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Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Funktionsnetzwerk für die Detektion und Anregung von Wellen, insbesondere von Ultraschallwellen in Festkörpern. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere Faserverbundbauteil sowie ein entsprechendes Bauteil hierzu.
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Aktoren und Sensoren auf Basis multifunktionaler Werkstoffe sind ein wesentlicher Bestandteil adaptiver Strukturen. Als integrale Komponenten der Struktur übernehmen sie im günstigsten Fall auch lasttragende Funktionen. Multifunktionale Werkstoffe sind dabei häufig Energiewandler, die in einer technisch nutzbaren Weise auf einen äußeren Stimulus reagieren. Am häufigsten eingesetzt werden Werkstoffe, die auf ein elektrisches, thermisches oder magnetisches Feld mit einer Änderung ihrer mechanischen Eigenschaften reagieren. Die bekanntesten Vertreter sind Piezoelemente bzw. Piezokeramiken (Kraftwirkung/Deformation im elektrischen Feld), deren Effekt in beide Richtungen funktioniert, sodass die entsprechenden Werkstoffe nicht nur aktuatorisch, sondern auch sensorisch genutzt werden können.
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Derartige piezoelektrische Wandlerelemente werden dabei häufig als Sensoren oder Aktoren verwendet, um Strukturbauteile durch Aussenden und Empfangen von insbesondere Ultraschallwellen während des bestimmungsgemäßen Gebrauches zu überwachen. Derartige piezoelektrische Wandlerelemente können aber auch bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff verwendet werden, um so den Herstellungsprozess des Bauteils qualitativ überwachen zu können.
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Solche piezoelektrische Wandlerelemente haben jedoch den Nachteil, dass diese sehr bruchempfindlich sind und insbesondere bei großen mechanischen Belastungen im bestimmungsgemäßen Gebrauch oder während der Herstellung des Bauteils sehr schnell Defekte aufweisen. Bei einem Bruch in der Piezokeramik tritt ein Verlust der aktiven Leistungsfähigkeit auf.
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Hierfür ist aus der
DE 100 51 784 C1 ein elektromechanisches Funktionsmodul bekannt, bei dem das Wandlerelement zwischen zwei Faser- Decklagen und dazwischen angeordneten Faser-Zwischenlagen eingebettet ist. Die Elektroden des Wandlerelementes werden dabei jeweils durch eine gewebte elastische elektrische Kontaktbahn nahezu vollständig abgedeckt. Hierdurch kann das Wandlerelement besser geschützt werden und die Robustheit des Funktionsmoduls verbessert werden. Die mit den Elektroden verbundenen Kontaktbahnen werden dabei aus dem so gebildeten elektromechanischen Funktionsmodul herausgeführt und können so mit elektrischen Leitern zum Kontaktieren des Funktionsmoduls bei Bedarf kontaktiert werden.
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Der grundlegende Aufbau eines piezoelektrische Funktionsnetzwerkes, das ein solches elektromechanisches Funktionsmodul aufweist, weist hierfür des Weiteren elektrische Verbindungen auf, um das elektromechanischen Funktionsmodul mit einer Elektronik (Steuerungselektronik) zu verbinden. Dabei wird das elektromechanische Funktionsmodul ad hoc mit einem elektrischen Leiter verbunden, der an dem gegenüberliegenden Ende dann mit der Elektronik kontaktiert wird.
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Nachteilig hierbei ist, dass ein solches, in der Praxis oft verwendetes Netzwerk sich nur sehr schlecht zur Implementierung in einem robusten Aufbau mit Integration komplexer Elektronik eignet. So müssen die zu integrierenden Komponenten den Fertigungsprozess bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen und damit Temperaturen über 150 °C und Drücken über 5 bar überstehen. Damit ist die direkte Integration entweder nicht möglich oder der Fertigungsprozess muss nachteilig für das Bauteil angepasst werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes piezoelektrisches Funktionsnetzwerk anzugeben, dass sich problemlos in den Herstellungsprozess integrieren lässt und gleichzeitig die im bestimmungsgemäßen Gebrauch auftretenden Beanspruchungen aufnimmt. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils, anzugeben, welches ein piezoelektrisches Funktionsnetzwerk aufweist.
