EP0248977B1 - Elektrisches Anzündelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0248977B1
EP0248977B1 EP87102055A EP87102055A EP0248977B1 EP 0248977 B1 EP0248977 B1 EP 0248977B1 EP 87102055 A EP87102055 A EP 87102055A EP 87102055 A EP87102055 A EP 87102055A EP 0248977 B1 EP0248977 B1 EP 0248977B1
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EP
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contact pins
ceramic body
ignition
ignition bridge
metallic
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Richard Dr. Bender
Anton Bretfeld
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Dynamit Nobel AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F42B3/124—Bridge initiators characterised by the configuration or material of the bridge

Definitions

  • the invention relates to an electrical ignition element with a ceramic body as the ignition bridge carrier, which is mounted in a metallic outer sleeve and has one or more bores into which contact pins are fitted as power supply lines, between which there is an ignition bridge, and a method for producing an electrical ignition element.
  • the invention has for its object to make an electrical ignition element available that does not have the disadvantages of the previously known constructions, is mechanically highly resilient and is tight even after repeated thermal cycling. At the same time, a method is to be developed for the production of this ignition element, which can be carried out comparatively easily without complex post-processing, but with great certainty with regard to the process products and their properties.
  • the solution to the problem is an electrical ignition element of the type mentioned, which is characterized in that the outer sleeve and the contact pins are connected to the ceramic body in a gastight manner by brazing or glazing.
  • Stainless steel which can also be used as a material for the contact pins, has proven particularly useful as the material for the metallic outer sleeve.
  • other metallic materials for the metallic outer sleeve and / or the contact pins for example aluminum, copper, nickel and their alloys, titanium, zirconium, tantalum and other heat-resistant and high-melting metals and alloys, especially those under the Description KOVAR known cobalt-nickel-iron alloy.
  • Ceramic materials can be used as the material for the ceramic body, in particular those based on aluminum oxide, silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide and zirconium dioxide.
  • the tight and firm connection or edging between the metallic outer sleeve and the ceramic body on the one hand and between the ceramic body and the contact pins on the other hand takes place by brazing or by glazing.
  • the materials known to any person skilled in the art, with which metallic materials and ceramic materials are tightly connected, can be used for the glazing.
  • alkali and alkaline earth silicate glasses, glasses based on borosilicate and glasses containing oxides of rare earth have proven particularly useful.
  • a glass which is suitable for this glazing connection between metallic and ceramic material a glass of the following composition can be used:
  • ceramic pastes for example the pastes shown below in their composition:
  • Silicon or silicon alloys mixed with quartz powder, glass powder and clay can also be used to permanently bond the ceramic with the metallic materials.
  • the conductive layer applied in the form of a sheet around the contact pins is generally a thin or thick film layer applied in a customary manner, which has been produced, for example, by screen printing or by electroplating.
  • Precious metals in particular have been chosen as materials for this conductive layer and precious metal alloys of Group VIII of the Periodic Table, preferably platinum or palladium and their alloys also with silver and / or gold.
  • the actual ignition bridge between the contact pins or the conductive layers enclosing them in the form of a surface can either be formed by a wire, as can be seen, for example, from FIG. 4, which will be explained in detail later.
  • the application of the ignition bridge also has special advantages in screen printing technology; resistance ranges from 1 to 100 ohms can be achieved in this way.
  • the ignition bridge it is also possible to apply the ignition bridge as a thin film in an atomization process known per se or by vapor deposition in a vacuum.
  • the wire-shaped ignition bridges are either soldered or welded on.
  • Precious metal materials as already mentioned above, have also proven particularly useful as materials for these ignition bridges.
  • These resistance bridges which are specially applied using screen printing technology, have an already sharply defined resistance range after heat treatment, but, if desired, it is possible to achieve resistance values of even smaller fluctuation ranges by post-processing in the laser trimming method known to the person skilled in the art.
  • Figure 1 shows in section the metallic outer sleeve 1 with the fitted ceramic body 2 in the form of a ceramic blank with here, for example, two contact pins 3.
  • the ceramic body 2 is tightly connected to the metallic outer sleeve 1 on the one hand and the contact pins 3 on the other hand, by brazing or by blowing using the glasses or pastes exemplified above in their composition.
  • FIG. 2 shows a simplified top view of the ignition element of FIG. 1, only the contact pins 3 with the conductive layers 4 surrounding them in a flat manner and the ignition bridge 5, which here, like the conductive layers 4, have been applied using the screen printing process, being shown for better clarity .
