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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden
oder Bonden eines piezoelektrischen Elements und einer Elektrode
und ein piezoelektrisches Mikrostellglied unter Verwendung des Bonding-Verfahrens.
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In
den letzten Jahren wurden Magnetplattenlaufwerke, die zur externen
Speicherung in einem Computer genutzt werden, zunehmend kleiner
und dünner,
und es wurde gefordert, deren Leistungsverbrauch zu reduzieren.
Ferner wurde im Magnetplattenlaufwerk auch eine Aufzeichnung mit
hoher Dichte und großer
Kapazität
gefordert. Im Allgemeinen kann eine Aufzeichnung mit großer Kapazität im Magnetplattenlaufwerk
realisiert werden, indem die Aufzeichnungskapazität pro Platte
erhöht
wird. Im Falle einer Erhöhung
der Aufzeichnungsdichte ohne Ändern
des Durchmessers der Platte wird jedoch der Spurabstand verringert,
was ein technisches Problem dahingehend aufwirft, wie genau ein
Kopfelement zum Lesen und Schreiben von Information auf einer Aufzeichnungsspur
positioniert werden kann. Es ist daher wünschenswert, ein Kopfstellglied
mit einer guten Positioniergenauigkeit zu schaffen.
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Um
eine Kopfpositionierung mit hoher Genauigkeit in einem herkömmlichen
Magnetplattenlaufwerk durchzuführen,
wurde im Allgemeinen versucht, die Steifigkeit eines beweglichen
Abschnitts oder Teils wie z.B. eines Stellgliedarms zu verbessern,
wodurch eine primäre
Resonanzfrequenz in der horizontalen Dichtung des beweglichen Teils
verbessert wird. Es gibt jedoch eine Begrenzung für die Verbesserung
der Resonanzfrequenz. Selbst wenn die Resonanzfrequenz in der horizontalen
Richtung des beweglichen Teils stark verbessert werden kann, treten
aufgrund der Federcharakteristik eines Lagers zum Tragen oder Abstützen des
beweglichen Teils Vibrationen auf, was somit eine Reduzierung der
Kopfpositioniergenauigkeit hervorruft.
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Als
ein Mittel zum Lösen
dieser Probleme wurde ein so genanntes Doppelstellglied vorgeschlagen. Das
Doppelstellglied wird konfiguriert, indem ein zweites Stellglied
zum Verfolgen einer Spur, d.h. ein Spurfolgestellglied auf dem Ende
des Arms des Kopfstellglieds montiert wird. Das Spurfolgestellglied
wird unabhängig vom
Kopfstellglied für
eine Feinbewegung eines Kopfes betrieben, der am vorderen Ende des
Spurfolgestellglieds vorgesehen ist, wodurch die gewünschte Spurverfolgung
des Kopfes erreicht wird.
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Ein
Stellglied, das einen laminierten Typ eines piezoelektrischen Elements
nutzt, wurde als das Spurfolgestellglied im Doppelstellglied vorgeschlagen,
um eine präzise
Positionierung des Kopfes zu erreichen. Zum Beispiel sind zwei piezoelektrische
Elemente vom laminierten Typ auf den gegenüberliegenden Seiten eines Stellgliedarms
angeordnet, und an die piezoelektrischen Elemente wird eine Spannung
in solch einer Richtung angelegt, dass eines der piezoelektrischen
Elemente expandiert und das andere piezoelektrische Element kontrahiert
wird. Als Folge wird der Kopf in Richtung auf die Seite, wo sich
das kontrahierte piezoelektrische Element befindet, gedreht.
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Das
herkömmliche
zweistufige Stellglied, das die piezoelektrischen Elemente vom laminierten
Typ nutzt, kann sich jedoch aus verschiedenen Gründen verschlechtern; z.B. kann
eine Spannung in einer Richtung entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung
jedes piezoelektrischen Elements angelegt werden, können die
piezoelektrischen Elemente einer Atmosphäre oder Umgebung mit hoher
Temperatur ausgesetzt sein oder können sich die piezoelektrischen
Elemente im Laufe der Zeit ändern.
Als Folge werden die piezoelektrischen Elemente depolarisiert, was
eine allmähliche
Verschlechterung der Verschiebung pro Einheitsspannung hervorruft.
Demgemäß kann nach
einer langen Verwendungszeit ein erwünschter Hub nicht erhalten
werden. Ferner weist das herkömmliche
zweistufige Stellglied, das die piezoelektrischen Elemente vom laminierten
Typ nutzt, einen weiteren Nachteil auf, nämlich dass die Herstellbarkeit
der piezoelektrischen Elemente gering ist, während die Genauigkeit in den
Außenabmessungen
jedes piezoelektrischen Elements notwendig ist, was zu einer Kostensteigerung
führt.
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Ein
anderes zweistufiges Stellglied, das anstelle des oben erwähnten piezoelektrischen
Elements vom laminierten Typ, das viele Nachteile aufweist, ein
piezoelektrisches Element vom Schertyp nutzt, wurde in den offen
gelegten japanischen Patenten Nr. 10-293979 und 11-31368 vorgeschlagen.
