DE102020122195A1

DE102020122195A1 - Gelenkelement zur Übertragung elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung

Info

Publication number: DE102020122195A1
Application number: DE102020122195.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Kostelnik
Original assignee: Wuerth Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Wuerth Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines biegsamen Gelenkelements (101), welches konfiguriert ist zur Übertragung von elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer flächigen Leiterplatte (100) unter Verwendung eines einrollbaren Substrats. Die Leiterplatte (100) umfasst zwei mit einem Mittelabschnitt (106) verbundene Endabschnitte (102, 104) umfasst sowie eine Mehrzahl von Leiterbahnen (108) umfasst, welche sich jeweils von einem der Endabschnitte (102, 104) durch den Mittelabschnitt (106) zu dem anderen der Endabschnitte (102, 104) erstrecken. Die Leiterplatte (100) wird zu einem Zylinder eingerollt, wobei die beiden eingerollten Endabschnitte (102, 104) jeweils ein Ende des Zylinders bilden, welche mit dem eingerollten Mittelabschnitt (106) miteinander verbunden sind, und der eingerollte Mittelabschnitt (106) eine im Verhältnis zu den eingerollten Endabschnitten (102, 104) reduzierte Steifigkeit aufweist. Ferner wird die Leiterplatte (100) in dem eingerollten Zustand fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines biegsamen Gelenkelements, ein entsprechendes Gelenkelement sowie ein mechanisches Gelenk, welches ein entsprechendes Gelenkelement umfasst
Zur Übertragung von elektrischer Energie im Bereich von Gelenkverbindungen werden im Allgemeinen konventionelle Kabelverbindungen verwendet. Dies Kabelverbindung weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Nicht zuletzt könne sich entsprechende Kabel beispielsweise ineinander oder in sich verwickeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Übertragung von elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung zu ermöglichen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ausführungsformen umfassen ein Verfahren zum Herstellen eines biegsamen Gelenkelements, welches konfiguriert ist zur Übertragung von elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung. Das Verfahren umfasst:

• Bereitstellen einer flächigen Leiterplatte unter Verwendung eines einrollbaren Substrats, wobei die Leiterplatte zwei mit einem Mittelabschnitt verbundene Endabschnitte umfasst, wobei die Leiterplatte eine Mehrzahl von Leiterbahnen umfasst, welche sich jeweils von einem der Endabschnitte durch den Mittelabschnitt zu dem anderen der Endabschnitte erstrecken,
• Einrollen der Leiterplatte zu einem Zylinder, wobei die beiden eingerollten Endabschnitte jeweils ein Ende des Zylinders bilden, welche mit dem eingerollten Mittelabschnitt miteinander verbunden sind, wobei der eingerollte Mittelabschnitt eine im Verhältnis zu den eingerollten Endabschnitten reduzierte Steifigkeit aufweist,
• Fixieren der Leiterplatte in dem eingerollten Zustand.

Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass ein Gelenkelement bereitgestellt werden kann, welches nicht nur dazu in der Lage ist, elektrische Energie über eine Gelenkverbindung zu übertragen, sondern darüber hinaus eine stabile Verbindung über das Gelenk hinweg bereitstellen kann. Aufgrund der reduzierten Steifigkeit des Mittelabschnitts des Gelenkelements bzw. der erhöhten Flexibilität des entsprechenden Mittelabschnitts vermag das Gelenkelement sowohl Biegebewegungen auch Drehbewegungen der Gelenkverbindung mitzumachen. Aufgrund der Flexibilität des Mittelabschnitts können dabei Beschädigungen des Gelenkelements effektiv vermieden werden. Ferner kann das Gelenkelement im Falle von Drehmomenten, welche einen vordefinierten Schwellenwert nicht überschreiten, Drehbewegungen übertragen. Mit anderen Worten kann das Gelenkelement selbst als Gelenkverbindung verwendet werden. Alternativ kann das Gelenkelement zusätzlich zu einer mechanischen Gelenkverbindung verwendet werden. Beispielsweise kann das Gelenkelement in die Gelenkverbindung eingesetzt sein oder die Gelenkverbindung als äußere Hülle umhüllen. Falls das Gelenkelement selbst als mechanische Gelenkverbindung fungiert, kann es dieselbe mechanische Beweglichkeit bereitstellen, wie eine Kardanwelle.
Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine flächige Leiterplatte, welche Abschnitte mit unterschiedlicher Steifigkeit aufweist. Genauer gesagt, weist die flächige Leiterplatte zwei Endabschnitte auf, zwischen den ein Mittelabschnitt mit reduzierter Steifigkeit angeordnet ist. Die reduzierte Steifigkeit des Mittelabschnitts ermöglichte Biege- und/oder Torsionsbewegungen, während die beiden Endabschnitte beidseitig stabile mechanische Anker bereitstellen. Zur Übertragung elektrischer Energie erstrecken sich zwischen den beiden Endabschnitten eine Mehrzahl von Leiterbahnen, welche die beiden Endabschnitte elektrisch leitend miteinander verbinden. Über diese Leiterbahnen kann elektrische Energie über den Mittelabschnitt hinweg übertragen werden.
Die flächige Leiterplatte wird zu einem Zylinder eingerollt. Dabei bilden die beiden eingerollten Abschnitte der flächigen Leiterplatte die beiden Enden des Zylinders, zwischen denen sich ein Zylindermittelabschnitt erstreckt. Der Zylindermittelabschnitt wird von dem eingerollten Mittelabschnitt der flächigen Leiterplatte mit reduzierter Steifigkeit bereitgestellt. Durch das Einrollen der Endabschnitte wird die Steifigkeit der Zylinderendabschnitte erhöht, während der eingerollte Mittelabschnitt eine im Vergleich zu den Zylinderendabschnitten reduzierte Steifigkeit aufweist.
Schließlich wird die Leiterplatte in dem eingerollten Zustand fixiert. Beispielsweise wird der im Zuge des Einrollens auf der Zylindermantelfläche aufliegende Rand der Leiterplatte mit der Zylindermantelfläche verklebt.
Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass ein elektronisches Gelenkelement bereitgestellt werden kann, welches bei dreidimensionaler mechanischer Verformung seine elektrische Funktionalität beibehalten kann. Beispielsweise können reversible Dehnungen infolge von Gelenkbewegungen bewältigen werden. Solche Eigenschaften können in vielen Bereichen von Vorteil sein wie beispielsweise Medizintechnik oder Prothetik, Robotik, insbesondere Softrobotik, aber auch in beliebigen anderen mechanischen Vorrichtungen mit Gelenken, welche Elektronik umfassen.
Nach Ausführungsformen umfasst das Bereitstellen der flächigen Leiterplatte ein Herstellen derselben. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass eine flächige Leiterplatte hergestellt werden kann, welche eine ausreichende Flexibilität aufweist, sodass ein Einrollen der Leiterplatte ohne Beschädigung, wie beispielsweise Risse oder Brüche des Leiterplattensubstrats, ermöglicht wird.
