JP5620450B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

圧電素子として、互いに対向する一対の主面と、一対の主面を連結するように一対の主面の対向方向に延びる側面と、を有すると共に、圧電セラミック材料からなる圧電体と、該圧電体の一対の主面上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備えているものが一般的に知られている。

そして、上述した圧電素子をスライダ駆動用のアクチュエータとして利用するハードディスク装置（ＨＤＤ）ヘッドサスペンションが知られている。

下記特許文献１には、このようなＨＤＤヘッドサスペンションにおいて、圧電素子の圧電体側面に樹脂をコーティングすることにより、側面から圧電セラミックの粒子が離脱（パーティクルが発生）することを抑制する技術が開示されている。

国際公開第２０１１／１６９９４号 特開平８−３１９１７４号公報

発明者らは、上述した従来の圧電素子において、圧電体側面と樹脂との密着性を向上させることでパーティクルの発生をより効果的に抑制できるとの予見から、様々な検討を重ねてきた。その過程において、上記特許文献２に開示された技術を利用し、圧電体側面にレーザ光を照射して微細な凸形状および凹形状を形成して粗面化し、拡大した表面積とアンカー効果とで密着性を向上させる技術について検討してみた。

樹脂が圧電体側面に形成した凹形状部分に入り込む場合には、アンカー効果が期待できるものの、樹脂の粘性や濡れ性、凹凸寸法等の諸条件により、必ずしも樹脂が凹形状部分に入り込むとは限らない。

そして、樹脂が凹形状部分に入り込まない部分では、樹脂と圧電体側面とが接触しない非接触領域が生じ、密着性低下の原因となり得る。

加えて、圧電体側面にレーザ光を照射した際に、圧電体側面に剥離しやすい微細セラミック片（いわゆる、残渣）が生じやすく、この残渣が密着性低下の原因となり得る。

したがって、表面積拡大とアンカー効果のために、圧電体側面をレーザ光を照射して粗面化した場合には、上記原因により予期しない密着性低下が生じ、その結果、素子間で密着力がバラツくことが考えられる。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、素子間で、圧電体の側面にコーティングされた樹脂の密着力バラツキを抑えた圧電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電素子は、互いに対向する一対の主面と、一対の主面間を連結するように延びる側面と、を有する圧電体と、圧電体の側面を覆う樹脂と、を備える圧電素子であって、樹脂で覆われた圧電体の側面が、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０２〜１．０μｍの滑らかな面である。

この圧電素子においては、樹脂で覆われた圧電体の側面が滑らかな面が、算術平均粗さ０．０２〜１．０μｍの滑らかな面であり、このレベルの滑らかさになると、圧電体側面における微細な凹形状の数が極めて少ない。そのため、たとえ樹脂が凹形状部分に入り込まない場合であっても、そもそも微細な凹形状の数が少ないため、樹脂と圧電体側面とが接触しない非接触領域が生じにくい。また、圧電体側面は粗面化されていないため、側面に存在する残渣も極めて少ない。したがって、本発明に係る圧電素子においては、凹形状部分における非接触領域や残渣に起因する樹脂の密着性低下が生じにくく、期待値どおりの樹脂密着力が得られるため、素子間における密着力バラツキが効果的に抑制されている。

また、樹脂で覆われた圧電体の側面が、一対の主面の対向方向の軸線に対して湾曲している態様であってもよい。この場合、圧電体側面を粗面化することなく、圧電体側面の面積拡大を実現することができる。

