JP5863804B2 - 音響メタマテリアルを作製する装置及び方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、概してメタマテリアルに関するものであり、更に具体的には、実用的な音響メタマテリアルを作製する方法及び装置に関するものである。

乗員、器材、及び部品に関する防護性能は、長年に亘って格段に高まっている。機械又は乗員に遮蔽具、防備具、又は防護具を装着する実践方法は、怪我を防止し、又は怪我の程度を軽減し、組織又は部品に対するダメージを防止し、又は最小限に抑え、中断されずに動作を継続する堅実な能力を実現するために有用であることが立証されている。例えば、航空宇宙産業又は大きな衝撃力を受ける他の環境における潜在的なダメージに曝される多くの材料は、防護部材を用いて、部品寿命を延ばし、動作を向上させることができる。防護部材を用いない場合に、過酷な状態に、通常の状況下で、又は普段の状況下で置かれる虞のある電気部品及び／又は機械部品も、防護部材によって得られる遮蔽性能の利点を生かすことができる。

これまで、材料の強度及び重量は多くの場合、防護部材の開発に関して焦点となる懸案事項となっていた。この点に関して、例えば設計に際する関心事は多くの場合、適正なバランスを、実現可能な防護量と、同時に得られる可動性又は柔軟性との間で取ることに集中することであった。

破片及び他の発射物に起因するダメージを最小限に抑える、又は防止するように設計される最新の防護部材が開発されている。しかしながら、爆発、推進力、又は他の衝突に伴う衝撃力も非常に大きな関心事である。衝撃力からの防護を可能にする要求に応えるために、音響メタマテリアルが開発されている。しかしながら、音響メタマテリアルの作製には、非常に複雑かつ困難な問題が残っている。具体的には、少量の音響メタマテリアルを作製することができるが、多くの場合、航空宇宙システム（例えば、飛行機客室、ヘリコプター、衛星、ロケットフェアリング、及び／又は類似の構造物）及び他の領域における騒音管理及び振動遮断用途のような現実用途における使用を実用的なものとするように製造される材料の量及び形状因子（各種寸法）の観点から、柔軟性を有するメタマテリアルを製造することが困難になっている。したがって、更に実用的な音響メタマテリアル、及び対応する作製手法を実現することが望ましい。

本開示の幾つかの実施形態は、効果的で実用的な音響メタマテリアルに関するものである。別の表現をすると、幾つかの実施形態は、良好な性能を示し、更には、現在の技術レベルが与えられる場合に比較的容易に製造することができる音響メタマテリアルを実現することができる。したがって、幾つかの実施形態は、実用的であるので、拡縮可能に、フレキシブルに、多目的に使用され、製造される音響メタマテリアルのユニットセル群を形成する手法を提供することができる。

１つの例示的な実施形態では、実用的な音響メタマテリアルを実現する方法が提供される。方法は、列及び行に配列され、かつ互いから相互接続ノード群で分離されたバネ群の平面パターンを形成する工程と、相互接続ノード群の間の距離に対応する距離だけ互いから分離された質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程と、相互接続ノード群の間の距離だけ互いから分離された垂直方向バネ群の配列を形成する工程と、バネ群の平面パターン、質量体ユニット群の平面パターン、及び垂直方向バネ群の配列を位置合わせし、結合させてユニットセル群から成る層を形成する工程とを含むことができる。

別の例示的な実施形態では、音響メタマテリアルが提供される。音響メタマテリアルは、第１平面にある第１配列バネと、第２平面にある第２配列バネと、第１及び第２平面と略直交して配置される複数のバネとを含むことができる。第１配列バネは、第１配列内の各質量体ユニットを、第１平面にある１つの隣接質量体ユニットに、バネ群のうちの対応する１つで連結するように配置することができる。各バネは、特定の質量体ユニットに接続されて、特定の質量体ユニットに接続される隣接バネの延在方向と略直交する方向に延びることができる。第２平面は第１平面と平行に設けることができる。第２配列バネは、第２配列内の各質量体ユニットを第２平面にある１つの隣接質量体ユニットに接続することができる。複数のバネは、第１平面にある質量体ユニット群を、第２平面にあるそれぞれの隣接質量体ユニット群に接続するように配列することができる。

説明してきた特徴、機能、及び利点は、本開示の種々の実施形態において個別に達成することができる、又は更に他の実施形態において組み合わせることができ、これらの実施形態に関する更なる詳細は、以下の記述及び図面を参照することにより理解することができる。

