(57)【要約】  ソナー・バッフル及びバッキングに関する改良：改良されたソナー・バッフル及びバッキングが開示される。これらのソナー・バッフル及びバッキングは、多孔質ポリマーを有している。これらのバッフル及びバッキングは、ポリアミド・パウダーの部分的な選択的な焼結により製造されることが可能である。本発明に基づくバッフル及びバッキングは、好ましい音響特性を呈し、困難を伴うことなく、複雑な幾何学的な仕様に製造されることが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソナー・トランスデューサのためのバッフルまたはバッキングであって、
多孔質の部分的に焼結されたパウダーを有するバッフルまたはバッキング。
【請求項２】
下記特徴を有する請求項１に記載のバッフルまたはバッキング：
前記多孔質の部分的に焼結されたパウダーは、多孔質ポリマーを有している。
【請求項３】
下記特徴を有する請求項１または２に記載のバッフルまたはバッキング：
前記多孔質ポリマーは、多孔質のポリアミドである。
【請求項４】
下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載のバッフルまたはバッキング：
前記多孔質の部分的に焼結されたパウダーは、水の音響インピーダンスとは実質的に異なる音響インピーダンスを有するように構成されている。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載のバッフルまたはバッキングとの組み合わせで、ソナー・トランスデューサを有するソナー装置。
【請求項６】
ソナー・トランスデューサのためのバッフルまたはバッキングの製造の方法であって、
出発材料の選択的なレーザ焼結を行うステップを有し、この選択的なレーザ焼結のステップは、レーザを使用することを有し、このレーザは、出発材料を部分的にのみ焼結して、多孔質材料を得るように構成されている。
【請求項７】
下記特徴を有する請求項６に記載の方法：
前記出発材料は、ポリマー・パウダーを有している。
【請求項８】
下記特徴を有する請求項６または７に記載の方法：
前記出発材料は、ポリアミド・パウダーである。
【請求項９】
下記特徴を有する請求項６から８のいずれか１項に記載の方法：
前記出発材料は、非導電性である。
【請求項１０】
ソナー・バッフルまたはバッキングのための多孔質ポリマーの使用。
【請求項１１】
ソナー・バッフルまたはバッキングのための部分的に焼結されたポリマーの使用。
【請求項１２】
下記特徴を有する請求項１０または１１に記載の使用：
前記ポリマーは、ポリアミドである。
【請求項１３】
添付図面を参照して、ここに実質的に記載されているバッフルまたはバッキング。
【請求項１４】
添付図面を参照して、ここに実質的に記載されているバッフルまたはバッキングを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ソナー・トランスデューサのためのバッフル、及びバッキングに関する改良に係る。
【背景技術】
【０００２】
ソナー・トランスデューサは、海上での用途において、水面下の対象物の存在を検知するため、そして音響エネルギーを発射し且つ受け取ることにより、そのような水面下の対象物の位置を特定するために、使用されている。ソナー・バッキング及びバッフルが、ソナー・システムにおいて、使用され、それらは、ソナー・トランスデューサにより発射され且つ受け取られるソナー・ビームを適応させ、且つ、求められていないノイズからソナー・レシーバー遮蔽する。そのようなものとして、ソナー・バッフル及びバッキングは、高い音響学的減衰特性、及び水（海上での用途において使用されるソナー・システムのための伝達媒体）の音響インピーダンスとは大きく異なる音響インピーダンスを有する材料から製造されなければならない。それに加えて、ソナー・バッフル及びバッキングの組み立てのために使用される材料は、軽量でなければならず、水圧に耐えることが可能でなければならず、温度に関して安定した音響学的及び機械的性質を有していなければならない。
【０００３】
本発明より以前には、音響学的なバッフル及びバッキングは、例えば、アルミナ、窒化アルミニウムまたはタングステンなどのような高い密度のパウダー、または、例えば、中空ガラス・マイクロスフィアのような軽量のフィラーで満たされた樹脂材料から作られていた。そのような材料の多くは、ソナー・バッフル及びバッキングに対して好適な音響特性を有していない。更に、バッフルまたはバッキングの要求される幾何学的形状を得るために、そのような材料の鋳造または機械加工が必要になる。特に、複雑な幾何学的形状が含まれる場合、または、少数のバッフルまたはバッキングしか製造されない場合には、より便利な製造方法が望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第 WO 88/02677号パンフレット
