ポンプ、流体噴射装置、医療機器
【課題】効率的に流体を流動可能なポンプを実現する。
【解決手段】ポンプ１０は、圧電素子４０及びダイアフラム５０からなる容積変更手段の駆動により容積が変更可能な流体室６０と、流体室６０に流体を流入させる入口流路３２と、流体室６０から流体を流出させる出口流路３４と、流体室６０と入口流路３２との間に設けられる逆止弁７０と、入口流路３２に設けられる弾性壁３５と、を有し、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性壁３５の振動周波数ｆｂとが、ｆａ＝ｆｂである。このような構成のポンプ１０は、流体を効率に流動させることができる。
【解決手段】ポンプ１０は、圧電素子４０及びダイアフラム５０からなる容積変更手段の駆動により容積が変更可能な流体室６０と、流体室６０に流体を流入させる入口流路３２と、流体室６０から流体を流出させる出口流路３４と、流体室６０と入口流路３２との間に設けられる逆止弁７０と、入口流路３２に設けられる弾性壁３５と、を有し、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性壁３５の振動周波数ｆｂとが、ｆａ＝ｆｂである。このような構成のポンプ１０は、流体を効率に流動させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ、流体噴射装置、及びこれらポンプと流体噴射装置を用いた医療機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンまたはダイアフラム等の容積変更手段によって容積が変更可能な流体室と、流体室に流体を流入させる入口流路と、流体室から流体を流出させる出口流路と、を有するポンプが知られている。このようなポンプでは、入口流路と流体室との間に流体抵抗要素として逆止弁が備えられており、流入動作と流出動作に同期して逆止弁が開閉し、逆止弁から上流側の流体の移動と停止を行っている。つまり、流体の移動と停止の繰り返しにより、流体は脈動している。この脈動による流入効率の低下や、逆止弁より上流側への振動の伝播を防止するために、脈動吸収手段として薄板状の弾性壁が設けられている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、上記特許文献１とほぼ同様な構成を有し、容積変更手段によって脈動流を発生させて、流路径が縮小された流体噴射開口部から流体をパルス状に噴射させる流体噴射装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１４０３４号公報
【特許文献２】特開２００５−１５２１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１では、脈動吸収手段により脈動に起因する流入効率の低下や、上流側への振動の伝播を防止することができる、そのため、図１０に示すように、容積変更手段の駆動周波数を大きくすれば、ポンプの流出流量を安定的に増やすことができる。
【０００６】
しかし、容積変更手段の駆動周波数ｆａで駆動していてポンプの流出流量がＱａでは足りず、ポンプの流出流量をＱａよりも多いＱｃにしたい場合、容積変更手段の駆動周波数をｆａよりも高いｆｃに上げる必要がある。その結果、例えば特許文献１のように、容積変更手段として圧電素子を用いる場合、入力する電力が増加してしまう。駆動周波数を上げずに入力する電圧を高くすることでポンプの流出流量をＱｃまで上げることができるが、同様に入力する電力が増加してしまうということが考えられる。
【０００７】
また、特許文献２では、逆止弁を有しており、入口流路内の流体の流れを強制的に繰り返し止めるため、流体の動き出しと静止が円滑に行われないと、受動的な部品である逆止弁の動作が不安定になり、流体の流れを悪くする可能性がある。よって、流体の流れが効率的に行われないことが考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］本適用例に係るポンプは、容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、前記流体室に流体を流入させる入口流路と、前記流体室から流体を流出させる出口流路と、前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、前記入口流にけられる弾性手段と、を有し、前記容積変更手段の駆動周波数と、前記弾性手段の振動周波数と、が、等しいことを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、容積変更手段の一方向の駆動に追従して、逆止弁が閉じ、弾性手段を配置した入口流路で流れていた流体が弾性手段を押しひろげながら入口流路内の体積を増加させる。また、容積変更手段の逆方向の駆動に対して、逆止弁が開き、弾性手段が復元（または縮小）しながら入口流路内の体積を減少させ、流体が逆止弁を通過して流体室内に流入する。このとき、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性手段の振動周波数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとすると、流体室の容積変化と、入口流路の容積変化のタイミングが一致するため、また、流体の流れによどみが起きにくくなるため、流体が流体室内に流れ込みやすくなる。このことから、逆止弁の動作が安定するという効果がある。
このことにより、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に係るポンプにおいて、前記逆止弁と前記入口流路との間に、弾性壁室がさらに設けられ、前記弾性手段が、前記弾性壁に設けられていることが望ましい。
【００１２】
弾性壁室は、流体室の手前の流体貯留室と考えることができ、流体の流動変動に対してバッファーとなり、より円滑に流動させることができる。
【００１３】
［適用例３］本適用例に係る流体噴射装置は、容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、前記流体室に流体を流入させる入口流路と、前記流体室に連通し、先端部に設けられるノズルから流体を噴射させる流体噴射管と、前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、前記逆止弁と前記入口流路との間に設けられる弾性壁室と、前記弾性壁室の前記逆止弁と対向する位置に設けられる弾性手段と、を有し、前記容積変更手段の駆動周波数ｆａと、前記弾性手段が配置される前記弾性壁室内における流体の応答の固有振動数ｆｂと、が、おおよそａ＝ｆｂであることを特徴とする。
【００１４】
このように構成される流体噴射装置は、容積変更手段の駆動によって、流体を流路径が縮小されたノズルから高速噴射する。従って、流体室には流体の流出量に必要な流入量がタイミングよく供給されなければならない。そこで、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性手段が配置される弾性壁室内における流体の応答の固有振動数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとすれば、流体の流れに共振が励起して、円滑に流体を流体室内に流入させることができる。また、容積変更手段の駆動と流体の流れに周期性があって、流れによどみが起きにくくなるため逆止弁の動作が安定する。
また、弾性壁室は、流体室の手前の流体貯留室と考えることができ、流体の流動変動に対してバッファーとなり、より円滑に流動させることができる。
【００１５】
以上のことから、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することが可能で、流体噴射装置の小型化にも有効である。
【００１６】
［適用例４］本適用例に係る医療機器は、流体供給手段として上記適用例に記載のポンプを用いて供給された流体を、上記適用例に記載の流体噴射装置を用いて噴射させることを有することを特徴とする。
【００１７】
上述した流体噴射装置は、流体をパルス状に高速噴射するものであって、生体組織を選択的に切除・切開・破砕することが可能で、血管等の細管組織を温存できるなど手術具として優れた特性を有している。そこで、前述した適用例に記載の流体噴射装置を用いれば、流体室内に円滑に流体を必要な流量で、適切なタイミングで流入させることができるので、手術具として最適な流体噴射を行うことができる。
