EP2861146A1 - Intraoral verwendbare sensorvorrichtung - Google Patents

Intraoral verwendbare sensorvorrichtung

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Publication number
EP2861146A1
EP2861146A1 EP13729266.0A EP13729266A EP2861146A1 EP 2861146 A1 EP2861146 A1 EP 2861146A1 EP 13729266 A EP13729266 A EP 13729266A EP 2861146 A1 EP2861146 A1 EP 2861146A1
Authority
EP
European Patent Office
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deformation body
force
sensor device
deformation
bending
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13729266.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Linda Maria Arnold
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP13729266.0A priority Critical patent/EP2861146A1/de
Publication of EP2861146A1 publication Critical patent/EP2861146A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • A61C19/045—Measuring instruments specially adapted for dentistry for recording mandibular movement, e.g. face bows
    • 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
    • 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
    • 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
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0261—Strain gauges
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/04—Arrangements of multiple sensors of the same type
    • A61B2562/046—Arrangements of multiple sensors of the same type in a matrix array

Definitions

  • the invention relates to a sensor device for intraoral measurement of a jaw position, a jaw movement and / or a jaw force with a housing, a deformation body accommodated in the housing, a pressure plate connected to the deformation body for transmitting an external force acting locally on the pressure plate to the deformation body in that the deformation body deforms at least locally, and a sensor arranged on the deformation body for measuring a deformation of the deformation body.
  • the invention relates to a deformation body for such a sensor device.
  • DE 10 2005 006 323 A1 describes a sensor device with which a course of motion and a force of a movable body or body part relative to a fixed housing can be determined.
  • a conventional sensor device in use is shown in FIG. 6 of the cited document: A motion and force initiator is arranged on the upper jaw of a subject and a sensor device is in the area of the lower jaw of the subject discontinued. Now, when the subjects upper and lower jaw approaches each other, a tip end of the force initiator comes into contact with a force introduction surface of the sensor device, and the force acting on the force application surface force is determined by the sensor device. If the subject now moves the upper and lower jaws relative to one another, the tip end moves along a movement path on the force introduction surface, wherein this movement path can be determined and then displayed and / or digitally evaluated and stored.
  • the sensor device described in DE 10 2005 006 323 A1 has a total of three measuring sensors. For example, in this device, when the force initiator is over the center of the force application surface, the device detects the same amplitude of the electrical signals of all three sensors. When the force initiator moves away from the center of the force introduction surface, the amplitudes of the measurement signals of the three sensors change relative to one another, from which the movement path of the force initiator on the force introduction surface can be determined. The amount of force with which the force initiator presses on the force introduction surface can be calculated by a vectorial addition of the individual signals.
  • a total of three suitably arranged sensors and thus three measured values are sufficient to at any time the amount of force acting on the force application surface force (the "jaw (final) force") and the position of the force initiator on the force application surface (the force application site and thus the "jaw position ”) to determine.
  • the sensors are each arranged on a base body made of elastic plastic, which elastically deforms on application of an external force to the force introduction surface.
  • the external one Force is transmitted via an arranged between the base body and force introduction surface further elastic plastic layer on the elastic body.
  • the region of the force introduction surface in which a determination of the force introduction location is exactly possible, is essentially limited to the region of the force introduction surface lying above the sensors, which is approximately triangular in the sensor device of DE 10 2005 006 323 A1. Outside of this "triangle", the measurement accuracy decreases sharply.
  • the object of the present invention is to provide a sensor device for the intraoral measurement of a jaw position, a jaw movement and / or a jaw force, which reliably and reproducibly delivers measured values independently of the location of the force application.
  • the deformation body has a stationary relative to the housing support portion and a force introduction portion on which acts in the pressure plate to be introduced external force.
  • the force introduction portion and the support portion are connected to each other via at least one bending portion, in which deforms the deformation body upon introduction of the external force.
  • the support portion is fixed relative to the housing, and the force introduction portion is movable with force introduction relative to the support portion, in particular tiltable and / or displaceable in the direction of force introduction, said offset or this tilt lead to a deformation in the bending section, which then passes through the sensor is measurable.
  • This pivoting or this offset between the support section and the force introduction section upon application of force are preferably only extremely small, so that they manifest themselves in the bending section in a small but measurable compression or extension of the surface of the deformation body.
  • the invention is based on the finding that the deformation behavior of bodies made of elastic plastics depending on the distance from the deformation center is very complex, and an elastic intermediate layer between force application surface and elastic body further complicates the deformation behavior. Namely, locally in the region of the deformation center, deformation is generally strong, but the elastic body is more or less deformed even in areas spaced from the deformation center, and a general deformation curve is difficult to determine. In addition, in conventional sensor devices large-area sensors are required in order to come to an accurate location measurement in the largest possible area of the printing plate. However, large-area sensors are problematic, especially if they are not uniformly deformed over their entire length.
  • the sensor device according to the invention has a deformation body with a fixed support section, which is coupled via a bending section with a force introduction section, so that the force introduction section is movable relative to the support section.
  • the deformation body is deformed generally only in its bending section in which the sensor is arranged, regardless of where the force is introduced into the force introduction section. From the strength of this deformation and thus from the sensor signal, the amount of force and / or the location at which the force acts on the pressure plate can now be determined.
  • the bending portion of the sensor device according to the invention may be made small, since also a remote from the bending section force in the force introduction section on the pressure plate in a local deformation of the bending section shows, so that no large-area sensors as in the conventional devices are required.
  • the bending portion in which the deformation body is deformed under a force is preferably small with respect to the force introduction portion and the support portion. Its volume may be less than 20%, preferably less than 10%, in particular 5% or less of the total volume of the deformation body. Thus, it is precisely determined at which point of the deformation body the deformation occurs, which makes the deformation predictable and precisely measurable.
  • the deformation body is formed in one piece.
  • the support portion, the bending portion and the force introduction portion are integrally formed with predetermined dimensions of a given material, the bending behavior of the Deformation body can be determined very accurately, and it can be achieved with different inventive sensor devices that are equipped with the same deformation bodies, particularly reproducible measurements.
  • the deformation body is preferably flat, in particular approximately plate-shaped.
  • a piattenförmiger deformation body is particularly easy to produce.
  • a plate is easy to use and convenient for installation in a housing.
  • a pivoting and / or an offset between two sections of a plate are particularly easy to measure.
  • the deformation body is a one-piece metal plate such as an aluminum or steel plate, in particular a stainless steel plate.
  • the modulus of elasticity of these materials is in a suitable range and hardly changes in time even after numerous deformations with repeated application of force. Incidentally, the elasticity behavior of these materials is approximately linear. Other materials are also conceivable, in particular materials whose elasticity behavior is even less temperature-dependent.
  • the bending section can be formed in that the deformation body has at least one local weakening in its surroundings. In the environment of a local weakening, a body deforms more under load than in an unattenuated area. By providing the deformation body with local weakening, an effective bending portion that is easy to manufacture can be produced.
  • the deformation body is a plate with two or more openings, between which the bending section is arranged.
  • the local weakening may be in the form of one or more openings through the deformation body, a material removal on the deformation body and / or a local reduction in the thickness of the deformation body. If the deformation body is integrally formed and plate-shaped, these breakthroughs and / or Materialabtragonne can be milled or cut out during the manufacture of the deformation body and before its insertion into the housing from a first unattenuated and hole-free plate.
  • the bending section is formed in the form of a web connecting the force introduction section with the support section.
  • an at least partially narrow material bridge understood, which extends along a longitudinal direction, and at least in sections, at least one breakthrough is arranged by the deformation of the body.
  • the material thickness of the deformation body in the region of the web in the force introduction direction may be smaller in sections than the material thickness of the rest of the deformation body.
  • the deformation behavior of the deformation body in the bending section can be controlled.
  • the material thickness of a first web portion may be greater than the material thickness of a second web portion. In this way, it can be controlled at which bending points of the bending section designed as a web, the deformation body deforms particularly strongly when the force is applied to the force introduction region.
  • the sensor can then be arranged at the corresponding areas.
  • the web extends radially outwardly from the support section forming a central region of the deformation body in the direction of the force introduction section which runs around the support section.
  • the force introduction portion may be a central portion of the deformation body and the web in the radial direction outwardly toward the support portion which rests on a shoulder of the housing and rotates the force introduction portion.
  • the web may be a double web, the two ends of which are connected to the force introduction portion and the center is connected to the support portion or vice versa, so that the bending portion has a first bend between the web center and the first web end and a second bending point between the web center and has the second bridge end.
  • a further bending point may alternatively or additionally be arranged in a region extending from the edge of the central portion of the deformation body in the direction of the center of the double web. The third bending point runs in the radial direction.
  • a bending section in the form of a double bar has proven to be particularly suitable in the context of good measurement accuracy. This is because with a suitable arrangement of the double web at the individual bending points of the double web different Forces can be measured, so that not only the amount of force and the force application site are measurable, but also the direction of force application and / or torsional and lateral forces.
  • the double web may be arranged such that a first bending point of the web is compressed when a second bending point is stretched to the same extent and vice versa.
  • the sensor for measuring the deformation of the deformation body is preferably arranged on and / or adjacent to the web, since here the deformation of the deformation body is particularly strong and thus accurately measurable.
  • the sensor can be arranged in the middle and / or in the base region of the web.
  • sensors or different measuring resistances of a sensor can be arranged both on a stretching section and on an upsetting section of a web.
  • different measuring resistors of a sensor can be arranged both on the upper side of the web and on the underside of the web. Namely, when the surface of the top of a ridge is stretched, the surface of the bottom is compressed and vice versa.
  • the web can be made particularly thin for this purpose in the direction of force introduction, so that compression and extension match each other (with opposite sign) particularly well.
  • a first sensing resistor of a sensor may be disposed on a surface of a radially inner portion of a radially outwardly extending ridge
  • a second sensing resistor of the sensor may be disposed on the surface of a radially outer portion of the ridge.
  • Both the location of the force and thus the jaw position and the amount of the applied force and thus the jaw force can be determined if the deformation body has at least two, preferably three bending sections, to each of which a sensor for Measuring a deformation of the deformation body is arranged. From the three measured values, the desired quantities can be determined to a first approximation using a linear system of equations or via a matrix equation.
  • the location of the introduction of force can be determined, for example, in polar coordinates or in Cartesian coordinates relative to a center of the deformation body and displayed via a display device or stored in a data processing device.
  • a jaw movement is determined by determining the location of the force application continuously or at certain intervals and displayed and / or stored at certain time intervals passed through force application locations.
  • the force magnitude and / or the force introduction location can be determined particularly well if the support portion is a central portion of the deformation body and the force introduction portion is a peripheral portion of the deformation body which surrounds the central portion, the central portion being connected to the edge portion via the bending portions.
  • the edge portion may have substantially the shape of a circular ring, which partially, particularly preferably completely surrounds the support portion.
  • the support portion may have approximately the shape of an inner circular disc or an inner annulus and rest in its center on the housing.
  • the bending sections may be circumferentially distributed webs, each connecting the edge section to the central section. The webs may extend radially outwards in the direction of the edge section, starting from the central section. Alternatively, they may be designed as double webs whose longitudinal direction extends transversely to the radial direction. Such an embodiment of the invention is shown in Figures 1-4.
