JPH06308104A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ナトリウム液体中で使用しても劣化が起こりに
難く、且つ性能が良好な超音波プローブを提供するこ
と。 【構成】超音を送受する圧電体１と銀電極２，２ａとで
構成された圧電素子の送受波面側に、ナトリウムに対す
る保護部材として、厚さが圧電素子の基本共振周波数で
決まる波長の１０％以下のステンレス板４が設けられて
いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波プローブに係
り、特に高速増殖炉内の高温の液体ナトリウム中で使用
される超音波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速増殖炉（ＦＢＲ）と呼ばれる
原子炉が未来の原子炉として期待されている。高速増殖
炉は、分裂原子核であるＰｕに高速中性子が衝突して起
こる核反応を利用し、消費した燃料よりも生成される燃
料の方が多いという特徴を持っている。

【０００３】核分裂より発生した熱を伝える伝達材料、
すなわち、高速増殖炉で使用される冷却材としては、高
速中性子が減速し難く、熱伝導率が水の１００倍もある
液体ナトリウムが用いられている。この液体ナトリウム
は、原子炉容器内の炉心で加熱された後、原子炉容器外
に設けられた冷却系へと導かれ、再び原子炉容器内へと
戻され、循環する。液体ナトリウムは、不透明で水や空
気と激しく反応するので、その取扱いには注意を要す
る。

【０００４】ところで、原子炉では、安全性を確保する
ために、炉心構造物や炉内異物などを常に監視する必要
がある。しかし、液体ナトリウムが不透明であることか
ら目視検査は不可能である。このため、炉心構造物など
の監視には、非破壊で内部状態を検査できる超音波探傷
装置が用いられている。これは液体中を超音波が伝搬し
易いことを利用してパルス状の超音波を原子炉内に送波
して、音響インピーダンス（密度と音速の積）が異なる
界面から反射する性質を用い、その反射波を検出し、そ
の結果を画像表示するというものである。

【０００５】超音波探傷装置は、超音波を送受波する超
音波プローブと、この超音波プローブの検出結果に所定
の信号処理を施し、画像表示を行なう装置本体とから構
成されている。

【０００６】超音波プローブは、電気音響変換素子とし
て、二つの電極で圧電体を挾持した構造の圧電素子を用
いている。圧電体には、チタン酸ジルコン酸鉛系やチタ
ン酸系などのセラミック、ニオブ酸リチウムやタンタル
酸リチウムなどの単結晶、ポリフッ化ビニリデンなどの
高分子、若しくはこれらの複合材料が目的に応じて使用
されている。すなわち、液体ナトリウムの温度は、ＦＢ
Ｒの停止状態では約２００℃、運転状態では約５００℃
になるので、圧電体のキュリー点を考慮して、前者の場
合には主としてセラミックや単結晶、後者の場合には単
結晶が有効である。

【０００７】超音波プローブの種類には、一つの振動子
を機械的に走査して画像を形成するメカニカルプローブ
と、複数のアレイ状振動子に電子的な遅延を与えて超音
波ビームの集束や偏向を行なうアレイプローブとがあ
る。基本構造は両者とも略同じであり、超音波の送受波
面側には伝搬媒体との音響整合を取るためのマッチング
層が設けられ、一方、送受波面側の背面側には圧電素子
の支持と背面側に放射された超音波を吸収する役目を果
たすバッキング部材とが設けられている。

【０００８】マッチング層は、その厚さが基本共振周波
数で決まる波長の略１／４で、その材料として音響イン
ピーダンスが圧電体と伝搬媒体との中間値（例えば両者
の積の平方根）のものが用いられ、更に、広帯域化や高
感度化のために多層構造が取られる場合もある。また、
メカニカルプローブの場合、超音波ビームの集束のため
に凹面状の振動子を用いることが多く、一方、アレイプ
ローブの場合には、振動子の配列方向と垂直な方向の超
音波ビームを集束するために音響レンズが用いることが
多い。