また、上述したポンプも流体噴射装置と同様に、流体室内に円滑に流体を流入させることができるので、流体噴射装置に対して十分な流入量を供給することができる。
また、流体噴射装置及びポンプ共に、投入電力を小さくできることも含めて、上述した流体噴射装置及びポンプを組み合わせて用いれば、流体噴射装置及びポンプの駆動が同期して流体の流入と流出が行えるので、高効率に流体を供給、噴射できる医療機器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係るポンプを示す断面図。
【図２】圧電素子に印加される駆動波形。
【図３】実施例１に係る容積変更手段と弾性壁の挙動を示す説明図。
【図４】実施例２に係るポンプを示す断面図。
【図５】容積変更手段の駆動周波数と、ポンプの出口流量との関係を示すグラフ。
【図６】流体噴射装置を示す断面図。
【図７】変形例１に係る駆動波形。
【図８】変形例２に係る駆動波形。
【図９】医療機器の概略構成を示す説明図。
【図１０】従来技術に係る容積変更手段の駆動周波数とポンプの吐出流量の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各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。
（ポンプ・実施例１）
【００２０】
図１は、実施例１に係るポンプを示す断面図である。図１において、ポンプ１０は、容積変更手段としての圧電素子４０及びダイアフラム５０の駆動により容積が変更可能な流体室６０と、流体室６０に流体を流入させる入口流路３２と、流体室６０から流体を流出させる出口流路３４と、流体室６０と入口流路３２との間に設けられる逆止弁７０と、入口流路管３１の管壁の一部に設けられる弾性手段としての弾性壁３５と、を有して構成されている。
【００２１】
圧電素子４０は、第１ケース２０の底部２１に一端が固定されており、他端はダイアフラム５０に固定されている。ダイアフラム５０は、第１ケース２０と第２ケース３０との間に密着固定され、第２ケース３０との間の空間で流体室６０を形成している。
【００２２】
入口流路３２は、第２ケース３０に突設された入口流路管３１に形成され、出口流路３４は、第２ケース３０に突設された出口流路管３３に形成されている。入口流路管３１には、流体を貯留する容器から流体を入口流路３２に流動する接続チューブ（共に、図示せず）が接続されている。
【００２３】
逆止弁７０は、入口流路３２から流体室６０に流体を流入させるときに開放され、出口流路３４から流体を流出させるときに閉塞するように構成されている。
【００２４】
弾性壁３５は、入口流路管３１の管壁の一部に、プラスチック、ゴム、金属薄板等の弾性を有する材料からなる板状部材である。なお、弾性壁３５は、管壁の外周面の一部を周囲よりも薄く加工して弾性をもたせ、入口流路管３１と一体形成する構造として実現しても良い。この際、流体の物性と入口流路等の寸法が決まれば、弾性壁３５の材質、面積、厚さ等によって、弾性壁３５の振動周波数を設計できる。本実施例では、弾性壁３５振動周波数をｆｂとする。
【００２５】
次に、圧電素子４０の駆動波形と流体室６０の内部圧力の関係について説明する。
図２は、圧電素子に印加される駆動波形を示す。横軸に時間、縦軸に駆動電圧を表している。図２に示す例では、駆動波形は、正の電圧方向にオフセットして位相が−９０度ずれた周波数ｆａのｓｉｎ波形である。例えば、容積変更手段に使われている圧電素子４０は正の電圧が印加されるとダイアフラム５０を押圧する方向の長さが増加するものを使用していると、駆動波形の立ち上りの時間は、流体室６０の容積を減らしている時間に相当する。そして、駆動波形の立ち下りの時間は、流体室６０の容積を増やしている時間に相当する。よって、駆動波形の周波数は流体室６０の容積変化の周波数と同じになる。
【００２６】
このことから、流体室６０の容積変化の周波数は、駆動波形の周波数ｆａとなる。ここで、流体室６０に内部圧力が掛かっている間は逆止弁７０が閉じ、流体室６０に内部圧力がかかっていない間は逆止弁７０が開放するため、流体室６０内部に流れ込む流体の周波数はｆａとなる。
【００２７】
本実施例では、圧電素子４０の駆動の繰返し周波数ｆａと弾性壁３５を備える入口流路３２内における流体の応答の固有振動数ｆｂとの関係をｆａ＝ｆｂとする。
【００２８】
続いて、ポンプ１０の作用について図３及び表１を参照して説明する。
図３は、実施例１に係る容積変更手段と弾性壁の挙動を示す説明図である。また、表１は、図３の各工程の作用を解説している。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、圧電素子４０が伸長して流体室６０の容積を縮小する工程、図３（ｄ）〜図３（ｆ）は、圧電素子４０が縮小して流体室６０の容積が増大する工程を表している。
【００２９】
【表１】
【００３０】
まず、図３（ａ）は、圧電素子４０が伸長を開始し、流体室６０の容積が減少し始める状態であって、このとき、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を閉じており、弾性壁３５は僅かに外側に膨張を始めている。従って、流体は、流体室６０へ流入せず、出口流路３４から流出を開始するが、流出の流れは低速である。
【００３１】
図３（ｂ）は、さらに圧電素子４０が伸長した状態を表し、（ａ）の状態よりも、流体室６０の容積が減少し、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を流体室６０の内部圧力によって強く閉じる。この状態では、流体室６０への流体流入はなく、流体のイナータンスによって逆止弁７０に近い入口流路３２内の内部圧力が高まり、弾性壁３５は外側に膨張する。このとき、出口流路３４からの流出は中速となる。
【００３２】
図３（ｃ）は、圧電素子４０の伸長が最大になった状態を表している。この状態では、流体室６０の容積はさらに減少して最小となり、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を流体室６０の内部圧力によって、より強く閉じる。この状態では、流体室６０への流体流入はなく、流体のイナータンスによって逆止弁７０に近い入口流路３２内の内部圧力が最大となることから、弾性壁３５はさらに外側に大きく膨張する。このとき、出口流路３４からの流出は高速となる。
【００３３】
図３（ｄ）は、圧電素子４０が収縮を開始し、流体室６０の容積が増大し始める状態であって、弾性壁３５は僅かに内側に収縮し始め、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を開放する。このとき、流体は、入口流路３２から流体室６０への流入を開始し、出口流路３４からの流出速度は高速のままである。
【００３４】
図３（ｅ）は、さらに圧電素子４０が収縮した状態を表し、（ｄ）の状態よりも、流体室６０の容積が増大し、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０との間を開放している。この状態では、入口流路３２から流体室６０へ流体流入が継続し、弾性壁３５の収縮量も増加し、出口流路３４からの流出は中速となる。
【００３５】
図３（ｆ）は、圧電素子４０の収縮が最大になった状態を表している。この状態では、流体室６０の容積は最大となり、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を開放している。このとき、入口流路３２からの流体室６０への流体流入は継続しており、弾性壁３５の収縮はなくなり初期状態となり、出口流路３４からの流出速度は低速となる。
【００３６】
図３に示すように、圧電素子４０伸長に追従して逆止弁７０が閉じ、入口流路３２の容積を増加させる。また、圧電素子４０の収縮に追従して、逆止弁７０が開き、弾性壁３５が元の形状に復帰しながら入口流路内の容積を減少させる。このとき、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性壁３５の振動周波数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとすると、流体室６０の容積変化と、入口流路３２の容積変化のタイミングが一致する。言い換えれば、流体室内の脈動と、入口流路内の脈動とのタイミングがほぼ一致することになり、流体の流れによどみが起きにくくなるため、流体が流体室内に流れ込みやすくなる。また、このことから、逆止弁７０の動作が安定し、かつ、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することができる。
