JP2008196926A - 圧電センサ装置及び記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体膜を一対の電極で挟んだ構造の圧電センサの感度を長期間にわたって良好な状態に維持することができ、信頼性の高い測定が可能な圧電センサ装置、及びその圧電センサ装置を内蔵する記録装置を提供する。
【解決手段】圧電センサ１０と電源２４との間にスイッチ２３ａを接続し、チャージアンプ２２と電源２４との間にスイッチ２３ｂを接続する。これらのスイッチ２３ａ，２３ｂは、タイマ２６によりオン−オフが制御される。圧電センサ１０により応力を検出する際には、スイッチ２３ａがオフ、スイッチ２３ｂがオンとなる。一定の時間が経過すると、タイマ１０によりスイッチ２３ａがオン、スイッチ２３ｂがオフとなって、圧電センサ１０を構成する圧電体膜に抗電界以上の電界が印加する分極処理が実施される。この分極処理より、圧電センサ１０の感度が回復する。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電体膜を一対の電極で挟んだ構造の圧電センサを有する圧電センサ装置及びその圧電センサ装置を内蔵する記録装置に関する。

圧電センサは、応力の印加により感知部に歪が発生し、その歪の大きさに応じた電気信号を出力する。また、圧電センサは、振動や衝撃により感知部に歪が発生して電気信号を出力するので、振動センサ又は衝撃センサとして使用されることもある。圧電センサでは、感知部の歪の大きさに応じた信号が出力されるので、通常感知部の厚さが薄いほど感度が高くなる。しかし、一般的な圧電センサはバルク材で構成されており、感知部の厚さを１０μｍ以下にすることは極めて困難である。

近年の情報機器には、小型化とともに高機能化が要求されており、圧電センサ（振動センサ）やジャイロセンサ等を内蔵することが検討されている。また、光ディスク装置や磁気ディスク装置等の記録装置では、ヘッドの浮上量を精密に制御するために、圧電センサを内蔵することが検討されている。

このような用途に好適な超小型且つ高感度の圧電センサとして、薄膜技術を用いて形成された圧電体膜を一対の電極間に挟んだ構造のフィルム状圧電センサが開発されている。一般的に圧電体は抗電界以上の電圧を印加する分極処理により圧電性を示すようになるが、フィルム状圧電センサの場合は、圧電体を成膜した直後から自発分極が存在することもある。しかし、その場合も分極処理を行ったほうが分極量が増大し、圧電センサの感度が上昇する。

なお、本願発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献１〜４に記載されたものがある。特許文献１には、ＰｂＴｉＯ₃又はＢａＴｉＯ₃を含むペロブスカイト構造の圧電性酸化膜を一対の白金電極の間に挟んだ構造の圧電センサが記載されている。また、特許文献２には、フォトリソグラフィ法によりウエハを加工して圧電センサを製造することが記載されている。

特許文献３には、圧電体薄膜を用いて磁気ヘッドをトラック方向に移動させるアクチュエータを備えた磁気ディスク装置が記載されている。また、特許文献４には、一対の電極間に反強誘電体膜（圧電・電歪材料膜）を挟んだ構造の衝撃（圧電）センサが記載されている。この特許文献４の圧電センサでは、反強誘電体膜を形成した後、抗電界以上の電界を印加して層転移させ、形状記憶状態（蓄電状態）とする。これにより、衝撃が加えられたときに反強誘電体膜に蓄積されていた電荷が放出され、電気出力が得られる。
特開平９−１８１３６９号公報 特開２００１−３５８３７５号公報 特開２００５−１２３４２１号公報 特開平７−８３９５０号公報

バルク材で構成された圧電センサでは、分極特性の経時的な劣化は殆どない。しかし、薄膜技術を用いて形成されたフィルム状圧電センサでは、圧力の検出や温度の変化に伴って基板から受ける応力の影響により分極特性が経時的に劣化し、感度が低下するという問題点がある。

