(57)【要約】本発明は、空間的に互いに分離された範囲の間で、導電接続部なしに、エネルギおよび／または信号を無線で伝達するため、エネルギおよび／または信号を他のエネルギ形態および／または信号形態に変換するためおよびシステムの少なくとも１つの周辺範囲でエネルギ形態および／または信号形態を適用および／または検出するためのシステムに関する。システムは、空間的に互いに分離された少なくとも２つの範囲の間で、導電接続部なしに、エネルギを無線で伝達することを可能にする。この場合、この範囲の少なくとも１つにエネルギが供給され、このエネルギが少なくとも１つの他の範囲に無線で伝達され、必要に応じて他のエネルギ形態に変換され、そしてシステムの周辺範囲に適用される。エネルギの伝達の際同時に、信号を伝達することができる。信号は一方ではシステムの周辺範囲で物理的、生物学的または化学的なプロセスまたは状態によって発生してシステムによって検出および変換することができ、他方ではシステムに依存しないで発生し、システムに供給し、その都度他の範囲に無線で伝達することができる。システムによって、特に機械的、音響的、熱的、光学的および他の物理的または化学的な勾配（振動、音波または熱）が達成され、システムの周辺範囲に組み込まれるかまたは伝達される。
2018533351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間的に互いに分離された範囲の間で、導電接続部なしに、エネルギおよび／または信号を無線で伝達するため、エネルギおよび／または信号を他のエネルギ形態および／または信号形態に変換するためおよびシステムの少なくとも１つの周辺範囲でエネルギ形態および／または信号形態を適用および／または検出するためのシステムであって、
交番磁界および／または磁気的な信号形態を発生可能および／または検出可能である少なくとも１個の第１変換要素（９）、特に第１電気コイルまたは磁化可能な材料または可動の永久磁石を備え、この場合前記第１変換要素（９）が第１範囲に配置され、
交番磁界および／または磁気的な信号形態のエネルギを電気エネルギおよび／または電気的な信号形態に相互に、一方向および／または双方向変換可能である少なくとも１個の第２変換要素（２）、特に第２電気コイルと、電気エネルギおよび／または電気的な信号形態を機械エネルギ、特に振動または音波に相互に、一方向および／または双方向変換可能である第３変換要素（１５）とを備え、この場合前記第２変換要素（２）と前記第３変換要素（１５）が前記第１範囲に隣接する他の範囲内に配置され、
あるいは
前記第１変換要素（９）によって発生可能な交番磁界のエネルギを、第２変換要素（２）のヒステリシス加熱および／または渦電流によっておよび／またはジュール加熱によって、熱エネルギに変換可能である少なくとも１個の第２変換要素（２）、特に第２電気コイルと、熱エネルギを適用場所にさらに伝導する熱伝導要素（５）とを備え、この場合前記第２変換要素（２）と前記熱伝導要素（５）が前記第１範囲に隣接する他の範囲内に配置され、
あるいは
交番磁界および／または磁気的な信号形態のエネルギを電気エネルギおよび／または電気的な信号形態および／または熱エネルギに相互に、一方向および／または双方向変換可能である少なくとも１個の第２変換要素（２）、特に第２電気コイルと、前記第２変換要素（２）に導電的および／または熱伝導的に連結され、電気エネルギおよび／または電気的な信号形態および／または熱エネルギを他のエネルギ形態、特に機械エネルギおよび／または化学的エネルギおよび／または電磁ビームに少なくとも部分的に相互に、一方向および／または双方向変換可能にし、および／またはこのエネルギ形態をさらに伝導する、少なくとも１個の第４変換要素（３２、３２ａ）とを備え、この場合前記第２変換要素（２）と前記第４変換要素（３２、３２ａ）が前記第１範囲に隣接する他の範囲内に配置されている、システム。
【請求項２】
前記第２、第３または第４変換要素が単独でまたは他の変換要素と共に収容要素（１）内で固定されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第３変換要素（１５）が圧電変換要素であることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
第２変換要素（２）上にまたは第２変換要素内に、強磁性コアが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２変換要素（２）と前記第３変換要素（１５）が導電的に直接連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも１個の前記第３変換要素（１５）が前記第２変換要素（２）のコイルの短絡区間として形成されているかまたはこのような短絡区間を含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第４変換要素が、少なくとも１個の第２変換要素（２）および／または少なくとも１個の第３変換要素（１５）のエネルギを少なくとも部分的に他のエネルギ形態、特に運動エネルギ、熱エネルギ、電磁エネルギまたは化学エネルギに変換し、および／またはさらに伝導することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２、第３または第４変換要素（２、１５、３２）が並列におよび／または直列にまたは互いに独立して配置され、それによって磁気エネルギを電気、機械、運動エネルギにおよび／または熱エネルギに多重変換することができることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１変換要素（９）が強磁性コア（１０、１０．１、１０．２）を備えた電気コイルであり、この強磁性コア（１０、１０．１、１０．２）が前記電気コイル内および／または電気コイル上に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１変換要素（９）が複数のコイルの組み合わせからなり、このコイルに、同じ材料または異なる材料からなる１個または複数の強磁性コア（１０、１０．１、１０．２）が付設されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
収容要素（１）に少なくとも１個の輪郭要素（１ａ）が設けられているかあるいは弾性変形可能な材料または音響伝導材料、特に金属または合金によって形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２変換要素（２）、前記第３変換要素（１５）および／または前記第４変換要素（３２）が少なくとも部分的に成形体（１３）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記成形体（１３）がプロテーゼ、オルテーゼ、インプラントまたは骨合成補助材であることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１変換要素（９）が１０Ｈｚ〜３０００Ｈｚの周波数範囲、好ましくは１７５Ｈｚ〜３００Ｈｚの周波数範囲の信号形態および磁界を提供することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１変換要素（９）が一定の交流電圧で負荷される少なくとも１個の電気コイルを備え、前記第２、第３、第４変換要素（２、１５、３２）の少なくとも１個が、前記第１変換要素（９）の交番磁界および／または磁気的な信号形態のエネルギを、電気エネルギおよび／または電気的な信号形態および／または他のエネルギ形態または信号形態に変換することができ、それによって縦続の最後の変換要素によって物理的な勾配が周波数に依存しないで実現されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
少なくとも１個のセンサまたはセンサのように作用する、好ましくは多孔性の物体（３０）が前記成形体（１３）に付設されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載のシステム。
【請求項１７】
試料のための少なくとも１個の収容部（２１）が前記成形体（１３）に設けられ、試料が好ましくは生物学的な試料であることを特徴とする請求項１２、１３または１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第２、第３または第４の変換要素の少なくとも１個によって発生した信号が、センサによって検出可能であり、このセンサが第１範囲内にまたは変換要素が設けられていない他の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記センサが磁界を検出するためのセンサ、特に磁界センサまたはセンサコイル（１８）であることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記センサコイル（１８）が前記第１変換要素（９）の少なくとも１個の電気コイル（９．１、９．２）と重なっていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間的に互いに分離された範囲の間で、導電接続部なしに、エネルギおよび／または信号を無線で伝達するため、エネルギおよび／または信号を他のエネルギ形態および／または信号形態に変換するためおよびシステムの少なくとも１つの周辺範囲でエネルギ形態および／または信号形態を適用および／または検出するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
