CN1319046C - 致动器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种致动器(1)，其具有一对臂(12)和一个将臂相互连接的连接部件(15)。臂(12)和连接部件(15)整个地由单晶硅形成。各自的压电装置(30)结合在臂(12)上。

Description

致动器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种利用硅结构的臂位移的致动器以及该致动器的制造方法，该硅结构具有与其连接的压电装置。具体说，本发明涉及一种适合在具有高精度等的磁记录装置内控制磁头位置的致动器及其制造方法。

背景技术

近年来，磁记录密度正以很快的速度得以改进。为增加密度，磁迹间距宽度被做成很窄，这就有必要改善根据磁轨位置调整磁头位置的精度。然而，在单独依靠VCM(音圈马达)进行控制时，磁头位置的调整受到限制。这样，提出了一种利用VCM和执行精确控制的致动器的二级伺服控制系统。

现有已知的用于二级伺服控制系统的致动器是氧化锆框架致动器和金属框架致动器(例如，见日本特开2002-289936号)。

氧化锆框架致动器是通过包括以下步骤方法获得的：即用压电装置通过印刷或类似工艺形成叠层氧化锆片；烧制得到的产品；然后将烧制的产品切割成装置尺寸。这种致动器因使用氧化锆，具有改善冲击阻抗的优点。

就制造金属框架致动器而言，最初将不锈钢片蚀刻或冲压，形成滑动底座，一个做成悬挂的部件，以及附加有压电装置的一对驱动部件(臂)。结果，各个驱动部件弯曲成与滑动底座垂直，压电装置则附加在各个驱动部件的外侧。这就得到一种主要部件整个由金属形成的致动器。整个形成可以减少元件的数量，同时提高生产效率。

然而，上述传统致动器存在下列问题。第一，氧化锆框架致动器因其硬度太高，可加工性低，因而不宜于做成小尺寸并难以跟上将磁头滑动器做成更小的潮流，而这正是目前所期望的。陶瓷如氧化锆容易含有气泡，这使得高精确度控制一对驱动部件(臂)变得困难。

另一方面，整个地形成金属框架致动器需要弯曲或类似加工，但制造它们需要花费时间和精力。

发明内容

本发明目的是提供一种致动器及其制造方法，该致动器可以高精确度地控制臂，并且制造容易，尺寸小。

上述目的可以由本发明获得。即，本发明的致动器，包括用单晶硅整个形成的硅结构，其具有一对臂和将臂相互连接的连接部件；以及各自结合在臂上的压电装置。

由于致动器是由单晶硅形成的，其中晶体缺陷少，故可以对臂进行高精度的控制。

由于致动器是由硅形成的，其制造可采用用于半导体制造过程等的照相平版技术。照相平版技术能够形成精细加工，由此致动器可以制造得更小。

由于硅结构可以整个地利用照相平版技术形成，因而致动器容易制造。也可以理解为因不像金属框架致动器整个形成时需要将臂弯曲，故容易制造。

在本发明的致动器中，优选各个压电装置具有在一个方向上延伸的形式，并结合在各自臂的一个外侧面，使得压电装置的纵方向沿着臂的纵方向延伸。

这样的结构可以有效地将压电装置的位移传递给臂，由此使得高精确地控制臂成为可能。

在本发明的致动器中，各个压电装置可以是叠层压电装置。这可以增强压电装置的驱动量，由此可将臂的位移量做得更大。

所述硅结构可以掺杂不纯物，以降低阻抗。这使得通过硅结构来加强压电装置成为可能。其结果，压电装置的电极数量可以减少。

本发明的致动器制造方法，包括几个步骤，即蚀刻单晶硅基片的表面，在单晶硅基片上形成多个平行排列的片状凸起；将单晶硅基片切成多个块，每块有一对片状凸起；在每块的一对片状凸起各个外侧面结合一个延伸的压电装置体；切割结合有延伸压电装置的块，形成多个致动器，每一个致动器包括整个地与一对臂形成的硅结构，一个用于臂相互连接的连接部件，和各自结合在臂上的压电装置。由于这样获得的致动器由单晶硅形成，其中晶体缺陷少，从而臂可以高精确地控制。

由于将能够精细加工的蚀刻技术用于制造，致动器可做得更小。由于硅结构通过蚀刻技术整个地形成，制造变得容易。也可以理解为因不像金属框架致动器整个形成时需要将臂弯曲，故容易制造。

