CN110895949B - 用于增加悬架冲程的多层pzt电极构型 - Google Patents

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Abstract

描述了一种压电致动器组件。该组件包括具有顶表面和底表面的第一层。该组件包括具有顶表面和底表面的第二层，该第二层的底表面布置在第一层的顶表面上。该组件包括具有顶表面和底表面的第三层，该第三层的底表面布置在第二层的顶表面上。该组件包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。该第三电极被构造成比第二电极短，使得第二层和第三层的有源PZT长度短于第一层的有源PZT长度。

Description

用于增加悬架冲程的多层PZT电极构型
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月13日提交的美国临时专利申请62/730,979号的权益，该美国临时专利申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及用于盘驱动器的悬架领域。具体而言，本发明涉及用于悬架的微致动器领域。
背景技术
典型的盘驱动器单元包括旋转磁盘，该旋转磁盘上包含磁性存储介质1和0的图案，其构成存储在该盘驱动器上的数据。磁盘由驱动马达驱动。盘驱动器单元还包括盘驱动器悬架，读写磁头被邻近负载梁的远端安装到该盘驱动器悬架。悬架或负载梁的“近”端是受到支撑的端部，即与被锻造或以其它方式安装于致动器臂的基板最靠近的端部。悬架或负载梁的“远”端是与该近端相反的端部，即，该“远”端是悬臂端。
悬架被联接到致动器臂，该致动器臂又被联接到音圈马达，该音圈马达使悬架弧形地移动，以便将头滑块定位在数据盘上的正确的数据道上。头滑块被承载在常平架(gimbal)上，该常平架允许滑块俯仰(pitch)和滚动，使得它沿旋转盘上的正确数据道而行，从而允许诸如盘振动之类的这种变化、诸如碰撞之类的惯性事件以及盘表面中的不规则性。
单级致动的盘驱动悬架和双级致动(DSA)的悬架都是已知的。在单级致动悬架中，仅音圈马达移动悬架。
在DSA悬架中，位于悬架上的小致动器移动头滑块，以便将头滑块定位在正确数据道上。致动器提供了比音圈马达更精细的头滑块定位，并且提供了比音圈马达更高的伺服带宽。根据特定的DSA悬架设计，致动器可以位于悬架上的不同位置。通常，左侧和右侧致动器以推拉方式作用，以旋转负载梁或者负载梁的远端。早先的DSA悬架设计中的一些将致动器布置在基板上，致动压电微致动器(PZT)使整个负载梁旋转。DSA悬架中使用的致动器被称为微小致动器或微型致动器。随着数据轨道宽度不断减小，近年来DSA悬架已经变得很普遍。
发明内容
描述了一种压电致动器组件。该组件包括第一层，该第一层包括单个有源压电层，该第一层包括顶表面和底表面。该组件包括第二层，该第二层包括单个有源压电层，该第二层包括具有顶表面和底表面的层，该第二层的底表面布置在第一层的顶表面上。该组件包括第三层，该第三层包括单个有源压电层，该第三层具有顶表面和底表面，该第三层的底表面布置在第二层的顶表面上。第一电极布置在第一层的底表面的至少一部分上。第二电极布置在第一层的至少一部分和第二层之间，第三电极布置在第二层的至少一部分和第三层之间，第四电极布置在第三层的顶表面的至少一部分上。第三电极被构造成比第二电极短，使得第二层和第三层的有源PZT长度短于第一层的有源PZT长度。
以上概述并不旨在表示本公开的每个实施例或者每个方面。相反，前述概述仅提供本文阐述的一些新颖方面和特征的示例。当结合附图和所附权利要求时，根据以下对用于实现本发明的代表性实施例和模式的详细描述中，本公开的以上特征和优点、以及其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