（ポンプ・実施例２）
【００３７】
続いて、実施例２に係るポンプ１０について図面を参照して説明する。実施例２は、前述した実施例１に対して、逆止弁７０と入口流路３２との間に、弾性壁室６１がさらに設けられ、弾性手段としての弾性膜３８が、弾性壁室の逆止弁と向かい合う位置に設けられていることが異なる。実施例１と同じ機能要素には同じ符号を附して説明する。
図４は、実施例２に係るポンプを示す断面図である。図４において、本実施例に係るポンプ１０は、容積変更手段としての圧電素子４０及びダイアフラム５０の駆動により容積が変更可能な流体室６０と、流体室６０に流体を流入させる入口流路３２と、流体室６０から流体を流出させる出口流路３４と、流体室６０と入口流路３２との間に設けられる逆止弁７０とが備えられている。
【００３８】
また、逆止弁７０と入口流路３２との間に、弾性壁室６１がさらに設けられ、弾性手段としての弾性膜３８が、弾性壁室６１の逆止弁７０と向かい合う位置に設けられている。
【００３９】
入口流路３２は、第３ケース３６に突設された入口流路管３１に形成され、出口流路３４は、第２ケース３０に突設された出口流路管３３に形成されている。入口流路管３１には、流体を貯留する容器から流体を入口流路３２に流動する接続チューブ（共に、図示せず）が接続されている。
【００４０】
第１ケース２０と第２ケース３０と第３ケース３６とは、互いに流路が接続されるように積み重ねて固定されている。第２ケース３０と第３ケース３６の間には、パッキン７５を配して、内部の流路と外部とをシーリングしている。
【００４１】
圧電素子４０は、第１ケース２０の開口部を封鎖する第４ケース３７の内面に一端が固定されており、他端は補強板５５を介してダイアフラム５０に固定されている。
【００４２】
逆止弁７０は、圧力室内の圧力が弾性壁室内の圧力より低下したときに流路を開放し、圧力室内の圧力が弾性壁室内の圧力より高くなるときに流路を閉塞する。
【００４３】
弾性膜３８は、第３ケース３６に形成された弾性壁室６１の開口部を密閉するように固定されている。弾性膜３８は、プラスチック、ゴム、金属薄板等の弾性を有する材料をからなる板状部材である。ここで、流体の物性と弾性壁室等の寸法が決まれば、弾性膜３８の材質、面積、厚さ等によって、弾性膜３８の振動周波数を設計できる。本実施例では、弾性膜３８の振動周波数をｆｂとする。
【００４４】
また、弾性壁室６１の容積変化の周波数は、前述した実施例１と同じ考え方を踏襲でき、駆動波形の周波数ｆａとなり、流体室６０に内部圧力がかかっている間は逆止弁７０が閉じ、流体室６０に内部圧力がかかっていない間は逆止弁７０が開放するため、流体室６０内部に流れ込む流体の周波数はｆａとなる。
【００４５】
容積変更手段（圧電素子４０及びダイアフラム５０）と弾性膜３８の挙動は、実施例１（図３、表１）における「入口流路３２の弾性壁３５」と「弾性壁室６１の弾性膜３８」とを置換えて説明することができる。
【００４６】
続いて、前述した実施例１及び実施例２における容積変更手段の駆動周波数と、吐出する出口流量との関係について説明する。なお、この関係は、前述した実施例１（図１、参照）及び実施例２（図４、参照）共に同じように表すことができるので、実施例１を参照して説明する。
図５は、容積変更手段の駆動周波数と、ポンプの出口流量との関係を示すグラフであり、横軸に容積変更手段の駆動の周波数、縦軸にポンプ１０の出口流量を表している。図中、破線は、ｆａ≠ｆｂの場合、実線はｆａ＝ｆｂの場合を表している。
【００４７】
流体室６０の容積変化１回に対する出口流量は駆動波形の波高値を変えなければ変わらないので、容積変更手段の駆動周波数が上がれば、破線で示すように、出口流量は駆動周波数にほぼ比例して直線的に増加する。よって、ポンプ１０の出口流量Ｑｃを得る為に、容積変更手段の駆動周波数をｆｃとする必要がある。しかし、ｆａ＝ｆｂとすれば、実線で示すように容積変更手段の駆動周波数ｆｃよりも低い駆動周波数ｆによって、出口流量Ｑｃを得ることができる。
【００４８】
なお、図５に示すように、駆動周波数ｆは、理想的にはｆ＝ｆａ＝ｆｂであることが望ましいが、駆動周波数ｆ前後の周波数であれば、破線で示す出口流量以上の流量を流動できれば上記の効果はあるので、ｆａ≒ｆｂとなっていても構わない。
【００４９】
実施例１及び実施例２では、流体の流れに脈動が残ってしまう可能性や容積変更手段の駆動周波数ｆａ以外のところで吐出特性は下がってしまう可能性があるが、多少の脈動があっても投入する電力をできるだけ抑えて、ポンプ１０の出口流量を希望する所定の量を少なくとも流したい用途であれば効果的である。
【００５０】
また、実施例２に記載の弾性壁室６１は、流体室６０の手前の流体貯留室と考えることができ、流体の流動変動に対してバッファーとなり、より円滑に流動させることができるという効果がある。
（流体噴射装置）
【００５１】
続いて、前述したポンプ１０のように、入口流路側に弾性手段を用いた流体噴射装置について図面を参照して説明する。
図６は、流体噴射装置を示す断面図である。図６において、流体噴射装置１００は、大きくは、脈動発生部１２０と、脈動発生部１２０内に流体を流入させる入口流路管１２１と、脈動発生部１２０から流体を噴射させる流体噴射管２００とから構成されている。
【００５２】
脈動発生部１２０は、容積変更手段としての圧電素子１５１及びダイアフラム１３１の駆動により容積が変更可能な流体室１３２と、流体室１３２に流体を流入させる入口流路１２２と、流体室１３２から流体を流出させる出口流路３０１と、流体室１３２と入口流路１２２との間に設けられる逆止弁１２５とを有して構成されている。
【００５３】
また、逆止弁１２５と入口流路１２２との間に、弾性壁室１２３がさらに設けられ、弾性手段としての弾性膜１２４が、弾性壁室１２３の逆止弁１２５と向かい合う開口部を封止しており、弾性壁室１２３の一部を構成している。
【００５４】
入口流路１２２は、第３ケース１５４に突設された入口流路管１２１に形成され、出口流路３０１は、第２ケース１５３に突設された出口流路管３００に形成されている。入口流路管１２１には、流体を貯留する容器から流体を入口流路１２２に供給する流体供給手段（例えば、ポンプ等）と接続される接続チューブ（共に、図示せず）が接続されている。
【００５５】
圧電素子１５１は、第１ケース１５２の開口部を封止する第４ケース１５６の内面に一端が固定されており、他端は補強板１６０を介してダイアフラム１３１に固定されている。
【００５６】
逆止弁１２５は、入口流路１２２（弾性壁室１２３）から流体室１３２に流体を流入させるときに開放され、出口流路３０１から流体を流出させるときに閉じるように構成されている。
【００５７】
出口流路管３００には、流体噴射管２００が接続されており、流体噴射管２００の先端部にはノズル２１０が設けられ、先端部に至るまでの流路よりも流路径が縮小された流体噴射開口部２１１が設けられている。
【００５８】
第１ケース１５２と第２ケース１５３と第３ケース１５４とは、互いの流路が接続されるように積み重ねて固定されている。そして、第２ケース１５３と第３ケース１５４の間には、パッキン１３３を配して、内部の流路と外部とをシーリングしている。
【００５９】
弾性膜１２４は、第３ケース１５４に形成された凹部の開口部を密閉するように固定されている。弾性膜１２４は、プラスチック、ゴム、金属薄板等の弾性を有する材料をからなる板状部材である。ここで、流体の物性と弾性壁室等の寸法が決まれば、弾性膜１２４の材質、面積、厚さ等によって、弾性膜１２４の振動周波数ｆｂを設計できる。
【００６０】
また、圧電素子１５１の駆動波形と流体室１３２の内部圧力の関係は、前述したポンプ１０の実施例１と同様に説明できる。つまり、圧電素子１５１は、図２で表される駆動波形が入力され、駆動波形の立ち上りの時間は、流体室１３２の容積を減らしている時間に相当する。そして、駆動波形の立ち下りの時間は、流体室１３２の容積を増やしている時間に相当する。よって、駆動波形の周波数は流体室１３２の容積変化の周波数と同じであり、容積変更手段（圧電素子１５１）の駆動周波数ｆａと一致する。本実施例では、ｆａ＝ｆｂの関係にある。
【００６１】
