变化的液体的脉动流动。同样，呈脉冲状喷射液体是指，通过喷嘴的液体的流速周期性或非周期性地大幅变化的液体的脉动喷射。在本实施方式中，示出了喷射通过对定常流(steady flow)赋予周期性脉动而产生的脉冲液体射流的例子，但是，本发明同样还适用于周期性或非周期性地重复液体的喷射和非喷射的断续性的脉冲液体射流的喷射。
[0058]图2是示出了沿液体喷射方向切断液体喷射装置30后的截面的图。需要注意的是，为了便于图示，图2所示的部件、部分的纵向及横向的缩小比例与实际不同。如图2所示，脉冲流发生部40构成为，在由第一壳体41、第二壳体42和第三壳体43形成的圆筒状内部空间内配设有用于改变压力室44的容积的压电元件45及隔膜46。各壳体41、42、43在彼此相对的面处相接合而形成为一体。
[0059]隔膜46是圆盘状的金属薄板，其外周部分夹在第一壳体41与第二壳体42之间而被固定。压电元件45例如是层叠式压电元件，在隔膜46与第三壳体43之间，压电元件45的一端固定于隔膜46，另一端固定于第三壳体。
[0060]压力室44是被隔膜46和凹部411包围的空间，凹部411形成于第一壳体41的与隔膜46相对的面。在第一壳体41中形成有分别与压力室44连通的入口流路413和出口流路415。出口流路415的内径形成为大于入口流路413的内径。入口流路413与连接管93连接，将从送液栗装置20供给的液体导入压力室44。喷射管50的一端与出口流路415连接，在压力室44内流动的液体被导入喷射管50ο喷嘴60插入喷射管50的另一端(前端)，喷嘴60具有内径比喷射管50的内径小的液体喷射开口部61。
[0061 ]在如上所述构成的液体喷射系统I中，基于液体喷射控制装置70的控制，收容在容器10中的液体通过送液栗装置20而以规定的压力或规定的流量经由连接管93被供给到脉冲流发生部40。另一方面，当基于液体喷射控制装置70的控制向压电元件45施加驱动信号时，压电元件45进行伸缩(图2的箭头A)。施加于压电元件45的驱动信号是按照规定的重复频率(例如数十[Hz]?数百[Hz])反复施加的，因此，每周期地，压电元件45反复伸缩。由此，对在压力室44内流动的定常流的液体赋予脉动，从液体喷射开口部61重复喷射脉冲液体射流。
[0062]图3的(a)是示出施加于压电元件45的一周期的驱动信号的驱动电压波形LU的一个例子的图，其中一同示出了液体喷射开口部61中的液体的流速波形L13。并且，图3的(b)是提取出图3的(a)所示的流速波形L13的峰中的最高峰的流速波形(主峰部分)SI的图。
[0063]图3的(a)所示的Tp是重复周期(驱动电压波形的一周期的时间)，其倒数是上述的重复频率。需要注意的是，重复周期Tp是l[ms(毫秒)]?100[ms]左右，驱动电压波形上升到最大电压所需的时间(上升沿(立^上识⑴时间)Tpr是10[ys(微秒)]?1000[ys]左右。重复周期Tp设定为比上升沿时间Tpr长的时间。并且，当将上升沿时间Tpr的倒数作为上升沿频率时，重复频率设定为比上升沿频率低的频率。上升沿频率以及上升沿时间均为一种与驱动电压的上升沿(立6上力巧)有关的指标值(上升沿指标值)。
[0064]例如，假设压电元件45在被施加正电压时伸长，则在上升沿时间Tpr急剧伸长，隔膜46被压电元件45推压而向压力室44侧弯曲。当隔膜46向压力室44侧弯曲时，压力室44的容积变小，压力室44内的液体被推出压力室44。在此，由于出口流路415的内径大于入口流路413的内径，因此，出口流路415的流体惯性以及流体阻力小于入口流路413的流体阻力。从而，由于压电元件45急剧伸长而被推出压力室44的液体的大部分通过出口流路415而导入喷射管50，并通过内径小于喷射管50的内径的液体喷射开口部61而变成脉冲状液滴、SP脉冲液体射流后高速喷射。
[0065]在上升到最大电压之后，驱动电压缓慢下降。这时，压电元件45花费比上升沿时间Tpr更长的时间收缩，隔膜46被压电元件45拉回而向第三壳体43侧弯曲。当隔膜46向第三壳体43侧弯曲时，压力室44的容积变大，液体从入口流路413导入压力室44内。
