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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 198 56 202
A1 ist ein piezoelektrischer Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil
bekannt. Der bekannte Aktor ist dabei in Form eines vielschichtigen
Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials
und dazwischenliegenden elektrisch leitenden Schichten, die als
Elektroden dienen, aufgebaut. Die Elekrodenanschlüsse sind
seitlich an den Aktor geführt
und von einem Elastomermantel ummantelt.
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Der
aus der
DE 198 56
202 A1 bekannte piezoelektrische Aktor hat den Nachteil,
dass der für die
Montage benötigte
Bauraum innerhalb des Brennstoffeinspritzventils auf Grund der Elektrodenanbindung
in radialer Richtung erheblich vergrößert ist. Dadurch vergrößert sich
auch die Baugröße des Brennstoffeinspritzventils.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil einer verbesserten Aktorgeometrie, so dass der Platzbedarf
in Bezug auf die wirksame Querschnittfläche des piezokeramischen Materials
des Aktors verringert ist. Ferner hat der erfindungsgemäße Aktor
den Vorteil, dass die Außenelektrode
vereinfacht ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann anstelle
einer durch ein Doppelsieb ausgestalteten Außenelektrode eine durch ein
Einfachsieb ausgestaltete Außenelektrode
zum Einsatz kommen. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 12 hat die entsprechenden Vorteile.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 12 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
möglich.
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In
vorteilhafter Weise erstreckt sich die für den Dehnungsteil vorgesehene
Aussparung in etwa über
eine halbe Seitenfläche
des Aktorkörpers
bis zu einer seitlichen, entlang einer Achse des Aktorkörpers verlaufenden
Kante. Der Dehnungsteil der Elektrodenanbindung kann dann innerhalb
der Aussparung, das heißt
auf der einen Hälfte
der Seitenfläche, vorgesehen
sein und der Kontaktteil der Elektrodenanbindung kann innerhalb
der anderen Hälfte
der Seitenfläche
angeordnet sein. Allerdings kann sich die Elektrodenanbindung auch
um eine Kante des Aktorkörpers
herum erstrecken. Speziell kann an einer benachbarten Seitenfläche eine
weitere Aussparung vorgesehen sein, in der ein weiterer Dehnungsteil
der Elektrodenanbindung vorgesehen ist, und der Kontaktteil kann
einerseits mit dem einen Dehnungsteil und andererseits mit dem anderen
Dehnungsteil verbunden sein, wobei er sich um die Kante des Aktorkörpers legt.
Insbesondere in diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn
die seitliche, entlang der Achse des Aktorkörpers verlaufende Kante angefast
oder abgerundet ausgestaltet ist. Dadurch kann der Kontaktteil knickfrei
um die Kante laufen und auch im Bereich der Kante zuverlässig mit
den Elektrodenschichten verbunden sein.
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Der
Dehnungsteil kann eine größere Dicke aufweisen
als der Kontaktteil. Die Tiefe der Aussparung ist vorzugsweise so
gewählt,
dass sie der zusätzlichen
Dicke des Dehnungsteils in Bezug auf den Kontaktteil entspricht.
Dadurch kann eine im Wesentlichen ebene Außenfläche des piezoelektrischen Aktors
geschaffen werden, die für
eine optimale Ausnutzung des in einem Brennstoffeinspritzventil
zur Verfügung
stehenden Bauraums von Vorteil ist. Die Tiefe der Aussparung kann
im Bereich von etwa 50 μm
bis etwa 1000 μm
liegen.
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Es
können
auch zwei oder mehr Elektrodenanbindungen vorgesehen sein. Die Elektrodenanbindungen
können
jeweils zumindest ein Dehnungsteil und zumindest ein Kontaktteil
aufweisen, wobei der Aktorkörper
vorzugsweise mehrere Ausnehmungen aufweist, in die die Dehnungsteile
der Elektrodenanbindungen eingefügt
werden können. Vorzugsweise
umschließen
die Elektrodenanbindungen den Aktorkörper umfänglich, so dass sich zusammen
mit einer Isolationsschicht eine regelmäßige Außengeometrie des Aktors ergibt.
