此，脉冲流是指，液体的流速和压力在时间上巨大且急剧地变化的液体脉动的射流。同样地，以脉冲状喷射液体是指，通过喷口的流体的流速在时间上巨大地变化的液体脉动的喷射。在本实施方式中，以喷射将周期性的脉动赋予稳定流而产生的脉冲液体射流的情况作为示例，但本发明同样适用于重复液体的喷射与非喷射间间歇并断续的脉冲液体射流的喷射。
[0057]图2是示出液体喷射装置30沿着液体的喷射方向截断的截面的图。此外，为了图示的方便，图2所示的部件和部分的纵横的比例尺与实际的不同。如图2所示，脉冲流产生部40是通过在由第I壳体41、第2壳体42以及第3壳体43所形成的圆筒状的内部空间中，配设用于改变压力室44的容积的压电元件45以及振动膜46而构成。各壳体41、42、43在彼此相对的面上接合并一体化。
[0058]振动膜46为圆盘状的金属薄板，其外周部分夹在第I壳体和第2壳体之间而固定。压电元件45例如为层叠型压电元件，在振动膜46与第3壳体43之间，其一端固定在振动膜46，另一端固定在第3壳体。
[0059]压力室44为由振动膜46和在第I壳体41的与隔膜46相对的面形成的凹部411所包围的空间。第I壳体41形成有各自连通于压力室44的入口流路413和出口流路415。出口流路415的内径形成为比入口流路413的内径大。入口流路413与连接管93连接，将由送液栗装置20所供给的液体向压力室44导入。出口流路415与喷射管50的一端连接，将流动在压力室44内的液体向喷射管50导入。喷射管50的另一端(末端)插有喷嘴60，其具有内径比喷射管50的内径小的液体喷射开口部61。
[0060]在如上构成的液体喷射系统I中，容纳于容器10的液体在液体喷射控制装置70的控制下，由送液栗装置20以预定的压力或预定的流量，经由连接管93向脉冲流产生部40供给。另一方面，如果在液体喷射控制装置70的控制下向压电元件45施加驱动信号，则压电元件45会伸长或收缩(图2的箭头A)。由于施加于压电元件45的驱动信号是以预定的重复频率(例如几十[Hz]?几百[Hz])重复施加，压电元件45会按照每周期重复进行伸长和收缩。由此，流动在压力室44内的稳定流的液体会被赋予脉动，脉冲液体射流从液体喷射开口部61重复喷射。
[0061]图3的(a)是示出施加给压电元件45的I个周期的驱动信号的驱动电压波形Lll的一个例子的图，一并示出液体喷射开口部61中的液体的流速波形L13。另外，图3的(b)是在图3的(a)所示流速波形L13的波峰中，抽出最高峰的流速波形(主峰部分)SI的图。
[0062]图3的(a)所示的Tp为重复周期(驱动电压波形的I个周期的时间)，其倒数为所述的重复频率。此外，重复周期Tp定为l[ms(毫秒)]?100[ms]的程度，驱动电压波形上升到最大电压所需时间(上升时间)Tpr定为10|>s (微秒)]?1000[μηι]的程度。重复周期Tp设定为比上升时间Tpr更长的时间。另外，设上升时间Tpr的倒数为上升频率时，重复频率设定为比上升频率更低的频率。上升频率以及上升时间同为一个与驱动电压的上升相关的指标值(上升指标值)。
[0063]例如，设压电元件45被施加正电压时伸长，则其在上升时间Tpr会急剧伸长，振动膜46会被压电元件45所按压并向压力室44侧挠曲。当振动膜46向压力室44侧挠曲时，压力室44的容积会变小，压力室44内的液体从压力室44挤出。在此，由于出口流路415的内径比入口流路413的内径大，因此出口流路415的流体惯性力以及流体阻力比入口流路413的流体阻力小。因此，由于压电元件45急剧伸长，从压力室44挤出的大部分液体经过出口流路415导入喷射管50，在内径比其内径小的液体喷射开口部61变为脉冲状的液滴即脉冲液体射流并高速喷射。
