JP6044098B2 - 液体噴射装置及び液体噴射装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体をパルス状に噴射する流体噴射装置と、この流体噴射装置の制御方法に関する。

従来、液体をパルス状に噴射して対象物の切断又は切除等を行う技術が知られている。例えば、医療分野では、生体組織を切開又は切除する手術具としての流体噴射装置として、容積変更手段の駆動によって容積が変化される流体室を有し、液体を脈流に変換してノズルからパルス状に高速噴射させる脈流発生部と、脈流発生部に液体を供給する流体供給部と、脈流発生部と流体供給部とを連通する流体供給チューブとから構成される流体噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−８２２０２号公報

上述した脈流発生部は、容積変更手段の駆動によって流体室の容積を縮小し、液体を脈流に変換してノズルからパルス状に高速噴射させる。ここで、ノズルから液体を噴射するためには、流体室が液体で満たされるように、常に必要十分な量の液体を流体室に供給しておく必要がある。このため、パルス状の噴流を噴射する技術では、流体室に液体を供給するための流体供給部として、十分な流量を確保することが可能な容積変更型のポンプ（例えば、ピストンポンプなど）や蠕動型ポンプ（例えば、チューブポンプなど）が使用されている。

しかし、容積変更型のポンプや蠕動型ポンプは、液体の供給圧力に周期的な変動が生じ易いため、流体噴射装置の操作感が損なわれ易いという問題がある。これは、液体の供給圧力が変動すると、ノズルから噴射される液体の噴射量に変動が生じるため、切開能力が変動したり、あるいは液体を噴射したときに操作者が感じる反力が変動したりするためである。このため、液体をパルス状に噴射する技術では、脈流発生部へ安定した流量の液体を供給する必要がある。このとき、ポンプ単体では、液体の供給圧力に周期的な変動を抑えるために、圧力変動を体積変化によって吸収する圧力変動吸収部を流路内に配置する方法もあるが、流体噴射装置とした場合には、圧力変動吸収部材を流路内に配置することで、脈流発生部へ安定した流量の液体を供給できなくなる弊害がある。具体的には、ノズルから液体の噴射を開始させる場合、脈流発生部を駆動すると脈流発生部の内部の圧力が上昇し、流路の流路抵抗が増加したようになり、圧力変動吸収部材内の液体圧力も増加して、圧力変動吸収部材は膨張するように変形する。このことにより、脈流発生部を起動したときに、脈流発生部への液体供給量が一時的に減少し、安定した定常流量になるまで時間がかかってしまう。液体供給量が定常流量よりも減少した期間では、所望の安定した流体噴射量が確保できないという課題がある。ここで、定常流量とは、脈流発生部を継続駆動する場合に流体供給部からほぼ一定の流量で供給される液体供給量を意味する。

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］本適用例に係る流体噴射装置は、液体をパルス状に噴射する脈流発生部と、周期的な駆動により液体を圧送して、前記脈流発生部に液体を供給する流体供給部と、前記脈流発生部と前記流体供給部との間に配置される体積変化によって圧力変動を吸収する圧力変動吸収部と、指定された流量に基づき、前記脈流発生部と前記流体供給部との駆動制御を行う駆動制御部と、を有し、前記指定された流量を第２流量、該第２流量に増加流量を上乗せした流量を第１流量としたとき、前記駆動制御部は、前記脈流発生部を起動させるとともに、前記流体供給部から前記第１流量の液体を所定時間供給させ、前記所定時間経過後に、前記流体供給部から前記第２流量の液体を供給させることを特徴とする。

本適用例によれば、圧力変動吸収部の体積変化によって流体供給部の周期的な圧送による圧力変動を吸収して安定した液体を供給できると同時に、脈流発生部を起動したときに、流体供給部から第２流量よりも多い第１流量の液体を供給させることにより、圧力変動吸収部が膨張することに起因する脈流発生部への液体供給量の一時的な減少を抑制し、いち早く脈流発生部からの流体噴射量を第２流量に近づけることができるため、脈流発生部の起動直後から液体を安定した流体噴射量でパルス状に高速噴射させることができる。

［適用例２］上記適用例に記載の流体噴射装置において、前記駆動制御部は、前記脈流発生部を起動時に前記流体供給部も起動することが好ましい。

本適用例によれば、液体をパルス状に噴射していない間は、余分な液体を噴射しなくなることができると同時に、脈流発生部の起動直後から流体噴射量を安定して噴射させることができる。

［適用例３］上記適用例に記載の流体噴射装置において、前記脈流発生部に容積変更により液体をパルス状に噴射するための流体室と、前記容積変更の容積変更量の情報と該容積変更の繰り返し周波数の情報を入力する入力手段と、を有し、前記駆動制御部は、前記容積変更量と容積変更の繰り返し周波数との情報から、前記第１流量と前記第１流量の液体を供給する所定時間、及び前記第２流量のいずれかを決めることが好ましい。

