(57)【要約】【課題】様々な比音響インピーダンスを持つ広範囲な異種材料間で広帯域な音響的整合特性を得ることを可能とする音響整合デバイスを提供する。【解決手段】音響整合デバイス１は、第１の膜構造部２と第２の膜構造部４とそれらを支持する壁構造部３とで構成されており、第１の膜構造部２は、第１の音響媒質５と接合され、第２の膜構造部４は、上記第１の音響媒質５とは比音響インピーダンスが異なる第２の音響媒質６と接合されている。膜構造部２，４と壁構造部３との接触面積は、音響整合デバイス１を構成する材料の比音響インピーダンスと、膜構造部２，４と壁構造部３との接触面積の比を取ったものが音響媒質５，６の比音響インピーダンスと一致するように調整されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる比音響インピーダンスを持つ第１の媒質および第２の媒質にそれぞれ接合して音波を伝搬する音響整合デバイスであって、
前記第１の媒質と接合する第１の膜構造部と、前記第２の媒質と接合する第２の膜構造部と、前記第１の膜構造部および前記第２の膜構造部にそれぞれ接触する壁構造部と、を有し、
下記の式１および式２を満たす、音響整合デバイス。
ｓ１／Ｓ＝ｚ１／ｚ０                      …式１
ｓ２／Ｓ＝ｚ２／ｚ０                      …式２
（式中、ｚ１は前記第１の媒質の比音響インピーダンス、ｚ２は前記第２の媒質の比音響インピーダンス、ｚ０は前記音響整合デバイスを構成する材料の比音響インピーダンス、Ｓは前記第１の媒質と前記第１の膜構造部または前記第２の媒質と前記第２の膜構造部とが接合する領域の面積、ｓ１は前記第１の媒質と前記壁構造部とが接合する領域の面積、ｓ２は前記第２の媒質と前記壁構造部とが接合する領域の面積をそれぞれ表す）
【請求項２】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第１の膜構造部の厚さおよび前記第２の膜構造部の厚さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも薄い、音響整合デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第１の膜構造部の厚さは、前記第１の膜構造部と接触する前記壁構造部の幅よりも厚く、
前記第２の膜構造部の厚さは、前記第２の膜構造と接触する前記壁構造の幅よりも厚い、音響整合デバイス。
【請求項４】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第１の膜構造部の共振周波数および前記第２の膜構造部の共振周波数は、整合対象とする音波の周波数よりも高い、音響整合デバイス。
【請求項５】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第１の膜構造部と接触する前記壁構造の長さおよび前記第２の膜構造部と接触する前記壁構造の長さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも長い、音響整合デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記壁構造部同士を接合する補強部材をさらに有し、
前記補強部材の厚さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも薄い、音響整合デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記壁構造部の幅は、前記第１の膜構造部および前記第２の膜構造部の一方から他方に向かって階段状に変化し、
前記階段の高さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも低い、音響整合デバイス。
【請求項８】
請求項１記載の音響整合デバイスにおいて、
前記壁構造部の隙間に充填材が充填されている、音響整合デバイス。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の音響整合デバイスを複数個アレイ状に配置した、複合音響整合デバイス。
【請求項１０】
請求項９記載の複合音響整合デバイスにおいて、
前記アレイの全体において、前記膜構造部が前記第１および第２媒質と接合する領域の総面積Ｓａｌｌと、前記膜構造部と前記壁構造部（比音響インピーダンズｚ０）とが接触する領域の総面積ｓ１＿ａｌｌが以下の式３
ｓ１＿ａｌｌ＝ｓａｌｌ（ｚ１／ｚ０）            …式３
