DE19736247A1 - Bauteil mit einem Körper aus einem spröden Werkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Bauteil mit einem Körper aus einem spröden Werkstoff sowie mehrere Arten der Verwendung eines solchen Bauteils.

In vielen Bereichen der Technik besteht ein Bedürfnis für die sehr schnelle Auslösung eines mechanischen Vorgangs. Bei diesem Vor­ gang kann es sich um einen Schaltprozeß, das plötzliche Öffnen eines Behälters oder einer Leitung, um die plötzliche Trennung zweier Kompo­ nenten eines Systems voneinander und dergleichen handeln.

Es ist bereits bekannt, derartige mechanische Vorgänge durch Aktivierung einer pyrotechnischen Treibladung auszulösen. So ist es bei Druckgas-Speicherbehältern für Insassen-Rückhaltesysteme in Fahr­ zeugen bekannt, eine Berstscheibe durch Auslösung einer pyrotechni­ schen Ladung im Zusammenwirken mit dem hohen Innendruck des Behälters aufzusprengen. Die für einen solchen Vorgang benötigte Zeitspanne beträgt etwa 2 bis 3 ms. Diese Zeitspanne ist im Vergleich zum Zeitab­ lauf eines charakteristischen Rückhalteprozesses schon relativ lang.

Es besteht somit ein Bedarf für ein Bauteil, durch das ein mecha­ nischer Vorgang in einer wesentlich kürzeren Zeitspanne ausgelöst wer­ den kann. Die Erfindung stellt ein solches Bauteil zur Verfügung. Es handelt sich um ein Bauteil mit einem Körper aus einem spröden Werk­ stoff, in den wenigstens ein piezoelektrisches Element eingelagert ist. Dieses Bauteil ist durch Anlegen eines Spannungsimpulses an das piezoelektrische Element spontan zerstörbar. Alternativ wird an das piezoelektrische Element eine Wechselspannung angelegt, die den Körper des Bauteils zu einer Resonanzschwingung anregt, wodurch dieser gleichfalls spontan zerstört wird.

Das Bauteil kann in zahlreichen Ausführungsformen verwirklicht werden. Schon ein einzelnes piezoelektrisches Element, das mit dem Körper aus sprödem Werkstoff in Verbund gebracht oder in diesem inte­ griert ist, kann die spontane Zerstörung des Körpers herbeiführen. Je nach Beschaffenheit des spröden Werkstoffs und nach Größe sowie Form des daraus gebildeten Körpers ist es zweckmäßig, mehrere piezoelektri­ sche Elemente in unterschiedlicher Anordnung vorzusehen. Piezoelektri­ sche Elemente erzeugen beim Anlegen einer hohen Spannung bei geringer Stromstärke eine hohe mechanische Kraft in einer bestimmten Ausdeh­ nungsrichtung bei jedoch kleinem Ausdehnungshub. Wenn ein größerer Ausdehnungshub benötigt wird, um den Körper aus sprödem Werkstoff zuverlässig zu zerstören, ist es zweckmäßig, mehrere piezoelektrische Elemente mechanisch funktionell derart in Reihe anzuordnen, daß ihre durch Anlegen einer elektrischen Spannung induzierten Ausdehnungen sich addieren.

Bei mehrlagiger Ausführung des Körpers aus sprödem Werkstoff ist zweckmäßig, zwischen je zwei Lagen ein piezoelektrisches Element anzuordnen. Der Körper kann so durch Anlegen eines elektrischen Span­ nungsimpulses spontan in seine einzelnen Lagen zerlegt werden, die dann durch die Einwirkung einer auf die Außenfläche des Körpers ein­ wirkenden Kraft, beispielsweise die Druckkraft in einem Druckgas-Speicher­ behälter, vollends zerstört werden.

Auch für die Ausbildung des piezoelektrischen Elements kommen zahlreiche Ausführungsformen in Betracht. Besonders einfach, raumspa­ rend und kostengünstig sind dünne flächige piezoelektrische Elemente, die auf einer Folie aufgebracht sind, insbesondere durch Aufdampfen eines Keramikmaterials. Wenn der spröde Körper aus einem geeigneten Keramikmaterial besteht, kann in seinem Inneren ein piezoelektrisches Element oder eine Reihe von piezoelektrischen Elementen durch lokale Dotierung in bekannter Weise hergestellt werden. Mehrere piezoelektri­ sche Elemente können im Inneren des Körpers aus sprödem Werkstoff mit­ einander verschaltet werden, so daß nur zwei elektrische Zuleitungen elektrisch isoliert durch den Körper herausgeführt sind.

