CN117999113A - 具有单一结构的复合超声波产生换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合超声波产生换能器，作为将多重频率产生换能器和高强度聚焦超声波产生换能器的输出一体地构成的复合超声波产生换能器，所述超声波产生换能器为线形，在头部为平坦的帽形的主体的上表面形成平面形状的超声波产生部和半球形状的超声波产生部，在上部的下表面设置由凹陷的圆形槽形成的收容部，在所述收容部的内部安装压电器件。
Description
技术领域
本发明涉及具有单一结构的复合超声波产生换能器。
背景技术
超声波换能器作为将电能转换并产生作为热能以及机械能的超声波的装置，在产业、医疗以及美容领域被广泛应用。尤其，超声波对人体无害且安全，因此不仅在医疗领域，还在美容领域利用超声波的技术进行很多的研究。
最近随着使用超声波的美容医学的发展，对皱纹减少、皮肤强化、防止老化等的关心，以及在皮肤科使用超声波对过敏性皮炎、痤疮疤痕、瘢痕疙瘩、湿疹等进行皮肤管理产品的需求正在增加。
作为医疗以及美容设备使用的多重超声波换能器利用多重频率交叉产生的原理，以具有比皮肤细胞壁的厚度小的振幅的超声波频率对直至细胞内的最小的粒子发挥作用，并且达到深的部位，对皮肤进行超声波刺激以使皮肤的再生效果极大化。高强度聚焦超声波(high-intensity focused ultrasound)换能器使超声波聚焦，将强的超声波能量以非侵入式使用，在无需医学上全身麻醉的情况下可以对身体内部的病变进行治疗，以皮肤美容的方式诱导胶原蛋白新生合成，在皮肤的收紧和提升上使用。因此，当前商业化的称为水滴提升或者LDM的多重频率超声波换能器和聚焦超声波(HIFU)换能器作为彼此不同的制造方式的换能器以分别不同地被使用。
作为专利文献，韩国专利第10-1672631号公开了高强度聚焦超声波装置，盒部包括聚焦器件模块以及线形压电马达，包括振动马达的振动部与振动盒部结合，与振动部电连接的本体部具有电路部和外部电源部。
韩国专利第10-2117655号公开了LDM换能器，包括：形成有收纳空间的壳体；由通过第一频率、第二频率的电信号产生第一振幅的超声波振动的第一压电体和层叠在第一压电体上并产生与第一振幅不同的第二振幅的超声波振动的第二压电体构成的压电陶瓷阵列。第一压电体的厚度制作成相比于第二压电体的厚度更厚。
另外，韩国专利第10-2221798号公开了同时将多重美容治疗区生成在组织的LDM方式的换能器。韩国专利第10-2256560号公开了能够调节超声波聚焦深度的HIFU方式的超声波产生装置。
但是，同时产生多重超声波和高强度聚焦超声波的单一结构的超声波换能器没有被商业化，而且没有在任何专利文献中公开。
发明人发现了如果改变超声波产生部的设计和外观，则能够实现产生两个超声波的功能的复合超声波产生换能器。
发明内容
要解决的问题
因此，本发明提供一种新的换能器，将上述言及的两种以上的换能器的效果在一个换能器上同时呈现，相比于现有技术提高耐久性以及稳定性。
解决技术问题的手段
为了达到上述目的，本发明提供一种复合超声波产生换能器，作为将多重频率产生换能器和高强度聚焦超声波产生换能器的输出一体地构成的复合超声波产生换能器，所述超声波产生换能器包括使用横向(厚度方向)振动超声波驱动频率来确定材料和振动系数的压电器件，在所述压电器件的输出端产生的振动周期的(4n-1)λ/4区域产生最大超声波，所述超声波产生换能器的超声波产生部包括由具有规定的曲率的多个半球形状构成的第一区域和由平面形状构成的第二区域。
所述第一区域是产生高强度聚焦超声波的区域，所述第二区域是产生多重频率超声波的区域。
