液體噴射控制裝置、液體噴射系統及控制方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及控制使用壓電元件以脈沖狀噴射液體的液體噴射裝置的液體噴射控制裝置、液體噴射系統及控制方法。
【背景技術】
[0002]已知以脈沖狀噴射液體并對切削對象物進行切削的技術。脈沖狀的液體的噴射是從噴嘴中脈動式地被噴射的液體的射流，在本說明書中適當稱為“脈沖液體射流(PulsedLiquid Jet)，，。
[0003]脈沖液體射流的用途各種各樣，例如，在專利文獻I中已經提出作為在醫療領域中的外科手術用而利用的技術。在這種情況下，切削對象物成為生物體組織，液體成為生理鹽水。
[0004]【現有技術文獻】
[0005]【專利文獻】
[0006]專利文獻1:日本特開2005 —152127號公報
[0007]在生成脈沖液體射流的機構之一中，已知有使用了壓電元件的機構。是一種通過將脈沖波狀的驅動電壓施加于壓電元件，從而壓電元件使瞬時壓力在工作流體(液體)內產生并以脈沖狀噴射液體的機構。因此，在變更脈沖液體射流的強度的情況下，就要控制向壓電元件施加的驅動電壓。于是，考慮如下辦法:通過在操作刻度盤、操作按鈕等操作部中指示向壓電元件施加的驅動電壓的特性值例如驅動電壓波形的振幅(就是電壓振幅，也可以說是驅動電壓的大小)來使脈沖液體射流的強度可變。
[0008]然而，已經知道即使使在操作部中指示的驅動電壓的特性值變化，也有無法使切削對象物的切削深度、切削體積等切削形態如用戶所愿變化的情況。詳情將在后面說明，已經知道，例如即使用戶已將電壓振幅變為2倍或4倍、或者1/2、1/4，切削深度和切削體積也未必按照那樣變化。在將脈沖液體射流應用在外科手術用途中的情況下，不能獲得符合手術實施者的操作感覺的作用，可能成為問題。
[0009]另一方面，如果使脈沖液體射流的噴射周期可變，則就能夠使每單位時間的切削深度、切削體積增減，可調整對切削對象物進行切削的速度。然而，如果改變噴射周期，則驅動電壓波形的形狀就變化，因此，一個脈沖的液體噴射流的強度等可能變化。因此，在改變噴射周期的前后由一個脈沖的脈沖液體射流所產生的切削深度、切削體積會變化，即使使噴射周期縮短換而言之使噴射頻率提高，也可能發生無法獲得符合用戶意圖的與噴射頻率成正比的切削速度的情況。
【發明內容】
[0010]本發明鑒于上述的問題而設計，其目的在于提供能夠使脈沖液體射流的強度變為按照用戶意圖的設定而使使用便利性提高的技術。
[0011]用于解決以上問題的第一方面涉及液體噴射控制裝置將給定的驅動電壓波形施加于壓電元件，并對來自使用該壓電元件而以脈沖狀噴射液體的液體噴射裝置的脈沖液體射流的噴射進行控制，所述液體噴射控制裝置具備:第一操作部，用于輸入所述脈沖液體射流的動能有關的第一指示值;第二操作部，用于輸入所述脈沖液體射流的每單位時間的噴射次數有關的第二指示值；以及上升指標值設定部，根據所述驅動電壓波形的電壓振幅和所述第二指示值，設定所述驅動電壓波形的上升有關的指標值以便使所述動能成為所述第一指示值。
[0012]另外，作為另一方面，可以構成控制方法，將給定的驅動電壓波形施加于壓電元件，并對使用該壓電元件而以脈沖狀噴射液體的液體噴射裝置的脈沖液體射流的噴射進行控制，所述控制方法包括:輸入所述脈沖液體射流的動能有關的第一指示值;輸入所述脈沖液體射流的每單位時間的噴射次數有關的第二指示值；以及根據所述驅動電壓波形的電壓振幅和所述第二指示值，設定所述驅動電壓波形的上升有關的指標值，以便使所述動能成為所述第一指示值。
