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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator, der eine piezoelektrische
Vorrichtung verwendet, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen Aktuator,
der zur Steuerung der Position eines Magnetkopfs in einer magnetischen
Aufzeichnungsvorrichtung verwendet wird, sowie ein Verfahren zu
dessen Herstellung.
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Hintergrundtechnik
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In
den letzten Jahren hat sich die Magnetaufzeichnungsdichte sehr schnell
verbessert. Wenn die Spurabstandsbreite verringert wird, um so beispielsweise
die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen,
wird es notwendig, die Magnetkopfposition in Bezug auf die Spurpositionen
mit hoher Genauigkeit zu steuern. Die Regelung der Magnetkopfposition
ist jedoch begrenzt, wenn diese allein von der Steuerung eines VCM
(Schwingspulmotors) abhängt.
Daher wurde ein zweistufiges Servo-Steuerungssystem vorgeschlagen,
das zusätzlich
zur Kopfpositionssteuerung durch den VCM die Hochpräzisions-Kopfpositionssteuerung
durch einen Aktuator vornimmt.
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Ein
solcher Aktuator ist beispielsweise in den japanischen Offenlegungsschriften
Nr. 2002-26411 und Nr. 2002-289936 offenbart. Bei dem in diesen Schriften
dargestellten Aktuator ist eine flache, laminierte piezoelektrische
Vorrichtung, die eine innere Elektrode aufweist, an jeweils einem
von zwei einander gegenüberliegenden
flachen Schenkeln befestigt. Ein Elektrodenpaar zum Anlegen einer
Spannung an die piezoelektrische Vorrichtung ist auf der gegenüberliegenden
Fläche
der Fläche,
die dem Schenkel in der piezoelektrischen Vorrichtung gegenüberliegt,
bereitgestellt, wobei an den beiden Elektroden jeweils Leitungen
angebracht sind.
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Beim
oben genannten herkömmlichen
Aktuator besteht jedoch folgendes Problem. Zur Befestigung von zwei
Leitungen an einer schmalen Endfläche einer piezoelektrischen
Vorrichtung ist nämlich ein
hohes Maß an
Lagegenauigkeit erforderlich, wodurch es schwierig ist, die Leitungen
an der Vorrichtung zu befestigen. Insbesondere dann, wenn die piezoelektrische
Vorrichtung kleiner gefertigt wird, um bei einem kleinen Aktuator
eingesetzt zu werden, ist ein höheres
Maß an
Lagegenauigkeit erforderlich, was es schwieriger macht, die Leitungen
anzuschließen.
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Um
das oben genannte Problem zu überwinden,
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Aktuator, an dem
Leitungen einfach befestigt werden können, sowie ein Verfahren zu
dessen Herstellung bereitzustellen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
Aktuator gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein isolierendes Substrat; ein Paar Silizium-Schenkel,
die mit einem Dotierstoff dotiert sind und jeweilige Endteile haben,
die mit beiden Abschlussflächen
des isolierenden Substrats verbunden sind; einen piezoelektrischen
Teil, der an einer der mit dem isolierenden Substrat verbundenen
Fläche
gegenüberliegenden
Fläche
in jedem Silizium-Schenkel ausgebildet ist; und eine erste Elektrode,
die an einer Fläche,
die der dem Silizium-Schenkel gegenüberliegenden Fläche gegenüberliegt,
in jedem piezoelektrischen Teil ausgebildet ist.
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Bei
diesem Aktuator wird ein Paar Silizium-Schenkel, deren Widerstand
durch Dotierung mit einem Dotierstoff verringert wurde, durch ein
isolierendes Substrat miteinander verbunden. Jeder Silizium-Schenkel
hat eine vorgegebene Fläche,
die mit einem piezoelektrischen Teil versehen ist, während der
piezoelektrische Teil eine vorgegebene Fläche aufweist, die mit einer
ersten Elektrode versehen ist. Daher wird der piezoelektrische Teil
angetrieben, wenn eine der beiden Leitungen an der ersten Elektrode
angebracht ist, während
die andere an dem Silizium-Schenkel angebracht ist, und eine Spannung zwischen
den beiden Leitungen angelegt wird. Hierbei kann die Leitung an
dem Silizium-Schenkel an jeder Stelle darauf angebracht werden.
Daher kann die Leitung an angemessen ausgewählten Stellen und Flächen angebracht
werden, wo die Leitung einfach angebracht werden kann. Infolgedessen
können
Leitungen an diesen Aktuator einfacher angebracht werden als an
den herkömmlichen
Aktuator.
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Bevorzugt
umfasst der Aktuator des Weiteren eine zweite Elektrode, die an
der mit dem piezoelektrischen Teil versehenen Fläche in dem Silizium-Schenkel
ausgebildet ist. Da die erste und die zweite Elektrode in dieselbe
Richtung ausgerichtet sind, wird es einfacher, in diesem Fall Leitungen
an den entsprechenden Elektroden anzubringen.
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Bevorzugt
wird das isolierende Substrat durch Glas gebildet. In diesem Fall
kann Anoden-Bonden, das Bonden bei relativ niedrigen Temperaturen
erlaubt, eingesetzt werden, um das isolierende Substrat an den Silizium-Schenkeln
anzubringen, und das isolierende Substrat kann durch Ätzen einfach
ausgebildet werden.
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Der
piezoelektrische Teil kann eine einlagige piezoelektrischer Schicht
sein, oder er kann eine laminierte Struktur aufweisen, die abwechselnd
laminierte piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten umfasst.
