液体噴射装置
【課題】液体噴射装置の液体室内に気泡が滞留し難くすることによって、安定した液体噴射を可能とする。
【解決手段】液体噴射装置１０は、ノズル１０２から液体を噴射する液体噴射装置であって、液体が供給される入口流路１０６ａと、ノズル１０２に連通する出口流路１０６ｂと、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとの間で、変形可能な仕切壁１２０ｗによって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室１１０と、液体室１１０の容積を所与の容積よりも減少させる圧電素子１１２と、液体が液体室１１０に充填された状態で、圧電素子１１２を駆動することによって、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射させる制御部２００を備えている。このようにすれば、液体室１１０内の液体の流れが渦巻き流路に沿って規制され、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制して、液体室内の気泡を出口流路１０６ｂから速やかに排出することができる。
【解決手段】液体噴射装置１０は、ノズル１０２から液体を噴射する液体噴射装置であって、液体が供給される入口流路１０６ａと、ノズル１０２に連通する出口流路１０６ｂと、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとの間で、変形可能な仕切壁１２０ｗによって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室１１０と、液体室１１０の容積を所与の容積よりも減少させる圧電素子１１２と、液体が液体室１１０に充填された状態で、圧電素子１１２を駆動することによって、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射させる制御部２００を備えている。このようにすれば、液体室１１０内の液体の流れが渦巻き流路に沿って規制され、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制して、液体室内の気泡を出口流路１０６ｂから速やかに排出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水や生理食塩水などの液体を加圧して、断面積が細く絞られたノズルから生体組織に向けて噴射することによって、生体組織を切開あるいは切除する液体噴射装置が開発されている。このような液体噴射装置を用いた手術では、神経や血管等を傷つけることなく臓器などの組織だけを選択的に切開あるいは切除することが可能であり、周囲の組織に与える損傷が少ないので、患者の負担を小さくすることが可能である。
【０００３】
さらに、単にノズルから連続的に液体を噴射するのではなく、パルス状に液体を噴射することで、少ない噴射量で生体組織の切開や切除を可能にした液体噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この液体噴射装置は、液体室に液体を充填した状態で、液体室の容積を急速に減少させることで液体室内の圧力を急速に上昇させ、その圧力によって、液体室に接続されたノズルからパルス状に液体を噴射する。続いて、液体室の容積を元に戻して再び液体を充填する。こうした動作を繰り返すことで、パルス状の噴流を周期的に発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このように液体をパルス状に噴射する液体噴射装置では、液体中に存在している気泡や、液体中に溶解していた気体が条件によって気泡化して発生した気泡が液体室内に滞留することで、切開や切除の能力が低下するという問題があった。すなわち、上述したように、パルス状の噴流は、液体室の容積を減少させて液体室内の液体を加圧することで発生させているので、液体室内に気泡があると、液体室の容積を減少させても気泡が圧縮されることによって液体を十分に加圧できない。このため、ノズルからパルス状に液体を噴射することができなくなり、切開や切除する能力が低下してしまうという課題を有していた。
【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］本適用例に係る液体噴射装置は、ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、前記液体が供給される入口流路と、前記ノズルに連通する出口流路と、前記入口流路と前記出口流路との間で、変形可能な仕切壁によって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室と、前記液体室の容積を前記所与の容積よりも減少させる第１方向側に、前記液体室を変形させる容積変更部と、前記液体が前記液体室に充填された状態で、前記容積変更部を駆動することによって、前記ノズルから液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、入口流路から供給される液体が液体室に充填された状態で、容積変部を駆動すると、液体室が第１方向側に変形して容積変更部の駆動前よりも液体室の容積が減少するので、液体室内で加圧された液体が出口流路を通ってノズルから噴射される。この液体室の内部には、渦巻き形状の流路（渦巻き流路）が変形可能な仕切壁で形成されており、入口流路から供給される液体は、渦巻き形状の流路に沿って流れ、出口流路まで導かれるようになっている。
【０００９】
液体室内の液体の流れが不規則で流れが速い箇所と遅い箇所とがあると、流れの遅い箇所に気泡が滞留し易く、こうした気泡の存在によって液体室の圧力が十分に上昇しないので、液体を強く噴射できなくなってしまう。そこで、入口流路から出口流路まで液体を導く渦巻き流路を液体室に形成しておけば、液体室内の液体の流れが渦巻き流路に沿って規制される。よって、液体室内の全ての部分で液体が十分な速さの流速で流れるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制して、液体室内の気泡を出口流路から速やかに排出することができる。その結果として、気泡の影響を受けることなく、安定した液体の噴射が可能となる。
【００１０】
また、渦巻き流路を形成する仕切壁は変形可能に設けられていることから、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁が出口流路に向かって流路を収縮させるように変形することによって、液体室内の加圧された液体を出口流路に向かって移動させ、液体を適切に噴射させることができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記容積変更部は圧電素子を有し、前記圧電素子を伸張させることによって前記液体室の容積を減少させ、且つ、前記圧電素子は、前記圧電素子を伸張させない状態において、前記液体室を押圧するよう配設されていること、が好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、伸張することで液体室の容積を減少させる圧電素子は、外部からの圧縮力に対しては強いが引張力に対しては弱いという特性を有しているので、圧電素子に引張力が作用すると破損の原因となる。そこで、圧電素子を伸張させない状態においても、液体室を押圧する状態で圧電素子を設けておけば、その押圧の反力として、圧電素子に対して圧縮方向の力を予め作用させておくことができる。これにより、圧電素子に引張方向の力がかかる際には、その引張方向の力が軽減されるので、引張力の作用による圧電素子の破損の発生を低減することが可能となる。
【００１３】
さらに、圧電素子を伸張させない状態においても、液体室を押圧する状態で圧電素子を設けておけば、圧電素子が伸張し始めたときに直ちに液体室押圧を開始する。よって、圧電素子の伸張と液体室の押圧との間にストロークロスがなく、効率よく液体噴射が行えるという効果もある。
【００１４】
［適用例３］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路の断面積が前記出口流路の断面積より小さく、且つ前記入口流路がキャピラリーであること、が好ましい。
【００１５】
このようにすれば、液体室の容積を縮小する際、入口流路からの逆流を抑えて液体室内の圧力を高め、断面積の大きい出口流路からの流出をし易くすることができる。
【００１６】
［適用例４］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が固定されていない状態で設けられていること、が好ましい。
【００１７】
このような構成によれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、仕切壁の先端側が出口流路に向けて倒れるように変形可能なので、液体室の内部に、仕切壁を乗り越えて出口流路に向かう液体の流れを発生させることができる。このように渦巻き流路を横切る流れによって出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
【００１８】
尚、渦巻き流路を形成する仕切壁は、必ずしも液体室の内面から立設されていなくてもよく、液体室の第１方向側の面および第２方向側の面のいずれの面にも固定されていない状態で設けておいてもよい。この場合には、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少すると、仕切壁が出口流路に向けて変形し、液体室内の液体も液体室の中央の出口流路に向かって移動させることができる。
【００１９】
［適用例５］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が前記一方の面と向かい合う他方の面に固定された状態で設けられていること、が好ましい。
【００２０】
このような構成においても、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端（基部および先端）が固定された仕切壁が出口流路に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体は出口流路に向かって移動させることができる。
【００２１】
［適用例６］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室の流路は、断面積がほぼ均一に形成されていること、が好ましい。
【００２２】
このように渦巻き流路の断面積をほぼ均一にしておけば、液体室に供給される液体を渦巻き流路に沿って一定の流速で流すことができる。そのため、流れの遅い箇所に気泡が滞留することは無く、液体室内の気泡を一定の流速の流れに乗せて速やかに出口流路から排出することが可能となる。
【００２３】
［適用例７］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路は、前記液体室の外周縁部に連通され、前記出口流路は、前記液体室の中央部に連通されていること、が好ましい。
【００２４】
このような構成にすれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端（基部および先端）が固定された仕切壁の中央部分が液体室の中央に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体は液体室の中央の出口流路に向かって移動することができる。これにより、液体室の内部に渦巻き形状の壁が設けられていても、この渦巻き形状の仕切壁の最内郭の内側には中央の出口流路に向かう液体の流れが生じて、出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
【００２５】
［適用例８］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路が、前記液体室の中央部に連通され、前記出口流路が、前記液体室の外周縁部に連通されていること、が好ましい。
【００２６】
このような構成にすれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端（基部および先端）が固定された仕切壁のが液体室の外周方向に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体を液体室の外周縁の出口流路に向かって移動させることができる。これにより、液体室の内部に渦巻き形状の仕切壁が設けられていても、この渦巻き形状の仕切壁の最外郭の内側には外周縁の出口流路に向かう液体の流れが生じて、液体を強く噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態１の液体噴射装置における代表実施例の主要構成を示した説明図。
【図２】脈動発生部の断面を示す分解組立図。
【図３】流路形成部材の形状を示した説明図。
【図４】脈動発生部が液体を噴射する様子を示した説明図（圧電素子を駆動しない状態）。
【図５】脈動発生部が液体を噴射する様子を示した説明図（圧電素子を駆動して液体室を押圧した状態）。
【図６】第１変形例の脈動発生部の内部構造を示した説明図であり、（ａ）は、圧電素子が駆動していない状態、（ｂ）は、駆動電圧の印加によって圧電素子が伸張した状態。
【図７】第２変形例の脈動発生部の内部構造を示した説明図であり、（ａ）は、圧電素子が駆動していない状態、（ｂ）は、駆動電圧の印加によって圧電素子が伸張した状態。
【図８】実施形態２に係る脈動発生部の断面の一部を示す分解組立図。
【図９】実施形態２に係る流路形成部材の形状を示した説明図。
【図１０】実施形態２に係る脈動発生部が液体を噴射する様子を示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施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。
（実施形態１）
【００２９】
まず、実施形態１の代表実施例に係る液体噴射装置１０の構成について説明する。
図１は、本実施形態の液体噴射装置１０における代表実施例の主要構成を示した説明図である。本実施例の液体噴射装置１０は、水や生理食塩水などの液体をパルス状に噴射する脈動発生部１００と、液体を脈動発生部１００に供給する液体供給手段３００と、噴射する液体を収容する液体容器３０６と、脈動発生部１００及び液体供給手段３００の動作を制御する噴射制御手段としての制御部２００と、を有して構成されている。
【００３０】
脈動発生部１００は、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを重ねてネジ止めしたような構造となっており、第２ケース１０６の前面（第１ケース１０８と合わさる面とは反対側の面）には円管形状の液体噴射管１０４が接続され、液体噴射管１０４の先端にはノズル１０２が設けられている。
【００３１】
第２ケース１０６と第１ケース１０８との合わせ面には、液体が充填される液体室１１０が設けられており、この液体室１１０は、液体噴射管１０４を介してノズル１０２に連通されている。また、第１ケース１０８の内部には、容積変更部としての積層型の圧電素子１１２が設けられており、制御部２００から駆動電圧波形を印加して圧電素子１１２を駆動する（伸縮させる）ことにより、液体室１１０の容積を変動させて、液体室１１０内の液体をノズル１０２からパルス状に噴射することが可能となっている。尚、脈動発生部１００の詳細な構成については、図２を参照して後述する。
【００３２】
液体供給手段３００は、第１接続チューブ３０２を介して液体容器３０６と接続されており、液体容器３０６から吸い上げた液体を、第２接続チューブ３０４を介して脈動発生部１００の液体室１１０に供給する。本実施例の液体供給手段３００は、図示は省略するが、２つのピストンがシリンダー内で摺動する構成となっており、双方のピストンの移動速度を適切に制御することで、脈動発生部１００に向かって液体を安定して圧送させることが可能である。
【００３３】
制御部２００は、脈動発生部１００に内蔵された圧電素子１１２の動作や、液体供給手段３００の動作を制御している。本実施例の液体噴射装置１０では、液体供給手段３００から供給する液体の流量や、圧電素子１１２に印加する駆動電圧の波形、最大電圧値および周波数を変更することによって、ノズル１０２からの液体の噴射態様を変化させることが可能となっている。
【００３４】
続いて、脈動発生部１００の構成を図面を参照して説明する。
図２は、脈動発生部１００の断面を示す分解組立図である。前述したように、脈動発生部１００は、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めして構成されている。第１ケース１０８には、第２ケース１０６と合わさる面のほぼ中央に、円形の浅い凹部１０８ｃが形成されており、凹部１０８ｃの中央位置には、第１ケース１０８を貫通する円形断面の貫通穴１０８ｈが形成されている。そして、凹部１０８ｃの底面には、貫通穴１０８ｈを塞ぐように、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム１１４が密着固着されている。