  • the force introduction portion may be a central portion of the deformation body, and the support portion may be a peripheral portion surrounding the central portion, the central portion being connected to the edge portion via the bending portions.
  • the support section can partially, particularly preferably completely, circulate the force introduction section. It can be firmly connected to the housing via one or more fixing points. More preferably, it is approximately annular, rests on an approximately annular support shoulder of the housing and is attached to this support shoulder.
  • the bending sections may be circumferentially distributed webs, each connecting the support section to the central force introduction section.
  • the force can be transmitted via a force introduction element connected to the pressure plate or formed integrally therewith a central portion of the force introduction section are initiated.
  • the bending sections are each designed as transverse, in particular approximately perpendicular to the radial direction extending double webs, which are respectively connected at a central portion thereof with the support portion and at the two end portions thereof with the force introduction portion or vice versa.
  • the double webs are preferably substantially axially symmetrical with respect to an axis of symmetry extending radially outwards through its center.
  • the angle between two adjacent double webs can each be 120 °, so that a total of three circumferentially distributed double webs are present.
  • a sensor for measuring a deformation of the respective double web can be arranged. This symmetrical arrangement makes it easier to determine the variables to be determined from the sensor measured values.
  • the deformation body has a 3-fold radial symmetry.
  • the deformation body can have three identically shaped bending sections which mutually enclose an angle of 120 °.
  • the force introduction portion may have three attachment points, via which the pressure plate is attached to the force introduction portion. These attachment points can mutually enclose an angle of 120 ° and can be arranged bevo rgered centrally between two bending sections. This is a proportionality between the measured signals and introduced at the three attachment points in the force introduction section part loads.
  • the deformation body may have a circular outline. Additionally or alternatively, the deformation body may comprise one or more groups of apertures, each group consisting of preferably three circumferentially extending apertures. The adjacent apertures of a group can each enclose an angle of 120 °. Between the openings, the bending sections may be formed. The openings may be formed as the center of the support portion arcuate circumferential slots, between each of which a radially outwardly extending web is arranged, each carrying at least one sensor. Additionally or alternatively, a group of apertures may be provided as slots extending perpendicularly to the radial direction, which are arranged radially outside the arcuate slots and partly overlap with them in the circumferential direction. In this way, a total of three circumferentially arranged double webs can be provided. The 3-fold radial symmetry simplifies the evaluation of the measured values of the sensors. In addition, the susceptibility to error of the sensor device is reduced during manufacture.
  • the sensors are designed as measuring resistors, preferably as strain gauges (DMS).
  • the measuring resistors are connected to an amplifier circuit and / or an electronic evaluation system, which can be arranged inside the housing on a circuit board.
  • an evaluation electronics can be arranged in an evaluation device outside the housing.
  • the measuring resistors in thin-film technology are applied to the deformation body resistors.
  • Each sensor can have one, two or four measuring resistors, which are interconnected in a bridge circuit (quarter bridge, half bridge or full bridge).
  • each sensor has four strain gauges connected in a full bridge.
  • these full bridges are temperature-compensated Wheatstone full bridges.
  • two measuring resistors of a sensor can be arranged in a pressure or tensile stressed zone on the surface of the sensor.
  • the senor has at least one first strain gage arranged along a first bending surface of the deformation body and a second strain gage arranged along a second bending surface of the deformation body, wherein the first bending surface is stretched as a result of a force acting on the pressure plate (stretching portion) the second bending surface is compressed (upset section) and vice versa, and wherein the first strain gauge and the second strain gauge are connected to a half bridge or to a full bridge.
  • the sensor has a total of four measuring resistors, two of which are arranged in a compression portion of a web and the other two in a stretched section of the web.
  • the force introduction section is fixedly coupled to the pressure plate, so that the relative position of the pressure plate and the force introduction section is constant when force is applied to the pressure plate.
  • the pressure plate is held at a distance from the force introduction portion.
  • at least one spacer element can be introduced between the pressure plate and the force introduction section, by means of which this relative position can be fixed and at the same time a required mobility of the force introduction section relative to the support section is made possible.
  • Force introduction section, spacer element (s) and / or pressure plate can also be formed in one piece.
  • a change in the position of the pressure plate by the external force immediately results in a change in the position of the force introduction portion, wherein this change in position of the force introduction portion relative to the support portion is measured at the bending portions.
  • the sensor device according to the invention can be optimally used intraorally, when the housing is rounded in a direction perpendicular to the force introduction direction cutting plane, preferably approximately circular, and is shaped so that it is deductible between the molars of a lower jaw.
  • the diameter of the housing or its dimension in the transverse direction is preferably less than 4 cm, preferably less than 3 cm and preferably greater than 1 cm.
  • the sensor device according to the invention should be watertight, so that no saliva or other body fluids can penetrate into the housing interior. Accordingly, a gap between the housing and the housing closing pressure plate is sealed.
  • the sensors can transmit the measured values for further processing wirelessly or by cable to an evaluation and / or display device outside the housing.
  • a dimension of a force introduction surface of the pressure plate is greater, preferably more than 1, 5 times, in particular about twice as large or larger than / as a maximum dimension of the deformation body in a direction perpendicular to the direction of force introduction direction.
  • each region of the pressure plate is not necessarily arranged above the deformation body. Rather, the pressure plate may be greater in size than the deformation body and protrude beyond the deformation body.
  • a sensor device with a large measuring surface can be provided with at the same time a compact design of deformation element and sensor, whereby production costs are saved.
  • a space in the housing interior below the pressure plate and the side of the deformation body can serve for receiving a board with an evaluation electronics o. The like.
  • the invention further relates to a deformation element for a sensor device described above, having a support section for supporting the deformation element on a housing and having a force introduction section coupled to the support section via at least one bending section.
  • An external force can be introduced into the force introduction section via a pressure plate which can be coupled to the force introduction section.
  • the force introduction portion is movably supported with respect to the support portion via the bending portion, and a sensor for measuring deformation of the deformation body is disposed in the bending portion.
  • the force introduction section is pivotable over the bending section relative to the support section and / or displaceable in the force introduction direction.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a sensor device according to the invention in a parallel to a force introduction direction (F) extending cutting plane,
  • FIG. 2 is a perspective view of the deformation body of that shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a second perspective view of the deformation body of the sensor device shown in FIG. 1, in which the bending sections or the bending points are particularly marked, FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the deformation body of the sensor device according to the invention (FIG. 4a) shown in FIG. 1 and a coordinate system for explaining the calculation of the location coordinates of a force introduction location from the measured values of the sensors (FIG. 4b),
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the sensor device according to the invention, in which the force introduction section (119) is a central section of the deformation body and the support section (118) is an edge section of the deformation body,
  • FIGS. 6-8 show various embodiments of deformation bodies for the alternative embodiment of the invention shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a sensor device 10 according to the invention in a sectional plane running parallel to a force introduction direction F.
  • the sensor device consists of a can-shaped housing 12 with a bottom and side walls, wherein the housing 12 is closed at the top by a flat pressure plate 30. A space between the housing 12 and pressure plate 30 is sealed, so that no liquids can penetrate into the housing interior.
  • the housing 12 and the pressure plate 30 are round in a direction perpendicular to the direction of force F extending cutting plane.
  • the sensor device 10 is approximately cylindrical with a cylinder axis parallel to the direction of force F extending cylinder.
  • the sensor device 10 can be used with a holding recess in a holding plate (not shown) prior to use in a jaw relation determination, wherein the outline of the holding plate is adapted to the dimensions between the two rows of teeth of the lower jaw of a subject.
  • the holding plate with inserted sensor device is then inserted into the region of the lower jaw of the subject and held there by the rows of teeth and fixed.
  • a force initiator (not shown) having a tip end for pressing on the pressure plate 30 of the sensor device 10 in the force introduction direction F is inserted and held in the area of the subject's upper jaw. Both the force with which the force initiator presses on the pressure plate 30 and the force introduction location at which the force initiator presses on the pressure plate 30 are then measured.
  • This force application corresponds to a relative jaw position. When the subject moves his lower jaw relative to his upper jaw, the force introduction site changes, so that a movement path of the force initiator on the pressure plate (jaw movement) can be registered.
  • a deformation body 20 is arranged inside the housing below the pressure plate 30 inside the housing below the pressure plate 30 .
  • the deformation element 20 is connected to the pressure plate 30 such that an external force acting locally on the pressure plate 30 acts on the deformation element and deforms it at least locally in bending sections 23.
  • the deformation of the deformation body 20 upon application of force is detected by sensors 22 which are arranged on the deformation body in the bending sections 23.
  • the deformation body 20 has a relative to the housing 12 fixed support portion 24.
  • the support portion 24 is in the first, shown in Figures 1-4 embodiment, a central portion of the deformation body 20, which rests in its center on a projection of the housing and is fixed there.
  • the support section 24 is coupled to a force introduction section 26 via a total of three bending sections 23.
  • the force introduction section surrounds the support section 24 approximately annularly.
  • the pressure plate 30 is directly coupled to the force introduction portion 26 but not to the support portion 24.
  • the pressure plate is screwed to three attachment points 33 with the force introduction portion 26.
  • Other types of attachment are equally conceivable. These attachment points have an angle of 120 ° to each other as well as the bending sections, so that in the illustrated embodiment, a proportionality between the acting at the three attachment points partial loads (-F1, -F2 and -F3) and the measured signals is given.
  • the deformation body deforms in the bending portions 23 and the force introduction portion 26 is pressed down against the fixed support portion 24 (by the force component acting in the force introduction direction F) and simultaneously tilted (unless the force is applied to the center the pressure plate acts).
  • a compression and / or extension of a surface of the deformation body 20 in the bending sections 23 as a result of the action of force is detected by the sensors and output as a measurement signal.
  • a vectorial addition of the three individual signals gives the total amount of force acting in the axial direction F.
  • the sensors can as Measuring resistors, in particular be designed as strain gauges (DMS) whose resistance varies in their extension and compression.
  • the deformation body 20 is integrally formed approximately in the form of a flat circular disk. It is preferably cut out of a piece of metal, such as a metal plate, in one piece and cut out.
  • the bending portions 23 are made by locally weakening the circular disk. These local weakenings 25 may be apertures through the disc or material ablation on the metal plate, such as depressions in the plate.
  • the deformation body in each case has a plurality of openings, between which the bending sections 23 are located.
  • the deformation element 20 has a total of three bending sections 23 designed as double webs 27.
  • a sensor 22 for measuring an extension and / or compression is arranged on a surface of the web.
  • Each double web 27 is connected at one central section thereof to the support section 24 on one side and to the force introduction section 26 at the two web ends in the longitudinal direction of the web.
  • the longitudinal axis of the double webs in each case runs approximately perpendicular to a radially extending direction.
  • FIG. 7 A possible arrangement of the measuring resistors on the double webs is shown in FIG. 7.
  • Each double bar carries four strain gauges, which are connected to a full bridge and form a sensor.
  • each web may carry at least one measuring resistor of a sensor, wherein the measuring resistor, starting from an outer edge of the support portion on the surface of the web extends radially outward in the direction of the force introduction portion.
