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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit innenliegender Kontaktierung,
beispielsweise für
einen Piezoinjektor oder zur Betätigung
eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, 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, wobei das Piezoelement
aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut
ist. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung
erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit
von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung
einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.
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Der
Aufbau eines solchen Piezoaktors erfolgt beim Stand der Technik
in mehreren Schichten als sogenannter Multilayer-Aktor, wobei Innenelektro den, über die
die elektrische Spannung aufgebracht wird, jeweils in Wirkrichtung
zwischen den Schichten angeordnet werden und jeweils außen oder
innen kontaktiert werden.
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Aus
der
DE 103 35 019
A1 ist ein solcher Piezoaktor bekannt, der einen Mehrschichtaufbau
von Piezolagen eines Piezoelements mit in Wirkrichtung dazwischen
angeordneten Innenelektroden aufweist, die alternierend mit einer
positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar
sind. Die wechselseitige Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktelementen
erfolgt hier derart, dass diese Kontaktelemente jeweils in einer
inneren Ausnehmung des Piezoelements liegen und dann mit den jeweiligen
Innenelektroden in geeigneter Weise kontaktiert werden. Zum Beispiel
kann dies durch ein entsprechendes Design der jeweiligen Innenelektroden
erfolgen, die abhängig
von der jeweiligen Polarität
jeweils ein unterschiedliches Designmuster aufweisen, und dabei
wechselseitig an die inneren Ausnehmungen herangeführt werden.
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Zur äußeren Kontaktierung
werden die innenliegenden Stifte dabei senkrecht zum Lagenaufbau
nach außen
geführt.
Beim Piezoaktor nach dem Stand der Technik sind die Kontaktelemente
dabei elektrisch leitende Stifte, die mit einem leitfähigen Stoff,
z.B. ein Polymer, derart vergossen sind, dass die jeweilige Kontaktierung
der Innenelektroden mit dem positiven und dem negativen Anschluss
einer Spannungsquelle über
die jeweils zugeordneten Stifte durchführbar ist.
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Die
Kontaktierung der Innenelektroden sollte dabei so beschaffen sein,
dass sie im vorgegebenen Bauraum die durch den Hub des Piezoelements
und durch Temperaturwechsel entstehende Dehnung aufnehmen kann.
Es sollte dabei sichergestellt sein, dass die elektrische Kontaktierung
der Innenelektroden über
die Lebensdauer des Piezoaktors gegeben ist.
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Aus
der WO 00/79608 A1 ist ein weiterer Piezoaktor mit einer ausschließlich äußeren Kontaktierung
der Innelektroden bekannt, bei der leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des
Piezoelements angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden
kontaktiert sind und dabei jeweils eine netz-, sieb-, gewebeartige
oder gewellte Außenelektrode
auf der jeweiligen leitenden Fläche
angeordnet ist. Diese Außenelektrode
ist zumindest punktweise mit der leitenden Fläche kontaktiert, wobei zwischen den
Kontaktierungen dehnbare Bereiche zu liegen kommen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
eingangs beschriebene Piezoaktor mit einem Mehrschichtaufbau von
Piezolagen eines Piezoelements weist in Wirkrichtung zwischen den
Piezolagen angeordnete Innenelektroden auf, die alternierend mit
einer positiven und einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagbar
sind. Ferner wird, wie eingangs erwähnt, eine wechselseitigen Kontaktierung
der Innenelektroden mit Kontaktelementen vorgenommen die in inneren
Ausnehmung oder Bohrungen liegen. Erfindungsgemäß bestehen in vorteilhafter
Weise die weiteren Kontaktmittel aus an Kernelektroden oder Anschlussstifte
angefügte
metallische Strukturen, die von der jeweiligen Kernelektrode oder
dem Anschlussstift ausgehen und großflächig an die jeweilige Wand
der jeweiligen Bohrung leitend angebracht sind.