本適用例によれば、脈流発生部の起動時の圧力上昇に影響のある容積変更の容積変更量と容積変更の繰り返し周波数との情報から決められた指定時間と増加流量とに基づき流体供給部を駆動させることから、供給流量を精度よく増加させ、脈流発生部の起動直後から液体を安定して噴射させることができる。また、操作者（術者）は都度、定常流量及び指定時間と増加流量を計算して入力する必要がなく、操作性を高めることができる。

［適用例４］本適用例に係る流体噴射装置の制御方法は、液体をパルス状に噴射する脈流発生部と、周期的な駆動により液体を圧送して、前記脈流発生部に液体を供給する流体供給部と、前記脈流発生部と前記流体供給部との間に配置される体積変化によって圧力変動を吸収する圧力変動吸収部と、指定された流量に基づき、前記脈流発生部と前記流体供給部との駆動制御を行う駆動制御部と、が備えられている流体噴射装置の制御方法であって、前記指定された流量を第２流量、該第２流量に増加流量を上乗せした流量を第１流量としたとき、前記駆動制御部は、前記脈流発生部を起動させるとともに、前記流体供給部から前記第１流量の液体を所定時間供給させることと、前記駆動制御部は、前記所定時間の経過後に、前記流体供給部から前記第２流量の液体を供給させることと、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、脈流発生部を起動したときに、流体供給部から第２流量よりも多い第１流量の液体を供給させることにより、圧力変動吸収部が膨張した場合においても、脈流発生部への液体供給量の減少を抑制し、いち早く脈流発生部からの流体噴射量を第２流量に近づけることができるため、脈流発生部の起動直後から液体を安定してパルス状に高速噴射させることができる。

実施形態１に係る流体噴射装置を示す構成説明図。 実施形態１に係る圧力変動吸収部を液体の流れ方向に沿って切断した断面図。 実施形態１に係る脈流発生部を液体の噴射方向に沿って切断した断面図。 実施形態１に係る制御系の概略構成を示す構成説明図。 実施形態１による制御を行わない場合の噴射流量を模式的に示すグラフ。 実施形態１に係る流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図。 実施形態１に係る制御を行った場合の噴射流量を模式的に示すグラフ。 実施形態１の変形例に係る流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図。 実施形態２に係る脈流発生部をダイアフラムに対して垂直方向に切断した切断面を示す側面部分断面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。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、生体組織を切開又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。したがって、実施形態にて用いる液体は、水又は生理食塩水等の液体である。なお、以降説明する図２、図３、図９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。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図である。図１において、流体噴射装置１は、液体を収容する液体供給容器２（以降、単に容器２と表す）と、流体供給部としてのポンプ１０と、ポンプ１０から供給される液体を脈流に変換させパルス状に噴射する脈流発生部２０と、を備えている。ポンプ１０と脈流発生部２０とは、液体供給チューブ４（以降、単にチューブ４と表す）によって連通されている。さらに、ポンプ１０と脈流発生部２０の間には、体積変化によって圧力変動を吸収する圧力変動吸収部５が備えられている。そして、脈流発生部２０には、細いパイプ状の接続流路管９０が接続され、接続流路管９０の先端部には流路径が縮小されたノズル９５が挿着されている。

ポンプ１０は、周期的な駆動により液体を圧送する容積変更型のポンプ（ピストンポンプや、ダイアフラムポンプなど）や蠕動型ポンプ（チューブポンプなど）が用いられる。このとき、液体は、ポンプ１０の周期的な駆動により圧送されるため、周期的な圧力変動が生じる。しかし、圧力変動吸収部５は、体積変化によって圧力変動を吸収するため、圧力変動吸収部５を通過した液体は、安定した圧力となる。

また、流体噴射装置１は、ポンプ１０と脈流発生部２０それぞれの駆動制御をするための駆動制御部１５が備えられている。図１では、駆動制御部１５はポンプ１０と脈流発生部２０とから離間した位置に配設されているが、ポンプ１０を含む駆動制御部として構成してもよい。

流体噴射装置１を手術具として用いる場合、脈流発生部２０を把持して操作するため、脈流発生部起動スイッチ２５は、脈流発生部２０に配設されている。なお、脈流発生部起動スイッチ２５をフットスイッチとして駆動制御部１５に配設してもよい。そして、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８とは、駆動制御部１５に配設される。

