JP5167792B2 - 医療機器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の容積可変チャンバを備える流体噴射装置に関する。

噴射される流体による手術は、血管等の脈管構造を保存しながら臓器実質を切開することが可能であり、さらに、切開部以外の生体組織に与える付随的損傷が軽微であることから患者負担が小さく、また、出血が少ないため出血が術野の視界を妨げないことから迅速な手術が可能であり、特に微小血管からの出血に難渋する肝切除等に多く臨床応用されている。

このような噴射される流体による手術装置として、液体噴射部（ノズル）と離間して配設される液体供給制御装置に液体の加圧源としてのポンプを備え、柔軟なチューブで液体を液体噴射部まで導き、高圧連続流として噴射する内視鏡手術装置というものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、流体室の容積を変更して流体室に連通する出口流路から接続流路を介して接続流路が穿設された剛性を有する接続流路管先端に設けられるノズルの開口部から液体をパルス状に噴射する流体噴射装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６３−９９８５３号公報（第２頁、図１） 特開２００５−１５２１２７号公報（第８〜１０頁、図１）

上述した特許文献１では、流体の加圧源としてのポンプを有する液体供給制御装置を液体を噴射するノズルから遠い位置にチューブを介して配設されている。従って、液体がチューブを流動している間にチューブ内の流体抵抗により液体の圧力が低下することや、チューブを曲げて使用する場合には流動する液体の圧力が変動し、安定した流体速度の噴射を行えないということが予測される。

また、本発明者が出願した特許文献２では、脈動の波高値、脈動の周波数、流体群を構成する脈動数、流体群と流体群の間隔等の制御パラメタを設定可能である。これらを適切に設定することによって、硬度や構造が場所ごとに変化する生体の軟組織を適切に切除することが可能となっている。しかしながら、接続流路管（接続流路）が剛性を有し、且つ１００〜２００ｍｍと長いことから接続流路管を流動する間に液体の噴射速度が遅くなることや、接続流路管内の液体の圧力波の反射等の影響により噴射される液滴が合成されてパルス状の噴射ができないことが考えられる。

さらに、接続流路管が剛性を有していること、圧電素子として積層型を採用していることから、カテーテルのように血管内に挿入するような細管の先端に流体噴射部を設けることは困難であると考えられる。

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、容積可変チャンバの内部に設けられる流体室の容積をダイアフラムにより縮小して流体噴射開口部から流体をパルス状に噴射する流体噴射装置であって、前記流体室に流体を供給するチューブと、前記チューブの先端に配設される流体噴射部と、が備えられ、前記流体噴射部には、前記チューブの一端に連通する入口流路と流体を噴射する流体噴射開口部に連通する出口流路との間に複数の前記容積可変チャンバが連通路を介して直列に配設され、流体の流動方向に対して垂直方向の断面積において、前記連通路と前記出口流路と前記入口流路のそれぞれの断面積が、前記流体室よりも小さいことを特徴とする。

このような構成によれば、流体噴射開口部側（以降、先端側または前段側と表すことがある）の容積可変チャンバに対し入口流路側（以降、後段側と表すことがある）の容積可変チャンバは、先端側の容積可変チャンバに圧力を高めた流体を送り込むと共に、先端側の容積可変チャンバの流体室の容積を縮小した際の流体の逆流に対する流体抵抗成分となる。

特に、脳手術のように器具自体に細い形状が要求される場合には、各容積可変チャンバの流体室の縮小量が小さくなるため、先端側の容積可変チャンバ内まで十分な流体供給ができないことが予測される。従って、後段側の容積可変チャンバを設け、先端側の容積可変チャンバに流体を供給することにより、先端側の容積可変チャンバ内へ十分な流体供給を行うことができる。

また、先端側の流体室の内部では、流体室の容積を減じたときに、入口流路に逆流が生じることで適正な液滴がパルス状に噴射できないことがある。そこで、後段の容積可変チャンバの流体室の容積を縮小して流体抵抗成分を発生させ、パルス状の液滴噴射を行うことができるという効果がある。

［適用例２］上記適用例に係る流体噴射装置において、複数の前記容積可変チャンバが、前記容積可変チャンバそれぞれに設けられる前記流体室と前記流体室を互いに連通する前記連通路と、前記流体噴射開口部と前記流体室の一つとを連通する前記出口流路と、前記入口流路それぞれの側壁と、を形成する薄板状のスペーサと、前記スペーサの表裏両面それぞれに密着されるダイアフラムと、前記ダイアフラムの前記流体室の外側表面に設けられる圧電素子と、を有していることが好ましい。

このような構成によれば、流体室、出口流路、入口流路及び連通路は、ダイアフラムで上下の蓋体を、そして側壁をスペーサで構成するため、複数の容積可変チャンバを設ける構成であっても構成部品数を減らすことができ、流体噴射部の小型化を実現できる。

［適用例３］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記入口流路と前記流体室と前記連通路と前記出口流路が、ほぼ直線上に配設されていることが好ましい。

