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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor, insbesondere als Piezoinjektor
mit optimiertem Bauraum für
eine zwischen einem Piezoelement und einem Haltekörper angeordneten
elektrischen Steckverbindung, beispielsweise zur Betätigung eines
mechanischen Bauteils wie ein Ventil, eine Düsennadel oder dergleichen,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es
ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines Piezoaktors bzw. eines
Piezoinjektors 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 Piezoinjektor 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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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. Piezoelement, Koppler und Nadel bilden
dabei Teile eines Stellglieds, mit dessen Hilfe etwa bei einem Einspritzinjektor
beispielsweise Kraftstoff oder ein anderes Fluid dosiert beispielsweise
in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann.
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In 2 ist ein prinzipieller
Aufbau eines einstufigen Piezoaktors 1 nach dem Stand der
Technik 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 jeweiligen
Verwendungszweck und den spezifischen Einsatzort angepasst werden
kann. Am Haltekörper 2 ist
ein hier nicht dargestelltes Steckerteil vorhanden, durch das mit
einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall angepassten Steckerausführung die elektrische
Spannung zur Ansteuerung eines in einem Innenraum 4 des
Haltekörpers 2 angeordneten Piezoelements 3 angeschlossen
werden kann.
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Vom
Steckerteil sind hier nicht dargestellte Drähte als elektrische Leitungen
zu ebenfalls nicht dargestellten Außenelektroden am Piezoelement 3 geführt, zur
elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 3. Das Piezoelement 3 wirkt
bei einer Betätigung über eine
sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung
mit einem Koppler 5 auf eine Düsennadel 6 derart,
dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 7 erfolgen
kann. Ein im Inneren des Piezoaktors 1 durch den Innenraum 4 des Haltekörpers 2 geführter Kraftstoff
kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors
injiziert werden.
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Das
Piezoelement 3 liegt nach 2 über einen
Aktorfuß 8 oben
an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 des Haltekörpers 2 an,
wobei das Piezoelement 3 zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit
einer Feder 9 angedrückt
wird. Insbesondere bei so genannten Common-Rail (CR)-Systemen ist
hier eine Hochdruckabdichtung zu einem oberhalb des Piezoelements 3 und
oberhalb des Innenraums 4 in dem Haltekörper 2 angeordneten
elektrischen Anschlussraum notwendig, durch den die elektrischen Leitungen
zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 3 geführt sind.
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Einbauspezifische
Anforderungen an Piezoaktoren können
leichter und kostengünstiger
mit einem ein Haltekörperoberteil
und ein Haltekörperunterteil
umfassenden, zweiteiligen Haltekörper
erfüllt werden.
Dabei ist das Haltekörperoberteil überwiegend
an die durch die spezifischen Einbaubedingungen vorgegebenen Randbedingungen
angepasst, wohingegen das Haltekörperunterteil überwiegend an
die durch die Abmessungen und die Geometrie des Piezoelements und
die Strömungsführung des Fluids
im Innenraum vorgegebenen Randbedingungen angepasst ist.
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Stand
der Technik ist die in 2 dargestellte
elektrische Kontaktierung des Piezoelements über eine hochdruckdichte, glaseingeschmolzene
Dichtbuchse im Aktorfuß des
Piezoelements. Diese Technik kann in einem zweiteiligen Haltekörper ohne steckbare
Verbindung nicht verifiziert werden.
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Insbesondere
Piezoaktoren mit zweiteiligem Haltekörper setzen voraus, dass die
durch das Haltekörperoberteil
zum Piezoelement führende
elektrische Kontaktierung des Piezoelements als Steckverbindung
ausgeführt
ist, um die durch das Haltekörperoberteil
hindurchführende
elektrische Kontaktierung auf Funktion und insbesondere Dichtheit
nach Außen
gegenüber
dem unter hohem Druck in den Innenraum geführten Fluid, beispielsweise
einem Kraftstoff, testen zu können.
