JP6186831B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体の噴射に関する。

圧電素子を用いたアクチュエーターを用いて液体室の容積を変動させ、液体室の液体の圧力に脈動を発生させることによって、間欠的に液体を噴射する液体噴射装置が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００８−８２２０２号公報

上記先行技術が有する課題は、液体室に気泡が溜まりやすいことである。液体室の気泡は、液体室の容積変動によって、液体室内の液体から発生する。液体室に気泡が溜まると、液体室の容積変動が気泡の容積変動に吸収されてしまい、適切な脈動を発生させることができないことがある。

本発明は、先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、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、液体を噴射する液体噴射装置であって；室内容積が変動可能な液体室と；前記液体室内の容積を変動させる容積変動部と；前記液体室に液体を供給する液体供給部と；前記容積変動部および前記液体供給部を制御することにより前記液体室内の圧力を調整する制御部とを備える。この形態によれば、適切な脈動を発生させることができる。

（２）上記形態において、吸引装置と連通する吸引流路に接続され、液体を吸引可能な吸引口をさらに備え；前記制御部は、前記容積変動部および前記液体供給部を第２のモードで制御するとき、前記容積変動部および前記液体供給部を第１のモードで制御するときより前記圧力を高くする制御を行う。この形態によれば、第２のモードの場合、第１のモードの場合に比べて液体室内の圧力が高いので、液体室内の気泡が噴射管を通じて排出されやすくなる。

（３）上記形態において、前記制御部は、前記第２のモードで制御するとき、前記第１のモードで制御するときより前記液体室内への液体の供給量が多くなるように前記液体供給部を制御する。この形態によれば、第２のモードの場合、第１のモードの場合に比べて液体室内への液体の供給量が多いので、液体室内の気泡が噴射管を通じて排出されやすくなる。

（４）上記形態において、前記制御部は、前記第２のモードで制御するとき、前記第１のモードで制御するときより前記液体室の容積の変動幅が大きくなるように、前記容積変動部を制御する。この形態によれば、第２のモードの場合、第１のモードの場合に比べて液体室の容積の変動幅が大きいので、液体室内の気泡が噴射管を通じて排出されやすくなる。

（５）上記形態において、前記制御部は、前記第２のモードで制御するとき、前記第１のモードのときより前記液体室の容積変動の周波数が大きくなるように、前記容積変動部を制御する。この形態によれば、第２のモードの場合、第１のモードの場合に比べて液体室の容積変動の周波数が大きいので、液体室内の気泡が噴射管を通じて排出されやすくなる。

（６）上記形態の何れか一つの液体噴射装置を用いた医療機器としても実施できる。この形態によれば、液体室に気泡が溜まりにくい液体噴射装置を用いた医療機器を提供できる。

先述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものという訳ではなく、先述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、先述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、先述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を先述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

例えば、本発明の一形態は、液体室と、容積変動部と、液体供給部と、制御部との要素の内の一部または全部の要素を備えた装置として実現可能である。この装置は、液体室を有していてもよく、有していなくてもよい。この装置は、容積変動部を有していてもよく、有していなくてもよい。この装置は、液体供給部を有していてもよく、有していなくてもよい。この装置は、制御部を有していてもよく、有していなくてもよい。液体室は、例えば、室内容積が変動可能であってもよい。容積変動部は、例えば、液体室内の容積を変動させてもよい。液体供給部は、例えば、前記液体室に液体を供給してもよい。制御部は、例えば、前記容積変動部および前記液体供給部を制御することにより前記液体室内の圧力を調整してもよい。こうした装置は、例えば液体噴射装置として実現できるが、液体噴射装置以外の他の装置としても実現可能である。このような形態によれば、装置の小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等の種々の課題の少なくとも１つを解決できる。先述した液体噴射装置の各形態の技術的特徴の一部又は全部は、いずれもこの装置に適用できる。

本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、液体噴射方法、手術方法、これらの方法を実現するためのプログラム、これらのプログラムを記憶した記憶媒体等の形態で実現できる。

液体噴射装置の構成図。 ハンドピースの内部構造図。 起動処理を示すフローチャート。

図１は、液体噴射装置１０の構成を示す。液体噴射装置１０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、患部を切開または切除する機能を有する。

