JP2017123899A - 液体噴射装置、液体噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな制御指標によって、液体噴射を制御すること。【解決手段】噴射する液体の流速を周期的に変動させる液体噴射装置であって、第１の設定の場合、前記周期的な変動における１周期分に噴射される液体は、噴射対象物に第１の値の力積を与え、前記第１の設定とは異なる第２の設定の場合、前記１周期分に噴射される液体は、前記噴射対象物に第２の値の力積を与える液体噴射装置。【選択図】図９

Description

本発明は、液体の噴射に関する。

液体を間欠的に噴射することによって、噴射対象物を切削する液体噴射装置が知られている（特許文献１，２）。特許文献１に開示された液体噴射装置は、噴射対象物の硬さに合わせて、噴射圧力を制御する。特許文献２に開示された液体噴射装置は、切削力と切削速度とを独立して調整できるように構成されている。切削速度とは、単位時間当たりの切削軌跡の長さのことである。

特開２０１０−５１５１７号公報 特開２０１１−３６５３３号公報

上記先行技術は、先述の通り、液体噴射装置の制御の指標として、噴射圧力や切削力、切削速度を用いている。本願発明は、液体噴射装置の制御を更に良好にするために、新たな制御指標によって、液体噴射を制御することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

本発明の一形態によれば、噴射する液体の流速を周期的に変動させる液体噴射装置が提供される。この液体噴射装置は；第１の設定の場合、前記周期的な変動における１周期分に噴射される液体は、噴射対象物に第１の値の力積を与え；前記第１の設定とは異なる第２の設定の場合、前記１周期分に噴射される液体は、前記噴射対象物に第２の値の力積を与える。この形態によれば、噴射する液体の制御の指標として力積を用いて、液体噴射を制御できる。

上記形態において、前記第１及び第２の値を含む範囲で前記力積の値が設定でき；前記範囲の下限値が０．６マイクロニュートン秒であることと、前記範囲の上限値が１１マイクロニュートン秒であることとのうち少なくとも１つが満たされてもよい。この形態によれば、外科手術に用いる場合、切削深さが浅くなり過ぎたり深くなり過ぎたりすることが防止される。

上記形態において、液体を噴射する噴射管と連通可能な液体室と；駆動信号の入力によって、前記液体室の容積を変動させる圧電素子と、を備え；前記流速の周期的な変動は、前記圧電素子の駆動によってもたらされてもよい。この形態によれば、圧電素子を用いるタイプの液体噴射装置に適用できる。

上記形態において、前記第１の設定の場合、前記駆動信号の電圧振幅は、第１の電圧値であり；前記第２の設定の場合、前記駆動信号の電圧振幅は、前記第１の電圧値とは異なる第２の電圧値でもよい。この形態によれば、圧電素子に入力する駆動信号の電圧振幅によって、力積を調整できる。

上記形態において、前記噴射対象物が切削される深さは、前記第１の設定の場合と前記第２の設定の場合とで異なってもよい。この形態によれば、圧電素子に入力する駆動信号の電圧振幅によって、切削深さを調整できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記形態に対応する方法や、この方法を実現するためのプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。

液体噴射装置全体の構成図。 ハンドピースの断面図。 １周期分の駆動信号の電圧および液体の流速を示すグラフ。 主ピークにおける液体の流速を示すグラフ。 質量流束を示すグラフ。 運動量流束を示すグラフ。 エネルギー流束を示すグラフ。 主ジェットの流速波形が正弦波である場合を示すグラフ。 主ジェットの流速波形が矩形波である場合を示すグラフ。 主ジェットの流速波形が三角波である場合を示すグラフ。 最大質量流束と切削深さとの関係を示すグラフ。 流出質量と切削深さとの関係を示すグラフ。 最大運動量流束と切削深さとの関係を示すグラフ。 運動量と切削深さとの関係を示すグラフ。 最大エネルギー流束と切削深さとの関係を示すグラフ。 エネルギーと切削深さとの関係を示すグラフ。 液体噴射装置と、荷重測定装置とを示すブロック図。 荷重測定装置による測定結果を例示するグラフ。 設定値と、他のパラメーターとの関係を示すテーブル。 制御装置の機能ブロック図。 噴射制御処理を示すフローチャート。

