JP2011052595A

JP2011052595A - 流体噴射装置及び流体噴射方法

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Publication number: JP2011052595A
Application number: JP2009202335A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kojima; 英揮小島; Hiroichi Sekino; 博一関野; Naohiro Matsuzaki; 尚洋松崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】接続流路管を長く、または剛性が低い材料にしても強いパルス流を噴射できる流体噴射方法を実現する。
【解決手段】流体噴射装置１の流体噴射方法は、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０と、第１脈流発生部２０に流体を供給するポンプ１０と、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０とを接続する接続流路管４とが備えられ、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０それぞれに備えられる圧電素子２１，３１に入力される駆動信号の周期が同じであって、第２脈流発生部３０の駆動信号を第１脈流発生部２０の駆動信号よりも、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０との間の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるよう制御する。このことにより、接続流路管を長く、または剛性が低い材料にしても強いパルス流を噴射できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の脈流発生部を直列に接続する流体噴射装置と、流体噴射方法に関する。

従来、圧力室の容積を容積変更手段により急激に変更して流体を脈流に変換し、この脈流を剛性を有する接続流路管内に流体の圧力波を伝播させ流体噴射開口部からパルス状に流体を高速噴射させる流体噴射装置というものが提案されている（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による流体噴射装置は、接続流路管が剛性を有しているために脈流発生部によって変換された脈流の圧力波を流体噴射開口部まで伝達しやすく、流体をパルス状に高速噴射させることができる。この流体噴射装置を生体組織の切除や切開を行う手術具として用いる場合、被切除対象物の場所や術式によっては接続流路管を長くしたり、剛性が低い材料にする方が好ましいことがある。

しかしながら、接続流路管を長くしたり、剛性を低い材料にした場合、流体の脈流を流体噴射開口部まで伝達しにくくなり、流体をパルス状に高速噴射させることができなくなることが考えられる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る流体噴射装置は、圧力室と前記圧力室の容積を変更する容積変更手段とをそれぞれ有する複数の脈流発生部と、前記複数の脈流発生部のうち最も上流側の脈流発生部に流体を供給する流体供給手段と、前記複数の脈流発生部を互いに直列に接続する接続流路管と、各前記容積変更手段に入力される駆動信号の周期が同じであって、隣り合う前記脈流発生部のうち前記流体供給手段から遠い位置の前記容積変更手段の駆動信号が、前記流体供給手段に近い前記容積変更手段の駆動信号よりも二つの前記脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるよう駆動信号を入力する駆動制御部と、が備えられていることを特徴とする。

脈流発生部によって脈流に変換された流体は、接続流路管が長い場合や剛性が低い材料を用いた場合、接続流路管を伝播する間に圧力波が減衰してしまい、流体をパルス状に高速噴射することができない。そこで、本適用例では、接続流路管の流路に複数の脈流発生部を配設することで、最下流の脈流発生部まで確実に圧力波を伝播させることにより、接続流路管が長い場合や剛性が低い材料の場合であっても流体をパルス状に高速噴射させることができる。

また、流体の圧力波が、流体供給手段に近い位置（上流側と表すことがある）の流体噴射装置から遠い位置（下流側と表すことがある）の脈流発生部まで伝播するのに時間を要するため、上流側と下流側の脈流発生部への流体供給のタイミングと流体吐出のタイミングがずれてしまう。

そこで、本適用例では、下流側の容積変更手段の駆動信号を、隣り合う上流側の容積変更手段の駆動信号よりもそれらの間の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるよう駆動制御部により制御している。従って、上流側の脈流発生部からの圧力波が下流側の脈流発生部に到達するタイミングと、下流側の脈流発生部が圧力波を発生するタイミングを合わせることにより、接続流路管が長い場合や剛性が低い材料の場合であっても流体を強いパルス流噴射させることができる。

［適用例２］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記複数の脈流発生部のうち、少なくとも前記流体供給手段から最も遠い位置にある脈流発生部の最大径が、前記接続流路管の外径とほぼ同じであることが好ましい。

