(57)【要約】【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エネルギーに係るエネルギー指示値を入力するためのエネルギーダイヤル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、運動エネルギーがエネルギー指示値となるように駆動電圧波形の立ち上がり波形形状を設定する立ち上がり波形形状設定部７５６を備える。繰り返し周波数ダイヤル８１３を省略して、繰り返し周波数を予め定めた値としてもよい。【選択図】図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項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エネルギーに係る第１指示値を入力するための第１の操作部と、
前記駆動電圧波形を制御する制御部であって、前記運動エネルギーが前記第１指示値となるように当該駆動電圧波形の立ち上がりに係る波形形状（以下「立ち上がり波形形状」という）を変更する制御部と、
を備えた液体噴射制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
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の操作部を更に備え、
前記制御部は、前記パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数を前記第２指示値とするように前記駆動電圧波形を制御する、
液体噴射制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記駆動電圧波形の電圧振幅に係る第３指示値を入力するための第３の操作部を更に備え、
前記制御部は、前記駆動電圧波形の電圧振幅を前記第３指示値に基づいて制御する、
液体噴射制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項において、
前記駆動電圧波形の立ち上がり時間に係る第４指示値を入力するための第４の操作部を更に備え、
前記制御部は、前記駆動電圧の立ち上がり時間を前記第４指示値に基づいて制御する、
液体噴射制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項において、
前記第１指示値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。
【請求項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。
【請求項７】
請求項１〜６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。
【請求項８】
請求項１〜７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。
【請求項９】
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エネルギーに係る第１指示値を入力することと、
前記運動エネルギーが前記第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波形形状を変更することと、
を含む制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５２１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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変更する仕様が考えられる。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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エネルギーに係る第１指示値を入力するための第１の操作部と、前記駆動電圧波形を制御する制御部であって、前記運動エネルギーが前記第１指示値となるように当該駆動電圧波形の立ち上がりに係る波形形状（以下「立ち上がり波形形状」という）を変更する制御部と、を備えた液体噴射制御装置である。
【００１０】
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エネルギーに係る第１指示値を入力することと、前記運動エネルギーが前記第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波形形状を変更することと、を含む制御方法を構成することとしてもよい。
【００１１】
この第１の発明等によれば、パルス液体ジェットの運動エネルギーに係る第１指示値を入力すると、運動エネルギーが第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波形形状が変更される。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エネルギーと相関が高い。そのため、パルス液体ジェットの運動エネルギー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。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、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の操作部を更に備え、前記制御部が、前記パルス液体ジェットの単位時間当たりの噴射回数を前記第２指示値とするように前記駆動電圧波形を制御する、液体噴射制御装置である。
【００１３】
この第２の発明によれば、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。勿論、噴射回数を変更したとしても、運動エネルギーが第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波形形状が制御される。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。
【００１４】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記駆動電圧波形の電圧振幅に係る第３指示値を入力するための第３の操作部を更に備え、前記制御部が、前記駆動電圧波形の電圧振幅を前記第３指示値に基づいて制御する、液体噴射制御装置である。
【００１５】
この第３の発明によれば、駆動電圧波形の電圧振幅を指示することができる。
【００１６】
また、第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明において、前記駆動電圧波形の立ち上がり時間に係る第４指示値を入力するための第４の操作部を更に備え、前記制御部が、前記駆動電圧の立ち上がり時間を前記第４指示値に基づいて制御する、液体噴射制御装置である。
【００１７】
この第４の発明によれば、駆動電圧波形の立ち上がり時間を指示することができる。
【００１８】
また、第５の発明は、第１〜第４の何れかの発明において、前記第１指示値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。
【００１９】
この第５の発明によれば、パルス液体ジェットの運動エネルギーに係る第１指示値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エネルギー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。
【００２０】
また、第６の発明は、第１〜５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。
【００２１】
この第６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。
【００２２】
また、第７の発明は、第１〜第６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。
【００２３】
この第７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。
【００２４】
また、第８の発明は、第１〜第７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。
【００２５】
この第８の発明によれば、第１〜第７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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】液体噴射システムの全体構成例を示す図。
【図２】液体噴射装置の内部構造を示す図。