出口流路、流体室、連通路、入口流路との間で曲がる流路を構成した場合、曲がり部には流体抵抗が生じる。しかしながらそれぞれを直線上に配設することにより、流路内の流体抵抗を抑制し先端側の流体室に円滑に流体を供給することができる。

また、出口流路、流体室、連通路、入口流路を直線上に配設することで、複数の容積可変チャンバを備える構造であっても、円柱形状の細い流体噴射部を構成することができ、カテーテルのような細管の先端に流体噴射部を設けることができるという効果がある。

［適用例４］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記入口流路と前記連通路と前記出口流路の流体流動方向に垂直な断面形状が四角形であることが好ましい。

出口流路、複数の流体室及び連通路及び入口流路の側壁は薄板状のスペーサで形成される。薄板状のスペーサを例えばプレス抜き加工、エッチング加工等でスペーサ本体と一体で形成することが容易に可能であり、上述の各流路の断面形状は四角形となる。この際、各流路の断面積は、高さ寸法はスペーサの厚さが一定であり、側壁の幅寸法を変更することにより容易に所望の断面積とすることができ、流体流量の調整が容易にできるという効果がある。

［適用例５］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記流体室の内側側壁の角部が滑らかに丸められていることが好ましい。

流体室の容積をダイアフラムにて縮小し内部の圧力を高めて流体を噴射する装置では、流体室内部に微小な気泡が存在する場合、流体室の圧力を十分高めることができないことが考えられる。そして、気泡は流体室内部の角隅部に滞留しやすい。従って、流体室の内側側壁の角部を滑らかに丸めることにより、気泡の滞留を防止し、流体噴射時に気泡を流体噴射開口部から外部に排出しやすくすることができる。

［適用例６］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記連通路の流体が前記流体室に流入する側の幅が、流体の前記流体室から流出する側の幅よりも大きいことが好ましい。

流体の流動方向において、流体が流入する側よりも流出する側の連通路の断面積を小さくすることによる拡散効果により流体を流動しやすくし、逆方向の流体流動においてはノズル効果により流体を流動しにくくする。従って、上述のような構成にすれば、後段側の流体室から前段側の流体室への流動を促し、前段側の流体室から後段側の流体室への流動（つまり、逆流）を抑制することができる。

［適用例７］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記流体噴射部が円柱形状であって、前記流体噴射部の直径と前記チューブの直径が概ね等しいことが好ましい。

このような構成によれば、流体噴射部とチューブの直径を概ね同じにすることによって、チューブと同等な直径を有する細管内部（例えば、血管等の脈管構造内部）に挿通することが可能で、抜脱することも容易であって、細管内壁を傷つけることもない。

［適用例８］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記流体噴射部の前記流体噴射開口部方向の先端部が概ね半球状に丸められていることが好ましい。

このような構成によれば、流体噴射部の先端部を丸めておくことで、例えばチューブがカテーテルであって血管等の細管に流体噴射部を挿入し易く血管を傷つけることを防止することができる。また、先端部に流体噴射開口部を設けることにより、微小術部を視認しやすくする。

［適用例９］上記適用例に係る流体噴射装置において、複数の前記容積可変チャンバのうち、前記流体噴射開口部に連通する容積可変チャンバを除く少なくとも一つが、流体を滞留するリザーバであることが好ましい。

先端側の流体室を加圧し、その後圧力を開放したときに流体が僅かに流動することがあり、この流体が次の噴射液滴と衝突して適正な液滴を形成しないことがある。そこで、後段の容積可変チャンバをリザーバとして配設することで、圧力解放後の流体の流動を抑制することができる。この際、さらに後段の容積可変チャンバの流体室の容積を復帰させるようにすれば、より一層効果がある。

［適用例１０］上記適用例に係る流体噴射装置において、複数の前記容積可変チャンバのうち、少なくとも前記流体噴射開口に連通する流体室の内壁に親水処理が施されていることが望ましい。

流体室の内壁に親水処理を施した場合、内壁面には気泡が滞留しにくくなり、加圧した際に流体と共に気泡を流体噴射開口部より排出するため、流体室を所定の圧力まで高めることができるという効果がある。

［適用例１１］上記適用例に係る流体噴射装置において、複数の前記容積可変チャンバそれぞれの流体室の容積変更タイミングを一致させていることが好ましい。

このような構成によれば、先端側（出口流路側）の容積可変チャンバ内の流体室の容積を縮小するタイミングで後段の流体室の圧力を高めることにより、先端側の流体室から後段の流体室への流体の逆流を抑制し、流体噴射開口部から適正サイズの液滴をパルス状に噴射させることができる。

［適用例１２］上記適用例に係る流体噴射装置において、複数の前記容積可変チャンバのうち、前記出口流路側の容積可変チャンバに対して、前記入口流路側の容積可変チャンバ内の流体室の容積変更タイミングを先行させることが望ましい。

このような構成によれば、流体噴射開口部に各々の容積可変チャンバで生成された圧力波が到達する時刻を同時にすることができ、流体噴射開口部から強くシャープな液滴の噴射が実現できる。