Von den zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten eines solchen Bau­ teils betrifft die Erfindung insbesondere die Verwendung als zerstör­ barer Verschluß eines Druckgas-Speicherbehälters für ein Insassen-Rück­ haltesystem in Fahrzeugen. Bei dieser Verwendung ist die Vermei­ dung einer pyrotechnischen Substanz ebenso von Vorteil wie die kurze Zeitspanne für die Zerstörung des Verschlusses. Ein solcher zerstör­ barer Verschluß ist auch sehr einfach und kostengünstig herstellbar.

Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauteils als mechanisches Kopplungselement zur lösbaren Verbindung von wenigstens zwei Komponenten eines Systems. Einsatzgebiete für ein solches mecha­ nisches Kopplungselement können Sicherheitseinrichtungen in Industrie­ anlagen oder auch die Luftfahrt- und Raumfahrttechnik sein; in diesen Bereichen gibt es viele Anwendungsfälle, bei denen zwei Bauteile oder Komponenten eines Systems miteinander kraftschlüssig verbunden sind und jederzeit voneinander getrennt werden können. Das erfindungsgemäße Bauteil ist in der Lage, diese Komponenten schneller als jedes andere bekannte mechanische System voneinander zu trennen.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bauteils als zerstörbarer Abstandshalter zwischen zwei relativ zueinander bewegli­ chen und gegeneinander belasteten Funktionsteilen einer Schaltvorrich­ tung. Bei diesen Funktionsteilen kann es sich um elektrische Kontakt­ elemente handeln. Durch eine solche Verwendung wird eine sehr schnell, aber nur einmalig wirkende Schaltvorrichtung bereitgestellt, die z. B. als Notschalter geeignet ist, einen beliebigen elektrischen Stromkreis zu schließen oder aufzutrennen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen des Bauteils und seiner Verwendung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform des Bauteils;

Fig. 1b und 1c die Wirkungsweise dieses Bauteils;

Fig. 2 die Verwendung des Bauteils als zerstörbarer Verschluß eines Druckgas-Speicherbehälters;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Bauteils;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des Bauteils;

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des Bauteils;

Fig. 6 die Verwendung des Bauteils als mechanisches Kopplungsele­ ment zur lösbaren Verbindung von zwei Komponenten eines Systems; und

Fig. 7 die Verwendung des Bauteils als zerstörbarer Abstandshal­ ter zwischen zwei relativ zueinander beweglichen elektrischen Kontakt­ elementen.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Bauteils weist in einem äußeren Träger 10 einen Körper 12 aus einem spröden Werkstoff auf. Bei diesem Werkstoff kann es sich um Glas, insbesondere vorge­ spanntes Glas, Porzellan, Keramik oder auch Kunststoff handeln. Im Inneren des Körpers 10 ist ein piezoelektrisches Element 14 eingela­ gert. Von den Elektroden dieses piezoelektrischen Elementes 14 gehen zwei elektrische Zuleitungen 16 aus, die aus dem Körper 12 herausge­ führt sind. Vorzugsweise ist der spröde Werkstoff, aus dem der Körper 12 besteht, elektrisch isolierend, so daß keine besonderen Maßnahmen für die Isolierung des piezoelektrischen Elementes 14 und seiner elek­ trischen Zuleitungen 16 erforderlich sind.

Die Einarbeitung des piezoelektrischen Elementes 14 in den Körper 12 hängt insbesondere von dem Werkstoff ab, aus dem dieser gebildet ist. Vorzugsweise wird das piezoelektrische Element 14 unter Druck mit dem Werkstoff des Körpers 12 verschmolzen, wobei sich im Inneren die­ ses Körpers Spannungen aufbauen und nach dem Erstarren des Werkstoffs eine Vorspannung zurückbleibt. Diese Vorspannung begünstigt beim Ber­ sten des Körpers 12 seine Zerlegung in kleinste Bruchstücke.