図１は、図１Ａ及び図１Ｂで構成され、例示的な実施形態による複数のユニットセルに対応する６つ折り連結配置、及び単一のユニットセルを示している。 図２は、図２Ａ及び図２Ｂで構成され、１つの例示的な実施形態の拡縮可能な音響メタマテリアル構造の組み付けを開始するために使用することができる相互接続バネ群の平面パターンの種々の図を示している。 図３は、図３Ａ及び図３Ｂで構成され、例示的な実施形態による質量体ユニット群を形成してバネ群の平面パターンに取り付けるための質量体ユニット群の平面パターンを示している。 図４は、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃで構成され、例示的な実施形態による垂直方向バネ群の配列を形成する様子を示している。 図５は、図５Ａ及び図５Ｂで構成され、例示的な実施形態による複数の中間層を結合させてセルユニット群から成る層を形成する様子を示している。 図６は、例示的な実施形態による音響メタマテリアルを形成するために配置されるセルユニット群から成る第１層、及びセルユニット群から成る第２層の一例を示している。 図７は、例示的な実施形態による音響メタマテリアルを製造する方法を示している。

次に、本開示について、添付図面を参照しながら以下に更に完全に説明する。これらの図面全体を通じて、同様の参照番号は同様の構成要素群を指している。

上に説明したように、音響メタマテリアルは、乗員、機械、及び／又は部品を衝撃力、又は他の音波によって生じる力から防護する。したがって、音響メタマテリアルは、衝撃力又は衝撃波を減衰させる、又は衝撃力又は衝撃波の向きを変えるように構成することができる。音響メタマテリアルは、音波を制御し、誘導し、操作するように設計される人工的に造られた材料である。一般的に、メタマテリアルは、自然界では通常見られない特性を示すように作製される。したがって、メタマテリアルは通常、当該メタマテリアルの特性を、主として当該メタマテリアルの構造に基づいて実現し、当該構造ほどではないが、当該メタマテリアルの組成に基づいて実現する。したがって、材料群を、特定の構造を有するように構造化することにより、対応する予測可能な特性を、結果的に得られる構造が示すことができる。幾つかの場合では、特定の材料の本来の特性を、特定の方法で特定の材料によりこれらの材料の成分として構造化されるメタマテリアルの機能に取り入れることもできる。しかしながら、多くの場合、材料群を十分大きな容積及び形状となるように作製して、これらの材料をコスト及び複雑さの問題を解決できる有望な材料にすることは非常に困難な課題となる。

本開示の幾つかの実施形態は、実用的な音響メタマテリアルの構造と、当該構造を実現するための対応する機構とを提供することができる。この点に関して、幾つかの実施形態は、網状に配置された質量体を提供することができ、これらの質量体は、互いにバネを介して接続される。当該構造の内側部分に配置される各質量体は、各質量体に隣接する他の６個の質量体に、３つのバネ組を構成する６個の該当するバネを介して接続することができ、この場合、各バネ組のバネ群は、反対方向に互いから３つの対応する直交軸に沿って延在する。別の表現をすると、内側に配置される質量体は、当該質量体に接続される６個のバネを有することができるので、それぞれが１つの平面に在る４個のバネが全て、隣接する各バネと直交して当該質量体を当該平面に在る他の４個の質量体に接続し、他の２個のバネが、当該質量体から反対方向に、当該平面に直交する軸に沿って延在する。上記バネ配置は、６つ折り連結配置（ｓｉｘ−ｆｏｌｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と表記することができる。各６つ折り連結質量体、及び対応するバネ集合は、音響メタマテリアルユニットセル（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）又は単にユニットセル（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）と表記することができる。隣接するユニットセルは、これらの隣接するユニットセルを連結するバネを共有していることを理解されたい。したがって、各バネは、互いに該当するバネを介して連結される２つのユニットセルの構造部材である。

図１Ａ及び１Ｂで構成される図１は、複数のユニットセル（図１Ａ）及び単一のユニットセル（図１Ｂ）に対応する６つ折り連結配置を示している。図１Ｂに示すように、ユニットセル１０は、６個のバネ１４を有する質量体１２を含む。これらのバネ１４の各バネは、１つのバネ組の１つの構成部品として、３つの相互直交軸（第１軸１６、第２軸１８、及び第３軸２０として破線で示す）に沿って設けられる。したがって、ユニットセル１０は、簡単な立方格子状に配列された質量体を構成し、これらの質量体は互いにバネで連結することができる。図１の立方格子では、６つ折り連結ユニットセル群はそれぞれ、各ユニットセルに設けられた６個のバネを有することができる。しかしながら、質量体群が音響メタマテリアルの辺縁に設置される場合、これらの質量体に対応するユニットセルは、バネが、当該メタマテリアルの辺縁に対応する方向に設けられないので、当該ユニットセルに設けられた５個のバネしか持たない。

