特開 2018-44893 超音波センサヘッド及び該超音波センサヘッドを備える超音波検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-44893(P2018-44893A)

(43)【公開日】2018年3月22日

(54)【発明の名称】超音波センサヘッド及び該超音波センサヘッドを備える超音波検出器

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/032 20060101AFI20180223BHJP

   H04R 17/10 20060101ALI20180223BHJP

   G01N 29/22 20060101ALI20180223BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/032

   H04R17/10 330Z

   G01N29/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-180854(P2016-180854)

(22)【出願日】2016年9月15日

(71)【出願人】

【識別番号】000153030

【氏名又は名称】株式会社ジェイ・エム・エス

(71)【出願人】

【識別番号】000143949

【氏名又は名称】株式会社鷺宮製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(72)【発明者】

【氏名】大塚 浩司

(72)【発明者】

【氏名】船橋 祐

【テーマコード（参考）】

2G047

5D019

【Ｆターム（参考）】

2G047AA03

2G047AA04

2G047BA01

2G047BC03

2G047EA05

2G047EA11

2G047EA12

5D019AA21

5D019BB21

5D019FF04

(57)【要約】

【課題】気泡の検出感度が高く、誤検知が少ない超音波センサヘッド及び該超音波センサヘッドを備える超音波検出器を提供すること。
【解決手段】液体が流れる導管３０を挟んで対向配置され、超音波を送受信可能な一対の超音波センサヘッド１であって、一対の超音波センサヘッド１の一方１０は、導管３０に面する第１の振動面１１１を備え、一対の超音波センサヘッドの他方２０は、導管３０に面する第２の振動面２１１を備え、液体の流れ方向について、第２の振動面２１１の幅は、第１の振動面１１１の幅よりも小さく、第１の振動面１１１及び第２の振動面２１１のいずれか一方が超音波の送信面として用いられ、他方が超音波の受信面として用いられる。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体が流れる導管を挟んで対向配置され、超音波を送受信可能な一対の超音波センサヘッドであって、
前記一対の超音波センサヘッドの一方は、前記導管に面する第１の振動面を備え、
前記一対の超音波センサヘッドの他方は、前記導管に面する第２の振動面を備え、
前記液体の流れ方向について、前記第２の振動面の幅は、前記第１の振動面の幅よりも小さく、
前記第１の振動面及び前記第２の振動面のいずれか一方が超音波の送信面として用いられ、他方が超音波の受信面として用いられる一対の超音波センサヘッド。

【請求項2】

前記第１の振動面が超音波の送信面として用いられ、前記第２の振動面が超音波の受信面として用いられる請求項１に記載の一対の超音波センサヘッド。

【請求項3】

前記一対の超音波センサヘッドは、前記第１の振動面及び前記第２の振動面において前記導管と接触するように配置され、
前記第１の振動面は、前記液体の流れ方向に垂直な面で切った断面形状が凹曲線状又は凸曲線状に形成される請求項１又は２に記載の一対の超音波センサヘッド。

【請求項4】

前記導管は可撓性を備えており、
前記第２の振動面は、前記超音波の送受信方向及び前記液体の流れ方向に平行な面で切った断面形状が凸曲線状又は直線状に形成される請求項３に記載の一対の超音波センサヘッド。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれかに記載の一対の超音波センサヘッドを備え、
前記導管を流れる液体中の気泡を検出する超音波検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、導管を流れる液体中の気泡を検出するために用いられる超音波センサヘッド及び該超音波センサヘッドを備える超音波検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、医療施設において、輸液・輸血等を行う際に誤って患者の体内に空気（気泡）を注入しないように、気泡を検出する気泡検出器が利用されている。このような気泡検出器は、透明でない薬液や血液にも適用可能なように、検出手段の１つとして超音波が利用されてきた。