システムが空間的に分離された少なくとも２つの範囲の間で、導電接続部なしに、エネルギを無線で伝達することができると有利である。この範囲の少なくとも１つにエネルギが供給され、このエネルギは少なくとも１つの他の範囲に無線で伝達され、必要に応じて他のエネルギ形態に変換され、そしてシステムの周辺範囲において適用される。
【０００３】
エネルギ伝達時に同時に信号の伝達が達成可能であると有利である。信号は一方では、システムの周辺範囲において物理的、生物学的または化学的プロセスまたは状態によって発生させられ、システムによって検出および変換される。他方では、システムとは無関係に発生させられ、システムに供給され、そしてその都度他の範囲に無線で伝達される。
【０００４】
システムによって、特に機械的、音響的、熱的、光学的および他の物理的または化学的勾配（振動、音波または熱）が達成され、システムの周辺範囲に組み込まれるかまたは伝達される。その際、システムの周辺範囲が成形体または成形体の一部であると有利である。その際、成形体はシステムの構成部品であってもよいし、外部の構造体の構成部品およびシステムに付設されたシステムであってもよい。システムの要素は成形体内に直接入れられるかまたはこの成形体の表面上に配置され、ボルト止めおよび／または溶着または溶接可能である。
【０００５】
医学的な用途では、成形体はインプラントまたは骨合成要素／骨合成板またはボルトまたはくぎまたはオルテーゼである。建築用途では、成形体は支持体または支持構造体、壁体または補強要素である。車両範囲では、成形体は例えば車台またはフレームまたは部品である。この場合にも、アクチュエータまたはセンサのようなシステム構成要素は成形体内に直接入れられているかまたはその表面に配置され、ボルト止めおよび／または溶着または溶接可能である。
【０００６】
特にインプラントの場合、弛み検出の目的で骨とインプラントの接触領域の減衰分析のためあるいは組織の改善された成長および刺激のためあるいは硬くならないようにする運動励起、ひいては付近の組織を含めてまたは排除して目標組織の物質代謝を励起するために、振動または音波を使用すると有利である。熱エネルギは、例えば形状記憶材料、膨らまし袋を用いてあるいは熱膨張によって、インプラントから組織への移行部での機械的な処置を始めるためにおよび作用物質放出のための化学的反応を始めるために利用される。
【０００７】
その際、電磁交番磁界と関連して質量を偏位させることが知られている。この場合、偏位は２つの反転個所の間で行われる。十分な結果を得るために、偏位すべき物体の大きな質量が必要である。運動によって摩耗が発生する。これは不所望である。さらに、高めすぎたマイナスまたはプラスの加速度による不所望な慣性作用、それに伴い材料疲労／組織疲労および伸長プロセスや圧縮ひずみプロセスによる損傷が発生し得る。
【０００８】
さらに、専ら低い周波数の範囲において偏位を行うことができる。高い周波数の場合には分析なしに、インプラントの状態についての所定の判断、例えば組織内でのインプラントの固着強度および成長挙動への刺激効果の影響についての詳細な判断を行うことは不可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明の課題は、エネルギと信号を伝達、変換および適用するための簡単で、頑丈でそして操作が確実なシステムを提供することである。このシステムは、適用の現場で複雑な制御調整システムを用いる必要がなく、空間的に分離されかつ導電的に接続されていない範囲の間でのエネルギと信号の無線伝達、ひいては外部範囲から無線で運転および制御可能なシステムを可能し、そして自由に運動可能な質量、振動質量または弾性運動質量を用いる必要がなく、それによっていろいろな適用、特にインプラントまたはプロテーゼの場合の適用のための使用が有利であるように、エネルギを他の種類のエネルギに変換することができる。
【００１０】
特に、いろいろなエネルギ形態を必要に即して互いに変換することができ、システムの周辺範囲からの空間的に定められた操作のためおよび／または信号伝達のためにこのエネルギ形態を利用することを可能にするシステムを提供することも本発明の課題である。後者はさらに、システムの周辺範囲でのプロセス量および状態量を監視および検出するためのシステムの利用を可能にする。システムの周辺範囲の操作のためには、特に運動エネルギ形態、熱エネルギ形態、化学的なエネルギ形態または電磁的なエネルギ形態が適している。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は本発明に従い、請求項１の特徴を有するシステムによって解決される。有利な実施形は従属請求項に記載された特徴によって実現可能である。
【００１２】
本発明に係るシステムは、少なくとも１つの外部の第１範囲に内で、少なくとも１個の第１変換要素、特に電気的な一次コイルまたは移動可能な永久磁石が、システムの構成部品であり、この第１変換要素または永久磁石によって、交番磁界を発生可能であり、および／または逆に交番磁界のエネルギを電気エネルギに変換可能であるように、形成されている。
【００１３】
さらに、第１範囲から空間的に分離され、導電的に接続されていない少なくとも１つの第２範囲に、少なくとも１個の第２変換要素、特に少なくとも１個の電気コイルが設けられ、この第２変換要素により、第１変換要素の交番磁界のエネルギが誘導によって電気エネルギに変換可能であり、および／または逆に電気エネルギを磁気エネルギに変換可能であり、かつ第１変換要素に伝達可能であり、および／または他のセンサによって検出可能である。有利な実施形では、少なくとも１個の電気コイルに、軟磁性材料からなる少なくとも１個の強磁性コアが付設されている。
【００１４】
本発明の代替的な実施形では、第２変換要素は、第１変換要素の磁気エネルギを熱エネルギに変換できるように形成可能である。その際、第２変換要素は好ましくは少なくとも１個の短絡したまたは電気消費部を備えた電気コイルであり、この電気コイルには、１個または複数の強磁性コアを付設することができる。その際、第１変換要素の磁界のエネルギを熱エネルギに変換することは、いろいろな変換機構によって行うことができる。一方では、第１変換要素の磁界のエネルギは先ず最初に電気エネルギに変換され、続いてコイルのジュール加熱および／または例えばグロー線のような、コイルに接続された電気消費部のジュール加熱によって熱エネルギに変換される。他方では、コア材料の逆磁化の際のヒステリシス損失によっておよび／またはコア材料とコイルの周囲の伝導可能な材料内の渦電流損失によって、磁界エネルギを熱エネルギに直接変換することができる。選択されたコア材料と、コイルとコアの幾何および採寸に依存して、用途の筋書きに応じて、第２変換要素のいろいろな変形を、上記変換プロセスのいろいろな関与部分と共に実現することができる。
【００１５】
利用可能な変換プロセスに相互に影響を及ぼすことができる。例えば電気コイル内に配置されたコアの所定の選択によって、それぞれの変換プロセスの働きの強さに影響を及ぼすことができる。この選択はコア材料と幾何学的な採寸（形状、容積）に関する。電気コイルのワイヤ直径、巻数、巻線幅および巻線の種類の採寸も、第２変換要素の作用に影響を及ぼすことができる。
【００１６】
ジュール加熱のためには、比較的に大きな電流が好ましい。従って、大きな誘導電圧と、高透過性の軟磁性材料からなるコアが重要である。電気コイルのオーム抵抗の最適化が同様に有利であるので、変換される出力はできるだけ大きい。
【００１７】
ヒステリシス加熱のためには大きなヒステリシス損失が必要である。従って、大きな抗磁力と大きな飽和磁束密度を有するコア材料が有効である。逆磁化と磁化解除を可能にすべきである。そのために、半分の硬さの磁気コア材料が有利である。第１変換要素の磁界または第２変換要素によって発生した交番磁界のより大きな磁界強さは同様に、熱作用を改善することになる。他の影響パラメータはコアの幾何、例えば長さと幅の比である。この幾何は、コア内の磁化解除される磁界ができるだけ小さくなるように最適化可能である。
【００１８】
渦電流による加熱は常にヒステリシス加熱と組み合わせて生じる。その際、使用される材料の導電能力、変圧器の場合のように渦電流を回避するための層形成および交番磁界に対するシステムの伝導可能な構成部品の配向によって、影響を及ぼすことができる。
【００１９】
本発明に係るシステムの他の実施形では、少なくとも１個の他の変換要素がシステムの構成部品であってもよい。この他の変換要素は第３変換要素として、電気エネルギを運動エネルギ、特に振動または音波におよび／または逆に運動エネルギを電気エネルギに変換し、その際特に、収容要素内に保持された圧電要素または永久磁石である。
【００２０】
