-
Biegbares Glied zum Biegen eines beweglichen
-
Teils in einer Vorrichtung zum Biegen Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Biegen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf bewegliche Teile wie Endoskope, die entlang eines
mäanderförmigen Wegs durch Körperhöhlen geführt werden und auf eine Vorrichtung
zum Biegen des beweglichen Teils, das zu biegen ist, welche ein Kunststoffmaterial
mit elektromechanischer Umsetzungswirkung verwendet.
-
Es stehen bereits weit verbreitet medizinische Endoskopvorrichtungen
zur Verfügung, die Organe in Körperhöhlen untersuchen, indem in die Körperhöhlung
ein verlängertes Einführungsteil eingeführt wird, oder wenn nötig, indem lebendes
Gewebe abgetastet wird durch Hineinführen einer Pinzette durch einen Pinzettenkanal,
um so den erkrankten Teilbereich detailliert zu diagnostizieren. Im Industriebereich
werden ebenso Endoskope benutzt zum Beobachten des Zustands von Leitungen wie in
Kesseln oder in chemischen Anlagen und zum Untersuchen von Ablagerungen auf der
Innenfläche der Leitung, um diese instandzuhalten.
-
Derartige Endoskopvorrichtungen benutzen sowohl weiche Endoskope,
die ein weiches und bewegliches Einführungsteil aufweisen als auch harte Endoskope
mit im großen und ganzen gerader und starrer Einführungsteile.
-
Eine derartige Endoskopvorrichtung weist ein optisches Beleuchtungssystem
zum Aussenden von Beleuchtungslicht für einen zu untersuchenden Gegenstand auf,
der
sich am vorderen Ende des Einführungsteils befindet, indem dieses System das Beleuchtungslicht,
das von einem bedienbaren erreichbaren Teil der Endoskopvorrichtung zugeführt wird,
hindurchläßt, wenn das Einführungsteil durch eine Öffnung hineingeführt ist, und
weist außerdem ein optisches Beobachtungssystem auf zur Erzeugung eines Bildes des
durch das Beleuchtungssystem beleuchteten Gegenstands, der an dem rückwärtigen Ende
des Okularteils am bedienbaren Ende des Endoskops beobachtet werden soll.
-
Das weiche Endoskop weist eine Krümmung in der Nähe des vorderen
Ende des Einfühuungsteils auf, die ferngesteuert wird, um so das am vorderen Ende
des Einfühuungsteils vorgesehene optische System, das durch die Mundöffnung oder
eine andere Öffnung eingeführt ist, in eine geeignete Beobachtungsrichtung zu bringen.
Die gebräuchliche Vorrichtung für diese Krümmung oder Biegung weist eine größere
Anzahl von Verbindungsstücken auf, die über Zapfenverbindungen eine Krümmung bilden,
und eine Betätigungsleitung, am äußersten Stück befestigt, die durch Drehung eines
Betätigungsknopfes am hinteren Ende zum horizontalen und vertikalen Biegen der Krümmung
angezogen oder gelöst wird.
-
Durch eine derartige Vorrichtung zum Biegen eines biegsamen Teils
durch Handhabung einer Betätigungsleitung muß diese Betätigungsleitung vom vorderen
Ende bis zum hinteren Ende durch das Endoskop hindurchgeführt werden, so daß das
Einführungsteil infolgedessen nicht in kompakterer Weise aufgebaut werden kann.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Biegen eines
beweglichen Teils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die ein einfaches
Biegen in
die gewünschten Richtungen ermöglicht und die einen kompakten
Aufbau hat.
