液体喷射控制装置、液体喷射系统以及控制方法与流程

本发明涉及控制使用压电元件并呈脉冲状喷射液体的液体喷射装置液体喷射控制装置、液体喷射系统以及控制方法。

背景技术：

已知呈脉冲状喷射液体并切削切削对象物的技术。呈脉冲状的液体的喷射是脉动性地从喷嘴喷射的液体的喷射流，在本说明书中，适当称作“脉冲液体喷射(Pulsed Liquid Jet)”。

脉冲液体喷射的用途多种多样，例如专利文献1中提出了医疗领域中作为外科手术用而利用的技术。在这种情况下，切削对象物为生物体组织，液体为生理盐水。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本特开2005-152127号公报

生成脉冲液体喷射的结构之一，已知使用压电元件的结构。该结构通过向压电元件施加脉冲波状的驱动电压，从而压电元件使动作流体(液体)内产生瞬时性的压力，呈脉冲状喷射液体。因此，在改变脉冲液体喷射的强度的情况下，控制施加于压电元件的驱动电压。

在此，考虑通过以操作盘或操作按钮等操作部指定施加在压电元件的驱动电压的特性值，例如驱动电压波形的振幅(电压振幅，也可称作驱动电压的大小)，从而能够改变脉冲液体喷射的强度的方法。

但是，可知即便使在操作部指定的驱动电压的特性值变化，也存在无法以用户设想的方式使切削对象物的切削深度或切削体积变化的情况。在后文中详细叙述，可知例如即便用户将电压振幅变为2倍或4倍，或者1/2、1/4，也不一定限定切削深度、切削体积照样变化。在外科手术用途中使用脉冲液体喷射的情况下，得不到按照手术者的操作感觉的作用而成为问题。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供能够按照用户的意图设定脉冲液体喷射的强度并提高操作性的技术。

用于解决上述课题的第一方面涉及的液体喷射控制装置电连接于使用压电元件并呈脉冲状喷射液体的液体喷射装置且能够控制该液体喷射装置，所述液体喷射控制装置具备：操作部，用于输入从所述液体喷射装置喷射的脉冲液体喷射相关的运动量或运动能量的指示值；以及控制部，以成为所述指示值的方式控制施加于所述压电元件的驱动电压波形的振幅以及该驱动电压波形的上升有关的指标值。

在这种情况下，作为其他方面，使用压电元件并呈脉冲状喷射液体的液体喷射装置的控制方法，也可以构成控制方法包括：输入从所述液体喷射装置喷射的脉冲液体喷射相关的运动量或运动能量的指示值；以及以成为所述指示值的方式控制施加于所述压电元件的驱动电压波形的振幅以及该驱动电压波形的上升有关的指标值。

另外，第二方面涉及的液体喷射控制装置电连接于使用压电元件并呈脉冲状喷射液体的液体喷射装置且能够控制该液体喷射装置，所述液体喷射控制装置具备：操作部，用于输入从所述液体喷射装置喷射的脉冲液体喷射相关的运动量或运动能量的指示值；以及控制部，以成为所述指示值的方式控制施加于所述压电元件的驱动电压波形的振幅或者该驱动电压波形的上升有关的指标值。

此时，作为其他方面，使用压电元件并呈脉冲状喷射液体的液体喷射装置的控制方法，也可以构成控制方法包括：输入从所述液体喷射装置喷射的脉冲液体喷射相关的运动量或运动能量的指示值；以及以成为所述指示值的方式控制施加于所述压电元件的驱动电压波形的振幅或者该驱动电压波形的上升有关的指标值。

根据该第一方面以及第二方面等，控制如下的至少一方，即，输入从液体喷射装置喷射的脉冲液体喷射涉及的运动量或运动能量的指示值、以及以成为该指示值的方式向压电元件施加的驱动电压波形的振幅以及上升有关的指标值。如后文所述，切削深度、切削体积与脉冲液体喷射有关的运动量或运动能量的相关性高。因此，通过直接指示脉冲液体喷射有关的运动量或运动能量，能够实现切合用户的意图或操作感觉的切削深度或切削体积，能够提高操作性。

另外，根据第一方面或第二方面，第三方面的液体喷射控制装置还具备显示控制部，显示控制部进行显示所述脉冲液体喷射有关的运动量或运动能量的所述指示值的控制。

根据该第三方面，能够显示脉冲液体喷射有关的运动量或运动能量的指示值。因此，用户能够在视觉上确认显示期待的脉冲液体喷射的强度或当前的强度。因此，可以进一步提高操作性。

另外，根据第一方面至第三方面的任一方面，第四方面的液体喷射控制装置控制所述脉冲液体喷射的运动量为2nNs(纳米牛顿秒)以上2mNs(毫米牛顿秒)以下、或者运动能量为2nJ(纳焦耳)以上200mJ(毫焦耳)以下的所述液体喷射装置。

根据该第四方面，脉冲液体喷射的运动量为2nNs以上2mNs以下，或者运动能量为2nJ以上200mJ以下，能够在该范围内控制液体喷射装置。因此，例如在切削生物体组织、食品、胶材料、橡胶或塑料等的树脂材料等的柔软材料中优选。

