KR20220165421A - 어레이형 초음파 발진 프로브 - Google Patents

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KR20220165421A
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윤만순
박영민
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에코디엠랩 주식회사
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Abstract

본 발명의 일실시예는 피부미용에 사용되는 초음파 발진 프로브를 제공한다. 초음파 발진 프로브는 사용시 피부에 마주하게 되는 진동전달면과 홈이 형성된 상면을 가지는 금속혼 및 상기 홈에 안착되어 외부로부터 공급된 신호에 의해 발진하는 압전체를 포함하는 복수의 진동자 셀; 상기 진동전달면이 외부로 향하도록 상기 복수의 진동자 셀이 평면 상에 배열되는 수납부; 및 상기 복수의 진동자 셀에 신호를 공급하여 발진시켜 상기 금속혼을 통해 초음파 진동을 전달시키는 발진회로부를 포함할 수 있다.

Description

어레이형 초음파 발진 프로브{Array-type ultrasonic oscillation probe}
본 발명은 어레이형 초음파 발진 프로브에 관한 것으로, LDM용으로 사용되는 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 어레이형 초음파 발진 프로브에 관한 것이다.
초음파기술은 의료 및 산업, 환경처리 분야에 널리 사용되고 있다. 최근, 미용에 대한 관심이 높아지면서, 피부 노화 방지, 주름 개선 또는 피부 탄력 유지가 가능한 화장품, 식품 및 피부관리 기기와 같은 피부관리 제품에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 나이가 들어가면서 진피층의 콜라겐과 탄력섬유의 감소로 인해 생성되는 주름을 개선할 수 있는 초음파를 이용한 기기들이 다양하게 소개되고 있다. 주름 부위에 조사된 초음파는 주름의 근본 원인인 피부근막층(superficial muscular aponeurotic system, SMAS)에 열을 전달하여, 전달된 열에 의해 피부 조직을 수축 또는 응고시킴으로써 주름을 개선시킬 수 있다.
도 1은 종래의 피부관리 기기의 일 예를 나타내는 도면이다.
피부관리 기기들은 이러한 원리를 이용하여 피부 찰과상치료 및 피부미용 분야의 의료용 장비로 시판되고 있다. 예를 들어, 피부관리 기기들은 시술하고자 하는 특정 부위에만 초음파를 집속시켜 개선효율을 향상시키거나 1Mhz와 3Mhz, 혹은 3Mhz와 10Mhz의 두 가지 종류의 주파수를 갖는 초음파를 하나의 프로브에서 발생시켜 피부아래 3cm부터 표피부근까지 빈 공간 없이 초음파를 전달하는 방법을 사용한다.
도 2는 종래의 어레이형 프로브를 나타내는 도면이다.
종래의 프로브(100)는 직사각형의 평판형의 압전트랜스듀서(1110)를 2차원 배열로 배치하고, 상부에 열전냉각장치(1112)와 같은 냉각기를 배치하고 상부에 heat sink(1114)를 구비하며 방열을 위한 냉각 팬(1116)이 설치되어 있다. 또한, 압전 트랜스듀서와 피부가 접촉하는 부위에 폴리이미드와 같은 필름이 설치된 구조이다.
이와 같은 구조로 이루어진 초음파 프루브는 10MHz의 1차 공진을 갖는 두께 0.1~0.2mm의 직사각형 압전체(예: 압전세라믹)를 사용하고 있으며, 2차원으로 구성된 여러 개의 압전 소자는 2차, 3차 공진 주파수를 이용하여 온열효과를 주며, 다른 어레이는 1차 공진인 10MHz로 구동하는 등 배열된 압전세라믹에 서로 다른 주파수를 인가하여 구동하는 방식으로 운영되고 있다.
종래의 이러한 방식은 피부진피층 하부에 초음파와 열감을 주기 위하여 압전체를 두께 0.1~0.2mm로 가공해야 하며, 압전체의 진동변위가 작아 효율적인 초음파 발생이 어려우며, 2차, 3차 공진을 이용하여 발열용으로 일부의 압전체를 구동시키는 등 비효율적인 요소가 많이 내포되어 있다. 또한, 종래의 방식은, 구동시 압전체의 승온을 방지하기 위한 냉각장치 등이 구비되는 등 복잡한 구조를 가지고 있다.