Wie in den Fig. 1a und 1b durch mehrere Pfeile angedeutet, ist eine Stirnfläche des Körpers 12 durch von außen einwirkende Kräfte belastet. Diese Kräfte können, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert wird, durch Druckbeaufschlagung dieser Fläche erzeugt sein. Wenn nun, wie in Fig. 1b schematisch dargestellt, eine hohe Spannung über die Zuleitungen 16 an das piezoelektrische Element 14 angelegt wird, dehnt sich dieses im Inneren des Körpers 12 senk­ recht zu seinen Elektrodenflächen aus, wie in Fig. 1b durch zwei Pfei­ le angedeutet ist, wodurch in dem spröden Werkstoff des Körpers 12 eine Bruchlinie 18 induziert wird. Wenn nun der Körper 12 wie bei der bevorzugten Ausführungsform aus einem vorgespannten spröden Werkstoff besteht, wird er spontan in eine Vielzahl von kleinsten Bruchstücken zerlegt, die - wie in Fig. 1c angedeutet - durch den Druck eines Me­ diums als Teilchen- oder Staubwolke 20 fortgeblasen werden. Es ver­ bleibt nur der Träger 10 des Bauteils.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Verwendung des soeben beschriebe­ nen Bauteils bildet dieses einen zerstörbaren Verschluß 22 am einen axialen Ende eines allgemein flaschenförmigen Druckgas-Speicherbehäl­ ters 24. Dieser Druckgas-Speicherbehälter dient zur Aktivierung eines Insassen-Rückhaltesystems in Fahrzeugen, insbesondere eines aufblas­ baren Rückhaltesystems (Gassack, Schutzkissen, Schutzpolster und der­ gleichen). Im Inneren dieses Behälters ist ein inertes Füllgas unter einem Druck von mehreren hundert Bar gespeichert. Der Verschluß 22 kann aufgrund seiner Materialbeschaffenheit den Behälter 24 zuverläs­ sig abdichten und hält dem hohen Innendruck problemlos stand, wird jedoch durch Anlegen eines Spannungsimpulses an das piezoelektrische Element 14 spontan zerstört, wie in den Fig. 1b und 1c dargestellt. Das gespeicherte Druckgas kann dann ungehindert und über einen großen Strömungsquerschnitt aus dem Behälter 24 austreten, um seiner Verwen­ dung zugeführt zu werden.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des Bauteils sind mehrere piezoelektrische Elemente 14a, 14b, 14c . . . in den Körper 12 aus sprödem Werkstoff eingelagert. Diese sind nebeneinander in einer Reihe angeordnet, deren Längsrichtung mit der Ausdehnungsrichtung jedes einzelnen Elementes übereinstimmt. Die piezoelektrischen Elemen­ te 14a, 14b, 14c . . . sind daher mechanisch funktionell in Reihe ange­ ordnet, so daß ihre durch Anlegen einer elektrischen Spannung indu­ zierten Ausdehnungen sich addieren. Elektrisch sind die piezoelektri­ schen Elemente vorzugsweise parallelgeschaltet, um die für die Auslö­ sung benötigte Höhe der anzulegenden Spannung nicht zu vergrößern. Die elektrische Verschaltung der einzelnen piezoelektrischen Elemente kann im Inneren des Körpers 12 erfolgen, so daß nur zwei Zuleitungen 16 nach außen herausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform mit meh­ reren piezoelektrischen Elementen wird verwendet, wenn der durch ein einzelnes Element erzeugbare Dehnungshub zur zuverlässigen Zerstörung des Körpers 12 nicht ausreicht.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist der Körper 12 aus drei Lagen 12a, 12b und 12c aufgebaut, die miteinander in Verbund ge­ bracht sind. Zwischen den Lagen 12a und 12b ist ein piezoelektrisches Element 14a und zwischen den Lagen 12b und 12c ein piezoelektrisches Element 14b eingefügt. Durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die piezoelektrischen Elemente 14a und 14b können die Lagen 12a, 12b, 12c spontan voneinander getrennt werden; die von außen auf eine Stirnflä­ che einwirkende Belastung führt dann zur vollständigen Zerstörung des Bauteils.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist das piezoelektri­ sche Element 14 im Inneren des aus einem geeigneten Keramikmaterial hergestellten Körpers 12 durch lokale Dotierung desselben hergestellt. Zwar ist in Fig. 5 nur ein einzelnes derartiges piezoelektrisches Ele­ ment 14 dargestellt, es können jedoch mehrere derartige Elemente vor­ gesehen und wie in Fig. 3 oder Fig. 4 angeordnet sein.

Bei der in Fig. 6 veranschaulichten Verwendung des Bauteils bil­ det dieses ein mechanisches Kopplungselement 26 zur kraftschlüssigen Verbindung zweier Komponenten A, B eines beliebig gearteten Systems. Durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die elektrischen Zuleitungen 16 des piezoelektrischen Elementes 14 wird das Kopplungselement 26 spontan zerstört, wodurch die Komponenten A, B voneinander getrennt werden.

Bei der in Fig. 7 veranschaulichten Verwendung des Bauteils bil­ det dieses einen zerstörbaren Abstandshalter 28 zwischen zwei elektri­ schen Kontaktelementen 30, die durch je eine zugeordnete Druckfeder 32 gegeneinander und gegen den Körper des Abstandshalters 28 gedrückt werden. Nach der spontanen Zerstörung dieses Abstandshalters durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Zuleitungen 16 gelangen die Kontaktelemente 30 großflächig miteinander in Berührung, wodurch ein Stromkreis geschlossen werden kann, in dem ein sehr hoher Strom fließt.

