EP3341077A2 - System for the wireless transmission of energy and/or signals, the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and the application and detection of same in peripheral regions of said system - Google Patents

System for the wireless transmission of energy and/or signals, the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and the application and detection of same in peripheral regions of said system

Info

Publication number
EP3341077A2
EP3341077A2 EP16778671.4A EP16778671A EP3341077A2 EP 3341077 A2 EP3341077 A2 EP 3341077A2 EP 16778671 A EP16778671 A EP 16778671A EP 3341077 A2 EP3341077 A2 EP 3341077A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer element
energy
electrical
transducer
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16778671.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Lausch
Michael Brand
Michael Arnold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3341077A2 publication Critical patent/EP3341077A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A61B5/0031Implanted circuitry
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A61B5/0015Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network characterised by features of the telemetry system
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1113Local tracking of patients, e.g. in a hospital or private home
    • A61B5/1114Tracking parts of the body
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2/32Joints for the hip
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2/46Special tools or methods for implanting or extracting artificial joints, accessories, bone grafts or substitutes, or particular adaptations therefor
    • A61F2/468Testing instruments for artificial joints
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/372Arrangements in connection with the implantation of stimulators
    • A61N1/378Electrical supply
    • A61N1/3787Electrical supply from an external energy source
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H04B5/26
    • H04B5/72
    • H04B5/79
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/56Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws, setting implements or the like
    • A61B17/68Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
    • A61B17/80Cortical plates, i.e. bone plates; Instruments for holding or positioning cortical plates, or for compressing bones attached to cortical plates
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00Other methods or instruments for diagnosis, e.g. instruments for taking a cell sample, for biopsy, for vaccination diagnosis; Sex determination; Ovulation-period determination; Throat striking implements
    • A61B2010/009Various features of diagnostic instruments
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00221Electrical control of surgical instruments with wireless transmission of data, e.g. by infrared radiation or radiowaves
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0219Inertial sensors, e.g. accelerometers, gyroscopes, tilt switches
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0223Magnetic field sensors
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/48Operating or control means, e.g. from outside the body, control of sphincters
    • A61F2/482Electrical means
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28Bones
    • A61F2002/2821Bone stimulation by electromagnetic fields or electric current for enhancing ossification
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28Bones
    • A61F2002/286Bone stimulation by mechanical vibrations for enhancing ossification
    • A61F2002/2864Bone stimulation by mechanical vibrations for enhancing ossification by ultrasonic or acoustic vibrations
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2002/30001Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30003Material related properties of the prosthesis or of a coating on the prosthesis
    • A61F2002/3006Properties of materials and coating materials
    • A61F2002/30079Properties of materials and coating materials magnetic
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2002/30001Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30003Material related properties of the prosthesis or of a coating on the prosthesis
    • A61F2002/3006Properties of materials and coating materials
    • A61F2002/30087Properties of materials and coating materials piezoelectric
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2002/30001Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30667Features concerning an interaction with the environment or a particular use of the prosthesis
    • A61F2002/30668Means for transferring electromagnetic energy to implants
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2002/30001Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
    • A61F2002/30667Features concerning an interaction with the environment or a particular use of the prosthesis
    • A61F2002/30668Means for transferring electromagnetic energy to implants
    • A61F2002/3067Means for transferring electromagnetic energy to implants for data transfer
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2/46Special tools or methods for implanting or extracting artificial joints, accessories, bone grafts or substitutes, or particular adaptations therefor
    • A61F2002/465Special tools or methods for implanting or extracting artificial joints, accessories, bone grafts or substitutes, or particular adaptations therefor using heating means
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/10The network having a local or delimited stationary reach
    • H02J2310/20The network being internal to a load
    • H02J2310/23The load being a medical device, a medical implant, or a life supporting device
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power