Zum Herstellen der Leiterplatte kann beispielsweise eine Metallfolie auf ein Substrat laminiert werden, etwa eine Kupferfolie auf ein Substartschicht aus thermoplastischem Polyurethan. Das Layout von Leiterbahnen kann aus der Metallfolie strukturiert werden. Anschließend erfolgt beispielsweise eine Lamination mit einer Deckschicht aus thermoplastischem Polyurethan. In die Deckschicht können Aussparungen für Kontakt-Pads eingebracht werde, beispielsweise unter Verwendung eines Laserschneidverfahrens. Anschließend kann ein Oberflächen-Finish erfolgen, etwa chemisch unter Verwendung von Silber.
Nach Ausführungsformen umfasst die reduzierte Steifigkeit eine reduzierte Biegesteifigkeit. Eine reduzierte Biegesteifigkeit kann den Vorteil haben, dass ein Biegen bzw. Verschwenken der beiden Zylinderendabschnitte relativ zueinander um eine senkrecht auf der Zylindermittellängsachse stehenden Biege- bzw. Schwenkachse ermöglicht wird.
Nach Ausführungsformen umfasst die reduzierte Steifigkeit eine reduzierte Torsionssteifigkeit. Eine reduzierte Torsionssteifigkeit kann den Vorteil haben, dass ein Verdrehen der beiden Zylinderendabschnitte relativ zueinander in die Zylindermittellängsachse ermöglicht wird. Eine Kombination aus reduzierter Biegesteifigkeit und reduzierter Torsionssteifigkeit kann eine mechanische Beweglichkeit des Gelenkelements bereitstellen, welche einer Kardanwelle entspricht.
Nach Ausführungsformen umfasst die reduzierte Steifigkeit ferner eine reduzierte Drucksteifigkeit. Eine reduzierte Drucksteifigkeit kann es beispielsweise ermöglichen, dass die beiden Zylinderendabschnitte entlang der Mittellängsachse des Zylinders aufeinander zu bewegbar sind. Ein solches Aufeinanderzubewegen der beiden Zylinderendabschnitte kann dazu führen, dass sich überschüssiges Zylindermaterial bzw. Leiterplattenmaterial im Bereich des Mittelabschnitts nach außen auswölbt, wodurch sowohl Biege- als auch Drehbewegungen ermöglicht werden können.
Nach Ausführungsformen weist der Mittelabschnitt mit reduzierter Steifigkeit eine im Verhältnis zu den Endabschnitten geringere Materialstärke auf. Eine relative Reduktion der Steifigkeit des Mittelabschnitts im Verhältnis zu den Endabschnitten kann beispielsweise durch eine geringere Materialstärke der flächigen Leiterplatten im Bereich des Mittelabschnitts implementiert werden. Beispielsweise weist der Mittelabschnitt eine geringere Höhe auf bzw. ist dünner konfiguriert als die beiden Endabschnitte.
Nach Ausführungsformen weist der Mittelabschnitt mit reduzierter Steifigkeit eine im Verhältnis zu den Endabschnitten geringere Anzahl an Materialschichten auf. Beispielsweise kann die reduzierte Steifigkeit durch eine geringere Anzahl an Materialschichten im Falle einer mehrschichtig ausgestalteten Leiterplatte implementiert werden. Beispielsweise handelt es sich bei der flächigen Leiterplatte um eine mehrschichtige Leiterplatte, bei welcher die Anzahl an Materialschichten im Bereich des Mittelabschnitts geringer ist als im Bereich der Endabschnitte. Durch die geringe Anzahl an Materialschichten kann es zum einen zu einer geringeren Materialstärke im Bereich des Mittelabschnitts kommen. Ferner können im Bereich des Mittelabschnitts Materialschichten weggelassen werden, welche zur Steifigkeit der Leiterplatte beitragen. Insbesondere können diejenigen Materialschichten weggelassen, welche im Verhältnis zu den übrigen Materialschichten die höchste Steifigkeit aufweisen.
Nach Ausführungsformen weist der Mittelabschnitt mit reduzierter Steifigkeit eine Materialkomponente mit einer im Verhältnis zu Materialkomponenten der Endabschnitte reduzierten Steifigkeit auf. Beispielsweise kann eine Reduktion der Steifigkeit auch durch eine Verwendung von Materialkomponenten im Bereich des Mittelabschnitts erzielt werden, welche im Verhältnis zu Materialkomponenten, die im Bereich der Endabschnitte verwendet werden, eine reduzierte Steifigkeit aufweisen. Mit anderen Worten können sich die im Bereich des Mittelabschnitts und der Endabschnitte verwendeten Materialkomponenten voneinander unterscheiden.
Nach Ausführungsformen weist der Mittelabschnitt mit reduzierter Steifigkeit eine im Verhältnis zu den Endabschnitten geringere aus dem Einrollen resultierende Windungszahl der eingerollten Leiterplatte auf. Beispielsweise kann die Steifigkeit im Bereich des Mittelabschnitts relativ zu den Bereichen der Endabschnitte reduziert sein, falls die aus dem Einrollen resultierende Windungszahl der eingerollten Leiterplatte bzw. Leiterplattenfläche im Bereich des Mittelabschnitts geringer als im Bereich der Endabschnitte ist. Beispielsweise erstrecken sich die Endabschnitte entlang des Umfangs des Zylinders weiter als der Mittelabschnitt. Beispielsweise beträgt die Windungsanzahl für den Mittelabschnitt 1, d. h. im Zuge des Einrollens kommen die Randabschnitte des Mittelabschnitts aufeinander zu liegen und werden in diesem Zustand fixiert. Im Bereich der Endabschnitte kann die Windungszahl größer 1 sein, z. B. 1,5 oder 2. Während der Mittelabschnitt einfach eingerollt wird, werden die beiden Endabschnitte beispielsweise jeweils zweifach eingerollt. Somit weisen die Zylinderendabschnitte im eingerollten Zustand beispielsweise eine doppelte Materialstärke bzw. Lagenzahl auf im Vergleich zum Zylindermittelabschnitt. Hierdurch kann die Steifigkeit im Bereich des Endabschnitts relativ zum Mittelabschnitt erhöht werden. In den im Verhältnis zum Mittelabschnitt überschüssigen Materialbereichen der Endabschnitte sind beispielsweise keine elektronischen Komponenten oder Leiterbahnen angeordnet. In diesem Fall dienen die entsprechenden Bereiche ausschließlich der mechanischen Stabilisierung der Endabschnitte. Nach Ausführungsformen können in diesen Bereichen elektronische Komponenten und/oder Leiterbahnen angeordnet sein, sodass die entsprechenden Bereiche zusätzlich Platz für entsprechende elektronische Komponenten und Leiterbahnen bereitstellen.
Nach Ausführungsformen sind die Leiterbahnen in dem Mittelabschnitt so verteilt angeordnet, dass eine Mehrzahl von sich länglich erstreckenden Freibereichen frei von Leiterbahnen gehalten wird. Das Verfahren zum Reduzieren der Steifigkeit des Mittelabschnitts umfasst ferner ein Einbringen einer Mehrzahl von sich länglich erstreckten Durchgangsöffnungen in die Freibereiche. Die länglichen Durchgangsöffnungen erstrecken sich entlang der Freibereiche und Bereiche des Mittelabschnitts zwischen den Durchgangsöffnungen bilden jeweils einen die beiden Endabschnitte miteinander verbindenden biegsamen Steg.
Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch eine entsprechende Verteilung der Leiterbahnen, welche freie Bereiche im Mittelabschnitt freilässt, ein Einbringen von Durchgangsöffnungen in den Freibereichen möglich wird, ohne dass Leiterbahnen beschädigt werden. Durch die entsprechenden Durchgangsöffnungen kann die Steifigkeit des Mittelabschnitts reduziert werden. Beispielsweise handelt es sich bei den Freibereichen um länglich gestreckte Freibereiche. Beispielsweise handelt es sich bei den eingebrachten Durchgangsöffnungen um länglich gestreckte Durchgangsöffnungen. Alternativerweise können auch freie Bereiche anderer geometrischer Ausgestaltung implementiert werden, wie beispielsweise kreisförmige oder elliptische Freibereiche, in welche kreisförmige bzw. elliptische Durchgangsöffnungen eingebracht werden können. Durch das Einbringen von Durchgangsöffnungen bleiben Stege zurück, welche die Endabschnitte miteinander verbinden. Die entsprechenden Stege weisen eine reduzierte Steifigkeit auf und sind mithin biegsam.
Die entsprechenden Durchgangsöffnungen können beispielsweise durch ein Bohr-, Schneid- , Stanz-, Fräs- oder Laserverfahren eingebracht werden.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei den Durchgangsöffnungen um Schlitze.
Nach Ausführungsformen schließen die Schlitze jeweils einen Winkel kleiner 90° mit einer Längsachse des Zylinders ein. Schlitze, welche einen Winkel von kleiner 90° mit der Längsachse des Zylinders einschließen, können sich beispielsweise von einem Endabschnitt zum anderen erstrecken. Somit kann die Steifigkeit über den gesamten Mittelabschnitt wegreduziert werden. Beispielsweise sind die Schlitze äquidistant voneinander beabstandet, durch die die Steifigkeit gleichmäßig entlang des Umfangs des Zylinders reduziert werden.
Nach Ausführungsformen erstrecken sich die Schlitze parallel zu der Längsachse.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei dem Zylinder um einen Kreiszylinder mit einem kreisförmigen Querschnitt. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass im Fall eines Kreiszylinders mit kreisförmigem Querschnitt die Biegesteifigkeit beispielsweise in alle radialen Richtungen gleich reduziert werden kann.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei dem Zylinder um einen elliptischen Zylinder mit einem elliptischen Querschnitt. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass ein elliptischer Zylinder mit einem elliptischen Querschnitt Vorzugsrichtungen für ein Biegen des Gelenkelements aufweisen kann. Mit anderen Worten kann die Steifigkeit um die Hauptachse der Ellipse als Biegeachse geringer sein als bei einem Biegen um die Nebenachse der Ellipse als Biegeachse. Somit kann der Zylinder Vorzugsrichtungen aufweisen, in welchen das Biegen einfacher fällt als in anderen Richtungen.
Nach Ausführungsformen umfasst das einrollbare Substrat Polyurethan, thermoplastisches Polyurethan, Polyimid und/oder ein Flüssigkristallpolymer. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass unter Verwendung von Polyurethan oder thermoplastischem Polyurethan als Substrat für die Leiterplatte ein Herstellen einer Leiterplatte ermöglicht wird, welche einrollbar ist. Mit anderen Worten wird eine Leiterplatte ermöglicht, welche eine ausreichende Flexibilität aufweist, um eingerollt zu werden und gegebenenfalls Biege- oder Torsionsbewegungen mitzumachen.
Statt einer Verwendung üblicher starrer glasfaserverstärkten epoxidharzbasierten Materialien wird beispielswiese ein dehnbares Substrat aus Polyurethan und/oder thermoplastisches Polyurethan eingesetzt, welches einrollbar ist. Somit können Eigenschaften wie Flexibilität, Elastizität, Formbarkeit und Biegeschlaffheit bereitgestellt und eine Leiterplatte als Schaltungsträger verwirklicht werden, welche flexibel an Freiformflächen anpassbar und insbesondere einrollbar ist.
Thermoplastisches Polyurethan wird beispielsweise aus Diolen und Isocyanaten ohne Einsatz von Weichmachern hergestellt und kann beispielsweise elastische Eigenschaften aufweisen. Das Multiblock Co-Polymer besteht aus harten und weichen Segmenten, wodurch Eigenschaften wie Flexibilität, Biegeschlaffheit oder Dehnbarkeit realisiert werden können. Eine hohe Oberflächenenergie macht Polyurethan kratz- und verschleißfest. Ferner besitzt Polyurethan zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften wie einen hohen Weiterreißwiderstand oder gute wärmeisolierende Eigenschaften.
Polyimid kann beispielsweise in Form eines flexiblen Polyimidfolien oder Polyimidschicht zum Bereitstellen des einrollbaren Substrats verwendet werden. Ferner kann beispielsweise ein Flüssigkristallpolymer (Liquid Crystal Polymer), etwa ein thermoplastische Flüssigkristallpolymer zum Bereitstellen des einrollbaren Substrats verwendet werden.
Nach Ausführungsformen verlaufen die Leiterbahnen mäanderförmig. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen ermöglicht werden kann, dass die Leiterbahnen selbst bei einer flexiblen Verformung der Leiterplatte, etwa im Zuge eines Einrollens und/oder Biegens bzw. Drehens der Leiterplatte ihre Leitfähigkeit beibehalten. Somit kann eine Übertragung elektrischer Energie über das Gelenkelement hinweg sichergestellt werden, selbst wenn dieses gebogen und/oder verdreht wird.
Leiterbahnen aus Metall, wie etwa Kupfer, weisen beispielsweise eine niedrige intrinsische Dehnbarkeit auf. Durch eine geeignete zweidimensionale Mäandergeometrie kann die Dehnbarkeit der metallischen Leiter wesentlich beeinflusst und gesteigert werden. Entsprechende Leiterbahnen können beispielsweise unter Verwendung nasschemischen Ätztechniken realisiert werden, wobei die Dehnbarkeit der Leiterbahnen durch ihre Mäanderform erreicht werden kann.
Nach Ausführungsformen werden die Leiterbahnen gedruckt, beispielsweise unter Verwendung eines 2D- oder 3D-Druckverfahrens.
Nach Ausführungsformen werden die Leiterbahnen unter Verwendung von dehnbarer, leitfähiger Tinte gedruckt. Eine Verwendung dehnbarer leitfähiger Tinten ermöglicht es, Leiterbahnen zu implementieren, welche selbst im Fall eines Einrollens der Leiterplatte und/oder Biegens bzw. Verdrehens der Leiterplatte ihre Leitfähigkeit beibehalten.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Tinte um eine Tinte auf Polymerbasis.
Nach Ausführungsformen dient die Übertragung der elektrischen Energie zur Energieversorgung. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass eine Energieversorgung über eine Gelenkverbindung hinweg sichergestellt werden kann. Die Energieversorgung kann beispielsweise einem Antrieb von Servomotoren oder einer Energieversorgung von Sensoren dienen.
Nach Ausführungsformen dient die Übertragung der elektrischen Energie zur elektrischen Signalübertragung dient. Beispielsweise dient die Übertragung der elektrischen Energie zur elektrischen Übertragung eines Sensorsignals oder eines Steuersignals. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass über die Gelenkverbindung hinweg Sensorsignale übertragen werden können und basierend auf den Sensorsignalen Maßnahmen ergriffen werden können. Beispielsweise können basierend auf den Sensorsignalen Steuersignale gesendet werden, welche von den Werten der Sensorsignale abhängen.
