KR100566398B1 - 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파 칫솔에 관한 것으로, 상세하게는 압전 세라믹이 접착된 소형 초음파 발생혼을 장착한 초음파 칫솔로써, 초음파 진동을 효과적으로 발생시켜 전력소비를 극소화시킬 수 있으며 구강내 청결과 초기에 형성된 연질의 프러그제거 및 잇몸과 치아사이에 낀 박테리아파괴 및 번식을 억제하고 구내염의 재발 방지와 구강염증의 치료를 증진시킬수 있으며 칫솔모의 교환이 저렴하고 간단하게 이루어지도록 구성하는 초음파 칫솔에 관한 것이다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은 칫솔모 장착부위를 갖는 칫솔에 있어서,
초음파진동을 증폭하여 전달하는 금속 탄성체와 압전 세라믹을 볼트로 체결하며 하기식의 모드를 갖는 초음파진동자와;
Figure 112004051384582-pat00001
(λ: 파장, Fr(λ/4):공진주파수, C:금속탄성체의 음속, n : 홀수)
초음파 진동을 발생시키는 구동회로와;
구동 전원을 공급하는 충전용배터리팩;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 보다 용이하게 칫솔모를 교체할 수 있을 뿐 아니라, 초음파 진동자로부터 발생되는 초음파가 초음파칫솔모를 통하여 구강 내에 전달되며, 칫솔모를 치석제거장치로 교체하여 사용할 수 있도록 하고, 캐비테이션 영역을 증가시켜 보다 치아 및 잇몸 세정 및 치료 효과를 높일 수 있다.
또한, 초음파 진동자의 세기를 증가시켜 구강 내부에 저장된 세척수를 음이온화시키고 계면활성 이온이 발생되게 함으로써 보다 세척 효과를 상승시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
압전체, 초음파진동자

Description

압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔{ultrasonic generating toothbrush}
도 1은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파 진동자 사시도이다.
도 3a 내지 3f는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파 진동자 분해 부품도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파 진동자의 회로 연결도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파진동자의 진동모드시 발생변위를 나타낸 도면이다.
도 6a내지6b는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파진동자의 구동시 출력전류 및 전압파형을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 초음파진동자의 다른 실시예의 진동모드시 발생변위를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 다른 실시예에 따른 초음파진동자를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 초음파진동자의 다른 실시예의 진동모드에 칫솔모를 장착한 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 칫솔모와 손잡이부의 체결 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 다른 실시예를 나타낸 치석제거장치를 장착한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1 : 손잡이부 2 : 충전용배터리팩
3 : 구동회로 4 : 칸막이
5 : 격리판 6 : 손잡이부홈
7 : 실리콘고무패킹 8 : 실리콘탄성고무
9 : 압전세라믹 10 : 후방금속탄성체
11 : 금속전극링 11' : 전선
12 : 전방금속탄성체 13 : 칫솔모걸림턱
14 : 음향임피던스메칭층 15 : 판스프링
16 : 칫솔모 17 : 걸림홈
18 : 걸림턱 19 : 체결볼트
20 : 초음파진동자 30 : 치석제거장치
35 : 물공급관 40 : 초음파발진회로
41 : 출력단자 42 : DC입력단자
본 발명은 초음파 칫솔에 관한 것으로, 상세하게는 압전 세라믹이 접착된 소형 초음파 발생혼을 장착한 초음파 칫솔로써, 초음파 진동을 효과적으로 발생시켜 전력소비를 극소화시킬 수 있으며 구강내 청결과 초기에 형성된 연질의 프러그제거 및 잇몸과 치아사이에 낀 박테리아파괴 및 번식을 억제하고 구내염의 재발 방지와 구강염증의 치료를 증진시킬수 있으며 칫솔모의 교환이 저렴하고 간단하게 이루어지도록 구성하는 초음파 칫솔에 관한 것이다.
