JP5636811B2 - 液体噴射装置、および液体噴射装置を用いた医療機器 - Google Patents

Description

本発明は、加圧した液体を噴射する液体噴射装置、および液体噴射装置を用いた医療機器に関する。

水あるいは生理食塩水などの液体を加圧して、噴射ノズルから細くしぼった状態で生体組織などに噴射することで、生体組織の切開や切除などを行う技術が開発されている（特許文献１）。この技術は、血管などの脈管構造を傷つけることなく臓器などの組織だけを切開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。

また、液体を噴射するに際して、単に噴射ノズルから連続的に噴射するのではなく、パルス状の噴流を断続的に噴射することで、少ない噴射量で生体組織の切開を可能とした技術も提案されている（特許文献２）。この技術では、噴射しようとする液体を小さな液体室に供給した後に、液体室の容積を瞬間的に減少して液体を加圧することで、噴射ノズルからパルス状に液体を噴射している。

ここで、噴射ノズルから液体を噴射するためには、液体室および噴射ノズル先端までが液体で満たされるように、常に必要十分な量の液体を噴射ユニットに供給しておく必要がある。また、供給した液体に気泡が混入していると、液体を噴射するために液体室の容積を減少させても気泡が潰れてしまうので、液体室内の液体を加圧して適切に噴射することができなくなる。このため、パルス状の噴流を噴射する技術では、液体室に液体を供給するためのポンプとして、気泡が発生し易い遠心型のポンプ（例えば、ベーンポンプなど）ではなく、気泡を発生させることなく十分な流量を確保することが可能な容積変更型のポンプ（例えば、ピストンポンプなど）が使用されている。

特開２００５−１５２１２７号公報 特開２００８−０８２２０２号公報

しかし、容積変更型のポンプは、液体の供給圧力に変動が生じ易いため、液体噴射装置の操作感が損なわれ易いという問題がある。供給圧力が低下すると、噴射される液体の噴射量に対して供給量が不足するため、噴射量が著しく低下し、切開能力、あるいは液体を噴射した時に操作者が感じる反力が著しく変動することとなる。このため、液体をパルス状に噴射する技術では、容積変更型ではありながら圧力変動ができるだけ生じない特殊なポンプの使用を余儀なくされていた。

本発明は、従来の技術が有する上述した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、供給圧力の変動する液体が供給された場合でも、液体噴射装置の操作感が損なわれることを回避することが可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本適用例の液体噴射装置は次の構成を採用した。

［適用例１］本適用例にかかる液体噴射装置は、噴射ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、噴射しようとする液体が供給されると共に、前記噴射ノズルが接続された液体室と、前記液体室に液体を圧送する液体圧送手段と、印加された駆動電圧に応じて変形することで、前記液体室の容積を変更する容積変更部と、前記液体室に液体が供給された状態で、前記容積変更部に所定の電圧波形の前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段と、前記液体室に圧送される液体の圧力変動データを記憶する記憶部と、を備え、前記液体圧送手段は、前記液体室に圧力変動を伴う状態で液体を圧送する手段であり、前記駆動電圧印加手段は、前記記憶部の前記圧力変動データに基づき、前記電圧波形を変更することによって補償しながら、前記容積変更部に印加し、前記圧力変動データが所定の圧力より小さい場合の、電圧波形と前記電圧波形の次に印加する電圧波形との時間間隔が、前記圧力変動データが所定の圧力より大きい場合の、電圧波形と前記電圧波形の次に印加する電圧波形との時間間隔よりも長いことを特徴とする。

このような構成によれば、液体圧送手段を用いて液体室に液体を圧送するとともに、容積変更部に駆動電圧を印加して液体室の容積を減少させることによって、加圧した液体室内の液体を噴射ノズルから噴射する。そして、容積変更部に駆動電圧を印加するに際しては、液体室に圧送される液体の圧力変動が液体の噴射に与える影響を、駆動電圧の電圧波形を変更することによって補償する。

液体室に圧送される液体の圧力が変動すると、噴射ノズルから噴射される液体の勢いが変動する。一方、容積変更部に印加する駆動電圧の電圧波形を変更することによっても、噴射ノズルから噴射される液体の勢いが変動する。このことから、液体室に圧送される液体の圧力変動による影響を打ち消すように、駆動電圧の電圧波形を変更してやれば、たとえ液体室に圧送される液体の圧力が変動した場合でも、液体噴射装置の操作に違和感が現れることを抑制することが可能となる。

さらに、供給圧力が所定の圧力より小さい場合の、一つの電圧波形と次に印加する電圧波形との時間間隔を、供給圧力が所定の圧力より大きい場合の、一つの電圧波形と次に印加する電圧波形との時間間隔より長くすることで、一度噴射した後の、次の噴射までの間隔を長くすることができる。噴射の間隔（タイミング）を長くすることができれば、一つの噴射と次の噴射との間に供給される液体の流量を、たとえ供給ポンプから圧送される液体の圧力が低下した場合でも、十分に確保できるようになるため、液体を噴射ノズル先端から適切に噴射することが可能となる。