例示的な実施形態では、これらの質量体、及びこれらのバネは、異なる特性を有するように選択することができる。例えば、これらのユニットセルの異なる位置における質量の値、質量体の密度、異方性特性、バネ定数、バネ質量、及びホスト媒質（又は、周囲のマトリクス材料）の特性のような特性は、個別に変えることができる。幾つかの場合では、特性に対する修正又は変更は、比較的簡単な幾何学的設計変更を加えることにより行なうことができる。

幾つかの実施形態は、微細構造制御手法による材料（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ：ＭＣＭＡ）として製造することができ、この材料は、アシュビー（Ａｓｈｂｙ）チャートよりも良好で、更には本明細書において記載される材料を生成するための階層化手法に基づいて増減可能な弾性率κ及び／又は実効密度ρの値を実現することができる。したがって、図１に示すユニットセル群の６つ折り連結構造は、階層化手法を用いた大量生産に適する微細構造製造方法（ｍａｓｓ−ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を利用することにより実現することができる。

図２Ａ及び２Ｂで構成される図２は、相互接続バネ群の平面パターンの種々の図を示しており、これらのバネを用いて、拡縮可能な音響メタマテリアルの作製を開始することができる。図２Ａは、相互接続バネ群の平面パターンの上面図を示しており、図２Ｂは、対応する側面図を示している。図２に示すように、マイクロリソグラフィ法を用いて、連続するバネ３０を基板３２に作製することができる。幾つかの例では、フォトリソグラフィプロセス、及びメソプロセス／マイクロパターニングプロセスは、材料を選択することにより、バネ群３０を基板３２に形成するバッチプロセスとすることができる。基板の使用は必要ではないが、基板３２は、ユニットセル層を搭載形成することができる有用なプラットフォームである。幾つかの場合では、より大きいパターンは、基板を使用することなく実現することができるので、基板を利用すべきかどうかに関する決定は、利用するパターン、及び使用する材料の物理的サイズに関連して為される。

バネ３０は、基板３２の上に配置することにより、列及び行のグリッドを形成することができ、これらの列及び行は、互いに略直交して相互接続ノード群３４で交差するように設けられ、これらの相互接続ノード３４は、バネ群３０の各バネを互いから分離する貫通ビア群３６を取り囲む。これらの貫通ビア３６は更に、基板３２を貫通して延在することができる。幾つかの実施形態では、これらのバネ３０は、基板３２を覆う層として形成することができ、この場合、接着剤を用いてこれらの層を一括して保持している。別の構成として、これらのバネ３０を形成するための原材料は、基板３２に積層することができる、又は基板３２に堆積させることができる。これらのバネ３０の行及び列は、ｘ方向及びｙ方向をそれぞれ定義することができる。

これらのバネ３０は、複数の異なる種類の材料のうちの任意の材料で形成することができる。これらのバネ３０を形成するために最終的に選択される材料は、音響メタマテリアルについて要求される特性に基づいて選択することができる。この点に関して、これらのバネ３０を形成するための原材料によって、これらのバネ３０の実効密度及び剛性が決定される。これらのバネ３０の幾何学パラメータ（例えば、幅、厚さ、周期など）も、実効密度及び剛性に影響する可能性がある。したがって、これらの材料の特性の選択、及びバネ３０の配置は、利用可能な選択肢に関連する設計要素を、実現すべき所望の最終特性に対してバランス良く決定することにより行なうことができる。この点に関して、金属材料を選択して、比較的剛性の高いバネ群３０を用いることができる。しかしながら、より低い降伏強度は、プラスチック材料により形成されるバネ群３０を使用することにより実現することができる。これらのバネ３０のサイズは、意図される用途の規模に基づいて選択することができる。これらのサイズは通常、幾つかの異なる例示的な実施形態では、数十ミクロンレベルからセンチメートルレベルの範囲とすることができる。

幾つかの実施形態では、ｘ方向に向いたバネ群３０は、ｙ方向に向いたバネ群３０と同じ特性を有することができる。しかしながら、幾つかの別の実施形態では、異方性特性が望ましい場合には、ｘ方向に向いたバネ群３０に関連する特性は、ｙ方向に向いたバネ群３０に関連する特性とは異ならせることができる。

