KR20160007248A

KR20160007248A - 휴대용 초음파 미용장치

Info

Publication number: KR20160007248A
Application number: KR1020140087644A
Authority: KR
Inventors: 이완수
Original assignee: 이완수
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-20
Also published as: KR101651731B1

Abstract

본 발명은 초음파진동을 피부관리에 이용하는 휴대용 초음파 미용장치에 있어서 실시된 구성수단을 통하여 성능향상과 원가절감을 달성한다. 특징적으로 초음파 출력부는 초음파진동자의 직렬 공진 임피던스 매칭을 실시하고 동시에 초음파출력의 스위칭 드라이브 방식도 푸시풀(Push Pull) 방식을 구비하여 휴대형의 단점인 저 전압 구동에서의 초음파 구동효율을 최대화하였다. 안정적인 초음파출력을 위해 압전소자의 공진 주파수 변화폭이나 세팅 오차에 대한 보완을 위해 스위프 제어부로 해결하였고, 초음파진동자는 절연기판이 제외되었으며 특수한 공진 부재를 구성하여 초음파진동자에서 2가지 이상의 부품을 감소시켰고 그 구조에 부합하는 이온도입회로를 구성하였다. 이러한 실시를 위해 일부 본 발명인의 보유특허 (10-1157304)를 참조하였다.

Description

휴대용 초음파 미용장치{PORTABLE ULTRASONIC BEAUTY DEVICE}

본 발명은 초음파진동을 피부관리에 이용하는 휴대용 초음파 미용장치에 있어서, 특히 피부각질을 관리하는 미용장치와 관련된다. 상세하게는 초음파 출력효율에 관련되어 압전소자의 공진 임피던스 매칭 회로를 구비하고, 초음파진동자의 구조의 개량 및 새로운 이온도입이 회로를 구성하였고, 압전소자의 공진 주파수 변화에 대응하는 방법이 실시되어 원가절감과 초음파진동효율을 높이는 휴대용 초음파 미용장치에 관한 것이다.

일반적으로 휴대용 초음파 미용장치는 압전소자를 이용하여 전기적 신호를 물리적 초음파 진동으로 변환하고 그 진동을 피부에 접촉시켜 피부미용에 이용하며 대부분 이온도입작용을 포함하고 배터리를 내장하여 휴대가 용이한 장치이다.

피부 각질관리에 주로 사용되는 초음파진동은 대략 20KHz~50KHz 대역이며 이온도입은 다양한 실시방법이 있으나 1KHz내외를 사용하는 경우가 대부분이며

주로, 일정전류를 피부에 흘려 영양성분이 피부에 침투 되도록 도모한다.

***인용된 문헌**

10-2004-0108504

10-2006-0013476, 10-0721794

10-2007-0037471, 10-0856345

10-2007-0076106, 10-1157304

도 6에 도시된 바와 같이 종래의 휴대용 초음파 미용장치는

CPU에 의하여, 미리 설정된 초음파진동자의 공진 주파수를 발생하며 초음파 출력부를 거쳐 증폭하여 초음파진동자를 구동하고 있다.

초음파 출력부의 종단에는 특히 압전소자의 공진 임피던스 매칭과 관련한 기술은 전혀 고려되지 않았다. 따라서 압전소자의 공진 임피던스 값은 높아지고 초음파 출력효율은 비교적 저하되게 될 수밖에 없다. 하물며 배터리를 사용하는 휴대용 초음파 미용장치에서는 공급전압이 낮아 많은 전력을 내기 어려운 형편임으로 또한 초음파 진동효율이 상당히 낮아질 수밖에 없는 복합적인 단점이 있었다.

이외에도 초음파 출력부의 회로는 1개의 FET로 구성되는 고전적인 플라이백(Fly-Bcak) 드라이브 방식이며 트랜스결합을 통해 1차에 인가된 일정의 DC 전압은 FET 스위칭으로 인해 정해진 만큼 승압 되어 2차 측에 나타나게 되나 이 역시 낮은 공급전압 여건에서는 승압에 한계점이 있어 원하는 초음파진동효율을 얻지못하는 단점이 있었다. 경우에 따라서는 DC 인가전압 자체를 별도로 승압하여 공급하는 방법도 채택되고 있으나 결국 내부 배터리에서 공급되는 전압이 낮으면 낮을수록 많은 전류가 필요하게 되고 또한 변환손실이 많아질 수밖에 없으므로 휴대용 장치의 한계를 벗어나지 못하게 된다.

이해를 돕기 위해 보충설명하면 압전소자가 작동할 수 있는 최소 전압이 설정됨에도 불구 하고 압전소자에 충분한 교류 전류를 흘려주는 여건을 구성하는 것이 우선시 된다.

