JPH09127955A - 変換器バッキング材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音響変換器におけるバッキング材を改良し、
適切な構造的支持能力を有すると同時に高い音響減衰性
を有する薄い部材として組み込むことができるようにす
る。 【解決手段】 プリフォームとマトリクス材で形成され
た複合材でバッキング材を構成する。プリフォームは、
その中の複数の空隙が所定の配列になるように編まれた
繊維を含み、その複数の空隙にマトリクス材が充填され
る。プリフォーム中の繊維は入射する音響エネルギーを
散乱させ、マトリクス材は音響エネルギーを減衰させる
ので、音響素子への反射を大幅に改善する。また、既知
の繊維製造技術によって所望のプリフォームを容易に形
成でき、従来その剛性の不十分さを理由に採用できなか
った音響減衰性の高い材料をマトリクス材として使用す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気音響変換器の改良に
関し、特に超音波電気音響変換器のバッキング材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電気音響変換器は一般的には、吸音材の
基板の表面に平行に間隔をおいて取り付けられた圧電結
晶の形態の能動素子の配列からなる。基板は通常、特定
の音響特性を示すバッキング材で構成される。たとえ
ば、バッキング材は通常、タングステン粉末等の高い音
響インピーダンスを有する材料と吸音性の結合剤の配合
物を成形して、スプリアス音響反射をほとんど排除する
ように形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる変換器を製作す
る場合は通常、大きな結晶の裏側を基板の表面に接着
し、平行に間隔の空いた平面になるように切り目を入
れ、配列を成した切り離された結晶を形成する。音響変
換器アレイ、特に超音波変換器アレイはリニア一次元ア
レイ、マトリクス二次元アレイ、アニュラーリングアレ
イ、その他のいくつかの構成に配列することができる。
表面波によるかかるアレイの素子の間の有害な結合は、
基板に達する切り込みを入れることによってほとんど除
去される。従って、バッキング材は結晶が適正な位置に
維持されるように充分な剛性を持っていなければならな
い。

【０００４】従って、バッキング材は機械的・音響的特
性、すなわち、アレイ内の素子を構造的に支持するため
の剛性、素子の裏面における反射を制御あるいは除去し
て出力と画像の鮮明度との間に所望のバランスを達成す
るための選択可能な音響インピーダンス、および、能動
素子の裏面から出る音響信号が大幅に減衰されて、画質
を低下させるかかる信号の反射が変換器素子に返らない
ような音響減衰をもたらすものであることが望ましい。

【０００５】超音波変換器の小型化が進むにつれて基板
の厚みの低減が要求されるため、高い減衰性を有するバ
ッキング材が必要とされるようになってきている。しか
し、適切な構造的支持を提供すると同時に減衰性の高い
薄い部材として構成することのできるバッキング材を得
ることは困難であることがわかっている。

【０００６】従来の方法ではバッキング材は、減衰性を
有する粒子がその中に拡散された硬質の樹脂マトリクス
材の形態で設けられていた。バッキング材は例えば、タ
ングステン、ケイ酸、クロロプレン粒子、あるいは気泡
といった吸音材や音響散乱材を有するエポキシ材料で形
成される。既知の添加粒子は、燒結金属粉末、ケイ質粉
末など、高い音響速度を示し、マトリクス材の剛性を増
す材料から配合されていた。

【０００７】米国特許4,382,201号に開示するように、
散乱の中心として働いてマトリクス材中の減衰を増大さ
せる、比較的大きな（直径50μｍ）タングステン粒子と
ポリ塩化ビニルの複合材が用意される。これにより音波
は、大きな粒子によって反射され、長い経路をたどるこ
とになる。しかし、このシステムは約4.5MHzより高い周
波数における減衰には効果がない。周波数が高いほど、
大きな粒子によって変換器の能動素子の方へ反射される
音響エネルギーの量は多くなり、その結果ノイズレベル
が増大するからである。

【０００８】米国特許5,297,553号に別の方法が開示さ
れており、その方法ではバッキング材は複数の硬質の金
属粒子、セラミック粒子、高分子化合物粒子、あるいは
高分子化合物でコーティングされた粒子を含み、これら
が微細な硬質構造の中に融解し、これに減衰性の充填材
が含浸されるといったものである。

【０００９】上記の方法はその用途によっては実施が困
難であったり、コストがかかったり、また他の理由で実
用的でなかったりする。例えば、減衰性の（すなわち軟
質の）粒子は非常に微細な大きさにすることが困難であ
る。軟質の粒子の中には、樹脂充填材に均一に拡散させ
にくく、また充填材が硬化する際に適切な拡散を維持で
きないものがある。1/10波長またはそれ以上の大きさの
タングステン粒子等の硬化した散乱粒子は、その音響エ
ネルギー散乱能力を向上させるためにバッキング材に均
一に拡散されてきたが、従来技術の説明に述べたよう
に、大きな粒子は、結晶と基板の一部を分割して個々の
素子からなるアレイを形成するのに用いられるのこ刃
（saw blade）に損傷を与える。

【００１０】基板とアレイの境界面における音響反射を
防止し、アレイの裏面を基板に取り付けるための厚い接
着剤層の使用を避けるには、アレイと基板の境界面が平
滑で均一であることが望ましい。基板は研磨仕上げする
ことができるが、タングステンおよびそれと同様な粒子
が結合剤から完全に引き離されることがあり、その結
果、一面に小さなくぼみを有する粗い表面となり、これ
によって望ましくない音響エネルギーの反射が発生する
ことがわかっている。