本発明の他の実施形では、単独でまたは第３変換要素に加えて、第４変換要素を設けることができる。この第４変換要素は第２変換要素の各エネルギ形態、特に電気エネルギおよび／または熱エネルギを、他のエネルギ形態、特に機械エネルギ（運動／位置エネルギ）および／または化学エネルギおよび／または電磁ビームに変換する。その際好ましくは、熱膨張の大きな要素、膨らまし袋、形状記憶材料、熱セルおよび／または電気化学セルおよび反応器および／または発光要素またはビーム放射要素が、第４変換要素の構成部品である。その際、他のエネルギ形態への第２変換要素のエネルギ形態の変換は、固体、液体またはガスの熱膨張および／またはメモリ効果および／または熱的または電気的な影響を受ける化学的反応および／または原子または分子のエネルギ吸収およびエネルギ放出によって達成可能である。
【００２１】
さらに、上記のすべての変換要素は、各エネルギ形態の直接的で局所的な更なる伝導のための要素および／またはシステムの周辺範囲にエネルギを適用するためのまたは組み込むための要素を含むことができる。これは特に、電気的、磁気的、熱的または音響的な導体、境界を付けるための要素または物質を搬送するための要素または機械的連結要素および結合要素である。
【００２２】
本発明に係るシステムは、第１および第２変換要素のほかに、第４変換要素を備えている。この第４変換要素は例えば第２変換要素の熱エネルギを運動エネルギに変換する。従って、第２と第４変換要素は熱伝導要素によって接続可能である。
【００２３】
本発明に係るシステムの第１変換要素は、第２、第３または第４の他のすべての変換要素の範囲から空間的に離れた第１範囲内に配置され、そしてこの変換要素に導電的に接続されていない。
【００２４】
第１変換要素が少なくとも１個の電気コイルを含んでいると、この電気コイルは周波数発生器、交流電圧源および／または電流および／または電圧を検出するための装置に接続可能である。それによって、可変の磁界が発生可能であり、および／またはそれとは逆に可変の磁界が電気信号に変換可能および検出可能である。第１変換要素が永久磁石を含んでいると、永久磁石の運動または回転によって同様に、可変の磁界または回転磁界または交番磁界を発生することができる。磁界に影響を及ぼすために、第１変換要素はさらに強磁性要素を含んでいてもよい。第１変換要素の少なくとも１個の電気コイルに交流電圧をかけることにより、第１変換要素によって、所定の周波数の交番磁界が発生させられると有利である。
【００２５】
第２変換要素が第１変換要素によって発生した交番磁界の中に配置されていると、第２変換要素の少なくとも１個の電気コイル内で、同じ周波数の電圧が誘導され、それによって磁気エネルギが電気エネルギに変換される。この電気エネルギはさらに、他のエネルギ形態に変換可能である。その際、振動または音波の形態の運動エネルギが有利である。この運動エネルギはシステムの周辺範囲内の、システムの構成部品である成形体または他の物体に組込み可能である。
【００２６】
そのために、第３変換要素を利用することができる。この第３変換要素が圧電変換要素であるときわめて有利である。圧電変換要素は第２変換要素を形成する電気コイルの２つの極に導電的に接続可能であり、誘導された電圧の周波数に対応して収縮する、すなわち少なくとも軸方向においてその長さを周期的に変更する。このような第３変換要素は収容要素内に固定保持可能である。この収容要素は機械的な結合部材として機能し、振動または音波のさらなる伝導、検出およびシステムの周辺範囲への組込みを可能にする。
【００２７】
それによって、圧電変換要素が上記のようにアクチュエータとして使用されるときは、第３変換要素を直接作動させることができる。その際、このアクチュエータは第２変換要素の電気コイルと共にハウジングまたは成形体内に配置可能である。
【００２８】
本発明に係るこのようなシステムの逆の運転の場合には、外部の運動、振動または音波から、圧電変換要素によって、電圧が発生させられ、従って運動エネルギが電気エネルギに変換される。第２変換要素の電気コイルと第３変換要素の圧電変換要素が互いに導電的に接続されていると、電流が第２変換要素の電気コイルを通って流れ、対応する磁界が発生させられる。この磁界の強化は軟磁性コアとそれに連結された漂遊磁界の形成部によって達成可能である。
【００２９】
圧電変換器に伝達される運動、振動または音波に依存して、交流または所定の脈動電流または不規則電流、ひいては変化する磁界が生じ得る。この磁界の磁気エネルギによってさらに、第１変換要素のコイルの電圧が誘導され、エネルギ変換が達成可能である。その際、第１変換要素はハウジングや成形体の外側におよびこれらを取り囲む物体または細胞組織の外側に配置することができる。
【００３０】
第１変換要素が誘導電圧を測定するための測定装置に接続可能であるので、第１変換要素の電流および／または電圧の測定を介して、第３変換要素の周辺範囲内での機械的および音響的プロセスの外部無線検出あるいは周波数および／または振幅に依存しておよび／または信号形態に依存して評価可能である定められた無線信号伝送が可能である。従って、本発明に係るシステムはセンサとして使用可能であり、このセンサの場合信号伝送は、発生した変化し得る磁界のエネルギ伝達を介して行われる。
【００３１】
このようにして第２変換要素のコイルによって発生した磁界の検出は、外部に配置された磁界センサによって可能である。例えば、本発明に係るシステムの一部が生物に固定されているときには、歩き方検出または運動形態検出まで含む歩数計としての使用が可能である。このような固定は二重機能で、例えば生物と一緒に動く身体プロテーゼ／オルテーゼで行うことができる。これに関連して、骨折範囲で用いる場合例えばボルト止めを介して、穴状組込み範囲を有する本発明に係るこのようなシステムを、伝統的な穴構造体を有する骨合成板または他の骨合成要素に摩擦連結的およびかみ合い連結的に固定することは、既に上述した治癒刺激のほかに、センサのような他の利点を生じる。骨折範囲の所定の物理的負荷の際、本発明に係るシステムは例えば骨合成板上で所定の信号を発生する。この信号は、骨合成の進歩または停滞または後退の全部を表現することができる。
【００３２】
本発明に係るシステム内で、少なくとも１個の第３および／または第４変換要素を、収容要素によって固定することができる。しかし、第２、第３および第４変換要素の任意の組み合わせを収容部内で固定することもできる。
【００３３】
少なくとも１個の輪郭要素が収容要素に形成されていると有利である。それによって、成形体に対する摩擦連結およびかみ合い連結が改善され、従って成形体への力伝達またはモーメント伝達および／または熱エネルギまたは他のエネルギ形態の伝達が達成される。そのためには、少なくとも１個の第３および／または第４変換要素を備えた収容要素が成形体内に組み込まれているかまたはこの成形体によって少なくとも部分的に取り囲まれていることで十分である。収容要素は少なくとも輪郭要素を形成した範囲において、取り囲む成形体または例えば生きた細胞組織のようなシステムの周辺範囲に届く。これは、成形体が例えばプロテーゼまたはインプラントまたは骨合成板または他の骨合成材料であるときに特に有利である。
【００３４】
少なくとも１個の第２、第３または第４変換要素のための収容要素は、各変換要素の用途および形状に応じて、有利には音響伝導材料および／または弾性変形可能材料によって少なくとも領域的に形成され、および／または音響を伝導するようにまたは弾性変形可能にまたは熱伝導可能にまたは断熱するように、導電可能にまたは電気絶縁するように形成されている。
【００３５】
収容要素は例えば弾性変形可能で熱伝導可能および導電性の材料、特にチタンまたはチタン合金によって形成可能である。
【００３６】
さらに、変換要素のための収容要素は少なくとも領域的に他の変換要素の構成部品として機能することができる。それによって、第２および／または第３変換要素の収容要素は少なくとも領域的に第４変換要素として形成可能である。これは特に、収容要素が熱エネルギをさらに伝導し、同時に少なくとも領域的に、ひずみプロセスまたは記憶プロセスによって運動エネルギに変換するときに有利である。
【００３７】
上記のような本発明に係るシステムは、強磁性ではないすべての成形体に入れることができる。この成形体は導電性であってもよい。さらに、人または動物の有機体、流体システム、ガス圧力容器および液体圧力容器並びに建築物おび支持構造体のような空間的に分離された他の範囲に、システムを入れることができる。システムはさらに、一方向にのみ運転可能である。すなわち、専らエネルギを供給することもできるし、専らセンサのように働く要素として機能することもできる。
【００３８】
１０Ｈｚ〜３０００Ｈｚの範囲、好ましくは１０Ｈｚ〜５０Ｈｚ、１２５Ｈｚ〜１７５Ｈｚおよび３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚの範囲の周波数を有する交番磁界を発生し、それによって少なくとも１個の第２変換要素の電気コイル内で上記周波数範囲内の電圧を誘導する第１変換要素によって、本発明に係るシステムを運転すると有利である。
【００３９】