좀 더 상세하게는 압전체의 초음파진동을 극대화시킨 초음파 발생혼이 구강과 치아에 초음파 진동이 효과적으로 전달되게 하였으며, 초음파에 의한 케비테이션 발생을 효과적으로 발생시켜 살균 및 세척효과를 극대화한 것이다.
최근들어 압전 세라믹은 전자.통신.기계등의 다양한 분야에서 초음파 응용소자 및 변위발생소자, 각종 센서등으로 널리 사용되고 있다.
압전체에 전기적 신호를 인가할 때 그 신호의 주파수와 일치하는 수축과 팽창이 나타나는 특성을 이용하여 초음파 진동자, 소나, 압전 부져 및 스피커, 액츄 에이터등으로 사용되고 있으며, 압전체에 기계적 에너지가 인가될 때 발생하는 전기에너지를 이용하여 압전착화소자나 각종 센서등에 활용되고 있다. 또한, 압전 인버터와 같이 상기 두가지 에너지 변환효과를 동시에 활용하는 경우도 있다.
상기 압전체에 전기적 신호를 인가할 때 기계적 진동이 발생하는 것을 역압전효과라하며, 압전 세라믹의 공진 주파수의 전압을 인가할 때 가장 많은 변위가 발생하게 되므로 초음파 진동자로 널리 사용되고 있다.
초음파 진동자는 고주파전력을 기계적 진동으로 변환하고 그 기계적 진동을 전송, 증폭하는 진동체(통상적으로 금속으로 제작된 혼)를 통하여 매질에 전달하게 된다.
일반적으로 널리 알려진 전동 칫솔은 전자식 모터에 의하여 칫솔모를 기계적으로 회전시키므로 치아 표면의 세척은 가능하나, 잇몸과 치아사이의 미세한 틈새를 세척할 수 없으며 강한 브러싱 효과에 의하여 약한 잇몸을 상하게 만드는 결과가 보고 되고 있어 유아들과 같이 칫솔 사용이 미숙한 경우 구강에 상처를 유발하여 염증의 원인이 되고 있다. 또한, 전자석의 구동 주파수를 초음파 영역까지 초당 15,000회를 고속화시킨 칫솔이 현재 상용화되었으나, 이러한 칫솔의 경우도, 진폭이 크고 강하여, 전동 칫솔의 단점을 해소하지 못하며, 초당15,000회의 진동으로는 강력한 캐비테이션 효과를 기대하기 어려워 캐비테이션에 의한 살균 및 세척효과를 기대하기 어렵다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 최근 압전 초음파 방식을 이용한 초음파 칫솔이 의학계에서 높은 효용성을 인정받고 있으며, 제품화되고 있다. 그러나, 상기 압전 초음파 방식을 이용한 제품들은 초음파 진동을 발생하는 압전체 를 칫솔모가 장착되는 부위의 플라스틱에 부착시킨 형태로 1.6MHz의 두께 진동모드를 이용하고 있으며, 압전체에서 발생하는 초음파가 칫솔의 플라스틱에 의하여 감쇄되어 초음파 진동이 거의 발생하지 않으며, 초음파 음향전달에 의한 효과만을 이용하고, 기계적 진동은 진동 모터방식을 채용함으로써 효과적인 초음파 진동에너지와 캐비테이션 효과를 압전체를 이용하여 발생시키지 못하고 있어, 앞서 지적한 진동모터 방식의 단점을 해소하지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 초음파 진동과 캐비테이션 효과를 동시에 발생시킬 수 있는 더욱 효과적인 초음파 칫솔이 요구되고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로 박테리아살균 및 세정효과가 우수한 28kHz~50kHz의 초음파를 발생시킬 수 있는 압전 세라믹을 볼트로 체결한 초음파진동자와 초음파진동을 증폭하여 전달하는 금속 탄성체와 초음파 진동을 발생시키는 구동회로를 포함하여 구성함으로써, 초음파 진동을 칫솔모에 효과적으로 전달할 수 있으며 전기적 절연과 금속탄성체와 칫솔모 사이에 초음파진동을 효과적으로 전달하기 위한 음향임피던스메칭층이 형성되어 효과적이고 안정적인 초음파 칫솔을 제공함을 목적으로 한다. 또한 칫솔모의 장착을 용이하게 하여 칫솔모의 교환 비용을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔은,
칫솔모 장착부위를 갖는 칫솔에 있어서,
초음파진동을 증폭하여 전달하는 금속 탄성체와 압전 세라믹을 볼트로 체결하며 하기식의 모드를 갖는 초음파진동자와;
Figure 112004051384582-pat00002
(λ: 파장, Fr(λ/4):공진주파수, C:금속탄성체의 음속, n : 홀수)
초음파 진동을 발생시키는 구동회로와;
구동 전원을 공급하는 충전용배터리팩;을 포함하여 구성된다.