Das offen gelegte japanische Patent Nr. 11-31368 offenbart einen
mikroskopischen Bewegungsmechanismus für einen Kopf. Dieser Mechanismus
hat eine Dreischichtstruktur mit einer Elektrode, die auf dem vorderen
Ende eines Kopfarms ausgebildet ist, zwei piezoelektrischen Elementen
vom Schertyp mit verschiedenen Polarisationsrichtungen, die auf
der Elektrode montiert sind, und einem beweg liches Bauteil, das
auf den piezoelektrischen Elementen montiert ist. Auf dem beweglichen
Bauteil ist eine Kopfaufhängung
montiert. Es kann auch auf DE-A1-19816909
verwiesen werden.
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Verglichen
mit der Dicke von nur einem zwischen einem Kopfarm und einer Aufhängung angeordneten Abstandhalter
als herkömmliche
Struktur ist demgemäß die Dicke
der obigen Dreischichtstruktur zwischen dem Kopfarm und der Aufhängung größer, so
dass dieser Mechanismus nicht zum Reduzieren der Dicke des Kopfstellglieds
geeignet ist. Solch eine Zunahme der Dicke zwischen dem Kopfarm
und der Aufhängung
bewirkt ferner eine Vergrößerung des
Abstands zwischen gegenüberliegenden
Plattenoberflächen.
Demgemäß wird die
Anzahl von Platten, die in einem Plattenlaufwerk montiert werden
können,
verringert, und als Folge ist die Speicherkapazität geringer
als diejenige in einem Plattenlaufwerk mit der gleichen Höhe.
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Der
vorliegende Anmelder hat einen verbesserten mikroskopischen Bewegungsmechanismus
für einen
Kopf vorgeschlagen, der das obige Problem lösen kann. Bei diesem vom vorliegenden
Anmelder vorgeschlagenen Mechanismus ist eine wie eine Kurbel gebogene
Stellgliedbasis an einem vorderen Endabschnitt eines Stellgliedarms
fixiert. Eine Mehrschichtstruktur, die aus einer Basiselektrode,
piezoelektrischen Elementen vom Schertyp, einer beweglichen Elektrode
und einer beweglichen Platte besteht, ist an der Stellgliedbasis fixiert,
und an der beweglichen Platte ist eine Aufhängung befestigt. Da die Stellgliedbasis
wie eine Kurbel gebogen ist, kann man die Oberseite der Stellgliedbasis
und die Oberseite der beweglichen Platte miteinander fluchten lassen,
wodurch die Dicke eines mikroskopischen Bewegungsmechanismus für einen
Kopf, der piezoelektrische Elemente vom Schertyp nutzt, reduziert
werden.
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In
dem vom vorliegenden Anmelder vorgeschlagenen obigen Mechanismus
müssen
die piezoelektrischen Elemente und die Basiselektrode elektrisch
verbunden sein und müssen
auch die piezoelektrischen Elemente und die bewegliche Elektrode
verbunden sein. Zu diesem Zweck wird ein leitfähiger Klebstoff verwendet,
um die piezoelektrischen Elemente an der Basiselektrode und der
beweglichen Elektrode zu fixieren. Auf der anderen Seite müssen die
Stellgliedbasis und die Basiselektrode voneinander isoliert sein,
und die bewegliche Elektrode und die bewegliche Platte müssen voneinander
isoliert sein. Zu die sem Zweck wird ein herkömmlicher isolierender Klebstoff
genutzt, um die Stellgliedbasis und die Basiselektrode zu fixieren
und die bewegliche Elektrode und die bewegliche Platte zu fixieren.
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Die
Verwendung des leitfähigen
Klebstoffs soll eine zuverlässige
Verbindung oder ein zuverlässiges Bonden
zwischen den piezoelektrischen Elementen und der Basiselektrode
und zwischen den piezoelektrischen Elementen und der beweglichen
Elektrode sicherstellen. Da jedes piezoelektrische Element eine
Dicke von nur 0,15 mm hat, besteht jedoch eine Möglichkeit, dass aufgrund von
Arbeitstoleranzen oder dergleichen ein Kurzschluss zwischen der
Basiselektrode und der beweglichen Elektrode erzeugt werden kann.
Ferner ist für
den leitfähigen
Klebstoff eine Härteperiode
von etwa 3 Minuten bei 150 °C
erforderlich, was die Produktivität sehr reduziert. Außerdem bleibt
nach einem Härten
des leitfähigen
Klebstoffs, da er aus Harz besteht, eine Verzerrung zurück.
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Metallbeschichtungen
und Lötmittel
sind z.B. aus US-A-3897628 und US-A-5325012 ebenfalls bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Verbinden oder Bonden eines piezoelektrischen Elements und einer
Elektrode zu schaffen, welches das piezoelektrische Element und die
Elektrode ohne das Auftreten eines Kurzschlusses oder dergleichen
zuverlässig
verbinden oder Bonden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Bonden eines piezoelektrischen
Elements und einer Elektrode geschaffen, mit den Schritten: Ausbilden
einer ersten Beschichtung aus einem aus der aus Au, Al, Zn, Cu und
Sn bestehenden Gruppe ausgewählten
Material auf einer Bonding-Oberfläche des piezoelektrischen Elements;
Ausbilden einer zweiten Beschichtung aus einem aus der aus Au, Al,
Zn, Cu und Sn bestehenden Gruppe ausgewählten Material auf einer Bonding-Oberfläche der
Elektrode; und Bringen der ersten und zweiten Beschichtungen in
engen Kontakt miteinander und Erhitzen dieser unter Druck, um eine
metallische Verbindung oder einen intermetallischen Verbund zwischen
der ersten und zweiten Beschichtung zu bilden. Die Kombination der
Materialien der ersten und zweiten Beschichtungen ist vorzugsweise
Au/Au, Au/Al, Zn/Cu oder Sn/Cu.