【0003】

例えば、微小気泡を検出する超音波検出器として、液体が流れる導管を挟んで対向して配置される一対の超音波センサヘッドにおいて、センサヘッドの送受信面を液体の流れ方向の幅を狭くした帯状に形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。このように構成することで、従来のセンサヘッドの送受信面が縦横同等の幅に形成される構成に比べ、超音波が伝達される面積が小さくなり、微小気泡による超音波の強度が減少する割合が大きくなるため、微小気泡の検出感度を高められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実公平５−２９７１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のように、センサヘッドの送受信面について液体の流れ方向の幅を狭く形成して、気泡の検出感度を高感度にした場合、送受信面が小さいため伝達される超音波が弱く受信電圧が小さくなり、気泡の有無判定の電圧差も小さい。そのため、導管の材質や種類、導管とセンサヘッドとの接触状態、温度や湿度等の周囲環境の変化によって受信電圧が変化したり不安定となったりして、誤検知を発生させやすい。
このような誤検知を発生させないために、一般的に、超音波検出器には、ハードウェアにおいては複雑な回路設計が、ソフトウェアにおいてはアルゴリズムの工夫等が必要となる。

【0006】

従って、本発明は、気泡の検出感度が高く、誤検知が少ない超音波センサヘッド及び該超音波センサヘッドを備える超音波検出器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、液体が流れる導管を挟んで対向配置され、超音波を送受信可能な一対の超音波センサヘッドであって、前記一対の超音波センサヘッドの一方は、前記導管に面する第１の振動面を備え、前記一対の超音波センサヘッドの他方は、前記導管に面する第２の振動面を備え、前記液体の流れ方向について、前記第２の振動面の幅は、前記第１の振動面の幅よりも小さく、前記第１の振動面及び前記第２の振動面のいずれか一方が超音波の送信面として用いられ、他方が超音波の受信面として用いられる一対の超音波センサヘッドに関する。

【0008】

また、前記第１の振動面が超音波の送信面として用いられ、前記第２の振動面が超音波の受信面として用いられることが好ましい。

【0009】

また、前記一対の超音波センサヘッドは、前記第１の振動面及び前記第２の振動面において前記導管と接触するように配置され、前記第１の振動面は、前記液体の流れ方向に垂直な面で切った断面形状が凹曲線状又は凸曲線状に形成されることが好ましい。

【0010】

また、前記導管は可撓性を備えており、前記第２の振動面は、前記超音波の送受信方向及び前記液体の流れ方向に平行な面で切った断面形状が凸曲線状又は直線状に形成されることが好ましい。

【0011】

また、本発明は、上述のいずれかの一対の超音波センサヘッドを備え、前記導管を流れる液体中の気泡を検出する超音波検出器に関する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、気泡の検出感度が高く、誤検知が少ない超音波センサヘッド及び該超音波センサヘッドを備える超音波検出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】本発明の超音波センサヘッドの実施形態を示す構成図であり、導管を挟んで対向配置される一対の超音波センサヘッドを示す図である。