次に、本実施例に係る流体噴射装置１００の流体噴射作用について説明する。脈動発生部１２０には、一定の流速で流体供給手段（図示せず）から入口流路１２２に流体が供給される。脈動発生部１２０では、圧電素子１５１を駆動して流体室１３２内において脈流を発生させ、流体噴射管２００に設けられる流体噴射開口部２１１から流体をパルス状に高速噴射する。
【００６２】
ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。
【００６３】
また、脈動発生部１２０における弾性膜１２４の機能は、前述した実施例１に記載の弾性壁３５、または実施例２に記載の弾性膜３８と同様に説明できる。このように構成される流体噴射装置１００は、容積変更手段（圧電素子１５１及びダイアフラム１３１）の駆動により、流体が、流路径が縮小された流体噴射開口部２１１からパルス流が高速噴射する。
【００６４】
圧電素子１５１伸長に追従して逆止弁１２５が閉じ、流体室１３２の容積は縮小し、弾性膜１２４は膨らみ弾性壁室１２３の容積を増加させる。また、圧電素子１５１の収縮に追従して、流体室１３２の容積が増加して、逆止弁１２５は開き、弾性膜１２４が元の形状に復帰しながら弾性壁室１２３の容積を減少させる。このとき、ｆａ＝ｆｂとすると、流体室１３２の容積変化と、弾性壁室１２３の容積変化のタイミングが一致する。言い換えれば、流体室１３２内の脈動と、弾性壁室１２３内の脈動とのタイミングがほぼ一致するため、流体が流体室内に流れ込みやすくなる。また、流体の流れによどみが発生しにくくなる。これらのことから、逆止弁１２５の動作が安定し、かつ、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することができる。
【００６５】
なお、前述したポンプ１０または流体噴射装置１００では、駆動波形をｓｉｎ波としたが、周期性があれば、矩形波や三角波など、ｓｉｎ波に限定されない。以下に駆動波形の変形例について説明する。
図７は変形例１の駆動波形を示し、図８は変形例２の駆動波形を示している。図７、図８は、駆動波形の途中に信号のホールド期間を設けたものである。駆動波形の１周期は、正の電圧方向にオフセットして位相が−９０度ずれたｓｉｎ波形（１周期分）にホールド期間を合わせた時間とする。
【００６６】
図７の場合は、出力される波形の間にホールド期間を設けたもので、図８の場合は、駆動電圧のピークでホールド期間を設けたものである。図７及び図８で示すように、駆動波形の周波数を変化させる場合には、ホールド期間の長さを変えることで変化させることが可能である。例えば、容積変更手段に使われている圧電素子は正の電圧が印加されるとダイアフラム１３１を押圧する方向に圧電素子の長さが増加するものを使用しているとすると、駆動波形の立ち上りの時間は、流体室の容積を減らしている時間に相当する。そして、駆動波形の立ち下りの時間は、流体室の容積を増やしている時間に相当する。よって、駆動波形の周波数はポンプ室の容積変化の周波数と同じになる。
【００６７】
よって、流体室の容積変化の周波数は、前述の駆動波形の１周期の逆数となり、ここでは、周波数ｆａとする。流体室に内部圧力が掛かっている間は逆止弁が閉じ、流体室に内部圧力が掛かっていない間は逆止弁が開放するため、流体室内部に流れ込む流体の周波数はｆａとなる。このことから、図７または図８に示すような駆動波形としても、前述したポンプ１０、流体噴射装置１００と同様な効果が得られる。
（医療機器）
【００６８】
続いて、流体供給手段として前述したポンプ１０を用いて供給された流体を、やはり前述した流体噴射装置１００を用いて、流体を噴射させる医療機器について図面を参照して説明する。なお、本実施例の医療機器は、生体組織を選択的に切除・切開・破砕することが可能な手術具である。よって、ここで用いる流体は、生理食塩水などの液体である。
図９は、医療機器の概略構成を示す説明図である。医療機器は、流体噴射装置１００に液体を供給する流体供給装置としてのポンプ１０を有する。
【００６９】
流体噴射装置１００は、図６にて説明したものを用いることが可能である。また、ポンプ１０は、図１または図４にて説明したものを用いることができる。液体を収容する流体容器２とポンプ１０とは、第１接続チューブ３によって接続され、ポンプ１０と流体噴射装置１００とは第２接続チューブ４によって接続されている。
【００７０】
ポンプ１０は、流体容器２から液体を吸引して流体噴射装置１００の流体室１３２に供給する。流体噴射装置１００では、圧電素子１５１及びダイアフラム１３１からなる容積変更手段によって流体室１３２の容積を急激に変更させることで脈流を発生させ、流体噴射開口部２１１から、液体をパルス状に高速噴射させる。
【００７１】
このように液体をパルス状に高速噴射する場合、生体組織を選択的に切除・切開・破砕することが可能で、血管等の細管組織を温存できるなど手術具として優れた特性を有している。このような流体噴射装置１００では、流体室１３２に噴射量に必要な流量がタイミングよく供給されなければならない。そこで、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性膜１２４が配置される弾性壁室１２３内における流体の応答の固有振動数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとしているので、液体の流れに共振が励起して、円滑に液体を流体室１３２に流入させることができる。また、容積変更手段の駆動と流体の流れに周期性があって、流れによどみが起きにくくなるため逆止弁１２５の動作が安定する。
【００７２】
また、ポンプ１０は、流体噴射装置１００に対して噴射量に必要な流量をタイミングよく供給しなければならない。実施例１（図１、参照）または実施例２（図４、参照）のポンプ１０は、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性壁３５が配置される入口流路３２または弾性壁室６１における液体の応答の固有振動数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとしているので、液体の流れに共振が励起して、円滑に液体を流体室６０に流入させることができる。また、容積変更手段の駆動と液体の流れに周期性があって、流れによどみが起きにくくなるため逆止弁７０または逆止弁１２５の動作が安定し、流体噴射装置１００の駆動に十分な流量をタイミングよく供給させることができる。
【００７３】
従って、本実施例の医療機器は、前述した流体噴射装置１００及びポンプ１０を組み合わせて用いることにより、高効率に液体を必要な流量で供給し、噴射できる手術具を実現でき、投入電力も小さくできることが可能となる。
なお、実施例で説明したポンプや流体噴射装置や医療機器において、ｆａ＝ｆｂとしているが、おおよそｆａ＝ｆｂであっても構わない。つまり、一例である図５は、ポンプや流体噴射装置や医療機器に適応できる。したがって、図５からも分かるように、繰返し周波数ｆは理想的にｆ＝ｆａ＝ｆｂであることが望ましいが、繰返し周波数ｆ前後の周波数のように図５の破線以上に流量が流せれば本発明の効果はあるので、図５の破線以上の範囲となるところで、おおよそｆａ＝ｆｂとなっていても構わない。
【符号の説明】
【００７４】
１０…ポンプ、３２…入口流路、３４…出口流路、３５…弾性手段としての弾性壁、４０…圧電素子、５０…ダイアフラム、６０…流体室、７０…逆止弁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ、流体噴射装置、及びこれらポンプと流体噴射装置を用いた医療機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンまたはダイアフラム等の容積変更手段によって容積が変更可能な流体室と、流体室に流体を流入させる入口流路と、流体室から流体を流出させる出口流路と、を有するポンプが知られている。このようなポンプでは、入口流路と流体室との間に流体抵抗要素として逆止弁が備えられており、流入動作と流出動作に同期して逆止弁が開閉し、逆止弁から上流側の流体の移動と停止を行っている。つまり、流体の移動と停止の繰り返しにより、流体は脈動している。この脈動による流入効率の低下や、逆止弁より上流側への振動の伝播を防止するために、脈動吸収手段として薄板状の弾性壁が設けられている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、上記特許文献１とほぼ同様な構成を有し、容積変更手段によって脈動流を発生させて、流路径が縮小された流体噴射開口部から流体をパルス状に噴射させる流体噴射装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１４０３４号公報
