KR20160078900A

KR20160078900A - 액체 분사 제어 장치, 액체 분사 시스템 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20160078900A
Application number: KR1020150183669A
Authority: KR
Inventors: 준이찌 가라사와
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-07-05
Also published as: CN105726091A; EP3037049A1; US9463620B2; JP2016120067A; US20160185107A1

Abstract

본 발명은 펄스 액체 제트의 강도를, 유저의 의도에 따른 설정으로 하는 것을 가능하게 하여, 사용 편의성을 향상시키기 위한 것으로, 액체 분사 제어 장치(70-1)에 있어서, 조작부(71)는, 액체 분사 장치로부터 분사되는 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 운동량 지시값을 입력하기 위한 운동량 다이얼(811)과, 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 반복 주파수 지시값을 입력하기 위한 반복 주파수 다이얼(813)을 포함한다. 또한, 제어부(75)는, 구동 전압 파형의 전압 진폭과, 반복 주파수 지시값에 기초하여, 운동량이 운동량 지시값이 되도록 구동 전압 파형의 상승에 관한 상승 지표값으로서 구동 주파수를 설정하는 구동 주파수 설정부(752)를 구비한다.

Description

액체 분사 제어 장치, 액체 분사 시스템 및 제어 방법{LIQUID EJECTION CONTROL DEVICE, LIQUID EJECTION SYSTEM AND CONTROL METHOD}

본 발명은 압전 소자를 사용해서 액체를 펄스 형상으로 분사하는 액체 분사 장치를 제어하는 액체 분사 제어 장치 등에 관한 것이다.

액체를 펄스 형상으로 분사해서 절삭 대상물을 절삭하는 기술이 알려져 있다. 펄스 형상의 액체 분사는, 노즐로부터 맥동적으로 분사되는 액체의 제트류이며, 본 명세서에서는 적절히 「펄스 액체 제트(Pulsed Liquid Jet)」라고 칭한다.

펄스 액체 제트의 용도는 다양하지만, 예를 들어 특허문헌 1에는, 의료 분야에 있어서의 외과 수술용으로서 이용하는 기술이 제안되어 있다. 이 경우에는, 절삭 대상물은, 생체 조직이 되고, 액체는 생리 식염수가 된다.

일본 특허 공개 제2005-152127호 공보

펄스 액체 제트를 생성하는 기구의 하나에, 압전 소자를 사용한 기구가 알려져 있다. 펄스파 형상의 구동 전압을 압전 소자에 가함으로써, 압전 소자가 작동 유체(액체) 내에 순간적인 압력을 발생시켜서 액체를 펄스 형상으로 분사하는 기구이다. 그로 인해, 펄스 액체 제트의 강도를 변경하는 경우에는, 압전 소자에 인가하는 구동 전압을 제어하게 된다. 따라서, 압전 소자에 인가하는 구동 전압의 특성값, 예를 들어 구동 전압 파형의 진폭(전압 진폭을 말하며, 구동 전압의 크기라고도 할 수 있음)을, 조작 다이얼이나 조작 버튼 등의 조작부에서 지시함으로써, 펄스 액체 제트의 강도를 가변하는 사양이 생각된다.

그러나, 조작부에서 지시하는 구동 전압의 특성값을 변화시켜도, 절삭 대상물의 절삭 깊이나 절삭 체적과 같은 절삭 형태를, 유저가 생각한 대로 변화시킬 수 없는 경우가 있다는 것을 알았다. 상세는 후술하겠지만, 예를 들어 유저가 전압 진폭을 2배나 4배, 또는 1/2, 1/4로 바꾸었다고 해도, 반드시 절삭 깊이나 절삭 체적이 그대로 변화된다고는 할 수 없는 것을 알았다. 펄스 액체 제트를 외과 수술 용도로 사용하는 경우에는, 시술자의 조작 감각대로의 작용이 얻어지지 않아, 문제가 될 수 있었다.

한편, 펄스 액체 제트의 분사 주기를 가변으로 하면, 단위 시간당의 절삭 깊이나 절삭 체적을 증감시킬 수 있어, 절삭 대상물을 절삭하는 스피드를 조정 가능하게 된다. 그러나, 분사 주기를 바꾸면 구동 전압 파형의 형상이 바뀌기 때문에, 펄스 1개분의 액체 제트의 강도 등이 바뀔 수 있었다. 그로 인해, 분사 주기를 바꾼 전후에 펄스 1개분의 펄스 액체 제트에 의한 절삭 깊이나 절삭 체적이 변화되어, 분사 주기를 짧게, 환언하면 분사 주파수를 높게 했다고 해도, 유저의 의도대로의 분사 주파수에 비례한 절삭 스피드가 얻어지지 않는 경우가 일어날 수 있었다.

본 발명은 상술한 과제를 감안하여 고안된 것이며, 그 목적으로 하는 점은, 펄스 액체 제트의 강도를, 유저의 의도를 따른 설정으로 하는 것을 가능하게 하고, 사용 편의성을 향상시키는 기술을 제안하는 것이다.

이상의 과제를 해결하기 위한 제1 발명은, 소여의 구동 전압 파형을 압전 소자에 인가하고, 상기 압전 소자를 사용해서 액체를 펄스 형상으로 분사하는 액체 분사 장치로부터의 펄스 액체 제트의 분사를 제어하는 액체 분사 제어 장치이며, 상기 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 제1 지시값을 입력하기 위한 제1 조작부와, 상기 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 제2 지시값을 입력하기 위한 제2 조작부와, 상기 구동 전압 파형의 전압 진폭과, 상기 제2 지시값에 기초하여, 상기 운동량이 상기 제1 지시값이 되도록 상기 구동 전압 파형의 상승에 관한 지표값을 설정하는 상승 지표값 설정부를 구비한 액체 분사 제어 장치이다.

또한, 다른 발명으로서, 소여의 구동 전압 파형을 압전 소자에 인가하고, 상기 압전 소자를 사용해서 액체를 펄스 형상으로 분사하는 액체 분사 장치로부터의 펄스 액체 제트의 분사를 제어하는 제어 방법이며, 상기 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 제1 지시값을 입력하는 것과, 상기 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 제2 지시값을 입력하는 것과, 상기 구동 전압 파형의 전압 진폭과, 상기 제2 지시값에 기초하여, 상기 운동량이 상기 제1 지시값이 되도록 상기 구동 전압 파형의 상승에 관한 지표값을 설정하는 것을 포함하는 제어 방법을 구성하는 것으로 해도 된다.

본 제1 발명 등에 의하면, 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 제1 지시값과, 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 제2 지시값을 입력하면, 구동 전압 파형의 전압 진폭과 제2 지시값에 기초하여 운동량이 제1 지시값이 되도록 구동 전압 파형의 상승에 관한 지표값이 설정된다. 후술하는 바와 같이, 절삭 깊이나 절삭 체적은, 펄스 액체 제트의 운동량과 상관이 높다. 그로 인해, 펄스 액체 제트의 운동량을 직접 지시함으로써, 유저의 의도나 조작 감각에 적합한 절삭 깊이나 절삭 체적을 실현할 수 있어, 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.

또한, 아울러 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수를 지시할 수 있다. 이것에 의하면, 예를 들어 제1 지시값을 유지한 상태로 분사 횟수를 증감시키는 것이 가능하게 된다. 따라서, 분사 횟수를 바꾼 전후에 펄스 1개분의 펄스 액체 제트에 의한 절삭 깊이나 절삭 체적이 바뀌는 일없이 절삭 스피드를 조정할 수 있어, 사용 편의성의 향상이 도모된다.

또한, 제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 전압 진폭에 관한 제3 지시값을 입력하기 위한 제3 조작부를 더 구비한 액체 분사 제어 장치이다.

본 제2 발명에 의하면, 구동 전압 파형의 전압 진폭에 관한 제3 지시값을 입력할 수 있다.

또한, 제3 발명은, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 제2 지시값에 따라, 상기 구동 전압 파형의 하강 형상을 가변으로 설정하는 하강 형상 설정부를 더 구비한 액체 분사 제어 장치이다.

본 제3 발명에 의하면, 구동 전압 파형의 하강 형상을 가변으로 설정함으로써, 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수가 제2 지시값이 되도록 펄스 액체 제트의 반복 분사를 제어할 수 있다.

또한, 제4 발명은, 제1 내지 제3 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 제1 지시값 및 상기 제2 지시값 중 적어도 한쪽을 표시시키는 제어를 행하는 표시 제어부를 더 구비한 액체 분사 제어 장치이다.

본 제4 발명에 의하면, 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 제1 지시값 및 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 제2 지시값 중 적어도 한쪽을 표시시킬 수 있다. 이것에 의하면, 유저가 지시한 현재의 펄스 액체 제트의 운동량이나, 단위 시간당의 분사 횟수를 나타내는 지표 등을 시각적으로 확인할 수 있다. 따라서, 사용 편의성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 제5 발명은, 제1 내지 4 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 펄스 액체 제트의 운동량이 2[nNs(나노 뉴턴 초)] 이상 2[mNs(밀리 뉴턴 초)] 이하, 또는 운동에너지가 2[nJ(나노 주울)] 이상 200[mJ(밀리 주울)] 이하의 상기 액체 분사 장치를 제어하는, 액체 분사 제어 장치이다.

본 제5 발명에 의하면, 펄스 액체 제트의 운동량이 2[nNs] 이상 2[mNs] 이하 또는 운동에너지가 2[nJ] 이상 200[mJ] 이하이고, 그 범위에서 액체 분사 장치를 제어할 수 있다. 따라서, 예를 들어 생체 조직이나 식품, 겔 재료, 고무나 플라스틱 등의 수지 재료 등의 유연 소재를 절삭하는데 적합하다.

또한, 제6 발명은, 제1 내지 제5 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 펄스 액체 제트에 의해 생체 조직을 절삭하기 위한 상기 액체 분사 장치를 제어하는, 액체 분사 제어 장치이다.

본 제6 발명에 의하면, 예를 들어 외과 수술 용도에 적합한 펄스 액체 제트의 강도를 제어할 수 있다.

또한, 제7 발명은, 제1 내지 제6 중 어느 하나의 발명 액체 분사 제어 장치와, 액체 분사 장치와, 송액 펌프 장치를 구비한 액체 분사 시스템이다.

본 제7 발명에 의하면, 제1 내지 제6 발명의 작용 효과를 발휘하는 액체 분사 시스템을 실현할 수 있다.

