JP7402264B2 - Multilayer PZT microactuator with a PZT suppression layer that is polarized but inactive - Google Patents

Multilayer PZT microactuator with a PZT suppression layer that is polarized but inactive Download PDF

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    • G11B5/4826Mounting, aligning or attachment of the transducer head relative to the arm assembly, e.g. slider holding members, gimbals, adhesive
    • G11B5/483Piezoelectric devices between head and arm, e.g. for fine adjustment

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  • Supporting Of Heads In Record-Carrier Devices (AREA)
  • Moving Of The Head To Find And Align With The Track (AREA)
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Description

[関連出願の相互参照]
この出願は、2016年2月28日に出願された米国特許出願第15/055,618号の一部継続出願であり、米国特許出願第15/055,618号は、2015年3月28日に出願され、現在では米国特許第9,330,698号である米国特許出願第14/672,122号の継続出願であり、米国特許出願第14/672,122号は、2014年3月14に出願され、現在では米国特許第9,117,468号である米国特許出願第14/214,525号の一部継続出願であり、米国特許出願第14/214,525号は、2013年3月18日に出願された米国仮特許出願第61/802,972号、及び2013年9月14日に出願された米国仮特許出願第61/877,957号に基づく優先権を主張するものである。米国特許出願第14/672,122号はまた、2014年12月10に出願され、現在では米国特許第9,330,694号である米国特許出願第14/566,666号の一部継続出願でもあり、米国特許出願第14/566,666号は、2014年10月17日に出願された米国仮特許出願第62/061,074に基づく優先権を主張するものである。米国特許出願第14/672,122号はまた、2014年11月28日に出願された米国仮特許出願第62/085,471号に基づく優先権をも主張する。これらの出願すべては、言及によって、本明細書に全体が記載されているように組み込まれる。
[Cross reference to related applications]
This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 15/055,618, filed on February 28, 2016, and filed on March 28, 2015. U.S. Patent Application No. 14/672,122, filed March 14, 2014, is a continuation of U.S. Patent Application No. 14/672,122, now U.S. Patent No. 9,330,698. U.S. Patent Application No. 14/214,525, filed in March 2013, is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 14/214,525, now U.S. Patent No. 9,117,468. It claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 61/802,972, filed on September 18, 2013, and U.S. Provisional Patent Application No. 61/877,957, filed on September 14, 2013. be. U.S. Patent Application No. 14/672,122 is also a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 14/566,666, which was filed on December 10, 2014 and is now U.S. Patent No. 9,330,694. U.S. Patent Application No. 14/566,666 claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/061,074, filed on October 17, 2014. U.S. Patent Application No. 14/672,122 also claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/085,471, filed on November 28, 2014. All of these applications are incorporated by reference herein as if set forth in their entirety.

[技術分野]
本発明は、ハードディスクドライブのサスペンションの分野に関する。特に、本発明は、2段アクチュエータ方式サスペンションに用いるための、1つ以上の活性圧電抑制層を有する多層圧電マイクロアクチュエータの分野に関する。
[Technical field]
The present invention relates to the field of hard disk drive suspension. In particular, the present invention relates to the field of multilayer piezoelectric microactuators having one or more active piezoelectric suppression layers for use in two-stage actuator suspensions.

磁気ハードディスクドライブや、光学ディスクドライブなどの他のタイプの回転媒体ドライブは、周知のものである。図1は、本発明を適用可能な、例示の先行技術ハードディスクドライブ及びサスペンションの斜視図である。先行技術のディスクドライブユニット100は、ディスクドライブ保管データを構成する磁気による1と0のパターンを包含する回転磁気ディスク101を含む。磁気ディスクは駆動モータ(図示せず)によって駆動される。ディスクドライブユニット100はディスクドライブサスペンション105をさらに含み、該サスペンション105には磁気へッドスライダー(図示せず)がロードビーム107の遠位端部近傍で実装される。サスペンション又はロードビームの「近位」端部は支持される端部である、即ち、アクチュエータアームにかしめ固定された又は実装されたベースプレート12に最も近傍の端部である。サスペンション又はロードビームの「遠位」端部は、近位端部の反対の端部である、即ち「遠位」端部はカンチレバーの端部である。 Other types of rotating media drives, such as magnetic hard disk drives and optical disk drives, are well known. FIG. 1 is a perspective view of an exemplary prior art hard disk drive and suspension to which the present invention may be applied. Prior art disk drive unit 100 includes a rotating magnetic disk 101 containing a pattern of magnetic ones and zeros that constitute disk drive stored data. The magnetic disk is driven by a drive motor (not shown). Disk drive unit 100 further includes a disk drive suspension 105 on which a magnetic head slider (not shown) is mounted near the distal end of load beam 107 . The "proximal" end of a suspension or load beam is the end that is supported, ie, the end closest to the base plate 12 that is crimped or mounted to the actuator arm. The "distal" end of a suspension or load beam is the end opposite the proximal end, ie, the "distal" end is the end of the cantilever.

サスペンション105はアクチュエータアーム103に連結され、該アクチュエータアーム103は、データディスク101の適切なデータトラック上にヘッドスライダーを配置するためにサスペンション105を円弧状に動作させるボイスコイルモーター112に連結される。ヘッドスライダーはジンバルに保持され、該ジンバルはスライダーの前後左右への揺れを可能にしてスライダーが回転ディスク上の適切なデータトラックを追従し、ディスクの震動、バンピングなどの慣性イベント、及びディクス表面の不規則性などの変化が許容される。 The suspension 105 is connected to an actuator arm 103 that is connected to a voice coil motor 112 that moves the suspension 105 in an arc to position the head slider over the appropriate data track of the data disk 101. The head slider is held by a gimbal that allows the slider to swing back and forth and side to side so that the slider follows the appropriate data track on the rotating disk and is sensitive to inertial events such as disk vibrations, bumping, and changes in the surface of the disk. Variations such as irregularities are allowed.

1段アクチュエータ方式ディスクドライブサスペンション及び2段アクチュエータ方式(dual stage actuated、DSA)サスペンションがともに周知である。1段アクチュエータ方式サスペンションにおいて、ボイスコイルモーター112のみがサスペンション105を動作させる。 Both single stage actuated disk drive suspensions and dual stage actuated (DSA) suspensions are well known. In a one-stage actuator type suspension, only the voice coil motor 112 operates the suspension 105.

DSAサスペンションにおいて、例えばMei等による特許文献1、及び他の多数のもののように、サスペンション全体を動作させるボイスコイルモーター112に加えて、少なくとも1つの追加マイクロアクチュエータが、磁気ヘッドスライダの微細な動作をもたらし、回転ディスクのデータトラック上に適切にアライメントさせるために、サスペンションに配置される。マイクロアクチュエータは、サスペンション、つまり磁気ヘッドスライダーを比較的大きく動作させるのみであるボイスコイルモーター単独よりも、サーボ制御ループの微細な制御やさらに高いバンド幅を提供する。単にPZTとして言及されることがある圧電素子がマイクロアクチュエータモーターとして用いられることが多いが、他のタイプのマクロアクチュエータモーターも使用可能である。 In DSA suspensions, in addition to the voice coil motor 112 that operates the entire suspension, at least one additional microactuator drives minute movements of the magnetic head slider, such as in U.S. Pat. is placed on the suspension to bring and properly align it on the data track of the rotating disk. Microactuators provide finer control of the servo control loop and higher bandwidth than a voice coil motor alone, which only provides relatively large movements of the suspension, or magnetic head slider. Although piezoelectric elements, sometimes referred to simply as PZT, are often used as microactuator motors, other types of macroactuator motors can also be used.

図2は、図1における先行技術のサスペンション105の上面図である。2つのPZTマイクロアクチュエータ14は、PZTがベースプレート12の各間隙をつなぐようにベースプレート12内に形成されたマイクロアクチュエータ実装シェルフ18上のサスペンション105に取り付けられる。マイクロアクチュエータ14は、その各端部でエポキシ16によって実装シェルフ18に取り付けられる。種々の技術により、PZTからサスペンションの可撓性ワイヤトレース及び/又はプレートに、正や負の電気接続が行われることが可能である。マイクロアクチュエータ14は、作動されるとき、拡張又は収縮して実装シェルフ間の間隙の長さを変え、サスペンション105の遠位端部に実装された読み取り・書き込みヘッドの微細動作を行う。 FIG. 2 is a top view of the prior art suspension 105 in FIG. The two PZT microactuators 14 are mounted on a suspension 105 on a microactuator mounting shelf 18 formed in the base plate 12 such that the PZT bridges each gap in the base plate 12. Microactuator 14 is attached to mounting shelf 18 by epoxy 16 at each end thereof. Positive and negative electrical connections can be made from the PZT to the flexible wire traces and/or plates of the suspension by various techniques. When actuated, the microactuator 14 expands or contracts to change the length of the gap between the mounting shelves and provide fine movement of the read/write head mounted at the distal end of the suspension 105.

図3は、図2の先行技術のPZTマイクロアクチュエータ及び実装部の側部断面図である。マイクロアクチュエータ14は、PZT素子20自体、及び、PZTを作動するための電極を規定するPZT上の上部金属化層26及び底部金属化層28を含む。PZT14は、図に示されるように、その左右両側においてエポキシ又ははんだ16によって間隙にわたって実装される。 3 is a side cross-sectional view of the prior art PZT microactuator and implementation of FIG. 2; FIG. Microactuator 14 includes the PZT element 20 itself and top and bottom metallization layers 26 and 28 on the PZT that define electrodes for actuating the PZT. The PZT 14 is mounted with epoxy or solder 16 across the gap on both its left and right sides as shown.

DSAサスペンションにおいて、入力電圧ユニット毎にPZTからの長いストローク距離を得ること、又は端的に言えば単に「ストローク長さ」を得ることは、概して望ましい。 In DSA suspensions, it is generally desirable to obtain a long stroke distance from the PZT per unit of input voltage, or simply "stroke length."

過去の数多くのDSAサスペンション設計では、実装プレートにPZTを実装している。そうした設計において、PZTの線形動作は、PZTの回転中心と読み取り・書き込みトランスデューサーヘッドとの間のアームの長さによって増大される。ゆえに、PZTの小さい線形動作が、読み取り・書き込みヘッドの比較的長い半径方向動作をもたらす。 Many past DSA suspension designs have implemented PZT on the mounting plate. In such designs, the linear motion of the PZT is increased by the length of the arm between the PZT's center of rotation and the read/write transducer head. Therefore, the small linear motion of the PZT results in a relatively long radial motion of the read/write head.

他のサスペンション設計では、ジンバルにおいて、又はジンバル近傍でPZTが実装される。ジンバル実装PZTの例は、本発明の譲受人に譲渡された特許文献2に示されるDSAサスペンションである。ジンバル実装DSAサスペンション(「GSA」サスペンション)において、長いストローク長さを得ることは特に重要であり、これは、これらの設計がPZTと読み取り・書き込みトランスデューサーヘッドとの間のアーム長さほど長くないためである。より短いアーム長さでは、得られる読み取り・書き込みヘッドの動作は相応に小さい。つまり、長いストローク長さを得ることはGSA設計において特に重要なものである。 Other suspension designs implement PZT at or near the gimbal. An example of a gimbal-mounted PZT is the DSA suspension shown in commonly assigned US Pat. Obtaining long stroke lengths is especially important in gimbal-mounted DSA suspensions ("GSA" suspensions) because these designs are not as long as the arm length between the PZT and the read/write transducer head. It is. With shorter arm lengths, the resulting read/write head movement is correspondingly smaller. Thus, obtaining long stroke lengths is particularly important in GSA design.

米国特許第7,459,835号明細書US Patent No. 7,459,835 米国特許第8,879,210号明細書U.S. Patent No. 8,879,210

本願の発明者等は、先行技術における実装PZTマイクロアクチュエータを有するサスペンションにおけるPZTストローク長さが短い原因を特定し、ストローク長さが短い原因を排除するPZTマイクロアクチュエータ構造体及びその製造方法を開発した。 The inventors of the present application have identified the cause of the short PZT stroke length in suspensions with mounted PZT microactuators in the prior art, and have developed a PZT microactuator structure and its manufacturing method that eliminates the cause of the short stroke length. .

図4Aは、PZTを膨張するように印加された駆動電圧によってPZTが作動されるときの、図2の先行技術におけるサスペンションに実装されたPZTマイクロアクチュエータ14の側部断面図である。PZTの底部層22は、それが実装されたサスペンション18に接合されることで部分的に抑制されるので、上部層24ほど直線方向に膨張しない。上部層24は底部層22よりも膨張するので、PZT14は下向きに湾曲し、上部から見たときにわずかに凸状の形状を取る。直線ストローク長さの結果的な損失は、δ1として図に示される。 FIG. 4A is a side cross-sectional view of the PZT microactuator 14 mounted on the prior art suspension of FIG. 2 when the PZT is actuated by an applied drive voltage to expand the PZT. The bottom layer 22 of PZT does not expand as linearly as the top layer 24 because it is partially restrained by being bonded to the suspension 18 on which it is mounted. Because the top layer 24 expands more than the bottom layer 22, the PZT 14 curves downward and assumes a slightly convex shape when viewed from the top. The resulting loss in linear stroke length is shown in the figure as δ1.

図4Bは、PZTを収縮するように印加された駆動電圧によってPZTが作動されるときの、図4AのPZTマイクロアクチュエータ14を示す。PZTの底部層22は、それが実装されたサスペンション18に接合されることで部分的に抑制されるので、上部層24ほど直線方向に収縮しない。上部層24は底部層22よりも収縮するので、PZT14は上向きに湾曲し、上部から見たときにわずかに凹状の形状を取る。直線ストローク長さの結果的な損失は、δ2として図に示される。 FIG. 4B shows the PZT microactuator 14 of FIG. 4A when the PZT is actuated by an applied drive voltage to contract the PZT. The bottom layer 22 of PZT is partially restrained by being bonded to the suspension 18 on which it is mounted, so it does not shrink as linearly as the top layer 24. As the top layer 24 contracts more than the bottom layer 22, the PZT 14 curves upward and assumes a slightly concave shape when viewed from the top. The resulting loss in linear stroke length is shown in the figure as δ2.

このように、作動の際にPZTが単に直線的に膨張及び収縮することが望まれるが、従来の実装では、PZTには、ストローク長さの損失をもたらす上又は下方向の湾曲が起こる。 Thus, while it is desired that the PZT simply expand and contract linearly during actuation, in conventional implementations the PZT undergoes upward or downward curvature resulting in a loss of stroke length.

図5は、PZTの湾曲により加えられる又は失われる有効な直線ストロークの量の模式図及び関連式である。図4Bに示されるように、ビームが湾曲して持ち上がるとき、湾曲角度が小さいと底部先端にはx方向に正の変位δがある。 FIG. 5 is a schematic diagram and related equations of the amount of effective linear stroke added or lost due to PZT curvature. As shown in FIG. 4B, when the beam curves and lifts, the bottom tip has a positive displacement δ in the x direction when the curve angle is small.

図6は、3つの異なる厚みのPZTの湾曲角度に対する湾曲によるストローク損失のプロットである。図に示されるように、1.50mmの長さ及び45μmの厚みを持つPZTでは、湾曲角度が5度未満であるとき湾曲はx方向の正の変位δをもたらす。この湾曲量について、より厚いビームが、より薄いビームよりも大きいx方向の変位をもたらすことが見て取れる。同様に、PZTが印加電圧下で膨張するとき、PZTの右半分が下方向に湾曲し、サスペンションに接合されたPZTの底部先端には、x方向に負の変位が起こる。換言すると、従来の、サスペンションのPZT実装において、湾曲による直線変位の成分δはPZTの作動と反対の方向である。ゆえに、このδを低減又は除去する、又はこのδの符号をも逆転して、総直線膨張量又は収縮量が実際に増加するという最終結果になることが望まれる。 FIG. 6 is a plot of stroke loss due to bending versus bending angle for three different thicknesses of PZT. As shown in the figure, for PZT with a length of 1.50 mm and a thickness of 45 μm, the curvature results in a positive displacement δ in the x direction when the curvature angle is less than 5 degrees. It can be seen that for this amount of curvature, a thicker beam yields a larger displacement in the x direction than a thinner beam. Similarly, when the PZT expands under an applied voltage, the right half of the PZT curves downward and the bottom tip of the PZT bonded to the suspension undergoes a negative displacement in the x direction. In other words, in conventional PZT implementations of suspensions, the component of linear displacement due to curvature, δ, is in the opposite direction of the PZT actuation. It is therefore desirable to reduce or eliminate this δ, or even reverse the sign of this δ, with the end result being that the total linear expansion or contraction is actually increased.

本発明は、作動されるときにPZTの湾曲を低減する、排除する、その方向を変更する、又は湾曲を制御するために、PZTがサスペンションに実装された側又は面と反対の側又は面に少なくとも1つ接合された1つ以上の硬質抑制層又は抑制素子を有するPZT素子に関する。直観に反する結果としては、PZTが、少なくとも表向きにはPZTの膨張及び収縮を抑制する追加の硬質層を有するが、得られる有効な直線ストローク距離は実際
に増加するというものである。本発明の抑制層を有するPZTは、ハードディスクドライブサスペンションのマイクロアクチュエータをして用いられることができるが、他のアプリケーションにも用いられることが可能である。
The present invention provides a method for reducing, eliminating, changing the direction of, or controlling the curvature of the PZT when actuated on the side or face opposite to the side or face on which the PZT is mounted on the suspension. The present invention relates to a PZT element having at least one bonded hard constraining layer or element. A counterintuitive result is that although the PZT has an additional hard layer that, at least ostensibly, suppresses the expansion and contraction of the PZT, the resulting effective linear stroke distance actually increases. The PZT with constraining layer of the present invention can be used as a microactuator in hard disk drive suspensions, but can also be used in other applications.