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Das
sich hieraus ergebende Problem ist, dass insbesondere bei immer
kleiner ausgeführten Piezoaktoren
in dem sehr kleinen zur Verfügung
stehenden Bauraum nur sehr schwer eine zuverlässige und sichere elektrische
Steckverbindung herstellbar ist. Das Problem wird weiter dadurch
verschärft,
dass im Bereich der durch den Haltekörper bzw. durch das Haltekörperoberteil
hindurchführenden
elektrischen Kontaktierung des Piezoelements auch noch der oder
die Strömungskanäle zur Zufuhr
des mittels des Piezoaktors dosierbaren Fluids angeordnet sind.
Bei einer typischen Ausführung
eines als Einspritzinjektor verwendeten Piezoaktors, bei der die äußeren elektrischen
Anschlüsse
zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements in axialer Verlängerung
des Piezoelements angeordnet sind, und der Anschluss für den zu
dosierenden Kraftstoff seitlich am Haltekörper bzw. am Haltekörperoberteil
angeordnet ist, kreuzt der den Anschluss für den Kraftstoff mit dem Innenraum
verbindende Strömungskanal
die elektrische Kontaktierung. Hieraus ergeben sich bedingt durch
die insbesondere im Bereich des Haltekörperoberteils geringen Abmessungen
des Piezoaktors und den damit nur geringen zur Verfügung stehenden Bauraum
Probleme bei der Ausgestaltung einer sicheren und zuverlässigen elektrischen
Kontaktierung im Bereich der Steckverbindung.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
sich aus den Problemen des Standes der Technik ergebenden Nachteile
werden bei einem erfindungsgemäßen Piezoaktor
der eingangs genannten Gattung vermieden, indem der den Innenraum und
den Anschluss für
das Fluid verbindende Strömungskanal
gegenüber
durch den Haltekörper
hindurch führenden,
im Wesentlichen die elektrische Kontaktierung bildenden elektrischen
Leitungen radial nach außen
versetzt und im Wesentlichen parallel zu diesen verlaufend angeordnet
ist, und dass eine das Piezoelement mit den elektrischen Leitungen verbindende
elektrische Steckverbindung zwischen Haltekörper und Piezoelement angeordnet
ist. Durch den parallel zu den durch den Haltekörper hindurchführenden
elektrischen Leitungen angeordneten Strömungskanal wird der zur Verfügung stehende Bauraum
im Haltekörper
zur Anordnung der elektrischen Steckverbindung gegenüber dem
Stand der Technik vergrößert.
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Der
erfindungsgemäße Piezoaktor
weist bei einer Verwendung als Piezoinjektor gegenüber dem Stand
der Technik den Vorteil auf, dass durch die achsparallele Anordnung
des Strömungskanals
zu den elektrischen Leitungen im Haltekörper oberhalb des Innenraums
viel Bauraum für
eine funktionssichere und robuste elektrische Steckverbindung zwischen
dem Piezoelement und den im Haltekörper angeordneten elektrischen
Leitungen verbleibt. Der gegenüber
dem Stand der Technik größere zur
Verfügung
stehende Bauraum gestattet die Verwendung von Steckern und Buchsen
mit größeren Durchmessern,
so dass generell Pins, Kontakthülsen
und die elektrischen Leitungen bildende Drähte mit größeren Durchmessern ausgelegt
werden können.
Dadurch werden die elektrischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick
auf geringeren Spannungsabfall und geringere Übergangswiderstände im Bereich
der Steckverbindung nachhaltig verbessert.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der den
Anschluss für
das zu dosierende Fluid mit dem Innenraum verbindende Strömungskanal
im Wesentlichen parallel zu der durch die im Wesentlichen parallel
zueinander verlaufenden, die zweipolige elektrische Kontaktierung
herstellenden elektrischen Leitungen gebildeten, den Haltekörper axial
zu dem Piezoelement teilenden Ebene verläuft.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
der Haltekörper
zweiteilig ausgeführt
ist, und die elektrische Steckverbindung, der Strömungskanal
sowie die Anschlüsse
für die elektrische
Kontaktierung und das Fluid in einem den Innenraum von einer Seite
her stirnseitig begrenzenden Haltekörperoberteil angeordnet sind,
und der das Piezoelement aufnehmende Innenraum im Wesentlichen von
einem Haltekörperunterteil
gebildet wird. Dabei ist denkbar, dass das Piezoelement an einer
den Innenraum stirnseitig begrenzenden Stirnwand des Haltekörperoberteils
des zweiteiligen Haltekörpers
angeordnet ist.
