JP2017101598A - 液体噴射装置、プログラム、制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射管の閉塞を解消すること。【解決手段】液体を噴射する噴射管と、前記噴射管に通じる液体室と、前記液体室の容積を変更する圧電素子と、前記液体室に液体を供給するために回転するチューブポンプと、前記噴射管が閉塞した場合、前記間欠的な噴射のための伸縮時よりも高周波で前記圧電素子を伸縮させ、且つ、前記チューブポンプの回転の向きを複数回、反転させる制御装置と、を備える液体噴射装置。【選択図】図５

Description

本発明は、液体の噴射に関する。

圧電素子の振動によって液体室の液体に脈動を付与し、噴射管から液体を間欠的に噴射する装置が知られている。この噴射管は、閉塞して液体を噴射できなくなる場合がある。この場合に、圧電素子の振幅を大きくしたり、液体室に液体を供給する圧力を大きくしたりすることによって、閉塞を解消する手法が知られている（特許文献１）。

特開２０１０−１０６７４８号公報

上記先行技術の場合、閉塞の解消について改善の余地があった。本願発明は、上記先行技術を踏まえ、より効果的に閉塞を解消することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

本発明の一形態によれば、液体噴射装置が提供される。この液体噴射装置は；液体を噴射する噴射管と；前記噴射管に通じる液体室と；駆動信号が入力されると、前記液体室の容積を変更する圧電素子と；正回転によって前記液体室に液体を供給するチューブポンプと；前記噴射管が閉塞していない場合、第１の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプを正回転させ、前記噴射管が閉塞している場合、前記第１の周波数よりも高周波である第２の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプの回転の向きを複数回、反転させる制御装置と；を備える。この形態によれば、高周波で圧電素子を伸縮させ、チューブポンプの回転の向きを複数回、反転させるので、効果的に閉塞を解消できる。

上記形態において、前記第２の周波数の前記駆動信号が入力された前記圧電素子は、前記液体室内の前記液体に泡を発生させてもよい。この形態によれば、泡を利用して閉塞を解消できる。

上記形態において、前記第２の周波数の前記駆動信号が入力された前記圧電素子は、前記噴射管を振動させてもよい。この形態によれば、噴射管の振動を利用して閉塞を解消できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、方法や、この方法を実現するための制御装置やプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。

液体噴射装置の構成図。 ハンドピースの断面図。 ジョイント部及びアクチュエーターユニット付近を拡大して示す断面図。 液体室付近を拡大した断面図。 閉塞解消処理を示すフローチャート。

図１は、液体噴射装置２０の構成を概略的に示す。液体噴射装置２０は、医療機関において利用される医療機器であり、患部に対して液体を噴射することによって、患部を切除する機能を有する。

液体噴射装置２０は、制御装置３０と、アクチュエーター用ケーブル３１と、ポンプ用ケーブル３２、フットスイッチ３５と、吸引装置４０と、吸引チューブ４１と、液体供給装置５０と、ハンドピース１００とを備える。

液体供給装置５０は、給水バッグ５１と、スパイク針５２と、第１〜第５コネクター５３ａ〜５３ｅと、第１〜第４給水チューブ５４ａ〜５４ｄと、ポンプチューブ５５と、閉塞検出機構５６と、フィルター５７とを備える。ハンドピース１００は、ノズルユニット２００と、アクチュエーターユニット３００とを備える。ノズルユニット２００は、噴射管２０５と、吸引管４００とを備える。

給水バッグ５１は、透明な合成樹脂製であり、内部に液体（具体的には生理食塩水）が充填されている。なお、本願では、水以外の液体が充填されていても、給水バッグ５１と呼ぶ。スパイク針５２は、第１コネクター５３ａを介して、第１給水チューブ５４ａに接続されている。給水バッグ５１にスパイク針５２が刺されると、給水バッグ５１に充填された液体が第１給水チューブ５４ａに供給可能な状態になる。

第１給水チューブ５４ａは、第２コネクター５３ｂを介して、ポンプチューブ５５に接続されている。ポンプチューブ５５は、第３コネクター５３ｃを介して、第２給水チューブ５４ｂに接続されている。チューブポンプ６０は、ポンプチューブ５５を、ステーターとローターとで挟み込んでいる。チューブポンプ６０は、内蔵するモーターの回転によって、複数のローラーを回転させることで、ポンプチューブ５５を扱（しご）く。このように扱かれることによって、ポンプチューブ５５内の液体は、第１給水チューブ５４ａ側から、第２給水チューブ５４ｂ側に送り出される。