図２に示すように、バネ群３０を基板３２に付着させることにより、或いは他の方法で配置することにより形成されたバネ群の平面パターン３８に、その後、質量体部材群４０を取り付けることができる。具体的には、質量体部材群４０は、それぞれの相互接続ノード３４の各ノードの内部に配置することができる。幾つかの場合では、これらの質量体部材４０は、プレーナ技術を用いて形成することができ、図２を参照しながら説明した平面パターンの形成と同様に形成することができる。図３Ａ及び３Ｂで構成される図３は、質量体ユニット群４０を形成してバネ群の平面パターン３８に取り付けるための質量体ユニット群の平面パターン４８を示している。図３Ａは、質量体ユニットを形成する場合の平面板の上面図を示し、図３Ｂは側面図を示している。

質量体ユニット群４０は、質量値を有することができ、多種多様な選択肢から選択される材料により形成することができる。質量体ユニット群４０の密度及びサイズは、設計要求を満たすように選択する、及び／又は調整することができる。一例として、より高密度の、又はより重い質量体ユニット群４０は、金属から選択することができる。幾つかの場合では、質量の詳細なバラツキは、異なる金属に関して入手可能な公知の重量分布（例えば、この場合、タングステンはアルミニウムよりも大きい質量を有する）の中から選択することにより入手することができる。より軽量の質量体ユニット群４０の場合、対応する所望の質量を有するセラミック材料又はプラスチック材料を選択して使用することができる。質量体ユニット群４０のサイズは、所望の用途の規模に応じて変えることができる。したがって、例えば質量体ユニット群４０のサイズは、ミクロンレベルからセンチメートル規模の範囲で変えることができる。幾つかの実施形態では、薄板状の２層材料を使用して質量体ユニット群４０を形成することができる。上部層４２をパターニングして円形パターン群を形成することができる。上部層４２の円形パターン群（質量体ユニット群４０を構成することになる）は、貫通ビア群３６の直径よりも大きい直径を有する寸法に形成することができる。上部層４２に画定される円形パターンの質量体ユニット群４０は、基板４４の上に配置することができる。

幾つかの実施形態では、全ての質量体ユニット４０が同じ直径を有することができる。しかしながら、他の実施形態では、質量体ユニット群の直径を体系的に変化させて質量勾配を、このような勾配が、特定の用途に関して望ましい場合に付けることができる。基板４４の上の上部層４２をパターニングした後、担持層４６を付着させて（例えば、スピン塗布、スプレー塗布などによって）、上部層４２を被覆し、所定の位置に保持することができる。次に、基板４４を、上部層４２に付与される同じパターンに、かつ貫通ビア群３６よりも小さい直径を有するようにパターニングすることができる。上に説明したように、パターニング後の基板４４の残りの部分を図３Ｂに破線で示す。

バネ群の平面パターン３８及び質量体ユニット群の平面パターン４８をそれぞれ形成した後、バネ群から成る別の層を形成して、水平面内に配列される質量体ユニット群を他の質量体群と垂直方向に結合させることができる。バネ群から成る更に別の層は、垂直方向バネ群の配列を含むことができる。この点に関して、バネ群の平面パターンの列及び行が配列されたｘ方向及びｙ方向を参照すると、垂直方向バネ群が配列したバネ群から成る更に別の層は、１つのバネ配列を含むことができ、このバネ配列は、最初は水平方向に形成されるが、ｚ方向（すなわち、ｘ方向及びｙ方向の両方の方向と直交する）に、又は垂直軸に沿って向くように組み付けることができるバネ列を含む。これらのバネ列を組み付けて垂直方向バネ群の配列とする前のこれらのバネは、これらのバネが互いに独立して形成されるので、同じ材料又は異なる材料で構成することができ、平面配列されるバネ群に含まれるこれらのバネと同じ特性、又はバネとは異なる特性を有するように作製することができる。したがって、設計者は、所望の特性を有する音響メタマテリアルを、これらのバネに関して選択される幾何学形状及び材料組成に基づいて設計する際に大きなフレキシビリティを有することができる。

図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃで構成される図４は、例示的な実施形態による垂直方向バネ群の配列の形成を示している。垂直方向バネ群の配列のパターニングは、平面形態になるように２材料層系を用いて行なうことができる。１つの材料層５０を使用してバネ群５２を形成することができ、別の材料層５４を使用して、格子定数ｄを確実に維持することができる。