さらに、樹脂で覆われた圧電体の側面における１μｍ以上の凹みの頻度が、圧電体の自然面における１μｍ以上の凹みの頻度よりも低い態様であってもよい。

本発明によれば、素子間で、圧電体の側面にコーティングされた樹脂の密着力バラツキが抑えられた圧電素子が提供される。

図１は、本発明の実施形態に係るサスペンションを示す概略平面図である。 図２は、図１に示すベースプレートの平面図である。 図３は、図１に示すヒンジ部品の平面図である。 図４は、図１のサスペンションに搭載される圧電素子の分解斜視図である。 図５は、図１のサスペンションに搭載される圧電素子のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は、図４の圧電素子を作製する際の一工程を示した図である。 図７は、図４の圧電素子を作製する際の一工程を示した図である。 図８は、図４の圧電素子を作製する際の一工程を示した図である。 図９は、図４の圧電素子を作製する際の一工程を示した図である。 図１０は、図４の圧電素子を作製する際の一工程を示した図である。 図１１は、圧電基板に溝を形成する様子を示した図である。 図１２は、（ａ）、（ｂ）ともに本実施形態に係る圧電素子の圧電体側面のＳＥＭ写真であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大写真である。 図１３は、（ａ）、（ｂ）ともに従来技術に係る圧電素子の圧電体側面のＳＥＭ写真であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大写真である。 図１４は、表面状態を調べるための実験に用いた圧電基板を示した図である。 図１５（ａ）は、側面の凹凸深さを示したグラフであり、（ｂ）は表面の凹凸深さを示したグラフである。 図１６は、側面および表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を示したグラフである。 図１７は、側面および表面の最大高さ粗さ（Ｒｚ）を示したグラフである。 図１８は、滑らかな側面を示したＳＥＭ写真である。 図１９は、自然面を示したＳＥＭ写真である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

以下に本発明の実施形態に係るディスク装置用サスペンション１０について、図１〜５を参照して説明する。

図１に示されたデュアル・アクチュエータ方式のサスペンション１０は、ロードビーム１１と、マイクロアクチュエータ部１２と、ベースプレート１３、ヒンジ部材１４を備えている。

ロードビーム１１は、厚さが例えば１００μｍ前後のばね性を有する金属板からなり、その先端部にロードビーム１１にフレキシャ１５が取付けられている。フレキシャ１５はロードビーム１１よりもさらに薄い金属製の薄板ばねからなる。フレキシャ１５の前端部に、磁気ヘッドを構成するスライダ１６が設けられている。

図２に示すようにベースプレート１３の基部２０に円形のボス孔２１が形成されている。ベースプレート１３の基部２０と前端部２２との間に、後述する圧電素子４０を収容可能な大きさの一対の開口部２３が形成されている。一対の開口部２３の間に、ベースプレート１３の前後方向（サスペンション１０の軸線方向）に延びる帯状の連結部２４が設けられている。連結部２４は、ベースプレート１３の幅方向（図１中に矢印Ｓで示すスウェイ方向）にある程度撓むことができる。

ベースプレート１３の基部２０は、図示しないボイスコイルモータによって駆動されるアクチュエータアームの先端部に固定され、ボイスコイルモータによって旋回駆動されるようになっている。ベースプレート１３は板厚が例えば２００μｍ前後のステンレス鋼などの金属板からなる。本実施形態の場合、ベースプレート１３とヒンジ部材１４とによって、アクチュエータベース２５が構成されている。

図３に示すようにヒンジ部材１４は、ベースプレート１３の基部２０に重ねて固定される基部３０と、ベースプレート１３の連結部２４と対応した位置に形成された帯状のブリッジ部３１と、ベースプレート１３の前端部２２と対応した位置に形成された中間部３２と、板厚方向に弾性変形可能な可撓性を有する一対のヒンジ部３３と、ロードビーム１１に固定される先端部３４などを有している。このヒンジ部材１４は、板厚が例えば５０μｍ前後のばね性を有する金属板からなる。

マイクロアクチュエータ部１２には、圧電アクチュエータとして、一対の圧電素子４０が搭載されている。圧電素子４０はいずれも長方形平板状であり、その長手方向がベースプレート１３の前後方向（サスペンション１０の軸線方向）に沿って互いにほぼ平行となるように、アクチュエータベース２５の開口部２３に収容されている。

ここで、圧電素子４０の構成について、図４を参照しつつ説明する。なお、説明の便宜上、適宜、圧電素子４０の長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向、厚さ方向をＺ方向として説明する。

圧電素子４０は、素子本体４１と、素子本体４１をその厚さ方向（Ｚ方向）から覆う一対の電極４２Ａ、４２Ｂとで構成されている。

素子本体４１は、圧電体４３と樹脂４４とからなっている。

圧電体４３は、長方形平板状であり、たとえばＰＺＴ等の圧電材料で構成されている。すなわち、圧電体４３は、Ｚ方向において互いに対向する上面４３ａおよび下面４３ｂ（一対の主面）と、上面４３ａおよび下面４３ｂを連結するようにＺ方向に延びる４つの側面（端面）４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆとを有する。なお、４つの側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆは、Ｙ方向で互いに対向する第１の側面対４３ｃ、側面４３ｄと、Ｘ方向で互いに対向する第２の側面対４３ｅ、側面４３ｆとに区別することができる。なお、各側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆは、それぞれ算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０２〜１．０μｍの滑らかな面であり、かつ、後述するように一対の主面の対向方向（図のＺ方向）の軸線に対して湾曲している。

