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Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung und insbesondere ein
Halbleiterbetätigungselement, das eine elektromagnetische Kraft nutzt,
bzw. einen Halbleitersensor, der eine elektromagnetische
Induktion nutzt.
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In jüngster Zeit ist mit der Entwicklung von Compact Disks
(CD's) für digitale Schallplatten, Laservision Disks (LVD's)
für Bild- und Toninformationsmedien, einmalig beschreibbare
und mehrmals lesbare optische Platten, sowie überschreibbare
photomagnetische Platten usw. ein starker Bedarf nach einer
kleinen und leichten optischen Abtastvorrichtung entstanden.
Um diesen Bedarf zu befriedigen, ist anstelle einer
optischen Abtastvorrichtung mit einem Aufbau, bei dem optische
Teile, wie beispielsweise eine Linse und ein Spiegel usw.
miteinander kombiniert werden, eine optische
Abtastvorrichtung in Form einer integrierten Schaltung vorgeschlagen
worden, bei der die Technologie integrierter Schaltungen, die
es auf dem Herstellungsgebiet der Großintegration (large
scale integration - LSI) gibt, eingesetzt wird. Siehe dazu
beispielsweise Toshiaki Suhara, Shogo Ura und Hiroshi
Nishihara (Department of Electronics, Osaka University),
"Optical Integrated Disk Pickup Head" (Integrierter
Abtastkopf für optische Platten) "Optronics", monatlich
veröffentlicht, Nr. 2, S. 149-154 (1989), bzw. die Dokumente
JP-A-61296540 sowie US-A-4,779,259.
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Wenn jedoch die oben beschriebene integrierte optische
Abtastvorrichtung in einer Wiedergabeanlage, wie
beispielsweise einem CD-Player oder einem LVD-Player usw. eingesetzt
wird, ist es erforderlich, ein Betätigungselement zur
Steuerung zu befestigen oder anzubringen. In diesem Fall wird
herkömmlicherweise ein optischer Kopf mit einem Aufbau, der
weiter unten beschrieben wird, angebracht. Dieser optische
Kopf besteht beispielsweise aus einem zylindrischen
Magneten, einem zylindrischen Spulenkörper sowie einem
Halbleiterchip, auf dem eine optische Abtastvorrichtung in Form
einer integrierten Schaltung ausgeformt ist. Der zylindrische
Spulenkörper hat einen hohlen Aufbau, wobei der Durchmesser
des hohlen Abschnitts größer ist als der des zylindrischen
Magneten. Dieser zylindrische Spulenkörper wird so auf dem
zylindrischen Magneten angebracht, daß er darauf aufsitzt.
Eine Endfläche des zylindrischen Spulenkörpers ist gesch
lossen, und der Halbleiterchip ist an dieser Endfläche
angebracht. Darüber hinaus ist eine elektromagnetische Spule auf
der zylindrischen Seitenfläche des zylindrischen
Spulenkörpers so angebracht, daß sie ihn umgibt. Dabei wird ein
Magnetfeld durch magnetische Kraftlinien gebildet, die von
einer Endfläche des zylindrischen Magneten zu der anderen
Endfläche desselben gerichtet sind. Diese magnetischen
Kraftlinien durchdringen die Endfläche des Spulenkörpers und
die Halbleiterchipfläche. Wenn ein Strom in der
elektromagnetischen Spule auf der Seitenfläche des Spulenkörpers
fließt, wird eine elektromagnetische Kraft, die versucht,
die elektromagnetische Spule, d.h. den Spulenkörper,
entweder in einer positiven oder einer negativen Richtung der
Längsachse des zylindrischen Magneten zu bewegen, durch
"Fleming's Linke-Hand-Regel" erzeugt. Dementsprechend
bildet, da ein Betrag der Bewegung des Halbleiterchips in der
axialen Richtung des Magneten durch die Richtung eines
fließenden Stroms und die Intensität dieses Stroms geregelt
werden kann, dieser Mechanismus ein
Fokussierbetätigungselement.