도 1은 액체 분사 시스템의 전체 구성예를 도시하는 도면.
도 2는 액체 분사 장치의 내부 구조를 도시하는 도면.
도 3은 압전 소자의 1주기 분의 구동 전압 파형 및 액체 분사 개구부에 있어서의 액체의 유속 파형을 도시하는 도면.
도 4는 질량 유속, 운동량 유속 및 에너지 유속을 도시하는 도면.
도 5는 절삭 대상물의 절삭 형태에 관한 시뮬레이션에서 사용한 주제트의 유속 파형을 도시하는 도면.
도 6은 시뮬레이션 결과(절삭 깊이)를 도시하는 도면.
도 7은 시뮬레이션 결과(절삭 체적)를 도시하는 도면.
도 8은 구동 주파수가 상이한 구동 전압 파형을 부여한 경우의 주제트의 유속 파형의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.
도 9는 전압 진폭이 상이한 구동 전압 파형을 부여한 경우의 주제트의 유속 파형의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.
도 10은 반복 주파수가 상이한 구동 전압 파형을 부여한 경우의 주제트의 유속 파형의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.
도 11은 소정의 반복 주파수에서의 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계를 도시하는 도면.
도 12는 실시예 1에 있어서의 액체 분사 제어 장치의 조작 패널을 도시하는 도면.
도 13은 실시예 1에 있어서의 액체 분사 제어 장치의 기능 구성예를 도시하는 블록도.
도 14는 실시예 1에 있어서의 운동량 변환 테이블의 데이터 구성예를 도시하는 도면.
도 15는 실시예 1에 있어서 펄스 액체 제트의 분사 시에 제어부가 행하는 처리의 흐름을 도시하는 흐름도.
도 16은 실시예 2에 있어서의 액체 분사 제어 장치의 조작 패널을 도시하는 도면.
도 17은 실시예 2에 있어서의 액체 분사 제어 장치의 기능 구성예를 도시하는 블록도.
도 18은 실시예 2에 있어서의 운동량 변환 테이블의 데이터 구성예를 도시하는 도면.
도 19는 실시예 2에 있어서 펄스 액체 제트의 분사 시에 제어부가 행하는 처리의 흐름을 도시하는 흐름도.

이하, 본 발명의 액체 분사 제어 장치, 액체 분사 시스템 및 제어 방법을 실시하기 위한 일 형태에 대해서 설명한다. 또한, 이하 설명하는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니고, 본 발명을 적용 가능한 형태가 이하의 실시 형태에 한정되는 것도 아니다. 또한, 도면의 기재에 있어서, 동일 부분에는 동일한 부호를 부여한다.

[전체 구성]

도 1은, 본 실시 형태에 있어서의 액체 분사 시스템(1)의 전체 구성예를 도시하는 도면이다. 이 액체 분사 시스템(1)은, 유연 소재, 예를 들어 생체 조직을 절삭 대상물로 한 외과 수술용, 식품을 절삭 대상물로 한 식품 가공용, 겔 재료의 가공용, 고무나 플라스틱과 같은 수지 재료의 절삭 가공용 등의 용도로 사용되는 것이며, 운동량이 2[nNs(나노 뉴턴 초)] 이상 2[mNS(밀리 뉴턴 초)] 이하, 또는 운동에너지가 2[nJ(나노 주울)] 이상 200[mJ(밀리 주울)] 이하의 펄스 액체 제트를 분사해서 절삭 대상물을 절삭한다. 이하에서는, 액체 분사 시스템(1)을 외과 수술용 용도로 사용하고, 환부(생체 조직)의 절개, 절제, 또는 파쇄(이들을 포괄해서 「절삭」이라고 함)를 행하는 경우를 예시한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 운동량 유속 및 운동량이란, 펄스 액체 제트의 분사 방향 성분만을 생각한 스칼라량, 즉 크기를 가리키는 것으로서 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 액체 분사 시스템(1)은, 액체를 수용하는 용기(10)와, 송액 펌프 장치(20)와, 절삭 대상물(본 실시 형태에서는 생체 조직)을 향해서 액체를 펄스 형상으로 분사하기 위한 액체 분사 장치(30)와, 액체 분사 제어 장치(70)를 구비한다.

이 액체 분사 시스템(1)에 있어서, 액체 분사 제어 장치(70)는, 시술자가 수술 시에 조작하는 조작 패널(80)을 구비한다. 조작 패널(80)은, 운동량의 증감 조작 등의 각종 조작을 입력하기 위한 것이다. 또한, 액체 분사 제어 장치(70)는, 시술자가 발로 밟아서 펄스 액체 제트의 분사 개시 및 분사 정지를 전환하기 위한 분사 페달(83)을 구비한다.

용기(10)는, 물이나 생리 식염수, 약액 등의 액체를 수용한다. 송액 펌프 장치(20)는, 용기(10)에 수용된 액체를, 접속 튜브(91, 93)를 통하여 항상 소정의 압력 또는 소정의 유량으로 액체 분사 장치(30)의 펄스류 발생부(40)에 공급한다.

액체 분사 장치(30)는, 수술 시에 시술자가 손에 들고 조작하는 부분(핸드피스)이며, 송액 펌프 장치(20)로부터 공급되는 액체에 맥동을 부여해서 펄스류를 발생시키는 펄스류 발생부(40)와, 파이프 형상의 분사관(50)을 구비한다. 이 액체 분사 장치(30)는, 펄스류 발생부(40)에 의해 발생시킨 펄스류를, 분사관(50)을 통해서 최종적으로 노즐(60)에 설치된 액체 분사 개구부(61)(도 2 참조)로부터 펄스 액체 제트로서 분사한다.

여기서, 펄스류란, 액체의 유속이나 압력이 시간적 또는 공간적으로 주기적 또는 비주기적으로 크고 또한 급격하게 변화되는 액체의 맥동적인 흐름을 의미한다. 마찬가지로, 액체를 펄스 형상으로 분사한다는 것은, 노즐을 통과하는 액체의 유속이, 주기적 또는 비주기적으로 크게 변화되는, 액체의 맥동적인 분사를 의미한다. 본 실시 형태에서는, 정상류에 주기적인 맥동을 부여함으로써 발생하는 펄스 액체 제트를 분사하는 경우를 예시하는데, 액체의 분사와 비분사를 주기적 또는 비주기적으로 반복하는 단속적인 펄스 액체 제트의 분사에도 본 발명은 마찬가지로 적용할 수 있다.

도 2는, 액체 분사 장치(30)를 액체의 분사 방향을 따라서 절단한 절단면을 도시하는 도면이다. 또한, 도 2에 도시하는 부재나 부분의 종횡 축척은, 도시의 편의상 실제의 것과는 상이하다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 펄스류 발생부(40)는, 제1 케이스(41)와, 제2 케이스(42)와, 제3 케이스(43)에 의해 형성된 원통 형상의 내부 공간에, 압력실(44)의 용적을 변화시키기 위한 압전 소자(45) 및 다이어프램(46)이 배치되어 구성된다. 각 케이스(41, 42, 43)는, 서로 대향하는 면에 있어서 접합되어 일체화되어 있다.

다이어프램(46)은, 원반 형상의 금속 박판이며, 그 외주 부분이 제1 케이스(41)와 제2 케이스(42) 사이에 끼워져서 고정되어 있다. 압전 소자(45)는, 예를 들어 적층형 압전 소자이며, 다이어프램(46)과 제3 케이스(43) 사이에서 일단부가 다이어프램(46)에 고정되고, 타단부가 제3 케이스에 고정되어 있다.

압력실(44)은, 다이어프램(46)과, 제1 케이스(41)의 다이어프램(46)에 대향하는 면에 형성된 오목부(411)에 의해 둘러싸인 공간이다. 제1 케이스(41)에는, 압력실(44)에 각각 연통되는 입구 유로(413)와 출구 유로(415)가 형성되어 있다. 출구 유로(415)의 내경은, 입구 유로(413)의 내경보다도 크게 형성되어 있다. 입구 유로(413)는 접속 튜브(93)와 접속되고, 송액 펌프 장치(20)로부터 공급되는 액체를 압력실(44)에 도입한다. 출구 유로(415)에는 분사관(50)의 일단부가 접속되고, 압력실(44) 내를 유동하는 액체를 분사관(50)에 도입한다. 분사관(50)의 타단부(선단)에는, 분사관(50)의 내경보다도 축소된 내경의 액체 분사 개구부(61)를 갖는 노즐(60)이 삽입 장착되어 있다.

이상과 같이 구성되는 액체 분사 시스템(1)에 있어서, 용기(10)에 수용된 액체는, 액체 분사 제어 장치(70)의 제어 하에, 송액 펌프 장치(20)에 의해 소정의 압력 또는 소정의 유량으로 접속 튜브(93)를 통하여 펄스류 발생부(40)에 공급된다. 한편, 액체 분사 제어 장치(70)의 제어 하에서 압전 소자(45)에 구동 신호가 인가되면, 압전 소자(45)가 신장·수축된다(도 2의 화살표 A). 압전 소자(45)에 인가되는 구동 신호는 소정의 반복 주파수(예를 들어 수십[㎐] 내지 수백[㎐])로 반복해서 인가되기 때문에, 주기마다 압전 소자(45)의 신장과 수축이 반복되게 된다. 이에 의해 압력실(44) 내를 유동하는 정상류의 액체에 맥동이 부여되고, 액체 분사 개구부(61)로부터 펄스 액체 제트가 반복해서 분사된다.

도 3의 (a)는 압전 소자(45)에 인가되는 1 주기 분의 구동 신호의 구동 전압 파형 L11의 일례를 도시하는 도면이고, 액체 분사 개구부(61)에 있어서의 액체의 유속 파형 L13을 함께 도시하고 있다. 또한, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시하는 유속 파형 L13의 피크 중, 가장 높은 피크의 유속 파형(주 피크 부분) S1을 발출한 도면이다.

도 3의 (a)에 도시하는 Tp는 반복 주기(구동 전압 파형의 1주기 분의 시간)이며, 그 역수가 상기 반복 주파수이다. 또한, 반복 주기 Tp는 1[㎳(밀리 초)] 내지 100[㎳] 정도로 되고, 구동 전압 파형이 최대 전압까지 상승되는데 필요한 시간(상승 시간) Tpr은 10[㎲(마이크로 초)] 내지 1000[㎲] 정도로 된다. 반복 주기 Tp는, 상승 시간 Tpr보다도 긴 시간으로서 설정된다. 또한, 상승 시간 Tpr의 역수를 구동 주파수로 했을 때, 반복 주파수는, 구동 주파수보다도 낮은 주파수로서 설정된다. 구동 주파수 및 상승 시간은 모두 구동 전압의 상승에 관한 지표값(상승 지표값)의 하나이다.

