JP2006179119A - 積層圧電アクチュエータを用いた移動機構及びそのような移動機構を有する磁気ディスク装置 - Google Patents

積層圧電アクチュエータを用いた移動機構及びそのような移動機構を有する磁気ディスク装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、積層圧電素子の最外層となる圧電体層にも電圧を印加して積層圧電アクチュエータを効率的に駆動することを課題とする。
【解決手段】 磁気ディスク装置12の磁気ヘッドを有するスライダ16は、積層圧電アクチュエータ30を介してサスペンション18に取り付けられる。積層圧電アクチュエータ30は、2個の積層圧電素子32,34により構成され、スライダ16は積層圧電アクチュエータ30によりサスペンション18に対して移動される。積層圧電素子32,34は、圧電体層40と電極層42,44とを交互に積層して形成された積層体であり、その最外層として、電極層42A,44Aが設けられる。
【選択図】 図6

Description

本発明は圧電アクチュエータを用いた移動機構に係り、特に積層圧電アクチュエータを用いた磁気ヘッド移動用アクチュエータを用いて磁気ヘッドを微小移動させる微小移動機構を備えた磁気ディスク装置に関する。
近年、情報機器の小型化、精密化が進んでおり、微小な移動を精度よく実現できるアクチュエータへの需要が高まっている。例えば、光学系の焦点補正や傾角制御、インクジェットプリンタ装置、磁気ディスク装置のヘッドアクチュエータ等では、微小距離を移動制御することができるマイクロアクチュエータが必要となっている。
このような状況の中で、磁気ディスク装置に関し、市場の拡大と装置の高性能化に伴い、記録容量の大容量化が益々重要となってきている。一般に磁気ディスク装置の大容量化はディスク1枚あたりの記憶容量を大きくすることで達成される。ディスクの大きさ、すなわち直径を変えずに高記録密度を達成するためには、単位長さあたりのトラック数(TPI)を大きくすること、すなわち、トラックの幅を狭くすることが不可欠である。このため、トラックの幅方向におけるヘッドの位置精度を高くすることが必要であり、高位置決め精度が可能なヘッド用マイクロアクチュエータの開発が要望されている。
従来のヘッド位置決めには、ヘッド(スライダ)を保持しているサスペンションの固定部にあるコアアースアクチュエータが用いられていた。従来はこの方式でも媒体の記録密度を十分カバーできていた。しかし、近年の記録装置の大容量化にともなう記録密度の高密度化により、従来方式ではヘッドの位置決め精度が不十分となり、ヘッドの読み取り、書き込み不良が発生するおそれがある。
そこで、ヘッド位置決め精度を改善する方法として、スライダを直接移動させるマイクロアクチュエータをスライダとサスペンションの間に配置する方法が提案されている。マイクロアクチュエータはコアアースアクチュエータの動作とは独立にアームの先端に取り付けられたヘッドを微小移動させることが可能である。
上述のマイクロアクチュエータとして圧電素子を用いたアクチュエータが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照。)。特許文献1〜3に開示された圧電素子は、圧電体の両側に電極を配置して電圧を印加することで圧電体駆動する(歪ませる)アクチュエータであり、単層の圧電体層とそれを挟むように設けられた電極よりなっている。
ディスク装置のヘッド用アクチュエータとして圧電アクチュエータを用いる場合、なるべく低電圧で大きな歪み(すなわち駆動力)が得られることが好ましい。圧電体を低電圧で駆動するには、なるべく電極間の距離を小さくして複数の圧電体層を積層することが提案されている(例えば、特許文献4及び5参照。)。
特開2001−309673号公報 特開2003−61371号公報 特開2003−272324号公報 特開2002−74870号公報 特開2003−123426号公報
上述のように圧電体層を積層して形成した圧電アクチュエータに用いられる積層圧電素子の断面図を図1に示す。従来の積層圧電素子1は、電極層2,3を圧電体層4の間に配置して焼成することで積層体として形成されており、図1に示すように積層圧電素子1の最外層は圧電体層4となっている。すなわち、積層圧電素子1の最下層と最上層は、電極ではなく圧電体層4となっている。各電極層2は側面電極5に接続され、側面電極5から電圧が印加される。一方、各電極層3は側面電極6に接続され、側面電極6から電圧が印加される。
上述の図1に示すような積層圧電素子において、電極層2,3間に例えば30Vというような電圧を印加すると、各積層体層6が伸縮し、アクチュエータとして機能する。ここで、積層体の最下層と最上層は、電極層2,3ではなく圧電体層4となっており、この最下層と最上層の圧電体層4は電極層2,3により挟まれていないため、電圧は印加されない。したがって、最下層と最上層の圧電体層4には歪みは発生しない構造となっている。
以上のように、従来の積層圧電素子では、最下層と最上層の圧電体層4はアクチュエータとして機能しない部分であり、その分、圧電アクチュエータの厚みが大きくなってしまうという問題がある。加えて、最下層と最上層の圧電体層4は、電圧が印加されて他の圧電体層4が歪む際に、歪みを妨げるように作用するという問題もある。
