SE526099C2 - Anordning för trådlös signal-och energiöverföring för medicinska implantat - Google Patents

Description

O IIOO I o 0 ICO 0000 0 o co Jolo 009 0 O 0 10 _15 20 25 30 52 6 09 9 ,.._,.._, , .. .. sekundärspolen, eventuella spänningsfall etc. Hur stor del av primärfältet som går genom sekundärspolen beror på spelarnas storlek, avståndet mellan spelarna, spelarnas geometriska utformning samt eventuella variationer i permeabiliteten mellan spelarna. Kopplingsfaktom definieras som ßrhållandet mellan det av primärspolen genererade fältet och det av sekundârspolen omslutna tältet.

Kopplingsfaktom kan variera mellan noll och ett. Ju större kopplingsfaktor desto bättre verkningsgrad eftersom prímärströmrnen då minskar för en viss sekundärspänning, vilket ger lägre resistiva ßrluster på primärsidan. Generellt gäller att ju större spolar och ju kortare avstånd mellan spelarna desto högre blir kopplingsfaktorn. Men för ett visst avstånd och viss maximal spoldiameter så finns det också sätt att öka kopplingsfaktorn. Den kanske mest använda metoden är att placera t.ex. ferritrnaterial i centrum på spelarna och därigenom forma fältet så att mer av det primära fältet går igenom sekundärspolen. I ett ferrit material induceras dock virvelströmmar som ger förluster så det år inte alltid så säkert att den ökade kepplingsfaktom som ferritmaterialet ger verkligen innebär en högre verkningsgrad. I US 5,89l,l83 beskrivs ett sätt att linda spolar i spiralfenn och därigenom öka kopplingsfaktom. Att kopplingsfaktom här ökas beror på att spirallindningen gör att tältet koncentreras mer mot mitten av spolen.

Spänningsfall mellan krafikällan på primärsidan och belastningen på sekrmdärsidan består bl.a. av resistans i drivsteg, resistiva komponenter i spelarna samt spelarnas lâckinduktanser. Drivstegets spänningsfall kan reduceras genom att välja drivtransistorer med lågt frarnspänningsfall. Detta medför dock en större drivström samt långsammare switchtider så valet av drivtransistor/er får bli en avvägning mot detta faktum. Spolarnas läckinduktanser kan släckas ut genom att ansluta en kondensator i serie eller parallellt med respektive spole och på så vis göra dern resonanta vid överföringsfrekvensen. Vilken frekvens man väljer på bärvågen varierar från fall till fall. Man kan såga att för att inte få för storas spolar så bör överföringsfrekvensen ligga på några hundra kHz och uppåt. Om man går för högt upp i frekvens så blir spelama så småningom självresonanta och därefter blir de mer kapacitiva än induktiva. Detta inträffar vid frekvenser i området l0~20 MHz beroende på hur spelarna lindas. 0 o oo g .: .. . .00- :tat _ . n: e .nu 000 Il ho once g U 0 0 I 0 0 0 o n o OI 0 0090 000 10 15 20 25 30 526 099 Generellt bör en induktiv kraft- och signalöverföringslänk av det slag som diskuterats ovan bestå av en yttre krafikålla, drivsteg, primär- och sekundärspole. Den yttre kraftkällan utgörs vanligen av ett batteri. Batterier har dock en begränsad drifttid och drivfönnåga och måste bytas med jämna mellanrum. Att ha en hög verkningsgrad mellan batteriet och lasten är av naturliga skäl önskvärt då det ger en längre drifttid samt högre maximal effekt över lasten. Elektroniken på insidan av huden kräver ofia en någorlunda jämn matningsspänning. Som nämnts tidigare så varierar dock beloppet på den inducerade spänningen på sekundârsidan vid ändring av kopplingsfaktor som i sin tur orsakas av inbördes lägesändring mellan primär- och sekundârspolarna. Även en lastäridring på insidanïpåverkar spänningen på grund av spänningsfall över länken samt diverse andra serieresistanser mellan batteri och last.

