JP2012235820A - 流体噴射装置及び医療機器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子を用いて安定な流体噴射を行うこと。
【解決手段】流体噴射装置は、筺体１０の内部に配置される主圧電素子Ｐ₀及び主制御部７０と、主圧電素子Ｐ₀に密着固定されるダイアフラム２０と、ダイアフラム２０と筺体１０とによって構成される圧力室３０と、圧力室３０内に液体を供給する流体供給管６０と、圧力室３０に連通し各頂点が鈍角である多角形の断面形状を有する流路管４０と、流路管４０の終端に連結する噴射口５０と、流路管４０に接し、噴射口５０方向に対し螺旋状に複数並び、噴射口５０方向と交差する方向に伸長する圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀と、複数の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀に電圧を印加して圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀のそれぞれの伸長を制御し、噴射口５０から離れたものから噴射口５０の方向に向かって螺旋方向順に圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀を順次伸長させ、流路管４０内で噴射口５０方向に進行する旋回流を生成させる制御部８０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体噴射装置及び医療機器に関する。

ダイアフラムに密着した圧電素子を変位させ、圧力室の容積を変化させることによって、流体をパルス状に噴射させる流体噴射装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に示されるような流体噴射装置において、圧力室は薄い円筒形をしており、圧電素子は円筒形圧力室を高さ方向に圧縮、流体は圧力室に連結された流路管（パイプ）内を伝播し、噴射口（ノズル）から高速噴射される。

特開２００８−８２２０２号公報

しかしながら、流体噴射装置では、その装置内の圧力室や流路管内などに大きな負圧が生じることが多々あり、これが流体液体の蒸気圧を下回った場合には気泡（キャビテーション）を生じる。圧電素子を用いた流体噴射装置では、圧電素子の変位によりダイアフラムが変形し圧力室内の流体を圧縮、高圧力を生じる。気泡の体積弾性率は流体のそれに比べ十分に小さく柔らかいため、この高圧力を気泡が吸収し、流体が圧縮されることを妨げる。このため流体噴射の動作が不安定になることがある。流体噴射装置にとってこのような好ましくない特徴を有する気泡は、出来得る限り速やかに系外へ排出させるか、あるいは速やかに消滅させることが必要である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、流路管上螺旋方向に複数配置された圧電素子を用いて旋回流を生成、流体噴出装置内に生じた気泡を速やかに系外に排出することを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］筒状の筺体の内部に配置される主圧電素子及び該主圧電素子の伸長を制御する主制御部と、前記主圧電素子の一方の端面に密着固定されるダイアフラムと、前記ダイアフラムと前記筺体とによって構成される圧力室と、前記圧力室内に液体を供給する流体供給管と、前記圧力室に連通し各頂点が鈍角である多角形の断面形状を有する流路管と、前記流路管の終端に連結する噴射口と、前記流路管に接し、前記噴射口方向に対し螺旋状に複数並び、該噴射口方向と交差する方向に伸長する圧電素子と、前記複数の圧電素子に電圧を印加して該圧電素子のそれぞれの伸長を制御し、前記噴射口から離れたものから該噴射口の方向に向かって螺旋方向順に前記圧電素子を順次伸長させ、前記流路管内で前記噴射口方向に進行する旋回流を生成させる制御部と、を有することを特徴とする流体噴射装置。

これによれば、流路管上の各圧電素子を噴射口方向へ向かい螺旋方向順に順次伸長させることで、主圧電素子を変位させることにより生じる流路管内を噴射口方向へ向かう流れに、旋回性を付与させることができ、装置内に気泡が生じた場合でも旋回による遠心力により気泡が中心軸寄りに掃き寄せられ、気泡がスムースに流体噴射装置の系外へと排出される。このため、より安定的な流体噴射を行うことができるようになる。

［適用例２］上記流体噴射装置であって、前記制御部は、前記噴射口に最も近い前記圧電素子が最大変位に伸長するまで、他の該圧電素子が最大変位の伸長状態を維持するように、各該圧電素子を駆動制御することを特徴とする流体噴射装置。

これによれば、前記噴射口に最も近い前記圧電素子が最大変位に伸長するまで、流路管内の高い圧力状態を維持することができる。

［適用例３］上記流体噴射装置であって、前記制御部は、前記複数の圧電素子を順次伸長させる際、螺旋方向に隣接する該圧電素子間において、前記噴射口に近い側の前記圧電素子の駆動開始遅延時間が、前記噴射口から離れている側の前記圧電素子が最大伸長に達するまでの時間よりも短くなるように、各前記圧電素子を駆動制御することを特徴とする流体噴射装置。

