(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子の超音波振動を対象物まで適切に伝達させることで超音波信号の検出特性を良好にすることができる超音波送受信装置を提供する。【解決手段】超音波送受信装置としての気泡センサは、一対のヘッド１１（送信ヘッド１１Ａおよび受信ヘッド１１Ｂ）を備える。ヘッドは、対象物であるチューブとの間で超音波を相互に伝達する伝達台１２と、超音波振動を発生する圧電素子１３と、を備え、圧電素子の一方の面が伝達台と一体化されている。【選択図】図３
0003230592.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
対象物に向かって超音波を送信するかまたは対象物から超音波を受信するヘッドを備えた超音波送受信装置であって、
前記ヘッドは、
対象物との間で超音波を相互に伝達する伝達台と、
超音波振動を発生する圧電素子と、を備え、
前記圧電素子の一方の面が前記伝達台と一体化されていることを特徴とする超音波送受信装置。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記伝達台にインサート成形されることで一体化されるか、または、前記伝達台に接着剤で固定されることで一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波送受信装置。
【請求項３】
前記接着剤と前記伝達台の構成材料とは、互いの音響インピーダンスの差が小さくなるように、前記接着剤の密度と音速との積が前記伝達台の構成材料の密度と音速との積に近似することを特徴とする請求項２に記載の超音波送受信装置。
【請求項４】
前記伝達台は、硬質樹脂製であり、前記接着剤は、エポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波送受信装置。
【請求項５】
前記圧電素子の他方の面側には、弾性材料からなる封止剤が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波送受信装置。
【請求項６】
前記圧電素子の他方の面には、外部に延びる電線と電気接続される電極が設けられ、
前記封止剤は、前記電極と前記電線との接続部を少なくとも覆って設けられていることを特徴とする請求項５に記載の超音波送受信装置。
【請求項７】
前記伝達台は、有底中空状に形成され、その底部に前記圧電素子が一体化され、中空部に前記封止剤が充填されていることを特徴とする請求項５または６に記載の超音波送受信装置。
【請求項８】
前記封止剤は、シリコーンまたはウレタンであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の超音波送受信装置。
【請求項９】
前記封止剤の硬度（デュロメータータイプＡ）は、３０〜５０であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の超音波送受信装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、超音波を送信または受信したり超音波を送受信したりする超音波送受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を送信する送信ヘッドや超音波を受信する受信ヘッド、送信ヘッドおよび受信ヘッドの両方を備えた超音波送受信装置として、超音波センサや超音波アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の超音波センサは、導管を流れる液体中の気泡を検出するために利用されるものであって、導管を挟んで設けられる一対のヘッドを備える。各ヘッドは、導管に当接される振動面を有した超音波伝達体と、超音波伝達体に内蔵される圧電素子と、を備えて構成されている。
【０００３】
また、一般的な超音波センサとして、アルミニウム等の導電性を有したケースの内底面に圧電素子を接着してユニモルフ構造体を構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。このような超音波センサでは、圧電素子の振動によってケースの底部がベンディング振動し、このベンディング振動によって対象物に対して超音波を送受信するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−４４８９３号公報
【特許文献２】再表ＷＯ２０１６／１３３０１６号
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の超音波センサは、特許文献２に記載されたユニモルフ構造体のベンディング振動を利用するものとは異なり、ヘッドの超音波伝達体によって超音波振動が伝達されるものである。このような超音波センサでは、圧電素子から超音波伝達体および対象物に至る音波伝達経路の音響インピーダンスが重要であり、音波伝達経路に音響インピーダンスの差が大きな物質が含まれていると、物質間の界面で音波が反射されて超音波振動が対象物に伝達されにくくなり、超音波信号の検出特性が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