Bevorzugt wird der piezoelektrische Teil durch PZT gebildet.
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Bevorzugt
weist die erste Elektrode eine Mehrschichtstruktur auf, bei der
die oberste Schicht durch Au oder Pt gebildet wird. Dadurch kann
eine Erosion des piezoelektrischen Teils durch ein zur Herstellung
des Aktuators verwendetes Ätzmittel
signifikant vermindert werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst die Schritte Ausbilden einer piezoelektrischen Schichtstruktur
auf einer Fläche
jedes von zwei Siliziumsubstraten, die mit einem Dotierstoff dotiert
sind; Ausbilden einer Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen
Schichtstruktur; Bonden der zwei Siliziumsubstrate, die jeweils
mit der piezoelektrischen Schichtstruktur und der Elektrodenschicht
versehen sind, jeweils an beide Seiten eines isolierenden Substrats,
so dass die piezoelektrischen Schichtstrukturen nach außen gerichtet
sind; Schneiden eines Blocks mit einer vorgegebnen Form aus einem
laminierten Substrat, das durch die zwei Siliziumsubstrate und das
isolierende Substrat gebildet wird, die zusammen laminiert sind;
und Ausbilden eines Silizum-Schenkels durch Schneiden des Blocks
nach teilweisem Entfernen des isolierenden Substrats in dem Block
an einer Seite.
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Bei
diesem Verfahren zur Herstellung eines Aktuators werden zwei Siliziumsubstrate,
deren Widerstand durch Dotierung mit einem Dotierstoff verringert
wurde, durch ein isolierendes Substrat miteinander verbunden. Jedes
Siliziumsubstrat ist mit einer piezoelektrischen Schichtstruktur
versehen, während eine
Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schichtstruktur ausgebildet
ist. Daher wird ein piezoelektrischer Teil angetrieben, wenn eine
der beiden Leitungen an einer der Elektrodenschicht entsprechenden
Elektrode befestigt ist, während
die andere bei dem durch dieses Verfahren hergestellten Aktuator
an einem Silizium-Schenkel befestigt ist, und eine Spannung zwischen
den beiden Leitungen angelegt wird. Hierbei kann die Leitung an
dem Silizium-Schenkel an jeder Stelle darauf befestigt werden. Daher
kann die Leitung an auf geeignete Weise ausgewählten Positionen und Flächen befestigt
werden, wo die Leitung einfach befestigt werden kann. Im Ergebnis
können
an diesen Aktuator Leitungen einfacher angebracht werden als an
den herkömmlichen Aktuator.
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Bevorzugt
umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt Ausbilden einer Elektrodenstruktur
auf dem Siliziumsubstrat. In diesem Fall sind die auf der piezoelektrischen
Schicht ausgebildete Elektrode und die Elektrode mit der Elektrodenstruktur
in dieselbe Richtung ausgerichtet, was das Anbringen von Leitungen
an die entsprechenden Elektroden erleichtert.
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Bevorzugt
wird das isolierende Substrat aus Glas gebildet. In diesem Fall
kann Anoden-Bonden eingesetzt werden, welches das Bonden bei relativ niedrigen
Temperaturen ermöglicht,
um das isolierende Substrat mit den Siliziumsubstraten zu verbinden,
und das isolierende Substrat kann durch Ätzen einfach gebildet werden.
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Bevorzugt
wird die piezoelektrische Schichtstruktur durch PZT gebildet.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 ist
eine schematische Perspektivansicht, die den Aktuator gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Silizium-Schenkels entlang der Linie
II-II der 1;
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3A bis 3E sind
schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung des Aktuators
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4A bis 4H sind
schematische Querschnittsansichten eines Verfahrens zur Ausbildung einer
piezoelektrischen Schichtstruktur und einer Elektrodenstruktur auf
einem Siliziumsubstrat in einem einem Aktuator entsprechenden Bereich;
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5A bis 5F sind
schematische Querschnittsansichten eines Verfahrens zur Ausbildung eines
Schenkelantriebs auf andere Weise;
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6 ist
eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator in einem
Modus darstellt, in dem piezoelektrische Vorrichtungen verwendet
werden; und
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7 ist
eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator darstellt,
der piezoelektrische Vorrichtungen in einem anderen Modus als dem aus 6 anwendet.
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Die besten
Modi zur Ausführung
der Erfindung
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
Modi, die bei der Ausführung
des Aktuators und des Verfahrens zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung als die Besten betrachtet werden, im Einzelnen beschrieben.
Identische oder äquivalente
Bestandteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen, ohne sich
deckende Erklärungen
dieser zu wiederholen.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 ist
eine schematische Perspektivansicht des Aktuators gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt,
ist der Aktuator 10 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein Aktuator zur HDD-Servoregelung und
versetzt einen Magnetkopfschlitten (nachfolgend als Schlitten" bezeichnet) SL.
Der Schlitten SL umfasst einen Dünnschicht-Magnetkopf
H, der magnetische Aufzeichnungs-Informationen von Festplatten liest,
und magnetische Aufzeichnungs-Informationen auf Festplatten aufzeichnet.
Der Schlitten SL weist eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepiped-Form
auf, deren obere Fläche
in 1 eine Luftlager-Fläche ist, die einer Festplatte
gegenüber
liegt. Der Schlitten SL aus 1 ist schematisch
dargestellt, wobei eine Schlittenschiene zur Einstellung der magnetischen Levitation
von der Festplatte und dergleichen nicht abgebildet ist.