  • each web has four measuring resistors, which are each applied to the webs according to the arrangement shown in FIG.
  • two measuring resistors are arranged on a radially inner surface of the web and two further measuring resistors on a radially outer surface of the web such that upon an introduction of force in the force introduction section, the radially inner surface of the web is stretched to the extent in which the radially outer Surface is compressed and vice versa (when force is introduced, the web is deformed approximately S-shaped).
  • the four strain gauges of a sensor or the 12 strain gauges of a total of three sensors or other strain gauges can be applied in a single coating step on the surface of the deformation body.
  • the deformation body 20 has a 3-fold radial symmetry. Adjacent bending sections have mutually corresponding to an angle of 120 °.
  • spacer members 32 are arranged so that the force introduction portion 26 is kept at a distance from the pressure plate 30.
  • the force introduction section then has a required clearance for mobility relative to the support section.
  • a "mobility" in the sense of the present invention is already given if the surfaces of the bending sections are slightly pluggable and / or compressible upon application of force Accordingly, spacer elements with a dimension in the direction of force introduction (F) of less than 1 mm are sufficient without further ado.
  • Fig. 1 shows particularly clearly that the diameter of the pressure plate 30 is almost twice as large as the diameter of the deformation body 20.
  • the space below the pressure plate 30 side of the deformation body for installation of a circuit board 34 with an amplifier circuit for amplifying the measurement signal or an evaluation circuit be used to evaluate the measurement signal.
  • the housing 12 has laterally a cable outlet 35 for taking out a measurement signal from the sensor device.
  • F R in Fig. 4a corresponds to the introduced axial force.
  • F f F 2 and F 3 are acting on the three attachment points 33 opposing forces of the deformation body.
  • the position of the Force introduction site is expressed in Cartesian coordinates x s , y s with the center of the pressure plate as the origin of coordinates.
  • An equilibrium of forces is formed under the following boundary conditions:
  • x s and y s can be determined as follows:
  • the angle ⁇ is equal to 30 °.
  • the measured values can also be used directly with the three measured values Ui, U 2 and U 3 without first determining the forces.
  • the three bending sections can also be arranged below other, possibly also different mutual angles and distances from the origin of the coordinates.
  • the formulas (4) and (5) are then adapted accordingly, in which case if necessary three angles ⁇ , ⁇ and ⁇ and three distances n, r 2 and r 3 are to be used. From the three measured values can be determined in this way the coordinates of the force application point on the printing plate and these can then be displayed on a display device.
  • FIG. 1 A particularly preferred second embodiment of the invention is shown in FIG.
  • the force introduction portion 119 is a central portion of the deformation body and the support portion 118 is a peripheral portion of the deformation body annularly surrounding the central portion.
  • Fig. 5 shows the second embodiment in a sectional view.
  • the sensor device shown has a can-shaped housing 3, which accommodates a deformation body 1 in its interior, and which is closed at the top by a pressure plate 4.
  • a circumferential groove 132 is formed, in which a ring 45 is inserted, which engages in a professionsnüt 46 of the pressure plate 4.
  • Both the groove 132 and the neurosciencesnüt 46 are provided with sufficient clearance, so that the pressure plate 4 can move in Fig. 1 in the downward direction.
  • the inserted ring 45 serves as a stop element, which prevents destruction of the deformation body, which is coupled to the pressure plate 4.
  • the pressure plate 4 has a toyssnüt 46 formed memorisnut 47, in which a seal 43 is received.
  • the seal 43 is made of an elastomer and has a circumferentially projecting sealing lip 44, which is in sealing contact with the wall of the can-shaped housing 3.
  • the seal 43 is designed to allow a sufficient movement of the pressure plate 4 relative to the housing 3.
  • the seal can also be designed as a bellows, which is connected at its two peripheral edges fixed to the respective element (housing / pressure plate).
  • the pressure plate 4 is a circular disc with a central projection 42, which in turn has a collar 46 which is engageable with the deformation body 1 into abutment.
  • a bottom surface 133 is arranged with a recess 131.
  • the recess 131 is adapted to receive an evaluation board 5 on which are mounted unspecified electronic components and lines which are adapted to detect resistance values of measuring resistors, to evaluate them and to forward the result to the outside.
  • Above the recess 131 of the deformation body 1 is arranged.
  • the deformation body 1 has a central force introduction portion 1 19 and a support portion 118 which is connected via bending portions with the force introduction portion 119.
  • an edge reinforcement 17 is formed, with which the deformation body 1 rests on the bottom surface 133 of the housing 3 in the installed state.
  • Deformation body 1 and edge reinforcement 117 are pierced in the support portion 118 and screws 6, which are screwed into the housing 3, set the deformation body to the bottom surface of the housing 3.
  • an intermediate ring 66 penetrated by the screw 6 may be used.
  • this intermediate ring 66 distributes the fastening forces over a larger area of the support section 1 18 of the deformation body 1 and also allows a design of the deformation body with notches open at the edge for attachment. By generously sized notches, it is possible to prevent unwanted tension in the deformation body 1 by tightening.
  • the measuring resistors (not shown) are arranged on the upper side of the deformation body 1 in the bending portions.
  • the weakenings of the deformation body for the cable guide 51 between the measuring resistors and the evaluation electronics 5 shown as breakthroughs 122 can be used.
  • FIGs 6 to 8 show various embodiments of deformation bodies for the alternative embodiment of the invention shown in Figure 5.
  • Each of these deformation bodies has a central force introduction section 1 19 and a support section 118 which encircles the force introduction section 119 in an annular manner.
  • the support sections 118 of the embodiments shown in FIGS. 6 and 7 each have notches 116 on their circumference, through which fastening elements can be guided in order to fasten the deformation element 1 to the housing 3.
  • the force introduction portion 119 has in each case in its center a hole 121 which is dimensioned so that a projection 42 of the pressure plate 4 can attack.
  • the force introduction portion 119 of the deformation body shown in Fig. 6 is connected via three radially outwardly extending webs 120 with the support portion 118, which in each case enclose an angle of 120 ° to each other.
  • Each web 120 carries on its surface a sensor 8, wherein each sensor has a total of four measuring resistors, which are connected to a full bridge. In a non-central force acting on the pressure plate 4, the surfaces of the three webs 20 are deformed to different degrees, these deformations are measured. From the three measured values, the force application point on the pressure plate and / or the force amount can be determined (see above).
  • two measuring resistors of a sensor 8 in a stretched section and two measuring resistors of the sensor 8 can be arranged in an upsetting section (see above) in order to be able to compensate satisfactorily for disturbance variables such as temperature.
  • FIG. 1 An alternative deformation body, which has double webs instead of the simple webs, is shown in FIG.
  • the double webs are formed by a suitable arrangement of groups of openings 122, 124 through the deformation body.
  • inventive deformation bodies with two or four bending sections 120 and groups of openings 126 and 127 are shown in FIGS. 8a and 8b.
  • a sensor device is not limited to the described embodiment. Rather, it will be apparent to those skilled in the art that the deformation body may be shaped differently and may include more or less bending portions and sensors than in the described embodiment. Thus, a bending point with a single sensor for measuring the amount of a jaw force is sufficient. On the other hand, more than three sensors may be provided, although a force introduction direction, a torsion, a lateral force o. The like. Should be measured. Instead of the webs differently shaped bending sections may be present. For example. For example, the bends may be formed in the form of weakenings of the deformation body without necessarily having webs. For each bend section, there may be only one sensor with a single strain gauge connected in a quarter bridge.
  • half bridges with two strain gauges are conceivable.
  • the individual strain gauges of a bridge can be attached to different surface sections, in different orientations and geometric arrangements on the surface of the bridge Be arranged deformation body.
  • Various types of bridge circuits to compensate for various disturbances are known in the art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur intraoralen Messung einer Kieferstellung, einer Kieferbewegung und/oder einer Kieferkraft mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse aufgenommenen Verformungskörper, einer mit dem Verformungskörper verbundenen Druckplatte zur Übertragung einer lokal auf die Druckplatte einwirkenden externen Kraft auf den Verformungskörper, so dass sich der Verformungskörper zumindest lokal verformt, und einem an dem Verformungskörper angeordneten Sensor zur Messung einer Verformung des Verformungskörpers. Der Verformungskörper weist einen gegenüber dem Gehäuse feststehenden Stützabschnitt und einen über mindestens einen Biegeabschnitt mit dem Stützabschnitt verbundenen Krafteinleitungsabschnitt auf, auf den die in die Druckplatte einzuleitende externe Kraft einwirkt. Bei Krafteinwirkung verformt sich der Biegeabschnitt des Verformungskörpers, wobei diese Verformung mit dem Sensor gemessen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Verformungskörper für eine solche Sensorvorrichtung.

Description

Intraoral verwendbare Sensorvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur intraoralen Messung einer Kieferstellung, einer Kieferbewegung und/oder einer Kieferkraft mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse aufgenommenen Verformungskörper, einer mit dem Verformungskörper verbundenen Druckplatte zur Übertragung einer lokal auf die Druckplatte einwirkenden externen Kraft auf den Verformungskörper, so dass sich der Verformungskörper zumindest lokal verformt, und einem an dem Verformungskörper angeordneten Sensor zur Messung einer Verformung des Verformungskörpers. Außerdem betrifft die Erfindung einen Verformungskörper für eine solche Sensorvorrichtung.
Intraoral einsetzbare Sensorvorrichtungen sind bereits bekannt. So ist in der DE 10 2005 006 323 A1 eine Sensorvorrichtung beschrieben, mit der ein Bewegungsverlauf und eine Kraft eines beweglichen Körpers oder Körperteils gegenüber einem festen Gehäuse ermittelt werden können. In Fig. 6 der genannten Schrift ist eine herkömmliche Sensorvorrichtung in Verwendung gezeigt: Ein Bewegungs- und Kraftinitiator ist am Oberkiefer eines Probanden angeordnet und eine Sensorvorrichtung ist im Bereich des Unterkiefers des Probanden abgesetzt. Wenn nun der Proband Ober- und Unterkiefer einander annähert, kommt ein Spitzenende des Kraftinitiators in Kontakt mit einer Krafteinleitungsfläche der Sensorvorrichtung, und die auf die Krafteinleitungsfläche einwirkende Kraft wird von der Sensorvorrichtung ermittelt. Wenn der Proband nun Ober- und Unterkiefer relativ zueinander bewegt, bewegt sich das Spitzenende entlang einer Bewegungsbahn auf der Krafteinleitungsfläche, wobei diese Bewegungsbahn ermittelt und dann angezeigt und/oder digital ausgewertet und abgespeichert werden kann.
