JP2016120067A - 液体噴射制御装置、液体噴射システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス液体ジェットの強さを、ユーザーの意図に沿った設定とすることを可能とし、使い勝手を向上させる。【解決手段】液体噴射制御装置７０−１において、操作部７１は、液体噴射装置から噴射されるパルス液体ジェットの運動量に係る運動量指示値を入力するための運動量ダイヤル８１１と、パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る繰り返し周波数指示値を入力するための繰り返し周波数ダイヤル８１３とを含む。また、制御部７５は、駆動電圧波形の電圧振幅と、繰り返し周波数指示値とに基づいて、運動量が運動量指示値となるように駆動電圧波形の立ち上がりに係る立ち上がり指標値として立ち上がり周波数を設定する立ち上がり周波数設定部７５２を備える。【選択図】図１３

Description

本発明は、圧電素子を用いて液体をパルス状に噴射する液体噴射装置を制御する液体噴射制御装置等に関する。

液体をパルス状に噴射して切削対象物を切削する技術が知られている。パルス状の液体の噴射は、ノズルから脈動的に噴射される液体のジェット流であり、本明細書では適宜「パルス液体ジェット（Pulsed Liquid Jet）」と称する。

パルス液体ジェットの用途は様々であるが、例えば、特許文献１には、医療分野における外科手術用として利用する技術が提案されている。この場合には、切削対象物は、生体組織となり、液体は生理食塩水となる。

特開２００５−１５２１２７号公報

パルス液体ジェットを生成する機構の１つに、圧電素子を用いた機構が知られている。パルス波状の駆動電圧を圧電素子に加えることで、圧電素子が作動流体（液体）内に瞬間的な圧力を発生させて液体をパルス状に噴射する機構である。そのため、パルス液体ジェットの強さを変更する場合には、圧電素子に印加する駆動電圧を制御することとなる。そこで、圧電素子に印加する駆動電圧の特性値、例えば、駆動電圧波形の振幅（電圧振幅のことであり、駆動電圧の大きさとも言える）を、操作ダイヤルや操作ボタン等の操作部で指示することで、パルス液体ジェットの強さを可変する仕様が考えられる。

しかしながら、操作部で指示する駆動電圧の特性値を変化させても、切削対象物の切削深さや切削体積といった切削態様を、ユーザーが思うように変化させることができない場合があることが分かった。詳細は後述するが、例えば、ユーザーが電圧振幅を２倍や４倍、或いは１／２、１／４に変えたとしても、必ずしも切削深さや切削体積がその通りに変化するとは限らないことが分かった。パルス液体ジェットを外科手術用途で用いる場合には、術者の操作感覚通りの作用が得られず、問題となり得た。

一方で、パルス液体ジェットの噴射周期を可変とすれば、単位時間当たりの切削深さや切削体積を増減させることができ、切削対象物を切削するスピードが調整可能となる。しかしながら、噴射周期を変えると駆動電圧波形の形状が変わることから、パルス１個分の液体ジェットの強さ等が変わり得た。そのため、噴射周期を変えた前後でパルス１個分のパルス液体ジェットによる切削深さや切削体積が変化し、噴射周期を短く、換言すると噴射周波数を高くしたとしても、ユーザーの意図通りの噴射周波数に比例した切削スピードが得られない場合が起こり得た。

本発明は上述した課題に鑑みて考案されたものであり、その目的とするところは、パルス液体ジェットの強さを、ユーザーの意図に沿った設定とすることを可能とし、使い勝手を向上させる技術を提案することである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、所与の駆動電圧波形を圧電素子に印加し、該圧電素子を用いて液体をパルス状に噴射する液体噴射装置からのパルス液体ジェットの繰り返しの噴射を制御する液体噴射制御装置であって、前記パルス液体ジェットの運動量に係る第１指示値を入力するための第１の操作部と、前記パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る第２指示値を入力するための第２の操作部と、前記駆動電圧波形の電圧振幅と、前記第２指示値とに基づいて、前記運動量が前記第１指示値となるように前記駆動電圧波形の立ち上がりに係る指標値（以下「立ち上がり指標値」という）を設定する立ち上がり指標値設定部と、を備えた液体噴射制御装置である。

また、他の発明として、所与の駆動電圧波形を圧電素子に印加し、該圧電素子を用いて液体をパルス状に噴射する液体噴射装置からのパルス液体ジェットの繰り返しの噴射を制御する制御方法であって、前記パルス液体ジェットの運動量に係る第１指示値を入力することと、前記パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る第２指示値を入力することと、前記駆動電圧波形の電圧振幅と、前記第２指示値とに基づいて、前記運動量が前記第１指示値となるように前記駆動電圧波形の立ち上がりに係る立ち上がり指標値を設定することと、を含む制御方法を構成することとしてもよい。

この第１の発明等によれば、パルス液体ジェットの運動量に係る第１指示値と、パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る第２指示値とを入力すると、駆動電圧波形の電圧振幅と第２指示値とに基づいて運動量が第１指示値となるように駆動電圧波形の立ち上がりに係る立ち上がり指標値が設定される。後述するように、切削深さや切削体積は、パルス液体ジェットの運動量と相関が高い。そのため、パルス液体ジェットの運動量を直接指示することで、ユーザーの意図や操作感覚に見合った切削深さや切削体積を実現することができ、使い勝手を向上させることができる。

また、併せてパルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数を指示することができる。これによれば、例えば、第１指示値を維持したまま噴射回数を増減させることが可能となる。したがって、噴射回数を変えた前後でパルス１個分のパルス液体ジェットによる切削深さや切削体積が変わることなく切削スピードを調整することができ、使い勝手の向上が図れる。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記電圧振幅に係る第３指示値を入力するための第３の操作部、を更に備えた液体噴射制御装置である。

この第２の発明によれば、駆動電圧波形の電圧振幅に係る第３指示値を入力することができる。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記第２指示値に応じて、前記駆動電圧波形の立ち下がり形状を可変に設定する立ち下がり形状設定部、を更に備えた液体噴射制御装置である。

この第３の発明によれば、駆動電圧波形の立ち下がり形状を可変に設定することによって、パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数が第２指示値となるようにパルス液体ジェットの繰り返しの噴射を制御することができる。

また、第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明において、前記第１指示値及び前記第２指示値のうちの少なくとも一方を表示させる制御を行う表示制御部、を更に備えた液体噴射制御装置である。

この第４の発明によれば、パルス液体ジェットの運動量に係る第１指示値及びパルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る第２指示値のうちの少なくとも一方を表示させることができる。これによれば、ユーザーが指示した現在のパルス液体ジェットの運動量や、単位時間当たりの噴射回数を表す指標等を視覚的に確認することができる。したがって、使い勝手を更に向上させることができる。

また、第５の発明は、第１〜４の何れかの発明において、前記パルス液体ジェットの運動量が２［ｎＮｓ（ナノニュートン秒）］以上２［ｍＮｓ（ミリニュートン秒）］以下、又は、運動エネルギーが２［ｎＪ（ナノジュール）］以上２００［ｍＪ（ミリジュール）］以下の前記液体噴射装置を制御する、液体噴射制御装置である。

この第５の発明によれば、パルス液体ジェットの運動量が２［ｎＮｓ］以上２［ｍＮｓ］以下、又は、運動エネルギーが２［ｎＪ］以上２００［ｍＪ］以下であり、その範囲で液体噴射装置を制御することができる。よって、例えば、生体組織や食品、ゲル材料、ゴムやプラスチックなどの樹脂材料などの柔軟素材を切削するのに好適である。

また、第６の発明は、第１〜第５の何れかの発明において、前記パルス液体ジェットによって生体組織を切削するための前記液体噴射装置を制御する、液体噴射制御装置である。

この第６の発明によれば、例えば、外科手術用途に好適なパルス液体ジェットの強さを制御することができる。

また、第７の発明は、第１〜第６の何れかの発明の液体噴射制御装置と、液体噴射装置と、送液ポンプ装置とを具備した液体噴射システムである。

この第７の発明によれば、第１〜第６の発明の作用効果を奏する液体噴射システムを実現することができる。

液体噴射システムの全体構成例を示す図。 液体噴射装置の内部構造を示す図。 圧電素子の１周期分の駆動電圧波形及び液体噴射開口部における液体の流速波形を示す図。 質量流束、運動量流束、及びエネルギー流束を示す図。 切削対象物の切削態様についてのシミュレーションで用いた主ジェットの流速波形を示す図。 シミュレーション結果（切削深さ）を示す図。 シミュレーション結果（切削体積）を示す図。 立ち上がり周波数の異なる駆動電圧波形を与えた場合の主ジェットの流速波形のシミュレーション結果を示す図。 電圧振幅の異なる駆動電圧波形を与えた場合の主ジェットの流速波形のシミュレーション結果を示す図。 繰り返し周波数の異なる駆動電圧波形を与えた場合の主ジェットの流速波形のシミュレーション結果を示す図。 所定の繰り返し周波数での運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係を示す図。 実施例１における液体噴射制御装置の操作パネルを示す図。 実施例１における液体噴射制御装置の機能構成例を示すブロック図。 実施例１における運動量変換テーブルのデータ構成例を示す図。 実施例１においてパルス液体ジェットの噴射に際し制御部が行う処理の流れを示すフローチャート。 実施例２における液体噴射制御装置の操作パネルを示す図。 実施例２における液体噴射制御装置の機能構成例を示すブロック図。 実施例２における運動量変換テーブルのデータ構成例を示す図。 実施例２においてパルス液体ジェットの噴射に際し制御部が行う処理の流れを示すフローチャート。