バネ群５２をパターニングした後、これらのパターンを個片化して（図４Ａの破線に沿って）バネ列５６を実現することができる。バネ列５６に含まれるこれらのバネの間隔は、バネ群の平面パターンの相互接続ノード群３４の間隔と略同じなるように設定することができる。複数のバネ列５６を個片化した後、これらのバネ列５６を、図４Ｂに示すように、垂直方向に積層して組み付けることにより、図４Ｃに示す垂直方向バネ群の配列５８を形成することができる。幾つかの実施形態では、ピックアンドプレースシステム（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ ｓｙｓｔｅｍ）を用いて、垂直方向バネ群の配列５８を、比較的高精度に、かつ比較的簡単に形成することができる。

幾つかの実施形態では、これらのバネ列５６は、接着剤又は別の接着材６０により一括保持することができる。幾つかの実施形態では、材料層５４及び接着材６０のうちの一方又は両方は、最終組み付け後に除去することができる。しかしながら、幾つかの別の実施形態では、材料層５４及び接着材６０のうちの一方又は両方は、最終組み付け後にそのまま保持することができる。例示的な実施形態では、接着剤（例えば、シアノアクリレート接着剤、又は９０℃のような固定又は既知の蒸発温度を有する他の糊）は、接着剤の除去が、特定の温度における蒸発によって可能となるように選択することができる。

垂直方向バネ群の配列５８を形成した後、バネ群の平面パターン３８、質量体ユニット群の平面パターン４８、及び垂直方向バネ群の配列５８をそれぞれ結合して合体させることにより、セルユニット層を画定することができる。図５Ａ及び５Ｂで構成される図５は、中間層群を結合させてセルユニット層を形成する様子を示している。まず、バネ群の平面パターン３８を質量体ユニット群の平面パターン４８に位置合わせし、結合させることができる。この点に関して、貫通ビア群３６よりも大きい直径を有する質量体ユニット群４０を構成する上部層４２により画定される質量体ユニット群の平面パターン４８を、相互接続ノード群３４を有するバネ群の平面パターン３８と合体させる場合、質量体ユニット群の平面パターン４８の基板４４を貫通ビア群３６に、質量体ユニット群４０が相互接続ノード群３４に収納して載置されるまで嵌め込むことができる（質量体ユニット群４０は、相互接続ノード群３４よりも大きい直径を有するので）。次に、質量体ユニット群の平面パターン４８の基板４４を、バネ群の平面パターン３８の基板３２に略位置合わせすることができる。この結合プロセスの結果が図５Ａに示されている。幾つかの場合では、次に、担持層４６を除去して（溶解させる、エッチングする、又は任意の他の適切な除去プロセスを施すことにより）、相互接続ノード群３４の位置のバネ群の平面パターン３８に配置されている質量体ユニット群４０を露出させることができる。

幾つかの実施形態では、質量体ユニット群４０を相互接続ノード群３４に、接着剤又は共晶金属合金のような他の接着材を用いて接合することができる。その後、垂直方向バネ群の配列５８は、図５Ｂに示すように、バネ群の平面パターン３８、及び質量体ユニット群の平面パターン４８の残留部分の複合構造に位置合わせし、取り付けることができる。垂直方向バネ群の配列５８は、バネ群５２の各バネが、質量体ユニット群４０のうちの該当する１つに取り付けられるように位置合わせすることができる。垂直方向バネ群の配列５８を質量体ユニット群の平面パターン４８及びバネ群の平面パターン３８に結合させた結果、平面内に配置される１つのユニットセル層が形成されることになる。基板（４４及び３２）は、当該ユニットセル層を形成した後に除去することができる。しかしながら、これらの基板は、別の構成として、全く使用しないようにすることができる、又はプロセス中の別の時点で除去することができる。

更に別のユニットセル層群は、より高い層に含まれる質量体ユニット群が、既成層の垂直方向バネ群に位置合わせされて、任意の所望サイズの音響メタマテリアル内の立方格子状に配列された６つ折り連結質量体ユニット群が順次積層されるように位置合わせすることができる。図６は、第１ユニットセル層７０及び第２ユニットセル層７２を配置して音響メタマテリアルを形成する一例を示している。殆どの製造プロセスでは、大きな平面層をハンドリングすることができるので、通常、形成することができる音響メタマテリアルのｘ−ｙ平面サイズに関する基本的な制約は無い。しかしながら、幾つかの場合では、平面層のサイズと幾何学パターン解像度との間にはトレードオフがある。幾つかの実施形態に対応するユニットセルのサイズの約４〜５桁の規模の急激な変化は予測されない。幾つかの実施形態では、上に説明した通りに形成される立方格子には、材料全体に浸透し、当該材料を機械的に強固に保持することができる媒質を充填することができる。