所述超声波产生部的材质包括金属材质或者环氧树脂材质。
所述超声波产生部的形状是圆形、棒状或者多边形，所述第一区域由多个圆形、多边形、拱形或者锥(cone)形构成。
通过改变超声波产生部的第一区域的各半球的直径和曲率来改变超声波的聚焦距离。
所述第一区域的半球排列成十字形状，在周边部排列成形成圆弧。
所述压电器件是将多个压电器件层叠排列的结构。
所述超声波产生部能够前进或后退。
此外，本发明提供一种复合超声波产生换能器，作为将多重频率产生换能器和高强度聚焦超声波产生换能器的输出一体地构成的复合超声波产生换能器，所述超声波产生换能器为线形，在头部为平坦的帽形的主体的上表面形成平面形状的超声波产生部和半球形状的超声波产生部，在上部的下表面设置由凹陷的圆形槽形成的收容部，在所述收容部的内部安装压电器件。
在所述压电器件的输出端产生的振动周期的(4n-1)λ/4区域产生最大超声波。
此外，本发明提供一种复合超声波产生换能器，作为将多重频率产生换能器和高强度聚焦超声波产生换能器的输出一体地构成的复合超声波产生换能器，所述超声波产生换能器包括使用横向(厚度方向)振动超声波驱动频率来确定材料和振动系数的压电器件，在所述压电器件的输出端产生的振动周期的(4n-1)λ/4区域产生最大超声波，其中，n是振动常数，所述超声波产生换能器的超声波产生部包括由具有规定的曲率的多个半球形状构成的第一区域和除了第一区域以外的剩余部分由平面形状构成的第二区域，所述第一区域是产生高强度聚焦超声波的区域，所述第二区域是产生多重频率超声波的区域，通过所述第一区域的各半球，高强度聚焦超声波产生多个峰值频率，各峰值频率是共振频率，在各共振频率附近具有阻抗的最大值和最小值，提高了发射波灵敏度和接收波灵敏度。
发明的效果
本发明解决了现有技术中存在的根据现有的超声波产生类型利用作为彼此不同的换能器的彼此不同的设备才能实施的问题，在单一的换能器将多重超声波和聚焦超声波同时或者按顺序、复合地输出超声波能量，从而在各种类型的皮肤上将现有的二维圆形超声波能量以三维矢量型均匀地传递至皮肤内层，有效地作用在皮肤以及脂肪结合组织上。
附图说明
图1是示出本发明的实施例的同时产生多重超声波和聚焦超声波的超声波换能器的图。
图2是基于图1实际制作的超声波换能器的照片。
图3示出了现有技术的多重超声波换能器的实物和用于说明超声波特性原理的例子。
图4示出了现有技术的高强度聚焦超声波换能器的实物和用于说明超声波特性原理的例子。
图5是由图3的现有技术实施的多重超声波换能器的超声波特性的测量数据。
图6是由图4的现有技术实施的聚焦超声波换能器的超声波特性的测量数据。
图7是由图2的本发明制作的相应复合超声波换能器的超声波输出特性的测量数据。
图8是示出由图2的本发明制作的换能器的频率的超声波振动特性的图表。
具体实施方式
本发明的目的和效果以及为了达到目的和效果的技术特征，参照所附的附图和后述的实施例会变得清楚。在说明本发明的过程中，如果判断为公知功能或结构的说明会不必要地影响本发明的要旨，则省略对其详细说明。
在整个说明书中，当记载为某些部分“包括”某些构成要素时，在没有特别反对的记载的情况下，还可以包括其他构成要素。另外，在本发明的实施例中，各构成要素、功能模块或者手段可以由一个或一个以上的下位构成要素构成。
最近将利用了超声波的特性的皮肤再生治疗以及美容作为目的的各种医疗以及美容手术被开发研究，由此出现了各种类型的超声波美容设备。截止目前为止，开发出的主要超声波技术实现方式是传递单一以及多重的超声波的方式和将超声波的输出以非侵入式集中的聚焦超声波方式(HIFU)的两种方式，分别利用不同结构的换能器将超声波传递到人体。