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Die Aufgabe wird mit dem piezoelektrischen Funktionsnetzwerk gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein piezoelektrisches Funktionsnetzwerk vorgeschlagen, welches mindestens ein piezoelektrisches Funktionsmodul hat das über ein elektrisches Verbindungselement mit einem Steuerungsmodul elektrisch verbunden ist. Mit dem Steuerungsmodul ist das piezoelektrische Funktionsmodul über das elektrische Verbindungselement elektrisch ansteuerbare im Sinne eines Aktuators und/oder elektrisch sensorisch erfassbar im Sinne eines Sensors.
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Das mindestens eine piezoelektrische Funktionsmodul weist dabei mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement auf, das zwischen einer mit einem Matrixmaterial ausgehärteten nicht-leitenden oberen und unteren Fasermaterial-Decklage angeordnet ist. Zwischen den Fasermaterial-Decklagen können neben dem mindestens einen piezoelektrischen Wandlerelement auch weitere Zwischenlagen, insbesondere Fasermaterial-Zwischenlagen angeordnet sein, in denen das mindestens eine piezoelektrische Wandlerelement aufgenommen ist. Das mindestens eine piezoelektrische Wandlerelement bildet dabei mit dem Fasermaterial eine integrale Einheit.
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Das Steuerungsmodul, welches mit dem piezoelektrischen Funktionsmodul über ein elektrisches Verbindungselement elektrisch kontaktiert ist, weist eine Aufnahme für eine Steuerungselektronik zum Ansteuern des mindestens einen piezoelektrischen Funktionsmoduls auf, um so das piezoelektrische Funktionsmodul sensorisch und/oder aktorisch nutzen zu können.
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Gattungsgemäß ist die in dem Steuerungsmodul aufgenommene Steuerungselektronik über die elektrischen Kontaktleiter des elektrischen Verbindungselementes mit dem piezoelektrischen Wandlerelement des piezoelektrischen Funktionsmoduls verbunden und elektrisch kontaktiert, sodass das piezoelektrische Wandlerelement direkt durch die Steuerungselektronik angesprochen werden kann. Das piezoelektrische Wandlerelement weist hierfür mindestens zwei Elektroden auf, die jeweils mit einem elektrischen Kontaktleiter kontaktiert sind.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktleiter eines jeden piezoelektrischen Wandlerelementes jeweils als eine Kontaktierungsfläche an dem Steuerungsmoduls enden, so dass eine in das Steuerungsmodul aufgenommene Steuerungselektronik mittels der jeweiligen Kontaktierungsfläche mit den jeweiligen piezoelektrischen Wandlerelementen verbunden oder verbindbar ist, wobei die elektrischen Kontaktleiter des elektrischen Verbindungselementes zwischen einer mit einem Matrixmaterial ausgehärteten, nicht-leitenden oberen und einer unteren Fasermaterial-Decklage angeordnet sind und mit dem Fasermaterial eine integrale Einheit bilden.
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Ein derartiges erfindungsgemäßes piezoelektrisches Funktionsnetzwerk kann in Art eines Halbzeuges bei der Herstellung von Bauteilen, insbesondere Faserverbundbauteilen, bereitgestellt werden, sodass das piezoelektrische Funktionsnetzwerk als Halbzeug in den Herstellungsprozess des Bauteils integriert werden kann. Während der Herstellung des Bauteils weist das Steuerungsmodul dabei die Steuerungselektronik noch nicht auf, wobei nach dem fertig hergestellten Bauteil dann die Steuerungselektronik in die entsprechende Aufnahme des Steuerungsmoduls nachträglich eingesetzt werden kann.