【００１１】従って、そのバッキング材で形成された基
板が能動素子の剛性の支持体として機能しうるような所
望の音響特性、また所望の機械的特性を提供する、低コ
ストで、形成が容易で、実用性のあるバッキング材が必
要とされている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は改良されたバッ
キング材から形成された基板を有する音響変換器の新規
性のある構成に関するものである。

【００１３】本発明の特徴は、繊維構造に基づいて選択
されたプリフォーム（preform）とマトリクス材（matri
x：固着料）で形成された複合材としての改良されたバ
ッキング材を提供することである。このプリフォームは
複数の空隙が形成されるように所定の関係を有するよう
に配列された繊維を含み、その複数の空隙はこの複合材
の生成中にマトリクス材によってほぼ充填される。プリ
フォーム中の繊維は入射する音響エネルギーを散乱さ
せ、干渉および拡散の効果によって音響エネルギーの音
響減衰を起こす。一実施例において、マトリクス材はそ
の音響減衰に基づいて選択される。

【００１４】本発明の他の特徴は、機械的強度、音響減
衰、および他の特性条件を等方的にあるいは３つの直交
軸のいずれの方向にも満足するように調整することので
きる複合材を作成する方法を提供することである。

【００１５】本発明の他の特徴は、プリフォームは、繊
維が所定の態様で配列および配向された繊維構造内の複
数の繊維組織のうちの少なくとも１つに基づいて提供さ
れることである。本発明のプリフォームの利点は、均一
なあるいは変動する間隔の複数の空隙を有する「開放
（open）」すなわち多孔性構造を形成するのに使われる
既知の繊維製造技術によって簡単に形成することがで
き、その結果、射出成形、圧縮成形、真空含浸等の技術
によってかかる空隙のすべてあるいはほとんどをマトリ
クス材で満たすことができることである。マトリクス材
はエポキシ樹脂、ポリ塩化ビニル等の音響減衰性を有す
るプラスチック材料から選択することができる。密度を
増すためのタングステン粉末や熱電導性を向上させるた
めの他の粉末材料等の添加剤をこの樹脂混合物に容易に
混和することができる。これは、その粒径が小さく構造
内で均一に拡散できるためである。また、多孔度が変動
するプリフォームを選択し、ポリエチレン、PFTE（Tefl
on：テフロン）、その他の様々な組成物の１つからなる
繊維を用いることによって、このバッキング材に選択可
能な物理的、機械的、および音響的特性を持たせること
もできる。

【００１６】本発明の他の特徴は、この好適な複合材に
は音響減衰性の高い材料から選択されたマトリクス材を
採用することができることである。このような材料は通
常、変換器の能動素子の基板に用いるには剛性が不十分
であるか機械加工が不可能であり、従って一般的にはバ
ッキング材には適していない。

【００１７】本発明の一つの好適実施例において、繊維
プリフォームは繊維が積み重なった（すなわち多層の）
マクロ孔質メッシュ構造に配向された平面的繊維組織と
して提供される。このメッシュ構造の実施例では、マク
ロ孔質のメッシュシートの形態にマクロ孔質メッシュ材
料が用いられる。かかるシートは、このメッシュシート
を重ねた（積み重ねた）とき、その結果得られるメッシ
ュ構造中には、複数のマクロスケールの空隙が均一に分
散されるようなほぼ均一な大きさで等間隔に配置された
単繊維（filament）が含まれるものと考えられる。

【００１８】他の実施例では、マクロ孔質のメッシュシ
ートがそれぞれ、多数の直交する成形熱可塑性単繊維で
形成される。かかるマクロ孔質シートは2〜100μｍの多
孔度を有する特殊濾紙として市販されている。かかるマ
クロ孔質シートの従来の用途は限外ろ過であるため、こ
の好適なマクロ孔質シートは高度に均一な多孔率を有す
る。また、多孔度の異なるシートの層を好適な厚みに積
み重ね、これに適当な樹脂を含浸することによってバッ
キング材の音響速度、インピーダンス、および減衰特性
を選択することができる。

【００１９】本発明の一実施例では、繊維プリフォーム
は、繊維が一体に形成された繊維束の三次元網状組織に
従った様々な面内および面外方向に方向づけられた集積
繊維組織として提供される。この集積構造は厚み方向の
強度を増し、その結果、この複合材には表層剥離がほと
んど発生しない。三次元方向に編み込まれた、あるいは
織り込まれた布のような、完全な集積繊維構造の他の利
点は、複合材の構造が複雑な構造形状を取りうることで
ある。

【００２０】

【実施例】図１には電気音響変換器100の一実施例の主
要構成要素の断面図を示す。断面図で示す能動素子アレ
イ20が例えばフェイズドアレイ・フォーマットの各素子
のスイッチングによって形成される音響ビームを送受す
る。これらの素子は好適には圧電結晶で形成され、アレ
イ20内には単一あるいは複数の電気的に独立した能動素
子が存在する。各能動素子の上下にある上部電極層22と
下部電極層21は、その素子を個々に電気的にアドレス指
定することができる。本発明に従って構成された音響バ
ッキング材の基板10が音響変換器アレイ20とそれに付随
する電極21、22を構造的に支持する。従って本発明は、
繊維構造とマトリクス材の複合材として、構造的強度と
剛性を得るために形成される基板10に用いるのに好適な
バッキング材に関する。

