【手続補正書】
【提出日】平成15年9月24日(2003.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】変換器バッキング材
【特許請求の範囲】
【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。
【請求項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、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項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、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項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、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項５】前記のプリフォーム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、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項６】前記のプリフォーム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、請求項５に記載のバッキング材。
【請求項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、請求項５に記載のバッキング材。
【請求項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、請求項６に記載のバッキング材。
【請求項９】前記の空隙は前記のプリフォーム中にほぼ均一に分散されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項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、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項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、請求項１に記載のバッキング材。
【請求項１２】基板と、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。
【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（matrix：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（Teflon：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（weaving）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 fabric 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 fabrics）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 Bulletin、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 Structures（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】
1997127955.tif 000001
【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-ply 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は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-knitting）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（trimming）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（1inch）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
1997127955.tif 000002
【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 ｃｍ３
重量：８．５９ ｇｍ
密度：3.07 gm/cm3
1997127955.tif 000003
【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
1997127955.tif 000004
【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／ｃｍ３
1997127955.tif 000005
【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
1997127955.tif 000006
【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
1997127955.tif 000007
【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146476、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SpectrumSpectra/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（61、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（61、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（dicing）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