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Eine
zusätzliche
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Anschluss
für die elektrische
Kontaktierung im Wesentlichen axial zu dem in dem Innenraum angeordneten
Piezoelement angeordnet ist, und der Anschluss für das Fluid unter einem Winkel
gegenüber
der Längsachse
des Piezoelements angeordnet ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Steckverbindung in dem Haltekörper angeordnete Buchsen, sowie
an dem Piezoelement angeordnete Stecker umfasst. Dabei ragen die
Stecker des Piezoelements aus diesem heraus, so dass die Steckverbindung
nach dem Zusammen bau des Piezoelements mit dem Haltekörper vollständig in
dem Haltekörper
angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass die Buchsen
aus mit den beispielsweise aus Einzeldrähten bestehenden elektrischen
Leitungen elektrisch leitfähig
verbundene Hülsen
umfassen.
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Eine
zusätzliche,
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
das Piezoelement einen den Piezolagen-Stapel in Richtung des Haltekörpers abschließenden Aktorfuß umfasst, wobei
der Aktorfuß mit
dem Haltekörper,
beispielsweise mittels einer Schweißverbindung oder mittels einer
Klebeverbindung fest verbindbar ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Piezoaktor
mit einem ein Haltekörperoberteil
und ein Haltekörperunterteil
umfassenden, zweiteiligen Haltekörper
und in dem Haltekörperoberteil
achsparallel zu den der elektrischen Kontaktierung des Piezoelements
dienenden elektrischen Leitungen verlaufendem, den Innenraum mit dem
Anschluss für
das zu dosierende Fluid verbindenden Strömungskanal, sowie
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2 einen
Piezoaktor nach dem Stand der Technik.
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Ausführungsform(en)der Erfindung
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Die
Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Piezoaktors zur Verwendung
als Common-Rail Einspritzinjektor mit direkter Nadelsteuerung beschrieben.
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Ein
in 1 dargestellter erfindungsgemäßer Piezoaktor 10 besteht
im Wesentlichen aus einem zweiteiligen, einen Innenraum 40 aufweisenden Haltekörper 20,
sowie aus einem in dem Innenraum 40 angeordneten, durch
den Haltekörper 20 hindurch elektrisch
kontaktierbaren Piezoelement 30. Das Piezoelement umfasst
mehrere zu einem Stapel 31 angeordnete Piezolagen. Der
Haltekörper 20 umfasst ein
Haltekörperoberteil 21,
sowie ein Haltekörperunterteil 22.
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Das
Haltekörperoberteil 21 weist
einen Anschlussraum 23 für einen elektrischen Anschluss
zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements 30 mittels
durch den Haltekörper 20,
genauer durch das Haltekörperoberteil 21 hindurch
geführten
elektrischen Leitungen 42 auf. Darüber hinaus weist das Haltekörperoberteil 21 einen
Anschlussraum 24 zur Zufuhr eines mittels eines das Piezoelement 30 umfassenden
Stellglieds dosierbaren Kraftstoffs in den Innenraum 40,
sowie einen von dem Anschlussraum 24 in den Innenraum 40 führende Strömungskanal 41 auf.
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Dabei
ist der elektrische Anschlussraum 23 in axialer Verlängerung
des Piezoelements 30 angeordnet. Die elektrischen Leitungen 42 verlaufen
somit koaxial zu der Längsachse
des Piezoelements 30. Der Strömungskanal 41 ist
gegenüber
den durch das Haltekörperoberteil 21 hindurch
führenden,
im Wesentlichen die elektrische Kontaktierung bildenden elektrischen
Leitungen 42 radial nach außen versetzt und im Wesentlichen
parallel zu diesen verlaufend angeordnet. In 1 ist der
achsparallele Strömungskanal 41 gegenüber den
elektrischen Leitungen 42 um 90° gedreht dargestellt. In einem
um 90° gedrehten
Längsschnitt
durch den Piezoaktor 10 wäre zu erkennen, dass der Strömungskanal 41 im Wesentlichen
parallel zu einer durch die elektrischen Leitungen 42 gebildeten,
den Haltekörper 20 axial
zu dem Piezoelement 30 teilenden Ebene verläuft. Dadurch
verbleibt viel Bauraum im Haltekörperoberteil 21 für die elektrische
Kontaktierung des Piezoelements 30.
