流体噴射装置、及び流体噴射装置の制御方法
【課題】気泡の混入に起因した作業性の低下を防止する。
【解決手段】接続チューブ２５の所定位置に、気泡センサ３１を取付け、接続チューブ２５を流れる流体に気泡が混入していることを検知したら（ステップＳ１の判定が“Yes”）、その気泡の現在位置を追跡推定する（ステップＳ２）。そして、気泡が警報開始位置に到達していなければ（ステップＳ３で“No”）、警報を出力せずに待機する。一方、気泡が警報開始位置に到達したら（ステップＳ３で“Yes”）、ランプ３２を点灯又は点滅させると共に、ブザー３３を駆動して警報音を発する（ステップＳ５）。そして、気泡が警報終了位置に到達したら（ステップＳ４で“Yes”）、ランプ３２及びブザー３３の駆動を終了する。
【解決手段】接続チューブ２５の所定位置に、気泡センサ３１を取付け、接続チューブ２５を流れる流体に気泡が混入していることを検知したら（ステップＳ１の判定が“Yes”）、その気泡の現在位置を追跡推定する（ステップＳ２）。そして、気泡が警報開始位置に到達していなければ（ステップＳ３で“No”）、警報を出力せずに待機する。一方、気泡が警報開始位置に到達したら（ステップＳ３で“Yes”）、ランプ３２を点灯又は点滅させると共に、ブザー３３を駆動して警報音を発する（ステップＳ５）。そして、気泡が警報終了位置に到達したら（ステップＳ４で“Yes”）、ランプ３２及びブザー３３の駆動を終了する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体噴射装置、及び流体噴射装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体を噴射して対象部位の切断又は切除などを行う技術が知られている。
例えば、医療分野では、生体組織を切開又は切除する流体噴射装置として、ピエゾ素子の駆動によって容積が変化する流体室と、この流体室に連通されたノズルとを備え、流体室に流体を供給すると共に、ピエゾ素子を駆動することで、脈動する流体をノズルから高速噴射するものがあった（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−０８２２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
流体室に供給される流体には気泡が混入することがあるため、上記特許文献１に記載された従来技術にあっては、流体室に流体を供給する過程で流体を旋回させ、その遠心作用によって気泡との分離を図り、気泡の速やかな排出を促している。
ところで、流体の噴射と気泡の排出とが同時に起こると、しぶきが飛散したり、予期せぬ反動で使用者の手元に影響を与えたりして、作業性が低下する可能性がある。
本発明の課題は、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする。
このように、流体に気泡が混入しているか否かを検知し、その検知結果を報知することにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対してユーザに警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な作業が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザは適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【０００５】
第２の発明は、
前記噴射ユニットは、前記チューブに連通され容積を変更可能な流体室と、前記流体室の容積変更に伴って脈動状態とされた流体を噴射する噴射口と、を備えることを特徴とする。
このように、脈動状態とされた流体を噴射することで、連続噴射する場合と比べて流体が少量で済む。また、術野に飛散し滞留する流量が少ないことで回収もしやすいので、視認性の確保にも貢献する。また、切開・切除・切断する能力は、連続噴射する場合と比べても、同等か、それ以上であることが判明している。
【０００６】
第３の発明は、
前記検知手段は、前記チューブに流れる流体に対して、超音波、光、及び赤外線の少なくとも一つを放射し、気泡が混入しているか否かを検知する気泡センサで構成されることを特徴とする。
このように、気泡センサを用いることで、気泡の混入を容易に検知することができる。
【０００７】
第４の発明は、
前記検知手段は、前記チューブにおける前記噴射ユニットから離れた位置に設置されることを特徴とする。
このように、検知手段を噴射ユニットから離れた位置に設置することで、気泡が噴射ユニットに到達するまでに、ある程度の時間を確保することができる。これは、気泡が混入している旨を報知し、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザが適切な対応をとるために必要な時間である。すなわち、気泡が混入している旨を報知した直後に、気泡が噴射ユニットに到達してしまっては、ユーザが適切な対応をとれないからである。
【０００８】
第５の発明は、
前記検知手段の設置位置は、前記チューブ内を流れる流体が前記設置位置から前記噴射ユニットに到達するまでに設定時間以上を要する位置であることを特徴とする。
このように、チューブ内を流れる流体が検知手段の設置位置から噴射ユニットに到達するまでに設定時間以上を要するように、検知手段の設置位置を決定することで、気泡が混入している旨を報知し、気泡が排出されるまでの設定時間だけ作業を中断するなど、ユーザが適切な対応をとることが可能となる。
【０００９】
第６の発明は、
前記報知手段は、前記検知手段が気泡の混入を検知したときに、気泡の現在位置を推定し、推定した現在位置に基づいて前記報知を行うことを特徴とする。
このように、気泡の現在位置を推定することで、気泡が混入している旨の報知を開始するタイミング、及びその報知を終了するタイミングを最適化することができる。したがって、気泡が混入している旨を報知してから実際に気泡が噴射ユニットに到達するまでに不必要に時間が空いてしまう、又は既に気泡が噴射ユニットから排出されているのに報知し続けてしまうといった事態を回避することができる。
【００１０】
第７の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、を備えた流体噴射装置によって流体を噴射する流体噴射工程と、前記流体噴射工程が実行されているときに、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知工程と、前記検知工程による検知結果を報知する報知工程と、を含むことを特徴とする。
このように、検知工程による検知結果を報知することにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対してユーザに警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な作業が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザは適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【００１１】
第８の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする。
このように、流体に気泡が混入しているか否かを検知し、その検知結果を報知することにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対してユーザに警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な作業が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザは適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明は、具体例の一つに過ぎず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、適宜変更してもよい。また、参照する図面は、便宜上、模式的に描いたものであって、形状や縮尺は実際のものとは異なる点がある。
本実施形態では、医療分野で利用される流体噴射装置、つまり例えば水・生理食塩水・薬液などを利用して生体組織を切開又は切除する手術用のウォーターメスを例に説明するが、これに限定されるものではなく、顔料や染料による描画や、塗料による塗膜形成、洗浄液による洗浄、物体の切断や切除など、様々な用途に利用可能である。
【００１３】
（構成）
図１は、流体噴射装置１の全体図である。
