DE60106519T2

DE60106519T2 - Elektropyrotechnischer Zünder mit Dünnschichtzündbrücke und niedrigem Energiebedarf

Info

Publication number: DE60106519T2
Application number: DE60106519T
Authority: DE
Inventors: Jean-Rene Duguet; Jean-Pierre Vedel
Original assignee: LIVBAG S N C VERT LE PETIT; Livbag SAS
Current assignee: Livbag SAS
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: CN1326878A; EP1160533B1; US20020002924A1; FR2809806A1; US6640718B2; ATE280382T1; BR0102151A; FR2809806B1; EP1160533A1; JP2002013900A; DE60106519D1; KR20010110110A; ES2228766T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der elektropyrotechnischen Starter, die insbesondere dafür vorgesehen sind Schutzvorrichtungen für Kraftfahrzeuginsassen auszulösen, wie beispielsweise Sicherheitsgurtstraffer oder Gasgeneratoren zum Aufblasen von Schutzkissen. Genauer betrifft die Erfindung einen elektropyrotechnischen Starter, dessen Widerstandheizelement durch eine Dünnschicht-Brücke gebildet wird und der mit einer sehr geringen Energie funktioniert.
Herkömmlicherweise werden die für die Fahrzeugsicherheit bestimmten elektropyrotechnischen Starter aus einem elektrisch isolierenden Körper gebildet, der durch eine zerbrechliche metallische Kappe verlängert und von zwei Elektroden durchzogen ist. Die Elektroden sind durch einen aufgehängten Widerstandheizfaden miteinander verbunden, der von einer explosiven Zündmischung umgeben ist, die aus einem primären Explosivstoff oder aus einer Oxidation-Reduktion-Mischung gebildet ist, wie beispielsweise im Patent US 3 572 247 beschrieben. Solche Starter haben allerdings den Nachteil, daß sie im Bereich der Schweißstellen des Widerstandfadens auf den Elektroden gegenüber Vibrationen des Kraftfahrzeugs empfindlich sind. Diese Schweißstellen können, wenn wiederholt die Vibrationen des Fahrzeugs auf sie einwirken, brechen und den Starter funktionsunfähig machen,. weshalb diese Technik heutzutage nach und nach aufgegeben wird.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde daher eine neue Sorte von Startern entwickelt, bei denen die Elektroden mit zwei getrennten leitenden metallischen Lagen verbunden sind, die sich auf der Oberfläche des isolierenden Körpers erstrecken, der sich im Inneren der metallischen Kappe befindet, wobei zwischen diesen beiden Lagen ein Widerstandheizelement angeordnet ist.
Bei dieser neuen Sorte können in Abhängigkeit von der Dicke des Widerstandheizelements zwei große Familien unterschieden werden:

– Zum einen die Starter, bei denen die leitenden Lagen und der Widerstandsstreifen durch gedruckte Schaltungen oder auch durch fotogeätzte Folien in "Dickschicht" gebildet werden, deren Dicke größer als 2×10^–6 m ist und oftmals zwischen 2×10^–6 m und 7×10^–6 m, oder auch zwischen 2 und 7 Mikrometer, liegt. Solche Starter sind beispielsweise im Patent US 5 544 585 beschrieben. Solche Starter haben eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber den Vibrationen des Kraftfahrzeugs, sie benötigen jedoch wie die Starter mit Faden eine relativ hohe Energie zur Betätigung.
– Zum anderen die Starter, bei denen der Widerstandsstreifen aus einer "Dünnschicht"-Auftragung gebildet ist, deren Dicke kleiner oder gleich 1×10^–6 m oder 1 Mikrometer ist und die durch Vakuumverdampfung auf ihrem Träger aufgetragen wird. Solche Starter sind beispielsweise in den Patenten US 5 798 476 oder US 4 729 315 beschrieben. Diese Starter haben eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber den Vibrationen des Kraftfahrzeugs und sie haben zusätzlich den Vorteil einen nicht zündenden Strom von 400 mA und einen voll zündenden Strom von etwa 1200 mA aufzuweisen, was mehr und mehr von den Automobilherstellern verlangt wird, was jedoch Starter mit Faden oder mit "Dickschicht" nicht bieten.