を満たす、複合音響整合デバイス。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の音響整合デバイスを用いた、音響プローブシステム。
【請求項１２】
請求項９記載の複合音響整合デバイスを用いた、音響プローブシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な比音響インピーダンスを持つ広範囲な異種材料間で広帯域な音響的整合特性を得ることを可能とする音響整合デバイスおよびそれを用いた音響プローブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の可聴域を越えた周波数（約２０，０００Ｈｚ以上）の超音波を送受信するための手段として、超音波トランスデューサが利用されている。例えば医療用超音波装置、非破壊検査、海洋ソーナーにおいては、この超音波トランスデューサと、超音波を伝える様々な材料（水、人体、半導体ウエハ、金属、セラミック、コンクリート、プラスチックなど）とを接触させて超音波の入出力を行っている。
【０００３】
音波の効率的な伝搬を阻害する原因として、材料の物性の一つである音響インピーダンスが重要となる。音響インピーダンスが異なる材料間では、音の反射が起こるために音が効率的に伝搬しない。これを解消するために、超音波トランスデューサと、超音波を伝播させたい材料との間に音響整合層を挿入することが一般的である。
【０００４】
音響整合層とは、音源から目的の媒質中へ音波を効率的に伝搬させたり、互いに異なる媒質から媒質へ音波を効率的に伝搬したり、或る媒質を伝搬する音波を効率的に受信したりするための構造体である。
【０００５】
上記音響整合層の音響インピーダンスは、音波を伝搬させたい二つの媒質それぞれの音響インピーダンスの中間的な値を取り、通常は、音響整合層の厚さを伝搬させたい周波数の１／４波長の厚さとする。より効率的に音波を伝搬させるために、音響整合層を１層ではなく２層以上の多層で構成する場合もある（非特許文献１）。
【０００６】
また、より広帯域な音響整合を行う方式として、音響インピーダンスが徐々に変化するように、振動子に近い比音響インピーダンスを持つ材料によって断面積が徐々に変化する先細柱状の構造体を作り、生体などの音響放射面側の材料に近い比音響インピーダンスを有する材料で上記先細柱状の構造体の隙間を充填した板状の音響整合器が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９６４５０８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Transaction on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-13, No.1 (March, 1996)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術のうち、１／４波長の厚さの音響整合層を作製する方式（非特許文献１）の場合、原理的に或る周波数とその周囲の限られた周波数範囲でしか効率的に音波を伝搬させることができないという課題がある。
【００１０】
もう一方の従来技術である先細柱状の構造体を別の材料で充填する方式（特許文献１）の場合、十分な音波伝搬効率を得るためには、先細柱状の構造体の比音響インピーダンスが振動子の比音響インピーダンスに近いことと、充填材料の比音響インピーダンスが音響放射面の材料の比音響インピーダンスに近い必要がある、という制約がある。従って、様々な比音響インピーダンスを持つ材料に適用するためには、先細柱状の構造体や充填材料として最適な材料を選択もしくは開発する必要があり、幅広い分野への適用が難しいという課題がある。
【００１１】
従って、材料に限定されずに、かつ音波が反射しないような形で音波の伝搬断面積を変えることが可能となれば、より幅広い分野において効率的な音波の伝搬が可能となる。
【００１２】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１４】
代表的な実施の形態による音響整合デバイスは、第１の膜構造部と第２の膜構造部とそれらを支持する壁構造部とで構成されており、第１の膜構造部は、第１の音響媒質と接合され、第２の膜構造部は、上記第１の音響媒質とは比音響インピーダンスが異なる第２の音響媒質と接合されている。各膜構造部と壁構造部との接触面積は、音響整合デバイスを構成する材料の比音響インピーダンスと、各膜構造部と壁構造部との接触面積の比を取ったものが各音響媒質の比音響インピーダンスと一致するように調整されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、広範囲な音響伝搬材料を対象とした広帯域な音響整合特性を備えた音響整合デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の基本となる考え方を説明する図である。
