KR102117655B1 - 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자는, 소정 크기의 수납공간이 형성된 케이스와, 상기 수납공간에 고정 삽입되며, 제 1, 2 주파수의 전기신호에 의해 제 1 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 1 압전체와 상기 제 1 압전체 상에 적층되어 상기 제 1 주파수와는 다른 제 2, 3 주파수의 전기신호에 의해 상기 제 1 진폭과는 다른 제 2 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 2 압전체로 구성된 압전 세라믹 어레이와, 상기 제 2 압전체 상에 부착된 진동판 헤드를 포함하고, 상기 제 1 압전체의 두께는, 상기 제 2 압전체의 두께 보다 상대적으로 더 두껍고, 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수는, 기 설정된 수 ms 내지 수십 ms 시간 간격으로 3중 교차되어 인가된다.
Description
본 발명은 압전 세라믹 어레이 진동자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전체(또는 압전 세라믹 소체)를 이용하는 초음파 진동을 통해 사람의 피부에 전달하는 피부 케어 기기나 혹은 의료용 기기에 적용할 수 있는 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자에 관한 것이다.
인간의 수명이 늘어남에 따라 건강 의료 및 안티에이징 수요가 급증하고 있다. 또한, 기술 혁신이 더해지면서 의료분야나 미용분야 제품들의 발전도 계속되고 있으며, 특히 피부 미용 의료 기기 시장은 2025년 수십억 달러로 전망될 정도로 급성장하고 있다.
일반적으로, 1MHz 이상의 고주파는 피부 성능 개선에 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 초음파를 이용한 피부 미용 의료 기기는 세포 또는 조직에 미치는 다양한 물리적, 열적, 화학적 효과 때문에 만족도가 높아 그 활용도가 급증하고 있는 추세이다.
즉, 초음파로 얼굴 등의 피부에 마사지를 하게 될 경우, 진동자의 진동으로 인해 피부 진피층을 마사지 해주고, 진피층 내의 콜라겐을 활성화시킴으로써 혈액순환에 많은 도움을 줄 수 있다.
또한, 피부 케어 등을 위한 초음파 마사지는 세포 재생을 촉진해 줄 수 있을 뿐만 아니라 잔주름 개선의 효과도 얻을 수 있으며, 온열작용으로 인해 피부가 탄탄해지고 주름을 완화시켜 주는 효과를 기대할 수 있다. 그리고, 각질 제거, 먼지나 화장품 제거의 효과를 기대할 수 있으며, 화장품의 유효성분이 쉽게 피부 깊숙이 전달될 수 있도록 하는 효과를 기대할 수 있다.
최근에는 LDM(Local Dynamic Micro-massage) 이라는 두 개의 다른 파장의 초음파를 빠르게 교차시켜, 기존 단일 주파수 초음파 기기로 만들 수 없는 새로운 효과(예컨대, 피부 연결조직 순간 수축-이완 작용을 통한 피부 조직의 근원적 수복)를 나타내는 기술도 개발되어 사용되고 있다.
그리고, 힐링 주파수(Healing Frequency)라 불리는 초음파 대역(1/3MHz, 3/10MHz)의 복수의 초음파를 빠르게 교차하여 피부에 적용시키면, 진동수의 순간 변화로 인해 마사지 효과가 발생하여 피부 재생 물질인 에스트로젠, 히알루린산, 콜리젠 등의 생성이 활발하여 리프팅 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 고 진동 밀도, 1 - 10배의 압력차로 인해 진동수와 진동폭의 변화로 입체적인 비접촉식 압력 차이를 통해 마사지 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 종래의 LDM에 사용되는 초음파의 경우, 하나의 세라믹에서 두 개의 주파수를 발진회로에서 시차적으로 발진시키는 이중 초음파 방식이므로, 주파수의 세기가 일정 부분 절반 이상 감쇄되어 LDM 효과를 극대화 시킬 수 없는 한계가 있다.