单一以及多重的超声波换能器虽然利用驱动频率的细胞内外物质的微小的振动和调节渗透深度来以无损的方式使皮肤结构稳定化，但是由于超声波产生的能量不大导致需要长时间手术，超声波作用位置受限。此外，现有的聚焦超声波换能器通常构成为以固定的曲率聚焦并产生一个超声波，存在如下缺点：在对皮肤的宽的面积进行作用时，为了机械性地移动焦点位置，需要消耗更多的手术时间，并且根据聚焦超声波手术深度需要使用各种盒。
本发明为了解决现有技术中的超声波设备所存在的问题和限制，对输出增幅部的机构设计重新分析实施以具有能够同时产生多重超声波和聚焦超声波的特性，从而实现能够具有各种超声波输出特征的新的单一结构的复合超声波换能器。
图1是本发明的同时产生多重超声波和聚焦超声波的超声波换能器1的图，100是产生超声波的压电器件，101是平面形状的超声波产生部，102是具有曲率的半球形状的超声波产生部。
超声波换能器1的外形是流线型，头部由平坦的帽形的主体103形成。在主体103的上部104的上表面形成平面形状的超声波产生部101和半球形状的超声波产生部102，在上部104的下表面形成由凹陷的圆形槽形成的收容部106，在收容部106的内部安装压电器件100。
半球形状的超声波产生部虽然由具有规定曲率的凹陷的半球形状的槽制成，但是也可以制作成椭圆形、四边形或者菱形。此外，曲率半径也可以根据超声波的频率设置为不同。在图示的例中，半球形状的圆弧排列成十字形状，并且沿上部104的内周边缘以紧密的间隔排列，但是这只是一个例子，可以以各种形状和图案进行排列。
根据产生超声波的压电器件的特性的驱动频率、对超声波进行传递和增幅的超声波产生部的材料以及厚度，在包括具有单一或者多个曲率的半球形状和平面形状的超声波产生部101、102的上部面产生最大的超声波驱动。在本发明的新的结构中，根据超声波产生部的上部面的厚度、具有曲率的半球形的直径以及曲率，产生高强度聚焦超声波，而且在平面形状的超声波产生部101中产生直进性的多重超声波。超声波产生部101、102的材质可以包括金属材质或者环氧树脂材质。
设置有超声波产生部101、102的上部104的形状可以是圆形、棒状或者多边形。
此外，所述半球形状的超声波产生部102不仅可以形成为半球形状，也可以形成为圆形、多边形、拱形或者锥(cone)形状。
本发明将图1所示的超声波换能器作为特征，安装在主体103的其他部件、用于支撑和调节频率的流体以及包括与压电器件连接的电极和电源的电路可以选择使用公知的技术。此外，如韩国专利第10-2256560号，可以选择使主体103前进或后退的结构。
图2是示出图1的超声波换能器1的实际物品的图。
模拟计算出要用在压电器件100的驱动频率和半球的直径以及厚度并进行制作，超声波产生部的材质反映了金属系列以及环氧树脂系列的振动系数，并确定了超声波产生部的厚度。在上部104形成具有曲率的半球形状和平面形状，将产生超声波的压电器件100和对超声波进行增幅和传递的超声波产生部实际结合以及附着。
根据本发明，在产生具有单一以及多个驱动频率的超声波时，根据驱动频率，按照人体以及皮肤深度不同地传递超声波，通过聚焦多方向的超声波来调节超声波输出强度，来调节皮肤表面以及人体深处位置，由此利用单一结构的超声波换能器1，可以实现两种超声波换能器，结合现有的多重频率超声波设备的优点和高强度聚焦超声波设备的优点的同时，完善各设备的限制，可以在人体以及皮肤上实施安全的手术，可以提高换能器的耐久性以及准确度。
