(57)【要約】【課題】圧力発生部を不用とし、流体を効率よく噴射するのに好適な流体噴射装置、流体噴射装置の駆動装置、流体噴射装置の駆動方法及び手術用器具を提供する。【解決手段】流体噴射装置１を、容積が変更可能な流体室５０１と、駆動信号の供給に応じて流体室５０１の容積を変更する容積変更部４０５とを含む脈動発生部１００と、流体室５０１からの流体の脈動を流体噴射開口部２１２に伝達する接続流路管２００とを有する流体噴射部２と、容積変更部４０５の有する圧電素子４０１に、流体噴射開口部２１２に形成される液面のメニスカスの固有振動と、流体室５０１の容積変化とが共振するように圧電素子４０１を駆動する駆動信号を供給する駆動部３とを含む構成とした。更に、流体室５０１と連通する入口流路５０３のイナータンスＬ１を、流体室５０１と連通する出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きくなるように各流路を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、
駆動信号の供給に応じて前記流体室の容積を変更する容積変更部と、
前記出口流路の前記流体室に連通された端部とは異なる端部に設けられた前記出口流路の直径よりも小さい直径の流路を有する流体噴射開口部と、
前記流体噴射開口部の流路内に形成される液面のメニスカスの固有振動と前記容積変更部の駆動による前記流体室の容積変化とが共振するように、前記容積変更部を駆動させる駆動信号を前記容積変更部に供給する駆動信号供給部と、を備え、
前記入口流路のイナータンスが、前記出口流路のイナータンスよりも大きくなるように前記入口流路及び前記出口流路が構成されていることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記駆動信号供給部は、前記液面のメニスカスの固有振動に共振させて、前記流体室の容積を拡大させるように前記容積変更部を駆動する第１の波形部と、前記容積を拡大後に前記流体室の容積を縮小させるように前記容積変更部を駆動する第２の波形部と、前記容積を縮小後に前記流体室の容積を拡大させるように前記容積変更部を駆動する第３の波形部とを１周期の信号波形に含む駆動信号を前記容積変更部に供給することを特徴とする請求項１に記載の流体噴射装置。
【請求項３】
前記第１の波形部を、前記流体噴射開口部の液面のメニスカスを前記出口流路内に向けて引き込む形状部と、該引き込み後に前記メニスカスの挙動を静止させる形状部とを含む構成とし、前記第２の波形部を、前記メニスカスの挙動が静止後において、前記流体噴射開口部から脈動流を噴射する形状部を含む構成とし、前記第３の波形部を、前記流体噴射開口部から前記脈動流を噴射後に、前記流体噴射開口部に形成される液面のメニスカスを前記出口流路内に向けて引き込む形状部を含む構成としたことを特徴とする請求項２に記載の流体噴射装置。
【請求項４】
前記容積変更部は、前記流体室の一端を封止するダイアフラムと、前記ダイアフラムに一端が固定され前記駆動信号の供給に応じて前記封止面に垂直な方向に伸長及び収縮する圧電振動子とを含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の流体噴射装置。
【請求項５】
前記出口流路に一方の端部が連通され、前記流体室から流動される流体の脈動を他方の端部に伝達する接続流路の穿設された接続流路管を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の流体噴射装置。
【請求項６】
容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、駆動信号の供給に応じて前記流体室の容積を変更する容積変更部と、前記出口流路の前記流体室に連通された端部とは異なる端部に設けられた前記出口流路の直径よりも小さい直径の流路を有する流体噴射開口部とを備え、前記入口流路のイナータンスが、前記出口流路のイナータンスよりも大きくなるように前記入口流路及び前記出口流路が構成された流体噴射装置の駆動装置であって、
前記流体噴射開口部の液面のメニスカスの固有振動と前記容積変更部の駆動による前記流体室の容積変化とが共振するように、前記容積変更部を駆動させる駆動信号を前記容積変更部に供給する駆動信号供給部を備えることを特徴とする流体噴射装置の駆動装置。
【請求項７】
容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、駆動信号の供給に応じて前記流体室の容積を変更する容積変更部と、前記出口流路の前記流体室に連通された端部とは異なる端部に設けられた前記出口流路の直径よりも小さい直径の流路を有する流体噴射開口部と、駆動信号供給部とを備え、前記入口流路のイナータンスが、前記出口流路のイナータンスよりも大きくなるように前記入口流路及び前記出口流路が構成された流体噴射装置の駆動方法であって、
前記駆動信号供給部に、前記流体噴射開口部の液面のメニスカスの固有振動と前記容積変更部の駆動による前記流体室の容積変化とが共振するように、前記容積変更部を駆動させる駆動信号を前記容積変更部に供給させる駆動信号供給ステップを含むことを特徴とする流体噴射装置の駆動方法。
【請求項８】
流体の噴射によって患部の治療的措置を支援する手術用器具であって、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の流体噴射装置を備えることを特徴とする手術用器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を高速に噴射する流体噴射装置に係り、特に、生体組織を切開または切除するのに好適な流体噴射装置、流体噴射装置の駆動装置、流体噴射装置の駆動方法及び手術用器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体組織を切開または切除する流体噴射装置として、容積が変更可能な流体室と、流体室に連通する入口流路及び出口流路と、駆動信号の供給に応じて流体室の容積を変更する容積変更部とを備える脈動発生部と、出口流路に一方の端部が連通され、他方の端部が出口流路の直径よりも縮小された流体噴射開口部（ノズル）が設けられた接続流路と、接続流路が穿設され流体室から流動される流体の脈動を流体噴射開口部に伝達し得る剛性を有する接続流路管と、入口流路に流体を供給する圧力発生部とを備え、圧力発生部により一定圧力で入口流路に流体を供給すると共に、容積変更部によって流体室の容積を変更して脈動を発生して流体の吐出動作を行うものが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００８−８２２０２号公報  本発明者らが出願した特許文献１によれば、流体噴射装置の流体室は、その容積を変更しない場合、圧力発生部（例えば、ポンプ）からの供給圧力と流路抵抗の釣り合った状態で流体が流れている。