JP5870565B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射装置に関する。

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。

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。

特開２００８−０８２２０２号公報

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。

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。

［適用例１］本適用例に係る液体噴射装置は、液体が供給される入口流路と、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に、断面積がほぼ一定の渦巻き流路が形成され、且つ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方向に、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、が備えられていること、を特徴とする。

本適用例によれば、入口流路と出口流路との間に、渦巻き流路を有する液体室が形成されており、容積変更部を駆動すると、液体室が容積変更部によって押圧され、液体室の容積が減少する。その結果、液体室内の液体が急速に加圧され、液体室の出口流路と連通するノズルから加圧液体を高速噴射することができる。

液体噴射装置は、液体室に液体を充填する際には、入口流路から供給される液体が渦巻き流路に沿って出口流路へと流れるので、液体室内に気泡が滞留し難くすることできる。

例えば、液体室内の液体の流れが不規則で流れの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が十分に加圧されなくなるため、液体を適切に噴射できなくなってしまう。そこで、入口流路と出口流路との間に、断面積がほぼ一定の渦巻き流路を形成しておけば、液体室内の液体の流れは、渦巻き流路に沿うほぼ一定の流速に規制されるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制し、液体室内の気泡を出口流路から容易に排出できる。その結果、気泡の影響を受けること無く、液体室内の圧力を十分高めることができ、安定した液体の噴射を維持することが可能となる。

［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、前記圧電素子を伸長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、前記圧電素子を伸長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。
ここで、圧電素子は、噴射制御手段から駆動電圧波形を印加すると伸長し、液体室の容積を減少させ、駆動電圧波形の印加を除くと収縮し、液体室の容積を所与の容積に復帰させる。

このように、伸長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、圧電素子を伸長させない状態においても、液体室を押圧する状態に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。

さらに、圧電素子を伸長させない状態においても、液体室を押圧する状態となるよう圧電素子を設けておけば、圧電素子が伸長し始めたときに直ちに液体室の押圧を開始する。よって、圧電素子の伸長と液体室の容積減少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。

［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形状であること、が好ましい。

液体室の容積を縮小すると、出口流路と入口流路の両方から液体が流出しようとする。しかし、入口流路の断面積が前記出口流路の断面積より小さく、キャピラリー形状であることから、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。このようにすれば、入口流路側にチェック弁等を設けなくても逆流を抑えることができる。なお、キャピラリー形状は、実施の形態で後述するが、入口流路の流路径が０．３ｍｍ程度の細管である。

［適用例４］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記入口流路及び出口流路と前記液体室と前記ノズルとを含むユニットを噴射ユニットとし、前記容積変更部を容積変更ユニットとしたとき、前記噴射ユニットと前記容積変更ユニットとが、着脱可能であること、が好ましい。

噴射ユニットは、たとえば、水、食塩水、あるいは薬液等の液体を流動させる要素であって、液体噴射装置を手術具として用いる場合には、血液や体液等に接触することがある。そこで、噴射ユニットを容積変更ユニットから取り外して使い捨てにすれば、安全性を高めることができる。
また、液体に接触しない容積変更ユニットは、繰り返し使用が可能であって、噴射ユニットに比べて高コストである容積変更ユニットを繰り返し使用にすれば、ランニングコストを低減することができる。

［適用例５］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室が、渦巻き形状に巻回された可撓性を有するチューブであり、
前記チューブが、前記入口流路に連通する流入口と、前記出口流路に連通する流出口と、を有していること、が好ましい。

流入口と流出口とを有するチューブで液体室を形成する構成では、入口流路及び出口流路の配置や、チューブの巻回形状は特に限定されない。そのため、液体室の設計の自由度が増し、液体噴射装置の構造の簡略化や小型化を図ることが可能となる。
また、チューブを用いることで、渦巻き流路の断面積を容易にほぼ一定に規制することが可能である。

［適用例６］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記チューブは、巻回毎に隣り合うチューブとの間に隙間が設けられていること、が好ましい。
ここで、巻回毎とは、例えば１巻き目と２巻目、あるいは２巻き目と３巻き目、等のことを意味する。

チューブは、容積変更部によって押圧されて容積が変更される。この際、変形される分の隙間を設けることによって、隣り合うチューブが互いに押圧し合うことによる負荷の上昇を排除し、液体噴射に必要な押圧量を確保することができる。

［適用例７］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記流入口が、渦巻き形状に巻回された前記チューブの外周側端部に配置され、前記流出口が、渦巻き形状に巻回された前記チューブの中央側端部に配置されていること、が好ましい。

このような構成の液体噴射装置では、液体室の中央付近の押圧力が外周部の押圧力よりも強くなる傾向がある。従って、出口流路に向かう圧力が高まるため、液体を強く押し出すことができる。

また、このような構成では、流入口が連通する入口流路は外周側端部に配置され、流出口が連通する出口流路は中央側端部に配置される。従って、液体噴射装置を手で持って操作するような場合、液体噴射装置のほぼ中央に出口流路の延長上にあるノズルを配置できるので、操作しやすいという利点がある。

［適用例８］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記流入口が、前記渦巻き形状に巻回されたチューブの中央側端部に配置され、前記流出口が、前記渦巻き形状に巻回されたチューブの外周側端部に配置されていること、が好ましい。

前述したように、圧電素子によってチューブを押圧する場合、中央部の押圧量の方が外周部の押圧量よりも大きくなる傾向がある。従って、中央部に流入口を配置すれば、流入口付近の圧力が高まる。この際、流入口（入口流路）の断面積が流出口（出口流路）より小さいキャピラリー形状であれば、液体室から流入口への逆流が抑制され、液体室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。

［適用例９］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記液体室が、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断面積がほぼ一定の渦巻き形状の流路に区画されていること、が好ましい。

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、仕切壁が変形して液体室の容積が減少し、液体室内で加圧された液体が渦巻き形状の流路に沿って流れ、出口流路まで導かれ、出口流路を通ってノズルから噴射される。従って、本適用例の構成であっても、渦巻き形状の流路に沿って液体が十分な流速で流れるので、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、液体室内の圧力を十分高めることができ、安定した液体の噴射が可能となる。

また、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から、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、液体を強く噴射させることができる。

［適用例１０］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記仕切壁は、前記液体室を構成し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、且つ、前記仕切壁の前記第２方向側の面に向かう先端部、または前記第１方向側に向かう先端部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。

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、仕切壁の固定されていない先端部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。このように渦巻き形状の流路を横切る流れからも出口流路に周囲から液体が集められるので、液体を強く噴射させることができる。

［適用例１１］上記適用例に係る液体噴射装置において、前記仕切壁は、前記液体室を構成し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、且つ、最も外周側の仕切壁以外の仕切壁は、前記第１方向側の面に向かう先端部、及び前記第２方向側に向かう先端部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。

このような構成の仕切壁は、最外周側は固定壁、内周側は可動壁と考えることができる。容積変更部の駆動によって液体室の容積が減少すると、可動壁である内周側の仕切壁が出口流路に向けて移動するように変形し、液体室内の液体も液体室の入口流路から出口流路に向かって移動させることができる。

［適用例１２］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、前記液体室の渦巻き流路の外周側端部に連通されており、前記出口流路が、前記液体室の渦巻き流路の中央側端部に連通されていること、が好ましい。

このようにすれば、仕切壁によって渦巻き形状に液体室を形成する場合、仕切壁の先端が固定されている構成では、圧力が外周から中央部方向に向かうため、出口流路がある中心方向に仕切壁の断面方向中央部が変形する。
仕切壁の先端が固定されていない構成では、仕切壁の先端方向が変形すると共に、外周方向から中心方向に仕切壁を乗り越える液体の流れが発生することから、出口流路に周囲から液体を集めることができ、液体を強く噴射させることができる。
また、内周側の仕切壁が可動壁の場合には、あたかもゼンマイを巻き上げるように、仕切壁が中央部に移動するように変形し、中央部に液体を集めることができる。

