流体喷射装置及医疗设备的制作方法 [0002]作为使喷射出的流体接触患部生物体组织进行治疗的医疗设备，已知有例如专利文献I中记述的流体喷射装置。专利文献I中记述的流体喷射装置通过驱动压电元件使流体室的容积增加或减少，从而从喷射管中喷射出脉动流(脉冲流)。 [0003]由于流体喷射装置可作为例如医疗用的手术刀，因此，要求具有稳定的使用感。而且，要求能够抑制由于供给流体喷射装置的流体不足而导致不喷射适当的脉动流的情况。此外，还要求能够抑制由于患部被供给流体喷射装置中过剩的流体而出现流体滞留的现象。 [0004]此外，原有技术的流体喷射装置需要更小的尺寸、更低的成本、节约资源、易于制造、提高可使用性等。 [0005]现有技术文献 [0006]专利文献 [0007]专利文献1:特开2008-82202



[0008]鉴于存在上述问题，本发明通过如下方式，可解决上述课题中的至少一部分。
[0009](I)根据本发明的一方式，本发明提供一种喷射流体的流体喷射装置。这种流体喷射装置包括:喷射上述流体的喷射管、连通至上述喷射管的流体室、以规定的流量对上述流体室供给上述流体的流体供给部、使上述流体室中的流体从上述喷射管中喷射出的脉动发生部、控制上述脉动发生部的动作并使流体周期性地从上述喷射管中喷射出的控制部，上述控制部喷射流体的最大频率为fmax (Hz)0
[0010]在上述控制部使上述脉动发生部动作时，上述流体室的容积的变化量为Vl(ml)的情况下，上述流体供给部将以超过VlXfmax (ml/s)的上述规定流量提供上述流体。根据该方式的流体喷射装置，可在抑制驱动脉动发生部时的流体室中的流体不足的同时，以规定的流量提供流体，因此，从喷射管喷射出的流体的流量稳定，从而可实现稳定的使用感。
[0011](2)在上述方式的流体喷射装置中，上述流体供给部能够以不足V1X2.0Xfmax(ml/s)的上述规定流量提供上述流体。根据这种方式的流体喷射装置，可抑制过剩的流体被提供给流体室。
[0012](3)在上述方式的流体喷射装置中，当Vl (ml)体积的流体通过上述脉动发生部的一次驱动被从上述喷射开口部喷射出时，当由于流体的惯性效应而与Vl (ml)体积的上述流体一起从上述喷射开口部喷射出的流体体积是V2 (ml)时，上述流体供给部能够以超过(V1+V2) Xfmax (ml/s)的上述规定流量提供上述流体。根据这种流体喷射装置,可向流体室提供考虑到了流体的惯性效应的合适流量的流体。
[0013](4)在上述方式的流体喷射装置中，上述V2也可以是Vl X0.007。根据这种方式的流体喷射装置，可向流体室提供考虑到了流体的惯性效应的合适流量的流体。
[0014](5)—种使用上述方式的流体喷射装置的医疗设备。根据这种方式，可提供可靠性闻的医疗设备。
[0015]上述本发明的各方式所具有的多种构成要素并非全部都是必须的，为了解决上述问题中的一部分或全部，或者，为了实现本说明书记载的效果中的一部分或全部，对上述多种构成要素的一部分构成要素，可适当地进行变更、删除、与其它新的构成要素切换、以及删除限定内容的一部分。而且，为了解决上述问题中的一部分或全部，或者，为了实现本说明书记载的效果中的一部分或全部，也可将上述本发明的一方式中包含的技术特征的一部分或全部与上述本发明的其它方式中包含的技术特征的一部分或全部组合起来，作为本发明的独立的一种方式。
[0016]例如，本发明的一方式可被实现为包括喷射管、流体室、压电元件、控制部、流体供给部等5个要素中的一个以上的要素的装置。即、这种装置既可具有喷射管，也可不具有喷射管。并且，装置既可具有流体室，也可没有流体室。并且，装置既可具有压电元件，也可没有压电元件。并且，装置既可具有控制部，也可没有控制部。并且，装置既可具有流体供给部，也可以没有流体供给部。喷射管例如可被构成为具有喷射上述流体的开口部的喷射管。流体室例如可被构成为连通至上述喷射管的流体室。压电元件例如可被构成为可使上述流体室的容积变化的压电元件。控制部例如可被构成为控制对上述压电元件施加驱动电压的控制部。