流体噴射装置、流体噴射装置の制御方法
【課題】起動直後から安定した流体噴射ができる流体噴射装置を提供する。
【解決手段】流体噴射装置１は、流体室８０の容積を圧電素子３０及びダイアフラム４０により変化させて流体噴射開口部９６から液体をパルス状に噴射する脈流発生部２０と、脈流発生部２０に液体を供給するポンプ１０と、脈流発生部２０と前記ポンプ１０とを連通する柔軟性を有するチューブ４と、脈流発生部２０と前記ポンプ１０の駆動制御を行う駆動制御部１５と、が備えられ、脈流発生部２０を起動させるとほぼ同時にポンプ１０から定常流量に対して増加流量を増加流量指定時間の範囲内に供給し、増加流量指定時間経過後、定常流量に復帰させる。このことにより、脈流発生部２０内の流路抵抗の上昇に起因するチューブ４の膨張がある場合においても、脈流発生部２０への流体供給量の減少を抑制し、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。
【解決手段】流体噴射装置１は、流体室８０の容積を圧電素子３０及びダイアフラム４０により変化させて流体噴射開口部９６から液体をパルス状に噴射する脈流発生部２０と、脈流発生部２０に液体を供給するポンプ１０と、脈流発生部２０と前記ポンプ１０とを連通する柔軟性を有するチューブ４と、脈流発生部２０と前記ポンプ１０の駆動制御を行う駆動制御部１５と、が備えられ、脈流発生部２０を起動させるとほぼ同時にポンプ１０から定常流量に対して増加流量を増加流量指定時間の範囲内に供給し、増加流量指定時間経過後、定常流量に復帰させる。このことにより、脈流発生部２０内の流路抵抗の上昇に起因するチューブ４の膨張がある場合においても、脈流発生部２０への流体供給量の減少を抑制し、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流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。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体をパルス状に噴射して対象物の切断また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、生体組織を切開また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、流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、脈流発生部に流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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、流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。また、脈流発生部と流体供給部とを流体供給チューブで連通している。流体噴射装置を手術具として用いる場合、脈流発生部を把持して操作する。従って、流体供給チューブは操作性を高めるために柔軟性を有するものが用いられる。
【０００５】
パルス状に高速噴射させる場合、脈流発生部を駆動すると脈流発生部の内部流路の流路抵抗が増加し、流体供給チューブ内の流体圧力も増加して、柔軟性を有する流体供給チューブは径方向に膨張される。このことにより、脈流発生部を起動したときに、脈流発生部への流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。流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流体流量を意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る流体噴射装置は、流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、前記脈流発生部と前記流体供給部の駆動制御を行う駆動制御部と、が備えられ、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第１流量の流体を所定時間供給させ、前記所定時間経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることを特徴とする。
【０００８】
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流量の流体を供給させることにより、流体供給チューブが膨張することに起因する脈流発生部への流体供給量の一時的な減少を抑制し、いち早く脈動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流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。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記駆動制御部が、前記流体供給チューブの材質、外径、長さ、並びに厚さの少なくとも一つを含むチューブ情報と、前記第２流量と、を用いて前記所定時間と前記第１流量とを決定することが好ましい。
【００１０】
第１流量と所定時間とは、流体供給チューブの膨張量を決定する要因である材質、外径、長さ、厚さ（肉厚）の少なくとも一つを含むチューブ情報と、第２流量と、を用いて決定する。流体供給チューブの膨張量は、脈流発生部への流体供給の減少量に匹敵する。従って、脈流発生部への流体供給量を精度よく増加させることにより、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。
【００１１】
［適用例３］本適用例に係る流体噴射装置の制御方法は、流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、前記脈流発生部と前記流体供給部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、前記駆動制御部が、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第１流量の流体を所定時間供給させることと、前記駆動制御部が、前記所定時間の経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
このような制御方法によれば、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流量の流体を供給させることにより、流体供給チューブが膨張した場合においても、脈流発生部への流体供給量の減少を抑制し、いち早く脈動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流体を安定してパルス状に高速噴射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１に係る流体噴射装置を示す構成説明図。
【図２】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。
【図３】実施形態１に係る制御系の概略構成を示す構成説明図。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、生体組織を切開また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。従って、実施形態にて用いる流体は、水または生理食塩水等の液体である。なお、以降説明する図２、図７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）