【図1B】図１ＡのＹ−Ｙ断面図である。

【図1C】本発明の超音波センサヘッドの実施形態を示す構成図であり、第１のセンサヘッドを第１の振動面側から見た図である。

【図1D】本発明の超音波センサヘッドの実施形態を示す構成図であり、第２のセンサヘッドを第２の振動面側から見た図である。

【図2A】本発明の超音波センサヘッドの第１実施形態を示す図であり、導管を挟んで対向配置される一対の超音波センサヘッド１Ａを示す図である。

【図2B】図２ＡのＹ−Ｙ断面図である。

【図2C】本発明の超音波センサヘッドの第１実施形態を示す図であり、第１のセンサヘッドを第１の振動面側から見た図である。

【図2D】本発明の超音波センサヘッドの第１実施形態を示す図であり、第２のセンサヘッドを第２の振動面側から見た図である。

【図3A】本発明の超音波センサヘッドの第２実施形態を示す図であり、導管を挟んで対向配置される一対の超音波センサヘッド１Ｂを示す図である。

【図3B】図３ＡのＹ−Ｙ断面図である。

【図3C】本発明の超音波センサヘッドの第２実施形態を示す図であり、第１のセンサヘッドを第１の振動面側から見た図である。

【図3D】本発明の超音波センサヘッドの第２実施形態を示す図であり、第２のセンサヘッドを第２の振動面側から見た図である。

【図4A】本発明の第２実施形態において、第２の振動面２１１Ｂ（送信面）からの送信波の指向性が高い場合の微小気泡の投影面を説明する図である。

【図4B】本発明の第２実施形態において、第２の振動面２１１Ｂ（送信面）からの送信波の指向性が低い場合の微小気泡の投影面を説明する図である。

【図5A】本発明の超音波センサヘッドの変形例を示す図であり、導管を挟んで対向配置される一対の超音波センサヘッド１Ｃを示す図である。

【図5B】図５ＡのＹ−Ｙ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一対の超音波センサヘッドの実施形態について図１Ａ〜図１Ｄを参照して説明する。
一対の超音波センサヘッド１は、第１のセンサヘッド１０と、第２のセンサヘッド２０と、を含んで構成され、導管３０を挟んで対向して配置される。

【0015】

第１のセンサヘッド１０は、第１の振動面１１１が形成された超音波伝達体１１０と、電気信号と振動とを変換する超音波振動子１２０と、を備える。
第２のセンサヘッド２０は、第２の振動面２１１が形成された超音波伝達体２１０と、電気信号と振動とを変換する超音波振動子２２０と、を備える。

【0016】

超音波伝達体１１０及び２１０は、超音波振動子（１２０、２２０）と振動面（１１１、２１１）との間で超音波を伝達する。超音波伝達体１１０，２１０は、アクリル、硬質ポリ塩化ビニル、変性ポリフェニレンエーテル等の樹脂により形成される。本実施形態では、超音波伝達体１１０，２１０は、アクリル樹脂により形成される。
また、超音波伝達体１１０及び２１０は、単に超音波を伝達するだけでなく、例えば後述の第１実施形態及び第２実施形態で説明するように、振動面を凹曲面状又は凸曲面状とすることで、超音波を集束又は拡散させる音響レンズとして機能させることも可能である。

【0017】

第１の振動面１１１及び第２の振動面２１１は、それぞれ導管３０の側面に面するように超音波伝達体１１０及び２１０に形成されており、導管３０に接触して超音波を伝達する。第１の振動面１１１は、図１Ｃに示すように円形に形成され、第２の振動面２１１は、図１Ｄに示すように矩形状に形成される。

【0018】

図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、液体の流れ方向（ｙ方向）について、第２の振動面２１１の幅ｗ２は、第１の振動面１１１の幅ｗ１よりも小さく形成される。具体的には幅ｗ１に対する幅ｗ２の割合は、０．１〜０．７程度であることが望ましい。割合が０．１より大きいと、第２の振動面２１１の面積が大きくなって超音波の送受信の強度が大きくなり、受信電圧が安定しやすいため好ましい。また、割合が０．７より小さいと、幅ｗ２が小さくなって微小気泡を検出可能な感度を得られるため好ましい。
また、第１のセンサヘッド１０及び第２のセンサヘッド２０を対向して配置する際に、液体の流れ方向（ｙ方向）について、送信面及び受信面のいずれか一方が広いので、精密な位置合わせを行わなくても、確実に送受信が可能となる。