好ましい実施形態において、抑制層の効果は、湾曲方向を実際に変更することである。このように、底部面でサスペンションに接合されたPZTでは、抑制層の存在による効果として、圧電素子は、圧電素子を膨張させる電圧によって作動されるときに、上部面を表向き凹形状にさせる方向に湾曲し、圧電素子を収縮させる電圧によって作動されるときに、上部面を表向き凸形状にさせる方向に湾曲する。ゆえに、この効果は、膨張モードにおいて有効な直線膨張を実際に増大させ、収縮モードにおいて有効な直線収縮を増大させるものである。つまり抑制層の存在により、有効なストローク長さが実際に増加する。 In a preferred embodiment, the effect of the restraining layer is to actually change the direction of curvature. Thus, in PZT bonded to the suspension at the bottom surface, the effect of the presence of the constraining layer is that the piezoelectric element, when actuated by a voltage that expands the piezoelectric element, tends to cause the top surface to become ostensibly concave. When actuated by a voltage that causes the piezoelectric element to contract, it bends in a direction that causes the upper surface to have an ostensibly convex shape. Therefore, this effect actually increases the effective linear expansion in expansion mode and increases the effective linear contraction in contraction mode. Thus, the presence of the suppression layer actually increases the effective stroke length.

抑制層を有するPZTは、抑制層を現存のPZT素子に積層することを含む様々な技術によって製造可能であり、或いはアディティブ法によってPZT素子及び抑制層の一方が他方の上部に形成されることができる。そうしたアディティブ法は、ステンレス鋼(SST)などの基板に薄膜PZTを成膜することを含むとよい。抑制層は、ステンレス鋼、シリコン、実質的に不分極(不活性)なセラミック材料、若しくはPZT素子を構成するものと同じセラミック材料などのセラミックス、又は他の比較的硬質の材料であるとよい。抑制層が非導電性である場合、マイクロアクチュエータの表面からPZT素子内部に活性化電圧又は接地電位を与えるために、導電性材料のカラムを含む1つ以上の電気ビアが抑制層に形成されることができる。 PZT with a restraining layer can be fabricated by a variety of techniques, including laminating the restraining layer onto an existing PZT element, or the PZT element and the restraining layer can be formed one on top of the other by additive methods. can. Such additive methods may include depositing a thin film of PZT on a substrate such as stainless steel (SST). The constraining layer may be a ceramic, such as stainless steel, silicon, a substantially unpolarized (inert) ceramic material, or the same ceramic material that makes up the PZT element, or other relatively hard material. If the suppression layer is electrically non-conductive, one or more electrical vias containing columns of conductive material are formed in the suppression layer to provide an activation voltage or ground potential from the surface of the microactuator to the interior of the PZT element. be able to.

抑制層は、PZT素子よりも大きい(より大きい表面領域)、PZT素子と同じサイズ、又はPZT素子よりも小さい(より小さい表面領域)とよい。好ましい実施形態において、抑制層はPZT素子よりも小さく、抑制層によって被覆されない階段のシェルフを伴う階段状構造をマイクロアクチュエータに与え、またシェルフはPZTに電気接続を行うところである。電気接続が行われるシェルフを含むこうした構成の一有利性は、電気接続を含む組立体全体が、抑制層がPZT全体を覆う場合よりも、低いプロファイルを有することである。より低いプロファイルは有利なものであり、これは、所定のプラッタ積層高さ内にさらなるハードディスクプラッターやそのサスペンションがともに積層されて、ディスクドライブ組立体の所定の容積内でデータ保管容量を増加させることができるということ意味するためである。 The suppression layer may be larger than the PZT element (larger surface area), the same size as the PZT element, or smaller than the PZT element (smaller surface area). In a preferred embodiment, the constraining layer is smaller than the PZT element, giving the microactuator a stepped structure with a stepped shelf not covered by the constraining layer, and where the shelf makes the electrical connection to the PZT. One advantage of such a configuration that includes a shelf on which the electrical connections are made is that the entire assembly, including the electrical connections, has a lower profile than if the constraining layer covered the entire PZT. A lower profile is advantageous because additional hard disk platters or their suspensions can be stacked together within a given platter stacking height to increase data storage capacity within a given volume of the disk drive assembly. This is because it means that it is possible.

シミュレーションでは、本発明に従って構成されたマイクロアクチュエータが、ストローク感度の増加を示すこと、またスウェイモードゲイン及びねじりモードゲインを減少させることが示された。これらは、データシーク時間の減少及び振動に対する感受性の低減の両方に変換される、ヘッド位置決め制御ループバンド幅の増大に有利である。 Simulations have shown that microactuators constructed in accordance with the present invention exhibit increased stroke sensitivity and reduced sway mode gain and torsion mode gain. These are advantageous in increasing head positioning control loop bandwidth, which translates into both reduced data seek time and reduced susceptibility to vibration.

本発明においてPZTに抑制層又は素子を追加することのさらなる有利性は、現在のハードディスクドライブにおいて、PZTを含むサスペンション及びその部品が通常非常に薄肉であることにある。PZTが実装プレートに実装される現在のDSAサスペンション設計において用いられるマイクロアクチュエータは、約150μm厚である。ジンバル実装DSAサスペンション設計においてPZTはさらに薄肉であり、100μm厚未満であることもある。ゆえに、PZT材料は非常に薄肉で脆性であり、PZTマイクロアクチュエータモーター自体の製造工程、及びサスペンション組み立て工程における自動ピックアンドプレース操作をともに含む製造・組み立て時に、容易く亀裂が起こり得る。次世代ハードドライブのPZTは、75μm厚以下になることが予期され、これは問題を大きくするものである。こうした薄肉のPZTは、製造・組み立て時に損傷を受け易いだけでなく、ディスクドライブが衝撃、つまりG力を受けたときに亀裂又は破壊が起こりやすいものにもなり得ると考えられる。本発明における追加の硬質、弾性抑制層は、PZTにさらな
る強度と弾性とを与え、製造・組み立て時及び衝撃イベント時のPZTにおける亀裂又は機械的故障の防止に役立つものである。
A further advantage of adding a constraining layer or element to PZT in the present invention is that in current hard disk drives, suspensions and their components that include PZT are typically very thin. The microactuators used in current DSA suspension designs where PZT is mounted to the mounting plate are approximately 150 μm thick. In gimbal-mounted DSA suspension designs, PZT is even thinner, sometimes less than 100 μm thick. Therefore, the PZT material is very thin and brittle and can easily crack during manufacturing and assembly, including both the manufacturing process of the PZT microactuator motor itself and automated pick-and-place operations in the suspension assembly process. PZT in next generation hard drives is expected to be less than 75 μm thick, which exacerbates the problem. It is believed that such thin-walled PZT is not only susceptible to damage during manufacturing and assembly, but may also be susceptible to cracking or fracture when the disk drive is subjected to impact, or G-forces. The additional hard, elastic constraining layer in the present invention provides additional strength and resiliency to the PZT and helps prevent cracking or mechanical failure in the PZT during manufacturing and assembly and during impact events.

本発明の他の態様において、マイクロアクチュエータ組立体は、主要な活性PZT層の作用を打ち消す傾向のある抑制層として作用する1つ以上の活性PZT層を含む複数の活性PZT層を伴う、多層PZTデバイスである。 In another aspect of the invention, the microactuator assembly is a multilayer PZT structure with multiple active PZT layers, including one or more active PZT layers that act as suppression layers that tend to counteract the effects of the main active PZT layer. It is a device.

主要PZT層の動作に抗う1つ以上の層を追加することで、全体的な最終ストローク長さが増加可能であるという発想は直観に反するものである。主要PZT層と反対の方向に能動的に作用する1つ以上の活性層を追加することで、全体的な最終ストローク長さがさらに増加可能であるという考えはさらに直観に反する。しかしながら、これは本発明者らが実証した結果である。 The idea that the overall final stroke length can be increased by adding one or more layers that counteract the movement of the main PZT layer is counterintuitive. Even more counterintuitive is the idea that the overall final stroke length can be further increased by adding one or more active layers that actively act in the opposite direction to the main PZT layer. However, this is a result demonstrated by the inventors.

さらなる実施形態において、本発明は、分極されるが不活性である圧電材料を抑制層が含む多層PZTマイクロアクチュエータ組立体に関する。圧電材料の分極によりその寸法が変わるため、多層デバイスのうちの1層のみを分極することで、デバイスに亀裂、ゆえに故障をさらに起こりやすくさせ得る歪みをデバイスに導入する、ということを発明者等は発見した。従って、サスペンション組立体又は組立体が接合される他の周囲物の表面に最も近接する主要又は活性PZT層だけでなく、組立体が接合された周囲物から離れた不活性層も分極することで、デバイスの信頼性は増大する。 In a further embodiment, the present invention relates to a multilayer PZT microactuator assembly in which the constraining layer includes a piezoelectric material that is polarized but inert. The inventors have demonstrated that since polarization of a piezoelectric material changes its dimensions, polarizing only one layer of a multilayer device introduces strains in the device that can make the device more susceptible to cracking and therefore failure. discovered. Thus, not only the primary or active PZT layer closest to the surface of the suspension assembly or other surrounding material to which the assembly is bonded, but also the inactive layer remote from the surrounding material to which the assembly is bonded, will polarize. , the reliability of the device increases.

本発明の例示の実施形態は、図面に関して以下にさらに記載され、図面において同様の数字は同様の部品に関連する。描画される形体は正確な縮尺ではなく、所定の部品は、一般化又は概略化形態で示され、明確性及び簡潔性のため商業上の表示によって特定される。 Exemplary embodiments of the invention are further described below with reference to the drawings, in which like numerals relate to like parts. The features depicted are not to scale and certain parts are shown in generalized or schematic form and are identified by commercial designation for clarity and conciseness.

図1は、先行技術の磁気ハードディスクドライブの上面斜視図である。FIG. 1 is a top perspective view of a prior art magnetic hard disk drive. 図2は、図1のディスクドライブサスペンションの上面図である。FIG. 2 is a top view of the disk drive suspension of FIG. 1. 図3は、図2の先行技術のPZTマイクロアクチュエータ及び実装部の側面断面図である。3 is a side cross-sectional view of the prior art PZT microactuator and implementation of FIG. 2; FIG. 図4において、図4Aは、PZTを膨張させるために電圧がPZTに印加されたときの、図2の先行技術のサスペンションに実装されたPZTマイクロアクチュエータの側面断面図であり、図4Bは、PZTを収縮させるために電圧がPZTに印加されたときの、図2の先行技術のサスペンションに実装されたPZTマイクロアクチュエータの側面断面図である。4, FIG. 4A is a side cross-sectional view of the PZT microactuator implemented in the prior art suspension of FIG. 2 when a voltage is applied to the PZT to expand the PZT, and FIG. 3 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator implemented in the prior art suspension of FIG. 2 when a voltage is applied to the PZT to cause it to contract; FIG. 図5は、PZTの湾曲により加えられる又は失われる直線ストロークの量についての模式図及び関連式である。FIG. 5 is a schematic diagram and related equations for the amount of linear stroke added or lost due to PZT curvature. 図6は、3つの異なる厚みのPZTについて湾曲角度に対する湾曲によるストローク損失のプロットである。FIG. 6 is a plot of stroke loss due to bending versus bending angle for three different thicknesses of PZT. 図7は、本発明における、PZTに接合された抑制層を有するPZTの側面断面図である。FIG. 7 is a side cross-sectional view of PZT with a suppression layer bonded to the PZT in accordance with the present invention. 図8において、図8Aは、PZTを膨張させるために電圧がPZTに印加されたときの、図7のPZTマイクロアクチュエータの側面断面図であり、図8Bは、PZTを収縮させるために電圧がPZTに印加されたときの、図7のPZTマイクロアクチュエータの側面断面図である。8, FIG. 8A is a side cross-sectional view of the PZT microactuator of FIG. 7 when a voltage is applied across the PZT to expand the PZT, and FIG. FIG. 8 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator of FIG. 7 when . 図9は、130μm厚であるPZTについて、抑制層厚に対する、nm/Vの単位の単位入力電圧毎ストローク長さを示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing stroke length per unit input voltage in nm/V versus suppression layer thickness for PZT that is 130 μm thick. 図10は、本発明における、PZTに接合された抑制層を有するPZTの側面立面図である。FIG. 10 is a side elevational view of PZT with a constraining layer bonded to the PZT in accordance with the present invention. 図11は、図10のPZTについてPZT厚に対するストローク長さのグラフであり、PZTと抑制層とを合わせた厚みは130μmで一定に保たれる。FIG. 11 is a graph of stroke length versus PZT thickness for the PZT of FIG. 10, where the combined thickness of the PZT and suppression layer is kept constant at 130 μm. 図12は、種々の厚みのステンレス鋼抑制層を備えたPZTを有するサスペンションについて、抑制層厚に対するGDAストローク感度のグラフである。FIG. 12 is a graph of GDA stroke sensitivity versus restraint layer thickness for suspensions with PZT with stainless steel restraint layers of various thicknesses. 図13において、図13A~図13Cは、本発明の抑制層を有するPZTを作製可能な一製造工程を示す。In FIG. 13, FIGS. 13A-13C illustrate one manufacturing process that can make PZT with a suppression layer of the present invention. 図13において、図13D~図13Hは、本発明の抑制層を有するPZTを作製可能な一製造工程を示す。In FIG. 13, FIGS. 13D-13H illustrate one manufacturing process that can make PZT with a suppression layer of the present invention. 図14において、図14A~図14Bは、本発明における薄膜PZTマイクロアクチュエータモーターとともに組み立てられたGSAサスペンションの斜視図である。In FIG. 14, FIGS. 14A-14B are perspective views of a GSA suspension assembled with a thin film PZT microactuator motor in accordance with the present invention. 図15は、切断線B-B’に沿った図14Bのマイクロアクチュエータ領域の断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view of the microactuator region of FIG. 14B along section line B-B'. 図16は、シミュレーションにおける、図15のマイクロアクチュエータのSST基板厚に対するストローク感度のグラフを示す。FIG. 16 shows a graph of stroke sensitivity versus SST substrate thickness of the microactuator of FIG. 15 in a simulation. 図17において、図17A~図17Fは、本発明におけるステンレス鋼基板を有する薄膜PZT構造を製造する工程を示す。In FIG. 17, FIGS. 17A-17F illustrate the process of manufacturing a thin film PZT structure with a stainless steel substrate in accordance with the present invention. 図18は、本発明におけるシリコン基板を有する薄膜PZT構造の上面図である。FIG. 18 is a top view of a thin film PZT structure with a silicon substrate in accordance with the present invention. 図19は、切断線A-A’に沿った図18の薄膜PZT構造の側面断面図である。FIG. 19 is a side cross-sectional view of the thin film PZT structure of FIG. 18 taken along section line A-A'. 図20は、シミュレーションにおける、図19のマイクロアクチュエータについてのシリコン基板厚に対するストローク感度のグラフである。FIG. 20 is a graph of stroke sensitivity versus silicon substrate thickness for the microactuator of FIG. 19 in a simulation. 図21において、図21A~図21Eは、図18の薄膜PZT構造を製造する工程を示す。In FIG. 21, FIGS. 21A to 21E show steps for manufacturing the thin film PZT structure of FIG. 18. 図22は、本発明の実施形態において、基板を有し、且つ側部ビアを有する薄膜PZTの上面図である。FIG. 22 is a top view of a thin film PZT with a substrate and side vias in an embodiment of the invention. 図23は、切断線A-A’に沿った図22のマイクロアクチュエータの断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view of the microactuator of FIG. 22 along section line A-A'. 図24は、本発明のさらなる実施形態におけるPZTマイクロアクチュエータの断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view of a PZT microactuator in a further embodiment of the invention. 図25は、ペアの図24のPZTマイクロアクチュエータを有するGSAサスペンションの斜視図である。FIG. 25 is a perspective view of a GSA suspension with a pair of the PZT microactuators of FIG. 24. 図26は、切断線A-A’に沿った図25のGSAサスペンションの断面図である。FIG. 26 is a cross-sectional view of the GSA suspension of FIG. 25 along section line A-A'. 図27は、シミュレーションにおける図25のサスペンションのPZT周波数応答関数のグラフである。FIG. 27 is a graph of the PZT frequency response function of the suspension of FIG. 25 in a simulation. 図28において、図28A~図28Eは、図24のPZTマクロアクチュエータ組立体を製造する例示的工程を示す。28, FIGS. 28A-28E illustrate an exemplary process for manufacturing the PZT macro actuator assembly of FIG. 24. 図28において、図28F~図28Jは、図24のPZTマクロアクチュエータ組立体を製造する例示的工程を示す。28, FIGS. 28F-28J illustrate an exemplary process for manufacturing the PZT macro actuator assembly of FIG. 24. 図29は、PZTが多層PZTである、本発明のさらなる実施形態における多層PZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図である。FIG. 29 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT microactuator assembly in a further embodiment of the invention, where the PZT is multilayer PZT. 図30は、特に厚い電極が抑制層として作用する、本発明のさらなる実施形態における多層PZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図である。FIG. 30 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT microactuator assembly in a further embodiment of the invention, in which a particularly thick electrode acts as a restraining layer. 図31は、マイクロアクチュエータ組立体の抑制層が、主要活性PZT層の反対方向に作用する傾向のある1つ以上の活性PZT層を含む実施形態の断面図である。FIG. 31 is a cross-sectional view of an embodiment in which the restraining layer of a microactuator assembly includes one or more active PZT layers that tend to act in the opposite direction of the main active PZT layer. 図32は、図31のマイクロアクチュエータ組立体の分極を示し、活性PZT材料の種々の層の結果的な分極方向を含む。FIG. 32 shows the polarization of the microactuator assembly of FIG. 31, including the resulting polarization directions of the various layers of active PZT material. 図33は、図31のマイクロアクチュエータ組立体の分解図であり、概念的に電気接続を示す。FIG. 33 is an exploded view of the microactuator assembly of FIG. 31 conceptually illustrating the electrical connections. 図34は、種々の構成について、シミュレーションにおける1つ以上の活性抑制層を有するマイクロアクチュエータのストローク感度(nm/V)を示すグラフである。FIG. 34 is a graph showing the stroke sensitivity (nm/V) of a microactuator with one or more active suppression layers in simulations for various configurations. 図35は、マイクロアクチュエータ組立体が複数の活性PZT層を含む他の実施形態の断面図であり、分極工程と結果的な分極方向とを概念的に示す。FIG. 35 is a cross-sectional view of another embodiment in which the microactuator assembly includes multiple active PZT layers, conceptually illustrating the polarization process and the resulting polarization direction. 図36は、PZTが、一般的な分極化がなされた多層PZTであり、且つ上部層が底部層よりも厚い、さらなる実施形態における多層PZTマクロアクチュエータ組立体の側面断面図である。FIG. 36 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT macroactuator assembly in a further embodiment where the PZT is a conventionally polarized multilayer PZT and the top layer is thicker than the bottom layer. 図37は、図36のPZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図であり、サスペンション内に取り付けられた組立体を示す。FIG. 37 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly of FIG. 36 showing the assembly mounted within the suspension. 図38は、PZTが3つの個別の極を有する多層PZTであり、PZTが逆分極された、またさらなる実施形態における多層PZTマクロアクチュエータ組立体の側面断面図である。FIG. 38 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT macroactuator assembly in a further embodiment in which the PZT is a multilayer PZT with three individual poles and the PZT is counterpolarized. 図39は、図38のPZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図であり、サスペンション内に取り付けられた組立体を示す。FIG. 39 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly of FIG. 38 showing the assembly mounted within the suspension. 図40は、シミュレーションにおいて、上部PZT層の厚みの関数として、標準的な単層PZTのストローク感度と比較した、図37及び図39のPZTマイクロアクチュエータ組立体のストローク感度を示すグラフである。FIG. 40 is a graph showing the stroke sensitivity of the PZT microactuator assembly of FIGS. 37 and 39 in simulations as a function of the thickness of the top PZT layer as compared to the stroke sensitivity of standard single layer PZT. 図41は、図36のPZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図であり、代替的組み立て方法によってサスペンション内に取り付けられた組立体を示す。FIG. 41 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly of FIG. 36, showing the assembly mounted within a suspension by an alternative assembly method. 図42は、分極されるが不活性の抑制層を有するさらなる実施形態におけるPZTマイクロアクチュエータの側面断面図である。FIG. 42 is a side cross-sectional view of a PZT microactuator in a further embodiment with a polarized but inactive suppression layer. 図43は、図42のPZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図であり、サスペンション内に取り付けられた組立体を示す。FIG. 43 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly of FIG. 42 showing the assembly mounted within the suspension.

