本発明は、超音波トランスデューサーアレイ、超音波トランスデューサーアレイの製造方法、超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカー及び超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法に関するものである。The present invention relates to an ultrasonic transducer array, a method for manufacturing an ultrasonic transducer array, a parametric speaker using an ultrasonic transducer array, and a method for using a parametric speaker using an ultrasonic transducer array.
パラメトリックスピーカーは超音波を使うことで鋭い指向性を持たせることができる音響システムである。特定の狭い範囲にいる人に選択的に音を流すことができるため、特に道路工事現場等の特殊環境下での情報伝達に有効である。A parametric speaker is an acoustic system that uses ultrasound to achieve sharp directionality. It can selectively broadcast sound to people in a specific, narrow range, making it particularly effective for communicating information in special environments such as road construction sites.
一般的な超音波スピーカー＝トランスデューサーは、単体では約６０乃至７０度の指向性しか持たないが、トランスデューサーを平面に複数個並べ、パラメトリック・アレイを構成すると、指向性が非常に鋭くなる。超音波の直進性と、複数個並べるパラメトリック効果により、パラメトリックスピーカーは、超指向性と耳元から音が聞こえてくるという特性を持つ。A typical ultrasonic speaker (transducer) has a directivity of only about 60 to 70 degrees on its own, but when multiple transducers are arranged on a flat surface to form a parametric array, the directivity becomes extremely sharp. Due to the straight-line nature of ultrasonic waves and the parametric effect of arranging multiple transducers, parametric speakers have the characteristics of being super-directional and making the sound sound as if it is coming from close to the ear.
しかしながら、パラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイは、通常単体の超音波トランスデューサーを複数個並べることで構成するしかなく、コスト面での課題があった、さらに、前記のような特殊環境下での使用のためには要求仕様に対して耐熱性が低いという課題があり、普及の妨げとなっていた。However, the ultrasonic transducer array that makes up a parametric speaker can usually only be constructed by arranging multiple individual ultrasonic transducers, which poses a cost issue. Furthermore, there is an issue that the heat resistance is low compared to the required specifications for use in special environments such as those mentioned above, which has hindered its widespread use.
このため、パラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイに於いて、低コストで効率良く素子を形成する製造方法が求められると共に、パラメトリックスピーカーの使用条件に於いて求められる動作温度範囲（高温特性）を実現することが求められていた。Therefore, there was a demand for a manufacturing method that could efficiently form elements at low cost in the ultrasonic transducer array that constitutes a parametric speaker, as well as a demand for a method that could achieve the operating temperature range (high temperature characteristics) required for the usage conditions of the parametric speaker.
また、従来、高速道路注意喚起スピーカー等に用いられるパラメトリックスピーカーの主要部品である放射部に使用されている超音波素子（超音波トランスデューサー）は単体に印加出来る電圧が最大約８０Vで高出力化が難しい事や、単体での指向性は６０乃至７０度と広く、指向性を鋭くする為には超音波素子を複数個並べることで構成するしかなく、コスト面での課題があった。さらに、超音波素子を構成する部品が樹脂製のケース内に圧電セラミック、金属板、コーン形共振子などの複数の部品で構成されており複雑で耐熱温度が低く、夏場の高温となる高速道路等の特殊環境下での使用のためには要求仕様に対して耐熱性が低いという課題があり、普及の妨げとなっていた。In addition, conventionally, the ultrasonic element (ultrasonic transducer) used in the radiating section, which is the main component of parametric speakers used in highway warning speakers, can only be applied with a maximum voltage of about 80V, making it difficult to increase the output. In addition, the directivity of each element is wide, at 60 to 70 degrees, and the only way to sharpen the directivity is to line up multiple ultrasonic elements, which poses a cost issue. Furthermore, the components that make up the ultrasonic element are made up of multiple parts such as piezoelectric ceramics, metal plates, and cone-shaped resonators inside a resin case, making them complex and with low heat resistance. This means that the heat resistance is low compared to the required specifications for use in special environments such as highways, where the summer heat is high, and this has hindered their widespread use.
本発明は、超音波トランスデューサーアレイ、超音波トランスデューサーアレイの製造方法、超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカー及び超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法に関するものである。The present invention relates to an ultrasonic transducer array, a method for manufacturing an ultrasonic transducer array, a parametric speaker using an ultrasonic transducer array, and a method for using a parametric speaker using an ultrasonic transducer array.
