JP5277802B2 - 流体噴射装置および手術メス - Google Patents

Description

本発明は、流体に脈動を発生させる圧電素子ユニットと、流体を吐出するノズルユニットと、これらを備え、流体をパルス状に噴射す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。

生体組織を切開または切除する流体噴射装置として、流体室の容積を縮小して流体の吐出動作を行う脈動発生機構と、脈動発生機構の出口流路に一方の端部が接続され、他方の端部が出口流路の直径よりも縮小されたノズルが設けられた接続流路管と、を有する流体噴射装置というものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５２１２７号公報

上述した特許文献１による流体噴射装置を手術に使用する場合、流体噴射装置に血液や体液等が付着することが考えられる。そこで、この流体噴射装置を繰り返し使用する場合には、外周部は勿論、内部の流体が流動する部分を含んで洗浄及びオートクレーブ等の手段を用いて滅菌することが要求される。

しかし、使用現場で滅菌することは困難であり、手術毎に流体噴射装置を使い捨てにすることがより好ましいとされていた。

しかしながら、ユーザーが分解、再組立困難な従来技術による流体噴射装置を使い捨てにすることは、ランニングコストが上昇することに繋がり、流体噴射装置を低コスト化するか、特に高コスト要素は繰り返し使用とし、血液、体液や流体が直接接触することが考えられる構成要素は低コスト化し使い捨てとすることが望まれる。

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、流体室の容積をダイアフラムにより縮小してノズルから流体をパルス状に噴射する流体噴射装置であって、前記流体室と、前記流体室に流体を供給する入口流路と、前記流体室から流体を吐出する出口流路と、前記出口流路に連通するノズルと、を有するノズルユニットと、前記ダイアフラムを変位させる圧電素子を有する圧電素子ユニットと、を備え、前記ノズルユニットと前記圧電素子ユニットとが、着脱可能に装着されていることを特徴とする。

本適用例に係る流体噴射装置では、圧電素子が他の構成要素に比べて圧倒的に高コスト要素である。そこで、ノズルユニットと圧電素子ユニットとを着脱可能な構成とする。これにより、流体や体液や血液に直接接触することが考えられる入口流路、ダイアフラム、流体室、出口流路、ノズルを含むノズルユニットの使い捨て使用を可能にする。このノズルユニットは圧電素子に対して低コストであり、使い捨て使用に好適である。また、流体や体液や血液に直接接触することがなく、高コストである圧電素子ユニットを繰り返し使用とすることができ、安全性を高めると共に、ランニングコストを低減することができる。

なお、圧電素子としては、圧電特性を高めるために圧電材料と複数の層間電極とを交互に積層する積層型圧電素子を採用し、圧電材料としては鉛入り材料を用いる場合があり、層間電極としてはＡｇ、またはＡｇとＰｄとの合金等が用いられる。

従って、流体噴射装置を廃棄する場合、構成要素が少ない圧電素子ユニットから鉛を含む圧電素子を分離し廃棄することで環境負荷の低減を図れる。
また、高価なＡｇ、またはＡｇとＰｄとの合金を分離回収しやすいという効果がある。

［適用例２］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記圧電素子の伸縮方向の一方の端面に固着され前記ダイアフラムに密接する補助部材と、他方の端面に固着されると共に前記ノズルユニットの筐体に固定する蓋部材と、を有していることが好ましい。

このような構成によれば、圧電素子ユニットが、圧電素子と補助部材と蓋部材とから構成され、単純な構成となることから組立性が向上し、また、ユニット単独での取り扱いが容易となる。

［適用例３］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記圧電素子に駆動信号を入力する接続リードが接続され、前記接続リードと前記圧電素子との接続部を含む前記圧電素子の表面を覆う樹脂層が設けられていることが好ましい。

このような構成にすれば、圧電素子の周囲を樹脂で覆うことにより、圧電素子に水分が付着することによる電極間ショートを防止し、さらに圧電特性の劣化を防止することができる。

また、接続リードと圧電素子との接続部を樹脂層で覆うことにより、接続部の補強を行うことができる。

［適用例４］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記蓋部材に、前記接続リードを挿通する開口部が設けられていることが望ましい。

本適用例の構成では、圧電素子には駆動信号を入力する接続リードが接続される。そこで接続リードを挿入する開口部を蓋部材に設けることにより、接続リードを接続した状態でノズルユニットに圧電素子ユニットを装着することが可能となり、取り扱いを容易にすることができる。

［適用例５］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記補助部材が、前記ダイアフラム及び前記圧電素子よりもヤング率が小さい材料で形成されていることが望ましい。
ここで、補助部材の材料としては、例えば、ＡｌまたはＡｌ合金、ＣｕまたはＣｕ合金等が採用できる。

このようにすることで、圧電素子と補助部材との親和性を高め、脆性を有する圧電素子の補助部材との当接面またはコーナー部の欠け等を防止することができる。

［適用例６］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記ダイアフラムが、前記圧電素子を付勢する弾性要素を備えていることが好ましい。

前述したように、本適用例に係る流体噴射装置は、ノズルユニットと圧電素子ユニットとが着脱可能な構成である。そして、これらユニットの分離境界部はダイアフラムであって、装着した状態でダイアフラムと圧電素子（補助部材を介在している）とは密接させる必要がある。

これらユニットには、製造上の寸法ばらつきが存在し、装着した状態でダイアフラムと圧電素子とが密接しないことが考えられる。そこで、ダイアフラムに弾性要素を備え圧電素子を常時付勢することによりダイアフラムと圧電素子との密接状態を維持し、圧電素子の伸縮に対してダイアフラムを追従させることができる。

