(57)【要約】【課題】  アーム部を高精度で制御できると共に、小型化が図れ、且つ、製造が容易なアクチュエータ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  本発明のアクチュエータ１は、単結晶シリコンによって一体的に形成されると共に、一対のアーム部１２とそれらを連結する連結部１５とを有するシリコン構造体１０と、各アーム部１２に取り付けられた圧電素子３０とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンによって一体的に形成されると共に、一対のアーム部とそれらを連結する連結部とを有するシリコン構造体と、
前記各アーム部に取り付けられた圧電素子と、
を備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電素子は、一方向に延びた形状をなしており、
前記圧電素子の長手方向が前記アーム部の長手方向に沿うように、前記アーム部の外側面に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電素子は、積層型圧電素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記シリコン構造体は、不純物ドーピングされることで低抵抗化されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載のアクチュエータ。
【請求項５】
単結晶シリコン基板の片面にエッチングを施すことにより、該単結晶シリコン基板上に、並列した複数の板状突起部を形成するステップと、
前記単結晶シリコン基板を切断して、それぞれが前記板状突起部を一対有するブロックを形成するステップと、
前記ブロックにおける前記一対の板状突起部の外側面に、長尺状の圧電素子長尺体を取り付けるステップと、
前記圧電素子長尺体が取り付けられた前記ブロックを切断して、一対のアーム部及びそれらを連結する連結部を一体的に有するシリコン構造体と前記各アーム部に取り付けられた圧電素子とを有するアクチュエータを複数形成するステップと、
を含むことを特徴とするアクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を取り付けたシリコン構造体のアーム変位を利用するアクチュエータ及びその製造方法に関し、特に、磁気記録装置における磁気ヘッドを高精度で位置制御等するのに好適なアクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急速な勢いで磁気記録密度が向上している。このため、トラックピッチの幅も狭小化して密度を上げることになるが、トラック位置に対する磁気ヘッド位置制御の精度を向上しなければならない。しかしながら、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）のコントロールに頼るだけでは、磁気ヘッドの位置制御に限界がある。そこで、ＶＣＭとこれよりも微細なコントロールを行うアクチュエータとを利用する２段型サーボコントロール方式が提案されている。
【０００３】
この２段型サーボコントロール方式に用いるアクチュエータとして、従来、ジルコニアフレームアクチュエータ及びメタルフレームアクチュエータが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ジルコニアフレームアクチュエータは、積層したジルコニアシートに印刷法等により圧電素子を形成した上で焼成し、これを素子サイズに切り出すことで得られる。このアクチュエータは、ジルコニアを使用することにより衝撃性が向上するという長所を有している。
【０００５】
また、メタルフレームアクチュエータを作製するには、まず、ステンレス板にエッチング加工又は打抜き加工を施すことで、スライダ搭載部、サスペンションへの固定部、及び、圧電素子を貼り付ける一対の駆動部（アーム部）を形成する。次に、各駆動部を折り曲げてスライダ搭載部に対して垂直にし、各駆動部の外側に圧電素子を貼り付ける。これにより、本体部がメタルで一体成形されたアクチュエータが得られる。一体成形することにより、生産効率が向上するとともに、部品点数の減少を図ることができる。    
【特許文献１】特開２００２−２８９９３６号公報（段落［０００８］，［０００９］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のアクチュエータには、次のような問題があった。まず、ジルコニアフレームアクチュエータは、その硬度が高いことから加工性が低くダウンサイズに不適であり、今後予想されるヘッドスライダの小型化に追従することが困難である。また、ジルコニア等のセラミックスは気泡を含有することから、一対の駆動部（アーム部）を高精度で制御することが困難という問題もある。
【０００７】
また、メタルフレームアクチュエータは、上記のように一体成形するには折り曲げ加工等が必要となり、製造に手間がかかるという問題がある。  
【０００８】