第１変換要素の交番磁界を形成するために、例えば周波数発生器または所定のインバータ制御装置に接続された、交流電圧で負荷される電気コイルあるいは動く永久磁石を使用することができる。システムの運転のために、第１変換要素は収容要素内に収容された第２変換要素の電気コイルに十分に近づけなければならない。それによって、第２変換要素の電気コイル内で十分に大きな電圧を誘導することを保証する最大間隔を上回ることがない。関数発生器と第１変換要素の電気コイルの間で接続された、例えば１０倍増幅する増幅器によって、最大間隔を拡大するかまたは効力を高めることができる。周波数発生器は正弦状におよび場合によっては可変周波数で運転可能である。しかし、原理的には、周波数発生器の運転のために他の信号形状も使用可能である。
【００４０】
第１変換要素によって発生した交番磁界の磁界強度は、周波数発生器の電圧を介してあるいは増幅器によって影響を及ぼすことが可能である。これは最大間隔のほかに、第２変換要素の電気コイルに誘導された電圧と、そこに伝達されたエネルギに影響を及ぼす。
【００４１】
第２変換要素の電気コイルに誘導された電圧は、動かされる永久磁石を第１変換要素内で使用する場合、永久磁石の磁界強度、第２変換要素に対する間隔および永久磁石に作用する運動エネルギによって影響を及ぼすことが可能である。永久磁石の所定の極配向と運動方向によって、発生した磁界の方向、ひいては誘導電圧および第２変換要素の電気コイルを流れる電流に対して、影響を及ぼすことができる。これはさらに、方向に依存して第３変換要素に影響を及ぼすことができる。
【００４２】
ＢＩＯＴ−ＳＡＶＡＲＴの法則に従い、電気コイルの周りのすべての空間点での磁界強度は、電気コイルを流れる電流に直接比例する。これは本発明に係る第２変換要素の電気コイルの場所にも当てはまる。電気コイルの内部に配置された、軟磁性材料からなるコアを付加的に使用すると、非常に小さな磁界強さの場合既に、きわめて高い磁化が達成可能である。これはコア材料の選択によって付加的に影響を及ぼすことが可能である。軟磁性材料からなる使用されるコアの幾何に依存して、コア内の磁界強度を低減する磁化除去場がコア内に生じる。従って、この作用はコアの幾何によっても影響を及ぼすことができる。結果として、磁束密度がコア内に生じる。この磁束密度は磁界が増大する際にほとんど線形に変化する。さらに、細長い形によって、磁界線の配向が、第１変換要素の磁界の方向に比較的に依存しないで、コイル巻線に対して垂直に行われる。第２変換要素の電気コイルのコイル幾何、すなわち巻線の横断面積と巻数が変化しないので、このコイルを通る磁束は磁束密度の変化時のみ変化する。第２変換要素の電気コイル内の磁束密度の変化は、コア材料の磁化曲線に相応して行われ、そして励起のために使用される第１変換要素の交番磁界の磁界強度の周期的な変化によって生じる。磁界強度と磁束密度の間のスケーリングファクタは透過性である。誘導法則に従い、電気コイル内で誘導された電圧はコイル巻線を通る電力束のマイナスの時間的な変化に等しい。それによって、第２変換要素のコイル内の誘導電圧は、上記の構造体の場合、磁束密度変化のみに依存し、それによって電気コイルの励起周波数に比例すると共に、第１変換要素の磁界の磁界強度に比例する。第１変換要素の磁界はそのコイル内の電流の流れによって生じ、電流の強さに比例する。電流の強さは交流技術の法則に従って、コイルに印加された電圧と交流抵抗から生じる。この場合、電流の強さはコイルのオーム抵抗と誘導抵抗から生じる。例えば大きな線材直径によって達成可能であるような非常に小さいオーム抵抗の割合を無視すると、電流、ひいては第１変換要素の磁界強度は、誘導抵抗に依存し、それによって励起周波数に非直線的に比例する。要約すると、第２変換要素のコイルの誘導電圧と励起周波数の直接的な比例、第２変換要素のコイルの誘導電圧と第１変換要素の磁界強度の直接的な比例並びに励起周波数と第１変換要素の磁界強度の非直線的な比例から、上記の仮定および簡単化の下で、第２変換要素のコイル内に一定の誘導電圧が生じる。励起周波数が２倍になると、第２変換要素のコイル内で誘導された電圧は磁束密度が一定の場合同様に２倍になる。しかし、第１変換要素の磁界強度がコイルの誘導抵抗に起因する小さな電流によって半分になるので、磁束密度も半分に低下し、第２変換要素のコイルに誘導された電圧は合計が同じである。それによって、第２変換要素のコイル内で誘導された電圧の本発明に係る周波数依存性、ひいては周波数に依存しない、同じ強さの勾配の発生が利用可能であることが判った。
【００４３】
本発明に係るシステムのために、前述の第２変換要素によって得られる熱エネルギを運動エネルギに変換する第４変換要素が使用されると、熱膨張の効果または形状記憶材料の幾何の変化を利用することができる。そのために、第４変換要素として、温度に依存して少なくとも１つの次元で、寸法または長さが変化する要素を使用することができる。この要素は既に述べた収容要素の少なくとも一部とすることができる。このような第４変換要素はさらに、大きな熱伝導率を有する熱伝導要素を介して、電気的に短絡したまたは電気消費部に接続された第２変換要素のコイルの少なくとも部分範囲にまたはこのコイルに付設された強磁性コアに熱伝導的に連結されている。それによって、第４変換要素は所定の場所に融通をきかせて配置可能であり、そこで成形体またはシステムの周辺範囲への所望な作用が達成される。
【００４４】
第２変換要素の熱エネルギは熱伝導要素を介して次の場所へさらに案内することができる。この場所では、熱エネルギが化学エネルギに変換され、および／または反応器内での熱化学プロセスによってあるいはシステムの周辺範囲の構成部品および物質との反応によって、周囲の操作のために利用可能である。
【００４５】
電気コイルが磁気エネルギを電気エネルギに変換するために使用される第１変換要素を備えた本発明に係るシステムを運転する場合、コイルの運転電圧と、圧電変換器の活動によってこのコイルに付加的に誘導された電圧との重畳を行うことができる。誘導された電圧に対する、運転電圧の比は、比較的に大きくてもよく、例えば約１７０Ｖ対１０ｍＶである。従って、運転電圧から、得られた電圧信号を識別するめに、電圧の差の測定が有利である。
【００４６】
受信器としての外部の磁界センサによって測定する場合、同様なやり方が有利である。その場合、第１変換要素のコイルの運転によって直接発生させられた磁界と、圧電変換器の活動に基づいて第２変換要素の磁気コイルから発生した磁界との重畳を、差の測定時に考慮すべきである。
【００４７】
電圧信号または磁界信号の重畳に、付加的に周波数フィルタリングを受けさせると有利である。
【００４８】
電圧または磁界強度のこのような差の測定を回避すべきであるときには、第１変換要素の接続解除状態で、圧電変換器の活動と、場合によってはコアを上に配置した第２変換要素の電気コイルの活動によって形成された磁界の割合を測定することができる。この割合は例えばそれまでの磁気的な歴史およびまたはコアの残留ひずみによって影響を受ける。この場合、測定は上述のように、磁界センサによって直接的にあるいは第１変換要素のコイル内で誘導された電圧の測定によって行うことができる。
【００４９】
本発明に係るシステムの場合、第２変換要素、特に電気コイルを、圧電変換器として形成可能な第３変換要素に永久的に連結しないで、その連結を外部から誘発して切り換えることができる。これは例えばリード接点によって達成可能である。それによって、第３変換要素の圧電変換器が前もって機械的な力で付勢されているときには、この第３変換要素の圧電変換器の電圧を長く維持することができる。圧電変換器と電気コイルの間の電気的接続部の閉鎖時には、短時間にわたって、大きな電流を流すことができる。それによって、測定信号の良好な検出が可能になる。というのは、信号の強さが高められ、発生の時点が外部から誘発された切換えによって知られているからである。
【００５０】
第３変換要素の圧電変換器の材料としては、大きなヒステリシスを有するできるだけ軟らかい圧電材料を使用することができる。外形寸法が３×３×２ｍｍ３で、第１変換要素のコイルの運転電圧が（誘発されて切り換えられる運転で）１００Ｖである圧電変換器（積層アクチュエータ）の場合、２２μｍの横方向のひずみが達成可能である。この圧電変換器の電気容量は約２５ｎＦである。収容要素内で圧電変換器を固定する拘束保持力は１２０Ｎよりも大きい。
【００５１】
第３変換要素の圧電変換器は、交流電圧で励起する際に、体積振動を行う。強度センサによって横方向収縮が行われる。主ひずみ方向で分極させられた圧電変換器の場合、横方向収縮はポイゾン数（０．２８．．．０．３６）との掛け算によって得ることができる。圧電材料の動的強度は非常に高く、通常は１０ＧＰａよりも高い範囲内にある。本発明に係るシステムでは、横方向ひずみが利用される。この横方向ひずみは、薄い板状の収容要素に沿って伝達可能である。この収容要素はチタンまたはチタンバナジウムアルミニウム合金で形成可能であると有利である。第３変換要素の圧電変換器は加熱嵌め合いによってこの板状の収容要素に組込み可能である。第２変換要素の電気コイルの内部に配置された強磁性コアは同様に、加熱嵌め合いによって板状の収容要素に組込み可能である。それによって、振動の波の伝播の一部は、側方のウェブ／輪郭要素を介してのほかに、コア材料によって部分的に行われる。この場合、鋼とチタンが類似の音特性インピーダンスを有すること（鋼例えば５９００Ｎｓ／ｍ３  対  チタン６１００Ｎｓ／ｍ３）を利用することができる。