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Im
allgemeinen ist die innenliegende elektrische Anbindung der Innenelektroden
insbesondere bei der Verwendung in Einspritzsystemen für Kraftstoff,
zum Beispiel Diesel, bei einem Kraftfahrzeug gegenüber der äußeren Kontaktierung
vorteilhaft, da hier eine bessere Hochdruckabdichtung gegen den außen am Piezoaktor
anliegenden Kraftstoffdruck ermöglicht
wird. Die Anbringung der innenliegenden Kontaktelemente in die relativ
kleinen und langen Bohrungen als Ausnehmungen, mit ca. 1 mm Durchmesser
bei einer Länge
von 50 mm bis 70 mm, gestaltete sich jedoch in der Regel recht schwierig,
da es nicht möglich
ist, einfach einen Draht in die Bohrungen einzulöten; dies könnte zu Rissen führen. Mit der
Erfindung werden daher spezielle Geometrien als metallische Strukturen
vorgeschlagen, die eine weitgehend ungehinderte Dehnung zulassen
und dabei trotzdem eine sichere Kontaktierung gewährleisten. Gemäß einer
ersten Ausführungsform
sind die weiteren Kontaktmittel aus einer Siebelektrode gebildet, die
sich netz- oder siebartigartig an die metallisierte Wand der jeweiligen
Bohrung anfügt
und es befindet sich zwischen der Siebelektrode und der Wand eine Lötverbindung.
Für sich
gesehen ist eine Anbringung von Siebelektroden an Außenflächen des
Piezoaktors zwar bekannt, jedoch ergeben sich in der Kombination
mit der geschützten
inneren Kontaktierung weitere Vorteile, die die Lebensdauer und
Funktionssicherheit des Piezoaktors noch erhöhen.
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Vorzugsweise
kann die Siebelektrode mit ihren jeweiligen Siebdrähten an
die sich in der Bohrung erstreckende Kernelektrode nahezu über die
ganze Länge
angelötet,
leitend angeklebt oder sonst wie mechanisch angefügt werden.
Die Siebelektrode kann sich dabei zur Erhöhung der Flexibilität im Querschnitt
wendelförmig
von der Kernelektrode zur Wand erstrecken. Die Kernelektrode ist
dabei in der Regel zylindrisch als Stift oder Draht ausgeführt, woran
die Siebdrähte
angelötet
oder leitend angeklebt sind. Es ergeben sich jedoch auch herstellungstechnische
Vorteile, wenn die Kernelektrode ein gefaltetes Blech ist, in das
die Siebelektrode zum Beispiel eingeschweißt oder durch die Faltung eingeklemmt ist.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung sind die weiteren Kontaktmittel aus einem metallischen
Stanz-Biegeteil hergestellt, das mit federnden Enden an die Wand
der Bohrung andrückt, die
dort leitend und fest mit der Wand verbunden sind. Hier kann eine
kostengünstige
Fertigungsmethode angewendet werden und es ist durch das Anfedern
eine gute Lötbarkeit
für eine
feste Verbindung durchführbar.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft einen Piezoaktor, bei dem die weiteren Kontaktmittel
aus einer Bürstenelektrode
bestehen, die mit ihren Bürsten
oder Fasern an die Wand der Bohrung andrückt, die dort lei tend und fest
mit der Wand verbunden sind. Hier kann mit einem Anlöten der Bürstenenden
ein sicherer elektrischer Kontakt ohne Verschleiß durch einen sog. Mikroschlupf
erreicht werden. Auch bei den letztgenannten Ausführungsformen
kann die Kernelektrode zylindrisch sein; es ist aber auch auf einfache
Weise die Herstellung aus einem Blechteil möglich, an das ein Anschlussstift
angefügt
ist.
