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Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument mit einem Schaft, welcher in Längsrichtung gesehen zumindest einen biegbaren Abschnitt aufweist.
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Beispielsweise aus
DE 10 2008 047 776 A1 ist ein endoskopisches Instrument bekannt, welches einen Schaftabschnitt aus einem elektroaktiven Polymer aufweist, wobei in das elektroaktive Polymer Elektroden zur Aktivierung eingebettet sind. Diese Elektroden sind als zahnförmig ineinander greifende Strukturen ausgebildet.
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Aus
DE 10 2009 036 424 A1 ist ebenfalls ein Instrument mit einem Schaftabschnitt aus einem elektroaktiven Polymer bekannt, bei welchem die einzelnen Elektroden durch am Außen- oder Innenumfang der Elektrodenstruktur gelegene Stege miteinander verbunden sind.
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Im Hinblick auf diesen bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes endoskopisches Instrument mit einem Schaft, welcher in Längsrichtung zumindest einen biegbaren Abschnitt aufweist, der eine Wandung aus einem elektroaktiven Polymer aufweist, dahingehend zu verbessern, dass die Bauraumausnutzung optimiert und der mechanische Wirkungsgrad gesteigert wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein endoskopisches Instrument mit den in Anspruch 1 angegeben Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das erfindungsgemäße endoskopische Instrument weist einen Schaft auf, welcher in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung gesehen zumindest einen biegbaren Abschnitt aufweist. Dieser biegbare Abschnitt weist eine Wandung oder Wandbereich aus einem elektroaktiven Polymer auf, in welche eine Vielzahl von in axialer Richtung abwechselnd angeordneten Steuer- und Referenzelektroden eingebettet sind. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Steuer- und Referenzelektroden wird eine Verformung des zwischen den Elektroden gelegenen elektroaktiven Polymers erreicht. Durch die Anordnung einer Vielzahl von Elektrodenpaaren gebildet aus Steuer- und Referenzelektroden in axialer Richtung hintereinander wird die Gesamtauslenkung bzw. Formänderung verstärkt, so dass eine gewünschte Biegung bzw. Krümmung des Instrumentes durch Anlegen einer Spannung an gewünschte Elektroden erreicht werden kann. Um die Biegsamkeit gezielt steuern zu können, ist es möglich, dass in axialer Richtung hintereinander liegende Abschnitte gezielt unterschiedlich aktiviert werden können, indem gezielt in einzelnen Abschnitten elektrische Spannung zwischen Referenz- und Steuerelektroden angelegt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise auch eine schlangeförmige Verformung des biegbaren Abschnittes erreicht werden.
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Erfindungsgemäß ist nun der Bauraum in der Wandung des biegbaren Abschnittes dahingehend optimiert ausgenutzt, dass die Steuerelektroden und die Referenzelektroden jeweils über Verbindungsstege miteinander verbunden sind, welche innerhalb, bevorzugt vollständig innerhalb, der radialen Ausdehnung der Steuer- und Referenzelektroden gelegen sind. Dies bedeutet, dass mehrere Steuerelektroden oder Abschnitte der Steuerelektroden untereinander über Verbindungsstege verbunden sind und mehrere Referenzelektroden oder Abschnitte der Referenzelektroden untereinander über Verbindungsstege verbunden sind. Steuer- und Referenzelektroden sind gegeneinander durch das dazwischenliegende elektroaktive Polymer elektrisch isoliert. Erfindungsgemäß sind nun die Verbindungsstege, welche die Steuerelektroden verbinden, und die Verbindungsstege, welche die Referenzelektroden miteinander verbinden, nicht seitlich, d. h. am Außenumfang oder am Innenumfang der Elektroden angeordnet, sondern innerhalb der radialen Ausdehnung. Durch diese Anordnung kann in radialer Richtung eine größere Elektrodenfläche geschaffen werden, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird, da der zur Verfügung stehende Bauraum in radialer Richtung optimal ausgenutzt wird. So können die Verbindungsstege in radialer Richtung gesehen in einem Zentralbereich der Wandung angeordnet werden, so dass die Referenzelektroden und die Steuerelektroden vorzugsweise in radialer Richtung gegenüber den Verbindungsstegen nach außen und nach innen vorstehen.
