(57)【要約】【課題】ノズルの目詰まりを除去できる流体噴射システムを提供する。【解決手段】流体噴射システム１は、流体室１２０と、流体室１２０の容積を変更するダイアフラム７０と、ダイアフラム７０を駆動する圧電素子４０とを有し、液体をノズル９５から脈動吐出する脈動発生部３０と、流体室１２０に液体を所定の圧力で供給するポンプ１４０と、圧電素子４０に脈動波形を入力する駆動波形生成部１５１と、ポンプ１４０の負荷を検出する負荷検出部１４２と、有する制御装置１００と、を備え、負荷検出部１４２がポンプ１４０の負荷の異常を検出した場合に、脈動発生部３０の流体吐出圧力振幅またはポンプ１４０圧力発生部の供給圧力を通常駆動時よりも高くする。こうすることで、流体室１２０からノズル９５に至る流路の目詰まりを除去することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体室と、前記流体室の容積を変更するダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動する圧電素子と、を有し、流体をノズルから脈動吐出する脈動発生部と、
前記流体室に流体を所定の圧力で供給する圧力発生部と、前記圧電素子に駆動波形を入力する駆動波形生成部と、前記圧力発生部の負荷を検出する負荷検出部と、を有する制御装置と、を備え、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動発生部の流体吐出圧力振幅または前記圧力発生部の流体供給圧力を通常駆動時よりも高くすることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記駆動波形が、脈動部と休止部で構成され、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動部の振幅を通常駆動時の振幅よりも大きくすることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項３】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に入力される前記駆動波形は連続した脈動部で構成されることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項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システムにおいて、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に入力される前記駆動波形の周波数が、前記流体室から前記ノズルの間を伝播する圧力波の共振周波数と略一致していることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項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システムにおいて、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動部の振幅を通常駆動時の振幅よりも大きくし、且つ前記圧力発生部の前記流体室への流体供給圧力を通常駆動時よりも高くすることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項６】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部は、前記圧力発生部の負荷を前記圧力発生部の流体送出装置の駆動速度の変化として検出することを特徴とする流体噴射システム。
【請求項７】
請求項６に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部が、前記駆動速度が規定の値以下になった場合に、前記圧力発生部の負荷の異常と判断することを特徴とする流体噴射システム。
【請求項８】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部が、前記圧力発生部の内部に備えられる圧力センサであることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項９】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、異常を報知する警報器が備えられていることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動発生部及び前記圧力発生部の駆動を停止することを特徴とする流体噴射システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出し、前記脈動発生部及び前記圧力発生部の駆動を停止した後、前記脈動発生部の流体吐出圧力または前記圧力発生部の流体供給圧力を通常駆動時よりも高くするよう切換える操作部材が備えられていることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の流体噴射システムにおいて、
前記操作部材が、前記脈動発生部に設けられていることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の流体噴射システムにおいて、
前記脈動発生部の休止期間では、前記駆動波形が、流体を前記ノズルの先端に達する位置まで移動する程度に前記圧電素子を充電する中間電位と、前記圧電素子が放電される電位との組み合わせで構成されていることを特徴とする流体噴射システム。
【請求項１４】
流体室と、前記流体室の容積を変更するダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動する圧電素子と、を有し流体をノズルから脈動吐出する脈動発生部と、前記流体室に流体を所定の圧力で供給する圧力発生部と、前記圧電素子に脈動波形を入力する駆動波形生成部と、前記圧力発生部の負荷を検出する負荷検出部と、を有する制御装置と、を備える流体噴射システムの駆動方法であって、
前記流体噴射システムの通常駆動中において、前記脈動発生部に流体を所定の圧力で供給する圧力発生部の負荷を負荷検出部により検出する工程と、
前記圧力発生部の負荷が規定値以上になった場合に警報を出力する工程と、
