JP4593874B2 - ヘッドアクチュエータおよびこれを用いたハードディスクドライブ - Google Patents
ヘッドアクチュエータおよびこれを用いたハードディスクドライブ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報の記録再生に用いる情報記録再生装置に関し、特に記録媒体の所望のトラックにヘッドを位置決めするためのヘッドアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報記録再生装置として、磁気ディスク装置、光ディスク装置などのディスク状の記録媒体を用いたものが広く普及している。中でも、磁気ディスク装置は、データ転送の高速性という特性を生かしてパーソナルコンピュータの外部記憶装置として広く用いられている。
【０００３】
近年普及している小型の磁気ディスク装置においては、磁気ディスクに同心円状の記録トラックを形成し、磁気ヘッドを揺動型のヘッドアクチュエータによって、磁気ディスクの所望の記録トラックに位置決めすることで情報の記録再生を行うようにしたものが一般的となっている。さらに記録密度の向上を目的として、揺動型ヘッドアクチュエータの先端に２次的な微小ヘッドアクチュエータを設けることで、ヘッド位置決め精度を改善する方式が提案されており、そのための、微小ヘッドアクチュエータがいくつか提案されている。
【０００４】
一例として、特開平５−４７１２６号公報の記載例においては、ヘッド支持ばねを２本の梁で構成し、２本の梁の先端を連結して連結点付近にヘッドを支持すると共に、梁の少なくとも１本に、外部からの印加電圧に応じて伸縮する薄板状の変位素子を少なくとも１面に一体的に固着する構成が開示されている（以下従来例１という）。また、特開平７−２２４８３８号公報の記載例においては、ヘッドが搭載されるロードビームの表面に圧電素子が設けられた構成が開示されている（以下従来例２という）。
【０００５】
従来例１および従来例２は、基本的な構成において共通している。以下、変位素子あるいは圧電素子が片面に設けられた構成について図１５〜図１７を用いて説明する。図１５は、従来のヘッドアクチュエータ１２００の構成を示した模式図である。ヘッド支持部材５０は一端にヘッドスライダ５２が固着されている。ヘッド支持部材５０の中央付近には表面に板状の変位素子５１が固着されている。
【０００６】
図１５において、ヘッド支持部材５０の変位素子５１が固着されている領域を領域１２０１、変位素子５１の固着されていない領域を領域１２０２とすると、領域１２０２における中立面（梁に曲げが生じたときに伸縮が生じない面）ＮＢ１は、ヘッド支持部材５０の幾何学的な中心面に一致している。また領域１２０１においては、ヘッド支持部材５０に変位素子５１が一体で固着されているため、中立面ＮＡ１は必然的に中立面ＮＢ１よりも変位素子５１の側に偏位している。（以下、中立面ＮＡ１とＮＢ１との差Ｄ１を「中立面段差」と称する。）また、変位素子５１単体の幾何学的中央面Ｌ１は中立面ＮＡ１に対して中立面ＮＢ１と反対側にあり、Ｌ１とＮＡ１との距離をＨ１とする。
【０００７】
この構成において、変位素子５１に電圧を印加すれば、ヘッド支持部材５０に長手方向の伸縮が生じ、ヘッドスライダ５２が微小変位する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、微小ヘッドアクチュエータに要求される基本的性能は、より低い電圧で大きな変位が得られること、機械的共振周波数が高く広帯域の位置決め制御が可能であることの２点である。
【０００９】
しかしながら、前記した従来のヘッドアクチュエータ１２００の構成では、変位素子５１によって生じたヘッド支持部材５０の長手方向の伸縮により生じる変位がヘッド支持部材５０のたわみよって損失し、有効な変位が得られない点、機械的共振周波数が主にヘッド支持部材５０のたわみ方向の剛性に依存し、共振周波数の高域化が困難である点の２点を課題として有していた。
【００１０】
はじめに、変位量に関する課題について説明する。図１６（ａ）から図１６（ｃ）は、従来のヘッドアクチュエータの静力学的モデルである。静力学的な観点に立てば、図１５に示した従来のヘッドアクチュエータ１２００は、図１６（ａ）に示したように、ヘッド支持部材５０をその中立面ＮＡ１、ＮＢ１で代表し、それに変位素子５１による力が外力として作用するモデルで表すことができる。いま、図１５において、変位素子５１が延びる方向に電圧が印加された状態を考える。そのとき変位素子５１による伸縮力Ｆ１は図１６（ａ）に示したように外向きに作用する。また前述のように変位素子５１の単体の中央面Ｌ１は中立面ＮＡ１に対して偏位しているため、伸縮力Ｆ１によって曲げモーメントＭ１が発生する。曲げモーメントＭ１は、伸縮力Ｆ１に距離Ｈ１を乗じた大きさである。中央面Ｌ１は中立面ＮＡ１に対して紙面上で上側に（Ｈ１だけ）偏位しているので、曲げモーメントは中立面ＮＡ１が紙面上で上に凸となる向きに作用する。この状態は、伸縮力Ｆ１のみが加えられた状態（図１６（ｂ））と、曲げモーメントＭ１のみが加えられた状態（図１６（ｃ））との重ね合わせと考えることができる。領域１２０１の長さ、すなわち点Ａと点Ｂとの距離に着目すると、図１６（ｂ）に示すように、伸縮力Ｆ１によって点Ａは面内に延びる方向に変位量Ｘ１だけ変位する。一方、図１６（ｃ）に示すように、上に凸となる向きに作用する曲げモーメントＭ１によって梁の両端にそれぞれたわみ角θＡ、θＢが生じ、たわみ角θＡ、θＢにそれぞれ中立面段差Ｄ１を乗じた分の長手方向変位が発生し、点Ａは長手方向に縮む方向に変位量Ｘ２だけ変位することとなる。図１６（ｂ）および図１６（ｃ）から明らかなように、変位量Ｘ１と変位量Ｘ２は逆方向となっており、両者の差が合計の変位量となる。同様に、変位素子５１に縮む方向の電圧を印加したときも、変位量Ｘ１と変位量Ｘ２は逆方向となり、両者の差が合計の変位量となる。すなわち、従来のヘッドアクチュエータの構成では、伸縮力によって生じた面内方向の変位量Ｘ１が、たわみ角によって生じた長手方向の変位量Ｘ２によって損失するので、ヘッドを位置決めするための十分な変位が得られないといった課題があった。
【００１１】
つぎに、機械的共振周波数に関する課題について説明する。図１７は、従来のヘッドアクチュエータの動力学的モデルである。図１５におけるヘッド支持部材５０は、等価的な曲げ剛性を有する梁１４０１の中央に等価的な質量ＭＡ１が集中したモデルで表すことができる。なお、Ｋ１はヘッド支持部材５０の伸縮方向の等価剛性、ＭＳはヘッドスライダ５２を中心とする可動体１４０２の等価質量である。この動力学的モデルにおいては、可動体１４０２の自由度φＳと梁１４０１のたわみ方向の自由度φＹとが連成した固有振動モードが形成される。すなわち、質量ＭＳのφＳ方向の振動に起因する慣性力が、中立面段差Ｄ１によってモーメントＭ１Ｓとして梁１４０１に作用する。この質量ＭＳのφＳ方向の振動に起因する慣性力が、梁１４０１の等価質量ＭＡ１のφＹ方向の振動に起因する慣性力と動的に釣り合った状態で固有振動モードが形成させる。この固有振動モードの固有振動数は主に、可動体１４０２の質量ＭＳによる慣性力と、梁すなわちヘッド支持部材５０のたわみ方向の弾性力により決定される。従って固有振動数を高めるには、梁１４０１に対応するヘッド支持部材５０の剛性を高くすることが必要である。しかしながら、ヘッド支持部材５０の剛性を高くすることは、変位素子５１の伸縮力に対しても抵抗力を大きくすることになり、変位量の減少につながる。すなわち、変位量と機械的共振周波数とはトレードオフの関係にあり、所定の変位量を確保しようとすると、固有振動数即ち、機械的共振周波数を高くすることができないといった課題を有していた。
【００１２】
本発明は前記の課題に鑑みてなされたものであり、より低い電圧で大きなヘッド変位が得られると共に、機械的共振周波数を高くすることで高精度なヘッド位置決め制御を実現するヘッドアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヘッドアクチュエータは、記録媒体に対して情報の記録あるいは再生を行うヘッドを支持するヘッドスライダと、前記ヘッドスライダを支持するヘッド支持部材とを備え、前記ヘッド支持部材は、基板と、前記基板の少なくとも一方の面に設けられ、外部信号に応じて長手方向に伸縮力を発生する駆動素子とを含み、前記駆動素子に外部信号を与えることで前記ヘッド支持部材を長手方向に伸縮させ、前記記録媒体の半径方向に前記ヘッドを位置決めするヘッドアクチュエータであって、前記ヘッド支持部材は、前記ヘッドスライダが設けられる第１領域と、前記駆動素子が設けられる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とを連結する第３領域とを有し、前記駆動素子は、幾何学的中心面を有し、前記ヘッド支持部材は、前記第２領域における第１中立面と前記第３領域における第２中立面とを有し、前記第２中立面は、前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
前記第１中立面は、前記幾何学的中心面に対して前記基板側に存在してもよい。
【００１５】
前記ヘッド支持部材は、前記第２中立面を前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位させる中立面偏位手段をさらに含んでもよい。
【００１６】
前記中立面偏位手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含んでもよい。
【００１７】
前記第１中立面は、前記幾何学的中心面に対して前記基板の反対側に存在してもよい。
【００１８】
前記ヘッド支持部材は、前記第１中立面を前記幾何学的中心面に対して前記基板の反対側に偏位させる幾何学的中心面偏位手段をさらに含んでもよい。
【００１９】
前記幾何学的中心面偏位手段は、前記駆動素子に対して前記基板と同じ側に形成される保持部材を含み、前記保持部材は、前記ヘッド支持部材の撓み方向の剛性を高め、前記ヘッド支持部材の固有振動数を高める機能を有してもよい。
【００２０】
前記保持部材は、前記駆動素子上に設けられ、前記駆動素子よりも縦弾性係数が小さい低剛性層と、前記低剛性層上に設けられ、前記低剛性層より前記縦弾性係数が大きい高剛性層とを含んでもよい。
【００２１】
前記低剛性層は、ポリイミド樹脂を含み、前記高剛性層は、ステンレス鋼を含んでもよい。
【００２２】
前記ヘッド支持部材は、前記第２中立面を前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位させる第１中立面偏位手段をさらに含んでもよい。
【００２３】
前記第１中立面偏位手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含んでもよい。
【００２４】
前記補強部材は、前記基板に対して前記駆動素子と反対側に設けられてもよい。
【００２５】
前記駆動素子は、第１伸び剛性を有し、前記基板は、第２伸び剛性を有し、前記第１伸び剛性は、前記第２伸び剛性よりも大きくてもよい。
【００２６】
前記駆動素子は、板状の形状を有してもよい。
【００２７】
前記駆動素子は、薄膜圧電体に電極が搭載される圧電素子ユニットを含んでもよい。
【００２８】
前記駆動素子は、互いに逆方向の電圧が印加される第１駆動素子と第２駆動素子とを含んでもよい。
【００２９】
前記基板は、前記第１駆動素子が設けられる第１伸縮部と、前記第２駆動素子が設けられる第２伸縮部と、前記ヘッドスライダが設けられる回動部と、前記回動部と前記第１伸縮部とを連結する第１ヒンジ部と、前記回動部と前記第２伸縮部とを連結する第２ヒンジ部とを含んでもよい。
【００３０】
前記ヘッドアクチュエータは、前記ヘッド支持部材を支持するロードビームをさらに備えてもよい。
【００３１】