【特許文献２】特開２００５−１５２１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１では、脈動吸収手段により脈動に起因する流入効率の低下や、上流側への振動の伝播を防止することができる、そのため、図１０に示すように、容積変更手段の駆動周波数を大きくすれば、ポンプの流出流量を安定的に増やすことができる。
【０００６】
しかし、容積変更手段の駆動周波数ｆａで駆動していてポンプの流出流量がＱａでは足りず、ポンプの流出流量をＱａよりも多いＱｃにしたい場合、容積変更手段の駆動周波数をｆａよりも高いｆｃに上げる必要がある。その結果、例えば特許文献１のように、容積変更手段として圧電素子を用いる場合、入力する電力が増加してしまう。駆動周波数を上げずに入力する電圧を高くすることでポンプの流出流量をＱｃまで上げることができるが、同様に入力する電力が増加してしまうということが考えられる。
【０００７】
また、特許文献２では、逆止弁を有しており、入口流路内の流体の流れを強制的に繰り返し止めるため、流体の動き出しと静止が円滑に行われないと、受動的な部品である逆止弁の動作が不安定になり、流体の流れを悪くする可能性がある。よって、流体の流れが効率的に行われないことが考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］本適用例に係るポンプは、容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、前記流体室に流体を流入させる入口流路と、前記流体室から流体を流出させる出口流路と、前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、前記入口流にけられる弾性手段と、を有し、前記容積変更手段の駆動周波数と、前記弾性手段の振動周波数と、が、等しいことを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、容積変更手段の一方向の駆動に追従して、逆止弁が閉じ、弾性手段を配置した入口流路で流れていた流体が弾性手段を押しひろげながら入口流路内の体積を増加させる。また、容積変更手段の逆方向の駆動に対して、逆止弁が開き、弾性手段が復元（または縮小）しながら入口流路内の体積を減少させ、流体が逆止弁を通過して流体室内に流入する。このとき、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性手段の振動周波数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとすると、流体室の容積変化と、入口流路の容積変化のタイミングが一致するため、また、流体の流れによどみが起きにくくなるため、流体が流体室内に流れ込みやすくなる。このことから、逆止弁の動作が安定するという効果がある。
このことにより、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に係るポンプにおいて、前記逆止弁と前記入口流路との間に、弾性壁室がさらに設けられ、前記弾性手段が、前記弾性壁に設けられていることが望ましい。
【００１２】
弾性壁室は、流体室の手前の流体貯留室と考えることができ、流体の流動変動に対してバッファーとなり、より円滑に流動させることができる。
【００１３】
［適用例３］本適用例に係る流体噴射装置は、容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、前記流体室に流体を流入させる入口流路と、前記流体室に連通し、先端部に設けられるノズルから流体を噴射させる流体噴射管と、前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、前記逆止弁と前記入口流路との間に設けられる弾性壁室と、前記弾性壁室の前記逆止弁と対向する位置に設けられる弾性手段と、を有し、前記容積変更手段の駆動周波数ｆａと、前記弾性手段が配置される前記弾性壁室内における流体の応答の固有振動数ｆｂと、が、おおよそａ＝ｆｂであることを特徴とする。
【００１４】
このように構成される流体噴射装置は、容積変更手段の駆動によって、流体を流路径が縮小されたノズルから高速噴射する。従って、流体室には流体の流出量に必要な流入量がタイミングよく供給されなければならない。そこで、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性手段が配置される弾性壁室内における流体の応答の固有振動数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとすれば、流体の流れに共振が励起して、円滑に流体を流体室内に流入させることができる。また、容積変更手段の駆動と流体の流れに周期性があって、流れによどみが起きにくくなるため逆止弁の動作が安定する。
また、弾性壁室は、流体室の手前の流体貯留室と考えることができ、流体の流動変動に対してバッファーとなり、より円滑に流動させることができる。
【００１５】
以上のことから、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することが可能で、流体噴射装置の小型化にも有効である。
【００１６】
［適用例４］本適用例に係る医療機器は、流体供給手段として上記適用例に記載のポンプを用いて供給された流体を、上記適用例に記載の流体噴射装置を用いて噴射させることを有することを特徴とする。
【００１７】
上述した流体噴射装置は、流体をパルス状に高速噴射するものであって、生体組織を選択的に切除・切開・破砕することが可能で、血管等の細管組織を温存できるなど手術具として優れた特性を有している。そこで、前述した適用例に記載の流体噴射装置を用いれば、流体室内に円滑に流体を必要な流量で、適切なタイミングで流入させることができるので、手術具として最適な流体噴射を行うことができる。
また、上述したポンプも流体噴射装置と同様に、流体室内に円滑に流体を流入させることができるので、流体噴射装置に対して十分な流入量を供給することができる。
また、流体噴射装置及びポンプ共に、投入電力を小さくできることも含めて、上述した流体噴射装置及びポンプを組み合わせて用いれば、流体噴射装置及びポンプの駆動が同期して流体の流入と流出が行えるので、高効率に流体を供給、噴射できる医療機器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係るポンプを示す断面図。
【図２】圧電素子に印加される駆動波形。
【図３】実施例１に係る容積変更手段と弾性壁の挙動を示す説明図。
【図４】実施例２に係るポンプを示す断面図。
【図５】容積変更手段の駆動周波数と、ポンプの出口流量との関係を示すグラフ。
【図６】流体噴射装置を示す断面図。
【図７】変形例１に係る駆動波形。
【図８】変形例２に係る駆動波形。
【図９】医療機器の概略構成を示す説明図。
【図１０】従来技術に係る容積変更手段の駆動周波数とポンプの吐出流量の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、各部材を認識可能な大きさとするため、各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。
（ポンプ・実施例１）
【００２０】
図１は、実施例１に係るポンプを示す断面図である。図１において、ポンプ１０は、容積変更手段としての圧電素子４０及びダイアフラム５０の駆動により容積が変更可能な流体室６０と、流体室６０に流体を流入させる入口流路３２と、流体室６０から流体を流出させる出口流路３４と、流体室６０と入口流路３２との間に設けられる逆止弁７０と、入口流路管３１の管壁の一部に設けられる弾性手段としての弾性壁３５と、を有して構成されている。
【００２１】
圧電素子４０は、第１ケース２０の底部２１に一端が固定されており、他端はダイアフラム５０に固定されている。ダイアフラム５０は、第１ケース２０と第２ケース３０との間に密着固定され、第２ケース３０との間の空間で流体室６０を形成している。
【００２２】