【００１５】
図１は、実施形態１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
脈流発生部２０は、脈流発生部起動スイッチ２５と、ポンプ１０からの供給流量を選択する供給流量切換スイッチ２６とを備えている。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と供給流量切換スイッチ２６を手元に備えることで操作性を高めている。なお、脈流発生部起動スイッチ２５は脈流発生部２０の起動及び停止、供給流量切換スイッチ２６はポンプ１０の定常供給量の選択的切換えを司る。
【００１９】
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、一定の圧力でチューブ４を介して脈流発生部２０に供給される。つまり、チューブ４の膨張が無い場合は、一定の流量（定常流量と表す）で供給される。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２、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、液体の流量または流速が周期的また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、液体の流量または流速が周期的または不定期な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または移動速度が周期的また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または移動速度が周期的また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。脈流発生部２０については、図２を参照して後述する。
【００２０】
ここで、この流体噴射装置１を用いて手術をする際、術者が把持する部位は脈流発生部２０である。従って、術者による操作性を高めるために、チューブ４はできるだけ柔軟であることが好ましい。流体供給チューブの剛性は特に限定しないが、流体供給チューブ内の流体圧力に応じて、流体供給チューブが径方向に膨張する程度の柔軟性を有するチューブであればよい。
【００２１】
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２は、本実施形態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である。脈流発生部２０は、ポンプ１０からチューブ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の略中央部には出口流路８２が開口されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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が取付けられている。
【００２６】
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２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の差によって行われる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、流体の圧力伝播に十分な剛性を有している。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、伸張した圧電素子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、入口流路側及び出口流路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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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３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、脈流発生部起動スイッチ２５と、ポンプ１０の供給流量切換スイッチ２６と、ポンプ駆動スイッチ２８と、から構成されている。
【００３９】
脈流発生部起動スイッチ２５と供給流量切換スイッチ２６とは、脈流発生部２０に配設され、ポンプ駆動スイッチ２８はポンプ１０に配設される。なお、ポンプ駆動スイッチ２８は脈流発生部２０または駆動制御部１５に配設してもよい。
【００４０】
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、ポンプ１０による指定の定常流量と、チューブ情報と、これらから算出される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）等が含まれる。図３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。
【００４１】
チューブ情報は、チューブ情報入力手段２７によって制御回路１５１に入力され、制御回路１５１内の演算部（図示せず）によって、チューブ情報と指定される定常流量とから増加流量と増加流量で供給する指定時間を算出してＬＵＴを作成する。チューブ情報入力手段２７としては、キーボードまたは入力スイッチ等を用いることができる。なお、ＬＵＴは、実験によって求めたチューブ情報および指定される定常流量と、増加流量および増加流量で供給する指定時間との関係に基づいて、流体噴射装置１の出荷前に予め作成してもよい。
【００４２】
次に、ＬＵＴの内容について説明する。表１は、本実施形態に係るＬＵＴの１例を示している。
【００４３】
【表１】
【００４４】
本例では、指定の流量（定常流量）と、チューブ情報としてチューブ材質、チューブ外径、チューブ長さ、チューブ厚さ（チューブの肉厚）と、定常流量及びチューブ情報を用いて算出される制御条件として増加流量と、この増加流量を流動する指定時間と、を算出している。
【００４５】
ここで、定常流量は、チューブ内の上昇圧力を算出するために必要な要素であり、チューブ材質は、チューブの物理定数（ヤング率）を決定する要素である。
【００４６】
流体噴射装置１を駆動する場合、まず、供給流量切換スイッチ２６により定常流量を指定し、ポンプ駆動スイッチ２８を操作しポンプ１０を駆動する。その際、チューブ情報入力手段２７から使用されるチューブ４のチューブ情報を制御回路１５１に入力する。制御回路１５１からのチューブ情報に基づく読み出し信号により、ＬＵＴ１５２からは脈流発生部２０の制御条件が読み出される。
【００４７】
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）
【００４８】
続いて、流体噴射装置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４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は指定された定常流量ｑ１の液体を供給している。ここで、脈流発生部２０を起動すると、脈流発生部２０の流路抵抗が無い場合もしくは著しく小さい場合は、供給流量（定常流量）と噴射流量（定常噴射量）はほぼ等しくなる。
【００４９】