另外，根据第一方面至第四方面的任一方面，第五方面的液体喷射控制装置控制用于通过所述脉冲液体喷射切削生物组织的所述液体喷射装置。

根据该第五方面，例如能够控制外科手术用途中优选的脉冲液体喷射的强度。

另外，根据第一方面至第五方面的任一方面，第六方面的液体喷射控制装置中，所述上升有关的指标值通过所述驱动电压波形的上升有关的时间或频率表示。

根据该第六方面，能够通过驱动电压波形的上升涉及的时间或频率表示上升涉及的指标值。

另外，第七方面是具备第一方面至第六方面的任一方面的液体喷射控制装置、液体喷射装置和送液泵装置的液体喷射系统。

根据该第七方面，能够实现发挥第一方面至第六方面的作用效果的液体喷射系统。

附图说明

图1是示出液体喷射系统的整体构成例的图。

图2是示出液体喷射装置的内部结构的图。

图3是示出压电元件的一周期的驱动电压波形以及液体喷射开口部的液体的流速波形的图。

图4是示出质量流量Jm、运动量流量Jp及能量流量Je的图。

图5是示出在切削对象物的破坏状态的模拟中使用的主喷射的流速波形的图。

图6是示出模拟结果(切削深度)的图。

图7是示出模拟结果(切削体积)的图。

图8是示出主喷射的流速波形的模拟结果的图。

图9是示出运动量P、上升频率以及电压振幅的对应关系的图。

图10是示出能量E、上升频率以及电压振幅的对应关系的图。

图11是示出实施例1的液体喷射控制装置的功能构成例的框图。

图12是示出运动量转换表的数据构成例的图。

图13是用于说明运动量转换表的数据构成的其他例子的图。

图14是示出脉冲液体喷射的喷射时控制部进行的处理的流程的流程图。

图15是示出显示部的显示画面例的图。

图16是示出实施例2的液体喷射控制装置的功能构成例的框图。

图17是示出能量转换表的数据构成例的图。

图18是用于说明能量转换表的数据构成的其他例子的图。

图19是示出显示部的显示画面例的图。

具体实施方式

下文说明用于实施本发明的液体喷射控制装置以及控制方法的一个方式。此外，不通过以下说明的实施方式限定本发明，能够适用本发明的方式也并不限于以下实施方式。另外，在附图的记载中，对相同的部分标注相同的符号。

[整体构成]

图1是示出本实施方式的液体喷射系统1的整体构成例的图。该液体喷射系统1在将柔软原料、例如生物体组织作为切削对象物的外科手术用、将食品作为切削对象物的食品加工用、胶材料的加工用、或者橡胶或塑料等树脂材料的切削加工的用途中被使用，喷射运动量为2nNs(纳米牛顿秒)以上2mNs(毫米牛顿秒)以下、或者运动能量为2nJ(纳焦耳)以上200mJ(毫焦耳)以下的脉冲液体喷射，切削切削对象。在下文中，例示在外科手术用的用途中使用液体喷射系统1，进行患部(生物体组织)的切开、切除、或者破碎(以下总括为“切削”)的情况。另外，本实施方式的运动量流量以及运动量是作为仅考虑脉冲液体喷射的喷射方向成分的标量、即表示大小来进行说明。

如图1所示，液体喷射系统1具备容纳液体的容器10、送液泵20、用于向切削对象物(在本实施方式中为生物体组织)呈脉冲状喷射液体的液体喷射装置30、以及液体喷射控制装置70。

在该液体喷射系统1中，液体喷射控制装置70具备手术者手术时进行操作的操作面板80。在操作面板80配设有：用于切换电源的开/关的按钮开关811；能够选择为了操作运动量或运动能量的增减而附有“1”～“5”的刻度的五阶段的控制杆位置的控制杆开关813；为了输入重复频率，能够选择为了输入重复频率而附有“1”～“5”的刻度的五阶段的控制杆位置的重复频率设定用控制杆开关814；以及液晶监视器82。另外，液体喷射控制装置70包括踏板开关83，该踏板开关83用于手术者用脚踩踏来切换脉冲液体喷射的喷射开始以及喷射停止。

容器10容纳水、生理盐水、药液等液体。送液泵20经由连接管91、93，以通常规定的压力或规定的流量将容器10所容纳的液体供给到液体喷射装置30的脉冲流产生部40。

液体喷射装置30是手术时手术者手持操作的部分(手持件(hand piece))，液体喷射装置30包括向由送液泵20供给的液体赋予脉动而产生脉冲流的脉冲流产生部40和管状的喷射管50，液体喷射装置30是通过脉冲流产生部40产生的脉冲流穿过喷射管50，最终作为脉冲液体喷射从设置在喷嘴60的液体喷射开口部61喷出的装置。

此处的脉冲流表示液体的流速或压力时间性增大且急剧变化的液体的脉动性流动。同样地，呈脉冲状喷射液体是指通过喷嘴的液体的流速时间性变大的、液体的脉动性的喷射。在本实施方式中，例示了喷射通过向稳定流周期性赋予脉动产生的脉冲液体喷射的情况，但本发明也能同样适用间歇性、断续性地重复液体的喷射和不喷射的脉冲液体喷射的喷射。

图2是示出沿液体的喷射方向将液体喷射装置30切断后的切断面的图。此外，为便于图示，图2示出的部件或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构成为在由第一壳体41、第二壳体42、第三壳体43形成的圆筒状的内部空间配设用于使压力室44的容积变化的压电元件45及隔膜46。各壳体41、42、43在彼此相对的面上被接合一体化。

隔膜46为圆盘状的金属薄板，其外周部分夹持于第一壳体41和第二壳体42之间而被固定。压电元件45例如为层叠型压电元件，其一端在隔膜46和第三壳体43之间固定于隔膜46，另一端固定于第三壳体。

压力室44是由隔膜46和形成于第一壳体41的与隔膜46相对的面上的凹部411围成的空间。在第一壳体41形成有与压力室44分别连通的入口流路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，将由送液泵20供给的液体导入压力室44。出口流路415连接喷射管50的一端，将压力室44内流动的液体导入喷射管50。在喷射管50的另一端(前端)插入具有液体喷射开口部61的喷嘴60，该液体喷射开口部61的内径缩小为比喷射管50的内径小。

在上述构成的液体喷射系统1中，容器10所容纳的液体在液体喷射控制装置70的控制下，通过送液泵20以规定的压力或者规定的流量，经由连接管93，供给到脉冲流产生部40。另一方面，若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伸长/收缩(图2的箭头A)。施加于压电元件45的驱动信号以预定的重复频率(例如数十～数百Hz)重复施加，对应每个周期重复压电元件45的伸长和收缩。由此，向压力室44内流动的稳定流的液体赋予脉动，从液体喷射开口部61反复喷射脉冲液体喷射。

图3的(a)是示出施加在压电元件45的一周期的驱动信号的驱动电压波形L11的一例的图，与液体喷射开口部61的液体流速波形L13合并示出。Tp是重复周期(驱动电压波形的一周期的时间)，其倒数是所述重复频率。

