JP2010084567A - 流体噴射装置、および手術用器具 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラムの耐久性を確保した流体噴射装置、および手術器具を提供する。
【解決手段】容積が変更可能な流体室５０１と、流体室５０１に連通する入口流路５０３
及び出口流路５１１と、出口流路５１１側に設けられた流体噴射開口部２１２と、流体室
５０１の容積変更手段として伸張または収縮する伸縮素子である圧電素子４０１及びダイ
アフラム４００と、圧電素子４０１とダイアフラム４００との間に配置された、ダイアフ
ラム４００の剛性以上の剛性を有する剛性補助手段としての補助板４１１とを有し、ダイ
アフラム４００は、ダイアフラム４００の外周部を固定する外周固定手段により外周部を
固定され、該剛性補助手段は、圧電素子４０１に固着され、かつ、ダイアフラム４００と
向かい合う面の中央部においてダイアフラム４００と固着され、該剛性補助手段の外周部
は、ダイアフラム４００と固着されていない。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体を噴射する流体噴射装置、およびそれを用いた手術用器具に関する。

従来の流体噴射装置においては、容積変更手段として圧電素子とダイアフラムとを備え
、圧電素子の伸張または収縮による変形によってダイアフラムを変形させて流体室内の容
積を周期的に変化させる。これにより、流体室内が周期的に加圧される。そして、流体の
脈動が発生し、流体室から流動される流体の脈動が流体噴射開口部に伝わることで流体が
流体噴射開口部より噴射される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−８２２０２号公報

このような特許文献１では、ダイアフラムを変形させるために、圧電素子とダイアフラ
ムとを固定する部位とダイアフラムの周辺部を固定するための部位との間に隙間を設ける
必要がある。しかしながら、このような隙間は流体室内が加圧されたときには流体室の外
側（以下、「伸縮素子が配置される側」とも言う。）に対して変形してしまい流体室内の
圧力を低下させる原因となる。そのため、圧力が低下してしまうと流体を強く噴射するこ
とが困難となる。
また、このような流体室の圧力の低下を避けるために隙間を小さくすると、ダイアフラ
ムの変形時に隙間部分に応力が集中してダイアフラムが破損してしまう可能性がある。特
に、容積変更手段が圧電素子の場合、伸張または収縮の変形量が微小なため、ダイアフラ
ムが変形し易いように肉薄もしくはシート状のダイアフラムを用いるため、これらの問題
が非常に起き易い。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するように、以下の形態または適用例と
して実現される。

〔適用例１〕本適用例の流体噴射装置は、容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連
通する入口流路及び出口流路と、前記出口流路側に設けられた流体噴射開口部と、前記流
体室の容積変更手段として伸張または収縮する伸縮素子及びダイアフラムと、前記伸縮素
子と前記ダイアフラムとの間に配置された、前記ダイアフラムの剛性以上の剛性を有する
剛性補助手段とを有し、前記ダイアフラムは、当該ダイアフラムの外周部を固定する外周
固定手段により前記外周部を固定され、前記剛性補助手段は、前記伸張素子に固着され、
かつ、前記ダイアフラムと向かい合う面の中央部において前記ダイアフラムと固着され、
前記剛性補助手段の外周部は、前記ダイアフラムと固着されていないことを特徴とする。

本適用例によれば、伸張素子とダイアフラムの間に剛性補助手段が配置されるため、流
体室内が加圧されたときに、ダイアフラムが流体室の外側に変形してしまうことを抑制で
きる。従って、流体室内の圧力を低下させることが抑制でき、流体を強く噴射することが
可能となる。また、流体室内の圧力を低下させる原因となるダイアフラムの外周部を固定
する外周固定手段と剛性補助手段の外周部との隙間を小さくしても、剛性補助手段の外周
部は、ダイアフラムと固着されていないため、ダイアフラムの変形時に隙間部分に応力が
集中することを緩和でき、ダイアフラムの耐久性を確保することが可能となり、また流体
を強く噴射することも可能となる。

〔適用例２〕また、上記適用例に記載の流体噴射装置であって、前記剛性補助手段と前
記ダイアフラムは層状の固着層を介して固着され、当該固着層は、略円盤状の形状である
ことを特徴とする。

