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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein
Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit
solch einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung
das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 199 28 189
A1 ist ein Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen
Bauteils bekannt. Der bekannte Piezoaktor weist einen Mehrschichtaufbau
von Piezolagen und dazwischen angeordneten Innenelektroden auf.
Ferner ist eine erste Außenelektrode als eine leitende
Fläche auf jeweils einer Seitenfläche angebracht,
die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert ist. Eine elastische
Kontaktierung zur Zuführung der elektrischen Spannung erfolgt über
Anschlüsse an eine zweite netz- oder gewebeartige Außenelektrode,
die auf der ersten angeordnet ist. Die zweite Außenelektrode
ist punktweise mit der ersten kontaktiert und weist ebenfalls im
Bereich der Kontaktfläche beziehungsweise der Kontaktpunkte
dehnbare Bereiche auf.
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Der
aus
DE 199 28 198
A1 bekannte Piezoaktor hat den Nachteil, dass eine Abschirmung
beziehungsweise Einkapselung erforderlich ist, um eine Beschädigung
durch die Umgebung, insbesondere durch Brennstoffe, zu verhindern.
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Hierbei
ist es denkbar, dass eine kraftstoffbeständige Ummantelung
vorgesehen ist, die den Piezoaktor an einer Außenfläche
ummantelt. In diesem Fall ergibt sich allerdings das Problem, dass
die netz- oder gewerbeartige Außenelektrode mit Gas, insbesondere
Luft, gefüllte Hohlräume aufweist. Speziell bei
Anwendungen, bei denen auf Grund eines unter hohen Druckes stehenden
Brennstoffs, hohe Kräfte auf die Ummantelung einwirken,
kann es im Betrieb zum Implodieren der Gasblasen oder zu einer Vergrößerung
der Gasblasen kommen. Dabei kann es zur Beschädigung des
Piezoaktors kommen, beispielsweise auf Grund eines durch Eindringen
von Brennstoff in die Hohlräume verursachten Kurzschlusses.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den
Merkmalen des Anspruchs 1, das erfindungsgemäße
Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und
das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine relativ kostengünstige
Herstellung ermöglicht ist, wobei ein zuverlässiger Schutz
gegenüber Medien gewährleistet ist, und dass insbesondere
eine hohe Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit
gewährleistet ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors, des im Anspruch 9 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
und des im Anspruch 10 angegebenen Verfahrens möglich.
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In
vorteilhafter Weise wird vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess,
bei dem der Aktor komplett ummantelt wird, zunächst nur
das jeweilige Sieb der außenliegenden Elektrodenanbindung
mit einem Versiegelungsmittel versehen. Dabei wird vorzugsweise
von oben auf das Sieb ein vollflächlicher Materialauftrag
durchgeführt. Mit einem anschließenden Walzprozess
kann das Versiegelungsmittel durch die Hohlräume des Siebs
bis auf die Außenflächen des piezoelektrischen
Aktors gedrückt werden, wodurch vorhandene Hohlräume
teilweise oder vollständig gefüllt werden und
die im Sieb eingesperrte Luft seitlich herausgedrückt wird.
Der im Folgeprozess dann beschichtete Aktor hat dabei bereits teil-
oder vollversiegelte Siebbereiche. Dadurch ist verhindert, dass
mit Gas gefüllte Hohlräume, insbesondere eingeschlossene
Gasblasen, gebildet sind, die im Betrieb unter Hochdruck implodieren
können oder sich zu größeren Blasen ausweiten,
wodurch ein zumindest teilweiser Ausfall des Beschichtungssystems
in Folge elektrischen Kurzschlusses auf Grund eingedrungenen Kraftstoffs
verhindert ist.