まず、流体噴射装置１における液体の流動を簡単に説明する。容器２に収容された液体は、ポンプ１０によって吸引され、圧力変動吸収部５（図２、参照）及びチューブ４を介して脈流発生部２０に供給される。脈流発生部２０には、流体室８０と、この流体室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（共に、図３、参照）を備えており、容積変更手段を駆動して流体室８０の容積を変化させて脈流を発生し、接続流路管９０、ノズル９５を介して液体をパルス状に高速噴射する。ここで脈流とは、液体の流れる方向が一定で、液体の流量又は流速が周期的又は不定期な変動を伴った液体の流動を意味する。脈流には、液体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、液体の流量又は流速が周期的又は不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。同様に、液体をパルス状に噴射するとは、噴射する液体の流量又は移動速度が周期的又は不定期に変動した液体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、液体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する液体の流量又は移動速度が周期的又は不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。

次に、本実施形態に係る圧力変動吸収部５の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る圧力変動吸収部５を液体の流れ方向に沿って切断した断面図である。圧力変動吸収部５は、弾性の壁面５１と空気を封入した空気袋５２を内部に備え、圧力変動吸収部５を通過する液体の圧力に変動があった場合、弾性の壁面５１と空気を封入した空気袋５２とが、圧力変動吸収部５を通過する液体の圧力の変動に対して受動した体積変化によって圧力変動を吸収する。なお、弾性の壁面５１と空気を封入した空気袋５２とのどちらか一方でも構わず、同じ機能を有するなら別の構成でも構わない。

次に、本実施形態に係る脈流発生部２０の構造について説明する。
図３は、本実施形態に係る脈流発生部２０を液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から圧力変動吸収部５及びチューブ４を介して流体室８０に液体を供給する入口流路８１と、流体室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、流体室８０から流体噴射開口部９６まで液体を送出する出口流路８２と、を有して構成されている。

ダイアフラム４０は、円盤状の金属薄板からなり、周縁部が下ケース５０と上ケース７０とによって密着固定されている。圧電素子３０は、本実施形態では積層型圧電素子であって、両端部の一方がダイアフラム４０に、他方が底板６０に固着されている。

流体室８０は、上ケース７０のダイアフラム４０に対向する面に形成される凹部とダイアフラム４０とによって形成される空間である。流体室８０のほぼ中央部には出口流路８２が開口されている。そして、上ケース７０と下ケース５０とは、それぞれ対向する面において接合一体化されている。上ケース７０には、出口流路８２に連通する接続流路９１を有する接続流路管９０が嵌着され、接続流路管９０の先端部にはノズル９５が挿着されている。そして、ノズル９５には、流路径が出口流路８２よりも縮小された流体噴射開口部９６が開口されている。また、上ケース７０には、流体室８０と連通する入口流路８１が形成され、入口流路８１にはチューブ４が取り付けられている。

次に、本実施形態における脈流発生部２０の流体吐出動作について図１、図３を参照して説明する。本実施形態の脈流発生部２０の流体吐出は、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１と出口流路８２側の合成イナータンスＬ２と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、流路を流れる液体の流量を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。

入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、入口流路８１の範囲において算出される。また、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２は、出口流路８２の範囲において算出される。
なお、接続流路管９０の管壁の厚さは、液体の圧力伝播に十分な剛性を有している。

そして、本実施形態では、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１が出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路８１の流路長及び断面積、出口流路８２の流路長及び断面積を設定する。

次に、流体噴射動作について説明する。
ポンプ１０によって入口流路８１には、常に一定圧力（定常流量）で液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液体は流体室８０内に流動する。

ここで、圧電素子３０に駆動信号が入力され圧電素子３０がダイアフラム４０の流体室８０側の面の法線方向に急激に伸長したとすると、伸長した圧電素子３０によってダイアフラム４０が押圧され、ダイアフラム４０が流体室８０の容積を縮小する方向に変形する。流体室８０内の圧力は、入口流路８１側及び出口流路８２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８１に加えられていたポンプ１０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路８１から流体室８０内への液体の流入はその圧力によって減少し、出口流路８２からの流出は増加する。

しかし、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きく、入口流路８１から流体室８０へ流入する流量の減少量よりも、出口流路８２から吐出される液体の増加量のほうが大きいため、接続流路９１にパルス状の液体吐出、つまり、脈流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管９０内（接続流路９１）を伝播して、先端のノズル９５の流体噴射開口部９６から液体が噴射される。

ここで、流体噴射開口部９６の流路径は、出口流路８２の流路径よりも縮小されているので、液体はさらに高圧となり、パルス状の液滴となって高速噴射される。

一方、流体室８０内は、入口流路８１からの液体流入量の減少と出口流路８２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。そして、圧電素子３０を元の形状に復元すると、ポンプ１０の圧力と、流体室８０内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路８１の液体は圧電素子３０の動作前（伸長前）と同様な速度で流体室８０内に向かう流れが復帰する。

