超声波传感头及具有该超声波传感头的超声波检测器的制作方法

本发明涉及用于对在导管中流动的液体中的气泡进行检测的超声波传感头及具有该超声波传感头的超声波检测器。
背景技术：
：以往，在医疗设施中，为了避免在进行输液/输血等时误向患者体内注入空气(气泡)而使用检测气泡的气泡检测器。这种气泡检测器作为检测单元之一使用超声波，以能够应用于不透明的药液或血液。例如，作为检测微小气泡的超声波检测器，提出在隔着供液体流动的导管对置配置的成对的超声波传感头中，将传感头的收发面形成为使液体流动方向的宽度窄小的带状的技术(参照专利文献1)。通过按照这种方式构成，与以往的传感头的收发面形成为纵横相同宽度的构造相比，传输超声波的面积减小，基于微小气泡的超声波强度减小的比例增大，因此能够提高微小气泡的检测灵敏度。现有技术文献专利文献专利文献1：日本实公平5-29717号公报技术实现要素：如上所述，关于传感头的收发面，使液体流动方向的宽度形成得较小，以使气泡的检测灵敏度成为高灵敏度，在该情况下，由于收发面小，因此被传输的超声波减弱，接收电压减小，气泡有无判定的电压差也很小。因此，由于导管的材质或种类、导管与传感头的接触状态、温度或湿度等周围环境的变化，而使得接收电压变化或不稳定，容易发生误检测。为了避免发生这种误检测，通常在超声波检测器中，硬件方面需要考虑复杂的回路设计，软件方面需要考虑算法等。因此，本发明目的在于提供一种气泡检测灵敏度高、误检测少的超声波传感头及具有该超声波传感头的超声波检测器。本发明涉及一种成对的超声波传感头，其为隔着供液体流动的导管对置配置并能够收发超声波的成对的超声波传感头，所述成对的超声波传感头中的一方具有面向所述导管的第1振动面，所述成对的超声波传感头中的另一方具有面向所述导管的第2振动面，在所述液体的流动方向上，所述第2振动面的宽度小于所述第1振动面的宽度，所述第1振动面及所述第2振动面中的某一方作为超声波的发送面使用，另一方作为超声波的接收面使用。另外，优选的是，所述第1振动面作为超声波的发送面使用，所述第2振动面作为超声波的接收面使用。另外，优选的是，所述成对的超声波传感头以在所述第1振动面及所述第2振动面处与所述导管接触的方式配置，所述第1振动面的由与所述液体的流动方向垂直的面剖切的截面形状形成为凹曲线状或凸曲线状。另外，优选的是，所述导管具有挠性，所述第2振动面的由与所述超声波的收发方向和所述液体的流动方向这二者平行的面剖切的截面形状形成为凸曲线状或直线状。另外，本发明涉及具有上述任意成对的超声波传感头而对在所述导管中流动的液体中的气泡进行检测的超声波检测器。发明的效果根据本发明，能够提供气泡检测灵敏度高、误检测少的超声波传感头及具有该超声波传感头的超声波检测器。附图说明图1a是表示本发明的超声波传感头的实施方式的构成图，是表示隔着导管对置配置的成对的超声波传感头的图。图1b是图1a的y-y剖视图。图1c是表示本发明的超声波传感头的实施方式的构成图，是从第1振动面侧观察第1传感头的图。图1d是表示本发明的超声波传感头的实施方式的构成图，是从第2振动面侧观察第2传感头的图。图2a是表示本发明的超声波传感头的第1实施方式的图，是表示隔着导管对置配置的成对的超声波传感头1a的图。图2b是图2a的y-y剖视图。图2c是表示本发明的超声波传感头的第1实施方式的图，是从第1振动面侧观察第1传感头的图。图2d是表示本发明的超声波传感头的第1实施方式的图，是从第2振动面侧观察第2传感头的图。图3a是表示本发明的超声波传感头的第2实施方式的图，是表示隔着导管对置配置的成对的超声波传感头1b的图。图3b是图3a的y-y剖视图。图3c是表示本发明的超声波传感头的第2实施方式的图，是从第1振动面侧观察第1传感头的图。图3d是表示本发明的超声波传感头的第2实施方式的图，是从第2振动面侧观察第2传感头的图。图4a是在本发明的第2实施方式中，说明来自第2振动面211b(发送面)的发送波的指向性高的情况下的微小气泡的投影面的图。图4b是说明在本发明的第2实施方式中，来自第2振动面211b(发送面)的发送波的指向性低的情况下的微小气泡的投影面的图。图5a是表示本发明的超声波传感头的变形例的图，是表示隔着导管对置配置的成对的超声波传感头1c的图。图5b是图5a的y-y剖视图。具体实施方式以下参照图1a至图1d对本发明的成对的超声波传感头的实施方式进行说明。