(57)【要約】【課題】  スライス加工する際の四角柱の破損を防止することが可能な圧電素子の加工方法を提供することである。【解決手段】  切削装置による圧電素子の加工方法であって、圧電素子を第１の方向に所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスする第１スライス工程と、圧電素子を第１の方向と直交する第２の方向に所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスする第２スライス工程とから構成される。第１及び第２スライス工程は、圧電素子表面に冷却水を供給しながら、切削ブレードを１４００〜４１００ｍ／分の周速で回転し、圧電素子の送り速度を１〜５ｍｍ／秒で実施する。第２スライス工程で形成された四角柱は、縦及び横の長さが１５〜３０μｍ、高さが３００〜４００μｍであり、四角柱同士の間隔が１５〜３０μｍである。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電素子を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された圧電素子を切削する切削ブレードを回転可能に支持する切削手段と、前記チャックテーブルを前記切削ブレードに対して移動するチャックテーブル送り手段と、前記圧電素子表面に冷却水を供給する冷却水供給手段とを備えた切削装置を用いた圧電素子の加工方法であって、
前記圧電素子を第１の方向に所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスする第１スライス工程と、
前記圧電素子を前記第１の方向と直交する第２の方向に前記所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスする第２スライス工程とを具備し、
前記第１及び第２スライス工程は、前記冷却水供給手段で前記圧電素子表面に冷却水を供給しながら、前記切削ブレードを１４００〜４１００ｍ／分の周速で回転し、前記圧電素子の送り速度を１〜５ｍｍ／秒で実施するとともに、
前記第２スライス工程で形成された四角柱は、縦及び横の長さが１５〜３０μｍ、高さが３００〜４００μｍであり、四角柱同士の間隔が１５〜３０μｍであることを特徴とする圧電素子の加工方法。
【請求項２】
前記切削ブレードの周速は１５００〜３９００ｍ／分であり、前記冷却水供給手段による冷却水の供給は、前記圧電素子の表面に１〜５ｍｍの厚さの水の層を形成することを特徴とする請求項１記載の圧電素子の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子として用いられる圧電素子の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子（圧電セラミックス）を利用した超音波探触子は、年々感度向上への改良が進んでおり、超音波診断装置等の医療機器に広く利用されている。感度向上方法の一つとして、圧電振動子のサイズ縮小化や、形状の変化が挙げられる。
【０００３】
圧電素子としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスなどの圧電セラミックスが用いられているが、特にＰＺＴの圧電セラミックスがより高い電気機械結合係数と誘電率を有することから、広く利用されている。
【０００４】
特に最近では、圧電振動子が一方向にのみスライス加工された長方形の角柱ではなく、縦方向及び横方向のスライス加工が必要となる正四角柱の圧電振動子をアレー状に配列した超音波探触子が提案されている。
【０００５】
圧電振動子のサイズにおいても、正四角柱の縦横が１５〜３０μｍ、高さが３００〜４００μｍと高いアスペクト比が要求され、加工の難易度が格段に上がっており、四角柱を形成するダイシング方法の改善が必要となっている。
【０００６】
ダイシングとは、ダイシング装置（切削装置）を用い、高速回転する切削ブレードで板状物（ワーク）を分割する加工方法を言うが、エッチングやレーザーなどの加工方法に比べ、角柱高さや形状の制御がし易く、比較的安価に精度良く加工が可能であることから、良く使用される加工方法である。
【０００７】
例えば、特開平１１−３１８８９３号公報には、正四角柱の圧電振動子がアレー状に配列された超音波探触子が開示されている。この公開公報では、圧電素子のスライス方法については何ら触れていない。
【０００８】
ただ、一方向にスライスされた圧電振動子同士のギャップ中に絶縁性フィラーを充填して、強度の向上を図るという記載から、脆い材質である圧電素子の加工時の剛性を上げるために、一方向にスライス加工した後、その溝に絶縁性樹脂を充填後、圧電素子を９０°回転させて再度スライス加工することが示唆されている。
【０００９】