［適用例２］上記適用例にかかる液体噴射装置において、前記駆動電圧印加手段は、前記液体室に圧送される液体の圧力が低くなるほど、前記駆動電圧の最大電位差が大きくなるように電圧波形を変更した後、前記容積変更部に印加する手段であることとしてもよい。

このような構成によれば、駆動電圧の最大電位差が大きくなるように電圧波形を変更すれば、液体室内の液体の圧力を高めることができるので、液体室内に圧送される液体の圧力低下を補うことができる。その結果、たとえ、液体室に圧送される液体の圧力が低下した場合でも、液体噴射装置の操作感が損なわれることを抑制することが可能となる。

尚、液体室に圧送される液体の圧力が増加する場合には、圧力が高くなるほど、駆動電圧の最大電位差が小さくなるように電圧波形を変更して、容積変更部に印加すればよい。こうすれば、液体室の容積変更による液体室内の圧力増加を抑制することができるので、液体室内に圧送される液体の圧力増加を補うことができる。その結果、たとえ、液体室に圧送される液体の圧力が増加した場合でも、液体噴射装置の操作感が損なわれることを抑制することが可能となる。

［適用例３］上記適用例にかかる液体噴射装置において、前記駆動電圧印加手段は、前記液体室に圧送される液体の圧力が低くなるほど、前記駆動電圧の電圧上昇速度が増加するように電圧波形を変形した後、前記容積変更部に印加する手段であることとしてもよい。

このような構成によれば、駆動電圧の電圧上昇速度が増加するように電圧波形を変更すれば、液体室内の液体の圧力を高めることができるので、液体室内に圧送される液体の圧力低下を補うことができる。その結果、たとえ、液体室内に圧送される液体の圧力が低下した場合でも、液体噴射装置の操作感が損なわれることを抑制することが可能となる。

尚、液体室に圧送される液体の圧力が増加する場合には、圧力が高くなるほど、駆動電圧の電圧上昇速度が減少するように電圧波形を変更して、容積変更部に印加すればよい。こうすれば、液体室の容積変更による液体室内の圧力増加を抑制することができるので、液体室内に圧送される液体の圧力増加を補うことができる。その結果、たとえ、液体室に圧送される液体の圧力が増加した場合でも、液体噴射装置の操作感が損なわれることを抑制することが可能となる。

［適用例４］本適用例にかかる医療機器は、上記適用例にかかる液体噴射装置を用いたことを特徴とする。
このような構成によれば、上記適用例にかかる液体噴射装置を用いることにより、液体室内に圧送される液体の圧力が変動した場合でも、液体噴射装置の操作感が損なわれることを抑制することができるため、使用に際して安定した操作が可能な医療機器を提供できる。
医療機器としては、生体手術に使用されるウォータージェットメスなどに用いてもよい。安定した操作により医者が医療行為に集中することを可能とした安全性の高い医療機器を提供できる。

実施例における液体噴射装置の大まかな構成を示した説明図である。 噴射ユニットの詳細な構造を示した説明図である。 実施例の噴射ユニットが液体を噴射する動作を示した説明図である。 アクチュエーターに駆動電圧が印加されることにより、液体室内の液体が加圧される様子を概念的に示した説明図である。 供給ポンプから圧力変動を含む液体が供給される場合に生じる現象を概念的に示した説明図である。 実施例の液体噴射装置がアクチュエーターに印加する駆動電圧波形を変更する様子を示した説明図である。 実施例の液体噴射装置が駆動電圧波形に補正係数を乗算することで液体室内の圧力ピークを一定に保つ様子を示した説明図である。 供給ポンプから圧力変動を含む液体が供給される場合に、所定の圧力を定めることを示した説明図である。 実施例の液体噴射装置がアクチュエーターに印加する駆動電圧波形間隔を変更する様子を示した説明図である。 実施例の液体噴射装置が駆動電圧波形に補正係数を乗算することに加えて、所定の圧力以下では駆動電圧波形の時間間隔に補正をすることで、液体室内の圧力ピークを一定に保ちつつ、噴射の時間間隔を調整する様子を示した説明図である。 実施例の変形例の液体噴射装置が駆動電圧波形を変形する様子を示した説明図である。

本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
１．装置構成
２．液体の噴射動作
３．アクチュエーターの駆動方法
４．実施例の変形例

（１．装置構成）
図１は、実施例における液体噴射装置１０の大まかな構成を示した説明図である。図示されているように液体噴射装置１０は、大きく分けると、パルス状に液体を噴射する噴射ユニット１００と、噴射ユニット１００から噴射される液体を噴射ユニット１００に向けて圧送することで供給する液体圧送手段としての供給ポンプ３００と、噴射ユニット１００および供給ポンプ３００の動作を制御する制御ユニット２００と、あらかじめ供給ポンプ３００の供給圧力変動を記憶しておく記憶部としての記憶部２０２などから構成されている。なお、記憶部２０２は制御ユニット２００内に組み込まれていてもよい。

