JP2009027052A - Processing method for piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a method for processing a piezoelectric element used as an ultrasonic probe.
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。 Ultrasonic probes using piezoelectric elements (piezoelectric ceramics) have been improved to improve sensitivity year by year, and are widely used in medical equipment such as ultrasonic diagnostic apparatuses. One of the methods for improving the sensitivity is to reduce the size of the piezoelectric vibrator or change its shape.
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。 As the piezoelectric element, for example, piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, barium titanate, bismuth titanate, etc. are used. In particular, PZT piezoelectric ceramics have a higher electromechanical coupling coefficient. Since it has a dielectric constant, it is widely used.
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。 In particular, recently, an ultrasonic probe in which piezoelectric transducers are arranged in an array of square prisms that require vertical and horizontal slicing, rather than rectangular prisms sliced in only one direction. A child has been proposed.
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。 As for the size of the piezoelectric vibrator, the aspect ratio of the regular square column is 15-30 μm and the height is 300-400 μm, and the processing difficulty is greatly increased. Improvement is needed.
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。 Dicing is a processing method that uses a dicing device (cutting device) to divide a plate (work) with a cutting blade that rotates at high speed. However, compared to processing methods such as etching and laser, the control of the height and shape of the prisms. It is a processing method that is often used because it can be easily processed and can be processed with high accuracy at a relatively low cost.
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。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-318893 discloses an ultrasonic probe in which regular quadrangular prism piezoelectric vibrators are arranged in an array. This publication does not mention any method for slicing the piezoelectric element.
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。 However, from the description that the insulating filler is filled in the gap between the piezoelectric vibrators sliced in one direction to improve the strength, in order to increase the rigidity at the time of processing the piezoelectric element which is a brittle material, It has been suggested that after slicing in the direction, the groove is filled with an insulating resin, and then the piezoelectric element is rotated 90 ° to perform slicing again.
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。
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。 Therefore, as a result of examining a method for realizing processing of a fine quadrangular prism without filling a resin in the slice groove of the piezoelectric element, the inventor of the present application investigated the cause of the occurrence of the quadrangular prism breakage, and the cause I came to find.
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。 That is, optimization of the machining conditions when the cutting blade collides with the workpiece (piezoelectric element) at high speed, optimization of the machining conditions that the high load is applied to the workpiece, and the impact of the cooling water accelerated by the high-speed rotating cutting blade on the workpiece As a result, it has been found that a phenomenon that the quadrangular prism breaks from the processed soba has occurred.
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。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method for processing a piezoelectric element capable of preventing damage to a rectangular column during slicing. .
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。 According to the present invention, a chuck table for holding a plate-like piezoelectric element, a cutting means for rotatably supporting a cutting blade for cutting the piezoelectric element held by the chuck table, and the chuck table with respect to the cutting blade A piezoelectric element machining method using a cutting device comprising a chuck table feed means that moves and a cooling water supply means that supplies cooling water to the surface of the piezoelectric element, wherein the piezoelectric element is moved in a first direction. A first slicing step of slicing a plurality of times at a predetermined width and a predetermined interval; and a second slicing of the piezoelectric element at a predetermined width and a predetermined interval in a second direction orthogonal to the first direction. A slicing step, wherein the first and second slicing steps supply the cutting blade 1400 while supplying cooling water to the surface of the piezoelectric element by the cooling water supply means. While rotating at a peripheral speed of 4100 m / min and carrying out the feed speed of the piezoelectric element at 1 to 5 mm / sec, the rectangular column formed in the second slicing step has a vertical and horizontal length of 15 to 30 μm. Further, there is provided a method for processing a piezoelectric element, characterized in that the height is 300 to 400 μm and the interval between the square pillars is 15 to 30 μm.
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。 Preferably, the peripheral speed of the cutting blade is 1500 to 3900 m / min, and the cooling water supplied from the cooling water supply means forms a water layer having a thickness of 1 to 5 mm on the upper surface of the piezoelectric element.
