JP3119253B2 - 圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ディスク装置
の圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータに
関し、特に磁気ヘッドの位置決めを行うためのアクチュ
エータに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスク装置の記録密度向上は、磁
気ディスクの周方向記録ビット密度（いわゆるＢＰＩ）
及び半径方向トラック密度（いわゆるＴＰＩ）を上げる
ことで達成されてきた。特にＭＲ再生専用ヘッドの採用
からビット密度の向上がめざましく、MRヘッドから、ス
ピンバルブヘッド、ＧＭＲヘッドへ至る開発によって、
年率60%の記録密度上昇を維持している。しかしなが
ら、磁気ヘッドスライダの浮上量も媒体突起高さに限り
なく近づき、且つ、ディスク回転数の上昇と共にR/Wチ
ャネル転送レートもかなり高く、現在使用されているR/
WチャネルICでは追いつけない領域に近づきつつある。

【０００３】そこで、最近ではトラック密度を上げる方
向に開発が進みつつある。一般にトラック密度向上に関
してはディスクの小型化によってなされてきた。すなわ
ち部品を小型化する事で振動振幅を抑制し、さらに振動
周波数を高帯域化する事で、制御帯域を上げて位置決め
精度を確保するのである。一方、大容量、高速転送レー
トが必要な機種に関しては、従来の3.5"サイズで、1000
0(rpm)以上が求められており、アクチュエータ等の位置
決め機構系部品の高剛性化を進めても十分な位置決め精
度を確保する事が困難であって、トラック密度を上げる
事は、容易なことではなかった。そこで、アクチュエー
タを小型化するのではなく、微小変位対応の小型アクチ
ュエータをメインアクチュエータに搭載することによっ
て追従する周波数帯域を分担して、位置決め精度の向上
を果たそうとする考え方が広がっている。いわゆるマイ
クロアクチュエータを付加した２段位置決め機構系の導
入である。

【０００４】この微小変位アクチュエータ形式には、ま
ずサスペンション駆動型、スライダ駆動型、及び磁気ヘ
ッド駆動型に分類され、最近ではサスペンション駆動型
として"Flexural Piggyback Actuator for Magnetic Di
sk Drives", 小金沢新冶他日本機械学会、IIP'96情報・
知能・精密機器部門講演会 講演論文集に示すVCM型や"
DUAL STAGE ACTUATOR SYSTEM FOR MAGNETIC DISK DRIVE
S USINGA SHEAR MODE PIEZOELECTRIC MICRO-MOTOR", S.
Koganezawa.et.al FUJITSU Ltd., Asia-Pacific Magnet
ic Recording Conference(APMRC) 1998 FB-03に示す圧
電素子駆動型、スライダ駆動型として”PIEZOELECTRIC
PIGGY-BACK MICROACTUATOR FOR HARDDISK DRIVE", Y.So
eno,et,al., TDK Cor, APMRC 1998 FB-02に示す圧電素
子駆動型、磁気ヘッド駆動型として"A MICRO-ACTUATOR
FOR HEAD POSITIONING SYSTEMOF HARD DISKDRIVES", H.
FUJITA.et.al The University of Tokyo, APMRC1998 FB
-06に示す静電型の研究開発が活発に行われている。こ
の中で最後に述べたヘッド駆動型が微小変位アクチュエ
ータの究極型であって、より高トラック密度に対応可能
であるが、可動範囲が小さいため高トラック密度のみし
か対応できない事と、磁気ヘッドスライダとの一体成形
が求められるため、使用材料の制限がかなりある。スラ
イダ駆動型は、サスペンションの振動特性を考慮する必
要がなく、固体素子であるため、主共振周波数をかなり
高く設定することが可能であるが、圧電素子をスライダ
背面に接続するため実質的にスライダ厚が大きくなっ
て、装置全体の厚さを増加させてしまう。更に可動範囲
を広げるためには圧電素子を積層化しなければならず、
そのために駆動周波数の低下、駆動変位の非線形化が拡
大してしまう。駆動周波数に関してはそれでも20〜30(k
Hz) なので問題はないが、変位の非線形性が制御性能に
及ぼす影響はかなり大きい。