Definitions

  • the invention relates to a system for the wireless transmission of energy and / or signals between spatially separated areas without electrically conductive connection, the conversion of energy and / or signals into other forms of energy and / or waveforms and their application and / or detection in at least one peripheral Area of the system.
  • the system allows wireless energy transmission between at least two spatially separated areas without electrically conductive connection, wherein energy is fed into at least one of these areas and wirelessly transmitted to at least one other area, converted as needed into other forms of energy and applied in a peripheral area of the system ,
  • a transmission of signals can be achieved in the energy transfer.
  • the signals can be generated on the one hand in a peripheral region of the system by physical, biological or chemical processes or states and detected by the system and converted, on the other hand also generated independently of the system, fed into the system and transmitted wirelessly to the other area.
  • a peripheral region of the system is advantageously a shaped body or a part of a shaped body.
  • the molding may be both part of the system as well as part of external structures and systems to which the system is assigned. Elements of the system can be introduced directly into a molded body or arranged on its surface, screwed and / or be sprayed or weldable. In medical applications, the molding may be an implant or an osteosynthesis component / plate or a screw or a nail or an orthosis.
  • the molded body may be a structural or supporting structure, masonry or reinforcing element.
  • the molded body can be, for example, a chassis or a frame or a component.
  • the aktorische / sensory system component can be introduced directly into a molding or arranged on the surface, be screwed and / or be sprayed or weldable.
  • vibrations or sound waves for attenuation analysis at the contact zone bone implant for loosening detection purposes or for improved tissue ingrowth as stimulation or stiffening-inhibiting movement and thus also metabolic stimulation of the target tissue inclusive or excluding the neighboring tissue.
  • Thermal energy can be used to initiate mechanical manipulations at the transitions of implants to the tissue, for example, by shape memory materials, inflated sacs, or by thermal expansion, as well as to initiate chemical reactions for drug release.
  • a system according to the invention is designed such that in at least one first external region at least one first transducer element, in particular an electric primary coil or a movable permanent magnet, with which an alternating magnetic field can be generated and / or with the energy of an alternating magnetic field into electrical energy in inverse form is convertible, is part of the system.
  • at least one first transducer element in particular an electric primary coil or a movable permanent magnet, with which an alternating magnetic field can be generated and / or with the energy of an alternating magnetic field into electrical energy in inverse form is convertible, is part of the system.
  • At least one second transducer element in particular at least one electric coil, is present in at least one second region, which is spatially separated from the first region and is not electrically conductively connected alternating magnetic field of the first transducer element as a result of induction in electrical energy is convertible and / or inversely convertible electrical energy into magnetic energy and the first transducer element transferable and / or detectable by another sensor.
  • at least one ferromagnetic core of soft magnetic material is assigned to the at least one electrical coil.
  • the second transducer element may be formed in an alternative of the invention so that the magnetic energy of the first transducer element is convertible into thermal energy, wherein the second transducer element is preferably at least one shorted or provided with an electrical load electrical coil, the one or more ferromagnetic Cores can be assigned.
  • the conversion of the energy of the magnetic field of the first transducer element into thermal energy can be effected by means of different conversion mechanisms.
  • the energy of the magnetic field of the first transducer element can first be converted into electrical energy and then by Joule heating of the coil and / or an electrical load connected to the coil, such as a filament, into thermal energy, on the other hand, a direct conversion the energy of the magnetic field in thermal energy by hysteresis losses in the remagnetization of the core material and / or eddy current losses in the core material and conductive materials in the vicinity of the coil possible.
  • different variants of the second transducer element with different proportions of the described conversion processes can be realized.
  • Hysteresis heating requires large hysteresis losses. Therefore, a core material with high coercive field strengths and high saturation flux density can be beneficial. Remagnetization and demagnetization should be possible.
  • a magnetically semi-hard core material is advantageous. Higher field strengths of the magnetic field of the first transducer element or of an alternating magnetic field generated with a second transducer element likewise lead to an improved thermal effect.
  • Another influencing parameter is the geometry, e.g. the length-to-width ratio of the core, which can be optimized so that the demagnetizing field in the core is as small as possible.
  • At least one further transducer element may be part of the system.
  • the further transducer element can, as a third transducer element, convert electrical energy into kinetic energy, in particular vibrations or sound waves and / or in inverse form kinetic energy into electrical energy and in particular be a piezoelectric element or a permanent magnet which is held fixed in a receiving element.
  • a fourth transducer element may be present which converts the respective energy forms of the second transducer element, in particular electrical and / or thermal energy, into other forms of energy, in particular mechanical (kinetic / potential) and / or chemical Energy and / or electromagnetic Change radiation.
  • a fourth transducer element preferably elements with high thermal expansion, Blähsburge, shape memory materials, thermal and / or electrochemical cells and reactors and / or light or radiation-emitting elements are components of the fourth transducer element.
  • the conversion of the energy forms of the second transducer element into further forms of energy can be effected by thermal expansion of solid particles, liquids or gases and / or memory effects and / or thermally or electrically influenced chemical reactions and / or atomic and molecular energy absorption and emission.
  • all the described transducer elements may contain components for the direct local transmission of the respective energy form and / or for the application or coupling of energy into peripheral areas of the system. These may be in particular electrical, magnetic, thermal or acoustic conductors, components for the delimitation or for the transport of substances or mechanical connection and coupling elements.
  • a system according to the invention comprises, in addition to a first and a second transducer element, a fourth transducer element which, for example, converts thermal energy of the second transducer element into kinetic energy
  • the second and fourth transducer element can be connected by a thermal conductor element.
  • the first transducer element of a system according to the invention is arranged in a first region, which is spatially at a distance from the regions of all other second, third or fourth transducer elements and is not electrically conductively connected thereto.
  • the first converter element contains at least one electrical coil
  • this may be connected to a frequency generator, an electrical AC voltage source and / or a device for detecting an electric current and / or an electrical voltage, thereby generating a variable magnetic field and / or in inverse form a variable magnetic field can be converted into electrical signals and detected.
  • the first transducer element contains permanent magnets, a variable magnetic field or a rotary or alternating field can likewise be generated by their movement or rotation. to Influencing the field, the first transducer element may additionally contain ferromagnetic components.
  • an alternating magnetic field of defined frequency is generated by the first transducer element by at least one electrical coil of the first transducer element is acted upon by an electrical alternating voltage.
  • the second transducer element is arranged within the alternating magnetic field generated by the first transducer element, an electrical voltage of the same frequency is induced in the at least one electrical coil of the second transducer element and the magnetic energy is converted into electrical energy, which in turn can be converted into other forms of energy.
  • electrical energy which in turn can be converted into other forms of energy.
  • These are preferably kinetic energy in the form of oscillations or sound waves, which can be coupled into a shaped body which may be part of the system or into another body in peripheral areas of the system.
  • the third transducer element can be used, which should particularly preferably be a piezoelectric transducer element.
  • a piezoelectric transducer element can be electrically conductively connected to the two poles of the electrical coil forming the second transducer element and contract according to the frequency of the induced electrical voltage, ie periodically change its length in at least one axial direction.
  • Such a third transducer element should be kept fixed in a receiving element, which acts as a mechanical coupling member and allows the transmission, emission and coupling of vibrations or sound waves in peripheral areas of the system.
  • the third transducer element when the piezoelectric transducer element is used as described as an actuator. It can be arranged with the electric coil of the second transducer element in a housing or molded body.
  • electrical voltages can be generated from external movements, vibrations or sound waves with the piezoelectric transducer element and thus the kinetic energy to be converted into electrical energy.
  • the electric coil of the second Transducer element and the piezoelectric transducer element of the third transducer element electrically conductively connected to each other an electric current flows through the electrical coil of the second transducer element and it is generated a corresponding magnetic field.
  • An amplification of this magnetic field can be achieved with the soft magnetic core and the associated formation of a stray field.
  • the first transducer element can be arranged outside of a housing, a shaped body and also outside a surrounding body or cell tissue.
  • the first transducer element can be connected to a measuring device for determining the induced electrical voltage, so that via a determination of the electrical current and / or the electrical voltage of the first transducer element wireless external detection of mechanical and acoustic processes in peripheral regions of the third transducer element or a defined wireless signal transmission is possible, the frequency and / or amplitude-dependent and / or signalformankorngig can be evaluated.
  • the system according to the invention can thus also be used as a sensor in which the signal transmission takes place via the energy transmission of the generated and variable magnetic field.
  • the force-locking and positive-locking fixation of such a system according to the invention with a hole-shaped integration region on an osteosynthesis plate or other osteosynthesis component with a traditional hole arrangement, for example via screwing in applications in the fracture region can provide a further sensory advantage in addition to the already mentioned healing stimulation.
  • the system according to the invention With a defined physical load on the fracture area, the system according to the invention generates, for example, signals defined at the osteosynthesis plate, which can be an integral expression of the progress or the stagnation or even the regression of the osteosynthesis.
  • At least a third and / or fourth transducer element should be fixed by means of a receiving element. But there is also the possibility that any combinations of second, third and fourth transducer elements are fixed in a receptacle.
  • At least one contour element is formed on the receiving element.
  • the receiving element is integrated with at least one third and / or fourth transducer element in a molded body or at least partially enclosed by this.
  • the receiving element should, at least in the region in which the contour element (s) is / are formed, reach the surrounding molded body or peripheral areas of the system, such as, for example, living cell tissue. This is particularly advantageous when a shaped body is for example a prosthesis or an implant or an osteosynthesis plate or another osteosynthesis material.
  • a receiving element for at least a second, third or fourth transducer element should advantageously at least partially formed from an acoustically conductive and / or elastically deformable material and / or acoustically conductive or elastically deformable or thermally conductive or thermally insulating, depending on the application and design of the respective transducer element, be electrically conductive or electrically insulating.
  • a receiving element can be formed, for example, from an elastically deformable and thermally as well as electrically conductive material, in particular from titanium or titanium alloys.
  • a receiving element for a transducer element at least partially functions as part of another transducer element
  • the receiving element of a second and / or third transducer element may be at least partially formed as a fourth transducer element. This is particularly advantageous if the receiving element forwards thermal energy and at the same time, at least in some areas, converts it into kinetic energy by means of expansion or memory processes.
  • An inventive system as described above can be incorporated into any non-ferromagnetic molded body.
  • This shaped body can also be electrically conductive.
  • the system can also be introduced into further spatially separate areas, such as human or animal organisms, fluidic systems, gas and liquid pressure vessels, as well as structures and structures.
  • the system can be operated in one direction only, ie both exclusively apply energy and act exclusively as a sensory-active element.
  • a first transducer element which has alternating magnetic fields with a frequency in the range from 10 Hz to 3000 Hz and preferably in the ranges 10 Hz to 50 Hz, 125 Hz to 175 Hz and 300 Hz to 3000 Hz generated and thus induced in the electrical coil of at least one second transducer element electrical voltages in eben turn frequency ranges.
  • the alternating magnetic field of the first transducer element can be used with an alternating voltage applied electrical coil, which is connected for example to a frequency generator or to a defined inverter control, or a moving permanent magnet.
  • the first transducer element then only has to be brought sufficiently close to the electrical coil of the second transducer element accommodated in the receiving element, so that a maximum distance is not exceeded with which it can be ensured that a sufficiently large electrical voltage can be induced in the electrical coil of the second converter element.
  • an amplifier connected between the function generator and the electrical coil of the first transducer element eg with 10-fold amplification, the maximum distance can be increased or the effectiveness can be increased.
  • the frequency generator can be operated sinusoidally and possibly with variable frequency. In principle, however, other signal forms for the operation of a frequency generator are possible.
  • the field strength of the alternating magnetic field generated by the first transducer element can be influenced via the electrical voltage at the frequency generator or with the amplifier. In addition to the maximum distance, this also influences the electrical voltage induced in the electrical coil of the second transducer element and thus the energy transmitted thereto.
  • the electrical voltage induced in the electrical coil of the second transducer element can be influenced by its magnetic field strength, the distance to the second transducer element and the kinetic kinetic energy acting on the permanent magnet.
  • a defined polar alignment and direction of movement of the permanent magnet influence on the direction of the generated magnetic field and thus on the induced voltage and the electric current flowing through the electrical coil of the second transducer element, can be taken, which in turn can also influence a third transducer element direction.
  • the magnetic field strength at each space point around an electric coil is directly proportional to the electric current flowing through the electric coil. This also applies to the location of the electrical coil of the second transducer element according to the invention.
  • a core of a soft magnetic material which is arranged inside the electrical coil, a very high magnetization can be achieved even at very low field strengths. This can be additionally influenced by the choice of the core material.
  • a demagnetizing field is established in the core, which reduces the field strength in the core. This effect can therefore also by the core geometry can be influenced. The result is a resulting magnetic flux density in the core, which changes quasi linearly as the magnetic field increases.
  • the magnetic flux through this coil changes only with a change in the magnetic flux density.
  • the change in the magnetic flux density in the electrical coil of the second transducer element is effected in accordance with the magnetization curve of the core material and is caused by the periodic change in the field strength of the alternating magnetic field used for the excitation of the first transducer element.
  • the scaling factor between magnetic field strength and flux density is the permeability.
  • the electrical voltage induced in the electrical coil is equal to the negative temporal change of the electrical flux through the coil turns.
  • the induction voltage in the coil of the second transducer element in the described arrangement depends only on the magnetic flux density change and thus both proportional to the excitation frequency of the electric coil, as well as proportional to the field strength of the magnetic field of the first transducer element.
  • the magnetic field of the first transducer element is caused by the flow of electrical current in the coil and is proportional to the electric current.
  • the electric current is obtained in accordance with the laws of AC electric power from the voltage applied to the coil and the AC resistance. In this case it results from the ohmic and the inductive resistance of the coil.
  • the electric current and thus also the magnetic field strength of the first transducer element are only dependent on the inductive resistance and thus indirectly proportional to the excitation frequency.
  • the direct proportionality of induction voltage in the coil of the second transducer element and excitation frequency the direct proportionality of induction voltage in the coil of the second transducer element and magnetic field strength of the first Transducer element and the indirect proportionality of excitation frequency and magnetic field strength of the first transducer element under the assumptions and simplifications in the coil of the second transducer element, a constant induction voltage.
  • the electrical voltage induced in the coil of the second transducer element would also double at a constant magnetic flux density, but since the magnetic field strength of the first transducer element is halved due to the lower current flow due to the inductive resistance of the coil, the voltage drops as well magnetic flux density to half and in the coil of the second transducer element induced voltage remains in total equal. It is thus shown that a frequency independence of the invention induced in the coil of the second transducer element electrical voltage and thus a frequency-independent generation of equally strong gradients can be exploited.
  • a fourth transducer element is used for the system according to the invention, with which the thermal energy obtained with a second transducer element described above is to be converted into kinetic, the effect of thermal expansion or a change in the geometry of a shape memory material can be exploited.
  • a component can be used as the fourth transducer element, which changes its extent or length as a function of temperature in at least one dimension. This component can also be at least a part of the already mentioned receiving element.
  • Such a fourth transducer element can also be thermally conductively connected to at least partial regions of the coil of the second transducer element that is electrically short-circuited or connected to an electrical load or a ferromagnetic core assigned to it, via a thermal conductor element having a high thermal conductivity.
  • the fourth transducer element can be arranged more flexibly at a certain location and there the desired effect on a molding or peripheral areas of the system can be achieved.
  • the thermal energy of the second transducer element can also be forwarded via a thermal conductor element to a location at which the thermal energy is converted into chemical energy and / or by means of thermochemical processes in a reactor or by reactions with components and substances in peripheral areas of the system can be used to manipulate the environment.
  • a superposition of the electrical operating voltage of the coil can be carried out with an additionally induced via the activity of the piezoelectric transducer in this coil electrical voltage.
  • the ratio of electrical operating voltage to induced electrical voltage may be relatively large, e.g. at 170V to 10mV. Consequently, a differential measurement of the electrical voltages is advantageous in order to discriminate the obtained voltage signals from the operating voltage.
  • An analogous procedure is favorable when measuring with an external magnetic field sensor as the receiver, where the superimposition of the magnetic field directly generated by the operation of the coil of the first transducer element with the magnetic field generated by the magnetic coil of the second transducer element due to the activity of the piezoelectric transducer in the Differential measurement is to be considered.
  • the portion of the magnetic field formed exclusively by the activity of the piezoelectric transducer and the electrical coil of the second transducer element with possibly arranged therein core can be measured in the switched-off state of the first transducer element.
  • This can be influenced, for example, by the magnetic history and / or the remanence of the core.
  • the measurement can also be done in this case, as described either directly with a magnetic field sensor or by measuring the induced voltage in the coil of the first transducer element.
  • the second transducer element in particular so the electrical coil is not permanently with the third transducer element, which may be formed as a piezoelectric transducer, to connect, but to switch their connection externally triggered.
  • This can be achieved, for example, with a reed contact.
  • the electrical voltage can be maintained longer at the piezoelectric transducer of the third transducer element, if this has been previously subjected to a mechanical force.
  • a larger electrical current can flow over a shorter period of time. Thereby, a better detection of a measurement signal can be made possible, since the intensity of the signal is increased and the time of occurrence by the externally triggered circuit is known.
  • the material of the piezoelectric transducer of the third transducer element as soft as possible piezoelectric material can be used with high hysteresis.
  • a piezoelectric transducer stacking actuator
  • an electrical operating voltage of the coil of the first transducer element of 100 V in the triggered switched operation
  • the electrical capacitance of this piezoelectric transducer may be 25 nF.
  • the blocking force with which the piezoelectric transducer is fixed in the receiving element should be greater than 120 N.
  • the piezoelectric transducer of the third transducer element undergoes a volume oscillation when excited by electrical alternating voltage.
  • the transverse contraction occurs according to the stiffness tensor.
  • the transverse contraction can be obtained by multiplying by the Poisson number (0.28 to 0.36).
  • the dynamic stiffnesses of the piezoelectric materials are very high and are usually in the range of more than 10 GPa.
  • the transverse strain can be utilized. This may be transferred along a thin plate-shaped receiving element, which may preferably be formed from titanium or a corresponding titanium vanadium aluminum alloy.
  • the piezoelectric transducer of the third transducer element may be integrated by thermal fit in this plate-shaped receiving element.
  • the ferromagnetic core which is arranged in the interior of the electrical coil of the second transducer element, can also be integrated by thermal fit in the plate-shaped receiving element. This can be a part of Vibration wave propagation takes place except through lateral webs / contour elements partly through the core material, whereby it can be exploited that steels and titanium have comparable sound characteristic impedances (steel eg 5900 Ns / m 3 vs. titanium 6100 Ns / m 3 ).
  • An alternating magnetic field generated by a first transducer element with a magnetic field strength of approximately 2 kA / m can, for example, induce a voltage with an amplitude of at least 300 mV and a frequency of 300 Hz in the electrical coil of the second transducer element. Since the mechanical stress-strain behavior of a piezoceramic piezoelectric transducer is still linear at low electrical voltages, for example up to one thousandth of the electrical operating voltage, a piezoelectric transducer operated in this way can be used in a system according to the invention for small power sound applications such as structure-borne noise applications ,
  • a piezoelectric transducer as a third transducer element can thus be operated with the inventive system energy self-sufficient and without internal control electronics.
  • a polarized piezo stack actuator as a third transducer element has a linear relationship between the electric field strength E and the mechanical strain S in the region below the saturation polarization.
  • the electrical operating voltage is usually at the electrical voltage corresponding to half the saturation field strength.
  • the linear behavior is not influenced by the influence of a constant external force.
  • the mechanical strain is frequency independent at a constant amplitude of the electrical voltage.
  • the resonance frequency in the 33 direction of a stack actuator described lies at 660 kHz and thus above the operating frequencies indicated as favorable.
  • Figure 1 .1 an example of a part of a system according to the invention for application of mechanical energy in a partially sectioned side view
  • Figure 1 .2 the example of Figure 1 .1 in a sectional side view with visible ferromagnetic core.
  • FIG. 2.1 shows an example of part of a system according to the invention for applying mechanical energy in cross section
  • Figure 2.2 shows the example of Figure 2.1 in a side view
  • Figure 3.1 shows an example of a part of a system according to the invention for applying thermal energy with a thermal conductor element in cross section;
  • Figure 3.2 shows the example of Figure 3.1 in a side view
  • Figure 3.3 shows the example of Figure 3.1 with an additional switching element in a side view
  • FIG. 4.1 shows an example of a part of a system according to the invention, a so-called integration component, for the application of mechanical and / or thermal energy for integration into a shaped body in cross-section;
  • FIG. 4.2 shows the example of an integration component according to FIG. 4.1 with identified integration areas in a view from above;
  • FIG. 4.3 shows the example of an integration component according to FIG. 4.1 with identified integration regions in a lateral view
  • FIG. 4.4 shows the example of an integration component according to FIG. 4.1 integrated in a molding with marked integration regions in a view from above; in an example of a system according to the invention with an integrating component introduced vertically into a molded body for applying mechanical energy with visible integration regions and two coils arranged outside as first transducer elements for generating at least one alternating magnetic field and deflection vectors in a lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component horizontally introduced into a molded body for the application of mechanical energy with visible integration interface and two coils arranged outside as the first transducer elements for generating at least one alternating magnetic field and deflection vectors in a lateral view; an example of a system according to the invention according to Figure 5.2 with additionally arranged on the molding body sensors in a side view; an example of a system according to the invention according to FIG.
  • a system according to the invention with sensors additionally arranged on the shaped body and a sensor-porous specimen arranged on the shaped body and an actuator-sensor-actuator arrangement in a lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component introduced vertically into a molded body for generating thermal energy and a transducer element for subsequent conversion into mechanical energy including a coil as a first transducer element in a lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component horizontally introduced into a molding body for applying mechanical energy in a recording unit for biological samples arranged on the molding and two coils as first transducer elements which are arranged on two opposite sides of the molding and the receiving unit, in lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component introduced vertically into a shaped body for applying mechanical energy to a receiving unit for biological samples arranged on the shaped body, and two coils as first transducer elements arranged on two opposite sides of the shaped body and the receiving unit, in FIG
  • an osteosynthesis component / plate with hole arrangement an example of an osteosynthesis component / plate with hole arrangement
  • an example of a system according to the invention with hole arrangement in the integration region in plan view an example of a system according to the invention with hole arrangement in the integration area in a side view
  • an example of the integration of a system according to the invention with a hole arrangement in the integration region on an osteosynthesis component / plate with hole arrangement without screws in plan view an example of a system according to the invention with hole arrangement in the integration area in a lateral view, which by means of thermal Spattered, for example, with a titanium vanadium aluminum alloy was embedded
  • Fig. 9.6 an example of the integration of a system according to the invention with
  • FIG. 9.7 shows an example of the integration of a system according to the invention with an anchor-shaped integration interface in an osteosynthesis screw
  • Fig. 9.8 an example of the integration of a system according to the invention with radial
  • Integration interface in the form of a sleeve or a thermally sprayed plasma layer in an osteosynthesis screw
  • FIG 1 .1 and Figure 1 .2 an example of a system according to the invention in two views is shown in which in a receiving element 1, which preferably consists of titanium, an electrical coil 2 as a second transducer element and a piezoelectric transducer element 15 as a third transducer element, the is formed with a plurality of stacked plate-shaped piezoelectric elements and electrically conductively connected to the electrical coil 2 by electrical conductor elements 25, that occurs at a voltage applied to the electrical coil 2 and the piezoelectric transducer element 15 electrical voltage contraction or elongation of the piezoelectric transducer element 15.
  • a receiving element 1 which preferably consists of titanium
  • an electrical coil 2 as a second transducer element
  • a piezoelectric transducer element 15 as a third transducer element
  • this change in the piezoelectric transducer element 15 leads to a force effect or deformation of the receiving element 1.
  • This force effect or deformation can be used, for example, to couple vibrations or sound waves into a molded body 13 connected to the receiving element 1 or enclosing it at least partially.
  • contour elements 1 a present, which lead to improved positive engagement and greater leverage.
  • the contour elements 1 a are nose-shaped. But there are others too geometric shapes for contour elements 1 a, such as hook and / or angled elements or flanges are selected.
  • the receiving element 1 has a rectangular cross-section in this example.
  • the piezoelectric transducer element 15 is surrounded by a ceramic layer 4, which is penetrated only by the electrical conductor elements 25 between the piezoelectric transducer element 15 and the electrical coil 2 and whereby an electrical and / or thermal insulation of the components of the system can be achieved.
  • first transducer element Side of the receiving element 1 three variants of a first transducer element are shown with each other, wherein the first variants of the first transducer element is formed from an electrical coil 9 for generating an alternating magnetic field.
  • the first transducer element additionally contains a ferromagnetic core 10. 1 arranged in the electrical coil 9.
  • the ferromagnetic core 10.2 is arranged outside the electric coil 9.
  • the illustrated variants of first transducer elements can be used alternatively or in combination.
  • deviating arrangements of individual or a plurality of first transducer elements are also possible from the illustrated lateral arrangement of the first transducer elements to the receiving element 1.
  • alternating magnetic fields of different frequency can be generated when the electrical coil 9 of a first transducer element with an AC voltage, which can be generated for example by a frequency generator, not shown, is fed.
  • an electrical voltage is induced in this.
  • a ferromagnetic core 3 made of soft magnetic material is arranged in the coil 2.
  • the piezoelectric transducer element 15 is electrically conductively connected to the electrical coil 2 by means of the electrical conductor elements 25, depending on the polarity and the course of the induced voltage, which can be influenced in accordance with Lenz's rule, deformation of the piezoelectric transducer element 15 occurs the receiving element 1 and the attached contour elements 1 a on the Environment and in particular on a not shown connected moldings in the form of vibrations or sound waves can be transmitted.
  • energy can be transmitted wirelessly from a first region in which at least one first transducer element is located in a second spatially separated, non-electrically connected connected region with at least one second transducer element and in this region by means of a third designed as a piezoelectric transducer element 15 Transducer element vibrations or sound waves emitted and transmitted by means of the receiving element 1 to the environment and / or coupled into a connected moldings.
  • Figure 2.1 and Figure 2.2. show a more complex structure of part of a system according to the invention in two views. It can be seen that an electrical coil 2 as a second transducer element encloses a ferromagnetic core 3, so that it is arranged in the interior of the electrical coil 2. Electric coil 2, ferromagnetic core 3 and a part of the receiving element 1 are surrounded by a plurality of cylindrical ceramic layers 4 and 6, which act both electrically, as well as thermally insulating.
  • the ceramic layers 4 and 6 may be formed of dielectric ceramic materials, preferably zirconium or aluminum oxide.
  • a layer 7 of molybdenum covering these ceramic layers 4 and 6.
  • This molybdenum layer 7 is surrounded by a sleeve 8 made of titanium, which is positively, positively and / or cohesively connected to the layer 7, wherein two end faces are open, so that the contour elements 1 a or a thermal conductor 5, the here not shown, can stand out.
  • a third transducer element not shown here, for example, a piezoelectric transducer can be integrated in the arrangement.
  • FIG. 3.1 and Figure 3.2 is another example of an integration component 28, ie a more complex structure of a portion of a system according to the invention shown in two views, in which again in a receiving element 1, an electric coil 2 as a second transducer element positively and / or positively received and in turn of several cylindrical ceramic layers 4 and 6, which act both electrically, as well as thermally insulating, is enclosed.
  • a layer 7 of molybdenum which surrounds these ceramic layers 4 and 6 and is surrounded by a sleeve 8 of titanium in a force, shape and / or material fit.
  • the electrical coil 2 and / or an unrecognizable ferromagnetic core 3 is connected to a thermal conductor element 5, which is brought out to the outside of the receiving element 1.
  • This thermal conductor element 5 can be guided completely or only partially to the outside.
  • the thermal conductor element 5 may be made of a thermally well-conducting metal, e.g. Aluminum, copper or an alloy of these elements. But it can also be used for precious metals or titanium. It may also be completely or partially formed of a shape memory metal.
  • a thermal conductor element 5 can also be formed with an element that changes its longitudinal extent as a function of the respective temperature and can be formed from a material with a high coefficient of thermal expansion.
  • the constituent parts of the illustrated system are in an alternating magnetic field generated by means of first transducer elements not shown here, the current flow produced by the electrical voltage induced in the coil 2 results in a short-circuited coil 2 loaded with an electrical load and the hysteresis losses in the ferromagnetic core as well
  • this temperature increase also reaches the regions of the shape memory metal or of the element which expands upon heating and can convert thermal energy into mechanical ones Energy to be transformed.
  • a fourth transducer element in particular an actuator of the thermal converts into mechanical energy and
  • consists of a shape memory metal present, this can be arranged outside the sleeve 8 and thermally conductively connected by means of the thermal conductor element 5 with the integrated components in the sleeve 8, in particular the electrical coil 2 and the ferromagnetic core 3.
  • such a fourth transducer element can also be arranged inside the sleeve 8 and surrounded by the ceramic layers 4 and 6. In this case, it may be connected to the receiving element 1 in such a way that a movement is possible if the respective transition temperature exceeds or falls short of a respective transition temperature or a corresponding deformation of the receiving element 1.
  • FIG. 3.3 shows an example of an integration component 28 according to FIG. 3.1 and FIG. 3.2 with an additional switching element 26, with which the time of conversion of the energy of the alternating magnetic field of the first transducer element into thermal and / or electrical energy and / or its forwarding to third and / or or fourth transducer elements or peripheral region of the system can be triggered externally triggered.
  • a short circuit of the electrical coil 2 and / or the electrical connection between the electrical coil 2 and an electrical load, such as a filament and / or the connection between the electrical coil 2 an integrated third transducer element, such as a piezoelectric transducer and / or the electrical connection to a fourth transducer element is defined or interrupted by means of a reed contact as switching element 26.
  • the timing of the generation of thermal energy in the second transducer element can be influenced.
  • the time of discharge of a piezoelectric transducer used for detection purposes and acted upon by mechanical pulses can be influenced via the coil 2.
  • thermo connection for example, between the thermal conductor 5 and a fourth transducer element, which converts the thermal into mechanical energy
  • the switching element 26 for example, in addition to a reed contact a bimetallic component or entirely as a bimetallic component be formed, which produces a thermal and possibly additionally an electrical contact during deformation or interrupts.
  • FIG. 4.1 shows, by way of example, the cross section of a part of a system according to the invention according to FIG. 2.1, which is preferably suitable for integration in a shaped body 13 and forms an integration component 28.
  • FIG. 4.2 and FIG. 4.3 show the integration component 28 in a top view and a side view, respectively.
  • the integration regions 27, by which the connection of the part to the molded body is produced are framed with dashed lines.
  • These parts of the receiving unit 1 or formed thereon contour elements 1 a as well as parts of the sleeve 8 may contain.
  • the connection of the molded body 13 with the integration regions 27 of the integration component 28 can take place, for example, via fits or clamps, but also via soldering or melting processes.
  • FIG. 4.4 shows a part of a shaped body 13 in which an integration component 28 according to the invention according to FIGS. 4.1, 4.2 and 4.3 is integrated. Again, the integration areas 27 are framed with a dashed line. Furthermore, it can be seen that the integration regions 27 of the integration component, via which the connection to the molded body 13 is produced, are located in the regions of the contour elements 1 a formed on the receiving element 1.
  • FIGS. 5.1 and 5.2 can be used, by way of example, to deduce the mode of operation of a system according to the invention with an integration component 28 integrated into a molded body 13. It can be generated with the two electric coils 9.1 and 9.2 as the first transducer elements which are connected to a frequency generator, not shown here, a magnetic alternating field through which in an electrical coil 2, not shown, a second transducer element, which is in the integration component 28th is induced, an electrical voltage at the same frequency is induced, which in turn leads to the previously explained deformations of a piezoelectric transducer element 15 as a third transducer element. With the arrows 29 shown, the respective effective direction of the corresponding forces should be clarified.
  • the integration component 28 By connecting the integration component 28 with the molded body 13 via the integration regions 27, the mechanical impulses generated by the acting forces are called waves or vibrations transmitted to the molded body 13 or coupled into this.
  • the dashed frame around the electrical coil 9.2 is intended to indicate that these are also operated independently of the electric coil 9.1 or can be omitted altogether
  • FIG. 5.1 shows an integrating component 28 inserted vertically into a shaped body 13, wherein the coils 9.1 and 9.2 of the first transducer element are likewise arranged vertically
  • FIG. 5.2 shows an integrating component 28 horizontally arranged in a shaped body 13 with horizontally arranged coils 9.1 and 9.2 of the first transducer element represents.
  • FIG. 5.3 shows a system according to the invention in accordance with FIG. 5.1, wherein sensors 18 are additionally attached to the molded body 13 with which monitoring or regulation of the effect can be achieved.
  • sensors 18 For example, acceleration sensors, temperature sensors, magnetic field sensors, electric field probes or acoustic sensors can be used as sensors 18.
  • the sensors 18 can detect measurement signals scalar as well as direction-dependent.
  • the influencing of the effect of the system can be achieved both via directly between the sensors 18 and the parts of the integration module 28 arranged conductor elements as well as, as described in the general part, by wirelessly fed signals from an external area.
  • FIG. 5.4 shows a system according to the invention according to FIG. 5.3, in which a sensory porous body 30 and a sensor-actuator network 31 acting on it or interacting with it and schematically represented are additionally present on the molded body 13.
  • liquids or gases may be present, which at least partially penetrate the porous body and are acted upon by the inventive system with mechanical pulses, waves or vibrations. If externally conditioned physical properties of the environment, for example the pressure, the temperature or the flow behavior of these substances, change, this can lead to a sensitively altered reaction behavior of the substances contained in the sensory porous body 30 to the mechanical or acoustic stimulation with the system according to the invention , which in turn is shown by the Sensor-actuator network 31 can be detected and thus allows sensitive measurements of the corresponding physical quantities.
  • FIG. 6.1 shows an example of a system according to the invention with a deformable element 32 as a fourth transducer element, which is arranged on a shaped body 13 and connected to an initiator element 33 which is able to trigger the deformation of the deformable element 32.
  • the deformable element 32 is shown in dashed lines in deformed form 32a.
  • an integration component 28 is introduced, which is connected via a not shown here conductor element or the molded body directly to the initiator element 33, whereby a forwarding of the energy generated during operation of the system in the integration component 28 to the initiator element 33 in direct or converted Form is made possible.
  • the connection may be of electrical, thermal, acoustic, mechanical, material or chemical nature.
  • the initiator element 33 can be, for example, a locking element made of a material with a high coefficient of thermal expansion, which releases the stored energy of a prestressed spring element as a deformable element 32 by granting the expansion during the thermally induced triggering process.
  • chemical reactors or inflatable bags can act as an initiator element 33.
  • inventive system described here by way of example is particularly suitable as a re-anchoring or Wiederblockiersystem, which restores the lost contact of the molding with a surrounding body or its periphery.
  • FIGS. 7.1 and 7.2 show two variants of a system according to the invention with a receptacle 21 for biological samples integrated in a molded body 13.
  • Two electric coils 9.1 and 9.2 as the first transducer elements are arranged on two opposite sides of the molded body 13 and the receptacle 21.
  • an integration component 28 is present within the molded body 13.
  • the two variants differ in the orientation of the electric coils 9.1. and 9.2 and the integration component 28 for receiving 21, wherein Figure 7.1 represents a horizontal and Figure 7.2 shows a vertical arrangement.
  • Figure 7.1 represents a horizontal
  • Figure 7.2 shows a vertical arrangement.
  • the two electric coils 9.1 and 9.2 can, as indicated by the dashed frame to coil 9.2 in Figure 7.2 are also operated independently, alternately or with a time delay, so that the propagation direction can be influenced by coupled into the molding oscillations or sound waves. It is also possible to use one of the coils alone. Such an arrangement of a plurality of electrical coils 9 of a first transducer element can also be used in other embodiments and applications for the invention.
  • a sensor 18 is also provided, with which the effect of the system according to the invention, as already described above, monitored and / or a control can be realized.
  • FIGS 8.1 and 8.2 are intended to illustrate advantageous applications of systems according to the invention.
  • an integration component 28 for generating, transmitting and coupling mechanical energy into a prosthesis for a hip joint is incorporated as a shaped body 13.
  • Part of the prosthesis is located at the femur 22.1.
  • the ball of the prosthesis is held in the pelvis 22.2.
  • an electrical coil 9 is arranged as a first transducer element at a distance.
  • the alternating magnetic field generated by the coil 9 causes, as described and explained above, by means of an electrical coil 2 as a second transducer element and an electrically connected thereto piezoelectric transducer 15 as a third transducer element, both transducer elements are in the integration component 28, mediated via a Receiving element 1 with contour elements 1 a coupling of mechanical vibrations and waves in the prosthesis as a molded body and in the peripheral areas. Thereby, the ingrowth of the prosthesis into the bone tissue can be stimulated.
  • one of the electrical coil 2 of the second Transducer element generated alternating magnetic field or magnetic signal can be detected and evaluated.
  • electrical voltages are generated with a piezoelectric transducer element as the third transducer element 15.
  • the resulting electrical current flow through the electrical coil 2 connected directly to the piezoelectric transducer element then generates an alternating magnetic field which can be detected and evaluated by the coil 9 of the first transducer element.
  • oscillation or deformation of the sensory shaped body 13 can also be generated in a defined manner, for example as in hardness tests with a Poldi / Baumann hammer or by means of other acoustic signal generators.
  • this method it is also possible to detect changes in the state of stress of the molding itself and its periphery, as well as in the joints between the molding and the periphery.
  • the measurement of the magnetic field generated by the coil 2 of the second transducer element can also be measured with an externally arranged magnetic field sensor or a separate sensor coil as sensor 18 and subsequently evaluated.
  • two integration components 28 for generating and transmitting thermal energy in a prosthesis for a hip joint are incorporated as shaped bodies 13.
  • Part of the prosthesis is located at the femur 22.1.
  • the ball of the prosthesis is held in the pelvis 22.2.
  • an electrical coil 9 is arranged as a first transducer element at a distance.
  • the alternating magnetic field generated by the coil 9 causes, as described and explained above, by means of the two second transducer elements, which are located in the two integration components 28, via the principles of Joule heating and the hysteresis and eddy current losses, at least a heating of components of the integration components 28, in particular of their coils 2 and / or integrated ferromagnetic cores 3.
  • With the deformable elements 32 as the fourth transducer elements at least a portion of this heat energy in kinetic Energy to be transformed. As a result, for example, a re-anchoring of the prosthesis in the bone tissue can be achieved.
  • a ferromagnetic core 3 of a second transducer element arranged in the electrical coil 2 may, for example, have a length of 6 mm and an outer diameter of 2 mm.
  • the core material may be, for example, a soft magnetic material commercially available under the trade designation PERMENORM 5000H2 or a magnetically semi-hard material commercially available under the trade designation VACOZET 258.
  • the former is a nickel-iron alloy with a saturation polarization of 1 .55T, the latter a cobalt-iron-nickel alloy with a remanent induction of 1.4 T and a coercive field strength of 1-5 kA / cm.
  • the ferromagnetic core 3 of a second transducer element may be wrapped in inventive systems for generating thermal energy with a preferably short-circuited electrical coil 2.
  • a temperature resistance of 1 000 ° C to 1 600 ° C a temperature resistance of 0.48 W / m-1 K-1 to 2.1 Wm-1 K. -1, a thermal expansion of 7x 1 0-6 K-1 to 1 4x 1 0-6 K-1, a specific electrical resistance of 1 08 to 1 09 ⁇ cm and a dielectric withstand voltage of 5 kV / mm comply.
  • the alternating magnetic field required for operating a system according to the invention and generated by the first converter element can be generated by means of one or more moving permanent magnets and / or by means of an electric coil or a combination of electrical coils to which one or more ferromagnetic cores 10 can be assigned.
  • FIG. 9.1 as an example of a molded body 13, an osteosynthesis plate with a hole arrangement 14.1 as used for screwing bone fracture elements is shown.
  • FIG. 9.2 as an example of a system according to the invention, an acoustic excitation unit is shown in a titanium sleeve 8 with screw-shaped contour elements 1 a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14.
  • FIG. 9.3 shows an acoustic excitation unit in a titanium sleeve 8 with screw-shaped contour elements 1 a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14. 2 in a lateral view.
  • FIG. 9.4 shows in plan view the acoustic excitation unit shown in FIGS. 9.2 and 9.3 in a titanium sleeve 8 with screw-shaped contour elements 1a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14.2 in the form of the osteosynthesis plate 13 with a hole arrangement 14.1 shown in FIG. that the two hole assemblies 14.1 and 14.2 superimposed positively and thus a frictional screwing of the two components with each other and / or with the bone fracture ends is made possible.
  • An osteostimulative, mechanoacoustic vibration emanating from the acoustic excitation unit arranged in a sleeve can thus be applied positively to the osteosynthesis plate 13 and via its screw connection to the bone fracture ends directly onto the bone.
  • the osteosynthesis plate thus stimulates the mechanotransduction in the fracture area topically.
  • FIG. 9.5 shows an acoustic excitation unit, here embedded in a titanium sleeve 8, with screw-shaped contour elements 1a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14.2 in a lateral view, which was bioactively encased by thermal spraying with a titanium vanadium aluminum alloy.
  • the acoustic excitation unit shown in FIG. 9.5 is placed on the osteosynthesis plate 13 shown in FIG. 9.1 with a hole arrangement 14.1 in analogy to FIG. 9.4, so that the two hole arrangements 14.1 and 14.2 overlap one another in a form-fitting manner and thus frictionally screw the two components together and / or allow bone fracture ends.
  • An osteostimulative, mechanoacoustic vibration emanating from the acoustic excitation unit arranged in a sleeve can thus be frictionally applied to the osteosynthesis plate 13 and via its screw connection to the osteosynthesis plate 13 Bone fracture ends are applied directly to the bone.
  • the osteosynthesis plate thus stimulates the mechanotransduction in the fracture area topically.
  • FIG. 9.7 shows the integration of a system according to the invention with anchor-shaped integration regions 27 in an osteosynthesis screw (molded body) 13 with a thread 24 arranged before and after the acoustic excitation unit (integration component) 28.
  • FIG. 9.8 shows the integration of a system according to the invention with a radial integration interface in the form of a sleeve 8 or a thermally sprayed plasma layer in the bore 14.3 in an osteosynthesis screw (molded body) 13 with threads 24 arranged before and after the acoustic excitation unit (integration component) 28 ,
  • an osteostimulative, mechanoacoustic vibration emanating from the acoustic excitation unit (integration component) 28 arranged in a sleeve with a thread 24 arranged after the integration component 28 can be applied directly to the osteosynthesis screw 13 and via its screw connection to the bone fracture ends be applied to the bone.
  • the osteosynthesis screw thus stimulates the mechanotransduction in the fracture area topically.
  • All components of a system according to the invention which are embodied in the examples as individual components, in particular the first, second, third and fourth transducer elements and the receiving and conductor elements can also be multiple and in combination components of a system according to the invention

Abstract

The invention relates to a system for the wireless transmission of energy and/or signals between spatially-separated regions with no electrically-conductive connection, to the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and to the application and/or detection of same in at least one peripheral region of said system. The system allows a wireless transmission of energy between at least two spatially-separated regions without an electrically-conductive connection, energy being supplied to at least one of these regions, transmitted to at least one additional region in a wireless manner, converted on demand into other forms of energy, and applied in a peripheral region of said system. Signals can be transmitted at the same time as energy is being transmitted. The signals can be generated in a peripheral region of the system by physical, biological or chemical processes or states and be detected by the system and converted, or also be generated independently of the system, fed into the system and transmitted wirelessly to the other region. This system allows, in particular, mechanical, acoustic, thermal, optical and other physical or chemical gradients (vibrations, acoustic waves or heat) to be achieved, and coupled or transmitted into peripheral regions of the system.