【００３５】
ダイアフラム１１４によって塞がれた貫通穴１０８ｈには、圧電素子１１２が収納され、更に、貫通穴１０８ｈの開口部は第３ケース１１８によって塞がれている。また、圧電素子１１２とダイアフラム１１４との間には、円形の補強板１１６が挿入されている。そして、第１ケース１０８の貫通穴１０８ｈに圧電素子１１２を収納して、第３ケース１１８で貫通穴１０８ｈを塞いだ状態では、ダイアフラム１１４と、補強板１１６と、圧電素子１１２と、第３ケース１１８とがちょうど接するように、補強板１１６の厚さが設定されている。尚、圧電素子１１２の一端は、第３ケース１１８に固着されており、圧電素子１１２の他端は、補強板１１６に固着されている。また、補強板１１６の圧電素子１１２とは反対側の面は、ダイアフラム１１４に固着されている。
【００３６】
ダイアフラム１１４の上（第２ケース１０６と向かい合う側）からは、円形の支持板１２０ｂの片面に仕切壁１２０ｗが第１方向側に立設された流路形成部材１２０が、支持板１２０ｂをダイアフラム１１４と重ね合わせるように凹部１０８ｃに嵌め込まれている。支持板１２０ｂは、仕切壁１２０ｗが立設された面とは反対側の面がダイアフラム１１４に固着されており、さらに、支持板１２０ｂとダイアフラム１１４とを加えた厚さが凹部１０８ｃの深さと同じになるように形成されている。また、流路形成部材１２０は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。尚、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの形状については、図３を参照して後述する。
【００３７】
一方、第２ケース１０６には、第１ケース１０８と合わさる面に、円形の浅い凹部１０６ｃが形成されている。この凹部１０６ｃの内径は、第１ケース１０８に嵌め込まれた流路形成部材１２０の支持板１２０ｂの外径より小さく、かつ、支持板１２０ｂに立設された仕切壁１２０ｗを内包可能な大きさに設定されている。また、凹部１０６ｃの深さは、仕切壁１２０ｗの高さとほぼ同じになるように設定されている。
【００３８】
そして、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、第２ケース１０６の凹部１０６ｃと、第１ケース１０８側に設けられた流路形成部材１２０の支持板１２０ｂとによって、液体室１１０が形成される。さらに、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側の端部）は、第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗによって仕切られた流路が形成される。
【００３９】
しかし、これとは逆に、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂが第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めした状態では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第１ケース１０８と向かい合う側：第２方向側の端部）が、第１ケース１０８に設けられたダイアフラム１１４に固着されていてもよい。
【００４０】
また、第２ケース１０６には、第２ケース１０６に接続された第２接続チューブ３０４から供給される液体を液体室１１０まで導く入口流路１０６ａ、および液体室１１０内で加圧された液体を液体噴射管１０４へと導く出口流路１０６ｂが設けられている。このうち、入口流路１０６ａは、凹部１０６ｃの周縁の位置に開口しており、出口流路１０６ｂは、凹部１０６ｃの中央の位置に開口している。
【００４１】
第２ケース１０６の前面（第１ケース１０８と合わさる面とは反対側の面）に接続された液体噴射管１０４の内径は、出口流路１０６ｂの内径に比べて大きく設定されている。また、液体噴射管１０４の先端には、出口流路１０６ｂよりも内径が小さく設定された液体噴射開口部を有するノズル１０２が挿着されている。従って、液体室１１０から流出した液体が進む流路は、出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に到ると断面積が広くなり液体噴射管１０４の先端のノズル１０２の部分で再び断面積が狭くなるようになっている。
【００４２】
次に、流路形成部材１２０の構成について図３を参照して説明する。
図３は、流路形成部材１２０の形状を示した説明図である。図３では、流路形成部材１２０を第２ケース１０６と向かい合う側から見た状態を示している。図示されているように、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂは、ダイアフラム１１４と同一の円形に形成されており、この支持板１２０ｂの上面（第２ケース１０６と向かい合う面）に、支持板１２０ｂの中心部に向かって巻き込みながら旋回する渦巻き形状に仕切壁１２０ｗが立設されている。
【００４３】
この渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、最外郭の外周面が凹部１０６ｃの内周面と接するように形成されており、さらに、多重（図３の例では５重）に巻かれた仕切壁１２０ｗと仕切壁１２０ｗとの間隔は、ほぼ一定に設定である。前述したように、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、仕切壁１２０ｗによって、液体室１１０の内部には、周縁部から旋回しつつ中央に向かう渦巻き形状の流路（以下、渦巻き流路という）が形成される。
【００４４】
また、前述したように、第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂが接続されており、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを適切な位置で合わせてネジ止めすると、液体室１１０の内部に形成される渦巻き流路の中央側の突き当たり部分に出口流路１０６ｂが開口し、渦巻き流路の周縁側の突き当たり部分に入口流路１０６ａが開口するようになっている。
【００４５】
以上のように構成された脈動発生部１００では、圧電素子１１２に駆動電圧波形を印加して圧電素子１１２を駆動する（伸縮させる）ことによって、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。以下に、脈動発生部１００が液体を噴射する動作について説明する。
（実施形態１に係る液体噴射動作）
【００４６】
続いて、本実施形態に係る脈動発生部１００による液体噴射動作について説明する。
図４および図５は、脈動発生部１００が液体を噴射する様子を示した説明図であって、図４は、圧電素子１１２を駆動しない状態（圧電素子１１２に駆動電圧波形を印加する前の状態）を表している。図４（ａ）に示すように、液体供給手段３００から第２接続チューブ３０４を介して脈動発生部１００に供給される液体が入口流路１０６ａを通って液体室１１０へと流入することにより、液体室１１０内が液体で満たされる。尚、図中の破線の矢印は、液体の流れを模式的に表している。
【００４７】
また、前述したように、液体室１１０の内部には、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗで区画されることによって、渦巻き流路が形成されており、図４（ｂ）に示すように、液体室１１０の周縁部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体は、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って旋回しながら、液体室１１０の中央に開口する出口流路１０６ｂへと導かれる。このように渦巻き流路に沿って液体の流れを規制することによって、液体室１１０内に流れの速い箇所と遅い箇所とが生じることは無く、入口流路１０６ａから流入した液体を出口流路１０６ｂまでほぼ均一な流速で流すことができる。
【００４８】
なお、前述したように、液体供給手段３００からは液体が途切れることなく供給されるので、液体室１１０内が液体で満たされると、圧電素子１１２が駆動していなくても、液体室１１０内の液体が出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に向けて押し出されることになる。
【００４９】
図５は、圧電素子１１２を駆動して液体室１１０を押圧した状態を示している。液体室１１０が液体で満たされた状態で、圧電素子１１２に駆動電圧波形が印加さると、図５（ａ）に示すように、圧電素子１１２が駆動電圧の増加によって伸張し、補強板１１６を介してダイアフラム１１４および流路形成部材１２０の支持板１２０ｂを液体室１１０に向けて押圧する。このことによって、液体室１１０の容積が減少する。その結果、液体室１１０内の液体が加圧される。液体室１１０内で加圧された液体は、図５（ａ）中に破線の矢印で示したように、出口流路１０６ｂおよび液体噴射管１０４を介して、ノズル１０２からパルス状に噴射される。
【００５０】
なお、液体室１１０には、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの２つの流路が連通されている。従って、液体室１１０内で加圧された液体は、出口流路１０６ｂだけでなく、入口流路１０６ａからも流出すると考えられる。しかし、流路の液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まるので、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの断面積や長さを適切に設定しておけば、入口流路１０６ａよりも出口流路１０６ｂから液体が流出し易くすることが可能である。例えば、本実施例では、出口流路１０６ｂの直径は１ｍｍ程度、入口流路１０６ａの直径は０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状である。よって、入口流路１０６ａからの逆流は抑制される。
【００５１】
また、入口流路１０６ａでは、液体供給手段３００から圧送される液体が液体室１１０内に流入しようとする流れがあるので、液体室１１０内の液体の流出を妨げるのに対して、出口流路１０６ｂでは、液体室１１０内の液体の流出を妨げる抵抗や流体慣性を増加する要素は少ない。そのため、液体室１１０内で加圧された液体は、もっぱら出口流路１０６ｂから流出して、液体噴射管１０４を介して先端のノズル１０２から噴射される。
【００５２】
前述したように、本実施例の液体室１１０の内部は、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗ（渦巻き流路）に沿って液体が流れるのではなく、仕切壁１２０ｗが出口流路１０６ｂ側（液体室１１０の中央部）に向けて変形することによって、液体室１１０内の液体は液体室１１０の中央に向かって移動するようになっている。この点について補足して説明する。
【００５３】
先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの最も内郭を成す仕切壁１２０ｗを例に考えると、最内郭の仕切壁１２０ｗの内側では、出口流路１０６ｂが液体室１１０の中央部に開口しているので、液体室１１０の容積が減少する際には、液体が出口流路１０６ｂから流出することによって圧力の上昇が抑えられる。
【００５４】
これに対して、仕切壁１２０ｗの外側では、入口流路１０６ａはキャピラリーであり、流体の流出を抑制するため仕切壁１２０ｗの内側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁１２０ｗは、可撓性の材料で変形可能に形成されていることから、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁１２０ｗを押して変形させて、内側と外側との圧力差を減少させようとする。尚、本実施例の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されており、かつ、先端が第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されているので、図５（ａ）に示すように、仕切壁１２０ｗの中央部分が外側から押されて内側に撓むように変形する。
【００５５】
このような仕切壁１２０ｗの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁１２０ｗだけでなく、最内郭の仕切壁１２０ｗが内側に変形して外側の圧力が低下することによって、２重目の仕切壁１２０ｗにも生じ、同様に、３重目の仕切壁１２０ｗにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、全体的に液体室１１０の中央に向かって渦巻きを収縮させるように変形する。なお、仕切壁１２０ｗの変位は、図５（ａ）に示すように、内径の小さい最内郭の仕切壁１２０ｗで最も大きくなっている。
【００５６】
このように圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの中央部分が液体室１１０の中央に向けて撓むように変形することで、液体室１１０内の液体は、図５（ｂ）に示すように、液体室１１０の中央の出口流路１０６ｂに向かって移動することになる。
【００５７】
ここで、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少すると、それに対応する分量の液体が出口流路１０６ｂに集められて押し出されることで、液体噴射管１０４の先端のノズル１０２から液体が噴射される。このとき、液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが妨げとなって、中央の出口流路１０６ｂに周囲から十分な量の液体を集めることができないとも考えられる。しかし、本実施例の脈動発生部１００では、圧電素子１１２の伸張による変位量はわずかであり、１回のパルスで噴射される液体の量（噴射量）は、液体室１１０の容積に対して１／１００程度であることから、仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けてわずかに変形するだけで、出口流路１０６ｂに周囲から十分な量の液体が集められる。
【００５８】
例えば、噴射量Ｖを液体室１１０の容積の１／１００として、液体室１１０の内半径をＲ、液体室１１０の厚さ（凹部１０６ｃの深さ）をＨとすると、
Ｖ＝πＲ2Ｈ／１００ 式（１）
と表すことができる。
【００５９】
また、渦巻き状の仕切壁１２０ｗの最内郭の内半径をｒとして、最内郭の仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けて距離ｓだけ変位することで出口流路１０６ｂに集められて押し出された分量の液体がノズル１０２から噴射されるとすると、噴射量Ｖは、変形前の最内郭の内側の容積Ｖ１と、変形後の最内郭の内側の容積Ｖ２との差であることから、
Ｖ１＝πｒ2Ｈ
Ｖ２＝π（ｒ−ｓ）2Ｈ
Ｖ＝Ｖ１−Ｖ２＝πＨ｛ｒ2−（ｒ2−２ｒｓ＋ｓ2）｝
＝πＨ（２ｒｓ−ｓ2）
と表すことができる。
【００６０】
ここで、距離ｓがわずかな変位量であれば、ｓ2は極めて小さな値となる。従って、
Ｖ≒２πｒｓＨ 式（２）
と近似することができる。
【００６１】
そして、例えば、最内郭の仕切壁１２０ｗの内半径ｒが液体室１１０の内半径Ｒの半分（１／２）に設定されている場合には、上記の式（１）および式（２）の２つの式から、
２π（Ｒ／２）ｓＨ＝πＲ2Ｈ／１００ 式（３）
ｓ＝Ｒ／１００ 式（４）
となり、最内郭の仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けて、液体室１１０の内半径の１／１００というスケールでわずかに変位するだけで、噴射量に相当する液体が出口流路１０６ｂに集められるので、液体の噴射に際して液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが妨げとなることはない。
【００６２】
このようにして液体を噴射した後、駆動電圧の減少によって圧電素子１１２は収縮して元の長さに戻る。それに伴って液体室１１０の容積が元の容積に復元する。また、液体供給手段３００から液体室１１０に供給される液体が渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って流れることで液体室１１０内を満たし、液体室１１０内の仕切壁１２０ｗも元の直立した状態に復元する。その結果、図４に示した圧電素子１１２が駆動する前の状態に復帰する。
【００６３】
