EP1664704A1 - Kraftmesswandler - Google Patents

Kraftmesswandler

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Publication number
EP1664704A1
EP1664704A1 EP04765375A EP04765375A EP1664704A1 EP 1664704 A1 EP1664704 A1 EP 1664704A1 EP 04765375 A EP04765375 A EP 04765375A EP 04765375 A EP04765375 A EP 04765375A EP 1664704 A1 EP1664704 A1 EP 1664704A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer according
force transducer
force
measuring
oscillator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04765375A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno Starek
Helmut Purner
Franz Vekörrer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Occluscan AG
Original Assignee
Occluscan AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Occluscan AG filed Critical Occluscan AG
Priority to EP04765375A priority Critical patent/EP1664704A1/de
Publication of EP1664704A1 publication Critical patent/EP1664704A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6814—Head
    • A61B5/682—Mouth, e.g., oral cavity; tongue; Lips; Teeth
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/22—Ergometry; Measuring muscular strength or the force of a muscular blow
    • A61B5/224—Measuring muscular strength
    • A61B5/228—Measuring muscular strength of masticatory organs, e.g. detecting dental force
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C19/00—Dental auxiliary appliances
    • A61C19/04—Measuring instruments specially adapted for dentistry
    • A61C19/05—Measuring instruments specially adapted for dentistry for determining occlusion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/127—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using inductive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
    • G01L5/0076—Force sensors associated with manufacturing machines
    • G01L5/0085—Force sensors adapted for insertion between cooperating machine elements, e.g. for measuring the nip force between rollers

Definitions

  • the invention relates to a transducer for determining physical or mechanical quantities.
  • force encompasses all variables that can be defined by force, such as pressure, acceleration, torsion, etc.
  • the temperature can also be determined in connection with the use according to the invention of a measurement sensor with pyroelectric properties.
  • the known transducers are usually very complicated, both electronically and mechanically, and are therefore of expensive construction and, as a result, are very susceptible to faults. In most cases, a mechanically complex and therefore expensive force transmission element is provided as the sensor, which is sometimes not suitable for thin sensors.
  • AI is a device for measuring the expansion of full bodies, especially internal ones Strain processes known, wherein an inductance is introduced into the solid body during the manufacturing process, and the change in inductance determines the measure of the stretch.
  • the construction of this measuring device is very complex and complex and cannot be used for small or thin sensors.
  • Another disadvantage is the lack of flexibility in changing the location of the sensor.
  • a force measuring cell which has an elastically deformable force transducer for absorbing the weight force and an inductor arranged adjacent to it, whereby the eddy current effect is used due to the sensor arrangement.
  • the disadvantages mentioned are also present here.
  • the present invention has the great advantage that, in combination with inductive, capacitive and / or ohmic sensors, the measurements can be carried out in the low-resistance range, for example 1 ohm.
  • the invention has the advantage that its special designs are suitable for very thin sensors, for example a thickness of less than 20 my in the measuring area, and that the measuring sensor can, in principle, be positioned without complex measures.
  • the galvanic isolation of the transducer from the oscillator circuit also prevents interference on the oscillator.
  • the invention is very well suited for the use of transducers under harsh conditions such as dirt, moisture, etc.
  • the impedance when the physical or mechanical variable acts on the transducer, the impedance changes, which in turn changes the load in the secondary winding that is electrically (conductively) connected to the transducer and that is coupled to the inductance of the oscillator in a transformer arrangement is changed.
  • the ⁇ frequency of the oscillator becomes proportional to the physically acting variable. (e.g. force) changes and this frequency change is evaluated and recorded as an electrical measured variable.
  • transducers with piezo sensors are used to measure physical and mechanical variables such as force, pressure, torsion, acceleration, temperature, etc.
  • Piezo sensors however, have the known disadvantage that they require an electronic voltage amplifier with a very high-resistance input resistor with high-quality insulation or a so-called charge amplifier for the measurement value acquisition.
  • Such electrometer or charge amplifiers are, on the one hand, very complicated to construct and therefore expensive to manufacture, and on the other hand, these amplifiers offer further sources of possible interference.
  • the advantage of the invention is the use of a force transducer according to the invention with a piezoelectric or piezoresistive transducer, the electrodes of which are electrically connected to the secondary winding of the inductor of the oscillator.
  • force acts on the piezoelectric or piezoresistive transducer, the capacitance or resistance, and thereby the impedance of the transducer, is changed.
  • This change in impedance causes a change in the load in the secondary winding and, via the transformer coupling, leads to a change in the frequency of the oscillator.
  • a charge or electrometer amplifier is no longer required and static measurements are also possible.
  • This measuring arrangement offers for all piezoelectric transducers such as quartz, piezoceramic, piezopolymers, e.g. PVDF and its copolymers, polymers with piezo particles or piezo fibers, piezo foams, ferroelectric materials, etc., but also for piezoresistive transducers, such as silicon, the advantages mentioned.
  • piezoelectric transducers such as quartz, piezoceramic, piezopolymers, e.g. PVDF and its copolymers, polymers with piezo particles or piezo fibers, piezo foams, ferroelectric materials, etc.
  • the transducer When using a piezoelectric transducer with pyroelectric properties, a change in the polarization of the piezoelectric material of the transducer is brought about by changes in temperature, which in turn can be detected by the electrodes and, as described above, measured as a frequency change in the oscillator. As a result, the transducer also enables the determination of temperatures.
  • a force transducer according to the invention the vehicle tire pressure and the vehicle tire temperature can be measured simultaneously, for example in a very simple and inexpensive manner.
  • the measuring force transducer according to the invention can also be used to determine the acceleration with a measuring sensor with piezoelectric properties in combination with a seismic mass.
  • a transducer having piezoelectric, piezoresistive or pyroelectric properties is preferred when using the "arranged connected secondary winding around a soft magnetic ring core, for example of ferrite, in transformer coupling.
  • stray losses are of 'magnetic field largely avoided and there is an'" with this electrically ideal "coupling.
  • the preferred sensor according to the invention is a piezo film (PVDF and its copolymers) with a thickness of less than 80 my, preferably less than 30 my, or a liquid PVDF -Copolymer lacquer is used, which can be cast or sprayed very thinly.
  • PVDF piezo film
  • the preferred sensor according to the invention is a piezo film (PVDF and its copolymers) with a thickness of less than 80 my, preferably less than 30 my, or a liquid PVDF -Copolymer lacquer is used, which can be cast or sprayed very thinly.
  • transducers which are formed from piezo foams or so-called ferroelectrets.
  • discolouring or discoloring foils are used, in which the Contact between the upper and lower jaw teeth leads to discoloration of the film, but also to the contact points on the teeth.
  • the film can have a color layer with a dye enclosed in capsules. Depending on the compressive force acting on the ink layer, a different number of capsules is broken up and a different amount of dye is released.
  • Such foils do not allow the strength of the compressive force, in particular the occlusion pressure between teeth, to be precisely determined.
  • the known sensors are relatively complicated in structure and handling, so that they could not prevail over the conventional occlusion contact foils with discoloration.
  • the known sensors have a relatively thick bite section, which affects the accuracy of the occlusion measurement.
  • the two layers must be electrically contacted with the conductor tracks for supplying the input and output signals. Since the bite section has to be changed for each patient for hygienic reasons, this is associated with additional effort.
  • occlusion pressure sensors that are based on the piezo effect (eg US Pat. No. 4,592,727).
  • the known piezo sensors have the disadvantage that they are susceptible to failure in adverse environmental conditions (such as water, dirt, oil etc.) due to the required amplifier with a high-impedance input resistance.
  • DE 197 05 569 Cl turns away from the electrical sensors in the bite area and instead proposes an occlusion force transmission with a pressure fluid.
  • Dentistry can be handled similarly to the previous occlusion film with discoloration, and in particular requires no electrical contact in the bite area.
  • a device makes it possible in particular to determine the dental contact pressure that occurs between the teeth when an upper and a lower jaw are bitten. This dental contact pressure measurement also enables the distance between the pressed teeth to be determined.
  • an oscillator with at least one inductor for determining an acting physical or mechanical force.
  • two or more oscillators can also be provided, for example a measuring and a reference oscillator.
  • the difference in frequency between the two Oscillators can be audibly displayed, for example, according to the so-called beat sum principle.
  • the oscillator for use in accordance with the invention has a specific natural frequency which can be, for example, in the range between 10 kHz and 1 GHz.
  • the oscillator can be a self-oscillating oscillator, or can be excited by a vibration generator.
  • any known LC oscillator such as a Meissner, Hartley or Colpitts oscillator, can be used, and RL and quartz generators can also be used.
  • oscillators are preferably used which are provided with inverters, in particular Schmitt trigger inverters, NAND and / or NOR gates. These oscillators are interesting because they have a very simple and inexpensive structure.
  • a circuit has been found to be particularly suitable which uses a frequency-determining inductance as a transconductance between input and output in the inverter circuit.
  • the inductance is preferably formed from a primary winding with a soft magnetic core, preferably from a rod or toroidal core made of ferrite, but in principle an air coil is also suitable for the measuring principle according to the invention.
  • a ring core has the advantage that the magnetic scattering of the inductance is reduced compared to a rod core and the transformer coupling is thereby improved. This improves the frequency change in the oscillator.
  • the secondary winding of the inductor is electrically conductively connected to the sensor.
  • the sensor has ohmic and / or capacitive and / or inductive properties.
  • the (transition) resistance and / or the capacitance and / or permeability and thereby the impedance of the same is changed, depending on the design of the measuring sensor.
  • This change in impedance influences / changes the load in the secondary winding arranged in a transformer coupling for inductance and thereby changes the frequency of the oscillator.
  • This frequency change which is proportional to the force acting, is evaluated in the evaluation circuit.
  • the force can be determined numerically by units of measurement or, for example, also as a relative measurement not related to units. .
  • the determination of the force is particularly important in dental applications for determining the dental contact pressure or the "chewing pressure and the occlusion". a distance determining • between the mutually gesp essten bodies or Zi'- possible, "the teeth.
  • an embodiment according to the invention is intended in particular for determining the contact pressure occurring between teeth, it can generally be used for determining the pressure between two bodies pressed against one another.
  • the user can also slide the teeth i.e. determine an additional dynamic movement to the side.
  • the sensor can be, for example, an electrically conductive film or an electrically conductive against the wire.
  • the sensor can be formed, for example, from a piezoplate in which the electrodes are electrically connected to the secondary winding and which can be arranged in a transformer coupling around the induction coil.
  • the transducer is made in one piece with the secondary winding as a simple film for dental use and is wound as a measuring strip at least once around the inactivity of the oscillator, which is preferably located in a thin, rod-shaped housing. When the teeth grit, the measuring areas of the measuring strip lying between them touch and the contact resistance is changed, which leads to a frequency change of the oscillator via the transformer coupling.
  • the secondary winding or the one-piece measuring strip is wound at least once around the * inductance of the oscillator. If they are wrapped around the inductor several times, the measuring effect is enhanced.