Description

System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und Detektion in peripheren Bereichen des Systems  System for the wireless transmission of energy and / or signals, the conversion of energy and / or signals into other forms of energy and / or signal forms as well as their application and detection in peripheral areas of the system
Die Erfindung betrifft ein System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen zwischen räumlich voneinander getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindung, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und/oder Detektion in mindestens einem peripheren Bereich des Systems. The invention relates to a system for the wireless transmission of energy and / or signals between spatially separated areas without electrically conductive connection, the conversion of energy and / or signals into other forms of energy and / or waveforms and their application and / or detection in at least one peripheral Area of the system.
Vorteilhaft ermöglicht das System eine drahtlose Energieübertragung zwischen mindestens zwei räumlich getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindung, wobei in mindestens einen dieser Bereiche Energie eingespeist und diese zu mindestens einem weiteren Bereich drahtlos übertragen, bedarfsgerecht in andere Energieformen gewandelt und in einem peripheren Bereich des Systems appliziert werden. Advantageously, the system allows wireless energy transmission between at least two spatially separated areas without electrically conductive connection, wherein energy is fed into at least one of these areas and wirelessly transmitted to at least one other area, converted as needed into other forms of energy and applied in a peripheral area of the system ,
Vorteilhaft kann bei der Energieübertragung gleichzeitig auch eine Übertragung von Signalen erreicht werden. Die Signale können einerseits in einem peripheren Bereich des Systems durch physikalische, biologische oder chemische Prozesse oder Zustände generiert und vom System detektiert und gewandelt, andererseits aber auch unabhängig vom System erzeugt, in das System eingespeist und zum jeweils anderen Bereich drahtlos übertragen werden. Advantageously, at the same time a transmission of signals can be achieved in the energy transfer. The signals can be generated on the one hand in a peripheral region of the system by physical, biological or chemical processes or states and detected by the system and converted, on the other hand also generated independently of the system, fed into the system and transmitted wirelessly to the other area.
Mit dem System können insbesondere mechanische, akustische, thermische, optische und andere physikalische oder chemische Gradienten (Schwingungen, Schallwellen oder Wärme) erreicht und in periphere Bereiche des Systems eingekoppelt oder übertragen werden. Vorteilhaft ist ein peripherer Bereich des Systems dabei ein Formkörper oder ein Teil eines Formkörpers. Der Formkörper kann dabei sowohl Bestandteil des Systems als auch Bestandteil externer Strukturen und Systeme sein, denen das System zugeordnet ist. Elemente des Systems können direkt in einen Formkörper eingebracht oder an dessen Oberfläche angeordnet, anschraubbar und/oder anspritzbar oder anschweissbar sein. In medizinischen Anwendungen kann der Formkörper ein Implantat oder eine Osteosynthesekomponente/-platte oder eine Schraube oder ein Nagel oder eine Orthese sein. Bei Bauanwendungen kann der Formkörper ein Tragwerk oder eine Trägerstruktur, ein Mauerwerk oder ein Bewehrungselement sein. Im Fahrzeugbereich kann der Formkörper beispielsweise ein Fahrgestell oder ein Rahmen oder ein Bauteil sein. Auch hier kann die aktorische/sensorische Systemkomponente direkt in einen Formkörper eingebracht oder an dessen Oberfläche angeordnet, anschraubbar und/oder anspritzbar oder anschweissbar sein. In particular, mechanical, acoustic, thermal, optical and other physical or chemical gradients (vibrations, sound waves or heat) can be achieved with the system and coupled or transmitted to peripheral areas of the system. A peripheral region of the system is advantageously a shaped body or a part of a shaped body. The molding may be both part of the system as well as part of external structures and systems to which the system is assigned. Elements of the system can be introduced directly into a molded body or arranged on its surface, screwed and / or be sprayed or weldable. In medical applications, the molding may be an implant or an osteosynthesis component / plate or a screw or a nail or an orthosis. In building applications, the molded body may be a structural or supporting structure, masonry or reinforcing element. In the vehicle sector, the molded body can be, for example, a chassis or a frame or a component. Again, the aktorische / sensory system component can be introduced directly into a molding or arranged on the surface, be screwed and / or be sprayed or weldable.
Insbesondere bei Implantaten kann es vorteilhaft sein, Schwingungen oder Schallwellen zur Dämpfungsanalyse an der Kontaktzone Knochen-Implantat zu Lockerungsdetektionszwecken oder für ein verbessertes Einwachsen im Gewebe als Stimulation oder zur versteifungshindernden Bewegungs- und damit auch Stoffwechselanregung des Zielgewebes inklusive oder exklusive der Nachbargewebe einzusetzen. Thermische Energie kann zur Initiierung von mechanischen Manipulationen an den Übergängen von Implantaten zum Gewebe, beispielsweise mittels Formgedächtnismaterialien, Blähsäcken oder über thermische Ausdehnung sowie zur Initiierung von chemischen Reaktionen zur Wirkstofffreisetzung genutzt werden. Particularly with implants, it may be advantageous to use vibrations or sound waves for attenuation analysis at the contact zone bone implant for loosening detection purposes or for improved tissue ingrowth as stimulation or stiffening-inhibiting movement and thus also metabolic stimulation of the target tissue inclusive or excluding the neighboring tissue. Thermal energy can be used to initiate mechanical manipulations at the transitions of implants to the tissue, for example, by shape memory materials, inflated sacs, or by thermal expansion, as well as to initiate chemical reactions for drug release.
Dabei ist es bekannt, Massen in Verbindung mit elektromagnetischen Wechselfeldern auszulenken, wobei eine Auslenkung zwischen zwei Umkehrpunkten erfolgt. Um ausreichende Ergebnisse zu erhalten, sind entsprechend hohe Massen von auszulenkenden Körpern erforderlich. Durch die Bewegungen tritt Verschleiß auf, was unerwünscht ist. Außerdem können unerwünschte Trägheitseffekte mit überhöht negativen wie positiven Beschleunigungen und damit verbundene Material- /Gewebeermüdungen wie auch entsprechende Schädigungen durch Dehnungs- und Stauchungsprozesse auftreten. It is known to deflect masses in conjunction with electromagnetic alternating fields, with a deflection between two reversal points. In order to obtain sufficient results, correspondingly high masses of bodies to be deflected are required. By the movements occurs wear, which is undesirable. In addition, unwanted inertia effects with excessive negative as well as positive accelerations and associated material / tissue fatigue as well as corresponding damage from stretching and compression processes may occur.
Außerdem kann eine Auslenkung ausschließlich im Bereich weniger Hertz erfolgen. Ohne die Analyse bei höheren Frequenzen können bestimmte Aussagen über den Zustand eines Implantates nicht getroffen werden, beispielsweise detaillierte Aussagen zur Festigkeit seiner Verankerung im Gewebe sowie zum Einfluss von Stimulationseffekten auf das Einwachsverhalten. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einfache, robuste und manipulationssichere Möglichkeiten für eine Übertragung, Wandlung und Applizierung von Energie und Signalen zu schaffen, die am Ort der Applizierung ohne komplexe Steuer- und Regelsysteme auskommen, die eine drahtlose Übertragung von Energie und Signalen zwischen räumlich getrennten, elektrisch nicht leitend verbundenen Bereichen und somit ein ausschließlich von einem externen Bereich aus drahtlos betreib- und steuerbares System ermöglichen und die eine Wandlung der Energie in andere Energiearten in der Gestalt realisieren, dass man dabei ohne frei bewegliche, schwingende oder federnde Massen auskommt so dass ein Einsatz für verschiedenste Applikationen, insbesondere bei Implantaten oder Prothesen, vorteilhaft ist. In addition, a deflection can only take place in the range of less hertz. Without the analysis at higher frequencies, certain statements about the condition of an implant can not be made, for example, detailed statements about the strength of its anchoring in the tissue and the influence of stimulation effects on the ingrowth behavior. It is therefore an object of the invention to provide simple, robust and tamper-proof possibilities for transmission, conversion and application of energy and signals, which manage at the place of application without complex control systems, the wireless transmission of energy and signals between spatially separate electrically non-conductively connected areas and thus enable a solely from an external area of wireless operable and controllable system and realize a conversion of energy into other types of energy in the form that you can do without freely movable, vibrating or resilient masses so that use for a wide variety of applications, in particular for implants or prostheses, is advantageous.
Es ist insbesondere auch Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen, mit denen unterschiedliche Energieformen bedarfsgerecht ineinander umgewandelt werden können und die eine Nutzung dieser Energieformen zur räumlich definierten Manipulation von peripheren Bereichen des Systems und/oder für Signalübertragungszwecke ermöglichen. Letzteres erlaubt auch eine Nutzung des Systems für Detektionszwecke und zum Monitoring von Prozess- und Zustandsgrößen in peripheren Bereichen des Systems. Zur Manipulation peripherer Bereiche des Systems eignen sich vorzugsweise kinetische, thermische, chemische oder elektromagnetische Energieformen. In particular, it is also an object of the invention to create possibilities with which different forms of energy can be converted into one another as needed and which enable the use of these forms of energy for spatially defined manipulation of peripheral areas of the system and / or for signal transmission purposes. The latter also allows use of the system for detection purposes and for monitoring process and state variables in peripheral areas of the system. Kinetic, thermal, chemical or electromagnetic energy forms are preferably suitable for manipulating peripheral areas of the system.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden. According to the invention, this object is achieved with a system having the features of claim 1. Advantageous embodiments can be realized with features described in the subordinate claims.
Ein erfindungsgemäßes System ist so ausgebildet, dass in mindestens einem ersten externen Bereich mindestens ein erstes Wandlerelement, insbesondere eine elektrische Primärspule oder ein bewegbarer Permanentmagnet, mit dem ein magnetisches Wechselfeld generierbar und/oder mit dem die Energie eines magnetischen Wechselfeldes in elektrische Energie in inverser Form wandelbar ist, Bestandteil des Systems ist. A system according to the invention is designed such that in at least one first external region at least one first transducer element, in particular an electric primary coil or a movable permanent magnet, with which an alternating magnetic field can be generated and / or with the energy of an alternating magnetic field into electrical energy in inverse form is convertible, is part of the system.
Weiterhin ist in mindestens einem zweiten, vom ersten Bereich räumlich getrennten und nicht elektrisch leitend verbundenen Bereich mindestens ein zweites Wandlerelement, insbesondere mindestens eine elektrische Spule, vorhanden, mit dem die Energie des magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements infolge von Induktion in elektrische Energie wandelbar ist und/oder in inverser Form elektrische Energie in magnetische Energie wandelbar und zum ersten Wandlerelement übertragbar und/oder von einem weiteren Sensor detektierbar ist. In einer vorteilhaften Ausführung ist der mindestens einen elektrischen Spule mindestens ein ferromagnetischer Kern aus weichmagnetischem Material zugeordnet. Furthermore, at least one second transducer element, in particular at least one electric coil, is present in at least one second region, which is spatially separated from the first region and is not electrically conductively connected alternating magnetic field of the first transducer element as a result of induction in electrical energy is convertible and / or inversely convertible electrical energy into magnetic energy and the first transducer element transferable and / or detectable by another sensor. In an advantageous embodiment, at least one ferromagnetic core of soft magnetic material is assigned to the at least one electrical coil.
Das zweite Wandlerelement kann in einer Alternative der Erfindung so ausgebildet sein, dass die magnetische Energie des ersten Wandlerelements in thermische Energie wandelbar ist, wobei das zweite Wandlerelement dabei vorzugsweise mindestens eine kurzgeschlossene oder mit einem elektrischen Verbraucher versehene elektrische Spule ist, der ein oder mehrere ferromagnetische Kerne zugeordnet sein können. Die Wandlung der Energie des Magnetfeldes des ersten Wandlerelements in thermische Energie kann dabei mittels unterschiedlicher Wandlungsmechanismen erfolgen. Zum einen kann die Energie des Magnetfelds des ersten Wandlerelements zunächst in elektrische Energie und anschließend durch Joulesche Erwärmung der Spule und/oder eines an die Spule angeschlossenen elektrischen Verbrauchers, wie beispielsweise eines Glühdrahts, in thermische Energie gewandelt werden, zum anderen ist auch eine direkte Wandlung der Energie des Magnetfeldes in thermische Energie durch Hystereseverluste bei der Ummagnetisierung des Kernmaterials und/oder Wirbelstromverluste im Kernmaterial und leitfähigen Materialien in der Umgebung der Spule möglich. In Abhängigkeit von den gewählten Kernmaterialien sowie der Geometrie und Dimensionierung der Spulen und Kerne können je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Varianten des zweiten Wandlerelements mit unterschiedlichen Anteilen der beschriebenen Wandelprozesse realisiert werden. The second transducer element may be formed in an alternative of the invention so that the magnetic energy of the first transducer element is convertible into thermal energy, wherein the second transducer element is preferably at least one shorted or provided with an electrical load electrical coil, the one or more ferromagnetic Cores can be assigned. The conversion of the energy of the magnetic field of the first transducer element into thermal energy can be effected by means of different conversion mechanisms. On the one hand, the energy of the magnetic field of the first transducer element can first be converted into electrical energy and then by Joule heating of the coil and / or an electrical load connected to the coil, such as a filament, into thermal energy, on the other hand, a direct conversion the energy of the magnetic field in thermal energy by hysteresis losses in the remagnetization of the core material and / or eddy current losses in the core material and conductive materials in the vicinity of the coil possible. Depending on the selected core materials as well as the geometry and dimensioning of the coils and cores, depending on the application scenario, different variants of the second transducer element with different proportions of the described conversion processes can be realized.
Es ist eine gegenseitige Beeinflussung der ausnutzbaren Wandelprozesse möglich. So ist eine Beeinflussung der Intensität der Wirkung des jeweiligen Wandelprozesses durch eine bestimmte Auswahl eines in der elektrischen Spule angeordneten Kerns möglich, was den Kernwerkstoff, die geometrische Dimensionierung (Form, Volumen) betrifft. Auch die Dimensionierung der elektrischen Spule mit Drahtdurchmesser, Windungszahl, Wicklungsbreite sowie Wicklungstyp kann die Wirkung eines zweiten Wandlerelements beeinflussen. Für eine Joulesche Erwärmung sind relativ hohe elektrische Ströme günstig. Daher sind hohe Induktionsspannungen und ein Kern aus einem hochpermeablen weichmagnetischen Werkstoff sinnvoll. Eine Optimierung des Ohm'schen Widerstands der elektrischen Spule ist ebenfalls vorteilhaft, so dass die umgesetzte Leistung möglichst groß ist. It is possible to influence the exploitable change processes. Thus, it is possible to influence the intensity of the effect of the respective conversion process by a specific selection of a core arranged in the electrical coil, which concerns the core material, the geometric dimensioning (shape, volume). The dimensioning of the electrical coil with wire diameter, number of turns, winding width and winding type can influence the effect of a second transducer element. For a Joule heating relatively high electrical currents are favorable. Therefore, high induction voltages and a core made of a highly permeable soft magnetic material make sense. An optimization of the ohmic resistance of the electrical coil is also advantageous, so that the converted power is as large as possible.
Für eine Hysterese-Erwärmung sind große Hystereseverluste nötig. Daher kann dabei ein Kernwerkstoff mit hohen Koerzitivfeldstärken und hoher Sättigungsflussdichte förderlich sein. Ummagnetisierungen und Entmagnetisierungen sollten möglich sein. Dazu ist ein magnetisch halbharter Kernwerkstoff vorteilhaft. Höhere Feldstärken des magnetischen Feldes des ersten Wandlerelements oder eines mit einem zweiten Wandlerelement generierten magnetischen Wechselfeldes führen ebenfalls zu einer verbesserten thermischen Wirkung. Ein weiterer Einflussparameter ist die Geometrie, z.B. das Länge-Breiten-Verhältnis, des Kerns, die so optimiert werden kann, dass das entmagnetisierende Feld im Kern möglichst gering wird. Hysteresis heating requires large hysteresis losses. Therefore, a core material with high coercive field strengths and high saturation flux density can be beneficial. Remagnetization and demagnetization should be possible. For this purpose, a magnetically semi-hard core material is advantageous. Higher field strengths of the magnetic field of the first transducer element or of an alternating magnetic field generated with a second transducer element likewise lead to an improved thermal effect. Another influencing parameter is the geometry, e.g. the length-to-width ratio of the core, which can be optimized so that the demagnetizing field in the core is as small as possible.
Eine Erwärmung mittels Wirbelströmen tritt immer in Kombination mit Hysterese- Erwärmung auf. Eine Beeinflussung ist dabei durch die elektrische Leitfähigkeit der verwendeten Werkstoffe, die Schichtung zur Vermeidung von Wirbelströmen wie beim Transformator und die Ausrichtung der leitfähigen Bestandteile des Systems zum magnetischen Wechselfelds möglich. Warming by means of eddy currents always occurs in combination with hysteresis heating. An influence is possible by the electrical conductivity of the materials used, the layering to avoid eddy currents as the transformer and the alignment of the conductive components of the system to the alternating magnetic field.
Zusätzlich kann in einer weiteren Alternative eines erfindungsgemäßen Systems mindestens ein weiteres Wandlerelement Bestandteil des Systems sein. Das weitere Wandlerelement kann als drittes Wandlerelement elektrische Energie in kinetische Energie, insbesondere Schwingungen oder Schallwellen und/oder in inverser Form kinetische Energie in elektrische Energie wandeln und dabei insbesondere ein piezoelektrisches Element oder ein Permanentmagnet sein, das/der in einem Aufnahmeelement fixiert gehalten ist. In addition, in a further alternative of a system according to the invention, at least one further transducer element may be part of the system. The further transducer element can, as a third transducer element, convert electrical energy into kinetic energy, in particular vibrations or sound waves and / or in inverse form kinetic energy into electrical energy and in particular be a piezoelectric element or a permanent magnet which is held fixed in a receiving element.
In einer weiteren Alternative der Erfindung kann allein oder zusätzlich zu einem dritten Wandlerelement ein viertes Wandlerelement vorhanden sein, welches die jeweiligen Energieformen des zweiten Wandlerelements, insbesondere elektrische und/oder thermische Energie in weitere Energieformen, insbesondere mechanische (kinetische/potentielle) und/oder chemische Energie und/oder elektromagnetische Strahlung wandeln. Dabei sind vorzugsweise Elemente mit hoher thermischer Ausdehnung, Blähsäcke, Formgedächtnismaterialien, thermo- und/oder elektrochemische Zellen und Reaktoren und/oder licht- bzw. Strahlungsemittierende Elemente Bestandteile des vierten Wandlerelements. Die Wandlung der Energieformen des zweiten Wandlerelements in weitere Energieformen kann dabei durch thermische Ausdehnung von Festköpern, Flüssigkeiten oder Gasen und/oder Memoryeffekte und/oder thermisch oder elektrisch beeinflusste chemische Reaktionen und/oder atomare und molekulare Energieabsorption und -emission erfolgen. In a further alternative of the invention, alone or in addition to a third transducer element, a fourth transducer element may be present which converts the respective energy forms of the second transducer element, in particular electrical and / or thermal energy, into other forms of energy, in particular mechanical (kinetic / potential) and / or chemical Energy and / or electromagnetic Change radiation. In this case, preferably elements with high thermal expansion, Blähsäcke, shape memory materials, thermal and / or electrochemical cells and reactors and / or light or radiation-emitting elements are components of the fourth transducer element. The conversion of the energy forms of the second transducer element into further forms of energy can be effected by thermal expansion of solid particles, liquids or gases and / or memory effects and / or thermally or electrically influenced chemical reactions and / or atomic and molecular energy absorption and emission.
Weiterhin können alle beschriebenen Wandlerelemente Komponenten zur direkten lokalen Weiterleitung der jeweiligen Energieform und/oder zur Applizierung oder Einkopplung von Energie in periphere Bereiche des Systems enthalten. Dies können insbesondere elektrische, magnetische, thermische oder akustische Leiter, Komponenten zur Abgrenzung oder für den Transport von Stoffen oder mechanische Verbindungs- und Koppelelemente sein. Furthermore, all the described transducer elements may contain components for the direct local transmission of the respective energy form and / or for the application or coupling of energy into peripheral areas of the system. These may be in particular electrical, magnetic, thermal or acoustic conductors, components for the delimitation or for the transport of substances or mechanical connection and coupling elements.
Besteht ein erfindungsgemäßes System neben einem ersten und einem zweiten Wandlerelement aus einem vierten Wandlerelement, welches beispielsweise thermische Energie des zweiten Wandlerelements in kinetische Energie wandelt, so können zweites und viertes Wandlerelement durch ein thermisches Leiterelement verbunden sein. If a system according to the invention comprises, in addition to a first and a second transducer element, a fourth transducer element which, for example, converts thermal energy of the second transducer element into kinetic energy, the second and fourth transducer element can be connected by a thermal conductor element.
Das erste Wandlerelement eines erfindungsgemäßen Systems ist in einem ersten Bereich angeordnet, der sich räumlich in einem Abstand zu den Bereichen aller anderen zweiten, dritten oder vierten Wandlerelemente befindet und mit diesen nicht elektrisch leitend verbunden ist. The first transducer element of a system according to the invention is arranged in a first region, which is spatially at a distance from the regions of all other second, third or fourth transducer elements and is not electrically conductively connected thereto.
Enthält das erste Wandlerelement mindestens eine elektrische Spule, so kann diese an einen Frequenzgenerator, eine elektrische Wechselspannungsquelle und/oder eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung angeschlossen sein, wodurch ein veränderliches magnetisches Feld generiert und/oder in inverser Form ein veränderliches magnetisches Feld in elektrische Signale umgewandelt und detektiert werden kann. Enthält das erste Wandlerelement Permanentmagneten, so ist durch deren Bewegung oder Rotation ebenfalls ein veränderliches magnetisches Feld oder ein Dreh- bzw. Wechselfeld generierbar. Zur Beeinflussung des Feldes kann das erste Wandlerelement zusätzlich ferromagnetische Komponenten enthalten. Bevorzugt wird mit dem ersten Wandlerelement ein magnetisches Wechselfeld definierter Frequenz erzeugt, indem mindestens eine elektrische Spule des ersten Wandlerelements mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird. If the first converter element contains at least one electrical coil, then this may be connected to a frequency generator, an electrical AC voltage source and / or a device for detecting an electric current and / or an electrical voltage, thereby generating a variable magnetic field and / or in inverse form a variable magnetic field can be converted into electrical signals and detected. If the first transducer element contains permanent magnets, a variable magnetic field or a rotary or alternating field can likewise be generated by their movement or rotation. to Influencing the field, the first transducer element may additionally contain ferromagnetic components. Preferably, an alternating magnetic field of defined frequency is generated by the first transducer element by at least one electrical coil of the first transducer element is acted upon by an electrical alternating voltage.
Ist das zweite Wandlerelement innerhalb des vom ersten Wandlerelement erzeugten magnetischen Wechselfeldes angeordnet, wird in der mindestens einen elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements eine elektrische Spannung gleicher Frequenz induziert und so die magnetische Energie in elektrische Energie gewandelt, die wiederum in andere Energieformen gewandelt werden kann. Dabei handelt es sich bevorzugt um kinetische Energie in Form von Schwingungen oder Schallwellen, die in einen Formkörper, der Bestandteil des Systems sein kann, oder in einen anderen Körper in peripheren Bereichen des Systems eingekoppelt werden kann. If the second transducer element is arranged within the alternating magnetic field generated by the first transducer element, an electrical voltage of the same frequency is induced in the at least one electrical coil of the second transducer element and the magnetic energy is converted into electrical energy, which in turn can be converted into other forms of energy. These are preferably kinetic energy in the form of oscillations or sound waves, which can be coupled into a shaped body which may be part of the system or into another body in peripheral areas of the system.