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。 According to the piezoelectric element processing method of the present invention, the piezoelectric element is sliced in the vertical direction and the horizontal direction without damaging the quadrangular column to form a plurality of square columns aligned in the vertical direction and the horizontal direction. Can do.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the appearance of a cutting device (dicing device) 2 used for slicing according to the present invention.
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。
An alignment unit 6 is disposed above the movement path of the chuck table 4 in the X-axis direction. The alignment unit 6 includes an imaging unit such as a CCD camera that images the surface of the piezoelectric element to be cut, and an image acquired by the imaging unit is displayed on the
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。
On the left side of the alignment means 6, a cutting means 8 for cutting a work (piezoelectric element) held on the chuck table 4 is disposed. The
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。
The
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。
A cooling water supply means 12 is arranged upstream of the
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。
Referring to FIG. 2, a perspective view of the
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。
According to the piezoelectric element processing method of the embodiment of the present invention, the
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。
By going through the first and second slicing steps, a plurality of
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。
Preferably, the
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。
Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the processing method of the piezoelectric element concerning embodiment of this invention is demonstrated in detail. 3 is a plan view when the
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。
The
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。
At this time, the first slicing step by the
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。
Thereby, the heating of the
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。
When all the slicing processes in the X1 direction shown in FIG. 2 are completed, the chuck table 4 is rotated by 90 °, and the slicing process in the X2 direction is similarly performed. Thereby, a plurality of
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。
Table 1 shows the results of various experiments performed by changing the feed speed of the
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。
Further, the prisms were created by changing the feed speed of the
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。
In most experiments, the experiment was conducted while the supply of the cutting water from the cutting water supply means 26 was stopped and the cooling water supply means 12 was supplying 1.5 l / min of cooling water. 1, the cooling water supply is stopped and a small amount of cutting water, that is, 0.3 l / min of cutting water is supplied from the cutting means 26, while the feed speed of the
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。
From this result, when slicing the
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。
Therefore, in the slice processing method of the piezoelectric element of the present embodiment, it has been found that it is preferable to stop the supply of the cutting water from the cutting means 26 and perform the slicing process while supplying the cooling water from the cooling water supply means 12. . The reason is considered that the cooling water supply means 12 is arranged at a considerable distance from the
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。
As a comparative example, FIG. 5 shows a cross-sectional view when processing the workpiece (piezoelectric element) 18 while supplying cutting water from the cutting water supply means 26. This processing condition is the same as the experiment No. in Table 1. Corresponds to 1. That is, in this case, the cutting
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。
FIG. 6 shows how the machining load changes when the feed speed of the
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。
As shown in FIG. 6A, when the feed speed of the
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。
Therefore, if the feed speed of the
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。
As shown in Table 1, the feed speed of the
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。
6A and 6B, the peripheral speed of the
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。
Two methods shown in FIG. 7 can be considered for fixing the piezoelectric element during the processing of the piezoelectric element. FIG. 7A shows a fixing method in which the
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。
In the method shown in FIG. 7B, the
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。
For example, the
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。
According to this method, the adhesive force is very high as compared with the
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
4 Chuck table 10
Claims (2)
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。 A chuck table for holding a plate-like piezoelectric element, a cutting means for rotatably supporting a cutting blade for cutting the piezoelectric element held on the chuck table, and a chuck table for moving the chuck table relative to the cutting blade A method of processing a piezoelectric element using a cutting device comprising a feeding means and a cooling water supply means for supplying cooling water to the surface of the piezoelectric element,
A first slicing step of slicing the piezoelectric element a plurality of times in a first direction at a predetermined width and a predetermined interval;
A second slicing step of slicing the piezoelectric element in a second direction orthogonal to the first direction at a predetermined width and a predetermined interval,
In the first and second slicing steps, the cutting blade is rotated at a peripheral speed of 1400 to 4100 m / min while supplying cooling water to the surface of the piezoelectric element by the cooling water supply means, and the feeding speed of the piezoelectric element Is carried out at 1 to 5 mm / second,
The rectangular column formed in the second slicing step has a vertical and horizontal length of 15 to 30 μm, a height of 300 to 400 μm, and an interval between the square columns of 15 to 30 μm. Element processing method.
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