Die spontane Zerstörung des Bauteils wird nicht nur durch Anlegen einer hohen Gleichspannung an die Elektroden des piezoelektrischen Elementes ausgelöst. Wenn an die Elektroden des piezoelektrischen Elements eine Wechselspannung angelegt wird, die den Körper des Bau­ teils zu Resonanzschwingungen anregt, kann der gleiche Effekt mit einer verminderten elektrischen Ansteuerleistung erzielt werden.

Damit das Bauteil in möglichst kleine Teile zerstört wird, kann auch noch ein oder können mehrere in das Bauteil eingelagerte Körper vorgesehen sein, die an keine Stromquelle angeschlossen sind. Diese Bauteile sind so ausgebildet und so eingebettet, daß sie durch das piezoelektrische Element zu Resonanzschwingungen erregt werden und für eine Zerstörung eines Abschnittes des Bauteils verantwortlich sind. Diese zusätzlichen Bauteile können z. B. nicht an die Spannungsquelle angeschlossene piezoelektrische Elemente sein.

Claims (19)

1. Bauteil mit einem Körper (12) aus einem spröden Werkstoff, in den wenigstens ein piezoelektrisches Element (14) eingelagert ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem zwei elektrische Zuleitungen (16) von dem piezoelektrischen Element (14) elektrisch isoliert durch den Körper (12) herausgeführt sind.

3. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem mehrere piezoelektrische Elemente (14a, 14b, . . .) mechanisch funktionell derart in Reihe ange­ ordnet sind, daß ihre durch Anlegen einer elektrischen Spannung indu­ zierten Ausdehnungen sich addieren.

4. Bauteil nach Anspruch 3, bei dem die piezoelektrischen Elemen­ te (14a, 14b, . . .) elektrisch parallel geschaltet sind.

5. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem mehrere piezoelektrische Elemente (14a, 14b) übereinander in dem Körper (12) angeordnet sind.

6. Bauteil nach Anspruch 5, bei dem die piezoelektrischen Elemen­ te (14a, 14b, . . .) elektrisch parallel geschaltet sind.

7. Bauteil nach Anspruch 5, bei dem die piezoelektrischen Elemen­ te (14a, 14b) im Abstand voneinander angeordnet sind.

8. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Element (14) als Folie ausgebildet ist.

9. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Element (14) in den spröden Werkstoff unter Druckein­ wirkung eingeschmolzen ist und der erstarrte Werkstoff im Inneren des Körpers (12) vorgespannt ist.

10. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Element (14) mit dem Körper (12) verklebt ist.

11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Körper (12) aus sprödem Material aus einer Keramikmasse gebildet ist, die zur Ausbildung des piezoelektrischen Elements (14) lokal dotiert ist.

12. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Körper aus mehreren miteinander in Verbund gebrachten Lagen (12a, 12b, 12c) aufgebaut ist, zwischen denen jeweils ein piezoelektrisches Ele­ ment (14a, 14b) eingefügt ist.

13. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Körper (12) durch Anlegen eines Spannungsimpulses an das piezoelektri­ sche Element (14) spontan zerstörbar ist.

14. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Körper (12) durch Anlegen einer Wechselspannung an das piezoelektri­ sche Element (14) zu Resonanzschwingung erregbar und dadurch spontan zerstörbar ist.

15. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in den wenigstens ein weiterer Körper eingelagert ist, der durch das wenigstens eine piezoelektrische Element (14) zu Resonanzschwingungen erregbar ist und dadurch zur Zerstörung eines Abschnittes des Bauteils führt.

16. Verwendung des Bauteils nach einem der vorstehenden Ansprüche als zerstörbarer Verschluß (22) eines Druckgas-Speicherbehälters (24), insbesondere für ein Insassen-Rückhaltesystem in Fahrzeugen.

17. Verwendung des Bauteils nach einem der vorstehenden Ansprüche als zerstörbares mechanisches Kopplungselement (26) zur lösbaren Ver­ bindung von wenigstens zwei Komponenten (A, B) eines Systems.

18. Verwendung des Bauteils nach einem der vorstehenden Ansprüche als zerstörbarer Abstandshalter (28) zwischen zwei relativ zueinander beweglichen und gegeneinander belasteten Funktionsteilen (30) einer Schaltvorrichtung.

19. Verwendung nach Anspruch 18, bei welcher die Funktionsteile zwei elektrische Kontaktelemente (30) aufweisen.