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Bevorzugt sind die Referenzelektroden und/oder die Steuerelektroden starr ausgebildet. Auf diese Weise sorgen die Elektroden für eine mechanische Verstärkung der Wandung und definieren darüber hinaus eine feste Form, wodurch eine definierte Auslenkung bei Anlegen einer Spannung realisiert wird.
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Um die Verformung des elektroaktiven Polymers zwischen den Elektroden, d. h. jeweils zwischen einer Steuer- und einer Referenzelektrode zu ermöglichen, müssen diese sich um ein bestimmtes Maß aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegen können. Um dies zu begünstigen, sind die Verbindungsstege zwischen den Steuerelektroden und/oder die Verbindungsstege zwischen den Referenzelektroden vorzugsweise elastisch ausgebildet, so dass sie die beschriebene Bewegung zwischen Referenz- und Steuerelektroden bei Verformung der Wandung bzw. deren elektroaktiven Polymers zulassen.
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Weiter bevorzugt weisen die Verbindungsstege eine geringere radiale Ausdehnung auf, als die Referenz- und Steuerelektroden. Dadurch kann erreicht werden, dass die Referenz- und Steuerelektroden, wie oben beschrieben, gegenüber den Verbindungsstegen radial nach innen und nach außen vorstehen und die Verbindungsstege in radialer Richtung gesehen nur einen kleineren Teilbereich der Wandung in Anspruch nehmen. Vorzugsweise sind dabei die Verbindungsstege zentral im Inneren der Wandung angeordnet.
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Weiter bevorzugt sind die ersten Verbindungsstege, welche die Steuerelektroden miteinander verbinden und die zweiten Verbindungsstege, welche die Referenzelektroden miteinander verbinden, in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass die ersten Verbindungsstege und die zweiten Verbindungsstege in radialer Richtung vorzugsweise nebeneinander liegend und beabstandet zueinander angeordnet werden können, wobei beispielsweise die ersten Verbindungsstege in radialer Richtung weiter innenliegend als die zweiten Verbindungsstege in der Wandung angeordnet sind oder umgekehrt. Das bedeutet, die ersten und zweiten Verbindungsstege erstrecken sich in der Wandung beabstandet zueinander aneinander vorbei ohne sich zu berühren. Zwischen den Verbindungsstegen ist aufgrund der Einbettung in die Wandung ebenfalls bevorzugt das elektroaktive Polymermaterial oder eine andere geeignete Trennschicht zur elektrischen Isolation angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Steuerelektroden und/oder die Referenzelektroden plattenförmig ausgebildet. Dabei erstrecken sich die einzelnen Elektroden vorzugsweise als ebene Platten, weiter bevorzugt in einer Richtung orthogonal zur Längsachse des Schaftes, d. h. in Durchmesserebenen. Auch hierdurch wird eine optimale Bauraumausnutzung mit hohem Wirkungsgrad erreicht. Gleichzeitig wird eine optimale Stabilisierung des Schaftes in radialer Richtung erreicht, da in dieser Richtung die Elektroden eine besonders große Ausdehnung aufweisen. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Verformbarkeit des Schaftes in radialer Richtung unterbunden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von einzelnen Steuerelektroden und Referenzelektroden über den Umfang des Schaftes verteilt angeordnet, wobei die Verbindungsstege in sich radial erstreckenden Trennfugen zwischen den einzelnen Elektroden angeordnet sind. Die einzelnen Elektroden können in Form von streifenförmigen Abschnitten gebildet sein, welche sich beabstandet zueinander in radialer Richtung erstrecken. Eine Vielzahl derartiger Abschnitte ist über den Gesamtumfang der