しかし、この加工方法であると、圧電素子の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛に比較して充填剤である絶縁性樹脂が切削しづらく、四角柱破損の原因となる場合がある。特に、四角柱サイズを小さく抑えるため、加工時の欠けを極力抑える目的で、砥粒サイズが小さい（例えば、メッシュサイズ＃１５００〜＃３０００）切削ブレードを使用する場合は、樹脂による切削ブレードの目詰まりが発生してしまい、四角柱に傷が出来たり、ひいては四角柱の破損を招くことになる。
【特許文献１】特開平１１−３１８８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、圧電素子のスライス溝中に樹脂を充填せず、微細な四角柱の加工を実現するための方法を検討した結果、本願発明者は、四角柱破損を発生させる原因を追究し、その原因を見出すに至った。
【００１１】
即ち、ワーク（圧電素子）に高速で切削ブレードが衝突する際の加工条件の最適化、高い負荷がワークにかかる加工条件の最適化、高速回転する切削ブレードによって加速された冷却水がワークにあたる衝撃等により、加工したそばから四角柱が折れてしまうという現象が発生していることを見出した。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スライス加工する際の四角柱の破損を防止することが可能な圧電素子の加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、板状の圧電素子を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された圧電素子を切削する切削ブレードを回転可能に支持する切削手段と、前記チャックテーブルを前記切削ブレードに対して移動するチャックテーブル送り手段と、前記圧電素子表面に冷却水を供給する冷却水供給手段とを備えた切削装置を用いた圧電素子の加工方法であって、前記圧電素子を第１の方向に所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスする第１スライス工程と、前記圧電素子を前記第１の方向と直交する第２の方向に前記所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスする第２スライス工程とを具備し、前記第１及び第２スライス工程は、前記冷却水供給手段で前記圧電素子表面に冷却水を供給しながら、前記切削ブレードを１４００〜４１００ｍ／分の周速で回転し、前記圧電素子の送り速度を１〜５ｍｍ／秒で実施するとともに、前記第２スライス工程で形成された四角柱は、縦及び横の長さが１５〜３０μｍ、高さが３００〜４００μｍであり、四角柱同士の間隔が１５〜３０μｍであることを特徴とする圧電素子の加工方法が提供される。
【００１４】
好ましくは、切削ブレードの周速は１５００〜３９００ｍ／分であり、冷却水供給手段から供給される冷却水は、圧電素子の上面に１〜５ｍｍの厚さの水の層を形成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧電素子の加工方法によると、四角柱の破損を招くことなく、圧電素子を縦方向及び横方向にスライス加工して、縦方向及び横方向に整列した複数の四角柱を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明のスライス加工に使用する切削装置（ダイシング装置）２の外観を示している。４はワーク（本発明では圧電素子）を保持するチャックテーブルであり、図示しない送り機構によりＸ軸方向に移動されるとともに、回転可能に構成されている。
【００１７】
チャックテーブル４のＸ軸方向の移動経路の上方にはアライメント手段６が配設されている。アライメント手段６は、切削すべき圧電素子の表面を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像手段を備えており、撮像手段によって取得された画像は表示手段１４に表示される。
【００１８】
アライメント手段６の左側には、チャックテーブル４に保持されたワーク（圧電素子）に対して切削加工を施す切削手段８が配設されている。切削手段８はアライメント手段６と一体的に構成されており、両者が連動してＹ軸方向及びＺ軸方向に移動可能に構成されている。
【００１９】
切削手段８は、回転可能なスピンドル９の先端に切削ブレード１０が装着されて構成され、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能となっている。切削ブレード１０は図示しない撮像手段のＸ軸方向の延長線上に位置している。
【００２０】
１２は冷却水供給手段であり、図３及び図４に示されているように、切削すべき圧電素子１８の上流側に配置されて、圧電素子表面に冷却水を供給する。１６は透明のスライドカバーであり、ワークの搬入及び搬出時にはスライドカバー１６を開け、ワークの切削加工時にはスライドカバー１６を閉めて切削作業が行われる。