[0013]根據該第一方面等，當輸入脈沖液體射流的動能有關的第一指示值和脈沖液體射流的每單位時間的噴射次數有關的第二指示值時，根據驅動電壓波形的電壓振幅和第二指示值，設定驅動電壓波形的上升有關的指標值以便使動能成為第一指示值。如后所述，切削深度、切削體積與脈沖液體射流的動能的相關高。因此，通過直接指示脈沖液體射流的動能，從而能夠實現與用戶意圖、操作感覺相稱的切削深度和切削體積，能夠使使用便利性提尚O
[0014]并且，能夠同時指示脈沖液體射流的每單位時間的噴射次數。據此，例如能夠維持著第一指示值的情況下增減噴射次數。因此，能夠不會使在改變了噴射次數的前后由一個脈沖的脈沖液體射流所產生的切削深度和切削體積變化而調整切削速度，謀求提高使用便利性。
[0015]另外，根據第一方面的液體噴射控制裝置，在本發明的第二方面中，所述液體噴射控制裝置還具備第三操作部，所述第三操作部用于輸入所述電壓振幅有關的第三指示值。
[0016]根據該第二方面，能夠輸入驅動電壓波形的電壓振幅有關的第三指示值。
[0017]另外，根據第一方面或第二方面的液體噴射控制裝置，在本發明的第三方面中，所述液體噴射控制裝置還具備下降形狀設定部，所述下降形狀設定部根據所述第二指示值，可變地設定所述驅動電壓波形的下降形狀。
[0018]根據該第三方面，通過可變地設定驅動電壓波形的下降形狀，從而能夠控制脈沖液體射流的重復的噴射以便使脈沖液體射流的每單位時間的噴射次數成為第二指示值。
[0019]另外，根據第一方面至第三方面中任一方面的液體噴射控制裝置，在本發明的第四方面中，所述液體噴射控制裝置還具備顯示控制部，所述顯示控制部執行使所述第一指示值及所述第二指示值中的至少一個顯示的控制。
[0020]根據該第四方面，能夠使脈沖液體射流的動能有關的第一指示值以及脈沖液體射流的每單位時間的噴射次數有關的第二指示值中的至少一個顯示。據此，能夠在視覺上確認用戶已指示的當前的脈沖液體射流的動能、表示每單位時間的噴射次數的指標等。因此，能夠使使用便利性進一步地提高。
[0021]另外，根據第一方面至第四方面中任一方面的液體噴射控制裝置，在本發明的第五方面中，控制所述脈沖液體射流的動量是2 [nNs (納牛頓秒)]以上2 [mNs (毫牛頓秒)]以下、或者動能是2[nJ(納焦耳)]以上200[mJ(毫焦耳)]以下的所述液體噴射裝置。
[0022]根據該第五方面，脈沖液體射流的動量是2[nNs]以上2[mNs]以下、或者動能是2[nj]以上200[mJ]以下，能夠在該范圍內控制液體噴射裝置。因此，非常適合切削例如生物體組織和食品、凝膠材料、橡膠和塑料等樹脂材料等柔軟原材料。
[0023]另外，根據第一方面至第五方面中任一方面的液體噴射控制裝置，在本發明的第六方面中，控制用于通過所述脈沖液體射流來切削生物體組織的所述液體噴射裝置。
[0024]根據該第六方面，能夠控制適合于例如外科手術用途的脈沖液體射流的強度。
[0025]另外，第七方面涉及的液體噴射系統具備:第一方面至第六方面中任一方面的液體噴射控制裝置、液體噴射裝置以及送液栗裝置。
[0026]根據該第七方面，能夠實現發揮第一方面至第六方面的作用效果的液體噴射系統。
【附圖說明】
[0027]圖1是示出液體噴射系統的整體結構例的圖。
[0028]圖2是示出液體噴射裝置的內部結構的圖。
[0029]圖3的(a)、(b)是示出壓電元件的一個周期的驅動電壓波形以及液體噴射開口部中的液體的流速波形的圖。
[0030]圖4的(a)?(C)是示出質量通量、動量通量以及能量通量的圖。
[0031]圖5的(a)?(C)是示出在關于切削對象物的切削形態的模擬中所使用的主射流的流速波形的圖。
[0032]圖6的(a)?(f)是示出模擬結果(切削深度)的圖。
[0033]圖7的(a)?(f)是示出模擬結果(切削體積)的圖。
[0034]圖8的(a)、(b)是示出在供給了上升頻率不同的驅動電壓波形的情況下的主射流的流速波形的模擬結果的圖。
[0035]圖9的(a)、(b)是示出在供給了電壓振幅不同的驅動電壓波形的情況下的主射流的流速波形的模擬結果的圖。