【０００５】これに対して、25000TPI〜40000TPIのトラ
ック密度、可動範囲±２（μｍ）程度を目標とする場
合、特に駆動範囲を確保するという観点からは、変位拡
大機構としてサスペンションそのものを利用できるサス
ペンション駆動型微小変位アクチュエータが有望であ
る。その中での選択肢としては先に述べたようにVCM 型
と圧電素子駆動型がある。VCM 型は１段目のアクチュエ
ータと同じ形式でり、安価な電源回路で駆動可能である
という利点がある。しかしながら入力電流に対して制御
できる物理量が加速度であるため、変位量を制御するた
めに２回積分が必要となるので、２〜３ (kHz)程度の制
御帯域を確保するための磁気ディスク上に記録するサー
ボデータ数が増加して、フォーマット効率が低下すると
いう欠点がある。一方圧電素子では入力電圧に対して制
御できる物理量が変位であるため、VCM 型に対してサー
ボデータ数が少なくて済むのでフォーマット効率が上昇
し、結果として記録容量を増加させる事ができる。ま
た、変位拡大機構を使用するため、単層あるいは単結晶
圧電素子が利用でき、変位の非線形性をかなり改善する
事が可能である。但し問題は、駆動電圧が高く、通常±
30〜40(V) になり外部よりこの電源電圧が供給できない
場合は昇圧回路を新たに設ける必要があり、その分コス
ト高となる。以上の様にどちらの形式においても一長一
短があるが、高TPI化による記録密度（容量）向上を狙
う場合には、圧電素子駆動型が有利になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近の磁気ディスク装
置の性能要求仕様として、耐衝撃性が特に重視されてき
ている。これは装置の輸送やＰＣへの組み込みはもとよ
り、実際の使用環境においてもかなり装置に対して衝撃
が加わる事が多くなっており、特に2.5"以下の磁気ディ
スク装置では、携帯機器に搭載される事がほとんどであ
るため、更に高い耐衝撃仕様が求められている。耐衝撃
性を高めるには、装置内の各部品の耐衝撃特性を高める
と共に、部品間の相対変位特性も重要となっているが、
記録データの損傷という観点からみると、衝撃によって
磁気ディスク上にてスライダが跳躍し、ディスクに再衝
突する場合が最も問題となる。この場合、耐衝撃性を高
めるためには、スライダ・サスペンションアセンブリの
等価質量を軽減すると共にサスペンションがスライダに
加える荷重を増加させることが最も効果的である。ま
た、装置非動作時にスライダ・サスペンション部分をデ
ィスク外に位置させるヘッド・ロードアンロード機構を
設けると、装置非動作時だけではあるが、耐衝撃性を飛
躍的に高めることができる。

【０００７】ここで、圧電素子駆動型微小変位アクチュ
エータを考えると、図７に示す圧電素子の長さモードを
利用する形状の場合、変位拡大機構との接続は細長い棒
形状圧電素子の両端部分の接着となるため、サスペンシ
ョン荷重が大きいと圧電素子接着端は撓み変形等による
応力が集中しやすい。さらに圧電素子の弾性変形領域は
かなり小さいため、変形量が大きいと破断する可能性が
非常に高い。ここで、更に衝撃を受ける場合には、短時
間にかなりの変形が伴うため、圧電素子に加わる応力は
容易に弾性変形限界を越えて破断に至る可能性が非常に
高い。また、圧電素子が応力衝撃を受けた場合、電荷が
発生するので、例えば装置非動作時に圧電素子が短絡さ
れていない状態で衝撃が加わり続けると、圧電素子の両
電極表面に電荷が蓄積する。そしてその電荷によって、
圧電素子両端の電圧が駆動電圧を越えてしまうと、装置
動作開始時に圧電素子から駆動回路系に過大な電圧が加
わって最悪の場合、駆動回路を破損する可能性がある。