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Jede
der ersten und zweiten Beschichtungen hat vorzugsweise eine Dicke
von 1 μm
oder mehr. Das Verfahren weist vorzugsweise ferner den Schritt auf,
bei dem man das piezoelektrische Element und/oder die Elektrode,
während
das piezoelektrische Element und die Elektrode in engem Kontakt
miteinander gehalten werden, mittels Ultraschall vor dem Schritt
vibrieren lässt,
bei dem sie unter Druck erhitzt werden. Alternativ dazu kann das
Verfahren ferner den Schritt aufweisen, bei dem die erste und/oder
zweite Beschichtung mit einem aus der aus O2,
Ar, N2, SF6 und
CF4 bestehenden Gruppe ausgewählten Plasma
vor dem Schritt bestrahlt wird, bei dem sie unter Druck erhitzt
werden.
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Ein
resultierendes piezoelektrisches Mikrostellglied, welches nicht
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt, kann eine
Stellgliedbasis, eine an der Stellgliedbasis fixierte Basiselektrode,
erste und zweite piezoelektrische Elemente vom Schertyp, die durch
eine erste metallische Verbindung aus Au/Au oder durch einen ersten
intermetallischen Verbund, der aus der aus Au/Al, Zn/Cu und Sn/Cu
bestehenden Gruppe ausgewählt
wird, an die Basiselektrode gebondet sind, aufweisen, welches erste
und zweite piezoelektrische Element Polarisationsrichtungen aufweisen,
die zur Richtung ihrer Dicken senkrecht und zueinander entgegengesetzt
sind; eine bewegliche Elektrode, die durch eine zweite metallische
Verbindung aus Au/Au oder durch einen zweiten, aus der aus Au/Al,
Zn/Cu und Sn/Cu bestehenden Gruppe ausgewählten intermetallischen Verbund
an das erste und zweite piezoelektrische Element gebondet ist; und
eine bewegliche Platte, die an der beweglichen Elektrode fixiert
ist.
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Auch
beschrieben wird, ist aber nicht Teil der vorliegenden Erfindung,
ein piezoelektrisches Mikrostellglied mit einer Stellgliedbasis;
einer Basiselektrode, die an der Stellgliedbasis fixiert ist; einem
ersten und zweiten piezoelektrischen Element vom Schertyp, die durch
eine metallische Verbindung aus Au/Au oder durch eine aus der Au/Al,
Zn/Cu und Sn/Cu bestehenden Gruppe ausgewählten intermetallische Verbindung
an die Basiselektrode gebondet sind, welche erste und zweite piezoelektrischen
Elemente Polarisationsrichtungen senkrecht zur Richtung ihrer Dicken
und entgegengesetzt zueinander aufweisen; einer beweglichen Platte,
die an dem ersten und zweiten piezoelektrischen Element fi xiert
ist; einem ersten Draht zum Verbinden des ersten und zweiten piezoelektrischen
Elements; und einem zweiten Draht zum Verbinden eines der ersten
und zweiten piezoelektrischen Elemente mit der Basiselektrode; welche
Basiselektrode ein erstes Leitermuster aufweist, das durch die metallische
Verbindung oder den intermetallischen Verbund mit dem ersten und
zweiten piezoelektrischen Element elektrisch verbunden ist, und
ein zweites Leitermuster aufweist, das von dem ersten Leitermuster
elektrisch unabhängig
und mit dem zweiten Draht verbunden ist.
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Obgleich
nicht innerhalb der Grenzen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren
zum Verbinden oder Bonden eines piezoelektrischen Elements und einer
Elektrode beschrieben, mit den Schritten: Präparieren eines Sn-Pb-Lötmittels,
das 0,1 bis 10 Gew.-% eines aus der aus Ag, Bi, Sb, Ge und Ni bestehenden
Gruppe ausgewählten
Materials enthält;
und Löten
des piezoelektrischen Elements und der Elektrode unter Verwendung
des Sn-Pb-Lötmittels.