【００２１】個々の能動素子の間に切られたギャップす
なわち切り溝が各素子の間の音響絶縁を行なう。音響マ
ッチング層30を設けてアレイ20と音響レンズ40の間の音
響インピーダンスの遷移を提供することができる。変換
器100の所望の放射50は変換器100の“前方の”すなわち
先端の側面から放射するものとされ、基板10と基板に取
り付けられた付随する構成要素（ハウジング等、簡略化
のため図では省略されている）は変換器100の“後部”
すなわち裏側に配置されものとされる。変換器アレイ20
の後面は電極層21に結合されている。これは中間にある
構成要素についても同様である。すなわち、アレイ20の
主要な、すなわち“能動”面が電極層22の後面に結合さ
れている。

【００２２】アレイ20は、アレイ20の裏側から出て基板
10に入る、望ましくない音響放射を起こしやすい。図２
および図３に示すように、本発明はまた、このような望
ましくない音響放射の減衰を改善させるための、プリフ
ォームとマトリクス材の複合材として形成される基板10
に好適に用いられるバッキング材に関する。この複合材
の好適な実施例としては、プラスティック、樹脂、ある
いはこの複合材を形成するための他の物質といった適当
なマトリクス材で満たされるプリフォームがあり、その
結果得られる複合材は、材料処理技術を用いて（たとえ
ば塊状材料（bulk material）の形態の）バッキング材
からなる連続リボン、シリンダー等として形成すること
ができる。あるいは、成形（射出成形あるいは圧縮成
形）、熱硬化、化学反応、キュアリング（curing）によ
る硬化等の材料形成技術を用いて、１つあるいは複数の
複合構造として形成することができる。従って、この複
合構造は好適なフォームファクターで設けることができ
る。あるいは変換器100への一体化が容易になるよう
に、所望の形状に機械加工することができる。

【００２３】図２に示すように、プリフォームは好適に
は直線的な繊維組織52、平面的な（層状あるいは二次元
状としても知られる繊維組織54、および集積（三次元と
しても知られる）繊維組織56を含む繊維構造から選択さ
れる。図示するように、それぞれの繊維組織は織布、メ
リヤス、編物その他の繊維プリフォームタイプ内で実施
することができ、さらに、これらの繊維組織についての
説明は繊維技術の分野において公知の専門用語に基づい
て解釈することができる。特に、プリフォームはマトリ
クス材の導入前の複合構造内に用いられる繊維構造であ
る。繊維の撚り、糸の織編、編成、撚り合わせ、あるい
は多軸配置によって生成される集積された繊維構造と定
義される。繊維-織物構造とは繊維から直接織物として
製造される繊維構造（たとえばフェルト、ファイバーマ
ット）である。繊維-織物構造の例としては、繊維から
織物が直接的に形成される繊維フェルトおよびマルチア
キシャルたて編（multiaxial warp-knit:MWK）（ある向
きの糸が厚み方向のステッチング糸と編み合わせられる
たて編み）がある。糸は多数の単繊維からなる直線的な
繊維の集成体からなる。糸-織物構造はウィービング（w
eaving）処理、ニッティング（knitting：編成）処理、
ノンウーブン（non-woven：不織）処理あるいはブレー
ド（braiding）処理によって糸から製作される織物構造
である。たとえば、ウィービング処理は糸の織編を用い
た織物形成処理である。織布の組み合わせ（woven fabr
ic combinations）は、糸の撚り合わせによって作成さ
れ、メリヤス（knitted fabrics）はニッティング・ル
ープ（knitting loop）がメリヤス糸（knitting yarn）
を縦方向に交差する方向（weft knit）あるいは縦方向
（warp knit）のいずれかに差し込むことによって作成
される編成構造である。ブレード織物（braided fabric
s）は３つあるいはそれ以上の糸を撚り合わせることに
よって平坦なあるいは管状の形態に作成することができ
る。図示する繊維構造の詳細については、Ceramic Bull
etin、Vol. 68、No. 2、1989、“PREFORM ARCHITECTURE
FOR CERAMIC-MATRIX COMPOSITES”を参照されたい。

【００２４】プリフォームとしては構造的な結合度、繊
維の直線性および連続性に基づいて、離散的な繊維、連
続的な単繊維、層状（平面的な織編、編成あるいは他の
二次元的組織を含む）の組織、あるいは完全に集積され
た（三次元）組織の４つのレベルの補強組織のうちの１
つを選択することができる。これらの４つのレベルの特
性の一部がScardinoのIntroduction to Textile Struct
ures（Elsevier、Essex、UK、1989）に従った表１にま
とめられている。例えば、繊維の結合度が大きくなるに
つれて（IからIVに）、繊維の交差点における繊維間の
接触が多くなる。

【表１】

【００２５】第１のレベルは離散的な繊維組織であり、
これには不連続あるいは連続の繊維からなる繊維構造が
含まれる。かかる繊維構造の構造的結合度は主として繊
維間の摩擦によって与えられる。