För att erhålla en någorlunda jämn spänning på sekundärsidan vid last och positionsvariationer behövs någon form av spärmingsreglering. En sådan spänningsreglering kan ske på olika sätt. Exempelvis kan en feedback signal från sekundärsidan på något sätt sändas tillbaka till primärsidan där primärfáltet justeras på ett sådant sätt att sekundärspänningen hålls inom önskat intervall. En sådan typ av reglering beskrivs i patenten US 5,876,425 och US 6,442,434.

I US 5,735,887 beskrivs en annan typ av reglering där en lastpuls genereras då spänningen på sekundärsidan faller utanför ett givet intervall. Denna lastpuls känns av på primärsidan där reglering sker.

Ett annat sätt att spänningsreglera finns beskrivet i patenten' US 5,562,7l4 och US 5,1 17,825. I detta fall sker spänningsregleringen med hjälp av en sensorspole vilken är anordnad på primärsidan och som känner av primär-fältet och reglerar detta mot ett förutbestämt värde. Med denna metod fås en reglering mot lastvariationer men inte mot positionsvariationer.

I US 4,679,560 beskrivs ett sätt att åstadkomma stabiliserad spärming genom att snedavstämma primär- och sekundärsidan på varsin sida om överföringsfrekvensen.

Snedavstämningen gör att vid en avståndsminskning så vandrar polerna på grund av den ömsesidiga induktansen ifrån varandra. Polsepareringen ger en spånningsminskning som motverkar spänningsökningen som annars en to gg..

O O 0 00 II o 0 q Ü .OI 0 I one nn 0 Q O Q ÛÛÛ! n 0 con ung; U 0 lina one 10 15 20 25 30 526 099 4 E 2 'g '. .° 2 _! .__2 avståndsminskning ger upphov till. Ytterligare patent som beskriver denna typ av snedavstärnning är US 5,070,535. Gemensamt för de anordningar som beskrivs i dessa båda patent är att de har en separat oscillator för att generera överföringsfrekvensen.

I en induktiv länk behövs någon form av fasthållningsanordning som garanterar att yttre och inre enhet hålls samman. Det mest använda sättet för fasthållriing är att använda magneter. Och för att fä så små yttre och inre enheter som möjligt brukar magnetema placeras i mitten av spolarna. I magneterna induceras dock virvelströmmar som ger resistiva förluster. I Uš 6,l78,353 beskrivs ett sätt att laminera fasthållningsmagneterria för att på så sätt minska virvelströmsförlusterna.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning för trådlös signal- och energiöverföring för medicinska implantat som är väsentligt enklare och energisnålare än tidigare kända lösningar. Anordningen skall ge en effektiv överföring av såväl signal och energi vid låg matningsspänning och låga effekter, dvs inom effektområdet nâgra mW. Anordningen skall innehålla minimalt med aktiv elektronik och därmed vara mycket strömsnål. Anordningen skall i möjligaste mån ge en spänning som är oberoende av last- och positionsvariationer såväl i längs- som i sidled. Anordningen innefattar på känt sätt två spolar vilka är anordnade i rymden så att de befinner sig på varsin sida om en fysisk barriär, exempelvis huden hos en person. Den ena spolen, den s.k. primärspolen, är placerad utanför den fysiska barriären och utgör del av en primärkrets som utsänder ett' elektromagnetiskt fält.

Den andra spolen, den s.k. sekundärspolen, är placerad på andra sidan om den fysiska baniären och utgör del av en sekundärkrets som kan absorbera och nyttiggöra hela eller en del av det ifrån primärspolen utsända magnetfältet. Primärspolen och sekundärspolen har en inbördes kopplingsfaktor k som är mindre än ett.

Kopplingsfaktom är beroende av spolarnas inbördes relativa position som kan variera med tiden.

Det nya och utmärkande för uppfinningen år att en avkänningskrets i form av en struktur av elektriska ledare är anbringad i fysisk närhet till primärspolen på ett sådant sätt i rymden att en del av magnetfältet från sekundärspolen omslutes av o o; oo o o ..'. :"' : z 00-: .o ooo oooo o o ooo oo oooo ooo. ..:' lo oooo o; 0 o o o 0 o o o U I o o o q oo oo g. 10 15 20 25 30 526 099 o oo oo oo oo oo o oo o o o o o o 5 avkärmingskretsen och därmed ger upphov till induktion i avkärmingskretsen, som kan detekteras för att därmed avkänna tillståndet i sekundärkretsen.