本発明の課題は、アーム部を高精度で制御できると共に、小型化が図れ、且つ、製造が容易なアクチュエータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明のアクチュエータは、単結晶シリコンによって一体的に形成されると共に、一対のアーム部とそれらを連結する連結部とを有するシリコン構造体と、各アーム部に取り付けられ圧電素子とを備えるものである。
【００１０】
このアクチュエータは、単結晶のシリコンによって形成されているため結晶欠陥が少なくなっており、アーム部を高精度で制御することができる。
【００１１】
また、このアクチュエータは、シリコンで形成されていることから、半導体製造プロセス等に利用されるフォトリソグラフィ技術を利用して製造することができる。フォトリソグラフィ技術は微細加工が可能であるため、アクチュエータの小型化を実現することができる。
【００１２】
更に、フォトリソグラフィ技術を利用することにより上記シリコン構造体を一体成形することができるため、製造が容易である。しかも、メタルフレームアクチュエータを一体成形する場合とは異なり、アーム部の折り曲げ加工が不要である点からも、製造が容易といえる。
【００１３】
また、本発明のアクチュエータにおいて、圧電素子は、一方向に延びた形状をなしており、圧電素子の長手方向がアーム部の長手方向に沿うように、アーム部の外側面に取り付けられていることが好ましい。
【００１４】
このような構成を採用することにより、圧電素子の変位をアーム部に効果的に伝達することができ、アーム部を高精度で制御することができる。
【００１５】
また、本発明のアクチュエータにおいて、圧電素子を積層型圧電素子としてもよい。この場合は、圧電素子の駆動量を大きくできるため、結果としてアーム部の変位量を大きくすることができる。
【００１６】
また、上記のシリコン構造体は、不純物ドーピングされることで低抵抗化されているようにしてもよい。この場合は、シリコン構造体を通じて圧電素子に通電することが可能となる。このため、圧電素子の電極の枚数を低減することができる。
【００１７】
（２）本発明のアクチュエータの製造方法は、単結晶シリコン基板の片面にエッチングを施すことにより、該単結晶シリコン基板上に、並列した複数の板状突起部を形成するステップと、単結晶シリコン基板を切断して、それぞれが板状突起部を一対有するブロックを形成するステップと、ブロックにおける一対の板状突起部の外側面に、長尺状の圧電素子長尺体を取り付けるステップと、圧電素子長尺体が取り付けられたブロックを切断して、一対のアーム部及びそれらを連結する連結部を一体的に有するシリコン構造体と各アーム部に取り付けられた圧電素子とを有するアクチュエータを複数形成するステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
このようにして得られたアクチュエータは、単結晶のシリコンによって形成されているため結晶欠陥が少なくなっており、アーム部を高精度で制御することができる。
【００１９】
また、製造に際しては微細加工が可能なエッチング技術を利用していることから、アクチュエータの小型化を実現することができる。
【００２０】
更に、エッチング技術を利用することにより上記シリコン構造体を一体成形するため、製造が容易である。しかも、メタルフレームアクチュエータを一体成形する場合とは異なり、アーム部の折り曲げ加工が不要である点からも、製造が容易といえる。
【００２１】
また、長尺のため取り扱いやすい圧電素子長尺体をブロックに取り付け、該ブロックを切断することで複数のアクチュエータを得るため、シリコン構造体のアーム部それぞれに一つずつ圧電素子を取り付ける場合と比較して、製造効率が極めて高くなっている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アーム部を高精度で制御できると共に、小型化が図れ、且つ、製造が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るアクチュエータ及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態のアクチュエータを示す斜視図であり、図２は、図１に示すアクチュエータの分解斜視図である。本実施形態のアクチュエータ１は、ＨＤＤサーボコントロール用のアクチュエータであり、磁気ヘッドスライダ（以下、「スライダ」と称す）ＳＬを図中のＸ方向に変位させるものである。アクチュエータ１は、シリコン構造体１０と、一対の圧電素子３０，３０によって構成されている。
【００２５】
シリコン構造体１０は、単結晶シリコンによって略Ｕ字状に一体的に形成されており、スライダＳＬを狭持する一対のアーム部１２，１２と、各アーム部１２，１２を連結する連結部１５とから構成されている。連結部１５は、直方体形状をなしており、その両側からアーム部１２，１２が平行に突出した形になっている。シリコン構造体１０は、不純物がドープされた低抵抗のものを使用している。抵抗率は、１Ωｃｍ以下であることが好ましい。不純物としてリン等のドナーを添加しｎ型半導体にしてもよいし、アルミニウム等のアクセプタを添加してｐ型半導体にしてもよい。
【００２６】