另外，图3的(b)是图3的(a)示出的流速波形L13的峰值中，抽出具有最大流速的主峰值部分的图。此外，重复周期Tp为1[ms(毫秒)]～100[ms]左右，驱动电压波形上升到最大电压需要的时间(上升时间)Tpr为10[μs(微秒)]～1000[μs]左右。

重复周期Tp设定为比上升时间Tpr长的时间。另外，将上升时间的倒数作为上升频率时，所述重复频率设定为比上升频率低的频率。

例如，压电元件45如果是施加正电压则伸长的元件，那么在上升时间Tpr急剧伸长，隔膜46按压压电元件45而向压力室44侧挠曲。当隔膜46向压力室44侧挠曲时，压力室44的容积变小，压力室44内的液体被从压力室44压出。在此，由于出口流路415的内径比入口流路413的内径大，所以出口流路415的流体惯性及流体阻力比入口流路413的流体阻力小。因此，通过压电元件45急剧伸长，被从压力室44压出的液体的大部分通过出口流路415导入喷射管50，通过比其内径小的液体喷射开口部61成为脉冲状的液滴，即成为脉冲液体喷射而被高速喷射。

上升到最大电压后，驱动电压缓慢下降。这时，压电元件45用长于上升时间Tpr的时间收缩，隔膜46被压电元件45吸引而向第三壳体43侧挠曲。隔膜46向第三壳体43侧挠曲，压力室44的容积增大，液体从入口流路413导入压力室44内。

此外，由于送液泵20以规定压力或规定流量向脉冲流产生部40供给液体，因此，如果压电元件45不进行伸缩动作，则压力室44内流动的液体(稳定流)经出口流路415导入喷射管50，从液体喷射开口部61喷射。由于该喷射是匀速且低速的液流，因此称作稳定流。

[原理]

作为赋予脉冲液体喷射特征的值基本的是与图3的(a)中驱动电压波形L11合并示出的脉冲一个份的喷射的液体喷射开口部61的流速波形L13。这其中，值得注意的是驱动电压的上升后产生的最高峰值的流速波形(首波(head wave)的喷射)。图3的(b)示出该波形的扩大图。其他较低的波峰起因于压电元件45伸长时在压力室44内产生的压力变动的波通过在喷射管50内反射往复而伴随喷射的喷射，决定切削对象物的破坏状态即切削对象物的切削深度、切削体积的是流速最大的首波的喷射(主喷射)。

然而，在改变脉冲液体喷射的强度，改变切削对象物的切削深度、切削体积的情况下，控制压电元件45的驱动电压波形。可以想到该驱动电压波形的控制通过手术者指定作为该电压特性值的驱动电压波形的上升频率或驱动电压波形的振幅(电压振幅)来进行的方法。此处所说的上升频率是驱动电压的上升涉及的指标值的一个，定义为上升时间Tpr的倒数。例如，想到在将电压振幅固定的状态下手术者指定上升频率、或者在将上升频率固定的状态下指定电压振幅的方法。这是因为电压振幅或该上升频率(上升时间Tpr)对主喷射的流速波形影响较大。在驱动电压上升到最大电压后的缓慢下降期间的驱动电压不那么影响主喷射的流速波形。例如，认为如果提高上升频率或者增大电压振幅，则与其成比例地，切削深度变深，切削体积增大。

但是，存在实际达成的切削对象物的切削深度或切削体积不是一定与电压特性值的增减均衡变化的情况，明确了存在操作性恶化的情况。例如，可能引起即便手术者将电压振幅设为2倍而切削深度或切削体积没有如期待的那样增加、或者将电压振幅减为1/2而切削深度或切削体积没有如设想的减少的情况。因此，有可能产生没有达成手术者希望的切削深度或切削体积的状况。这是可能会招致手术时间的长时间化的问题。

在此，着眼于主喷射的流速波形，通过该主喷射的流速波形确定的几个参数，讨论切削深度及切削体积的相关性。因为如果找到与切削深度或切削体积的相关性高的参数，就能够以最恰当的驱动电压波形控制压电元件45来按照手术者的操作感觉达成切削深度或切削体积。

因此，首先，根据液体喷射开口部61的主喷射的流速波形v[m/s]，讨论通过液体喷射开口部61的主喷射的质量流量[kg/s]、运动量流量[N]以及能量流量[W]。质量流量是通过液体喷射开口部61的液体在每单位时间的质量[kg/s]。运动量流量是通过液体喷射开口部61的液体在每单位时间的运动量[N]。能量流量是通过液体喷射开口部61的液体在每单位时间的能量[W]。此外，能量是指运动能量，以下简称为“能量”。

由于在液体喷射开口部61将液体解放到自由空间，能够将压力视为“0”。另外，与液体的喷流喷射方向正交的方向(液体喷射开口部61的径方向)的速度也能够视为“0”。若假设在液体喷射开口部61的径方向没有液体的速度分布，则通过液体喷射开口部61的质量流量Jm[kg/s]、运动量流量Jp[N]以及能量流量Je[W]能够由以下的式(1)、(2)、(3)求得。S[m²]表示喷嘴的截面积，ρ[kg/m³]表示动作流体密度。

Jm＝S·ρ·v…(1)

Jp＝S·ρ·v²…(2)

Je＝1/2·ρ·S·v³…(3)

图4是表示从图3的(b)所示的主喷射的流速波形求得的质量流量Jm(a)、运动量流量Jp(b)以及能量流量Je(c)的图。在从主喷射的流速波形的上升到下降的时间(继续时间)T内对这些质量流量Jm、运动量流量Jp以及能量流量Je的每个进行积分，则能够求得作为主喷射从液体喷射开口部61喷射的液体的质量、运动量以能量。

由上述要领算出的质量流量Jm、运动量流量Jp、能量流量Je、质量、运动量及能量的各值能确定脉冲一个的基于喷射的切削深度以及切削体积。但是，均为包含稳定流的物理量，重要的是除去稳定流的贡献份的值。