樹脂４４は、圧電体４３の４つの側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆを囲むようにして全体的に覆っている。樹脂４４は、圧電体４３の短手方向（Ｙ方向）に直交する側面４３ｃ、４３ｄを覆う樹脂４５Ａと、圧電体４３の長手方向（Ｘ方向）に直交する側面４３ｅ、４３ｆを覆う樹脂４５Ｂとで構成されている。樹脂４５Ａと樹脂４５Ｂとは、後述する製造方法において説明するとおり、異なるタイミングで形成される。樹脂４５Ａおよび樹脂４５Ｂはエポキシ系樹脂で構成されており、樹脂４５Ａの材料と樹脂４５Ｂの材料とは同一であってもよく異なっていてもよい。

一対の電極４２Ａ、４２Ｂは、金属等の導電材料からなる。電極材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｗなどの金属を使うことができる。各電極４２Ａ、４２Ｂは、たとえば素子本体４１の上下面（すなわち、圧電体４３の上下面および樹脂４４の上下面）を覆うように形成されている。

このような圧電素子４０によれば、一対の電極４２Ａ、４２Ｂ間に電圧を印加することで、圧電体４３が長手方向（Ｘ方向）および短手方向（Ｙ方向）に伸縮し、それに伴い、圧電素子４０全体が長手方向（Ｘ方向）および短手方向（Ｙ方向）に伸縮する。

続いて、圧電素子４０のサスペンション１０への搭載態様について、図５を参照しつつ説明する。

圧電素子４０をサスペンション１に搭載するときには、圧電素子４０の長手方向（Ｘ方向）が、ベースプレート１３の前後方向（サスペンション１０の軸線方向）に沿うようにして、ベースプレート１３の開口部２３に収容する。このとき、圧電素子４０の前端部はヒンジ部材１４の中間部３２に支持されるようにして接着剤５０で接着固定され、同様に、圧電素子４０の後端部はヒンジ部材１４の基部３０に支持されるようにして接着剤５０で固定される。

なお、圧電素子４０の電極４２Ａ、４２Ｂ間に電圧を印加するために、電極４２Ａ、４２Ｂにはそれぞれ図示しない電気配線が設けられる。なお、上述した接着剤５０として導電性接着剤を用い、接着剤５０を電気配線の一部として利用してもよい。

一対の圧電素子４０をサスペンション１０に搭載したときに、一対の圧電素子４０に印加する電圧を制御することにより、一方の圧電素子４０を長手方向に所定長さだけ伸張させるとともに、他方の圧電素子４０を長手方向に所定長さだけ収縮させることができる。このように、サスペンション１０においては、一対の圧電素子４０の各々の伸縮を制御することで、ロードビーム１１側を幅方向（スウェイ方向Ｓ）に所望量だけ変位させることができる。

次に、圧電素子４０を作製する手順について、図６〜１０を参照しつつ説明する。

圧電素子４０を作製する際には、まず、板状またはテープ状の基体６０上に圧電体４３となるべき圧電基板６２を保持した状態で、図６に示すように、圧電基板６２の上面に、同一間隔Ｇ１で並列する複数の溝６２ａを形成する。複数の溝６２ａの延在方向が、作製される圧電素子４０の長手方向（Ｘ方向）に相当し、溝６２ａの間隔Ｇ１が圧電体４３の短手方向長さ（Ｙ方向長さ）に相当する。溝６２ａの形成には、一般に利用される切削工具（ダイシングソー等）を用いることができ、圧電基板６２の下面に達しない深さまで切削される。切削工具として、１０００番手やそれより細かい番手（たとえば、１５００番手）のブレードを用い、溝６２ａの内側面をＲａ０．０２〜１．０μｍの滑らかな面にする。なお、圧電基板６２は、０．０５〜３ｍｍの厚みの基板を使い、当該基板は、シート工法、あるいは焼結体から切り出すなどによって用意する。