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Da jedoch die Maße der elektromagnetischen Spule und des
Magneten erheblich größer sind als die des Halbleiterchips,
bestand das Problem, daß der Vorteil der kleinen Maße des
Halbleiterchips nicht zum Tragen kommt. Da darüber hinaus
die Anzahl der Bauteile groß ist, war hinsichtlich der
Montageschritte
und -kosten Spielraum für Verbesserungen
vorhanden.
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US-A-4779259 offenbart eine integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung, die ein Substrat für eine integrierte
Halbleiterschaltung mit einer optischen Abtastvorrichtung in
Form einer integrierten Schaltung umfaßt, die eine
Laserdiode, einen Strahlteiler sowie einen Photodetektor umfaßt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine derartige
Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat des weiteren
mit zwei oder mehr elektromagnetischen Windungen versehen
ist, die auf einer Oberfläche des Substrats der integrierten
Halbleiterschaltung durch eine Technologie für integrierte
Schaltungen hergestellt werden, und von der aus ein Paar
Leiter abgehen, mit einem Magneten zur Erzeugung eines
Magnetfeldes (M), der auf einer Montageebene angebracht ist;
und daß das Substrat durch eine elastische Trägereinrichtung
in bezug auf die Montageebene innerhalb des magnetischen
Feldes (M) beweglich getragen wird; wobei die Richtung und
die Intensität des den Windungen und den Leitern zugeführten
Stroms den Winkel des Substrats steuert, um so einen
Spureinstellungsvorgang auszuführen.
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Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden
Erfindung wird, wenn über die Leiter ein Strom in einer der
magnetischen Windungen fließt, gemäß der Amper'schen Regel ein
rechtsläufiges Magnetfeld in der Richtung, in der der Strom
fließt, erzeugt. In diesem Fall wird, da die magnetischen
Kraftlinien die elektromagnetische Spule durchdringen, eine
Anziehungskraft bzw. eine Abstoßungskraft in einer Richtung
der magnetischen Kraftlinien auf die elektromagnetische
Windung ausgeübt. Dadurch bewegt sich das Substrat der
integrierten Halbleiterschaltung ebenfalls in der positiven oder
negativen Richtung der magnetischen Kraftlinien in der
Richtung
des magnetischen Feldes. Dadurch kann die integrierte
Halbleitervorrichtung als ein Subminiatur-Betätigungselement
wirken. Dementsprechend ist es möglich, ein Substrat einer
integrierten Halbleiterschaltung mit einer vorgegebenen
Funktion zu bewegen und eine Positionssteuerung desselben
auszuführen. So kann vorteilhafterweise ein optischer Kopf
zum Aufzeichnen/Abspielen einer optischen Platte, der
kleiner und leichter ist als der herkömmliche optische Kopf,
geschaffen werden.
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Darüber hinaus wird, wenn bei der obenerwähnten integrierten
Halbleiterschaltungsvorrichtung eine Anordnung verwendet
wird, bei der ein Substrat einer integrierten
Halbleiterschaltung mit einem zu messenden Gegenstand in Eingriff
gebracht wird, um das Substrat der integrierten
Halbleiterschaltung zu bewegen, in Übereinstimmung mit der Lenz'schen
Regel in der elektromagnetischen Windung eine induzierte
elektromotorische Kraft erzeugt, die Veränderungen des
magnetischen Flusses verhindert, der die elektromagnetische
Windung durchdringt. Dadurch fließt ein induzierter Strom.
Indem dieser induzierte Strom über die Leiter abgenommen
wird, um ihn mit einem Galvanometer zu messen, ist es
möglich, sich über einen Betrag der Veränderungen des
Meßobjektes zu informieren. Dadurch kann die integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung als Subminiatur-Sensor arbeiten.
Dementsprechend kann eine derartige Vorrichtung bei der
Bewegung dieses Substrats der integrierten Halbleiterschaltung
in einem Magnetfeld bzw. bei der Veränderung dieses
Magnetfeldes durch Messen eines in der Windung erzeugten
induzierten Stroms vorteilhafterweise als integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung verwendet werden, die eine
Subminiatur-Sensorfunktion zum Messen von Veränderungen einer
physikalischen Größe, wie beispielsweise der Verschiebung, des
Drucks, des Magnetismus oder ähnlichem aufweist.