【００５２】
約２ｋＡ／ｍの磁界強度を有する、第１変換要素から発生した交番磁界は、第２変換要素の電気コイル内で、例えば少なくとも３００ｍＶの振幅と３００Ｈｚの周波数を有する電圧を誘導することができる。軟らかい圧電セラミックスからなる圧電変換器の機械的な応力−ひずみ−状態が、小さな電圧、例えば運転電圧の１０００分の１以下の電圧のときにはまだ線形であるので、このように運転される圧電変換器は本発明に係るシステム内で、例えば骨伝導音適用のような小さな出力音適用のために使用可能である。
【００５３】
第３変換要素としての圧電変換器は、本発明に係るシテムと共に、自給自足でおよび内部の電子制御装置なしに運転可能である。
【００５４】
第３変換要素としての分極された圧電積層アクチュエータは、飽和分極の下方の範囲内で、電界強さＥと機械的ひずみＳの間で直線的な関係を有する。これは、運転電圧の約３分の１以下の下側の電圧範囲または電界強さ範囲において、分極方向とは反対向きの運転のためにも当てはまる。しかし、１０Ｈｚよりも小さい周波数でのほとんど静的な運転では、Ｕ−Ｓ−特性曲線またはＥ−Ｓ−特性曲線は相違する。運転電圧は一般的に、半分の飽和電界強さに相当する電圧である。線形状態は外部から作用する一定の力の作用によって影響を受ける。電圧が一定の場合、圧電変換器の共振周波数のすっと下方で、機械的ひずみは周波数に依存しない。上記の積層アクチュエータの３３−方向の共鳴周波数は約６６０Ｈｚであり、それによって有利であると設定された運転周波数の上方にある。
【００５５】
次に、本発明を例示的に詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１．１】機械的エネルギを供給するための本発明に係るシステムの一部の例を部分的に切断して示す側面図である。
【図１．２】強磁性コアが見える、図１．１の例の切断側面図である。
【図２．１】機械的なエネルギを適用するための本発明に係るシステムの部分の例を示す横断面図である。
【図２．２】図２．１の例の側面図である。
【図３．１】熱伝導要素によって熱エネルギを適用するための本発明に係るシステムの部分の例の横断面図である。
【図３．２】図３．１の例の側面図である。
【図３．３】付加的な切換え要素を備えた、図３．１の例の側面図である。
【図４．１】組込みのため機械的エネルギおよび／または熱エネルギを成形体に加えるための、本発明に係るシステムの部分、いわゆる組込み構成要素の例を示す横断面図である。
【図４．２】特徴のある組込み範囲を有する、図４．１の組込み構成要素の例を上から見た図である。
【図４．３】特徴のある組込み範囲を有する、図４．１の組込み構成要素の例の側面図である。
【図４．４】特徴のある組込み範囲を有する成形体に組み込まれた、図４．１の組込み構成要素の例を上から見た図である。
【図５．１】見える組込み範囲によって機械的エネルギを加えるための、成形体内に垂直に入れられた組込み構成要素と、少なくとも１つの交番磁界と変位ベクトルを発生するための第１変換要素としての、外側に配置された２個のコイルとを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図５．２】見える組込みインターフェースによって機械的エネルギを加えるための、成形体内に水平に入れられた組込み構成要素と、少なくとも１つの交番磁界と変位ベクトルを発生するための第１変換要素としての、外側に配置された２個のコイルとを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図５．３】成形体上に付加的に配置されたセンサを備えた、図５．２の本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図５．４】成形体上に付加的に配置されたセンサと、成形体上に配置されたセンサのような多孔性プローブ体と、アクチュエータ−センサ−アクチュエータ−構造体を備えた、図５．２の本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図６．１】成形体内に垂直に入れられた、熱エネルギを発生するための組込み構成要素と、続いて機械エネルギに変換するための、第１変換要素としてのコイルを含めた変換要素とを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図７．１】成形体上に配置された、生物学的試料のための収容ユニット内に、機械的エネルギを加えるための、成形体内に水平に入れられた組込み構成要素と、成形体と収容ユニットの対向する２つの側に配置された、第１変換要素としての２個のコイルとを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図７．２】成形体上に配置された、生物学的試料のための収容ユニット内に、機械的エネルギを加えるための、成形体内に垂直に入れられた組込み構成要素と、成形体と収容ユニットの対向する２つの側に配置された、第１変換要素としての２個のコイルとを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図８．１】股関節プロテーゼとして形成された成形体に組み込まれた、機械的エネルギを加えるための組込み構成要素と、外側に配置された、第１変換要素およびセンサとしてのコイルとを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図８．２】股関節プロテーゼとして形成された成形体に組み込まれた、熱エネルギを発生するための２個の組込み構成要素と、続いて熱エネルギを機械的エネルギに変換するための２個の第４変換要素と、外側に配置された、第１変換要素およびセンサとしてのコイルとを備えた、本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図９．１】穴構造体を有する骨合成要素／骨合成板の例を示す。
【図９．２】組込み範囲内に穴構造体を有する本発明に係るシステムの例を示す平面図である。
【図９．３】組込み範囲内に穴構造体を有する本発明に係るシステムの例を示す側面図である。
【図９．４】ボルトなしに、穴構造体を有する骨合成要素／骨合成板の組込み範囲に、穴構造体を有する本発明に係るシステムを組み込む例の平面図である。
【図９．５】組込み範囲に穴構造体を有する本発明に係るシステムの例の側面図であり、この組込み範囲は熱容射を用いて例えばチタンバナジウムアルミニウム合金によって埋め込まれる。
【図９．６】ボルトなしに、穴構造体を有する骨合成要素／骨合成板の組込み範囲に、穴構造体を有する本発明に係るシステムを組み込む例を示し（平面図）、この組込み範囲は熱容射を用いて例えばチタンバナジウムアルミニウム合金によって埋め込まれる。
【図９．７】骨合成ボルト内にアンカー状の組込みインターフェースを備えた本発明に係るシステムの組込みの例を示す。
【図９．８】骨合成ボルト内に、スリーブまたは熱容射プラズマ層の形をした半径方向組込みインターフェースを備えた本発明に係るシステムの組込みの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図１．１と図１．２には、本発明に係るシステムの例が２つの見方で示してある。好ましくはチタンからなる収容要素１内に、第２変換要素としての電気コイル２と、第３変換要素としての圧電変換要素１５が収容されている。この圧電変換要素は積層された多数の板状の圧電素子によって形成され、かつ導電要素２５によって電気コイル２に導電的に接続されている。この接続は、電気コイル２と圧電変換要素１５に電圧が印加されるときに、圧電変換要素１５の収縮または膨張が達成されるように行われている。少なくとも圧電変換要素１５が収容要素１に摩擦連結またはかみ合い連結されているので、圧電変換要素１５のこの変化は収容要素１への力の作用または収容要素の変形を生じることになる。この力の作用または変形は、例えば振動または音波を、収容要素１に連結されているかまたは収容要素を少なくとも領域的に取り囲んでいる成形体１３内に組み込むために利用可能である。
【００５８】
組込みのこの効果を改善するために、図１．２に示すように、収容要素１上に輪郭要素１ａが設けられている。この輪郭要素は改善されたかみ合い連結と、より大きなてこ作用を生じることになる。本例の場合、輪郭要素１ａは鼻の形に形成されている。しかし、輪郭要素１ａのために、例えばフック状要素および／または折れ曲がった要素またはフランジのような他の幾何学的な形も選択することができる。
【００５９】
本例の場合、収容要素１は長方形の横断面を有する。圧電変換要素１５はセラミック層４によって取り囲まれている。圧電変換要素１５と電気コイル２の間の導電要素２５だけしかこのセラミック層を貫通しておらず、それによってシステムの構成部品の電気的絶縁および／または熱的絶縁が達成可能である。
【００６０】
収容要素１の側方において、第１変換要素の３つの変形が上下に示してある。この場合、第１変換要素の第１変形は、交番磁界を発生するために電気コイル９によって形成され、その下にある第２変形では、第１変換要素は電気コイル９内に配置された強磁性コア１０．１を付加的に含んでいる。その下にある第３変形の場合、電気コイル９の外に強磁性コア１０．２が配置されている。第１変換要素の図示した変形は組み合わせて代替的に用いることができる。さらに、図示では第１変換要素を収容要素１の側方に配置したが、それとは異なるように、個々のまたは複数の第１変換要素を配置することができる。
