JP5713133B1

JP5713133B1 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP5713133B1
Application number: JP2014096702A
Authority: JP
Inventors: 佳生池田; 一夫永田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: JP2015216722A

Abstract

【課題】圧電素子の変位を適切に伝達させることが可能な圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータは、互いに対向する第一主面４１ａ及び第二主面４１ｂを有する圧電体４１と、第一主面４１ａに配置された第一外部電極４２と、第二主面４１ｂに配置された第二外部電極４３と、を備える圧電素子４０と、圧電素子４０を拘束して支持する支持部材と、を備えている。圧電素子４０は、第一主面４１ａ側から圧電体４１に作用する拘束力が、第二主面４１ｂ側から圧電体４１に作用する拘束力より大きい状態で支持部材に拘束されて支持されている。第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力は、第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくされている。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

互いに対向する第一及び第二主面を有する圧電体と、前記第一主面に配置された第一外部電極と、前記第二主面に配置された第二外部電極と、を備える圧電素子と、圧電素子を支持する支持部材と、を備えた圧電アクチュエータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の圧電アクチュエータでは、ハードディスク装置（ＨＤＤ）用のサスペンションのアクチュエータベースが上記支持部材に相当しており、圧電素子は、その変位をアクチュエータベースに伝達する。

特開２００２−１８４１４０号公報

近年、電子機器では、小型化又は薄型化が進んでいる。それに伴って、電子機器に搭載される圧電素子においても、小型化又は薄型化が求められる。しかしながら、すなわち、圧電素子が小型化又は薄型化された場合、圧電素子（圧電体）の剛性が低下し、圧電素子の変位が適切に支持部材に伝達され難いという問題点が生じる懼れがある。

以下、圧電素子の変位が適切に支持部材に伝達され難いという上記問題点について、図５及び図６を参照して、説明する。

図５の（ａ）に示されるように、圧電素子１００は、対向する一対の主面１０１ａ，１０１ｂを有する圧電体１０１と、主面１０１ａに配置された外部電極１０３と、主面１０１ｂに配置された外部電極１０４と、を備えている。外部電極１０３の厚みと外部電極１０４の厚みとは、等しい。圧電素子１００は、図５の（ｂ）に示されるように、外部電極１０３，１０４を通して圧電体１０１に所定の電界が印加されることにより圧電素子１００が駆動されると、一対の主面１０１ａ，１０１ｂが対向する方向に対して直交する方向Ｄ０に伸長する。

圧電素子１００は、図６の（ａ）に示されるように、圧電アクチュエータ１１０に備えられている。すなわち、圧電アクチュエータ１１０は、圧電素子１００と、圧電素子１００を支持する支持部材１１１と、を備えている。圧電素子１００は、主として主面１０１ｂ側が接着剤１１３により支持部材１１１に固定されている。詳細には、圧電素子１００は、主面１０１ｂ側から圧電体１０１に作用する拘束力が、主面１０１ａ側から圧電体１０１に作用する拘束力より大きい状態で支持部材１１１に拘束されて支持されている。

圧電体１０１に上記所定の電界が印加されることにより圧電素子１００が駆動されると、圧電素子１００は、方向Ｄ０に伸長する。このとき、圧電素子１００（圧電体１０１）の剛性が低下していると、図６の（ｂ）に示されるように、圧電素子１００は、圧電素子１００（圧電体１０１）の変位を支持部材１１１に伝えきれずに、主面１０１ａ側が湾曲外側となるように撓む。すなわち、圧電素子１００（圧電体１０１）そのものが変形する。

圧電素子１００は、上述した状態で支持部材１１１に拘束されて支持されているため、拘束力が小さい主面１０１ａ側が湾曲外側となるように撓む。このように、圧電素子１００が変形すると、圧電素子１００の変位は、支持部材１１１に適切に伝達され難くなる。圧電素子１００の剛性は、圧電体１０１の厚みが薄くなればなるほど低下し、又、圧電体１０１の幅（方向Ｄ０に直交する方向での長さ）が狭くなるほど低下する。