［適用例１３］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、前記液体室の渦巻き流路の中央側端部に連通されており、前記出口流路が、前記液体室の渦巻き流路の外周側端部に連通されていること、が好ましい。

このようにすれば、仕切壁によって渦巻き形状に液体室を形成する場合、仕切壁の先端が固定されている構成では、圧力が入口流路が配置される中央部から外周方向に向かうため、出口流路がある外周方向に仕切壁の断面方向中央部が変形する。また、仕切壁の先端部が固定されていない構成では、仕切壁の先端部が外周方向に変形すると共に、入口流路が配置される中央方向から出口流路が配置される外周方向に仕切壁を乗り越える液体の流れが発生することから、出口流路に周囲から液体を集めることができ、液体を強く噴射させることができる。
また、内周側の仕切壁が可動壁の場合には、あたかもゼンマイを開放するように、仕切壁が外周方向に移動するように変形し、出口流路に液体を集めることができる。
さらに、上述したように、液体が中央部から外周部の出口流路に圧送されることから、気泡の排除性をより高めることができる。

液体噴射装置の主要構成を示した説明図。 第１実施例に係る脈動発生部を示す組立分解図。 第１実施例に係る液体室の構成を示す説明図。 駆動電圧波形を圧電素子に印加しない状態を表す説明図であり、（ａ）は脈動発生部の部分断面図、（ｂ）は液体室の平面図。 駆動電圧波形を圧電素子に印加した状態を表す説明図であり、（ａ）は脈動発生部の部分断面図、（ｂ）は液体室の平面図。 第２実施例に係る脈動発生部の一部を示す組立分解図。 第２実施例に係る液体室の構成を示す説明図。 第２実施例に係る圧電素子を駆動して液体室を押圧している状態を示す部分断面図。 変形例に係る液体室の形状を示す説明図。 第３実施例に係る脈動発生部を示す組立分解図。 第３実施例に係る流路形成部材の形状を示す平面図。 第３実施例において駆動電圧波形を圧電素子に印加しない状態を表し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は液体室の平面図。 第３実施例において駆動電圧波形を圧電素子に印加した状態を表し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は液体室の平面図。 第４実施例に係る脈動発生部の内部構造を示す部分断面図であり、（ａ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加しない状態、（ｂ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加伸長した状態。 第５実施例に係る脈動発生部の内部構造を示す部分断面図であり、（ａ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加しない状態、（ｂ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加伸長した状態。 第６実施例に係る脈動発生部を示す組立分解図。 第６実施例に係る流路形成部材の形状を示した説明図。 第６実施例において駆動電圧波形を圧電素子に印加した状態を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は、流路形成部材の形状を示す平面図。 第７実施例に係る脈動発生部の内部構造の一部を示し、（ａ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加していない状態、（ｂ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加伸長した状態。 第８実施例に係る脈動発生部の内部構造の一部を示し、（ａ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加していない状態、（ｂ）は駆動電圧波形を圧電素子に印加した状態。

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。
（液体噴射装置）

まず、液体噴射装置１０の構成について説明する。
図１は、液体噴射装置１０の主要構成を示した説明図である。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、から構成されている。

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等により着脱可能に固定された構造であり、第２ケース１０６の第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１０５が設けられている。

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１０５に接続されている。また、第１ケース１０８の内部には、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を伸縮駆動することにより、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１０５からパルス状に噴射することが可能となっている。なお、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。

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。本実施形態の液体供給手段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することが可能である。

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。本実施形態の液体噴射装置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、最大電圧値及び周波数を変更することによって、ノズル１０５からの液体の噴射態様を変化させることが可能である。

続いて、脈動発生部１００の構成について代表的な実施例をあげ説明する。
（第１実施例）

図２は、第１実施例に係る脈動発生部１００を示す組立分解図である。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によって固定されている。よって、第２ケース１０６と第１ケース１０８とは着脱可能である。第１ケース１０８には、第２ケース１０６と合わさる面の中央位置に、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。この貫通穴１０８ｈには、圧電素子１１２が収納され、更に、貫通穴１０８ｈの第２ケース１０６と合わさる面とは反対側の開口部は第３ケース１１８によって塞がれている。圧電素子１１２は、多数の圧電体を重ねて柱状にした積層型の圧電素子で構成されており、圧電素子１１２の一端は第３ケース１１８に固定されている。また、圧電素子１１２の他端には、金属板などで形成された円形の補強板１１６が固着されている。なお、液体室１１０の容積を減少させる本実施例の圧電素子１１２及び補強板１１６は、「容積変更部」に相当する。

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。凹部１０６ｃの周縁の位置には、第２ケース１０６に接続された第２接続チューブ３０４と連通する入口流路１０６ａが開口されている。また、凹部１０６ｃのほぼ中央位置には、液体噴射管１０４に連通する出口流路１０６ｂが開口されている。

第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、円形断面のチューブ１２０で形成された液体室１１０が配置されている。なお、本実施例の脈動発生部１００では、液体室１１０を金属製のチューブで形成しているが、チューブ１２０の材料は可撓性を有すれば金属に限定されるわけではなく、樹脂製のチューブであってもよい。また、チューブ１２０の断面形状は、円形に限られるわけではなく、角形や楕円であってもよい。

続いて、液体室１１０の構成を図３を参照して説明する。
図３は、第１実施例に係る液体室１１０の構成を示す説明図である。なお、図３では、液体室１１０を第１ケース１０８側から見た状態を示している。図示するように、液体室１１０は、チューブ１２０を渦巻き形状に巻回して略円形に形成されており、多重に巻回されたチューブ１２０の巻回毎の間には、所定の隙間が設けられている。

この渦巻き形状のチューブ１２０の最外周の径は、円形の補強板１１６の外径よりも小さく設定されている。更に、チューブ１２０の外周側端部及び中央側端部は、第２ケース１０６に向けて折り曲げられている（図２、参照）。なお、本実施例では、液体室１１０を形成する渦巻き形状のチューブ１２０の外周側端部の開口部を「流入口１１０ａ」とし、中央側端部の開口部を「流出口１１０ｂ」とする。

このように構成される液体室１１０は、図２に示すように、流入口１１０ａを入口流路１０６ａに接続し、流出口１１０ｂを出口流路１０６ｂに接続した状態で、第２ケース１０６の凹部１０６ｃに設置される。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、チューブ１２０の一方の側面が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに接し、チューブ１２０の他方の側面が補強板１１６に接して、凹部底面１０６ｄと補強板１１６との間にチューブ１２０が挟まれた状態となる。

上述したように、チューブ１２０は、一方の側面が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに当接されており、他方の側面が補強板１１６と当接されている。詳しくは後述するが、本実施例の脈動発生部１００では、駆動電圧波形が印加されずに圧電素子１１２が伸長していない状態でも、補強板１１６を介して圧電素子１１２がチューブ１２０の側面を押圧した状態となるように、補強板１１６の厚さ等が設定されている。但し、この押圧量は、駆動電圧波形を印加し圧電素子１１２が伸長したときの押圧量よりも小さく、補強板１１６がチューブ１２０に接触した隙間「０」の状態であってもよい。

図２に示すように、第２ケース１０６の第１ケース１０８と合わさる面とは反対側の面には、液体噴射管１０４が接続されており、この液体噴射管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１０５が挿着されている。従って、液体室１１０内で加圧された液体が噴射されるまでの流路は、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１０５の部分で再び断面積が狭くなるようになっている。