또한, 종래의 피부 케어 기기는 단일 주파수 초음파 미용 기기와는 다르게 복수의 핸드피스를 이용하여야 하기 때문에 사용하기 불편하고, 제조비용도 높은 편이며, 듀얼(dual) 주파수가 출시되어 있으나 대부분 고주파형(10Mhz)은 출력이 낮아 실질적인 진동효과가 적다는 문제가 있다.
본 발명은 서로 다른 두께를 갖는 복수의 압전체를 이용하여 3중 주파수를 발진시켜 피부에 전달할 수 있는 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 소정 크기의 수납공간이 형성된 케이스와, 상기 수납공간에 고정 삽입되며, 제 1, 2 주파수의 전기신호에 의해 제 1 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 1 압전체와 상기 제 1 압전체 상에 적층되어 상기 제 1 주파수와는 다른 제 2, 3 주파수의 전기신호에 의해 상기 제 1 진폭과는 다른 제 2 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 2 압전체로 구성된 압전 세라믹 어레이와, 상기 제 2 압전체 상에 부착된 진동판 헤드를 포함하고, 상기 제 1 압전체의 두께는, 상기 제 2 압전체의 두께 보다 상대적으로 더 두껍고, 상기 제 1 주파수, 상기 제 2 주파수 및 상기 제 3 주파수는, 기 설정된 수 ms 내지 수십 ms 시간 간격으로 3중 교차되어 인가되는 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 제 1 압전체 및 상기 제 2 압전체는, 10φ 내지 20φ의 지름 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 상기 제 1 압전체는, 1.8㎜ 내지 2.4㎜의 두께 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 상기 제 2 압전체는, 0.4㎜ 내지 1㎜의 두께 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 상기 제 2 압전체의 두께는, 상기 제 1 압전체의 1/3 두께일 수 있다.
본 발명의 상기 제 1 주파수는 0.9MHz 내지 1.1MHz 범위 또는 2.7MHz 내지 3.3MHz 범위의 저주파 대역이고, 상기 제 2 주파수는 9MHz 내지 11MHz 범위의 고주파 대역일 수 있다.
본 발명의 상기 진동판 헤드는, 5㎜ 내지 8㎜의 두께 범위를 가질 수 있다.
본 발명은, 다른 관점에 따라, 소정 크기의 수납공간이 형성된 케이스와, 상기 수납공간에 고정 삽입되며, 제 1 주파수의 전기신호에 의해 제 1 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 1 압전체와 상기 제 1 압전체 상에 적층되어 상기 제 1 주파수와는 다른 제 2 주파수의 전기신호에 의해 상기 제 1 진폭과는 다른 제 2 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 2 압전체와 상기 제 2 압전체 상에 적층되어 상기 제 2 주파수와는 다른 제 3 주파수의 전기신호에 의해 상기 제 2 진폭과는 다른 제 3 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 3 압전체로 구성된 압전 세라믹 어레이와, 상기 제 3 압전체 상에 부착된 진동판 헤드를 포함하고, 상기 제 1 압전체의 두께는, 상기 제 2 압전체의 두께 보다 상대적으로 더 두껍고, 상기 제 2 압전체의 두께는, 상기 제 3 압전체의 두께 보다 상대적으로 더 두꺼우며, 상기 제 1 주파수 내지 제 3 주파수는, 기 설정된 수 ms 내지 수십 ms 시간 간격을 가지고 순차적으로 교번 인가되는 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 주파수(예컨대, 1MHz, 3MHz, 10MHz)를 가진 초음파를 적층 구조의 압전체(압전 세라믹 소체)를 사용하여 수 ms 내지 수십 ms의 시간 간격으로 교차하여 피부에 주사해 줌으로써, 마사지와 같은 이종 진동과 일부 온열효과를 실현할 수 있으며, 피부의 구성요소(예컨대, 진피, 내피, 피하지방 등)별로 주파수를 달리 적용함으로써 효과적인 피부 관리를 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 압전체의 적층 구조로 압전 세라믹 어레이를 구성함으로써, 다중 주파수 교차 발진을 통해 마사지 효과를 극대화, 예컨대 고진동 밀도의 1-10배 차이의 진동수와 진동폭의 입체적인 비접촉식 압력 차이를 통해 마사지 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 의료용 핸드피스의 역할을 하나의 핸드피스로 집적화시킴으로써, 동시적인 마사지 효과의 최적화, 사용 편의성의 향상, 제조비용의 감소를 실현할 수 있으며, 이를 통해 의료, 미용샵용 뿐만 아니라 보급형의 가정용으로도 확대 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자를 피부 케어 기기에 적용한 예시의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자의 단면도이다.