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内部流路の流路抵抗が増加し、チューブ４内の流体圧力も増加して、柔軟性を有するチューブ４は径方向に膨張される。このことにより、脈流発生部２０への流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。
【００５０】
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。
【００５１】
図５は、本実施形態に係る流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図である。図５に示すフローに沿って説明する。図１、図３、図４も参照する。
【００５２】
図５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。
【００５３】
まず、脈流発生部２０を駆動させる前に、チューブ情報入力手段２７によりチューブ情報を制御回路１５１に入力する（ステップ１０、なお、以降ステップをＳＴと表す）。仮にチューブ情報として、チューブ材質Ａ、チューブ外径２ｍｍ、チューブ長さ１０００ｍｍ、チューブ厚さ１ｍｍを入力する。
【００５４】
続いて、供給流量切換スイッチ２６を操作して指定の流量（定常流量）を選択する（ＳＴ２０）。仮に１００ｍｌ／ｈ（ｍｌ／時間）を選択したものとする。すると、入力したチューブ情報と指定の流量（指定の定常流量）から、例えば表１に示したＬＵＴ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。
【００５５】
続いて、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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
そして、手術等を休止または終了する場合は、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）。従って、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状態切換スイッチである。
【００５９】
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ポンプ駆動スイッチ２８を操作してポンプ１０を駆動停止させる（ＳＴ１００）。
【００６０】
また、ＳＴ９０にて一時休止とした場合には、ポンプ駆動スイッチ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。
【００６１】
なお、一時休止期間後に再起動するときに指定の流量（定常流量）を２００ｍｌ／ｈに切換える必要性が生じた場合は、供給流量切換スイッチ２６を操作して２００ｍｌ／ｈを選択すれば、入力されたチューブ情報に対応した増加流量及び指定時間で液体供給量を制御することが可能である。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。
【００６２】
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６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）。
【００６３】
従って、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。
【００６４】
以上説明した本実施形態による流体噴射装置及び、この流体噴射装置の制御方法によれば、脈流発生部２０を起動したときに、ポンプ１０からの流体供給量を定常流量よりもチューブ４の膨張による減少量を補うように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。
【００６５】
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または無い状態で圧電素子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。
【００６６】
また、チューブ情報と、指定された定常流量と、から算出さ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。
【００６７】
また、指定時間と増加流量とは、流体供給チューブの材質と外径と長さと厚さとを含むチューブ情報と、定常流量と、を用いて算出され、これらの制御情報をＬＵＴ１５２として入力しておき、脈流発生部２０の起動に従ってＬＵＴ１５２より読み出すことから、操作者（術者）は都度、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。
（実施形態２）
【００６８】
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。
【００６９】
図７は、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。
【００７０】
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７から明らかなように、実施形態２に係る脈流発生部１２０は、入口流路１８１、流体室１８０、および出口流路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。
【００７１】
また、図７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。
【００７２】
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の容積を縮小する量（＝流体室の排除体積）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の排除体積を大きくすることができない。
【００７３】
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、実施形態２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排除体積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。
【００７４】
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。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。従って、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。
【００７５】
このように構成される細い筒状の脈流発生部であっても、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。
【００７６】
なお、本実施形態では、脈流発生部起動スイッチ２５、供給流量切換スイッチ２６、ポンプ駆動スイッチ２８は、駆動制御部１５またはポンプ１０に配設される。
【００７７】
本実施形態における流体噴射装置１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。
【００７８】
なお、前述した実施形態１、実施形態２では、ＬＵＴ１５２に制御情報を格納しているが、チューブ４に圧力センサーを配設し、圧力センサーの圧力変化によりチューブ４の膨張を検出して、フィードバック信号に基づきポンプ１０からの供給流量を制御する構成とすることができる。
