KR20130121498A - 고강도 집속형 초음파 구동 장치 및 구동방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고강도 집속형 초음파 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고강도 집속형 초음파 트랜스듀서를 구동하기 위한 고강도 집속형 초음파 구동장치에 있어서, 초음파 구동 주파수를 발생하는 제 1 주파수 발생부; 가변전압을 발생하는 가변전압 생성부; 상기 가변전압 생성부에서 발생된 가변전압을 전달받고, 상기 제 1 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 1차 증폭하는 제 1 증폭부; 상기 제 1 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭하는 제 1 임피던스 매칭부; 초음파 구동 주파수를 발생하는 제 2 주파수 발생부; 상기 가변전압 생성부에서 발생된 가변전압을 전달받고, 상기 제 2 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 2차 증폭하는 제 2 증폭부; 상기 제 2 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭하는 제 2 임피던스 매칭부; 상기 제 1 임피던스 매칭부 및 상기 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파를 선택적으로 선택하는 펄스 선택부; 상기 펄스 선택부에서 선택된 펄스를 출력하는 고강도 집속형 초음파 출력부; 및, 상기 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부에 입력되는 펄스를 제어하고, 상기 가변전압 생성부에 입력되는 전압을 제어하며, 상기 펄스 선택부에서 어떤 펄스를 선택할 지에 대한 여부를 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 고강도 집속형 초음파 구동장치 및 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의료용 고강도 집속형 초음파 치료 장치에 사용되는 고전압 펄스 발생 회로에 관한 것이다.
또한, 임피던스 매칭에 의해 안정된 초음파 출력을 갖는 고강도 집속형 초음파 구동 장치 및 구동방법에 관한 것이다.
고강도 집속형 초음파(HIFU : High Intensity Focused Ultrasound)는 집속형 렌즈 또는 초음파 변환자 구조를 집속형으로 만들어 고강도의 초음파를 한 지점에 집속 시킨 초음파이다.
고강도 집속형 초음파는 집속 방법 또는 주파수에 따라 피부 속에서 비침습적으로 집속 되는 지점이 다르기 때문에 의료 분야에 다양하게 응용되고 있다. 상기 응용 분야는 전립선암 치료 등의 암치료, 지방 제거 등의 비만 치료, 주름 제거 등의 피부 미용, 뇌 치료, 비침습적 약물 전달 등의 다양한 분야에 응용되고 있다.
전술한 바와 같이, 고강도 집속형 초음파를 집속하여 피부의 낮은 층에 조사하기 위해서는 3 ~ 10MHz의 높은 초음파 출력주파수 특성을 가져야 하고, 치료 대상 조직을 열화 시키기 위해서 0.5 ~ 5J의 높은 출력 에너지를 가져야 한다. 일반적으로 진단용 초음파의 경우 1~10MHz의 넓은 영역의 높은 주파수를 출력하는 특성을 가지고 있지만, 출력 전압은 약 -80 V(volts) 내지 +80 V 또는 0 V 내지 200 V 정도로 높지 않다.
그러나, 상기와 같은 고강도 집속형 초음파를 구동하기 위해서는 300V이상의 높은 전압을 고강도 집속형 초음파 트랜스듀서에 인가해야 한다.
따라서, 종래의 기술들은 트랜스포머를 이용하여 전압을 증폭함으로써 고주파를 생성 하였다. 하지만 트랜스포머를 사용할 경우 트랜스포머의 유도 전압 및 유도 전류에 의해 시스템에 영향을 미친다. 또한 트랜스포머의 큰 부피 때문에 시스템의 부피 역시 커지는 단점이 있다.
또한 트랜스포머를 이용하여 고주파를 생성하여 고강도 집속형 초음파를 구동할 경우, 고강도 집속형 초음파 구동 장치와 트랜스듀서의 임피던스를 맞추는 것이 어렵다는 단점이 있었다.