【０００８】一方、図８に示す圧電素子の厚みすべりモ
ードを利用する形状の場合は、高荷重条件での圧電素子
の破断に関してはほとんど問題はないが、変位拡大機構
部分が変形する可能性が高い。本発明は係る課題を解決
するため、圧電素子駆動型微小変位アクチュエータの圧
電素子部分及び変位拡大機構部分に変位拘束機構を設け
て衝撃時の塑性変形や破壊を防止し、耐衝撃性の高い磁
気ディスク装置を提供する事を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電素子駆動
型微小変位磁気ヘッドアクチュエータの、圧電素子及び
／または変位拡大機構の上方に、シーク方向と概ね直交
する方向の変位を拘束する変位拘束機構を設置して耐衝
撃特性を付与したことを特徴とする圧電素子駆動型微小
変位磁気ヘッドである。前述の通り圧電素子等の耐衝撃
性は近年における特に2.5"以下の磁気ディスク装置で要
求される主要な性能のうちの一つである。圧電素子は通
常ベース上に設置され、ベース自体との接触による損傷
は起こり得ないが、外力が加えられるとベースと対して
直交方向に、つまりシーク方向と概ね直交する方向に変
位して圧電素子等自身が弾性限界を超える場合や、他の
部品と接触または衝突する場合には、圧電素子等が損傷
してしまう。従って本発明ではこの圧電素子等自身の変
形抑制とと他の部品との衝突等を回避するために、該圧
電素子等の周囲に該圧電素子等自身の変形抑制と他の部
品との衝突や接触を防止する変位拘束機構を設置して前
記圧電素子等を保護しようとするものである。

【００１０】この変位拘束機構は、ベースの基部側の表
面から梁状に圧電素子等の上方まで延びる逆Ｌ字状とす
ることが望ましいが、圧電素子の変位量を最小限に抑制
するという機能から、この形状に限定されるものではな
く、ベースの側面側から圧電素子の上方に延びる形状と
しても良い。又圧電素子はベースに対して固定されてい
るためベースの撓み方向にベースとともに変位するた
め、前述の通りシーク方向と概ね直交する方向に変位
し、その方向に変位拘束機構を設置する。この変位拘束
機構は単に変位を拘束するだけでなく、変位する圧電素
子等を保護する役割を果たす。従って前記変位拘束機構
は、圧電素子が衝突する際に該圧電素子を損傷する材質
で構成されていると設置する意味がなくなる。特に変位
拘束機構が硬質材料で成形されている場合には、軟質ま
たは弾性材料から成る衝撃緩衝機能を有する構造体（衝
撃吸収材料）を前記変位拘束機構の圧電素子と接触する
箇所に張り付け等により形成する。前述の通り、圧電素
子には電荷が発生することがあり、この電荷が蓄積され
ると駆動回路の損傷が発生することがある。これを回避
するために本発明では変位拘束機構の圧電素子と接触す
る箇所に導電性材料を設け、該導電性材料に圧電素子を
接触させて電荷を逃がすことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明の実施例
について詳細に説明する。図１は本発明の請求項第１項
に係わる圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエ
ータにおける第１の実施例を示した図である。圧電素子
の変位拘束機構２は、１段目のＶＣＭアーム３の先端
と、圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータ
１のベース４との接合部のベース側にその一端が固定さ
れた片持ち梁構造となっている。なお、この固定部分は
衝撃に対して大きく変位しない部分であればどこでもよ
く、ＶＣＭアーム先端側に固定してもよい。圧電素子の
変位拘束機構２の片持ち梁部分５は圧電素子６のほぼ上
方を覆っており、衝撃によりシーク方向と概ね直交する
方向に変位が生じると、圧電素子６はまずこの梁部分５
の下面と衝突し、それ以上の変位は拘束されるか、ある
いは梁部分５のバネ特性に依存した減速を受けるため、
過度の変位及び速度による塑性変形領域での破壊を抑制
する事が可能になる。