成对的超声波传感头1构成为包含第1传感头10和第2传感头20，隔着导管30对置配置。第1传感头10包括超声波传输体110和超声波振动子120，其中，该超声波传输体110形成有第1振动面111，该超声波振动子120进行电信号和振动的转换。第2传感头20包括超声波传输体210和超声波振动子220，其中，该超声波传输体210形成有第2振动面211，该超声波振动子220进行电信号和振动的转换。超声波传输体110及210在超声波振动子(120、220)与振动面(111、211)之间传输超声波。超声波传输体110、210由丙烯酸、硬质聚氯乙烯、改性聚苯醚等树脂形成。在本实施方式中，超声波传输体110、210由丙烯酸树脂形成。另外，超声波传输体110及210不仅传输超声波，如例如后述的第1实施方式及第2实施方式中所说明，通过将振动面设为凹面状或凸面状，还能够作为使超声波会聚或扩散的声透镜发挥作用。第1振动面111及第2振动面211分别以面向导管30的侧面的方式形成于超声波传输体110及210，与导管30接触而传输超声波。第1振动面111如图1c所示形成为圆形，第2振动面211如图1d所示形成为矩形状。如图1c及图1d所示，在液体的流动方向(y方向)上，第2振动面211的宽度w2形成得小于第1振动面111的宽度w1。具体来说，宽度w2相对于宽度w1的比例优选0.1至0.7左右。若比例大于0.1，则第2振动面211的面积增大，超声波的收发强度增大，接收电压容易稳定，因此优选。另外，若比例小于0.7，则宽度w2减小，能够获得能够检测微小气泡的灵敏度，因此优选。另外，在将第1传感头10及第2传感头20对置配置时，在液体的流动方向(y方向)上，由于发送面及接收面中的某一方较宽，因此即使不进行精密的对位，也能够可靠地进行收发。如图1b至图1d所示，在与液体的流动方向(y方向)和超声波的发送方向(x方向)二者垂直的z方向上，作为一例，构成为第1振动面111的宽度h1及第2振动面211的宽度h2具有相同的大小。关于该宽度h1及宽度h2，在对粘性小的液体中的气泡进行检测的情况下，希望在具有挠性的导管30由第1振动面111及第2振动面211夹入的状态下，至少与导管30的z方向的内径相同。若按照这种方式构成，则由于超声波在z方向上透过导管30内的大部分，因此能够减少气泡的漏检测。另外，粘性大的液体中的气泡容易从导管30的中央部通过。由此，在对粘性大的液体中的气泡进行检测的情况下，为了使超声波从导管30的中央部透过，宽度h1及宽度h2至少为导管30内径的一半左右的大小即可。但是，从实用性的角度并优先考虑安全性，宽度h1及宽度h2优选与导管30的z方向的内径相同。作为超声波振动子120及220使用圆板状的压电元件，在其两面分别安装未图示的电极，能够将输入的电信号转换为机械振动，另外，能够将所传输的机械振动转换为电信号并输出。超声波振动子120及220分别埋设在超声波传输体110及210的内部。作为压电元件的材料，能够使用锆钛酸铅等的压电陶瓷、氧化锌等压电薄膜、偏二氟乙烯等压电高分子膜等。在本实施方式中，作为压电元件的材料使用锆钛酸铅，作为电极使用银和铂。导管30由软质氯乙烯(pvc)、硅(si)等挠性的管形成，例如，作为医疗用管使用外径为5.5至6.5mm、内径为3.5至4.5mm的管等。以上说明的构成成对的超声波传感头1的第1传感头10及第2传感头20，能够分别作为超声波检测器的发送头及接收头使用。接下来，在第1实施方式中说明将第1传感头作为发送头使用、将第2传感头作为接收头使用的构成，在第2实施方式中说明将第2传感头作为发送头使用、将第1传感头作为接收头使用的构成。＜第1实施方式＞参照图2对本发明的第1实施方式进行说明。对与图1相同的构成标注相同的附图标记并省略说明。图2a表示隔着导管对置配置的成对的超声波传感头1a，图2b是图2a的y-y剖视图。成对的超声波传感头1a构成为包含作为发送头的第1传感头10a和作为接收头的第2传感头20a，隔着作为导管30的管(外径5.5mm、内径3.5mm)对置配置。第1传感头10a包括超声波传输体110a和超声波振动子120，其中，该超声波传输体110a形成有作为发送面的第1振动面111a，该超声波振动子120进行电信号和振动的转换。第2传感头20a包括形成有超声波传输体210a和超声波振动子220，其中，该超声波传输体210a作为接收面的第2振动面211a，该超声波振动子220进行电信号和振动的转换。