本適用例によれば、変形抑制手段から受ける抗力を均一にダイアフラムに伝えることが
できる。従って、ダイアフラムの耐久性を確保することが可能となり、また流体を強く噴
射することも可能となる。

〔適用例３〕また、上記適用例に記載の流体噴射装置であって、前記ダイアフラムが前
記伸縮素子の伸張または収縮によって変形させられていない場合、前記剛性補助手段の外
周部は、前記剛性補助手段の最外周に向かって、当該ダイアフラムとの距離が離れていく
形状であることを特徴とする。

本適用例によれば、伸縮素子が伸縮させられていない状態から、伸縮素子が伸張し始め
たときにダイアフラムの変形と剛性補助手段の形状とがより一致する。従って、さらにダ
イアフラムの耐久性を確保することができ、また流体を強く噴射することも可能となる。

〔適用例４〕また、上記適用例に記載の流体噴射装置であって、前記ダイアフラムが前
記伸縮素子の伸張または収縮によって変形させられていない場合、前記剛性補助手段の外
周部の第１の位置における前記剛性補助手段と前記ダイアフラムとの距離は、前記第１の
位置よりも前記剛性補助手段の中央部に近い位置である、前記剛性補助手段の外周部の第
２の位置における前記剛性補助手段と前記ダイアフラムとの距離よりも長いことを特徴と
する。

本適用例によれば、剛性補助手段の外周部であって該剛性補助手段の中央部に近い位置
（第２の位置）より遠い位置（第１の位置）の方が、剛性補助手段とダイアフラムとの距
離が長い。これによりさらにダイアフラムの耐久性を確保することが可能となり、また流
体を強く噴射することも可能となる。

〔適用例５〕本適用例の手術用器具は、上述の流体噴射装置を有することを特徴とする
。

本適用例によれば、上述の流体噴射装置の利点を有する手術用器具を提供することが可
能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好まし
い種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参
照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図
である。

また、本発明による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の
洗浄、物体の切断や切除、手術用メス等様々に採用可能であるが、以下に説明する実施の
形態では、生体組織を切開または切除することに好適な流体噴射装置を例示して説明する
。従って、実施の形態にて用いる流体は、水、生理食塩水、薬液等である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る流体噴射装置の概略構成を示す説明図である。図１
において、流体噴射装置１は、基本構成として流体を収容する流体容器１０と、圧力発生
部としてのポンプ２０と、ポンプ２０から供給される流体を脈動流動する脈動発生部１０
０と、から構成されている。

脈動発生部１００には、細いパイプ状の接続流路管２００が接続され、接続流路管２０
０の先端部には流路が縮小されたノズル２１１が挿着されている。

この流体噴射装置１における流体の流動を簡単に説明する。流体容器１０に収容された
流体は、接続チューブ１５を介してポンプ２０によって吸引され、一定の圧力で接続チュ
ーブ２５を介して脈動発生部１００に供給する。脈動発生部１００には流体室５０１（図
２、参照）と、この流体室５０１の容積変更手段とを備えており、容積変更手段を駆動し
て脈動を発生させ、接続流路管２００、ノズル２１１を通して流体を高速で噴射する。

次に、本実施形態による脈動発生部１００の構造について説明する。図２は、本実施形
態に係る脈動発生部１００の構造を示す断面図である。図２において、脈動発生部１００
は、流体の脈動を発生させるために、流体室５０１の容積変更手段として圧電素子４０１
とダイアフラム４００を含んで構成される。

まず、脈動発生部１００は、上ケース５００と下ケース３０１とをそれぞれ対向する面
において接合され、４本の固定螺子６００（図示は一部省略）によって螺着されている。
下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉され
ている。この下ケース３０１の内部空間に圧電素子４０１が配設される。

伸縮素子である圧電素子４０１は、積層型圧電素子であってアクチュエータを構成する
。圧電素子４０１の一方の端部は補助板４１１を介してダイアフラム４００に、他方の端
部は底板３１１の上面３１２に固着されている。補助板４１１は、円盤状の金属板からな
り、ダイアフラム４００の剛性以上の剛性を有する。従って、補助板４１１は、ダイアフ
ラム４００の剛性を補助するための剛性補助手段として機能する。なお、補助板４１１は
、ダイアフラム４００以上の剛性とするために、ダイアフラム４００よりもヤング率の大
きい材料を用いたり、ヤング率が小さくてもダイアフラム４００よりも厚さを大きくした
りするとよい。つまり、補助板４１１は、ダイアフラム４００よりもせん断力に対して変
形しにくくするとよい。