【図３】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。
【図４】質量流束、運動量流束、及びエネルギー流束を示す図。
【図５】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。
【図６】シミュレーション結果（切削深さ）を示す図。
【図７】シミュレーション結果（切削体積）を示す図。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】所定の繰り返し周波数でのエネルギー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。
【図１２】駆動電圧波形の立ち上がり部分の拡大図。
【図１３】立ち上がり波形形状の変化に対する主ジェットの流速波形の変化を示す図。
【図１４】流速波形の半値幅を変更した場合の切削深さと切削体積のシミュレーション結果を示す図。
【図１５】流速波形の半値幅を変更した場合の運動量とエネルギーのシミュレーション結果を示す図。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】実施例１におけるエネルギー変換テーブルのデータ構成例を示す図。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】実施例２におけるエネルギー変換テーブルのデータ構成例を示す図。
【図２３】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。
【図２４】実施例３における液体噴射制御装置の操作パネルを示す図。
【図２５】実施例３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。
【図２６】実施例３におけるエネルギー変換テーブルのデータ構成例を示す図。
【図２７】実施例３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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
［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束および運動量とは、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、運動エネルギー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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
ここで、パルス流とは、液体の流速や圧力が時間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、時間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繰り返す間欠的、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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）である主ジェット３を抜き出した図である。
【００３９】
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時間に係る立ち上がり時間指標値の１つである。以下では、立ち上がり周波数を立ち上がり時間に係る指標値の代表例として説明する。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
図３（Ｂ）を参照して、主ジェット３の流速波形について特徴値を説明すると、まず、主ジェット３の継続時間Ｔは、流速波形Ｌ１３が定常流の流速Ｕｂｇよりも増加してピークに達した後、元の流速Ｕｂｇに戻るまでの時間である。継続時間Ｔは、流速がピークを迎えるまでに要する流速立ち上がり時間Ｔｒと、流速がピークから元に戻るまでに要する流速立ち下がり時間Ｔｆとの和となる。また、主ジェット３の最大流速Ｕｍは、定常流の流速Ｕｂｇと、流速最大振幅△Ｕｍとの和となる。
【００４４】
［原理その１］
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）である主ジェット３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、流速が最も大きい主ジェット３である。
【００４５】
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３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３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。なお、電圧振幅とは、駆動電圧波形Ｌ１１の最大値のことである。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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３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。
【００４９】
そこで、主ジェット３の流速波形に着目し、この主ジェット３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。
【００５０】
そのために、先ず、液体噴射開口部６１における主ジェット３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３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。
【００５１】
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［ｍ２］はノズル断面積を表し、ρ［ｋｇ／ｍ３］は作動流体密度を表す。
Ｊｍ＝Ｓ・ρ・ｖ  ・・・（１）
Ｊｐ＝Ｓ・ρ・ｖ２  ・・・（２）
Ｊｅ＝１／２・ρ・Ｓ・ｖ３  ・・・（３）
【００５２】
図４は、図３（Ｂ）に示した主ジェット３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３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３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。
【００５３】
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。
【００５４】
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３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。
【数１】
2017056112.tif 000003
【００５５】
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３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。
【数２】
2017056112.tif 000004
【００５６】
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３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。
【数３】
2017056112.tif 000005
【００５７】
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３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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
シミュレーションに際し、流体密度＝１［ｇ／ｃｍ３］、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／ｃｍ３］、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。
【００６１】
主ジェット３の流速波形については、様々な主ジェット３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。
【００６２】
図５は、シミュレーションで主ジェット３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３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。