液体噴射装置１０は、ハンドピース２０と、液体供給機構５０と、吸引装置６０と、制御部７０と、液体容器８０とを備えている。液体供給機構５０及び液体容器８０は、接続チューブ５１によって互いに接続されている。液体供給機構５０及びハンドピース２０は、液体供給流路５２によって互いに接続されている。接続チューブ５１及び液体供給流路５２は、樹脂によって形成されている。接続チューブ５１及び液体供給流路５２は、樹脂以外の材料によって形成されてもよい。

液体容器８０は、生理食塩水を貯留する。液体供給機構５０は、接続チューブ５１を介して液体容器８０から吸引した液体を、液体供給流路５２を介してハンドピース２０に供給する。

ハンドピース２０は、液体噴射装置１０の使用者が手に持って操作する器具である。ハンドピース２０に内蔵された脈動発生部３０は、液体供給機構５０から液体供給流路５２を介してハンドピース２０に供給された液体の圧力に脈動を発生させる。圧力の脈動が発生した液体は、噴射管５５に供給される。噴射管５５に供給された液体は、噴射口５８から間欠的に噴射される。使用者は、噴射口５８から噴射される液体を患部に当てることによって、患部の切開または切除を行う。噴射管５５は、ステンレスによって形成されている。噴射管５５は、真鍮等の他の金属や強化プラスチックなど、所定以上の剛性を有する他の材料によって形成されてもよい。

制御部７０は、信号ケーブル７２を介して脈動発生部３０に駆動信号を送信する。制御部７０は、制御ケーブル７１を介して液体供給機構５０を制御することによって、脈動発生部３０に供給される液体の流量を制御する。制御部７０には、フットスイッチ７５が接続されている。使用者がフットスイッチ７５をオンにすると、制御部７０は、液体供給機構５０を制御して、脈動発生部３０への液体の供給を実行させるとともに、脈動発生部３０に駆動信号を送信して、脈動発生部３０に供給された液体の圧力に脈動を発生させる。

吸引装置６０は、噴射口５８周辺の液体や切除物を吸引するためのものである。吸引装置６０及びハンドピース２０は、吸引流路６２によって互いに接続されている。吸引流路６２は、ハンドピース２０内を貫通して、噴射管５５の先端近傍において開口する。吸引流路６２は、ハンドピース２０内において噴射管５５に覆い被さることによって、図１のＡ矢視図に示すように噴射管５５の壁と吸引流路６２の壁とが、略同心の円筒を形成する。噴射管５５の外壁と吸引流路６２の内壁との間には、吸引流路６２の先端である吸引口６４から吸引された吸引物が流れる流路が形成される。吸引物は、吸引流路６２を介して吸引装置６０に吸引される。

図２は、ハンドピース２０の内部構造を示す。ハンドピース２０は、脈動発生部３０と、入口流路４０と、出口流路４１と、接続チューブ５４とを内蔵すると共に、吸引力調整機構６５を備える。

脈動発生部３０は、図２の下部に示されるように、第１ケース３１、第２ケース３２、第３ケース３３、ボルト３４、圧電素子３５、補強板３６、ダイアフラム３７、パッキン３８、入口流路４０及び出口流路４１を備える。第１ケース３１及び第２ケース３２は、互いに対向して接合されている。第１ケース３１は筒状部材である。第１ケース３１の一方の端部は、第３ケース３３をボルト３４で固定することによって密閉されている。第１ケース３１の内部に形成される空間に、圧電素子３５が配置されている。

圧電素子３５は、積層型圧電素子である。圧電素子３５の一端は、補強板３６を介してダイアフラム３７に固着している。圧電素子３５の他端は、第３ケース３３に固着している。ダイアフラム３７は、金属薄膜によって作製されており、周縁部が第１ケース３１に固着している。ダイアフラム３７と第２ケース３２との間には、液体室３９が形成される。液体室３９は、圧電素子３５の駆動によって容積が変動する。

信号ケーブル７２は、ハンドピース２０の後端部２２から挿入される。２本の電極線７４は、信号ケーブル７２に収容されており、脈動発生部３０内の圧電素子３５に接続される。制御部７０から送信された駆動信号は、信号ケーブル７２内の電極線７４を介して圧電素子３５に送信される。圧電素子３５は、駆動信号に基づいて伸縮する。