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Der
Aktuator 10 umfasst ein Glassubstrat (isolierendes Substrat) 12,
das wie eine rechteckige Platte geformt ist; ein Paar Silizium-Schenkel 14, 14, die
beide wie rechteckige Säulen
geformt sind; und entsprechende Schenkelantriebe 16 und
Dünnschichtelektroden
(zweite Elektroden oder Elektroden für Außenanschlüsse) 18, die an den
Silizium-Schenkeln 14, 14 angebracht sind. Der
Aktuator 10 ist an einem Schwenkarm 30 eines Festplattenlaufwerks
angebracht. Der Schwenkarm 30 weist eine mit einem Kardanring 32 versehene
Vorderkante auf und wird von einem Schwingspulenmotor angetrieben.
Genauer gesagt, ist der Aktuator 10 an eine Zunge 32a des
Kardanrings 32 gebondet und an ihr befestigt. Da die Silizium-Schenkel 14, 14 schwingen
müssen,
wird ein Klebstoff zum Sichern des Aktuators 10 am Kardanring 32 nur
auf dem Glassubstrat 12 angebracht.
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Jeder
Silizium-Schenkel 14 besteht aus einem Einkristall-Silizium,
das zur Verringerung seines Widerstandes mit Dotierstoffen dotiert
ist, und weist einen spezifischen Widerstand von 1 Ω cm oder
weniger auf. Einkristall-Silizium, das als Material für den Silizium-Schenkel 14 verwendet
wird, ist als elastisches Material ausgezeichnet, da es sich innerhalb des
Temperaturbereichs, in dem das Festplattenlaufwerk arbeitet, nicht
plastisch verformt. Außerdem weist
es eine hohe mechanische Festigkeit bei weniger Kristall-Fehlern
auf, wodurch eine hochgenaue Positionssteuerung ermöglicht wird.
Als Dotierstoffe können
jegliche Donatoren, wie beispielsweise Phosphor, und jegliche Akzeptoren,
wie beispielsweise Aluminium und Bor verwendet werden.
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Die
beiden Silizium-Schenkel 14, 14 erstrecken sich
parallel zueinander, wobei sie jeweils Abschlussflächen 14a aufweisen,
die anodisch an gegenüberliegende
Abschlussflächen
des Glassubstrats 12 gebondet sind. Auf diese Weise wird
eine im Wesentlichen U-förmige
Struktur aus einem Stück gebildet,
bei der das Glassubstrat 12 ein paar Silizium-Schenkel 14, 14 stützt. Im
Folgenden werden der Einfachheit halber die Richtungen, in die sich
die Silizium-Schenkel 14, 14 erstrecken und ausrichten, als
X-beziehungsweise
Y-Richtung bezeichnet, wohingegen eine zu den Richtungen X und Y
orthogonal verlaufende Richtung als Z-Richtung bezeichnet wird.
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Jeder
Schenkelantrieb 16 ist auf einer Fläche 24b gegenüber der
Fläche 24a ausgebildet,
die beim jeweiligen Silizium-Schenkel 14 an das Glassubstrat 12 gebondet
ist. Der Schenkelantrieb 16 erstreckt sich in eine Richtung,
wie eine rechteckige Platte, und ist so an dem Silizium-Schenkel 14 angebracht, dass
seine Längsrichtung
entlang der Längsrichtung (abgebildete
X-Richtung) des Silizium-Schenkels 14 verläuft. Jede
Dünnschichtelektrode 18 ist
ebenso wie eine im Wesentlichen rechteckige Platte auf der Fläche 24b ausgebildet,
die der im jeweiligen Schenkel 14 an das Glassubstrat 12 gebondeten
Fläche 24a gegenüber liegt.
Der Schlitten SL ist mit einem Klebstoff an der inneren Seitenfläche 24a (die
an das Glassubstrat 12 gebondete Fläche) jedes Silizium-Schenkels 14 gesichert.
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Mit
Bezug auf 2 werden Im Folgenden die Querschnitt-Strukturen
des Schenkelantriebs 16 und der Dünnschichtelektrode 18 erklärt. 2 ist eine
Querschnittsansicht des Silizium-Schenkels 14, entnommen
entlang der Linien II-II von 1.
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Wie
in 2 dargestellt, ist der Schenkelantrieb 16 in
einem Teilgebiet der Fläche 24b des
Silizium-Schenkels 14 ausgebildet, und wird durch ein piezoelektrisches
Teil 20 und eine Dünnschichtelektrode
(erste Elektrode) 22 gebildet. Der piezoelektrische Teil 20 ist
eine einschichtige piezoelektrischer Schicht, die durch PZT gebildet
wird (eine Mischung aus Bleizirkonat und Bleititanat). Die Dünnschichtelektrode 22 ist
auf eine Fläche 20b gegenüber der Fläche 20a,
die im piezoelektrischen Teil 20 an den Silizium-Schenkel 14 gebondet
ist (ihm gegenüber liegt),
laminiert. Die Dünnschichtelektrode 22 weist eine
Dreischichtstruktur auf, worin eine Cr-Schicht 22a, eine
Ni-Schicht 22b, und eine Au-Schicht 22a in dieser
Reihenfolge, ausgehend von der dem piezoelektrischen Teil 20 näher liegenden
Seite, laminiert sind.