이온도입전류의 출력은 초음파진동자의 진동판(피부접촉부)을 (+)전극으로 하고 어스그립을 (-)전극으로 하여 상호 교차 출력하는 방법으로 되어있다

이러한 이온도입전류 출력방법은 초음파진동자를 구성하는데 있어서 진동판(피부접촉부)을 절연하기 위한 기판을 추가하게 되므로 원가를 상승시키며 초음파진동자의 전기적, 물리적 결함을 피할 수 없는 단점이 있었다.

전원부는 외부로부터 인가되는 DC전압을 정해진 회로(미도시)에 의해 배터리를 충전하는 역할을 수행한다. 상기 배터리는 주로 발생전압이 3.7V~4.2V 인 1셀로 구비된다, 내부의 각각 동작에 필요한 전원은 CPU를 포함하여 주로 5V 전원체제로 공급한다.배터리의 전압을 그대로 공급하기도 하나, 초음파 공진주파수를 발생하는 CPU의 PWM주파수 분해능을 높이기 위해서는 20MHz의 CLOCK 주파수를 내도록 5V의 기본 구동전압이 필요하다. 도시된 도 5의 DC-DC컨버터는 초음파출력부에 공급되는 전압을 위주로 승압하는 목적이다, 초음파 출력부 외에는 상기 승압 된 전압을 다시 정전압 회로(미도시)를 통해 5V 의 전압으로 재변환하여 공급하게 된다. 보통 3배 정도로 전압을 승압하는 경우는 3배 그 이상의 전류가 요구되나 배터리의 용량에 한계를 고려하면 결국 전체 효율이 상당히 나빠지는 결과가 된다. 이러한 결과를 포함하여 상술한 두 가지 전원을 구비하는데 따른 복잡성과 원가상승의 단점이 되고 있다.

또한 종래의 휴대용 미용장치는 배터리가 주전원으로 사용되어 배터리가 방전되면 다시 충전을 시키게 되는데, 충전이 완료될 때까지 장치의 작동이 중지되어 사용할 수 없는 불편함도 있다. 여건상 정해진 외부전원의 용량과 회로의 한계가 있겠지만 충전시간에 제약이 되더라도 사용자의 욕구를 충족하는 것도 바람직하다

도 7에 도시된 바와 같이 종래의 초음파진동자는,

진동판, 전도성부재1, 전도성부재2, 전기절연 부재, 압전소자,의 5종의 부품으로 이루어져 있다. 압전소자는 PZT계열 디스크형 세라믹이며 이외 스텐레스 진동판, 공진부재1, 공진부재2 는 주로 알루미늄이다, 이에 반해 전기절연 부재는 주로 에폭시 기판을 사용하는데 이와 같이 금속과 비금속의 접합시 음향전달특성이 각기 다름으로 인해 초음파 진동결합 특성이나 전기적 임피던스 특성에 저해될 뿐만 아니라 결과적으로 초음파진동효율 저하요인에 일조하고 있다.

이러한 결과 에도 불구하고 초음파진동자에 전기절연 부재를 부득이 필요로 하는 주된 원인은 종래의 이온도입전류 발생방법의 피할 수 없는 문제에서 비롯되기 때문에 이로 인해 원가 적인 부담까지도 감수해야하는 단점이 있었다.

또한 상기의 5종의 부품은 적층구조로 에폭시 접착제에 의하여 강하게 접착되나 각 부품의 음향전달특성의 차이로부터 오는 초음파 진동스트레스로 인해 접착부위가 파손되는 요인도 되고 있다.

또한 종래의 초음파진동자 구성 예를 보면 다수의 압전소자를 진동판을 중심으로 상하에 2조씩 배치하여 초음파 진동출력을 최대화하였으나 원가상승 요인이 될 뿐더러 원가대비 상대적으로 초음파진동 효율이 낮은 단점이 있다.

최근에 이르기까지 압전소자를 2개로 낮춰 배치하는 방법이 많이 쓰이고 있으나, 이 또한 산업적 차원에서 원가경쟁을 피할 수 없는 결론에 이르게 되어 결국 1개의 압전소자를 사용하고 있기도 하다. 이에 따라서 초음파출력저하에 대한 대책을 각기의 기술적 방법으로 해소하고 있는 시점이다.

도 8에 도시된 바와 같이 종래부터 압전소자는 주변환경 변화에 따라 공진 주파수가 다소 변화하는 특성을 띠고 있다.

일반적으로 압전소자에 공급되는 초음파 공진 주파수는 CPU에서 PWM의해 발생시키고 제조 시점에서 압전소자의 고유 공진 주파수에 세팅하게 되므로 이후의 사용환경 변화에 의한 압전소자의 고유 공진 주파수 변화 정도는 그대로 초음파 진동 출력에 저하를 가져오는 단점이 되고 있다.

(용어의 정의)

압전소자: 초음파진동자의 구성 부품인 PZT계열의 압전세라믹.