Es sei hier an folgendes erinnert:

Der "voll zündende" Strom entspricht der äußersten elektrischen Stromstärke, oberhalb derer alle Zünder einer Partie sicher zünden.
Der "nicht zündende" Strom entspricht der äußersten elektrischen Stromstärke, unterhalb derer sicher kein Zünder einer Partie zündet.

Das Dokument DE-A-19 732 380 beschreibt einen Starter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Da die bekannten Dünnschichten jedoch im allgemeinen auf thermisch leitenden Trägern aufgetragen sind, haben diese Starter auch den Nachteil, daß sie eine relativ hohe Auslöseenergie benötigen.
Angesichts der Zunahme von Sicherheitsvorrichtungen im Innenbereich von Kraftfahrzeugen wollen die Hersteller mehr und mehr über zuverlässige Starter verfügen können, die mit sehr niedrigen Energien arbeiten.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es gerade einen solchen Starter vorzuschlagen.
Die Erfindung betrifft daher einen elektropyrotechnischen Starter gemäß Anspruch 1.
Indem als Widerstandelement eine Dünnschicht-Auftragung auf einem Träger verwendet wird, der gleichzeitig elektrisch isolierend und ein sehr schlechter Wärmeleiter ist, und indem besondere Bedingungen an die Korngröße des primären Explosivstoffs in der Zündmischung gestellt werden, ist es so möglich einen elektropyrotechnischen Starter aufzubauen, der zuverlässig und mit sehr niedrigen Energien in der Größenordnung von einigen hundert Mikrojoules arbeitet und der, wenn die Konstruktionselemente gut dimensioniert sind, nicht zündende und voll zündende Ströme aufweist, die mit den neuen Anforderungen der Automobilhersteller vereinbar sind.
Die elektrische Schaltung und der Träger werden vorteilhafterweise durch eine SMD-Komponente gebildet, die auf der Oberfläche des massiven Körpers angebracht ist. Solche Komponenten sind auch unter der abgekürzten angelsächsischen Bezeichnung "S.M.D." (Surface Mounted Device) bekannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Unterlage, die elektrisch nichtleitend ist und die zwei entgegengesetzt angeordnete ebene Flächen hat, mit einer ihrer ebenen Flächen auf die ebene obere Fläche des massiven Körpers geklebt und die andere ebene Fläche der Unterlage trägt zwei getrennte leitende metallische Lagen, von denen jede mit einer der beiden Elektroden in Kontakt ist und auf denen mittels zweier elektrisch leitender Lötbrücken die SMD-Komponente befestigt ist.
Diese Ausführungsform gestattet einen besonders leichten Zusammenbau des Starters gemäß der Erfindung, wie weiter unten in der Beschreibung noch genauer erklärt wird.
Schließlich werden gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Behälter und der massive Körper durch ein elektrisch nichtleitendes Formteil, durch das die beiden Elektroden hindurch verlaufen, fest miteinander verbunden gehalten.
Vorteilhafterweise ist der Träger aus einem Material aufgebaut, das aus folgender Gruppe gewählt ist: Quarzgut, siliziumdioxidhaltige mineralische Gläser, organische Harze und Mehrkomponentenkunststoffe mit wenigstens einem organischen Harz und Mineralfasern. Vorzugsweise ist der Träger aus einem Material aufgebaut, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den mineralischen Gläsern besteht, die Siliziumdioxid enthalten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die verschiedenen primären Explosivstoffe, die für die weiter oben genannten Korngrößenbedingung geeignet sind, verwendet werden, jedoch ist aus Gründen der Funktionssicherheit die Verwendung von Dinitrobenzofuroxansalzen und insbesondere des Rubidiumsalzes des Dinitrobenzofuroxan (RbDNBF) und des Kaliumsalzes des Dinitrobenzofuroxan (KDNBF) bevorzugt. Das Bindemittel der Zündmischung ist vorteilhaft aus einem Vinylharz oder einem Acrylharz gebildet.