예를 들어, 압전 소자(45)는, 정의 전압이 인가되면 신장되는 것으로 하면, 상승 시간 Tpr에서 급격하게 신장되고, 다이어프램(46)이 압전 소자(45)에 눌려서 압력실(44)측으로 휜다. 다이어프램(46)이 압력실(44)측으로 휘면 압력실(44)의 용적이 작아지고, 압력실(44) 내의 액체는 압력실(44)로부터 압출된다. 여기서, 출구 유로(415)의 내경은 입구 유로(413)의 내경보다도 크기 때문에, 출구 유로(415)의 유체 이너튼스 및 유체 저항은, 입구 유로(413)의 유체 저항보다도 작다. 따라서, 압전 소자(45)가 급격하게 신장됨으로써 압력실(44)로부터 압출되는 액체의 대부분은 출구 유로(415)를 통해서 분사관(50)에 도입되고, 그 내경보다도 소직경의 액체 분사 개구부(61)에 의해 펄스 형상의 액적, 즉 펄스 액체 제트로 되어 고속 분사된다.

최대 전압까지 상승한 후에는 구동 전압은 완만하게 강하한다. 그 때, 압전 소자(45)는, 상승 시간 Tpr보다도 긴 시간에 걸쳐 수축하고, 다이어프램(46)이 압전 소자(45)에 이끌려서 제3 케이스(43)측으로 휜다. 다이어프램(46)이 제3 케이스(43)측으로 휘면 압력실(44)의 용적이 커지고, 입구 유로(413)로부터 압력실(44) 내에 액체가 도입된다.

또한, 송액 펌프 장치(20)는 소정 압력 또는 소정 유량으로 액체를 펄스류 발생부(40)에 공급하고 있기 때문에, 압전 소자(45)가 신축 동작을 행하지 않으면, 압력실(44)을 유동하는 액체(정상류)는 출구 유로(415)를 거쳐서 분사관(50)에 도입되고, 액체 분사 개구부(61)로부터 분사된다. 이 분사는 정속이면서 또한 저속의 액류이기 때문에, 정상류라고 할 수 있다.

[원리]

펄스 액체 제트를 특징짓는 값으로서 기본이 되는 것은, 도 3의 (a)에 있어서 구동 전압 파형 L11과 함께 나타낸 펄스 1개분의 제트의 액체 분사 개구부(61)에 있어서의 유속 파형 L13이다. 그 중, 주목해야 하는 것은, 도 3의 (b)에 발출해서 도시한 구동 전압의 상승 직후에 발생하는 최대 유속의 주 피크 부분(선두파의 제트)이다. 그 밖의 낮은 피크는, 압전 소자(45)의 신장시에 압력실(44) 내에 발생한 압력 변동의 파가 분사관(50) 내를 반사 왕복함으로써 부수적으로 분사되는 제트에 기인하는 것이지만, 절삭 대상물의 절삭 깊이나 절삭 체적과 같은 절삭 형태를 결정짓는 것은, 유속이 가장 큰 선두파의 제트(이하 주제트라고 함)이다.

그런데, 펄스 액체 제트의 강도를 바꿔서 절삭 대상물의 절삭 깊이나 절삭 체적을 변화시키고자 하는 경우에는, 압전 소자(45)의 구동 전압 파형을 제어하는 것으로 하면 된다. 이 구동 전압 파형의 제어는, 그 전압 특성값으로서 구동 전압 파형의 구동 주파수나 구동 전압 파형의 진폭(전압 진폭)을 시술자가 지시함으로써 행하는 방법이 생각된다. 예를 들어, 전압 진폭을 고정으로 한 상태에서 시술자가 구동 주파수(상승 시간 Tpr이어도 됨)를 지시하거나, 구동 주파수를 고정으로 한 상태에서 전압 진폭을 지시하는 방법이 생각된다. 이것은, 전압 진폭이나 그 구동 주파수(상승 시간 Tpr)가 주제트의 유속 파형에 크게 영향을 미치기 때문이다. 구동 전압이 최대 전압까지 상승한 후의 완만하게 강하하고 있는 동안의 구동 전압은, 주제트의 유속 파형에 그다지 영향을 미치지 않는다. 그로 인해, 구동 주파수를 높게 하거나, 또는 전압 진폭을 크게 하면, 거기에 비례하여 절삭 깊이는 깊고, 절삭 체적은 커진다고 생각되었다.

그러나, 실제로 달성되는 절삭 대상물의 절삭 깊이나 절삭 체적은, 반드시 전압 특성값의 증감에 적합하게 변화되지 않는 경우도 있어, 사용 편의성을 악화시키는 경우가 있는 것이 판명되었다. 예를 들어, 시술자가 전압 진폭을 2배로 해도 절삭 깊이나 절삭 체적이 기대대로 증가하지 않거나, 또는 전압 진폭을 1/2로 해도 절삭 깊이나 절삭 체적이 생각한 것처럼 감소하지 않거나 하는 경우가 일어날 수 있었다. 그로 인해, 시술자가 원하는 절삭 깊이나 절삭 체적이 달성되지 않는 사태가 발생할 수 있었다. 이것은 수술 시간의 장기화를 초래할 수 있는 문제이다.

또한, 펄스 액체 제트의 강도와는 별도로, 절삭 스피드를 조정하고자 하는 경우가 있다. 그를 위한 사양으로서, 구동 전압 파형의 반복 주파수를 시술자가 지시하는 방법이 생각된다. 예를 들어, 반복 주파수를 높게 한다는 것은 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수를 많게 한다고 하는 것이며, 최종적으로 달성되는 절삭 깊이나 절삭 체적은 바뀐다.

그러나, 반복 주파수를 바꾸면 구동 전압 파형이 바뀌기 때문에, 반복 주파수를 바꾸었다고 해도 단위 시간당의 절삭 깊이나 절삭 체적이 비례해서 변화되지 않아, 시술자에게 있어서 사용 편의성이 나쁜 경우가 있었다. 구체적으로는, 예를 들어 구동 전압 파형 전체를 단순하게 시간축 방향으로 신축함으로써 반복 주파수를 바꾸는 방법이 생각된다. 그러나, 이 방법에서는, 주제트의 유속 파형에 크게 영향을 미치는 구동 주파수가 변동해 버리기 때문에, 상기한 바와 같이 펄스 액체 제트의 강도가 바뀌어 버린다. 그로 인해, 반복 주파수에 비례한 의도대로의 절삭 스피드가 얻어지지 않는다.

따라서, 주제트의 유속 파형에 착안하여, 이 주제트의 유속 파형에 의해 정해지는 몇 가지의 파라미터에 대해서 절삭 깊이 및 절삭 체적과의 상관을 검토하였다. 절삭 깊이나 절삭 체적과의 상관이 높은 파라미터가 찾아지면, 시술자의 조작 감각대로의 절삭 깊이나 절삭 체적을 달성하는데 최적의 구동 전압 파형으로 압전 소자(45)를 제어하는 것이 가능하게 되기 때문이다.

그 때문에, 우선, 액체 분사 개구부(61)에 있어서의 주제트의 유속 파형 v[m/s]에 기초하여, 액체 분사 개구부(61)를 통과하는 주제트의 질량 유속[㎏/s], 운동량 유속[N] 및 에너지 유속[W]에 대해서 검토하였다. 질량 유속은, 액체 분사 개구부(61)를 통과하는 액체의 단위 시간당의 질량[㎏/s]이다. 운동량 유속은, 액체 분사 개구부(61)를 통과하는 액체의 단위 시간당의 운동량[N]이다. 에너지 유속은, 액체 분사 개구부(61)를 통과하는 액체의 단위 시간당의 에너지[W]이다. 또한, 에너지란 운동에너지를 가리키고, 이하 「에너지」라고 약칭한다.

액체 분사 개구부(61)에서는 액체가 자유 공간에 해방되기 때문에, 압력을 거의 「0」이라고 간주할 수 있다. 또한, 액체의 제트 분사 방향과 직교하는 방향(액체 분사 개구부(61)의 직경 방향)의 속도에 대해서도 거의 「0」이라고 간주할 수 있다. 액체 분사 개구부(61)의 직경 방향에 있어서 액체의 속도 분포가 없다고 가정하면, 액체 분사 개구부(61)를 통과하는 질량 유속 Jm[㎏/s], 운동량 유속 Jp[N] 및 에너지 유속 Je[W]는, 다음 식(1), (2), (3)에서 구할 수 있다. S[㎡]는 노즐 단면적을 나타내고, ρ[㎏/㎥]는 작동 유체 밀도를 나타낸다.

Jm=S·ρ·v … (1)

Jp=S·ρ·v² … (2)

Je=1/2·ρ·S·v³ … (3)

도 4는, 도 3의 (b)에 도시한 주제트의 유속 파형으로부터 구한 질량 유속 Jm(a), 운동량 유속 Jp(b) 및 에너지 유속 Je(c)를 도시하는 도면이다. 이들 질량 유속 Jm, 운동량 유속 Jp 및 에너지 유속 Je 각각을 주제트의 유속 파형의 상승부터 하강까지의 시간(계속 시간) T 내에서 적분하면, 주제트로서 액체 분사 개구부(61)로부터 분사되는 액체의 질량, 운동량 및 에너지를 구할 수 있다.

상기한 요령으로 산출한 질량 유속 Jm, 운동량 유속 Jp, 에너지 유속 Je, 질량, 운동량 및 에너지의 각 값은, 펄스 1개분의 제트에 의한 절삭 깊이 및 절삭 체적을 결정지을 수 있다고 생각된다. 단, 모두 정상 유분을 포함한 물리량이며, 중요한 것은, 정상류의 기여분을 차감한 값이다.