Zu diesem Zweck kann das dritte Wandlerelement genutzt werden, das besonders bevorzugt ein piezoelektrisches Wandlerelement sein sollte. Ein piezoelektrisches Wandlerelement kann mit den zwei Polen der elektrischen Spule, die das zweite Wandlerelement bildet, elektrisch leitend verbunden sein und entsprechend der Frequenz der induzierten elektrischen Spannung kontrahieren, also seine Länge in mindestens einer Achsrichtung periodisch verändern. Ein solches drittes Wandlerelement sollte dabei in einem Aufnahmeelement fixiert gehalten sein, welches als mechanisches Koppelglied fungiert und die Weiterleitung, Emittierung und Einkopplung von Schwingungen oder Schallwellen in periphere Bereiche des Systems ermöglicht. For this purpose, the third transducer element can be used, which should particularly preferably be a piezoelectric transducer element. A piezoelectric transducer element can be electrically conductively connected to the two poles of the electrical coil forming the second transducer element and contract according to the frequency of the induced electrical voltage, ie periodically change its length in at least one axial direction. Such a third transducer element should be kept fixed in a receiving element, which acts as a mechanical coupling member and allows the transmission, emission and coupling of vibrations or sound waves in peripheral areas of the system.
Es ist somit ein direkter Betrieb des dritten Wandlerelements möglich, wenn das piezoelektrische Wandlerelement wie beschrieben als Aktor genutzt wird. Dabei kann dieser mit der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements in einem Gehäuse oder Formkörper angeordnet sein. It is thus possible direct operation of the third transducer element when the piezoelectric transducer element is used as described as an actuator. It can be arranged with the electric coil of the second transducer element in a housing or molded body.
Beim inversen Betrieb eines solchen erfindungsgemäßen Systems können aus externen Bewegungen, Schwingungen oder Schallwellen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement elektrische Spannungen erzeugt und somit die kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt werden. Sind die elektrische Spule des zweiten Wandlerelements und das piezoelektrische Wandlerelement des dritten Wandlerelements elektrisch leitend miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom durch die elektrische Spule des zweiten Wandlerelements und es wird ein entsprechendes magnetisches Feld generiert. Eine Verstärkung dieses magnetischen Feldes kann mit dem weichmagnetischen Kern und der damit verbundene Ausbildung eines Streufeldes erreicht werden. In the inverse operation of such a system according to the invention electrical voltages can be generated from external movements, vibrations or sound waves with the piezoelectric transducer element and thus the kinetic energy to be converted into electrical energy. Are the electric coil of the second Transducer element and the piezoelectric transducer element of the third transducer element electrically conductively connected to each other, an electric current flows through the electrical coil of the second transducer element and it is generated a corresponding magnetic field. An amplification of this magnetic field can be achieved with the soft magnetic core and the associated formation of a stray field.
In Abhängigkeit von der Kinetik der Bewegung, den Schwingungen oder den Schallwellen, die auf den piezoelektrischen Wandler übertragen werden, kann ein elektrischer Wechselstrom oder ein bestimmt gepulster elektrischer Strom oder auch ein unregelmäßiger Stromfluss und damit auch ein entsprechend veränderliches Magnetfeld resultieren. Mit dessen magnetischer Energie kann wiederum eine elektrische Spannung in der Spule des ersten Wandlerelements induziert und eine entsprechende Energiewandlung erreicht werden. Das erste Wandlerelement kann dabei außerhalb eines Gehäuses, eines Formkörpers und auch außerhalb eines dieses umgebenden Körpers oder Zellgewebes angeordnet sein kann. Depending on the kinetics of the movement, the vibrations or the sound waves, which are transmitted to the piezoelectric transducer, an electrical alternating current or a certain pulsed electric current or an irregular current flow and thus a correspondingly variable magnetic field can result. With its magnetic energy can in turn induce an electrical voltage in the coil of the first transducer element and a corresponding energy conversion can be achieved. The first transducer element can be arranged outside of a housing, a shaped body and also outside a surrounding body or cell tissue.
Das erste Wandlerelement kann an eine Messeinrichtung zur Bestimmung der induzierten elektrischen Spannung angeschlossen sein, so dass über eine Bestimmung des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung des ersten Wandlerelements eine drahtlose externe Detektion von mechanischen und akustischen Prozessen in peripheren Bereichen des dritten Wandlerelements oder auch eine definierte drahtlose Signalübertragung möglich ist, die frequenz- und/oder amplitudenabhängig und/oder signalformanhängig ausgewertet werden kann. Das erfindungsgemäße System kann somit auch als Sensor genutzt werden, bei dem die Signalübertragung über die Energieübertragung des erzeugten und veränderlichen Magnetfeldes erfolgt. The first transducer element can be connected to a measuring device for determining the induced electrical voltage, so that via a determination of the electrical current and / or the electrical voltage of the first transducer element wireless external detection of mechanical and acoustic processes in peripheral regions of the third transducer element or a defined wireless signal transmission is possible, the frequency and / or amplitude-dependent and / or signalformanhängig can be evaluated. The system according to the invention can thus also be used as a sensor in which the signal transmission takes place via the energy transmission of the generated and variable magnetic field.
Es ist auch eine Detektion der auf diese Weise von der Spule des zweiten Wandlerelements generierten Magnetfelder mit einem extern angeordneten Magnetfeldsensor möglich. So ist beispielsweise eine Anwendung als Schrittzähler bis hin zur Gang- bzw. Bewegungsformdetektion möglich, wenn ein Teil des erfindungsgemäßen Systems an einem Lebewesen fixiert worden ist. Eine solche Fixierung kann in Doppelfunktion beispielsweise an einer Körperprothese/-orthese erfolgt sein, die ohnehin vom Lebewesen mitbewegt werden muss. In diesem Zusammenhang kann die kraft- und formschlüssige Fixierung eines solchen erfindungsgemäßen Systems mit einem lochförmigen Integrationsbereich an einer Osteosyntheseplatte oder anderen Osteosynthesekomponente mit einer traditionellen Lochanordnung bspw. über Verschraubung bei Anwendungen im/am Frakturbereich einen weiteren sensorischen Vorteil neben der bereits o.g. Einheilungsstimulation ermöglichen. Bei einer definierten physikalischen Belastung des Frakturbereiches erzeugt das erfindungsgemäße System beispielsweise an der Osteosyntheseplatte definierte Signale, die ein integraler Ausdruck des Fortschritts oder der Stagnation oder gar der Regression der Osteosynthese darstellen können. It is also possible to detect the magnetic fields generated in this way by the coil of the second transducer element with an externally arranged magnetic field sensor. Thus, for example, an application as a pedometer to the aisle or movement shape detection is possible if a part of the system according to the invention has been fixed to a living being. Such a fixation can be done in a double function, for example on a body prosthesis / -orthesis, which must be moved by the living being anyway. In this In connection with this, the force-locking and positive-locking fixation of such a system according to the invention with a hole-shaped integration region on an osteosynthesis plate or other osteosynthesis component with a traditional hole arrangement, for example via screwing in applications in the fracture region, can provide a further sensory advantage in addition to the already mentioned healing stimulation. With a defined physical load on the fracture area, the system according to the invention generates, for example, signals defined at the osteosynthesis plate, which can be an integral expression of the progress or the stagnation or even the regression of the osteosynthesis.
In einem erfindungsgemäßen System sollte mindestens ein drittes und/oder viertes Wandlerelement mittels eines Aufnahmeelements fixiert sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass beliebige Kombinationen aus zweiten, dritten und vierten Wandlerelementen in einer Aufnahme fixiert sind. In a system according to the invention, at least a third and / or fourth transducer element should be fixed by means of a receiving element. But there is also the possibility that any combinations of second, third and fourth transducer elements are fixed in a receptacle.
Vorteilhaft ist es, wenn am Aufnahmeelement mindestens ein Konturelement ausgebildet ist. Damit kann eine verbesserte kraft- und formschlüssige Verbindung zu einem Formkörper und damit eine Kraft- oder Momentenübertragung und/oder eine Übertragung thermischer Energie oder auch anderer Energieformen in den Formkörper erreicht werden. Dazu ist es günstig, wenn das Aufnahmeelement mit mindestens einem dritten und/oder vierten Wandlerelement in einen Formkörper integriert oder zumindest teilweise vom diesem umschlossen ist. Das Aufnahmeelement sollte zumindest in dem Bereich, in dem das/die Konturelement(e) ausgebildet ist/sind den umgebenden Formkörper oder periphere Bereiche des Systems wie beispielsweise lebendes Zellgewebe erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ein Formkörper beispielsweise eine Prothese oder ein Implantat oder eine Osteosyntheseplatte oder ein anderes Osteosynthesematerial ist. It is advantageous if at least one contour element is formed on the receiving element. Thus, an improved positive and positive connection to a molded body and thus a force or torque transfer and / or a transfer of thermal energy or other forms of energy can be achieved in the molding. For this purpose, it is advantageous if the receiving element is integrated with at least one third and / or fourth transducer element in a molded body or at least partially enclosed by this. The receiving element should, at least in the region in which the contour element (s) is / are formed, reach the surrounding molded body or peripheral areas of the system, such as, for example, living cell tissue. This is particularly advantageous when a shaped body is for example a prosthesis or an implant or an osteosynthesis plate or another osteosynthesis material.
Ein Aufnahmeelement für mindestens ein zweites, drittes oder viertes Wandlerelement sollte je nach Anwendungszweck und Ausgestaltung des jeweiligen Wandlerelements vorteilhaft zumindest bereichsweise aus einem akustisch leitenden und/oder elastisch verformbaren Werkstoff gebildet und/oder akustisch leitend oder elastisch verformbar bzw. thermisch leitfähig oder thermisch isolierend, elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend ausgebildet sein. Ein Aufnahmeelement kann beispielsweise aus einem elastisch verformbaren und thermisch wie auch elektrisch leitfähigen Werkstoff, insbesondere aus Titan oder Titanlegierungen, gebildet sein. A receiving element for at least a second, third or fourth transducer element should advantageously at least partially formed from an acoustically conductive and / or elastically deformable material and / or acoustically conductive or elastically deformable or thermally conductive or thermally insulating, depending on the application and design of the respective transducer element, be electrically conductive or electrically insulating. A receiving element can be formed, for example, from an elastically deformable and thermally as well as electrically conductive material, in particular from titanium or titanium alloys.
Außerdem besteht auch die Möglichkeit, dass ein Aufnahmeelement für ein Wandlerelement zumindest bereichsweise als Bestandteil eines anderen Wandlerelements fungiert, so kann das Aufnahmeelement eines zweiten und/oder dritten Wandlerelements zumindest bereichsweise als viertes Wandlerelement ausgebildet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Aufnahmeelement thermische Energie weiterleitet und gleichzeitig, zumindest bereichsweise, durch Dehnungs- oder Memoryprozesse in kinetische Energie umwandelt. In addition, there is also the possibility that a receiving element for a transducer element at least partially functions as part of another transducer element, the receiving element of a second and / or third transducer element may be at least partially formed as a fourth transducer element. This is particularly advantageous if the receiving element forwards thermal energy and at the same time, at least in some areas, converts it into kinetic energy by means of expansion or memory processes.
Ein erfindungsgemäßes System wie oben beschrieben kann in jeden nicht ferromagnetischen Formkörper eingebracht werden. Dieser Formkörper kann auch elektrisch leitfähig sein. Weiterhin kann das System auch in weitere räumlich getrennte Bereiche, wie menschliche oder tierische Organismen, fluidische Systeme, Gas- und Flüssigkeitsdruckbehälter sowie Bau- und Tragwerke eingebracht werden. Das System kann zudem auch ausschließlich in eine Richtung betrieben werden, also sowohl ausschließlich Energie applizieren als auch ausschließlich als sensorisch wirksames Element fungieren. An inventive system as described above can be incorporated into any non-ferromagnetic molded body. This shaped body can also be electrically conductive. Furthermore, the system can also be introduced into further spatially separate areas, such as human or animal organisms, fluidic systems, gas and liquid pressure vessels, as well as structures and structures. In addition, the system can be operated in one direction only, ie both exclusively apply energy and act exclusively as a sensory-active element.
Es ist günstig, ein erfindungsgemäßes System mit einem ersten Wandlerelement zu betreiben, welches magnetische Wechselfelder mit einer Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 3000 Hz und bevorzugt in den Bereichen 10 Hz bis 50 Hz, 125 Hz bis 175 Hz sowie 300 Hz bis 3000 Hz generiert und somit in der elektrische Spule mindestens eines zweiten Wandlerelements elektrische Spannungen in ebendiesen Frequenzbereichen induziert. It is advantageous to operate a system according to the invention with a first transducer element which has alternating magnetic fields with a frequency in the range from 10 Hz to 3000 Hz and preferably in the ranges 10 Hz to 50 Hz, 125 Hz to 175 Hz and 300 Hz to 3000 Hz generated and thus induced in the electrical coil of at least one second transducer element electrical voltages in ebendiesen frequency ranges.
Zur Ausbildung des magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements kann eine mit Wechselspannung beaufschlagte elektrische Spule, die beispielsweise an einen Frequenzgenerator oder an eine definierte Invertersteuerung angeschlossen ist, oder ein sich bewegender Permanentmagnet genutzt werden. Zum Betrieb des Systems muss dann das erste Wandlerelement lediglich ausreichend nah an die im Aufnahmeelement aufgenommene elektrische Spule des zweiten Wandlerelements herangeführt sein, so dass ein Maximalabstand nicht überschritten wird, mit dem gesichert werden kann, dass in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements eine ausreichend große elektrische Spannung induziert werden kann. Mit einem zwischen Funktionsgenerator und elektrischer Spule des ersten Wandlerelements angeschlossenen Verstärker, z.B. mit 10-facher Verstärkung, kann der Maximalabstand vergrößert oder die Effektivität erhöht werden. Der Frequenzgenerator kann sinusförmig und ggf. mit variabler Frequenz betrieben werden. Prinzipiell sind aber auch andere Signalformen für den Betrieb eines Frequenzgenerators möglich. To form the alternating magnetic field of the first transducer element can be used with an alternating voltage applied electrical coil, which is connected for example to a frequency generator or to a defined inverter control, or a moving permanent magnet. To operate the system, the first transducer element then only has to be brought sufficiently close to the electrical coil of the second transducer element accommodated in the receiving element, so that a maximum distance is not exceeded with which it can be ensured that a sufficiently large electrical voltage can be induced in the electrical coil of the second converter element. With an amplifier connected between the function generator and the electrical coil of the first transducer element, eg with 10-fold amplification, the maximum distance can be increased or the effectiveness can be increased. The frequency generator can be operated sinusoidally and possibly with variable frequency. In principle, however, other signal forms for the operation of a frequency generator are possible.
Die Feldstärke des vom ersten Wandlerelement generierten magnetischen Wechselfeldes kann über die elektrische Spannung am Frequenzgenerator oder mit dem Verstärker beeinflusst werden. Dies beeinflusst neben dem Maximalabstand auch die in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung und somit die dorthin übertragene Energie. The field strength of the alternating magnetic field generated by the first transducer element can be influenced via the electrical voltage at the frequency generator or with the amplifier. In addition to the maximum distance, this also influences the electrical voltage induced in the electrical coil of the second transducer element and thus the energy transmitted thereto.
Die in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung kann bei Einsatz eines bewegten Permanentmagneten im ersten Wandlerelement durch dessen magnetische Feldstärke, den Abstand zum zweiten Wandlerelement und die auf den Permanentmagneten wirkende kinetische Bewegungsenergie beeinflusst werden. Durch eine definierte Polausrichtung und Bewegungsrichtung des Permanentmagneten kann Einfluss auf die Richtung des generierten Magnetfeldes und damit auf die induzierte Spannung und den elektrischen Strom, der durch die elektrische Spule des zweites Wandlerelements fließt, genommen werden, was wiederum auch ein drittes Wandlerelement richtungsabhängig beeinflussen kann. When using a moving permanent magnet in the first transducer element, the electrical voltage induced in the electrical coil of the second transducer element can be influenced by its magnetic field strength, the distance to the second transducer element and the kinetic kinetic energy acting on the permanent magnet. By a defined polar alignment and direction of movement of the permanent magnet influence on the direction of the generated magnetic field and thus on the induced voltage and the electric current flowing through the electrical coil of the second transducer element, can be taken, which in turn can also influence a third transducer element direction.
Gemäß des Gesetzes von BIOT-SAVART ist die magnetische Feldstärke an jedem Raumpunkt um eine elektrische Spule direkt proportional zum elektrischen Strom, der durch die elektrische Spule fließt. Dies trifft auch am Ort der elektrischen Spule des erfindungsgemäßen zweiten Wandlerelements zu. Setzt man zusätzlich einen Kern aus einem weichmagnetischen Werkstoff ein, der im Inneren der elektrischen Spule angeordnet ist, kann schon bei sehr geringen Feldstärken eine sehr hohe Magnetisierung erreicht werden. Diese kann durch die Wahl des Kern Werkstoffs zusätzlich beeinflusst werden. In Abhängigkeit von der Geometrie des verwendeten Kerns aus weichmagnetischem Werkstoff stellt sich im Kern ein entmagnetisierendes Feld ein, das die Feldstärke im Kern reduziert. Dieser Effekt kann folglich auch durch die Kerngeometrie beeinflusst werden. Als Folge ergibt sich eine resultierende magnetische Flussdichte im Kern, die sich bei steigendem Magnetfeld quasi linear ändert. Außerdem erfolgt durch die längliche Form eine Ausrichtung der Feldlinien senkrecht zu den Spulenwindungen, relativ unabhängig von der Richtung des magnetischen Feldes des ersten Wandlerelements. Da die Spulengeometrie der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements, d.h. die Querschnittsfläche der Windungen und die Windungszahl unveränderlich sind, ändert sich der magnetische Fluss durch diese Spule nur bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte. Die Änderung der magnetischen Flussdichte in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements erfolgt entsprechend der Magnetisierungskurve des Kernwerkstoffs und wird durch die periodische Änderung der Feldstärke des zur Anregung genutzten magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements verursacht. Der Skalierungsfaktor zwischen magnetischer Feldstärke und Flussdichte ist die Permeabilität. Gemäß Induktionsgesetz ist die in der elektrischen Spule induzierte elektrische Spannung gleich der negativen zeitlichen Änderung des elektrischen Flusses durch die Spulenwindungen. Damit ist die Induktionsspannung in der Spule des zweiten Wandlerelements bei der beschriebenen Anordnung lediglich von der magnetischen Flussdichteänderung abhängig und damit sowohl proportional zur Anregungsfrequenz der elektrischen Spule, wie auch proportional zur Feldstärke des Magnetfeldes des ersten Wandlerelements. Das Magnetfeld des ersten Wandlerelements wird durch den elektrischen Stromfluss in dessen Spule hervorgerufen und ist der elektrischen Stromstärke proportional. Die elektrische Stromstärke ergibt sich gemäß den Gesetzen der elektrischen Wechselstromtechnik aus der an die Spule angelegten elektrischen Spannung und dem Wechselstromwiderstand. In diesem Fall ergibt sie sich aus dem Ohm'schen und dem induktivem Widerstand der Spule. Bei Vernachlässigung des sehr kleinen Ohm'schen Anteils, wie er beispielsweise durch einen großen Drahtdurchmesser erreichbar ist, sind der elektrische Strom und damit auch die magnetische Feldstärke des ersten Wandlerelements nur noch vom induktiven Widerstand abhängig und damit indirekt proportional zur Anregungsfrequenz. Zusammenfassend folgt also aus der direkten Proportionalität von Induktionsspannung in der Spule des zweiten Wandlerelements und Anregungsfrequenz, der direkten Proportionalität von Induktionsspannung in der Spule des zweiten Wandlerelements und magnetischer Feldstärke des ersten Wandlerelements sowie der indirekten Proportionalität von Anregungsfrequenz und magnetischer Feldstärke des ersten Wandlerelements unter den genannten Annahmen und Vereinfachungen in der Spule des zweiten Wandlerelements eine konstante Induktionsspannung. Wird die Anregungsfrequenz verdoppelt, würde sich die in der Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung bei konstanter magnetischer Flussdichte ebenfalls verdoppeln, da jedoch die magnetische Feldstärke des ersten Wandlerelements durch den geringeren Stromfluss, bedingt durch den induktiven Widerstand der Spule halbiert wird, sinkt auch die magnetische Flussdichte auf die Hälfte und die in der Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung bleibt in Summe gleich. Damit ist gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Frequenzunabhängigkeit der in der Spule des zweiten Wandlerelements induzierten elektrischen Spannung und damit eine frequenzunabhängige Erzeugung gleichstarker Gradienten ausgenutzt werden kann. According to the law of BIOT-SAVART, the magnetic field strength at each space point around an electric coil is directly proportional to the electric current flowing through the electric coil. This also applies to the location of the electrical coil of the second transducer element according to the invention. If, in addition, a core of a soft magnetic material is used, which is arranged inside the electrical coil, a very high magnetization can be achieved even at very low field strengths. This can be additionally influenced by the choice of the core material. Depending on the geometry of the soft magnetic material core used, a demagnetizing field is established in the core, which reduces the field strength in the core. This effect can therefore also by the core geometry can be influenced. The result is a resulting magnetic flux density in the core, which changes quasi linearly as the magnetic field increases. In addition, due to the elongated shape, alignment of the field lines perpendicular to the coil turns is relatively independent of the direction of the magnetic field of the first transducer element. Since the coil geometry of the electric coil of the second transducer element, ie, the cross-sectional area of the turns and the number of turns, are fixed, the magnetic flux through this coil changes only with a change in the magnetic flux density. The change in the magnetic flux density in the electrical coil of the second transducer element is effected in accordance with the magnetization curve of the core material and is caused by the periodic change in the field strength of the alternating magnetic field used for the excitation of the first transducer element. The scaling factor between magnetic field strength and flux density is the permeability. According to the law of induction, the electrical voltage induced in the electrical coil is equal to the negative temporal change of the electrical flux through the coil turns. Thus, the induction voltage in the coil of the second transducer element in the described arrangement depends only on the magnetic flux density change and thus both proportional to the excitation frequency of the electric coil, as well as proportional to the field strength of the magnetic field of the first transducer element. The magnetic field of the first transducer element is caused by the flow of electrical current in the coil and is proportional to the electric current. The electric current is obtained in accordance with the laws of AC electric power from the voltage applied to the coil and the AC resistance. In this case it results from the ohmic and the inductive resistance of the coil. Neglecting the very small ohmic component, as it can be achieved for example by a large wire diameter, the electric current and thus also the magnetic field strength of the first transducer element are only dependent on the inductive resistance and thus indirectly proportional to the excitation frequency. In summary, it follows from the direct proportionality of induction voltage in the coil of the second transducer element and excitation frequency, the direct proportionality of induction voltage in the coil of the second transducer element and magnetic field strength of the first Transducer element and the indirect proportionality of excitation frequency and magnetic field strength of the first transducer element under the assumptions and simplifications in the coil of the second transducer element, a constant induction voltage. If the excitation frequency is doubled, the electrical voltage induced in the coil of the second transducer element would also double at a constant magnetic flux density, but since the magnetic field strength of the first transducer element is halved due to the lower current flow due to the inductive resistance of the coil, the voltage drops as well magnetic flux density to half and in the coil of the second transducer element induced voltage remains in total equal. It is thus shown that a frequency independence of the invention induced in the coil of the second transducer element electrical voltage and thus a frequency-independent generation of equally strong gradients can be exploited.
Wird für das erfindungsgemäße System ein viertes Wandlerelement genutzt, mit dem die thermische Energie, die mit einem zuvor beschriebenen zweiten Wandlerelement erhalten worden ist, in kinetische gewandelt werden soll, kann der Effekt der thermischen Ausdehnung oder eine Änderung der Geometrie eines Formgedächtnismaterials ausgenutzt werden. Dazu kann als viertes Wandlerelement eine Komponente genutzt werden, welche temperaturabhängig in mindestens einer Dimension seine Ausdehnung oder Länge ändert. Diese Komponente kann auch zumindest ein Teil des bereits erwähnten Aufnahmeelements sein. Ein solches viertes Wandlerelement kann auch über ein thermisches Leiterelement, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, mit wenigstens Teilbereichen der elektrisch kurzgeschlossenen oder an einen elektrischen Verbraucher angeschlossenen Spule des zweiten Wandlerelements oder einem dieser zugeordneten ferromagnetischen Kern thermisch leitend verbunden sein. Dadurch kann das vierte Wandlerelement flexibler an einem bestimmten Ort angeordnet und dort die gewünschte Wirkung auf einen Formkörper oder periphere Bereiche des Systems erreicht werden. If a fourth transducer element is used for the system according to the invention, with which the thermal energy obtained with a second transducer element described above is to be converted into kinetic, the effect of thermal expansion or a change in the geometry of a shape memory material can be exploited. For this purpose, a component can be used as the fourth transducer element, which changes its extent or length as a function of temperature in at least one dimension. This component can also be at least a part of the already mentioned receiving element. Such a fourth transducer element can also be thermally conductively connected to at least partial regions of the coil of the second transducer element that is electrically short-circuited or connected to an electrical load or a ferromagnetic core assigned to it, via a thermal conductor element having a high thermal conductivity. Thereby, the fourth transducer element can be arranged more flexibly at a certain location and there the desired effect on a molding or peripheral areas of the system can be achieved.