【００２１】
図２を参照すると、切削加工後の圧電素子１８の斜視図が示されている。圧電素子１８は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス等の圧電セラミックスから構成されるが、特にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が高い電気機械結合係数と誘電率を有することから好ましい。
【００２２】
本発明実施形態の圧電素子の加工方法によると、圧電素子１８は、第１スライス工程で、第１の方向（Ｘ１方向）に所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスされる。次いで、圧電素子１８を９０°回転した後、第２のスライス工程で、圧電素子１８を第１の方向と直交する第２の方向（Ｘ２方向）に前記所定の幅及び所定の間隔で複数回スライスされる。
【００２３】
この第１及び第２スライス工程を経ることにより、Ｘ１方向及びＸ２方向に整列した複数の四角柱２０が形成される。図２で四角柱２０の縦をａ、横をｂ、隣接する四角柱２０同士の間隔をｃとすると、好ましくはａ≒ｂ≒ｃとなる。また、四角柱２０の高さをｔとすると、ｔ／ａ＝１０〜２７であるのが好ましい。
【００２４】
好ましくは、第１及び第２スライス工程で形成された四角柱２０は、縦ａ及び横ｂの長さが１５〜３０μｍ、高さｔが３００〜４００μｍ、四角柱２０同士の間隔ｃが１５〜３０μｍである。
【００２５】
次に、図３及び図４を参照して、本発明実施形態にかかる圧電素子の加工方法について詳細に説明する。図３は圧電素子１８加工時の平面図であり、図４はその断面図である。圧電素子１８は粘着テープ２４に貼着され、粘着テープ２４の外周縁部は環状フレーム２２に貼着されている。これにより、圧電素子１８は粘着テープ２４を介して環状フレーム２２に支持された状態となる。
【００２６】
圧電素子１８は粘着テープ２４を介してチャックテーブル４に吸引保持される。この状態で切削ブレード１０を回転させながらチャックテーブル４をＸ軸方向に移動させることにより、図２のＸ１方向の第１のスライス工程を実施する。
【００２７】
このとき、冷却水供給手段１２から矢印１３で示すように冷却水を圧電素子１８の表面に供給しながら切削ブレード１０による第１のスライス工程を実施する。好ましくは、冷却水供給手段１２から供給された冷却水１３は圧電素子１８の表面に１〜５ｍｍの厚さの水の層を形成する。
【００２８】
これにより、圧電素子１８スライス加工時の圧電素子１８及び切削ブレード１０の加熱を防止することができる。２６は切削装置２に通常付随している切削水供給手段であるが、本実施形態の圧電素子１８のスライス加工時には、切削水供給手段２６からの切削水の供給を停止する。
【００２９】
図２に示したＸ１方向の全てのスライス工程が終了すると、チャックテーブル４を９０°回転させて、Ｘ２方向のスライス工程を同様に実施する。これにより、図２に示すようなＸ１方向及びＸ２方向に整列した複数の四角柱２０を形成することができる。好ましくは、四角柱２０は正四角柱である。
【００３０】
圧電素子１８の送り速度、切削ブレード１０のブレード周速、冷却水供給手段１２から供給する冷却水量を変化させて、種々実験を行った結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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表１を観察すると、切削ブレード１０の周速が１３００ｍ／分以下であると角柱作成成功率が非常に低くなっており、また切削ブレード１０の周速が４２００ｍ／分以上でも角柱作成成功率が悪化している。よって、切削ブレード１０の周速は１４００〜４１００ｍ／分の範囲内が好ましく、より好ましくは１５００〜３９００ｍ／分の範囲内である。
【００３２】
また、圧電素子１８の送り速度を種々変化させて角柱作成を行った。送り速度７ｍｍ／秒としたところ角柱作成成功率が極端に悪化し、反対に非常に遅い０．５ｍｍ／秒の送り速度を採用したところ、角柱作成成功率が同様に悪化した。よって、切削時の圧電素子１８の送り速度は１〜５ｍｍ／秒の範囲内が好ましい。
【００３３】
ほとんどの実験では、切削水供給手段２６からの切削水の供給を停止し、冷却水供給手段１２から１．５ｌ／分の冷却水を供給しながら実験を実施したが、表１の事件ＮＯ．１では、冷却水の供給を停止し切削手段２６から少量の切削水、すなわち０．３ｌ／分の切削水を供給しながら圧電素子１８の送り速度３ｍｍ／秒及び切削ブレード１０の周速約３３００ｍ／分で実験を行ったところ、角柱作成成功率が９０．３％であった。
【００３４】