【００７９】
また、供給流量切換スイッチ２６をダイヤル式スイッチとし、ＬＵＴ１５２（表１）の制御条件（ａ１〜ａ６、ｂ４〜ｂ６）を直接選択する構成としてもよい。
【００８０】
また、前述した実施形態１、実施形態２では、ダイアフラムを圧電素子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。
【００８１】
また、前述した実施形態１では、ＬＵＴの１例として、指定の流量（定常流量）と、チューブ情報としてチューブ材質、チューブ外径、チューブ長さ、チューブ厚さ（チューブの肉厚）と、定常流量及びチューブ情報とを用いて算出される制御条件として増加流量と、この増加流量を流動する指定時間と、を算出する構成としたが、これに限らず、接続するチューブから増加流量と増加流量を流動する指定時間とを導出できればよい。例えば、チューブ情報として、チューブ材質、チューブ外径、チューブ長さ、チューブ厚さ（チューブの肉厚）の少なくともいずれかが含まれていればよい。
【００８２】
また、前述した実施形態１では、ＬＵＴを参照して、入力されたチューブ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、入力されたチューブ情報に対応する制御条件がＬＵＴに存在しない場合には、ＬＵＴとして記憶されている複数のチューブ情報および制御条件から、入力されたチューブ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、入力されたチューブ情報に対応する制御条件がＬＵＴ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。
【００８３】
また、前述した実施形態１では、チューブ情報をチューブ情報入力手段２７によって入力するように構成したが、これに限らず、チューブに貼り付けられたＲＦ−ＩＤやバーコードを読み込むことによってチューブ情報を制御回路１５１に入力するように構成してもよい。これにより、チューブ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。
【符号の説明】
【００８４】
１…流体噴射装置、４…チューブ、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、３０…容積変更手段としての圧電素子、４０…ダイアフラム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流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。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体をパルス状に噴射して対象物の切断また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、生体組織を切開また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、流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、脈流発生部に流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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、流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。また、脈流発生部と流体供給部とを流体供給チューブで連通している。流体噴射装置を手術具として用いる場合、脈流発生部を把持して操作する。従って、流体供給チューブは操作性を高めるために柔軟性を有するものが用いられる。
【０００５】
パルス状に高速噴射させる場合、脈流発生部を駆動すると脈流発生部の内部流路の流路抵抗が増加し、流体供給チューブ内の流体圧力も増加して、柔軟性を有する流体供給チューブは径方向に膨張される。このことにより、脈流発生部を起動したときに、脈流発生部への流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。流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流体流量を意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る流体噴射装置は、流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、前記脈流発生部と前記流体供給部の駆動制御を行う駆動制御部と、が備えられ、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第１流量の流体を所定時間供給させ、前記所定時間経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることを特徴とする。
【０００８】
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流量の流体を供給させることにより、流体供給チューブが膨張することに起因する脈流発生部への流体供給量の一時的な減少を抑制し、いち早く脈動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流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。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に係る流体噴射装置は、前記駆動制御部が、前記流体供給チューブの材質、外径、長さ、並びに厚さの少なくとも一つを含むチューブ情報と、前記第２流量と、を用いて前記所定時間と前記第１流量とを決定することが好ましい。
【００１０】
第１流量と所定時間とは、流体供給チューブの膨張量を決定する要因である材質、外径、長さ、厚さ（肉厚）の少なくとも一つを含むチューブ情報と、第２流量と、を用いて決定する。流体供給チューブの膨張量は、脈流発生部への流体供給の減少量に匹敵する。従って、脈流発生部への流体供給量を精度よく増加させることにより、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。
【００１１】
［適用例３］本適用例に係る流体噴射装置の制御方法は、流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、前記脈流発生部と前記流体供給部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、前記駆動制御部が、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第１流量の流体を所定時間供給させることと、前記駆動制御部が、前記所定時間の経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
このような制御方法によれば、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流量の流体を供給させることにより、流体供給チューブが膨張した場合においても、脈流発生部への流体供給量の減少を抑制し、いち早く脈動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流体を安定してパルス状に高速噴射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１に係る流体噴射装置を示す構成説明図。