  • the measuring range or the sensitivity of the measurement can be matched to the respective application area via the transmission ratio of primary winding and secondary winding.
  • the sensor can also be formed from a material with electrically conductive properties, which is provided with an electrically insulating layer at least in the pressure-absorbing area of the bodies pressed against one another.
  • This electrically insulating layer can be formed, for example, by an electrically insulating plastic or, for example, also by a metal oxide.
  • This electrically insulating layer can when pressure is exerted on the bodies pressed against each other in the area of the contact surfaces, so that the contact resistance is influenced.
  • the device according to the invention can be matched to the measurement ranges required in the most varied of application areas by selecting the thickness of the electrically insulating layer of the measurement sensor.
  • the electrically conductive sensor is made of aluminum and has a natural aluminum oxide layer or an anodized layer in at least one measuring area.
  • the senor does not need to have an electrically insulating layer that can be destroyed by pressure. Rather, it is possible to use a transducer made of electrically conductive material, the contact resistance of which> changes when the two bodies or teeth are pressed together, for example in the order of 0.1 mQ to 100 ⁇ , in order to bring about a frequency shift of the oscillator.
  • the electrically conductive film can be designed, for example, as a measuring strip.
  • the measuring strip can be formed by a film made of an electrically conductive material and, for example, its inside can be provided with an electrically insulating layer.
  • the electrically conductive material is in particular a metallic material, for example an aluminum or copper material, that is to say aluminum or an aluminum alloy or copper or a copper alloy.
  • an electrically conductive plastic foil can also be used, for example.
  • the electrically insulating layer of the The measuring strip can be a metal oxide or a piezo layer, for example. It is understood that if an electrically insulating layer is present, it only has to be provided in that area of the measuring strip that lies between the bodies or teeth pressed against one another.
  • the measuring strip can also be provided with an electrically insulating layer on the outside.
  • the sensor can also be formed from an electrically conductive material and an electrically insulating material with ferroelectric properties, for example from an electrically insulating layer with ferroelectric properties.
  • Piezoelectric materials are preferably used for this. Due to the high dielectric constant of these materials , Transducer an additional capacitive load, - di, e leads to a frequency change - of the oscillator. The dielectric constant is influenced by changing the pressure between the pressed bodies.
  • Another advantage of the device according to the invention is that when a piezo element is used as part of the sensor, no amplifier is required for this, since this is coupled to the sensor electronics as a low-resistance capacitive load. This enables the pressure between two bodies pressed against one another to be determined even under adverse environmental conditions, in particular in the humid environment of dentistry.
  • the sensor in particular the film or the measuring strip, can also be made of a ferromagnetic material, in particular a ferromagnetic material with magneto- elastic properties are formed. So amorphous alloys, so-called metallic glass, have proven to be suitable. Materials with magnetoelastic properties are characterized by the fact that their permeability changes under mechanical stress. By using materials with ferromagnetic properties, an improvement of the measurement effect is made possible by a stronger influence on the inductance.
  • the measuring sensor which is preferably designed as a measuring strip, can consist of several layers which alternately consist of an electrically conductive and an electrically insulating material.
  • the layers of electrically conductive material form a plurality of windings which can be activated one after the other in parallel with the pressure acting on the bodies pressed against one another. This enables different measuring and proportional ranges through the number or the selection of the layer materials.
  • the plastic has the advantage that it avoids undesired early contacts on the inside of the measuring strip, and furthermore it gives a measuring strip provided with elevations and depressions a desired reversibility of the measurement-receiving areas, as a result of which a more dynamic measurement is possible.
  • the line-shaped elevations and depressions are preferably arranged at an angle of 45 degrees to the longitudinal direction of the measuring groove. This ensures that the peaks of the ridges intersect at an angle of 90 degrees when collapsed. As a result, the measuring strip is less expensive to manufacture.
  • the elevations and depressions of the measuring strip are preferably produced by the embossing process.
  • the transducer can be provided with a self-adhesive layer for 'attachment to the housing ' of the oscillator, for example. It is also possible to provide the measuring strip with a spring clip in order to attach it to the housing. It is also possible to mount the oscillator To be carried out in such a way that the sensor can be attached to it mechanically, for example with an open sleeve or a spring clip similar to a ballpoint pen.
  • openings can be provided on or in the housing through which the sensor, which is designed, for example, as a measuring strip, is inserted or threaded.
  • the sensor can also be applied to an electrically insulating material.
  • the material can be, for example, paper, silk or a plastic, in particular an elastic plastic.
  • the plastic is preferably such that the sensor can be cleaned by sterilization.
  • the sensor is formed, for example, by a metal foil.
  • noble metals such as gold or silver
  • an insulating substrate e.g. can be applied by vapor deposition.
  • a measuring strip made of an aluminum material has proven to be particularly advantageous. which is 'p' passivated on the inside with an aluminum oxide layer.
  • the thickness of the aluminum oxide layer can be optimized by anodizing the aluminum strip.
  • the measuring strip has a thickness of, - preferably less than : 2-00 " ⁇ ' ⁇ n, in particular less than 100 . ⁇ m. If the measuring strip is bitten, the electrically insulating layer can be destroyed at the occlusion points.
  • another winding around the induction coil which detunes the oscillator. This winding influences the inductance in a transformer coupling and changes the frequency of the oscillator when force is applied.
  • the frequency change caused by the detuning can change cause both an increase and a decrease in the natural frequency of the oscillator, depending on the electromagnetic conditions in the frequency-determining resonant circuit and the choice of the operating point.
  • the frequency change can also be tive and / or ohmic load can be caused.
  • the winding formed by destroying the insulating layer has an ohmic resistance which depends, among other things, on the mechanical contacting at the occlusion points.
  • the two end sections of the measuring strip, on which the pressure to be determined acts lie with their inner sides on top of one another with the electrically insulating or dielectric layer. So that the gauges at the same time forms a capacitance, which leads to a frequency change, depending on how bite when the thickness of the dielectric layer t and thus the distance change of the electrically conductive Folienendabête of the strip and the dielectric constant.
  • the evaluation circuit of the device according to the invention can be a phase lock loop (PLL) circuit and / or for example a PC to which the output signals of the oscillator or the PLL circuit are supplied.
  • PLL phase lock loop
  • the oscillator can be arranged in a housing with a sleeve-shaped section around which the measuring strip is wound.
  • the oscillator is preferably connected wirelessly to the evaluation circuit.
  • the sensor or the film or the measuring strip can also be connected to the oscillator and / or evaluation circuit via a cable.
  • the measuring strip according to the invention preferably has a thickness and flexibility corresponding to a conventional occlusion film with discoloration. On the outside, it can also be provided with a coating for recording the occlusion points by discoloration or discoloration in order to obtain further measurement data.
  • the output signals of the evaluation circuit can, for example, be stored in a memory and / or fed to a display.
  • the display can be formed, for example, by a bar made of light-emitting diodes.
  • the device according to the invention operates in the low-resistance range, it is affected by galvanic effects, e.g. can occur in saliva, not influenced.
  • galvanic effects e.g. can occur in saliva
  • a preferred embodiment of the measuring strip has an electrically conductive layer in the measuring areas. This homogenizes the contact resistance of the measuring ranges and improves the characteristics by means of a more constant measuring signal. Furthermore, e.g. a conductive gel has the advantage that it forms an adhesion of the measuring area, so that the end sections of the measuring strip are fixed to each other and this simplifies handling for the dentist.
  • a preferred embodiment of the measuring strip has a film composite which has an insulating layer (preferably a polymer or an adhesive layer) on the inside, followed by the electrically conductive layer, and subsequently a stabilizing layer (preferably a polymer), at least the measurement-receiving areas being provided with elevations and depressions in such a way that their tips overlap when the measurement strip is folded up during the actual measurement.
  • an insulating layer preferably a polymer or an adhesive layer
  • a stabilizing layer preferably a polymer
  • the measuring strip as a composite preferably has a maximum thickness of 15 ⁇ m, so that the measurement-receiving area, when folded, reaches a maximum thickness of 30 ⁇ m.
  • Such a measuring strip according to the invention has the advantage that it adapts to the three-dimensional shape of the teeth during the measurement and that there is no blocking effect which hinders the final bite. This enables dental contact pressure measurement or chewing pressure measurement in the natural position of the teeth.
  • the measuring strip or a measuring sensor is already incorporated into a part (cap, sleeve) that can be plugged onto the inductor or can be attached to it with an adhesive layer.
  • the force transducer according to the invention together with the use of a measuring strip on which a spacer is attached to at least one measuring area, enables the user in dentistry to determine the preparation height of a tooth to be prepared or to detect a drop below the required preparation height in a targeted manner .
  • a certain minimum thickness of the denture is required depending on the type of construction (all-ceramic, metal-ceramic, polymer, etc.).
  • a crown made of all-ceramic is said to be in the area that the antagonist opposite, reach a minimum thickness of 1.5 mm to 2 mm to be able to withstand the mechanical influences when chewing.
  • the measuring strip When using the invention, he places the measuring strip with the spacer on the tooth to be prepared with the dentition open. When biting, the preferably flexible or rubber-elastic material is compressed, since the spacer has a thickness or height which is above the required minimum height. Where the greatest compression is present, the most pressure is exerted on the measuring strip. This enables the measurement or definition of the smallest distance between the prepared tooth and the antagonist.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the circuit of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows various characteristic curves of the frequency change when the force acting on the measuring strip / sensor
  • FIG. 3 shows a perspective view of a measuring strip wound around the housing of the oscillator
  • FIG. 4 schematically shows the occlusion pressure before and after a dental filling
  • FIG. 5 shows a secondary measurement winding with a piezo element wound around the housing of the oscillator in a perspective representation
  • FIG. 6 shows the perspective illustration of the oscillator for a measurement sensor for determining the tooth occlusion, the dental contact pressure and / or the chewing force
  • FIG. 7 shows a perspective illustration of the part of the oscillator according to FIG. 6 with the primary winding and a plug-on element which can be plugged onto the force transducer, with a measuring strip applied thereon;
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through a measuring strip according to another embodiment
  • FIG. 9 top view of the inside of an opened measuring strip with elevations and depressions
  • FIG. 10 shows a longitudinal section through the measuring strip according to FIG. 9;
  • FIG. 11 shows a plan view of the measuring strip according to FIG. 9 wound around the oscillator and FIG. 10 after wrapping around the oscillator;
  • FIG. 12 shows a plan view of the inside of an opened measuring strip with elevations and depressions according to another embodiment
  • FIG. 13 shows a longitudinal section through the measuring strip according to FIG. 12;
  • FIG. 14 shows a cross section through the lower region of the measuring strip according to FIG. 12;
  • FIG. 15 shows a perspective view of the end sections of the measuring strip after wrapping the oscillator
  • Figure 16 is an enlarged view of the cross section of the measuring strip according to Figure 9 to Figure 11;
  • FIG. 17 shows a longitudinal section through a measuring strip wound around an oscillator with a spacer made of compressible material
  • FIG. 18 shows a schematic view of the measuring strip according to FIG. 17 between two opposing teeth in the final bite.