流体噴射装置１は、流体を貯留した流体容器１０と、流体を吸入し吐出するポンプ２０と、流体を脈動させながら高速噴射する噴射ユニット１００と、ポンプ２０及び噴射ユニット１００を駆動制御するコントローラ３０と、を備える。ポンプ２０の吸入口は、接続チューブ１５を介して流体容器１０に連通し、ポンプ２０の吐出口は、接続チューブ２５を介して噴射ユニット１００に連通している。したがって、ポンプ２０は、接続チューブ１５を介して流体容器１０から流体を吸入し、接続チューブ２５を介して噴射ユニット１００へ流体を供給する。
なお、ポンプ２０は省略し、輸液バッグをスタンド等で噴射ユニット１００よりも高い位置に保持することにより、流体を噴射ユニット１００へと供給してもよい。これによれば、構成を簡素化することができ、さらに消毒等が容易になる利点もある。ポンプ２０を用いる場合には、吐出圧は約３気圧（０.３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、０.１〜０.１５気圧（０.０１〜０.１５ＭＰａ）程度になるように、噴射ユニット１００と輸液バッグの液上面との高度差を設定する。
【００１４】
噴射ユニット１００は、ウォーターパルスメスのハンドピースとして、術者によって把持される部材である。したがって、噴射ユニット１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を噴射ユニット１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。特に、脳手術のように、機器の故障が重大な事故を引き起こす恐れがある場合には、接続チューブ２５の切断等において高圧な流体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておく必要がある。
噴射ユニット１００には、細いパイプ状の接続流路管２００が接続され、接続流路管２００の先端部には流路が縮小されたノズル２１１が挿着されている。
【００１５】
図２は、噴射ユニット１００の概略構成を示しており、（ａ）は後述する図３のＡ−Ａ′断面図、（ｂ）は分解図である。
噴射ユニット１００は、容積を変更可能な流体室５０１を備えており、この流体室５０１の容積変更により、流体を脈動させながら接続流路管２００及びノズル２１１を介して高速噴射する。
噴射ユニット１００は、上ケース５００と下ケース３０１とを対向させた状態で螺子６００によって固定して構成される。下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一端側は底板３１１によって閉塞されており、内部には、圧電素子４０１が配設されている。
【００１６】
圧電素子４０１は、積層型の圧電素子であり、積層方向に伸縮可能に構成されている。圧電素子４０１の一端側は上板４１１を介してダイアフラム４００に当接し、他端側は底板３１１の上面３１２に固定されている。ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板で構成され、その外周縁部が下ケース３０１における凹部３０３の底面に密着した状態で固定されている。ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０が積層されている。
上ケース５００は、ダイアフラム４００に対向する位置に、円筒状の凹部５０５が形成されており、この凹部５０５とダイアフラム４００とで囲まれた空間が流体室５０１となる。したがって、圧電素子４０１に駆動信号を入力し、圧電素子４０１が伸張／収縮するときに、ダイアフラム４００が振動し、流体室５０１の容積が縮小／拡大する。
【００１７】
凹部５０５における底面の中心には、出口流路５１１が形成されており、この出口流路５１１は、上ケース５００の外周面に突設された出口流路管５１０の先端まで貫通している。出口流路５１１と凹部５０５との連設部は、流動抵抗を可及的に軽減するために滑らかに丸められている（Ｒ面取り）。
なお、流体室５０１は、円筒状に形成されているが、これに限定されるものではなく、側面視で円錐形、台形、半球形などにしてもよい。
出口流路管５１０には、接続流路管２００が外嵌されている。この接続流路管２００には、接続流路２０１が形成されており、接続流路２０１の直径は出口流路５１１の直径より大きい。接続流路管２００は、流体圧を吸収しないように、高い剛性を有する。
ノズル２１１には、流体噴射開口部２１２が形成されており、この流体噴射開口部２１２の直径は、接続流路２０１の直径よりも小さい。
【００１８】
上ケース５００の外周面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されており、この入口流路管５０２には、入口側の接続流路５０４が形成されている。接続流路５０４は、入口流路５０３に連通されている。入口流路５０３は、凹部５０５に連通する溝で構成される。
上ケース５００及び下ケース３０１の接合面には、ダイアフラム４００の周りを包囲するように、溝状のパッキンボックス５０６及び３０４が形成されている。これらパッキンボックス５０６及び３０４によって形成される空間に、リング状のパッキン４５０が装入されている。
【００１９】
これら上ケース５００と下ケース３０１とを組立てると、ダイアフラム４００の外周縁部及び補強板４１０の外周縁部が、上ケース５００における凹部５０５の縁と、下ケース３０１における凹部３０３の底面とによって挟持される。パッキン４５０は、上ケース５００のパッキンボックス５０６と、下ケース３０１のパッキンボックス３０４とによって押圧され、流体の漏洩を防止する。すなわち、流体の噴射を行う際には、流体室５０１が３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となるため、上ケース５００、補強板４１０、ダイアフラム４００、及び下ケース３０１の夫々の接触面を伝って、流体室５０１からパッキンボックス５０６及び３０４の側へと流体が浸入することが考えられるが、パッキン４５０によって、それより外側への漏出を防止している。
また、流体室５０１からパッキンボックス５０６及び３０４の側へと流体が浸入してくると、その圧力によってパッキン４５０がパッキンボックス３０４及び５０６の外周壁に向かって押圧されるので、流体の漏出を効果的に防止することができる。したがって、流体の噴射を行う際に、流体室５０１の高い圧力上昇を維持することができる。
【００２０】
図３は、上ケース５００における下ケース３０１との接合面である。
入口流路５０３は、一端側が流体室５０１に連通し、他端側が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３の他端には、流体溜り５０７が形成されており、流体溜り５０７と入口流路５０３との連設部は、流動抵抗を可及的に軽減するために滑らかに丸められている（Ｒ面取り）。
入口流路５０３は、凹部５０５の壁面５０１ａに対して徐々に近づくように湾曲しながら、凹部５０５に対して接線方向に連通している。ポンプ２０から供給される流体は、凹部５０５の壁面５０１ａに沿って（図３の矢印方向に）旋回する。このとき、遠心作用によって流体が凹部５０５の壁面５０１ａに押し付けられることで、気泡が混入している場合には、気泡との分離が図られる。分離した気泡は、出口流路５１１から排出される。したがって、出口流路５１１は、旋回流の中心、つまり凹部５０５の底面中心に形成されることが好ましい。
【００２１】
なお、入口流路５０３は、直線的に流体室５０１に連通してもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るためには、入口流路５０３の流路を長くする必要があることから湾曲させている。
前述したように、ダイアフラム４００には補強板４１０を積層しているが、これはダイアフラム４００の耐久性を向上させるためである。すなわち、入口流路５０３の流体室５０１との接続部には、切欠状の接続開口部５０９が形成されるので、ダイアフラム４００を高い周波数で駆動したときに、接続開口部５０９近傍において応力集中が生じて疲労破壊が発生する可能性がある。そのため、切欠のない連続した開口部を有した補強板４１０を設けることで、ダイアフラム４００への応力集中を抑制している。
【００２２】
なお、補強板４１０とダイアフラム４００とは、積層固着して一体化してもよい。固着方法は、接着剤を用いる貼着、固層拡散接合、溶接などを採用すればよく、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面で密着することが好ましい。
上ケース５００の四隅には、螺子孔５００ａが形成されており、この螺子孔５００ａを介して上ケース５００及び下ケース３０１を螺子６００で固定する。