[0064]上升到最大电压后，驱动电压会缓缓下降。此时，压电元件45耗费比上升时间Tpr更长的时间进行收缩，振动膜46被压电元件45拉扯而向第3壳体43侧挠曲。当振动膜46向第3壳体43侧挠曲时，压力室44的容积会变大，液体从入口流路413导入至压力室44内。
[0065]此外，由于送液栗装置20以预定压力或预定流量向脉冲流产生部40供给液体，因此若压电元件45不进行伸缩动作，则流动在压力室44的液体(稳定流)会经过出口流路415导入至喷射管50，从液体喷射开口部61喷射。这种喷射为定速且低速的液流，可以称作稳定流。
[0066][原理]
[0067]作为表征脉冲液体射流的值而成为基本的是图3的(a)中与驱动电压波形LU—并示出的I个脉冲的射流的液体喷射开口部61中的流速波形L13。其中，应该注意的是，从图3的(b)中抽出所示的紧接着驱动电压的上升之后产生的最大流速的主峰部分(前波的射流)。其他的低峰是因在压电元件45伸长时，压力室44内产生的压力波动的波在喷射管50内往复反弹而附带喷射的射流而引起的，但决定切削对象物的切削深度和切削体积之类的切削状态的是流速最大的前波的射流(以下称为主射流)。
[0068]可是，在希望改变脉冲液体射流的强度而改变切削对象物的切削深度和切削体积的情况下，要控制压电元件45的驱动电压波形。可考虑，对该驱动电压波形的控制是通过由术者指示驱动电压波形的上升频率和驱动电压波形的振幅(电压振幅)而作为其电压特性值来进行。例如可以考虑以下方法:术者在固定了电压振幅的状态下指示上升频率(也可以是上升时间Tpr)，或者在固定了上升频率的状态下指示电压振幅。这是因为，电压振幅和其上升频率(上升时间Tpr)会对主射流的流速波形有很大影响。在驱动电压上升到最大电压后缓缓下降的这段时间，驱动电压并不那么影响主射流的流速波形。因此，认为，如果提高上升频率或者是扩大电压振幅的话，切削深度会按比例地变深，切削体积会按比例地变大。
[0069]然而，已经发现，实际上达到的切削对象物的切削深度和切削体积会有不一定按照电压特性值的增减而变化的情况，也会有易用性变差的情况。例如，会容易产生以下情况:即使术者将电压振幅设为2倍，切削深度和切削体积无法如预期地增加，或者是即使将电压振幅设为1/2，切削深度和切削体积也无法如所想一样地减少。因此，会产生无法达到术者所期望的切削深度和切削体积的情况。这个问题有可能会导致手术时间的长期化。
[0070]另外，会有希望与脉冲液体射流的强度分开调整切削速度的情况。作为为此的规格，可以考虑一种术者指示驱动电压波形的重复频率的方法。例如，提高重复频率即是增加脉冲液体射流每单位时间的喷射次数，最终达到的切削深度和切削体积会发生变化。
[0071]然而，由于当改变重复频率时驱动电压波形会发生变化，即使改变了重复频率，也会有每单位时间的切削深度和切削体积不按比例变化，而对术者来说易用性变差的情况。具体而言，例如，可以考虑通过单纯地将驱动电压波形整体在时间轴方向扩大缩小来改变重复频率的方法。然而，在这种方法中，由于对主射流的流速波形有很大影响的上升频率会产生波动，因此如上述地脉冲液体射流的强度会发生变化。因此，无法获得与重复频率成比例的打算那样的切削速度。
[0072]于是，着眼于主射流的流速波形，并对由该主射流的流速波形所决定的几个参数与切削深度及切削体积的相关性进行了研究。这是因为，如果发现与切削深度和切削体积相关性高的参数，就能以最适合的驱动电压波形来控制压电元件45，以达到术者的操作感觉那样的切削深度和切削体积。
[0073]因此，首先，基于液体喷射开口部61中的主射流的流速波形v[m/s]，对通过液体喷射开口部61的主射流的质量通量[kg/s]、动量通量[N]以及能量通量[W]进行研究。质量通量为通过液体喷射开口部61的液体每单位时间的质量[kg/s]。动量通量为通过液体喷射开口部61的液体每单位时间的动量[N]。能量通量为通过液体喷射开口部61的液体每单位时间的能量[W]。此外，能量是指动能，以下简称为“能量”。