［適用例７］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記補助部材と前記ダイアフラムとを密接した状態で、内部に前記圧電素子が配設される筐体の端面と前記蓋部材との接合部に隙間を設け、前記隙間が接合部材で充填されていることが望ましい。

このような構成によれば、ノズルユニットと圧電素子ユニットの製造上の寸法ばらつきを、ノズルユニット側の筐体の端面と、圧電素子ユニット側との蓋部材との隙間で吸収し接合することにより、圧電素子とダイアフラムとを密接させることができる。
なお、接合部材としては、低融点金属や接着剤を用いることがより好ましい。

［適用例８］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記ダイアフラムと前記圧電素子とが、低融点接合材で接合されていることが望ましい。

このようにすれば、ダイアフラムと圧電素子（補助部材を介在）とを密着接合することができ、さらに、接合に低融点接合材を使用することから、加熱することによりダイアフラムと圧電素子（つまり、ノズルユニットと圧電素子ユニット）との分離を行うことができる。

［適用例９］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記ノズルユニットが前記ダイアフラムを含み、前記圧電素子ユニットが、前記圧電素子を格納する筐体と、前記筐体の前記ダイアフラム方向の開口部を封止し前記圧電素子の一方の端面が固着される薄板部材と、前記筐体の前記ダイアフラムとは反対方向の開口部を封止し前記圧電素子の他方の端面に固着される蓋部材と、を有し、前記圧電素子ユニットと前記ノズルユニットとを装着するとき、前記ダイアフラムと前記薄板部材とが密接されることが好ましい。

このようにすれば、ノズルユニットと圧電素子ユニットとの分離をダイアフラムと薄板部材との間で行うことができると共に、ダイアフラムとほぼ同じ変位をすることから圧電素子の伸縮に対してダイアフラムを追従させることができる。

［適用例１０］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記ダイアフラムと前記薄板部材との界面に流動性薄膜が設けられていることが望ましい。

このようにダイアフラムと薄板部材との間に流動性を有する薄膜を設けることにより、ダイアフラムと薄板部材とを密接させることができると共に、分離も容易に行うことができる。

また、流動性薄膜によりダイアフラムと薄板部材との間の空気層を排除することができる。ダイアフラムと薄板部材との間に空気層が存在すると、ダイアフラムを流体室の容積を縮小させる方向に変位させるときに空気層がダンパーとなることによる流体室内の圧力が充分上昇できないという課題を排除することができる。

［適用例１１］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記圧電素子ユニットの内部空間が、樹脂により充填されていることが好ましい。

このような構成によれば、圧電素子の周囲を樹脂で覆うことにより、圧電素子に水分が付着することによる電極間ショートを防止することができる。また、圧電素子に水分が付着することによる圧電特性の劣化を防止することができる。従って、充填される樹脂は吸水性の小さいものが望ましい。

［適用例１２］本適用例に係るノズルユニットは、流体室と、前記流体室の容積を縮小するダイアフラムと、前記流体室に流体を供給する入口流路と、前記流体室から流体を吐出する出口流路と、前記出口流路に連通するノズルと、が備えられていることを特徴とする。

このような構成によれば、流動する流体に直接接触する要素がノズルユニットに集約されていること、構成要素が機械加工手段で加工でき低コスト化が可能なので、使い捨て使用に好適である。

［適用例１３］本適用例に係る圧電素子ユニットは、圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向の一方の端面に固着され前記ダイアフラムに密接する補助部材と、他方の端面に固着される蓋部材と、が備えられていることを特徴とする。

圧電素子としては、圧電特性を高めるために圧電材料と複数の層間電極とを交互に積層する積層型圧電素子を採用し、圧電材料には鉛入り材料を用いる場合があり、層間電極にはＡｇまたはＡｇとＰｄ合金が用いられる。

従って、鉛入り圧電材料を用いる場合には、構成要素が少ない圧電素子ユニットから鉛を含む圧電素子を分離し廃棄することで環境負荷の低減を図れることができる。また、高価なＡｇまたはＡｇとＰｄとの合金を分離回収しやすいという効果がある。

［適用例１４］上記適用例に係る圧電素子ユニットは、少なくとも前記圧電素子の表面を覆う樹脂層が設けられていることが好ましい。

このようにすれば、圧電素子ユニットの状態で、圧電素子の周囲を樹脂で覆うことにより、圧電素子に水分が付着することによる電極間ショートを防止、及び圧電特性の劣化を防止することができる。従って、被覆する樹脂は吸水性の小さいものが望ましい。

［適用例１５］上記適用例に係る圧電素子ユニットは、前記圧電素子を格納する筒状の筐体と、前記筐体の前記ダイアフラム側の開口部を封止するよう固着されると共に、前記補助部材に固着される薄板部材と、が備えられ、前記筐体の前記ダイアフラム側の開口部に対向する開口部を封止するよう前記蓋部材が固定されていることが好ましい。

このような構成によれば、圧電素子ユニットは、筐体の内部に圧電素子を格納した状態で一体化しているため、圧電素子に触れることなく単体で保管したり、ノズルユニットに装着することが可能であり、取り扱いが容易となる。

［適用例１６］上記適用例に係る圧電素子ユニットは、前記筐体と前記蓋部材と前記薄板部材とから構成される空間内部が、樹脂により充填されていることが好ましい。

このような構成によれば、圧電素子ユニットの内部を樹脂で充填することにより、圧電素子に水分が付着することによる電極間ショートを防止することができる。また、圧電素子に水分が付着することによる圧電特性の劣化を防止することができる。
従って、充填される樹脂は吸水性の小さいものが望ましい。

