特開 2023-170692 圧電素子及び超音波トランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023170692

(43)【公開日】2023-12-01

(54)【発明の名称】圧電素子及び超音波トランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20231124BHJP

   H10N 30/87 20230101ALI20231124BHJP

   H10N 30/853 20230101ALI20231124BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20231124BHJP

   H10N 30/097 20230101ALI20231124BHJP

   H10N 30/081 20230101ALI20231124BHJP

   H10N 30/088 20230101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330H

H04R17/00 330G

H01L41/047

H01L41/187

H01L41/09

H01L41/43

H01L41/331

H01L41/338

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022082626

(22)【出願日】2022-05-19

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】弁理士法人北斗特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長田 悠佑

(72)【発明者】

【氏名】清水 優作

(72)【発明者】

【氏名】山腰 清

(72)【発明者】

【氏名】福井 隆文

(72)【発明者】

【氏名】河野 清彦

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA21

5D019BB02

5D019BB10

5D019BB13

5D019BB25

5D019EE04

5D019FF01

5D019HH01

(57)【要約】

【課題】圧電素子の屈曲振動の変位量を増加させることが可能な圧電素子及び超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】圧電素子１は、金属基板２と、下部電極４と、圧電体層５と、上部電極６と、を備える。金属基板２は、少なくとも鉄及びクロムを含む。下部電極４は、金属基板２上に設けられている。圧電体層５は、下部電極４上に設けられている。上部電極６は、圧電体層５上に設けられている。金属基板２は、金属基板２の厚さ方向に沿って形成された貫通孔２５を有する。下部電極４は、貫通孔２５に連通する第１開口部４５を有する。圧電体層５は、貫通孔２５に連通する第２開口部５５を有する。上部電極６は、貫通孔２５に連通する第３開口部６５を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも鉄及びクロムを含む金属基板と、
前記金属基板上に設けられている下部電極と、
前記下部電極上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられている上部電極と、を備え、
前記金属基板は、前記金属基板の厚さ方向に沿って形成された貫通孔を有し、
前記下部電極は、前記貫通孔に連通する第１開口部を有し、
前記圧電体層は、前記貫通孔に連通する第２開口部を有し、
前記上部電極は、前記貫通孔に連通する第３開口部を有する、
圧電素子。

【請求項2】

前記金属基板と前記下部電極との間に介在しているアルミナ層を更に含み、
前記金属基板は、アルミニウムを更に含み、
前記アルミナ層の上面は、前記アルミナ層の有する複数の鱗片状の粒子の表面の一部を含む、
請求項１に記載の圧電素子。

【請求項3】

前記アルミナ層は、前記金属基板の上面の全域を覆っており、
前記アルミナ層は、前記金属基板の前記貫通孔に連通する貫通孔を有する、
請求項２に記載の圧電素子。

【請求項4】

平面視で、前記下部電極の第１外縁は、前記金属基板の第２外縁よりも内側に位置しており、
前記平面視で、前記圧電体層の第３外縁は、前記下部電極の前記第１外縁よりも内側に位置しており、
前記平面視で、前記上部電極の第４外縁は、前記圧電体層の前記第３外縁よりも内側に位置している、
請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電素子。

【請求項5】

前記平面視で、前記下部電極における前記第１開口部の開口縁は、前記金属基板における前記貫通孔の開口縁よりも外側に位置しており、
前記平面視で、前記圧電体層における前記第２開口部の開口縁は、前記下部電極における前記第１開口部の前記開口縁よりも外側に位置しており、
前記平面視で、前記上部電極における前記第３開口部の開口縁は、前記圧電体層における前記第２開口部の前記開口縁よりも外側に位置している、
請求項４に記載の圧電素子。

【請求項6】

前記平面視で、前記第１開口部の前記開口縁、前記貫通孔の前記開口縁、前記第２開口部の前記開口縁及び前記第３開口部の前記開口縁は、前記上部電極の前記第４外縁の形状における幾何中心を囲んでいる、
請求項５に記載の圧電素子。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一項に記載の圧電素子と、
前記圧電素子の前記金属基板と接合されている振動板部と、
前記圧電素子の前記下部電極に接続される第１導通部材と、
前記圧電素子の前記上部電極に接続される第２導通部材と、
前記下部電極と前記第１導通部材とを接合している第１導電性接合部と、
前記上部電極と前記第２導通部材とを接合している第２導電性接合部と、を備える、
超音波トランスデューサ。

【請求項8】

前記圧電素子を収容しているケースを更に備え、
前記ケースは、
平板状の底板部と、
前記底板部の一面の周部から前記底板部の厚さ方向に突出しており、前記圧電素子を囲んでいる筒部と、を有し、
前記底板部のうち前記筒部により囲まれた部分が、前記振動板部を兼ねている、
請求項７に記載の超音波トランスデューサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、圧電素子及び超音波トランスデューサに関し、より詳細には、下部電極及び上部電極を有する圧電素子、及び、圧電素子を備える超音波トランスデューサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、金属基板と、下部電極と、圧電体層と、上部電極と、を備える圧電素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１２／１１１２７９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

圧電素子では、屈曲振動の変位量を増加させることが望まれる場合がある。

【0005】

本開示の目的は、圧電素子の屈曲振動の変位量を増加させることが可能な圧電素子及び超音波トランスデューサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る圧電素子は、金属基板と、下部電極と、圧電体層と、上部電極と、を備える。前記金属基板は、少なくとも鉄及びクロムを含む。前記下部電極は、前記金属基板上に設けられている。前記圧電体層は、前記下部電極上に設けられている。前記上部電極は、前記圧電体層上に設けられている。前記金属基板は、前記金属基板の厚さ方向に沿って形成された貫通孔を有する。前記下部電極は、前記貫通孔に連通する第１開口部を有する。前記圧電体層は、前記貫通孔に連通する第２開口部を有する。前記上部電極は、前記貫通孔に連通する第３開口部を有する。