또한, 두께진동모드를 이용하여 압전트랜스듀서에 금속으로 된 금속판을 부착하여 사용하는 경우도 있다. 즉, 종래의 LDM(Local Micro Massage) 장치는 프로브 내에 구비된 평판형 압전트랜스듀서를 사용하며, 하나의 트랜스듀서를 이용하여 1차, 2차 진동모드를 사용하여, 1Mhz와 3Mhz, 3Mhz와 9~10Mhz를 교번 적으로 사용하고 있다.
최근에는 피부의 표피부근의 활성화를 위하여 20Mhz를 사용하기도 한다. 이때, 1Mh용 압전세라믹을 사용하여 2차 공진인 3Mhz와 5차 공진인 10Mhz까지 교번적으로 사용하기도 한다. 또한, n차 진동모드를 이용한 20Mhz 제품도 출시되고 있다.
그러나, 하나의 낮은 차수의 1차 공진 모드를 높은 차수까지 사용함에 따라 임피던스 특성이 달라 n차 진동모드에서 원하는 출력을 얻기가 쉽지 않다. 이러한 현상은 20Mhz와 같은 높은 주파수의 진동모드를 이용할 경우 더욱 심각한 문제를 발생시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 장치에 비하여 진피층부터 콜라겐 층 이하까지 효율적으로 초음파 에너지를 전달할 수 있는 2차원 배열의 초음파 발진 프루브를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 피부미용에 사용되는 초음파 발진 프로브를 제공한다. 초음파 발진 프로브는 사용시 피부에 마주하게 되는 진동전달면과 홈이 형성된 상면을 가지는 금속혼 및 상기 홈에 안착되어 외부로부터 공급된 신호에 의해 발진하는 압전체를 포함하는 복수의 진동자 셀; 상기 진동전달면이 외부로 향하도록 상기 복수의 진동자 셀이 평면 상에 배열되는 수납부; 및 상기 복수의 진동자 셀에 신호를 공급하여 발진시켜 상기 금속혼을 통해 초음파 진동을 전달시키는 발진회로부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속혼은, 상기 홈이 형성된 상부와 상기 상부의 하면으로부터 하측으로 연장되며 상기 진동전달면이 형성된 하부를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전체는 압전세라믹이고, 에폭시에 의해 상기 금속혼의 홈에 부착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 복수의 홀이 형성되며, 상기 수납부에 안착되는 금속판을 더 포함하며, 상기 복수의 진동자 셀은 각 상기 홀에 삽입되어 하나 이상의 열로 평면상에 배열(array)될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 각 상기 금속혼의 상부의 하면이 상기 금속판에 접촉되어 공통접지를 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 발진회로부는 1차 공진 주파수와 2차 및 3차 공진 주파수를 교번적으로 발생시키도록 상기 복수의 진동자 셀을 구동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수납부는, 상기 금속판 및 복수의 진동자 셀이 수납되는 하부 케이스; 상기 각 진동자 셀의 상부를 가압하며 상기 하부 케이스와 결합되는 상부 케이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압전체에 전원을 공급하기 위해 상기 상부 케이스에 의해 지지되는 밀핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 각 진동자 셀은 인접한 진동자 셀과 초음파 음장이 겹치도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 발진회로부는 1차 공진 주파수를 3MHz로 설정하여 2차 공진 주파수를 9~10MHz, 3차 공진 주파수를 15~17MHz로 교번적으로 인가함으로써 Local dynamic micro-massage 효과를 피부에 전달하며, 상기 금속혼에 의하여 상기 압전체의 두께모드 진동 변위를 확대시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복수의 진동자 셀 중 일부는 나머지 진동자 셀과 다른 주파수의 진동을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, LDM(Local dynamic micro-massage)용으로 사용되는 다중 주파수 초음파 발생이 가능한 초음파 발진 프로브를 2차원 적으로 배열하여 시술 면적을 증가시키는 것으로 일정 면적에 다중 주파수의 초음파 에너지를 조직에 균질하게 전달 할 수 있는 초음파 발진 프로브를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 1차 및 n차수 공진을 이용하여 직사각형의 압전세라믹과 결합하는 금속혼을 배치하고 이를 이차원으로 배열하여 효과적으로 초음파 에너지를 피부에 촘촘히 전달하며, 압전세라믹과 접합된 금속혼에 의하여 압전체의 두께모드 진동 변위를 확대하며, 1차 공진 주파수를 3MHz로 설정하여 2차 공진 주파수를 9~10MHz, 3차 공진 주파수를 15~17MHz로 교번적으로 인가함으로써 Local dynamic micro-massage 효과를 피부에 전달함으로써 피부노화를 방지하기 위한 초음파 시술을 효과적으로 수행할 수 2차원 배열의 초음파 LDM 프루브를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 미용기기의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 어레이형 프로브를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발진 프로브를 나타내는 도면이다.