閉塞検出機構５６は、第２給水チューブ５４ｂ内の圧力を測定することで、第１〜第４給水チューブ５４ａ〜５４ｄ及びハンドピース１００内の閉塞を検出する。閉塞検出機構５６は、閉塞を検出すると、制御装置３０に検出結果を入力する。

第２給水チューブ５４ｂは、第４コネクター５３ｄを介して、第３給水チューブ５４ｃに接続されている。第３給水チューブ５４ｃにはフィルター５７が接続されている。フィルター５７は、液体に含まれる異物を捕集する。

第３給水チューブ５４ｃは、第５コネクター５３ｅを介して、第４給水チューブ５４ｄに接続されている。第４給水チューブ５４ｄは、ハンドピース１００に接続されている。第４給水チューブ５４ｄを通じてハンドピース１００に供給された液体は、アクチュエーターユニット３００の駆動によって、噴射管２０５の先端に設けられたノズル２０７から間欠的に噴射される。このように液体が間欠的に噴射されることによって、少ない流量で切除能力が確保できる。

噴射管２０５及び吸引管４００は、噴射管２０５を内管、吸引管４００を外管とする二重管を構成する。吸引チューブ４１は、ノズルユニット２００に接続されている。吸引装置４０は、吸引チューブ４１を通じて、吸引管４００内を吸引する。この吸引によって、吸引管４００の先端付近の液体や切除片などが吸引される。

制御装置３０は、ＣＰＵと記憶媒体とを備える。記憶媒体には、チューブポンプ６０及び圧電素子３６０を制御するためのプログラムが記憶されている。制御装置３０は、ＣＰＵがこのプログラムを実行することによって、フットスイッチ３５が踏まれている間、アクチュエーター用ケーブル３１を介して第１駆動信号を送信し、ポンプ用ケーブル３２を介して第２駆動信号を送信する。第１駆動信号は、本実施形態においては４００Ｈｚの周期性を有し、アクチュエーターユニット３００を駆動させる。第２駆動信号は、チューブポンプ６０を駆動させる。よって、ユーザーがフットスイッチ３５を踏んでいる間は液体が間欠的に噴射され、ユーザーがフットスイッチ３５を踏んでいない間は液体の噴射が停止する。以下、単に駆動信号といえば、第１駆動信号のことを意味する。

図２は、ハンドピース１００の断面を示す。第４給水チューブ５４ｄは、ハンドピースケース２１０内部でＵ字状に屈曲し、入口流路２４１に接続されている。入口流路２４１は、液体室２４０（図４参照）を介して、噴射管２０５に通じている。

入口流路２４１の流路径は、噴射管２０５の流路径よりも小さい。このため、液体室２４０内の圧力が変動しても（後述）、液体室２４０内の液体が入口流路２４１に逆流することが抑制される。

ハンドピースケース２１０は、先端に凹部２１１を備える。吸引管４００の装着は、凸部４１０が凹部２１１に嵌合することで実現される。装着された吸引管４００は、吸引流路部２３０に通じている。吸引流路部２３０は、吸引力調整機構５００を介して、吸引チューブ４１に接続されている。

ユーザーは、孔５２２を利用して、吸引管４００による吸引力の調整ができる。具体的には、孔５２２が開放されている面積を小さくすれば、孔５２２から流入する空気の流量も小さくなるので、吸引管４００を介して吸引される流体（空気や液体等）の流量が大きくなる。つまり、吸引管４００による吸引力が大きくなる。逆に、孔５２２が開放されている面積を大きくすれば、孔５２２から流入する空気の流量も大きくなるので、吸引管４００による吸引力が小さくなる。通常、ユーザーは、孔５２２の開放面積の調整を、親指によって孔５２２を塞ぐ面積を調整することによって実現する。孔５２２が全く覆われていない状態では、吸引管４００による吸引力が微小になるように、又は吸引力が全く作用しないように、孔５２２の形状が設計されている。本実施形態においては、吸引管４００の流路面積が孔５２２の開口面積より大きいものの、吸引管４００の長さを孔５２２の長さよりも長くすることで吸引管４００の流路抵抗を孔５２２の流路抵抗よりも大きくしている。こうすることで孔５２２が全く覆われていない場合に、吸引管４００による吸引力を微小とすることができる。

アクチュエーターユニット３００は、図２に示すように、ノズルユニット２００のジョイント部２５０に取り付けられている。アクチュエーターユニット３００は、ジョイント部２５０に対して脱着できるように構成されている。

図３は、ジョイント部２５０及びアクチュエーターユニット３００付近を拡大して示す断面図である。図４は、ジョイント部２５０の内部に設けられた液体室２４０付近を拡大した断面を示す。