【００６１】
第１変換要素の上記変形により、例えば図示していない周波数発生器によって発生可能な交流電圧が第１変換要素の電気コイル９に供給されるときに、いろいろな周波数の交番磁界を発生することができる。第２変換要素の電気コイル２がこの交番磁界の周囲において交番磁界の十分近くにあると、この電気コイル内で電圧が誘導される。誘導された電圧を高めるために、コイル２内には、軟磁性材料からなる強磁性コア３が配置されている。圧電変換要素１５が導電要素２５によって電気コイル２に導電的に接続されているので、レンツの法則の影響を受ける誘導電圧の極性と経過に応じて、圧電変換要素１５が変形することになる。この変形は収容要素１とそれに取付けられた輪郭要素１ａを経て、周囲におよび特に図示していない連結された成形体に、振動または音波の形態で伝達可能である。
【００６２】
従って、本発明に係るシステムによって、少なくとも１個の第１変換要素が設けられた第１範囲から、空間的に分離され導電的に接続されていない、少なくとも１個の第２変換要素を備えた第２範囲へ、無線エネルギが伝達され、この第２範囲において圧電変換要素１５として形成された第３変換要素によって振動または音波が検出され、収容要素１によって周囲に伝達され、および／または連結された成形体内に組み込まれる。
【００６３】
図２．１と図２．２は、本発明に係るシステムの一部の複雑な構造を２つの見方で示している。第２変換要素としての電気コイル２が強磁性コア３を取り囲んでいるので、強磁性コアが電気コイル２の内部に配置されていることを確認することができる。電気コイル２、強磁性コア３および収容要素１の一部は、電気的絶縁および熱的絶縁の作用をする円筒状の複数のセラミック層４、６によって取り囲まれている。セラミック層４、６は誘電セラミック材料、好ましくは酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムによって形成可能である。
【００６４】
さらに、このセラミック層４、６を取り囲むモリブデンからなる層７が設けられている。このモリブデン層７はチタン製スリーブ８によって取り囲まれている。このスリーブは摩擦連結的、かみ合い連結的および／または材料連結的に層７に連結されている。スリーブの２つの端面が開放しているので、輪郭要素１ａまたはここでは図示していない熱伝導体５が端面から突出することができる。さらに、この構造体には、図示していない第３変換要素、例えば圧電変換器を組み込むことができる。
【００６５】
本発明に係るシステムの構成部品を上記のカプセル方式で組込み配置することにより、図示していない成形体内へのこの構成部品の簡単な組込みと、個々のシステム構成部品相互の電気的および熱的な絶縁および／またはシステム周辺範囲に対するシステム構成部品の電気的および熱的な絶縁が可能になる。以下において、この構成部品の組み込み配置構造全体を組み込み構成部品２８と呼ぶ。
【００６６】
図３．１と図３．２には、組込み構成要素２８の他の例、すなわち本発明に係るシステムの部分の複雑な構造の他の例が２つの見方で示してある。この場合再び、第２変換要素としての電気コイル２が収容要素１内にかみ合い連結的および／または摩擦連結的に収容され、さらに電気的絶縁および熱的絶縁の作用をする円筒状の複数のセラミック層４、６によって取り囲まれている。さらに再び、このセラミック層４、６を取り囲むモリブデンからなる層７が設けられ、この層はチタン製スリーブ８によって摩擦連結的、かみ合い連結的および／または材料連結的に取り囲まれている。
【００６７】
電気コイル２および／または図示していない強磁性コア３は熱伝導要素５に連結されている。この熱伝導要素は収容要素１から外に案内されている。その際、この熱伝導要素５は完全にまたは領域的にのみ外へ案内可能である。熱伝導要素５は例えばアルミニウム、銅またはこれらの元素の合金のような熱伝導性の良好な金属によって形成することができる。そのために貴金属またはチタンも使用可能である。さらに、形状記憶金属によって全体をまたは領域的に形成することができる。熱伝導要素５は、その都度の温度に依存してその長さ方向のひずみを変更する要素によっておよび大きな熱膨張係数を有する材料によって形成することができる。
【００６８】
図示したシステムの構成部品が図示していない第１変換要素によって発生した交番磁界内にあると、コイル２が短絡するかまたは電気消費部によって負荷される際の、コイル２内に誘導された電圧によって発生する電流の流れと、強磁性コア内のヒステリシス損失およびシステムの導電性構成部品内の渦電流は、電気コイル２と強磁性コア３を加熱することになる。熱伝導要素５への熱伝導により、この温度上昇は形状記憶金属または加熱時に膨張する要素の範囲にも達し、熱エネルギが機械的エネルギに変換される。
【００６９】
第４変換要素としての、付加的に熱活性化可能な要素１２、特に熱エネルギを機械的エネルギに変換する、例えば形状記憶金属からなるアクチュエータが設けられていると、この要素をスリーブ８の外に配置することができ、かつ熱伝導要素５によって、スリーブ８内に組み込まれた構成部品、特に電気コイル２および強磁性コア３に熱伝導するように連結することができる。
【００７０】
このような第４変換要素は、セラミック層４、６によって取り囲んでスリーブ８の内部に配置することができる。この場合、その都度の遷移温度を上回るときと下回るときの収容要素１の運動と、対応する収容要素の変形が可能であるように、第４変換要素を収容要素１に連結することができる。
【００７１】
図３．３は、付加的な切換え要素２６を備えた、図３．１と図３．２の組み込み構成部品２８の例を示している。この切換え要素によって、第１変換要素の交番磁界のエネルギを熱エネルギおよび／または電気エネルギに変換する時点に対しておよび／または第３変換要素および／または第４変換要素またはシステムの周辺範囲へのエネルギのさらなる伝導に対して、外部から誘発されて影響を及ぼすことができる。
【００７２】
特に、電気コイル２の短絡および／または電気コイル２と例えばグロー線のような電気的消費部との間の電気的接続および／または電気コイル２と例えば圧電変換器のような組み込まれた第３変換要素との間の接続および／または第４変換要素に対する電気的接続は、切換え要素２６としてのリード接点を用いて明確に行うことあるいは中断することが可能である。それによって、第２変換要素内での熱エネルギの発生時点にも影響を及ぼすことができる。それに伴い、明細書の一般的な部分で説明したように、機械的衝撃で負荷され検出のために利用される圧電変換器の放電の時点に対して、コイル２を介して影響を及ぼすことができる。
【００７３】
さらに、例えば熱伝導体５と、熱エネルギを機械エネルギに変換する第４変換要素との間の熱的な接続を、外部から誘発して行うことまたは中断することができる。そのために、切換え要素２６は例えばリード接点に加えてバイメタル要素を備えているかまたは全体をバイメタル要素として形成することが可能である。このバイメタル要素は変形時に熱的接触および場合よっては付加的に電気的接触を行うかまたは中断する。
【００７４】
図４．１は、図２．１の本発明に係るシステムの部分の横断面を例示的に示している。このシステムの部分は有利なことに成形体１３への組込みのために適していて、組込み構成要素２８を形成している。
【００７５】
図４．２と図４．３は組込み部品２８を上側から見た図と、側方から見た図である。その際、システムの部分を成形体に連結する組込み範囲２７は破線で囲まれている。この組込み範囲は収容ユニット１の一部あるいはそれに形成された輪郭要素１ａやスリーブ８の一部を含んでいてもよい。成形体１３と組込み構成要素２８の組込み範囲２７との連結は、例えば嵌め合いまたは締付け固定によっておよびろう付けまたは溶融プロセスによって行うことができる。
【００７６】
図４．４は、本発明に係る組込み構成要素２８が図４．１、図４．２および図４．３に従って組み込まれている成形体１３の部分を示している。その際、組込み範囲２７は破線によって囲まれている。さらに、成形体１３との連結を行う組込み構成要素の組込み範囲２７が、収容要素１に形成された輪郭要素１ａの範囲内にあることが明らかである。
【００７７】
図５．１と図５．２から、成形体１３に組み込まれた組込み構成要素２８を有する本発明に係るシステムの作用を例示的に察知することができる。その際、ここには示していない周波数発生器に接続された、第１変換要素としての両電気コイル９．１、９．２によって、交番磁界が発生させられる。この交番磁界によって、組込み構成要素２８内にある第２変換要素としての、ここには示していない電気コイル２内に、同じ周波数の電圧が誘導される。これは、第３変換要素としての圧電変換要素１５の上述の変形をもたらすことになる。相応する力のそれぞれの作用方向が図示した矢印２９によって示してある。組込み範囲２７を介しての組込み構成要素２８と成形体１３との連結により、作用する力によって発生した機械的な衝撃が波または振動として成形体１３に伝達されるかあるいはこの成形体に組み込まれる。電気コイル９．２の周りの破線の枠は、この電気コイルが電気コイル９．１とは無関係に作動可能あるかまたは完全に省略可能であることを示唆している。