上に示したように、質量体群及びバネ群の特性を変化させて、結果として得られる所望の音響メタマテリアル特性を実現することができる。したがって、例えば耐衝撃性／耐貫通性材料として有用となり得る負の弾性率及び／又は負の実効密度を有する音響メタマテリアルを設計することができる。したがって、例えば耐衝撃貫通性材料として有用となり得る負の弾性率及び／又は負の実効密度を有する音響メタマテリアルを設計することができる。したがって、流体のように振る舞う遮蔽コーティング（ｃｌｏａｋｉｎｇ ｃｏａｔｉｎｇｓ）は、メタマテリアルの有効せん断弾性係数を最小化し、密度及び体積弾性率を制御することにより形成することができる。したがって、音響メタマテリアルを実現して、音を、拡縮可能なサイズに形成される材料で操作することにより、コリメーション、フォーカシング、音響遮へい（ｃｌｏａｋｉｎｇ）、超音波スクリーニングを行ない、極端に高い透過率及び他の操作を実現することができる。受動素子を用いた回折限界以下の撮像は、音響スーパーレンズ又は拡大ハイパーレンズを用いて行なうこともできる。したがって、水中音響探知、医用超音波撮像、及び非破壊材料試験の能力を著しく高めることができる。

図７は、例示的な実施形態による音響メタマテリアルを作製する方法を示している。当該方法では、操作１００において、列及び行に配列され、かつ互いから相互接続ノード群で分離されたバネ群の平面パターンを形成することができる。当該方法では更に、操作１１０において、相互接続ノード群の間の距離に対応する距離だけ互いから分離された質量体ユニット群の平面パターンを形成することができ、操作１２０において、相互接続ノード群の間の距離だけ互いから分離された垂直方向バネ群の配列を形成することができる。当該方法では更に、操作１３０において、バネ群の平面パターン、質量体ユニット群の平面パターン、及び垂直方向バネ群の配列を位置合わせし、結合させることにより、ユニットセル層を形成することができる。

「ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ（垂直方向の）」という用語は、平面成分に対する方向（例えば、平面成分に垂直な方向）を定義する用語であると理解されたい。したがって、「ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ（垂直に）」という用語は、バネ群の平面パターン、及び質量体ユニット群の平面パターンに対応する水平方向平面を基準とする用語であると理解されたい。したがって、「ｐｌａｎａｒ（平面の）」及び「ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ（垂直に）」というこれらの用語は、絶対的な関係ではなく相対的な関係を表わす向き情報を提供する。したがって、仮に平面群がそうではなく、垂直に、又は斜めに向いていると仮定すると、「ａｒｒａｙ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｐｒｉｎｇｓ（垂直方向バネ群の配列）」とは、平面群の垂直方向又は斜め方向を基準として、平面群と直交する方向を有する（例えば、それぞれ水平方向平面又は斜め方向平面のいずれかの平面である）という意味であることを理解されたい。

幾つかの実施形態では、上記操作群のうちの特定の操作群は、以下に説明するように、変更することができる、又は更に拡張することができる。しかしながら、幾つかの実施形態では、更に別の任意の操作群を更に含めてもよい（これらの操作の例を図７の破線で示す）。以下に挙げる変更、任意の追加又は拡張の各々には、上記操作群のみを含めるか、又は上記操作群を本明細書に記載される特徴群の中の任意の他の特徴群と組み合わせて含めることができることを理解されたい。この点に関して、例えば当該方法では更に、操作１４０において、複数のユニットセル層を位置合わせし、複数のユニットセル層を結合させて、所望の厚さの音響メタマテリアルを形成することができる。幾つかの場合では、当該方法では更に、操作１５０において、複数のユニットセル層に、複数の層により形成される格子構造に浸透する媒質を充填することができる。

