DE10113208B4

DE10113208B4 - Biegsame Welle zur Übertragung von Drehbewegung

Info

Publication number: DE10113208B4
Application number: DE10113208A
Authority: DE
Inventors: Toshizumi Tanaka
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: DE10113208A1; US6726568B2; US20010052721A1; JP2001286963A; JP3858560B2

Abstract

Biegsame Welle zur Übertragung von Drehbewegungen auf ein an ihrem Ende befestigtes Drehelement (6), mit
– einer Übertragungswelle (7) aus mehreren Lagen (20, 21) von schraubenlinienförmig parallel nebeneinander gewickelten Metalldrähten, die jeweils an ihren beiden Enden befestigt sind, um Drehbewegungen übertragen zu können, und von denen mindestens eine innere Lage (21) aus durchgehend eng nebeneinander liegenden Drahtwicklungen besteht, und
– einer die Übertragungswelle (7) eng umgebenden drehfesten flexiblen Hülse (3), an deren Ende das Drehelement (6) drehbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– mindestens eine aus mehreren einzelnen Drähten gebildete äußere Lage (20) mit eng gewickelten Wicklungsabschnitten (22) versehen ist, die von benachbarten eng gewickelten Wicklungsabschnitten durch einen Spalt (R) beabstandet sind, dessen Breite etwa dem Drahtdurchmesser entspricht

Description

Die Erfindung betrifft eine biegsame Welle zur Übertragung von Drehbewegungen auf ein an ihrem Ende befestigtes Drehelement sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen biegsamen Welle.

Biegsame Wellen werden in der Regel zur Übertragung von Drehbewegungen eines Drehantriebs auf ein an ihrem äußeren Ende befestigtes Drehelement eingesetzt. Die biegsame Übertragungswelle ist meist von einer flexible Hülle umgeben, deren eines oder auch beide Enden mit einem drehfesten Element fest verbunden sind. Der Drehantrieb der Welle kann manuell erfolgen oder z.B. einen Elektromotor enthalten, dessen Abtriebswelle mit dem distalen Ende der Übertragungswelle verbunden ist.

Bekannte biegsame Wellen werden durch schraubenlinienförmiges Aufwickeln von Federmetalldrähten gebildet. Um Drehbewegungen sicherer und genauer zu übertragen, bestehen diese biegsamen Wellen regelmäßig aus einer inneren und einer äußeren Wicklungslage. Es sind auch bereits biegsame Wellen mit Dreifachwicklungen bekannt, insbesondere für die Übertragung von Drehbewegungen in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung. Um Verzögerungen bei der Drehübertragung an ein endseitiges Drehelement zu verhindern und um den Betrieb des Drehelements zu stabilisieren, sind die Metalldrähte in enger gegenseitiger Anlage gewickelt.

Durch die in einer Lage eng aneinander anliegenden ein- oder mehrlagigen Wicklungen sind die Wellen in beliebigen Biegerichtungen flexibel und können Drehungen schnell und sicher an ihr vorderes Ende übertragen, da die Wicklung in Längsrichtung nicht mehr kontrahierbar ist.

