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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 eines 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 Injektoren 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 Aktor 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
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 eines Piezoelements aufweist,
das in einem Haltekörper
gehalten sind, wobei am Piezoelement eine wechselseitige Kontaktierung
von Innenelektroden mit Kontaktelementen vorhanden ist. Es ist weiterhin
ein Aktorfuß zwischen den
Piezolagen und dem Haltekörper
vorhanden, durch den elektrische Leitungen zu den Kontaktelementen
geführt
sind. Gemäß der Erfindung
sind in vorteilhafter Weise die Leitungen in einem Bereich des Aktorfußes zu einer
von außerhalb
des Aktorfußes
zugänglichen,
in einer Ausnehmung des Aktorfußes
liegenden Verbindungsstelle geführt,
an der sich gegenüberliegende
Enden der Leitungen elektrisch und mechanisch verbinden lassen.
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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Je
nach der verwendeten Montageeinrichtung oder dem Automatisierungsgrad
in der Fertigung oder dem Fertigungskonzept können dabei die Formen oder
Konturen der Ausnehmungen für
die Verbindungsstelle gewählt
werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Verbindungsstelle in
einer Ausnehmung des Aktorfußes,
die als Nut oder in einer sonstigen durch Sintern, Schleifen oder einer
geeigneten Bearbeitung hergestellten Kontur zur Freilegung der Verbindungsstelle
ausgebildet ist. Hierbei kann der Aktorfuß in besonders vorteilhafter Weise
aus einem die Verbindungsstelle enthaltenen elektrisch isolierenden
und hochdruckdichten Keramikteil und einem zur Anlage an das Gehäuse des
Piezoaktors dienenden Anbindeteil, vorzugsweise aus Metall, bestehen.
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Die
Leitungen können
dabei im Anbindeteil in einer Isolierung und im Keramikteil in einer
Glaseinschmelzung oder Verlötung
geführt
werden. Der Keramik-Aktorfuß kann
dann gleichzeitig die Dichtfunktion übernehmen, indem die Drähte direkt
in die Keramik glaseingeschmolzen oder eingelötet werden. Die Hochdruckabdichtung
kann jedoch auch jederzeit in das Anbindeteil oder an sonstige Bauteile
eingebracht werden, wobei übliche
Glaseinschmelzungen je nach Bauraumverfügung verwendet werden können.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
besteht der Aktorfuß auch
im Bereich der Verbindungsstelle aus einem einzigen Metallteil,
vorzugsweise Stahl. Die Leitungen liegen hierbei im Aktorfuß in einer
Isolierung, vorzugsweise in einem Keramikrohr oder -einsatz, und
sind mit einer Isolierung, vorzugsweise Keramikkit, vergossen.
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Mit
der Erfindung ist auf einfache Weise ermöglicht, dass insbesondere innenkontaktierte
Piezoelemente so einfach und sicher wie möglich in einem Kraftstoffinjektor
eines Common-Rail-Systems elektrisch kontaktiert werden können und
dabei die Hochdruckabdichtung des Common-Rail-Drucks nach außen mit
hoher Sicherheit zu gewährleistet
ist. Bisher war es sehr aufwän dig
die Kontaktierung der Innenelektroden durchzuführen, da durch die starren Hochdruckabdichtungen
(meist eingepresste Glaseinschmelzungen) kein nachträgliches
Verschieben der Kontakte oder der Kontaktstellen im Träger, zum Beispiel
der Aktorfuß etc.,
oder auch im Piezoaktor möglich
ist.
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Die
in der Regel freiliegenden Kontaktstellen müssen wieder verschlossen werden,
um elektrische Kriechströme
in den metallischen Bauteilen im Injektorbetrieb mit Flüssigkeiten,
zum Beispiel Dieselkraftstoff oder Wasseranteile etc., zu unterbinden.
Dies geschah häufig
durch separate geschlitzte Bauteile, beispielsweise Halbschalen,
welche nach dem Verbindungsprozess der Enden der Leitungen um die Kontaktstelle
gefügt
werden müssen.