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Auf
der anderen Seite ist die Dünnschichtelektrode 18 auf
der Fläche 24b an
einer Seite des Endteils 14a des Siliziumarms 14 ausgebildet,
um sich nicht mit dem mit dem Schenkelantrieb 16 versehenen
Bereich zu überlappen.
Wie die Dünnschichtelektrode 22 weist
auch die Dünnschichtelektrode 18 eine
Dreischichtstruktur auf (gebildet aus einer Cr-Schicht 18a,
einer Ni-Schicht 18b, und einer Au-Schicht 18c,
die, ausgehend von der dem Silizium-Schenkel näher gelegenen Seite, aufeinander folgen).
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Wenn
ein Paar Bonddrähte
(ein Paar Leitungen) 18A, 22A zur Leistungsversorgung
an die Dünnschichtelektrode 18 auf
dem Silizium-Schenkel 14, beziehungsweise an die Dünnschichtelektrode 22 auf
dem piezoelektrischen Teil 20, angeschlossen werden, wird
in dem Aktuator 10 eine Spannung an den piezoelektrischen
Teil 20 des Schenkelantriebs 16 in Richtung Dicke
(Y-Richtung in 1 und 2) durch
den Silizium-Schenkel 14 angelegt, der seinen Widerstand
verringert hat. Wenn eine Spannung an den piezoelektrischen Teil 20 an
sich angelegt wird, dehnt sich der piezoelektrische Teil 20 des
Schenkel-Antriebs 16 seiner Polarisationsrichtung entsprechend
aus oder zieht sich zusammen, wodurch der Schlitten SL, der auf
der Seite des anderen Endteils 14b des Silizium-Schenkels 14 vom
piezoelektrischen Teil 20 gehalten wird, entlang der Y-Richtung verschoben
wird.
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Das
bedeutete, der Aktuator kann die Lage des Schlittens SL steuern,
und den Schlitten SL mit einem Genauigkeitsgrad schwingen, der durch
das Zusammenwirken eines Schwingspulen-Motors und Schwenkarmen nicht
realisierbar ist. Da der wie eine rechteckige Platte ausgebildete
Schenkelantrieb 16 am Silizium-Schenkel 14 so
angebracht ist, um eine Längsrichtung
zu haben, die sich entlang der Längsrichtung
des Silizium-Schenkels 14 erstreckt, können Auslenkungen des Schenkelantriebs 16 wirkungsvoll auf
den Silizium-Schenkel 14 übertragen werden, wodurch der
Silizium-Schenkel 14 mit hoher Präzision gesteuert werden kann.
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Wie
zuvor eingehend beschrieben, wird jeder Silizium-Schenkel 14,
der durch Dotieren mit Dotierstoffen seinen Widerstand verringert
hat, als Leitungsweg zum Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen
Teil 20 verwendet. Da ein Paar Silizium-Schenkel 14, 14 durch
ein isolierendes Glassubstrat miteinander verbunden ist, kann jeder
Silizium-Schenkel unabhängig
davon, ob der andere Silizium-Schenkel mit Energie versorgt ist,
oder nicht, mit Energie versorgt werden.
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Auf
der Oberfläche 20b des
piezoelektrischen Teils 20 ist die Dünnschichtelektrode 22 ausgebildet,
an der ein Bonddraht 22A des Bonddraht-Paars 18A, 22A zum
Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Teil 20 angebracht
ist. Dadurch kann eine Spannung an das piezoelektrische Teil 20 angelegt
werden, unabhängig
davon, wo der andere Bonddraht 18A des Bonddraht-Paares 18A, 22A an
dem Silizium-Schenkel 14 angebracht ist. Das heißt, dass
die Positionen und Flächen,
an denen der Bonddraht einfach angebracht werden kann, wie erforderlich
gewählt
werden können,
um den Bonddraht 18A am Silizium-Schenkel 14 anzubringen.
Daher kann das Bonddraht-Paar 18A, 22A einfacher
an diesem Aktuator angebracht werden als an einem herkömmlichen
Aktuator. Außerdem
wird eine Verdrahtungs-Struktur zur Leistungsversorgung für das piezoelektrische
Teil 20 vereinfacht, da der elektrisch leitende Silizium-Schenkel 14 in
Kontakt mit einer Seite des piezoelektrischen Teils 20 als
ein Leiter verwendet wird.
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Beim
Anbringen des Bonddrahtes 18A an den Silizium-Schenkel 14 mittels
Dünnschichtelektrode 18 wird
die Dünnschichtelektrode 18 auf
der wie oben erwähnt
mit dem Schenkelantrieb 16 versehenen Fläche 20a ausgebildet.
Da die Dünnschichtelektroden 18 und 22 in
dieselbe Richtung (Y-Richtung aus 1 und 2)
ausgerichtet sind, können
die Bonddrähte 18A, 22A einfach
entlang der Y-Richtung daran befestigt werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 3A bis 3E wird
nun ein Verfahren zur Herstellung des Aktuators 10 beschrieben.
Die 3A bis 3E sind
schematische Darstellungen, die ein Verfahren zur Herstellung des
Aktuators 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Zunächst wird
zur Herstellung des Aktuators 10 ein scheibenförmiges Glassubstrat
(isolierendes Substrat) 40 vorbereitet, das ein Glassubstrat 12 werden
soll, und seine Vorder- und Rückseiten
werden geschliffen (siehe 3A). Danach
werden zwei Einkristall-Siliziumsubstrate 42, die jeweils
die Form einer Scheibe mit demselben Durchmesser wie der des Glassubstrats 40 aufweisen,
jeweils an die geschliffene Vorder- und Rückseite gebondet, so dass sie
ein laminiertes Substrat 44 bilden (siehe 3B).