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Der
Strömungskanal 41 mündet in
den zwischen dem Piezoelement 30 und dem das Piezoelement 30 konzentrisch
umhüllenden
Haltekörperunterteil 22 verbleibenden
Ringraum des Innenraums 40. Im Betrieb ist somit das eine
in ihren Innenquerschnittsabmessungen den Außenquerschnittsabmessungen
des Piezoelements 30 entsprechende Isolationshülse 32 umfassende
Piezoelement 30 von dem durch den verbleibenden Ringraum
des Innenraums 40 strömenden
Kraftstoff umgeben. Eine derartige Anordnung wird als nasse Anordnung
bezeichnet.
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Das
Haltekörperunterteil 22 bildet
im Wesentlichen den das Piezoelement 30 konzentrisch aufnehmenden
Innenraum 40. Das Haltekörperunterteil 22 begrenzt
dabei den Innenraum 40 radial, und legt damit die Länge und
den Querschnitt des Innenraums 40 im Wesentlichen fest.
Das Haltekörperoberteil 21 begrenzt
den Innenraum 40 von einer Seite her stirnseitig. Im Haltekörperoberteil 21 sind
im Wesentlichen die elektrischen Leitungen 42, der Strömungskanal 41 sowie
die Anschlussräume 23, 24 angeordnet.
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Das
Piezoelement 30 ist mittels einer elektrischen Steckverbindung 50 mit
den in dem Haltekörperoberteil 21 angeordneten
Leitungen 42 elektrisch verbunden.
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Die
elektrische Steckverbindung 50 ist dabei zwischen dem Haltekörperoberteil 21 und
dem Piezoelement 30 angeordnet. Das Piezoelement 30 umfasst
einen, den nicht näher
dargestellten Piezolagen-Stapel 31 in Richtung des Haltekörperoberteils 21 stirnseitig
abschließenden
Aktorfuß 80,
an dem den piezoelementseitigen Teil der Steckverbindung 50 bildende
Steckpins 34 angeordnet sind, sowie eine zwischen Aktorfuß 80 und
dem Piezolagen-Stapel 31 angeordnete keramische Isolation 81.
Elektroden 44 dienen der inneren Kontaktierung der Piezolagen.
Im Bereich des Aktorfußes 80 sind
die Elektroden 44 umhüllende
Keramikhülsen 82 angeordnet. Der
haltekörperseitige
Teil der Steckverbindung 50 ist in einer den Innenraum 40 stirnseitig
begrenzenden Stirnwand 43 des Haltekörperoberteils 21 angeordnet.
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Die
elektrische Steckverbindung 50 besteht aus den an dem Piezoelement 30 angeordneten Steckpins 34,
welche mit Isolierringen 33 versehen sind. Im Haltekörperoberteil 21 sind
das Gegenstück zu
den Steckpins 34 bildende Kontakthülsen 51, 51' angeordnet.
Die Kontakthülsen 51, 51' sind mit an den
elektrischen Leitungen angeordnete Steckpins 61 elektrisch
leitend verbunden. Die der Steckverbindung 50 abgewandten,
freien Enden 45 der elektrischen Leitungen 42 sind
mit Isolierungen 46 versehen und können in dem Anschlussraum 23 mit
einem Stecker kontaktiert werden.
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Zur
Herstellung des haltekörperseitigen
Teils der Steckverbindung 50 werden die Kontakthülsen 51, 51' mit den Isolierungen 52, 52' in das Haltekörperoberteil 21 eingebracht,
wobei die Isolierhülsen 52, 52' mit dem Haltekörperoberteil 21 bei
Bedarf verklebt werden können.