本発明は、パラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイであって、該超音波トランスデューサーは平面上にマトリクス状に複数が形成されてなり、該超音波トランスデューサーは振動板を有するモノモルフ圧電素子であって、該圧電素子に用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、ゾルゲル法を用いて形成されたことを特徴とする、超音波トランスデューサーアレイであり、かかる超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーである。The present invention is an ultrasonic transducer array that constitutes a parametric speaker, in which a plurality of ultrasonic transducers are formed in a matrix on a plane, the ultrasonic transducer is a monomorph piezoelectric element having a diaphragm, the piezoelectric body used in the piezoelectric element is a porous ceramic, and is formed using a sol-gel method, the ultrasonic transducer array is characterized in that, and the parametric speaker uses such an ultrasonic transducer array.
また本発明は、パラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイの製造方法であって、該超音波トランスデューサーは基板上に複数が形成されてなり、該超音波トランスデューサーは振動板を有するモノモルフ圧電素子であって、該圧電素子に用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、該圧電体はゾルゲル法を用いて形成され、該形成方法は対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液を噴射システムによりスプレー塗布し、その後焼成することにより形成されることを特徴とする、超音波トランスデューサーアレイの製造方法である。また本発明は、圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムは、圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する噴射部と、圧電材料溶液を保持する保持部と、保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて該保持部が保持する該圧電材料溶液を該噴射部に供給する循環部を備え、該循環部は、該噴射部において噴射しないときに該噴射部から該保持部に至る回収経路を用いて該噴射部に供給された該圧電材料溶液を回収する構成であることを特徴とする、超音波トランスデューサーアレイの製造方法である。The present invention is also a method for manufacturing an ultrasonic transducer array that constitutes a parametric speaker, in which a plurality of ultrasonic transducers are formed on a substrate, the ultrasonic transducer is a monomorph piezoelectric element having a diaphragm, the piezoelectric body used in the piezoelectric element is a porous ceramic, the piezoelectric body is formed using a sol-gel method, and the forming method is characterized in that the piezoelectric material solution is spray-applied by a spray system to construct a piezoelectric film on the surface of an object, and then baked. The present invention is also a method for manufacturing an ultrasonic transducer array, in which the spray system for spraying the piezoelectric material solution includes a spray unit that sprays the piezoelectric material solution onto the surface of the object, a holding unit that holds the piezoelectric material solution, a stirring unit that stirs the piezoelectric material solution held in the holding unit, and a circulation unit that supplies the piezoelectric material solution held by the holding unit to the spray unit using a supply path from the holding unit to the spray unit, and the circulation unit is configured to recover the piezoelectric material solution supplied to the spray unit using a recovery path from the spray unit to the holding unit when the spray unit is not spraying.
また本発明は、該圧電素子に用いられる圧電材料溶液がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であることを特徴とする。さらに本発明は、該該圧電素子に用いられる圧電材料溶液がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であって、該圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることを特徴とする。The present invention is also characterized in that the piezoelectric material solution used in the piezoelectric element is a composite of lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder. The present invention is also characterized in that the piezoelectric material solution used in the piezoelectric element is a composite of lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder, and in the piezoelectric material solution, the mass ratio of PZT powder to PZT sol-gel solution is 1.25 or less.
また本発明は、超音波トランスデューサーが基板上に直線状、マトリクス状或いはダイヤゴナル状に複数が形成されてなることを特徴とする。The present invention is also characterized in that multiple ultrasonic transducers are formed on a substrate in a linear, matrix, or diagonal pattern.
また本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板が振動板を兼ねることを特徴とする。さらに本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板は振動板を兼ね、さらに電極としても機能することを特徴とする。The present invention is also characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer doubles as a diaphragm.The present invention is also characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer doubles as a diaphragm and also functions as an electrode.