在此，关于图4的(a)的质量流量Jm定义两个参数：质量流量Jm的峰值(最大值)减去稳定流的质量流量Jm_BG[kg/s]的最大质量流量Jm_max[kg/s]；以及作为主喷射从液体喷射开口部61流出的液体的质量除去稳定流部分的图4的(a)中画上阴影示出的流出质量M[kg]。流出质量M以下式(4)表示。

[式1]

M＝∫(Jm-Jm_BG)dt …(4)

在此，关于图4的(b)的运动量流量Jp定义两个参数：运动量流量Jp的峰值(最大值)减去稳定流的运动量流量Jp_BG[N]而得的最大运动量流量Jp_max[N]；以及作为主喷射从液体喷射开口部61流出的液体的运动量除去稳定流部分的而得图4的(b)中画上阴影示出的运动量P[Ns]。运动量P以下式(5)表示。

[式2]

P＝∫(Jp-Jp_BG)dt …(5)

关于图4的(c)的能量流量Je定义两个参数：能量流量Je的峰值(最大值)减去稳定流的能量流量Je_BG[W]而得的最大能量流量Je_max[W]；以及作为主喷射从液体喷射开口部61流出的液体的能量除去稳定流部分的而得图4的(c)中画上阴影示出的能量E[J]。能量E以下式(6)表示。

[式3]

E＝∫(Je-Je_BG)dt …(6)

其中，式(4)～(6)的积分区间是各流速波形中从主喷射的上升到下降的时间(持续时间)T。

然后，利用数值模拟，讨论最大质量流量Jm_max、流出质量M、最大运动量流量Jp_max、运动量P、最大能量流量Je_max以及能量E六个参数分别与切削深度以及切削体积为怎样程度的相关。

在此，脉冲液体喷射为流体，切削对象物为柔软的弹性体。因此，为了进行脉冲液体喷射对切削对象物的破坏举动的模拟，在柔软弹性体侧设定适当的破坏阈值的基础上，必须进行所谓的流体和构造体(此处为柔软弹性体)的耦合解析(流体/结构耦合解析(FSI))。作为模拟的计算方法，举出例如使用有限要素法(FEM：Finite Element Method)的方法、使用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics：光滑质点流体动力学)等代表的粒子法的方法，组合有限要素法和粒子法的手法等。由于适用的方法没有特别的限定而不进行详细叙述，考虑解析结果的稳定性或计算时间等选择最适当的手法，进行模拟。

进行模拟时，设定流体密度＝1[g/cm³]，液体喷射开口部61的直径＝0.15[mm]，喷射距离(从液体喷射开口部61到切削对象物表面的距离)＝0.5[mm]。另外，假定切削对象物为表面平坦的柔软弹性体，作为其物理模型，使用密度＝1[g/cm³]，以杨氏模量换算具有9[kPa]左右(以切断弹性率换算为3[kPa]左右)的弹性率的Mooney-Rivlin(里夫林)超弹性体。破坏阈值使用偏差相当倾斜＝0.7。

关于主喷射的流速波形假定各种主喷射的流速波形，关于正弦波、三角波以及矩形波三种波形，准备振幅(流速的最大值)在12[m/s]～76[m/s]的范围内、持续时间在63[μs]～200[μs]的范围内的三种变更波形合计27种。此外，稳定流的流速为1[m/s]。

图5是示出以模拟作为主喷射的流速波形供给的正弦波(a)、矩形波(b)及三角波(c)的图，准备分别以实线示出持续时间为63[μs]、一点划线示出持续时间为125[μs]，双点划线示出持续时间为200[μs]。然后，将准备的波形作为主喷射的流速波形供给生成脉冲液体喷射，对打进上述柔软弹性体时柔软弹性体的破坏举动进行模拟。

图6是将纵轴作为切削对象物的切削深度，将横轴作为最大质量流量Jm_max(a)、流出质量M(b)、最大运动量流量Jp_max(c)、运动量P(d)、最大能量流量Je_max(e)以及能量E(f)绘出模拟结果的图。图6中，将作为主喷射的流速波形供给持续时间为63[μs]的正弦波时的模拟结果绘制为“﹡”示出，将供给125[μs]的正弦波时的模拟结果绘制为“◆”示出，将供给200[μs]的正弦波时的模拟结果绘制为“-”示出。另外，将作为主喷射的流速波形供给持续时间为63[μs]的三角波时的模拟结果绘制为“+”示出，将供给125[μs]的三角波时的模拟结果绘制为“×”示出，将供给200[μs]的三角波时的模拟结果绘制为“■”示出。另外，将作为主喷射的流速波形供给持续时间为63[μs]的矩形波时的模拟结果绘制为“●”示出，将供给125[μs]的矩形波时的模拟结果作为涂黑的三角形绘制示出，将供给200[μs]的矩形波时的模拟结果作为“-”绘制示出。

如上部的图6的(a)、(c)、(e)所示，可知最大质量流量Jm_max、最大运动量流量Jp_max以及最大能量流量Je_max这三个的各参数和切削深度的关系因作为主喷射的流速波形供给的波形的形状而较大的不规则分布，双方的相关性较低。特别是质量流量，由于是与流速成比例的值，表明切削深度不能仅由主喷射的最大流速确定。

接着，观察下部的图6(b)、(d)、(f)示出的流出质量M、运动量P及能量E这三个的各参数与切削深度的关系，流出质量M和切削深度的关系因作为主喷射的流速波形供给的波形的形状而较大的不规则分布，相关性较低。相对于此，在运动量P和能量E的关系中，因供给的波形的形状的不规则分布较小，各绘图大概分布在同一曲线上。运动量P和能量E中，运动量P的不规则分布较小。因此，切削深度与运动量P或能量E的相关性高，尤其与运动量P相关。

此外，在此将液体喷射开口部的直径作为0.15[mm]，将喷射距离作为0.5[mm]的情况进行模拟，但在其他液体喷射开口部直径或其喷射距离进行模拟，也确认切削深度与运动量P或能量E的相关性高这个定性的倾向没有大的变化。