これによれば、隣接する圧電素子間で間断の無い連続的な旋回流を生成することができる。

［適用例４］上記流体噴射装置であって、前記制御部は、前記複数の圧電素子を順次伸長させる際、螺旋方向に隣接する該圧電素子間において、前記噴射口から離れている側の前記圧電素子の伸長により生成される圧力波が、前記噴射口に近い側の前記圧電素子の領域を伝播する時間よりも長くなるように、各前記圧電素子を駆動制御することを特徴とする流体噴射装置。

これによれば、噴射口方向に対し螺旋方向に伝搬する旋回流の進行を隣接する圧電素子の伸長が妨げてしまうことを防止することができる。

［適用例５］上記の流体噴射装置を有することを特徴とする医療機器。

これによれば、液体をパルス状に安定的に高速噴射することができるので、生体組織を切除、切開、破砕することができ、特に、血管等の細管組織を温存できる手術具として優れた特性を有する。また、噴射する液体の量が連続高圧流を用いたものに比して極めて少ないため、術視野の視認性に優れた医療機器を提供することができる。

第１実施形態における流体噴射装置の概略構成を示す装置全体断面図。 第１実施形態における流体噴射装置の流路管、流路管上に配置される各圧電素子、及び噴射口の概略構成を示す断面図。 第１実施形態における流体噴射装置の流路管及び噴射口の概略構成を示す断面図。 流路管上の各圧電素子に印加される駆動波形の説明図。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態における流体噴射装置の概略構成を示す装置全体断面図である。図１において、流体噴射装置１は、筒状の筺体１０の内部に配置される主圧電素子Ｐ₀と、主圧電素子Ｐ₀の一方の端面に密着固定されるダイアフラム２０と、ダイアフラム２０と筺体１０とによって構成される圧力室３０と、圧力室３０に連通し、各頂点が鈍角である多角形の断面形状を有する流路管４０と、流路管４０上に螺旋状に間断なく複数配置される圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀と、流路管４０の終端に連結する噴射口５０と、圧力室３０内に液体を供給する流体供給管６０と、を有して構成されている。主制御部７０は主圧電素子Ｐ₀に接続され、駆動波形を主圧電素子Ｐ₀に印加、主圧電素子Ｐ₀の伸長を制御し、圧力室３０及び流路管４０を経て、噴射口５０から流体を噴流させる。尚圧電素子Ｐ₀〜Ｐ₃₀を構成する材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料が好ましい。

図２は、本実施形態における流体噴射装置１の流路管４０、流路管４０上に配置される各圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀、及び噴射口５０の概略構成を示す断面図である。図３は、本実施形態における流体噴射装置１の流路管４０及び噴射口５０の概略構成を示す断面図である。図には流路管４０と、噴射口５０と、流路管４０上に螺旋状に複数の配置される圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀と、が示されている。圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀は、噴射口５０から最も遠い側から噴射方向へ向かって螺旋方向に番号の小さい順に並べられる。流路管４０と噴射口５０と、それぞれを構成する部材は管状の部材であり、流路管４０と噴射口５０とは同一軸を直線状に連通する。

流路管４０は、圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀の変位に追従した変形が可能であり、かつ、流体を圧縮するのに十分な硬さ有する材料で製造されている。流路管４０の終端部は、噴射口５０方向へ向かってその径が徐々に小さく絞られるように形成されている。流路管４０は、流路管４０内の流体中を伝播する圧力波が、できる限り損失なく噴射口５０出口まで到達し得るのに十分な硬さを有する材質で製造されている。

噴射口５０は、液体を噴射するための孔を有する。流体供給管６０は圧力室３０に対し液体を供給するための流路である。流体供給管６０には、ポンプ等の流体供給手段によって常に一定圧力、あるいは、一定流量の液体が供給される。これら噴射口５０及び流体供給管６０も、流路管４０と同様の硬さを有する材質で製造されている。

制御部８０は、流路管４０上の各圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀に接続され、後述する電圧波形からなる駆動波形を印加する。そして、流路管４０上の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀のそれぞれの伸長を駆動制御し、流路管４０内に旋回流を生成する。

図４は、流路管４０上の各圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀に印加される駆動波形の説明図である。本図を参照しつつ、電圧波形と電圧波形の入力タイミングについて説明する。図には、時間を横軸とし、駆動電圧を縦軸としたグラフが示されている。そして、図にはｎ番目（ｎ＝１，２，３，…）の圧電素子Ｐ_nに印加される電圧波形Ｓ_nが示されている。また、ｎ番目の圧電素子Ｐ_nの駆動開始時刻ｔ_nと、ｎ−１番目の圧電素子に対するｎ番目の圧電素子Ｐ_nの駆動開始遅延時間Δｔｄ_n-1とが示されている。また、ｎ番目の圧電素子Ｐ_nに印加される電圧波形Ｓ_nが０（Ｖ）からピーク電圧Ｖ_m（Ｖ）に立ち上がるまでの時間として、Δｔｒ_nが示されている。