入口流路８１内の液体の流動が復帰した後、圧電素子３０の伸長があれば、流体噴射開口部９６からパルス状の液滴を継続して噴射する。

続いて、本実施形態に係る流体噴射装置１の制御方法について説明する。まず、流体噴射装置１の制御系の構成について図面を参照して説明する。
図４は、本実施形態に係る制御系の概略構成を示す構成説明図である。制御系としては、ポンプ１０及び脈流発生部２０（具体的には圧電素子３０）の駆動を制御する駆動制御部１５と、圧電素子３０の伸縮の開始と停止を切り換える脈流発生部起動スイッチ２５と、圧電素子３０の伸長量を切り換える脈動量切替スイッチ２７と、圧電素子３０の伸縮の繰り返し周波数を切り換える脈動周波数切替スイッチ２８と、から構成されている。

駆動制御部１５は、ポンプ駆動回路１５３と圧電素子駆動回路１５４と、両回路を制御する制御回路１５１とを有している。駆動制御部１５はＬＵＴ（Look Up Table）１５２をさらに有している。ＬＵＴ１５２には、脈流発生部２０の起動時のポンプ１０の増加流量と増加流量指定時間（以降、単に指定時間と表すことがある）が記憶されている。図４では図示を省略しているが、ＬＵＴ１５２はＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリー（記憶手段）にデータとして記憶されている。

ＬＵＴ１５２は、ポンプ１０に設定される指定の定常流量の値に対応する増加流量と増加流量指定時間との情報が記憶された１次元の配列で記憶されている。したがって、ＬＵＴ１５２に記憶されている増加流量と増加流量指定時間との情報は、ポンプ１０に設定される指定の定常流量の値に基づいて読み出される。そして、ポンプ１０に設定される指定の定常流量は、駆動制御部１５において容積変更の容積変更量の情報と容積変更の繰り返し周波数の情報とから算出される。容積変更の容積変更量の情報と容積変更の繰り返し周波数の情報とは、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８とによって得られる。

定常流量の算出方法の一例について簡単に説明する。
まず、圧電素子３０の伸長量と既知の流体室８０の断面積との積から圧電素子３０の１回の伸長による流体室の容積変更量を求める。そして、求めた容積変更量と圧電素子３０の伸縮の繰り返し周波数（すなわち容積変更の繰り返し周波数）との積から流体室８０から排出される予測の流量を求める。このとき、ポンプ１０に設定される指定の定常流量は、噴射する液体が不足しないように、少なくとも流体室８０から排出される流量以上とする必要がある。したがって、ポンプ１０に設定される指定の定常流量は、流体室８０から排出される予測の流量に１以上の係数を掛けるか、若しくは、流量を増分して算出している。

なお、最終的に増加流量と増加流量指定時間とが決まればよいので、指定の定常流量は、必ずしも算出する必要はない。例えば、ＬＵＴ１５２に記憶されている増加流量と増加流量指定時間との情報が、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８との値に基づく２次元の配列として記憶されていれば、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８とによって増加流量と増加流量指定時間とを決めることができる。

また、ノズル９５のサイズやチューブ４の長さなどの流路が変わる場合や液体の変更で液体の粘度や比重が変わる場合には、流路抵抗や流路内の弾性要素による圧力損失によって増加流量と増加流量指定時間は異なる。したがって、流路液体情報入力手段（入力手段）２６によって流路と液体との情報を制御回路１５１に入力する。流路液体情報入力手段２６としては、キーボード又は入力スイッチ等を用いることができる。

流路液体情報について、簡単に説明する。
流路液体情報に関しては、流量によって変化する流路内の圧力の状態を決めるための情報である。したがって、流路長、流路断面積、液体の粘度や比重、圧力変動吸収部５の弾性コンプライアンスなど、様々な情報が必要となる。また、ノズル９５のサイズやチューブ４の長さの情報など全てを直接入力しても、増加流量と増加流量指定時間とを算出するのは容易ではない。よって、あらかじめ使用する可能性のあるノズル９５、チューブ４、圧力変動吸収部５などに番号を割り振り、それらの組合せの実験によって、増加流量と増加流量指定時間とを決定し、ＬＵＴ１５２を複数用意しておく。そして、流路液体情報の番号の組合せに合わせて複数のＬＵＴ１５２から選択される。

なお、使用する流路や液体が一意に決まっていたり、流路や液体に大きな変更がなかったりすれば、流路液体情報は入力しないで、特定のＬＵＴ１５２を自動で選択しても構わない。
また、ＬＵＴ１５２を複数用意しないで、ＬＵＴ１５２に記憶されている増加流量と増加流量指定時間との情報が、流路液体情報と定常流量とに基づくｎ次元の配列として記憶されていても構わない。