따라서, 도 4의 (a)의 질량 유속 Jm에 관하여, 질량 유속 Jm의 피크값(최댓값)으로부터 정상류의 질량 유속 Jm_BG[㎏/s]을 감산한 최대 질량 유속 Jm_max[㎏/s]과, 주제트로서 액체 분사 개구부(61)로부터 유출되는 액체의 질량으로부터 정상 유분을 제외한 도 4의 (a) 중에 해칭을 하여나타내는 유출 질량 M[㎏]의 2개의 파라미터를 정의한다. 유출 질량 M은, 다음 식(4)로 표현된다.

[수학식 1]

도 4의 (b)의 운동량 유속 Jp에 대해서는, 운동량 유속 Jp의 피크값(최댓값)으로부터 정상류의 운동량 유속 Jp_BG[N]를 감산한 최대 운동량 유속 Jp_max[N]와, 주제트로서 액체 분사 개구부(61)로부터 유출되는 액체의 운동량으로부터 정상 유분을 제외한 도 4의 (b) 중에 해칭을 하여 나타내는 운동량 P[Ns]의 2개의 파라미터를 정의한다. 운동량 P는, 다음 식(5)로 표현된다.

[수학식 2]

도 4의 (c)의 에너지 유속 Je에 대해서는, 에너지 유속 Je의 피크값(최댓값)으로부터 정상류의 에너지 유속 Je_BG[W]를 감산한 최대 에너지 유속 Je_max[W]와, 주제트로서 액체 분사 개구부(61)로부터 유출되는 액체의 에너지로부터 정상 유분을 제외한 도 4의 (c) 중에 해칭을 하여 나타내는 에너지 E[J]의 2개의 파라미터를 정의한다. 에너지 E는, 다음 식(6)으로 표현된다.

[수학식 3]

단, 상기 식(4), (5), (6)에 있어서의 적분 구간은, 각 유속 파형에 있어서 주제트의 상승부터 하강까지의 시간(계속 시간) T이다.

그리고, 수치 시뮬레이션을 이용하여, 최대 질량 유속 Jm_max, 유출 질량 M, 최대 운동량 유속 Jp_max, 운동량 P, 최대 에너지 유속 Je_max 및 에너지 E의 6개의 파라미터가, 각각 절삭 깊이 및 절삭 체적과 어느 정도 상관되는지를 검토하였다.

여기서, 펄스 액체 제트는 유체이며, 절삭 대상물은 유연한 탄성체이다. 따라서, 펄스 액체 제트에 의한 절삭 대상물의 파괴 거동의 시뮬레이션을 행하기 위해서는, 유연 탄성체측에 적절한 파괴 역치를 설정한 후에, 소위 유체와 구조체(여기서는 유연 탄성체)와의 연성 해석(유체·구조 연성 해석(FSI))을 행해야만 한다. 시뮬레이션의 계산 방법으로서는, 예를 들어 유한 요소법(FEM: Finite Element Method)을 사용한 방법이나, SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 등으로 대표되는 입자법을 사용한 방법, 유한 요소법과 입자법을 조합한 방법 등을 들 수 있다. 적용하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니기 때문에 상세하게 설명하지 않지만, 해석 결과의 안정성이나 계산 시간 등을 고려해서 최적인 방법을 선택하고, 시뮬레이션을 행하였다.

시뮬레이션 시에, 유체 밀도=1[g/c㎥], 액체 분사 개구부(61)의 직경=0.15[㎜], 스탠드 오프 거리(액체 분사 개구부(61)로부터 절삭 대상물 표면까지의 거리)=0.5[㎜]로 설정하였다. 또한, 절삭 대상물을 표면이 평탄한 유연 탄성체라고 가정하고, 그 물리 모델로서, 밀도=1[g/c㎥], 영률 환산으로 9[㎪] 정도(전단 탄성률 환산으로 3[㎪] 정도)의 탄성률을 갖는 Mooney-Rivlin 초탄성체를 사용하였다. 파괴 역치에는, 편차 상당 왜곡=0.7을 사용하였다.

주제트의 유속 파형에 대해서는, 여러 가지 주제트의 유속 파형을 상정하고, 정현파, 삼각파 및 구형파의 3종류의 파형에 대해서, 진폭(유속의 최댓값)을 12[m/s] 내지 76[m/s]의 범위 내, 계속 시간을 63[㎲] 내지 200[㎲]의 범위 내에서 3종류 변경한 것을, 합계 27종류 준비하였다. 또한, 정상류의 유속은 1[m/s]로 하고 있다.

도 5는, 시뮬레이션에서 주제트의 유속 파형으로서 부여한 정현파(a), 구형파(b) 및 삼각파(c)를 도시하는 도면이며, 각각 실선으로 나타내는 계속 시간이 63[㎲]인 것과, 일점쇄선으로 나타내는 계속 시간이 125[㎲]인 것과, 이점쇄선으로 나타내는 계속 시간이 200[㎲]인 것을 준비하였다. 그리고, 준비한 파형을 주제트의 유속 파형으로서 부여해서 펄스 액체 제트를 생성하고, 상기한 유연 탄성체에 쏘았을 때의 유연 탄성체의 파괴 거동에 대해서 시뮬레이션을 행하여 절삭 깊이나 절삭 체적의 검토를 행하였다.

도 6은, 종축을 절삭 대상물의 절삭 깊이로 하고, 횡축을 최대 질량 유속 Jm_max(a), 유출 질량 M(b), 최대 운동량 유속 Jp_max(c), 운동량 P(d), 최대 에너지 유속 Je_max(e) 및 에너지 E(f)로 한 시뮬레이션의 결과를 플롯한 도면이다. 도 6 중, 주제트의 유속 파형으로서 계속 시간이 63[㎲]인 정현파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「*」의 플롯, 125[㎲]의 정현파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「◆」의 플롯, 200[㎲]의 정현파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「-」의 플롯으로 나타내고 있다. 또한, 주제트의 유속 파형으로서 계속 시간이 63[㎲]인 삼각파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「+」의 플롯, 125[㎲]의 삼각파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「×」의 플롯, 200[㎲]의 삼각파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「■」의 플롯으로 나타내고 있다. 또한, 주제트의 유속 파형으로서 계속 시간이 63[㎲]인 구형파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「●」의 플롯, 125[㎲]의 구형파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 흑색으로 채운 삼각형의 플롯, 200[㎲]의 구형파를 부여했을 때의 시뮬레이션 결과를 「-」의 플롯으로 나타내고 있다.

상단의 도 6의 (a), (c), (e)에 도시하는 바와 같이, 최대 질량 유속 Jm_max, 최대 운동량 유속 Jp_max 및 최대 에너지 유속 Je_max의 3개의 각 파라미터와 절삭 깊이와의 관계는, 주제트의 유속 파형으로서 부여한 파형의 형상에 따라 크게 변동되고 있고, 양쪽의 상관은 낮은 것을 알았다. 특히 질량 유속은, 유속에 비례하는 값인 점에서, 절삭 깊이는 주제트의 최대 유속만으로부터는 결정되지 않는 것을 시사하고 있다.

이어서, 하단의 도 6의 (b), (d), (f)에 도시하는 유출 질량 M, 운동량 P 및 에너지 E의 3개의 각 파라미터와 절삭 깊이와의 관계를 보면, 유출 질량 M과 절삭 깊이와의 관계에 대해서는, 주제트의 유속 파형으로서 부여한 파형의 형상에 따라 크게 변동되고 있고, 상관이 낮다. 이에 비해, 운동량 P나 에너지 E와의 관계에서는, 부여한 파형의 형상에 따른 변동은 작고, 각 플롯이 대략 동일 곡선 상에 분포되어 있다. 운동량 P와 에너지 E에서는, 운동량 P 쪽이 보다 편동이 작다. 따라서, 절삭 깊이는 운동량 P나 에너지 E와 상관이 높고, 특히 운동량 P와 잘 상관된다고 할 수 있다.

또한, 여기서는 액체 분사 개구부의 직경을 0.15[㎜], 스탠드 오프 거리를 0.5[㎜]로 한 경우에 대해서 시뮬레이션을 행하고 있지만, 다른 액체 분사 개구부 직경이나 다른 스탠드 오프 거리에 있어서도 시뮬레이션을 행하여, 절삭 깊이가 운동량 P나 에너지 E와 상관이 높다는 정성적인 경향은 크게 변하지 않은 것을 확인하였다.

도 7은, 종축을 절삭 대상물의 절삭 체적으로 하고, 횡축을 최대 질량 유속 Jm_max(a), 유출 질량 M(b), 최대 운동량 유속 Jp_max(c), 운동량 P(d), 최대 에너지 유속 Je_max(e) 및 에너지 E(f)로서 시뮬레이션한 결과를 플롯한 도면이다. 주제트의 유속 파형으로서 부여한 파형과 플롯의 종류와의 관계는 도 6과 마찬가지이다.

상단의 도 7의 (a), (c), (e)에 도시하는 바와 같이, 최대 질량 유속 Jm_max, 최대 운동량 유속 Jp_max 및 최대 에너지 유속 Je_max의 3개의 각 파라미터와 절삭 체적과의 관계는, 절삭 깊이와의 관계만큼은 아니지만, 주제트의 유속 파형으로서 부여한 파형의 형상에 따라 변동되고 있고, 양쪽의 상관은 낮다고 생각된다.

이어서, 하단의 도 7의 (b), (d), (f)에 도시하는 유출 질량 M, 운동량 P 및 에너지 E의 3개의 각 파라미터와 절삭 체적과의 관계를 보면, 유출 질량 M과 절삭 체적과의 관계에 대해서는, 절삭 깊이와 마찬가지로 주제트의 유속 파형으로서 부여한 파형의 형상에 따라 크게 변동되고 있고, 상관이 낮다. 한편, 운동량 P나 에너지 E와의 관계에서는, 절삭 깊이와 마찬가지로 부여한 파형의 형상에 따른 변동은 작고, 각 플롯이 대략 동일 직선 상에 분포되어 있다. 또한, 운동량 P와 비교해서 에너지 E 쪽이 보다 변동이 작다. 따라서, 절삭 체적은 운동량 P나 에너지 E와 상관이 높고, 특히 에너지 E와 잘 상관된다고 할 수 있다.

또한, 여기서는 액체 분사 개구부의 직경을 0.15[㎜], 스탠드 오프 거리를 0.5[㎜]로 한 경우에 대해서 시뮬레이션을 행하고 있지만, 다른 액체 분사 개구부 직경이나 다른 스탠드 오프 거리에 있어서도 시뮬레이션을 행하여, 절삭 체적이 운동량 P나 에너지 E와 상관이 높다는 정성적인 경향은 크게 변하지 않은 것을 확인하였다.