次に、図７に示すように、圧電基板６２の上面を、印刷工法等により樹脂４５Ａとなるべき熱硬化性の樹脂６４で覆う。それにより、圧電基板６２の上面に形成された複数の溝６２ａそれぞれに樹脂６４が充填される。充填後、所定の熱硬化温度（たとえば、８０℃）で加熱して、樹脂６４を硬化させる。

続いて、図８に示すように、樹脂６４で覆われた圧電基板６２の上面に、溝６２ａの延在方向に対して直交する方向（Ｙ方向）に沿って、同一間隔Ｇ２で並列する複数の溝６２ｂを形成する。複数の溝６２ｂの延在方向が、作製される圧電素子４０の短手方向（Ｙ方向）に相当し、溝６２ｂの間隔Ｇ２が圧電体４３の長手方向長さ（Ｘ方向長さ）に相当する。溝６２ｂの形成も、溝６２ａの形成同様、一般に利用される切削工具を用いることができ、溝６２ａと略同じ深さまで切削される。その際、図８に示すように、圧電基板６２と樹脂６４とが一体的に切削される。また、溝６２ｂの形成も、溝６２ａの形成同様、切削工具として、１０００番手やそれより細かい番手（たとえば、１５００番手）のブレードを用い、溝６２ｂの内側面をＲａ０．０２〜１．０μｍの滑らかな面にする。

そして、図９に示すように、樹脂６４で覆われた圧電基板６２の上面を、印刷工法等により樹脂４５Ｂとなるべき熱硬化性の樹脂６６で覆う。それにより、上述した複数の溝６２ｂそれぞれに樹脂６６が充填される。充填後、所定の熱硬化温度（たとえば、８０℃）で加熱して、樹脂６６を硬化させる。

さらに、圧電基板６２を、たとえば研磨加工により、厚さ方向に直交する面（Ｘ−Ｙ面）に沿って薄板化し、図１０に示す厚さＤの薄板６８を取り出す。このときに得られる薄板６８の厚さＤが、作製される圧電素子４０の圧電体４３の厚さに相当する。薄板６８は、圧電基板６２に形成された溝６２ａおよび溝６２ｂよりも浅い位置において取り出されるため、薄板６８では、圧電基板６２が樹脂６４および樹脂６６によって格子状に区切られる。

その後、薄板６８の上下面を、スパッタリングあるいはメッキ等により、電極４２Ａ、４２Ｂとなるべき電極膜（図示せず）を形成するとともに、樹脂６４の中間線Ｌ１および樹脂６６の中間線Ｌ２に沿って格子状に切断してチップ化する。それにより、図４に示した圧電素子４０が得られる。電極形状はスパッタ、メッキ、焼付けなどの方法を適宜選択する。電極を形成後は、分極する。用途によっては、圧電素子アレイとすることもできる。

なお、図６においては、圧電基板６２の溝６２ａを角溝の態様で図示しているが、本実施形態において用いる切削工具は、図１１に示すような先端に向かって漸次幅狭となるように湾曲した先端Ｕ字状のブレード７０が用いられるため、溝６２ａの内側面もブレード形状同様に湾曲する。すなわち、圧電基板６２の溝６２ａは、深さ方向に向かって漸次幅狭となるように、深さ方向（Ｚ方向）の軸線に対して湾曲している。したがって、圧電基板６２から薄板６８が取り出される際にも、その面は湾曲しており、圧電体４３の側面４３ｃ（および側面４３ｄ）が湾曲することとなる。なお、図８に示した溝６２ｂの形成にも同様の先端Ｕ字状のブレード７０が用いられ、圧電体４３の側面４３ｅ、４３ｆも湾曲することとなる。

以上、詳細に説明したとおり、本実施形態に係る圧電素子４０は、互いに対向する一対の主面（上面４３ａおよび下面４３ｂ）と、一対の主面間を連結するように延びる側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆと、を有する圧電体４３と、圧電体４３の側面を覆う樹脂４４と、を備える圧電素子であって、樹脂４４で覆われた圧電体４３の側面が、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０２〜１．０μｍの滑らかな面となっている。

図１２に、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍである圧電体の側面のＳＥＭ写真を示し、図１３に、算術平均粗さ（Ｒａ）が２．０μｍである従来技術に係る圧電体側面のＳＥＭ写真を示す。図１２に示すように、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０２〜１．０μｍの範囲である滑らかな面では、図１３に示す従来技術に係る圧電体側面に比べ、圧電体側面における微細な凹形状の数が極めて少ない。