【００７８】
その際、図５．１は、成形体１３内に垂直に入れられた組込み構成要素２８を示している。この場合、第１変換要素のコイル９．１、９．２は同様に垂直に配置されている。一方、図５．２は、第１変換要素の水平に配置されたコイル９．１、９．２を有する、成形体１３内に水平に入れられた組込み構成要素２８を示している。
【００７９】
図５．３は、付加的なセンサ１８を成形体１３に取付けた、図５．１の本発明に係るシステムを示している。このセンサによって、作用の監視または制御を行うことができる。センサ１８としては例えば加速度センサ、温度センサ、磁界センサ、電界プローブまたは音響センサを使用することができる。その際、センサ１８は測定信号をスカラでおよび方向に依存して検出することができる。その際、システムの作用に影響を与えることは、センサ１８と組込みモジュール２８の部分の間に直接配置された導体要素を介しておよび一般的な部分で説明したように、外部範囲から無線で供給された信号によって行うことができる。
【００８０】
図５．４は、センサのように働く多孔体３０と、この多孔体に作用するかまたはこの多孔体と不可分である略示したセンサ−アクチュエータ−ネットワーク３１とが成形体１３に付加的に設けられている、図５．３の本発明に係るシステムを示している。
【００８１】
センサのように働く多孔体３０の周囲には、例えば多孔体に少なくとも部分的に侵入し、本発明に係るシステムによって機械的衝撃、波または振動が加えられる液体またはガスが存在していてもよい。この物質の例えば圧力、温度または流れ挙動のような周囲の物理特性が外的原因で変化すると、これは、本発明に係るシステムによる機械的または音響的励起に対する、センサのように働く多孔体３０内に含まれる物質の敏感に変化する応答挙動をもたらすことになる。この応答挙動はさらに、図示したセンサ−アクチュエータ−ネットワーク３１によって検出可能であり、従って相応する物理量の敏感な測定を可能にする。
【００８２】
図６．１は、第４変換要素として変形可能な要素３２を備えた、本発明に係るシステムの例を示している。この変形可能な要素は成形体１３上に配置され、イニシエータ要素３３に接続されている。このイニシエータ要素は変形可能な要素３２の変形を開始することができる。変形可能な要素３２は変形した形３２ａが破線で示してある。成形体１３内には組込み構成要素２８が入れられている。この組込み構成要素はここでは図示していない導体要素または成形体を介してイニシエータ要素３３に直接接続されている。それによって、システムの動作時に組込み構成要素２８内で発生したエネルギを、直接的な形でまたは変換された形でイニシエータ要素３３に伝達することができる。接続はイニシエータ要素３３の種類に応じて電気的、熱的、音響的、機械的、物質的または化学的な性質とすることができる。イニシエータ要素３３は例えば、大きな熱膨張係数を有する材料からなるロック要素である。このロック要素は熱で発生させられた開始過程の際に、変形可能な要素３２としての予緊張されたばね要素の蓄積エネルギが、膨張を許可することによって再解放される。さらに、化学的反応器または膨らまし袋がイニシエータ要素３３として機能を発揮することができる。
【００８３】
ここで例示的に説明した本発明に係るシステムは特に、成形体と、取り巻く物体またはその周辺との失われた接触を再び行う再錠止システムまたは再ロックシステムとして適している。
【００８４】
図７．１と図７．２は成形体１３に組み込まれた生物学的試料のための収容部２１を備えた本発明に係るシステムの２つの変形を示している。第１変換要素としての２個の電気コイル９．１、９．２は成形体１３と収容部２１の対向する２つの側に配置されている。成形体１３内には組込み構成要素２８が設けられている。両変形は、収容部２１に対する電気コイル９．１、９．２と組込み構成要素２８の向きが異なっている。この場合、図７．１は水平な配置を示し、図７．２は垂直な配置を示している。図示したシステムによって、収容部２１内に含まれる生物学的な試料に対して、振動によって影響を及ぼすことができる。
【００８５】
両電気コイル９．１、９．２が、図７．２のコイル９．２の周りの破線の枠によって示唆するように、互いに独立して交互にまたは時間的にずらして作動させることが可能であるので、成形体内に組み込まれた振動または音波の伝播方向に影響を及ぼすことができる。コイルの一方を単独で使用することもできる。第１変換要素の複数の電気コイル９のこのような配置は、本発明の他の実施形および適用の場合にも使用可能である。
【００８６】
この例の場合さらに、センサ１８が設けられている。このセンサによって、本発明に係るシステムの作用が前述のように監視され、および／または制御を実現することができる。
【００８７】
図８．１と図８．２は本発明に係るシステムの有利な使用例を示している。
【００８８】
図８．１では、機械的エネルギを発生し、伝達しそして組み込むための組込み構成要素２８が、成形体１３としての股関節用プロテーゼ内に収容されている。プロテーゼの一部が大腿骨２２．１に接している。プロテーゼの球は骨盤２２．２内に保持されている。それぞれの生物の外側で外皮２３の上方に、第１変換要素としての電気コイル９が間隔をおいて配置されている。コイル９から発生した交番磁界は、前述のように、第２変換要素としての電気コイル２と、この電気コイルに電気的に接続された第３変換要素としての圧電変換器１５とによって、輪郭要素１ａを備えた収容要素１を経て、機械的振動および波を、成形体としてのプロテーゼおよびその周辺範囲に組み込む。この両変換要素は組込み構成要素２８内に設けられている。それによって、骨組織内へのプロテーゼの食い込みを促進することができる。
【００８９】
さらに、骨内でのプロテーゼの固着の強度を後で検査することができる。そのために例えば、第２変換要素の電気コイル２から発生した交番磁界または磁気信号が、逆に動作する第１変換要素としての電気コイル９によって検出および評価される。これは、例えばプロテーゼの形をした成形体１３の振動または変形に起因して、電圧が第３変換要素１５としての圧電変換要素によって発生するときに起こり得る。それによって生じかつ圧電変換要素に直接接続された電気コイル２を通って流れる電流によって、交番磁界が発生させられる。この交番磁界は第１変換要素のコイル９によって検出および評価可能である。
【００９０】
建築部品監視または支持体監視のような代替的な用途のために、例えばポルディハンマ／職人ハンマあるいは他の音響信号発生器による硬さ試験の場合のように、センサのように作用する成形体１３のこのような振動または変形を明確に発生することができる。このやり方によってさらに、成形体自体とその周辺および成形体と周辺の間の接続個所の応力状態の変化を検出することができる。
【００９１】
第２変換器のコイル２から発生した磁界の測定は、外部に配置された磁界センサまたはセンサ１８としての別個のセンサコイルによって測定され、続いて評価される。
【００９２】
図８．２には、熱エネルギを発生および伝達するための２個の組込み構成要素２８が成形体１３としての股関節用プロテーゼ内に収容されている。プロテーゼの一部は大腿骨２２．１に接している。プロテーゼの球は骨盤２２．２内に保持されている。それぞれの生物の外側で外皮２３の上方に、第１変換要素としての電気コイル９が間隔をおいて配置されている。コイル９から発生した交番磁界は、前述のように、組込み構成要素２８内にある両第２変換要素を介して、ジュール加熱およびヒステリシス損失と渦電流損失の原理により、組込み構成要素２８の少なくとも部品、特にそのコイル２および／または組み込まれた強磁性コア３の加熱を行う。第４変換要素としての変形可能な要素３２によって、この熱エネルギの少なくとも一部を運動エネルギに変換することができる。それによって例えば骨組織内でのプロテーゼの再固着を達成することができる。
【００９３】
本発明に係るシステム、特に前述の例の場合、電気コイル２内に配置された第２変換要素の強磁性コア３は例えば長さが６ｍｍで、外形が２ｍｍである。コア素材は例えば、商標ＰＥＲＭＥＮＯＲＭ  ５０００Ｈ２で市販されている軟磁性材料または商標ＶＡＣＯＺＥＴ  ２５８で市販されている半分の硬さの磁気材料である。前者の材料は、１．５５Ｔの飽和分極を有するニッケル−鉄−合金である。後者の材料は、１．４Ｔの残留誘導と１〜５ｋＡ／ｃｍの抗磁力を有するコバルト−ニッケル−合金である。
【００９４】
第２変換要素の強磁性コア３は、本発明に係るシステムの場合には、熱エネルギを発生するために、好ましくは短絡する電気コイル２に巻き付け可能である。
【００９５】
第２変換要素の電気コイル２は、線径が０．１８ｍｍで巻数がＮ＝１００の銅線で作ることができる。縦軸方向のその長さは５〜６ｍｍである。
【００９６】
組込みユニット２８の構成要素を熱的におよび電気的に絶縁する場合、１０００°Ｃ〜１６００°Ｃの温度耐性と、０．４８ [Ｗ／ｍＫ] 〜 ２．１ [Ｗ／ｍＫ]の熱伝導性と、７×１０−６ [１／Ｋ] 〜 １４×１０−６ [１／Ｋ]の熱膨張と、１０８〜１０９Ωｃｍの電気的な比抵抗と、５ｋＶ／ｍｍの誘電性電気強度を保つことが有利である。
【００９７】
