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Die Erfindung betriff allgemein Zündvorrichtungen, wie sie zum Zünden einer pyrotechnischen Personenschutzvorrichtung verwendet werden. Als pyrotechnische Personenschutzvorrichtungen kommen in Kraftfahrzeugen insbesondere Airbags und Gurtstraffer zum Einsatz. Derartige Sicherheitssysteme können das Verletzungsrisiko erheblich senken. Voraussetzung ist jedoch, dass im Falle eines Zusammenstoßes die jeweiligen Sicherheitssysteme nicht versagen. Besonderes Augenmerk wird dabei insbesondere auch auf die Zünder solcher Pyrotechnischen Einrichtungen gerichtet, welche für die Funktion einer solchen Sicherheitseinrichtung unerläßlich sind. Insbesondere müssen die Zünder auch viele Jahre nach ihrer Herstellung noch einwandfrei funktionieren. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, muss dabei sichergestellt sein, dass sich die im Zünder vorhandene Treibladung im Laufe der Zeit nicht verändert. Derartige Veränderungen können beispielsweise durch in den Zünder eindringende Feuchtigkeit verursacht werden. Es ist daher wichtig, die Treibladung des Zünders hermetisch zu verkapseln. Auch muss der Zünder die Gase der gezündeten Treibladung in die richtige Richtung freisetzen, um die Treibladung eines Gasgenerators des Sicherheitssystems zu zünden. Um dies zu gewährleisten, weisen aus dem Stand der Technik bekannte Zünder eine Kappe oder einen Deckel und einen vergleichsweise massiven Sockel auf, zwischen denen die Treibladung in einem aus diesen Teilen gebildeten Hohlraum eingeschlossen ist. Durch diese Bauweise soll sichergestellt werden, dass auf jeden Fall die Kappe oder der Deckel oder ein Teil davon abreißt. Derartige Zünder sind beispielsweise aus der
DE 203 07 603 U1 , der
DE 198 36 278 C2 , der
DE 10 2004 005 085 A1 , der
DE 101 16 785 A1 , der
DE 198 36 278 A1 oder der
DE 100 39 447 A1 bekannt. Für die massiven Sockel müssen im allgemeinen aufwendige Drehteile verwendet werden. Bei derartigen Sockeln ergibt sich außerdem das Problem, eine hermetische Verbindung mit der Kappe oder dem Deckel herzustellen. Zumindest beim Schweißen kommt es zu einer deutlichen Aufheizung des Bauteils, da der massive Sockel viel Wärme von der Schweißstelle abführt.
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Aus der
US 6 557 474 B1 ist ein Zünderkopf für eine Füllvorrichtung bekannt, bei welcher an einem Dichtflansch eines Sockels eine Kappe angebördelt oder angeschweißt ist. Die Dicke des Dichtflansches ist dabei nicht wesentlich dünner als die maximale Dicke des Gundkörpers. Auch hier kann es zu einer deutlichen Aufheizung des Sockels aufgrund der geringen Masse des Sockels kommen.
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Die für die Erfindung gattungsbildende
DE 29 45 803 A1 beschreibt eine Einrichtung zum Zünden eines Spreng- oder Treibstoffes mit zwei während des Zündvorgangs stromführenden Leitungen, die über einen Zünddraht als Widerstandsbrücke elektrisch miteinander verbunden sind. Die Leitungen und der Zünddraht sind in eine Glasmasse eingegossen. Der Innenraum der Zündeinrichtung wird mittels eines haubenförmigen Außengehäuses verschlossen, welches mit einem Bodenstück durch eine Schweißnaht verbunden wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Zündvorrichtungen, insbesondere für Airbags bereitzustellen, welche einfacher und kostengünstiger herstellbar sind. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß ist eine Zündvorrichtung für eine pyrotechnische Schutzvorrichtung vorgesehen, welche einen Sockel mit einem Metall-Trägerteil mit einer Stromdurchführung für eine elektrische Zündung und eine mit dem Sockel verbundene Kappe, wobei zwischen Sockel und Kappe eine Treibladung eingeschlossen ist, und wobei das Metall-Trägerteil des Sockels einen Grundkörper mit einer Öffnung und einen Schweißrand aufweist, welcher eine geringere Dicke als der Grundkörper hat, wobei die Kappe am Schweißrand mit einer umlaufenden Schweißnaht angeschweißt ist. Hierbei ist das Metall-Trägerteil ein umgeformtes Metall-Trägerteil und die Stromdurchführung umfasst eine Glasisolierung in Form einer Glas-Metall-Durchführung in der Öffnung. Auf der Glasisolierung der Stromdurchführung lastet hierbei eine Druckspannung. Ferner unterscheidet sich die Dicke des Schweißrandes von der Wandstärke der Kappe um höchstens 75%.
