KR20160095516A - 초음파 트랜스듀서를 머리부에 장착한 구강용 초음파 칫솔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구강용 초음파 칫솔에 관한 것으로 외관으로는 일반 전동 칫솔과 유사 할 수 있다.
초음파 트랜스듀서가 머리부에 위치하고, 손으로 잡고 사용하는 몸체에 제어 회로부와 충전밧데리, 스위치, 디스플레이부 등이 있고 이 둘을 연결 시켜주는 목에 해당하는 파이프 연결자가 있다. 또한 필요에 따라 장착 할 수 있는 칫솔모나 디스트랙터(distractor) 같은 액세서리들로 구성 되어 있다.
머리에 해당하는 초음파 트랜듀서는 구강 세정용으로 사용하기 위해 크기 및 구조가 일반 초음파 세척용과 차이가 있음으로 거기에 관한 기술을 서술 하였다.
제어 회로는 초음파 트랜스듀서를 효율적으로 동작 시키며 기기 사용자의 편의, 안전을 위한 여러 기능을
서술 하였다. 또한 이 구강 세척기를 다양하게 사용하기 위해 여러 가지 액세서리를 머리부에 장착 할 수 있도록 하였다.

Description

초음파 트랜스듀서를 머리부에 장착한 구강용 초음파 칫솔{ultrasonic toothbrush with ultrasonic transducer on its head}

본 발명은 초음파 트랜스듀서(Ultrasonic Transducer)를 사용하는 구강용 칫솔에 관한 것으로 좀 더 특정하게는 구강용 초음파 트랜스듀서의 위치 및 구조와 초음파 트랜스듀서의 세정 효율을 극대화시키기 위한 제어기술 그리고 초음파 칫솔의 사용자 편의 및 안전에 대한 기술을 포함한다.

본 발명은 입안에 물을 머금은 상태에서 그 물에 캐비테이션(Cavitation)을 발생 시키고 그 발생된 캐비테이션이 터지면서 생기는 강력한 힘으로 치아와 구강내부를 세정할 수 있는 초음파 칫솔에 관한 것이다.

종래의 대부분 초음파 칫솔은 손잡이 부분에 설치된 모터를 기어와 연결하여 머리부에 있는 솔(bristle)을 빠르고 강하게 움직여 그 솔이 직접 이를 닦는 효과와 그 솔의 움직임으로 발생하는 거품으로 세정 효과를 낸다.

또 일부 초음파 칫솔은 초음파를 이용하여 치아세척을 하지만 특정 치약을 사용하며 초음파를 공기로 전파시켜 그 전파된 초음파로 치아를 세정하는 구조로 되어있어 캐비테이션을 이용하지 않는다.

초음파 트랜스듀서를 사용하여 캐비테이션으로 구강을 세정하고자 하는 종래의 아이디어들은 구조적으로는 도 1 과 같이 진동판(101)만 머리부로 프론터매스(102), 진동자(103), 백킹매스(104) 등의 트랜스듀서의 구성품 등은 몸체에 위치하고 있다,

도 1의 동작원리는 진동자(103)에 고전압의 교류를 가하여 전기장을 발생시키고 그 전기장에 따라 진동자(103)가 상하로 팽창과 수축을 반복한다.

백킹매스(104)는 이 진동을 프론터매스(102)로 전달하고 이 진동은 프론터매스(102)에 연결되어 있는 연결대(105)를 통하여 진동판(101)을 진동 시킨다.

이 진동판(101)이 결국 구강내의 물을 강하게 진동시켜 캐비테이션을 발생시키며 그 진동은 물을 빠르게 흐르게 하여 발생된 캐비테이션을 흐트린다.

진동판(101)의 움직임이 물과 수직으로 교차할수록 효과적으로 잘 발생한다.

즉 캐비테이션을 발생 시키는 면이 치아 방향과 수직인 위치에 있어야 효과가 크다. 도 1의 동작을 일반 칫솔구조로 해석하면 도 2와 같이 된다.

[특허문헌 0001]공개특허번호 2003-0011741 비접촉 칫솔 [특허문헌 0002] 공개특허번호 2001-0044835 다기능 초음파 구강 세척이기 [특허문헌 0002]공개번호 10-2013-0028133 초음파를 이용한 교환식 치간 칫솔 [특허문헌 0004]공개특허번호 10-1228598 초음파 디퓨져 [특허문헌 0005] PCT PATENT NO. WO2012/062277A2

본 발명의 궁극적인 목적은 구강에 물을 머금고 그 물로 치아 및 구강 내를 세정하는데 있다. 상기 목적을 이루기 위해 구강 내에 있는 물에 캐비테이션을 일으키고 그 직접적인 수단으로 초음파 트랜스듀서를 사용한다.