Der Querschnitt kann insbesondere im Wesentlichen quadratisch ausgestaltet
sein, wobei die Ecken vorzugsweise abgerundet oder angefast ausgestaltet
sind. Der piezoelektrische Aktor kann allerdings auch eine andere Geometrie
aufweisen, insbesondere mit im Wesentlichen rechteckförmigem oder
kreisförmigem
Querschnitt.
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Zeichnung
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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 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 einen
Schnitt durch den in 1 gezeigten piezoelektrischen
Aktor des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie;
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3 den
in 2 gezeigten Schnitt durch einen piezoelektrischen
Aktor gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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4 den
in 2 gezeigten Schnitt durch einen piezoelektrischen
Aktor gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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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 gemischverdichtenden, 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.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße Aktor 2 eignen
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein aus mehreren Teilen
bestehendes Ventilgehäuse 3 und einen
mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen
Brennstoffeinlassstutzen 4 auf. An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist
eine Brennstoffleitung anschließbar,
um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist über in einem
Gehäuseteil 6 ausgebildete Durchlassöffnungen 7, 8 mit
einem Brennstoffraum 9 verbunden, um den zugeführten Brennstoff über den Aktorraum 5 in
den Brennstoffraum 9 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. Der Ventilschließkörper 12 ist über eine
Ventilnadel 13 mit einer Druckplatte 14 verbunden,
die im Aktorraum 5 angeordnet ist. Die Ventilnadel 13 wird durch
das Gehäuseteil 6 in
Richtung einer Achse 15 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt, wobei
die Ventilnadel 13 mittels der Druckplatte 14 durch
eine Ventilfeder 16 mit einer Schließkraft beaufschlagt ist, so
dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete
Dichtsitz geschlossen ist.
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An
dem Ventilgehäuse 3 ist
außerdem
ein Anschlusselement 17 zum Anschließen einer elektrischen Zuleitung
an das Brennstoffeinspritzventil vorgesehen. Die elektrische Zuleitung
kann dabei mittels eines Steckers an elektrische Leitungen 20, 21 angeschlossen
werden, die durch das Gehäuse 3 und
einen in dem Aktorraum 5 angeordneten Aktorfuß 22 zu
dem Aktor 2 geführt
sind. Über
den an den Aktor 2 angefügten Aktorfuß 22 stützt sich
der Aktor 2 einerseits an dem Ventilgehäuse 3 ab. Andererseits steht
der Aktor 2 über
einen an den Aktor 2 angefügten Aktorkopf 23 mit
der Druckplatte 14 in Wirkverbindung, wobei der Aktor 2 durch
die Ventilfeder 16 vorgespannt ist.
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Der
Aktor 2 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 25 und
eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 25 angeordneten
Elektrodenschichten 26, 27 auf. Die Elektrodenschichten 26, 27 teilen
sich in positive Elektrodenschichten 26 und negative Elektrodenschichten 27 auf.
Dabei ist die elektrische Leitung 20 mit dem durch die
positiven Elektrodenschichten 26 gegebenen Teil der Elektrodenschichten 26, 27 verbunden
und die elektrische Leitung 21 ist mit dem durch die negativen
Elektrodenschichten 27 gegebenen Teil der Elektrodenschichten 26, 27 verbunden. Über die
elektrische Leitung 21 können die negativen Elektrodenschichten 27 mit
Masse (0 V) verbunden werden. Zum Laden und Entladen des Aktors 2 wird
an die elektrische Leitung 20 eine Betätigungsspannung angelegt.
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Dabei
dehnt sich der geladene Aktor 2 in Richtung der Achse 15 aus,
wodurch der Ventilschließkörper 12 entgegen
der Kraft der Ventilfeder 16 in Öffnungsrichtung betätigt wird,
so dass der im Brennstoffraum 9 vorgesehene Brennstoff über den Ringspalt 30 und
den geöffneten
Dichtsitz aus dem Brennstoffeinspritzventil 1 abgespritzt
wird. Beim Entladen des Aktors 2 zieht sich dieser zusammen, wobei
durch die Schließkraft
der Ventilfeder 16 der Ventilschließkörper 12 wieder in
die in der 1 dargestellte Ausgangsstellung
zurückgestellt
wird, in der der zwischen der Ventilsitzfläche 11 und dem Ventilschließkörper 12 ausgebildete
Dichtsitz wieder geschlossen wird.