【００２６】第２のレベルは直線的な繊維組織である。
この構造は繊維の連続性と直線性のレベルが最も高く、
したがって、特性変換効率が最も高く、単繊維巻構造お
よびアングル−プライ・テープ・レイアップ（angle-pl
y tape layup）構造に適している。この繊維構造レベル
の問題点は、面内および面外の糸の織編が行なわれない
ため層内および層間強度が低いことである。

【００２７】第３のレベルは、例えば平面的な織編およ
び編成組織を有する層状繊維組織である。この繊維構造
では連続した単繊維組織に見られる層内不良の問題には
対処することができるが、厚み方向の強化が行なわれて
いないため、層間強度はマトリクス材の強度に委ねられ
る。

【００２８】第４のレベル、すなわち集積繊維組織はさ
まざまな面内および面外方向に配向された繊維を含む。
たとえば、連続した単繊維糸を用いると、糸束の三次元
網状組織を集積された態様で形成することができる。こ
の集積繊維組織は厚み方向の強化が可能であり、これに
よって得られる複合材には表層剥離がほとんど発生しな
い。三次元に編みんだり織ったりして作られたプリフォ
ーム等のような完全な集積構造は、複雑な構造形状をと
ることができる。

【００２９】離散的あるいは直線的な繊維プリフォーム
を用いたバッキング材の実施例では、繊維あるいは繊維
層とそれに隣接する繊維あるいは繊維層の間の強度が不
十分である。また、平面的繊維組織の場合、繊維の強化
は１つの平面においてのみ行なわれ、強度はその平面内
で繊維の配向に平行な１つあるいは２つの方向に最大に
なる。繊維の平面に垂直な方向にはほとんど強化されな
い。

【００３０】従って、この表のレベルIおよびIIから選
択されたプリフォームをこの複合材への使用に適しては
いるが、特に好適な実施例にはレベルIIIの繊維組織を
含むように選択された繊維組織から構成されたプリフォ
ームが用いられ、最も好適な実施例にはレベルIVの繊維
組織を含むように選択された繊維組織から構成されたプ
リフォームが用いられる。

【００３１】完全な集積（三次元）繊維組織のいくつか
の例の構造は次の通りである。最近の三次元織布は主と
してマルチプル−ウォープ・ウィービング法（multiple
-warp weaving method）を用いて作成され、17もの層を
有する織布を得ることができる。マルチアキシャルたて
編の三次元構造等のように編まれた三次元織布は横編
（weft-knitting）処理あるいはたて編（warp-knittin
g）処理のいずれかで作成される。三次元ブレーディン
グ技術（three-dimensional braiding technology）は
周知の二次元ブレーディング技術の応用であり、３つあ
るいはそれ以上の糸の撚り合わせあるいは直交織編を行
なうことによって織布が作成される。

【００３２】図１に示し、図２を参照して説明する基板
10の好適なバッキング材は図３に示す処理に示すように
して得ることができる。同図には、直線的、平面的、お
よび完全に集積されたプリフォーム61、62および63を示
し、そのうちの１つを繊維プリフォーム作成ステップ72
で作成することができる。たとえば、複数のマクロ孔質
のメッシュシートを積み重ねて層状プリフォーム62を形
成することができる。こうして得られるメッシュ構造は
１つのメッシュシートの平面内に１-100μｍの範囲の単
繊維の間隔を有し、かかる間隔は最も好適には前記の範
囲の低い方の範囲、たとえば１-10μｍである。プリフ
ォーム61-63に対する圧縮、織編、トリミング（trimmin
g）その他の追加的処理をステップ74で実行することが
できる。例えば、ステップ74あるいは75の好適な接着処
理には、プリフォーム61-63を圧縮するか引っ張って隣
接する繊維の間隔を変える処理が含まれる。次に、プリ
フォームはステップ76でマトリクス材に接着されて、ス
テップ78で図１の基板10を得るための直交スラブ79A、
曲線スラブ79Bあるいはディスク79C等の所定のフォーム
ファクターの複合材79が形成される。ステップ74-78に
は射出成形、圧縮成形、熱硬化、および他のプラスティ
ック製造技術等の周知の技術を用いることができる。あ
るいは、この複合材をバルク状に形成し、切削、機械加
工、およびサイジング技術を用いて適当なフォームファ
クターを設けて基板10の所望の形状を形成することがで
きる。

【００３３】複合材79の他の形状および／またはフォー
ムファクター、さらにさまざまなタイプの複合材を形成
するための技術は、プラスティック材料の形成および成
形の分野に精通する者には明らかなように、適宜考案お
よび採用することができる。

【００３４】本発明の特徴によれば、またメッシュシー
ト62の分解図で示す部分62Aからわかるように、プリフ
ォームの個々の繊維は所定の間隔をおいて配置されて、
音響エネルギーを散乱させるようになっている。散乱し
たエネルギーは、干渉および拡散効果によって減衰する
ものと考えられる。

【００３５】本発明の特徴によれば、間隔をおいて配置
された繊維によって生じる空隙は音響減衰特性に基づい
て選択されたマトリクス材でほぼ満たされ、その結果か
かる空隙は散乱した音響エネルギーに対して減衰トラッ
プとして機能する。かかる実施例では、散乱した音響エ
ネルギーは干渉および拡散されるだけでなく、空隙内で
吸収される。空隙の平均サイズおよび間隔は作成ステッ
プ72におけるプリフォームの製作時に（メッシュシート
62の製作時の単繊維の間隔の選択等によって）容易にま
た低コストで規定することができるため、その結果得ら
れる複合材79は従来技術に見られるように粉末、粒子そ
の他を適切に接着および／または拡散させるための条件
に左右されない。その結果、複合材79は剛性だけでなく
優れた音響減衰をも提供する。