Q: Quality Factor= XL/R...XL:인닥턴스 R:고유저항.

제1 초음파 구동주파수: CPU 또는 발진장치에 의해 미리 세팅된 압전소자의 공진 주파수와 가장 근접된 주파수.

제2 초음파 구동주파수: PLL기능에 의해 제1 초음파 구동주파수와 동일하게 동기된 주파수.

초음파 진동주파수: 실제 물리적으로 진동하는 초음파 주파수,(제2 초음파 구동주파수와 수치 적으로 같을 수 있다)

초음파진동자: ultrasonic actuator, ultrasonic transducer.

중점전위: 어떤 전압을 나타내기 위한 기준점.

공통전원; CPU를 비롯한 대부분의 전기회로에 공급되는 5V정도의 전원.

접지: 전기적인 회로의 공통전위(본 발명에서는 접지를 중점전위로 함).

공진부재: 초음파진동주파수와 공진이 가능한 음향전달속도를 갖는 부재.

보조부재; 본 발명에 있어서 압전소자와 진동판 간에 진동 스트레스를 흡수하는 금속.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적에 있어서 초음파 출력부(30)는 종래의 플라이백 드라이브 방식에 비해 효율이 높은 푸쉬풀 드라이브 방식을 채택하고 초음파 진동자의 공진 임피던스를 매칭하여 낮은 구동전압 여건에서도 적절한 초음파 진동효율을 제공하는 데 있으며,

초음파진동자의 전기절연 부재를 제거하는 방법과 특징적인 공진부재의 설정 방법을 통하여 원가절감 및 초음파출력의 손실을 줄여 효율을 높이는 구성을 위하여, 상기 전기절연이 필요치 않은 접지형 이온도입전류 발생방법을 제공하는 데 있으며,

본 발명의 또 다른 목적은 압전소자의 전기적 특성변화(도 7 참조)에 따른 주파수변동 오차폭과, CPU(70)에 의해 미리 세팅된 제1 초음파 구동주파수와 압전소자의 공진 주파수간의 오차 폭을 합하여 스위프 되는 제2 초음파 구동 주파수를 출력하는 방법을 제공하는 데 있다.

이해를 돕기 위해 상기 제1 초음파 구동주파수 세팅과정을 자세히 설명하면, CPU(70)에 미리 설정된 PWM 프로그램 변수를 외부조작을 통해 조절하도록 하여 초음파 구동주파수를 세팅하게 된다. 이때 상기 변수 설정 값에 의한 PWM주파수 변화는, CPU(70) 경우로 볼 때 PWM 주파수= 1/(변수+1)* 4 tosc * PS 이다. 따라서 변수가 1씩 증감할 때마다 PWM주파수의 변화폭은 비 직선적으로 변화하며 세팅주파수 대역마다 다르게 된다. 보통 초음파 공진시 요구되는 주파수 대역에서 주파수 분해능은 150Hz 내외가 된다. 압전소자의 고유 공진 주파수는 따로 정한 범위 내에서 각기 다르다.

따라서 압전소자의 공진 주파수와 정확히 맞출 수도 있지만 최고 150Hz까지도 이조 되므로 이로 인한 초음파진동 출력의 저하요인이 되고 있어 이러한 문제를 해소하는 데 있다.

전원부는 전체 시스템 내부를 정해진 5V 단일 전원에 의해 구동하거나 많은 전류를 필요로 하는 초음파출력 부에 대하여는 전원의 승압과정 없이도, 초음파진동효율을 개선하는 상술한 개량방법의 실시를 통하여, 오히려 배터리의 전압을 직접 이용하며, 상기 승압에 따른 별도의 손실을 피할 수 있도록 하는 데 있다.

케이스 외부로부터 공급되는 DC전원 또는 내장된 배터리전원 중 어느 전원으로도 휴대용 초음파 미용장치의 즉시 구동이 가능하도록 스위칭 구성을 통해 해결하고, 동시에 배터리 충전기능을 포함하여 제공하는 데 있다.

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본 발명의 상기 목적들은

초음파진동자(50)를 구동하기 위한 초음파출력부(30)의 공급전압이 낮은 여건에도 불구하고 적절한 초음파진동 효율을 낼 수 있도록 하는 목적으로, 압전소자의 등가회로적 캐패시턴스(Capacitance) 값에 직렬로 공진 임피던스 매칭을 위한 인닥턴스(Inductance)값을 설정하여 압전소자의 공진 주파수에 일치시키면 결과적으로 공진 주파수에 대한 직렬 공진 임피던스를 낮추게 되어 압전소자로 흐르는 고주파 전류가 증가 되어 초음파 진동출력이 향상되는 특징을 이용하여 달성한다.