各圧電素子３０は、各アーム部１２の外側面１２ａに、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系等の導電性接着剤で接着されている。圧電素子３０は単板構造となっており、ＰＺＴ等の圧電セラミック素体３１の表裏面にそれぞれ電極３２が形成されている。圧電素子３０は一方向に延びて方形板状になっており、その長手方向がアーム部１２の長手方向に沿うように取り付けられている。これにより、圧電素子３０の変位をアーム部１２に効果的に伝達することができ、アーム部１２を高精度で制御することが可能となる。
【００２７】
スライダＳＬは、薄膜磁気ヘッドＨを備えており、ハードディスクから磁気記録情報を読み取ったり、ハードディスクに磁気記録情報を記録したりするものである。スライダＳＬは略直方体形状をなしており、図中上方の面が、ハードディスクに対面するエアベアリング面である。なお、スライダＳＬは模式的に描いており、ハードディスクからの浮上量を調整するためのスライダレール等は省略している。スライダＳＬは、接着剤によって各アーム部１２の内側面に固定されている。
【００２８】
また、アクチュエータ１は、ハードディスク装置のサスペンションアーム４０に搭載されている。サスペンションアーム４０は、先端にジンバル４２が備えられており、ボイスコイルモータによって駆動されるものである。アクチュエータ１は、ジンバル４２のタング部４２ａに接着固定されている。尚、アーム部１２を揺動させる必要があることから、ジンバル４２に固定するための接着剤は連結部１５にのみ塗布されている。
【００２９】
以上のような構成のアクチュエータにおいて、低抵抗化されたシリコン構造体１０を通じて電極３２，３２間に電圧を印加すると、圧電セラミック素体３１がその分極方向に応じて伸長又は縮小する。この圧電セラミック素体３１の変形を利用して、アーム部１２，１２を図１の矢印Ｘ方向（２つのアーム部１２の配置面内でアーム部１２の長手方向に略直交する向き）に変位させ、これによりスライダＳＬの位置を制御することができる。すなわち、２本のアーム部１２は駆動アームとして機能する。アクチュエータ１により、ボイスコイルモータ及びサスペンションアームの協働では実現できないレベルの微小量の変動をスライダＳＬに行わせることができる。
【００３０】
そして、本実施形態のアクチュエータ１によれば、次のような効果が得られる。すなわち、このアクチュエータ１は、単結晶のシリコンによって形成されているため結晶欠陥が少なくなっており、アーム部１２を高精度で制御することができる。また、単結晶シリコンは、ハードディスク装置の使用温度範囲では塑性変形せずに弾性変形することから、制御性が高いアクチュエータを実現することができる。
【００３１】
また、このアクチュエータ１は、シリコンで形成されていることから、半導体製造プロセス等に利用されるフォトリソグラフィ技術や、マイクロマシニング技術を利用して製造することができる。フォトリソグラフィ技術は微細加工が可能であるため、アクチュエータ１の小型化を実現することができ、ピコスライダ、フェムトスライダ等として充分に使用することができる。
【００３２】
また、切削、研磨等の機械的加工によりアクチュエータを作製する場合は表面に傷が付き、それを起因としてひび割れ等が発生するおそれがある。これに対して、ドライエッチング又はウエットエッチングによればかかる問題の発生を防止でき、ＨＤＤサーボコントロール用アクチュエータとして充分使用に耐えることができる。
【００３３】
更に、フォトリソグラフィ技術を利用することによりシリコン構造体１０を一体成形することができるため、製造が容易である。しかも、メタルフレームアクチュエータを一体成形する場合とは異なり、アーム部の折り曲げ加工が不要である点からも、製造が容易といえる。
【００３４】
次に、図３（ａ）〜図３（ｆ）を参照して、本実施形態のアクチュエータの製造方法を説明する。
【００３５】
まず、図３（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板６０を準備する。単結晶シリコン基板６０は、意図的にドーピングはしておらず、高抵抗になっている。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、エッチング処理を施すことにより、単結晶シリコン基板６０の片面上に、並列した複数の板状突起部６１を形成する。各板状突起部６１は帯状とであり、互いに平行になっている。板状突起部６１は、後工程でアーム部１２となるものである。また、アーム部１２の下方に位置してエッチングされなかった基板の領域は、後工程で連結部１５となるものである。各板状突起部６１の間隔は、エッチングに際して形成するフォトマスクのパターンにより調整することができる。板状突起部６１の長さ（アーム部の長さに相当）は、エッチング時間により調整する。
【００３７】
上記のエッチングは、フォトレジストでパターンを形成した後、ＫＯＨ，ＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド）等のアルカリ水溶液をエッチング液として用いたウエットエッチング、又は、ＳＦ６／ＣＦ４を用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ・リアクチィブ・イオン・エッチング）等のドライエッチングを行う。尚、シリコン基板の面方位は、ウエットエッチングを施す場合は（１１０）面とすることが好適であるが、ドライエッチングの場合は特に限定されない。なお、ウエットエッチングの場合は（１１０）面方位基板を用いるが、ドライエッチングの場合は特に限定されない。エッチングを途中で止めることによってアーム部１２となる板状突起部６１を形成する。その突出長は、エッチング時間を調整することにより制御する。