Meist benötigen
solche Konstruktionen einen hohen Platzbedarf, welcher bei den gängigen Anwendungen
nicht vorhanden ist.
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Die
zuvor beschriebenen Piezoelemente erfordern zudem eine hohe Präzision der
Anbindeteile an das Aktorgehäuse,
vor allem in Bezug auf Ebenheit, Rauhigkeit, Parallelität und Steifigkeit
der Kontaktstelle. Dies kann durch die bisher verwendeten geschlitzten
Bauteile nicht erreicht werden, so dass zusätzliche Bauteile, wie Plättchen,
Einlegeteile, etc., dann notwendig wären. Die Führung bzw. Positionierung dieser
zusätzlichen
Bauteile im Bauteilverband ist im Hinblick auf eine erwünschte Großserienfertigung
sehr aufwändig
und kostenintensiv.
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Wie
erwähnt,
wäre auch
bei den herkömmlichen
Systemen ein zusätzlicher
Bauraum notwendig, da diese Bauteile eine hohe Eigensteifigkeit
aufweisen müssen
und unter der Belastung des Piezoaktors nicht brechen dürfen. Mit
der Erfindung ist auf einfache Weise eine vorteilhafte Lösung dieser
Problematik erreicht, indem eine sehr einfach zugängliche
Verbindungsstelle zur Verbindung der beiden Enden der elektrischen
Leitungen, in der Regel Drähte, über eine
Ausnehmung als Fenster im Aktorfuß von außen erreichbar gemacht wird.
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Die
Verbindung der Leitungsenden kann vorteilhaft dadurch erfolgen,
dass mindestens eine Ende der Leitung derart mittels einer löffel-, kegel-,
u- förmigen oder
sonstigen Kontur vorgeprägt
ist und das andere Ende dann sicher in dieser Kontur für einen nachfolgenden
Verbindungsprozess zu liegen kommt, da bei dem geringem Bauraum
das genaue Positionieren von großer Wichtigkeit ist. Als einfache Verbindungsprozesse
kommen hier Schweißen,
Widerstandsschweißen,
Löten,
Crimpen, Umbördeln oder
eine Kombination davon in Frage.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn die Ausnehmungen für die Aufnahme der Verbindungsstelle
eine Kontur zur Aufnahme eines Dichtstopfens aufweisen. Der anstehende
Druck des Kraftstoffs in einem Common-Rail-System unterstützt dabei
die Anlage und die Dichtheit der Dichtstopfen im Aktorfuß. Die Verbindungsstelle
kann jedoch jederzeit auch mit Kunststoff oder Keramikkit elektrisch
isoliert ausgespritzt werden
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Erfindungsgemäß können die
Ausnehmungen an der Verbindungsstelle zum Beispiel auf einfache
Weise auch mittels Keramik, Keramikhülsen, Keramikkit, Kunststoffdichtstopfen
oder Kunststoffumspritzungen zur elektrischen Isolation verschlossen werden.
Die Leitungen im Aktorfuß können einerseits abgewinkelt
nach außen
an die Verbindungsstelle und entgegengesetzt abgewinkelt wieder
zurück
geführt
werden oder andererseits auch gerade zur Verbindungsstelle und ebenfalls
gerade weiter geführt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Anordnung
werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine herkömmliche
einstufige Anordnung mit einem 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 Elektroden am Piezoelement
bei einem Piezoaktor nach der 1 als Stand
der Technik,
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3 einen
Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindungsstelle der Leitungen
zur Kontaktierung der Innenelektroden des Piezoelements mit abgewinkelter
Leitungsführung,
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4a und 4b Querschnitte
durch Varianten der Verbindungsstellen nach der 3,
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5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b und 8a, 8b schematische
Ansichten von Prägungen
der Leitungen an den Verbindungsstellen,
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9a bis 9d Teilschnitte
und Querschnitte im Bereich der Verbindungsstelle mit Dichtstopfen
mit unterschiedlichen Konturen der Ausnehmungen zur Aufnahme der
Dichtstopfen,
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10a und 10b Teilschnitte
im Bereich der Verbindungsstelle mit gerade geführten Leitungen,
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11a, 11b und 11b Querschnitte im Bereich der Verbindungsstelle
der Leitungen in einem Aktorfuß aus
Metall und
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12a, 12b und 12b Längsschnitte
im Bereich der Verbindungsstelle der Leitungen in einem Aktorfuß aus Metall.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist
ein prinzipieller Aufbau einer Anordnung als einstufiger Piezoinjektor 1 mit
einem Piezoaktor gezeigt, der 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 ein Steckerteil 3 zu
erkennen, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall
angepassten Steckerausführung
die elektrische Spannung zur Ansteuerung des Piezoaktors angeschlossen
werden kann. Die Führung
der elektrischen Leitung und eine eventuelle Zuführung des mit dem Piezoaktor
zu steuernden Kraft stoffs im Haltekörper 2 ist hierbei
im Haltekörper 2 nicht
zu erkennen und für
die Funktion der Erfindung auch nicht wesentlich.