本発明に係る他のヘッドアクチュエータは、記録媒体に対して情報の記録あるいは再生を行うヘッドを支持するヘッドスライダと、前記ヘッドスライダを支持するヘッド支持部材とを備え、前記ヘッド支持部材は、基板と、前記基板の少なくとも一方の面に設けられ、外部信号に応じて長手方向に伸縮力を発生する駆動素子とを含み、前記駆動素子に外部信号を与えることで前記ヘッド支持部材を長手方向に伸縮させ、前記記録媒体の半径方向に前記ヘッドを位置決めするヘッドアクチュエータであって、前記ヘッド支持部材は、前記ヘッドスライダが設けられる第１領域と、前記駆動素子が設けられる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とを連結する第３領域とを有し、前記ヘッド支持部材は、前記第２領域における第１中立面と前記第３領域における第２中立面とを有し、前記第１中立面と前記第２中立面とが実質的に連続しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
前記ヘッド支持部材は、前記第１中立面を前記第２中立面と実質的に連続にする連続手段を含んでもよい。
【００３３】
前記連続手段は、前記基板と前記駆動素子との間に設けられる中間層を含んでもよい。
【００３４】
前記連続手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含んでもよい。
【００３５】
前記連続手段は、前記駆動素子の周囲に設けられる配線部を含んでもよい。
【００３６】
前記駆動素子は、第１伸び剛性を有し、前記基板は、第２伸び剛性を有し、前記第１伸び剛性は、前記第２伸び剛性よりも大きくてもよい。
【００３７】
前記駆動素子は、板状の形状を有してもよい。
【００３８】
前記駆動素子は、薄膜圧電体に電極が形成される圧電素子ユニットを含んでもよい。
【００３９】
前記駆動素子は、互いに逆方向の電圧が印加される第１駆動素子と第２駆動素子とを含んでもよい。
【００４０】
前記基板は、前記第１駆動素子が設けられる第１伸縮部と、前記第２駆動素子が設けられる第２伸縮部と、前記ヘッドスライダが設けられる回動部と、前記回動部と前記第１伸縮部とを連結する第１ヒンジ部と、前記回動部と前記第２伸縮部とを連結する第２ヒンジ部とを含んでもよい。
【００４１】
前記ヘッドアクチュエータは、前記ヘッド支持部材を支持するロードビームをさらに備えてもよい。
【００４２】
本発明に係るハードディスクドライブは、本発明に係るヘッドアクチュエータと、前記記録媒体を回転駆動するモータと、前記ヘッドが前記記録媒体上の所定のデータトラックにアクセスできるように、前記ヘッドアクチュエータを前記記録媒体の表面を横切って半径方向に移動させる駆動手段と、前記ヘッド支持部材を面内方向に伸縮させ、前記記録媒体の前記半径方向に前記ヘッドを位置決めするように、前記駆動素子に前記外部信号を与える制御手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明によるヘッドアクチュエータの好適な実施の形態として、磁気ディスク装置に用いるヘッドアクチュエータを例にとり、図１〜図１４を参照しつつ説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータについて、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの要部斜視図である。図１において、ヘッドアクチュエータ１００は、記録媒体（図示せず）に情報の記録再生を行う磁気ヘッド１が一端面に設けられたヘッドスライダ１１、ヘッドスライダ１１が一端に固着されたフレキシャ３０、及びフレキシャ３０を支持するロードビーム２０から構成される。実施形態１の主だった特徴はフレキシャ３０にあり、ヘッドスライダ１１及びロードビーム２０は現在普及している磁気ディスク装置に使用されている一般的なものを用いることができる。
【００４５】
図２は、図１におけるＫ部の分解斜視図である。また図３は、図４における断面ＧＧを示した模式図であり、厚み方向を拡大して示してある。
【００４６】
本明細書において長手方向とは、図３において矢印Ｖによって示される方向および他の図面においてこの方向に対応する方向を意味するものとする。本発明に係るフレキシャは、この長手方向に延伸している。また本明細書において厚み方向とは、図３において矢印Ｕによって示される方向および他の図面においてこの方向に対応する方向を意味するものとする。さらに本明細書においてたわみ方向とは、厚み方向と実質的に同一の方向を意味するものとする。この厚み方向およびたわみ方向は、長手方向に対して実質的に垂直である。
【００４７】
図２及び図３において、フレキシャ３０は、フレキシブル基板３１と圧電素子ユニット４０と補強板３２とスペーサ３３とバックプレート３４とを含む。圧電素子ユニット４０は、第１圧電素子ユニット４０Ａと第２圧電素子ユニット４０Ｂとを含む。フレキシブル基板３１は固定部３１Ｄから伸びる２つの梁状の伸縮部３１Ａ、３１Ｂを有し、この伸縮部３１Ａ、３１Ｂは先端に形成されたヒンジ部３１Ｃで回動部３１Ｅに連結している。フレキシブル基板３１は、厚さ約１０マイクロメートルのポリイミド樹脂からなる基材の上に銅薄膜で配線パターンが形成されたものである。フレキシブル基板３１の回動部３１Ｅ、ヒンジ部３１Ｃには同様な平面形状を有する厚さ約２５マイクロメートルのステンレス鋼からなる補強板３２が接着されており、さらにスペーサ３３を介してヘッドスライダ１１が接着されている。
【００４８】
またフレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂにはそれぞれ第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂが接着されている。第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂは厚さ約２．５マイクロメートルのＰＺＴからなる薄膜圧電体の両面に厚さ約０．１マイクロメートルの白金電極を形成したものであり、この白金電極に印加される電圧に応じて、圧電効果により長手方向に伸縮するものである。第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの電極はフレキシブル基板３１の配線にボンディングされており、外部のドライバ（図示せず）により電圧が供給される。フレキシブル基板３１の固定部３１Ｄには、第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂが接着されている面と反対側の面にステンレス鋼からなるバックプレート３４が接着されており、バックプレート３４はロードビーム２０（図１）にスポット溶接によって接合されている。また、フレキシブル基板３１の回動部３１Ｅにはディンプル受け３１Ｆが設けられており、その背面にロードビーム２０に設けられたディンプル２１が当接し、ピボット軸受けを形成している。
【００４９】
図３において、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂを領域３０１、ヒンジ部３１Ｃを領域３０２とする。フレキシブル基板３１と圧電素子ユニット４０との間には両者を接合する僅かな厚さの接着層（図示せず）が形成される。圧電素子ユニット４０内のＰＺＴの縦弾性係数と断面積との積は、フレキシブル基板３１および接着層それぞれの縦弾性係数と断面積との積を加算したものよりおよそ１．５倍大きい。
【００５０】
また図３において、領域３０１におけるフレキシャ３０の中立面ＮＡ２はフレキシブル基板３１の内部に、領域３０２におけるフレキシャ３０の中立面ＮＢ２は補強板３２の内部にあり、中立面段差Ｄ２は約１６マイクロメートルである。また、圧電素子ユニット４０の単体の幾何学的中心面Ｌ２は領域３０１の中立面ＮＡ２に対して領域３０２の中立面ＮＢ２と同方向にあり、幾何学的中心面Ｌ２と中立面ＮＡ２との距離Ｈ２は約７マイクロメートルである。なお、幾何学的中心面とは、圧電素子ユニット４０の断面において幾何学的中心となる面を意味する。
【００５１】
以上のように構成された本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータについて、以下その動作を説明する。図４は、本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの変形の様子を示す平面図ある。図４において、実線Ｅは非動作状態、破線Ｆは動作状態を示している。動作状態においては、２つの圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂ（図２）にドライバによって互いに逆方向で絶対値の等しい電圧を印加する。例えば圧電素子ユニット４０Ａが圧縮する方向、４０Ｂが伸張する方向に電圧を印加した場合、図４に示すように、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａは矢印Ｐ方向に、伸縮部３１Ｂは矢印Ｑ方向に変形し、ヒンジ部３１Ｃでは、それぞれ変位量ＸＡ、変位量ＸＢなる長手方向の変位量が発生する。両変位量は向きが反対で絶対値は等しい。従って回動部３１Ｅにはヒンジ部３１Ｃの中点を支点として矢印Ｒ方向の回転が生じ、磁気ヘッド位置では矢印Ｐ、Ｑに略垂直な方向にＹＨなる変位を生じる。ヘッド位置の変位量ＹＨは伸縮部３１Ａ、３１Ｂの伸縮量に比例し、従って圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの印加電圧に比例する。印加電圧とヘッドの変位量との比例定数を既知としておけば、ドライバから供給する電圧を制御することで、ヘッドの位置が制御される。
【００５２】
図３に示すように、本実施の形態においては、圧電素子ユニット４０に発生した圧電歪みを効率よく長手方向の変位に変換するために、実質的に伸縮の生じる領域３０１において圧電素子ユニット４０をそれより十分に軟らかいフレキシブル基板３１でだけで保持し、圧電素子ユニット４０内のＰＺＴの縦弾性係数と断面積との積を、フレキシブル基板３１および接着層それぞれの縦弾性係数と断面積との積を加算したものよりも大きくしている。一般に材料は縦弾性係数と断面積との積によって伸び剛性が決まる。実施の形態１では、伸縮力を生じる圧電素子ユニット４０内のＰＺＴの伸び剛性に対して、伸縮力に抗する部分（フレキシブル基板３１および接着層）の伸び剛性を小さくすることにより、ＰＺＴに生じた圧電ひずみの大半を長手方向の変位として取り出すことができる。従って、入力電圧を効率よく変位に変換することができるため、より低い電圧で大きなヘッド変位を得ることができる。
【００５３】
次に、実施形態１において、長手方向の変位量が増大される作用について説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの静力学的モデルである。静力学的な観点に立てば、実施形態１のヘッドアクチュエータは、図５（ａ）に示したように、フレキシャ３０をその中立面ＮＡ２、ＮＢ２で代表し、それに圧電素子ユニット４０によって発生する力が外力として作用するモデルで表すことができる。いま、図３において、圧電素子ユニット４０が延びる方向に電圧が印加された状態を考える。そのとき圧電素子ユニット４０による伸縮力Ｆ２は図５（ａ）に示したように引っ張り方向に作用する。また前述のように圧電素子ユニット４０の単体の幾何学的中心面Ｌ２は中立面ＮＡ２に対して紙面に向かって上側にＨ２だけ偏位しているため、伸縮力Ｆ２によって曲げモーメントＭ２が発生する。曲げモーメントＭ２は、伸縮力Ｆ２に距離Ｈ２を乗じた大きさである。
【００５４】
圧電素子４０の中心面Ｌ２は上側に偏位しているので、曲げモーメントＭ２は、紙面に向かって中立面ＮＡ２が下向きにたわむ向きに作用する。この状態は、伸縮力Ｆ２のみが加えられた状態（図５（ｂ））と、曲げモーメントＭ２のみが加えられた状態（図５（ｃ））との重ね合わせと考えることができる。点Ａの位置に着目すると、図５（ｂ）に示すように、伸縮力Ｆ２によって点Ａは長手方向に変位量Ｘ３だけ変位する。一方、図５（ｃ）に示すように、曲げモーメントＭ２によって梁の先端にはたわみ角θ２が生じる。それにより、たわみ角θ２に中立面段差Ｄ２を乗じた分の長手方向の変位が発生する。即ち、点Ａは長手方向に変位量Ｘ４だけ変位する。変位量Ｘ３と変位量Ｘ４の方向は同方向となっている。このため、両変位量を加算したものが合計の変位量となる。同様に、圧電素子ユニット４０に縮む方向の電圧を印加したときも、変位量Ｘ３と変位量Ｘ４は同方向となり、両者の和が実際の変位量となる。
【００５５】