ここで、第１ケース１０８と、第３ケース１１８と、圧電素子１１２と、補強板１１６と、がそれぞれ固着されている構成を容積変更ユニット１０１とする。第２ケース１０６と、ノズル１０５を含む液体噴射管１０４と、チューブ１２０と、がそれぞれ固着または挿着されている構成を噴射ユニット１０２とする。
容積変更ユニット１０１と噴射ユニット１０２とは、第１ケース１０８と第２ケース１０６との合わせ面においてネジ固定等によって、着脱可能な構成である。

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伸縮駆動させることによって、ノズル１０５から液体をパルス状に噴射することが可能である。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。

図４及び図５は、第１実施例における脈動発生部１００が液体を噴射する動作を模式的に示した説明図であり、図４は駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加しない状態を表し、図５は駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加した状態を表している。
まず、図４を参照して圧電素子１１２を駆動していない状態を説明する。図４（ａ）は脈動発生部１００の部分断面図、図４（ｂ）は液体室１１０の平面図である。この状態では、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へと流入し、液体室１１０内が液体で満たされる。なお、図４（ａ）に示す破線の矢印は、液体の流れを表している。

図４（ｂ）に示すように液体室１１０は、チューブ１２０を渦巻き形状に巻回されることで渦巻き流路が形成されており、入口流路１０６ａと接続された周縁部の流入口１１０ａから流入した液体は、チューブ１２０に沿って旋回しながら、出口流路１０６ｂに接続された中央の流出口１１０ｂへと導かれる。なお、図４（ｂ）にて示す破線の矢印は、液体の流れを表している。チューブ１２０の渦巻き流路の断面積はほぼ一定であることから、液体室１１０内の液体の流れは、流入口１１０ａから流出口１１０ｂまでほぼ均一な流速で流動させることができる。

前述したように、液体供給手段３００からは液体がほぼ一定の安定した圧力で供給されるので、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内の液体が流出口１１０ｂから出口流路１０６ｂを通ってノズル１０５に向けて押し出される。

次に、図５を参照して圧電素子１１２を駆動している状態を説明する。図５（ａ）は脈動発生部１００の部分断面図、図５（ｂ）は液体室１１０の平面図である。
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れると、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長し、補強板１１６を介してチューブ１２０の側面を第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに向けて押圧する。このため、チューブ１２０の断面が円形から楕円に変形して液体室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。

なお、液体室１１０を形成するチューブ１２０の最外周の径は、補強板１１６の外径よりも小さく設定されているので、液体室１１０の渦巻き流路全体が押圧された状態になる。また、チューブ１２０は、巻回毎に所定の隙間を空けて巻かれているが、押圧されて変形すると、互いに密着した状態、または隙間が縮小された状態となる。こうして液体室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、流出口１１０ｂに接続された出口流路１０６ｂ、及び液体噴射管１０４を介して、ノズル１０５から噴射される。

液体室１１０には、流入口１１０ａに接続される入口流路１０６ａ、及び流出口１１０ｂに接続される出口流路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にも流出しようとすると考えられる。しかし、流路における液体の流れ易さは、流路の断面積や流路の長さ等によって定まる。例えば、流出口１１０ｂの直径を１ｍｍ程度、流入口１１０ａの流路直径を０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状にすると、単位時間当たりの流量の変化は断面積に比例し、長さに反比例するので、大半の液体を出口流路１０６ｂへ流出させることが可能である。

さらに、入口流路１０６ａには、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ことから液体室１１０内の液体の逆流を妨げる。出口流路１０６ｂには、液体室１１０内の液体の流出を妨げる抵抗となる要素や慣性を増加させる要素は少ない。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に流出して、液体噴射管１０４を介して先端のノズル１０５から噴射される。

図５（ｂ）に示すように、液体室１１０の渦巻き流路は、チューブ１２０を渦巻き形状に巻回して形成されており、液体室１１０内で加圧された液体は、渦巻き形状のチューブ１２０に沿って中央の流出口１１０ｂへと移動する。このとき、多重に巻回されたチューブ１２０のうち、中央の流出口１１０ｂから離れた最外周の部分では、移動する液体はわずかであるものの、流出口１１０ｂに近づくにつれて流量が増加して、流出口１１０ｂに近い部分では、液体室１１０の容積減少分に相当する液体が一気に移動して流出口１１０ｂから押し出される。その結果、出口流路１０６ｂ及び液体噴射管１０４を介して、ノズル１０５から液体が高速噴射される。

続いて、駆動電圧を減少させると圧電素子１１２が収縮して元の長さに戻る。すると、液体室１１０を形成するチューブ１２０は、圧電素子１１２による押圧が弱まるので、チューブ１２０の復元力によって断面が楕円から円形に戻って、液体室１１０の容積が元の容積に復元する。その結果、液体供給手段３００から供給される液体がチューブ１２０に沿って流れて液体室１１０内を満たすことで、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。

その後、再び駆動電圧の増加により圧電素子１１２が伸長すると、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１０５から噴射される。こうした動作を繰り返すことによって、第１実施例における脈動発生部１００では、パルス状の噴流を周期的に発生させることが可能となっている。

なお、前述したように、脈動発生部１００は、駆動電圧波形が印加されず圧電素子１１２が伸長していない状態でも、液体室１１０を形成するチューブ１２０の側面に押圧がかかるようになっていることが好ましい。これは、次のような理由によるものである。

積層型の圧電素子で構成される圧電素子１１２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がある。そして、圧電素子１１２が収縮する際には、素子自体の質量等に起因する慣性力により圧電素子１１２に引張方向の力がかかり易いことから、圧電素子１１２に層間剥離などの破損が生じるおそれがある。そこで、圧電素子１１２が収縮した状態でも、チューブ１２０で形成された液体室１１０の側面に押圧がかかるようにしておけば、その反力として、圧電素子１１２にはチューブ１２０の復元力による圧縮方向の力が常に作用することになるので、圧電素子１１２にかかる引張方向の力を軽減することができる。その結果、引張力の作用による圧電素子１１２の破損の発生を低減することが可能となる。

以上説明した第１実施例によれば、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとの間に、断面積がほぼ一定の渦巻き形状の液体室１１０を形成しておけば、液体室１１０内の液体の流れは、渦巻き流路に沿うほぼ一定の流速に規制されるので、流れの遅い箇所に気泡が滞留することを抑制し、液体室内の気泡を出口流路１０６ｂから容易に排出できる。その結果、気泡の影響を受けること無く、液体室１１０内の圧力を十分高めることができ、安定した液体の噴射を維持することが可能となる。

また、圧電素子１１２を伸長させない状態においても、液体室１１０を押圧する状態にしておけば、その押圧の反力として、圧電素子１１２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１１２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１１２の破損の発生を低減することが可能となる。

さらに、圧電素子１１２を伸長させない状態においても、液体室１１０を押圧する状態にすれば、圧電素子１１２が伸長し始めたときに直ちに液体室１１０の容積を減少させる。よって、圧電素子１１２の伸長と液体室１１０の容積減少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。

また、入口流路１０６ａの断面積を出口流路１０６ｂの断面積より小さく設定することにより、入口流路１０６ａへの逆流を抑えて液体室１１０内の圧力を高め、断面積の大きい流出口１１０ｂからの流出をし易くすることができる。このようにすれば、入口流路１０６ａにチェック弁等を設けなくても逆流を抑えることができる。

