Brevet FR2862204A1 — publié le 20050520

La présente invention concerne les appareils d'épilation utilisés par applications cutanées locales et émettant des impulsions de rayonnement visible et/ou infrarouge (V/IR), ces impulsions étant générées par une lampe flash - généralement au xénon - dans laquelle se décharge de l'énergie électrique préalablement stockée dans un ou plusieurs condensateurs. Tous ces appareils produisent des impulsions dont la durée est comprise entre 5 et 50 ms, ce qui est exceptionnellement long pour un flash, et présente, pour cette raison, des problèmes spécifiques de régulation. On sait par expérience que la réponse cutanée est la meilleure si les impulsions V/IR présentent une forme assez carrée, avec une puissance instantanée assez stable pendant toute leur durée. Parmi les appareils existants et se rapprochant bien de ces caractéristiques, on peut citer les appareils à décharges trapézoïdales qui comportent en boucle: un condensateur, un interrupteur et une lampe flash. Les deux inconvénients majeurs des appareils à décharges trapézoïdales sont la forte sollicitation de la lampe flash et le surdimensionnement du condensateur. Face à la forte sollicitation de la lampe, soit celle-ci est de fabrication ordinaire, bon marché en Borosilicate -aussi appelé couramment PYREX - elle s'use rapidement et doit être remplacée souvent, soit elle est fabriquée en Quartz pour offrir une meilleure durée de vie, mais à un prix beaucoup plus élevé. Quant au condensateur, son surdimensionnement présente l'inconvénient d'augmenter sensiblement le prix de fabrication des appareils, ainsi que leur volume et leur masse. La présente invention vise à réduire la sollicitation de la lampe flash, et à améliorer sensiblement le taux d'utilisation du condensateur, dans le respect d'une puissance instantanée assez stable pendant l'impulsion V/IR. Plus précisément, la présente invention consiste en un appareil d'épilation pour applications cutanées locales, fonctionnant par une série d'impulsions d'un rayonnement visible et/ou infrarouge générées par une série d'impulsions d'un courant électrique traversant une lampe flash en y formant un arc électrique, ce courant provenant d'une série de décharges d'un condensateur électrolytique et étant commandées par un interrupteur électronique tout ou rien à commutation rapide, ces trois éléments étant disposés en une boucle principale, caractérisé en ce que pendant chaque décharge du condensateur, le courant traversant la lampe génère une tension de mesure proportionnelle à ce courant et qui, comparée à une tension de référence, permet de commander avec hystérésis l'état ouvert ou fermé dudit interrupteur et de réguler ainsi ledit courant par son découpage haute fréquence autour d'une intensité déterminée. Avantageusement, la boucle principale comporte une résistance, ou autre transducteur courant-tension, générant la tension de mesure par le courant qui la traverse. De préférence, la boucle principale comporte une inductance et d'autre part une diode de roue libre est également incorporée dans une boucle additionnelle comportant une partie commune avec la boucle principale. En général, une temporisation de durée tinterdit est incorporée à la commande de l'interrupteur de telle sorte que chaque ouverture de cet interrupteur est suivie d'un temps tinterdit pendant lequel il lui est interdit de basculer à nouveau à l'état fermé, tinterdit étant significativement plus long que le temps de commutation de l'interrupteur mais inférieur au temps nécessaire à la lampe pour s'éteindre. De préférence, le courant traversant la lampe est régulé à une valeur restant sensiblement inférieure à la valeur du courant pour laquelle l'expansion de l'arc électrique atteint les parois intérieures de la lampe flash. En plus de la description qui précède, la présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, et qui est donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins de la planche unique dans laquelle: La figure 1 représente un schéma