前記脈動発生部及び前記圧力発生部の駆動を停止する工程と、
前記脈動発生部の流体吐出圧力または前記圧力発生部の流体供給圧力を通常駆動時よりも高くするクリーニング工程と、
前記クリーニング工程終了後、通常駆動に復帰させる工程と、
を含むことを特徴とする流体噴射システムの駆動方法。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の流体噴射システムを有し、且つ前記流体噴射システムの駆動方法にて駆動されることを特徴とする手術装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体噴射装置と、流体噴射装置の制御を行う制御装置と、を有する流体噴射システムと、この流体噴射システムの駆動方法、流体噴射システムと駆動方法を用いた手術装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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る。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の負担が小さい。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臨床応用されている。
【０００３】
生体組織を切開または切除する流体噴射装置として、流体室の容積をダイアフラムにより変更して流体をノズルから高速な液滴としてパルス状に吐出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５２１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような流体噴射装置を用いて生体組織を切開または切除する場合、ノズル先端部は生体組織、血液や体液に接触することが考えられ、これらによりノズル先端部の目詰まりが発生することが予想される。
【０００６】
また、ノズル開口部の直径は０．１〜０．２ｍｍ程度、流体室からノズルに連通する出口流路の直径も０．３ｍｍ程度と極めて細く、流体室からノズルに達する流路において目詰まりが発生することも考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る流体噴射システムは、流体室と、前記流体室の容積を変更するダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動する圧電素子と、を有し、流体をノズルから脈動吐出する脈動発生部と、前記流体室に流体を所定の圧力で供給する圧力発生部と、前記圧電素子に駆動波形を入力する駆動波形生成部と、前記圧力発生部の負荷を検出する負荷検出部と、を有する制御装置と、を備え、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動発生部の流体吐出圧力振幅または前記圧力発生部の流体供給圧力を通常駆動時よりも高くすることを特徴とする。
なお、通常駆動時とは、流体噴射システムを実際に使用している場合の駆動状態を意味する。
【０００９】
脈動発生部が正常（設計値どおり）に駆動していれば、圧力発生部の負荷はほぼ一定の範囲となる。ここで、流体室からノズルに至る流路に目詰まり等が発生した場合、圧力発生部の負荷は増大する。
【００１０】
本適用例によれば、圧力発生部の負荷が増大したこと（負荷の異常）を検出することで、上述の目詰まりが発生していると判断する。そこで、脈動発生部の流体吐出圧力を通常駆動時よりも高くすることで目詰まりを排除し、流体室からノズルに至る流路をクリーニングすることができる。
【００１１】
また、圧力発生部の流体供給圧力を高めることによっても目詰まりを排除することができる。
【００１２】
［適用例２］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記駆動波形が、脈動部と休止部とで構成され、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動部の振幅を通常駆動時の振幅よりも大きくすることが好ましい。
【００１３】
駆動波形が整数個の連続波形からなる脈動部と、波形が出力されない休止部とから構成される場合、脈動部の振幅（電位）、周波数を適切に選択することで流体群の噴射が切除能力に必要な脈動となる。また、休止時間により流量の制御が可能となる。
【００１４】
そこで、圧力発生部の負荷異常を検出した場合に、脈動部の振幅を通常駆動時の振幅よりもさらに大きくすることで、ダイアフラムの変位量を増加し、流体室の容積縮小量を大きくすることで流体吐出圧力振幅を通常駆動時よりも高くすることができ、目詰まりを排除することができる。
【００１５】
［適用例３］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に入力される前記駆動波形は連続した脈動部で構成されることが好ましい。
【００１６】
このように前述した駆動波形のうち休止部をなくして脈動部を連続して入力することで流体の単位時間当たりの脈動回数を増加することができ、目詰まりの排除能力を高めることができる。
【００１７】
［適用例４］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に入力される前記駆動波形の周波数が、前記流体室から前記ノズルの間を伝播する圧力波の共振周波数と略一致していることが望ましい。
【００１８】
流体室から吐出される流体の圧力波は、流体室からノズルに伝播し、ノズルからパルス状（脈動）の液滴として高速で噴射される。同時に一部の圧力波はノズル位置で反射しまた流体室に向かう。従って、この流体室とノズルとの間を伝播する圧力波の共振周波数と駆動波形の周波数を一致させることで、共振により圧力波の振幅が増加し、目詰まりの排除能力を高めることができる。
【００１９】
［適用例５］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動部の振幅を通常駆動時の振幅よりも大きくし、且つ前記圧力発生部の前記流体室への流体供給圧力を通常駆動時よりも高くすることが好ましい。
【００２０】