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、積層体の最外層となる圧電体層にも電圧を印加して効率的に駆動することのできる積層圧電アクチュエータを用いた移動機構及びそのような移動機構を有する磁気ディスク装置を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明によれば、積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、該積層圧電アクチュエータを構成する積層圧電素子と、該積層圧電アクチュエータにより移動される移動部と、該積層圧電アクチュエータを支持する支持部とを有し、前記積層圧電素子は、圧電体層と電極層とを交互に積層して形成された積層体であって、その最外層の少なくとも一方は該電極層であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構が提供される。
上述の本発明による積層圧電アクチュエータを用いた移動機構において、前記最外層の電極層の表面に絶縁コーティングが施されていることが好ましい。また、前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを指示するサスペンションであり、2個の前記積層圧電素子が該スライダと該サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の各々の幅は前記スライダの幅の20%以下であることとしてもよい。さらに、前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを指示するサスペンションであり、2個の前記積層圧電素子が該スライダと該サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の間隔は前記スライダの幅の15%以下であることとしてもよい。
また、本発明によれば、上述の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構を有する磁気ディスク装置であって、前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを支持するサスペンションであり、前記積層圧電アクチュエータは前記スライダと前記サスペンションとの間に設けられて前記スライダを前記サスペンションに対して移動させることを特徴とする磁気ディスク装置が提供される。
上述の本発明によれば、従来の積層圧電素子の最外層であった圧電体層にも電圧を印加して駆動することができ、駆動できない圧電体層がなくなるため、積層圧電アクチュエータにより移動される移動部の変位量を増大することができる。
次に、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
図2は本発明を適用可能な磁気ディスク装置の平面図である。図2に示す磁気ディスク装置12は、回転可能な磁気ディスク14と、磁気ディスク14から情報を読み出したり磁気ディスク14に情報を書き込むための磁気ヘッドを有するスライダ16とを有する。
スライダ16はサスペンション18の先端(図3におけるジンバル部18a)に取り付けられており、サスペンション18の根元部分はキャリッジアーム20に固定されている。キャリッジアーム20は電磁アクチュエータ22によりアーム軸24を中心として回転される。これにより、スライダ16は磁気ディスク14の半径方向(図中矢印で示す)に移動可能である。
以上のような構成の磁気ディスク装置12において、図3に示すように、スライダ16とサスペンション18のジンバル部18aとの間に、微小移動機構としてマイクロアクチュエータ30が設けられる。マイクロアクチュエータ30は、第1の圧電素子32と第2の圧電素子34とよりなり、接着剤36によりジンバル部18a及びスライダ16に固定される。ここで、マイクロアクチュエータ30は積層圧電アクチュエータであり、ジンバル部18aは積層圧電アクチュエータが固定され支持される支持部に相当し、スライダ16は積層圧電アクチュエータにより移動又は回転される移動部に相当する。
具体的には、第1の圧電素子32の一端部の表面がジンバル部18aに接着され、第1の圧電素子32の他端部の裏面がスライダ16に接着される。また、第2の圧電素子34の一端部の表面がジンバル部18aに接着され、第2の圧電素子34の他端部の裏面がスライダ16に接着される。
第1の圧電素子32は電圧が印加されると図3中矢印A方向に収縮するように構成された積層圧電素子である。一方、第2の圧電素子34は電圧が印加されると図3中矢印B方向に収縮するように構成された積層圧電素子である。したがって、第1及び第2の圧電素子32,34に同時に電圧が印加されると、第1の圧電素子32が収縮すると同時に第2の圧電素子も収縮するため、スライダ16の先端側は図3中矢印Cで示す方向に移動し、後端側は図2中矢印Dで示す方向に移動する。すなわち、スライダ16は圧電素子32,34よりなるマイクロアクチュエータ20の中心を軸として僅かな角度だけ回転する。
上記回転移動によりスライダ16に組み込まれている磁気ヘッドを微小変位させることで、スライダ16に組み込まれた磁気ヘッッドの微細な位置合わせを行なうことができる。スライダ16の移動量は、マイクロアクチュエータ30の大きさや印加する電圧に依存するが、磁気ヘッドの微小移動を実現するには、例えば、スライダ16の角部(図3中16A及び16Bで示す)において1μm〜800nmに設定される。