[0036]圖10的(a)、(b)是示出在供給了重復頻率不同的驅動電壓波形的情況下的主射流的流速波形的模擬結果的圖。
[0037]圖11是示出規定的重復頻率的能量E與上升頻率及電壓振幅的對應關系的圖。
[0038]圖12是示出實施例一中的液體噴射控制裝置的操作面板的圖。
[0039]圖13是示出實施例一中的液體噴射控制裝置的功能構成例的框圖。
[0040]圖14是示出實施例一中的能量轉換表的數據構成例的圖。
[0041 ]圖15是示出在實施例一中當噴射脈沖液體射流時控制部所執行的處理的流程的流程圖。
[0042]圖16是示出實施例二中的液體噴射控制裝置的操作面板的圖。
[0043]圖17是示出實施例二中的液體噴射控制裝置的功能構成例的框圖。
[0044]圖18是示出實施例二中的能量轉換表的數據構成例的圖。
[0045]圖19是示出在實施例二中當噴射脈沖液體射流時控制部所執行的處理的流程的流程圖。
[0046]符號說明
[0047]I液體噴射系統10容器
[0048]20送液栗裝置30液體噴射裝置
[0049]40脈沖流發生部44壓力室
[0050]45壓電元件46膜片[0051 ] 50噴射管60噴嘴
[0052]61液體噴射開口部70、70-1、70_2液體噴射控制裝置
[0053]71、71a操作部811能量刻度盤
[0054]813重復頻率刻度盤815a電壓振幅刻度盤
[0055]73顯示部75、75a控制部
[0056]751、751a壓電元件控制部752、752a上升頻率設定部
[0057]753,753a電壓振幅設定部754重復頻率設定部
[0058]756栗控制部757能量顯示控制部
[0059]77,77a存儲部771、771a能量轉換表。
【具體實施方式】
[0060]以下，對用于實施本發明的液體噴射控制裝置、液體噴射系統以及控制方法的一方式進行說明。此外，并非通過以下說明的實施方式來限定本發明，能適用本發明的方式也不限定于以下的實施方式。另外，在附圖的描述中，對相同的部分標注相同的符號。
[0061][整體結構]
[0062]圖1是不出本實施方式中的液體噴射系統I的整體結構例的圖。該液體噴射系統I應用在將柔軟原材料例如生物體組織作為切削對象物的外科手術用、將食品作為切削對象物的食品加工用、凝膠材料的加工用、橡膠和塑料等樹脂材料的切削加工用等的用途中，噴射動量為2[nNs(納牛頓秒)]以上2[mNs(毫牛頓秒)]以下、或者動能為2[nJ(納焦耳)]以上200[mJ(毫焦耳)]以下的脈沖液體射流來對切削對象物進行切削。在以下，例示將液體噴射系統I應用在外科手術用的用途中并進行患部(生物體組織)的切開、切除或破碎(將它們總括地稱為“切削”)的情況。另外，所謂本實施方式中的動量通量以及動量是指只考慮了脈沖液體射流的噴射方向成分的標量即大小而進行說明。
[0063]如圖1所示，液體噴射系統I具備:容納液體的容器10、送液栗裝置20、用于以脈沖狀向切削對象物(在本實施方式中生物體組織)噴射液體的液體噴射裝置30、以及液體噴射控制裝置70。
[0064]在該液體噴射系統I中，液體噴射控制裝置70具備手術實施者在手術時操作的操作面板80。操作面板80是用于輸入動能的增減操作等各種操作的面板。另外，液體噴射控制裝置70具備手術實施者用腳踩踏而用于切換液體射流的噴射開始及噴射停止的噴射踏板83ο
[0065]容器10容納水或生理鹽水、藥液等液體。送液栗裝置20將容器10中所容納的液體經由連接管91、93而總是以規定的壓力或規定的流量供給液體噴射裝置30的脈沖流發生部
40 ο
[0066]液體噴射裝置30是在手術時手術實施者手持操作的部分(手機)，具備對從送液栗裝置20供給的液體賦予脈動而使脈沖流發生的脈沖流發生部40和