[0074]在液体喷射开口部61中，由于液体释放于自由空间中，可以将压力看作大致为“O”。另外，对于与液体的射流喷射方向正交的方向(液体喷射开口部61的径向方向)的速度也可以看作大致为“O” ο若假设在液体喷射开口部61的径向方向上，没有液体的速度分布，则通过液体喷射开口部61的质量通量Jm[kg/s]、动量通量Jp[N]以及能量通量Je[W]可以通过下式(1)、(2)、(3)求得。S[m2]表示喷嘴截面面积，P[kg/m3]表示工作流体密度。
[0075]Jm = S.P.ν...(1)
[0076]Jp = S.P.V2...(2)
[0077]Je = l/2.P.S.v3...(3)
[0078]图4是示出由图3的(b)所示的主射流的流速波形中所求得的质量通量Jm(a)、动量通量Jp(b)以及能量通量Je(C)的图。若对这些质量通量Jm、动量通量Jp以及能量通量Je各自在从主射流的流速波形的上升到下降的时间(持续时间)T内积分，可以求出从液体喷射开口部61作为主射流喷射的液体的质量、动量以及能量。
[0079 ] 可以认为，通过上述方法所算出的质量通量Jm、动量通量J P、能量通量J e、质量、动量以及能量的各个值能够决定I个脉冲的射流下的切削深度以及切削体积。但是，哪个都是含有稳定流的物理量，而重要的是减去稳定流的影响部分所得的值。
[0080]因此，关于图4的(a)的质量通量Jm，定义以下2个参数:从质量通量Jm的峰值(最大值)减去稳定流的质量通量Jm_BG [kg/s ]所得的最大质量通量Jm_max [kg/s ]，以及从液体喷射开口部61作为主射流流出的液体的质量减去稳定流的部分的、图4(a)中标注剖面线所示的流出质量M[kg]。流出质量M由下式(4)表示。
[0081][公式I]
[0082]M = J( Jm_Jm_BG)dt …(4)
[0083]关于图4的(b)的动量通量Jp，定义以下2个参数:从动量通量Jp的峰值(最大值)减去稳定流的动量通量Jp_BG [ N ]所得的最大动量通量Jpjnax [N],以及从液体喷射开口部61作为主射流流出的液体的动量减去稳定流的部分的、图4的(b)中标注剖面线所示的动量P[Ns]。动量P由下式(5)表示。
[0084][公式2]
[0085]P = J(Jp-Jp-BG)Clt …(5)
[0086]关于图4的(C)的能量通量Je，定义以下2个参数:从能量通量Je的峰值(最大值)减去稳定流的能量通量Je_BG[W]所得的最大能量通量Je_maX[W]，以及从液体喷射开口部61作为主射流流出的液体的能量减去稳定流的部分的、图4的(C)中标注剖面线所示的能量E[J]。能量E由下式(6)表示。
[0087][公式3]
[0088]E = J(Je-Je_BG)dt---(6)
[0089]但是，上述的式(4)、(5)、(6)中的积分区间为各流速波形中从主射流的上升到下降的时间(持续时间)T。
[0090]然后，利用数值模拟，对最大质量通量Jm_max、流出质量M、最大动量通量Jp_max、动量P、最大能量通量Je_max以及能量E的6个参数分别与切削深度及切削体积的相关性在何种程度进行了研究。[0091 ]在此，脉冲液体射流为流体，切削对象物为柔软的弹性物。因此，为了模拟利用脉冲液体射流对切削对象物的破坏行为，必须在将破坏阈值设定于柔软弹性体一侧后，进行所谓流体与构造体(在此为柔软弹性体)的耦合分析(流固耦合分析(FSI))。作为模拟的计算方法，例如，可以举出利用有限元法(FEM:Finite Element Method)的方法、利用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)等为代表的粒子法的方法、以及将有限元法和粒子法组合起来的方法等。由于适用的方法并不特别限定，因