JP5633549B2 - 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

上述した従来の圧電素子においては、圧電体側面からパーティクルが発生されるだけでなく、圧電体主面からもパーティクルが発生され得る。

そこで、発明者らは、上述した従来の圧電素子において、圧電体主面と電極との密着性を向上させることでパーティクルの発生を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、圧電体主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、表面積の拡大に伴う密着性向上について検討してみた。

しかしながら、圧電体主面と電極との密着性が向上したとしても、圧電体を囲むようにして覆う樹脂と電極との密着性が十分に確保されていない場合には、圧電体で発生したパーティクルが樹脂と電極との間から素子外部に排出されてしまう。

上述した圧電素子において、樹脂と電極とでは熱膨張係数が大きく異なるため、その熱膨張係数の差に起因して、樹脂と電極との密着性が低下し、パーティクルが発生するおそれがある。このような密着性の低下に起因するパーティクルの発生は、圧電素子をＨＤＤヘッドサスペンションに適用したときの熱サイクル時に、特に問題となる。

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、パーティクルの発生が抑制され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とともに、圧電体の主面と同一平面に存在する主面を有する樹脂と、圧電体の主面および樹脂の主面を一体的に覆う電極と、を備える圧電素子であって、樹脂の主面がＲａ０．０２〜０．３μｍの粗面化された面である。

本発明の圧電素子においては、圧電体を囲むようにして覆う樹脂の主面（すなわち、樹脂の電極側の面）が粗面化された面であるため、樹脂主面の表面積の拡大化が図られ、樹脂と電極との密着性が向上している。したがって、この圧電素子においては、熱サイクル時であっても、パーティクルの発生を効果的に抑制することができる。

また、圧電体の主面の表面粗さが、樹脂の主面の表面粗さと同一である態様であってもよい。一般的に、樹脂と圧電体とでは熱膨張係数が大きく異なり、その熱膨張係数の差のために、樹脂と圧電体との境界部分では電極の密着性が低下しやすい。そこで、圧電体の主面の表面粗さと樹脂の主面の表面粗さとを同一にして、圧電体主面と樹脂主面との表面状態を一様にすることにより、上記密着性の低下が抑制される。加えて、樹脂主面と同様に、圧電体主面の表面積の拡大化が図られ、圧電体と電極との密着性が向上する。

本発明によれば、パーティクルの発生が抑制さ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、図４の圧電素子における素子本体と電極との密着性を説明するための図である。

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。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。

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の厚さ（Ｚ方向長さ）は、圧電体４３の厚さと同一であり、そのため、樹脂４４の上下面４４ａ、４４ｂは圧電体４３の上下面４３ａ、４３ｂと同一平面内に存在する。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。

そして、素子本体４１の上下面（すなわち、圧電体４３の上下面４３ａ、４３ｂおよび樹脂４４の上下面）は一様に粗面化されており、圧電体４３の上下面４３ａ、４３ｂの表面粗さと樹脂４４の上下面４４ａ、４４ｂの表面粗さはいずれもＲａ０．０２〜０．３μｍとなっている。この表面粗さは、株式会社東京精密の表面粗さ形状測定機（ＳＵＲＦＣＯＭ）を用い、カットオフ波長０．０２５ｍｍで測定した。

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、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）を一体的に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。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。

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、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の素子本体４１の厚さに相当する。上記研磨加工には、たとえば１００〜１５００番手の砥石が用いられ、その結果、素子本体４１の上下面（すなわち、圧電体の上下面および樹脂の上下面）はいずれもＲａ０．０２〜０．３μｍの粗面化された面となる。

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。

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、圧電体の側面を覆うとともに、圧電体４３の主面と同一平面に存在する主面を有する樹脂４４と、圧電体４３の主面および樹脂４４の主面を一体的に覆う電極４２Ａ、４２Ｂと、を備える圧電素子であって、樹脂４４の主面が粗面化された面である。

すなわち、図１１に示すように、樹脂４４の上面４４ａが粗面化された面である場合には、上面４４ａの表面積の拡大化が図られ、樹脂４４と電極４２Ａとの密着性が向上する。図示はしていないが、樹脂４４の下面４４ｂも同様に、粗面化された面である場合には表面積の拡大化が図られ、樹脂４４と電極４２Ｂとの密着性が向上する。圧電素子４０においては、樹脂４４と電極４２Ａ、４２Ｂとの密着性向上に伴い、圧電体４３で発生したパーティクルが樹脂４４と電極４２Ａ、４２Ｂとの間から素子外部に排出されてしまう事態が抑制され、パーティクルの発生が抑制されている。特に、圧電素子４０を、上述したＨＤＤヘッドサスペンションに適用したときの熱サイクル時に、パーティクルの発生を効果的に抑制される。

その上、上述したように、樹脂４４の上下面４４ａ、４４ｂの表面粗さを、樹脂４４の上下面４４ａ、４４ｂと同一平面に存在する圧電体４３の上下面４３ａ、４３ｂの表面粗さと同一にしている。このように、互いの表面状態を一様にすることで、樹脂４４と圧電体４３との境界部分Ｂにおける表面状態の急激な変化を防止している。そのため、たとえ樹脂４４の熱膨張係数と圧電体４３の熱膨張係数が大きく異なっていたとしても、樹脂４４と圧電体４３との境界部分Ｂにおける電極４２Ａ、４２Ｂの密着性低下が抑制される。

また、圧電体４３の上下面４３ａ、４３ｂを粗面化することで、上下面４３ａ、４３ｂの表面積の拡大化が図られ、圧電体４３と電極４２Ａ、４２Ｂとの密着性が向上する。それにより、圧電体４３の上下面４３ａ、４３ｂからパーティクルが発生する事態が抑制される。

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、４４ａ…上面、４４ｂ…下面。

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とともに、前記圧電体の主面と同一平面に存在する主面を有する樹脂と、
   前記圧電体の主面および前記樹脂の主面を一体的に覆う電極と、
   を備える圧電素子であって、
   前記樹脂の主面が、Ｒａ０．０２〜０．３μｍの粗面化された面である、圧電素子。
2. 前記圧電体の主面の表面粗さが、前記樹脂の主面の表面粗さと同一である、請求項１に記載の圧電素子。
   

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