このようにすれば、最も下流側の脈流発生部を細管組織内や深く狭い部位に挿入して切開や切除を行うことができる。なお、複数の脈流発生部のうちの下流側に配設される多くの脈流発生部を接続流路管と同じ外径を有する形態にすれば、より長い細管組織や深く狭い術部の切除や切開を行うことができるという効果がある。

なお、脈流発生部の最大径を接続流路管の外径とほぼ同じにするということは、脈流発生部を小型化することにほかならない。小型化により流体の脈動が小さくなる傾向があるが、上流側にも脈流発生部を設けることで、下流側の脈流発生部は小型化しても強いパルス流を噴射させることができる。

［適用例３］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記接続流路管の一部または全部が柔軟性を有していることが望ましい。

このように、接続流路管が柔軟性を有していても複数の脈流発生部を配設することにより、上述した適用例１または適用例２で説明した理由により流体をパルス状に高速噴射させることができる。従って、細管組織が曲がっている場合や、狭く深い術部に対しても接続流路管を曲げて使用することができ、術部に対する適用制約を低減することができる。

［適用例４］本適用例に係る流体噴射方法は、圧力室と前記圧力室の容積を変更する容積変更手段とをそれぞれ有する複数の脈流発生部と、前記複数の脈流発生部のうち最も上流側の脈流発生部に流体を供給する流体供給手段と、前記複数の脈流発生部を互いに直列に接続する接続流路管と、が備えられ、各前記容積変更手段に入力される駆動信号の周期が同じであって、隣り合う前記脈流発生部のうち前記流体供給手段から遠い位置の前記容積変更手段の駆動信号を、前記流体供給手段に近い前記容積変更手段の駆動信号よりも二つの前記脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるよう制御することを特徴とする。

本適用例によれば、下流側の容積変更手段の駆動信号を、上流側の容積変更手段の駆動信号よりもこれら脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるように制御している。従って、上流側の脈流発生部からの圧力波が下流側の脈流発生部に到達するタイミングと、下流側の脈流発生部が圧力波を発生するタイミングを合わせることにより、接続流路管が長い場合や剛性が低い材料の場合であっても強いパルス流を噴射させることができる。

［適用例５］上記適用例に係る流体噴射方法は、二つの前記脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間をＴ、前記流体供給手段から遠い位置の前記容積変更手段の駆動信号と、前記流体供給手段に近い前記容積変更手段の駆動信号との位相差をＴ２、前記流体供給手段に近い位置の前記容積変更手段が前記圧力室の容積を縮小する方向に駆動している時間をＴ３、としたとき、（Ｔ＋Ｔ３）＞Ｔ２＞Ｔの範囲で制御することが望ましい。

ここで、上流側の脈流発生部が圧力室の容積を縮小して、圧力室の内部圧力を高めるのに時間を要する。従って、上流側の脈流発生部からの圧力波が下流側の脈流発生部の圧力室を通過するとき、または、通過し終わる寸前に下流側の脈流発生部を駆動する方がより効率的に圧力波を伝播させることができる。

実施形態１に係る流体噴射装置を示す構成説明図。実施形態１に係る第１脈流発生部の構成を示す断面図。実施形態１に係る第２脈流発生部の構成を示す断面図。第１脈流発生部と第２脈流発生部それぞれのあるタイミングにおける駆動波形を示し、（ａ）は第１脈流発生部の駆動波形、（ｂ）は第２脈流発生部の駆動波形を示す駆動波形図。第１脈流発生部と第２脈流発生部の駆動信号の出力タイミングを示す駆動波形図。実施形態２に係る流体噴射装置の構成を示す構成説明図。実施形態２に係る第３脈流発生部の構成を示す部分断面図。第２脈流発生部と第３脈流発生部それぞれのあるタイミングにおける駆動波形を示し、（ａ）は第３脈流発生部の駆動波形、（ｂ）は第２脈流発生部の駆動波形を示す駆動波形図。第２脈流発生部と第３脈流発生部の駆動信号の出力タイミングを示す駆動波形図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
以下の説明で参照する図は説明の都合上、各部位を強調するために各構成要素の寸法の比率、縮尺・拡大等は、実際のものとは異なる模式図である。
なお、本発明による流体噴射装置は、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、実施形態にて用いる流体は、水または生理食塩水等の液体である。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係る流体噴射装置を示す構成説明図である。図１において、流体噴射装置１は、流体を収容する流体供給容器２と、流体供給手段としてのポンプ１０と、ポンプ１０から供給される流体を脈流（以降、パルス流と表すことがある）に変換させる第１脈流発生部２０及び第２脈流発生部３０と、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０とを直列に接続する接続流路管４と、ポンプ１０と第１脈流発生部２０とを接続する流体供給チューブ３と、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０とポンプ１０の駆動制御を行う駆動制御部４０と、によって構成されている。