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Der
piezoelektrische Aktor 2 des ersten Ausführungsbeispiels
weist im Wesentlichen ebene seitliche Außenflächen 31, 32 auf,
so dass der vorgegebene Aktorraum 5 vorteilhaft ausgenutzt
werden kann. Außerdem
ist dadurch die Beeinflussung des an dem Aktor 2 vorbeiströmenden Brennstoffes
verringert. Der Aufbau des Aktors 2 entsprechend dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist im Folgenden anhand der 2 näher beschrieben.
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2 zeigt
einen schematischen Schnitt durch den in 1 gezeigten
Aktor 2 entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie.
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Der
Aktor 2 weist einen Aktorkörper 33 auf, der die
Vielzahl von aufeinandergeschichteten keramischen Schichten und
Elektrodenschichten umfasst. Der Aktorkörper 33 weist eine
an einer ersten Seitenfläche 34 vorgesehene
Aussparung 35 auf. Ferner weist der Aktorkörper 33 an
einer zweiten Seitenfläche 36 eine
Aussparung 37 auf. Ein Kontaktteil 38 einer ersten
Elektrodenanbindung 39 ist mit den negativen Elektrodenschichten 27 des
Aktorkörpers 33 durch
Löten elektrisch
und mechanisch verbunden. Ein Dehnungsteil 40 der ersten
Elektrodenanbindung 39, der eine größere Dicke aufweist als der Kontaktteil 38 ist
in der Aussparung 35 angeordnet. Bei einer Betätigung des
Aktors 2, bei der sich dieser entlang der Achse 15 ausdehnt,
stellt der Kontaktteil 38 der ersten Elektrodenanbindung 39 eine
zuverlässige
elektrische Kontaktierung mit jeder der negativen Elektrodenschichten 27 her,
während
die elektrische Verbindung der Elektrodenschichten 27 untereinander
und mit der elektrischen Leitung 21 durch den Dehnungsteil 40,
der sich bei der Betätigung
des Aktors 2 in Richtung der Achse 15 ausdehnt,
gewährleistet
ist. Gegenüberliegend
zu der ersten Elektrodenanbindung 39 ist eine zweite Elektrodenanbindung 41 vorgesehen,
wobei ein Kontaktteil 42 der zweiten Elektrodenanbindung 41 mit
den positiven Elektrodenschichten 26 des Aktorkörpers 33 mittels einer
Lötverbindung
elektrisch und mechanisch verbunden ist und ein Dehnungsteil 43 der
zweiten Elektrodenanbindung 41 in der Aussparung 37 des
Aktorkörpers 33 angeordnet
ist. Die Ausgestaltung der zweiten Elektrodenanbindung 41 entspricht
im Wesentlichen der Ausgestaltung der ersten Elektrodenanbindung 39,
wobei die zweite Elektrodenanbindung 41 die positiven Elektrodenschichten 26 und
die elektrische Leitung 20 miteinander verbindet.
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Der
Dehnungsteil 40 der ersten Elektrodenanbindung 39 weist
eine größere Dicke
als der Kontaktteil 38 der ersten Elektrodenanbindung 39 aber
in etwa die gleiche Breite auf. Daher erstreckt sich die für den Dehnungsteil 40 der
ersten Elektrodenanbindung 39 vorgesehene Aussparung 35 in etwa über die
halbe Seitenfläche 34 des
Aktorkörpers 33.
Entsprechend erstreckt sich auch die für den Dehnungsteil 43 der
zweiten Elektrodenanbindung 41 vorgesehene Aussparung 37 in
etwa über
die halbe Seitenfläche 36 des
Aktorkörpers 33.