以上のことから、流体噴射装置１を駆動する場合、まず、流路液体情報入力手段２６から流路液体情報を制御回路１５１に入力する。そして、駆動制御部１５で、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８から、ポンプ１０に設定される指定の定常流量が算出される。そして、ＬＵＴ１５２に記憶されている増加流量と増加流量指定時間の情報が、ポンプ１０に設定される指定の定常流量の値に基づいて読み出される。

そして、脈流発生部起動スイッチ２５を操作して脈流発生部２０を起動すると、ＬＵＴ１５２から読み出された増加流量と流量増加で流動する指定時間に基づきポンプ１０が駆動される。

（流体噴射装置の制御方法）
続いて、流体噴射装置１の制御方法について説明する。まず、本実施形態による制御を行わない場合について説明する。
図５は、本実施形態による制御を行わない場合の噴射流量を模式的に示すグラフである。ポンプ１０は、圧力変動吸収部５を介して指定された定常流量ｑ１の液体を安定的に供給している。

しかし、圧電素子３０を駆動し液体をパルス状に噴射させる場合、脈流発生部２０内部圧力が上昇し、流路の流路抵抗が増加したようになる。このとき、圧力変動吸収部５内の流体圧力も増加して、体積変化によって圧力変動を吸収する圧力変動吸収部５は、膨張される。このことにより、脈流発生部２０への液体供給量が一時的に流量ｑ２に減少し、安定した定常流量になるまで時間がかかってしまう。例えば、時間ｔ１で脈流発生部２０を起動すると、起動から時間ｔ２に至る期間では、供給流量の減少により所望の安定した流体噴射ができない。

また、このような脈流発生部２０への供給流量の減少が発生すると、時間ｔ１〜時間ｔ２の期間では、流体噴射量が減少し、極端に減少する場合には、流体室８０に液体がない状態で圧電素子３０が空駆動されてしまうことがある。
そこで、脈流発生部２０の起動直後から所望の噴射流量（定常噴射量）を確保するためにポンプ１０からの供給流量を制御する。

図６は、本実施形態に係る流体噴射装置１の制御方法を示すフロー説明図である。図６に示すフローに沿って説明する。図１、図４、図５も参照する。

図６に表す制御のフローは、ポンプ１０を駆動して液体を定常流量で脈流発生部２０に供給している状態から、脈流発生部２０を起動させ、定常駆動（例えば、生体組織の切開手術等）を継続した後停止させる間のフローを表している。

まず、脈流発生部２０を駆動させる前に、流路液体情報入力手段２６により流路液体情報を制御回路１５１に入力する（ステップ１０、なお、以降ステップをＳＴと表す）。仮に流路液体情報として、圧力変動吸収部５のコード番号、チューブ４のコード番号、脈流発生部２０のコード番号、ノズル９５のコード番号を入力する。

続いて、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８とを操作して圧電素子３０の伸長量（すなわち容積変更量に相当）と、圧電素子３０の伸縮の繰り返し周波数（すなわち容積変更の繰り返し周波数に相当）とを選択する（ＳＴ１５）。圧電素子３０の伸長量に関しては、圧電定数が既に分かっていれば駆動電圧などでも構わない。したがって、仮に１００Ｖ、３００Ｈｚを選択したものとする。そして、圧電素子３０の伸長量と伸縮の繰り返し周波数とから指定の流量（定常流量）が算出される。仮に、１００ｍｌ／ｈが算出されたものとする。すると、入力した流路液体情報に基づいてＬＵＴ１５２が選択され、算出された指定の流量（定常流量）から、ＬＵＴ１５２を参照して、増加流量３０ｍｌ／ｈと流量を増加させる指定時間５ｓ（５秒）が決定される。

続いて、算出された指定の定常流量でポンプ１０駆動を開始する（ＳＴ２０）。そして、脈流発生部起動スイッチ２５を操作して脈流発生部２０を起動し、駆動を開始する（ＳＴ３０）。この際、制御回路１５１からＬＵＴ１５２に対して読み出し信号が送出され、制御条件（増加流量３０ｍｌ／ｈ、指定時間５ｓ）が読み出される。

脈流発生部２０が駆動開始するとほぼ同時に、制御条件に基づきポンプ１０からの液体供給量を増加させる（ＳＴ４０）。増加流量は３０ｍｌ／ｈのため、ポンプ１０からの供給流量は指定された定常流量１００ｍｌ／ｈに増加流量３０ｍｌ／ｈを上乗せした１３０ｍｌ／ｈとなる。