図１は、本実施形態における液体噴射装置１の全体構成を示す。液体噴射装置１は、外科手術に用いられる。具体的には、液体噴射装置１は、生体組織としての患部の切開、切除、又は破砕（以下、包括して「切削」という）を実行するための装置である。

図１に示すように、液体噴射装置１は、液体を収容する容器１０と、送液ポンプ２０と、切削対象物（本実施形態では生体組織）に向けて液体を噴射するためのハンドピース３０と、制御装置７０とを備える。

制御装置７０は、ユーザー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には、電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのボタンスイッチ８１１と、切削深さを調整するために「１」〜「１２」の目盛りが付された１２段階のレバー位置を選択可能なレバースイッチ８１３と、モニター８２とが設けられている。制御装置７０は、液体の噴射をユーザーが指示するためのペダルスイッチ８３を備える。

容器１０は、液体（具体的には生理食塩水）を収容する。送液ポンプ２０は、容器１０に収容された液体を、接続チューブ９１，９３を介して所定の圧力又は所定の流量でハンドピース３０のパルス流発生部４０に供給する。

ハンドピース３０は、手術に際してユーザーが手に持って操作するモジュールである。ハンドピース３０は、送液ポンプ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、パルス流発生部４０によって発生させたパルス流を、ノズル６０に設けられた液体噴射開口部６１（図２）から、パルス液体ジェット（以下、ジェットと略す）として噴射する。

パルス流とは、液体の流速と圧力と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。ジェットとは、流速が周期的に変化する流れ全般を意味する。本実施形態におけるジェットとしての液体は、流速が周期的に変化することに伴い、液体が途切れ途切れになって飛行する。

図２は、ハンドピース３０を液体の噴射方向に沿って切断した断面図である。図２に示す部材や部分の縦横の縮尺は、実物と同じであるとは限らない。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、液体室４４の容積を変動させるための圧電素子４５及びダイヤフラム４６が配置された構成を有する。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。

ダイヤフラム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、ダイヤフラム４６と第３ケース４３との間で一端がダイヤフラム４６に固定され、他端が第３ケースに固定されている。

液体室４４は、ダイヤフラム４６と、第１ケース４１のダイヤフラム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。液体室４４は、噴射管５０と連通可能に形成されている。第１ケース４１には、液体室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２０から供給される液体を液体室４４に流入させる。出口流路４１５には噴射管５０の一端が接続され、液体室４４内を流動する液体を噴射管５０に流入させる。噴射管５０の他端（先端）には、噴射管５０の内径よりも小さい内径の液体噴射開口部６１を有するノズル６０が装着されている。

容器１０に収容された液体は、制御装置７０の制御によって作動する送液ポンプ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。圧電素子４５は、制御装置７０によって駆動信号が印加されると、図２の矢印Ａの方向に伸長したり収縮したりする。これによって液体室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からジェットが繰り返し噴射される。ここでいう定常流とは、流速および圧力の時間変動が小さい流れを意味する。時間変動が小さいとは、パルス流における流速および圧力の時間変動に対し、十分小さいことを意味する。定常流の流速および圧力の時間変動は、送液ポンプ２０の回転によって発生する。

図３Ａ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３Ａは、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。周期Ｔｐは、駆動電圧波形の１周期分の時間である。周期Ｔｐの逆数は、駆動信号の周波数（以下、駆動周波数）である。

本実施形態においては、後述するように、駆動周波数は２００Ｈｚ又は４００Ｈｚに設定される。例えば駆動周波数が４００Ｈｚに設定されている場合、駆動電圧波形Ｌ１１による駆動信号が４００Ｈｚで繰り返し入力される。この結果、流速波形Ｌ１３によって示される流速によって、液体が繰り返し噴射される。つまり、噴射する液体の流速は、周期的に変動する。噴射する液体の流速が周期的に変動する現象における周期を、以下、ジェットの周期と呼ぶ。ジェットの周期は、駆動電圧波形の周期Ｔｐと一致する。このように、噴射する液体の流速が周期的に変動するのは、先述したように、圧電素子４５の駆動によってもたらされる。圧電素子４５の駆動とは、圧電素子４５が周期的に伸縮することである。