そこで、本発明は、圧電素子の変位を適切に伝達させることが可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電アクチュエータは、互いに対向する第一及び第二主面を有する圧電体と、第一主面に配置された第一外部電極と、第二主面に配置された第二外部電極と、を備える圧電素子と、圧電素子を拘束して支持する支持部材と、を備え、圧電素子は、第一主面側から圧電体に作用する拘束力が、第二主面側から圧電体に作用する拘束力より大きい状態で支持部材に拘束されて支持されており、第二外部電極から圧電体に作用する拘束力が、第一外部電極から圧電体に作用する拘束力よりも大きくされている。

本発明に係る圧電アクチュエータでは、圧電素子は、第一主面側から圧電体に作用する拘束力が、第二主面側から圧電体に作用する拘束力より大きい状態で支持部材に拘束されて支持されているので、圧電素子が駆動されると、圧電素子は、第二主面側が湾曲外側となるように撓もうとする。このとき、第二外部電極から圧電体に作用する拘束力が、第一外部電極から圧電体に作用する拘束力よりも大きくされていることにより、圧電素子は、第一主面側が湾曲外側となるように撓もうとするので、圧電素子が、第二主面側が湾曲外側となるように撓むのが抑制される。この結果、圧電素子の変形が抑制され、圧電素子の変位を適切に支持部材に伝達させることができる。

第二外部電極の厚みが第一外部電極の厚みよりも厚く設定されることにより、第二外部電極から圧電体に作用する拘束力が、第一外部電極から圧電体に作用する拘束力よりも大きくされていてもよい。また、第二外部電極の剛性が第一外部電極の剛性よりも高く設定されることにより、第二外部電極から圧電体に作用する拘束力が、第一外部電極から圧電体に作用する拘束力よりも大きくされていてもよい。いずれの場合も、第二外部電極から圧電体に作用する拘束力を第一外部電極から圧電体に作用する拘束力よりも大きくし得る構成を簡便に実現することができる。

本発明によれば、圧電素子の変位を適切に伝達させることが可能な圧電アクチュエータを提供することができる。

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１に示されたII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。本実施形態に係る圧電素子の動作を説明するための図である。本実施形態に係るサスペンションの動作を説明するための図である。従来の圧電素子の動作を説明するための図である。従来の圧電アクチュエータの動作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。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る圧電アクチュエータの構成を説明する。本実施形態は、ＨＤＤ用のサスペンション１０が圧電アクチュエータを含んでいる例である。図１は、本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に示されたII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。

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と、ヒンジ部材１４と、を備えている。

ロードビーム１１は、ばね性を有する金属板からなる。ロードビーム１１の厚みは、たとえば１００μｍ程度である。ロードビーム１１の先端部には、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が配置されている。

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との間には、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の長手方向）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（サスペンション１０の長手方向と交差する方向）への所定範囲の撓みが許容されるように構成されている。

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ている。これにより、ベースプレート１３は、ボイスコイルモータによって旋回駆動される。ベースプレート１３は、ステンレス鋼などの金属板からなる。ベースプレート１３の厚みは、たとえば２００μｍ程度である。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。

ヒンジ部材１４は、基部３０と、ブリッジ部３１と、中間部３２と、一対のヒンジ部３３と、先端部３４と、を有している。基部３０は、ベースプレート１３の基部２０に重ねて固定されている。ブリッジ部３１は、帯状を呈し、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ている。中間部３２は、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ている。各ヒンジ部３３は、板厚方向に弾性変形可能な可撓性を有している。先端部３４は、ロードビーム１１に固定されている。ヒンジ部材１４は、ばね性を有する金属板からなる。ヒンジ部材１４の厚みは、たとえば５０μｍ程度である。

