JPH11319081A - 超音波気泡検出器とそれを使用した超音波気泡検出装置および人工透析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】気泡がスームズに流れ、かつ、正確な気泡検出
ができる安定した気泡検出ができる超音波気泡検出器、
超音波気泡検出装置、ならびに、人工透析装置を提供す
る。 【解決手段】液体が流れる液体輸送管を挟み対向する一
対の超音波振動素子２の振動部が帯状になるようにして
液体輸送管内を通過する気泡を検出する超音波気泡検出
器１において、帯状の振動部２−ａの長手方向を液体輸
送管内の液体の流れ方向に対して交差する方向に配置
し、かつ、帯状の振動部のの長さが挟持した状態での液
体輸送管の内側の幅（内径）より長く、検出器内で超音
波振動素子の振動部以外の部分が振動部の液体輸送管と
の接触面と同一面（高さ）Ｈで液体輸送管をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体が流れる液体
輸送管を挟み対向する一対の超音波振動素子の挟持部の
液体輸送管内を通過する気泡を検出する超音波気泡検出
器に関し、微小気泡を安定して検出する超音波気泡検出
器、超音波気泡検出装置、ならびに、人工透析装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超音波を利用した気泡検出器の原理は周
知のように、本発明の実施例を示す図２に示すように、
一方の超音波振動素子２で発信した超音波が液体輸送管
８と液体を通過して他の一方の超音波振動素子２で受信
されるようになっており、液体内に気泡がある場合は超
音波が気泡によって反射して受信する超音波の強度が減
少する現象を利用するものである。

【０００３】従来、液体が流れる液体輸送管を挟み対向
する一対の超音波振動素子の挟持部の液体輸送管内を通
過する気泡を検出する超音波気泡検出器あるいは超音波
気泡検出装置に使用される超音波振動素子は、たとえば
図９に示すような形状で、図１１（Ａ）のように使用さ
れるのが一般的である。

【０００４】すなわち、円板状の超音波振動部１０に円
筒状の超音波伝達体９を付加した、図９に示すように液
体輸送管８と接触する部分の形状を工夫した一対の超音
波振動素子１１が使用されている。図９（Ａ）では超音
波伝達体９の先端が共に平らで、図９（Ｂ）ではやはり
共に球面状をしている。図９（Ｃ）ａは球面状であるが
一方が凸型で、図９（Ｃ）ｂでは他方が凹型をしている
のが特徴である。

【０００５】従来の方法では広い面積で超音波を授受し
ていて、超音波伝達体９の面積に対して測定対象が小さ
い微小気泡の検出は困難と考えられ、この問題を解決す
る手段として図１０に示すような超音波伝達体１４を付
加した超音波振動素子１３が、実公平５−２９７１７号
公報に提案されている。すなわち、超音波振動部１０に
凸型の超音波伝達体１４を付加し、液体輸送管８と接触
する部分を帯状にして、その長手方向を液体輸送管８内
の液体の流れ方向に対して直交する方向に配置し、超音
波が伝達される面積を小さくし、気泡による超音波の強
度が減少する割合を大きくしているのが特徴である。し
かしながら、この新たな提案を含め、従来からの超音波
気泡検出器には、以下に述べるような問題があり、これ
らの気泡検出器は主に血液チューブ内の血液に存在する
気泡検出に用いられていて、単に気泡検出器の性能上の
問題ではなく人命に関わる重大な問題である。

【０００６】１）誤動作が多い。すなわち、気泡が多い
のに検出パルスの数が少なかったり、逆に気泡がないの
に検出パルスが発生することなどが数多く報告されてい
る。

【０００７】２）超音波検出器および超音波検出装置の
信号処理回路などの温度変化による感度の変化があり、
温度が高くなると気泡検出が不安定になる。

【０００８】３）図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように微
小気泡を検出するために液体輸送管８を強く狭持した
り、曲げたりするために気泡がその屈曲部分に滞留した
り、気泡の挟持部の通過時間が長くなることがある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
における上述した問題点を解決するもので、すなわち、
気泡が多いのに検出パルスの数が少なかったり、逆に気
泡がないのに検出パルスが発生することなどの誤動作を
なくすこと、超音波気泡検出器および超音波気泡検出装
置の信号処理回路などの温度変化による感度の変化はを
少なくするための対策は困難であるので、この感度変化
に対応する対策をして、温度変化に対しても安定した気
泡検出ができるようにすること、および、気泡を検出す
るために液体輸送管を強く挟持したり、曲げたりするた
めに気泡がその屈曲部分に滞留したり、気泡の狭持部の
通過時間が長くなることのないように、液体輸送管を強
く狭持しないで、気泡がスームズに流れ、かつ、正確な
気泡検出ができるようにすることが課題でこれらを検討
し問題点を解決して安定した気泡検出ができる超音波気
泡検出器とそれを使用した超音波気泡検出装置および人
工透析装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、 （１）液体が流れる液体輸送管を挟み対向する一対の超
音波振動素子の振動部が帯状になるようにして液体輸送
管内を通過する気泡を検出する超音波気泡検出器におい
て、前記帯状の振動部の長手方向を液体輸送管内の液体
の流れ方向に対して交差する方向に配置し、かつ、前記
帯状の振動部の長さが挟持した状態での液体輸送管の内
側の幅（内径）Ｔより長く、上記検出器内で超音波振動
素子の振動部以外の部分が該振動部の液体輸送管との接
触面と概ね同一面（高さ）Ｈで液体輸送管を挟持するこ
とを特徴とする超音波気泡検出器。

【００１１】（２）前記（１）記載の超音波気泡検出器
において、一対の超音波振動素子が受、発信側とも高分
子強誘電体薄膜あるいは無機強誘電体を使用した超音波
振動素子を使用し、あるいは発信、受信のいずれかの側
に無機強誘電体を使用し、その逆の受信、発信の側に高
分子強誘電体薄膜を使用した超音波振動素子を備える超
音波気泡検出器において、振動部が平板上に略帯状に形
成された超音波振動素子であるか、あるいは超音波振動
素子の受信面または発信面として使用する側に付した超
音波伝達体の略帯状の先端である超音波振動素子である
ことを特徴とする超音波気泡検出器。