図３Ｂは、図３Ａに示す流速波形Ｌ１３のピークのうち、最大流速を有するピーク部分を抜き出した図である。周期Ｔｐは、２．５ｍｓ（ミリ秒）〜５ｍｓ程度である。駆動電圧波形が最大電圧まで立ち上がる（増加する）のに要する時間（立ち上がり時間）Ｔｐｒは、１０μｓ（マイクロ秒）〜１０００μｓ程度である。立ち上がり前の電圧値から最大電圧までの増分を、電圧振幅と呼ぶ。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。立ち上がり時間の逆数を、立ち上がり周波数と呼ぶ。駆動周波数は、立ち上がり周波数よりも低い周波数として設定される。

図３Ｂに示された時間Ｔは、主ジェットの流速波形のうち、流速が増加し始めてからピークに至り、流速が増加する前の値に戻るまでの時間である。つまり、時間Ｔは、主ジェットの流速波形の立ち上がりから立ち下がりまでの時間であり、主ジェットの継続時間と表現することもできる。図３Ｂに示された時間Ｔｒは、主ジェットの流速波形のうち、流速が増加し始めてからピークに至るまでの時間である。つまり、時間Ｔｒは、流速波形の立ち上がりからピークまでの時間である。図３Ｂに示された時間Ｔｆは、主ジェットの流速波形のうち、ピークから流速が増加する前の値に戻るまでの時間である。つまり、時間Ｔｆは、流速波形のピークから立ち下がりまでの時間である。上記の時間Ｔ、Ｔｒ，Ｔｆの説明は、図４Ａ，Ｂ，Ｃにも共通である。但し、上記の説明における流速波形は、図４Ａの場合は質量流束波形と、図４Ｂの場合は運動量流束波形と、図４Ｃの場合はエネルギー流束波形と読み替える。

本実施形態における圧電素子４５は、正の電圧が印加されると伸長するので、立ち上がり時間Ｔｐｒで急激に伸長し、ダイヤフラム４６が圧電素子４５に押されて液体室４４側に撓む。ダイヤフラム４６が液体室４４側へと撓むと液体室４４の容積が小さくなり、液体室４４内の液体は液体室４４から押し出される。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の値よりも小さい。したがって、圧電素子４５が急激に伸長することで液体室４４から押し出される液体の大部分は、パルス流として出口流路４１５を通って噴射管５０に流入し、その内径よりも小径の液体噴射開口部６１から、ジェットとなって噴射される。

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。このため、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、ダイヤフラム４６が圧電素子４５に引かれて第３ケース４３側に撓む。ダイヤフラム４６が第３ケース４３側に撓むと液体室４４の容積が大きくなり、入口流路４１３から液体室４４内に液体が流入する。

送液ポンプ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が伸縮動作をしなければ、液体室４４を流動する液体は、定常流として出口流路４１５を経て噴射管５０に流入し、液体噴射開口部６１から噴射される。

ジェットの特徴は、図３Ａに示した流速波形Ｌ１３である。そのうち、注目すべきなのは、図３Ｂに示された駆動電圧の立ち上がり直後に発生する最も高いピークの流速波形である。ジェットの一部として、この流速波形によって飛行する液体を、主ジェットと呼ぶ。主ジェットは、切削対象物の破壊状態すなわち切削対象物の切削深さを決定付ける支配的要因である。その他の低いピークは、圧電素子４５の伸長時に液体室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り、切削対象物の破壊状態にあまり影響しない。

そこで、主ジェットの流速波形に着目し、以下、この主ジェットの流速波形によって定まる幾つかのパラメーターについて切削深さとの相関を検討する。切削深さとの相関が強いパラメーターは、ユーザーの操作感覚通りの切削深さを達成するのに最適な駆動電圧波形で圧電素子４５を制御するための指標になるからである。

そのために、まず、液体噴射開口部６１における主ジェットの流速波形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］について検討する。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。本実施形態における運動量流束および運動量とは、ジェットの噴射方向成分についてのスカラー量、すなわち大きさを指す。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。ここでいうエネルギーとは、運動エネルギーのことを指す。

液体噴射開口部６１においては、液体が大気に放出されるため、圧力をゼロとみなす。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）の速度についてもゼロとみなす。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６０の流路面積を表し、ρ［ｋｇ／ｍ³］は作動流体密度を表す。
Ｊｍ＝Ｓρｖ・・・（１）
Ｊｐ＝Ｓρ（ｖ²）・・・（２）
Ｊｅ＝Ｓρ（ｖ³）／２・・・（３）