本発明に係るシステムを作動させるために必要である、第１変換要素から生じる交番磁界は、１個または複数の可動の永久磁石によっておよび／または１個または複数の強磁性コア１０を付設可能な電気コイルまたは電気コイルの組み合わせによって発生させることができる。
【００９８】
図９．１には、成形体１３の例として、骨折要素のボルト止めのために使用されるような、穴構造体１４．１を有する骨合成板が示してある。
【００９９】
図９．２には、本発明に係るシステムの例として、チタンスリーブ８内の音響的な励起ユニットが平面図で示してある。このチタンスリーブは両端に配置されたボルト止め状の輪郭要素１ａを備え、この輪郭要素は適当な穴構造体１４．２を有する。
【０１００】
図９．３はチタンスリーブ８内の音響的な励起ユニットの側面図である。このチタンスリーブは両端に配置されたボルト止め状の輪郭要素１ａを備え、この輪郭要素は適当な穴構造体１４．２を有する。
【０１０１】
図９．４には、図９．１に示した穴構造体１４．１を有する骨合成板１３に載せられた、図９．２と図９．３に示した、適当な穴構造体１４．２を有する、両端に配置されたボルト止め状の輪郭要素１ａを備えたチタンスリーブ８内の音響的な励起ユニットが平面図で示してある。この場合、両穴構造体１４．１、１４．２はかみ合い連結的に上下に配置され、それによって両要素の相互のおよび／または骨折部との摩擦連結的なボルト止めが可能になる。スリーブ内に配置された音響的励起ユニットから出る骨刺激性の機械音響的振動は、骨合成板１３に摩擦連結的に加えられ、かつ骨折部のボルト止め部を介して骨に直接加えられる。骨合成板は骨折範囲内の機械形質導入を局所的に励起する。
【０１０２】
図９．５には、ここではチタンスリーブ８に埋め込まれた音響的な励起ユニットが側面図で示してあり、このチタンスリーブはそれの両端に配置された、穴構造体１４．２を有するボルト止め状の輪郭要素１ａを備えている。この励起ユニットはチタンバナジウムアルミニウム合金の加熱容射によって生物活性的に被包される。
【０１０３】
図９．６には、図９．５に示した音響的な励起ユニットが、図９．４と同様に、図９．１に示した穴構造体１４．１を有する骨合成板１３に載せられ、その際、両穴構造体１４．１、１４．２はかみ合い連結的に上下に配置され、それによって両要素の相互のおよび／または骨折部との摩擦連結的なボルト止めが可能になるように載せられる。スリーブ内に配置された音響的励起ユニットから出る骨刺激性の機械音響的振動は、骨合成板１３に摩擦連結的に加えられ、かつ骨折部のボルト止め部を介して骨に直接加えられる。骨合成板は骨折範囲内の機械形質導入を局所的に励起する。
【０１０４】
図９．７には、アンカー状の組込み範囲２７を備えた本発明に係るシステムの、骨合成ボルト（成形体）１３内への組込みが示され、この骨合成ボルトは音響的励起ユニット（組込み構成要素）２８の前と後に配置されたねじ２４を有する。
【０１０５】
図９．８には、スリーブ８または加熱容射プラズマ層の形をした、穴１４．３内への半径方向組込み個所を備えた本発明に係るシステムの、骨合成ボルト（成形体）１３内への組込みが示され、この骨合成ボルトは音響的励起ユニット（組込み構成要素）２８の前と後に配置されたねじ２４を有する。
【０１０６】
図９．７と図９．８では、音響的励起ユニット（組込み構成要素）２８の前と後に配置されたねじ２４を有する、スリーブ内に配置された組込み構成要素２８から出る骨刺激性の機械音響的振動を、骨合成ボルト１３に摩擦連結的に加え、かつ骨折部のボルト止め部を介して骨に直接加えることができる。骨合成ボルトは骨折範囲内の機械形質導入を局所的に励起する。
【０１０７】
例では単一構成要素として形成された、本発明にかかるシステムのすべての構成要素、特に第１、第２、第３および第４の変換要素と、収容要素および伝導要素は、多重に設けてもよいし、本発明に係るシステムの構成部品と組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１  収容要素
１ａ  輪郭要素
２  第２変換要素の電気コイル
３  第２変換要素の強磁性コア
４  第１セラミック層
５  熱伝導要素
６  第２セラミック層
７  モリブデン層
８  チタンスリーブ／チタンプラズマカバー
９  第１変換要素の電気コイル
９．１  第１変換要素の第１電気コイル
９．２  第１変換要素の第２電気コイル
１０  第１変換要素の強磁性コア
１２  熱活性可能な要素／第４変換要素
１３  成形体
１４．１  成形体内の（例えば骨合成板内の）穴
１４．２  組込み構成要素内の穴
１４．３  成形体内の（例えば骨合成ボルト内の）穴
１５  圧電変換要素／第３変換要素
１８  センサ
２１  生物学的試料のための収容部
２２．１  大腿骨
２２．２  骨盤
２３  外皮
２４  ねじ
２５  電気伝導要素
２６  切換え要素
２７  組込み範囲
２８  組込み構成要素
２９  力の作用方向
３０  センサのように作用する多孔体
３１  センサ−アクチュエータ−ネットワーク
３２  変形可能な要素／第４変換要素
３２ａ  変形した変形可能な要素／第４変換要素
３３  イニシエータ要素
【図１．１】
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【図１．２】
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【図２．１】
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【図２．２】
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【図３．１】
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【図３．２】
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【図３．３】
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【図４．１】
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【図４．２】
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【図４．３】
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【図４．４】
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【図５．１】
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【図５．２】
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【図５．３】
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【図５．４】
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【図６．１】
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【図７．１】
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【図７．２】
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【図８．１】
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【図８．２】
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【図９．１】
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【図９．２】
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【図９．３】
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【図９．４】
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【図９．５】
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【図９．６】
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【図９．７】
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【図９．８】
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【国際調査報告】
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2018533351.tif 000032
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