JP4788809B2 - 流体噴射方法 - Google Patents
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Description
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、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2は、本実施形態に係る脈流発生部20を流体の噴射方向に沿って切断した断面図である。脈流発生部20は、ポンプ10から流体供給チューブ4を介して圧力室80に流体を供給する入口流路81と、圧力室80の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子30及びダイアフラム40と、圧力室80に連通する出口流路82と、を有して構成されている。入口流路81には流体供給チューブ4が接続されている。
図3は、本実施形態に係る駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図である。駆動制御部15は、ポンプ10の駆動制御を行うポンプ駆動回路152と、圧電素子30を駆動制御する圧電素子駆動回路153と、ポンプ駆動回路152と圧電素子駆動回路153とを制御する制御回路151と、を有して構成されている。
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。
ポンプ10によって入口流路81には、所定の圧力で流体が供給されている。その結果、圧電素子30が動作を行わない場合、ポンプ10の吐出力と入口流路81側全体の流路抵抗の差によって流体は圧力室80内に流動する。
(実施形態1に係る脈流発生部の駆動方法)
まず、圧電素子30の駆動波形について説明する。
図4は、圧電素子の駆動波形の1例を示す駆動波形図である。駆動波形の1周期は、正の電圧方向にオフセットして位相が−90度ずれたsin波形と休止期間とを合わせた時間である。圧電素子30は正の電圧が印加されると伸長(図2、矢印A方向)するものとすると、時間t1(以降、電圧上昇時間t1と表す)の区間は圧力室80の容積を減少させている時間に相当する。また、時間t2(電圧降下時間t2と表す)の区間では圧電素子30の電荷を除去する区間であって、圧電素子30は縮小する。つまり、電圧降下時間t2の区間では圧力室80の容積は増加する。
図5は、圧力室の容積変化を示す模式図であり、(a)は圧電素子に電圧を印加しない状態、(b)は電圧を印加した場合を示している。なお、電圧印加期間における容積変化は、圧電素子30の圧電特性によって異なるが、本実施形態では電圧を印加することで容積を縮小させる場合を例示する。図5(a)は、圧電素子30は電圧が印加されない初期状態にあるので、圧力室80の容積も縮小されない状態(図中、ダイアフラム40の位置をBで示す)にある。
ここで、圧電素子30に所定の電圧を印加すると、図5(b)に示すように圧力室80の容積は減少される(図中、ダイアフラム40の位置をB’で示す)。ここで、ダイアフラム40がBからB’まで移動すると、圧力室80は、図中斜線で表す分だけ容積が変化する。そして、この容積に相当する流体が出口流路82から送出される。従って、以降、この圧力室80の容積変化分を流体の排除体積と表す。
(流体噴射方法)
図6は、駆動周波数と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフである。
排除体積が初期設定の状態で圧電素子30の駆動周波数を変化させる場合を説明する。まず、切除力を切除力ダイアル26にて設定する。切除力ダイアル26では所望の排除体積を選択して以降固定する。なお、切除力ダイアル26による切除力の設定は、圧電素子30の圧電定数などの条件が既に分かっている場合には、排除体積を決める条件となる駆動電圧のゲインを排除体積の代わりに用いてもよい。
なお、圧電素子30の駆動周波数とポンプ10の流体供給流量は、制御回路151に含まれる演算部によって演算され、圧電素子駆動回路153、ポンプ駆動回路152に入力し、それぞれの駆動条件で駆動する。
まず、切除力ダイアル26を操作して排除体積を設定する。排除体積は、圧電素子30の伸長長さとダイアフラム40の可動面積の積により算出される。伸長長さは、圧電素子30へ印加する電圧を制御することで決定される。このようにして、パルス一個当たりの切除力を決定する。
図8は、排除体積を変化させた場合の駆動周波数と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフである。流体供給流量は駆動波形の周波数(駆動周波数)と比例の関係であって直線で表される(図6も参照する)。流体供給流量は流体噴射流量と少なくとも同量とする。流体噴射流量は、排除体積と圧電素子30の駆動周波数の積で算出されることから、図8に示すように排除体積を増やす場合には直線の勾配を排除体積増加分に合わせて大きくさせ、排除体積を減らす場合には直線の勾配を排除体積減少分に合わせて小さくさせればよい。
(実施形態2)
図11は、駆動周波数を変化させた場合の排除体積と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフである。流体供給流量は排除体積に対して比例の関係であってある勾配をもった直線で表わされる(図10も参照する)。
(実施形態3)
図12は、繰り返し周波数を低くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。このような場合、休止期間を長くするだけで圧力室80の容積を減少させている時間に対する圧電素子30の駆動波形の変化時間、つまり、電圧上昇時間t1は変化させる必要がないからスルーレートも変わらない。従って、パルス一個当たりの切除力を変化させずに圧電素子30の駆動周波数を変更することができる。すなわち、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度をそれぞれ独立して調整することを可能にし、前述した実施形態1及び実施形態2の考え方に適合可能である。
図13は、繰り返し周波数を高くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。図13に表す駆動波形では、基本の駆動波形(図4、参照)に対して、休止期間は短くなっているが、存在している。従って、電圧上昇時間t1は変化させる必要がなくスルーレートが変わらない。すなわち、前述した実施形態1及び実施形態2の考え方に適合可能である。
図14は、繰り返し周波数をさらに高くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。つまり、図14で表す駆動波形の1周期が、図13に表す1周期よりも短くなった場合を表している。このような駆動波形では休止期間が存在しないために、単に図13に示される基本の波形の間隔を短くしただけでは前後の波形が交差してしまう。そこで、圧力室80の容積を拡大している電圧降下時間t2を基本の波形よりも短くすることで、電圧上昇時間t1を基本の電圧上昇時間に対して変えないように駆動波形を形成する。これにより、電圧上昇時間t1は変化しないため、スルーレートが変化しないため、実施形態1及び実施形態2の考え方に適合可能となっている。
(実施形態4)
(変形例)
Claims (3)
- 所定の流体供給流量の流体を圧力室に供給することと、
所定の周波数で前記圧力室の容積を変化させることと、
駆動波形に基づく電圧を圧電素子に印加することによって、前記圧力室の容積を変化させ、脈流を発生させることと、
前記脈流を噴射することと、
を含み、
前記流体供給流量は、前記周波数に比例し、
前記圧力室の容積を減少させる期間に対応する電圧印加時間を、前記圧力室の容積を増加させる期間に対応する電圧印加時間および前記圧力室の容積が変更されない期間に対応する電圧印加時間に関わらず一定にすることを特徴とする流体噴射方法。 - 請求項1に記載の流体噴射方法であって、
前記流体供給流量は、前記圧力室から排出される流体の排除体積に比例することを特徴とする流体噴射方法。 - 請求項2に記載の流体噴射方法であって、
前記流体供給流量が、前記排除体積と前記周波数との積以上であることを特徴とする流体噴射方法。
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