Eine mittlere Tiefe der für
den Dehnungsteil 40 der ersten Elektrodenanbindung 39 vorgesehenen
Aussparung 35 sowie eine mittlere Tiefe der für den Dehnungsteil 43 der
zweiten Elektrodenanbindung 41 vorgesehenen Aussparung 37 kann
jeweils im Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 1 mm liegen. Die mittlere
Tiefe ist dabei vorzugsweise in Bezug auf eine Differenz aus der
Dicke des Dehnungsteils 40 beziehungsweise 43 und
der Dicke des Kontaktteils 38 beziehungsweise 42 gewählt, um
eine möglichst
ebene Außenkontur der
ersten Elektrodenanbindung 39 beziehungsweise der zweiten
Elektrodenanbindung 41 zu erhalten. Dabei ist der Dehnungsteil 40 der
ersten Elektrodenanbindung 39 im Wesentlichen in der Aussparung 35 angeordnet
und das Kontaktteil 38 der ersten Elektrodenanbindung 39 ist
im Wesentlichen außerhalb
der für
den Dehnungsteil 40 der ersten Elektrodenanbindung 39 vorgesehenen
Aussparung 35 angeordnet und mittels der Lotverbindung
mit dem ersten Teil 27 der Elektrodenschichten 26, 27 verbunden,
um die negativen Elektrodenschichten 27 mit der ersten
Elektrodenanbindung 39 und somit mittelbar mit der elektrischen
Leitung 21 zu verbinden. Eine entsprechende Ausgestaltung
der zweiten Elektrodenanbindung 41 dient zum Verbinden
der positiven Elektrodenschichten 26 mit der zweiten Elektrodenanbindung 41 und
somit mittelbar mit der elektrischen Leitung 20. Durch
diese Anbindung der elektrischen Leitungen 20, 21 an
die Elektrodenschichten 26, 27 mittels der Elektrodenanbindungen 39, 41,
bei der die Aussparungen 35, 37 an dem Aktorkörper 33 die
Dehnungsteile 40, 43 der Elektrodenanbindungen
aufnehmen, wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Außenkontur des Aktors 2 mit
im Wesentlichen ebenen Außenflächen 31, 32, 45, 46 ermöglicht,
wie es im Folgenden weiter beschrieben ist.
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Ferner
ist eine Isolationsschicht 44 vorgesehen, die den Aktorkörper 33 und
die Elektrodenanbindungen 39, 41 umfänglich umschließt und insbesondere
eine Abdichtung gegenüber
dem im Aktorraum 5 vorgesehenen Brennstoff gewährleistet.
Da die erste Elektrodenanbindung 39 zu der seitlichen Außenfläche 31 hin
relativ eben ausgebildet ist, ist auch die seitliche Außenfläche 31 im
Wesentlichen eben ausgebildet. Entsprechend ist auch die seitliche
Außenfläche 32 im
Wesentlichen eben ausgebildet. Die Isolationsschicht 44 ist
so aufgebracht, dass verbleibende, geringfügige Unebenheiten und Abweichungen des
Aktorkörpers 33 und
der mit dem Aktorkörper 33 verbundenen
Elektrodenanbindungen 39, 41 von der vorgegebenen
Außenkontur
ausgeglichen sind, so dass auch seitliche Außenflächen 45, 46 des
Aktors 2 eben ausgestaltet sind. Der Aktor 2 hat
daher zumindest näherungsweise
einen rechteckförmigen Querschnitt.
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Im
Bereich des Übergangs
von dem Dehnungsteil 40 zum Kontaktteil 38 der
ersten Elektrodenanbindung 39 ist auf der Seite des Aktorkörpers eine
Fase 47 ausgebildet, um die Befestigung der ersten Elektrodenanbindung 39 an
den Aktorkörper 33 zu
erleichtern und ein möglichst
spaltfreies Anliegen an dem Aktorkörper 33 zu erzielen.