流体室を急激に縮小すると、流体室の圧力が上昇する。そのとき、入口流路から流体が流体室へ流入する流量の減少量よりも、出口流路から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路に脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管内を伝播して、先端のノズルの流体噴射開口部から流体が噴射される。流体室内は、入口流路からの流体流入量の減少と出口流路からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態（０気圧又はその近傍）となる。その結果、ポンプの圧力と、流体室内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路の流体は圧電素子の動作前と同様な速度で流体室内に向かう流れが復帰する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１の従来技術によれば、流体室内に向かう流れが定常状態に復帰した後において、容積変更部（圧電素子）に駆動信号を供給しなくても、圧力発生部の圧力によって無駄な流体の流出が継続していた。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、圧力発生部を不用とし、流体を効率よく噴射するのに好適な流体噴射装置、流体噴射装置の駆動装置、流体噴射装置の駆動方法及び手術用器具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
〔形態１〕  上記目的を達成するために、形態１の流体噴射装置は、容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、
駆動信号の供給に応じて前記流体室の容積を変更する容積変更部と、
前記出口流路の前記流体室に連通された端部とは異なる端部に設けられた前記出口流路の直径よりも小さい直径の流路を有する流体噴射開口部と、
前記流体噴射開口部の流路内に形成される液面のメニスカスの固有振動と前記容積変更部の駆動による前記流体室の容積変化とが共振するように、前記容積変更部を駆動させる駆動信号を前記容積変更部に供給する駆動信号供給部と、を備え、
前記入口流路のイナータンスが、前記出口流路のイナータンスよりも大きくなるように前記入口流路及び前記出口流路が構成されている。
【０００５】
このような構成であれば、駆動信号供給部によって、容積変更部に駆動信号が供給されると、駆動信号の信号波形に応じて、容積変更部が、流体噴射開口部の流路内に形成される液面のメニスカスの固有振動に共振して流体室の容積を縮小及び拡大するように動作する。メニスカスの固有振動に共振した流体室の容積の縮小及び拡大動作によって、流体容器などから入口流路を介して流体室に流入した流体が容積縮小による圧力を受けて出口流路を介して流体噴射開口部から脈動流として噴射される。
【０００６】
具体的に、前記入口流路及び前記出口流路が、入口流路のイナータンスが出口流路のイナータンスよりも大きくなるように構成されているため、容積変更部を駆動して流体室の容積を圧縮させたときに、入口流路から流体室への流体の流入量よりも大きい脈動流が出口流路に発生し、出口流路内にパルス状の流体吐出を行うことができる。この脈動流は流体噴射開口部に到達し、出口流路よりも直径の小さい流路を通ることで開口部から勢いよく噴射される。
【０００７】
つまり、メニスカスの固有振動に共振して流体室の容積が縮小及び拡大することによって、噴射のための流体への力の伝達を効率よく行う（固有振動の方向と同じ方向に力を加える）ことができる。例えば、脈動流の噴射時において、メニスカスの振動方向とは逆方向の力が加わるといったようなことを防ぐことができる。
これによって、流体容器の流体を入口流路を介して流体室に所定圧力で供給するような圧力発生部（例えば、ポンプなど）を設けることなく、流体容器から流体室に流体を流入することができると共に、流体室に流入された流体を効率よく脈動流として噴射することができるという効果が得られる。
【０００８】
ここで、上記容積変化とは、容積変更部の駆動によって、例えば、流体室から排除される容積の変化を含む。
また、上記連通とは、直接、間接を問わず、一方と他方とが流体の流通が可能に接続されていることである。例えば、出口流路の一端部と、流体噴射開口部とが直接、又は流路管などを介して互いを流体が流通できるように接続されている状態が該当する。
【０００９】
〔形態２〕  更に、形態２の流体噴射装置は、形態１の流体噴射装置において、前記駆動信号供給部は、前記液面のメニスカスの固有振動に共振させて、前記流体室の容積を拡大させるように前記容積変更部を駆動する第１の波形部と、前記容積を拡大後に前記流体室の容積を縮小させるように前記容積変更部を駆動する第２の波形部と、前記容積を縮小後に前記流体室の容積を拡大させるように前記容積変更部を駆動する第３の波形部とを１周期の信号波形に含む駆動信号を前記容積変更部に供給する。
【００１０】
このような構成であれば、駆動信号供給部によって、容積変更部に駆動信号の供給が開始されると、容積変更部は、まず、第１の波形部の供給に応じて、メニスカスの固有振動に合わせて流体室の容積を拡大するように駆動する。これによって、メニスカスは流体噴射開口部の流路から出口流路側に向けて引き込まれる。引き続き、容積変更部は、第２の波形部の供給に応じて、メニスカスの固有振動に合わせて流体室の容積を縮小するように駆動する。これによって、メニスカスは、流体噴射開口部から外に向かって勢いよく押し出され、流体噴射開口部から脈動流が噴射する。更に続いて、容積変更部は、第３の波形部の供給に応じて、メニスカスの固有振動に合わせて再び流体室の容積を拡大するように駆動する。これによって、脈動流を噴射後に流体噴射開口部の流路内に形成されたメニスカスが出口流路内に向けて引き込まれる。