【図２】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。
【図３】実施形態１に係る制御系の概略構成を示す構成説明図。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、生体組織を切開また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。従って、実施形態にて用いる流体は、水または生理食塩水等の液体である。なお、以降説明する図２、図７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）
【００１５】
図１は、実施形態１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
脈流発生部２０は、脈流発生部起動スイッチ２５と、ポンプ１０からの供給流量を選択する供給流量切換スイッチ２６とを備えている。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と供給流量切換スイッチ２６を手元に備えることで操作性を高めている。なお、脈流発生部起動スイッチ２５は脈流発生部２０の起動及び停止、供給流量切換スイッチ２６はポンプ１０の定常供給量の選択的切換えを司る。
【００１９】
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、一定の圧力でチューブ４を介して脈流発生部２０に供給される。つまり、チューブ４の膨張が無い場合は、一定の流量（定常流量と表す）で供給される。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２、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、液体の流量または流速が周期的また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、液体の流量または流速が周期的または不定期な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または移動速度が周期的また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または移動速度が周期的また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。脈流発生部２０については、図２を参照して後述する。
【００２０】
ここで、この流体噴射装置１を用いて手術をする際、術者が把持する部位は脈流発生部２０である。従って、術者による操作性を高めるために、チューブ４はできるだけ柔軟であることが好ましい。流体供給チューブの剛性は特に限定しないが、流体供給チューブ内の流体圧力に応じて、流体供給チューブが径方向に膨張する程度の柔軟性を有するチューブであればよい。
【００２１】
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２は、本実施形態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である。脈流発生部２０は、ポンプ１０からチューブ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の略中央部には出口流路８２が開口されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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が取付けられている。
【００２６】
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２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の差によって行われる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、流体の圧力伝播に十分な剛性を有している。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、伸張した圧電素子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、入口流路側及び出口流路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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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３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、脈流発生部起動スイッチ２５と、ポンプ１０の供給流量切換スイッチ２６と、ポンプ駆動スイッチ２８と、から構成されている。
【００３９】
脈流発生部起動スイッチ２５と供給流量切換スイッチ２６とは、脈流発生部２０に配設され、ポンプ駆動スイッチ２８はポンプ１０に配設される。なお、ポンプ駆動スイッチ２８は脈流発生部２０または駆動制御部１５に配設してもよい。
【００４０】
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、ポンプ１０による指定の定常流量と、チューブ情報と、これらから算出される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）等が含まれる。図３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。
【００４１】
チューブ情報は、チューブ情報入力手段２７によって制御回路１５１に入力され、制御回路１５１内の演算部（図示せず）によって、チューブ情報と指定される定常流量とから増加流量と増加流量で供給する指定時間を算出してＬＵＴを作成する。チューブ情報入力手段２７としては、キーボードまたは入力スイッチ等を用いることができる。なお、ＬＵＴは、実験によって求めたチューブ情報および指定される定常流量と、増加流量および増加流量で供給する指定時間との関係に基づいて、流体噴射装置１の出荷前に予め作成してもよい。
【００４２】
次に、ＬＵＴの内容について説明する。表１は、本実施形態に係るＬＵＴの１例を示している。
【００４３】
【表１】
【００４４】
本例では、指定の流量（定常流量）と、チューブ情報としてチューブ材質、チューブ外径、チューブ長さ、チューブ厚さ（チューブの肉厚）と、定常流量及びチューブ情報を用いて算出される制御条件として増加流量と、この増加流量を流動する指定時間と、を算出している。
【００４５】
ここで、定常流量は、チューブ内の上昇圧力を算出するために必要な要素であり、チューブ材質は、チューブの物理定数（ヤング率）を決定する要素である。
【００４６】
流体噴射装置１を駆動する場合、まず、供給流量切換スイッチ２６により定常流量を指定し、ポンプ駆動スイッチ２８を操作しポンプ１０を駆動する。その際、チューブ情報入力手段２７から使用されるチューブ４のチューブ情報を制御回路１５１に入力する。制御回路１５１からのチューブ情報に基づく読み出し信号により、ＬＵＴ１５２からは脈流発生部２０の制御条件が読み出される。