なお、ポンプ１０に近い方を上流側、ポンプ１０から遠い方を下流側と表し説明することがある。

第１脈流発生部２０は、圧力室２３と、圧力室２３の容積を変更する容積変更手段としての圧電素子２１とを有している。同様に、第２脈流発生部３０は、圧力室３３と、圧力室３３の容積を変更する容積変更手段としての圧電素子３１と、を有し、先端部には流体噴射開口部３６が開口されている。第１脈流発生部２０及び第２脈流発生部３０の詳細な説明は、図２、図３を参照して後述する。

第１脈流発生部２０は、より強いパルス流を吐出するものであって流路の上流側に配設される。下流側に配設される第２脈流発生部３０の最大径は、接続流路管４の外径とほぼ同じ大きさであって筒状の形態を有している。

駆動制御部４０は、ポンプ１０の駆動制御を行うポンプ駆動回路４２と、第１脈流発生部２０（具体的には、圧電素子２１）の駆動を制御する圧電素子駆動回路４３と、第２脈流発生部３０（具体的には、圧電素子３１）の駆動を制御する圧電素子駆動回路４４とを有している。また、これら各駆動回路を制御する制御回路４１が備えられている。駆動制御部４０には、さらに制御回路４１の起動及び停止を行うメインスイッチ（図示せず）が備えられている。

なお、制御回路４１には、ポンプ１０からの流体供給流量（つまり、供給圧力）を決定するポンプ１０の駆動周波数と、パルス１個当りの切除力（切除深さ）を決定する圧力室３３の容積変化量（排除体積）と、切除速度（単位時間当りの切除軌跡長さ）を決定する圧力室３３の容積変化の周波数（圧電素子３１の駆動周波数に相当する）と、圧力室２３の容積変化量及び容積変化の周波数と、圧電素子２１と圧電素子３１それぞれの駆動信号の出力タイミングと、を設定するプログラムが格納されている。

続いて、第１脈流発生部２０の構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る第１脈流発生部の構成を示す断面図である。図２において、第１脈流発生部２０は、ポンプ１０から流体供給チューブ３を介して圧力室２３に流体を供給する入口流路２４と、圧力室２３の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子２１及びダイアフラム２２と、圧力室２３に連通する出口流路２５と、を有して構成されている。入口流路２４には流体供給チューブ３が接続されている。

ダイアフラム２２は円盤状の金属薄板からなり、圧電素子２１の一方の端部が固着されている。本実施形態では、圧電素子２１は積層型圧電素子を採用している。

出口流路２５には、接続流路２６を有する接続流路管４が接続され、接続流路管４は、第２脈流発生部３０の入口流路３４に接続されている。

次に、本実施形態における第１脈流発生部２０のパルス流噴射動作について図１、図２を参照して説明する。本実施形態の第１脈流発生部２０の流体吐出は、入口流路２４側の合成イナータンスＬ１と出口流路２５側の合成イナータンスＬ２の差によって行われる。

まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。

つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。

ここで、入口流路２４側の合成イナータンスＬ１は、入口流路２４の範囲において算出される。また、出口流路２５側の合成イナータンスＬ２は、本実施形態では出口流路２５と接続流路２６の範囲のイナータンスである。なお、接続流路管４は、剛性を有する金属管でも、柔軟性を有するチューブでもよい。

そして、本実施形態では、入口流路２４側の合成イナータンスＬ１が出口流路２５側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路２４の流路長及び断面積、出口流路２５の流路長及び断面積を設定する。

