IT201900000310A1 - Alimentatore Digitale per Tatuaggi - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo:

"ALIMENTATORE DIGITALE PER TATUAGGI"

CAMPO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione riguarda le macchine per tatuaggi ed in particolare un dispositivo per pilotare tali macchine.

Com'è noto le macchine per tatuaggi presenti oggi sul mercato possono essere divise in due tipologie:

- macchine elettromagnetiche a bobina (da qui in avanti "macchine a bobina");

- macchine rotative (con motore elettrico).

In entrambi i casi il principio di funzionamento è lo stesso, un ago penetra la pelle fino a sotto l'epidermide permettendo all'inchiostro depositato sulla sua superficie di diffondersi nel derma in maniera permanente. La frequenza media con cui l'ago penetra la pelle si attesta mediamente intorno alle 100 penetrazioni al secondo.

Ciò che distingue le due tipologie è il sistema di attuazione per la movimentazione dell'ago:

- nelle machine rotative il movimento rotatorio di un motore elettrico viene trasformato nel movimento lineare alternato dell'ago tramite un sistema di bielle, cuscinetti e carrucole;

- nelle macchine a bobina il sistema che muove l'ago è composto da una barra metallica mossa dalla forza di attrazione di un campo magnetico generato da una o due bobine attraversate da corrente elettrica.

L'invenzione qui descritta individua un dispositivo di alimentazione in grado di far funzionare con aumentata precisione, efficienza e versatilità qualsiasi macchina per tatuaggi in cui il dispositivo di attuazione sia pilotato elettricamente.

Tale dispositivo di alimentazione è in grado inoltre di migliorare la praticità d'utilizzo della macchina.

STATO DELLA TECNICA

Attualmente le macchine per tatuaggi (sia a bobina che rotative) vengono alimentate da un dispositivo che fornisce una tensione continua, regolabile tramite potenziometro (o altro sistema di controllo), tra i 3 e i 19 Vdc.

Durante l'esecuzione del tatuaggio il valore di tale tensione continua è l'unico parametro modificabile dall'utilizzatore della macchina.

Sebbene il dispositivo di alimentazione oggetto di quest'invenzione sia in grado di pilotare qualunque tipo di macchina per tatuaggi in cui l'assieme dell'ago venga movimentato per mezzo di un attuatore elettrico, nella descrizione dell'invenzione ci concentreremo, a titolo di esempio e senza perdita di generalità, sul pilotaggio di una macchina per tatuaggi avente un sistema di attuazione elettromagnetico a bobina, dato che questo caso più degli altri beneficia dei vantaggi offerti dalla soluzione proposta.

In Fig. 1 viene rappresentata una tradizionale macchina per tatuaggi a bobina. Poiché una macchina per tatuaggi è a tutti gli effetti una macchina elettro-meccanica daremo nel seguito una descrizione al contempo meccanica ed elettrica della sua struttura.

Con riferimento all'immagine in Fig. 1, essa è composta da un supporto metallico in questo caso suddiviso in due componenti: base del supporto 1 e braccio del supporto 2. Le due parti del supporto sono meccanicamente fissate dalla vite 8 ma elettricamente isolate tramite la guarnizione isolante 9. Nei due alloggiamenti 3 e 4 vengono inseriti i due connettori di alimentazione ai quali viene applicata una tensione continua; l'alloggiamento 3 è elettricamente a contatto con la base del supporto 1, l'altro alloggiamento (4) è isolato da quest'ultima ma collegato ad uno dei capi (7) della serie delle bobine 5 e 6.