Bei Anlegen einer Drehkraft an ein Ende der Welle wird die Wicklung bis zum vorderen distalen Ende zu einem in Zugrichtung im wesentlichen starren Element festgezogen, ohne daß sich ihr Durchmesser ändert. Beim Biegen der Welle öffnen sich Zwischenräume an der radialen Außenseite des gebogenen Abschnitts. Dies beeinflußt jedoch die Drehübertragung der Welle nicht, da die Schraubenlinien an der radialen Innenseite des gebogenen Abschnittes gegeneinander gepreßt werden. Derartige ein- oder mehrlagige Übertragungswellen sind in der Regel in eine flexible Hülse eingesetzt. Die Spaltbreite zwischen der Übertragungswelle und der Hülse ist so klein wie möglich, weil in der Übertragungswelle während ihrer Drehung radiale Schwingungen auftreten können, wenn zwischen dem Außendurchmesser der Übertragungswelle und dem Innendurchmesser der Hülse eine größere Differenz besteht. Wenn ein Steuerkabel gebogen wird, werden die Hülse und die Übertragungswelle getrennt voneinander gebogen. Die Hülse wird an ihrer radialen Außenseite eines gebogenen Abschnittes gedehnt und an der radialen Innenseite des gebogenen Abschnittes kontrahiert, was einen entsprechend abgeflachten Querschnitt ergibt. Demgegenüber erfahren die eng gewickelten Lagen der Übertragungswelle keine wesentlichen Änderungen, weder in bezug auf den Durchmesser noch in bezug auf die Ganghöhe der Schraubenlinien an der radialen Innenseite des gebogenen Abschnitts, obwohl sich die Ganghöhe der Schraubenlinien an der radialen Außenseite des gebogenen Abschnitts vergrößert. Gleichzeitig wird im gebogenen Abschnitt die Übertragungswelle gegen die innere Oberfläche der flexiblen Hülse gedrückt, was eine erhöhte Reibung und damit einen größeren Widerstand gegen die Drehbewegung der Übertragungswelle bewirkt. Darüber hinaus ergibt sich auch ein erhöhter Verschleiß der Hülse in denjenigen Wellenabschnitten, die häufig mehr oder weniger engen Biegungen unterworfen sind.

Ferner ist der Innenraum einer eng gewickelten Welle weitgehend geschlossen, so daß eine Flüssigkeit nur schwierig in die aus Übertragungswelle und Hülse gebildete biegsame Welle eingeleitet werden kann. Das Austreiben von eingeschlossener Luft durch die eingeleitete Flüssigkeit bereitet weitere Schwierigkeiten.