【００１１】
従って、メニスカスの出口流路内に向かう方向の固有振動に合わせて、流体室の容積を拡大し、メニスカスの噴射方向への固有振動に合わせて、流体室の容積を縮小させるようにしたので、メニスカスの固有振動を脈動流の噴射力を高める方向に作用させることができる。更に、脈動流を噴射後に、メニスカスを出口流路内に向けて引き込むようにしたので、脈動流の噴射によって大きく位置変動するメニスカスを速やかに固有振動状態に復帰させることができる。
以上より、より強力な噴射力で脈動流を噴射することができると共に、次の駆動信号を速やかに供給することができるという効果が得られる。
【００１２】
〔形態３〕  更に、形態３の流体噴射装置は、形態２の流体噴射装置において、前記第１の波形部を、前記流体噴射開口部の液面のメニスカスを前記出口流路内に向けて引き込む形状部と、該引き込み後に前記メニスカスの挙動を静止させる形状部とを含む構成とし、前記第２の波形部を、前記メニスカスの挙動が静止後において、前記流体噴射開口部から脈動流を噴射する形状部を含む構成とし、前記第３の波形部を、前記流体噴射開口部から前記脈動流を噴射後に、前記流体噴射開口部に形成される液面のメニスカスを前記出口流路内に向けて引き込む形状部を含む構成とした。
【００１３】
このような構成であれば、駆動信号供給部によって、容積変更部に駆動信号の供給が開始されると、容積変更部は、まず、第１の波形部の供給に応じて、メニスカスの固有振動を誘引するために流体室の容積を拡大するように駆動し、更に、拡大後にその状態を保つように駆動を停止する。これによって、メニスカスは流体噴射開口部の流路から出口流路内に向けて引き込まれ、やがてその状態で静止する。引き続き、容積変更部は、第２の波形部の供給に応じて、メニスカスの固有振動に合わせて流体室の容積を縮小するように駆動する。これによって、引き込まれた状態で静止していたメニスカスは、流体噴射開口部から外に向かって勢いよく押し出され、流体噴射開口部から脈動流が噴射する。更に続いて、容積変更部は、第３の波形部の供給に応じて、メニスカスの固有振動に合わせて再び流体室の容積を拡大するように駆動する。これによって、脈動流を噴射後に流体噴射開口部の流路内に形成されたメニスカスが出口流路内に向けて引き込まれる。
【００１４】
従って、メニスカスを引き込む力を加えた後に引き込みが停止するまで待ち、停止後にメニスカスを押し出すようにしたので、より確実に、メニスカスの固有振動に合わせて脈動流を噴射させることができる。これにより、メニスカスの固有振動を脈動流の噴射力をより高める方向に作用させることができる。更に、脈動流を噴射後に、メニスカスを出口流路内に向けて引き込むようにしたので、脈動流の噴射によって大きく位置変動するメニスカスを速やかに第１の波形部を供給する前のメニスカスの状態に復帰させることができる。
以上より、より強力な噴射力で脈動流を噴射することができると共に、次の駆動信号を速やかに供給することができるという効果が得られる。
【００１５】
〔形態４〕  更に、形態４の流体噴射装置は、形態１乃至３のいずれか１の流体噴射装置において、前記容積変更部は、前記流体室の一端を封止するダイアフラムと、前記ダイアフラムに一端が固定され前記駆動信号の供給に応じて前記封止面に垂直な方向に伸長及び収縮する圧電振動子とを含んで構成される。
【００１６】
このような構成であれば、容積変更部として圧電振動子を採用するようにしたので、駆動信号によって、簡易に流体室の容積変更を制御することができるという効果が得られると共に、構造の簡素化とそれに伴う小型化を実現できるという効果が得られる。また、流体室の容積変化の最大周波数を例えば１ｋＨｚ以上の高い周波数にすることができるので、高速且つ短い繰り返し周期での脈動流の噴射を行わせることができるという効果も得られる。
【００１７】
〔形態５〕  更に、形態５の流体噴射装置は、形態１乃至４のいずれか１の流体噴射装置において、前記出口流路に一方の端部が連通され、前記流体室から流動される流体の脈動を他方の端部に伝達する接続流路の穿設された接続流路管を備える。
このような構成であれば、例えば、本形態の流体噴射装置を手術用器具として適用した場合に、流体の噴射による切除能力を、脳手術等の術部が奥まった場所にある様々な手術において適用可能となる。
【００１８】
〔形態６〕  一方、上記目的を達成するために、形態６の流体噴射装置は、容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、駆動信号の供給に応じて前記流体室の容積を変更する容積変更部と、前記出口流路の前記流体室に連通された端部とは異なる端部に設けられた前記出口流路の直径よりも小さい直径の流路を有する流体噴射開口部とを備え、前記入口流路のイナータンスが、前記出口流路のイナータンスよりも大きくなるように前記入口流路及び前記出口流路が構成された流体噴射装置の駆動装置であって、
前記流体噴射開口部の液面のメニスカスの固有振動と前記容積変更部の駆動による前記流体室の容積変化とが共振するように、前記容積変更部を駆動させる駆動信号を前記容積変更部に供給する駆動信号供給部を備える。
このような構成であれば、上記形態１の流体噴射装置と同等の作用及び効果が得られる。
【００１９】
〔形態７〕  また、上記目的を達成するために、形態７の流体噴射装置の駆動方法は、容積が変更可能な流体室と、前記流体室に連通する入口流路及び出口流路と、駆動信号の供給に応じて前記流体室の容積を変更する容積変更部と、前記出口流路の前記流体室に連通された端部とは異なる端部に設けられた前記出口流路の直径よりも小さい直径の流路を有する流体噴射開口部と、駆動信号供給部とを備え、前記入口流路のイナータンスが、前記出口流路のイナータンスよりも大きくなるように前記入口流路及び前記出口流路が構成された流体噴射装置の駆動方法であって、