为了描述从其中可以获得本公开的优点和特征的方式，参考附图中示出的具体示例来描述本公开的实施例。这些附图仅描绘了本公开的实施例的示例性方面。因此，不应将其视为对本公开范围的限制。通过使用以下附图，借助附加的说明和细节来描述和解释原理。
图1示出了传统DSA悬架和微致动器组件的横截面视图；
图2示出了处于扩展模式的图1的传统DSA组件；
图3示出了处于收缩模式的图1的传统DSA组件；
图4A示出了根据本公开的实施例的DSA悬架和微致动器组件的横截面视图；
图4B示出了处于扩展模式和处于收缩模式的根据本公开的实施例的DSA悬架；
图5示出了可选传统DSA悬架和根据本公开的实施例的图4的微致动器组件；
图6示出了根据本公开的实施例的具有两个层的微致动器组件60的横截面视图；以及
图7示出了根据本公开实施例的具有四个层的微致动器组件70的横截面视图。
具体实施方式
参考附图描述了本公开的实施例，其中在所有附图中使用相同的附图标记来表示类似或等同的元件。附图未按比例绘制，并且它们作为示例性图示提供。下面参考示例性应用来描述实施例的若干方面，这些示例性应用并不旨在限制本公开的范围。应当理解到，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对实施例的透彻理解。但是，相关领域的普通技术人员将容易认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其它方法来实践本发明。在其它实例中，为了避免模糊这些实施例而没有详细示出公知的结构或操作。本公开的实施例不受所示动作或事件的顺序的限制，这是由于一些动作可能以不同的顺序发生和/或与其它动作或事件同时发生。另外，并非所有示出的动作或事件都是实现根据本发明的方法所必需的。
图1示出了传统DSA悬架10和微致动器组件9的横截面图。虽然已经提出并使用静态电动微致动器和其它类型的微致动器马达，但压电元件通常用作微致动器马达。常用的压电材料是锆钛酸铅(PZT)，但其它压电材料也被使用并且是已知的。在下面的讨论和随附的权利要求中，为简单起见，作为微致动器的压电装置有时被简称为“PZT”，但应认识到，压电材料不一定是锆钛酸铅。因此，如本文所用，术语“PZT”可以指任何压电材料或者由任何压电材料形成的任何压电装置。
微致动器组件9可以包括第一PZT层11、第二PZT层12和第三PZT层13。第一PZT层11可以是微致动器组件9的底层。第一PZT层11可以具有有源PZT 11A和无源PZT 11B。第二PZT层12可以是微致动器组件9的中间层。第二PZT层12可以具有有源PZT 12A和无源PZT 12B。第一PZT层11可以粘附到第二PZT层12的下侧。第三PZT层13可以是微致动器组件9的顶层。第三PZT层13可以具有有源PZT 13A和无源PZT 13B。第三PZT层13可以在第二PZT层12的顶表面上粘附到第二PZT层12。
微致动器组件9使用导电粘合剂(ECA)14与DSA悬架10的迹线常平架挠曲部分15联接。在一些实施例中，迹线常平架挠曲部分15和ECA 14可以被金层隔开。该金层可以给迹线常平架挠曲部分15提供耐腐蚀性和增强的导电性。
通常，当传统的微致动器组件9用于DSA悬架10时，所有三个层的PZT电极被最大化以实现更高的冲程。由于第一PZT层11被结合到轨迹常平架挠曲部分15，第一PZT层11具有比第二PZT层12和第三PZT层13更长的无源PZT部分。图1示出第一PZT层11的有源长度A短于第二PZT层12的有源长度B并且短于第三PZT层13的有源长度C。