【0007】

本開示の一態様に係る超音波トランスデューサは、前記圧電素子と、振動板部と、第１導通部材と、第２導通部材と、第１導電性接合部と、第２導電性接合部と、を備える。前記振動板部は、前記圧電素子の前記金属基板と接合されている。前記第１導通部材は、前記圧電素子の前記下部電極に接続される。前記第２導通部材は、前記圧電素子の前記上部電極に接続される。前記第１導電性接合部は、前記下部電極と前記第１導通部材とを接合している。前記第２導電性接合部は、前記上部電極と前記第２導通部材とを接合している。

【発明の効果】

【0008】

本開示の圧電素子及び超音波トランスデューサでは、圧電素子の屈曲振動の変位量を増加させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態１に係る圧電素子の平面図である。

【図2】図２は、同上の圧電素子に関し、図１のＡ１－Ａ１線断面図である。

【図3】図３Ａは、同上の圧電素子において上部電極と下部電極との間に上部電極が下部電極に対して高電位となる電圧が印加されたときの圧電素子の動作説明図である。図３Ｂは、同上の圧電素子において上部電極と下部電極との間に下部電極が上部電極に対して高電位となる電圧が印加されたときの圧電素子の動作説明図である。

【図4】図４は、同上の圧電素子の屈曲振動の変位量の説明図である。

【図5】図５は、同上の圧電素子を備える超音波トランスデューサの平面図である。

【図6】図６は、同上の圧電素子を備える超音波トランスデューサに関し、図５のＡ２－Ａ２線断面図である。

【図7】図７は、同上の圧電素子を備える超音波トランスデューサ及び比較例の特性説明図である。

【図8】図８は、実施形態２に係る超音波トランスデューサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下の実施形態１～２等において参照する各図は、いずれも模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

【0011】

（実施形態１）
以下、圧電素子１について図１～４に基づいて説明した後、圧電素子１を備える超音波トランスデューサ１００について図５及び６に基づいて説明する。

【0012】

（１）圧電素子及び超音波センサの概要
圧電素子１は、図１及び２に示すように、金属基板２と、アルミナ層３と、下部電極４と、圧電体層５と、上部電極６と、を備える。金属基板２は、少なくとも鉄及びクロムを含む。下部電極４は、金属基板２上に設けられている。圧電体層５は、下部電極４上に設けられている。上部電極６は、圧電体層５上に設けられている。平面視で、圧電素子１の外縁は、例えば、四角形状である。「平面視で、」とは、「金属基板２の厚さ方向に沿った方向において金属基板２の上側から見て、」と同じ意味である。言い換えれば、「平面視で」とは、「金属基板２の厚さ方向からの平面視で、」と同じ意味である。

【0013】

超音波トランスデューサ１００は、図５及び６に示すように、圧電素子１と、振動板部１２０と、第１リード線１４１と、第２リード線１４２と、第１導電性接合部１３１と、第２導電性接合部１３２と、を備える。超音波トランスデューサ１００では、第１リード線１４１が、第１導通部材を構成し、第２リード線１４２が、第２導通部材を構成している。振動板部１２０は、圧電素子１の金属基板２と接合されている。より詳細には、振動板部１２０は、接合部１０５により、圧電素子１の金属基板２と接合されている。第１リード線１４１は、圧電素子１の下部電極４に接続される。第２リード線１４２は、圧電素子１の上部電極６に接続される。第１導電性接合部１３１は、下部電極４と第１リード線１４１とを接合している。第２導電性接合部１３２は、上部電極６と第２リード線１４２とを接合している。

【0014】

超音波トランスデューサ１００は、圧電素子１において第１電気信号（所定の駆動周波数の交流電圧）を第１機械振動に変換することにより、超音波を送波する。超音波トランスデューサ１００では、第１電気信号が圧電素子１に印加されたときの圧電素子１の水平方向の伸縮運動による圧電素子１の垂直方向の振動に伴って振動板部１２０が振動板部１２０の厚さ方向に振動し、超音波が送波される。また、超音波トランスデューサ１００は、例えば、この超音波トランスデューサ１００から送波された超音波の反射波が振動板部１２０に入射したときの振動板部１２０の厚さ方向の振動に伴う圧電素子１の第２機械振動を、圧電素子１において第２電気信号に変換する。

【0015】

超音波トランスデューサ１００では、振動板部１２０は、平板状である。超音波トランスデューサ１００は、圧電素子１を収容しているケース１０１を更に備える。ケース１０１は、底板部１０２と、筒部１０３と、を有する。底板部１０２は、平板状である。筒部１０３は、底板部１０２の一面の周部から底板部１０２の厚さ方向に突出しており、圧電素子１を囲んでいる。底板部１０２のうち筒部１０３により囲まれた部分が、振動板部１２０を兼ねている。

【0016】

また、超音波トランスデューサ１００は、図６に示すように、ケース１０１内において圧電素子１の上方に配置されている吸音部材１５０と、ケース１０１内において吸音部材１５０上に配置されている封止部１６０と、を更に備える。なお、図５では、吸音部材１５０及び封止部１６０の図示を省略してある。

【0017】

（２）詳細
（２．１）圧電素子
以下、実施形態１に係る圧電素子１について、図１及び２を参照して、より詳細に説明する。

【0018】

（２．１．１）金属基板
金属基板２は、平板状である。金属基板２は、上面（第１主面）２１及び下面（第２主面）２２を有する。平面視で、金属基板２の外縁２０は、四角形状（例えば、長方形状）である。金属基板２の厚さは、例えば、０．１ｍｍであるが、これに限らない。