実施形態１においては、長手方向の変位量Ｘ３は１０のマイナス７乗メートルのオーダである。また、たわみ角θ２は１０のマイナス２乗ラジアンのオーダ、中立面段差Ｄ２は１０のマイナス５乗メートルのオーダで、その積である変位量Ｘ４も１０のマイナス７乗メートルのオーダである。すなわち、実施形態１においては、圧電素子ユニット４０の本来の長手方向の変位量Ｘ３にたわみ角θ２によって生じる変位量Ｘ４が付加されるので、実際の変位量を増大させることができる。
【００５６】
なお、実施形態１のように、圧電素子ユニット４０の長手方向の変位量Ｘ３の方向と、たわみ角θ２による長手方向の変位量Ｘ４の方向とが同方向になるための条件は、領域３０１における中立面ＮＡ２に対して、領域３０２における中立面ＮＢ２と圧電素子ユニット４０単体の幾何学的中心面Ｌ２とが同方向に偏位していることである（以下、「変位加算条件」という）。
【００５７】
図１５で前述したように、従来のヘッドアクチュエータにおいては、ヘッド支持部材５０の表面の一部に変位素子５１を固着するだけの構成であったため、必然的に中立面ＮＡ１に対して中立面ＮＢ１と中央面Ｌ１とが反対方向に位置するので、前述した変化加算条件を満足しない。それに対して実施形態１によれば、領域３０２に補強板３２を固着することによって、中立面ＮＢ２の位置を補強板３２の方向に偏位させ、変位加算条件を満足している。
【００５８】
すなわち、従来のヘッドアクチュエータの構成では、図１６で前述したように伸縮力Ｆ１によって生じた長手方向の変位量Ｘ１が、たわみ角θＡによって生じた変位量Ｘ１の方向とは逆方向の変位量Ｘ２によって損失し、ヘッドを位置決めするための十分な変位が得らないといった課題があったのに対して、実施形態１によれば図５で前述したように、伸縮力Ｆ２によって生じた長手方向の変位量Ｘ３に、たわみ角θ２によって生じた長手方向の変位量Ｘ４を付加し、実際の変位量を増大することができるといった効果を奏する。
【００５９】
（実施の形態２）
以下、図６〜図８を参照しながら本発明の実施の形態２によるヘッドアクチュエータについて説明する。図６は、本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの要部分解斜視図である。また図７は、図６の断面の構成を示した模式図であり、厚み方向を拡大して示してある。実施の形態２のヘッドアクチュエータは、図６および図７に示したフレキシャ３０の構成が、後述する点において実施の形態１と異なるのを除いて、その他の構成要素および動作は実施の形態１と同様であるので、同一部分には同一の参照符号を付し説明を省略する。
【００６０】
図６および図７において、実施形態２のフレキシャ３０Ａは、以下の３点において実施形態１の構成と異なる。第１の異なる点は、前述した実施の形態では図３に示すように圧電素子ユニット４０とスライダ１１とがオーバーラップしているけれども、実施の形態２では図７に示すようにオーバーラップしていない点、第２の異なる点は、実施の形態１では図３に示すように補強板３２がフレキシブル基板３１の圧電素子ユニット４０が固着されている面と同じ面に固着されているのに対し、実施の形態２では図７に示すように反対側の面に固着されている点、第３の異なる点は、実施の形態２では図７に示すように圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの上にそれぞれ保持部材４１Ａ、４１Ｂが固着されている点である。図７に示すように保持部材４１Ａ、４１Ｂは、厚さ約１５０マイクロメートルのポリイミド樹脂からなる低剛性層４２上に厚さ約１０マイクロメートルのステンレス鋼からなる高剛性層４３を貼りあわせたものである。
【００６１】
図７において、実施の形態１と同様に、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂ（図６）を領域４０１、ヒンジ部３１Ｃ（図６）を領域４０２とする。実施の形態２においては、圧電素子ユニット４０の上に保持部材４１を設け、領域４０１の中立面ＮＡ３が低剛性層４２の内部に存在するよう低剛性層４２および高剛性層４３の材料及び厚さが設定されている。また領域４０２における中立面ＮＢ３はフレキシブル基板３１の下面に固着された補強板３２の内部にある。実施の形態２において、中立面段差Ｄ３は約１０３マイクロメートルである。また、圧電素子ユニット４０の単体の中央面Ｌ３と中立面ＮＡ３との距離Ｈ３は約７８マイクロメートルである。以上のように実施の形態２においても、領域４０１における中立面ＮＡ３に対して、領域４０２における中立面ＮＢ３と圧電素子ユニット４０単体の中央面Ｌ３とが同方向に偏位しており、実施の形態１で述べた変位加算条件を満足している。
【００６２】
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの静力学的モデルである。図８（ａ）に示した実施形態２のモデルと、図５（ａ）で前述した実施形態１のモデルとを比較すると、両者は紙面の上下方向に対して鏡面対称の関係になっていることがわかる。従って実施の形態１で説明したのと同様の作用によって、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示したように、長手方向の伸縮力Ｆ３による変位量Ｘ５の方向とたわみ角θ３による変位量Ｘ６の方向とが同方向となり、実際の変位量は変位量Ｘ５と変位量Ｘ６との和となる。
【００６３】
すなわち実施形態２によれば、実施の形態１と同様に、伸縮力Ｆ３によって生じた長手方向の変位量Ｘ５に、たわみ角θ３によって生じた長手方向の変位量Ｘ６を付加することで、実際の変位量を増大することができるといった効果を奏する。
【００６４】
また、実施形態２においては、図７に示すように中立面段差Ｄ３を実施の形態１の中立面段差Ｄ２（図３）よりも大きくすることが可能なので、たわみ角をより大きな長手方向の変位に変換することができる。実施形態２は、圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの上に保持部材４１Ａ、４１Ｂを設けているので、実施の形態１に比べ面内の伸縮量は若干低下するが、前述したようにたわみ角による長手方向の変位を十分大きくすることができるので、実際の変位量は実施の形態１よりも増加する。
【００６５】
加えて、動的な特性に関して、保持部材４１Ａ、４１Ｂはフレキシャ３０Ａのたわみ方向の剛性を高めるよう作用するので、ヘッドアクチュエータの固有振動数を高くすることができる。従って、ヘッドアクチュエータの機械的共振周波数を向上させ広帯域のヘッド位置決め制御を行うことができるといった効果を有する。
【００６６】
特に、実施形態２の保持部材４１Ａ、４１Ｂは、圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂと同等の大きさの剛性を有する高剛性層４３を、この高剛性層４３に比べ十分剛性の低い低剛性層４２で隔てて圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂに固着する構成としているため、所定の中立面偏位量を実現するのに必要な部材の厚さを薄く抑えることができる。従って長手方向の伸び剛性をあまり大きくすることなく、たわみ方向の曲げ剛性を高くすることができるので、変位量を増加させることと機械的共振周波数を高くすることの両面において一層の効果を発揮する。
【００６７】
（実施の形態３）
以下、図９〜図１１を参照しながら本発明の実施の形態３によるヘッドアクチュエータについて説明する。図９は、本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図であり、厚み方向を拡大して示してある。実施の形態３のヘッドアクチュエータは、図９に示したフレキシャ３０Ｂに中間層４４を設けた点を除いて、その他の構成要素および動作は実施の形態１と同様であるので、同一部分には同一の参照符号を付し説明を省略する。
【００６８】
図９において、圧電素子ユニット４０は、厚さ約１８マイクロメートルのポリイミド樹脂からなる中間層４４を介してフレキシブル基板３１に接着されている。実施の形態１と同様に、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂ（図２）を領域５０１、ヒンジ部３１Ｃ（図２）を領域５０２とする。実施の形態３においては、領域５０１の中立面ＮＡ４が領域５０２の中立面ＮＢ４に連続するよう中間層４４の厚さが選択されている。
【００６９】
実施の形態３のヘッドアクチュエータは、前記した構成によって、機械的共振周波数を格段に高くするものである。図１７を用いて前述したように、従来のヘッドアクチュエータは、大きな質量を有するヘッドスライダが振動することによる慣性力と、ヘッド支持部材の曲げ方向の弾性力とが釣り合う形の固有振動モードが出現し、それが最も低い機械的共振周波数を決めていた。そして、ヘッド支持部材の曲げ剛性を高めることが困難なことから、機械的共振周波数を高くすることが困難であるという課題を有していた。
【００７０】
実施の形態３は、前記したように領域５０１での中立面ＮＡ４と領域５０２での中立面ＮＢ４とが連続し、中立面段差が生じない構成とすることで、フレキシャ３０Ｂが長手方向に垂直な方向、即ちたわみ方向に振動しても、それがヘッドスライダ１１に設けられたヘッド１の位置決めに対して影響を及ぼさない第１の固有振動モードが形成されるようにすると共に、大きな質量を有するヘッドスライダ１１が長手方向に振動することによって生じる慣性力を、比較的剛性の高いフレクシャ３０Ｂの長手方向の弾性力で受け持つ第２の固有振動モードが形成されるようにすることによって、ヘッドアクチュエータの機械的共振周波数を高くするものである。
【００７１】
以下、図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照しながら、この２つの振動モードについて順次説明する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動力学的モデルである。フレキシャ３０Ｂは、等価的な曲げ剛性を有する梁１００１の中央に等価的な質量ＭＡ１が集中したモデルで表すことができる。なお、Ｋ１はフレキシャ３０Ｂの伸縮方向の等価剛性、ＭＳはヘッドスライダ１１を中心とする可動体１００２の等価質量である。
【００７２】
本モデルにおける第１の固有振動モードは、図１０（ａ）に示したように、フレキシャ３０Ｂが長手方向に垂直な方向、即ちたわみ方向に振動するモードである。実施の形態３においては中立面段差が生じないように構成されている。従って、フレキシャ３０Ｂが図１０（ａ）に示すようにたわみ方向に振動したとしても、図１７で前述した従来技術のようにヘッドスライダ１１を中心とする可動体１００２に矢印１００３の方向に力を及ぼすことはない。このため、可動体１００２の質量ＭＳが矢印１００３の方向に振動することはない。すなわちフレキシャ３０Ｂのたわみ方向の自由度φＹは可動体１００２の自由度φＳに影響を及ぼさない。従って、第１の固有振動モードが生じても、その振動がヘッドスライダ１１に設けられたヘッドで検出されることはないので、ヘッド位置決め制御に影響を及ぼすことはない。なお、実施の形態３において、第１の固有振動モードの固有振動数は２０．７ｋＨｚである。
【００７３】
次に、第２の固有振動モードは、図１０（ｂ）に示したように、可動体１００２とフレキシャ３０Ｂとが一体で長手方向即ち、矢印１００３の方向に振動するモードである。可動体１００２の質量ＭＳはたわみ方向の曲げ剛性に比べ剛性の高い長手方向の等価剛性Ｋ１によって支持されており、固有振動数は高い。実施の形態３において、第２の固有振動モードの固有振動数は２２．９ｋＨｚである。