制御部８０は、流路管４０上にある圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀で、噴射口５０から遠い側の小さい番号の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀から螺旋方向順に電圧波形を印加し、順次、圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀を伸長方向に伸長させていく。

先ず時刻ｔ₁に１番目の圧電素子Ｐ₁に電圧波形Ｓ₁を印加し駆動を開始し、時刻ｔ₂に２番目の圧電素子Ｐ₂に電圧波形Ｓ₂を印加し駆動を開始する。以下、順次駆動し、時刻ｔ_nにｎ番目の圧電素子Ｐ_nに電圧波形Ｓ_nを印加し駆動を開始、最後に時刻ｔ₃₀において３０番目の圧電素子Ｐ₃₀の駆動を開始、電圧波形Ｓ₃₀がピーク電圧Ｖ_mに達すると、電圧波形Ｓ₁〜Ｓ₃₀の各電圧は同時に０Ｖへと降下させられる。電圧波形Ｓ₁〜Ｓ₃₀が０Ｖになった後、再び電圧波形Ｓ₁からＳ₃₀まで順に入力される。このように圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀が螺旋方向順に、順次、流路管４０を押圧することにより、流路管４０内には旋回流が生成され、この旋回流は噴射口５０の方向に進行する。

電圧波形Ｓ_nは、時間Δｔｒ_nの間に０（Ｖ）からピーク電圧Ｖ_m（Ｖ）まで急峻に立ち上がり（この部分の波形を、立ち上がり波形と呼ぶ）、その後ピーク電圧Ｖ_mを維持し、最終の圧電素子Ｐ₃₀に印加される電圧波形Ｓ₃₀がピーク電圧Ｖ_mに達するまでその状態を維持し、そこから徐々に電圧を低下させて０（Ｖ）になる（この部分の波形を、立ち下がり波形と呼ぶ）駆動波形を有する。

ピーク電圧Ｖ_mが印加されたときに、印加される圧電素子Ｐの伸長量は最大となる。一方、電圧０（Ｖ）のときには、圧電素子Ｐの伸長量は最小（初期状態）となる。

電圧波形Ｓ_nに後続する電圧波形Ｓ_n+1は、電圧波形Ｓ_nの立ち上がりから時間差Δｔｄ_nを有して、時間Δｔｒ_n+1の間に０（Ｖ）からピーク電圧Ｖ_m（Ｖ）まで急峻に立ち上がり、その後、ピーク電圧Ｖ_mを維持し、最終の電圧波形Ｓ₃₀がピーク電圧Ｖ_mに達するまでその状態を維持し、そこから徐々に電圧を低下させて０（Ｖ）になる駆動波形を有する。

尚、全ての電圧波形の立ち下がり波形は同じであって、これは全ての圧電素子の収縮が同時に行われることを示している。

立ち上がり波形を急峻にしているのは、流路管の容積を局所的に急激に縮小させ、流路管の内部圧力を急激に高めて圧力波を生成するためである。また、立ち下がり波形を緩やかにしているのは、圧力室から流路管への液体の供給を容易にするためである。また、圧電素子の変位速度を緩やかにして破壊を防止し、さらに、電荷の除去を時間をかけて十分に行うためでもある。

流体噴射装置１を駆動する際には、このような電圧波形Ｓ₁〜Ｓ₃₀からなる一連の基本電圧波形が繰り返し対応する各圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀に印加される。

前述のように、ｎ番目の圧電素子Ｐ_nに対するｎ＋１番目の圧電素子Ｐ_n+1の駆動遅延時間をΔｔｄ_n、ｎ番目の圧電素子Ｐ_nの駆動電圧波形Ｓ_nが０（Ｖ）からピーク電圧Ｖ_m（Ｖ）に立ち上がるまでの時間をΔｔｒ_nとする。また、ｎ番目の圧電素子Ｐ_nの螺旋方向の幅をΔｚ_nとする。ここで、流体中における圧力波の伝播速度、すなわち音速をＶ_sとすると、以下の式を満たすように流路管４０上の各圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀の伸長が駆動制御される。

Δｚ_n+1／Ｖ_s＜Δｔｄ_n＜Δｔｒ_n （ｎ＝１，２，３，・・・，２９）

これは、螺旋方向に隣接する圧電素子Ｐ間の駆動遅延時間が、圧力波が螺旋方向に隣接する圧電素子Ｐ間の距離を伝播する時間よりも長くなるように、各圧電素子Ｐの伸長が制御されることを表している。すなわち、隣接する圧電素子間の距離を駆動遅延時間で除した速度が、流体中の音速より遅くなるように各圧電素子の伸長が制御される。また、駆動遅延時間Δｔｄ_nが立ち上がり時間Δｔｒ_nよりも短くなるように、圧電素子Ｐの伸長が制御される。