도 2b는 본 실시예에 따른 압전 세라믹 어레이 진동자의 입체적인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자의 단면도이다.
도 4는 단품별 주파수 형성 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 어레이 적층소자의 각 층별로 측정한 주파수와 적층소자 전체를 측정한 주파수에 대한 결과물이다.
도 6은 어레이 구직 구조별 주파수 발진 현상을 보여주는 도면이다.
도 7은 3단 적층 어레이에서 2단 적층 어레이로 변경한 적층소자 사진이다.
도 8은 2단 적층 어레이의 전체 주파수 사진이다.
도 9는 진동자의 두께별 출력값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자의 단면도이다.
도 2b는 본 실시예에 따른 압전 세라믹 어레이 진동자의 입체적인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자의 단면도이다.
도 4는 단품별 주파수 형성 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 어레이 적층소자의 각 층별로 측정한 주파수와 적층소자 전체를 측정한 주파수에 대한 결과물이다.
도 6은 어레이 구직 구조별 주파수 발진 현상을 보여주는 도면이다.
도 7은 3단 적층 어레이에서 2단 적층 어레이로 변경한 적층소자 사진이다.
도 8은 2단 적층 어레이의 전체 주파수 사진이다.
도 9는 진동자의 두께별 출력값을 설명하기 위한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어지는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.
아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 발명의 설명 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자를 피부 케어 기기에 적용한 예시의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 피부 케어 기기는 손잡이(1230), 결합부재(130) 및 기기 본체(140) 등을 포함할 수 있다.
먼저, 손잡이(120)는 사용자가 대상자의 피부 케어를 위해 피부 케어 장비를 자연스럽게 파지할 수 있는 유선형의 구조를 갖는 것으로, 이러한 손잡이(120)의 일측 단부(기기 본체(140)의 대향 측 단부)에는 전원 케이블(110)이 연결될 수 있다.
또한, 손잡이(120)의 타측 단부에는 결합부재(130)를 통해 기기 본체(140)가 손잡이(120)에 결합되는데, 이러한 기기 본체(140)는, 예컨대 결합링 형태의 결합부재(130)를 통해 손잡이(120)의 타측 일부에 착탈 자유롭게 결합될 수 있다. 여기에서, 결합부재(130)는, 예컨대 탄성을 갖는 유연 재질의 부재로 구성될 수 있다.
그리고, 기기 본체(140)의 내부 공간에는 본 발명의 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자와 이 진동자의 작동을 제어하기 위한 제어회로(제어 보드)(도시 생략)가 장착될 수 있다.
[제 1 실시예]
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예의 압전 세라믹 어레이 진동자는 소정 크기의 수납공간이 형성된 케이스(202)가 구비되는데, 이러한 케이스(202)의 수납공간에는 압전 세라믹 어레이(204)와 이 압전 세라믹 어레이(204)를 작동시키는 제어 회로(208) 등이 고정 삽입될 수 있다.
여기에서, 본 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자는, 일례로서 도 2b에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹 어레이(204)와 진동판 헤드(206)를 포함하는 구조로 이해될 수 있다. 즉, 도 2b는 본 실시예에 따른 압전 세라믹 어레이 진동자의 입체적인 예시도이다.
그리고, 압전 세라믹 어레이(204)는 제 1, 2 주파수(예컨대, 1MHz(ㅁ10%) 대역 및 3MHz(ㅁ10%)의 주파수 대역)의 전기신호에 의해 제 1 진폭의 초음파 진동을 발현(발생)하는 제 1 압전체(204a)와 이 제 1 압전체(204a) 상에 적층되어 제 1 주파수와는 다른 제 2, 3 주파수(예컨대, 3MHz(ㅁ10%)의 주파수 대역 및 10MHz(ㅁ10%)의 주파수 대역)의 전기신호에 의해 제 1 진폭과는 다른 제 2 진폭의 초음파 진동을 발현(발생)하는 제 2 압전체(204b)로 구성될 수 있다.