因长度而容易加工的延伸压电装置体，可以结合在一个块上，然后，将块切成多个致动器，生产效率比将压电装置逐个结合在硅结构的臂上时高。

附图简要说明

图1示出了根据本发明第一实施方案的致动器的透视图；

图2是图1所示的致动器的分解透视图；

图3A到图3F示出了根据第一实施方案的制造致动器的方法；

图4是根据本发明第二实施方案所示的致动器的透视图；

图5是根据第二实施方案，用于致动器的压电装置的改变例所示的透视图；

图6是根据本发明的第三实施方案的所示致动器的透视图；以及

图7是根据本发明第四实施方案的所示致动器的透视图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的优选实施方案进行详细说明。相同的构成采用相同的符号，不做重复说明。

第一实施方案：图1示出了根据本发明第一实施方案的致动器的透视图。图2是图1所示致动器的分解透视图。本实施例的致动器1是用于HDD伺服控制的致动器，该致动器用于在附图中箭头X的方向移动磁滑动头(以下简称“滑动头”)SL。致动器1由硅结构10、和一对压电装置30，30组成。

硅结构10整个地由单晶硅形成基本上呈U型的形状，由在其间支持滑动头SL的一对臂12，12和用于相互连接所述一对臂12，12的连接部件15组成。连接部件15具有长方形的平行六面体形状，从其两边平行凸起一对臂12，12。作为硅结构10使用的是掺杂有不纯物的低阻抗结构。电阻率优选为1Ωcm或更小。硅结构10可以通过掺杂作为不纯物的供体如磷而成为n-型半导体，或通过掺杂作为不纯物的受体如铝而成为p-型半导体。

压电装置30各通过一种如环氧树脂、硅氧烷和丙烯酸类的导电粘合剂结合在各自臂部件12的外侧面12a上。压电装置30各具有单片结构，其中压电陶瓷体31(如PZT)的前面和后面用各自的电极32形成。压电装置30各沿着一个方向延伸，以得到一个长方形的片状的形态，并连接在其相应的臂12上，这样，压电装置30的纵方向沿着臂12的纵方向延伸。其结果，压电装置30的位移可以有效地传递给臂12，从而使臂12可以得到高精确度的控制。

滑动头SL包括一个薄膜磁头H，用于从硬盘读取磁记录信息，并在硬盘上记录磁记录信息。滑动头SL具有基本上是长型的平行六面体的形状，在附图中，其上表面是与硬盘相对的空气支承面。这里，仅示意性描述了滑动头SL，而没有示出用于调节从硬盘的浮起置的滑动轨。滑动头SL粘接固定在每个臂12的内侧面。

致动器1安装在硬盘驱动装置的悬臂40上。悬臂40有一个前端，用于支持万向架42，并由语音线圈马达驱动。致动器1与万向架42的舌片42a结合并固定。由于臂12需要摆动，故将致动器1固定在万向架42上的粘合剂仅仅涂布在连接件15上。

在这样形成的致动器，当通过具有低阻抗的硅结构10在电极32，32之间施加电压时，压电陶瓷体31各沿着其极化方向延伸或收缩。压电陶瓷体31的这种变形可以在箭头x方向上使臂12，12移动(在安置两个臂12平面内，方向基本上与各个臂12的纵方向正交)，从而控制滑动头SL的位置。即，所述两个臂12作为驱动臂工作。致动器1可以导致滑动头SL在通过语音线圈马达和悬臂的配合不能实现的水平下作精确摆动。

本实施方案的致动器1可以获得以下效果。由于所述致动器1由单晶硅形成，其中晶体缺陷少，从而臂12可以高精确地控制。并且，由于单晶硅在使用硬盘驱动时的温度范围内不会发生塑性变形，而会发生弹性变形，可以实现具有高可控性的致动器。

因致动器1由硅形成，故可以通过利用用于半导体制造过程等的照相平版和微加工技术制成。照相平版技术能够获得精加工，因此可以使致动器1制造得更小，使得致动器1可以完全用作皮-滑动头、飞-滑动头等。

当用机加工如切削和研磨生产致动器时，可能损伤它的表面，且表面上会产生裂缝等。另一方面，干式或湿式蚀刻可以防止上述问题的发生，所以致动器可以充分作为HDD伺服控制致动器使用。