Aus der US 6 004 273 ist eine biegsame Welle bekannt, die zur Übertragung von Drehbewegungen einer Ultraschallsonde eingesetzt wird. Diese biegsame Welle ist von dem vorstehend erläuterten Typ und weist eine in einer flexiblen Hülse koaxial angeordnete Übertragungswelle auf, die aus zwei Lagen eng aneinander anliegend gewickelter Drähte besteht. Zwischen der äußeren Drahtlage und der flexiblen Hülse befindet sich ein relativ breiter ringzylindrischer Spalt, dessen Breite durch eine endseitige Buchse festgelegt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine biegsame Welle von einfachem Aufbau zu schaffen, die in beliebigen Biegerichtungen eine verbesserte Flexibilität aufweist und Drehbewegungen mit vermindertem Widerstand gleichmäßig übertragen kann. Diese Welle soll ferner auf einfache Weise hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des geltenden Anspruchs 1 gelöst. Die angestrebt einfache Herstellung einer biegsamen Welle erfolgt durch die im Anspruch 6 angegebenen Maßnahmen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ultraschallsonde mit einer biegsamen Welle im Längsschnitt;
2 einen Abschnitt einer biegsamen Welle in teilgeschnittener Seitenansicht;
3 schematisch einen Vorgang zum Herstellen einer biegsamen Welle.
Die erfindungsgemäße biegsame Welle kann in einer in 1 dargestellten Ultraschallsonde verwendet werden, um ein am vorderen distalen Ende der Sonde befestigtes Ultraschall-Meßelement fernbetätigt für radiale Abtastungen rotatorisch anzutreiben. Eine Ultraschallsonde ist lediglich ein Anwendungsbeispiel und die biegsame Welle der Erfindung ist nicht auf diese Anwendung begrenzt.
Die in 1 dargestellte Ultraschallsonde 1 enthält einen Drehantrieb 2 und ein Ultraschallmeßelement 5, das in einer Kappe aus starrem Material drehbar gelagert ist, welche mit dem vorderen Ende einer langgestreckten flexiblen Hülse 3 verbunden ist. Das Ultraschall-Meßelement 5 vom Radial-Abtast-Typ ist an einem schlittenartigen Halteelement 6 verdrehbar in der Kappe 4 angebracht. In diesem Fall ist das Ultraschall-Meßelement 5 am Halteelement 6 ein durch Fernbetätigung angetriebenes Drehelement, wobei das Halteelement 6 mit einem vorderen distalen Ende einer flexiblen Übertragungswelle 7 verbunden ist.
Die biegsame Welle besteht aus der flexiblen Hülse 3 und der darin angeordneten flexiblen Übertragungswelle 7. Mittels dieser biegsamen Welle wird das Ultraschall-Meßelement 5 beispielsweise in einen Körperhohlraum eingeführt und durch Fernbetätigung rotorisch angetrieben, um radiale Abtastungen vorzunehmen. Wenn ein äußeres Ende der flexiblen Übertragungswelle 7 gedreht wird, wird diese Drehung auf das an ihrem distalen Ende befestigtes Tragelement 6 übertragen und das Ultraschall-Meßelement 5 wird zusammen mit seinem Tragelement gedreht. Bei einer Ultraschalluntersuchung wird das in einen Körperhohlraum eingeführte Ultraschall-Meßelement 5 durch Fernbetätigung so gedreht, daß es in vorgegeben Winkelintervallen Ultraschallimpulse in den Körper des Patienten sendet und Echosignale der gesendeten Ultraschallimpuse empfängt.
Nach 1 ist das proximale Ende der Übertragungswelle 7 mit einer Welle 8 verbunden, die mit der Abtriebswelle eines im Abschnitt 2 angeordneten Motors gekoppelt ist. Das proximale Ende der flexiblen Hülse 3 ist am vorderen Ende eines Verbindungsrohrs befestigt, dessen anderes Ende über eine Buchse 2a mit dem Gehäuse des Abschnitts 2 lösbar verbunden ist. Eine Fluideinleitung 10 dient zum Einleiten einer Ultraschall-Übertragungsflüssigkeit in den Innenraum der Hülse 3. Diese Fluideinleitung 10 ist mit einem Anschluß 9a am Verbindungsrohr 9 lösbar verbunden. Durch diese Fluideinleitung 10 kann in sämtliche Innenräume der Ultraschallsonde von der Hülse 3 bis zur Endkappe 4 ein Ultraschall-Übertragungsmedium eingeleitet werden. Zwischen der Welle 8 und der inneren Umfangsfläche des Verbindungsrohrs 9 ist ein elastischer Dichtungsring 11 eingesetzt, um den Innenraum der Ultraschallsonde hermetisch abzudichten und ein Entweichen des eingefüllten Ultraschall-Übertragungsmediums zu verhindern. Ein nicht dargestelltes Signalkabel verläuft durch den Innenraum der Übertragungswelle 7 zum Ultraschall-Meßelement 5. Das Ende dieses Signalkabels ist über einen Gleitring und einen Drehanschluß mit dem Abschnitt 2 verbunden.