本考案の目的は、圧電素子の超音波振動を対象物まで適切に伝達させることで超音波信号の検出特性を良好にすることができる超音波送受信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本考案の超音波送受信装置は、対象物に向かって超音波を送信するかまたは対象物から超音波を受信するヘッドを備えた超音波送受信装置であって、前記ヘッドは、対象物との間で超音波を相互に伝達する伝達台と、超音波振動を発生する圧電素子と、を備え、前記圧電素子の一方の面が前記伝達台と一体化されていることを特徴とする。
【０００８】
このような本考案によれば、圧電素子の一方の面が伝達台と一体化されていることで、音波伝達経路の音響インピーダンスを整合させることができ、圧電素子の超音波振動を対象物まで適切に伝達させることにより超音波信号の検出特性を良好にすることができる。
【０００９】
この際、前記圧電素子は、前記伝達台にインサート成形されることで一体化されるか、または、前記伝達台に接着剤で固定されることで一体化されていることが好ましい。ここで、圧電素子が伝達台にインサート成形されることで一体化されていれば、圧電素子と伝達台との間に他の物質を含まないようにできるので、超音波振動を確実に伝達することができる。また、圧電素子が伝達台に接着剤で固定されることで一体化されていれば、伝達台と接着剤との音響インピーダンスを整合させることで、超音波振動を確実に伝達することができる。
【００１０】
さらに、前記接着剤と前記伝達台の構成材料とは、互いの音響インピーダンスの差が小さくなるように、前記接着剤の密度と音速との積が前記伝達台の構成材料の密度と音速との積に近似することが好ましい。この構成によれば、接着剤の密度と音速との積として、伝達台の構成材料の密度と音速との積に近似させることで、互いの音響インピーダンスを整合させることができる。この際、接着剤と伝達台の構成材料とは、互いの密度および音速の両方が近似していれば、密度と音速との積も近似するが、互いの密度および音速が不均衡な場合であっても、それらの積が近似したものであれば、音響インピーダンスを整合させることができる。
【００１１】
また、前記伝達台は、硬質樹脂製であり、前記接着剤は、エポキシ系接着剤であることが好ましい。この構成によれば、伝達台の硬質樹脂と音響インピーダンスが近似したエポキシ系接着剤によって圧電素子が伝達台に固定されることで、超音波振動の伝達特性を良好にすることができる。
【００１２】
また、前記圧電素子の他方の面側には、弾性材料からなる封止剤が設けられていることが好ましい。この構成によれば、弾性材料からなる封止剤によって圧電素子の他方の面が封止されることで、圧電素子の振動が阻害されず、伝達台に向かって超音波振動を適切に伝達することができる。さらに、封止剤が設けられていることで、圧電素子の他方の面を保護することができる。
【００１３】
また、前記圧電素子の他方の面には、外部に延びる電線と電気接続される電極が設けられ、前記封止剤は、前記電極と前記電線との接続部を少なくとも覆って設けられていることが好ましい。この構成によれば、封止剤が電極と電線との接続部を覆うことで、封止剤によって接続部を保護することができる。従って、電線に力が加わったとしても、封止剤によって接続部の変形を防ぐことで、接続部の破損や接続不良が防止できる。
【００１４】
また、前記伝達台は、有底中空状に形成され、その底部に前記圧電素子が一体化され、中空部に前記封止剤が充填されていることが好ましい。この構成によれば、伝達台の中空部に封止剤が充填されていることで、圧電素子の他方の全面を封止剤で覆って保護することができる。さらに 、電気信号を扱う箇所を透析液や、薬品等から保護することができる。
【００１５】
また、前記封止剤は、シリコーンまたはウレタンであることが好ましい。この構成によれば、シリコーンまたはウレタンを封止剤に利用することで、耐水性や耐薬品性を高めることができる。
【００１６】
さらに、前記封止剤の硬度（デュロメータータイプＡ）は、３０〜５０であることが好ましい。この構成によれば、封止剤の硬度が３０〜５０であることで、圧電素子の振動が阻害されにくくできる。
【考案の効果】
【００１７】
本考案の超音波送受信装置によれば、圧電素子の一方の面が伝達台と一体化されていることで、圧電素子から伝達台および対象物に至る音波伝達経路の音響インピーダンスのばらつきを小さくし、圧電素子の超音波振動を適切に対象物まで伝達させることにより超音波信号の検出特性を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本考案の超音波送受信装置の使用状態を示す図である。
【図２】前記超音波送受信装置の動作を示す図である。
【図３】前記超音波送受信装置のヘッドを示す断面図である。
【図４】前記ヘッドの組み立て手順を示す断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１９】