【００３８】
次に、図３（ｃ）に示すように、複数の板状突起部６１を有するエッチング後のシリコン基板を切断して、それぞれが板状突起部６１を一対有するブロック６８を複数個形成する。切断方向は、板状突起部６１の延び方向と平行である。基板の切断手法は特に限定されず、ダイサー、スライサー、ワイヤーソー、又はレーザの何れを用いた方法でもよい。シリコン基板の切断後、切断面を研磨する。
【００３９】
次に、図３（ｄ）に示すように、長尺状（短冊状）の圧電素子長尺体７０を準備する。圧電素子長尺体７０は、方形状の圧電セラミック素体の表裏面にそれぞれ電極を形成し、これを細長く切断したものである。
【００４０】
そして、図３（ｅ）に示すように、ブロック６８の両側に圧電素子長尺体７０を取り付ける。この取り付けには、例えばエポキシ系、シリコーン系、アクリル系等の導電性接着剤が使用される。また、一対の板状突起部６１，６１に取り付けられる各圧電素子長尺体７０の分極方向は、同一方向でもよいし、反対方向であってもよい。
【００４１】
次いで、図３（ｆ）に示すように、圧電素子長尺体７０が取り付けられたブロック６８を切断して、図１に示したシリコン構造体１０と圧電素子３０とを有するアクチュエータ１を複数個得る。切断方向は、板状突起部６１の延び方向と平行な方向である（図中、破線で示す）。この場合の切断手法も特に限定されず、ダイサー、スライサー、ワイヤーソー、又はレーザの何れを用いた方法でもよい。アクチュエータ１のシリコン構造体１０は、板状突起部６１から得られたアーム部１２、及び、単結晶シリコン基板６０の残された領域から得られた連結部１５によって構成されている。また、圧電素子長尺体７０は、圧電素子３０となる。
【００４２】
以上が本実施形態のアクチュエータの製造方法である。このようにして得られたアクチュエータ１は、単結晶のシリコンによって形成されているため結晶欠陥が少なくなっており、アーム部１２を高精度で制御することができる。また、単結晶シリコンは、ハードディスク装置の使用温度範囲では塑性変形せずに弾性変形することから、制御性が高いアクチュエータを実現することができる。
【００４３】
また、製造に際しては微細加工が可能なエッチング技術を利用していることから、アクチュエータ１の小型化を実現することができる。更に、エッチング技術を利用することにより上記シリコン構造体１０を一体成形するため、製造が容易である。しかも、メタルフレームアクチュエータを一体成形する場合とは異なり、アーム部の折り曲げ加工が不要である点からも、製造が容易といえる。
【００４４】
更に、エッチング技術を利用しているため、シリコン表面へのダメージが少なく、アクチュエータ１の強度低下も生じない。また、エッチングを用いるため、高アスペクト比の構造を形成可能であることからアーム部１２の長さを広い範囲で設定することができると共に、繰り返し再現性のよい製作が可能である。
【００４５】
また、長尺のため取り扱いやすい圧電素子長尺体７０をブロック６８に取り付け、該ブロック６８を切断することで複数のアクチュエータ１を得るため、シリコン構造体１０のアーム部１２それぞれに一つずつ圧電素子３０を取り付ける場合と比較して、製造効率が極めて高くなっており、量産性に優れている。具体的には、圧電素子の位置調整の回数低減、接着の回数及びコストの低減が図られる。尚、圧電素子長尺体７０は、治具レベルで充分適切な位置に取り付けることができるため、高価な素子搭載機が不要という利点もある。
【００４６】
［第２実施形態］
図４は、本発明に係るアクチュエータの第２実施形態を示す斜視図である。本実施形態のアクチュエータ１では、圧電素子の構造が第１実施形態と異なり、単板型の代わりに積層型の圧電素子５０を使用している。圧電セラミック素体５１の内部には、内部電極５２ａ，５２ｂが交互に積層されている。圧電セラミック素体５１の一方の端面には各内部電極５２ａの端部が露出しており、これらは外部電極５３ａに接続されている。一方、圧電セラミック素体５１の他方の端面には各内部電極５２ｂの端部が露出しており、これらは外部電極５３ｂに接続されている。
【００４７】
各外部電極５３ａ，５３ｂは、ともに圧電セラミック素体５１の端面領域から外側面（アーム部１２が位置する側と反対側の面）まで延びており、同一面でワイヤボンディング等の配線作業が行えるようになっている。尚、外部電極５３ａは、圧電セラミック素体５１におけるシリコン構造体１０側の面を覆っている。また、外部電極５３ａと外部電極５３ｂは接触しておらず、隙間が設けられている。
【００４８】
本実施形態では、駆動用の圧電素子として積層型のものを使用しているため、アーム部１２の先端側での変位量を大きくすることができる。
【００４９】
また、製造に際して、短冊状の圧電素子長尺体として上記の複数枚の内部電極及び外部電極を有するものを用いれば、第１実施形態と同様の手順でアクチュエータを作製することができる。