  • FIGS. 3 and 4 show a variant of the ignition element shown in FIGS. 1 and 2 according to the invention, in which the ignition bridge is formed by a wire 5a which establishes the conductive connection between the contact pins 3.
  • the method for producing the electrical ignition element according to the invention is characterized in that a ceramic body having one or more bores is fitted into a metallic, geometrically shaped outer ring and is connected to the metallic outer ring by brazing or glazing, whereupon the metallic contact pins are inserted into the bores of the Ceramic body fitted and also connected to the ceramic body by brazing or glazing and then either wire-shaped ignition bridges between the Contact pins are produced by soldering or welding or, preferably, ignition bridges are produced by sputtering or vapor deposition in a vacuum or screen printing process.
  • an electrically conductive layer is first applied in the form of a surface around the contact pins, and the connection between the contact pins and the ignition bridge is then established via this.
  • the ignition element with the ceramic body according to the invention is distinguished from the previously known embodiments in that, owing to the higher compressive strength of the ceramic materials, a far higher mechanical strength can be achieved than was possible with glass leadthroughs.
  • the ceramic materials have a higher thermal conductivity than normal glasses, which has proven extremely favorable, for example, for the first time production of 1A / 1W ignition elements.
  • the prerequisite is that the outer sleeve and the contact pins have been connected to the ceramic body in a gastight manner by brazing or by glazing.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Anzündelement mit einem Keramikkörper als Zündbrückenträger, der in einer metallischen Außenhülse gefaßt ist und eine oder mehrere Bohrungen aufweist, in die Kontaktstifte als Stromzuleitungen eingepaßt sind, zwischen denen sich eine Zündbrücke befindet, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Anzündelements.
  • Ein solches Anzündelement ist in der US-A-3 659 527 beschrieben.
  • Bei einem solchen Anzündelement kann es jedoch - ähnlich wie auch bei Anzündelementen, die in der DE-C-2 020 016, der DE-A-2 816 300, der DE-A-2 840 738 oder der FR-A-2 090 579 beschrieben sind - bei einer Temperaturwechselbelastung zu einem Undichtwerden kommen. Die strengen Anforderungen, die beispielsweise an die Zuverlässigkeit von Zündmitteln, die in Airbags oder in wehrtechnischen Geräten eingesetzt werden sollen, gestellt werden, sind mit den bekannten Anzündelementen nur schwer zu erfüllen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Anzündelement verfügbar zu machen, das die geschilderten Nachteile der bisher bekannten Konstruktionen nicht aufweist, mechanisch hoch belastbar ist und auch nach einer wiederholten Temperaturwechselbelastung dicht ist. Gleichzeitig soll ein Verfahren zur Herstellung dieses Anzündelementes entwickelt werden, das vergleichsweise einfach ohne aufwendige Nachbearbeitung, aber mit großer Sicherheit hinsichtlich der Verfahrensprodukte und ihrer Eigenschaften durchgeführt werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe ist ein elektrisches Anzündelement der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Außenhülse und die Kontaktstifte mit dem Keramikkörper durch Hartlöten oder Einglasen gasdicht verbunden sind.
  • Als Werkstoff für die metallische Außenhülse hat sich Edelstahl besonders bewährt, der auch als Werkstoff für die Kontaktstifte verwendet werden kann. Es ist aber auch möglich, andere metallische Werkstoffe für die metallische Außenhülse und/oder die Kontaktstifte zu verwenden, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Nickel und deren Legierungen, Titan, Zirkonium, Tantal und andere wärmebeständige und hochschmelzende Metalle und Legierungen, insbesondere auch die unter der Bezeichnung KOVAR bekannte Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung.
  • Als Werkstoff für den Keramikkörper können die verschiedensten keramischen Materialien verwendet werden, insbesondere solche auf der Basis von Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und Zirkoniumdioxid.
  • Die dichte und feste Verbindung bzw. Einfassung zwischen der metallischen Außenhülse und dem Keramikkörper einerseits und zwischen dem Keramikkörper und den Kontaktstiften andererseits erfolgt durch Hartlöten oder durch Einglasen. Für die Einglasung können die jedem Fachmann bekannten Werkstoffe, mit denen metallische Werkstoffe und keramische Werkstoffe dicht verbunden werden, zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang haben sich Alkali- und Erdalkali-Silikatgläser, Gläser auf der Basis von Borsilikat sowie Oxide der seltenen Erden enthaltende Gläser besonders bewährt. Als Beispiel eines Glases, das für diese einglasende Verbindung zwischen metallischem und keramischem Werkstoff geeignet ist, kann ein Glas der nachstehenden Zusammensetzung verwendet werden:
    Figure imgb0001
  • Es ist aber auch möglich, keramische Pasten zu verwenden, beispielsweise die nachstehend in ihrer Zusammensetzung wiedergegebenen Pasten:
    Figure imgb0002
  • Auch Silicium bzw. Siliciumlegierungen in Mischung mit Quarzpulver, Glaspulver und Ton können dazu dienen, die keramischen mit den metallischen Werkstoffen bleibend dicht zu verbinden.