前記駆動信号供給部に、前記流体噴射開口部の液面のメニスカスの固有振動と前記容積変更部の駆動による前記流体室の容積変化とが共振するように、前記容積変更部を駆動させる駆動信号を前記容積変更部に供給させる駆動信号供給ステップを含む。
これにより、上記形態１の流体噴射装置と同等の作用及び効果が得られる。
【００２０】
〔形態８〕  また、上記目的を達成するために、形態８の手術用器具は、流体の噴射によって患部の治療的措置を支援する手術用器具であって、
形態１乃至５のいずれか１に記載の流体噴射装置を備える。
このような構成であれば、上記形態１乃至５のいずれか１の流体噴射装置による流体の噴射によって、腫瘍などの患部の切除などの治癒的措置の支援を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１〜図９は、本発明に係る流体噴射装置、流体噴射装置の駆動装置、流体噴射装置の駆動方法及び手術用器具の実施の形態を示す図である。
なお、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、物体の切断や切除、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手術用器具としての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、生理食塩水、薬液等である。
【００２２】
まず、本発明に係る流体噴射装置の構成を図１に基づき説明する。図１は、本発明に係る流体噴射装置１の概略構成を示す説明図である。
流体噴射装置１は、図１に示すように、基本構成として、流体噴射部２と、駆動部３とを含んで構成される。
流体噴射部２は、流体を収容する流体容器１０と、流体容器１０に収容された流体を輸送する接続チューブ２５と、接続チューブ２５を介して輸送された流体を脈動流動する脈動発生部１００と、該脈動発生部１００に接続された接続流路管２００と、該接続流路管２００の先端部に挿着されたノズル２１１とを含んで構成される。
接続流路管２００は、細いパイプ状に構成されており、ノズル２１１は、接続流路管２００に対して小さい直径の流路を備えている。
【００２３】
次に、図１及び図２に基づき、流体噴射部２における流体の流動を簡単に説明する。
ここで、図２は、本発明に係る脈動発生部１００の構造を示す断面図である。なお、図２において、左右方向が上下方向に対応する。また、図２は、後述する図３におけるＡ−Ａ'断面図である。
【００２４】
流体容器１０に収容された流体は、接続チューブ２５を介して脈動発生部１００に流入する。脈動発生部１００には流体室５０１と、この流体室５０１の容積を駆動部３からの駆動信号に応じて変更する容積変更部４０５とを備えており、この容積変更部４０５を駆動して脈動を発生し、接続流路管２００、ノズル２１１を通して流体を高速で噴射する。脈動発生部１００の詳しい説明については後述する。
【００２５】
なお、この流体噴射装置１を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１００である。従って、脈動発生部１００までの接続チューブ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で、流体を脈動発生部１００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、機器の故障が重大な事故を引き起こす恐れがある場合には、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。
【００２６】
次に、図２〜図４に基づき、脈動発生部１００の構造について説明する。
ここで、図３は、流体噴射部２の分解図であり、図４は、入口流路５０３の形態を示す平面図であり、上ケース５００を下ケース３０１との接合面側から視認した状態を表している。
脈動発生部１００は、図２〜図４に示すように、４隅に螺子穴５００ａの穿設された上ケース５００と、上端側の４隅に螺子穴３０１ａが穿設された下ケース３０１とを備えている。そして、これら上ケース５００の下端側と下ケース３０１の上端側とがそれぞれ対向する面において、螺子穴５００ａ及び３０１ａが対向するように接合され、４本の固定螺子６００（図示は省略）を螺子穴５００ａ及び３０１ａに螺合することによって上ケース５００と下ケース３０１とが螺着されている。
【００２７】
下ケース３０１は、鍔部を有する中空筒状の部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉されている。この下ケース３０１の内部空間に、容積変更部４０５を構成する部材の１つである圧電素子４０１が配設されている。
この圧電素子４０１は、縦振動モードを有する積層型圧電素子であってアクチュエータを構成している。圧電素子４０１の一方の端部は上板４１１を介してダイアフラム４００に、他方の端部は底板３１１の上面３１２に固着されている。
【００２８】
また、ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の上面側に形成された円環状の凹部３０３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。ダイアフラム４００の上面には、中心部に円形の開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０が積層配設される。
この構成により、駆動部３によって、圧電素子４０１に駆動信号を供給することで、圧電素子４０１が伸張、収縮し、その伸長時の上方向の力及び収縮時の下方向の力が上板４１１を上下方向に移動させる。そして、上板４１１が移動することでダイアフラム４００が変形し、流体室５０１の容積を縮小又は拡大変更する。
【００２９】
つまり、圧電素子４０１、上板４１１、ダイアフラム４００及び補強板４１０から容積変更部４０５が構成されている。
上ケース５００は、下ケース３０１と対向する面の中心部に円形の凹部が形成され、この凹部とダイアフラム４００とから構成され、内部に流体が充填された状態の回転体形状が流体室５０１である。つまり、流体室５０１は、上ケース５００の凹部の封止面５０５と内周側壁５０１ａとダイアフラム４００によって囲まれた空間となる。流体室５０１の略中央部には出口流路５１１が穿設されている。