以上のように、ヘッドが搭載されているスライダを、スライダの重心を中心として回転させることにより、磁気ディスクのトラックの幅方向へ微小移動させている。
図4は本発明の一実施例による積層圧電アクチュエータを用いた移動機構の斜視図である。図4に示す移動機構は、図3に示すスライダ16をジンバル部18aに対して移動するためのマイクロアクチュエータ30である。
第1及び第2の圧電素子32,34は、圧電体層と電極層を交互に積層して形成された積層体であり、所定の間隔でスライダ16上に配置され、上述のようにスライダ16及びジンバル部18aに接着剤により固定される。第1及び第2の圧電素子32,34は、同じ構造であり、表裏を逆にして背中あわせの状態で所定の間隔で配置される。
図5は第1の圧電素子32を拡大して示す斜視図である。図6は図5のVI−VI線に沿った断面図である。なお、第2の圧電素子34も第1の圧電素子と同じ構造を有しており、ここでは第1の圧電素子32を代表として説明する。
第1の圧電素子32は、圧電体層40と電極層42,44とを積層した積層体として形成される。本実施例では、電極層42に加えて、最外層(最下層)として電極層42Aが設けられる。電極層42Aは電極層42と同様に側部電極46に接続され、電極層42と同じ電圧が印加される。また、電極層44に加えて、最外層(最上層)として電極層44Aが設けられる。電極層44Aは電極層44と同様に側部電極48に接続され、電極層44と同じ電圧が印加される。
図6に示す本実施例による圧電素子と図1に示す従来の圧電素子とを比較すると明らかなように、本実施例による圧電素子は、従来の圧電素子では設けられていない最外層の電極層42A,44Aを有している。このため、第1の圧電素子32の側部電極46,48の間に電圧を印加すると、最外層の電極層42A,44Aの間の全ての圧電体層40が活性化され伸縮する(歪みが発生する)。すなわち、積層体の最外層として電極層を形成することで、従来のように活性化されない最外層の圧電体層がなくなり、全ての圧電体層が有効に活性化されてアクチュエータとして機能することとなる。
本発明者は、長さLs=1.25mm、幅Ws=1mmのスライダ用として上述の圧電アクチュエータを作成し、活性化されない最外層の圧電体層(不活性層と称する)がある場合(従来)と無い場合(本実施例)とで同じ電圧(30V)を印加してスライダの変位量を比較した。その結果、不活性層がある場合には、図4のX方向の変位量は572nmであったのに対し、不活性層がない本実施例の場合には、X方向の変位量は691nmであった。不活性層を無くすことにより同電圧の印加で20%も変位量を増大させることができた。言い換えれば、同じスライダの変位量を得るのであれば、圧電アクチュエータに印加する電圧を低減することができる。
以上は不活性層を無くすことによりスライダの変位量を増大させる、あるいは駆動電圧を低減する例であるが、上述の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構において、第1及び第2の圧電素子32,34の幅及び配置関係を改善することにより、スライダの変位量を増大させることができる。上述の実施例のように不活性層を無くすことだけでも十分スライダの変位量を増大させることができるが、圧電素子の幅を調整したり、二つの圧電素子の間隔を調整することで、より一層スライダの変位量を増大し、より低電圧での駆動が可能となる。
本発明者は、図4に示す積層圧電アクチュエータを用いた移動機構において、圧電素子の幅や配置を変化させてスライダの変位量を調べるべくコンピュータシムレーションを行なった。スライダ16の長さLsを1.25mm、幅Wsを1mmとし、積層圧電アクチュエータ(すなわち第1及び第2の圧電素子32,34)の駆動電圧を20Vとした。
図7は第1の圧電素子32と第2の圧電素子34の間隔D(図4参照)を変化させた場合のスライダ16のX方向変位量を示すグラフである。図7からわかるように、圧電素子の間隔Dが小さくなるほどX方向変位量は大きくなった。したがって、圧電素子の間隔Dはなるべく小さくすることが好ましいことがわかった。しかし、間隔Dを極端に狭くすると製造上の問題が発生して歩留まりが悪くなるおそれがある。そこで、現状では圧電素子の間隔Dを50μm〜100μmに設定することが好ましく、より好ましくは50μm程度に設定することがよいことがわかった。
図8は第1及び第2の圧電素子32,34の各々の幅Wp(図5参照)を変化させた場合のスライダ16のX方向変位量を示すグラフである。図8からわかるように、圧電素子の幅Wpが小さくなるほどX方向変位量は大きくなった。したがって、圧電素子の幅Wpはなるべく小さくすることが好ましいことがわかった。しかし、幅Wpを極端に狭くすると圧電素子の強度が不足して製造上の問題が発生するおそれがある。そこで、現状では圧電素子の幅Wpを125μm〜175μmに設定することが好ましいことがわかった。
以上のように、圧電素子の不活性層を無くすとともに、圧電素子の幅及び配置間隔を調整することで、スライダの変位量を増大させることができ、より低電圧での駆動が可能となる。