  • the oscillator 1 has a self-oscillating oscillating circuit with an inductor 2 in the form of an induction coil, several capacitors 3, 4, 5, two ohmic resistors 6, 7 and two Schmitt trigger inverters 8, 9 for forming the output signals.
  • the two Schmitt Trigger inverters 8, 9 are supplied with a low-voltage source (not shown), for example 5 V (eg battery or battery).
  • the sensor or sensor 11 is designed as a one-piece measuring strip and has at least one winding, which, as shown schematically in FIG. 1, forms a secondary winding 30 in a transformer coupling to the inductor 2. Furthermore, a further secondary winding 12 with an ohmic resistor 13 or another load is arranged in a transformer circuit with the inductor 2. With the additional secondary winding 12, the characteristic curve of the frequency change when a force is exerted on the measurement sensor 11 can be optimized.
  • the inductor 2 can also be designed as a differential transformer or differential coil. This embodiment is particularly advantageous if, as mentioned above, two or more oscillators are provided. A differential coil is present when the winding 12 is omitted in FIG. 1. In contrast, the winding 12 is present in the differential transformer and is arranged symmetrically to the primary winding 2.
  • the measuring strip can also be formed by a sensor 11, which is connected to the secondary winding 30 via electrical lines. As shown in FIG. 1, the two lines can be connected via a resistor 29. Such a resistor is advantageous if the measurement sensor 11 has inductive or capacitive, including piezoelectric or piezoresistive properties.
  • FIG. 2 shows five different measurement characteristic curves A, B, C, D and E, whereby the characteristic curve A is largely unusable, while the characteristic curve B has a long proportional range, the characteristic curve C has a shorter proportional range and the characteristic curve D has two proportional ranges.
  • the characteristic curve E shows an increase in the oscillator frequency with an increase in the measuring force.
  • the output signals of the inverter 9 are fed to the evaluation circuit 14, which can be formed, for example, by a PLL circuit, ie a circuit which compares the input frequency with an internal frequency, and generates an output signal 15 if there is a frequency difference. While a digital output signal is generated by the Schmitt trigger inverter 9 for signal extraction, an analog output signal is formed by the PLL circuit.
  • This can to a not shown analog digital converter j ei domestic digital signal converted! and stored in a memory module, not shown, and displayed on a light-emitting diode bar, also not shown. For example, three to ten memory modules can be present, so that three to ten measurements can be displayed in succession on three to ten light bars. This representation allows the dentist to measure the bite force and the tooth spacing several times before, during and after the dental work to be carried out.
  • the oscillator 1 ( Figure 1) is arranged in a sleeve-shaped, approximately pencil-sized housing 16. As indicated by the arrow 10, the oscillator is connected wirelessly to the evaluation circuit 14 (FIG. 1).
  • the measuring strip 11 is wound around the housing 16 in the area of the induction coil 2 (FIG. 1). Its end sections 17, 18 thus form superimposed flags.
  • the measuring strip 11, which has a width corresponding approximately to a tooth, consists for example of an aluminum foil which is provided on its inside 19 with an insulating aluminum oxide layer.
  • the aluminum oxide layer is destroyed at the occlusion point 20, or its layer thickness is at least reduced in such a way that a closed, electrically conductive turn is formed which changes the inductance and thus the frequency of the oscillator 1 (FIG. 1).
  • the measuring strip 11 can also be wound several times around the housing.
  • the measuring strip can also consist of a metal foil without an insulating layer. The contact resistance between the flags 17, 18 then depends on the occlusion pressure.
  • the patient for example, '' '' is eIHE filling in the occluding with the maxillary tooth 21 lower teeth 22, the occlusion pressure is in accordance with (I) measured before the filling for reference and stored Then, the tooth 22 is shown in (II). Provide the filling 23 and sand the filling (III) until the reference occlusion pressure is the same as before the filling (I).
  • dentures such as crowns, bridges, etc.
  • secondary winding 30 is wound several times around housing 16 in the area of induction coil 2 (FIG. 1).
  • the two feed lines 26 of the secondary winding 30 are with the two piezo electrodes 27 of the piezo element 24 connected.
  • the piezo element 24 is influenced as previously described, thereby detuning the oscillator and thus making it possible to determine the occlusion pressure.
  • the oscillator 1 has a handle 31 with a switch 32 for operating the oscillator and a tapered section 33, in which the inductor 2 is arranged, as indicated by dashed lines in FIG.
  • the oscillator 1 is received by a charging station 34, which is inductively coupled to the oscillator 1.
  • the measuring strip or measuring sensor 11 can be provided on a plug-on element 35, which e.g. in the form of a sleeve or a cap can be plugged onto the tapered section 33 with the inductor 2.
  • the sensor 11 can be attached to the plug-on element 35 e.g. be adhesively attachable.
  • the measuring strip 11, which is wound around the inductor 2 is constructed from a plurality of functional layers 36 to 41.
  • the outermost layer 36 which is provided at the two end sections of the measuring tire 11, is formed by a discoloring and / or discoloring material in order to determine the tooth contact points.
  • the adjoining layer 37 constitutes an electrically insulating and stabilizing carrier layer, preferably made of a plastic, for the adjoining, electrically conductive layer 38, which consists for example of a metal such as aluminum.
  • a further electrically insulating layer 39, for example made of plastic, is arranged on the inside of the layer 38, but does not cover the measurement-receiving areas at the two ends of the measuring strip 11.
  • the layer on the measuring areas 40 on the inside of the measuring strip is formed by an electrically conductive and deformable material, for example a gel. Furthermore, an adhesive layer is applied to the inside of the measuring strip, which ends in front of the two measuring areas 40 and which serves to fasten the measuring strip 11 to the plug-on element 35 or directly to the tapered area 33 of the oscillator.
  • the measuring strip 11 has elevations 43 and depressions 44 which run alternately and linearly parallel next to one another.
  • the linear elevations 43 and depressions 44 are arranged obliquely to the longitudinal axis of the measuring strip 11.
  • the elevations 43 and depressions 44 intersect on the ones lying one on top of the other. measuring areas of the end portions of the measuring strip 11 when it is wound around the oscillator portion 33.
  • the intersecting tips 45 of the elevations 43 form electrical contact surfaces, the size of which increases when the measuring-recording regions of the measuring strip 11 are pressed together. By increasing or reducing the contact area, the electrical contact resistance of the measuring strip 11 is correspondingly reduced or increased.
  • the angle alpha which the tips 45 assume can be, for example, 120 degrees, as shown in FIG.
  • the distance a from a tip 45 to the next tip 45 is preferably less than 0.5 mm.
  • FIG. 12 to FIG. 14 show another embodiment of the measuring strip 11 or of the measuring sensor, which differs from the embodiment according to FIG. 9 to FIG. 11 essentially in that the elevations 43 and depressions 44 only in the measuring areas 46 and 47 at the end sections of the measuring strip 11 are provided and extend transversely in one region 46 and longitudinally to the measuring strip 11 in the other region 47.
  • the tips 45 of the ridges intersect at an angle of 90 degrees.
  • spacer 48 made of a compressible material, which is formed for example by a rubber-elastic plastic, at least on an outer side of the measuring area.
  • FIG. 18 shows the sensor according to FIG. 17 in the event of a final bite between a prepared tooth 51 and the opposite tooth 52 in the event of a final bite. It can be seen that the measurement sensor 11 adapts to the shape of the tooth 52. The prepared tooth 51 also compresses the spacer 48. As a result, the spacer 48 is pressed against the sensor 11, with a different pressure, depending on the compression. As can be seen from FIG. 18, a greater pressure is exerted at A by the spacer 48 on the section of the measuring areas 46, 47 arranged there than at B.
  • the thickness of the spacer 48 can be selected such that the distance A can be determined , This is possible in that the compressible material of the spacer 48 from a certain thickness increases significantly the pressure on the measuring areas 46, 47 and thus to a Frequency change of the oscillator 1 leads. This enables the user to determine, for example in area A, whether he has reached the preparation height required for the tooth replacement to be formed when preparing a tooth.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftmesswandler mit einem Oszillator (1) mit einer durch eine Primärwicklung gebildeten Induktivität (2) und einem Messwertaufnehmer (11) mit einer Sekundärwicklung (30), welche mit dem Messwertaufnehmer (11) elektrisch leitend verbunden ist und welche zur Induktivität (2) des Oszillators (1) in transformatorischer Kopplung angeordnet ist. Bei Einwirkung einer Kraft auf den Messwertaufnehmer (11) ändert sich die Impedanz des Messwertaufnehmers (11) und die Last der induktiv gekoppelten Sekundärwicklung (30). Mit einer Auswerteschaltung (14) wird die daraus resultierende Frequenzänderung des Oszillators (1) bestimmt, welche proportional zu der auf den Messwertaufnehmer (11) einwirkenden Kraft ist.

Description

Kraftmesswandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler zur Bestimmung vom physikalischen bzw. mechanischen Größen. Kraft im Sinne der Erfindung erfasst erfindungsgemäß alle durch Kraft definierbaren Größen wie Druck, Bechleunigung, Torsion usw.. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines Messwertaufnehmers mit pyroelektrischen Eigenschaften kann auch die Temperatur bestimmt werden.
Es sind zahlreiche Messwandler zur Bestimmung von physikalischen bzw. mechanischen Größen bekannt. Je nach' Messprinzip werden die einwirkenden Kräfte solcher Messwandler über eine Beeinflussung der Induktivität, der Kapazität oder des Widerstandes erfasst, wobei zu der jeweiligen durch das Messprinzip bedingten Messgröße weitere parasitäre Beeinflussungen vorliegen können, auf welche nachfolgend nicht eingegangen wird.
Die bekannten Messwertaufnehmer sind sowohl elektronisch als auch mechanisch meist sehr kompliziert und dadurch teuer aufgebaut und daraus resultierend sehr störanfällig. Zumeist ist als Messwertaufnehmer ein mechanisch aufwendiges und dadurch teures Kraftübertragungselement vorgesehen, welches für dünne Sensoren mitunter nicht geeignet ist.
Aus der DE 37 35 657 AI ist eine Einrichtung zur Messung der Ausdehnung von Vollkörpern, insbesondere von internen Dehnungsvorgängen bekannt, wobei beim Herstellungsprozess eine Induktivität in den Vollkörper eingebracht wird, und die Änderung der Induktivität das Maß für die Dehnung bestimmt. Der Aufbau dieser Messvorrichtung ist sehr komplex und aufwendig und nicht für kleine oder dünne Sensoren zu gebrauchen. Ein weiterer Nachteil ist die nicht vorhandene Flexibilität der Ortsveränderung des Sensors. Weiters liegt eine galvansiche Kopplung vor, weshalb es zu Störbeeinflussungen kommen kann.
Aus der DE 44 20 691 Cl ist eine Kraftmesszelle bekannt, welche einen elastisch verformbaren Kraftaufnehmer zur Aufnahme der Gewichtskraft und zu diesem benachbart eine angeordneten Induktivität aufweist,- wobei auf Grund der Sensoranordnung mit dem Wirbelströmeffekt gearbeitet wird. Auch hier sind die erwähnten Nachteile vorhanden.