【0019】

図１Ｂ〜図１Ｄに示すように、液体の流れ方向（ｙ方向）及び超音波の送信方向（ｘ方向）に垂直なｚ方向について、一例として、第１の振動面１１１の幅ｈ１及び第２の振動面２１１の幅ｈ２は同等の大きさを有するように構成した。
その幅ｈ１及び幅ｈ２について、粘性が小さい液体中の気泡を検出する場合は、可撓性を有する導管３０が第１の振動面１１１及び第２の振動面２１１で挟まれた状態において、少なくとも導管３０のｚ方向の内径と同等の幅であることが望ましい。このように構成すれば、超音波はｚ方向について導管３０内の大部分を透過するので、気泡の検出漏れを少なくできる。
また、粘性の大きい液体中の気泡は、導管３０の中央部を通りやすくなる。よって、粘性の大きい液体中の気泡を検出する場合は、導管３０の中央部を超音波が透過するように、幅ｈ１及び幅ｈ２は、少なくとも導管３０の内径の半分程度の大きさとすればよい。ただし、実用的には、安全性を再優先し、幅ｈ１及び幅ｈ２は、導管３０のｚ方向の内径と同等の幅とすることが好ましい。

【0020】

超音波振動子１２０及び２２０としては、円板状の圧電素子が用いられ、その両面にそれぞれ不図示の電極が取り付けられており、入力された電気信号を機械的振動に変換し、また、伝達された機械的振動を電気信号に変換して出力することができる。超音波振動子１２０及び２２０は、超音波伝達体１１０及び２１０の内部にそれぞれ埋め込まれて配置される。圧電素子の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックス、酸化亜鉛等の圧電薄膜、フッ化ビニリデン等の圧電高分子膜等が適用可能である。本実施形態では、圧電素子の材料としてチタン酸ジルコン酸鉛を用い、電極として銀と白金を用いた。

【0021】

導管３０は、軟質塩化ビニル（ＰＶＣ）、シリコン（Ｓｉ）等の可撓性のチューブで形成され、例えば、医療用のチューブとしては、外径が５．５〜６．５ｍｍ、内径が３．５〜４．５ｍｍのもの等が用いられる。

【0022】

以上、説明した一対の超音波センサヘッド１を構成する第１のセンサヘッド１０及び第２のセンサヘッド２０は、超音波検出器の送信ヘッド及び受信ヘッドとしてそれぞれ用いることができる。
次に、第１のセンサヘッドを送信ヘッドとして用い、第２のセンサヘッドを受信ヘッドとして用いる構成を第１実施形態において説明し、第２のセンサヘッドを送信ヘッドとして用い、第１のセンサヘッドを受信ヘッドとして用いる構成を第２実施形態において説明する。

【0023】

＜第１実施形態＞
図２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
図２Ａは、導管を挟んで対向配置される一対の超音波センサヘッド１Ａを示し、図２Ｂは、図２ＡのＹ−Ｙ断面図である。

【0024】

一対の超音波センサヘッド１Ａは、送信ヘッドとしての第１のセンサヘッド１０Ａと、受信ヘッドとしての第２のセンサヘッド２０Ａと、を含んで構成され、導管３０としてのチューブ（外径５．５ｍｍ、内径３．５ｍｍ）を挟んで対向して配置される。

【0025】

第１のセンサヘッド１０Ａは、送信面となる第１の振動面１１１Ａが形成された超音波伝達体１１０Ａと、電気信号と振動とを変換する超音波振動子１２０と、を備える。
第２のセンサヘッド２０Ａは、受信面となる第２の振動面２１１Ａが形成された超音波伝達体２１０Ａと、電気信号と振動とを変換する超音波振動子２２０と、を備える。
超音波伝達体１１０Ａ及び２１０Ａは、それぞれの振動面の形状が異なる以外は、超音波伝達体１１０及び２１０と同様に構成される。

【0026】

第１の振動面１１１Ａは、図２Ｂに示すように超音波伝達体１１０Ａに凹曲面状に形成され、ｘ方向から見た投影面は、直径６．９ｍｍ（＝ｈ１Ａ＝ｗ１Ａ）の円形である。より詳しく述べると、第１の振動面１１１Ａは、液体の流れ方向（ｙ方向）に垂直な面で切った断面形状が導管３０の側面に沿うように凹曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と第１の振動面１１１Ａとの密着性が向上するので、導管３０内の液体に効率良く超音波を伝達することができる。
また、導管３０の側面と第１の振動面１１１Ａとの接触面積を大きくできるので、導管３０内の液体に効率良く超音波を伝達することができるとともに超音波の指向性が向上する。さらに、凹曲面状に形成された第１の振動面１１１Ａにおけるレンズ効果により超音波が集束しやすくなる。よって、超音波の送信強度を向上させることができる。