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Vorteilhaft
ist es außerdem,
wenn gemäß der folgenden
Ausführungsform
die Siebelektrode mit ihren jeweiligen Siebdrähten sich aus der Bohrung einen
vorgegebenen Bereich axial nach außen erstreckt und dort mittels
einem in das innere der Siebelektrode in diesem Bereich anfügbaren Stift
oder Draht kontaktierbar ist. Hier ist es dann möglich, dass der Bereich innerhalb
der an der Wand anliegenden Siebelektrode mit einem Leitkleber oder
einem Elastomer ausgefüllt
ist. Es ergibt sich damit eine sichere Anpressung für die Lötung der
Siebelektrode an die Wand der Bohrung durch den Elastomerkern und
zusätzlich
eine optimale Schwingungsdämpfung.
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Vorzugsweise
kann der mit einem Leitkleber oder einem Elastomer ausgefüllte Bereich
auch noch mit Gasporen versehen werden, die einen optimalen Dehnungsausgleich
gewährleisten.
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Gemäß weiterer
Varianten der Erfindung wird die Bohrung zur Aufnahme der Kontaktelemente als
konisches Sackloch ausgeführt,
so dass hier vor allem eine leichte Montage der Kontaktelemente
in der Bohrung vorgenommen werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Piezoaktors
werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Piezoaktor mit einem prinzipiellen geometrischen Aufbau nach
dem Stand der Technik mit innenliegender Kontaktierung der Innenelektroden,
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2a einen
Teillängsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem eine Kernelektrode über ein
elektrisch leitendes Sieb die Kontaktierung bewirkt,
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2b einen
Querschnitt des Ausführungsbeispiels
nach der 2a,
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2c einen
Detailschnitt der leitenden Anbringung des Siebes nach den 2a und 2b an den
Wänden
einer Bohrung zur Kontaktierung der Innenelektroden,
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3 einen
Querschnitt durch ein gegenüber
den 2a bis 2c abgeändertes
Ausführungsbeispiel
mit einem gefalteten Blech als Kernelektrode,
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4a eine
Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem eine
Kernelektrode über
ein metallisches Stanz-Biege-Teil mit federnden Enden die Kontaktierung
bewirkt,
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4b einen
Querschnitt des Ausführungsbeispiels
nach der 4a,
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4c einen
Detailschnitt der Kernelektrode nach den 4a und 4b mit
einem Metallstreifen als Kernelektrode und einem Kontaktstift zum
Anschluss der elektrischen Spannung,
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4d einen
Detailschnitt einer gegenüber den 4a und 4b abgewandelten
Kernelektrode aus einem zylindrischen Stift oder Draht,
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4e die
federnden Enden des metallischen Stanz-Biege-Teils nach der 4a in
gerader Ausführung,
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4f die
federnden Enden des metallischen Stanz-Biege-Teils nach der 4a in
einer Ausführung
mit schrägem
Anstellwinkel,
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5a einen
Teillängsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem eine konische
Bohrung zur Aufnahme der Kernelektrode mit den Kontaktierungsmittel
für die
Kontaktierung der Innelektroden vorhanden ist,
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5b einen
Detailschnitt der Bohrung nach der 5a,
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6a einen
Teillängsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem eine Bürstenelektrode
als Kontaktierungsmittel für
die Kontaktierung der Innelektroden angewendet ist,
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6b eine
Detailansicht der Anlage der an der Wand der Bohrung angelöteten Bürsten der
Bürstenelektrode
nach der 6a,
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7a einen
Teillängsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Piezoaktors mit innenliegender Kontaktierung, bei dem ein leitendes
mit einem leitenden Stoff ausgegossenes Sieb an der Wand der Bohrung
angelötet
ist und
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7b eine
Detailansicht der Anlage des an der Wand der Bohrung angelöteten Siebes
nach der 7a.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In
1 ist
ein als sogenannter Multilayer aufgebauter Piezoaktor
1 für einen
Piezoinjektor nach dem Stand der Technik
DE 103 35 019 A1 gezeigt,
der ein Piezoelement aufweist, das aus Piezofolien eines Quarzmaterials
mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut ist, so dass unter
Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts, bei Anlage einer äußeren elektrischen
Spannung an hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehene Innenelektroden
2 und
3,
eine mechanische Reaktion des Piezoaktors
1 in Wirkrichtung
4 erfolgt.