Alla base del supporto 1 sono fissate le bobine 5 e 6, le bobine sono fissate alla base ma elettricamente isolate da essa; sulla superficie superiore della base del supporto 1 viene fissata una delle due estremità della molla metallica 10, la molla è elettricamente a contatto con la base del supporto 1 ma elettricamente isolata dal braccio del supporto 2 poiché posta al di sotto della guarnizione isolante 9; l'altra estremità della molla è fissata dalla vite 13 alla barra metallica 14 e alla molla di contatto 12; l'altra estremità della molla di contatto 12 è ripiegata verso l'alto; molla 10, barra 14 e molla 12 sono elettricamente a contatto; quando nessuna forza attira in basso l'assieme appena descritto la molla 12 è a contatto con la vite 11, che a sua volta, tramite il capocorda 15, è elettricamente a contatto con l'altro capo (16) della serie delle bobine 5 e 6; la barra metallica 14 ha due estremità, una è rivolta verso il supporto 1 ma sufficientemente distante da esso da garantire il libero movimento della barra 14, l'altra estremità termina con lo snodo 17; allo snodo viene poi fissata la parte superiore dell'ago; finché la molla 12 si trova a contatto con la vite 11 ci sarà un passaggio di corrente nelle bobine che genereranno un campo magnetico in grado di attrarre in basso la barra metallica 14; inoltre finché la molla 12 si trova a contatto con la vite 11 il condensatore 18 collegato, tramite i punti 7 e 16, in parallelo alla serie delle bobine 5 e 6 accumulerà una carica elettrica; spostandosi in basso la barra metallica 14 porterà con sé la molla 12 che a un certo punto non sarà più a contatto con la vite 11 interrompendo il passaggio di corrente nelle bobine 5 e 6; in realtà dopo l'interruzione del contatto nelle bobine 5 e 6 continua a circolare una corrente dovuta alla scarica del condensatore 18, che in questo modo prolunga la spinta verso il basso ed evita il sorgere di un arco voltaico fra molla 12 e vite 11; quando anche questa corrente si esaurisce il campo magnetico generato dalle bobine 5 e 6 si annulla e con esso la forza che attira in basso la barra metallica 14; a questo punto la molla si riporta in alto verso la sua posizione di riposo fino a quando la sua corsa non viene arrestata dal contatto con la vite 11 ristabilendo il passaggio di corrente e dunque la discesa; finché sui connettori negli alloggiamenti 3 e 4 è presente una tensione elettrica il ciclo di discesa e salita continua a ripetersi; poiché allo snodo 17 è collegato l'ago, a quest'ultimo viene trasferito il movimento alto-basso della barra metallica 14.

Per una migliore comprensione del funzionamento della macchina, in Fig. 2 viene riportato lo schema elettrico equivalente del circuito formato dai componenti elettro-meccanici appena descritti.

In esso i morsetti 19 e 20 corrispondono rispettivamente agli alloggiamenti 3 e 4 di Fig. 1; l'interruttore 24 corrisponde al contatto fra molla 12 e vite 11 di Fig. 1; gli induttori 21 e 22 tengono conto delle induttanze delle bobine 5 e 6 di Fig. 1; il condensatore 23 tiene conto della capacità del condensatore 18 di Fig. 1.

In un sistema come quello descritto la forza trasmessa all'ago e la frequenza di lavoro della macchina dipendono da quattro fattori intrinseci della macchina (e quindi non modificabili) e da due fattori regolabili.

I quattro fattori non regolabili sono:

a. La massa deN'assieme ago - barra metallica 14 - molla 12 - molla 10, che determina l'accelerazione dell'ago;

b. L'elasticità della molla 10, che determina la forza elastica che si oppone alla forza del campo magnetico delle bobine e quindi la forza impressa all'ago e la sua accelerazione nella risalita; c. L'induttanza delle bobine 5 e 6, che determina l'intensità del campo magnetico e quindi la forza impressa all'ago e la sua accelerazione nella discesa;

d. La capacità del condensatore 18, che determina la forza impressa all'ago durante l'assenza di contatto.

I due fattori su cui invece si può agire sono:

a. La posizione della vite 11, che determina la misura della corsa dell'ago; tale regolazione ha un'influenza minima sulla frequenza di lavoro;

b. La tensione di alimentazione che determina l'intensità del campo magnetico e quindi la forza impressa all'ago e la sua accelerazione nella discesa; tale grandezza è la principale determinante della frequenza di lavoro.

Quanto appena descritto si traduce nel fatto che l'ampiezza del range di frequenza di lavoro nelle macchine per tatuaggi alimentate con un sistema tradizionale sia per una buona parte determinata da grandezze che non possono essere modificate una volta costruita la macchina. Nella pratica quindi una determinata macchina copre solo una parte del range necessario per realizzare un intero tatuaggio.