초음파 트랜스듀서가 구강용으로 사용되기 위해서는

1. 트랜스듀서는 구강 내의 물에 캐비테이션을 잘 생성해야 한다. 그러기 위해 구동회로, 기구적 결합 등 여러 조건이 있지만 진동판의 위치가 제일 중요하다. 캐비테이션은 진동판이 물과 수직 방향으로 진동 할 때 잘 발생함으로 피세정물인 치아와 진동판의 진동 방향이 수직방향을 유지하는 것이 좋다.

2. 트랜스듀서는 구강 내에서 편하게 사용 될 수 있도록 크기가 작아야 한다.

3. 트랜스듀서 내에 있는 진동자는 고전압을 사용함으로 절연, 방수가 필수적이다.

4. 트랜스듀서 내부에 위치한 진동자가 초고속으로 진동을 하면 그 진동수와 그때 발생하는 길이의 변위에 따라 마찰열이 발생하고 이 열은 여러 경로로 진동판에 이르러 진동판이 가열되어 뜨거워진다. 이는 구강 내에 상처를 낼 수 있음으로 회피시키는 수단을 제공한다.

5. 트랜스듀서 내에 있는 진동자가 깨진 경우 과전류가 흐르고 캐비테이션의 발생도 현저히 줄어든다. 이는 다른 부품에 악영향을 끼침으로 바로 탐지되어 조치할 수 있어야 한다.

6. 초음파 트랜스듀서의 진동판이 구강내 피부 등에 닿으면 캐비테이션이 약해짐으로 이를 회피시키는 수단을 제공한다.

그 밖에 내부적으로는 소프트웨어가 탑재된 콘트롤러가 구비되어 제어회로와 더불어 효율적인 진동 발생, 안전한 구동 기능, 자가진단 기능, 사용 편의 기능 등을 제공한다. 외부적으로는 또한 기능성 액세서리를 제공함으로 더욱 효과적으로 구강용 초음파 칫솔을 사용할 수 있게 한다.

진동판을 세정하려는 치아에 가깝게 이동시켜 진동판의 진동 방향을 치아와 수직되는 방향으로 편하게 유지시키기 위해서는 진동자를 포함한 초음파 트랜스듀서 자체를 구강용 초음파 칫솔의 머리부에 위치시킨다.

그러면서도 초음파 트랜스듀서의 크기가 충분히 작아서 구강 내에서 움직임이 자유로워야 한다.

이와 같이 몸체에서 분리된 초음파 트랜스듀서는 한 면에 구멍(601)이 있고 이 구멍(601)이 파이프(410)의 통로와 이어지면서 도 3과 같이 파이프(410)와 고정 된다.

트랜스듀서와 제어부가 위치하는 몸체(411)와의 전기적인 연결은 도3 와 같이 파이프(410) 끝단에 콘넥터(406)를 위치시키고 몸체에는 그 상단에 콘넥터를 위치 시켜 필요한 전원 및 신호선을 연결한다.

본 발명에 사용되는 초음파 트랜스듀서는 구강 내에서만 사용되며 아주 적은 양의 물을 캐비테이션 시키는 것이다.

따라서 초음파 트랜스듀서의 구성 부품을 필요한 캐비테이션을 발생시킬 수 있는 만큼만으로 소형화하고 또 부품의 기능을 필요에 따라 통합하고 변형하여 부품 수를 줄임으로 트랜스듀서의 크기를 줄인다.

트랜스듀서의 표면을 금속인 경우 표면을 부식시켜 물이 닿는 면적을 크게 함으로 압력 차이를 크게 하고 캐비테이션을 증가시킨다.

도자기 같은 금속이 아닌 경우도 표면에 엠보싱을 하여 같은 효과를 낸다.

또 기구적으로 가능한 표면적을 최대로 하여 진동 시 발생하는 열을 구강 내 물로 빠르게 식히도록 한다.

초음파 트랜스듀서는 진동판과 백킹매스, 이음제(701) 그리고 파이프(410)를 통해 밀폐 및 방수를 유지한다.

진동자가 동작하면서 발생하는 열은 구강 내에 머금은 물로 식힐 수 있다.

그러기 위해서는 구강 내 물을 탐지하는 기능을 부가하여 물이 탐지되는 경우 만 동작시킨다.

구강 내 물을 잘 캐비테이션 시키려면 트랜스듀서를 공진 시켜야 하고 트랜스듀서를 원하는 주파수 대역에서 공진시키기 위해서 동작하는 진동수의 상태를 감지하는 임피던스 분석 회로를 구성하여 이를 콘트롤러로 궤환시켜 순간순간의 부하에 따라 변하는 진동수를 공진 주파수로 찾아가는 트랙킹(Tracking) 기능을 갖춘다.