また本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板が金属であることを特徴とし、さらに本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板がステンレス薄板であることを特徴とする。さらに本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板の厚みが１mm以上５mm以下であることを特徴とする。The present invention is also characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer is metal, and further characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer is a thin stainless steel plate. The present invention is also characterized in that the thickness of the substrate used in the ultrasonic transducer is 1 mm or more and 5 mm or less.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが略円形、略楕円形或いは略多角形の形状の領域で形成されることを特徴とする。The present invention is also characterized in that the individual ultrasonic transducers that form the ultrasonic transducer array are formed in areas that are approximately circular, approximately elliptical, or approximately polygonal in shape.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが略円形、略楕円形或いは略多角形の形状の領域で形成され、且つ、該領域はその周縁部の一部が切り抜かれ、個々の超音波トランスデューサーが梁により保持される構造であることを特徴とする。さらに本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが梁により保持される構造であり、該梁は個々超音波トランスデューサー毎に２乃至６箇所に形成されることを特徴とする。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in a region of a substantially circular, elliptical or polygonal shape, and that part of the periphery of the region is cut out, and that each ultrasonic transducer is held by a beam. The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is held by a beam, and that the beams are formed in two to six locations for each ultrasonic transducer.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが非平面の形状に形成されることを特徴とし、さらに本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーは非平面の形状に形成され、該形状は略球面、略楕円面或いは略放物面であることを特徴とする。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in a non-planar shape, and the present invention is further characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in a non-planar shape, and the shape is approximately spherical, approximately ellipsoidal, or approximately parabolic.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーに用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、該圧電体の厚みは１０μm以上５０μm以下であることを特徴とする。The present invention is also characterized in that the piezoelectric material used in each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is a porous ceramic, and the thickness of the piezoelectric material is 10 μm or more and 50 μm or less.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーに用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、該圧電体の厚みは１０μm以上５０μm以下であることを特徴とする。The present invention is also characterized in that the piezoelectric material used in each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is a porous ceramic, and the thickness of the piezoelectric material is 10 μm or more and 50 μm or less.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが圧電体上に対向電極を形成されてなることを特徴とする。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array has an opposing electrode formed on a piezoelectric body.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法であって、道路工事現場、鉄道工事現場あるいはトンネル工事現場を含む特殊環境下での情報伝達に用いることを特徴とする。The present invention also relates to a method for using a parametric speaker that uses the ultrasonic transducer array, characterized in that it is used to transmit information in special environments, including road construction sites, railway construction sites, and tunnel construction sites.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法であって、高速道路上での常設型或いは車載型注意喚起用、料金所発券機音声案内における注意喚起用或いは駅ホームでの転落防止用注意喚起用に用いることを特徴とする。The present invention also relates to a method of using a parametric speaker that uses the ultrasonic transducer array, characterized in that it is used for permanent or vehicle-mounted warnings on expressways, warnings in voice guidance at toll booths, or warnings to prevent falls on station platforms.
本発明は大面積の対象物に均一な圧電膜を形成することが出来、さらにその形成領域を規定することが可能であるので、複数の超音波素子を一体的に形成することが可能となり、圧倒的なコストダウンが可能となる。また従来の超音波素子は最大印加電圧が低い事や平面構造のみ製作可能で単体での指向性は６０乃至７０度である為、平面に複数個並べてパラメトリック・アレイを構成し指向性を鋭くする必要があるなど高コストであった。新開発の超音波素子は多孔性で抗電界が高く印加電圧の向上が出来、及び曲面などの形状で製作可能であり単体での指向性が実現可能で低コストを実現できる。又、圧電膜スプレー塗布技術にて生成したPZT薄膜は空気層を持つ多孔性でキュリー温度が高い事及び素子を構成する部品が金属である事により高耐熱性を実現できる。The present invention can form a uniform piezoelectric film on a large-area object, and furthermore, since it is possible to define the formation area, it is possible to form multiple ultrasonic elements as a single unit, which allows for overwhelming cost reduction. In addition, conventional ultrasonic elements have a low maximum applied voltage, can only be manufactured in a planar structure, and have a directivity of 60 to 70 degrees per unit, so it is necessary to arrange multiple ultrasonic elements on a flat surface to form a parametric array to sharpen the directivity, which resulted in high costs. The newly developed ultrasonic element is porous, has a high coercive field, can improve the applied voltage, and can be manufactured in shapes such as curved surfaces, making it possible to achieve directivity per unit and achieving low costs. In addition, the PZT thin film generated by the piezoelectric film spray coating technology is porous with an air layer, has a high Curie temperature, and is highly heat-resistant because the parts that make up the element are metal.
本発明は、超音波トランスデューサーアレイ、 超音波トランスデューサーアレイの製造方法、超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカー及び超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法に関するものである。The present invention relates to an ultrasonic transducer array, a method for manufacturing an ultrasonic transducer array, a parametric speaker using an ultrasonic transducer array, and a method for using a parametric speaker using an ultrasonic transducer array.