そして、再び駆動電圧の増加によって圧電素子１１２が伸張すると、図５に示したように液体室１１０内で加圧された液体がノズル１０２から噴射される。こうした動作を繰り返すことによって、本実施例の脈動発生部１００では、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。
【００６４】
以上に説明したように、本実施例の液体噴射装置１０では、液体室１１０の内部に仕切壁１２０ｗで仕切られた渦巻き流路が形成されており、液体室１１０の周縁部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体は、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って、液体室１１０の中央に開口する出口流路１０６ｂへと流れることから、液体室１１０内に気泡が滞留し難くすることが可能である。
【００６５】
液体室１１０内の気泡は、液体の流れに乗って出口流路１０６ｂから排出されるが、従来技術のように単に液体室１１０に入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとを接続しただけの構成では、液体室１１０内に液体の流れが速い箇所と遅い箇所とが生じ易く、流れの遅い箇所に気泡が滞留することがある。そして、液体室１１０内に気泡が存在すると、液体の圧力が十分に上昇せず、液体を適切に噴射できなくなってしまう。これに対して、液体室１１０の内部に渦巻き流路を形成しておけば、液体室１１０内の液体の流れを渦巻き流路に沿って一定の流れに規制することができるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室１１０内の気泡の排出が容易となる。結果として、安定した液体の噴射を維持することが可能となる。
【００６６】
また、液体室１１０の内部で渦巻き流路を形成する仕切壁１２０ｗは、可撓性の材料で変形可能に設けられていることから、圧電素子１１２が伸張して液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの中央部分が液体室１１０の中央に向けて撓むように変形することによって、仕切壁１２０ｗがない場合と同様に、液体室１１０内の加圧された液体は、液体室１１０の中央に向かって移動することができる。そのため、渦巻き状の仕切壁１２０ｗの最内郭よりも内側には、中央に開口する出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じて、出口流路１０６ｂに周囲から液体が集められる。このように本実施例の液体噴射装置１０では、液体室１１０の内部に仕切壁１２０ｗが設けられているものの、液体を噴射するに際して仕切壁１２０ｗが妨げとなることはなく、液体を適切に噴射することができる。
【００６７】
以上に説明した実施形態１に係る脈動発生部１００には、幾つかの変形例が存在している。以下では、これら変形例について説明する。なお、変形例の説明にあたっては、前述した実施形態１と同様の構成部分については、先に説明した実施形態１と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
（第１変形例）
【００６８】
前述した実施例（図４、参照）では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されており、かつ、先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていた。しかし、仕切壁１２０ｗの先端は、必ずしも第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていなくてもよい。
【００６９】
図６は、第１変形例の脈動発生部１００の内部構造を示した説明図である。図６（ａ）には、圧電素子１１２が駆動していない状態が示されており、図６（ｂ）には、駆動電圧の印加によって圧電素子１１２が伸張した状態が示されている。図６（ａ）に示されているように、第１変形例の脈動発生部１００にも、前述した実施例（図４、参照）と同様に、支持板１２０ｂに渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが立設された流路形成部材１２０が設けられている。液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。ただし、第１変形例では、前述した実施例と異なり、仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側：第１方向側の端部）が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、仕切壁１２０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間には、わずかな間隙が設けられている。
【００７０】
このような第１変形例の脈動発生部１００においても、前述した実施例と同様に、液体室１１０の周縁部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体が、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って旋回しながら、中央の出口流路１０６ｂへと流れることによって、液体室１１０内が液体で満たされる。なお、仕切壁１２０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間隙はわずかであることから、液体室１１０に流入した液体は、もっぱら渦巻き流路に沿って流れる。
【００７１】
こうして液体室１１０が液体で満たされた状態で、駆動電圧の印加によって圧電素子１１２が伸張すると、液体室１１０の容積が減少して、液体室１１０内の液体が加圧される。このとき、前述したように仕切壁１２０ｗの内側と外側とで圧力差が生じるので、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁１２０ｗが押されて変形する。第１変形例の脈動発生部１００では、仕切壁１２０ｗの先端が第２ケース１０６の凹部１０６ｃに固着されていないので、図６（ｂ）に示すように、仕切壁１２０ｗの先端側が液体室１１０の中央に向けて倒れるように変形する。
【００７２】
このように仕切壁１２０ｗの先端側が液体室１１０の中央に向けて倒れると、仕切壁１２０ｗの外側の液体が仕切壁１２０ｗを乗り越えて内側に流れ込むことから、液体室１１０の内部には、渦巻き流路を横切って中央の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。
【００７３】
以上に説明したように、第１変形例の脈動発生部１００では、仕切壁１２０ｗの先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていないものの、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れを、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流速に規制することができる。従って、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【００７４】
また、圧電素子１１２が伸張して液体室１１０の容積が減少する際には、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていない仕切壁１２０ｗの先端が液体室１１０の中央に向けて倒れることによって、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗを乗り越えて中央の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。このように、渦巻き流路を横切る流れによって中央の出口流路１０６ｂに周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
（第２変形例）
【００７５】
続いて、第２変形例に係る脈動発生部１００について説明する。上述した第１変形例では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されていた。しかし、仕切壁１２０ｗは、必ずしも支持板１２０ｂから立設されていなくてもよい。
【００７６】
図７は、第２変形例に係る脈動発生部１００の内部構造を示した説明図である。図７（ａ）には、圧電素子１１２が駆動していない状態が示されており、図７（ｂ）には、駆動電圧の印加によって圧電素子１１２が伸張した状態が示されている。図７（ａ）に示すように、第２変形例の脈動発生部１００においても、前述した実施例と同様に、液体室１１０の内部には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。この仕切壁１２０ｗは、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、凹部１０６ｃとの間にわずかな間隙が設けられている。また、仕切壁１２０ｗの全体が支持板１２０ｂから立設されているわけではなく、多重に巻かれた渦巻き形状の仕切壁１２０ｗのうち最も外郭を成す部分だけが支持板１２０ｂに立設されており（図３、参照）、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板１２０ｂに固定されてはいない。
【００７７】
このような第２変形例の脈動発生部１００においても、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れが、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制されるので、その流れに乗せて液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【００７８】
一方、図７（ｂ）に示すように、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少して、前述したように仕切壁１２０ｗの内側と外側とで圧力差が生じると、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁１２０ｗが押される。このとき、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの支持板１２０ｂに固定されていない部分は、ちょうどゼンマイが巻き上げられるように、液体室１１０の中央に向けて移動することから、液体室１１０内の加圧された液体は、液体室１１０の中央に向かって移動する。加えて、仕切壁１２０ｗを乗り越えて渦巻き流路に交差するように中央の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じて、出口流路１０６ｂに周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
【００７９】
以上、本発明の液体噴射装置１０について各種の実施例を説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００８０】
例えば、上述した実施例及び変形例においては、液体室１１０に供給された液体を効率的に出口流路１０６ｂへと導くために、出口流路１０６ｂが、液体室１１０を構成する凹部１０６ｃの中央位置に開口する構成としていた。しかし、出口流路１０６ｂが開口する位置は、凹部１０６ｃの中央位置に限られるわけではなく、少なくとも出口流路１０６ｂが入口流路１０６ａよりも凹部１０６ｃの中央に近い位置に開口する位置関係になっていればよい。
【００８１】
また、上述した実施例及び変形例においては、液体室１１０の内部に仕切壁１２０ｗによって渦巻き形状の流路を形成していた。しかし、液体室１１０の内部に形成する流路は、液体室１１０の周縁部から旋回しつつ中央に向かう形状であれば特に限定されず、例えば、つづら折り形状等の変形を加えてもよい。
（実施形態２）
【００８２】
続いて、実施形態２に係る液体噴射装置１０について説明する。前述した実施形態１及び変形例では、出口流路１０６ｂが、渦巻き形状に形成された液体室１１０の中央部に、入口流路１０６ａが液体室１１０の外周縁部に連通されている。それに対して、実施形態２では出口流路１０６ｂが、渦巻き形状に形成された液体室１１０の外周縁部に、入口流路１０６ａが液体室１１０の中央部に連通されていることを特徴とする。よって、実施形態２の説明にあたっては、前述した実施形態１と同様の構成部分については、先に説明した実施形態１と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００８３】
図８は、実施形態２に係る脈動発生部１００の断面の一部を示す分解組立図である。脈動発生部１００は、第１ケース１０８、第２ケース１０６、と合わさる面のほぼ中央に、円形の浅い凹部１０８ｃが形成されており、凹部１０８ｃの底面には、貫通穴１０８ｈを塞ぐように、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム１１４が密着固着されている。
【００８４】
ダイアフラム１１４によって塞がれた貫通穴１０８ｈには、圧電素子１１２が収納されている。圧電素子１１２とダイアフラム１１４との間には、円形の補強板１１６が挿入されている。そして、ダイアフラム１１４と、補強板１１６と、圧電素子１１２と、第３ケース１１８（図２、参照）とがちょうど接するように、補強板１１６の厚さが設定されている。尚、圧電素子１１２の一端は、第３ケース１１８に固着されており、圧電素子１１２の他端は、補強板１１６に固着されている。また、補強板１１６の圧電素子１１２に対して反対側の面は、ダイアフラム１１４に固着されている。
【００８５】
ダイアフラム１１４の上（第２ケース１０６と向かい合う側）からは、円形の支持板１２０ｂの片面に仕切壁１２０ｗが立設された流路形成部材１２０が、支持板１２０ｂをダイアフラム１１４と重ね合わせるように凹部１０８ｃに嵌め込まれている。支持板１２０ｂは、仕切壁１２０ｗが立設された面とは反対側の面がダイアフラム１１４に固着されており、さらに、支持板１２０ｂとダイアフラム１１４とを加えた厚さが凹部１０８ｃの深さと同じになるように形成されている。また、流路形成部材１２０は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。尚、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの形状については、図９を参照して後述する。
【００８６】
一方、第２ケース１０６には、第１ケース１０８と合わさる面に、円形の浅い凹部１０６ｃが形成されている。そして、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、第２ケース１０６の凹部１０６ｃと、第１ケース１０８側に設けられた流路形成部材１２０の支持板１２０ｂとによって、液体室１１０が形成される。さらに、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側：第１方向側の端部）は、第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗによって仕切られた渦巻き形状の流路が形成される。
【００８７】
しかし、これとは逆に、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂが第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めした状態では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第１ケース１０８と向かい合う側：第２方向側の端部）が、第１ケース１０８に設けられたダイアフラム１１４に固着されていてもよい。
【００８８】
渦巻き形状の液体室１１０の中央部には、入口流路１０６ａが連通され、外周縁部には出口流路１０６ｂが連通されている。入口流路１０６ａには、第１接続チューブ３０４が接続され、出口流路１０６ｂには液体噴射管１０４が接続されている。
【００８９】
次に、流路形成部材１２０の構成について図９を参照して説明する。
図９は、流路形成部材１２０の形状を示した説明図である。図９では、流路形成部材１２０を第２ケース１０６と向かい合う側から見た状態を示している。図示されているように、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂは、ダイアフラム１１４と同一の円形に形成されており、この支持板１２０ｂの上面（第２ケース１０６と向かい合う面）に、支持板１２０ｂの中心部に向かって巻き込みながら旋回する渦巻き形状に仕切壁１２０ｗが立設されている。
【００９０】
この渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、最外郭の一部外周面が凹部１０６ｃの内周面と接するように形成されており、さらに、多重（図３の例では５重）に巻かれた仕切壁１２０ｗと仕切壁１２０ｗとの間隔は、ほぼ一定に設定である。前述したように、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、仕切壁１２０ｗによって、液体室１１０の内部には、中心部から旋回しつつ外周縁部に向かう渦巻き流路が形成される。
【００９１】
また、図８（ａ）に示したように、第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂが連通されており、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを適切な位置で合わせてネジ止めすると、液体室１１０の内部に形成される渦巻き流路の中央側の突き当たり部分に入口流路１０６ａが開口し、渦巻き流路の外周縁側の突き当たり部分に出口流路１０６ｂが開口するようになっている。
【００９２】
以上のように構成された脈動発生部１００においても、圧電素子１１２に駆動電圧波形を印加して圧電素子１１２を駆動する（伸縮させる）ことによって、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。なお、液体室１１０内の液体の流動方向を図９中に破線で表している。
（実施形態２に係る液体噴射動作）
【００９３】
続いて、本実施形態に係る脈動発生部１００による液体噴射動作について説明する。
図１０は、脈動発生部１００が液体を噴射する様子を示した説明図である。なお図示は省略するが、圧電素子１１２を駆動しない状態（駆動電圧を印加しない状態）では、液体供給手段３００から第２接続チューブ３０４を介して脈動発生部１００に供給される液体が入口流路１０６ａを通って液体室１１０へと流入することにより、液体室１１０内が液体で満たされる。
【００９４】
液体室１１０の内部には、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗで区画されることによって、渦巻き流路が形成されており、液体室１１０の中央部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体は、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って旋回しながら、液体室１１０の外周縁部に開口する出口流路１０６ｂへと導かれる。このように渦巻き流路に沿って液体の流れを規制することによって、液体室１１０内に流れの速い箇所と遅い箇所とが生じることは無く、入口流路１０６ａから流入した液体を出口流路１０６ｂまでほぼ均一な流速で流すことができる。
【００９５】
なお、液体供給手段３００からは、液体がほぼ一定圧力で途切れることなく供給されるので、液体室１１０内が液体で満たされると、圧電素子１１２が駆動していなくても、液体室１１０内の液体が出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に向けて押し出されることになる。
【００９６】
図１０は、圧電素子１１２を駆動して液体室１１０を押圧した状態を示している。液体室１１０が液体で満たされた状態で、圧電素子１１２に駆動電圧波形が印加さると、図１０（ａ）に示すように、圧電素子１１２が駆動電圧の増加によって伸張し、補強板１１６を介してダイアフラム１１４および流路形成部材１２０の支持板１２０ｂを液体室１１０に向けて押圧する。このことによって、液体室１１０の容積が減少する。その結果、液体室１１０内の液体が加圧される。液体室１１０内で加圧された液体は、図１０（ａ）中に破線の矢印で示したように、出口流路１０６ｂおよび液体噴射管１０４を介して、ノズル１０２からパルス状に噴射される。
【００９７】
なお、液体室１１０には、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの２つの流路が接続されている。従って、液体室１１０内で加圧された液体は、出口流路１０６ｂだけでなく、入口流路１０６ａからも流出すると考えられる。しかし、流路の液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まるので、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの断面積や長さを適切に設定しておけば、入口流路１０６ａよりも出口流路１０６ｂから液体が流出し易くすることが可能である。例えば、本実施例では、出口流路１０６ｂの直径は１ｍｍ程度、入口流路１０６ａの直径は０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状である。よって、入口流路１０６ａからの逆流は抑制される。
【００９８】
また、入口流路１０６ａでは、液体供給手段３００から圧送される液体が液体室１１０内に流入しようとする流れがあるので、液体室１１０内の液体の流出を妨げるのに対して、出口流路１０６ｂでは、液体室１１０内の液体の流出を妨げるような抵抗や流体慣性を増加する要素は少ない。そのため、液体室１１０内で加圧された液体は、もっぱら出口流路１０６ｂから流出して、液体噴射管１０４を介して先端のノズル１０２から噴射される。
【００９９】
本実施例の液体室１１０の内部は、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗ（渦巻き流路）に沿って液体が流れるのではなく、仕切壁１２０ｗが出口流路１０６ｂ側（液体室１１０の中央部）に向けて変形することによって、液体室１１０内の液体は液体室１１０の外周側に向かって移動するようになっている。この点について補足して説明する。
【０１００】
先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの最も内郭を成す仕切壁１２０ｗを例に考えると、最内郭の仕切壁１２０ｗの内側では、入口流路１０６ａが液体室１１０の中央部に開口しているので、液体室１１０の容積が減少する際には、液体が出口流路１０６ｂから流出することによって圧力の上昇が抑えられる。
【０１０１】
これに対して、仕切壁１２０ｗの内側では、入口流路１０６ａはキャピラリーであり、流体の流出を抑制するため、仕切壁１２０ｗの外側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁１２０ｗは、可撓性の材料で変形可能に形成されていることから、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１２０ｗを押して変形させて、内側と外側との圧力差を減少させようとする。なお、本実施例の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されており、かつ、先端が第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されているので、図１０（ａ）に示すように、仕切壁１２０ｗの中央部分が内側から押されて外側に撓むように変形する。
【０１０２】
このような仕切壁１２０ｗの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁１２０ｗだけでなく、最内郭の仕切壁１２０ｗが外側に変形して内側の圧力が低下することによって、２重目の仕切壁１２０ｗにも生じ、同様に、３重目の仕切壁１２０ｗにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、全体的に液体室１１０の外周側に向かって渦巻きを拡大させるように変形する。
【０１０３】
このように圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの中央部分が液体室１１０の外側に向けて撓むように変形することで、液体室１１０内の液体は、図１０（ｂ）に示すように、液体室１１０の中央部から外周縁部の出口流路１０６ｂに向かって移動することになる。
【０１０４】
ここで、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少すると、それに対応する分量の液体が出口流路１０６ｂに集められて押し出されることで、液体噴射管１０４の先端のノズル１０２から液体が噴射される。このとき、液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが妨げとなって、外周部の出口流路１０６ｂに周囲から十分な量の液体を集めることができないとも考えられる。しかし、本実施例の脈動発生部１００では、圧電素子１１２の伸張による変位量はわずかであり、１回のパルスで噴射される液体の量（噴射量）は、液体室１１０の容積に対して１／１００程度であることから、仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けてわずかに変形するだけで、出口流路１０６ｂに中央部から十分な量の液体が集められる。なお、このことに対する技術的論理は、実施形態１で説明した式（１）〜式（４）によって裏付けられる。
【０１０５】
また、図１０（ａ）に示すように、支持板１２０ｂの周縁部は第１ケース１０８と第２ケース１０６とで挟まれるようにして固定されており、補強板１１６の外径は支持板１２０ｂの外径より小さく、さらに、圧電素子１１２の断面寸法は補強板１１６の外径よりも小さい。従って、圧電素子１１２によって液体室１１０を押圧すると、入口流路１０６ａが配設される中央部を中心にして外周縁が反るため、中央部付近では液体室１１０の押圧量が大きく、容積の変化が大きい。また、外周側では押圧量が小さく、容積の変化が小さい。つまり、液体室１１０内の圧力は、中央部が高く、外周部は低くなるものと考えられる。従って、入口流路１０６ａには液体供給手段３００からほぼ一定の圧力で液体が圧送されていることを含めて液体室１１０内の液体は、中央部から外周部へ強く押し出されることになる。
【０１０６】
従って、中央部にある流入口１１０ａ付近の圧力は大きくなり、流入口１１０ａに液体の戻し圧力が高くなる。しかし、流入口１１０ａの直径がキャピラリーと想定できるほど小さいため、液体室１１０から流入口１１０ａへの逆流が抑制されることから、液体室１１０の圧力を高めることができ、強い液体噴射を得ることができる。
【０１０７】
なお、以上に説明した実施形態２に係る液体噴射装置１０には、前述した実施形態１の第１変形例及び第２変形例と同様な技術思想に基づく変形例が存在している。
【０１０８】
例えば、前述した第１変形例（図６、参照）と同様な考え方の変形例を用いることができる。つまり、仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側の端部）を第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着させず、仕切壁１２０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間には、わずかな間隙が設ける形態である。実施形態２では、入口流路１０６ａを液体室１１０の中央部に連通させ、出口流路１０６ｂを液体室１１０の外周端部に連通させていることから、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１２０ｗが押されて変形する。つまり、仕切壁１２０ｗは、図６（ｂ）に示す変形方向とは逆方向の外周方向に変形する。
【０１０９】
従って、脈動発生部１００では、仕切壁１２０ｗの先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていないものの、液体室１１０に液体が充填される際には、液体室１１０内の液体の流れを、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制することができる。従って、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【０１１０】
また、圧電素子１１２が伸張して液体室１１０の容積が減少する際には、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていない仕切壁１２０ｗの先端が液体室１１０の外側に向けて倒れることによって、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗを乗り越えて外周縁部の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。このように、渦巻き流路を横切る流れによって出口流路１０６ｂに液体が集められるので、液体を強く噴射することができる。
【０１１１】
また、前述した第２変形例（図７、参照）と同様な考え方の変形例を用いることができる。つまり、仕切壁１２０ｗは、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、凹部１０６ｃとの間にわずかな間隙を設けている。また、仕切壁１２０ｗの全体が支持板１２０ｂから立設されているわけではなく、多重に巻かれた渦巻き形状の仕切壁１２０ｗのうち最も外郭を成す部分だけが支持板１２０ｂに立設されており（図７、参照）、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板１２０ｂに固定されてはいない。
【０１１２】
このような第２変形例を応用した脈動発生部１００においても、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れが、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制されるので、その流れに乗せて液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【０１１３】
一方、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少して、前述したように仕切壁１２０ｗの内側と外側とで圧力差が生じると、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１２０ｗが押される。このとき、液体室１１０内の加圧された液体は、液体室１１０の外側方向に向かって移動する。加えて、仕切壁１２０ｗを乗り越えて渦巻き流路に交差するように外周縁部の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じて、出口流路１０６ｂに液体が集められるので、液体を強く噴射することができる。
【０１１４】
以上説明した液体噴射装置１０は、水や生理食塩水などの液体を生体組織に向けて噴射することで、生体組織を切開あるいは切除する手術具として、あるいは傷口等への薬液塗布、あるいは洗浄等の医療用の他に、液体としてインクなどを用いた描画、精密部品の洗浄、電子機器の冷却装置など、少量の液体を高速で噴射させることを利用するものとして活用可能である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０…液体噴射装置、１００…脈動発生部、１０２…ノズル、１０６ａ…入口流路、１０６ｂ…出口流路、１１０…液体室、１１２…圧電素子、１２０…流路形成部材、１２０ｂ…支持板、１２０ｗ…仕切壁、２００…制御部、３００…液体供給手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水や生理食塩水などの液体を加圧して、断面積が細く絞られたノズルから生体組織に向けて噴射することによって、生体組織を切開あるいは切除する液体噴射装置が開発されている。このような液体噴射装置を用いた手術では、神経や血管等を傷つけることなく臓器などの組織だけを選択的に切開あるいは切除することが可能であり、周囲の組織に与える損傷が少ないので、患者の負担を小さくすることが可能である。
【０００３】
さらに、単にノズルから連続的に液体を噴射するのではなく、パルス状に液体を噴射することで、少ない噴射量で生体組織の切開や切除を可能にした液体噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この液体噴射装置は、液体室に液体を充填した状態で、液体室の容積を急速に減少させることで液体室内の圧力を急速に上昇させ、その圧力によって、液体室に接続されたノズルからパルス状に液体を噴射する。続いて、液体室の容積を元に戻して再び液体を充填する。こうした動作を繰り返すことで、パルス状の噴流を周期的に発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このように液体をパルス状に噴射する液体噴射装置では、液体中に存在している気泡や、液体中に溶解していた気体が条件によって気泡化して発生した気泡が液体室内に滞留することで、切開や切除の能力が低下するという問題があった。すなわち、上述したように、パルス状の噴流は、液体室の容積を減少させて液体室内の液体を加圧することで発生させているので、液体室内に気泡があると、液体室の容積を減少させても気泡が圧縮されることによって液体を十分に加圧できない。このため、ノズルからパルス状に液体を噴射することができなくなり、切開や切除する能力が低下してしまうという課題を有していた。