上記の構成により、術者からの駆動指令が入力されたときに、コントローラ３０は、ポンプ２０を駆動して流体を噴射ユニット１００へ供給すると共に、圧電素子４０１を駆動することでダイアフラム４００を振動させ、流体を脈動状態で高速噴射させる。
【００２３】
噴射ユニット１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と、出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）との差によって行われる。
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。
すなわち、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。
【００２４】
また、複数の流路の並列接続や、形状が異なる複数の流路の直列接続に関する合成イナータンスは、電気回路におけるインダクタンスの並列接続や直列接続と同様に、個々の流路のイナータンスを合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路５１１よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。したがって、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスと見なしてもよい。
【００２５】
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長と断面積、及び出口流路５１１の流路長と断面積を設定する。
一方、図１に示すように、接続チューブ２５には、流体に気泡が混入しているか否かを検知する気泡センサ３１が設けられている。この気泡センサ３１は、接続チューブ２５に流れる流体に対して、超音波、光、及び赤外線の少なくとも一つを放射したときの透過率に応じて、気泡が混入しているか否かを検知する。気泡センサ３１の設置位置については後述する。
【００２６】
気泡センサ３１の信号は、コントローラ３０に入力され、気泡を検知したときには、ランプ３２及びブザー３３を駆動して、術者に対して警報を発する。
次に、コントローラ３０で実行される気泡警報処理を、図４のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１では、気泡センサ３１の信号に基づいて、接続チューブ２５に流れる流体に気泡が混入しているか否かを判定する。気泡の混入が検知されるまでは、この判定処理を継続して行い、気泡の混入を検知したときには、ステップＳ２に移行する。
ステップＳ２では、接続チューブ２５を流れる流体の流速、つまりポンプ２０の回転速度と、気泡センサ３１で気泡を検知してからの経過時間とに基づいて、現在の気泡の現在位置を推定する。すなわち、気泡検知位置（センサ位置）からの気泡の移動距離は、流速×経過時間で算出されるので、その移動距離分だけ気泡検知位置よりも下流に移動させた位置が現在の気泡の現在位置となる。
【００２７】
続くステップＳ３では、気泡の現在位置が警報開始位置に到達しているか否かを判定する。この警報開始位置は、噴射ユニット１００から接続チューブ２５に沿って所定距離だけ離れた位置であり、少なくとも気泡センサ３１よりも下流に設定される。噴射ユニット１００からの距離は、気泡が噴射ユニット１００に到達するまでに、設定時間を確保するためのものであって、これは術者が噴射ユニット１００の噴射方向を術野から逸らすための所要時間である。したがって、気泡センサ３１は、警報開始位置か、それよりも上流に設ける必要がある。ここで、気泡の現在位置が警報開始位置に到達していなければ、警報を発するには早いと判断して前記ステップＳ２に戻る。一方、気泡の現在位置が警報開始位置に到達していれば、警報を発する必要があると判断してステップＳ４に移行する。
【００２８】
ステップＳ４では、気泡の現在位置が警報終了位置に到達しているか否かを判定する。この警報終了位置は、流体噴射開口部２１２の先端位置に設定されている。すなわち、気泡の現在位置が警報終了位置に到達していれば、既に気泡が排出されているので、警報は無用であると判断して前記ステップＳ２に戻る。一方、気泡の現在位置が警報終了位置に到達していなければ、まだ気泡が排出されていないので、警報を終了するには早いと判断してステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、ランプ３２を点灯又は点滅させると共に、ブザー３３を駆動して警報音を発してから前記ステップＳ２に戻る。
【００２９】
（作用）
以上より、ポンプ２０が「供給手段」に対応し、噴射ユニット１００が「噴射ユニット」に対応し、接続チューブ２５が「チューブ」に対応し、気泡センサ３１、及びステップＳ１の処理が「検知手段」に対応し、ランプ３２、ブザー３３、及びステップＳ２〜Ｓ５の処理が「報知手段」に対応している。また、流体室５０１が「流体室」に対応し、流体噴射開口部２１２が「噴射口」に対応している。
先ず、流体室５０１での流体動作と作用効果について説明する。
【００３０】
圧電素子４０１が急に伸張したときに、入口流路側のイナータンスＬ１、及び出口流路側のイナータンスＬ２が十分な大きさを有しているとすると、流体室５０１の圧力が急上昇して数十気圧に達する。この圧力は、入口流路５０３に加えられていたポンプ２０による圧力より大きいため、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。したがって、入口流路側に逆止弁を設ける必要がない。
【００３１】
入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路５０３から流体室５０１へ流入する流体の減少量よりも、出口流路５１１から吐出される流体の増加量のほうが大きくなり、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射開口部２１２から流体が噴射される。また、ノズル２１１の流体噴射開口部２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は更に高圧・高速のパルス状の液滴として噴射される。
流体室５０１は、入口流路５０３からの流入量の減少と、出口流路５１１への流出量の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と流体室５０１の真空状態との双方によって、一定時間が経過した後に、入口流路５０３の流体は、圧電素子４０１の動作前と同等な速度で、流体室５０１へと流れることになる。
【００３２】
入口流路５０３で流動が再開した後、再び圧電素子４０１の伸張があれば、ノズル２１１からの脈動流を継続して噴射することができる。
このように、脈動状態で流体を噴射することで、連続噴射する場合と比べて流体が少量で済む。また、術野に飛散し滞留する流量が少ないことで回収もしやすいので、視認性の確保にも貢献する。また、切開・切除・切断する能力は、連続噴射する場合と比べても、同等か、それ以上であることが判明している。
また、前述したように、流体室５０１では流体が旋回するので、その遠心作用によって気泡との分離が図られ、気泡は流体室５０１に滞留することなく速やかに出口流路５１１へと排出される。これにより、流体室５０１の圧力変動が阻害されることなく、十分な圧力上昇が得られる。
【００３３】
したがって、ポンプ２０により一定圧力で入口流路５０３に流体を供給するため、噴射ユニット１００の駆動を停止した状態においても入口流路５０３及び流体室５０１に流体を供給するため、呼び水動作をしなくても初期動作を開始することができる。
また、出口流路５１１の直径よりも縮小された流体噴射開口部２１２から流体を噴出するため、液圧を出口流路５１１内よりも高めることから、高速の流体噴射を可能にする。
さらに、接続流路管２００が、流体室５０１から流動される流体の脈動を流体噴射開口部２１２に伝達し得る剛性を有しているので、噴射ユニット１００からの流体の圧力伝播を妨げず、所望の脈動流を噴射することができる。
【００３４】
また、入口流路５０３のイナータンスを、出口流路５１１のイナータンスよりも大きく設定していることから、入口流路５０３から流体室５０１への流体の流入量の減少よりも大きい流出量の増加が出口流路５１１に発生し、接続流路管２００内にパルス状の流体吐出を行うことができる。したがって、入口流路５０３側に逆止弁を設けなくてもよく、噴射ユニット１００の構造を簡素化できるとともに、内部の洗浄が容易になる他、逆止弁を用いることに起因する耐久性の不安を排除することができる。