【図２】本発明の音響整合デバイスの基本原理を説明する図である。
【図３】本発明の音響整合デバイスの基本構造を説明する図である。
【図４】本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。
【図５】本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。
【図６】本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状を示す平面図である。
【図８】本発明の音響整合デバイスの音響整合性能を従来技術と比較して示すグラフである。
【図９】本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、図９の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状例を示す平面図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、図９の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状例を示す平面図である。
【図１２】図９の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状例を示す平面図である。
【図１３】本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。
【図１４】本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。
【図１５】本発明の膜構造型音響整合デバイスを適用した音響プローブシステムの斜視図である。
【図１６】本発明の膜構造型音響整合デバイスを適用した音響プローブシステムの別例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合や、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。
【００１８】
（実施の形態１）
まず、本発明の基本となる考え方を図１を用いて説明する。弾性体を伝搬する音波は、通常、異なる材料の境界面で反射する。これは、異なる材料間の音響インピーダンスが異なるからに他ならない。材料固有の比音響インピーダンスｚは、音波の伝搬速度（音速）ｃと密度ρの積で表され、音響インピーダンスＺは、これに音波が伝播する断面積Ａを掛け合わせたものになる。従って、音波が伝搬する断面積が一定であるときには、比音響インピーダンスｚの差がそのまま音響インピーダンスＺの差となる。
【００１９】
従来、音響インピーダンスの整合を取る方式の一つとして、超音波トランスデューサと超音波を伝播させたい材料との間に音響整合層と呼ばれるシート状の構造体を挿入したものがある（非特許文献１）。しかし、この音響整合層は、或る特定の周波数とその近傍の周波数範囲でのみ有効であるため、広帯域な音響整合は不可能であった。
【００２０】
また、音響インピーダンスの整合を取る別の方式として、異なる材料間における音波の伝搬断面積を調整することで材料間の音響インピーダンスを一致させる方法が考えられる。しかし、弾性体においては、通常、音波が伝搬する断面積を音波の波長よりも短い区間で急激に変えることは、音波から見れば急激な音響インピーダンスの変化となる。従って、このときに互いに異なる材料の境界では大きな反射波が発生するため、音波を効率的に伝搬させることができない。
【００２１】
その対策として、特許文献１のように、音波の伝搬方向に沿った材料の断面積を徐々に変えることによって、この課題を解決する方法もある。しかし、特許文献１の方法は、音響整合が可能な材料が限定的という課題がある。
【００２２】
次に、図２（ａ）および（ｂ）を用いて本発明の原理について説明する。図２は、比音響インピーダンスｚ１を有する第１の音響媒質５と第１の膜構造部２とが接合され、第１の膜構造部２の左右の端部にそれぞれ比音響インピーダンスｚ０を有する材料で作製された壁構造部３が接触した膜構造体である。実際の構造体は３次元構造を有するが、ここでは説明の便宜上、２次元平面で考える。
【００２３】