Anordningen kännetecknas vidare av att avkärmingskretsen är anbringad på ett sådant sätt i rymden att den del av magnetfältet från primärspolen som omslutes av avkänningskretsen ej ger upphov till någon induktion i avkänningskretsen, så att avkänningskretsen därmed kärmer av tillståndet endast i sekundärkretsen. Detta uppnås när integralen av det utav avkänningskretsen omslutna magneträltet ifrån primärspolen längs avkänningskretsens kontur går mot noll.

Enligt en fördelaktig utfiiringsfoim av uppfinningen är avkänningslcretsen anordnad att känna av sekundärsidans momentana spänning, d.v.s. både spänníngens fas och belopp.

Enligt en ytterligare fórdelaktig utßringsform hos uppfinningen är avkänningskretscn fixt monterad på primärspolen utan ömsesidig koppling till derma och utgöres av en eller flera spolar.

Till skillnad från de tidigare nämnda signal- och öveißringsläiikarna är återkopplingen genom den nämnda avkänníngskretsen rent passiv. Det finns inte någon elektronik på sekundärsidan som sänder tillbaka någon information till prirnärsidan utan primärsidan kärmer av sekundärsidans spänning med den nånmda avkänningslcretsen. Genom att återkoppla den sekundära tankkretsens fas och styra primärsidan med ett visst fasläge relativt sekimdärsidans fas så erhålls en självoscillerande signalöverföring. Genom att man dessutom återkopplar sekundârsidans spänning så kan eventuella spånningsvariationer som en last eller positionsändring orsakar regleras bort genom att justera spärmingen på primärsidan.

Med hjälp av återkopplingen erhålls en sluten loop som gör det möjligt att hålla en konstant spärming på sekundärsidan genom att reglera den inmatade effekten på primärsidan. Då avkänningsspolen endast känner av tältet och därmed spänningen på sekundärsidan och det sker med rent passiv elektronik förbrukas ingen extra ström för återkopplingen vilket ger ett mycket strömsnålt sätt att styra spänningen. o oo oo o oo o ooo oo 0 0000 00 0000 00 0 00 00 0000 i I OO C OI O OI OI 0 0 0 0 0 0 I00 I 000 0000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 00 000 00 0000 000 10 15 20 25 30 526 099 ,.._,.., , .. ..

:..': :- : - I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningar som visar exempel på några olika uttöringsforrner hos anordningen, varvid Figur l visar i blockschernaform de ingående delarna i en induktiv länk fór signal- och energiövertöring, Figur 2 visar i form av ett elektriskt schema de ingående komponenterna mer i detalj, Figur 3 visar schematiskt spolamas läge i rymden, i Figur 4a visar sambandet mellan E J-tïï vid beräkning av íältbilden kring en fl C spole, Figur 4b visar fáltbildens karaktäristik som funktion av radien hos spolar som är lindade på två olika sätt, Figur 5 visar en primärspole med en avkänningsspole placerad på ett sådant sätt att totala fältet från primärspoleu genom avkänningsspolen blir noll, Figur 6 visar avkänningskarakteristiken i längsled mellan två olika spolpar, Figur 7 visar några olika exempel på den fysiska uppbyggnaden (ledningsstrukturen) hos avkänningsspolen, Figur 8 visar en pannkaksspole lindad av Litz-tråd, Figur 9 visar utseendet hos en avkärmingsspole med sidledsokänslighet, Figur 10a visar avkärmingskarakteristikor i radiell led för tre olika spolavstånd d, Figur 10 b illustrerar två spolar på avståndet d från varandra, och 10 15 20 25 30 526 099 1 .. ooo o o o no I ooo u o c o o o n oo o I oo 0 c o o o o o oo oo oo Figur l 1 visar ett exempel på det fysiska utförandet hos överfóringsanordningen.