Wandung, bevorzugt gleichmäßig verteilt, angeordnet. Auf diese Weise wird zum einen die beschriebene Stabilität in radialer Richtung erreicht, gleichzeitig jedoch die gewünschte Biegbarkeit des Schaftes gewährleistet. Die Verbindungsstege können dabei Platz sparend in den Trennfugen angeordnet sein. Dabei greifen die Verbindungsstege an den einzelnen Elektroden jeweils an den sich radial erstreckenden Kanten, welche den Trennfugen zugewandt sind, an. Die Verbindungsstege erstrecken sich dabei vorzugsweise jeweils zwischen benachbarten Steuerelektroden, wobei zwischen diesen benachbarten Steuerelektroden jeweils eine Referenzelektrode gelegen ist. Entsprechend erstrecken sich Verbindungsstege zwischen zwei benachbarten Referenzelektroden, wobei zwischen diesen Referenzelektroden jeweils eine Steuerelektrode gelegen ist. Dabei erstrecken sich die Verbindungsstege bevorzugt geneigt zur axialen Erstreckungsrichtung der Wandung, d. h. schräg zwischen einander zugewandten radialen Kanten der zu verbindenden Elektroden. D. h. ein Verbindungssteg greift an einer ersten Elektrode an einer ersten radialen Kante an und greift an der benachbarten zweiten Elektrode an der zweiten in Umfangsrichtung entgegengesetzt gewandten radialen Kante an. Bei dieser Anordnung von schrägen Verbindungsstegen kreuzen sich die Verbindungsstege zwischen den Steuerelektroden in einer radialen Projektion gesehen.
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Zur Optimierung dieser Anordnung sind in die einzelnen Elektroden, welche in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, so angeordnet, dass sich auch in einer Durchmesserebene in Umfangsrichtung immer Steuerelektroden und Referenzelektroden abwechseln. Gleichzeitig wechseln sich Steuer- und Referenzelektroden auch in axialer Richtung ab. Auf diese Weise wird es möglich, in den Trennfugen die jeweils in zwei axialen Spalten benachbarten Steuerelektroden über zickzackförmig angeordnete Verbindungsstege zu verbinden und entsprechend die in zwei benachbarten axialen Spalten angeordneten Referenzelektroden über Verbindungsstege zickzackförmig miteinander zu verbinden.
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Zumindest einzelne Steuer- und/oder Referenzelektroden sind in radialer Richtung jeweils in zumindest zwei, weiter bevorzugt in drei oder mehr Elektrodenteile untergliedert, welche elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei können die Elektrodenteile über elektrisch leitende Verbindungsstege, welche vorzugsweise einstückig mit den Elektrodenteilen ausgebildet sind, verbunden sein. Dabei sind die Verbindungsstege jedoch bevorzugt in Umfangsrichtung schmaler als die angrenzenden Elektrodenteile. Auch durch diese Ausgestaltung wird die gewünschte Biegbarkeit bei gleichzeitig gegebener Festigkeit in radialer Richtung erreicht. Ferner wird eine optimale Verteilung der Elektrodenfläche im gesamten Wandungsquerschnitt sichergestellt, wobei gleichzeitig die Elektrodenfläche minimiert werden kann. Auch dies steigert den mechanischen Wirkungsgrad, da der mechanische Wirkungsgrad und das Kompressionsmodul der Elektrodenanordnung in Verbindung mit dem zwischen zwei Elektroden befindlichen Elastomer im Zusammenhang mit dem Verhältnis aus der Elektrodenfläche zu der Elastomerumrandung der Elektroden steht. Aus diesem Grunde ist es erstrebenswert, die eigentliche Elektrodenfläche in kleinere Segmente zu untergliedern, wobei zwischen den Elektrodensegmenten wiederum mit dem Elastomer bzw. elektroaktiven Polymer gefüllte Freiräume entstehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können zumindest einzelne Steuer- und/oder Referenzelektroden oder deren Elektrodenabschnitte zumindest zum Teil von