Volendo fare un esempio concreto possiamo dire che le macchine a bobina vengono normalmente "classificate" in base al tipo di tratto che realizzano; si parla quindi di "macchine da linea", "macchine da sfumatura" e "macchine da colore". Quello che tecnicamente distingue dette macchine è in realtà la potenza trasmessa all'ago e il campo di frequenza a cui operano (mediamente 120 - 140 cicli al secondo per le prime, 110 - 120 per le seconde e 100 - 110 per le ultime).

Uno svantaggio del sistema tradizionale consiste nel fatto che durante la realizzazione di un tatuaggio l'utilizzatore deve alternare continuamente due o più macchine diverse, con tutte le dovute scomodità del caso.

Un altro problema legato alle macchine alimentate a tensione continua consiste nella perdita di potenza alle basse frequenze: in un sistema tradizionale infatti l'unico modo per abbassare la frequenza consiste nel diminuire l'accelerazione dell'ago diminuendo la tensione d'alimentazione e quindi anche la forza trasmessa all'ago; in definitiva in un sistema di questo tipo la frequenza di lavoro e la potenza trasmessa all'ago risultano inevitabilmente interdipendenti.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un nuovo dispositivo di alimentazione per le macchine per tatuaggi in grado di far lavorare la stessa macchina all'interno di un range di frequenze che nell'arte attuale viene coperto utilizzando almeno tre tipi di macchina differenti.

Un ulteriore scopo dell'invenzione è quello di provvedere un dispositivo di alimentazione in grado di controllare in maniera indipendente la frequenza di lavoro e la forza con cui l'ago impatta sulla pelle, permettendo, a differenza deN'arte attuale, di impostare la potenza da trasferire all'ago indipendentemente dalla frequenza di lavoro selezionata, garantendo pertanto una penetrazione efficace anche alle basse frequenze.

Un altro scopo ancora dell'invenzione è di fornire un dispositivo che fornisca all'utilizzatore delle funzioni per ottimizzare le prestazioni di qualunque macchina e rendere più confortevole l'utilizzo della stessa.

L'idea base della presente invenzione è di aggiungere ad un alimentatore stabilizzato, come quelli attualmente presenti sul mercato, uno stadio d'uscita dotato di un dispositivo elettronico programmabile. Il dispositivo oggetto di quest'invenzione è in grado di trasformare la tensione continua prodotta dall'alimentatore, in una la cui forma d'onda è tale da energizzare le bobine (o pilotare un qualsiasi altro attuatore elettrico) in modo da compensare gli effetti dovuti alle caratteristiche fisiche della macchina pilotata.

Detta compensazione porta ad un migliore controllo del movimento dell'ago e una conseguente estensione della dinamica della macchina fino ai limiti consentiti dalla sua realizzazione meccanica, ben più alti di quelli consentiti dall'arte attuale.

Essendo inoltre i moderni dispositivi elettronici programmabili in grado di generare una qualsiasi forma d'onda desiderata, il dispositivo oggetto di quest'invenzione può essere facilmente programmato per generare una particolare forma d'onda che limiti al minimo le vibrazioni prodotte dalla macchina pilotata.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Al fine di rendere totalmente comprensibile il funzionamento della presente invenzione viene fornita la descrizione dettagliata di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la Fig. 1 è un prospetto laterale di una macchina per tatuaggi a bobina attualmente presente sul mercato;

- la Fig. 2 è lo schema elettrico equivalente della macchina rappresentata in Fig. 1;

- la Fig. 3 è lo schema elettrico equivalente della macchina rappresentata in Fig. 1 quando il capocorda 15 viene montato al di sotto della guarnizione isolante 9;

- la Fig. 4 è un diagramma a blocchi di un dispositivo come quello individuato dalla presente invenzione;

- la Fig. 5 è un diagramma a blocchi di un dispositivo come quello individuato dalla presente invenzione nel caso particolare in cui lo stadio d'uscita sia composto da un relè a stato solido SSR e da un convertitore dc/dc step-down regolabile SDC;

- la Fig. 6 mostra una delle possibili forme d'onda generata dal circuito secondo la presente invenzione durante una fase di "apprendimento";

- la Fig. 7 e la Fig. 8 mostrano delle tipiche forme d'onda ottenute dal circuito secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DI DUE ESEMPI DI REALIZZAZIONE

Senza perdere di generalità descriveremo due esempi di applicazione del dispositivo oggetto di quest'invenzione per pilotare una macchina a bobina come quella di Fig. 1.