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In
einem Innenraum 4 des Piezoinjektors 1 ist ein
Piezoelement 5 als Bestandteil des Piezoaktors 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 Piezoinjektors 1 durch den Innenraum 4 geführter Kraftstoff
kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors
injiziert werden.
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Piezolagen
des Piezoelements 5 liegen nach der 1 über einen
Aktorfuß 9 oben
an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 an, wobei das
Piezoelement 5 bzw. der Piezoaktor 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 nur 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 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 Richtung des
Stapelaufbaus erfolgt. Die Zuführung
der unterschiedlichen Pole der elektrischen Spannung erfolgt hier
jeweils von einer Seite über äußere Kontaktelemente
16 und
17 bzw.
Kontaktflächen
18 und
19,
die jeweils wechselseitig an die Innenelektroden
14 und
15 der
jeweiligen Piezolage des Piezoelements
5 geführt sind.
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3 zeigt
ein erfindungemäßes Ausführungsbeispiel
mit einer Darstellung beispielsweise der Leitung 12 aus
Draht, der hier zu verbindende Enden 12a und 12b aufweist.
Ein Aktorfuß 20 besteht hier
aus einem Anbindeteil 21 aus Metall, zum Beispiel Stahl,
und einem Keramikteil 22, das auf dem Piezoelement 5 aufliegt.
Die Enden 12a und 12b der Leitung 12 sind
hier abgewinkelt durch das Keramikteil 22 in eine Ausnehmung 23 herausgeführt, die
von außen
zugänglich
ist. Die Leitung 12 ist im metallischen Anbindeteil 21 zumindest
teilweise mit einer Isolation 24 bzw. einer sonstigen Kabelführung oder Dichtung
versehen, im hochdruckdichten isolierenden Keramikteil 22 ist
die Leitung 12 hochdruckdicht über eine Lötung oder Glaseinschmelzung 25 eingebettet
und im Piezoelement 5 kann die Leitung 12 je nach
Art der Kontaktierung der Innenelektroden ohne Isolation oder teilisoliert
geführt
werden.
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Das
Keramikteil 22 nach der 3 ist mit dem
Anbindeteil 21, das aus einer Platte oder auch aus einem
Teil des Gehäuses
des Piezoaktors bestehen kann, über
eine ebenfalls hochdruckdichte Klebung oder Lötung verbunden. Die Verbindung
der beiden Enden 12a und 12b der Leitung 12 kann
zum Beispiel durch Schweißen,
Widerstandsschweißen, Löten oder
Crimpen etc. hergestellt werden. Aus 4a und 4b sind
zwei Varianten von Prägungen
der Enden 12a und 12b zu entnehmen, wobei 4a mit
einer Anordnung der Verbindungsstelle der Enden 12a und 12b in
einer Längsnut 23 als
Ausnehmung versehen ist und in 4b eine
Variante mit einer halbkreisförmigen
Ausnehmung 26 gezeigt ist. Das Ende 12a hat hier
beispielsweise eine löffelartige
Anprägung,
die zur Aufnahme und Führung des
Endes 12b während
der Verbindung dient.