进一步，由于硅结构10可通过照相平版技术整个地形成，因而可以容易地制造。也可以理解为是因为不像金属框架致动器整个形成时需要将臂弯曲，故容易制造。

以下，参照附图3A到3F，对本实施方案的致动器的制造方法进行详细说明。

首先，如图3A所示，准备一个单晶硅基片60。单晶硅基片60有意不掺杂，这样具有高阻抗。

接着，如图3B所示，将单晶硅基片60的一个表面蚀刻，以形成多个平行排列在其上的片状凸起61。片状凸起61各形成带状，相互平行。片状凸起61在后续步骤成为臂12。位于臂12下面的未蚀刻基片区域在后续步骤成为连接部件15。片状凸起61的间隔可以通过蚀刻时形成的光掩膜图案调节。各个片状凸起61的高度(相应于各自臂的长度)通过蚀刻时间调节。

如上所述的蚀刻，在用光阻材料形成图案后，利用碱性水溶液如KOH和TMAH(四甲基铵氢氧化物)作为蚀刻剂进行湿蚀刻，或使用如SF₆/CF₄的ICP-RIE(感应耦合等离子反应离子蚀刻)进行干蚀刻。这里，在进行湿蚀刻时，硅基片的表面定向优选其表面(110)，而在干蚀刻时没有特殊限制。尽管将(110)表面一定向基片(110)用于湿蚀刻，但在干蚀刻情况下没有特别限制。片状凸起61，通过在中途停止蚀刻而成为臂12。片状凸起61的高度通过调节蚀刻时间来控制。

接着，如图3C所示，具有多个片状凸起61的蚀刻硅基片，被切割成多个块68，每块有一对片状凸起61。切割方向与每个片状凸起61延伸的方向平行。切割基片技术可以采用任何切块机、切片机、线锯、和激光，没有特别限制。所述硅基片切割后，对断面进行研磨。

接下来，如图3D所示，准备延伸(条状)的压电装置体70。形成在前部和后部具有各自电极的长方形压电陶瓷体，然后将其切薄，由此得到所述延伸的压电装置体70。

接着，如图3E所示，所述延伸的压电装置体70各自结合在块68的两边。这种结合，使用如环氧树脂、硅氧烷和丙烯酸的导电粘合剂。结合在一对片状凸起61，61上的各个延伸的压电装置体70，可以在同方向或相反方向极化。

然后，如图3F所示，将结合有延伸压电装置体70的块68切割成多个致动器1，各致动器1具有如图1所示的硅结构10和压电装置30。切割方向(由图3F的虚线所示)垂直于各个片状凸起61的延伸方向。切割技术可以采用任何切块机、切片机、线锯、和激光，没有特别限制。致动器1中的硅结构10由片状凸起61形成的臂12和从单晶硅基片60的剩余部分获得的连接部件15组成。延伸的压电装置体70成为压电装置30。

以上是一种根据本实施方案制造致动器的方法。由于如此获得的致动器1由单晶硅形成，其中晶体缺陷少，故可以实现臂12高精确度控制。并且，由于单晶硅在使用硬盘驱动时的温度范围内不会发生塑性变形，而会发生弹性变形，可以实现具有高可控性的致动器。

由于制造中采用能够精加工的蚀刻技术，致动器1可以制造得很小。而且，由于硅结构10通过采用蚀刻技术整个地形成，因而制造容易。也可以认为是因为不像金属框架致动器整个形成时需要将臂弯曲，故容易制造。

由于使用蚀刻技术，对硅表面损伤很小，故致动器不会降低强度。由于使用蚀刻技术，可以形成高纵横比的结构，这使得在宽范围内设置臂12的长度成为可能，并使产品具有良好重复再生产性。

由于其长度而容易处理的延伸压电装置体70，结合在块68上，然后块68被切割成多个致动器1，生产效率远远高于压电装置30逐个地结合在硅结构10的臂12时的情形。故此，根据该实施方案的方法，对大规模生产而言非常优异。特别是，这种方法可以减少调整压电装置位置的操作次数，以及结合操作的次数，并降低成本。由于延伸的压电装置体70可以单独与模具一起结合在足够适当的位置，故这种方法具有不需要使用昂贵安装设备的优点。

第二实施方案：图4是根据本发明第二实施方案所示的致动器的透视图。第二实施方案的致动器1与第一实施方案的致动器不同的是，用叠层压电装置50替换单片压电装置。在各个叠层压电装置50的压电陶瓷体51内，内电极52a，52b交替地叠层。内电极52a的端部暴露在压电陶瓷体51的一个端面，并与外电极53a连接。另一方面，内电极52b的端部暴露在压电陶瓷体51的另一端面，并与外电极53b相连接。