本考案の一実施形態に係る超音波送受信装置を図１〜図４に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の超音波送受信装置は、人工透析器１におけるチューブ（導管）２を流れる血液（流体）中の気泡Ｂの有無を検出する気泡センサ１０として用いられる。人工透析器１は、チューブ２の動脈側端部２Ａから静脈側端部２Ｂにかけて順に、血液を送るローラポンプ３と、血液を濾過するフィルタを有した濾過器４と、透析装置５と、を備える。チューブ２の動脈側端部２Ａは患者の動脈に接続され、静脈側端部２Ｂは静脈に接続される。透析装置５は、透析液を供給する透析液タンク６と、廃液を廃棄するための廃液タンク７と、にそれぞれ接続されている。
【００２０】
気泡センサ１０は、ローラポンプ３と濾過器４との間において、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、チューブ２を挟んで互いに対向する一対のヘッド１１（送信ヘッド１１Ａおよび受信ヘッド１１Ｂ）を備えている。気泡センサ１０は、送信ヘッド１１Ａからチューブ２内の血液に向かって超音波を送信し、血液を通過した超音波を受信ヘッド１１Ｂで受信することで、血液中に気泡Ｂが存在するか否かを検知するようになっている。すなわち、図２（Ａ）に示すように、気泡Ｂがなければ、送信ヘッド１１Ａに入力された所定波形（パルス）の超音波が受信ヘッド１１Ｂで受信され、図２（Ｃ）に示すように、受信ヘッド１１Ｂから所定の信号Ｓ１が出力される。一方、図２（Ｂ）に示すように、血液中に気泡Ｂが含まれていると、送信ヘッド１１Ａから送信された超音波が気泡Ｂにより減衰されるため、受信ヘッド１１Ｂが受信する超音波が弱まり、受信ヘッド１１Ｂから出力される信号Ｓ２により異常が検知される。
【００２１】
ヘッド１１（送信ヘッド１１Ａおよび受信ヘッド１１Ｂ）は、図３に示すように、伝達台１２と、電気信号と超音波の機械的振動とを相互に変換する圧電素子１３と、伝達台１２と圧電素子１３とを接着して一体化する接着剤１４と、圧電素子１３に接続される電線１５と、伝達台１２の内部に充填される封止剤１６と、伝達台１２の開口部を覆って固定されるカバー１７と、を備えている。電線１５の先端の導電線１５Ａは、圧電素子１３の電極に半田付けにより接続され、この半田付けにより接続部１８が構成されている。カバー１７は、伝達台１２に接着剤１９によって固定されている。
【００２２】
伝達台１２は、硬質樹脂製の一体成形部材であり、チューブ２に押圧接触されて相互に超音波振動を伝達する短尺円柱状の伝達部１２Ａと、伝達部１２Ａに連続した円筒状の筒部１２Ｂと、筒部１２Ｂに連続して径方向外側に延びる鍔部１２Ｃと、を有して全体有底筒状に形成されている。伝達台１２を構成する硬質樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）や、アクリル樹脂、ＡＳＡ樹脂、ＡＢＳ樹脂などが利用できるが、医療用としては耐薬品性や耐水性に優れたポリ塩化ビニルが好適である。ポリ塩化ビニルの一例としては、密度が１．３５〜１．４５ｇ／ｃｍ３で、音速が２４００ｍ／ｓｅｃのものがある。
【００２３】
伝達台１２と圧電素子１３とを接着する接着剤１４は、エポキシ系接着剤であり、圧電素子１３の一方の面（図３の下面）と、伝達台１２の伝達部１２Ａの表面（図３の上面であり、筒部１２Ｂの底部）と、を強固に接着して一体化している。なお、伝達台１２と圧電素子１３とは、接着剤１４によって接着することで一体化される構成に限らず、圧電素子１３が伝達台１２にインサート成形されることで一体化されていてもよい。また、接着剤１４としては、硬質樹脂製の伝達台１２と音響インピーダンスが近似した特性を有したものが好ましい。すなわち、伝達台１２の硬質樹脂と接着剤１４とは、それぞれ密度と音速とが近似した材料が選択されていることで、密度と音速との積である音響インピーダンスの差が小さくなる組み合わせとされている。エポキシ系接着剤（フィラーなし）の一例としては、密度が１．１１〜１．４０ｇ／ｃｍ３で、音速が２５４０ｍ／ｓｅｃのものがある。
【００２４】
封止剤１６は、弾性材料から構成され、伝達台１２の筒部１２Ｂに充填されることで、圧電素子１３の他方の面（図３の上面）側を覆い、これにより圧電素子１３が封止されている。従って、圧電素子１３の電極と電線１５との接続部１８も封止剤１６によって封止され、露出しないようになっている。従って、圧電素子１３、接続部１８、導電線１５Ａなどの電気信号を扱う箇所が、透析液や、薬品等から保護される。封止剤１６は、耐水性、耐薬品性、電気絶縁性などからシリコーンまたはウレタンであることが好ましく、その硬度（デュロメータータイプＡ）は、３０〜５０であることが好ましい。
【００２５】
ヘッド１１の組み立て手順としては、図４（Ａ）に示すように、先ず、伝達台１２の伝達部１２Ａの上面に接着剤１４によって圧電素子１３の一方の下面を接着固定する。次に、圧電素子１３の電極に電線１５の導電線１５Ａを半田付けにより接続する。次に、図４（Ｂ）に示すように、伝達台１２の筒部１２Ｂに封止剤１６を充填し、圧電素子１３の上面側を封止剤１６で封止する。その後、図３に示すように、伝達台１２の鍔部１２Ｃにカバー１７を接着剤１９で固定し、伝達台１２の開口部をカバー１７で覆って、ヘッド１１の組み立てが完了する。