상기 초음파 진동자는 칫솔손잡이부의 초음파진동자와 구동회로를 격리하는 격리판(5)에 초음파진동자의 후방금속탄성체(10)가 탄력 있게 끼워지기 위한 탄성고무나 수지(8)가 삽입되어 있고, 전방금속탄성체와 압전세라믹 경계부위가 돌출되어 방수를 목적으로 손잡이부의 홈(6)에 실리콘고무패킹(7)으로 끼워 결합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 초음파진동자의 전방금속탄성체 끝단에 초음파가 칫솔모에 효과적으로 전달될 수 있도록 전방금속탄성체와 음향임피던스가 유사한 음향임피던스메칭층이 형성되고, 초음파진동의 강도를 고려하여 임피던스메칭층의 경사각도를 0~45°각도로 조절할 수 있고, 칫솔모의 돌출부가 손잡이 일단의 걸림홈에 밀착될 때 전방금 속탄성체와 임피던스메칭층이 밀착될 수 있는 탄성이 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 탄성체는,
알칼리용액에 의한 산화 현상을 제거하기 위하여 아노다이징(anodizing)이나 크롬도금 또는 티타늄(Ti)코팅을 하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따르면, 칫솔 손잡이 일측에 착탈 가능토록 장착할 수 있는 임피던스메칭층을 포함하여 구성되는 치석제거장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 치석제거장치 일측에 물공급관을 구성하여 초음파가 실려진 물이 분사되는 것을 특징으로 한다.
한편, 칫솔모 장착부위를 갖는 칫솔에 있어서,
칫솔 손잡이 일측 홈에 판스프링을 형성하여 칫솔모의 걸림턱이 착탈 가능하게 장착되어 일정한 체결력이 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 압전세라믹의 초음파 발진을 효과적으로 전달하기 위하여 특수형상의 초음파 혼에 의하여 이루어진다.
압전체는 구동회로에 의하여 공급되는 특정 초음파 영역대의 주파수에서 수축과 팽창을 일으키고 이러한 수축과 팽창은 적절히 설계된 초음파 증폭 혼을 통하여 전기에너지를 초음파에너지로 변환 시킨다. 이렇게 발생된 초음파는 칫솔모를 초당 4만회이상 강력한 미세진동을 발생시키고, 박테리아 프러그와 치아, 잇몸사이의 결합을 분리한다. 또한 칫솔에 의하여 발생하는 초음파 진동은 입안의 액체에 강력한 케비테이션을 형성시켜 살균 및 세척효과를 증진시키며, 칫솔모 반대방향에 형성되 는 초음파는 구강염치료를 증진시킨다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 단면도이다.
칫솔모 장착부위를 갖는 칫솔에 있어서,
초음파진동을 증폭하여 전달하는 금속 탄성체와;
압전 세라믹을 볼트로 체결한 초음파진동자와;
초음파 진동을 발생시키는 구동회로와;
구동 전원을 공급하는 충전용배터리팩;을 포함하여 구성되는 것
도시한 바와 같이 손잡이부(1)내에 충전용배터리팩(2)와 구동회로 입력단이 연결되고 그사이에 칸막이(4)로 구분되어 있다.