図４Ａは、図３Ｂに示した主ジェットの流速波形から求めた質量流束Ｊｍ、図４Ｂは運動量流束Ｊｐ、及び図４Ｃは、エネルギー流束Ｊｅを示す。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。

上記の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、定常流分を含んだ物理量である。ジェットの特性を明らかにするために、定常流の寄与分を差し引くことにする。例えば、図４Ａ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４Ａ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。
Ｍ＝∫（Ｊｍ−Ｊｍ_ＢＧ）ｄｔ…（４）

図４Ｂ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４Ｂ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。
Ｐ＝∫（Ｊｐ−Ｊｐ_ＢＧ）ｄｔ…（５）

図４Ｃ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４Ｃ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。
Ｅ＝∫（Ｊｅ−Ｊｅ_ＢＧ）ｄｔ…（６）

式（４）〜（６）における積分区間は、各流速波形において主ジェット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。

以下、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、それぞれ切削深さとどの程度相関するのかを検討する。

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、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実行するために、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・構造連成解析：ＦＳＩ）を用いる。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実施した。

シミュレーションに際し、流体密度＝１ｇ／ｃｍ³、液体噴射開口部６１の直径＝０．１５ｍｍ、スタンドオフ距離＝０．５ｍｍに設定した。スタンドオフ距離とは、液体噴射開口部６１から切削対象物表面までの距離のことである。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＝１ｇ／ｃｍ³、ヤング率換算で９ｋＰａ程度（せん断弾性率換算で３ｋＰａ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。

主ジェットの流速波形については、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１２ｍ／ｓ〜７６ｍ／ｓの範囲内、継続時間を６３μｓ〜２００μｓ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１ｍ／ｓとしている。

図５Ａはシミュレーションで主ジェットの流速波形として与えた正弦波、図５Ｂは矩形波、及び図５Ｃは三角波を示し、それぞれ実線で示す継続時間が６３μｓのものと、一点鎖線で示す継続時間が１２５μｓのものと、二点鎖線で示す継続時間が２００μｓのものとを用意した。そして、用意した波形を主ジェットの流速波形として与えてジェットを生成し、上記の柔軟弾性体に撃ち込んだ場合における柔軟弾性体の破壊挙動についてシミュレーションを実施した。

図６の各図は、シミュレーションの結果をプロットした図であり、縦軸が切削対象物の切削深さを示す。図６Ａの横軸は最大質量流束Ｊｍ_ｍａｘ、図６Ｂの横軸は流出質量Ｍ、図６Ｃの横軸は最大運動量流束Ｊｐ_ｍａｘ、図６Ｄの横軸は運動量Ｐ、図６Ｅの横軸は最大エネルギー流束Ｊｅ_ｍａｘ、図６Ｆの横軸はエネルギーＥを示す。

図６の各図において、主ジェットの流速波形として継続時間が６３μｓの正弦波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「＊」のプロット、１２５μｓの正弦波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「◆」のプロット、２００μｓの正弦波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「-」のプロットで示している。

主ジェットの流速波形として継続時間が６３μｓの三角波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「＋」のプロット、１２５μｓの三角波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「×」のプロット、２００μｓの三角波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「■」のプロットで示している。

主ジェットの流速波形として継続時間が６３μｓの矩形波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「●」のプロット、１２５μｓの矩形波を与えた場合におけるシミュレーション結果を塗りつぶしの三角形のプロット、２００μｓの矩形波を与えた場合におけるシミュレーション結果を「−」のプロットで示している。

図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃ，図６Ｅに示すように、最大質量流束Ｊｍ_ｍａｘ、流出質量Ｍ、最大運動量流束Ｊｐ_ｍａｘ、及び最大エネルギー流束Ｊｅ_ｍａｘの各パラメーターと切削深さとの関係は、主ジェット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、双方の相関は弱い。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の最大流速のみからは決まらないことを示唆している。

これに対し、図６Ｄ，図６Ｆに示すように、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、運動量ＰやエネルギーＥの増大に対して、切削深さが概ね単調増加している。運動量ＰとエネルギーＥとでは、運動量Ｐの方がばらつきがより小さい。したがって、切削深さは運動量ＰやエネルギーＥと相関が強く、特に運動量Ｐとの相関が強い。