【００４７】
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）
【００４８】
続いて、流体噴射装置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４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は指定された定常流量ｑ１の液体を供給している。ここで、脈流発生部２０を起動すると、脈流発生部２０の流路抵抗が無い場合もしくは著しく小さい場合は、供給流量（定常流量）と噴射流量（定常噴射量）はほぼ等しくなる。
【００４９】
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内部流路の流路抵抗が増加し、チューブ４内の流体圧力も増加して、柔軟性を有するチューブ４は径方向に膨張される。このことにより、脈流発生部２０への流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。
【００５０】
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。
【００５１】
図５は、本実施形態に係る流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図である。図５に示すフローに沿って説明する。図１、図３、図４も参照する。
【００５２】
図５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。
【００５３】
まず、脈流発生部２０を駆動させる前に、チューブ情報入力手段２７によりチューブ情報を制御回路１５１に入力する（ステップ１０、なお、以降ステップをＳＴと表す）。仮にチューブ情報として、チューブ材質Ａ、チューブ外径２ｍｍ、チューブ長さ１０００ｍｍ、チューブ厚さ１ｍｍを入力する。
【００５４】
続いて、供給流量切換スイッチ２６を操作して指定の流量（定常流量）を選択する（ＳＴ２０）。仮に１００ｍｌ／ｈ（ｍｌ／時間）を選択したものとする。すると、入力したチューブ情報と指定の流量（指定の定常流量）から、例えば表１に示したＬＵＴ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。
【００５５】
続いて、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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
そして、手術等を休止または終了する場合は、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）。従って、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状態切換スイッチである。
【００５９】
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ポンプ駆動スイッチ２８を操作してポンプ１０を駆動停止させる（ＳＴ１００）。
【００６０】
また、ＳＴ９０にて一時休止とした場合には、ポンプ駆動スイッチ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。
【００６１】
なお、一時休止期間後に再起動するときに指定の流量（定常流量）を２００ｍｌ／ｈに切換える必要性が生じた場合は、供給流量切換スイッチ２６を操作して２００ｍｌ／ｈを選択すれば、入力されたチューブ情報に対応した増加流量及び指定時間で液体供給量を制御することが可能である。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。
【００６２】
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６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）。
【００６３】
従って、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。
【００６４】
以上説明した本実施形態による流体噴射装置及び、この流体噴射装置の制御方法によれば、脈流発生部２０を起動したときに、ポンプ１０からの流体供給量を定常流量よりもチューブ４の膨張による減少量を補うように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。
【００６５】
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または無い状態で圧電素子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。
【００６６】
また、チューブ情報と、指定された定常流量と、から算出さ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。
【００６７】
また、指定時間と増加流量とは、流体供給チューブの材質と外径と長さと厚さとを含むチューブ情報と、定常流量と、を用いて算出され、これらの制御情報をＬＵＴ１５２として入力しておき、脈流発生部２０の起動に従ってＬＵＴ１５２より読み出すことから、操作者（術者）は都度、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。
（実施形態２）
【００６８】
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。
【００６９】
図７は、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。
【００７０】
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７から明らかなように、実施形態２に係る脈流発生部１２０は、入口流路１８１、流体室１８０、および出口流路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。
【００７１】
また、図７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。
【００７２】
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の容積を縮小する量（＝流体室の排除体積）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の排除体積を大きくすることができない。
【００７３】
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、実施形態２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排除体積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。
【００７４】
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。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。従って、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。