前述したように、脈動部の振幅を大きくすると流体室の容積縮小量が増加する。このことにより流体吐出圧力が高くなると共に吐出量が増加する。そこで、圧力発生部による流体供給圧力を高めることにより、流体室への流体供給量を増加させ、吐出量増加に対応して脈動発生部に充分な量の液体を供給することができる。
【００２１】
［適用例６］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記圧力発生部の負荷は、前記圧力発生部の流体送出装置の駆動速度の変化として検出することが好ましい。
ここで、圧力発生部は例えばポンプであって、ピストンポンプやギヤポンプ等の流体送出装置を採用できる。
【００２２】
流体室からノズルに至る流路に目詰まりが発生すると、この流路内の圧力が上昇する。すると、圧力発生部の負荷が増加しポンプの流体送出装置の駆動速度が低下する。従って、駆動速度の低下を検出することで、目詰まり判定を容易に行うことができる。
【００２３】
なお、流体送出装置の駆動速度の変化は、ピストンポンプの場合はリニアエンコーダ、ギヤポンプの場合はロータリーエンコーダにより容易に、また正確に測定できる。
【００２４】
［適用例７］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が、前記駆動速度が規定の値以下になった場合に、前記圧力発生部の負荷の異常と判断することが望ましい。
【００２５】
このようにすれば、流体室からノズルに至る流路に目詰まりが発生したことを的確に検出することができる。
【００２６】
［適用例８］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が、前記圧力発生部の内部に備えられる圧力センサであることが望ましい。
【００２７】
流体室からノズルに至る流路に目詰まりが発生すると、この流路内の圧力が上昇し、圧力発生部の出力負荷となり圧力発生部の内部圧力が上昇する。そこで、圧力センサを用いることにより直接負荷を検出することができる。
【００２８】
［適用例９］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、異常を報知する警報器が備えられていることが好ましい。
【００２９】
このように警報器を設けることによって、目詰まりが発生したことを使用者（施術者）に報知し、施術を直ちにやめることができる。
【００３０】
［適用例１０］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出した場合に、前記脈動発生部及び前記圧力発生部の駆動を停止することが好ましい。
【００３１】
このようにすれば、圧力発生部の負荷の異常を検出した場合も駆動し続けることによる圧力上昇に伴う脈動発生部及び圧力発生部を含む流体噴射システムの故障を防止し、安全性を高めることができる。
【００３２】
［適用例１１］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記負荷検出部が前記圧力発生部の負荷の異常を検出し、前記脈動発生部及び前記圧力発生部の駆動を停止した後、前記脈動発生部の流体吐出圧力または前記圧力発生部の流体供給圧力を通常駆動時よりも高くするよう切換える操作部材が備えられていることが好ましい。
【００３３】
このようにすれば、目詰まり等の異常を検出して停止した後、施術者が意識的に切換え操作をして状態を確認しながら目詰まりの除去を行うことができ、無意識に高圧の液体噴射が開始されるようなことがなく、安全性を高めることができる。
【００３４】
［適用例１２］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記操作部材が、前記脈動発生部に設けられていることが望ましい。
【００３５】
上記適用例の流体噴射システムは、脈動発生部を把持して操作する。従って、操作部材を脈動発生部に設けることで、施術者自身が手元で切換え操作を行い、目詰まりの除去ができる。
【００３６】
［適用例１３］上記適用例に係る流体噴射システムは、前記脈動発生部の休止期間では、前記駆動波形が、流体を前記ノズルの先端に達する位置まで移動する程度に前記圧電素子を充電する中間電位と、前記圧電素子が放電される電位との組み合わせで構成されていることが望ましい。
【００３７】
脈動発生部を用いて生体組織を切開または切除する場合、ノズル先端部は生体組織、血液や体液に接触することが考えられる。施術中の脈動発生部の休止期間にこれらが乾燥してノズル先端部の目詰まりが発生することがある。
【００３８】
そこで、駆動休止期間においては、流体をノズルから吐出しない程度に常に移動を繰り返すことで、ノズル先端部及びノズルから流体室に至る流路の目詰まりを抑制することができる。
【００３９】
［適用例１４］本適用例に係る流体噴射システムの駆動方法は、流体室と、前記流体室の容積を変更するダイアフラムと、前記ダイアフラムを駆動する圧電素子と、を有し流体をノズルから脈動吐出する脈動発生部と、前記流体室に流体を所定の圧力で供給する圧力発生部と、前記圧電素子に脈動波形を入力する駆動波形生成部と、前記圧力発生部の負荷を検出する負荷検出部と、を有する制御装置と、を備える流体噴射システムの駆動方法であって、前記流体噴射システムの通常駆動中において、前記脈動発生部に流体を所定の圧力で供給する圧力発生部の負荷を負荷検出部により検出する工程と、前記圧力発生部の負荷が規定値以上になった場合に警報を出力する工程と、前記脈動発生部及び前記圧力発生部の駆動を停止する工程と、前記脈動発生部の流体吐出圧力または前記圧力発生部の流体供給圧力を通常駆動時よりも高くするクリーニング工程と、前記クリーニング工程終了後、通常駆動に復帰させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００４０】
本適用例によれば、目詰まりにより圧力発生部の負荷を検出し、圧力発生部の負荷が規定値以上になった場合に、脈動発生部の流体吐出圧力または吐出量を通常駆動時よりも増加させてクリーニング（目詰まりを除去）することができ、正常な駆動と安全性を維持することができる。
【００４１】
また、目詰まりを原因とする故障により脈動発生部を廃却することがなく、継続して使用できることからランニングコストを低減できるという効果がある。
【００４２】