초음파 진동을 발생시키는 구동회로는 2개의 전선(11')에 의하여 초음파진동자(20)의 금속전극링(11)과 각각연결되어 있으며 초음파진동자는 초음파진동자의 후방금속탄성체(10)와 초음파진동자의 격리판(5)사이에 실리콘탄성고무(8)로 지지되며 2개의 링형태의 압전세라믹(9)이 병렬로 전방금속탄성체(12)와 후방금속탄성체(10)중앙의 홀을 통하여 볼트로 체결되어있다.
상기 실리콘탄성고무(8)는 초음파진동자의 후방금속탄성체(10)가 탄력 있게 끼워지기 위해 바람직하게는 실리콘 탄성고무나 수지가 삽입될 수 있으며 탄력있게 끼울 수 있는 기타 재질을 사용할 수도 있다.
또한, 초음파진동자(20)을 손잡이부(1)에 단단히 고정하기 위하여 초음파발생혼에 걸림턱(18)을 설치하고 이 걸림턱은 손잡이 상부의 홈(6)에 방수를 위한 실리콘 고무패킹(7)에 의하여 고정된다. 이렇게 구성된 손잡이부(1)는 초음파의 용이한 전달을 위한 음향임피던스메칭층(14)이 설치된 칫솔모 부위(16,17)와 걸림턱(13)에 의하여 체결되도록 한다. 또한, 음향임피던스메칭층(14)은 도1의 부호15와 같이 0~45°의 각도로 설치되어 최적의 초음파진동이 전달되도록 조절할 수 있으며 음향임피던스메칭층은 초음파발생용 전방금속탄성체(12)와 음향임피던스가 유사한 재질을 사용한다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파 진동자 사시도이다.
본 발명에 사용된 초음파진동자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 발생을 위한 압전세라믹(9)과 압전세라믹의 진동을 효과적으로 칫솔모에 전달하기 위한 전방금속탄성체(12)와 후방금속탄성체(10)를 구비하고 있으며, 압전세라믹(9)을 구동회로(3)와 연결하기 위한 금속전극링(11)이 사이에 끼워지며, 전방금속탄성체(12)와 압전세라믹(9), 후방금속탄성체(10), 금속전극링(11)이 볼트(19)로 체결되어 있다.
도 3a 내지 3f는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파 진동자 분해 부품도이다.
도시한 바와 같이, 도3a가 후방금속탄성체(10), 도3b는 금속전극링(11),
도3c는 압전세라믹(9), 도3d는 볼트(19), 도3e는 볼트(19)와 압전세라믹(9) 이 닿는 것을 방지하는 폴리머 절연체 튜브, 도3f는 전방금속탄성체(12)이다.
도 4는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파 진동자의 회로 연결도이다.
도4에 도시한 바와 같이, 토크렌치를 이용하여 50~120kgf-cm로 조인 초음파진동자(20)는 초음파발진회로(40)의 출력단자(41)와 연결되며, 이 초음파발진회로(40)는 충전용배터리팩(2)의 DC입력단자(42)와 연결되어진다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파진동자의 진동모드시 발생변위를 나타낸 도면이다.
도 6a내지6b는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 초음파진동자의 구동시 출력전류 및 전압파형을 나타낸 도면이다.