さらに、噴射ユニット１０２と容積変更ユニット１０１とを、着脱可能な構成にしている。噴射ユニット１０２は、たとえば、水、食塩水、あるいは薬液等の液体を流動させるユニットであって、液体噴射装置１０を手術具として用いる場合には、血液や体液等に接触することがある。そこで、噴射ユニット１０２を容積変更ユニット１０１から取り外して使い捨てにすれば、安全性を高めることができる。
また、液体に接触しない容積変更ユニット１０１は、繰り返し使用が可能であって、噴射ユニット１０２に比べて高コストであることから、容積変更ユニット１０１を繰り返し使用することでランニングコストを低減することができる。

液体室１１０は、渦巻き形状に巻回された可撓性を有するチューブ１２０によって形成された渦巻き流路を有している。このように、チューブ１２０によって液体室１１０を形成する構成では、入口流路１０６ａ及び出口流路１０６ｂの配置や、チューブ１２０の巻回形状は製造方法等によって限定されない。そのため、液体室１１０の設計の自由度が増し、液体噴射装置１０の構造の簡略化や小型化を図ることが可能である。
また、液体室１１０にチューブ１２０を用いることで、渦巻き流路の断面積を容易にほぼ一定に規制することが可能である。

また、チューブ１２０は、巻回毎に隣り合う流路との間に隙間が設けられている。チューブ１２０は、圧電素子１１２によって押圧されて変形される。この際、巻回毎に隙間を設けることによって、隣り合うチューブ１２０が互いに押圧し合うことによる負荷の上昇を排除し、液体噴射に必要な押圧量を確保することができる。

また、流入口１１０ａを、渦巻き形状に巻回されたチューブ１２０の外周側端部に配置し、流出口１１０ｂを、渦巻き形状に巻回されたチューブ１２０の中央側端部に配置している。このように構成する液体噴射装置１０では、液体室１１０の中央付近の押圧力が外周部の押圧力よりも強くなる傾向がある。従って、流出口１１０ｂに向かって圧力が高まるため、液体を強く押し出すことができる。
また、流入口１１０ａが連通する入口流路１０６ａを液体室１１０の外周側端部に配置し、流出口１１０ｂが連通する出口流路１０６ｂを中央側端部に配置している。従って、液体噴射装置１０を手で持って操作するような場合、液体噴射装置１０のほぼ中央に出口流路１０６ｂの延長上にあるノズル１０５を配置できるので、操作しやすいという利点がある。
（第２実施例）

続いて、第２実施例について図面を参照して説明する。前述した第１実施例では、流入口１１０ａが、チューブ１２０の外周側端部に配置され、流出口１１０ｂが、チューブ１２０の中央側端部に配置されていることに対して、実施形態２では、流入口１１０ａと流出口１１０ｂの配置を入れ替えていることに特徴を有している。よって、第１実施例との相違箇所を中心に、第１実施例と同じ機能要素には同じ符号を付して説明する。

図６は、第２実施例に係る脈動発生部１００の一部を示す組立分解図である。第２実施例における第１ケース１０８、圧電素子１１２、補強板１１６の構成は、第１実施例と同じ構成である。
一方、第２ケース１０６の凹部１０６ｃの中央位置には、第２ケース１０６に接続された第２接続チューブ３０４と連通する入口流路１０６ａが開口されており、液体室１１０の流入口１１０ａが接続されている。また、凹部１０６ｃの周縁位置には、液体噴射管１０４に連通する出口流路１０６ｂが開口されており、流出口１１０ｂが接続されている。

凹部１０６ｃには、円形断面のチューブ１２０で形成された液体室１１０が配置されている。なお、第２実施例では、これらの配置位置が異なるものの液体噴射管１０４及びノズル１０５の構成も、第１実施例と同じであるため、詳しい説明は省略する。

次に、第２実施例に係る液体室１１０の構成を説明する。
図７は、第２実施例に係る液体室１１０の構成を示す説明図である。なお、図７では、液体室１１０を第１ケース１０８側から見た状態を示している。図示するように、液体室１１０は、チューブ１２０を渦巻き形状に巻回して略円形に形成されており、多重に巻回されたチューブ１２０の巻回毎の互いの間には、所定の隙間が設けられている。

この渦巻き形状のチューブ１２０の最外周の径は、円形の補強板１１６の外径よりも小さく設定されている。さらに、チューブ１２０の外周側端部及び中央側端部は、第２ケース１０６に向けて折り曲げられている（図６、参照）。液体室１１０を形成する渦巻き形状のチューブ１２０の中央側端部の流入口１１０ａは入口流路１０６ａに接続され、外周側端部の流出口１１０ｂは出口流路１０６ｂに接続されている。

このようにチューブ１２０によって構成される液体室１１０は、第２ケース１０６の凹部１０６ｃ内に設置される。そして、図６に示すように、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、チューブ１２０の一方の側面が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに接し、チューブ１２０の他方の側面が補強板１１６に接して、凹部底面１０６ｄと補強板１１６との間にチューブ１２０が挟まれた状態となる。

図７は、第２実施例に係る液体室１１０の平面図である。図示した状態は、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へと流入し、液体室１１０内が液体で満たされる状態を表している。なお、図７に示す破線の矢印は、液体の流れを表している。

液体室１１０は、チューブ１２０を渦巻き形状に巻回されることで渦巻き流路が形成されており、入口流路１０６ａと接続された中央部の流入口１１０ａから流入した液体は、チューブ１２０に沿って旋回しながら、出口流路１０６ｂに接続された周縁部の流出口１１０ｂへと導かれる。チューブ１２０の渦巻き流路の断面積はほぼ一定であることから、液体室１１０内の液体の流れは、流入口１１０ａから流出口１１０ｂまでほぼ均一な流速で流動させることができる。

前述したように、液体供給手段３００からは液体がほぼ一定の安定した圧力で供給されるので、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内の液体が流出口１１０ｂから出口流路１０６ｂを通って液体噴射管１０４に向けて押し出される。

図８は、第２実施例に係る圧電素子１１２を駆動して液体室１１０を押圧している状態を示す部分断面図である。なお、図８は図示を分かり易くするために補強板１１６の変形を拡大して表している。
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れると、第１実施例と同様に、圧電素子１１２が駆動電圧の増加によって伸長し、チューブ１２０を押圧する。補強板１１６は、チューブ１２０の巻回された外周径と同じか大きい外径を有し、圧電素子１１２は補強板１１６の外径よりも小さい。

チューブ１２０と補強板１１６と圧電素子１１２とがこのような関係にある場合、チューブ１２０を押圧すると、図８に示すように、流入口１１０ａが配設される中央部を中心にして補強板１１６の外周縁が反るため、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。外周方向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、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。

このように、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付近の液体の戻し圧力が高くなる。しかし、流入口１１０ａの直径が０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状であることから液体室１１０から流入口１１０ａへの逆流が抑制され、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。

液体室１１０の渦巻き流路は、チューブ１２０を渦巻き形状に巻回して形成されており、液体室１１０内で加圧された液体は、渦巻き形状のチューブ１２０に沿って外周側端部の流出口１１０ｂへと移動する。このとき、流出口１１０ｂに近づくにつれて流量が増加して、流出口１１０ｂに近い部分では、液体室１１０の容積減少分に相当する液体が一気に移動して流出口１１０ｂから押し出される。その結果、出口流路１０６ｂ及び液体噴射管１０４を介して、ノズル１０５から液体が高速噴射される。

続いて、駆動電圧を減少させると圧電素子１１２が収縮して元の長さに戻る。すると、圧電素子１１２による押圧力が弱まるので、チューブ１２０の復元力によって断面が楕円から円形に戻って、液体室１１０の容積が元の容積に復元する。その後、再び駆動電圧の増加により圧電素子１１２が伸長すると、液体室１１０内で加圧された液体がノズル１０５から噴射される。こうした動作を繰り返すことによって、第２実施例の脈動発生部１００においても、パルス状の噴流を周期的に発生させることができる。