噴射ユニット１００は、金属製で略長方形形状の前ブロック１０６に、同じく金属製の後ブロック１０８を重ねてネジ止めしたような構造となっており、前ブロック１０６の前面には円管形状の液体通路管１０４が立設され、液体通路管１０４の先端には噴射ノズルとしての噴射ノズル１０２が挿着されている。前ブロック１０６と後ブロック１０８との合わせ面には、薄い円板形状の液体室としての液体室１１０が設けられており、液体室１１０は、液体通路管１０４を介して噴射ノズル１０２に接続されている。また、後ブロック１０８の内部には、積層型圧電素子によって構成された容積変更部としてのアクチュエーター１１２が設けられており、アクチュエーター１１２が駆動電圧に応じて変形することによって、液体室１１０を変形させて、液体室１１０の容積を変更させることが可能となっている。

供給ポンプ３００は、噴射しようとする液体（水、生理食塩水、薬液など）が貯められた液体タンク３０６から、チューブ３０２を介して液体を吸い上げた後、チューブ３０４を介して噴射ユニット１００の液体室１１０内に供給する。供給ポンプ３００には、噴射ユニット１００の要求に応じて必要十分な分量の液体を供給可能であるとともに、液体中に気泡を混入させないこととが求められている。このため、図示は省略するが、水車状の部材（ベーンあるいはインペラーと呼ばれる）をケース内部で回転させることで液体を圧送する遠心型のポンプではなく、容積を増減可能な液体室内に液体を吸い込んだ後、その液体室の容積を減少させることで液体を圧送する容積変更型のポンプ（ピストンポンプや、ダイアフラムポンプなど）が用いられる。

液体噴射装置１０で用いられている供給ポンプ３００は、シリンダー内で２つのピストンを摺動させることによって液体室内の液体を圧送するピストンポンプであるものとする。２つのピストンは、一方が前進している時は他方が後退するといったように、互いに逆位相で摺動するようになっているため、途切れることなく噴射ユニット１００に向かって液体を圧送することが可能である。もっとも、２つのピストンを逆位相で摺動させるだけでは、液体を圧送する圧力までは均一にすることができず、従って、噴射ユニット１００には圧力変動を伴った状態で、液体が供給されている。

制御ユニット２００は、噴射ユニット１００に内蔵されたアクチュエーター１１２や、供給ポンプ３００を制御することにより、液体噴射装置１０の動作を制御している。また、上述したように、液体噴射装置１０では、供給ポンプ３００から噴射ユニット１００に圧力変動を伴った液体が供給されている。そして、記憶部２０２には、供給ポンプ３００から圧送される液体による液体室１１０内の圧力変動データがあらかじめ記憶されている。詳細には後述するが、液体噴射装置１０では、噴射ユニット１００に内蔵されたアクチュエーター１１２の駆動態様を記憶部２０２に記憶された液体室１１０内の圧力変動データに基づいて変更しているために、たとえ噴射ユニット１００に供給される液体に圧力変動が含まれていた場合でも、液体噴射装置１０の操作感が損なわれないようになっている。

図２は、噴射ユニット１００の詳細な構造を示した説明図である。図２（ａ）には、噴射ユニット１００の断面を取った分解組立図が示されており、図２（ｂ）には、組み立て後の断面図が示されている。後ブロック１０８には、前ブロック１０６と合わさる面のほぼ中央に、大きな円形の浅い凹部１０８ｃが形成されており、凹部１０８ｃの中央位置には、後ブロック１０８を貫通して円形断面の貫通穴１０８ｈが形成されている。

凹部１０８ｃの底部には、貫通穴１０８ｈを塞ぐような状態で金属製の薄いダイアフラム１１４が設けられ、ダイアフラム１１４の周縁部は、ロウ付けあるいは拡散接合などの手法によって、凹部１０８ｃの底部に対して気密に固着されている。更に、凹部１０８ｃには、ダイアフラム１１４の凹部１０８ｃの底部側とは反対側（図では上側）から、円環形状をした金属製の補強板１２０が、凹部１０８ｃに緩く嵌め込まれるようになっている。そして、補強板１２０の板厚は、ダイアフラム１１４を挟んで補強板１２０を嵌めた時に、凹部１０８ｃが形成されている後ブロック１０８の端面と、補強板１２０の端面との面位置が同一となるような厚さに設定されている。

ダイアフラム１１４によって一端側が塞がれた貫通穴１０８ｈには、アクチュエーター１１２（実施例では積層型圧電素子）が収容され、アクチュエーター１１２の他端側では、円板形状で金属製の底板１１８によって貫通穴１０８ｈが塞がれている。また、アクチュエーター１１２とダイアフラム１１４との間には、円形で金属製のシム１１６が収納される。そして、後ブロック１０８の貫通穴１０８ｈにアクチュエーター１１２を収納して、底板１１８で貫通穴１０８ｈを塞いだ時に、ダイアフラム１１４と、シム１１６と、アクチュエーター１１２と、底板１１８とがちょうど接した状態となるように、シム１１６の厚さが選択されている。