さらに熱伝導率が高い材料を含む樹脂とすれば、圧電素子を駆動する際発生した熱を筐体を介して外部に発散させることで、圧電素子が高温になることによる特性の劣化を防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は流体噴射システム、図２〜図８は実施形態１に係る流体噴射装置、図９,１０は実施形態２、図１１は実施形態３、図１２は実施形態５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システム及び流体噴射装置は、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、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等の液体であり、流体を液体と表すことがある。
（流体噴射システム）

図１は、流体噴射システムの概略構成を示す説明図である。図１において、流体噴射システム１は、基本構成として液体を収容する液体容器と圧力発生部としてのポンプ（図示は省略）とを含む制御装置２０と、ポンプから供給される液体を脈動噴射する流体噴射装置１０と、流体噴射装置１０とポンプを連通する接続チューブ２５とから構成されている。

流体噴射装置１０は、供給された液体を高圧、高い周波数で脈動吐出する脈動発生機構３０と、脈動発生機構に接続される接続流路管９０とを有し、接続流路管９０の先端部には流路の断面積が縮小された流体噴射開口部９７を有するノズル９５が挿着されている。

次に、この流体噴射システム１における液体の流動について説明する。制御装置２０に備えられる液体容器に収容された液体は、ポンプにより一定の圧力で接続チューブ２５を介して脈動発生機構３０に供給される。

脈動発生機構３０には、流体室１２０と、この流体室１２０の容積を変更する手段としてダイアフラム７０及び圧電素子４０（共に、図２参照）を備えており、容積変更手段を駆動し脈動を発生して流体噴射開口部９７から液体を高速でパルス状に噴射する。

なお、圧力発生部としてはポンプに限らず、液体容器としての輸液バッグをスタンド等によって脈動発生機構３０よりも高い位置に保持するようにしてもよい。従って、ポンプは不要となり、構成を簡素化することができる他、液体流路の消毒等が容易になる利点がある。

ポンプの吐出圧力は概ね３気圧（０．３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、脈動発生機構３０と輸液バッグの液上面との高度差が圧力となり、０．１〜０．１５気圧（０．０１〜０．０１５ＭＰａ）程度になるように高度差を設定することが望ましい。

なお、この流体噴射システム１を用いて手術をする際には、術者が把持する主たる部位は脈動発生機構３０である。従って、脈動発生機構３０に接続される接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブとし、液体を脈動発生機構３０に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。

また、特に、脳手術のときのように、流体噴射システム１の故障が重大な事故を引き起こす恐れがあるような場合には、接続チューブ２５の切断等において高圧な流体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておくことが要求される。
（実施形態１）

続いて、実施形態１に係る流体噴射装置の構造について説明する。
図２は実施形態１に係る流体噴射装置の主たる構成を液体の流路方向に沿って切断して示す断面図、図３は図２の流体噴射装置を右側から図示した側面図、図４は左側から図示した側面図である。

まず、図２〜図４を参照して流体噴射装置の概略構成を説明する。流体噴射装置１０は、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２とが装着された状態で構成されている。

ノズルユニット１１は、第１機枠８０の一方の端面に設けられる流体室１２０と、流体室１２０に液体を供給する入口流路８３と、流体室１２０から液体を吐出する出口流路８８と、出口流路８８に連通する接続流路管９０と、接続流路管９０に圧入されるノズル９５と、から構成されている。

本実施形態では、接続流路管９０は第１機枠８０と着脱可能に螺合結合されていることから、接続流路管９０を除いた部分をノズルユニット１１としてもよい。

第１機枠８０の壁面８２には、リング形状のスペーサ６０と円盤状の金属薄板からなるダイアフラム７０の周縁とが重ねて密着固定されている。流体室１２０は、これら壁面８２とスペーサ６０の内周側壁６１とダイアフラム７０で囲まれた空間によって形成される。

第１機枠８０の外側側面にはチューブ接続管８１が突設されており、チューブ接続管８１には流入接続流路８４が開設されている。この流入接続流路８４には壁面８２に穿設される入口流路８３に連通する接続流路８５が設けられている。なお、入口流路８３は図５、図６を参照して詳しく説明する。

チューブ接続管８１には、接続チューブ２５が嵌着されており、接続チューブ２５は制御装置２０（図１、参照）の内部に設けられるポンプに接続され、入口流路８３を介して流体室１２０内に液体が供給されるよう構成されている。

また、第１機枠８０には、壁面８２の略中央に壁面８２に対して略垂直に流体室１２０に連通する出口流路８８が設けられている。そして、出口流路８８は、出口流路８８よりも直径（断面積）が大きい出口接続流路８９に連続している。なお、出口流路８８の流体室１２０との接続部は滑らかに丸められている。

第１機枠８０のダイアフラム７０に対向する端面方向には接続流路管挿着部８０ａが突設され、この接続流路管挿着部８０ａに接続流路管９０が挿着される。そして、接続流路管挿着部８０ａの先端部から出口接続流路８９に至る範囲に雌螺子８０ｄが形成されている。

接続流路管９０には、接続流路９２が開設され、その先端部外周には雄螺子９０ａが形成されている。これらの螺子部を螺着することで接続流路管９０は第１機枠８０に固定される。従って、接続流路管９０は第１機枠８０に対して着脱可能な構成である。