【００７５】
このように構成される細い筒状の脈流発生部であっても、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。
【００７６】
なお、本実施形態では、脈流発生部起動スイッチ２５、供給流量切換スイッチ２６、ポンプ駆動スイッチ２８は、駆動制御部１５またはポンプ１０に配設される。
【００７７】
本実施形態における流体噴射装置１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。
【００７８】
なお、前述した実施形態１、実施形態２では、ＬＵＴ１５２に制御情報を格納しているが、チューブ４に圧力センサーを配設し、圧力センサーの圧力変化によりチューブ４の膨張を検出して、フィードバック信号に基づきポンプ１０からの供給流量を制御する構成とすることができる。
【００７９】
また、供給流量切換スイッチ２６をダイヤル式スイッチとし、ＬＵＴ１５２（表１）の制御条件（ａ１〜ａ６、ｂ４〜ｂ６）を直接選択する構成としてもよい。
【００８０】
また、前述した実施形態１、実施形態２では、ダイアフラムを圧電素子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。
【００８１】
また、前述した実施形態１では、ＬＵＴの１例として、指定の流量（定常流量）と、チューブ情報としてチューブ材質、チューブ外径、チューブ長さ、チューブ厚さ（チューブの肉厚）と、定常流量及びチューブ情報とを用いて算出される制御条件として増加流量と、この増加流量を流動する指定時間と、を算出する構成としたが、これに限らず、接続するチューブから増加流量と増加流量を流動する指定時間とを導出できればよい。例えば、チューブ情報として、チューブ材質、チューブ外径、チューブ長さ、チューブ厚さ（チューブの肉厚）の少なくともいずれかが含まれていればよい。
【００８２】
また、前述した実施形態１では、ＬＵＴを参照して、入力されたチューブ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、入力されたチューブ情報に対応する制御条件がＬＵＴに存在しない場合には、ＬＵＴとして記憶されている複数のチューブ情報および制御条件から、入力されたチューブ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、入力されたチューブ情報に対応する制御条件がＬＵＴ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。
【００８３】
また、前述した実施形態１では、チューブ情報をチューブ情報入力手段２７によって入力するように構成したが、これに限らず、チューブに貼り付けられたＲＦ−ＩＤやバーコードを読み込むことによってチューブ情報を制御回路１５１に入力するように構成してもよい。これにより、チューブ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。
【符号の説明】
【００８４】
１…流体噴射装置、４…チューブ、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、３０…容積変更手段としての圧電素子、４０…ダイアフラム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、
前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、
前記脈流発生部と前記流体供給部の駆動制御を行う駆動制御部と、が備えられ、
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第１流量の流体を所定時間供給させ、前記所定時間経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置において、
前記駆動制御部は、前記流体供給チューブの材質、外径、長さ、並びに厚さの少なくとも一つを含むチューブ情報と、前記第２流量と、を用いて前記所定時間と前記第１流量とを決定することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、前記脈流発生部と前記流体供給部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、
前記駆動制御部が、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第１流量の流体を所定時間供給させることと、
前記駆動制御部が、前記所定時間の経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることと、
を含むことを特徴とする流体噴射装置の制御方法。
【請求項１】
流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、
前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、
前記脈流発生部と前記流体供給部の駆動制御を行う駆動制御部と、が備えられ、
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第１流量の流体を所定時間供給させ、前記所定時間経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体噴射装置において、
前記駆動制御部は、前記流体供給チューブの材質、外径、長さ、並びに厚さの少なくとも一つを含むチューブ情報と、前記第２流量と、を用いて前記所定時間と前記第１流量とを決定することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
流体をパルス状に噴射する脈流発生部と、前記脈流発生部に流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を連通する柔軟性を有する流体供給チューブと、前記脈流発生部と前記流体供給部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、
前記駆動制御部が、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第１流量の流体を所定時間供給させることと、
前記駆動制御部が、前記所定時間の経過後、前記流体供給部から前記第１流量よりも少ない第２流量の流体を供給させることと、
を含むことを特徴とする流体噴射装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−３８４７９（Ｐ２０１１−３８４７９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８７０７６（Ｐ２００９−１８７０７６）
【出願日】平成２１年８月１２日（２００９．８．１２）
【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２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１２日（２００９．８．１２）
【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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