【０００９】また、液体ナトリウム中では腐食性やぬれ
性が問題となるので、超音波プローブの表面は、ステン
レスやニッケルなどの金属、若しくはアルミナや窒化珪
素などのセラミックにする必要がある。一般には、耐腐
食性のためにステンレス板を用い、そして、耐ぬれ性の
ためにステンレス板の表面にニッケル薄膜などの金属薄
膜を蒸着してコーティングする。

【００１０】しかしながら、金属やセラミックなどから
なる耐液体ナトリウム用の保護部材および金属薄膜がコ
ーティングされた保護部材の音響インピーダンスが４５
Ｍｒａｙｌ前後で、圧電体としてのセラミック材料や単
結晶材料のそれが３０〜４０Ｍｒａｙｌ程度、液体ナト
リウムのそれが２．２Ｍｒａｙｌであるため、これらの
間の音響的ミスマッチングによって、プローブの感度が
低下したり、送受信の波形が乱れるという問題があっ
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ＦＢＲの
冷却材である液体ナトリウム中で用いる従来の超音波プ
ローブでは、液体ナトリウムによる腐食を防止するため
に、金属やセラミックなどからなる保護部材が必要とな
り、更に、耐ぬれ性のためにはその上にニッケル薄膜な
どの金属薄膜でコーティングする必要があった。

【００１２】しかしながら、保護部材と圧電体と液体ナ
トリウムとの間の音響的ミスマッチングによって、プロ
ーブの感度が低下したり、送受信の波形が乱れるという
問題があった。

【００１３】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、ナトリウム液体中で使
用しても劣化が起こりに難く、且つ性能が良好な超音波
プローブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の超音波プローブ（請求項１）は、超音波
の送受を行なう圧電素子の送受波面側に、厚さが前記圧
電素子の基本共振周波数で決まる波長の１０％以下であ
る耐液体ナトリウム用の保護部材が設けられていること
を特徴とする。

【００１５】また、本発明の他の超音波プローブ（請求
項２）は、超音波の送受を行なう圧電素子の送受波面側
に、厚さが前記圧電素子の基本共振周波数で決まる波長
の略（２ｍ−１）／４倍（ｍは自然数）であるマッチン
グ層が設けられ、このマッチング層の前面に、厚さが前
記圧電素子の基本共振周波数で決まる波長の略ｎ／２倍
（ｎは自然数）である耐液体ナトリウム用の保護部材が
設けられていることを特徴とする。ここで、基本共振周
波数で決まる波長の略ｎ／２倍とは、具体的には、ステ
ンレス板を用いた場合、５ＭＨｚで５８０μｍの自然数
倍である。なお、上記保護部材はステンレス板などの金
属板またはセラミック板であることが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明者等の研究によれば、耐液体ナトリウム
用の保護部材の厚さを圧電素子の基本共振周波数で決ま
る波長の１０％以下にすれば、波連長の短い良好な受信
波（反射波）が得られることが分かった。したがって、
本発明（請求項１）によれば、音響的ミスマッチングに
よる性能低下を招かずに液体ナトリウムによる腐食を防
止できる。

【００１７】また、本発明者等の研究によれば、圧電素
子の送受波面側に、厚さが圧電素子の基本共振周波数で
決まる波長の略（２ｍ−１）／４倍（ｍは自然数）であ
るマッチング層が設けられた超音波プローブにおいて、
マッチング層の前面に設ける耐液体ナトリウム用の保護
部材の厚さを圧電素子の基本共振周波数で決まる波長の
略ｎ／２倍（ｎは自然数）にすれば、波連長の短い良好
な受信波が得られることが分かった。したがって、本発
明（請求項２）によれば、音響的ミスマッチングによる
性能低下を招かずに液体ナトリウムによる腐食を防止で
きる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１は、本発明の一実施例に係る超音波プローブの
構造を示す図である。これは本発明をシングルプローブ
構造の超音波プローブに適用した例である。

【００１９】図中、１は直径が１０ｍｍ，厚さが４２０
μｍのディスク状の圧電体を示している。この圧電体１
は、キュリー点３６０℃，比誘電率２５０のチタン酸鉛
系セラミックからなり、その基本共振周波数は５ＭＨｚ
である。圧電体１は厚さ５μｍの銀電極２ａ，２ｂで挾
持され、これら圧電体１，銀電極２ａ，２ｂによって圧
電素子が形成されている。