第２ケース３２には、液体が流入する入口流路４０が接続される。入口流路４０は、Ｕ字状に曲げられ、ハンドピース２０の後端部２２に向かって延びる。入口流路４０には、液体供給流路５２が接続されている。液体供給機構５０から供給された液体は、液体供給流路５２を介して液体室３９に供給される。

圧電素子３５が所定の周波数で伸縮すると、ダイアフラム３７が振動する。ダイアフラム３７が振動すると、液体室３９の容積が変動し、液体室内の液体の圧力が脈動する。液体室３９を通過した液体は、出口流路４１から流出する。

出口流路４１は、第２ケース３２に接続される。出口流路４１には、接続チューブ５４を介して噴射管５５が接続されている。出口流路４１に流出した液体は、接続チューブ５４、噴射管５５を通って噴射口５８から噴射する。

一方、吸引力調整機構６５は、吸引流路６２が吸引口６４から液体等を吸引する力を調整するためのものである。吸引力調整機構６５は、操作部６６と孔６７とを備える。孔６７は、吸引流路６２と操作部６６とを繋ぐ貫通孔である。使用者がハンドピース２０を把持した手の指で孔６７を開閉すると、その開閉度合いによって、孔６７を介して吸引流路６２内に流入する空気の量が調整され、ひいては吸引口６４の吸引力が調整される。吸引力の調整は、吸引装置６０による制御によっても実現できる。

孔６７が鉛直方向の上向きに向けられた場合、重力によって、孔６７から外部に吸引物が排出されにくくなるので好ましい。この現象は、孔６７が鉛直方向の上向きとなる姿勢でハンドピース２０を把持するように、使用者を誘導する。以下、孔６７の軸線方向を「上下方向」と規定し、孔６７と吸引流路６２との接続箇所から、孔６７の開口部への向きを「上下方向の上向き」と規定する。以下、単に「上向き」という場合、上下方向の上向きのことを指す。

液体噴射装置１０は、孔６７が上向きの場合に、吸引力調整機構６５の機能や操作性が好ましくなるように各構成の位置が決定されている。但し、吸引力調整機構６５は、使用時におけるハンドピース２０の把持の仕方を、使用者に強制する訳ではない。

図３は、起動処理を示すフローチャートである。起動処理は、制御部７０に設けられた入力インターフェイスを介して液体噴射装置１０の起動が指示されたことを契機に、制御部７０によって実行される。

初めに、流量６ｍｌ／ｍｉｎで９０秒間、液体供給機構５０を制御して、液体供給を実施する（ステップＳ１００）。ステップＳ１００を開始してから所定時間が経過すると、噴射口５８から液体が噴射され始める。ステップＳ１００は、液体が流れる流路全体、特に液体室３９に液体を充填することを目的として実行される。

続いて、流量２０ｍｌ／ｍｉｎで３０秒間、液体供給機構５０による液体供給を実施しつつ、圧電素子３５に８０Ｖを所定周波数（例えば５００Ｈｚ）で印加し（ステップＳ２００）、その後、液体供給機構５０と圧電素子３５とを停止する（ステップＳ３００）。ステップＳ２００は、流路全体、特に液体室３９からの脱泡を目的として実行される。脱泡とは、液体に混入している気泡を排出することである。液体室３９における気泡の滞留は、液体供給機構５０による液体の充填によっても生じ得る。

２０ｍｌ／ｍｉｎという流量は、液体を安全に供給できる範囲内において、できるだけ高い値として設定されており、使用モードにおける値（例えば６ｍｌ／ｍｉｎ）よりも高い。使用モードとは、起動処理後に、患部の切除等のために液体を噴射するモードのことである。これに対し、ステップＳ２００の運転モードは、本実施形態においては脱泡モードと呼ぶ。

圧電素子３５への印加する駆動電圧の値および周波数は、脱泡モードの条件として、安全な動作が可能な範囲内において、できるだけ高い値として設定されたものであり、使用モードにおける値よりも大きい。液体の流量、並びに圧電素子３５の駆動電圧および駆動周波数は、何れも値が高くなると、液体室３９の脱泡を促進する。

脱泡が促進されるメカニズムは、例えば以下のように推測される。流量が増加すると、流速が速くなり、レイノルズ数が大きくなる。レイノルズ数が大きくなると、乱流が発生しやすくなる。乱流は、層流に比べて、流路の隅などに滞留する気泡を排出する効果が大きい。よって、流量が増加すると、脱泡が促進されると考えられる。