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Selbstjustierende
Bonding-Prozesse und -Vorrichtungen, die durch die vorhergehenden
Verfahren vorbereitet werden, werden ebenfalls beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung werden nun Ausführungsformen
von ihr beispielhaft mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1A und 1B eine
Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Doppelstellglieds sind,
das ein piezoelektrisches Mikrostellglied nutzt;
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2 eine
auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen
Mikrostellglieds gemäß einer
ersten Anwendung der vorliegenden Erfindung ist;
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3A und 3B eine
Seitenansicht bzw. Draufsicht einer Kopfanordnung sind, die das
piezoelektrische Mikrostellglied gemäß der ersten Anwendung nutzt
oder übernimmt;
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4 eine
vergrößerte Schnittansicht
von Bonding-Teilen oder -Abschnitten zwischen einem piezoelektrischen
Element und Elektroden gemäß der ersten
Ausführungsform
ist;
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5 eine
Schnittansicht zum Veranschaulichen eines Druckerhitzungsschritts
ist;
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6 eine
schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Ultraschallbehandlung
ist;
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7 eine
auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen
Mikrostellglieds gemäß einer
zweiten Anwendung der vorliegenden Erfindung ist;
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8 eine
Schnittansicht eines Bonding-Abschnitts zwischen einem piezoelektrischen
Element und einer Elektrode in der zweiten Ausführungsform ist;
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9A und 9B Schnittansichten
zum Veranschaulichen eines Selbstjustierungseffekts eines Lötmittels
sind; und
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10 eine
schematische perspektivische Ansicht ist, die eine Anordnung, welche
nicht innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt, zeigt,
in der ein Lötmittelresist
auf einen Abschnitt oder Teil einer Elektrode mit Ausnahme von Bonding-Abschnitten
aufgebracht wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Einige
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun mit Verweis auf die Zeichnungen im
Detail beschrieben. Bezugnehmend auf 1A ist
eine Draufsicht eines zweistufigen Kopfstellglieds 2 dargestellt,
das das gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellte piezoelektrische Mikrostellglied
als Spurfolgestellglied übernimmt. 1B ist
eine Seitenansicht des in 1A dargestellten
zweistufigen Kopfstellglieds 2.
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Das
zweistufige Kopfstellglied 2 besteht im Wesentlichen aus
einer Stellgliedanordnung 4 und einem (nicht dargestellten)
Magnetkreis. Die Stellgliedanordnung 4 ist auf einer Welle 6 drehbar
montiert, die an einer (nicht dargestellten) Basis eines Magnetplattenlaufwerks
fixiert ist. Die Stellgliedanordnung 4 enthält einen Stellgliedblock 8,
der durch ein Lager 7 auf der Welle 6 montiert
ist, mehrere Stellgliedarme 10, die mit dem Stellgliedblock 8 einteilig
ausgebildet sind und von ihm in einer Richtung radial ausgehen,
und ein spulentragendes Bauteil 12, das vom Stellgliedblock 8 in
der Richtung entgegengesetzt zur Richtung des Verlaufs der Stellgliedarme 10 ausgeht.
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Eine
flache Spule 14 wird vom spulentragenden Bauteil 12 getragen.
Der (nicht dargestellte) Magnetkreis, der an der Basis des Magnetplattenlaufwerks
fixiert ist, und die flache Spule 14, die in einem im Magnetkreis
definierten Spalt eingesetzt ist, bilden einen Schwingspulenmotor
(VCM). Ein piezoelektrisches Mikrostellglied 16 gemäß dieser
Anwendung der vorliegenden Erfindung ist auf dem äußeren Endabschnitt
jedes Stellgliedarms 10 montiert, und eine Aufhängung 18 ist
an dessen Basisende an jedem piezoelektrischen Mikrostellglied 16 fixiert.
Ein Magnetkopf 20 wird am vorderen Endabschnitt jeder Aufhängung 18 getragen.
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Bezugnehmend
auf 2 ist eine auseinander gezogene perspektivische
Ansicht des piezoelektrischen Mikrostellglieds 16 gemäß der ersten
Anwendung dargestellt. Das piezoelektrische Mikrostellglied 16 enthält eine
Stellgliedbasis 22, eine Basiselektrode 24, eine
bewegliche Elektrode 26, ein Paar piezoelektrische Elemente 28a und 28b vom
Schertyp und eine bewegliche Platte 30. Die Stellgliedbasis 22 hat
einen Basisendabschnitt 22a, einen Schulterabschnitt 22b und
einen vorderen Endabschnitt 22c. Der Basisendabschnitt 22a der
Stellgliedbasis 22 ist mit einem Vorsprung 22d einteilig
ausgebildet. Der Vorsprung 22d der Stellgliedbasis 22 ist
in ein Loch 10a eingesetzt, das auf dem Stellgliedarm 10 ausgebildet
ist, und an den Stellgliedarm 10 gekrimmt. Der Stellgliedarm 10 ist
geerdet.
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Der
vordere Endabschnitt 22c der Stellgliedbasis 22 ist
vom Basisendabschnitt 22a durch den Schulterabschnitt 22b auf
solch eine Weise angrenzend ausgebildet, dass die Ebene des vorderen
Endabschnitts 22c um den Schulterabschnitt 22b niedriger
als die Ebene des Basisendabschnitts 22e gesetzt wird.
Die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b vom
Schertyp sind zwischen der Basiselektrode 24 und der beweglichen Elektrode 26 sandwichartig
angeordnet, und die Basiselektrode 24 ist auf den vorderen
Endabschnitt 22c der Stellgliedbasis 22 montiert.
Die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b sind
in der gleichen Ebene parallel angeordnet und haben Polarisationsrichtungen
senkrecht zur Richtung ihrer Dicken und entgegengesetzt zueinander.