ポンプ１０によって入口流路２４には、所定の圧力で流体が供給されている。なお、ポンプ１０からの流体供給流量はパルス流噴射流量とほぼ等しい量であればよい。ここで、圧電素子２１が動作を行わない場合、ポンプ１０の吐出力と入口流路２４側全体の流路抵抗の差によって流体は圧力室２３内に流動する。

圧電素子２１に駆動信号が入力され、圧電素子２１がダイアフラム２２の圧力室２３側の面に対して垂直方向（矢印Ａ方向）に急激に伸長したとすると、伸長した圧電素子２１によってダイアフラム２２が押圧され、ダイアフラム２２が圧力室２３の容積を縮小する方向に変形する。圧力室２３内の圧力は、入口流路２４側及び出口流路２５側の合成イナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。

この圧力は、入口流路２４に加えられていたポンプ１０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路２４から圧力室２３内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路２５からの流出は増加する。

さらに、入口流路２４側の合成イナータンスＬ１は、出口流路２５側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路２４から圧力室２３へ流入する流量の減少量よりも、出口流路２５から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路２６にパルス状の液体吐出、つまり、脈流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管４（接続流路２６）を伝播して、第２脈流発生部３０に向かって圧力波と共に流体が噴射される。

ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。

同様に、流体をパルス状に噴射するとは、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動した流体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、流体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。

続いて、第２脈流発生部３０の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る第２脈流発生部の構成を示す断面図である。図３において、第２脈流発生部３０は、第１脈流発生部２０からの脈流を接続流路管４を介して圧力室３３に導入する入口流路３４と、圧力室３３の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３１及びダイアフラム３２と、圧力室３３に連通する出口流路３５と、を有して構成されている。

ダイアフラム３２は、概ね四角形の金属薄板からなり、圧力室３３に対して反対方向の表面に圧電素子３１が固着されている。従って、本実施形態の容積変更手段はユニモルフ型圧電素子を例示している。
出口流路３５の末端部には、流路断面積が縮小された流体噴射開口部３６が開口されている。

次に、本実施形態における第２脈流発生部３０のパルス流噴射動作について図３を参照して説明する。第２脈流発生部３０のパルス流噴射動作は、形態は異なるものの前述した第１脈流発生部２０と同様であるため詳しい説明は省略するが、入口流路３４側の合成イナータンスＬ３と出口流路３５側の合成イナータンスＬ４の差によって行われる。但し、入口流路３４には、第１脈流発生部２０から圧力波を含むパルス流が流入する。

第２脈流発生部３０を駆動すると流体は脈動され、脈流が出口流路３５から吐出される。ここで、流体噴射開口部３６の流路断面積は、出口流路３５の流路径よりも縮小されているので、流体はさらに高圧となり、パルス状の液滴となって高速噴射される。

以上、説明したように、流体供給容器２に収容された流体は、ポンプ１０によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ３を介して第１脈流発生部２０に供給される。第１脈流発生部２０では、圧電素子２１を駆動して圧力室２３内において流体を脈動させ、圧力波を含む流体を接続流路管４を介して第２脈流発生部３０に流入させる。そして、第２脈流発生部３０では、圧電素子３１を駆動して圧力室３３内において流体を脈動させ、流体を流体噴射開口部３６からパルス状に噴射させる。

続いて、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０の駆動タイミングについて説明する。
図４は、第１脈流発生部と第２脈流発生部それぞれのあるタイミングにおける駆動波形を示し、（ａ）は第１脈流発生部の駆動波形、（ｂ）は第２脈流発生部の駆動波形を示す駆動波形図である。脈動発生部の駆動波形は、容積変更手段を駆動させるための信号波形に相当し、本実施例においては、第１脈流発生部２０の圧電素子２１、または第２脈流発生部３０の圧電素子３１を駆動する電圧に相当する。例えば、本実施例の第１脈動発生部２０では、圧電素子２１に正の電圧を印加した場合に、圧力室２３の容積が縮小する方向に圧電素子２１およびダイアフラム２２が変形するように構成されている。同様に、第２脈流発生部３０では、圧電素子３１に正の電圧を印加した場合に、圧力室３３の容積が縮小する方向に圧電素子３１およびダイアフラム３２が変形するように構成されている。