도 4는 복수의 진동자 셀과 발진회로부의 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 복수의 진동자 셀이 케이스에 설치되는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 진동자 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발진 프로브가 피부에 사용되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 발질 프로브를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 초음파 발진 프로브의 압전세라믹의 두께에 따른 진동모드의 변위량을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 초음파 발진 프로브의 금속 진동체(금속혼)의 두께에 따른 진동모드의 변위량을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다중 주파수에 따른 임피던스 곡선을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 다중 주파수에 따른 초음파의 피부 전달형태를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발진 프로브를 나타내는 도면이다. 도 4는 복수의 진동자 셀과 발진회로부의 연결을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 복수의 진동자 셀이 케이스에 설치되는 일 예를 나타내는 도면이다. 도 6은 진동자 셀을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 초음파 발진 프로브는 피부미용에 사용될 수 있다.
초음파 발진 프로브는 복수의 진동자 셀(100), 케이스(200) 및 발진회로부(300)를 포함할 수 있다.
각 진동자 셀(100)은 금속혼(110) 및 압전체(120)를 포함할 수 있다.
금속혼(110) 즉, 금속 진동체의 재질은 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 금속혼(110)은 상부 및 하부를 포함할 수 있다. 상부의 상면에는 홈이 형성되어 있고, 하부는 상부의 하면으로부터 하측으로 연장되어 있다. 하부의 하면은 사용시 피부에 마주하게 되는 진동전달면이 될 수 있다. 압전체(120)가 부착되는 금속혼(110) 역시 압전체(120)의 진동을 전달하기에 적합한 두께로 가공되어 있다. 이에 따라 금속혼(110)은 압전체(120)의 진동의 변위를 확장시키는 기능을 할 수 있다.
압전체(120) 즉, 압전트랜스듀서는 프레스(press) 성형으로 대략 직사각형 형상으로 형성될 수 있다. 프레스 성형으로 형성된 압전트랜스듀서는 지정된 주파수의 두께진동이 발생할 수 있도록 양면연마기에 의하여 가공될 수 있다. 압전체(120)는 금속혼(110)의 홈에 안착되며, 금속혼(110)의 홈에 고정 또는 부착될 수 있다. 일 예로, 압전체(120)는 압전세라막이고, 에폭시에 의해 압전세라믹이 상기 금속혼(110)의 홈에 부착될 수 있다. 압전체(120)는 발진회로부(300)로부터 공급된 신호에 의해 초음파 발진을 할 수 있다. 압전체(120)는 초음파 발질을 하기 위해 매우 얇게 형성될 수 있다. 이로 인해 압전체(120)의 진동의 변위는 매우 제한적일 수 있다. 압전체(120)의 두께진동모드의 초음파 진동을 효과적으로 전달하기 위하여 두께가 설계된 금속혼(110)에 압전체(120)가 열경화성 에폭시로 접합될 수 있다. 금속혼(110)은 압전체(120)에 비해 현저히 큰 사이즈를 가지므로 압전체(120)의 발진에 의한 변위를 더 확장시켜 전달할 수 있다.