그리고, 도 1은 종래의 고강도 집속형 초음파 발생 방법에 대한 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 고강도 집속형 초음파 발생은 가변전압을 발생할 수 없으므로 출력에너지가 동일하게 출력되었다. 이는, 고강도 집속형 초음파 구동장치 최초 설계 시 출력 에너지를 고정하는 방법 이외에는 출력에너지를 제어할 수 없으므로, 고강도 집속형 초음파 주파수를 피부의 주름 치료와 같은 의료목적에 응용하기 어렵다는 단점이 있었다.
본 발명은 상기 기술한 단점을 보완하기 위하여 시스템 설계에 있어서 부피를 크게 차지하고, 유도 전압 및 유도 전류로 시스템에 영향을 미치는 트랜스포머를 사용하지 않는 고강도 집속형 초음파 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 각각의 고강도 집속형 초음파 트랜스듀서에 맞는 증폭 및 임피던스 매칭을 수행함으로써 선택적으로 고강도 집속형 초음파 펄스를 사용 가능한 고강도 집속형 초음파 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 의료분야에 응용함에 있어서, 특히 피부의 낮은 층에 고강도 집속형 초음파를 집속 시켜 주름제거, 여드름 치료, 제모 등의 미용에 응용 가능한 고강도 집속형 초음파를 구동하기 위한 고강도 집속형 초음파 구동 장치에 관한 것이다.
상기한 종래 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치는,
고강도 집속형 초음파 트랜스듀서를 구동하기 위한 고강도 집속형 초음파 구동장치에 있어서, 초음파 구동 주파수를 발생하는 제 1 주파수 발생부; 가변전압을 발생하는 가변전압 생성부; 상기 가변전압 생성부에서 발생된 가변전압을 전달받고, 상기 제 1 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 1차 증폭하는 제 1 증폭부; 상기 제 1 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭하는 제 1 임피던스 매칭부; 초음파 구동 주파수를 발생하는 제 2 주파수 발생부; 상기 가변전압 생성부에서 발생된 가변전압을 전달받고, 상기 제 2 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 2차 증폭하는 제 2 증폭부; 상기 제 2 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭하는 제 2 임피던스 매칭부; 상기 제 1 임피던스 매칭부 및 상기 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파를 선택적으로 선택하는 펄스 선택부; 상기 펄스 선택부에서 선택된 펄스를 출력하는 고강도 집속형 초음파 출력부; 및, 상기 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부에 입력되는 펄스를 제어하고, 상기 가변전압 생성부에 입력되는 전압을 제어하며, 상기 펄스 선택부에서 어떤 펄스를 선택할 지에 대한 여부를 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부는 프로그램 가능한 오실레이터로 구성되는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 증폭부 및 제 2 증폭부에서는, 주파수 증폭을 위하여 E급 증폭기를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 시간의 변화에 따라서 상기 가변전압 생성부에서 생성되는 출력전압을 제어함으로써 상기 고강도 집속형 초음파 출력부에서 출력되는 펄스의 에너지를 변화시키는 것을 특징으로 하고, 상기 고강도 집속형 초음파 출력부로부터 출력되는 펄스는 하나 이상인 것을 특징으로 하며, 상기 펄스 선택부는 FET 소자로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법은, 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부로부터 초음파 구동 주파수를 각각 발생하는 주파수 발생 단계; 가변전압 생성부에서 가변전압을 발생하는 가변전압 발생단계; 상기 가변전압 발생단계에서 발생한 가변전압을 제 1 증폭부 및 제 2 증폭부에서 전달받아 제 1 증폭부는 제 1 임피던스 매칭부로, 제 2 증폭부는 제 2 임피던스 매칭부로 각각 가변전압을 전달하는 가변전압 수신 및 전달단계; 제 1 증폭부는 제 1 주파수 발생부로부터 발생한 주파수를 증폭하고, 제 2 증폭부는 제 2 주파수 발생부로부터 발생한 주파수를 증폭하는 주파수 증폭단계; 제 1 임피던스 매칭부는 상기 제 1 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 제 2 임피던스 매칭부는 상기 제 2 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하는 가변전압 증폭 단계; 제 1 임피던스 매칭부 및 제 2 임피던스 매칭부는 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭단계; 펄스 선택부에서 제 1 임피던스 매칭부 및 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택하는 펄스 선택 단계; 펄스 선택부에서 선택된 펄스를 고강도 집속형 초음파 출력부에서 출력하는 펄스 출력 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 주파수 발생단계에서 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부로부터 주파수가 발생될 때, 제어부에서 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부에 입력되는 펄스를 제어하는 입력 펄스 제어 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 가변전압 발생단계에서 가변전압을 생성할 때, 제어부에서 가변전압 생성부에 입력되는 전압을 제어하는 입력 전압 제어 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펄스 선택 단계에서 제 1 임피던스 매칭부 또는 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택할 때, 제어부에서 펄스 선택부의 선택을 제어하는 펄스 선택 제어단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치는, 콘덴서와 인덕터를 사용하여 증폭 및 임피던스 매칭을 함으로써, 안정적이고 성능이 높아진다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치는 트랜스포머를 포함하지 않으므로 시스템의 크기를 소형화하여 설계 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고강도 집속형 초음파 발생 방법에 대한 실시 예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에 따른 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에 따른 고강도 집속형 초음파 발생 방법에 대한 실시 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 회로도.