なお、入口流路５０３及び出口流路５１１双方のイナータンスを十分大きく設定することにより、流体室５０１の容積を急激に縮小すれば、流体室５０１内の圧力を急激に上昇させることができる。
【００３５】
また、圧電素子４０１とダイアフラム４００とを採用し、流体室５０１の容積を可変にしているので、構造の簡素化と、それに伴う小型化を実現できる。また、流体室５０１の容積変化の最大周波数を１ＫＨｚ以上の高い周波数にすることができ、高速脈動流の噴射に最適である。
また、流体室５０１内で旋回流を発生させることで、流体を遠心力により流体室の外周方向に押しやり、旋回流の中心部に気泡が集中し、出口流路５１１から気泡を排除することができる。このことから、流体室５０１内に気泡が滞留することによる圧力振幅の低下を防止することができ、噴射ユニット１００の安定した駆動を継続することができる。
さらに、流体が入口流路５０３を通過するだけで旋回流が発生するので、容易に旋回流を発生させることができる。
【００３６】
また、入口流路５０３は溝によって形成されているので、部品数を増やすこともない。
また、ダイアフラム４００の上面に補強板４１０を備えていることにより、ダイアフラム４００は補強板４１０の開口部外周を支点として駆動するため、応力集中が発生しにくく、ダイアフラム４００の耐久性を向上させることができる。なお、補強板４１０のダイアフラム４００との接合面の角部を丸めておけば、ダイアフラム４００の応力集中を更に緩和することができる。
【００３７】
また、補強板４１０とダイアフラム４００とを積層し、一体に固着すれば、噴射ユニット１００の組立性を向上させることができる他、ダイアフラム４００の外周縁部の補強効果もある。
また、ポンプ２０から流体を供給する入口側の接続流路５０４と入口流路５０３との接続部に、流体を滞留する流体溜り５０７を設けているために、接続流路５０４のイナータンスが入口流路５０３に与える影響を抑制することができる。
さらに、上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向に離間した位置にリング状のパッキン４５０を備えているために、流体室５０１からの流体の漏洩を防止し、流体室５０１内の圧力低下を防止することができる。
【００３８】
次に、気泡警報動作と作用効果について説明する。
流体の噴射と気泡の排出とが同時に起こると、しぶきが飛散したり、予期せぬ反動で術者の手元に影響を与えたりして、作業性が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、接続チューブ２５の所定位置に、気泡センサ３１を取付け、接続チューブ２５を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する。気泡センサ３１が気泡を検知したら（ステップＳ１の判定が“Yes”）、その気泡の現在位置を追跡推定する（ステップＳ２）。このように、気泡センサ３１を用いることで、気泡の混入を容易に検知することができる。気泡の現在位置は、気泡検知位置（センサ位置）からの気泡の移動距離を算出すればよい。したがって、ポンプ２０の回転速度と、気泡を検知してからの経過時間とに基づいて、気泡の現在位置を推定する。
【００３９】
そして、気泡が警報開始位置に到達していなければ（ステップＳ３で“No”）、警報を出力せずに待機する。一方、気泡が警報開始位置に到達したら（ステップＳ３で“Yes”）、ランプ３２を点灯又は点滅させると共に、ブザー３３を駆動して警報音を発する（ステップＳ５）。
これにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対して術者に警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な施術が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ施術を中断するなど、術者は適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【００４０】
また、気泡が警報開始位置に到達してから警報の出力を開始するので、警報を出力してから実際に気泡が噴射ユニット１００に到達するまでに不必要に時間が空いてしまう、といった事態を回避して、警報を開始するタイミングを最適化することができる。
気泡センサ３１は、噴射ユニット１００から接続チューブ２５に沿って所定距離だけ離れた位置に設置されているので、気泡が噴射ユニット１００に到達するまでに、ある程度の時間を確保することができる。これは、警報を発し、術者が警報を認識して、気泡が排出されるまでの僅かな設定時間だけ施術を中断するなど、術者が適切な対応をとるために必要な時間である。すなわち、気泡の混入を検知した直後に、気泡が噴射ユニット１００に到達してしまっては、術者が適切な対応をとれないからである。
【００４１】
そして、気泡が警報終了位置に到達したら（ステップＳ４で“Yes”）、ランプ３２及びブザー３３の駆動を終了する。
これにより、既に気泡が噴射ユニット１００から排出されているのに、警報を出力し続けてしまうといった事態を回避して、警報を終了するタイミングを最適化することができる。
【００４２】
（変形例）
なお、本実施形態では、ランプ３２及びブザー３３を駆動して警報を発しているが、これに限定されるものではなく、ディスプレイに警報内容を表示したり、スピーカで音声による警報内容を出力したりしてもよい。
また、本実施形態では、流体を脈動状態で高速噴射する噴射ユニット１００について説明したが、これに限定されるものではなく、流体を連続して高速噴射するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】流体噴射装置１の全体構成である。
【図２】噴射ユニット１００の概略構成である。
【図３】上ケース５００の接合面である。
【図４】気泡警報処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１…流体噴射装置、１０…流体容器、１５…接続チューブ、２５…接続チューブ、２０…ポンプ、３０…コントローラ、３１…気泡センサ、３２…ランプ、３３…ブザー、１００…噴射ユニット、２００…接続流路管、２０１…接続流路、２１１…ノズル、２１２…流体噴射開口部、４０１…圧電素子、５０１…流体室、５０３…入口流路、５１１…出口流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体噴射装置、及び流体噴射装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体を噴射して対象部位の切断又は切除などを行う技術が知られている。
例えば、医療分野では、生体組織を切開又は切除する流体噴射装置として、ピエゾ素子の駆動によって容積が変化する流体室と、この流体室に連通されたノズルとを備え、流体室に流体を供給すると共に、ピエゾ素子を駆動することで、脈動する流体をノズルから高速噴射するものがあった（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−０８２２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
流体室に供給される流体には気泡が混入することがあるため、上記特許文献１に記載された従来技術にあっては、流体室に流体を供給する過程で流体を旋回させ、その遠心作用によって気泡との分離を図り、気泡の速やかな排出を促している。
ところで、流体の噴射と気泡の排出とが同時に起こると、しぶきが飛散したり、予期せぬ反動で使用者の手元に影響を与えたりして、作業性が低下する可能性がある。
本発明の課題は、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする。
このように、流体に気泡が混入しているか否かを検知し、その検知結果を報知することにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対してユーザに警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な作業が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザは適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【０００５】
第２の発明は、
前記噴射ユニットは、前記チューブに連通され容積を変更可能な流体室と、前記流体室の容積変更に伴って脈動状態とされた流体を噴射する噴射口と、を備えることを特徴とする。