【００６３】
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３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３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３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。
【００６４】
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３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３の最大流速のみからは決まらないことを示唆している。
【００６５】
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３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。
【００６６】
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。
【００６７】
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３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。
【００６８】
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３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。
【００６９】
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３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。
【００７０】
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。
【００７１】
以上の検討結果に基づき、本実施形態では、エネルギーＥ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、エネルギーＥと、駆動電圧波形を定義する制御パラメーターとの対応関係を取得しておく。
【００７２】
制御パラメーターは各種考えられるが、「原理その１」として、ここでは制御パラメーターを、立ち上がり周波数、電圧振幅、及び繰り返し周波数の３つとする。これらの制御パラメーターを可変に設定して主ジェット３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。
【００７３】
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３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。
【００７４】
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３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３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。
【００７５】
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３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。
【００７６】
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３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３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。
【００７７】
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３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。
【００７８】
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３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３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。
【００７９】
続いて、得られた主ジェット３の流速波形のそれぞれについてエネルギーＥ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３の流速波形のエネルギーＥを求めた。
【００８０】
図１１は、所定の繰り返し周波数（例えば「Ｆ５１」と表記する）で得られたエネルギーＥ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エネルギーＥに関する等高線を描くことにより得られる。各等高線のエネルギーＥ５１，Ｅ５２，・・・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エネルギーＥ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エネルギーＥ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。
【００８１】
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エネルギーＥは線形的に変化しないことである。例えば、図１１に示すエネルギーＥ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。エネルギーＥの変化量を一定にしようとする場合、エネルギーＥ５２〜Ｅ５３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、エネルギーＥ５３〜Ｅ５４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。この現象はエネルギーＥ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、エネルギーＥ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。
【００８２】
［原理その２］
次に、前述した駆動電圧波形を定義する３つの制御パラメーターに加えて、更なる制御パラメーターを導入する。駆動電圧波形の立ち上がりに係る波形形状（以下「立ち上がり波形形状」という）というパラメーターである。
【００８３】
まず、駆動電圧波形の立ち上がり部分の拡大図を図１２に示す。
立ち上がり部分を波形曲線の変曲点Ｒに着目して見ると、駆動電圧「０」から下に凸な曲線に沿って増加しながら変曲点Ｒへ至るまでの過程と、変曲点Ｒから上に凸な曲線に沿って電圧振幅Ｖｍへ至る過程と、の２つの曲線部分から成り立っていることがわかる。圧電素子４５は、駆動電圧Ｖに対してほぼリニアに伸長するので、変曲点Ｒは主ジェット３の流速波形Ｌ１３におけるピークに相当すると言える。よって、駆動電圧「０」から変曲点Ｒに至るまでの波形形状（以下「立ち上がり前半波形形状」という）と、変曲点Ｒから電圧振幅Ｖｍに至るまでの波形形状（以下「立ち上がり後半波形形状」という）とを調整することで、流速ピークタイミングを変化させずに主ジェット３の流速波形を変化させることができる。
【００８４】
具体的には、立ち上がり波形形状を変化させる効果を検証するため、電圧振幅、繰り返し周波数、及び立ち上がり周波数の３つの制御パラメーターを固定とすることを考える。すなわち、駆動電圧波形の「立ち上がり開始点ｒ０（駆動電圧＝０の点）」と、「立ち上がり終了点ｒ１（駆動電圧＝電圧振幅）」と、変曲点Ｒとの位置（タイミング及び駆動電圧）を固定として、緩慢に立ち上げるか、急激に立ち上げるかといった、電圧の増加の傾向を変えることで立ち上がり波形形状を変化させることを考える。
【００８５】
なお、「急激に立ち上げる」とは、開始点ｒ０から終了点ｒ１の間における電圧の変化率の変化が「緩慢に立ち上げる」場合に比べて大きい、ということもできる。また、変曲点近傍での電圧の変化率が「緩慢に立ち上げる」場合に比べて大きい、ということもできる。また、変曲点近傍での駆動電圧波形の傾きが、「緩慢に立ち上げる」場合よりも「急激に立ち上げる」場合の方が９０°に近い、ということもできる。
【００８６】