도 2는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에 따른 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에 따른 고강도 집속형 초음파 발생 방법에 대한 실시 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 회로도.
이하에서, 본 발명 고강도 집속형 초음파 트랜스듀서를 구동하기 위한 고강도 집속형 초음파 구동창치에 대한 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에 따른 구성을 나타낸 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치는 제 1 펄스 생성부(100), 제 2 펄스 생성부(200), 제어부(500), 가변전압 생성부(300), 펄스 선택부(400) 및 고강도 집속형 초음파 출력부(600)로 구성된다.
제 1 펄스 생성부(100)는 제 1 주파수 발생부(110), 제 1 증폭부(120) 및 제 1 임피던스 매칭부(130)으로 구성되고, 제 2 펄스 생성부(200)는 제 2 주파수 발생부(210), 제 2 증폭부(220) 및 제 2 임피던스 매칭부(230)로 구성된다.
제 1 주파수 발생부(110)는 초음파 구동 주파수를 발생한다. 제 1 증폭부(120)는 가변전압 생성부(300)에서 발생된 가변전압을 전달받고, 제 1 주파수 발생부(110)에서 발생된 주파수를 1차 증폭한다.
가변전압 생성부(300)는 가변전압을 발생하여 제 1 증폭부(120) 및 제 2 증폭부(130)로 전달하는데, 제 1 증폭부(120) 및 제 2 증폭부(130)로 전달된 가변전압은 제 1 임피던스 매칭부(130) 및 제 2 임피던스 매칭부(230)에서 증폭된다.
또한, 제 1 임피던스 매칭부(130)는 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭한다. 이 때, 제 1 임피던스 매칭부(130)에서 콘덴서와 인덕터를 사용하여 제 1 증폭부(120)로부터 전달받은 가변 전압을 증폭하고 임피던스 매칭을 수행함으로써, 안정적이고 성능이 높아진다는 효과가 있다.
제 1 펄스 생성부(100)의 구성은 전술한 바와 같다. 마찬가지로 제 2 펄스 생성부(200)의 구성요소들의 동작은 다음과 같다. 제 2 주파수 발생부(210)는 제 1 주파수 발생부(110)와는 주파수가 초음파 구동 주파수를 발생한다.
제 2 증폭부(220)는 가변전압 생성부(300)에서 발생된 가변전압을 전달받고, 제 2 주파수 발생부(210)에서 발생된 주파수를 2차 증폭한다. 제 2 임피던스 매칭부(230)는 제 1 임피던스 매칭부(130)와 마찬가지로, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭한다.
펄스 선택부(400)는 제 1 임피던스 매칭부(130) 및 제 2 임피던스 매칭부(230)에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택한다. 여기서, 펄스 선택부(400)의 고주파 선택은 제어부(500)의 제어에 따라 선택하게 된다. 이 때, 제어부(500)는 제 1 주파수 발생부(110) 또는 제 2 주파수 발생부(210)에 입력되는 입력 펄스를 제어하고, 또한 가변전압 생성부(300)에 입력되는 전압도 제어한다.