流体供给部例如可被构成为以规定流量对上述流体室提供上述流体的流体供给部。具体而言，流体供给部中，上述驱动电压的最大频率是fmaX(Hz)，当对上述压电元件施加上述驱动电压的最大值并使上述压电元件驱动时的上述流体室的容积的变化量为Vl(ml)时,流体供给部可被构成为以超过Vl X fmax (ml/s)的上述规定流量提供上述流体的流体供给部。这种装置可实现作为例如喷射流体的流体喷射装置，也可实现作为喷射流体的流体喷射装置以外的其它装置。根据这种方式，可解决装置更小、成本更低、节约资源、易于制造、提高可使用性等各种问题中的至少一个问题。喷射上述流体的流体喷射装置的各种方式的技术特征中的一部分或全部，均可适用于该装置。
[0017]本发明也可通过装置以外的各种方式来实现。例如，能够以喷射流体的方法或流体喷射装置的制造方法等方式来实现。




[0018]图1是示出作为本发明的一实施方式的流体喷射装置的构成的说明图。
[0019]图2是示出手持件的内部构成的一部分放大后的截面图。
[0020]图3是示出施加在压电元件上的驱动电压的波形的一个例子的说明图。
[0021]图4是示出驱动电压的波形与隔膜的变形的状态之间的对应关系的说明图。
[0022]图5的(A)、图5的(B)是示意性地示出流体室的容积的变化的说明图。
[0023]图6是示意性地示出从流体喷射管中喷射出大于排除体积的量的流体的状态的说明图。
[0024]图7是示出脉动流喷射瞬间的连续照片的说明图。


[0025]下面，按照实施方式、实验例及变形例的顺序，对本发明的实施方式进行说明。
[0026]A.实施方式:
[0027]图1是示出作为本发明的一实施方式的流体喷射装置100的构成的说明图。
[0028]本实施方式的流体喷射装置100是被用于医疗机构的医疗设备，通过对作为患者的患部的生物体组织喷射流体，而具有作为将患部切开或切除等治疗的手术刀的作用。
[0029]流体喷射装置100包括流体容器10、流体供给机构12、手持件14、控制部16、以及脚踏开关18。流体容器10和流体供给机构12之间通过连接管19a连接，流体供给机构12和手持件14之间通过连接管19b连接。本实施方式中，连接管19a、19b由树脂形成。
[0030]流体容器10中容纳有生理盐水作为提供给手持件14的流体。然而，作为生理盐水的替代 ，流体容器10中也可容纳例如纯水或药液等即使喷射在生物体组织上也无害的其它流体。
[0031]流体供给机构12通过连接管19a、19b，将流体容器10中容纳的流体供给手持件14。本实施方式使用泵作为流体供给机构12。而且，如后所述，本实施方式中，流体供给机构12以规定的流量提供流体给手持件14。
[0032]手持件14是由手术医生手持操作的器具，包括:流体喷射管20、脉动发生部22、箱体24及条件切换部26。流体通过连接管19b供给脉动发生部22。当由控制部16通过电压施加电缆17a向脉动发生部22施加驱动电压时，脉动发生部17a即对所供给的流体施加脉动。被施加了脉动的流体从流体喷射管20的前端的开口部20a高速喷射出。手术医生通过把从手持件14喷射出的被施加了脉动的流体对准作为患者的患部的生物体组织，可进行例如患部的切开或切除等治疗。另外，下述内容中，也将被施加了脉动的流体称为脉动流或脉冲流。
[0033]条件切换部26是手术医生用于切换对脉动发生部22施加的驱动电压的大小和频率的操作部。本实施方式采用拨号式选择装置作为条件切换部26，手术医生从预订的驱动电压的大小和频率，选择用于治疗的驱动电压的大小和频率。
[0034]当驱动电压的大小改变时，脉动流的大小和流势(strength)会改变；当驱动电压的频率改变时，脉动流的发生频率也会改变。本实施方式中，可设定的驱动电压的大小和可设定的驱动电压的频率如下:
[0035]可设定的驱动电压的大小:0V~100V
[0036]可设定的驱动电压的频率:100Hz~400Hz
[0037]即、本实施方式中，驱动电压可设定的最大值Emax为100V,驱动电压可设定的最大频率fmax为400Hz。