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Um eine derartige Zündvorrichtung herzustellen, sieht die Erfindung außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Zündvorrichtung für eine pyrotechnische Schutzvorrichtung vor, bei welchem ein Metall-Trägerteil mittels Umformen hergestellt wird, wobei das Metall-Trägerteil so umgeformt wird, dass es einen Grundkörper mit einer Öffnung und einen Schweißrand aufweist, welcher eine geringere Dicke als der Grundkörper hat, und wobei eine Stromdurchführung für eine elektrische Zündung in der Öffnung befestigt wird, wobei eine Glas-Metall-Durchführung mit einem Metallpin und einer Glasisolierung in die Öffnung eingefügt wird, und wobei das Metall-Trägerteil mit einer Kappe unter Einschluss einer Treibladung durch Verschweißen am Schweißrand des Metall-Trägerteils verbunden wird, wobei sich die Dicke des Schweißrandes von der Wandstärke der Kappe um höchstens 75% unterscheidet, und wobei beim Verschweißen die Inversionstemperatur am Glas-Metall-Übergang nicht überschritten wird.
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Durch die Ausbildung eines Sockels mit dünnen Schweißrand kann erfindungsgemäß die beim Zusammenschweißen zugeführte Schweißenergie so weit verringert werden, dass im Vergleich zu den bisher üblichen teuren Drehteilen nun auch durch Umformen hergestellte, im allgemeinen dünnere und wesentlich kostengünstiger herstellbare Teile als Sockel verwendet werden können. Auch wird die Gefahr, dass die Stromdurchführung oder die Treibladung durch die Temperatureinwirkung Schaden nimmt, reduziert oder sogar ausgeschlossen.
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Dabei wird im Sinne der Erfindung unter Umformen ein umformendes Fertigungsverfahren im Unterschied zu einem spanenden oder urformenden Fertigungsverfahren verstanden.
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Bei spanenden Fertigungsverfahren wird der gewünschte Körper durch Entfernung von Material von einem Rohling hergestellt. Zu derartigen Verfahren zählen unter anderem Feilen, Meißeln, Sägen, Gewindeschneiden, Drehen, Hobeln, Fräsen, Bohren, Senken, Reiben, Räumen, Schleifen, Honen, Läppen. Urformende Verfahren sind beispielsweise Formgebung durch Gießen, Extrudieren, Spritzguß, Folienguß, Spritzpressen, Sintern.
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Umformende Fertigungsverfahren bieten insbesondere gegenüber zerspanenden Verfahren die Vorteile eines ununterbrochenen Faserverlaufs, einer damit einhergehenden höheren Festigkeit, Materialeinsparung und eine kostengünstigere Fertigung. Selbstverständlich wird aber nicht ausgeschlossen, dass umformende Herstellungsverfahren auch mit anderen, also beispielsweise spanenden und urformenden Verfahren kombiniert werden können.
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Bevorzugt weist der Grundkörper des Metallträgers eine scheibenförmige Grundform auf. Derartig einfache Grundformen können leicht durch umformende Fertigungsverfahren hergestellt werden. Für eine kostengünstige umformende Bearbeitung ist es weiterhin vorgesehen, dass, wenn das Metall-Trägerteil des Sockels eine maximale Dicke im Bereich von 2 Millimetern bis 3,5 mm aufweist.
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Der Schweißrand weist eine Dicke von 0,1 mm bis 0,6 mm, bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,4 mm Dicke auf. Bei derartig geringen Materialstärken wird die Aufheizung sehr wirkungsvoll reduziert. Bevorzugte Dicken der Kappe liegen im Bereich von 0,1 bis 0,4 mm, insbesondere sind Kappen mit einer Materialstärke von 0,17 und 0,2 mm vorgesehen.