트랜듀서는 몇 개의 공진 주파수를 가지고 있으며 그 공진 주파수에 다른 세정 효과를 낼 수 있다. 일반세정, 미세세정, 미백 세정 등이 있을 수 있다.

또한 한 공진 주파수에서도 고압 발생부의 여자(exciting) 전류량을 제어하여 트랜스듀서의 강도를 바꿈으로 세정의 세기를 조정할 수 있다.

진동자(103)가 깨진 경우 과전류가 흐르고 트랜스듀서(401)의 성능이 떨어진다.

고전압 발생부에 임피던스 매칭이 되지 않는 경우 스위칭 소자에서 많은 열이 발생한다. 이러한 이상 현상을 전류 센서, 온도 센서 등으로 감지하여 일정 범위를 벗어나면 경고를 내고 조치를 취할 수 있는 자가 안전진단 기능을 갖춰야 한다.

초음파 트랜스듀서의 동작 시 어떤 패턴의 소리를 발생시켜 동작여부 및 동작 상태를 알게 할 수 있게 하거나, 제어회로부에 가속도 센서와 자이로 센서 등을 장착하면 기기의 자세 및 동작을 파악할 수 있고 이를 콘트롤러가 분석해서 자동으로 특정모드로 셋팅 할 수 있는 등의 사용자 편의 기능도 제공한다.

캐비테이션의 크기는 수십 미크론 정도이며 끈적거리는 이물질이나 큰 이물질인 경우 세정 시간이 많이 걸림으로 트랜스듀서에 칫솔 머리를 장착하게 하여 이러한 불순물은 미리 닦아내게 하기 위한 구조를 제공한다.

또 간단한 디스트랙터(distractor)를 트랜스듀서에 장착할 수도 있어 캐비테이션 발생이 방해 받지 않게 한다.

이러한 안전성과 편리성은 물론 효율적인 구동을 위해 제어회로가 필요하고 더욱 구체적으로는 인공 지능적인 소프트웨어가 탑재되는 콘트롤러를 채용한다.

캐비테이션을 잘 발생 시키고 그것을 효율적으로 사용 할 수 있다. 물을 사용하여 치아를 세정함으로 잇몸의 마모를 줄인다. 치약을 같이 사용하면 초음파는 치약의 효과를 배가 시킨다. 극소의 물방울이 세정을 함으로 솔로 닦지 못하는 부분까지 세정한다.

물방울이 터지는 힘이 커서 입안의 세균도 제거 할 수 있다. 입에 물고만 있어도 됨으로 어린이, 노인, 환자들이 쉽게 사용 할 수 있다.

세정모드, 미백모드, 가글모드 등 여러 용도로 사용 가능하다. 각 모드에서 강도도 단계별로 조정 할 수 있다.안전하게 사용 할 수 있다. 트랜스듀서 효율을 높일 수 있다.

모션 인식 기능 등이 사용자로 하여금 편리하게 사용할 수 있게 한다. 칫솔모 등을 장착 할 수 있게 하여 칫솔질도 가능케 하여 사용의 이질감을 줄인다.

도 1은 종래 초음파 칫솔의 대표 아이디어
도 2는 종래 초음파 칫솔의 기능을 일반 칫솔로 대응한 구조
도 3은 본 발명에 따른 몸체와 파이프의 연결구조 예
도 4는 본 발명에 따른 초음파 칫솔의 구조
도 5는 일반 초음파 세척기의 트랜스듀서의 구조
도 6은 본 발명에 따른 트랜스듀서 단면도의 예
도 7은 본 발명에 따른 트랜스듀서 단면도의 예
도 8은 본 발명에 따른 초음파 칫솔의 물탐침 구조의 예
도 9는 본 발명에 따른 물탐침 실시회로의 예
도 10은 본 발명에 따른 초음파 칫솔의 제어회로부 블록 다이아그램
도 11은 본 발명에 따른 공명감지 회로부의 실시 예
도 12는 본 발명에 따른 진동자 부하측 임피던스 특성곡선의 예
도 13은 본 발명에 따른발진회로 스위칭회로부의 예
도 14는 본 발명에 따른 소리발생부 원리도의 예
도 15는 본 발명에 따른 온도센서 원리도의 예

본 발명은 도 4 과 같이 전동 칫솔과 유사한 형태를 갖고 있으며 크게 네 부분으로 나눌 수 있다.

첫째는 머리에 해당하는 초음파 트랜스듀서(401) 부분,

둘째는 몸체(411) 부분으로 전원스위치(402), 모드스위치(403), 상태 디스플레이(404), 충전밧데리(405), 분리형인 경우 초음파 트랜스듀서와 연결시키는 콘넥터(406), 소프트웨어를 탑재하고 모든 입, 출력의 인터페이스 갖고 있으면서 대부분의 기능을 정밀 제어하는 역할을 하는 콘트롤러( 407), 밧데리 충전을 위한 무선충전단자(408) 등으로 구성되어 있다.