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In
vorteilhafter Weise ist die außenliegende Elektrodenanbindung
als gefaltetes Sieb ausgestaltet. Dadurch ist eine vorteilhafte
Anbindung an die Elektrodenschichten gegeben, die bei Dehnungen des
Aktors mitgeht.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Versiegelungsmittel die außenliegende
Elektrodenanbindung vollständig versiegelt und auf einer
Außenseite bedeckt. Hierdurch werden in der Elektrodenanbindung
vorgesehene Hohlräume vollständig verschlossen,
so dass ein sehr weitgehender Schutz gegenüber den negativen
Folgen eingeschlossener Gasblasen gewährleistet ist. Durch
die Bedeckung der Außenseite des Siebes mit dem Versiegelungsmittel
ist außerdem ein vorteilhafter Übergang auf eine
weitere Beschichtung, insbesondere eine Schutzschicht, die den Aktor komplett
ummantelt, ermöglicht.
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Speziell
wird verhindert, dass sich im Bereich der Oberfläche der
Außenelektrode Hohlräume auf Grund von Vertiefungen
in der außenliegenden Elektrodenanbindung bilden, die von
einer weiteren Beschichtung verschlossen werden.
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In
vorteilhafter Weise ist eine Schutzschicht vorgesehen, die den Aktorkörper
und die mit dem Versiegelungsmittel versiegelte, außenliegende Elektrodenanbindung
ummantelt. Die Schutzschicht kann dabei einen Schutz gegenüber
der Umgebung, insbesondere gegenüber Brennstoffen, gewährleisten.
Vorzugsweise ummantelt die Schutzschicht den mit der außenliegenden
Elektrodenanbindung versehenen Aktorkörper vollständig,
so dass Kurzschlüsse zwischen den Elektrodenschichten des
Aktorkörpers verhindert sind.
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In
vorteilhafter Weise sind die Schutzschicht und das Versiegelungsmittel
auf der Basis des gleichen Grundmaterials hergestellt. Dadurch ist
eine gute Haftung der Schutzschicht auf der mit dem Versiegelungsmittel
versehenen, außenliegenden Elektrodenanbindung ermöglicht.
Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass Störstellen und/oder
Trennflächen vermieden werden, so dass ein homogener Übergang von
dem Versiegelungsmittel auf die Schutzschicht besteht. Im Betrieb
des Aktors wird durch die häufige Dehnung eine gewisse
mechanische Belastung in dem Übergang zwischen dem Versiegelungsmittel und
der Schutzschicht erzeugt. Dabei besteht die Gefahr, dass sich Hohlräume
im Bereich von Störstellen oder Trennflächen bilden.
Ein Störstellenfreier und Trennflächenfreier Übergang
von dem Versiegelungsmittel auf die Schutzschicht verhindert oder
verringert die Gefahr der Entstehung solcher Hohlräume.
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In
vorteilhafter Weise ist das Versiegelungsmittel auf der Basis eines
ersten Grundmaterials mit einer im Verarbeitungszustand relativ
geringen Viskosität gebildet. Dies hat den Vorteil, dass
das Versiegelungsmittel leicht in die außenliegende Elektrodenanbindung
eindringen oder eingebracht werden kann und eine weitgehende oder
vollständige Auffüllung der Hohlräume
zur Verdrängung von Gasen, insbesondere Luft, möglich
ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Schutzschicht auf der Basis
eines zweiten Grundmaterials mit einer im Verarbeitungszustand relativ
hohen Viskosität gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass
der Beschichtungsprozess, der vorzugsweise eine komplette Ummantelung
des Aktorkörpers vorsieht, vereinfacht ist.
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Bei
einer Ausbildung des Versiegelungsmittels und der Schutzschicht
aus verschiedenen Materialien kann eine Optimierung des Materials
für das Versiegelungsmittel auf den Walzprozess erfolgen, während
das Material für die Schutzschicht auf die Schutzfunktion
optimiert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen
sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer
schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 einen
Schnitt durch den in der 1 dargestellten piezoelektrischen
Aktor des Brennstoffeinspritzventils des ersten Ausführungsbeispiels entlang
der mit II bezeichneten Schnittlinie und
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3 einen
auszugsweisen Schnitt durch den piezoelektrischen Aktor entlang
der in 2 mit III bezeichneten Schnittlinie.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen
Aktor 2 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere
als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter
Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für
eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignet
sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1 und
auch für eine inverse Ansteuerung des piezoelektrischen
Aktors 2. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignen
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und
einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Brennstoffeinlassstutzen 4 auf.