駆動部３５０は、ハウジング３５１と、固定部材３５３と、圧電素子３６０と、可動板３６１とを備える。ハウジング３５１は、円筒状の部材である。可動板３６１は、ピストン３６２と、駆動側ダイヤフラム３６４とを含む。

圧電素子３６０は、積層型圧電素子である。圧電素子３６０は、伸縮する方向がハウジング３５１の長手方向に沿うように、ハウジング３５１内に配置されている。

固定部材３５３は、ハウジング３５１の一端に固定されている。圧電素子３６０は、固定部材３５３に接着剤によって固定されている。

駆動側ダイヤフラム３６４の素材は、金属であり、具体的にはステンレス鋼であり、さらに具体的にはＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６Ｌである。駆動側ダイヤフラム３６４は、圧電素子３６０のプリロードを実施するために厚めに形成される（例えば３００μｍ）。また、圧電素子３６０が金属製で、且つ厚めに形成されているので、ピストン３６２に押された際に、滑らかに湾曲する。このため、液体室側ダイヤフラム２６０も滑らかに変形させることができる。

駆動側ダイヤフラム３６４は、ハウジング３５１の他端を覆うように配置され、ハウジング３５１に溶接によって固定されている。

ピストン３６２は、圧電素子３６０の一端に接着剤によって固定されていると共に、駆動側ダイヤフラム３６４に接触するように配置されている。ピストン３６２は、異なる径の円柱が、同心円として積層したような形状をしている。小さい径の方が、駆動側ダイヤフラム３６４と接触している。このため、駆動側ダイヤフラム３６４は、端の方が押されず、溶接箇所には大きな力が作用しないようになっている。ピストン３６２及び駆動側ダイヤフラム３６４は、接着剤等によって固定されてはおらず、接触しているのみである。

ハウジング３５１の外周には、雄ネジ部３５１ａが設けられている。雄ネジ部３５１ａを、ジョイント部２５０に設けられた雌ネジに締め付けることで、ハウジング３５１がジョイント部２５０に固定されている。雌ネジを緩めることによって、ハウジング３５１をジョイント部２５０から取り外すことができる。

連結部３１０は、第１ケース３１１と、第２ケース３１２と、第３ケース３１３と、保持部材３１４と、金属板３１５と、第１ネジ３１６と、第２ネジ３１７と、第３ネジ３１８とを備える。なお金属板３１５は中継基板３１５と言い換えることもできる。

第１ケース３１１は、第１ネジ３１６によって、固定部材３５３に固定されている。第２ケース３１２は、第２ネジ３１７と第３ネジ３１８とによって、第１ケース３１１に固定されている。２枚の金属板３１５は、第１ケース３１１内に挿入（収容）されている。

保持部材３１４は、アクチュエーター用ケーブル３１の端部付近に加締められることによって固定されている。第３ケース３１３は、第２ケース３１２と保持部材３１４とを連結するための部材である。第３ケース３１３は、保持部材３１４の外径が膨らんだ部位を引っ掛けた状態で、第２ケース３１２に固定されている。

アクチュエーター用ケーブル３１は、上記のように固定された状態で、２枚の金属板３１５と導通するように接続される。金属板３１５は、圧電素子３６０の正極、負極それぞれに、配線（図示しない）によって接続される。

圧電素子３６０は、アクチュエーター用ケーブル３１、金属板３１５及び上記の配線を介して入力される駆動信号に応じて伸縮する。圧電素子３６０が伸縮すると、ピストン３６２が圧電素子３６０の長手方向に振動する。ピストン３６２が振動すると、駆動側ダイヤフラム３６４は、この振動に追従して変形する。

図４に示すように、液体室２４０は、窪み２４４に、液体室側ダイヤフラム２６０が覆い被さることで形成される。窪み２４４は、ジョイント部２５０において、薄く円形状に窪んだ部位である。液体室側ダイヤフラム２６０は、圧電素子３６０の伸縮に応じて変形しやすいように、駆動側ダイヤフラム３６４よりも薄く形成される（例えば５０〜１００μｍ）。液体室側ダイヤフラム２６０は、直径が１３〜１５ｍｍであり、ジョイント部２５０に溶接によって固定されている。液体室側ダイヤフラム２６０の素材は、金属であり、具体的にはステンレス鋼であり、さらに具体的にはＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６Ｌである。

図４に示すように、液体室側ダイヤフラム２６０は、駆動側ダイヤフラム３６４に接触している。このため、先述したように駆動側ダイヤフラム３６４が変形すると、液体室側ダイヤフラム２６０も同様に変形する。