Figur l beskriver i blockschemaform de ingående delarna i en induktiv länk för signal- och energiövertöring. Systemet består av en primärsida 1 och en sekundärsida 2. Primärsidan 1 och sekundärsidan 2 är fysiskt åtskilda av en fysisk barriär 3, exempelvis huden på en levande varelse. Primärsidan består av en sändare 4, en drivkrets 5 och en spärmingsmatning 6. Sändarens uppgifi är att omvandla en varierande ström till ett varierande magnetiskt fält medan drivkretsen 5 med hjälp av en styrsigiial styr en ström genom sändaren 4 på önskvärt sätt. På sekundärsidan skall det magnetiska fältet åter omvandlas till elektrisk energi, vilket sker i en mottagare 7.

För att få en likspänning att driva en last 12 med så sker en likriktning 8 av spänningen. För att kunna hålla en järnn spänning på sekundärsidan 2 så återkopplas spänningen på sekundärsidans tankkrets till primärsidan l där den imnatade effekten kan regleras. Återkopplingen sker med hjälp av avkänningskretsen ll som kärmer av fältet från sekundärsidans tankkrets och därmed den momentana spänningen. Det är möjligt att skicka infonnation på bärvågen genom att modulera den vilket görs i kretsen 9. Det enklaste sättet att åstadkomma en sådan modulering är att variera matningsspänriingen på primär-sidan. Om så är fallet skall den demoduleras' på sekundärsidan vilket indikerats med kretsen 10. Den likriktade spänningen från 8 samt den demodulerade signalen från 10 förser en last 12 med signal och energi. I princip kan moduler-ing av bärvågen göras på tre olika sätt, nämligen genom arnplitudmodulering, frekvensmodulering eller fasmodulering. Då det är viktigt att hålla nere effektíörbrulcningen så används i detta fall amplitudmodulering.

I figur 2 beskrivs systemet mer i detalj med hjälp av ett elektriskt kretsschema.

Genereringen av det magnetiska fältet på primärsidan 1 sker med hjälp av en spole 15, den s.k. primärspolen. Drivningen till spolen 15 utgöres av två transistorer 16, 17 och en komparator 18. På sekundärsidan 2 omvandlas det magnetiska fältet till elektrisk energi med hjälp av sekundärspolen 19. Spolen 19 och en kondensator 20 bildar en parallell LC-krets och är avstämd till övertöringsfiekvensen för att ge bättre övertöringsegenskaper. För att få en likspänning att driva en last med så sker en likriktning av spänningen med en diod 21. En kondensator 22 glättar ut strömmen så att en jämn spänning erhålles. Dioden 23, kondensatom 24 och resistorn 25 bildar en 10 15 20 25 30 526 099 s envelopp-detektor som är den enklaste dernodulatom för ett amplitudmodulerat system. Den likiiktade spänningen samt den demodulerade signalen förser lasten 26 med energi och signal. Som ovan nämnts utförs amplitudmoduleringen genom att matningsspänningen till drivtransistorerna 16 och 17 varieras. Detta sker med hjälp av transistorn 27. För att kunna hålla en jämn spänning på sekundärsidaii så återkopplas tankkretsens spänning på sekundärsidan till primärsidan där den imnatade effekten regleras med hjälp av operationsförstärkaren 28 samt transistorn 27. Återkopplingen sker med hjälp av spolen 29 som känner av fältet från sekundärsidans tankkrets och därmed den momentana spänningen.

Spolen 29 .utgör en rent passiv avkänningsspole som återkopplar fältet i den sekundära spolen 19 till primärsidan. Med hjälp av återkopplingen erhålls en .sluten loop som gör det möjligt att hålla en konstant spänning på sekundärsidan genom att reglera den inmatade effekten på primärsidan. Den återkopplade fasen används dessutom till att styra primärdrivningen vilket eliminerar behovet av en extem oscillator. För att erhålla rätt fasläge på primärsidans drivning ligger ett fasvridande filter mellan den återkopplade spänningen och prímärdrivningen. Filtret utgörs här av resistom 30 och kondensatorn 31. För att inte avkänningsspolen 29 skall få något bidrag från ptimärspolen 15 så placeras avkänningsspolen över det område där fältet från primärspolen ändrar tecken. Om avkänningsspolen där omsluter lika mycket positivt som negativt fält så nollas primärfältet ut, vilket närmare förklaras nedan.