第２実施例による構成では、圧電素子１１２によってチューブ１２０を押圧する場合、中央部の押圧量の方が外周部の押圧量よりも大きくなる傾向がある。従って、中央部に流入口１１０ａを配置すれば、流入口付近の圧力が高まる。この際、流入口１１０ａ及び入口流路１０６ａの断面積が流出口１１０ｂ及び出口流路１０６ｂより小さい０．３ｍｍ程度のキャピラリー形状にすれば、液体室１１０から流入口１１０ａへの逆流が抑制され、液体室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。

さらに、上述したように、液体が液体室１１０の中央部から外周側端部の出口流路１０６ｂに圧送されることから、気泡の移動がし易くなり、その結果、気泡の排除性をより高めることができる。
（変形例）

以上に説明した第１実施例及び第２実施例では、液体室１１０がチューブ１２０を渦巻き形状に巻回して略円形に形成されている。しかし、チューブ１２０で形成される液体室１１０の形状は、圧電素子１１２の伸長によってチューブ１２０の全体を押圧可能な形状であれば、これに限られるわけではない。以下では、上述した実施例とは異なる形状の液体室１１０を採用した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、前述した第１実施例と同様の構成部分については、先に説明した第１実施例と同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図９は、変形例に係る液体室１１０の形状を示す説明図である。図示されているように、変形例の液体室１１０は、断面積がほぼ一定の円形断面のチューブ１２０がつづら折りに幾重にも折り畳まれて略四角形に形成されており、折り返す部分では、チューブ１２０が閉塞すること無く、断面積を保持して折り曲げられている。また、四角形に折り畳まれたチューブ１２０の両端を成す流入口１１０ａ及び流出口１１０ｂは、それぞれ四角形の対角に位置している。

このような液体室１１０の形状に対応して、補強板１１６は四角形に形成され、且つ、補強板１１６の大きさは、四角形に折り畳まれたチューブ１２０の外縁よりも大きく設定されており、液体室１１０の全体を押圧可能となっている。また、図示は省略するが、変形例の第２ケース１０６には、第１ケース１０８と合わさる面に、四角形の浅い凹部１０６ｃが形成されており、凹部１０６ｃの一角には入口流路１０６ａが開口し、その対角には出口流路１０６ｂが開口されている。

このような変形例の液体噴射装置１０においても、前述した実施形態と同様に、圧電素子１１２が伸長すると、補強板１１６を介して、液体室１１０を形成するチューブ１２０の側面が押圧される。このとき、チューブ１２０の断面形状が変形することで液体室１１０の容積が減少する。その結果、液体室１１０内で加圧された液体をノズル１０５からパルス状に噴射することができる。また、流入口１１０ａから液体室１１０に流入した液体は、折り畳まれたチューブ１２０に沿って流出口１１０ｂへと流れることから、液体室１１０内の液体の流れは一定の流れに規制される。そのため、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できる。

また、以上から明らかなように、液体室１１０を形成するチューブ１２０は、圧電素子１１２の伸長によって押圧可能であれば、その形状は特に限定されず、流入口１１０ａ及び流出口１１０ｂの配置も、第２ケース１０６に設けられる入口流路１０６ａ及び出口流路１０６ｂに合わせて設定することが可能である。このように、流入口１１０ａ及び流出口１１０ｂ、ひいては入口流路１０６ａ及び出口流路１０６ｂの配置の自由度が増すことから、脈動発生部１００の構造の簡略化や小型化を図ることができる。

以上、本発明の液体噴射装置１０について第１実施例、第２実施例、及び変形例をあげ説明したが、本発明はこれらの実施態様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。

例えば、前述した第１実施例または第２実施例と変形例とを組み合わせて、流入口１１０ａと流出口１１０ｂとの間で、チューブ１２０が巻回される箇所と折り畳まれる箇所とを形成してもよい。この場合も、前述した実施例や変形例と同様の効果を得ることができる。

また、前述した第１実施例、第２実施例、及び変形例では、チューブ１２０で形成される液体室１１０の流入口１１０ａ及び流出口１１０ｂを、第２ケース１０６の凹部１０６ｃに開口する入口流路１０６ａ及び出口流路１０６ｂとそれぞれ接続していた。しかし、液体室１１０の流入口１１０ａ側の端部を入口流路１０６ａとチューブ１２０で一体に構成してもよい。

また、チューブ１２０の流出口１１０ｂ側の端部を延設して、出口流路１０６ｂ及び液体噴射管１０４を一体に形成し、更に、その液体噴射管１０４の先端を細くしぼってノズル１０５を形成してもよい。このようにすれば、入口流路１０６ａからノズル１０５までをチューブ１２０で一体に構成することができるので、脈動発生部１００における液体の漏れを防止することができる。なお、このような構成では、チューブ１２０は金属製であることが望ましい。
（第３実施例）

続いて、第３実施例について図面を参照して説明する。前述した第１実施例及び第２実施例が、渦巻き形状に巻回したチューブ１２０によって液体室１１０を形成していたことに対し、第３実施例は、液体室１１０を仕切壁１３０ｗを有する流路形成部材１３０によって形成したことを特徴とする。なお、第１実施例との共通部分については第１実施例と同じ符号を付して説明する。
図１０は、第３実施例に係る脈動発生部１００を示す組立分解図、図１１は、流路形成部材１３０の形状を示す平面図である。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が固着されている。

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、補強板１１６と圧電素子１１２、圧電素子１１２と第３ケース１１８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。なお、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。

ダイアフラム１１４の第２ケース１０６と向かい合う面には、流路形成部材１３０が、支持板１３０ｂ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。流路形成部材１３０は、支持板１３０ｂの片面に仕切壁１３０ｗが第２ケース１０６に向かう第１方向側に立設されている。支持板１３０ｂは、仕切壁１３０ｗ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１３０ｂ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１３０は、可撓性を有する材料で変形可能に形成されている。なお、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗの形状については、図１１を参照して後述する。

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１３０の支持板１３０ｂの外径より小さく、且つ、支持板１３０ｂに立設された仕切壁１３０ｗ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１３０ｗの高さとほぼ同じになるように設定されている。

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側に嵌め込まれた流路形成部材１３０の支持板１３０ｂとによって、液体室１１０が形成される。さらに、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗの第２ケース１０６と向かい合う第１方向側の端部は、凹部１０６ｃの凹部底面１０６ｄに固着され、液体室１１０の内部には、仕切壁１３０ｗによって仕切られた渦巻き形状の流路が形成される。

しかし、これとは逆に、流路形成部材１３０の支持板１３０ｂが第２ケース１０６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、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗの第１ケース１０８と向かい合う第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。

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、及び液体室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が開口されている。このうち、入口流路１０６ａは、凹部１０６ｃの周縁の位置に開口されており、出口流路１０６ｂは、凹部１０６ｃの中央位置に開口されている。

第２ケース１０６の前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１０５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１０５の部分で再び断面積が狭くなるようになっている。

なお、出口流路１０６ｂの内径を液体噴射管１０４の内径と同じにして、流出口１１０ｂを液体室１１０と直接接続してもよい。

ここで、第１ケース１０８と、第３ケース１１８と、圧電素子１１２と、補強板１１６と、ダイアフラム１１４と、がそれぞれ固着されている構成を容積変更ユニット１０１とする。第２ケース１０６と、ノズル１０５を含む液体噴射管１０４と、流路形成部材１３０と、がそれぞれ固着または挿着されている構成を噴射ユニット１０２とする。
容積変更ユニット１０１と噴射ユニット１０２とは、第１ケース１０８と第２ケース１０６との合わせ面においてネジ固定を用いることによって、着脱可能な構成である。