図示したように、第１脈流発生部２０の駆動波形及び第２脈流発生部３０の駆動波形はそれぞれＳｉｎ波形の信号が離散的に入力されており、互いの駆動波形の周期Ｔ１は同じである。ここで、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０とは距離Ｋを有して接続流路管４で接続されている。距離Ｋが非常に短い場合には、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０の駆動信号は同じタイミングで出力すればよい。しかし、距離Ｋが長い場合、この距離Ｋを圧力波が伝播するには無視できない時間を要する。

なお、距離Ｋは、第１脈流発生部２０のダイアフラム２２の表面（図２、参照）から、第２脈流発生部３０の圧力室３３の端部（図３、参照）までの距離とする。

そこで、圧力波の伝播速度について説明を加える。接続流路２６を進む水中の圧力波の伝播速度をＶとすると、距離Ｋを圧力波が伝播するのに要する時間Ｔは次式で表される。

（数１）
Ｔ＝Ｋ／Ｖ（式１）

圧力波の伝播速度Ｖについてさらに説明する。流体を水とする場合、水の圧縮率を４．６×１０^-5とし、水の密度を１０００ｋｇ／ｍ³とすると、水中における伝播速度Ｖは次式で表される。

（数２）
Ｖ＝（（４．６×１０^-5／９．８／１００²）×１０００）^1/2 （式２）
＝１．４６×１０³（ｍ／ｓｅｃ）

従って、圧力波が距離Ｋ（ｍ）を有する接続流路を伝播する時間をＴとすれば、Ｔ＝（Ｌ／１．４６）×１０^-3（ｓｅｃ）となり、流体供給と流体吐出のタイミング、つまり、適正な第１脈流発生部２０による圧力波発生タイミングに対して、第２脈流発生部３０に達するタイミングは時間Ｔだけ遅延することになる。従って、第２脈流発生部３０の駆動信号は、第１脈流発生部２０の駆動信号より時間Ｔだけ遅延して出力すればよい。

図５は、第１脈流発生部と第２脈流発生部の駆動信号の出力タイミングを示す駆動波形図である。図５に示すように、第２脈流発生部３０の駆動波形は、第１脈流発生部２０の駆動波形に対して時間（位相差）Ｔ２だけ遅延して出力している。なお、時間（位相差）Ｔ２は上述した時間Ｔに相当する。このようにすることで、第１脈流発生部２０からの圧力波が第２脈流発生部３０に達するタイミングと、第２脈流発生部３０が圧力室３３の容積を縮小させるタイミングと、を一致させることができる。

ここで、図５は、第２脈流発生部３０の駆動波形出力タイミングを第１脈流発生部２０の駆動波形に対して時間Ｔ２だけ遅延させているが、さらに効率よく圧力波を伝播させるためには、駆動信号の出力遅延時間は、第１脈流発生部２０からの圧力波が第２脈流発生部３０を通過するとき、または通過し終わる寸前の方がよい。

つまり、第１脈流発生部２０において、圧力室２３の容積を縮小開始から最大縮小量に達するまである時間を要する。この時間は駆動波形の電圧上昇時間Ｔ３に相当する。従って、第１脈流発生部２０の駆動波形に対する第２脈流発生部３０の駆動波形の出力タイミングは、（Ｔ＋Ｔ３）＞Ｔ２＞Ｔの範囲で制御することがより好ましい。

従って、本実施形態に係る流体噴射装置１の構成、及び流体噴射方法によれば、ポンプ１０に対して下流側の第２脈流発生部３０の圧電素子３１の駆動信号を、上流側の第１脈流発生部２０の圧電素子２１の駆動信号よりも距離Ｋを圧力波が伝播するのに要する時間Ｔ２だけ位相を遅延させるよう駆動制御部４０により制御する。従って、第１脈流発生部２０からの圧力波が第２脈流発生部３０に到達するタイミングと、第２脈流発生部３０が圧力波を発生するタイミングを一致させることができ、接続流路管が長い場合や剛性が低い材料の場合であっても流体をパルス状に高速噴射させることができる。

また、第２脈流発生部３０の最大径は、接続流路管４の外径とほぼ同じである。このようにすれば、第２脈流発生部３０を細管組織内や深く狭い部位に挿入して切開や切除を行うことができる。