[도 5의 (d) 참조]

위에 설명한 목적에 더욱 일조하기 위해 초음파 출력부(30)는 바이폴라 권선형 트랜스(32)와, FET(33)를 2개를 1조로 하는 푸시풀 스위칭 드라이브 방식으로 구비하면 배터리의 저전압 구동시에도 높은 효율을 낼 수 있다,

초음파출력부(30)에 공급되는 DC전압은 회로의 공통전원 전압인 5V를 그대로 이용하거나 또는 그보다 낮은 배터리전압을 이용하는 경우라도 바람직한 초음파 출력효율이 달성된다.

도 7에 도시된 종래의 초음파진동자의 구성요소에서 전기절연 부재를 배제하면 진동판(51)은 전기적으로 케이스 내의 회로에 접지(중점전위)될 수 있는 구조로 변화된다. 이 과정에 의해 초음파진동자(50)는 전기절연 부재의 배제는 물론 음향적 조건을 만족시켜 1개의 공진판(52)과 진동판(51), 압전소자(53)로 구성되는 3종의 부품으로 된 원가절감 및 개량된 초음파진동자(50)가 달성된다. 이러한 달성에 의하여 초음파 출력효율 향상에 더욱 일조하게 된다.

상술한 바와 같이 이미 중점전위로 접지되고 케이스 외부로 연장된 진동판(51)의 피부접촉부위를 기준하여 어스그립(60)은 미리 정해진 (+) 또는 (-)의 전압이 선택적으로 출력하도록 하는 접지형 이온도입전류 발생부(40)의 달성하기 위해 본 발명자의 보유특허(10-1157304)를 참조하였다.

압전소자에 전기적 특성변화에 대응하여 초음파 출력을 안정하게 유지하는 목적으로, CPU에 의해 압전소자(53)의 공진 주파수와 가장 근접하는 제1 초음파 구동 주파수가 발생 되도록 구비하고,

상기 제1 초음파 구동 주파수 값과 상기 압전소자의 고유 공진 주파수를 비교한 오차 값과, 압전소자(54)의 고유 공진 주파수 변동오차 폭을 합한 스위프폭에 준하여 스위프 되는 제2 초음파 구동 주파수가 출력되도록 CPU(70)와 PLL 및 VCO 기능을 이용하여 달성한다.

이러한 스위프제어부(20)를 달성하기 위해 본 발명자의 보유특허(10-1157304)를 참조하였다.

케이스 외부로부터 공급되는 DC전원 또는 내장된 배터리전원 중 어느 전원으로도 휴대용 초음파 미용장치의 즉시 구동하며 동시에 배터리 충전기능을 부여하는 목적으로,

케이스 외부로부터 공급되는 DC전원은, 내장된 배터리의 충전을 거쳐 회로에 공급되는 동시에 상기 DC전원이 배터리 충전과 동시에 회로에 직접 연결될 수 있도록 스위칭회로를 병렬로 추가하는 방식으로 CPU(70)에 의해 제어하였다. 상기 두 전원은 동일하게 CPU(70) 회로 공통전원 전압범위(≤5.5V)로 변환하기 위해 DC-DC CONVERTER에 의한 정전압 회로가 이용되고. 배터리의 충전은 CPU(70)제어에 의해 표시되고 정전압과 정전류 방식의 회로에 의해 구성된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 휴대용 초음파 미용장치는 배터리를 이용하는 저 전원 구동 방식임에도 불구하고 본 발명의 실시를 통하여 높은 초음파진동 효율을 내는 효과가 있으며 사용환경변화에도 안정적인 동작을 제공함에 따라 초음파 진동을 피부관리에 이용하는 휴대용 초음파 미용장치분야에서 산업적인 가치가 차별화되며 제조원가 또한 절감되어 경쟁력을 창출하는 독창적인 방법이 실시된 것이다.

도 1은 본 발명의 휴대용 초음파 미용기의 블록 구성도.
도 2는 초음파출력부(30)의 상세 회로도.
도 3은 도 1의 초음파진동자(50)의 사시도 및 종단면도.
도 4는 공진부재의 상세 설명을 위한 사시도 및 종단면도.
도 5는 압전소자(53)의 등가 회로도.
도 6는 대표적인 종래의 휴대용 초음파 미용기의 블록 구성도.
도 7은 종래의 초음파진동자의 설명을 위한 사시도 및 종단면도
도 8은 압전소자의 특성변화도

아래와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대용 초음파 미용장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1의 CPU (70)를 설명하면,

본 발명의 휴대용 초음파미용장치를 미리 설정된 사용자 인터페이스 및 펌웨어에 프로그램에 의해 제어하는 중앙처리장치이다.