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Bei den beigefügten Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines
herkömmlichen optischen Kopfes zeigt;
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Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten
optischen Kopfes;
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Fig. 3 eine begriffliche Ansicht zur Erläuterung einer
Ausführung einer integrierten
Halbleiterschaltungsvorrichtung, die als Grundlage für die vorliegende
Erfindung dient;
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Fig. 4 eine Ansicht, die den Aufbau eines optisches Kopfes
zeigt, der als Grundlage der vorliegenden Erfindung
dient;
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Fig. 5 ein Schnitt durch den optischen Kopf entlang der
Linie V-V in Fig. 4;
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Fig. 6 eine Ansicht, die die Vorderseite eines Substrats
einer integrierten Halbleiterschaltung in dem in
Fig. 4 dargestellten optischen Kopf zeigt;
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Fig. 7 eine Ansicht, die die Rückseite des in Fig. 6
dargestellten Substrats der integrierten
Halbleiterschaltung zeigt;
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Fig. 8 eine Ansicht, die eine flexible Leiterplatte in dem
in Fig. 4 dargestellten optischen Kopf zeigt;
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Fig. 9 eine Draufsicht, die die Vorderseite einer
Ausführung der gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten
integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung zeigt;
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Fig. 10 eine Ansicht, die den Aufbau eines optisches Kopfes
zeigt, der eine weitere Ausführung der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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Fig. 11 ein Schnitt durch den optischen Kopf entlang der
Linie XI-XI in Fig. 10.
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Vor der Beschreibung der Ausführungen der vorliegenden
Erfindung wird zum besseren Verständnis der vorliegenden
Erfindung ein herkömmlicher optischer Kopf beschrieben.
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Der herkömmliche optische Kopf ist wie in Fig. 1 und 2
dargestellt aufgebaut.
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In Fig. 1 und 2 ist ein Halbleiterchip 101, auf dem eine
optische Abtastvorrichtung in Form einer integrierten
Schaltung ausgebildet ist, auf einem zylindrischen Spulenkörper
112 angebracht bzw. befestigt. Eine elektromagnetische Spule
110 ist auf der zylindrischen Fläche des Spulenkörpers 112
vorhanden. Der Spulenkörper 112 ist in einem Einführungsloch
118 an einem zylindrischen Abschnitt 117 eines unteren Jochs
116 eines Magneten 114 so angebracht, daß er darauf aufsitzt
und in der axialen Richtung des zylindrischen Abschnitts 117
(Richtung A-A) beweglich ist.
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In diesem Fall besteht durch den Magneten 114 ein
Magnetfeld. Wenn über Leitungsdrähte 111 ein Strom in der
elektromagnetischen Spule 110 fließt, wird eine elektromagnetische
Kraft auf die elektromagnetische Spule 110 ausgeübt, so daß
sie sich in der Richtung A-A bewegt. Durch diesen Vorgang
ist es möglich, beispielsweise eine Fokussierservosteuerung
des Halbleiterchips 101 vorzunehmen. Bei diesem Beispiel
bilden die elektromagnetsche Spule 110 und der Magnet 114
ein Fokussierbetätigungselement.
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Der Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist wie in Fig. 3
dargestellt, aufgebaut.
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In Fig. 3 ist die integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung 1 so aufgebaut, daß eine elektromagnetische Windung 3
auf einem Substrat 2 einer integrierten Halbleiterschaltung
vorhanden ist. Ein Paar Leiter 4 führen aus der
elektromagnetischen Windung 3 heraus. Darüber hinaus ist das Substrat
2 der integrierten Halbleiterschaltung beweglich in einem
Magnetfeld M angeordnet.