本発明の目的は、圧電体膜を一対の電極で挟んだ構造の圧電センサの感度を長期間にわたって良好な状態に維持することができ、信頼性の高い測定が可能な圧電センサ装置、及びその圧電センサ装置を内蔵する記録装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、圧電体膜を一対の電極で挟んだ構造の圧電センサと、一定の時間毎に前記圧電センサの前記圧電体膜に抗電界以上の電界を印加する電子回路とを有する圧電センサ装置が提供される。

圧電センサを構成する圧電体膜はその分極量が経時的に減少し、それに伴って圧電センサの感度が低下する。圧電センサの圧電体膜に抗電界以上の電界を印加する分極処理を実施すると、圧電体膜の分極量が回復し、圧電センサの感度も回復する。本発明においては、電子回路により上記の分極処理を一定の時間毎に実施するので、圧電センサの検出感度を長期間にわたって良好な状態に維持することができ、信頼性の高い測定が可能となる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

（圧電センサ）
図１（ａ）はフィルム状圧電センサを示す斜視図、図１（ｂ）は同じくその圧電センサの感知部の断面図である。

本願発明者等は、フィルム状圧電センサの感度の経時的変化を調べるべく、図１（ａ），（ｂ）に示すようなユニモルフ型のフィルム状圧電センサ１０を作成した。この圧電センサ１０は短冊状に形成されており、一方の端部が基材１１に固定されている。感知部１３の幅Ｗは１．０ｍｍ、長さＬは２．０ｍｍであり、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ（シリコン）基板１２の上にＰｔ（白金）からなる下部電極１４と、ＰＺＴからなる圧電体膜１５と、Ｐｔからなる上部電極１６とを積層して形成している。圧電体膜１５の厚さは１．５μｍであり、ゾルゲル法により形成している。

この圧電センサ１０に２０Ｖの電圧を印加して分極処理を施し、ＬＣＲメータを使用して静電容量を測定した。圧電体膜の分極量が大きくなると比誘電率が大きくなるため、圧電センサ１０の静電容量も増加する。従って、圧電センサ１０の静電容量を測定することにより、圧電体膜の分極量を知ることができる。

本願発明者等は、分極処理後から１３００時間にわたって圧電センサ１０の静電容量の変化を調べた。その結果を図２に示す。この図２に示すように、分極処理直後の圧電センサ１０の静電容量はほぼ１８ｎＦであったが、時間の経過とともに静電容量が減少することが確認された。これは、時間の経過とともにフィルム状圧電センサ１０の感度が低下することを意味している。

下記表１は、分極処理を行った直後の圧電センサ１０に対し加振器により振動を加えて感度を測定した結果を示している。

この表１に示すように、分極処理直後の圧電センサ１０の感度は２．３ｐＣ／Ｇであった。一方、分極処理から１３００時間経過した後の圧電センサ１０に対し、同様に加振器により振動を加えて感度を測定した結果、圧電センサ１０の感度は２．０ｐＣ／Ｇであった。このことから、フィルム状圧電センサの感度は、時間の経過とともに低下することが確認された。

次に、本願発明者等は、温度によるフィルム状圧電センサ１０の特性の変化を調べた。すなわち、圧電センサ１０を分極処理した直後に静電容量を測定し、更に７０℃の温度で５分程度加熱した後、常温に戻して静電容量を測定した。その結果を、下記表２に示す。

この表２に示すように、加熱前のフィルム状圧電センサの静電容量は１８ｎＦであったが、加熱後の静電容量は１５ｎＦであった。このことから、フィルム状圧電センサは、温度の変化によっても感度が低下することが確認された。

上述したように、分極処理を行った直後の圧電センサ１０の静電容量は１８ｎＦであったが、この圧電センサ１０の静電容量を分極処理から４０時間経過した後に測定すると１６ｎＦとなった。この圧電センサ１０に対し再度分極処理を実施した後、静電容量を測定すると１８ｎＦに戻った。このように、感度が低下した圧電センサに対し分極処理を実施すると静電容量が元に戻ることから、感度も回復するものと考えられる。