次に、流路形成部材１３０の構成について図１１を参照して説明する。図１１は、流路形成部材１３０を第２ケース１０６と向かい合う第１ケース１０８側から見た状態を示している。流路形成部材１３０の支持板１３０ｂ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１３０ｂの第２ケース１０６と向かい合う面に、支持板１３０ｂ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の仕切壁１３０ｗが立設されている。

この渦巻き形状の仕切壁１３０ｗ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、多重に巻かれた仕切壁１３０ｗの径方向の間隔は、ほぼ一定に設定されている。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１３０ｗ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流路が形成される。

第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、入口流路１０６ａ及び出口流路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。

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を伸縮駆動することによって、ノズル１０５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。

図１２及び図１３は、脈動発生部１００が液体を噴射する動作を模式的に示した説明図であり、図１２は駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加しない状態を表し、図１３は駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加した状態を表している。
まず、図１２を参照して圧電素子１１２を駆動していない状態を説明する。図１２（ａ）は部分断面図、図１２（ｂ）は液体室１１０の平面図である。この状態では、図１２（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へと流入し、液体室１１０内が液体で満たされる。なお、図１２（ａ）に示す破線の矢印は、液体の流れを表している。

液体室１１０は、仕切壁１３０ｗを渦巻き形状に形成することで渦巻き流路が形成されており、図１２（ｂ）に示す破線の矢印のように、入口流路１０６ａから流入した液体は、仕切壁１３０ｗに沿って旋回しながら、出口流路１０６ｂへと導かれる。仕切壁１３０ｗによって形成される液体室１１０の渦巻き流路の断面積はほぼ一定であることから、液体室１１０内の液体の流れは、入口流路１０６ａから出口流路１０６ｂまでほぼ均一な流速で流動させることができる。

液体供給手段３００からは液体がほぼ一定の安定した圧力で供給されるので、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。

次に、図１３を参照して圧電素子１１２を駆動している状態を説明する。図１３（ａ）は部分断面図、図１３（ｂ）は液体室１１０の平面図である。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れると、図１３（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長し、補強板１１６を介してダイアフラム１１４及び流路形成部材１３０の支持板１３０ｂ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１３（ａ）中に破線の矢印で示したように、出口流路１０６ｂ及び液体噴射管１０４を介して、ノズル１０５からパルス状に噴射される。

なお、液体室１１０には、入口流路１０６ａ及び出口流路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及び出口流路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。

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１０５から噴射される。

第３実施例の液体室１１０の内部は、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗによって渦巻き状に区画されている。しかし、圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗに沿って液体が流れるだけではなく、仕切壁１３０ｗが出口流路１０６ｂ側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。

多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁１３０ｗの最も内郭を成す仕切壁１３０ｗを例に考えると、最内郭の仕切壁１３０ｗ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。

これに対して、仕切壁１３０ｗの外側では、入口流路１０６ａはキャピラリー形状であり、液体の流出を抑制するため仕切壁１３０ｗの内側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁１３０ｗ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１３０ｗ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、第３実施例の仕切壁１３０ｗは、支持板１３０ｂから立設されており、且つ、先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されているので、図１３（ａ）に示すように、仕切壁１３０ｗ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。

このような仕切壁１３０ｗの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁１３０ｗだけでなく、最内郭の仕切壁１３０ｗ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１３０ｗにも生じ、同様に、３重目の仕切壁１３０ｗにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗは、全体的に液体室１１０の中央に向かって渦巻き流路を収縮させるように変形する。なお、仕切壁１３０ｗの変位は、図１３（ａ）に示すように、内径の小さい最内郭の仕切壁１３０ｗが最も大きくなっている。

このように圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗ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１３（ｂ）で示す破線の矢印方向に、液体室１１０の中央の出口流路１０６ｂに向かって移動しようとする。

圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少すると、それとほぼ同じ分量の液体が出口流路１０６ｂに集められて押し出され、液体噴射管１０４の先端のノズル１０５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１３０ｗ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、第３実施例の脈動発生部１００では、圧電素子１１２の伸長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１３０ｗ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。

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、つまり凹部１０６ｃの深さをＨとすると、
Ｖ＝πＲ²Ｈ／１００ 式（１）
と表すことができる。

また、渦巻き状の仕切壁１３０ｗの最内郭の内半径をｒとして、最内郭の仕切壁１３０ｗ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１０５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。

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。

そして、例えば、最内郭の仕切壁１３０ｗ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）及び式（２）の２つの式から、
２π（Ｒ／２）ｓＨ＝πＲ²Ｈ／１００ 式（３）
ｓ＝Ｒ／１００ 式（４）
となる。従って、最内郭の仕切壁１３０ｗ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。従って、液体の噴射に際して液体室１１０内の渦巻き形状の仕切壁１３０ｗが妨げとなることはない。

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仕切壁１３０ｗ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１３０ｗも元の直立した状態に復元する。その結果、図１２（ａ）に示した圧電素子１１２が駆動する前の状態に復帰する。

再び駆動電圧の増加によって圧電素子１１２が伸長すると、図１３に示したように液体室１１０内で加圧された液体がノズル１０５から噴射される。こうした動作を繰り返すことによって、第３実施例の脈動発生部１００では、ノズル１０５から液体をパルス状に噴射することができる。

以上説明した第３実施例によれば、液体室１１０が、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとの間で、変形可能な仕切壁１３０ｗによって断面積がほぼ一定の渦巻き形状の流路に区画されている。そして、入口流路１０６ａから供給される液体が液体室１１０に充填された状態で、圧電素子１１２を駆動すると、仕切壁１３０ｗが変形して液体室１１０の容積が減少し、液体室１１０内で加圧された液体が渦巻き形状の流路に沿って流れ、出口流路１０６ｂまで導かれ、出口流路１０６ｂを通ってノズル１０５から噴射される。従って、渦巻き流路に沿って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１１０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。その結果として、気泡の影響を受けることなく、液体室１１０内の圧力を十分高めることができ、安定した液体の噴射が可能となる。

また、液体室１１０の内部で渦巻き流路を形成する仕切壁１３０ｗは、可撓性の材料で変形可能であることから、圧電素子１１２が伸長して液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗ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。このことによって、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１３０ｗ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１３０ｗ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１３０ｗが妨げとなることはなく、液体を強く噴射することができる。
（第４実施例）

以上に説明した第３実施例に係る脈動発生部１００の他、第３実施例の技術思想を展開した実施例が実現可能である。以下に、これら他の実施例について説明する。なお、このような実施例の説明にあたっては、前述した第３実施例と同様の構成部分については、第３実施例と同様の符号を付し、共通部分はその詳細な説明を省略する。

図１４は、第４実施例の脈動発生部１００の内部構造を示した説明図であり、（ａ）には、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加しない状態を示し、（ｂ）には、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加して伸長させた状態を示している。なお、前述した第３実施例では、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗは、支持板１３０ｂから立設されており、且つ、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、第４実施例では、仕切壁１３０ｗの先端は、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されていない。

図１４（ａ）に示すように、流路形成部材１３０には、支持板１３０ｂに渦巻き形状の仕切壁１３０ｗが立設されている。液体室１１０の内部には、仕切壁１３０ｗによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。但し、第４実施例では、前述した第３実施例と異なり、仕切壁１３０ｗの第２ケース１０６と向かい合う第１方向側の線端部が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、仕切壁１３０ｗの先端部と凹部底面１０６ｄとの間には、わずかな隙間が設けられている。