本発明は、パラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイであって、該超音波トランスデューサーは平面上にマトリクス状に複数が形成されてなり、該超音波トランスデューサーは振動板を有するモノモルフ圧電素子であって、該圧電素子に用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、ゾルゲル法を用いて形成されたことを特徴とする、超音波トランスデューサーアレイであり、かかる超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーである。従来の超音波素子は最大印加電圧が低い事や平面構造のみ製作可能で単体での指向性は６０乃至７０度である為、平面に複数個並べてパラメトリック・アレイを構成し指向性を鋭くする必要があるなど高コストであったが、新開発の超音波素子は多孔性で抗電界が高く印加電圧の向上が出来、及び曲面などの形状で製作可能であり単体での指向性が実現可能で低コストを実現できる。又、圧電膜スプレー塗布技術にて生成したPZT薄膜は空気層を持つ多孔性でキュリー温度が高い事及び素子を構成する部品が金属である事により高耐熱性を実現できた。The present invention is an ultrasonic transducer array constituting a parametric speaker, in which a plurality of ultrasonic transducers are formed in a matrix on a plane, the ultrasonic transducer being a monomorph piezoelectric element having a diaphragm, the piezoelectric body used in the piezoelectric element being porous ceramics formed using a sol-gel method, and a parametric speaker using such an ultrasonic transducer array. Conventional ultrasonic elements have a low maximum applied voltage, can only be manufactured in a planar structure, and have a directivity of 60 to 70 degrees per unit, so it is necessary to arrange multiple ultrasonic elements on a plane to form a parametric array to sharpen the directivity, which is expensive, but the newly developed ultrasonic element is porous, has a high coercive electric field, can improve the applied voltage, and can be manufactured in shapes such as curved surfaces, making it possible to achieve directivity per unit and achieving low cost. In addition, the PZT thin film generated by the piezoelectric film spray coating technology is porous with an air layer, has a high Curie temperature, and the parts that make up the element are metal, which allows for high heat resistance.
また本発明は、パラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイの製造方法であって、該超音波トランスデューサーは基板上に複数が形成されてなり、該超音波トランスデューサーは振動板を有するモノモルフ圧電素子であって、該圧電素子に用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、該圧電体はゾルゲル法を用いて形成され、該形成方法は対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液を噴射システムによりスプレー塗布し、その後焼成することにより形成されることを特徴とする、超音波トランスデューサーアレイの製造方法である。また本発明は、圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムは、圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する噴射部と、圧電材料溶液を保持する保持部と、保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて該保持部が保持する該圧電材料溶液を該噴射部に供給する循環部を備え、該循環部は、該噴射部において噴射しないときに該噴射部から該保持部に至る回収経路を用いて該噴射部に供給された該圧電材料溶液を回収する構成であることを特徴とする、超音波トランスデューサーアレイの製造方法である。本発明に係る超音波トランスデューサーアレイの製造方法は、大面積の対象物に均一な圧電膜を形成することが出来、さらにその形成領域を規定することが可能であるので、複数の超音波素子を一体的に形成することが可能となり、圧倒的なコストダウンが可能となる。The present invention is also a method for manufacturing an ultrasonic transducer array constituting a parametric speaker, in which a plurality of ultrasonic transducers are formed on a substrate, the ultrasonic transducers are monomorph piezoelectric elements having a diaphragm, the piezoelectric body used in the piezoelectric element is porous ceramics, the piezoelectric body is formed using a sol-gel method, and the forming method is characterized in that the piezoelectric material solution is spray-applied by a spray system to construct a piezoelectric film on the surface of an object, and then baked. The present invention is also a method for manufacturing an ultrasonic transducer array, in which the spray system for spraying the piezoelectric material solution includes a spray unit that sprays the piezoelectric material solution onto the surface of the object, a holding unit that holds the piezoelectric material solution, a stirring unit that stirs the piezoelectric material solution held in the holding unit, and a circulation unit that supplies the piezoelectric material solution held by the holding unit to the spray unit using a supply path from the holding unit to the spray unit, and the circulation unit is configured to recover the piezoelectric material solution supplied to the spray unit using a recovery path from the spray unit to the holding unit when the spray unit is not spraying. The method for manufacturing an ultrasonic transducer array according to the present invention can form a uniform piezoelectric film on a large-area object and further define the area in which it is formed, making it possible to integrally form multiple ultrasonic elements and dramatically reducing costs.