Die gegenständliche Erfindung hat den großen 'Vorteil, dass in Kombination mit induktiven, kapazitiven und/oder ohmschen Messwertaufnehmern die Messungen im niederohmigen Bereich, beispielsweise 1 Ohm, durchgeführt werden können. Dadurch werden im Verhältnis zu den Messbereichen der bekannten Messwandlern Störbeeinflussungen besser vermieden und sind für die Eihaltung von Sicherheitsvorschriften keine kostnauf endigen Baukonstruktionen notwendig. Weiters hat die Erfindung zum Vorteil, dass sie in ihren speziellen Ausführungen für sehr dünne Sensoren, beispielsweise eine Dicke von unter 20 my im messaufnehmenden Bereich, geeignet ist und dass der Messwertaufnehmer prinzipbedingt ohne aufwendige Maßnahmen positioniert werden kann.
Durch die galvanische Trennung des Messwertaufnehmers vom Oszillatorkreis können zudem Störbeeinflussungen am Oszillator vermieden werden. Insbesondere ist die Erfindung zur Anwendung von Messwertaufnehmern unter rauen Bedingungen wie Schmutz, Feuchtigkeit usw. sehr gut geeignet.
Erfindungsgemäß kommt es bei Einwirkung einer physikalischen bzw. mechanischen Größe auf den Messwertaufnehmer zu einer Veränderung der Impedanz in diesem, welche wiederum die Last in der Sekundärwicklung, die mit dem Messaufnehmer elektrisch (leitend) verbunden und die zu der Induktivität des Oszillators in transformatorischer Anordnung gekoppelt ist, verändert. Durch diese Veränderung der Impedanz bzw. der Last wird die ■ Frequenz des Oszillators proportional zur physisch einwirkenden Größe. (z.B. Kraft) verändert und wird diese Frequenzänderung ausgewertet und als elektrische Messgröße erfasst .
In zahlreichen Anwendungen werden zur Messung von physikalischen und mechanischen Größen wie Kraft, Druck, Torsion, Beschleunigung, Temperatur usw. Messwandler mit Piezosenso- ren verwendet .
Piezosensoren haben jedoch den bekannten Nachteil, dass diese zur Messwerterfassung einen elektronischen Spannungsverstärker mit einem sehr hochohmigen Eingangswiderstand mit hochwertiger Isolation oder einen sogenannten Ladungsverstärker benötigen. Derartige Elektrometer- oder Ladungsverstärker sind zum einen sehr kompliziert im Aufbau, und deshalb teuer in der Fertigung, andererseits bieten diese Verstärker weitere Quellen möglicher Störbeeinflussungen.
Eine weiterer bekannter Nachteil von Piezosensoren ist, dass mit diesen prinzipbedingt keine statischen Lasten erfasst werden können. Zwar sind Messwandler aus EP 04 59 069 AI zur Durchführung von nur „quasistatischen" Messungen mit Piezosensoren bekannt, doch benötigen derartige Messwandler wiederum einen teuren und aufwendigen Ladungsverstärker mit entsprechenden Isolationswiderständen.
Vorteil der Erfindung ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen Kraftmesswandlers mit einem piezoelektrischen bzw. piezoresistiven Messwertaufnehmer, dessen Elektroden mit der Sekundärwicklung der Induktivität des Oszillators elektrisch verbunden sind. Beim Einwirken von Kraft auf den piezoelektrischen bzw. piezoresistiven Messwertaufnehmer wird die Kapazität bzw. der Widerstand und dadurch die Impedanz des Messwertaufnehmers verändert . Diese Impedanzveränderung bewirkt eine Veränderung der Last in der " Sekundärwicklung und führt dies über die transformatorische Kopplung zu einer Änderung der Frequenz des Oszillators. Durch dieses erfindungsgemäße Messprinzip wird kein Ladungs- oder Elektrometerverstärker mehr benötigt und sind- auch statische Messungen möglich.
Dieses Messanordnung bietet für alle piezoelektrischen Messwandler wie beispielsweise Quarz, Piezokeramik, Piezopo- lymere, wie z.B. PVDF und dessen Copolymere, Polymere mit Piezopartikeln bzw. Piezofasern, Piezoschäume, Ferroelektre- te usw. , aber auch für piezoresistive Messwandler, wie beisielsweise Silizium, die erwähnten Vorteile.
Bei Verwendung eines piezoelektrischen Messwertaufnehmers mit pyroelektrischen Eigenschaften wird durch Temperaturver- änderungen eine Änderung der Polarisation des piezoelektrischen Materiales des Messwertaufnehmers herbeigeführt, welche wiederum von den Elektroden erfasst und wie zuvor beschrieben als Frequenzänderung im Oszillator gemessen werden kann. Dadurch wird mit dem erfindungsgemäßen Kraft- messwandler auch die Bestimmung von Temperaturen ermöglicht. Durch einen erfindungsgemäßen Kraftmesswandler kann dadurch z.B. in sehr einfacher und kostengünstiger Art der Fahrzeugreifendruck und die Fahrzeugreifentemperatur gleichzeitig gemessen werden.
Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Messkraftwandler mit einem Messwertaufnehmer mit piezoelektrischen Eingenschaften in Kombination mit einer seismischen Masse auch zur Bestimmung der Beschleunigung verwendet werden.
Bevorzugt wird bei Verwendung eines Messwertaufnehmers mit piezoelektrischen, piezoresistiven bzw. pyroelektrischen Eigenschaften die mit diesem elektrisch "verbundene Sekundärwicklung um einen weichmagnetischen Ringkern, beispielsweise aus Ferrit, in transformatorischer Kopplung angeordnet. Dadurch werden Streuverluste des 'Magnetfeldes größtenteils vermieden und kommt es zu einer '„idealen" Kopplung.
Für Anwendungssbereiche, wo sehr dünne oder dreidimensionale Messwertaufnehmer gefordert werden, wie beispielsweise auch in dentalen Anwendungen, wird als erfindungsgemäßer Mess- wertaufnehmer bevorzugt eine Piezofolie (PVDF und dessen Copolymere) mit einer Dicke unter 80 my, vorzugsweise unter 30 my, oder ein flüssiger PVDF-Copolymer-Lack verwendet, der sehr dünn vergossen oder gespritzt werden kann.
Auch für Messwertaufnehmer, welche aus Piezoschäumen bzw. sogenannten Ferroelektreten gebildet werden, lassen sich die erwähnten Vorteile erzielen.
Zur Bestimmung des Okklusionskontakts zwischen zwei aneinander gepressten Körpern werden beispielsweise in der Zahnmedizin ab- oder verfärbende Folien verwendet, bei denen die Berührung zwischen Ober- und Unterkieferzähnen zu einer Verfärbung der Folie, aber auch zu einer Einfärbung der Kontaktpunkte an den Zähnen führt. Weiters kann die Folie eine Farbschicht mit einem in Kapseln eingeschlossenen Farbstoff aufweisen. Abhängig von der auf die Farbschicht wirkenden Druckkraft wird eine unterschiedliche Anzahl der Kapseln aufgebrochen und damit eine unterschiedliche Farbstoffmenge freigesetzt. Eine genaue Bestimmung der Stärke der Druckkraft, insbesondere des Okklusionsdrucks zwischen Zähnen, ist durch derartige Folien aber nicht möglich.
Zur Okklusionsdruckbestimmung sind deshalb auch elektrische Drucksensoren bekannt. So werden nach DE 31 17 284 AI, US 4,521,186, und EP 0 379 524 Bl Sensoren verwendet, die aus zwei jeweils mit Leiterbahnen versehenen Schichten bestehen, zwischen denen eine Widerstandsschicht vorgesehen ist. Bei Druckeinwirkung auf den Bissabschnitt des Sensors wird der Widerstand zwischen den Leiterbahnen der beiden Schichten geändert, und diese Änderung wird als Messgröße erfasst.
Die bekannten Sensoren sind in Aufbau und Handhabung relativ kompliziert, so dass sie sich gegenüber den herkömmlichen Okklusionskontaktfolien mit Verfärbung nicht durchsetzen konnten. Zudem weisen die bekannten Sensoren einen relativ dicken Bissabschnitt auf, worunter die Genauigkeit der Okklusionsmessung leidet. Zudem muß eine elektrische Kontaktierung der beiden Schichten mit den Leiterbahnen zur Zufuhr der Eingangs- und AusgangsSignale erfolgen. Da der Bissabschnitt aus hygienischen Gründen bei jedem Patienten gewechselt werden muß, ist das mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden. Im wesentlichen die gleichen Nachteile weisen Okklusi- onsdrucksensoren auf, die auf dem Piezoeffekt beruhen (z.B. US 4,592,727). Zusätzlich haben die bekannten Piezosensoren den Nachteil, dass diese auf Grund des erforderlichen Verstärkers mit einem hochohmigen Eingangswiderstand in widrigen Umgebungsbedingungen (wie Wasser, Schmutz, Öl etc.) störanfällig sind.Die DE 197 05 569 Cl wendet sich von den elektrischen Sensoren im Bissbereich ab und schlägt statt dessen eine Okklusionskraftübertragung mit einer Druckmittelflüssigkeit vor.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur genauen Bestimmung des Drucks zwischen zwei aneinander . gepressten Körpern, insbesondere des Dentalkontaktdrucks, bereitzustellen, die beispielsweise im Anwendungsbereich der . Zahnmedizin ähnlich wie die bisherige Okklusionsfolie mit Verfärbung gehandhabt werden kann, und insbesondere keine elektrische Kontaktierung im Bissbereich'- erfordert .
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es insbesondere ermöglicht, den beim Zubeissen eines Ober- und eines Unterkiefers zwischen den Zähnen auftretenden Dentalkontakt- druck zu bestimmen. Durch diese Dentalkontaktdruckmessung wird auch die Bestimmung des Abstandes zwischen den aneinander gepressten Zähnen ermöglicht.
Nach der Erfindung ist zur Bestimmung einer einwirkenden physikalischen bzw. mechanischen Kraft ein Oszillator mit wenigstens einer Induktivität vorgesehen. Statt eines Oszillators können auch zwei oder mehrere Oszillatoren vorgesehen sein, beispielsweise ein Mess- und ein Referenzoszillator. Dabei kann die Differenz der Frequenz der beiden Oszillatoren hörbar z.B. nach dem sogenannten Schwebungssum- mer-Prinzip dargestellt werden.
Der Oszillator für die erfindungsgemäße Verwendung weist eine bestimmte Eigenfrequenz auf, die beispielsweise im Bereich zwischen 10 kHz und 1 GHz liegen kann. Der Oszillator kann ein selbstschwingender Oszillator sein, oder durch einen Schwingungsgenerator angeregt werden.