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Wenn in Fig. 3 über die Leiter 4 ein Strom in der
elektromagnetischen Windung 3 fließt, wird entsprechend der
"Ampere'schen Regel" ein rechtsläufiges Magnetfeld in der
Richtung erzeugt, in der dieser Strom fließt. In diesem Fall
wird, da magnetische Kraftlinien aufgrund des magnetischen
Feldes M die elektromagnetische Windung 3 durchdringen, eine
Anziehungskraft bzw. eine Abstoßungskraft in der Richtung 5
des magnetischen Feldes M auf die elektromagnetische Windung
3 ausgeübt. Dadurch bewegt sich auch das Substrat 2 der
integrierten Halbleiterschaltung in der positiven bzw.
negativen Richtung 5 des Magnetfeldes M. Dadurch kann die
integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung 1 als
Betätigungselement wirken.
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Bei der obenerwähnten integrierten
Halbleiterschaltungsvorrichtung 1 wird, wenn eine Konstruktion eingesetzt wird, bei
der das Substrat 2 der integrierten Halbleiterschaltung mit
einem Meßobjekt, das damit bewegt wird, in Eingrif ist,
entsprechend der "Lenz'schen Regel" eine induzierte
elektromagnetische Kraft erzeugt, die Veränderungen in dem
magnetischen Fluß verhindert, der die eleictromagnetische Windung
durchdringt. Dadurch fließt ein induzierter Strom. Indem
dieser induzierte Strom über die Leiter 4 abgenommen wird,
um ihn mit einem Galvanometer (nicht dargestellt) zu messen,
ist es möglich, einen Betrag der Veränderungen des
Meßobjektes durch eine umgekehrte Operation (inverse operation) zu
bestimmen. Dadurch kann die integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung 1 als Sensor wirken.
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Dieser in Fig. 4 und 5 dargestellte optische Kopf 11 umfaßt
ein Substrat 12 einer integrierten Halbleiterschaltung,
einen Magneten 15, der ein Magnetfeld erzeugt, sowie eine
flexible Leiterplatte 16 als Trägereinrichtung, die als Leiter
dient.
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Eine optische Abtasteinrichtung 18 in Form einer
integrierten Schaltung ist auf der Vorderseite 12A des Substrates 12
der integrierten Halbleiterschaltung ausgeformt, und eine
elektromagnetische Windung 13 ist auf der Rückseite 12B
derselben ausgeformt. Die der optischen Platte D
gegenüberliegende Vorderseite 12A des Substrates 12 der integrierten
Halbleiterschaltung, und die ihrer Rückseite entsprechende
Seite 12B, die dem Magneten 15 gegenüberliegt, sind in
Fig. 6 bzw. 7 dargestellt.
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Die optische Abtastvorrichtung 18 in Form einer integrierten
Schaltung umfaßt eine Laserdiode 18L, einen fokussierenden
Gitterkoppler 18C, einen Gitterstrahlteiler 18S sowie
Photodetektoren 18D.
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Die Laserdiode 18L erzeugt einen Laserstrahl. Dieser
Laserstrahl wird über eine optische Wellenleiterschicht (nicht
dargestellt) des Substrates 12 der integrierten
Halbleiterschaltung zu dem fokussierenden Gitterkoppler 18C geleitet.
Der fokussierende Gitterkoppler 18C verändert den
Laserstrahl so, daß er durch die Objektlinsenwirkung die Form von
Punkten annimmt, um ihn auf Informationsvertiefungen auf der
Aufzeichnungsoberfläche der optischen Platte D zu
fokussieren. Der Laserstrahl wird auf der Oberfläche der
Informationsvertiefungen reflektiert. Das reflektierte Licht fällt
zum zweiten Mal auf den fokussierenden Gitterkoppler 18C
zurück und wird dann zu dem Gitterstrahlteiler 18S geleitet.
Der Gitterstrahlteiler 18S teilt das reflektierte Licht in
zwei Lichtwege. Diese beiden geteilten Lichtstrahlen treffen
auf vier Photodetektoren 18D auf. Diese Photodetektoren 18D
geben elektrische Signale ab, die einer Menge auftreffender
Lichtstrahlen entsprechen. Aus diesen elektrischen Signalen
werden Informationssignale und Signale für die
Servosteuerung erzeugt.