In dem Haltekörperoberteil 21 sind
darüber
hinaus mit Glas eingeschmolzene Dichtbuchsen 60, die aus
den Teilen Steckpin 61, Glaseinschmelzung 62,
kegelförmiger
Stahlhülse 63 und
einem aufgeschrumpften Isolierring 64 bestehen, hydraulisch
verpresst. Dadurch wird eine zuverlässige Abdichtung des unter
hohem Druck in den Innenraum 40 geleiteten Kraftstoffs
gegenüber
der Umgebung erzielt.
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Alternativ
dazu können
die in dem Haltekörperoberteil
angeordneten, mit den elektrischen Leitungen 42 und den
Kontakthülsen 51 elektrisch
leitend verbundenen Steckpins 61 auch von dem die elektrischen
Leitungen bildenden Draht 61' gebildet werden,
der direkt mit der jeweiligen Kontakthülse 51' elektrisch leitend verbunden ist.
Ein derartiger Steckpin kann kostengünstiger hergestellt werden.
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Zur
weiteren Verbesserung der Abdichtung des Innenraums 40 gegenüber der
Umgebung ist das Piezoelement 30 an der den Innenraum 40 stirnseitig begrenzenden
Stirnwand 43 des Haltekörperoberteils 21 fest
angeordnet. Zur festen Anordnung des Piezoelements 30 an
der Stirnwand 43 des Haltekörperoberteils 21 dient
eine den Aktorfuß 80 fest
mit der Stirnwand 43 verbindende Schweißverbindung 90.
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Alternativ
kann das Piezoelement 30 auch mittels einer Klebeverbindung
zwischen Aktorfuß 80 und
Stirnwand 43 fest mit dem Haltekörperoberteil 21 verbunden
werden.
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Durch
eine feste, umlaufende Verbindung, wie etwa durch die Schweißverbindung 90,
wird eine Abdichtung der Steckverbindung 50 gegenüber dem unter
hohem Druck mit Kraftstoff gefüllten
Innenraum 40 erreicht.
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Wichtig
ist zu bemerken, dass durch die achsparallele Anordnung des Strömungskanals 41 im
Haltekörperoberteil 21 viel
Bauraum zur Herstellung einer funktionssicheren und robusten Steckverbindung 50 verbleibt.
Der größere zur
Verfügung
stehende Bauraum gestattet gegenüber
dem Stand der Technik eine Verwendung von die elektrische Steckverbindung 50 bildenden
Steckpins 34, 61, 61', Kontakthülsen 51, 51', und die elektrischen
Leitungen 42 bildenden Drähten mit größeren Durchmessern. Dadurch
wird eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere
im Hinblick auf einen geringeren Spannungsabfall und geringere Übergangswiderstände sowie
eine höhere
Robustheit erreicht.
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Beispielsweise
bei einem hohen Strombedarf des Piezoelements 30 oder aufgrund
eines beispielsweise aufgrund von Oxidation hervorgerufenen hohen Übergangswiderstands
kann die Steckerverbindung 50 zusätzlich mit einem per Induktionslötung verlötbaren Weichlotring 53 oder
mit einem Leitkleber versehen werden.
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Vorzugsweise
weist die Steckverbindung 50 und/oder das Piezoelement 30 und/oder
das Haltekörperoberteil 21 Farbmarkierungen
zur Erkennung der Polarität
und/oder der lagerichtigen Anordnung des Piezoelements 30 relativ
zur Stirnseite 43 des Haltekörperoberteils 21 auf.
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Das
Piezoelement 30 wird über
Farbmarkierung lagerichtig mit dem Haltekörperoberteil 21 zusammengefügt und verschweißt.
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Durch
die zwischen dem Haltekörperoberteil 21 und
dem Piezoelement 30 angeordnete elektrische Steckverbindung 50 ist
die Stelle der Anordnung des Piezoelements 30 an der den
Innenraum 40 des Haltekörpers 20 begrenzenden
Stirnwand 43 insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsprozess
wesentlich einfacher zugänglich,
als nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus kann die Dichtigkeit
der im Haltekörperoberteil 21 angeordneten
elektrischen Kontaktierung verifiziert werden.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Die
Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Piezoaktoren
zur Verwendung in Verbindung mit Einspritzinjektoren für Verbrennungsmotoren
gewerblich anwendbar.