셋째는 초음파 트랜스듀서와 몸체를 이어주는 파이프(410) 부분,

넷째로 초음파 트랜스듀서의 머리부에 탈, 부착 할 수 있는 여러 가지 기능성 액세서리(412) 부분으로 구분 할 수 있다.

도 1과 같이 진동자가 칫솔의 몸체 내에 있으면 세정하려는 치아가 구강 안쪽에 있는 경우 캐비테이션을 발생 시키는 트랜스듀서의 진동면을 치아 방향과 수직인 위치를 유지하기 힘들다. 즉 도 2에 제시된 구조의 일반 칫솔로 칫솔질 하는 것과 같다. 이를 개선시키기 위해 진동판 (101)의 표면에 깊은 굴곡을 만들었지만 이는 물의 흐름을 만들지 못함으로 발생된 캐비테이션이 굴곡 사이에 머물게 되고 굴곡이 작으면 물과 진동 방향이 평행에 가까움으로 캐비테이션 발생이 미미하게 된다.

이를 해결하기 위해 도 1에 있는 진동자(103)를 좌우로 진동하는 진동자(103)를 사용할 수 있으나 그 연결대(105)의 길이와 진동판(101)의 무게, 수십 킬로헤르츠(KHz)의 진동으로 생기는 가속도와 그것으로 인하여 만들어지는 힘을 좌우로 견딜 수 있는 타입의 진동자(103)는 현실적으로 제작하기 힘들며 가능하더라도 고가일 것이기 때문에 실용화 하기는 어렵다. 결국 진동자가 몸체에 위치하고 있으면 도 2와 같은 칫솔의 구조를 탈피할 수가 없다.

따라서 본 발명은 이것을 해결하기 위해서 진동자를 포함하는 초음파 트랜스듀서 자체를 칫솔의 머리부로 위치시키는 방법을 고안하였다.

그러면 사용자는 그의 의지대로 트랜스듀서 내의 진동자의 진동 방향을 세정하려는 치아와 수직으로 쉽게 유지할 수 있어 캐비테이션도 잘 발생 되며 진동방향으로 물의 흐름도 방해받지 않을 수 있다.

이렇게 초음파 트랜스듀서를 머리부로 위치시키려면 몇 가지 조건이 맞아야 한다.

진동자는 도 6과 도 7에서와 같이 트랜스듀서 내의 다른 구성품과 조임쇠(306)로 프리로드 되어 있으며 이 상태에서 빠르게 진동함으로 많은 열이 발생하고 이 열은 서로 강하게 죄여있는 구성 부품을 타고 외부로 나오는데 이 열을 식힐 수 있는 방법이 강구되어야 한다. 또 트랜스듀서가 구강 내에서 자유롭게 움직이도록 크기가 작아야 한다.

일반적으로 초음파 세척기의 트랜스듀서의 구조는 도 5 와 같이 진동판(301), 접착제(302), 프론트 매스(303), 진동 소자(304), 백킹매스(305), 조임쇠(306), 절연 슬리브(307), 전극(308) 등으로 구성되어있다.

일반적 초음파 세척기의 세척 동작을 간략하게 보면 독립된 진동 발생장치에서 고전압의 교류를 발생시켜 이 진동소자 사이에 끼어있는 전극으로 보낸다. 진동소자(304)는 백킹 매스(305)와 프론트 매스(303) 사이에서 나사 등의 조임쇠 (306)로 프리로드 되어 있으면서 가해지는 고전압의 주파수와 동일한 주파수로 상하 운동을 하며 이것이 진동의 원천이다.

이 진동은 백킹 매스(305)에 반사되어 프론트 매스(303)로 전달되고 프론트매스(303)는 진동판(301)에 진동을 가하며 진동판(301)은 물에 정압(plus pressure)과 부압(minus pressure)을 가함으로 캐비테이션 시킨다.

일반적인 세척기의 트랜스듀서는 물을 담고 있는 용기인 진동판 외부에 매달려 있고 트랜스듀서 자체가 아무리 작아도 구강에 사용할 수 없을 정도로 크다.

진동판이 매개체인 물을 담고 있음으로 프론트매스(303)가 진동판(301)과 조임쇠(306)인 나사로 연결되는 경우 그 사이만 방수를 하면 되고 다른 부품들은 노출되어 있다.

또한 프론트매스(303)가 진동시켜야 하는 물의 양이 많기 때문에 백킹매스(305)보다 통상 크다

본 발명의 트랜스듀서의 내부구조는 백킹매스(104)의 위치에 따라 크게 두 가지 경우로 나눌 수 있다.