여기에서, 제 1 및 제 2 압전체(204a, 204b)는, 예컨대 원판형의 압전 세라믹 소체로 정의될 수 있으며, 제 1 주파수(예컨대, 0.9MHz 내지 1.1MHz 범위)와 제 2 주파수(2.7MHz 내지 3.3MHz 범위)와 제 3 주파수(예컨대, 9MHz 내지 11MHz 범위)는 기 설정된 수 ms 내지 수십 ms 간격(예컨대, 바람직하게는 10ms)으로 3중 교차되어 인가될 수 있다.
또한, 제 2 압전체(204b)의 상부에는 피부 접촉을 통해 대상자의 피부에 초음파 진동을 전달하기 위한 진동판 헤드(206)가 부착되는데, 이러한 진동판 헤드(206)는, 예컨대 5mm 내지 8mm 범위의 두께로서 열간 가압 공정 등을 통해 제 2 압전체(204b)의 상부에 부착될 수 있다.
여기에서, 제 1 압전체(204a)의 두께는 제 2 압전체(204b)의 두께 보다 상대적으로 더 두꺼운 구조를 갖는다. 예컨대, 제 1 압전체(204a)는 1.8㎜ 내지 2.4㎜의 두께 범위를 가질 수 있으며, 제 2 압전체(204b)는, 예컨대 0.4㎜ 내지 1㎜의 두께 범위를 가질 수 있다.
보다 바람직하게, 제 2 압전체(204b)는 제 1 압전체(204a) 두께의 대략 1/3 정도의 두께로 형성될 수 있다. 여기에서, 제 1 압전체(204a)의 두께를 제 2 압전체(204b)의 두께 보다 3배 정도 두껍게 하는 것은 하모닉과 비하모닉의 매칭 주파수를 발생시킴으로써, 예컨대 20V의 저전압에서 0.5W 이상의 고출력이 생성되도록 하기 위해서이다.
예컨대, 제 1 압전체(204a)는 저주파(예컨대, 0.9MHz 내지 1.1MHz 범위 또는 2.7MHz 내지 3.3MHz 범위의 저주파)를 발현하고, 제 2 압전체(204b)는 고주파(예컨대, 9MHz 내지 11MHz 범위의 고주파)를 발현하여 제 1 압전체(204a)와 제 2 압전체(204b)가 서로 교호 작용을 하도록 함으로써, MHz 하모닉과 비하모닉의 매칭 주파수를 발생시킬 수 있다.
그리고, 제 1 및 제 2 압전체(204a, 204b)는 동일한 크기(동일한 지름)로 구성될 수 있는데, 제 1 압전체 및 제 2 압전체(204a, 204b) 각각은, 예컨대 10φ 내지 20φ의 지름 범위를 가질 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 실시예의 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자는 피부 케어 기기 등과 같은 헬스 케어 장비나 혹은 의료용 핸드피스 기기 등과 같은 의료 장비에 적용될 수 있다.
[제 2 실시예]
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 압전 세라믹 어레이 진동자는 소정 크기의 수납공간이 형성된 케이스(302)가 구비되는데, 이러한 케이스(302)의 수납공간에는 압전 세라믹 어레이(304)와 이 압전 세라믹 어레이(304)를 작동시키는 제어 회로(308) 등이 고정 삽입될 수 있다.
그리고, 압전 세라믹 어레이(304)는 제 1 주파수(예컨대, 1MHz(ㅁ10%)의 저주파 등)의 전기신호에 의해 제 1 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 1 압전체(304a)와 제 1 압전체(304a) 상에 적층되어 제 1 주파수와는 다른 제 2 주파수(예컨대, 3MHz(ㅁ10%)의 중주파 등)의 전기신호에 의해 제 1 진폭과는 다른 제 2 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 2 압전체(304b)와 제 2 압전체(304b) 상에 적층되어 제 2 주파수와는 다른 제 3 주파수(예컨대, 10MHz(ㅁ10%)의 고주파 등)의 전기신호에 의해 제 2 진폭과는 다른 제 3 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 3 압전체(304c)로 구성될 수 있다.