【００３０】
出口流路５１１は、流体室５０１から上ケース５００の一方の端面から突設された出口流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１の流体室５０１の封止面５０５との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
なお、以上説明した流体室５０１の形状は、本実施の形態では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよく限定されない。例えば、出口流路５１１と封止面５０５との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室５０１内の気泡を排出しやすくなる。
【００３１】
出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続流路２０１が穿設されており、接続流路２０１の直径は出口流路５１１の直径より大きい。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
接続流路管２００の先端部には、ノズル２１１が挿着されている。このノズル２１１には流体噴射開口部２１２が穿設されている。流体噴射開口部２１２の直径は、接続流路２０１の直径より小さい。
【００３２】
上ケース５００の側面には、接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されており、入口流路管５０２に入口流路側の接続流路５０４が穿たれている。この接続流路５０４は入口流路５０３に連通されている。入口流路５０３は、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している。
上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向の離間した位置には、下ケース３０１側にパッキンボックス３０４、上ケース５００側にパッキンボックス５０６が形成されており、パッキンボックス３０４，５０６にて形成される空間にリング状のパッキン４５０が装着されている。
【００３３】
ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５００と下ケース３０１によって押圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止している。
【００３４】
流体室５０１内は、流体吐出の際に例えば３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４００、補強板４１０、上ケース５００、下ケース３０１それぞれの接合部において流体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン４５０によって漏洩を阻止している。
図２に示すようにパッキン４５０を配設すると、流体室５０１から高圧で漏洩してくる流体の圧力によってパッキン４５０が圧縮され、パッキンボックス３０４，５０６内の壁にさらに強く押圧されるので、流体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室５０１内の高い圧力上昇を維持することができる。
【００３５】
続いて、上ケース５００に形成される入口流路５０３についてさらに詳しく説明する。
入口流路５０３は、図４に示すように、上ケース５００の封止面５０５の周縁部溝状に形成されている。
入口流路５０３は、一方の端部が流体室５０１に連通し、他方の端部が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部には、流体溜り５０７が形成されている。そして、流体溜り５０７と入口流路５０３との接続部は滑らかに丸めることによって流体抵抗を減じている。
【００３６】
また、入口流路５０３は、流体室５０１の内周側壁５０１ａに対して略接線方向に向かって連通している。流体容器１０から接続チューブ２５を介して流入する流体は、内周側壁５０１ａに沿って（図中、矢印で示す方向に）流動して流体室５０１に旋回流を発生する。旋回流は、旋回することによる遠心力で内周側壁５０１ａ側に押し付けられるとともに、流体室５０１内に含まれる気泡は旋回流の中心部に集中する。
【００３７】
そして、中心部に集められた気泡は、出口流路５１１から排除される。このことから、出口流路５１１は旋回流の中心近傍、つまり回転形状体の軸中心部に設けられることがより好ましい。図４の例では、入口流路５０３は平面形状が渦巻状に湾曲されている。入口流路５０３は、直線で流体室５０１に連通させてもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るために、入口流路５０３の流路長を長くする必要性から湾曲させている。
【００３８】
なお、図２に示したように、ダイアフラム４００と入口流路５０３が形成されている封止面５０５の周縁部との間には、補強板４１０が配設されている。補強板４１０を設ける意味は、ダイアフラム４００の耐久性を向上することである。
また、以上説明した流体噴射部２においては、出口流路５１１とノズル２１１とを接続流路管２００を介して接続する構成としているが、この構成に限らず、接続流路管２００を用いずに、出口流路５１１の流体室５０１とは反対側の端部にノズル２１１を挿着することも可能である。この場合は、より簡素な構成が可能になる。
【００３９】
また、手術に用いる場合には、接続流路管２００を用いてハンドピースと流体噴射口の距離がある構成にしたほうが好適である。
次に、本実施形態の脈動発生部１００の流体吐出は、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３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、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。従って、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスに置き換えてもよい。