以下、本発明の液体噴射制御装置、液体噴射システム及び制御方法を実施するための一形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

［全体構成］
図１は、本実施形態における液体噴射システム１の全体構成例を示す図である。この液体噴射システム１は、柔軟素材、例えば、生体組織を切削対象物とした外科手術用、食品を切削対象物とした食品加工用、ゲル材料の加工用、ゴムやプラスチックといった樹脂材料の切削加工用等の用途で用いられるものであり、運動量が２［ｎＮｓ（ナノニュートン秒）］以上２［ｍＮＳ（ミリニュートン秒）］以下、又は、運動エネルギーが２［ｎＪ（ナノジュール）］以上２００［ｍＪ（ミリジュール）］以下のパルス液体ジェットを噴射して切削対象物を切削する。以下では、液体噴射システム１を外科手術用の用途で用い、患部（生体組織）の切開、切除、又は破砕（これらを包括して「切削」という）を行う場合を例示する。また、本実施形態における運動量流速および運動量とは、パルス液体ジェットの噴射方向成分のみを考えたスカラー量、すなわち大きさを指すこととして説明する。

図１に示すように、液体噴射システム１は、液体を収容する容器１０と、送液ポンプ装置２０と、切削対象物（本実施形態では生体組織）に向けて液体をパルス状に噴射するための液体噴射装置３０と、液体噴射制御装置７０とを備える。

この液体噴射システム１において、液体噴射制御装置７０は、術者が手術の際に操作する操作パネル８０を備える。操作パネル８０は、運動量の増減操作等の各種操作を入力するためのものである。また、液体噴射制御装置７０は、術者が足で踏んでパルス液体ジェットの噴射開始及び噴射停止を切り替えるための噴射ペダル８３を備える。

容器１０は、水や生理食塩水、薬液等の液体を収容する。送液ポンプ装置２０は、容器１０に収容された液体を、接続チューブ９１，９３を介して常時所定の圧力又は所定の流量で液体噴射装置３０のパルス流発生部４０に供給する。

液体噴射装置３０は、手術に際して術者が手に持って操作する部分（ハンドピース）であり、送液ポンプ装置２０から供給される液体に脈動を付与してパルス流を発生させるパルス流発生部４０と、パイプ状の噴射管５０とを備える。この液体噴射装置３０は、パルス流発生部４０によって発生させたパルス流を、噴射管５０を通じ最終的にノズル６０に設けられた液体噴射開口部６１（図２参照）からパルス液体ジェットとして噴射する。

ここで、パルス流とは、液体の流速や圧力が時間的又は空間的に周期的又は非周期的に大きく且つ急激に変化する液体の脈動的な流れを意味する。同様に、液体をパルス状に噴射するとは、ノズルを通過する液体の流速が、周期的又は非周期的に大きく変化する、液体の脈動的な噴射を意味する。本実施形態では、定常流に周期的な脈動を付与することで生じるパルス液体ジェットを噴射する場合を例示するが、液体の噴射と非噴射とを周期的又は非周期的に繰り返す断続的なパルス液体ジェットの噴射にも本発明は同様に適用できる。

図２は、液体噴射装置３０を液体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す図である。なお、図２に示す部材や部分の縦横の縮尺は、図示の便宜上実際のものとは異なる。図２に示すように、パルス流発生部４０は、第１ケース４１と、第２ケース４２と、第３ケース４３とによって形成された円筒状の内部空間に、圧力室４４の容積を変化させるための圧電素子４５及びダイアフラム４６が配設されて構成される。各ケース４１，４２，４３は、互いに対向する面において接合され一体化されている。

ダイアフラム４６は、円盤状の金属薄板であり、その外周部分が第１ケース４１と第２ケース４２との間に挟まれて固定されている。圧電素子４５は、例えば積層型圧電素子であり、ダイアフラム４６と第３ケース４３との間で一端がダイアフラム４６に固定され、他端が第３ケースに固定されている。

圧力室４４は、ダイアフラム４６と、第１ケース４１のダイアフラム４６に対向する面に形成された凹部４１１とによって囲まれた空間である。第１ケース４１には、圧力室４４に各々連通する入口流路４１３と出口流路４１５とが形成されている。出口流路４１５の内径は、入口流路４１３の内径よりも大きく形成されている。入口流路４１３は接続チューブ９３と接続され、送液ポンプ装置２０から供給される液体を圧力室４４に導入する。出口流路４１５には噴射管５０の一端が接続され、圧力室４４内を流動する液体を噴射管５０に導入する。噴射管５０の他端（先端）には、噴射管５０の内径よりも縮小された内径の液体噴射開口部６１を有するノズル６０が挿着されている。

以上のように構成される液体噴射システム１において、容器１０に収容された液体は、液体噴射制御装置７０の制御のもと、送液ポンプ装置２０によって所定の圧力又は所定の流量で接続チューブ９３を介してパルス流発生部４０に供給される。一方で、液体噴射制御装置７０の制御のもと圧電素子４５に駆動信号が印加されると、圧電素子４５が伸長・収縮する（図２の矢印Ａ）。圧電素子４５に印加される駆動信号は所定の繰り返し周波数（例えば数十［Ｈｚ］〜数百［Ｈｚ］）で繰り返し印加されるため、周期毎に圧電素子４５の伸長と収縮が繰り返されることとなる。これにより圧力室４４内を流動する定常流の液体に脈動が付与され、液体噴射開口部６１からパルス液体ジェットが繰り返し噴射される。

図３（ａ）は、圧電素子４５に印加される１周期分の駆動信号の駆動電圧波形Ｌ１１の一例を示す図であり、液体噴射開口部６１における液体の流速波形Ｌ１３を併せて示している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す流速波形Ｌ１３のピークのうち、最も高いピークの流速波形（主ピーク部分）Ｓ１を抜き出した図である。

図３（ａ）に示すＴｐは繰り返し周期（駆動電圧波形の１周期分の時間）であり、その逆数が前記の繰り返し周波数である。なお、繰り返し周期Ｔｐは１［ｍｓ（ミリ秒）］〜１００［ｍｓ］程度とされ、駆動電圧波形が最大電圧まで立ち上がるのに要する時間（立ち上がり時間）Ｔｐｒは１０［μｓ（マイクロ秒）］〜１０００［μｓ］程度とされる。繰り返し周期Ｔｐは、立ち上がり時間Ｔｐｒよりも長い時間として設定される。また、立ち上がり時間Ｔｐｒの逆数を立ち上がり周波数としたとき、繰り返し周波数は、立ち上がり周波数よりも低い周波数として設定される。立ち上がり周波数及び立ち上がり時間は、ともに駆動電圧の立ち上がりに係る立ち上がり指標値の１つである。

例えば、圧電素子４５は、正の電圧が印加されると伸長するものとすると、立ち上がり時間Ｔｐｒで急激に伸長し、ダイアフラム４６が圧電素子４５に押されて圧力室４４側に撓む。ダイアフラム４６が圧力室４４側へと撓むと圧力室４４の容積が小さくなり、圧力室４４内の液体は圧力室４４から押し出される。ここで、出口流路４１５の内径は入口流路４１３の内径よりも大きいため、出口流路４１５の流体イナータンス及び流体抵抗は、入口流路４１３の流体抵抗よりも小さい。したがって、圧電素子４５が急激に伸長することで圧力室４４から押し出される液体の大部分は出口流路４１５を通って噴射管５０に導入され、その内径よりも小径の液体噴射開口部６１によりパルス状の液滴、すなわちパルス液体ジェットとなって高速噴射される。

最大電圧まで上昇した後は、駆動電圧は緩やかに降下する。その際、圧電素子４５は、立ち上がり時間Ｔｐｒよりも長い時間をかけて収縮し、ダイアフラム４６が圧電素子４５に引かれて第３ケース４３側に撓む。ダイアフラム４６が第３ケース４３側に撓むと圧力室４４の容積が大きくなり、入口流路４１３から圧力室４４内に液体が導入される。