このような第４実施例の脈動発生部１００においても、前述した第３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、仕切壁１３０ｗ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１３０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの隙間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。

こうして液体室１１０が液体で満たされた状態で、駆動電圧波形の印加によって圧電素子１１２が伸長すると、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、仕切壁１３０ｗ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１３０ｗが押されて変形する。第４実施例の脈動発生部１００では、仕切壁１３０ｗ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ので、図１４（ｂ）に示すように、仕切壁１３０ｗ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。

このように仕切壁１３０ｗの先端側が液体室１１０の中央に向けて倒れると、仕切壁１３０ｗの外側の液体が仕切壁１３０ｗ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。

以上に説明したように、第４実施例の脈動発生部１００では、仕切壁１３０ｗ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、前述した第３実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れを、仕切壁１３０ｗ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。

また、圧電素子１１２が伸長して液体室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１３０ｗ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１３０ｗ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も加わ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５実施例）

続いて、第５実施例に係る脈動発生部１００について説明する。上述した第３実施例及び第４実施例では、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗは、支持板１３０ｂから立設されていた。第５実施例では、渦巻き形状の内周側の仕切壁１３０ｗが支持板１３０ｂに立設されていないことを特徴とする。

図１５は、第５実施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。（ａ）は、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加していない状態、（ｂ）は、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加伸長した状態を示している。第５実施例の脈動発生部１００においても、前述した第３実施例、第４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１３０ｗ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１３０ｗは、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、凹部底面１０６ｄとの間にわずかな隙間が設けられている。また、仕切壁１３０ｗの全体が支持板１３０ｂ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１３０ｗのうち最も外郭を成す部分だけが支持板１３０ｂに立設されており、残りの部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板１３０ｂから立設されておらず、僅かな隙間を有している。

このように構成される第５実施例の脈動発生部１００においても、液体室１１０に液体が充填される際には、前述した第３実施例及び第４実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れが、仕切壁１３０ｗ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。

一方、図１５（ｂ）に示すように、圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少して、仕切壁１３０ｗ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１３０ｗが押される。このとき、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗの支持板１３０ｂ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１３０ｗ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、液体を強く噴射することができる。

なお、上述した第３実施例、第４実施例及び第５実施例においては、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の中央位置に開口される構成としていた。しかし、出口流路１０６ｂが開口される位置は、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。
（第６実施例）

続いて、第６実施例に係る脈動発生部１００について説明する。前述した第３実施例、第４実施例、及び第５実施例では、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の外周縁部に開口されている。それに対して、第６実施例では出口流路１０６ｂが、渦巻き形状に形成された液体室１１０の外周縁部に、入口流路１０６ａが液体室１１０の中央部に開口されていることを特徴とする。よって、第６実施例の説明にあたっては、前述した第３実施例と同様の構成部分については、先に説明した第３実施例と同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１６は、第６実施例に係る脈動発生部１００を示す組立分解図である。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が固着されている。

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、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。なお、圧電素子１１２の一端は、第３ケース１１８（図示は省略）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。

ダイアフラム１１４の第２ケース１０６と向かい合う側には、円形の支持板１３０ｂの片面に仕切壁１３０ｗが立設された流路形成部材１３０が、支持板１３０ｂ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１３０ｂは、仕切壁１３０ｗが立設された面とは反対側の面がダイアフラム１１４に固着されている。支持板１３０ｂとダイアフラム１１４とを加えた厚さは、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１３０は、可撓性の材料で変形可能に形成されている。なお、仕切壁１３０ｗの形状については、図１７を参照して後述する。

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１３０とによって、液体室１１０が形成される。さらに、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗの第２ケース１０６と向かい合う側の先端は、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されて、液体室１１０の内部には、仕切壁１３０ｗによって仕切られた渦巻き形状の流路が形成される。

しかし、これとは逆に、流路形成部材１３０の支持板１３０ｂが第２ケース１０６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、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗのダイアフラム１１４と向かい合う側の先端が、ダイアフラム１１４に固着されていてもよい。

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２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。

次に、第６実施例に係る流路形成部材１３０の構成について図１７を参照して説明する。
図１７は、流路形成部材１３０の形状を示した説明図である。なお、図１７は、流路形成部材１３０をダイアフラム１１４側から見た状態を示している。図示するように、流路形成部材１３０の支持板１３０ｂは、ダイアフラム１１４と同一の円形に形成されており、支持板１３０ｂの第２ケース１０６と向かい合う面に、支持板１３０ｂ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１３０ｗが立設されている。

この渦巻き形状の仕切壁１３０ｗは、最外郭の外周面の一部が凹部１０６ｃの内周面と接するように形成されており、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂの間の渦巻き流路の断面積は、ほぼ一定である。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１３０ｗ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。

また、図１６に示すように、第２ケース１０６の凹部１０６ｃには、入口流路１０６ａ及び出口流路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。

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を伸縮駆動することによって、ノズル１０５から液体をパルス状に噴射することが可能となる。

続いて、第６実施例に係る脈動発生部１００による液体噴射動作について説明する。圧電素子１１２を駆動しない状態（駆動電圧波形を印加しない状態）では、図１６及び図１７に示すように、液体は液体供給手段３００から第２接続チューブ３０４を介して入口流路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。

液体室１１０の内部には、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗで区画されることによって、断面積がほぼ一定の渦巻き流路が形成されている。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、図１７において破線の矢印で示すように、仕切壁１３０ｗ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。このように仕切壁１３０ｗ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が無く、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。

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。

図１８は、第６実施例において駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加した状態を示し、図１８（ａ）は脈動発生部１００の部分断面図、図１８（ｂ）は、流路形成部材１３０の平面図である。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れると、図１８（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長し、補強板１１６を介してダイアフラム１１４及び流路形成部材１３０の支持板１３０ｂ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の容積が減少し、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１８（ａ）中に破線の矢印で示したように、出口流路１０６ｂ及び液体噴射管１０４を介して、ノズル１０５からパルス状に噴射される。

なお、液体室１１０には、入口流路１０６ａ及び出口流路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及び出口流路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、第５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。

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１０５から噴射される。

第６実施例の液体室１１０の内部は、流路形成部材１３０の仕切壁１３０ｗによって渦巻き状に仕切られている。しかし、圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少する際には、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗに沿って液体が流れるだけではなく、仕切壁１３０ｗが外周縁部の出口流路１０６ｂ側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。

先ず、多重に巻回された渦巻き形状の仕切壁１３０ｗの最も内郭を成す仕切壁１３０ｗを例に考えると、最内郭の仕切壁１３０ｗ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の容積が減少する場合には、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。

これに対して、仕切壁１３０ｗの内側では、入口流路１０６ａはキャピラリー形状であり、液体の流出を抑制するため、仕切壁１３０ｗの外側に比べて圧力が上昇することになる。仕切壁１３０ｗ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１３０ｗ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、第６実施例の仕切壁１３０ｗは、支持板１３０ｂから立設されており、且つ、先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されているので、図１８（ａ）に示すように、仕切壁１３０ｗ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。

仕切壁１３０ｗの内側と外側との圧力差は、最内郭の仕切壁１３０ｗだけでなく、最内郭の仕切壁１３０ｗ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１３０ｗにも生じ、同様に、３重目の仕切壁１３０ｗにも伝播する。従って、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗ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。

圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少する場合には、渦巻き形状の仕切壁１３０ｗ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１８（ｂ）の破線の矢印に示すように、液体室１１０の中央部から外周縁部の出口流路１０６ｂに向かって移動しようとする。