【発明の概要】
【０００５】
本発明の狙いは、代替の材料から作られたソナー・バッフルまたはバッキングを提供することにあり、この代替の材料は、これまで知られている材料と比べて、ソナー・バッフル及びバッキングにおける用途により良く適した音響特性を有している。本発明の更なる狙いは、ソナー・バッフルまたはバッキングの改良された製造方法を提供することにある。
【０００６】
広い観点においては、本発明は、選択的なレーザ焼結をソナー・バッフル及びバッキングの製造に適用すると言うコンセプトにある。選択的なレーザ焼結装置を使用して、ポリマー・パウダーを部分的にのみ焼結することにより、ソナー・バッフル及びバッキングのために求められる音響学的及び機械的性質を有する多孔質ポリマーが、得られることが可能である。更に、選択的なレーザ焼結の使用は、複雑な幾何学的形状が、迅速且つ経済的に製造されることを可能にする。
【０００７】
本発明の第一のアスペクトによれば、多孔質の部分的に焼結されたパウダーを有するソナー・トランスデューサのためのバッフルまたはバッキングが、提供される。好都合なことに、多孔質の部分的に焼結されたパウダーは、多孔質ポリマーを有していても良い。この多孔質ポリマーは、多孔質のポリアミドであっても良い。多孔質の部分的に焼結されたパウダーは、水の音響インピーダンスとは実質的に異なる音響インピーダンスを有するように構成されても良い。好ましいことに、本発明の第一のアスペクトに基づく実施形態は、既存の迅速プロトタイピング技術を使用して、及び、ポリマーを部分的にのみ焼結する技術を使用して、迅速且つ経済的に製造されることが可能であり、バッフルの音響特性を特定の用途に適合させることが可能である。本発明は、上記のようなバッフルまたはバッキングとの組み合わせで、ソナー・トランスデューサを有するソナー装置に拡張される。
【０００８】
本発明の第二のアスペクトによれば、ソナー・トランスデューサのためのバッフルまたはバッキングの製造方法が提供される。この製造方法は、出発材料の選択的なレーザ焼結のステップを有し、この選択的なレーザ焼結のステップは、出発材料を部分的にのみ焼結して多孔質材料をもたらすように構成されたレーザを使用するステップを有している。選択的なレーザ焼結の技術は、複雑な幾何学的形状を有するバッフルが、迅速に且つ効率良く製造されることを可能にし、それとともに、出発材料を部分的にのみ焼結することにより、結果として得られる構造の空孔の程度が、バッフルに所望の音響インピーダンスを与えるように適応されることを可能にする。出発材料については、以下において、一つの特定の実施形態が更に詳細に説明されるが、それは、ポリマー・パウダーであり、特にポリアミド・パウダーである。大半の用途において、例えば、バッフルまたはバッキングの上でソナー・トランスデューサへの電気的な接続を形成することが必要とされる場合に、出発材料が非導電性であることが好ましいことが、予想される。
【０００９】
本発明は、ソナー・バッフルまたはバッキングのための多孔質ポリマーの使用、及びソナー・バッフルまたはバッキングのための、部分的に焼結されたポリマーの使用に拡張される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、選択的なレーザ焼結のための装置の概略図である。
【図２】図２は、部分的なレーザ焼結により製造された多孔質ポリマーの微細構造の写真である。
【図３】図３は、焼結レーザの出力による、図２の多孔質ポリマーの比重の変動を示す図である。
【図４】図４は、図２の多孔質ポリマーについて、比重による圧縮係数の変動を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に基づく様々な音響学的バッフル及びバッキングの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の上記の及び更なる特徴は、添付クレームの中で、特に規定され、また、以下において、様々な実施形態の例及び添付図面を参照しながら、説明される。
【００１２】