また、ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０
３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。そして、圧電素子４０１
に駆動信号を入力することで、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を
介して流体室５０１の容積を変更する。なお、圧電素子４０１は、磁歪素子や静電アクチ
ュエータ等を利用しても構わない。

ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する環状の金属薄板からなる補強
板４１０が積層配設される。

上ケース５００は、下ケース３０１と対向する面の中心部に凹部が形成され、この凹部
とダイアフラム４００とに囲まれた空間が流体室５０１である。流体室５０１の略中央部
には出口流路５１１が穿設されている。

出口流路５１１は、流体室５０１から上ケース５００の一方の端面から突設された出口
流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１と流体室５０１の封止面５０５
との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。

出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続
流路２０１が穿設されており、接続流路２０１の直径は出口流路５１１の直径より大きい
。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範
囲に形成されている。

接続流路管２００の先端部には、ノズル２１１が挿着されている。このノズル２１１に
は流体噴射開口部２１２が穿設されている。流体噴射開口部２１２の直径は、接続流路２
０１の直径より小さい。

上ケース５００の側面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着す
る入口流路管５０２が突設されており、入口流路管５０２に入口流路側の接続流路５０４
が穿たれている。接続流路５０４は入口流路５０３に連通されている。入口流路５０３は
、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している
。

上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向
の離間した位置には、下ケース３０１側にパッキンボックス３０４、上ケース５００側に
パッキンボックス５０６が形成されており、パッキンボックス３０４，５０６にて形成さ
れる空間にリング状のパッキン４５０が装着されている。

ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周
縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３
０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５
００と下ケース３０１によって押し圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止してい
る。

続いて、ダイアフラム４００及びその周辺部について図面を参照してさらに詳しく説明
する。図３は、図２の一部を拡大したダイアフラム４００及びその周辺部の断面図である
。なお、説明に不要な部品は説明を分かり易くするために省略する。

ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０３内に
おいて周縁部が凹部３０３の底面で密着固着される。すなわち、下ケース３０１は、ダイ
アフラム４００の外周部を固定する外周固定手段であり、下ケース３０１によって外周固
定部位４００ａが固定される。

また、ダイアフラム４００と圧電素子４０１の間には、円盤状の金属板からなる補助板
４１１が配置され、圧電素子４０１と補助板４１１は接着剤により固着される。また、補
助板４１１は、接着剤による固着層４２０を介し、ダイアフラム４００と向かい合う面の
中央部においてダイアフラム４００の固着部位４００ｂと固着される。このとき、補助板
４１１の外周部４１１ａと、補助板４１１の外周部４１１ａと対向するダイアフラム４０
０の中間部４００ｃとは固着されていない。

図４に補助板４１１側から見た固着層４２０とダイアフラム４００の斜視図を示す。な
お、説明の為、補助板４１１や圧電素子４０１などは図４では不図示とする。図４におい
て、固着層４２０は円盤状であり、ダイアフラム４００における固着層４２０と接する固
着部位４００ｂは円形となる。従って、固着部位４００ｂの同心円状に外周固定部位４０
０ａや補助板４１１を位置させることで、圧電素子４０１の伸張、収縮によってダイアフ
ラム４００が変形する際に、ダイアフラム４００に不均等に応力が集中しないようにして
いる。なお、固着層４２０の厚さは、圧電素子４０１の伸張、収縮する変位量以下にして
いる。なお、補助板４１１がダイアフラム４００を傷つけないようにエッジを丸くしてお
くと良い。

続いて、圧電素子４０１の伸張、収縮によってダイアフラム４００が変形する様子につ
いて図面を参照してさらに詳しく説明する。図５は、ダイアフラム４００が変形する様子
を示す説明図であり、図３と同じくダイアフラム４００及びその周辺部の断面図である。