Die in 2 im Teilschnitt gezeigte flexible Übertragungswelle 7 ist in zweilagiger Wicklungskonstruktion ausgeführt und weist eine äußere Lage 20 und eine innere Lage 21 auf. Die innere Lage 21 ist als eng gewickelte Wicklung ausgeführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die äußere Lage 20 aus vier Metalldrähten 22a bis 22d, die dicht nebeneinander zu Abschnitten 22 gewickelt sind. Diese Wicklungsabschnitte 22 sind voneinander durch einen Spalt R mit vorgegebener Breite getrennt.
Die innere Lage 21 hat eine eng gewickelte Wicklung, deren Schraubenlinien über die gesamte axiale Länge eng geschlossen sind. Diese innere Lage 21 kann durch enges Wickeln eines einzigen Metalldrahtes gebildet sein. Um die inneren und äußeren Lagen in bezug auf den Schrägungswinkel in Übereinstimmung zu bringen und um eine Drehung gleichmäßig zu übertragen, kann die innere Lage 21 aus mehreren Drähten bzw. Wicklungen ähnlich wie die äußere Lage 20 gebildet sein. Die innere Lage 21 besitzt einen Außendurchmesser, der etwa gleich dem Innendurchmesser der äußeren Lage 20 ist, so daß die beiden Lage 20, 21 in engem gegenseitigen Kontakt sind, wenn die innere Lage 21 zur Bildung der Übertragungswelle 7 in die äußere Lage 20 eingesetzt ist.
In der äußeren Lage 22 der Übertragungswelle 7 sind die Wicklungen 22b und 22c durch den Spalt R voneinander getrennt. Wenn die äußere Lage 20 gebogen wird, liegen diese Drahtwicklungen 22b und 22c an der Innenseite des gebogenen Abschnitts enger nebeneinander, so daß die äußere Lage 20 leicht und mit geringerem Widerstand gebogen werden kann. Damit erhält die flexible Übertragungswelle 7 in beliebiger Biegerichtung eine höhere Flexibilität, so daß die Ultraschallsonde 1 beim Einführen in einen Körperhohlraum mit geringerem Widerstand gebogen werden kann, was verminderte Schmerzen des Patienten beim Einführen der Ultraschallsonde bedeutet.
Die äußere Lage 20 ist aus mehreren einzelnen Drähten 22a bis 22d gebildet, die in den Abschnitten 22 eng gewickelt sind. Daher treten bei einer Drehübertragung zwischen den Drähten 22b und 22c praktisch keine Änderungen der Spaltbreite beim Biegen der Welle auf. Die Abschnitte 22 beeinflussen die Drehübertragung nicht, wobei die Drehbewegungen verzögerungsfrei durch die Übertragungswelle 7 übertragen werden.
Wenn die Übertragungswelle 7 in der flexiblen Hülle 3 gebogen wird, werden die Drahtwicklungen 22b und 22c an der radialen Innenseite des gebogenen Abstands aufeinander zu bewegt, wodurch der Spalt R schmaler wird. Dadurch wird eine Längendifferenz zwischen der flexiblen Hülse 3 und der Übertragungswelle 7 im gebogenen Abschnitt verhindert und die Rückbiegungskräfte werden verringert. Selbst wenn im gebogenen Abschnitt die Übertragungswelle 7 gegen die inneren Oberflächen der gebogenen Hülse 3 angedrückt werden sollte, ist diese Druckkraft gering, so daß die aus dem Gleitkontakt zwischen der Übertragungswelle 7 und der Hülse 3 resultierende Reibung wesentlich verringert ist. Darüber hinaus sind durch die in der äußeren Lage 20 vorgesehenen Abschnitte 22 mit dem Spalt R die Kontaktflächen zwischen der Übertragungswelle 7 und der Hülse 3 verkleinert, was eine weitere Verminderung der Reibung ergibt. Als Ergebnis kann die flexible Übertragungswelle 7 Drehungen gleichmäßig bei verringerter Last und verminderten Unregelmäßigkeiten der Drehbewegungen übertragen.
Wenn die Übertragungswelle 7 geradlinig ausgerichtet ist, hat der Spalt R zwischen den Wicklungsabschnitten 22 eine relativ große Spaltbreite, so daß eine Ultraschall-Übertragungsflüssigkeit aus der Fluideinleitung 10 in die Hülse 3 einfach eingeführt und dabei die ursprünglich vorhandene Luft verdrängt werden kann.
Die mit einem Spalt R gewickelten Abschnitte 22 können nicht nur in der äußeren Lage 20, sondern auch in der inneren Lage 21 vorgesehen sein, um der Übertragungswelle eine höhere Flexibilität in Biegerichtung zu verleihen und die Rückstellkräfte zu vermindern, wobei auch in diesem Fall das Ultraschall-Übertragungsmedium gleichmäßig eingeführt werden kann. Wenn die Übertragungswelle aus drei Lagen besteht, kann die aus den durch einen Spalt R getrennten Abschnitten bestehende Lage für alle oder wenigstens für eine der Lagen übernommen werden.