【００４３】
そして、本実施形態では、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５０３の流路長及び断面積、出口流路５１１の流路長及び断面積を設定している。
【００４４】
次に、図５〜図６に基づき、駆動部３の詳細な構成を説明する。
ここで、図５は、駆動部３の詳細な構成を示すブロック図である。また、図６は、駆動信号供給部３ｂにおける駆動信号供給処理を示すフローチャートである。
駆動部３は、図５に示すように、動作制御部３ａと、駆動信号供給部３ｂと、波形データ記憶部３ｃと、同期信号発生部３ｄとを含んで構成されている。
動作制御部３ａは、流体噴射装置１の備える入力装置（不図示）を介した操作入力に応じて、各構成部に動作指令を与える役割を担うもので、駆動信号の供給処理などの各種動作処理を制御する機能を有している。
【００４５】
駆動信号供給部３ｂは、動作制御部３ａからの駆動信号の供給指令に応じて、波形データ記憶部３ｃに記憶された波形データを読み出し、同期信号発生部３ｄからの同期信号に同期させて、読み出した波形データをＤＡ変換してなるアナログ信号波形の駆動信号を圧電素子４０１に供給する機能を有している。
具体的に、供給指令に応じて、予め用意された波形情報（デジタルの波形データ）を波形データ記憶部３ｃから読み出し、該読み出した波形情報をＤＡ変換してアナログの駆動信号を生成し、該生成した駆動信号を同期信号に同期させて圧電素子４０１に出力する。
【００４６】
また、駆動信号供給部３ｂは、駆動信号の供給途中で動作制御部３ａから停止指令が入力されたときに、供給途中の１周期の波形を最後まで圧電素子４０１に供給してから駆動信号の供給を停止するようになっている。
波形データ記憶部３ｃは、駆動信号を生成するための波形データやそれ以外の各構成部の処理に用いるデータを記憶する記憶媒体を含んで構成され、各構成部からの読み出し要求に応じて記憶媒体に記憶されたデータを読み出し、各構成部からの書き込み要求に応じて記憶媒体にデータを書き込む機能を有している。
【００４７】
ここで、流体噴射部２の流体室５０１内や各流路内を満たす流体によって、流体噴射開口部２１２に形成される液面のメニスカスは、接続流路管２００内の流体の流れに起因する比較的周波数の低い振動と、流体噴射開口部２１２、流体の流入路、流体の流出路、流体室５０１の形状、ダイアフラム４００の変形などにより決まるコンプライアンスやイナータンスに支配される比較的周波数の高い振動とが重畳された振動形態で固有振動する。
【００４８】
本実施の形態の波形データは、流体噴射部２の流体噴射開口部２１２に形成される液面のメニスカスの固有振動と共振させて、流体室５０１の容積を拡大及び縮小するように容積変更部４０５を動作させる波形部を有した信号波形のデジタルデータ（サンプリングデータ）となる。
具体的に、駆動信号の信号波形は、まず、メニスカスの固有振動に共振させて、流体室５０１の容積を拡大させるように容積変更部４０５を駆動する第１の波形部と、次いで、メニスカスの固有振動に共振させて、容積を拡大後に流体室５０１の容積を縮小させるように容積変更部４０５を駆動する第２の波形部と、次いで、容積を縮小後に流体室５０１の容積を拡大させるように容積変更部４０５を駆動する第３の波形部とを含んで構成される。
【００４９】
つまり、上記第１〜第３の波形部を有する駆動信号を圧電素子４０１に供給することで、流体噴射開口部２１２に形成される液面のメニスカスを、該メニスカスの固有振動の振動方向に合わせて、まず、第１の波形部に応じた容積拡大動作（圧電素子４０１を伸長させる動作）によって流体噴射開口部２１２に対して接続流路２０１側の方向に引き込む。次に、メニスカスの固有振動の振動方向に合わせて、第２の波形部に応じた容積縮小動作（圧電素子４０１を収縮させる動作）によって、引き込んだメニスカスを流体噴射開口部２１２から外に向かって押し出す。つまり、流体噴射開口部２１２から流体を噴射させる。更に、流体を噴射後に流体噴射開口部２１２に形成されるメニスカスを、第３の波形部の容積拡大動作によって接続流路２０１側の方向に引き込む。このときの容積拡大動作は、第１の波形部のときよりも小さくしてもよい。
【００５０】
また、このような駆動信号の生成方法としては、まず、１周期の信号波形が上記第１〜第３の波形部を有する駆動信号を生成し、次に、この駆動信号を周波数や各波形部の時間幅などを変更しながら圧電素子４０１に供給する。そして、噴射圧力が最大となる周波数及び時間幅の信号を駆動信号とする方法などがある。
同期信号発生部３ｄは、セラミック振動子、水晶振動子などの発振子、カウンタ（又はＰＬＬ回路）などを含み、発振子から出力される信号を基準クロック信号clkとして、該clkから同期信号を生成する機能を有している。そして、基準クロック信号及び同期信号を駆動信号供給部３ｂに供給する。
【００５１】
なお、駆動部３は、上記各構成部の機能をソフトウェアを用いて実現するため、および上記各機能の実現に必要なハードウェアを制御するソフトウェアを実行するためのコンピュータシステムを備えている。このコンピュータシステムのハードウェア構成は、図示しないが、プロセッサ（Ｐｒｏｃｅｓｓｅｒ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）とを有し、これらの間を各種内外バスで接続した構成となっている。
【００５２】
更に、バスには、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、パラレルポート等の入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）を介して、例えば、ＣＲＴまたはＬＣＤモニター等の表示装置、操作パネル等の入力装置が接続されている。
そして、電源を投入すると、ＲＯＭ等に記憶されたシステムプログラムが、ＲＯＭに予め記憶された上記各部の機能を実現するための各種専用のコンピュータプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムに記述された命令に従ってプロセッサが各種リソースを駆使して所定の制御および演算処理を行うことで前述したような各機能をソフトウェア上で実現するようになっている。