Die thermische Energie des zweiten Wandlerelements kann aber auch über ein thermisches Leiterelement zu einem Ort weitergeleitet werden, an dem die Wärmeenergie in chemische Energie umgewandelt und/oder mittels thermochemischer Prozesse in einem Reaktor oder durch Reaktionen mit Bestandteilen und Stoffen in peripheren Bereichen des Systems zur Manipulation der Umgebung genutzt werden kann. The thermal energy of the second transducer element can also be forwarded via a thermal conductor element to a location at which the thermal energy is converted into chemical energy and / or by means of thermochemical processes in a reactor or by reactions with components and substances in peripheral areas of the system can be used to manipulate the environment.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems mit einem ersten Wandlerelement, bei der eine elektrische Spule zur Wandlung der magnetischen in elektrische Energie benutzt wird, kann eine Überlagerung der elektrischen Betriebsspannung der Spule mit einer zusätzlich über die Aktivität des piezoelektrischen Wandlers in diese Spule induzierten elektrischen Spannung erfolgen. Das Verhältnis von elektrischer Betriebsspannung zu induzierter elektrischer Spannung kann relativ groß sein und z.B. bei 170V zu 10mV liegen. Demzufolge ist eine Differenzmessung der elektrischen Spannungen vorteilhaft, um die erhaltenen Spannungssignale von der Betriebsspannung zu diskriminieren. When operating the system according to the invention with a first transducer element, in which an electrical coil is used to convert the magnetic into electrical energy, a superposition of the electrical operating voltage of the coil can be carried out with an additionally induced via the activity of the piezoelectric transducer in this coil electrical voltage. The ratio of electrical operating voltage to induced electrical voltage may be relatively large, e.g. at 170V to 10mV. Consequently, a differential measurement of the electrical voltages is advantageous in order to discriminate the obtained voltage signals from the operating voltage.
Ein analoges Vorgehen ist bei der Messung mit einem externen Magnetfeldsensor als Empfänger günstig, wobei dort die Überlagerung des durch den Betrieb der Spule des ersten Wandlerelements direkt generierten Magnetfeldes mit dem von der magnetischen Spule des zweiten Wandlerelements aufgrund der Aktivität des piezoelektrischen Wandlers erzeugten Magnetfelds bei der Differenzmessung zu berücksichtigen ist. An analogous procedure is favorable when measuring with an external magnetic field sensor as the receiver, where the superimposition of the magnetic field directly generated by the operation of the coil of the first transducer element with the magnetic field generated by the magnetic coil of the second transducer element due to the activity of the piezoelectric transducer in the Differential measurement is to be considered.
Es kann vorteilhaft sein, die überlagerten Spannungs- oder Feldsignale zusätzlich einer Frequenz-Filterung zu unterziehen. It may be advantageous to additionally subject the superimposed voltage or field signals to frequency filtering.
Soll eine solche Differenzmessung der Spannungen oder Feldstärken vermieden werden, so kann im ausgeschalteten Zustand des ersten Wandlerelements der ausschließlich durch die Aktivität des piezoelektrischen Wandlers und der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements mit ggf. darin angeordnetem Kern ausgebildete Anteil des magnetischen Feldes gemessen werden. Dieser kann bspw. von der magnetischen Vorgeschichte und oder der Remanenz des Kerns beeinflusst sein. Die Messung kann auch in diesem Fall wie beschrieben entweder direkt mit einem Magnetfeldsensor oder durch die Messung der in der Spule des ersten Wandlerelements induzierten elektrischen Spannung erfolgen. If such a differential measurement of the voltages or field strengths is to be avoided, then the portion of the magnetic field formed exclusively by the activity of the piezoelectric transducer and the electrical coil of the second transducer element with possibly arranged therein core can be measured in the switched-off state of the first transducer element. This can be influenced, for example, by the magnetic history and / or the remanence of the core. The measurement can also be done in this case, as described either directly with a magnetic field sensor or by measuring the induced voltage in the coil of the first transducer element.
Bei einem erfindungsgemäßen System besteht auch die Möglichkeit, das zweite Wandlerelement, insbesondere also die elektrische Spule nicht permanent mit dem dritten Wandlerelement, das als piezoelektrischer Wandler ausgebildet sein kann, zu verbinden, sondern deren Verbindung extern getriggert zu schalten. Dies kann beispielsweise mit einem Reed-Kontakt erreicht werden. Dadurch kann die elektrische Spannung am piezoelektrischen Wandler des dritten Wandlerelements länger aufrechterhalten werden, wenn dieser vorab mit einer mechanisch Kraft beaufschlagt worden ist. Beim Schließen der elektrischen Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der elektrischen Spule kann über einen kürzeren Zeitraum ein größerer elektrischer Strom fließen. Dadurch kann eine bessere Detektion eines Messsignals ermöglicht werden, da die Intensität des Signals erhöht wird und der Zeitpunkt des Auftretens durch die extern getriggerte Schaltung bekannt ist. In a system according to the invention, it is also possible, the second transducer element, in particular so the electrical coil is not permanently with the third transducer element, which may be formed as a piezoelectric transducer, to connect, but to switch their connection externally triggered. This can be achieved, for example, with a reed contact. As a result, the electrical voltage can be maintained longer at the piezoelectric transducer of the third transducer element, if this has been previously subjected to a mechanical force. When closing the electrical connection between the piezoelectric transducer and the electrical coil, a larger electrical current can flow over a shorter period of time. Thereby, a better detection of a measurement signal can be made possible, since the intensity of the signal is increased and the time of occurrence by the externally triggered circuit is known.
Als Werkstoff des piezoelektrischen Wandlers des dritten Wandlerelements kann ein möglichst weicher piezoelektrischer Werkstoff mit hoher Hysterese eingesetzt werden. Bei einem piezoelektrischen Wandler (Stapelaktuator) mit den Abmessungen 3 x 3 x 2 mm3 und einer elektrischen Betriebsspannung der Spule des erstes Wandlerelements von 100 V (im getriggert geschalteten Betrieb) kann eine laterale Dehnung von 22 μιη erreicht werden. Die elektrische Kapazität dieses piezoelektrischen Wandlers kann bei 25 nF liegen. Die Blockierkraft, mit der der piezoelektrischen Wandler im Aufnahmeelement fixiert ist, sollte größer 120 N sein. As the material of the piezoelectric transducer of the third transducer element as soft as possible piezoelectric material can be used with high hysteresis. In a piezoelectric transducer (stacking actuator) with the dimensions 3 x 3 x 2 mm 3 and an electrical operating voltage of the coil of the first transducer element of 100 V (in the triggered switched operation), a lateral elongation of 22 μιη can be achieved. The electrical capacitance of this piezoelectric transducer may be 25 nF. The blocking force with which the piezoelectric transducer is fixed in the receiving element should be greater than 120 N.
Der piezoelektrischen Wandler des dritten Wandlerelements vollzieht bei Anregung mit elektrischer Wechselspannung eine Volumenschwingung. Die Querkontraktion vollzieht sich gemäß dem Steifigkeitstensor. Bei einem in Hauptdehnungsrichtung polarisierten piezoelektrischen Wandler kann die Querkontraktion durch Multiplikation mit der Poissonzahl (0,28 ... 0,36) erhalten werden. Die dynamischen Steifigkeiten der Piezowerkstoffe sind sehr hoch und liegen üblicherweise im Bereich von mehr als 10 GPa. In einem erfindungsgemäßen System kann die Querdehnung ausgenutzt werden. Diese kann längs eines dünnen plattenförmigen Aufnahmeelements, das bevorzugt aus Titan oder einer entsprechenden Titanvanadiumaluminiumlegierung gebildet sein kann, übertragen werden. Der piezoelektrische Wandler des dritten Wandlerelements kann durch thermische Passung in dieses plattenförmige Aufnahmeelement integriert sein. Der ferromagnetische Kern, der im Inneren der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements angeordnet ist, kann ebenfalls durch thermische Passung in das plattenförmige Aufnahmeelement integriert sein. Dadurch kann ein Teil der Schwingungswellenausbreitung außer über seitliche Stege/Konturelemente zum Teil durch den Kernwerkstoff erfolgen, wobei ausgenutzt werden kann, dass Stähle und Titan vergleichbare Schallkennimpedanzen haben (Stahl z.B. 5900 Ns/m3 vs. Titan 6100 Ns/m3). The piezoelectric transducer of the third transducer element undergoes a volume oscillation when excited by electrical alternating voltage. The transverse contraction occurs according to the stiffness tensor. In a piezoelectric transducer polarized in the main elongation direction, the transverse contraction can be obtained by multiplying by the Poisson number (0.28 to 0.36). The dynamic stiffnesses of the piezoelectric materials are very high and are usually in the range of more than 10 GPa. In a system according to the invention, the transverse strain can be utilized. This may be transferred along a thin plate-shaped receiving element, which may preferably be formed from titanium or a corresponding titanium vanadium aluminum alloy. The piezoelectric transducer of the third transducer element may be integrated by thermal fit in this plate-shaped receiving element. The ferromagnetic core, which is arranged in the interior of the electrical coil of the second transducer element, can also be integrated by thermal fit in the plate-shaped receiving element. This can be a part of Vibration wave propagation takes place except through lateral webs / contour elements partly through the core material, whereby it can be exploited that steels and titanium have comparable sound characteristic impedances (steel eg 5900 Ns / m 3 vs. titanium 6100 Ns / m 3 ).
Ein von einem ersten Wandlerelement generiertes magnetisches Wechselfeld mit einer magnetischen Feldstärke von ca. 2 kA/m kann in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements beispielsweise eine Spannung mit einer Amplitude von mindestens 300 mV und einer Frequenz von 300 Hz induzieren. Da das mechanische Spannungs- Dehnungs-Verhalten eines piezoelektrischen Wandlers aus weicher Piezokeramik bei kleinen elektrischen Spannungen, beispielsweise bis zu einem Tausendstel der elektrischen Betriebsspannung, noch linear ist, kann ein so betriebener piezoelektrischer Wandler in einem erfindungsgemäßen System für kleine Leistungsschallanwendungen wie beispielsweise Körperschallanwendungen eingesetzt werden. An alternating magnetic field generated by a first transducer element with a magnetic field strength of approximately 2 kA / m can, for example, induce a voltage with an amplitude of at least 300 mV and a frequency of 300 Hz in the electrical coil of the second transducer element. Since the mechanical stress-strain behavior of a piezoceramic piezoelectric transducer is still linear at low electrical voltages, for example up to one thousandth of the electrical operating voltage, a piezoelectric transducer operated in this way can be used in a system according to the invention for small power sound applications such as structure-borne noise applications ,
Ein piezoelektrischer Wandler als drittes Wandlerelement kann mit dem erfindungsgemäßen System somit energieautark und ohne interne Regelelektronik betrieben werden. A piezoelectric transducer as a third transducer element can thus be operated with the inventive system energy self-sufficient and without internal control electronics.
Ein polarisierter Piezo-Stapelaktuator als drittes Wandlerelement weist im Bereich unterhalb der Sättigungspolarisation einen linearen Zusammenhang zwischen elektrischer Feldstärke E und mechanischer Dehnung S auf. Im unteren Spannungsbzw. Feldstärkebereich, bis zu etwa einem Drittel der elektrischen Betriebsspannung, gilt dies auch für den Betrieb entgegen der Polarisationsrichtung. Im quasi-statischen Betrieb bei Frequenzen kleiner als 10 Hz kann der Anstieg der U-S- bzw. E-S-Kennlinie jedoch abweichen. Die elektrische Betriebsspannung liegt in der Regel bei der elektrischen Spannung, die der halben Sättigungsfeldstärke entspricht. Das lineare Verhalten wird nicht durch das Einwirken einer konstanten von außen wirkenden Kraft beeinflusst. Weit unterhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers ist bei konstanter Amplitude der elektrischen Spannung die mechanische Dehnung frequenzunabhängig. Die Resonanzfrequenz in 33-Richtung eines beschriebenen Stapelaktuators liegt bei 660 kHz und damit oberhalb der als günstig angegebenen Betriebsfrequenzen. Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen: A polarized piezo stack actuator as a third transducer element has a linear relationship between the electric field strength E and the mechanical strain S in the region below the saturation polarization. In the lower voltage or. Field strength range, up to about one third of the electrical operating voltage, this also applies to the operation against the polarization direction. However, in quasi-static operation at frequencies less than 10 Hz, the increase of the US or ES characteristic may deviate. The electrical operating voltage is usually at the electrical voltage corresponding to half the saturation field strength. The linear behavior is not influenced by the influence of a constant external force. Far below the resonant frequency of the piezoelectric transducer, the mechanical strain is frequency independent at a constant amplitude of the electrical voltage. The resonance frequency in the 33 direction of a stack actuator described lies at 660 kHz and thus above the operating frequencies indicated as favorable. The invention will be explained in more detail by way of example in the following. Showing:
Figur 1 .1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems zur Applizierung von mechanischer Energie in teilweise geschnittener seitlicher Ansicht; Figure 1 .1 an example of a part of a system according to the invention for application of mechanical energy in a partially sectioned side view;
Figur 1 .2 das Beispiel nach Figur 1 .1 in geschnittener seitlicher Ansicht mit sichtbarem ferromagnetischem Kern; Figure 1 .2 the example of Figure 1 .1 in a sectional side view with visible ferromagnetic core.
Figur 2.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems zur Applizierung von mechanischer Energie im Querschnitt; FIG. 2.1 shows an example of part of a system according to the invention for applying mechanical energy in cross section;
Figur 2.2 das Beispiel nach Figur 2.1 in einer seitlichen Ansicht; Figure 2.2 shows the example of Figure 2.1 in a side view;
Figur 3.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems zur Applizierung von thermischer Energie mit einem thermischen Leiterelement im Querschnitt; Figure 3.1 shows an example of a part of a system according to the invention for applying thermal energy with a thermal conductor element in cross section;
Figur 3.2 das Beispiel nach Figur 3.1 in einer seitlichen Ansicht; Figure 3.2 shows the example of Figure 3.1 in a side view;
Figur 3.3 das Beispiel nach Figur 3.1 mit einem zusätzlichen Schaltelement in einer seitlichen Ansicht; Figure 3.3 shows the example of Figure 3.1 with an additional switching element in a side view;
Figur 4.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems, einer sogenannten Integrationskomponente, zur Applizierung von mechanischer und/oder thermischer Energie für die Integration in einen Formkörper im Querschnitt; FIG. 4.1 shows an example of a part of a system according to the invention, a so-called integration component, for the application of mechanical and / or thermal energy for integration into a shaped body in cross-section;
Figur 4.2 das Beispiel einer Integrationskomponente nach Figur 4.1 mit gekennzeichneten Integrationsbereichen in einer Ansicht von oben; FIG. 4.2 shows the example of an integration component according to FIG. 4.1 with identified integration areas in a view from above;
Figur 4.3 das Beispiel einer Integrationskomponente nach Figur 4.1 mit gekennzeichneten Integrationsbereichen in einer seitlichen Ansicht; FIG. 4.3 shows the example of an integration component according to FIG. 4.1 with identified integration regions in a lateral view;
Figur 4.4 das Beispiel einer Integrationskomponente nach Figur 4.1 integriert in einem Formkörper mit gekennzeichneten Integrationsbereichen in einer Ansicht von oben; in Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer vertikal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie mit sichtbaren Integrationsbereichen und zwei außerhalb angeordneten Spulen als erste Wandlerelemente zur Generierung mindestens eines magnetischen Wechselfeldes sowie Auslenkungsvektoren in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer horizontal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie mit sichtbarer Integrationsschnittstelle und zwei außerhalb angeordneten Spulen als erste Wandlerelemente zur Generierung mindestens eines magnetischen Wechselfeldes sowie Auslenkungsvektoren in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems nach Figur 5.2 mit zusätzlich am Formkörper angeordneten Sensoren in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems nach Figur 5.2 mit zusätzlich am Formkörper angeordneten Sensoren sowie einem am Formkörper angeordneten sensorisch-porösen Probekörper und einer Aktor-Sensor-Aktor-Anordnung in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer vertikal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Erzeugung von thermischer Energie und einem Wandlerelement zur nachgelagerter Wandlung in mechanische Energie inklusive einer Spule als erstes Wandlerelement in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer horizontal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie in eine auf dem Formkörper angeordneten Aufnahmeeinheit für biologische Proben sowie zwei Spulen als erste Wandlerelemente, die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formkörpers und der Aufnahmeeinheit angeordnet sind, in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer vertikal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie in eine auf dem Formkörper angeordneten Aufnahmeeinheit für biologische Proben sowie zwei Spulen als erste Wandlerelemente, die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formkörpers und der Aufnahmeeinheit angeordnet sind, in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie, welches in einem als Hüftgelenkprothese ausgebildetem Formkörper integriert ist sowie außerhalb angeordneter Spule als erstes Wandlerelement und Sensor in seitlicher Ansicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit zwei Integrationskomponenten zur Erzeugung von thermischer Energie, welche in einem als Hüftgelenkprothese ausgebildetem Formkörper integriert sind, zwei vierten Wandlerelementen zur nachgelagerter Wandlung der thermischen in mechanische Energie sowie außerhalb angeordneter Spule als erstes Wandlerelement und Sensor in seitlicher Ansicht. ein Beispiel einer Osteosynthesekomponente/-platte mit Loch-anordnung; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich in Draufsicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich in seitlicher Ansicht; ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich an einer Osteosynthesekomponente/-platte mit Lochanordnung ohne Schrauben in Draufsicht; ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich in seitlicher Ansicht, welches mittels thermischen Spritzens bspw. mit einer Titanvanadiumaluminiumlegierung eingebettet wurde; FIG. 4.4 shows the example of an integration component according to FIG. 4.1 integrated in a molding with marked integration regions in a view from above; in an example of a system according to the invention with an integrating component introduced vertically into a molded body for applying mechanical energy with visible integration regions and two coils arranged outside as first transducer elements for generating at least one alternating magnetic field and deflection vectors in a lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component horizontally introduced into a molded body for the application of mechanical energy with visible integration interface and two coils arranged outside as the first transducer elements for generating at least one alternating magnetic field and deflection vectors in a lateral view; an example of a system according to the invention according to Figure 5.2 with additionally arranged on the molding body sensors in a side view; an example of a system according to the invention according to FIG. 5.2 with sensors additionally arranged on the shaped body and a sensor-porous specimen arranged on the shaped body and an actuator-sensor-actuator arrangement in a lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component introduced vertically into a molded body for generating thermal energy and a transducer element for subsequent conversion into mechanical energy including a coil as a first transducer element in a lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component horizontally introduced into a molding body for applying mechanical energy in a recording unit for biological samples arranged on the molding and two coils as first transducer elements which are arranged on two opposite sides of the molding and the receiving unit, in lateral view; an example of a system according to the invention with an integrating component introduced vertically into a shaped body for applying mechanical energy to a receiving unit for biological samples arranged on the shaped body, and two coils as first transducer elements arranged on two opposite sides of the shaped body and the receiving unit, in FIG lateral view; an example of a system according to the invention with an integration component for the application of mechanical energy, which is integrated in a molded body designed as a hip joint prosthesis and externally arranged coil as the first transducer element and sensor in a lateral view; an example of a system according to the invention with two integration components for generating thermal energy, which are integrated in a formed as a hip joint prosthesis body, two fourth transducer elements for downstream conversion of the thermal energy into mechanical energy and externally arranged coil as a first transducer element and sensor in a side view. an example of an osteosynthesis component / plate with hole arrangement; an example of a system according to the invention with hole arrangement in the integration region in plan view; an example of a system according to the invention with hole arrangement in the integration area in a side view; an example of the integration of a system according to the invention with a hole arrangement in the integration region on an osteosynthesis component / plate with hole arrangement without screws in plan view; an example of a system according to the invention with hole arrangement in the integration area in a lateral view, which by means of thermal Spattered, for example, with a titanium vanadium aluminum alloy was embedded;
Fig. 9.6 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit Fig. 9.6 an example of the integration of a system according to the invention with
Lochanordnung im Integrationsbereich an einer Hole arrangement in the integration area at one
Osteosynthesekomponente/-platte mit Lochanordnung ohne Schrauben (Draufsicht), welches mittels thermischen Spritzens bspw. mit einer Titanvanadiumaluminiumlegierung eingebettet wurde Osteosynthesis component / plate with hole arrangement without screws (top view), which was embedded by means of thermal spraying, for example. With a Titanvanadiumaluminiumlegierung
Fig. 9.7 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit ankerförmiger Integrationsschnittstelle in einer Osteosyntheseschraube FIG. 9.7 shows an example of the integration of a system according to the invention with an anchor-shaped integration interface in an osteosynthesis screw
Fig. 9.8 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit radialer Fig. 9.8 an example of the integration of a system according to the invention with radial
Integrationsschnittstelle in Gestalt einer Hülse oder einer thermisch gespritztenPlasmaschicht in einer Osteosyntheseschraube  Integration interface in the form of a sleeve or a thermally sprayed plasma layer in an osteosynthesis screw
In Figur 1 .1 und Figur 1 .2 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems in zwei Ansichten gezeigt, bei dem in einem Aufnahmeelement 1 , das bevorzugt aus Titan besteht eine elektrische Spule 2 als zweites Wandlerelement sowie ein piezoelektrisches Wandlerelement 15 als drittes Wandlerelement, das mit mehreren übereinandergestapelten plattenförmigen piezoelektrischen Elementen gebildet und mit der elektrischen Spule 2 durch elektrische Leiterelemente 25 so elektrisch leitend verbunden ist, dass bei einer an der elektrischen Spule 2 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 15 anliegenden elektrischen Spannung eine Kontraktion oder Dehnung des piezoelektrischen Wandlerelements 15 erfolgt. Da zumindest das piezoelektrische Wandlerelement 15 kraft- und/oder formschlüssig mit dem Aufnahmeelement 1 verbunden ist, führt diese Veränderung des piezoelektrischen Wandlerelements 15 zu einer Kraftwirkung oder Verformung des Aufnahmeelements 1 . Diese Kraftwirkung oder Verformung kann genutzt werden, um beispielsweise Schwingungen oder Schallwellen in einen mit dem Aufnahmeelement 1 verbundenen oder diesen zumindest bereichsweise umschließenden Formkörper 13 einzukoppeln. In Figure 1 .1 and Figure 1 .2 an example of a system according to the invention in two views is shown in which in a receiving element 1, which preferably consists of titanium, an electrical coil 2 as a second transducer element and a piezoelectric transducer element 15 as a third transducer element, the is formed with a plurality of stacked plate-shaped piezoelectric elements and electrically conductively connected to the electrical coil 2 by electrical conductor elements 25, that occurs at a voltage applied to the electrical coil 2 and the piezoelectric transducer element 15 electrical voltage contraction or elongation of the piezoelectric transducer element 15. Since at least the piezoelectric transducer element 15 is positively and / or positively connected to the receiving element 1, this change in the piezoelectric transducer element 15 leads to a force effect or deformation of the receiving element 1. This force effect or deformation can be used, for example, to couple vibrations or sound waves into a molded body 13 connected to the receiving element 1 or enclosing it at least partially.