An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist. eine Brennstoffleitung anschließbar,
um das Brennstoffeinspritzventil 1 über ein Common-Rail
oder direkt mit einer Hochdruckpumpe zu verbinden. Über
den Brennstoffeinlassstutzen 4 kann dann Brennstoff in
einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 eingeleitet werden, so dass sich im Betrieb
des Brennstoffeinspritzventils 1 Brennstoff in dem Aktorraum 5,
in dem auch der piezoelektrische Aktor 2 vorgesehen ist,
befindet. Der Aktorraum 5 ist durch ein Gehäuseteil 6 von
einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Brennstoffraum 7 getrennt. In dem Gehäuseteil 6 sind
dabei Durchlassöffnungen 8, 9 ausgestaltet,
um den über den Brennstoffeinlassstutzen 4 in
den Aktorraum 5 geführten Brennstoff in den Brennstoffraum 7 zu
leiten.
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Das
Ventilgehäuse 3 ist mit einem Ventilsitzkörper 10 verbunden,
an dem eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet ist.
Die Ventilsitzfläche 11 wirkt mit einem Ventilschließkörper 12 zu
einem Dichtsitz zusammen. Dabei ist der Ventilschließkörper 12 einstückig mit
einer Ventilnadel 15 ausgebildet, über die der Ventilschließkörper 12 mit
einer im Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden
ist. Dabei ist die Ventilnadel 15 durch das Gehäuseteil 6 entlang einer
Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt.
Ein Federelement 18, das einerseits an dem Gehäuseteil 6 und
andererseits an der Druckplatte 16 anliegt, beaufschlagt
den piezoelektrischen Aktor 2 mit einer Vorspannkraft,
wobei durch die Beaufschlagung außerdem die Ventilnadel 15 mittels
der Druckplatte 16 betätigt wird, so dass der
zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 gebildete Dichtsitz geschlossen
ist.
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Außerdem
weist das Ventilgehäuse 3 ein Anschlusselement 20 auf,
um das Anschließen einer elektrischen Zuleitung an das
Brennstoffeinspritzventil 1 zu ermöglichen. Die
elektrische Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische
Leitungen 21, 22 angeschlossen werden. Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind
durch das Gehäuse 3 und einen an einen Aktorkörper 23 des
Aktors 2 angefügten Aktorfuß 24 an
den Aktorkörper 23 geführt. An den Aktorkörper 23 des
piezoelektrischen Aktors 2 ist ferner ein Aktorkopf 25 angefügt, über
den der Aktorkörper 23 entgegen der Kraft des
Federelements 18 auf die Druckplatte 16 einwirkt.
Der piezoelektrische Aktor 2 weist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel den Aktorkörper 23,
den Aktorfuß 24 und den Aktorkopf 25 auf,
so dass ein Aktormodul gebildet ist.
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Der
Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktors 2 weist
eine Vielzahl von keramischen Schichten 26, 27 und
eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 26, 27 angeordneten
Elektrodenschichten 28, 29 auf. Dabei sind in
der 1 zur Vereinfachung der Darstellung nur die keramischen Schichten 26, 27 sowie
die Elektrodenschichten 28, 29 gekennzeichnet.
Die Elektrodenschichten 28, 29 sind abwechselnd
mit der elektrischen Leitung 21 und der elektrischen Leitung 22 verbunden,
so dass alternierend positive und negative Elektroden zwischen den
keramischen Schichten 26, 27 vorgesehen sind.
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Über
die elektrischen Leitungen 21, 22 kann der piezoelektrische
Aktor 2 geladen werden, wobei sich dieser in Richtung der
Achse 17 ausdehnt, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der
Ventilsitzfläche 11 ausgebildete Dichtsitz geöffnet wird.
Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 7 über
einen Ringspalt 30 und den geöffneten Dichtsitz.
Beim Entladen des piezoelektrischen Aktors 2 zieht sich
dieser wieder zusammen, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete Dichtsitz
wieder geschlossen ist.
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Die
Verbindung der elektrischen Leitungen 21, 22 mit
den Elektrodenschichten 28, 29 erfolgt über
außenliegende Elektrodenanbindungen 35, 36. Die
außenliegenden Elektrodenanbindungen 35, 36 sind
auf eine Außenfläche 37 des Aktorkörpers 23 aufgebracht
und beispielsweise durch Löten mit dem Aktorkörper 23 verbunden.
Dabei ist ein Teil der Elektrodenschichten 28, 29 mit
der außenliegenden Elektrodenanbindung 35 verbunden,
während ein anderer Teil der Elektrodenschichten 28, 29 mit
der außenliegenden Elektrodenanbindung 36 verbunden ist.
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Die
weitere Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors 2 des
Brennstoffeinspritzventils 1 ist im Folgenden anhand der 1 und 2 in
weiterem Detail beschrieben.
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2 zeigt
den in 1 dargestellten piezoelektrischen Aktor 2 des
Brennstoffeinspritzventils 1 in einer schematischen Schnittdarstellung
entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie. In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Versiegelungsmittel 38 vorgesehen, das die außenliegende
Elektrodenanbindung 35 versiegelt. Ferner ist ein Versiegelungsmittel 39 vorgesehen,
das die außenliegende Elektrodenanbindung 36 versiegelt.
Durch die Versiegelungsmittel 38, 39 sind in den
außenliegenden Elektrodenanbindungen 35, 36 vorgesehene
Hohlräume zumindest im wesentlichen, insbesondere vollständig,
aufgefüllt. Ferner bedecken die Versiegelungsmittel 38, 39 jeweils
eine Außenseite 40, 41 der außenliegenden
Elektrodenanbindungen 35, 36. Somit sind die außenliegenden
Elektrodenanbindungen 35, 36 zumindest teilweise
von den Versiegelungsmitteln 38, 39 umgeben.
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Der
Aktorkörper 23 mit den versiegelten und bedeckten
außenliegenden Elektrodenanbindungen 35, 36 ist
von einer Schutzschicht 42 ummantelt. Die Schutzschicht 42 ummantelt dabei
auch teilweise den Aktorfuß 24 sowie den Aktorkopf 25.
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Durch
die Schutzschicht 42 ist ein Schutz des Aktorkörpers 23 sowie
der außenliegenden Elektrodenanbindungen 35, 36 gegeben.
Beispielsweise kann ein Schutz gegenüber Brennstoffen oder
dergleichen erzielt werden, um eine Anordnung des piezoelektrischen
Aktors 2 in dem mit Brennstoff durchflossenen Aktorraum 5 zu
ermöglichen. Die Schutzschicht 42 kann auch einen
gewissen mechanischen Schutz gewährleisten, beispielsweise,
um mechanische Beschädigungen während der Lagerung
und des Einbaus des piezoelektrischen Aktors 2 in das Brennstoffeinspritzventil 1 zu
verhindern.
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Die
Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktors 2 ist anhand
der 3 in weiterem Detail beschrieben.
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3 zeigt
einen auszugsweisen Schnitt durch den piezoelektrischen Aktor 2 entlang
der in 2 mit III bezeichneten Schnittlinie. Die außenliegende
Elektrodenanbindung 35 weist eine gewebeartige Struktur
auf, die in der 3 vereinfacht dargestellt ist.
Dadurch ist eine siebförmige Struktur der außenliegenden
Elektrodenanbindung 35 gegeben. Die außenliegende
Elektrodenanbindung 35 ist mittels Lötstellen 43, 44 mit
dem Aktorkörper 23 verbunden. Die Elektrodenschichten 28, 29 sind
zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Allerdings ergibt
sich auf Grund der Kontaktierung mittels der Lötstellen 43, 44 ein
elektrischer Kontakt mit einem Teil der Elektrodenschichten 28, 29.