图7是将纵轴作为切削对象物的切削体积，将横轴作为最大质量流量Jm_max(a)、流出质量M(b)、最大运动量流量Jp_max(c)、运动量P(d)、最大能量流量Je_max(e)及能量E(f)绘出模拟结果的图。作为主喷射的流速波形供给的波形和绘制的种类的关系与图6相同。

如上部的图7的(a)、(c)、(e)所示，可知最大质量流量Jm_max、最大运动量流量Jp_max以及最大能量流量Je_max这三个的各参数和切削体积的关系程度虽然不到与切削深度的关系那样高，也因作为主喷射的流速波形供给的波形的形状而较大的不规则分布，双方的相关性较低。

接着，观察下部的图7(b)、(d)、(f)示出的流出质量M、运动量P以及能量E这三个的各参数与切削体积的关系，流出质量M和切削体积的关系与切削深度同样地因作为主喷射的流速波形供给的波形的形状而较大的不规则分布，相关性较低。另一方面，在运动量P和能量E的关系中，与切削深度同样地因供给的波形的形状的不规则分布较小，各绘图大概分布在同一直线上。另外，与运动量P相比，能量E的不规则分布较小。因此，切削体积与运动量P或能量E的相关性高，尤其与能量E相关。

此外，在此将液体喷射开口部的直径作为0.15[mm]，将喷射距离作为0.5[mm]的情况进行模拟，但在其他液体喷射开口部直径、其他喷射距离进行模拟，也确认切削体积与运动量P或能量E的相关性高这一定性的倾向没有大的变化。

根据以上的讨论结果，在本实施方式中，作为实际上施加于压电元件45的驱动电压波形代表的波形预先进行模拟，取得运动量P以及能量E与上升频率以及电压振幅的对应关系。然后，手术中确定手术者的运动量P或能量E的增减操作对应的上升频率以及电压振幅，控制压电元件45的驱动。

首先，固定电压振幅，供给阶段性改变上升频率的驱动电压波形，通过模拟求得主喷射的流速波形。同样地，固定上升频率，供给阶段性改变电压振幅的驱动电压波形，通过模拟求得主喷射的流速波形。模拟例如根据将液体喷射装置的流路系统置换为流体(流路)电阻、流体惯性、流体合规等模型，能够利用等价电路法的数值模拟进行。或者，也可以利用使用了有限要素法(FEM)或有限体积法(FVM)等的流体模拟。

图8的(a)是示出改变上升频率的情况下的主喷射的流速波形的模拟结果的图。如图8的(a)所示，降低上升频率(上升时间Tpr的话为增长)，主喷射的流速波形上升的定时不变而持续时间增长，其振幅(流速的最大值)也变小。另外，图8的(b)是示出改变电压振幅的情况下的主喷射的流速波形的模拟结果的图。如图8的(b)所示，若减小电压振幅，主喷射的流速波形与减小上升频率的情况不同，原样维持持续时间，波形振幅(流速的最大值)变小。

接着，关于得到的主喷射的流速波形的每个，求得运动量P和能量E。

图9是示出得到的每个主喷射的流速波形的运动量P和上升频率及电压振幅的对应关系的图。该图9绘制将纵轴作为上升频率、横轴作为电压振幅的坐标空间得到的运动量P，通过绘制运动量P相关的等高线得到。各等高线在图9的左下降低，向着右上以规定量逐渐增大。

另外，图10是示出得到的每个主喷射的流速波形的能量E和上升频率以及电压振幅的对应关系的图。能量E的情况也绘制如图10所示将纵轴作为上升频率、横轴作为电压振幅的坐标空间得到的能量E，通过绘制能量E相关的等高线得到。各等高线在图10的左下降低，向着右上以规定量逐渐增大。

在此，值得注意的是，运动量P及能量E的任一个的情况下，等高线的间隔不是等间隔，并且在坐标轴方向上运动量P、能量E线形都不变。例如，着眼于图9所示的运动量P和上升频率以及电压振幅的对应关系，考虑固定电压振幅(例如V0)而上升频率可变，控制压电元件45的驱动电压波形的情况。在运动量P的变化量一定的情况下，运动量指示值P12～P13间上升频率f120～f130间的频率变化成为必要，运动量指示值P13～P14间上升频率f130～f140间的频率变化成为必要。但是，上升频率f120～f130间的频率间隔与上升频率f130～f140间的频率间隔不同。这一现象随着运动量P增大而表现显著。因此，在固定电压振幅，进行使上升频率以一定量逐渐变化的操作的情况下，由于运动量P没有按照预想的变化，因此，可能会产生切削深度或切削体积没有按照手术者需要的/按照感觉变化的状况。固定上升频率，进行以一定量逐渐使电压振幅变化的操作的情况下也同样。另外，关于能量E也相同。

在此，在本实施方式中，将手术中手术者进行的操作作为使用控制杆开关813的运动量P的增减操作或能量E的增减操作。而且，作为运动量P的增减操作的情况下，在图9所示的坐标空间内固定基准线，获得基准线与运动量P的各等高线相交的各交点的上升频率以及电压振幅，将其表格化。例如，如果将图9中粗线所示的直线作为基准线的情况下，将与各等高线的交点A11、A12、…的上升频率以及电压振幅对应于相应的等高线的运动量P，作成数据表格。另外，在控制杆开关813的控制杆位置的每个，作为运动量P的指示值(运动量指示值)依次分配各等高线的运动量指示值P11、P12…。通过这样的方式，能够在控制杆开关813移动1刻度时，使运动量P的变化量为相同程度。

另一方面，作为能量E的增减操作的情况下，在图10所示的坐标空间内固定基准线，获得基准线与能量E的各等高线相交的各交点的上升频率以及电压振幅，将其表格化。例如，如果将图10中粗线所示的直线作为基准线的情况下，将与各等高线的交点A21、A22…的上升频率以及电压振幅对应于相应的等高线的能量E，作成数据表格。另外，在控制杆开关813的控制杆位置的每个位置，作为能量E的指示值(能量指示值)依次分配各等高线的能量指示值E21、E22、…。通过这样的方式，能够在控制杆开关813移动1刻度时，使能量E的变化量为相同程度。