［適用例１５］本適用例に係る手術装置は、上記適用に記載の流体噴射システムを有し、且つ前記流体噴射システムの駆動方法にて駆動されることを特徴とする。
【００４３】
本適用例によれば、施術中の脈動発生部に目詰まりが発生した場合に、容易に目詰まり除去が可能で、安定した脈動吐出を維持できると共に、安全性が高く、安心して施術することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は実施形態１に係る流体噴射システムを示し、図６，７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。
【００４５】
また、本発明による流体噴射システムは、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、電子機器の冷却装置、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、薬液等の液体であり、流体を液体と表すことがある。
（実施形態１）
【００４６】
図１は、実施形態１に係る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、液体を収容する液体収容容器と圧力発生部としてのポンプの流体送出装置と、駆動波形生成部（共に図示せず）と、を含む制御装置１００と、流体送出装置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とポンプとを連通する流体供給チューブ２５（以降、単にチューブ２５と表す）と、から構成される。
【００４７】
また、制御装置１００と流体噴射装置１０とは、駆動信号ケーブル１５と、操作切換信号ケーブル１６と、によって電気的に接続されている。
【００４８】
制御装置１００の内部には、液体収容容器、ポンプ、駆動波形生成部及びシステム全体を制御するシステム制御部とを含み、外部には、駆動条件及び駆動状態を表示する表示部１６１と、最適駆動波形を設定する調整部材１６０と、警報器１４４とが設けられている。
【００４９】
流体噴射装置１０は、供給された液体を高圧、高い周波数で脈動させる脈動発生部３０と、脈動発生部３０に接続される接続流路管９０とを有する。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。
【００５０】
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１００に備えられる液体収容容器に収容された液体は、ポンプにより一定の圧力でチューブ２５を介して脈動発生部３０に供給される。
【００５１】
脈動発生部３０には流体室１２０（図２、参照）と、この流体室１２０の容積変更手段と、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から液体をパルス状に噴射する。脈動発生部３０の詳しい説明については、図２〜図４を参照して後述する。
【００５２】
通常駆動時におけるポンプの吐出圧力は概ね３気圧（０．３ＭＰａ）以下に設定する。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部３０である。従って、脈動発生部３０に接続されるチューブ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、液体を脈動発生部３０に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
【００５３】
続いて、実施形態１に係る流体噴射装置１０の構造について説明する。
図２は実施形態１に係る脈動発生部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である。図２において、流体噴射装置１０は、脈動発生部３０と、脈動発生部３０に接続される接続流路管９０と、接続流路管９０に挿着されるノズル９５とから構成されている。
【００５４】
脈動発生部３０は、第１機枠８０と第２機枠５０のそれぞれが互いに対向する面において密接挟持されるリング形状のスペーサ６０と、円盤状の金属薄板からなる容積変更手段としてのダイアフラム７０とを有し、第１機枠８０の壁面８０ａとダイアフラム７０とスペーサ６０の内周壁面とで流体室１２０が構成されている。
【００５５】
第１機枠８０の外側側面にはチューブ接続管部８１が突設されており、チューブ接続管部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は、流体室１２０に連通する入口流路８３に連通されている。
【００５６】
チューブ接続管部８１には、チューブ２５が圧入されている。チューブ２５は制御装置１００（図１、参照）の内部に設けられるポンプに接続され、流入接続流路８４と入口流路８３を介して流体室１２０内に液体が供給される。
【００５７】
また、第１機枠８０には、壁面８０ａの略中央に壁面８０ａに対して略垂直に出口流路８８が開設され、さらに、出口流路８８に連通する出口接続流路８９が開設されている。
【００５８】
第１機枠８０には、流体室１２０とは反対側方向に接続流路管挿着部８２が突設され、出口流路８８に連通する出口接続流路８９が設けられている。この接続流路管挿着部８２に接続流路管９０が圧入固定されている。
【００５９】
接続流路管９０と接続流路管挿着部８２とは圧入固定の他に、接続流路管９０と接続流路管挿着部８２とに螺子部を形成して螺合固定とし、着脱可能な構造としてもよい。
【００６０】
接続流路管９０には、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とは反対側の先端部には、ノズル９５が圧入されている。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。
【００６１】
ここで、出口接続流路８９と接続流路９２とノズル流路９６とはほぼ同じ断面積を有し、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、接続流路９２の断面積よりも縮小され、さらに出口流路８８よりも縮小されている。
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。
【００６２】