【0019】

金属基板２は、鉄とクロムとアルミニウムとを含む。金属基板２は、鉄を主成分として含むステンレス鋼基板であり、鉄の他にクロム及びアルミニウムを含む。金属基板２を構成するステンレス鋼基板は、例えば、アルミニウム含有フェライト系ステンレス鋼基板である。アルミニウム含有フェライト系ステンレス鋼基板は、例えば、クロムの含有量が１８ｗｔ％であり、アルミニウムの含有量が３ｗｔ％であるが、これらの数値に限定されない。金属基板２は、鉄、クロム及びアルミニウム以外の元素を更に含んでいてもよい。

【0020】

金属基板２は、金属基板２の厚さ方向に沿って形成された貫通孔２５を有する。平面視で、金属基板２における貫通孔２５の開口縁２６は、円形状であるが、これに限らない。

【0021】

（２．１．２）アルミナ層
アルミナ層３は、金属基板２の上面２１上に設けられている。平面視で、アルミナ層３の外縁３０は、四角形状（例えば、長方形状）である。アルミナ層３の厚さは、例えば、１μｍであるが、これに限らない。

【0022】

アルミナ層３を形成するアルミナの主相は、γ－アルミナ相である。すなわち、アルミナ層３は、主としてγ－アルミナ相の粒子で形成されている。「主としてγ－アルミナ相の粒子で形成されている」とは、アルミナ層３の５０重量％を超える部分がγ－アルミナ相の粒子で形成されていることを意味する。アルミナ層３を構成する材料（粒子）の結晶相は、アルミナ層３の露出した部位のＸ線回折パターンをＸ線回折装置によって測定することによって同定することができる。アルミナ層３の上面は、アルミナ層３の有する複数の鱗片状の粒子の表面の一部を含んでいる。アルミナ層３の上面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像及びＸ線回折パターンの測定結果をあわせて考えると、鱗片状の粒子は、γ－アルミナ粒子であると推定される。

【0023】

アルミナ層３は、金属基板２の貫通孔２５に連通する貫通孔３５を有する。平面視で、アルミナ層３における貫通孔３５の開口縁３６は、円形状であるが、これに限らない。

【0024】

（２．１．３）下部電極
下部電極４は、アルミナ層３の上面３１上に設けられている。平面視で、下部電極４の外縁４０は、例えば、四角形状であるが、これに限らない。下部電極４の厚さは、例えば、３μｍであるが、これに限らない。

【0025】

下部電極４の材料は、例えば、銀（Ａｇ）及びパラジウム（Ｐｄ）を含む。より詳細には、下部電極４の材料は、例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金を含む。

【0026】

下部電極４は、貫通孔２５に連通する第１開口部４５を有する。平面視で、下部電極４における第１開口部４５の開口縁４６は、円形状であるが、これに限らない。

【0027】

（２．１．４）圧電体層
圧電体層５は、下部電極４の上面４１上に設けられている。平面視で、圧電体層５の外縁５０は、例えば、四角形状であるが、これに限らない。圧電体層５の厚さは、例えば、５μｍ以上４０μｍ以下であり、好ましくは、１０μｍ以上３０μｍ以下である。圧電体層５の厚さは、一例として１１μｍであるが、これに限らない。

【0028】

圧電体層５の材料は、例えば、ＰｂとＺｒとＺｎとＮｂとＯとを含むが、これに限らない。より詳細には、圧電体層５の材料は、例えば、Ｐｂ_{１．０１５}Ｚｒ_０．４４（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１０Ｏ_{３．０１５}を含むが、圧電体層５の材料の組成比は、これに限らない。

【0029】

圧電体層５は、貫通孔２５に連通する第２開口部５５を有する。平面視で、圧電体層５における第２開口部５５の開口縁５６は、円形状であるが、これに限らない。

【0030】

（２．１．５）上部電極
上部電極６は、圧電体層５の上面５１上に設けられている。平面視で、上部電極６の外縁６０は、例えば、四角形状であるが、これに限らない。上部電極６の厚さは、例えば、３μｍであるが、これに限らない。

【0031】

上部電極６の材料は、例えば、Ａｇ及びＰｄを含む。より詳細には、上部電極６の材料は、例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金を含む。

【0032】

上部電極６は、貫通孔２５に連通する第３開口部６５を有する。平面視で、上部電極６における第３開口部６５の開口縁６６は、円形状であるが、これに限らない。

【0033】

（２．１．６）圧電素子における、下部電極、圧電体層及び上部電極のレイアウト
圧電素子１では、平面視で、下部電極４の外縁４０（第１外縁）は、金属基板２の外縁２０（第２外縁）よりも内側に位置している。平面視で、圧電体層５の外縁５０（第３外縁）は、下部電極４の外縁４０よりも内側に位置している。平面視で、上部電極６の外縁６０（第４外縁）は、圧電体層５の外縁５０よりも内側に位置している。圧電素子１では、下部電極４の上面４１の面積が金属基板２の上面２１の面積よりも小さく、圧電体層５の上面５１の面積が下部電極４の上面４１の面積よりも小さく、上部電極６の上面６１の面積が圧電体層５の上面５１の面積よりも小さい。

【0034】

以下では、図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸を有する直交座標を規定し、特に、金属基板２の厚さ方向に沿った軸を「Ｚ軸」とし、金属基板２の長手方向に沿った軸を「Ｘ軸」とし、金属基板２の短手方向に沿った軸を「Ｙ軸」として説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、いずれも仮想的な軸であり、図面中の「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」を示す矢印は、説明のために表記しているに過ぎず、いずれも実体を伴わない。

【0035】

圧電素子１では、下部電極４の上面４１のうち圧電体層５に覆われていない部位４１１の一部が、外部接続用の端子部を兼ねている。圧電素子１では、図１に示すように、平面視で、下部電極４の外縁４０と圧電体層５の外縁５０との距離が一様ではなく、第１幅Ｗ１が第２幅Ｗ２よりも広い。第１幅Ｗ１は、Ｘ軸に沿った方向の圧電素子１の第１端における、下部電極４の外縁４０と圧電体層５の外縁５０との間の幅である。第２幅Ｗ２は、Ｘ軸に沿った方向の圧電素子１の第２端における、下部電極４の外縁４０と圧電体層５の外縁５０との間の幅である。