Jedes dieser Siliziumsubstrate 42 hat auf Grund des Dotierens
mit Dotierstoffen einen spezifischen Widerstand von 1 Ω cm oder
weniger. Das Glassubstrat 40 und das Siliziumsubstrat 42 werden
anodisch aneinander gebondet. Dadurch können das Glassubstrat 40 und das
Silizumsubstrat 42 bei relativ niedrigen Temperaturen mit
günstiger
Maßgenauigkeit
aneinander gebondet werden. Außerdem
ist das Anoden-Bonden sehr zuverlässig und hinterlässt nichts
an der Bonding-Schnittstelle. Wenn hingegen zum Bonden ein Klebstoff
verwendet wird, verbleibt zum Zeitpunkt des Glas-Ätzens ein
Rückstand,
der dem Herstellungsablauf des Aktuators 10 einen Prozess
zur Beseitigung des Rückstands
hinzufügt.
Die Fläche 42b gegenüber der
an das Glassubstrat 42a im Siliziumsubstrat 42 gebondeten
Fläche 42a wurde
bereits mit einer piezoelektrischen Schichtstruktur, in die die
Elektrodenschichten laminiert sind, und mit einer Elektroden-Struktur gebildet.
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Unter
Bezugnahme auf die 4A bis 4H wird
nun ein Verfahren zum Aufbringen einer piezoelektrischen Schichtstruktur
und einer Elektrodenstruktur auf ein Siliziumsubstrat beschrieben. 4A bis 4H sind
schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Aufbringen
der piezoelektrischen Schichtstruktur und Elektrodenstruktur auf
ein Siliziumsubstrat in einem Bereich darstellen, der einem Aktuator
entspricht.
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Zunächst wird
ein mit Dotierstoffen dotiertes Siliziumsubstrat 42 hergestellt
(siehe 4A), und eine Fläche 42b davon
wird mit einer Maskenschicht 46 aus einer Schicht aus SiO2 oder PSG (mit Phospor dotiertes Glas) versehen,
um eine Opferschicht zu werden (siehe 4B). Danach
wird, wie in 4C gezeigt, der Teil der Maskenschicht 46,
der dem mit dem piezoelektrischen Teil 20 zu bildenden
Bereich entspricht, mit HF oder gepuffertem HF weggeätzt. Dann
wird, wie in 4D gezeigt, eine piezoelektrische
Schicht 48 aus PZT ausgebildet. Zum Ausbilden dieser Schicht
können
das Sol-Gel-Verfahren,
Ionenstrahl-Sputtern, RF-Magnetron-Sputtern, DC-Magnetron-Sputtern,
metallorganische CVD, PLD, hydrothermale Synthese, Elektrophorese
und dergleichen verwendet werden. Obwohl die piezoelektrische Schicht 48 auch
auf der Maskenschicht 46 gebildet wird, wird die letztere
abgehoben, wobei nur die direkt auf der oberen Fläche 42b des
Siliziumsubstrats 42 ausgebildete piezoelektrische Schicht
(die piezoelektrische Schichtstruktur) 49 verbleibt, wie
in 4E abgebildet. Um die piezoelektrische Schicht 48 mit
einer günstigen
Kristallinität
zu erhalten, kann bei Bedarf vor Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 48 auf
dem Siliziumsubstrat 42 eine <100>-ausgerichteter
Pt-Schicht auf der
Oberfläche des
Siliziumsubstrats 42 ausgebildet werden.
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Wie
in 4F gezeigt, wird eine Abhebe-Schutzschicht 50,
die höher
ist als die piezoelektrische Schicht 48, in einem Bereich
zwischen den jeweiligen mit den Dünnschichtelektroden 18 und 22 zu versehenen
Bereichen gebildet (strukturiert). Danach werden, wie in 4G dargestellt,
eine Cr-Schicht 52, eine Ni-Schicht 54 und eine
Au-Schicht 56 nacheinander
durch ein Dünnschicht-Bildungsverfahren wie
beispielsweise Sputtern ausgebildet, wodurch eine Elektrodenschicht 58 hervorgebracht
wird, die eine Dreischichtstruktur aufweist. Schließlich wird
die Abhebe-Schutzschicht 50 abgehoben, wodurch eine Elektrodenschicht
(eine Elektrodenstruktur) 58A gebildet wird, aus der die
auf dem Siliziumsubstrat 42 laminierte Dünnschichtelektrode
wird, sowie eine Elektrodenschicht 58B, aus der die auf
der piezoelektrischen Schichtstruktur 49 laminierte Dünnschichtelektrode 22 wird
(siehe 4H).
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Jedes
der beiden in der 3B gezeigten Siliziumsubstrate 42 ist
mit der piezoelektrischen Schichtstruktur 49, in die die
Elektrodenschichten 58B laminiert sind, und mit der Elektrodenstruktur 58 in
jedem Bereich, der ein Silizium-Schenkel 14 werden soll,
gebildet. Die auf diese Weise gebildeten Strukturen sind wie Gitter
angeordnet. Die beiden Siliziumsubstrate 42 sind jeweils
an beide Seiten des Glassubstrats 40 gebondet, so dass
die mit der piezoelektrischen Schichtstruktur 49 und der
Elektrodenstruktur 58A versehenen Flächen 42b nach außen ausgerichtet
sind, so dass sich ein scheibenförmiges
laminiertes Substrat 44 ergibt.