図7は、本発明の実施形態における、接合された抑制層130を有するPZTマイクロアクチュエータ組立体114の側面断面図である。図に示される配置によると、サスペンションに接合されたPZTの側部は、PZT114の底部側129として言及され、PZTがサスペンションに接合された側から離れたPZTの側部は、上部側127として言及される。本発明において、1つ以上の抑制層又は抑制素子130が、マイクロアクチュエータPZT素子120の上部側127に接合される。抑制層130は、ステンレス鋼などの硬質且つ弾性のある材料を好ましくは含み、上部電極126を含むPZT素子120の上部面127に直接的に好ましくは接合される、或いは、SST材料がそれ自体で上部電極として機能して、上部面を個別に金属化する必要がなくなる。抑制層130は十分に硬質であり、作動されるときにPZTの湾曲を著しく低減、排除、又はさらに反対にもする。SST層130は、SSTへの良好な電気接続を実現するために、金又は他のコンタクトメタルの層131を好ましくは有する。 FIG. 7 is a side cross-sectional view of a PZT microactuator assembly 114 with bonded constraining layer 130 in an embodiment of the invention. According to the arrangement shown in the figure, the side of the PZT that is joined to the suspension is referred to as the bottom side 129 of the PZT 114, and the side of the PZT that is away from the side where the PZT is joined to the suspension is referred to as the top side 127. be done. In the present invention, one or more suppression layers or suppression elements 130 are bonded to the top side 127 of the microactuator PZT element 120. The constraining layer 130 preferably comprises a hard and resilient material such as stainless steel, and is preferably bonded directly to the top surface 127 of the PZT element 120, including the top electrode 126, or the SST material itself. Functioning as a top electrode, it eliminates the need for separate metallization of the top surface. The constraining layer 130 is sufficiently rigid to significantly reduce, eliminate, or even reverse the bowing of the PZT when actuated. SST layer 130 preferably has a layer 131 of gold or other contact metal to achieve a good electrical connection to the SST.

代替的に、抑制層130がステンレス鋼である代わりにセラミックスであってもよく、これは圧電層120を形成するものと同じセラミック材料の不活性(極が無い、或いは、不分極な)層などであり得、接合又は成膜によって組立体に一体化されてもよい。セラミック材料は不分極であり、これは、圧電層120をなす分極セラミックと同程度の圧電挙動の10%未満などの、実質的に小さい圧電挙動を示すという意味である。下から電極・分極PZT・電極・不分極PZTからなる積層物をなすそうした組立体は、電極・PZT・電極・SSTの積層物よりも製造しやすいものである。 Alternatively, the suppression layer 130 may be a ceramic instead of stainless steel, such as an inert (non-polarized or unpolarized) layer of the same ceramic material that forms the piezoelectric layer 120. and may be integrated into the assembly by bonding or film deposition. The ceramic material is unpolarized, meaning that it exhibits substantially less piezoelectric behavior, such as less than 10% of the same piezoelectric behavior as the polarized ceramic that makes up the piezoelectric layer 120. Such an assembly, consisting of a laminate of electrode, polarized PZT, electrode, unpolarized PZT from below, is easier to manufacture than a laminate of electrode, PZT, electrode, SST.

以下の記載において、記載を簡潔にするため、上下の電極126、128は、図面及び
記載から省略されることがあるものの、PZTマイクロアクチュエータは少なくとも一部のタイプの上下電極をほぼ常に有するということが理解される。
In the following description, for the sake of brevity, the upper and lower electrodes 126, 128 may be omitted from the drawings and description, but it is noted that PZT microactuators almost always have at least some type of upper and lower electrodes. is understood.

Schreiber等による米国特許第8,395,866号明細書に記載されるように、SSTに対する金の密着性を増大させるために金層131が付加される前に、SST層130に銅又はニッケル層が成膜されるとよい。該米国特許は、本願の譲受人が所有し、他の金属をステンレス鋼に電着するという教示について、言及によって本明細書に組み込まれる。同様に、電極126、128はニッケル及び/又はクロム、並びに金(NiCr/Au)の組合せを含むとよい。 A copper or nickel layer is applied to the SST layer 130 before the gold layer 131 is added to increase the adhesion of the gold to the SST, as described in U.S. Pat. No. 8,395,866 by Schreiber et al. It is preferable that a film is formed. No. 5,030,502, owned by the assignee of the present application, is incorporated herein by reference for its teachings on electrodepositing other metals onto stainless steel. Similarly, electrodes 126, 128 may include a combination of nickel and/or chromium and gold (NiCr/Au).

124-167(図5)シミュレーションによる一例示実施形態において、種々の層の厚みは、
130 PZT 3μm
126、128、131 NiCr/Au 0.5μm
であった。
124-167 (FIG. 5) In one exemplary embodiment, the thicknesses of the various layers are:
130 PZT 3μm
126, 128, 131 NiCr/Au 0.5μm
Met.

薄膜PZTは1.20mmの長さを有し、PZT接合は両端で0.15mmの幅を有し、圧電係数d31は250pm/Vであった。一部の実施形態において、SST層は、適切な支持を行うために少なくとも12マイクロメートル厚であるとよい。 The thin PZT film had a length of 1.20 mm, the PZT junction had a width of 0.15 mm at both ends, and the piezoelectric coefficient d31 was 250 pm/V. In some embodiments, the SST layer may be at least 12 micrometers thick to provide adequate support.

上述の例において、DSAサスペンションは、シミュレーションによると、26.1nm/Vのストローク感度を示した。一方、同じ幾何学形状の45μm厚バルクPZT(d31=320pm/V)は、単に7.2nm/Vのストローク感度を通常示す。 In the above example, the DSA suspension exhibited a stroke sensitivity of 26.1 nm/V according to simulation. On the other hand, 45 μm thick bulk PZT of the same geometry (d31=320 pm/V) typically exhibits a stroke sensitivity of only 7.2 nm/V.

SST層のPZT層に対する厚さ比は、1:1、又はさらに1.25:1、又はさらに
高いものであり得る。抑制層のPZTに対する厚さ比が約1:25に達すると、抑制層によるストローク感度の向上は負になり始め、PZT抑制層の厚みの限界が示唆される。
The thickness ratio of the SST layer to the PZT layer can be 1:1, or even 1.25:1, or even higher. When the thickness ratio of the suppression layer to PZT reaches about 1:25, the stroke sensitivity improvement by the suppression layer begins to become negative, suggesting a limit to the thickness of the PZT suppression layer.

図8Aは、PZTを膨張させるために電圧がPZTに印加されたときの、図7のPZTマイクロアクチュエータ114の側面断面図である。PZTストロークは2つのベクトルからなり、一方は純粋な伸長ストロークδeであり、他方は、抑制層がない場合のような下向きの湾曲ではなく、PZTの右先端を上向きに湾曲させる抑制層による伸長寄与δ1である。総ストローク長さはδe+δ1である。膨張モードでは、ゆえに、PZTは上部から見たときにわずかに凹状の形状をとる、つまり、PZT上部面はわずかに凹状の形状をとり、これは図4の先行技術PZTの湾曲とは反対の湾曲方向である。従って、本発明のこの湾曲は、有効ストローク長さを減少させるものではなくむしろ有効ストローク長さを増加させるものである。 FIG. 8A is a side cross-sectional view of the PZT microactuator 114 of FIG. 7 when a voltage is applied to the PZT to expand the PZT. The PZT stroke consists of two vectors, one is a pure elongation stroke δe, and the other is the elongation contribution by the inhibition layer that curves the right tip of the PZT upward instead of downward curvature as in the absence of the inhibition layer. δ1. The total stroke length is δe+δ1. In expansion mode, the PZT therefore assumes a slightly concave shape when viewed from the top, i.e., the PZT top surface assumes a slightly concave shape, which is opposite to the curvature of the prior art PZT in FIG. This is the direction of curvature. Therefore, this curvature of the present invention does not reduce the effective stroke length, but rather increases it.

図8Bは、PZT114を収縮させるために電圧がPZTに印加されたときの、図7のPZTマイクロアクチュエータの側面断面図である。PZTストロークは2つのベクトルからなり、一方は純粋な収縮ストローク-|δc|であり、他方は、抑制層がない場合のような上向きの湾曲ではなく、PZTの右先端を下向きに湾曲させる抑制層による収縮寄与δ2である。総ストローク長さは-[δc+δ2]である。収縮モードでは、ゆえに、PZTは上部から見たときにわずかに凸状の形状をとる、つまり、PZT上部面はわずかに凸状の形状をとり、これは図4の先行技術PZTの湾曲とは反対の湾曲方向である。従って、本発明のこの湾曲は、有効ストローク長さを減少させるものではなくむしろ有効ストローク長さを増加させるものである。 8B is a side cross-sectional view of the PZT microactuator of FIG. 7 when a voltage is applied to the PZT to cause the PZT 114 to contract. The PZT stroke consists of two vectors, one is a pure contraction stroke - |δc|, and the other is a suppression layer that curves the right tip of the PZT downward instead of upward curvature as in the absence of the suppression layer. The contraction contribution δ2 is δ2. The total stroke length is -[δc+δ2]. In the contraction mode, therefore, the PZT takes a slightly convex shape when viewed from the top, i.e., the PZT top surface takes a slightly convex shape, which is different from the curvature of the prior art PZT in FIG. The direction of curvature is opposite. Therefore, this curvature of the present invention does not reduce the effective stroke length, but rather increases it.

PZTマイクロアクチュエータ114に抑制層130を追加することは、他の非抑制及び非接合PZT114については、ストローク長さにおいて認識される影響はない。しか
し、図4に示されるように、PZTがその底端部でサスペンション18に接合されるとき、抑制層の効果は実際にストローク長さをわずかに増加させる。ステンレス鋼は、約190~210GPaのヤング率を有する。好ましくは、抑制層用材料は、50GPaより大きい、より好ましくは100GPaより大きい、さらにより好ましくは150GPaより大きいヤング率を有する。
Adding a constraining layer 130 to the PZT microactuator 114 has no discernible effect on stroke length for otherwise unconstrained and unbonded PZT 114. However, as shown in FIG. 4, when the PZT is joined to the suspension 18 at its bottom end, the effect of the constraining layer actually increases the stroke length slightly. Stainless steel has a Young's modulus of about 190-210 GPa. Preferably, the material for the constraining layer has a Young's modulus greater than 50 GPa, more preferably greater than 100 GPa, even more preferably greater than 150 GPa.

図9は、シミュレーションにおいて、130μm厚であり、接合されたステンレス鋼の抑制層130を有するPZT114について、抑制層厚に対する、nm/Vの単位の単位入力電圧毎ストローク長さを示すグラフである。20μm、40μm、及び60μm厚のSST抑制層をPZT上部面に追加することで、それぞれ総ストローク長さが増加される。つまり、抑制層を追加することで総ストローク長さが実際に増加された。 FIG. 9 is a graph showing stroke length per unit input voltage in nm/V versus constraint layer thickness for a PZT 114 that is 130 μm thick and has a bonded stainless steel constraint layer 130 in a simulation. Adding 20 μm, 40 μm, and 60 μm thick SST suppression layers to the PZT top surface increases the total stroke length, respectively. That is, the total stroke length was actually increased by adding the suppression layer.

PZTと抑制層とを合わせた総厚みを一定に保ち、抑制層の最適な厚みを決定することも可能である。図10は、本発明において、PZTと、PZTに接合された抑制層とを合わせたものの側面立面図であり、総厚みが130μmで一定に保たれる。図11は、図10のPZTについてPZT厚に対するストローク長さのグラフであり、PZTと抑制層とを合わせた厚みは、シミュレーションにおいて130μmで一定に保たれる。抑制層がないと、130μmPZTは約14.5nm/Vのストローク長さを有する。65μmの抑制層130厚と65μmのPZT厚では、PZTは約20nm/Vのストローク長さを有する。ゆえに、抑制層を追加することで、有効ストローク長さが実際に約35%増加した。 It is also possible to keep the total thickness of PZT and suppression layer constant and determine the optimal thickness of the suppression layer. FIG. 10 is a side elevational view of a combination of PZT and a restraining layer bonded to the PZT in the present invention, where the total thickness is kept constant at 130 μm. FIG. 11 is a graph of stroke length versus PZT thickness for the PZT of FIG. 10, where the combined PZT and suppression layer thickness is kept constant at 130 μm in the simulation. Without the suppression layer, 130 μm PZT has a stroke length of approximately 14.5 nm/V. For a suppression layer 130 thickness of 65 μm and a PZT thickness of 65 μm, the PZT has a stroke length of about 20 nm/V. Therefore, adding the restraint layer actually increased the effective stroke length by about 35%.

図12は、シミュレーションにおいて、45μm厚のPZT素子と、種々の厚みの上部ステンレス鋼抑制層との、図7のマイクロアクチュエータを有するGDAサスペンションについて、抑制層厚に対するGDAストローク感度のグラフである。グラフに見受けられるように、30μm厚の抑制層は、GDAストローク感度を9nm/Vから14.5μmをわずかに超えるところに増加させ、これは50%を超えるストローク長さの増加を表す。 FIG. 12 is a graph of GDA stroke sensitivity versus restraint layer thickness for the GDA suspension with the microactuator of FIG. 7 with a 45 μm thick PZT element and top stainless steel restraint layer of various thicknesses in simulations. As can be seen in the graph, a 30 μm thick suppression layer increases the GDA stroke sensitivity from 9 nm/V to just over 14.5 μm, which represents an increase in stroke length of over 50%.