Nach Ausführungsformen umfasst die Leiterplatte ferner ein oder mehrere elektronische Komponenten. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass die Leiterplatte neben einer Übertragung von elektrischer Energie zusätzlich ein Implementieren elektronischer Strukturen dienen kann.
Nach Ausführungsformen werden ein oder mehrere der elektronischen Komponenten jeweils teilweise oder vollständig gedruckt, beispielsweise unter Verwendung eines 2D- oder 3D-Druckverfahrens.
Bei Verwendung von Polyurethan für das Substrat kann beispielsweise Niedrigtemperatur Reflowverfahren zur Bestückung der Leiterplatte mit elektronischen Komponenten verwendet werden, um der niedrigen Erweichungstemperatur von Polyurethan Rechnung zu tragen. Beispielsweise kann ein Lot auf Zinn/Wismut (Sn/Bi)-Basis, welches bei ca. 140 °C (Schmelztemperatur: 138 °C) verarbeitet wird, verwendet werden. Eine Verwendung eines SnBi-Lots kann den Vorteil eines geringeren Stresses auf die elektronischen Komponenten beim Löten sowie einen geringerer Energie-Verbrauch und damit weniger CO2-Ausstoß haben.
Nach Ausführungsformen sind die elektronischen Komponenten so über die Leiterplatte verteilt angeordnet, dass die Freibereiche des Mittelabschnitts der Leiterplatte frei von elektronischen Komponenten gehalten werden. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch eine entsprechende Verteilung der elektronischen Komponenten sichergestellt werden kann, dass im Zuge eines Einbringens von Durchgangsöffnungen in die Freibereiche keine der elektronischen Komponenten beschädigt wird.
Nach Ausführungsformen umfassen die elektronischen Komponenten ein oder mehrere Dehnungsmesskomponenten. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch die Dehnungsmesskomponenten eine Dehnung des Gelenkelements im Zuge von Bewegungen der Gelenkverbindung erfasst werden kann. Überschreitet die Dehnung einen vordefinierten Schwellenwert, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann eine Biegung und/oder Verdrehung der Gelenkverbindung reduziert werden, wodurch die Dehnung reduziert werden kann. Somit kann Beschädigungen des Gelenkelements vorgebeugt werden.
Nach Ausführungsformen sind die ein oder mehrere Dehnungsmesskomponenten jeweils zwischen den Durchgangsöffnungen angeordnet. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass die Bereiche zwischen den Durchgangsöffnungen, insbesondere falls diese als Stege ausgebildet sind, im Zuge einer Biege- und Drehbewegung des Gelenkelements die größte Dehnung aufweisen können. Mit anderen Worten sind diese Bereiche am anfälligsten für Beschädigungen im Zuge von Dehnungen. Eine Überwachung dieser Bereiche durch Dehnungskomponenten kann mithin effektiv und effizient Beschädigungen vorbeugen.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei den Dehnungsmesskomponenten um Dehnungsmesstreifen, welche in Längsrichtung parallel zu den Durchgangsöffnungen angeordnet werden. Im Falle länglich gestreckter Durchgangsöffnungen, insbesondere Schlitzen, treten Dehnungen beispielsweise insbesondere in Längsrichtung auf, welche mit entsprechend angeordneten Dehnungsmesstreifen effektiv gemessen werden können.
Nach Ausführungsformen umfasst ein Einbringen der Dehnungsmesskomponenten ein Drucken von Widerständen auf eine Materialschicht der Leiterplatte. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass die Dehnungsmesskomponenten in die Leiterplatte integriert sein können. Mithin benötigen die Dehnungskomponenten keinen zusätzlichen Platz in radialer Richtung, wodurch Beschädigungen derselben im Zuge von Gelenkbewegungen vermieden werden können. Zudem kann mithin der Platzbedarf für das Gelenk reduziert werden und somit kleinere Maßstäbe des Gelenkelements realisiert werden.
Nach Ausführungsformen sind die Dehnungsmesskomponenten dazu konfiguriert bei einem Überschreiten eines vordefinierten Dehnungsgrenzwerts ein Rückstellsignal zu senden zum Initialisieren einer Rückstellung eines das Gelenkelement umfassenden mechanischen Gelenks zur Verringerung der Dehnung.
Beispielsweise erfolgt ein Biegen und/oder Drehen des Gelenkelements aufgrund eines Biegens und/oder Drehens der Gelenkverbindung, welche etwa von Servomotoren angetrieben bzw. eingestellt wird. Ein entsprechendes Rückstellsignal kann beispielsweise in ein Steuersignal für die entsprechenden Servomotoren übersetzt werden, sodass die durch die Servomotoren verursachte Biegung und/oder Verdrehung des Gelenkelements reduziert wird. Dadurch kann auch die Dehnung des Gelenkelements reduziert werden und es können Beschädigungen des Gelenkelements effektiv und effizient vorgebeugt werden. Insbesondere kann dadurch vermieden werden, dass die Leitfähigkeit der Leiterbahnen aufgrund einer zu großen Dehnung reduziert werden könnten.
Ein Rückstellen kann beispielsweise unter Verwendung von Piezo- oder Elastomer-Aktoren ausgelöst werden.
Nach Ausführungsformen werden die Leiterbahnen auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Leiterplatte aufgebracht.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Leiterpatte um eine Mehrlagenleiterplatte, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnen tragende Materialschichten umfasst. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass die Anzahl der Leiterbahnen zwischen den Endabschnitten erhöht werden kann, ohne dass beispielsweise die Breite von Stegen, welche die entsprechenden Elemente miteinander verbinden, erhöht werden muss.
Nach Ausführungsformen umfasst das Fixieren der Leiterplatte in dem eingerollten Zustand ein Verwenden eines Klebers zum Fixieren von im Zuge des Einrollens aneinander angeordneter Bereiche der Leiterplatte. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch ein Verkleben der Leiterplatte im eingerollten Zustand ein effektives und effizientes Fixieren der Leiterplatte im entsprechenden Zustand ermöglicht werden kann.
Nach Ausführungsformen wird eine Klebefolie mit Kleber zum Fixieren verwendet wird.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei dem Kleber um einen thermisch aktivierbaren Kleber. Das Verfahren umfasst ferner beispielsweise ein Erhitzen zumindest des Klebers zu dessen Aktivierung.
Nach Ausführungsformen weist die eingerollte Leiterplatte einen Krümmungsradius kleiner 0,75 m, kleiner 0,5 m, kleiner 0,25 m, kleiner 0,2 m, kleiner 0,15 m, kleiner 0,1 m, kleiner 0,05 m, kleiner 0,04 m, kleiner 0,03 m, kleiner 0,02 m, kleiner 0,01 m, kleiner 0,0075 m, kleiner 0,005 m, oder kleiner 0,0025 m auf.
Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass unterschiedliche Krümmungsradien implementiert werden können. Größere Krümmungsradien können beispielsweise bei einer Verwendung des Gelenkelements für ein Bohrgestänge von Vorteil sein. Mittlere Krümmungsradien können beispielsweise bei einer Verwendung des entsprechenden Gelenkelements für ein Exoskelett oder einen Roboterarm von Vorteil sein. Kleinere Krümmungsradien können beispielsweise bei einer Verwendung des Gelenkelements für medizintechnische Geräte, wie etwa Endoskope, Katheter oder Bohrer, z. B. Zahnbohrer, von Vorteil sein.