CPU(70)는 미용장치를 제어하는데 적절한 STRUCTURE가 구비된 것으로 특히 PWM제어명령에 의해 주파수룰 발생하는 기능이 포함되며 로직 적인 제어 포트를 갖춘 것이고

PWM 주파수발생의 분해능을 높이기 위해 5V가 공급되는 동시에 클럭주파수는 20MHz에 0.2마이크로/초의 명령 싸이클로 운영된다.

도 1의 스위프제어부(20)에 대하여 설명하면

CPU(70)는 외부 조작에 의해 미리 설정된 PWM구동 프로그램의 변수조작에 따라 압전소자(53)의 공진 주파수와 가장 근접한 제1 초음파 구동주파수를 출력하도록 세팅된다.

스위프제어부(20)는 상기 CPU(70)로부터 출력되는 제1 초음파 구동주파수와 동기 되어 동일한 제2 초음파 구동주파수를 출력하는 PLL 기능이 부여된다.

스위프제어부(20)는 CPU(70)제어에 대응하여 상기 제2 초음파 구동주파수를 정해진 폭만큼 스위프 제어하도록 VCO(Voltage Controlled Oscillator)기능이 부여된다.

압전소자(53)의 고유공진 주파수와 상기 제1 초음파 구동주파수의 오차 값과, 미리 계산된 압전소자(53)의 고유공진 주파수 변동오차 값을 합한 스위프 값에 준하여 상기 VCO를 제어하면 제2 초음파 구동주파수가 스위프 되어 출력된다.

상술한 스위프제어부(20)의 PLL 기능과 VCO 제어 기능을 부여하기 LM567 IC를 이용하는 것이 좋다. VCO를 제어하기 위해 CPU(70) 프로그램에 의해 약 100Hz 내외의 주파수를 발생시켜 적분 회로를 이용하여 삼각파를 발생시켜 제어하는 것이 좋다.

제1 초음파 구동주파수의 발생이나 VCO제어를 위한 신호는 공지된 별도의 발진장치에 의해서도 실시가 가능함으로 CPU(70)에 의해 본 발명의 스위프제어부(20)에 대한 청구범위가 제한되지 않는다.

도 1 내지 도 2의 초음파 출력부(30)에 대하여 설명하면

초음파출력부(30)에 공급되는 DC전압은 회로의 공통전원 전압인 5V 내외, 또는 배터리전압 범위 내에서 동작한다.

저전압 구동에서의 초음파 출력의 효율을 높히기 위해 2개의 FET(33)와 바이폴라 권선형 트랜스(32)로 구성되는 푸시풀(Push-Pull) 드라이브 방식이 구성된다.

푸쉬풀 드라이브 방식은 2개의 FET를 교대로 작동시켜 드라이브하는 방식으로, 입력전압이 PWM1에 정위상(0°), PWM2에 역위상(180°)으로 된 입력이 필요하기 때문에 위상반전 회로가 필요할 수 있다.

본 방식의 이해를 돕기 위해 다른 방식을 설명하면, 입력된 한개의 위상에 대해서만 출력을 드라이브하는 플라이백(Fly-back) 방식에 비해 (+) 또는 (-) 위상에 대해서도 출력을 드라이브 하는 상기 푸시풀 방식의 효율이 더욱 좋다.

위상반전은 어떤 신호입력에 대해 180도 다른 위상을 동시에 출력하는 방법으로 인버터나 논리 게이트를 이용하여 구성된다.

또는 CPU(70)로 부터 2가지 위상으로 출력하도록 PWM 프로그램을 이용하는 것도 좋다

초음파 출력부(30는 상기 위상반전의 작용과는 별도로 초음파 출력레벨을 제어하기 위해 빠른 속도로 FET(33)의 게이트가 온,오프를 반복하는 공지된 듀티(Duty) 제어기술이 포함되고 있어 본 발명의 요지를 흐릴 수 있으나 본 발명과는 무관하다는 것을 일단 밝혀둔다. 상기 위상반전의 구성은 공지된 기술분야로써 본 발명의 취지와 무관함으로 상세한 설명은 생략한다.

도 2의 공진 임피던스 매칭회로(31)를 설명하면

상기 초음파 출력부(30)의 종단에는 공진 임피던스 매칭회로(31)가 더 포함된다.

이를 설명하기 위해 도 5의 압전소자(54)의 등가 회로를 설명하면.

압전소자(53)의 일반적 등가회로는 (a)와 같다. Cd는 진동에 직접 관계없는 용량성분이다.나머지는 R,L,C 에 의한 직렬공진 회로를 취하고 있다.

목적하는 초음파 주파수에 공진 된 경우는 (b)나(c)와 같은 등가적인 특징을 갖는다. 이러한 공진을 취하는 경우에 있어서 R과 C에 의한 리액턴스 값이 존재한다. (d)과 같이 외부에서 추가로 L1를 접속하여 직렬 공진회로를 취하면 (e)와 같이 순 저항 R값만 남게된다.