入口流路３２は、第２ケース３０に突設された入口流路管３１に形成され、出口流路３４は、第２ケース３０に突設された出口流路管３３に形成されている。入口流路管３１には、流体を貯留する容器から流体を入口流路３２に流動する接続チューブ（共に、図示せず）が接続されている。
【００２３】
逆止弁７０は、入口流路３２から流体室６０に流体を流入させるときに開放され、出口流路３４から流体を流出させるときに閉塞するように構成されている。
【００２４】
弾性壁３５は、入口流路管３１の管壁の一部に、プラスチック、ゴム、金属薄板等の弾性を有する材料からなる板状部材である。なお、弾性壁３５は、管壁の外周面の一部を周囲よりも薄く加工して弾性をもたせ、入口流路管３１と一体形成する構造として実現しても良い。この際、流体の物性と入口流路等の寸法が決まれば、弾性壁３５の材質、面積、厚さ等によって、弾性壁３５の振動周波数を設計できる。本実施例では、弾性壁３５振動周波数をｆｂとする。
【００２５】
次に、圧電素子４０の駆動波形と流体室６０の内部圧力の関係について説明する。
図２は、圧電素子に印加される駆動波形を示す。横軸に時間、縦軸に駆動電圧を表している。図２に示す例では、駆動波形は、正の電圧方向にオフセットして位相が−９０度ずれた周波数ｆａのｓｉｎ波形である。例えば、容積変更手段に使われている圧電素子４０は正の電圧が印加されるとダイアフラム５０を押圧する方向の長さが増加するものを使用していると、駆動波形の立ち上りの時間は、流体室６０の容積を減らしている時間に相当する。そして、駆動波形の立ち下りの時間は、流体室６０の容積を増やしている時間に相当する。よって、駆動波形の周波数は流体室６０の容積変化の周波数と同じになる。
【００２６】
このことから、流体室６０の容積変化の周波数は、駆動波形の周波数ｆａとなる。ここで、流体室６０に内部圧力が掛かっている間は逆止弁７０が閉じ、流体室６０に内部圧力がかかっていない間は逆止弁７０が開放するため、流体室６０内部に流れ込む流体の周波数はｆａとなる。
【００２７】
本実施例では、圧電素子４０の駆動の繰返し周波数ｆａと弾性壁３５を備える入口流路３２内における流体の応答の固有振動数ｆｂとの関係をｆａ＝ｆｂとする。
【００２８】
続いて、ポンプ１０の作用について図３及び表１を参照して説明する。
図３は、実施例１に係る容積変更手段と弾性壁の挙動を示す説明図である。また、表１は、図３の各工程の作用を解説している。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、圧電素子４０が伸長して流体室６０の容積を縮小する工程、図３（ｄ）〜図３（ｆ）は、圧電素子４０が縮小して流体室６０の容積が増大する工程を表している。
【００２９】
【表１】
【００３０】
まず、図３（ａ）は、圧電素子４０が伸長を開始し、流体室６０の容積が減少し始める状態であって、このとき、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を閉じており、弾性壁３５は僅かに外側に膨張を始めている。従って、流体は、流体室６０へ流入せず、出口流路３４から流出を開始するが、流出の流れは低速である。
【００３１】
図３（ｂ）は、さらに圧電素子４０が伸長した状態を表し、（ａ）の状態よりも、流体室６０の容積が減少し、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を流体室６０の内部圧力によって強く閉じる。この状態では、流体室６０への流体流入はなく、流体のイナータンスによって逆止弁７０に近い入口流路３２内の内部圧力が高まり、弾性壁３５は外側に膨張する。このとき、出口流路３４からの流出は中速となる。
【００３２】
図３（ｃ）は、圧電素子４０の伸長が最大になった状態を表している。この状態では、流体室６０の容積はさらに減少して最小となり、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を流体室６０の内部圧力によって、より強く閉じる。この状態では、流体室６０への流体流入はなく、流体のイナータンスによって逆止弁７０に近い入口流路３２内の内部圧力が最大となることから、弾性壁３５はさらに外側に大きく膨張する。このとき、出口流路３４からの流出は高速となる。
【００３３】
図３（ｄ）は、圧電素子４０が収縮を開始し、流体室６０の容積が増大し始める状態であって、弾性壁３５は僅かに内側に収縮し始め、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を開放する。このとき、流体は、入口流路３２から流体室６０への流入を開始し、出口流路３４からの流出速度は高速のままである。
【００３４】
図３（ｅ）は、さらに圧電素子４０が収縮した状態を表し、（ｄ）の状態よりも、流体室６０の容積が増大し、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０との間を開放している。この状態では、入口流路３２から流体室６０へ流体流入が継続し、弾性壁３５の収縮量も増加し、出口流路３４からの流出は中速となる。
【００３５】
図３（ｆ）は、圧電素子４０の収縮が最大になった状態を表している。この状態では、流体室６０の容積は最大となり、逆止弁７０は入口流路３２と流体室６０の間を開放している。このとき、入口流路３２からの流体室６０への流体流入は継続しており、弾性壁３５の収縮はなくなり初期状態となり、出口流路３４からの流出速度は低速となる。
【００３６】
図３に示すように、圧電素子４０伸長に追従して逆止弁７０が閉じ、入口流路３２の容積を増加させる。また、圧電素子４０の収縮に追従して、逆止弁７０が開き、弾性壁３５が元の形状に復帰しながら入口流路内の容積を減少させる。このとき、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性壁３５の振動周波数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとすると、流体室６０の容積変化と、入口流路３２の容積変化のタイミングが一致する。言い換えれば、流体室内の脈動と、入口流路内の脈動とのタイミングがほぼ一致することになり、流体の流れによどみが起きにくくなるため、流体が流体室内に流れ込みやすくなる。また、このことから、逆止弁７０の動作が安定し、かつ、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することができる。
（ポンプ・実施例２）
【００３７】
続いて、実施例２に係るポンプ１０について図面を参照して説明する。実施例２は、前述した実施例１に対して、逆止弁７０と入口流路３２との間に、弾性壁室６１がさらに設けられ、弾性手段としての弾性膜３８が、弾性壁室の逆止弁と向かい合う位置に設けられていることが異なる。実施例１と同じ機能要素には同じ符号を附して説明する。
図４は、実施例２に係るポンプを示す断面図である。図４において、本実施例に係るポンプ１０は、容積変更手段としての圧電素子４０及びダイアフラム５０の駆動により容積が変更可能な流体室６０と、流体室６０に流体を流入させる入口流路３２と、流体室６０から流体を流出させる出口流路３４と、流体室６０と入口流路３２との間に設けられる逆止弁７０とが備えられている。
【００３８】
また、逆止弁７０と入口流路３２との間に、弾性壁室６１がさらに設けられ、弾性手段としての弾性膜３８が、弾性壁室６１の逆止弁７０と向かい合う位置に設けられている。
【００３９】
入口流路３２は、第３ケース３６に突設された入口流路管３１に形成され、出口流路３４は、第２ケース３０に突設された出口流路管３３に形成されている。入口流路管３１には、流体を貯留する容器から流体を入口流路３２に流動する接続チューブ（共に、図示せず）が接続されている。
【００４０】
第１ケース２０と第２ケース３０と第３ケース３６とは、互いに流路が接続されるように積み重ねて固定されている。第２ケース３０と第３ケース３６の間には、パッキン７５を配して、内部の流路と外部とをシーリングしている。
【００４１】
圧電素子４０は、第１ケース２０の開口部を封鎖する第４ケース３７の内面に一端が固定されており、他端は補強板５５を介してダイアフラム５０に固定されている。
【００４２】
逆止弁７０は、圧力室内の圧力が弾性壁室内の圧力より低下したときに流路を開放し、圧力室内の圧力が弾性壁室内の圧力より高くなるときに流路を閉塞する。
【００４３】