Nach Ausführungsformen ist das Gelenkelement dazu konfiguriert als ein mechanisches Gelenk zur Übertragung eines Drehmoments verwendet zu werden. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass das Gelenkelement selbst zur Übertragung eines Drehmoments verwendet werden kann. In diesem Fall ist beispielsweise keine zusätzliche mechanische Gelenkverbindung notwendig, falls diese durch das Gelenkelement selbst bereitgestellt wird.
Nach Ausführungsformen wird das Gelenkelement in ein mechanisches Gelenk zur Übertragung eines Drehmoments eingebaut.
Nach Ausführungsformen handelt es sich bei dem mechanischen Gelenk um ein Gelenk eines geologischen Bohrgestänges, eines Endoskops, eines Katheters, eines medizinischen Bohrers, einer medizinischen Prothese, eines Exoskeletts oder eines Roboterarms.
Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass eine Übertragung des Drehmoments durch ein mechanisches Gelenk implementiert werden kann, während das Gelenkelement eine Übertragung elektrischer Energie dient. Beispielsweise kann das Gelenkelement zur Verbindung von Segmenten eines Bohrgestänges dienen. Bohrgestänge für tiefe Bohrungen sind üblicherweise in Segmente unterteilt, welche einen sogenannten Verlauf der Tiefenbohrung ermöglichen, d. h. einen Verlauf der Bohrung in horizontaler Richtung bzw. einer Richtung, welche eine horizontale Komponente aufweist. Beispielsweise weist der Bohrkopf Sensoren auf, deren Energieversorgung durch Gelenkelemente im Bereich zwischen den Segmenten implementiert werden kann. Innerhalb der Segmente kann die Energieübertragung in herkömmlicher Form, beispielsweise über Kabel, erfolgen. Zusätzlich zu einer Energieversorgung der Sensoren im Bohrkopf kann über die Gelenkelemente ferner eine Übertragung der Sensorsignale erfolgen.
Ausführungsformen umfassen ferner Gelenkelement, welches konfiguriert ist zur Übertragung elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung. Das Gelenkelement umfasst eine zu einem Zylinder eingerollte flächige Leiterplatte. Zwei eingerollte Endabschnitte der Leiterplatte bilden jeweils einen Zylinderendabschnitt des Zylinders. Die beiden Zylinderendabschnitte sind mit dem eingerollten Mittelabschnitt der Leiterplatte miteinander verbunden, welcher einen Zylindermittelabschnitt bildet. Die eingerollte Leiterplatte umfasst eine Mehrzahl von Leiterbahnen, welche sich jeweils von einem der Endabschnitte durch den Mittelabschnitt zu dem anderen der Endabschnitte erstrecken. Der eingerollte Mittelabschnitt weist eine im Verhältnis zu den eingerollten Endabschnitten reduzierte Steifigkeit auf.
Nach Ausführungsformen ist das Gelenkelement nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens hergestellt.
Ausführungsformen umfassen ferner ein mechanisches Gelenk, welches eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines Gelenkelements umfasst.
Nach Ausführungsformen ist das mechanische Gelenk dazu konfiguriert jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Gelenkelements zu umfassen.
Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Leiterplatte,
2 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen eingerollten Leiterplatte,
3 ein schematischer Querschnitt einer exemplarischen eingerollten Leiterplatte,
4 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen eingerollten Leiterplatte mit Klebefolie,
5 ein schematisches Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Herstellen eines Gelenkelements,
6 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Leiterplatte mit einer Aussparung,
7 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Leiterplatte mit zwei Aussparungen,
8 schematischer Querschnitte einer exemplarischen eingerollten Leiterplatte
9 ein schematischer Querschnitt einer exemplarischen Leiterplatte,
10 ein schematischer Querschnitt einer exemplarischen Leiterplatte,
11 schematische Diagramme mäanderförmiger Leiterbahnen,
12 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Leiterplatte mit Freibereichen,
13 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Leiterplatte mit Durchgangsöffnungen,
14 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Gelenkelements,
15 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Gelenkelements,
16 ein schematisches Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Herstellen eines Gelenkelements
17 ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Leiterplatte mit Dehnungsmesstreifen,
18 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Gelenkelements mit Dehnungsmessstreifen,
19 ein schematisches Diagramm einer Kombination aus einem Gelenkelement und einem mechanischen Gelenk,
20 ein schematisches Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Herstellen eines Gelenkelements und
21 ein schematisches Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Herstellen eines Gelenkelements.

Elemente der nachfolgenden Ausführungsformen, die einander entsprechen, werden mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine exemplarische flächige Leiterplatte 100. Die flächige Leiterplatte 100 ist in drei Abschnitte unterteilt. Zwischen den beiden Endabschnitten 102, 104 ist ein Mittelabschnitt 106 angeordnet. Leiterbahnen 108 erstrecken sich zwischen den beiden Endabschnitten 102, 104 durch den Mittelabschnitt 106 hindurch. Beispielsweise weisen die beiden Endabschnitte 102, 104 ferner Kontakte 112 zum elektrischen Kontaktieren der Leiterbahnen 108 auf. Unter Verwendung der Kontakte kann ein aus der Leiterplatte 100 hergestelltes Gelenkelement kontaktiert werden. Ferner weist die Leiterplatte beispielsweise elektronische Komponenten 110, wie etwa Widerstände oder Kapazitäten, auf. Die elektronischen Komponenten sind beispielsweise in den Endabschnitten 102, 104 angeordnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung der exemplarischen Leiterplatte 100 aus 1 in eingerolltem Zustand. Die Leiterplatte 100 ist zu einem Zylinder eingerollt und bildet in eingerolltem Zustand ein Gelenkelement 101. Die Leiterplatte 100 ist um eine Mittellängsachse 120 des Zylinders eingerollt und umfasst zwei Zylinderendabschnitte 114, 116, welche von den beiden Endabschnitten 102, 104 der Leiterplatte 100 gebildet werden sowie einen Zylindermittelabschnitt 118, welcher von dem Mittelabschnitt 106 der Leiterplatte 100 gebildet wird. Die Leiterplatte 100 wird so weit eingerollt, dass ein Rand 122 der Leiterplatte auf der Mantelfläche des gebildeten Zylinders angeordnet wird. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die eingerollte Leiterplatte 100 der 2 senkrecht zur Zylindermittellängsachse 120. In der exemplarischen Ausführungsform der 3 beträgt die Windungszahl 1, d. h. die Leiterplatte 100 wurde einfach eingerollt, bis der Rand 122 der Leiterplatte 100 auf der Zylindermantelfläche des resultierenden Zylinders angeordnet ist. In 4 wurde der eingerollte Zustand der Leiterplatte 100 aus 3 unter Verwendung einer Klebfolie 124 fixiert. Die Klebefolie 124 wurde über dem Rand 122 angeordnet und fixiert diesen auf der Zylindermantelfläche, sodass sich das resultierende Gelenkelement nicht mehr aufrollt.