【0036】

また、圧電素子１では、貫通孔２５、貫通孔３５、第１開口部４５、第２開口部５５及び第３開口部６５の全部が連通している。

【0037】

また、圧電素子１では、平面視で、下部電極４における第１開口部４５の開口縁４６は、金属基板２における貫通孔２５の開口縁２６よりも外側に位置している。つまり、平面視で、第１開口部４５を通して金属基板２の貫通孔２５の開口縁２６に沿った枠状の部分が見える。平面視で、圧電体層５における第２開口部５５の開口縁５６は、下部電極４における第１開口部４５の開口縁４６よりも外側に位置している。つまり、平面視で、第２開口部５５を通して下部電極４の第１開口部４５の開口縁４６に沿った枠状の部分が見える。平面視で、上部電極６における第３開口部６５の開口縁６６は、圧電体層５における第２開口部５５の開口縁５６よりも外側に位置している。つまり、平面視で、第３開口部６５を通して圧電体層５の第２開口部５５の開口縁５６に沿った枠状の部分が見える。

【0038】

圧電素子１では、平面視で、第１開口部４５の開口縁４６、貫通孔２５の開口縁２６、第２開口部５５の開口縁５６及び第３開口部６５の開口縁６６は、上部電極６の外縁６０の形状における幾何中心６００を囲んでいる。

【0039】

（２．１．７）圧電素子の動作
圧電素子１では、例えば、上部電極６と下部電極４との間に上部電極６が下部電極４に対して高電位となる電圧が印加されたとき、図３Ａに示すように、圧電素子１の圧電体層５が伸びるので、上部電極６の上面６１が凸面となるように圧電素子１が屈曲する。

【0040】

また、圧電素子１では、例えば、上部電極６と下部電極４との間に下部電極４が上部電極６に対して高電位となる電圧が印加されたとき、図３Ｂに示すように、圧電素子１の圧電体層５が縮むので、上部電極６の上面６１が凹面となるように圧電素子１が屈曲する。

【0041】

また、圧電素子１は、圧電素子１の上部電極６と下部電極４との間に圧電素子１の共振周波数を駆動周波数とする交流電圧（第１電気信号）Ｖｓ１が印加された場合、図４に示すように、圧電素子１が屈曲振動する。つまり、圧電素子１は、ベンディングモードで振動する。図４では、交流電圧が印加されていないときの圧電素子１を二点鎖線で示し、上部電極６が下部電極４に対して高電位となる電圧が印加されたときの圧電素子１を実線で示し、下部電極４が上部電極６に対して高電位となる電圧が印加されたときの圧電素子を点線で示してある。

【0042】

圧電素子１では、圧電素子の厚さ方向に貫通する開口部を有していない比較例の圧電素子と比べて、圧電素子１の屈曲振動の変位量を増加させることができる。

【0043】

（２．１．８）圧電素子の製造方法
実施形態１に係る圧電素子１の製造方法について、簡単に説明する。

【0044】

実施形態１に係る圧電素子１の製造方法では、まず、金属基板２の多数個取りが可能なベース金属基板を準備し、その後、第１工程、第２工程、第３工程、第４工程、第５工程、第６工程及び第７工程を順次行う。

【0045】

第１工程では、鉄とクロムとアルミニウムとを含むベース金属基板を大気中で加熱処理することにより、ベース金属基板の上面の全域を覆うアルミナ層を形成する。加熱処理の条件に関し、熱処理温度は、例えば、８５０℃以上９００℃以下であり、熱処理時間は、例えば、２時間である。なお、第１工程では、アルミナ層である第１アルミナ層の他に、ベース金属基板の下面の全域を覆う第２アルミナ層が形成されてもよい。

【0046】

第２工程では、ベース金属基板及びアルミナ層を貫通する複数の貫通孔をエッチング又はドリル加工によって形成する。複数の貫通孔の各々は、圧電素子１の金属基板２の貫通孔２５及びアルミナ層３の貫通孔３５を含む。

【0047】

第３工程では、下部電極４の材料を含むペースト（例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金ペースト）をスクリーン印刷することによって、複数の下部電極材料部を含む第１パターン部をアルミナ層上に形成する。

【0048】

第４工程では、圧電体層５の材料を含むペーストをメタルマスク印刷することによって、複数の圧電体材料部を含む第２パターン部を第１パターン部上に形成する。圧電体層５の材料は、例えば、Ｐｂ_{１．０１５}Ｚｒ_０．４４（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１０Ｏ_{３．０１５}である。

【0049】

第５工程では、上部電極６の材料を含むペースト（例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金ペースト）をスクリーン印刷することによって、第２パターン部上に複数の上部電極材料部を含む第３パターン部を形成する。

【0050】

第６工程では、第１パターン部、第２パターン部及び第３パターン部を所定の焼成温度（例えば、８７５℃）で焼成することによって、複数の下部電極４を含む下部電極パターン部、複数の圧電体層５を含む圧電体層パターン部及び複数の上部電極６を含む上部電極パターン部を形成する。これにより、複数の圧電素子１を含む構造体が形成される。

【0051】

第７工程では、ダイシングブレードにより構造体をダイシングすることによって、構造体を個々の圧電素子１に分離する。構造体においてダイシングレーンには、ベース金属基板及びアルミナ層は存在するが、下部電極パターン部、圧電体層パターン部及び上部電極パターン部は存在しない。ここで、ダイシングブレードの厚みは、構造体においてダイシングレーンを挟んで隣り合う２つの下部電極４間の第１距離よりも小さい。また、ダイシングブレードの厚みは、構造体においてダイシングレーンを挟んで隣り合う２つの圧電体層５間の第２距離よりも小さい。また、ダイシングブレードの厚みは、構造体においてダイシングレーンを挟んで隣り合う２つの上部電極６間の第３距離よりも小さい。以上より、第６工程では、ダイシングブレードの厚み＜第１距離＜第２距離＜第３距離、の関係を満たす。