［適用例１３］上記適用例に係る流体噴射装置において、複数の前記容積可変チャンバのうち、前記流体噴射開口部側の容積可変チャンバに対して、前記入口流路側の容積可変チャンバの流体室の容積変更タイミングを遅延させることが望ましい。

このような構成によれば、流体噴射開口部に次々に圧力波が到達するために、比較的遅い液滴の噴射が長く続く状態となり、柔らかい組織の切除に有効である。

［適用例１４］上記適用例に係る流体噴射装置において、前記容積変更タイミングの先行時間または遅延時間が、駆動信号の１／２周期以内であることが望ましい。

このような構成によれば、先端側の容積可変チャンバの流体室と後段の容積可変チャンバの流体室との容積変更タイミングを駆動信号の１／２周期以内とすることで、上述した容積変更タイミングをずらすことから得られる効果を有する流体噴射装置を実現することができる。

以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は実施形態１に係る流体噴射装置を示し、図６は実施形態２、図７は実施形態３を示している。
なお、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、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、血管内に挿入し血栓等を除去する目的で用いるカテーテルの先端に設置することに適した流体噴射装置、あるい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、水または生理食塩水であり、以降、これら流体を総称して液体と表す。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係る流体噴射装置の概略構成の一例を示す説明図である。図１において、流体噴射装置１００は、基本構成として液体を収容し、その液体を供給する流体供給部としての輸液バッグを含む駆動制御部１１０と、液体を脈動に変化させる流体噴射部１０と、駆動制御部１１０と流体噴射部１０とを連通するチューブ８０と、を備えている。流体噴射部１０は、液体を脈動に変化させて液滴２００としてパルス状に高速噴射させる。

駆動制御部１１０には、図示しない駆動波形生成回路部と駆動制御回路部とが備えられ、術部の硬度等の条件に対応して駆動波形を調整する調整装置が備えられている。

次に、図２〜図４を参照して本実施形態の流体噴射装置について説明する。
図２は、実施形態１に係る流体噴射部の断面中心軸Ｓに沿って垂直に切断した断面図、図３は断面中心軸Ｓを水平に切断した断面図（図２のＡ−Ａ方向切断面）、図４（ａ）は流体噴射部１０の先端方向から視認した正面図、図４（ｂ）は図２のＢ−Ｂ切断面を示す断面図、図４（ｃ）は図２のＣ−Ｃ切断面を示す断面図である。図２〜図４において、流体噴射部１０は、内部に複数の容積可変チャンバを備えて構成されている。

複数の容積可変チャンバは、流体噴射部１０の出口流路３１に連通する先端側の容積可変チャンバ２１（以降、単に容積可変チャンバ２１と表す）と、容積可変チャンバ２１に対して入口流路３７側に配設される後段側の容積可変チャンバ２２，２３（以降、単に容積可変チャンバ２２，２３と表す）とから構成される。
なお、容積可変チャンバは、図２では３個構成を例示しているが、２個または４個以上備える構成としてもよい。

流体噴射部１０は、断面中心軸Ｓに沿って形成される薄板状のスペーサ６１の表面にダイアフラム４０が、裏面にダイアフラム４１がそれぞれ密着固定されている。スペーサ６１は図３に示すように、容積可変チャンバ２１〜２３それぞれの位置に平面形状が略四角形の開口部３２，３４，３６とが形成されている。開口部３２，３４，３６は、ダイアフラム４０，４１によって表裏が封止され、ダイアフラム４０が上蓋、ダイアフラム４１が下蓋、そしてスペーサ６１が側壁となる流体室６２，６３，６４が構成される（図４（ｂ）も参照する）。

また、スペーサ６１の先端部１１側にはスリットが設けられ、ダイアフラム４０が上蓋、ダイアフラム４１が下蓋、そしてスペーサ６１が側壁となる出口流路３１が形成される（図４（ａ）、参照）。スペーサ６１には、開口部３２と開口部３４との間、開口部３４と開口部３６との間にはそれぞれスリットが設けられ、ダイアフラム４０が上蓋、ダイアフラム４１が下蓋、そしてスペーサ６１が側壁となる連通路３３，３５が形成される。さらに、開口部３６の他端にもスリットが設けられ、ダイアフラム４０が上蓋、ダイアフラム４１が下蓋、そしてスペーサ６１が側壁となる入口流路３７が形成される。

このようにスペーサ６１とダイアフラム４０，４１によって構成される出口流路３１、連通路３３，３５、入口流路３７、及び流体室６２〜６４の液体流動方向に対して垂直方向の断面形状（図４（ａ）〜（ｃ）、参照）は四角形であり、出口流路３１、連通路３３，３５及び入口流路３７の断面積は流体室６２〜６４の断面積よりもはるかに小さい。

なお、図３に示すように、スペーサ６１は、開口部３２（流体室６２）内側側壁の４隅の角部３２ａ、開口部３４（流体室６３）内側側壁の４隅の角部３４ａ、及び開口部３６（流体室６４）内側側壁の４隅の角部３６ａは滑らかに丸められている。