また本発明は、該圧電素子に用いられる圧電材料溶液がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であることを特徴とする。さらに本発明は、該該圧電素子に用いられる圧電材料溶液がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体であって、該圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることを特徴とする。かかる構成とすることにより、安定した成膜が実現されるとともに、空気層を持つ多孔性でキュリー温度が高い事により高耐熱性を実現することができる。The present invention is also characterized in that the piezoelectric material solution used in the piezoelectric element is a composite of lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder. The present invention is also characterized in that the piezoelectric material solution used in the piezoelectric element is a composite of lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder, and in the piezoelectric material solution, the mass ratio of PZT powder to PZT sol-gel solution is 1.25 or less. With this configuration, stable film formation is achieved, and high heat resistance can be achieved due to the porosity with an air layer and the high Curie temperature.
また本発明は、超音波トランスデューサーが基板上に直線状、マトリクス状或いはダイヤゴナル状に複数が形成されてなることを特徴とする。本発明によれば、複数の超音波素子を一体的に形成することが可能となり、圧倒的なコストダウンが可能となった。The present invention is also characterized in that multiple ultrasonic transducers are formed on a substrate in a linear, matrix, or diagonal pattern. According to the present invention, it is possible to integrally form multiple ultrasonic elements, enabling a dramatic reduction in costs.
また本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板が振動板を兼ねることを特徴とする。さらに本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板は振動板を兼ね、さらに電極としても機能することを特徴とする。The present invention is also characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer doubles as a diaphragm.The present invention is also characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer doubles as a diaphragm and also functions as an electrode.
また本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板が金属であることを特徴とし、さらに本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板がステンレス薄板であることを特徴とする。さらに本発明は、該超音波トランスデューサーに用いられる基板の厚みが１mm以上５mm以下であることを特徴とする。かかる構成とすることにより、複数の超音波素子を一体的に形成することが可能となると同時に、基板が金属である事により高耐熱性を実現できた。The present invention is also characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer is a metal, and further characterized in that the substrate used in the ultrasonic transducer is a thin stainless steel plate. Furthermore, the present invention is characterized in that the thickness of the substrate used in the ultrasonic transducer is 1 mm or more and 5 mm or less. With this configuration, it is possible to integrally form multiple ultrasonic elements, and at the same time, high heat resistance is achieved because the substrate is made of metal.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが略円形、略楕円形或いは略多角形の形状の領域で形成されることを特徴とする。かかる形状は、個々の超音波トランスデューサーの性能向上に寄与るす。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in an area having a substantially circular, substantially elliptical, or substantially polygonal shape. Such a shape contributes to improving the performance of each ultrasonic transducer.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが略円形、略楕円形或いは略多角形の形状の領域で形成され、且つ、該領域はその周縁部の一部が切り抜かれ、個々の超音波トランスデューサーが梁により保持される構造であることを特徴とする。さらに本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが梁により保持される構造であり、該梁は個々超音波トランスデューサー毎に２乃至６箇所に形成されることを特徴とする。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in a region of a substantially circular, elliptical or polygonal shape, and that part of the periphery of the region is cut out, and that each ultrasonic transducer is held by a beam. The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is held by a beam, and that the beams are formed in two to six locations for each ultrasonic transducer.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが非平面の形状に形成されることを特徴とし、さらに本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーは非平面の形状に形成され、該形状は略球面、略楕円面或いは略放物面であることを特徴とする。これにより、さらなる指向性の向上と高効率が実現できる。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in a non-planar shape, and the present invention is further characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is formed in a non-planar shape, and the shape is approximately spherical, approximately ellipsoidal, or approximately parabolic. This allows for further improvement in directionality and high efficiency to be achieved.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーに用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、該圧電体の厚みは１０μm以上５０μm以下であることを特徴とする。圧電膜スプレー塗布技術にて生成したPZT薄膜は空気層を持つ多孔性でキュリー温度が高く、高耐熱性を実現できる。The present invention is also characterized in that the piezoelectric material used in each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array is a porous ceramic, and the thickness of the piezoelectric material is 10 μm or more and 50 μm or less. The PZT thin film produced by the piezoelectric film spray coating technology is porous with an air layer, has a high Curie temperature, and can achieve high heat resistance.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーが圧電体上に対向電極を形成されてなることを特徴とする。かかる構成も、超音波トランスデューサーアレイの一体的形成に寄与し、圧倒的なコストダウンが可能となった。The present invention is also characterized in that each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array has a counter electrode formed on a piezoelectric body. This configuration also contributes to the integral formation of the ultrasonic transducer array, making it possible to dramatically reduce costs.