【0027】

第２の振動面２１１Ａは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、超音波伝達体２１０Ａに凸曲面状に形成され、−ｘ方向から見た投影面は、幅ｗ２Ａ＝１．４ｍｍ、幅ｈ２Ａ＝６．９ｍｍの矩形状である。より詳しく述べると、第２の振動面２１１Ａは、図２Ａに示すように、超音波の送受信方向（ｘ方向）及び液体の流れ方向（ｙ方向）に平行な面（ｘｙ平面）で切った断面形状が可撓性を備える導管３０の側面に対して凸曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と第２の振動面２１１Ａとの密着性が向上するので、液体を透過した超音波を効率良く伝達することができる。よって、受信強度を向上させることができる。

【0028】

また、液体の流れ方向（ｙ方向）について、第２の振動面２１１Ａ（受信面）の幅ｗ２Ａが小さいので、受信面における微小気泡の投影面に占める割合が増加する。よって、液体を透過する超音波が微小気泡で反射して受信面に到達する超音波が減衰する割合が大きくなり、微小気泡を高感度で検出できる。

【0029】

第１実施形態に係る一対の超音波センサヘッド１Ａによれば、以下のような効果が奏される。

【0030】

（１）液体の流れ方向（ｙ方向）について、第２の振動面２１１Ａ（受信面）の幅ｗ２Ａは、第１の振動面１１１Ａ（送信面）の幅ｗ１Ａよりも小さい。このように構成することで、第１のセンサヘッド１０Ａ（送信ヘッド）及び第２のセンサヘッド２０Ａ（受信ヘッド）を対向して配置する際に、液体の流れ方向（ｙ方向）について、送信面が広いので、送信面と受信面との精密な位置合わせを行わなくても、送信波が受信面を外れないように送受信が可能となる。よって、超音波の送受信の強度を強くすることができ、超音波検出器に一対の超音波センサヘッド１Ａを適用したときに受信ヘッドからの受信電圧が安定する。

【0031】

（２）液体の流れ方向（ｙ方向）について第２の振動面２１１Ａ（受信面）の幅ｗ２Ａが小さいので、受信面における微小気泡の投影面に占める割合が大きい。よって、液体を透過する超音波が微小気泡で反射して受信面に到達する超音波が減衰する割合が大きいので、微小気泡を高感度で検出できる。

【0032】

（３）第１の振動面１１１Ａ（送信面）は、液体の流れ方向（ｙ方向）に垂直な面で切った断面形状が導管３０の側面に沿うように凹曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と送信面との密着性が向上し、さらに両者の接触面積を大きくできるので、導管３０内の液体に効率良く超音波を伝達することができる。また、送信面が大きいため超音波の指向性が向上する。また、送信面が凹曲面状に形成されるので、そのレンズ効果により超音波が集束し、さらに指向性が向上する。よって、超音波の送信強度を上げることができ、超音波検出器における出力電圧が安定する。

【0033】

（４）導管３０が可撓性を備えており、第２の振動面２１１Ａ（受信面）は、超音波の送受信方向（ｘ方向）及び液体の流れ方向（ｙ方向）に平行な面（ｘｙ平面）で切った断面形状が凸曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と受信面との密着性が向上するので、液体を透過した超音波を効率良く伝達することができる。よって、受信強度を上げることができ、超音波検出器における出力電圧が安定する。
また、液体の流れ方向（ｙ方向）についての受信面の幅ｗ２Ａが小さいので、受信面における微小気泡の投影面に占める割合が増加する。よって、液体を透過する超音波が微小気泡で反射して受信面に到達する超音波が減衰する割合が大きくなり、微小気泡を高感度で検出できる。