Sekundärfáltet avkänningsspolen 29 endast känner av fältet och därmed spänningen på däremot kommer att indikeras i avkänningsspolen. Då sekundärsidan och det sker med rent passiv elektronik förbrukas ingen extra ström för återkopplingen vilket ger ett mycket strömsnålt sätt att styra spänningen och primärdrivningen I figur 3 visas schematiskt hur de olika spolama är orienterade i rymden. Primär- och sekundärspolarna 15 resp. 19 är anordnade på visst inbördes avstånd fi-ån varandra och där avståndet kan variera med tiden. Den avkända spänningen i sekundärspolen 19 kommer naturligt att variera med avståndet mellan sekundärspolen och avkänningsspolen 29. Genom en lämplig geometri på primär- och sekundärspolarna är det dock möjligt att fä ett maximum på den avkända spänningen på ett visst 10 15 20 25 30 09» v00 J o nl con: 00 00 o n 0 o n 0 o 0 a 0 o o n o i I 0 0 o 0 øno c 0 o 0 526 099 H 9 300 E O: I...I g .: ...: O avstånd. Och genom att se till att detta avstånd hamnar i mitten på det aktuella avståndsintervallet så kan en mellan primär- och sekundärspolen avkärnringskarakteristik som är relativt okänslig för avståndsvariationer erhållas.

Avkänningsspolen är placerad i fysisk närhet till primärspolen, lämpligen fixt monterad på primärspolen utan ömsesidig koppling till denna, och har i det enklaste fallet en spolradie som väsentligt understiger primärspolens spolradie.

Avkänningsspolen är perifert placerad i förhållande till primärspolen och över det område där fältet från primärspolen ändrar tecken, :se vidare nedan.

Spolarna hålls samman på känt sätt, exempelvis med hjälp av magneter.

Fasthållningsmagrieterna placeras då lämpligen i periferin på spolarna, eftersom den låga fáltkoncentrationen där ger minimala virvelströmsförluster. Magnetplaceringen i periferin ger också en bättre ”lcrafibil ” mellan yttre och inre enhet hos länken, vilket gör den yttre enheten mindre benägen att falla av Principen för återkoppling är något som väsentligen skiljer uppfinningen från tidigare kända signal- och energiöverföringslänkar. Tidigare beskrivningar av återkoppling grundar sig uteslutande på någon form av aktiv koppling, d.v.s. aktiv elektronik på sekundärsidan genererar någon form av statussignal som primärsidan känner av. I det här fallet finns det alltså ingen elektronik överhuvudtaget på sektmdärsidan för att generera någon statussignal. Problemen med en avkänningsspole på primärsidan för att känna av fältet fiån sekundärsidan är istället att man i avkänningsspolen inte vill ha någon påverkan fiån primäispolen 15 samt att det kan tänkas bli ett visst avståndsberoende. Avkänning från primärspolen kan undvikas genom att avkärmingsspolen placeras på ett sådant sätt att den omsluter ett fält från prirnärspolen som alltid har två tecken och alltid har summan noll. För att se hur detta är möjligt studeras fáltbilden i en spole: Fältstyrkan vid avståndet R från en ledare med längden dl ser ut enligt: Lid xÉ 47: R* dä: 0 00 00 0000 00 0 0 I 0 0 0 000 0 000 0000 I 0 0 0 000 00 0000 000 0000 00 I 0 0 0 0 0 0 0 00 00 O O I O 0 0 0 0 0 00 10 15 20 25 30 35 526 099 10 E' I . -. .. .. .i i.. . där po = permeabilitetskonstanten i vakuum i = strömmen genom ledaren Ä = avtåndsvektom mellan ledaren och den aktuella punkten .- dl = Riktningsvektorn på ledarelernentet dl Integralen av dÉ över hela ledarlängden ger fáltstyrkan i en viss punkt.