Um diesen Effekt der Einkopplung zu verbessern, sind, wie die Darstellung in Figur 1 .2 zeigt, am Aufnahmeelement 1 Konturelemente 1 a vorhanden, die zu einem verbesserten Formschluss und größerer Hebelwirkung führen. Bei diesem Beispiel sind die Konturelemente 1 a nasenförmig ausgebildet. Es können aber auch andere geometrische Formen für Konturelemente 1 a, wie z.B. haken- und/oder abgewinkelte Elemente oder Flansche gewählt werden. In order to improve this effect of the coupling, as the illustration in Figure 1 .2 shows, on the receiving element 1 contour elements 1 a present, which lead to improved positive engagement and greater leverage. In this example, the contour elements 1 a are nose-shaped. But there are others too geometric shapes for contour elements 1 a, such as hook and / or angled elements or flanges are selected.
Das Aufnahmeelement 1 hat bei diesem Beispiel einen rechteckigen Querschnitt. Das piezoelektrische Wandlerelement 15 ist von einer keramischen Schicht 4 umschlossen, die lediglich von den elektrischen Leiterelementen 25 zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 15 und der elektrischen Spule 2 durchbrochen und wodurch eine elektrische und/oder thermische Isolation der Bestandteile des Systems erreichbar ist. The receiving element 1 has a rectangular cross-section in this example. The piezoelectric transducer element 15 is surrounded by a ceramic layer 4, which is penetrated only by the electrical conductor elements 25 between the piezoelectric transducer element 15 and the electrical coil 2 and whereby an electrical and / or thermal insulation of the components of the system can be achieved.
Seitlich des Aufnahmeelementes 1 sind untereinander drei Varianten eines ersten Wandlerelements dargestellt, wobei die erste Varianten des ersten Wandlerelements aus einer elektrische Spule 9 zur Generierung eines magnetischen Wechselfeldes gebildet wird. In der zweiten darunter liegenden Variante enthält das erste Wandlerelement zusätzlich noch einen in der elektrischen Spule 9 angeordneten ferromagnetischen Kern 10.1 . Bei der Darunter liegenden dritten Variante ist der ferromagnetische Kern 10.2 außerhalb der elektrischen Spule 9 angeordnet. Die dargestellten Varianten erster Wandlerelemente können alternativ wie auch kombiniert verwendet werden. Außerdem sind auch von der dargestellten seitlichen Anordnung der ersten Wandlerelemente zum Aufnahmeelement 1 abweichende Anordnungen einzelner oder mehrerer erster Wandlerelemente möglich. Side of the receiving element 1 three variants of a first transducer element are shown with each other, wherein the first variants of the first transducer element is formed from an electrical coil 9 for generating an alternating magnetic field. In the second variant below, the first transducer element additionally contains a ferromagnetic core 10. 1 arranged in the electrical coil 9. In the underlying third variant, the ferromagnetic core 10.2 is arranged outside the electric coil 9. The illustrated variants of first transducer elements can be used alternatively or in combination. In addition, deviating arrangements of individual or a plurality of first transducer elements are also possible from the illustrated lateral arrangement of the first transducer elements to the receiving element 1.
Mit den beschriebenen Varianten eines ersten Wandlerelements können magnetische Wechselfelder unterschiedlicher Frequenz generiert werden, wenn die elektrische Spule 9 eines ersten Wandlerelements mit einer Wechselspannung, die beispielsweise von einem nicht gezeigten Frequenzgenerator erzeugt werden kann, gespeist wird. Befindet sich in der Umgebung und in ausreichender Nähe dieses magnetischen Wechselfeldes die elektrische Spule 2 eines zweiten Wandlerelements, so wird in dieser eine elektrische Spannung induziert. Zur Erhöhung der induzierten Spannung ist in der Spule 2 ein ferromagnetischer Kern 3 aus weichmagnetischen Material angeordnet. Da das piezoelektrische Wandlerelement 15 mittels der elektrischen Leiterelemente 25 elektrisch leitend mit der elektrischen Spule 2 verbunden ist, kommt es je nach Polung und Verlauf der induzierten Spannung, die unter Beachtung der Lenzschen Regel beeinflusst werden kann, zu Deformationen des piezoelektrischen Wandlerelements 15, die über das Aufnahmeelement 1 und die angebrachten Konturelemente 1 a auf die Umgebung und insbesondere auf einen hier nicht dargestellten verbundenen Formkörper in Form von Schwingungen oder Schallwellen übertragen werden können. With the described variants of a first transducer element alternating magnetic fields of different frequency can be generated when the electrical coil 9 of a first transducer element with an AC voltage, which can be generated for example by a frequency generator, not shown, is fed. Located in the environment and in sufficient proximity of this alternating magnetic field, the electrical coil 2 of a second transducer element, an electrical voltage is induced in this. To increase the induced voltage, a ferromagnetic core 3 made of soft magnetic material is arranged in the coil 2. Since the piezoelectric transducer element 15 is electrically conductively connected to the electrical coil 2 by means of the electrical conductor elements 25, depending on the polarity and the course of the induced voltage, which can be influenced in accordance with Lenz's rule, deformation of the piezoelectric transducer element 15 occurs the receiving element 1 and the attached contour elements 1 a on the Environment and in particular on a not shown connected moldings in the form of vibrations or sound waves can be transmitted.
So kann mit dem erfindungsgemäßen System drahtlos Energie von einem ersten Bereich, in dem sich mindestens ein erstes Wandlerelement befindet in einen zweiten räumlich getrennten, nicht elektrisch leitende verbundenen Bereich mit mindesten einem zweiten Wandlerelement übertragen und in diesem Bereich mittels einem als piezoelektrisches Wandlerelement 15 ausgebildeten dritten Wandlerelements Schwingungen oder Schallwellen emittiert und mittels des Aufnahmeelements 1 auf die Umgebung übertragen und/oder in einen verbundenen Formkörper eingekoppelt werden. Thus, with the system according to the invention, energy can be transmitted wirelessly from a first region in which at least one first transducer element is located in a second spatially separated, non-electrically connected connected region with at least one second transducer element and in this region by means of a third designed as a piezoelectric transducer element 15 Transducer element vibrations or sound waves emitted and transmitted by means of the receiving element 1 to the environment and / or coupled into a connected moldings.
Figur 2.1 und Figur 2.2. zeigen einen komplexeren Aufbau eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems in zwei Ansichten. Es ist erkennbar, dass eine elektrische Spule 2 als zweites Wandlerelement einen ferromagnetischen Kern 3 umschließt, so dass dieser im Inneren der elektrischen Spule 2 angeordnet ist. Elektrische Spule 2, ferromagnetischer Kern 3 sowie ein Teil des Aufnahmeelements 1 sind von mehreren zylinderförmigen keramischen Schichten 4 und 6, die sowohl elektrisch, wie auch thermisch isolierend wirken, umschlossen. Die keramischen Schichten 4 und 6 können aus dielektrischen keramischen Werkstoffen, bevorzugt Zirkon- oder Aluminiumoxid gebildet sein. Figure 2.1 and Figure 2.2. show a more complex structure of part of a system according to the invention in two views. It can be seen that an electrical coil 2 as a second transducer element encloses a ferromagnetic core 3, so that it is arranged in the interior of the electrical coil 2. Electric coil 2, ferromagnetic core 3 and a part of the receiving element 1 are surrounded by a plurality of cylindrical ceramic layers 4 and 6, which act both electrically, as well as thermally insulating. The ceramic layers 4 and 6 may be formed of dielectric ceramic materials, preferably zirconium or aluminum oxide.
Darüber ist eine diese keramischen Schichten 4 und 6 ummantelnde Schicht 7 aus Molybdän vorhanden. Diese Molybdänschicht 7 ist von einer Hülse 8 aus Titan, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit der Schicht 7 verbunden ist, umschlossen, wobei zwei Stirnflächen offen sind, so dass die Konturelemente 1 a oder ein thermischer Leiter 5, der hier nicht dargestellt ist , herausragen können. In der Anordnung kann außerdem ein hier nicht dargestelltes drittes Wandlerelement, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler integriert sein. In addition, there is a layer 7 of molybdenum covering these ceramic layers 4 and 6. This molybdenum layer 7 is surrounded by a sleeve 8 made of titanium, which is positively, positively and / or cohesively connected to the layer 7, wherein two end faces are open, so that the contour elements 1 a or a thermal conductor 5, the here not shown, can stand out. In addition, a third transducer element, not shown here, for example, a piezoelectric transducer can be integrated in the arrangement.
Die integrierte Anordnung der Bestandteile des erfindungsgemäßen Systems in der beschriebenen gekapselten Art erlaubt eine einfache Integration dieser in einen hier nicht abgebildeten Formkörper sowie die elektrische und thermische Isolation einzelner Systembestandteile untereinander und/oder der Systembestandteile zu peripheren Bereichen des Systems und wird als Ganzes in folgenden als Integrationskomponente 28 bezeichnet. In Figur 3.1 und Figur 3.2 ist ein weiteres Beispiel einer Integrationskomponente 28, also eines komplexeren Aufbaus eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems in zwei Ansichten gezeigt, bei dem wieder in einem Aufnahmeelement 1 eine elektrische Spule 2 als zweites Wandlerelement form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen und wiederum von mehreren zylinderförmigen keramischen Schichten 4 und 6, die sowohl elektrisch, wie auch thermisch isolierend wirken, umschlossen ist. Darüber ist wieder eine diese keramischen Schichten 4 und 6 ummantelnde Schicht 7 aus Molybdän vorhanden, die von einer Hülse 8 aus Titan kraft-, form- und/oder stoffschlüssig umgeben ist. The integrated arrangement of the components of the system according to the invention in the described encapsulated type allows easy integration of this in a molded body not shown here and the electrical and thermal isolation of individual system components with each other and / or the system components to peripheral areas of the system and is described as a whole in the following Integration component 28 denotes. In Figure 3.1 and Figure 3.2 is another example of an integration component 28, ie a more complex structure of a portion of a system according to the invention shown in two views, in which again in a receiving element 1, an electric coil 2 as a second transducer element positively and / or positively received and in turn of several cylindrical ceramic layers 4 and 6, which act both electrically, as well as thermally insulating, is enclosed. In addition, there is again a layer 7 of molybdenum which surrounds these ceramic layers 4 and 6 and is surrounded by a sleeve 8 of titanium in a force, shape and / or material fit.
Die elektrische Spule 2 und/oder ein nicht erkennbarer ferromagnetischer Kern 3 ist mit einem thermischen Leiterelement 5 verbunden, das nach außen aus dem Aufnahmeelement 1 herausgeführt ist. Dieses thermische Leiterelement 5 kann dabei vollständig oder nur bereichsweise nach außen geführt sein. Das thermische Leiterelement 5 kann aus einem thermisch gut leitenden Metall, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder einer Legierung dieser Elemente gebildet sein. Es können aber auch Edelmetalle oder Titan dafür genutzt werden. Es kann zudem vollständig oder bereichsweise aus einem Formgedächtnismetall gebildet sein. Ein thermisches Leiterelement 5 kann auch mit einem Element, das in Abhängigkeit der jeweiligen Temperatur seine Längenausdehnung verändert und aus einem Werkstoff mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sein. The electrical coil 2 and / or an unrecognizable ferromagnetic core 3 is connected to a thermal conductor element 5, which is brought out to the outside of the receiving element 1. This thermal conductor element 5 can be guided completely or only partially to the outside. The thermal conductor element 5 may be made of a thermally well-conducting metal, e.g. Aluminum, copper or an alloy of these elements. But it can also be used for precious metals or titanium. It may also be completely or partially formed of a shape memory metal. A thermal conductor element 5 can also be formed with an element that changes its longitudinal extent as a function of the respective temperature and can be formed from a material with a high coefficient of thermal expansion.
Befinden sich die Bestandsteile des dargestellten Systems in einem mittels hier nicht gezeigten ersten Wandlerelementen generierten magnetischen Wechselfeld, so führt der durch die in der Spule 2 induzierte elektrische Spannung entstehende Stromfluss bei kurzgeschlossener oder mit einem elektrischen Verbraucher belasteten Spule 2 und die Hystereseverluste im ferromagnetischen Kern sowie die Wirbelströme in den elektrisch leifähigen Bestandteilen des Systems zu einer Erwärmung der elektrischen Spule 2 und des ferromagnetischen Kerns 3. Über Wärmeleitung im thermischen Leiterelement 5 erreicht diese Temperaturerhöhung auch die Bereiche des Formgedächtnismetalls oder des sich bei Erwärmung ausdehnenden Elements und es kann thermische Energie in mechanische Energie gewandelt werden. If the constituent parts of the illustrated system are in an alternating magnetic field generated by means of first transducer elements not shown here, the current flow produced by the electrical voltage induced in the coil 2 results in a short-circuited coil 2 loaded with an electrical load and the hysteresis losses in the ferromagnetic core as well By means of heat conduction in the thermal conductor element 5, this temperature increase also reaches the regions of the shape memory metal or of the element which expands upon heating and can convert thermal energy into mechanical ones Energy to be transformed.
Ist ein zusätzliches thermisch aktivierbares Element 12 als viertes Wandlerelement, insbesondere ein Aktor der thermische in mechanische Energie wandelt und beispielsweise aus einem Formgedächtnismetall besteht, vorhanden, kann dieses außerhalb der Hülse 8 angeordnet und mittels des thermischen Leiterelements 5 mit den in der Hülse 8 integrierten Bestandteilen, insbesondere der elektrischen Spule 2 und dem ferromagnetischen Kern 3 thermisch leitend verbunden sein. Is an additional thermally activatable element 12 as a fourth transducer element, in particular an actuator of the thermal converts into mechanical energy and For example, consists of a shape memory metal, present, this can be arranged outside the sleeve 8 and thermally conductively connected by means of the thermal conductor element 5 with the integrated components in the sleeve 8, in particular the electrical coil 2 and the ferromagnetic core 3.
Ein solches viertes Wandlerelement kann aber auch im Inneren der Hülse 8 und von den keramischen Schichten 4 und 6 umgeben angeordnet sein. In diesem Fall kann es mit dem Aufnahmeelement 1 so verbunden sein, dass eine Bewegung bei Über- und Unterschreiten einer jeweiligen Sprungtemperatur oder eine entsprechende Verformung des Aufnahmeelements 1 möglich ist. However, such a fourth transducer element can also be arranged inside the sleeve 8 and surrounded by the ceramic layers 4 and 6. In this case, it may be connected to the receiving element 1 in such a way that a movement is possible if the respective transition temperature exceeds or falls short of a respective transition temperature or a corresponding deformation of the receiving element 1.
Figur 3.3 zeigt ein Beispiel einer Integrationskomponente 28 gemäß Figur 3.1 und Figur 3.2 mit einem zusätzlichen Schaltelement 26, mit welchem der Zeitpunkt der Wandlung der Energie des magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements in thermische und/oder elektrische Energie und/oder dessen Weiterleitung an dritte und/oder vierte Wandlerelemente oder periphere Bereiches des Systems extern getriggert beeinflusst werden kann. FIG. 3.3 shows an example of an integration component 28 according to FIG. 3.1 and FIG. 3.2 with an additional switching element 26, with which the time of conversion of the energy of the alternating magnetic field of the first transducer element into thermal and / or electrical energy and / or its forwarding to third and / or or fourth transducer elements or peripheral region of the system can be triggered externally triggered.
Insbesondere kann ein Kurzschluss der elektrischen Spule 2 und/oder die elektrische Verbindung zwischen elektrischer Spule 2 und einem elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise einem Glühdraht und/oder die Verbindung zwischen der elektrischen Spule 2 einem integrierten dritten Wandlerelement, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler und/oder die elektrische Verbindung zu einem vierten Wandlerelement mittels eines Reed-Kontakts als Schaltelement 26 definiert hergestellt oder unterbrochen werden. Dadurch ist auch der Zeitpunkt der Erzeugung von thermischer Energie im zweiten Wandlerelement beeinflussbar. Ebenso kann damit, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung dargelegt, der Zeitpunkt der Entladung eines zu Detektionszwecken benutzten, mit mechanischen Impulsen beaufschlagten piezoelektrischen Wandlers über die Spule 2 beeinflusst werden. In particular, a short circuit of the electrical coil 2 and / or the electrical connection between the electrical coil 2 and an electrical load, such as a filament and / or the connection between the electrical coil 2 an integrated third transducer element, such as a piezoelectric transducer and / or the electrical connection to a fourth transducer element is defined or interrupted by means of a reed contact as switching element 26. As a result, the timing of the generation of thermal energy in the second transducer element can be influenced. Likewise, as explained in the general part of the description, the time of discharge of a piezoelectric transducer used for detection purposes and acted upon by mechanical pulses can be influenced via the coil 2.
Weiterhin ist auch eine extern getriggerte Herstellung oder Unterbrechung einer thermischen Verbindung, beispielsweise zwischen thermischen Leiter 5 und einem vierten Wandlerelement, welches die thermische in mechanische Energie wandelt möglich. Dazu kann das Schaltelement 26 beispielsweise zusätzlich zu einem Reed- Kontakt eine Bimetallkomponente enthalten oder ganz als Bimetallkomponente ausgebildet sein, die bei Verformung einen thermischen und ggf. zusätzlich einen elektrischen Kontakt herstellt oder unterbricht. Furthermore, an externally triggered production or interruption of a thermal connection, for example, between the thermal conductor 5 and a fourth transducer element, which converts the thermal into mechanical energy is possible. For this purpose, the switching element 26, for example, in addition to a reed contact a bimetallic component or entirely as a bimetallic component be formed, which produces a thermal and possibly additionally an electrical contact during deformation or interrupts.
Figur 4.1 zeigt beispielhaft den Querschnitt eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems gemäß Figur 2.1 , welches sich bevorzugt für die Integration in einem Formkörper 13 eignet und eine Integrationskomponente 28 bildet. FIG. 4.1 shows, by way of example, the cross section of a part of a system according to the invention according to FIG. 2.1, which is preferably suitable for integration in a shaped body 13 and forms an integration component 28.
Figur 4.2 und Figur 4.3 zeigen die Integrationskomponente 28 in einer Ansicht von oben bzw. einer seitlichen Ansicht. Dabei sind die Integrationsbereiche 27, durch welche die Verbindung des Teils mit dem Formkörper hergestellt wird mit gestichelten Linien umrahmt. Diese können Teile der Aufnahmeeinheit 1 oder daran gebildeter Konturelemente 1 a wie auch Teile der Hülse 8 enthalten. Die Verbindung des Formkörpers 13 mit den Integrationsbereichen 27 der Integrationskomponente 28 kann beispielsweise über Passungen oder Klemmungen aber auch über Löt- oder Schmelzprozesse erfolgen. FIG. 4.2 and FIG. 4.3 show the integration component 28 in a top view and a side view, respectively. In this case, the integration regions 27, by which the connection of the part to the molded body is produced, are framed with dashed lines. These parts of the receiving unit 1 or formed thereon contour elements 1 a as well as parts of the sleeve 8 may contain. The connection of the molded body 13 with the integration regions 27 of the integration component 28 can take place, for example, via fits or clamps, but also via soldering or melting processes.
Figur 4.4 zeigt einen Teil eines Formkörpers 13, in dem eine erfindungsgemäße Integrationskomponente 28 gemäß Figur 4.1 , 4.2 und 4.3 integriert ist. Dabei sind wieder die Integrationsbereiche 27 mit einer gestrichelten Linie umrahmt. Weiterhin ist ersichtlich, dass sich die Integrationsbereiche 27 der Integrationskomponente, über welche die Verbindung mit dem Formkörper 13 hergestellt wird, in den Bereichen der am Aufnahmeelement 1 ausgebildeten Konturelemente 1 a befinden. FIG. 4.4 shows a part of a shaped body 13 in which an integration component 28 according to the invention according to FIGS. 4.1, 4.2 and 4.3 is integrated. Again, the integration areas 27 are framed with a dashed line. Furthermore, it can be seen that the integration regions 27 of the integration component, via which the connection to the molded body 13 is produced, are located in the regions of the contour elements 1 a formed on the receiving element 1.
Den Figuren 5.1 und 5.2 kann man beispielhaft die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Systems mit einer in einen Formkörper 13 integrierten Integrationskomponente 28 entnehmen. Dabei kann mit den beiden elektrischen Spulen 9.1 und 9.2 als erste Wandlerelemente, die an einen hier nicht gezeigten Frequenzgenerator angeschlossen sind, ein magnetisches Wechselfeld generiert werden, durch welches in einer hier nicht gezeigten elektrischen Spule 2 eines zweiten Wandlerelements, das sich in der Integrationskomponente 28 befindet, eine elektrische Spannung mit der gleichen Frequenz induziert wird, was wiederum zu den vorab erläuterten Deformationen eines piezoelektrischen Wandlerelements 15 als drittes Wandlerelement führt. Mit den gezeigten Pfeilen 29 soll die jeweilige Wirkrichtung der entsprechenden Kräfte verdeutlicht werden. Durch die Verbindung der Integrationskomponente 28 mit dem Formkörper 13 über die Integrationsbereiche 27 werden die durch die wirkenden Kräfte erzeugten mechanischen Impulse als Wellen oder Schwingungen auf den Formkörper 13 übertragen bzw. in diesen eingekoppelt. Der gestrichelte Rahmen um die elektrische Spule 9.2 soll andeuten, dass diese auch unabhängig von der elektrischen Spule 9.1 betrieben werden oder auch ganz entfallen kann FIGS. 5.1 and 5.2 can be used, by way of example, to deduce the mode of operation of a system according to the invention with an integration component 28 integrated into a molded body 13. It can be generated with the two electric coils 9.1 and 9.2 as the first transducer elements which are connected to a frequency generator, not shown here, a magnetic alternating field through which in an electrical coil 2, not shown, a second transducer element, which is in the integration component 28th is induced, an electrical voltage at the same frequency is induced, which in turn leads to the previously explained deformations of a piezoelectric transducer element 15 as a third transducer element. With the arrows 29 shown, the respective effective direction of the corresponding forces should be clarified. By connecting the integration component 28 with the molded body 13 via the integration regions 27, the mechanical impulses generated by the acting forces are called waves or vibrations transmitted to the molded body 13 or coupled into this. The dashed frame around the electrical coil 9.2 is intended to indicate that these are also operated independently of the electric coil 9.1 or can be omitted altogether
Figur 5.1 zeigt dabei eine vertikal in einen Formkörper 13 eingebrachte Integrationskomponente 28, wobei die Spulen 9.1 und 9.2 des ersten Wandlerelements ebenfalls vertikal angeordnet sind, während Figur 5.2 eine horizontal in einen Formkörper 13 eingebrachte Integrationskomponente 28 mit horizontal angeordneten Spulen 9.1 und 9.2 des ersten Wandlerelements darstellt. FIG. 5.1 shows an integrating component 28 inserted vertically into a shaped body 13, wherein the coils 9.1 and 9.2 of the first transducer element are likewise arranged vertically, while FIG. 5.2 shows an integrating component 28 horizontally arranged in a shaped body 13 with horizontally arranged coils 9.1 and 9.2 of the first transducer element represents.
Figur 5.3 zeigt ein erfindungsgemäßes System gemäß Figur 5.1 , wobei am Formkörper 13 zusätzlich Sensoren 18 angebracht sind, mit denen eine Überwachung oder auch Regelung der Wirkung erreicht werden kann. Als Sensoren 18 können beispielsweise Beschleunigungssensoren, Temperatursensoren, Magnetfeldsensoren, elektrische Feldsonden oder akustische Sensoren eingesetzt werden. Die Sensoren 18 können dabei Messsignale skalar wie auch richtungsabhängig erfassen. Die Beeinflussung der Wirkung des Systems kann dabei sowohl über direkt zwischen den Sensoren 18 und den Teilen des Integrationsmoduls 28 angeordnete Leiterelemente wie auch, wie im allgemeinen Teil beschrieben, durch drahtlos eingespeiste Signale aus einem externen Bereich erreicht werden. FIG. 5.3 shows a system according to the invention in accordance with FIG. 5.1, wherein sensors 18 are additionally attached to the molded body 13 with which monitoring or regulation of the effect can be achieved. For example, acceleration sensors, temperature sensors, magnetic field sensors, electric field probes or acoustic sensors can be used as sensors 18. The sensors 18 can detect measurement signals scalar as well as direction-dependent. The influencing of the effect of the system can be achieved both via directly between the sensors 18 and the parts of the integration module 28 arranged conductor elements as well as, as described in the general part, by wirelessly fed signals from an external area.
Figur 5.4 zeigt ein erfindungsgemäßes System gemäß Figur 5.3, bei dem am Formkörper 13 zusätzlich ein sensorisch wirksamer poröser Körper 30 und ein auf diesen wirkendendes bzw. mit diesem interagierendes und schematisch dargestelltes Sensor-Aktor-Netzwerk 31 vorhanden sind. FIG. 5.4 shows a system according to the invention according to FIG. 5.3, in which a sensory porous body 30 and a sensor-actuator network 31 acting on it or interacting with it and schematically represented are additionally present on the molded body 13.
In der Umgebung des sensorisch wirksamen porösen Körpers 30 können beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase vorhanden sein, die den porösen Körper wenigstens teilweise durchdringen und durch das erfindungsgemäße System mit mechanischen Impulsen, Wellen oder Schwingungen beaufschlagt werden. Ändern sich extern bedingt physikalische Eigenschaften der Umgebung wie beispielsweise der Druck, die Temperatur oder das Strömungsverhalten dieser Stoffe, so kann dies zu einem empfindlich veränderten Reaktionsverhalten der in dem sensorisch wirksamen porösen Körpers 30 enthaltenen Stoffe auf die mechanische oder akustische Anregung mit dem erfindungsgemäßen System führen, welches wiederum durch das gezeigte Sensor-Aktor-Netzwerk 31 detektiert werden kann und so empfindliche Messungen der entsprechenden physikalischen Größen ermöglicht. In the vicinity of the sensory porous body 30, for example, liquids or gases may be present, which at least partially penetrate the porous body and are acted upon by the inventive system with mechanical pulses, waves or vibrations. If externally conditioned physical properties of the environment, for example the pressure, the temperature or the flow behavior of these substances, change, this can lead to a sensitively altered reaction behavior of the substances contained in the sensory porous body 30 to the mechanical or acoustic stimulation with the system according to the invention , which in turn is shown by the Sensor-actuator network 31 can be detected and thus allows sensitive measurements of the corresponding physical quantities.