超声波传输体110a及210a除了各振动面的形状不同以外，与超声波传输体110及210同样地构成。第1振动面111a如图2b所示，在超声波传输体110a上以凹面状形成，从x方向观察的投影面为直径6.9mm(＝h1a＝w1a)的圆形。更详细来说，第1振动面111a以由与液体的流动方向(y方向)垂直的面剖切的截面形状沿导管30的侧面的方式形成为凹曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与第1振动面111a的密合性提高，因此能够高效地向导管30内的液体传输超声波。另外，由于能够使导管30的侧面与第1振动面111a的接触面积增大，因此能够高效地向导管30内的液体传输超声波，并提高超声波的指向性。此外，由于形成为凹面状的第1振动面111a处的透镜效应，超声波容易会聚。由此能够提高超声波的发送强度。第2振动面211a如图2a及图2b所示，在超声波传输体210a上以凸面状形成，从-x方向观察的投影面为宽度w2a＝1.4mm、宽度h2a＝6.9mm的矩形状。更详细来说，第2振动面211a如图2a所示，由与超声波的收发方向(x方向)和液体的流动方向(y方向)这二者平行的面(xy平面)剖切的截面形状相对于具有挠性的导管30的侧面形成为凸曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与第2振动面211a的密合性提高，因此能够高效地传输透过液体的超声波。由此，能够提高接收强度。另外，在液体的流动方向(y方向)上，由于第2振动面211a(接收面)的宽度w2a小，因此接收面中的微小气泡的投影面所占的比例增大。由此，透过液体的超声波由微小气泡反射而到达接收面的超声波衰减的比例增大，能够以高灵敏度检测微小气泡。根据第1实施方式的成对的超声波传感头1a，能够发挥以下效果。(1)在液体的流动方向(y方向)上，第2振动面211a(接收面)的宽度w2a小于第1振动面111a(发送面)的宽度w1a。通过按照这种方式构成，在将第1传感头10a(发送头)及第2传感头20a(接收头)对置配置时，在液体的流动方向(y方向)上，由于发送面较宽，因此即使不进行发送面与接收面的精密对位，也能够以发送波不偏离接收面的方式进行收发。由此，能够增强超声波的收发强度，在将成对的超声波传感头1a应用于超声波检测器时，来自接收头的接收电压稳定。(2)在液体的流动方向(y方向)上，由于第2振动面211a(接收面)的宽度w2a小，因此接收面中的微小气泡的投影面所占的比例大。由此，由于透过液体透过的超声波由微小气泡反射而到达接收面的超声波衰减的比例大，因此能够以高灵敏度检测微小气泡。(3)第1振动面111a(发送面)以由与液体的流动方向(y方向)垂直的面剖切的截面形状沿导管30的侧面的方式形成为凹曲线状。通过按照这种方式构成，导管30的侧面与发送面的密合性提高，能够使二者的接触面积进一步增大，因此能够高效地向导管30内的液体传输超声波。另外，由于发送面大，因此超声波的指向性提高。另外，由于发送面形成为凹面状，因其透镜效应而使超声波会聚，指向性进一步提高。由此，能够提高超声波的发送强度，使超声波检测器中的输出电压稳定。(4)导管30具有挠性，且第2振动面211a(接收面)的由与超声波的收发方向(x方向)和液体的流动方向(y方向)这二者平行的面(xy平面)剖切的截面形状形成为凸曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与接收面的密合性提高，因此能够高效地传输透过液体的超声波。由此，能够提高接收强度，使超声波检测器中的输出电压稳定。另外，由于液体流动方向(y方向)上的接收面的宽度w2a小，因此接收面中的微小气泡的投影面所占的比例增大。由此，透过液体的超声波由微小气泡反射而到达接收面的超声波衰减的比例增大，能够以高灵敏度检测微小气泡。＜第2实施方式＞参照图3及图4对本发明的第2实施方式进行说明。对于与图1及图2相同的构成标注相同的附图标记并省略说明。图3a表示隔着导管对置配置的成对的超声波传感头1b，图3b是图3a的y-y剖视图。成对的超声波传感头1b构成为包含作为发送头的第2传感头20b(20a)和作为接收头的第1传感头10b(10a)，隔着作为导管30的管(外径5.5mm、内径3.5mm)对置配置。