[0038]控制部16在通过控制电缆17b从条件切换部26接收和驱动电压的大小及频率相关的信息的同时，通过电压施加电缆17a向脉动发生部22施加满足条件切换部26指定的条件的驱动电压。而且，控制部16通过控制电缆17c控制流体供给机构12的起动和停止。
[0039]脚踏开关18是手术医生用脚操作的开关，通过控制电缆17d连接到控制部16。当手术医生接通脚踏开关18时，控制部16即在指示开始对流体供给机构12供给流体的同时，对脉动发生部22施加驱动电压。然后，被施加了脉动的流体从手持件14的流体喷射管20的前端的开口部20a高速喷射出。
[0040]图2是示出手持件14的内部构成的一部分放大后的截面图。手持件14的箱体24的内部设置有对由流体供给机构12供给的流体施加脉动的脉动发生部22。脉动发生部22包括压电元件30、隔膜32、第一壳体34、第二壳体36及第三壳体38。
[0041]在脉动发生部22的内部，由入口流路40、流体室42、出口流路44形成为使流体供给机构12供给的流体通过的流路。本实施方式中，入口流路40和出口流路44形成在第一壳体34上，流体室42形成在第一壳体34和隔膜32之间。入口流路40连接有连接管19b，出口流路44连接有流体喷射管20。
[0042]隔膜32是圆盘形的金属薄板，其外周部分被夹在第一壳体34和第二壳体36之间并被固定住。
[0043]压电元件30是通过由控制部16施加的驱动电压工作的致动器。压电元件30通过使在隔膜32和第一壳体34之间形成的流体室42的容积变化，而改变流体室42中的流体的压力。本实施方式中，压电元件30是层叠型压电元件，一端固定于隔膜32，另一端固定于第三壳体38。
[0044]如果施加在压电元件30上的驱动电压增大，则压电元件30会伸长，隔膜32会被压电元件30按压而向流体室42 —侧弯曲。如果隔膜32向流体室42 —侧弯曲，则流体室42的容积会减小，流体室42中的流体会被压出流体室42。本实施方式中，出口流路44的内径比入口流路40的内径更大。
[0045]也就是说，出口流路44的惯性(inertance)比入口流路40的惯性更小，因此,流体室42中的流体通过出口流路44而被压出流体室42。
[0046]另一方面，如果施加在压电元件30上的驱动电压减小，则压电元件30会缩小，流体室42的容积增大，流体从入口流路40被供至流体室42。
[0047]由于施加在压电元件30上的驱动电压是以高频率(例如400Hz)重复进行接通(最大电压)和关断(0V)，因此，流体室42的容积也反复进行扩大和缩小，从而对流体施加脉动。从流体室42压出的流体被从流体喷射管20的前端喷嘴20a (开口部20a)喷射出。
[0048]图3是示出对压电元件30施加的驱动电压的波形的一个例子的说明图。在图3中，横轴表示时间，纵轴表示驱动电压。驱动电压的波形的一个周期由电压增大的上升期间、电压减小的下降期间、以及不施加电压的休止期间构成。
[0049]本实施方式中，驱动电压的上升期间的波形是在正电压方向上偏移且相位偏移一90度的SIN波形的1/2周期的波形。驱动电压的下降期间的波形是在正电压方向上偏移且相位偏移十90度的SIN波形的1/2周期的波形。而且，下降期间的SIN波形的周期比上升期间的SIN波形的周期更大。
[0050]本实施方式中，当驱动电压的大小由于条件切换部26而改变时，图3所示的波形的最大值也会改变。而且，当驱动电压的频率由于条件切换部26而改变时，上升期间和下降期间的波形不变，而休止期间的长度会改变。
[0051]图4是示出驱动电压的波形和隔膜32的变形状态之间的对应关系的说明图。另外，在图4中，压电元件30和隔膜32之间设置有加固部件51。在休止期间(a)，由于未施加驱动电压，压电元件30不会伸长，隔膜32不会弯曲。在上升期间(b)，由于驱动电压增大，压电元件30伸长，隔膜32向流体室42 —侧弯曲，流体室42的容积减小。