例えば、変曲点Ｒが、駆動電圧波形と、駆動電圧波形の立ち上がり開始点ｒ０と立ち上がり終了点ｒ１とを結ぶ線分との交点に位置する場合を考える。図１２は、一例として、Ｎを変数とする基準波形Ｖ（ｔ）の、Ｎの値と立ち上がり波形形状との対応関係を示している。なお、波形形状については後述の式（７）に従っている。図１２中のＮ＝３．０の波形からＮ＝０．３の波形に近づくように、立ち上がり波形形状を直線形状に漸近させてゆくと、主ジェット３の流速波形は、より緩やかに増加する波形となる。一方、図１２中のＮ＝０．３の波形からＮ＝３．０の波形に近づくように、立ち上がり波形形状を変曲点Ｒで駆動電圧を急激に増加させるような波形（例えば、階段形状（ステップ形状ともいえる）の波形）に漸近させてゆくと、主ジェット３の流速波形は、変曲点Ｒに対応するタイミングでより急激に流速が増加する流速波形となる。
【００８７】
立ち上がり波形形状の変化に対する主ジェット３の流速波形の変化について概観した図が図１３である。図１３では、２つの流速波形を示しており、実線の流速波形が、立ち上がり波形形状の増加傾向を緩慢とした場合であり、破線の流速波形が、立ち上がり波形形状の増加傾向を急激とした場合である。何れも、流出質量Ｍ（図４（Ａ）参照）は同じであり、流速のピークタイミングも同じである。ただし、最大流速Ｕｍが異なり、また、流速波形の全体形状も異なる。そこで、流速波形の特徴を示す値として半値幅を採用する。図１３には、破線の流速波形に対する半値幅ＦＷＨＭの算出過程の各変数を示している。流速波形の半値幅ＦＷＨＭは、流速の上昇途中で、定常流の流速Ｕｂｇに流速最大振幅△Ｕｍの半分の値（△Ｕｍ／２）を加えた値（以下「半値」という）に達した時点から、流速の下降途中で半値に至った時点までの時間である。
【００８８】
半値幅ＦＷＨＭが小さいことは、流速波形が全体として急峻な形状であることを示しており、逆に、半値幅ＦＷＨＭが大きいことは、流速波形が全体としてなだらかな形状であることを示している。
【００８９】
次に、流速波形の半値幅ＦＷＨＭを変更した場合の切削深さと切削体積のシミュレーションを行ったので、その結果を説明する。
【００９０】
シミュレーションは、前記した流速波形のシミュレーションと同様の計算手法で行った。すなわち、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。そこで、パルス液体ジェットによる切削対象物の破壊挙動としてシミュレーションした。シミュレーションの計算手法は本実施形態では、柔軟弾性体側に適切な破壊閾値を設定した上で、流体と構造体（ここでは柔軟弾性体）との連成解析（流体・構造練成解析（ＦＳＩ：Fluid Structure Interaction）を採用したが、例えば有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）を用いた手法や、ＳＰＨ法（Smoothed Particle Hydrodynamic）など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、などを用いるとしてもよい。
【００９１】
シミュレーションに際しては、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）＝１．０［ｍｍ］に設定した。また、切削対象物は、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ヤング率換算で９［ｋＰａ］程度（せん断弾性率換算３［ｋＰａ］程度）の弾性率を有するＭｏｏｎｅｙ−Ｒｉｖｌｉｎ超弾性体とした。破壊閾値は、偏差相当歪み＝０．７とした。液体の密度及び柔軟弾性体の密度はともに１［ｇ／ｃｍ３］とした。
【００９２】
ノズル孔出口に強制付与する切削対象物質に撃ち込む主ジェット３の流速波形Ｌ１３は、最大流速Ｕｍを５０［ｍ／ｓ］、継続時間Ｔを１２５［μｓ］、半値幅ＦＷＨＭを６１［μｓ］とする流速波形を「基準流速波形」とし、継続時間Ｔ及び流出質量Ｍを一定として、様々な半値幅ＦＷＨＭをとるような流速波形Ｌ１３を想定した。具体的には、流速波形の半値幅ＦＷＨＭを３９［μｓ］、４８［μｓ］、６１［μｓ］、７４［μｓ］、８５［μｓ］、１２４［μｓ］の６水準を想定した。なお、定常流の流速Ｕｂｇは１［ｍ／ｓ］とした。
【００９３】
図１４（Ａ）〜（Ｃ）にシミュレーション結果を示す。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は横軸を変更しただけで、縦軸は同一である。横軸について説明すると、図１４（Ａ）は、基準流速波形の半値幅ＦＷＨＭｒｅｆに対する各流速波形の半値幅ＦＷＨＭの比ＲＦＷＨＭ（＝ＦＷＨＭ／ＦＷＨＭｒｅｆ）であり、図１４（Ｂ）は、基準流速波形の半値幅の逆数（１／ＦＷＨＭｒｅｆ）に対する各流速波形の半値幅の逆数（１／ＦＷＨＭ）の比ＲＥｆ（＝１／ＲＦＷＨＭ）であり、図１４（Ｃ）は、基準流速波形における流速最大振幅ΔＵｍｒｅｆと半値幅ＦＷＨＭｒｅｆとの比に対する、各流速波形の流速最大振幅ΔＵｍと半値幅ＦＷＨＭとの比の、比ＲＡＲ（＝（△Ｕｍ／ＦＷＨＭ）／（△Ｕｍｒｅｆ／ＦＷＨＭｒｅｆ））である。
図１４（Ａ）〜（Ｃ）の縦軸は、左軸が切削深さ、右軸が切削体積である。
なお、図１４（Ａ）〜（Ｃ）において、白抜きプロット点は、基準流速波形の場合を示している。
【００９４】
図１４（Ａ）によると、比ＲＦＷＨＭの増加に伴い切削深さ及び切削体積が双方共に減少している。また、切削深さよりも切削体積の方がより大きく減少し、その変化幅が大きいことが分かる。図１４（Ｂ）、（Ｃ）によると、比ＲＥｆ及び比ＲＡＲの増加に伴い切削深さ及び切削体積が双方共に増加している。また、また、切削深さよりも切削体積の方がより大きく増加し、その変化幅が大きいことが分かる。
【００９５】
すなわち、継続時間Ｔ及び流出質量Ｍを一定としながら、主ジェット３の最大流速Ｕｍを大きくして流速波形全体を急峻な形状とすると、切削深さ及び切削体積が大きくなり、最大流速Ｕｍを小さくして流速波形全体をなだらなか形状とすると、切削深さ及び切削体積を小さくすることができることが分かる。これは、駆動電圧波形の立ち上がり波形形状として、増加傾向の緩急を変えるように変更することで、切削深さ及び切削体積を変更できることを意味する。
【００９６】
次に、前記の流速波形の６水準について、運動量Ｐ及びエネルギーＥを算出した結果を図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図１５（Ａ）〜（Ｃ）の横軸は、それぞれ図１４（Ａ）〜（Ｃ）に対応しており、図１５（Ａ）が比ＲＦＷＨＭ、図１５（Ｂ）が比ＲＥｆ、図１５（Ｃ）が比ＲＡＲである。縦軸は左軸が運動量Ｐ、右軸がエネルギーＥである。なお、図１５（Ａ）〜（Ｃ）において、白抜きプロット点は、基準流速波形の場合を示している。
【００９７】
図１５（Ａ）によると、比ＲＦＷＨＭの増加に伴い運動量Ｐ及びエネルギーＥが双方共に減少している。また運動量ＰよりもエネルギーＥの方がより大きく減少し、その変化幅が大きいことが分かる。図１５（Ｂ）、（Ｃ）によると、比ＲＥｆ及び比ＲＡＲの増加に伴い運動量Ｐ及びエネルギーＥが双方共に増加している。また、また、運動量ＰよりもエネルギーＥの方がより大きく増加し、その変化幅が大きいことが分かる。
【００９８】
図１５（Ａ）〜（Ｃ）の比ＲＦＷＨＭ、比ＲＥｆ、比ＲＡＲに対する運動量Ｐ及びエネルギーＥの変化の様子は、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示した比ＲＦＷＨＭ、比ＲＥｆ、比ＲＡＲに対する切削深さ及び切削体積の変化の様子に非常によく対応している。切削深さ及び切削体積が、運動量ＰやエネルギーＥと良く相関することは、前述した通りである。
【００９９】
以上の通り、駆動電圧波形を定義する制御パラメーターとして、駆動電圧波形の立ち上がり波形形状、より具体的には、緩慢に立ち上げるか、急激に立ち上げるかといった駆動電圧の増加傾向の変化（緩急）を用いることで、切削深さや切削体積を効果的に制御できることが分かった。
【０１００】
駆動電圧波形Ｌ１１の立ち上がり波形形状は、時刻ｔを変数とし、ある基準波形をＶ（ｔ）とすると、例えば次の式（７）で特定することができる。
【数４】
2017056112.tif 000006
ここで、Ｖｐは駆動電圧、Ｖｍは電圧振幅、Ｔｐｒは立ち上がり時間、Ｖｃは変曲点での駆動電圧、Ｔｐｒｃは変曲点Ｒでの時刻である（図１２参照）。また、Ｎは「０（ゼロ）」より大きい正の数とする。
【０１０１】
図１２におけるＮが、式（７）のＮである。Ｎ＝１とすることで、駆動電圧波形Ｌ１１の立ち上がり波形形状を基準波形とすることができる。Ｎを１より大きくすればするほど、駆動電圧波形は基準波形に比べて鋭く立ち上がる。逆に、Ｎを１より小さく０（ゼロ）に近づければ近づけるほど、駆動電圧波形は基準波形に比べて緩慢に立ち上がり、立ち上がり開始点ｒ０と立ち上がり終了点ｒ１とを結ぶ直線に漸近してゆく。
【０１０２】