【００３６】（プリフォーム61、62のように）繊維の集
積構造すなわち積層構造を用いる実施例では、繊維層を
一度に１グループずつバッキング材にキャストするか、
あるいはこれを金型または型内に配置してこの型に結合
材を充填することもできる。他の方法としては、多数の
積み重ねられた繊維あるいは繊維シートをスリップ型に
供給し、この型に適当なマトリクス材を連続的あるいは
周期的に充填する方法がある。その結果得られるバルク
状の複合材をキュアリングやスライシング（slicing）
等によってさらに処理して基板10の所望のサイズを形状
にすることができる。さらに別の方法としては、繊維を
吸音材を加えたエポキシ層の上に交互に載置するという
方法があり、繊維が所望の数に達するまで交互の層から
なる集積体が形成され、その後エポキシが最終的に硬化
される。

【００３７】集積（三次元）繊維プリフォーム63の場
合、３つの軸方向にのすべてにおいて三次元的な結合度
を得ることができる。単繊維をあらかじめ選択された配
向に固定し、プリフォームの音響特性、物理的特性、熱
特性、融除性（ablative）および他の特性を向上させる
ためにマトリクス材が加えられる。プリフォームの基本
的強度は主として隣り合う単繊維が材料中で交差すると
きその間の摩擦によって与えられる。この摩擦はマトリ
クス材がない場合にも繊維の結合度を維持することので
きる結合力を与える。

【００３８】本発明はまた、形成処理とそれによって得
られる複合構造の間の相互の影響の変遷によって、最適
な孔隙（pore）の形状、孔隙の分布、および繊維束の大
きさの選択を可能にすることを意図するものである。規
則的な織編繊維網を有する三次元構造によって高温下で
のマトリクス材の浸透および蓄積のための安定したプリ
フォームが提供される。また集積繊維プリフォーム63は
厚み方向の強化が可能である。従って、集積プリフォー
ム63を用いて形成された複合材によって曲げに対する高
い剛性を得ることができる。

【００３９】プリフォームおよびマトリクス材の組成、
さらに基板10の厚みは、バッキング材に結合される音響
エネルギーが基板中で完全にあるいは完全に近く減衰さ
れて、このブロックに結合される音響エネルギーの反射
が変換器の素子に到達することがほぼなくなるように選
択することができる。音響減衰特性に加えて、基板10の
バッキング材は所望の結果を得られるように選択された
特定の音響インピーダンスおよび／または音響速度を持
つように製作することができる。たとえば、アレイ20か
らの音響パルスの幅を小さくしたい場合、基板10の材料
は通常音響インピーダンスがアレイ20内の変換器素子の
音響インピーダンスにほぼ一致するように選択される。
このような一致が望ましくなかったり得られなかったり
する場合を考慮し、アレイ20と基板10の間にマッチング
層を設けてインピーダンス整合を向上させることができ
る。変換器素子と基板10の間の接着剤層を薄くして音響
効果を生じないようにしておくと、変換器アレイ20の後
面から発せられた音響エネルギーがほぼすべて基板10に
伝搬しそこで減衰される。あるいは、たとえば出力を増
したい場合、またアレイ上の負荷整合が適切である場
合、基板10の材料はアレイ20内の素子との間に所望のレ
ベルの音響インピーダンスの不整合が生じるように選択
することができる。

【００４０】好適なプリフォーム61-63はその繊維の間
隔、サイズ、密度その他を、プリフォームの１つあるい
は複数の軸上で空間的に変化させることができる。例え
ば、１つのサイズの繊維の密度は他のサイズの繊維の密
度よりはるかに高くすることができる。ステップ72、74
において複合材に供給される繊維の大部分は１つのサイ
ズの繊維であるがそれより小さい繊維を含むようにする
こともできる。また、バッキング材の主面から離れるに
つれて繊維のサイズを徐々に大きくすることもできる
が、これは必須ではない。

【００４１】本発明の他の特徴は、この複合構造の各軸
の強化密度および剛性を、異なる繊維サイズ、密度、組
分けを用い、また繊維の組成を変えることによって、他
の軸から独立して変更することができることである。適
当な繊維の例としては、プラスティック繊維、ガラス繊
維、金属繊維、セラミック繊維、合成繊維、アスベス
ト、ジュート、および綿繊維、さらにホウ素単繊維およ
び石英単繊維がある。さらに、複合構造内のこれらの繊
維の配向を変化させて、バッキング材の音響特性、物理
的特性および機械的特性を調整することができる。特
に、プリフォームとマトリクス材の特性をこれらの変数
を用いて調整して、特定の用途に必要な正確な特性を有
する材料を得ることができる。