【0052】

圧電素子１の製造方法によれば、第７工程において、下部電極４、圧電体層５及び上部電極６の割れ及び欠け（チッピング）が発生し難い。したがって、圧電素子１の製造方法によれば、製造歩留まりの向上を図れる。また、圧電素子１では、ハンドリングする際にハンドリング用のツールが下部電極４、圧電体層５及び上部電極６に接触するのを防止することができるので、下部電極４、圧電体層５及び上部電極６の破損を防止することができる。よって、圧電素子１は、圧電体層５の薄型化が可能である。

【0053】

なお、第７工程では、ダイシングブレードにより構造体をダイシングしているが、ダイシングブレードを用いた方法に限らず、構造体のダイシングレーンに沿ってレーザ光を照射してダイシングするレーザダイシングを行ってもよい。ダイシングブレードを用いた方法、レーザダイシングのいずれの場合も、ダイシングレーンの幅寸法がダイシングによる切削幅（最大幅）よりも広くなるように、第３工程で用いる第１スクリーン印刷用マスク、第４工程で用いるメタルマスク及び第５工程で用いる第２スクリーン印刷用マスクを設計してある。

【0054】

（２．２）超音波トランスデューサ
以下、実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００について、図５及び６を参照して、より詳細に説明する。

【0055】

超音波トランスデューサ１００は、超音波の送波（送信）と超音波の受波（受信）との両方が可能に構成されている。超音波トランスデューサ１００は、例えば、自動車等の車両に搭載されて車両の周囲の物体（障害物等）を検知する超音波センサに用いられる。超音波センサは、例えば、超音波トランスデューサ１００と、駆動回路と、信号処理回路と、を備える。超音波センサは、例えば、ＴＯＦ（Time of Flight）型の超音波センサである。駆動回路は、超音波トランスデューサ１００から超音波を送波させるために超音波トランスデューサ１００の圧電素子１を駆動する電気信号を圧電素子１へ印加する。信号処理回路は、超音波トランスデューサ１００が超音波の反射波を受波したときに圧電素子１から出力される電気信号を処理する。信号処理回路は、例えば、超音波センサの検知エリア内の物体の有無と、超音波トランスデューサ１００から物体までの距離と、の少なくとも一方を検知する。超音波センサの超音波トランスデューサは、例えば、自動車のバンパーに取り付けられる。超音波トランスデューサ１００を自動車用の超音波センサとして用いる場合、超音波トランスデューサ１００は、例えば、Ｘ軸方向（図５での左右方向）が垂直方向となり、Ｙ軸方向（図５での上下方向）が水平方向となり、Ｚ軸方向（図５での紙面に直交する方向）が検知方向（超音波の送受波方向）となるように設置される。なお、超音波トランスデューサ１００の取り付けの向きは、例えば、超音波トランスデューサ１００の用途に応じて適宜変更可能である。なお、超音波トランスデューサ１００が駆動回路及び信号処理回路の少なくとも一方を含んでいてもよい。

【0056】

（２．２．１）ケース
ケース１０１では、底板部１０２と筒部１０３とが一体に形成されている。ケース１０１の形状は、有底筒状である。平面視で、ケース１０１の外縁は、円形状である。振動板部１２０は、上面１２１及び下面１２２を有する。振動板部１２０の厚さは、例えば、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、一例として、０．９ｍｍである。平面視で、ケース１０１の外径は、例えば、１４ｍｍであるが、これに限らず、例えば、１５．５ｍｍでもよい。また、Ｚ軸方向におけるケース１０１の長さは、例えば、９ｍｍであるが、これに限らない。ケース１０１では、振動板部１２０の下面１２２が超音波の送受波面を構成している。

【0057】

ケース１０１の材料は、例えば、アルミニウム合金であるが、これに限らず、例えば、マグネシウム合金、ステンレス鋼、チタン合金又はエンジニアプラスチックでもよい。

【0058】

平面視で、振動板部１２０は、第１方向（Ｘ軸方向）における第１最大長さＲ１が第２方向（Ｙ軸方向）における第２最大長さＲ２に比べて長くなる形状としてある。これにより、超音波トランスデューサ１００では、Ｘ軸方向の指向角をＹ軸方向の指向角よりも狭くできる。なお、第１最大長さＲ１は、１２．６ｍｍ、第２最大長さＲ２は、８ｍｍであるが、これらの数値に限定されない。

【0059】

（２．２．２）接合部
接合部１０５は、圧電素子１の金属基板２の下面２２と振動板部１２０の上面１２１との間に介在している。接合部１０５の材料は、例えば、樹脂系接着剤、導電性接合材料又はＤＡＦ（Die Attach Film）である。樹脂系接着剤は、例えば、エポキシ接着剤を含む。導電性接合材料は、例えば、導電性ペースト（銀ペースト等）を含む。

【0060】

（２．２．３）第１リード線、第２リード線、第１導電性接合部、第２導電性接合部
超音波トランスデューサ１００では、第１リード線１４１が、圧電素子１の下部電極４に接続される第１導通部材を構成し、第２リード線１４２が、圧電素子１の上部電極６に接続される第２導通部材を構成している。第１リード線１４１の第１端は、第１導電性接合部１３１によって下部電極４に接合されて下部電極４と電気的に接続されており、第２リード線１４２の第１端は、第２導電性接合部１３２によって上部電極６に接合されて上部電極６と電気的に接続されている。

【0061】

第１リード線１４１及び第２リード線１４２は、可撓性を有する電線である。第１リード線１４１の一部及び第２リード線１４２の一部は、ケース１０１の外に導出されている。第１リード線１４１の第２端及び第２リード線１４２の第２端は、例えば、超音波センサの備える駆動回路と超音波センサの備える信号処理回路とに接続される。