なお、第２脈流発生部３０の最大径を接続流路管４の外径とほぼ同じにするということは、第２脈流発生部３０を小型化することにほかならない。小型化により流体の脈動が小さくなる傾向があるが、上流側に第１脈流発生部２０を設けることで、下流側の第２脈流発生部３０は小型化しても強いパルス流を噴射させることができる。

また、接続流路管４の一部または全部が柔軟性を有している場合には、手術対象の細管組織が曲がっている場合、細管組織に倣って接続流路管を挿入させることが可能となる。術部が狭く深い場合においても接続流路管４を曲げて使用することが可能となり、流体噴射装置１の術部に対する使用制約を低減することができる。

さらに、第１脈流発生部２０の駆動波形に対する第２脈流発生部３０の駆動波形の出力タイミングは、（Ｔ＋Ｔ３）＞Ｔ２＞Ｔの範囲で制御することがより好ましい。つまり、第１脈流発生部２０からの圧力波が第２脈流発生部３０の脈動による圧力波が通過するとき、または通過し終わる寸前にすることにより、第２脈流発生部３０の圧力室３３の容積縮小時に、第１脈流発生部２０からの圧力波により圧力室３３内を加圧するため、より強いパルス流を噴射させることができる。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る流体噴射装置の構成、及び流体噴射方法について説明する。前述した実施形態１に係る流体噴射装置は、接続流路管４の上流側と下流側にそれぞれ１個の脈流発生部を配設する構成及び流体噴射方法を説明したが、実施形態２は、脈流発生部をさらに増やしていることに特徴を有している。なお、脈流発生部の数は接続流路管の長さ、材質によってさらに増加させることが可能であるが、実施形態２では３個の脈流発生部を配設する構成を例示して説明する。

図６は、本実施形態に係る流体噴射装置の構成を示す構成説明図である。なお、実施形態１との共通要素については同じ符号を附し、詳しい説明は省略する。流体噴射装置１は、流体を収容する流体供給容器２と、ポンプ１０と、流体を脈流に変換させる第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０と第３脈流発生部５０と、第１脈流発生部２０と第３脈流発生部５０とを接続する接続流路管４と、第３脈流発生部５０と第２脈流発生部３０とを接続する接続流路管５と、から構成されている。

また、ポンプ１０、第１脈流発生部２０、第２脈流発生部３０、第３脈流発生部５０それぞれの駆動制御を行う駆動制御部４０がさらに備えられている。

駆動制御部４０は、ポンプ１０の駆動制御を行うポンプ駆動回路４２と、第１脈流発生部２０の駆動を制御する圧電素子駆動回路４３と、第２脈流発生部３０の駆動を制御する圧電素子駆動回路４４と、第３脈流発生部５０の駆動を制御する圧電素子駆動回路４５と、を有している。また、これら各駆動回路を制御する制御回路４１が備えられ、さらに制御回路４１の起動及び停止を行うメインスイッチ（図示せず）が備えられている。

なお、制御回路４１には、ポンプ１０からの流体供給流量（つまり、供給圧力）を決定するポンプ１０の駆動周波数と、パルス１個当りの切除力を決定する圧力室３３の容積変化量と、切除速度を決定する圧力室３３の容積変化の周波数と、第１脈流発生部２０と第３脈流発生部５０の駆動信号、各脈流発生部の駆動信号出力タイミングと、を設定するプログラムが格納されている。

第１脈流発生部２０及び第２脈流発生部３０の構成は、前述した実施形態１（図２、図３、参照）と同じものを採用できるので説明を省略する。第３脈流発生部５０は、基本構成は第２脈流発生部３０と同じであるが、両端部に接続流路管接続部を有して構成されている。

図７は、実施形態２に係る第３脈流発生部の構成を示す部分断面図である。第３脈流発生部５０は、容積変更手段としての圧電素子３１及びダイアフラム３２、圧力室３３、入口流路３４、出口流路３５の構成要素は第２脈流発生部３０と同じ仕様のものを採用可能である。

第３脈流発生部５０の最大径は接続流路管４，５とほぼ同じであって筒状の形態を有しており、両端部に接続流路管４と接続流路管５を接続するための嵌着部５０ａ，５０ｂが形成されている。