【００２０】圧電体１の送受波面側の銀電極２ａの前面
にはニッケル薄膜（不図示）が形成されたステンレス板
４（保護部材）が設けられている。このステンレス板４
はナトリウムによる腐食を防止するためのもので、その
厚さは、圧電素子の基本共振周波数で決まる波長の約
８．６％に相当する１００μｍである。また、ニッケル
薄膜は、液体ナトリウムに対するぬれ性を改善するため
のもので、蒸着やスパッタなどにより形成する。液体ナ
トリウムに対するぬれ性が良好なものであれば、ニッケ
ル薄膜以外の金属薄膜を使用しても良い。

【００２１】一方、銀電極２ｂの前面には音響インピー
ダンス１０Ｍｒａｙｌのポーラスセラミックからなるバ
ッキング部材３が設けられている。このバッキング部材
３は圧電体１を支持するとともに、圧電体１の銀電極２
ａ側から放射される超音波を吸収し、圧電体１の銀電極
２側から放射される超音波だけが伝達媒体に伝わるよう
にしている。また、銀電極２ｂはケーブル６と導通が取
れている。

【００２２】銀電極２ａとステンレス板４、並びに銀電
極２ｂとバッキング部材３は、それぞれ、約８００℃の
熱処理により銀ろう５ａ，５ｂにより接合されている。
この後、圧電体１に分極処理を施した。また、圧電体
１，銀電極２ａ，２ｂ，バッキング部材３等は、ステン
レスで形成され、銀電極２ａと導通が取れた筐体７内に
収容されている。

【００２３】このように構成された超音波プローブを用
いてパルスエコー法により液体ナトリウム中に設置した
ステンレス板からの反射波を測定した。図２はその測定
結果を示し、図２（ａ）は時間領域で表示された反射
波、図２（ｂ）は周波数領域で表示された反射波を表し
ている。この図２から周波数スペクトラムはリップルの
ない単峰特性となっており、反射波（波形ａ）は素直な
ダンピング特性となり、それは検波後の包絡線（波形
ｂ）に反映されていることが分かる。

【００２４】図３（ｂ）にステンレス板の厚さが圧電素
子の基本共振周波数で決まる波長の約０．０１％に相当
する１μｍの場合の周波数スペクトラムを示す。比較の
ため、図３（ａ）に図２（ｂ）の結果を図３（ｂ）と同
じスケールで表示したものを示す。１μｍの場合、１２
５〜２００（×１０⁴ Ｈｚ）の領域で双峰性が現われる
が、その領域ではレベルが低いので、１００μｍの場合
と同様に良好な反射波とみなせる。

【００２５】本発明者等の研究によれば、このような良
好な反射波を得るには、ステンレス板４の厚さが圧電素
子の基本共振周波数で決まる波長の１０％以下であれば
良いことが分かった。１０％を越えると、例えば、２６
％（厚さ３００μｍ）の場合には、図４（ｂ）に示すよ
うに、周波数スペクトラムが双峰性となり、波形も両方
の周波数成分が重なり合って長くなった。検波後の包絡
線で比べると、図４（ａ）より、−２０ｄＢまでのビー
ム幅は本実施例に比べて２０％以上も長くなっているこ
とが分かる。

【００２６】図５は、従来のマッチング層を備えた超音
波プローブについての測定結果である。この超音波プロ
ーブの具体的な構造を図６に示す。基本構造は図１の超
音波プローブと同じで、圧電体１とステンレス板４との
間にマッチング層８が設けられている点が異なる。マッ
チング層８としては音響インピーダンスが約１２Ｍｒａ
ｙｌのガラス板を使用している。また、ステンレス板４
の厚さは、圧電素子の基本共振周波数で決まる波長の約
８．６％に相当する１００μｍで、図１の超音波プロー
ブのそれと同じである。また、銀電極２ａとマッチング
層８、銀電極２ｂとバッキング部材３、並びにステンレ
ス板４とマッチング層８は、ぞれぞれ、銀ろう５ａ，５
ｂ，５ｃにより接合されている。