弾性膜３８は、第３ケース３６に形成された弾性壁室６１の開口部を密閉するように固定されている。弾性膜３８は、プラスチック、ゴム、金属薄板等の弾性を有する材料をからなる板状部材である。ここで、流体の物性と弾性壁室等の寸法が決まれば、弾性膜３８の材質、面積、厚さ等によって、弾性膜３８の振動周波数を設計できる。本実施例では、弾性膜３８の振動周波数をｆｂとする。
【００４４】
また、弾性壁室６１の容積変化の周波数は、前述した実施例１と同じ考え方を踏襲でき、駆動波形の周波数ｆａとなり、流体室６０に内部圧力がかかっている間は逆止弁７０が閉じ、流体室６０に内部圧力がかかっていない間は逆止弁７０が開放するため、流体室６０内部に流れ込む流体の周波数はｆａとなる。
【００４５】
容積変更手段（圧電素子４０及びダイアフラム５０）と弾性膜３８の挙動は、実施例１（図３、表１）における「入口流路３２の弾性壁３５」と「弾性壁室６１の弾性膜３８」とを置換えて説明することができる。
【００４６】
続いて、前述した実施例１及び実施例２における容積変更手段の駆動周波数と、吐出する出口流量との関係について説明する。なお、この関係は、前述した実施例１（図１、参照）及び実施例２（図４、参照）共に同じように表すことができるので、実施例１を参照して説明する。
図５は、容積変更手段の駆動周波数と、ポンプの出口流量との関係を示すグラフであり、横軸に容積変更手段の駆動の周波数、縦軸にポンプ１０の出口流量を表している。図中、破線は、ｆａ≠ｆｂの場合、実線はｆａ＝ｆｂの場合を表している。
【００４７】
流体室６０の容積変化１回に対する出口流量は駆動波形の波高値を変えなければ変わらないので、容積変更手段の駆動周波数が上がれば、破線で示すように、出口流量は駆動周波数にほぼ比例して直線的に増加する。よって、ポンプ１０の出口流量Ｑｃを得る為に、容積変更手段の駆動周波数をｆｃとする必要がある。しかし、ｆａ＝ｆｂとすれば、実線で示すように容積変更手段の駆動周波数ｆｃよりも低い駆動周波数ｆによって、出口流量Ｑｃを得ることができる。
【００４８】
なお、図５に示すように、駆動周波数ｆは、理想的にはｆ＝ｆａ＝ｆｂであることが望ましいが、駆動周波数ｆ前後の周波数であれば、破線で示す出口流量以上の流量を流動できれば上記の効果はあるので、ｆａ≒ｆｂとなっていても構わない。
【００４９】
実施例１及び実施例２では、流体の流れに脈動が残ってしまう可能性や容積変更手段の駆動周波数ｆａ以外のところで吐出特性は下がってしまう可能性があるが、多少の脈動があっても投入する電力をできるだけ抑えて、ポンプ１０の出口流量を希望する所定の量を少なくとも流したい用途であれば効果的である。
【００５０】
また、実施例２に記載の弾性壁室６１は、流体室６０の手前の流体貯留室と考えることができ、流体の流動変動に対してバッファーとなり、より円滑に流動させることができるという効果がある。
（流体噴射装置）
【００５１】
続いて、前述したポンプ１０のように、入口流路側に弾性手段を用いた流体噴射装置について図面を参照して説明する。
図６は、流体噴射装置を示す断面図である。図６において、流体噴射装置１００は、大きくは、脈動発生部１２０と、脈動発生部１２０内に流体を流入させる入口流路管１２１と、脈動発生部１２０から流体を噴射させる流体噴射管２００とから構成されている。
【００５２】
脈動発生部１２０は、容積変更手段としての圧電素子１５１及びダイアフラム１３１の駆動により容積が変更可能な流体室１３２と、流体室１３２に流体を流入させる入口流路１２２と、流体室１３２から流体を流出させる出口流路３０１と、流体室１３２と入口流路１２２との間に設けられる逆止弁１２５とを有して構成されている。
【００５３】
また、逆止弁１２５と入口流路１２２との間に、弾性壁室１２３がさらに設けられ、弾性手段としての弾性膜１２４が、弾性壁室１２３の逆止弁１２５と向かい合う開口部を封止しており、弾性壁室１２３の一部を構成している。
【００５４】
入口流路１２２は、第３ケース１５４に突設された入口流路管１２１に形成され、出口流路３０１は、第２ケース１５３に突設された出口流路管３００に形成されている。入口流路管１２１には、流体を貯留する容器から流体を入口流路１２２に供給する流体供給手段（例えば、ポンプ等）と接続される接続チューブ（共に、図示せず）が接続されている。
【００５５】
圧電素子１５１は、第１ケース１５２の開口部を封止する第４ケース１５６の内面に一端が固定されており、他端は補強板１６０を介してダイアフラム１３１に固定されている。
【００５６】
逆止弁１２５は、入口流路１２２（弾性壁室１２３）から流体室１３２に流体を流入させるときに開放され、出口流路３０１から流体を流出させるときに閉じるように構成されている。
【００５７】
出口流路管３００には、流体噴射管２００が接続されており、流体噴射管２００の先端部にはノズル２１０が設けられ、先端部に至るまでの流路よりも流路径が縮小された流体噴射開口部２１１が設けられている。
【００５８】
第１ケース１５２と第２ケース１５３と第３ケース１５４とは、互いの流路が接続されるように積み重ねて固定されている。そして、第２ケース１５３と第３ケース１５４の間には、パッキン１３３を配して、内部の流路と外部とをシーリングしている。
【００５９】
弾性膜１２４は、第３ケース１５４に形成された凹部の開口部を密閉するように固定されている。弾性膜１２４は、プラスチック、ゴム、金属薄板等の弾性を有する材料をからなる板状部材である。ここで、流体の物性と弾性壁室等の寸法が決まれば、弾性膜１２４の材質、面積、厚さ等によって、弾性膜１２４の振動周波数ｆｂを設計できる。
【００６０】
また、圧電素子１５１の駆動波形と流体室１３２の内部圧力の関係は、前述したポンプ１０の実施例１と同様に説明できる。つまり、圧電素子１５１は、図２で表される駆動波形が入力され、駆動波形の立ち上りの時間は、流体室１３２の容積を減らしている時間に相当する。そして、駆動波形の立ち下りの時間は、流体室１３２の容積を増やしている時間に相当する。よって、駆動波形の周波数は流体室１３２の容積変化の周波数と同じであり、容積変更手段（圧電素子１５１）の駆動周波数ｆａと一致する。本実施例では、ｆａ＝ｆｂの関係にある。
【００６１】
次に、本実施例に係る流体噴射装置１００の流体噴射作用について説明する。脈動発生部１２０には、一定の流速で流体供給手段（図示せず）から入口流路１２２に流体が供給される。脈動発生部１２０では、圧電素子１５１を駆動して流体室１３２内において脈流を発生させ、流体噴射管２００に設けられる流体噴射開口部２１１から流体をパルス状に高速噴射する。
【００６２】
ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。
【００６３】
また、脈動発生部１２０における弾性膜１２４の機能は、前述した実施例１に記載の弾性壁３５、または実施例２に記載の弾性膜３８と同様に説明できる。このように構成される流体噴射装置１００は、容積変更手段（圧電素子１５１及びダイアフラム１３１）の駆動により、流体が、流路径が縮小された流体噴射開口部２１１からパルス流が高速噴射する。
【００６４】
圧電素子１５１伸長に追従して逆止弁１２５が閉じ、流体室１３２の容積は縮小し、弾性膜１２４は膨らみ弾性壁室１２３の容積を増加させる。また、圧電素子１５１の収縮に追従して、流体室１３２の容積が増加して、逆止弁１２５は開き、弾性膜１２４が元の形状に復帰しながら弾性壁室１２３の容積を減少させる。このとき、ｆａ＝ｆｂとすると、流体室１３２の容積変化と、弾性壁室１２３の容積変化のタイミングが一致する。言い換えれば、流体室１３２内の脈動と、弾性壁室１２３内の脈動とのタイミングがほぼ一致するため、流体が流体室内に流れ込みやすくなる。また、流体の流れによどみが発生しにくくなる。これらのことから、逆止弁１２５の動作が安定し、かつ、投入する電力を抑えながら必要とされる流出流量を確保することができる。
【００６５】
なお、前述したポンプ１０または流体噴射装置１００では、駆動波形をｓｉｎ波としたが、周期性があれば、矩形波や三角波など、ｓｉｎ波に限定されない。以下に駆動波形の変形例について説明する。
図７は変形例１の駆動波形を示し、図８は変形例２の駆動波形を示している。図７、図８は、駆動波形の途中に信号のホールド期間を設けたものである。駆動波形の１周期は、正の電圧方向にオフセットして位相が−９０度ずれたｓｉｎ波形（１周期分）にホールド期間を合わせた時間とする。
【００６６】