上述したように、圧電体膜を用いたフィルム状圧電センサでは、感度が低下しても分極処理を実施することにより、感度を回復することができる。逆に、一定の時間間隔で分極処理を実施すれば、圧電センサの感度の低下を回避できて、常に良好な感度で応力を検出することが可能になる。分極処理している間は応力を検出することができないため、分極処理を実施する時間間隔が短い場合は応力の検出に支障が発生するおそれがある。しかし、本願発明者等の実験結果から、分極処理してから１時間経過した時点では、フィルム状圧電センサの静電容量は殆ど変化していないことが判明している。従って、分極処理を行う時間間隔は１時間以上でよい。

次に、本願発明者等は、フィルム状圧電センサの分極処理に必要な電圧について考察を行った。フィルム状圧電センサは、印加された応力に応じた電荷を出力する。このため、圧電センサの出力はチャージアンプに入力され、そのチャージアンプにより電圧に変換されて検出回路に出力される。チャージアンプの駆動電圧と分極処理時に圧電センサに印加する電圧とが異なる場合は２種類の電源が必要となり、高コスト化の原因となる。チャージアンプの駆動電源と圧電センサの分極処理に用いる電源とを共通化するためには、電源電圧をＶcc、圧電体膜の厚さをｔ、圧電体膜の抗電界をＥｃとすると、ｔ≦Ｖcc／Ｅｃの関係を満足させることが必要となる。

前述の実験に用いたフィルム状圧電センサ１０のＰ−Ｅ（分極−印加電圧）ヒステリシス特性を測定した結果、圧電体膜の抗電界（Ｅｃ）は３３ｋＶ／ｃｍであることが判明した。チャージアンプの駆動電圧（Ｖcc）を５Ｖとすると、上述の不等式から、圧電体膜の厚さ（ｔ）を１．５μｍとすることにより、チャージアンプの駆動電源と圧電センサの分極処理に用いる電源とを共通化できることが判明した。この厚さの圧電体膜は、ゾルゲル法又はその他の方法で比較的容易に形成することが可能である。

（圧電センサ装置）
図３は、本発明の実施形態に係る圧電センサ装置を示す回路図である。

圧電センサ１０は、図１に示すように、圧電体膜（ＰＺＴ）を一対の電極で挟んだ構造のフィルム状圧電センサである。この圧電センサ１０の一方の端子（電極）は、チャージアンプ２２の入力端、及びスイッチ回路２３のスイッチ２３ａの一方の端子にそれぞれ接続されている。また、圧電センサ１０の他方の端子は、接地配線を介して電源２４の負極側に接続されている。

チャージアンプ２２は、演算増幅器２７と、この演算増幅器２７の入力端と出力端との間に接続されたコンデンサ２８とにより構成されている。このチャージアンプ２２の出力端（演算増幅器２７の出力端）は出力端子２５に接続されている。また、チャージアンプ２２の一方の電源端子は、スイッチ回路２３のスイッチ２３ｂの一方の端子に接続されており、他方の電源端子は接地線を介して電源２４の負極側に接続されている。

電源２４は、その負極側が接地配線に接続されており、正極側がスイッチ回路２３のスイッチ２３ａ，２３ｂの他方の端子に接続されている。これらのスイッチ２３ａ，２３ｂは、タイマ２６によりオン−オフ制御される。但し、スイッチ２３ａとスイッチ２３ｂとは排他的に駆動され、スイッチ２３ａがオンのときにはスイッチ２３ｂはオフとなり、スイッチ２３ａがオフのときにはスイッチ２３ｂはオンになる。

スイッチ２３ａがオフ、スイッチ２３ｂがオンのときは応力検出モードとなる。この応力検出モードでは、圧電センサ１０に印加された応力に応じた電圧が出力端子２５から出力される。