駆動側ダイヤフラム３６４が変形すると、液体室２４０の容積が変動する。この変動によって、液体室２４０内に満たされた液体の圧力が変動する。液体室２４０内の圧力が低下した際には、入口流路２４１から液体が液体室２４０に流入する。液体室２４０内の圧力が上昇した際には、液体が液体室２４０から噴射管２０５に流出する。噴射管２０５に流出した液体は、噴射管２０５の先端から噴射される。液体室２４０内の圧力が上昇するのは間欠的なので、噴射管２０５からの液体の噴射は間欠的に実施される。

上記のように、液体室側ダイヤフラム２６０及び駆動側ダイヤフラム３６４は、一体となって変形する。つまり、液体室側ダイヤフラム２６０及び可動板３６１は、一体となって変形する。図４に示された符号４６０は、このように一体となって変形する液体室側ダイヤフラム２６０と可動板３６１とを合わせた合成ダイヤフラム４６０を示す。合成ダイヤフラム４６０は、１つのダイヤフラムと捉えることができる。

図５は、閉塞解消処理を示すフローチャートである。閉塞解消処理は、制御装置３０は、内蔵する記憶媒体に記憶されたプログラムを実行することによって、閉塞解消処理を実行する。制御装置３０は、閉塞検出機構５６から閉塞を検出したことを示す信号が入力されると、閉塞解消処理を開始する。なお、閉塞検出機構５６によって閉塞が検出されたとしても、その閉塞が噴射管２０５で発生しているとは限らない。しかし、閉塞は噴射管２０５において発生しやすいので、よって、本実施形態においては、閉塞検出機構５６によって閉塞が検出された場合、その閉塞は噴射管２０５で発生していると見なす。

まず、チューブポンプ６０及び圧電素子３６０の動作を停止させる（Ｓ６１０）。続いて、閉塞解消運転を所定時間、実行する（Ｓ６２０）。具体的には、チューブポンプ６０の回転の向きを繰り返し反転させる。つまり、給水バッグ５１からハンドピース１００に液体を供給するための回転（以下、正回転）と、正回転と逆向きの回転とを、所定の頻度で（例えば１秒に１回）繰り返し反転させる。これによって、所定範囲の液体には、正圧と負圧とが繰り返し付与される。所定範囲とは、チューブポンプ６０よりも下流、且つ閉塞物質よりも上流の範囲のことである。所定範囲の液体に正圧と負圧とが繰り返し付与されると、閉塞物質の固着が解消されやすくなる。

これに加え、圧電素子３６０を、高周波で駆動する。本実施形態では、高周波で駆動させるための駆動信号として、液体噴射による切除モードの１０倍以上の周波数、具体的には６０００Ｈｚの周波数を有する駆動信号を用いる。この駆動は、２つの作用をもたらす。１つ目は、液体室２４０におけるマイクロバブルの発生である。マイクロバブルとは、微細な気泡である。微細とは、例えば直径５０μｍ以下のことを意味する。マイクロバブルが液体室２４０から噴射管２０５内を伝わって閉塞物質付近に到達すると、マイクロバブルの破裂によって、閉塞物質の少なくとも一部が破砕される。この破砕によって、閉塞物質の固着が解消されやすくなる。

２つ目は、噴射管２０５を高周波で振動させることである。噴射管２０５が高周波で振動すると、閉塞物質も高周波で振動する。これによって、閉塞物質と噴射管２０５との接触力が低下し、閉塞物質の固着が解消されやすくなる。

閉塞解消運転が終わったら、チューブポンプ６０の回転を正回転で維持する（Ｓ６３０）。このように閉塞解消運転の後にチューブポンプ６０を正回転させることによって、閉塞物質が噴射管２０５の先端のノズル２０７から排出されることが期待できる。

続いて、閉塞が解消したかを判定する（Ｓ６４０）。この判定は、閉塞検出機構５６からの信号に基づき実施する。閉塞が解消していない場合（Ｓ６４０，ＮＯ）、Ｓ６１０に戻る。閉塞が解消した場合（Ｓ６４０，ＹＥＳ）、閉塞解消処理を終了する。

本実施形態によれば、チューブポンプ６０及び圧電素子３６０を利用して、液体の圧力変動、泡の発生、噴射管の振動という種々の物理現象を引き起こすことによって、噴射管２０５の閉塞を解消できる。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

上記実施形態において、ソフトウエアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウエアによって実現されてもよい。また、ハードウエアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウエアによって実現されてもよい。ハードウエアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