Das flache Widerstandelement ist vorteilhafterweise aus Tantalnitrid gebildet.
Nachfolgend wird mit Bezug auf die 1, 2 und 3 eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gegeben.
1 ist eine Ansicht im Axialschnitt eines zylindrischen Starters gemäß der Erfindung.
2 ist eine Draufsicht der elektrischen Schaltung in Dünnschicht-Auftragung, die in dem Starter, der in 1 dargestellt ist, verwendet wird.
3 ist eine Teilansicht im Querschnitt des massiven Körpers, der die Unterlage und die SMD-Komponente trägt, so wie im Starter, der in 1 dargestellt ist, verwendet.
In 1 ist ein elektropyrotechnischer Starter 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser Starter 1 ist aus einem zerbrechlichen zylindrischen Behälter 2 gebildet, der an einem seiner Enden offen ist. Ein massiver zylindrischer Körper 3 verschließt das offene Ende des Behälters 2. Die Seitenwand 4 des Körpers 3 weist eine äußere Schulter 5 auf, auf der sich das offene Ende des Behälters 2 abstützt. Der Behälter 2 und der Körper 3 sind in ein Formteil 6 eingezwängt, das beide fest miteinander verbunden hält. Der Behälter 2 hat somit die Form einer zylindrischen Kappe, die eine Seitenwand 7 und eine obere ebene Wand 8 hat. Der Behälter 2 ist vorteilhafterweise aus einem dünnen Leichtmetall wie Aluminium gebildet und seine ebene Wand 8 ist vorteilhafterweise geschwächt, damit sie sich unter der Wirkung einer Druckerhöhung im Behälterinneren leicht öffnen kann. Das Formteil 6 ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Harz, wie beispielsweise dem Terephthalsäuresalz des Polyethylen, hergestellt.
Der Körper 3 muß bei einer Explosion und für die aus dieser Explosion resultierenden Verbrennungsgase die Funktion einer dichten Wand übernehmen können. Dieser Körper 3 ist vorzugsweise aus einem dichten Metall, wie dem Stahl, hergestellt. Der Körper 3 hat eine obere ebene Fläche 9 und eine ebenfalls ebene untere Fläche 15 und er umklammert über seien ganze Höhe h ein hohles Röhrchen aus Glas 10. Zwei Elektroden 12, 13 in Form von zylindrischen Stiften durchziehen den Körper 3, wobei die Elektrode 12 ihn mittels des hohlen Röhrchens 10 aus Glas durchzieht.
Jede Elektrode hat ein Ende, das aus der ebenen oberen Fläche 9 des Körpers 3 vorsteht, und ein Ende, das aus dem unteren Ende 14 des Formteils 6 vorsteht. Auf der ebenen oberen Fläche 9 des Körpers 3 ist, beispielsweise durch verkleben, eine isolierende Unterlage 16 befestigt, die dadurch im Inneren des Behälters 2 angeordnet ist.
Die Unterlage 16 ist auf der Basis von mit Glasfasern versetzten Polyepoxydharzen hergestellt und sie hat die Form einer Scheibe, die zwei zylindrische Kanäle umfaßt, die dafür vorgesehen sind, beim Zusammenbau des Starters 1 die Elektroden 12, 13 durch sie hindurchzuführen.
Die Unterlage 16 trägt auf ihrer Oberseite zwei getrennte metallische und nicht verbundene Lagen aus Kupfer 21 und 22; die oberen Enden der Elektroden 12 und 13 sind jeweils über Lötstellen 27 und 28 aus einer elektrisch leitenden Legierung mit einer der Lagen 21 und 22 verbunden.