[0052]在(C)所示的定时，由于驱动电压为最大，因此，压电元件30的长度也变成最大，流体室42的容积变成最小。在下降期间(d)由于驱动电压减小，压电元件30开始恢复原有大小，流体室42的容积也开始恢复原有大小。在休止期间(e)，由于未施加驱动电压，压电元件30恢复至原有大小，流体室42的容积也恢复至原有大小。通过重复(a)至(e)所示的一系列动作，流体室42中的流体被压出至流体喷射管20中。
[0053]图5的(A)、图5的(B)是示意性地示出流体室42的容积变化的说明图。其中，图5的(A)示出了未对压电元件30施加驱动电压，而流体室42的容积为最大的状态。图5的(B)示出了对压电元件30施加的驱动电压最大，而流体室42的容积为最小的状态。而且，图5的(B)中画阴影线的区域R表示在驱动电压的一个周期的期间中变化的流体室42的容积。即、区域R表示驱动电压的一个周期的期间中从流体室42排除的流体的体积。在本说明书中，将驱动电压的一个周期的期间中从流体室42排除的流体的体积称为排除体积。在图5的(A)、图5的(B)所示的示意图中，排除体积通过流体室42的截面积与压电元件30所伸长的长度的乘积求得。
[0054]本实施方式中，把可通过条件切换部26设定的最大的驱动电压Emax使压电元件30驱动时的排除体积定义为Vl (ml)。而且，把可通过条件切换部26设定的最大的频率定义为fmax (Hz)。于是，当根据最大的驱动电压Emax及最大的频率fmax使压电元件30驱动时，一秒钟内从流体室42压出的流体的体积Vf (ml)如下所示:
[0055]Vf = VlXfmax
[0056]然而，实际上，在驱动电压的一个周期的期间内，相比排除体积VI，有更多的流体作为脉动流从流体喷射管20中喷射出。下面，对这种现象进行说明。
[0057]图6是示意性地示出从流体喷射管20中喷射出超过排除体积Vl的量的流体的状态的说明图。如图6所示，一旦压电元件30驱动，液滴状的脉动流从流体喷射管20中喷射出，条纹状(streak-like)的液滴即紧连着喷射的液滴而从流体喷射管20中排出。这是由于流体的惯性效应，流体喷射管20中的流体被拉到喷射的液滴上的缘故。其结果是，当由最大驱动电压Emax和最大频率fmax驱动压电元件30时,超过上述排除体积Vl的体积的流体即作为脉动流从流体喷射管20中喷射出。
[0058]因此，如果流体供给机构12以Vf (ml/s)的流量进行对流体室42的流体供给，当由最大驱动电压Emax和最大频率fmax驱动压电元件30时，流体会不足，从而不能喷射合适的脉动流。
[0059]因此，本实施方式中，流体供给机构12以超过Vf(ml/s)的规定流量供给流体。因此，即使在由最大驱动电压Emax和最大频率fmax驱动压电元件30的情况下,也能够抑制流体不足。
[0060]具体而言，当由于压电元件30的一次驱动而使Vl(ml)体积的流体从流体室42被压出时，由于流体的惯性效应，假定和Vl (ml)体积的流体(液滴)共同被喷射出的流体(条纹状的液滴)的体积为V2 (ml)。这时，本实施方式的流体供给机构12以大于等于(VI +V2) Xfmax (ml/s)的规定流量供给流体。通过这种方式,可向流体室42供给考虑到因流体的惯性效应而喷射出的流体的合适流量的流体，并可抑制流体不足。
[0061]而且，本实施方式中，即使在驱动电压的大小和频率被条件切换部26改变的情况下，也可以超过Vf (ml/s)的规定流量供给流体。因此，即使在驱动电压小、或驱动电压的频率小的情况下，由于从流体喷射管20中喷射出的流体流量为规定的量，因此，也能够对使用流体喷射装置100的手术医生提供稳定的使用感。另外，当驱动电压改变为小的值，或改变为小的频率时，被过度供给的流体会作为不伴有脉动的连续流而从流体喷射管20中排出。
[0062]而且，已经证实:因流体的惯性效应而喷射出的流体(条纹状的液滴)的体积V2比排除体积Vl更小。因此，通过压电元件30的一次驱动而被作为脉动流喷射出的流体的体积(VI +V2)不足Vl X 2.0。因此，本实施方式的流体供给机构12以不足Vl X 2.0 X fmax(ml/s)的规定流量将流体供给流体室42。因此，根据本实施方式，过剩的流体被供给流体室42的现象可得到抑制，因此，可抑制从流体喷射管20过量地排出不伴有脉动的连续流。结果是，可降低所使用的流体的量，同时降低滞留在治疗对象身上的流体的量，并确保良好的手术视野。