此外，基准线没有必要是直线。例如，可以将图9、10中以点划线示出的曲线等作为基准线。

下文中，作为本实施方式的实施例，依次说明根据手术者通过控制杆开关813进行的运动量P的增减操作，控制压电元件45的驱动电压波形的情况(实施例1)、以及手术者通过控制杆开关813进行的能量E的增减操作，控制压电元件45的驱动电压波形的情况(实施例2)。

(实施例1)

首先，对实施例1进行说明。图11是示出实施例1的液体喷射控制装置的功能构成例的框图。如图11所示，液体喷射控制装置70-1具备操作部71、显示部73、控制部75、存储部77。

操作部71通过按钮开关、控制杆开关、刻度盘开关或踏板开关等各种开关、触摸面板、跟踪板、鼠标等输入装置实现，将操作输入对应的操作信号输出到控制部75。该操作部71包括通过图1的按钮开关811实现的电源按钮711、通过图1的控制杆开关813实现的运动量调整控制杆713、通过图1的控制杆开关814实现的重复频率设定用控制杆714、通过图1的脚踏开关83实现的喷射开关715。

运动量调整控制杆713用于输入运动量指示值。手术者操作运动量调整控制杆713即图1的控制杆开关813，选择附有“1”～“5”的刻度的控制杆位置，操作运动量P以5阶段增减。在各控制杆位置预先将运动量指示值分配成与对应的刻度的数值成比例，并以一定量逐渐增大。此外，控制杆位置的阶段数不限定于5阶段，可以适当设定为“大”“中”“小”三阶段调整等。

重复频率设定用控制杆714用于设定重复频率。手术者通过操作图1的控制杆开关814，选择附有“1”～“5”的刻度的控制杆位置，从而以5阶段对重复施加于压电元件45的驱动电压波形的重复频率(例如数十～数百Hz)进行增减操作。在各控制杆位置分配刻度数值对应的重复频率。此外，控制杆位置的阶段数不限定于5阶段，可以适当设定段数。

显示部73通过LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)或EL显示器(Electroluminescence display，电致发光显示器)等显示装置来实现，根据从控制部75输入的显示信号显示设定画面等各种画面。例如，图1的液晶显示器82相当于此。

控制部75通过CPU(Central Processing Unit，中央处理器)或DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)等微处理器、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)等控制装置和运算装置来实现，统一地对液体喷射系统1的各部分进行控制。该控制部75具备压电元件控制部751、泵控制部756、运动量显示控制部757。另外，构成控制部75的各部也可以由专用的模块电路等硬件构成。

压电元件控制部751包括：上升频率设定部752，根据运动量调整控制杆713的控制杆位置设定上升频率；电压振幅设定部753，根据运动量调整控制杆713的控制杆位置设定电压振幅；重复频率设定部754，根据重复频率设定用控制杆714的控制杆位置，设定重复频率。该压电元件控制部751生成驱动电压波形，将生成后的波形的驱动信号施加于压电元件45，这时，根据上升频率设定部752设定的上升频率和电压振幅设定部753设定的电压振幅，生成驱动电压波形。

泵控制部756向送液泵20输出驱动信号，驱动送液泵20。运动量显示控制部757进行控制，使显示部73显示选择中的运动量调整控制杆713的控制杆位置所分配的运动量指示值(即运动量P的当前值)。

存储部77通过ROM(Read Only Memory，只读存储器)、闪存ROM、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)等各种IC(Integrated Circuit，集成电路)存储器、硬盘等存储介质来实现。存储部77中事先存储或每次处理时暂时存储用于使液体喷射系统1动作，从而实现该该液体喷射系统1具备的各种功能的程序、以及该程序执行中所使用的数据等。

另外，在存储部77存储运动量转换表771。该运动量转换表771是参照图9设定上述运动量P和上升频率以及电压振幅的对应关系的数据表格，图12中示出一例。

图12是示出运动量转换表771的数据构成例的图。如图12所示，在运动量转换表771与控制杆位置(刻度)对应，设定对应的控制杆位置所分配的运动量指示值、上升频率和电压振幅。在操作运动量调整控制杆713的情况下，上升频率设定部752从运动量转换表771读出、设定所选择的控制杆位置的上升频率。另外，电压振幅设定部753从运动量转换表771读出、设定选中的控制杆位置的电压振幅。由此，例如使运动量调整控制杆713的控制杆位置匹配“3”刻度的情况下，以运动量P成为控制杆位置“3”分配的运动量指示值P13的驱动电压波形控制压电元件45。

此外，图12的运动量转换表771的数据构成例为一例，除如上述的图9中的粗线或点划线显示的直线或曲线之外，也能够将希望的直线或曲线作为基准线。即，也可以将所述希望的基准线和运动量指示值P11、P12、…的各等高线的交点的上升频率以及电压振幅设定于运动量转换表771中。

另外，也可以通过将电压振幅一定，改变上升频率，将得到的运动量指示值P11、P12、…设定为运动量转换表771。例如，如图13所示，将电压振幅以V1固定，运动量指示值P11、P12、…的上升频率f111、f121、…设定于运动量转换表771中。根据运动量转换表771，通过改变/设定上升频率，能够改变/设定指示运动量P的值。

另外，也可以通过将上升频率一定，改变电压振幅，将得到的运动量指示值P11、P12、…设定为运动量转换表771。例如，如图13所示，将电压振幅以f1固定，电压振幅将运动量指示值成为P11、P12、…的电压振幅V111、V121、…设定于运动量转换表771中。根据运动量转换表771，通过改变/设定电压振幅，能够改变/设定指示运动量P的值。

此外，图13中的运动量P、上升频率以及电压振幅的对应关系与图9相同。

[处理的流程]