外电极53a，53b从压电陶瓷体51各自的端面区域延伸到它们相应的外侧面(与臂12所在侧面相对的表面)，从而线操作(如线结合)可在相同表面上进行。这里，外电极53a覆盖在压电陶瓷体51内硅结构10一侧的表面。外电极53a和53b不相互连接，且在其间形成一个间隙。

作为驱动压电装置，本实施方案使用叠层的装置，由此可以增加每个臂12的前端侧的位移量。

作为条状的延伸压电装置体，致动器可以用类似第一实施方案的方法生产，在制造时使用包括上述多个内电极和外电极的元件。

在本实施方案中，硅结构10可以掺杂不纯物产生低阻抗或在没有掺杂时产生高阻抗。由于可以节省掺杂不纯物所需的时间和精力，这种实施方案具有比第一实施方案更容易制造的优点。

图5示出了用于本实施方案的致动器压电装置的改变例的透视图。在改变实施方案中，尽管压电装置50的外电极53a具有如图4所示的结构，但另一外电极53b不覆盖压电陶瓷体51的端面。在压电陶瓷体51内部，形成一个电连接到单个内电极52b的穿孔54，并连接到外电极53b。如此的构造也可以在将电压施加于外电极53a和53b之间时使压电装置位移。

第三实施方案：图6是根据本发明第三实施方案所示致动器的透视图。在本实施方案中，硅结构10是掺杂有不纯物的单晶硅，用以降低其阻抗。电阻率优选为1Ωcm或更小。硅结构10可以通过掺杂供体如磷作为不纯物而转换成n-型半导体，或通过掺杂受体如铝作为不纯物而转换成p-型半导体。

本实施方案使用的各个压电装置90属于第一实施方案的单片型，但它是用压电陶瓷体91和位于其外侧面上的单电极92构成的。换言之，它不像第一实施方案，电极仅形成在压电陶瓷体91的一侧。压电装置90用导电粘合剂结合在硅结构10的臂12上。

当电流在任一电极92和硅结构10之间流动时，电压可以施加于一对电极装置90，90的任一个上。即，硅结构10还可用作电压装置90，90的公共终端。由于仅仅在各个压电装置90的一个面上形成电极，因而制造时间和成本可以减少。

第四实施方案：图7示出了根据本发明致动器的第四实施方案的透视图。

本实施方案的致动器1与第一实施方案的压电装置结构不同。即，尽管各个压电陶瓷体81具有如第一实施方案的单片结构，但电极82，83的构造与第一实施方案的构造不同。电极83覆盖压电陶瓷体81的硅结构10侧的表面、侧端面和外侧面的一部分。另一方面，当从电极83分离一个预定间隙时，电极82形成在陶瓷体81的外侧面上。这种构造具有线操作(如线结合)可以在同一个表面上进行的优点。

在本实施方案中，所述硅结构10可以通过掺杂不纯物而获得低阻抗，或在没有掺杂时获得高阻抗。由于可以节省掺杂不纯物的时间和精力，这种实施方案具有比第一实施方案更容易制造的优点。

以上，尽管对发明人获得的本发明参照上述实施方案作了详细说明，但本发明不受上述实施方案的限制。例如，尽管就压电装置例举了单片型和叠层型，但也可以采用双压电晶片型元件。

如上述所述，本发明可以高精度地控制臂，获得更小尺寸，并有利于制造。

基础日本申请(2002年11月28日提交的申请号2002-345815和同日提交的申请号2002-346476)作为参考引入本文。

Claims (5)

1.一种致动器，其特征在于，包括：

硅结构，整个地由单晶硅形成，具有一对臂和一个将所述臂相互连接的连接部件，以及

结合在所述各臂的面中，与所述连接部侧相对侧的面上的压电装置。

2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，

各个压电装置具有在一个方向上延伸的形状；

各个压电装置结合在所述各自臂上，使得所述压电装置的纵方向沿着所述臂的纵方向延伸。

3.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，其所述压电装置是叠层的压电装置。

4.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述硅结构掺杂不纯物，以得到低阻抗。

5.一种致动器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

蚀刻单晶硅基片的一个表面，在所述单晶硅基片上形成多个平行排列的片状凸起；

将所述单晶硅晶片切割成多个块，各个块均具有一对片状凸起；

将延伸的压电装置体结合在各个块中一对片状凸起的每一个的外侧面；以及

将结合有所述具有延伸压电装置的所述块切割成多个致动器，每个致动器包括整个地与一对臂和一个用于将臂相互连接的连接部件形成的硅结构，以及各自结合在所述臂上的压电装置。

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