【００１２】（３）前記（２）に記載の超音波気泡検出
器において、超音波振動素子の受信または発信側の面に
その全体を覆う同形同面積以上の保護膜を付したことを
特徴とする超音波気泡検出器。

【００１３】（４）前記（３）記載の超音波気泡検出器
において、超音波振動素子の受信または発信側の面に付
した保護膜の強誘電体に接触する側に電極を形成して超
音波振動素子の１つの面の電極とすることを特徴とする
超音波気泡検出器。

【００１４】（５）前記（２）〜（４）のいずれかに記
載の超音波気泡検出器において、強誘電体単独、または
保護膜を付して使用する超音波振動素子の強誘電体また
は強誘電体と保護膜とをあわせた厚みを、強誘電体また
は強誘電体と保護膜との材質によって定まる、使用する
超音波周波数における波長の概ね４分の１とすることを
特徴とする超音波気泡検出器。

【００１５】（６）前記（２）〜（５）のいずれかに記
載の超音波気泡検出器において、強誘電体を使用する超
音波振動素子の超音波を受信または発信する面と反対の
面の電極厚みを、その電極材質によって定まる、使用す
る超音波周波数における波長の概ね２分の１とすること
を特徴とする超音波気泡検出器。

【００１６】（７）前記（１）〜（６）のいずれかに記
載の超音波気泡検出器において、音波振動素子の振動周
波数を決定するための共振用コイルとしてコアあるいは
コア周辺の充填物中にフェライトを用いることを特徴と
する超音波気泡検出器。

【００１７】（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記
載の音波気泡検出器において、コイルを使用する超音波
振動素子の共振周波数におけるコイルのＱ値が１〜１０
０であることを特徴とする超音波気泡検出器。

【００１８】（９）前記（１）〜（８）のいずれかに記
載の音波気泡検出器において、超音波振動素子の共振周
波数におけるコンダクタンスが０．１ミリシーメンス以
上であることを特徴とする超音波気泡検出器。

【００１９】（１０）前記（１）〜（９）のいずれかに
記載の液体が流れる液体輸送管を挟み対向する一対の超
音波振動素子の挟持部の液体輸送管内を通過する気泡を
検出する超音波気泡検出器において、液体輸送管の材料
が高分子樹脂またはゴムであり、該液体輸送管が血液な
どが流れるチューブであることを特徴とする超音波気泡
検出器。

【００２０】（１１）前記（１）〜（１０）のいずれか
に記載の液体が流れる液体輸送管を挟み対向する一対の
超音波振動素子の挟持部の液体輸送管内を通過する気泡
を検出する超音波気泡検出器において、液体輸送管のガ
イドの断面形状が略凹形であり、液体輸送管を狭持する
長手方向の中央部に間隙（幅）Ｓを有する該ガイドであ
ることを特徴とする超音波気泡検出器。

【００２１】（１２）前記（１）〜（１１）のいずれか
に記載の超音波気泡検出器において、一対の超音波振動
素子がその一方が他の一方に対して移動し、あるいはそ
の双方が互いに対して平行して移動し、液体輸送管を狭
持する機構を備えることを特徴とする超音波気泡検出
器。

【００２２】（１３）前記（１）〜（１２）のいずれか
に記載の超音波気泡検出器において、発信側の超音波振
動素子に加える電気的信号が略正弦波信号であることを
特徴とする超音波気泡検出器。

【００２３】（１４）前記（１）〜（１３）のいずれか
に記載の超音波気泡検出器において、超音波振動素子が
受信した超音波によって得られる信号処理をする信号処
理回路の増幅回路２０の出力を検波し、任意の時間保持
する信号保持時間が異なる２個の信号保持回路を有し、
保持時間の長い信号保持回路２の出力の任意の割合を基
準として、保持時間の短い信号保持回路１の出力を比較
して、２値化する電圧比較器を備えることを特徴とする
超音波気泡検出器。

【００２４】（１５）チューブ内の気泡検出に前記
（１）〜（１４）のいずれかに記載の超音波気泡検出器
を備えることを特徴とする超音波気泡検出装置。

【００２５】（１６）血液をチューブに通して人工腎臓
との間を循環させる血液ポンプを有する超音波気泡検出
装置のチューブ内の気泡検出に前記（１）〜（１４）の
いずれかに記載の超音波気泡検出器を備えることを特徴
とする人工透析装置。

【００２６】

【発明の実施の形態】上記の本発明に関して、理解を容
易にするため、さらに図１の高分子強誘電体薄膜を使用
した超音波振動素子と、図２、図４、図６、および図７
に示す超音波気泡検出器の実施例に基づいて以下に説明
する。

【００２７】図１は高分子強誘電体薄膜を使用した超音
波振動素子の構成図（分解説明図）であり、（Ａ）は分
解図、（Ｂ）は断面図である。

【００２８】図２は高分子強誘電体薄膜を使用した超音
波気泡検出器の実施例を示す構成図である。

【００２９】図３はマスクを付加した円筒型の超音波伝
達体を有する超音波振動素子の一例を示す構成図であ
り、（Ａ）はマスク、（Ｂ）は円筒型の超音波伝達体を
有する超音波振動素子、（Ｃ）は組立断面図を示す。

【００３０】図４はマスクを付加した円筒型の超音波伝
達体を有する超音波振動素子を使用した超音波気泡検出
器の実施例を示す構成図である。

【００３１】図６はマスクを付加した凸型の超音波伝達
体を有する超音波振動素子を使用した超音波気泡検出器
の実施例を示す構成図である。

【００３２】図７は超音波気泡検出器の血液チューブの
ガイドの一例を示す構成図であり、（Ａ）はガイドを有
する超音波気泡検出器の片方の平面図、（Ｂ）は断面図
である。

【００３３】本発明の超音波気泡検出器を図１および図
２により説明すると、液体が流れる液体輸送管８を挟み
対向する一対の超音波振動素子２の振動部２−ａが帯状
になるようにして液体輸送管８内を通過する気泡を検出
する超音波気泡検出器１において、前記振動部２−ａの
長手方向を液体輸送管８内の液体の流れ方向に対して交
差する方向に配置し、かつ、帯状の振動部２−ａの長さ
が挟持した状態での液体輸送管８の内側の幅（内径）Ｔ
より長く、その検出器１内で前記振動部２−ａ以外の部
分が前記振動部の液体輸送管８との接触面と概ね同一面
（高さ）Ｈで液体輸送管８を挟持することを特徴とする
ものである。振動部２−ａ以外の部分は、図１に示すよ
うに超音波振動素子２の表面は平坦で、この中で振動部
２−ａは基板内の６−ａと保護膜に形成された電極とが
対向する部分によって形成されるので振動部２−ａを除
く、超音波振動素子２の表面を指す。