【００５３】
次に、図６に基づき、駆動信号供給部３ｂにおける駆動信号供給処理の流れを説明する。
プロセッサにより専用のプログラムが実行され、駆動信号供給処理が開始されると、図６に示すように、まず、ステップＳ１００に移行する。
ステップＳ１００では、駆動信号供給部３ｂにおいて、動作制御部３ａからの駆動指令が入力されたか否かを判定し、入力されたと判定した場合(Yes)は、ステップＳ１０２に移行し、そうでない場合(No)は、入力されるまで判定処理を繰り返す。
【００５４】
ステップＳ１０２に移行した場合は、駆動信号供給部３ｂにおいて、波形データ記憶部３ｃから波形データを読み出して、ステップＳ１０４に移行する。
ステップＳ１０４では、駆動信号供給部３ｂにおいて、ステップＳ１０２で読み出した波形データのデジタルの波形信号をアナログの波形信号にＤＡ変換して、ステップＳ１０６に移行する。
【００５５】
ステップＳ１０６では、駆動信号供給部３ｂにおいて、同期信号発生部３ｄからの同期信号に同期して、ステップＳ１０４でＤＡ変換して得られたアナログの信号波形からなる駆動信号を、圧電素子４０１に出力して、ステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８では、駆動信号供給部３ｂにおいて、動作制御部３ａから停止指令が入力されたか否かを判定し、入力されたと判定した場合(Yes)は、ステップＳ１１０に移行し、そうでない場合(No)は、ステップＳ２０４の駆動信号の出力処理を続行する。
【００５６】
ステップＳ１１０に移行した場合は、駆動信号供給部３ｂにおいて、１周期分の信号を全て出力後に、駆動信号の供給を停止して、ステップＳ１１２に移行する。
ステップＳ１１２では、駆動信号供給部３ｂにおいて、動作制御部３ａから再開指令が入力されたか否かを判定し、入力されたと判定した場合(Yes)は、ステップＳ１０６に移行して駆動信号の出力処理を再開し、そうでない場合(No)は、ステップＳ１１４に移行する。
【００５７】
ステップＳ１１４に移行した場合は、動作制御部３ａから終了指令が入力されたか否かを判定し、入力されたと判定した場合(Yes)は、駆動信号供給処理を終了し、そうでない場合(No)は、ステップＳ１１２に移行する。
【００５８】
次に、図７〜図８に基づき、本実施の形態の流体噴射装置１の具体的な動作を説明する。
ここで、図７は、本実施の形態の駆動信号の信号波形の一例を示す図である。また、図８Ａ〜Ｆは、図７の信号波形で圧電素子４０１を駆動したときの流体噴射開口部２１２の液面の様子を示す図である。なお、図７の波形区間Ａ〜Ｆと、図８Ａ〜Ｆとはそれぞれ対応しており、図８Ａ〜Ｆは、波形区間Ａ〜Ｆのときのそれぞれの液面の様子を示している。
【００５９】
流体噴射装置１の電源が投入され、利用者によって入力装置の１つである駆動スイッチ（不図示）が押下され、駆動信号の供給指示が駆動部３に入力されると、動作制御部３ａは、駆動信号の供給指令を駆動信号供給部３ｂに出力する。
一方、駆動信号供給部３ｂは、駆動信号の供給指令を受けると（ステップＳ１００の「Ｙｅｓ」の分岐）、まず、波形データ記憶部３ｃから波形データをＲＡＭなどのワークメモリに読み出す（ステップＳ１０２）。
【００６０】
次に、ワークメモリに読み出した波形データをＤＡ変換し、図７に示す波形形状のアナログの駆動信号を生成する（ステップＳ１０４）。
本実施の形態の駆動信号の１周期の信号波形は、図７に示すように、Ａ〜Ｆの波形区間を有しており、Ｂ〜Ｃの波形区間からなる第１の波形部Ｗ１、Ｄ〜Ｅの波形区間からなる第２の波形部Ｗ２、及びＦの区間からなる第３の波形部Ｗ３を含んで構成される。
【００６１】
上記Ａ〜Ｆの波形区間を有する信号波形によって、波形区間Ａでは、電圧Ｖｒで一定のレベルの信号が圧電素子４０１に供給される。
また、第１の波形部を構成する、波形区間Ｂでは、電圧Ｖｒから一定の減少量で電圧Ｖpuまで低下していく信号が圧電素子４０１に供給され、波形区間Ｃでは、電圧Ｖpuで一定のレベルの信号が圧電素子４０１に供給される。
【００６２】
また、第２の波形部を構成する、波形区間Ｄでは、電圧Ｖpuから一定の増加量で電圧Ｖpsまで増加していく信号が圧電素子４０１に供給され、波形区間Ｅでは、電圧Ｖpsで一定のレベルの信号が圧電素子４０１に供給される。
また、第３の波形部を構成する波形区間Ｆでは、電圧Ｖpsから一定の減少量で電圧Ｖｒまで低下していく信号が圧電素子４０１に供給される。
【００６３】
そして、駆動信号供給部３ｂは、上記波形形状のアナログの駆動信号を、同期信号発生部３ｄからの同期信号に同期させて圧電素子４０１に出力する（ステップＳ１０６）。
圧電素子４０１に駆動信号が供給されると、波形区間Ａにおいて、圧電素子４０１は伸長も収縮もしないため（そのように予め設定する）、流体噴射開口部２１２の液面は、図８Ａに示すように、略平らな液面を保持した状態となる。このとき、液面のメニスカスは固有の周波数（固有振動数）で振動している。
【００６４】
引き続き、第１の波形部が圧電素子４０１に供給されると、波形区間Ｂにおいて、メニスカスの固有振動を誘引するための初期動作として、圧電素子４０１が収縮して流体室５０１の容積が拡大し、図８Ｂに示すように、液面は流体噴射開口部２１２から接続流路２０１側に向かって引き込まれていく。その後、波形区間Ｃにおいて、拡大による引き込み動作が終了し、図８Ｃに示すように、液面が接続流路２０１側に向かって引き込まれた状態で静止する。
【００６５】
引き続き、第２の波形部が圧電素子４０１に供給されると、波形区間Ｄにおいて、メニスカスの固有振動に合わせて、圧電素子４０１が伸長して流体室５０１の容積が縮小する。これにより、流体室５０１内の圧力が上昇し、伸長速度に応じて数十気圧にまで達する。