さらに、図３に示すように、連通路３３は、先端側の開口部３２（流体室６２）との連通部の幅が開口部３４（流体室６３）との連通部の幅よりも大きい。また、連通路３５は、開口部３４（流体室６３）との連通部の幅が開口部３６（流体室６４）との連通部の幅よりも大きく設定される。

また同様に、入口流路３７においても、開口部３６（流体室６４）との連通部の幅が、チューブ８０側の幅よりも大きく設定されることがより好ましい。

出口流路３１においては、液体のノズル効果を得るためには、流体室６２との連通部の断面積を流体噴射開口部３０との連通部の断面積よりも小さくすることが望ましいが、流体室６２からの液体の流動性と、液滴の噴射方向を安定させることを考慮して断面中心軸Ｓに対して側壁を平行となるように形成している。

なお、連通路３３の断面積を均一にし、流体室６２との連通部を丸めて断面積を広くし、また、連通路３５の断面積を均一にし、流体室６３との連通部を丸めて断面積を広くする構造としてもよく、同様に、入口流路３７の断面積を均一にし、流体室６４との連通部を丸めて断面積を広くする構造としてもよい。

スペーサ６１は、断面中心軸Ｓの両側に、スペーサ６１ａとスペーサ６１ｂとを個別に形成し水平に配設する構成としてもよく、流体噴射部１０の両端外側でスペーサ６１ａとスペーサ６１ｂとが接続されたものを、上枠７１と下枠８１を固定した後、その接続部を切断する構成としてもよい。

スペーサ６１をスペーサ６１ａとスペーサ６１ｂとで一体にて形成する場合は、出口流路３１，流体室６２〜６４、連通路３３，３５及び入口流路３７の幅寸法、相互位置が正確に形成することが可能で、高さ寸法はスペーサ６１の厚さで決定されるため、液体の流量の寸法によるばらつきを抑えることができる。
また、スペーサ６１の形成手段としては、プレス加工、エッチング加工等を採用することができる。

なお、流体室６２及び出口流路３１の内壁面には親水処理が施されている。親水処理は、流動する液体と内壁面との間に気泡が付着し滞留することを防止するために施される。従って、流体室６２及び出口流路３１を含めて液体が流動する壁面の全てに親水処理を施すことがより好ましい。

ダイアフラム４０の各流体室と対向する外側表面には、圧電素子５１，５３，５５が密着形成されている。圧電素子５１，５３，５５はそれぞれ、開口部３２，３４，３６の平面積より小さい範囲で形成されている。

また、ダイアフラム４１の各流体室と対向する外側表面には、圧電素子５２，５４，５６が密着形成されている。圧電素子５２，５４，５６はそれぞれ、開口部３２，３４，３６の平面積より小さい範囲で形成されている。

圧電素子５１〜５６は、ダイアフラム表面から下部電極、圧電薄膜、上部電極が積層形成されて構成され、圧電薄膜の材質は共通であり分極方向を一致させている。

また、各圧電素子の下部電極同士、上部電極同士はそれぞれ同電位の電圧が印加されるよう配線される（図示は省略）。

圧電素子５１，５３，５５が形成されたダイアフラム４０の表面には、筐体の一方の一部である上枠７１が密着固定される。上枠７１には、ダイアフラム４０の駆動範囲の周囲を密着固定できるような空間７２〜７４が設けられ、空間７２〜７４はダイアフラム４０と上枠７１とで封止されている。

また、圧電素子５２，５４，５６が形成されたダイアフラム４１の表面には、筐体の他方の一部である下枠８１が密着固定される。下枠８１には、ダイアフラム４１の駆動範囲の周囲を密着固定できるような空間８２〜８４が設けられている。従って、空間８２〜８４はダイアフラム４１と下枠８１とで封止されている。

ここで、スペーサ６１とダイアフラム４０と上枠７１、スペーサ６１とダイアフラム４１と下枠８１とは互いに、接着固定、陽極接合、ロウ付け、溶接等の接合技術を用いて密着固定され、流体噴射部１０が構成される。

流体噴射部１０は、上枠７１、下枠８１とで筐体が構成され円柱形状をなし、先端部１１は半球状に滑らかに丸められており、術部に損傷を与えたり、血管内に挿入する際の挿入抵抗を減じている。

また、流体噴射部１０の基端部１２には、チューブ嵌着部７５が設けられており、このチューブ嵌着部７５にチューブ８０が嵌着され、入口流路３７と連通される。チューブ８０の直径は、流体噴射部１０の直径と概ね等しく設定され、どちらか一方が径方向に突出しないように設定される。

続いて、本実施形態による流体噴射装置１００における液体の流動の概要を簡単に説明する。駆動制御部１１０内部には液体容器と液体容器に接続された圧力発生部（共に図示は省略）が内蔵されている。圧力発生部はチューブ８０に液体を送出するように接続されている。液体容器に収容されている液体は、圧力発生部によって一定の圧力でチューブ８０を介して入口流路３７に供給される。さらに液体は流体室６４、連通路３５、流体室６３、連通路３３、流体室６２、出口流路３１を通って流体噴射開口部３０から噴射される。