【００２７】マッチング層８を備えた超音波プローブの
場合、ステンレス板４の厚さが本実施例のそれと同様に
基本共振周波数で決まる波長の１０％以下であっても、
図５に示すように、本実施例の場合に比べて、波連長が
長く、周波数スペクトラムが双峰特性となり、−２０ｄ
Ｂまでのビーム幅は約２倍も長くなっている。

【００２８】したがって、本実施例によれば、ステンレ
ス板４によって液体ナトリウムに対する耐性が高くな
り、しかも、ステンレス板４の厚さを上記条件に合わせ
ているので、分解能も高くなる。

【００２９】このようにマッチング層がない超音波プロ
ーブにおいて、ステンレス板４の厚さを圧電素子の基本
共振周波数で決まる波長の１０％以下にすることによ
り、良好な反射波が得られるのは次のように考えられ
る。

【００３０】本実施例の場合、ステンレス板４の厚さが
圧電素子の基本共振周波数で決まる波長の１０％以下で
あるので、圧電素子の厚さで決まる基本共振周波数と、
圧電素子とステンレス板４とを合わせた厚さで決まる基
本共振周波数とが近接する。更に、圧電素子とステンレ
ス板４との音響インピーダンスの差が小さいため、両者
の界面での反射は５〜１０％と小さい。

【００３１】このため、超音波プローブの機械的共振尖
鋭度で決まる帯域（Ｑ値）内に圧電体素子およびステン
レス板４の基本共振周波数が入り、周波数スペクトラム
にはリップルがはいらずに単峰特性となる。

【００３２】更に、３次高調波成分においては、ステン
レス板４の厚さが基本共振の場合の３倍になるので、圧
電体１のみの共振、並びに圧電体１とステンレス板４と
を合わせた共振は、単峰の周波数スペクトラムとはなら
ず双峰となる。この結果、基本共振に比べてスペクトラ
ムのピーク値が下がり（−１０ｄＢ以下となることが確
認された）、不要振動としての影響が小さくなる。

【００３３】したがって、反射波は基本共振以外の周波
数成分が少なく波連長の短いものとなり、分解能が高く
なる。なお、本実施例では、シングルプローブ構造のも
のにつてい説明したが、本発明は図７に示すようなアレ
イプローブ構造のものや、振動子を２次元状に配置した
マトリクスプローブ構造のものに対しても適用できる。

【００３４】図８は、本発明の他の実施例に係る超音波
プローブの構造を示す図である。図中、１１は直径が１
０ｍｍ，厚さが４２０μｍのディスク状の圧電体を示し
ている。この圧電体１１は、キュリー点３６０℃，比誘
電率２５０のチタン酸鉛系セラミックからなり、その基
本共振周波数は５ＭＨｚである。圧電体１１は厚さ５μ
ｍの銀電極１２ａ，１２ｂで挾持され、これら圧電体１
１，銀電極１２ａ，１２ｂによって圧電素子が形成され
ている。

【００３５】圧電体１１の送受波面側の銀電極１２ａの
前面にはマッチング層１８としてのガラス板が設けられ
ている。このガラス板の音響インピーダンスは１２Ｍｒ
ａｙｌで、厚さは圧電素子の基本共振周波数で決まる波
長の１／４に相当する約３００μｍである。

【００３６】マッチング層１８の前面にはニッケル薄膜
（不図示）が蒸着されたステンレス板１４（保護部材）
が設けられている。このステンレス板１４の厚さは、圧
電素子の基本共振周波数で決まる波長の約１／２に相当
する５８０μｍである。

【００３７】また、銀電極１２ｂの前面には音響インピ
ーダンス１０Ｍｒａｙｌのポーラスセラミックからなる
バッキング部材１３が設けられている。また、銀電極１
２ｂはケーブル１６と導通が取れている。