在第2实施方式中，将在第1实施方式中作为发送头使用的第1传感头10a作为接收头(第1传感头10b)使用，将在第1实施方式中作为接收头使用的第2传感头20a作为发送头(第2传感头20b)使用，这一点与第1实施方式不同。各振动面的形状等由于与第1实施方式相同而省略说明。第2振动面211b(211a)如图3a及图3b所示，在超声波传输体210b(210a)上以凸面状形成。更详细来说，第2振动面211b(211a)如图3a所示，由与超声波的收发方向(x方向)和液体的流动方向(y方向)这二者平行的面(xy平面)剖切的截面形状，相对于具有挠性的导管30的侧面形成为凸曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与第2振动面211b(211a)的密合性提高，因此能够高效地向导管30内的液体传输超声波。由此能够提高发送强度。第1振动面111b(111a)如图3b所示，在超声波传输体110b上以凹面状形成。更详细来说，第1振动面111b(111a)以由与液体的流动方向(y方向)垂直的面剖切的截面形状沿导管30的侧面的方式形成为凹曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与第1振动面111b(111a)的密合性提高，因此能够高效地传输导管30内的透过液体的超声波。由此能够提高接收强度。在第2实施方式中，参照图4说明高灵敏度检测微小气泡的机制。图4a是说明来自第2振动面211b(发送面)的发送波的指向性高的情况下的微小气泡的投影面的图，图4b是说明来自第2振动面211b(发送面)的发送波的指向性低的情况下的微小气泡的投影面的图。如图4a所示，在从发送面发送的超声波指向性高的情况下，在接收面的一部分(斜线部分pa)接收发送波。在这种情况下，虽然认为接收面整体的微小气泡的投影面的比例非常小，但就接收面上接收发送波的斜线部分pa而言，可以说微小气泡的投影面所占的比例大到了能够检测的程度。由此，若透过液体的超声波由微小气泡反射，则到达接收面中的接收发送波的斜线部分pa的超声波衰减的比例增大，因此能够以高灵敏度检测微小气泡。在从发送面发送的超声波的指向性低的情况下，例如，考虑由于发送面的宽度w2b小而使发送波的指向性降低的情况，或由于发送面形成为凸面状而在其透镜效应的作用下超声波容易扩散的情况。如图4b所示，在从发送面发送的超声波指向性低的情况下，在接收面的大部分(斜线部分pb)处接收发送波。接收面与发送面相比，由于在液体流动方向(y方向)上的宽度宽，因此，透过液体的超声波即使沿y方向扩散，也能够在接收面中的斜线部分pb接收。另外，在存在微小气泡的情况下，在接收面上，微小气泡与超声波的扩散相伴而在y方向上扩大投影。由此，透过液体的超声波若由微小气泡反射，则到达接收面中的接收发送波的斜线部分pb的在y方向上扩散的超声波衰减的比例增大，因此能够以高灵敏度检测微小气泡。根据第2实施方式的成对的超声波传感头1b，能够发挥以下效果。(5)在液体的流动方向(y方向)上，第1振动面111b(接收面)的宽度w1b小于第2振动面211b(发送面)的宽度w2b。通过按照这种方式构成，在将第2传感头20b(发送头)及第1传感头10b(接收头)对置配置时，在液体的流动方向(y方向)上，由于接收面较宽，因此即使不进行发送面与接收面的精密对位，也能够以发送波不偏离接收面的方式进行收发。由此能够增强超声波的收发强度，在将成对的超声波传感头1b应用于超声波检测器时，来自接收头的接收电压稳定。(6)第1振动面111b(接收面)以由与液体的流动方向(y方向)垂直的面剖切的截面形状沿导管30的侧面的方式形成为凹曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与发送面的密合性提高，因此能够高效地传输透过导管30内的液体的超声波。由此，能够提高超声波的接收强度，超声波检测器中的输出电压稳定。(7)导管30具有挠性，且第2振动面211b(发送面)的由与超声波的收发方向(x方向)和液体的流动方向(y方向)这二者平行的面(xy平面)剖切的截面形状形成为凸曲线状。通过按照这种方式构成，由于导管30的侧面与接收面的密合性提高，因此能够高效地向导管30内的液体传输超声波。由此能够提高发送强度，气泡检测器的输出电压稳定。