图2示出了处于扩展模式的传统DSA组件10。如参考图1描述的，由于有源长度C和B大于有源长度A，第三PZT层13和第二PZT层12应比第一PZT层11延伸得更长。但是，由于三个PZT层被粘附在一起，这三个PZT层之间的不平衡扩展导致PZT如图2所示地弯曲成凸形形状。另外，第一PZT层11在其近端和远端处结合到迹线常平架挠曲部分15，这进一步约束第一PZT层11的扩展，随后进一步增加所述凸形形状弯曲，从而在PZT扩展模式下导致减少总冲程的负冲程增量δ1。
图3示出了处于收缩模式的传统DSA组件10。由于有源长度C和B大于有源长度A，第三PZT层13和第二PZT层12应比第一PZT层11收缩得更多。但是，由于三个PZT层被粘附在一起，这三个PZT层之间的不平衡收缩导致PZT如图3所示地弯曲成凹形形状。另外，第一PZT层11在其近端和远端处结合到迹线常平架挠曲部分15，这进一步约束第一PZT层11的收缩，随后进一步增加所述凹形形状弯曲，从而在PZT收缩模式下导致减少总冲程的正冲程增量δ2。因此，由于PZT层中的电极长度构型，传统的微致动器组件9在PZT扩展模式和收缩模式下都具有较低的冲程。本申请提供了一种新型构型的微致动器组件9，其克服了冲程减少问题并且增加了悬架冲程。
图4A示出了根据本公开的实施例的DSA悬架40和微致动器组件39的横截面视图。微致动器组件39可以包括第一PZT层41、第二PZT层42和第三PZT层43。第一PZT层41可以具有有源PZT 41A和无源PZT 41B。第二PZT层42可以具有有源PZT 42A和无源PZT 42B。第三PZT层43可以具有有源PZT 43A和无源PZT 43B。
第一PZT层41可以是微致动器组件39的底层。第二PZT层42可以是微致动器组件39的中间层。第一PZT层41可以被粘附到第二PZT层42的下侧。第三PZT层43可以是微致动器组件39的顶层。第三PZT层43可以在第二PZT层42的顶表面上粘附到第二PZT层42。微致动器组件39通过导电粘合剂(ECA)44与包括迹线常平架挠曲部分45的DSA悬架40电联接。在一些实施例中，迹线常平架挠曲部分45与ECA44可以由金层隔开。该金层可以给迹线常平架挠曲部分45提供耐腐蚀性和增强的导电性。
如图4A所示，各个层的有源PZT和层之间的PZT电极46具有不同的长度。第二PZT层42和第三PZT层43之间的PZT电极(PZT电极46B)可以缩短，使得第二PZT层42的有源长度4B和第三PZT层43的有源长度4C小于第一PZT层41的有源长度4A。由于第二PZT层42的有源长度4B和第三PZT层43的有源长度4C小于第一PZT层41的有源长度4A，因此在PZT扩展模式下第二PZT层42和第三PZT层43的扩展小于第一PZT层41，这导致在PZT扩展模式下微致动器39如图4B的上部图示所示地弯曲成凹形形状并且产生正冲程增量δ4a，从而增加总冲程。相反，在PZT收缩模式下，由于第二PZT层42的有源长度4B和第三PZT层43的有源长度4C小于第一PZT层41的有源长度4A，在PZT收缩模式下第二PZT层42第三PZT层43的收缩小于第一PZT层41，这导致微致动器39在PZT收缩模式下如图4B的下部图示所示地弯曲成凸形形状并且产生负冲程增量δ4b，从而增加总冲程。在一些实施例中，第二PZT层42和第三PZT层43之间的PZT电极46B可以比布置在第一PZT层41上的PZT电极46D短0.05mm到0.15mm，从而使微致动器组件39的冲程可以增加5％至10％。对于一些实施例，第二PZT层42和第三PZT层43之间的PZT电极46B可以比布置在第一PZT层41上的PZT电极46D短0.12mm，从而使微致动器组件39的冲程增加7.3％。