Die Polarisationsrichtungen sind parallel zur Längsrichtung des Stellgliedarms 10.
Die Ober- und Unterseiten jedes der piezoelektrischen Elemente 28a und 28b sind
mit Gold beschichtet, wie im Folgenden beschrieben wird.
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Die
Basiselektrode 24 ist mit einer Kontaktfahne (Verdrahtungs-Zuleitungsabschnitt) 25 versehen,
die an einer Seite des vorderen Endabschnitts 22c der Stellgliedbasis 22 aus
der Ebene vorragt. Ähnlich
ist die bewegliche Elektrode 26 mit einer vorragenden Kontaktfahne 27 neben
der Kontaktfahne 25 der Basiselektrode an der gleichen
Seite des vorderen Endabschnitts 22c der Stellgliedbasis 22 versehen.
Die bewegliche Platte 30 hat einen Basisabschnitt 36,
der durch einen ersten Schlitz 32 und einen zweiten Schlitz 34 definiert
wird, und einen eine Verschiebung vergrößernden Abschnitt 38,
der vom vorderen Ende des Basisabschnitts 36 ausgeht. Der
Basisabschnitt 36 der beweglichen Platte 30 ist
durch einen isolierenden Klebstoff auf der beweglichen Elektrode 26 montiert.
Die Aufhängung 18 ist
an dessen Basisabschnitt durch Punktschweißen oder dergleichen an dem
eine Verschiebung vergrößernden
Abschnitt 38 der beweglichen Platte 30 fixiert.
Bezugsziffer 40 bezeichnet einen Relais-FPC-Montageabschnitt,
der auf einer Seite des Basisabschnitts der Aufhängung 18 ausgebildet
ist, um einen Strom an den Magnetkopf 20 zu liefern.
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Bezugnehmend
auf 3A ist eine Seiteneinsicht einer Kopfanordnung
dargestellt, die das piezoelektrische Mikrostellglied 16 gemäß der ersten
Anwendung nutzt. 3B ist eine Draufsicht der Kopfanordnung,
die in 3A dargestellt ist. Im zusammengebauten
Zustand des piezoelektrischen Mikrostellglieds 16, wie
in 3A gezeigt, sind die Kontaktfahne 25 der
Basiselektrode 24 und die Kontaktfahne 27 der
beweglichen Elektrode 26 in radialer Richtung benachbart
zueinander angeordnet. Als Folge kann ein Paar Leitungsmuster 43 und 45,
die auf einem Relais-FPC 42 ausgebildet sind, leicht an
die Kontaktfahne 25 bzw. 27 gelötet werden,
so dass eine Spannung zwischen der Basiselektrode 24 und
der beweglichen Elektrode 26 einfach angelegt werden kann.
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Bezugnehmend
auf 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht von Bonding-Abschnitten
zwischen dem piezoelektrischen Element 28a und den Elektroden 24 und 26 gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Obgleich nicht dargestellt, sind die Bonding-Abschnitte
zwischen dem anderen piezoelektrischen Element 28b und
den Elektroden 24 und 26 jenen, die in 4 dargestellt
sind, ähnlich.
Goldbeschichtungen 46 und 48 mit einer jeweiligen
Dicke von 1 μm
sind auf der Ober- bzw. Unterseite des piezoelektrischen Ele ments 28a durch
Dampfabscheidung oder Plattieren ausgebildet. Auf der anderen Seite
ist eine Aluminiumbeschichtung 50 mit einer Dicke von 3 μm durch Dampfabscheidung
oder Plattieren auf der Bonding-Oberfläche (Oberseite) der Basiselektrode 24 ausgebildet. Ähnlich ist
eine Aluminiumbeschichtung 52 mit einer Dicke von 3 μm auf der
Bonding-Oberfläche
(Unterseite) des beweglichen Elements 26 ausgebildet. Das
Laminat oder die Schichtung der Basiselektrode 24, der
piezoelektrischen Elemente 28a und 28b und die
bewegliche Elektrode 26 wie in 4 gezeigt
wird zwischen einer Arbeitsfläche 54 und
einem Kopf 56 wie in 5 gezeigt angeordnet,
um einen Bonding-Vorgang durchzuführen.
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In
einem Experiment wurde die Arbeitsfläche 54 auf 290 °C erhitzt,
und der Kopf 56 wurde auf 180 °C erhitzt, während eine Last von 7,28 kg
auf den Kopf 56 angewendet wurde. Zu dieser Zeit betrug
die Temperatur des Laminats etwa 200 °C. Dieser Zustand wurde für etwa 90
Sekunden beibehalten, um einen intermetallischen Verbund zwischen
der Goldbeschichtung 46 und der Aluminiumbeschichtung 50 und
einen intermetallischen Verbund zwischen der Goldbeschichtung 48 und
der Aluminiumbeschichtung 52 zu bilden. Als Folge wurden
die Basiselektrode 24 und die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b durch
den zwischen der Goldbeschichtung 46 und der Aluminiumbeschichtung 50 ausgebildeten
intermetallischen Verbund gebondet. Die bewegliche Elektrode 26 und
die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b wurden ähnlich durch
den zwischen der Goldbeschichtung 48 und der Aluminiumbeschichtung 52 ausgebildeten
intermetallischen Verbund gebondet.