【００３４】上記の超音波振動素子２の帯状の振動部２
−ａの幅が１０μｍ以上であり、検出する気泡の大きさ
によって任意に定める。

【００３５】略帯状の幅が一対の同幅または一対の互い
の幅が異なる超音波振動素子２で構成されることが好ま
しい。

【００３６】また、一対の超音波振動素子が受、発信側
ともに高分子強誘電体薄膜あるいは無機強誘電体を使用
した超音波振動素子、あるいは発信、受信のいずれかの
側に無機強誘電体を使用し、その逆の受信、発信の側に
高分子強誘電体薄膜を使用した超音波振動素子を備える
超音波気泡検出器１において、振動部が平板上に略帯状
に形成された超音波振動素子であるか、あるいは超音波
振動素子の受信面または発信面として使用する側に付し
た超音波伝達体１４の略帯状の先端である超音波振動素
子１３である図２、図４、図６、および図７に示す超音
波気泡検出器１などを選択する。

【００３７】これらの超音波気泡検出器１の、例えば、
図１の超音波振動素子２の受信側または発信側の面にそ
の全体を覆う同形同面積以上の保護膜５を付す。

【００３８】その保護膜５の強誘電体４に接触する側に
電極を形成して超音波振動素子２の１つの面の電極と
し、強誘電体４単独の厚み、あるいは強誘電体４と保護
膜５とをあわせた厚みを、使用する超音波振動素子２の
強誘電体４または強誘電体４と保護膜５との材質によっ
て定まる、使用する超音波周波数における波長の概ね４
分の１とし、あるいは、超音波を受信または発信する面
の反対の面の電極厚みを、使用する電極材質によって定
まる、使用する超音波周波数における波長の概ね２分の
１にして感度の高い超音波の受発信ができるようにする
ことが好ましい。

【００３９】ノイズが少なく感度の高い超音波の受発信
のために超音波振動素子２の振動周波数を決定するため
の共振用コイルとしてコアあるいはコア周辺の充填物中
にフェライトを用いすることが好ましい。ただし、図３
〜図６の超音波振動素子の図中ではコイル７は省略して
図示していない。

【００４０】その共振周波数におけるコイル７のＱ値が
１〜１００で、超音波振動素子２のコンダクタンスが
０．１ミリシーメンス以上であるとなお良く、また、素
子の容量やコイルのインダクタンスを超音波振動素子２
が使われる温度近辺で測定して組み合わせて共振周波数
を決定すると安定した測定を行うことができる。

【００４１】安定した微小気泡検出のために液体輸送管
８の材料に高分子樹脂またはゴムのチューブを使用し、
その液体輸送管８のガイド１５の断面形状が図７に示す
ごとく略凹形（図７（Ｂ）の液体輸送管８を囲っている
部分、２個のガイド１５で上下から囲っている）である
ことが好ましく、より好ましくは、液体輸送管８を狭持
する長手方向の中央部に間隙（幅）Ｓを有するガイド１
５であることである。

【００４２】ガイド１５は液体輸送管８が超音波振動素
子２の振動部２−ａに対して直交し、かつ、狭持したと
きの液体輸送管８が振動部２−ａに接触し、その内径が
長手方向の振動部２−ａ内に収まるように超音波振動素
子２の上側、振動部2-aのある側に設置される。

【００４３】なお、安定して液体輸送管８を狭持するた
めには、超音波振動素子２がその一方が他の一方に対し
て移動し、あるいはその双方が互いに対して平行して移
動し、液体輸送管８を狭持する機構を備えることが重要
である。

【００４４】図８は信号処理回路の一例を示す構成図で
ある。

【００４５】雰囲気温度の変化による超音波検出器１の
感度の変動に対して安定した微小気泡検出のために、図
８に示す信号処理回路の増幅回路２０の出力を検波し、
任意の時間保持する信号保持時間が異なる２個の信号保
持回路２２、２３を有し、信号保持時間が長い２３の信
号保持回路２の出力の任意の割合を基準として保持時間
の短い信号２２の保持回路１の出力を比較して、２値化
する電圧比較器２４を備え、また、高調波による電磁波
を外部にできる限り漏らさないように、発信側の超音波
振動素子２に加える電気的信号を略正弦波信号とする正
弦波発信回路２６を備える。

【００４６】このように主に血液をチューブに通して人
工腎臓と人体との間に循環させる血液ポンプを有する超
音波気泡検出装置のチューブ内の気泡検出に前述超音波
気泡検出器１を提供し、前述信号処理回路を備える超音
波気泡検出装置を提供し、さらに、これを使用した人工
透析装置を提供する。

【００４７】以下、さらに本発明の実施形態について説
明する。なお、超音波気泡検出器１を１部品として使用
する超音波気泡検出装置および人工透析装置については
従来より使用されているものが適用可能であり、説明を
省略する。

【００４８】本発明の超音波気泡検出器１は、人工透析
装置に付属する人工腎臓へ血液を人体から導き、血液ポ
ンプによって再び人体へ輸送する液体輸送管（血液回
路：血液チューフ゛）８中の気泡を監視、検出して警報
を発するように使用されるものに好適に実施できるもの
であるが、誤動作は人体への影響が大きいため、本発明
は、いかにして、誤動作なく安定した微小な気泡検出が
できるのかとの観点で検討をしたものである。

【００４９】気泡検出器１の原理は周知のように、図２
に示すごとく、一方の超音波振動素子２で発信した超音
波（一般的には１〜５ＭＨｚを使用）が液体輸送管（以
下、血液チューブと称する）８と液体を通過して他の一
方の超音波振動素子２で受信し、液体内に気泡がある場
合は超音波が気泡によって反射して、受信する超音波の
強度が減少する現象を利用するものである。従って、微
小な気泡を検出するために、気泡による超音波強度の減
少の割合が大きくなるように、できる限り細い帯状の面
で超音波を授受する構成が好ましい。