【００７４】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動特性を示したグラフである。図１１（ａ）および図１１（ｂ）において、横軸はヘッドアクチュエータへ供給される供給電圧の周波数、縦軸はヘッドの変位量を表す。図１１（ａ）は、前記した中立面段差が生じない構成における動特性を示している。比較のため図１１（ｂ）に、中間層４４をより厚くして意図的に中立面段差を１６マイクロメートル設けた構成における動特性を示している。中間層４４の厚さが異なる点を除いて、両者の構成は等しい。図１１（ｂ）において、最も低い機械的共振周波数は、１５．１ｋＨｚ（矢印１１１で示した位置）で、これは図１４を用いて説明したのと同様の動力学モデルの固有振動モードによるものである。それに対して、図１１（ａ）においては、最も低い機械的共振周波数は、２２．９ｋＨｚ（矢印１１２で示した位置）で前述した第２の固有振動モードによるものである。また、第１の固有振動モードは周波数２０．７ｋＨｚ（矢印１１３で示した位置）に存在するが、振動は検出されず、ヘッド位置決め制御に影響を及ぼすことはない。
【００７５】
以上のように、実施形態３のヘッドアクチュエータは、中間層４４を設け、領域５０１と領域５０２との中立面が連続するように構成することで、機械的共振周波数を格段に高くすることできる。それにより、より広い帯域で高精度なヘッド位置決め制御が可能となるといった効果を奏する。
【００７６】
実施形態３においては、中間層４４を設けることで、領域５０１と領域５０２との中立面を連続させる構成としたが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば実施の形態２の図７で説明したような保持部材４１Ａ、４１Ｂを圧電素子ユニット４０の上に設けるなどして、領域５０１と領域５０２との中立面を連続させる構成であってもよい。
【００７７】
図１２は、実施の形態３の他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図である。この図１２に示すように、中間層４４の代わりに、少なくとも領域５０２に補強部材３２Ａを設けることによって、領域５０１における中立面ＮＡ６と領域５０２における中立面ＮＢ６とを連続させる構成にしてもよい。
【００７８】
図１３（ａ）は、実施の形態３のさらに他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における断面ＳＳを示し、また、図４における断面ＪＪでもある。図１３（ｂ）に示すように、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａおよび３１Ｂ上にそれぞれ設けられた圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂに対し、厚み方向（フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａおよび３１Ｂの表面に対して垂直な方向）で圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂにオーバーラップするように、配線３４Ａ、配線３４Ｂ、配線３４Ｃ、配線３４Ｄおよび配線３４Ｅを施すと、領域５０１における中立面ＮＡ５を圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂ側に移動させて、領域５０１における中立面ＮＡ５を領域５０２における中立面ＮＢ５と連続させることができる。つまり、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａおよび３１Ｂと圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂとのそれぞれの間に前述した中間層４４を設けなくても、圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂのそれぞれの周りに配線を施すことによって、領域５０１における中立面ＮＡ５を領域５０２における中立面ＮＢ５と連続させることができる。従って、機械的共振周波数を格段に高くすることでき、それにより、より広い帯域で高精度なヘッド位置決め制御が可能となるといった前述した効果と同様の効果が得られる。
【００７９】
なお、領域５０１の中立面ＮＡ４と領域５０２の中立面ＮＢ４とは必ずしも厳密に連続している必要はなく、領域５０１の中立面ＮＡ４と圧電素子ユニットの中央面との間の距離に比べて中立面ＮＡ４と中立面ＮＢ４との間の中立面段差が十分小さければ、実効的に中立面ＮＡ４およびＮＢ４は連続しているのと同等の効果を奏し、この両中立面は実質的に連続しているものと見なすことができる。
【００８０】
また、実施の形態１〜３のいずれにおいても、圧電素子ユニットをフレキシブル基板のヘッドスライダ側に設けた構成を例にとって説明したが、ヘッドスライダと反対の面に設けた構成であってもよい。また、フレキシブル基板の両面に設けた構成であってもよい。
【００８１】
また、実施の形態１〜３のいずれにおいても、圧電素子ユニットは単層の圧電素子を用いたものを例にとって説明したが、複数の圧電素子を積層したものであってもよい。
【００８２】
さらに、実施の形態１〜３のいずれにおいても、磁気ヘッドを設けたヘッドスライダをヘッドアクチュエータに搭載した例を説明したが、磁気ヘッドを設けたヘッドスライダの替わりに光ピックアップ素子を搭載しても良い。
【００８３】
図１４は、実施の形態１〜３のいずれかに記載のヘッドアクチュエータを搭載したハードディスクドライブ１５００の斜視図である。ハードディスクドライブ１５００は、ヘッド１が設けられたスライダ１１を含むヘッドアクチュエータ１５１０と、ヘッドアクチュエータ１５１０を保持するヘッドキャリッジ１５０１と、ヘッドキャリッジ１５０１とヘッドアクチュエータ１５１０とを介してヘッド１を移動させる直線式または回転式のボイスコイルモータ１５０２と、ディスク１５０３を回転駆動するスピンドルモータ１５０４と、ヘッドアクチュエータ１５１０のフレキシブル基板を長手方向に伸縮させ、ディスク１５０３の半径方向にヘッド１を位置決めするように、ヘッドアクチュエータ１５１０に含まれる圧電素子ユニットに信号を与える制御部１５０５とを備える。
【００８４】
スピンドルモータ１５０４は、ディスク１５０３を所定の速度で回転駆動する。ボイスコイルモータ１５０２は、ヘッド１がディスク１５０３上の所定のデータトラックにアクセスできるように、ヘッド１が設けられたスライダ１１を含むヘッドアクチュエータ１５１０をディスク１５０３の表面を横切って半径方向に移動させる。圧電素子ユニットは、制御部１５０５によって与えられた信号に応じてフレキシブル基板を長手方向に伸縮させ、ディスク１５０３の半径方向にヘッド１を位置決めする。ヘッド１は、ディスク１５０３に情報を記録再生する。
【００８５】
ヘッド１を保持するスライダ１１は、例えば空気ベアリングスライダである。この場合には、スライダ１１は、ハードディスクドライブ１５００の起動・停止動作時にはディスク１５０３の表面と接触する。ハードディスクドライブ１５００の情報記録再生動作時には、スライダ１１は回転するディスク１５０３とスライダ１１との間で形成される空気ベアリングによってディスク１５０３の表面上に維持される。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように、本発明のヘッドアクチュエータによれば、より低い電圧で大きなヘッド変位が得られると共に、機械的共振周波数を高くすることができる。それにより高精度のヘッド位置決め制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの要部斜視図
【図２】図１におけるＡ部の分解斜視図
【図３】図２の断面の構成を示した模式図
【図４】本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの変形の様子を示す平面図
【図５】本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの静力学的モデル
【図６】本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの要部分解斜視図
【図７】図６の断面の構成を示した模式図
【図８】本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの静力学的モデル
【図９】本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図
【図１０】本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動力学的モデル
【図１１】本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動特性を示したグラフ
【図１２】本発明による実施の形態３の他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図
【図１３】（ａ）は、本発明による実施の形態３のさらに他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図、（ｂ）は、（ａ）における線ＳＳに沿った断面図。
【図１４】実施の形態１〜３のヘッドアクチュエータを搭載したハードディスクドライブの斜視図
【図１５】従来のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図
【図１６】従来のヘッドアクチュエータの静力学的モデル
【図１７】従来のヘッドアクチュエータの動力学的モデル
【符号の説明】
１ 磁気ヘッド
１１ ヘッドスライダ
２０ ロードビーム
２１ ディンプル
３０ フレキシャ
３１ フレキシブル基板
３１Ａ、３１Ｂ 伸縮部
３１Ｃ ヒンジ部
３１Ｄ 固定部
３１Ｅ 回動部
３１Ｆ ディンプル受け
３２ 補強板
３３ スペーサ
３４ バックプレート
４０Ａ、４０Ｂ 圧電素子ユニット
４１Ａ、４１Ｂ 保持部材
４２ 低剛性層
４３ 高剛性層
４４ 中間層
５０ ヘッド支持部材
５１ 変位素子
１００ ヘッドアクチュエータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報の記録再生に用いる情報記録再生装置に関し、特に記録媒体の所望のトラックにヘッドを位置決めするためのヘッドアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報記録再生装置として、磁気ディスク装置、光ディスク装置などのディスク状の記録媒体を用いたものが広く普及している。中でも、磁気ディスク装置は、データ転送の高速性という特性を生かしてパーソナルコンピュータの外部記憶装置として広く用いられている。
【０００３】
近年普及している小型の磁気ディスク装置においては、磁気ディスクに同心円状の記録トラックを形成し、磁気ヘッドを揺動型のヘッドアクチュエータによって、磁気ディスクの所望の記録トラックに位置決めすることで情報の記録再生を行うようにしたものが一般的となっている。さらに記録密度の向上を目的として、揺動型ヘッドアクチュエータの先端に２次的な微小ヘッドアクチュエータを設けることで、ヘッド位置決め精度を改善する方式が提案されており、そのための、微小ヘッドアクチュエータがいくつか提案されている。
【０００４】
一例として、特開平５−４７１２６号公報の記載例においては、ヘッド支持ばねを２本の梁で構成し、２本の梁の先端を連結して連結点付近にヘッドを支持すると共に、梁の少なくとも１本に、外部からの印加電圧に応じて伸縮する薄板状の変位素子を少なくとも１面に一体的に固着する構成が開示されている（以下従来例１という）。また、特開平７−２２４８３８号公報の記載例においては、ヘッドが搭載されるロードビームの表面に圧電素子が設けられた構成が開示されている（以下従来例２という）。
【０００５】
従来例１および従来例２は、基本的な構成において共通している。以下、変位素子あるいは圧電素子が片面に設けられた構成について図１５〜図１７を用いて説明する。図１５は、従来のヘッドアクチュエータ１２００の構成を示した模式図である。ヘッド支持部材５０は一端にヘッドスライダ５２が固着されている。ヘッド支持部材５０の中央付近には表面に板状の変位素子５１が固着されている。
【０００６】