För en cirkulär loop blir det: q-dâ :Li dïxUÄ -I-Ép) _ül' *ï kfdqn-RcdpRp cosçv 41: Rß 41: 3..

*”=° (R: + Rf - ZRCRP cos 40); bl' 2' Rf _ RPR, cosçv (0 41: Rz +Rf -ZRCRp coscp R: +Rf -2R,Rp coscp r-Or där Rc, Rp och cosø framgår av figur 4a.

Integralen ovan löses enklast numeriskt i tex. MATLAB.

I figur 4b visas fáltbilderis karaktäristik som funktion av radien. I figuren visas även uppmätta karaktäristiker tör spolar lindade på två olika sätt, nämligen ytterradiellt lindad spole (d.v.s. lindningsvarven är koncentrerade till spolens perifer-i) samt spirallindad spole (d.v.s. varven är utspridda längs spolens radie, även kallad parmkaksspole). Fältstyrkan är nonnaliserad till den fáltstyrka som uppträder i mitten på respektive spole och radien är normaliserad till spolamas ytterradie. Att den teoretiska karaktäristiken inte helt stämmer överens med den uppmätta beror dels på att tråddiametem antas vara oändligt liten i beräkningen och dels på att testspolen som används för att kärma av fältet har en viss diameter vilket gör att det inte går att känna av fältet allra närmast tråden. Man ser i figur 4b att för båda spollindningstyperna så gäller att ungefär vid ytterradien så växlar fältet tecken.

I figur 5 visas en primärspole 15 med en avkänningsspole 29 placerad så att det totala fältet genom avkänningsspolen som härrör från primärspolen blir noll. I figuren är primärspolen 15 lindad som en pannkaksspole med alla varven i ett plan. Detta är dock inte nödvändigt för att åstadkomma en ”utnollande” effekt. Huvudsaken är att faltbilden alltid har två tecken vid samma tidpunkt. Placeringen av en 0000 000 10 15 20 25 30 526 099 ~ 000 000 0 0 0 00 90 0 0 0 I 00 00 00 0 0 0 00 000 000 00 0 000 0 0 0 0 0 0 0 11 : '.' ° ."..' .. '..' 2.3.;- avkärmingsspole på en primärspole där varven är placerade i spolens yttre periferi kräver dock betydligt högre precision. Detta på grund av att noll genomgången på sådana spolar sker mycket mer abrupt, se figur 4b. Hur spänningen i avkänningsspolen 29 beror av avståndet mellan avkänningsspolen 29 och sekundärspolen 19 beror på geometrin på de två spolama. Bäst avståndsokänslighet fås om ett maximum av den avkända spänningen erhålles någonstans i mitten av det aktuella avståndsintervallet mellan primär- 1 och sekundärsída 2. Genom lämplig geometri kan detta uppnås.

I figur 6 exemplifieras två olika avkänningskaralctäiistikor ßr två olika spolpar A och B. Som syns i figuren så har ena karaktäristikan ett maximum vid 5 mm och den andra vid 10 mm. Dessa två spolpar lämpar sig alltså bäst för avstånd som ligger runt 5 respektive 10 mm.

I figur 7 visas några olika exempel på den fysiska uppbyggnaden (ledningsstrukturen) hos avkänningskretsen ll. I exemplen ovan har avkänningskretsen beskrivits i form av en avkämiingsspole 29 asymrnetriskt placerad över prímärspolen så som 7a visar.