de base d'un appareil à impulsions trapézoïdales de l'art antérieur, la figure 2 montre un diagramme tension /temps, soit u/t, de la tension aux bornes du condensateur d'un appareil selon la fig. 1 pendant une impulsion de type trapézoïdale, la figure 3 montre un diagramme puissance instantanée/temps, soit Pimp/t, de la lampe flash d'un appareil selon la fig.l pendant une impulsion de type trapézoïdale, la figure 4 représente un schéma d'un mode de réalisation préféré d'un appareil selon la présente invention, la figure 5 montre un diagramme tension/temps, soit u/t, de la tension aux bornes du condensateur de la 25 fig. 4 pendant une impulsion, la figure 6 montre un diagramme puissance instantanée/temps, soit Pimp/t de la lampe flash d'un appareil selon la fig.4 pendant une impulsion. Dans ce qui suit les termes et abréviations utilisés ont les significations suivantes: condensateur "CE", signifie un ou plusieurs condensateurs électrolytiques, arrangés en série ou parallèle ou sérieparallèle et destiné(s) à stocker de l'énergie électrique en vue de sa restitution, totale ou partielle, à la lampe flash. - par impulsion "V/IR" on désigne l'impulsion 5 visible et/ou infrarouge destinée à produire sur la peau l'effet d'épilation. - par interrupteur "SW" on désigne un interrupteur électronique capable de commutations rapides. - lampe "LE" signifie la ou les lampes flash, arrangée(s) en série ou parallèle ou série-parallèle. - Ui représente la tension aux bornes de CE au début d'une impulsion (Ui pour tension initiale). - Uf représente la tension aux bornes de CE à la fin d'une impulsion (Uf pour tension finale) La figure 1 montre une lampe LF, un condensateur CE et un interrupteur SW disposés en boucle. L'interrupteur SW est commandé dans l'état ouvert ou fermé par une impulsion rectangulaire provenant d'un dispositif classique non représenté. Suivant les fig. 2 et 3, le fonctionnement de cet appareil de l'art antérieur se décompose en trois phases: 1 ) Allumage de la lampe alors que le condensateur CE est chargé à une tension Ui. Pendant cette phase d'allumage, l'arc électrique d'abord capillaire, et consommant un courant faible, augmente naturellement de diamètre jusqu'à entrer en contact avec la paroi interne de la lampe. Cette augmentation de diamètre, ou expansion, génère une réduction correspondante de l'impédance de la lampe et donc une augmentation du courant. L'ordre de grandeur de temps de ce phénomène se situe vers 100ps. 2 ) Maintien en l'état allumé de la lampe, grâce au maintien en l'état fermé de l'interrupteur SW. Pendant toute cette phase la tendance naturelle à l'expansion de l'arc est interdite car il bute déjà sur la paroi interne de la lampe; on dit que l'arc est confiné. De ce fait, il n'y a plus de croissance du courant, et même une décroissance en raison de la baisse de tension aux bornes du condensateur CE qui est en cours de décharge. Le contact physique entre l'arc électrique et la paroi de la lampe est un élément majeur de vieillissement de celle-ci. Mais ce contact est nécessaire pour imposer à l'arc électrique de conserver, pendant toute la durée de l'impulsion souhaitée, une section faible, donc une impédance relativement élevée et une puissance instantanée dans les limites souhaitées malgré la tension élevée nécessaire au fonctionnement de toute lampe flash. L'ordre de grandeur de puissance développée dans la lampe pendant cette phase est de 10kW, pour une durée de quelques dizaines de ms. 3 ) Interruption du fonctionnement de la lampe par ouverture de l'interrupteur SW au moment où l'impulsion V/IR a duré le temps souhaité. A ce moment la tension aux bornes du condensateur CE est Uf. Uf est inférieure à Ui en raison de l'énergie que le condensateur CE a restituée à la lampe. Rapidement après l'ouverture de SW, l'arc électrique qui n'est plus alimenté, se contracte sur lui-même, son diamètre diminue et il fini par s'éteindre. Ce phénomène dont l'ordre de grandeur de temps se situe vers 100ps, se trouve allongé par l'inductance du câblage, ou