続いて、本実施形態に係る流体噴射方法について図面を参照して説明する。流体供給容器２に収容された流体はポンプ１０によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ３を介して第１脈流発生部２０に供給される。第１脈流発生部２０では、圧電素子２１を駆動して圧力室２３内において流体を脈動させ、圧力波を含む流体を接続流路管４を介して第３脈流発生部５０に流入させる。そして、第３脈流発生部５０では、圧電素子３１を駆動して圧力室３３内において流体を脈動させ、圧力波を含む流体を接続流路管５を介して第２脈流発生部３０に流入させる。第２脈流発生部３０は、圧電素子３１を駆動して流体を流体噴射開口部３６からパルス状に噴射させる。

次に、第１脈流発生部２０と第２脈流発生部３０と第３脈流発生部５０の駆動タイミングについて説明する。なお、第１脈流発生部２０に対する第３脈流発生部５０の駆動タイミングは、前述した実施形態１（図４、図５、参照）における第１脈流発生部２０に対する第２脈流発生部３０の駆動タイミングと同じ考え方を踏襲できるので説明を省略する。

図８は、第２脈流発生部と第３脈流発生部それぞれのあるタイミングにおける駆動波形を示し、（ａ）は第３脈流発生部の駆動波形、（ｂ）は第２脈流発生部の駆動波形を示す駆動波形図である。

図示したように、第２脈流発生部３０の駆動波形及び第３脈流発生部５０の駆動波形はそれぞれＳｉｎ波形の信号が離散的に入力されており、互いの駆動波形の周期Ｔ１は同じである。ここで、第２脈流発生部３０と第３脈流発生部５０とは距離Ｋ１を有して接続流路管５で接続されている。距離Ｋ１が非常に短い場合には、第２脈流発生部３０と第３脈流発生部５０の駆動信号は同じタイミングで出力すればよい。しかし、距離Ｋ１が長い場合、この距離Ｋ１は圧力波の伝播には無視できない時間を要する。

なお、距離Ｋ１は、互いに対向する第２脈流発生部３０の圧力室３３の端部から第３脈流発生部５０の圧力室３３の端部までの距離とする。

また、圧力波の伝播速度Ｖ、接続流路管５を圧力波が伝播する時間Ｔ４は、前述した実施形態１（数式１、数式２、参照）と同様な考え方で算出できる。従って、圧力波が距離Ｋ１（ｍ）を有する接続流路３７を伝播する時間をＴとすれば、時間Ｔは、Ｔ＝（Ｌ１／１．４６）×１０^-3（ｓｅｃ）となり、流体供給と流体吐出のタイミング、つまり、第２脈流発生部３０による圧力波の発生タイミングに対して、第３脈流発生部５０に圧力波が達するタイミングは時間Ｔだけ遅延することになる。従って、第２脈流発生部３０の駆動信号は、第３脈流発生部５０の駆動信号より時間Ｔだけ遅延して出力すればよい。

図９は、第２脈流発生部と第３脈流発生部の駆動信号の出力タイミングを示す駆動波形図である。図９に示すように、第２脈流発生部３０の駆動波形は、第３脈流発生部５０の駆動波形に対して時間（位相差）Ｔ４だけ遅延して出力している。なお、時間（位相差）Ｔ４は上述した接続流路３７を伝播する時間Ｔに相当する。このようにすることで、第３脈流発生部５０からの圧力波が第２脈流発生部３０に達するタイミングと、第２脈流発生部３０が圧力室３３の容積を縮小させるタイミングと、を一致させることができる。

なお、図９は、第２脈流発生部３０の駆動波形出力タイミングを第３脈流発生部５０の駆動波形に対して時間Ｔ４だけ遅延させているが、さらに効率よく圧力波を伝播させるためには、駆動信号の出力遅延時間は、第３脈流発生部５０からの圧力波が第２脈流発生部３０を通過するとき、または通過し終わる寸前の方がよい。

第３脈流発生部５０において、圧力室３３の容積を縮小開始から最大縮小量に達するまでの時間は、駆動波形の電圧上昇時間Ｔ５に相当する。従って、第３脈流発生部５０の駆動波形に対する第２脈流発生部３０の駆動波形の出力タイミングは、（Ｔ＋Ｔ５）＞Ｔ４＞Ｔの範囲で制御することがより好ましい。