5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Gelenkelements. In Block 300 wird eine flächige Leiterplatte, wie beispielsweise die in 1 gezeigte Leiterplatte 100, hergestellt. In Block 302 wird die Leiterplatte eingerollt zu einem Zylinder, wie beispielsweise in den in 2 gezeigten Zylinder. Der Zylinder kann beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt, wie den in 3 gezeigten, aufweisen oder einen elliptischen Querschnitt. In Block 304 wird die eingerollte Leiterplatte schließlich in dem eingerollten Zustand fixiert, wie beispielsweise in 4 gezeigt. Das Fixieren kann beispielsweise mittels eines Klebeverfahrens erfolgen. Zum Kleben kann beispielsweise eine Klebefolie und/oder ein thermoplastischer Kleber verwendet werden.
6 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform einer Leiterplatte 100. Die Endabschnitte 102, 104 der in 6 gezeigten Leiterplatte weisen jeweils einen Überstand 126 auf. Dieser Überstand 126 resultiert aus einer Aussparung 128, welche in den Mittelabschnitt 106 eingebracht ist. Die entsprechende Aussparung kann beispielsweise durch eine Materialentnahme, etwa mittels eines Bohr-, Schneid-, Stanz-, Fräs- oder Laserverfahrens, erfolgen. Alternativ können die Überstände 126 im Zuge der Herstellung der Leiterplatte 100 gebildet werden. Bei einem Einrollen der in 6 gezeigten Leiterplatte 100 zu einem Zylinder ist die resultierende Windungszahl im Bereich der Endabschnitte 102, 104 größer als im Bereich des Mittelabschnitts 106. 6 zeigt eine asymmetrische Verteilung der Überstände 126 relativ einer zur Mittellängsachse des zukünftigen Zylinders parallelen Mittellängsachsachse der Leiterplatte 100.
7 zeigt eine schematische Ansicht einer zu 6 alternativen Ausführungsform einer exemplarischen Leiterplatte 100, bei welcher die Überstände 126 symmetrisch angeordnet sind. Dabei sind zwei Aussparungen auf beiden Seiten des Mittelabschnitts 106 relativ zu der zur Mittellängsachse des zukünftigen Zylinders parallelen Mittellängsachsachse der Leiterplatte 100.
8A zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen aus dem Mittelabschnitt 106 einer der Leiterplatten 100 aus den 6 oder 7 gebildeten Zylindermittelabschnitt 118. 8B zeigt eine schematische Ansicht eines exemplarischen Querschnitts durch einen der Zylinderendabschnitte 114, 116. Aufgrund der Materialüberstände 126 beträgt die Windungszahl des eingerollten Zylinders im Falle der 8A, d. h. im Bereich des Zylindermittelabschnitts 118 beispielsweise 1, während sie, wie in 8B gezeigt, im Bereich der Zylinderendabschnitte 114, 116 beispielsweise 2 beträgt. Mithin ist beispielsweise die Steifigkeit im Bereich des Zylindermittelabschnitts 118 relativ zu der Steifigkeit im Bereich der Zylinderendabschnitte 114, 116 reduziert.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren exemplarischen Ausführungsform einer Leiterplatte 100, welche als zumindest abschnittsweise Mehrlagenleiterplatte konfiguriert ist, welche zumindest abschnittsweise eine Mehrzahl von Materiallagen bzw. Materialschichten 130 umfasst. Dabei ist die Anzahl der Materialschichten 130 im Bereich des Mittelabschnitts 106 beispielsweise reduziert relativ zu den Bereichen der Endabschnitte 102, 104. Beispielsweise sind die Endabschnitte 102, 104 jeweils als Mehrlagenleiterplatten ausgestaltet, während der Mittelabschnitt 106 als Einlagenleiterplatte ausgestaltet ist. Beispielsweise kann auch der Mittelabschnitt 106 als Mehrlagenleiterplatte ausgebildet sein. Die Anzahl der Materialschichten 130 ist im Bereich der Endabschnitte 102, 104 beispielsweise größer als im Bereich des Mittelabschnitts 106. Dadurch ist beispielsweise auch die kombinierte Materialstärke im Bereich der Endabschnitte 102, 104 größer als im Bereich des Mittelabschnitts 106. Alternativ könnten beispielsweise sowohl die Endabschnitte 102, 104 als auch der Mittelabschnitt 106 jeweils nur aus einer Materialschicht bestehen, deren Stärke im Bereich des Mittelabschnitts 106 geringer ist als in den Bereichen der Endabschnitte 102, 104.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren exemplarischen Ausführungsform einer Leiterplatte 100, bei welcher beispielsweise die unterschiedlichen Abschnitte, d. h. die beiden Endabschnitte 102, 104 einerseits und der Mittelabschnitt 106 andererseits, unterschiedliche Materialkomponenten umfassen. Beispielsweise weist die Materialkomponente des Mittelabschnitts 106 eine geringere Steifigkeit auf als die Materialkomponenten der Endabschnitte 102, 104.
Die 11 zeigten unterschiedlich exemplarische Ausführungsformen mäanderförmig ausgestalteter Leiterbahnen. 11A zeigt einen unter Verwendung einer Aneinanderreihung von 180°-Kreisbögen bzw. Halbkreisen ausgestalteten Verlauf einer mäanderförmig verlaufenden Leiterbahn 108. Entsprechend ist beispielsweise auch ein sinusförmig ausgestalteter Verlauf der Leiterbahn 108 denkbar. 11B zeigt einen tropfenförmigen Verlauf einer mäanderförmig verlaufenden Leiterplatte 108, welcher aus einer Aneinanderreihung von 270°-Kreisbögen bzw. Hufeisen resultiert. 11C zeigt einen rechteckigen Verlauf einer mäanderförmig ausgestalteten Leiterbahn 108. Beispielsweise können insbesondere 270°-Kreisbögen- sowie rechteckige Leiterbahn-Strukturen für den Zweck von Deformationen geeignet sein.
12 zeigt eine schematische Ansicht einer exemplarischen Leiterplatte 100, bei welcher die Leiterbahnen 108 in dem Mittelabschnitt 106 so verteilt sind, dass eine Mehrzahl von Freibereichen 132 zwischen den Leiterbahnen gebildet werden. Diese Freibereiche sind freigehalten von Leiterbahnen 108. Beispielsweise handelt es sich bei den Freibereichen 132 jeweils um länglich gestreckte Freibereiche.
13 zeigt eine schematische Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform der Leiterplatte 100 aus 12, bei welcher in die Freibereiche 132 jeweils eine Durchgangsöffnung eingebracht wurde. Bei der Durchgangsöffnung handelt es sich beispielsweise um eine länglich gestreckte Durchgangsöffnung in Form eines Schlitzes 134. Beispielsweise nehmen die Durchgangsöffnungen jeweils einen Teil des jeweiligen Freibereichs 132 ein. Beispielsweise nehmen die Durchgangsöffnungen den jeweiligen Freibereich 132 jeweils vollständig ein. Zwischen den Schlitzen 134, welche in den Freibereichen 132 angeordnet sind, bilden die zwischen den Schlitzen 134 verbleibenden Materialabschnitte des Mittelabschnitts 106 Stege 136. Im Ergebnis sind die beiden Endabschnitte 102, 104 somit durch eine Mehrzahl von Stegen 136 miteinander verbunden, innerhalb derer sich jeweils ein oder mehrere Leiterbahnen 108 zwischen den Endabschnitten 102, 104 erstrecken.