上記では、液体噴射開口部６１の直径を０．１５ｍｍ、スタンドオフ距離を０．５ｍｍとした場合について説明した。さらに、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実施した。この結果、切削深さが運動量ＰやエネルギーＥとの相関が強い、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。

以上の結果を踏まえ、切削深さを制御するために、運動量Ｐに着目することにした。具体的には、液体を噴射しているにも関わらず切削深さが殆どゼロになるような運動量Ｐにならないように、運動量Ｐの下限値を定めることにした。さらに、切削深さが深くなり過ぎるのを避けるために、運動量Ｐの上限値を定めることにした。

運動量Ｐの上下限値は、実験で決定することにした。但し、運動量Ｐを実測することは難しいので、以下、運動量Ｐの代わりに力積［Ｎｓ］を測定することにした。

図７は、ハンドピース３０と、荷重測定装置１００とを模式的に示すブロック図である。荷重測定装置１００は、フォースセンサー１１０と、動歪み計１２０と、データロガー１３０と、コンピューター１４０とを備える。フォースセンサー１１０は、カンチレバー１１１と、ターゲット１１２と、吸収材１１３とを備える。

カンチレバー１１１は、ジェットの噴射方向と直交する方向に延びるように支持されている。ターゲット１１２は、カンチレバー１１１の自由端付近に固定され、ジェットの噴射方向と平行に延びるように支持されている。ターゲット１１２は、吸収材１１３を貫通して保持している。吸収材１１３は、液体を吸収して保持する不織布によって形成されている。

ハンドピース３０の噴射管５０は、水平に設置されている。よって、ジェットは、短距離であれば、ほぼ水平に飛行する。スタンドオフ距離（液体噴射開口部６１とターゲット１１２との距離）は、所定距離（本実施形態では２ｍｍ）に設定されている。また、実験は、駆動周波数を４００Ｈｚ、室温２５℃に設定して実施した。

ハンドピース３０から噴射されたジェットは、ターゲット１１２の先端に衝突する。ターゲット１１２は、ジェットの噴射方向について十分な剛性を有するので、ジェットが衝突しても殆ど変形しない。よって、この衝突によって、カンチレバー１１１が変形する。なお、吸収材１１３は、衝突した液体を吸収する。これによって、液体が滴り落ちることでカンチレバー１１１が頻繁に変形することが抑制される。

フォースセンサー１１０は、カンチレバー１１１の変形量を示す信号を、動歪み計１２０に入力する。動歪み計１２０は、入力された信号を増幅して、データロガー１３０に入力する。データロガー１３０は、入力された信号を保存し、適宜、コンピューター１４０に入力する。コンピューター１４０は、入力された信号と、カンチレバー１１１のバネ定数とに基づき、各時刻における荷重［ｍＮ］を算出する。

図８は、荷重測定装置１００による測定結果を例示するグラフである。図８に示されるように、液体の噴射は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで実施された。時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、おおよそ１８０秒である。荷重の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、おおよそ安定している。カンチレバー１１１に衝突するのはジェットなので、本来は、液体の噴射が途切れる時刻では荷重がほぼゼロになる。しかし、荷重測定装置１００の時間分解能は、ジェットの周期（２．５ｍｓ＝１／（４００Ｈｚ））よりも、十分に大きな値であるので、ジェットの周期内の変動は殆ど測定されない。つまり、荷重測定装置１００は、平均化された荷重の値を測定する。ここでいう平均化とは、時間についての移動平均のことである。そして、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの荷重の平均値を算出することで、平均荷重の値を得る。

このように算出された平均荷重の値は、単位時間当たりの力積の総和に等しい。よって、平均荷重を駆動周波数で除算すれば、１周期分のジェットによって発生する力積を求めることができる。

１周期分のジェットによって発生する力積は、その殆どが主ジェットによってもたらされる。よって、本実施形態においては、１周期分のジェットによって発生する力積を、主ジェットによって発生した力積であるとみなす。以下、力積といえば、１周期分のジェットによって発生する力積を指す。

ジェットがターゲット１１２に衝突した後、液体の速度がゼロになれば、上記のようにして求める力積は、理論上、運動量Ｐと等しい。しかし、実際には、ターゲット１１２に衝突したジェットは跳ね返るので、衝突後の液体の速度はゼロではない。このような跳ね返りを考慮すると、上記のようにして求める力積は、運動量Ｐよりも大きくなる。但し、力積と運動量Ｐとの関係は概ね安定していると考えられるので、力積を制御することによって、運動量Ｐを制御できると考えられる。