도 6과 같이 백킹매스(104)가 가운데 위치하고 양쪽 면에 진동자(103)를 갖는 경우와

도 7과 같이 백킹매스(104)가 가장자리에 위치하고 한쪽 면에 진동자(103)를 갖는 경우이다. 물론 세면 혹 사면 등을 사용할 수도 있다.

트랜스듀서(401)는 구강 내에서 사용하기 위해서 도 6, 도 7에 보여주는 것같이 트랜스듀서(401)의 한 면에 구멍이 있어 파이프(410)의 한쪽 끝에 고정시키고 파이프(410)의 다른 한 끝을 몸체(411)와 연결시킬 수 있도록 하여 트랜스듀서(401)가 머리부에 위치 되도록 한다. 이 때 파이프(410)의 통로를 통해 필요한 전선(602)들을 지나도록 하여 몸체의 제어부(407)와 콘넥터(406)로 연결 되도록 한다. 트랜스듀서(401)와 파이프(410)는 서로 물리적으로 하나이며 제어회로부가 있는 몸체(411)와는 착탈 할 수 있는 구조이다.

진동자(301)는 일반적으로 100볼트 이상의 고전압이 가해지고 전류량도 많다. 그러므로 트랜스듀서(401)가 구강 내에서 사용됨으로 완전 방수가 되어야 하고 또한 누전도 탐지되어야 한다. 따라서 도 6나 도 7나 기타 경우 모두 진동판(102)과 진동판(102) 사이 혹 진동판과 백킹매스 사이에 이음제(701)를 사용하여 밀폐시키고 한쪽 면에 구멍(601)이 있어 파이프(410)와 연결 되도록 한다.

트랜스듀서(401)를 작게 하기 위해서 이들 부품의 크기를 줄여야 하는 것이 필수적이다. 크기를 줄이기 위해서는 각 부품의 구조, 두께, 고유 진동수, 음향 정합(acoustic impedance) 등 많은 변수들이 끼치는 상호간의 영향을 고려하여야 한다.

프론트매스는 필요에 따라 진동판과 일체화시킬 수 있다.

백킹매스는 필요에 따라 전극과 일체 시킬 수도 있다.

파이프(410)의 몸쪽 끝 부근에는 물받이 구조의 돌기가 있어 입에서 흘러나온 물이 콘넥터(406)로 흐르지 않게 한다.

본 발명은 물을 캐비테이션 시키는 것이 주요 목적이며 이 물은 진동 시 외부로 전달되는 열을 식히는 주요한 역할을 함으로 구강 내에 물을 탐지하는 것이 아주 중요하다.

이를 위해서 트랜스듀서 표면의 어느 면에 도8와 같이 2개 이상의 금속 탐침(413)을 갖게 한다. 이들의 역할은

1.구강 내 물의 여부

2.구강 내 물의 양 또는 수위

3.트랜스듀서(401)의 누전 여부

4.캐비테이션 발생량 추정 등이다.

먼저 그중 한 개의 물탐침(413)은 전류의 흐름을 조정하는 금속 탐침A이고 나머지 탐침들(413)은 이 전류를 감지하는 용도로 사용한다.

도 9의 실시 회로의 한 예에서 보는 것과 같이 아주 미약한 전류를 생성하여 출력단자 (711)과 연결된 금속 탐침 A를 통해서 구강 내로 흐르게 한다.

탐침들 1 - N은 각기 위치한 포인트에서 전류를 감지하고 이를 대응하는 1 N의 입력단자(701,702,70N)로 연결시킨다. 이 신호를 필요에 따라 증폭도를 변경한다.

즉 탐침 A로 전류를 흘리고 1 N 중 어느 하나라도 전류가 탐지되면 구강 내 물이 있음을 알 수 있다. 각 탐침(413)의 위치도 알고 있음으로 전류 탐지 유무를 분석하면 물의 양이나 수위를 알 수 있다. 이때 제어회로부의 위치 센서를 이용하여 기기의 자세를 추정하면 좀 더 정확하게 물의 양이나 수위를 알 수 있다. 또한 금속 탐침(413) A가 전류를 발생시키지 않을 때 나머지 금속 탐침(413)에서 전압이 발생하면 이는 새어 나온 누설 전류임으로 바로 고전압 발생을 정지시킨다. 이를 신속히 처리하기 위하여 콘트롤러의 인터럽트 단자에 연결하여 진행 프로그램을 멈추고 우선 처리한다.

도 9의 물이 있음을 확인하고 탐침(413) A의 전압을 최저로 하고 증폭률을 크게 하고 다른 탐침 1- N(413)들에서의 전압레벨을 측정하면 캐비테이션 양도 추정 가능하다.

너무 많은 캐비테이션은 세정을 방해함으로 발진을 잠깐 멈춤으로 세정에 도움이 된다.