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Wie
in 3C gezeigt, wird ein Block 60, in dem
eine Anzahl Silizium-Schenkel parallel zueinander angeordnet sind,
aus dem laminierten Substrat 44 ausgeschnitten. Der Block 60 umfasst
einen Glasblock 62 und ein Paar Siliziumblöcke 64, 64,
die jeweils an beiden Seiten des Glasblocks 62 angeordnet
sind. Dann wird der Glasblock 62 im Block 60 mit HF
oder gepuffertem HF geätzt,
während
eine Glasblock-Seitenfläche
maskiert wird, so dass auf beiden Seiten des verkürzten Glasblocks 62 jeweils
längere Siliziumblöcke 64 (eine
Reihe von parallel angeordneten Silizium-Schenkeln) zurückbleiben,
wie in der 3D gezeigt.
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Danach
wird, wie in 3E dargestellt, der geätzte Block 60 in
gleich beabstandeten Abständen in
der Längsrichtung
davon in senkrechte Flächen geschnitten,
wodurch die Aktuatoren 10 erhalten werden. Der durch Einsatz
einer Technik zum Bonden einer Vielzahl von Substraten und einer
Technik zum Ausbilden dünner
Schichten hergestellte Aktuator 10 kann einfach kleiner
gemacht werden, und kann auf weitere Verkleinerungen der Größe des Schlittens
SL reagieren.
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Da
das Glassubstrat 40 durch Ätzen einfach geformt werden
kann, kann das Glassubstrat 12 des Aktuators 10 einfach
ausgebildet werden. Das Anpassen der Ätzzeit für das Glassubstrat 40 kann
die Länge
der Silizium-Schenkel einfach regeln.
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Die
auf der obersten Schicht der Elektrodenschicht 58 gebildete
Au-Schicht dient beim Ätzen
des Glassubstrats 40 als Schutzschicht. Dies kann die Dünnschichtelektroden 18, 22 und
den piezoelektrischen Teil 20 signifikant davon abhalten,
durch das Ätzmittel
erodiert zu werden, ohne eigens einen Erosionsschutz auszubilden.
Des Weiteren ist die Wirkung auch dann, wenn die Pt-Schicht die
oberste Schicht der Elektrodenschicht 58 ist, gleichartig
jener, wenn Au die oberste Schicht bildet.
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Da
das laminierte Substrat, in dem das Glassubstrat 40 zwischen
den Siliziumsubstraten 42 gehalten wird, in einen Block 60 geschnitten
wird (Siliziumblock 64/Glasblock 62/Siliziumblock 64),
in dem eine Anzahl von Aktuatoren 10 parallel zueinander angeordnet
sind, und der dem Glassubstrat 12 entsprechende Glasblock 62 geätzt wird,
während
er sich im Blockzustand befindet, wird das Glassubstrat effizient
geformt, wodurch die Kosten reduziert werden.
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Zum
Ausschneiden und Abtrennen des Blocks 60 können Plättchenschneidemaschinen, Schneidemaschinen,
Drahtsägen,
Laser und dergleichen verwendet werden.
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Jede
piezoelektrische Schicht 20 zum Antreiben des jeweiligen
Silizium-Schenkels 14 ist
eine piezoelektrischer Schicht und kann unter Verwendung einer herkömmlichen
Dünnschicht-Bildungstechnik direkt
auf dem Siliziumsubstrat 42 ausgebildet werden, um zu dem
Silizium-Schenkel 14 zu werden, wie oben erwähnt, wodurch
Arbeitsschritte des Bondens der piezoelektrischen Vorrichtung und
dergleichen entbehrlich werden und sich die Massenproduzierbarkeit
der Aktuatoren verbessert. Durch das Abheben einer Opferschicht
kann eine solche piezoelektrische Schicht als eine Struktur ausgebildet
werden.
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Im
Prozess der Herstellung des Aktuators 10 erhält man einen
Block 60, der eine Sandwich-Struktur aus Siliziumblock 64/Glasblock 62/Siliziumblock 64 aufweist.
Eine Veränderung
der Dicke des Siliziumblocks 64 (also des Siliziumsubstrats 42)
verändert
die Steifigkeit des Silizium-Schenkels 14, wodurch Aktuatoren
mit erwünschter
Auslenkung hergestellt werden können.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Obwohl
das oben genannte erste Ausführungsbeispiel
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung den Schenkelantrieb 16 mit
einer einlagigen piezoelektrischen Schicht zeigt, kann der Schenkelantrieb 16 eine
laminierte Struktur aufweisen, in der abwechselnd piezoelektrische
Schichten und innere Elektrodenschichten laminiert sind. Ein solcher
Schenkelantrieb mit einer laminierten Struktur kann durch verschiedene
Verfahren hergestellt werden, die bekannte Dünnschichtstapelungstechniken
verwenden. Unter Bezugnahme auf die 5A bis 5F wird
im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines Schenkelantriebs
mit einer solchen laminierten Struktur erläutert. Die 5A bis 5F sind
schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Ausbildung
eines Schenkelantriebs in einem anderen Ausführungsbeispiel darstellen.