なお、送液ポンプ装置２０は所定圧力又は所定流量で液体をパルス流発生部４０に供給しているため、圧電素子４５が伸縮動作を行わなければ、圧力室４４を流動する液体（定常流）は出口流路４１５を経て噴射管５０に導入され、液体噴射開口部６１から噴射される。この噴射は定速かつ低速の液流であるため、定常流といえる。

［原理］
パルス液体ジェットを特徴付ける値として基本となるのは、図３（ａ）において駆動電圧波形Ｌ１１と併せて示したパルス１個分のジェットの液体噴射開口部６１における流速波形Ｌ１３である。そのうち、注目すべきなのは、図３（ｂ）に抜き出して示した駆動電圧の立ち上がり直後に発生する最大流速の主ピーク部分（先頭波のジェット）である。その他の低いピークは、圧電素子４５の伸長時に圧力室４４内に生じた圧力変動の波が噴射管５０内を反射往復することで付随的に噴射されるジェットに起因するものであるが、切削対象物の切削深さや切削体積といった切削態様を決定付けるのは、流速が最も大きい先頭波のジェット（以下主ジェットという）である。

ところで、パルス液体ジェットの強さを変えて切削対象物の切削深さや切削体積を変化させたい場合には、圧電素子４５の駆動電圧波形を制御することになる。この駆動電圧波形の制御は、その電圧特性値として駆動電圧波形の立ち上がり周波数や駆動電圧波形の振幅（電圧振幅）を術者が指示することによって行う方法が考えられる。例えば、電圧振幅を固定にした状態で術者が立ち上がり周波数（立ち上がり時間Ｔｐｒでもよい）を指示したり、立ち上がり周波数を固定にした状態で電圧振幅を指示する方法が考えられる。これは、電圧振幅やその立ち上がり周波数（立ち上がり時間Ｔｐｒ）が主ジェットの流速波形に大きく影響するためである。駆動電圧が最大電圧まで上昇した後の緩やかに降下している間の駆動電圧は、主ジェットの流速波形にさほど影響しない。そのため、立ち上がり周波数を高くし、或いは電圧振幅を大きくすれば、それに比例するように切削深さは深く、切削体積は大きくなると思われた。

しかしながら、実際に達成される切削対象物の切削深さや切削体積は、必ずしも電圧特性値の増減に見合って変化しない場合があり、使い勝手を悪化させる場合があることが判明した。例えば、術者が電圧振幅を２倍にしても切削深さや切削体積が期待通りに増加しなかったり、或いは電圧振幅を１／２にしても切削深さや切削体積が思ったように減少しなかったりする場合が起こり得た。そのため、術者が所望する切削深さや切削体積が達成されない事態が生じ得た。これは手術時間の長期化を招きかねない問題である。

また、パルス液体ジェットの強さとは別に、切削スピードを調整したい場合がある。そのための仕様として、駆動電圧波形の繰り返し周波数を術者が指示する方法が考えられる。例えば、繰り返し周波数を高くするということはパルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数を多くするということであり、最終的に達成される切削深さや切削体積は変わってくる。

しかしながら、繰り返し周波数を変えると駆動電圧波形が変わることから、繰り返し周波数を変えたとしても単位時間当たりの切削深さや切削体積が比例して変化せず、術者にとって使い勝手が悪い場合があった。具体的には、例えば、駆動電圧波形全体を単純に時間軸方向に拡縮することで繰り返し周波数を変える方法が考えられる。しかし、この方法では、主ジェットの流速波形に大きく影響する立ち上がり周波数が変動してしまうため、上記したようにパルス液体ジェットの強さが変わってしまう。そのため、繰り返し周波数に比例した意図通りの切削スピードが得られない。

そこで、主ジェットの流速波形に着目し、この主ジェットの流速波形によって定まるいくつかのパラメーターについて切削深さ及び切削体積との相関を検討した。切削深さや切削体積との相関が高いパラメーターが見つかれば、術者の操作感覚通りの切削深さや切削体積を達成するのに最適な駆動電圧波形で圧電素子４５を制御することが可能となるからである。

そのために、先ず、液体噴射開口部６１における主ジェットの流速波形ｖ［ｍ／ｓ］に基づいて、液体噴射開口部６１を通過する主ジェットの質量流束［ｋｇ／ｓ］、運動量流束［Ｎ］、及びエネルギー流束［Ｗ］について検討した。質量流束は、液体噴射開口部６１を通過する液体の単位時間当たりの質量［ｋｇ／ｓ］である。運動量流束は、液体噴射開口部６１を通過する液体の単位時間当たりの運動量［Ｎ］である。エネルギー流束は、液体噴射開口部６１を通過する液体の単位時間当たりのエネルギー［Ｗ］である。なお、エネルギーとは運動エネルギーのことを指し、以下「エネルギー」と略称する。

液体噴射開口部６１では液体が自由空間に解放されるため、圧力をほぼ「０」とみなすことができる。また、液体のジェット噴射方向に直交する方向（液体噴射開口部６１の径方向）の速度についてもほぼ「０」とみなすことができる。液体噴射開口部６１の径方向において液体の速度分布がないと仮定すると、液体噴射開口部６１を通過する質量流束Ｊｍ［ｋｇ／ｓ］、運動量流束Ｊｐ［Ｎ］、及びエネルギー流束Ｊｅ［Ｗ］は、次式（１），（２），（３）で求めることができる。Ｓ［ｍ^２］はノズル断面積を表し、ρ［ｋｇ／ｍ^３］は作動流体密度を表す。
Ｊｍ＝Ｓ・ρ・ｖ ・・・（１）
Ｊｐ＝Ｓ・ρ・ｖ^２ ・・・（２）
Ｊｅ＝１／２・ρ・Ｓ・ｖ^３ ・・・（３）

図４は、図３（ｂ）に示した主ジェットの流速波形から求めた質量流束Ｊｍ（ａ）、運動量流束Ｊｐ（ｂ）、及びエネルギー流束Ｊｅ（ｃ）を示す図である。これら質量流束Ｊｍ、運動量流束Ｊｐ、及びエネルギー流束Ｊｅのそれぞれを主ジェットの流速波形の立ち上がりから立ち下がりまでの時間（継続時間）Ｔ内で積分すれば、主ジェットとして液体噴射開口部６１から噴射される液体の質量、運動量、及びエネルギーを求めることができる。

上記した要領で算出した質量流束Ｊｍ、運動量流束Ｊｐ、エネルギー流束Ｊｅ、質量、運動量、及びエネルギーの各値は、パルス１個分のジェットによる切削深さ及び切削体積を決定付け得ると考えられる。ただし、何れも定常流分を含んだ物理量であり、重要なのは、定常流の寄与分を差し引いた値である。

そこで、図４（ａ）の質量流束Ｊｍに関し、質量流束Ｊｍのピーク値（最大値）から定常流の質量流束Ｊｍ＿ＢＧ［ｋｇ／ｓ］を減算した最大質量流束Ｊｍ＿ｍａｘ［ｋｇ／ｓ］と、主ジェットとして液体噴射開口部６１から流出する液体の質量から定常流分を除いた図４（ａ）中にハッチングを付して示す流出質量Ｍ［ｋｇ］の２つのパラメーターを定義する。流出質量Ｍは、次式（４）で表される。

図４（ｂ）の運動量流束Ｊｐに関しては、運動量流束Ｊｐのピーク値（最大値）から定常流の運動量流束Ｊｐ＿ＢＧ［Ｎ］を減算した最大運動量流束Ｊｐ＿ｍａｘ［Ｎ］と、主ジェットとして液体噴射開口部６１から流出する液体の運動量から定常流分を除いた図４（ｂ）中にハッチングを付して示す運動量Ｐ［Ｎｓ］の２つのパラメーターを定義する。運動量Ｐは、次式（５）で表される。

図４（ｃ）のエネルギー流束Ｊｅに関しては、エネルギー流束Ｊｅのピーク値（最大値）から定常流のエネルギー流束Ｊｅ＿ＢＧ［Ｗ］を減算した最大エネルギー流束Ｊｅ＿ｍａｘ［Ｗ］と、主ジェットとして液体噴射開口部６１から流出する液体のエネルギーから定常流分を除いた図４（ｃ）中にハッチングを付して示すエネルギーＥ［Ｊ］の２つのパラメーターを定義する。エネルギーＥは、次式（６）で表される。

ただし、上記式（４），（５），（６）における積分区間は、各流速波形において主ジェットの立ち上がりから立ち下がりまでの時間（継続時間）Ｔである。

そして、数値シミュレーションを利用して、最大質量流束Ｊｍ＿ｍａｘ、流出質量Ｍ、最大運動量流束Ｊｐ＿ｍａｘ、運動量Ｐ、最大エネルギー流束Ｊｅ＿ｍａｘ、及びエネルギーＥの６つのパラメーターが、それぞれ切削深さ及び切削体積とどの程度相関するのかを検討した。