以下に説明される本発明の実施形態に基づくソナー・バッフル及びバッキングは、選択的なレーザ焼結を使用して製造される。選択的なレーザ焼結マシンは、３Ｄシステム（3D Systems）（Rock Hill、South Carolina）から入手可能である。選択的なレーザ焼結技術は、例えば、国際特許出願、公開番号 WO 88/02677 の中に開示されている。選択的なレーザ焼結マシン１００の概略図が、図１に示されており、以下で簡単に説明される。当業者は、選択的なレーザ焼結技術のより十分な説明のために、上記の国際特許出願を参照されたい。
【００１３】
部分が、ビルド・プラットフォーム（build platform）１１０の上に作られ、その上で、パウダーの層が選択的に焼結され、その部分を段階的に構築する。パウダーの薄い層の公称の厚さは、０．１ｍｍであって、この層が、ビルド・プラットフォーム１１０の全体に亘って広げられる。ローラ１２０が、層を均一にならすために、使用される。レーザ・ビーム１３０が、レーザ１４０により発射され、ミラー１５０の移動により、パウダーの層の全体に亘って走査され、それによって、パウダーの層の選択された領域のみが焼結される。これは、構築されることになる部分の断面を形成する。次いで、ビルド・プラットフォームが引き下げられ、プロセスが繰り返されて、部分の次の層を形成する。このようにして、複雑な幾何学的形状を有する部分が、一層ずつ構築されることが可能である。プロセスの最後に、ルーズな、焼結されていないパウダーが、通常バキューム・ノズルでの吸引により、取り除かれる。
【００１４】
パウダー化された出発材料もまた、３Ｄシステム（3D Systems）から入手可能である。そのような出発パウダーの一つの例は、DuraForm（登録商標）ＰＡ樹脂であって、例えば、二酸化炭素レーザを使用して焼結されることが可能なポリアミド材料である。標準的なレーザ焼結技術を使用して部分を製造するために、Sinterstation（登録商標）ＨｉＱ（１３Ｗの出力のＣＯ２レーザを使用する）が使用される。十分に焼結された DuraForm（登録商標）ポリアミドは、１ｇ／ｃｍ３の密度を有している。レーザ・パワーを減少させることにより、パウダー化されたポリアミド出発材料が、部分的に焼結されることが可能であり、それによって、多孔質の、より低い密度材料がもたらされる。
【００１５】
そのような部分的に焼結されたポリアミド材料の微細構造の写真が、図２に示されている。この特定の部分的に焼結された材料は、１０．２Ｗのレーザ・パワーを使用して製造されたものである。写真の上に重ねられたスケールの各目盛りは、実際の長さで１００μｍを表している。これから分かるように、構造は多孔質であり、多数のボイド（写真の黒い領域として見えている）を有している。これらのボイドは、典型的なサイズとして、２００μｍから３００μｍのオーダーのサイズを有している。
【００１６】
ここに示された特定の構造は、開放セルの泡状の構造である。そのような構造は、バッフルまたはバッキングのソナー・トランスデューサの他のコンポーネントへの取付けに使用される接着剤を吸収することが可能であり、そのような接着剤は、ボイドの中を満たし、バッフルの音響特性に有害な影響を及ぼす。それ故に、そのような充填が生じないことを確保するために、接着剤を選択するときに、注意が払われなければならない。同様に、構造の中のボイドが充填されることを避けるために、密封のための樹脂もまた、注意深く選択されなければならない。それに代わって、バッフルが、その製造の後に、他の材料の吸収を防止すべく、スプレイ・ラッカーを塗布することにより、直ちにシールされることも可能である。
【００１７】
レーザ・パワーを変えることにより、結果として得られる材料の密度、ボイドのサイズ、そしてそれ故に、材料の音響特性が、変更されることが可能であり、かくして、特定の音響学的用途に適応されることになる。特に、ソナー・トランスデューサのためのバッキング材料またはバッフルを形成するための材料が使用されることが可能である。図２に示された特定の材料は、２００ｋＨｚと２ＭＨｚの間の領域内の、高いソナー周波数での使用に良く適したサイズのボイドを有している。
【００１８】
図３は、選択的なレーザ焼結システムにより照射されるレーザ・パワーによる、部分的に焼結された部分の比重の変動（部分的に焼結された部分の密度の水の密度に対する比）を示している。この図から分かるように、測定された比重は、６Ｗのレーザ・パワーに対する約０．５５から、１０．２Ｗのレーザ・パワーに対する０．７３まで、から変化する。
【００１９】