따라서 공진 임피던스 매칭회로(31)는, 인닥턴스(L1)와 직렬로 캐패시턴스(C1)가 접속되고, 상기 캐패시턴스(C1)에 압전소자(53)가 병렬로 접속된 합성회로의 직렬공진 주파수가 압전소자(53)의 고유 공진 주파수와 일치되면 결과적으로 압전소자(53)는 등가적으로 낮은 순 저항값만 유지되는 것이다.

직렬 공진시 압전소자(53)의 등가회로적인 고유 캐패시턴스(Capacitance) 값과 고유 공진주파수 값을 대입하면 필요한 인닥턴스(Inductance)가 산출됨에 따라 코일(L1) 값을 설정한다. 이때 캐패시턴스(C1)는 상기 고유 캐패시던스의 리액턴스 값의 10% 내외에서 미리 설정하는 것이 좋다.

상기(d)의 코일(L1)은 Q가 대개 1보다 크기 때문에 직렬공진회로의 캐패시터나 코일에 걸리는 전압은 대개 입력전압보다 크다. 따라서 초음파진동출력도 증가 된다.

이와 같은 실시결과 매칭회로(31)에 입력되는 전압이 40Vrms 일때 상기 매칭회로(31)에 초음파진동자(50)를 접속한 종단에서의 출력전압은 89Vrms로 약 2.2배의 출력전압 상승효과가 있었다.

플라이백(Fly-back) 방식에 의해 초음파 출력을 증폭하는 경우에도 임피던스 매칭 회로(31)를 실시한 결과 동일수준의 출력전압 상승효과가 있다.

공진 임피던스 매칭회로(31)의 C1은, L1과 같이 외부적으로 압전소자의 공진 주파수에 맞추기 위한 직렬공진 시정수로 압전소자의 등가적 캐패시턴스와 병렬로 접속된다.

공진 임피던스 매칭회로(31)의 L1은 누설자계의 실드가 가능하고 DC저항 값이 낮은 실드된 드럼형 인닥터(Shielded Drum type Inductor)를 이용하는 것이 좋다.

C1은 항 온도특성과 고주파특성이 양호하고 회로에 걸리는 교류전압을 감안하여 내압이 높은 캐패시터를 이용하는 것이 좋다.

도 1의 접지형 이온도입전류 발생부(40)에 대하여 설명하면,

케이스 내부로부터 케이스 외부로 연장된 진동판(51)은

그 한 측이 케이스 내부회로에 접지(중점전위)된 하나의 전극이 되는 동시에 케이스 외부로 연장되어 피부접촉부위로 이용된다.

어스그립(60)은 케이스 외부에 형성되어 상기 피부접촉부위(전극)을 기준으로, 미리 정해진 (+) 또는 (-)의 전압을 선택적으로 하도록 구성된다.

구체적으로 설명하면, 접지형 이온도입전류 발생부(40)는 CPU(70)로 부터 출력되는 구형파 전압을 증폭한다. 증폭된 구형파 맥류 전압이 콘덴서를 거쳐 방형파 교류전압으로 변환된다. 이때 CPU(70)는 상기 교류전압의 (+)시점에 스위칭 소자를 제어하여 상기 중점전위로 접지시키면 어스그립 측은 상기 피부접촉부위를 기준으로 (-)출력이 되고,

상기 교류전압의 (-)시점에 스위칭 소자롤 제어하여 상기 중점전위로 접지시키면 어스그립 측은 상기 피부접촉부위를 기준으로 (+)출력이 된다.

출력의 형태는 CPU(70)의 정해진 프로그램에 의해 선택적으로 출력된다.

접지형 이온도입전류의 출력은 1KHz 내외의 주파수가 좋다.

도 1 내지 도 3의 초음파진동자(50)을 설명하면

초음파진동자(50)의 구조는 진동판(51)의 일면에 공진부재(52)가 부착되고, 진동판(51)의 또 다른 일면에 전기절연 부재 없이 압전소자(53)가 직접 부착되는 특징이 있다.

초음파출력에 준하여 다수의 압전소자수량이 더 요구되는 경우에 대응하여 진동판(51)과 공진부재(52)의 면적(특히 길이방향)의 변화시도에 따라가 1개 이상의 압전소자(53)의 부착이 항시 가능하게 된다.

이외에 초음파진동자(50)의 추가적인 구조에 대하여는 아래의 공진부재(52)의 설명을 포함한다.

상기 압전소자(53)의 전극은 진동판(51)과 직접적으로 부착되면 밀착과정에 의해 진동판(51)과 전기적으로 도통 될 수 있다. 이미 진동판이 중점전위에 전기적으로 접지된 구조에서는 압전소자의 한 전극을 따로 회로에 접지할 필요가 없게 된다. 더욱 정확한 전기적 도통을 위하여는 도전성 접착제를 이용하여 진동판과 압전소자 전극을 완전히 결합시킨다. 압전소자의 접지는 진동판에 연결된 전선을 통해 간접적으로 회로와 접지된다. 이와 동시에 접지된 진동판은 접지형 이온도입전류 발생부(40)의 출력전압에 대한 중점전위로 이용되는 특징이 있다.