そのため、圧電素子４０においては、たとえ樹脂４４が凹形状部分に入り込まない場合であっても、そもそも微細な凹形状の数が少ないため、樹脂４４と圧電体側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆとが接触しない非接触領域が生じにくい。また、図１２から、圧電体側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆは粗面ではない（すなわち、レーザ照射等で粗面化されていない）ため、図１３に示す従来技術に係る圧電体側面に比べ、側面に存在する残渣が極めて少ないことも明らかである。

したがって、圧電素子４０においては、凹形状部分における非接触領域や残渣に起因する樹脂の密着性低下が生じにくく、期待値どおりの樹脂密着力が得られる。その結果、圧電素子４０では、素子間における密着力バラツキが効果的に抑制される。

その上、圧電素子４０は、図１１を用いて説明したとおり、圧電体４３の各側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆは深さ方向（Ｚ方向）の軸線に対して湾曲している。この場合、深さ方向（Ｚ方向）の軸線に対して真っ直ぐな湾曲していない面に比べて、圧電体側面の面積拡大が実現されている。つまり、側面４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆは、粗面化されていないため、粗面化による面積拡大は得られないものの、上述のように湾曲化することによる面積拡大が図られ、それにより樹脂と圧電体側面との接触領域が増大して密着性向上が図られている。

発明者らは、上述した圧電体側面の表面粗さをより詳しく調べるために、以下に示すような実験をおこなった。

すなわち、図１４に示すようなＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３の固溶体、５５Ｃ）からなる焼成した圧電基板８０を準備し、滑らかな面が露出するように１０００番手のブレードにより格子状に溝を形成し、露出した側面８０ａの表面粗さを測定した（ＪＩＳＢ ０６０１：２００１準拠）。その比較対象には、自然面である基板表面８０ｂを採用した。測定には、三次元測定機を用い、カットオフ波長０．０８ｍｍ、測定長さ１ｍｍ、測定ピッチ１μｍの条件で側面８０ａおよび表面８０ｂの凹凸深さを測定した。

その測定結果は、図１５のグラフに示すとおりであった。図１５（ａ）に示す側面８０ａに関するグラフでは、深さ１μｍ以上の凹みの割合が低く、１００μｍ長さ当たり６．８個の頻度であった。一方、図１５（ｂ）に示す表面８０ｂに関するグラフでは、深さ１μｍ以上の凹みの割合が高く、１００μｍ長さ当たり７．８個の頻度であった。この結果から、１０００番手のブレードにより得られる滑らかな側面は、自然面に比べて、１μｍ以上の凹みの頻度が低いことがわかった。

また、側面８０ａおよび表面８０ｂの表面粗さ（Ｒａ、Ｒｚ）を求めたところ、図１６、１７のグラフのとおりであった。このように、算術平均粗さ（Ｒａ）および最大高さ粗さ（Ｒｚ）はいずれも、側面８０ａのほうが表面８０ｂよりも粗い結果となった。

さらに、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、表面を観察した結果は、図１８、１９に示すとおりである。図１８のＳＥＭ写真は、１５００番手のブレードにより得られた滑らかな側面を示している。図１９のＳＥＭ写真は、自然面を示している。

１０…サスペンション、４０…圧電素子、４２Ａ、４２Ｂ…電極、４３…圧電体、４３ａ…上面、４３ｂ…下面、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆ…側面、４４、４５Ａ、４５Ｂ…樹脂。

Claims (2)

1. 互いに対向する一対の主面と、前記一対の主面間を連結するように延びる側面と、を有する圧電体と、
   前記圧電体の前記側面を覆う樹脂と、
   を備える圧電素子であって、
   前記樹脂で覆われた前記圧電体の側面が、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０２〜１．０μｍの滑らかな面であり、
   前記樹脂で覆われた前記圧電体の側面が、一対の主面の対向方向の軸線に対して湾曲している、圧電素子。
2. 前記樹脂で覆われた前記圧電体の側面における１μｍ以上の凹みの頻度が、前記圧電体の自然面における１μｍ以上の凹みの頻度よりも低い、請求項１に記載の圧電素子。