A differenza dell'arte attuale, in cui l'andamento alternato della corrente nelle bobine viene determinato dal ciclo continuo di apertura e chiusura dell'interruttore elettromeccanico costituito da vite 11 e molla 12, in questo nuovo sistema la tensione elettrica viene direttamente applicata al circuito che energizza le bobine; in questo modo l'andamento della corrente che vi scorre risulta strettamente correlato alla tensione generata dall'alimentatore.

Data la necessità di pilotare direttamente le bobine appare evidente che l'interruttore dovrà essere escluso dal circuito di circolazione della corrente. Per far ciò si dovrà modificare lo schema di collegamento elettrico della macchina in modo tale che la base del supporto 1 venga messa elettricamente a contatto con il capocorda 15; tale collegamento può essere realizzato spostando il capocorda 15 al di sotto della guarnizione isolante 9.

A seguito di questa modifica lo schema elettrico equivalente diventa quello di Fig. 3 dove L è l'induttanza equivalente della serie delle bobine 5 e 6 e C la capacità del condensatore 18.

In questo circuito una tensione elettrica applicata ai morsetti 25 e 26 (se si considerano trascurabili gli effetti delle resistenze del generatore e del circuito) vede una rete L-C parallelo; come noto la relazione fra la tensione Ve e la corrente energizzante che scorre nel circuito le sarà del tipo:

Essendo L e C caratteristiche intrinseche della macchina, e quindi costanti, in questa situazione la corrente le sarà funzione esclusivamente dalla tensione Ve e, dato che essa è la sola responsabile della forza impressa all'ago, anche quest'ultima sarà dipendente soltanto dalla tensione Ve.

Appare chiaro quindi che in questa situazione la funzione del condensatore risulta superflua, lo si lascia tuttavia per dare evidenza del fatto che la presente invenzione possa applicarsi alle macchine attualmente in possesso degli operatori del settore senza l'esigenza di effettuare su di esse modifiche irreversibili.

Da notare anche che in un sistema di questo tipo, in cui la forza impressa all'ago è la risultante della forza dovuta al campo magnetico e della forza elastica della molla 10, ed essendo quest'ultima calcolabile, è possibile controllare la forza magnetica in modo da ottenere un controllo preciso del movimento dell'ago e della forza ad esso impressa.

Nei due esempi che andiamo ad esporre il dispositivo in grado di alimentare la macchina secondo gli scopi appena descritti presenta un modello a blocchi generale come quello mostrato in Fig. 4.

Nel modello viene rappresentato un sistema composto da un alimentatore stabilizzato PS, un microcontrollore programmabile MCU, un amplificatore d'uscita OA e un modulo di controllo CM.

L'alimentatore PS ha lo scopo di convertire la tensione alternata di rete (110/220 Vac) in una tensione stabilizzata a 24 Vdc. Tale tensione alimenta l'amplificatore d'uscita OA e determina il massimo valore raggiungibile dalla tensione VOUT.

Il compito dell'amplificatore OA sarà quello di amplificare la forma d'onda generata dal controllore MCU (VMCU) dandole la potenza sufficiente per energizzare le bobine.

Il controllore MCU ha il compito di generare una forma d'onda in grado di far lavorare la macchina con la frequenza e la potenza che l'utilizzatore imposta tramite il modulo di controllo CM.

Il modulo di controllo CM in questo esempio è un monitor di tipo "touch screen", anch'esso pilotato dalla MCU, in grado di fornire all'utilizzatore un'interfaccia grafica che fornisca delle procedure guidate per la gestione della macchina e della parametrizzazione dell'alimentatore. Scopo di tali procedure è quello di sgravare l'utilizzatore dalla conoscenza dei dettagli tecnici sul funzionamento dell'alimentatore, rendendo agevole lo svolgimento di compiti e calcoli complessi svolti dalla MCU nonché "user-friendly" l'uso della macchina.