Grundsätzlich kann jeder bekannte LC-Oszillator, wie zum Beispiel Meißner-, Hartley- oder Colpitts-Oszillator, verwendet werden, auch kommen RL- und Quarzgeneratoren in Betracht. Vorzugsweise werden aber Oszillatoren verwendet, die mit Invertem, insbesondere Schmitt-Trigger-Invertern, NAND- und/oder NOR-Gattern versehen sind. Diese Oszillatoren sind deswegen interessant, weil sie einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen. Als besonders geeignet hat sich eine Schaltung .herausgestellt , die eine freqüenzbestim- mende Induktivität als Transkonduktanz zwischen Eingang und Ausgang bei der Inverterschaltung verwendet .
Die Induktivität wird vorzugsweise aus einer Primärwicklung mit einem weichmagnetischen Kern, vorzugsweise aus einem Stab- oder Ringkern aus Ferrit, gebildet, grundsätzlich ist aber auch eine Luftspule für das erfindungsgemäße Messprinzip geeignet. Ein Ringkern hat den Vorteil, dass die magnetische Streuung der Induktivität gegenüber einem Stabkern vermindert und dadurch die transformatorische Kopplung verbessert wird. Dadurch verbessert sich die Frequenzveränderung im Oszillator.
Die Sekundärwicklung der Induktivität ist erfindungsgemäß mit dem Messwertaufnehmer elektrisch leitend verbunden. Der Messwertaufnehmer weist ohmsche und/oder kapazitive und/oder induktive Eigenschaften auf. Bei Krafteinwirkung auf den Messwertaufnehmer wird je nach Ausführung des Messwertaufnehmers der (Übergangs) Widerstand und/oder die Kapazität und/oder die Permeabilität und dadurch die Impedanz desselben verändert. Diese Impedanzveränderung beein- flusst/verändert die Last in der zur Induktivität in transformatorischer Kopplung angeordneten Sekundärwicklung und verändert dadurch die Frequenz des Oszillators. Diese Frequenzveränderung, welche proportional zur einwirkenden Kraft erfolgt, wird in der Auswerteschaltung ausgewertet.
Die Kraft kann erfindungsgemäß zahlenmäßig durch Maßeinheiten ermittelt werden oder z.B. auch als eine nicht auf Einheiten bezogene relative Messung. .Durch die Bestimmung der Kraft ist insbesondere in der dentalen Anwendung zur Bestimmung des Dentalkontaktdruckes bzw., des Kaudruckes und der Okklusion '. auch eine Abstandsbestimmung • zwischen den aneinander gesp essten Körpern bzw. zwischen'-" den Zähnen möglich.
Eine erfindungsgemäße Ausführung ist zwar insbesondere zur Bestimmung des zwischen Zähnen auftretenden Kontaktdrucks bestimmt, sie kann jedoch generell zur Bestimmung des Drucks zwischen zwei aneinander gepressten Körpern verwendet werden.
Durch eine spezielle Ausbildung des messaufnehmenden Bereiches eines verwendeten Messaufnahmestreifens (Erhöhungen/Vertiefungen mit sich schneidenden Spitzen) kann der Anwender auch ein Gleiten der Zähne d.h. eine zusätzliche dynamische Bewegung zur Seite bestimmen.
Der Messwertaufnehmer kann beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Folie oder einen elektrisch leitfähi- gen Draht gebildet werden. Weiters kann der Messwertaufnehmer beispielsweise aus einem Piezoplättchen, bei welchem die Elektroden mit der Sekundärwicklung elektrisch verbunden sind, und welche um die Induktionsspule in transformatorischer Kopplung anordenbar ist, gebildet werden. Für die dentale Anwendung ist der Messwertaufnehmer in einer bevorzugten Variante mit der Sekundärwicklung als einfache Folie einstückig ausgebildet und wird als Messtreifen wenigstens einmal um die Inuktivität des Oszillators, welche sich vorzugsweise in einem dünnen, stabförmigen Gehäuse befindet, gewickelt. Beim Zusammenbeißen der Zähne berühren sich die zwischen diesen liegenden messaufnehmenden Bereich des Messtreifens und wird dadurch der Übergangswiderstand verändert, welcher über die transformatorische Kopplung zu einer Frequenzveränderung des Oszillators führt .
Die Sekundärwicklung bzw. der einstückig ausgebildete Messstreifen, werden wenigstens einmal um -die* Induktivität des Oszillators gewickelt. Wenn sie mehrmals um die Induktivität geschlungen werden, wird der Messeffekt verstärkt.
Generell kann bei der Erfindung der Messbereich bzw. die Sensibilität der Messung über das Übersetzungsverhältnis von Primärwicklung und Sekundärwicklung auf den jeweiligen Anwendungsbereich abgestimmt werden.
Der Messwertaufnehmer kann auch durch ein Material mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften gebildet werden, welches zumindest im druckaufnehmenden Bereich der aneinander gepressten Körper mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist. Diese elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch einen elektrisch isolierenden Kunststoff oder beispielsweise auch durch ein Metalloxid gebildet werden. Diese elektrisch isolierende Schicht kann bei Druckeinwirkung der aneinander gepressten Körper im Bereich der Berührungsflächen zerstört werden, sodass dadurch der Übergangswiderstand beeinflusst wird. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf die in den verschiedensten Anwendungsbereichen erforderlichen Messbereiche durch die Auswahl der Dicke der elektrisch isolierenden Schicht des Messwertaufnehmers abgestimmt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist der elektrisch leitfähige Messwertaufnehmer aus Aluminium gebildet und weist in wenigstens einem messaufnehmenden Bereich eine natürliche Aluminiumoxidschicht oder eine Eloxalschicht auf.
Der Messwertaufnehmer braucht jedoch grundsätzlich keine durch Druckeinwirkung zerstörbare, elektrisch isolierende Schicht aufzuweisen. Vielmehr ist es möglich, einen Messwertaufnehmer aus elektrisch leitfähigem Material einzusetzen, , dessen, Übergangswiderstand sich >beim Zusammenpressen zwischen den beiden Körpern bzw. Zähnen ändert, beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 mQ bis 100 Ω, um eine Frequenzverschiebung des Oszillators herbeizuführen.
Wenn der Dentalkontaktdruck bestimmt wird, kann die elektrisch leitfähige Folie beispielsweise als Messstreifen ausgebildet sein. Weiters kann der Messstreifen durch eine Folie aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet und, beispielsweise seiner Innenseite, mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen sein. Das elektrisch leitfähige Material ist insbesondere ein metallischer Werkstoff, beispielsweise ein Aluminium- oder Kupferwerkstoff, also Aluminium oder eine Aluminiumlegierung bzw. Kupfer oder eine Kupferlegierung. Statt einer Metallfolie kann jedoch auch beispielsweise eine elektrisch leitende Kunststofffolie verwendet werden. Die elektrisch isolierende Schicht des Messstreifens kann beispielsweise ein Metalloxid oder beispielsweise auch eine Piezoschicht sein. Es versteht sich, dass bei Vorhandensein einer elektrisch isolierenden Schicht diese nur in jenem Bereich des Messstreifens vorgesehen sein muss, der zwischen den aneinander gepressten Körpern bzw. Zähnen liegt. Auch kann der Messstreifen an der Aussenseite mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen sein.
Der Messwertaufnehmer kann weiters aus einem elektrisch leitfähigem Material und einem elektrisch isolierenden Material mit ferroelektrischen Eigenschaften, beispielsweise aus einer elektrisch isolierenden Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften, gebildet werden. Vorzugsweise .werden hierfür piezoelektrische Materialien verwendet. Durch die hohe Dielektrizitätskonstante dieser Materialien entsteht beim ;Messwertaufnehmer eine zusätzliche kapazitive Belastung,- di,e zu einer Frequenzanderung- .des Oszillators führt . Die Dielektrizitätskonstante wird durch Veränderung des Drucks zwischen den aneinander gepressten Körpern beeinflusst .
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass bei Verwendung eines Piezoelementes als Teil des Messwertaufnehmer hierfür kein Verstärker benötigt wird, da dieses als kapazitive Last niederohmig an die Sensorelektronik angekoppelt wird. Dadurch wird die Bestimmung des Drucks zwischen zwei aneinander gepressten Körpern auch bei widrigen Umgebungsbedingungen, insbesondere in der feuchten Umgebung der Zahnmedizin, ermöglicht.
Der Messwertaufnehmer, insbesondere die Folie bzw. der Messtreifen, kann auch aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material mit magneto- elastischen Eigenschaften gebildet werden. So haben sich amorphe Legierungen, sogenanntes metallisches Glas, als geeignet erwiesen. Materialien mit magnetoelastischen Eigenschaften zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre Permeabilität bei mechanischer Belastung ändert. Durch Verwendung von Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften wird eine Verbesserung des Messeffektes durch eine stärkere Beeinflussung der Induktivität ermöglicht.
Der vorzugsweise als Messstreifen ausgebildete Messwertaufnehmer kann aus mehreren Schichten bestehen, die abwechselnd aus einem elektrisch leitfähigen und einem elektrisch isolierenden Material bestehen. In einem solchen Messstreifen bilden die Schichten aus elektrisch leitfähigem Material mehrere Wicklungen, die parallel zum Ablauf der Druckeinwirkung der aneinander gepressten Körper nacheinander aktiviert werden können. Dadurch werden durch die Anzahl bzw. der Auswahl der Schichtmaterlien verschiedene Mess- und Proportionalbereiche ermöglicht.
Weiters ist je nach Anwendungsbereich das Aufbringen von weiteren funktioneilen Schichten auf die elektrisch leitfähige Folie bzw. auf den Messtreifen vorgesehen. So ist es möglich an den außenliegenden Messbereiche abfärbende oder verfärbende Schichten aufzubringen, welche es dem Zahnarzt ermöglichen, zusätzlich zum Dentalkontaktdruck die Kontaktpunkte der sich berührenden Zähne zu bestimmen.
Weiters ist es vorteilhaft, eine ca. 5 my bis 10 my dicke Alufolie mit einer aufgebrachten KunststoffSchicht zu stabilisieren. Dies kann nicht nur an der Außenseite, sondern auch an der Innenseite erfolgen, jedoch muss der messaufnehmende Bereich (Bissbereich) von der Kunststoffschicht frei bleiben. Der Kunststoff hat den Vorteil, dass er unerwünschteFrühkontakte an den Innenseiten des Messtrei- fens vermeidet, weiters gibt er einem mit Erhöhungen und Vertiefungen versehenen Messtreifen eine gewünschte Reversibilität der messaufnehmenden Bereiche, wodurch eine dynamischere Messung möglich ist.
Die linienförmigen Erhöhungen und Vertiefungen sind vorzugsweise in einem Winkel von 45 Grad zur Längsrichtung des Messtriefens angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Spitzen der Erhöhungen beim Zusammenklappenb in einem Winkel von 90 Grad schneiden. Dadurch ist der Messtreifen kostengüstiger herzuteilen.
Bevorzug wird derden die Erhöhungen und Vertiefungen des Messtreifens im Prägeverfahren hergestellt.