이 탐침(413)들은 물이 있을 경우만 기기를 동작시켜 발열을 식히게 함으로 구강용 칫솔에 꼭 필요한 장치이다.

도10 은 기기의 몸체에 있는 제어회로의 전체 블록 다이어그램이다. 제어회로는 각각의 기능을 갖는 여러 블록들로 구성되며 대부분의 기능은 콘트롤러의 소프트웨어와 연동하여 전기소자를 구동하거나 여러 상태를 입력받을 수 있는 인터페이스 회로로 구성된다.

좀 더 구체적으로는 기기의 전원을 끄고 켜는 스위치(801)와 기기의 동작 모드를 바꾸는 스위치(802), 기기의 상태를 표시해주는 디스플레이(803), 밧데리충전부(804), 외부 전원을 받아 각 부분에 필요한 전원을 공급하는 전원부 (805), 온도센서(806), 위치센서(807), 발진주파수 발생부(808), 고전압발생부(809), 공진검출부(810), 소리 발생부(811), 전류감지회로(812)등과 이들과 연결되어 소프트웨어가 탑재되어 있는 콘트롤러(813)가 있다.

모든 전원은 내장 충전 전지(815)가 일정 레벨 이상인 경우 충전전지가 직접 구동을 하며 그 레벨 이하의 경우 경고 표시를 디스플레이(803)를 통해 알리고 제어회로가 동작을 멈추게 한다. 밧데리(815)는 충전부(804)를 통해 충전하며 콘트롤러(813)는 동작 중 충전전지 잔량을 계속 확인 한다.

전원 관리부는 외부에서 들어오는 전원을 받아 각 부문에 필요한 전원으로 바꿔 공급한다. 예를 들어 충전전지의 전압이 3.7V일 때 스위칭 회로부가 10V가 필요하면 DC/DC 컨버터로 전압을 올려서 공급한다.

트랜스듀서에 인가하는 발진 주파수는 여러 가지 방법으로 발생시킬 수 있다. 예를 들면 콘트롤러의 성능이 좋으면 콘트롤러가 직접 원하는 주파수를 만들 수도 있고 고주파인 경우 별도의 외부 발진 소자에 PLL을 걸어 만들어 사용할 수 있다. 이때 주파수 분해능(frequency resolution)은 수 헤르츠 이하로 작을수록 좋다.

이렇게 발생시킨 주파수는 스위칭 회로를 거치고 사용하는 초음파 트랜스듀서에 합당한 전압을 만들기 위해 고압발생 회로부(809)를 거치며 여기에서 임피던스 정합(816) 및 승압이 일어난다.

공명감지 회로부(810)는 여러가지 방법으로 구현이 될 있으며 그 한 예를 도11 에 제시하였다.

여기서 진동자는 회로적으로 콘덴서임으로 등가적으로 R,L,C 직,병렬회로로 해석할 수 있고 이 진동자를 L1,C1를 통해 스위칭 회로의 고전압 발생부와 임피던스 매칭을 이룬다.

이 진동자의 한 출력단(terminal)에 저항값이 큰 Rg로 연결하여 전기장 발생원의 영향을 적게 주면서 신호를 검출한다. 검출돤 신호는 D1을 통해 다시 저항 R1, R2로 분압하여 콘트롤러의 최대 입력전압이 넘지 않게 하여 A/D 단자로 연결한다. 공진 시 부하 임피던스가 최소로 되는 현상을 이용하여 콘트롤러에 입력되는 A/D 단자 값을 읽어 최소값이 되는 주파수를 찾는다.

좀 더 구체적으로 도12의 진동자 부하 임피던스 특성곡선에서 t2 순간에 발진 주파수를 F2에서 F4으로 올려서 도 11의 임피던스 회로에서 이를 측정하여 그 전의 임피던스 R2 에서 R4로 높아졌음으로 즉 공명상태가 더 나빠졌음으로 발진 주파수를 낮춰 임피던스가 낮은 방향으로 가야 함으로 주파수를 F4에서 F3으로 낮추어 도 11의 임피던스 회로에서 이를 측정하여 그 전의 임피던스 R4 에서 R3로 낮아지고 즉 공명상태가 더 좋아졌음으로 발진 주파수를 더 낮춤으로 공명 주파수를 계속 추적할 수 있다.

이를 이용하면 전원을 켜고 약 1-2초 내에 주파수 영역을 미리 주사하여 공명 주파수들을 미리 메모리에 저장하고 있으면 필요한 때에 바로 이 값으로 주파수를 바꿔 진동수 변경이 가능하다.