第１の音響媒質５と第１の膜構造部２との接合面積は、２次元平面では幅Ｌに相当する。また、第１の膜構造部２と壁構造部３との接触面積は、２次元平面では幅ｗ１／２に相当する。図２では、膜構造部２と壁構造部３との接触箇所が２か所存在するため、全体ではｗ１／２の２倍が総接触面積となる。さらに、第１の膜構造部２の厚さｄ１は、第１の膜構造部２を構成する材料の内部において、想定している周波数帯域の波長よりも十分に小さいものとする。
【００２４】
このような第１の膜構造部２と壁構造部３とからなる膜構造体が音響媒質と接触しているとき、第１の音響媒質５中を音波（粗密波）がｘ方向に伝搬することを考える。音波の粗の状態が第１の膜構造部２の境界に到達したとき、図２（ａ）のように、第１の膜構造部２の中心部は瞬時にｘの正方向（図の下方）に変形する。このとき、弾性体である第１の膜構造部２の両端には、第１の膜構造部２全体で受けた力が伝わり、曲げモーメントが発生する。この曲げモーメントにより第１の膜構造部２と壁構造部３との境界には、壁構造部３をｘの正方向に押す力が発生する。一方、粗密波の密の状態が第１の膜構造部２の境界に到達したときには、図２（ｂ）のように第１の膜構造部２の中心部が瞬時にｘの負方向に変形する。このとき、図２（ａ）の場合とは逆に、第１の膜構造部２と壁構造部３との境界には、壁構造部３をｘの負方向に引っ張る力が発生する。このように、音波から見れば、第１の膜構造部２による曲げの力を介して瞬時に音波が壁構造部３へと伝わる。
【００２５】
上記の原理を用いて、図１で説明したように、音響伝搬の理論に従い、以下のように、幅Ｌと幅ｗ１を音響インピーダンスが一致するように設計すれば、特定の周波数や材料に制限されることなく、第１の音響媒質５を音響的に整合させることが可能となる。すなわち、
Ｌ×ｚ１＝（２×ｗ１／２）×ｚ０          （１）
ｗ１＝Ｌ（ｚ１／ｚ０）                    （２）
となるようにｗ１を設定すればよい。
【００２６】
図３に本発明による音響整合デバイス１の一形態を示す。第１の音響媒質５、第２の音響媒質６は、それぞれ異なる比音響インピーダンスｚ１、ｚ２を持つ弾性体であり、これらの間にあるのが比音響インピーダンスｚ０を有する材料で構成された本発明の音響整合デバイス１である。
【００２７】
音響整合デバイス１と第１の音響媒質５との境界には、或る幅Ｌおよび厚さｄ１を持つ第１の膜構造部２があり、音響整合デバイス１と第２の音響媒質６との境界には、幅Ｌおよび或る厚さｄ２を持つ第２の膜構造部４がある。第１の膜構造部２と第２の膜構造部４それぞれの左右の端部は、長さｈを持つ壁構造部３を介して連結されている。
【００２８】
また、図３の音響整合デバイス１は、奥行き方向に長さＤを持ち、上面から見た場合、面積Ｓ＝長さＤ×幅Ｌを持つ長方形構造をしている。ここで、音響整合を実現するために、本発明では以下のように各構造の寸法を規定する。
【００２９】
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、第１の膜構造部２と壁構造部３の２箇所の接合面は、それぞれ幅がｗ１／２、接合面積はｓ１／２とする。ここで、第１の音響媒質５と第１の膜構造部２とが接触する面積Ｓと接合面積ｓ１／２との関係を以下となるようにする。
【００３０】
Ｓ／（２×ｓ１／２）＝ｚ１／ｚ０          （３）
すなわち、
ｓ１＝Ｓ（ｚ１／ｚ０）                    （４）
または、
ｓ１／Ｓ＝ｚ１／ｚ０                      （５）
となる。ここで、本実施の形態１においては、Ｓ＝Ｄ×Ｌであり、またｓ１＝Ｄ×ｗ１であることから、これらを式（４）に代入すると、
ｗ１＝Ｌ（ｚ１／ｚ０）                    （６）
の関係が成り立つ。
【００３１】
同様にして、図３（ａ）および（ｃ）に示すように、第２の膜構造部４と壁構造部３の２箇所の接合面は、それぞれ幅がｗ２／２、接合面積はｓ２／２とする。ここで、第２の音響媒質６と第２の膜構造部４とが接触する面積Ｓと接合面積ｓ２／２との関係を以下となるようにする。
【００３２】
Ｓ／（２×ｓ２／２）＝ｚ２／ｚ０          （７）
すなわち、
ｓ２＝Ｓ（ｚ２／ｚ０）                    （８）
または、
ｓ２／Ｓ＝ｚ２／ｚ０                      （９）
となる。ここで、本実施の形態１においては、Ｓ＝Ｄ×Ｌであり、またｓ２＝Ｄ×ｗ２であることから、これらを式（８）に代入すると、
ｗ２＝Ｌ（ｚ２／ｚ０）                    （１０）
の関係が成り立つ。
【００３３】