-
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
-
Weiterführende AusfUhrungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche
gegeben.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Biegen weist den oben beschriebenen
Nachteil der gebräuchlichen Vorrichtungen nicht auf. Sie ermöglicht darüber hinaus
eine Biegung eines beweglichen Teils in jede beliebige gewünschte Richtung, arbeitet
einfach und besitzt einen kompakten Aufbau, indem ein Kunststoffmaterial mit elektromechanischer
Umsetzungswirkung auf dem beweglichen biegbaren Teil als Schichtfilm verwendet wird.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
-
Die Fig. 1 bis 5 betreffen den prinzipiellen Aufbau eines Schichtfilms,
der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Dabei zeigen: F I G . 1
eine schematische Ansicht, die die Struktur des Schichtfilms zeigt, F I G . 2 eine
schematische Darstellung der Reaktion des Schichtfilms bei Anlegen einer Spannung
an den Film, F I G . 3 eine schematische Darstellung, die die quantitativen Verhältnisse
des Schichtfilms verdeutlichen, F I G . 4 eine schematische Ansicht eines zusammengesetzten
Schichtfilms,
F I G . 5 eine schematische Darstellung der Reaktion
des Schichtfilms aus FIG. 4 bei Anlegen einer Spannung an den Film.
-
Die Fig. 6 bis 8 betreffen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Dabei zeigen: F I G . 6 einen Querschnitt entlang der Achsenrichtung
eines biegbaren Gliedes eines Endoskops, F I G . 7 einen Querschnitt entlang einer
Linie senkrecht zur Achse des biegbaren Gliedes eines Endoskops, und F I G . 8innen
vergrößerten Teilausschnitt eines Teilbereichs der FIG. 7, der dort durch einen
gestrichelt gezeichneten Kreis begrenzt ist.
-
Im folgenden wird das Prinzip für das Biegen eines Schichtfilms nach
der vorliegenden Erfindung an Hand der FIG. 1 bis 5 beschrieben. Ein allgemein bekanntes
Material, das elektromechanische Umsetzung zeigt, ist Polyvinylidenfluorid. Es ist
ein Polymer von Vinylidenfluorid (CH2 = CF2) und besitzt eine hohe Polarität und
Kristallisation aufgrund seiner Struktur und wirkt als typisches dielektrisches
Polymer. Z.B.
-
zeigen Filme, die dieses Material aufweisen, eine hohe Piezoelektrizität.
Derartige Materialien wurden bisher für Ultraschallschwingungserzeuger, Mikrophone,
Lautsprecher usw. eingesetzt. Wie in der FIG. 1 gezeigt ist, ist ein Schichtfilm
1 einer Dicke t durch t)bereinanderschichtung von zwei Schichten aus einem Polyvinylidenfluoridfilm
2 und 3 hergestellt, die eine Polarisation in Richtung der äußeren Schichtdicke
aufweisen, so daß ihre Polarisationsrichtungen zueinander entgegengesetzt sind,
wobei auf diesen Schichten auf ihren Oberflächen zwei Elektroden 4, 5 befestigt
sind.
-
Wenn zwischen den beiden Elektroden 4, 5 eine Potentialdifferenz
erzeugt wird, wird der Schichtfilm, wie in der FIG. 2 gezeigt ist, gebogen. Bei
Umkehrung der Spannungspolung wird der Schichtfilm entsprechend in die umgekehrte
Richtung gebogen.
-
Eine derartige Umbiegung kann quantitativ aus einer in der FIG. 3
gezeigten Anordnung bestimmt werden, indem zwei Schichten aus einem Polyvinylidenfluoridfilm
2 und 3 übereinandergeschichtet werden, um so einen Schichtfilm 1 einer Dicke t
herzustellen, indem zwei Elektroden 4 und 5, wie im Fall des Schichtfilms der FIG.
1, auf beiden Oberflächen der Schichten befestigt werden, und indem ein Ausleger
einer Länge 6 gebildet wird. Wird zwischen den Elektroden 4, 5 eine Potentialdifferenz
E angelegt, wird das vordere Ende des Schichtfilms, das beweglich ist, um eine Verschiebung
x verschoben. Bei einer derartigen Anordnung erfüllen die Verschiebung x des vorderen
Endes und eine Biegungskraft F die folgenden Gleichungen: x = 3x t2 x d x E/t2 und
F = 3 x t x B x d x Y x E/4 x wobei d eine piezoelektrische Konstante in einer senkrechten
Richtung zur Dicke des Schichtfilms ist, B die Breite vom Schichtfilm und Y der
Elastizitätsmodul des Schichtfilms 1. Aus diesen quantitativen Beziehungen wird
geschlossen, daß ein Radius r der Krümmung infolge der Biegung proportional zur
Dicke t des Schichtfilms anwächst und umgekehrt mit wachsender angelegter Potentialdifferenz
E abnimmt. Die Biegungskraft F ist der angelegten Potentialdifferenz direkt proportional.