par une inductance éventuellement intégrée dans le circuit. Les paramètres théoriques et empiriques qui régissent la puissance développée dans une lampe flash fonctionnant en mode confiné sont tels que l'appareil de l'art antérieur est équipé de lampes présentant un rapport LA/DA (avec LA pour longueur de l'arc, et DA pour diamètre de l'arc) grand, généralement compris entre 10 et 50. Il faut aussi savoir que la puissance instantanée d'émission d'une lampe flash contenant un arc confiné, est proportionnelle à u puissance 2,5; U étant la tension aux bornes de la lampe (certaines formules donnent même U puissance 3, mais dans la suite de ce document, nous nous basons sur 2, 5 pour les valeurs chiffrées mentionnées à titre d'exemples). En raison de cette relation entre la puissance et la tension, et pour assurer une différence raisonnablement faible entre la puissance instantanée au début de l'impulsion V/IR et la puissance instantanée en fin d'impulsion, la différence entre Ui et Uf, doit être très faible, et seule une faible partie de l'énergie initialement stockée dans le condensateur est utilisée pour l'impulsion. Le condensateur se trouve sous-utilisé et doit donc être de grande valeur capacitive. Par exemple, pour que la puissance instantanée reste dans la marge de + ou - 10% de sa valeur nominale, il faut avoir Uf = 0,92 x Ui, et dans ce cas, seulement 16% de l'énergie initialement stockée dans CE est utilisée. Ainsi, pour être capable de délivrer 100 J, dans les conditions précédemment décrites, le condensateur CE doit en stocker 625 avant le début d'une impulsion. Ceci représente un surdimensionnement d'un facteur 6. Comme indiqué aux fig. 4, 5 et 6, la présente invention consiste à introduire une régulation de courant de façon que l'arc électrique conserve une section inférieure à celle de la lampe tout en délivrant la puissance nécessaire. De cette façon, l'arc électrique n'exerçant pas de pression intense sur la paroi interne de la lampe, elle vieillit moins vite, et d'autre part, avec la régulation du courant, la lampe peut rester à une puissance sensiblement constante pendant toute la durée de l'impulsion V/IR, même si la différence entre Ui et Uf est grande. Cette différence mène à un taux d'utilisation élevé du condensateur CE qui n'a ainsi plus besoin d'être surdimensionné. La régulation par le courant est choisie car, pour une lampe flash donnée, avec un arc confiné ou non confiné, à courant constant correspond une puissance très stable; alors qu'à tension constante correspond une puissance plus ou moins variable. Selon la fig. 4, un mode de réalisation préféré du dispositif selon la présente l'invention est agencé de la 10 manière suivante: La boucle principale du circuit de puissance du dispositif, désignée par boucle CESW-Rm-INDUC-LF, comporte le condensateur CE, un interrupteur SW, une résistance de mesure Rm (ou autre transducteur courant tension), une inductance INDUC et la lampe LF. En effet, en raison du découpage haute fréquence qui prend place dans le circuit pour contrôler le transfert d'énergie, on préfère incorporer une inductance de lissage INDUC dans la boucle CE-SW-Rm-LF, par exemple entre Rm et LF, et une diode de roue libre D disposée dans une boucle additionnelle Rm-INDUC-LF-D. La diode D remplit deux rôles: - assurer le transfert d'énergie depuis INDUC vers LF lorsque SW est ouvert et que de l'énergie électrique est emmagasinée dans INDUC, - limiter les pointes de tension aux bornes de SW lors de son ouverture, pointes de tension qui sont générées par INDUC ainsi que par les inductances parasites du câblage. Les éléments de régulation comprennent au moins un comparateur de tension Comp et une porte logique. Le comparateur Comp reçoit en entrée une valeur de tension de référence Uref ajustée en fonction du courant moyen auquel on souhaite faire travailler LF, et la tension URm générée aux bornes de Rm. Le comparateur fonctionne avec hystérésis. Comme l'indiquent les fig. 5 et 6, préalablement à la génération d'une impulsion