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Darüber hinaus ist die elektromagnetische Windung 13 auf der
Seite 12B vorhanden. Magnetische Kraftlinien, die auf einem
durch den Magneten 15 erzeugten Magnetfeld beruhen,
durchdringen die elektromagnetische Windung 13 auf dem Substrat
12 der integrierten Halbleiterschaltung.
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Die flexible Leiterplatte 16, wird, wie in Fig. 8
dargestellt, gebildet, indem ein elastisches Element 165, wie
beispielsweise eine Metallfolie, die ausreichend Steifigkeit
und Elastizität aufweist, und Zuführungsleitungen 16L von
Leitern zur Verdrahtung auf eine folienartige Matrix 16M mit
elastischen und isolierenden Eigenschaften, wie
beispielsweise ein Kunststoffmaterial, aufgebracht werden.
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Die elektrische Verbindung zwischen den Zuführungsleitungen
16L und der optischen Abtastvorrichtung 18 in Form einer
integrierten Schaltung bzw. der elektromagnetischen Windung 13
wird durch Lötanschlüsse 16T hergestellt.
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Diese flexible Leiterplatte 16 wird, wie in Fig. 4 und 5
gezeigt, hergestellt, indem die beiden Endabschnitte einer
bandförmigen flexiblen Leiterplatte gebogen werden, so daß
sie die Oberfläche des Magneten 15 so bedecken, daß sie die
Form eines Zylinders oder einer Blattfeder annehmen. Darüber
hinaus ist das Substrat 12 der integrierten
Halbleiterschaltung direkt oberhalb des Magneten 15 an der Oberfläche
dieser flexiblen Leiterplatte 16 angebracht bzw. befestigt.
Dementsprechend wird das Substrat 12 der integrierten
Halbleiterschaltung elastisch von der flexiblen Leiterplatte 16
gehalten. Dadurch kann sich dieses Substrat in der Richtung
der optischen Platte D (Richtung B-B) bewegen. In diesem
Fall ist der Abschnitt der flexiblen Leiterplatte 16 direkt
oberhalb des fokussierenden Gitterkopplers 18C der optischen
Abtasteinrichtung 18 in Form der integrierten Schaltung in
Form eines Fensters ausgeschnitten, wie dies durch
Bezugszeichen 16W in Fig. 8 angedeutet ist. Damit wird eine
Anordnung geschaffen, die das Ausstrahlen des Laserstrahls
nicht behindert.
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Die Funktion des optischen Kopfes 11 wird im folgenden
erläutert.
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Wenn über die Zuführungsleitungen 16L, von einer
Spannungsquelle (nicht dargestellt) bewirkt, ein Steuerstrom in der
elektromagnetischen Windung 13 fließt, wird ein neues
rechtsläufiges Magnetfeld in der Richtung des Steuerstroms
in der elektromagnetischen Windung 13 erzeugt.
Dementsprechend wird eine elektromagnetische Kraft in der Richtung B-B
auf die elektromagnetische Windung 13 ausgeübt. Dadurch ist
es, da die Kraft in der Richtung B-B auch auf das Substrat
12 der integrierten Halbleiterschaltung ausgeübt wird,
möglich, den optischen Kopf 11 in der positiven oder negativen
Richtung der optischen Platte D zu bewegen. So kann die
Fokussiersteuerung des optischen Kopfes 11 ausgeführt
werden.
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Das Verfahren der Herstellung der auf dem Substrat der
integrierten Halbleiterschaltung vorhandenen elektromagnetischen
Windung sowie der Aufbau der elektromagnetischen Windung
werden im folgenden erläutert. Die elektromagnetische
Windung 13 wird hergestellt, indem ein
Mehrschichtverbindungsherstellungsverfahren (multilayer interconnection formation
technology) eingesetzt wird, das eines von Verfahren für
integrierte Schaltungen ist, bei dem eine spiralförmige
Windungsstruktur auf der Oberfläche eines Silikonsubstrats
geätzt wird und Aluminium usw. im Vakuum darauf aufgedampft
wird.