本実施形態では、出口流路８８の直径は０．３ｍｍ、接続流路９２の直径は１．０ｍｍ、流体噴射開口部９７の直径は０．１〜０．２ｍｍの範囲で設定されている。また、流体室１２０から流体噴射開口部９７までの流路長は１００〜２００ｍｍの範囲で適宜設定される。
【００６３】
一方、第２機枠５０は、筒状部材であって、第２機枠５０を貫通する円筒状の孔５２が開設されている。孔５２の開口部の一方は下板１０２で封止されている。この孔５２の内部に駆動源としての圧電素子４０が配設されている。圧電素子４０は、積層型圧電素子であって柱状のアクチュエータを構成する。
【００６４】
圧電素子４０の一方の端部は上板１０１を介してダイアフラム７０に、他方の端部は下板１０２の内面に密接固着されている。
【００６５】
圧電素子４０の対向する側面にはそれぞれ駆動電極（図示せず）が設けられ、これら駆動電極には、絶縁被覆された接続リード１５ａ，１５ｂからなる駆動信号ケーブル１５が接続されている。
【００６６】
駆動信号ケーブル１５は、第２機枠５０の側面に開設された貫通孔５３を通って外部に延在され、制御装置１００に内在される駆動波形生成部１５１（図３、参照）に接続されている。なお、貫通孔５３は、駆動信号ケーブル１５を通した状態で封止部材１０３で封止される。
【００６７】
脈動発生部３０は、その周囲を密閉し、且つ、脈動発生部３０に対して着脱可能な外郭部材でカバーされる。本実施形態において、外郭部材はケース部材としての上ケース３５と下ケース３６とから構成されている。
【００６８】
上ケース３５と下ケース３６は、第１機枠８０の接続流路管挿着部８２と第２機枠５０の筒部とを挟み込むようにして脈動発生部３０を保持する。上ケース３５と下ケース３６は、図示しない固定螺子によって固定される。従って、上ケース３５と下ケース３６は、脈動発生部３０に対して着脱可能な構造である。
【００６９】
また、上ケース３５と下ケース３６の互いに対向する端面の間にシール部材としてのパッキン（図示せず）が設けられており、脈動発生部３０を密閉する。
【００７０】
また、脈動発生部３０には、操作部材１３０が設けられている。操作部材１３０はスイッチであって、押しボタン型やスライド型、ロータリー型等を選択できるが、省スペース、単純操作という面から押しボタン型スイッチがより好ましい。操作部材１３０は、下ケース３６に操作部以外を埋め込むように配設され、操作切換信号ケーブル１６（図１、参照）によって制御装置１００に接続されている。
【００７１】
次に、流体噴射システム１のシステム構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る流体噴射システムの主たるシステム構成を示す構成図である。流体噴射装置１０は、流体室１２０と流体室１２０の容積を変更する容積変更手段としてのダイアフラム７０と、ダイアフラム７０を駆動する圧電素子４０と、操作部材１３０と、から構成される。
【００７２】
制御装置１００は、液体収容容器１４１（以降、単に容器１４１と表す）と、容器１４１と連通するポンプ１４０と、ポンプ１４０の駆動を制御するポンプ駆動制御部１４３と、を有し、ポンプ１４０の負荷変動を検出する負荷検出部１４２とを有する。
【００７３】
ポンプ１４０は、ピストンポンプまたはギヤポンプ等の流体送出装置を採用でき、チューブ２５によって流体室１２０と連通されている。負荷検出部１４２はピストンポンプの場合はリニアエンコーダ、ギヤポンプの場合にはロータリーエンコーダを有し、ポンプ１４０の負荷変動をピストンの駆動速度やギヤの回転速度の変化として検出する。
【００７４】
脈動発生部３０に目詰まりが発生し、ポンプ１４０の負荷（駆動速度）が規定値以上となった場合には、負荷異常と判断して警報を発する警報器１４４備えられている。警報器１４４は、ブザー等の音声や、光警報を採用できる。
【００７５】
また、制御装置１００は、切除組織の硬度に対応した駆動波形を演算する最適駆動パラメータ演算部１５２と、切除硬度を入力する調整部材１６０と、最適駆動パラメータに基づき圧電素子４０に入力する駆動波形を生成する駆動波形生成部１５１と、を有している。さらに、これら各システム構成要素の全体制御を司るシステム制御部１５０と、表示部１６１と、を有している。表示部１６１は、切除硬度等の駆動条件、駆動状態などを表示する。
【００７６】
調整部材１６０はロータリースイッチが好適で、ダイアルを回転して切除硬度等の駆動条件を最適駆動パラメータ演算部１５２に選択入力する。最適駆動パラメータ演算部１５２では、選択入力された切除硬度等に適合する脈動部の振幅（電位）、周期、波形の数（パルス数）、休止時間等を算出し、駆動波形生成部１５１において最適な駆動波形として圧電素子４０に駆動信号ケーブル１５を介して入力される。
【００７７】
次に、駆動波形の１例について図面を参照して説明する。
図４は、本実施形態に係る駆動波形の１例を例示している。まず通常駆動時の駆動波形を説明する。この例示における駆動波形は、圧電素子駆動電圧が、位相−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。
【００７８】
なお、図中、実線で表わす駆動波形が通常駆動時を表し、脈動部の波形は振幅Ａ１、周期Ｔ、連続する正弦波の個数ｎで表す。本例示では正弦波の個数を２個としている。この脈動部の波形はバースト波であり、駆動波形生成部１５１で上記パラメータを指定すれば容易に生成できる。
なお、駆動波形は正弦波に限定されず、矩形波の組み合わせでもよい。
【００７９】
続いて、流体噴射システム１の動作について説明する。まず、通常駆動状態について説明する（図１〜図３、参照）。
ポンプ１４０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１４０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。
【００８０】
ここで、圧電素子４０に例示された駆動波形が入力され、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それぞれ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１４０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。
【００８１】