Da die Biegungskraft von einem einzelnen Satz eines Schichtfilms 1, der aus zwei
Schichten aus Polyvinylidenfluoridfilm 2 und 3 hergestellt ist, bewirkt ist,
werden
entsprechend mehrere Komponenten einer Biegungskraft durch eine Filmanordnung aus
mehreren Schichten des Schichtfilms 1 bewirkt. Die FIG. 4 zeigt eine Filmschichtanordnung
aus einer größeren Anzahl von Schichtfilmen, bei der die Richtungen der Biegungen
der in der FIG. 1 gezeigten Richtung des Schichtfilms 1 entsprechen und jede Schicht
nur in einem begrenzten Teilbereich in der Mitte fixiert ist. Wenn Elektroden so
mit dieser Anordnung verbunden werden, daß eine Potentialdifferenz in derselben
Richtung jeweils zwischen den Elektroden bezüglich Jedes Schichtfilms 1 eingestellt
wird, wie es in der FIG. 5 gezeigt ist, werden die Schichtfilme 1 mit derselben
Krümmung gebogen. Die Biegungskraft multipliziert sich dabei mit der Anzahl der
Schichten aus den einzelnen Schichtfilmen 1.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei dem das oben beschriebene Prinzip angewendet ist, an Hand der Zeichnungen beschrieben.
-
Wie in den FIG. 6 bis 8 dargestellt ist, weist die Vorrichtung zum
Biegen eines Endoskops 11 ein biegbares Glied 12 auf, das am vorderen Ende eines
Einführungsteils des Endoskops vorgesehen ist und eine Einrichtung 13 zur Betätigung
des biegbaren Glieds 12, indem das Biegbare Glied eingestellt wird. Das biegbare
Glied 12 weist ein inneres Schutzrohr 14 auf, einen Schichtfilm 15, der die äußere
Oberfläche dieses Schutzrohrs 14 umgibt und einen rohrförmigen Mantel 16, der einen
biegsamen Teilbereich aufweist und die Oberfläche des Schichtfilms 15 bedeckt. Durch
das innere Schutzrohr 14 werden in axialer Richtung ein Lichtleiter, eine Bildübertragungsvorrichtung
usw. (nicht dargestellt) eingeführt. Der Schichtfilm 15 ist aus zwei Filmschichten
17, 18 hergestellt, die z.B. aus
Polyvinylidenfluorid bestehen
und jede eine Polarisationsrichtung in Richtung der äußeren Schichtdicke aufweisen
und so angeordnet sind, daß sich ihre Polarisationsrichtungen umgekehrt zueinander
verhalten und die gesamte Dicke einen vorbestimmten Wert hat, wobei zwei Elektroden
19, 20 auf den äußeren Oberflächen dieser Schichten befestigt sind. Der Schichtfilm
15 weist eine große Anzahl von Streifen gleicher Breite in Querrichtung und gleicher
Länge in Längsrichtung auf, die so angeordnet und gebogen sind, daß sie die gesamte
äußere Oberfläche des inneren Schutzrohrs 14 bedecken. Die Länge des Schichtfilms
15 in Längsrichtung wird durch den erforderlichen Krümmungsradius, die Biegungskraft
des Schichtfilms 15 usw. bestimmt.