【００４２】ここで、バッキング材内の硬化した粒子す
なわち微小球を用いて音響エネルギーを散乱させる従来
の技術を考察する。この場合、かかるエネルギーはほと
んど減衰することなくアレイ20に最も近い結合材に伝達
され、かかるエネルギーの大部分が硬化した粒子すなわ
ち微小球からアレイ20内に反射され、表示される信号に
は誤りが生ずる。また、かかる材料を切削あるいは機械
加工する際の問題点について考察する。かかる問題はそ
のような粒子によってではなく、バッキング材の基板10
を１つあるいは複数のプリフォーム61-63で形成して基
板10の剛性を増し、ここに説明したような期待される音
響散乱およびトラッピング特性を得ることによって解決
されてきた。しかし、少なくとも一実施例では、ここに
説明したような、マクロ孔質メッシュと結合材の複合バ
ルク中に拡散された添加剤のような、硬化した粒子を用
いることができるにもかかわらず、音響エネルギーの散
乱とトラッピングに主としてマクロ孔質メッシュを用い
ることによって従来技術の問題点を防止することができ
る。これを行なうためには、基板10の主面の近傍の粒子
は基板の後面に近い部分ほど多く存在する必要性はな
く、またかかる粒子は同じサイズである必要性も、均一
に拡散されている必要性もない。実際には、かかる粒子
はあるサイズの粒子の密度が他のサイズの粒子の密度よ
りはるかに高くなるように拡散させることができる。圧
縮成形時にこの複合材に供給される粒子粉末に含まれる
粒子のほとんどを１つのサイズの粒子とすることができ
るが、それより小さい粒子を含んでいてもよい。また、
バッキング材の主面から離れるにつれて粒子のサイズを
徐々に大きくすることもできるが、これは必須ではな
い。

【００４３】複合材79はマトリクス材からプリフォーム
中の繊維への音響エネルギーの結合がほとんど発生しな
いように構成されるものとする。かかる結合が発生する
と、繊維からあらゆる音響エネルギーを除去する（その
結果、基板10内でエネルギーがより良好に減衰される）
音響特性は、前述したように、繊維の材料の相対音響イ
ンピーダンスと、かかるマトリクス材の相対音響速度で
ある。特に、上述したように、繊維とマトリクス材のイ
ンピーダンス整合によって単繊維から結合材に音響エネ
ルギーが流れやすくなる。この過程をさらに発生しやす
くするために、繊維の音響速度を、マトリクス材の、あ
るいは少なくともマトリクス材のうちの単繊維を取り巻
く部分の音響速度よりはるかに高くすることを考慮す
る。その結果、トラッピングマトリクス材としてより良
好に機能する複合材が得られ、音響エネルギーは繊維に
戻ってその中を伝搬することなく繊維の外部に向けられ
る。音響速度の所望の差は代わりに、結合材を単繊維よ
り音響速度の低い材料で形成することによっても得るこ
とができる。また、音響速度が低下する繊維を基板10の
前面から延びるように設け、これと層30内でのインピー
ダンス整合を組み合わせることによって、アレイ20から
の音響エネルギーの大部分を基板10内に結合することが
でき、かかるエネルギーは基板10内で減衰する。

【００４４】従って、おおまかにいえば、例えば基板10
の後面からの反射をほとんど除去することができ、その
結果反射がアレイ20に戻ってアレイ20の出力品質を低下
させることを防止することができる。

【００４５】繊維層においてアレイ20に向かう音響エネ
ルギーの反射がある場合、例えば、かかる接合部に充分
な厚みの充分な結合材を含ませ、そこに結合される音響
エネルギーをほとんど減衰することによってこれに対処
することができる。あるいは、多孔率の変動するプリフ
ォームを用いた複合材においては、基板10の後面に配置
される繊維と多孔率の異なる繊維を基板10の前面部に配
置することによって対処することができる。基板10の前
部の先頭のシートから反射される音響エネルギーはそれ
に隣接する先頭の結合材層中の２つの通路内で完全にあ
るいはほぼ完全に減衰される。

【００４６】あるいは、基板10内に１つあるいは複数の
インピーダンス遷移層あるいはインピーダンス整合層を
設けて、基板10の前部における反射を最小限にすること
ができる。複合材の構造を基板10の中間部に渡って徐々
に変化させて、生じる反射が急激にならないような音響
インピーダンス遷移にすることができる。従って、基板
10の深さ方向に音響インピーダンスを徐々に変化させる
か、あるいは上述した技術のなんらかの組み合わせによ
って、音響減衰をほぼ最適化し、音響反射を最小限にす
ることができる。

【００４７】本発明ではプリフォームを用い、多素子変
換器アレイの製造に必要な剛性を提供し、アレイの平面
性を維持している。従って、本発明の他の利点は、従来
バッキング材への使用に適していなかった材料を、小型
化及び製造しやすさに必要な厚さにすることで、有効に
使用することができることである。かかる材料は従来、
音響減衰が不十分であったり、１mm〜数mmの厚さでは必
要な機械的剛性が得られず、不適当なものであった。か
かる材料としてはゴムおよび／またはエポキシマトリク
ス材、他のゴム状あるいはゲル状材料、および最小限の
厚さで良好な減衰を得られるが構造的集結性のないその
他の材料がある。

【００４８】本発明に従って製作された電気音響変換器
のいくつかの実施例の実用実験においては、2.54cm（1i
nch）あたり約120の層からなるメッシュ繊維プリフォー
ムを有する基板が用いられた。この実験の結果、添付の
表２から表７に示すデータが得られた。表中の直径、厚
さ、体積、重量および密度は試験されたバッキング材の
サンプルのものである。顕著な特性はdB/cm/MHzで表わ
した音響減衰である。