ここで、制御回路１５１では、増加流量で供給されている時間（指定時間）の経過を計測して指定時間（５秒）を指定どおり経過したかを判定する（ＳＴ５０）。指定時間５秒に達しない間（ＮＯ）は増加流量で供給を継続する。指定時間を経過した（ＹＥＳ）後、ポンプ１０からの液体供給量を定常流量に減少させて（ＳＴ６０）その状態を継続する（ＳＴ７０）。このＳＴ７０の期間が手術等による脈流発生部２０の使用期間である。

そして、手術等を休止又は終了する場合は、脈流発生部起動スイッチ２５を操作して脈流発生部２０を駆動停止させる（ＳＴ８０）。したがって、脈流発生部起動スイッチ２５は、起動操作と停止操作が可能な２状態切替スイッチである。

そして、流体噴射装置１を駆動停止させるか一時休止とするかを判定し（ＳＴ９０）、駆動停止の場合には脈動周波数切替スイッチ２８を操作してポンプ１０を駆動停止させる（ＳＴ１００）。

また、ＳＴ９０にて一時休止とした場合には、脈動周波数切替スイッチ２８を操作せずにポンプ１０の駆動を維持する。そして、脈流発生部２０を再度駆動する場合は、脈流発生部起動スイッチ２５を操作し、脈流発生部２０を起動させる（ＳＴ３０）。この場合の脈流発生部駆動停止（ＳＴ８０）期間は一時休止期間である。

なお、一時休止期間後に再起動するときに脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８とを切り換える必要性が生じた場合は、脈動量切替スイッチ２７と脈動周波数切替スイッチ２８とを操作して、指定の流量（定常流量）が算出し直す（ＳＴ１５に戻る）ことも可能である。そして、脈流発生部２０を継続駆動する場合は、そのままポンプ１０及び脈流発生部２０の駆動を継続する。

続いて、上述したような制御方法による流体噴射量について説明する。
図７は、本実施形態に係る制御を行った場合の噴射流量を模式的に示すグラフである。本実施形態では、脈流発生部２０の起動（図示Ａ）とほぼ同時に、ポンプ１０からの液体供給量を増加し、指定の増加流量及び指定時間に達したときに供給量を減少させ（図示Ｂ）、定常流量ｑ１に復帰させる（図示Ｃ）。

したがって、脈流発生部２０を起動直後の液体の噴射流量の減少ｑ３は、本実施形態による制御を行わない場合の噴射量の減少ｑ２に対してごく僅かであり、脈流発生部２０を起動してから定常噴射量を得ることが可能となるまでの時間を従来と比較して短縮することができる。

以上説明した本実施形態による流体噴射装置１及び、この流体噴射装置１の制御方法によれば、脈流発生部２０を起動したときに、圧力変動吸収部５の膨張による減少量を補うように、ポンプ１０からの液体供給量を定常流量よりも増加させることにより、脈流発生部２０の起動直後から液体を安定してパルス状に高速噴射させることができる。

また、脈流発生部２０（具体的には流体室８０）への供給流量が減少した状態又はない状態で圧電素子３０を駆動すると、圧電素子３０の伸縮に伴う発熱に加え流体室８０内の断熱効果による発熱、及び冷媒としても作用する液体の量が不十分であるために圧電素子３０の温度上昇を引き起こす可能性がある。本実施形態によれば供給流量が十分にあるため、この温度上昇に起因する圧電素子３０の劣化を防止することができるという効果がある。

また、脈流発生部２０の起動時の圧力上昇に影響のある圧電素子３０の伸長量（すなわち容積変更量に相当）と、圧電素子３０の伸縮の繰り返し周波数（すなわち容積変更の繰り返し周波数に相当）と、から決められた指定時間と増加流量とに基づきポンプ１０を駆動させることから、供給流量を精度よく増加させ、脈流発生部２０の起動直後から液体を安定して噴射させることができる。また、操作者（術者）は都度、定常流量及び指定時間と増加流量を計算して入力する必要がなく、操作性を高めることができる。

図８は、本実施形態の変形例に係る流体噴射装置１の制御方法を示すフロー説明図である。
なお、本実施形態では、液体を定常流量で脈流発生部２０に供給している状態から、脈流発生部２０を起動させていたが、図８に表す制御のフローのように、ポンプ１０と脈流発生部２０とを同時に起動（ＳＴ３５）させても構わない。ただし、この場合は、起動直前まで流路内の圧力が高くないので、圧力変動吸収部５の圧力が上昇するまで、さらに安定した定常流量になりにくい。したがって、指定時間や増加流量は比較的大きくなるので、これに合わせたＬＵＴ１５２を用意しておくことになる。これにより、液体をパルス状に噴射していない間は、余分な液体を噴射しなくなることができると同時に、脈流発生部２０の起動直後から液体を安定してパルス状に高速噴射させることができる。なお、ポンプ１０と脈流発生部２０とを同時に停止（ＳＴ８５）させても構わない。