【００５０】
更に、本実施形態では、シリコン構造体１０を不純物ドープにより低抵抗にしてもよいし、ノンドープで高抵抗にしてもよい。不純物ドープをする手間を省くことが可能という点で、第１実施形態よりも製造が容易という利点もある。
【００５１】
図５は、本実施形態のアクチュエータに用いる圧電素子の変形例を示す斜視図である。本変形例では、圧電素子５０の外部電極５３ａは図４と同じ構造であるが、他方の外部電極５３ｂは圧電セラミック素体５１の端面を覆っていない。圧電セラミック素体５１の内部には、各内部電極５２ｂに電気的に接続されたスルーホール５４が形成されており、該スルーホール５４は外部電極５３ｂに接続されている。このような構成によっても、外部電極５３ａ，５３ｂ間に電圧を印加することで、圧電素子を変位させることができる。
【００５２】
［第３実施形態］
図６は、本発明に係るアクチュエータの第３実施形態を示す斜視図である。本実施形態では、シリコン構造体１０は、単結晶シリコンを不純物ドープにより低抵抗化したものとなっている。抵抗率は、１Ωｃｍ以下であることが好ましい。不純物としてリン等のドナーを添加しｎ型半導体にしてもよいし、アルミニウム等のアクセプタを添加してｐ型半導体にしてもよい。
【００５３】
また、本実施形態で使用する圧電素子９０は、第１実施形態のように単板型であるが、圧電セラミック素体９１と、この外側面に位置する一枚の電極９２とによって構成されている。すなわち、第１実施形態と異なり、圧電セラミック素体９１の一方面のみに電極が形成されている。また、圧電素子９０は、導電性接着剤によってシリコン構造体１０のアーム部１２に接着されている。
【００５４】
このような構成のアクチュエータ１では、電極９２とシリコン構造体１０間を通電することにより、一対の圧電素子９０，９０の何れにも電圧を印加することができる。つまり、シリコン構造体１０が各圧電素子９０の共通端子としての機能を兼ね備えている。また、圧電素子９０には一方面にのみ電極を形成すればよいため、製造時間の短縮化及びコスト削減を達成することができる。
【００５５】
［第４実施形態］
図７は、本発明に係るアクチュエータの第４実施形態を示す斜視図である。本実施形態のアクチュエータ１は、圧電素子の構造が第１実施形態と異なる。圧電セラミック素体８１は第１実施形態と同様に単板構造としているが、電極８２，８３の構成が第１実施形態と異なる。電極８２は、圧電セラミック素体８１のシリコン構造体１０側の面、側端面、及び、外側面の一部を覆っている。一方、電極８３は、電極８２から所定の間隔を隔ててセラミック素体８１の外側面に形成されている。このような構成においては、同一面でワイヤボンディング等の配線作業が行えるという利点がある。
【００５６】
また、本実施形態では、シリコン構造体１０を不純物ドープにより低抵抗にしてもよいし、ノンドープで高抵抗にしてもよい。不純物ドープをする手間を省くことが可能という点で、第１実施形態よりも製造が容易という利点もある。
【００５７】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、圧電素子として単板型と積層型のものを例示したが、バイモルフ型であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るアクチュエータの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示すアクチュエータの分解斜視図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｆ）は、本実施形態のアクチュエータの製造方法を示す図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータの第２実施形態を示す斜視図である。
【図５】第２実施形態のアクチュエータに用いられる圧電素子の変形例を示す斜視図である。
【図６】本発明に係るアクチュエータの第３実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明に係るアクチュエータの第４実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…アクチュエータ、１０…シリコン構造体、１２…アーム部、１５…連結部、１５ａ…突出部、１５ｂ…位置決め面、３０…圧電素子、３１…圧電セラミック素体、３２…電極、４０…サスペンションアーム、４２…ジンバル、４２ａ…タング部、５０…圧電素子、５１…圧電セラミック素体、５２ａ，５２ｂ …内部電極、５３ａ，５３ｂ   …外部電極、６０…単結晶シリコン基板、６１…板状突起部、６８…ブロック、７０…圧電素子長尺体、９０…圧電素子、９１…圧電セラミック素体、９２…電極、Ｈ…薄膜磁気ヘッド、ＳＬ…磁気ヘッドスライダ。
【図１】
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【図２】
2004188587.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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