式（７）によれば、変数Ｎを変更することで、駆動電圧波形Ｌ１１の立ち上がり波形形状を制御することができることが分かる。但し、これは一例であり、別の関数を用いることとしてもよい。
【０１０３】
また、変数Ｎの変更方法としては、変数Ｎそのものを制御対象値とするのではなく、変数Ｎに相関する別の値を定めて、この別の値を制御対象値としてもよい。例えば、前述の比ＲＦＷＨＭ、比ＲＥｆ、比ＲＡＲに基づいて変数Ｎを変更する方法が考えられる。また、駆動電圧波形Ｌ１１の立ち上がり波形において、電圧振幅Ｖｍの１０％から９０％に達するまでに要する時間として、実効的立ち上がり時間Ｔｐｒ１０＿９０を定め、１）基準駆動電圧波形の実効的立ち上がり時間Ｔｐｒ１０＿９０ｒｅｆに対する所望の駆動電圧波形の実効的立ち上がり時間Ｔｐｒ１０＿９０の比ＲＴｐｒ１０＿９０や、２）１）の比ＲＴｐｒ１０＿９０の逆数である実効立ち上がり周波数比ＲＥｆ１０＿９０、３）基準駆動電圧波形の実効的スルーレート（＝Ｖｍ１０＿９０／Ｔｐｒ１０＿９０ｒｅｆ）に対する所望の駆動電圧波形の実効的スルーレート（＝Ｖｍ１０＿９０／Ｔｐｒ１０＿９０）の比である実効的スルーレート比ＲＳＲ１０＿９０、の何れかとしてもよい。Ｖｍ１０＿９０とは、電圧振幅Ｖｍの１０％から９０％までの電圧である。
【０１０４】
さて、原理について説明したが、本実施形態では、手術中に術者が行う操作として、少なくともエネルギーＥ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、指定された繰り返し周波数で、指定されたエネルギーＥとなるような立ち上がり波形形状を決定し、圧電素子４５の駆動を制御することとする。そこで、エネルギーＥと、繰り返し周波数と、立ち上がり波形形状との対応関係を、予めデータテーブル化しておくこととする。データテーブルに格納する立ち上がり波形形状については、形状そのもののデータであってもよいし、例えば、式（７）のＮの値などを、立ち上がり波形形状の指標値とすることができる。なお、繰り返し周波数を一定としてよいのであれば、繰り返し周波数の増減操作を不用として、エネルギーＥの増減操作のみを受け付けて、立ち上がり波形形状を決定することとしてもよい。
【０１０５】
また、データテーブルに格納する立ち上がり波形形状の指標値として、例えば、比ＲＦＷＨＭ、比ＲＥｆ、比ＲＡＲや、比ＲＴｐｒ１０＿９０、実効立ち上がり周波数比ＲＥｆ１０＿９０、実効的スルーレート比ＲＳＲ１０＿９０の何れかとすることとしてもよい。
【０１０６】
（実施例１）
先ず、実施例１について説明する。図１６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１６に示すように、操作パネル８０−１には、第１の操作部としてのエネルギーダイヤル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。
【０１０７】
エネルギーダイヤル８１１は、第１指示値としてのエネルギーＥの指示値（エネルギー指示値）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、エネルギーダイヤル８１１のダイヤル位置を切り替えることによって、エネルギーＥ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エネルギー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。
【０１０８】
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、エネルギーダイヤル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、術者が主としてエネルギーＥ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、エネルギーダイヤル８１１と異なる段数であってもよい。また、繰り返し周波数を所定値として繰り返し周波数の増減操作を不用とするならば、繰り返し周波数ダイヤル８１３を設ける必要がない。
【０１０９】
このように、実施例１では、手術中に術者が行う操作を、エネルギーダイヤル８１１を用いたエネルギーＥ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、電圧振幅及び立ち上がり周波数については固定とし、指定された繰り返し周波数で指定されたエネルギーＥとなるような駆動電圧の立ち上がり波形形状を予めデータテーブル化しておく。データテーブル化する立ち上がり波形形状は、波形形状そのもののデータでもよいし、立ち上がり波形形状を示す指標値（例えば、式（７）のＮの値など）としてもよい。
【０１１０】
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。
【０１１１】
また、操作パネル８０−１において、液晶モニター８７には、エネルギーＥすなわちパルス１個分の主ジェット３のエネルギー［μＪ］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エネルギー、すなわちパワー［ｍＷ］８５５とを表示した表示画面が表示され、各値（以下包括して「エネルギー情報」という）の現在値が更新表示される。ここで、主ジェットエネルギー８５１に表示されるのはエネルギー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。繰り返し周波数ダイヤル８１３を設けずに、繰り返し周波数を所定値とする場合には、その所定値が繰り返し周波数８５３に表示される。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エネルギーＥや繰り返し周波数や単位時間当たりのエネルギー（パワー）等の現在値を把握しながら作業することができる。
【０１１２】
なお、手術中の表示画面には、図１６のようにエネルギーＥ、繰り返し周波数、及び単位時間当たりのエネルギーの３つを全て表示する必要はなく、エネルギーＥのみを表示する構成としてもよい。また、エネルギーＥ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１６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エネルギーＥ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。また、エネルギーダイヤル８１１のダイヤル位置及び繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置によって決定される立ち上がり波形形状をグラフ表示したり、立ち上がり波形形状を示す指標値を表示させることとしてもよい。
【０１１３】
図１７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１７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。
【０１１４】
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、エネルギーダイヤル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１６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。
【０１１５】
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１６に示した表示画面等の各種画面を表示する。例えば、図１６の液晶モニター８７がこれに該当する。
【０１１６】
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）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）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７６１と、表示制御部としてのエネルギー表示制御部７６３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。
【０１１７】
圧電素子制御部７５１は、エネルギー設定部７５２と、繰り返し周波数設定部７５３と、電圧振幅設定部７５４と、立ち上がり周波数設定部７５５と、立ち上がり波形形状設定部７５６と備える。このうち、電圧振幅設定部７５４は、駆動電圧波形の電圧振幅を所定の固定値に設定する機能部である。立ち上がり周波数設定部７５５は、駆動電圧波形の立ち上がり時間Ｔｐｒに係る値として、立ち上がり周波数を設定する機能部であり、立ち上がり周波数を所定の固定値に設定する。
エネルギー設定部７５２は、エネルギーダイヤル８１１のダイヤル位置に応じたエネルギーを設定し、これが、噴射される主ジェット３のエネルギーの目標値となる。繰り返し周波数設定部７５３は、繰り返し周波数ダイヤル８１３のダイヤル位置に応じた繰り返し周波数を設定する。この繰り返し周波数に応じて繰り返し周期Ｔｐが決定される。