Die aus den Abschnitten 22 gebildete Lage 20 kann durch das folgende Verfahren hergestellt werden. In der folgenden Beschreibung wird diese Lage aus vier eng nebeneinandergewickelten Einzeldrähten gebildet.
Selbstverständlich kann die Anzahl der Einzeldrähte und auch die Breite des zwischen den Abschnitten gebildeten Spaltes beliebig festgesetzt sein. Falls gewünscht, kann diese Lage beispielsweise aus sechs Einzeldrähten gebildet sein, die so angeordnet sind, daß zwei Abschnitte in zwei beabstandeten Positionen gebildet werden.
Wie in 3 gezeigt, werden bei der Herstellung einer derartigen Lage, deren Abschnitte jeweils vier Drahtwicklungen enthalten, fünf durchgehende Drähte verwendet. Von diesen fünf Drähten sind vier Drähte 30a bis 30d Metalldrähte, welche die Wicklungsabschnitte ergeben, während der verbleibende Draht 30x ein Blinddraht ist, der keinen strukturellen Teil der Lage bildet. Alle fünf Drähte 30a bis 30d und 30x werden eng nebeneinander zu einer Multidrahtwicklung gewickelt, wobei der Blinddraht 30x später aus den Drähten 30a bis 30d entfernt wird, wodurch sich dann die Wicklungsabschnitte mit dem durchgehenden Spalt ergeben. Für den Blinddraht 30x wird zweckmäßig ein hochelastischer Federstahldraht verwendet, der gegenüber einer plastischen Verformung unempfindlich ist und seine ursprüngliche geradlinige Formung nach dem Entlasten einer äußeren Verformungskraft schnell wiederherstellt. Alternativ kann ein Draht aus einer Formerinnerungslegierung oder einem Formerinnerungsharz verwendet werden, der sich ohne weiteres selbst abwickeln kann oder bei bestimmten Temperaturen einfach abgewickelt werden kann. Außerdem kann ein Draht aus einem Kunstharz mit geringem Schmelzpunkt verwendet werden, der bei Erwärmung schmilzt.
Bei der Ausführung nach 3 ist ein Blinddraht 30x zwischen die zweiten und dritten Drähte 30b und 30c eingefügt, wobei alle fünf Drähte 30a bis 30d und 30x eng nebeneinander und zueinander parallel angeordnet sind und auf diese Weise einen einzigen flachen Metallstreifen bilden. Nachdem ein Ende dieses Metallstreifens durch eine geeignete Einrichtung festgeklemmt worden ist, wird der zusammengefügte Drahtstreifen 31 schraubenlinienförmig um ein rundes Kernelement 32 zu einer rohrförmigen Mehrdrahtwicklung gemäß 3 gewickelt. Während dieses Wicklungsvorganges wird auf den Drahtstreifen 31 eine durch den Pfeil T angedeutete Kraft ausgeübt, damit die Drähte einschließlich der Blinddrähte eng aneinander und gegen die vorhergehenden Wicklungen gepreßt werden. Die Preßkraft T sollte ausreichend groß sein, um die durchgehenden Drähte 30a bis 30d so zu verformen, daß sie nach dem Aufhören der Preßkraft ihre eng gewickelte Lage beibehalten. Dadurch behält die Wicklung auch nach ihrer Abnahme vom Kernelement 32 ihre Form. Nach dem Wickeln des Drahtstreifens 31 zu der Wicklung wird das fixierte Ende des Drahtstreifens 31 abgeschnitten und vom Kernelement 32 getrennt. Nach dieser Abnahme der Wicklungslage ist der Blinddraht 30x aus hochelastischem Federstahl bestrebt, sich selbst abzuwickeln und wieder seine geradlinige Form einzunehmen. Dadurch kann der Blinddraht 30 automatisch von den anderen Drähten der Wicklung getrennt werden, ohne daß hierzu ein weiterer Vorgang notwendig ist. Folglich wird eine Wicklungslage erhalten, in der zwischen eng gewickelten Abschnitten Spalte vorhanden sind, die über die gesamte Länge der Wicklung im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.
Die Entnahme des Blinddrahtes am Ende des Wicklungsvorganges ist einfach, wobei derselbe Blinddraht wiederholt verwendet werden kann, wenn er aus einem hochelastischen Federstahl besteht. Ein Blinddraht aus einer Formerinnerungslegierung oder einem Formerinnerungs-Kunststoff erhält wieder seine geradlinige Form oder eine Form mit größerem Durchmesser, indem die Temperaturbedingungen geändert werden, etwa durch Erwärmung, um seine Entnahme und seine Trennung von den verbleibenden Wicklungsdrähten zu erleichtern. Ein Blinddraht aus einem Kunststoff mit niedrigem Schmelzpunkt kann durch Eintauchen einer Wicklung in ein Lösungsmittel oder durch Erhitzen der Wicklung entfernt werden.