产生超声波的压电器件构成为径向(圆周方向)振动的驱动频率常数(Nr)和横向(厚度方向)振动的驱动频率常数(Nt)，这些常数根据压电材料和器件而不同，根据压电器件的厚度而改变。常数的驱动区域包括多个振动频率而不是包括单一频率，可以使用单一以及多个振动频率，以各种频率产生超声波。
本发明的换能器可以将超声波施加到人体以及皮肤的深处，因此确定并使用压电器件100的横向振动超声波驱动频率。
发挥对在压电器件100产生的超声波进行传递和增幅的作用的超声波产生部与产生超声波的驱动频率和所传递的产生部的材料的振动系数和厚度有关联。在压电器件100的中心开始振动，利用与压电器件100的振动系数结合以及附着的超声波产生部的振动系数，来确定并计算材料和厚度。在压电器件100的输出端产生的振动周期的(4n-1)λ/4区域是产生最大超声波的部位，将该几何位置与在超声波产生部上部面的平面形状和包括曲率的半球形状一同构成外观，由此可以实现具有同时输出多重超声波和聚焦超声波的特性的单一结构的复合超声波产生换能器。其中，n是振动常数(1、2、3、4…)。
虽然说明了本发明的压电器件100是盘形，但也可以是中央空的圆环形或者是缸筒形。此外，压电器件100可以通过多层的压电器件100层叠来制造。
图3是现有技术的多重超声波换能器的实际照片以及用于说明超声波渗透到人体以及皮肤的特性的例子。如图3所示，所述换能器通过交叉多重驱动频率来交叉产生振动不同的超声波，因此在没有皮肤受损的情况下调节人体以及皮肤中的超声波振动和人体内的深度，从而使人体以及皮肤结构稳定的效果等产生各种皮肤细胞的稳定变化。
图4是现有技术的高强度聚焦超声波换能器1b的实际照片以及用于说明聚焦超声波特性原理和皮肤内的渗透位置的例子，所述换能器1b将在面积内的多方向上产生的超声波进行聚焦，并将所产生能量进行增幅来产生最大的超声波输出。利用聚焦超声波，可以没有外伤的情况下治疗人体以及皮肤，产生对皮肤的再生和提升的生物学变化。
图5是通过水听器对图3的由现有技术实施的多重超声波换能器的超声波特性测量分布进行测量的数据。水听器(hydrophone)是通过测量超声波的产生方向和输出强度以及分布，能够由肉眼确认超声波产生输出数据的装置。图5的a中可以确认到作为超声波产生部的整个上部面产生了相似输出强度的超声波，如图5的b所示，示出了从上部面开始传递输出，并且深度越深，输出强度越弱的超声波区域的分布。
图6示出了由图4的现有技术实施的高强度聚焦超声波换能器1b的超声波特性测量分布，与图5相同地，是由水听器测量的数据。在图6的a中确认到在换能器的中心分布的超声波输出强度最强，如图6的b所示，根据换能器的直径和曲率，在远离上部面的位置的超声波输出强度强。在c中，参照三维图表，通过曲率，多方向的超声波向一处聚焦，在希望的深度示出了最大的超声波输出区域。
图7是本发明的超声波换能器1在与图5以及图6的现有技术的超声波特性测量相同的条件下为了测量和测试超声波特性而由水听器测量的数据使用了本发明的实际产品的实施例。如图7的照片所示，作为超声波产生部的上部面形成为产生聚焦超声波的具有曲率的半球形状和产生多重超声波的平面形状。
图7的a示出了在上部面的超声波强度分布，可以确认到在半球形状产生聚焦超声波，在平面形状产生多重超声波。图7的b是在平面形状产生多重超声波的数据，如图5的b所示，确认到从上部面开始输出。图7的c是在具有曲率的半球形状产生聚焦超声波的数据，如图6的b所示，确认到在从上部面到规定的深度处聚焦超声波。图7的c示出了在具有三维曲率的半球形状同时出现图6的聚焦超声波特性和图5的横穿平面形状的多重超声波特性。