【０１１８】
立ち上がり波形形状設定部７５６は、パルス液体ジェットのエネルギーが、エネルギー設定部７５２により設定されたエネルギーとなるように立ち上がり波形形状を設定する機能部である。より詳細には、電圧振幅設定部７５４により設定された電圧振幅を最大駆動電圧とし、立ち上がり時間Ｔｐｒを立ち上がり周波数設定部７５５により設定された立ち上がり周波数に応じた値とし、立ち上がり時間Ｔｐｒを繰り返し周波数設定部７５３により設定された繰り返し周波数に応じた値とする駆動電圧波形であって、主ジェット３のエネルギーが、エネルギー設定部７５２により設定されたエネルギーとなるような駆動電圧波形の立ち上がり波形形状を設定する。
【０１１９】
この圧電素子制御部７５１は、各部７５３，７５４，７５５，７５６が設定した繰り返し周波数、電圧振幅、立ち上がり周波数、及び立ち上がり波形形状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、繰り返し周波数が繰り返し周波数設定部７５３により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。
【０１２０】
ポンプ制御部７６１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。エネルギー表示制御部７６３は、選択中のエネルギーダイヤル８１１のダイヤル位置に割り当てられたエネルギー指示値（すなわち、エネルギーＥ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エネルギーとを表示部７３に表示する制御を行う。
【０１２１】
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。
【０１２２】
また、記憶部７７には、エネルギー変換テーブル７７１が記憶される。このエネルギー変換テーブル７７１は、所与のエネルギーとなる繰り返し周波数毎の立ち上がり波形形状を定めたデータテーブルである。
【０１２３】
図１８は、エネルギー変換テーブル７７１のデータ構成例を示す図である。図１８に示すように、エネルギー変換テーブル７７１は、エネルギーダイヤル８１１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エネルギー指示値と、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、立ち上がり波形形状とが対応付けられたデータテーブルであり、電圧振幅及び立ち上がり周波数を予め定められた値として、指示されたエネルギーＥとなる繰り返し周波数毎の立ち上がり波形形状が設定されている。エネルギー変換テーブル７７１に格納される立ち上がり波形形状のデータは形状そのもののデータであってもよいし、形状を示す指標値（例えば式（７）のＮの値など）であってもよい。
【０１２４】
このエネルギー変換テーブル７７１を参照し、立ち上がり波形形状設定部７５６は、選択中のエネルギーダイヤル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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１から読み出して設定するとともに、エネルギーダイヤル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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１から読み出してその設定を更新する。
【０１２５】
［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７６１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、立ち上がり波形形状設定部７５６は、選択中のエネルギーダイヤル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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１から読み出して設定する。また、電圧振幅設定部７５４は、予め定められた値を電圧振幅に設定し、立ち上がり周波数設定部７５５は、予め定められた値を立ち上がり周波数に設定する。更に、エネルギー設定部７５２は、選択中のエネルギーダイヤル８１１のダイヤル位置に割り当てられたエネルギー指示値をエネルギー変換テーブル７７１から読み出してエネルギーを設定する。また、繰り返し周波数設定部７５３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エネルギー変換テーブル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、設定された繰り返し周波数、電圧振幅、立ち上がり周波数、及び立ち上がり波形形状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。
【０１２６】
また、エネルギー表示制御部７６３が、エネルギー情報を表示部７３に表示させる制御を行う（ステップＳ１１３）。例えば、エネルギー表示制御部７６３は、エネルギーダイヤル８１１のダイヤル位置に割り当てられたエネルギー指示値をエネルギー変換テーブル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エネルギーを算出する。そして、エネルギー表示制御部７６３は、これらエネルギー指示値、繰り返し周波数指示値、及び単位時間当たりのエネルギーをエネルギー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、単位時間当たりのエネルギーについては、エネルギー情報の表示制御に際して算出する構成に限らず、エネルギー変換テーブル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。
【０１２７】
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Ｓ３０１：ＮＯ）、ステップＳ１１５においてエネルギーダイヤル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。
【０１２８】
そして、エネルギーダイヤル８１１が操作された場合には（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、立ち上がり波形形状設定部７５６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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１から読み出し、立ち上がり波形形状の設定を更新する（ステップＳ１１７）。その後、圧電素子制御部７５１は、設定された繰り返し周波数、電圧振幅、立ち上がり周波数、及び立ち上がり波形形状に従って駆動電圧波形を再設定し、再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）。
【０１２９】
また、エネルギー表示制御部７６３が、選択されたダイヤル位置に割り当てられたエネルギー指示値をエネルギー変換テーブル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）。
【０１３０】
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７５３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エネルギー変換テーブル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、立ち上がり波形形状設定部７５６が、選択されたダイヤル位置と選択中のエネルギーダイヤル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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１から読み出し、立ち上がり波形形状の設定を更新する（ステップＳ１２７）。その後、圧電素子制御部７５１は、設定された繰り返し周波数、電圧振幅、立ち上がり周波数、及び立ち上がり波形形状に従って駆動電圧波形を再設定し、再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）。
【０１３１】
また、エネルギー表示制御部７６３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エネルギー変換テーブル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）。