이상의 검토 결과에 기초하여, 본 실시 형태에서는, 운동량 P에 착안한다. 그리고, 실제로 압전 소자(45)에 인가하는 구동 전압 파형으로서 대표적인 것에 대해서 사전에 시뮬레이션을 행하여, 운동량 P와, 구동 주파수, 전압 진폭 및 반복 주파수와의 대응 관계를 취득해 둔다.

이를 위해서, 우선, 제어 파라미터를 가변으로 설정해서 주제트의 유속 파형을 시뮬레이션에 의해 구하였다. 시뮬레이션은, 예를 들어 액체 분사 장치의 유로계를, 유체(유로) 저항, 유체 이너튼스, 유체 컴플리언스 등으로 치환한 모델에 기초하는, 등가 회로법에 의한 수치 시뮬레이션을 이용해서 용이하게 행할 수 있다. 또는, 보다 정밀도를 필요로 하면, 유한 요소법(FEM)이나 유한 체적법(FVM) 등을 사용한 유체 시뮬레이션을 이용해도 된다.

첫째로, 전압 진폭 및 반복 주파수를 고정하고, 구동 주파수를 단계적으로 바꾼 구동 전압 파형을 부여해서 주제트의 유속 파형을 시뮬레이션에 의해 구하였다. 도 8의 (a)는, 부여한 구동 전압 파형의 일례를 도시하는 도면이다. 각 구동 전압 파형은, 전압 진폭을 V2, 반복 주기 Tp를 T2라고 하고, 상승 시간 Tpr을 T21 내지 T25까지 단계적으로 길게(구동 주파수를 단계적으로 낮게) 한 것이다.

도 8의 (b)는 도 8의 (a)에 도시한 구동 주파수가 상이한 각 구동 전압 파형을 부여한 경우의 주제트의 유속 파형의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 구동 주파수를 낮게(상승 시간 Tpr로 말하면 길게) 하면, 주제트의 유속 파형은, 상승의 개시 타이밍은 바뀌지 않고 상승되는 동안의 계속 시간이 길어지고, 유속 진폭(유속의 최댓값)도 작아진다.

둘째로, 구동 주파수 및 반복 주파수를 고정하고, 전압 진폭을 단계적으로 바꾼 구동 전압 파형을 부여해서 주제트의 유속 파형을 시뮬레이션에 의해 구하였다. 도 9의 (a)는, 부여한 구동 전압 파형의 일례를 도시하는 도면이다. 각 구동 전압 파형은, 상승 시간 Tpr을 T31, 반복 주기 Tp를 T33이라고 하고, 전압 진폭을 V31 내지 V35까지 단계적으로 작게 한 것이다.

도 9의 (b)는 도 9의 (a)에 도시한 전압 진폭이 상이한 구동 전압 파형을 부여한 경우의 주제트의 유속 파형의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 9의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전압 진폭을 작게 하면, 주제트의 유속 파형은, 구동 주파수를 낮게 한 경우와 달리 구동되는 동안의 계속 시간은 유지한 상태로, 유속 진폭(유속의 최댓값)이 작아진다.

셋째로, 구동 주파수 및 전압 진폭을 고정하고, 반복 주파수를 단계적으로 바꾼 구동 전압 파형을 부여해서 주제트의 유속 파형을 시뮬레이션에 의해 구하였다. 도 10의 (a)는, 부여한 구동 전압 파형의 일례를 도시하는 도면이다. 각 구동 전압 파형은, 상승 시간 Tpr을 T4, 전압 진폭을 V4라고 하고, 구동 전압이 최대 전압까지 상승한 후의 하강 형상을 시간축 방향으로 확장함으로써 반복 주기 Tp를 T41 내지 T45까지 단계적으로 길게(반복 주파수를 단계적으로 낮게) 한 것이다.

도 10의 (b)는 도 10의 (a)에 도시한 반복 주파수가 상이한 구동 전압 파형을 부여한 경우의 주제트의 유속 파형의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이, 반복 주파수를 낮게(반복 주기 Tp로 말하면 길게) 하면, 주제트의 유속 파형은, 구동 주파수를 낮게 한 경우와 비교하면 정도는 작지만, 계속 시간이 길어진다. 유속 진폭(유속의 최댓값)은 유지한 상태로 였다.

계속해서, 얻어진 주제트의 유속 파형 각각에 대해서 운동량 P를 구하였다. 상세하게는, 도 10을 참조하여 설명한 요령으로 반복해서 주파수를 바꾸면서, 각각의 반복 주파수마다, 도 8을 참조하여 설명한 요령으로 전압 진폭을 고정하고 구동 주파수를 바꾼 경우의 시뮬레이션과, 도 9를 참조하여 설명한 요령으로 구동 주파수를 고정하고 전압 진폭을 바꾼 경우의 시뮬레이션을 행하였다. 그리고, 각 시뮬레이션에서 얻어진 주제트의 유속 파형의 운동량 P를 구하였다.

도 11은, 소정의 반복 주파수(예를 들어 「F51」이라고 표기함)에서 얻어진 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계를 도시하는 도면이다. 이 도 11은, 종축을 구동 주파수로 하고, 횡축을 전압 진폭으로 하는 좌표 공간에 운동량 P에 관한 등고선을 그림으로써 얻어진다. 각 등고선의 운동량 P51, P52, …은, 도 11의 좌측 하방이 낮게 되어 있고, 우측 상단을 향할수록, 소정량씩 커지고 있다. 또한, 도시하지 않지만, 별도의 반복 주파수에서 얻어진 운동량 P를 마찬가지의 좌표 공간에 플롯해서 등고선을 그리면, 그 반복 주파수에서의 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계에 따른 등고선도가 얻어진다.

여기서, 주목해야 하는 것은, 각 좌표축 방향의 파라미터에 대하여 운동량 P는 선형적으로 변화되지 않는 것이다. 예를 들어, 도 11에 도시하는 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계에 있어서, 전압 진폭을 고정(예를 들어 V5)으로 하고 구동 주파수를 가변으로 해서 압전 소자(45)의 구동 전압 파형을 제어하는 경우를 생각한다. 운동량 P의 변화량을 일정하게 하고자 하는 경우, 운동량 P52~P53 사이는 구동 주파수 f52~f53 사이의 주파수 변화가 필요해지고, 운동량 P53~P54 사이는 구동 주파수 f53~f54 사이의 주파수 변화가 필요해진다. 그러나, 구동 주파수 f52~f53의 주파수 간격과, 구동 주파수 f53~f54의 주파수 간격은 상이하다. 이 현상은 운동량 P가 커짐에 따라서 현저하게 나타난다. 따라서, 전압 진폭을 고정하고 하고, 구동 주파수를 일정량씩 변화시키는 조작을 하는 경우에, 운동량 P가 생각한 것처럼 변화되지 않기 때문에, 절삭 깊이나 절삭 체적이 시술자의 의도대로·감각대로 변화되지 않는다는 사태가 일어날 수 있다고 할 수 있다. 구동 주파수를 고정으로 하고, 전압 진폭을 일정량씩 변화시키는 조작을 하는 경우에도 마찬가지이다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 수술중에 시술자가 행하는 조작으로서, 적어도 운동량 P의 증감 조작과, 반복 주파수의 증감 조작을 접수하는 것으로 하고, 상기와 같이 반복 주파수마다 얻어진 등고선도에 따라, 반복 주파수마다의 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계를 미리 테이블화해 둔다. 그리고, 수술중에는, 시술자에 의한 운동량 P의 증감 조작 및 반복 주파수의 증감 조작에 따라, 지시된 반복 주파수에 관한 대응 관계로부터 지시된 운동량 P에 대응하는 구동 주파수 및 전압 진폭을 특정하여, 압전 소자(45)의 구동을 제어한다.

(실시예 1)

우선, 실시예 1에 대해서 설명한다. 도 12는, 실시예 1에 있어서의 액체 분사 제어 장치(70-1)가 구비하는 조작 패널(80-1)을 도시하는 도면이다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 조작 패널(80-1)에는, 제1 조작부로서의 운동량 다이얼(811)과, 제2 조작부로서의 반복 주파수 다이얼(813)과, 전원 버튼(82)과, 분사 버튼(84)과, 펌프 구동 버튼(85)과, 액정 모니터(87)가 배치되어 있다.

운동량 다이얼(811)은, 제1 지시값으로서의 운동량 P의 지시값(운동량 지시값)을 입력하기 위한 것이고, 예를 들어 「1」 내지 「5」의 눈금이 그어진 5단계의 다이얼 위치가 선택 가능하게 구성되어 있다. 시술자는, 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치를 전환함으로써, 운동량 P를 5단계로 증감 조작한다. 다이얼 각 위치에는, 예를 들어 대응하는 눈금의 수치에 비례해서 일정량씩 커지도록 미리 운동량 지시값이 할당되어 있다. 또한, 다이얼 위치의 단계수는 5단계에 한정되는 것이 아니라, 「대」「중」「소」의 3단계로 하거나, 무단계의 조정을 가능하게 하는 등, 적절히 설정해도 된다.

반복 주파수 다이얼(813)은, 제2 지시값으로서의 반복 주파수의 지시값(반복 주파수 지시값)을 입력하기 위한 것이고, 운동량 다이얼(811)과 마찬가지로 예를 들어 「1」 내지 「5」의 5단계의 다이얼 위치가 선택 가능하게 구성되어 있다. 또한, 반복 주파수 다이얼(813)은, 시술자가 주로 운동량 P의 증감 조작을 행하는 것을 상정하고, 반복 주파수 다이얼(813)에 대한 조작의 유효/무효를 전환하기 위한 액티베이트 스위치를 구비한 구성으로 해도 된다. 시술자는, 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치를 전환함으로써, 압전 소자(45)에 반복해서 인가되는 구동 전압 파형의 반복 주파수(예를 들어 수십[㎐] 내지 수백[㎐])를 5단계로 증감 조작한다. 다이얼 각 위치에는, 예를 들어 대응하는 눈금의 수치에 비례해서 일정량씩 높아지도록 미리 반복 주파수 지시값이 할당되어 있다. 또한, 다이얼 위치의 단계수는 5단계에 한정되는 것이 아니라, 단수는 적절히 설정해도 된다. 또한, 운동량 다이얼(811)과 상이한 단수이어도 된다.