上述の実施例による積層圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。まず、圧電材料としてPNN−PT−PZセラミックスを用い、且つ電極材料としてAuを用いて第1及び第2の圧電素子32,34を形成した。より詳細には、PNN−PT―PZセラミックスグリーンシート上にAu電極をAuペースト用いて所望の枚数スクリーン印刷して積層した。その際用いたAuペーストにはPNN−PT−PZ粉末を30%混入した。その後、所定箇所をパンチングなどを用いて打ち抜き、大気中で1000℃で焼成して基板とした。
得られた基板は、駆動電極を形成した後、圧電素子の活性部の幅Wpをスライダ幅の20%以下となるように切断した。すなわち、スライダの幅Wsが1mmであるため、圧電素子の幅Wpをその20%である200μm以下とした。上述のコンピュータシムレーションでは圧電素子の幅Wpを125μm〜175μmに設定することが好ましという結果であったが、実際の製造上では上限にある程度余裕をとり、200μm以下(スライダ幅Wsの20%以下)とした。
ここでは、評価用のスライダが長さLs=1.25mm×幅Ws=1mmであったため、圧電素子(活性部)の幅Wpを150μmとなるように切断したが、所望の変位量が得られるような幅Wpであれば良い。
続いて、サスペンション上に2つの圧電素子32,34を、それらの間隔Dがスライダ幅Wsの15%以下となるように接着剤で固定した。上述のコンピュータシミュレーションでは圧電素子の間隔Dを50μm〜100μmに設定することが好ましという結果であったが、実際の製造上では上限にある程度余裕をとり、150μm以下(スライダ幅Wsの15%以下)とした。今回は2つの圧電素子32,34を50μmの間隔Dを空けて平行に実装し、その後スライダ16を圧電素子32,34に接着剤で固定して実装したが、所望の変位量が得られる間隔Dであれば良い。
得られた積層圧電アクチュエータを20Vの駆動電圧で駆動したところ、X方向に0.9μmの変位量が得られた。これは、従来の圧電アクチュエータを30Vで駆動した場合とほぼ同等の変位量であった。
以上のように、本実施例による積層圧電アクチュエータを用いた移動機構では、従来の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構より、低電圧で駆動しても大きな変位量を得ることができる。
なお、本実施例では第1及び第2の圧電素子32,34の最外層が電極層42A,44Aとなり、そのままではスライダ18のジンバル部18aに搭載した際に電極層42A,44Aがジンバル部18aやスライダ16の表面に接触して短絡するおそれがある。そこで、電極層42A,44Aに絶縁コーティング等を施して絶縁することが好ましい。あるいは、ジンバル部18aやスライダ16の表面に絶縁コーティング等を施すこととしてもよい。
また、第1及び第2の圧電素子32,34の間に間隔Dを設けて空隙としたが、この空隙に導電性の塵埃等が入り込んだ場合には第1及び第2の圧電素子32,34の間で短絡が生じるおそれがある。そこで、第1及び第2の圧電素子32,34の間に絶縁性及び柔軟性を有する樹脂やゴム、例えば、シリコンゴムやフッ素系のゴムを充填することとしてもよい。
以上のように本発明は以下の発明を開示する。
(付記1)積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
該積層圧電アクチュエータを構成する積層圧電素子と、該積層圧電アクチュエータにより移動される移動部と、該積層圧電アクチュエータを支持する支持部とを有し、
前記積層圧電素子は、圧電体層と電極層とを交互に積層して形成された積層体であって、その最外層の少なくとも一方は該電極層であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
(付記2)付記1記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
前記最外層の電極層の表面に絶縁コーティングが施されていることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
(付記3)付記1又は2記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを指示するサスペンションであり、2個の前記積層圧電素子が該スライダと該サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の各々の幅は前記スライダの幅の20%以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
(付記4)付記3記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
前記2個の積層圧電素子の間隔は前記スライダの幅の15%以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
(付記5)付記1又は2記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを指示するサスペンションであり、2個の前記積層圧電素子が該スライダと該サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の間隔は前記スライダの幅の15%以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