Nel primo esempio il diagramma a blocchi che descrive il dispositivo è quello di Fig. 5. In questo caso l'amplificatore d'uscita è composto da un convertitore dc/dc step down regolabile SDC e da un relè a stato solido SSR. Il convertitore SDC viene controllato mediante la tensione VREF generata dal microcontrollore MCU. Il convertitore SDC accetta in ingresso la tensione stabilizzata a 24 Vdc in uscita dall'alimentatore PS e la riduce in base alla tensione VREF che, dalla MCU, arriva al suo ingresso di controllo.

Il relè statico SSR accetta in ingresso la tensione di uscita dal convertitore SDC e ha la funzione di passarla in uscita senza alcuna alterazione oppure di bloccarne del tutto il passaggio in base al superamento di una soglia della tensione presente sul suo ingresso di enable; il segnale su questo ingresso (VP) arriva dalla MCU ed in questo esempio è una serie di impulsi della durata di un tempo che chiamiamo "Ton", separati da intervalli che chiamiamo "Toff".

In definitiva la funzione deN'amplificatore OA in questo caso è quella di replicare in uscita una serie di impulsi identica a quella generata dalla MCU ma con ampiezza modificabile liberamente (vedi Fig. 7). Come già detto affinché la macchina sia in grado di lavorare con il range di frequenze più ampio possibile e con prestazioni ottimali l'andamento della tensione di alimentazione dovrebbe costantemente compensare gli effetti delle caratteristiche fisiche della macchina. Ciò in teoria dovrebbe essere fatto analizzando sperimentalmente le caratteristiche di una determinata macchina e calcolando una funzione per la tensione di alimentazione che viene poi inserita nel programma del microcontrollore MCU; a prescindere dalla complessità di un procedimento del genere e dalla sua inapplicabilità a livello industriale, il risultato rischierebbe comunque di non accontentare l'utilizzatore finale che invece potrebbe preferire un comportamento non ottimale dal punto di vista meccanico ma più affine al suo stile. Per questo motivo il programma del microcontrollore MCU prevede una modalità di "apprendimento" che permette di testare il maggior numero possibile (numero impostabile dall'utente) di combinazioni delle tre grandezze con cui si controlla la macchina: ampiezza della tensione, Ton (SSR abilitato), Toff (SSR disabilitato). Quando questa modalità viene attivata tramite modulo di comando CM il microcontrollore inizia a "spazzolare" queste tre grandezze nel seguente modo (vedi anche Fig. 6):

1- imposta la tensione di iterazione (Vn) al valore minimo di partenza;

2- imposta la frequenza al valore minimo di partenza;

3- imposta il Ton al valore minino (TONmin);

4- calcola il relativo Toff massimo relativo alla frequenza impostata in quella fase;

5- aumenta gradualmente Ton e riduce Toff mantenendo costante il periodo fino a quando il Ton coincide con esso (o con valore limite);

6- ripete i punti da 3 a 5 fino a quando l'utilizzatore non seleziona/conferma il rapporto ottimale fra Ton e di Toff tramite il modulo di comando CM;

7- aumenta la frequenza di una quantità impostabile e ripete i punti da 3 a 6;

8- ripete il punto 7 fino al raggiungimento della frequenza massima (Fmax);

9- aumenta la tensione d'iterazione Vn di una quantità impostabile e ripete i punti da 2 a 9 fino al raggiungimento della tensione massima (Vmax).

Durante lo svolgimento di questo processo l'utilizzatore può salvare tra i "preferiti" alcune combinazioni di VREF, Ton e Toff che desidera richiamare velocemente durante l'utilizzo della macchina, in modo da poter commutare fra i vari tipi di tratto da realizzare senza dover cercare ogni volta la regolazione ottimale.

Alla fine del processo si ottiene una matrice che mette in relazione i valori del Ton con la frequenza e la tensione VREF. SU questa matrice il sistema calcola una serie di interpolazioni che forniscono una funzione continua per calcolare i Ton e Toff al variare della frequenza. Il programma genera una funzione per ognuno dei valori che la tensione Vn ha assunto durante le iterazioni fra i punti 2 e 8. Nel caso in cui durante l'esercizio la tensione VREF venga impostata ad un livello diverso da uno fra quelli utilizzati per il calcolo delle varie funzioni, la funzione utilizzata sarà quella calcolata per il valore di Vn più vicino.