マイクロアクチュエータ部１２には、一対の圧電素子４０が配置されている。各圧電素子４０、図２にも示されるように、圧電体４１と、第一外部電極４２と、第二外部電極４３と、を備えている。

圧電体４１は、平面視で長方形状を呈しており、平板状の圧電体である。圧電体４１は、互いに対向している第一主面４１ａと第二主面４１ｂとを有している。圧電体４１の寸法は、たとえば、長手方向長さ１．０ｍｍ、短手方向長さ０．３ｍｍ、厚み０．０５ｍｍである。圧電体４１は、圧電セラミックからなる。圧電セラミックとしては、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ［ＰｂＴｉＯ_３］、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム［ＢａＴｉＯ_３］などが挙げられる。

圧電体４１は、長方形平板状であり、互いに対向している第一主面４１ａと第二主面４１ｂとを有している。圧電体４１は、長手方向に互いに対向する一対の端面４１ｃ，４１ｄを有している。圧電体４１の寸法は、たとえば、長手方向長さ１．０ｍｍ、短手方向長さ０．３ｍｍ、厚み０．０５ｍｍである。圧電体４１は、たとえば、ＰＺＴ等の圧電セラミック材料で構成されている。

第一外部電極４２は、第一主面４１ａ上に配置されている。第一外部電極４２は、第一主面４１ａの全域を覆うように形成されている。第二外部電極４３は、第二主面４１ｂ上に配置されている。第二外部電極４３は、第二主面４１ｂの全域を覆うように形成されている。

本実施形態では、第一及び第二外部電極４２，４３は、Ｃｒ／Ｎｉ−Ｃｕ／Ａｕ積層構造（圧電体４１側から順にＣｒ層、Ｎｉ−Ｃｕ合金層、Ａｕ層が積層された構造）とされている。すなわち、第一及び第二外部電極４２，４３は、同じ積層構造を有している。第一及び第二外部電極４２，４３は、スパッタリング法により形成されている。第一及び第二外部電極４２，４３は、スパッタリング法以外の方法（たとえば、焼き付け法、電解めっき法、又は蒸着法など）により形成されていてもよい。第一及び第二外部電極４２，４３は、単層の同じ金属層（Ｃｒ層、Ｎｉ−Ｃｕ合金層、Ａｕ層、又はＮｉ層など）として形成されていてもよい。

第二外部電極４３の厚みは、第一外部電極４２の厚みよりも厚く設定されている。第一外部電極４２の厚みは、たとえば２００〜５００ｎｍ程度に設定される。第二外部電極４３の厚みは、たとえば４００〜１５００ｎｍ程度に設定される。上述した厚みの設定により、第二外部電極４３の剛性は、第一外部電極４２の剛性よりも高くなる。

各圧電素子４０は、圧電素子４０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）に沿うようにして、対応する開口部２３に収容されている。すなわち、各圧電素子４０は、対応する開口部２３に配置されている。

各圧電素子４０は、圧電素子４０の長手方向での一端側において、ヒンジ部材１４の中間部３２及びベースプレート１３の前端部２２に支持されるように、中間部３２及び前端部２２に接着剤５０を介して固定されている。詳細には、圧電体４１の端面４１ｃと、圧電素子４０（第一外部電極４２）における第一主面４１ａ側且つ一端側の一部分と、が接着剤５０を介して中間部３２及び前端部２２に固定されている。圧電素子４０（第二外部電極４３）における第二主面４１ｂ側且つ一端側の一部分にも、接着剤５０が付与されている。

各圧電素子４０は、圧電素子４０の長手方向での他端側において、ヒンジ部材１４の基部３０及びベースプレート１３の基部２０に支持されるように、基部３０及び基部２０に接着剤５０を介して固定されている。詳細には、圧電体４１の端面４１ｄと、圧電素子４０（第二外部電極４３）における第一主面４１ａ側且つ他端側の一部分と、が接着剤５０を介して基部３０及び基部２０に固定されている。