すなわち、これは螺旋方向に隣接する圧電素子Ｐ間で、それぞれの伸長により流路管４０内に間断の無い連続的な旋回流が生成されることを表している。すなわち、流路管４０上の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀に駆動電圧が印加され、噴射口５０から離れている流路管４０上の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀から順に螺旋方向順に伸長する。その結果、流路管４０の容積は噴射口５０から離れている側から噴射口５０側に向かって螺旋方向に順次圧縮され、流路管４０内に旋回流が生成される。旋回流には遠心力が生じるが、流路管４０内に存在する気泡は遠心力とは反対方向の中心方向に掃き寄せられるため、流路管４０内の壁面に滞留することがなくスムースに噴射口５０から排出される。したがって、気泡による圧力吸収に起因する流体噴射装置１の動作不安定性が避けられ、より安定的な噴流が得られることになる。

また、上記の第１実施形態の流体噴射装置１を医療機器に搭載することもできる。このとき、流体噴射装置１は、複数の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀を駆動することによって、噴射口５０から一連のパルス状の微少液滴を高速噴射する。パルス状の微少液滴の噴射による手術は、生体組織の切除、切開、破砕する際、熱損傷がなく、生体組織を選択的に切除並びに温存できるなど、手術具として優れた特性を有する。また、このような流体噴射装置１を用いて手術等を行う場合、噴射する液体量が従来の高圧定常流を用いたものに比べ少なく、術部の視認性に優れているという利点もある。

尚、上記の第１実施形態の構成を説明するために、流路管４０の断面形状として正六角形を選んでいるが、各頂点が鈍角である多角形、すなわち五角形以上で、かつ各頂点が鈍角であれば、これに限らず任意の形状とすることができる。

尚、上記の第１実施形態の構成を説明するために、ここでは旋回流を生みだす流路管４０上の圧電素子Ｐ₁〜Ｐ₃₀を噴射口５０方向へ螺旋状に３０個配置しているが、個数はこれに限らず、流路管４０を螺旋方向に最低一周する圧電素子Ｐ数であれば、任意の数とすることができる。

また、上記の第１実施形態の構成では、圧電素子Ｐを構成する材料として代表的な圧電セラミックスであるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を例に挙げているが、用いることのできる圧電材料はこれに限らない。

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。

Ｐ₀…主圧電素子 Ｐ₁〜Ｐ₃₀…圧電素子 １…流体噴射装置 １０…筺体 ２０…ダイアフラム ３０…圧力室 ４０…流路管 ５０…噴射口 ６０…流体供給管 ７０…主制御部 ８０…制御部。

Claims (5)

1. 筒状の筺体の内部に配置される主圧電素子及び該主圧電素子の伸長を制御する主制御部と、
   前記主圧電素子の一方の端面に密着固定されるダイアフラムと、
   前記ダイアフラムと前記筺体とによって構成される圧力室と、
   前記圧力室内に液体を供給する流体供給管と、
   前記圧力室に連通し各頂点が鈍角である多角形の断面形状を有する流路管と、
   前記流路管の終端に連結する噴射口と、
   前記流路管に接し、前記噴射口方向に対し螺旋状に複数並び、該噴射口方向と交差する方向に伸長する圧電素子と、
   前記複数の圧電素子に電圧を印加して該圧電素子のそれぞれの伸長を制御し、前記噴射口から離れたものから該噴射口の方向に向かって螺旋方向順に前記圧電素子を順次伸長させ、前記流路管内で前記噴射口方向に進行する旋回流を生成させる制御部と、
   を有することを特徴とする流体噴射装置。
2. 前記制御部は、前記噴射口に最も近い前記圧電素子が最大変位に伸長するまで、他の該圧電素子が最大変位の伸長状態を維持するように、各該圧電素子を駆動制御することを特徴とする請求項１に記載の流体噴射装置。
3. 前記制御部は、前記複数の圧電素子を順次伸長させる際、螺旋方向に隣接する該圧電素子間において、前記噴射口に近い側の前記圧電素子の駆動開始遅延時間が、前記噴射口から離れている側の前記圧電素子が最大伸長に達するまでの時間よりも短くなるように、各前記圧電素子を駆動制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体噴射装置。
4. 前記制御部は、前記複数の圧電素子を順次伸長させる際、螺旋方向に隣接する該圧電素子間において、前記噴射口から離れている側の前記圧電素子の伸長により生成される圧力波が、前記噴射口に近い側の前記圧電素子の領域を伝播する時間よりも長くなるように、各前記圧電素子を駆動制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体噴射装置。
5. 請求項１〜４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医療機器。