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。
【００８２】
この吐出の際の圧力変動（つまり、圧力波）が、接続流路管９０の接続流路９２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）から液体がパルス状に噴射される。流体噴射開口部９７の直径は、出口流路８８の直径よりも縮小されているので、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。
【００８３】
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。
【００８４】
脈動する流体の噴射による組織切除においては、脈動の強度が大きい（つまり、流体吐出圧力振幅が大きい）と硬度が高い組織が切除可能になる。流体吐出圧力振幅は圧電素子駆動電圧の振幅Ａを大きくすることで実現できる。しかし一方、同時に単位時間あたりに噴射される流体量も大きくなる。その結果、単位時間あたりの切除深さも同時に大きくなってしまう。
【００８５】
執刀医が、単位時間あたりの切除深さの増加を望まない場合には、振幅Ａを増加させると同時に、適正な値に連続する正弦波の個数ｎを減ずるか、もしくは休止時間Ｉを増加する等の必要がある。
【００８６】
本実施形態では、ダイアル状の調整部材１６０を回転操作し、切除硬度を選択設定すると、制御パラメータの一つである流体噴射部駆動電圧の振幅Ａが変化すると同時に、最適駆動パラメータ演算部１５２によって、別の制御パラメータである休止時間Ｉが変化し、切除深さが変化しないように調整される。
【００８７】
なお、最適駆動パラメータ演算部１５２に代わって最適駆動パラメータテーブルを用いてもよい。切除硬度を調整部材１６０により選択し、し、最適駆動パラメータテーブルから最適な駆動パラメータを選択して駆動波形を生成する。選択した最適駆動パラメータの情報を表示部１６１にて表示すればなおよい。
【００８８】
最適駆動パラメータテーブルは、手術種別、流体噴射開口部９７の直径、切除硬度、切除深さ等の制御パラメータの組み合わせ表である。
【００８９】
しかしながら、流体噴射システム１を手術装置として生体組織を切開または切除する場合、ノズル９５と施術部との距離は数ｍｍ以下であるため、ノズル９５の先端部は生体組織、血液や体液に接触することが考えられ、これらによりノズル先端部の目詰まりが発生することが予想される。
【００９０】
また、流体噴射開口部９７の直径は０．１〜０．２ｍｍ程度、流体室１２０からノズルに連通する出口流路８８の直径も０．３ｍｍ程度と極めて細く、流体室１２０から流体噴射開口部９７に達する流路において目詰まりが発生することも考えられる。従って、これら目詰まりを除去、つまりクリーニングが必要とされる。
【００９１】
続いて、流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路のクリーニングに係る駆動方法について説明する。
図５は、本実施形態のクリーニングに係る駆動方法を示す説明図である。図２〜図４も参照し、図５に示す工程に従い説明する。
【００９２】
まず、流体噴射システム１を起動し通常駆動を開始する（ＳＴ１０）。流体噴射システム駆動中は、負荷検出部１４２にてポンプ１４０の負荷変動を検出している（ＳＴ２０）。前述したように負荷変動は、ポンプ１４０の流体送出装置の駆動速度の変化として検出する。
【００９３】
ここで、脈動発生部３０が正常（設計値どおり）に駆動していれば、ポンプ１４０の負荷はほぼ一定の範囲となり、流体送出装置は一定の駆動速度範囲内で駆動を継続する。
【００９４】
ここで、流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路に目詰まりが発生した場合、この流路内の圧力が上昇する。すると、ポンプ１４０の負荷が増加し駆動速度が低下する。従って、流体送出装置の駆動負荷と駆動速度との相関関係を設定しておけば、負荷の変動を速度の変動として検出することができる。
【００９５】
ポンプ１４０の負荷が規定値以下であれば、そのまま流体噴射システム１の駆動を継続し（ＳＴ３０）、施術が終了したときに流体噴射システムを停止する（ＳＴ４０）。
【００９６】
ポンプ１４０の流体送出装置の負荷が規定値以上となった場合（つまり、駆動速度が規定の値以下になった場合）には、負荷検出部１４２からシステム制御部１５０に信号が入力され、警報器１４４にて音声や光等で警報を出力する（ＳＴ５０）。警報器１４４の警報出力と共にシステム制御部１５０から駆動波形生成部１５１及びポンプ駆動制御部１４３に駆動停止命令を出力し、流体噴射システム１を停止する（ＳＴ６０）。
【００９７】
警報が出力された場合には、施術者は目詰まりが発生したと判断してクリーニング操作を開始する。クリーニング開始操作は、脈動発生部３０を生体から離した上で、脈動発生部３０に設けられる操作部材１３０のスイッチ入力により行う。操作部材１３０からのクリーニング開始命令は、操作切換信号ケーブル１６を介してシステム制御部１５０に入力され、システム制御部１５０駆動開始命令に基づきポンプ１４０及び脈動発生部３０を起動してクリーニング動作を開始する（ＳＴ７０）。
【００９８】
この際、脈動発生部３０の液体吐出圧力振幅を通常駆動時よりも高くする。脈動発生部３０の液体吐出圧力振幅は、駆動波形の脈動部の振幅を通常駆動時よりも大きくすることで高くすることができる。
【００９９】
その場合の駆動波形を図４において破線で図示する。この例示では、通常駆動時の振幅Ａ１から振幅Ａ２まで約２倍に高くしている。このことにより、圧電素子４０の伸張量が増加し、流体室１２０の容積縮小量が増加する。このことにより、脈動が強くなり、液体吐出圧力振幅が上昇するため目詰まりを除去することができる。
【０１００】
施術者が、目詰まりが除去されたと判断した場合には、操作部材１３０を再操作し、脈動発生部３０とポンプ１４０とを停止し、クリーニング動作を終了する（ＳＴ８０）。
なお、目詰まり除去の判断は、流体噴射開口部９７からの液体の吐出状態を目視して行う。
【０１０１】
続いて、操作部材１３０を操作し、システム制御部１５０からの起動命令を入力して、流体噴射システム１（具体的には、脈動発生部３０及びポンプ１４０）を起動する。このときに出力される駆動波形は、通常駆動時における駆動波形である（図４、参照）。そして、ＳＴ２０以降の工程を繰り返す。