一方、スイッチ２３ａがオン、スイッチ２３ｂがオフのときは分極処理モードとなる。この分極処理モードでは、電源２４からスイッチ２３ａを介して圧電センサ１０に電圧が印加され、圧電体膜が分極処理される。このとき、チャージアンプ２２には駆動電圧が供給されないため、出力端子２５から信号は出力されない。

本実施形態では、応力検出モードが１時間継続した後、分極処理に要する時間だけ分極処理モードとなり、その後再び応力検出モードに戻るという動作を繰り返す。通常、分極処理に要する時間は最長で１秒程度である。

（磁気記録装置）
図４は、本発明の実施形態に係る磁気記録装置（磁気ディスク装置）を示す平面図である。

磁気記録装置３０は、その筐体内に、円盤状の磁気記録媒体（磁気ディスク）３１と、磁気記録媒体３１を回転させるスピンドルモータ（図示せず）と、磁気ヘッド３２と、磁気ヘッド３２を保持するサスペンション３３と、サスペンション３３を磁気記録媒体３１の半径方向に駆動制御するアクチュエータ３４と、スピンドルモータ及びアクチュエータ３４を駆動制御するとともに磁気ヘッド３２を介して磁気記録媒体３１に対しデータの書き込み及び読み出しを行う電子回路３５とを有している。なお、磁気ヘッド３２は、電気信号を磁気信号に変換する書き込み素子（インダクティブヘッド）と、磁気信号を電気信号に変換する読み出し素子（磁気抵抗効果素子）とを備えている。

スピンドルモータにより磁気記録媒体３１が高速で回転すると、磁気記録媒体３１の回転によって生じる空気流により、磁気ヘッド３２は磁気記録媒体３１から若干浮上する。その状態でアクチュエータ３４により磁気ヘッド３２が磁気記録媒体３１の半径方向に移動し、磁気記録媒体３１に対してデータの書き込み又は読み出しが行われる。サスペンション３３又はＨＧＡ（ヘッドジンバルアセンブリ）には、後述するように圧電センサが取り付けられており、磁気ヘッド３２の浮上量の変動を検出する。

図５（ａ）、（ｂ）は、サスペンション３３と、そのサスペンション３３に取り付けた圧電センサ１０及び磁気ヘッド３２を示す斜視図である。図５（ａ）は圧電横効果を利用して磁気ヘッド３２の浮上量の変動を検出するものであり、図５（ｂ）は圧電縦効果を利用して磁気ヘッド３２の浮上量の変動を検出するものである。

図５（ａ）の例では、磁気ヘッド３２の浮上量が変動するとサスペンション３３が撓み、同時に圧電センサ１０も撓むため、その撓み量に応じて圧電センサ１０に電荷が発生する。この電荷は、サスペンション３３の面上に形成された配線３３ａを介してチャージアンプに伝達される。ここでは、チャージアンプ及びスイッチ回路（図３参照）は電子回路３５内に組み込まれているものとする。また、配線３３ａとサスペンション３３とは、それらの間に介在するポリイミド等の絶縁層により電気的に絶縁されている。なお、圧電センサ１０の接地側の端子をサスペンション３３に接続し、サスペンション３３を接地配線として使用してもよい。

図５（ｂ）の例では、磁気ヘッド３２の浮上量が変動する際に圧電センサ１０に応力が印加されるため、応力に応じた電荷が圧電センサ１０に発生する。この電荷は、図５（ａ）に示す例と同様に、サスペンション３３の面上に形成された配線（図示せず）を介してチャージアンプに伝達される。

なお、圧電センサ１０は、衝撃が加えられたときに磁気ヘッド３２を退避するための退避センサや、磁気ヘッド３２の上下方向及び左右方向の振動を検出する振動センサとして使用することもできる。

（圧電センサ装置の動作）
図６は、上述の磁気記録装置に組み込まれた圧電センサ装置の動作を示すフローチャートである。この図６と図３及び図４とを参照して、圧電センサ装置の動作を説明する。