Appare evidente che, grazie alla libertà fornita dall'utilizzo di istruzioni software, un sistema di questo tipo può essere adattato a qualunque tipo di attuatore elettrico, e dunque i vantaggi per l'utilizzatore rimangono invariati a prescindere dal tipo di macchina per tatuaggi utilizzata.

Nel secondo esempio invece lo stadio d'uscita OA è costituito da un amplificatore analogico di potenza in classe AB.

Un'implementazione di questo tipo, opportunamente dimensionata, consente di amplificare la forma d'onda generata dal microcontrollore MCU con elevati rendimenti e una fedeltà di riproduzione più che sufficiente per questo tipo di applicazione.

Premettendo che l'impiego di un controllore programmabile consente di generare pressoché qualsiasi forma d'onda, in Fig. 8 ne riportiamo alcuni esempi. Un controllo di questo tipo consente di evitare variazioni brusche nella forza che agisce sull'assieme dell'ago, riducendo notevolmente le vibrazioni della macchina e pertanto migliorando la sua maneggevolezza e quindi la precisione del tratto realizzato.

Ovviamente anche in questo caso il programma può essere dotato di funzioni di "apprendimento" o di selezione rapida di punti di lavoro "preferiti".

Claims (6)

1. Rivendicazioni dell'invenzione industriale avente per titolo: "ALIMENTATORE DIGITALE PER TATUAGGI" RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per pilotare una macchina per tatuaggi caratterizzato dal fatto che comprende: - almeno un circuito elettronico di controllo in grado di generare una tensione elettrica avente qualsiasi forma d'onda desiderata; detto circuito comprendente almeno un circuito integrato (MCU) che include una memoria capace di immagazzinare codice software e un processore in grado di eseguire tale codice; - codice software immagazzinato nella memoria di detto circuito integrato (MCU); detto codice avente istruzioni che, quando eseguite dal processore: a) fanno generare al circuito di controllo una tensione elettrica di pilotaggio della macchina avente una specifica forma d'onda; detta tensione in grado di pilotare l'assieme dell'ago con una forza di battuta indipendente dalla frequenza di battuta; detta tensione inoltre capace di pilotare la macchina con un basso livello di vibrazioni prodotte dal movimento alternato deN'assieme dell'ago; b) permettono all'utilizzatore di eseguire funzioni di tuning per determinare i valori ottimali dei parametri di pilotaggio della macchina per tatuaggi.
2. 2. Dispositivo come nella rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il circuito di controllo comprende: almeno un amplificatore d'uscita (OA); detto amplificatore d'uscita comprendente almeno un relè a stato solido (SSR) e almeno un convertitore di tensione step-down regolabile (SDC).
3. 3. Dispositivo come nella rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che la funzione del relè a stato solido venga svolta da un qualunque dispositivo di potenza a semiconduttore (es. transistori di potenza MOSFET, BJT o IGBT).
4. 4. Dispositivo come nelle rivendicazioni 1 o 2 caratterizzato dal fatto che l'amplificatore d'uscita (OA) comprende: almeno un amplificatore a stato solido che include uno o più dispositivi a semiconduttore e/o circuiti integrati.
5. 5. Dispositivo come nella rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che comprende: almeno un modulo di comando (CM) attraverso il quale l'utilizzatore può controllare e comandare i parametri di pilotaggio della macchina e/o far eseguire al circuito di controllo le funzioni di tuning per determinare i valori ottimali per gli stessi parametri; detto modulo di comando comprendente una composizione di elementi appartenenti ad alcune o tutte le seguenti categorie: interruttori, pulsanti, potenziometri, encoder, monitor di tipo touch screen, display alfanumerici, sensori capacitivi di prossimità; detta composizione include uno o più elementi per ciascuna categoria.
6. 6. Dispositivo come nella rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che almeno una parte del modulo di comando comunichi con il circuito elettronico di controllo tramite un sistema di comunicazione senza fili.