【0062】

第１導電性接合部１３１及び第２導電性接合部１３２の材料は、例えば、はんだを含む。

【0063】

なお、超音波センサでは、超音波トランスデューサ１００を超音波の送波（送信）に用いる場合には、超音波トランスデューサ１００が駆動回路に接続され、超音波トランスデューサ１００を超音波の受波（受信）に用いる場合には、超音波トランスデューサ１００が信号処理回路に接続される。

【0064】

（２．２．４）吸音部材
吸音部材１５０は、ケース１０１内において圧電素子１の上方に配置されている。吸音部材１５０の材料は、例えば、発泡体を含む。発泡体は、例えば、ウレタン系の発泡体、発泡シリコーンを含む。

【0065】

（２．２．５）封止部
封止部１６０は、ケース１０１内において吸音部材１５０上に配置されている。封止部１６０の材料は、例えば、シリコーン樹脂を含む。

【0066】

（２．２．６）超音波トランスデューサの特性
図７では、実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００の特性説明図であり、圧電素子１の駆動周波数と、超音波トランスデューサ１００から送波される超音波の音圧との関係を黒丸のプロットで示してある。また、図７では、超音波トランスデューサ１００の比較例における圧電素子の駆動周波数と音圧との関係を白抜きの四角で示してある。比較例の超音波トランスデューサにおける圧電素子は、圧電素子の厚さ方向に貫通する開口部を有していない。図７の横軸は、駆動周波数である。図７の縦軸は、複数の比較例の音圧の平均値を１として規格化したときの音圧である。

【0067】

図７から、実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００では、比較例と比べて、圧電素子１の駆動周波数の高速化を図りつつ高音圧化を図れることが分かる。

【0068】

（３）効果
（３．１）圧電素子
実施形態１に係る圧電素子１では、金属基板２が、金属基板２の厚さ方向に沿って形成された貫通孔２５を有し、下部電極４が、貫通孔２５に連通する第１開口部４５を有し、圧電体層５が、貫通孔２５に連通する第２開口部５５を有し、上部電極６が、貫通孔２５に連通する第３開口部６５を有する。これにより、実施形態１に係る圧電素子１は、水平方向の伸縮運動の変位を大きくでき、圧電素子１の屈曲振動の変位量を増加させることが可能となる。

【0069】

また、実施形態１に係る圧電素子１は、下部電極４と金属基板２との間に介在しているアルミナ層３を備え、アルミナ層３の上面３１が、アルミナ層３の有する複数の鱗片状の粒子の表面の一部を含むので、下部電極４の剥離を抑制することが可能となる。

【0070】

実施形態１に係る圧電素子１では、アルミナ層３が金属基板２の上面２１の全域を覆っており、金属基板２の貫通孔２５に連通する貫通孔３５を有するので、圧電特性を向上させることが可能となる。より詳細には、実施形態１に係る圧電素子１では、製造時において金属基板２と圧電体層５との間で熱拡散が起こることを抑制でき、圧電特性を向上させることが可能となる。

【0071】

また、実施形態１に係る圧電素子１では、平面視で、下部電極４の外縁４０（第１外縁）が、金属基板２の外縁２０（第２外縁）よりも内側に位置し、圧電体層５の外縁５０（第３外縁）が、下部電極４の外縁４０よりも内側に位置し、上部電極６の外縁６０（第４外縁）が、圧電体層５の外縁５０（第３外縁）よりも内側に位置している。これにより、実施形態１に係る圧電素子１によれば、圧電素子１の動作周波数（共振周波数）の高速化を図ることが可能となる。より詳細には、実施形態１に係る圧電素子１は、圧電体層５の薄型化を図ることができるので、圧電素子１の共振周波数をより高くすることが可能となり、駆動周波数をより高くすることが可能となる。

【0072】

（３．２）超音波トランスデューサ
実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、圧電素子１と、圧電素子１の金属基板２と接合されている振動板部１２０と、を備えるので、圧電素子の屈曲振動の変位量を増加させることが可能となる。これにより、超音波トランスデューサ１００では、高音圧化を図ることが可能となる。よって、例えば、超音波トランスデューサ１００を備える超音波センサを自動車に設置して用いる場合に、超音波センサのＳ／Ｎ比を向上させることが可能となり、検知対象の物体を検知可能な距離をより長くすることが可能となる。

【0073】

また、超音波トランスデューサ１００では、圧電素子１における圧電体層５の薄型化により、超音波の指向角の挟角化を図ることができる。これにより、超音波トランスデューサ１００から送波された超音波が路面、縁石等に入射することを抑制でき、路面、縁石等からの反射波が超音波トランスデューサ１００で受波されることを抑制でき、超音波センサのＳ／Ｎ比を向上させることが可能となり、検知対象の物体を検知可能な距離をより長くすることが可能となる。

【0074】

（実施形態２）
以下、実施形態２に係る超音波トランスデューサ１００ａについて、図８を参照しながら説明する。なお、実施形態２に係る超音波トランスデューサ１００ａに関し、実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

【0075】

実施形態２に係る超音波トランスデューサ１００ａは、実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００における振動板部１２０の代わりに、底面が開口した円錐状の振動板部１２０ａを備える。

【0076】

また、実施形態２に係る超音波トランスデューサ１００ａは、実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００におけるケース１０１の代わりに、ケース１０１ａを備える。

【0077】

超音波トランスデューサ１００ａでは、ケース１０１ａ内に、圧電素子１及び振動板部１２０ａが収容されている。振動板部１２０ａは、圧電素子１の金属基板２の下面２２に接合されている。振動板部１２０ａは、ケース１０１ａとは別部材であり、ケース１０１ａから離れている。

【0078】

ケース１０１ａは、台座１７０と、キャップ１０６と、メッシュ部材１６５と、を含む。また、超音波トランスデューサ１００ａは、台座１７０から突出しており、圧電素子１を支持している支持部１８０を備える。また、超音波トランスデューサ１００ａは、第１導電性接合部１３１及び第２導電性接合部１３２と、第１リード線１４１及び第２リード線１４２と、第１リード端子１９１及び第２リード端子１９２と、を備える。