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Es wird hierdurch des Weiteren möglich, eine Vielzahl von piezoelektrischen Funktionsmodulen an einem einzigen Steuerungsmodul insbesondere integral anzuschlie-ßen, wodurch das Steuerungsmodul einen Netzwerkknoten für die verschiedenen piezoelektrischen Funktionsmodule bildet. Hierdurch kann der Verkabelungsaufwand drastisch reduziert werden.
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Durch die untere und obere Fasermaterial-Decklage des elektrischen Verbindungselementes werden darüber hinaus die elektrischen Kontaktleiter abgeschirmt, um so eine prozesssichere Ansteuerung des jeweiligen piezoelektrischen Wandlerelementes sicherzustellen.
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Aufgrund der Tatsache, dass die elektrischen Kontaktleiter als eine Kontaktierungsfläche an dem Steuerungsmodul enden, befinden sich sowohl das piezoelektrische Wandlerelement, das elektrische Verbindungselement als auch die Kontaktierungsflächen in einer Ebene, sodass ein derartiges piezoelektrisches Funktionsnetzwerk sehr platzsparend eingesetzt werden kann und nahezu in das Bauteil vollständig integriert werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Faserverbundbauteilen, bei denen das piezoelektrische Funktionsmodul gegebenenfalls in die Struktur des Faserverbundbauteils integriert werden soll.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine piezoelektrische Funktionsmodul und das elektrische Verbindungselement eine gemeinsame integrale obere und/oder untere Fasermaterial-Decklage bilden. Hierdurch kann eine sehr hohe integrale Fertigungsweise des piezoelektrischen Funktionsnetzwerkes realisiert werden, um das piezoelektrische Funktionsnetzwerk insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsprozess als auch im Hinblick auf den bestimmungsgemäßen Gebrauch äußerst robust zu fertigen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aufnahme zum lösbaren Aufnehmen der Steuerungselektronik in dem Steuerungsmodul ausgebildet ist, wobei die Kontaktierungsflächen eine mechanische Schnittstelle bilden, um die aufgenommene Steuerungselektronik mit dem mindestens einem piezoelektrischen Wandlerelement zu verbinden. Durch die lösbare Anordnung der Steuerungselektronik in dem Steuerungsmodul kann die Steuerungselektronik sowohl nachträglich ausgetauscht als auch erst nach dem Herstellungsprozess eingesetzt werden.
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Die Steuerungselektronik kann Kontaktelemente aufweisen, um die Kontaktierungsflächen der jeweiligen Kontaktleiter kontaktieren zu können. Denkbar ist aber auch, dass die Kontaktierungsflächen entsprechende Kontaktelemente aufweisen, um die Steuerungselektronik entsprechend kontaktieren zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mechanische Schnittstelle bzw. die Kontaktierungsflächen und/oder die Steuerungselektronik mindestens ein Federkontaktelement aufweist. Sind die Federkontaktelemente an der Steuerungselektronik angeordnet, so sind diese derart ausgebildet, dass die Kontaktierungsflächen mit einer gewissen Kontaktkraft belastet werden, um so eine sichere elektrische Verbindung herstellen zu können. Denkbar ist aber auch, dass die Federkontaktelemente an den Kontaktierungsflächen insbesondere fest angeordnet sind und derart ausgebildet sind, dass die Federkontaktelemente entsprechende Kontaktierungselemente an der Steuerungselektronik mit einer gewissen Kontaktkraft belasten, um so eine sichere elektrische Verbindung mit den Kontaktierungsflächen herstellen zu können. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kontaktierungsflächen und die Steuerungselektronik mithilfe der Federkontaktelemente sowohl temperaturentkoppelt als auch schwingungsentkoppelt sind. Dies erhöht die Betriebssicherheit deutlich, während die Steuerungselektronik austauschbar bleibt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuerungsmodul ein Gehäuse aufweist, in dessen geschlossenem Innenraum die Kontaktierungsflächen und die Aufnahme zum Aufnehmen der Steuerungselektronik angeordnet sind. Hierdurch kann die Steuerungselektronik vor äußeren Einflüssen geschützt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, das Gehäuse ein unteres Gehäuseteil