【００５０】これを実現するのには次のような幾つかの
方法がある。すなわち、 （１）図１、図２および図７に示す超音波振動素子２の
素材として強誘電体薄膜、特に高分子強誘電体薄膜４を
使用する場合に、強誘電体の表裏に電極の位置が重なり
一致した部分のみが振動部２−ａとなるので、超音波の
受発信する部分は電極６−ａを必要とする形状に形成す
ればよく、自由度がかなり高いので微小気泡検出のため
に帯状の受信面または発信面を形成するのは容易であ
る。

【００５１】用途にもよるが、気泡検出の精度が要求さ
れる場合には振動部の電極６−ａの幅を狭く形成する。
一般的には０．１ｍｍ単位であるが、μｍ単位（１０μ
ｍ以上）での電極形成も可能である。また、振動部の電
極６−ａの幅が異なる受発信をする超音波振動素子２使
用の構成が容易にできる。

【００５２】また、高分子強誘電体薄膜４はその略帯状
の受信面または発信面の全体を覆う同形同面積以上の保
護膜５を付すのであるが、この保護膜５の強誘電体に接
触する側に電極を形成して超音波振動素子の１方の面の
シールド電極を兼ねた電極とする。すなわちシールド用
電極６−ｂと同電位となる。特にこのシールド用電極の
素材としては銅を使用すると電磁波のシールド効果が高
い。

【００５３】そして、強誘電体４または強誘電体４と保
護膜５とをあわせた厚みを、使用する強誘電体４と保護
膜５との材質によって定まる、使用する超音波周波数に
おける波長の概ね４分の１として、受信面または発信面
が音波の腹部になるようにすると、超音波の受発信の強
度を高める効果があるので好ましい。

【００５４】なお、保護膜５の材質としては、ポリエス
テル、ポリイミドなどの強度が高いプラスティックの薄
膜を使用することが好ましい。これは使用される血液チ
ューブ８や、血液と密度がほぼ同じで音の浸透度合いの
指標とされる音響インピーダンスが小さく、音の減衰が
小さくなる効果があるからである。

【００５５】さらに、超音波振動素子２からの音の漏れ
を減少させるために、超音波を受信または発信する面の
反対の面の電極厚みを、使用する電極材質によって定ま
る、使用する超音波周波数における波長の概ね２分の１
にすることが好ましい。

【００５６】実際には保護膜５や電極の厚みは計算値に
近い厚みの市販の素材を使う。このことによって感度が
多少変わるが、誤動作を引き起こす要因にはならない。

【００５７】（２）一方、図３から図６に示す超音波振
動素子１１、１３の素材として無機系強誘電体を使用す
る場合（平板状の超音波振動素子２の素材として無機系
強誘電体を使用する場合は振動部の電極６−ａの部分に
ほぼ同型の無機系強誘電体を接続する。この時は高分子
強誘電体薄膜４は使用しない。ハイブリッド超音波振動
素子として無機系強誘電体と高分子強誘電体薄膜４とを
張り合わせて使う場合もあるがここでは詳述しない）、
一般的に、血液チューブ８や血液との密度がかなり異な
り、音響インピーダンスが大きなため、プラスティック
製の超音波伝達体９、１４を付加して音響インピーダン
スを下げる。ただし、発信強度が強かったり、受信感度
が高い場合には超音波伝達体９、１４にプラスティック
を使用しなかったり、超音波伝達体９、１４を付加しな
いことがある。

【００５８】そして、図１１（Ａ）に示すように、従来
と同じように血液チューブ８を単に狭持するのみである
と、微小気泡を検出するために血液チューブ８を強く狭
持したり、曲げたりするために、気泡がその屈曲部分に
滞留したり、気泡の狭持部の通過時間が長くなることが
ある。

【００５９】このことは図１、図２に示すように、強誘
電体薄膜、特に高分子強誘電体薄膜４を使用の平板上に
振動部２−ａが形成される超音波振動素子２では問題と
ならない。

【００６０】従って、図９や図１０に示すような従来の
型の超音波振動子１１、１３を使用する超音波気泡検出
器１ではそのようなことがないように、本発明では図
３、図４に示すように、 （２−１）超音波振動子の素材が有機、無機であること
を問わず、円筒型の超音波伝達体９を有する超音波振動
素子１１を使用する場合は、血液チューブ８をしたとき
に、血液チューブ８の長手方向に直交して帯状に振動部
としての超音波伝達体９が血液チューブ８に接触するよ
うに略帯状の隙間を有するマスク１２を介する。この振
動部の長さは狭持した状態で血液チューブ８の内側の幅
（内径）Ｔより長く、その検出器１内で超音波振動素子
１１の振動部以外の部分が超音波振動素子１１の狭持部
分の振動部の血液チューブ８との接触面と概ね同一面
（高さ）Ｈで血液チューブ８を狭持する。

【００６１】（２−２）また、図５、図６に示すよう
に、超音波振動子の素材が有機、無機であることを問わ
ず、実公平５−２９７１７号公報に示すような凸型の振
動部としての超音波伝達体１４を有する超音波振動素子
１３を使用する場合は、前記したのと同様に、血液チュ
ーブ８を狭持したときに、血液チューブ８の長手方向に
直交して帯状に超音波伝達体１４が血液チューブ８に接
触し、その検出器１内で超音波振動素子１３の振動部以
外の部分が超音波振動素子１３の狭持部分の振動部の血
液チューブ８との接触面と概ね同一面（高さ）Ｈで血液
チューブ８を狭持するように、隙間を有するマスク１２
を介する。

【００６２】以上、本発明の超音波振動素子２、１１，
１３の形状を説明したが、次に誤動作に関連する素子の
構成と信号処理について説明する。

【００６３】一般的には、超音波気泡検出器は１ＭＨｚ
以上の超音波を使用していて、その電磁波の漏れが問題
であると同時に、外部からの電磁波の侵入も問題で、こ
れが誤動作の要因の１つとなっている。

【００６４】本発明者らが、市販の超音波気泡検出器に
ついて電磁波の漏れの程度を検討したところ、血液チュ
ーブ８に液体が無い状態での受信信号が液体の満たされ
ているときの約２０％以上あることが判った。このこと
は超音波振動素子を帯状にして感度を向上させても、常
に２０％もの信号が存在し、気泡検出による信号減衰の
割合を少なくし、外部からの電磁波の侵入により信号が
揺らぐ可能性が高く、誤動作を引き起こしやすいことを
示している。