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Ein besonders bevorzugtes Umformungsverfahren ist Stanzen. Es ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung daher vorgesehen, dass das Metall-Trägerteil zumindest teilweise durch Stanzen geformt ist. Dabei kann insbesondere das Metall-Trägerteil des Sockels auch eine gestanzte Öffnung für die Stromdurchführung aufweisen. Auf diese Weise können die Metall-Trägerteile in ihrer Grundform in einem Arbeitsschritt beispielsweise aus einem Blech ausgestanzt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich die Öffnung für die Stromdurchführung vom Inneren zur Außenseite des Metall-Trägerteils hin.
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Weitere einsetzbare Umformungsverfahren für das Metall-Trägerteil des Sockels sind Kaltformen, Tiefziehen, Fließpressen. Beispielsweise kann der Schweißrand nach dem Stanzen durch Kaltformen oder Fließpressen ausgeformt werden. Die Rohlinge können neben dem Ausstanzen aus Blechen auch durch Abschneiden von Abschnitten von einem Stab gefertigt werden. Auch die Kappe kann vorteilhaft kostengünstig durch Umformen, insbesondere zumindest teilweise durch wenigstens eines der Schritte Stanzen, Kaltformen, Tiefziehen, Fließpressen geformt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schweißrand einen auf den Grundkörper des Metall-Trägerteils aufgeschmolzen Ring. Dieser kann beispielsweise ein Hochtemperaturlot oder ein Glaslot sein.
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Für die Verbindung von Kappe und Sockel wird Laserschweißen besonders bevorzugt, da mit Laserschweißen auch derartig kleine Elemente wie die eines Zünders exakt verschweißt werden können. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Sockel mit der Kappe am Schweißrand mit einer umlaufenden Laserschweißnaht verbunden wird. Zusätzlich zu einer Schweißnaht kann auch noch eine formschlüssige Verbindung vorgesehen werden. So kann das Metall-Trägerteil und/oder die Kappe mit einem mit einem entsprechenden Verbindungselement für eine formschlüssige Verbindung der beiden Teile versehen werden. Ein Beispiel für ein solches Verbindungselement ist eine Schneide am Schweißrand. Zusätzlich kann die Kappe auch eine Kerbe aufweisen, in welche die Schneide eingreift. Durch formschlüssige Verbindungselemente, wie etwa eine Kerbe und/oder eine Schneide an wenigstens einem der Teile Kappe oder Metall-Trägerteil können die beiden Teile bereits vor dem Schweißen fest miteinander verbunden werden, so dass beispielsweise die Teile beim Schweißen zueinander ausgerichtet bleiben. Auch können der Schweißrand und die Kappe vor dem Verschweißen miteinander verpresst werden, um diese miteinander bereits vor dem Schweißen fest miteinander zu verbinden.
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Allgemein ist es zur Erzielung einer hermetischen Verkapselung der Treibladung vorteilhaft, wenn die umlaufende Schweißnaht, insbesondere in Form einer Laserschweißnaht eine Überdeckung von 5°–15°, bevorzugt 10° aufweist. Mit einer Überdeckung ist gemeint, dass die Schweißnaht mit sich selbst überlappt. Dazu wird beim Schweißen die Schweißstelle um mehr als 360° entlang des Umfangs des Schweißrands geführt, so dass entlang eines Sektors von 5 bis 15° doppelt geschweißt wird.
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Der Schweißrand kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Schweißrand am Metall-Trägerteil ausgeformt, welcher sich in radialer Richtung des Grundkörpers erstreckt und in Umfangsrichtung um den Grundkörper des Metall-Trägerteils umläuft. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Schweißrand auch vorteilhaft einen Teil eines Befestigungsflansches für den Zünder bilden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Schweißrand in axialer Richtung des Grundkörpers und umläuft ebenfalls den Grundkörper des Metall-Trägerteils entlang dessen Umfangsrichtung.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Schweißrand im Querschnitt schräg zur axialen Mittenachse des Metall-Trägerteils und umläuft den Grundkörper entlang dessen Umfangsrichtung. Diese Ausführungsform ist beispielsweise von Vorteil, um die Kappe mit dem Schweißrand beim Aufschieben auf den Sockel zu verklemmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet der Schweißrand einen Teil eines Befestigungsflansches für die Zündvorrichtung.