図13A~図13Hは、本発明の抑制層を有するPZTマイクロアクチュエータ組立体を作製可能な一製造工程を示す。この方法は、PZT材料が抑制層となる基板に成膜されるアディティブ法の一例である。工程は、図13Aに示されるような第1基板140から開始される。図13Bにおいて、基板に第1UV・サーマルテープ142が付加される。図13Cにおいて、テープに予備成形SST層130が付加される。図13Dにおいて、スパッタリング又は他の周知の成膜プロセスによってなどで、SSTに電極層126が成膜される。図13Eにおいて、ゾルゲル法又は他の周知の方法によって、電極層上にPZT層120が形成される。図13Fにおいて、スパッタリングによってなどで、PZTの露出側に第2電極128が成膜される。図13Gにおいて、SST層130はテープから分離されて、作製物を第2テープ143及び第2基板141上にひっくり返す。そして、図13Hにおいて、個々のマイクロアクチュエータ114を個別化するために、機械的な鋸切断又はレーザー切断によってなどで、作成物を立方体に切断する。この工程において、電極を含むPZT素子120がSST抑制層130に直接的に接合され、それらの間で抑制層の抑制効果を低下させるポリイミドなどの有機材料などのいずれの他の材料も有さない、マイクロアクチュエータ114が製造される。電極層は、Au、Ni、Cr、及び/又はCuなどの材料製であるとよい。Auは約79GPAのヤング率を有し、Cuは約117GPaのヤング率を有し、Niは約200のヤング率を有し、Crは約278のヤング率を有する。好ましくは、SST抑制層130と、20GPa未満であるヤング率を有する、又は実質的に抑制層のヤング率に満たないヤング率、若しくは抑制層のヤング率の半分に満たないヤング率を有するPZT素子120との間に、中間層はない。 13A-13H illustrate one manufacturing process by which a PZT microactuator assembly with a restraining layer of the present invention can be made. This method is an example of an additive method in which a PZT material is deposited on a substrate to serve as a suppression layer. The process begins with a first substrate 140 as shown in FIG. 13A. In FIG. 13B, a first UV/thermal tape 142 is applied to the substrate. In Figure 13C, a preformed SST layer 130 is added to the tape. In FIG. 13D, an electrode layer 126 is deposited on the SST, such as by sputtering or other well-known deposition processes. In FIG. 13E, a PZT layer 120 is formed on the electrode layer by sol-gel or other known methods. In FIG. 13F, a second electrode 128 is deposited on the exposed side of the PZT, such as by sputtering. In FIG. 13G, the SST layer 130 is separated from the tape and the fabrication is flipped onto a second tape 143 and a second substrate 141. Then, in FIG. 13H, the creation is cut into cubes, such as by mechanical sawing or laser cutting, to individualize the individual microactuators 114. In this step, the PZT element 120 containing the electrodes is bonded directly to the SST suppression layer 130 and does not have any other materials between them, such as organic materials such as polyimide, which would reduce the suppression effect of the suppression layer. , a microactuator 114 is manufactured. The electrode layer may be made of materials such as Au, Ni, Cr, and/or Cu. Au has a Young's modulus of about 79 GPa, Cu has a Young's modulus of about 117 GPa, Ni has a Young's modulus of about 200, and Cr has a Young's modulus of about 278. Preferably, the SST suppression layer 130 and a PZT element having a Young's modulus that is less than 20 GPa, or substantially less than the Young's modulus of the suppression layer, or less than half the Young's modulus of the suppression layer. There is no intermediate layer between 120 and 120.

エポキシなどの接着剤によって抑制層をPZT面に直接的に接合することによってなどで作製物を製造するために、他の方法が用いられ得るが、図13A~図13Hに示される方法が現在のところ好ましい方法と考えられる。 Although other methods may be used to fabricate the fabrication, such as by bonding the constraining layer directly to the PZT surface with an adhesive such as an epoxy, the method shown in FIGS. 13A-13H is the current method. However, this is considered to be a preferable method.

SST抑制層130は、アディティブ製造工程時及び最終作製物の両方でPZT層120のための基板として作用する。抑制層130はゆえに基板として言及されることがある。 SST suppression layer 130 acts as a substrate for PZT layer 120 both during the additive manufacturing process and in the final fabrication. Constraining layer 130 is therefore sometimes referred to as a substrate.

図14A及び図14Bは、本発明における薄膜PZTマイクロアクチュエータモーター114とともに組み立てられたジンバル実装2段アクチュエータ(GSA)サスペンション150の斜視図である。GSAサスペンションにおいて、PZTは、ジンバル組立体を含むトレースジンバルに実装され、読み取り・書き込みヘッドスライダー164を保持するサスペンションのジンバル領域に直接的に作用する。図14Aは、PZTマイクロアクチュエータ組立体114が取り付けられる前のサスペンション150を示す。2つのマイクロアクチュエータ114のそれぞれが、マイクロアクチュエータ114の遠位端部が接合される舌部154と、マイクロアクチュエータ114の近接端部が接合されるトレースジンバルの部分156と、に接合され、それらの間の間隙170をつなぐ。図14Bは、PZTマイクロアクチュエータ114が取り付けられた後のサスペンション150を示す。マイクロアクチュエータ組立体114が活性化されると、膨張又は収縮し、舌部154とトレースジンバルの部分156との間の間隙170の長さを変え、読み取り・書き込みトランスデューサーを保持するヘッドスライダー164の微細な配置動作をもたらす。 14A and 14B are perspective views of a gimbaled two-stage actuator (GSA) suspension 150 assembled with a thin film PZT microactuator motor 114 in accordance with the present invention. In the GSA suspension, the PZT is implemented in the trace gimbal that includes the gimbal assembly and acts directly on the gimbal area of the suspension that holds the read/write head slider 164. FIG. 14A shows suspension 150 before PZT microactuator assembly 114 is attached. Each of the two microactuators 114 is joined to a tongue 154 to which the distal end of the microactuator 114 is joined, and to a portion 156 of the trace gimbal to which the proximal end of the microactuator 114 is joined, and their The gap 170 in between is connected. FIG. 14B shows suspension 150 after PZT microactuator 114 is attached. When the microactuator assembly 114 is activated, it expands or contracts, changing the length of the gap 170 between the tongue 154 and the trace gimbal portion 156, causing the head slider 164 holding the read/write transducer to expand or contract. Brings about fine placement movements.

図15は、切断線B-B’に沿った図14Bの断面図である。GSAサスペンション150は、ステンレス鋼層、ポリイミドなどの絶縁体157、及びAu、又はNi・Auの組合せなどの保護金属159によって被覆されたCuなどの信号伝導トレースの層158を含むトレースジンバル152を含む。マイクロアクチュエータ114は、その遠位端部において、導電性にするためにAg粒子含有エポキシなどの導電接着剤162によって、ジンバル領域から延びるステンレス鋼舌部154に取り付けられ、その近位端部において、非導電エポキシなどの非導電接着剤161によって、ステンレス鋼の実装領域156に取り付けられる。駆動電圧電気接続は、金めっき銅コンタクトパッド158からPZTマイクロアクチュエータ114の上部面に、特にこの場合マイクロアクチュエータの上部電極を構成するSST層130に延びる導電接着剤160のスポットによってなされる。 FIG. 15 is a cross-sectional view of FIG. 14B along section line B-B'. GSA suspension 150 includes a trace gimbal 152 that includes a layer 158 of signal conducting traces such as Cu coated with a layer of stainless steel, an insulator 157 such as polyimide, and a protective metal 159 such as Au or a combination of Ni and Au. . The microactuator 114 is attached at its distal end to a stainless steel tongue 154 extending from the gimbal region by a conductive adhesive 162, such as an epoxy containing Ag particles, to make it electrically conductive, and at its proximal end. It is attached to the stainless steel mounting area 156 by a non-conductive adhesive 161, such as a non-conductive epoxy. The drive voltage electrical connection is made by a spot of conductive adhesive 160 extending from the gold-plated copper contact pad 158 to the top surface of the PZT microactuator 114, and specifically to the SST layer 130, which in this case constitutes the top electrode of the microactuator.

SST基板厚は、開示の薄膜PZT構造の有利性を損なうことなくある程度変わり得る。図16は、シミュレーションにおける、図15のマイクロアクチュエータについてSST抑制層厚に対するストローク感度のグラフである。40μm厚のSST抑制層を有する薄膜PZTは、シミュレーションにおいて20nm/Vのストローク感度を示し、これは前述の45μm厚バルクPZTのストローク感度のほぼ3倍である。しかしながら、45μm厚SST抑制層は、薄膜PZTマイクロアクチュエータをより良好に保護する。 The SST substrate thickness may vary to some extent without detracting from the advantages of the disclosed thin film PZT structure. FIG. 16 is a graph of stroke sensitivity versus SST suppression layer thickness for the microactuator of FIG. 15 in a simulation. Thin film PZT with a 40 μm thick SST suppression layer exhibits a stroke sensitivity of 20 nm/V in simulations, which is nearly three times the stroke sensitivity of the previously described 45 μm thick bulk PZT. However, a 45 μm thick SST suppression layer protects the thin film PZT microactuator better.

図17A~図17Fは、本発明におけるSST抑制層を有する薄膜PZT構造を製造する代替的工程を示す。図17Aにおいて、工程は、図13Bに示されるような基板140やテープ142の代わりにシリコン基板144から開始される。図17Bにおいて、シリコンにSST層(130)が接合される。そして、工程は、図13C~図13Hの工程と実質的に同じように進行し、組立体をひっくり返すこと、図17Eにおけるシリコン基板の除去を含む。さらに、これらの図面は、図13Eには明確に示されない最終NiCr/Au層131の付加を明確に示す。 17A-17F illustrate an alternative process for fabricating a thin film PZT structure with an SST suppression layer in accordance with the present invention. In FIG. 17A, the process begins with a silicon substrate 144 instead of a substrate 140 or tape 142 as shown in FIG. 13B. In Figure 17B, an SST layer (130) is bonded to the silicon. The process then proceeds substantially the same as the process of FIGS. 13C-13H, including flipping the assembly and removing the silicon substrate in FIG. 17E. Additionally, these figures clearly show the addition of a final NiCr/Au layer 131, which is not clearly shown in FIG. 13E.

上述のように、異なるタイプの抑制層は種々のアプリケーションに用いられるとよい。導電又は非導電性の他の硬質の材料が抑制層又は抑制基板としても使用され得る。例えば
、シリコンは、抑制層材料として用いられ得る。図18は、本発明の実施形態におけるシリコン抑制層を有する薄膜PZT構造の上面図である。図19は、切断線A-A’に沿った図18のマイクロアクチュエータの断面図である。シリコン抑制層230が非導電性であるので、シリコン230上のAuなどの導電上部層234から、PZT素子120上の金属化電極126にPZT駆動電圧を伝導するために、ビア232が提供される。Schreiber等による米国特許第7,781,679号明細書に開示されるように、ビアが形成され、導電金属で充填されるとよく、該特許は本発明の譲受人が所有し、導電ビア及び導電ビア形成方法の教示について、言及によって本明細書に組み込まれる。
As mentioned above, different types of suppression layers may be used for various applications. Other rigid materials, conductive or non-conductive, may also be used as the restraining layer or substrate. For example, silicon can be used as the constraining layer material. FIG. 18 is a top view of a thin film PZT structure with a silicon suppression layer in an embodiment of the invention. FIG. 19 is a cross-sectional view of the microactuator of FIG. 18 along section line AA'. Since the silicon suppression layer 230 is non-conductive, vias 232 are provided to conduct the PZT drive voltage from the conductive top layer 234, such as Au on the silicon 230, to the metallized electrode 126 on the PZT element 120. . The vias may be formed and filled with a conductive metal as disclosed in Schreiber et al., U.S. Pat. The teachings of methods for forming conductive vias are incorporated herein by reference.

図20は、シミュレーションにおける、図19のマイクロアクチュエータについてのシリコン基板厚に対するストローク感度のグラフである。グラフに示されるように、3μm厚の薄膜PZTと20μm厚のシリコン基板とは、31.5nm/Vのストローク感度を示す。これは、45μm厚バルクPZTの設計のストローク感度の4倍を超えるものである。シリコン基板はまた、薄膜PZTの信頼性を向上するために利用される。 FIG. 20 is a graph of stroke sensitivity versus silicon substrate thickness for the microactuator of FIG. 19 in a simulation. As shown in the graph, the 3 μm thick thin film PZT and the 20 μm thick silicon substrate exhibit a stroke sensitivity of 31.5 nm/V. This is more than four times the stroke sensitivity of the 45 μm thick bulk PZT design. Silicon substrates are also utilized to improve the reliability of thin film PZT.

図21A~図21Eは、図18の薄膜PZT構造を製造する工程を示す。図21A及び図21Bにおいて、工程はシリコン基板から開始され、該シリコン基板はレーザー穴あけによってなどでシリコン基板に形成された孔又はビア232を有する。図21Cにおいて、上部電極126を形成するために、シリコン基板230にNiCr/Au層が付加される。また、NiCr/Auで孔を充填して、電気ビア232が作製される。より一般的には、ビアを充填するために他の導電材料が用いられるとよい。図21Dにおいて、PZT薄膜120はゾルゲル法によってなどで成膜され、底部電極128を形成するために、NiCr/Auの他の層が付加される。図21Eにおいて、材料がひっくり返され、最終NiCr/Au層131が付加される。層131及び層126がビア232によって電気的に接続されるので、導電金層131に印加される電圧(又は接地電位)がPZT素子126に伝達される。シリコン基板を有する薄膜PZTマイクロアクチュエータのためのこの製造工程は、SST基板を有する薄膜PZTのための製造工程ほど複雑ではない。 21A-21E illustrate the steps for manufacturing the thin film PZT structure of FIG. 18. In FIGS. 21A and 21B, the process begins with a silicon substrate that has holes or vias 232 formed therein, such as by laser drilling. In FIG. 21C, a NiCr/Au layer is added to the silicon substrate 230 to form the top electrode 126. Electrical vias 232 are also created by filling the holes with NiCr/Au. More generally, other conductive materials may be used to fill the vias. In FIG. 21D, a PZT thin film 120 is deposited, such as by a sol-gel method, and another layer of NiCr/Au is added to form a bottom electrode 128. In Figure 21E, the material is turned over and a final NiCr/Au layer 131 is applied. Since layer 131 and layer 126 are electrically connected by via 232 , the voltage (or ground potential) applied to conductive gold layer 131 is transmitted to PZT element 126 . This manufacturing process for thin film PZT microactuators with silicon substrates is not as complex as that for thin film PZT with SST substrates.

代替的な実施形態において、シリコン基板の中間ビアは、シリコン端部の1つ以上のビアによって置き換えされ得る。ゆえに、最終的な立方体への切断後、シリコンの各端部に半円が形成される。図22は、金属化層などの導電上部層231を備えたシリコン又は他の非導電抑制層330を有し、上部層231を上部電極126に電気的に接続する側部ビア234、236を有する、薄膜PZTマイクロアクチュエータの上面図である。図23は、切断線A-A’に沿った図22のPZTの断面図である。この実施形態の製造工程は、他の点では図21A~図21Eのものと同一であり得る。 In alternative embodiments, the intermediate vias in the silicon substrate may be replaced by one or more vias at the edges of the silicon. Thus, after cutting into final cubes, a semicircle is formed at each end of the silicon. FIG. 22 has a silicon or other non-conductive constraining layer 330 with a conductive top layer 231, such as a metallized layer, with side vias 234, 236 electrically connecting the top layer 231 to the top electrode 126. , a top view of a thin film PZT microactuator. FIG. 23 is a cross-sectional view of the PZT of FIG. 22 along section line A-A'. The manufacturing process for this embodiment may otherwise be identical to that of FIGS. 21A-21E.

抑制層は、PZT素子より大きく(より大きい表面領域)てもよく、PZT素子と同じサイズであってもよく、又はPZT素子よりも小さく(より小さい表面領域)てもよい。図24は、PZTマイクロアクチュエータ組立体414の側面断面図であり、該組立体において、抑制層430がPZT素子420よりも小さく、階段部434、及び抑制層430によって被覆されない露出シェルフ422を有する階段様構造をマイクロアクチュエータに与え、シェルフ422は電気的接続がPZT素子420になされるところにある。電気接続が行われる階段部を含むそうした構成の一有利性は、電気接続部を含む組立体全体が、抑制層430がPZT420全体を覆う場合よりも、低いプロファイルを有することである。より低いプロファイルは有利であり、これは、さらなるハードディスクプラッター及びそのサスペンションが所定のプラッタ積層高さ内にともに積層されて、ディスクドライブ組立体の所定の容積内でデータ保管容量を増加させることができるということ意味するためである。シェルフ422上の電気接続を得るために、抑制層430がPZT素子420の上部表面の50%を超えるが、95%未満を被覆すると考えられる。 The suppression layer may be larger than the PZT element (larger surface area), the same size as the PZT element, or smaller than the PZT element (smaller surface area). FIG. 24 is a side cross-sectional view of a PZT microactuator assembly 414 in which the constraining layer 430 is smaller than the PZT element 420 and has a stepped portion 434 and an exposed shelf 422 not covered by the constraining layer 430. A shelf 422 is where electrical connections are made to the PZT element 420, providing a similar structure to the microactuator. One advantage of such a configuration that includes steps where the electrical connections are made is that the entire assembly, including the electrical connections, has a lower profile than if the constraining layer 430 covered the entire PZT 420. A lower profile is advantageous because additional hard disk platters and their suspensions can be stacked together within a given platter stacking height to increase data storage capacity within a given volume of the disk drive assembly. This is to mean that. To obtain electrical connections on the shelf 422, the constraining layer 430 is believed to cover more than 50%, but less than 95%, of the top surface of the PZT element 420.

シミュレーションでは、本発明に従って構成されたマイクロアクチュエータがストローク感度の増加を示すこと、またスウェイモードゲイン及びねじりモードゲインを減少させることが示された。これらは、データシーク時間の減少及び振動に対する感受性の低減の両方に変換される、ヘッド位置決め制御ループバンド幅の増大に有利である。 Simulations have shown that microactuators constructed in accordance with the present invention exhibit increased stroke sensitivity and reduced sway mode gain and torsion mode gain. These are advantageous in increasing head positioning control loop bandwidth, which translates into both reduced data seek time and reduced susceptibility to vibration.

図25は、ペアの図24のPZTマイクロアクチュエータを有するGSAサスペンションの斜視図である。 FIG. 25 is a perspective view of a GSA suspension with a pair of the PZT microactuators of FIG. 24.