本発明の目的は、異なる比音響インピーダンスを持つ材料間の整合であることから、ｚ１およびｚ２は互いに異なる値となることを想定する。便宜的にｚ１＜ｚ２の関係となるとき、式（４）、（６）、（８）、（１０）より、ｓ１＜ｓ２、ｗ１＜ｗ２の関係が成り立つ。
【００３４】
また、より効率的な音響伝搬を実現するためには、構造体の寸法を以下のように設定するとよい。すなわち、厚さｄ１およびｄ２は、音響整合デバイス１を構成する材料の内部において、所望の周波数帯域の波長よりも小さいことが望ましい。さらに、音響整合デバイス１の全体が同じヤング率を持つ均質な材料で構成される場合は、厚さｄ１が幅ｗ１／２より小さいと、第１の膜構造部２の剛性が壁構造部３を変形させるための剛性よりも相対的に小さくなり、第１の膜構造部２のたわみが大きくなってしまう。
【００３５】
この場合、第１の音響媒質５を伝搬してきた音波は、第１の膜構造部２がたわむためのエネルギーを多く消費してしまうので、壁構造部３へのエネルギー伝搬に対して損失となる。従って、ｄ１＞ｗ１／２とする方がより効率的な音波伝搬を実現できる。同様の理由から、ｄ２＞ｗ２／２とすることが望ましい。ただし、第１の膜構造部２や第２の膜構造部４の材料と壁構造部３の材料とが互いに異なり、それぞれ異なるヤング率を有する場合はその限りではない。
【００３６】
またさらに、両端が支持された膜構造はある周波数において共振する。共振周波数では、その振動エネルギーが膜構造内部に閉じ込められ易く、エネルギーが壁構造部３に伝搬し難い性質を持つ。従って、構造体の共振周波数は、所望の周波数帯域外になるように幅Ｌや厚さｄ１、ｄ２を設定することが望ましい。
【００３７】
一方、壁構造部３の音響伝搬方向の長さｈは、所望の周波数帯域の波長よりも大きいことが望ましい。壁構造部３はｗ１からｗ２へと滑らかに連続的に変化することが望ましいが、所望の周波数帯域の波長よりも小さいスケールであれば、図４に示すような階段状の構造となっていてもよい。あるいは、図５に示すように、壁構造部３の補強を行うために、壁構造部３同士を補強部材７で接合してもよい。このときの補強部材の厚さｄ３は、所望の周波数帯域の波長よりも小さいことが望ましい。
【００３８】
壁構造部３の隙間は、中空構造となっていてもよいが、壁構造部３や第１の膜構造部２および第２の膜構造部４の比音響インピーダンスと十分に異なる比音響インピーダンスを有する材料であれば、図６に示すように、壁構造部３の隙間に充填材８を充填してもよい。なぜならば、十分に異なる比音響インピーダンスを有する充填材８であれば、一旦壁構造部３や膜構造部２、４に伝わった音波からは充填材８の存在がほとんど無視できるからである。
【００３９】
次に、本発明における膜構造部（第１の膜構造部２および第２の膜構造部４）と壁構造部３との接触面の形状について述べる。図３においては、矩形の構造体の両側に膜構造部と壁構造部との接触面を形成していた。しかし、この形状は一つの態様に過ぎず、様々な形状が考え得る。
【００４０】
図７は、第１の膜構造部２（または第２の膜構造部４）と壁構造部３との接触面の様々な形状を示す上面図である。図７（ａ）に示すように、矩形の膜構造部の周囲を覆うように接触面１０を形成することも可能である。このとき、接触面積とｓ１とが式（４）を満たしていさえすれば、本発明においてはなんら効果に違いはない。接触面１０のその他の例としては、例えば図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のように、三角形、円形、正六角形などでもよい。あるいは図７（ｅ）のように、六角形の接触面１０の内部に円形の接触面１０を持つようにしてもよい。このように、本発明においては、膜構造部の形状や、膜構造部と壁構造部との接触面の形状は、円形や多角形やそれらの組み合わせなどあらゆる形状が可能であり、制限されるものではない。
【００４１】
次に、本発明の音響整合デバイス１の製造方法について述べる。本発明は、いかなる材料であっても上述した式（１）〜（１０）に示した関係性を満たせばよいため、金属やプラスチックの鋳造、機械加工、３Ｄプリンターなどによって膜構造と壁構造とを一体成形してもよく、あるいは膜構造部と壁構造部とを別々に製作した上で溶接や接着もしくはボルトやネジによって両者を接合してもよい。超音波領域においては極めて微細なサイズが要求される場合もあるが、そのような場合は半導体プロセスを用いて膜構造を形成したり、中空構造をエッチングによって形成したりすることも可能である。壁構造のｘ方向の長さが大きく、一枚の半導体ウエハで作製が難しい場合には、複数の加工したウエハを張り合わせてもよい。本発明の構造体の材料については、木材、金属、樹脂、ガラス、半導体プロセスで用いられるシリコン（Ｓｉ）およびシリコン系材料、金属、プラスチックなど、特に材料に制限されることはない。
