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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise
als Piezoinjektor oder zur Betätigung
eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, mit
einem elektrischen Anschluss für
die Ansteuerung des Piezoelements über ein Fußteil des Piezoaktors nach
den gattungsgemäßen Merkmalen
des Hauptanspruchs.
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Es
ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors
ein Piezoelement so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung
des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines
Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Das Piezoelement
ist aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so
aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung
eine mechanische Reaktion des Piezoelements erfolgt, die in Abhängigkeit
von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung
einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige
Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen
unter hohen Betätigungskräften und
hohen Taktfrequenzen ablaufen.
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Beispielsweise
ist ein solcher Piezoaktor aus der
DE 100 26 005 A1 bekannt, der zur Ansteuerung der
Düsennadel
bei Piezoinjektoren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum
eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor
ist ein Piezoelement, wie erwähnt,
als Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezokeramischen
Schichten aufgebaut, der unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten
ist. Jede piezokeramische Schicht ist als Piezolage zwischen zwei
Innenelektroden eingefasst über
die von außen eine
elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen
Spannung führen
die piezokeramischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen
in Richtung des Potentialgefälles
aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub
ist über
die Höhe
der angelegten Spannung veränderbar
und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
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Bei
dem zuvor erwähnten
Piezoaktor wird zur Heranführung
der unterschiedlichen Potentiale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung
der Innenelektroden über äußere Elektroden
vorgenommen, bei der leitende Flächen
auf jeweils einer Seitenfläche
des Piezoelements angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden
kontaktiert sind. Dagegen ist aus der
DE 103 35 019 A1 ein Piezoaktor
bekannt, bei dem die Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktelementen
erfolgt, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoelements
liegen.
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Außerdem ist
auch in der
EP 1 174
615 A3 ein Piezoaktor beschrieben, bei dem ein Piezoelement
als Aktormodul für
die direkte Nadelhubsteuerung eines Einspritzinjektors für einen
Verbrennungsmotor vorhanden ist. Zwischen dem Piezoelement als Aktor
und der Nadel sitzt lediglich ein Koppler mit einer hydraulischen Übersetzung
zum Dehnungsausgleich. Mit einer Aktivierung des Piezoelements wird
hierbei die unter Vorspannung zum Verschluss der Einspritzdüse gehaltene
Nadel von der Düsenöffnung wegbewegt,
da die Nadel direkt übersetzt
der Bewegung des Aktors folgt.
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Beim
eingangs erwähnten
Stand der Technik
DE 100 26
005 wird der elektrische Anschluss des Piezoelements an
eine externe Spannungsquelle durch eine Verlängerung der äußeren Elektroden durch
ein Fußteil
des Piezoaktors hindurch vorgenommen. Diese Verlängerung kann auch weiter bis zu
einem Stecker geführt
werden, so dass diese somit in einem mechanisch unkritischen Bereich
kontaktiert werden. Die Verlängerungen
können
dabei elektrisch isoliert durch den Aktorfuß, z.B. aus Stahl, geführt werden,
an dem das Piezoelement anliegt oder befestigt ist. Weiterhin ist
es aus diesem Stand der Technik bekannt, dass die Verlängerungen
zur Fixierung und zur Zugentlastung der Außenelektroden in einer Vergussmasse
gehalten sind, welche in eine Ausnehmung des Aktorfußes, ggf.
von einem Formteil aus Stahl oder Polymer umgeben, eingebracht sind.