[0063]如此地，根据本实施方式，由于以超过Vf (ml/s)的规定流量供给流体，因此，即使在由最大驱动电压Emax和最大频率fmax驱动压电元件30的情况下,也能够抑制流体室42中的流体不足，同时对使用流体喷射装置100的手术医生提供稳定的使用感。
[0064]另外， 在实际的流体供给机构12中，即使是在以“规定”流量供给流体的情况下，要精确地保持规定流量是很困难的，有时会发生±10%的变化。因此，本说明书中的“规定”，也包含伴随±10%的变化的情况。并且，由于流体供给机构12是滚柱泵或柱塞泵等，因此，即使是在伴随流量的瞬间变化的情况下，只要在宏观的时间周期中平均的流量为规定的流量，则不会损害本发明的效果。
[0065]B.实验例
[0066]在本实验例中，一面改变由流体供给机构12提供的流体的供给流量，一面观察从流体喷射管20中喷射出的脉动流，并求出流体的合适的供给流量。然后，讨论因流体的惯性效应而喷射出的流体(条纹状的液滴)的体积V2相对排除体积Vl占比多少。另外，所谓流体的供给流量为合适的状态，是指在喷射出合适的脉动流的同时，在脉动流和脉动流之间未出现不需要的连续流的状态。
[0067]不需要连续流的原因在于，连续流仅由流体供给机构12产生的压力压出，因此，对患部的切开或切除等几乎没有帮助。而且，如果出现连续流，残留在患部的流体将会增多，手术视野会变狭窄。
[0068]本实验例的条件如下所示:
[0069]最大驱动电压Emax:100V
[0070]最大频率fmax:400Hz
[0071]被施加最大驱动电压Emax时压电元件的最大位移:10μπι
[0072]流体室的直径:6mm
[0073]流体室的截面积:2.83 X 10 — 5m2
[0074]根据以上条件，排除体积Vl如下所示:
[0075]排除体积Vl:2.83 X 10 _ 1V
[0076]并且，每分钟的排除体积如下式(I)所示:
[0077]Vl X fmax X 60=6.79ml/分…(I)
[0078]图7是示出脉动流喷射瞬间的连续照片的说明图。图7示出了流体的供给流量少、合适、以及多的情况。如图7所示，当流体的供给流量少时，由于在流体被填充到流体喷射管20中之前，流体喷射管20中的流体会被压出，因此，喷射出的脉动流将减弱。另一方面，当流体的供给流量多时，在即将发生脉动流之前，会发生连续流，因而从该连续流的后面产生了速度很快的脉动流。另外，由于流体喷射管20中的流体被瞬间压出，因此，脉动流的速度比连续流的速度快。
[0079]当流体的供给流量正合适时，不会发生不需要的连续流，而是间歇地发生脉动流。具体而言，在流体被填充到流体喷射管20中之后，流体喷射管20中的流体被瞬间压出，从而发生激烈的脉动流。然后，在流体再次被填充到流体喷射管20中之时，不会发生不需要的连续流，而在流体被填充到流体喷射管20中之后，再次发生了脉动流。
[0080]通过上述实验可知，流体的合适的供给流量为6.84ml/分钟。
[0081]因此，得到下式(2):
[0082](VI + V2) XfmaxX60=6.84ml/ 分钟…(2)
[0083]由式(2)减去式(1)，得到下式(3):
[0084]V2XfmaxX60=0.05ml/分钟…(3)
[0085]由式(I)和式(3)推导V2和Vl之间的关系，得到下式(4):
[0086]V2=V1X0.007— (4)
[0087]由上述可知， 本实验例的条件中，由于流体的惯性效应而喷射的流体(条纹状的液滴)的体积V2为排除体积Vl的0.007倍左右。但是，Vl和V2的比会因流体喷射装置100的构成和流体的性质而异。因此，Vl和V2的比优选根据流体喷射装置100的构成和流体的性质，适当地进行设定。
[0088]C.变形例:
[0089]另外，本说明并不仅限于上述实施方式或实施例，只要不脱离权利要求范围所记载的宗旨，可以有其他各种实施方式，例如，也可进行如下变形。
[0090]变形例1:
[0091]在上述实施方式中，流体喷射装置100作为医疗设备使用。而在变形例中，流体喷射装置100也可以作为医疗设备以外的其它装置使用。例如，流体喷射装置100也可用作通过将所喷射的流体对准对象物，从而除去对象物的污垢的清洁装置；或者用作利用喷射的流体来描绘文字和图画的描绘装置。
[0092]变形例2:
[0093]在上述实施方式中，使用液体作为从流体喷射装置100中喷射出的流体。而在变形例中，也可使用气体作为从流体喷射装置100中喷射出的流体。
[0094]变形例3:
[0095]在上述实施方式中，可设定的驱动电压的大小范围为OV~100V，可设定的驱动电压的频率范围为10Hz~400Hz。而另一方面，在变形例中，可设定的驱动电压的大小范围和可设定的驱动电压的频率范围也可以是上述以外的范围。例如，可设定的驱动电压的频率范围也可以是10Hz~1000Hz。
[0096]变形例4:
[0097]在上述实施方式中，排除体积Vl可根据流体室42的截面积和压电元件30的最大位移之间的乘积求得。然而，严格地说，排除体积Vl优选等于实际流体室42的容积的变量。因此，当例如压电元件30伸长，流体室42的内部压力增高时，优选也应考虑由于该压力导致压电元件30发生弹性变形而收缩的部分。而且，优选也应考虑隔膜32变形时的形状。而且，如果已知压电元件30的压电常数，那么，也可以根据压电常数和驱动电压求得压电元件30的位移。
[0098]变形例5:
[0099]上述实施方式采用一种结构，即:当施加在压电元件30上的驱动电压增大时，流体室42的容积减小。而另一方面，变形例可采用这样的结构，即:当施加在压电元件30上的驱动电压增大时，流体室42的容积增大。
[0100]变形例6:
[0101]上述实施方式中，条件切换部26设置在手持件14中。而在变形例中，条件切换部26也可以设置在手持件14以外的其它位置上。例如，条件切换部26也可以设置在控制部16上。
[0102]变形例7:
[0103]上述实施方式中，使用压电元件作为脉动发生部22。而在变形例7中，也可使用气泡发生装置作为脉动发生部。气泡发生装置也可以使用例如加热器和激光照射装置等。作为气泡发生装置，只要是加热流体室内的流体并使气泡发生，并通过所发生的气泡的膨胀喷射流体室内的流体的装置，均可使用。
[0104]这种情况下，控制部控制气泡发生装置并使其周期性地产生气泡，控制部通过气泡发生装置产生气泡的最大频率为fmaX(Hz)，当使通过气泡发生装置产生的气泡为最大时的上述流体室的容积的变化量为Vl (ml)时,流体供给部也可以超过VlXfmax (ml/s)的上述规定流量供给上述流体。
[0105]变形例7:
[0106]在上述实施方式中，也可利用硬件实现通过软件实现的功能中的一部分，或者也可利用软件实现通过硬件实现的功能中的一部分。
[0107]本发明不仅限于上述实施方式、实施例及变形例，只要不脱离权利范围的宗旨，可以有各种构成。例如，为了解决上述问题中的一部分或全部问题，或者为了达到上述效果中的一部分或全部效果，对应于
中记载的各方式中的技术特征的实施方式、实施例及变形例中的技术特征可适当地进行替代、组合。而且，只要其技术特征没有作为本说明书中必须的内容被说明，可适当地删除。
[0108]符号说明
[0109]10、流体容器12、流体供给机构
[0110]14、手持件16、控制部
[0111]17a、电压施加电缆 17b、控制电缆
[0112]17c、控制电缆17d、控制电缆
[0113]18、脚踏开关19a、连接管
[0114]19b、连接管20、流体喷射管
[0115]20a、喷嘴(开口部) 22、脉动发生部
[0116]24、箱体26、条件切换部
[0117]30、压电元件32、隔膜
[0118]34、第一壳体36、第二壳体
[0119]38、第三壳体40、入口流路
[0120]42、流体室44、出口流路
[0121]51、加固部件。