Die in der DE 10 2005 006 323 A1 beschriebene Sensorvorrichtung weist insgesamt drei Messsensoren auf. Wenn sich bei dieser Vorrichtung der Kraftinitiator beispielsweise über dem Mittelpunkt der Krafteinleitungsfläche befindet, detektiert die Vorrichtung die gleiche Amplitude der elektrischen Signale aller drei Sensoren. Bei einer Bewegung des Kraftinitiators weg von dem Mittelpunkt der Krafteinleitungsfläche ändern sich die Amplituden der Messsignale der drei Sensoren relativ zueinander, woraus die Bewegungsbahn des Kraftinitiators auf der Krafteinleitungsfläche bestimmbar ist. Der Betrag der Kraft, mit der der Kraftinitiator auf die Krafteinleitungsfläche drückt, kann über eine vektorielle Addition der Einzelsignale berechnet werden. Insgesamt drei geeignet angeordnete Sensoren und damit drei Messwerte genügen dabei, um zu jedem Zeitpunkt den Betrag der auf die Krafteinleitungsfläche wirkenden Kraft (die „Kiefer(schluss)kraft") und die Position des Kraftinitiators auf der Krafteinleitungsfläche (den Krafteinleitungsort und damit die „Kieferstellung") bestimmen zu können.
Auf diese Weise können bestimmte Bewegungsabläufe zwischen Ober- und Unterkiefer erfasst, angezeigt und abgespeichert werden und bestimmte Kieferstellungen können reproduzierbar vermessen und dann analysiert werden. Im Hinblick auf dieses als Kieferrelationsbestimmung (KRB) bezeichnete Messverfahren wird beispielhaft auf die Veröffentlichung„Zur Lagebestimmung des Unterkiefers in zentrischer Relation mit dem DIR- System" von A. Dietzel und A. Zöllner (Publikation: Deutscher Ärzte Verlag, DZZ, Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift, 2012; 67 (2)) verwiesen, deren Inhalt durch Verweis in die vorliegende Offenbarung mit aufgenommen wird.
Bei der in der DE 10 2005 006 323 A1 beschriebenen Sensorvorrichtung sind die Sensoren jeweils auf einem Grundkörper aus elastischem Kunststoff angeordnet, der sich bei Einwirkung einer externen Kraft auf die Krafteinleitungsfläche elastisch verformt. Die externe Kraft wird dabei über eine zwischen Grundkörper und Krafteinleitungsfläche angeordnete weitere elastische Kunststoffschicht auf den elastischen Grundkörper übertragen.
Es hat sich gezeigt, dass die mit dieser Sensorvorrichtung ermittelten Positions- und Kraftwerte nicht immer zuverlässig reproduzierbar sind. Ferner ist derjenige Bereich der Krafteinleitungsfläche, in dem eine Bestimmung des Krafteinleitungsortes exakt möglich ist, im Wesentlichen begrenzt auf den oberhalb der Sensoren liegenden Bereich der Krafteinleitungsfläche, der bei der Sensorvorrichtung der DE 10 2005 006 323 A1 etwa dreiecksförmig ist. Außerhalb dieses„Dreiecks" nimmt die Messgenauigkeit stark ab.
In Anbetracht dieser Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung zur intraoralen Messung einer Kieferstellung, einer Kieferbewegung und/oder einer Kieferkraft bereitzustellen, die zuverlässig und unabhängig vom Ort der Krafteinwirkung reproduzierbare Messwerte liefert.
Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung der bekannten Sensorvorrichtung gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verformungskörper einen gegenüber dem Gehäuse feststehenden Stützabschnitt und einen Krafteinleitungsabschnitt aufweist, auf den die in die Druckplatte einzuleitende externe Kraft einwirkt. Der Krafteinleitungsabschnitt und der Stützabschnitt sind über mindestens einen Biegeabschnitt miteinander verbunden, in dem sich der Verformungskörper bei Einleitung der externen Kraft verformt. Mit anderen Worten ist der Stützabschnitt gegenüber dem Gehäuse feststehend, und der Krafteinleitungsabschnitt ist bei Krafteinleitung gegenüber dem Stützabschnitt bewegbar, insbesondere verkippbar und/oder in Krafteinleitungsrichtung versetzbar, wobei dieser Versatz bzw. diese Verkippung zu einer Verformung im Biegeabschnitt führen, die dann durch den Sensor messbar ist.
Diese Verschwenkung bzw. dieser Versatz zwischen Stützabschnitt und Krafteinleitungsabschnitt bei Krafteinwirkung sind bevorzugt nur äußerst gering, so dass sie sich im Biegeabschnitt in einer geringen, aber messbaren Stauchung bzw. Streckung der Oberfläche des Verformungskörpers äußern.
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass das Verformverhalten von Körpern aus elastischen Kunststoffen in Abhängigkeit von der Entfernung vom Verformungszentrum sehr komplex ist, und eine elastische Zwischenschicht zwischen Krafteinleitungsfläche und elastischem Körper das Verformverhalten weiter verkompliziert. Lokal im Bereich des Verformungszentrums ist die Verformung nämlich generell stark, jedoch ist der elastische Körper auch in Bereichen, die vom Verformungszentrum beabstandet sind, mehr oder weniger stark verformt, wobei eine allgemeine Verformungskurve nur schwer bestimmbar ist. Zusätzlich sind bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen großflächige Sensoren erforderlich, um zu einer genauen Ortsmessung in einem möglichst großen Bereich der Druckplatte kommen zu können. Großflächige Sensoren sind jedoch problematisch, insbesondere wenn sie über ihre gesamte Länge nicht gleichmäßig verformt werden.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weist dagegen einen Verformungskörper mit einem feststehenden Stützabschnitt auf, der über einen Biegeabschnitt mit einem Krafteinleitungsabschnitt gekoppelt ist, so dass der Krafteinleitungsabschnitt gegenüber dem Stützabschnitt bewegbar ist. Damit wird bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der Verformungskörper generell nur in seinem Biegeabschnitt, in dem der Sensor angeordnet ist, verformt, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle die Kraft in den Krafteinleitungsabschnitt eingeleitet wird. Aus der Stärke dieser Verformung und damit aus dem Sensorsignal können nun der Kraftbetrag und/oder der Ort bestimmt werden, an dem die Kraft auf die Druckplatte einwirkt.
Im Übrigen kann der Biegeabschnitt der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung klein ausgestaltet sein, da sich auch eine vom Biegeabschnitt entfernte Krafteinwirkung in den Krafteinleitungsabschnitt über die Druckplatte in einer lokalen Verformung des Biegeabschnitts zeigt, so dass keine großflächigen Sensoren wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen erforderlich sind.
Der Biegeabschnitt, in dem der Verformungskörper bei einer Krafteinwirkung verformt wird, ist vorzugsweise klein gegenüber dem Krafteinleitungsabschnitt und dem Stützabschnitt. Sein Volumen kann weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10%, insbesondere 5% oder weniger des Gesamtvolumens des Verformungskörpers ausmachen. So wird genau festgelegt, an welcher Stelle des Verformungskörpers die Verformung auftritt, was die Verformung vorhersehbar und exakt messbar macht.
Vorzugsweise ist der Verformungsköper einteilig gebildet. Wenn Stützabschnitt, Biegeabschnitt und Krafteinleitungsabschnitt einteilig mit vorgegebenen Abmessungen aus einem vorgegebenen Material hergestellt werden, ist das Biegeverhalten des Verformungskörpers sehr exakt festlegbar, und es lassen sich mit verschiedenen erfindungsgemäßen Sensorvorrichtungen, die mit gleichen Verformungskörpern ausgestattet sind, besonders reproduzierbare Messwerte erzielen.
Der Verformungskörper ist vorzugsweise flach, insbesondere etwa plattenförmig. Ein piattenförmiger Verformungskörper ist besonders einfach herstellbar. Außerdem ist eine Platte einfach in der Handhabung und praktisch für den Einbau in ein Gehäuse. Eine Verschwenkung und/oder ein Versatz zwischen zwei Abschnitten einer Platte sind besonders gut messbar. Durch Modifikation von Plattenstärke oder Plattenmaterial kann auf den Messbereich und die Messgenauigkeit eingewirkt werden.
Besonders bevorzugt ist der Verformungskörper eine einteilige Metallplatte wie etwa eine Aluminium- oder Stahlplatte, insbesondere eine Edelstahlplatte. Der Elastizitätsmodul dieser Materialien liegt in einem geeigneten Bereich und verändert sich zeitlich auch nach zahlreichen Verformungen bei wiederholter Krafteinwirkung kaum. Im Übrigen ist das Elastizitätsverhalten dieser Materialien annähernd linear. Auch andere Materialien sind denkbar, insbesondere Materialien, deren Elastizitätsverhalten noch weniger temperaturabhängig ist.
Der Biegeabschnitt kann dadurch gebildet sein, dass der Verformungskörper in seiner Umgebung mindestens eine lokale Schwächung aufweist. In der Umgebung einer lokalen Schwächung verformt sich ein Körper bei Belastung nämlich stärker als in einem ungeschwächten Bereich. Durch Versehen des Verformungskörpers mit einer lokalen Schwächung kann ein wirksamer Biegeabschnitt erzeugt werden, der einfach in der Herstellung ist. Bspw. ist der Verformungskörper eine Platte mit zwei oder mehr Durchbrüchen, zwischen denen der Biegeabschnitt angeordnet ist.
Die lokale Schwächung kann in Form eines oder mehrerer Durchbrüche durch den Verformungskörper, einer Materialabtragung an dem Verformungskörper und/oder einer lokalen Verringerung der Stärke des Verformungskörpers gebildet ist. Wenn der Verformungskörper einteilig gebildet und plattenförmig ist, können diese Durchbrüche und/oder Materialabtragungen bei der Herstellung des Verformungskörpers und vor dessen Einsetzen in das Gehäuse aus einer zunächst ungeschwächten und lochfreien Platte herausgefräst oder herausgeschnitten werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Biegeabschnitt in Form eines den Krafteinleitungsabschnitt mit dem Stützabschnitt verbindenden Stegs gebildet. Unter Steg wird in der vorliegenden Offenbarung eine zumindest abschnittsweise schmale Materialbrücke verstanden, die entlang einer Längsrichtung verläuft, und an deren Seite jedenfalls abschnittsweise mindestens ein Durchbruch durch den Verformungskörper angeordnet ist. Die Materialstärke des Verformungskörpers im Bereich des Stegs in der Krafteinleitungsrichtung kann abschnittsweise kleiner sein als die Materialstärke des übrigen Verformungskörpers. Durch eine Anpassung Stegdicke kann das Verformungsverhalten des Verformungskörpers im Biegeabschnitt gesteuert werden. Auch kann die Materialstärke eines ersten Stegabschnitts größer sein als die Materialstärke eines zweiten Stegabschnitts. Auf diese Weise kann gesteuert werden, an welchen Biegestellen des als Steg ausgeführten Biegeabschnitts sich der Verformungskörper bei einer Krafteinwirkung auf den Krafteinleitungsbereich besonders stark verformt. Der Sensor kann dann an den entsprechenden Bereichen angeordnet werden.
Besonders bevorzugt verläuft der Steg von dem einen zentralen Bereich des Verformungskörpers bildenden Stützabschnitt radial nach außen in Richtung auf den Krafteinleitungsabschnitt, der den Stützabschnitt umläuft.
Alternativ kann der Krafteinleitungsabschnitt ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers sein und der Steg in radialer Richtung nach außen in Richtung auf den Stützabschnitt verlaufen, der auf einem Absatz des Gehäuses aufliegt und den Krafteinleitungsabschnitt umläuft.