[0066]需要注意的是，由于送液栗装置20以规定的压力或者规定的流量向脉冲流发生部40内供给液体，因此，如果压电元件45不进行伸缩动作，则在压力室44内流动的液体(定常流)经由出口流路415导入喷射管50，并从液体喷射开口部61喷射出。该喷射是恒速且低速的液流，因此，可以称为定常流(定常流)。
[0067][原理]
[0068]脉冲液体射流的特征值基于在图3的(a)中与驱动电压波形Lll一同示出的一个脉冲的射流在液体喷射开口部61处的流速波形L13。其中，需要关注的是在图3的(b)中提取示出的、在驱动电压的上升沿刚过之后产生的最大流速的主峰部分(峰波的射流)。除此之外的其它低峰是由压电元件45伸长时在压力室44内产生的压力变动的波在喷射管50内往复反射而附带性地喷射的射流所引起，决定切削对象物的切削深度、切削体积等切削样式的是流速最大的峰波(先頭波)的射流(下面称为主射流)。
[0069]当想通过改变脉冲液体射流的强度来改变切削对象物的切削深度、切削体积时，会对压电元件45的驱动电压波形加以控制。考虑有由外科医生指示作为其电压特性值的驱动电压波形的上升沿频率、驱动电压波形的振幅(电压振幅)来进行该驱动电压波形的控制的方法。例如，考虑有在固定了电压振幅的状态下由外科医生指示上升沿频率(还可以是上升沿时间Tpr)、或者在固定了上升沿频率的状态下指示电压振幅的方法。这是因为电压振幅、其上升沿频率(上升沿时间Tpr)给主射流的流速波形带来很大的影响。在驱动电压上升到最大电压之后的缓慢下降的期间的驱动电压对主射流的流速波形影响并不是很大。因此，认为如果提高上升沿频率或者增大电压振幅，则与其成比例地，切削深度将变深，切削体积将变大。
[0070]但是，已经得知，实际达到的切削对象物的切削深度、切削体积有时未必会按照电压特性值的增减来变化，有时会降低操作性。例如，可能会发生即使外科医生将电压振幅设为2倍，但切削深度、切削体积并没有按期望增加，或者即使将电压振幅设为1/2，但切削深度、切削体积并没有如想象地减少的情况。因此，出现了未能达到外科医生所期望的切削深度、切削体积的事情。这是导致手术时间变长的一大问题。
[0071]并且，除了脉冲液体射流的强度之外，有时还想调整切削速度。作为这种情况下的做法，可考虑由外科医生指示驱动电压波形的重复频率的方法。例如，提高重复频率相当于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、切削体积发生变化。
[0072]但是，如果改变重复频率，则驱动电压波形也发生变化，因此，存在即使改变了重复频率，每单位时间的切削深度、切削体积也没有成比例地变化，导致对外科医生而言操作性差的情况。具体地，例如考虑有单纯地在时间轴方向上扩大或缩小驱动电压波形整体来改变重复频率的方法。但是，在该方法中，对主射流的流速波形带来很大影响的上升沿频率会发生变动，因此，如上所述，脉冲液体射流的强度发生变化。因此，无法获得与重复频率成比例的如期的切削速度。
[0073]为此，着眼于主射流的流速波形，针对由该主射流的流速波形决定的若干个参数探讨了与切削深度及切削体积的相关性。这是因为，如果能够发现与切削深度、切削体积相关性高的参数，则可以以最适合达到与外科医生的操作感相符的切削深度、切削体积的驱动电压波形控制压电元件45。
[0074]为此，首先，基于液体喷射开口部61处的主射流的流速波形v[m/s]，探讨了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]、以及能通量[W]。质量通量是通过液体喷射开口部61的液体的每单位时间的质量[kg/s]。动量通量是通过液体喷射开口部61的液体的每单位时间的动量[N]。能通量是通过液体喷射开口部61的液体的每单位时间的能量[W] ο需要注意的是，能量是指动能，下面简称为“能量”。