一方、流量の増加や圧電素子３５の駆動電圧の増大は、液体室３９内の圧力を大きくする。液体室３９内の圧力が大きくなると、気泡が液体に溶解しやすくなる。溶解した気泡は、液体と共に液体室３９から排出されやすくなる。ステップＳ２００の条件において、液体室３９内の圧力は、例えば、０．５ＭＰａに達する。

さらに、圧電素子３５の駆動電圧が増大すると、液体室３９内の流れの条件の変動が大きくなる。気泡は、所定の流れの条件において発生する渦や澱みによって、液体室３９に滞留することがある。一方で、流れの条件が大きく変動すると、渦や澱みが消失する可能性が高まる。よって、圧電素子３５の駆動電圧を増大させると、液体室３９からの脱泡が促進される。

圧電素子３５の駆動周波数の増大は、単位時間当たりに上記効果が発揮される回数が多くなるので、液体室３９からの脱泡を促進する。

上記の脱泡に関するメカニズムは、何れも推測を述べたものであり、本実施形態は、このメカニズムよって脱泡が促進されることに限定されない。

制御部７０は、起動処理を実行した後、フットスイッチ７５がオンにされると、使用モードの条件によって液体を間欠的に噴射する。制御部７０は、起動処理を実行した後、入力インターフェイスを介して脱泡の指示を受けると、脱泡モードの運転として、起動処理におけるステップＳ２００とステップＳ３００とを実行する。この実行によって、使用モードによって、液体室３９等に滞留した気泡の除去が実現される。

脱泡モードは、噴射口５８を液中に入れた状態で実行されると好ましい。噴射口５８から気泡が排出されているかが視認できるからである。

実施形態における圧電素子３５及びダイアフラム３７は、特許請求の範囲における容積変動部に相当する。

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、あるいは、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。

脱泡モードの条件を変更してもよい。流量は、例えば６〜３０ｍｌ／ｍｉｎ等でもよい。駆動電圧は、５０〜１００Ｖでもよい。時間は、２０〜４０秒でもよい。駆動周波数は、３００〜１０００Ｈｚでもよい。何れのパラメーターについても、上記以外の値でもよい。

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。
液体噴射装置は、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。

１０…液体噴射装置
２０…ハンドピース
２２…後端部
２４…先端部
３０…脈動発生部
３１…第１ケース
３２…第２ケース
３３…第３ケース
３４…ボルト
３５…圧電素子
３６…補強板
３７…ダイアフラム
３８…パッキン
３９…液体室
４０…入口流路
４１…出口流路
５０…液体供給機構
５１…接続チューブ
５２…液体供給流路
５４…接続チューブ
５５…噴射管
５８…噴射口
６０…吸引装置
６２…吸引流路
６４…吸引口
６５…吸引力調整機構
６６…操作部
６７…孔
７０…制御部
７１…制御ケーブル
７２…信号ケーブル
７４…電極線
７５…フットスイッチ
８０…液体容器

Claims (4)

1. 容積が変動可能な液体室と、
   前記液体室内の容積を変動させる容積変動部と、
   前記液体室に液体を供給する液体供給部と、
   前記容積変動部および前記液体供給部の駆動を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記液体供給部を駆動させ、前記液体室に向けて液体を供給する第１モードと、
   前記液体供給部及び前記容積変動部を駆動させる第２モードと、を実行可能であり、
   前記液体室に初めて液体を充填する起動処理において、前記第１モードを実行した後に前記第２モードを実行し、
   前記第２モードにおける前記液体供給部の供給流量が、前記第１モードにおける前記液体供給部の供給流量よりも多い、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モードを実行する時間が、前記第１モードを実行する時間よりも短い、液体噴射装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液体噴射装置において、
   前記制御部は、前記第２モードの実行を受け付ける入力インターフェイスを備え、前記起動処理を実行した後に前記第２モードの実行を受け付けた場合には、前記第１モードを実行せず前記第２モードを実行する、液体噴射装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の液体噴射装置において、
   前記容積変動部は、圧電素子を備え、
   前記第２モードにおける前記圧電素子の駆動電圧及び駆動周波数、並びに前記液体供給部の供給流量のうち少なくとも１つが変更可能である、液体噴射装置。

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