초음파 트랜스듀서가 공진 할 때 힘이 좋으나 공진주파수 근처에 계속 머물러서 발진하면 생성된 캐비테이션이 진동자 근처에 머물러 있어 세정효율이 떨어진다. 이를 회피하기 위해 공진 콘트롤러는 공진 주파수를 찾고 그 주파수에 머물지 않고 약 1Khz 정도의 주파수 대역을 스위핑 한다. 예를 들면 도12에서 한번 찾은 공진주파수 F1의 전 500HZ부터 후500HZ까지 한 단계씩 증가시키면서 발진 주파수를 바꾸고 또 다시 공진 주파수를 트랙킹하는 방식이다.

어느 물체든지 공진 주파수는 여러 개의 공진 주파수가 있다. 제1 공진주파수 즉 기본 주파수에서 발생되는 캐비테이션은 크기가 크고 힘이 큼으로 치아 세정용 모드에서 사용하고 고조파 모드에서는 기본주파수에 비해 캐비테이션 입자가 작아짐으로 치아 미백이나 구강 내 세균 제거용으로 사용 될 수 있음으로 발진 주파수를 모드에 따라 발생시키면 유용하다. 물론 초음파 트랜스듀서의 각 공진 주파수가 해당 모드의 효과와 맞게 구조 설계가 되어야 한다.

이때 어느 한 모드에서 동작하는 중에 그 발진의 강도를 조절 할 수 있다.

도13 에 보인 것과 같이 발진주파수 스위칭 회로(816)에서 콘트롤러의 출력 포트를 D/A로 설정한 후 그 출력 레벨을 바꿔주어 스위칭회로(816)의 트랜지스터 베이스전류를 바꿔서 고전압 발생부(809)의 트랜스 1차 회로의 전류를 변화시킨다. 이러면 2차 유기 전류가 변하며 진동자에 가해지는 전기장의 세기도 변함으로 초음파 트랜스듀서의 출력 강도가 변한다.

초음파 트랜스듀서의 캐비테이션 동작은 인간의 오감으로 인지하기 쉽지 않다. 또 초음파 트랜스듀서는 여러 원인에 의하여 동작이 잠시 정지할 수도 있기 때문에 사용 중 초음파 트랜스듀서가 멈추는 경우 바로 사용자가 알도록 하여야 한다. 이를 위한 소리발생부(811)의 동작 회로의 예를 도14 에 제시하였다.

전원을 켜면 바로 시동 소프트웨어가 동작하여 여러 회로를 초가화하고 필요하면 공진 주파수도 스캔하여 메모리에 기억 시킨 후 바로 발진 주파수를 발생 시키면서 디지털 포트를 켜서 트랜지스터을 켜고 부저를 구동시킨다. 물론 발진회로를 내장하지 않는 경우는 콘트롤러의 디지털포트에서 직접 발진을 하여 트랜지스터을 스위칭하여야 한다. 콘트롤러의 디지털 포트의 듀티(Duty)를 조정하여 기기가 어떤 상태인지도 알려 줄 수 있다. 부저대신 멜로디 음원 소자를 사용할 수도 있다.

위치센서회로부(807)는 가속도센서나 자이로센서와 그 보조회로로 구성 되며 콘트롤러(813)가 그 센서로부터 일정시간마다 센서의 3차원 위치와 변위 등을 계산함으로 기기의 자세나 움직임 등을 계산할 수 있다. 예를 들어 콘트롤러가 위치센서의 데이터를 분석하여 기기가 꺼꾸로 서있고 탐침이 물속에 있으면 가글 모드인 것으로 판단하여 거기에 맞는 주파수를 만들어 준다.

도13 에 제시된 전류 감지회로같이 스위칭 회로에서 트랜지스터의 콜렉터 단을 전류감지센서를 통과시킴으로 사용 전류를 검출하고 콘트롤러가 그 값을 읽어 진동자가 사용하는 전류 값을 알 수 있다. 이때 초음파 트랜스듀서가 공진 상태이고 누전이 아니면서 전류 값이 일정 이상이면 진동자가 깨진 것으로 보고 사용자한테 경고를 하고 진동을 멈춘다. 진동자는 엄청난 힘을 발생시키고 큰 힘으로 프리로드도 되어 있지만 전체 면이 아닌 일부에 충격이 가면 깨지기 쉽고 깨지면 효율이 급격히 나빠짐으로 교체되어야만 한다. 이 때문에 초음파 트랜스듀서와 연결자 파이프를 같이 교환 할 수 있어야 한다.

제어 회로부의 온도센서(806)는 스위칭회로(816)의 열 손실 증가로 몸체에 과도한 온도 상승이 생겼을 때 진동을 멈추어 발열을 막아준다. 과도한 온도 상승은 스위칭 소자의 파손으로 이어지거나 제어회로 기능 저하를 야기시키며 오작동의 원인이 되기 때문이다. 그 실시 예로 도15 와 같이 온도센서 칩(900)을 발열이 많은 스위칭 회로 근처에 위치시켜 그 측정값을 콘트롤러의 시리얼통신포트와 연결시킴으로 소프트웨어가 일정 시간마다 온도를 읽음으로 구현될 수 있다.