ここで、パルス液体ジェットは流体であり、切削対象物は柔軟な弾性体である。したがって、パルス液体ジェットによる切削対象物の破壊挙動のシミュレーションを行うためには、柔軟弾性体側に適切な破壊閾値を設定した上で、いわゆる流体と構造体（ここでは柔軟弾性体）との連成解析（流体・構造連成解析（ＦＳＩ））を行わなければならない。シミュレーションの計算手法としては、例えば、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）を用いた手法や、ＳＰＨ（Smoothed Particle Hydrodynamics）等に代表される粒子法を用いた手法、有限要素法と粒子法とを組み合わせた手法等が挙げられる。適用する手法は特に限定されるものではないため詳述しないが、解析結果の安定性や計算時間等を考慮して最適な手法を選択し、シミュレーションを行った。

シミュレーションに際し、流体密度＝１［ｇ／ｃｍ^３］、液体噴射開口部６１の直径＝０．１５［ｍｍ］、スタンドオフ距離（液体噴射開口部６１から切削対象物表面までの距離）＝０．５［ｍｍ］に設定した。また、切削対象物を表面が平坦な柔軟弾性体と仮定し、その物理モデルとして、密度＝１［ｇ／ｃｍ^３］、ヤング率換算で９［ｋＰａ］程度（せん断弾性率換算で３［ｋＰａ］程度）の弾性率を有するＭｏｏｎｅｙ−Ｒｉｖｌｉｎ超弾性体を用いた。破壊閾値には、偏差相当ひずみ＝０.７を使用した。

主ジェットの流速波形については、様々な主ジェットの流速波形を想定し、正弦波、三角波、及び矩形波の３種類の波形について、振幅（流速の最大値）を１２［ｍ／ｓ］〜７６［ｍ／ｓ］の範囲内、継続時間を６３［μｓ］〜２００［μｓ］の範囲内で３種類変更したものを、合計２７種類用意した。なお、定常流の流速は１［ｍ／ｓ］としている。

図５は、シミュレーションで主ジェットの流速波形として与えた正弦波（ａ）、矩形波（ｂ）、及び三角波（ｃ）を示す図であり、それぞれ実線で示す継続時間が６３［μｓ］のものと、一点鎖線で示す継続時間が１２５［μｓ］のものと、二点鎖線で示す継続時間が２００［μｓ］のものとを用意した。そして、用意した波形を主ジェットの流速波形として与えてパルス液体ジェットを生成し、前記の柔軟弾性体に撃ち込んだときの柔軟弾性体の破壊挙動についてシミュレーションを行い切削深さや切削体積の検討を行った。

図６は、縦軸を切削対象物の切削深さとし、横軸を最大質量流束Ｊｍ＿ｍａｘ（ａ）、流出質量Ｍ（ｂ）、最大運動量流束Ｊｐ＿ｍａｘ（ｃ）、運動量Ｐ（ｄ）、最大エネルギー流束Ｊｅ＿ｍａｘ（ｅ）、及びエネルギーＥ（ｆ）としたシミュレーションの結果をプロットした図である。図６中、主ジェットの流速波形として継続時間が６３［μｓ］の正弦波を与えたときのシミュレーション結果を「＊」のプロット、１２５［μｓ］の正弦波を与えたときのシミュレーション結果を「◆」のプロット、２００［μｓ］の正弦波を与えたときのシミュレーション結果を「-」のプロットで示している。また、主ジェットの流速波形として継続時間が６３［μｓ］の三角波を与えたときのシミュレーション結果を「＋」のプロット、１２５［μｓ］の三角波を与えたときのシミュレーション結果を「×」のプロット、２００［μｓ］の三角波を与えたときのシミュレーション結果を「■」のプロットで示している。また、主ジェットの流速波形として継続時間が６３［μｓ］の矩形波を与えたときのシミュレーション結果を「●」のプロット、１２５［μｓ］の矩形波を与えたときのシミュレーション結果を黒色塗りつぶしの三角形のプロット、２００［μｓ］の矩形波を与えたときのシミュレーション結果を「−」のプロットで示している。

上段の図６（ａ），（ｃ），（ｅ）に示すように、最大質量流束Ｊｍ＿ｍａｘ、最大運動量流束Ｊｐ＿ｍａｘ、及び最大エネルギー流束Ｊｅ＿ｍａｘの３つの各パラメーターと切削深さとの関係は、主ジェットの流速波形として与えた波形の形状によって大きくばらついており、双方の相関は低いことがわかった。とりわけ質量流束は、流速に比例する値であることから、切削深さは主ジェットの最大流速のみからは決まらないことを示唆している。

次に、下段の図６（ｂ），（ｄ），（ｆ）に示す流出質量Ｍ、運動量Ｐ、及びエネルギーＥの３つの各パラメーターと切削深さとの関係をみてみると、流出質量Ｍと切削深さとの関係については、主ジェットの流速波形として与えた波形の形状によって大きくばらついており、相関が低い。これに対し、運動量ＰやエネルギーＥとの関係では、与えた波形の形状によるばらつきは小さく、各プロットが概ね同一曲線上に分布している。運動量ＰとエネルギーＥとでは、運動量Ｐの方がよりばらつきが小さい。したがって、切削深さは運動量ＰやエネルギーＥと相関が高く、特に運動量Ｐと良く相関するといえる。

なお、ここでは液体噴射開口部の直径を０．１５［ｍｍ］、スタンドオフ距離を０．５［ｍｍ］とした場合についてシミュレーションを行っているが、他の液体噴射開口部直径や他のスタンドオフ距離においてもシミュレーションを行い、切削深さが運動量ＰやエネルギーＥと相関が高い、という定性的な傾向は大きく変わらなかったことを確認した。

図７は、縦軸を切削対象物の切削体積とし、横軸を最大質量流束Ｊｍ＿ｍａｘ（ａ）、流出質量Ｍ（ｂ）、最大運動量流束Ｊｐ＿ｍａｘ（ｃ）、運動量Ｐ（ｄ）、最大エネルギー流束Ｊｅ＿ｍａｘ（ｅ）、及びエネルギーＥ（ｆ）としてシミュレーションの結果をプロットした図である。主ジェットの流速波形として与えた波形とプロットの種類との関係は図６と同様である。

上段の図７（ａ），（ｃ），（ｅ）に示すように、最大質量流束Ｊｍ＿ｍａｘ、最大運動量流束Ｊｐ＿ｍａｘ、及び最大エネルギー流束Ｊｅ＿ｍａｘの３つの各パラメーターと切削体積との関係は、切削深さとの関係ほどではないものの、主ジェットの流速波形として与えた波形の形状によってばらついており、双方の相関は低いと考えられる。

次に、下段の図７（ｂ），（ｄ），（ｆ）に示す流出質量Ｍ、運動量Ｐ、及びエネルギーＥの３つの各パラメーターと切削体積との関係をみてみると、流出質量Ｍと切削体積との関係については、切削深さと同様に主ジェットの流速波形として与えた波形の形状によって大きくばらついており、相関が低い。一方、運動量ＰやエネルギーＥとの関係では、切削深さと同様に与えた波形の形状によるばらつきは小さく、各プロットが概ね同一直線上に分布している。また、運動量Ｐと比べてエネルギーＥの方がよりばらつきが小さい。したがって、切削体積は運動量ＰやエネルギーＥと相関が高く、特にエネルギーＥと良く相関するといえる。

なお、ここでは液体噴射開口部の直径を０．１５［ｍｍ］、スタンドオフ距離を０．５［ｍｍ］とした場合についてシミュレーションを行っているが、他の液体噴射開口部直径や他のスタンドオフ距離においてもシミュレーションを行い、切削体積が運動量ＰやエネルギーＥと相関が高い、という定性的な傾向は大きく変わらなかったことを確認した。

以上の検討結果に基づき、本実施形態では、運動量Ｐに着目する。そして、実際に圧電素子４５に印加する駆動電圧波形として代表的なものについて事前にシミュレーションを行い、運動量Ｐと、立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数との対応関係を取得しておく。

そのために、先ず、制御パラメーターを可変に設定して主ジェットの流速波形をシミュレーションにより求めた。シミュレーションは、例えば、液体噴射装置の流路系を、流体（流路）抵抗、流体イナータンス、流体コンプライアンス等に置き換えたモデルに基づく、等価回路法による数値シミュレーションを利用して容易に行うことができる。又は、より精度を求めるならば、有限要素法（ＦＥＭ）や有限体積法（ＦＶＭ）等を用いた流体シミュレーションを利用してもよい。