여기에서, 제 1 내지 제 3 압전체(304a, 304b, 304c) 각각은, 예컨대 원판형의 압전 세라믹 소체로 정의될 수 있으며, 제 1 주파수(예컨대, 0.9MHz 내지 1.1MHz 범위의 저주파 대역)와 제 2 주파수(예컨대, 2.7MHz 내지 3.3MHz 범위의 중주파 대역)와 제 3 주파수(예컨대, 9MHz 내지 11MHz 범위의 고주파 대역)는 기 설정된 수 ms 내지 수십 ms 간격(예컨대, 바람직하게는 10ms)으로 교번 인가될 수 있다.
그리고, 제 3 압전체(304c)의 상부에는 진동판 헤드(306)가 부착되는데, 이러한 진동판 헤드(306)는, 예컨대 5mm 내지 8mm 범위의 두께로서 열간 가압 공정 등을 통해 제 3 압전체(304c)의 상부에 부착될 수 있다.
여기에서, 제 1 압전체(304a)의 두께는 제 2 압전체(304b)의 두께 보다 상대적으로 더 두꺼운 구조를 가지며, 제 2 압전체(304b)의 두께는 제 3 압전체(304c)의 두께 보다 상대적으로 더 두꺼운 구조를 가질 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 압전 세라믹 어레이 진동자는, 두께가 서로 다른 2개의 압전체를 적층하는 구조로 진동 어레이를 구성하는 전술한 제 1 실시예와는 달리, 두께가 서로 다른 3개의 압전체를 적층하는 구조로 진동 어레이를 구성한다는 점을 제외하고 그 이외의 모든 구성 및 각 구성의 기능들은 대응되는 도 2의 각 구성 및 각 구성의 기능들과 실질적으로 동일하다.
따라서, 명세서의 간결화를 위한 불필요한 중복기재를 피하기 위하여 제 1 실시예의 각 구성과 실질적으로 동일하게 구성 및 각 구성들의 기능에 대하여 그 설명을 생략한다.
[실험예 1]
본 실험예에서는 3단 어레이 적용으로 트리플 주파수를 형성, 즉 도 4의 중단 2.1t를 0.7t로 변경하여 1MHz, 3MHz, 10MHz로 튜닝하였다. 도 4는 단품별 주파수 형성 결과를 보여주는 그래프이다.
| size | Fr | 하모닉 | 비고 | |||
| 개별소자 | 상단 | 10φ, 0.2t | 10MHz | - | ||
| 중단 | 15φ, 0.7t | 3MHz | 9MHz 약한 하모닉 | |||
| 하단 | 28φ, 2.1t | 1MHz | 3,5,7,9MHz 하모닉 | 2.1MHz의 하모닉 정수 | ||
| 적층소자 | 상, 중, 하 3층 | 1MHz | 3.5, 9.7MHz | 비하모닉의 3주파수만 형성 | ||
도 5는 어레이 적층소자의 각 층별로 측정한 주파수와 적층소자 전체를 측정한 주파수에 대한 결과물이다.
도 5를 참조하면, 어레이시 각 소자의 상호 간섭으로 적층시 주파수가 비하모닉화하면서 1/3.2/5.4/9.7의 멀티 주파수가 구현되고, 가장 큰 에너지인 1MHz의 영향력이 그대로 살아 있으며 주파수 자체로만 보면 (1, 3, 10Mhz)ㅁ10%가 만족됨을 알 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 주파수 형성 결과를 바탕으로 상술한 적층구조로 변경하여 트리플 주파수가 형성됨을 알 수 있으며, 후막 두께, 대형 ??일수록 하모닉수가 증가되고 있고, 박막 및 소형??일수록 하모닉수가 줄어 들거나 또는 형성되지 않고 있음을 알 수 있으며, 특히 0.2t 이하에서는 하모닉이 없음을 알 수 있다.