圧電素子４０は、上述したように、中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０により拘束されて支持されている。中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０は、圧電素子４０を拘束して支持する支持部材として機能する。すなわち、圧電素子４０は、第一主面４１ａ側から圧電体４１に作用する拘束力が、第二主面４１ｂ側から圧電体４１に作用する拘束力より大きい状態で、支持部材（中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０）に拘束されて支持されている。本実施形態においては、サスペンション１０が、圧電素子４０と、支持部材（中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０）と、を備える圧電アクチュエータを含むこととなる。

第一外部電極４２と第二外部電極４３とに電圧を印加するために、第一外部電極４２及び第二外部電極４３にはそれぞれ図示しない電気配線が接続される。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。

次に、図３及び図４を参照して、サスペンション１０（圧電アクチュエータ）の動作について説明する。図３は、本実施形態に係る圧電素子の動作を説明するための図である。図４は、本実施形態に係るサスペンションの動作を説明するための図である。

図３及び図４の各（ａ）に示された圧電素子４０では、第一及び第二外部電極４２，４３に電圧が印加されておらず、第一及び第二外部電極４２，４３を通して圧電体４１に電界が印加されていない。第一及び第二外部電極４２，４３に電圧が印加され、第一及び第二外部電極４２，４３を通して圧電体４１に所定の電界が印加されることにより圧電素子４０が駆動されると、圧電素子４０は、図３の（ｂ）に示されるように、第一主面４１ａと第二主面４１ｂとが対向する方向に対して直交する方向Ｄ１に伸長する。

第二外部電極４３の厚みが第一外部電極４２の厚みよりも厚いので、第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力が、第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくされる。このため、圧電体４１における第二主面４１ｂ側の領域は、同じく圧電体４１における第一主面４１ａ側の領域よりも変位が阻害されやすい。したがって、圧電素子４０そのものは、上述した方向Ｄ１に伸長する際に、図３の（ｂ）に示されるように、第一主面４１ａ側が湾曲外側となるように撓む。

圧電素子４０は、上述したように、第一主面４１ａ側から圧電体４１に作用する拘束力が、第二主面４１ｂ側から圧電体４１に作用する拘束力より大きい状態で、支持部材（中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０）に拘束されて支持されている。このため、圧電素子４０は、支持部材（中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０）に拘束されて支持されている状態では、圧電体４１における第一主面４１ａ側の領域は、同じく圧電体４１における第二主面４１ｂ側の領域よりも変位が阻害されやすい。したがって、圧電素子４０は、第二主面４１ｂ側が湾曲外側となるように撓もうとする。しかしながら、圧電素子４０そのものが、上述したように、第一主面４１ａ側が湾曲外側となるように撓もうとすることから、図４の（ｂ）に示されるように、第二主面４１ｂ側が湾曲外側となる撓みが抑制されることとなる。

以上のことから、本実施形態においては、圧電素子４０の撓み変形が抑制され、圧電素子４０の変位（伸長方向での変位）を適切に支持部材（中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０）に伝達させることができる。

本実施形態では、第二外部電極４３の厚みが第一外部電極４２の厚みよりも厚く設定されることにより、第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力が、第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくされている。これにより、第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力を第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくし得る構成を簡便に実現することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

第一外部電極４２と第二外部電極４３との構成又は材料を異ならせることにより、第二外部電極４３の剛性を第一外部電極４２の剛性よりも高くしてもよい。たとえば、第一外部電極４２の厚みと第二外部電極４３の厚みとが同じであっても、第二外部電極４３が第一外部電極４２よりも硬ければよい。一例として、第二外部電極４３がＣｒ／Ｎｉ−Ｃｕ／Ａｕ積層構造であると共に第一外部電極４２をＮｉ−Ｃｕ／Ａｕ積層構造である構成が挙げられる。Ｃｒは、比較的硬い金属であり、第二外部電極４３がＣｒ層を含むことにより、第二外部電極４３は第一外部電極４２よりも硬くなる。