einer mäanderförmigen Elektrodenbahn oder einer kammartigen Anordnung von Elektrodenbahnen gebildet sein. Zwischen den Elektrodenbahnen entstehen wiederum Freiräume, welche mit dem elektroaktiven Polymer gefüllt sind. Auf diese Weise können sich die Elektroden bevorzugt im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Wandung erstrecken. Besonders bevorzugt sind die Elektrodenabschnitte jeweils in drei Elektrodenteile untergliedert, welche in radialer Richtung nebeneinander liegen und über feste Stege miteinander verbunden sind. Die Elektrodenteile und die sie verbindenden Stege erstrecken sich dabei jeweils bevorzugt in einer Durchmesserebene bezogen auf die Längsachse des Schaftes. Der mittlere der drei Elektrodenteile ist bevorzugt mit den Verbindungsstegen zur Verbindung mit den benachbarten gleichartigen Elektroden verbunden. Entsprechend liegen die Verbindungsstege bevorzugt in der radialen Erstreckung des mittleren Elektrodenteils. Von dem mittleren Elektrodenteil ausgehend, erstrecken sich dann bevorzugt zu beiden Seiten, d. h. radial nach innen und radial nach außen, jeweils ein weiterer Elektrodenteil, welcher dann wiederum gegebenenfalls in weitere kleinere Elektrodenteile unterteilt sein kann. So können insbesondere diese radial innen und außen liegenden Elektrodenteile von einer mäanderförmigen Elektrodenbahn gebildet sein oder eine kammartige Anordnung von Elektrodenbahnen bzw. Elektrodenteilen aufweisen.
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Zweckmäßigerweise weist der zumindest eine biegbare Abschnitt in Umfangsrichtung gesehen zumindest zwei getrennt aktivierbare Aktorfelder bzw. Aktorsehnen auf. In diesen sind jeweils eine Vielzahl von in axialer Richtung abwechselnd angeordneten Steuer- und Referenzelektroden angeordnet, wobei zumindest die Steuerelektroden des einen Aktorfeldes gegenüber den Steuerelektroden des anderen Aktorfeldes elektrisch isoliert sind. Dabei können in jedem Aktorfeld wiederum mehrere streifenförmig ausgebildete Steuer- und Referenzelektroden in Umfangsrichtung nebeneinander liegend angeordnet sein, wie oben beschrieben wurde. Die Steuerelektroden der einzelnen Aktorfelder sind getrennt mit Spannung beaufschlagbar, so dass die Aktorfelder getrennt aktiviert werden können und der Schaft somit gezielt in unterschiedlichen Umfangsbereichen unabhängig voneinander verformt werden kann, um eine Auslenkung in verschiedenen radialen Richtungen zu ermöglichen. Bevorzugt sind dazu zumindest drei, zweckmäßigerweise gleichmäßig über den Umfang verteilte Aktorfelder vorgesehen. Darüber hinaus können auch mehrere Aktorfelder, wie oben beschrieben in axialer Richtung hintereinanderliegend angeordnet werden, um auch axiale Abschnitte des Schaftes gezielt unterschiedlich verformen zu können, so dass beispielsweise eine schlangeförmige Verbiegung des Schaftes möglich wird.
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Während die Steuerelektroden der einzelnen Aktorfelder elektrisch voneinander isoliert sind, sind die Referenzelektroden zumindest zweier Aktorfelder bevorzugt elektrisch leitend und/oder mechanisch miteinander verbunden, wobei vorzugsweise die in eine Durchmesserebene gelegenen Referenzelektroden der Aktorfelder miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die in Umfangsrichtung benachbarten Referenzelektroden über sich in Umfangsrichtung oder schräg zu dieser erstreckende Stege miteinander verbunden sein. Durch diese mechanische Verbindung wird die Gesamtstruktur der Elektrodenanordnung stabiler, so dass auch die Formstabilität des Schaftes, insbesondere in radialer Richtung erhöht wird. Gleichzeitig wird die Zahl der erforderlichen elektrischen Verbindungen minimiert.