図１５において、ヘッド支持部材５０の変位素子５１が固着されている領域を領域１２０１、変位素子５１の固着されていない領域を領域１２０２とすると、領域１２０２における中立面（梁に曲げが生じたときに伸縮が生じない面）ＮＢ１は、ヘッド支持部材５０の幾何学的な中心面に一致している。また領域１２０１においては、ヘッド支持部材５０に変位素子５１が一体で固着されているため、中立面ＮＡ１は必然的に中立面ＮＢ１よりも変位素子５１の側に偏位している。（以下、中立面ＮＡ１とＮＢ１との差Ｄ１を「中立面段差」と称する。）また、変位素子５１単体の幾何学的中央面Ｌ１は中立面ＮＡ１に対して中立面ＮＢ１と反対側にあり、Ｌ１とＮＡ１との距離をＨ１とする。
【０００７】
この構成において、変位素子５１に電圧を印加すれば、ヘッド支持部材５０に長手方向の伸縮が生じ、ヘッドスライダ５２が微小変位する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、微小ヘッドアクチュエータに要求される基本的性能は、より低い電圧で大きな変位が得られること、機械的共振周波数が高く広帯域の位置決め制御が可能であることの２点である。
【０００９】
しかしながら、前記した従来のヘッドアクチュエータ１２００の構成では、変位素子５１によって生じたヘッド支持部材５０の長手方向の伸縮により生じる変位がヘッド支持部材５０のたわみよって損失し、有効な変位が得られない点、機械的共振周波数が主にヘッド支持部材５０のたわみ方向の剛性に依存し、共振周波数の高域化が困難である点の２点を課題として有していた。
【００１０】
はじめに、変位量に関する課題について説明する。図１６（ａ）から図１６（ｃ）は、従来のヘッドアクチュエータの静力学的モデルである。静力学的な観点に立てば、図１５に示した従来のヘッドアクチュエータ１２００は、図１６（ａ）に示したように、ヘッド支持部材５０をその中立面ＮＡ１、ＮＢ１で代表し、それに変位素子５１による力が外力として作用するモデルで表すことができる。いま、図１５において、変位素子５１が延びる方向に電圧が印加された状態を考える。そのとき変位素子５１による伸縮力Ｆ１は図１６（ａ）に示したように外向きに作用する。また前述のように変位素子５１の単体の中央面Ｌ１は中立面ＮＡ１に対して偏位しているため、伸縮力Ｆ１によって曲げモーメントＭ１が発生する。曲げモーメントＭ１は、伸縮力Ｆ１に距離Ｈ１を乗じた大きさである。中央面Ｌ１は中立面ＮＡ１に対して紙面上で上側に（Ｈ１だけ）偏位しているので、曲げモーメントは中立面ＮＡ１が紙面上で上に凸となる向きに作用する。この状態は、伸縮力Ｆ１のみが加えられた状態（図１６（ｂ））と、曲げモーメントＭ１のみが加えられた状態（図１６（ｃ））との重ね合わせと考えることができる。領域１２０１の長さ、すなわち点Ａと点Ｂとの距離に着目すると、図１６（ｂ）に示すように、伸縮力Ｆ１によって点Ａは面内に延びる方向に変位量Ｘ１だけ変位する。一方、図１６（ｃ）に示すように、上に凸となる向きに作用する曲げモーメントＭ１によって梁の両端にそれぞれたわみ角θＡ、θＢが生じ、たわみ角θＡ、θＢにそれぞれ中立面段差Ｄ１を乗じた分の長手方向変位が発生し、点Ａは長手方向に縮む方向に変位量Ｘ２だけ変位することとなる。図１６（ｂ）および図１６（ｃ）から明らかなように、変位量Ｘ１と変位量Ｘ２は逆方向となっており、両者の差が合計の変位量となる。同様に、変位素子５１に縮む方向の電圧を印加したときも、変位量Ｘ１と変位量Ｘ２は逆方向となり、両者の差が合計の変位量となる。すなわち、従来のヘッドアクチュエータの構成では、伸縮力によって生じた面内方向の変位量Ｘ１が、たわみ角によって生じた長手方向の変位量Ｘ２によって損失するので、ヘッドを位置決めするための十分な変位が得られないといった課題があった。
【００１１】
つぎに、機械的共振周波数に関する課題について説明する。図１７は、従来のヘッドアクチュエータの動力学的モデルである。図１５におけるヘッド支持部材５０は、等価的な曲げ剛性を有する梁１４０１の中央に等価的な質量ＭＡ１が集中したモデルで表すことができる。なお、Ｋ１はヘッド支持部材５０の伸縮方向の等価剛性、ＭＳはヘッドスライダ５２を中心とする可動体１４０２の等価質量である。この動力学的モデルにおいては、可動体１４０２の自由度φＳと梁１４０１のたわみ方向の自由度φＹとが連成した固有振動モードが形成される。すなわち、質量ＭＳのφＳ方向の振動に起因する慣性力が、中立面段差Ｄ１によってモーメントＭ１Ｓとして梁１４０１に作用する。この質量ＭＳのφＳ方向の振動に起因する慣性力が、梁１４０１の等価質量ＭＡ１のφＹ方向の振動に起因する慣性力と動的に釣り合った状態で固有振動モードが形成させる。この固有振動モードの固有振動数は主に、可動体１４０２の質量ＭＳによる慣性力と、梁すなわちヘッド支持部材５０のたわみ方向の弾性力により決定される。従って固有振動数を高めるには、梁１４０１に対応するヘッド支持部材５０の剛性を高くすることが必要である。しかしながら、ヘッド支持部材５０の剛性を高くすることは、変位素子５１の伸縮力に対しても抵抗力を大きくすることになり、変位量の減少につながる。すなわち、変位量と機械的共振周波数とはトレードオフの関係にあり、所定の変位量を確保しようとすると、固有振動数即ち、機械的共振周波数を高くすることができないといった課題を有していた。
【００１２】
本発明は前記の課題に鑑みてなされたものであり、より低い電圧で大きなヘッド変位が得られると共に、機械的共振周波数を高くすることで高精度なヘッド位置決め制御を実現するヘッドアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヘッドアクチュエータは、記録媒体に対して情報の記録あるいは再生を行うヘッドを支持するヘッドスライダと、前記ヘッドスライダを支持するヘッド支持部材とを備え、前記ヘッド支持部材は、基板と、前記基板の少なくとも一方の面に設けられ、外部信号に応じて長手方向に伸縮力を発生する駆動素子とを含み、前記駆動素子に外部信号を与えることで前記ヘッド支持部材を長手方向に伸縮させ、前記記録媒体の半径方向に前記ヘッドを位置決めするヘッドアクチュエータであって、前記ヘッド支持部材は、前記ヘッドスライダが設けられる第１領域と、前記駆動素子が設けられる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とを連結する第３領域とを有し、前記駆動素子は、幾何学的中心面を有し、前記ヘッド支持部材は、前記第２領域における第１中立面と前記第３領域における第２中立面とを有し、前記第２中立面は、前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
前記第１中立面は、前記幾何学的中心面に対して前記基板側に存在してもよい。
【００１５】
前記ヘッド支持部材は、前記第２中立面を前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位させる中立面偏位手段をさらに含んでもよい。
【００１６】
前記中立面偏位手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含んでもよい。
【００１７】
前記第１中立面は、前記幾何学的中心面に対して前記基板の反対側に存在してもよい。
【００１８】
前記ヘッド支持部材は、前記第１中立面を前記幾何学的中心面に対して前記基板の反対側に偏位させる幾何学的中心面偏位手段をさらに含んでもよい。
【００１９】
前記幾何学的中心面偏位手段は、前記駆動素子に対して前記基板と同じ側に形成される保持部材を含み、前記保持部材は、前記ヘッド支持部材の撓み方向の剛性を高め、前記ヘッド支持部材の固有振動数を高める機能を有してもよい。
【００２０】
前記保持部材は、前記駆動素子上に設けられ、前記駆動素子よりも縦弾性係数が小さい低剛性層と、前記低剛性層上に設けられ、前記低剛性層より前記縦弾性係数が大きい高剛性層とを含んでもよい。
【００２１】
前記低剛性層は、ポリイミド樹脂を含み、前記高剛性層は、ステンレス鋼を含んでもよい。
【００２２】
前記ヘッド支持部材は、前記第２中立面を前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位させる第１中立面偏位手段をさらに含んでもよい。
【００２３】
前記第１中立面偏位手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含んでもよい。
【００２４】
前記補強部材は、前記基板に対して前記駆動素子と反対側に設けられてもよい。
【００２５】
前記駆動素子は、第１伸び剛性を有し、前記基板は、第２伸び剛性を有し、前記第１伸び剛性は、前記第２伸び剛性よりも大きくてもよい。
【００２６】
前記駆動素子は、板状の形状を有してもよい。
【００２７】
前記駆動素子は、薄膜圧電体に電極が搭載される圧電素子ユニットを含んでもよい。
【００２８】
前記駆動素子は、互いに逆方向の電圧が印加される第１駆動素子と第２駆動素子とを含んでもよい。
【００２９】
前記基板は、前記第１駆動素子が設けられる第１伸縮部と、前記第２駆動素子が設けられる第２伸縮部と、前記ヘッドスライダが設けられる回動部と、前記回動部と前記第１伸縮部とを連結する第１ヒンジ部と、前記回動部と前記第２伸縮部とを連結する第２ヒンジ部とを含んでもよい。
【００３０】
前記ヘッドアクチュエータは、前記ヘッド支持部材を支持するロードビームをさらに備えてもよい。
【００３１】
本発明に係る他のヘッドアクチュエータは、記録媒体に対して情報の記録あるいは再生を行うヘッドを支持するヘッドスライダと、前記ヘッドスライダを支持するヘッド支持部材とを備え、前記ヘッド支持部材は、基板と、前記基板の少なくとも一方の面に設けられ、外部信号に応じて長手方向に伸縮力を発生する駆動素子とを含み、前記駆動素子に外部信号を与えることで前記ヘッド支持部材を長手方向に伸縮させ、前記記録媒体の半径方向に前記ヘッドを位置決めするヘッドアクチュエータであって、前記ヘッド支持部材は、前記ヘッドスライダが設けられる第１領域と、前記駆動素子が設けられる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とを連結する第３領域とを有し、前記ヘッド支持部材は、前記第２領域における第１中立面と前記第３領域における第２中立面とを有し、前記第１中立面と前記第２中立面とが実質的に連続しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
前記ヘッド支持部材は、前記第１中立面を前記第２中立面と実質的に連続にする連続手段を含んでもよい。
【００３３】
前記連続手段は、前記基板と前記駆動素子との間に設けられる中間層を含んでもよい。
【００３４】
前記連続手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含んでもよい。
【００３５】
前記連続手段は、前記駆動素子の周囲に設けられる配線部を含んでもよい。
【００３６】
前記駆動素子は、第１伸び剛性を有し、前記基板は、第２伸び剛性を有し、前記第１伸び剛性は、前記第２伸び剛性よりも大きくてもよい。
【００３７】
前記駆動素子は、板状の形状を有してもよい。
【００３８】
前記駆動素子は、薄膜圧電体に電極が形成される圧電素子ユニットを含んでもよい。
【００３９】
前記駆動素子は、互いに逆方向の電圧が印加される第１駆動素子と第２駆動素子とを含んでもよい。
【００４０】
前記基板は、前記第１駆動素子が設けられる第１伸縮部と、前記第２駆動素子が設けられる第２伸縮部と、前記ヘッドスライダが設けられる回動部と、前記回動部と前記第１伸縮部とを連結する第１ヒンジ部と、前記回動部と前記第２伸縮部とを連結する第２ヒンジ部とを含んでもよい。
【００４１】
前記ヘッドアクチュエータは、前記ヘッド支持部材を支持するロードビームをさらに備えてもよい。
【００４２】