また、接続流路管９０は、雄螺子９０ａの先端部が雌螺子８０ｄの底部に密接されるまで捩じ込まれて固定される。

なお、接続流路管９０の長手方向の途中の外周部には、カット部９０ｂが形成されている。カット部９０ｂは接続流路管９０の外周部を互いに対向する平面でカットして形成される。このカット部９０ｂを治具等により掴んで回転し、接続流路管９０と第１機枠８０との着脱を行うことができる。

従って、このような構成によれば、万一、ノズル９５が詰まったときなどに接続流路管９０を取り外して洗浄、消毒することができる他、接続流路管９０の交換を容易に行うことができる。

また、接続流路管９０の形状を複数種類用意しておき、使用対象に応じて接続流路管９０の形状を任意に選択して取り付けて使用することができる。

接続流路管９０は、出口接続流路８９に連通する接続流路９２が開設され、出口流路８８とは反対側の端部にノズル９５が挿着されている。ノズル９５は、接続流路９２に連通するノズル流路９６と、流体噴射開口部９７とを有している。

ここで、接続流路９２とノズル流路９６と出口接続流路８９とはそれぞれ同じ断面積を有し、この断面積は出口流路８８の断面積より大きい。

また、流体噴射開口部９７の断面積は、出口流路８８断面積よりも減縮されている。このようにすることで、より高速で切除能力の高いパルス状の液滴を噴射することができる。

なお、上記断面積とは、液体の流動方向に対して垂直に切断したときの流路の断面積を表している。

第１機枠８０には、外側鍔部５６と筒部５１を有する筒状部材である第２機枠５０が装着されている。図３に示すように、外側鍔部５６と筒部５１の外形形状は四角形である。そして、第２機枠５０を貫通する円筒状の孔５１ａが開設されている。

第１機枠８０と第２機枠５０とは、ダイアフラム７０の周縁部とスペーサ６０とを挟み込んだ状態で４隅を固定螺子１６１で螺着固定し（図４も参照する）、互いを密接させる。従って本実施形態では、第２機枠５０を含んでノズルユニット１１が構成されている。

圧電素子ユニット１２は、圧電素子４０の伸縮方向の一方の端部に補助部材としての上板１１０を、他方の端部には蓋部材としての下板１００が固着されて構成されている。

なお、上板１１０は、ＡｌまたはＡｌ合金、ＣｕまたはＣｕ合金などのダイアフラム７０及び圧電素子４０よりもヤング率（または硬度）が小さい材料で形成されている。

圧電素子４０は、圧電特性を高めるために圧電材料と複数の層間電極（図示せず）とを交互に積層する積層型圧電素子を採用し、層間電極にはＡｇまたはＡｇとＰｄとの合金等の導電性の良い材料が用いられる。

圧電素子４０の対向する側面にはそれぞれ層間電極に接続する駆動電極（図示せず）が設けられ、これら駆動電極には、接続リード１５１，１５２が接続されている。接続リード１５１，１５２それぞれは、下板１００に設けられた開口部としてのリード挿通孔１０１，１０２に挿通されて外部に導き出され、制御装置２０（図１、参照）の駆動回路部（図示せず）に接続される。

また、圧電素子４０の表面全周には、接続リード１５１，１５２との接続部及びリード挿通孔１０１，１０２の内部を含んで表面を覆う樹脂層１４０が設けられている。この樹脂層１４０は圧電素子４０の周囲を被覆するため、圧電素子４０の駆動を妨げない程度の可撓性を有している。なお、樹脂層１４０は、吸水性の小さい材料がより好ましい。

樹脂層１４０の材料としては、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、シリコン系樹脂、エポキシ系樹脂、またはゴム系樹脂等から選択できる。これら各樹脂それぞれにおいても吸水性（吸水率）が異なるグレードがあり、その中でも吸水性が小さいものを選択することが望ましい。吸水率は０．５％以下にすることがより好ましい。

このようにして構成される圧電素子ユニット１２は、上板１１０をダイアフラム７０に密接するように、第２機枠５０の孔５１ａの内部に挿入したうえで、下板１００を第２機枠５０の開口部端面に固定螺子１６０を用いて固定する（図３、参照）。従って、第２機枠５０は、圧電素子ユニット１２に対して筐体である。

なお、第２機枠５０と下板１００とは、ノズルユニット１１に圧電素子ユニット１２を装着した状態でダイアフラム７０を変形させず、しかも密接するように寸法調整をしたうえで固定される。

続いて、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との接合部について図５を参照してより詳しく説明する。
図５は、実施形態１に係るノズルユニットと圧電素子ユニットとの接合部の詳細を示す断面図である。従って、図２と同じ符号を付与して説明する。

第１機枠８０には壁面８２の外側周囲にリング状凹部８６が形成され、第２機枠５０にはリング状凹部８６に対向したリング状凸部５３が形成されている。このリング状凹部８６にリング状凸部５３を挿着することで第１機枠８０と第２機枠５０との正確な位置規制がなされる。

この際、第１機枠８０の中央部の壁面８２と、第２機枠５０のリング状凸部５３の内側に突設される内周鍔部５２との間にダイアフラム７０とスペーサ６０とが圧設される。

なお、スペーサ６０の内周側壁６１と第２機枠５０の内周鍔部５２の直径は略同等に設定され、ダイアフラム７０の変位に対する支持位置を同じにしている。

第１機枠８０のリング状凹部８６の底部と、第２機枠５０のリング状凸部５３の先端部の間にはシール材としてのパッキン１３０が介在されている。ダイアフラム７０とスペーサ６０とが圧設された状態でパッキン１３０が押圧され、外部と流体室１２０の間の液体の移動を規制している。