Quer über diese beiden Lagen 21 und 22 ist eine SMD-Komponente befestigt, die aus einem Träger 26 in Form eines quaderförmigen Chips gebildet ist, dessen Oberseite eine elektrische Schaltung 18 trägt. Der Träger 26 besteht aus einem gewöhnlichen "Flint"-Glas, das zwischen 20% und 55% Siliziumdioxid SiO₂ enthält. Ein solches Glas ist ein exzellenter elektrischer Isolator und ein sehr schlechter Wärmeleiter, wobei seine Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 6 mW/cm°C ist. Die Schaltung 18 ist aus einer Dünnschicht-Auftragungen 29 aus Tantalnitrid gebildet, die teilweise von Dünnschicht-Auftragungen 30 und 31 aus leitenden Metallen auf der Basis von Gold und Palladium bedeckt ist. Wie in 2 dargestellt, haben die Auftragungen 29, 30 und 31 Trapezformen, die einen zentralen quaderförmigen Bereich 17 der Auftragung 29 aus Tantalnitrid unbedeckt lassen. Dieser Bereich 17 bildet das Dünnschicht-Widerstandheizelement der elektrischen Schaltung 18. Eine Lötbrücke aus Zinn 32 umklammert eines der Enden des Trägers 26 derart, daß eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Auftragung 30 und der leitenden Lage 22 hergestellt wird, während eine getrennte Lötbrücke 33, ebenfalls aus Zinn, das entgegengesetzte Ende des Trägers 26 derart umklammert, daß eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Auftragung 31 und der leitenden Lage 21 hergestellt wird.
Die elektrische Schaltung 18, die das Widerstandheizelement 17 umfaßt, ist mit einer pyrotechnischen Zündmischung 23 bedeckt, die zu 80 Gewichtsprozent aus dem Rubidiumsalz des Dinitrobenzofuroxan und zu 20 Gewichtsprozent aus einem Epoxydharz als Bindemittel besteht. Die Korngröße des primären Explosivstoffs RbDNBF beträgt in etwa 20×10^–6m.
Der Behälter 2 enthält auch ein Zündpulver 25, das beispielsweise aus einem Pulver auf Nitrozellulosebasis oder aus einer Mischung aus Bor und Kaliumnitrat besteht.
Ein solcher Starter ist besonders einfach und wirtschaftlich in Serie zu fertigen. Zuerst wird durch Vakuumverdampfung die Schaltung 18 in Dünnschichttechnik auf dem Träger 26 aufgetragen. Anschließend werden die Elektroden 12 und 13 an der Unterlage 16 befestigt, die mit den Lagen 21 und 22 bedeckt ist, auf die der Träger 26 gelötet wird. Die so ausgerüstete Unterlage 16 wird so auf die ebene Oberseite 9 des massiven Körpers 3 geklebt, daß sie einen Zündkopf bildet, der mit der Zündmischung 23 bedeckt wird, bevor er in den Behälter 2 mit dem Zündpulver 25 eingeführt wird. Danach genügt es, die Gruppe mit dem Formteil 6 fest miteinander zu verbinden.
Die Starter gemäß der Erfindung können mit einer sehr geringen Energie in der Größenordnung von 100 bis 200 Mikrojoules oder 1×10^–4 bis 2×10^–4 J zuverlässig funktionieren und, wenn ihre Bestandteile und insbesondere das Widerstandelement 17 gut dimensioniert sind, haben sie Werte für den voll zündenden Strom von etwa 1200 mA und Werte für den nicht zündenden Strom von mehr als 500 mA. Außerdem widerstehen die Starter mit Dünnschicht-Auftragungen gut Vibrationen, wobei eine bevorzugte Anwendung der Starter gemäß der Erfindung im Bereich des Schutzes von Kraftfahrzeuginsassen mittels elektropyrotechnischer Vorrichtungen ist.
Beispiele 1 bis 4
Es wurden vier Gruppen von Startern mit einem Aufbau analog zu dem in den 1 und 2 dargestellten hergestellt, die die folgenden strukturellen Eigenschaften haben:
Zur Erinnerung: 1 Mikron = 1 Mikrometer = 10^–6m.
Der Starter Nr. 1 entspricht einem Starter mit einer Dickschicht-Brücke auf einem nicht wärmeleitenden Träger und einer Zündmischung, die eine Oxidation-Reduktion-Mischung verwendet.
Der Starter Nr. 2 entspricht einem Starter mit einer Dickschicht-Brücke auf einem nicht wärmeleitenden Träger und einer Zündmischung, die einen primären Explosivstoff verwendet.
Der Starter Nr. 3 entspricht einem Starter mit einer Dünnschicht-Brücke auf einem wärmeleitenden Träger und einer Zündmischung, die einen primären Explosivstoff verwendet.
Der Starter Nr. 4 vereinigt die drei wesentlichen Eigenschaften der Erfindung:

– Dünnschicht-Brücke
– nicht wärmeleitenden Träger
– primärer Explosivstoff mit einer Korngröße unter 30 Mikron.

Diese Starter zeigten die folgenden Funktionseigenschaften:
mA = Milliampere = 10^–3A
mJ = Millijoule = 10^–3J
(1) = für elektrische Rechteckimpulse von 10 Sekunden Dauer
(2) = für elektrische Rechteckimpulse von 2 Millisekunden Dauer

Claims

Elektropyrotechnischer Starter (1), der eine elektrische Schaltung (18) umfaßt, die mit Dünnschicht-Auftragungen auf einem Träger (26) aufgebaut ist, wobei dieser elektrisch nichtleitend und an einer ebenen oberen Fläche (9) befestigt ist, wobei die elektrische Schaltung ein Dünnschicht-Widerstandheizelement (17) umfaßt, wobei die Schaltung mit einer pyrotechnischen Mischung (23) bedeckt ist, wobei der Träger (26) eine Wärmeleitfähigkeit von unter 20 mW/cm.°C hat, dadurch gekennzeichnet, daß der elektropyrotechnische Starter (1) außerdem folgendes umfaßt: – einen Behälter (2), der wenigstens eine geschwächte Wand (8) besitzt und der durch einen massiven Körper (3) der Höhe h verschlossen ist, der die im Inneren des Behälters (2) angeordnete ebene obere Fläche (9) besitzt und der über seine ganze Höhe h eine elektrisch isolierende Struktur (10) hat, wobei der Behälter (2) außerdem ein Zündpulver (25) enthält, – zwei Elektroden (12, 13) in der Form von Stiften, die mit der elektrischen Schaltung (18) verbunden sind und die durch den massiven Körper vollständig hindurch verlaufen, wobei wenigstens eine der beiden Elektroden (12, 13) durch die isolierende Struktur (10) verläuft, und dadurch, daß das Widerstandheizelement (17) eine Dicke hat, die unter 1×10^–6m liegt, und daß die die elektrische Schaltung (18) bedeckende pyrotechnische Mischung (23) eine pyrotechnische Zündmischung (23) ist, die mit einem Bindemittel und einem primären Explosivstoff gebildet ist, dessen Korngröße zwischen 1×10^–6m und 30×10^–6m liegt, derart, daß die Auslöseenergie des Starters in der Größenordnung von 1×10^–4 bis 2×10^–4 Joule liegt.
Elektropyrotechnischer Starter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung (18) und der Träger (26) durch eine SMD-Komponente gebildet werden, die auf der Oberfläche des massiven Körpers (3) angebracht ist.
Elektropyrotechnischer Starter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage (16), die elektrisch nichtleitend ist und die zwei entgegengesetzt angeordnete ebene Flächen hat, mit einer ihrer ebenen Flächen auf die ebene obere Fläche (9) des Körpers (3) geklebt ist und dadurch, daß die an dere ebene Fläche der Unterlage (16) zwei getrennte leitende metallische Lagen (21, 22) trägt, von denen jede mit einer der beiden Elektroden (12, 13) in Kontakt ist und auf denen mittels zweier elektrisch leitender Lötbrücken (32, 33) die SMD-Komponente befestigt ist.
Elektropyrotechnischer Starter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (2) und der massive Körper (3) durch ein elektrisch nichtleitendes Formteil (6) fest miteinander verbunden gehalten werden.
Elektropyrotechnischer Starter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (26) aus einem Material aufgebaut ist, das aus folgender Gruppe gewählt ist: Quarzgut, siliziumdioxidhaltige mineralische Gläser, organische Harze, Mehrkomponentenkunststoffe mit wenigstens einem organischen Harz und Mineralfasern.
Elektropyrotechnischer Starter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (26) aus einem Material aufgebaut ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den mineralischen Gläsern besteht, die Siliziumdioxid enthalten.
Elektropyrotechnischer Starter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (26) aus einem gewöhnlichen Flintglas aufgebaut ist, das zwischen 20% und 55% Siliziumdioxid SiO₂ enthält.
Elektropyrotechnischer Starter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Explosivstoff ein Dinitrobenzofuroxansalz ist.
Elektropyrotechnischer Starter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Explosivstoff aus der Gruppe gewählt ist, die aus dem Rubidiumsalz des Dinitrobenzofuroxan und dem Kaliumsalz des Dinitrobenzofuroxan besteht.
Elektropyrotechnischer Starter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrotechnische Zündmischung (23) zu 80% ihres Gewichts aus dem Rubidiumsalz des Dinitrobenzofuroxan als primärem Explosivstoff und zu 20 ihres Gewichts aus einem Epoxydharz, das als Bindemittel dient, gebildet ist, wobei die Korngröße des primären Explosivstoffs in der Nähe von 20×10^–6m liegt.
Elektropyrotechnischer Starter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement aus Tantalnitrid aufgebaut ist.
Elektropyrotechnischer Starter nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündpulver (25) aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Pulver auf der Basis von Nitrozellulose und aus einer Mischung von Bor und Kaliumnitrat besteht.