図26は、切断線A-A’に沿った図25のGSAサスペンションの断面図である。この実施形態において、導電エポキシなどの導電接着剤460は、抑制層430上には延びず、むしろ、導電エポキシ460は、PZT素子420の上部のシェルフ422上に延び、表面を介してPZT420及びマクロアクチュエータ組立体414全体への電気接続を行う。図に示されるように、導電エポキシ460によって規定される電気接続部は、SST抑制層430の上部面より低い最上部を有する。より一般的には、電気接続が導電接着剤、超音波熱接合によってなどで接合されるワイヤ、はんだ、又は他の技術でなされるかどうかにかかわらず、マイクロアクチュエータ組立体414への電気接続部461は、マイクロアクチュエータ414の最上部未満又はそれより低くなるように作製され得る。このため、電気接続部を含むマイクロアクチュエータ組立体414を可能な限り薄くすることができる。これは、ディスクドライブ組立体のプラッター積層物内におけるデータ保管ディスクプラッターのより高い密度の積層を可能にする。 FIG. 26 is a cross-sectional view of the GSA suspension of FIG. 25 along section line A-A'. In this embodiment, a conductive adhesive 460, such as a conductive epoxy, does not extend over the constraining layer 430; rather, the conductive epoxy 460 extends over the top shelf 422 of the PZT element 420 and connects the PZT 420 and the macroscopic layer through the surface. Electrical connections are made to the entire actuator assembly 414. As shown, the electrical connection defined by conductive epoxy 460 has a top that is lower than the top surface of SST suppression layer 430. More generally, electrical connections to the microactuator assembly 414, whether the electrical connections are made with conductive adhesives, wires bonded such as by ultrasonic thermal bonding, solder, or other techniques. 461 can be made to be less than or lower than the top of microactuator 414. This allows the microactuator assembly 414, including the electrical connections, to be as thin as possible. This allows for higher density stacking of data storage disk platters within the platter stack of the disk drive assembly.

図は、マイクロアクチュエータ414が実装されたトレースジンバルのステンレス鋼部154上の金層469をも明確に示す。金層469は耐食性を与え、SSTへの導電性を向上させる。 The figure also clearly shows the gold layer 469 on the stainless steel portion 154 of the trace gimbal on which the microactuator 414 is mounted. Gold layer 469 provides corrosion resistance and improves conductivity to the SST.

すべての他の実施形態のようにこの実施形態において、抑制層及びより一般にはPZTマイクロアクチュエータ組立体の上部表面には、通常、電気接続部以外に接合されるものはない。 In this embodiment, as in all other embodiments, the constraining layer and more generally the top surface of the PZT microactuator assembly typically have no bonding other than electrical connections.

図27は、シミュレーションにおける図26のサスペンションのPZT周波数応答関数の周波数応答のグラフである。サスペンションは、抑制層430を持たないシミュレーションと比較して、スウェイモードゲイン及びねじりモードゲインの減少を示した。これらは、データシーク時間の減少及び振動に対する感受性の低減の両方に変換される、ヘッド位置決め制御ループバンド幅の増大に有利である。 FIG. 27 is a graph of the frequency response of the PZT frequency response function of the suspension of FIG. 26 in a simulation. The suspension showed a reduction in sway mode gain and torsion mode gain compared to simulations without the suppression layer 430. These are advantageous in increasing head positioning control loop bandwidth, which translates into both reduced data seek time and reduced susceptibility to vibration.

図28A~図28Jは、図24の薄膜PZT組立体114を製造する工程を示す。図28Aにおいて、バルクPZTウエハ420は移行テープ422上に配置される。図28Bにおいて、スパッタリング及び/又は電着によってなどで、上部電極層426が形成される。図28Cにおいて、上部電極426の部分上にマスク436が配置される。図28Dにおいて、導電エポキシ432が付加される。図28Eにおいて、抑制層430となるステンレス鋼層がエポキシに付加され、該エポキシが硬化される。図28Fにおいて、マスク436が取り除かれる。図28Gにおいて、組立体はひっくり返されて、第2移行テープ443上に配置される。図28Hにおいて、スパッタリング及び/又は電着によってなどで、底部電極層428が形成される。そして、PZT素子420は分極される。図28Iにおいて、組立体は、第3移行テープ444へともう一度ひっくり返される。図28Jにおいて、組立体は、切断により個別化されて、最終的なPZTマイクロアクチュエータ組立体414を製造する。 28A-28J illustrate a process for manufacturing the thin film PZT assembly 114 of FIG. 24. In FIG. 28A, bulk PZT wafer 420 is placed on transition tape 422. In FIG. 28B, a top electrode layer 426 is formed, such as by sputtering and/or electrodeposition. In FIG. 28C, a mask 436 is placed over a portion of the top electrode 426. In Figure 28D, conductive epoxy 432 is applied. In Figure 28E, a stainless steel layer, which becomes the restraining layer 430, is added to the epoxy and the epoxy is cured. In Figure 28F, mask 436 is removed. In FIG. 28G, the assembly is flipped and placed onto the second transition tape 443. In FIG. 28H, a bottom electrode layer 428 is formed, such as by sputtering and/or electrodeposition. The PZT element 420 is then polarized. In FIG. 28I, the assembly is flipped once more onto the third transition tape 444. In FIG. 28J, the assembly is singulated by cutting to produce the final PZT microactuator assembly 414.

図29は、本発明のさらなる実施形態における多層PZT組立体514の側面断面図である。組立体は、多層PZT素子520、デバイスを取り囲む第1電極526、第2電極
528、及びエポキシ532によってPZT素子520に接合された抑制層530を含む。図は2層PZTデバイスを示す。より一般には、デバイスはn層PZTデバイスであり得る。
FIG. 29 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT assembly 514 in a further embodiment of the invention. The assembly includes a multilayer PZT element 520, a first electrode 526 surrounding the device, a second electrode 528, and a constraining layer 530 bonded to the PZT element 520 by epoxy 532. The figure shows a two-layer PZT device. More generally, the device may be an n-layer PZT device.

図30は、特に厚い電極が抑制層として作用する、本発明のさらなる実施形態における多層PZTマイクロアクチュエータ組立体614の側面断面図である。この実施形態おいて、PZT素子620は、上部電極626及び底部電極628を有する。上部電極626は、シェルフを規定するより薄い第1部分622、及び抑制機能の大部分を担うより厚い第2部分630を含む。階段部634は、より薄い第1部分622からより厚い第2部分630への移行部にある。階段部634を作製するためのマスキングを含む成膜プロセスによって、又は階段部を作製するために材料を選択的に除去する成膜プロセスによって、第2電極626はPZT素子620に付加されるとよい。代替的に、第2電極626は、個別に形成されてPZT素子620に接合されるSSTなどの導電材料片であるとよい。ゆえに上部電極626は、底部電極628と同じ材料のものである、又は異なる材料のものであるとよい。より厚い第2部分630は、より薄い部分622及び/若しくは第2電極628よりも少なくとも50%厚いとよく、又はより厚い第2部分630は、より薄い部分622及び/若しくは第2電極628の少なくとも2倍の厚さであるとよい。図24~図26の実施形態のように、電気接続部が、より薄い部分622によって規定されたシェルフに設けられ、電気接続部は、抑制層を規定するより厚い部分630の上部面ほどの高さに延びない、又はそれ未満であるとよい。 FIG. 30 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT microactuator assembly 614 in a further embodiment of the invention, in which particularly thick electrodes act as restraining layers. In this embodiment, PZT element 620 has a top electrode 626 and a bottom electrode 628. Top electrode 626 includes a thinner first portion 622 that defines a shelf and a thicker second portion 630 that performs most of the suppression function. A step 634 is at the transition from the thinner first portion 622 to the thicker second portion 630. The second electrode 626 may be added to the PZT element 620 by a deposition process that includes masking to create the steps 634 or by a deposition process that selectively removes material to create the steps. . Alternatively, the second electrode 626 may be a piece of conductive material, such as SST, that is separately formed and bonded to the PZT element 620. Therefore, the top electrode 626 may be of the same material as the bottom electrode 628, or may be of a different material. The thicker second portion 630 may be at least 50% thicker than the thinner portion 622 and/or the second electrode 628, or the thicker second portion 630 may be at least 50% thicker than the thinner portion 622 and/or the second electrode 628. Preferably it is twice as thick. As in the embodiment of FIGS. 24-26, electrical connections are provided on the shelf defined by the thinner section 622, and the electrical connections are as high as the top surface of the thicker section 630 that defines the constraining layer. It is preferable that it does not extend to a length of 100 cm or less than that.

本発明の範囲は、提示される実施形態そのものに限定されない。本明細書における教示を得た後に、当業者には変形が明白であろう。例として、抑制層はステンレス鋼である必要はなく、他の比較的硬質且つ弾性のある材料であってもよい。抑制層は、一材料の単層である必要はなく、種々の材料の種々の層からなっていてもよい。抑制層は、表面全体又は実質的に上面全体を被覆してもよいが、例えば、上面領域の90%を超える、上面領域の75%を超える、上面領域の50%を超える、又はさらに上面領域の25%を超える、表面全体より小さい面を被覆してもよい。階段形体を有する実施形態において、抑制層は、マイクロアクチュエータの上面の95%未満を被覆すると考えられる。抑制層は単一の一体層である必要はなく、PZT上面に並んで配置された複数の抑制ストリップなどの複数の片を含み得、該ストリップは膨張・収縮方向又は垂直方向に延びるものであってよい。一実施形態において、抑制層は、PZTの上面に接合されたステンレス鋼又は他の材料の2つの抑制片を含み得、2つの抑制片のサイズ及び配置、並びにその接合は、通常、PZTがその底面で接合される2つの実装シェルフの実装領域に似たものである。デバイス上部の抑制層によって加えられる全体の硬質性が、サスペンションに接合されることによりデバイスの底部に加えられる全体の硬質性と通常合致し、且つ、接合領域が概して対称関係にあるとき、得られる最終的な湾曲はゼロ又はゼロに近いものである。結果として、PZTマイクロアクチュエータは、サスペンションに実装且つ配置されると、アクチュエーションの際に実質的に湾曲がないものとなる。 The scope of the invention is not limited to the precise embodiments presented. Modifications will be apparent to those skilled in the art after having the teachings herein. By way of example, the constraining layer need not be stainless steel, but may be other relatively hard and resilient materials. The suppression layer need not be a single layer of one material, but may consist of different layers of different materials. The restraining layer may cover the entire surface or substantially the entire top surface, but for example, over 90% of the top surface area, over 75% of the top surface area, over 50% of the top surface area, or even over the top surface area. More than 25% of less than the entire surface may be covered. In embodiments having a stepped configuration, the suppression layer will cover less than 95% of the top surface of the microactuator. The constraining layer need not be a single monolithic layer, but may include multiple pieces, such as multiple constraining strips placed side by side on the top surface of the PZT, where the strips may extend in the expansion/contraction direction or in the vertical direction. It's fine. In one embodiment, the restraining layer may include two restraining pieces of stainless steel or other material bonded to the top surface of the PZT, and the size and placement of the two restraining pieces, as well as their bonding, is typically controlled by the PZT. It is similar to the mounting area of two mounting shelves joined at the bottom. This is obtained when the overall stiffness imparted by the constraining layer on the top of the device typically matches the overall stiffness imparted to the bottom of the device by being bonded to the suspension, and the bonded areas are in a generally symmetrical relationship. The final curvature is zero or near zero. As a result, the PZT microactuator, when mounted and placed in a suspension, exhibits substantially no curvature upon actuation.

本明細書に記載される、又は本明細書に提示される実施形態の任意のもの又はすべてにおいて、抑制層は、他の場合ではアクチュエーション時に起こり得るPZT湾曲を低減するように選択される、又はいずれのPZT湾曲も可能な限り排除するように選択される、又はPZT湾曲の符号を逆転するために選択されるとよい。PZTがハードディスクドライブマイクロアクチュエータとして用いられるアプリケーションにおいて、上述の例示の実施例に提示且つ記載されるように湾曲の符号を逆転するために抑制層を使用することは多くの場合望ましいと見られ、これは有効ストローク長さを増加させるためである。しかし、他のPZTアプリケーションにおいては、符号を逆転することは望ましくないものであり得る。こうして、本発明は、PZTが任意の特定のアプリケーションにおいて他の部品にどのように実装又は取り付けられても、PZT湾曲の方向及び量の両方を制御するた
めに概して用いられ得る。選択されるアプリケーションやパラメータに応じて、抑制層は、PZT湾曲をその起こり得るものの50%未満に、若しくはその起こり得るものの25%未満に低減するために、又は、湾曲の符号を逆転するために用いられることができる。符号が逆転されるとき、底面の端部で又は端部近傍で接合され、且つ上部に抑制層を有するPZTは、膨張又は伸長モードにあるとき、その上面が凹形状をとり、抑制層を有しない同様のPZTがとるような凸形状をとらないように、湾曲する。同様に、PZTは、収縮モードにあるときに凸形状をとり、抑制層を有しない同様のPZTがとるような凹形状をとらない。
In any or all of the embodiments described or presented herein, the constraining layer is selected to reduce PZT curvature that may otherwise occur upon actuation. or may be selected to eliminate as much as possible any PZT curvature, or to reverse the sign of the PZT curvature. In applications where PZT is used as a hard disk drive microactuator, it is often found desirable to use a constraining layer to reverse the sign of curvature, as presented and described in the exemplary embodiments above, and this is to increase the effective stroke length. However, in other PZT applications, reversing the sign may be undesirable. Thus, the present invention can generally be used to control both the direction and amount of PZT curvature, no matter how the PZT is implemented or attached to other components in any particular application. Depending on the application and parameters chosen, the suppression layer can be used to reduce PZT curvature to less than 50% of its potential, or to less than 25% of its potential, or to reverse the sign of the curvature. can be used. When the sign is reversed, the PZT bonded at or near the edge of the bottom surface and having a restraining layer on top will have a concave shape on its top surface and having a restraining layer when in the expansion or elongation mode. It is curved so that it does not take on the convex shape that similar PZT does. Similarly, PZT assumes a convex shape when in contraction mode and does not assume a concave shape as similar PZT without a constraining layer would.

様々な理由により、PZT素子はアプリケーションにおいて、PZTがいずれの電圧でも作動されていないときにいずれかの方向に既に湾曲される、つまり既に凹状又は凸状であるというように、予備荷重を与えられることがある。そうした予備荷重PZTは、当然のように本発明のマイクロアクチュエータとして使用可能である。そのような場合に、PZTは、正味若しくは明白な凹形状、又は正味若しくは明白な凸形状に湾曲しないことがある。例として、PZTが予備荷重を与えられて、既に凹形状を有している場合、正の活性化電圧による活性化の際に、デバイスはより凹状である形状に湾曲され、負の活性化電圧による活性化の際に、デバイスは、表向きには平坦な形状であり得る、あまり凹状ではない形状に湾曲される、又は凸形状になり得る。そして特に定義されない限り、「凹状」及び「凸状」という用語は、絶対的というよりも相対的な意味で理解される必要がある。 For various reasons, PZT elements are preloaded in applications such that when the PZT is not actuated at any voltage it is already curved in either direction, i.e. it is already concave or convex. Sometimes. Such preloaded PZT can naturally be used as a microactuator of the present invention. In such cases, the PZT may not curve into a net or appreciably concave shape or a net or appreciably convex shape. As an example, if the PZT is preloaded and already has a concave shape, upon activation with a positive activation voltage, the device will curve to a shape that is more concave; Upon activation, the device may be ostensibly flat in shape, curved into a less concave shape, or become convex. And unless otherwise defined, the terms "concave" and "convex" should be understood in a relative rather than an absolute sense.

図31は、多層マイクロアクチュエータPZT組立体3100の実施形態の断面図であり、該マイクロアクチュエータ組立体の抑制層が、マイクロアクチュエータ3100が接合されるサスペンション面近傍の主要活性PZT層3120の反対方向に作用する傾向のある1つ以上の活性PZT層3130、3140を含む。PZT抑制層3130、3140は、主要PZT層3120の動作を抑制し、能動的に対抗するので、「抑制層」又は「対抗層」として言及され得る。 FIG. 31 is a cross-sectional view of an embodiment of a multilayer microactuator PZT assembly 3100 in which the constraining layer is in the opposite direction of the main active PZT layer 3120 near the suspension surface to which the microactuator 3100 is bonded. It includes one or more active PZT layers 3130, 3140 that tend to act. The PZT suppression layers 3130, 3140 may be referred to as "suppression layers" or "counterlayers" because they suppress and actively counteract the operation of the main PZT layer 3120.

PZT層3120、3130、及び3140は、互いに積層された平面の関係性で配置される。主要PZT層3120は、分極時に電界が加えられて分極され、且つデバイス作動時に電界が加えられて膨張又は収縮する活性PZT領域3121を含み、分極又は作動のいずれの時にも顕著な電界が加えられず、ゆえに圧電的に顕著に活性ではない不活性PZT領域3122及び3123をもを含む。デバイスは、第1又は底部電極3124、活性PZT領域用の第2又は上部電極3126、第3電極3132が第1活性抑制層3130と第2活性抑制層3140との間に延び、PZTの端部を取り囲むように端部3128を含む第3電極3132、及び、デバイスの側部及び底部の両方を取り囲む包囲部分3143を含む、第2活性抑制層3140の上部の第4電極3142、を包含する。マイクロアクチュエータ駆動電圧を与える駆動電圧電気コンタクトパッド158に、電極3142を機械的及び電気的に接合する導電エポキシ3160などの導電接着剤を用いて、またサスペンションの接地部分154に、デバイスの電極3124及び3128を機械的及び電気的に接合する導電エポキシ3162を用いて、デバイスがサスペンションと接合されるとよい。 PZT layers 3120, 3130, and 3140 are arranged in a stacked planar relationship with each other. The main PZT layer 3120 includes an active PZT region 3121 that is polarized when an electric field is applied during poling and expands or contracts when an electric field is applied during device actuation, such that no significant electric field is applied during either poling or actuation. It also includes inactive PZT regions 3122 and 3123, which therefore are not significantly piezoelectrically active. The device includes a first or bottom electrode 3124, a second or top electrode 3126 for the active PZT region, a third electrode 3132 extending between the first active suppression layer 3130 and the second active suppression layer 3140, and the ends of the PZT. and a fourth electrode 3142 on top of the second active suppression layer 3140, including a surrounding portion 3143 surrounding both the sides and bottom of the device. The electrodes 3124 and 3124 of the device are connected using a conductive adhesive, such as conductive epoxy 3160, to mechanically and electrically bond the electrode 3142 to the drive voltage electrical contact pads 158 that provide the microactuator drive voltage, and to the ground portion 154 of the suspension. The device may be joined to the suspension using a conductive epoxy 3162 that mechanically and electrically joins 3128.