別の実験の結果に基づき、生体組織を切削する手術用の場合、力積の下限値は０．６μＮｓ（マイクロニュートン秒）、力積の上限値は１１μＮｓに設定することにした。理由については後述する。

図９は、設定テーブル７７１（符号は図１０に図示）と力積との関係を示す。設定テーブル７７１とは、設定値と、他のパラメーターとの関係を示すテーブルである。他のパラメーターとは、図９に示すように、電圧振幅（Ｖ）、駆動周波数（Ｈｚ）及び流量（ｍｌ／ｍｉｎ）である。

設定値１〜設定値１２は、レバースイッチ８１３の操作によって決定される値であり、操作パネル８０に付された目盛りとして表示される。設定値０は、レバースイッチ８１３の操作によって決定される値ではなく、液体が噴射されないようにするために、ペダルスイッチ８３が踏まれていない場合に設定される。

流量は、送液ポンプ２０がハンドピース３０に単位時間当たりに供給する液体の体積のことである。

制御部７５は、決定された設定値に応じて、電圧振幅、駆動周波数および流量を、設定テーブル７７１の通りに制御する。設定テーブル７７１は、記憶部７７（図１０）に記憶されている。

液体が噴射される設定値のうち、最も電圧振幅が小さいのは、設定値１である。設定値１に対して、電圧振幅に３．５Ｖが対応付けられているのは、先述した下限値としての力積である０．６μＮｓ以上の力積を確保するためである。力積は、駆動信号の電圧振幅に大きく依存する一方で、液体噴射装置１の製品差や、使用に伴う外乱等の影響を受けて、誤差が生じる場合がある。このような誤差を加味しても、電圧振幅を３．５Ｖに設定すれば、力積が０．６μＮｓを下回ることが殆ど無いことを実験によって確認した。

一方で、設定値１２に対して、電圧振幅に４２．０Ｖが対応付けられているのは、力積を１１μＮｓ以下にするためである。力積が１１μＮｓ以下であれば、外科手術において、切削深さが深くなり過ぎることを避けることができる。４２．０Ｖという電圧振幅は、上記の３．５Ｖと同様、誤差を加味して決定された値である。

このようにして電圧振幅の上下限値を決定した後、１２段階で制御することにし、各設定値間の電圧振幅の差を等しくした結果、各設定値間の電圧振幅の差は３．５Ｖになった。当然、設定値２〜設定値１１における力積は、０．６μＮｓ以上、１１μＮｓ以下である。設定値２〜設定値１１における力積の値は、本実施形態においては明示しないが、設定値の増大に伴い単調増加する。そして、各設定値間の電圧振幅の差を等しくした結果、設定値と切削深さとの間に、強い相関関係があることが確認できた。つまり、電圧振幅の値と切削深さとの間に、強い相関関係があることが確認できた。

図９に示す通り、流量は、設定値に関わらず、４ｍｌ／ｍｉｎである。一方、駆動周波数は、設定値１から設定値７の場合は４００Ｈｚであり、設定値８から設定値１２の場合は２００Ｈｚである。このように駆動周波数を変化させるのは、電圧振幅が２８．０Ｖ以上の場合は、液体室４４の容積が大きく変動するので、４ｍｌ／ｍｉｎでは、流量が不足するからである。そこで、電圧振幅が２８．０Ｖ以上の場合は、駆動周波数を２００Ｈｚに設定することにした。

図１０は、制御装置７０の機能ブロック図である。制御装置７０は、操作部８１と、表示部７３と、制御部７５と、記憶部７７とを備える。

操作部８１は、図１と共に説明したボタンスイッチ８１１と、レバースイッチ８１３と、ペダルスイッチ８３とを含む。モニター８２は、液晶ディスプレイ（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設定画面等の各種画面を表示する。

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）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、液体噴射装置１の各部を統括的に制御する。制御部７５は、圧電素子制御部７５１と、ポンプ制御部７５６と、表示制御部７５７とを備える。