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Zunächst wird,
wie beim oben genannten Verfahren zur Herstellung des Schenkelantriebs 16 (siehe 4A bis 4E),
eine rechteckige piezoelektrische Schichtstruktur 49A aus
PZT auf einer Fläche 42b eines
mit Dotierstoffen dotierten Siliziumsubstrats 42 ausgebildet
(siehe 5A). In dem oberen Flächenbereich
der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A wird der Bereich,
der einen Endbereich 49a in den Abschlussteilen, die sich
längs in
der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A gegenüberliegen,
ausschließt,
mittels Aufdampfen, Sputtern oder dergleichen mit einer Elektrodenschicht 70 ausgebildet
(siehe 5B). Im Anschluss daran wird
eine piezoelektrische Schichtstruktur 49B, die dieselbe
kristalline Ausrichtung hat wie die piezoelektrische Schichtstruktur 49A,
auf den oberen Flächenbereichen
der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A und der Elektrodenschicht 70 so
ausgebildet, dass der Teil der Elektrodenschicht 70 freiliegt,
der im anderen Endbereich in den sich längs in der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A gegenüberliegenden
Abschlussbereichen ausgebildet ist (siehe 5C). Das
heißt, dass
in einem Endbereich 49a in den längs in der piezoelektrischen
Schichtstruktur 49A gegenüberliegenden Abschlussbereichen
die piezoelektrische Schichtstruktur 49B auf die piezoelektrische Schichtstruktur 49A laminiert
wird, um die Kristallinität
zu erhalten.
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Des
Weiteren wird auf der piezoelektrischen Schichtstruktur 49B eine
Elektrodenschicht 72 so ausgebildet, dass der Teilbereich 49b der
piezoelektrischen Schichtstruktur 49B freigelegt wird,
ohne den freiliegenden Teil der Elektrodenschicht 70 zu bedecken
(siehe 5D). Die Elektrodenschicht 72 wird
auch auf der Seitenfläche
der piezoelektrischen Schichtstrukturen 49A, 49B gegenüber der
Seite gebildet, wo die Elekt rodenschicht 70 freiliegt,
und wird elektrisch mit dem Siliziumsubstrat 42 verbunden. Dann
wird eine piezoelektrische Schichtstruktur 49C mit derselben
kristallinen Ausrichtung wie die der piezoelektrischen Schichtstrukturen 49A und 49B gebildet,
um die obere Fläche
der Elektrodenschicht 72 und den freiliegenden Teil der
piezoelektrischen Schichtstruktur 49B zu bedecken (siehe 5E). Das
heißt,
dass die piezoelektrische Schichtstruktur 49C auf die piezoelektrische
Schichtstruktur 49B laminiert wird, um die Kristallinität zu erhalten.
Schließlich
wird eine Elektrodenschicht 74 laminiert, um die piezoelektrische
Schichtstruktur 49C und den freiliegenden Teil der Elektrodenschicht 70 zu
bedecken (siehe 5F). In der auf diese Weise
gebildeten laminierten Struktur, die ein Schenkelantrieb werden soll,
ist die oberste Elektrodenschicht 74 eine Dünnschichtelektrode,
die im Wesentlichen dieselbe ist wie die Dünnschichtelektrode 22 im
ersten Ausführungsbeispiel,
wohingegen die drei Schichten der piezoelektrischen Schichtstrukturen 49A, 49B, 49C und
die zwei abwechselnd dazwischen eingefügten Schichten, Elektrodenschichten 70, 72 ein
piezoelektrischer Teil werden, der im Wesentlichen derselbe ist wie
der piezoelektrische Teil 20 im ersten Ausführungsbeispiel.
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Unter
Verwendung des Siliziumsubstrats 42 mit einer derartigen
laminierten Struktur wird ein Aktuator ausgebildet, der Schenkelantriebe
mit einer laminierten Struktur aufweist. Da der piezoelektrische Teil
eine laminierte Struktur aufweist, kann der so ausgebildete Aktuator
für jeden
Silizium-Schenkel 14 eine größere Auslenkung erzielen als
der Aktuator 10 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Obwohl
das oben genannte erste und zweite Ausführungsbeispiel die Aktuatoren
mit Schenkelantrieben 16 zeigen, die unter Verwendung von
Laminiertechniken hergestellt werden, kann ein Aktuator durch den
Einsatz eines eigenständig
hergestellten Schenkelantriebs hergestellt werden. Das heißt, dass,
wie in 6 gezeigt, eine wie eine rechteckige Säule geformte
piezoelektrische Vorrichtung 76, in der eine durch ein
piezoelektrisches Material gebildete piezoelektrische Platte 76A (piezoelektrisches Teil)
auf beiden Seiten zwischen einem Elektrodenplatten-Paar 76B, 76C gehalten
wird, als ein Schenkelantrieb verwendet wird. 6 ist
eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator in einem Modus
darstellt, in dem er piezoelektrische Vorrichtungen verwendet.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung dieses Aktuators 10A erläutert. Zunächst wird
in einem Verfahren, das im Wesentlichen mit dem Verfahren zur Herstellung
des im oben genannten ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Aktuators 10 identisch
ist, eine Struktur 78 hergestellt, die nur aus Silizium-Schenkeln 14,
einem Glassubstrat 12 und den Dünnschichtelektroden 18 besteht.