Figur 6.1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einem verformbaren Element 32 als viertes Wandlerelement, das an einem Formkörper 13 angeordnet ist und mit einem Initiatorelement 33 verbunden ist, welches in der Lage ist die Deformation des verformbaren Elements 32 auszulösen. Das verformbare Element 32 ist in deformierter Form 32a gestrichelt dargestellt. In dem Formkörper 13 ist eine Integrationskomponente 28 eingebracht, die über ein hier nicht dargestelltes Leiterelement oder den Formkörper direkt mit dem Initiatorelement 33 verbunden ist, wodurch eine Weiterleitung der beim Betrieb des Systems in der Integrationskomponente 28 erzeugten Energie an das Initiatorelement 33 in direkter oder gewandelter Form ermöglicht wird. Die Verbindung kann je nach Art des Initiatorelements 33 elektrischer, thermischer, akustischer, mechanischer, stofflicher oder chemischer Natur sein. Bei dem Initiatorelement 33 kann es sich beispielsweise um ein arretierendes Element aus einem Material mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten handeln, welches beim thermisch induzierten Auslösevorgang die gespeicherte Energie eines vorgespannten Federelements als verformbares Element 32 durch Gewährung der Ausdehnung wiederfreigibt. Weiterhin können chemische Reaktoren oder Blähsäcke als Initiatorelement 33 fungieren. FIG. 6.1 shows an example of a system according to the invention with a deformable element 32 as a fourth transducer element, which is arranged on a shaped body 13 and connected to an initiator element 33 which is able to trigger the deformation of the deformable element 32. The deformable element 32 is shown in dashed lines in deformed form 32a. In the molded body 13, an integration component 28 is introduced, which is connected via a not shown here conductor element or the molded body directly to the initiator element 33, whereby a forwarding of the energy generated during operation of the system in the integration component 28 to the initiator element 33 in direct or converted Form is made possible. Depending on the nature of the initiator element 33, the connection may be of electrical, thermal, acoustic, mechanical, material or chemical nature. The initiator element 33 can be, for example, a locking element made of a material with a high coefficient of thermal expansion, which releases the stored energy of a prestressed spring element as a deformable element 32 by granting the expansion during the thermally induced triggering process. Furthermore, chemical reactors or inflatable bags can act as an initiator element 33.
Das hier beispielhaft beschriebene erfindungsgemäße System eignet sich besonders als Wiederverankerungs- oder Wiederblockiersystem, welches den verlorengegangenen Kontakt des Formkörpers mit einem umgebenden Körper bzw. seiner Peripherie wiederherstellt. The inventive system described here by way of example is particularly suitable as a re-anchoring or Wiederblockiersystem, which restores the lost contact of the molding with a surrounding body or its periphery.
Die Figuren 7.1 und 7.2 zeigen zwei Varianten eines erfindungsgemäßen Systems mit einer in einem Formkörper 13 integrierten Aufnahme 21 für biologische Proben. Zwei elektrische Spulen 9.1 und 9.2 als erste Wandlerelemente sind an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formkörpers 13 und der Aufnahme 21 angeordnet. Innerhalb des Formkörpers 13 ist eine Integrationskomponente 28 vorhanden. Die beiden Varianten unterscheiden sich in der Ausrichtung der elektrischen Spulen 9.1 . und 9.2 sowie der Integrationskomponente 28 zur Aufnahme 21 , wobei Figur 7.1 einer horizontale und Figur 7.2 eine vertikale Anordnung darstellt. Mit dem dargestellten System kann eine Beeinflussung einer in der Aufnahme 21 enthaltenen biologischen Probe durch Schwingungen erreicht werden. FIGS. 7.1 and 7.2 show two variants of a system according to the invention with a receptacle 21 for biological samples integrated in a molded body 13. Two electric coils 9.1 and 9.2 as the first transducer elements are arranged on two opposite sides of the molded body 13 and the receptacle 21. Within the molded body 13, an integration component 28 is present. The two variants differ in the orientation of the electric coils 9.1. and 9.2 and the integration component 28 for receiving 21, wherein Figure 7.1 represents a horizontal and Figure 7.2 shows a vertical arrangement. With the illustrated System influencing a biological sample contained in the receptacle 21 can be achieved by vibrations.
Die beiden elektrischen Spulen 9.1 und 9.2 können, angedeutet durch den gestrichelten Rahmen um Spule 9.2 in Figur 7.2 auch unabhängig voneinander, alternierend oder zeitversetzt betrieben werden, so dass sich die Ausbreitungsrichtung von in den Formkörper eingekoppelten Schwingungen oder Schallwellen beeinflussen lässt. Es kann auch eine der Spulen allein genutzt werden. Eine solche Anordnung mehrerer elektrischer Spulen 9 eines ersten Wandlerelements kann auch bei anderen Ausführungsformen und Applikationen für die Erfindung genutzt werden. The two electric coils 9.1 and 9.2 can, as indicated by the dashed frame to coil 9.2 in Figure 7.2 are also operated independently, alternately or with a time delay, so that the propagation direction can be influenced by coupled into the molding oscillations or sound waves. It is also possible to use one of the coils alone. Such an arrangement of a plurality of electrical coils 9 of a first transducer element can also be used in other embodiments and applications for the invention.
Bei diesem Beispiel ist auch ein Sensor 18 vorhanden, mit dem die Wirkung des erfindungsgemäßen Systems, wie schon zuvor beschrieben, überwacht und/oder eine Regelung realisiert werden kann. In this example, a sensor 18 is also provided, with which the effect of the system according to the invention, as already described above, monitored and / or a control can be realized.
Die Figuren 8.1 und 8.2 sollen vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten erfindungsgemäßer Systeme verdeutlichen. Figures 8.1 and 8.2 are intended to illustrate advantageous applications of systems according to the invention.
In Figur 8.1 ist eine Integrationskomponente 28 zur Erzeugung, Weiterleitung und Einkopplung von mechanischer Energie in eine Prothese für ein Hüftgelenk als Formkörper 13 aufgenommen. Ein Teil der Prothese liegt am Femur 22.1 an. Die Kugel der Prothese ist im Pelvis 22.2 gehalten. Außerhalb des jeweiligen Lebewesens oberhalb der Außenhaut 23 ist eine elektrische Spule 9 als erstes Wandlerelement in einem Abstand angeordnet. Das von der Spule 9 generierte magnetische Wechselfeld bewirkt, wie vorab beschrieben und erläutert, mittels einer elektrischen Spule 2 als zweites Wandlerelement und einem elektrisch mit dieser verbundenen piezoelektrischen Wandler 15 als drittes Wandlerelement, wobei sich beide Wandlerelemente in der Integrationskomponente 28 befinden, vermittelt über ein Aufnahmeelement 1 mit Konturelementen 1 a eine Einkopplung von mechanischen Schwingungen und Wellen in die Prothese als Formkörper und in deren periphere Bereiche. Dadurch kann das Einwachsen der Prothese in das Knochengewebe stimuliert werden. In FIG. 8.1, an integration component 28 for generating, transmitting and coupling mechanical energy into a prosthesis for a hip joint is incorporated as a shaped body 13. Part of the prosthesis is located at the femur 22.1. The ball of the prosthesis is held in the pelvis 22.2. Outside the respective living being above the outer skin 23, an electrical coil 9 is arranged as a first transducer element at a distance. The alternating magnetic field generated by the coil 9 causes, as described and explained above, by means of an electrical coil 2 as a second transducer element and an electrically connected thereto piezoelectric transducer 15 as a third transducer element, both transducer elements are in the integration component 28, mediated via a Receiving element 1 with contour elements 1 a coupling of mechanical vibrations and waves in the prosthesis as a molded body and in the peripheral areas. Thereby, the ingrowth of the prosthesis into the bone tissue can be stimulated.
Es ist auch eine spätere Überprüfung der Festigkeit des Sitzes der Prothese im Knochen möglich. Dazu kann beispielsweise mit der elektrischen Spule 9 als invers betriebenes erstes Wandlerelement ein von der elektrischen Spule 2 des zweiten Wandlerelements generiertes magnetisches Wechselfeld oder magnetisches Signal detektiert und ausgewertet werden. Ein solches kann dann entstehen, wenn beispielsweise durch Schwingungen oder Deformationen des Formkörpers 13 in Gestalt der Prothese bedingt, elektrische Spannungen mit einem piezoelektrischen Wandlerelement als drittes Wandlerelement 15 erzeugt werden. Mit dem daraus resultierenden elektrischen Stromfluss durch die direkt mit dem piezoelektrischen Wandlerelement verbundene elektrische Spule 2 wird dann ein magnetisches Wechselfeld generiert, das mit der Spule 9 des ersten Wandlerelements detektiert und ausgewertet werden kann. It is also possible to later check the firmness of the prosthesis in the bone. For this purpose, for example, with the electric coil 9 as inversely operated first transducer element one of the electrical coil 2 of the second Transducer element generated alternating magnetic field or magnetic signal can be detected and evaluated. Such can occur when, for example, due to vibrations or deformations of the shaped body 13 in the form of the prosthesis, electrical voltages are generated with a piezoelectric transducer element as the third transducer element 15. The resulting electrical current flow through the electrical coil 2 connected directly to the piezoelectric transducer element then generates an alternating magnetic field which can be detected and evaluated by the coil 9 of the first transducer element.
Für alternative Anwendungen wie Bauteil- oder Tragwerkmonitoring kann eine solche Schwingung oder Deformation des sensorisch wirkenden Formkörpers 13 auch definiert generiert werden, beispielsweise wie bei Härteprüfungen mit einem Poldi- /Baumannhammer oder mittels anderer akustischer Signalgeneratoren. Durch diese Methodik können auch Veränderungen im Spannungszustand des Formkörpers an sich und seiner Peripherie sowie in den Verbindungsstellen zwischen Formkörper und Peripherie detektiert werden. For alternative applications such as component or structural monitoring, such oscillation or deformation of the sensory shaped body 13 can also be generated in a defined manner, for example as in hardness tests with a Poldi / Baumann hammer or by means of other acoustic signal generators. By means of this method, it is also possible to detect changes in the state of stress of the molding itself and its periphery, as well as in the joints between the molding and the periphery.
Die Messung des von der Spule 2 des zweiten Wandlerelements generierten Magnetfeldes kann auch mit einem extern angeordneten Magnetfeldsensor oder einer separaten Sensorspule als Sensor 18 gemessen und anschließend ausgewertet werden. The measurement of the magnetic field generated by the coil 2 of the second transducer element can also be measured with an externally arranged magnetic field sensor or a separate sensor coil as sensor 18 and subsequently evaluated.
In Figur 8.2 sind zwei Integrationskomponenten 28 zur Erzeugung und Weiterleitung von thermischer Energie in einer Prothese für ein Hüftgelenk als Formkörper 13 aufgenommen. Ein Teil der Prothese liegt am Femur 22.1 an. Die Kugel der Prothese ist im Pelvis 22.2 gehalten. Außerhalb des jeweiligen Lebewesens oberhalb der Außenhaut 23 ist eine elektrische Spule 9 als erstes Wandlerelement in einem Abstand angeordnet. Das von der Spule 9 generierte magnetische Wechselfeld bewirkt, wie vorab beschrieben und erläutert, mittels der beiden zweiten Wandlerelemente, die sich in den beiden Integrationskomponenten 28 befinden, über die Prinzipien der Jouleschen Erwärmung sowie der Hysterese- und Wirbelstromverluste eine Erwärmung wenigstens von Bestandteilen der Integrationskomponenten 28, insbesondere von deren Spulen 2 und/oder integrierten ferromagnetischen Kernen 3. Mit den verformbaren Elementen 32 als vierte Wandlerelemente kann zumindest ein Teil dieser Wärmeenergie in kinetische Energie gewandelt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Wiederverankerung der Prothese im Knochengewebe erreicht werden. In FIG. 8.2, two integration components 28 for generating and transmitting thermal energy in a prosthesis for a hip joint are incorporated as shaped bodies 13. Part of the prosthesis is located at the femur 22.1. The ball of the prosthesis is held in the pelvis 22.2. Outside the respective living being above the outer skin 23, an electrical coil 9 is arranged as a first transducer element at a distance. The alternating magnetic field generated by the coil 9 causes, as described and explained above, by means of the two second transducer elements, which are located in the two integration components 28, via the principles of Joule heating and the hysteresis and eddy current losses, at least a heating of components of the integration components 28, in particular of their coils 2 and / or integrated ferromagnetic cores 3. With the deformable elements 32 as the fourth transducer elements, at least a portion of this heat energy in kinetic Energy to be transformed. As a result, for example, a re-anchoring of the prosthesis in the bone tissue can be achieved.
Bei erfindungsgemäßen Systemen, insbesondere bei den zuvor beschriebenen Beispielen kann ein in der elektrischen Spule 2 angeordneter ferromagnetischer Kern 3 eines zweiten Wandlerelements beispielsweise eine Länge von 6 mm und einen Außendurchmesser von 2 mm aufweisen. Der Kernwerkstoff kann beispielsweise ein weichmagnetisches Material, welches unter der Handelsbezeichnung PERMENORM 5000H2 kommerziell erhältlich ist oder ein magnetisch halbhartes Material, das unter der Handelsbezeichnung VACOZET 258 kommerziell erhältlich ist, sein. Bei ersterem handelt es sich um eine Nickel-Eisen-Legierung mit einer Sättigungspolarisation von 1 .55T, bei letzterem um eine Kobalt-Eisen-Nickel-Legierung mit einer Remanenzinduktion von 1 ,4 T und einer Koerzitivfeldstärke von 1 -5 kA/cm. In systems according to the invention, in particular in the examples described above, a ferromagnetic core 3 of a second transducer element arranged in the electrical coil 2 may, for example, have a length of 6 mm and an outer diameter of 2 mm. The core material may be, for example, a soft magnetic material commercially available under the trade designation PERMENORM 5000H2 or a magnetically semi-hard material commercially available under the trade designation VACOZET 258. The former is a nickel-iron alloy with a saturation polarization of 1 .55T, the latter a cobalt-iron-nickel alloy with a remanent induction of 1.4 T and a coercive field strength of 1-5 kA / cm.
Der ferromagnetische Kern 3 eines zweiten Wandlerelements kann bei erfindungsgemäßen Systemen zur Erzeugung thermischer Energie mit einer vorzugsweise kurzgeschlossenen elektrischen Spule 2 umwickelt sein. The ferromagnetic core 3 of a second transducer element may be wrapped in inventive systems for generating thermal energy with a preferably short-circuited electrical coil 2.
Eine elektrische Spule 2 eines zweiten Wandlerelements kann aus einem Kupferdraht mit einem Drahtdurchmesser von 0,18 mm und einer Windungszahl N=100 hergestellt worden sein. Ihre Länge in Längsachsrichtung kann 5-6 mm betragen. An electric coil 2 of a second transducer element may be made of a copper wire having a wire diameter of 0.18 mm and a winding number N = 100. Their length in the longitudinal axis direction can be 5-6 mm.
Bei der thermischen und elektrischen Isolierung der Bestandteile der Integrationseinheit 28 ist es günstig, eine Temperaturbeständigkeit von 1 000 °C bis 1 600 °C, eine Wärmeleitfähigkeit von 0,48 W/m-1 K-1 bis 2,1 Wm-1 K-1 , eine thermische Ausdehnung von 7x 1 0-6 K-1 bis 1 4x 1 0-6 K-1 , einen spezifischer elektrischer Widerstand von 1 08 bis 1 09 Ω cm und eine dielektrische Spannungsfestigkeit von 5 kV/mm einzuhalten. In the thermal and electrical insulation of the components of the integration unit 28, it is favorable, a temperature resistance of 1 000 ° C to 1 600 ° C, a thermal conductivity of 0.48 W / m-1 K-1 to 2.1 Wm-1 K. -1, a thermal expansion of 7x 1 0-6 K-1 to 1 4x 1 0-6 K-1, a specific electrical resistance of 1 08 to 1 09 Ω cm and a dielectric withstand voltage of 5 kV / mm comply.
Das zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems benötigte und vom ersten Wandlerelement generierte magnetische Wechselfeld kann mittels einem oder mehrerer bewegter Permanentmagnete und/oder mittels einer elektrischen Spule oder einer Kombination von elektrischen Spulen, denen ein oder mehrere ferromagnetische Kerne 10 zugeordnet sein können, erzeugt werden. The alternating magnetic field required for operating a system according to the invention and generated by the first converter element can be generated by means of one or more moving permanent magnets and / or by means of an electric coil or a combination of electrical coils to which one or more ferromagnetic cores 10 can be assigned.
In Figur 9.1 wird als ein Beispiel eines Formkörpers 13 eine Osteosyntheseplatte mit einer Lochanordnung 14.1 gezeigt, wie sie zur Verschraubung von Knochenfrakturelementen benutzt wird. In Figur 9.2 wird als ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems eine akustische Anregungseinheit in einer Titanhülse 8 mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsformigen Konturelementen 1 a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in Draufsicht gezeigt. In FIG. 9.1, as an example of a molded body 13, an osteosynthesis plate with a hole arrangement 14.1 as used for screwing bone fracture elements is shown. In FIG. 9.2, as an example of a system according to the invention, an acoustic excitation unit is shown in a titanium sleeve 8 with screw-shaped contour elements 1 a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14.
Figur 9.3 zeigt eine akustische Anregungseinheit in einer Titanhülse 8 mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsformigen Konturelementen 1 a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in seitlicher Ansicht. FIG. 9.3 shows an acoustic excitation unit in a titanium sleeve 8 with screw-shaped contour elements 1 a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14. 2 in a lateral view.
In Figur 9.4 wird in Draufsicht die in Figur 9.2 und 9.3 dargestellte akustische Anregungseinheit in einer Titanhülse 8 mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsformigen Konturelementen 1 a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in der Gestalt auf die in Figur 9.1 dargestellten Osteosyntheseplatte 13 mit einer Lochanordnung 14.1 gelegt, dass die beiden Lochanordnungen 14.1 und 14.2 formschlüssig übereinanderliegen und somit eine kraftschlüssige Verschraubung der beiden Komponenten untereinander und/oder mit den Knochenfrakturenden ermöglicht wird. Eine von der in einer Hülse angeordneten akustischen Anregungseinheit ausgehende osteostimulative, mechanoakustische Vibration kann so kraftschlüssig auf die Osteosyntheseplatte 13 und über deren Verschraubung an den Knochenfrakturenden direkt auf den Knochen appliziert werden. Die Osteosyntheseplatte regt so die Mechanotransduktion im Frakturbereich topisch an. 9.4 shows in plan view the acoustic excitation unit shown in FIGS. 9.2 and 9.3 in a titanium sleeve 8 with screw-shaped contour elements 1a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14.2 in the form of the osteosynthesis plate 13 with a hole arrangement 14.1 shown in FIG. that the two hole assemblies 14.1 and 14.2 superimposed positively and thus a frictional screwing of the two components with each other and / or with the bone fracture ends is made possible. An osteostimulative, mechanoacoustic vibration emanating from the acoustic excitation unit arranged in a sleeve can thus be applied positively to the osteosynthesis plate 13 and via its screw connection to the bone fracture ends directly onto the bone. The osteosynthesis plate thus stimulates the mechanotransduction in the fracture area topically.
In Figur 9.5 wird eine akustische Anregungseinheit, hier eingebettet in einer Titanhülse 8, mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsformigen Konturelementen 1 a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in seitlicher Ansicht gezeigt, welche mittels thermischen Spritzens mit einer Titanvanadiumaluminiumlegierung bioaktiv ummantelt wurde. FIG. 9.5 shows an acoustic excitation unit, here embedded in a titanium sleeve 8, with screw-shaped contour elements 1a arranged at both ends with a corresponding hole arrangement 14.2 in a lateral view, which was bioactively encased by thermal spraying with a titanium vanadium aluminum alloy.
In Figur 9.6 wird die in Figur 9.5 dargestellte akustische Anregungseinheit analog zur Figur 9.4 in der Gestalt auf die in Figur 9.1 dargestellte Osteosyntheseplatte 13 mit einer Lochanordnung 14.1 gelegt, dass die beiden Lochanordnungen 14.1 und 14.2 formschlüssig übereinanderliegen und somit eine kraftschlüssige Verschraubung der beiden Komponenten untereinander und/oder mit dem Knochenfrakturenden ermöglichen. Eine von der in einer Hülse angeordneten akustischen Anregungseinheit ausgehende osteostimulative, mechanoakustische Vibration kann so kraftschlüssig auf die Osteosyntheseplatte 13 und über deren Verschraubung an den Knochenfrakturenden direkt auf den Knochen appliziert werden. Die Osteosyntheseplatte regt so die Mechanotransduktion im Frakturbereich topisch an. In FIG. 9.6, the acoustic excitation unit shown in FIG. 9.5 is placed on the osteosynthesis plate 13 shown in FIG. 9.1 with a hole arrangement 14.1 in analogy to FIG. 9.4, so that the two hole arrangements 14.1 and 14.2 overlap one another in a form-fitting manner and thus frictionally screw the two components together and / or allow bone fracture ends. An osteostimulative, mechanoacoustic vibration emanating from the acoustic excitation unit arranged in a sleeve can thus be frictionally applied to the osteosynthesis plate 13 and via its screw connection to the osteosynthesis plate 13 Bone fracture ends are applied directly to the bone. The osteosynthesis plate thus stimulates the mechanotransduction in the fracture area topically.
In Figur 9.7 wird die Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit ankerförmigen Integrationsbereichen 27 in einer Osteosyntheseschraube (Formkörper) 13 mit einem vor und einem nach der akustischen Anregungseinheit (Integrationskomponente) 28 angeordneten Gewinden 24 dargestellt. FIG. 9.7 shows the integration of a system according to the invention with anchor-shaped integration regions 27 in an osteosynthesis screw (molded body) 13 with a thread 24 arranged before and after the acoustic excitation unit (integration component) 28.
In Figur 9.8 wird die Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit radialer Integrationsschnittstelle in Gestalt einer Hülse 8 oder einer thermisch gespritzten Plasmaschicht in der Bohrung 14.3 in einer Osteosyntheseschraube (Formkörper) 13 mit einem vor und einem nach der akustischen Anregungseinheit (Integrationskomponente) 28 angeordneten Gewinden 24 dargestellt. FIG. 9.8 shows the integration of a system according to the invention with a radial integration interface in the form of a sleeve 8 or a thermally sprayed plasma layer in the bore 14.3 in an osteosynthesis screw (molded body) 13 with threads 24 arranged before and after the acoustic excitation unit (integration component) 28 ,
In Figur 9.7 und 9.8 kann eine von der in einer Hülse angeordneten akustischen Anregungseinheit (Integrationskomponente) 28 mit einem vor und einem nach der Integrationskomponente 28 angeordneten Gewinde 24 ausgehende osteostimulative, mechanoakustische Vibration so kraftschlüssig auf die Osteosyntheseschraube 13 und über deren Verschraubung an den Knochenfrakturenden direkt auf den Knochen appliziert werden. Die Osteosyntheseschraube regt so die Mechanotransduktion im Frakturbereich topisch an. In FIGS. 9.7 and 9.8, an osteostimulative, mechanoacoustic vibration emanating from the acoustic excitation unit (integration component) 28 arranged in a sleeve with a thread 24 arranged after the integration component 28 can be applied directly to the osteosynthesis screw 13 and via its screw connection to the bone fracture ends be applied to the bone. The osteosynthesis screw thus stimulates the mechanotransduction in the fracture area topically.
Alle Komponenten eines erfindungsgemäßen Systems, welche in den Beispielen als Einzelkomponenten ausgeführt sind, insbesondere die ersten, zweiten, dritten und vierten Wandlerelemente sowie die Aufnahme- und Leiterelemente können zudem auch mehrfach und in Kombination Bestandteile eines erfindungsgemäßen Systems sein All components of a system according to the invention, which are embodied in the examples as individual components, in particular the first, second, third and fourth transducer elements and the receiving and conductor elements can also be multiple and in combination components of a system according to the invention
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Aufnahmeelement 1 receiving element
1 a Konturelemente 1 a contour elements
2 elektrische Spule eines zweiten Wandlerelements  2 electrical coil of a second transducer element
3 ferromagnetischer Kern eines zweiten Wandlerelements  3 ferromagnetic core of a second transducer element
4 erste keramische Schicht  4 first ceramic layer
5 thermisches Leiterelement  5 thermal conductor element
6 zweite keramische Schicht  6 second ceramic layer
7 Molybdänschicht  7 molybdenum layer
8 Titanhülse / Titanplasmashülle  8 titanium sleeve / titanium plasma shell
9 elektrische Spule des ersten Wandlerelements  9 electrical coil of the first transducer element
9.1 erste elektrische Spule des ersten Wandlerelements  9.1 first electrical coil of the first transducer element
9.2 zweite elektrische Spule des ersten Wandlerelemente  9.2 second electrical coil of the first transducer elements
10 ferromagnetischer Kern eines ersten Wandlerelements 10 ferromagnetic core of a first transducer element
12 thermisch aktivierbares Element / viertes Wandlerelement 12 thermally activatable element / fourth transducer element
13 Formkörper 13 moldings
14.1 Bohrungen in Formkörper (z. B. hier in Osteosyntheseplatte) 14.1 Holes in shaped bodies (eg here in osteosynthesis plate)
14.2 Bohrungen in Integrationskomponente 14.2 Drilling in integration component
14.3 Bohrungen in Formkörper (z. B. hier in Osteosyntheseschraube) 15 piezoelektrisches Wandlerelement / drittes Wandlerelement 14.3 Holes in shaped bodies (eg here in osteosynthesis screw) 15 piezoelectric transducer element / third transducer element
18 Sensoren 18 sensors
21 Aufnahme für biologische Proben 21 Recording for biological samples
22.1 Femur  22.1 femur
22.2 Pelvis  22.2 Pelvis
23 Außenhaut  23 outer skin
24 Gewinde  24 threads
25 elektrische Leiterelemente  25 electrical conductor elements
26 Schaltelement  26 switching element
27 Integrationsbereiche  27 integration areas
28 Integrationskomponenten  28 integration components
29 Kraftwirkrichtungen sensorisch wirksamer poröser Körper 29 force acting directions sensory porous body
Sensor-Aktor-Netzwerk Sensor-actuator network
verformbares Element / viertes Wandlerelement deformable element / fourth transducer element
deformiertes verformbares Element / viertes Wandlerelement Initiatorelement deformed deformable element / fourth transducer element initiator element