-
Das biegbare Glied 12 setzt sich aus solchen Streifen von Schichtfilmen
15, ... zusammen, die eine vorbestimmte Länge haben. An den Elektroden 19, 20 für
den oberen Teil der Schichtfilme 15, ... sind Zuführungsleitungen 21, 22 befestigt,
so daß eine größere Anzahl von Streifen aus Schichtfilmen 15, ..., die in diesem
oberen Bereich angeordnet sind, in dieselbe Richtung gebogen sind. Entsprechend
sind an den Elektroden für den unteren Teil der Schichtfilme 15, Zuführungsleitungen
23, 24 befestigt, so daß eine größere Anzahl von Streifen, die im unteren Teil angeordnet
sind, in dieselbe Richtung wie der obere Teil gebogen sind. Entsprechend sind Zuführungsleitungen
(nicht dargestellt) an weiteren Elektroden 19, 20 befestigt, so daß die Streifen
der Schichtfilme 15, im linken und rechten Teil dieser Streifenanordnung ebenfalls
in dieselbe Richtung gebogen sind. In der FIG. 7 sind die Schichtfilme 15, ...,
die als Streifen in den oberen und unteren Teilbereichen angeordnet sind, und an
denen Zuführungsleitungen 21, 22, 23 und 24 befestigt sind, durch Begrenzungslinien
zwischen den Streifen dargestellt. Die Zuführungsleitungen 21, 22, 23 und 24 sind
durch das innere Schutzrohr 14 hin-
durchgeführt und mit der Einrichtung
13 zum Betätigen des biegbaren Gliedes 12 verbunden. Die Einrichtung 13 sum Betätigen
des biegbaren Gliedes 12 steuert dieses durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung
an die Streifen des Schichtfilms 15, die in einem vorbestimmten Bereich angeordnet
sind. Zusätzlich können weitere zahlreiche Sätze von Streifen aus einem Schichtfilm
15 entsprechend über Zuführungsleitungen mit der Einrichtung 13 zum Betätigen des
biegbaren Gliedes verbunden werden. Der rohrförmige Mantel 16 bedeckt die Außenfläche
der Streifen aus Schichtfilmen 15, ..., die Über die äußere Oberfläche des inneren
Schutzrohrs 14 gebogen sind, derart, daß die Innenfläche des rohrförmigen Mantels
16 über die äußere Oberfläche der Streifen aus Schichtfilmen 15, ... verschiebbar
ist.
-
Durch die Vorrichtung zum Biegen eines Endoskops 11, die dem oben
beschriebenen Aufbau entspricht, kann die Biegung des Endoskops ausgeführt werden,
indem durch die Einrichtung 13 zum Betätigen des biegbaren Gliedes, die sich am
bedienbaren Ende des Endoskops befindet, eine vorbestimmte Spannung zugeführt wird.
-
Wenn das vordere Ende des Einführungsteils nach unten gebogen werden
soll, wird den oberen und unteren Teilen der Schichtfilme 15, ... durch Zuführungsleitungen
21, 22, 23 und 24 eine vorbestimmte Spannung zugeführt, um von einander unabhängige
Biegungskräfte hervorzurufen. Da die Streifen aus Schichtfilmen 15, über die äußere
Oberfläche des inneren Schutzrohrs 14 gebogen sind, werden die Biegungskräfte auf
das innere Schutzrohr 14 übertragen, um so das vordere Ende des Einführungsteils
sowohl am oberen als auch am unteren Teil des Schutzrohres 14 nach unten zu verschieben.
Weiterhin entwickeln die aus Streifen derselben Breite bestehenden Schichtfilme
15, ..., die die äußere Oberfläche des inneren Schutzrohres auf die-
se
Weise aufteilen, Jeweils unabhängig voneinander eine Biegungskraft,ohne benachbarte
Streifen zu beeinflussen, und das vordere Ende wird so leicht gebogen. Um das vordere
Ende des Einführungsteils nach oben zu biegen, wird eine vorbestimmte Spannung umgekehrter
Polarität zugeführt. Um das vordere Ende entsprechend nach links oder nach rechts
zu biegen, wird den Streifen aus Schichtfilmen 15, ... des linken und rechten Teilbereichs
eine Spannung zugeführt. Außerdem kann das vordere Ende des Einführungsteils in
schräger Richtung gebogen werden, indem gleichzeitig eine Spannung an die Schichtfilme
15, ... der Streifen aus dem oberen, unteren, linken und rechten Teilbereich angelegt
wird. Da diese Bewegung durch eine Anzahl von mehreren Sätzen aus Streifen von Filmschichten
15, ... durchgeführt werden kann, kann so die Biegung glatt und gleichmäßig durchgeführt
werden, indem jeder angebrachte Satz von Streifen das biegbare Glied 12 in ähnlicher
Weise zu biegen vermag.