【００４９】〔表２〕 プリフォームの材料：ポリプロピレン・メッシュ・シー
ト 減衰量を測定した変換器：2.25/5.0 MHz 変換器 長さ：23.03 mm 幅：22.56 mm 厚さ：4.50 mm 体積：2.34 cm³ 重量：5.73 gm 密度：2.45 gm/cm³ 周波数（MHz） 減衰量（dB/cm） 1 23.4 1.5 40.1 2 59.9 2.5 111.4

【００５０】〔表３〕 プリフォームの材料：ポリエステル・メッシュ・シート 減衰量を測定した変換器：5 MHz 変換器 直径：12.90 mm 厚さ：5.35 mm 体積：２．８０ ｃｍ^３ 重量：８．５９ ｇｍ 密度：3.07 gm/cm³ 周波数（MHz） 減衰量（dB/cm） 3 51.0 4 63.8 5 81.7 6 99.0

【００５１】〔表４〕 プリフォームの材料：ナイロン・メッシュ・シート 減衰量を測定した変換器：5 MHz 変換器 直径：12.90 mm 厚さ：5.40 mm 体積：2.80 cm³ 重量：8.49 gm 密度：3.03 gm/cm³ 周波数（MHz） 減衰量（dB/cm） 3 48.8 4 62.5 5 74.9 6 92.7

【００５２】〔表５〕 プリフォームの材料：ポリエステル・メッシュ・シート 減衰量を測定した変換器：2.25 MHz 変換器 直径：12.90 mm 厚さ：6.73 mm 体積：3.54 cm³ 重量：１１．１６ ｇｍ 密度：３．１５ ｇｍ／ｃｍ^３ 周波数（MHz） 減衰量（dB/cm） 1 16.1 2 36.5 3 49.4

【００５３】〔表６〕 プリフォームの材料：テフロン／エポキシ・メッシュ・
シート 減衰量を測定した変換器：2.25 MHz 変換器 直径：10.68 mm 厚さ：3.15 mm 体積：1.13 cm³ 重量：3.19 gm 密度：2.82 gm/cm³ 周波数（MHz） 減衰量（dB/cm） 1 16.4 2 57.4 3 73.4

【００５４】〔表７〕 プリフォームの材料：テフロン／エポキシ・メッシュ・
シート 減衰量を測定した変換器：5.0 MHz 変換器 直径：10.68 mm 厚さ：3.15 mm 体積：1.13 cm³ 重量：3.19 gm 密度：2.82 gm/cm³ 周波数（MHz） 減衰量（dB/cm） 3 87.0 4 143.0 5 152.8 6 171.4

【００５５】第１のバージョンの変換器では、プリフォ
ームは70μｍのメッシュ開口を有するSpectrum Spectra
/Meshブランドのマクロ孔質フィルター、部品番号14647
6、テフロン（Teflon）フィルターメッシュとして市販
されている集積マクロ孔質シートからなるものであっ
た。第２のバージョンの変換器では、プリフォームは70
μｍのメッシュ開口を有するSpectrum Spectra/Meshブ
ランドのマクロ孔質フィルター、部品番号146436、ポリ
プロピレンフィルターメッシュとして市販されている集
積マクロ孔質シートからなるものであった。第３のバー
ジョンの変換器では、プリフォームは70μｍのメッシュ
開口を有するSpectrum Spectra/Meshブランドのマクロ
孔質フィルター、部品番号146534、ポリエステルフィル
ターメッシュとして市販されている集積マクロ孔質シー
トからなるものであった。第４のバージョンの変換器で
は、プリフォームは70μｍのメッシュ開口を有するSpec
trumSpectra/Meshブランドのマクロ孔質フィルター、部
品番号145924、ナイロンフィルターメッシュとして市販
されている集積マクロ孔質シートからなるものであっ
た。図４にはポリプロピレンメッシュのバージョンのも
ので得られた減衰-周波数応答を示し、また比較のため
に線形の減衰を示す仮説上の基板材料の減衰応答を示
す。試験されたプリフォームの応答は、周波数の増大に
ともなって非線形の急激な減衰量の増大を示すことがわ
かる。かかる応答は試験された基板材料の示す優れた散
乱および減衰特性を表わすものである。

【００５６】本発明を好適実施例を参照して詳細に図示
および説明したが、当業者には本発明の精神と範囲から
逸脱することなくその形態および細部に関する上述した
変更およびその他の変更を加えることが可能であること
は明らかである。

【００５７】〔実施態様〕なお、本発明の実施態様の例
を以下に示す。

【００５８】〔実施態様１〕 プリフォーム（61、62、
63）とマトリクスを少なくとも用いて形成された複合材
（10、79）を含み、前記のプリフォームは複数の空隙を
画定するように間隔をおいて配置された繊維を含み、前
記の空隙は前記のマトリクスによってほぼ満たされてお
り、前記の複合材が受け取った音響エネルギーは前記の
繊維により散乱し、前記の複数の空隙内で減衰すること
を特徴とする、電気音響変換器（100）に用いられるバ
ッキング材。

【００５９】〔実施態様２〕 前記のマトリクスは音響
減衰特性を有するマトリクス材を少なくとも用いて形成
されることを特徴とする、実施態様１に記載のバッキン
グ材。