【００６５】これに対して本発明では、共振用のコイル
７を付加して、そのコアあるいはコア周辺の充填物中に
フェライトを用いたコイル７を用いることによって、血
液チューブ８に液体が無い状態での受信信号が液体の満
たされているときの０．３％以下（殆ど、超音波の周波
数成分はなく、測定のためのプローブに乗った商用電源
の周波数成分のみであった）になった。

【００６６】つまり、これまでの円筒状の超音波伝達体
９を付加した図９に示す従来の超音波振動素子１１で
も、電磁波の漏れと外部からの電磁波の侵入がなければ
ＳＮ比が高い信号を得ることができる。つまり、信号処
理の仕方によっては本発明と同等程度の微小気泡の検出
が可能であることを示している。ただし、感度が小さい
ため、本発明の超音波振動素子１１の如き構成にして感
度を向上させて使用する方が信号処理が簡易になると考
えられる。

【００６７】なお、コイル７を使用しない場合であって
も、超音波振動素子１１の周辺にフェライトを含む充填
剤などを使用することによって電磁波ノイズの送受信を
大幅に減少させることができる。

【００６８】また、超音波の送受信の必要な感度を得る
ためには、使用する周波数でのコイル７のＱ値は１〜１
００が適切で、超音波振動素子として共振周波数でのコ
ンダクタンスが０．１ミリシーメンス以上であることが
適切である。もちろん、この範囲以外であっても使用で
きることはいうまでもない。

【００６９】また、別の誤動作の要因としては超音波振
動素子の共振周波数、図８に示す信号処理回路の増幅回
路２０の増幅率などの温度依存性、つまり、超音波検出
器の感度の温度依存性があり、この感度が温度によって
大きく変化すれば、気泡検出のパルスを発生させる電圧
比較器の動作が不安定になって誤動作することになる。
高温での気泡検出が不安定になるのはこのためであると
考えられる。

【００７０】これに対して、増幅回路２０の出力を検波
し、任意の時間保持する信号保持時間が異なる２個の信
号保持回路２２、２３を有し、保持時間の長い信号保持
回路２ ２３の出力の任意の割合を基準として、保持時
間の短い信号保持回路１ ２２の出力を比較して、２値
化する電圧比較器を備えることにより保持時間が短い信
号保持回路１ ２２の気泡による信号低下を検出してパ
ルスを発生させると超音波検出器の感度に温度依存性が
あっても常に一定の比率でパルス発生のレベル（閾値）
が決まるので安定した気泡検出ができる。

【００７１】この方式では他の感度変化要因で、例え
ば、２個の超音波振動素子の位置関係が互いにずれて感
度が低下した場合でも安定した気泡検出ができる。

【００７２】本発明の信号保持回路２２、２３は一次遅
れ回路で検波回路２１を組み合わせた包絡線回路として
採用した。他にも検波回路２１の有無は別として移動平
均回路（一次遅れ回路を含む）やホールド回路なども信
号保持回路として使用できる。また、デジタル方式かア
ナログ方式かは必要に応じて採用すれば良い。

【００７３】また、この他にも超音波振動素子の容量や
コイルのインダクタンスを超音波振動素子が使われる温
度近辺で測定して組み合わせて共振周波数を決定すると
共振周波数の変動をが少ない、安定した測定を行うこと
ができる。

【００７４】なお、周知のようにパルスや矩形波はその
電磁波強度が基本周波数に対して高調波でも同程度の強
度を有することが知られている。近年、医療機器の誤動
作要因として注目されている高周波（３０〜３００ＭＨ
ｚ）の電磁波が発生し、外部に漏れやすい。本発明では
この対策として高周波の電磁波を外部にできる限り漏ら
さないように発信側の超音波振動素子に加える電気的信
号を略正弦波信号を発生する正弦波発振回路２６を備え
ている。

【００７５】次に血液チューブ８の材質や形状である
が、材質についてはシリコンチューブのように、超音波
振動素子の血液チューブ８に接触する面の材質に近い密
度を有する音響インピーダンスが小さくなるものが好ま
しい。また、形状については血液チューブ８に歪みを与
えたり、そのチューブを咬み込まないようにするため、
図７に示すように、気泡検出器の血液チューブのガイド
１５を凹形に形成し、より望ましくは、液体輸送管を狭
持する長手方向の中央部に間隙（幅）Ｓを有するガイド
とし、また、血液チューブ８を安定して狭持するために
超音波振動素子２、１２、１３に対して平行して移動
し、血液チューブを狭持する機構を備えている。

【００７６】また、信号処理回路を気泡検出装置の一部
として説明してきたが、気泡検出器内に信号処理回路の
発振回路、増幅回路２０と電圧比較器を内蔵させて、電
源を供給し、気泡検出パルスを出力する構成でも上述の
ような安定した気泡検出が可能である。

【００７７】

【実施例】実施例 図１〜図７および図８を用いて実施例を説明する。

【００７８】はじめに、図１を用いて超音波振動素子２
から説明する。ガラスエポキシ樹脂などで成形した基板
３の一方の面に帯状（２ｍｍ×９．６ｍｍ）の電極６−
ａと基準電位（０Ｖ）の電極を兼ねたシールド用電極６
−ｂとを形成した。

【００７９】これらの電極には銅箔を用いているがその
厚みは超音波振動素子からの音の漏れを減少させるため
に使用する超音波（周波数：５ＭＨｚ）の銅箔内での波
長の２分の１の２００μｍにした。

【００８０】そして、これらの電極面に約４０μｍの高
分子強誘電体薄膜４をエポキシ系接着剤を用いて貼り、
更にその上から一方の面に保護膜（銅薄膜（蒸着膜な
ど））５を形成した約８０μｍの゛カプトン”（デュポ
ン社登録商標）（ポリイミド）フィルムを銅薄膜が高分
子強誘電体薄膜４に接触するようにエポキシ系接着剤を
用いて貼りつけた。この高分子強誘電体薄膜４と保護膜
５の厚みの合計は約１２０μｍで使用する素材中での超
音波の１／４波長に相当する。