図５（ａ）は、圧電素子４０１に電圧が印加されていない状態である。

そして、図５（ｂ）は、圧電素子４０１に印加する電圧を上げて、圧電素子４０１が伸
張してダイアフラム４００が変形する状態である。

そして、図５（ｃ）は、圧電素子４０１に印加する電圧をさらに上げて、圧電素子４０
１がさらに伸張してダイアフラム４００が変形する状態である。このとき、流体室５０１
は加圧され、ダイアフラム４００の中間部位４００ｃの部位で圧電素子４０１側に変形し
ようとするが、補助板４１１により変形が抑制される。

また、補助板４１１の外周部４１１ａは、ダイアフラム４００と固着されていない、つ
まり、中間部位４００ｃによってダイアフラム４００に集中的に加わる応力を緩和するこ
とができ、ダイアフラム４００の耐久性を確保することが容易となっている。つまり、補
助板４１１と下ケース３０１との間の隙間を小さくすることで、中間部位４００ｃが流体
室５０１の外側に変形することをさらに抑制できるが、ダイアフラム４００に過度な応力
は発生しにくい。

そして、図５（ｄ）は、圧電素子４０１に印加する電圧を下げて、圧電素子４０１が収
縮してダイアフラム４００が変形する状態である。

そして、図５（ｅ）は、圧電素子４０１に印加する電圧をさらに下げて、圧電素子４０
１がさらに収縮してダイアフラム４００が変形する状態である。

そして、図５（ａ）に戻り、図５（ａ）から図５（ｅ）を繰り返すことで、脈動を発生
して、流体を噴射する。

従って、前述した実施形態１によれば、補助板４１１が配置されているため、流体室５
０１内が加圧されたときに、中間部位４００ｃが流体室５０１の外側に変形してしまうこ
とを抑制できる。従って、流体室５０１内の圧力が低下することを抑制でき、流体を強く
噴射することが可能となる。

また、ダイアフラム４００が他の部位と固着されていない中間部位４００ｃによってダ
イアフラム４００に集中的に加わる応力を緩和することができ、ダイアフラム４００の耐
久性を確保することが可能となり、また流体を強く噴射することも可能となる。

また、固着層４２０が円盤状であるため、ダイアフラム４００に不均等に応力が集中し
ないようにすることができる。従って、ダイアフラム４００の耐久性を確保することが可
能となり、また流体を強く噴射することも可能となる。

（実施形態２）
続いて、本発明の実施形態２に係る脈動発生部について図面を参照して説明する。実施
形態２において、補助板以外は、前述した実施形態１と同じ構造であるので説明を省略し
、同じ機能部位には実施形態１と同じ符号を附して説明する。図６は、圧電素子４０１に
は電圧が印加されず、圧電素子４０１が伸張または収縮していない状態のダイアフラム４
００及びその周辺部の断面図である。

ダイアフラム４００と圧電素子４０１との間には、円盤状の金属板からなる補助板４１
２が配置され、圧電素子４０１と補助板４１２は接着剤により固着される。また、補助板
４１２は、接着剤による固着層４２０を介し、ダイアフラム４００と向かい合う面の中央
部においてダイアフラム４００の固着部位４００ｂと固着される。このとき、図６におい
て、圧電素子４０１には電圧が印加されていない状態であって、圧電素子４０１は伸張ま
たは収縮していない。そして、補助板４１２の外周部４１２ａは、補助板４１２の最外周
に向かって、ダイアフラム４００との距離が離れていく形状となっている。すなわち、補
助板４１２の外周部４１２ａとダイアフラム４００との距離は、補助板４１２の中央部に
近い位置としての第２の位置より、第２の位置よりも中央部から遠い位置としての第１の
位置の方が長い（離れている）。

続いて、圧電素子４０１の伸張、収縮によってダイアフラム４００が変形する様子につ
いて図面を参照してさらに詳しく説明する。図７は、圧電素子４０１に電圧を印加して、
圧電素子４０１が伸張してダイアフラム４００が変形する状態のダイアフラム４００及び
その周辺部の断面図である。

図７において、ダイアフラム４００の変形と補助板４１２の形状とが略一致している。
従って、ダイアフラム４００が補助板４１２から受ける抗力をより均等にできる。なお、
補助板４１２がダイアフラム４００を傷つけないようにエッジを丸くしておくと良い。