도 3(a)내지 도 4(a)의 공진부재(52)를 설명하면,

진동판(51)과 공진부재(52)는 압전소자(53)와 평행으로 부착되어 압전소자의 진동 파장에 따라 종적으로 공진 되면서 진동에너지가 증폭되는 구조이다, 증폭된 진동에너지는 진동판(51)에 횡적으로 파장을 형성하여 이동되고 진동판(51)의 종단(피부접촉면)은 다시 종 방향으로 진동된다. 이때 진동판(51)과 공진판(52) 사이에는 동기 되지 못한 불필요한 진동에너지의 스트레스로 인해 뒤틀림이 발생하고 이 과정에서 상기 접착부분이 파손될 수 있는데 이를 방지하는 공진부재(52)의 구조를 실시하는 것이다.

특징적으로 공진부재(52)는 진동판(51)이 접착될 일면의 좌우 측에 돌출된 가이드레일이 평행으로 형성된다. 도 4(a)와 같이 상기 두 가이드레일의 지지를 받아 내측으로 평행하게 배치된 진동판(51)과 좌우에 형성되는 일정간격의 틈새에 에폭시 접착제를 응고시켜 상술한 뒤틀림에 의한 접착부분의 파손을 방지한다.

공진부재(52)를 구성하는데 있어서, 초음파 진동주파수가 결정되는 요소는 기본적으로 압전소자(53)의 두께에 따라 미리 결정된다. 본 발명의 실시 예를 위해, 이미 결정된 압전소자는 주파수상수가 2MHz에서 1mm의 두께를 갖는 PZT-4 압전세라믹을 기준으로 하모닉(Harmonic) 공진 주파수에 의해 목표로 하는 초음파 진동주파수를 결정하며 상기 초음파 진동주파수의 파장에 공진 시키기 위한 공진부재(52)의 두께는 상기 공진부재의 재질별 음향전달속도에 따라서 결정된다. 이러한 실시결과에 따라 해당 초음파 진동주파수에서의 공진 임피던스가 결정되는 동시에 목표로 하는 초음파출력 을 얻게 된다. 이러한 두께의 결정은 초음파 진동주파수 설정에 따라 다양하게 변화됨으로 상시 실험으로 정할 수 있다.

바람직하게는

공진부재(52)의 재질은 음향전달속도가 높은 금속이 더 좋다

공진부재(52) 두께(T1)는 2mm이상~6mm 이하가 더 좋다.

진동판(51)은 음향임피던스가 비교적 높은 매질로써 탄성이 있는 도전성 재료가 요구됨으로 스텐레스 평판이 좋다.

도 3(b) 내지 도 4(b)의 보조부재(54,54')를 더 포함하는 구성을 설명하면

상기 실시 예와 같이 진동판(51)은 공진부재(52)의 가이드 레일에 의해 지지되어 강하게 부착된다. 이와 별도로 상기 진동판(51)과 직접부착되는 압전소자(53)의 사이에, 도 4(a)과 같이 도전성 보조부재(54)를 더 포함하면 압전소자가 진동판으로부터 받는 진동 스트레스를 흡수하는 보강수단이 된다. 보조부재(54)가 포함된 구성에 있어서 공진부재(52) 좌우에 형성된 가이드레일은 제외하는 것이 제작상 더 좋다. 보조 공진부재(54)의 재질은 금속이며 두께는 0.5mm이상 2.0mm 이하가 더 좋다.

도 1의 전원부(80)를 설명하면

케이스 외부로부터 공급되는 DC전원 또는 내장된 배터리 전원중 어느 전원으로도 휴대용 초음파 미용장치의 즉시 구동이 가능하고, 배터리 충전기능이 부여된다

상기 두 전원은 공통전원 전압(≤5.5V)로 변환하는 데는 DC-DC CONVERTER에 의한 정전압 회로가 좋다.

배터리의 충전은 CPU(70)제어에 의해 표시되고 정전압과 정전류 회로에 의해 구성되는 것이 좋다.

특징적으로는, 케이스 외부로부터 공급되는 DC전원은 내장된 배터리의 충전단계를 거쳐 회로에 공급되는 단계와 상기 배터리 충전중에도 회로에 직접 공급될 수 있는 스위칭회로가 병렬로 더 추가 구성되고 CPU(70)로 제어된다.