-
Wie oben aufgeführt, kann das Einführungsteil demnach in jede gewünschte
Richtung gebogen werden.
-
Da der gesamte Schichtfilm 15 mit einer minimisierten Dicke hergestellt
werden kann und lediglich mit den Zuführungsleitungen verbunden werden muß, kann
das biegbare Glied auf einfache Weise und in kompakter Bauform ausgeführt werden.
-
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen einzigen
Schichtfilm 15, der aus zwei Schichten aus einem Polyvinylidenfluoridfilm besteht.
-
Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, das biegbare Glied 12 aus
einer Vielzahl von derartigen Schichtfilmen 15 durch Aufeinanderschichten der einzelnen
Schichtfilme herzustellen, wobei zentrale Längenbereiche von mehreren Schichten
aus Schichtfilmen 15 gebogen werden. In einer derartigen Anordnung wird die Biegungs-
kraft
mit der Anzahl der Lagen erhöht, so daß die Biegung erleichtert wird.
-
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das biegbare Glied am
vorderen Ende eines Einführungsteils eines Endoskops befestigt, die Verwendung eines
solchen biegbaren Gliedes ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Derartige biegbare
Glieder können darüber hinaus an biegsamen Röhren, an Stäben oder Plattenteilen
vorgesehen werden.
-
Zum Beispiel kann ein so geschichtetes Garn über eine einzelne Faser
gebogen werden, um auf diese Weise die Faser in jede gewünschte Richtung zu biegen.
-
Darüber hinaus isi eine komplizierte Zickzackbewegung möglich, wenn
eine größere Anzahl biegsamer Streifensätze aus Schichtfilmen kontinuierlich oder
auch getrennt in Längsrichtung angeordnet werden. Ein Endoskop aus einer Vielzahl
von biegsamen Gliedern kann so realisiert werden.
-
Neben der oben beschriebenen Biegung des Schichtfilms 15 mit der
gesamten Oberfläche eines inneren Schutzrohres 14 kann dieser auch mit jedem gewünschten
oberen oder unteren Teilbereich oder linken und rechten Teilbereich und auch mit
der inneren Fläche eines Schutzrohres gebogen werden.
-
Weiterhin ist das Schichtfilmmaterial nicht auf Polyvinylidenfluorid
beschränkt, sondern jedes Kunststoffmaterial, das piezoelektrische Konversion zeigt,
ist als Material hierfür geeignet.
-
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden biegbare Glieder geschaffen,
die durch Ubereinanderschichten von Schichten aus piezoelektrischen Kunst-
stoffilmen
auf Teilen biegsamer Glieder, die gebogen werden sollen, hergestellt sind, und es
wird eine Einrichtung angegeben zum Betätigen der biegsamen Glieder, indem eine
Spannung an die übereinandergeschichteten Filmlagen, den Schichtfilm, gelegt wird,
so daß die Teile der biegsamen Glieder frei in jede gewünschte Richtung gebogen
werden können. Dabei ist die gesamte Vorrichtung aus den biegbaren Gliedern und
der Einrichtung zum Betätigen auf einfache Weise und in kompakter Bauform herstellbar.
Insbesondere kann ein Endoskop durch Verwendung derartiger biegbarer Glieder im
Einführungsteil auf einfache Weise erstellt werden.
-
Ohne von der Erfindungsidee abzuweichen oder den Schutzbereich der
Erfindung zu verlassen, sind weitere Ausführungsbeispiele in den verschiedensten
Bereichen mit den Merkmalen der Erfindung denkbar.