그리고, 최종적으로 펄스 선택부(400)로부터 선택된 고주파 신호는 고강도 집속형 초음파 출력부(600)에서 펄스로 출력된다. 이 때, 고강도 집속형 초음파 출력부(600)에서 출력되는 펄스는 하나 이상을 선택적으로 출력할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서, 제 1 주파수 발생부(110)와 제 2 주파수 발생부(210)는 프로그램 가능한 오실레이터로 구성된다. 그리고, 제 1 증폭부(120) 및 제 2 증폭부(220)에서는 주파수 증폭을 위하여 E 급 증폭기를 사용한다. 또한, 펄스 선택부(400)는 FET 소자를 이용한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에서, 제 1 주파수 발생부(110), 제 2 주파수 발생부(210), 가변전압 생성부(300), 펄스선택부(400), 제어부(500) 및 고강도 집속형 초음파 출력부(600)에서 출력되는 펄스들의 유기적인 상호작용을 도 3을 참조하여 자세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치에 따른 고강도 집속형 초음파 발생 방법에 대한 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 주파수 발생부(110)의 출력파형(110a)과, 제 2 주파수 발생부(210)의 출력파형(210a)이 각각 발생된다.
그리고, 제어부(500)에서 발생한 제어신호(500a)에 의해 가변전압 생성부(300)에서 출력된 가변전압(300a) 펄스가 제어된다. 본 발명의 바람직한 실시 예의 설명을 위하여, 펄스선택부(400)의 선택신호(400a)가 +1, 0, -1의 출력레벨을 갖는다고 가정한다.
펄스선택부(400)에서 출력된 선택신호(400a)의 출력레벨이 +1이면, 제 1 임피던스 매칭부(130)의 출력 고주파를 선택한다. 선택신호(400a)가 -1인 경우, 제 2 임피던스 매칭부(230)의 출력 고주파를 선택한다. 또한, 선택신호(400a)가 0인 경우, 어느 고주파도 출력하지 않는다.
예를 들어, 펄스 선택부(400)의 선택신호(400a)가 +1이 출력되면, 제어부(500)의 제어신호(500a)가 high 일 때, 가변전압 생성부(300) 출력전압(300a)을 제 1 주파수 발생부(110)의 출력파형(110a)에 따라 고강도 집속형 초음파 출력파형(600a)을 출력한다.
그리고, 펄스 선택부(400)의 선택신호(400a)가 -1이 출력되면, 제어부(500)의 제어신호(500a)가 high일 때, 가변전압 생성부(300) 출력전압(300a)을 제 2 주파수 발생부(210)의 출력파형(210a)에 따라 고강도 집속형 초음파 출력파형(600a)을 출력한다.
여기서, 제어부(500)의 제어신호(500a)가 low이거나, 펄스 선택부(400)의 선택신호(400a)가 0일 때는 고강도 집속형 초음파 출력파형(600a)이 출력되지 않음은 자명하다.
이는, 도 3에 도시된 t1 구간과 t2 구간을 통해 확인 가능하다. 구간 t1에서 펄스 선택부(400)의 선택신호(400a)가 +1 이고, 제어부(500)의 제어신호(500a)가 high일 때 가변전압 생성부(300) 출력전압(300a)에 따라 고강도 집속형 초음파 출력파형(600a)이 출력된다.
또한, 구간 t2에서 펄스 선택부(400)의 선택신호(400a)가 -1이고, 제어부(500)의 제어신호(500a)가 high일 때 가변전압 생성부(300) 출력전압(300a)에 따라 고강도 집속형 초음파 출력파형(600a)이 출력된다.
여기서, t1 구간 및 t2 구간에서의 출력파형(600a) 변화로 알 수 있듯이, 본 발명 고강도 집속형 초음파 구동장치는, 시간에 따라 출력파형(600a)을 변화시킬 수 있고, 하나 이상의 주파수(110a, 210a) 신호와 가변 가능한 전압(300)으로 출력파형(600a)을 다양하게 변형 가능하다.