本発明に係るハードディスクドライブは、本発明に係るヘッドアクチュエータと、前記記録媒体を回転駆動するモータと、前記ヘッドが前記記録媒体上の所定のデータトラックにアクセスできるように、前記ヘッドアクチュエータを前記記録媒体の表面を横切って半径方向に移動させる駆動手段と、前記ヘッド支持部材を面内方向に伸縮させ、前記記録媒体の前記半径方向に前記ヘッドを位置決めするように、前記駆動素子に前記外部信号を与える制御手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明によるヘッドアクチュエータの好適な実施の形態として、磁気ディスク装置に用いるヘッドアクチュエータを例にとり、図１〜図１４を参照しつつ説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータについて、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの要部斜視図である。図１において、ヘッドアクチュエータ１００は、記録媒体（図示せず）に情報の記録再生を行う磁気ヘッド１が一端面に設けられたヘッドスライダ１１、ヘッドスライダ１１が一端に固着されたフレキシャ３０、及びフレキシャ３０を支持するロードビーム２０から構成される。実施形態１の主だった特徴はフレキシャ３０にあり、ヘッドスライダ１１及びロードビーム２０は現在普及している磁気ディスク装置に使用されている一般的なものを用いることができる。
【００４５】
図２は、図１におけるＫ部の分解斜視図である。また図３は、図４における断面ＧＧを示した模式図であり、厚み方向を拡大して示してある。
【００４６】
本明細書において長手方向とは、図３において矢印Ｖによって示される方向および他の図面においてこの方向に対応する方向を意味するものとする。本発明に係るフレキシャは、この長手方向に延伸している。また本明細書において厚み方向とは、図３において矢印Ｕによって示される方向および他の図面においてこの方向に対応する方向を意味するものとする。さらに本明細書においてたわみ方向とは、厚み方向と実質的に同一の方向を意味するものとする。この厚み方向およびたわみ方向は、長手方向に対して実質的に垂直である。
【００４７】
図２及び図３において、フレキシャ３０は、フレキシブル基板３１と圧電素子ユニット４０と補強板３２とスペーサ３３とバックプレート３４とを含む。圧電素子ユニット４０は、第１圧電素子ユニット４０Ａと第２圧電素子ユニット４０Ｂとを含む。フレキシブル基板３１は固定部３１Ｄから伸びる２つの梁状の伸縮部３１Ａ、３１Ｂを有し、この伸縮部３１Ａ、３１Ｂは先端に形成されたヒンジ部３１Ｃで回動部３１Ｅに連結している。フレキシブル基板３１は、厚さ約１０マイクロメートルのポリイミド樹脂からなる基材の上に銅薄膜で配線パターンが形成されたものである。フレキシブル基板３１の回動部３１Ｅ、ヒンジ部３１Ｃには同様な平面形状を有する厚さ約２５マイクロメートルのステンレス鋼からなる補強板３２が接着されており、さらにスペーサ３３を介してヘッドスライダ１１が接着されている。
【００４８】
またフレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂにはそれぞれ第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂが接着されている。第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂは厚さ約２．５マイクロメートルのＰＺＴからなる薄膜圧電体の両面に厚さ約０．１マイクロメートルの白金電極を形成したものであり、この白金電極に印加される電圧に応じて、圧電効果により長手方向に伸縮するものである。第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの電極はフレキシブル基板３１の配線にボンディングされており、外部のドライバ（図示せず）により電圧が供給される。フレキシブル基板３１の固定部３１Ｄには、第１、第２圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂが接着されている面と反対側の面にステンレス鋼からなるバックプレート３４が接着されており、バックプレート３４はロードビーム２０（図１）にスポット溶接によって接合されている。また、フレキシブル基板３１の回動部３１Ｅにはディンプル受け３１Ｆが設けられており、その背面にロードビーム２０に設けられたディンプル２１が当接し、ピボット軸受けを形成している。
【００４９】
図３において、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂを領域３０１、ヒンジ部３１Ｃを領域３０２とする。フレキシブル基板３１と圧電素子ユニット４０との間には両者を接合する僅かな厚さの接着層（図示せず）が形成される。圧電素子ユニット４０内のＰＺＴの縦弾性係数と断面積との積は、フレキシブル基板３１および接着層それぞれの縦弾性係数と断面積との積を加算したものよりおよそ１．５倍大きい。
【００５０】
また図３において、領域３０１におけるフレキシャ３０の中立面ＮＡ２はフレキシブル基板３１の内部に、領域３０２におけるフレキシャ３０の中立面ＮＢ２は補強板３２の内部にあり、中立面段差Ｄ２は約１６マイクロメートルである。また、圧電素子ユニット４０の単体の幾何学的中心面Ｌ２は領域３０１の中立面ＮＡ２に対して領域３０２の中立面ＮＢ２と同方向にあり、幾何学的中心面Ｌ２と中立面ＮＡ２との距離Ｈ２は約７マイクロメートルである。なお、幾何学的中心面とは、圧電素子ユニット４０の断面において幾何学的中心となる面を意味する。
【００５１】
以上のように構成された本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータについて、以下その動作を説明する。図４は、本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの変形の様子を示す平面図ある。図４において、実線Ｅは非動作状態、破線Ｆは動作状態を示している。動作状態においては、２つの圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂ（図２）にドライバによって互いに逆方向で絶対値の等しい電圧を印加する。例えば圧電素子ユニット４０Ａが圧縮する方向、４０Ｂが伸張する方向に電圧を印加した場合、図４に示すように、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａは矢印Ｐ方向に、伸縮部３１Ｂは矢印Ｑ方向に変形し、ヒンジ部３１Ｃでは、それぞれ変位量ＸＡ、変位量ＸＢなる長手方向の変位量が発生する。両変位量は向きが反対で絶対値は等しい。従って回動部３１Ｅにはヒンジ部３１Ｃの中点を支点として矢印Ｒ方向の回転が生じ、磁気ヘッド位置では矢印Ｐ、Ｑに略垂直な方向にＹＨなる変位を生じる。ヘッド位置の変位量ＹＨは伸縮部３１Ａ、３１Ｂの伸縮量に比例し、従って圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの印加電圧に比例する。印加電圧とヘッドの変位量との比例定数を既知としておけば、ドライバから供給する電圧を制御することで、ヘッドの位置が制御される。
【００５２】
図３に示すように、本実施の形態においては、圧電素子ユニット４０に発生した圧電歪みを効率よく長手方向の変位に変換するために、実質的に伸縮の生じる領域３０１において圧電素子ユニット４０をそれより十分に軟らかいフレキシブル基板３１でだけで保持し、圧電素子ユニット４０内のＰＺＴの縦弾性係数と断面積との積を、フレキシブル基板３１および接着層それぞれの縦弾性係数と断面積との積を加算したものよりも大きくしている。一般に材料は縦弾性係数と断面積との積によって伸び剛性が決まる。実施の形態１では、伸縮力を生じる圧電素子ユニット４０内のＰＺＴの伸び剛性に対して、伸縮力に抗する部分（フレキシブル基板３１および接着層）の伸び剛性を小さくすることにより、ＰＺＴに生じた圧電ひずみの大半を長手方向の変位として取り出すことができる。従って、入力電圧を効率よく変位に変換することができるため、より低い電圧で大きなヘッド変位を得ることができる。
【００５３】
次に、実施形態１において、長手方向の変位量が増大される作用について説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの静力学的モデルである。静力学的な観点に立てば、実施形態１のヘッドアクチュエータは、図５（ａ）に示したように、フレキシャ３０をその中立面ＮＡ２、ＮＢ２で代表し、それに圧電素子ユニット４０によって発生する力が外力として作用するモデルで表すことができる。いま、図３において、圧電素子ユニット４０が延びる方向に電圧が印加された状態を考える。そのとき圧電素子ユニット４０による伸縮力Ｆ２は図５（ａ）に示したように引っ張り方向に作用する。また前述のように圧電素子ユニット４０の単体の幾何学的中心面Ｌ２は中立面ＮＡ２に対して紙面に向かって上側にＨ２だけ偏位しているため、伸縮力Ｆ２によって曲げモーメントＭ２が発生する。曲げモーメントＭ２は、伸縮力Ｆ２に距離Ｈ２を乗じた大きさである。
【００５４】
圧電素子４０の中心面Ｌ２は上側に偏位しているので、曲げモーメントＭ２は、紙面に向かって中立面ＮＡ２が下向きにたわむ向きに作用する。この状態は、伸縮力Ｆ２のみが加えられた状態（図５（ｂ））と、曲げモーメントＭ２のみが加えられた状態（図５（ｃ））との重ね合わせと考えることができる。点Ａの位置に着目すると、図５（ｂ）に示すように、伸縮力Ｆ２によって点Ａは長手方向に変位量Ｘ３だけ変位する。一方、図５（ｃ）に示すように、曲げモーメントＭ２によって梁の先端にはたわみ角θ２が生じる。それにより、たわみ角θ２に中立面段差Ｄ２を乗じた分の長手方向の変位が発生する。即ち、点Ａは長手方向に変位量Ｘ４だけ変位する。変位量Ｘ３と変位量Ｘ４の方向は同方向となっている。このため、両変位量を加算したものが合計の変位量となる。同様に、圧電素子ユニット４０に縮む方向の電圧を印加したときも、変位量Ｘ３と変位量Ｘ４は同方向となり、両者の和が実際の変位量となる。
【００５５】
実施形態１においては、長手方向の変位量Ｘ３は１０のマイナス７乗メートルのオーダである。また、たわみ角θ２は１０のマイナス２乗ラジアンのオーダ、中立面段差Ｄ２は１０のマイナス５乗メートルのオーダで、その積である変位量Ｘ４も１０のマイナス７乗メートルのオーダである。すなわち、実施形態１においては、圧電素子ユニット４０の本来の長手方向の変位量Ｘ３にたわみ角θ２によって生じる変位量Ｘ４が付加されるので、実際の変位量を増大させることができる。
【００５６】
なお、実施形態１のように、圧電素子ユニット４０の長手方向の変位量Ｘ３の方向と、たわみ角θ２による長手方向の変位量Ｘ４の方向とが同方向になるための条件は、領域３０１における中立面ＮＡ２に対して、領域３０２における中立面ＮＢ２と圧電素子ユニット４０単体の幾何学的中心面Ｌ２とが同方向に偏位していることである（以下、「変位加算条件」という）。
【００５７】
図１５で前述したように、従来のヘッドアクチュエータにおいては、ヘッド支持部材５０の表面の一部に変位素子５１を固着するだけの構成であったため、必然的に中立面ＮＡ１に対して中立面ＮＢ１と中央面Ｌ１とが反対方向に位置するので、前述した変化加算条件を満足しない。それに対して実施形態１によれば、領域３０２に補強板３２を固着することによって、中立面ＮＢ２の位置を補強板３２の方向に偏位させ、変位加算条件を満足している。
【００５８】
すなわち、従来のヘッドアクチュエータの構成では、図１６で前述したように伸縮力Ｆ１によって生じた長手方向の変位量Ｘ１が、たわみ角θＡによって生じた変位量Ｘ１の方向とは逆方向の変位量Ｘ２によって損失し、ヘッドを位置決めするための十分な変位が得らないといった課題があったのに対して、実施形態１によれば図５で前述したように、伸縮力Ｆ２によって生じた長手方向の変位量Ｘ３に、たわみ角θ２によって生じた長手方向の変位量Ｘ４を付加し、実際の変位量を増大することができるといった効果を奏する。
【００５９】
（実施の形態２）
以下、図６〜図８を参照しながら本発明の実施の形態２によるヘッドアクチュエータについて説明する。図６は、本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの要部分解斜視図である。また図７は、図６の断面の構成を示した模式図であり、厚み方向を拡大して示してある。実施の形態２のヘッドアクチュエータは、図６および図７に示したフレキシャ３０の構成が、後述する点において実施の形態１と異なるのを除いて、その他の構成要素および動作は実施の形態１と同様であるので、同一部分には同一の参照符号を付し説明を省略する。
【００６０】