본 발명에 실시예로 택한 45kHz의 주파수영역은 치아의 표면에 전달되는 주파수가 40kHz 이상에서 고통이 최소화된다는 임상보고에 따라 설정되었으며, 칫솔모 부위를 치석제거장치로 교체하여, 칫솔과 치석제거공용으로 사용할 수 있도록 하기 위한 설정값이다. 전방금속탄성체(12)의 발생변위는 도5의 a와 같으며, λ/4모드이다. 한편 후방금속탄성체(10)의 길이가 압전세라믹(9)사이의 노드점(b)을 기준으로 전방금속탄성체(12)와 길이가 같을 경우 발생변위는 도5의 c와 같은 진폭이 나타나지만 전방으로 초음파발생을 증가시키기 위하여 통상 전방혼의 길이보다 짧게 구성되므로 실제 발생변위는 도5의 d와 같이 감소한다.
실제 45kHz, 모드로 구동될 경우 전방금속탄성체의 길이를 구하기 위해서 다음 식을 사용한다.
Figure 112004051384582-pat00003
(식1)
여기서, λ는 파장이고 Fr(λ/4)는 λ/4모드에서의 공진주파수, C는 금속탄성체의 음속을 나타낸다. 이식에 Fr(λ/4)는 45kHz, C는 60계열의 두랄루민을 사용할 경우 5130m/s를 대입하면 λ/4의 길이는 28.5mm가 된다. 혼의 형상 인자를 고려하여 전방금속탄성체(12)의 길이를 28.5mm~35mm 사이에서 최대변위가 나오는 길이를 실험적으로 결정한다. 이렇게 설계된 초음파진동자(20)를 6V의 배터리를 연결하여 구동회로(3)를 이용하여 구동할 경우 초음파진동자의 출력전류와 전압파형은 도6a 내지 도6b에 도시한 바와 같이 나타난다.
전류는 Tektronix P6021 교류전류프로브를 이용하여 스케일을 2mA/mv로 조정하였으므로 약 0.07Arms이며, 출력전압은 150Vrms가 되며 10.5Watt의 출력이 얻어지고 있다.
또 다른 진동모드를 이용한 실시예로써, 칫솔모에 직접 닿도록 설계하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 초음파진동자의 다른 실시예의 진동모드시 발생변위를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 다른 실시예에 따른 초음파진동자를 나타낸 사시도이다.
도7은 전방금속탄성체(12)의 구동주파수를 3λ/4모드로 구동할 때 혼의 길이를 나타내고 있다. 실제 45kHz, 3λ/4모드로 구동될 경우 전방금속탄성체(12)의 길 이를 구하기 위해서 다음 식을 사용한다.
Figure 112004051384582-pat00004
(식2)
으로 표현되며, 식1과 같이 하여 구하면 45kHz 구동시 3λ/4의 길이는 28.5*3=85.5mm로 되며 형상효과를 고려하여 혼의 길이를 85.5~98mm 사이에서 실험적으로 최대변위 길이를 구한다. 이때 노드점(b)를 기준으로 전방혼의 진동변위는 도7의 a과 같이 된다. 이렇게 하여 제작된 혼의 형태를 도8에 나타내었다.
한편, 상기 전방금속탄성체(12)의 길이를 구하기 위해서 일반적으로 다음 식을 사용한다. 즉,
Figure 112004051384582-pat00005
(식3)
으로 표현되며, 여기서, λ는 파장이고 Fr(λ/4)는 λ/4모드에서의 공진주파수, C는 금속탄성체의 음속, n은 1,3,5......의 홀수를 의미한다.
도 9는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 초음파진동자의 다른 실시예의 진동모드에 칫솔모를 장착한 사시도이다.
상기와 같이 제작된 모드의 초음파진동자를 칫솔에 장착한 사시도를 도9에 나타내었다.
도시한 바와 같이, 교환용 칫솔모(16)는 음향임피던스메칭층(14)이 0~45°의 각도로 설치되어 있으며, 칫솔손잡이 끝단의 걸림홈(17)에 끼워 맞추어지도록 구성된다. 구동시 초음파 전달 모양을 물결무늬(a)로 표시하였으며 구강내 액체에 발생 하는 케비테이션을 원형(b)으로 표시하였다.
도 10은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔의 칫솔모와 손잡이부의 체결 단면도이다.