Der Messwertaufnehmer kann zur 'Befestigung am Gehäuse "des .Oszillators beispielsweise mit- einer selbsthaftenden Schicht versehen sein. Auch ist es möglich, den Messstreifen mit einer Federklammer zu versehen, um ihn am Gehäuse zu befestigen. Auch ist es möglich, das Gehäuse des Oszillators so auszuführen, dass der Messwertaufnehmer mechanisch, beispielsweise mit einer offenen Hülse oder einer Federklammer ähnlich einem Kugelschreiber, darauf befestigt werden kann.
Es gibt weitere zahlreiche Möglichkeiten, um den Messwert- aufnehmer und das Gehäuse lösbar miteinander zu verbinden. So können an oder im Gehäuse Öffnungen vorgesehen sein, durch die der Messwertaufnehmer, welcher beispielsweise als Messstreifen ausgebildet ist, gesteckt oder eingefädelt wird. Der Messwertaufnehmer kann auch auf ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht sein. Das Material kann z.B. Papier, Seide oder ein Kunststoff, insbesondere ein elastischer Kunststoff, sein. Der Kunststoff ist vorzugsweise so beschaffen, dass der Messwertaufnehmer durch Sterilisation gereinigt werden kann.
Der Sensor wird beispielsweise durch eine Metallfolie gebildet. Als Metall kommen z.B Edelmetalle, wie Gold oder Silber, in Frage, die auch auf ein isolierendes Trägermaterial z.B. durch Aufdampfen aufgebracht sein können.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Messstreifen aus einem - Aluminiumwerkstoff herausgestellt/. ,der an der Innenseite mit einer Aluminiumoxidschicht' p'assiviert ist. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht kann durch Eloxieren des Aluminiumstreifens optimiert werden. Der Messstreifen weist dabei eine Dicke von,- vorzugsweise weniger als : 2-00 "<'μτn, insbesondere weniger als 100 .μm auf. Wenn auf den Messstreifen gebissen wird, kann an den Okklusionsstellen die elektrisch isolierende Schicht zerstört werden. Dadurch entsteht, wenn der Messstreifen einmal um die Induktionsspule gewickelt worden ist, um die Induktionsspule eine weitere Wicklung, die den Oszillator verstimmt. Diese Wicklung beeinflusst in transfor atoricher Kopplung die Induktivität und verändert bei Einwirkung von Kraft die Frequenz des Oszillators. Die durch die Verstimmung hervorgerufene Frequenzänderung kann sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung der Eigenfrequenz des Oszillators hervorrufen, je nach den elektromagnetischen Verhältnissen im frequenzbestimmenden Schwingkreis und der Wahl des Arbeitspunktes.
Statt oder zusätzlich zu der so hervorgerufenen induktiven Belastung kann die Frequenzänderung auch durch eine kapazi- tive und/oder ohmsche Belastung hervorgerufen werden. So weist die durch Zerstörung der isolierenden Schicht gebildete Wicklung einen Ohmschen Widerstand auf, der unter anderem von der mechanischen Kontaktierung an den Okklusionsstellen abhängt .
Weiterhin liegen bei dem um die Induktionsspule gewickelten Messstreifen die beiden Endabschnitte des Messstreifens, auf die der zu bestimmende Druck einwirkt, also auf die gebissen wird, mit ihren Innenseiten mit der elektrisch isolierenden oder dielektrischen Schicht aufeinander. Damit bildet der Messstreifen zugleich eine Kapazität, die zu einer Frequenzänderung führt, je nach dem, wie sich beim Biss die Dicke der t dielektrischen Schicht und damit der Abstand der elektrisch leitfähigen Folienendabschnitte des Streifens und die Dielektrizitätskonstante ändern.
Die Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Phase-Lock-Loop- (PLL) -Schaltung sein und/oder beispielsweise ein PC, dem die Ausgangssignale des Oszillators bzw. der PLL-Schaltung zugeführt werden.
Der Oszillator kann in einem Gehäuse mit einem hülsenförmi- gen Abschnitt angeordnet sein, um den der Messstreifen gewickelt wird. Vorzugsweise ist der Oszillator drahtlos mit der Auswerteschaltung verbunden. Zur Messung des Dentalkontaktdrucks braucht damit nur der Messstreifen um das hülsenfδrmige, beispielsweise bleistiftgroße Gehäuse, einmal geschlungen zu werden, worauf der Patient auf die aufeinan- derliegenden Endabschnitte des um das Gehäuse des Oszillators gewickelten Messstreifens beißt. Selbstverständlich kann der Sensor bzw. die Folie oder der Messstreifen mit dem Oszillator und/oder Auswerteschaltung auch über ein Kabel verbunden sein. Der erfindungsgemäße Messstreifen weist vorzugsweise eine einer herkömmlichen Okklusionsfolie mit Verfärbung entsprechende Dicke und Flexibilität auf. Er kann an seiner Außenseite zusätzlich mit einer Beschichtung zur Erfassung der Okklusionspunkte durch Abfärbung oder Verfärbung versehen werden, um weitere Messdaten zu gewinnen.
Die Ausgangssignale der Auswerteschaltung können beispielsweise in einem Speicher abgelegt und/oder einer Anzeige zugeführt werden. Die Anzeige kann beispielsweise durch einen Balken aus Leuchtdioden gebildet sein.
Da. die erfindungsgemäße Vorrichtung im niederohmigeri Bereich axbeitet, wird sie durch galvanische Effekte, die z.B. im Speichel auftreten können, nicht beeinflusst. Dadurch ist zur Einhaltung , der elektronischen Sicherheitsvorschriften auch ein günstiger Aufbau der Elektronik möglich
Eine bevorzugte Ausführung des Messstreifen weist in den messaufnehmenden Bereichen eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Damit wird der Übergangswiderstand der Messbereiche homogenisiert und die Kennlienie durch ein stetigeres Messignal verbessert. Weiters hat z.B. ein leitfähiges Gel den Vorteil, dass es eine Adhäsion der messaufnehmenden Bereich bildet, sodass die Endabschnitte des Messstreifens aneinander fixiert sind und dadurch die Handhabung für den Zahnarzt vereinfacht wird.
Eine bevorzugte Ausführung des Messtreifens weist einen Folienverbund auf, der an der Innenseite eine isolierende Schicht (vorzugsweise ein Polymer oder eine Haftschicht) , im Anschluss daran die elektrisch leitfähige Schicht, im Anschluss daran eine stabilisierende Schicht (vorzugsweise ein Polymer) aufaufweist, wobei wenigstens die messaufnehmenden Bereiche derart mit Erhöhungen und Vertiefungen versehen sind, dass deren Spitzen beim Zusammenklappen des Messtreifens bei der eigentlichen Messung überschneiden.
Bevorzugt hat der Messtreifen als Verbund eine Dicke von maximal 15 my, sodass der messaufnehmende Bereich in zusammengeklappten Zustand eine maximale Dicke von 30 my erreicht .
Ein derartiger erfindungsgemäßer Messtreifen aht den Vorteil, dass er sich der dreidimensionalen Form der Zähne bei der Messung anpasst und dass keine Sperrwirkung vorhanden ist, die den Schlussbiss behindert. Dadurch wird die Dentalkontaktdruckmessung bzw. die Kaudruckmessung in natürlicher Stellung der Zähne ermöglicht.
Bevorzugt für ,eine leichtere Handhabung ist der Messtreifen oder ein Messwertaufnehmer in ein auf die Induktivität aufsteckbares Teil (Kappe, Hülse) bereits eingearbeitet oder mit einer Haftschicht daran befestigbar.
Dem Anwender in der Zahnmedizin wird es durch den erfindungsgemäßen Kraftwandler zusammen mit der Verwendung eines Messtreifens, an welchem an wenigstens einem messaufnehmenden Bereich ein Distanzhalter angebracht ist, ermöglicht, die Präparationshöhe eines zu präparierenden Zahnes zu bestimmen bzw. eine Unterschreitung der geforderten Präparationshöhe gezielt zu erfassen. Für die Anfertigung von Zahnersatz wie beispielsweise Kronen, Brücken, Implantataufbaukonstruktionen usw. wird je nach Ausführungsart (Vollkeramik, Metallkeramik, Polymer usw.) eine bestimmte Mindestdicke des Zahnersatzes gefordert. So soll zum Beispiel eine Krone aus Vollkeramik in dem Bereich, der dem Antagonisten gegenüberliegt, eine Mindestdicke von 1,5 mm bis 2 mm erreichen, um den mechanischen Einflüssen beim Kauen standhalten zu können. Wird diese Mindestdicke unterschritten, besteht die Gefahr der Zerstörung des Zahnersatzes beim Zubeissen. Auch bei Zahnersatz mit einem Metallgerüst benötigt man eine betimmte Mindesthöhe, welche in diesem Fall vor allem der Ästhetik dient, da der Zahntechniker auf das Metallgerüst, welches einen dunklen Kern bildet, mehrere Verblendschichten aufbringen muss, um ein natürliches Aussehen des künstlichen Zahnes zu erreichen. Andererseits soll der Zahnarzt beim Präparieren des Zahnes trotz geforderter Mindesthöhen nur die unbedingt notwendige natürliche Zahnsubstanz abtragen, um diesen nicht dauerhaft zu schädigen. Bei der üblichen Kontrolle der Präparation kann der Zahnarzt auf Grund der Uneinsehbarkeit bei einem geschlossenen Gebiss in vielen Fällen nicht genau erkennen, ob er die Mindesthöhe in wirklich allen Bereichen des präparierten Zahnes erreicht hat. Bei Anwendung der Erfindung legt er den Messtreifen mit dem Distanzhalter bei geöffnetem Gebiss auf den zu präparierenden Zahn. Beim Zubeissen wird das vorzugsweise flexible bzw. gummielastische Material komprimiert, da der Distanzhalter eine Dicke bzw. Höhe aufweist, welche über der geforderten Mindestöhe liegt. An den Stellen, wo die größte Kompression vorliegt, wird der meiste Druck auf den Messtreifen ausgeübt. Dadurch wird die Messung bzw. Definition des geringsten Abstandes zwischen präparierten Zahn und Antagonist ermöglicht.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform der Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 2 verschiedene Kennlinien der Frequenzänderung bei auf den Messstreifen/Sensor einwirkender Kraft;
Figur 3 einen um das Gehäuse des Oszillators gewickelten Messstreifen in perspektivischer Wiedergabe;
Figur 4 schematisch den Okklusionsdruck vor und nach einer Dentalfüllung;
Figur 5 eine um das Gehäuse des Oszillators gewickelte sekundäre Messwicklung mit einem Piezoelement in perspektivischer Wiedergabe;
Figur 6 die- perspektivische Darstellung des Oszillators für einen Messwertaufnehmer zur Bestimmung der Zahnokklusion, des Dentalkontaktdrucks und/oder der Kaukraft;
Figur 7 eine perspektivische Darstellung des Teiles des Oszillators nach Figur 6 mit der Primärwicklung und eines auf den Kraftmesswandler aufsteckbaren AufSteckelementes, mit darauf aufgebrachtem Messtreifen;
Figur 8 einen Längsschnitt durch einen Messtreifen nach einer anderen Ausführungsform;
Figur 9 Draufsicht auf die Innenseite eines aufgeklappten Messtreifens mit Erhöhungen und Vertiefungen;
Figur 10 eien Längsschnitt durch den Messtreifen nach Figur 9; Figur 11 eine Draufsicht auf den um den Oszillator gewickelten Messstreifen nach Figur 9 und Figur 10 nach dem Umwickeln des Oszillators;
Figur 12 eine Draufsicht auf die Innenseite einens aufgeklappten Messtreifen mit Erhöhungen und Vertiefungen nach einer anderen Ausführungsform;
Figur 13 einen Längsschnitt durch den Messstreifen nach Figur 12;
Figur 14 einen Querschnitt durch den unteren Bereich des Messstreifens nach Figur 12;
Figur 15 eine perspektivische Ansicht auf die Endabschnitte des Messtreifens nach dem Umwickeln des Oszillators;
Figur 16 eine vergrößerte Darstellung des Querschnittes des Messtreifens nach Figur 9 bis Figur 11;
Figur 17 einen Längsschnitt durch einen um einen Oszillator gewickelten Messtreifen mit einem Distanzhalter aus komprimierfähigen Material; und
Figur 18 eine schematische Ansicht des Messstreifens nach Figur 17 zwischen zwei gegenüberliegenden Zähnen beim Schlussbiss.