第１に、電圧振幅及び繰り返し周波数を固定し、立ち上がり周波数を段階的に変えた駆動電圧波形を与えて主ジェットの流速波形をシミュレーションにより求めた。図８（ａ）は、与えた駆動電圧波形の一例を示す図である。各駆動電圧波形は、電圧振幅をＶ２、繰り返し周期ＴｐをＴ２とし、立ち上がり時間ＴｐｒをＴ２１〜Ｔ２５まで段階的に長く（立ち上がり周波数を段階的に低く）したものである。

図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した立ち上がり周波数の異なる各駆動電圧波形を与えた場合の主ジェットの流速波形のシミュレーション結果を示す図である。図８（ｂ）に示すように、立ち上がり周波数を低く（立ち上がり時間Ｔｐｒでいえば長く）すると、主ジェットの流速波形は、立ち上がりの開始タイミングは変わらずに立ち上がる間の継続時間が長くなり、流速振幅（流速の最大値）も小さくなる。

第２に、立ち上がり周波数及び繰り返し周波数を固定し、電圧振幅を段階的に変えた駆動電圧波形を与えて主ジェットの流速波形をシミュレーションにより求めた。図９（ａ）は、与えた駆動電圧波形の一例を示す図である。各駆動電圧波形は、立ち上がり時間ＴｐｒをＴ３１、繰り返し周期ＴｐをＴ３３とし、電圧振幅をＶ３１〜Ｖ３５まで段階的に小さくしたものである。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した電圧振幅の異なる駆動電圧波形を与えた場合の主ジェットの流速波形のシミュレーション結果を示す図である。図９（ｂ）に示すように、電圧振幅を小さくすると、主ジェットの流速波形は、立ち上がり周波数を低くした場合と違い立ち上がる間の継続時間は維持したまま、流速振幅（流速の最大値）が小さくなる。

第３に、立ち上がり周波数及び電圧振幅を固定し、繰り返し周波数を段階的に変えた駆動電圧波形を与えて主ジェットの流速波形をシミュレーションにより求めた。図１０（ａ）は、与えた駆動電圧波形の一例を示す図である。各駆動電圧波形は、立ち上がり時間ＴｐｒをＴ４、電圧振幅をＶ４とし、駆動電圧が最大電圧まで上昇した後の立ち下がり形状を時間軸方向に広げることによって繰り返し周期ＴｐをＴ４１〜Ｔ４５まで段階的に長く（繰り返し周波数を段階的に低く）したものである。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示した繰り返し周波数の異なる駆動電圧波形を与えた場合の主ジェットの流速波形のシミュレーション結果を示す図である。図１０（ｂ）に示すように、繰り返し周波数を低く（繰り返し周期Ｔｐでいえば長く）すると、主ジェットの流速波形は、立ち上がり周波数を低くした場合と比べると程度は小さいものの、継続時間が長くなる。流速振幅（流速の最大値）は維持したままであった。

続いて、得られた主ジェットの流速波形のそれぞれについて運動量Ｐを求めた。詳細には、図１０を参照して説明した要領で繰り返し周波数を変えながら、各々の繰り返し周波数毎に、図８を参照して説明した要領で電圧振幅を固定し立ち上がり周波数を変えた場合のシミュレーションと、図９を参照して説明した要領で立ち上がり周波数を固定し電圧振幅を変えた場合のシミュレーションとを行った。そして、各シミュレーションで得られた主ジェットの流速波形の運動量Ｐを求めた。

図１１は、所定の繰り返し周波数（例えば「Ｆ５１」と表記する）で得られた運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係を示す図である。この図１１は、縦軸を立ち上がり周波数とし、横軸を電圧振幅とする座標空間に運動量Ｐに関する等高線を描くことにより得られる。各等高線の運動量Ｐ５１，Ｐ５２，・・・は、図１１の左下が低くなっており、右上に向かうほど、所定量ずつ大きくなっている。なお、図示しないが、別の繰り返し周波数で得られた運動量Ｐを同様の座標空間にプロットして等高線を描けば、その繰り返し周波数での運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係に応じた等高線図が得られる。

ここで、注目すべきなのは、各座標軸方向のパラメーターに対して、運動量Ｐは線形的に変化しないことである。例えば、図１１に示す運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係において、電圧振幅を固定（例えばＶ５）とし立ち上がり周波数を可変として圧電素子４５の駆動電圧波形を制御する場合を考える。運動量Ｐの変化量を一定にしようとする場合、運動量Ｐ５２〜Ｐ５３間は立ち上がり周波数ｆ５２〜ｆ５３間の周波数変化が必要となり、運動量Ｐ５３〜Ｐ５４間は立ち上がり周波数ｆ５３〜ｆ５４間の周波数変化が必要となる。しかし、立ち上がり周波数ｆ５２〜ｆ５３の周波数間隔と、立ち上がり周波数ｆ５３〜ｆ５４の周波数間隔とは異なる。この現象は運動量Ｐが大きくなるに従って顕著に表れる。したがって、電圧振幅を固定とし、立ち上がり周波数を一定量ずつ変化させる操作をする場合に、運動量Ｐが思ったように変化しないため、切削深さや切削体積が術者の意図通り・感覚通りに変化しないといった事態が起こり得るといえる。立ち上がり周波数を固定とし、電圧振幅を一定量ずつ変化させる操作をする場合にも同様のことがいえる。

そこで、本実施形態では、手術中に術者が行う操作として、少なくとも運動量Ｐの増減操作と、繰り返し周波数の増減操作とを受け付けることとし、上記のように繰り返し周波数毎に得られた等高線図に従い、繰り返し周波数毎の運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係を予めテーブル化しておく。そして、手術中は、術者による運動量Ｐの増減操作及び繰り返し周波数の増減操作に応じて、指示された繰り返し周波数についての対応関係から指示された運動量Ｐに対応する立ち上がり周波数及び電圧振幅を特定し、圧電素子４５の駆動を制御する。

（実施例１）
先ず、実施例１について説明する。図１２は、実施例１における液体噴射制御装置７０−１が備える操作パネル８０−１を示す図である。図１２に示すように、操作パネル８０−１には、第１の操作部としての運動量ダイヤル８１１と、第２の操作部としての繰り返し周波数ダイヤル８１３と、電源ボタン８２と、噴射ボタン８４と、ポンプ駆動ボタン８５と、液晶モニター８７とが配設されている。

運動量ダイヤル８１１は、第１指示値としての運動量Ｐの指示値（運動量指示値）を入力するためのものであり、例えば「１」〜「５」の目盛りが付された５段階のダイヤル位置が選択可能に構成されている。術者は、運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置を切り替えることによって、運動量Ｐを５段階で増減操作する。ダイヤル各位置には、例えば、対応する目盛りの数値に比例して一定量ずつ大きくなるように予め運動量指示値が割り当てられている。なお、ダイヤル位置の段階数は５段階に限定されるものではなく、「大」「中」「小」の３段階としたり、無段階の調整を可能とする等、適宜設定してよい。

繰り返し周波数ダイヤル８１３は、第２指示値としての繰り返し周波数の指示値（繰り返し周波数指示値）を入力するためのものであり、運動量ダイヤル８１１と同様に例えば「１」〜「５」の５段階のダイヤル位置が選択可能に構成されている。なお、繰り返し周波数ダイヤル８１３は、術者が主として運動量Ｐの増減操作を行うことを想定して、繰り返し周波数ダイヤル８１３に対する操作の有効／無効を切り替えるためのアクティベートスイッチを備えた構成としてもよい。術者は、繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置を切り替えることによって、圧電素子４５に繰り返し印加される駆動電圧波形の繰り返し周波数（例えば数十［Ｈｚ］〜数百［Ｈｚ］）を５段階で増減操作する。ダイヤル各位置には、例えば、対応する目盛りの数値に比例して一定量ずつ高くなるように予め繰り返し周波数指示値が割り当てられている。なお、ダイヤル位置の段階数は５段階に限定されるものではなく、段数は適宜設定してよい。また、運動量ダイヤル８１１と異なる段数であってもよい。

このように、実施例１では、手術中に術者が行う操作を、運動量ダイヤル８１１を用いた運動量Ｐの増減操作と、繰り返し周波数ダイヤル８１３を用いた繰り返し周波数の増減操作の２つとする。そして、電圧振幅については固定とし、繰り返し周波数毎に所定の電圧振幅での運動量Ｐと立ち上がり周波数との対応関係を予めテーブル化しておく。例えば、電圧振幅を図１１に示すＶ５とする場合であれば、各等高線との交点Ａ５２，Ａ５３，・・・における立ち上がり周波数ｆ５２，ｆ５３，・・・を該当する等高線の運動量Ｐ５２，Ｐ５３，・・・と対応付け、電圧振幅をＶ５として繰り返し周波数Ｆ５１についてのデータテーブルを作成する。その他の繰り返し周波数についても同様の要領でそれぞれデータテーブルを作成する。