이와 같이, 실시예 1에서는, 수술중에 시술자가 행하는 조작을, 운동량 다이얼(811)을 사용한 운동량 P의 증감 조작과, 반복 주파수 다이얼(813)을 사용한 반복 주파수의 증감 조작의 2가지로 한다. 그리고, 전압 진폭에 대해서는 고정으로 하고, 반복 주파수마다 소정의 전압 진폭에서의 운동량 P와 구동 주파수와의 대응 관계를 미리 테이블화해 둔다. 예를 들어, 전압 진폭을 도 11에 도시하는 V5로 하는 경우이면, 각 등고선과의 교점 A52, A53, …에 있어서의 구동 주파수 f52, f53, …을 해당하는 등고선의 운동량 P52, P53, …과 대응짓고, 전압 진폭을 V5로 해서 반복 주파수 F51에 관한 데이터 테이블을 작성한다. 그 밖의 반복 주파수에 대해서도 마찬가지의 요령으로 각각 데이터 테이블을 작성한다.

또한, 여기서는, 전압 진폭을 고정으로 해서 데이터 테이블을 작성하는 것으로 하였다. 이에 비해, 예를 들어 도 11에 도시하는 좌표 공간 내에 기준선을 정하고, 기준선이 운동량 P의 각 등고선과 교차하는 각 교점에 있어서의 구동 주파수 및 전압 진폭을 취득해서 테이블화해도 된다. 예를 들어, 도 11 중에 파선으로 나타내는 직선을 기준선으로 하는 경우이면, 각 등고선과의 교점에 있어서의 구동 주파수 및 전압 진폭을, 해당하는 등고선의 운동량 P51, P52, …과 대응지어서 데이터 테이블을 작성하는 것으로 해도 된다. 또한, 도 11 중에 파선으로 나타낸 기준선은, 직선이 아니고, 예를 들어 곡선이어도 된다.

그리고, 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치 1, 2, …의 각각에, 운동량 지시값으로서, 각 등고선의 운동량 P51, P52, …을 작은 순서대로 할당해 둔다. 이것에 의하면, 운동량 다이얼(811)을 1눈금 움직이게 했을 때의 운동량 P의 변화량을 동일 정도로 할 수 있다.

한편, 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치 1, 2, … 각각에는, 반복 주파수 지시값으로서, 상기 데이터 테이블을 작성한 각 반복 주파수를 낮은 값부터 순서대로 할당해 둔다. 예를 들어, 운동량 다이얼(811)은 움직이게 하지 않고 반복 주파수 다이얼(813)의 눈금을 움직이게 하면, 운동량 P를 바꾸지 않고 절삭 스피드를 조정할 수 있다.

전원 버튼(82)은, 전원의 ON/OFF를 전환하기 위한 것이다. 분사 버튼(84)은, 펄스 액체 제트의 분사 개시 및 분사 정지를 전환하기 위한 것이고, 도 1에 도시한 분사 페달(83)과 마찬가지의 기능을 제공한다. 펌프 구동 버튼(85)은, 송액 펌프 장치(20)로부터 액체 분사 장치(30)에의 액체의 공급 개시 및 공급 정지를 전환하기 위한 것이다.

또한, 조작 패널(80-1)에 있어서, 액정 모니터(87)에는, 운동량 P 즉 펄스 1개분의 주제트의 운동량[μNs] 851과, 반복 주파수[㎐] 853과, 이들을 곱한 단위 시간당의 운동량, 즉 힘[mN] 855를 표시한 표시 화면이 표시되고, 각 값(이하 포괄해서 「운동량 정보」라고 함)의 현재값이 갱신 표시된다. 여기서, 주제트 운동량(851)에 표시되는 것은 운동량 지시값의 현재값이며, 반복 주파수(853)에 표시되는 것은 반복 주파수 지시값이다. 이 표시 화면에 의해, 수술중, 시술자는, 액체 분사 개구부(61)로부터 분사되는 펄스 액체 제트에 관한 운동량 P나 반복 주파수나 단위 시간당의 운동량(힘) 등의 현재값을 파악하면서 작업할 수 있다.

또한, 수술중의 표시 화면에는, 도 12와 같이 운동량 P, 반복 주파수 및 단위 시간당의 운동량의 3개를 모두 표시할 필요는 없고, 운동량 PE 및 반복 주파수 중 적어도 한쪽을 표시하는 구성이면 된다. 또한, 운동량 P나 반복 주파수 등에 더하여, 현재의 구동 주파수(또는 상승 시간 Tpr)나 전압 진폭 중 적어도 한쪽, 또는 양쪽을 함께 표시시켜도 된다. 또한, 각 값의 표시는, 도 12에 도시한 수치의 표시에 의해 행하는 경우에 한하지 않고, 미터 표시에 의해 행해도 되고, 또는 펄스 액체 제트의 분사 개시부터의 증감 조작에 수반하는 운동량 P나 반복 주파수 등의 변화를 그래프 표시하는 것으로 해도 된다.

도 13은, 실시예 1에 있어서의 액체 분사 제어 장치의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 액체 분사 제어 장치(70-1)는, 조작부(71)와, 표시부(73)와, 제어부(75)와, 기억부(77)를 구비한다.

조작부(71)는, 버튼 스위치나 레버 스위치, 다이얼 스위치, 페달 스위치 등의 각종 스위치, 터치 패널, 트랙 패드, 마우스 등의 입력 장치에 의해 실현되는 것이며, 조작 입력에 따른 조작 신호를 제어부(75)에 출력한다. 이 조작부(71)는, 운동량 다이얼(811)과, 반복 주파수 다이얼(813)을 구비한다. 또한, 조작부(71)는, 도시하지 않지만, 도 1의 분사 페달(83), 도 12에 도시한 조작 패널(80-1) 상의 전원 버튼(82)이나 분사 버튼(84), 펌프 구동 버튼(85)을 포함한다.

표시부(73)는, LCD(Liquid Crystal Display)나 EL 디스플레이(Electroluminescence display) 등의 표시 장치에 의해 실현되는 것이며, 제어부(75)로부터 입력되는 표시 신호를 바탕으로 도 12에 도시한 표시 화면 등의 각종 화면을 표시한다. 예를 들어, 도 12의 액정 모니터(87)가 이것에 해당한다.

제어부(75)는, CPU(Central Processing Unit)나 DSP(Digital Signal Processor) 등의 마이크로프로세서, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등의 제어 장치 및 연산 장치에 의해 실현되는 것이며, 액체 분사 시스템(1)의 각 부를 통괄적으로 제어한다. 이 제어부(75)는, 압전 소자 제어부(751)와, 펌프 제어부(756)와, 표시 제어부로서의 운동량 표시 제어부(757)를 구비한다. 또한, 제어부(75)를 구성하는 각 부는, 전용의 모듈 회로 등의 하드웨어로 구성하는 것으로 해도 된다.

압전 소자 제어부(751)는, 상승 지표값 설정부로서의 구동 주파수 설정부(752)와, 전압 진폭 설정부(753)와, 반복 주파수 설정부(754)를 구비하고, 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치와, 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치에 따라, 구동 주파수 설정부(752)가 구동 전압 파형의 구동 주파수를, 전압 진폭 설정부(753)가 구동 전압 파형의 전압 진폭을, 반복 주파수 설정부(754)가 구동 전압 파형의 반복 주파수를 각각 설정한다.

이 압전 소자 제어부(751)는, 각 부(752, 753, 754)가 설정한 구동 주파수, 전압 진폭 및 반복 주파수에 따라서 구동 전압 파형을 설정하고, 설정한 파형의 구동 신호를 압전 소자(45)에 인가시키는 제어를 행한다. 그 때, 압전 소자 제어부(751)는, 상승 형상 설정부로서, 반복 주파수가 반복 주파수 설정부(754)에 의해 반복 주파수 지시값으로서 설정된 주파수가 되도록, 도 10의 (a)에 도시한 요령으로 구동 전압 파형의 하강 부분의 파형 형상(하강 파형)을 가변으로 설정한다.

펌프 제어부(756)는, 송액 펌프 장치(20)에 구동 신호를 출력해서 송액 펌프 장치(20)를 구동한다. 운동량 표시 제어부(757)는, 선택중인 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치에 할당된 운동량 지시값(즉, 운동량 P의 현재값)과, 선택중인 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치에 할당된 반복 주파수 지시값(즉, 반복 주파수의 현재값)과, 이들을 곱해서 구한 단위 시간당의 운동량을 표시부(73)에 표시하는 제어를 행한다.

기억부(77)는, ROM(Read Only Memory)이나 플래시 ROM, RAM(Random Access Memory) 등의 각종 IC(Integrated Circuit) 메모리나 하드 디스크 등의 기억 매체에 의해 실현되는 것이다. 기억부(77)에는, 액체 분사 시스템(1)을 동작시키고, 이 액체 분사 시스템(1)이 구비하는 여러 가지 기능을 실현하기 위한 프로그램이나, 이 프로그램의 실행 중에 사용되는 데이터 등이 미리 기억되거나, 또는 처리 시마다 일시적으로 기억된다.

또한, 기억부(77)에는, 운동량 변환 테이블(771)이 기억된다. 이 운동량 변환 테이블(771)은, 도 11을 참조하여 상기 반복 주파수마다의 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계를 설정한 데이터 테이블이다.

도 14는, 운동량 변환 테이블(771)의 데이터 구성예를 도시하는 도면이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 운동량 변환 테이블(771)은, 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치(눈금)와, 그 다이얼 위치에 할당된 반복 주파수 지시값과, 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치와, 그 다이얼 위치에 할당된 운동량 지시값과, 구동 주파수와, 전압 진폭이 대응지어진 데이터 테이블이며, 반복 주파수마다, 소정의 전압 진폭 V_001에서의 운동량 P와 구동 주파수와의 대응 관계가 설정되어 있다.

이 운동량 변환 테이블(771)을 참조하여, 구동 주파수 설정부(752)는, 선택중인 운동량 다이얼(811) 및 반복 주파수 다이얼(813)의 각 다이얼 위치의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독해서 설정함과 함께, 운동량 다이얼(811) 및 반복 주파수 다이얼(813) 중 어느 하나가 조작된 경우에, 각 다이얼(811, 813)의 다이얼 위치의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독해서 그 설정을 갱신한다. 전압 진폭 설정부(753)는, 전압 진폭을 V_001로서 고정적으로 설정한다.