（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。前述した実施形態１が、脈流発生部２０を術者が把持して操作する場合の構成を例示していることに対して、実施形態２は、脈流発生部をチューブ先端に装着し血管等の細管組織内に挿入可能な構成であることに特徴を有している。なお、実施形態２において、実施形態１との共通部分には同じ符号を附し、相違箇所を中心に説明する。

図９は、本実施形態に係る脈流発生部をダイアフラムに対して垂直方向に切断した切断面を示す側面部分断面図である。脈流発生部１２０は、上ケース１７０と下ケース１５０の互いの対向面が接合された状態で、断面形状がほぼ円形の筒状に構成されている。下ケース１５０の上ケース１７０との対向面には凹部が穿設され、この凹部と上ケース１７０の下ケース１５０との対向面に密着固定されるダイアフラム１４０とで流体室１８０が構成されている。

下ケース１５０には、流体室１８０に連通する入口流路１８１と出口流路１８２とが形成され、ダイアフラム１４０の流体室１８０に対して反対側の表面には圧電素子１３０が固着されている。なお、出口流路１８２の先端部は流体噴射開口部９７である。
図９から明らかなように、本実施形態に係る脈流発生部１２０は、入口流路１８１、流体室１８０、及び出口流路１８２が一直線上に形成されている。このような構成にすることによって、液体が衝突する壁部を少なくすることができるため、液体が衝突する壁部において滞留する気泡を減らすことができる。その結果、滞留した気泡の影響によって流体室１８０の圧力が低下することを防止し、十分な切除能力を有する脈流を安定して発生させることができる。

また、図９において、ダイアフラム１４０は、流体室１８０の底面（下ケース１５０によって形成される面）と平行に配置されている。言い換えれば、ダイアフラム１４０は液体の流れる方向に対して平行に配置されているとも言える。このような構成にすることによって、脈流発生部１２０の外径をチューブ６の外径と同程度にすることができ、後述するように脈流発生部１２０を血管等の細管組織に挿入することが可能となる。

また、ダイアフラム１４０を流体室１８０の底面と平行に配置することによって、ダイアフラム１４０が流体室１８０を形成する面積を大きくすることができる。これにより、ダイアフラム１４０の変形によって流体室１８０の容積を縮小する量（＝流体室１８０の容積変更量）を大きくすることができる。例えばダイアフラム１４０を流体室１８０の底面と垂直に配置すると、ダイアフラム１４０が流体室１８０を形成する面積は脈流発生部１２０の外径に制限され、ダイアフラム１４０の変形によって流体室１８０の容積変更量を大きくすることができない。

その結果、十分な切除能力を有する脈流を発生させることが難しくなる。その点、本実施形態の構成では、脈流発生部１２０の外径に制限されることなく、ダイアフラム１４０の変形によって流体室の容積変更量を大きくすることができるため、十分な切除能力を有する脈流を発生させることができ、好ましい。

このように構成される脈流発生部１２０は、チューブ６に接続される。チューブ６は、圧力変動吸収部５を介してポンプ１０から圧送される液体が通過する。つまり、ポンプ１０と脈流発生部２０との間には、体積変化によって圧力変動を吸収する圧力変動吸収部５を備えられている。ここで、脈流発生部１２０は、血管等の細管組織に挿入して、細管組織内の付着物等を除去することに好適な装置であって、外径は２ｍｍ〜５ｍｍ程度である。したがって、チューブ６の外径は、脈流発生部１２０の外径とほぼ等しい。しかるに、チューブ６はカテーテルと考えることができる。

このように構成される細い筒状の脈流発生部１２０であっても、前述した実施形態１と同様な効果が得られ、しかも、細管組織内に挿入して、細管組織内壁の付着物の除去に好適な手術器具として有効である。
さらに、細管構造物の管内の洗浄等にも用いることが可能である。

なお、本実施形態では、脈流発生部起動スイッチ２５は、駆動制御部１５に配設される。

本実施形態における流体噴射装置の駆動制御は、前述した実施形態１と同じ制御方法によって行うことができる。

また、前述した実施形態１、実施形態２では、ダイアフラム４０，１４０を圧電素子３０，１３０によって押圧することによって脈流を発生させる構成としたが、これに限らず、脈流を発生させる構成であれば他の形態でも構わない。例えばピストン（プランジャー）を、圧電素子を用いて駆動することによって流体室の容積を縮小させ、脈流を発生させてもよい。また、流体室内の液体をレーザー誘起によって泡状（バブル）にし、バブルを噴射させることによって脈流を発生するようにしてもよい。