Claims

Biegsame Welle zur Übertragung von Drehbewegungen auf ein an ihrem Ende befestigtes Drehelement (6), mit – einer Übertragungswelle (7) aus mehreren Lagen (20, 21) von schraubenlinienförmig parallel nebeneinander gewickelten Metalldrähten, die jeweils an ihren beiden Enden befestigt sind, um Drehbewegungen übertragen zu können, und von denen mindestens eine innere Lage (21) aus durchgehend eng nebeneinander liegenden Drahtwicklungen besteht, und – einer die Übertragungswelle (7) eng umgebenden drehfesten flexiblen Hülse (3), an deren Ende das Drehelement (6) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine aus mehreren einzelnen Drähten gebildete äußere Lage (20) mit eng gewickelten Wicklungsabschnitten (22) versehen ist, die von benachbarten eng gewickelten Wicklungsabschnitten durch einen Spalt (R) beabstandet sind, dessen Breite etwa dem Drahtdurchmesser entspricht
Biegsame Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Lage (20) in den eng gewickelten Wicklungsabschnitten (22) aus mehreren Einzeldrähten (22a-22d) besteht.
Biegsame Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswelle (7) mehrere äußere Lagen (20) mit jeweils durch den Spalt (R) voneinander beabstandeten eng gewickelten Wicklungsabschnitten (22) enthält.
Biegsame Welle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Freiräume zwischen der Übertragungswelle (7) und der Hülse (2) mit einer Flüssigkeit gefüllt sind.
Ultraschallsonde mit – einem in einer endseitigen Kappe (4) drehbar gelagerten Ultraschallmeßelement (5) und – einem rückwärtigen Drehantrieb (2), gekennzeichnet durch eine biegsame Welle (1) nach einem der Ansprüche 1-4.
Verfahren zum Herstellen einer biegsamen Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch – schraubenlinienförmiges Aufwickeln eines oder mehrerer durchgehender Drähte zu einer inneren Lage (21) aus durchgehend eng nebeneinanderliegenden Drahtwicklungen, – Anordnen mehrerer durchgehender Metalldrähte (30a-30d) und wenigstens eines Blinddrahts (30x) eng und parallel nebeneinander zur Bildung eines flachen Metallstreifens (31), – schraubenlinienförmiges Wickeln des Metallstreifens (31) um einen zylindrischen Kern (32) zur Bildung einer durchgehend eng gewickelten Wicklungslage, – Entfernen des Blinddrahtes (30x) aus dem gewickelten Metallstreifen (31) und – Anordnen der äußeren Wicklungslage auf der inneren durchgehend eng gewickelten Wicklungslage.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Blinddraht (30x) ein hochelastischer Federstahl ist, der sich nach Abnahme der Wicklung vom Kern selbsttätig zu seiner ursprünglich geradlinigen Form abwickeln kann.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Blinddraht (30x) aus einer Formerinnerungslegierung oder einem Formerinnerungs-Kunstharz besteht, der sich unter vorgegebenen Temperaturbedingungen oder durch Erwärmen selbsttätig von der eng gewickelten Wicklung trennt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Blinddraht (30x) aus einem Kunstharzmaterial besteht, das bei erhöhter Temperatur schmilzt, um ihn von der eng gewickelten Wicklung zu trennen.