ノズルユニットとアクチュエーターユニットとが一体に構成されていてもよい。このように一体となって構成されたものを、アクチュエーターユニットと捉えてもよいし、ハンドピースと捉えてもよい。

噴射する液体は、純水でもよいし薬液でもよい。
超音波を利用した超音波凝固切開装置や超音波吸引装置等の手術機器に用いられる液体噴射装置に適用しても良い。
液体噴射装置は、医療機器以外に利用されてもよい。
例えば、液体噴射装置は、噴射した液体によって汚れを除去する洗浄装置に利用されてもよいし、噴射した液体によって線などを描く描画装置に利用されてもよい。

実施形態においては間欠的に液体を噴射する構成を採用したが、連続的に液体を噴射する機能を備えた構成を採用してもよい。例えば、間欠的な噴射と連続的な噴射とを使い分けることができる構成でもよい。実施形態のハードウエア構成を利用して連続的な噴射を実施するために、アクチュエーターの駆動を停止または低下させた状態でチューブポンプのみを駆動させてもよい。この構成の場合、間欠的な噴射を切除のために実施し、連続的な噴射を洗浄のために実施してもよい。
或いは、連続的な噴射のみが実施できる構成でもよい。この構成の場合、連続的な噴射によって切除を実施してもよい。

２０…液体噴射装置、３０…制御装置、３１…アクチュエーター用ケーブル、３２…ポンプ用ケーブル、３５…フットスイッチ、４０…吸引装置、４１…吸引チューブ、５０…液体供給装置、５１…給水バッグ、５２…スパイク針、５３ａ…第１コネクター、５３ｂ…第２コネクター、５３ｃ…第３コネクター、５３ｄ…第４コネクター、５３ｅ…第５コネクター、５４ａ…第１給水チューブ、５４ｂ…第２給水チューブ、５４ｃ…第３給水チューブ、５４ｄ…第４給水チューブ、５５…ポンプチューブ、５６…閉塞検出機構、５７…フィルター、６０…チューブポンプ、１００…ハンドピース、２００…ノズルユニット、２０５…噴射管、２０７…ノズル、２１０…ハンドピースケース、２１１…凹部、２３０…吸引流路部、２４０…液体室、２４１…入口流路、２５０…ジョイント部、２６０…液体室側ダイヤフラム、３００…アクチュエーターユニット、３１０…連結部、３１１…第１ケース、３１２…第２ケース、３１３…第３ケース、３１４…保持部材、３１５…金属板、３１５…中継基板、３１６…第１ネジ、３１７…第２ネジ、３１８…第３ネジ、３５０…駆動部、３５１…ハウジング、３５１ａ…雄ネジ部、３５３…固定部材、３６０…圧電素子、３６１…可動板、３６２…ピストン、３６４…駆動側ダイヤフラム、４００…吸引管、４１０…凸部、４６０…合成ダイヤフラム、５００…吸引力調整機構、５２２…孔

Claims (5)

1. 液体を噴射する噴射管と、
   前記噴射管に通じる液体室と、
   駆動信号が入力されると、前記液体室の容積を変更する圧電素子と、
   正回転によって前記液体室に液体を供給するチューブポンプと、
   前記噴射管が閉塞していない場合、第１の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプを正回転させ、前記噴射管が閉塞している場合、前記第１の周波数よりも高周波である第２の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプの回転の向きを複数回、反転させる制御装置と、
   を備える液体噴射装置。
2. 前記第２の周波数の前記駆動信号が入力された前記圧電素子は、前記液体室内の前記液体に泡を発生させる
   請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 前記第２の周波数の前記駆動信号が入力された前記圧電素子は、前記噴射管を振動させる
   請求項１又は請求項２に記載の液体噴射装置。
4. 駆動信号が入力されると、噴射管に通じる液体室の容積を変更する圧電素子と、
   前記液体室に液体を供給するために回転するチューブポンプと、
   を制御する制御装置に実行させるためのプログラムであって、
   前記噴射管が閉塞していない場合、第１の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプを正回転させ、前記噴射管が閉塞している場合、前記第１の周波数よりも高周波である第２の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプの回転の向きを複数回、反転させる
   ためのプログラム。
5. 駆動信号が入力されると、噴射管に通じる液体室の容積を変更する圧電素子と、
   前記液体室に液体を供給するために回転するチューブポンプと、
   を制御する制御装置であって、
   前記噴射管が閉塞していない場合、第１の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプを正回転させ、前記噴射管が閉塞している場合、前記第１の周波数よりも高周波である第２の周波数の前記駆動信号を前記圧電素子に入力し且つ前記チューブポンプの回転の向きを複数回、反転させる
   制御装置。

Images