Alternativ kann der Steg kann ein Doppelsteg sein, dessen beide Enden mit dem Krafteinleitungsabschnitt verbunden sind und dessen Mitte mit dem Stützabschnitt verbunden ist oder umgekehrt, so dass der Biegeabschnitt eine erste Biegestelle zwischen der Stegmitte und dem ersten Stegende und eine zweite Biegestelle zwischen der Stegmitte und dem zweiten Stegende hat. Eine weitere Biegestelle kann alternativ oder zusätzlich in einem Bereich angeordnet sein, der von dem Rand des zentralen Abschnitts des Verformungskörpers in Richtung auf die Mitte des Doppelstegs verläuft. Die dritte Biegestelle verläuft in radialer Richtung.
Ein Biegeabschnitt in Form eines Doppelstegs hat sich im Rahmen einer guten Messgenauigkeit als besonders geeignet erwiesen. Dies liegt daran, dass bei geeigneter Anordnung des Doppelstegs an den einzelnen Biegestellen des Doppelstegs verschiedene Kräfte gemessen werden können, so dass insgesamt nicht nur der Kraftbetrag und der Krafteinleitungsort messbar sind, sondern auch die Krafteinleitungsrichtung und/oder Torsionsund Querkräfte. Alternativ oder zusätzlich kann der Doppelsteg so angeordnet sein, dass eine erste Biegestelle des Stegs gestaucht wird, wenn eine zweite Biegestelle in demselben Maß gestreckt wird und umgekehrt. Diese Stauch- und Streckabschnitte können für eine Anbringung einzelner Messwiderstände eines Sensors verwendet werden, um Störgrößen zu kompensieren.
Der Sensor zur Messung der Verformung des Verformungskörpers ist vorzugsweise an dem und/oder angrenzend an den Steg angeordnet, da hier die Verformung des Verformungskörpers besonders stark und damit genau messbar ist. Der Sensor kann in der Mitte und/oder im Sockelbereich des Stegs angeordnet sein. Ferner können Sensoren bzw. können verschiedene Messwiderstände eines Sensors sowohl an einem Streckabschnitt als auch an einem Stauchabschnitt eines Stegs angeordnet sein. Dabei können verschiedene Messwiderstände eines Sensors sowohl an der Oberseite des Stegs als auch an der Unterseite des Stegs angeordnet sein. Wenn nämlich die Oberfläche der Oberseite eines Stegs gestreckt wird, wird die Oberfläche der Unterseite gestaucht und umgekehrt. Der Steg kann zu diesem Zweck in der Krafteinleitungsrichtung besonders dünn ausgeführt sein, so dass Stauchung und Streckung einander (mit umgekehrtem Vorzeichen) besonders gut entsprechen.
Alternativ kann ein erster Messwiderstand eines Sensors an einer Oberfläche eines radial inneren Bereichs eines radial nach außen verlaufenden Stegs angeordnet sein und ein zweiter Messwiderstand des Sensors kann an der Oberfläche eines radial äußeren Bereichs des Stegs angeordnet sein. Wenn nämlich das freie Ende eines einseitig befestigten Stegs durch Belastung parallel nach unten versetzt wird, verformt sich der Steg und seine Oberfläche bildet in einer entlang der Längsrichtung des Stegs verlaufenden Schnittebene eine S-Form aus. Mit anderen Worten wird die Oberfläche des inneren Stegbereichs bei Belastung gestreckt, wenn die Oberfläche des äußeren Stegbereichs gestaucht wird und umgekehrt. Auch diese Stauch- und Streckabschnitte können für eine Anbringung einzelner Messwiderstände eines Sensors verwendet werden, um Störgrößen zu kompensieren.
Sowohl der Ort der Krafteinleitung und damit die Kieferstellung als auch der Betrag der einwirkenden Kraft und damit die Kieferkraft sind ermittelbar, wenn der Verformungskörper mindestens zwei, bevorzugt drei Biegeabschnitte aufweist, an denen jeweils ein Sensor zur Messung einer Verformung des Verformungskörpers angeordnet ist. Aus den drei Messwerten können die gesuchten Größen in erster Näherung mithilfe eines linearen Gleichungssystems bzw. über eine Matrizengleichung ermittelt werden. Der Ort der Krafteinleitung kann bspw. in Polarkoordinaten oder in kartesischen Koordinaten gegenüber einem Zentrum des Verformungskörpers bestimmt und über eine Anzeigevorrichtung angezeigt bzw. in einer Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert werden. Eine Kieferbewegung wird ermittelt, indem der Ort der Krafteinleitung kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen ermittelt und die in bestimmten Zeitabständen durchlaufenen Krafteinleitungsorte angezeigt und/oder gespeichert werden.
Der Kraftbetrag und/oder der Krafteinleitungsort sind besonders gut ermittelbar, wenn der Stützabschnitt ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers und der Krafteinleitungsabschnitt ein den zentralen Abschnitt umlaufender Randabschnitt des Verformungskörpers ist, wobei der zentrale Abschnitt über die Biegeabschnitte mit dem Randabschnitt verbunden ist. Der Randabschnitt kann im Wesentlichen die Form eines Kreisrings haben, der den Stützabschnitt teilweise, besonders bevorzugt vollständig umläuft. Der Stützabschnitt kann etwa die Form einer inneren Kreisscheibe oder eines inneren Kreisrings haben und in seiner Mitte auf dem Gehäuse aufliegen. Die Biegeabschnitte können in Umfangsrichtung verteilte Stege sein, die jeweils den Randabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbinden. Die Stege können ausgehend von dem zentralen Abschnitt radial nach außen in Richtung auf den Randabschnitt verlaufen. Alternativ können sie als Doppelstege ausgeführt sein, deren Längsrichtung quer zur Radialrichtung verläuft. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 1 -4 gezeigt.
Alternativ kann der Krafteinleitungsabschnitt ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers sein und der Stützabschnitt ein den zentralen Abschnitt umlaufender Randabschnitt, wobei der zentrale Abschnitt über die Biegeabschnitte mit dem Randabschnitt verbunden ist. Der Stützabschnitt kann den Krafteinleitungsabschnitt teilweise, besonders bevorzugt vollständig umlaufen. Er kann über eine oder mehrere Fixierstellen fest mit dem Gehäuse verbunden sein. Besonders bevorzugt ist er etwa ringförmig, liegt auf einem etwa ringförmigen Auflageabsatz des Gehäuses auf und ist an diesem Auflageabsatz befestigt. Die Biegeabschnitte können in Umfangsrichtung verteilte Stege sein, die jeweils den Stützabschnitt mit dem zentralen Krafteinleitungsabschnitt verbinden. Die Kraft kann über ein mit der Druckplatte verbundenes oder einteilig damit gebildetes Krafteinleitungselement in einen zentralen Bereich des Krafteinleitungsabschnitts eingeleitet werden. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 5 bis 8 gezeigt.
Mit einer solchen Ausgestaltung des Verformungskörpers sind genauere und reproduzierbarere Messungen der Kieferstellung möglich als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Sensorvorrichtungen, bei denen die drei Sensoren auf drei, in verschiedenen Kammern befindlichen elastischen Grundkörpern angeordnet sind. Es sind nämlich bei erfindungsgemäßen Sensorvorrichtungen mit einteilig gebildetem Verformungskörper mit mehreren Biegeabschnitten im unverformten Zustand des Verformungskörpers sowohl die relative Lage von Stützabschnitt und Krafteinleitungsabschnitt als auch die relativen Lagen der einzelnen Biegeabschnitte zueinander jeweils gleich, während sich bei herkömmlichen Vorrichtungen die relativen Lagen der einzelnen Kammern zueinander herstellungsbedingt unterscheiden können. Dies kann bei Verwendung einer baugleichen anderen herkömmlichen Sensorvorrichtung bei identischer Krafteinwirkung zu unterschiedlichen Messwerten führen.
Bei einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform sind die Biegeabschnitte jeweils als sich quer, insbesondere etwa senkrecht zur Radialrichtung erstreckende Doppelstege ausgeführt, die jeweils an einem zentralen Abschnitt davon mit dem Stützabschnitt und an den beiden Endabschnitten davon mit dem Krafteinleitungsabschnitt verbunden sind oder umgekehrt. Die Doppelstege sind vorzugsweise im Wesentlichen achsensymmetrisch bzgl. einer radial nach außen durch ihre Mitte verlaufenden Symmetrieachse. Der Winkel zwischen zwei benachbarten Doppelstegen kann jeweils 120° betragen, so dass insgesamt drei in Umfangsrichtung verteilte Doppelstege vorhanden sind. An jedem Doppelsteg kann ein Sensor zur Messung einer Verformung des jeweiligen Doppelstegs angeordnet sein. Diese symmetrische Anordnung macht eine Ermittlung der zu bestimmenden Größen aus den Sensorenmesswerten einfacher.
Besonders bevorzugt hat der Verformungskörper eine 3-zählige Radiärsymmetrie. Der Verformungskörper kann drei gleich geformte Biegeabschnitte aufweisen, die gegenseitig jeweils einen Winkel von 120° einschließen. Zusätzl ich oder alternativ kann der Krafteinleitungsabschnitt drei Befestigungsstellen aufweisen, über die die Druckplatte an dem Krafteinleitungsabschnitt befestigt ist. Diese Befestigungsstellen können gegenseitig jeweils einen Winkel von 120° einschließen und jeweils bevo rzugt mittig zwischen zwei Biegeabschnitten angeordnet sein. Dadurch ist eine Proportionalität zwischen den gemessenen Signalen und den an den drei Befestigungsstellen in den Krafteinleitungsabschnitt eingeleiteten Teillasten gegeben.
Zusätzlich oder alternativ kann der Verformungskörper einen kreisförmigen Umriss haben. Zusätzlich oder alternativ kann der Verformungskörper eine oder mehrere Gruppen von Durchbrüchen aufweisen, wobei jede Gruppe aus bevorzugt drei in Umfangsrichtung verlaufenden Durchbrüchen besteht. Die benachbarten Durchbrüche einer Gruppe können jeweils gegenseitig einen Winkel von 120°einschlie ßen. Zwischen den Durchbrüchen können die Biegeabschnitte gebildet sein. Die Durchbrüche können als die Mitte des Stützabschnitts bogenförmig umlaufende Schlitze ausgebildet sein, zwischen denen jeweils ein radial nach außen verlaufender Steg angeordnet ist, der jeweils mindestens einen Sensor trägt. Zusätzlich oder alternativ kann eine Gruppe von Durchbrüchen als senkrecht zur Radialrichtung verlaufende Schlitze bereitgestellt sein, die in Radialrichtung außerhalb der bogenförmig verlaufenen Schlitze angeordnet sind und mit ihnen in Umfangsrichtung teilweise überlappen. Auf diese Weise können insgesamt drei in Umfangsrichtung angeordnete Doppelstege bereitgestellt werden. Die 3-zählige Radiärsymmetrie vereinfacht die Auswertung der Messwerte der Sensoren. Außerdem wird die Fehleranfälligkeit der Sensorvorrichtung bei der Herstellung vermindert.
Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, die Sensoren jeweils als Messwiderstande, bevorzugt als Dehnungsmessstreifen (DMS) auszubilden. Die Messwiderstände sind mit einer Verstärkerschaltung und/oder einer Auswertelektronik verbunden, die im Inneren des Gehäuses auf einer Platine angeordnet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswertelektronik in einer Auswertvorrichtung außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
Vorzugsweise sind die Messwiderstände in Dünnfilmtechnik auf den Verformungskörper aufgetragene Widerstände. Bei der Herstellung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zunächst die Messwiderstände an dem Verformungskörper anzubringen und anschließend eine oder mehrere lokale Schwächungen in den Verformungskörper in Bereiche einzubringen, die dann die Biegeabschnitte bilden.
Jeder Sensor kann einen, zwei oder vier Messwiderstände aufweisen, die in einer Brückenschaltung (Viertelbrücke, Halbbrücke oder Vollbrücke) verschaltet sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jeder Sensor vier zu einer Vollbrücke geschaltete Dehnungsmessstreifen auf. Insbesondere sind diese Vollbrücken temperaturkompensierte Wheatstone'sche Vollbrücken. Hierzu können jeweils zwei Messwiderstände eines Sensors in einer druck- bzw. zugbeanspruchten Zone auf der Oberfläche des Sensors angeordnet sein.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Sensor mindestens einen entlang einer ersten Biegefläche des Verformungskörpers angeordneten ersten Dehnungsmessstreifen und einen entlang einer zweiten Biegefläche des Verformungskörpers angeordneten zweiten Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei die erste Biegefläche infolge einer Krafteinwirkung auf die Druckplatte gestreckt wird (Streckabschnitt), wenn die zweite Biegefläche gestaucht wird (Stauchabschnitt) und umgekehrt, und wobei der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen zu einer Halbbrücke oder zu einer Vollbrücke geschaltet sind. Besonders bevorzugt weist der Sensor insgesamt vier Messwiderstände auf, von denen zwei in einem Stauchabschnitt eines Stegs und die anderen zwei in einem Streckabschnitt des Stegs angeordnet sind.
Durch eine Temperaturkompensation infolge der Schaltung zu einer Vollbrücke werden die Messergebnisse exakter und reproduzierbarer.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Krafteinleitungsabschnitt fest mit der Druckplatte gekoppelt ist, so dass die relative Lage von Druckplatte und Krafteinleitungsabschnitt bei Krafteinwirkung auf die Druckplatte gleichbleibend ist. Bevorzugt wird die Druckplatte auf Abstand zu dem Krafteinleitungsabschnitt gehalten. Zu diesem Zweck kann mindestens ein Abstandhalteelement zwischen die Druckplatte und den Krafteinleitungsabschnitt eingebracht sein, durch das diese relative Lage festlegbar ist und gleichzeitig eine erforderliche Beweglichkeit des Krafteinleitungsabschnittes gegenüber dem Stützabschnitt ermöglicht wird. Krafteinleitungsabschnitt, Abstandhalteelement(e) und/oder Druckplatte können auch einteilig gebildet sein.
Eine Veränderung der Lage der Druckplatte durch die externe Krafteinwirkung hat unmittelbar eine Veränderung der Lage des Krafteinleitungsabschnittes zur Folge, wobei diese Lageänderung des Krafteinleitungsabschnittes gegenüber dem Stützabschnitt an den Biegeabschnitten gemessen wird. Diese Lageänderungen sind äußerst gering, jedoch aufgrund der damit verbundenen Stauchungen und/oder Streckungen des Biegeabschnitts messbar.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist intraoral optimal verwendbar, wenn das Gehäuse in einer senkrecht zur Krafteinleitungsrichtung verlaufenden Schnittebene abgerundet, bevorzugt etwa kreisförmig ist, und derart geformt ist, dass es zwischen den Molaren eines Unterkiefers absetzbar ist. Der Durchmesser des Gehäuses bzw. dessen Abmessung in Querrichtung ist vorzugsweise kleiner als 4 cm, bevorzugt kleiner als 3 cm und vorzugsweise größer als 1 cm. Zur Verwendung im intraoralen Bereich sollte die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung wasserdicht sein, so dass kein Speichel oder ändere Körperflüssigkeiten in das Gehäuseinnere eindringen können. Entsprechend ist ein Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der das Gehäuse verschließenden Druckplatte dicht verschlossen. Die Sensoren können die Messwerte zur Weiterverarbeitung drahtlos oder per Kabel an eine Auswert- und/oder Anzeigevorrichtung außerhalb des Gehäuses übertragen.
Bei einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform ist eine Abmessung einer Krafteinleitungsfläche der Druckplatte größer, bevorzugt mehr als 1 ,5 mal so groß, insbesondere etwa doppelt so groß oder größer wie/als eine maximale Abmessung des Verformungskörpers in einer senkrecht zur Krafteinleitungsrichtung verlaufenden Richtung. Bei erfindungsgemäßen Sensorvorrichtungen ist nämlich nicht notwendigerweise jeder Bereich der Druckplatte oberhalb des Verformungskörpers angeordnet. Vielmehr kann die Druckplatte von ihren äußeren Abmessungen her größer sein als der Verformungskörper und über den Verformungskörper hinausragen. Somit kann erfindungsgemäß eine Sensorvorrichtung mit großer Messfläche bei gleichzeitig kompakter Ausgestaltung von Verformungskörper und Sensor bereitgestellt werden, wodurch Herstellungskosten eingespart werden. Ein Freiraum im Gehäuseinneren unterhalb der Druckplatte und seitlich des Verformungskörpers kann zur Aufnahme einer Platine mit einer Auswertelektronik o. dgl. dienen.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Biegeabschnitte so auszugestalten, dass mit der Sensorvorrichtung Kieferkräfte im Bereich zwischen 5 N und 100 N, vorzugsweise zwischen 10 N und 50 N messbar sind. Dies ist nämlich der Bereich der Kieferkraft, in dem Kieferrelationsmessungen zweckmäßigerweise durchgeführt werden. Es ist weiterhin daran gedacht, den Verformungskörper mit weiteren Sensoren an entsprechend gestalteten Biegeabschnitten auszustatten, so dass auch Quer- und Torsionskräfte messbar sind.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verformungskörper für eine oben beschriebene Sensorvorrichtung mit einem Stützabschnitt zum Abstützen des Verformungskörpers an einem Gehäuse und mit einem mit dem Stützabschnitt über mindestens einen Biegeabschnitt gekoppelten Krafteinleitungsabschnitt. Eine externe Kraft ist über eine mit dem Krafteinleitungsabschnitt koppelbare Druckplatte in den Krafteinleitungsabschnitt einleitbar. Der Krafteinleitungsabschnitt ist gegenüber dem Stützabschnitt über den Biegeabschnitt beweglich gelagert, und ein Sensor zur Messung einer Verformung des Verformungskörpers ist in dem Biegeabschnitt angeordnet. Insbesondere ist der Krafteinleitungsabschnitt über den Biegeabschnitt gegenüber dem Stützabschnitt verschwenkbar und/oder in der Krafteinleitungsrichtung versetzbar.
Mit einem solchen erfindungsgemäßen Verformungskörper in einer Sensorvorrichtung zur intraoralen Messung einer Kieferstellung, einer Kieferbewegung und/oder einer Kieferkraft sind besonders reproduzierbare und exakte Kieferrelationsbestimmungen möglich.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer parallel zu einer Krafteinleitungsrichtung (F) verlaufenden Schnittebene,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Verformungskörpers der in Fig. 1 gezeigten
Sensorvorrichtung,
Fig. 3 eine zweite perspektivische Ansicht des Verformungskörpers der in Fig. 1 gezeigten Sensorvorrichtung, bei dem die Biegeabschnitte bzw. die Biegestellen besonders markiert sind,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verformungskörpers der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung (Fig. 4a) sowie ein Koordinatensystem zur Erläuterung der Berechnung der Ortskoordinaten eines Krafteinleitungsortes aus den Messwerten der Sensoren (Fig. 4b),
Fig. 5 eine alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, bei der der Krafteinleitungsabschnitt (119) ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers und der Stützabschnitt (118) ein Randabschnitt des Verformungskörpers ist,
Fig. 6-8 verschiedene Ausführungsformen von Verformungskörpern für die in Fig. 5 gezeigte, alternative Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 in einer parallel zu einer Krafteinleitungsrichtung F verlaufenden Schnittebene. Die Sensorvorrichtung besteht aus einem dosenförmigen Gehäuse 12 mit einem Boden und Seitenwänden, wobei das Gehäuse 12 oben durch eine flache Druckplatte 30 abgeschlossen ist. Ein Zwischenraum zwischen Gehäuse 12 und Druckplatte 30 ist abgedichtet, so dass keine Flüssigkeiten in das Gehäuseinnere eindringen können.
Das Gehäuse 12 und die Druckplatte 30 sind in einer senkrecht zur Krafteinleitungsrichtung F verlaufenden Schnittebene rund. Insgesamt ist die Sensorvorrichtung 10 etwa zylinderförmig mit einer parallel zur Krafteinleitungsrichtung F verlaufenden Zylinderachse. Die Sensorvorrichtung 10 kann vor Verwendung bei einer Kieferrelationsbestimmung in eine Halteplatte (nicht gezeigt) mit einer Haltevertiefung eingesetzt werden, wobei der Umriss der Halteplatte an die Abmessungen zwischen den beiden Zahnreihen des Unterkiefers eines Probanden angepasst ist. Die Halteplatte mit eingesetzter Sensorvorrichtung wird dann in den Bereich des Unterkiefers des Probanden eingesetzt und dort von den Zahnreihen festgehalten und fixiert. Ein Kraftinitiator (nicht gezeigt) mit einem Spitzenende zum Drücken auf die Druckplatte 30 der Sensorvorrichtung 10 in der Krafteinleitungsrichtung F wird in den Bereich des Oberkiefers des Probanden eingesetzt und dort festgehalten. Es werden dann sowohl die Kraft gemessen, mit der der Kraftinitiator auf die Druckplatte 30 drückt, als auch der Krafteinleitungsort, an dem der Kraftinitiator auf die Druckplatte 30 drückt. Dieser Krafteinleitungsort entspricht einer relativen Kieferstellung. Wenn der Proband seinen Unterkiefer relativ zu seinem Oberkiefer bewegt, ändert sich der Krafteinleitungsort, so dass eine Bewegungsbahn des Kraftinitiators auf der Druckplatte (Kieferbewegung) registriert werden kann.
Im Inneren des Gehäuses unterhalb der Druckplatte 30 ist ein Verformungskörper 20 angeordnet. Der Verformungskörper 20 ist so mit der Druckplatte 30 verbunden, dass eine lokal auf die Druckplatte 30 einwirkende externe Kraft auf den Verformungskörper wirkt und diesen zumindest lokal in Biegeabschnitten 23 verformt. Die Verformung des Verformungskörpers 20 bei Krafteinwirkung wird mit Sensoren 22 erfasst, die an dem Verformungskörper in den Biegeabschnitten 23 angeordnet sind.
Der Verformungskörper 20 weist einen gegenüber dem Gehäuse 12 feststehenden Stützabschnitt 24 auf. Der Stützabschnitt 24 ist bei der ersten, in den Figuren 1-4 dargestellten Ausführungsform ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers 20, der in seiner Mitte auf einem Vorsprung des Gehäuses aufliegt und dort befestigt ist.