また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法であって、道路工事現場、鉄道工事現場あるいはトンネル工事現場を含む特殊環境下での情報伝達に用いることを特徴とする。また本発明は、該超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法であって、高速道路上での常設型或いは車載型注意喚起用、料金所発券機音声案内における注意喚起用或いは駅ホームでの転落防止用注意喚起用に用いることを特徴とする。本発明に係る超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーはその超指向性、高耐熱性、高効率という特徴から、上記のような特殊環境下で非常な効果を発揮することができる。The present invention also relates to a method for using a parametric speaker using the ultrasonic transducer array, which is characterized by being used for transmitting information in special environments including road construction sites, railway construction sites, and tunnel construction sites. The present invention also relates to a method for using a parametric speaker using the ultrasonic transducer array, which is characterized by being used for permanent or vehicle-mounted warnings on expressways, warnings in voice guidance at toll booths, or warnings to prevent falls on station platforms. Due to its characteristics of ultra-directivity, high heat resistance, and high efficiency, the parametric speaker using the ultrasonic transducer array of the present invention can be extremely effective in special environments such as those described above.
以下、本発明に係る超音波トランスデューサーアレイを実施例に基づいて説明する。図１は、本発明に係る超音波トランスデューサーアレイの一例を示す図面代用写真である。The ultrasonic transducer array according to the present invention will be described below based on an embodiment. Figure 1 is a photograph showing an example of an ultrasonic transducer array according to the present invention.
本実施例に於いては、超音波トランスデューサーは基板上に複数が形成されてなり、該超音波トランスデューサーは振動板を有するモノモルフ圧電素子であって、該圧電素子に用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、該圧電体はゾルゲル法を用いて形成され、該形成方法は対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液を噴射システムによりスプレー塗布し、その後焼成することにより形成された。In this embodiment, multiple ultrasonic transducers are formed on a substrate, and the ultrasonic transducers are monomorph piezoelectric elements having a vibration plate. The piezoelectric material used in the piezoelectric elements is porous ceramics, and the piezoelectric material is formed using a sol-gel method, in which a piezoelectric material solution is sprayed onto the surface of the object using an injection system to build a piezoelectric film, and then the piezoelectric material is fired.
本実施例に於いては、複数の超音波トランスデューサーは基板上に直線状に５素子が形成され、その形状は円形であって、夫々の素子は２箇所の梁によって保持される形状となっている。In this embodiment, five ultrasonic transducer elements are formed linearly on the substrate, and each element is circular in shape and supported by two beams.
該超音波トランスデューサーに用いられる基板は振動板を兼ね、さらに電極としても機能するようにした。該超音波トランスデューサーに用いられる基板としてはステンレス薄板を用い、板厚は２mmのものを用いた。The substrate used in the ultrasonic transducer doubles as a diaphragm and also functions as an electrode. A thin stainless steel plate with a thickness of 2 mm was used as the substrate for the ultrasonic transducer.
ここで、超音波トランスデューサーは基板上に直線状だけでなく、マトリクス状或いはダイヤゴナル状に複数が形成されてよい。超音波トランスデューサーに用いられる基板は振動板を兼ねることが有効であり、基板が振動板を兼ね、さらに電極としても機能することがさらに望ましい。Here, the ultrasonic transducers may be formed not only linearly on the substrate, but also in a matrix or diagonal pattern. It is effective for the substrate used in the ultrasonic transducer to also function as a diaphragm, and it is even more desirable for the substrate to also function as a diaphragm and as an electrode.
また、超音波トランスデューサーアレイを形成する個々の超音波トランスデューサーは円形だけでなく略円形、略楕円形或いは略多角形の形状の領域で形成されて良い。個々の超音波トランスデューサー領域はその周縁部の一部が切り抜かれ、個々の超音波トランスデューサーが梁により保持される構造であることが有効である。該梁は個々超音波トランスデューサー毎に２乃至６箇所に形成されることが望ましい。In addition, each ultrasonic transducer forming the ultrasonic transducer array may be formed in an area that is not only circular, but also approximately circular, approximately elliptical, or approximately polygonal in shape. It is effective that each ultrasonic transducer area has a part of its periphery cut out and each ultrasonic transducer is held by a beam. It is desirable to form the beam in two to six places for each ultrasonic transducer.