도 6은 어레이 구직 구조별 주파수 발진 현상을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 후막 두께의 적층시에는 8MHz 이상의 고주파가 비형성되고, 어느 구조에서도 10MHz의 고주파가 타겟팅(Targeting)되지 않음을 알 수 있으며, 15파이 2.1t -> 0.7t 로 튜닝하고, 12.39MHz -> 9.7MHz로 튜닝됨을 알 수 있다.
[표 2]는 압전체(진동자)의 제조 후의 출력 특성에 대한 확인 결과를 보여2준다.
| 20V | 25V | 30V | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
0.22W | 0.32W | 0.41W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS 1.0t |
[표 2]를 참조하면, 3중 모드시 20V에서 0.22W/cm2로 약함을 알 수 있으며, 주파수 측정시는 출력용 에너지가 공급되지 않고 있으므로, 출력 인가시의 결과와 일치 되지 않고 있음을 알 수 있다. 따라서, 어레이 적층 구조의 개선이 필요함을 알 수 있다.
[실험예 2]
도 7은 3단 적층 어레이에서 2단 적층 어레이로 변경한 적층소자 사진이다.
도 7을 참조하면, 어레이 적층구조 개선 관점에서 볼 때, 저단, 동일?? 이종두께화로 간섭 영향이 최소화됨을 알 수 있다.
그리고, 3단 적층 구조의 경우, 상, 중, 하 각 층간의 ??편차로 간섭이 강해, (합)출력이 낮게 나타나는 것으로 추정됨을 알 수 있다.
따라서, 간섭을 줄이기 위하여 동일한 직경, 그러나 이종 두께의 압전체를 2단으로 적층하여 고주파 에너지를 강화시킬 필요가 있다.
예컨대, 15파이 2.1t의 경우 1MHz, 3MHz 가 중심 주파수이고, 15파이 0.7t의 경우 3MHz, 10MHz가 중심 주파수임이다. 주파수 측정시, 3MHz 부근에 공진점이 형성되어 1MHz 중심에서 고주파로 이동함을 알 수 있다(3MHz 부근에서 비하모닉, sprurious형성).
도 8은 2단 적층 어레이의 전체 주파수 사진이다.
도 8을 참조하면, 1.01/3.10/3.26/9.77MHz로서, 3.26MHz spurious(기생)주파수로 존재함을 알 수 있다.
[표 3]을 참조하면, 15?? 2.1t/0.7t 2단 적층 구조로 설계 변경하여 출력을 확인한 결과, 기존의 3단 적층에 비해 출력이 2배로 크게 개선됨을 확인할 수 있다.
| 20V | 25V | 30V | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
0.42W | 0.5W | 0.63W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS 1.0t |
[실험예 3]
출력 특성 향상을 위한 공정 개선으로서, 압착 조건(열간 가압) 상온 무게추 압착대비 50% 출력 증가시키고, 무게 약 127g의 추를 위에 추가로 올려놓아 강하게 압착하였으며, 진동자와 압전체 사이의 기공 생성 방지를 위해 1시간동안 Press, 후 57도로 약 2분 동안 건조시켰다.
그리고, 경화 온도는 압전체의 분극에 영향이 끼치지 않도록 120도에서 90분 진행하였다.
| 20V | 25V | 30V | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
0.64W | 0.72W | 0.81W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS 1.0t |
[표 4]를 참조하면, 진동판의 두께에 따라 출력값이 달라지므로, 적정값을 알아보기 위해 여러 두께에서 실험 진행해 본 결과, 0.7t에서 가장 높은 출력값을 나타냄을 확인할 수 있었다.
| 0.8t | 1.1t | 1.4t | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
0.7W | 0.51W | 0.44W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS - 25V 기준 |
| 0.4t | 0.6t | 0.8t | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
과열 | 0.72W | 0.7W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS - 25V 기준 |
도 9는 진동자의 두께별 출력값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 0.8t 이하의 두께의 진동판에 부착하여 출력을 측정한 결과, 너무 얇을 경우 과열로 인해 사용할 수 없을 정도로 됨을 알 수 있으며, 따라서 최소 0.7t 두께가 가장 적합한 것임을 알 수 있다.