このように、脈動状態とされた流体を噴射することで、連続噴射する場合と比べて流体が少量で済む。また、術野に飛散し滞留する流量が少ないことで回収もしやすいので、視認性の確保にも貢献する。また、切開・切除・切断する能力は、連続噴射する場合と比べても、同等か、それ以上であることが判明している。
【０００６】
第３の発明は、
前記検知手段は、前記チューブに流れる流体に対して、超音波、光、及び赤外線の少なくとも一つを放射し、気泡が混入しているか否かを検知する気泡センサで構成されることを特徴とする。
このように、気泡センサを用いることで、気泡の混入を容易に検知することができる。
【０００７】
第４の発明は、
前記検知手段は、前記チューブにおける前記噴射ユニットから離れた位置に設置されることを特徴とする。
このように、検知手段を噴射ユニットから離れた位置に設置することで、気泡が噴射ユニットに到達するまでに、ある程度の時間を確保することができる。これは、気泡が混入している旨を報知し、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザが適切な対応をとるために必要な時間である。すなわち、気泡が混入している旨を報知した直後に、気泡が噴射ユニットに到達してしまっては、ユーザが適切な対応をとれないからである。
【０００８】
第５の発明は、
前記検知手段の設置位置は、前記チューブ内を流れる流体が前記設置位置から前記噴射ユニットに到達するまでに設定時間以上を要する位置であることを特徴とする。
このように、チューブ内を流れる流体が検知手段の設置位置から噴射ユニットに到達するまでに設定時間以上を要するように、検知手段の設置位置を決定することで、気泡が混入している旨を報知し、気泡が排出されるまでの設定時間だけ作業を中断するなど、ユーザが適切な対応をとることが可能となる。
【０００９】
第６の発明は、
前記報知手段は、前記検知手段が気泡の混入を検知したときに、気泡の現在位置を推定し、推定した現在位置に基づいて前記報知を行うことを特徴とする。
このように、気泡の現在位置を推定することで、気泡が混入している旨の報知を開始するタイミング、及びその報知を終了するタイミングを最適化することができる。したがって、気泡が混入している旨を報知してから実際に気泡が噴射ユニットに到達するまでに不必要に時間が空いてしまう、又は既に気泡が噴射ユニットから排出されているのに報知し続けてしまうといった事態を回避することができる。
【００１０】
第７の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、を備えた流体噴射装置によって流体を噴射する流体噴射工程と、前記流体噴射工程が実行されているときに、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知工程と、前記検知工程による検知結果を報知する報知工程と、を含むことを特徴とする。
このように、検知工程による検知結果を報知することにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対してユーザに警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な作業が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザは適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【００１１】
第８の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする。
このように、流体に気泡が混入しているか否かを検知し、その検知結果を報知することにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対してユーザに警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な作業が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ作業を中断するなど、ユーザは適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明は、具体例の一つに過ぎず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、適宜変更してもよい。また、参照する図面は、便宜上、模式的に描いたものであって、形状や縮尺は実際のものとは異なる点がある。
本実施形態では、医療分野で利用される流体噴射装置、つまり例えば水・生理食塩水・薬液などを利用して生体組織を切開又は切除する手術用のウォーターメスを例に説明するが、これに限定されるものではなく、顔料や染料による描画や、塗料による塗膜形成、洗浄液による洗浄、物体の切断や切除など、様々な用途に利用可能である。
【００１３】
（構成）
図１は、流体噴射装置１の全体図である。
流体噴射装置１は、流体を貯留した流体容器１０と、流体を吸入し吐出するポンプ２０と、流体を脈動させながら高速噴射する噴射ユニット１００と、ポンプ２０及び噴射ユニット１００を駆動制御するコントローラ３０と、を備える。ポンプ２０の吸入口は、接続チューブ１５を介して流体容器１０に連通し、ポンプ２０の吐出口は、接続チューブ２５を介して噴射ユニット１００に連通している。したがって、ポンプ２０は、接続チューブ１５を介して流体容器１０から流体を吸入し、接続チューブ２５を介して噴射ユニット１００へ流体を供給する。
なお、ポンプ２０は省略し、輸液バッグをスタンド等で噴射ユニット１００よりも高い位置に保持することにより、流体を噴射ユニット１００へと供給してもよい。これによれば、構成を簡素化することができ、さらに消毒等が容易になる利点もある。ポンプ２０を用いる場合には、吐出圧は約３気圧（０.３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、０.１〜０.１５気圧（０.０１〜０.１５ＭＰａ）程度になるように、噴射ユニット１００と輸液バッグの液上面との高度差を設定する。
【００１４】
噴射ユニット１００は、ウォーターパルスメスのハンドピースとして、術者によって把持される部材である。したがって、噴射ユニット１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を噴射ユニット１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。特に、脳手術のように、機器の故障が重大な事故を引き起こす恐れがある場合には、接続チューブ２５の切断等において高圧な流体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておく必要がある。
噴射ユニット１００には、細いパイプ状の接続流路管２００が接続され、接続流路管２００の先端部には流路が縮小されたノズル２１１が挿着されている。
【００１５】
図２は、噴射ユニット１００の概略構成を示しており、（ａ）は後述する図３のＡ−Ａ′断面図、（ｂ）は分解図である。
噴射ユニット１００は、容積を変更可能な流体室５０１を備えており、この流体室５０１の容積変更により、流体を脈動させながら接続流路管２００及びノズル２１１を介して高速噴射する。
噴射ユニット１００は、上ケース５００と下ケース３０１とを対向させた状態で螺子６００によって固定して構成される。下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一端側は底板３１１によって閉塞されており、内部には、圧電素子４０１が配設されている。
【００１６】
圧電素子４０１は、積層型の圧電素子であり、積層方向に伸縮可能に構成されている。圧電素子４０１の一端側は上板４１１を介してダイアフラム４００に当接し、他端側は底板３１１の上面３１２に固定されている。ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板で構成され、その外周縁部が下ケース３０１における凹部３０３の底面に密着した状態で固定されている。ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０が積層されている。
上ケース５００は、ダイアフラム４００に対向する位置に、円筒状の凹部５０５が形成されており、この凹部５０５とダイアフラム４００とで囲まれた空間が流体室５０１となる。したがって、圧電素子４０１に駆動信号を入力し、圧電素子４０１が伸張／収縮するときに、ダイアフラム４００が振動し、流体室５０１の容積が縮小／拡大する。
【００１７】
凹部５０５における底面の中心には、出口流路５１１が形成されており、この出口流路５１１は、上ケース５００の外周面に突設された出口流路管５１０の先端まで貫通している。出口流路５１１と凹部５０５との連設部は、流動抵抗を可及的に軽減するために滑らかに丸められている（Ｒ面取り）。