【００１２】図２は本発明の請求項第１項に係わる圧電
素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける
第２の実施例を示した図である。この実施例では、衝撃
時において圧電素子１０そのものが変位し拘束機構１１
の梁部分１２に衝突するのではなく、圧電素子駆動型微
小変位磁気ヘッドアクチュエータ１の可動部分１３に衝
突する。これによって、サスペンション材料に対してよ
り脆い圧電素子（セラミック）を破壊する可能性を抑制
する事ができる。この場合には可動部分１３ではなく変
位拡大機構部分と衝突させて、その垂直方向変位及びね
じれ方向変位を直接拘束して、比較邸弱いバネ部分を塑
性変形させないように保護することも可能である。さら
には、図１の場合と組み合わせる事によって、更に大き
な効果が期待できる。

【００１３】図３は本発明の請求項第１項に係わる圧電
素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける
第３の実施例を示した図である。この場合は、圧電素子
２１の上下両側に変位拘束機構２２を配置することによ
って、衝撃時のバウンド・リバウンドの繰り返しに対し
ても有効な変位拘束を行う事が可能であり、その結果と
して、圧電素子２１の破壊回避可能性を高める事が可能
である。また、変位拡大機構のバネ部分においても同様
に両側に変位拘束機構を設けることによってその塑性変
形を抑制する事が可能である。

【００１４】図４は本発明の請求項第２項に係わる圧電
素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける
第１の実施例を示した図である。変位拘束機構３１の圧
電素子３２と対向する部分に衝撃吸収材料３３が配置さ
れている。衝撃が加わった場合、この実施例においては
衝撃吸収材料３３が圧電素子３２と衝突するが、衝撃吸
収材料３３の効果によって、衝撃力及び衝撃速度が低下
するため、圧電素子３２の衝撃破壊を防ぐ事が可能とな
る。これは、衝撃吸収材料３３が変位拡大機構や、可動
部分に衝突する場合でも同様の効果が期待できる。

【００１５】図５は本発明の請求項第２項に係わる圧電
素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける
第２の実施例を示した図である。この場合には、変位拘
束機構４１の梁部分４２の側面とベース部分４３の間に
衝撃吸収材料４４が接続されている。これによって、梁
部分４２のダンピング特性を増加させ、衝撃による圧電
素子４５の垂直方向変位のバウンド・リバウンド振動減
衰特性向上させる事が可能となるため、衝撃による圧電
素子４５の非破壊特性を高める事ができる。なお、この
場合も衝突部分を変位拡大機構、可動部分と併用する事
でより非破壊信頼性を高める事ができる。

【００１６】図６は本発明の請求項第３項に係わる圧電
素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける
実施例を示した図である。変位拘束機構５１の圧電素子
５２と対向する部分に導電性材料５３が配置されてい
る。圧電素子５２が衝撃を受けて変形した場合、圧電効
果によって、圧電素子５２の両電極５４、５５に電荷が
発生する。非常に速い加速度を受け撓んだり捻れたりし
た場合には、発生する電荷は高く、両端の電位差は100
(V)以上に達する場合がある。本実施例の様に圧電素子
５２に電荷が発生した段階で即時に圧電素子５２の電極
部分と接地された導電性材料５３と接触することで不要
な電荷を除去する事ができ、圧電素子５２の駆動回路の
破損を抑制することが可能となる。なお、一般に圧電素
子は焦電効果も有しており、温度変化に対しても電荷を
生じる場合がある。このような場合に対しては、変位拘
束機構５１を可動化し、装置起動時、装置動作時におい
て所定の時間に圧電素子５２と導電性材料５３を接触さ
せ、電極５４を接地することで対処可能である。