次に、入口流路８３について図６、図７を参照して説明する。
図６は、第１機枠を圧電素子側から視認した状態を示す平面図である。入口流路８３は、第１機枠８０の壁面８２に溝として形成され、接続流路８５との接続部に端を発し、流体室１２０に連通する流入口部８３ａに至るまで略円弧形状に延在されている。

この溝は、出口流路８８を中心とする同心円で接続流路８５との接続部から反時計回りに図示符号Ａの位置まで延在され、符号Ｂから符号Ｃまでの範囲はスペーサ６０の内周側壁６１の接線方向（つまり、流体室１２０の側壁の接線方向）に延在される。さらに、符号Ｃから符号Ｄの範囲は、スペーサ６０の内周側壁６１に沿って延在されている。

また、符号Ａから符号Ｂまでの範囲は、液体を滑らかに流動方向を変化させるような小円弧で接続される。

このように形成される溝の大部分の開口部（図示上方）は、リング形状のスペーサ６０によって封止されて入口流路８３を形成し、流入口部８３ａが、流体室１２０に連通される。

このように入口流路８３を形成することによって、接続チューブ２５から一定の圧力で流入される液体は、スペーサ６０の内周側壁６１に沿う旋回流となる。

このように、流体室１２０内において液体を旋回流にすることにより、液体は遠心力により流体室１２０の外側方向に寄せられ、液体中に含まれる気泡は中心部に集まり、出口流路８８から液体の吐出に伴い外部に排出することができる。従って、流体室１２０内に気泡が滞留することを抑制し、流体室１２０内部の圧力を充分上げることができることから確実な脈動吐出を行うことができる。

なお、入口流路８３の流体室１２０への流入口部８３ａは底面から壁面８２まで斜面８３ｄで連続されている。
図７は、流入口部を拡大して示す断面図である。流入口部８３ａは、図６に示す入口流路８３の符号Ｃから符号Ｄまでの範囲で、溝の底面８３ｂから斜面によって壁面８２に連続されている。

このようにすることで、流入口部８３ａと壁面８２との接続部における流体抵抗を減じ、また、急激に流路が変更されることにより発生する渦流による旋回流への乱れや気泡の発生を抑制することができる。

次に、本実施形態におけるノズルと接続流路管との接合構造について図面を参照して説明する。
図８は、ノズルと接続流路管との接合構造を示す断面図である。ノズル９５は、先端鍔部９８と挿入部９９とから構成され、接続流路管９０の接続流路９２に連通するノズル流路９６と流体噴射開口部９７とが開設されている。挿入部９９の外周面には、長手方向途中に溝９９ａが形成されると共に、挿入側先端部には外径が減縮された細管部９９ｂが形成されている。

また、接続流路管９０の端部には、ノズル挿着穴９０ｆが形成されている。ノズル９５は、ノズル挿着穴９０ｆに圧入される。この際、ノズル９５の端面９９ｃがノズル挿着穴９０ｆの底面９４に密接される。

なお、ノズル９５は、挿入部９９の外周側面に圧入強度の補強のために接着剤が塗布されたうえで接続流路管９０に圧入される。この圧入時に、接着剤が溝９９ａに溜まる。従って、本実施形態における溝９９ａは接着剤溜まりであって、接着強度を高める機能と、ノズル９５と接続流路管９０との接合部において、液体漏れや空気の浸入を防止する機能を有する。

また、細管部９９ｂは、接着剤がこの細管部９９ｂの範囲で止まり、接続流路９２またはノズル流路９６の内部に入り込むことを防止している。

次に、本実施形態における流体噴射装置１０の動作について図２，５を参照して説明する。本実施形態の液体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（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（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、液体の密度ρ、流路の断面積Ｓ、流路の長さｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差ΔＰ、流路を流れる液体の流量Ｑ、時間ｔ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し、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。

なお、合成イナータンスＬ１は、流入接続流路８４と接続流路８５の断面積が入口流路８３の断面積に対して十分大きく設定されているので、合成イナータンスＬ１は、入口流路８３の範囲において算出される。この際、接続チューブ２５は柔軟性を有するため、合成イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。

また、合成イナータンスＬ２は、接続流路管９０が液体の圧力波の伝播に充分な剛性を有していることから出口流路８８と出口接続流路８９との和と考えることができる。

そして、本実施形態では、合成イナータンスＬ１が合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路８３の流路長及び断面積、出口流路８８及び出口接続流路８９の流路長及び断面積を設定する。

続いて、液体噴射の動作について図５を参照して説明する。
ポンプによって入口流路８３には、常に一定圧力の液圧で液体が供給される。その結果、圧電素子４０が動作を行わない場合、ポンプの吐出圧力と入口流路側全体の流体抵抗値の差によって液体は流体室１２０内に流入する。

ここで、圧電素子４０に駆動信号が入力され、急激に圧電素子４０が伸張したとすると、流体室１２０内の圧力は、入口流路側及び出口流路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８３に加えられていたポンプによる圧力よりはるかに大きいため、入口流路８３から流体室１２０内への液体の流入はその圧力によって減少し、出口流路８８からの流出が増加する。

しかし、入口流路側の合成イナータンスＬ１は、出口流路側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路８３から液体が流体室１２０へ流入する流量の減少量よりも、出口流路８８から吐出される液体の増加量の方が大きい。そのことから、出口流路８８にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。

この吐出の際の圧力変動が、接続流路管９０内を伝播して、先端のノズル９５の流体噴射開口部９７（共に、図２参照）から液体が噴射される。流体噴射開口部９７の直径は、出口流路８８の直径よりも減縮されているので、液体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。