なお、流体室５０１は、円筒状に形成されているが、これに限定されるものではなく、側面視で円錐形、台形、半球形などにしてもよい。
出口流路管５１０には、接続流路管２００が外嵌されている。この接続流路管２００には、接続流路２０１が形成されており、接続流路２０１の直径は出口流路５１１の直径より大きい。接続流路管２００は、流体圧を吸収しないように、高い剛性を有する。
ノズル２１１には、流体噴射開口部２１２が形成されており、この流体噴射開口部２１２の直径は、接続流路２０１の直径よりも小さい。
【００１８】
上ケース５００の外周面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されており、この入口流路管５０２には、入口側の接続流路５０４が形成されている。接続流路５０４は、入口流路５０３に連通されている。入口流路５０３は、凹部５０５に連通する溝で構成される。
上ケース５００及び下ケース３０１の接合面には、ダイアフラム４００の周りを包囲するように、溝状のパッキンボックス５０６及び３０４が形成されている。これらパッキンボックス５０６及び３０４によって形成される空間に、リング状のパッキン４５０が装入されている。
【００１９】
これら上ケース５００と下ケース３０１とを組立てると、ダイアフラム４００の外周縁部及び補強板４１０の外周縁部が、上ケース５００における凹部５０５の縁と、下ケース３０１における凹部３０３の底面とによって挟持される。パッキン４５０は、上ケース５００のパッキンボックス５０６と、下ケース３０１のパッキンボックス３０４とによって押圧され、流体の漏洩を防止する。すなわち、流体の噴射を行う際には、流体室５０１が３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となるため、上ケース５００、補強板４１０、ダイアフラム４００、及び下ケース３０１の夫々の接触面を伝って、流体室５０１からパッキンボックス５０６及び３０４の側へと流体が浸入することが考えられるが、パッキン４５０によって、それより外側への漏出を防止している。
また、流体室５０１からパッキンボックス５０６及び３０４の側へと流体が浸入してくると、その圧力によってパッキン４５０がパッキンボックス３０４及び５０６の外周壁に向かって押圧されるので、流体の漏出を効果的に防止することができる。したがって、流体の噴射を行う際に、流体室５０１の高い圧力上昇を維持することができる。
【００２０】
図３は、上ケース５００における下ケース３０１との接合面である。
入口流路５０３は、一端側が流体室５０１に連通し、他端側が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３の他端には、流体溜り５０７が形成されており、流体溜り５０７と入口流路５０３との連設部は、流動抵抗を可及的に軽減するために滑らかに丸められている（Ｒ面取り）。
入口流路５０３は、凹部５０５の壁面５０１ａに対して徐々に近づくように湾曲しながら、凹部５０５に対して接線方向に連通している。ポンプ２０から供給される流体は、凹部５０５の壁面５０１ａに沿って（図３の矢印方向に）旋回する。このとき、遠心作用によって流体が凹部５０５の壁面５０１ａに押し付けられることで、気泡が混入している場合には、気泡との分離が図られる。分離した気泡は、出口流路５１１から排出される。したがって、出口流路５１１は、旋回流の中心、つまり凹部５０５の底面中心に形成されることが好ましい。
【００２１】
なお、入口流路５０３は、直線的に流体室５０１に連通してもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るためには、入口流路５０３の流路を長くする必要があることから湾曲させている。
前述したように、ダイアフラム４００には補強板４１０を積層しているが、これはダイアフラム４００の耐久性を向上させるためである。すなわち、入口流路５０３の流体室５０１との接続部には、切欠状の接続開口部５０９が形成されるので、ダイアフラム４００を高い周波数で駆動したときに、接続開口部５０９近傍において応力集中が生じて疲労破壊が発生する可能性がある。そのため、切欠のない連続した開口部を有した補強板４１０を設けることで、ダイアフラム４００への応力集中を抑制している。
【００２２】
なお、補強板４１０とダイアフラム４００とは、積層固着して一体化してもよい。固着方法は、接着剤を用いる貼着、固層拡散接合、溶接などを採用すればよく、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面で密着することが好ましい。
上ケース５００の四隅には、螺子孔５００ａが形成されており、この螺子孔５００ａを介して上ケース５００及び下ケース３０１を螺子６００で固定する。
上記の構成により、術者からの駆動指令が入力されたときに、コントローラ３０は、ポンプ２０を駆動して流体を噴射ユニット１００へ供給すると共に、圧電素子４０１を駆動することでダイアフラム４００を振動させ、流体を脈動状態で高速噴射させる。
【００２３】
噴射ユニット１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と、出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）との差によって行われる。
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。
すなわち、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。
【００２４】
また、複数の流路の並列接続や、形状が異なる複数の流路の直列接続に関する合成イナータンスは、電気回路におけるインダクタンスの並列接続や直列接続と同様に、個々の流路のイナータンスを合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路５１１よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。したがって、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスと見なしてもよい。
【００２５】
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長と断面積、及び出口流路５１１の流路長と断面積を設定する。
一方、図１に示すように、接続チューブ２５には、流体に気泡が混入しているか否かを検知する気泡センサ３１が設けられている。この気泡センサ３１は、接続チューブ２５に流れる流体に対して、超音波、光、及び赤外線の少なくとも一つを放射したときの透過率に応じて、気泡が混入しているか否かを検知する。気泡センサ３１の設置位置については後述する。
【００２６】
気泡センサ３１の信号は、コントローラ３０に入力され、気泡を検知したときには、ランプ３２及びブザー３３を駆動して、術者に対して警報を発する。
次に、コントローラ３０で実行される気泡警報処理を、図４のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１では、気泡センサ３１の信号に基づいて、接続チューブ２５に流れる流体に気泡が混入しているか否かを判定する。気泡の混入が検知されるまでは、この判定処理を継続して行い、気泡の混入を検知したときには、ステップＳ２に移行する。
ステップＳ２では、接続チューブ２５を流れる流体の流速、つまりポンプ２０の回転速度と、気泡センサ３１で気泡を検知してからの経過時間とに基づいて、現在の気泡の現在位置を推定する。すなわち、気泡検知位置（センサ位置）からの気泡の移動距離は、流速×経過時間で算出されるので、その移動距離分だけ気泡検知位置よりも下流に移動させた位置が現在の気泡の現在位置となる。
【００２７】
続くステップＳ３では、気泡の現在位置が警報開始位置に到達しているか否かを判定する。この警報開始位置は、噴射ユニット１００から接続チューブ２５に沿って所定距離だけ離れた位置であり、少なくとも気泡センサ３１よりも下流に設定される。噴射ユニット１００からの距離は、気泡が噴射ユニット１００に到達するまでに、設定時間を確保するためのものであって、これは術者が噴射ユニット１００の噴射方向を術野から逸らすための所要時間である。したがって、気泡センサ３１は、警報開始位置か、それよりも上流に設ける必要がある。ここで、気泡の現在位置が警報開始位置に到達していなければ、警報を発するには早いと判断して前記ステップＳ２に戻る。一方、気泡の現在位置が警報開始位置に到達していれば、警報を発する必要があると判断してステップＳ４に移行する。