(付記6)付記1又は2記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構を有する磁気ディスク装置であって、
前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、
前記支持部は該スライダを支持するサスペンションであり、
前記積層圧電アクチュエータは前記スライダと前記サスペンションとの間に設けられて前記スライダを前記サスペンションに対して移動させることを特徴とする磁気ディスク装置。
(付記7)付記6記載の磁気ディスク装置であって、
2個の前記積層圧電素子が前記スライダと前記サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の各々の幅は前記スライダの幅の20%以下であることを特徴とする磁気ディスク装置。
(付記8)付記7記載の磁気ディスク装置であって、
前記2個の積層圧電素子の間隔は前記スライダの幅の15%以下であることを特徴とする磁気ディスク装置。
(付記9)付記6又は7記載の磁気ディスク装置であって、
2個の前記積層圧電素子が前記スライダと前記サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の間隔は前記スライダの幅の15%以下であることを特徴とする磁気ディスク装置。
従来の積層圧電アクチュエータの積層圧電素子の断面図である。 本発明を適用可能な磁気ディスク装置の平面図である。 図2に示すサスペンションの先端部分の構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例による積層圧電アクチュエータを用いた移動機構の斜視図である。 本発明の一実施例による圧電素子の斜視図である。 図5に示す圧電素子のVI−VI線に沿った断面図である。 圧電素子の間隔を変化させた場合のスライダのX方向変位量を示すグラフである。 圧電素子の幅を変化させた場合のスライダのX方向変位量を示すグラフである。
符号の説明
16 スライダ
18 サスペンション
18a ジンバル部
30 マイクロアクチュエータ
32 第1の圧電素子
34 第2の圧電素子
40 圧電体層
42,42A,44,44A 電極層
46,48 側面電極

Claims (5)

  1. 積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
    該積層圧電アクチュエータを構成する積層圧電素子と、該積層圧電アクチュエータにより移動される移動部と、該積層圧電アクチュエータを支持する支持部とを有し、
    前記積層圧電素子は、圧電体層と電極層とを交互に積層して形成された積層体であって、その最外層の少なくとも一方は該電極層であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
  2. 請求項1記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
    前記最外層の電極層の表面に絶縁コーティングが施されていることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
  3. 請求項1又は2記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
    前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを指示するサスペンションであり、2個の前記積層圧電素子が該スライダと該サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の各々の幅は前記スライダの幅の20%以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
  4. 請求項1又は2記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構であって、
    前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、前記支持部は該スライダを指示するサスペンションであり、2個の前記積層圧電素子が該スライダと該サスペンションとの間に互いに平行に配置され、前記積層圧電素子の間隔は前記スライダの幅の15%以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータを用いた移動機構。
  5. 請求項1乃至4のうちいずれか一項記載の積層圧電アクチュエータを用いた移動機構を有する磁気ディスク装置であって、
    前記移動部は磁気ヘッドを有するスライダであり、
    前記支持部は該スライダを支持するサスペンションであり、
    前記積層圧電アクチュエータは前記スライダと前記サスペンションとの間に設けられて前記スライダを前記サスペンションに対して移動させることを特徴とする磁気ディスク装置。
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