Nackdelen med att ha endast en avkänningsspole som 7a visar är att avkärmingsvariationen i sidled blir väldigt påtaglig. Genom att ha två spolar så som 7b visar erhålls en väsentligt mindre avkänningsvariation i y-led. Den avkända spänningen blir här summan av delspänningama u; och uz. Adderar man till ytterligare två spolar så som 7c visar fås även denna förbättring i x-led. Den avkända spänningen blir även här summan av alla delspänningar, dvs~u1_ ug, u; och u4. Ju fler avkänningsspolar man har desto mindre blir följaktligen avkänningsvariationen i sidled. Ytterligare en fördel med flera avkänningsspolar är att signalnivån ökar vilket ger ett förbättrat signalbrus-förhållande. Förbinder man alla små spolar till en stor så erhålls en ”hästsko”-fonnad avkäningsspole så som 7d visar. Man fär här en helt vinkeloberoende avkänningskaraktäristik så när som på den slits som bildas mellan hästskons båda ytterkanter. En väsentlig nackdel med hästskospolen är att den kan vara ganska svår att tillverka. I 7e visas slutligen det förmodligen enklaste samt bästa sättet att utforma avkänningskretsen. Avkärmingskretsen består här av två spolar med olika radier centrerat placerade kring centrum på primärspolen där den avkända spänningen utgörs av skillnadsspänningen mellan u| och u2. o to oc Dice I I I I to! 1000 0 00 o II o O: noob 00 I I 0 a 00 II I I I OI cl 10 15 20 25 30 526 099 -, 12 Företrädesvis är minst en av primär- och sekundärspolarna utformade som platta, pannkaksforrnade spolar. Även avkårmingsspolen kan vara utformad på detta sätt.

Pannkaksformade slimmad fysisk konstruktion hos överföringsanordningen men ger också den bästa kopplingsfaktom. Det har nämligen spolar medger en visat sig att ett pannkakslindat spolpar, d.v.s. där varven är radiellt lindade, får en väsentligt högre kopplingsfaktor än ett spolpar med mer utspridda varv (axiellt líndat). I figur 8 visas en pannkakslindad spole av Litz-tråd, dvs tråd som består av ett flertal srnå kardeller, varvid minst en av Litz-trådens kardeller är belagd med värmelim. Det har visat sig att pannkaksspolar lindade av Litz-tråd ímpregnerad med värmelim erhåller tillräckligt höga Q-värden (godhetstal). Metoden medför också möjlighet att tillverka spolarna på ett relativt enkelt sätt.

Genom att linda spolarna i en spiralform samt att linda med en tråd uppdelad i flera småtrådar där varje tråd är belagd med värmelim så som beskrivits ovan uppnås ett flertal fördelar gentemot att linda med en homogen tråd eller att linda alla varven i spolens ytterdiameter. Spiralformen gör att fältbilden koncentreras till mitten och faller av utåt periferin. Fältkoncentreringen ger en ökad kopplingsfaktor och fáltminskningen utåt periferin gör att man där kan placera sådana detaljer som man ej önskar placera i kraftiga fält, såsom fasthållningsmagneter som beskrivits ovan.

Företrädesvis lindas avkänningsspolen enligt principen i figur 7e. Figur 9 visar ett sådant utförande där spolarna är lindade av Litz-tråd. Figur 9ivisar även hur spolarna är sammankopplade för att erhålla den utnollande effekten av primärspolens fält.

Geometrin lämpar sig väl både fysiskt och elektromagnetiskt för att sättas samman med pannkaksspolen i figur 8. Förutsatt att spolarna är någorlunda planparallella så medñr utförandet enligt figur 9 att den avkända spänningen enbart beror på förflyttningar i axiell och radiell led och alltså år okänslig för rotationsförändringar.

I figur l0a visas uppmätta avkånningskaraktäristikor i radiell led för 3 olika spolavstånd d så som visas i figuren lOb. Man ser i figur l0a att vid en radiell variation på 12.5 mm och en axiell variation på i 3 mm blir den avkända I II II IIII I II I I I I I I I III I III IIII I I I I II II IIII III OI IIII II I I I I I I O O I O I II II II I 10 15 20 25 30 526 099 13 spänningsvaríationen endast 15%. Ytterradien på de uppmätta spelarna är i detta fall ca 12mm.

I figur ll visas ett exempel på det fysiska utförandet hos överíöringsanordningen. Överföringsanordningen består av en extern del 1' och en intern del 2' åtskilda av en fysisk barriär 3, exempelvis huden. I den externa delen finns en spolkonfiguration 30, en magnetkonfiguration 31, elektriska kretsar 32, ett batteri 33 samt någon slags insignal 34. I den interna delen 2' finns en spolkonfiguration 35, en magnet- konfiguration 36, elektriska kretsar 37 samt någon fonn av utsígnal 38 (stimuli).