デバイスの作動を理解するために、デバイスがどのように分極されるかを理解する必要がある。図32は、図31のデバイスの分極を示し、活性PZT材料の種々の層の結果的な分極方向を含む。以下の3つの電圧が印加される。正の電圧(Vp+)は電極3124に印加され、負の電圧(Vp-)は電極3128に印加され、そして接地が電極3142におこなわれる。図の矢印は、活性PZT層3120、3130、及び3140の結果的な分極方向を示す。 In order to understand the operation of the device, it is necessary to understand how the device is polarized. FIG. 32 shows the polarization of the device of FIG. 31, including the resulting polarization directions of the various layers of active PZT material. The following three voltages are applied. A positive voltage (Vp+) is applied to electrode 3124, a negative voltage (Vp-) is applied to electrode 3128, and ground is applied to electrode 3142. The arrows in the figure indicate the resulting polarization directions of the active PZT layers 3120, 3130, and 3140.

図31に戻ると、該図は、この例示実施形態においてデバイス3100がどのように接
続されるかを示すものである。導電エポキシ3162は、電極3124と3132とを架け渡し、電気的にグループにし、実質的に分極時に3極デバイスであったものを作動時に2極デバイスに変える。電極のグループ化は、導電エポキシ3162以外の電気接続を行う他の周知手段によって行われるとよいが、デバイスをサスペンション組立体に接合するために用いられるものと同じ導電エポキシ3162を用いることで、個別のグループ化ステップの必要なくグループ機能を得る。
Returning to FIG. 31, the figure shows how devices 3100 are connected in this example embodiment. Conductive epoxy 3162 bridges and electrically groups electrodes 3124 and 3132, essentially turning a three-polar device upon polarization into a two-polar device upon actuation. Grouping of the electrodes may be accomplished by other well-known means of making electrical connections other than conductive epoxy 3162; however, by using the same conductive epoxy 3162 used to bond the device to the suspension assembly, individual Get group functionality without the need for another grouping step.

電圧が電極3142に印加されて、主要PZT層3120を、活性領域3121の膨張のため図において見受けられるようにx方向に(左から右に)膨張させるとき、活性PZT抑制層3130及び3140はx方向に収縮する。つまり、2つの抑制層3130及び3140は反作用する、又は主要PZT層3120とは反対の方向に作用する傾向にある。 When a voltage is applied to the electrode 3142 to cause the main PZT layer 3120 to expand in the x direction (from left to right) as seen in the figure due to the expansion of the active region 3121, the active PZT suppression layers 3130 and 3140 shrink in the direction. That is, the two suppression layers 3130 and 3140 tend to react or act in the opposite direction from the main PZT layer 3120.

より詳細に説明すると、デバイスが図32に示されるように分極され、図31に示されるように電気的に接続されるとき、デバイスは以下のように作動する。電気コンタクトパッド158及び電極3142に印加された正のデバイス活性化電圧は、接地された電極3124とともに、以下の反応をもたらす。主要PZT層3120に印加された活性化電圧は分極時の極性の反対である。ゆえに主要PZT層3120はz方向に収縮し、x方向に膨張する。同時に、活性化電圧は、分極時に2つの抑制層3130及び3140に印加されたものと同じ極性である。つまりこれらのPZT層は、z方向に膨張して、x方向に収縮する。ゆえに、2つの抑制層3130及び3140が収縮する傾向にあるとき、主要PZT層3120は関連する方向に膨張する傾向にある。 More specifically, when the device is polarized as shown in FIG. 32 and electrically connected as shown in FIG. 31, the device operates as follows. A positive device activation voltage applied to electrical contact pad 158 and electrode 3142, with electrode 3124 being grounded, results in the following reactions. The activation voltage applied to the main PZT layer 3120 is of opposite polarity during polarization. Therefore, the main PZT layer 3120 contracts in the z direction and expands in the x direction. At the same time, the activation voltage is of the same polarity as that applied to the two suppression layers 3130 and 3140 during polarization. That is, these PZT layers expand in the z direction and contract in the x direction. Therefore, when the two constraining layers 3130 and 3140 tend to contract, the main PZT layer 3120 tends to expand in a related direction.

主要PZT層と反対の方向に作用する抑制層の効果は、図10の抑制層130などの受動的な抑制層や、上述の他の実施形態における同様の抑制層230、330、430、530、及び630に関して前述されたものと類似する。活性PZT抑制層の作用は、主要PZT層及びサスペンションへのその実装(接合)により起こる湾曲を低減し、湾曲の符号を逆転することも可能であり、いずれの場合も実装されたマイクロアクチュエータによってもたらされる最終的な変位を増大させる。 The effect of a restraining layer acting in the opposite direction to the main PZT layer is similar to that of a passive restraining layer, such as restraining layer 130 of FIG. and 630 as described above. The action of the active PZT suppression layer is to reduce the curvature caused by the main PZT layer and its implementation (bonding) to the suspension, and it is also possible to reverse the sign of the curvature, in both cases brought about by the implemented microactuators. increase the final displacement.

図33は、図31のマイクロアクチュエータ組立体の分解図であり、概念的に電気接続を示す。図31及び図32では示されないが、図33では示される任意的特性には、電極3132上のパターニング3133、電極3142と連結された電圧抑制器3144が含まれ、以下にその機能が示される。 FIG. 33 is an exploded view of the microactuator assembly of FIG. 31 conceptually illustrating the electrical connections. Optional features not shown in FIGS. 31 and 32 but shown in FIG. 33 include patterning 3133 on electrode 3132, voltage suppressor 3144 coupled to electrode 3142, the function of which will be described below.

より薄いマイクロアクチュエータ組立体は、(1)DSAサスペンションとして言及されることがあるジンバル型DSAサスペンションの特にジンバルにおいて又はジンバル近傍において、サスペンション上の質量が小さいこと(これはつまり、G力で測定される離昇力がより大きい、つまり衝撃に対するより強い耐性を意味する)、(2)風損の低減、及び(3)へッド積層組立体内のより高い積層密度(同じ容積のディスクドライブ積層組立体空間にさらなるデータを保管することができることを意味する)、を含む、多くの理由から望まれている。ゆえに、PZT抑制層をある程度薄くすることが望ましい。しかしながら、PZT抑制層がより薄いと、作動時にこれらの層にわたって電界強度がより高くなり、電界強度が著しく高いため、作動時に脱分極されやすい。ゆえに、便宜上、主要PZT層及び抑制PZT層は同じ厚みである必要がある。 Thinner microactuator assemblies result in: (1) less mass on the suspension (that is, measured in G-forces), especially at or near the gimbals of gimbaled DSA suspensions, sometimes referred to as DSA suspensions; (2) reduced windage, and (3) higher stack density within the head stack assembly (with the same volume disk drive stack assembly). It is desirable for many reasons, including the ability to store more data in the space. Therefore, it is desirable to make the PZT suppression layer thinner to some extent. However, thinner PZT suppression layers result in higher electric field strengths across these layers during actuation, and because the electric field strengths are significantly higher, they are more susceptible to depolarization during actuation. Therefore, for convenience, the main PZT layer and the suppressing PZT layer should be of the same thickness.

抑制PZT層を脱分極させることなくより薄くするための一解決方法は、主要PZT層にわたる電界を著しく低下させることなく、1つ以上の用いられ得る種々の手段を用いて、抑制層にわたって電界強度を低下させることである。この目的を達成する第1の手段は、電極3132に孔3133を付加する、又は他の電気的間隙を付加することによってな
どで、活性PZT抑制層の1つと作動上連結されるが、主要PZT層とは作動上連結されない1つ以上の電極にパターン形成することである。パターン形成は、平行又は交差導体の格子でその間に電気的間隙のあるものなどのメッシュパターンの形態をとってもよい。平面電極3132内の電気導体領域のパーセンテージを低下させることで、抑制層3130及び3140にわたる電界強度は、主要PZT層3120にわたる電界強度を低下することなく、効果的に低下される。
One solution to making the suppressing PZT layer thinner without depolarizing it is to reduce the electric field strength across the suppressing layer using various means that can be used, one or more, without significantly reducing the electric field across the main PZT layer. The goal is to reduce the A first means of achieving this goal is to operatively connect one of the active PZT suppression layers, such as by adding holes 3133 or other electrical gaps to the electrode 3132, but with the main PZT A layer is a pattern of one or more electrodes that are not operatively connected. The patterning may take the form of a mesh pattern, such as a grid of parallel or crossed conductors with electrical gaps therebetween. By reducing the percentage of electrically conductive area within planar electrode 3132, the electric field strength across suppression layers 3130 and 3140 is effectively reduced without reducing the electric field strength across main PZT layer 3120.

第2の解決方法は、抑制層の抗電界強度を増大させて、抑制層が脱分極にさらに抵抗性を持つことである。圧電材料に言及するときの抗電界強度、或いは単に「保磁力」は、圧電材料を脱分極するためにどれほど高い電界強度が必要とされるかの尺度である。抑制層3130、3140が主要PZT層3120よりも高い抗磁力を有することで、主要PZT層と同じ活性化電圧が印加されたときに、脱分極のリスクなくこれらの抑制層をより薄いものにすることが可能である。抑制層3130、3140は、異なる又はわずかに異なる圧電材料を使用することで、又は他の処理によって、場合によってはd31ストローク長さ又は他の所望される特性をいくらか失うことと引き換えに、より高い抗磁力を有するように作製されることができる。 A second solution is to increase the coercive field strength of the suppression layer so that it becomes more resistant to depolarization. Coercive field strength, or simply "coercivity" when referring to piezoelectric materials, is a measure of how high field strength is required to depolarize the piezoelectric material. Having the suppression layers 3130, 3140 have a higher coercive force than the main PZT layer 3120 allows these suppression layers to be thinner without the risk of depolarization when the same activation voltage as the main PZT layer is applied. Is possible. The suppression layers 3130, 3140 can be made higher by using different or slightly different piezoelectric materials or by other treatments, possibly at the expense of some loss of d31 stroke length or other desired properties. It can be made to have coercive force.

他の解決方法は、分圧抵抗網、ダイオード、電圧調整器、又は当業者が想到する種々の機能的に類似するデバイスのいずれか1つ、などの何らかの種類の電圧抑制器を用いることによって、抑制層と連結された駆動電極に印加される有効電圧を下げることである。図において、概略化された電圧抑制器3144は、電極3142が受けた電圧を下げて、主要PZT層3120ではなく抑制層3140が受ける電界強度を低下させる。PZT材料表面に分圧抵抗網を形成するように電極層を形成する金属化を行うことによってなどで、分圧器が一体的に形成され、隣接する圧電層の間に配置されることも可能である。簡易な抵抗分圧器は、同じ層において行われ得る接地を必要とし得る。そうしたデバイスの設計者には明白であるように多くの構成が可能である。 Another solution is to use some kind of voltage suppressor, such as a resistor divider network, a diode, a voltage regulator, or any one of various functionally similar devices that occur to those skilled in the art. The purpose is to reduce the effective voltage applied to the driving electrode connected to the suppression layer. In the figure, the voltage suppressor 3144 schematically reduces the voltage experienced by the electrode 3142 to reduce the electric field strength experienced by the suppression layer 3140 rather than the main PZT layer 3120. It is also possible for the voltage divider to be integrally formed and placed between adjacent piezoelectric layers, such as by metallizing the PZT material surface to form an electrode layer to form a voltage divider resistor network. be. A simple resistive voltage divider may require grounding, which may be done on the same layer. Many configurations are possible, as will be apparent to the designer of such a device.

パターニング3133と電圧抑制器3144とはともに抑制層3140を横切る電界強度を下げ、作動時には容認できないほどに脱分極を生じることなく、抑制層3140をより薄くすることができる。電極パターニング及び/若しくは電圧抑制器、並びに/又は抑制層3130及び/若しくは3140にわたって電界強度を低下させる一部の他の手段が用いられるとよい。パターニング3133は電極3132と一体的に形成されるので、マイクロアクチュエータ組立体と一体的に形成され、マイクロアクチュエータ組立体内に一体的に組み込まれる。電極のうちの1つのための電圧抑制器は、組立体と一体的に形成されて、組立体内に一体的に組み込まれるか、又は、連結された電極がそれ自体の電気リードを有し、他の電極とグループにされないという条件で、組立体の外部に設けられ得る。 Patterning 3133 and voltage suppressor 3144 together reduce the electric field strength across suppression layer 3140, allowing suppression layer 3140 to be made thinner without unacceptably depolarizing during operation. Electrode patterning and/or voltage suppressors and/or some other means of reducing the electric field strength across the suppression layers 3130 and/or 3140 may be used. Since the patterning 3133 is integrally formed with the electrode 3132, it is integrally formed with and is integrally incorporated within the microactuator assembly. The voltage suppressor for one of the electrodes may be integrally formed with the assembly and integrated within the assembly, or the coupled electrode may have its own electrical leads and the other may be provided externally to the assembly, provided that it is not grouped with the electrodes.

上述のこれら3つの解決方法のすべては、単一の活性抑制層、図31~図33に示されるような2つの活性抑制層、又はより一般には、図35に示されるようなn個の活性抑制層を有する圧電マイクロアクチュエータに適用され得る。 All of these three solutions mentioned above can be implemented using a single active suppression layer, two active suppression layers as shown in Figures 31-33, or more generally n active suppression layers as shown in Figure 35. It can be applied to piezoelectric microactuators with a restraining layer.

図34は、45μm厚の主要PZT層を備え、電界強度を下げるためのいずれのパターンニング3133又は電圧抑制器3144も有さない、種々の抑制層構成(constraining
layer constructions、CLC)についてシミュレーションにおける1つ以上の活性抑制層を有するマイクロアクチュエータのストローク感度(nm/V)を示すグラフであり、以下の3つの異なる構成、
a)1つの不活性抑制層(「受動的なCLC」、ひし形データポイント)
b)1つの活性抑制層(「単層」、四角形データポイント)、及び
c)2つの活性抑制層(「2層」三角形データポイント)
について示される。
FIG. 34 shows various constraining layer configurations with a 45 μm thick main PZT layer and without any patterning 3133 or voltage suppressor 3144 to reduce the field strength.
2 is a graph showing the stroke sensitivity (nm/V) of a microactuator with one or more active suppression layers in simulations for three different configurations:
a) One inert suppression layer (“passive CLC”, diamond data point)
b) one active suppression layer (“single layer”, square data points), and c) two active suppression layers (“two layers”, triangular data points)
is shown about.

データでは、少なくとも検証されたパラメータについて、主要PZT層とは反対の方向に作用する1つの活性抑制層を有するPZTマイクロアクチュエータは、抑制層が不活性材料であるものよりも高いストローク感度を常にもたらすということが示される。最高ストローク感度は、抑制層として作用する(即ち主要PZT層とは反対の方向に作用する)複数の活性PZT薄層を用いて得られる。特に、最高ストローク感度は、それぞれ5μ厚である、又は主要PZT層厚の約11%である2つの抑制層を用いて得られた。このように、抑制層は、好ましくは主要PZT層厚の50%未満、又はより好ましくは主要PZT層厚の20%未満、又はさらにより好ましくは主要PZT層厚の5~15%の範囲内である。 In our data, at least for the parameters verified, PZT microactuators with one active inhibition layer acting in the opposite direction to the main PZT layer consistently yield higher stroke sensitivity than those in which the inhibition layer is an inert material. This shows that. The highest stroke sensitivity is obtained with multiple active PZT thin layers acting as suppression layers (ie, acting in the opposite direction to the main PZT layer). In particular, the highest stroke sensitivity was obtained with two suppression layers that were each 5μ thick, or about 11% of the main PZT layer thickness. Thus, the constraining layer preferably comprises less than 50% of the main PZT layer thickness, or more preferably less than 20% of the main PZT layer thickness, or even more preferably within the range of 5 to 15% of the main PZT layer thickness. be.

2つの活性抑制層について、抑制層厚の増大でストローク感度は大きく低下し、それぞれが約5μm厚の2つの活性抑制層の場合に最高ストローク感度を得る。このように、マイクロアクチュエータは、合わせた厚みが主要PZT層厚未満である2つ以上の抑制層を好ましくは有し、より好ましくは、合わせた厚みが主要PZT層厚の50%未満であり、さらにより好ましくは、各抑制層が主要PZT層厚の半分未満であり、さらにより好ましくは、各抑制層が主要PZT層厚の20%未満であり、さらにより好ましくは、各抑制層が主要PZT層厚の5~15%の範囲内である。 For two activity suppression layers, the stroke sensitivity decreases significantly with increasing suppression layer thickness, with the highest stroke sensitivity being obtained for two activity suppression layers, each approximately 5 μm thick. Thus, the microactuator preferably has two or more restraining layers with a combined thickness less than the main PZT layer thickness, more preferably a combined thickness less than 50% of the main PZT layer thickness; Even more preferably each suppression layer is less than half the thickness of the main PZT layer, even more preferably each suppression layer is less than 20% of the thickness of the main PZT layer, even more preferably each suppression layer is less than half the thickness of the main PZT layer. It is within the range of 5 to 15% of the layer thickness.