图5示出了作为DSA悬架40的一部分的微致动器组件39的另一实施例。如图5所示，各个层的有源PZT和PZT电极46具有不同的长度。布置在第三PZT层43的有源PZT 43A上的PZT电极46A被缩短，使得第三PZT层43的有源长度5C小于第二PZT层42的有源长度5B和第一PZT层41的有源长度5A。在一些实施例中，布置在第三PZT层43的有源PZT43A上的PZT电极46A可以比布置在第一PZT层41的有源PZT 41A上的PZT电极46C短0.10mm到0.30mm。当布置在第三PZT层43的有源PZT43A上的PZT电极46A以此范围被缩短时，微致动器组件39的冲程可以增加15％至25％。根据一些实施例，布置在第三PZT层43的有源PZT 43A上的PZT电极46A可以比布置在第一PZT层41的有源PZT 41A上的PZT电极46C短0.2mm，从而使微致动器组件39的冲程增加18.6％。
图6示出了根据本公开的实施例的具有两个层的微致动器组件60的横截面图。微致动器组件60包括第一PZT层61和第二PZT层62。第一PZT层61被构造成具有有源PZT 61A和无源PZT 61B。第二PZT层62被构造成具有有源PZT 62A和无源PZT 62B。
如图6所示，各个层的有源PZT和层之间的PZT电极66具有不同的长度。第一PZT层61和第二PZT层62之间的PZT电极(PZT电极66B)被构造成使得第二PZT层62的有源长度68A短于第一PZT层61的有源长度68B。这导致能够实现有益的弯曲轮廓，例如如本文所述的在PZT扩展模式下的凹形形状。相反，在PZT收缩模式下微致动器60被构造成类似于本文所述地弯曲成凸形形状，从而增加总冲程。微致动器60的实施例包括具有使用本文描述的技术构造的PZT层和PZT电极。
图7示出了根据本公开的实施例的具有四个层的微致动器组件70的横截面图。微致动器组件70包括第一PZT层71、第二PZT层72、第三PZT层73和第四PZT层74。第一PZT层71被构造成具有有源PZT 71A和无源PZT 71B。第二PZT层72被构造成具有有源PZT 72A和无源PZT 72B。第三PZT层73被构造成具有有源PZT 73A和无源PZT 73B。第四PZT层74被构造成具有有源PZT 74A和无源PZT 74B。
如图7所示，各个层的有源PZT和层之间的PZT电极76具有不同的长度。PZT电极76被构造成使得第四PZT层74的有源长度78B短于第一PZT层71的有源长度78C。PZT电极76还被构造成使得第四PZT层74的有源长度78B短于第二PZT层72的有源长度78A。PZT电极76还构造成使得第四PZT层74的有源长度78B短于第三PZT层73的有源长度78D。这导致能够实现有益的弯曲轮廓，例如如本文所述的在PZT扩展模式下的凹形形状。相反，在PZT收缩模式下微致动器70被构造成弯曲成凸形形状，从而增加总冲程。微致动器70的实施例包括具有使用本文描述的技术构造的PZT层和PZT电极。
本文描述的实施例克服了传统多层PZT电极构型会产生较低冲程的问题。这种传统多层PZT电极构型可以使PZT在扩展模式期间变形为凸形形状以及在收缩模式期间变形为凹形形状，这导致较低的总冲程。相反，本发明将PZT电极长度构造成使PZT在扩展模式期间变形为凹形形状以及在收缩模式期间变形为凸形形状，从而增加总冲程。
提供对本公开的前文描述是为了使本领域技术人员能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文所限定的一般原理可以在不脱离本公开的范围的情况下应用于其它变型。因此，本公开不旨在限于本文描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。

Claims (14)

1.一种具有第一端和第二端的压电致动器组件，包括：
第一层，所述第一层包括单个有源压电层，所述第一层包括顶表面和底表面；
第二层，所述第二层包括单个有源压电层，所述第二层具有顶表面和底表面，所述第二层的底表面布置在所述第一层的顶表面上；
第三层，所述第三层包括单个有源压电层，所述第三层具有顶表面和底表面，所述第三层的底表面布置在所述第二层的顶表面上；以及