【００８１】高分子強誘電体としては弗化ビニリデンと
３弗化エチレンの共重合体を用いたが特に種類は選ばな
い。エポキシ系接着剤も同様に特に種類は選ばないし、
基板３上への高分子強誘電体の直接塗布や銅の直接蒸着
など他の方法でも電極と高分子強誘電体薄膜４および保
護膜５が十分に密着していればよい。

【００８２】次に基板３の他方の面には一方の面の振動
部２−ａにあたる電極６−ａがスルーホールで連結さ
れ、また、シールド用電極６−ｂもスルーホールで連結
して形成して有る。ここで電極とコアあるいはコア周辺
の充填物中にフェライトを用いたコイル７とハンダ付け
をして連結させ、超音波振動素子２を構成した。

【００８３】このコイル７の単独のＱ値は共振周波数で
４７で、また、上記のように構成された超音波振動素子
２のコンダクタンスは３ミリシーメンスであった。この
値は気泡検出器の使用温度の３０℃で測定したものであ
る。

【００８４】次に図８により信号処理回路について説明
する。この実施例では基本的な使用周波数域以下で一定
の増幅率を有する増幅回路２０を採用した。そして、こ
こで増幅された信号を検波し、信号保持時間が異なる２
個の信号保持回路２２、２３に入力し信号保持時間が長
い２３の信号保持回路２の出力の任意の割合を基準とし
て電圧比較器の比較電圧を設定し、もう一方の保持時間
の短い２２の信号保持回路１の出力を比較して、２値化
する電圧比較を備える。一方の短い２２の信号保持回路
１の出力が他方の長い２３の信号保持回路２の任意の一
定比率の値以下になると検出パルスを発生する。この方
法は超音波振動素子および信号処理回路の温度依存性に
よる感度の変化に対して安定した電圧比較ができる特徴
がある。

【００８５】ここで実施した信号保持回路２２、２３に
は一次遅れ回路を使用し、検波回路２１と組み合わせて
包絡線回路とした。他にも種々な回路構成があるので全
体的な構成をみて適切な回路を採用すればよい。

【００８６】しかし、使用する環境により温度変化によ
る感度の変化の影響が少ない場合や感度の影響も検討す
る場合には一般的な電圧比較回路２４を使用すればよ
い。

【００８７】この他の実施例の図３〜図６の図中には共
振用コイル７を図示していないがコイル７は超音波振動
素子１０から信号処理回路の増幅回路２０までのできる
だけ超音波振動素子１０に近いところで接続する。

【００８８】平板状でない超音波振動素子１１、１３に
係る実施例として、その検出器内で該超音波振動素子１
１、１３の振動部とする以外の部分が該振動部としての
部分の血液チューブ８との接触面と概ね同一面（高さ）
Ｈで血液チューブ８を狭持し、従来のように微小気泡を
検出するために血液チューブ８を強く狭持したり、曲げ
たりして気泡がその屈曲部分に滞留したりすることがな
いようにする工夫である。

【００８９】その１として、図３、図４に示す従来から
の超音波伝達体９を付加した超音波振動素子１１を使用
した超音波気泡検出器１で血液チューブ８を狭持したと
きに血液チューブ８の長手方向に直交して帯状に超音波
振動素子１１の超音波伝達体９が血液チューブ８に接触
するために隙間を有するマスク１２を設け、これによ
り、帯状に接触するの超音波振動素子１１の長さは狭持
した状態で血液チューブ８の内側の幅（内径）Ｔより長
く、その超音波気泡検出器１内で血液チューブ８に接触
する超音波振動素子１１の振動部とする以外の部分が該
振動部の血液チューブ８との接触面と概ね同一面（高
さ）Ｈで血液チューブ８を狭持した。

【００９０】その２として、図５、図６に示す凸型の振
動部としての超音波伝達体１４を有する超音波振動素子
１３を使用する場合は前記と同様に血液チューブ８を狭
持したときに、血液チューブ８の長手方向に直交して帯
状の振動部としての超音波伝達体１４が血液チューブ８
に接触し、その検出器１内で超音波振動素子１３以外の
部分が超音波振動素子１３の狭持部分の血液チューブ８
との接触面と概ね同一面（高さ）Ｈで血液チューブ８を
隙間を有するマスク１２を介して狭持した。

【００９１】そして、超音波気泡検出器１の検出感度を
高める素材、形状に関しては超音波振動素子２、１１、
１３と接触する血液チューブ（液体輸送管）８の素材は
液体（血液）と密度がほぼ同じの高分子樹脂（シリコ
ン、ポリテトラフロロエチレン、ポリエチレンなど）を
使用した。

【００９２】そして、発信した超音波が血液チューブ８
内の液体全体に超音波が通るように図７に示すように超
音波気泡検出器１内に血液チューブ８のガイド１５を凹
形に形成し、血液チューブ８を狭持する長手方向の中央
部に間隙（幅）Ｓ：９ｍｍを有するガイドを使用して、
このチューブの歪みや咬みこみを無くし、さらに、安定
して液体輸送管を狭持するために超音波振動素子２がそ
の一方が他の一方に対して移動し、あるいはその双方が
互いに対して平行して移動し、液体輸送管を狭持する機
構を備えた。超音波素子１１、１３に対しても同様な機
構を備える。比較例実施例と図１０に示すような超音波
気泡検出器を含め、図９に示すような従来の超音波気泡
検出器をそれぞれ図７、図１１（Ｂ）、図１１（Ａ）の
ごとく血液チューブ８を狭持して比較すると次のような
性能上の、機能上の違いが明らかになった。

【００９３】Ａ）従来の図９、図１０の超音波気泡検出
器では静電シールド以外の対策がなく、超音波の漏れと
外部からの電磁波の受信により血液チューブを挟み液体
がない場合と液体を満たした場合の受信信号の振幅比は
小さい場合は１８：１００で大きな場合は４０：１００
以上であった。一方、本発明では大きく見て０．３：１
００であった。

【００９４】Ｂ）検出できる気泡径は図１０の超音波振
動素子を用いた従来の超音波気泡検出器では０．５ｍｍ
が下限で、０．５ｍｍを含め、それ以下では超音波気泡
検出器内の血液チューブを気泡が通過しているが気泡が
検出できなかったり、検出器内で血液チューブに滞り検
出できなかった。一方、本発明では気泡径が約０．３５
ｍｍで十分に検出できた。