前ブロック１０６には、後ブロック１０８と合わさる側の面に、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、後ブロック１０８に嵌め込まれた補強板１２０の円環形状の内径とほぼ同じ大きさに設定されている。そして、前ブロック１０６と後ブロック１０８とを合わせてネジ止めした時に、後ブロック１０８側に設けられたダイアフラム１１４および補強板１２０の内周面と、前ブロック１０６に設けられた凹部１０６ｃとによって、略円板形状の液体室１１０が形成されるようになっている。

また、前ブロック１０６には、前ブロック１０６の側方から液体室１１０に液体を供給するための供給通路１０６ｉが設けられている。更に、凹部１０６ｃの中央位置には、液体室１１０で加圧された液体が通過する細径の噴射通路１０６ｏが貫通している。この噴射通路１０６ｏが開口する部分には、液体通路管１０４が内径部分で挿着されている。そして、その液体通路管１０４の先端には噴射ノズル１０２が挿着されている。従って、噴射ユニット１００から噴射される液体の通路は、液体室１１０を出た後噴射通路１０６ｏを通って液体通路管１０４に出ると通路断面積が広くなり、液体通路管１０４の先端の噴射ノズル１０２の部分で再び断面積が狭くなるようになっている。

図２（ｂ）には、噴射ユニット１００を組み立てた状態での断面図が示されている。図示されているように、補強板１２０の端面は後ブロック１０８の端面とちょうど面位置が同一になっており、この面に前ブロック１０６を合わせることで、前ブロック１０６と後ブロック１０８との間に液体室１１０が形成されている。また、後ブロック１０８の貫通穴１０８ｈに、シム１１６およびアクチュエーター１１２を収納して底板１１８を取り付けると、ダイアフラム１１４と、シム１１６と、アクチュエーター１１２と、底板１１８とがちょうど接する状態となっている。

（２．液体の噴射動作）
図３は、実施例の噴射ユニット１００が液体を噴射する動作を示した説明図である。図３（ａ）は、供給ポンプ３００を駆動しているが、アクチュエーター１１２は駆動していない状態（駆動電圧を印加する前の状態）を表している。この状態では、図中に太い破線の矢印で示されるように、供給ポンプ３００によって供給された液体で液体室１１０が満たされる。図中では、液体室１１０に斜線を付すことによって、液体室１１０が液体で満たされていることを表している。

続いて、駆動電圧を印加することにより、アクチュエーター１１２を駆動する。すると、アクチュエーター１１２は伸長する方向に変形し、ダイアフラム１１４を変形させて、液体室１１０の容積を減少させようとする。その結果、液体室１１０の液体が加圧されて、噴射通路１０６ｏおよび液体通路管１０４を介して、噴射ノズル１０２から噴射される。

尚、液体室１１０には、噴射通路１０６ｏだけでなく、供給通路１０６ｉも接続されている。従って、液体室１１０で加圧された液体は、噴射通路１０６ｏからだけでなく、供給通路１０６ｉからも流出しようとするものと考えられる。しかし実際には、液体室１１０で加圧された液体は、専ら噴射通路１０６ｏから流出し、供給通路１０６ｉから流出することはない。

これは、次のような理由による。先ず、供給通路１０６ｉ内の液体は液体室１１０内に流入しようとしているので、液体室１１０で加圧された液体が供給通路１０６ｉから流出するためには、供給通路１０６ｉ内の液体の流れを押し戻す必要がある。加えて、供給通路１０６ｉ内の液体は、後方から供給ポンプ３００によって圧送されているので、この圧力にも打ち勝つ必要がある。

これに対して、噴射通路１０６ｏでは、液体室１１０からの流出を妨げるような液体の流れは存在せず、しかも供給ポンプ３００が液体を圧送する圧力も、液体室１１０からの流出を妨げる方向には作用しない。
このため、液体室１１０で加圧された液体は、供給通路１０６ｉではなく、専ら噴射通路１０６ｏから流出する。加えて、噴射通路１０６ｏと供給通路１０６ｉの断面積や長さを調整することで、噴射通路１０６ｏよりも供給通路１０６ｉのイナータンスを大きくして、液体室１１０で加圧された液体が噴射通路１０６ｏから流出し易くなる方向に作用させることができる。

例えば、噴射通路１０６ｏを出た部分で液体の通路の断面積（すなわち、液体通路管１０４の断面積）を供給通路１０６ｉの断面積よりも大きく形成したり、噴射通路１０６ｏの長さを供給通路１０６ｉの長さよりも短く形成したりすることによって、噴射通路１０６ｏよりも供給通路１０６ｉのイナータンスを大きくすることができる。
これらの理由から、液体室１１０で加圧された液体は、専ら噴射通路１０６ｏから流出し、供給通路１０６ｉから流出することはない。

図３（ｂ）には、アクチュエーター１１２に駆動電圧を印加することで、アクチュエーター１１２が変形して、液体室１１０の容積を減少させる。その結果、押し出された分の液体が噴射ノズル１０２からパルス状に噴射される様子が示されている。