도시한 바와 같이, 칫솔 손잡이부(1)의 걸림홈(2)에 판스프링(15)이 설치되며, 칫솔모(16)의 걸림턱(18)이 끼워 맞춰짐으로써, 일정한 체결력이 유지되도록 하였다.
도 11은 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 다른 실시예를 나타낸 치석제거장치를 장착한 단면도이다.
즉, 칫솔 손잡이 일측에 착탈 가능토록 장착할 수 있는 음향임피던스메칭층(14)을 포함하여 구성되는 치석제거장치(30)를 포함하고 있으며 상기 치석제거장치 일측에 물공급관(35)을 구성하여 초음파가 실려진 물이 분사되는 것을 특징으로 한다.
도시한 바와 같이, 도11은 칫솔모 대신에 치석제거장치(30)를 부착한 경우를 나타내고 있다. 가정에서 손쉽게 육안에 보이는 치석을 제거하기 위한 장치로 치석제거 장치(30)를 음향임피던스메칭층(14)가 포함된 형태로 구성하고, 치석제거장치(30) 일측에 물공급관(35)을 구성하여 치석제거장치(30) 끝단에 초음파가 실려진 물이 분사되고 물속에 포함된 케비테이션이 치석에 작용하여 플러그가 분해 되도록 하는 것이다.
또한, 물이 없는 상태에서 눈에 보이는 치석을 치석제거장치(30)의 초음파진동에 의하여 제거하는 것도 가능하다.
부가적으로 초음파의 세정원리를 설명하면 초음파 진동자(20)가 구동될 때 부가적으로 발생되는 전기분해 작용에 의해 발생된 양의 수소 이온에 전자를 공급하여 수소를 배출하고 수산화이온(OH-)이 물분자(H2O)와 반응하여 H3O2-”라는 계면활성제를 생성되게 하여 세척 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
상기에서 칫솔모와 초음파 진동자 부착부위는 자수정 또는 토르말린 등과 같이 외부 압력에 의해 음이온 방출이 가능한 광석이 함유된 합성수지로 만들어지고, 이들 합성수지내의 광물질들은 초음파 진동자의 진동이 칫솔모나 진동자 부착용 헤드에 전달됨에 따라 압력이 인가되어 음이온 발생을 증가시키며, 금속탄성체는 스테인레스, 알루미늄, 티타늄합금, 듀랄루민등으로 만들어진다.
또한 상기 금속탄성체를 알루미늄 계통의 금속으로 만들 경우에는 알칼리용액에 의한 산화 현상을 제거하기 위하여, 아노다이징(anodizing)이나 크롬도금 또는 티타늄(Ti)코팅을 하여야 한다.
초음파 칫솔을 구동시키면 구강내의 구액(口液)과 치약과 물이 혼재된 용액에 캐비테이션이 발생된다.
이때 캐비테이션 내부는 약3300K의 온도와 313atm의 기압으로 고온, 고압 상태이며 따라서, 물분자 및 휘발성물질들이 열분해가 발생하게 된다.
또한, 캐비테이션 영역 주위의 용액에는 약 4mM의 수산화이온(HO-)이 존재하며, 이 캐비테이션의 붕괴시 1900K온도가 발생하고, 비휘발성 물질과 이온화합물이 산화되거나 열분해가 발생한다.
한편, 기포를 둘러싼 용액은 실온상태이며 과산화 수소가 축적되어 있다. 캐 비테이션 영역의 계면에 존재하는 수산화이온은 물분자와 반응하여 H3O2- 라는 계면활성제를 만들어 세척효율을 증대시키며, 물을 약알칼리로 변화시킨다.