【0034】

＜第２実施形態＞
図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図１及び図２と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
図３Ａは、導管を挟んで対向配置される一対の超音波センサヘッド１Ｂを示し、図３Ｂは、図３ＡのＹ−Ｙ断面図である。

【0035】

一対の超音波センサヘッド１Ｂは、送信ヘッドとしての第２のセンサヘッド２０Ｂ（２０Ａ）と、受信ヘッドとしての第１のセンサヘッド１０Ｂ（１０Ａ）と、を含んで構成され、導管３０としてのチューブ（外径５．５ｍｍ、内径３．５ｍｍ）を挟んで対向して配置される。

【0036】

第２実施形態においては、第１実施形態で送信ヘッドとして用いた第１のセンサヘッド１０Ａを受信ヘッド（第１のセンサヘッド１０Ｂ）として用い、第１実施形態で受信ヘッドとして用いた第２のセンサヘッド２０Ａを送信ヘッド（第２のセンサヘッド２０Ｂ）として用いた点で、第１の実施形態と異なる。各振動面の形状等は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

【0037】

第２の振動面２１１Ｂ（２１１Ａ）は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、超音波伝達体２１０Ｂ（２１０Ａ）に凸曲面状に形成される。より詳しく述べると、第２の振動面２１１Ｂ（２１１Ａ）は、図３Ａに示すように、超音波の送受信方向（ｘ方向）及び液体の流れ方向（ｙ方向）に平行な面（ｘｙ平面）で切った断面形状が可撓性を備える導管３０の側面に対して凸曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と第２の振動面２１１Ｂ（２１１Ａ）との密着性が向上するので、導管３０内の液体に効率良く超音波を伝達することができる。よって、送信強度を上げることができる。

【0038】

第１の振動面１１１Ｂ（１１１Ａ）は、図３Ｂに示すように超音波伝達体１１０Ｂに凹曲面状に形成される。より詳しく述べると、第１の振動面１１１Ｂ（１１１Ａ）は、液体の流れ方向（ｙ方向）に垂直な面で切った断面形状が導管３０の側面に沿うように凹曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と第１の振動面１１１Ｂ（１１１Ａ）との密着性が向上するので、導管３０内の液体を透過した超音波を効率良く伝達することができる。よって、受信強度を上げることができる。

【0039】

第２実施形態において、微小気泡を高感度に検出する仕組みについて、図４を参照して説明する。図４Ａは、第２の振動面２１１Ｂ（送信面）からの送信波の指向性が高い場合の微小気泡の投影面を説明する図であり、図４Ｂは、第２の振動面２１１Ｂ（送信面）からの送信波の指向性が低い場合の微小気泡の投影面を説明する図である。

【0040】

図４Ａに示すように、送信面から送信される超音波が指向性の高いものである場合、受信面の一部分（斜線部分Ｐ_Ａ）において、送信波を受信する。このような場合、受信面全体における微小気泡の投影面は、割合が極僅かであると考えられるが、受信面において送信波を受ける斜線部分Ｐ_Ａに関しては、微小気泡の投影面が占める割合は、検出可能な程度に大きいと言える。よって、液体を透過する超音波が微小気泡で反射すると、受信面のうち送信波を受ける斜線部分Ｐ_Ａに到達する超音波が減衰する割合が大きくなるので、微小気泡を高感度で検出できる。