【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］本適用例に係る液体噴射装置は、ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、前記液体が供給される入口流路と、前記ノズルに連通する出口流路と、前記入口流路と前記出口流路との間で、変形可能な仕切壁によって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室と、前記液体室の容積を前記所与の容積よりも減少させる第１方向側に、前記液体室を変形させる容積変更部と、前記液体が前記液体室に充填された状態で、前記容積変更部を駆動することによって、前記ノズルから液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、入口流路から供給される液体が液体室に充填された状態で、容積変部を駆動すると、液体室が第１方向側に変形して容積変更部の駆動前よりも液体室の容積が減少するので、液体室内で加圧された液体が出口流路を通ってノズルから噴射される。この液体室の内部には、渦巻き形状の流路（渦巻き流路）が変形可能な仕切壁で形成されており、入口流路から供給される液体は、渦巻き形状の流路に沿って流れ、出口流路まで導かれるようになっている。
【０００９】
液体室内の液体の流れが不規則で流れが速い箇所と遅い箇所とがあると、流れの遅い箇所に気泡が滞留し易く、こうした気泡の存在によって液体室の圧力が十分に上昇しないので、液体を強く噴射できなくなってしまう。そこで、入口流路から出口流路まで液体を導く渦巻き流路を液体室に形成しておけば、液体室内の液体の流れが渦巻き流路に沿って規制される。よって、液体室内の全ての部分で液体が十分な速さの流速で流れるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制して、液体室内の気泡を出口流路から速やかに排出することができる。その結果として、気泡の影響を受けることなく、安定した液体の噴射が可能となる。
【００１０】
また、渦巻き流路を形成する仕切壁は変形可能に設けられていることから、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁が出口流路に向かって流路を収縮させるように変形することによって、液体室内の加圧された液体を出口流路に向かって移動させ、液体を適切に噴射させることができる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記容積変更部は圧電素子を有し、前記圧電素子を伸張させることによって前記液体室の容積を減少させ、且つ、前記圧電素子は、前記圧電素子を伸張させない状態において、前記液体室を押圧するよう配設されていること、が好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、伸張することで液体室の容積を減少させる圧電素子は、外部からの圧縮力に対しては強いが引張力に対しては弱いという特性を有しているので、圧電素子に引張力が作用すると破損の原因となる。そこで、圧電素子を伸張させない状態においても、液体室を押圧する状態で圧電素子を設けておけば、その押圧の反力として、圧電素子に対して圧縮方向の力を予め作用させておくことができる。これにより、圧電素子に引張方向の力がかかる際には、その引張方向の力が軽減されるので、引張力の作用による圧電素子の破損の発生を低減することが可能となる。
【００１３】
さらに、圧電素子を伸張させない状態においても、液体室を押圧する状態で圧電素子を設けておけば、圧電素子が伸張し始めたときに直ちに液体室押圧を開始する。よって、圧電素子の伸張と液体室の押圧との間にストロークロスがなく、効率よく液体噴射が行えるという効果もある。
【００１４】
［適用例３］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路の断面積が前記出口流路の断面積より小さく、且つ前記入口流路がキャピラリーであること、が好ましい。
【００１５】
このようにすれば、液体室の容積を縮小する際、入口流路からの逆流を抑えて液体室内の圧力を高め、断面積の大きい出口流路からの流出をし易くすることができる。
【００１６】
［適用例４］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が固定されていない状態で設けられていること、が好ましい。
【００１７】
このような構成によれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、仕切壁の先端側が出口流路に向けて倒れるように変形可能なので、液体室の内部に、仕切壁を乗り越えて出口流路に向かう液体の流れを発生させることができる。このように渦巻き流路を横切る流れによって出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
【００１８】
尚、渦巻き流路を形成する仕切壁は、必ずしも液体室の内面から立設されていなくてもよく、液体室の第１方向側の面および第２方向側の面のいずれの面にも固定されていない状態で設けておいてもよい。この場合には、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少すると、仕切壁が出口流路に向けて変形し、液体室内の液体も液体室の中央の出口流路に向かって移動させることができる。
【００１９】
［適用例５］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が前記一方の面と向かい合う他方の面に固定された状態で設けられていること、が好ましい。
【００２０】
このような構成においても、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端（基部および先端）が固定された仕切壁が出口流路に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体は出口流路に向かって移動させることができる。
【００２１】
［適用例６］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室の流路は、断面積がほぼ均一に形成されていること、が好ましい。
【００２２】
このように渦巻き流路の断面積をほぼ均一にしておけば、液体室に供給される液体を渦巻き流路に沿って一定の流速で流すことができる。そのため、流れの遅い箇所に気泡が滞留することは無く、液体室内の気泡を一定の流速の流れに乗せて速やかに出口流路から排出することが可能となる。
【００２３】
［適用例７］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路は、前記液体室の外周縁部に連通され、前記出口流路は、前記液体室の中央部に連通されていること、が好ましい。
【００２４】
このような構成にすれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端（基部および先端）が固定された仕切壁の中央部分が液体室の中央に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体は液体室の中央の出口流路に向かって移動することができる。これにより、液体室の内部に渦巻き形状の壁が設けられていても、この渦巻き形状の仕切壁の最内郭の内側には中央の出口流路に向かう液体の流れが生じて、出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
【００２５】
［適用例８］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路が、前記液体室の中央部に連通され、前記出口流路が、前記液体室の外周縁部に連通されていること、が好ましい。
【００２６】
このような構成にすれば、容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少する際には、液体室に対して両端（基部および先端）が固定された仕切壁のが液体室の外周方向に向けて撓むように変形することによって、液体室内の液体を液体室の外周縁の出口流路に向かって移動させることができる。これにより、液体室の内部に渦巻き形状の仕切壁が設けられていても、この渦巻き形状の仕切壁の最外郭の内側には外周縁の出口流路に向かう液体の流れが生じて、液体を強く噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態１の液体噴射装置における代表実施例の主要構成を示した説明図。
【図２】脈動発生部の断面を示す分解組立図。
【図３】流路形成部材の形状を示した説明図。
【図４】脈動発生部が液体を噴射する様子を示した説明図（圧電素子を駆動しない状態）。
【図５】脈動発生部が液体を噴射する様子を示した説明図（圧電素子を駆動して液体室を押圧した状態）。
【図６】第１変形例の脈動発生部の内部構造を示した説明図であり、（ａ）は、圧電素子が駆動していない状態、（ｂ）は、駆動電圧の印加によって圧電素子が伸張した状態。
【図７】第２変形例の脈動発生部の内部構造を示した説明図であり、（ａ）は、圧電素子が駆動していない状態、（ｂ）は、駆動電圧の印加によって圧電素子が伸張した状態。
【図８】実施形態２に係る脈動発生部の断面の一部を示す分解組立図。
【図９】実施形態２に係る流路形成部材の形状を示した説明図。
【図１０】実施形態２に係る脈動発生部が液体を噴射する様子を示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施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。
（実施形態１）
【００２９】
まず、実施形態１の代表実施例に係る液体噴射装置１０の構成について説明する。
図１は、本実施形態の液体噴射装置１０における代表実施例の主要構成を示した説明図である。本実施例の液体噴射装置１０は、水や生理食塩水などの液体をパルス状に噴射する脈動発生部１００と、液体を脈動発生部１００に供給する液体供給手段３００と、噴射する液体を収容する液体容器３０６と、脈動発生部１００及び液体供給手段３００の動作を制御する噴射制御手段としての制御部２００と、を有して構成されている。
【００３０】
脈動発生部１００は、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを重ねてネジ止めしたような構造となっており、第２ケース１０６の前面（第１ケース１０８と合わさる面とは反対側の面）には円管形状の液体噴射管１０４が接続され、液体噴射管１０４の先端にはノズル１０２が設けられている。
【００３１】
第２ケース１０６と第１ケース１０８との合わせ面には、液体が充填される液体室１１０が設けられており、この液体室１１０は、液体噴射管１０４を介してノズル１０２に連通されている。また、第１ケース１０８の内部には、容積変更部としての積層型の圧電素子１１２が設けられており、制御部２００から駆動電圧波形を印加して圧電素子１１２を駆動する（伸縮させる）ことにより、液体室１１０の容積を変動させて、液体室１１０内の液体をノズル１０２からパルス状に噴射することが可能となっている。尚、脈動発生部１００の詳細な構成については、図２を参照して後述する。
【００３２】
液体供給手段３００は、第１接続チューブ３０２を介して液体容器３０６と接続されており、液体容器３０６から吸い上げた液体を、第２接続チューブ３０４を介して脈動発生部１００の液体室１１０に供給する。本実施例の液体供給手段３００は、図示は省略するが、２つのピストンがシリンダー内で摺動する構成となっており、双方のピストンの移動速度を適切に制御することで、脈動発生部１００に向かって液体を安定して圧送させることが可能である。
【００３３】
制御部２００は、脈動発生部１００に内蔵された圧電素子１１２の動作や、液体供給手段３００の動作を制御している。本実施例の液体噴射装置１０では、液体供給手段３００から供給する液体の流量や、圧電素子１１２に印加する駆動電圧の波形、最大電圧値および周波数を変更することによって、ノズル１０２からの液体の噴射態様を変化させることが可能となっている。
【００３４】
続いて、脈動発生部１００の構成を図面を参照して説明する。
図２は、脈動発生部１００の断面を示す分解組立図である。前述したように、脈動発生部１００は、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めして構成されている。第１ケース１０８には、第２ケース１０６と合わさる面のほぼ中央に、円形の浅い凹部１０８ｃが形成されており、凹部１０８ｃの中央位置には、第１ケース１０８を貫通する円形断面の貫通穴１０８ｈが形成されている。そして、凹部１０８ｃの底面には、貫通穴１０８ｈを塞ぐように、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム１１４が密着固着されている。
【００３５】
ダイアフラム１１４によって塞がれた貫通穴１０８ｈには、圧電素子１１２が収納され、更に、貫通穴１０８ｈの開口部は第３ケース１１８によって塞がれている。また、圧電素子１１２とダイアフラム１１４との間には、円形の補強板１１６が挿入されている。そして、第１ケース１０８の貫通穴１０８ｈに圧電素子１１２を収納して、第３ケース１１８で貫通穴１０８ｈを塞いだ状態では、ダイアフラム１１４と、補強板１１６と、圧電素子１１２と、第３ケース１１８とがちょうど接するように、補強板１１６の厚さが設定されている。尚、圧電素子１１２の一端は、第３ケース１１８に固着されており、圧電素子１１２の他端は、補強板１１６に固着されている。また、補強板１１６の圧電素子１１２とは反対側の面は、ダイアフラム１１４に固着されている。
【００３６】
ダイアフラム１１４の上（第２ケース１０６と向かい合う側）からは、円形の支持板１２０ｂの片面に仕切壁１２０ｗが第１方向側に立設された流路形成部材１２０が、支持板１２０ｂをダイアフラム１１４と重ね合わせるように凹部１０８ｃに嵌め込まれている。支持板１２０ｂは、仕切壁１２０ｗが立設された面とは反対側の面がダイアフラム１１４に固着されており、さらに、支持板１２０ｂとダイアフラム１１４とを加えた厚さが凹部１０８ｃの深さと同じになるように形成されている。また、流路形成部材１２０は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。尚、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの形状については、図３を参照して後述する。
【００３７】
一方、第２ケース１０６には、第１ケース１０８と合わさる面に、円形の浅い凹部１０６ｃが形成されている。この凹部１０６ｃの内径は、第１ケース１０８に嵌め込まれた流路形成部材１２０の支持板１２０ｂの外径より小さく、かつ、支持板１２０ｂに立設された仕切壁１２０ｗを内包可能な大きさに設定されている。また、凹部１０６ｃの深さは、仕切壁１２０ｗの高さとほぼ同じになるように設定されている。
【００３８】
そして、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、第２ケース１０６の凹部１０６ｃと、第１ケース１０８側に設けられた流路形成部材１２０の支持板１２０ｂとによって、液体室１１０が形成される。さらに、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側の端部）は、第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗによって仕切られた流路が形成される。
【００３９】
しかし、これとは逆に、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂが第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めした状態では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第１ケース１０８と向かい合う側：第２方向側の端部）が、第１ケース１０８に設けられたダイアフラム１１４に固着されていてもよい。
【００４０】
また、第２ケース１０６には、第２ケース１０６に接続された第２接続チューブ３０４から供給される液体を液体室１１０まで導く入口流路１０６ａ、および液体室１１０内で加圧された液体を液体噴射管１０４へと導く出口流路１０６ｂが設けられている。このうち、入口流路１０６ａは、凹部１０６ｃの周縁の位置に開口しており、出口流路１０６ｂは、凹部１０６ｃの中央の位置に開口している。
【００４１】