この結果から、切削水供給手段２６から切削水を供給しながら圧電素子１８のスライス加工を行うと、切削ブレード１０により加速される切削水が圧電素子１８に当たるため、この衝撃により角柱２０が倒れてしまう確立が高くなることが判明した。
【００３５】
よって、本実施形態の圧電素子のスライス加工方法では、切削手段２６からの切削水の供給を停止し、冷却水供給手段１２から冷却水を供給しながらスライス加工を実施するのは好ましいと判明した。その理由は、冷却水供給手段１２は切削ブレード１０から相当離れて配置されているため、冷却水が切削ブレード１０の高速回転により加速される恐れがないことだと考えられる。
【００３６】
比較例として、図５に切削水供給手段２６から切削水を供給しながらワーク（圧電素子）１８の加工を行うときの断面図を示す。この加工条件は、表１の実験ＮＯ．１に相当する。すなわち、この場合には、切削水供給手段２６から供給された切削水２７が切削ブレード１０の高速回転により加速されて切削中の圧電素子１８に衝突することになる。その結果、角柱作成成功率が悪化する。
【００３７】
図６に圧電素子１８の送り速度が遅い場合（Ａ）と、早い場合（Ｂ）とで加工負荷が変化する様子を示す。２８は切削ブレード１０の外周部に電着されたダイヤモンド砥粒である。実際は無数の砥粒が電着されているが、代用として一個のみを示した。
【００３８】
図６（Ａ）に示すように、圧電素子１８の送り速度が遅い場合（例えば２ｍｍ／秒）には切削ブレード１０一回転あたりの切削除去体積３０ａが小さいが、圧電素子１８の送り速度が速い場合（例えば４ｍｍ／秒）には、切削ブレード１０一回転あたりの切削除去体積３０ｂが遅い場合の３０ａに比較して大きくなる。
【００３９】
よって、圧電素子１８の送り速度が速いと、切削ブレード１０が一回転あたり切削する圧電素子１８の体積が大きくなるため、圧電素子１８にかかる切削時の負荷が大きくなり、角柱破損の原因となる。
【００４０】
表１に示したように、圧電素子１８の送り速度は５ｍｍ／秒以下が好ましい。圧電素子１８の送り速度があまり遅い場合にも、表１から角柱作成成功率が低くなっているが、この原因としてスライス加工時の切削ブレード１０のぶれ等が考えられる。
【００４１】
尚、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、切削ブレード１０の周速は一定周速（例えば約１６００ｍｍ／分）で行ったが、反対に圧電素子１８の送り量を一定にして、切削ブレード１０の周速を変化させると、高速回転ほどブレード一回転あたりの切削除去体積が大きくなることが理解される。
【００４２】
圧電素子加工時の圧電素子の固定方法は図７に示す二通りが考えられる。図７（Ａ）は上述した圧電素子１８を粘着テープ２４に貼着し、粘着テープ２４の外周部を環状フレーム２２に貼着する固定方法である。
【００４３】
図７（Ｂ）に示す方法は、圧電素子１８を硬質の板状物である基板（板ガラス、カーボン板、プラスチック板等）３２に熱軟化性樹脂（ホットメルトワックス）（例えば日化精工株式会社製ＡＤＦＩＸワックス）３４で固定し、基板３２をチャックテーブル４にバキューム固定する方法である。
【００４４】
例えば、約１３０℃に熱したホットプレート上に基板３２を載置し、ＡＤＦＩＸワックス３４を基板３２上で溶かしてから、圧電素子１８をＡＤＦＩＸワックス３４上に載置する。ホットプレートから基板３２を取り出してワックスを冷却すると、ワックス３４が硬化し非常に強い接着力を発揮する。
【００４５】
この方法によると、粘着テープ２４に比べて接着力が非常に高くなる。圧電素子１８を剥離する場合には、アルコール等に浸して超音波洗浄を行って圧電素子１８を基板３２から剥離する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の加工方法に使用するのに適した切削装置の外観斜視図である。
【図２】スライス加工して角柱形成後の圧電素子の斜視図である。
【図３】本発明実施形態の加工方法に使用する切削装置の主要部平面図である。
【図４】図３の切削装置の断面図である。
【図５】比較例を説明するための切削装置の断面図である。
【図６】圧電素子送り速度と加工負荷の関係を説明する図であり、図６（Ａ）は送り速度が遅い場合を、図６（Ｂ）は送り速度が速い場合をそれぞれ示している。
【図７】図７（Ａ）は粘着テープによる圧電素子の固定方法、図７（Ｂ）は基板とホットメルトワックスを使用した圧電素子の固定方法を示している。
【符号の説明】
【００４７】
４    チャックテーブル
１０    切削ブレード
１２    冷却水供給手段
１８    圧電素子
２０    四角柱
２２    フレーム
２４    粘着テープ
３２    基板
３４    ホットメルトワックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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