一方、流体室１２０内は、入口流路８３からの液体流入量の減少と出口流路８８からの液体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプの圧力と、流体室１２０内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路８３の液体は圧電素子４０の動作前と同様な速度で流体室１２０内に向かう流れが復帰する。入口流路８３内の液体の流動が復帰した後、圧電素子４０の伸張があれば、ノズル９５から液体をパルス状に継続して噴射することができる。

従って、本実施形態によれば、圧電素子４０が他の構成要素に比べて圧倒的に高コスト要素である。そこで、流動する液体や体液や血液に直接接触することが考えられる入口流路８３、ダイアフラム７０、流体室１２０、出口流路８８、接続流路管９０及びノズル９５を含み、しかも圧電素子ユニット１２（圧電素子４０）に対して低コストのノズルユニット１１を使い捨て使用とし、流動する液体や体液や血液に直接接触することがなく高コストの圧電素子ユニット１２を繰り返し使用とすることにより、安全性を高めると共に、ランニングコストを低減することができる。

なお、圧電素子４０としては、圧電特性を高めるために圧電材料と複数の層間電極とを交互に積層する積層型圧電素子を採用する。圧電材料は鉛入り材料を用いることがあり、層間電極はＡｇまたはＡｇとＰｄとの合金等が用いられる。

従って、圧電素子４０が鉛を含む場合には、構成要素が少ない圧電素子ユニット１２から圧電素子４０を分離し廃棄することで環境負荷の低減を図れる。
また、高価なＡｇまたはＡｇとＰｄとの合金を分離回収しやすいという効果がある。

また、圧電素子ユニット１２が、圧電素子４０と上板１１０と下板１００とから構成され、単純な構成となることから取り扱いが容易となり、組立性を向上する。

また、接続リード１５１，１５２と圧電素子４０との接続部を含む圧電素子４０の表面を吸水性が小さい樹脂層１４０で覆うことにより、圧電素子４０に水分が付着することによる層間電極間ショートを防止し、さらに圧電特性の劣化を防止することができる。

また、接続リード１５１，１５２が挿通されるリード挿通孔１０１，１０２の内部にも樹脂層１４０を充填することにより、接続リード１５１，１５２の補強をすることができる。

さらに、圧電素子ユニット１２を単独で扱う際、圧電素子４０が樹脂層１４０で被覆しているため、圧電素子４０に傷をつけたり、欠けを発生させないことから取り扱いを容易にする。

本実施形態による圧電素子ユニット１２は、圧電素子４０と上板１１０と下板１００とから構成される。この際、リード挿通孔１０１，１０２を下板１００に設け接続リード１５１，１５２を挿通する、接続リード１５１，１５２を接続した状態でノズルユニット１１に圧電素子ユニット１２を装着することが可能となり、取り扱いを容易にすることができる。

また、上板１１０をＡｌまたはＡｌ合金、ＣｕまたはＣｕ合金等のダイアフラム７０及び圧電素子４０よりもヤング率が小さい材料で形成している。このことにより、圧電素子４０と上板１１０との親和性を高め、一般的に脆性を有する圧電素子の補助部材との当接面またはコーナー部の欠け等を防止することができる。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る流体噴射装置について図面を参照して説明する。実施形態２は、ダイアフラム７０が圧電素子４０を付勢する弾性要素を備えていることに特徴を有する。前述した実施形態１との相違個所を中心に具体的な二つの実施例を例示して説明する。なお、ダイアフラム７０の形状を誇張して図示している。

まず、実施例１について説明する。
図９は、実施形態２に係る流体噴射装置の実施例１を示す部分断面図である。ダイアフラム７０は、周縁部が第１機枠８０と第２機枠５０との間にスペーサ６０を介在して圧設固定されている。ここで、ダイアフラム７０の中心部は、圧電素子４０方向に凸状に形成され、上板１１０に当接されている。

この状態において、圧電素子ユニット１２はノズルユニット１１に対して装着途中であって、第２機枠５０の開口部側の端面５７と下板１００の周縁部端面１０３とは、僅かに隙間を有している。

この状態から、第２機枠５０の開口部側の端面５７と下板１００の周縁部端面１０３とが密接するまで圧電素子ユニット１２をノズルユニット１１に押し込む。すると、圧電素子ユニット１２により、ダイアフラム７０は、ダイアフラム７０’（二点鎖線で表す）で図示する位置まで変位する。

ダイアフラム７０’は、実施形態１（図５、参照）とほぼ同じ容積を有する流体室１２０を形成する。このことにより、ダイアフラム７０の変位量に相当する弾性力で圧電素子４０を付勢する。従って、上板１１０（つまり、圧電素子４０）とダイアフラム７０とは密接される。

前述したように、流体噴射装置１０は、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との境界部はダイアフラム７０であって、両ユニットを装着した状態でダイアフラム７０と圧電素子４０とは密接させる必要がある。

これらユニットには、製造上の寸法ばらつきが存在し、装着した状態でダイアフラム７０と圧電素子４０とが密接しないことが考えられる。そこで、ダイアフラム７０に弾性要素を備え圧電素子４０を伸縮方向に常時付勢することによりダイアフラム７０と圧電素子４０との密接状態を形成し、圧電素子４０の伸縮運動に対してダイアフラム７０を追従させることができる。