なお、ここでは、電圧振幅を固定としてデータテーブルを作成することとした。これに対し、例えば、図１１に示す座標空間内に基準線を定め、基準線が運動量Ｐの各等高線と交わる各交点における立ち上がり周波数及び電圧振幅を取得してテーブル化してもよい。例えば、図１１中に破線で示す直線を基準線とする場合であれば、各等高線との交点における立ち上がり周波数及び電圧振幅を、該当する等高線の運動量Ｐ５１，Ｐ５２，・・・と対応付けてデータテーブルを作成することとしてもよい。なお、図１１中に破線で示した基準線は、直線ではなく、例えば曲線であってもよい。

そして、運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置１，２，・・・のそれぞれに、運動量指示値として、各等高線の運動量Ｐ５１，Ｐ５２，・・・を小さい順に割り当てておく。これによれば、運動量ダイヤル８１１を１目盛り動かした時の運動量Ｐの変化量を同程度とすることができる。

一方、繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置１，２，・・・のそれぞれには、繰り返し周波数指示値として、前記のデータテーブルを作成した各繰り返し周波数を低い値から順番に割り当てておく。例えば、運動量ダイヤル８１１は動かさずに繰り返し周波数ダイヤル８１３の目盛りを動かせば、運動量Ｐを変えずに切削スピードを調整することができる。

電源ボタン８２は、電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのものである。噴射ボタン８４は、パルス液体ジェットの噴射開始及び噴射停止を切り替えるためのものであり、図１に示した噴射ペダル８３と同様の機能を提供する。ポンプ駆動ボタン８５は、送液ポンプ装置２０から液体噴射装置３０への液体の供給開始及び供給停止を切り替えるためのものである。

また、操作パネル８０−１において、液晶モニター８７には、運動量Ｐすなわちパルス１個分の主ジェットの運動量［μＮｓ］８５１と、繰り返し周波数［Ｈｚ］８５３と、これらを乗じた単位時間当たりの運動量、すなわち力［ｍＮ］８５５とを表示した表示画面が表示され、各値（以下包括して「運動量情報」という）の現在値が更新表示される。ここで、主ジェット運動量８５１に表示されるのは運動量指示値の現在値であり、繰り返し周波数８５３に表示されるのは繰り返し周波数指示値である。この表示画面により、手術中、術者は、液体噴射開口部６１から噴射されるパルス液体ジェットに係る運動量Ｐや繰り返し周波数や単位時間当たりの運動量（力）等の現在値を把握しながら作業することができる。

なお、手術中の表示画面には、図１２のように運動量Ｐ、繰り返し周波数、及び単位時間当たりの運動量の３つを全て表示する必要はなく、運動量ＰＥ及び繰り返し周波数のうちの少なくとも一方を表示する構成であればよい。また、運動量Ｐや繰り返し周波数等に加え、現在の立ち上がり周波数（又は立ち上がり時間Ｔｐｒ）や電圧振幅のうち少なくとも一方、又は両方を併せて表示させてもよい。また、各値の表示は、図１２に示した数値の表示によって行う場合に限らず、メーター表示によって行ってもよいし、又はパルス液体ジェットの噴射開始からの増減操作に伴う運動量Ｐや繰り返し周波数等の変化をグラフ表示することとしてもよい。

図１３は、実施例１における液体噴射制御装置の機能構成例を示すブロック図である。図１３に示すように、液体噴射制御装置７０−１は、操作部７１と、表示部７３と、制御部７５と、記憶部７７とを備える。

操作部７１は、ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、ペダルスイッチ等の各種スイッチ、タッチパネル、トラックパッド、マウス等の入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた操作信号を制御部７５に出力する。この操作部７１は、運動量ダイヤル８１１と、繰り返し周波数ダイヤル８１３とを備える。また、操作部７１は、図示しないが、図１の噴射ペダル８３、図１２に示した操作パネル８０−１上の電源ボタン８２や噴射ボタン８４、ポンプ駆動ボタン８５を含む。

表示部７３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＥＬディスプレイ（Electroluminescence display）等の表示装置によって実現されるものであり、制御部７５から入力される表示信号をもとに図１２に示した表示画面等の各種画面を表示する。例えば、図１２の液晶モニター８７がこれに該当する。

制御部７５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイクロプロセッサー、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の制御装置及び演算装置によって実現されるものであり、液体噴射システム１の各部を統括的に制御する。この制御部７５は、圧電素子制御部７５１と、ポンプ制御部７５６と、表示制御部としての運動量表示制御部７５７とを備える。なお、制御部７５を構成する各部は、専用のモジュール回路等のハードウェアで構成することとしてもよい。

圧電素子制御部７５１は、立ち上がり指標値設定部としての立ち上がり周波数設定部７５２と、電圧振幅設定部７５３と、繰り返し周波数設定部７５４とを備え、運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置と、繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置とに応じて、立ち上がり周波数設定部７５２が駆動電圧波形の立ち上がり周波数を、電圧振幅設定部７５３が駆動電圧波形の電圧振幅を、繰り返し周波数設定部７５４が駆動電圧波形の繰り返し周波数をそれぞれ設定する。

この圧電素子制御部７５１は、各部７５２，７５３，７５４が設定した立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数に従って駆動電圧波形を設定し、設定した波形の駆動信号を圧電素子４５に印加させる制御を行う。その際、圧電素子制御部７５１は、立ち上がり形状設定部として、繰り返し周波数が繰り返し周波数設定部７５４により繰り返し周波数指示値として設定された周波数となるように、図１０（ａ）に示した要領で駆動電圧波形の立ち下がり部分の波形形状（立ち下がり波形）を可変に設定する。

ポンプ制御部７５６は、送液ポンプ装置２０に駆動信号を出力して送液ポンプ装置２０を駆動する。運動量表示制御部７５７は、選択中の運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置に割り当てられた運動量指示値（すなわち、運動量Ｐの現在値）と、選択中の繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置に割り当てられた繰り返し周波数指示値（すなわち、繰り返し周波数の現在値）と、これらを乗じて求めた単位時間当たりの運動量とを表示部７３に表示する制御を行う。

記憶部７７は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の各種ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーやハードディスク等の記憶媒体により実現されるものである。記憶部７７には、液体噴射システム１を動作させ、この液体噴射システム１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が予め記憶され、或いは処理の都度一時的に記憶される。

また、記憶部７７には、運動量変換テーブル７７１が記憶される。この運動量変換テーブル７７１は、図１１を参照して上記した繰り返し周波数毎の運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係を設定したデータテーブルである。

図１４は、運動量変換テーブル７７１のデータ構成例を示す図である。図１４に示すように、運動量変換テーブル７７１は、繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置（目盛り）と、そのダイヤル位置に割り当てられた繰り返し周波数指示値と、運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置と、そのダイヤル位置に割り当てられた運動量指示値と、立ち上がり周波数と、電圧振幅とが対応付けられたデータテーブルであり、繰り返し周波数毎に、所定の電圧振幅Ｖ＿００１での運動量Ｐと立ち上がり周波数との対応関係が設定されている。

この運動量変換テーブル７７１を参照し、立ち上がり周波数設定部７５２は、選択中の運動量ダイヤル８１１及び繰り返し周波数ダイヤル８１３の各ダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１から読み出して設定するとともに、運動量ダイヤル８１１及び繰り返し周波数ダイヤル８１３のうちの何れか一つが操作された場合に、各ダイヤル８１１，８１３のダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１から読み出してその設定を更新する。電圧振幅設定部７５３は、電圧振幅をＶ＿００１として固定的に設定する。

繰り返し周波数設定部７５４は、選択中の繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置に対応する繰り返し周波数指示値を運動量変換テーブル７７１から読み出して繰り返し周波数を設定するとともに、繰り返し周波数ダイヤル８１３が操作された場合に、選択されたダイヤル位置の繰り返し周波数指示値を運動量変換テーブル７７１から読み出して繰り返し周波数の設定を更新する。

［処理の流れ］
図１５は、パルス液体ジェットの噴射に際して制御部７５が行う処理の流れを示すフローチャートである。先ず、ポンプ制御部７５６が送液ポンプ装置２０を駆動し、圧電素子制御部７５１が圧電素子４５を駆動してパルス液体ジェットの噴射を開始する（ステップＳ１１１）。このとき、立ち上がり周波数設定部７５２は、選択中の運動量ダイヤル８１１及び繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置を取得し、その組合せに対応する立ち上がり周波を運動量変換テーブル７７１から読み出して設定する。また、電圧振幅設定部７５３は、固定値として運動量変換テーブル７７１に設定されている電圧振幅を読み出して設定する。更に、繰り返し周波数設定部７５４は、選択中の繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置に割り当てられた繰り返し周波数指示値を運動量変換テーブル７７１から読み出し、繰り返し周波数を設定する。そして、圧電素子制御部７５１は、それら立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数に従って駆動電圧波形を設定し、設定した駆動電圧波形の駆動信号を圧電素子４５に印加する。