hat, an dem die Kontaktierungsflächen und die Aufnahme zum Aufnehmen der Steuerungselektronik angeordnet sind, und ein oberes Gehäuseteil aufweist, wobei in einem geschlossenen Zustand der Innenraum des Gehäuses ausgebildet wird. Die Kontaktierungsflächen werden dabei auf das untere Gehäuseteil geführt, sodass sie mittelbar mittels einer mechanischen Schnittstelle oder unmittelbar mit der Steuerungselektronik in Wirkverbindung gebracht werden können. Das geschlossene Gehäuse lässt sich dabei von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand bringen, um den Zugriff auf die Steuerungselektronik zu ermöglichen. Außerdem lässt sich das Gehäuse von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand eine Dichtung zwischen dem unteren Gehäuseteil und dem oberen Gehäuseteil vorgesehen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von jeweils integral ausgebildeten elektrischen Kontaktbahnen vorgesehen sind, die jeweils eine Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelementes elektrisch kontaktieren und einen elektrischen Kontaktleiter des elektrischen Verbindungselementes für diese Elektrode bilden. Die Kontaktierung einer Elektrode eines piezoelektrischen Wandlerelementes, die Ausbildung des entsprechenden Kontaktleiters sowie das Ausbilden der entsprechenden Kontaktfläche wird dabei durch eine integral ausgebildete elektrische Kontaktbahn realisiert, wodurch ein hoch integrales piezoelektrisches Funktionsnetzwerk bereitgestellt werden kann. Fügestellen an den Übergängen von dem piezoelektrischen Wandlerelement zu dem elektrischen Kontaktleiter sowie von dem elektrischen Kontaktleiter zu der Kontaktierungsfläche entfallen somit, wodurch das gesamte Netzwerk deutlich robuster wird.
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Die jeweilige Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelementes wird dabei nahezu vollständig durch die jeweilige elektrische Kontaktbahn abgedeckt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktbahnen insbesondere gewebte Kohlenstoffasern, gewebte Metalldrähte und/oder metallisierte Vliese aufweisen oder sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktbahnen auf einer Folie, insbesondere eine Polyimidfolie, aufgebracht sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktbahnen aus einem Kupferdrahtgeflecht gebildet sind.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 12 zur Herstellung eines Bauteils erfindungsgemäß gelöst, wobei zunächst ein piezoelektrisches Funktionsnetzwerk wie vorstehend beschrieben bereitgestellt wird. Dieses piezoelektrische Funktionsnetzwerk wird dann an eine Vorform des Bauteils angeordnet. Anschließend wird aus der Vorform zusammen mit dem an der Vorform angeordneten piezoelektrischen Funktionsnetzwerk das Bauteil hergestellt. Unter einer Vorform im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei jede Vorform eines Bauteils verstanden, bei der sich nicht um das endgültige Bauteil handelt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Bauteil um ein Faserverbundbauteil handeln, das aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt wird. Das piezoelektrische Funktionsnetzwerk wird dabei vor dem Aushärten des Matrixmaterials des Faserverbundbauteils an einer Faserpreform des Bauteils angeordnet und verbleibt während des Aushärtens an dem Bauteil. Anschließend, nachdem das Matrixmaterial ausgehärtet ist, wird die Steuerungselektronik in die dafür vorgesehene Aufnahme des Steuerungsmoduls eingesetzt.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Funktionsnetzwerkes;
- 2 schematische Darstellung eines piezoelektrischen Funktionsmoduls;
- 3 schematische Darstellung eines Steuerungsmoduls.
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1 zeigt schematisch in einer stark vereinfachten Darstellung das piezoelektrische Funktionsnetzwerk 10, welches im Ausführungsbeispiel der 1 zwei piezoelektrische Funktionsmodule 11, ein gemeinsames elektrisches Verbindungselement 12 sowie ein Steuerungsmodul 13 aufweist.
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Das in 1 gezeigte Steuerungsmodul 13 ist dabei lediglich mit der Gehäuseunterseite 14 gezeigt, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Gehäuseoberseite 15 (3) in 1 verzichtet wurde.