次に、実施例２について説明する。
図１０は、実施形態２に係る流体噴射装置の実施例２を示す部分断面図である。ダイアフラム７０は、周縁部が第１機枠８０と第２機枠５０との間にスペーサ６０を介在して圧設固定されている。ここで、図１０は、圧電素子ユニット１２をノズルユニット１１に装着した（第２機枠５０の開口部側の端面５７と下板１００の周縁部端面１０３とが密接する）状態を表している。

圧電素子ユニット１２を装着する前では、ダイアフラム７０は変形せず（二点鎖線で図示する略フラットな状態）であり、圧電素子ユニット１２を装着した状態では、流体室１２０の内側にダイアフラム７０’で図示する位置まで変位される。

このことにより、ダイアフラム７０の変位量に相当する弾性力で圧電素子４０を圧電素子４０の伸縮方向に付勢する。従って、上板１１０（つまり、圧電素子４０）とダイアフラム７０とは密接される。

なお、圧電素子ユニット１２を装着した状態において、流体室１２０の容積が所定の容積となるように寸法を補正しておけばなおよい。具体的には、スペーサ６０の厚さを調整することで容易に行える。

このような構成してもダイアフラム７０に弾性要素を備え圧電素子４０を伸縮方向に常時付勢することによりダイアフラム７０と圧電素子４０との密接状態を形成し、圧電素子４０の伸縮運動に対してダイアフラム７０を追従させることができる。
（実施形態３）

続いて、実施形態３に係る流体噴射装置について図面を参照して説明する。実施形態３は、ノズルユニット側の第２機枠の端面と、圧電素子ユニット側の下板との接合部に隙間を設け、この隙間により、圧電素子とダイアフラムとを密接した状態に調整することに特徴を有する。従って、実施形態１（図５、参照）との相違個所を中心に説明する。

図１１は、実施形態３に係る流体噴射装置を示す部分断面図である。ダイアフラム７０は、周縁部が第１機枠８０と第２機枠５０との間にスペーサ６０を介在して圧設固定されている。圧電素子４０は上板１１０を介在してダイアフラム７０に密接されている。

この状態において、第２機枠５０の開口部側の端面５７と下板１００の周縁部端面１０３とは、僅かに隙間を有するよう予め寸法を設定しておく。

ダイアフラム７０と上板１１０とが当接する位置は、出口流路８８から光検出装置を用いて、ダイアフラム７０の位置、または変位位置を検出すれば可能である。あるいは、ダイアフラム７０と上板１１０との電気的接続や接触抵抗値を検出することでも可能である。

こうして、上板１１０がダイアフラム７０に当接したことを検出したときに、第２機枠５０の開口部側の端面５７と下板１００の周縁部端面１０３との間の隙間に、接合部材１４１を充填し固化する。

接合部材１４１としては、低融点金属や熱可塑性接着剤を用いることが可能で、常温状態では充分な接合強度（剛性）を有し、加熱することにより第２機枠５０と下板１００との接合を分離する。つまり、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との分離を行う。

圧電素子ユニット１２を再使用する際には、接合部材１４１の残渣を洗浄し取り除き、前述した方法でノズルユニット１１に装着すればよい。

このような構成によれば、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２の製造上の寸法ばらつきを、筐体としての第２機枠５０の端面５７と下板１００の端面との隙間で吸収し接合することにより、圧電素子４０とダイアフラム７０とを密接させることができる。
（実施形態４）

続いて、実施形態４に係る流体噴射装置について説明する。実施形態４は、ダイアフラムと圧電素子とが低融点接合材で接合されていることに特徴を有する。実施形態１との相違個所を中心に図２，５を参照して説明する。

実施形態１と同様に圧電素子ユニット１２は、圧電素子４０と上板１１０と下板１００とを互いに接着剤等により固着し構成されている。本実施形態では、圧電素子ユニット１２は、圧電素子４０を上板１１０を介在してダイアフラム７０に低融点接合材で接合したうえ、下板１００を第２機枠５０に固定螺子１６０を用いて固定する。

低融点接合材としては、低融点金属や熱可塑性接着剤を用いることが可能で、常温状態では充分な接合強度（剛性）を有している。また、溶剤により溶解することが可能な接着剤を用いることもできる。

ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との分離は、固定螺子１６０を外した後、加熱することによりダイアフラム７０と上板１１０との接合を分離する。つまり、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との分離を行うことが可能となる。

このようにすれば、ダイアフラム７０と圧電素子４０とを密着接合することができるため、圧電素子４０の伸縮に対してダイアフラム７０の変位を追従させることができる。

さらに、接合に低融点接合材を使用することから、加熱することによりノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との分離を容易に行うことができる。
（実施形態５）

続いて、実施形態５に係る流体噴射装置について図面を参照して説明する。実施形態５は、圧電素子ユニットが、ダイアフラムと密接する薄板部材を備えていることに特徴を有する。従って、実施形態１（図５、参照）との相違個所を中心に説明する。

図１２は、実施形態５に係る流体噴射装置を示す部分断面図である。第１機枠８０の圧電素子４０側の壁面８２には、スペーサ６０及びダイアフラム７０が重ねて固着されて、流体室１２０を形成している。

一方、圧電素子ユニット１２は、筐体としての筒状の第２機枠５０と、第２機枠５０のダイアフラム７０に対向する端面に薄板部材としての分離板７５が固着されている。

分離板７５は、外径がダイアフラム７０と略同じ、厚さがダイアフラム７０と同じか、または薄い円盤状部材で形成されている。

圧電素子４０は、両端面に上板１１０と下板１００とを固着した状態で第２機枠５０の内部に挿入され、上板１１０が分離板７５に固着されており、下板１００を第２機枠５０の開口部端面に、固定螺子１６０（図２、参照）により固定されている。