従って、前述した実施形態２によれば、補助板４１２の外周部４１２ａは、補助板４１
２の最外周に向かって、ダイアフラム４００との距離が離れていく形状となっているため
、さらにダイアフラム４００の耐久性を確保することが可能となり、また流体を強く噴射
することも可能となる。

尚、本実施形態では、補助板４１１，４１２の外周部がダイアフラムと固着されていな
いため、圧電素子４０１が収縮する場合には、補助板４１１，４１２がダイアフラム４０
０の変形を抑制する効果は少ない。しかし、生体組織を切開または切除することを考えた
場合、圧電素子４０１を伸張して流体を強く噴射することが重要となるため、このような
構成であっても問題ない。また、実施の形態のように、脈動発生部１００に流体を供給す
る圧力発生部としてのポンプ２０を備える場合には、ポンプ２０により流体室５０１内が
加圧された状態となるため、剛性補助手段の外周部がダイアフラム４００と固着されてい
なくとも、補助板４１１，４１２によりダイアフラム４００の変形を緩和することが可能
である。

本発明の実施形態１に係る流体噴射装置の概略構成を示す説明図。 本発明の実施形態１に係る脈動発生部の構造を示す断面図。 本発明の実施形態１に係るダイアフラム及びその周辺部を示す断面図。 本発明の実施形態１に係る固着層とダイアフラムの斜視図。 本発明の実施形態１に係るダイアフラムの変形の様子を示す説明図。 本発明の実施形態２に係る圧電素子に電圧を印加しない状態のダイアフラム及びその周辺部を示す断面図。 本発明の実施形態２に係る圧電素子に電圧を印加した状態のダイアフラム及びその周辺部を示す断面図。

符号の説明

１…流体噴射装置、１５，２５…接続チューブ、２０…ポンプ、１００…脈動発生部、
２００…接続流路管、２０１…接続流路、２１１…ノズル、２１２…流体噴射開口部、３
０１…下ケース、３０３…凹部、３０４，５０６…パッキンボックス、３１１…底面、３
１２…上面、４００…ダイアフラム、４０１…伸縮素子としての圧電素子、４１１，４１
２…剛性補助手段としての補助板、４２０…固着層、４５０…パッキン、５０１…流体室
、５０２…入口流路管、５０３…入口流路、５０４…接続流路、５０５…封止面、５１０
…出口流路管、５１１…出口流路。

Claims (5)

1. 容積が変更可能な流体室と、
   前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、
   前記出口流路側に設けられた流体噴射開口部と、
   前記流体室の容積変更手段として伸張または収縮する伸縮素子及びダイアフラムと、
   前記伸縮素子と前記ダイアフラムとの間に配置された、前記ダイアフラムの剛性以上の
   剛性を有する剛性補助手段とを有し、
   前記ダイアフラムは、当該ダイアフラムの外周部を固定する外周固定手段により前記外
   周部を固定され、
   前記剛性補助手段は、前記伸張素子に固着され、かつ、前記ダイアフラムと向かい合う
   面の中央部において前記ダイアフラムと固着され、
   前記剛性補助手段の外周部は、前記ダイアフラムと固着されていないことを特徴とする
   流体噴射装置。
2. 請求項１に記載の流体噴射装置において、
   前記剛性補助手段と前記ダイアフラムは層状の固着層を介して固着され、当該固着層は
   、略円盤状の形状であることを特徴とする流体噴射装置。
3. 請求項１に記載の流体噴射装置において、
   前記ダイアフラムが前記伸縮素子の伸張または収縮によって変形させられていない場合
   、前記剛性補助手段の外周部は、前記剛性補助手段の最外周に向かって、当該ダイアフラ
   ムとの距離が離れていく形状であることを特徴とする流体噴射装置。
4. 請求項１に記載の流体噴射装置において、
   前記ダイアフラムが前記伸縮素子の伸張または収縮によって変形させられていない場合
   、前記剛性補助手段の外周部の第１の位置における前記剛性補助手段と前記ダイアフラム
   との距離は、前記第１の位置よりも前記剛性補助手段の中央部に近い位置である、前記剛
   性補助手段の外周部の第２の位置における前記剛性補助手段と前記ダイアフラムとの距離
   よりも長いことを特徴とする流体噴射装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流体噴射装置を有することを特徴とする
   手術用器具。

Images