本実施例に於いては、複数の超音波トランスデューサーは平面で形成されているが、本発明に係るゾルゲル法により圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムにより圧電体膜を形成する方法によれば複数の超音波トランスデューサーは個々の超音波トランスデューサーが非平面の形状に形成されても良い。これにより、さらに指向性と効率が高いパラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイの形成が可能となる。ここで、非平面の形状は略球面、略楕円面或いは略放物面とすることが望ましい。In this embodiment, the ultrasonic transducers are formed in a flat surface, but according to the method of forming a piezoelectric film using a spraying system that sprays a piezoelectric material solution using the sol-gel method of the present invention, the ultrasonic transducers may each be formed in a non-flat shape. This makes it possible to form an ultrasonic transducer array that constitutes a parametric speaker with even higher directionality and efficiency. Here, it is preferable that the non-flat shape is an approximately spherical, approximately elliptical, or approximately parabolic surface.
図２は、本発明に係る超音波トランスデューサーアレイの製造方法におけるゾルゲル法による圧電体膜生成方法の例を示す概念図である。本発明に係るパラメトリックスピーカーを構成する超音波トランスデューサーアレイは平面上にマトリクス状に複数が形成されてなり、該超音波トランスデューサーは振動板を有するモノモルフ圧電素子であって、該圧電素子に用いられる圧電体は多孔質セラミクスであり、ゾルゲル法を用いて形成された。Figure 2 is a conceptual diagram showing an example of a method for producing a piezoelectric film by a sol-gel method in a manufacturing method for an ultrasonic transducer array according to the present invention. The ultrasonic transducer array constituting the parametric speaker according to the present invention is formed in a matrix on a plane in which multiple ultrasonic transducers are formed, and the ultrasonic transducers are monomorph piezoelectric elements having a diaphragm. The piezoelectric material used in the piezoelectric elements is porous ceramics and formed using a sol-gel method.
本発明に係る圧電体の形成は、対象物の表面に圧電膜を構築するために圧電材料溶液を噴射システムによりスプレー塗布し、その後焼成することにより形成される方法である。圧電材料溶液をスプレー塗布する噴射システムは、圧電材料溶液を前記対象物の表面に噴射する噴射部と、圧電材料溶液を保持する保持部と、保持部に保持された前記圧電材料溶液を攪拌する攪拌部と、保持部から前記噴射部に至る供給経路を用いて該保持部が保持する該圧電材料溶液を該噴射部に供給する循環部を備え、該循環部は、該噴射部において噴射しないときに該噴射部から該保持部に至る回収経路を用いて該噴射部に供給された該圧電材料溶液を回収する構成とした。The formation of the piezoelectric body according to the present invention is a method in which a piezoelectric material solution is sprayed onto the surface of an object using a spray system to build a piezoelectric film on the surface of the object, followed by baking. The spray system for spraying the piezoelectric material solution includes a spray unit that sprays the piezoelectric material solution onto the surface of the object, a holding unit that holds the piezoelectric material solution, a stirring unit that stirs the piezoelectric material solution held in the holding unit, and a circulation unit that supplies the piezoelectric material solution held by the holding unit to the spray unit using a supply path from the holding unit to the spray unit, and the circulation unit is configured to recover the piezoelectric material solution supplied to the spray unit using a recovery path from the spray unit to the holding unit when the spray unit is not being sprayed.
該圧電素子に用いられる圧電材料溶液はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ゾルゲル溶液とＰＺＴ粉末の複合体を用いた。該圧電材料溶液において、ＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比が１．２５以下であることが望ましい。本実施例に於いてはＰＺＴゾルゲル溶液に対するＰＺＴ粉末質量比を１に設定した。The piezoelectric material solution used in the piezoelectric element is a composite of lead zirconate titanate (PZT) sol-gel solution and PZT powder. In the piezoelectric material solution, it is desirable that the mass ratio of PZT powder to PZT sol-gel solution is 1.25 or less. In this embodiment, the mass ratio of PZT powder to PZT sol-gel solution was set to 1.
平面への吹き付けでは、吹き付けのスプレーガンを吹き付け対象に対し２次元的に走査することで均一な塗膜形成を行ってもよい。非平面の形状として略球面、略楕円面或いは略放物面とする場合は平面的な形状の場合とほぼ同一の方法で塗布が可能であるが、自由曲面への吹き付けにおいては平面への吹き付けで確立した塗布パラメータをもとに６軸塗装ロボットを制御し吹き付けを行うことが有効である。When spraying onto a flat surface, a uniform coating can be formed by two-dimensionally scanning the spray gun over the target. When the non-flat shape is an approximately spherical, elliptical, or parabolic surface, coating can be performed in substantially the same manner as for planar shapes, but when spraying onto a free-form surface, it is effective to control a six-axis painting robot and spray based on the coating parameters established for spraying onto a flat surface.