こうして液体をパルス状に噴射した後、アクチュエーター１１２に印加した電圧を取り除く。すると、変形していたアクチュエーター１１２が元の長さに復元し、それに伴って減少していた液体室１１０の容積が元の容積に復元する。その動きと共に、供給ポンプ３００から液体室１１０に液体が供給される。その結果、図３（ａ）に示したアクチュエーター１１２を駆動する前の状態に復帰する。そして、この状態から再びアクチュエーター１１２に駆動電圧を印加すると、図３（ｂ）に示したようにアクチュエーター１１２が変形して、液体室１１０から押し出された分の液体が、噴射ノズル１０２からパルス状に噴射される。このように、実施例の液体噴射装置１０では、アクチュエーター１１２に駆動電圧を印加する度に、噴射ノズル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。

図４は、アクチュエーター１１２に駆動電圧が印加されることにより、液体室１１０内の液体が加圧される様子を概念的に示した説明図である。尚、図４は、アクチュエーター１１２による加減圧分のみであるため、供給ポンプ３００から液体室１１０に液体が供給される際の圧力は含まれていない。図の上段には、アクチュエーター１１２に印加される駆動電圧波形が示されており、図の下段には、アクチュエーター１１２によって液体室１１０が変形することで、液体室１１０内の圧力が変化する様子が概念的に示されている。
実施例では、アクチュエーター１１２に印加される電圧が上昇すると、アクチュエーター１１２が伸びる方向に変形して液体室１１０の容積が減少し、逆に、印加される電圧が低下すると、液体室１１０の容積が増加するようになっている。

図４中に示した駆動電圧波形では、実線で示した部分では液体室１１０が圧縮され、破線で示した部分では液体室１１０が拡大されている。そして、液体室１１０が圧縮される部分（駆動電圧波形が実線で示された部分）では、液体室１１０内の液体が加圧され、その結果、噴射ノズル１０２から液体が噴出することになる。その後、液体室１１０の容積が元に戻る部分（駆動電圧波形が破線で示された部分）では、液体室１１０の圧力が低下し、その結果、供給通路１０６ｉから液体室１１０内に液体が供給される。ここで、供給ポンプ３００から供給される液体の圧力が変動していると、以下のような事態が発生する。

図５は、供給ポンプ３００が噴射ユニット１００に向かって供給する液体に圧力変動が含まれていた場合に生じる現象を概念的に示した説明図である。例えば、供給ポンプ３００の出口部分での液体圧力が、図５（ａ）に示したように周期Ｔ１で変動していたものとする。この圧力変動は、供給ポンプ３００と噴射ユニット１００（液体室１１０の入口部分）との間を接続するチューブ３０４の部分で、若干の時間遅れＤが発生すると共に、圧力振幅も僅かに減少する。
結果、図５（ｂ）のように圧力が変動した状態で、噴射ユニット１００の液体室１１０に供給される。従って、アクチュエーター１１２を駆動しない状態では、液体室１１０内の圧力は、図５（ｂ）に示すような状態で変動することになる。また、記憶部２０２には図５（ｂ）に示すような、液体室１１０内の圧力変動データを記憶しておく。

液体室１１０内の圧力が、図５（ｂ）に示されるような状態で、図４に示した駆動電圧波形を用いてアクチュエーター１１２を駆動する。すると、アクチュエーター１１２によって液体室１１０が圧縮あるいは拡大する動きに応じて、液体室１１０内の圧力が増加あるいは減少する。その結果、例えば、後述する周期Ｔ２の駆動電圧波形をアクチュエーター１１２に印加すると、液体室１１０内の圧力は、図５（ｃ）に示したように、周期Ｔ１で変化する長周期の変動に、周期Ｔ２で変化する短周期の変動が重畳したような状態で変動することになる。

図５（ｃ）に示すような状態で液体室１１０内の圧力が変動すると、以下のように液体噴射装置１０の操作感が損なわれてしまう。
先ず、噴射ノズル１０２からは、周期Ｔ２の間隔でパルス状に液体が噴射されるが、パルス毎に、液体が噴射される勢いが変動する。このため、生物組織の切開能力も変動し、その結果、組織を切り過ぎてしまったり、逆に切り方が足らなかったりする事態が発生する。また、噴射ノズル１０２の外側は大気圧で一定であるから、液体室１１０内の圧力が変動すると、それに伴って噴射ノズル１０２から噴射される液体の流量も変動する。そして、噴射流量の変動も、切開能力の変動を引き起こす。

加えて、噴射ノズル１０２から液体を噴射すると、その反力が噴射ユニット１００に伝わることから、噴射ノズル１０２から噴射する液体の勢いが変動すると、噴射ユニット１００を保持しておくために要する力も変動し、その結果、液体噴射装置１０の操作者が噴射ユニット１００を同じ位置で保持しておくことが困難となる。

さらに、噴射ノズル１０２から液体を噴射すると、液体が噴射された直後は、噴射ノズル１０２、および噴射ノズル１０２と液体室１１０とをつなぐ液体通路管１０４内の一部は液体が満たされていない状態になる。したがって、次の液体の噴射までの時間に、供給ポンプ３００から圧送される液体で、噴射ノズル１０２先端までを充填する必要がある。一般的に、圧送される液体の圧力が小さいほど、圧送される液体の流量が低下するので、供給ポンプ３００から圧送される液体が、所定の圧力以下の場合は、一度噴射した後に供給ポンプ３００から圧送される液体の量が不足し、次の噴射までに噴射ノズル１０２先端までを液体で充填できない可能性がある。