単一の活性抑制層を有するマイクロアクチュエータ組立体では、抑制層厚が増大するときのストローク感度の損失は、2つの活性抑制層の場合ほど大きくはないものであった。単一活性抑制層では、局所的最大値は約10μm厚のところである。このように、単一活性抑制層を有するマイクロアクチュエータ組立体では、層厚は、好ましくは主要PZT層厚の10~40%の範囲、より好ましくは主要PZT層厚の約10~20%の範囲である。 For microactuator assemblies with a single active suppression layer, the loss in stroke sensitivity as the suppression layer thickness increased was not as great as with two active suppression layers. For a single active suppression layer, the local maximum is around 10 μm thick. Thus, for microactuator assemblies with a single active suppression layer, the layer thickness is preferably in the range of 10-40% of the primary PZT layer thickness, more preferably in the range of about 10-20% of the primary PZT layer thickness. It is.

図35は、マイクロアクチュエータ組立体が複数の活性PZT層を含む他の実施形態の断面図であり、分極過程とその結果としての分極方向を概念的に示す。図35のデバイスが、導電エポキシによってグループ化された電極3524及び3528で、図31に示されるようにサスペンションに電気的及び機械的に接合されるとき、結果として、1つの主要活性PZT層、及び主要活性PZT層の反対方向に作用する傾向があることから抑制層として作用する3つの活性PZT層が得られる。すなわち、底部PZT層は膨張するが、上部の3つのPZT層は収縮し、その逆もまた同様である。 FIG. 35 is a cross-sectional view of another embodiment in which the microactuator assembly includes multiple active PZT layers, conceptually illustrating the polarization process and the resulting polarization direction. When the device of FIG. 35 is electrically and mechanically bonded to the suspension as shown in FIG. 31 with electrodes 3524 and 3528 grouped by conductive epoxy, the result is one primary active PZT layer; Three active PZT layers are obtained which tend to act in the opposite direction of the main active PZT layer and therefore act as suppressor layers. That is, the bottom PZT layer expands while the top three PZT layers contract and vice versa.

マイクロアクチュエータ組立体の構成は、図31~図33に示されるような1つの活性主要PZT層及び2つの活性PZT抑制層や、図35に示される1つの活性主要PZT層及び3つの活性PZT抑制層を有するデバイスから、任意の数の活性主要層及び活性抑制層に、容易に拡張可能である。1つ以上の抑制層にわたる電界強度は、電極パターニング及び/又は電圧抑制器を含む種々の手段によって低下することができる。実験では、異なるアプリケーションの最適な抑制層数、最適な厚みが示される。 The configuration of the microactuator assembly can be one active primary PZT layer and two active PZT suppressed layers as shown in FIGS. 31-33 or one active primary PZT layer and three active PZT suppressed layers as shown in FIG. 35. It is easily expandable from a device with layers to any number of active primary layers and active suppression layers. The electric field strength across one or more suppression layers can be reduced by various means including electrode patterning and/or voltage suppressors. Experiments show the optimal number of suppression layers and optimal thickness for different applications.

ストローク長さを向上させるためのPZTにおける抑制層の効果はまた、図36~図39の実施形態のように、上部PZT層が活性電圧に応じて底部層とは異なって作用し、ゆえに抑制層として作用する、多層PZTデバイスを用いても得られる。 The effect of a restraining layer in PZT to improve stroke length is also due to the fact that the top PZT layer behaves differently than the bottom layer depending on the activation voltage, as in the embodiments of FIGS. It can also be obtained using a multilayer PZT device, which acts as a

図36は、さらなる実施形態における多層PZTマクロアクチュエータ組立体714の側面断面図であり、組立体714は複数の圧電層を有する多層PZTデバイスである。デバイスは一般的な分極化がなされ、これは、デバイスへの印加電圧が両方のデバイスを膨張、又は両方を収縮させることを意味する。上部圧電層730は、積層するように底部圧電層720上に取り付けられ、該底部圧電層720は組立体が接合されるサスペンション
面に最も近い層である。上部圧電層730は底部圧電層720よりも厚いものである。図は、デバイスの構成と分極時に印加される電圧とを示す。分極方法では、第1電極726に印加される1つの正電圧(Vp+)、電極728になされる接地(GND)が用いられ、分極電界は反対方向に配向され、2つの電極は、上部及び底部電極のそれぞれにおいて、ストリップ、又は金属皮膜の間隙などの非導電領域の間隙によって互いに電気的に分離される。これは、現在のところ、多層PZT分極に用いられる最も一般的な方法である。この多層PZT714は「一般的な分極化がなされた」と言われるものである。
FIG. 36 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT macroactuator assembly 714 in a further embodiment, where the assembly 714 is a multilayer PZT device with multiple piezoelectric layers. The devices are generally polarized, meaning that a voltage applied to the devices either expands both devices or contracts both. A top piezoelectric layer 730 is mounted in a stacked manner onto a bottom piezoelectric layer 720, which is the layer closest to the suspension surface to which the assembly is bonded. Top piezoelectric layer 730 is thicker than bottom piezoelectric layer 720. The figure shows the configuration of the device and the voltage applied during polarization. The polarization method uses one positive voltage (Vp+) applied to the first electrode 726, a ground (GND) applied to the electrode 728, the polarization fields are oriented in opposite directions, and the two electrodes are connected to the top and bottom. In each of the electrodes, they are electrically separated from each other by gaps of non-conducting areas, such as strips or gaps of metallization. This is currently the most common method used for multilayer PZT polarization. This multilayer PZT 714 is said to be "generally polarized."

図37は、図36のPZTマイクロアクチュエータ組立体714の側面断面図であり、該組立体がどのようにサスペンションに電気的及び機械的に接合されるかの例を示す。図において、電気回路を含むサスペンションは図26のものと同じであるが、この実施形態の接合には、導電エポキシ460及び162のみが用いられ、非導電エポキシは用いられない。作動の際、作動電圧が電極726・728に印加されるとき、圧電層720、730は、印加作動電圧の極性に応じて、ともに長さ方向に膨張する、又はともに長さ方向に収縮する。 FIG. 37 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly 714 of FIG. 36, illustrating an example of how the assembly may be electrically and mechanically bonded to the suspension. In the figure, the suspension containing the electrical circuitry is the same as that of FIG. 26, but only conductive epoxy 460 and 162 and no non-conductive epoxy are used for bonding in this embodiment. In operation, when an actuation voltage is applied to electrodes 726, 728, piezoelectric layers 720, 730 expand longitudinally together or contract together longitudinally, depending on the polarity of the applied actuation voltage.

上部PZT層730は底部PZT層720よりも厚いため、同じ作動電圧が両層に印加されるとき、上部層にはより小さい電界を生じるので、上部層は底部層ほど膨張(又は収縮)しない。ゆえに、2つの圧電層間の膨張の差異のため、上部圧電層は抑制層として作用する。最終的な効果は、上部圧電層が存在しない場合と比較してデバイスの有効ストローク長さが増加するということであり得る。 Because the top PZT layer 730 is thicker than the bottom PZT layer 720, when the same actuation voltage is applied to both layers, the top layer will not expand (or contract) as much as the bottom layer, creating a smaller electric field in the top layer. Therefore, due to the expansion difference between the two piezoelectric layers, the top piezoelectric layer acts as a restraining layer. The net effect may be that the effective stroke length of the device is increased compared to when the top piezoelectric layer is not present.

図41は、図36のPZTマイクロアクチュエータの側面断面図であり、ここでは図26に示されるものと同じ接合技術を用いて、サスペンション内に取り付けられた組立体を示す。 FIG. 41 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator of FIG. 36, here showing the assembly mounted within the suspension using the same bonding technique shown in FIG. 26.

図38は、またさらなる実施形態における多層PZTマクロアクチュエータ組立体814の側面断面図であり、ここでPZTは多層PZTであり、上部PZT層830は、主要PZT層820として言及される底部PZT層820とは反対の方向に膨張する傾向のある活性層である。組立体814は、3つの個別の電極826・827・828、及び分極時の対応する極を有する。デバイスは逆分極と言われるものである。図は、デバイスの構造と分極時に印加される電圧とを示す。分極方法は、3つの個別の電極826・827・828と、底部電極827に印加されるVp+、上部電極826に印加されるVp-、中間又は共通の電極828に印加されるGNDである3つの異なる電圧とを用いる。 FIG. 38 is a side cross-sectional view of a multilayer PZT macroactuator assembly 814 in yet a further embodiment, where PZT is multilayer PZT and a top PZT layer 830 is a bottom PZT layer 820 referred to as a main PZT layer 820. The active layer tends to expand in the opposite direction. Assembly 814 has three individual electrodes 826, 827, 828 and corresponding poles when polarized. The device is said to be counterpolarized. The figure shows the structure of the device and the voltage applied during polarization. The polarization method consists of three separate electrodes 826, 827, 828, Vp+ applied to the bottom electrode 827, Vp- applied to the top electrode 826, and GND applied to the middle or common electrode 828. using different voltages.

作動の際、同じ電圧が上下電極に印加されるが、GNDが共通の中央電極に印加される場合、上部PZT層830又は抑制層は長さ方向に膨張し(又は印加作動電圧の極性応じて長さ方向に収縮し)、一方で底部の主要PZT層820は長さ方向に収縮し(又は長さ方向に膨張し)、逆もまた同様である。すなわち、PZT層820及び830は、反対の方向に作用する、又は作用する傾向があり、上部圧電層の作用は、底部圧電層の作用に少なくとも部分的に反作用する。このPZTはゆえに「逆分極」と言われるものである。 During actuation, if the same voltage is applied to the top and bottom electrodes, but GND is applied to the common center electrode, the top PZT layer 830 or restraint layer expands lengthwise (or expands depending on the polarity of the applied actuation voltage). (or shrinks lengthwise), while the bottom main PZT layer 820 shrinks lengthwise (or expands lengthwise), and vice versa. That is, PZT layers 820 and 830 act or tend to act in opposite directions, with the action of the top piezoelectric layer at least partially counteracting the action of the bottom piezoelectric layer. This PZT is therefore said to be "reversely polarized."

図39は、図38のPZTマイクロアクチュエータ組立体814の側面断面図であり、該組立体がどのようにサスペンションに電気的及び機械的に接合されるかの例を示す。右側の導電接着剤162は、非導電ストリップ又は間隙829を架け渡すために付加され、上部電極826と底部電極827とに接地を行う。作動の際、作動電圧が上下電極にわたって印加されるとき、上部PZT層830は膨張し、底部層820は収縮する(逆も又同様である)。このように、上部PZT層は底部PZT層とは反対方向に作用する。上部PZT層は受動的な抑制層としてだけでなく、底部層と反対方向に能動的に押す又は引く活性層としても作用する。 FIG. 39 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly 814 of FIG. 38, illustrating an example of how the assembly may be electrically and mechanically bonded to the suspension. A conductive adhesive 162 on the right is added to bridge the non-conductive strip or gap 829 and ground the top electrode 826 and bottom electrode 827. In operation, when an actuation voltage is applied across the top and bottom electrodes, the top PZT layer 830 expands and the bottom layer 820 contracts (and vice versa). In this way, the top PZT layer acts in the opposite direction as the bottom PZT layer. The top PZT layer acts not only as a passive suppression layer, but also as an active layer that actively pushes or pulls in the opposite direction to the bottom layer.

図40は、上部PZT層の厚みの関数として、基準デバイスのストローク感度と比較した、図37及び図39のPZTマイクロアクチュエータ組立体のストローク感度を示すグラフであり、グラフのすべての線について底部PZT層は45μm厚である。基準デバイス(破線で示される)は45μm厚の標準的な単層PZTである。この基準デバイスは、9.0nm/Vのストローク感度を示す。データはモデリングシミュレーションによるものである。 FIG. 40 is a graph showing the stroke sensitivity of the PZT microactuator assembly of FIGS. 37 and 39 as a function of the thickness of the top PZT layer compared to the stroke sensitivity of the reference device; The layer is 45 μm thick. The reference device (shown in dashed lines) is a standard single layer PZT 45 μm thick. This reference device exhibits a stroke sensitivity of 9.0 nm/V. Data are from modeling simulations.

グラフから分かるように、三角形データポイントによって表されるデータである、逆分極を有する図39の3極構成について、逆分極である上部PZT層830の存在は、基準デバイスと比較してストローク感度を大きく増加させた。例として、上部PZT層が15μm厚である場合、サスペンションストローク感度は24.5nm/Vであり、これは9.0nm/Vの基準に対して172%の増加を表す。このデバイスについて、約10~15μm厚、又は底部PZT層の厚みの約22~33%の薄肉の上部抑制層を有する逆分極構成が、最も高いストローク感度をもたらす。ストローク感度は、上部PZT層の厚みが増大すると、概して低下する。ゆえに、薄肉の逆分極抑制層を有する図39の3極構成が概して最も有効であり、望ましい構成である。上部PZT層は、好ましくは底部PZT層の厚みの5~50%、より好ましくは底部PZT層の厚みの約10~40%、さらにより好ましくは底部PZT層の厚みの約20~35%であると考えられる。 As can be seen from the graph, for the three-pole configuration of FIG. 39 with opposite polarization, the data represented by the triangular data points, the presence of the top PZT layer 830, which is opposite polarization, increases the stroke sensitivity compared to the reference device. increased significantly. As an example, if the top PZT layer is 15 μm thick, the suspension stroke sensitivity is 24.5 nm/V, which represents a 172% increase over the 9.0 nm/V reference. For this device, a reverse polarization configuration with a thin top suppression layer of about 10-15 μm thick, or about 22-33% of the thickness of the bottom PZT layer, provides the highest stroke sensitivity. Stroke sensitivity generally decreases as the thickness of the top PZT layer increases. Therefore, the three-pole configuration of FIG. 39 with a thin reverse polarization suppressing layer is generally the most effective and desirable configuration. The top PZT layer is preferably 5-50% of the thickness of the bottom PZT layer, more preferably about 10-40% of the thickness of the bottom PZT layer, even more preferably about 20-35% of the thickness of the bottom PZT layer. it is conceivable that.

さらにグラフから分かるように、四角形データポイントによって表されるデータである、上部層が不活性PZT材料である構成は、2番目に最良のストローク感度をもたらす。分極しないことで、及び/又はマイクロアクチュエータデバイス全体が活性化されるときに上部層に電界を生じないように電極を配置することで、上部層を不活性にすることができる。電極がデバイス714の上部を取り囲まず、ゆえにCLC部分730が活性化されないように電極726を切断することで、それらのいずれか1つが行われ得る。この構成のストローク感度は、作動電圧が上部PZT層730に印加される図36~図37の一般的な分極構成(ひし形データポイントによって表される)よりも高いが、図38~図39の逆分極構成未満である。ストローク感度は、基準デバイスのものよりも高く開始されるが、約25μm又は主要PZT層の厚みの約55%に厚みを増大させると増加し、約55μmの厚み又は主要PZT層の厚みの約122%までほぼ一定に留まり、その後、抑制層の厚みがさらに増大するとわずかに低下する。このように、不活性抑制層は0より大きい厚みを有するが、好ましくは、25~55μmの範囲、又は活性PZT層の厚みの約55~125%の範囲の厚みを有する。 As can further be seen from the graph, the configuration in which the top layer is an inert PZT material yields the second best stroke sensitivity, data represented by square data points. The top layer can be made inactive by not polarizing and/or by arranging the electrodes so that they do not create an electric field in the top layer when the entire microactuator device is activated. Any one of these can be done by cutting electrode 726 so that it does not surround the top of device 714 and therefore CLC portion 730 is not activated. The stroke sensitivity of this configuration is higher than the general polarization configuration of FIGS. 36-37 (represented by the diamond data points) where the actuation voltage is applied to the top PZT layer 730, but the reverse of FIGS. 38-39. less than the polarization configuration. The stroke sensitivity starts higher than that of the reference device, but increases with increasing thickness to about 25 μm or about 55% of the main PZT layer thickness, and increases with increasing thickness to about 55 μm or about 122% of the main PZT layer thickness. %, after which it decreases slightly as the thickness of the suppression layer increases further. Thus, the inert suppression layer has a thickness greater than zero, but preferably has a thickness in the range of 25-55 μm, or about 55-125% of the thickness of the active PZT layer.

そして、ひし形データポイントによって表されるデータである、上部PZT層が底部PZT層よりも厚い、図37の一般的な分極構成は、全体で最も低い性能の設計であった。この構成について、ストローク感度は、上部PZT層が約37μm厚、又は主要PZT層の厚みの約82%よりも大きい場合にのみ、基準単層PZTのストローク感度を超えて向上した。有効ストローク長さは、上部層の厚みが増大すると増加した。上部PZT厚が65μmであるとき、サスペンションストローク感度は9.0nm/Vの基準よりも29%高い。基準に対するストローク感度のこの29%の増加は、この構成で得られる最良の結果を示すものである。一般的な分極の場合において、厚みは、好ましくは主要PZT層の厚みの少なくとも80%であり、より好ましくは主要PZT層の厚みよりも大きく、さらにより好ましくは主要PZT層の厚みの約125%よりも大きい。 And the general polarization configuration of FIG. 37, where the top PZT layer is thicker than the bottom PZT layer, the data represented by the diamond data points, was the lowest performing design overall. For this configuration, stroke sensitivity improved over that of the reference single layer PZT only when the top PZT layer was about 37 μm thick, or greater than about 82% of the thickness of the main PZT layer. The effective stroke length increased with increasing top layer thickness. When the top PZT thickness is 65 μm, the suspension stroke sensitivity is 29% higher than the standard of 9.0 nm/V. This 29% increase in stroke sensitivity relative to the reference represents the best results obtained with this configuration. In the case of general polarization, the thickness is preferably at least 80% of the thickness of the main PZT layer, more preferably greater than the thickness of the main PZT layer, and even more preferably about 125% of the thickness of the main PZT layer. larger than

抑制層として用いられた上部PZT層を使用する、図36~図39に示されるような多層PZTマイクロアクチュエータを用いる設計的アプローチは、抑制層として作用する、それぞれ2、3、4又はそれ以上の活性層を有する、3、4、5又はそれ以上の層を有するPZTに、より一般的に拡張されることが可能である。 A design approach using a multilayer PZT microactuator as shown in FIGS. 36-39 with the top PZT layer used as a restraining layer consists of two, three, four or more layers, each acting as a restraining layer. It can be extended more generally to PZT with 3, 4, 5 or more layers with an active layer.