圧電素子１１２の伸長によって液体室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１０５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１３０ｗが妨げとなって、外周縁部の出口流路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、第６実施例の脈動発生部１００では、圧電素子１１２の伸長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１３０ｗ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、このことは、第３実施例で説明した式（１）〜式（４）によって裏付けることができる。

また、図１８（ａ）に示すように、支持板１３０ｂ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１３０ｂ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が配置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。

従って、中央部にある入口流路１１０６ａ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形状であることから、液体室１１０から入口流路１０６ａ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。

第６実施例では、流路形成部材１３０を用いて渦巻き流路を形成し、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構成を説明した。このような構成であっても、前述した第４実施形態または第５実施形態の考え方を適用できる。
（第７実施例）

第７実施例は、前述した第４実施例に対し、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂの配置が異なり、他は第４実施例と同様な構成を適用できる。従って、前述した第４実施例と同様の構成部分については、第４実施例と同様の符号を付し、共通部分はその詳細な説明を省略する。

図１９は、第７実施例に係る脈動発生部１００の内部構造の一部を示し、図１９（ａ）は、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加していない状態を示し、図１９（ｂ）は、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加した状態を示している。

図１９（ａ）に示すように、流路形成部材１３０には、支持板１３０ｂに渦巻き形状の仕切壁１３０ｗが立設されている。液体室１１０の内部には、仕切壁１３０ｗによって仕切られた渦巻き流路が形成されている。第７実施例では、仕切壁１３０ｗの第２ケース１０６と向かい合う側の先端が第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、仕切壁１３０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの間には、わずかな隙間が設けられている。そして、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の中央部に開口されている。

このような構成の第７実施例では、前述した第５実施例と同様に、液体室１１０の中央部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体が、仕切壁１３０ｗ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１３０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの隙間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。

こうして液体室１１０が液体で満たされた状態で、駆動電圧波形の印加によって圧電素子１１２が伸長すると、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、仕切壁１３０ｗの内側と外側とで圧力差が生じるので、圧力の高い内側から圧力の低い外側に向けて仕切壁１３０ｗが押されて変形する。第７実施例では、仕切壁１３０ｗ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ので、図１９（ｂ）に示すように、仕切壁１３０ｗの先端側が液体室１１０の外周側に向けて倒れるように変形する。

このように仕切壁１３０ｗの先端側が液体室１１０の外周側に向けて倒れると、仕切壁１３０ｗの内側の液体が仕切壁１３０ｗを乗り越えて外周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外周側にある出口流路１０６ｂに向かう液体の流れが生じる。

以上に説明したように、第７実施例の脈動発生部１００では、仕切壁１３０ｗ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、前述した第５実施例と同様に、液体室１１０内の液体の流れを、仕切壁１３０ｗ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。

また、圧電素子１１２が伸長して液体室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１３０ｗの先端が液体室１１０の外周方向に倒れることによって、液体室１１０の内部には、仕切壁１３０ｗ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も加わ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８実施例）

次に、第８実施例に係る脈動発生部１００の構成について説明する。
第８実施例は、前述した第５実施例に対し、入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂの配置が異なり、他は第５実施例と同様な構成を適用できる。従って、前述した第５実施例と同様の構成部分については、第５実施例と同様の符号を付し、共通部分はその詳細な説明を省略する。

図２０は第８実施例に係る脈動発生部１００の内部構造を示した説明図であり、図２０（ａ）は、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加していない状態を示し、図２０（ｂ）は、駆動電圧波形を圧電素子１１２に印加伸長した状態を示している。図２０（ａ）に示すように、第８実施例の脈動発生部１００においても、前述した第５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１３０ｗ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１３０ｗは、第２ケース１０６の凹部底面１０６ｄに固着されておらず、凹部底面１０６ｄとの間にわずかな隙間が設けられている。また、仕切壁１３０ｗの全体が支持板１３０ｂ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１３０ｗのうち最も外郭を成す部分だけが支持板１３０ｂに立設されており、残りの内周部分は、渦巻き形状に一連であるものの、支持板１３０ｂから立設されておらず、僅かな隙間を有している。

このような構成の第８実施例では、液体室１１０の中央部に開口する入口流路１０６ａから流入した液体が、仕切壁１３０ｗに沿って旋回しながら、外周縁部の出口流路１０６ｂに向かって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１３０ｗの先端と凹部底面１０６ｄとの隙間、及び支持板１３０ｂとの隙間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。

このような構成の第８実施例の脈動発生部１００においても、液体室１１０に液体が充填される際には、液体室１１０内の液体の流れが、仕切壁１３０ｗ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。

一方、図２０（ｂ）に示すように、圧電素子１１２の伸長によって液体室１１０の容積が減少して、仕切壁１３０ｗ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１３０ｗが押される。このとき、内周部の仕切壁１３０ｗの凹部底面１０６ｄと支持板１３０ｂとに固定されていない部分は、ちょうどゼンマイが開放されるように、外周方向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の外周方向に向かって移動する。加えて、仕切壁１３０ｗを乗り越えて渦巻き流路に交差するように外周方向にある出口流路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ので、液体を強く噴射することができる。

前述した第６実施例ないし第８実施例では、入口流路１０６ａを液体室１１０の中央部に配置し、出口流路１０６ｂを液体室１１０の外周部に配置している。入口流路１０６ａと出口流路１０６ｂとをこのように配置すれば、液体が中央部から外周部の出口流路に圧送されることから、気泡の排除性をより高めることができる。

なお、上述した第３実施例から第７実施例においては、液体室１１０の内部に仕切壁１３０ｗ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、入口流路１０６ａから旋回しつつ出口流路１０６ｂ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。

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。

１０…液体噴射装置、１０２…ノズル、１１０…液体室、１１０ａ…流入口、１１０ｂ…流出口、１１２…圧電素子、１２０…チューブ、２００…制御部。

Claims (7)

1. 液体が供給される入口流路と、
   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に、断面積がほぼ一定の渦巻き流路が形成され、且つ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方向に、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、前記ノズルから前記液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、を備え、
   前記液体室が、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の流路に区画されており、
   前記仕切壁は、前記液体室を構成し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、且つ、前記仕切壁の前記第２方向側の面に向かう先端部、または前記第１方向側に向かう先端部が固定されていない状態で設けられていること、
   を特徴とする液体噴射装置。
2. 液体が供給される入口流路と、
   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に、断面積がほぼ一定の渦巻き流路が形成され、且つ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方向に、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、前記ノズルから前記液体をパルス状に噴射させる噴射制御手段と、を備え、
   前記液体室が、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の流路に区画されており、
   前記仕切壁は、前記液体室を構成し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、且つ、最も外周側の仕切壁以外の仕切壁は、前記第１方向側の面に向かう先端部、及び前記第２方向側に向かう先端部が固定されていない状態で設けられていること、
   を特徴とする液体噴射装置。
3. 前記容積変更部は圧電素子を有し、
   前記圧電素子を伸長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、前記圧電素子を伸長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又は２に記載の液体噴射装置。
4. 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形状であること、を特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の液体噴射装置。
5. 前記入口流路及び前記出口流路と前記液体室と前記ノズルとを含むユニットを噴射ユニットとし、
   前記容積変更部を容積変更ユニットとしたとき、
   前記噴射ユニットと前記容積変更ユニットとが、着脱可能であること、
   を特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の液体噴射装置。
6. 前記入口流路が、前記液体室の渦巻き流路の外周側端部に連通されており、
   前記出口流路が、前記液体室の渦巻き流路の中央側端部に連通されていること、
   を特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の液体噴射装置。
7. 前記入口流路が、前記液体室の渦巻き流路の中央側端部に連通されており、
   前記出口流路が、前記液体室の渦巻き流路の外周側端部に連通されていること、
   を特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の液体噴射装置。

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