  • Die flächenförmig um die Kontaktstifte aufgebrachte leitende Schicht ist im allgemeinen eine in üblicher Weise aufgebrachte Dünn- oder Dickfilmschicht, die beispielsweise im Siebdruckverfahren oder galvanisch hergestellt worden ist. Als Werkstoffe haben sich für diese leitende Schicht insbesondere die Edelmetalle und Edelmetall-Legierungen der VIII. Gruppe des Periodensystems bewährt, vorzugsweise Platin oder Palladium und deren Legierungen auch mit Silber und/oder Gold.
  • Die eigentliche Zündbrücke zwischen den Kontaktstiften bzw. den diese flächenförmig einschließenden leitenden Schichten kann entweder von einem Draht gebildet sein, wie dies beispielsweise aus Fig. 4 zu erkennen ist, die später noch im einzelnen erläutert wird. Es hat sich aber gezeigt, daß das Aufbringen der Zündbrücke ebenfalls in Siebdrucktechnik besondere Vorteile bringt; denn auf diese Weise können Widerstandsbereiche von 1 bis 100 Ohm erreicht werden. Es ist allerdings auch möglich, die Zündbrücke als Dünnfilm in einem an sich bekannten Zerstäubungsverfahren oder durch Aufdampfen im Vakuum aufzubringen. Die drahtförmigen Zündbrücken werden entweder aufgelötet oder aufgeschweißt.
  • Als Werkstoffe für diese Zündbrücken haben sich ebenfalls Edelmetallwerkstoffe, wie sie oben bereits erwähnt wurden, besonders bewährt. Diese speziell in Siebdrucktechnik aufgebrachten Widerstandsbrücken weisen nach einer Wärmebehandlung einen bereits scharf eingegrenzten Widerstandsbereich auf, doch ist es, falls erwünscht, möglich, durch eine Nachbearbeitung im dem Fachmann bekanten Laser-Trimm-Verfahren Widerstandswerte noch geringerer Schwankungsbreite zu erzielen.
  • Besonders vorteilhaft ist es bei Anwendung der Siebdrucktechnik zur Herstellung der Zündbrücke, daß der Keramikkörper keiner besonderen Vorbehandlung bedarf, sondern unmittelbar mit der in der Produktion auftretenden Rauhtiefe von beispielsweise N 5 eingesetzt werden kann. Darüber hinaus handelt es ich bei der Siebdrucktechnik um ein leicht anwendbares Verfahren, das außerdem Zündbrücken liefert, die in ihrer mechanischen Belastbarkeit sich weitaus günstiger verhalten als drahtförmige Zündbrücken.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt im Schnitt die metallische Außenhülse 1 mit dem eingepaßten Keramikkörper 2 in Form einer Keramikronde mit hier beispielsweise zwei Kontaktstiften 3. Der Keramikkörper 2 ist mit der metallischen Außenhülse 1 einerseits und den Kontaktstiften 3 andererseits dicht verbunden, und zwar durch Hartlöten oder durch Einglasen unter Einsatz der oben beispielhaft in ihrer Zusammensetzung angegebenen Gläser bzw. Pasten.
  • Figur 2 zeigt vereinfacht eine Draufsicht auf das Anzündelement der Figur 1, wobei zur besseren Übersichtlichkeit lediglich die Kontaktstifte 3 mit den sie flächenförmig umgebenden leitenden Schichten 4 und die Zündbrücke 5, die hier ebenso wie die leitenden Schichten 4 im Siebdruckverfahren aufgebracht worden ist, dargestellt sind.
  • Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Variante des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anzündelementes gemäß der Erfindung, bei der die Zündbrücke durch einen Draht 5a gebildet ist, der die leitende Verbindung zwischen den Kontaktstiften 3 herstellt.
  • Es ist selbstverständlich möglich, auch eine größere Anzahl von Kontaktstiften in dem Keramikkörper zu verwenden, wobei dann natürlich auch die entsprechende größere Anzahl von Zündbrücken aufgebracht werden muß.