반복 주파수 설정부(754)는, 선택중인 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치에 대응하는 반복 주파수 지시값을 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독해서 반복 주파수를 설정함과 함께, 반복 주파수 다이얼(813)이 조작된 경우에, 선택된 다이얼 위치의 반복 주파수 지시값을 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독해서 반복 주파수의 설정을 갱신한다.

[처리의 흐름]

도 15는, 펄스 액체 제트의 분사 시에 제어부(75)가 행하는 처리의 흐름을 도시하는 흐름도이다. 우선, 펌프 제어부(756)가 송액 펌프 장치(20)를 구동하고, 압전 소자 제어부(751)가 압전 소자(45)를 구동해서 펄스 액체 제트의 분사를 개시한다(스텝 S111). 이때, 구동 주파수 설정부(752)는, 선택중인 운동량 다이얼(811) 및 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치를 취득하고, 그 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독해서 설정한다. 또한, 전압 진폭 설정부(753)는, 고정값으로서 운동량 변환 테이블(771)에 설정되어 있는 전압 진폭을 판독해서 설정한다. 또한, 반복 주파수 설정부(754)는, 선택중인 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치에 할당된 반복 주파수 지시값을 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 반복 주파수를 설정한다. 그리고, 압전 소자 제어부(751)는, 그들 구동 주파수, 전압 진폭 및 반복 주파수에 따라서 구동 전압 파형을 설정하고, 설정한 구동 전압 파형의 구동 신호를 압전 소자(45)에 인가한다.

또한, 운동량 표시 제어부(757)가, 운동량 정보를 표시부(73)에 표시시키는 제어를 행한다(스텝 S113). 예를 들어, 운동량 표시 제어부(757)는, 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치에 할당된 운동량 지시값을 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 스텝 S111에서 판독한 반복 주파수 지시값과의 곱인 단위 시간당의 운동량을 산출한다. 그리고, 운동량 표시 제어부(757)는, 이들 운동량 지시값, 반복 주파수 지시값 및 단위 시간당의 운동량을 운동량 정보로서 표시한 표시 화면을 표시부(73)에 표시 처리한다. 또한, 단위 시간당의 운동량에 대해서는, 운동량 정보의 표시 제어 시에 산출하는 구성에 한하지 않고, 운동량 변환 테이블(771)에 설정해 두거나 해서 그것을 판독하는 구성으로 해도 된다.

그 후는 제어부(75)는, 분사 페달(83)이나 분사 버튼(84)의 조작에 의해 펄스 액체 제트의 분사를 종료한다고 판정할 때까지의 동안에(스텝 S133: NO), 스텝 S115에 있어서 운동량 다이얼(811)의 조작을 감시함과 함께, 스텝 S123에 있어서 반복 주파수 다이얼(813)의 조작을 감시한다.

그리고, 운동량 다이얼(811)이 조작된 경우에는(스텝 S115: YES), 구동 주파수 설정부(752)가, 선택된 다이얼 위치와 선택중인 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치와의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 구동 주파수의 설정을 갱신한다(스텝 S117). 그 후, 압전 소자 제어부(751)는, 설정한 반복 주파수, 구동 주파수 및 전압 진폭에 따라서 구동 전압 파형을 설정하고, 설정한 구동 전압 파형의 구동 신호를 압전 소자(45)에 인가한다(스텝 S119).

또한, 운동량 표시 제어부(757)가, 선택된 다이얼 위치에 할당된 운동량 지시값을 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 표시부(73)의 표시를 갱신하는 제어를 행한다(스텝 S121).

한편, 반복 주파수 다이얼(813)이 조작된 경우에는(스텝 S123: YES), 반복 주파수 설정부(754)가, 선택된 다이얼 위치에 할당된 반복 주파수 지시값을 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 반복 주파수의 설정을 갱신한다(스텝 S125). 계속해서, 구동 주파수 설정부(752)가, 선택된 다이얼 위치와 선택중인 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치와의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 구동 주파수의 설정을 갱신한다(스텝 S127). 그 후, 압전 소자 제어부(751)는, 설정한 반복 주파수, 구동 주파수 및 전압 진폭에 따라서 구동 전압 파형을 설정하고, 설정한 구동 전압 파형의 구동 신호를 압전 소자(45)에 인가한다(스텝 S129).

또한, 운동량 표시 제어부(757)가, 선택된 다이얼 위치에 할당된 반복 주파수를 운동량 변환 테이블(771)로부터 판독하고, 표시부(73)의 표시를 갱신하는 제어를 행한다(스텝 S131).

이 실시예 1에 의하면, 반복 주파수마다 소정의 전압 진폭에서의 운동량 P와 구동 주파수와의 대응 관계를 미리 설정해 두고, 이 대응 관계에 기초하여, 조작 감각대로의 절삭 깊이 및 절삭 체적을 달성하는데 최적의 구동 주파수를 설정해서 압전 소자(45)의 구동 전압 파형을 제어할 수 있다. 예를 들어, 운동량 다이얼(811)을 1눈금 움직이게 하면, 눈금 간격에 상당하는 분만큼 운동량 P가 변화되기 때문에, 유저의 의도나 조작 감각에 적합한 절삭 깊이나 절삭 체적을 실현할 수 있어, 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.

또한, 운동량 P가 운동량 지시값이 되도록 반복 주파수를 증감시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어 운동량 다이얼(811)의 눈금은 움직이게 하지 않고 반복 주파수 다이얼(813)의 눈금만을 움직이게 하면, 펄스 1개분의 펄스 액체 제트에 의한 절삭 깊이나 절삭 체적을 일정하게 유지한 상태로, 반복 주파수에 비례하는 의도대로의 절삭 스피드로 조정할 수 있어, 사용 편의성의 향상이 도모된다.

(실시예 2)

이어서, 실시예 2에 대해서 설명한다. 실시예 1과 마찬가지의 부분에는 동일한 부호를 부여한다. 도 16은, 실시예 2에 있어서의 액체 분사 제어 장치(70-2)가 구비하는 조작 패널(80-2)을 도시하는 도면이다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 조작 패널(80-2)에는, 운동량 다이얼(811)과, 반복 주파수 다이얼(813)과, 제3 조작부로서의 전압 진폭 다이얼(815a)과, 전원 버튼(82)과, 분사 버튼(84)과, 펌프 구동 버튼(85)과, 액정 모니터(87)가 배치되어 있다.

전압 진폭 다이얼(815a)은, 제3 지시값으로서의 전압 진폭의 지시값(전압 진폭 지시값)을 입력하기 위한 것이고, 예를 들어 「1」 내지 「5」의 눈금이 그어진 5단계의 다이얼 위치가 선택 가능하게 구성되어 있다. 이 전압 진폭 다이얼(815a)도, 반복 주파수 다이얼(813)과 마찬가지로 액티베이트 스위치를 구비한 구성으로 해도 된다. 시술자는, 전압 진폭 다이얼(815a)의 다이얼 위치를 전환함으로써, 전압 진폭을 5단계로 증감 조작한다. 다이얼 각 위치에는, 대응하는 눈금의 수치에 비례해서 일정량씩 커지도록 미리 전압 진폭 지시값이 할당되어 있다. 또한, 다이얼 위치의 단계수는 5단계에 한정되는 것이 아니라, 단수는 적절히 설정해도 된다. 또한, 운동량 다이얼(811)이나 반복 주파수 다이얼(813)과 상이한 단수이어도 된다.

이와 같이, 실시예 2에서는, 수술중에 시술자가 행하는 조작을, 운동량 다이얼(811)을 사용한 운동량 P의 증감 조작과, 반복 주파수 다이얼(813)을 사용한 반복 주파수의 증감 조작과, 전압 진폭 다이얼(815a)을 사용한 전압 진폭의 증감 조작의 3가지로 하고, 반복 주파수마다 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계를 미리 테이블화해 둔다.

도 11에 도시하는 운동량 P53에 착안하면, 예를 들어 전압 간격을 등간격으로 한 전압 진폭 V61, V62, …와, 그 등고선과의 교점 A61, A62, …에 있어서의 구동 주파수 f61, f62, …를 대응지어서 데이터 테이블을 작성한다. 그리고, 전압 진폭 다이얼(815a)의 다이얼 위치 1, 2, … 각각에, 전압 진폭 지시값으로서, 전압 진폭 V65, V64, …를 순서대로 할당해 둔다.

도 17은, 실시예 2에 있어서의 액체 분사 제어 장치의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 액체 분사 제어 장치(70-2)는, 조작부(71a)와, 표시부(73)와, 제어부(75a)와, 기억부(77a)를 구비한다.

조작부(71a)는, 운동량 다이얼(811)과, 반복 주파수 다이얼(813)과, 전압 진폭 다이얼(815a)을 구비한다.

또한, 제어부(75a)는, 압전 소자 제어부(751a)와, 펌프 제어부(756)와, 운동량 표시 제어부(757)를 구비한다. 압전 소자 제어부(751a)는, 구동 주파수 설정부(752a)와, 전압 진폭 설정부(753a)와, 반복 주파수 설정부(754)를 구비한다.

기억부(77a)에는, 운동량 변환 테이블(771a)이 기억된다. 도 18은, 실시예 2에 있어서의 운동량 변환 테이블(771a)의 데이터 구성예를 도시하는 도면이다. 도 18에 도시하는 바와 같이, 운동량 변환 테이블(771a)은, 반복 주파수 다이얼(813)의 다이얼 위치(눈금)와, 그 다이얼 위치에 할당된 반복 주파수 지시값과, 운동량 다이얼(811)의 다이얼 위치와, 그 다이얼 위치에 할당된 운동량 지시값과, 전압 진폭 다이얼(815a)의 다이얼 위치와, 그 다이얼 위치에 할당된 전압 진폭 지시값과, 구동 주파수가 대응지어진 데이터 테이블이며, 반복 주파수마다, 운동량 P와, 전압 진폭과, 구동 주파수와의 대응 관계가 설정되어 있다.