まず、ステップＳ１１において、タイマ２６が計時を開始する。タイマ２６が計時している間は、電子回路３５によりスピンドルモータ、アクチュエータ３４及び磁気記ヘッド３２が駆動され、磁気記録媒体３１へのデータの書き込み及び磁気記録媒体３１からのデータの読み出しが行われる。また、スイッチ２３ａはオフ、スイッチ２３ｂはオン状態となり、チャージアンプ２２に駆動電圧が供給される。そして、圧電センサ１０に印加された応力に応じた電圧がチャージアンプ２２から出力される。

その後、一定の時間（ここでは１時間）経過すると、ステップＳ１２においてタイマ２６がタイムアップする。これによりステップＳ１３に移行し、割り込み信号が発生する。

この割り込み信号によりステップＳ１４に移行し、磁気ヘッド３２のドライブが中断される。そして、ステップＳ１５に移行し、磁気ヘッド３２を磁気記録媒体３１上から所定の位置に退避（アンロード）させる。

次に、ステップＳ１６に移行し、スイッチ２３ａがオン、スイッチ２３ｂがオフとなる。これにより、ステップＳ１７に移行し、圧電センサ１０がスイッチ２３ａを介して電源２４に接続される。そして、圧電センサ１０の圧電体膜に抗電界以上の電界が印加されて、分極処理が行われる。

分極処理が完了したら、ステップＳ１８に移行し、スイッチ２３ａがオフ、スイッチ２３ｂがオンになる。その後、ステップＳ１９に移行し、磁気ヘッド３２が磁気記録媒体３１上にロードされ、ステップＳ２０においてヘッドドライブが再開される。このようにして磁気ヘッド３２のドライブが再開されると、ステップＳ１１に戻り、タイマ２６がリセットされて計時を開始する。その後、上述の各ステップを繰り返し、一定の時間毎に圧電センサ１０の圧電体膜に対し分極処理が実施される。

本実施形態では、一定の時間毎に圧電センサ１０の圧電体膜に対し分極処理が自動的に実施されるので、圧電センサ１０の感度を長期間にわたって良好な状態に維持することができる。従って、圧電センサ１０による検出結果の信頼性が著しく向上するという効果を奏する。

また、本実施形態によれば、圧電センサ２１の分極処理に使用する電源とチャージアンプ２２の駆動電源とを共通化しているので、電源回路が簡素化され、コストの上昇が回避される。

なお、上述の実施形態では圧電センサを構成する圧電体膜がＰＺＴ膜である場合について説明したが、本発明はＰＺＴ以外の圧電効果を示す材料からなる圧電体膜を有する圧電センサにも適用することができる。また、上述の実施形態では本発明を磁気記録装置に適用した場合について説明したが、本発明は光ディスク装置に適用することもできる。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）圧電体膜を一対の電極で挟んだ構造の圧電センサと、
一定の時間毎に前記圧電センサの前記圧電体膜に抗電界以上の電界を印加する電子回路と
を有することを特徴とする圧電センサ装置。

（付記２）前記電子回路が、電源と、前記電源と前記圧電センサとの間に配置されたスイッチ回路と、設定された時間に応じて前記スイッチ回路を制御するタイマとを有することを特徴とする付記１に記載の圧電センサ装置。

（付記３）前記電子回路が、更に前記圧電センサの出力を電圧に変換するチャージアンプを有し、該チャージアンプの駆動電圧が前記スイッチ回路を介して前記電源から供給されることを特徴とする付記２に記載の圧電センサ装置。

（付記４）前記電源の電圧をＶcc、前記圧電体膜の抗電界をＥｃ、前記圧電体膜の厚さをｔとしたときに、ｔ≦Ｖcc／Ｅｃを満足することを特徴とする付記３に記載の圧電センサ装置。

（付記５）前記タイマは、前記圧電体膜の抗電界以上の電界を印加するときに前記スイッチ回路を制御して、前記チャージアンプへの駆動電圧の供給を停止することを特徴とする付記３に記載の圧電センサ装置。