[0075]在液体喷射开口部61，液体被释放到自由空间，因此，可以将压力大致视为“O”。并且，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)的速度也可以大致视为“O”。假设在液体喷射开口部61的径向上没有液体的速度分布，则可以按照下式(I)、(2)、
(3)求出通过液体喷射开口部61的质量通量Jm[kg/s]、动量通量Jp[N]、以及能通量Je [W]。S[m2 ]表示喷嘴的截面积，P [ kg/m3 ]表示工作流体密度。
[0076]Jm = S.P.ν...(1)
[0077]Jp = S.P.V2...(2)
[0078]Je = l/2.P.S.v3...(3)
[0079]图4是根据图3的(b)所示的主射流的流速波形求出的质量通量Jm(a)、动量通量Jp
(b)、以及能通量Je(C)的示意图。如果在从主射流的流速波形的上升沿(立^上力巧)至下降沿(立^下识.9)的时间(持续时间)T内对这些质量通量Jm、动量通量Jp及能通量Je分别进行积分，则能够求出作为主射流从液体喷射开口部61喷射的液体的质量、动量和能量。
[0080]按照上述要领算出的质量通量Jm、动量通量Jp、能通量Je、质量、动量以及能量各值被考虑可能决定由一个脉冲的射流所引起的切削深度及切削体积。但是，这些都是包括对应定常流的量的物理量，重要的是减去了定常流的贡献量的值。
[0081]于是，关于图4的(a)的质量通量Jm，定义从质量通量Jm的峰值(最大值)减去定常流的质量通量Jm_BG[kg/s]所得的最大质量通量Jm_max[kg/s]、和从作为主射流自液体喷射开口部61流出的液体质量中去除对应定常流的量所得的、在图4的(a)中用影线表示的流出质量M[kg]这两个参数。以下式(4)表示流出质量M。
[0082]【数学式I】
[0083]M = J( Jm_Jm_BG)dt …(4)
[0084]关于图4的(b)的动量通量Jp，定义从动量通量Jp的峰值(最大值)减去定常流的动量通量Jp_BG[N]所得的最大动量通量Jp_max[N]、和从作为主射流自液体喷射开口部61流出的液体的动量中去除对应定常流的量所得的、在图4的(b)中用影线表示的动量P[Ns]这两个参数。以下式(5)表示动量P。
[0085]【数学式2】
[0086]P = J (Jp-Jp_BG)dt…(5)
[0087]关于图4的(C)的能通量Je，定义从能通量Je的峰值(最大值)减去定常流的能通量Je_BG[W]所得的最大能通量Jejnax[W]、和从作为主射流自液体喷射开口部61流出的液体的能量中去除对应定常流的量所得的、在图4的(C)中用影线表示的能量E[J]这两个参数。以下式(6)表示能量E。
[0088]【数学式3】
[0089]E = J(Je-Je_BG)dt---(6)
[0090]不过，上述式(4)、(5)、(6)中的积分区间是在各流速波形中从主射流的上升沿至下降沿的时间(持续时间)T。
[0091]然后，利用数值仿真，探讨了最大质量通量Jm_max、流出质量M、最大动量通量Jp_max、动量P、最大能通量Je_max以及能量E这六个参数分别与切削深度及切削体积有多大程度的相关。
[0092]在此，脉冲液体射流是流体，切削对象物是柔软的弹性体。因此，为了进行脉冲液体射流对切削对象物的破坏举动的仿真，必须在柔软弹性体侧设定了适当的破坏阈值之后进行所谓的流体与结构体(这里是柔软弹性体)的耦合(連成)分析(流固耦合分析(FSI))。作为仿真的计算方法，例如可列举采用有限元法(FEM:Finite Element Method)的方法、采用以SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics:光滑粒子流体动力学)等为代表的粒子法的方法、组合了有限元法和粒子法的方法等。由于适用的方法并不受特别限定，所以省略详细说明，但是，鉴于解析结果的稳定性、计算