각 진동자 셀(100)은 인접한 진동자 셀(100)과 초음파 음장이 겹치도록 형성될 수 있다.
또한, 복수의 진동자 셀 중 일부는 나머지 진동자 셀과 다른 주파수의 진동을 할 수 있다.
금속혼(110)의 진동전달면이 외부로 향하도록 복수의 진동자 셀(100)이 수납부의 평면 상에 배열될 수 있다. 상기 수납부는, 상기 금속판(220) 및 복수의 진동자 셀(100)이 수납되는 하부 케이스(230) 및 상기 각 진동자 셀(100)의 상부를 가압하며 상기 하부 케이스(230)와 결합되는 상부 케이스(210)를 포함할 수 있다.
복수의 홀이 형성되며, 상기 수납부에 안착되는 금속판(220)을 더 포함하며, 상기 복수의 진동자 셀(100)은 각 상기 홀에 삽입되어 하나 이상의 열로 평면상에 배열(array)될 수 있다.
초음파 발진 프로브는 상기 압전체(120)에 전원을 공급하기 위해 상기 상부 케이스(210)에 의해 지지되는 밀핀을 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발진 프로브가 피부에 사용되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3, 4 및 도 7을 참조하면, 발진회로부(300)는 복수의 진동자 셀(100)에 전기적으로 연결되며 신호를 공급하여 발진시킬 수 있다. 이에 따라 금속혼(110)을 통해 피부 등의 대상에 초음파 진동을 전달시킬 수 있다.
발진회로부(300)는 수납부에 수납되거나 별도의 부분에 구비될 수도 있다. 이러한 발진회로부(300)는 통상의 기기 내에 배치된 회로부의 형태를 모두 적용할 수 있으므로, 특별히 한정하지는 않는다. 외부전원부는 외장 배터리, 무선형 배터리 또는 접촉단자 형태일 수 있다.
발진회로부(300)는 연결배선을 통해 복수의 진동자셀에 연결되며, 각 진동자 셀(100)에는 각기 발진회로부(300)의 채널이 연결될 수 있다. 발진회로부(300)는 1차 공진 주파수를 3MHz로 설정하여 2차 공진 주파수를 9~10MHz, 3차 공진 주파수를 15~17MHz로 교번적으로 각 진동자 셀(100)에 인가함으로써 Local dynamic micro-massage 효과를 피부에 전달할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 압전체(120)(압전세라믹)과 접합된 금속혼(110)에 의하여 압전체(120)의 두께모드 진동 변위를 확대시킬 수 있다.
각각의 LDM 초음파 진동자 셀(100)은 일정간격으로 배열되어 있다. 각각의 진동자 셀(100)은 공통그라운드를 형성하기 위한 전도성 금속판(220)에 삽입될 수 있다. 금속혼(110)이 전기적으로 금속판(220)에 연결될 수 있으며, 이는 전기적으로 발진회로부(300)의 공통접지와 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이 상부 케이스(210)는 금속혼(110)의 상부를 누르고 있도록 고정되어 진동자 셀(100)이 피부와 접촉시 상하로 움직이는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 플라스틱 상부 케이스(210)는 밀핀을 고정할 수 있다. 밀핀은 압전체(120)와 전기적으로 접촉되며 배선에 의해 발진회로부(300)의 각 구동채널과 연결될 수 있다.
도 5에는 복수의 진동자 셀(100)이 이차원적으로 배열된 구조가 예시되어 있고, 도 4에는 이의 단면이 예시되어 있다. 복수의 진동자 셀(100)은 1열, 2열 등 하나 이상의 열로 배열될 수 있다.
압전체(120)에 의해 발생된 초음파는 금속혼(110)을 통하여 증폭되어 전달될 수 있다. 각각의 압전체(120)에는 두 가지 이상의 주파수가 교번적으로 입력될 수 있다. 예를 들어, 상기 압전트랜스듀서에 1차 공진 주파수를 갖는 제1 주파수와 2차 공진 주파수를 갖는 제2 주파수가 교번적으로 입력될 경우, 상기 2차 공진 주파수는 상기 1차 공진 주파수의 3배에 해당하는 주파수를 가질 수 있다.