Uppfinningen är inte begränsad till de exempel som visats ovan, utan kan varieras inom ramen för de efterßljande patentkraven. Exempelvis skulle spelarna kunna vara tillverkade enligt någon litografisk metod som är i och för sig ñrut känd fiån kretskort- och halvledarindustrin, företrädesvis ett s.k. multilayeriörfarande.

Claims (11)

10 15 20 25 30 526 099 /q PATENTKRAV

1. Anordning för trådlös signal- och energiövertöring för medicinska im- plantat, företrädesvis signal- och energiöverföring genom huden eller annan fysisk barriär (3) hos en person eller annan levande varelse med medicinskt implantat installerat i kroppen, innefattande åtminstone två spolar vilka är anordnade i rymden så att de befinner sig på varsin sida om nämnda barriär varvid den spolen som är placerad utanför den fysiska barriären, den s.k. primärspolen (15), utgör del av en primärkrets som utsänder ett elektromagnetiskt filt och den andra spolen som är placerad på andra sidan om den fysiska barriären, den s.k. sekundärspolen (19), utgör del av en sekundärkrets som kan absorbera och nyttiggöra hela eller en del av det från primärspolen utsända magnetfältet och varvid spolar-na har en inbördes kopplingsfaktor(k) somärmindreänett kännetecknad av atten avkänningskrets (11) i form av en struktur av elektriska ledare är anbringad i fysisk närhet till primärspolen (15) över det område där fältet från primärspolen (15) ändrar tecken och där omsluter lika mycket positivt som negativt fält så att primärfáltet nollas ut och endast magnetfáltet från sekundärspolen (19) avkärmes i avkänningskretsen och därmed ger upphov till induktion i derma som kan detekteras för att därmed avkänna tillståndet huvudsakligen endast i sekundärkretsen och varvid avkänningskretsen (11) innefattar en eller flera avkänningsspolar vilka är fixt monterade på primärspolen utan ömsesidig magnetisk koppling till denna.

2. Anordningenligtpatentkravl kännetecknad av attavkän- ningskretsen (11) är anordnad att känna av sekundärkretsens momentana spänning, dvs både spänningens fas och belopp.

3. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att avkän- ningskretsen (11) innefattar ett antal avkänningsspolar med väsentligt mindre spolra- die än primärspolens radie och placerade utspridda nmt primärspolens (15) periferi så att det totala fältet genom alla de enskilda spelarna som härrör från primärspolen (15) blir noll. 10 15 20 25 526 099 G9 IB

4. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t -e c k n a d a v att avkän- ningskretsen (1 l) innefattar en spole lindad i ”hästskoforrn”.

5. Anordningenligtpatentkravl kännetecknad av attavkän- ningskretsen (11) innefattar två spolar med olika radier centrerat placerade kring primårspolen (15) och där avkänningsspänningen utgöres av skillnadsspåimingen.

6. Anordningenligtpatentkravl kännetecknad av attminsten av primär- och sekundärspolaina (15 resp. 19) är utformade som platta, ”pannkaks- formade”, spolar.

7. Anordning enligtpatentkravl kännetecknad av att minsten av primär- och sek11ndärspola1na(l5 resp. 19) är lindade av Litz-tråd.

8. Anordningenligtpatentkrav? kännetecknad av attminsten av Litz-trådens kardeller är belagd med värmelim.

9. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att spelarna är så utformade att ett maximum på avkärmingsspännirigen erhålles vid spolavstånd större än noll.

10. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att primär- och sekundärspolen (15 resp. 19) hålls samman på magnetisk väg varvid fasthållnings- magneterna är placerade i periferin på spolama.

11. ll. Anordningenligtpatentlaavókännetecknad av attspolarnaär tillverkade av enligt någon litografisk metod som år i och för sig förut känd fifån kretskort- och halvledarindustrin, företrädesvis ett s.k. multilayerförfarande. I