（付記６）前記圧電体膜がＰＺＴからなり、その厚さが１．５μｍ以下であることを特徴とする付記１に記載の圧電センサ装置。

（付記７）前記圧電体膜に前記抗電界以上の電界を印加する処理を実施する時間間隔が１時間以上であることを特徴とする付記１に記載の圧電センサ装置。

（付記８）ディスク状の記録媒体と、
前記記録媒体に対しデータの書き込み又は読み出しを行うヘッドと、
前記ヘッドを保持するサスペンションと、
前記サスペンションを駆動するアクチュエータと、
圧電体膜と該圧電体膜を挟んで配置された一対の電極とにより構成されて前記サスペンションに取り付けられた圧電センサと、
一定の時間毎に前記圧電センサの前記圧電体膜に抗電界以上の電界を印加する電子回路と
を有することを特徴とする記録装置。

（付記９）前記電子回路は、前記圧電体膜に抗電界以上の電界を印加するときに、前記アクチュエータを制御して前記ヘッドを前記記録媒体上から退避させることを特徴とする付記８に記載の記録装置。

（付記１０）前記圧電センサが、前記ヘッドの浮上量の変動を検出するものであることを特徴とする付記８に記載の記録装置。

図１（ａ）はフィルム状圧電センサを示す斜視図、図１（ｂ）は同じくその圧電センサの感知部の断面図である。 図２は、分極処理後から１３００時間にわたって圧電センサの静電容量の変化を調べた結果を示す図である。 図３は、本発明の実施形態に係る圧電センサ装置を示す回路図である。 図４は、本発明の実施形態に係る磁気記録装置を示す平面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、サスペンションに取り付けた圧電センサ及び磁気ヘッドを示す斜視図である。 図６は、磁気記録装置に組み込まれた圧電センサ装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…圧電センサ、
１１…基材、
１２…Ｓｉ基板、
１３…感知部、
１４…下部電極、
１５…圧電体膜、
１６…上部電極、
２２…チャージアンプ、
２３…スイッチ回路、
２３ａ，２３ｂ…スイッチ、
２４…電源、
２５…出力端子、
２６…タイマ、
２７…演算増幅器、
２８…コンデンサ、
３０…磁気記録装置、
３１…磁気記録媒体、
３２…磁気ヘッド、
３３…サスペンション、
３４…アクチュエータ、
３５…電子回路。

Claims (5)

1. 圧電体膜を一対の電極で挟んだ構造の圧電センサと、
   一定の時間毎に前記圧電センサの前記圧電体膜に抗電界以上の電界を印加する電子回路と
   を有することを特徴とする圧電センサ装置。
2. 前記電子回路が、電源と、前記電源と前記圧電センサとの間に配置されたスイッチ回路と、設定された時間に応じて前記スイッチ回路を制御するタイマとを有することを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ装置。
3. 前記電子回路が、更に前記圧電センサの出力を電圧に変換するチャージアンプを有し、該チャージアンプの駆動電圧が前記スイッチ回路を介して前記電源から供給されることを特徴とする請求項２に記載の圧電センサ装置。
4. 前記電源の電圧をＶcc、前記圧電体膜の抗電界をＥｃ、前記圧電体膜の厚さをｔとしたときに、ｔ≦Ｖcc／Ｅｃを満足することを特徴とする請求項３に記載の圧電センサ装置。
5. ディスク状の記録媒体と、
   前記記録媒体に対しデータの書き込み又は読み出しを行うヘッドと、
   前記ヘッドを保持するサスペンションと、
   前記サスペンションを駆動するアクチュエータと、
   圧電体膜と該圧電体膜を挟んで配置された一対の電極とにより構成されて前記サスペンションに取り付けられた圧電センサと、
   一定の時間毎に前記圧電センサの前記圧電体膜に抗電界以上の電界を印加する電子回路と
   を有することを特徴とする記録装置。

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