【００２８】
ステップＳ４では、気泡の現在位置が警報終了位置に到達しているか否かを判定する。この警報終了位置は、流体噴射開口部２１２の先端位置に設定されている。すなわち、気泡の現在位置が警報終了位置に到達していれば、既に気泡が排出されているので、警報は無用であると判断して前記ステップＳ２に戻る。一方、気泡の現在位置が警報終了位置に到達していなければ、まだ気泡が排出されていないので、警報を終了するには早いと判断してステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、ランプ３２を点灯又は点滅させると共に、ブザー３３を駆動して警報音を発してから前記ステップＳ２に戻る。
【００２９】
（作用）
以上より、ポンプ２０が「供給手段」に対応し、噴射ユニット１００が「噴射ユニット」に対応し、接続チューブ２５が「チューブ」に対応し、気泡センサ３１、及びステップＳ１の処理が「検知手段」に対応し、ランプ３２、ブザー３３、及びステップＳ２〜Ｓ５の処理が「報知手段」に対応している。また、流体室５０１が「流体室」に対応し、流体噴射開口部２１２が「噴射口」に対応している。
先ず、流体室５０１での流体動作と作用効果について説明する。
【００３０】
圧電素子４０１が急に伸張したときに、入口流路側のイナータンスＬ１、及び出口流路側のイナータンスＬ２が十分な大きさを有しているとすると、流体室５０１の圧力が急上昇して数十気圧に達する。この圧力は、入口流路５０３に加えられていたポンプ２０による圧力より大きいため、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。したがって、入口流路側に逆止弁を設ける必要がない。
【００３１】
入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路５０３から流体室５０１へ流入する流体の減少量よりも、出口流路５１１から吐出される流体の増加量のほうが大きくなり、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射開口部２１２から流体が噴射される。また、ノズル２１１の流体噴射開口部２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は更に高圧・高速のパルス状の液滴として噴射される。
流体室５０１は、入口流路５０３からの流入量の減少と、出口流路５１１への流出量の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と流体室５０１の真空状態との双方によって、一定時間が経過した後に、入口流路５０３の流体は、圧電素子４０１の動作前と同等な速度で、流体室５０１へと流れることになる。
【００３２】
入口流路５０３で流動が再開した後、再び圧電素子４０１の伸張があれば、ノズル２１１からの脈動流を継続して噴射することができる。
このように、脈動状態で流体を噴射することで、連続噴射する場合と比べて流体が少量で済む。また、術野に飛散し滞留する流量が少ないことで回収もしやすいので、視認性の確保にも貢献する。また、切開・切除・切断する能力は、連続噴射する場合と比べても、同等か、それ以上であることが判明している。
また、前述したように、流体室５０１では流体が旋回するので、その遠心作用によって気泡との分離が図られ、気泡は流体室５０１に滞留することなく速やかに出口流路５１１へと排出される。これにより、流体室５０１の圧力変動が阻害されることなく、十分な圧力上昇が得られる。
【００３３】
したがって、ポンプ２０により一定圧力で入口流路５０３に流体を供給するため、噴射ユニット１００の駆動を停止した状態においても入口流路５０３及び流体室５０１に流体を供給するため、呼び水動作をしなくても初期動作を開始することができる。
また、出口流路５１１の直径よりも縮小された流体噴射開口部２１２から流体を噴出するため、液圧を出口流路５１１内よりも高めることから、高速の流体噴射を可能にする。
さらに、接続流路管２００が、流体室５０１から流動される流体の脈動を流体噴射開口部２１２に伝達し得る剛性を有しているので、噴射ユニット１００からの流体の圧力伝播を妨げず、所望の脈動流を噴射することができる。
【００３４】
また、入口流路５０３のイナータンスを、出口流路５１１のイナータンスよりも大きく設定していることから、入口流路５０３から流体室５０１への流体の流入量の減少よりも大きい流出量の増加が出口流路５１１に発生し、接続流路管２００内にパルス状の流体吐出を行うことができる。したがって、入口流路５０３側に逆止弁を設けなくてもよく、噴射ユニット１００の構造を簡素化できるとともに、内部の洗浄が容易になる他、逆止弁を用いることに起因する耐久性の不安を排除することができる。
なお、入口流路５０３及び出口流路５１１双方のイナータンスを十分大きく設定することにより、流体室５０１の容積を急激に縮小すれば、流体室５０１内の圧力を急激に上昇させることができる。
【００３５】
また、圧電素子４０１とダイアフラム４００とを採用し、流体室５０１の容積を可変にしているので、構造の簡素化と、それに伴う小型化を実現できる。また、流体室５０１の容積変化の最大周波数を１ＫＨｚ以上の高い周波数にすることができ、高速脈動流の噴射に最適である。
また、流体室５０１内で旋回流を発生させることで、流体を遠心力により流体室の外周方向に押しやり、旋回流の中心部に気泡が集中し、出口流路５１１から気泡を排除することができる。このことから、流体室５０１内に気泡が滞留することによる圧力振幅の低下を防止することができ、噴射ユニット１００の安定した駆動を継続することができる。
さらに、流体が入口流路５０３を通過するだけで旋回流が発生するので、容易に旋回流を発生させることができる。
【００３６】
また、入口流路５０３は溝によって形成されているので、部品数を増やすこともない。
また、ダイアフラム４００の上面に補強板４１０を備えていることにより、ダイアフラム４００は補強板４１０の開口部外周を支点として駆動するため、応力集中が発生しにくく、ダイアフラム４００の耐久性を向上させることができる。なお、補強板４１０のダイアフラム４００との接合面の角部を丸めておけば、ダイアフラム４００の応力集中を更に緩和することができる。
【００３７】
また、補強板４１０とダイアフラム４００とを積層し、一体に固着すれば、噴射ユニット１００の組立性を向上させることができる他、ダイアフラム４００の外周縁部の補強効果もある。
また、ポンプ２０から流体を供給する入口側の接続流路５０４と入口流路５０３との接続部に、流体を滞留する流体溜り５０７を設けているために、接続流路５０４のイナータンスが入口流路５０３に与える影響を抑制することができる。
さらに、上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向に離間した位置にリング状のパッキン４５０を備えているために、流体室５０１からの流体の漏洩を防止し、流体室５０１内の圧力低下を防止することができる。
【００３８】
次に、気泡警報動作と作用効果について説明する。
流体の噴射と気泡の排出とが同時に起こると、しぶきが飛散したり、予期せぬ反動で術者の手元に影響を与えたりして、作業性が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、接続チューブ２５の所定位置に、気泡センサ３１を取付け、接続チューブ２５を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する。気泡センサ３１が気泡を検知したら（ステップＳ１の判定が“Yes”）、その気泡の現在位置を追跡推定する（ステップＳ２）。このように、気泡センサ３１を用いることで、気泡の混入を容易に検知することができる。気泡の現在位置は、気泡検知位置（センサ位置）からの気泡の移動距離を算出すればよい。したがって、ポンプ２０の回転速度と、気泡を検知してからの経過時間とに基づいて、気泡の現在位置を推定する。
【００３９】
そして、気泡が警報開始位置に到達していなければ（ステップＳ３で“No”）、警報を出力せずに待機する。一方、気泡が警報開始位置に到達したら（ステップＳ３で“Yes”）、ランプ３２を点灯又は点滅させると共に、ブザー３３を駆動して警報音を発する（ステップＳ５）。
これにより、しぶきの飛散や予期せぬ反動の発生などに対して術者に警戒を促すことができる。したがって、緻密で慎重な施術が求められるような場面では、気泡が排出されるまでの僅かな時間だけ施術を中断するなど、術者は適切な対応をとることが可能になり、気泡の混入に起因した作業性の低下を防止することができる。
【００４０】