【0041】

送信面から送信される超音波が指向性の低いものである場合、例えば、送信面の幅ｗ２_Ｂが小さいことに起因して送信波の指向性が低下する場合や、送信面が凸曲面状に形成されるので、そのレンズ効果により超音波が拡散しやすくなる場合が考えられる。
図４Ｂに示すように、送信面から送信される超音波が指向性の低いものである場合、受信面の大部分（斜線部分Ｐ_Ｂ）において、送信波を受信する。受信面は、送信面よりも液体の流れ方向（ｙ方向）についての幅が広いため、液体を透過した超音波は、ｙ方向に沿って拡散しても受信面うち斜線部分Ｐ_Ｂにおいて受信が可能である。また、微小気泡が存在する場合、受信面において微小気泡は超音波の拡散に伴ってｙ方向に拡大して投影される。よって、液体を透過する超音波が微小気泡で反射すると、受信面のうち送信波を受ける斜線部分Ｐ_Ｂに到達するｙ方向に拡散した超音波が減衰する割合が大きくなるので、微小気泡を高感度で検出できる。

【0042】

第２実施形態に係る一対の超音波センサヘッド１Ｂによれば、以下のような効果が奏される。

【0043】

（５）液体の流れ方向（ｙ方向）について、第１の振動面１１１Ｂ（受信面）の幅ｗ１Ｂは、第２の振動面２１１Ｂ（送信面）の幅ｗ２Ｂよりも小さい。このように構成することで、第２のセンサヘッド２０Ｂ（送信ヘッド）及び第１のセンサヘッド１０Ｂ（受信ヘッド）を対向して配置する際に、液体の流れ方向（ｙ方向）について、受信面が広いので、送信面と受信面との精密な位置合わせを行わなくても、送信波が受信面を外れないように送受信が可能となる。よって、超音波の送受信の強度を強くすることができ、超音波検出器に一対の超音波センサヘッド１Ｂを適用したときに受信ヘッドからの受信電圧が安定する。

【0044】

（６）第１の振動面１１１Ｂ（受信面）は、液体の流れ方向（ｙ方向）に垂直な面で切った断面形状が導管３０の側面に沿うように凹曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と送信面との密着性が向上するため、導管３０内の液体を透過した超音波を効率良く伝達することができる。よって、超音波の受信強度を上げることができ、超音波検出器における出力電圧が安定する。

【0045】

（７）導管３０が可撓性を備えており、第２の振動面２１１Ｂ（送信面）は、超音波の送受信方向（ｘ方向）及び液体の流れ方向（ｙ方向）に平行な面（ｘｙ平面）で切った断面形状が凸曲線状に形成される。このように構成することで、導管３０の側面と受信面との密着性が向上するので、導管３０内の液体に効率良く超音波を伝達することができる。よって、送信強度を上げることができ、気泡検出器における出力電圧が安定する。

【0046】

（８）液体の流れ方向（ｙ方向）について、第１の振動面１１１Ｂ（受信面）の幅ｗ１Ｂは、第２の振動面２１１（送信面）の幅ｗ２Ｂよりも小さい。このように構成することで、送信面からの送信される超音波の指向性が高い場合には、液体を透過する超音波が微小気泡で反射すると、受信面のうち送信波を受ける一部分（斜線部分Ｐ_Ａ）に到達する超音波が減衰する割合が大きくなるので、微小気泡を高感度で検出できる。
また、超音波の指向性が低い場合には、液体を透過する超音波が微小気泡で反射すると、受信面のうち送信波を受ける大部分（斜線部分Ｐ_Ｂ）に到達するｙ方向に拡散した超音波が減衰する割合が大きくなるので、微小気泡を高感度で検出できる。

【実施例】

【0047】

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されるものではない。
上述の第１実施形態及び第２実施形態で説明した一対の超音波センサヘッド、及び従来技術の構成に対応する超音波センサヘッドを用いて、気泡検出実験を行った。気泡検出実験は、不図示の血液透析装置を用いて行った。