第２ケース１０６の前面（第１ケース１０８と合わさる面とは反対側の面）に接続された液体噴射管１０４の内径は、出口流路１０６ｂの内径に比べて大きく設定されている。また、液体噴射管１０４の先端には、出口流路１０６ｂよりも内径が小さく設定された液体噴射開口部を有するノズル１０２が挿着されている。従って、液体室１１０から流出した液体が進む流路は、出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に到ると断面積が広くなり液体噴射管１０４の先端のノズル１０２の部分で再び断面積が狭くなるようになっている。
【００４２】
次に、流路形成部材１２０の構成について図３を参照して説明する。
図３は、流路形成部材１２０の形状を示した説明図である。図３では、流路形成部材１２０を第２ケース１０６と向かい合う側から見た状態を示している。図示されているように、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂは、ダイアフラム１１４と同一の円形に形成されており、この支持板１２０ｂの上面（第２ケース１０６と向かい合う面）に、支持板１２０ｂの中心部に向かって巻き込みながら旋回する渦巻き形状に仕切壁１２０ｗが立設されている。
【００４３】
この渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、最外郭の外周面が凹部１０６ｃの内周面と接するように形成されており、さらに、多重（図３の例では５重）に巻かれた仕切壁１２０ｗと仕切壁１２０ｗとの間隔は、ほぼ一定に設定である。前述したように、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、仕切壁１２０ｗによって、液体室１１０の内部には、周縁部から旋回しつつ中央に向かう渦巻き形状の流路（以下、渦巻き流路という）が形成される。
【００４４】
また、前述したように、第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂが接続されており、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを適切な位置で合わせてネジ止めすると、液体室１１０の内部に形成される渦巻き流路の中央側の突き当たり部分に出口流路１０６ｂが開口し、渦巻き流路の周縁側の突き当たり部分に入口流路１０６ａが開口するようになっている。
【００４５】
以上のように構成された脈動発生部１００では、圧電素子１１２に駆動電圧波形を印加して圧電素子１１２を駆動する（伸縮させる）ことによって、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。以下に、脈動発生部１００が液体を噴射する動作について説明する。
（実施形態１に係る液体噴射動作）
【００４６】
続いて、本実施形態に係る脈動発生部１００による液体噴射動作について説明する。
図４および図５は、脈動発生部１００が液体を噴射する様子を示した説明図であって、図４は、圧電素子１１２を駆動しない状態（圧電素子１１２に駆動電圧波形を印加する前の状態）を表している。図４（ａ）に示すように、液体供給手段３００から第２接続チューブ３０４を介して脈動発生部１００に供給される液体が入口流路１０６ａを通って液体室１１０へと流入することにより、液体室１１０内が液体で満たされる。尚、図中の破線の矢印は、液体の流れを模式的に表している。
【００４７】
また、前述したように、液体室１１０の内部には、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗで区画されることによって、渦巻き流路が形成されており、図４（ｂ）に示すように、液体室１１０の周縁部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体は、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って旋回しながら、液体室１１０の中央に開口する出口流路１０６ｂへと導かれる。このように渦巻き流路に沿って液体の流れを規制することによって、液体室１１０内に流れの速い箇所と遅い箇所とが生じることは無く、入口流路１０６ａから流入した液体を出口流路１０６ｂまでほぼ均一な流速で流すことができる。
【００４８】
なお、前述したように、液体供給手段３００からは液体が途切れることなく供給されるので、液体室１１０内が液体で満たされると、圧電素子１１２が駆動していなくても、液体室１１０内の液体が出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に向けて押し出されることになる。
【００４９】
図５は、圧電素子１１２を駆動して液体室１１０を押圧した状態を示している。液体室１１０が液体で満たされた状態で、圧電素子１１２に駆動電圧波形が印加さると、図５（ａ）に示すように、圧電素子１１２が駆動電圧の増加によって伸張し、補強板１１６を介してダイアフラム１１４および流路形成部材１２０の支持板１２０ｂを液体室１１０に向けて押圧する。このことによって、液体室１１０の容積が減少する。その結果、液体室１１０内の液体が加圧される。液体室１１０内で加圧された液体は、図５（ａ）中に破線の矢印で示したように、出口流路１０６ｂおよび液体噴射管１０４を介して、ノズル１０２からパルス状に噴射される。
【００５０】
なお、液体室１１０には、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの２つの流路が連通されている。従って、液体室１１０内で加圧された液体は、出口流路１０６ｂだけでなく、入口流路１０６ａからも流出すると考えられる。しかし、流路の液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まるので、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの断面積や長さを適切に設定しておけば、入口流路１０６ａよりも出口流路１０６ｂから液体が流出し易くすることが可能である。例えば、本実施例では、出口流路１０６ｂの直径は１ｍｍ程度、入口流路１０６ａの直径は０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状である。よって、入口流路１０６ａからの逆流は抑制される。
【００５１】
また、入口流路１０６ａでは、液体供給手段３００から圧送される液体が液体室１１０内に流入しようとする流れがあるので、液体室１１０内の液体の流出を妨げるのに対して、出口流路１０６ｂでは、液体室１１０内の液体の流出を妨げる抵抗や流体慣性を増加する要素は少ない。そのため、液体室１１０内で加圧された液体は、もっぱら出口流路１０６ｂから流出して、液体噴射管１０４を介して先端のノズル１０２から噴射される。
【００５２】
前述したように、本実施例の液体室１１０の内部は、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗ（渦巻き流路）に沿って液体が流れるのではなく、仕切壁１２０ｗが出口流路１０６ｂ側（液体室１１０の中央部）に向けて変形することによって、液体室１１０内の液体は液体室１１０の中央に向かって移動するようになっている。この点について補足して説明する。
【００５３】
先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの最も内郭を成す仕切壁１２０ｗを例に考えると、最内郭の仕切壁１２０ｗの内側では、出口流路１０６ｂが液体室１１０の中央部に開口しているので、液体室１１０の容積が減少する際には、液体が出口流路１０６ｂから流出することによって圧力の上昇が抑えられる。
【００５４】
これに対して、仕切壁１２０ｗの外側では、入口流路１０６ａはキャピラリーであり、流体の流出を抑制するため仕切壁１２０ｗの内側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁１２０ｗは、可撓性の材料で変形可能に形成されていることから、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁１２０ｗを押して変形させて、内側と外側との圧力差を減少させようとする。尚、本実施例の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されており、かつ、先端が第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されているので、図５（ａ）に示すように、仕切壁１２０ｗの中央部分が外側から押されて内側に撓むように変形する。
【００５５】
このような仕切壁１２０ｗの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁１２０ｗだけでなく、最内郭の仕切壁１２０ｗが内側に変形して外側の圧力が低下することによって、２重目の仕切壁１２０ｗにも生じ、同様に、３重目の仕切壁１２０ｗにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、全体的に液体室１１０の中央に向かって渦巻きを収縮させるように変形する。なお、仕切壁１２０ｗの変位は、図５（ａ）に示すように、内径の小さい最内郭の仕切壁１２０ｗで最も大きくなっている。
【００５６】
このように圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの中央部分が液体室１１０の中央に向けて撓むように変形することで、液体室１１０内の液体は、図５（ｂ）に示すように、液体室１１０の中央の出口流路１０６ｂに向かって移動することになる。
【００５７】
ここで、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少すると、それに対応する分量の液体が出口流路１０６ｂに集められて押し出されることで、液体噴射管１０４の先端のノズル１０２から液体が噴射される。このとき、液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが妨げとなって、中央の出口流路１０６ｂに周囲から十分な量の液体を集めることができないとも考えられる。しかし、本実施例の脈動発生部１００では、圧電素子１１２の伸張による変位量はわずかであり、１回のパルスで噴射される液体の量（噴射量）は、液体室１１０の容積に対して１／１００程度であることから、仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けてわずかに変形するだけで、出口流路１０６ｂに周囲から十分な量の液体が集められる。
【００５８】
例えば、噴射量Ｖを液体室１１０の容積の１／１００として、液体室１１０の内半径をＲ、液体室１１０の厚さ（凹部１０６ｃの深さ）をＨとすると、
Ｖ＝πＲ2Ｈ／１００ 式（１）
と表すことができる。
【００５９】
また、渦巻き状の仕切壁１２０ｗの最内郭の内半径をｒとして、最内郭の仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けて距離ｓだけ変位することで出口流路１０６ｂに集められて押し出された分量の液体がノズル１０２から噴射されるとすると、噴射量Ｖは、変形前の最内郭の内側の容積Ｖ１と、変形後の最内郭の内側の容積Ｖ２との差であることから、
Ｖ１＝πｒ2Ｈ
Ｖ２＝π（ｒ−ｓ）2Ｈ
Ｖ＝Ｖ１−Ｖ２＝πＨ｛ｒ2−（ｒ2−２ｒｓ＋ｓ2）｝
＝πＨ（２ｒｓ−ｓ2）
と表すことができる。
【００６０】
ここで、距離ｓがわずかな変位量であれば、ｓ2は極めて小さな値となる。従って、
Ｖ≒２πｒｓＨ 式（２）
と近似することができる。
【００６１】
そして、例えば、最内郭の仕切壁１２０ｗの内半径ｒが液体室１１０の内半径Ｒの半分（１／２）に設定されている場合には、上記の式（１）および式（２）の２つの式から、
２π（Ｒ／２）ｓＨ＝πＲ2Ｈ／１００ 式（３）
ｓ＝Ｒ／１００ 式（４）
となり、最内郭の仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けて、液体室１１０の内半径の１／１００というスケールでわずかに変位するだけで、噴射量に相当する液体が出口流路１０６ｂに集められるので、液体の噴射に際して液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが妨げとなることはない。
【００６２】
このようにして液体を噴射した後、駆動電圧の減少によって圧電素子１１２は収縮して元の長さに戻る。それに伴って液体室１１０の容積が元の容積に復元する。また、液体供給手段３００から液体室１１０に供給される液体が渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って流れることで液体室１１０内を満たし、液体室１１０内の仕切壁１２０ｗも元の直立した状態に復元する。その結果、図４に示した圧電素子１１２が駆動する前の状態に復帰する。
【００６３】
そして、再び駆動電圧の増加によって圧電素子１１２が伸張すると、図５に示したように液体室１１０内で加圧された液体がノズル１０２から噴射される。こうした動作を繰り返すことによって、本実施例の脈動発生部１００では、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。
【００６４】
以上に説明したように、本実施例の液体噴射装置１０では、液体室１１０の内部に仕切壁１２０ｗで仕切られた渦巻き流路が形成されており、液体室１１０の周縁部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体は、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って、液体室１１０の中央に開口する出口流路１０６ｂへと流れることから、液体室１１０内に気泡が滞留し難くすることが可能である。
【００６５】
液体室１１０内の気泡は、液体の流れに乗って出口流路１０６ｂから排出されるが、従来技術のように単に液体室１１０に入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとを接続しただけの構成では、液体室１１０内に液体の流れが速い箇所と遅い箇所とが生じ易く、流れの遅い箇所に気泡が滞留することがある。そして、液体室１１０内に気泡が存在すると、液体の圧力が十分に上昇せず、液体を適切に噴射できなくなってしまう。これに対して、液体室１１０の内部に渦巻き流路を形成しておけば、液体室１１０内の液体の流れを渦巻き流路に沿って一定の流れに規制することができるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室１１０内の気泡の排出が容易となる。結果として、安定した液体の噴射を維持することが可能となる。
【００６６】
また、液体室１１０の内部で渦巻き流路を形成する仕切壁１２０ｗは、可撓性の材料で変形可能に設けられていることから、圧電素子１１２が伸張して液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの中央部分が液体室１１０の中央に向けて撓むように変形することによって、仕切壁１２０ｗがない場合と同様に、液体室１１０内の加圧された液体は、液体室１１０の中央に向かって移動することができる。そのため、渦巻き状の仕切壁１２０ｗの最内郭よりも内側には、中央に開口する出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じて、出口流路１０６ｂに周囲から液体が集められる。このように本実施例の液体噴射装置１０では、液体室１１０の内部に仕切壁１２０ｗが設けられているものの、液体を噴射するに際して仕切壁１２０ｗが妨げとなることはなく、液体を適切に噴射することができる。
【００６７】
以上に説明した実施形態１に係る脈動発生部１００には、幾つかの変形例が存在している。以下では、これら変形例について説明する。なお、変形例の説明にあたっては、前述した実施形態１と同様の構成部分については、先に説明した実施形態１と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
（第１変形例）
【００６８】
前述した実施例（図４、参照）では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されており、かつ、先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていた。しかし、仕切壁１２０ｗの先端は、必ずしも第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていなくてもよい。
【００６９】