도 7을 참조하면, 초음파 발진 프루브가 피부에 초음파에너지를 전달하는 과정이 예시되어 있다. 각각의 진동자 셀(100)은 피부에 초음파를 일정면적으로 고르게 전달하게 하기 위하여 각각의 진동자 셀(100)의 초음파 에너지가 겹칠 수 있는 간격으로 배열될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 발질 프로브를 나타내는 도면이다.
도 8에 제시된 수납부에는 진동자 셀(100)의 진동전달면이 삽입되는 홀이 형성되어 있다. 일 예로, 이러한 홀은 수납부에 안착되는 실리콘 재질의 고정부에 형성될 수 있다. 이와 같은 실시예는 각각의 진동자 셀(100)이 자유롭게 움직일 수 있도록 하여 인체의 굴곡진 부위에도 밀착성을 향상시킬 수 있도록 하기 위함이다.
도 8에 되시된 바와 같이 각 진동자 셀(100)에 접지선이 연결되도록 하고, 각 진동자 셀(100)에 배선을 연결하고 발진회로부(300)의 채널과 직접 연결할 수도 있다. 예를 들어, 금속혼(110)에 공통접지를 납땜하고 압전세라믹에 전원공급선을 납땜한 후 이러한 단위 진동자 셀(100)을 일정간격으로 신축성이 좋은 실리콘 고무에 일정간격으로 삽입하여 배열한다. 이렇게 하여 배열할 경우 각각의 진동자 셀(100)은 피부의 굴곡진 면을 따라 휘어질 수 있으므로 초음파 발진 프로브의 각각의 셀을 피부에 밀착할 수 있다.
발명에 따른 효과적인 시술효과 및 시술시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 초음파 발진 프로브의 압전세라믹(압전체(120))의 두께에 따른 진동모드의 변위량을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기와 같이 두 가지 이상의 주파수를 갖는 초음파 에너지를 방사하기 위해서는 사용하는 주파수에 맞게 압전세라믹의 두께를 고려해야 한다. 일예로, 1MHz와 3MHz의 주파수를 갖는 초음파 에너지를 방사하기 위해서는 1MHz와 3MHz에 따른 파장을 고려하여 두께를 설정해야 한다. 즉, 도 9(a)에서와 같이, 1MHz의 경우 1/2λ 모드의 두께 진동모드에서 변위량이 압전세라믹의 윗면과 아랫면에서 최대의 진폭을 갖도록 하고, 도 9(b)에서와 같이, 3MHz의 경우 3/2λ 모드의 두께 진동모드에서 변위량이 압전세라믹의 윗면과 아랫면에서 최대의 진폭을 갖도록 설정하는 것이 바람직하다.
이러한 압전세라믹은 금속혼(110)과 압전세라믹 사이에 접착층을 이용하여 서로 접합될 수 있다. 여기서, 접착층으로는 에폭시(epoxy)가 이용될 수 있다.
금속혼(110)의 두께와 재질은 압전세라믹에 다중 주파수의 전압 또는 전류를 교번적으로 입력하여 진동시키고, 이때 발생한 초음파가 금속혼(110)을 통하여 인체 조직에 효과적으로 전달될 수 있도록 설정해야 한다. 즉, 금속혼(110)의 두께와 재질은 사용하는 주파수에 따라 다르게 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 초음파 발진 프로브의 금속 진동체(금속혼(110))의 두께에 따른 진동모드의 변위량을 나타낸 도면이다. 도 11은 본 발명의 다중 주파수에 따른 임피던스 곡선을 나타낸 도면이다. 도 12는 본 발명의 다중 주파수에 따른 초음파의 피부 전달형태를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 금속혼(110)의 재질로는 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 타이타늄 또는 타이타늄 합금 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있으나, 두 가지 이상의 주파수를 갖는 초음파 에너지를 방사하기 위해서는 사용하는 주파수에 맞게 금속혼(110)의 두께와 재질을 고려해야 한다. 일예로, 1MHz와 3MHz의 주파수를 갖는 초음파 에너지를 방사하기 위해서는 1MHz와 3MHz에 따른 주파수를 고려하여 두께 및 재질을 설정해야 한다.