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Aus 5a und 5b, 6a und 6b, 7a, 7b und 8a, 8b sind
Ausführungsbeispiele
der Prägungen
des Endes 12a zur Verbindung mit dem Ende 12b zu
entnehmen, die in verschiedenen Ansichten in den 5a, 5b eine löffelartige,
in den 6a, 6b eine
keilförmig
angewinkelte und in den 7a, 7b eine
u-förmige Prägung aufweisen.
Die 8a, 8b zeigen eine derartige u-förmige Prägung des
Endes 12a, dass dieses Ende 12a um das andere
Ende 12b herumgebördelt
und mittels Löten
oder Schweißen
elektrisch sicher verbunden werden kann.
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Um
Kriechströme
während
des Betriebs des erfindungemäßen Piezoaktors
unter dem hohen Druck beispielsweise von Kraftstoff zu vermeiden, können die
an der Verbindungsstelle freiliegenden Kontaktstellen der elektrischen
Leitungen 12 oder 13 gemäß 9a bis 9d mit
Dichtstopfen abgedeckt oder mittels Kunststoff ausgespritzt bzw.
mit Keramikkit aufgefüllt
werden.
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In
der Variante nach der 9a liegt ein Dichtstopfen 30 aus
Kunststoff oder Elastomer über der
Verbindungsstelle der Leitungen 12a und 12b, wobei
sich ein sog. Schwalbenschwanz des Dichtstopfens 30 an
einer Abstützfläche 31 abstützt, die gleichzeitig
auch die Dichtfläche
vergrößert. Die
Variante nach der 9b zeigt einen Dichtstopfen 30, der
in einer Verstemmkontur 32 als Zapfen- und Nutverbindung
zu liegen kommt und zusätzlich
noch eine Demontagekontur 33 aufweist.
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Aus
der 9c ist im Querschnitt eine eingesinterte oder
eingeschliffene Verstemmkontur 34 zu entnehmen, in die
dann ein entsprechender Dichtstopfen 35 einfügbar ist.
Die Variante nach der 9d zeigt eine Kontur 36,
die gerade Wände
zur besseren Führung
und Positionsgenauigkeit des Dichtstopfens 35 aufweist
und ein Herauswandern der Dichtung im Betrieb verhindert. Eine Verbindung der
Enden 12a und 12b nach der 5a wird
mittels einer löffelartigen
Prägung
des Endes 12a vorgenommen.
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10a und 10b zeigen
ein Ausführungsbeispiel
mit einer gerade geführten
Verbindung der Enden 12a und 12 der Leitung 12,
wobei auch hier, wie beim Ausführungsbeispiel
nach der 3, die Enden über Hochdruckdichtungen 35 im
Keramikteil 22 gehalten sind. Für einen besseren Halt während des
Verbindungsprozesses ist ein Widerlager 45 vorhanden und
es sind zusätzliche
Abstützkonturen 37 für den hier
nicht dargestellten Dichtstopfen angebracht. Die 7b zeigt
einen Schnitt entlang der Linie A-A nach der 7a.
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Ausführungsbeispiele,
die einen Aktorfuß 40 komplett
aus Metall, zum Beispiel Stahl, aufweisen, sind in 11a, 11b und 11c sowie in 12a, 12b und 12c gezeigt.
Hier ist zur Isolation der Leitung 12 bzw. der Enden 12a und 12b notwendig,
dass sie beispielsweise mit einem Keramikrohr und/oder -einsatz 41 versehen
sind und darüber
hinaus zum Beispiel nach dem Schweißen noch in einen Keramikkit
eingebettet werden können.
Die Einbettung kann dabei auch noch gemäß der 12b und 12c in einer Erweiterung 42 an der Verbindungsstelle
erfolgen.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Die
Erfindung ist bei Piezoaktoren, die für Einspritzinjektoren für Kraftstoff
in sogenannten Common-Rail-Systemen (CR) für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen
einsetzbar sind, gewerblich anwendbar.