図６は、第１変形例の脈動発生部１００の内部構造を示した説明図である。図６（ａ）には、圧電素子１１２が駆動していない状態が示されており、図６（ｂ）には、駆動電圧の印加によって圧電素子１１２が伸張した状態が示されている。図６（ａ）に示されているように、第１変形例の脈動発生部１００にも、前述した実施例（図４、参照）と同様に、支持板１２０ｂに渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが立設された流路形成部材１２０が設けられている。液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。ただし、第１変形例では、前述した実施例と異なり、仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側：第１方向側の端部）が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、仕切壁１２０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間には、わずかな間隙が設けられている。
【００７０】
このような第１変形例の脈動発生部１００においても、前述した実施例と同様に、液体室１１０の周縁部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体が、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って旋回しながら、中央の出口流路１０６ｂへと流れることによって、液体室１１０内が液体で満たされる。なお、仕切壁１２０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間隙はわずかであることから、液体室１１０に流入した液体は、もっぱら渦巻き流路に沿って流れる。
【００７１】
こうして液体室１１０が液体で満たされた状態で、駆動電圧の印加によって圧電素子１１２が伸張すると、液体室１１０の容積が減少して、液体室１１０内の液体が加圧される。このとき、前述したように仕切壁１２０ｗの内側と外側とで圧力差が生じるので、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁１２０ｗが押されて変形する。第１変形例の脈動発生部１００では、仕切壁１２０ｗの先端が第２ケース１０６の凹部１０６ｃに固着されていないので、図６（ｂ）に示すように、仕切壁１２０ｗの先端側が液体室１１０の中央に向けて倒れるように変形する。
【００７２】
このように仕切壁１２０ｗの先端側が液体室１１０の中央に向けて倒れると、仕切壁１２０ｗの外側の液体が仕切壁１２０ｗを乗り越えて内側に流れ込むことから、液体室１１０の内部には、渦巻き流路を横切って中央の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。
【００７３】
以上に説明したように、第１変形例の脈動発生部１００では、仕切壁１２０ｗの先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていないものの、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れを、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流速に規制することができる。従って、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【００７４】
また、圧電素子１１２が伸張して液体室１１０の容積が減少する際には、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていない仕切壁１２０ｗの先端が液体室１１０の中央に向けて倒れることによって、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗを乗り越えて中央の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。このように、渦巻き流路を横切る流れによって中央の出口流路１０６ｂに周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
（第２変形例）
【００７５】
続いて、第２変形例に係る脈動発生部１００について説明する。上述した第１変形例では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されていた。しかし、仕切壁１２０ｗは、必ずしも支持板１２０ｂから立設されていなくてもよい。
【００７６】
図７は、第２変形例に係る脈動発生部１００の内部構造を示した説明図である。図７（ａ）には、圧電素子１１２が駆動していない状態が示されており、図７（ｂ）には、駆動電圧の印加によって圧電素子１１２が伸張した状態が示されている。図７（ａ）に示すように、第２変形例の脈動発生部１００においても、前述した実施例と同様に、液体室１１０の内部には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。この仕切壁１２０ｗは、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、凹部１０６ｃとの間にわずかな間隙が設けられている。また、仕切壁１２０ｗの全体が支持板１２０ｂから立設されているわけではなく、多重に巻かれた渦巻き形状の仕切壁１２０ｗのうち最も外郭を成す部分だけが支持板１２０ｂに立設されており（図３、参照）、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板１２０ｂに固定されてはいない。
【００７７】
このような第２変形例の脈動発生部１００においても、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れが、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制されるので、その流れに乗せて液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【００７８】
一方、図７（ｂ）に示すように、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少して、前述したように仕切壁１２０ｗの内側と外側とで圧力差が生じると、圧力の高い外側から圧力の低い内側に向けて仕切壁１２０ｗが押される。このとき、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの支持板１２０ｂに固定されていない部分は、ちょうどゼンマイが巻き上げられるように、液体室１１０の中央に向けて移動することから、液体室１１０内の加圧された液体は、液体室１１０の中央に向かって移動する。加えて、仕切壁１２０ｗを乗り越えて渦巻き流路に交差するように中央の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じて、出口流路１０６ｂに周囲から液体が集められるので、液体を適切に噴射することができる。
【００７９】
以上、本発明の液体噴射装置１０について各種の実施例を説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【００８０】
例えば、上述した実施例及び変形例においては、液体室１１０に供給された液体を効率的に出口流路１０６ｂへと導くために、出口流路１０６ｂが、液体室１１０を構成する凹部１０６ｃの中央位置に開口する構成としていた。しかし、出口流路１０６ｂが開口する位置は、凹部１０６ｃの中央位置に限られるわけではなく、少なくとも出口流路１０６ｂが入口流路１０６ａよりも凹部１０６ｃの中央に近い位置に開口する位置関係になっていればよい。
【００８１】
また、上述した実施例及び変形例においては、液体室１１０の内部に仕切壁１２０ｗによって渦巻き形状の流路を形成していた。しかし、液体室１１０の内部に形成する流路は、液体室１１０の周縁部から旋回しつつ中央に向かう形状であれば特に限定されず、例えば、つづら折り形状等の変形を加えてもよい。
（実施形態２）
【００８２】
続いて、実施形態２に係る液体噴射装置１０について説明する。前述した実施形態１及び変形例では、出口流路１０６ｂが、渦巻き形状に形成された液体室１１０の中央部に、入口流路１０６ａが液体室１１０の外周縁部に連通されている。それに対して、実施形態２では出口流路１０６ｂが、渦巻き形状に形成された液体室１１０の外周縁部に、入口流路１０６ａが液体室１１０の中央部に連通されていることを特徴とする。よって、実施形態２の説明にあたっては、前述した実施形態１と同様の構成部分については、先に説明した実施形態１と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００８３】
図８は、実施形態２に係る脈動発生部１００の断面の一部を示す分解組立図である。脈動発生部１００は、第１ケース１０８、第２ケース１０６、と合わさる面のほぼ中央に、円形の浅い凹部１０８ｃが形成されており、凹部１０８ｃの底面には、貫通穴１０８ｈを塞ぐように、金属薄板などで形成された円形のダイアフラム１１４が密着固着されている。
【００８４】
ダイアフラム１１４によって塞がれた貫通穴１０８ｈには、圧電素子１１２が収納されている。圧電素子１１２とダイアフラム１１４との間には、円形の補強板１１６が挿入されている。そして、ダイアフラム１１４と、補強板１１６と、圧電素子１１２と、第３ケース１１８（図２、参照）とがちょうど接するように、補強板１１６の厚さが設定されている。尚、圧電素子１１２の一端は、第３ケース１１８に固着されており、圧電素子１１２の他端は、補強板１１６に固着されている。また、補強板１１６の圧電素子１１２に対して反対側の面は、ダイアフラム１１４に固着されている。
【００８５】
ダイアフラム１１４の上（第２ケース１０６と向かい合う側）からは、円形の支持板１２０ｂの片面に仕切壁１２０ｗが立設された流路形成部材１２０が、支持板１２０ｂをダイアフラム１１４と重ね合わせるように凹部１０８ｃに嵌め込まれている。支持板１２０ｂは、仕切壁１２０ｗが立設された面とは反対側の面がダイアフラム１１４に固着されており、さらに、支持板１２０ｂとダイアフラム１１４とを加えた厚さが凹部１０８ｃの深さと同じになるように形成されている。また、流路形成部材１２０は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。尚、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの形状については、図９を参照して後述する。
【００８６】
一方、第２ケース１０６には、第１ケース１０８と合わさる面に、円形の浅い凹部１０６ｃが形成されている。そして、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、第２ケース１０６の凹部１０６ｃと、第１ケース１０８側に設けられた流路形成部材１２０の支持板１２０ｂとによって、液体室１１０が形成される。さらに、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側：第１方向側の端部）は、第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗによって仕切られた渦巻き形状の流路が形成される。
【００８７】
しかし、これとは逆に、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂが第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されて、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めした状態では、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗの先端（第１ケース１０８と向かい合う側：第２方向側の端部）が、第１ケース１０８に設けられたダイアフラム１１４に固着されていてもよい。
【００８８】
渦巻き形状の液体室１１０の中央部には、入口流路１０６ａが連通され、外周縁部には出口流路１０６ｂが連通されている。入口流路１０６ａには、第１接続チューブ３０４が接続され、出口流路１０６ｂには液体噴射管１０４が接続されている。
【００８９】
次に、流路形成部材１２０の構成について図９を参照して説明する。
図９は、流路形成部材１２０の形状を示した説明図である。図９では、流路形成部材１２０を第２ケース１０６と向かい合う側から見た状態を示している。図示されているように、流路形成部材１２０の支持板１２０ｂは、ダイアフラム１１４と同一の円形に形成されており、この支持板１２０ｂの上面（第２ケース１０６と向かい合う面）に、支持板１２０ｂの中心部に向かって巻き込みながら旋回する渦巻き形状に仕切壁１２０ｗが立設されている。
【００９０】
この渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、最外郭の一部外周面が凹部１０６ｃの内周面と接するように形成されており、さらに、多重（図３の例では５重）に巻かれた仕切壁１２０ｗと仕切壁１２０ｗとの間隔は、ほぼ一定に設定である。前述したように、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを合わせてネジ止めすると、仕切壁１２０ｗによって、液体室１１０の内部には、中心部から旋回しつつ外周縁部に向かう渦巻き流路が形成される。
【００９１】
また、図８（ａ）に示したように、第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂが連通されており、第２ケース１０６と第１ケース１０８とを適切な位置で合わせてネジ止めすると、液体室１１０の内部に形成される渦巻き流路の中央側の突き当たり部分に入口流路１０６ａが開口し、渦巻き流路の外周縁側の突き当たり部分に出口流路１０６ｂが開口するようになっている。
【００９２】
以上のように構成された脈動発生部１００においても、圧電素子１１２に駆動電圧波形を印加して圧電素子１１２を駆動する（伸縮させる）ことによって、ノズル１０２から液体をパルス状に噴射することが可能となっている。なお、液体室１１０内の液体の流動方向を図９中に破線で表している。
（実施形態２に係る液体噴射動作）
【００９３】
続いて、本実施形態に係る脈動発生部１００による液体噴射動作について説明する。
図１０は、脈動発生部１００が液体を噴射する様子を示した説明図である。なお図示は省略するが、圧電素子１１２を駆動しない状態（駆動電圧を印加しない状態）では、液体供給手段３００から第２接続チューブ３０４を介して脈動発生部１００に供給される液体が入口流路１０６ａを通って液体室１１０へと流入することにより、液体室１１０内が液体で満たされる。
【００９４】
液体室１１０の内部には、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗで区画されることによって、渦巻き流路が形成されており、液体室１１０の中央部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体は、渦巻き流路（仕切壁１２０ｗ）に沿って旋回しながら、液体室１１０の外周縁部に開口する出口流路１０６ｂへと導かれる。このように渦巻き流路に沿って液体の流れを規制することによって、液体室１１０内に流れの速い箇所と遅い箇所とが生じることは無く、入口流路１０６ａから流入した液体を出口流路１０６ｂまでほぼ均一な流速で流すことができる。
【００９５】
なお、液体供給手段３００からは、液体がほぼ一定圧力で途切れることなく供給されるので、液体室１１０内が液体で満たされると、圧電素子１１２が駆動していなくても、液体室１１０内の液体が出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に向けて押し出されることになる。
【００９６】
図１０は、圧電素子１１２を駆動して液体室１１０を押圧した状態を示している。液体室１１０が液体で満たされた状態で、圧電素子１１２に駆動電圧波形が印加さると、図１０（ａ）に示すように、圧電素子１１２が駆動電圧の増加によって伸張し、補強板１１６を介してダイアフラム１１４および流路形成部材１２０の支持板１２０ｂを液体室１１０に向けて押圧する。このことによって、液体室１１０の容積が減少する。その結果、液体室１１０内の液体が加圧される。液体室１１０内で加圧された液体は、図１０（ａ）中に破線の矢印で示したように、出口流路１０６ｂおよび液体噴射管１０４を介して、ノズル１０２からパルス状に噴射される。
【００９７】
なお、液体室１１０には、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの２つの流路が接続されている。従って、液体室１１０内で加圧された液体は、出口流路１０６ｂだけでなく、入口流路１０６ａからも流出すると考えられる。しかし、流路の液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まるので、入口流路１０６ａおよび出口流路１０６ｂの断面積や長さを適切に設定しておけば、入口流路１０６ａよりも出口流路１０６ｂから液体が流出し易くすることが可能である。例えば、本実施例では、出口流路１０６ｂの直径は１ｍｍ程度、入口流路１０６ａの直径は０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状である。よって、入口流路１０６ａからの逆流は抑制される。