また、運動量表示制御部７５７が、運動量情報を表示部７３に表示させる制御を行う（ステップＳ１１３）。例えば、運動量表示制御部７５７は、運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置に割り当てられた運動量指示値を運動量変換テーブル７７１から読み出し、ステップＳ１１１で読み出した繰り返し周波数指示値との積である単位時間当たりの運動量を算出する。そして、運動量表示制御部７５７は、これら運動量指示値、繰り返し周波数指示値、及び単位時間当たりの運動量を運動量情報として表示した表示画面を表示部７３に表示処理する。なお、単位時間当たりの運動量については、運動量情報の表示制御に際して算出する構成に限らず、運動量変換テーブル７７１に設定しておく等してそれを読み出す構成としてもよい。

その後は、制御部７５は、噴射ペダル８３や噴射ボタン８４の操作によってパルス液体ジェットの噴射を終了すると判定するまでの間（ステップＳ１３３：ＮＯ）、ステップＳ１１５において運動量ダイヤル８１１の操作を監視するとともに、ステップＳ１２３において繰り返し周波数ダイヤル８１３の操作を監視する。

そして、運動量ダイヤル８１１が操作された場合には（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、立ち上がり周波数設定部７５２が、選択されたダイヤル位置と選択中の繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置との組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１から読み出し、立ち上がり周波数の設定を更新する（ステップＳ１１７）。その後、圧電素子制御部７５１は、設定した繰り返し周波数、立ち上がり周波数及び電圧振幅に従って駆動電圧波形を設定し、設定した駆動電圧波形の駆動信号を圧電素子４５に印加する（ステップＳ１１９）。

また、運動量表示制御部７５７が、選択されたダイヤル位置に割り当てられた運動量指示値を運動量変換テーブル７７１から読み出し、表示部７３の表示を更新する制御を行う（ステップＳ１２１）。

一方、繰り返し周波数ダイヤル８１３が操作された場合には（ステップＳ１２３：ＹＥＳ）、繰り返し周波数設定部７５４が、選択されたダイヤル位置に割り当てられた繰り返し周波数指示値を運動量変換テーブル７７１から読み出し、繰り返し周波数の設定を更新する（ステップＳ１２５）。続いて、立ち上がり周波数設定部７５２が、選択されたダイヤル位置と選択中の運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置との組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１から読み出し、立ち上がり周波数の設定を更新する（ステップＳ１２７）。その後、圧電素子制御部７５１は、設定した繰り返し周波数、立ち上がり周波数及び電圧振幅に従って駆動電圧波形を設定し、設定した駆動電圧波形の駆動信号を圧電素子４５に印加する（ステップＳ１２９）。

また、運動量表示制御部７５７が、選択されたダイヤル位置に割り当てられた繰り返し周波数を運動量変換テーブル７７１から読み出し、表示部７３の表示を更新する制御を行う（ステップＳ１３１）。

この実施例１によれば、繰り返し周波数毎に所定の電圧振幅での運動量Ｐと立ち上がり周波数との対応関係を予め設定しておき、この対応関係に基づいて、操作感覚通りの切削深さ及び切削体積を達成するのに最適な立ち上がり周波数を設定して圧電素子４５の駆動電圧波形を制御することができる。例えば、運動量ダイヤル８１１を１目盛り動かせば、目盛り間隔に相当する分だけ運動量Ｐが変化するため、ユーザーの意図や操作感覚に見合った切削深さや切削体積を実現することができ、使い勝手を向上させることができる。

また、運動量Ｐが運動量指示値となるように繰り返し周波数を増減させることができる。したがって、例えば、運動量ダイヤル８１１の目盛りは動かさずに繰り返し周波数ダイヤル８１３の目盛りだけを動かせば、パルス１個分のパルス液体ジェットによる切削深さや切削体積を一定に保ったままで、繰り返し周波数に比例するような意図通りの切削スピードに調整でき、使い勝手の向上が図れる。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例１と同様の部分には同一の符号を付す。図１６は、実施例２における液体噴射制御装置７０−２が備える操作パネル８０−２を示す図である。図１６に示すように、操作パネル８０−２には、運動量ダイヤル８１１と、繰り返し周波数ダイヤル８１３と、第３の操作部としての電圧振幅ダイヤル８１５ａと、電源ボタン８２と、噴射ボタン８４と、ポンプ駆動ボタン８５と、液晶モニター８７とが配設されている。

電圧振幅ダイヤル８１５ａは、第３指示値としての電圧振幅の指示値（電圧振幅指示値）を入力するためのものであり、例えば「１」〜「５」の目盛りが付された５段階のダイヤル位置が選択可能に構成されている。この電圧振幅ダイヤル８１５ａも、繰り返し周波数ダイヤル８１３と同様にアクティベートスイッチを備えた構成としてもよい。術者は、電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置を切り替えることによって、電圧振幅を５段階で増減操作する。ダイヤル各位置には、対応する目盛りの数値に比例して一定量ずつ大きくなるように予め電圧振幅指示値が割り当てられている。なお、ダイヤル位置の段階数は５段階に限定されるものではなく、段数は適宜設定してよい。また、運動量ダイヤル８１１や繰り返し周波数ダイヤル８１３と異なる段数であってもよい。

このように、実施例２では、手術中に術者が行う操作を、運動量ダイヤル８１１を用いた運動量Ｐの増減操作と、繰り返し周波数ダイヤル８１３を用いた繰り返し周波数の増減操作と、電圧振幅ダイヤル８１５ａを用いた電圧振幅の増減操作の３つとし、繰り返し周波数毎に運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係を予めテーブル化しておく。

図１１に示す運動量Ｐ５３に着目すれば、例えば、電圧間隔を等間隔とした電圧振幅Ｖ６１，Ｖ６２，・・・と、その等高線との交点Ａ６１，Ａ６２，・・・における立ち上がり周波数ｆ６１，ｆ６２，・・・とを対応付けてデータテーブルを作成する。そして、電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置１，２，・・・のそれぞれに、電圧振幅指示値として、電圧振幅Ｖ６５，Ｖ６４，・・・を順に割り当てておく。

図１７は、実施例２における液体噴射制御装置の機能構成例を示すブロック図である。図１７に示すように、液体噴射制御装置７０−２は、操作部７１ａと、表示部７３と、制御部７５ａと、記憶部７７ａとを備える。

操作部７１ａは、運動量ダイヤル８１１と、繰り返し周波数ダイヤル８１３と、電圧振幅ダイヤル８１５ａとを備える。

また、制御部７５ａは、圧電素子制御部７５１ａと、ポンプ制御部７５６と、運動量表示制御部７５７とを備える。圧電素子制御部７５１ａは、立ち上がり周波数設定部７５２ａと、電圧振幅設定部７５３ａと、繰り返し周波数設定部７５４とを備える。

記憶部７７ａには、運動量変換テーブル７７１ａが記憶される。図１８は、実施例２における運動量変換テーブル７７１ａのデータ構成例を示す図である。図１８に示すように、運動量変換テーブル７７１ａは、繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置（目盛り）と、そのダイヤル位置に割り当てられた繰り返し周波数指示値と、運動量ダイヤル８１１のダイヤル位置と、そのダイヤル位置に割り当てられた運動量指示値と、電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置と、そのダイヤル位置に割り当てられた電圧振幅指示値と、立ち上がり周波数とが対応付けられたデータテーブルであり、繰り返し周波数毎に、運動量Ｐと、電圧振幅と、立ち上がり周波数との対応関係が設定されている。

この運動量変換テーブル７７１ａを参照し、立ち上がり周波数設定部７５２ａは、選択中の運動量ダイヤル８１１、繰り返し周波数ダイヤル８１３、及び電圧振幅ダイヤル８１５ａの各ダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１ａから読み出して設定するとともに、運動量ダイヤル８１１、繰り返し周波数ダイヤル８１３、及び電圧振幅ダイヤル８１５ａのうちの何れか一つが操作された場合に、各ダイヤル８１１，８１３，８１５ａのダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１ａから読み出してその設定を更新する。電圧振幅設定部７５３ａは、選択中の電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置に対応する電圧振幅指示値を運動量変換テーブル７７１ａから読み出して電圧振幅周波数を設定するとともに、電圧振幅ダイヤル８１５ａが操作された場合に、選択されたダイヤル位置の電圧振幅指示値を運動量変換テーブル７７１ａから読み出して電圧振幅の設定を更新する。

［処理の流れ］
図１９は、パルス液体ジェットの噴射に際して制御部７５ａが行う処理の流れを示すフローチャートである。なお、図１５と同様の処理工程には、同一の符号を付する。