(8)在液体的流动方向(y方向)上，第1振动面111b(接收面)的宽度w1b小于第2振动面211(发送面)的宽度w2b。通过按照这种方式构成，在从发送面发送的超声波的指向性高的情况下，若透过液体的超声波由微小气泡反射，则到达接收面中的接收发送波的一部分(斜线部分pa)的超声波衰减的比例增大，因此能够以高灵敏度检测微小气泡。另外，在超声波的指向性低的情况下，若透过液体的超声波由微小气泡反射，则到达接收面中接收发送波的大部分(斜线部分pb)的在y方向上扩散的超声波衰减的比例增大，因此能够以高灵敏度检测微小气泡。实施例以下根据实施例对本发明进行进一步详细说明。但本发明的范围不限于该实施例。使用在上述第1实施方式及第2实施方式中说明的成对的超声波传感头及与以往技术的构成对应的超声波传感头，进行了气泡检测实验。气泡检测实验使用未图示的血液透析装置进行。[实施例1]血液透析装置构成为包括作为导管30的具有挠性的管和具有在第1实施方式中说明的超声波传感头1a的超声波检测器。管准备了外径为5.5mm、内径为3.5mm的具有挠性的氯乙烯制构件。取代血液或药液，使加热至与体液相同程度温度的大约36℃的水以250ml/分的流速流入管内。将成对的超声波传感头1a以夹持管的方式对置配置安装。在使水流入管内的状态下，使用微量注射器单次注入0.3μl的微小气泡(气泡直径大约0.83mm)，使用血液透析装置进行确认气泡的检测率和电压变化的气泡检测实验。重复该实验30次，对气泡检测率及电压的稳定性进行评价。[实施例2]作为超声波传感头使用在第2实施方式中说明的成对的超声波传感头1b，与实施例1同样地进行气泡检测实验。[对比例1]作为超声波传感头，使用由两个在第1实施方式中说明的第1传感头10a构成的成对的超声波传感头，与实施例1同样地进行气泡检测实验。[对比例2]作为超声波传感头，使用由两个在第1实施方式中说明的第2传感头20a构成的成对的超声波传感头，与实施例1同样地进行气泡检测实验。将实施例1、2及对比例1、2的实验结果示出在表1中。[表1]气泡检测率接收电压变化实施例193％±0.1v以内实施例287％±0.1v以内对比例123％±0.1v以内对比例293％±0.1v以上不稳定如表1所示，与对比例1相比，实施例1及2中气泡检测率大幅度提高。并且，本实施例的气泡检测实验使用粘性小的水进行，因此气泡检测率为93％及87％，但在粘性大于水的输液中使用的液体或血液中，由于微小气泡容易从管的中央部通过，因此推测检测率达到100％。另外，与对比例2相比，由于实施例1及2获得了接收电压变化为±0.1v的稳定的结果，因此，具有本发明的成对的超声波传感头的超声波检测器能够抑制误检测的发生。由此，可以不进行为了不发生误检测所需的硬件的复杂回路设计、软件的算法研究等，能够简化超声波检测器的构成。以上对本发明的成对的超声波传感头1及超声波检测器的优选的一个实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，能够适当变更。例如，关于实施方式的第1振动面111，作为一例示出了圆形状的构造，但也可以是椭圆状或矩形状。另外，在第1实施方式及第2实施方式中，在超声波传输体上以凹面状形成第1振动面，但不限于此。即，如图5a及图5b所示，也可以在超声波传输体110c上以凸面状形成第1振动面111c。另外，在第1实施方式中，在超声波传输体上以凸面状形成第2振动面，但不限于此。即，如图5a及图5b所示，也可以在超声波传输体210c上以平面状(直线状)形成第2振动面211c。另外，在第1及第2实施方式中，示出了超声波传感头以振动面与导管接触而传输超声波的接触式的构成，但本发明的概念也能够应用于非接触式的超声波传感头。另外，在第1及第2实施方式中，作为导管的一例示出了具有挠性的管，但不限于此。作为导管，不限于医疗用或工业用的树脂制管，本发明的概念也能够应用于金属管、配管等。另外，作为应用具有本发明的超声波传感头的超声波检测器的一例示出了血液透析装置，但不限于此。能够应用于与气泡存在成为问题的血液回路或输液回路连接的医疗设备等，另外，在医疗领域以外也能够广泛应用需要进行气泡检测的领域。附图标记说明1成对的超声波传感头10第1传感头20第2传感头30导管(管)110、210超声波传输体111第1振动面120、220超声波振动子211第2振动面当前第1页12