도 4는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법의 흐름도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법은 주파수 발생 단계(S10), 가변전압 발생단계(S20), 가변전압 수신 및 전달단계(S30), 주파수 증폭단계(S40), 가변전압 증폭단계(S50), 임피던스 매칭 단계(S60), 펄스 선택 단계(S70) 및 펄스 출력 단계(S80)로 이루어진다.
이하에서, 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법을, 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치를 참조하여 자세하게 설명한다.
주파수 발생 단계(S10)는 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부로부터 초음파 구동 주파수를 각각 발생하는 단계이고, 가변전압 발생단계 (S20)는 가변전압 생성부에서 가변전압을 발생하는 단계이다.
가변전압 수신 및 전달단계(S30)에서는 상기 가변전압 발생단계(S20)에서 발생한 가변전압을 제 1 증폭부 및 제 2 증폭부에서 전달받고, 제 1 증폭부는 제 1 임피던스 매칭부로, 제 2 증폭부는 제 2 임피던스 매칭부로 각각 가변전압을 전달하는 단계이다.
주파수 증폭단계(S40)는 제 1 증폭부에서 제 1 주파수 발생부로부터 발생한 주파수를 증폭하고, 제 2 증폭부에서 제 2 주파수 발생부로부터 발생한 주파수를 증폭하는 단계이다.
그리고, 가변전압 증폭 단계(S50)에서는 제 1 임피던스 매칭부는 상기 제 1 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 제 2 임피던스 매칭부는 상기 제 2 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭한다.
임피던스 매칭단계(S60)는 제 1 임피던스 매칭부 및 제 2 임피던스 매칭부는 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스 매칭을 수행하고, 펄스 선택 단계(S70)에서는 펄스 선택부에서 제 1 임피던스 매칭부 및 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택한다.
마지막으로, 펄스 출력 단계(S80)에서는 펄스 선택부에서 선택된 펄스를 고강도 집속형 초음파 출력부에서 출력한다.
여기서, 입력 펄스 제어 단계(S11), 입력 전압 제어 단계(S21) 및 펄스 선택 제어 단계(S71)를 더 포함하여 단계들이 수행될 수 있다. 입력 펄스 제어 단계(S11)는 주파수 발생단계(S10)에서 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부로부터 주파수가 발생될 때, 제어부에서 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부에 입력되는 펄스를 제어하는 단계이다.
그리고, 입력 전압 제어 단계(S21)는 상기 가변전압 발생단계(S20)에서 가변전압을 생성할 때, 제어부에서 가변전압 생성부에 입력되는 전압을 제어하는 단계이다.
또한, 펄스 선택 제어 단계(S71)는 펄스 선택 단계(S70)에서 제 1 임피던스 매칭부 또는 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택할 때, 제어부에서 펄스 선택부의 선택을 제어하는 단계이다.
도 5는 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치의 회로도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치는 각각의 고강도 집속형 초음파 트랜스듀서에 맞는 증폭 및 임피던스 매칭을 수행함으로써 선택적으로 고강도 집속형 초음파 펄스를 사용할 수 있도록 회로가 구성된다.
고강도 집속형 초음파의 특성은 다음의 수식들을 통해 얻을 수 있다.
여기서, 
로 표현할 수 있다.
여기서, a는 트랜스튜서 반경, Rc는 곡률반경, P는 초음파 파워, c는 음파 속도, 
밀도, V는 속도, F는 힘, d는 거리, 
는 감쇠계수, f는 주파수, 
는주사 시간이다. 상기 수식들로부터 초음파 출력 에너지, 필요 전기 에너지 등을 계산 할 수 있고, 고강도 집속형 초음파를 이용하여 비침습적으로 피부속을 치료하기 위해서는 주파수, 음압, 출력 강도, 주사 시간, 포커싱 지점의 면적 등을 고려해야 한다.