图14是示出脉冲液体喷射的喷射时控制部75进行的处理的流程的流程图。如图14所示，若操作电源按钮711，投入液体喷射控制装置70-1的电源，通过喷射开关715指示脉冲液体喷射的喷射开始，则泵控制部756驱动送液泵20，压电元件控制部751驱动压电元件45，开始脉冲液体喷射的喷射(步骤S111)。此时，上升频率设定部752取得选择中的运动量调整控制杆713的控制杆位置，从运动量转换表771读出上升频率，设定上升频率。另外，电压振幅设定部753从运动量转换表771读出取得的控制杆位置的电压振幅，设定电压振幅。并且，重复频率设定部754取得选择中的重复频率设定用控制杆714的控制杆位置，设定重复频率。然后，压电元件控制部751根据这些上升频率、电压振幅以及重复频率，生成驱动电压波形，在压电元件45施加生成的驱动电压波形的驱动信号。

另外，运动量显示控制部757从运动量转换表771读出取得的控制杆位置所分配的运动量指示值，进行显示部73显示的控制(步骤S113)。

其后，控制部75在通过喷射开关715的操作判定结束脉冲液体喷射的喷射期间(步骤S125：否)，在步骤S115中监视运动量调整控制杆713的操作。然后，在操作运动量调整控制杆713的情况(步骤S115：是)下，上升频率设定部752从运动量转换表771读出所选择的控制杆位置的上升频率，更新上升频率的设定(步骤S117)，与此同时，电压振幅设定部753从运动量转换表771读出选择的控制杆位置的电压振幅，更新电压振幅的设定(步骤S119)。其后，压电元件控制部751根据设定的重复频率、上升频率以及电压振幅，生成驱动电压波形，在压电元件45施加生成的驱动电压波形的驱动信号(步骤S121)。

另外，运动量显示控制部757从运动量转换表771读出选择的控制杆位置所分配的运动量指示值，进行更新显示部73的显示的控制(步骤S123)。图15在步骤S113表示，在步骤S123更新显示的显示画面例的图。通过该显示画面，手术中，手术者能够掌握从液体喷射开口部61喷射的脉冲液体喷射相关的运动量P的当前值，进行作业。此外，运动量指示值的表示不限于通过图15示出的数值的显示进行的情况，也可以通过计量计显示进行，或者伴随通过脉冲液体喷射的喷射开始的增减操作，用表格显示运动量P的变化。

另外，运动量显示控制部757不仅使显示部73显示运动量P的指示值，也可以显示运动量P的指示值以及重复频率。并且，除运动量P的指示值以及重复频率之外，可以与当前的上升频率(或上升时间)或电压振幅中至少一个一起显示。

根据该实施例1，基于预先设定的运动量P和上升频率以及电压振幅的对应关系，能够按照达成顺着操作感觉的切削深度及切削体积的最适合的上升频率以及电压振幅，控制压电元件45的驱动电压波形。例如，如果使运动量调整控制杆713移动一刻度，则由于相当于刻度间隔部分的运动量P变化，能够将切削深度以及切削体积设定为符合用户的感觉/意图，能够提高操作性。

(实施例2)

接着，对实施例2进行说明。与实施例1的同样的部分赋予相同的符号。图16是示出实施例2的液体喷射控制装置的功能构成例的框图。如图16所示，液体喷射控制装置70-2具备操作部71a、显示部73、控制部75a、存储部77a。

操作部71a包括通过图1的控制杆开关813实现的能量调整控制杆716a。该能量调整控制杆716a用于输入能量指示值。手术者操作能量调整控制杆716a即图1的控制杆开关813，选择附有“1”～“5”的刻度的控制杆位置，以5阶段对能量E进行增减操作。在各控制杆位置预先将能量指示值分配成与对应的刻度的数值成比例，以一定量逐渐增大。此外，控制杆位置的阶段数不限定于5阶段，可以适当设定为“大”“中”“小”三阶段调整等。

控制部75a具备压电元件控制部751a、泵控制部756、能量显示控制部758a。

压电元件控制部751a包括：频率设定部752a，根据能量调整控制杆716a的控制杆位置设定上升频率；电压振幅设定部753a，根据能量调整控制杆716a的控制杆位置设定电压振幅；重复频率设定部754a，根据重复频率设定用控制杆714的控制杆位置，设定重复频率。该压电元件控制部751a生成驱动电压波形，将生成的波形的驱动信号施加于压电元件45，此时，根据频率设定部752a设定的上升频率和电压振幅设定部753a设定的电压振幅，生成驱动电压波形。

能量显示控制部758a进行控制，以使显示部73显示选择的能量调整控制杆716a的控制杆位置所分配的能量指示值。

另外，图19所示的能量显示控制部758a不仅使显示部73显示能量E的指示值，也可以显示重复频率。并且，可以与当前的上升频率(或上升时间)或电压振幅中至少一个一起显示。

在存储部77a存储能量转换表772a。该能量转换表772a是参照图10设定上述能量E和上升频率以及电压振幅的对应关系的数据表，图17中示出一例。

图17是示出能量转换表772a的数据构成例的图。如图17所示，在能量转换表772a与控制杆位置(刻度)对应，设定对应的控制杆位置所分配的能量指示值、上升频率和电压振幅。在操作能量调整控制杆716a的情况下，频率设定部752a从能量转换表772a读出、设定选择的控制杆位置的上升频率。另外，电压振幅设定部753a从能量转换表772a读出并设定所选择的控制杆位置的电压振幅。由此，在例如使能量调整控制杆716a的控制杆位置匹配“3”刻度的情况下，以能量E成为控制杆位置“3”分配的能量指示值E23的驱动电压波形控制压电元件45。

此外，图17的能量转换表772a的数据构成例为一例，除如上述的图10中的粗线或一点划线显示的直线或曲线之外，也能够将希望的直线或曲线作为基准线。即，也可以将所述希望的基准线和能量指示值E21、E22、…的各等高线的交点的上升频率以及电压振幅设定在能量转换表772a中。

另外，可以通过使电压振幅一定，改变上升频率，从而设定得到能量指示值E21、E22、…的能量转换表772a，相反，也可以通过使上升频率一定，改变电压振幅，设定得到能量指示值E21、E22、…的能量转换表772a。具体而言，例如，如图18所示，能够使电压振幅固定为V2，在能量转换表772a设定上升频率为能量指示值E21、E22…的上升频率f212、f222、…，也能够使上升频率固定为f2，在能量转换表772a设定电压振幅成为能量指示值E21、E22、…的电压振幅V212、V222、…。