초음파 세척의 특성 중 하나는 솔이 닿지 않는 구석에 붙어있는 아주 작은 치태나 불순물을 제거 세척 하기는 좋으나 덩치가 크고 눌러 붙어 있는 불순물은 제거하는데 시간이 많이 걸리므로 효율적이 아니다. 따라서 이런 것은 칫솔로 먼저 제거하는 것이 훨씬 좋다. 또한 칫솔질과 초음파 세척을 같이하면 더욱 빠르고 효율적인 세척이 될 것이다. 진동판은 구강 내의 피부나 살에 직접 닿으면 캐비테이션이 약해짐으로 피부와 일정 간격 떨어트려 놓을 수 있는 디스트랙터가 필요하다.

본 발명은 도 4 ,도 8에 예를 든 것과 같이 기능성 액세서리를 머리부인 초음파 트랜스듀서에 단단하게 연결시킬 수 있는 구조를 제공한다.

101 : 진동판
102 : 프론터매스 (FRONT MASS)
103 : 진동자
104 : 백킹매스 (BACKING MASS)
105 : 연결파이프
401 : 트랜스듀서 (TRANSDUCER)
402 : 전원스위치
403 : 모드스위치
404 : 디스플레이
405 : 충전밧데리
406 : 연결 콘넥터
407 : 제어회로부
408 : 무선충전단자
410 : 연결파이프
411 : 몸체
412 : 기능성 액세서리(칫솔모, 디스트랙터)
413 : 물탐침
414 : 액세서리 조립홈
415 : 액세서리 조립돌기
301 : 진동판
302 : 접착제
303 : 프론터매스
304 : 진동자
305 : 백킹매스
306 : 조임쇠
307 : 절연슬리브
308 : 전극
600 : 구멍
601 : 전선
701 : 이음제
711 : 탐침 기준신호 출력단자(탐침 A)
701,702,70N : 탐침 기준신호 검출단지
714 : 증폭도 제어부
801,802 : 스위치
803 : 디스플레이부
804 : 밧데리충전부
805 : 전원부
806 : 온도센스
807 : 기기위치인식센서
808 : 주파수발생부
809 : 고압발생부
810 : 공명감지회로
811 : 소리발생부
812 : 전류검출회로
813 : 콘트롤러
814 : 연결콘넥터
815 : 충전밧데리
816 : 임피던스 정합부
900 : 온도센스

Claims (11)

1. 머리부, 몸체부, 이를 연결하는 연결 파이프로 구성되는 구강용 칫솔에서 머리부에 트랜스듀서를 위치 시키고 그 트랜스듀서 안에 진동자가 프리로드 되어 진동판에 진동을 일으키는 구조를 갖는 구강용 초음파 칫솔.
2. 청구항 1에서 머리부의 트랜스듀서와 파이프가 한 몸으로 되어 제어회로부가 있는 몸체에 착탈하는 구조를 갖는 구강용 초음파 칫솔.
3. 청구항 1에서 트랜스듀서 외부 면에 두 개 이상의 금속 탐침을 갖고 한 탐침에 전류를 흘리고 나머지 탐침으로 전류를 감지하여 물의 유무를 알아 낼 수 있는 장치를 갖는 구강용 초음파 칫솔.
4. 청구항 1에서 트랜스듀서의 진동판 외부 면이 금속인 경우 부식 처리하고 그 외 물질인 경우 엠보싱 처리하여 캐비테이션 효과를 높인 구강용 초음파 칫솔.
5. 초음파 진동자 구동회로의 임피던스를 계량 하는 회로를 갖고 이를 궤환(feedback) 받아 공진 주파수를 추적 할 수 있는 기능을 갖은 구강용 초음파 칫솔.
6. 트랜스듀서의 발진 주파수를 세정 모드에 따라 트랜스듀서 진동 주파수를 바꿔주는 기능을 갖는 구강용 초음파 칫솔
7. 트랜스듀서의 한 동작 모드에서 발진 강도를 조절 할 수 있는 기능을 갖는 구강용 초음파 칫솔
8. 트랜스듀서가 진동을 하는 동안 소리를 발생시키는 장치를 갖는 구강용 초음파 칫솔.
9. 트랜스듀서 진동자가 깨진 상태를 알아내는 자기 진단 기능을 갖는 구강용 초음파 칫솔.
10. 제어 회로부의 발열을 탐지하는 기능을 갖는 구강용 초음파 칫솔
11. 머리부인 초음파 트랜스듀서 외부 면에 칫솔 머리, 디스트랙터(distractor)등의 기능성 액세서리를 장착 할 수 있는 구조를 갖는 구강용 초음파 칫솔.

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