【００３８】銀電極１２ａとマッチング層１８、銀電極
１２ｂとバッキング部材１３、並びにステンレス板１４
とマッチング層１８は、ぞれぞれ、約８００℃の熱処理
により銀ろう１５ａ，１５ｂ，１５ｃにより接合されて
いる。この後、圧電体１１に分極処理を施した。また、
圧電体１１，銀電極１２ａ，１２ｂ，バッキング部材１
３，マッチング層１８等は、ステンレスで形成され、銀
電極１２ａと導通が取れた筐体１７内に収容されてい
る。

【００３９】このように構成された超音波プローブを用
いてパルスエコー法により２００℃の液体ナトリウム中
に設置したステンレス板からの反射波を測定した。図１
０はその測定結果を示している。この図１０から周波数
スペクトラムは中心周波数約５ＭＨｚの単峰特性で広帯
域なものとなり、また、反射波はダンピング特性の優れ
たものとなっていることが分かる。

【００４０】本発明者等の研究によれば、このような良
好な反射波を得るには、ステンレス板１４の厚さが圧電
素子の基本共振周波数で決まる波長のｎ／２倍（ｎは自
然数）であれば良いことが分かった。ｎ／２倍以外、例
えば、１／１２倍（基本共振周波数で決まる波長８．６
％）の場合には、図１１（ｂ）に示すように、周波数ス
ペクトラムが双峰性となり、本実施例のように基本共振
周波数５ＭＨｚでなく、２．５ＭＨｚの低周波成分が支
配的となり、また、本実施例に比べて、レベルが約半分
になっていることが分かる。また、図１１（ａ）から本
実施例に比べて波連長が約１５％長くなっていることが
分かる。

【００４１】また、ステンレス板１４の厚さが圧電素子
の基本共振周波数で決まる波長の約１／４倍の３００μ
ｍの場合には、図１２（ｂ）に示すように、周波数スペ
クトラムは５ＭＨｚ成分をほとんど含まず、そのレベル
は本実施例のそれの約２５％と非常に低くなっているこ
とが分かる。また、図１２（ａ）に示すように、本実施
例に比べて波連長が約７０％も長くなっていることが分
かる。

【００４２】したがって、本実施例によれば、ステンレ
ス板１４によって液体ナトリウムに対する耐性が高くな
り、しかも、ステンレス板１４の厚さを上記条件に合わ
せていので、分解能も高くなる。

【００４３】このようにマッチング層１８を備えた超音
波プローブにおいて、ステンレス板１４の厚さを圧電素
子の基本共振周波数で決まる波長のｎ／２倍（ｎは自然
数）にすることにより、良好な反射波が得られるのは次
のように考えられる。

【００４４】本実施例の超音波プローブにおいて、圧電
体１１に駆動パルスが印加されると共振現象が起こり、
粗密波が発生する。この粗密波が伝搬する経路内の任意
の点には、粗波（振幅値が最小の波）と密波（振幅値が
最大の波）とがλ／２ｖ秒の間隔で通過し、この粗密波
がマッチング層１８およびステンレス板１４を通過した
後に超音波として放射される。ここで、λは波長
［ｍ］、ｖは音速［ｍ／ｓ］を示している。

【００４５】今、ある時刻にステンレス板１４の前面か
ら密波（以下、密波１という）が放射されたと仮定す
る。密波１の一部は、ステンレス板１４とナトリウム液
との界面で反射してマッチング層１８に向かって伝搬す
る。この反射した波（以下、第１の反射波という）は、
ステンレス板１４の音響インピーダンスがナトリウム液
のそれよりも大きいため、１８０度位相反転したものと
なる。

【００４６】第１の反射波はステンレス板１４とマッチ
ング層１８との界面に到達すると、その一部は上記界面
で反射し（以下、第２の反射波という）、残りは通過す
る。このとき、ステンレス板１４の音響インピーダンス
がマッチング層１８のそれよりも大きいため、第１の反
射波と第２の反射波とは位相が１８０度異なり、第２の
反射波は密波１と同位相になる。また、ステンレス板１
４の厚さは圧電素子の基本共振周波数で決まる波長のｎ
／２倍（ｎは自然数）である。この結果、第２の反射波
は、圧電体１１からステンレス板１４とマッチング層１
８との界面に伝搬してきた密波１の次の密波２と位相が
合って重なり合い、この合成波がステンレス板１４の前
面から放射される。