布置在所述第一层的底表面的至少一部分上的第一电极、布置在所述第一层的至少一部分和所述第二层之间的第二电极、布置在所述第二层的至少一部分和所述第三层之间的第三电极、布置在所述第三层的顶表面的至少一部分上的第四电极，
其中，所述第三电极被构造成比所述第二电极短，使得所述第二层的有源PZT长度和所述第三层的有源PZT长度短于所述第一层的有源PZT长度，借此：
在PZT扩展模式下，所述第二层和所述第三层的扩展小于所述第一层，导致所述压电致动器组件弯曲成凹形形状并且产生冲程量的增加；以及
在PZT收缩模式下，所述第二层和所述第三层的收缩小于所述第一层，导致所述压电致动器组件弯曲成凸形形状并且产生冲程量的增加。
2.根据权利要求1所述的压电致动器组件，其特征在于，所述第三电极被构造成比所述第二电极短0.05mm到0.15mm。
3.根据权利要求2所述的压电致动器组件，其特征在于，所述第三电极被构造成比所述第二电极短0.12mm。
4.根据权利要求1所述的压电致动器组件，其特征在于：
所述第四电极被构造成比所述第三电极短0.10mm到0.30mm。
5.根据权利要求4所述的压电致动器组件，其特征在于，所述第四电极被构造成比所述第三电极短0.20mm。
6.根据权利要求4所述的压电致动器组件，其特征在于，所述第一层的单个有源压电层和所述第二层的单个有源压电层的有源长度比所述第三层的单个有源压电层的有源长度长0.10mm到0.30mm。
7.根据权利要求6所述的压电致动器组件，其特征在于，所述第一层的单个有源压电层和所述第二层的单个有源压电层的有源长度比所述第三层的单个有源压电层的有源长度长0.20mm。
8.一种微致动器，包括：
第一层，所述第一层包括单个有源压电层，所述第一层具有顶表面和底表面；
第二层，所述第二层包括单个有源压电层，所述第二层具有顶表面和底表面，所述第二层的底表面布置在所述第一层的顶表面上；
第三层，所述第三层包括单个有源压电层，所述第三层具有顶表面和底表面，所述第三层的底表面布置在所述第二层的顶表面上；以及
布置在所述第一层的底表面的至少一部分上的第一电极、布置在所述第一层的至少一部分和所述第二层之间的第二电极、布置在所述第二层的至少一部分和所述第三层之间的第三电极、布置在所述第三层的顶表面的至少一部分上的第四电极，
其中，所述第三电极被构造成比所述第二电极短，使得所述第二层的有源PZT长度和所述第三层的有源PZT长度短于所述第一层的有源PZT长度，借此：
在PZT扩展模式下，所述第二层和所述第三层的扩展小于所述第一层，导致所述微致动器弯曲成凹形形状并且产生冲程量的增加；以及
在PZT收缩模式下，所述第二层和所述第三层的收缩小于所述第一层，导致所述微致动器弯曲成凸形形状并且产生冲程量的增加。
9.根据权利要求8所述的微致动器，其特征在于，所述第三电极被构造成比所述第二电极短0.05mm到0.15mm。
10.根据权利要求8所述的微致动器，其特征在于，所述第三电极被构造成比所述第二电极短0.12mm。
11.根据权利要求8所述的微致动器，其特征在于：
所述第四电极被构造成比所述第三电极短0.10mm到0.30mm。
12.根据权利要求11所述的微致动器，其特征在于，所述第四电极被构造成比所述第三电极短0.20mm。
13.根据权利要求11所述的微致动器，其特征在于，所述第一层的单个有源压电层和所述第二层的单个有源压电层的有源长度比所述第三层的单个有源压电层的有源长度长0.10mm到0.30mm。
14.根据权利要求11所述的微致动器，其特征在于，所述第一层的单个有源压电层和所述第二层的单个有源压电层的有源长度比所述第三层的单个有源压电层的有源长度长0.20mm。
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