【００４２】
上述のようにして実際に製造した膜構造部や壁構造部は、図３に示したような完全に平らであったり滑らかな形状ではなく、多少の凹凸や形状の違いが生じ得るが、本発明の効果を損なうものではない。
【００４３】
次に、本発明による音響整合デバイス１の具体的な設計における音響整合能力を計算し、その効果を示す。構造としては、図３の基本構造を想定する。第１の音響媒質５の材料として水を想定し、その比音響インピーダンスを１．５ＭＲａｙｌとする。膜構造型音響整合デバイス１の材料を半導体デバイスなどで用いられるシリコン（Ｓｉ）とし、その比音響インピーダンスを２０．２ＭＲａｙｌとする。第２の音響媒質６は、超音波トランスデューサとして広く用いられているＰＺＴを想定し、その比音響インピーダンスを２０ＭＲａｙｌとする。第１の音響媒質５と音響整合デバイス１は、比音響インピーダンスが大きく異なるため、ｗ１は幅Ｌに対して１．５／２０．２＝０．０７４となる。一方、第２の音響媒質６と膜構造型音響整合デバイス１は、互いに近い比音響インピーダンスを有するため、ｗ２は膜構造幅Ｌにかなり近い値となる。また、ｄ１＞ｗ１、ｄ２＞ｗ２とする。ここでは、所望の周波数帯域を１０ＭＨｚ付近と設定する。ｄ１、ｄ２は半導体製造プロセスで十分に製造可能な５μｍとし、このときＬを十分小さく（例えば１０μｍ）設計すれば、共振周波数が１００ＭＨｚ程度となり、所望の周波数帯域から十分外すことが可能である。
【００４４】
比較対象として、従来の１／４波長整合理論に基き、第１の音響媒質５と第２の音響媒質６との間に両者の中間の比音響インピーダンスと１０ＭＨｚの１／４波長の厚さとを持つ部材を挿入した場合を想定した計算を行う。図８に従来技術と本発明による音響透過率を示す。縦軸が第１の音響媒質５から第２の音響媒質６まで到達した音波の割合（１が全透過）、横軸が周波数である。図８から分かるとおり、本発明は、従来技術と比較して非常に広帯域、かつ高効率の伝搬特性が可能となる。
【００４５】
なお、上記の説明においては、対象とする周波数を超音波領域としたが、本発明は超音波領域に制限されるものではなく、可聴域においても有効である。
【００４６】
（実施の形態２）
前記実施の形態１で示した本発明の音響整合デバイス１の基本構造は、様々な幅Ｌを取り得る。一方、用途を考慮した場合には、様々な幅Ｌや奥行きの長さＤを持つ音響伝搬面を想定する必要がある。あるいは、加工上の問題であったり、所望の周波数帯域にて効率的な音響伝搬特性を得るために、図３に示したような構造の場合、実際上取り得る幅Ｌに制限が存在する。
【００４７】
これに対し、図９に示すように、図３に示した基本構造をｙｚ面にアレイ状に配列した複合構造によって、上記の課題を解決することが可能である。図９に示した複合構造は、図３に示した基本構造を単純に規則的に並べただけであるため、音響整合層としての特性に違いはない。加工性においても、実施の形態１で示したものと同様に、機械加工や半導体プロセスを用いた加工によって作製することが可能である。
【００４８】
図１０は〜図１２は、実施の形態１の図７で示したものと同様に、第１の膜構造部２および第２の膜構造部４と壁構造部３との接触面の形状を示している。図１０（ａ）は図９のｙｚ面を示しており、図１０（ｂ）、図１１（ａ）、（ｃ）、図１２は、それぞれ四角形、三角形、円形、六角形のアレイ構造を示している。図７の基本構造の場合と同様に、膜構造部の厚さに対する壁構造部の幅を一意に規定することは難しいが、本発明の本質は、音響媒質と接合する膜構造部の面積と、膜構造部と壁構造部との接触面積の比が式（４）や式（８）を満たすことであるため、必ずしも図３や図９のような幅で規定する必要はない。
【００４９】
また、基本構造をアレイ状に配列した複合構造の場合には、特に円形構造のように、基本構造と基本構造との間に比較的大きな接触面積が形成される場合がある。あるいは、図示していないが、基本構造の形状やサイズがランダムなアレイもあり得る。このような場合、基本構造単位で膜構造部の面積や、膜構造部と壁構造部との接触面積を規定することは困難である。このような場合、本発明ではアレイの全体において、膜構造部が音響媒質（比音響インピーダンスｚ１）と接合する領域の総面積Ｓａｌｌと、膜構造部と壁構造部（比音響インピーダンズｚ０）とが接触する領域の総面積ｓ１＿ａｌｌが以下の式を満たせばよい。
【００５０】
ｓ１＿ａｌｌ＝ｓａｌｌ（ｚ１／ｚ０）            （１１）
（実施の形態３）