【００９５】Ｃ）人工透析装置に組み入れた超音波気泡
検出器の環境試験では従来の超音波気泡検出器の感度が
高い製品と本発明の比較をした。５〜２０℃では従来の
超音波気泡検出器と本発明はともに安定した気泡検出し
ているが４０℃では従来の超音波気泡検出器では微小気
泡は検出されたり、しなかったりの不安定な検出をする
ようになった。

【００９６】一方、本発明は安定して動作していて０．
５ｍｍ径以下の気泡でも電圧比較器の比較電圧を変更す
ることにより検出可能であった。

【００９７】

【発明の効果】本発明の超音波気泡検出器１の超音波振
動素子２、１１、１３は振動周波数を決定するための共
振用コイルにコアあるいはコア周辺の充填物中にフェラ
イトを用いたコイル７を採用したことにより電磁波の漏
れがなく、外部からの受信した電磁波の影響が少ないの
で電磁波の授受による感度低下がなく、高周波の電磁波
を外部にできる限り漏らさないように発信側の超音波振
動素子に加える電気的信号を略正弦波信号を発生する正
弦波発振回路２６を備えているので高周波数の電磁波の
発生が少なく、また、増幅された信号を検波し、任意の
時間保持する信号保持時間が異なる２個の信号保持回路
に入力し信号保持時間が長い信号保持回路２の出力の任
意の割合を基準として、電圧比較器の比較電圧を設定
し、もう一方の短い信号保持回路１ ２２の出力が任意
の一定比率の値以下になると検出パルスを発生する２値
化する電圧比較回路２４を構成したことにより、温度変
化による超音波授受の感度変化による不安定な気泡検出
がなくなり、その検出器内で超音波振動素子２、１１、
１３の振動部以外の部分がこの超音波振動素子２、１
１、１３の挟持部分の血液チューブ８との接触面と概ね
同一面（高さ）Ｈで血液チューブ８を狭持するため、平
板状の超音波振動素子２やマスク１２−ａを使った超音
波伝達体９、１４を付加した超音波振動素子１１、１３
を用い、かつ、超音波気泡検出器１内に血液チューブ８
のガイド１５を凹形に形成し血液チューブ８を狭持する
長手方向の中央部に間隙を設け、さらに、安定して血液
チューブ８を狭持するために超音波振動素子２、１１、
１３がその一方が他の一方に対して移動し、あるいはそ
の双方が互いに対して平行して移動し、これまでの一般
的に使用されてきたハサミ様の狭持構造で生じていた血
液チューブ８の歪みや咬みこみが無くなり、、血液チュ
ーブ８と音波振動素子２、１１、１３の振動部との接触
不良もなくなり、血液チューブ８を強く押したり、曲げ
たりしないで気泡をスムーズに通過させ、安定な気泡検
出をなくすことができた。

【００９８】これらの本発明により、気泡検出の誤動作
がなく、安定した超音波気泡検出器、超音波気泡検出装
置および人工透析装置が提供できた。また、誤動作要因
が明らかになり、気泡検出のようなパルス出力ではなく
連続した変化の測定も可能になり、温度変化が大きな雰
囲気で連続した測定をしたい場合には信号保持時間が異
なる２個の信号保持回路を有した信号処理回路を利用す
ることによって可能になり、前記超音波気泡検出器を備
える超音波気泡検出装置として、医療用のみでなく、紡
糸工程での給油管内の気泡や液体輸送管内の液体中の異
物検出、密度変化測定など幅広い分野に提供することが
可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】高分子強誘電体薄膜を使用した超音波振動素子
の構成図（分解説明図）であり、（Ａ）は分解図、
（Ｂ）は断面図である。

【図２】高分子強誘電体薄膜を使用した超音波気泡検出
器の実施例を示す構成図である。

【図３】マスクを付加した円筒型の超音波伝達体を有す
る超音波振動素子の構成図であり、（Ａ）はマスク、
（Ｂ）は円筒型の超音波伝達体を有する超音波振動素
子、（Ｃ）は組立断面図を示す。

【図４】マスクを付加した円筒型の超音波伝達体を有す
る超音波振動素子を使用した超音波気泡検出器の実施例
を示す構成図である。

【図５】マスクを付加した従来の凸型超音波伝達体を有
する超音波振動素子の構成図であり、（Ａ）はマスク、
（Ｂ）は凸型の超音波伝達体を有する超音波振動素子、
（Ｃ）は組立断面図である。

【図６】マスクを付加した凸型の超音波伝達体を有する
超音波振動素子を使用した超音波気泡検出器の実施例を
示す構成図である。

【図７】超音波気泡検出器の血液チューブのガイドの一
例を示す構成図であり、（Ａ）はガイドを有する超音波
気泡検出器の片方の平面図、（Ｂ）は断面図である。

【図８】信号処理回路の構成図である。

【図９】従来の円筒型の超音波伝達体を有する超音波振
動素子の構成図であり、（Ａ）は円筒型の超音波伝達体
の先端が平らな超音波振動素子、（Ｂ）は円筒型の超音
波伝達体の先端が球面状をした超音波振動素子、（Ｃ）
−ａは円筒型の超音波伝達体の先端が球面状で凸型の超
音波振動素子、（Ｃ）−ｂは円筒型の超音波伝達体の先
端が球面状で凹型の超音波振動素子を示す。

【図１０】従来の凸型の超音波伝達体を有する超音波振
動素子の構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面
図、（Ｃ）は側面図である。

【図１１】従来の超音波気泡検出の実施例を示す構成図
であり、（Ａ）は円筒型の超音波伝達体を有する超音波
振動素子の使用例であり、（Ｂ）は凸型の超音波伝達体
を有する超音波振動素子の使用例を示す。