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Auf der Gehäuseunterseite 14 des Steuerungsmoduls 13 werden die Kontaktierungsflächen 16 als ein erstes Ende der elektrischen Kontaktleiter 17 gebildet, die mit einem gegenüberliegenden zweiten Ende eine Elektrode des jeweiligen piezoelektrischen Wandlerelementes 18 eines jeweiligen piezoelektrischen Funktionsmoduls 11 kontaktieren.
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Die piezoelektrischen Wandlerelemente 18 sowie die Kontaktleiter 17 sind dabei von einer oberen und unteren Fasermaterial-Decklage 19 vollständig abgedeckt und eingebettet, wobei die untere Decklage 19 die Gehäuseunterseite 14 ebenfalls mit bildet. Hierdurch entsteht ein hoch-integrales Funktionsnetzwerk 10.
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2 zeigt eine Funktionsmodul 11, bei dem eine untere Decklage 19a und eine obere Decklage 19b gezeigt sind. Dazwischen ist das piezoelektrische Wandlerelement 18 angeordnet, wobei ein zweites Ende 20 des elektrischen Kontaktleiters 17 in Form eines bandförmigen Elementes die Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelementes 18 nahezu vollständig abdeckt. Der elektrische Kontaktleiter 17 erstreckt sich dabei von dem zweiten Ende 20 bis zu der in 1 dargestellten unteren Gehäuseseite 14 und bildet dort die Kontaktierungsfläche 16 an dem gegenüberliegenden ersten Ende, um die entsprechende Elektrode mit einem Spannungspotenzial beaufschlagen zu können. Der elektrische Kontaktleiter 17 geht dabei von dem zweiten Ende 20 integral und nahtlos in den Leistungsbereich des Verbindungselementes 12 über.
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3 zeigt ein Steuerungsmodul 13, an dessen unterer Gehäuseseite 14 die jeweiligen Kontaktierungsfläche 16 ausgebildet werden. Auf der unteren Gehäuseseite 14 sind zwei Befestigungspunkte 21 angeordnet, die eine Aufnahme zum lösbaren Aufnehmen einer Steuerungselektronik 22 bilden. Hierfür weist die Steuerungselektronik 22 eine Platine auf, die Ausnehmungen bzw. Durchführungen hat, um darin die Aufnahmen 21 der unteren Gehäuseseite 14 einschieben zu können.
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Die Steuerungselektronik 22 weist jeweils Federkontaktelemente 23 auf, die so ausgebildet sind, dass sie eine jeweilige Kontaktierungsfläche 16 der unteren Gehäuseseite 14 elektrisch kontaktieren und diese mit einer Federkraft belasten können, wenn die Steuerungselektronik 22 in Richtung der unteren Gehäuseseite 14 gedrückt wird.
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In die Aufnahmen 21 kann des Weiteren eine Dichtung 24 in gleicher Art und Weise wie die Steuerungselektronik 22 aufgenommen werden, um die Steuerungselektronik 22 und die Kontaktierungsfläche 16 entsprechend abdichten zu können. Hierüber kann schließlich die obere Gehäuseseite 15 angeordnet werden, um so das gesamte Steuerungsmodul 13 gegenüber äußeren Einflüssen abdichten zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- piezoelektrisches Funktionsnetzwerk
- 11
- piezoelektrisches Funktionsmodul
- 12
- elektrisches Verbindungselement
- 13
- Steuerungsmodul
- 14
- untere Gehäuseseite
- 15
- obere Gehäuseseite
- 16
- Kontaktierungsfläche
- 17
- elektrische Kontaktleiter
- 18
- piezoelektrisches Wandlerelement
- 19
- Decklagen
- 19a
- untere Decklage
- 19b
- obere Decklage
- 20
- zweites Ende der elektrischen Kontaktleiter
- 21
- Aufnahme/Befestigungspunkt
- 22
- Steuerungselektronik
- 23
- Federkontaktelemente
- 24
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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