【００６０】〔実施態様３〕 前記のマトリクスは射出
成形、圧縮成形、および真空含浸の中から選択された技
術によって前記の空隙に供給されることを特徴とする、
実施態様１または実施態様２に記載のバッキング材。

【００６１】〔実施態様４〕 前記のマトリクスは熱可
塑性ポリマーを含むことを特徴とする、実施態様１ない
し実施態様３のいずれかに記載のバッキング材。

【００６２】〔実施態様５〕 前記のプリフォーム（6
1、62、63）は所定の繊維構造に従って配列された、間
隔をおいた繊維を含み、前記の繊維構造は、少なくとも
直線的繊維組織、平面的繊維組織、および集積繊維組織
の中から選択されることを特徴とする、実施態様１ない
し実施態様４のいずれかに記載のバッキング材。

【００６３】〔実施態様６〕 前記のプリフォーム（6
1、62、63）は積み重ねられたマクロ孔質メッシュシー
ト層をさらに含むことを特徴とする、実施態様１ないし
実施態様５のいずれかに記載のバッキング材。

【００６４】〔実施態様７〕 前記の繊維の間隔は１〜
100μｍの範囲内であることを特徴とする、実施態様１
ないし実施態様６のいずれかに記載のバッキング材。

【００６５】〔実施態様８〕 前記のシート内の繊維は
直交配列された成形熱可塑性単繊維を含むことを特徴と
する、実施態様１ないし実施態様７のいずれかに記載の
バッキング材。

【００６６】〔実施態様９〕 前記の空隙は前記のプリ
フォーム（61、62、63）中にほぼ均一に分散されている
ことを特徴とする、実施態様１ないし実施態様８のいず
れかに記載のバッキング材。

【００６７】〔実施態様１０〕 前記の空隙の前記のプ
リフォーム中の分散状態にばらつきがあることを特徴と
する、実施態様１ないし実施態様８のいずれかに記載の
バッキング材。

【００６８】〔実施態様１１〕 前記のマトリクス中に
音響インピーダンスの高い粒子が拡散されることを特徴
とする、実施態様１ないし実施態様１０のいずれかに記
載のバッキング材。

【００６９】〔実施態様１２〕 基板（10）と、前記の
基板上に間隔をおいて平行に取り付けられた能動素子の
アレイ（20）とを含み、前記の基板には前記の能動素子
の間の間隔に位置合わせされた切り込みがあり、前記の
基板は、バッキング材をさらに含み、前記バッキング材
は少なくとも音響減衰マトリクスと、前記のマトリクス
によって満たされる複数の空隙を画定するように間隔を
おいて配置された繊維を有するプリフォームとから形成
されることを特徴とする、電気音響変換器。

【００７０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、音響性能を犠牲にせず、また同時に信頼性が高く
製造の容易な、小型電気音響変換器の製造に用いること
のできるバッキング材を提供することができる。

【００７１】また本発明によれば、大変軽量であり、高
い音響減衰特性、最小限の音響の後方散乱、高い構造的
集結性、熱的安定性、（真空排気と裏充填を可能にす
る）高い透過性を有し、さらに、平滑で清浄な加工が可
能なことによる優れた接着性を有するバッキング材を提
供することができる。

【００７２】また本発明によれば、適切なフォームファ
クターに形成することができる、すなわち十分な弾性を
有し、ゆるやかな丸みを付けて屈曲させて曲線アレイを
形成することのできるバッキング材を提供することがで
きる。

【００７３】さらに本発明によれば、ダイシング（dici
ng）および他の変換器製造処理を容易にする剛性の基板
を有する電気音響変換器を提供することができる。この
バッキング材を有する電気音響変換器は、大量生産で高
い信頼性をもって製造することができ、また、変換器ア
レイに整合したインピーダンスや高度の音響減衰といっ
た特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理にしたがって製作した音響変換器
の概略側断面図である。

【図２】図１の音響変換器アレイに好適に用いられるバ
ッキング材を製作するためのプリフォームの選択のもと
になる繊維構造を示す図である。

【図３】図１の音響変換器アレイに好適に用いられるバ
ッキング材を製作する方法を示す図であり、本発明によ
る好適なプリフォームおよび複合材構造を分解図で示
す。

【図４】繊維メッシュプリフォーム構造を用いた音響変
換器の一実施例によって得られる減衰-周波数特性を示
す図である。

【符号の説明】

10：基板 20：能動素子アレイ 22：上部電極層 23：下部電極層 30：音響マッチング層 40：音響レンズ 50：変換器100のアコースティックエミッション 52、54、56：繊維組織 61、62、63：プリフォーム 62A：プリフォーム62の部分 72、74、76、78：ステップ 79：複合材 79A：直交スラブ 79B：曲線スラブ 79C：ディスク 100：電気音響変換器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリフォームとマトリクスを少なくとも
   用いて形成された複合材を含み、前記のプリフォームは
   複数の空隙を画定するように間隔をおいて配置された繊
   維を含み、前記の空隙は前記のマトリクスによってほぼ
   満たされており、 前記の複合材が受け取った音響エネルギーは前記の繊維
   により散乱し、前記の複数の空隙内で減衰することを特
   徴とする、電気音響変換器に用いられるバッキング材。