즉, 도 10(a)에서와 같이, 압전세라믹과 금속혼(110)을 접착층을 통해 서로 접착시켰을 때, 1MHz의 경우 압전세라믹의 1차 공진모드의 진동변위를 금속혼(110)에 효율적으로 전달하기 위해서는 금속혼(110) 역시 두께진동모드가 1/2λ 모드에서 진동되도록 해야 한다. 일 예로, 금속혼(110)의 재질을 음속(sound velocity) 5,640m/s을 갖는 스테인레스(sus303)를 이용할 경우 1/2λ 모드에서 진동하려면 금속혼(110)의 두께는 하기의 수학식 1에 의해 결정된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, t1은 1/2λ 모드에서의 압전세라믹 두께(mm), v는 금속혼(110)의 두께모드에서의 음속(m/s), fr1은 1차 공진 주파수를 나타낸다.
즉, 압전세라믹의 1/2λ 모드에서의 1차 공진 주파수가 1MHz이며, 금속 진동체(410)의 재질은 sus303으로서 이에 대한 음속이 5,640m/s이므로, 금속혼(110)의 두께가 2.82mm를 가질 경우 압전세라믹의 진동이 가장 효율적으로 금속혼(110)을 통해 전달될 수 있다.
또한, 도 10(b)에서와 같이, 3MHz의 경우 압전세라믹의 2차 공진모드의 진동변위를 금속혼(110)에 효율적으로 전달하기 위해서는 금속혼(110) 역시 두께 진동모드가 3/2λ 모드로 진동해야 한다. 일 예로, 금속혼(110)의 재질을 1MHz에서와 동일하게 음속 5,640m/s을 갖는 sus303을 이용할 경우 3/2λ 모드에서 진동하려면 금속혼(110)의 두께는 하기의 수학식 2에 의해 결정된다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, t2는 3/2λ 모드에서의 압전세라믹 두께(mm), v는 금속혼(110)의 두께 모드에서의 음속(m/s), fr2는 2차 공진 주파수를 나타낸다.
즉, 압전세라믹의 3/2λ 모드에서의 2차 공진 주파수가 3MHz이며, 금속혼(110)의 재질은 sus303으로서 이에 대한 음속이 5,640m/s이므로, 금속혼(110)의 두께가 2.82mm를 가질 경우 압전세라믹의 진동이 가장 효율적으로 금속혼(110)을 통해 전달될 수 있다.
따라서, 압전세라믹의 진동을 전달해주는 매칭층으로 sus303의 재질을 갖는 금속혼(110)을 사용할 경우, 금속혼(110)의 두께를 2.82mm로 형성하면 도 11에서와 같이 1MHz와 3MHz 두 종류의 1차, 2차 공진 주파수에 따른 초음파를 가장 효율성 있게 교번적으로 매칭층을 통해 피부에 전달할 수 있다.