図６および図７において、実施形態２のフレキシャ３０Ａは、以下の３点において実施形態１の構成と異なる。第１の異なる点は、前述した実施の形態では図３に示すように圧電素子ユニット４０とスライダ１１とがオーバーラップしているけれども、実施の形態２では図７に示すようにオーバーラップしていない点、第２の異なる点は、実施の形態１では図３に示すように補強板３２がフレキシブル基板３１の圧電素子ユニット４０が固着されている面と同じ面に固着されているのに対し、実施の形態２では図７に示すように反対側の面に固着されている点、第３の異なる点は、実施の形態２では図７に示すように圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの上にそれぞれ保持部材４１Ａ、４１Ｂが固着されている点である。図７に示すように保持部材４１Ａ、４１Ｂは、厚さ約１５０マイクロメートルのポリイミド樹脂からなる低剛性層４２上に厚さ約１０マイクロメートルのステンレス鋼からなる高剛性層４３を貼りあわせたものである。
【００６１】
図７において、実施の形態１と同様に、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂ（図６）を領域４０１、ヒンジ部３１Ｃ（図６）を領域４０２とする。実施の形態２においては、圧電素子ユニット４０の上に保持部材４１を設け、領域４０１の中立面ＮＡ３が低剛性層４２の内部に存在するよう低剛性層４２および高剛性層４３の材料及び厚さが設定されている。また領域４０２における中立面ＮＢ３はフレキシブル基板３１の下面に固着された補強板３２の内部にある。実施の形態２において、中立面段差Ｄ３は約１０３マイクロメートルである。また、圧電素子ユニット４０の単体の中央面Ｌ３と中立面ＮＡ３との距離Ｈ３は約７８マイクロメートルである。以上のように実施の形態２においても、領域４０１における中立面ＮＡ３に対して、領域４０２における中立面ＮＢ３と圧電素子ユニット４０単体の中央面Ｌ３とが同方向に偏位しており、実施の形態１で述べた変位加算条件を満足している。
【００６２】
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの静力学的モデルである。図８（ａ）に示した実施形態２のモデルと、図５（ａ）で前述した実施形態１のモデルとを比較すると、両者は紙面の上下方向に対して鏡面対称の関係になっていることがわかる。従って実施の形態１で説明したのと同様の作用によって、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示したように、長手方向の伸縮力Ｆ３による変位量Ｘ５の方向とたわみ角θ３による変位量Ｘ６の方向とが同方向となり、実際の変位量は変位量Ｘ５と変位量Ｘ６との和となる。
【００６３】
すなわち実施形態２によれば、実施の形態１と同様に、伸縮力Ｆ３によって生じた長手方向の変位量Ｘ５に、たわみ角θ３によって生じた長手方向の変位量Ｘ６を付加することで、実際の変位量を増大することができるといった効果を奏する。
【００６４】
また、実施形態２においては、図７に示すように中立面段差Ｄ３を実施の形態１の中立面段差Ｄ２（図３）よりも大きくすることが可能なので、たわみ角をより大きな長手方向の変位に変換することができる。実施形態２は、圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂの上に保持部材４１Ａ、４１Ｂを設けているので、実施の形態１に比べ面内の伸縮量は若干低下するが、前述したようにたわみ角による長手方向の変位を十分大きくすることができるので、実際の変位量は実施の形態１よりも増加する。
【００６５】
加えて、動的な特性に関して、保持部材４１Ａ、４１Ｂはフレキシャ３０Ａのたわみ方向の剛性を高めるよう作用するので、ヘッドアクチュエータの固有振動数を高くすることができる。従って、ヘッドアクチュエータの機械的共振周波数を向上させ広帯域のヘッド位置決め制御を行うことができるといった効果を有する。
【００６６】
特に、実施形態２の保持部材４１Ａ、４１Ｂは、圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂと同等の大きさの剛性を有する高剛性層４３を、この高剛性層４３に比べ十分剛性の低い低剛性層４２で隔てて圧電素子ユニット４０Ａ、４０Ｂに固着する構成としているため、所定の中立面偏位量を実現するのに必要な部材の厚さを薄く抑えることができる。従って長手方向の伸び剛性をあまり大きくすることなく、たわみ方向の曲げ剛性を高くすることができるので、変位量を増加させることと機械的共振周波数を高くすることの両面において一層の効果を発揮する。
【００６７】
（実施の形態３）
以下、図９〜図１１を参照しながら本発明の実施の形態３によるヘッドアクチュエータについて説明する。図９は、本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図であり、厚み方向を拡大して示してある。実施の形態３のヘッドアクチュエータは、図９に示したフレキシャ３０Ｂに中間層４４を設けた点を除いて、その他の構成要素および動作は実施の形態１と同様であるので、同一部分には同一の参照符号を付し説明を省略する。
【００６８】
図９において、圧電素子ユニット４０は、厚さ約１８マイクロメートルのポリイミド樹脂からなる中間層４４を介してフレキシブル基板３１に接着されている。実施の形態１と同様に、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａ、３１Ｂ（図２）を領域５０１、ヒンジ部３１Ｃ（図２）を領域５０２とする。実施の形態３においては、領域５０１の中立面ＮＡ４が領域５０２の中立面ＮＢ４に連続するよう中間層４４の厚さが選択されている。
【００６９】
実施の形態３のヘッドアクチュエータは、前記した構成によって、機械的共振周波数を格段に高くするものである。図１７を用いて前述したように、従来のヘッドアクチュエータは、大きな質量を有するヘッドスライダが振動することによる慣性力と、ヘッド支持部材の曲げ方向の弾性力とが釣り合う形の固有振動モードが出現し、それが最も低い機械的共振周波数を決めていた。そして、ヘッド支持部材の曲げ剛性を高めることが困難なことから、機械的共振周波数を高くすることが困難であるという課題を有していた。
【００７０】
実施の形態３は、前記したように領域５０１での中立面ＮＡ４と領域５０２での中立面ＮＢ４とが連続し、中立面段差が生じない構成とすることで、フレキシャ３０Ｂが長手方向に垂直な方向、即ちたわみ方向に振動しても、それがヘッドスライダ１１に設けられたヘッド１の位置決めに対して影響を及ぼさない第１の固有振動モードが形成されるようにすると共に、大きな質量を有するヘッドスライダ１１が長手方向に振動することによって生じる慣性力を、比較的剛性の高いフレクシャ３０Ｂの長手方向の弾性力で受け持つ第２の固有振動モードが形成されるようにすることによって、ヘッドアクチュエータの機械的共振周波数を高くするものである。
【００７１】
以下、図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照しながら、この２つの振動モードについて順次説明する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動力学的モデルである。フレキシャ３０Ｂは、等価的な曲げ剛性を有する梁１００１の中央に等価的な質量ＭＡ１が集中したモデルで表すことができる。なお、Ｋ１はフレキシャ３０Ｂの伸縮方向の等価剛性、ＭＳはヘッドスライダ１１を中心とする可動体１００２の等価質量である。
【００７２】
本モデルにおける第１の固有振動モードは、図１０（ａ）に示したように、フレキシャ３０Ｂが長手方向に垂直な方向、即ちたわみ方向に振動するモードである。実施の形態３においては中立面段差が生じないように構成されている。従って、フレキシャ３０Ｂが図１０（ａ）に示すようにたわみ方向に振動したとしても、図１７で前述した従来技術のようにヘッドスライダ１１を中心とする可動体１００２に矢印１００３の方向に力を及ぼすことはない。このため、可動体１００２の質量ＭＳが矢印１００３の方向に振動することはない。すなわちフレキシャ３０Ｂのたわみ方向の自由度φＹは可動体１００２の自由度φＳに影響を及ぼさない。従って、第１の固有振動モードが生じても、その振動がヘッドスライダ１１に設けられたヘッドで検出されることはないので、ヘッド位置決め制御に影響を及ぼすことはない。なお、実施の形態３において、第１の固有振動モードの固有振動数は２０．７ｋＨｚである。
【００７３】
次に、第２の固有振動モードは、図１０（ｂ）に示したように、可動体１００２とフレキシャ３０Ｂとが一体で長手方向即ち、矢印１００３の方向に振動するモードである。可動体１００２の質量ＭＳはたわみ方向の曲げ剛性に比べ剛性の高い長手方向の等価剛性Ｋ１によって支持されており、固有振動数は高い。実施の形態３において、第２の固有振動モードの固有振動数は２２．９ｋＨｚである。
【００７４】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動特性を示したグラフである。図１１（ａ）および図１１（ｂ）において、横軸はヘッドアクチュエータへ供給される供給電圧の周波数、縦軸はヘッドの変位量を表す。図１１（ａ）は、前記した中立面段差が生じない構成における動特性を示している。比較のため図１１（ｂ）に、中間層４４をより厚くして意図的に中立面段差を１６マイクロメートル設けた構成における動特性を示している。中間層４４の厚さが異なる点を除いて、両者の構成は等しい。図１１（ｂ）において、最も低い機械的共振周波数は、１５．１ｋＨｚ（矢印１１１で示した位置）で、これは図１４を用いて説明したのと同様の動力学モデルの固有振動モードによるものである。それに対して、図１１（ａ）においては、最も低い機械的共振周波数は、２２．９ｋＨｚ（矢印１１２で示した位置）で前述した第２の固有振動モードによるものである。また、第１の固有振動モードは周波数２０．７ｋＨｚ（矢印１１３で示した位置）に存在するが、振動は検出されず、ヘッド位置決め制御に影響を及ぼすことはない。
【００７５】
以上のように、実施形態３のヘッドアクチュエータは、中間層４４を設け、領域５０１と領域５０２との中立面が連続するように構成することで、機械的共振周波数を格段に高くすることできる。それにより、より広い帯域で高精度なヘッド位置決め制御が可能となるといった効果を奏する。
【００７６】
実施形態３においては、中間層４４を設けることで、領域５０１と領域５０２との中立面を連続させる構成としたが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば実施の形態２の図７で説明したような保持部材４１Ａ、４１Ｂを圧電素子ユニット４０の上に設けるなどして、領域５０１と領域５０２との中立面を連続させる構成であってもよい。
【００７７】
図１２は、実施の形態３の他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図である。この図１２に示すように、中間層４４の代わりに、少なくとも領域５０２に補強部材３２Ａを設けることによって、領域５０１における中立面ＮＡ６と領域５０２における中立面ＮＢ６とを連続させる構成にしてもよい。
【００７８】
図１３（ａ）は、実施の形態３のさらに他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における断面ＳＳを示し、また、図４における断面ＪＪでもある。図１３（ｂ）に示すように、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａおよび３１Ｂ上にそれぞれ設けられた圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂに対し、厚み方向（フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａおよび３１Ｂの表面に対して垂直な方向）で圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂにオーバーラップするように、配線３４Ａ、配線３４Ｂ、配線３４Ｃ、配線３４Ｄおよび配線３４Ｅを施すと、領域５０１における中立面ＮＡ５を圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂ側に移動させて、領域５０１における中立面ＮＡ５を領域５０２における中立面ＮＢ５と連続させることができる。つまり、フレキシブル基板３１の伸縮部３１Ａおよび３１Ｂと圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂとのそれぞれの間に前述した中間層４４を設けなくても、圧電素子ユニット４０Ａおよび４０Ｂのそれぞれの周りに配線を施すことによって、領域５０１における中立面ＮＡ５を領域５０２における中立面ＮＢ５と連続させることができる。従って、機械的共振周波数を格段に高くすることでき、それにより、より広い帯域で高精度なヘッド位置決め制御が可能となるといった前述した効果と同様の効果が得られる。