Im Anschluss daran wird die piezoelektrische Vorrichtung 76 so
an jeden Sillizium-Schenkel 14 gebondet und an diesem gesichert,
dass sich eine Elektrodenplatte 76B jeder piezoelektrischen
Vorrichtung 76 und eine der zwischen dem Silizium-Schenkel 14 und
dem Glassubstrat 12 liegenden Bonding-Fläche 24a gegenüberliegende
Fläche 24b gegenüberliegen,
und so, dass die Längsrichtung
des Silizium-Schenkels 14 und die Längsrichtung der piezoelektrischen
Vorrichtung 76 miteinander gefluchtet sind. Es können nicht
nur elektrisch leitende Klebstoffe wie Epoxid, Silikon und Acrylarten
verwendet werden, sondern es können auch
isolierende Klebstoffe verwendet werden, solange sie nur teilweise
aufgetragen werden, um eine elektrische Verbindung zwischen dem
Silizium-Schenkel 14 und der Elektrodenplatte 76B sicherzustellen.
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Bei
dem zuvor erklärten
Aktuator 10A wird jeder Silizium-Schenkel mit durch Dotieren
mit Dotierstoffen verringertem Widerstand als ein Leitungsweg zum
Anlegen einer Spannung an die jeweilige piezoelektrische Platte 76A verwendet.
Eine der dem Silizium-Schenkel 14 in der piezoelektrischen
Platte 76 gegenüberliegenden
Fläche 76a gegenüber liegende
Fläche 76b ist
mit einer Elektrodenplatte (erste Elektrode, die der oben genannten
Dünnschichtelektrode 22 entspricht) 76C versehen,
an der ein Bonddraht 22A eines Bonddraht-Paares 18A, 22A zum
Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Platte 76A angebracht
ist. Daher kann an die piezoelektrische Platte 76A eine
Spannung angelegt werden, unabhängig
davon, wo der andere Bonddraht des Bonddraht-Paares 18A, 22A am
Silizium-Schenkel angebracht ist. Das heißt, dass der Bonddraht 18A am
Silizium-Schenkel 14 befestigt werden kann, indem Positionen
und Flächen
angemessen ausgewählt
werden, an denen der Bonddraht 18A einfach angebracht werden
kann. Infolgedessen kann ein Bonddraht-Paar 18A, 22A an
dieser Struktur einfacher angebracht werden als an einem herkömmlichen
Aktuator.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Die
am Silizium-Schenkel 14 angebrachte piezoelektrische Vorrichtung
ist nicht auf die piezoelektrische Vorrichtung 76 beschränkt, die
eine einzige Schicht einer piezoelektrischen Platte aufweist, wie im
dritten Ausführungsbeispiel
gezeigt, sondern kann eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung 80 sein, bei
der eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten und innerer Elektroden
laminiert sind, wie in 7 gezeigt. 7 ist
eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator zeigt, der
piezoelektrische Vorrichtungen in einem anderen Modus als dem in
der 6 gezeigten verwendet. Das heißt, dass der Aktuator 10B gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
eine piezoelektrische Vorrichtung 80 verwendet, bei der
ein Paar von äußeren Elektrodenplatten 82A, 82B,
jede mit einem L-förmigen
Querschnitt, einen laminierten piezoelektrischen Körper (ein
piezoelektrisches Teil) 84 dazwischen als Schenkelantrieb
hält. Der
laminierte piezoelektrische Körper 84 wird
durch piezoelektrische Schichten 86 und innere Elektroden 88a, 88b gebildet,
die abwechselnd laminiert sind. Ein Endabschnitt jeder inneren Elektrode 88a liegt
an einer Abschlussfläche
des laminierten piezoelektrischen Körpers 84 frei und
ist mit der äußeren Elektrode 82B verbunden.
Auf der anderen Seite liegt an der anderen Abschlussfläche des
laminierten piezoelektrischen Körpers 84 ein
Endabschnitt jeder inneren Elektrode 88b frei und ist mit
der äußeren Elektrodenplatte 82A verbunden.
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Jede
piezoelektrische Vorrichtung 80 ist an den entsprechenden
Silizium-Schenkel 14 gebondet und
daran gesichert, um eine Längsrichtung
zu erhalten, die mit der der piezoelektrischen Vorrichtung 76 gefluchtet
ist, so dass eine äußere Elektrodenplatte 82 der
Fläche 24b gegenüberliegt,
die der an das Glassubstrat 12 im Silizium-Schenkel 14 gebondeten Fläche 24a gegenüberliegt.
Hierbei ist die äußere Elektrodenplatte 82A (erste
Elektrode) nicht in Kontakt mit dem Silizium-Schenkel 14,
sondern bildet dazwischen einen Spalt.
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Bei
dem zuvor erklärten
Aktuator 10B wie auch bei dem Aktuator 10A gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
kann der Bonddraht 18A an jedem Silizium-Schenkel 14 angebracht
werden, indem Positionen und Flächen,
wo der Bonddraht 18A einfach angebracht werden kann, angemessen
ausgewählt werden.
Infolgedessen kann ein Bonddraht-Paar 18A, 22A an
diesem Aktuator einfacher angebracht werden, als an einem herkömmlichen
Aktuator. Darüber
hinaus kann, da die piezoelektrische Vorrichtung 80 von
laminiertem Typ ist, eine größere Auslenkung
jedes Silizium-Schenkels 14 erzielt werden als beim Aktuator 10A mit
der piezoelektrischen Vorrichtung 76. Als piezoelektrische
Vorrichtung können nicht
nur solche vom einplattigen und laminierten Typ, sondern auch solche
bimorphen Typs verwendet werden.