音響インピーダンスは、材料の密度とともに変化し、特に、関係式  Ｚ＝ｐｃ  を使用して、密度から評価されることが可能である。ここで、Ｚは材料の音響インピーダンス、ｐは材料の密度、ｃは材料中での音の速度である。部分的に焼結されたパウダーの中での音の速度を、０．７３の比重を有する材料で測定されている値、即ち７００ｍ／ｓとすると、これらの値は、０．３８５ＭＰａ・ｓ／ｍから０．５１１ＭＰａ・ｓ／ｍまでの音響インピーダンスの変動をもたらすことになる。これらの値は、水の特徴的な音響インピーダンス、即ち１．５ＭＰａ・ｓ／ｍとは、かなり異なっている。かくして、部分的に焼結されたパウダーは、ソナー・トランスデューサのためのバッキングまたはバッフルとしての使用に適切な音響特性を有することが、期待されることが可能である。
【００２０】
しかしながら、材料の圧縮強度もまた、部分的に焼結されたパウダーの密度により、大きく変化することが明らかである。図４は、比重による、部分的に焼結されたパウダーの圧縮係数の変動を示している。この図から分かるように、０．５５の比重に対して、圧縮係数は５０ＭＰａよりも小さく、１の比重に対して、２５０ＭＰａまで上昇する。
【００２１】
５０ｍまでの深さでの、水面下のオペレーションに対して、３３ＭＰａより大きい圧縮係数を供えた材料が適切である。かくして、約０．５の比重を有する Duraform（登録商標）は、そのようなオペレーションに対して適切であろう。そのようなオペレーションは、ダイビング及び沿岸での活動を含んでいる。３００ｍの深さでのオペレーションに対して、約０．７の比重及び約１５０ＭＰａの圧縮係数を有する材料が、適切である。沖合いでの水面下の活動の８０％は、３００ｍ未満の深さで行われる。
【００２２】
以上から、分かることは、部分的に焼結された Duraform（登録商標）ＰＡの音響学的及び機械的性質は、ソナー・トランスデューサのためのバッフルまたはバッキングの製造における使用のために、好ましいものであると言うことである。更に、部分的な選択的なレーザ焼結の使用は、複雑な幾何学的形状の部品が、迅速且つ経済的に製造されることを可能にし、それには、低いレーザ・パワーを照射することによる、選択的なレーザ焼結の十分に確立された技術が使用される。
【００２３】
図５は、本発明の実施形態に基づくソナー・システムのための複数のバッフル及びバッキングの写真であって、それらは、部分的な選択的なレーザ焼結を使用する本発明の実施形態に基づいて製造される。例を挙げると、バッキング５１０は、潜水可能なマイン・ニュートラライジング・ビークル（mine-neutralising vehicle）のノーズにおける使用のために適合された湾曲したソナー・プロジェクタのためのバッキングであり；矩形のバッフル５２０は、上記のビークルにおける４８チャネルの受信アレイにおいて使用するためのものであり；５０ｍｍの直径のシリンダー５３０は、較正された５００ｋＨｚの水中聴音器のための囲壁である。
【００２４】
ここで留意すべきことは、以上に記載された実施形態は、純粋に例であって、これらの実施形態に対する、当業者にとって明らか変形及び変更が、添付されたクレームの中に規定された本発明の範囲から逸脱することなく可能である。例えば、以上において、ポリアミド・パウダーの部分的なレーザ焼結を実現するために、照射されるレーザ・パワーを減らすことが記載されているが、選択的なレーザ焼結マシンにおいて、パウダーの表面の全面に亘るレーザ・ビームの走査速度を増大させることにより、同様な効果が実現されることが可能であることは、全く自明である。更に、以上に記載された、選択的なレーザ焼結技術に関係する、有益な音響学的及び機械的性質、及び便利な、迅速な、且つ経済的な製造の優位性を維持しながら、ソナー・バッキング及びバッフルが、ポリアミドのみからではなく、複数の多孔質ポリマーから作られることが可能であることが、当業者には理解できるであろう。
【００２５】
最後の、留意すべきことは、以下について明確に理解すべきであると言うことである。即ち、何れか一つの実施形態との関係で先に記載された何れかの特徴は、単独で使用されても良く、あるいは、記載された他の特徴との組み合わせで使用されても良く、且つ、他の実施形態の何れかの一つまたはそれ以上の特徴との組み合わせで使用されても良く、あるいは、他の実施形態の如何なる組み合わせで使用されても良い。
【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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【国際調査報告】
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