전술한 바와 같이 고강도 집속형 초음파의 특성이 결정되면, 본 발명의 고강도 집속형 초음파 구동장치는 FET 를 이용하여 고강도 집속형 초음파를 구동한다. 도 5의 회로에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 FET 소자는 스위치 역할을 하고, 종단 회로는 스위치에 병렬로 콘덴서를 구성한다. 또한, 스위치가 on일 때 스위치에 의해서 인덕터와 컬렉터의 전압 파형이 결정되고, 스위치가 off일 때는 종단 회로의 트랜지션 응답에 의해 인덕터와 컬렉터의 전압 파형이 결정된다. 이러한 본 발명의 구성은 스위칭 모드 증포기에서 전압과 전류의 스위칭 간격에 의한 손실을 줄일 수 있다.
본 발명의 구성을 위하여, 하기의 수식들과 같이 회로 파라미터를 결정하여 설계한다.
RF 신호를 차단하고 DC 전원만 공급하기 위해서 RF 초크 인덕터(L3)를 구성하고 인덕턴스값은 임피던스가 50옴(Ω)이라는 가정하에 하기 수식들로부터 유도 가능하다.
여기서 L은 RF 초크 인덕터(L3)의 인덕턴스값, fo는 중심 주파수를 나타낸다. FET는 콘덴서의 충전과 방전 효과에 의해서 스위칭 동작을 하게 된다. 그러므로 FET 내부 고유의 캐패시터와 외부의 캐패시터(SC8, SC23, SC22, SC24)의 합은 하기 수식으로 표현 할 수 있다.
여기서, VDC는 인가 전압(Vcc), fo는 중심 주파수, Cp는 FET 내부 캐패시터 와 외부 캐패시터(SC8, SC23, SC22, SC24)의 합, W는 출력 전력을 나타낸다.
부하 임피던스 정합 LC 네트워크는 고조파 신호를 제거하기 위해서 직렬 콘덴서(SC1)와 직렬 인덕터(L4)로 구성된다. 이 때, 공진 회로의 주파수에 따른 감쇠 특성인 Q 값에 의하여 인덕터의 인덕턴스(L-series)와 캐패시터의 캐패시턴스(C-series)가 결정되고 하기 수학식에서 계산된다.
여기서, VDC는 인가 전압(Vcc), W는 출력 전력, fo는 중심 주파수를 나타낸다.
병렬 콘덴서(SC7, SC9, SC12)는 상기 능동 소자의 스위칭 전압, 전류의 위상 차가 효율이 100%가 되도록 스위칭 전류의 위상을 보상하는 역할을 하고, 하기 수학식과 같이 계산된다.
여기서 C는 병렬 콘덴서(SC7, SC9, SC12)의 캐패시턴스 값, W는 출력 전력, fo는 중심 주파수, VDC는 인가 전압(Vcc)을 나타내다.