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Die
Dicke jeder intermetallischen Verbundschicht betrug etwa 2 μm, und die
Verbindungs- oder Bonding-Stärke
für jedes
piezoelektrische Element betrug 6,552 kg. Die Größe jedes piezoelektrischen
Elements betrug 2,2 × 1,3
mm2, so dass die Bonding-Stärke je Einheitsfläche 2,29
kg/mm2 betrug. Die Materialien der Beschichtungen 56 und 48 sind
nicht auf Gold (Au) beschränkt,
und die Materialien der Beschichtungen 50 und 52 sind
nicht auf Aluminium (Al) beschränkt,
sondern die Materialien der Beschichtungen 46, 48, 50 und 52 werden
aus der aus Au, Al, Zn, Cu und Sn bestehenden Gruppe gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgewählt.
Die Kombination der Materialien der Beschichtungen 46 und 50 wird
vorzugsweise auf Au/Au, Au/Al, Zn/Cu oder Sn/Co festgelegt.
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Die
Kombination der Materialien der Beschichtungen 48 und 42 ist ähnliche
vorzugsweise Au/Au, Au/Al, Zn/Cu oder Sn/Cu.
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Es
besteht eine Möglichkeit,
dass die Oberflächen
der Beschichtungen 46, 48, 50 und 52 gebeizt
werden können.
Es ist daher vorzuziehen, jede Beschichtungsoberfläche durch
ein geeignetes Verfahren zu reinigen, vorzugsweise indem sie mit
einem Plasma eines Gases bestrahlt wird, das aus der O2,
Ar, N2, SF6 und CF4 bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
In einem Experiment wurde jede der Beschichtungen 46, 48, 50 und 52 mit
einem O2-Plasmagas unter einem Unterdruck
von 0,13 Pa (10–3 Torr) bei einer Ausgangsleistung von
10 W 10 Minuten lang bestrahlt und danach dem oben erwähnten Druckheizschritt
unterzogen. Als Folge konnten die Basiselektrode 24 und
die bewegliche Elektrode 26 fest und zuverlässig an
die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b gebondet
werden.
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Bezugnehmend
auf 6 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der die Bonding-Oberfläche jeder
Beschichtung einer Ultraschall-Behandlung unterzogen wird. Wie in 6 gezeigt
ist, wird ein Kopf 58 mit einem Ultraschalltrichter 66 verwendet.
Der Kopf 58 ist mit einer Rohrleitung 60 versehen.
Ein Ende der Rohrleitung 60 öffnet sich zu einer Saugfläche (Unterseite) des
Kopfes 58 an dessen vorderem Endabschnitt, um die Oberseite
des piezoelektrischen Elements 28 anzusaugen. Das andere
Ende der Rohrleitung 60 ist durch eine Röhre 62 mit
einem Unterdrucksaugmittel 64 verbunden. In einem Experiment
ließ man
den Kopf 58 bei einer Ausgangsleistung von 29 W 45 Sekunden
lang in dem Zustand, in dem das Unterdrucksaugmittel 64 betrieben
wurde, mittels Ultraschall vibrieren. Als Folge wurde das piezoelektrische
Element 28a durch den Saugunterdruck zum Kopf 58 gesaugt,
und man ließ es
in der Richtung eines Pfeils S vibrieren. Demgemäß rieben die Beschichtungen 46 und 50 zwischen
der Basiselektrode 24 und dem piezoelektrischen Element 28a aneinander,
so dass auf den Beschichtungen 46 und 50 ausgebildete
Oxidfilme entfernt wurden, was folglich die Beschichtungsoberflächen reinigte. Überdies
wurden die Bonding-Oberflächen
der Beschichtungen 46 und 60 durch die Ultraschallvibration
erhitzt.
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Nach
der obigen Ultraschallbehandlung wurde die Basiselektrode 24 auf
der in 5 gezeigten Arbeitsfläche 54 platziert,
und die Arbeitsfläche 54 wur de
auf 290 °C
erhitzt. In diesem Fall wurde der Bonding-Abschnitt zwischen der
Basiselektrode 24 und dem piezoelektrischen Element 28a ohne
Heizen des Kopfes 56 auf 200 °C erhitzt. Eine Last von 2,18
kg wurde 90 Sekunden lang auf den Kopf 56 angewendet, um
die Basiselektrode 24 und das piezoelektrische Element 28a zu
verbinden oder zu bonden. Als Folge betrug die Bonding-Stärke für das piezoelektrische
Element 28a 10,083 kg. Die Größe des piezoelektrischen Elements 28a betrug
2,2 × 1,3
mm2, so dass die Bonding-Stärke pro
Einheitsfläche
3,53 kg/mm2 betrug. Die Dicke jeder Goldbeschichtung
betrug 1 μm,
und die Dicke jeder Aluminiumbeschichtung betrug 3 μm wie in
der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die Dicke jeder intermetallischen Verbundschicht betrug etwa 2 μm wie in
der ersten bevorzugten Ausführungsform.