実施例２では、ステップＳ１１１において、電圧振幅設定部７５３ａが、選択中の電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置に割り当てられた電圧振幅指示値を運動量変換テーブル７７１ａから読み出し、電圧振幅を設定する。

また、ステップＳ２３３において電圧振幅ダイヤル８１５ａの操作を監視する。そして、電圧振幅ダイヤル８１５ａが操作された場合には（ステップＳ２３３：ＹＥＳ）、電圧振幅設定部７５３ａが、選択されたダイヤル位置に割り当てられた電圧振幅指示値を運動量変換テーブル７７１ａから読み出し、電圧振幅の設定を更新する（ステップＳ２３５）。続いて、立ち上がり周波数設定部７５２ａが、選択されたダイヤル位置と、選択中の運動量ダイヤル８１１及び電圧振幅ダイヤル８１５ａの各ダイヤル位置との組み合わせに対応する立ち上がり周波数を運動量変換テーブル７７１ａから読み出し、立ち上がり周波数の設定を更新する（ステップＳ２３７）。その後、圧電素子制御部７５１ａは、設定した繰り返し周波数、立ち上がり周波数及び電圧振幅に従って駆動電圧波形を設定し、設定した駆動電圧波形の駆動信号を圧電素子４５に印加する（ステップＳ２３９）。

この実施例２によれば、予め繰り返し周波数毎に運動量Ｐと立ち上がり周波数及び電圧振幅との対応関係を設定しておき、電圧振幅を増減させても、運動量Ｐが運動量指示値となるように圧電素子４５の駆動電圧波形を制御することができる。

なお、上記の実施形態では、運動量ダイヤル８１１によって運動量Ｐを段階的に増減操作する場合や、繰り返し周波数ダイヤル８１３によって繰り返し周波数を段階的に増減操作する場合、電圧振幅ダイヤル８１５ａによって電圧振幅を段階的に増減操作する場合を説明した。これに対し、各ダイヤル８１１，８１３，８１５ａは、目盛りの付されたダイヤル位置間（中間的位置）においても運動量指示値や繰り返し周波数指示値、電圧振幅指示値を無段階に調整可能なもので構成してもよい。

具体的な処理としては、例えば運動量ダイヤル８１１に着目すれば、目盛り間のダイヤル位置が選択された場合には、運動量変換テーブル７７１（図１４）や運動量変換テーブル７７１ａ（図１８）を参照して、選択された運動量Ｐの前後の目盛りのダイヤル位置と対応付けられた運動量指示値、これら運動量指示値に対応する立ち上がり周波数を読み出す。そして、読み出されたそれぞれの立ち上がり周波数を用いた線形補間を行い、現在の選択されたダイヤル位置間の運動量Ｐに対応した立ち上がり周波数及び電圧振幅を特定する。

また、より精度を上げるためには、選択された運動量Ｐの前後だけでなく、更に前後の目盛りのダイヤル位置（運動量指示値）に対応した立ち上がり周波数及び電圧振幅を読み出すようにしてもよい。そして、読み出されたそれぞれの立ち上がり周波数を用いた多項式補間等を行い、現在の選択されたダイヤル位置間の運動量Ｐに対応した立ち上がり周波数を特定することとしてもよい。

また、繰り返し周波数ダイヤル８１３、あるいは電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置間（中間的位置）が選択された場合も、同様の補間を行うことにより立ち上がり周波数を特定することができる。

また、上記した実施形態では、図１０（ａ）を参照して説明したように、繰り返し周波数を増減するために立ち下がり形状を可変に設定することとした。これに対し、駆動電圧波形の全体を時間軸方向に単純に拡縮することによって繰り返し周波数を増減するようにしてもよい。この場合には、運動量変換テーブル７７１，７７１ａを作成する際に行うシミュレーションを、前記の要領で繰り返し周波数を変えながら行う。

また、上記の実施形態では、立ち上がり指標値として立ち上がり周波数を例示した。これに対し、立ち上がり周波数に代えて、立ち上がり時間Ｔｐｒを用いるようにしてもよい。

また、運動量ダイヤル８１１や繰り返し周波数ダイヤル８１３、電圧振幅ダイヤル８１５ａは、ダイヤルスイッチによって実現する場合に限らず、例えば、レバースイッチやボタンスイッチ等により実現してもよい。また、表示部７３をタッチパネルとして、ソフトウェアによるキースイッチ等により実現してもよい。この場合、ユーザーは、表示部７３であるタッチパネルをタッチ操作して、運動量指示値や繰り返し周波数指示値、電圧振幅指示値を入力する。

また、上記の実施形態では、圧電素子制御部７５１，７５１ａが、設定された立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数に従って駆動電圧波形を設定することとして説明した（例えば、図１５のステップＳ１１１やＳ１１９等）。これに対し、立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数の取り得る組み合わせの１つ１つについて、１周期分の駆動電圧波形を予め生成し、当該組合せと対応付けた波形データとして記憶部７７，７７ａに格納しておくこととしてもよい。そして、設定された立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数の組合せに対応する波形データを読み出し、読み出した波形データに従った駆動信号を圧電素子４５に印加することとしてもよい。

また、上記の実施形態では、運動量が２［ｎＮｓ］以上２［ｍＮｓ］以下、又は、運動エネルギーが２［ｎＪ］以上２００［ｍＪ］以下のパルス液体ジェットを噴射する構成を開示したが、より好ましくは、運動量が２０［ｎＮｓ］以上２００［μＮｓ］以下、又は、運動エネルギーが４０［ｎＪ］以上１０［ｍＪ］以下のパルス液体ジェットを噴射する構成が好ましい。こうすることで、生体組織やゲル材料を好適に切削することができる。

１ 液体噴射システム、１０ 容器、２０ 送液ポンプ装置、３０ 液体噴射装置、４０ パルス流発生部、４４ 圧力室、４５ 圧電素子、４６ ダイアフラム、５０ 噴射管、６０ ノズル、６１ 液体噴射開口部、７０，７０−１，７０−２ 液体噴射制御装置、７１，７１ａ 操作部、８１１ 運動量ダイヤル、８１３ 繰り返し周波数ダイヤル、８１５ａ 電圧振幅ダイヤル、７３ 表示部、７５，７５ａ 制御部、７５１，７５１ａ 圧電素子制御部、７５２，７５２ａ 立ち上がり周波数設定部、７５３，７５３ａ 電圧振幅設定部、７５４ 繰り返し周波数設定部、７５６ ポンプ制御部、７５７ 運動量表示制御部、７７，７７ａ 記憶部、７７１，７７１ａ 運動量変換テーブル

Claims (8)

1. 所与の駆動電圧波形を圧電素子に印加し、該圧電素子を用いて液体をパルス状に噴射する液体噴射装置からのパルス液体ジェットの繰り返しの噴射を制御する液体噴射制御装置であって、
   前記パルス液体ジェットの運動量に係る第１指示値を入力するための第１の操作部と、
   前記パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る第２指示値を入力するための第２の操作部と、
   前記駆動電圧波形の電圧振幅と、前記第２指示値とに基づいて、前記運動量が前記第１指示値となるように前記駆動電圧波形の立ち上がりに係る指標値（以下「立ち上がり指標値」という）を設定する立ち上がり指標値設定部と、
   を備えた液体噴射制御装置。
2. 請求項１において、
   前記電圧振幅に係る第３指示値を入力するための第３の操作部、
   を更に備えた液体噴射制御装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第２指示値に応じて、前記駆動電圧波形の立ち下がり形状を可変に設定する立ち下がり形状設定部、
   を更に備えた液体噴射制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記第１指示値及び前記第２指示値のうちの少なくとも一方を表示させる制御を行う表示制御部、
   を更に備えた液体噴射制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項において、
   前記パルス液体ジェットの運動量が２［ｎＮｓ（ナノニュートン秒）］以上２［ｍＮｓ（ミリニュートン秒）］以下、又は、運動エネルギーが２［ｎＪ（ナノジュール）］以上２００［ｍＪ（ミリジュール）］以下の前記液体噴射装置を制御する、
   液体噴射制御装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項において、
   前記パルス液体ジェットによって生体組織を切削するための前記液体噴射装置を制御する、
   液体噴射制御装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の液体噴射制御装置と、液体噴射装置と、送液ポンプ装置とを具備した液体噴射システム。
8. 所与の駆動電圧波形を圧電素子に印加し、該圧電素子を用いて液体をパルス状に噴射する液体噴射装置からのパルス液体ジェットの繰り返しの噴射を制御する制御方法であって、
   前記パルス液体ジェットの運動量に係る第１指示値を入力することと、
   前記パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数に係る第２指示値を入力することと、
   前記駆動電圧波形の電圧振幅と、前記第２指示値とに基づいて、前記運動量が前記第１指示値となるように前記駆動電圧波形の立ち上がりに係る立ち上がり指標値を設定することと、
   を含む制御方法。

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