Im Inneren des Piezoaktors
1 befinden sich zwei in Längsrichtung
erstreckte Ausnehmungen bzw. Bohrungen
5 und
6,
wobei die Innenelektroden
2 und
3 mit einem entsprechenden Oberflächendesign
je nach Polarität
an die linke Bohrung
5 oder an die rechte Bohrung
6 herangeführt sind.
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In
den Bohrungen 5 und 6 sind Kontaktelemente, hier
runde Stifte als Kernelektroden 7 und 8 vorhanden,
die in einem leitfähigen
aber flexiblen Stoff 9, z.B. ein Polymer, durch Vergießen fest
eingebettet sind. Die Kernelektroden 7 und 8 und
der leitfähige
Stoff 9 kontaktieren die Innenelektroden 2 und 3 nach
außen,
so dass mit der Anlage einer elektrischen Spannung an Kontaktbereiche
(in der 1 unten angeordnet) der Kernelektroden 7 und 8 die zuvor
beschriebene Wirkung hervorgerufen werden kann. Eine Anbringung
der in der Regel metallischen Kernelektroden 7 und 8 ist
beim Stand der Technik ebenso wie bei den erfindungsgemäßen Ausführungen
notwendig, da die elektrische Leitfähigkeit nur des flexiblen Stoffes
in der Regel nicht groß genug
ist um den Gesamtstrom zur Ansteuerung der Innenelektroden 2 und 3 zu
leiten.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
das aus 2a, 2b und 2c zu
entnehmen ist, wird die Kontaktierung der Innenelektroden 2 und 3,
die sich in einem Abstand d gegenüberliegen, mit einem elektrisch
leitenden Sieb 10 als Siebelektrode vorgenommen. Aus den 2a und 2b ist
zu entnehmen, dass das Sieb 10 zunächst über eine Löt- oder eine leitende Klebverbindung 11 an
der Kernelektrode 7 (bzw. an der hier nicht dargestellten
Kernelektrode 8) befestigt ist und sich dann in Form einer
Wendel zur Wand 12 der Bohrung 5 erstreckt. Die
Kernelektroden 7 und 8 sind hier zylindrische
Stifte oder ein Draht.
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Aus
der 2c ist noch im Detail zu entnehmen, wie die Siebelektrode 10 an
der Wand 12 der Bohrung 5 vorzugsweise punktuell
angelötet
oder leitend angeklebt werden kann, wie es für eine entsprechende Anbringung
an der Außenfläche eines
Piezoaktors schon aus der eingangs erwähnten WO 00179608 A1 bekannt
ist. Zwischen der Siebelektrode 10 und der Wand 12 befindet
sich die Lötverbindung 11,
die hier aus Punktverbindungen 11a und 11b besteht,
so dass hier eine Wärmedehnung
der einzelnen Drähten
der Siebelektrode 10 zwischen den Punktverbindungen 11a und 11b möglich ist.
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Zur
besseren Kontaktierung kann die Wand 12 auch vor dem Einbringen
der Siebelektrode 10 durch Einbrennen eines Belags aus
einer AgPd-Paste oder einer anderen elektrisch leitfähigen Dichtschicht
metallisiert sein um eine bessere Stromverteilung an der Innenseite
der Bohrung 5, bzw. hier nicht dargestellt der Bohrung 6,
zu gewährleisten.
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3 zeigt
eine Alternative zur Kernelektrode 7 nach den 2a bis 2c mit
einem gefalteten Blech 14 als Kernelektrode, an das die
Siebelektrode 10 angeschweißt, eingeklemmt, gelötet oder geklebt
werden kann. Hier ist auch noch eine nicht dargestellte alternative
Kontaktierung aus der Bohrung 5 oder 6 nach außen möglich, bei
der eine axial nach außen
geführte
Verlängerung
der Siebelektrode 10 vorhanden ist, die dann mit einem
Stift oder Draht kontaktiert werden kann.