상기 수식1 내지 수식9를 통하여 고강도 집속형 초음파의 출력의 특성을 결정할 수 있고 결정된 고강도 집속형 초음파를 구동 할 수 있는 구동 회로를 설계할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 제 1 펄스 생성부 110 : 제 1 주파수 발생부
120 : 제 1 증폭부 130 : 제 1 임피던스 매칭부
200 : 제 2 펄스 생성부 210 : 제 2 주파수 발생부
220 : 제 2 증폭부 230 : 제 2 임피던스 매칭부
300 : 가변전압 생성부 400 : 펄스 선택부
500 : 제어부 600 : 고강도 집속형 초음파 출력부
120 : 제 1 증폭부 130 : 제 1 임피던스 매칭부
200 : 제 2 펄스 생성부 210 : 제 2 주파수 발생부
220 : 제 2 증폭부 230 : 제 2 임피던스 매칭부
300 : 가변전압 생성부 400 : 펄스 선택부
500 : 제어부 600 : 고강도 집속형 초음파 출력부
Claims (10)
- 고강도 집속형 초음파 트랜스듀서를 구동하기 위한 고강도 집속형 초음파 구동장치에 있어서,
초음파 구동 주파수를 발생하는 제 1 주파수 발생부;
가변전압을 발생하는 가변전압 생성부;
상기 가변전압 생성부에서 발생된 가변전압을 전달받고, 상기 제 1 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 1차 증폭하는 제 1 증폭부;
상기 제 1 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭하는 제 1 임피던스 매칭부;
초음파 구동 주파수를 발생하는 제 2 주파수 발생부;
상기 가변전압 생성부에서 발생된 가변전압을 전달받고, 상기 제 2 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 2차 증폭하는 제 2 증폭부;
상기 제 2 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스를 매칭하는 제 2 임피던스 매칭부;
상기 제 1 임피던스 매칭부 및 상기 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파를 선택적으로 선택하는 펄스 선택부;
상기 펄스 선택부에서 선택된 펄스를 출력하는 고강도 집속형 초음파 출력부; 및,
상기 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부에 입력되는 펄스를 제어하고, 상기 가변전압 생성부에 입력되는 전압을 제어하며, 상기 펄스 선택부에서 어떤 펄스를 선택할 지에 대한 여부를 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부는 프로그램 가능한 오실레이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 증폭부 및 제 2 증폭부에서는, 주파수 증폭을 위하여 E급 증폭기를 사용하는 것을 특징으로 하는 고강도 집소형 초음파 구동장치. - 제 1항에 있어서,
시간의 변화에 따라서 상기 가변전압 생성부에서 생성되는 출력전압을 제어함으로써 상기 고강도 집속형 초음파 출력부에서 출력되는 펄스의 에너지를 변화시키는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치. - 제 1항에 있어서,
상기 고강도 집속형 초음파 출력부로부터 출력되는 펄스는 하나 이상을 선택적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치. - 제 1항에 있어서,
상기 펄스 선택부는 FET 소자로 구성하는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치. - 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법에 있어서,
제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부로부터 초음파 구동 주파수를 각각 발생하는 주파수 발생 단계;
가변전압 생성부에서 가변전압을 발생하는 가변전압 발생단계;
상기 가변전압 발생단계에서 발생한 가변전압을 제 1 증폭부 및 제 2 증폭부에서 전달받아 제 1 증폭부는 제 1 임피던스 매칭부로, 제 2 증폭부는 제 2 임피던스 매칭부로 각각 가변전압을 전달하는 가변전압 수신 및 전달단계;
제 1 증폭부는 제 1 주파수 발생부로부터 발생한 주파수를 증폭하고, 제 2 증폭부는 제 2 주파수 발생부로부터 발생한 주파수를 증폭하는 주파수 증폭단계;
제 1 임피던스 매칭부는 상기 제 1 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하고, 제 2 임피던스 매칭부는 상기 제 2 증폭부로부터 전달받은 가변전압을 증폭하는 가변전압 증폭 단계;
제 1 임피던스 매칭부 및 제 2 임피던스 매칭부는 트랜스듀서와 고강도 집속형 초음파 구동장치의 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭단계;
펄스 선택부에서 제 1 임피던스 매칭부 및 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택하는 펄스 선택 단계;
펄스 선택부에서 선택된 펄스를 고강도 집속형 초음파 출력부에서 출력하는 펄스 출력 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법. - 제 7항에 있어서,
상기 주파수 발생단계에서 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부로부터 주파수가 발생될 때, 제어부에서 제 1 주파수 발생부 및 제 2 주파수 발생부에 입력되는 펄스를 제어하는 입력 펄스 제어 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법. - 제 7항에 있어서,
상기 가변전압 발생단계에서 가변전압을 생성할 때, 제어부에서 가변전압 생성부에 입력되는 전압을 제어하는 입력 전압 제어 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법. - 제 7항에 있어서,
상기 펄스 선택 단계에서 제 1 임피던스 매칭부 또는 제 2 임피던스 매칭부에서 발생된 고주파 중 어느 하나를 선택할 때, 제어부에서 펄스 선택부의 선택을 제어하는 펄스 선택 제어단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 구동장치의 구동방법.
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