Claims

Patentansprüche claims
1 . System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen zwischen räumlich voneinander getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindungen, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und/oder Detektion in mindestens einem peripheren Bereich des Systems mit 1 . System for the wireless transmission of energy and / or signals between spatially separated areas without electrically conductive connections, the conversion of energy and / or signals into other forms of energy and / or signal forms and their application and / or detection in at least one peripheral area of the system
mindestens einem ersten Wandlerelement (9), insbesondere einer ersten elektrischen Spule oder einem magnetisierbaren Material oder einem bewegbaren Permanentmagnet, mit dem magnetische Wechselfelder und/oder magnetische Signalformen generierbar und/oder detektierbar sind, wobei das erste Wandlerelement (9) in einem ersten Bereich angeordnet ist,  at least one first transducer element (9), in particular a first electrical coil or a magnetizable material or a movable permanent magnet, with the magnetic alternating fields and / or magnetic waveforms can be generated and / or detected, wherein the first transducer element (9) arranged in a first region is
mindestens einem zweiten Wandlerelement (2), insbesondere einer zweiten elektrischen Spule, das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung von Energie der magnetischen Wechselfelder und/oder der magnetischen Signalformen in elektrische Energie und/oder elektrische Signalformen ermöglicht sowie einem dritten Wandlerelement (15), das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung der elektrischen Energie und/oder elektrischen Signalformen in mechanische Energie, insbesondere in Form von Schwingungen oder Schallwellen, ermöglicht, wobei das zweite Wandlerelement (2) und das dritte Wandlerelement (15) in einem dem ersten Bereich benachbarten weiteren Bereich angeordnet ist,  at least one second transducer element (2), in particular a second electrical coil, which permits mutual, unidirectional or bidirectional conversion of energy of the alternating magnetic fields and / or the magnetic signal forms into electrical energy and / or electrical signal forms, and a third transducer element (15) which permits mutual, unidirectional or bidirectional conversion of the electrical energy and / or electrical signal forms into mechanical energy, in particular in the form of oscillations or sound waves, wherein the second transducer element (2) and the third transducer element (15) in one of the first Area adjacent further area is arranged
oder  or
mindestens einem zweiten Wandlerelement (2), insbesondere einer zweiten elektrischen Spule, mit dem die Energie der vom ersten Wandlerelement (9) generierbaren magnetischen Wechselfelder durch Hysterese-Erwärmung und/oder Wirbelströme und/oder durch Joulesche Erwärmung des zweiten Wandlerelements (2) in thermische Energie wandelbar ist sowie einem thermischen Leiterelement (5), das die thermische Energie zum Ort der Applizierung weiterleitet, wobei das zweite Wandlerelement (2) sowie das thermische Leiterelement (5) in einem dem ersten Bereich benachbarten weiteren Bereich angeordnet ist,  at least one second transducer element (2), in particular a second electrical coil, with which the energy of the magnetic field generated by the first transducer element (9) by hysteresis heating and / or eddy currents and / or Joule heating of the second transducer element (2) in thermal Energy is convertible and a thermal conductor element (5), which passes on the thermal energy to the place of application, wherein the second transducer element (2) and the thermal conductor element (5) is arranged in a further region adjacent to the first region,
oder mindestens einem zweiten Wandlerelement (2), insbesondere einer zweiten elektrischen Spule, das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung von Energie der magnetischen Wechselfelder und/oder der magnetischen Signalformen in elektrische Energie und/oder elektrische Signalformen und/oder thermische Energie ermöglicht sowie mindestens einem vierten Wandlerelement (32, 32a), das mit dem zweiten Wandlerelement (2) elektrisch und/oder thermisch leitend verbunden ist und das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung der elektrischen Energie und/oder elektrischen Signalformen und/oder thermischen Energie in weitere Energieformen, insbesondere mechanische Energie und/oder chemische Energie und/oder elektromagnetische Strahlung, wenigstens anteilsweise, ermöglicht und/oder diese Energieformen weiterleitet, wobei das zweite Wandlerelement (2) und das vierte Wandlerelement (32, 32a) in einem dem ersten Bereich benachbarten weiteren Bereich angeordnet ist. or at least one second transducer element (2), in particular a second electrical coil, which enables a mutual, unidirectional or bidirectional conversion of energy of the alternating magnetic fields and / or the magnetic signal forms into electrical energy and / or electrical signal forms and / or thermal energy and at least a fourth transducer element (32, 32a) which is electrically and / or thermally conductively connected to the second transducer element (2) and which converts the mutual, unidirectional or bidirectional conversion of the electrical energy and / or electrical signal forms and / or thermal energy into further Energy forms, in particular mechanical energy and / or chemical energy and / or electromagnetic radiation, at least partially, allows and / or forwards these forms of energy, the second transducer element (2) and the fourth transducer element (32, 32a) in a further adjacent to the first region Area is arranged.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zweite, dritte oder vierte Wandlerelemente allein oder mit anderen Wandlerelementen gemeinsam in einem Aufnahmeelement (1 ) fixiert sind. 2. System according to claim 1, characterized in that second, third or fourth transducer elements are fixed alone or with other transducer elements together in a receiving element (1).
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Wandlerelement (15) ein piezoelektrisches Wandlerelement ist. 3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the third transducer element (15) is a piezoelectric transducer element.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in einem zweiten Wandlerelement (2) ein ferromagnetischer Kern angeordnet ist. 4. System according to any one of the preceding claims, characterized in that a ferromagnetic core is arranged on or in a second transducer element (2).
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wandlerelement (2) und das dritte Wandlerelement (15) direkt elektrisch leitend verbunden sind. 5. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the second transducer element (2) and the third transducer element (15) are electrically connected directly.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein drittes Wandlerelement (15) als Kurzschlusstrecke der Spule des zweiten Wandlerelements (2) ausgebildet ist oder eine solche beinhaltet. 6. System according to any one of the preceding claims, characterized in that at least a third transducer element (15) as short-circuited the Coil of the second transducer element (2) is formed or includes such.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Wandlerelement die Energie mindestens eines zweiten Wandlerelements (2) und/oder mindestens eines dritten Wandlerelements (15) wenigstens teilweise in andere Energieformen, insbesondere kinetische, thermische, elektromagnetische oder chemische Energie wandelt und/oder weiterleitet.  7. System according to any one of the preceding claims, characterized in that a fourth transducer element, the energy of at least one second transducer element (2) and / or at least one third transducer element (15) at least partially in other forms of energy, in particular kinetic, thermal, electromagnetic or chemical energy converts and / or forwards.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten, dritten oder vierten Wandlerelemente (2, 15, 32) in einer Parallel- und/oder Reihenanordnung oder unabhängig voneinander angeordnet sind, so dass eine mehrfache Wandlung magnetischer Energie in elektrische, mechanische, kinetische Energie und/oder thermische Energie erreichbar ist. 8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the second, third or fourth transducer elements (2, 15, 32) are arranged in a parallel and / or series arrangement or independently of each other, so that a multiple conversion of magnetic energy into electrical , mechanical, kinetic energy and / or thermal energy is achievable.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Wandlerelement (9) eine elektrische Spule mit einem ferromagnetischen Kern (10, 10.1 , 10.2) ist, wobei der ferromagnetische Kern (10, 10.1 , 10.2) in und/oder an der elektrischen Spule angeordnet ist. 9. System according to any one of the preceding claims, characterized in that a first transducer element (9) is an electrical coil with a ferromagnetic core (10, 10.1, 10.2), wherein the ferromagnetic core (10, 10.1, 10.2) in and / or is arranged on the electric coil.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Wandlerelement (9) aus einer Kombination mehrerer Spulen besteht, denen ein oder mehrere ferromagnetische Kerne (10, 10.1 , 10.2) aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien zugeordnet sind. 10. System according to any one of the preceding claims, characterized in that a first transducer element (9) consists of a combination of several coils, which one or more ferromagnetic cores (10, 10.1, 10.2) are assigned from the same or different materials.
1 1 . System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Aufnahmeelement (1 ) mindestens ein Konturelement (1 a) vorhanden ist oder das Aufnahmeelement (1 ) aus einem elastisch verformbaren oder akustisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus Metall oder einer Metalllegierung, gebildet ist. 1 1. System according to one of the preceding claims, characterized in that on a receiving element (1) at least one contour element (1 a) is present or the receiving element (1) made of an elastically deformable or acoustically conductive material, in particular of metal or a metal alloy ,
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wandlerelement (2), das dritte Wandlerelement (15) und/oder das vierte Wandlerelement (32) zumindest teilweise von einem Formkörper (13) umschlossen ist. 12. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the second transducer element (2), the third transducer element (15) and / or the fourth transducer element (32) is at least partially enclosed by a shaped body (13).
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (13) eine Prothese, eine Orthese, ein Implantat oder ein Osteosynthesehilfsmittel ist. 13. System according to claim 12, characterized in that the shaped body (13) is a prosthesis, an orthosis, an implant or an osteosynthesis adjuvant.
14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wandlerelement (9) magnetische Felder und Signalformen mit Frequenzen im Bereich 10 Hz bis 3000 Hz, bevorzugt im Bereich 175 Hz bis 300 Hz bereitstellt. 14. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the first transducer element (9) magnetic fields and waveforms with frequencies in the range 10 Hz to 3000 Hz, preferably in the range 175 Hz to 300 Hz provides.
15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wandlerelement (9) mindestens eine mit einer konstanten Wechselspannung beaufschlagte elektrische Spule enthält und mindestens eines der zweiten, dritten oder vierten Wandlerelemente (2, 15, 32) die Wandlung der Energie der magnetischen Wechselfelder und/oder der magnetischen Signalformen des ersten Wandlerelements (9) in elektrische Energie und/oder elektrische Signalformen und/oder weitere Energie- oder Signalformen derart ermöglicht, so dass durch das letzte Wandlerelement einer Kaskade ein physikalischer Gradient frequenzunabhängig realisiert ist. 15. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the first transducer element (9) comprises at least one acted upon by a constant alternating voltage electric coil and at least one of the second, third or fourth transducer elements (2, 15, 32), the conversion of energy the magnetic alternating fields and / or the magnetic waveforms of the first transducer element (9) in electrical energy and / or electrical waveforms and / or other energy or waveforms such allows, so that realized by the last transducer element of a cascade, a physical gradient frequency independent.
16. System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formkörper (13) mindestens ein Sensor oder sensorisch wirksamer, bevorzugt poröser Körper (30) zugeordnet ist. 16. System according to claim 12 or 13, characterized in that the shaped body (13) is associated with at least one sensor or sensory effective, preferably porous body (30).
17. System nach Anspruch 12, 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formkörper (13) mindestens eine Aufnahme (21 ) für eine Probe vorhanden ist, wobei die Probe bevorzugt eine biologische Probe ist. 17. System according to claim 12, 13 or 16, characterized in that on the shaped body (13) at least one receptacle (21) for a sample is present, wherein the sample is preferably a biological sample.
18. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die von mindestens einem der zweiten, dritten oder vierten Wandlerelementen erzeugten Signale von einem Sensor aufnehmbar sind, wobei der Sensor in dem ersten Bereich oder in einem weiteren Bereich in denen sich die Wandlerelemente nicht befinden angeordnet ist. 18. System according to claim 1, characterized in that the signals generated by at least one of the second, third or fourth transducer elements are receivable by a sensor, wherein the sensor in the first region or in a wider area where the transducer elements are not located.
19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensor zur Detektion von Magnetfeldern, insbesondere ein Magnetfeldsensor oder eine Sensorspule (18) ist. 19. System according to claim 18, characterized in that the sensor is a sensor for detecting magnetic fields, in particular a magnetic field sensor or a sensor coil (18).
20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspule (18) mit mindestens einer der elektrischen Spulen (9.1 , 9.2) des ersten Wandlerelements (9) zusammenfällt. 20. System according to claim 19, characterized in that the sensor coil (18) coincides with at least one of the electrical coils (9.1, 9.2) of the first transducer element (9).
EP16778671.4A 2015-08-28 2016-08-26 System for the wireless transmission of energy and/or signals, the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and the application and detection of same in peripheral regions of said system Withdrawn EP3341077A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015114406.9A DE102015114406A1 (en) 2015-08-28 2015-08-28 System for the wireless transmission of energy and / or signals, the conversion of energy and / or signals into other forms of energy and / or signal forms as well as their application and detection in peripheral areas of the system
PCT/DE2016/100384 WO2017036454A2 (en) 2015-08-28 2016-08-26 System for the wireless transmission of energy and/or signals, the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and the application and detection of same in peripheral regions of said system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3341077A2 true EP3341077A2 (en) 2018-07-04

Family

ID=57120972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16778671.4A Withdrawn EP3341077A2 (en) 2015-08-28 2016-08-26 System for the wireless transmission of energy and/or signals, the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and the application and detection of same in peripheral regions of said system

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10601247B2 (en)
EP (1) EP3341077A2 (en)
JP (1) JP2018533351A (en)
KR (1) KR20180050311A (en)
DE (1) DE102015114406A1 (en)
WO (1) WO2017036454A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113423324A (en) * 2018-10-05 2021-09-21 奥索传感器公司 Measurement system configured to support installation of a ball and socket joint and method thereof

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11883188B1 (en) 2015-03-16 2024-01-30 Dp Technologies, Inc. Sleep surface sensor based sleep analysis system
KR102023617B1 (en) * 2016-03-22 2019-09-20 삼성전자주식회사 Method for supplying power to implantable medical device and power supply system thereof
US11793455B1 (en) 2018-10-15 2023-10-24 Dp Technologies, Inc. Hardware sensor system for controlling sleep environment
KR20220140554A (en) * 2020-05-07 2022-10-18 무라다기카이가부시끼가이샤 wireless sensor

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2611744C2 (en) 1976-03-19 1982-01-28 Werner Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Kraus Device for maintaining the vitality of bone tissue for endoprostheses
FR2730406B1 (en) * 1995-02-13 1997-08-14 Medinov Sa IMPROVED LENGTHENING DEVICE FOR LONG BONES
GB0009107D0 (en) * 2000-04-13 2000-05-31 Univ London Surgical distraction device
US20040193266A1 (en) * 2003-03-31 2004-09-30 Meyer Rudolf Xaver Expansible prosthesis and magnetic apparatus
US8813753B2 (en) * 2004-09-21 2014-08-26 Medtronic Xomed, Inc. Implantable obstructive sleep apnea sensor
US7559951B2 (en) * 2004-09-30 2009-07-14 Depuy Products, Inc. Adjustable, remote-controllable orthopaedic prosthesis and associated method
US7867235B2 (en) 2005-06-14 2011-01-11 Fell Barry M System and method for joint restoration by extracapsular means
US7780613B2 (en) 2005-06-30 2010-08-24 Depuy Products, Inc. Apparatus, system, and method for transcutaneously transferring energy
US8078283B2 (en) * 2006-06-20 2011-12-13 Ebr Systems, Inc. Systems and methods for implantable leadless bone stimulation
US8512264B1 (en) 2007-04-06 2013-08-20 Wilson T. Asfora Analgesic implant device and system
US8421274B2 (en) * 2008-09-12 2013-04-16 University Of Pittsburgh-Of The Commonwealth System Of Higher Education Wireless energy transfer system
DE102010047738A1 (en) 2010-08-26 2012-03-01 Wittenstein Ag Actuator for scoliosis correction
US10420693B2 (en) 2011-02-23 2019-09-24 Perfuzia Medical, Inc. Actuator for delivery of vibratory stimulation to an area of the body and method of application
DE202012000166U1 (en) 2012-01-10 2013-04-12 Dualis Medtech Gmbh A system for transferring energy to an implanted device
CA2863205A1 (en) * 2012-02-07 2013-08-15 Io Surgical, Llc Sensor system, implantable sensor and method for remote sensing of a stimulus in vivo

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113423324A (en) * 2018-10-05 2021-09-21 奥索传感器公司 Measurement system configured to support installation of a ball and socket joint and method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017036454A3 (en) 2018-06-14
KR20180050311A (en) 2018-05-14
US10601247B2 (en) 2020-03-24
DE102015114406A1 (en) 2017-03-02
US20190044380A1 (en) 2019-02-07
JP2018533351A (en) 2018-11-08
WO2017036454A2 (en) 2017-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3341077A2 (en) System for the wireless transmission of energy and/or signals, the conversion of energy and/or signals into other forms of energy and/or forms of signal, and the application and detection of same in peripheral regions of said system
DE4432747C2 (en) Device and method for noise reduction in an MRI scanner
WO2011107247A1 (en) Implantable device for detecting a vessel wall expansion
WO2007087875A1 (en) Stimulation system, in particular a cardiac pacemaker
AT507303B1 (en) SENSOR FOR MEASURING MECHANICAL VOLTAGES
DE2256482A1 (en) METHOD OF CONTROLLING THE VIBRATION FREQUENCY OF AN ELECTROMECHANICAL OR MECHANICAL OSCILLATOR
EP3583394A1 (en) Vibrating wire sensor and vibrating wire for a vibrating wire sensor
EP2811314B1 (en) Magnetic field measuring device with vibration compensation
DE2425177A1 (en) PRESSURE SENSOR WITH VIBRATING CYLINDER
DE3601704A1 (en) DEVICE FOR DETECTING AND / OR MONITORING A PREDICTED LEVEL IN A CONTAINER
DE102015113244A1 (en) Actuator arrangement with magnetic shape memory alloy
EP0170690B1 (en) Non destructive test of materials for ferromagnetic substances
EP3837512B1 (en) Ultrasonic vibration device having piezo sensor
EP1767932B1 (en) Device and method for non-destructive testing of components
EP3414785B1 (en) Method for producing a piezoelectric transformer
DE102006062541A1 (en) Heart beat stimulation system e.g. cardiac pacemaker, has implantable electrode unit, which can be supplied with energy and/or controlled via time variable magnetic field by implantable control unit in exclusively wireless manner
EP2748922B1 (en) Energy transmitting unit
EP3745584B1 (en) Kinetic energy harvester with adjustable natural frequency
EP2976830A2 (en) Magnetic switching element in a magnetic circuit arranged in a defined manner including inductor coil and method for providing electrical energy
DE102013010824A1 (en) Apparatus for generating and / or detecting ultrasonic waves in the form of longitudinally polarized bulk waves
EP0897327B1 (en) Device and its use for producing electromagnetic pulses
WO2012069967A1 (en) Soft-magnetic metal strip for electromechanical components
DE19913902B4 (en) Method for detecting a crack in a piezoelectric component and arrangement for detecting the crack
DE102004013573B3 (en) Production of a traction impulse between electrically conducting structures comprises preparing the structures insulated from each other and lying next to each other, producing a magnetic field and switching off the magnetic field
DE102016009992A1 (en) Determination of mechanical properties through the analysis of moving static fields

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20180328

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

R17D Deferred search report published (corrected)

Effective date: 20180614

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20200218

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20221014