。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二PZT部件中的每一个还包括在所述压电材料层的相对两端上的第一和第二端帽电极，以使所述导电层的第一子集与第一电压电位下的所述第一端帽电极电气互连，使所述导电层的第二子集与不同的第二电压电位下的所述第二端帽电极电气互连，而所述导电层的第三子集不与所述第一和第二端帽电极中的任一个互连。
14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：固定的支承件，所述固定的支承件适于刚性地固定所述第一和第二PZT部件中的每一个的第一端；以及支承杆，所述支承杆适于刚性地固定所述第一和第二PZT部件中的每一个的相对第二端以及将所述数据换能器固定在两者之间，其中响应于控制信号使所述第一PZT部件膨胀并同时使所述第二PZT部件收缩，所述第一和第二PZT部件同时弯曲以使所述支承杆绕中央旋转点转动。
15.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括可旋转数据存储介质，所述第一和第二PZT部件提供所述数据换能器毗邻于所述存储介质的微致动定位。
16.一种用于定位控制对象的装置，包括：
协同定位的微致动器结构，其包括：固定的第一支承件、可移动的第二支承件；各自以隔开平行的方式连接在所述第一支承件和所述第二支承件之间的第一和第二压电换能器(PZT)部件，所述PZT部件中的每一个包括由多个压电材料层和在所述压电材料层之间的中介导电层构成的叠层，所述压电材料层的叠层包括第一复数的有源层和第二复数的无源层；
数据换能器，其由所述第一和第二PZT部件之间的可移动的第二支承件支承；以及
控制电路，其适于将控制电压施加至所述第一和第二PZT部件以在其中诱发弯曲工作模式并使所述数据换能器毗邻于介质作旋转移动。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述控制电路将第一电压电位施加于第一PZT部件并将不同的第二电压电位施加于第二PZT部件以同时地诱发所述第一PZT部件的膨胀和所述第二PZT部件的收缩，由此弯曲所述第一和第二PZT部件两者以使所述换能器转动。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第二复数的无源层受相对的第一和第二导电层约束，每个导电层具有与所述第二复数的无源层的总长度基本相等的总长度。
19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一和第二PZT部件中的每一个还包括在所述压电材料层的相对两端上的第一和第二端帽电极，以使所述导电层的第一子集与第一电压电位下的所述第一端帽电极电气互连，使所述导电层的第二子集与不同的第二电压电位下的所述第二端帽电极电气互连，而设置在所述第二复数的无源层之间的导电层的第三子集不与所述第一和第二端帽电极中的任一个互连。
20.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一复数大于所述第二复数。
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Granted publication date: 20170815 Termination date: 20181015 |