  • Das Verfahren zur Herstellung des elektrischen Anzündelements gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem metallischen, geometrisch geformten Außenring ein eine oder mehrere Bohrungen aufweisender Keramikkörper eingepaßt und durch Hartlöten oder Einglasen mit dem metallischen Außenring verbunden wird, worauf die metallischen Kontaktstifte in die Bohrungen des Keramikkörpers eingepaßt und ebenfalls durch Hartlöten oder Einglasen mit dem Keramikkörper verbunden werden und anschließend entweder drahtförmige Zündbrücken zwischen den Kontaktstifen durch Löten oder Schweißen hergestellt oder bevorzugt Zündbrücken durch Zerstäubungs- oder Aufdampftechnik im Vakuum oder Siebdruckverfahren erzeugt werden.
  • Vorzugsweise wird bei dem Siebdruckverfahren zunächst flächenförmig um die Kontaktstifte eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht und über diese dann die Verbindung zwischen Kontaktstiften und Zündbrücke hergestellt.
  • Das Anzündelement mit dem Keramikkörper gemäß der Erfindung zeichnet sich gegenüber den bisher bekannten Ausführungsformen dadurch aus, daß infolge der höheren Druckfestigkeit der keramischen Materialien eine weitaus höhere mechanische Belastbarkeit erzielt werden kann als dies bei Glasdurchführungen möglich gewesen ist. Außerdem besitzen die keramischen Werkstoffe gegenüber normalen Gläsern eine höhere Wärmeleitfähigkeit, die sich beispielsweise außerordentlich günstig erweist bei der damit erstmals möglichen Herstellung von 1A/1W-Zündelementen. Voraussetzung ist jedoch, daß die Außenhülse und die Kontaktstifte mit dem Keramikkörper durch Hartlöten oder durch Einglasen gasdicht verbunden worden sind.

Claims (9)

  1. Elektrisches Anzündelement mit einem Keramikkörper (2) als Zündbrückenträger, der in einer metallischen Außenhülse (1) gefaßt ist und eine oder mehrere Bohrungen aufweist, in die Kontaktstifte (3) als Stromzuleitungen eingepaßt sind, zwischen denen sich eine Zündbrücke (5, 5a) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülse (1) und die Kontaktstifte (3) mit dem Keramikkörper (2) durch Hartlöten oder Einglasen gasdicht verbunden sind.
  2. Elektrischer Zündbrückenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Außenhülse (1) und/ oder die Kontaktstifte (3) aus Edelstahl oder einem anderen wärmebeständigen und hochschmelzenden metallischen Werkstoff bestehen.
  3. Elektrischer Zündbrückenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (2) aus oxidkeramischen Werkstoffen besteht.
  4. Elektrischer Zündbrückenträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (2) aus keramischen Werkstoffen auf der Basis der Oxide von Aluminium, Silicium und/oder Zirkonium besteht.
  5. Elektrischer Zündbrückenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontaktstifte (3) flächenförmig umgebende Schicht (4) eine Dünn- oder Dickfilmschicht, vorzugsweise aus Edelmetallen oder Edelmetall-Legierungen der VIII. Gruppe des Periodensystems, ist.
  6. Elektrischer Zündbrückenträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünn- oder Dickfilmschicht im Siebdruckverfahren oder galvanisch gebildet worden ist.
  7. Elektrischer Zündbrückenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrücke (5) aus einem Draht (5a) oder ebenfalls aus einer im Siebdruckverfahren, durch Kathodenzerstäubung oder durch Aufdampfen im Vakuum gebildeten Dünn- oder Dickfilmschicht besteht.
  8. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Anzündelements nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem metallischen, geometrisch geformten Außenring (1) ein eine oder mehrere Bohrungen aufweisender Keramikkörper (2) eingepaßt und durch Hartlöten oder Einglasen mit dem metallischen Außenring (1) verbunden wird, worauf die metallischen Kontaktstifte (3) in die Bohrungen des Keramikkörpers (2) eingepaßt und ebenfalls durch Hartlöten oder Einglasen mit dem Keramikkörper (2) verbunden werden und anschließend entweder drahtförmige Zündbrücken (5a) zwischen den Kontaktstiften durch Löten oder Schweißen hergestellt oder bevorzugt Zündbrücken (5) durch Zerstäubungs- oder Aufdampftechnik im Vakuum oder im Siebdruckverfahren erzeugt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst flächenförmig um die Kontaktstifte (3) eine elektrisch leitende Schicht (4) aufgebracht und über diese dann die Verbindung zwischen Kontaktstiften (3) und Zündbrücke (5) hergestellt wird.
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