噴射ノズル１０２先端まで液体が充填されていない状態では、噴射ノズル１０２から噴射する液体の流量が低下し、その結果、生体組織の切り方が足らないといった事態が発生する。また、噴射ノズル１０２から噴射する液体の勢いが変動するため、噴射ユニット１００を保持しておくために要する力も変動し、その結果、液体噴射装置１０の操作者が噴射ユニット１００を同じ位置で保持しておくことが困難となる。

以上のような理由から、供給ポンプ３００の圧送圧力が変動すると液体噴射装置１０の操作感が損なわれてしまう。そこで、実施例の液体噴射装置１０では、供給ポンプ３００から供給される液体の圧力に応じて、アクチュエーター１１２に印加する電圧波形を変更し、さらに、供給圧力が所定の圧力以下となった場合は、噴射と次の噴射との時間間隔を補正することで、たとえ供給ポンプ３００からの液体に圧力変動が存在する場合でも、液体噴射装置１０の操作感が損なわれることを回避可能としている。

（３．アクチュエーターの駆動方法）
図６は、実施例の液体噴射装置１０がアクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形を変更する様子を示した説明図である。実施例では、標準として記憶されている駆動電圧波形に補正係数を乗算することによって、アクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形を変更する。例えば、図６の上段に示した駆動電圧波形のうち、左端に示した駆動電圧波形は補正係数「１」を乗算した波形（すなわち、標準の駆動電圧波形）であり、中央に示した駆動電圧波形は補正係数「１．２」を乗算した波形であり、右端に示した波形は補正係数「１．４」を乗算した駆動電圧波形である。

また、図６の下段には、上段に示したそれぞれの駆動電圧波形によって液体室１１０内の圧力が変動する様子が示されている。図示されているように、補正係数が大きくなるほど（駆動電圧波形の最大電圧が大きくなるほど）、液体室１１０内に発生する圧力のピーク値も大きくなる。逆に、補正係数が小さくなると、液体室１１０内に発生する圧力のピーク値も小さくなる。実施例の液体噴射装置１０では、このように、アクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形に補正係数を乗算することで、供給ポンプ３００からの液体の圧力変動に起因して液体噴射装置１０の操作感が損なわれることを回避している。

図７は、実施例の液体噴射装置１０が、駆動電圧波形に補正係数を乗算することで、供給ポンプ３００からの液体供給圧力の変動を打ち消し、液体室１１０内の圧力のピーク値を一定に保つ様子を示した説明図である。尚、図７では、供給圧力が所定の圧力以下となった場合に、噴射と次の噴射との時間間隔を補正する効果は含まれていない。
供給ポンプ３００が液体を圧送する際の圧力が、図７（ａ）に示すように変動していた場合、標準の（補正係数を乗算しない）駆動電圧波形を用いてアクチュエーター１１２を駆動すると、液体室１１０内の圧力は、図７（ｂ）に示すように変動する。その結果、図５を用いて前述したように、液体噴射装置１０の操作感が損なわれることになる。

そこで、液体室１１０に供給される液体の圧力が低下している部分では、駆動電圧波形に「１」よりも大きな補正係数を乗算した後、アクチュエーター１１２に印加することで、図７（ｃ）に示されるように、液体室１１０内の圧力のピーク値がいつでもほぼ同じ値となり一定に保たれるようにする。記憶部２０２に記憶した液体室１１０内での圧力変動データから、適切な補正係数を予め設定しておくことで、図７（ｃ）に示されるように、液体室１１０内の圧力のピーク値がほぼ一定に保たれるようにすることができる。

尚、記憶部２０２は供給ポンプ３００内に組み込まれていても良い。記憶部２０２を供給ポンプ３００内に組み込んだ場合は、記憶部２０２には図５（ａ）に示されるような供給ポンプ３００出口での供給圧力変動データを記憶していても良い。液体室１１０に供給される液体の圧力変動は、供給ポンプ３００が圧送する液体の圧力変動に対して、位相の遅れや、振幅の減衰などが生じているが、これらは、供給ポンプ３００と噴射ユニット１００とを接続するチューブ３０４の長さやチューブ３０４の剛性などによってほぼ決まるので、予め把握しておくことができる。従って、供給ポンプ３００内に組み込んだ記憶部２０２に記憶された、供給ポンプ３００出口での供給圧力変動データから液体室１１０内の圧力変動を求め、駆動電圧波形の補正係数を求めても良い。

また、図５（ｂ）では理解しやすくするために、チューブ３０４で発生する時間遅れＤの大きさを誇張して表示しているが、実際の時間遅れＤはそれほど大きいものではない。従って、簡便には、時間遅れＤの影響は無視して、チューブ３０４による圧力変動の減衰のみを考慮して、駆動電圧波形の補正係数を求めても良い。また、図７（ｃ）では、一定の周期でパルス状に液体が噴射されているものとしているが、以上の説明から明らかなように、一定の周期で液体を噴射する場合に限らず、任意のタイミングで液体を噴射する場合でも、それぞれのパルスのピーク値をほぼ同じ圧力にすることが可能である。