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Bei
den zuvor beschriebenen Piezoaktoren ist zu beachten, dass die elektrischen
Anbindungen im Herstellungsprozess einfach aber im Betrieb sicher
erfolgen sollen, wobei zusätzlich
zur elektrischen Isolierung auch bei vielen Anwendungen mit einer
Ventilfunktion eine ausreichende Abdichtung gegenüber Flüssigkeiten
gewährleistet
sein muss. Insbesondere bei einer Anwendung der Piezoaktoren als
Einspritzinjektoren für
Kraftstoff in sogenannten Common-Rail-Systemen (CR) ist bei den
verwendeten hohen Drücken
des Kraftstoffs eine sichere Bauweise erforderlich.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor aus,
der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen aufweist, die als Piezoelement
in einem Haltekörper
gehalten sind, wobei am Piezoelement eine wechselseitige Kontaktierung von
Innenelektroden mit Kontaktelementen vorhanden ist. Weiterhin ist
ein Aktorfuß zwischen
dem Piezoelement und der Wand einer inneren Ausnehmung des Haltekörpers vorhanden,
durch den elektrische Leitungen zu den Kontaktelementen geführt sind.
Erfindungsgemäß ist der
Aktorfuß in
vorteilhafter Weise aus einem Anbindeteil am Haltekörper und einem
Keramikteil in Richtung des Piezoelements gebildet. Ein solche Anordnung
ist beispielsweise vorteilhaft zur Steuerung des Hubs einer Nadel
für die
Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar und zwar sowohl
mit einer einstufigen als auch mit einer zweistufigen Übersetzung.
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Mit
der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise erreicht, dass zum Beispiel
mit der für
sich gesehen bekannten Glaseinschmelzungen der Leitungen im Keramikteil
eine sehr kompakt bauende elektrisch isolierende Hochdruckabdichtung
(max. 2500 bar) in einem Hochdruckventil als Injektor der eingangs
beschriebenen Art mit einem Piezoelement geschaffen werden kann,
welche auf kleinstem Raum das Anbinden des Piezoelements an einen
Haltekörper
in unterschiedlichsten Varianten ermöglicht und dabei die elektrischen
Leiter des Piezoelements gegenüber der äußeren kundenspezifischen
Steckverbindung des Injektors hochdruckdicht abdichtet.
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Dabei
ist es möglich,
dass eine beliebige Anzahl von elektrischen Leitern, in der Regel
jedoch zwei Leitungen, bzw. die dafür notwendigen Durchführungen,
in der hochdruckdichten Keramik parallel sowie unter jedem beliebigen
Winkel, auch zueinander, angeordnet sein können. Das Keramikteil ermöglicht dabei
das Führen
von unisolierten elektrischen Leitern, welche direkt in der Keramik
hochdruckdicht eingelötet,
glasgeklebt oder glaseingeschmolzen werden können. Durch die elektrisch
isolierende Eigenschaft der Keramik sind Kriechströme zwischen
den Leitern und den metallischen Bauteilen des Injektors ausgeschlossen.
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Der
erfindungemäße Aktorfuß kann dabei mit
dem Haltekörper
oder auch mit anderen beliebigen Wechselteilen über das Anbindeteil mittels
Löten,
Schweißen
oder Verschraubungen direkt verbunden werden. Dabei können das
Anbindeteil und das Keramikteil untereinander mittels Aktivlöten oder Glasklebung
hochdruckdicht miteinander verbunden werden. Hierbei ist vorzugsweise
das Anbindeteil aus Metall und die Leitungen sind durch eine Isolierung im
Anbindeteil geführt.
Das Anbindeteil kann jedoch auch aus einem beschichteten oder je
nach Bedarf nichtmetallischen Material bestehen.
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Die
Form und das Material des Anbindeteils sind je nach Anwendung frei
wählbar,
sie müssen
lediglich hochdruckdicht mit dem Keramikteil verbindbar sein. Die
Konturen der Verbindungsstellen zwischen dem Keramikteil und dem
Anbindeteil können ebenfalls
je nach Material, Festigkeitsanforderungen oder geforderter Positionsgenauigkeit
frei gestaltet werden, z.B. mit Plan- oder Führungsnuten sowie mit einem
entsprechendem äußeren Passdurchmesser.
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Zur
elektrischen Isolation der Leiter im Anbindeteil können zum
Beispiel Keramik- oder Kunststoffbuchsen etc. eingepresst werden.