なお、液体容器は、駆動制御部１１０から分離し、流体噴射部１０に対して高い位置に配設して、液体容器と流体噴射部１０との位置水頭の差によって生じる圧力差を利用して流体噴射部１０に液体を一定の圧力で流入させる構成としてもよい。

次に、本実施形態における液体噴射動作について図２を参照して説明する。流体噴射部１０による液滴噴射は、入口流路側のイナータンスＬ１（入口流路側の合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２（出口流路側の合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）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。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、または直列接続と同様に合成して算出することができる。

本実施形態では、容積可変チャンバが複数備えられていることで、容積可変チャンバ２１にとっては、出口流路３１の範囲のイナータンスが出口流路側イナータンスＬ２、連通路３３から入口流路３７の範囲が入口流路側の入口流路側合成イナータンスＬ１と考えることができる。

また、容積可変チャンバ２２にとっては、連通路３３の範囲が出口流路側イナータンスＬ２、連通路３５から入口流路３７の範囲が入口流路側合成イナータンスＬ１と考えることができる。

また、容積可変チャンバ２３にとっては、連通路３５の範囲が出口流路側イナータンスＬ２、入口流路３７の範囲が入口流路側合成イナータンスＬ１と考えることができる。

なお、流体噴射部１０と接続するチューブ８０は柔軟性を有するため、入口流路側のイナータンスＬ１の算出から削除する。
そして、本実施形態では、各容積可変チャンバにおいて、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路３７、連通路３３，３５及び出口流路３１の流路長及び断面積を設定する。

次に、流体噴射部１０の動作について説明する。図２，４を参照して説明する。まず、各容積可変チャンバの個別の基本動作は同じであるので、容積可変チャンバ２１を例示して説明する。容積可変チャンバ２１は、駆動制御部１１０に含まれる駆動波形生成回路部によって形成された駆動波形を駆動制御回路部から圧電素子５１，５２に印加する。
図５は、本実施形態における駆動波形の一例とダイアフラムの変位について模式的に示す説明図である。（ａ）は駆動波形を、（ｂ）はダイアフラムの変位量（流体室の容積変更量に置き換えることができる）を表している。この例示における流体噴射部駆動電圧Ｐ２は、位相が−π／２から始まる正弦波の整数個の連続波形で構成される脈動部と、休止部（休止時間Ｉと表す）と、から構成されるものとする。なお、脈動部の波形は振幅Ａ、周期Ｔ、連続する正弦波の個数ｎで表される。この脈動部の波形はバースト波の場合を例示している。

流体室６２には、入口流路３７から流体室６４、連通路３５、流体室６３、連通路３３を介して液体が供給される。ここで、圧電素子５１，５２の両方に図５（ａ）に示す駆動信号が入力され、圧電素子５１，５２が充電され急激に圧電素子５１，５２が収縮したとすると、ダイアフラム４０，４１は流体室６２の容積を縮小する方向に急激に凸状に変位する。その結果、流体室６２内の圧力は、入口流路側及び出口流路側のイナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数気圧に達する。

この圧力は、入口流路３７に加えられていた圧力発生部による圧力よりはるかに大きいため、入口流路側から流体室６２内への液体の流入はその圧力によって減少し、出口流路３１からの流出は増加する。しかし、入口流路側の合成イナータンスＬ１は、出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路３７から流体室６２内への液体の流入の減少量より出口流路３１からの流出の増加量が大きい。
その結果、出口流路３１を通じて、流体噴射開口部３０からパルス状の流体吐出、つまり、高速の液滴２００がパルス状に噴射される。

一方、流体室６２の容積を縮小した後、流体噴射部駆動電圧Ｐ２の電圧低下に伴い圧電素子５１，５２は放電し初期状態に復帰する。流体室６２内は、入口流路側からの液体流入量の減少と出口流路３１からの液体流出の増加との相互作用で、圧力上昇後に低圧若しくは真空状態となり、入口流路側から液体が流体室６２内に流入する。その後、圧電素子５１，５２の収縮があれば、流体噴射開口部３０から高速のパルス状の液滴を継続して噴射することができる。

なお、本実施形態では、先端側の容積可変チャンバ２１に対して後段側に２個の容積可変チャンバ２２，２３が備えられている。ここで、少なくとも先端側の容積可変チャンバ２１（つまり圧電素子５１，５２）と後段側の容積可変チャンバ２２（つまり圧電素子５３，５４）に同位相の駆動波形を印加する。すると、圧電素子５１〜５４は同じタイミングで収縮または開放される。つまり、流体室６２と流体室６３は同じタイミングで容積が縮小され、同じタイミングで初期の容積に復帰する。容積可変チャンバ２２より後段の容積可変チャンバ２３にも同じタイミングで駆動波形を印加される。