幾つかの実施形態では、複数の層を結合させる際に、複数の層を、異なる層のバネ特性又は質量特性が異なる特性を有するように結合させることができる。例示的な実施形態では、バネ群の平面パターンを形成する際に、複数のバネを、相互接続ノード群の各々に対応するように配置された貫通ビア群を有する基板上に形成することができる。幾つかの場合では、バネ群の平面パターンを形成する際に、複数のバネを、列方向に延びるバネ群が、行方向に沿って延びるバネ群とは異なるバネ特性を有するように形成することができる。例示的な実施形態では、バネ群の平面パターンを形成する際に、複数のバネを、列方向に延びるバネ群が、行方向に沿って延びるバネ群と同じバネ特性を有するように形成することができる。幾つかの場合では、質量体ユニット群の平面パターンを形成する際に、複数の質量体ユニットを基板上に形成し、当該基板の一部を除去して、当該基板の残りの部分を、相互接続ノード群の間の距離に対応する位置に残すことができる。例示的な実施形態では、質量体ユニット群の平面パターンを形成する際に、複数の質量体ユニットを基板上に形成し、これらの質量体ユニットをキャリア材料で被覆することができ、当該キャリア材料は、質量体ユニット群の平面パターンをバネ群の平面パターンと組み合わせた後に除去される。幾つかの実施形態では、質量体ユニット群の平面パターンを形成する際に、質量体ユニット群を、バネ群の平面パターンのバネ群が、相互接続ノード群に対応する位置に形成される基板の内部に配置される貫通ビア群の直径よりも大きい直径を有するように形成することができる。例示的な実施形態では、質量体ユニット群の平面パターンを形成する際に、これらの質量体ユニットを異なるサイズに形成して、質量勾配を付けることができる。幾つかの実施形態では、垂直方向バネ群の配列を形成する際に、複数のバネ列を、格子定数に対応する幅を有する材料の上に形成し（各バネ列内のバネ群は、互いから相互接続ノード群の間の距離だけ離間する）、これらのバネ列を互いから切り離して個片化し、これらのバネ列を互いに隣接配置して、格子定数に対応する幅を有する材料でこれらのバネ列を互いから分離する。幾つかの実施形態では、バネ群の平面パターンを形成する際に、質量体ユニット群の平面パターンを形成する際に、垂直方向バネ群の配列を形成する際に、リソグラフィを利用して、バネ群の平面パターン、質量体ユニット群の平面パターン、及び垂直方向バネ群の配列を形成することができる。例示的な実施形態では、バネ群の平面パターン及び質量体ユニット群の平面パターンを位置合わせして結合させる際に、基板の、質量体ユニットが形成される部分を、バネ群の平面パターンが形成される基板内の相互接続ノード群に対応して配置される対応する貫通ビア群と位置合わせすることができ、当該部分の直径が貫通ビアの直径よりも小さいことにより、当該部分を貫通ビアに挿入することができる。

したがって、幾つかの例示的な実施形態は、拡縮可能で、汎用性及びフレキシビリティのある機構を提供することができ、この機構により、音響メタマテリアルを大量生産可能な方法で作製することができる。したがって、音響メタマテリアルの能力を理解するための理論的な基礎を単に提供するのではなく、本明細書に記載されるプロセスによって、音響メタマテリアルを実際に用いることができるようになる。効果的な材料パラメータ群は、全分野を対象にしたシミュレーションを行なうことにより取り出すことができる。格子状にマイクロレベルで組み付けることができるユニットセル構造群を実現することにより、拡縮可能な材料をマクロレベルで、所望の特性を有するように形成することができる。ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（コムソルマルチフィジックス：登録商標）解析、すなわち有限要素法数値解析パッケージで解析される応力歪み場を逆解析することにより、音響メタマテリアルサンプルの有効せん断弾性係数、すなわち幾つかの実施形態において制御することができるパラメータを取得することができる。例えば、遮蔽コーティングは、流体のように振る舞う必要があるので、密度及び体積弾性率を制御する他に、当該コーティングを構成するメタマテリアル内の有効せん断弾性係数を最小に抑えることが望ましい。

本明細書に示す本開示の多くの変形、及び他の実施形態は、これらの実施形態に関連する技術分野の当業者であれば、これまでの説明及び関連する図面に示される教示の恩恵を享受するので、想到することができるであろう。したがって、本開示は、開示される特定の実施形態に限定されるべきではなく、変形及び他の実施形態が、添付の請求項の範囲に含まれるべきものであることを理解されたい。特定の用語を本明細書において用いているが、これらの用語は、一般的かつ記述的な意味でのみ使用され、限定するために使用されるのではない。

Claims (19)