Ein Ausspritzen mit Kunststoff oder einem weiteren Keramikteil ist
ebenfalls möglich
sowie ein Eintauchen einer isolierenden Leitungsummantelung in die
Aussparungen zur Aufnahme der Leiter wie deren Umspritzung mit Kunststoff.
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Mit
der Erfindung ist auf einfache Weise erreicht, dass neben der Funktion
einer Hochdruckabdichtung mit einer üblichen Glaseinschmelzung von abzudichtenden
Bauteilen zusätzlich
die Aufgabe des sonst verwendeten Aktorfußes als steifes Widerlager
des Piezoelements im Piezoaktor erfüllt wird. Somit können zwei
Funktionen in einem Bauteil realisiert werden und der benötigte Bauraum
ist daher reduziert. Die Kombination aus dem Keramikteil und dem
durch Löten
bzw. Kleben aufgebrachten Anbindeteil ermöglicht eine kompakte Ausführung unter Verwendung
der Vorteile der jeweiligen Materialeigenschaften.
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Die
Keramik eines Sinterkörpers
als Keramikteil ist in ihrer molekularen Struktur an sich hochdruckdicht
und nimmt die elektrischen Kontakte isoliert auf, die z.B. mittels
Glas eingeschmolzen, eingeklebt oder über Aktivlöten unter Schutzgas direkt
in der Keramik hochdruckdicht eingebracht werden können. Beim
Glaseinschmelzen unterstützt
der in der Keramik beigemischte Glassanteil die Festigkeit und Dichtheit
der Verbindung zwischen den Glasmolekülen des Glases und der Keramik.
Der Glasmantel muss deshalb im Vergleich zu üblichen Glaseinschmelzungen
nicht so stark ausgebildet sein. Beim Aktivlöten der Leitungen übernimmt
die Keramik vor allem die elektri sche Isolation der Leitungen zueinander,
sowie die elektrische Isolation nach außen zum Injektorgehäuse bzw.
dem Verbrennungsmotor.
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Bei
der Erfindung kann gegenüber
den üblichen
Hochdruckglaseinschmelzungen auf die äußeren Metallstützringe
verzichtet werden, welche aus Festigkeitsgründen den max. Durchmesserfaktor
von 1,4 des max. Glasdurchmesser benötigen und somit den Bauraumbedarf
stark erhöhen.
Mindestbaulängen
der Hersteller müssen
dabei ebenfalls konstruktiv am Injektor nicht mehr berücksichtigt
werden. Dieser Bauraum steht häufig
bei den modernen Auslegungen nicht zur Verfügung, vor allem wenn mehrere Leitungen
in kleinen Bauräumen
nebeneinander geführt
und abgedichtet werden müssen.
Gleichzeitig müssen
bei den bekannten Anordnungen häufig auch
Mindestabstände
bezüglich
elektrischer Kriechströme
eingehalten werden, so dass weitere Einschränkungen bei der Gestaltung
der Bauteile gegeben sind, zum Beispiel wenn Winkelanordnungen der Glaseinschmelzungen
vorgesehen sind.
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Mit
den erfindungemäßen Ausführungsformen
können
die zuvor genannten Einschränkungen aufgehoben
werden, da die Bauteile flexibler gestaltet werden können, z.B.
bei der Führung
der elektrischen Leitungen und der den Anforderungen angepassten
Gestaltung des Anbindeteils. Üblicherweise ist
die Auswahl der Materialien beim Glaseinschmelzprozess in Stahl
sehr eingeschränkt,
da die Festigkeit der Stähle
durch die hohen Prozesstemperaturen von über 1000°C stark abnimmt. Durch das Löten, z.B.