【００７９】
なお、領域５０１の中立面ＮＡ４と領域５０２の中立面ＮＢ４とは必ずしも厳密に連続している必要はなく、領域５０１の中立面ＮＡ４と圧電素子ユニットの中央面との間の距離に比べて中立面ＮＡ４と中立面ＮＢ４との間の中立面段差が十分小さければ、実効的に中立面ＮＡ４およびＮＢ４は連続しているのと同等の効果を奏し、この両中立面は実質的に連続しているものと見なすことができる。
【００８０】
また、実施の形態１〜３のいずれにおいても、圧電素子ユニットをフレキシブル基板のヘッドスライダ側に設けた構成を例にとって説明したが、ヘッドスライダと反対の面に設けた構成であってもよい。また、フレキシブル基板の両面に設けた構成であってもよい。
【００８１】
また、実施の形態１〜３のいずれにおいても、圧電素子ユニットは単層の圧電素子を用いたものを例にとって説明したが、複数の圧電素子を積層したものであってもよい。
【００８２】
さらに、実施の形態１〜３のいずれにおいても、磁気ヘッドを設けたヘッドスライダをヘッドアクチュエータに搭載した例を説明したが、磁気ヘッドを設けたヘッドスライダの替わりに光ピックアップ素子を搭載しても良い。
【００８３】
図１４は、実施の形態１〜３のいずれかに記載のヘッドアクチュエータを搭載したハードディスクドライブ１５００の斜視図である。ハードディスクドライブ１５００は、ヘッド１が設けられたスライダ１１を含むヘッドアクチュエータ１５１０と、ヘッドアクチュエータ１５１０を保持するヘッドキャリッジ１５０１と、ヘッドキャリッジ１５０１とヘッドアクチュエータ１５１０とを介してヘッド１を移動させる直線式または回転式のボイスコイルモータ１５０２と、ディスク１５０３を回転駆動するスピンドルモータ１５０４と、ヘッドアクチュエータ１５１０のフレキシブル基板を長手方向に伸縮させ、ディスク１５０３の半径方向にヘッド１を位置決めするように、ヘッドアクチュエータ１５１０に含まれる圧電素子ユニットに信号を与える制御部１５０５とを備える。
【００８４】
スピンドルモータ１５０４は、ディスク１５０３を所定の速度で回転駆動する。ボイスコイルモータ１５０２は、ヘッド１がディスク１５０３上の所定のデータトラックにアクセスできるように、ヘッド１が設けられたスライダ１１を含むヘッドアクチュエータ１５１０をディスク１５０３の表面を横切って半径方向に移動させる。圧電素子ユニットは、制御部１５０５によって与えられた信号に応じてフレキシブル基板を長手方向に伸縮させ、ディスク１５０３の半径方向にヘッド１を位置決めする。ヘッド１は、ディスク１５０３に情報を記録再生する。
【００８５】
ヘッド１を保持するスライダ１１は、例えば空気ベアリングスライダである。この場合には、スライダ１１は、ハードディスクドライブ１５００の起動・停止動作時にはディスク１５０３の表面と接触する。ハードディスクドライブ１５００の情報記録再生動作時には、スライダ１１は回転するディスク１５０３とスライダ１１との間で形成される空気ベアリングによってディスク１５０３の表面上に維持される。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように、本発明のヘッドアクチュエータによれば、より低い電圧で大きなヘッド変位が得られると共に、機械的共振周波数を高くすることができる。それにより高精度のヘッド位置決め制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの要部斜視図
【図２】図１におけるＡ部の分解斜視図
【図３】図２の断面の構成を示した模式図
【図４】本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの変形の様子を示す平面図
【図５】本発明による実施の形態１のヘッドアクチュエータの静力学的モデル
【図６】本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの要部分解斜視図
【図７】図６の断面の構成を示した模式図
【図８】本発明による実施の形態２のヘッドアクチュエータの静力学的モデル
【図９】本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図
【図１０】本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動力学的モデル
【図１１】本発明による実施の形態３のヘッドアクチュエータの動特性を示したグラフ
【図１２】本発明による実施の形態３の他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図
【図１３】（ａ）は、本発明による実施の形態３のさらに他のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図、（ｂ）は、（ａ）における線ＳＳに沿った断面図。
【図１４】実施の形態１〜３のヘッドアクチュエータを搭載したハードディスクドライブの斜視図
【図１５】従来のヘッドアクチュエータの断面の構成を示した模式図
【図１６】従来のヘッドアクチュエータの静力学的モデル
【図１７】従来のヘッドアクチュエータの動力学的モデル
【符号の説明】
１ 磁気ヘッド
１１ ヘッドスライダ
２０ ロードビーム
２１ ディンプル
３０ フレキシャ
３１ フレキシブル基板
３１Ａ、３１Ｂ 伸縮部
３１Ｃ ヒンジ部
３１Ｄ 固定部
３１Ｅ 回動部
３１Ｆ ディンプル受け
３２ 補強板
３３ スペーサ
３４ バックプレート
４０Ａ、４０Ｂ 圧電素子ユニット
４１Ａ、４１Ｂ 保持部材
４２ 低剛性層
４３ 高剛性層
４４ 中間層
５０ ヘッド支持部材
５１ 変位素子
１００ ヘッドアクチュエータ
Claims (19)
- 記録媒体に対して情報の記録あるいは再生を行うヘッドを支持するヘッドスライダと、
前記ヘッドスライダを支持するヘッド支持部材とを備え、
前記ヘッド支持部材は、基板と、
前記基板の少なくとも一方の面に設けられ、外部信号に応じて長手方向に伸縮力を発生する駆動素子とを含み、
前記駆動素子に外部信号を与えることで前記ヘッド支持部材を長手方向に伸縮させ、前記記録媒体の半径方向に前記ヘッドを位置決めするヘッドアクチュエータであって、
前記ヘッド支持部材は、前記ヘッドスライダが設けられる第１領域と、
前記駆動素子が設けられる第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域とを連結する第３領域とを有し、
前記駆動素子は、幾何学的中心面を有し、
前記ヘッド支持部材は、前記第２領域における第１中立面と前記第３領域における第２中立面とを有し、
前記第２中立面は、前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位しているヘッドアクチュエータ。 - 前記第１中立面は、前記幾何学的中心面に対して前記基板側に存在する、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記ヘッド支持部材は、前記第２中立面を前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位させる中立面偏位手段をさらに含む、請求項２記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記中立面偏位手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含む、請求項３記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記第１中立面は、前記幾何学的中心面に対して前記基板の反対側に存在する、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記ヘッド支持部材は、前記第１中立面を前記幾何学的中心面に対して前記基板の反対側に偏位させる幾何学的中心面偏位手段をさらに含む、請求項５記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記幾何学的中心面偏位手段は、前記駆動素子に対して前記基板と同じ側に形成される保持部材を含み、
前記保持部材は、前記ヘッド支持部材の撓み方向の剛性を高め、前記ヘッド支持部材の固有振動数を高める機能を有する、請求項６記載のヘッドアクチュエータ。 - 前記保持部材は、前記駆動素子上に設けられ、前記駆動素子よりも縦弾性係数が小さい低剛性層と、
前記低剛性層上に設けられ、前記低剛性層より前記縦弾性係数が大きい高剛性層とを含む、請求項７記載のヘッドアクチュエータ。 - 前記低剛性層は、ポリイミド樹脂を含み、
前記高剛性層は、ステンレス鋼を含む、請求項８記載のヘッドアクチュエータ。 - 前記ヘッド支持部材は、前記第２中立面を前記第１中立面に対して前記幾何学的中心面と同じ側に偏位させる第１中立面偏位手段をさらに含む、請求項６記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記第１中立面偏位手段は、少なくとも前記第３領域に設けられる補強部材を含む、請求項１０記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記補強部材は、前記基板に対して前記駆動素子と反対側に設けられる、請求項１１記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記駆動素子は、第１伸び剛性を有し、
前記基板は、第２伸び剛性を有し、
前記第１伸び剛性は、前記第２伸び剛性よりも大きい、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。 - 前記駆動素子は、板状の形状を有する、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記駆動素子は、薄膜圧電体に電極が搭載される圧電素子ユニットを含む、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記駆動素子は、互いに逆方向の電圧が印加される第１駆動素子と第２駆動素子とを含む、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。
- 前記基板は、前記第１駆動素子が設けられる第１伸縮部と、
前記第２駆動素子が設けられる第２伸縮部と、
前記ヘッドスライダが設けられる回動部と、
前記回動部と前記第１伸縮部とを連結する第１ヒンジ部と、
前記回動部と前記第２伸縮部とを連結する第２ヒンジ部とを含む、請求項１６記載のヘッドアクチュエータ。 - 前記ヘッドアクチュエータは、前記ヘッド支持部材を支持するロードビームをさらに備える、請求項１記載のヘッドアクチュエータ。
- 請求項１に記載のヘッドアクチュエータと、
前記記録媒体を回転駆動するモータと、
前記ヘッドが前記記録媒体上の所定のデータトラックにアクセスできるように、前記ヘッドアクチュエータを前記記録媒体の表面を横切って半径方向に移動させる駆動手段と、
前記ヘッド支持部材を面内方向に伸縮させ、前記記録媒体の前記半径方向に前記ヘッドを位置決めするように、前記駆動素子に前記外部信号を与える制御手段とを備えるハードディスクドライブ。
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