Der Stützabschnitt 24 ist über insgesamt drei Biegeabschnitte 23 mit einem Krafteinleitungsabschnitt 26 gekoppelt. Der Krafteinleitungsabschnitt umgibt den Stützabschnitt 24 etwa ringförmig. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Druckplatte 30 unmittelbar an den Krafteinleitungsabschnitt 26, nicht jedoch an den Stützabschnitt 24 gekoppelt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Druckplatte an drei Befestigungsstellen 33 mit dem Krafteinleitungsabschnitt 26 verschraubt. Andere Befestigungsarten sind gleichermaßen denkbar. Diese Befestigungsstellen weisen gegenseitig ebenso wie die Biegeabschnitte einen Winkel von 120° auf, so dass bei der dargestellten Ausführungsform eine Proportionalität zwischen den an den drei Befestigungsstellen einwirkenden Teillasten (-F1 , -F2 und -F3) und den gemessenen Signalen gegeben ist. Bei Einwirkung einer Kraft auf die Druckplatte 30 verformt sich der Verformungskörper in den Biegeabschnitten 23 und der Krafteinleitungsabschnitt 26 wird gegenüber dem feststehenden Stützabschnitt 24 nach unten gedrückt (durch die in der Krafteinleitungsrichtung F wirkende Kraftkomponente) und gleichzeitig verkippt (sofern die Kraft nicht auf die Mitte der Druckplatte einwirkt).
Eine Stauchung und/oder eine Streckung einer Oberfläche des Verformungskörpers 20 in den Biegeabschnitten 23 infolge der Krafteinwirkung wird von den Sensoren erfasst und als Messsignal ausgegeben. Eine vektorielle Addition der drei Einzelsignale ergibt den Gesamtbetrag der in Axialrichtung F wirkenden Kraft. Die Sensoren können als Messwiderstände, insbesondere als Dehnungsmessstreifen (DMS) ausgebildet sein, deren Widerstand sich bei ihrer Streckung und Stauchung verändert.
Der Verformungskörper 20 ist einteilig etwa in Form einer flachen Kreisscheibe ausgebildet. Er wird vorzugsweise aus einem Metallstück wie etwa einer Metallplatte zusammenhängend und einteilig herausgeschnitten bzw. herausgefräst. Die Biegeabschnitte 23 werden hergestellt, indem die Kreisscheibe lokal geschwächt wird. Diese lokalen Schwächungen 25 können Durchbrüche durch die Kreisscheibe oder Materialabtragungen an der Metallplatte wie etwa Vertiefungen in der Platte sein. Bei den dargestellten Ausführungsformen weist der Verformungskörper jeweils mehrere Durchbrüche auf, zwischen denen sich die Biegeabschnitte 23 befinden.
Wie besonders gut in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, weist der Verformungskörper 20 insgesamt drei als Doppelstege 27 ausgeführte Biegeabschnitte 23 auf. In jedem Biegeabschnitt ist ein Sensor 22 zur Messung einer Streckung und/oder Stauchung an einer Oberfläche des Stegs angeordnet. Jeder Doppelsteg 27 ist an einem zentralen Abschnitt davon einseitig mit dem Stützabschnitt 24 und an den beiden Stegenden in Längsrichtung des Stegs mit dem Krafteinleitungsabschnitt 26 verbunden. Die Längsachse der Doppelstege verläuft jeweils etwa senkrecht zu einer radial verlaufenden Richtung.
Eine mögliche Anordnung der Messwiderstände an den Doppelstegen ist in Fig. 7 gezeigt. Jeder Doppelsteg trägt vier Dehnungsmessstreifen, die zu einer Vollbrücke geschaltet sind und einen Sensor bilden.
Anstelle der Doppelstege können einfache, in Radialrichtung verlaufende Stege vorgesehen sein, wie sie etwa in Fig. 6 gezeigt sind. Die in Radialrichtung verlaufenden Stege tragen jeweils mindestens einen Messwiderstand eines Sensors, wobei der Messwiderstand ausgehend von einem äußeren Rand des Stützabschnitts an der Oberfläche des Stegs radial nach außen in Richtung auf den Krafteinleitungsabschnitt verläuft. Besonders bevorzugt weist jeder Steg vier Messwiderstände auf, die jeweils gemäß der in Fig. 6 gezeigten Anordnung auf die Stege aufgebracht sind. Dabei sind zwei Messwiderstände an einer radial inneren Oberfläche des Stegs und zwei weitere Messwiderstände an einer radial äußeren Oberfläche des Stegs derart angeordnet, dass bei einer Krafteinleitung in den Krafteinleitungsabschnitt die radial innere Oberfläche des Stegs in dem Maß gestreckt wird, in dem die radial äußere Oberfläche gestaucht wird und umgekehrt (bei Krafteinleitung wird der Steg etwa S-förmig verformt).
Wenn ein Sensor vier zu einer Vollbrücke geschaltete Dehnungsmessstreifen hat, wird die Temperaturabhängigkeit reduziert und die Brückenspannung gegenüber einer Halbbrücke verdoppelt. Dadurch wird die Messgenauigkeit erhöht.
Die vier Dehnungsmessstreifen eines Sensors bzw. die 12 Dehnungsmessstreifen von insgesamt drei Sensoren oder auch weitere Dehnungsmessstreifen können in einem einzigen Beschichtungsschritt auf der Oberfläche des Verformungskörpers aufgebracht werden.
Insgesamt hat der Verformungskörper 20 eine 3-zählige Radiärsymmetrie. Benachbarte Biegeabschnitte weisen gegenseitig entsprechend einen Winkel von 120°auf.
Zwischen dem Verformungskörper 20 und der Druckplatte 30 sind Abstandhalteelemente 32 angeordnet, so dass der Krafteinleitungsabschnitt 26 auf Distanz zu der Druckplatte 30 gehalten wird. Der Krafteinleitungsabschnitt hat dann einen erforderlichen Freiraum für eine Bewegbarkeit gegenüber dem Stützabschnitt. Eine„Bewegbarkeit" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist bereits dann gegeben, wenn die Oberflächen der Biegeabschnitte bei Krafteinleitung geringfügig steckbar und/oder stauchbar sind. Entsprechend genügen Abstandhalteelemente mit einer Abmessung in Krafteinleitungsrichtung (F) von weniger als 1 mm ohne Weiteres.
Fig. 1 zeigt besonders deutlich, dass der Durchmesser der Druckplatte 30 fast doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Verformungskörpers 20. Der Freiraum unterhalb der Druckplatte 30 seitlich des Verformungskörpers kann zum Einbau einer Platine 34 mit einer Verstärkerschaltung zur Verstärkung des Messsignals oder einer Auswertschaltung zur Auswertung des Messsignals verwendet werden. Das Gehäuse 12 weist seitlich einen Kabelausgang 35 zum Herausführen eines Messsignals aus der Sensorvorrichtung auf.
Anhand Fig. 4 wird im Folgenden erläutert, wie die Ortskoordinaten eines Krafteinleitungsortes auf der Druckplatte aus den Messwerten der Sensoren bestimmbar sind.
FR in Fig. 4a entspricht der eingeleiteten Axialkraft. F f F2 und F3 sind die an den drei Befestigungsstellen 33 wirkenden Gegenkräfte des Verformungskörpers. Die Position des Krafteinleitungsortes wird in kartesischen Koodinaten xs , ys mit dem Mittelpunkt der Druckplatte als Koordinatenursprung ausgedrückt. Es wird ein Kräftegleichgewicht unter den folgenden Randbedingungen gebildet:
(1 ) Σ ί ^ =0
(2) I = 0
i
(3) ΣΜ» = ·
i
wobei MIX und Miy die Momente in der x-Richtung und in der y-Richtung sind. Über die Momentengleichgewichte lassen sich xs und ys wie folgt bestimmen:
F ■ 0 + F2 · cos(o ) · r - F3 · cos(or) · r
(4) xs =
Fl + F2 + F3
| r - F2 ■ sin(ar) r - F3 ■ sin(or) · r
(5) ys= Fl + F2 + F}
Wie man in Fig. 4b erkennen kann, ist bei der Anordnung der Sensoren unter einem Winkel von jeweils 120° gemäß der dargestellten Aus führungsform und der dargestellten Lage des Koordinatensystems der Winkel α gleich 30°.
Der Abstand r und der Winkel α sind konstant. Da sich die Teilkräfte proportional zu nt V
den gemessenen Messwerten -^—verhalten, lässt sich die Gleichung zur Ortsbestimmung auch direkt mit den drei gemessenen Messwerten Ui, U2 und U3 verwenden, ohne zuvor die Kräfte zu bestimmen.
Wie der Fachmann leicht erkennen wird, können die drei Biegeabschnitte auch unter anderen, ggf. auch unterschiedlichen gegenseitigen Winkeln und Abständen vom Koordinatenursprung angeordnet sein. Die Formeln (4) und (5) sind dann entsprechend anzupassen, wobei dann ggf. drei Winkel α, ß und γ und drei Abstände n, r2 und r3 zu verwenden sind. Aus den drei Messwerten lassen sich auf diese Weise die Koordinaten des Krafteinleitungsortes auf der Druckplatte bestimmen und diese können dann an einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
Eine besonders bevorzugte zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Krafteinleitungsabschnitt 119 ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers und der Stützabschnitt 118 ist ein den zentralen Abschnitt ringartig umlaufender Randabschnitt des Verformungskörpers.
Fig. 5 zeigt die zweite Ausführungsform in einer Schnittansicht. Die dargestellte Sensorvorrichtung hat ein dosenförmiges Gehäuse 3, das in seinem Inneren einen Verformungskörper 1 aufnimmt, und das oben von einer Druckplatte 4 abgeschlossen ist. Am Innenumfang eines Wandabschnitts des dosenförmigen Gehäuses 3 ist eine umlaufende Nut 132 ausgebildet, in die ein Ring 45 einsetzbar ist, der in eine Umfangsnüt 46 der Druckplatte 4 eingreift. Sowohl die Nut 132 als auch die Umfangsnüt 46 sind mit hinreichendem Spiel versehen, so dass sich die Druckplatte 4 in Fig. 1 in abwärtiger Richtung bewegen kann. Der eingesetzte Ring 45 dient dabei als Anschlagelement, das eine Zerstörung des Verformungskörpers, der mit der Druckplatte 4 gekoppelt ist, verhindert. Die Druckplatte 4 hat eine oberhalb der Umfangsnüt 46 ausgebildete Umfangsnüt 47, in der eine Dichtung 43 aufgenommen ist. Die Dichtung 43 ist aus einem Elastomer gefertigt und hat eine in Umfangsrichtung vorstehende Dichtlippe 44, die mit der Wandung des dosenförmigen Gehäuses 3 in dichtender Anlage ist. Die Dichtung 43 ist ausgelegt, eine hinreichende Bewegung der Druckplatte 4 relativ zu dem Gehäuse 3 zuzulassen. Alternativ kann die Dichtung auch als Balg ausgeführt sein, der an seinen beiden Umfangskanten fest mit dem jeweiligen Element (Gehäuse/Druckplatte) verbunden ist.