前記実施の形態１および前記実施の形態２では、本発明の膜構造型音響整合デバイス１が或る特定の材料と材料との音響的な整合を可能とすることを示した。本実施の形態３では、第１の音響媒質５の比音響インピーダンスが変化した場合でも、同じ膜構造型音響整合デバイス１で対応できる形態を示す。
【００５１】
図１３（ａ）に示す膜構造型音響整合デバイス１は、図３の構造における第１の膜構造部２の上部に支柱（ｐｏｓｔ）１２で支えられた上部膜構造部１３を有しており、第１の膜構造部２の内部と上部膜構造部１３の内部には、それぞれ電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１４が設けられている。また、壁構造部３の間には、第１の膜構造部２と第２の膜構造４とを連結する部材としての中間壁構造部１５が追加されている。
【００５２】
本構造において、第１の膜構造部２の電極１４と上部膜構造部１３の電極１４との間に電圧を印加すると、二つの電極１４間に静電気力が発生し、図１３（ｂ）に示すように、上部膜構造部１３と第１の膜構造部２とが互いに引き合い、或る一定以上の電圧になると最終的には上部膜構造部１３の一部が第１の膜構造部２に接触するようになる。このような状態にすることで第１の音響媒質５から伝搬した音波が上部膜構造部１３に到達した際、その音波は従来の壁構造部３だけでなく中間壁構部１５を伝搬する。すなわち、膜構造型音響整合デバイス１の音響伝搬面積が増えたことになり、音響インピーダンスが大きくなる。これにより、第１の音響媒質５の比音響インピーダンスを電圧印加の前後で変化させることが可能となる。
【００５３】
このように、図１３に示す本実施の形態３の構造を採用することにより、特定の比音響インピーダンスではなく、可変型の音響整合デバイスを実現することが可能となる。変化させる音響インピーダンス量は、上部膜構造部１３と第１の膜構造部２との接触面積で制御することが可能である。その具体的方法としては、電極１４に印加する電圧を変えることで可能となる。電極１４に印加する電圧を大きくするほど上部膜構造部１３を第１の膜構造部２に強く接触させることが可能となるため、上部膜構造部１３の中心だけでなく、周囲もが膜構造部２と広範囲に接触するようになる。
【００５４】
図１３に示す例では、第１の音響媒質５側に上部膜構造部１３を設けたが、第２の音響媒質６側にも同様の構造を設けた場合には、整合させる比音響インピーダンスを両側の面で変化させることが可能となる。
【００５５】
中間壁構造部１５の幅については、整合させたい音響媒質によって設計値が変わるため、特定の値にする必要はない。また、上部膜構造部１３と支柱１２との間の距離や上部膜構造部１３の厚さについても、目的応じて自由に設計することができる。
【００５６】
上記の膜構造型音響整合デバイス１には上部膜構造部１３が存在したが、図１４に示すように、中間壁構造部１５の内部に電極１４を埋め込むようにすれば、必ずしも上部膜構造部１３は必要としない。
【００５７】
（実施の形態４）
図１５に本発明の膜構造型音響整合デバイス１を音響プローブシステム２０に用いた場合について示す。
【００５８】
電気音響振動デバイス２１に本発明の膜構造型音響整合デバイス１を接合して筐体に組み込むことにより、様々な用途において効率的な音波の送受信が可能となる。また、用途に応じて保護材２２を組み合わせることも可能である。
【００５９】
例えば、音響プローブシステム２０をケーブル２３を介して送受信回路や表示機を含む本体制御装置２４と組み合わせることにより、医療用超音波システム、非破壊検査装置、海洋ソーナー、音響カメラとして用いることができる。
【００６０】
可聴域においては、音響マイクやスピーカシステムに組み込んだり、図１６のように、音波減衰材料２５と本発明の音響整合デバイス１とを接合することにより、高い吸音効果を得ることができる。
【００６１】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  膜構造型音響整合デバイス
２  第１の膜構造部
３  壁構造部
４  第２の膜構造部
５  第１の音響媒質
６  第２の音響媒質
７  補強部材
８  充填材
１０  第１の膜構造部と壁構造部との接合断面
１１  第２の膜構造部と壁構造部との接合断面
１２  支柱
１３  上部膜構造部
１４  電極
１５  中間壁構造部
２０  音響プローブシステム
２１  電気音響振動デバイス
２２  保護材
２３  ケーブル
２４  本体制御装置
２５  音波減衰材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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