Aktivlöten
oder Kleben, oder beispielsweise mit einem Glaskleber können bei
der Erfindung verschiedene Materialpaarungen erzeugt und miteinander verbunden
werden, ohne dass die in der Regel metallischen Anbindeteile durch
die hohen Sintertemperaturen beim Glaseinschmelzprozess ihre Festigkeit verlieren.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Anodnung
werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen herkömmlichen
einstufigen Piezoaktor zur Steuerung einer Düsennadel in Kraftstoffeinspritzsystemen
zur Erläuterung
des prinzipiellen Aufbaus,
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2 einen
Teilschnitt durch einen Aktorfuß mit
einer elektrischen Kontaktierung von Außenelektroden des Piezoelements
bei einem Piezoaktor nach der 1 als Stand
der Technik,
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3a und 3b einen
Teilschnitt und einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung der
Durchführung
der elektrischen Kontaktierung durch den Aktorfuß an äußere Kontaktelemente für die Innenelektroden
des Piezoelements,
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4a und 4b einen
Teilschnitt und einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung der
Durchführung
der elektrischen Kontaktierung durch den Aktorfuß in Abwandlung zu den 3a und 3b mit
konischem Bohrungen,
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5a und 5b einen
Teilschnitt und einen Querschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführung der
Durchführung
der elektrischen Kontaktierung durch den Aktorfuß an innenliegende Kontaktelemente
mit abgewinkelter Leitungsführung und
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6a und 6b einen
Teilschnitt und einen Querschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführung der
Durchführung
der elektrischen Kontaktierung durch den Aktorfuß an innenliegende Kontaktelemente
mit gerader Leitungsführung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist
ein prinzipieller Aufbau einer Anordnung mit einem einstufigen Piezoaktors 1 gezeigt, die
beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff
bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Im oberen Teil
ist ein Haltekörper 2 vorhanden,
der in seinen geometrischen Abmessungen im wesentlichen an den spezifischen
Einsatzort angepasst werden kann. Es ist eine Steckerteil 3 zu
erkennen, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall
angepassten Steckerausführung
die elektrische Spannung für
die Steuerung eines Piezoelements 5 angeschlossen werden
kann. Die Führung
der elektrischen Leitung und eine eventuelle Zuführung des mit dem Piezoaktor 1 zu
steuernden Kraftstoffs im Haltekörper 2 ist
hierbei nicht zu erkennen und für
die Funktion der Erfindung auch nicht wesentlich.
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In
einem Innenraum 4 des Piezoaktors 1 ist das Piezoelement 5 angeordnet,
das bei einer Betätigung über eine
sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung
mit einem Koppler 6 auf eine Düsennadel 7 derart
wirkt, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 8 erfolgen
kann. Ein im Inneren des Piezoaktors 1 durch den Innenraum 4 geführter Kraftstoff
kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors
injiziert werden.
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Das
Piezoelement 5 liegt nach der 1 über einen
Aktorfuß 9 oben
an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 an, wobei das
Piezoelement 5 zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit
einer Feder 10 angedrückt
wird. Insbesondere bei den eingangs erwähnten Common-Rail (CR)-Systemen
ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem elektrischen Anschlussraum 11 notwendig,
durch den zwei hier schematisch angedeutete elektrische Leitungen 12 und 13 an
das Piezoelement 5 geführt
sind.
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Aus
2 ist
eine solche bereits aus dem Stand der Technik
DE 100 26 005 A1 bekannte
Anordnung der in einer Vergussmasse liegenden elektrischen Leitungen
12 und
13 im
Aktorfuß
9 zu
entnehmen. Hier sind in an sich bekannter Weise beim Piezoelement
5 die
Piezolagen übereinander
gestapelt, die aus keramischen Piezofolien mit einer geeigneten
Kristallstruktur so aufgebaut sind, so dass unter Ausnutzung des
sogenannten Piezoeffekts in der eingangs beschriebenen Art und Weise
bei Anlage einer äußeren elektrischen
Spannung an hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden
14 und
15 eine
mechanische Reaktion des Piezoelements
5 in zur Richtung
des Stapelaufbaus erfolgt. Die Zuführung der unterschiedlichen
Pole der elektrischen Spannung erfolgt hier jeweils von einer Seite über äußere Kontaktelemente
16 und
17,
die jeweils über äußere Kontaktflächen
18 und
19 wechselseitig
an die Innenelektroden
14 und
15 der jeweiligen
Piezolage geführt
sind.