ここで、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よりも大きいため、上昇した圧力によって、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入は減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。これによって、流体室５０１から接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生し、図８Ｄに示すように、液面（流路内の流体）は、接続流路２０１側から流体噴射開口部２１２側に向かって押されて移動する。
【００６６】
そして、波形区間Ｅでは、図８Ｅに示すように、液面と共に流体が流体噴射開口部２１２から外に押し出される。
ここで、ノズル２１１の流体噴射開口部２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は、接続流路２０１内のものよりもさらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。
【００６７】
引き続き、第３の波形部が圧電素子４０１に供給されると、波形区間Ｆにおいて、圧電素子４０１が再び収縮して流体室５０１の容積が拡大し、図８Ｆに示すように、液面は流体噴射開口部２１２側から接続流路２０１側に向かって引き込まれる。
流体を噴射後は、その圧力によって、液面が大きく変動するため、液面を接続流路２０１側に引き込むことによって、液面の変動の収束を早める。
このようにして、駆動信号が供給され流体の噴射が行われる。
【００６８】
一方、駆動信号を圧電素子４０１に連続で供給（図７に示すような間隔で供給）し、流体の噴射が連続で行われているときに、動作制御部３ａから停止指令信号が駆動部３に入力されると（ステップＳ１０８の「Ｙｅｓ」の分岐）、駆動信号供給部３ｂは、現在供給中の信号波形を１周期分全て出力してから、駆動信号の供給を停止する（ステップＳ１１０）。
【００６９】
また、動作制御部３ａから再開指令信号が入力された場合（ステップＳ１１２の「Ｙｅｓ」の分岐）は、同期信号に合わせて、ＤＡ変換された駆動信号の供給を再開する。
また、駆動信号の供給停止状態において、終了指令信号が入力された場合（ステップＳ１１４の「Ｙｅｓ」の分岐）は、駆動信号供給処理を終了する。
以上、本実施の形態の流体噴射装置１は、流体噴射開口部２１２の液面のメニスカスの固有振動に合わせて、液面を接続流路２０１側に引き込むように圧電素子４０１を駆動する第１の波形部を含む駆動信号を圧電素子４０１に供給することが可能である。
【００７０】
更に、入口流路５０３側のイナータンスＬ１が、出口流路５１１側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように構成した。
更に、第１の波形部の供給に引き続き、引き込んで静止した液面を含む流体を、メニスカスの固有振動に合わせて、流体噴射開口部２１２から外に押し出すように圧電素子４０１を駆動する第２の波形部を含む駆動信号を圧電素子４０１に供給することが可能である。
【００７１】
更に、第２の波形部の供給に引き続き、流体を押し出し後に形成される液面を、流体噴射開口部２１２側から接続流路２０１側に向かって引き込むように圧電素子４０１を駆動する第３の波形部を含む駆動信号を圧電素子４０１に供給することが可能である。
これによって、流体容器１０の流体を入口流路５０３を介して流体室５０１に所定圧力で供給するような圧力発生部（例えば、ポンプなど）を設けることなく、流体容器１０から流体室５０１に流体を流入することができると共に、流体室５０１に流入された流体を効率よく脈動流として噴射することができる。
【００７２】
なお、上記実施の形態において、駆動信号の信号波形を、図７に示すように、２種の電圧間を直線的に変化する波形形状としたが、これに限らず、図９に示すように、２種の電圧間を曲線的に変化する形状部分を含む波形形状としてもよい。ここで、図９は、駆動信号の信号波形の他の例を示す図である。
また、上記実施の形態において、メニスカスの固有振動に共振させて、又は固有振動に合わせて流体室５０１の容積を拡大及び縮小するといった表現を用いたが、メニスカスの固有振動に完全に一致させて動作させる構成に限らず、メニスカスの振動方向と逆方向の力が加えられるようなことがなければ、完全に一致させる必要はない。
【００７３】
また、上記実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、上記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、上記の説明で用いる図面は、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、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る流体噴射装置１の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る脈動発生部１００の構造を示す断面図である。
【図３】流体噴射部２の分解図である。
【図４】入口流路５０３の形態を示す平面図である。
【図５】駆動部３の詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】駆動信号供給部３ｂにおける駆動信号供給処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の駆動信号の信号波形の一例を示す図である。
【図８】図７の信号波形で圧電素子４０１を駆動したときの流体噴射開口部２１２の液面の様子を示す図である。
【図９】本発明の駆動信号の信号波形の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１…流体噴射装置、２…流体噴射部、３…駆動部、３ａ…動作制御部、３ｂ…駆動信号供給部、３ｃ…波形データ記憶部、３ｄ…同期信号発生部、１００…脈動発生部、２００…接続流路管、２０１…接続流路、４０１…圧電素子、４００…ダイアフラム、４０５…容積変更部、５０１…流体室、２１２…流体噴射開口部、５０３…入口流路、５１１…出口流路
【図１】
2010065585.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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