【０１０２】
なお、クリーニング動作中に負荷検出部１４２でポンプ負荷を検出し、負荷が規定値以上の場合には、クリーニング動作を継続し、負荷が規定値以下になった場合にはクリーニング動作を停止（システム停止）する方法を採用することができる。
【０１０３】
このような方法では、負荷検出部１４２の検出基準値をクリーニング動作時のポンプ駆動速度に合わせた設定としておく。
【０１０４】
流体噴射システムの再起動は、操作部材１３０の操作により行う。従って、操作部材１３０は、１回路２接点型のスイッチとすることが好ましい。
【０１０５】
また、クリーニング動作においては、駆動波形の脈動部の振幅を大きくすると共に、ポンプ１４０の液体供給圧力を高めることがより好ましい。このことにより、単位時間当りの液体供給量を増加させることができる。これは、駆動波形の脈動部の振幅を大きくすることにより液体吐出量が増加するため、液体供給量を増加させる必要があるためである。
【０１０６】
上述した本実施形態のクリーニング動作時の駆動波形は、通常駆動時における脈動部の周期Ｔ、休止時間Ｉと同じにして、振幅（電位）を変化させているが、周期Ｔを変化させたり、休止時間Ｉを変化させてもよい。
【０１０７】
従って、本実施形態の流体噴射システムによれば、ポンプ１４０の負荷が増大したことを検出し、流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路において目詰まりが発生したと判断する。そこで、脈動発生部３０の流体吐出圧力振幅を通常駆動時よりも高くすることで目詰まりを排除し、流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路をクリーニングすることができる。
【０１０８】
流体吐出圧力振幅は、脈動部の振幅を通常駆動時の振幅よりもさらに大きくすることで、ダイアフラム７０の変位量を増加し、ダイアフラム７０による流体室１２０の容積縮小量を大きくし、その結果、流体室１２０内の圧力を高めることができる。
【０１０９】
前述したように、脈動部の振幅を高くすると流体室１２０の容積縮小量が増加する。このことにより流体吐出圧力振幅が高くなると共に吐出量が増加する。そこで、ポンプ１４０による流体供給圧力を高めることにより、流体室１２０への流体供給量が増加し、吐出量増加に対応して脈動発生部３０に充分な量の液体を供給することができる。
【０１１０】
また、ポンプ１４０の負荷の変化は、ポンプ１４０の流体送出装置の駆動速度変化として検出する。流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路に目詰まりが発生すると、この流路内の圧力が上昇する。すると、ポンプ１４０の負荷が増加し駆動速度が低下する。従って、駆動速度の低下を検出することで、目詰まり判定を行うことができる。
【０１１１】
また、負荷検出部１４２がポンプ１４０の負荷の規定値異常の増加を検出した場合に、異常を報知する警報器１４４が備えられている。このように警報器１４４を設けることによって、目詰まりが発生したことを施術者に報知し、施術を直ちにやめることができる。
【０１１２】
なお、ポンプ１４０の負荷異常の検出は、瞬間的に検出した場合に異常判断とする方法や、例えば、数秒間継続した場合に異常と判断する方法であってもよい。
【０１１３】
なお、警報器１４４は、本実施形態では制御装置１００に配設しているが、脈動発生部３０に配設してもよい。しかしながら脈動発生部３０は施術者が把持する部位であるため、できるだけ軽量、小型化することが望ましい。そのことから、制御装置１００に配設することがより好ましい。あるいは、警報器１４４を制御装置１００、脈動発生部３０から離れた認識しやすい位置に単独で配設するようにしてもよい。
【０１１４】
また、負荷検出部１４２がポンプ１４０の負荷の異常を検出した場合に、警報報知と共に脈動発生部３０及びポンプ１４０の駆動を停止する。このようにすれば、ポンプ１４０の負荷の異常を検出した場合において駆動し続けることによる圧力上昇に伴う脈動発生部３０及びポンプ１４０を含む流体噴射システム１の故障を防止し、安全性を高めることができる。
【０１１５】
また、脈動発生部３０は操作部材１３０を備えている。目詰まりを検出し脈動発生部が停止した後、施術者が意識的に操作部材１３０の切換え操作をしてクリーニング動作をする。こうすることで、無意識に高圧の液体噴射が開始されるようなことがなく、安全性を高めることができる。
【０１１６】
さらに、本実施形態によれば、目詰まりを原因とする故障により脈動発生部３０を廃却することがなく、継続して使用できることからランニングコストを低減できるという効果もある。
（実施形態２）
【０１１７】
続いて、実施形態２に係る流体噴射システムについて説明する。図面は省略するが、図４を参照して説明する。本実施形態に係る流体噴射システムの通常駆動時の駆動波形は、図４にて実線で表すように、脈動部と休止部で構成されている。
【０１１８】
本実施形態は、負荷検出部１４２がポンプ１４０の負荷の増大（負荷異常）を検出した場合のクリーニング動作時に入力される駆動波形は連続した波形で構成される。つまり、休止時間Ｉがない連続した脈動部のみで構成される。
【０１１９】
また、脈動部の振幅は通常駆動時の振幅よりも大きく。図４で表される振幅Ａ２の脈動部が連続した駆動波形となる。
【０１２０】
このように駆動波形を休止部をなくして脈動部を連続して入力することで、クリーニング動作時の単位時間当たりの脈動回数を増加することができる。さらに脈動部の振幅を通常駆動時より大きくすることで流体吐出圧力を高める。このことにより目詰まりの排除能力を高めることができる。
なお、この際、流体吐出圧力に対応して流体供給圧力を高めることがより好ましい。
（実施形態３）
【０１２１】
続いて、実施形態３について図２を参照して説明する。実施形態３は、負荷検出部１４２がポンプ１４０の負荷の増大（負荷異常）を検出した場合に入力される駆動波形の周波数が、流体室１２０からノズル９５の間を伝播する圧力波の共振周波数と略一致していることに特徴を有している。
【０１２２】