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3a und 3b zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Führung
der Leitungen 12 und 13 für die elektrischen Kontaktierungen
im Piezoaktor 1 durch einen erfindungsgemäßen Aktorfuß 20 und 4 zeigt eine Draufsicht. Der Aktorfuß 20 besteht aus
einem elektrisch isolierenden Keramikteil 21 und einem
Anbindeteil 22 aus Metall, zum Beispiel Stahl oder NE-Metall,
wobei das Anbindeteil 22 beispielsweise über Lötstellen 23 an
den Haltekörper 2 angefügt werden
kann und zwischen dem Anbindeteil 22 und dem Keramikteil 21 eine
Verbindung über
Aktivlöten
oder mittels einer Glasklebung vorgenommen werden kann. Das Keramikteil 21 liegt
auf dem Piezoelement 5 auf.
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In
den 3a und 3b liegen
die Leitungen 12 und 13 jeweils in einer Aussparung 24,
die beim Aktivlöten
mit Lot gefüllt
werden kann und die Leitung 12 und 13 nach den 4a und 4b befinden
sich jeweils in einer nach oben konisch verlaufenden Bohrung 25 in
der eine Glaseinschmelzung vorgenommen werden kann. Bei der Führung der Leitungen 12 und 13 durch
das Anbindeteil 22 sind hier Isolierungen 26 vorgesehen.
Die Verbindung mit den äußeren Kontaktierungen
des Piezoelements 5 erfolgt in der gleichen Weise wie beim
Stand der Technik nach der 2.
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5a und 6a zeigt
jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Führung
der Leitungen 12 und 13 für die elektrischen Kontaktierungen
im Piezoaktor 1 durch einen erfindungsgemäßen Aktorfuß 30 und 5b und 6b zeigt
jeweils eine Draufsicht. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den 3a, 4b und 4a, 4b wird
hier eine innenliegende Kontaktierung von Innenelektroden im Piezoelement 5 in
zwei Varianten vorgenommen. Der Aktorfuß 30 besteht auch
hier aus einem elektrisch isolierenden Keramikteil 31 und
einem Anbindeteil 32 aus Metall, zum Beispiel Stahl oder
NE-Metall, die wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
miteinander verbunden werden können.
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In
der gezeigten Variante nach der 5a, 5b ist
das Anbindeteil 32 mittels Pass- oder Führungszapfen 33 und
eines Verschraubungsgewindes 34 an den Haltekörper 2 anbringbar.
In der Variante nach der 6a, 6b sind
noch Aussparungen 35 für
eine Indexierung, Schlüsselflächen oder
Konturen für
zusätzliche
Aktorisolierungen vorhanden.
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Die
Leitung 12 und 13 nach den 5a und 5b sind
auch hier durch eine Isolierung 36 im Anbindeteil 32 und
dann im Keramikteil 31 leicht angewinkelt geführt. Mittels
einer Lötverbindung 37 sind die
Leitungen 12 und 13 hier im Keramikteil 31 gehalten
und können
dann jeweils über
eine Steckverbindung 38 mit den Kontaktelementen 39 für die innere Kontaktierung
der Innenelektroden 14 und 15 verbunden werden.
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Die
Leitungen 12 und 13 nach den 6a, 6b sind
hier gerade durch das Anbindeteil 32 und das Keramikteil 31 geführt, wobei
im Unterschied zur Ausführung
im linken Teil noch oben im Anbindeteil 32 ein Freigang 40 für eine Direktkontaktierung angebracht
ist und die Halterung im Keramikteil 31 ist hier mittels
einer Glaseinschmelzung 41 realisiert. Die Verbindung zu
einem Kontaktelement 42 zur inneren Kontaktierung der Innenelektroden 14 und 15 wird
hier über
eine Steckverbindung 43 vorgenommen.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist beispielsweise vorteilhaft zur Steuerung des Hubs einer Nadel
für die
Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug gewerblich einsetzbar.