本出願人が所有し、言及によって本明細書に組み込まれる、Hahn等による米国特許第9,070,394号明細書は、図31~35において、抑制層が圧電材料による不分極の不活性層を含む多層圧電デバイスを公開している。本発明者等は、圧電材料の分極がその寸法に永続的変化をもたらすことから、多層圧電デバイスのすべてではない層を分極することで不均質な寸法変化を導き、ゆえにデバイスに荷重を与えるということを発見した。そうした荷重は亀裂を生じさせ、ゆえにデバイスの早期故障を起こすと考えられる。 U.S. Pat. No. 9,070,394 to Hahn et al., owned by the present applicant and incorporated herein by reference, discloses that in FIGS. We are publishing multilayer piezoelectric devices including. Since polarization of a piezoelectric material results in permanent changes in its dimensions, we believe that polarizing less than all the layers of a multilayer piezoelectric device leads to non-uniform dimensional changes and therefore loads the device. I discovered that. Such loads are believed to cause cracking and hence premature failure of the device.

抑制層が不活性PZT材料の層である多層圧電デバイスにおけるそうした荷重は、抑制層を分極することで低減可能である。そのように、活性PZT層と不活性層とには分極時に同様の永続な寸法変化を生じるので、1つの層のみ分極することで、又は通常はすべてではない層を分極することでもたらされる機械的荷重が除かれる。 Such loads in multilayer piezoelectric devices where the constraining layer is a layer of inert PZT material can be reduced by polarizing the constraining layer. As such, the active PZT layer and the inactive layer undergo similar permanent dimensional changes upon polarization, so that the mechanical properties produced by polarizing only one layer, or usually not all layers, are target weight is removed.

図42は、分極されるが不活性の抑制層930を有するそうした実施形態におけるPZTマイクロアクチュエータ914の側面断面図であり、デバイスの分極を示す。実施形態において、PZTマイクロアクチュエータ914は、先述の実施形態に関して記載されるように、積層関係で配置され、且つともに一体的に形成されることによってなどでともに取り付けられた2つのPZT層920及び930を含む。底部圧電材料層920は主要又は活性PZT層となり、上部圧電材料層930は分極されるが不活性の抑制層となる。 FIG. 42 is a side cross-sectional view of a PZT microactuator 914 in such an embodiment with a polarized but inert suppression layer 930, illustrating the polarization of the device. In an embodiment, the PZT microactuator 914 comprises two PZT layers 920 and 930 attached together, such as by being arranged in a stacked relationship and integrally formed together, as described with respect to previous embodiments. including. The bottom piezoelectric material layer 920 will be the primary or active PZT layer and the top piezoelectric material layer 930 will be the polarized but inactive suppression layer.

デバイスを分極する第1の方法は、それぞれ上部電極926と底部電極927とにわたって電圧差を与え、中間電極928を浮遊させるものである。例えば、+Vpが上部電極926に印加され、-Vpが底部電極927に印加され、中間電極928が浮遊される。この接地方法では、圧電層920・930にともに印加される均一な電界が得られ、ゆえに両方の圧電層は同時且つ同じ程度に分極される。 A first method of polarizing the device is to apply a voltage difference across the top electrode 926 and bottom electrode 927, respectively, leaving the middle electrode 928 floating. For example, +Vp is applied to top electrode 926, -Vp is applied to bottom electrode 927, and middle electrode 928 is floated. This grounding method provides a uniform electric field that is applied to both piezoelectric layers 920 and 930, so that both piezoelectric layers are polarized simultaneously and to the same extent.

第2の方法は、図に示されるように、これらの電極にわたり+Vp及び-Vpを印加し、中間電極928を接地させるものである。 A second method is to apply +Vp and -Vp across these electrodes and ground intermediate electrode 928, as shown.

より一般には、デバイスは、3つ以上の異なる電圧を3つ以上の端子に印加することで分極されるとよい。 More generally, the device may be polarized by applying three or more different voltages to three or more terminals.

すべてではないが多くの場合に、等しい分極、即ち等しい電界強度を用いる同時の分極が好ましい。同等ではない厚みの2つのPZT層且つ3つの分極電圧電位である場合、異なるPZT層に同等ではない電圧差を与える必要があり、ゆえにこれら異なるPZT層にわたる同じ電界強度、つまり同程度の分極が生じる。例として、2つのPZT層が同等ではない厚みである場合、+15V、Gnd、及び-10Vの分極電圧は、これら2つの層の等しい電界強度、つまり等しい分極を生じるために必要な電圧となる。 In many, but not all cases, equal polarization, ie, simultaneous polarization using equal field strengths, is preferred. In the case of two PZT layers of unequal thickness and three polarization voltage potentials, it is necessary to apply unequal voltage differences to the different PZT layers and therefore the same electric field strength, i.e. the same degree of polarization, across these different PZT layers. arise. As an example, if the two PZT layers are of unequal thickness, polarization voltages of +15V, Gnd, and -10V would be the voltages needed to produce equal field strength, and therefore equal polarization, of the two layers.

図43は、図42のPZTマイクロアクチュエータ組立体の側面断面図であり、サスペンション内に取り付けられた組立体を示す。作動の際、作動電圧が中間電極928に印加され、底部電極927は導電エポキシ162、金接合パッド469、及びサスペンション可撓部のステンレス鋼154を介して接地される。上部電極926はいずれにも電気的に接続されず、ゆえに浮遊状態である。これは、主要PZT層920を膨張又は収縮させる該層にわたる作動電界を生じさせ、上部PZT層930は不活性であり、ゆえに抑制層として作用する。分極されるが不活性の抑制層930の存在は、他の実施形態に関して上述されたように、抑制層930が存在しない場合と比較して、デバイスの有効ストローク長さを増加させるように作用する。 FIG. 43 is a side cross-sectional view of the PZT microactuator assembly of FIG. 42 showing the assembly mounted within the suspension. In operation, an actuation voltage is applied to middle electrode 928 and bottom electrode 927 is grounded through conductive epoxy 162, gold bond pad 469, and stainless steel 154 of the suspension flexure. Top electrode 926 is not electrically connected to anything and is therefore floating. This creates an actuation electric field across the main PZT layer 920 that expands or contracts, while the top PZT layer 930 is inactive and thus acts as a restraining layer. The presence of the polarized but inert suppression layer 930 acts to increase the effective stroke length of the device compared to the absence of the suppression layer 930, as described above with respect to other embodiments. .

例示の実施形態において、デバイス914は全部で3つの電極を有するが、第1及び第
2の電極のみが組立体の底部からアクセス可能である。第3電極が駆動電圧とも接地とも接続されない浮遊電極であるため、デバイスの底部又は他の部分からも電気的にアクセス可能にする必要はない。
In the illustrated embodiment, device 914 has a total of three electrodes, but only the first and second electrodes are accessible from the bottom of the assembly. Since the third electrode is a floating electrode that is neither connected to the drive voltage nor to ground, there is no need to make it electrically accessible from the bottom or other parts of the device.

他の実施形態のように、図42及び図43の実施形態は2層に限定されない。むしろより一般には、そうした多層圧電アクチュエータは分極され活性である複数のPZT層、及び分極されるが不活性である複数のPZT層を含むとよい。 Like the other embodiments, the embodiment of FIGS. 42 and 43 is not limited to two layers. Rather, more generally, such a multilayer piezoelectric actuator may include a plurality of PZT layers that are polarized and active, and a plurality of PZT layers that are polarized but inactive.

多くの場合に等しい分極が望まれるが、抑制層は活性圧電層と全く等しく分極される必要はない。2つの層が実質的に等しく分極されることで通常は十分であると考えられる。2層は、互いの10%内、又は互いの25%内に分極されるとよい。同様に、抑制層が完全に不活性であることは厳密に必要なわけではない。それよりも抑制層は、作動時に与えられる電圧差を有し、これは、第1若しくは活性PZT層に印加される活性化電圧若しくは活性化電界の10%未満、又は活性化電圧若しくは電界の25%未満、又は活性化電圧若しくは電界のさらに50%未満である。また発明者等は現在のところ、PZT層が等しい厚みを有することが通常望ましいと考えているが、PZT層が、互いの厚みの10%内又は互いの厚みの25%内であるなどの実質的に等しい厚みを有することで十分であると考えられる。 Although equal polarization is desired in many cases, the suppression layer need not be polarized exactly the same as the active piezoelectric layer. It is generally considered sufficient that the two layers are substantially equally polarized. The two layers may be polarized within 10% of each other or within 25% of each other. Similarly, it is not strictly necessary that the suppression layer be completely inert. Rather, the suppression layer has a voltage difference applied during actuation that is less than 10% of the activation voltage or field applied to the first or active PZT layer, or 25% of the activation voltage or field applied to the first or active PZT layer. % or even less than 50% of the activation voltage or electric field. Additionally, although the inventors currently believe that it is generally desirable for the PZT layers to have equal thicknesses, it is generally desirable that the PZT layers be within 10% of each other's thickness or within 25% of each other's thickness. It is considered that it is sufficient to have the same thickness.

第3電極926は図43に示されるように作動時に浮遊状態であり得るが、分極されるが不活性である抑制層930に電界が存在しない、又は実質的に電界が存在しないことを確実にする代替的方法は、第3電極926を第2電極928に電気的にグループ化することであり、こうして抑制層930に電圧差が存在しないことを確実にする。 The third electrode 926 may be floating during actuation as shown in FIG. 43, but ensures that there is no or substantially no electric field in the polarized but inert suppression layer 930. An alternative way to do this is to electrically group the third electrode 926 to the second electrode 928, thus ensuring that there is no voltage difference across the suppression layer 930.

本明細書に開示のPZTマイクロアクチュエータは、ディスクドライブサスペンション以外の分野のアクチュエータとして使用可能である。そうしたマイクロアクチュエータ及びその構成の詳細は、どのような環境で用いられるかに関わらず、ディスクドライブサスペンション環境、又は任意の他の環境であっても、進歩的なデバイスである。 The PZT microactuators disclosed herein can be used as actuators in fields other than disk drive suspensions. Such a microactuator and its construction details represent an advanced device regardless of what environment it is used in, whether it be a disk drive suspension environment or any other environment.

本明細書及び本明細書の特許請求の範囲内で用いられるような「一般に」、「およそ」、「約」、「実質的に」、及び「同一平面の」という用語は、任意の正確な寸法、測定値、及び配置からの所定の程度の変形を許容するということが理解され、それらの用語が本明細書に開示される本発明の記載及び実施の文脈内で理解される必要があるということが解される。 As used in this specification and the claims herein, the terms "generally," "approximately," "about," "substantially," and "coplanar" may be used in any precise manner. It is understood that certain degrees of variation from dimensions, measurements, and arrangements are tolerated and should be understood within the context of the description and practice of the invention as such terms are disclosed herein. This is understood.

明細書及び特許請求の範囲内で用いられるような「上部」、「底部」、「上」、及び「下」などの用語は、任意の特定の空間的な又は重量の方向ではなく、互いに対する部分の空間的関係性を表す便宜的な用語である、ということがさらに理解される。このように、組立体が、図に示され、明細書に記載される特定の方向、その方向の反対、又は任意の他の回転度に向けられるかどうかにかかわらず、用語は部品の組立体を含むことが意図される。 As used in the specification and claims, terms such as "top," "bottom," "above," and "below" refer to each other rather than in any particular spatial or weight direction. It is further understood that it is a convenient term to describe the spatial relationship of parts. Thus, the term refers to an assembly of parts, whether the assembly is oriented in the particular direction shown in the figures and described in the specification, the opposite of that direction, or in any other degree of rotation. is intended to include.

特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む明細書に開示されるすべての特性、並びに開示の任意の方法又は工程におけるすべてのステップは、そうした特性及び/又はステップの少なくとも一部が相互排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組み合わせられ得る。特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む明細書に開示される各特性は、明文化されない限り、同一、同等、又は同様の目的を果たす代替的特性によって置換され得る。このように、明文化されない限り、開示の各特性は、包括的な一連の同等又は同様の特性からの一例であるのみである。 All features disclosed in the claims, abstract, and specification, including drawings, and all steps in any method or process disclosed, imply that at least some of such features and/or steps are mutually exclusive. may be combined in any combination except for combinations where . Each feature disclosed in the specification, including the claims, abstract, and drawings, may be replaced, unless expressly stated otherwise, by alternative features serving the same, equivalent, or similar purpose. Thus, unless expressly stated otherwise, each feature disclosed is one example only from a generic series of equivalent or similar features.

本明細書に用いられるような「本発明」という用語は、単一の必須要素又は要素群を有する単一の発明のみが示されることを意味すると理解されるべきではないということが認識される。同様に、「本発明」という用語は、それぞれ個別の発明であると考えられ得る多くの個別の発明を含むということも理解される。このように、本発明は、好ましい実施形態及びその図面に関して詳細に記載されているが、本発明の種々の応用や変形が本発明の趣旨及び範囲から外れることなくなされ得るということが当業者には明白である。ゆえに、上述される詳細な説明及び添付の図面が、以下の特許請求の範囲及びその適切に理解された法的同等物からのみ判断される本発明の範囲を限定するということを意図しないということが認識される。 It is recognized that the term "invention" as used herein is not to be understood to mean that only a single invention having a single essential element or group of elements is presented. . Similarly, it is understood that the term "invention" includes a number of separate inventions, each of which may be considered a separate invention. Although the invention has been described in detail with respect to preferred embodiments and drawings thereof, those skilled in the art will appreciate that various adaptations and modifications of the invention can be made without departing from the spirit and scope of the invention. is obvious. Therefore, the detailed description set forth above and the accompanying drawings are not intended to limit the scope of the invention, which can be determined solely from the following claims and their properly understood legal equivalents. is recognized.

Claims (6)

多層圧電マイクロアクチュエータ組立体であって、
第1電極と、
前記第1電極上の第1分極圧電層と、
前記第1分極圧電層上の第2電極と、
前記第2電極上の第2分極圧電層と、
前記第1電極及び前記第2電極から離れている前記第2分極圧電層上の第3電極と、を含み、
前記第2電極は、前記第1分極圧電層と前記第2分極圧電層とを仕切っており、
前記第1電極及び前記第2電極とは前記組立体の底部から電気的にアクセス可能であり、
前記第3電極は前記組立体の底部から電気的にアクセス可能ではない、多層圧電マイクロアクチュエータ組立体。
A multilayer piezoelectric microactuator assembly, comprising:
a first electrode;
a first polarized piezoelectric layer on the first electrode;
a second electrode on the first polarized piezoelectric layer;
a second polarized piezoelectric layer on the second electrode;
a third electrode on the second polarized piezoelectric layer remote from the first electrode and the second electrode;
The second electrode partitions the first polarization piezoelectric layer and the second polarization piezoelectric layer,
the first electrode and the second electrode are electrically accessible from the bottom of the assembly;
A multilayer piezoelectric microactuator assembly, wherein the third electrode is not electrically accessible from the bottom of the assembly.
前記第1電極と前記第2電極とのそれぞれは、駆動電圧及び接地のうちの1つに接続され、前記第3電極は駆動電圧及び接地のいずれにも接続されない、請求項に記載のマイクロアクチュエータ組立体。 The microprocessor of claim 1, wherein each of the first electrode and the second electrode is connected to one of a drive voltage and ground, and the third electrode is not connected to either the drive voltage or ground . Actuator assembly. 記第2電極と前記第3電極との間には電界が存在しない、請求項に記載のマイクロアクチュエータ組立体。 The microactuator assembly of claim 1 , wherein there is no electric field between the second electrode and the third electrode. 請求項に記載のマイクロアクチュエータ組立体を用いる方法であって、前記第1分極圧電層にわたり電界を誘起して、前記第1分極圧電層を分極された活性の圧電層とすることと、前記第2分極圧電層にわたり電界を誘起しないで、前記第2分極圧電層を、前記第1分極圧電層の膨張又は収縮に抵抗する傾向のある、分極されるが不活性の圧電層とすることと、を含む方法。 2. A method of using the microactuator assembly of claim 1 , comprising: inducing an electric field across the first polarized piezoelectric layer to make the first polarized piezoelectric layer a polarized active piezoelectric layer; The second polarized piezoelectric layer is a polarized but inert piezoelectric layer that tends to resist expansion or contraction of the first polarized piezoelectric layer without inducing an electric field across the second polarized piezoelectric layer. , a method including. 前記第1分極圧電層と前記第2分極圧電層とは等しい厚みを有し、同程度に分極されたものである、請求項に記載のマイクロアクチュエータ組立体。 2. The microactuator assembly of claim 1, wherein the first polarized piezoelectric layer and the second polarized piezoelectric layer have equal thickness and are polarized to the same extent. 前記第1分極圧電層と前記第2分極圧電層とは、実質的に等しい厚みを有し、実質的に同程度に分極されたものである、請求項に記載のマイクロアクチュエータ組立体。 2. The microactuator assembly of claim 1 , wherein the first polarized piezoelectric layer and the second polarized piezoelectric layer have substantially equal thicknesses and are substantially equally polarized.
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