圧電素子制御部７５１は、レバースイッチ８１３のレバー位置に従って電圧振幅を設定する電圧振幅設定部７５３と、レバースイッチ８１３のレバー位置に従って駆動周波数を設定する周波数設定部７５４とを備える。圧電素子制御部７５１は、設定された電圧振幅と駆動周波数に従って、駆動電圧波形を生成する。圧電素子制御部７５１は、生成した波形の駆動信号を圧電素子４５に印加する。

ポンプ制御部７５６は、送液ポンプ２０に駆動信号を入力して、送液ポンプ２０を駆動する。表示制御部７５７は、レバースイッチ８１３のレバー位置に割り当てられた設定値を、モニター８２に表示させる。

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って実現される。記憶部７７には、先述した設定テーブル７７１と、液体噴射装置１が備える種々の機能を実現するためのプログラムが記憶されている。さらに記憶部７７には、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に記憶されたり、処理の都度一時的に記憶されたりする。

図１１は、噴射制御処理を示すフローチャートである。噴射制御処理は、制御部７５によって実行される。制御部７５は、ペダルスイッチ８３がＯＮになったことを契機に、噴射制御処理を開始する。

まず、現状の設定値に合わせて、電圧振幅と、駆動周波数とを設定する（Ｓ２１１）。詳細には、電圧振幅設定部７５３が、レバースイッチ８１３のレバー位置を取得して、取得したレバー位置の設定値に対応する電圧振幅を設定テーブル７７１から読み出し、電圧振幅を設定する。さらに、周波数設定部７５４が、レバースイッチ８１３のレバー位置を取得して、取得したレバー位置の設定値に対応する駆動周波数を設定テーブル７７１から読み出し、駆動周波数を設定する。

続いて、圧電素子４５と、送液ポンプ２０とに駆動信号を出力する（Ｓ２１２）。具体的には、圧電素子制御部７５１が、設定された電圧振幅と駆動周波数とに従って駆動電圧波形を生成し、生成した駆動電圧波形の駆動信号を圧電素子４５に印加する。さらに、制御部７５が、送液ポンプ２０を駆動させるための駆動信号を出力する。

続いて、設定値を表示する（Ｓ２１３）。具体的には、表示制御部７５７が、取得したレバー位置に割り当てられた設定値を、モニター８２に表示させる。

その後、駆動信号の出力を継続しつつ、入力操作を待つ（Ｓ２１５）。操作されたのがレバースイッチ８１３である場合（Ｓ２１５，レバースイッチ）、Ｓ２１１に戻る。つまり、変更後の設定値に合わせて、電圧振幅と、駆動周波数とを設定し（Ｓ２１１）、駆動信号の出力（Ｓ２１２）と設定値の表示（Ｓ２１３）とを実行する。

一方、操作されたのがペダルスイッチのＯＦＦである場合（Ｓ２１５，ペダルスイッチＯＦＦ）、噴射制御処理を終了する。

上記の実施形態によれば、少なくとも以下の効果を得ることができる。

力積という新たな制御指標によって、液体噴射を制御することができる。

ユーザーは、レバースイッチ８１３の操作によって、切削深さを調整できる。しかも、レバースイッチ８１３の目盛りは切削深さに対応しているので、ユーザーは直感的に切削深さを調整できる。

レバースイッチ８１３の操作によって決定される最小の力積は、０．６μＮｓを下回らないように定められているので、液体を噴射しても、切削深さが浅すぎて患部を殆ど切削できない、ということが回避できる。

レバースイッチ８１３の操作によって決定される最大の力積は、１１μＮｓを上回らないように定められているので、切削深さが深くなり過ぎることが回避できる。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

噴射する液体の流速を周期的に変動させる液体噴射装置としては、実施形態に例示した圧電素子を用いるタイプの装置に限られない。
例えば、液体室に光メーザーを照射することによって、液体室の液体を蒸発させ、液体を間欠的に噴射させるタイプの液体噴射装置であってもよい。

或いは、バルブ式の液体噴射装置であってもよい。バルブ式とは、液体を噴射しない時はバルブを閉じ、液体を噴射する時はバルブを開けることによって、噴射を制御する方式である。バルブは、液体室とノズルとの間に設けられ、バルブが閉じている時は、液体室からノズルへの液体の流れが遮断される。そして、バルブが開閉に関わらず、液体室の液体を加圧する。よって、バルブを開けると、液体がノズルから噴射される。このようにして液体が間欠的に噴射されることによって、噴射する液体の流速が周期的に変動する。