상기와 같이 초음파진동자의 상하좌우 운동과 회전운동에 의하여 초음파가 일으키는 캐비테이션 영역이 넓어지게 함으로서 수산화이온의 발생량을 극대화시킬 수 있게 된다. 이러한 본 발명의 칫솔모를 통하여 초음파가 용액에 전달되어 강력한 케비테이션이 발생하고 이때 발생된 캐비테이션은 잇몸과 치아 구석구석에 전달되어 연질 플라그 및 박테리아 등을 살균 제거하는 효과를 나타내게 된다.
또한, 칫솔모의 초당 4만회이상 상하좌우 운동 및 회전운동에 의하여 치아표면의 이물질을 제거하는 기계적 브러싱 효과를 거둘 수 있다.
상기한 바와 같은 구성 및 작용은 하나의 실시예로서 본 발명의 청구범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 변경하지 아니하는 범위내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에 종사하는 자에게는 자명한 것이다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔에 의하면,
보다 용이하게 칫솔모를 교체할 수 있을 뿐 아니라, 초음파 진동자로부터 발생되는 초음파가 초음파칫솔모를 통하여 구강 내에 전달되며, 칫솔모를 치석제거장치로 교체하여 사용할 수 있도록 하고, 캐비테이션 영역을 증가시켜 보다 치아 및 잇몸 세정 및 치료 효과를 높일 수 있다.
또한, 초음파 진동자의 세기를 증기시켜 구강 내부에 저장된 세척수를 음이온화시키고 계면활성 이온이 발생되게 함으로써 보다 세척 효과를 상승시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 칫솔모 장착부위를 갖는 칫솔에 있어서,
    초음파진동을 증폭하여 전달하는 금속 탄성체와 압전 세라믹을 볼트로 체결하며 하기식의 모드를 갖는 초음파진동자와;
    Figure 112004051384582-pat00006
    (λ: 파장, Fr(λ/4):공진주파수, C:금속탄성체의 음속, n : 홀수)
    초음파 진동을 발생시키는 구동회로와;
    구동 전원을 공급하는 충전용배터리팩;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 진동자는 칫솔손잡이부의 초음파진동자와 구동회로를 격리하는 격리판(5)에 초음파진동자의 후방금속탄성체(10)가 탄력 있게 끼워지기 위한 탄성고무나 수지(8)가 삽입되어 있고, 전방금속탄성체와 압전세라믹 경계부위가 돌출되어 방수를 목적으로 손잡이부의 홈(6)에 실리콘고무패킹(7)으로 끼워 결합하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  3. 제 1 항에 있어서,
    초음파진동자의 전방금속탄성체 끝단에 초음파가 칫솔모에 효과적으로 전달될 수 있도록 전방금속탄성체와 음향임피던스가 유사한 음향임피던스메칭층이 형성되고, 초음파진동의 강도를 고려하여 음향임피던스메칭층의 경사각도를 0~45°각도로 조절할 수 있고, 칫솔모의 돌출부가 손잡이 일단의 걸림홈에 밀착될 때 전방금속탄성체와 음향임피던스메칭층이 밀착될 수 있는 탄성이 유지되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파진동자의 진동모드는
    전방금속탄성체의 길이가 λ/4모드인 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파진동자의 진동모드는
    전방금속탄성체의 길이가 3λ/4모드인 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 탄성체는,
    알칼리용액에 의한 산화 현상을 제거하기 위하여 아노다이징(anodizing)이나 크롬도금 또는 티타늄(Ti)코팅을 하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  7. 제 1 항에 있어서,
    칫솔 손잡이 일측에 착탈 가능토록 장착할 수 있는 음향임피던스메칭층을 포함하여 구성되는 치석제거장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 치석제거장치 일측에 물공급관을 구성하여 초음파가 실려진 물이 분사되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
  9. 칫솔모 장착부위를 갖는 칫솔에 있어서,
    칫솔 손잡이 일측 홈에 판스프링을 형성하여 칫솔모의 걸림턱이 착탈 가능하게 장착되어 일정한 체결력이 유지되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 진동자를 이용한 초음파 칫솔.
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