【０１３２】
この実施例１によれば、各エネルギーに対応する立ち上がり波形形状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波形形状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、エネルギーダイヤル８１１を１目盛り動かせば、目盛り間隔に相当する分だけエネルギーＥ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。
【０１３３】
また、エネルギーＥがエネルギー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、エネルギーダイヤル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。
【０１３４】
（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し、実施例１と異なる点を中心に説明する。図２０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２０に示すように、操作パネル８０−２には、エネルギーダイヤル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。
【０１３５】
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、エネルギーダイヤル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。
【０１３６】
このように、実施例２では、手術中に術者が行う操作を、エネルギーダイヤル８１１を用いたエネルギーＥ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、エネルギーＥと、繰り返し周波数と、電圧振幅と、立ち上がり波形形状との対応関係を予めデータテーブル化しておく。
【０１３７】
図２１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２１に示すように、液体噴射制御装置７０−２は、実施例１の液体噴射制御装置７０に対して、操作部７１が電圧振幅ダイヤル８１５ａを有している点と、圧電素子制御部７５１ａが有する電圧振幅設定部７５４ａ及び立ち上がり波形形状設定部７５６ａと、記憶部７７が有するエネルギー変換テーブル７７１ａとが異なる。
【０１３８】
電圧振幅設定部７５４ａは、電圧振幅ダイヤル８１５ａのダイヤル位置に応じた電圧振幅を、エネルギー変換テーブル７７１ａから読み出して設定する。
立ち上がり波形形状設定部７５６ａは、パルス液体ジェットのエネルギーが、エネルギー設定部７５２により設定されたエネルギーとなるように立ち上がり波形形状を設定する点では実施例１と同様であるが、エネルギー変換テーブル７７１ａを参照して設定する点で異なる。
【０１３９】
図２２は、実施例２におけるエネルギー変換テーブル７７１ａのデータ構成例を示す図である。図２２に示すように、エネルギー変換テーブル７７１ａは、エネルギーダイヤル８１１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エネルギー指示値と、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、電圧振幅ダイヤル８１５ａ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電圧振幅指示値と、立ち上がり波形形状とが対応付けられたデータテーブルである。立ち上がり周波数を予め定められた値として、指示されたエネルギーＥとなる立ち上がり波形形状が、繰り返し周波数及び電圧振幅の組み合わせと対応付けて設定されたデータテーブルである。
【０１４０】
このエネルギー変換テーブル７７１ａを参照し、立ち上がり波形形状設定部７５６ａは、選択中のエネルギーダイヤル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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１ａから読み出して設定するとともに、エネルギーダイヤル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波形形状をエネルギー変換テーブル７７１ａから読み出してその設定を更新する。
【０１４１】
［処理の流れ］
図２３は、実施例２において、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１９と同様の処理工程には、同一の符号を付している。
【０１４２】
実施例２では、ステップＳ１１１において、電圧振幅設定部７５４ａ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エネルギー変換テーブル７７１ａから読み出し、電圧振幅を設定する。
【０１４３】
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７５４ａ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エネルギー変換テーブル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、立ち上がり波形形状設定部７５６ａが、選択されたダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり波形形状をエネルギー変換テーブル７７１ａから読み出し、立ち上がり波形形状の設定を更新する（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、電圧振幅及び立ち上がり波形形状に従って駆動電圧波形を再設定し、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）。
【０１４４】
この実施例２によれば、予めエネルギーＥと、繰り返し周波数と、電圧振幅と、立ち上がり波形形状との対応関係を設定しておき、電圧振幅を増減させても、エネルギーＥがエネルギー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。
【０１４５】
（実施例３）
次に、実施例３について説明する。実施例２と同様の部分には同一の符号を付し、実施例２と異なる点を中心に説明する。図２４は、実施例２における液体噴射制御装置７０−３が備える操作パネル８０−３を示す図である。図２４に示すように、操作パネル８０−３には、エネルギーダイヤル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、第４の操作部としての立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂ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。
【０１４６】
立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂは、第４指示値としての立ち上がり周波数の指示値（立ち上がり周波数指示値）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。この立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂ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、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂ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立ち上がり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、エネルギーダイヤル８１１や繰り返し周波数ダイヤル８１３、電圧振幅ダイヤル８１５ａと異なる段数であってもよい。
【０１４７】
このように、実施例３では、手術中に術者が行う操作を、エネルギーダイヤル８１１を用いたエネルギーＥ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と、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂを用いた電圧振幅の増減操作との４つとし、エネルギーＥと、繰り返し周波数と、電圧振幅と、立ち上がり周波数と、立ち上がり波形形状との対応関係を予めデータテーブル化しておく。
【０１４８】