V/IR, le condensateur CE est chargé à la tension Ui par un dispositif connu qui n'est pas représenté. Lors de la conception d'un dispositif selon la présente invention, il faut d'abord connaître la puissance de rayonnement Pimp souhaitée pendant l'impulsion, la durée d'impulsion Timp et la longueur de la lampe Larc. Avec ces paramètres, on peut, soit par calcul grâce aux formules fournies par les fabricants de lampes, soit expérimentalement, trouver la différence de potentiel à appliquer aux extrémités d'une lampe flash expérimentale de diamètre important et de longueur Larc, dans laquelle un arc électrique stabilisé et non confiné génère un rayonnement de puissance Pimp. La valeur trouvée est appelée Ucritic, elle correspond à une valeur de courant Icritic. Une expérience ou un calcul du même type renseignent sur le diamètre de l'arc électrique; ce diamètre est nommé Dcritic. Au-delà de l'étape expérimentale, pour les appareils fonctionnels, pour le diamètre intérieur de la lampe Dlamp on retient Dlamp = Dcritic x 1,4. Pour la tension Uf, on retient une valeur voisine de Ucritic x 1,25, et pour Ui, une valeur voisine de Uf x 4. Les coefficients qui viennent d'être utilisés (1,4 1,25 et 4) peuvent être modulés dans une assez large mesure, mais chacun d'eux est supérieur à 1. Pour la boucle principale du circuit de puissance CE-SW-Rm-INDUC-LF, on préfère, mais de façon non limitative, la disposition suivante: le pôle négatif du condensateur CE, l'interrupteur SW, la résistance de mesure (ou autre transducteur courant-tension) Rm, l'inductance INDUC, la lampe LF (pôle négatif coté INDUC) et le pôle positif du condensateur CE. La boucle additionnelle est formée de la résistance de mesure (ou autre transducteur courant-tension) Rm, l'inductance INDUC, la lampe LF et la diode D. La diode D ayant, dans ce cas, sa cathode connectée aux pôles positifs de LF et de CE. La valeur inductive de INDUC peut être telle que lorsqu'elle est parcourue par un courant de valeur Icritic elle emmagasine une énergie électrique comprise entre le 1/100 et 1/1000 de l'énergie électrique transférée à LF lors de chaque impulsion V/IR. Pour démarrer une impulsion, il faut rendre LF conductrice, par exemple au moyen d'une impulsion très haute tension selon une méthode classique et connue pour les lampes flash, et assurer la fermeture de SW. A ce moment le courant, d'abord nul, croît dans la boucle CE-SW-Rm-INDUC-LF car l'arc électrique augmente de section et INDUC ralentit l'évolution du courant. Ce courant crée une différence de tension URm aux bornes de Rm. Lorsque URm a dépassé Uref, la sortie de Comp change d'état. Ce changement d'état commande l'ouverture de SW. Une fois SW ouvert, le courant dans la boucle Rm-INDUC-LF-D décroît jusqu'à un seuil qui génère à nouveau le basculement de la sortie de Comp. Ce basculement commande la fermeture de SW si Timp n'est pas écoulé. Pour une impulsion complète, ces cycles se reproduisent autant de fois que nécessaire. A l'intérieur de chaque cycle le courant qui traverse Rm (et donc celui qui traverse LF) est régulé autour de Icritic, avec une ondulation dont l'amplitude dépend de l'hystérésis de Comp. Les valeurs de puissance instantanée mises en jeu étant très élevées, il faut porter une attention particulière à SW dont il a été mentionné que c'est un commutateur tout ou rien rapide. Le mot rapide se rapporte à ses changements d'état, qui durent quelques centaines de nanosecondes, mais pendant chaque commutation il est le siège d'une dissipation thermique instantanée très importante. Cette dissipation thermique moyenne reste acceptable s'il n'y a pas de successions trop rapides de commutations. Pour garantir cette condition on peut augmenter l'hystérésis sur la régulation du courant à travers LF, ou incorporer dans la commande de SW une temporisation Tinterdit (non représentée) de quelques dizaines de microsecondes qui impose le maintien de SW à l'état ouvert après chaque passage de l'état fermé à l'état ouvert. De cette façon, SW ne peut pas être sollicité