また、気泡が警報開始位置に到達してから警報の出力を開始するので、警報を出力してから実際に気泡が噴射ユニット１００に到達するまでに不必要に時間が空いてしまう、といった事態を回避して、警報を開始するタイミングを最適化することができる。
気泡センサ３１は、噴射ユニット１００から接続チューブ２５に沿って所定距離だけ離れた位置に設置されているので、気泡が噴射ユニット１００に到達するまでに、ある程度の時間を確保することができる。これは、警報を発し、術者が警報を認識して、気泡が排出されるまでの僅かな設定時間だけ施術を中断するなど、術者が適切な対応をとるために必要な時間である。すなわち、気泡の混入を検知した直後に、気泡が噴射ユニット１００に到達してしまっては、術者が適切な対応をとれないからである。
【００４１】
そして、気泡が警報終了位置に到達したら（ステップＳ４で“Yes”）、ランプ３２及びブザー３３の駆動を終了する。
これにより、既に気泡が噴射ユニット１００から排出されているのに、警報を出力し続けてしまうといった事態を回避して、警報を終了するタイミングを最適化することができる。
【００４２】
（変形例）
なお、本実施形態では、ランプ３２及びブザー３３を駆動して警報を発しているが、これに限定されるものではなく、ディスプレイに警報内容を表示したり、スピーカで音声による警報内容を出力したりしてもよい。
また、本実施形態では、流体を脈動状態で高速噴射する噴射ユニット１００について説明したが、これに限定されるものではなく、流体を連続して高速噴射するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】流体噴射装置１の全体構成である。
【図２】噴射ユニット１００の概略構成である。
【図３】上ケース５００の接合面である。
【図４】気泡警報処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１…流体噴射装置、１０…流体容器、１５…接続チューブ、２５…接続チューブ、２０…ポンプ、３０…コントローラ、３１…気泡センサ、３２…ランプ、３３…ブザー、１００…噴射ユニット、２００…接続流路管、２０１…接続流路、２１１…ノズル、２１２…流体噴射開口部、４０１…圧電素子、５０１…流体室、５０３…入口流路、５１１…出口流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を供給する供給手段と、
前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、
前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、
前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記噴射ユニットは、前記チューブに連通され容積を変更可能な流体室と、前記流体室の容積変更に伴って脈動状態とされた流体を噴射する噴射口と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射装置。
【請求項３】
前記検知手段は、前記チューブに流れる流体に対して、超音波、光、及び赤外線の少なくとも一つを放射し、気泡が混入しているか否かを検知する気泡センサで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体噴射装置。
【請求項４】
前記検知手段は、前記チューブにおける前記噴射ユニットから離れた位置に設置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の流体噴射装置。
【請求項５】
前記検知手段の設置位置は、前記チューブ内を流れる流体が前記設置位置から前記噴射ユニットに到達するまでに設定時間以上を要する位置であることを特徴とする請求項４に記載の流体噴射装置。
【請求項６】
前記報知手段は、前記検知手段が気泡の混入を検知したときに、気泡の現在位置を推定し、推定した現在位置に基づいて前記報知を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の流体噴射装置。
【請求項７】
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、を備えた流体噴射装置によって流体を噴射する流体噴射工程と、
前記流体噴射工程が実行されているときに、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知工程と、
前記検知工程による検知結果を報知する報知工程と、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８】
流体を供給する供給手段と、
前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、
前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、
前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする手術装置。
【請求項１】
流体を供給する供給手段と、
前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、
前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、
前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記噴射ユニットは、前記チューブに連通され容積を変更可能な流体室と、前記流体室の容積変更に伴って脈動状態とされた流体を噴射する噴射口と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射装置。
【請求項３】
前記検知手段は、前記チューブに流れる流体に対して、超音波、光、及び赤外線の少なくとも一つを放射し、気泡が混入しているか否かを検知する気泡センサで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体噴射装置。
【請求項４】
前記検知手段は、前記チューブにおける前記噴射ユニットから離れた位置に設置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の流体噴射装置。
【請求項５】
前記検知手段の設置位置は、前記チューブ内を流れる流体が前記設置位置から前記噴射ユニットに到達するまでに設定時間以上を要する位置であることを特徴とする請求項４に記載の流体噴射装置。
【請求項６】
前記報知手段は、前記検知手段が気泡の混入を検知したときに、気泡の現在位置を推定し、推定した現在位置に基づいて前記報知を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の流体噴射装置。
【請求項７】
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、を備えた流体噴射装置によって流体を噴射する流体噴射工程と、
前記流体噴射工程が実行されているときに、前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知工程と、
前記検知工程による検知結果を報知する報知工程と、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８】
流体を供給する供給手段と、
前記供給手段から供給された流体を噴射する噴射ユニットと、
前記供給手段から前記噴射ユニットへの流体供給経路を形成するチューブと、
前記チューブ内を流れる流体に気泡が混入しているか否かを検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする手術装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−７７９４８（Ｐ２０１０−７７９４８Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４９８１４（Ｐ２００８−２４９８１４）
【出願日】平成２０年９月２９日（２００８．９．２９）
【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２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２９日（２００８．９．２９）
【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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