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Weiter bevorzugt weisen die Referenzelektroden der zumindest zwei Aktorfelder in axialer Richtung eine gemeinsame elektrische Verbindung auf. D. h. die Referenzelektroden müssen nicht in jedem Aktorfeld alle untereinander in axialer Richtung verbunden sein, vielmehr kann diese axiale Verbindung z. B. in ein Aktorfeld verlagert sein, während die Referenzelektroden der anderen Aktorfelder über Verbindungen in Umfangsrichtung angeschlossen sind, wobei vorzugsweise immer die in einer Durchmesserebene gelegenen bzw. an diese angrenzenden Referenzelektroden bzw. Referenzelektrodenabschnitte untereinander verbunden sind. Dies erfolgt bevorzugt über sich in Umfangsrichtung oder schräg zu dieser erstreckende Verbindungsstege. Diese Verbindungsstege können dabei radial versetzt zu den Verbindungsstegen gelegen sein, welche die Steuerelektroden, wie oben beschrieben, untereinander verbinden. Dabei erstrecken sich die Verbindungsstege durch die radialen Trennfugen, welche die Elektroden in Umfangsrichtung voneinander trennen. Anstatt die axialen Verbindungen für axial aufeinander folgenden Referenzelektroden in lediglich ein Aktorfeld anzuordnen, ist es auch möglich die axialen Verbindungen über mehrere Aktorfelder zu verteilen, wobei sich dann beispielsweise die axialen Verbindungen zwischen den einzelnen Aktorfeldern abwechseln. D. h. beispielsweise ist in axialer Richtung gesehen eine erste Lage von Referenzelektroden mit einer zweiten Lage von Referenzelektroden in einem ersten Aktorfeld über einen oder mehrere Stege verbunden, während eine zweite und eine dritte Lage von Referenzelektroden in axialer Richtung in einem zweiten Aktorfeld miteinander verbunden sind, und so weiter.
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Die Steuerelektroden und/oder die Referenzelektroden sind weiter bevorzugt mit den sie verbindenden Verbindungsstegen jeweils einstückig ausgebildet. Auf diese Weise wird der Gesamtaufbau der Elektrodenstruktur vereinfacht, da auf Verbindungsvorgänge zum Verbinden der einzelnen Teile bzw. Abschnitte und Verbindungsstege verzichtet werden kann. Dadurch wird die Montage vereinfacht. Darüber hinaus wird die mechanische Stabilität erhöht. Ferner kann die Betriebssicherheit erhöht werden, da die Gefahr von fehlenden Kontaktierungen zwischen einzelnen Elementen aufgrund der einstückigen Ausgestaltung dieser Elemente vermieden wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigt:
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1 eine Gesamtansicht eines endoskopischen Instrumentes gemäß der Erfindung,
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2a eine schematische Ansicht des biegbaren Abschnittes des Schaftes des endoskopischen Instrumentes,
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2b schematisch den biegbaren Abschnitt im gebogenen Zustand,
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3 schematisch die Elektrodenanordnung in einem Aktorfeld,
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4 schematisch die Elektrodenanordnung in drei aneinander angrenzenden Aktorfeldern,
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5a eine schematische Seitenansicht der Elektrodenanordnung gemäß 3
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5b eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung gemäß 5a,
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6 eine Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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7 eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung gemäß 6,
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8 eine schematische Ansicht der Elektrodenanordnung gemäß 7 im gebogenen Zustand,
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9 eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung gemäß 5a und 5b,
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10 eine schematische perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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11 eine schematische perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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12 eine Elektrodenanordnung gemäß 7 und 8 in einem zu einem Ring gebogenen Zustand,
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13 eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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14 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Elektrodengestaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt die Gesamtansicht eines endoskopischen Instrumentes gemäß der Erfindung. Das endoskopische Instrument weist am proximalen Ende einen Handgriff 2 und einen sich von diesem in distaler Richtung erstreckenden Schaft 4 auf. Der Schaft 4 weist im Bereich seines distalen Endes einen biegbaren Abschnitt 6 auf. Der biegbare Abschnitt 6 ist aus einem elektroaktiven Polymer gefertigt. D. h. die Wandung des biegbaren Abschnittes besteht aus dem elektroaktiven Polymer, in welches eine Vielzahl von Elektroden zur Aktivierung und Verformung des elektroaktiven Polymers eingebettet sind. Dabei sind die Elektroden, wie in 2a gezeigt, in mehreren Aktorfeldern 8 zusammengefasst. Im hier gezeigten Beispiel sind drei sich axial erstreckende Aktorsehnen 10 gebildet, die eine Mehrzahl axial hintereinanderliegend angeordnete Aktorfelder 8 aufweisen. Aufgrund der Anordnung von drei Aktorsehnen sind somit drei Aktorfelder 8 über dem Umfang des Schaftes des biegbaren Abschnittes 6 verteilt. Je nachdem auf welcher Umfangsseite die Aktorfelder 8 durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden, welche in das elektroaktive Polymer eingebettet sind, aktiviert werden, kann eine Krümmung der Aktorachse X in eine bestimmte radiale Richtung erzielt werden, wie sie schematisch in 2b gezeigt ist.