Die Druckplatte 4 ist eine Kreisscheibe mit einem zentralen Vorsprung 42, der seinerseits einen Ringbund 46 hat, der mit dem Verformungskörper 1 in Anlage bringbar ist.
Im Inneren des dosenförmigen Gehäuses 3, d.h. im Bereich des Gehäusebodens ist eine Bodenfläche 133 mit einer Aussparung 131 angeordnet. Die Aussparung 131 ist angepasst, eine Auswertplatine 5 aufzunehmen, auf der nicht näher beschriebene Elektronikbauteile und Leitungen angebracht sind, die angepasst sind, Widerstandswerte von Messwiderständen zu erfassen, auszuwerten und das Ergebnis nach draußen weiterzuleiten. Oberhalb der Aussparung 131 ist der Verformungskörper 1 angeordnet. Der Verformungskörper 1 hat einen zentralen Krafteinleitungsabschnitt 1 19 und einen Stützabschnitt 118, der über Biegeabschnitte mit dem Krafteinleitungsabschnitt 119 verbunden ist.
Im Umfangsbereich des Verformungskörpers 1 ist eine Randverstärkung 17 ausgebildet, mit der der Verformungskörper 1 im eingebauten Zustand auf der Bodenfläche 133 des Gehäuses 3 aufliegt. Verformungskörper 1 und Randverstärkung 117 sind im Stützabschnitt 118 durchbohrt und Schrauben 6, die in das Gehäuse 3 eingeschraubt werden, legen den Verformungskörper an der Bodenfläche des Gehäuses 3 fest. Alternativ dazu kann, wie auf der linken Seite in Fig. 5 gezeigt ist, ein Zwischenring 66 verwendet werden, der von der Schraube 6 durchdrungen wird. Dieser Zwischenring 66 verteilt einerseits die Befestigungskräfte auf einen größeren Bereich des Stützabschnitts 1 18 des Verformungskörpers 1 und ermöglicht zudem eine Gestaltung des Verformungskörpers mit randseitig offenen Kerben zur Befestigung. Durch großzügig bemessene Kerben ist es möglich, ungewollte Verspannungen in dem Verformungskörper 1 durch das Festschrauben zu verhindern.
In der in Fig. 5 gezeigten Anordnung sind die Messwiderstände (nicht gezeigt) auf der oberen Seite des Verformungskörpers 1 in den Biegeabschnitten angeordnet. In diesem Fall können die als Durchbrüche 122 gezeigten Schwächungen des Verformungskörpers für die Leitungsführung 51 zwischen den Messwiderständen und der Auswertelektronik 5 herangezogen werden.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Verformungskörpern für die in Fig. 5 gezeigte, alternative Ausführungsform der Erfindung. Diese Verformungskörper weisen jeweils einen zentralen Krafteinleitungsabschnitt 1 19 und einen den Krafteinleitungsabschnitt 119 ringartig umlaufenden Stützabschnitt 118 auf.
Die Stützabschnitte 118 der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen weisen jeweils an ihrem Umfang Kerben 116 auf, durch die Befestigungselemente führbar sind, um den Verformungskörper 1 an dem Gehäuse 3 zu befestigen. Der Krafteinleitungsabschnitt 119 hat jeweils in seiner Mitte ein Loch 121 , das so bemessen ist, dass ein Vorsprung 42 der Druckplatte 4 angreifen kann. Der Krafteinleitungsabschnitt 119 des in Fig. 6 gezeigten Verformungskörpers ist über drei radial nach außen verlaufende Stege 120 mit dem Stützabschnitt 118 verbunden, die jeweils zueinander einen Winkel von 120° einschließ en. Jeder Steg 120 trägt an seiner Oberfläche einen Sensor 8, wobei jeder Sensor insgesamt vier Messwiderstände aufweist, die zu einer Vollbrücke geschaltet sind. Bei einer nicht-zentralen Krafteinwirkung auf die Druckplatte 4 werden die Oberflächen der drei Stege 20 unterschiedlich stark verformt, wobei diese Verformungen gemessen werden. Aus den drei Messwerten kann der Krafteinleitungsort auf der Druckplatte und/oder der Kraftbetrag bestimmt werden (siehe oben).
Dabei können jeweils zwei Messwiderstände eines Sensors 8 in einem Streckabschnitt und zwei Messwiderstände des Sensors 8 in einem Stauchabschnitt angeordnet sein (siehe oben), um Störgrößen wie etwa Temperatur zufriedenstellend kompensieren zu können.
Ein alternativer Verformungskörper, der Doppelstege anstelle der einfachen Stege aufweist, ist in Fig. 7 dargestellt. Die Doppelstege entstehen durch eine geeignete Anordnung von Gruppen von Durchbrüchen 122, 124 durch den Verformungskörper.
Weitere alternative Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verformungskörper mit zwei bzw. vier Biegeabschnitten 120 und Gruppen von Durchbrüchen 126 bzw. 127 sind in den Figuren 8a und 8b gezeigt.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist es für den Fachmann offensichtlich, dass der Verformungskörper anders geformt sein kann und mehr oder weniger Biegeabschnitte und Sensoren aufweisen kann als bei der beschriebenen Ausführungsform. So genügt bereits eine Biegestelle mit einem einzigen Sensor zur Messung des Betrags einer Kieferkraft. Andererseits können mehr als drei Sensoren vorgesehen sein, wenn auch eine Krafteinleitungsrichtung, eine Torsion, eine Querkraft o. dgl. gemessen werden soll. Anstelle der Stege können anders geformte Biegeabschnitte vorhanden sein. Bspw. können die Biegestellen in Form von Schwächungen des Verformungskörpers gebildet sein, ohne dass notwendigerweise Stege vorhanden sind. Pro Biegeabschnitt kann auch nur ein Sensor mit einem einzigen Dehnungsmessstreifen vorhanden sein, der in einer Viertelbrücke geschaltet ist. Auch Halbbrücken mit jeweils zwei Dehnungsmesssteifen sind vorstellbar. Die einzelnen Dehnungsmessstreifen einer Brücke können an verschiedenen Oberflächeabschnitten, in unterschiedlichen Ausrichtungen und geometrischen Anordnungen an der Oberfläche des Verformungskörpers angeordnet sein. Verschiedene Arten von Brückenschaltungen zur Kompensation verschiedener Störgrößen sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Sensorvorrichtung (10) zur intraoralen Messung einer Kieferstellung, einer Kieferbewegung und/oder einer Kieferkraft mit einem Gehäuse (12), einem in dem Gehäuse (12) aufgenommenen Verformungskörper (20), einer mit dem Verformungskörper (20) gekoppelten Druckplatte (30), in die lokal eine externe Kraft (F) einleitbar ist, so dass sich der Verformungskörper (20) zumindest lokal verformt, einem an dem Verformungskörper (20) angeordneten Sensor (22) zur Messung der Verformung des Verformungskörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (20) folgendes aufweist: einen gegenüber dem Gehäuse (12) feststehenden Stützabschnitt (24), einen Krafteinleitungsabschnitt (26), auf den die in die Druckplatte einzuleitende externe Kraft (F) einwirkt, und mindestens einen den Stützabschnitt (24) mit dem Krafteinleitungsabschnitt (26) verbindenden Biegeabschnitt (23), der bei Einleitung der externen Kraft (F) verformbar ist.
2. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsköper (20) eine einteilig gebildete Platte, bevorzugt eine einteilige Metallplatte ist.
3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (20) in der Umgebung des Biegeabschnitts (23) mindestens eine lokale Schwächung (25) aufweist.
4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Schwächung (25) in Form eines oder mehrerer Durchbrüche durch den Verformungskörper (20), einer Materialabtragung an dem Verformungskörper (20) und/oder einer lokalen Verringerung der Stärke des Verformungskörpers (20) gebildet ist.
5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeabschnitt (23) in Form eines den Krafteinleitungsabschnitt (26) mit dem Stützabschnitt (24) verbindenden Stegs (27), bevorzugt eines Doppelstegs, gebildet ist.
6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22) an dem und/oder angrenzend an den Steg angeordnet ist.
7. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (20) mindestens zwei, bevorzugt drei Biegeabschnitte (23) aufweist, an denen jeweils ein Sensor (22) zur Messung einer Verformung des Verformungskörpers angeordnet ist.
8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützabschnitt (24) ein zentraler Abschnitt des Verformungskörpers und der Krafteinleitungsabschnitt (26) ein den zentralen Abschnitt umlaufender Randabschnitt des Verformungskörpers ist oder umgekehrt, wobei der zentrale Abschnitt über die Biegeabschnitte (23) mit dem Randabschnitt verbunden ist.
9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeabschnitte (23) jeweils als sich quer, insbesondere etwa senkrecht zur Radialrichtung erstreckende Doppelstege ausgeführt sind, die jeweils in ihrer Mitte mit dem zentralen Abschnitt des Verformungskörpers und an ihren beiden Endabschnitten mit dem Randabschnitt verbunden sind oder umgekehrt.
10. Sensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper im Wesentlichen eine 3-zählige Radiärsymmetrie hat.
1 1. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (22) mindestens einen Messwiderstand, bevorzugt einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor vier zu einer Vollbrücke geschaltete Dehnungsmessstreifen aufweist.
13. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens einen entlang einer ersten Biegefläche des Biegeabschnitts angeordneten ersten Dehnungsmessstreifen und einen entlang einer zweiten Biegefläche des Biegeabschnitts angeordneten zweiten Dehnungsmessstreifen aufweist, wobei die erste Biegefläche infolge einer Krafteinwirkung auf die Druckplatte gestreckt wird, wenn die zweite Biegefläche gestaucht wird und umgekehrt, und wobei der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen zu einer Halbbrücke oder einer Vollbrücke geschaltet sind.
14. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafteinleitungsabschnitt (26) fest mit der Druckplatte (30) gekoppelt ist, so dass die relative Lage von Druckplatte und Krafteinleitungsabschnitt bei Krafteinwirkung auf die Druckplatte unveränderlich ist.
15. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) in einer senkrecht zur Krafteinleitungsrichtung verlaufenden Schnittebene abgerundet, bevorzugt kreisförmig ist, und derart geformt ist, dass es zwischen die Molaren eines Unterkiefers einsetzbar ist.
16. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abmessung einer Krafteinleitungsfläche der Druckplatte (30) größer ist, bevorzugt mehr als 1,5 mal so groß ist, insbesondere etwa doppelt so groß ist oder größer als eine maximale Abmessung des Verformungskörpers (20) in einer senkrecht zur Krafteinleitungsrichtung (F) verlaufenden Richtung.
17. Verformungskörper (20) einer Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Stützabschnitt (24) zum Abstützen des Verformungskörpers an einem Gehäuse und mit einem über mindestens einen Biegeabschnitt (23) mit dem Stützabschnitt gekoppelten Krafteinleitungsabschnitt (26), der zur festen Verbindung mit einer Druckplatte zum Einleiten einer externen Kraft eingerichtet ist, wobei der Krafteinleitungsabschnitt (26) gegenüber dem Stützabschnitt (24) bewegbar ist, und wobei ein Sensor (22) zur Messung einer Verformung an dem Biegeabschnitt (23) angeordnet ist.
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