【0079】

台座１７０は、円盤状である。台座１７０の材料は、例えば、アルミニウム合金であるが、これに限らず、例えば、マグネシウム合金、ステンレス鋼、チタン合金又はエンジニアプラスチックでもよい。

【0080】

キャップ１０６は、底壁１６１と円筒状の周壁１６２とを有する有底円筒状であり、圧電素子１及び振動板部１２０ａを覆うように台座１７０に固着されている。キャップ１０６の材料は、例えば、アルミニウム合金であるが、これに限らず、例えば、マグネシウム合金、ステンレス鋼、チタン合金又はエンジニアプラスチックでもよい。

【0081】

メッシュ部材１６５は、キャップ１０６の底壁１６１に形成された窓孔１６３内に配置されており、振動板部１２０ａの前方に位置している。メッシュ部材１６５は、超音波を通すことができるように複数の開口部１６６を有する。

【0082】

第１リード線１４１及び第２リード線１４２は、可撓性を有する電線である。超音波トランスデューサ１００ａでは、第１リード線１４１の第１端は、第１導電性接合部１３１により圧電素子１の下部電極４に接合されて電気的に接続され、第１リード線１４１の第２端は、第１リード端子１９１に接合されて電気的に接続されている。また、超音波トランスデューサ１００ａでは、第２リード線１４２の第１端は、第２導電性接合部１３２により圧電素子１の上部電極６に接合されて電気的に接続され、第２リード線１４２の第２端は、第２リード端子１９２に接合されて電気的に接続されている。

【0083】

第１リード端子１９１及び第２リード端子１９２の各々は、ピン状である。第１リード端子１９１及び第２リード端子１９２は、台座１７０の厚さ方向において台座１７０を貫通している。第１リード端子１９１と第２リード端子１９２とは電気的に絶縁されている。第１リード端子１９１及び第２リード端子１９２は、台座１７０とは第１リード端子１９１及び第２リード端子１９２と台座１７０との間に介在する第１絶縁部及び第２絶縁部により電気的に絶縁されているが、これに限らない。例えば、第１リード端子１９１及び第２リード端子１９２のうちの一方が台座１７０と電気的に接続されていてもよい。

【0084】

実施形態２に係る超音波トランスデューサ１００ａは、圧電素子１と、圧電素子１の金属基板２と接合されている振動板部１２０ａと、を備えるので、圧電素子１の屈曲振動の変位量を増加させることが可能となる。これにより、超音波トランスデューサ１００ａでは、超音波の高音圧化を図ることが可能となる。

【0085】

（変形例）
実施形態１～２は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。実施形態１～２は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

【0086】

例えば、平面視での金属基板２の外縁２０は、長方形状である場合に限らず、例えば、正方形状であってもよい。

【0087】

金属基板２は、アルミニウムを含むことは必須ではなく、少なくとも鉄及びクロムを含んでいればよい。

【0088】

また、圧電素子１においてアルミナ層３を含むことは必須ではない。つまり、圧電素子１は、アルミナ層３を含まず、下部電極４が金属基板２上に直接設けられていてもよい。

【0089】

また、圧電体層５の材料は、ＰｂとＺｒとＺｎとＮｂとＯとを含む材料、例えば、Ｐｂ_{１．０１５}Ｚｒ_０．４４（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）_０．１０Ｏ_{３．０１５}に限らず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ＫＮｂＯ_３、ＮａＮｂＯ_３又はＫ_０．５Ｎａ_０．５ＮｂＯ_３であってもよい。

【0090】

また、圧電素子１では、圧電体層５が下部電極４上に直接設けられているが、これに限らず、圧電体層５がバッファ層を介して下部電極４上に設けられていてもよい。バッファ層は、例えば、下部電極４の材料の少なくとも一部と圧電体層５の材料の少なくとも一部とを含む。

【0091】

また、圧電素子１は、金属基板２の貫通孔２５と下部電極４の第１開口部４５と圧電体層５の第２開口部５５と上部電極６の第３開口部６５とを含んで圧電素子１の厚さ方向に貫通する貫通孔を１つだけ有する構成に限らず、当該貫通孔を複数有する構成であってもよい。

【0092】

超音波トランスデューサ１００において、第１導通部材及び第２導通部材は、第１リード線１４１及び第２リード線１４２に限らず、例えば、フレキシブルプリント配線板の導体パターン部に含まれる第１リード電極（第１導体部）及び第２リード電極（第２導体部）であってもよい。

【0093】

また、超音波トランスデューサ１００ａにおいて、第１導通部材及び第２導通部材は、第１リード線１４１及び第２リード線１４２に限らず、例えば、第１導電性ワイヤ及び第２導電性ワイヤであってもよい。

【0094】

（態様）
以上説明した実施形態１～２等から、本明細書には以下の態様が開示されている。

【0095】

第１の態様に係る圧電素子（１）は、金属基板（２）と、下部電極（４）と、圧電体層（５）と、上部電極（６）と、を備える。金属基板（２）は、少なくとも鉄及びクロムを含む。下部電極（４）は、金属基板（２）上に設けられている。圧電体層（５）は、下部電極（４）上に設けられている。上部電極（６）は、圧電体層（５）上に設けられている。金属基板（２）は、金属基板（２）の厚さ方向に沿って形成された貫通孔（２５）を有する。下部電極（４）は、貫通孔（２５）に連通する第１開口部（４５）を有する。圧電体層（５）は、貫通孔（２５）に連通する第２開口部（５５）を有する。上部電極（６）は、貫通孔（２５）に連通する第３開口部（６５）を有する。