このようにすれば、流体室６２と流体室６３，６４とが、同じタイミングで容積が変更されるため、後段の容量可変チャンバは前段側の容積可変チャンバに対して液体の供給機構となると共に、容積変更時における液体の逆流に対しては大きな流体抵抗となる。なお、容積可変チャンバ２２は容積可変チャンバ２３の前段、容積可変チャンバ２３は容積可変チャンバ２２の後段と置き換えて説明することができる。

従って、上述した実施形態１によれば、流体噴射開口部３０側の容積可変チャンバ２１に対し後段側の容積可変チャンバ２２は、流体室６２内に圧力を高めた液体を送り込むと共に、流体室６２の容積を縮小した際の液体の逆流に対する流体抵抗成分となる。
特に、脳手術のように器具自体に細い形状が要求される場合には、各容積可変チャンバの流体室の縮小量が小さくなるため、容積可変チャンバ２１（流体室６２）内へ十分な液体供給ができないことが考えられる。しかし、後段の容積可変チャンバ２２を設け、容積可変チャンバ２１に液体を供給することにより十分な流体供給を行うことができる。

また、流体室６２の内部では、容積を縮小したときに、入口流路側に逆流が生じることで適正なサイズ、大きさの液滴がパルス状に噴射できないことがある。そこで、後段の容積可変チャンバ２２の流体室６３の容積を縮小し流体抵抗成分を発生させ、パルス状の液滴噴射を行うことができるという効果がある。

また、流体室６２〜６４、出口流路３１、入口流路３７及び連通路３３，３５は、ダイアフラム４０，４１で上蓋及び下蓋を、スペーサ６１（スペーサ６１ａ、６１ｂ）で側壁を形成するため、複数の容積可変チャンバを設ける構成であっても、構成部品数を減らすことができ、流体噴射部の小型化を実現できる。
また、出口流路３１、入口流路３７、連通路３３，３５を断面形状が円形の孔で形成することは、加工上それらの直径を小さくすることが困難であるが、スペーサ６１にスリットを設けることで出口流路３１、入口流路３７、連通路３３，３５を容易に形成することができる。

また、本実施形態では、入口流路３７と連通路３３，３５と流体室６２〜６４と出口流路３１とが、ほぼ直線上に配設されている。出口流路３１、流体室６２，６３，６４、連通路３３，３５、入口流路３７との間のいずれかに曲がる流路を構成した場合、曲がり部には流体抵抗が生じる。しかしながら流路それぞれを直線上に配設することにより、各流路間の流体抵抗を抑制し先端側の流体室６２に円滑に液体を供給することができる。

さらに、流路を直線上に配設することで、複数の容積可変チャンバを備える構造であっても、円柱形状の細い流体噴射部１０を構成することができ、カテーテルのような細管の先端に流体噴射部１０を設けることができるという効果がある。

また、流体噴射部１０の流路の側壁は流体室を構成する開口部を含めて、薄板状のスペーサ６１をプレス抜き加工、エッチング加工等で形成することが容易に可能であり、上枠７１、下枠８１で上蓋及び下蓋を構成する上述の各流路の断面形状は四角形となる。この際、各流路の断面積は、高さ寸法はスペーサ６１の厚さで一定であり、側壁の幅寸法を変更することにより容易に所望の断面積とすることができ、液体の流量調整が容易にできるという効果がある。

また、本実施形態では、流体室６２〜６４それぞれの内側側壁の角部が滑らかに丸められている。流体室の容積をダイアフラムにて縮小し流体室内部の流体を噴射する装置では、流体室内部に微小な気泡が存在する場合、流体室内の圧力を十分高めることができないことがあり、気泡は流体室内部の角隅部に滞留しやすい。従って、流体室６２〜６４の内側側壁の角部を滑らかに丸めることにより、気泡の滞留を防止し、流体噴射時に気泡を外部に排出しやすくすることができる。

また、連通路３３，３５それぞれの液体が流体室６２，６３に流入する側の幅を、液体が流体室６２，６３から流出する側の幅よりも大きくしている。流体の流動方向において、流体が流入する側よりも流出する側の連通路３３，３５の断面積を小さくすることによる拡散効果により流体を流動しやすくし、逆方向の流体流動においてはノズル効果により流体を流動しにくくする。従って、このような構成にすれば、後段側の流体室から前段側の流体室への流動を促し、前段側の流体室から後段側の流体室への流動（つまり、逆流）を抑制することができる。

また、流体噴射部１０は円柱形状をなし、流体噴射部１０の直径とチューブ８０の直径を概ね等しくし、流体噴射部１０の先端部１１を概ね半球状に丸めている。
このようにすれば、チューブ８０と同等な直径を有する細管内部（血管等）に挿通することが可能で、抜脱することも容易であって、細管内壁を傷つけることがなく、血栓等を除去する手術に適合することができる。

また、流体室６２，６３，６４の全て、または少なくとも出口流路３１に連通する流体室６２の内壁に親水処理を施している。
流体室の内壁に親水処理を施した場合、内壁面には気泡が滞留しにくくなり、加圧した際に流体と共に気泡を流体噴射開口部３０より排出することができ、流体室６２を所定の圧力まで高めることができるという効果がある。