14 zeigt eine schematische Darstellung der Leiterplatte 100 aus 13 in eingerolltem Zustand. Die eingerollte Leiterplatte 100 bildet ein Gelenkelement 101 in Form eines Zylinders mit zwei Zylinderendabschnitten 114, 116 und einem Zylindermittelabschnitt 118. Die beiden Zylinderendabschnitte 114, 116 werden von den beiden Endabschnitten 102, 104 der Leiterplatte 100 gebildet. Der Zylindermittelabschnitt 118 wird von dem Mittelabschnitt 106 in der Leiterplatte 100 gebildet und weist eine Mehrzahl von Stegen 136 auf, welche die beiden Zylinderendabschnitte 114, 116 miteinander verbinden und zwischen denen jeweils ein Schlitz 134 angeordnet ist. Aufgrund der biegsamen Stege 136 ermöglicht das Gelenkelement 101, wie in 15 gezeigt, ein Biegen der beiden Zylinderendabschnitte 114, 116 relativ zueinander, um eine senkrecht zu einer Längsachse des Zylinders stehenden Biegeachse. Ferner wird dadurch ein relatives Verdrehen der Zylinderendabschnitte 114, 116 zueinander um die (ggf. gebogene) Längsachse des Zylinders als Drehachse ermöglicht.
16 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des in den 14 und 15 gezeigten Gelenkelements 101. In Block 310 wird eine Leiterplatte hergestellt, welche beispielsweise wie die Leiterplatte 100 der 12 konfiguriert ist. In Block 312 werden Durchgangsöffnungen in Freibereiche der Leiterplatte eingebracht. In Block 314 wird die Leiterplatte eingerollt zu einem Zylinder. In Block 316 wird der eingerollte Zustand der Leiterplatte fixiert, beispielsweise durch Kleben unter Verwendung einer Klebefolie und/oder eines thermoplastischen Klebers.
17 zeigt eine schematische Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform einer Leiterplatte 100. Die in 17 gezeigte Leiterplatte entspricht der in 12 gezeigten Leiterplatte, wobei in dem Mittelabschnitt 106 zwischen den Freibereichen 132 zusätzlich zu den Leiterbahnen 108 elektronische Komponenten in Form von Dehnungsmessstreifen 138 angeordnet sind.
18 zeigt die Leiterplatte 100 in eingerolltem Zustand, sodass dieses ein Gelenkelement 101 bildet. Das Gelenkelement 101 in 18 entspricht dem Gelenkelement 101 in 14, wobei das Gelenkelement 101 in 18 zusätzlich Dehnungsmesstreifen 138 auf einem oder mehreren der Stege 136 aufweist. Beispielsweise ist auf allen Stegen 136 jeweils ein Dehnungsmesstreifen 138 angeordnet. Beispielsweise sind Dehnungsmesstreifen 138 auf den Stegen 136 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Beispielsweise sind Dehnungsmesstreifen 138 auf jedem zweiten oder dritten Steg 136 angeordnet. Bei einem Biegen des Gelenkelements 101, wie in 15 gezeigt, weisen die Dehnungsmesstreifen 138 beispielsweise in die resultierende Dehnung der Stege. Überschreitet die Dehnung eines oder mehrerer der Stege einen vordefinierten Schwellenwert, wird ein entsprechendes Signal erzeugt, durch welches beispielsweise eine Rückstellung der Biegebewegung gesteuert wird.
19 zeigt ein exemplarisches mechanisches Gelenk 140, welches beispielsweise als eine Kardanwelle ausgestaltet ist, in welches ein Gelenkelement 101 eingebracht werden kann. Beispielsweise wird das Gelenkelement 101 in das mechanische Gelenk 114 eingebracht. Alternativerweise kann das Gelenkelement 101 auf das mechanische Gelenk 114 aufgeschoben werden und dieses wie eine Hülse umhüllen.
20 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Herstellen eines Gelenks mit einem Gelenkelement zur Übertragung elektrischer Energie. In Block 320 wird eine flächige Leiterplatte hergestellt. In Block 302 wird die flächige Leiterplatte zu einem Zylinder eingerollt. In Block 304 wird die Leiterplatte in dem eingerollten Zustand fixiert und in Block 306 wird das resultierende Gelenk in ein mechanisches Gelenk eingebaut. Hierzu kann das Gelenkelement beispielsweise in das mechanische Gelenk eingebracht werden, d. h. in dessen Innerem angeordnet werden. Dies kann den Vorteil haben, dass das mechanische Gelenk das Gelenkelement und insbesondere die Leiterbahnen und/oder elektronische Komponenten des Gelenkelements schützt. Alternativ kann das Gelenkelement auf das mechanische Gelenk aufgeschoben werden und eine Hülse um das mechanische Gelenk bilden. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Schutzmantel über das mechanische Gelenk und das Gelenkelement geschoben werden, um mechanische Beschädigungen des Gelenkelements zu verhindern.
21 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen Verfahrens zum Herstellen eines Gelenks mit einem Gelenkelement zur Übertragung elektrischer Energie und einem mechanischen Gelenk. In Block 330 wird eine flächige Leiterplatte hergestellt, welche in einem Mittelabschnitt Freibereiche aufweist, in denen keine Leiterbahnen und/oder elektronischen Komponenten angeordnet sind. In Block 312 werden Durchgangsöffnungen in die Freibereiche eingebracht. Beispielsweise sind die Freibereiche senkrecht gestreckt ausgestaltet und die eingebrachten Durchgangsöffnungen weisen beispielsweise die Form von länglich gestreckten Schlitzen auf. In Block 314 wird die Leiterplatte mit den Durchgangsöffnungen eingerollt, sodass ein Zylinder entsteht. Der Zylinder weist beispielsweise einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf. In Block 316 wird die Leiterplatte in dem eingerollten Zustand fixiert. Hierfür wird beispielsweise ein Klebeverfahren für eine Klebefolie und/oder eines thermoplastischen Klebers verwendet. In Block 318 wird das Gelenkelement schließlich in ein mechanisches Gelenk eingebracht. Das mechanische Gelenk kann beispielsweise als eine Kardanwelle ausgestaltet sein. Das Gelenkelement kann entweder in das Innere des mechanischen Gelenks eingebracht werden oder auf das mechanische Gelenk aufgeschoben werden, um eine Hülse um das mechanische Gelenk zu bilden. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Schutzmantel über das mechanische Gelenk und das Gelenkelement geschoben werden, um mechanische Beschädigungen des Gelenkelements zu verhindern.