【００９８】
また、入口流路１０６ａでは、液体供給手段３００から圧送される液体が液体室１１０内に流入しようとする流れがあるので、液体室１１０内の液体の流出を妨げるのに対して、出口流路１０６ｂでは、液体室１１０内の液体の流出を妨げるような抵抗や流体慣性を増加する要素は少ない。そのため、液体室１１０内で加圧された液体は、もっぱら出口流路１０６ｂから流出して、液体噴射管１０４を介して先端のノズル１０２から噴射される。
【００９９】
本実施例の液体室１１０の内部は、流路形成部材１２０の仕切壁１２０ｗによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗ（渦巻き流路）に沿って液体が流れるのではなく、仕切壁１２０ｗが出口流路１０６ｂ側（液体室１１０の中央部）に向けて変形することによって、液体室１１０内の液体は液体室１１０の外周側に向かって移動するようになっている。この点について補足して説明する。
【０１００】
先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの最も内郭を成す仕切壁１２０ｗを例に考えると、最内郭の仕切壁１２０ｗの内側では、入口流路１０６ａが液体室１１０の中央部に開口しているので、液体室１１０の容積が減少する際には、液体が出口流路１０６ｂから流出することによって圧力の上昇が抑えられる。
【０１０１】
これに対して、仕切壁１２０ｗの内側では、入口流路１０６ａはキャピラリーであり、流体の流出を抑制するため、仕切壁１２０ｗの外側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁１２０ｗは、可撓性の材料で変形可能に形成されていることから、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１２０ｗを押して変形させて、内側と外側との圧力差を減少させようとする。なお、本実施例の仕切壁１２０ｗは、支持板１２０ｂから立設されており、かつ、先端が第２ケース１０６の凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着されているので、図１０（ａ）に示すように、仕切壁１２０ｗの中央部分が内側から押されて外側に撓むように変形する。
【０１０２】
このような仕切壁１２０ｗの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁１２０ｗだけでなく、最内郭の仕切壁１２０ｗが外側に変形して内側の圧力が低下することによって、２重目の仕切壁１２０ｗにも生じ、同様に、３重目の仕切壁１２０ｗにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗは、全体的に液体室１１０の外周側に向かって渦巻きを拡大させるように変形する。
【０１０３】
このように圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１２０ｗの中央部分が液体室１１０の外側に向けて撓むように変形することで、液体室１１０内の液体は、図１０（ｂ）に示すように、液体室１１０の中央部から外周縁部の出口流路１０６ｂに向かって移動することになる。
【０１０４】
ここで、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少すると、それに対応する分量の液体が出口流路１０６ｂに集められて押し出されることで、液体噴射管１０４の先端のノズル１０２から液体が噴射される。このとき、液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１２０ｗが妨げとなって、外周部の出口流路１０６ｂに周囲から十分な量の液体を集めることができないとも考えられる。しかし、本実施例の脈動発生部１００では、圧電素子１１２の伸張による変位量はわずかであり、１回のパルスで噴射される液体の量（噴射量）は、液体室１１０の容積に対して１／１００程度であることから、仕切壁１２０ｗが液体室１１０の中央に向けてわずかに変形するだけで、出口流路１０６ｂに中央部から十分な量の液体が集められる。なお、このことに対する技術的論理は、実施形態１で説明した式（１）〜式（４）によって裏付けられる。
【０１０５】
また、図１０（ａ）に示すように、支持板１２０ｂの周縁部は第１ケース１０８と第２ケース１０６とで挟まれるようにして固定されており、補強板１１６の外径は支持板１２０ｂの外径より小さく、さらに、圧電素子１１２の断面寸法は補強板１１６の外径よりも小さい。従って、圧電素子１１２によって液体室１１０を押圧すると、入口流路１０６ａが配設される中央部を中心にして外周縁が反るため、中央部付近では液体室１１０の押圧量が大きく、容積の変化が大きい。また、外周側では押圧量が小さく、容積の変化が小さい。つまり、液体室１１０内の圧力は、中央部が高く、外周部は低くなるものと考えられる。従って、入口流路１０６ａには液体供給手段３００からほぼ一定の圧力で液体が圧送されていることを含めて液体室１１０内の液体は、中央部から外周部へ強く押し出されることになる。
【０１０６】
従って、中央部にある流入口１１０ａ付近の圧力は大きくなり、流入口１１０ａに液体の戻し圧力が高くなる。しかし、流入口１１０ａの直径がキャピラリーと想定できるほど小さいため、液体室１１０から流入口１１０ａへの逆流が抑制されることから、液体室１１０の圧力を高めることができ、強い液体噴射を得ることができる。
【０１０７】
なお、以上に説明した実施形態２に係る液体噴射装置１０には、前述した実施形態１の第１変形例及び第２変形例と同様な技術思想に基づく変形例が存在している。
【０１０８】
例えば、前述した第１変形例（図６、参照）と同様な考え方の変形例を用いることができる。つまり、仕切壁１２０ｗの先端（第２ケース１０６と向かい合う側の端部）を第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着させず、仕切壁１２０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間には、わずかな間隙が設ける形態である。実施形態２では、入口流路１０６ａを液体室１１０の中央部に連通させ、出口流路１０６ｂを液体室１１０の外周端部に連通させていることから、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１２０ｗが押されて変形する。つまり、仕切壁１２０ｗは、図６（ｂ）に示す変形方向とは逆方向の外周方向に変形する。
【０１０９】
従って、脈動発生部１００では、仕切壁１２０ｗの先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていないものの、液体室１１０に液体が充填される際には、液体室１１０内の液体の流れを、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制することができる。従って、流れの遅い箇所に気泡が滞留することが無く、液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【０１１０】
また、圧電素子１１２が伸張して液体室１１０の容積が減少する際には、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていない仕切壁１２０ｗの先端が液体室１１０の外側に向けて倒れることによって、液体室１１０の内部には、仕切壁１２０ｗを乗り越えて外周縁部の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。このように、渦巻き流路を横切る流れによって出口流路１０６ｂに液体が集められるので、液体を強く噴射することができる。
【０１１１】
また、前述した第２変形例（図７、参照）と同様な考え方の変形例を用いることができる。つまり、仕切壁１２０ｗは、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、凹部１０６ｃとの間にわずかな間隙を設けている。また、仕切壁１２０ｗの全体が支持板１２０ｂから立設されているわけではなく、多重に巻かれた渦巻き形状の仕切壁１２０ｗのうち最も外郭を成す部分だけが支持板１２０ｂに立設されており（図７、参照）、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板１２０ｂに固定されてはいない。
【０１１２】
このような第２変形例を応用した脈動発生部１００においても、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れが、仕切壁１２０ｗによって形成される渦巻き流路に沿って一定の流れに規制されるので、その流れに乗せて液体室１１０内の気泡を速やかに排出することが可能となる。
【０１１３】
一方、圧電素子１１２の伸張によって液体室１１０の容積が減少して、前述したように仕切壁１２０ｗの内側と外側とで圧力差が生じると、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１２０ｗが押される。このとき、液体室１１０内の加圧された液体は、液体室１１０の外側方向に向かって移動する。加えて、仕切壁１２０ｗを乗り越えて渦巻き流路に交差するように外周縁部の出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じて、出口流路１０６ｂに液体が集められるので、液体を強く噴射することができる。
【０１１４】
以上説明した液体噴射装置１０は、水や生理食塩水などの液体を生体組織に向けて噴射することで、生体組織を切開あるいは切除する手術具として、あるいは傷口等への薬液塗布、あるいは洗浄等の医療用の他に、液体としてインクなどを用いた描画、精密部品の洗浄、電子機器の冷却装置など、少量の液体を高速で噴射させることを利用するものとして活用可能である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０…液体噴射装置、１００…脈動発生部、１０２…ノズル、１０６ａ…入口流路、１０６ｂ…出口流路、１１０…液体室、１１２…圧電素子、１２０…流路形成部材、１２０ｂ…支持板、１２０ｗ…仕切壁、２００…制御部、３００…液体供給手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、
前記液体が供給される入口流路と、
前記ノズルに連通する出口流路と、
前記入口流路と前記出口流路との間で、変形可能な仕切壁によって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室と、
前記液体室の容積を前記所与の容積よりも減少させる第１方向側に、前記液体室を変形させる容積変更部と、
前記液体が前記液体室に充填された状態で、前記容積変更部を駆動することによって、前記ノズルから液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、
を備えていることを特徴とする液体噴射装置。
【請求項２】
前記容積変更部は圧電素子を有し、
前記圧電素子を伸張させることによって前記液体室の容積を減少させ、且つ、
前記圧電素子は、前記圧電素子を伸張させない状態において、前記液体室を押圧するよう配設されていること、
を特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
【請求項３】
前記入口流路の断面積が前記出口流路の断面積より小さく、且つ前記入口流路がキャピラリーであること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置。
【請求項４】
前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が固定されていない状態で設けられていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項５】
前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が前記一方の面と向かい合う他方の面に固定された状態で設けられていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項６】
前記液体室の流路は、断面積がほぼ均一に形成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項７】
前記入口流路は、前記液体室の外周縁部に連通され、
前記出口流路は、前記液体室の中央部に連通されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項８】
前記入口流路が、前記液体室の中央部に連通され、
前記出口流路が、前記液体室の外周縁部に連通されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項１】
ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、
前記液体が供給される入口流路と、
前記ノズルに連通する出口流路と、
前記入口流路と前記出口流路との間で、変形可能な仕切壁によって渦巻き形状に区画された所与の容積を有する液体室と、
前記液体室の容積を前記所与の容積よりも減少させる第１方向側に、前記液体室を変形させる容積変更部と、
前記液体が前記液体室に充填された状態で、前記容積変更部を駆動することによって、前記ノズルから液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、
を備えていることを特徴とする液体噴射装置。
【請求項２】
前記容積変更部は圧電素子を有し、
前記圧電素子を伸張させることによって前記液体室の容積を減少させ、且つ、
前記圧電素子は、前記圧電素子を伸張させない状態において、前記液体室を押圧するよう配設されていること、
を特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
【請求項３】
前記入口流路の断面積が前記出口流路の断面積より小さく、且つ前記入口流路がキャピラリーであること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射装置。
【請求項４】
前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が固定されていない状態で設けられていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項５】
前記液体室を形成する仕切壁は、前記液体室を構成する前記第１方向側の面、または前記第１方向側の面と向かい合う第２方向側の面のいずれか一方の面から立設され、かつ、先端が前記一方の面と向かい合う他方の面に固定された状態で設けられていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項６】
前記液体室の流路は、断面積がほぼ均一に形成されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項７】
前記入口流路は、前記液体室の外周縁部に連通され、
前記出口流路は、前記液体室の中央部に連通されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【請求項８】
前記入口流路が、前記液体室の中央部に連通され、
前記出口流路が、前記液体室の外周縁部に連通されていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の液体噴射装置。
【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２０１３−５６０１５（Ｐ２０１３−５６０１５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５７４９（Ｐ２０１１−１９５７４９）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【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２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【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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