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4a und 4b zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Piezoaktors,
bei dem eine Kernelektrode 15 über ein metallisches Stanz-Biege-Teil 16 mit
federnden Enden 17 die Kontaktierung bewirkt. Die federnden
Enden 17 sind hierbei nach dem Einbringen in die jeweilige Bohrung
an die Wand 12 angedrückt
und können
da mittels einer Löt-
oder Klebeverbindung 18 befestigt werden. Die federnden
Enden 17 können
dabei auch in einem möglichst
langen Bereich vorbelotet werden.
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4c und 4d zeigen
verschiedene Ausführungsbeispiele
einer Kernelektrode 19, die einen Anschlussstift 20 aufweist
und einen Stift oder Draht als Kernelektrode 21, an die
das zuvor beschriebene Stanz-Biege-Teil 16 angebracht werden kann.
Aus 4e und 4f ist
noch zu erkennen, wie die federnden Enden 17 zum einem
gerade (4e) geführt sein können oder als schräge Enden 22 ausgeführt sind
(4f). Die gegenüberliegenden federnden
Enden 17 oder 22 können dabei auch versetzt gegeneinander angeordnet
werden um beispielsweise sogenannte Piezoaktor-Delaminationsrisse an den Innenelektroden 2 und 3 zu überbrücken.
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In 5a und 5b ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem zur Kontaktierung der Innenelektroden 2 und 3 eine
nur schematisch gezeigte Bürstenelektrode 23 vorhanden
ist, die in eine konische Bohrung 24 als Sackloch einführbar ist.
Anstatt der Bürstenelektrode 23 können hier
aber auch andere geeignete Elektrodenformen zur Kontaktierung verwendet
werden, wobei die Form der Bohrung zylindrisch, ebenfalls konisch
oder eine andere geeignete Geometrie aufweisen kann.
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6a zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
mit einer solchen Bürstenelektrode 23,
bei der gemäß 6b zur
elastischen Kontaktierung hier Bürsten
oder Fasern 25 sich an die Wand 12 der jeweiligen
Bohrung anlehnen und dort zum Beispiel durch Löten gehalten sind. Die Bürstenenden 25 können herbei
vor dem Einbringen in die jeweilige Bohrung schon vorher belotet
sein um nach der Montage an der Wand 12 der Bohrung sicher
angelötet
werden zu können
und um einen Verschleiß und
Schwingungsbrüche
zu vermeiden sowie den Stromdurchgang zu verbessern. Beispielsweise
kann die Wand 12 hier auch mit einem eingebrannten Belag
aus einer AgPd-Paste
oder einer anderen elektrisch leitfähigen Dichtungsschicht bzw.
mit einer Lotschicht metallisiert sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
gemäß 7a und 7b ist
eine Siebelektrode 10 (vgl. 2a bis 2c)
in einer wie bei der 5b konisch verlaufenden Bohrung 24 angeordnet.
Hier ist das Innere der Siebelektrode 10 mit einem Leitkleber 26 bzw.
einem Elastomer gefüllt
um die Anpresskraft der Siebelektrode 10 beim Anlöten an die
hier ebenfalls metallisierte Wand 12 zu verbessern und Schwingungen
im Betrieb zu dämpfen.
Außerdem sind
bei diesem Ausführungsbeispiel
noch Gasporen 27 in den Leitkleber oder das Elastomer 26 eingebracht,
um einen Wärme-
bzw. Dehnungsausgleich im Inneren der jeweiligen Bohrung zu verbessern.
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Der
elektrische Anschluss nach außen
kann hier ebenfalls durch Anbringung eines Stiftes oder Drahtes 28,
wie anhand der 2a erwähnt, an einer axial nach außen geführten Verlängerung
der Siebelektrode 10 vorgenommen werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
Erfindung ist beispielsweise zur Nadelhubsteuerung für die Kraftstoffeinspritzung
in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor einsetzbar.