従って、本実施形態に係る流体噴射装置の構成及び流体噴射方法によれば、上流側と下流側に加えそれらの中間に脈流発生部を備えることにより、実施形態１の構成よりもさらに長い接続流路管やより柔軟性有する材質を用いても強いパルス流を噴射させることができる。

また、第２脈流発生部３０と第３脈流発生部５０の最大径を接続流路管４，５の外径と同じにすることで、より長い細管組織内や深く狭い部位に挿入して切開や切除を行うことができる。

なお、以上説明した実施の形態は、本発明を実現するために例示したものであって、特に限定されるものではない。
例えば、実施形態１及び実施形態２では、積層型圧電素子を用いる第１脈流発生部２０と、ユニモルフ型圧電素子を用いる第２脈流発生部３０、第３脈流発生部５０とを組み合わせて使用する構成を例示しているが、各脈流発生部をどちらか一方だけの構成としてもよい。

また、各脈流発生部の駆動波形は、それぞれの周期Ｔ１を同じにすれば、ゲイン等は、接続流路管の長さや柔軟性に合わせて適宜選択することができる。

さらに、最下流の脈流発生部（例えば、第２脈流発生部３０）の先端部に、ノズル（流体噴射開口部）を有する吐出流路管を突設させる構成としてもよい。

以上、説明した流体噴射装置は、生体組織を切開または切除することに好適な手術を例示して説明したが、インク等を用いた描画、細管構造物や細密な物体洗浄等様々に採用可能である。

１…流体噴射装置、２…流体供給容器、４…接続流路管、１０…ポンプ、２０…第１脈流発生部、２１，３１…圧電素子、３０…第２脈流発生部、４０…駆動制御部。

Claims

圧力室と前記圧力室の容積を変更する容積変更手段とをそれぞれ有する複数の脈流発生部と、
前記複数の脈流発生部のうち最も上流側の脈流発生部に流体を供給する流体供給手段と、
前記複数の脈流発生部を互いに直列に接続する接続流路管と、
各前記容積変更手段に入力される駆動信号の周期が同じであって、隣り合う前記脈流発生部のうち前記流体供給手段から遠い位置の前記容積変更手段の駆動信号が、前記流体供給手段に近い前記容積変更手段の駆動信号よりも二つの前記脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるよう駆動信号を入力する駆動制御部と、
が備えられていることを特徴とする流体噴射装置。
請求項１に記載の流体噴射装置において、
前記複数の脈流発生部のうち、少なくとも前記流体供給手段から最も遠い位置にある脈流発生部の最大径が、前記接続流路管の外径とほぼ同じであることを特徴とする流体噴射装置。
請求項１または請求項２に記載の流体噴射装置において、
前記接続流路管の一部または全部が柔軟性を有していることを特徴とする流体噴射装置。
圧力室と前記圧力室の容積を変更する容積変更手段とをそれぞれ有する複数の脈流発生部と、前記複数の脈流発生部のうち最も上流側の脈流発生部に流体を供給する流体供給手段と、前記複数の脈流発生部を互いに直列に接続する接続流路管と、が備えられ、
各前記容積変更手段に入力される駆動信号の周期が同じであって、隣り合う前記脈流発生部のうち前記流体供給手段から遠い位置の前記容積変更手段の駆動信号を、前記流体供給手段に近い前記容積変更手段の駆動信号よりも二つの前記脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間だけ位相を遅延させるよう制御することを特徴とする流体噴射方法。
請求項４に記載の流体噴射方法において、
二つの前記脈流発生部の距離を圧力波が伝播するのに要する時間をＴ、
前記流体供給手段から遠い位置の前記容積変更手段の駆動信号と、前記流体供給手段に近い前記容積変更手段の駆動信号との位相差をＴ２、
前記流体供給手段に近い位置の前記容積変更手段が前記圧力室の容積を縮小する方向に駆動している時間をＴ３、としたとき、
（Ｔ＋Ｔ３）＞Ｔ２＞Ｔの範囲で制御することを特徴とする流体噴射方法。