本実施例では、前記のように圧電材料溶液を噴射システムによりスプレー塗布したのち、摂氏１５０度で１０分の仮焼成、摂氏６５０度で５分の焼結工程を経たのち、コロナ放電による分極処理を行って圧電膜を得た。さらに、圧電膜表面に対向電極を形成して超音波トランスデューサーとして機能するようにした。圧電体は多孔質セラミクスに形成されている。In this example, the piezoelectric material solution was sprayed using an injection system as described above, then pre-baked at 150 degrees Celsius for 10 minutes, sintered at 650 degrees Celsius for 5 minutes, and then polarized by corona discharge to obtain a piezoelectric film. In addition, an opposing electrode was formed on the surface of the piezoelectric film to function as an ultrasonic transducer. The piezoelectric body was made of porous ceramics.
なお、本発明は上記の処理条件に限定されるものではなく、機能を発揮できる処理条件を設定することができる。The present invention is not limited to the above processing conditions, and processing conditions that can demonstrate the function can be set.
本実施例では、圧電体の厚みは焼結、分極工程後で３０μmであった。ここで、圧電体の厚みは１０μm以上５０μm以下であることが望ましく、２０μm以上４０μm以下であることがさらに望ましい。In this embodiment, the thickness of the piezoelectric body was 30 μm after the sintering and polarization processes. Here, the thickness of the piezoelectric body is preferably 10 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 20 μm or more and 40 μm or less.
本実施例に於いて製造された超音波トランスデューサーアレイはパラメトリックスピーカーに好適に使用される。本発明に係る超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法としては、道路工事現場、鉄道工事現場あるいはトンネル工事現場を含む特殊環境下での情報伝達に用いたり、高速道路上での常設型或いは車載型注意喚起用、料金所発券機音声案内における注意喚起用或いは駅ホームでの転落防止用注意喚起用に用いることにより、その超指向性、高耐熱性、高効率という特徴から、上記のような特殊環境下で非常な効果を発揮することができる。The ultrasonic transducer array manufactured in this embodiment is suitable for use in a parametric speaker. The parametric speaker using the ultrasonic transducer array of the present invention can be used to transmit information in special environments, including road construction sites, railway construction sites, and tunnel construction sites, as a permanent or vehicle-mounted warning device on expressways, as a warning device in the voice guidance of toll booths, or as a warning device to prevent falls on station platforms. Due to its characteristics of ultra-directivity, high heat resistance, and high efficiency, it can be extremely effective in special environments such as those described above.
以上述べてきたように、本発明に係る超音波トランスデューサーアレイ、 超音波トランスデューサーアレイの製造方法、超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカー及び超音波トランスデューサーアレイを用いたパラメトリックスピーカーの使用方法は、複数の超音波素子を一体的に形成することが可能となり、圧倒的なコストダウンが可能となる。また従来の超音波素子は最大印加電圧が低い事や平面構造のみ製作可能で単体での指向性は６０乃至７０度である為、平面に複数個並べてパラメトリック・アレイを構成し指向性を鋭くする必要があるなど高コストであった。新開発の超音波素子は多孔性で抗電界が高く印加電圧の向上が出来、及び曲面などの形状で製作可能であり単体での指向性が実現可能で低コストを実現できる。又、圧電膜スプレー塗布技術にて生成したPZT薄膜は空気層を持つ多孔性でキュリー温度が高い事及び素子を構成する部品が金属である事により高耐熱性を実現できる。As described above, the ultrasonic transducer array, the manufacturing method of the ultrasonic transducer array, the parametric speaker using the ultrasonic transducer array, and the method of using the parametric speaker using the ultrasonic transducer array according to the present invention make it possible to integrally form multiple ultrasonic elements, which allows for overwhelming cost reduction. In addition, conventional ultrasonic elements have a low maximum applied voltage and can only be manufactured in a planar structure, with a directivity of 60 to 70 degrees per unit, so it is necessary to arrange multiple ultrasonic elements on a plane to form a parametric array and sharpen the directivity, which results in high costs. The newly developed ultrasonic element is porous, has a high coercive field, can improve the applied voltage, and can be manufactured in shapes such as curved surfaces, making it possible to achieve directivity per unit and achieving low costs. In addition, the PZT thin film generated by the piezoelectric film spray coating technology is porous with an air layer, has a high Curie temperature, and is highly heat-resistant because the parts that make up the element are metal.
１ 超音波トランスデューサー
２ 梁部 1 Ultrasonic transducer 2 Beam
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