【符号の説明】

１：超音波気泡検出器 ２：（平板状）超音波振動素子 ２−ａ：（平板状）超音波振動素子の振動部 ３：基板 ４：高分子強誘電体薄膜 ５：保護膜 ６：電極 ６−ａ：振動部の電極 ６−ｂ：シールド用電極（０Ｖ） ７：コイル ８：液体輸送管（血液チューブ） ９：円筒型超音波伝達体 １０：無機超音波振動子 １１：円筒型超音波伝達体を付加した超音波振動素子 １２：マスク １３：凸型の超音波伝達体を有する超音波振動素子 １４：凸型超音波伝達体 １５：ガイド ２０：増幅回路 ２１：検波回路 ２２：信号保持回路１ （短い保持時間） ２３：信号保持回路２ （長い保持時間） ２４：電圧比較回路 ２５：レベル設定器 ２６：正弦波発振回路 Ｔ：液体輸送管の内側の幅（内径） Ｈ：超音波振動素子の挟持部分の接触面との同一面（高
さ） Ｓ：ガイドの液体輸送管を狭持する長手方向の中央部の
間隙（幅）

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体が流れる液体輸送管を挟み対向する一
   対の超音波振動素子の振動部が帯状になるようにして液
   体輸送管内を通過する気泡を検出する超音波気泡検出器
   において、前記帯状の振動部の長手方向を液体輸送管内
   の液体の流れ方向に対して交差する方向に配置し、か
   つ、前記帯状の振動部の長さが挟持した状態での液体輸
   送管の内側の幅（内径）Ｔより長く、上記検出器内で超
   音波振動素子の振動部以外の部分が該振動部の液体輸送
   管との接触面と概ね同一面（高さ）Ｈで液体輸送管を挟
   持することを特徴とする超音波気泡検出器。
2. 【請求項２】請求項１記載の超音波気泡検出器におい
   て、一対の超音波振動素子が受、発信側とも高分子強誘
   電体薄膜あるいは無機強誘電体を使用した超音波振動素
   子を使用し、あるいは発信、受信のいずれかの側に無機
   強誘電体を使用し、その逆の受信、発信の側に高分子強
   誘電体薄膜を使用した超音波振動素子を備える超音波気
   泡検出器において、振動部が平板上に略帯状に形成され
   た超音波振動素子であるか、あるいは超音波振動素子の
   受信面または発信面として使用する側に付した超音波伝
   達体の略帯状の先端である超音波振動素子であることを
   特徴とする超音波気泡検出器。
3. 【請求項３】請求項２に記載の超音波気泡検出器におい
   て、超音波振動素子の受信または発信側の面にその全体
   を覆う同形同面積以上の保護膜を付したことを特徴とす
   る超音波気泡検出器。
4. 【請求項４】請求項３記載の超音波気泡検出器におい
   て、超音波振動素子の受信または発信側の面に付した保
   護膜の強誘電体に接触する側に電極を形成して超音波振
   動素子の１つの面の電極とすることを特徴とする超音波
   気泡検出器。
5. 【請求項５】請求項２〜４のいずれかに記載の超音波気
   泡検出器において、強誘電体を単独、または保護膜を付
   して使用する超音波振動素子の強誘電体または強誘電体
   と保護膜とをあわせた厚みを、強誘電体または強誘電体
   と保護膜との材質によって定まる、使用する超音波周波
   数における波長の概ね４分の１とすることを特徴とする
   超音波気泡検出器。
6. 【請求項６】請求項２〜５のいずれかに記載の超音波気
   泡検出器において、強誘電体を使用する超音波振動素子
   の超音波を受信または発信する面と反対の面の電極厚み
   を、その電極材質によって定まる、使用する超音波周波
   数における波長の概ね２分の１とすることを特徴とする
   超音波気泡検出器。
7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の超音波気
   泡検出器において、超音波振動素子の振動周波数を決定
   するための共振用コイルとしてコアあるいはコア周辺の
   充填物中にフェライトを用いることを特徴とする超音波
   気泡検出器。
8. 【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の超音波気
   泡検出器において、コイルを使用する超音波振動素子の
   共振周波数におけるコイルのＱ値が１〜１００であるこ
   とを特徴とする超音波気泡検出器。
9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の超音波気
   泡検出器において、超音波振動素子の共振周波数におけ
   るコンダクタンスが０．１ミリシーメンス以上であるこ
   とを特徴とする超音波気泡検出器。
10. 【請求項１０】請求項１〜９のいずれかに記載の液体が
    流れる液体輸送管を挟み対向する一対の超音波振動素子
    の挟持部の液体輸送管内を通過する気泡を検出する超音
    波気泡検出器において、液体輸送管の材料が高分子樹脂
    またはゴムであり、該液体輸送管が血液などが流れるチ
    ューブであることを特徴とする超音波気泡検出器。
11. 【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の液体
    が流れる液体輸送管を挟み対向する一対の超音波振動素
    子の挟持部の液体輸送管内を通過する気泡を検出する超
    音波気泡検出器において、液体輸送管のガイドの断面形
    状が略凹形であり、液体輸送管を狭持する長手方向の中
    央部に間隙（幅）Ｓを有する該ガイドであることを特徴
    とする超音波気泡検出器。
12. 【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかに記載の超音
    波気泡検出器において、一対の超音波振動素子がその一
    方が他の一方に対して移動し、あるいはその双方が互い
    に対して平行して移動し、液体輸送管を狭持する機構を
    備えることを特徴とする超音波気泡検出器。
13. 【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかに記載の超音
    波気泡検出器において、発信側の超音波振動素子に加え
    る電気的信号が略正弦波信号であることを特徴とする超
    音波気泡検出器。
14. 【請求項１４】請求項１〜１３のいずれかに記載の超音
    波気泡検出器において、超音波振動素子が受信した超音
    波によって得られる信号処理をする信号処理回路の増幅
    回路の出力を検波し、任意の時間保持する信号保持時間
    が異なる２個の信号保持回路を有し、保持時間の長い信
    号保持回路の出力の任意の割合をを基準として、保持時
    間の短い信号保持回路の出力を比較して、２値化する電
    圧比較器を備えることを特徴とする超音波気泡検出器。
15. 【請求項１５】チューブ内の気泡検出に請求項１〜１４
    のいずれかに記載の超音波気泡検出器を備えることを特
    徴とする超音波気泡検出装置。
16. 【請求項１６】血液をチューブに通して人工腎臓との間
    を循環させる血液ポンプを有する超音波気泡検出装置の
    チューブ内の気泡検出に請求項１〜１４のいずれかに記
    載の超音波気泡検出器を備えることを特徴とする人工透
    析装置。