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Erfindungsgemäß sind nun in optimierter Weise die Elektroden in das elektroaktive Polymer des biegbaren Abschnittes 6 des Schaftes 4 eingebettet.
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3 zeigt schematisch den Aufbau eines Aktorfeldes 8 bzw. eines Teils eines Aktorfeldes 8. In das elektroaktive Polymer ist eine Vielzahl von Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14 eingebettet. Dabei sind Steuerelektroden 14 und Referenzelektroden 12 in axialer Richtung X abwechselnd zueinander angeordnet, wobei die Elektroden zueinander beabstandet sind, so dass sich zwischen den Elektroden das elektroaktive Polymer befindet, welches durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden aufgrund des elektrischen Feldes verformt wird. Die Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14 erstrecken sich jeweils nur über sehr kleine Umfangsabschnitte und bilden somit einzelne Elektrodenabschnitte, d. h. Referenzelektrodenabschnitte 12 und Steuerelektrodenabschnitte 14. Innerhalb des Aktorfeldes sind die einzelnen Referenzelektroden 12 bzw. Referenzelektrodenabschnitte elektrisch miteinander verbunden und die einzelnen Steuerelektroden 14 bzw. die Steuerelektrodenabschnitte elektrisch miteinander verbunden. Hierzu sind elastische Stege 16 und 18 vorgesehen. Die elastisch ausgebildeten Verbindungsstege 16 verbinden die Referenzelektroden 12 und die elastischen Verbindungsstege 18 verbinden die Steuerelektroden 14 untereinander. Dabei erstrecken sich diese Verbindungsstege 16, 18 zwischen den Elektroden 12 und 14 in radialen Trennfugen 20, welche in radialer Richtung zwischen den einzelnen Elektroden bzw. Elektrodenabschnitten 12, 14 verlaufen. Dabei erstrecken sich die Verbindungsstege 16, 18 geneigt bzw. schräg zur Durchmesserebene bzgl. der Längsachse X.
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Ferner sind die Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14 in in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Spalten 22 in axialer Richtung X versetzt, so dass immer eine Steuerelektrode 14 in Umfangsrichtung gesehen in derselben Durchmesserebene neben einer Referenzelektrode 12 liegt. D. h. auch in Umfangsrichtung wechseln sich Referenz- und Steuerelektroden ab. Auf diese Weise wird, da immer benachbarte Elektroden zweier nebeneinander liegender Spalten 22 miteinander verbunden werden, der Weg, über welchen sich die Verbindungsstege 16, 18 erstrecken müssen, verkürzt. Die Verbindungsstege 16 und 18 sind in radialer Richtung voneinander beabstandet, wie in 5b gezeigt ist. Dabei erstreckt sich immer ein Verbindungssteg 16 kreuzend an einem Verbindungssteg 18 in radialer Richtung versetzt vorbei. So sind die Verbindungsstege 16 und 18 gegeneinander isoliert. Die Verbindungsstege 16 und 18 greifen an den sich radial erstreckenden Längskanten der Referenzelektroden 12 und 14 im Bereich der Trennfugen 20 an. Dabei liegen sie, wie in 5b zu sehen ist, vollständig innerhalb der Erstreckung in radialer Richtung r der Anordnung von Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14.