Gemäß Figur 1 weist der Oszillator 1 einen selbstschwingenden Schwingkreis mit einer Induktivität 2 in Form einer Induktionsspule, mehreren Kapazitäten 3, 4, 5, zwei ohmschen Widerständen 6, 7 und zwei Schmitt-Trigger-Invertern 8, 9 zur Bildung der Ausgangssignale auf. Die beiden Schmitt- Trigger-Inverter 8, 9 werden mit einer nicht dargestellten, zum Beispiel 5 V-Kleinspannungsquelle (z.B. Akku oder Batterie) versorgt.
Der Sensor oder Messwertaufnehmer 11 ist als einstückiger Messstreifen ausgebildet und weist wenigstens eine Wicklung auf, die, wie in Figur 1 schematisch dargestellt, eine Sekundärwicklung 30 in transformatorischer Kopplung zur Induktivität 2 bildet. Ferner ist eine weitere Sekundärwicklung 12 mit einem ohmschen Widerstand 13 oder einer anderen Last in Transformatorschaltung zu der Induktivität 2 angeordnet. Mit der weiteren Sekundärwicklung 12 kann die Kennlinie der Frequenzänderung bei Einwirkung einer Kraft auf den Messwertaufnehmer 11 optimiert werden.
Die Induktivität 2 kann auch als Differentialtrafo oder Differentialspule ausgebildet sein. Diese Ausführung - ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn, wie vorstehend erwähnt, -' zwei oder mehrere Oszillatoren vorgesehen sind. Eine Differentialspule liegt dann vor, wenn in Figur 1 die Wicklung 12 wegfällt. Hingegen ist die Wicklung 12 beim Differentialtrafo vorhanden und symmetrisch zur Primärwicklung 2 angeordnet .
Der Messtreifen kann auch durch einen Messwertaufnehmer 11 gebildet sein, der über elektrische Leitungen mit der Sekundärwicklung 30 verbunden ist. Wie in Figur 1 dargestellt, können die beiden Leitungen über einen Widerstand 29 verbunden sein. Ein solcher Widerstand ist vorteilhaft, wenn der Messwertaufnehmer 11 induktive, oder kapazitive, einschließlich piezoelektrische oder piezoresistive Eigenschaften aufweist. In Figur 2 sind fünf unterschiedliche Messkennlinien A, B, C, D und E dargestellt, wobei die Kennlinie A weitgehend unbrauchbar ist, während die Kennlinie B einen langen Proportionalbereich, die Kennlinie C einen kürzeren Proportionalbereich und die Kennlinie D zwei proportionale Bereiche aufweist. Die Kennlinie E zeigt eine Erhöhung der Oszillatorfrequenz bei Steigerung der Messkraft.
Die Ausgangssignale des Inverters 9 werden der Auswerteschaltung 14 zugeführt, die beispielsweise durch eine PLL- Schaltung gebildet sein kann, d.h. eine Schaltung, die die Eingangsfrequenz mit einer internen Frequenz vergleicht, und bei einer Frequenzdifferenz ein Ausgangssignal 15 erzeugt. Während .von dem Schmitt-Trigger-Inverter 9 zur Signalauskopplung ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird, wird durch die PLL-Schaltung ein analoges Ausgangssignal gebildet. Dieses kann mit einem nicht dargestellten Analog- Digital-Konverter jin- ei digitales Signal umgewandelt !und in einem nicht dargestellten Speicherbaustein abgelegt und auf einem gleichfalls nicht dargestellten Leuchtdioden-Balken angezeigt werden. So können beispielsweise drei bis zehn Speicherbausteine vorhanden sein, so dass nacheinander drei bis zehn Messungen auf drei bis zehn Leuchtbalken angezeigt werden können. Diese Darstellung gestattet es dem Zahnarzt, die Bisskraft und den Zahnabstand vor, während und nach den durchzuführenden dentalen Arbeiten mehrfach zu messen.
Gemäß Figur 3 ist der Oszillator 1 (Figur 1) in einem hülsenförmigen, etwa bleistiftgroßen Gehäuse 16 angeordnet. Der Oszillator ist, wie durch den Pfeil 10 angedeutet, drahtlos mit der Auswerteschaltung 14 (Figur 1) verbunden.
Der Messstreifen 11 ist in Figur 3 einmal um das Gehäuse 16 im Bereich der Induktionsspule 2 (Figur 1) herumgewickelt. Seine Endabschnitte 17, 18 bilden damit aufeinanderliegende Fahnen. Der Messstreifen 11, der eine etwa einem Zahn entsprechende Breite aufweist, besteht beispielsweise aus einer Aluminiumfolie, die an ihrer Innenseite 19 mit einer isolierenden Aluminiumoxidschicht versehen ist. Zur Messung des Okklusionsdrucks wird auf die aufeinanderliegenden Fahnen 17, 18 gebissen. Dadurch wird an der Okklusionsstelle 20 die Aluminiumoxidschicht zerstört, oder ihre Schichtdicke zumindest derart verringert, dass eine geschlossene, elektrisch leitende Windung entsteht, die die Induktivität und damit die Frequenz des Oszillators 1 (Figur 1) ändert. Um den Messeffekt zu verstärken, kann der Messstreifen 11 auch mehrmals um das Gehäuse gewickelt sein. Auch kann der Messstreifen aus einer Metallfolie ohne isolierende Schicht bestehen. Der Übergangswiderstand zwischen den Fahnen 17, 18 hängt dann vom Okklusionsdruck ab .
Wenn gemäß Figur: 4 der Patient beispielsweise''»"eihe Füllung in dem mit dem Oberkieferzahn 21 okkludierenden Unterkieferzahn 22 erhält, wird der Okklusionsdruck gemäß (I) vor der Füllung als Referenz gemessen und abgespeichert. Dann wird der Zahn 22 gemäß (II) mit der Füllung 23 versehen und die Füllung so lange abgeschliffen (III) , bis sich der Referenz- Okklusionsdruck wie vor der Füllung (I) einstellt. Beim Einsetzen von Zahnersatz wie beispielsweise Kronen, Brücken usw. hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Druck bzw. der Abstand der benachbarten Zähne des Zahnersatzes vor, während und nach dem Einsetzen in einer Referenzmessung bestimmt wird.
In Figur 5 ist Sekundärwicklung 30 mehrmals um das Gehäuse 16 im Bereich der Induktionsspule 2 (Figur 1) herumgewickelt. Die beiden Zuleitungen 26 der Sekundärwicklung 30 sind mit den beiden Piezoelektroden 27 des Piezoelementes 24 verbunden. Durch Druckausübung auf die Okklusionsstelle 20 wird das Piezoelement 24 wie vorher beschrieben beeinflusst, dadurch der Oszillator verstimmt und so die Bestimmung des Okklusionsdruckes ermöglicht.
Gemäß Figur 6 und Figur 7 weist der Oszillator 1 einen Handgriff 31 mit einem Schalter 32 zur Oszillatorbetätigung und einen verjüngten Abschnitt 33 auf, in dem wie aus Figur 7 gestrichelt angedeutet, die Induktivität 2 angeordnet ist. Der Oszillator 1 wird von einer Ladestation 34 aufgenommen, die mit dem Oszillator 1 induktiv gekoppelt ist.
Wie aus Figur 7 ersichtlich, kann der Messstreifen oder Messwertaufnehmer 11 an einem AufSteckelement 35 vorgesehene sein, das z.B. in Form einer Hülse oder einer Kappe auf den verjüngten Abschnitt 33 mit der Induktivität 2 steckbar ist. Der Messwertaufnehmer 11 kann an dem AufSteckelement 35 z.B. haftend befestigbar sein.
Bei der Ausführungsform nach Figur 8 ist der Messstreifen 11, der um die Induktivität 2 gewickelt ist aus mehreren funktioneilen Schichten 36 bis 41 aufgebaut. Die äußerste Schicht 36, die an den beiden Endabschnitten den Messreifens 11 vorgesehen ist, wird durch ein abfärbendes und/oder verfärbendes Material gebildet, um die Zahnkontaktpunkte zu ermitteln. Die daran anschließende Schicht 37 stellt eine elektrisch isolierende und stabilisierende Trägerschicht, vorzugsweise aus einem Kunststoff, für die anschließende, elektrisch leitfähige Schicht 38 dar, die beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium besteht. An der Innenseite der Schicht 38 ist eine weitere elektrisch isolierende Schicht 39, z.B. aus Kunststoff, angeordnet, die jedoch die messaufnehmenden Bereiche an den beiden Enden des Messstreifens 11 nicht bedeckt. Die Schicht auf den messauf- nehmenden Bereichen 40 an der Innenseite des Messtreifens wird durch ein elektrisch leitfähiges und verformbares Material, beispielsweise ein Gel, gebildet. Ferner ist an der Innenseite des Messstreifens eine Haftschicht aufgebracht, welche vor den beiden messaufnehmenden Bereichen 40 endet und die dazu dient, den Messtreifen 11 am Aufsteckele- ment 35 oder direkt am verjüngten Bereich 33 des Oszillators zu befestigen.
Bei der Ausführungsform nach Figur 9 bis Figur 11 weist der Messtreifen 11 Erhöhungen 43 und Vertiefungen 44 auf, welche abwechselnd und linienförmig parallel nebeneinander verlaufen. Die linienförmigen Erhöhungen 43 und Vertiefungen 44 sind schräg zur Längsachse des Messtreifens 11 angeordnet.
Wie in Figur 11 dargestellt, schneiden sich damit die Erhöhungen 43 und Vertiefungen 44 an den aufeinanderliegen- den . messaufnehmenden Bereichen der Endabschnitte des Messtreifens 11, wenn er um den Oszillatorabschnitt 33 gewickelt ist.