【００１７】なお、本実施例においては特に示さなかっ
たが、本発明の変位拘束機構は圧電素子駆動型微小変位
磁気ヘッドアクチュエータの衝撃を吸収してその破壊を
抑制する機構であれば何でもよく、また構成材料に関し
ては、請求項に示した特性を有するものであれば何でも
よく、本発明の趣旨に沿った変更は可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よる、変位拘束機構を設置した圧電素子駆動型微小変位
アクチュエータ（請求項１）を使用することによって、
耐衝撃性の高い２段アクチュエータ機構系を構成するこ
とが可能となり、より高トラック密度かつ記憶容量が大
きく、信頼性の高い磁気ディスク装置を提供する事がで
きる。又変位拘束機構の材質によっては該変位拘束機構
により圧電素子等が損傷する場合があり、これを回避す
るためには前記変位拘束機構の圧電素子と接触する箇所
に衝撃緩衝機能を有する構造体を形成すれば良い（請求
項２）。更に圧電素子には電荷が蓄積されやすく該蓄積
電荷は駆動回路を損傷することがある。これを回避する
ためには、変位拘束機構の圧電素子と接触する部分に導
電性を有する構造体を設置し、且つその構造体が装置の
電気的接地と同電位に保っておけば良く（請求項３）、
これにより圧電素子に発生した電荷が前記構造体を通し
て圧電素子から除去できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項第１項に係わる圧電素子駆動型
微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける第１の実施
例を示した図である。

【図２】本発明の請求項第１項に係わる圧電素子駆動型
微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける第２の実施
例を示した図である。

【図３】本発明の請求項第１項に係わる圧電素子駆動型
微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける第３の実施
例を示した図である。

【図４】本発明の請求項第２項に係わる圧電素子駆動型
微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける第１の実施
例を示した図である。

【図５】本発明の請求項第２項に係わる圧電素子駆動型
微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおける第２の実施
例を示した図である。

【図６】本発明の請求項第３項に係わる圧電素子駆動型
微小変位磁気ヘッドアクチュエータの実施例を示した図
である。

【図７】従来の圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアク
チュエータ（長さモード変位）の例を示す概略図であ
る。

【図８】従来の圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアク
チュエータ（すべりモード変位）の例を示す概略図であ
る。

【符号の説明】 １、圧電素子駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータ ２、１１、２２、３１、４１、５１、変位拘束機構 ３、ＶＣＭアーム ４、４３、ベース ５、１２、２３、４２、梁部分 ６、１０、２１、３２、４２、５２、圧電素子 ３３、４４、衝撃吸収材料 ５３、導電性材料 ５４、５５、電極

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子と前記圧電素子を搭載し、その
   変位を拡大する変位拡大機構と、前記変位拡大機構に接
   続され、且つ変位拡大機構の一部となるサスペンション
   と、サスペンション先端に接続され、情報の記録再生を
   行う磁気ヘッドから構成され、圧電素子及び／または変
   位拡大機構の周囲に、該圧電素子及び／または変位拡大
   機構のシーク方向と概ね直交する方向の変位を拘束する
   変位拘束機構を設置して耐衝撃特性を付与した圧電素子
   駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータにおいて、変
   位拘束機構の圧電素子と対向する一部分が導電性を有す
   る構造体にて形成され、且つその構造体が装置の電気的
   接地と同電位に保たれていることを特徴とする圧電素子
   駆動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記請求項１記載のアクチュエータにお
   いて、圧電素子及び／または変位拡大機構の周囲に位置
   し、シーク方向と概ね直交する方向の変位を拘束する変
   位拘束機構の圧電素子及び／または変位拡大機構と接触
   し得る箇所の少なくとも一部分が衝撃緩衝機能を有する
   構造体にて形成されていることを特徴とする圧電素子駆
   動型微小変位磁気ヘッドアクチュエータ。