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Die in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden Aktorfelder 8 der drei Aktorsehnen 10 sind so ausgebildet, dass an deren Steuerlektroden 14 getrennt eine elektrische Spannung angelegt werden kann, wie anhand von 4 erläutert wird. Innerhalb der einzelnen Aktorfelder 8, welche in 4 gezeigt sind, sind die Steuer- und Referenzelektroden 14, 12 über Verbindungsstege 16 und 18 so miteinander verbunden, wie anhand von 3 erläutert. Zwischen den in 4 gezeigten drei Aktorfeldern 8 sind jeweils nur die Referenzelektroden 12 durch Verbindungsstege 16 miteinander verbunden. D. h. in den die drei Aktorfelder 6 trennenden Trennfugen 20 sind nur die Verbindungsstege 16, nicht jedoch die Verbindungsstege 18 angeordnet. Es wird erreicht, dass sämtliche Referenzelektroden 12 untereinander verbunden sind, de Steuerelektroden 14 aber nur innerhalb eines Aktorfeldes 8 untereinander verbunden sind, so dass die drei Aktorfelder 8 getrennt voneinander mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden können, um das elektroaktive Polymer gezielt in einzelnen Aktorfeldern 8 verformen zu können.
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5b zeigt eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung gemäß 5a, welche im Wesentlichen der Anordnung entspricht, welche in 3 gezeigt ist. In 5b ist die Beabstandung der Verbindungsstege 16 und 18 in radialer Richtung r zu erkennen. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Verbindungsstege 16 und 18 sich in radialer Richtung r nicht über die Elektroden 12 und 14 hinaus erstrecken, d. h. vollständig innerhalb der radialen Erstreckung der Elektroden 12 und 14 gelegen sind.
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6 zeigt eine alternative Ausführungsform in einer Draufsicht entsprechend 5b. Bei dieser weisen die Referenzelektroden 12 jeweils drei Referenzelektrodenteile 12a, 12b und 12c auf, welche in radialer Richtung r nebeneinanderliegen. Entsprechend weisen die Steuerelektroden 14 drei Steuerelektrodenteile 14a, 14b und 14c auf, welche in radialer Richtung nebeneinanderliegen. Die mittleren Elektrodenteile 12b und 14b sind wie vorangehend beschrieben über die Verbindungsstege 16 und 18 untereinander verbunden. Diese entsprechen somit im Wesentlichen der Anordnung der Referenzelektroden 12a und Steuerelektroden 14 gemäß der 3 bis 5. Die Steuerelektrodenteile 14a und 14c stehen in radialer Richtung r von dem mittleren Steuerelektrodenteil 14b vor. Entsprechend stehen die Referenzelektrodenteile 12a und 12c in radialer Richtung von dem mittleren Referenzelektrodenteil 12b vor. Die Verbindungsstege 16 und 18 liegen so im Mittelbereich, d. h. innerhalb der radialen Ausdehnung der mittleren Elektrodenteile 12b und 14b. Die äußeren Elektrodenteile 12a, 14a sowie 12c und 14c sind mit den mittleren Elektrodenteilen 12b und 14b über Verbindungsstege 24, welche sich im Wesentlichen in radialer Richtung r erstrecken, verbunden. Dabei sind die Elektrodenteile 12a, 12b und 12c mit ihren zwischenliegenden Verbindungsstegen 24 sowie den Verbindungsstegen 16 vorzugsweise einstückig ausgebildet. Entsprechend sind die Steuerelektrodenteile 14a, 14b und 14c mit ihren sich verbindenden Verbindungsstegen 24 sowie den Verbindungsstegen 18 vorzugsweise einstückig ausgebildet.