1. 音響メタマテリアルを製造する方法であって、
   列及び行に配列され、かつ互いから相互接続ノード群で分離されたバネ群の平面パターンを形成する工程と、
   前記相互接続ノード群の間の距離に対応する距離だけ互いから分離された質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程と、
   前記相互接続ノード群の間の前記距離だけ互いから分離された垂直方向バネ群の配列を形成する工程と、
   前記バネ群の平面パターン、前記質量体ユニット群の平面パターン、及び前記垂直方向バネ群の配列を位置合わせし、結合させてユニットセル群から成る層を形成する工程と
   を含む方法。
2. 更に、ユニットセル群から成る複数層を位置合わせする工程、及び前記ユニットセル群から成る複数層を結合させて、所望の厚さの音響メタマテリアルを形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数層を結合させる工程は、異なる層のバネ特性又は質量特性が異なる特性を有している複数層を結合させる工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 更に、前記ユニットセル群から成る複数層に、前記複数層により形成される格子構造に浸透する媒質を充填する工程を含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記バネ群の平面パターンを形成する工程は、前記相互接続ノード群の各々に対応するように配置された貫通ビア群を有する基板上に複数のバネを形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記バネ群の平面パターンを形成する工程は、列方向に延びるバネ群が、行方向に沿って延びるバネ群とは異なるバネ特性を有するように、前記複数のバネを形成する工程を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記バネ群の平面パターンを形成する工程は、列方向に延びるバネ群が、行方向に沿って延びるバネ群と同じバネ特性を有するように、前記複数のバネを形成する工程を含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程は、複数の質量体ユニットを基板上に形成する工程と、前記基板の一部を除去して、前記基板の残りの部分を、前記相互接続ノード群の間の距離に対応する位置に残す工程とを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程は、複数の質量体ユニットを基板上に形成する工程と、前記質量体ユニット群の平面パターンを前記バネ群の平面パターンと組み合わせた後に除去されるキャリア材料で前記質量体ユニット群を被覆する工程とを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程は、前記バネ群の平面パターンのバネ群が形成される基板の、前記相互接続ノード群に対応する位置に配置される貫通ビア群の直径よりも大きい直径を有するように、前記質量体ユニット群を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程は、前記質量体ユニット群を異なるサイズに形成して質量勾配を付ける工程を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記垂直方向バネ群の配列を形成する工程は、
    格子定数に対応する幅を有する材料の上に複数のバネ列を形成する工程であって、各バネ列内の複数のバネが、前記相互接続ノード群の間の前記距離だけ互いから離間する工程と、
    前記バネ列を互いから切り離して個片化する工程と、
    前記バネ列を互いに隣接するように配置して、これらのバネ列を、前記格子定数に対応する前記幅を画定する前記材料によって互いから分離する工程とを含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記バネ群の平面パターンを形成する工程、前記質量体ユニット群の平面パターンを形成する工程、及び前記垂直方向バネ群の配列を形成する工程は、リソグラフィを利用して、前記バネ群の平面パターン、前記質量体ユニット群の平面パターン、及び前記垂直方向バネ群の配列を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記バネ群の平面パターン及び前記質量体ユニット群の平面パターンを位置合わせし、結合させる工程は、前記質量体ユニット群が形成される基板の部分を、前記バネ群の平面パターンが形成される基板内の、前記相互接続ノード群に対応する位置に配置される対応する貫通ビア群に位置合わせする工程を含み、前記部分の直径が前記貫通ビアの直径よりも小さいことにより、前記貫通ビアへの前記部分の挿入が可能になる、請求項１に記載の方法。
15. 立方格子状に配列された質量体ユニット群と、
    第１平面にある第１のバネ配列であって、前記第１のバネ配列内の各質量体ユニットを、前記第１平面にある１つの隣接する質量体ユニットに、１つのバネで連結するように配置されており、各バネが、特定の質量体ユニットに接続されて、前記特定の質量体ユニットに接続される隣接するバネの延在方向と略直交する方向に延びる、前記第１のバネ配列と、
    前記第１平面と平行な第２平面にある少なくとも１つの第２のバネ配列であって、前記第２のバネ配列内の各質量体ユニットを前記第２平面にある１つの隣接する質量体ユニットに接続する、前記少なくとも１つの第２のバネ配列と、
    前記第１及び第２平面と略直交して配置され、かつ前記第１平面にある質量体ユニット群を、前記第２平面にあるそれぞれの隣接する質量体ユニット群に接続するように配列される複数のバネとを備えている、音響メタマテリアル。
16. 前記質量体ユニットの各々は同じ質量を有し、バネの各々は同じバネ特性を有する、請求項１５に記載の音響メタマテリアル。
17. 前記第１のバネ配列内の質量体ユニット群又はバネ群は、前記第２のバネ配列内の質量体ユニット群又はバネ群とは異なる質量値又はバネ特性を有する、請求項１５に記載の音響メタマテリアル。
18. 前記第１のバネ配列内の質量体ユニット群又はバネ群は、前記第1のバネ配列内の他の質量体ユニット群又はバネ群とは異なる質量値又はバネ特性を有する、請求項１５に記載の音響メタマテリアル。
19. 前記第１のバネ配列及び前記第２のバネ配列は、互いに別個に形成される、請求項１５に記載の音響メタマテリアル。

Images