pour des cycles très rapides fermeture-ouverture-fermeture, et lorsque la temporisation Tinterdit intervient, elle contribue à réduire la puissance de transfert d'énergie à la lampe, ce qui peut altérer la qualité du résultat fonctionnel, mais place SW dans une zone de travail mieux sécurisée. La partie des circuits qui génère Tinterdit si cette partie optionnelle existe, est placée dans la chaîne des signaux près de SW. De cette façon, en présence d'un éventuel signal parasite perturbant les circuits, SW a les meilleures chances d'être protégé contre une sollicitation accidentelle à fréquence trop élevée. En l'absence de perturbation électromagnétique exceptionnelle, la sécurité apportée par Tinterdit n'intervient pas. Avec un tel procédé de régulation, il est théoriquement possible de choisir une valeur de Ui très élevée par rapport à Uf, par exemple Ui = 10 x Uf. Dans ce cas, le condensateur CE serait utilisé à 99%, mais SW devrait supporter une tension élevée et son prix augmenterait exagérément. Un bon compromis entre les aspects techniques et financiers consiste à choisir le rapport Ui/Uf entre 3 et 5. A la fig.5, avec Ui = 4 x Uf, après une impulsion il ne reste que 1/16ième de l'énergie initialement stockée dans CE. Le taux d'utilisation de CE est de 15/16, soit de 93,7% contre 16% dans l'exemple cité relativement à l'art antérieur à la fig. 2. La fig. 6 représente à titre indicatif, un résultat qui peut être obtenu avec la puissance instantanée qui reste dans la marge de + ou - 10% de sa valeur nominale pendant une décharge V/IR, alors que taux d'utilisation de CE est de 93,7% pendant la même décharge. Les appareils selon l'invention sont plus petits, leur fabrication est plus économique, et ils consomment des 10 lampes moins onéreuses que les appareils de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1) Appareil d'épilation pour applications cutanées locales, fonctionnant par une série d'impulsions d'un rayonnement visible et/ou infrarouge (V/IR) générées par une série d'impulsions d'un courant électrique traversant une lampe flash (LF) en y formant un arc électrique, ce courant provenant d'une série de décharges d'un condensateur électrolytique (CE) et étant commandé par un interrupteur électronique (SW) tout ou rien à commutation rapide, ces trois éléments étant disposés en une boucle principale (CESW-LF), caractérisé en ce que pendant chaque décharge du condensateur, le courant traversant la lampe (LF) génère une tension de mesure (URm) proportionnelle à ce courant et qui, comparée à une tension de référence (Uref), permet de commander avec hystérésis l'état ouvert ou fermé dudit interrupteur (SW) et de réguler ainsi ledit courant par son découpage haute fréquence autour d'une intensité (Icritic) déterminée. 2) Appareil selon revendication 1, caractérisé en ce que la boucle principale (CE-SW-LF) comporte une résistance Rm, ou autre transducteur courant-tension, générant la tension de mesure URm par le courant qui la traverse. 3) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que d'une part la boucle principale comporte une inductance (INDUC) et que d'autre part une diode de roue libre (D) est également incorporée dans une boucle additionnelle (Rm-INDUC-LF-D) comportant une partie commune avec la boucle principale. 4) Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce qu'une temporisation (T interdit)' de durée tinterdit est incorporée à la commande de l'interrupteur (SW) de telle sorte que chaque ouverture de cet interrupteur est suivie d'un temps tinterdit pendant lequel il lui est interdit de basculer à nouveau à l'état fermé, tinterdit étant significativement plus long que le temps de commutation de l'interrupteur mais inférieur au temps nécessaire à la lampe pour s'éteindre. 5) Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce le courant traversant la lampe (LF) est régulé à une valeur restant sensiblement inférieure à la valeur du courant pour laquelle l'expansion de l'arc électrique atteint les parois intérieures de la lampe.