또한, 1MHz와 3MHz 두 종류의 다중 주파수를 갖는 초음파를 교번적으로 피부에 조사할 경우, 도 12(a)에서와 같이 초음파 에너지가 방사되는 방향으로 최대 3cm까지 빈틈없이 초음파 에너지가 전달될 수 있고, 3MHz와 10MHz의 주파수를 교번적으로 조사할 경우는 도 12(b)에서와 같이 최대 1cm에서 0.3cm이하의 피부 아래까지 초음파를 빈틈없이 조사할 수 있다. 따라서, 피부아래 조직에 치밀한 초음파를 전달 일정 면적에서 발생시켜 효과적으로 전달할 수 있어 치료효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 가공이 용이한 1MHz나 3MHz를 1차 공진 주파수를 갖는 압전 세라믹을 제작하여 변위를 확대할 수 있는 금속혼(110)과 결합하여 1개의 셀을 만들고, 10MHz이상의 주파수를 구동하려고 할 경우 2차 이상의 공진 주파수를 이용하여 최대 20MHz까지 구동이 가능하다. 또한, 이러한 소형의 초음파 진동자 셀(100)을 이차원적으로 다양한 배열을 통하여, 다향한 피부의 면에 평면상의 초음파 에너지를 LDM효과를 주어 인가할 수 있어 피부 표면부터 지방층까지 초음파 에너지를 균일하게 전달할 수 있으며, 또한 초음파 에너지를 이용하여 피부에 영양을 줄 수 있는 화장품 또는 약물을 침투시키는 것이 가능하다. 본 발명에서는 하나 혹은 두가지 주파수 종류 이상 초음파 에너지를 교번적으로 전달할 수 있는 소형의 초음파 진동자 셀(100)을 이용하여 이웃한 초음파 진동자의 초음파 에너지가 겹칠 수 있도록 배열하며, 금속혼(110)을 이용하여 초음파 에너지를 증폭하며, 공통 접지를 금속혼(110)에 설치하였으며 금속혼(110)에 접착된 압전세라믹 진동자는 각각의 셀이 후방으로 밀리는 것을 방지하는 플라스틱 케이스에 밀핀과 같은 전도성 핀을 이용하여 각각의 셀에 접착된 압전세라믹에 전기에너지를 전달할 수 있도록 하여 하나의 카트리지를 형성하며, 각각의 셀은 각자의 주파수에 적합한 다채널 구동회로에 연결되도록 하여 면접촉의 LDM 어레이 효과를 얻는다.
진동자 셀(100), 케이스(200), 발진회로부(300)
금속혼(110), 압전체(120), 금속판(220)

Claims (11)

  1. 피부미용에 사용되는 초음파 발진 프로브에 있어서,
    사용시 피부에 마주하게 되는 진동전달면과 홈이 형성된 상면을 가지는 금속혼 및 상기 홈에 안착되어 외부로부터 공급된 신호에 의해 발진하는 압전체를 포함하는 복수의 진동자 셀;
    상기 진동전달면이 외부로 향하도록 상기 복수의 진동자 셀이 평면 상에 배열되는 수납부; 및
    상기 복수의 진동자 셀에 신호를 공급하여 발진시켜 상기 금속혼을 통해 초음파 진동을 전달시키는 발진회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속혼은, 상기 홈이 형성된 상부와 상기 상부의 하면으로부터 하측으로 연장되며 상기 진동전달면이 형성된 하부를 가지는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 압전체는 압전세라믹이고, 에폭시에 의해 상기 금속혼의 홈에 부착된 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  4. 청구항 2에 있어서,
    복수의 홀이 형성되며, 상기 수납부에 안착되는 금속판을 더 포함하며,
    상기 복수의 진동자 셀은 각 상기 홀에 삽입되어 하나 이상의 열로 평면상에 배열(array)되는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  5. 청구항 4에 있어서,
    각 상기 금속혼의 상부의 하면이 상기 금속판에 접촉되어 공통접지를 이루는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 발진회로부는 1차 공진 주파수와 2차 및 3차 공진 주파수를 교번적으로 발생시키도록 상기 복수의 진동자 셀을 구동시키는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 수납부는,
    상기 금속판 및 복수의 진동자 셀이 수납되는 하부 케이스; 및
    상기 각 진동자 셀의 상부를 가압하며 상기 하부 케이스와 결합되는 상부 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 압전체에 전원을 공급하기 위해 상기 상부 케이스에 의해 지지되는 밀핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  9. 청구항 1에 있어서,
    각 진동자 셀은 인접한 진동자 셀과 초음파 음장이 겹치도록 형성된 것을 특징으로 하는, 초음파 발진 프로브.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 발진회로부는 1차 공진 주파수를 3MHz로 설정하여 2차 공진 주파수를 9~10MHz, 3차 공진 주파수를 15~17MHz로 교번적으로 인가함으로써 Local dynamic micro-massage 효과를 피부에 전달하며,
    상기 금속혼에 의하여 상기 압전체의 두께모드 진동 변위를 확대시키는 것을 특징으로 하는 초음파 발진 프로브.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 진동자 셀 중 일부는 나머지 진동자 셀과 다른 주파수의 진동을 하는 것을 특징으로 하는 초음파 발진 프로브.
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