また、本実施形態では、容積可変チャンバ２１，２２，２３それぞれの容積変更タイミングを一致させている。このようにすれば、流体噴射開口部３０に各々の容積可変チャンバで生成された圧力波が到達する時刻を同時にすることができ、流体噴射開口部３０から強くシャープな液滴の噴射が実現できる。
（実施形態１の変形例）

この変形例は、前記複数の容積可変チャンバのうち、流体噴射開口部（出口流路）に連通する容積可変チャンバを除く後段の容積可変チャンバの少なくとも一つが、液体を滞留するリザーバとすることを特徴とする。図示は省略するが、図２を参照し容積可変チャンバ２２をリザーバとする場合を例示して説明する。この例の構成は、容積可変チャンバ２２の構成は実施形態１と同じ構成にしておき駆動信号を入力しない構成と、圧電素子５３，５４を付加しない構成とがある。いずれの構成でも、流体室６３は液体を滞留する空間である。

このような構成では、先端側の流体室６２の容積を縮小し、その後開放したときに液体が僅かに出口流路３１に流動することがあり、この液体が次の噴射液滴と衝突して適正な液滴形状を形成しないことがある。そこで、後段の容積可変チャンバをリザーバとして配設することで、リザーバを液体流動の緩衝帯とし圧力解放後の液体の流動を抑制することができる。この際、さらに後段の容積可変チャンバ２３の流体室６４の容積を復帰するようにすれば、より一層効果がある。

なお、容積可変チャンバ２２以外に、さらに後段の容積可変チャンバ２３をリザーバとしてもよく、容積可変チャンバ２２，２３の両方をリザーバとすることができる。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る流体噴射部の動作について図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１が、各容積可変チャンバの駆動信号の位相を合わせ流体室の容積変更タイミングを一致させていることに対して、前段の容積可変チャンバに対して後段の容積可変チャンバの駆動信号の位相を先行させていることに特徴を有する。流体噴射部の構造は実施形態１（図２〜図４、参照）と同じであるため説明を省略する。
図６は、実施形態２に係る駆動波形の一例とダイアフラムの変位について模式的に示す説明図である。（ａ）は駆動波形、（ｂ）はダイアフラムの変位量を表している。容積可変チャンバ２１と容積可変チャンバ２２の関係を例示して説明する。

容積可変チャンバ２１と容積可変チャンバ２２それぞれに加えられる駆動波形は、振幅Ａ、周期Ｔ、連続する正弦波の個数ｎ、休止時間Ｉは同じであるが、容積可変チャンバ２１に加えられる駆動波形に対して容積可変チャンバ２２に加えられる駆動波形の位相を先行させている。

このようにすれば、流体噴射開口部３０に各々の容積可変チャンバで生成された圧力波が到達する時刻を同時にすることができ、流体噴射開口部３０から強くシャープな液滴の噴射が実現できる。

なお、容積可変チャンバ２２と容積可変チャンバ２３の関係も同様であり、容積可変チャンバ２２に対して容積可変チャンバ２３に加える駆動波形の位相を先行させれば、容積可変チャンバ２２の流体室６３内に加圧された液体を送り込み、さらに先端側の容積可変チャンバ２１内の圧力をより一層高めることができるという効果がある。
（実施形態３）

続いて、実施形態３に係る流体噴射部の動作について図面を参照して説明する。実施形態３は、前述した実施形態１が、各容積可変チャンバの駆動振動の位相を合わせ流体室の容積変更タイミングを一致させていることに対して、前段の容積可変チャンバに対して後段の容積可変チャンバの駆動信号の位相を遅延させていることに特徴を有する。流体噴射部の構造は実施形態１（図２〜図４、参照）と同じであるため説明を省略する。
図７は、実施形態３に係る駆動波形の一例とダイアフラムの変位について模式的に示す説明図である。（ａ）は駆動波形、（ｂ）はダイアフラムの変位量を表している。容積可変チャンバ２１と容積可変チャンバ２２の関係を例示して説明する。

容積可変チャンバ２１と容積可変チャンバ２２に加えられる駆動波形は、振幅Ａ、周期Ｔ、連続する正弦波の個数ｎ、休止時間Ｉは同じであるが、容積可変チャンバ２１に加えられる駆動波形に対して容積可変チャンバ２２に加えられる駆動波形の位相を遅延させている。

このようにすれば、流体噴射開口部３０に次々に圧力波が到達するために、比較的遅い液滴の噴射が長く続く状態となり、柔らかい組織の切除に有効である。

なお、容積可変チャンバ２２と容積可変チャンバ２３の関係も同様であり、容積可変チャンバ２２に対して容積可変チャンバ２３に加える駆動波形の位相を遅延させれば、容積可変チャンバ２２の流体室６３内に加圧された液体を送り込み、さらに先端側の容積可変チャンバ２１内の圧力をより一層高めることができるという効果がある。