図７の場合は、出力される波形の間にホールド期間を設けたもので、図８の場合は、駆動電圧のピークでホールド期間を設けたものである。図７及び図８で示すように、駆動波形の周波数を変化させる場合には、ホールド期間の長さを変えることで変化させることが可能である。例えば、容積変更手段に使われている圧電素子は正の電圧が印加されるとダイアフラム１３１を押圧する方向に圧電素子の長さが増加するものを使用しているとすると、駆動波形の立ち上りの時間は、流体室の容積を減らしている時間に相当する。そして、駆動波形の立ち下りの時間は、流体室の容積を増やしている時間に相当する。よって、駆動波形の周波数はポンプ室の容積変化の周波数と同じになる。
【００６７】
よって、流体室の容積変化の周波数は、前述の駆動波形の１周期の逆数となり、ここでは、周波数ｆａとする。流体室に内部圧力が掛かっている間は逆止弁が閉じ、流体室に内部圧力が掛かっていない間は逆止弁が開放するため、流体室内部に流れ込む流体の周波数はｆａとなる。このことから、図７または図８に示すような駆動波形としても、前述したポンプ１０、流体噴射装置１００と同様な効果が得られる。
（医療機器）
【００６８】
続いて、流体供給手段として前述したポンプ１０を用いて供給された流体を、やはり前述した流体噴射装置１００を用いて、流体を噴射させる医療機器について図面を参照して説明する。なお、本実施例の医療機器は、生体組織を選択的に切除・切開・破砕することが可能な手術具である。よって、ここで用いる流体は、生理食塩水などの液体である。
図９は、医療機器の概略構成を示す説明図である。医療機器は、流体噴射装置１００に液体を供給する流体供給装置としてのポンプ１０を有する。
【００６９】
流体噴射装置１００は、図６にて説明したものを用いることが可能である。また、ポンプ１０は、図１または図４にて説明したものを用いることができる。液体を収容する流体容器２とポンプ１０とは、第１接続チューブ３によって接続され、ポンプ１０と流体噴射装置１００とは第２接続チューブ４によって接続されている。
【００７０】
ポンプ１０は、流体容器２から液体を吸引して流体噴射装置１００の流体室１３２に供給する。流体噴射装置１００では、圧電素子１５１及びダイアフラム１３１からなる容積変更手段によって流体室１３２の容積を急激に変更させることで脈流を発生させ、流体噴射開口部２１１から、液体をパルス状に高速噴射させる。
【００７１】
このように液体をパルス状に高速噴射する場合、生体組織を選択的に切除・切開・破砕することが可能で、血管等の細管組織を温存できるなど手術具として優れた特性を有している。このような流体噴射装置１００では、流体室１３２に噴射量に必要な流量がタイミングよく供給されなければならない。そこで、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性膜１２４が配置される弾性壁室１２３内における流体の応答の固有振動数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとしているので、液体の流れに共振が励起して、円滑に液体を流体室１３２に流入させることができる。また、容積変更手段の駆動と流体の流れに周期性があって、流れによどみが起きにくくなるため逆止弁１２５の動作が安定する。
【００７２】
また、ポンプ１０は、流体噴射装置１００に対して噴射量に必要な流量をタイミングよく供給しなければならない。実施例１（図１、参照）または実施例２（図４、参照）のポンプ１０は、容積変更手段の駆動周波数ｆａと、弾性壁３５が配置される入口流路３２または弾性壁室６１における液体の応答の固有振動数ｆｂと、を、ｆａ＝ｆｂとしているので、液体の流れに共振が励起して、円滑に液体を流体室６０に流入させることができる。また、容積変更手段の駆動と液体の流れに周期性があって、流れによどみが起きにくくなるため逆止弁７０または逆止弁１２５の動作が安定し、流体噴射装置１００の駆動に十分な流量をタイミングよく供給させることができる。
【００７３】
従って、本実施例の医療機器は、前述した流体噴射装置１００及びポンプ１０を組み合わせて用いることにより、高効率に液体を必要な流量で供給し、噴射できる手術具を実現でき、投入電力も小さくできることが可能となる。
なお、実施例で説明したポンプや流体噴射装置や医療機器において、ｆａ＝ｆｂとしているが、おおよそｆａ＝ｆｂであっても構わない。つまり、一例である図５は、ポンプや流体噴射装置や医療機器に適応できる。したがって、図５からも分かるように、繰返し周波数ｆは理想的にｆ＝ｆａ＝ｆｂであることが望ましいが、繰返し周波数ｆ前後の周波数のように図５の破線以上に流量が流せれば本発明の効果はあるので、図５の破線以上の範囲となるところで、おおよそｆａ＝ｆｂとなっていても構わない。
【符号の説明】
【００７４】
１０…ポンプ、３２…入口流路、３４…出口流路、３５…弾性手段としての弾性壁、４０…圧電素子、５０…ダイアフラム、６０…流体室、７０…逆止弁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に流体を流入させる入口流路と、
前記流体室から流体を流出させる出口流路と、
前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、
前記入口流路に設けられる弾性手段と、
を有し、
前記容積変更手段の駆動周波数と前記弾性手段の振動周波数とが等しいことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記逆止弁と前記入口流路との間に、弾性壁室がさらに設けられ、
前記弾性手段が、前記弾性壁室に設けられていることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に流体を流入させる入口流路と、
前記流体室に連通し、先端部に設けられるノズルから流体を噴射させる流体噴射管と、
前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、
前記逆止弁と前記入口流路との間に設けられる弾性壁室と、
前記弾性壁室の前記逆止弁と向かい合う位置に設けられる弾性手段と、
を有し、
前記容積変更手段の駆動周波数と前記弾性手段の振動周波数とが等しいことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
流体供給手段として請求項１または請求項２に記載のポンプを用いて供給された流体を、請求項３に記載の流体噴射装置を用いて噴射させることを特徴とする医療機器。
【請求項１】
容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に流体を流入させる入口流路と、
前記流体室から流体を流出させる出口流路と、
前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、
前記入口流路に設けられる弾性手段と、
を有し、
前記容積変更手段の駆動周波数と前記弾性手段の振動周波数とが等しいことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記逆止弁と前記入口流路との間に、弾性壁室がさらに設けられ、
前記弾性手段が、前記弾性壁室に設けられていることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
容積変更手段の駆動によって容積が変更可能な流体室と、
前記流体室に流体を流入させる入口流路と、
前記流体室に連通し、先端部に設けられるノズルから流体を噴射させる流体噴射管と、
前記流体室と前記入口流路との間に設けられる逆止弁と、
前記逆止弁と前記入口流路との間に設けられる弾性壁室と、
前記弾性壁室の前記逆止弁と向かい合う位置に設けられる弾性手段と、
を有し、
前記容積変更手段の駆動周波数と前記弾性手段の振動周波数とが等しいことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
流体供給手段として請求項１または請求項２に記載のポンプを用いて供給された流体を、請求項３に記載の流体噴射装置を用いて噴射させることを特徴とする医療機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４５０３１（Ｐ２０１２−１４５０３１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３７２３（Ｐ２０１１−３７２３）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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