이 운동량 변환 테이블(771a)을 참조하여, 구동 주파수 설정부(752a)는, 선택중인 운동량 다이얼(811), 반복 주파수 다이얼(813) 및 전압 진폭 다이얼(815a)의 각 다이얼 위치의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독해서 설정함과 함께, 운동량 다이얼(811), 반복 주파수 다이얼(813) 및 전압 진폭 다이얼(815a) 중 어느 하나가 조작된 경우에, 각 다이얼(811, 813, 815a)의 다이얼 위치의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독해서 그 설정을 갱신한다. 전압 진폭 설정부(753a)는, 선택중인 전압 진폭 다이얼(815a)의 다이얼 위치에 대응하는 전압 진폭 지시값을 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독해서 전압 진폭 주파수를 설정함과 함께, 전압 진폭 다이얼(815a)이 조작된 경우에, 선택된 다이얼 위치의 전압 진폭 지시값을 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독해서 전압 진폭의 설정을 갱신한다.

[처리의 흐름]

도 19는, 펄스 액체 제트의 분사 시에 제어부(75a)가 행하는 처리의 흐름을 도시하는 흐름도이다. 또한, 도 15와 마찬가지의 처리 공정에는, 동일한 번호를 부여한다.

실시예 2에서는, 스텝 S111에 있어서, 전압 진폭 설정부(753a)가, 선택중인 전압 진폭 다이얼(815a)의 다이얼 위치에 할당된 전압 진폭 지시값을 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독하고, 전압 진폭을 설정한다.

또한, 스텝 S233에 있어서 전압 진폭 다이얼(815a)의 조작을 감시한다. 그리고, 전압 진폭 다이얼(815a)이 조작된 경우에는(스텝 S233: YES), 전압 진폭 설정부(753a)가, 선택된 다이얼 위치에 할당된 전압 진폭 지시값을 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독하고, 전압 진폭의 설정을 갱신한다(스텝 S235). 계속해서, 구동 주파수 설정부(752a)가, 선택된 다이얼 위치와, 선택중인 운동량 다이얼(811) 및 전압 진폭 다이얼(815a)의 각 다이얼 위치와의 조합에 대응하는 구동 주파수를 운동량 변환 테이블(771a)로부터 판독하고, 구동 주파수의 설정을 갱신한다(스텝 S237). 그 후, 압전 소자 제어부(751a)는, 설정한 반복 주파수, 구동 주파수 및 전압 진폭을 따라서 구동 전압 파형을 설정하고, 설정한 구동 전압 파형의 구동 신호를 압전 소자(45)에 인가한다(스텝 S239).

이 실시예 2에 의하면, 미리 반복 주파수마다 운동량 P와 구동 주파수 및 전압 진폭과의 대응 관계를 설정해 두고, 전압 진폭을 증감시켜도, 운동량 P가 운동량 지시값이 되도록 압전 소자(45)의 구동 전압 파형을 제어할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 운동량 다이얼(811)에 의해 운동량 P를 단계적으로 증감 조작하는 경우나, 반복 주파수 다이얼(813)에 의해 반복 주파수를 단계적으로 증감 조작하는 경우, 전압 진폭 다이얼(815a)에 의해 전압 진폭을 단계적으로 증감 조작하는 경우를 설명하였다. 이에 비해, 각 다이얼(811, 813, 815a)은, 눈금이 그어진 다이얼 위치간(중간적 위치)에 있어서도, 운동량 지시값이나 반복 주파수 지시값, 전압 진폭 지시값을 무단계로 조정 가능한 것으로 구성해도 된다.

구체적인 처리로서는, 예를 들어 운동량 다이얼(811)에 착안하면, 눈금간의 다이얼 위치가 선택된 경우에는, 운동량 변환 테이블(771)(도 14)이나 운동량 변환 테이블(771a)(도 18)을 참조하여, 선택된 운동량 P의 전후의 눈금의 다이얼 위치와 대응지어진 운동량 지시값, 이들 운동량 지시값에 대응하는 구동 주파수를 판독한다. 그리고, 판독된 각각의 구동 주파수를 사용한 선형 보간을 행하고, 현재의 선택된 다이얼 위치간의 운동량 P에 대응한 구동 주파수 및 전압 진폭을 특정한다.

또한, 보다 정밀도를 높이기 위해서는, 선택된 운동량 P의 전후뿐만 아니라, 또한 전후의 눈금의 다이얼 위치(운동량 지시값)에 대응한 구동 주파수 및 전압 진폭을 판독하도록 해도 된다. 그리고, 판독된 각각의 구동 주파수를 사용한 다항식 보간 등을 행하고, 현재의 선택된 다이얼 위치간의 운동량 P에 대응한 구동 주파수를 특정하는 것으로 해도 된다.

또한, 반복 주파수 다이얼(813), 또는 전압 진폭 다이얼(815a)의 다이얼 위치간(중간적 위치)이 선택된 경우도, 마찬가지의 보간을 행함으로써 구동 주파수를 특정할 수 있다.

또한, 상기한 실시 형태에서는, 도 10의 (a)를 참조하여 설명한 바와 같이, 반복 주파수를 증감하기 위해서 하강 형상을 가변으로 설정하기로 하였다. 이에 비해, 구동 전압 파형의 전체를 시간축 방향으로 단순하게 신축함으로써 반복 주파수를 증감하도록 해도 된다. 이 경우에는, 운동량 변환 테이블(771, 771a)을 작성할 때 행하는 시뮬레이션을, 상기한 요령으로 반복 주파수를 바꾸면서 행한다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 상승 지표값으로서 구동 주파수를 예시하였다. 이에 비해, 구동 주파수 대신에, 상승 시간 Tpr을 사용하도록 해도 된다.

또한, 운동량 다이얼(811)이나 반복 주파수 다이얼(813), 전압 진폭 다이얼(815a)은, 다이얼 스위치에 의해 실현하는 경우에 한하지 않고, 예를 들어 레버 스위치나 버튼 스위치 등에 의해 실현해도 된다. 또한, 표시부(73)를 터치 패널로 해서, 소프트웨어에 의한 키 스위치 등에 의해 실현해도 된다. 이 경우, 유저는, 표시부(73)인 터치 패널을 터치 조작하여, 운동량 지시값이나 반복 주파수 지시값, 전압 진폭 지시값을 입력한다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 압전 소자 제어부(751, 751a)가, 설정된 구동 주파수, 전압 진폭 및 반복 주파수에 따라서 구동 전압 파형을 설정하는 것으로서 설명했다(예를 들어, 도 15의 스텝 S111이나 S119 등). 이에 비해, 구동 주파수, 전압 진폭 및 반복 주파수가 취할 수 있는 조합의 1개 1개에 대해서, 1주기 분의 구동 전압 파형을 미리 생성하고, 상기 조합과 대응지은 파형 데이터로서 기억부(77, 77a)에 저장해 두는 것으로 해도 된다. 그리고, 설정된 구동 주파수, 전압 진폭 및 반복 주파수의 조합에 대응하는 파형 데이터를 판독하고, 판독한 파형 데이터에 따른 구동 신호를 압전 소자(45)에 인가하는 것으로 해도 된다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 운동량이 2[nNs] 이상 2[mNs] 이하 또는 운동에너지가 2[nJ] 이상 200[mJ] 이하인 펄스 액체 제트를 분사하는 구성을 개시했지만, 보다 바람직하게는, 운동량이 20[nNs] 이상 200[μNs] 이하 또는 운동에너지가(40[nJ] 이상(10[mJ] 이하의 펄스 액체 제트를 분사하는 구성이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 생체 조직이나 겔 재료를 적절하게 절삭할 수 있다.

1 액체 분사 시스템
10 용기
20 송액 펌프 장치
30 액체 분사 장치
40 펄스류 발생부
44 압력실
45 압전 소자
46 다이어프램
50 분사관
60 노즐
61 액체 분사 개구부
70, 70-1, 70-2 액체 분사 제어 장치
71, 71a 조작부
811 운동량 다이얼
813 반복 주파수 다이얼
815a 전압 진폭 다이얼
73 표시부
75, 75a 제어부
751, 751a 압전 소자 제어부
752, 752a 구동 주파수 설정부
753, 753a 전압 진폭 설정부
754 반복 주파수 설정부
756 펌프 제어부
757 운동량 표시 제어부
77, 77a 기억부
771, 771a 운동량 변환 테이블

Claims

소여의 구동 전압 파형을 압전 소자에 인가하고, 상기 압전 소자를 사용하여 액체를 펄스 형상으로 분사하는 액체 분사 장치로부터의 펄스 액체 제트의 분사를 제어하는 액체 분사 제어 장치로서,
상기 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 제1 지시값을 입력하기 위한 제1 조작부와,
상기 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 제2 지시값을 입력하기 위한 제2 조작부와,
상기 구동 전압 파형의 전압 진폭과, 상기 제2 지시값에 기초하여, 상기 운동량이 상기 제1 지시값이 되도록 상기 구동 전압 파형의 상승에 관한 지표값을 설정하는 상승 지표값 설정부
를 구비한 액체 분사 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압 진폭에 관한 제3 지시값을 입력하기 위한 제3 조작부를 더 구비한 액체 분사 제어 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 지시값에 따라, 상기 구동 전압 파형의 하강 형상을 가변으로 설정하는 하강 형상 설정부
를 더 구비한 액체 분사 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 지시값 및 상기 제2 지시값 중 적어도 한쪽을 표시시키는 제어를 행하는 표시 제어부
를 더 구비한 액체 분사 제어 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 액체 제트의 운동량이 2[nNs(나노 뉴턴 초)] 이상 2[mNs(밀리 뉴턴 초)] 이하, 또는 운동에너지가 2[nJ(나노 주울)] 이상 200[mJ(밀리 주울)] 이하의 상기 액체 분사 장치를 제어하는,
액체 분사 제어 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 액체 제트에 의해 생체 조직을 절삭하기 위한 상기 액체 분사 장치를 제어하는,
액체 분사 제어 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 액체 분사 제어 장치와, 액체 분사 장치와, 송액 펌프 장치를 구비한 액체 분사 시스템.
소여의 구동 전압 파형을 압전 소자에 인가하고, 상기 압전 소자를 사용하여 액체를 펄스 형상으로 분사하는 액체 분사 장치로부터의 펄스 액체 제트의 분사를 제어하는 제어 방법으로서,
상기 펄스 액체 제트의 운동량에 관한 제1 지시값을 입력하는 것과,
상기 펄스 액체 제트의 단위 시간당의 분사 횟수에 관한 제2 지시값을 입력하는 것과,
상기 구동 전압 파형의 전압 진폭과, 상기 제2 지시값에 기초하여, 상기 운동량이 상기 제1 지시값이 되도록 상기 구동 전압 파형의 상승에 관한 지표값을 설정하는 것
을 포함하는 제어 방법.