Entsprechend ist auch eine Fase 48 an dem Aktorkörper 33 für die zweite
Elektrodenanbindung 41 vorgesehen. Außerdem ist eine Kante 56 vorgesehen,
um ein gleichmäßiges Aufbringen
der Isolationsschicht 44 zu erleichtern und um eine ebene
Ausgestaltung der seitlichen Außenfläche 46 zu
erzielen. Die Fasen 47, 48 und die Kante 56 erstrecken
sich dabei in Richtung der Achse 15 des Aktorkörpers 33 des
Aktors 2 des Brennstoffeinspritzventils 1.
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3 zeigt
den in 2 gezeigten Ausschnitt eines piezoelektrischen
Aktors 2 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist der Aktorkörper 33 sich
in Richtung der Achse 15 erstreckende angefaste Kanten 49, 50 auf,
wobei die angefaste Kante 49 zwischen der ersten Seitenfläche 34 und
einer zur ersten Seitenfläche 34 benachbarten
dritten Seitenfläche 51 vorgesehen
ist und wobei die angefaste Kante 50 zwischen der zweiten
Seitenfläche 36 und einer
neben der zweiten Seitenfläche 36 liegenden vierten
Seitenfläche 52 vorgesehen
ist. Die erste Elektrodenanbindung 39 erstreckt sich von
der ersten Seitenfläche 34 über die
angefaste Kante 49 bis zur dritten Seitenfläche 51.
Der Kontaktteil 38 ist daher sowohl im Bereich der Seitenflächen 34, 51 als auch
im Bereich der angefasten Kante 49 durch eine Lötverbindung
mit den negativen Elektrodenschichten 27 elektrisch kontaktiert.
Ein weiterer Dehnungsteil 53 der ersten Elektrodenanbindung 39 ist
in einer weiteren Aussparung 54 des Aktorkörpers 33 angeordnet.
Somit besteht die erste Elektrodenanbindung 39 des zweiten
Ausführungsbeispiels
aus den Dehnungsteilen 40, 53 und dem die Dehnungsteile 40, 53 verbindenden
Kontaktteil 38. Die zweite Elektrodenanbindung 41 ist
entsprechend zu der ersten Elektrodenanbindung 39 ausgestaltet,
wobei eine symmetrische Ausgestaltung des Aktorkörpers 33 vorgesehen
ist. Auf Grund der angefasten Kanten 49, 50 und
einer entsprechenden Ausgestaltung der Isolationsschicht 44 ergibt
sich ein Aktor 2 mit einem im Wesentlichen quadratischen
Querschnitt, wobei sich an der Außenkontur abgeschrägte Kanten
ergeben.
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4 zeigt
den in 2 dargestellten schematischen Schnitt durch einen
piezoelektrischen Aktor 2 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind anstelle
der Fasen 47, 48 abgerundete Übergänge 47', 48' an der Kontur des Aktorkörpers 33 im
Bereich des Übergangs
von dem Dehnungsteil 40 zu dem Kontaktteil 38 der
ersten Elektrodenanbindung 39 beziehungsweise von dem Dehnungsteil 43 auf
den Kontaktteil 42 der zweiten Elektrodenanbindung 41 vorgesehen.
Dadurch kann ein spaltfreies Anliegen der Elektrodenanbindungen 39, 41 auch
im Bereich der Übergänge 47', 48' gewährleistet
werden, wobei gleichzeitig ein Einreißen oder eine andere Beschädigung der
Elektrodenanbindungen 39, 41 auf Grund eines scharfkantigen Übergangs
verhindert ist. Ferner sind auch die Kanten 49' und 50' als abgerundete
Kanten 49', 50' ausgestaltet,
um enge Krümmungsradien
der Kontaktteile 38, 42 zu vermeiden. Außerdem sind
auch die Außenkonturen
der Elektrodenanbindungen 39, 41 abgerundet ausgeführt. Beispielsweise
ist im Bereich 55 das Dehnungsteil 40 der ersten
Elektrodenanbindung 39 abgerundet ausgeführt. Durch
die abgerundete Ausgestaltung der Kanten 49', 50' und dergleichen und die Ausgestaltung
der Isolationsschicht 44 wird ein Aktor 2 mit
im Wesentlichen quadratischem Querschnitt ausgebildet, wobei die
Außenkanten
abgerundet ausgestaltet sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.