Wenn der Messtreifen 11 bzw. Messwertaufnehmer aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, bilden die einander schneidenden Spitzen 45 der Erhöhungen 43 (Figur 16) elektrische Kontaktflächen, deren Größe zunimmt, wenn die messaufnehmeden Bereiche des Messtreifens 11 zusammengdrückt werden. Durch die Vergrößerung bzw. Verringerung der Kontaktfläche wird der elektrische Übergangswiderstand des Messtreifens 11 entsprechend verringert bzw. vergrößert.
Der Winkel alpha den die Spitzen 45 einnehmen kann z.B. 120 Grad betragen, wie Figur 16 dargestellt. Der Abstand a von einer Spitze 45 zur nächsten Spitze 45 ist vorzugsweise kleiner als 0,5 mm. Figur 12 bis Figur 14 zeigen eine andere Ausführungsform des Messstreifens 11 bzw. des Messwertaufnehmers, die sich von der Ausführungsform nach Figur 9 bis Figur 11 im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Erhöhungen 43 und Vertiefungen44 nur in den messaufnehmenden Bereichen 46 und 47 an den Endabschnitten des Messtreifens 11 vorgesehen sind und in dem einen Bereich 46 quer und in dem anderen Bereich 47 längs zum Messtreifen 11 verlaufen. Wie aus Figur 15 ersichtlich, schneiden sich damit die Spitzen 45 der Erhöhungen in einem Winkel von 90 Grad.
Der Messwertaufnehmer 11 nach Figur 17 weist zumindest an einer Außenseite des messaufnehmnden Bereiches einen Distanzhalter 48 aus einem komprimierfähigen Material auf, welches beispielsweise durch einen gummielastischen Kunststoff gebildet wird.
In Figur 18 ist der Messwertaufnehmer nach Figur 17 bei Schlussbiss zwischen einem präparierten Zahn 51 und dem gegenüberliegenden Zahn 52 beim Schlussbiss dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich der Messwertaufnehmer 11 der Form des Zahnes 52 anpasst . Ferner drückt der präparierte Zahn 51 den Distanzhalter 48 zusammen. Dadurch wird der Distanzhalter 48 an den Messwertaufnehmer 11 gepresst, und zwar mit unterschiedlichem Druck, je nach Kompression. Wie aus Figur 18 ersichtlich, wird also bei A durch den Distanzhalter 48 auf den dort angeordneten Abschnitt der messaufnehmden Bereiche 46, 47 ein größerer Druck ausgeübt, als bei B. Die Dicke des Distanzhalters 48 kann so gewählt werden, dass der Abstand A bestimmbar ist. Dies ist dadurch möglich, dass das komprimierfähige Material des Distanzhalters 48 ab einer bestimmten Dicke zu einer deutlichen Erhöhung des Drucks auf die messaufnehmenden Bereiche 46, 47 und damit zu einer Frequenzveränderung des Oszillators 1 führt. Dadurch ist es dem Anwender möglich, z.B. im Bereich A zu bestimmen, ob er beim Präparieren eines Zahnes die für den zu bildenden Zahnersatz geforderte Präparationshöhe erreicht hat.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftmesswandler, gekennzeichnet durch wenigstens einen Oszillator (1) mit wenigstens einer durch eine Primärwicklung gebildeten Induktivität (2) und wenigstens einen Messwertaufnehmer (11) mit einer Sekundärwicklung (30) , welche mit dem Messwertaufnehmer (11) elektrisch leitend verbunden ist und welche zur Induktivität (2) des Oszillators (1) in transformatorischer Kopplung angeordnet ist, wobei bei Einwirkung einer Kraft auf den Messwertaufnehmer (11) sich die Impedanz des Messwertaufnehmers (11) und die Last der indukt-iv gekoppelten Sekundärwicklung (30) verändert, und eine Auswerteschaltung (14) zur Bestimmung der daraus resultierenden Frequenzänderung des Oszillators (1) , welche proportional zu der auf den Messwertaufnehmer (11) einwirkenden Kraft ist.
2. Kraftmesswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (1) wenigstens eine Kapazität (3, 4, 5) und/oder wenigstens einen Widerstand (6, 7) und/oder wenigstens eine weitere Induktivität aufweist .
3. Kraftmesswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (1) drahtlos mit der Auswerteschaltung (14) verbunden ist.
4. Kraftmesswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (2) des Oszillators (1) einen weichmagnetischen Kern, vorzugsweise einen Staboder-Ringkern aus Ferrit, aufweist.
5. Kraftmesswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivität (2) eine weitere Sekundärwicklung (12) mit einer Last (13) zur Optimierung der Messkennlinie (A, B, C, D, E) zugeordnet ist.
6. Kraftmesswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) und die mit diesem elektrisch verbundene Sekundärwicklung (30) vom Kreis des Oszillators (1) galvanisch getrennt sind.
7. Kraftmesswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) induktive Eigenschaften, und/oder kapazitive Eigenschaften,' und/oder ohmsche Eigenschaften aufweist .
8. Kraftmesswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) ferroelektrische Eigenschaften aufweist .
9. Kraftmesswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) piezoelektrische und/oder piezoresisitve Eigenschaften aufweist.
10. Kraftmesswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennn- zeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) pyroelektri- sche Eigenschaften aufweist .
11. Kraftmesswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) ferromagnetische Eigenschaften aufweist.
12. Kraftmesswandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) ferroelasti- sche bzw. magnetoelastische Eigenschaften aufweist.
13. Kraftmesswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet wird.
14.•__ Kraftmesswandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material ein Metall, vorzugsweise Silber, Aluminium oder Kupfer, ist.
15. Kraftmesswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (1) in einem Gehäuse vorgesehen ist, das einen Abschnitt (33) mit der Induktivität (2) aufweist, um welchen die Sekundärwicklung (30) anordenbar ist.
16. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) und die Sekundärwicklung (30) einstückig ausgebildet sind.
17. Kraftmesswandler einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiger und mit der Sekundärwicklung (30) einstückig ausgebildeter Messwertaufnehmer (11) mit ferromagnetischen Eigenschaften wenigstens teilweise innerhalb der Primärwicklung der Induktivität (2) als induktiver Kern anordenbar ist.
18. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der mess- aufnehmende Bereich des Messwertaufnehmers (11) fo- lienförmig ausgebildet ist.
19. Kraftmesswandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der folienförmig ausgebildete Messwertaufnehmer (11) aus einem elektrisch leitfähigem Material und/oder aus einem Material mit magnetoelasti- αchen Eigenschaften besteht .
20. Kraftmesswandler nach Anspruch 16 und Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der. mit der Sekundärwicklung (30) einstückig als Folie ausgebildete Messwertaufnehmer (11) aus einem Metall, vorzugsweise aus Silber, Aluminium oder Kupfer, oder aus einem metallischen Glas gebildet wird, und wenigstens einmal um die Induktivität (2) wickelbar ist.
21. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der folienförmig ausgebildete Messwertaufnehmer (11) an der Innenseite und/oder an der Außenseite wenigstens eine weitere Schicht (36, 37, 39, 40, 41) mit funktionellen Eigenschaften aufweist.
22. Kraftmesswandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die funktioneile Schicht (36, 37, 39, 40, 41) isolierende und/oder elektrisch leitfähige und/oder stabilisierende und/oder reversible und/oder haftende und/oder abfärbende und/oder verfärbende und/oder bei Krafteinwirkung chemisch reagierende und/oder isolierende, bei Krafteinwirkung zerstörbare, Eigenschaften aufweist .
23. Kraftmesswandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des folienförmigen Messwertaufnehmers (11) in den messaufnehmenden Bereichen (46, 47) eine Schicht (40) aus einem elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit oder ein elektrisch leitfähiges Gel, aufgebracht ist.
24. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) eine elektrisch isolierende Schicht mit fer- roelektrischen und/oder piezoelektrischen Eigenschaften aufweist .
25. Kraftmesswandler nach einem αer vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem messaufnehmenden Bereich (46, 47) des folienförmigen Messwertaufnehmers (11) ein Distanzhalter (48) vorgesehen ist.
26. Kraftmesswandler nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzhalter (48) aus einem elastischen und/oder einem bei Einwirken einer Kraft komprimierfähigen Material gebildet wird.
27. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) als Messstreifen ausgebildet ist.
28. Kraftmesswandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der folienförmige Messwertaufnehmer (11) ferroelektrische und/oder piezoelektrische und/oder piezoresistive und/oder pyroelektrische Eigenschaften aufweist.
29. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) in wenigstens einem messaufnehmenden Bereich (46, 47) Erhöhungen (43) und/oder Vertiefungen (44) aufweist, welche sich in Abhängigkeit von der Größe der auf den Messwertaufnehmer (11) ausgeübten Krafteinwirkung verformen.
30. Kraftmesswandler nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erhöhungen (43) und Vertiefungen (44) abwechseln und linienförmig parallel nebeneinander verlaufen.
31. Kraftmesswandler nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der folienförmige Messwertaufnehmer (11) derart ausgebildet ist, dass sich die Spitzen (45) der Erhöhungen (43) des einen Messbereiches (46, 47) und die Spitzen (45) der Erhöhungen (43) des anderen, darauf liegenden Messbereiches (47, 46) schneiden.
32. Kraftmesswandler nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass sich die linienförmig parallel laufenden Spitzen (45) der Erhöhungen (43) der beiden Messbereiche (46, 47) in einem Winkel von ca. 70 Grad bis 110 Grad, vorzugsweise von 80 Grad bis 100 Grad, schneiden.
33. Kraftmess andler nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen (45) der Erhöhungen (43) einen Winkel (alpha) zwischen 100 Grad und 140 Grad, vorzugsweise zwischen 110 Grad und 130 Grad einschließen und/oder der Abstand (a) von einer Spitze (45) zur nächsten Spitze (45) weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm beträgt.
34. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine e- lektrisch isolierende Schicht und/oder wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht durch Druckeinwirkung zerstörbar ausgebildet ist .
35. Kraftmesswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (11) im messaufnehmenden Bereich (46, 47) eine Dicke von höchstens 150 my, vorzugsweise höchstens 100 my aufweist .
36. Verwendung eines Kraftmesswandlers nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Bestimmung der Temperatur.
37. Verwendung eines Kraftmesswandlers nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Bestimmung der Zahnokklusi- on und/oder des Dentalkontaktdruckes und/oder der Kaukraft .
38. Verwendung eines Kraftmesswandlers nach Anspruch 38, wobei der Messwertaufnehmer (11) im messaufnehmenden Bereich (46, 47) eine Dicke von höchstens 30 my, vorzugsweise von höchstens 15 my aufweist .
39- Verwendung eines Kraftmesswandlers nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwertaufnehmer (11) verwendet wird, dessen Breite im messaufnehmenden Bereich (46, 47) der Breite des zu messenden Zahnes (21, 22) entspricht.
40. Verwendung eines Kraftmesswandlers nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Bestimmung der Präparationshöhe bzw. der Präparationstiefe an einem präparierten Zahn (51) .
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