また、前述した実施形態１では、ＬＵＴ１５２を参照して、入力された流路液体情報に対応する制御条件（増加流量と増加流量を流動する指定時間）を決定する構成としたが、入力された流路液体情報に対応する制御条件がＬＵＴ１５２に存在しない場合には、ＬＵＴ１５２として記憶されている複数の流路液体情報及び制御条件から、入力された流路液体情報に最適と思われる制御条件を公知の補間演算によって求めるようにしてもよい。これにより、入力された流路液体情報に対応する制御条件がＬＵＴ１５２に存在しない場合であっても、適切と思われる制御条件を導出することが可能となる。

また、前述した実施形態１では、流路液体情報を流路液体情報入力手段２６によって入力するように構成したが、これに限らず、装置の一部に貼り付けられたＲＦ−ＩＤやバーコードを読み込むことによって流路液体情報を制御回路１５１に入力するように構成してもよい。これにより、流路液体情報をユーザーが入力する手間を軽減することができる。

１…流体噴射装置 ２…液体供給容器 ４，６…液体供給チューブ ５…圧力変動吸収部 １０…流体供給部としてのポンプ １５…駆動制御部 ２０…脈流発生部 ２５…脈流発生部起動スイッチ ２６…流路液体情報入力手段（入力手段） ２７…脈動量切替スイッチ ２８…脈動周波数切替スイッチ ３０…容積変更手段としての圧電素子 ４０…容積変更手段としてのダイアフラム ５０…下ケース ５１…壁面 ５２…空気袋 ６０…底板 ７０…上ケース ８０…流体室 ８１…入口流路 ８２…出口流路 ９０…接続流路管 ９１…接続流路 ９５…ノズル ９６，９７…流体噴射開口部 １２０…脈流発生部 １３０…圧電素子 １４０…ダイアフラム １５０…下ケース １５１…制御回路 １５２…ＬＵＴ １５３…ポンプ駆動回路 １５４…圧電素子駆動回路 １７０…上ケース １８０…流体室 １８１…入口流路 １８２…出口流路。

Claims (4)

1. 液体を供給する液体供給部と、
   前記液体供給部から供給される液体の圧力変動を体積変化によって吸収する圧力変動吸収部と、
   前記圧力変動吸収部を通過した液体が供給される液体室と、
   前記液体室の容積を変化させ、前記液体をパルス状に噴射する容積変更を実行する容積変更手段と、
   前記液体供給部及び前記容積変更手段の駆動を制御する駆動制御部と、
   前記容積変更の容積変更量の情報及び前記容積変更の繰り返し周波数の情報を前記駆動制御部へ入力可能な入力手段と、を有し、
   前記駆動制御部は、
   前記容積変更手段を起動させると同時に、前記液体供給部から前記液体室に向けて第１流量で液体が供給されるように前記液体供給部を駆動させ、所定時間経過後に、前記液体供給部から前記液体室に向けて前記第１流量とは異なる第２流量で液体が供給されるように前記液体供給部を駆動させ、
   前記第１流量の方が前記第２流量よりも多く、
   前記容積変更量及び前記繰り返し周波数に応じて、前記第１流量及び前記所定時間が変化する、液体噴射装置。
2. 請求項１に記載の液体噴射装置において、
   前記第２流量は、前記容積変更量と前記繰り返し周波数との積から算出される流量以上である、液体噴射装置。
3. 請求項１又は２に記載の液体噴射装置において、
   前記駆動制御部は、前記液体供給部から前記液体室に向けて前記第２流量で液体を供給させた状態で前記容積変更手段を起動させる、液体噴射装置。
4. 液体を供給する液体供給部と、
   前記液体供給部から供給される液体の圧力変動を体積変化によって吸収する圧力変動吸収部と、
   前記圧力変動吸収部を通過した液体が供給される液体室と、
   前記液体室の容積を変化させ、前記液体をパルス状に噴射する容積変更を実行する容積変更手段と、
   前記容積変更の容積変更量の情報及び前記容積変更の繰り返し周波数の情報を前記駆動制御部へ入力可能な入力手段と、を有する液体噴射装置の制御方法であって、
   前記容積変更手段を起動させると同時に、前記液体供給部から前記液体室に向けて第１流量で液体が供給されるように前記液体供給部を駆動させ、所定時間経過後に、前記液体供給部から前記液体室に向けて前記第１流量とは異なる第２流量で液体が供給されるように前記液体供給部を駆動させることと、
   前記容積変更量及び前記繰り返し周波数の変化に応じて、前記第１流量及び前記所定時間が変化することと、を含み、
   前記第１流量の方が前記第２流量よりも多いことを特徴とする液体噴射装置の制御方法。