이와 같은 실시 결과로 케이스 외부로부터 공급되는 DC전원의 전압설정을 높여 별도로 정한 초음파출력을 만족시키는 동시목적으로 실시된다, 이외 공지된 기술분야로 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 구체적 설명은 생략한다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한 본 발명의 기술분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10: 조작 및 표시부. 20: 스위프 제어부.
30,30': 초음파 출력부. 31: 공진 임피던스 매칭회로.
32: 바이파일러 권선형 트랜스. 33: FET소자.
40: 접지형 이온도입전류 발생부. 50,50'; 초음파 진동자.
51,51': 진동판 52,52': 공진부재
53,53': 압전소자. 54,54': 보조부재
60: 어스그립 70: CPU (중앙처리장치)
80: 전원부

Claims

초음파진동을 피부관리에 이용하는 휴대용 초음파 미용장치에 있어서,
미리 설정된 초음파 구동주파수를 스위프 하여 출력하는 스위프 제어부(20);
DC전원에 의해 초음파 구동주파수를 푸쉬풀 증폭하는 특징과, 압전소자(53)의 공진 임피던스 매칭회로(31)를 더 포함하는 초음파출력부(30);
압전소자(53)와 공진부재(52)와 진동판(51)으로 구성된 초음파진동자(50);
접지형 이온도입전류 발생부(40); 및
케이스 외부로부터 공급되는 DC전원에 의해 케이스 내에 내장된 배터리의 충전단계를 거쳐 공통전원을 출력하는 단계와, 상기 배터리의 충전단계와 동시에 공통전원을 출력하는 특징을 더 포함하는 전원부(80); 를 포함하는 휴대용 초음파 미용장치.
청구항 1에 있어서,
상기 초음파진동자(50)는,
공진부재(52)에 평행으로 부착된 진동판(51)과, 상기 진동판(51)의 다른 일면에 1개 이상의 압전소자(53)가 전기절연 부재 없이 직접 부착되는 특징과,
상기 진동판(51)과 상기 압전소자(53)가 부착되는 단계에 도전성 보조부재(54)를 더 포함하여 부착하는 특징이 있는 휴대용 초음파 미용장치.
청구항 1 내지 청구항 2중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 공진부재(52)는, 일정두께의 평판이며 진동판(51)이 부착될 일면이 형성되고, 상기 진동판(51)이 부착될 일면의 좌우 측에 평행으로 돌출된 가이드레일을 더 포함하는 특징이 있는 휴대용 초음파 미용장치.
청구항 1에 있어서,
상기 초음파출력부(30)는,
2개의 스위칭소자 FET(33)와 1개의 바이폴라 권선형 트랜스(32)에 의한, 푸시풀(Push-Pull) 드라이브(Drive)로 구성된 특징과,
상기 바이폴라 권선형 트랜스(32)의 종단에 압전소자(53))의 공진 임피던스 매칭회로(31)를 더 포함하는 특징이 있는 휴대용 초음파미용장치.
청구항 1에 있어서,
상기 접지형 이온도입전류 발생부(40)는,
케이스 내에서 회로에 접지(중점전위)되며 케이스 외부로 연장된 진동판(51)을 기준으로 어스그립(60)에 미리 정해진 (+) 혹은 (-)의 이온도입전류가 선택적으로 출력되는 특징이 있는 휴대용 초음파 미용장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스위프제어부(20)는,
PLL기능과 VCO제어에 의하여, 제1 초음파 구동주파수와 압전소자(53)의 고유 공진 주파수와의 오차 값과, 상기 압전소자(53)의 고유 공진 주파수 변동오차 값을 포함한 주파수 폭에 따라 스위프 되는 제2 초음파 구동주파수를 출력하는 특징을 이용한 휴대용 초음파미용장치.
청구항 4 내지 청구항 8중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 공진 임피던스 매칭회로(31)는,
인닥턴스(L1)와 직렬로 캐패시턴스(C1)가 접속되고, 상기 캐패시턴스(C1)에 압전소자(53)가 병렬로 접속되는 합성회로의 직렬공진 주파수가 압전소자(53)의 고유 공진 주파수와 일치된 결과에 따라 압전소자(53)가 등가적으로 낮은 순 저항값만 유지되어 초음파진동 효율이 높아지는 특징을 이용한 휴대용 초음파미용장치.
초음파진동을 피부관리에 이용하는 휴대용 초음파 미용장치에 있어서,
진동판이 부착되는 일면의 좌우 측에 평행으로 돌출된 가이드레일이 형성된 공진부재(52);
압전소자의 공진 임피던스 매칭회로(31);
케이스 외부로부터 공급되는 DC전원에 의해 케이스 내에 내장된 배터리의 충전과 동시에 공통전원이 출력되는 전원부(80); 을 포함하되,
상기 공통전원의 출력 외에 상기 DC전원이 직접 초음파출력부(30)에 이용되는 특징을 더 포함하는 휴대용 초음파 미용장치.