図２５は、実施例３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２５に示すように、液体噴射制御装置７０−３は、実施例２の液体噴射制御装置７０−２に対して、操作部７１が立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂを有している点と、圧電素子制御部７５１ｂが有する立ち上がり周波数設定部７５５ｂ及び立ち上がり波形形状設定部７５６ｂと、記憶部７７が有するエネルギー変換テーブル７７１ｂとが異なる。
【０１４９】
立ち上がり周波数設定部７５５ｂは、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂのダイヤル位置に応じた立ち上がり周波数を、エネルギー変換テーブル７７１ｂから読み出して設定する。
立ち上がり波形形状設定部７５６ｂは、パルス液体ジェットのエネルギーが、エネルギー設定部７５２により設定されたエネルギーとなるように立ち上がり波形形状を設定する点では実施例１，２と同様であるが、エネルギー変換テーブル７７１ｂを参照して設定する点で異なる。
【０１５０】
図２６は、実施例３におけるエネルギー変換テーブル７７１ｂのデータ構成例を示す図である。図２６に示すように、エネルギー変換テーブル７７１ｂは、エネルギーダイヤル８１１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エネルギー指示値と、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、電圧振幅ダイヤル８１５ａ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電圧振幅指示値と、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂ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立ち上がり周波数指示値と、立ち上がり波形形状とが対応付けられたデータテーブルである。指示されたエネルギーＥとなる立ち上がり波形形状が、繰り返し周波数、電圧振幅及び立ち上がり周波数の組み合わせと対応付けて設定されたデータテーブルである。
【０１５１】
このエネルギー変換テーブル７７１ｂを参照し、立ち上がり波形形状設定部７５６ｂは、選択中のエネルギーダイヤル８１１、繰り返し周波数ダイヤル８１３、電圧振幅ダイヤル８１５ａ、及び立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂの各ダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり波形形状をエネルギー変換テーブル７７１ａから読み出して設定する。また、エネルギーダイヤル８１１、繰り返し周波数ダイヤル８１３、電圧振幅ダイヤル８１５ａ、及び立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂ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，８１６ｂのダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり波形形状をエネルギー変換テーブル７７１ｂから読み出してその設定を更新する。
【０１５２】
［処理の流れ］
図２７は、実施例３において、パルス液体ジェットの噴射に際して制御部７５ｂが行う処理の流れを示すフローチャートである。なお、図２３と同様の処理工程には、同一の符号を付している。
【０１５３】
実施例３では、ステップＳ１１１において、立ち上がり周波数設定部７５５ｂが、選択中の立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂのダイヤル位置に割り当てられた立ち上がり周波数指示値をエネルギー変換テーブル７７１ｂから読み出し、立ち上がり周波数を設定する。
【０１５４】
また、ステップＳ２４３において立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂの操作を監視する。そして、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂが操作された場合には（ステップＳ２４３：ＹＥＳ）、立ち上がり周波数設定部７５５ｂが、選択されたダイヤル位置に割り当てられた立ち上がり周波数指示値をエネルギー変換テーブル７７１ｂ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Ｓ２４５）。続いて、立ち上がり波形形状設定部７５６ｂが、選択されたダイヤル位置の組み合わせに対応する立ち上がり波形形状をエネルギー変換テーブル７７１ｂから読み出し、立ち上がり波形形状の設定を更新する（ステップＳ２４７）。その後、圧電素子制御部７５１ｂは、設定した繰り返し周波数、電圧振幅及び立ち上がり波形形状に従って駆動電圧波形を再設定し、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Ｓ２４９）。
【０１５５】
この実施例３によれば、予めエネルギーＥと、繰り返し周波数と、電圧振幅と、立ち上がり周波数と、立ち上がり波形形状との対応関係を設定しておき、立ち上がり周波数を増減させても、エネルギーＥがエネルギー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。
【０１５６】
（変形例）
なお、上記の実施形態では、エネルギーダイヤル８１１によってエネルギーＥ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、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂによって立ち上がり周波数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，８１６ｂは、目盛りの付されたダイヤル位置間（中間的位置）においてもエネルギー指示値や繰り返し周波数指示値、電圧振幅指示値、立ち上がり周波数指示値を無段階に調整可能なもので構成してもよい。
【０１５７】
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詰めたり離したり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。
【０１５８】
また、上記の実施形態では、立ち上がり時間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。
【０１５９】
また、エネルギーダイヤル８１１や繰り返し周波数ダイヤル８１３、電圧振幅ダイヤル８１５ａ、立ち上がり周波数ダイヤル８１６ｂ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、エネルギー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。
【０１６０】
また、上記の実施例２では、エネルギー及び繰り返し周波数に加えて、電圧振幅をダイヤル操作で可変設定可能な例を説明したが、繰り返し周波数については予め定められた値として可変設定を行わない構成とすることとしてもよい。
【０１６１】
同様に、実施例３では、エネルギー、繰り返し周波数及び電圧振幅に加えて、立ち上がり周波数をダイヤル操作で可変設定可能な例を説明したが、繰り返し周波数及び電圧振幅の一方又は両方を予め定められた値として可変設定を行わない構成とすることとしてもよい。
【０１６２】
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。
【０１６３】
また、上記の実施形態では、開始点ｒ０の駆動電圧を０（ゼロ）として説明したが、０（ゼロ）でなくてもよい。例えば、一定電圧のバイアスの下、駆動電圧波形を生成・印加する形態であれば、そのバイアス電圧を開始点ｒ０の電圧とすることができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１…液体噴射システム、３０…液体噴射装置、７０，７０−１，７０−２…液体噴射制御装置、８１１…エネルギーダイヤル、８１３…繰り返し周波数ダイヤル、８１５ａ…電圧振幅ダイヤル、８１６ｂ…立ち上がり周波数ダイヤル、７３…表示部、７５，７５ａ，７５ｂ…制御部、７５１，７５１ａ，７５１ｂ…圧電素子制御部、７５２…エネルギー設定部、７５３…繰り返し周波数設定部、７５４，７５４ａ…電圧振幅設定部、７５５，７５５ｂ…立ち上がり周波数設定部、７５６，７５６ａ，７５６ｂ…立ち上がり波形形状設定部、７７１，７７１ａ，７７１ｂ…エネルギー変換テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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