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7 zeigt die Anordnung gemäß 6 noch einmal ein perspektivischer Ansicht. Die Ansichten gemäß 3 bis 7 haben jeweils die Elektrodenanordnung in ihrer abgewickelten, planen Form gezeigt. Zur Anordnung in der Wandung des biegbaren Abschnittes 6 des Schaftes wird diese Anordnung gekrümmt, so dass sie sich in der kreisförmigen Wandung erstrecken kann. Dies ist hinsichtlich der anhand von 6 und 7 beschriebene Elektrodenanordnung in 8 gezeigt, dort ist die Anordnung gemäß 7 gekrümmt dargestellt. 12 zeigt entsprechend den im Wesentlichen vollständig gebogenen Ring, wobei bei der dort gezeigten Ausführungsform dreizehn Aktorfelder 8 bzw. Aktorsehnen 10 über den Umfang verteilt angeordnet sind.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht der Elektrodenanordnung wie sie in 5a und 5b in Seitenansicht und Draufsicht dargestellt ist. 10 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Variante dieser Elektrodenanordnung, bei welcher an den Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14 radial auskragende Vorsprünge 26 ausgebildet sind. Diese Vorsprünge 26 bilden Abstandshalter, welche einen ausreichenden Verdrängungsraum für das Dialektrikum, d. h. das zwischen den Elektroden 12 und 14 gelegene elektroaktive Polymer gewährleisten.
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11 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Variante der Ausführungsform gemäß 9. Bei dieser Variante erstrecken sich die Steuerelektroden 14 und Referenzelektroden 12 über einen längeren Bereich in radialer Richtung r, so dass sie in radialer Richtung r nach innen und außen über den mittleren Bereich vorstehen, in welchen die Verbindungsstege 16 und 18 angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine größere Elektrodenfläche in radialer Richtung, d. h. in Richtung der Wandstärke des Schaftes geschaffen.
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13 zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß 11, wobei die radial nach innen und nach außen auskragenden Abschnitte der Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14, welche radial über den zentralen Abschnitt vorstehen, in welchem die Verbindungsstege 16 und 18 angreifen, kammartige Strukturen 28 aufweisen. Die kammartige Struktur 28 wird durch eine Vielzahl zueinander paralleler sich im Wesentlichen in radialer Richtung r erstreckender Elektrodenbahnen gebildet. Dabei erstrecken sich die Elektrodenbahnen der kammartigen Struktur von dem zentralen Mittelbereich der Steuerelektroden 12 und 14 radial nach innen bzw. außen.
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14 zeigt nun eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14 jeweils durch eine mäanderförmig verlaufende Elektrodenbahn 30 gebildet werden. Dabei verlaufen die Elektrodenbahnen 30 über eine Fläche, welche im Wesentlichen der Ausdehnung der Referenzelektroden 12 und Steuerelektroden 14 bei der in 11 gezeigten Ausführungsform entsprechen. Die Ausgestaltung der kammartigen Strukturen 28 und der mäanderförmigen Elektrodenbahnen 30 hat den Vorteil, dass die Elektrodenfläche im Verhältnis zu ihrer Umfangskante minimiert wird, bzw. die Umfangskante maximiert wird. Insofern wird das Verhältnis der Elektrodenfläche zu der Elektrodenumrandung, an welcher das elektroaktive Polymer angrenzt, verringert, wodurch der mechanische Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Handgriff
- 4
- Schaft
- 6
- biegbarer Abschnitt
- 8
- Aktorfelder
- 10
- Aktorsehnen
- 12
- Referenzelektroden
- 14
- Steuerelektroden
- 16, 18
- Verbindungsstege
- 20
- Trennfugen
- 22
- Spalten
- 24
- Verbindungsstege
- 26
- Vorsprünge
- 28
- kammartige Strukturen
- 30
- mäanderförmige Elektrodenbahn
- X
- axiale Richtung, Längsachse des Schaftes 4
- r
- radiale Erstreckung