液体の噴射は、間欠的でなくてもよい。つまり、実施形態や上記の変形例とは異なり、液体が途切れ途切れになって飛行しなくてもよい。

噴射対象物は、生体組織以外の柔軟素材、例えば、食品を切削対象物とした食品加工用、ゲル材料の加工用、又はゴムやプラスチックなど樹脂材料などでもよい。

力積の上限値や下限値は、噴射対象物に合わせて変更してもよい。例えば、下限値が０．６マイクロニュートン秒であることと、上限値が１１マイクロニュートン秒であることとのうち何れか１つが満たされてもよい。

各設定値間で、駆動信号の電圧振幅の増分が等間隔になるように定めなくてもよい。例えば、力積の増分が等間隔になるように、電圧振幅を定めてもよい。

設定値は、２段階以上であれば、何段階で設定できるようになっていてもよい。

実施形態のように圧電素子を用いる場合、駆動信号の電圧振幅の変更によらずに、力積を制御してもよい。例えば、液体室に供給する液体の流速を送液ポンプの制御によって変更することで、力積を制御してもよい。また、液体室に供給する液体の流速が変化すれば、単位時間当たりに噴射される液体の質量が変化するので、力積が変化すると考えられる。

噴射される液体は、純水や、薬液等でもよい。

上記実施形態において、ソフトウエアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウエアによって実現されてもよい。また、ハードウエアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウエアによって実現されてもよい。ハードウエアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

１…液体噴射装置、１０…容器、２０…送液ポンプ、３０…ハンドピース、４０…パルス流発生部、４１…第１ケース、４２…第２ケース、４３…第３ケース、４４…液体室、４５…圧電素子、４６…ダイヤフラム、５０…噴射管、６０…ノズル、６１…液体噴射開口部、７０…制御装置、７３…表示部、７５…制御部、７７…記憶部、８０…操作パネル、８１…操作部、８２…モニター、８３…ペダルスイッチ、９１…接続チューブ、９３…接続チューブ、１００…荷重測定装置、１１０…フォースセンサー、１１１…カンチレバー、１１２…ターゲット、１１３…吸収材、１２０…動歪み計、１３０…データロガー、１４０…コンピューター、４１１…凹部、４１３…入口流路、４１５…出口流路、７５１…圧電素子制御部、７５３…電圧振幅設定部、７５４…周波数設定部、７５６…ポンプ制御部、７５７…表示制御部、７７１…設定テーブル、８１１…ボタンスイッチ、８１３…レバースイッチ

Claims (6)

1. 噴射する液体の流速を周期的に変動させる液体噴射装置であって、
   第１の設定の場合、前記周期的な変動における１周期分に噴射される液体は、噴射対象物に第１の値の力積を与え、
   前記第１の設定とは異なる第２の設定の場合、前記１周期分に噴射される液体は、前記噴射対象物に第２の値の力積を与える
   液体噴射装置。
2. 前記第１及び第２の値を含む範囲で前記力積の値が設定でき、
   前記範囲の下限値が０．６マイクロニュートン秒であることと、前記範囲の上限値が１１マイクロニュートン秒であることとのうち少なくとも１つが満たされる
   請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 液体を噴射する噴射管と連通可能な液体室と、
   駆動信号の入力によって、前記液体室の容積を変動させる圧電素子と、を備え、
   前記流速の周期的な変動は、前記圧電素子の駆動によってもたらされる
   請求項１又は請求項２に記載の液体噴射装置。
4. 前記第１の設定の場合、前記駆動信号の電圧振幅は、第１の電圧値であり、
   前記第２の設定の場合、前記駆動信号の電圧振幅は、前記第１の電圧値とは異なる第２の電圧値である
   請求項３に記載の液体噴射装置。
5. 前記噴射対象物が切削される深さは、前記第１の設定の場合と前記第２の設定の場合とで異なる
   請求項４に記載の液体噴射装置。
6. 噴射する液体の流速を周期的に変動させる液体噴射方法であって、
   第１の設定の場合、前記周期的な変動における１周期分に噴射される液体は、噴射対象物に第１の値の力積を与え、
   前記第１の設定とは異なる第２の設定の場合、前記１周期分に噴射される液体は、前記噴射対象物に第２の値の力積を与える
   液体噴射方法。

Images