第二外部電極４３が第一外部電極４２よりも硬い場合でも、第二外部電極４３の剛性が第一外部電極４２の剛性よりも高くなり、圧電素子４０そのものにおいて、駆動時に、第一主面４１ａ側が湾曲外側となるように撓もうとする。すなわち、第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力が、第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくされる。したがって、上述した実施形態と同様に、圧電素子４０の撓み変形が抑制され、圧電素子４０の変位（伸長方向での変位）を適切に支持部材（中間部３２、前端部２２、基部３０、及び基部２０）に伝達させることができる。また、この場合でも、第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力を第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくし得る構成を簡便に実現することができる。

第一外部電極４２の形成方法と第二外部電極４３の形成方法とを異ならせることにより、第二外部電極４３と第一外部電極４２との圧電体４１に作用する拘束力を異ならせてもよい。スパッタリング法は、焼き付け法、電解めっき法、及び蒸着法に比して、密着性が高い。したがって、スパッタリング法により形成された層を含む外部電極は、スパッタリング法により形成された層を含まない外部電極に比して、圧電体４１に作用する拘束力が大きくなる。たとえば、第二外部電極４３が、スパッタリング法により形成された層からなり、第一外部電極４２が、スパッタリング法以外の方法により形成された層を含んでいる場合、第二外部電極４３から圧電体４１に作用する拘束力が、第一外部電極４２から圧電体４１に作用する拘束力よりも大きくなる。

圧電素子４０は、圧電素子４０の長手方向での両端側それぞれにおいて、圧電体４１の端面４１ｃ，４１ｄと圧電素子４０における第一主面４１ａ側の外表面の２面において支持部材に支持されているが、支持部材への支持構造は、これに限られない。圧電素子４０は、圧電素子４０の長手方向での両端側のいずれか一方側において、少なくとも、圧電素子４０における第一主面４１ａ側の外表面において支持部材に支持されていればよい。これにより、圧電素子４０は、第一主面４１ａ側から圧電体４１に作用する拘束力が、第二主面４１ｂ側から圧電体４１に作用する拘束力より大きい状態で支持部材に拘束されて支持されることとなる。

本発明は、ＨＤＤ用のサスペンション１０のマイクロアクチュエータ部１２以外の圧電アクチュエータに用いることができる。

１０…サスペンション、１１…ロードビーム、１２…マイクロアクチュエータ部、１３…ベースプレート、１４…ヒンジ部材、４０…圧電素子、４１…圧電体、４１ａ…第一主面、４１ｂ…第二主面、４２…第一外部電極、４３…第二外部電極。

Claims

互いに対向する第一及び第二主面を有する圧電体と、前記第一主面に配置された第一外部電極と、前記第二主面に配置された第二外部電極と、を備える圧電素子と、
前記圧電素子を拘束して支持する支持部材と、
を備え、
前記圧電素子は、前記第一主面側から前記圧電体に作用する拘束力が、前記第二主面側から前記圧電体に作用する拘束力より大きい状態で前記支持部材に拘束されて支持されており、
前記第二外部電極から前記圧電体に作用する拘束力が、前記第一外部電極から前記圧電体に作用する拘束力よりも大きくされている、
圧電アクチュエータ。
前記第二外部電極の厚みが前記第一外部電極の厚みよりも厚く設定されることにより、前記第二外部電極から前記圧電体に作用する拘束力が、前記第一外部電極から前記圧電体に作用する拘束力よりも大きくされている、
請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記第二外部電極の剛性が前記第一外部電極の剛性よりも高く設定されることにより、前記第二外部電極から前記圧電体に作用する拘束力が、前記第一外部電極から前記圧電体に作用する拘束力よりも大きくされている、
請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。