なお、上述した実施形態２及び実施形態３に記載の駆動波形の印加の先行時間または遅延時間（つまり、流体室の容積変更タイミング）は、駆動信号の１／２周期以内としている。
このようにすることで、流体室流体室６２の容積を縮小する際の後段の流体室への液体の逆流を抑制し流体室６２の内部圧力を高め、高速の液滴噴射を促す。また、液体の反射波の発生を抑制し適切な液滴形状及びサイズの液滴をパルス状に噴射させることができる。

なお、前述した実施形態２及び実施形態３では、前段の容積可変チャンバに対して後段の容積可変チャンバ２２，２３のそれぞれの駆動波形を加えるタイミングを共に先行または遅延させているが、容積可変チャンバ２２，２３のそれぞれを容積可変チャンバ２１に対してタイミングを遅延または先行または一致させるという組み合わせにしてもよい。

また、前述した実施形態１では、複数の容積可変チャンバの構成を同じにした例を示しているが、容積可変チャンバ２１，２２，２３において、流体室の平面サイズを互いに変えることができ、後段の容積可変チャンバに設ける圧電素子をダイアフラム４０またはダイアフラム４１のどちらかに設ける構造としてもよい。これらの組み合わせ設定は、噴射速度、液滴サイズに対応して適宜選択することができる。

実施形態１に係る流体噴射装置の概略構成の一例を示す説明図。 実施形態１に係る流体噴射装置の断面中心軸Ｓを垂直に切断した断面図。 実施形態１に係る流体噴射装置の断面中心軸Ｓを水平に切断した断面図。 （ａ）は流体噴射部の先端方向から視認した正面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ切断面を示す断面図、（ｃ）は図２のＣ−Ｃ切断面を示す断面図。 実施形態１における駆動波形の一例とダイアフラムの変位について模式的に示す説明図であり、（ａ）は駆動波形、（ｂ）はダイアフラムの変位量を表す。 実施形態２に係る駆動波形の一例とダイアフラムの変位について模式的に示す説明図であり、（ａ）は駆動波形、（ｂ）はダイアフラムの変位量を表す。 実施形態３に係る駆動波形の一例とダイアフラムの変位について模式的に示す説明図であり、（ａ）は駆動波形、（ｂ）はダイアフラムの変位量を表す。

符号の説明

１０…流体噴射部、２１，２２，２３…容積可変チャンバ、３０…流体噴射開口部、３１…出口流路、３３，３４…連通路、３７…入口流路、４０，４１…ダイアフラム、６２〜６４…流体室、８０…チューブ、１００…流体噴射装置。

Claims (10)

1. 流体室の容積を変更して流体噴射開口部から流体を噴射する流体噴射装置であって、
   前記流体室に流体を供給するチューブと、
   前記チューブの先端に配設される流体噴射部と、が備えられ、
   前記流体噴射部には、前記チューブの一端に連通する入口流路と流体を噴射する流体噴射開口部に連通する出口流路との間に複数の前記容積可変チャンバが連通路を介して直列に配設され、
   流体の流動方向に対して垂直方向の断面積において、前記連通路と前記出口流路と前記入口流路のそれぞれの断面積が、前記流体室の断面積よりも小さいことを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
2. 請求項１に記載の流体噴射装置において、
   複数の前記容積可変チャンバが、前記容積可変チャンバそれぞれに設けられる前記流体室と前記流体室を互いに連通する前記連通路と、前記流体噴射開口部と前記流体室の一つとを連通する前記出口流路と、前記入口流路それぞれの側壁と、を形成する薄板状のスペーサと、前記スペーサの表裏両面それぞれに密着されるダイアフラムと、前記ダイアフラムの前記流体室の外側表面に設けられる圧電素子と、を有していることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
3. 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、
   前記入口流路と前記流体室と前記連通路と前記出口流路との、流心が直線上になるように、前記入口流路と前記流体室と前記連通路と前記出口流路とを、配設されていることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
   前記連通路の流体が前記流体室に流入する側の幅が、流体の前記流体室から流出する側の幅よりも大きいことを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
   前記流体噴射部が円柱形状であって、前記流体噴射部の直径と前記チューブの直径が概ね等しいことを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
   複数の前記容積可変チャンバのうち、前記流体噴射開口部に連通する容積可変チャンバを除く少なくとも一つが、流体を滞留するリザーバであることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
   複数の前記容積可変チャンバそれぞれの流体室の容積変更タイミングを一致させていることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
   複数の前記容積可変チャンバのうち、前記出口流路側の容積可変チャンバに対して、前記入口流路側の容積可変チャンバ内の流体室の容積変更タイミングを先行させることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
9. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の流体噴射装置において、
   複数の前記容積可変チャンバのうち、前記流体噴射開口部側の容積可変チャンバに対して、前記入口流路側の容積可変チャンバの流体室の容積変更タイミングを遅延させることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。
10. 請求項８または請求項９に記載の流体噴射装置において、
    前記容積変更タイミングの先行時間または遅延時間が、駆動信号の１／２周期以内であることを特徴とする流体噴射装置を備える医療機器。

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