Bezugszeichenliste

100: Leiterplatte
101: Gelenkelement
102: Endabschnitt
104: Endabschnitt
106: Mittelabschnitt
108: Leiterbahn
110: elektronische Komponente
112: Kontakt
114: Zylinderendabschnitt
116: Zylinderendabschnitt
118: Zylindermittelabschnitt
120: Längsachse
121: Längsachse
122: Rand
124: Klebefolie
126: Überstand
128: Aussparung
130: Materialschicht
132: Freibereich
134: Durchgangsöffnung
136: Steg
138: Dehnungsmessstreifen
140: mechanisches Gelenk

Claims

Verfahren zum Herstellen eines biegsamen Gelenkelements (101), welches konfiguriert ist zur Übertragung von elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung, wobei das Verfahren umfasst: • Bereitstellen einer flächigen Leiterplatte (100) unter Verwendung eines einrollbaren Substrats, wobei die Leiterplatte (100) zwei mit einem Mittelabschnitt (106) verbundene Endabschnitte (102, 104) umfasst, wobei die Leiterplatte (100) eine Mehrzahl von Leiterbahnen (108) umfasst, welche sich jeweils von einem der Endabschnitte (102, 104) durch den Mittelabschnitt (106) zu dem anderen der Endabschnitte (102, 104) erstrecken, • Einrollen der Leiterplatte (100) zu einem Zylinder, wobei die beiden eingerollten Endabschnitte (102, 104) jeweils ein Ende des Zylinders bilden, welche mit dem eingerollten Mittelabschnitt (106) miteinander verbunden sind, wobei der eingerollte Mittelabschnitt (106) eine im Verhältnis zu den eingerollten Endabschnitten (102, 104) reduzierte Steifigkeit aufweist, • Fixieren der Leiterplatte (100) in dem eingerollten Zustand.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die reduzierte Steifigkeit eine reduzierte Biegesteifigkeit und/oder Torsionssteifigkeit umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Mittelabschnitt (106) mit reduzierter Steifigkeit aufweist: eine im Verhältnis zu den Endabschnitten(102, 104) geringere Materialstärke, eine im Verhältnis zu den Endabschnitten (102, 104) geringere Anzahl an Materialschichten (130), eine Materialkomponente mit einer im Verhältnis zu Materialkomponenten der Endabschnitte (102, 104) reduzierten Steifigkeit, und/oder eine im Verhältnis zu den Endabschnitten (102, 104) geringere aus dem Einrollen resultierende Windungszahl der eingerollten Leiterplatte (100).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (108) in dem Mittelabschnitt (106) so verteilt angeordnet sind, dass eine Mehrzahl von sich länglich erstreckenden Freibereichen (132) frei von Leiterbahnen (108) gehalten wird, wobei das Verfahren zum Reduzieren der Steifigkeit des Mittelabschnitts (106) ferner ein Einbringen einer Mehrzahl von sich länglich erstreckten Durchgangsöffnungen (134) in die Freibereiche (132) umfasst, wobei sich die länglichen Durchgangsöffnungen (134) entlang der Freibereiche (132) erstrecken und Bereiche des Mittelabschnitts (106) zwischen den Durchgangsöffnungen (134) jeweils einen die beiden Endabschnitte (102, 104) miteinander verbindenden biegsamen Steg (136) bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei es sich bei den Durchgangsöffnungen (134) um Schlitze handelt, welche jeweils einen Winkel kleiner 90° mit einer Längsachse (120) des Zylinders einschließen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei sich die Schlitze parallel zu der Längsachse (120) erstrecken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Zylinder um einen Kreiszylinder mit einem kreisförmigen Querschnitt handelt oder wobei es sich bei dem Zylinder um einen elliptischen Zylinder mit einem elliptischen Querschnitt handelt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das einrollbare Substrat Polyurethan, thermoplastisches Polyurethan, Polyimid und/oder ein Flüssigkristallpolymer umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (108) mäanderförmig verlaufen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (108), insbesondere unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens, gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Leiterbahnen (108) unter Verwendung von dehnbarer, leitfähiger Tinte gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei der Tinte um eine Tinte auf Polymerbasis handelt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Übertragung der elektrischen Energie zur Energieversorgung dient und/oder die Übertragung der elektrischen Energie zur elektrischen Signalübertragung dient, insbesondere zur Übertragung eines Sensorsignals oder eines Steuersignals.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (100) ferner ein oder mehrere elektronische Komponenten (110) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein oder mehrere der elektronischen Komponenten (110), insbesondere unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens, gedruckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei die elektronischen Komponenten (110) so über die Leiterplatte verteilt angeordnet sind, dass die Freibereiche (132) des Mittelabschnitts (106) der Leiterplatte (100) frei von elektronischen Komponenten (110) gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die elektronischen Komponenten (110) ein oder mehrere Dehnungsmesskomponenten umfassen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die ein oder mehrere Dehnungsmesskomponenten jeweils zwischen den Durchgangsöffnungen (134) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei es sich bei den Dehnungsmesskomponenten um Dehnungsmesstreifen (138) handelt, welche in Längsrichtung parallel zu den Durchgangsöffnungen (134) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Dehnungsmesskomponenten dazu konfiguriert sind bei einem Überschreiten eines vordefinierten Dehnungsgrenzwerts ein Rückstellsignal zu senden zum Initialisieren einer Rückstellung eines das Gelenkelement (101) umfassenden mechanischen Gelenks (140) zur Verringerung der Dehnung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (108) auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Leiterplatte (100) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Leiterpatte um eine Mehrlagenleiterplatte handelt, welche eine Mehrzahl von Leiterbahnen (108) tragende Materialschichten (120) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Fixieren der Leiterplatte (100) in dem eingerollten Zustand ein Verwenden eines Klebers zum Fixieren von im Zuge des Einrollens aneinander angeordneter Bereiche der Leiterplatte (100) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine Klebefolie (124) mit Kleber zum Fixieren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 24, wobei es sich bei dem Kleber um einen thermisch aktivierbaren Kleber handelt, wobei das Verfahren ferner ein Erhitzen zumindest des Klebers zu dessen Aktivierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die eingerollte Leiterplatte (100) einen Krümmungsradius kleiner 0,75 m, kleiner 0,5 m, kleiner 0,25 m, kleiner 0,2 m, kleiner 0,15 m, kleiner 0,1 m, kleiner 0,05 m, kleiner 0,04 m, kleiner 0,03 m, kleiner 0,02 m, kleiner 0,01 m, kleiner 0,0075 m, kleiner 0,005 m, oder kleiner 0,0025 m aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gelenkelement (101) dazu konfiguriert ist als ein mechanisches Gelenk zur Übertragung eines Drehmoments verwendet zu werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gelenkelement (101) in ein mechanisches Gelenk (140) zur Übertragung eines Drehmoments eingebaut wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem mechanischen Gelenk um ein Gelenk eines geologischen Bohrgestänges, eines Endoskops, eines Katheters, eines medizinischen Bohrers, einer medizinischen Prothese, eines Exoskeletts oder eines Roboterarms handelt.
Gelenkelement (101), welches konfiguriert ist zur Übertragung elektrischer Energie über eine Gelenkverbindung, wobei das Gelenkelement (101) eine zu einem Zylinder eingerollte flächige Leiterplatte (100) umfasst, wobei zwei eingerollte Endabschnitte (102, 104) der Leiterplatte (100) jeweils einen Zylinderendabschnitt (114, 116) des Zylinders bilden, wobei die beiden Zylinderendabschnitte (114, 116) mit dem eingerollten Mittelabschnitt (106) der Leiterplatte (100) miteinander verbunden sind, welcher einen Zylindermittelabschnitt (118) bildet, wobei die eingerollte Leiterplatte (100) eine Mehrzahl von Leiterbahnen (108) umfasst, welche sich jeweils von einem der Endabschnitte (102, 104) durch den Mittelabschnitt (106) zu dem anderen der Endabschnitte (102, 104) erstrecken, wobei der eingerollte Mittelabschnitt (106) eine im Verhältnis zu den eingerollten Endabschnitten (102, 104) reduzierte Steifigkeit aufweist.
Mechanisches Gelenk, welches ein Gelenkelement (101) nach Anspruch 30 umfasst.