此外，图18中的能量E、上升频率以及电压振幅的对应关系与图10相同。

根据该实施例2，基于预先设定的能量E和上升频率以及电压振幅的对应关系，能够按照达成顺着操作感觉的切削深度及切削体积的最适合的上升频率以及电压振幅，控制压电元件45的驱动电压波形。例如，如果使能量调整控制杆716a移动1刻度，则由于相当于刻度间隔部分的能量E变化，能够使切削深度以及切削体积设定成符合用户的感觉/意图，能够提高操作性。

此外，在上述实施方式中，说明通过控制杆开关813(运动量调整控制杆713)操作运动量P阶段性增减的情况、通过控制杆开关813(能量调整控制杆716a)操作能量E阶段性增减的情况。相对于此，控制杆开关813也可以构成为能够在附有刻度的控制杆位置间无阶段地调整运动量指示值或能量指示值。

作为具体的处理，例如着眼于运动量P，在选择刻度间的控制杆位置的情况下，参照图12所示的运动量转换表711，读出所选择的运动量P的前后的刻度的控制杆位置对应的运动量指示值、上升频率以及电压振幅。然后，对读出的上升频率以及电压振幅分别进行线性插补，确定当前选择的运动量P对应的上升频率以及电压振幅。

另外，不仅读出被选择的运动量P的前后，还读出再前后的刻度的控制杆位置(运动量指示值)对应的上升频率以及电压振幅，将读出的上升频率以及电压振幅分别进行多项式插补等，可以确定当前所选择的运动量P对应的、上升频率以及电压振幅。

或者，图9的粗线或点划线示出的基准线实际上作为以电压振幅、上升频率和运动量为坐标轴的空间内的曲线表示。预先求得该曲线对应的方程式，从该方程式可以确定所选择的控制杆位置的运动量P对应的上升频率以及电压振幅。

另外，例如着眼于能量E，在选择刻度间的控制杆位置的情况下，参照图17所示的能量转换表772a，读出所选择的能量E的前后的刻度的控制杆位置(能量指示值)对应的、上升频率以及电压振幅。然后，对读出的上升频率以及电压振幅分别进行线性插补，确定当前选择的能量E对应的上升频率以及电压振幅。

另外，不仅读出被选择的能量E的前后，还读出再前后的刻度的控制杆位置(能量指示值)对应的上升频率以及电压振幅，将读出的上升频率以及电压振幅分别进行多项式插补等，可以确定当前所选择的能量E对应的、上升频率以及电压振幅。

或者，图10的粗线或点划线示出的基准线实际上作为以电压振幅、上升频率和能量为坐标轴的空间内的曲线表示。预先求得该曲线对应的方程式，从该方程式可以确定所选择的控制杆位置的能量E对应的、上升频率以及电压振幅。

另外，可以在每个液体喷射装置30的种类准备运动量转换对应表771或能量转换对应表772a，存储在存储部77、77a，选择性使用液体喷射装置30的种类对应的运动量转换对应表771或能量转换对应表772a等。例如，优选液体喷射开口部61以及喷嘴60的内径以及长度的不同，喷射管50的内径以及长度的不同、压电元件45的特性的不同、压力室44的容积的不同等的、脉冲液体喷射的喷射相关的构造不同的每个液体喷射装置30的种类准备。切削对象物，例如如果是用于外科手术用的用途的情况根据患部的部位，如果是用于食品加工用的用途使用的情况根据食品的种类，如果是胶材料、橡胶或塑料等的树脂材料的切削加工用途根据各个材料的种类，即存在根据切削加工的对象素材的形状、密度、破坏阈值、弹性模量或粘性模量等，将液体喷射装置30交换为不同种类的情况。

另外，更加优选液体喷射装置30存储表示该装置的种类的信息，液体喷射控制装置70从连接的液体喷射装置30读出该信息，自动切换运动量转换表771或能量转换数据对应表772a。

另外，在上述实施方式中，作为上升相关的指标值例示了上升频率。相对于此，代替上升频率，也可以使用上升时间Tpr。

另外，运动量调整控制杆713、能量调整控制杆716a不限于通过控制杆开关813实现的情况，也可以例如通过刻度盘开关、按钮开关等实现。另外，显示部73作为触摸面板也可以通过软件的按钮开关等实现。在这种情况下，用户触摸操作作为显示部73的触摸面板，输入操作运动量或能量的指示值。

另外，在上述实施方式中，说明压电元件控制部751、751a根据设定的重复频率、上升频率以及电压振幅，生成驱动电压波形(例如，图14的步骤S121)。也可以将此逐个关联于重复频率、上升频率以及电压振幅的获得的组合，预先生成一周期的驱动电压波形，作为与该组合对应的波形数据，存储于存储部77、77a。然后，读出设定的重复频率、上升频率以及电压振幅的组合对应的波形数据，可以根据读出的波形数据，向压电元件45施加驱动信号。

另外，在上述实施方式中，公开了喷射运动量为2nNs以上2mNs以下，或者运动能量为2nJ以上200mJ以下的脉冲液体喷射的构成，但更优选喷射运动量为20nNs以上200μNs以下，或者运动能量为40nJ以上10mJ以下的脉冲液体喷射的构成。通过这样的方式，能够良好地切削生物体组织或胶材料。

符号说明

1液体喷射系统；10容器；20送液泵；30液体喷射装置；40脉冲流产生部；44压力室；45压电元件；46隔膜；50喷射管；60喷嘴；61液体喷射开口部；70、70-1、70-2液体喷射控制装置；71、71a操作部；713运动量调整控制杆；716a能量调整控制杆；73显示部；75、75a控制部；751、751a压电元件控制部；752、752a频率设定部；753、753a电压振幅设定部；756泵控制部；757运动量显示控制部；758a能量显示控制部；77、77a存储部；771运动量转换表；772a能量转换表。