| 20V | 25V | 30V | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
0.67W | 0.81W | 0.9W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS - Al 대비 0.2W 이상 감소 |
| 20V | 25V | 30V | ||
| 1/3/10MHz 3중 교차 (10ms 간격) |
0.83W | 0.94W | 1.1W | - Generator: 개발품 - Powermeter : Ohmic, UPM-DT-1 AV - 진동자 재질 : SUS - Al 대비 0.2W 이상 감소 |
상기의 표들을 참조하면, 0.7t의 동일 두께에서 알루미늄 재질의 진동자를 사용할 경우 SUS 재질을 사용했을 때 비해 더 높은 출력값의 증가를 확인할 수 있었다.
15파이 2.1t/0.7t 2단 적층 구조를 Al 진동판 0.7t 두께의 진동자에 개선된 공정으로 부착하여, 저전압에서도 고출력을 만족하는 진동자를 제작할 수 있음을 알 수있다.
15파이, 2단 적층, Al 진동판 0.7t급, 열간 가압하여 20V, 10MHz(10ms 삼중교차)의 고주파에서 0.8W의 고출력이 달성됨을 알 수 있다.
기존 3단 적층 어레이일 때는 각각이 3종의 다른 직경 및 두께를 가지고 있어, 서로를 방해하는 경향이 있었다면, 2단 적층 어레이에서는 각각이 두께는 다르지만, 단일 직경을 가지고 있어 방해의 영향이 더 적음을 알 수 있다.
또한 1/3MHz가 메인인 15파이 2.1t 압전체와 3/10MHz가 메인인 15파이 0.7t의 적층으로 인해 3MHz가 중심이 되면서, 기존의 약했던 10MHz에도 영향을 강하게 준 것임을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 2개 또는 3개의 압전체를 적층하는 구조로 진동 어레이를 구성하는 것으로 하여 설명하였으나, 이것은 설명의 편의와 이해의 증진을 위한 예시적인 제시일 뿐 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요 또는 용도 등에 따라 3개 이상의 압전체를 적층하는 구조로 진동 어레이를 구성할 수도 있음은 물론이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
202, 302 : 케이스
204, 304 : 압전 세라믹 어레이
206, 306 : 진동판 헤드
204, 304 : 압전 세라믹 어레이
206, 306 : 진동판 헤드
Claims (7)
- 소정 크기의 수납공간이 형성된 케이스와,
상기 수납공간에 고정 삽입되며, 제 1, 2 주파수의 전기신호에 의해 제 1 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 1 압전체와 상기 제 1 압전체 상에 적층되어 상기 제 1 주파수와는 다른 제 2, 3 주파수의 전기신호에 의해 상기 제 1 진폭과는 다른 제 2 진폭의 초음파 진동을 발생하는 제 2 압전체로 구성된 압전 세라믹 어레이와,
상기 제 2 압전체 상에 부착된 진동판 헤드
를 포함하고,
상기 제 1 압전체의 두께는,
상기 제 2 압전체의 두께 보다 상대적으로 더 두껍고,
상기 제 1 주파수, 상기 제 2 주파수 및 상기 제 3 주파수는,
기 설정된 수 ms 내지 수십 ms 시간 간격으로 3중 교차되어 인가되는
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 압전체 및 상기 제 2 압전체는,
10φ 내지 20φ의 지름 범위를 갖는
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 압전체는,
1.8㎜ 내지 2.4㎜의 두께 범위를 갖는
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 압전체는,
0.4㎜ 내지 1㎜의 두께 범위를 갖는
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 압전체의 두께는,
상기 제 1 압전체의 1/3 두께인
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 주파수는 0.9MHz 내지 1.1MHz 범위의 주파수 대역이고, 상기 제 2 주파수는 2.7MHz 내지 3.3MHz 범위의 주파수 대역이며, 상기 제 3 주파수는 9MHz 내지 11MHz 범위의 주파수 대역인
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자. - 제 1 항에 있어서,
상기 진동판 헤드는,
5㎜ 내지 8㎜의 두께 범위를 갖는
3중 주파수 발진 압전 세라믹 어레이 진동자.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| R401 | Registration of restoration |