こうして、駆動電圧波形に補正係数を乗算することで、噴射ノズル１０２から噴射される液体の圧力をほぼ同じにしておけば、液体噴射装置１０の切開能力をほぼ一定に保つことができる。また、パルスで噴射される液体の毎回の流量もほぼ一定に保っておくこともできる。更に、噴射ノズル１０２から液体を噴射した時に噴射ユニット１００が受ける反力も、ほぼ一定に保っておくことができる。このため、たとえ、供給ポンプ３００から圧送される液体の圧力が変動していても、液体噴射装置１０の操作感が損なわれてしまうことを回避することが可能となる。

次に供給圧力が所定の圧力より小さい場合に、噴射と次の噴射の時間間隔を補正することについて説明する。図８は供給圧力が変動する場合に、噴射と次の噴射との時間間隔を変更するために所定の圧力を定めることを示した説明図である。供給圧力が所定の圧力以下となった場合、駆動電圧波形の時間間隔を変更する。

図９は、実施例の液体噴射装置１０がアクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形の時間間隔を変更する様子を示した説明図である。尚、図８では波形間隔についてのみ表し、上述した電圧補正の効果は含まれていない。１つのパルス化された液体を噴出するために、容積変更手段に印加する駆動電圧波形は図４に示した一対の電圧増加部（駆動電圧波形が実線で示された部分）と減少部（駆動電圧波形が破線で示された部分）からなるとする。
図９に示すように、パルス化された液体の噴射の間隔は、駆動電圧波形の、電圧増加部の開始時点と次の電圧増加部の開始時点との時間間隔Ｔ３で表される。したがって、供給圧力の低下に合わせて、時間間隔Ｔ３を長くするように駆動電圧波形を変更する。例えば、駆動電圧波形のうち、左端を第１波、その次を第２波、以下第３波、第４波とすると、第１波と第２波との駆動電圧波形の時間間隔Ｔ３は補正係数「１」を乗算した波形（すなわち、標準の駆動電圧波形間隔）であり、第２波と第３波との駆動電圧波形間隔は補正係数「１．２」を乗算した波形であり、第３波と第４波との駆動電圧波形間隔は補正係数「１．４」を乗算した駆動電圧波形である。

補正係数が大きくなるほど（駆動電圧波形間隔が長くなるほど）、液体室１１０内に供給ポンプ３００から液体が供給される時間が長くなるため、たとえ供給ポンプ３００の供給圧力が低く、供給流量が低下した状態であっても、噴射ノズル１０２先端まで液体を充填させることが可能となる。このように、アクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形間隔に補正係数を乗算することで、供給ポンプ３００からの液体の圧力変動に起因して液体噴射装置１０の操作感が損なわれることを回避している。

所定の圧力は以下のように定めることもできる。供給圧力と供給流量の関係は、供給ポンプ３００と噴射ユニット１００とを接続するチューブ３０４の長さや噴射ユニット１００内の流路の形状などによってほぼ決まるので、予め把握しておくことができる。したがって、波形間隔Ｔ３の間に噴射ユニット１００に供給される流量を、記憶部４００に記憶された供給圧力変動データから算出することができる。また、噴射流量は、上述した駆動電圧補正を行うことで、供給ポンプ３００の圧力変動に影響されず、ほぼ一定に保たれている。したがって、（標準の波形間隔Ｔ３の間に供給される流量）＝（１つのパルスで噴射される液体の流量）となるときの供給圧力を、所定の圧力として定めることができる。

尚、所定の圧力は供給圧力変動における圧力の下限値と上限値の間にあることが望ましい。なぜなら、所定の圧力を供給圧力変動における下限値以下に設定した場合、常に（標準の波形間隔Ｔ３の間に供給される流量）≧（一度のパルスで噴射される液体）となるため、パルスとして噴射される流量以外にも噴射ノズル１０２より液体が流出することになり、供給される液体を無駄に消費してしまうことになる。一方、所定の圧力を供給圧力変動における上限値以上に設定した場合は、常に（標準の波形間隔Ｔ３の間に供給される流量）≦（一度のパルスで噴射される液体）となり、常に供給流量が欠乏し、波形間隔の補正を行う必要があるためである。

図１０は、実施例の液体噴射装置１０が、駆動電圧波形に補正係数を乗算することに加えて、供給圧力が所定の圧力より小さい場合に、一つの駆動電圧波形と次の駆動電圧波形の時間間隔に補正係数を乗算することで、液体室内の圧力のピーク値を一定に保ちつつ、噴射の時間間隔を調整する様子を示した説明図である。駆動電圧波形に補正係数を乗算することで、液体室１１０内の圧力のピーク値がほぼ一定になるようにしている。さらに、供給圧力が所定の圧力より小さい場合には、駆動電圧波形間隔に補正係数を乗算することで、供給圧力が低下した状態であっても、噴射ノズル１０２先端まで液体を充填し、噴射ノズル１０２先端から液体が適切に噴射できるようにしている。尚、本実施例の波形は一例であって、矩形波や三角波など、他の波形に変更することが可能である。