脈動発生部３０で脈動流に変換された液体は、流体室１２０からノズル９５へ圧力波が伝播することでパルス状の液滴としてノズル９５から高速で噴射される。同時に一部の圧力波はノズル位置で反射しまた流体室１２０に向かう。具体的には、圧力波は、流体室１２０からノズル９５までの流路の断面積が急激に小さい部位を往復する。
【０１２３】
本実施形態では、流体室１２０からノズル９５までの距離は１００〜２００ｍｍで設定されている。また、流体室１２０からノズル９５までの圧力波の伝播速度は概ね秒速１５００ｍである。ここで、流体室１２０からノズル９５までの距離を仮に１５０ｍｍとすると、往復で３００ｍｍとなり圧力波の共振周波数は５ｋＨｚとなる。従って、駆動波形の周波数も５ｋＨｚとする。
【０１２４】
このように、圧力波の共振周波数と駆動波形の周波数を一致させることで、共振により圧力波の振幅が増加し、目詰まりの排除能力を高めることができる。
（実施形態４）
【０１２５】
続いて、実施形態４について説明する。図示は省略するが図３を参照して説明する。実施形態４は、ポンプ１４０の内部に圧力センサを備えていることを特徴とする。
【０１２６】
流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路に目詰まりが発生すると、この流路内の圧力が上昇しポンプ１４０の出力負荷となる。その結果、ポンプ１４０の内部圧力が上昇する。そこで、ポンプ１４０内の流体室（圧力室）に圧力センサを配設する。
【０１２７】
そして、ポンプ１４０の内部圧力を通常駆動時と目詰まり発生時との圧力差を予め設定し、圧力上昇が規定値以上になった場合にクリーニング動作を開始する。クリーニング動作は、図５に示す説明図に記載の工程に沿って行うことができる。
【０１２８】
このようにすれば、目詰まりに伴うポンプ１４０の内部圧力の変化を直接検出することができる。
（実施形態５）
【０１２９】
続いて、実施形態５に係る流体噴射システムについて図面を参照して説明する。実施形態５は、流体噴射システムを施術途中で一時休止する間に、流体室１２０から流体噴射開口部９７に至る流路で乾燥等による目詰まりの防止が可能な駆動波形とすることに特徴を有する。
【０１３０】
図６は、本実施形態に係る休止期間中に入力される駆動波形を示す説明図、図７はこの駆動波形による脈動発生部の挙動を模型的に表す部分断面図である。図６において、駆動波形の１サイクルは、まず中間電位を一定時間保持する領域（１）、続いて圧電素子４０を放電させる領域（２）、一定時間経過後に圧電素子４０を中間電位で充電する領域（３）の組み合わせで構成されている。
【０１３１】
各領域における液体の挙動について説明する。図７（ａ）は、図６にて（１）に図示する中間電位（電位Ａ３で示す）を圧電素子４０に印加した状態を表している。この状態では、圧電素子４０の充電量は、フル充電に対しては中間となり、伸張量もフル充電量に対して中間程度である。従って、ダイアフラム７０による流体室１２０の容積縮小量も中間値となる。
【０１３２】
このような中間電位の場合には、液体はノズル９５の流体噴射開口部９７から吐出せずに一部が先端部から覗く程度で留まる。
【０１３３】
この状態から、図６において（２）で表わす放電電位（電位−Ａ３）を印加すると圧電素子４０は放電し、図７（ｂ）に表す状態となる。つまり、ダイアフラム７０が流体室１２０の容積を広げる状態となる。
【０１３４】
すると、流体室１２０の圧力が瞬間的に低下し、ノズル９５内の液体は流体室１２０の容積が大きくなった分だけ流体室１２０内に引き込まれる。
【０１３５】
この状態から図６において（３）に図示する中間電位（電位Ａ３）を印加すると、図７（ａ）の状態となる。このような駆動波形を繰り返し継続すると、ノズル９５内の液体は、流体噴射開口部９７において図７（ａ），（ｂ）の状態を繰り返す。
【０１３６】
なお、液体を吐出する際の駆動波形は、図６の（４）で表わすように圧電素子４０に中間電位よりも高い電位Ａ１を印加する。このような場合には、図７（ｃ）に表すように、圧電素子４０はフル充電されて伸張し、ダイアフラム７０により流体室１２０の容積縮小が最大となり、液体は液滴２００としてパルス状に吐出される。
【０１３７】
生体組織を切開または切除する場合、ノズル９５の先端部は生体組織、血液や体液に接触することが考えられる。その際、脈動発生部３０の休止期間にこれらが乾燥してノズル９５先端部（流体噴射開口部９７）に目詰まりが発生することがある。
【０１３８】
そこで、脈動発生部の駆動休止期間（施術休止期間）においては、液体をノズル９５から吐出しない程度に常に移動を繰り返すことで、流体噴射開口部９７から流体室１２０に至る流路の目詰まりを抑制することができる。
【０１３９】
なお、図６では、駆動波形が矩形波の場合を例示したが、駆動波形は合成正弦波としてもよい。
【０１４０】
また、実施形態５の駆動波形による駆動においても、実施形態１〜実施形態４に記載の目詰まり除去を実施すれば、なお安心して使用できる。
【０１４１】
本発明による流体噴射システム１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、生体組織を切開または切除する手術器具として好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】実施形態１に係る流体噴射システムの概略構成を示す説明図。
【図２】実施形態１に係る脈動発生部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】実施形態１に係る流体噴射システムの主たるシステム構成を示す構成図。
【図４】実施形態１に係る駆動波形の１例を例示する説明図。
【図５】実施形態１に係る流体噴射システムの駆動方法を示す説明図。
【図６】実施形態５に係る休止期間中に入力される駆動波形を示す説明図。
【図７】実施形態５に係る脈動発生部の挙動を模型的に表す部分断面図。
【符号の説明】
【０１４３】
１…流体噴射システム、３０…脈動発生部、４０…圧電素子、７０…ダイアフラム、９５…ノズル、９７…流体噴射開口部、１２０…流体室、１４０…ポンプ、１４２…負荷検出部、１５１…駆動波形生成部。
【図１】
2010106748.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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