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Als
nächstes
auf 7 verweisend ist eine auseinander gezogene perspektivische
Ansicht eines piezoelektrischen Mikrostellglieds 16' gemäß einer
zweiten Anwendung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das piezoelektrische
Mikrostellglied 16' umfasst
eine Stellgliedbasis 28, eine Basiselektrode 24', ein Paar piezoelektrische
Elemente 28a und 28b, erste und zweite Drähte 68 und 70 und
eine bewegliche Platte 30. Die Basiselektrode 24' ist an der
Stellgliedbasis 22 fixiert. Die Basiselektrode 24' weist ein erstes
Leitermuster 24a mit einer größeren Fläche und ein zweites Leitermuster 24b mit
einer kleineren Fläche
auf. Die ersten und zweiten Leitermuster 24a und 24b sind
voneinander unabhängig.
Die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b sind
durch intermetallische Verbunde ähnlich
jenen in der ersten bevorzugten Ausführungsform an die Basiselektrode 24' gebondet. Die
piezoelektrischen Elemente 28a und 28b werden
miteinander verbunden, indem der erste Draht 68 mit jedem
von ihnen verbunden wird. Das piezoelektrische Element 28a und
das zweite Leitermuster 25b der Basiselektrode 24 werden
miteinander verbunden, indem sie mit dem zweiten Draht 70 gebondet
werden.
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Die
bewegliche Platte 30 ist an den piezoelektrischen Elementen 28a und 28b fixiert.
Eine Aufhängung 18' ist an ihrem
Basisendabschnitt durch Punktschweißen oder dergleichen an der
beweglichen Platte 30 fixiert. Das piezoelektrische Mikrostellglied 16' gemäß der zweiten
Anwendung unterscheidet sich somit von dem piezoelektrischen Mikrostellglied 16 gemäß der ersten
Anwendung insofern, als die bewegliche Elektrode 26 des
piezoelektrischen Mikro stellglieds 16 eliminiert ist und
die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b durch
die beiden Drähte 68 und 70 mit
dem Leitermuster 24b der Basiselektrode 24' verbunden sind.
Zu diesem Zweck weist die Oberseite der piezoelektrischen Elemente
eine Goldbeschichtung auf.
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8 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
des Bonding-Abschnitts zwischen einem der piezoelektrischen Elemente 28a und
der Basiselektrode 24' in
der zweiten Ausführungsform.
Eine erste Beschichtung aus einem aus der Au, Al, Zn, Cu und Sn
bestehenden Gruppe ausgewählten
Material ist auf den Bonding-Oberflächen des
piezoelektrischen Elements 28a zur Basiselektrode 24' ausgebildet. Ähnlich ist
eine zweite Beschichtung aus einem Material, das aus der aus Au,
Al, Zn, Cu und Sn bestehenden Gruppe ausgewählt wird, auf der Bonding-Oberfläche der
Basiselektrode 24' zum
piezoelektrischen Element 28a ausgebildet. Die Zeichnung
zeigt auch eine Schicht eines Klebstoffs, der das piezoelektrische
Element 28a an die bewegliche Platte 30 bondet.
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Die
Kombination der Materialien der ersten und zweiten Beschichtung
ist vorzugsweise auf Au/Au, Au/Al, Zn/Cu oder Sn/Cu eingestellt.
Die erste und zweite Beschichtung werden miteinander gebondet, indem sie
in engem Kontakt zueinander platziert und unter einer darauf angewendeten
und vorgegebenen Last auf eine gegebene Temperatur erhitzt werden.
In dem Fall, dass die Kombination der Materialien der ersten und zweiten
Beschichtung Au/Au ist, werden die erste und zweite Beschichtung
durch eine metallische Verbindung aus Gold gebondet. In dem Fall,
dass die Kombination der Materialien der ersten und zweiten Beschichtung Au/Al,
Zn/Cu oder Sn/Cu ist, werden die erste und zweite Beschichtung durch
eine intermetallischen Verbundschicht gebondet. Die intermetallische
Verbundschicht hat eine Dicke von etwa 2 μm.
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Bezugnehmend
auf 9A und 9B ist
eine weitere Anordnung dargestellt, die nicht innerhalb des Umfangs
der vorliegenden Erfindung liegt und einen Selbstjustierungseffekt
beim Schmelzen eines Lötmittels nutzt,
um das piezoelektrische Element 28a und die bewegliche
Elektrode 26 zu bonden, welche im Wesentlichen die gleiche
Außenkontur
aufweisen. 9A zeigt den Zustand vor einem
Erhitzen. Bezugsziffer 74 bezeichnet eine Lötmittelpaste,
die auf die Bonding-Oberfläche
der beweglichen Elektrode 26 zum piezoelektrischen Element 28a aufgebracht
ist. 9B zeigt den Zustand nach einem Erhitzen. Wie in 9B gezeigt
ist, wird die Lötmittelpaste 74 durch
Erhitzen geschmolzen, um einen Selbstjustierungseffekt zu zeigen,
so dass das piezoelektrische Element 28a und die bewegliche
Elektrode 26 durch den Selbstjustierungseffekt der geschmolzenen
Lötmittelpaste 74 vertikal
ausgerichtet werden, somit das piezoelektrische Element 28a und
die bewegliche Elektrode 26 lötend.