【００４７】したがって、プローブの帯域で決まる基本
共振周波数の近傍で位相の揃った周波数成分を多く含む
波が放射されので、反射波も良好なものとなる。なお、
本実施例では、シングルプローブ構造のものについて説
明したが、本発明は図９に示すようなアレイプローブ構
造のものや、振動子を２次元状に配置したマトリクスプ
ローブ構造のものに対しても適用できる。図９に示すア
レイプローブでは、マッチング層１８は各エレメント毎
に分離していないが、クロストークを低減するために各
エレメント毎に分離しても良い。

【００４８】また、マッチング層１８の厚さは圧電素子
の基本共振周波数で決まる波長の１／４に限定されるも
のではなく、要は基本共振周波数で決まる波長の（２ｍ
−１）／４倍（ｍは自然数）であれば良い。

【００４９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、ろう材とし
て銀を用いたが、材質には特に制限はなく、例えば、銅
や活性材としてチタンを用いても良い。また、ろう材を
電極と兼ねても差支えないのであれば予め圧電体の両面
に電極を形成しておかなくても良い。

【００５０】また、支持の上で特に問題がなければ、バ
ッキング部材の代わりにエアバックを用いても良い。ま
た、本実施例では、液体ナトリウムに対する保護部材と
してステンレス板を用いたがセラミック板などの他のも
のを使用しても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施できる。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、液
体ナトリウム中で使用しても腐食が起こりに難く、且つ
分解能の高い超音波プローブが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超音波プローブの構造
を示す図。

【図２】図１の超音波プローブのパルスエコー特性を示
す図。

【図３】図１の超音波プローブにおいて、ステンレス板
の厚さが基本共振周波数で決まる波長の約０．００１％
の場合のパルスエコー特性を示す図。

【図４】図１の超音波プローブにおいて、ステンレス板
の厚さが基本共振周波数で決まる波長の２６％の場合の
パルスエコー特性を示す図。

【図５】従来のマッチング層を備えた超音波プローブの
構造を示す図。

【図６】図５の超音波プローブのパルスエコー特性を示
す図。

【図７】本発明が適用されたアレイプローブの構造を示
す斜視図。

【図８】本発明の他の実施例に係る超音波プローブの構
造を示す図。

【図９】本発明が適用されたアレイプローブの構造を示
す斜視図。

【図１０】図８の超音波プローブのパルスエコー特性を
示す図。

【図１１】図８の超音波プローブにおいて、ステンレス
板の厚さが基本共振周波数で決まる波長の１／１２倍の
場合のパルスエコー特性を示す図。

【図１２】図８の超音波プローブにおいて、ステンレス
板の厚さが基本共振周波数で決まる波長の１／４倍の場
合のパルスエコー特性を示す図。

【符号の説明】

１…圧電体 ２，２ａ…銀電極 ３…バッキング部材 ４…ステンレス板（保護部材） ５，５ａ…銀ろう ６…ケーブル ７…筐体 ８…マッチング層 １１…圧電体 １２，１２ａ…銀電極 １３…バッキング部材 １４…ステンレス板（保護部材） １５，１５ａ…銀ろう １６…ケーブル １７…筐体 １８…マッチング層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体ナトリウム中で使用される超音波プロ
   ーブであって、超音波の送受を行なう圧電素子の送受波
   面側に、厚さが前記圧電素子の基本共振周波数で決まる
   波長の１０％以下である耐液体ナトリウム用の保護部材
   が設けられていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 【請求項２】液体ナトリウム中で使用される超音波プロ
   ーブであって、超音波の送受を行なう圧電素子の送受波
   面側に、厚さが前記圧電素子の基本共振周波数で決まる
   波長の略（２ｍ−１）／４倍（ｍは自然数）であるマッ
   チング層が設けられ、このマッチング層の前面に、厚さ
   が前記圧電素子の基本共振周波数で決まる波長の略ｎ／
   ２倍（ｎは自然数）である耐液体ナトリウム用の保護部
   材が設けられていることを特徴とする超音波プローブ。