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Die Struktur der elektromagnetischen Windung ist nicht auf
die in Fig. 7 dargestellte Quadratspirale begrenzt. Es
können darüber hinaus Kreis-, Ellipsen- oder andere -kurven
eingesetzt werden. Diese Windungsstrukturen können nicht nur
in einer planen Spiralform sondern auch in einer
dreidimensionalen Spiral- oder Wendelform in Schichtrichtung auf
gleiche Weise wie bei einer gewöhnlichen elektromagnetischen
Spule durch Anwendung des Mehrschichtverbindungsverfahrens
hergestellt werden.
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Die Anzahl von Windungsstrukturen auf einem einzelnen
Substrat einer integrierten Halbleiterschaltung ist nicht
wie bei der in Fig. 7 dargestellten Struktur auf die Zahl
Eins begrenzt. Bei einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung können zwei Windungsstrukturen oder mehr eingesetzt
werden. Es gibt, wie in Fig. 9 dargestellt, eine Anordnung,
bei der zwei elektromagnetische Windungen 13A und 13B
vorhanden sind, so daß die optische Abtastvorrichtung 18 in
Form der integrierten Schaltung zwischen ihnen angeordnet
wird. In diesem Fall ist es durch Einstellung von
Steuerströmen, die in einzelnen elektromagnetischen Windungen
fließen, möglich, den Richtungswinkel eines Laserstrahls in
bezug auf die optische Platte D zu ändern. Indem dies
genutzt wird, kann auch Spureinstellungsservosteuerung des
optisches Kopfes ausgeführt werden. Darüber hinaus kann die
elektromagnetische Spule auf beiden Seiten des Substrats 12
der integrierten Halbleiterschaltung vorhanden sein.
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Einen optischen Kopf, der eine weitere Ausführung einer
erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung
darstellt, zeigen Fig. 10 und 11.
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Dieser optische Kopf 21 unterscheidet sich von dem optischen
Kopf 11 der ersten Ausführung darin, daß vier elastische
Träger 26 an dem Substrat 12 der integrierten
Halbleiterschaltung als Trägereinrichtung anstelle der flexiblen
Leiterplatte 16 des in Fig. 9 dargestellten optischen Kopfes
der ersten Ausführung befestigt sind. Diese Träger 26 können
nicht nur die Form einer Spirale, eines Stabes oder einer
Platte usw. haben, sondern auch andere Formen. Darüber
hinaus ist die Anzahl der Träger nicht, wie bei der Ausführung,
auf vier beschränkt.
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Auch bei dieser Ausführung ist es, indem über Leiter (nicht
dargestellt) durch eine Spannungsquelle (nicht dargestellt)
ein Steuerstrom durch die elektromagnetische Windung 13
geleitet wird, möglich, Fokussierservosteuerung auszuführen.
Darüber hinaus wird auf die gleiche Weise wie in Fig. 9
dargestellt, eine Anordnung eingesetzt, die zwei
elektromagnetische Windungen zur Ausführung von Spurservosteuerung
bildet. Des weiteren gibt es, ähnlich wie bei der ersten
Ausführung, keine Einschränkung hinsichtlich der Anzahl der
Windungsstrukturen usw.
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Darüber hinaus kann die integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht nur als eine
integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung mit einer
Betätigungsfunktion und eine integrierte
Halbleiterschaltungsvorrichtung mit einer Sensorfunktion eingesetzt werden, sondern
auch als eine integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung
mit einer Betätigungsfunktion sowie einer Sensorfunktion,
die miteinander kombiniert sind. Es kann beispielsweise auch
so vorgegangen werden, daß des weiteren eine
Geschwindigkeitswindung (velocity coil) zum Messen einer
Geschwindigkeit des optischen Kopfes auf dem Substrat 12 der
integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung vorhanden ist, so daß
ein miniaturisierter optischer Kopf gebildet wird, der eine
Geschwindigkeit zum Zeitpunkt einer Spursprungbewegung
erfassen kann.