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Die
Lötmittelpaste 74 ist
vorzugsweise ein Sn-Pb-Lötmittel
(Schmelzpunkt: 183 °C),
das 0,1 bis 10 Gew.-% eines Elements enthält, das aus der aus Ag, Bi,
Sb, Ge und Ni bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Durch den Zusatz
solch eines Elements kann die Benetzbarkeit des Lötmittels
verbessert werden, um so die im geschmolzenen Zustand aufgebrachte
Spannung zu erhöhen;
der Schmelzpunkt des Lötmittels
variiert in der Tat über
einen Bereich von etwa 10 °C, über welchen
das Lötmittel
teilweise geschmolzen ist, wodurch eine Spannung kontinuierlich
erzeugt wird. Folglich kann eine lagekorrigierende Spannung verbessert
werden, um den Selbstjustierungseffekt zu steigern.
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Die
Lötmittelpaste 74 kann
durch ein Verfahren effizient zugeführt werden, bei dem eine feste
Menge einer Lötmittelpaste
bis zu einem notwendigen Teil mit einem Spender zugeführt wird,
oder durch ein Verfahren, bei dem mit einer Metallmaske gedruckt
wird. Insbesondere weist das Druckverfahren den Vorteil auf, dass
das Lötmittel
stabiler zugeführt
werden kann, falls eine Rakel aus dem gleichen Material wie demjenigen der
Metallmaske besteht. Alternativ dazu kann ein Plattieren des Lötmittels
auf den zu bondenden Objektteilen als eine Vorbehandlung für das Löten ausgeführt werden.
Diese Vorbehandlung ist beim Kontrollieren der Menge an Lötmittel
effektiv. Ferner können
die zu bondenden Objektteile in der Reihenfolge angeordnet werden, indem
eine Spannvorrichtung oder dergleichen verwendet wird, wodurch eine
simultane Herstellung ermöglicht
wird.
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10 zeigt
eine andere Anordnung, die nicht innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung liegt, um beim Löten
eine effektive Selbstjustierung zu erreichen. Wie in 10 gezeigt
ist, lässt
man die Formen von Bonding-Abschnitten 26a und 26b der
beweglichen Elektrode 26 mit den Formen der piezoelektrischen
Elemente 28a bzw. 28b übereinstimmen, und ein Lötmittelresist 72 wird
auf den Rest der beweglichen Elektrode 26 aufgetragen.
Alternativ dazu kann eine Cr-Plattierung auf dem anderen Abschnitt
der beweglichen Elek trode 26 ausgebildet werden. Eine Lötmittelpaste
wird auf die Bonding-Abschnitte 26a und 26b der beweglichen
Elektrode 26 aufgetragen, und die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b werden
auf den Bonding-Abschnitten 26a bzw. 26 der beweglichen
Elektrode 26 platziert. Die in Verbindung mit 9 beschriebene Lötmittelpaste beispielsweise
oder irgendein bekanntes Lötmittel
verwendet werden.
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Die
Lötmittelpaste
wird dann zum Schmelzen erhitzt, so dass die piezoelektrischen Elemente 28a und 28b durch
den Selbstjustierungseffekt des Lötmittels aufgrund der Benetzungsspannung
beim Lötmittelschmelzen
mit den Bonding-Abschnitten 26a bzw. 26b ausgerichtet
(zentriert) zu werden, was folglich die gewünschte Genauigkeit als Produkt
ergibt. Das gleiche Lötmittel
wie in 9 kann genutzt werden, oder
alternativ dazu können
verschiedene Pb-freie Lötmittel
wie in Tabelle 1 gezeigt verwendet werden. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich
ist, weist der Schmelzpunkt jedes Pb-freien Lötmittels einen Bereich von
20 bis 30 °C
auf. Demgemäß kann die
Benetzungsspannung beim Lötmittelschmelzen
langsam wirken, wodurch der Selbstjustierungseffekt wirksam auftritt.
Durch Auswählen
eines Lötmittels
mit einem gewünschten
Schmelzpunkt ist es ferner möglich,
etwaige gegen geringe Erhitzung beständige Teile und Umgebungseinflüsse einfach
zu berücksichtigen.
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Während die
Schmelzpunkte der bleifreien Sn-Zn- und Sn-Ag-Lötmittel höher sind, sind diese bleifreien
Lötmittel
vom Gesichtspunkt einer Zuverlässigkeit
des Bondens in dem Fale, dass die Wärmebeständigkeitstemperatur der piezoelektrischen
Elemente in Zukunft verbessert werden, potentielle Lötmittelmaterialien.
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Gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann das Bonden eines piezoelektrischen Elements
und einer Elektrode zum Anlegen einer Span nung zuverlässig erreicht
werden, und es ist möglich, den
Bedarf an Personal und Installation, der mit der Anwendung eines
Klebmittels im Stand der Technik verbunden ist, zu eliminieren.
Gemäß dem Bonding-Verfahren
der vorliegenden Erfindung kann ferner die Dicke eines piezoelektrischen
Mikrostellglieds als Produkt ebenfalls gesteuert werden, so dass
es möglich
ist, ein piezoelektrisches Mikrostellglied mit höherer Präzision zusammenzubauen.