图8是示出图7的本发明的实施例的换能器1的频率的超声波振动特性的图。如图7所示，说明了两种超声波特性的驱动部位。各峰值频率是共振频率，调节压电器件100的厚度和物理性质以及超声波产生部的曲面形状和位置，可以进行各种选择，例如，产生一号和三号的共振频率(1MHz、3.2MHz)等。发射波灵敏度在阻抗为最小的共振频率中最大，接收波灵敏度在阻抗为最大的半共振频率中最大，在本发明的情况下，在各共振频率的附近具有阻抗的最大值和最小值，因此，可以确认到发射波灵敏度优异。
以上说明的本发明中，作为利用一个单一的超声波转换器实现现有的各种超声波换能器的特征的新形式的超声波转换器，将多重驱动超声波和聚焦超声波的产生一体地实现，从而具有以下优点：结构简单，同时将各种超声波的特征同时或按顺序输出。
本发明的超声波换能器结构包括产生多重超声波的压电器件100和由用于制造对多重超声波进行增幅和传递以及聚焦超声波的形状构成的上部面。通过这种结构，多重超声波可以在整个上部面产生，同时根据上部面的半球形状的曲率和直径的设计，使聚焦超声波的焦点距离和聚焦面积不同，从而呈现所希望的聚焦超声波。
因此，本发明解决了现有技术中存在的根据现有的超声波产生类型利用作为彼此不同的换能器的彼此不同的设备才能实施的问题，在单一的换能器将多重超声波和聚焦超声波同时或者按顺序、复合地输出超声波能量，从而在各种类型的皮肤上将现有的二维圆形超声波能量以三维矢量型均匀地传递至皮肤内层，有效地作用在皮肤以及脂肪结合组织上。
本发明的权利范围涉及到与所附的权利要求书等同或均等的区域。
Claims (10)
1.一种复合超声波产生换能器，作为将多重频率产生换能器和高强度聚焦超声波产生换能器的输出一体地构成的复合超声波产生换能器，其特征在于，
所述超声波产生换能器包括使用横向(厚度方向)振动超声波驱动频率来确定材料和振动系数的压电器件，
在所述压电器件的输出端产生的振动周期的(4n-1)λ/4区域产生最大超声波，其中，n是振动常数，
所述超声波产生换能器的超声波产生部包括由具有规定的曲率的多个半球形状构成的第一区域和由平面形状构成的第二区域。
2.根据权利要求1所述的复合超声波产生换能器，其中，
所述第一区域是产生高强度聚焦超声波的区域，所述第二区域是产生多重频率超声波的区域。
3.根据权利要求2所述的复合超声波产生换能器，其中，
所述超声波产生部的材质包括金属材质或者环氧树脂材质。
4.根据权利要求2所述的复合超声波产生换能器，其中，
所述超声波产生部的形状是圆形、棒状或者多边形，所述第一区域由多个圆形、多边形、拱形或者锥形构成。
5.根据权利要求2所述的复合超声波产生换能器，其中，
通过改变超声波产生部的第一区域的各半球的直径和曲率来改变超声波的聚焦距离。
6.根据权利要求2所述的复合超声波产生换能器，其中，
所述第一区域的半球排列成十字形状，在周边部排列成形成圆弧。
7.根据权利要求2所述的复合超声波产生换能器，其中，
所述压电器件是将多个压电器件层叠排列的结构。
8.根据权利要求2所述的复合超声波产生换能器，其中，
所述超声波产生部能够前进或后退。
9.一种复合超声波产生换能器，作为将多重频率产生换能器和高强度聚焦超声波产生换能器的输出一体地构成的复合超声波产生换能器，其特征在于，
所述超声波产生换能器为线形，在头部为平坦的帽形的主体的上表面形成平面形状的超声波产生部和半球形状的超声波产生部，在上部的下表面设置由凹陷的圆形槽形成的收容部，在所述收容部的内部安装压电器件。
10.根据权利要求9所述的复合超声波产生换能器，其中，
在所述压电器件的输出端产生的振动周期的(4n-1)λ/4区域产生最大超声波。
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