従って、圧電素子ユニット１２は、第２機枠５０の開口部両端面を分離板７５と下板１００で封止した内部空間に圧電素子４０が格納されたユニットとして構成されている。

なお、圧電素子４０には接続リード１５１，１５２が接続され、接続リード１５１，１５２は、下板１００に開設されるリード挿通孔１０１，１０２を挿通して外部に導きだされている。

ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２とは、実施形態１と同様に固定螺子１６１（図２、参照）により固定される。従って、着脱可能な構成である。

なお、本実施形態では、圧電素子ユニット１２の内部及びリード挿通孔１０１，１０２を含んで、吸水性が小さい樹脂１４２により充填されている。樹脂１４２の材料としては、前述した実施形態１に記載の樹脂層１４０（図２、参照）と同様なものを選択できる。

また、樹脂１４２は熱伝導率が高い材料とすることがより好ましい。熱伝導率が高い材料としては、母材樹脂に無機セラミックス粉末や炭素粉末等の熱伝導率が高い材料を混入する材料が考えられる。

なお、樹脂１４２は、吸収性が小さく熱伝導率が高いという両方の条件を満たす材料であればなお好ましい。

なお、ダイアフラム７０と分離板７５との界面に液状薄膜（図示せず）が設けられている。流動性を有する薄膜としては、例えばシリコンオイル等を採用することができ、薄い薄膜として界面に一様に広がるように適度の粘性を有する材質を選択する。

従って、ノズルユニット１１と圧電素子ユニット１２との分離は、ダイアフラム７０と分離板７５との間で行うことができると共に、分離板７５がダイアフラム７０とほぼ同じ変位形態をすることから圧電素子４０の伸縮の動きに対してダイアフラム７０を追従させることができる。

また、ダイアフラム７０と分離板７５との間に流動性を有する薄膜を設けることにより、ダイアフラム７０と分離板７５と流動性薄膜を介在して密接させることができると共に、分離も容易に行える。

さらに、流動性薄膜によりダイアフラム７０と分離板７５との間の空気層を排除することができる。ダイアフラム７０と分離板７５との間に空気層が存在すると、圧電素子４０によりダイアフラム７０を流体室１２０の容積を縮小させる方向に変位させるときに空気層がダンパーとなることにより、流体室１２０内の圧力が充分に上昇できないという課題を排除することができる。

また、圧電素子ユニット１２の内部を吸水性の小さい樹脂１４２で充填することにより、圧電素子４０に水分が付着することによる層間電極のショートを防止することができる。また、圧電素子４０に水分が付着することによる圧電特性の劣化を防止することができる。さらに、接続リード１５１，１５２を補強することができ、信頼性を高めることができる。

流体噴射装置１０を長時間継続して駆動すると圧電素子４０が発熱する。そこで、圧電素子４０と第２機枠５０との空間に熱伝導率が高い樹脂を充填することにより、発生した熱を第２機枠５０を介して外部に発散させることで、圧電素子４０が高温になることによる特性の劣化を防止することができるという効果がある。

流体噴射システムの概略構成を示す説明図。 実施形態１に係る流体噴射装置の主たる構成を液体の流路方向に沿って切断して示す断面図。 図２の流体噴射装置を右側から図示した側面図。 図２の流体噴射装置を左側から図示した側面図。 実施形態１に係るノズルユニットと圧電素子ユニットとの接合部の詳細を示す断面図。 実施形態１に係る第１機枠を圧電素子側から視認した状態を示す平面図。 実施形態１に係る流入口部を拡大して示す断面図。 実施形態１に係るノズルと接続流路管との接合構造を示す断面図。 実施形態２に係る流体噴射装置の実施例１を示す部分断面図。 実施形態２に係る流体噴射装置の実施例２を示す部分断面図。 実施形態３に係る流体噴射装置を示す部分断面図。 実施形態５に係る流体噴射装置を示す部分断面図。

符号の説明

１０…流体噴射装置、１１…ノズルユニット、１２…圧電素子ユニット、４０…圧電素子、７０…ダイアフラム、８３…入口流路、８８…出口流路、９５…ノズル、１２０…流体室。

Claims (4)

1. 流体室の容積をダイアフラムにより変更してノズルから流体をパルス状に噴射する流体噴射装置であって、
   前記流体室と、前記流体室に流体を供給する入口流路と、前記流体室から流体を吐出する出口流路と、前記出口流路に連通するノズルと、を有するノズルユニットと、
   前記ダイアフラムを変位させる圧電素子を有する圧電素子ユニットと、
   前記圧電素子の伸縮方向の一方の端面に固着され前記ダイアフラムに密接する補助部材と、他方の端面に固着されると共に前記ノズルユニットの筐体に固定する蓋部材と、
   を備え、
   前記ノズルユニットと前記圧電素子ユニットとが、着脱可能に装着され、
   前記補助部材と前記ダイアフラムとを密接した状態で、内部に前記圧電素子が配設される筐体の端面と前記蓋部材との接合部に隙間を設け、前記隙間が接合部材で充填されていることを特徴とする流体噴射装置。
2. 請求項１に記載の流体噴射装置において、
   前記圧電素子に駆動信号を入力する接続リードが接続され、前記接続リードと前記圧電素子との接続部を含む前記圧電素子の表面を覆う樹脂層が設けられていることを特徴とする流体噴射装置。
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、
   前記補助部材が、前記ダイアフラム及び前記圧電素子よりもヤング率が小さい材料で形成されていることを特徴とする流体噴射装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか1項に記載の流体噴射装置を用いた手術メス。

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