【００２６】
以上の本実施形態によれば、気泡センサ１０のヘッド１１は、圧電素子１３の一方の面が伝達台１２の伝達部１２Ａと一体化されていることで、対象物であるチューブ２に向かう音波伝達経路の音響インピーダンスを整合させることができ、圧電素子１３の超音波振動をチューブ２まで適切に伝達させることにより超音波信号の検出特性を良好にすることができる。
【００２７】
また、圧電素子１３が伝達台１２に接着剤１４で固定されることで一体化され、接着剤１４がエポキシ系接着剤であることで、伝達台１２と接着剤１４との音響インピーダンスを整合させることができ、チューブ２まで超音波振動を確実に伝達することができる。さらに、伝達台１２の硬質樹脂と接着剤１４とは、それぞれ密度と音速とが近似した材料が選択され、伝達台１２と接着剤１４との密度と音速との積である音響インピーダンスが近似していることで、超音波の伝達特性をさらに向上させることができる。
【００２８】
また、弾性材料からなる封止剤１６によって圧電素子１３の上面が封止されることで、圧電素子１３の振動が阻害されず、伝達台１２に向かって超音波振動を適切に伝達することができる。さらに、封止剤１６が設けられていることで、圧電素子１３の上面を保護することができる。
【００２９】
また、封止剤１６が圧電素子１３の電極と電線１５の導電線１５Ａとの接続部１８を覆うことで、封止剤１６によって接続部１８を保護することができる。従って、電線１５に力が加わったとしても、封止剤１６によって接続部１８の変形を防ぐことで、接続部１８の破損や接続不良が防止できる。さらに、伝達台１２の筒部１２Ｂに封止剤１６が充填されていることで、圧電素子１３の上面側全体を封止剤１６で覆って保護することができる。このことから、圧電素子１３、接続部１８、導電線１５Ａなど、電気信号を扱う箇所を透析液や、薬品などから保護することができる。
【００３０】
また、封止剤１６がシリコーンまたはウレタンであることで、耐水性や耐薬品性を高めることができる。さらに、封止剤１６の硬度（デュロメータータイプＡ）が３０〜５０であることで、圧電素子１３の振動が阻害されにくくできる。
【００３１】
なお、本考案は、前記実施形態に限定されるものではなく、本考案の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本考案に含まれる。例えば、前記実施形態では、超音波送受信装置は、人工透析器１におけるチューブ２を流れる血液中の気泡Ｂの有無を検出する気泡センサ１０として利用される場合を説明したが、本発明の超音波送受信装置は、気泡センサ１０に限らず、各種の超音波センサや超音波アクチュエータとして利用可能である。
【００３２】
また、前記実施形態では、ヘッド１１として、送信ヘッド１１Ａおよび受信ヘッド１１Ｂが共通の構造を有していたが、本発明の超音波送受信装置では、送信ヘッドおよび受信ヘッドのうち少なくとも一方のヘッドが前記実施形態の構造を有していればよい。また、超音波送受信装置は、送信ヘッドおよび受信ヘッドの両方を有したものに限らず、いずれか一方のヘッドを有したものであってもよい。
【００３３】
また、前記実施形態では、ヘッド１１の伝達台１２の構成材料として、硬質樹脂（ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、ＡＳＡ樹脂、ＡＢＳ樹脂）を採用したが、これに限らず、伝達台は、軟質樹脂製であってもよいし、金属製であってもよい。また、前記実施形態では、伝達台１２とカバー１７とが別体で構成され、互いに接着剤１９で固定される構成であったが、これに限らず、伝達台とカバーとが一体成形で構成されてもよい。その場合、圧電素子１３が伝達台およびカバーにインサート成形によって一体化されることが好ましい。
【００３４】
また、前記実施形態では、伝達台１２の中空部に封止剤１６が充填され、封止剤１６によって圧電素子１３の他方の面が覆われていたが、これに限らず、封止剤１６を省略してもよい。また、封止剤１６は、圧電素子１３の他方の全面を覆うものに限らず、圧電素子１３の電極と電線１５の導電線１５Ａとの接続部１８を含んだ領域を覆うように設けられていてもよい。また、封止剤１６は、シリコーンまたはウレタンに限らず、弾性材料であれば任意の物質を採用可能である。さらに、封止剤１６の硬度は、３０〜５０に限らず、３０未満であってもよいし、５０を超えるものであってもよい。
【００３５】
以上、本考案の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本考案に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１１      ヘッド
１２      伝達台
１３      圧電素子
１４      接着剤
１５      電線
１６      封止剤
１８      接続部
【図１】
0003230592.tif 000003
【図２】
0003230592.tif 000004
【図３】
0003230592.tif 000005
【図４】
0003230592.tif 000006