【0096】

第１の態様に係る圧電素子（１）によれば、圧電素子（１）の屈曲振動の変位量を増加させることが可能となる。

【0097】

第２の態様に係る圧電素子（１）は、第１の態様において、アルミナ層（３）を更に含む。アルミナ層（３）は、金属基板（２）と下部電極（４）との間に介在している。金属基板（２）は、アルミニウムを更に含む。アルミナ層（３）の上面（３１）は、アルミナ層（３）の有する複数の鱗片状の粒子の表面の一部を含む。

【0098】

第２の態様に係る圧電素子（１）は、下部電極（４）の剥離を抑制することが可能となる。

【0099】

第３の態様に係る圧電素子では、第２の態様において、アルミナ層（３）は、金属基板（２）の上面（２１）の全域を覆っている。アルミナ層（３）は、金属基板（２）の貫通孔（２５）に連通する貫通孔（３５）を有する。

【0100】

第３の態様に係る圧電素子（１）では、圧電特性を向上させることが可能となる。

【0101】

第４の態様に係る圧電素子（１）では、第１～３の態様のいずれか一つにおいて、平面視で、下部電極（４）の第１外縁（外縁４０）は、金属基板（２）の第２外縁（外縁２０）よりも内側に位置している。平面視で、圧電体層（５）の第３外縁（外縁５０）は、下部電極（４）の第１外縁（外縁４０）よりも内側に位置している。平面視で、上部電極（６）の第４外縁（外縁６０）は、圧電体層（５）の第３外縁（外縁５０）よりも内側に位置している。

【0102】

第４の態様に係る圧電素子（１）によれば、圧電体層（５）をより薄くすることが可能となり、圧電素子（１）の動作周波数の高速化を図ることが可能となる。

【0103】

第５の態様に係る圧電素子（１）では、第４の態様において、平面視で、下部電極（４）における第１開口部（４５）の開口縁（４６）は、金属基板（２）における貫通孔（２５）の開口縁（２６）よりも外側に位置している。平面視で、圧電体層（５）における第２開口部（５５）の開口縁（５６）は、下部電極（４）における第１開口部（４５）の開口縁（４６）よりも外側に位置している。平面視で、上部電極（６）における第３開口部（６５）の開口縁（６６）は、圧電体層（５）における第２開口部（５５）の開口縁（５６）よりも外側に位置している。

【0104】

第５の態様に係る圧電素子（１）によれば、下部電極（４）の第１開口部（４５）、圧電体層（５）の第２開口部（５５）及び上部電極（６）の第３開口部（６５）それぞれを容易に形成することが可能となるとともに、位置精度の向上を図れるとともに、下部電極（４）の第１開口部（４５）、圧電体層（５）の第２開口部（５５）及び上部電極（６）の第３開口部（６５）それぞれの位置精度の向上を図れる。

【0105】

第６の態様に係る圧電素子（１）では、第５の態様において、平面視で、第１開口部（４５）の開口縁（４６）、貫通孔（２５）の開口縁（２６）、第２開口部（５５）の開口縁（５６）及び第３開口部（６５）の開口縁（６６）は、上部電極（６）の第４外縁（外縁６０）の形状における幾何中心（６００）を囲んでいる。

【0106】

第６の態様に係る圧電素子（１）によれば、圧電素子（１）の屈曲振動の変位量を、より増加させることが可能となる。

【0107】

第７の態様に係る超音波トランスデューサ（１００；１００ａ）は、第１～６の態様のいずれか一つの圧電素子（１）と、振動板部（１２０；１２０ａ）と、第１導通部材（第１リード線１４１）と、第２導通部材（第２リード線１４２）と、第１導電性接合部（１３１）と、第２導電性接合部（１３２）と、を備える。振動板部（１２０；１２０ａ）は、圧電素子（１）の金属基板（２）と接合されている。第１導通部材（第１リード線１４１）は、圧電素子（１）の下部電極（４）に接続される。第２導通部材（第２リード線１４２）は、圧電素子（１）の上部電極（６）に接続される。第１導電性接合部（１３１）は、下部電極（４）と第１導通部材（第１リード線１４１）とを接合している。第２導電性接合部（１３２）は、上部電極（６）と第２導通部材（第２リード線１４２）とを接合している。

【0108】

第７の態様に係る超音波トランスデューサ（１００；１００ａ）は、圧電素子（１）の屈曲振動の変位量を増加させることが可能となる。

【0109】

第８の態様に係る超音波トランスデューサ（１００）では、第７の態様において、圧電素子（１）を収容しているケース（１０１）を更に備える。ケース（１０１）は、底板部（１０２）と、筒部（１０３）と、を有する。底板部（１０２）は、平板状である。筒部（１０３）は、底板部（１０２）の一面の周部から底板部（１０２）の厚さ方向に突出しており、圧電素子（１）を囲んでいる。底板部（１０２）のうち筒部（１０３）により囲まれた部分が、振動板部（１２０）を兼ねている。

【0110】

第８の態様に係る超音波トランスデューサ（１００）は、例えば、車両に取り付けられて車両の外部の物体を検知する超音波センサに用いることができる。

【符号の説明】

【0111】

１ 圧電素子
２ 金属基板
２０ 外縁（第２外縁）
２５ 貫通孔
２６ 開口縁
３ アルミナ層
３０ 外縁
３１ 上面
３５ 貫通孔
３６ 開口縁
４ 下部電極
４０ 外縁（第１外縁）
４１ 上面
４１１ 部位
４５ 第１開口部
４６ 開口縁
５ 圧電体層
５０ 外縁（第３外縁）
５１ 上面
５５ 第２開口部
５６ 開口縁
６ 上部電極
６０ 外縁（第４外縁）
６１ 上面
６５ 第３開口部
６６ 開口縁
６００ 幾何中心
１００、１００ａ 超音波トランスデューサ
１０１ ケース
１０２ 底板部
１０３ 筒部
１２０、１２０ａ 振動板部
１３１ 第１導電性接合部
１３２ 第２導電性接合部
１４１ 第１リード線（第１導通部材）
１４２ 第２リード線（第２導通部材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】