（４．実施例の変形例）
上述した実施例では、アクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形に補正係数を乗算して、駆動電圧波形の相似形状を保ったまま変形（すなわち拡大あるいは縮小）することによって、供給ポンプ３００からの圧力変動の影響を補償するものとして説明した。しかし、駆動電圧波形を非相似な形状に変形することによって、供給ポンプ３００からの圧力変動の影響を補償するようにしても良い。以下では、このような実施例の変形例について説明する。

図１１は、実施例の変形例の液体噴射装置１０が駆動電圧波形を変形する様子を示した説明図である。図１１の上段に示した３つの駆動電圧波形の中で、左側に示した電圧波形は、標準として記憶されている駆動電圧波形である。また、中央に示した駆動電圧波形は、電圧増加部の出力に要する時間を、標準の時間ｔａから時間ｔｃ（＝０．８×ｔａ）に短縮した電圧波形である。更に、右側に示した駆動電圧波形は、電圧増加部の時間を時間ｔｄ（＝０．６×ｔａ）に短縮した電圧波形である。

実施例の変形例では、アクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形を、駆動電圧値が増加する部分（電圧増加部分）と、駆動電圧値が減少する部分（電圧減少部分）とに分けて記憶する。そして、電圧増加部分の出力に要する時間を変更することによって、アクチュエーター１１２に印加する駆動電圧波形を変形する。例えば、標準として記憶されている駆動電圧波形は、時間ｔａかけて電圧増加部分が出力され後、時間ｔｂかけて電圧減少部分が出力される電圧波形であったとすると、電圧増加部分の出力に要する時間を短縮したり、あるいは延長したりすることによって駆動電圧波形を変形するのである。もちろん、電圧増加部分の時間ｔａを変更することに併せて、電圧減少部分の時間ｔｂを変更しても良い。

つまり、電圧増加部の出力に要する時間を短縮するに従って、アクチュエーター１１２に印加される電圧値は急激に増加するのでアクチュエーター１１２が急激に変形し、液体室１１０の容積を急激に減少させる。その結果、液体室１１０内の液体に加わる圧力のピーク値が大きくなる。
図１１の下段には、駆動電圧波形の電圧増加部の時間が短くなるにつれて、液体室１１０内の圧力のピーク値が増加する様子が示されている。尚、図１１では、電圧増加部の出力に要する時間を短縮する場合のみが示されているが、電圧増加部の出力に要する時間を延長した場合には、液体室１１０内の圧力のピーク値が減少することになる。
従って、前述した実施例の液体噴射装置１０では、記憶部２０２に記憶された圧力変動データを基準として定めた補正係数を乗算することによって駆動電圧波形を変形したが、これと同様に、実施例の変形例の液体噴射装置１０では、電圧増加部の出力に要する時間を、記憶部２０２に記憶された圧力変動データを基準として短縮（あるいは延長）して駆動電圧波形を変形することによっても、供給ポンプ３００から供給される液体の圧力変動の影響で操作感が損なわれることを回避することが可能となる。さらに、供給される液体の圧力が所定の圧力以下に低下する場合は、電圧増加部分の時間ｔａに補正係数を乗算し、液体室１１０内の圧力のピーク値がほぼ一定になるよう補正しながら、前述した、噴射と次の噴射の時間間隔を補正する。尚、本実施例の波形は一例であって、三角波やのこぎり波などの他の波形に変更することが可能である。

以上、実施例の液体噴射装置１０について説明したが、本発明は上記の実施例および変形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。

１０…液体噴射装置、１００…噴射ユニット、１０２…噴射ノズル、１０４…液体通路管、１０６…前ブロック、１０６ｃ…凹部、１０６ｉ…供給通路、１０６ｏ…噴射通路、１０８…後ブロック、１０８ｃ…凹部、１０８ｈ…貫通穴、１１０…液体室、１１２…アクチュエーター、１１４…ダイアフラム、１１６…シム、１１８…底板、１２０…補強板、２００…制御ユニット、３００…供給ポンプ、３０２…チューブ、３０４…チューブ、３０６…液体タンク。

Claims (2)

1. 噴射ノズルから液体を噴射する液体噴射装置であって、
   液体が供給されると共に、前記噴射ノズルが接続された液体室と、
   前記液体室に液体を圧送する液体圧送手段と、
   印加された駆動電圧に応じて変形することで、前記液体室の容積を変更する容積変更部と、
   前記液体室に液体が供給された状態で、前記容積変更部に所定の電圧波形の前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加手段と、
   前記液体室に圧送される液体の供給圧力の圧力変動データを記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記液体圧送手段は、前記液体室に圧力変動を伴う状態で液体を圧送する手段であり、
   前記駆動電圧印加手段は、前記供給圧力が低くなるほど、前記駆動電圧波形の電力増加部の時間を前記圧力変動データに基づき短縮した後、前記容積変更部に印加する手段である液体噴射装置。
2. 請求項１に記載の液体噴射装置を用いた医療機器。

Images