【0048】

［実施例１］
血液透析装置は、導管３０として可撓性を有するチューブと、第１実施形態で説明した超音波センサヘッド１Ａを有する超音波検出器と、を含んで構成される。チューブは、外径が５．５ｍｍ、内径が３．５ｍｍの可撓性を有する塩化ビニル製のものを用意した。血液や薬液の代わりとして、チューブ内に体液と同程度の温度に加温された約３６℃の水を２５０ｍＬ／分の流速で流した。
チューブを挟持するように一対の超音波センサヘッド１Ａを対向配置して取り付けた。チューブ内に水を流した状態でマイクロシリンジを用いて０．３μＬの微小気泡（気泡の直径約０．８３ｍｍ）を単発注入し、血液透析装置にて、気泡の検知率と電圧の変化を確認する気泡検出実験を行った。これを３０回繰り返して、気泡検知率及び電圧の安定性を評価した。

【0049】

［実施例２］
超音波センサヘッドとして、第２実施形態で説明した一対の超音波センサヘッド１Ｂを用いて、実施例１と同様に気泡検出実験を行った。

【0050】

［比較例１］
超音波センサヘッドとして、第１実施形態で説明した第１のセンサヘッド１０Ａの２つで構成される一対の超音波センサヘッドを用いて、実施例１と同様に気泡検出実験を行った。

【0051】

［比較例２］
超音波センサヘッドとして、第１実施形態で説明した第２のセンサヘッド２０Ａの２つで構成される一対の超音波センサヘッドを用いて、実施例１と同様に気泡検出実験を行った。
実施例１、２、及び比較例１、２の実験結果を表１に示す。

【0052】

【表1】

【0053】

表１に示すように、比較例１に比べて実施例１及び２は、気泡検知率が大幅に向上した。なお、本実施例における気泡検出実験は、粘性の小さい水を用いて行ったため、気泡検知率が９３％及び８７％となったが、水に比べて粘性の大きい輸液に用いる液体や血液においては、微小気泡はチューブの中央部を通過しやすいため、検知率は１００％になると推測される。
また比較例２に比べて、実施例１及び２は、受信電圧変化が±０．１Ｖで安定した結果となったので、本発明の一対の超音波センサヘッドを備える超音波検出器は、誤検知の発生を抑制できる。よって、誤検知を発生させないために必要なハードウェアにおける複雑な回路設計や、ソフトウェアにおけるアルゴリズムの工夫等を行わなくてもよく、超音波検出器の構成を簡易化できる。

【0054】

以上、本発明の一対の超音波センサヘッド１及び超音波検出器の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態における第１の振動面１１１について、一例として円形状のものを示したが、楕円状や矩形状としてもよい。

【0055】

また、第１実施形態及び第２実施形態では、第１の振動面を、超音波伝達体に凹曲面状に形成したが、これに限らない。即ち、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１の振動面１１１Ｃを、超音波伝達体１１０Ｃに凸曲面状に形成してもよい。
また、第１実施形態では、第２の振動面を、超音波伝達体に凸曲面状に形成したが、これに限らない。即ち、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第２の振動面２１１Ｃを、超音波伝達体２１０Ｃに平面状（直線状）に形成してもよい。

【0056】

また、第１及び第２実施形態では、超音波センサヘッドが振動面で導管と接触して超音波と伝達する接触式による構成を示したが、非接触式の超音波センサヘッドにも本発明の概念は適用可能である。

【0057】

また、第１及び第２実施形態では、導管として可撓性を備えるチューブを一例として示したがこれに限らない。導管としては、医療用や工業用の樹脂製のチューブに限らず金属チューブ、配管等にも本発明の概念は適用可能である。

【0058】

また、本発明の超音波センサヘッドを備える超音波検出器を適用可能な一例として、血液透析装置を示したが、これに限らない。気泡の存在が問題となる血液回路や輸液回路に接続される医療機器等に適用可能であり、また、医療分野以外においても、気泡を検出する必要がある分野に広く適用可能である。

【符号の説明】

【0059】

１ 一対の超音波センサヘッド
１０ 第１のセンサヘッド
２０ 第２のセンサヘッド
３０ 導管（チューブ）
１１０、２１０ 超音波伝達体
１１１ 第１の振動面
１２０、２２０ 超音波振動子
２１１ 第２の振動面

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】