Die außenliegende Elektrodenanbindung 36 (1, 2)
ist entsprechend der außenliegenden Elektrodenanbindung 35 ausgestaltet
und mit dem anderen Teil der Elektrodenschichten 28, 29 durch
entsprechende Lötstellen verbunden.
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Durch
die gewebeartige beziehungsweise siebförmige Struktur der
außenliegenden Elektrodenanbindung 35 ergeben
sich eine Vielzahl von Hohlräumen, von denen in der 3 die
Hohlräume 45, 46 gekennzeichnet sind.
Die Hohlräume 45, 46 sind allerdings
in dem in der 3 dargestellten schematischen
Schnitt bereits mit dem Versiegelungsmittel 38 aufgefüllt.
Das Versiegelungsmittel 38 überdeckt zusätzlich
die gesamte außenliegende Elektrodenanbindung 35.
Die über der außenliegenden Elektrodenanbindung 35 vorgesehene
Schutzschicht 42 kommt daher nicht direkt mit der außenliegenden
Elektrodenanbindung 35 in Kontakt. Die Schutzschicht 42 ist
nämlich auf das die außenliegende Elektrodenanbindung 35 überdeckende
Versiegelungsmittel 38 aufgebracht.
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In
der 3 ist eine idealisierte Trennfläche 47 dargestellt,
die den Übergang zwischen dem Versiegelungsmittel 38 und
der Schutzschicht 42 veranschaulicht. Nach dem Aufbringen
des Versiegelungsmittels 38 stellt die Trennfläche 47 die
Oberfläche des Versiegelungsmittels 38 dar. Auf
die durch die Trennfläche 47 veranschaulichte
Oberfläche wird dann die Schutzschicht 42 aufgebracht,
wobei die Schutzschicht 42 auf den übrigen Teil
des Aktorkörpers 23 sowie die außenliegende
Elektrodenanbindung 36 ummantelt.
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Wenn
das Versiegelungsmittel 38 und die Schutzschicht 42 aus
dem gleichen Grundmaterial gebildet sind, dann erfolgt das Aufbringen
der Schutzschicht 42 vorzugsweise so, dass die Trennfläche 47 zumindest
weitgehend verschwindet, so dass ein Trennflächenfreier Übergang
von dem Versiegelungsmittel 38 auf die Schutzschicht 42 gegeben
ist. Wenn das Versiegelungsmittel 38 und die Schutzschicht 42 aus
verschiedenen Grundmaterialien gebildet sind, dann erfolgt vorzugsweise
eine Verbindung, bei der sich an Stelle einer Trennfläche 47 ein
Trennbereich ergibt, an dem das Versiegelungsmittel 38 in
die Schutzschicht 42 übergeht.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass Störstellen oder dergleichen im Übergang
zwischen der Schutzschicht 42 und dem Versiegelungsmittel 38 vermieden
werden. Störstellen können durch Hohlräume, insbesondere
Lufteinschlüsse, oder Fremdpartikel entstehen. Der Einschluss
von Fremdpartikeln zwischen dem Versiegelungsmittel 38 und
der Schutzschicht 42 kann beispielsweise aus Verschmutzungen
zwischen den Verarbeitungsschritten resultieren.
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Die
Versiegelung der außenliegenden Elektrodenanbindung 35 mit
dem Versiegelungsmittel 38 kann erfolgen, indem das Versiegelungsmittel 38 auf die
außenliegende Elektrodenanbindung 35 aufgebracht
und anschließend in diese eingewalzt wird. Dabei kommt
es zu einem Verdrängen der eingeschlossenen Gase, insbesondere
Luft, wobei vorzugsweise eine Vollversiegelung erreicht wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19928189
A1 [0002]
- - DE 19928198 A1 [0003]