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Mit dem Gehäuse des Zünders soll ein möglichst hermetischer Einschluss der Treibladung erreicht werden, um diese vor Umwelteinflüssen langfristig zu schützen. Bei der Verbindung von Sockel und Kappe wird dies insbesondere durch die Schweißnaht erreicht. Auch die Stromdurchführung kann jedoch undicht sein und Wasser oder andere schädliche Stoffe eindringen lassen. Um dies zu vermeiden, wird besonders bevorzugt eine Glas-Metall-Durchführung hergestellt. Diese umfasst einen Metallpin und eine Glasisolierung in der Öffnung des Metall-Trägerteils, mit welcher der Pin gegenüber dem Metall-Trägerteil isoliert wird. Hier ergibt sich allerdings das Problem, dass diese Durchführung beim Schweißen nicht zu heiß werden darf. Insbesondere sollte die Inversionstemperatur nicht überschritten werden. Als Inversionstemperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei welcher die durch den Glas-Metall-Übergang auf dem Glas der Stromdurchführung lastende Druckspannung in eine Zugspannung übergeht. Dies ist besonders kritisch, da auftretende Zugspannungen sehr leicht zu Sprüngen im Glas und/oder einer Ablösung des Glases vom Metall-Trägerteil des Sockels erfolgen kann.
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Besonders bei exzentrisch bezüglich der axialen Mittenachse des Metallteils angeordneter Stromdurchführung kann diese beim Schweißen sehr heiß werden. Durch den dünnen Schweißrand kann die Schweißenergie jedoch so weit reduziert werden, dass eine Beschädigung sowohl der Durchführung, als auch der Treibladung vermieden wird. Um chemische Reaktionen der Treibladung mit dem Gehäusematerial zu vermeiden, wird außerdem bevorzugt Edelstahl als Material für das Metall-Trägerteil verwendet.
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Es hat sich bei exzentrisch angeordneter Stromdurchführung auch als günstig erwiesen, wenn das Schweißen nicht im Bereich des geringsten Abstands der Stromdurchführung zum Schweißrand begonnen wird, da dies im Verlauf des Schweißvorgangs zu höheren Temperaturen an der Stromdurchführung führt. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das Schweißen entlang des Schweißrandes an einer Stelle begonnen wird, welche auf dem Rand ausgehend von der axialen Mittenachse des Metall-Trägerteils unter einem Winkel von zumindest 25°, bevorzugt zumindest 90° zur Position des minimalen Abstands des Schweißrands zur Stromdurchführung, besonders bevorzugt gegenüber liegt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann weiterhin eine sich vom Inneren zur Außenseite des Metall-Trägerteils hin verjüngende Öffnung für die Stromdurchführung vorgesehen werden, um bei dem sich nach dem Zünden im Inneren aufbauenden Druck zu vermeiden, dass die Stromdurchführung aus der Öffnung gepresst wird.
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Um die Treibladung mittels eines Strom- oder Spannungsimpulses zu zünden, wird bevorzugt eine Zündbrücke verwendet. Diese kann beispielsweise einen mit der Stromdurchführung und dem Gehäuse verbundenen Draht umfassen. Dieser wird durch den Strom- oder Spannungsimpuls zum Glühen gebracht und zündet dadurch die Treibladung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Zündbrücke auch einen mit dem Pin der Stromdurchführung verbundenen Dickschichtleiter umfassen. Dieser kann dann in einfacher Weise mit dem Pin der Stromdurchführung verlötet werden und muss nicht etwa mit dem Pin verschweißt werden. Insbesondere kann eine isolierende Platte verwendet werden, auf welcher der Dickschichtleiter aufgebracht ist. Diese Platte wird dann auf dem Metall-Trägerteil angeordnet und der Leiter mit dem Pin der Stromdurchführung verbunden. Die auf diese Weise im fertigen Zünder innenseitig auf dem Metall-Trägerteil angeordnete isolierende Platte weist zusätzlich den besonderen Vorteil auf, dass sie außerdem als thermische Isolierung wirken kann. Mit einer derartigen Anordnung kann insbesondere die Temperatureinwirkung beim Schweißen auf die Treibladung weiter reduziert werden, so dass in Verbindung mit der Reduzierung der erforderlichen Schweißenergie durch den Schweißrand auch temperaturempfindlicher Treibladungen eingesetzt werden können.
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Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung wird anstelle oder zusätzlich zu einer isolierenden Platte mit Dickschichtleiter ein innenseitig auf dem Metallträgerteil angeordneter Halbleiter-Chip, der mit der Stromdurchführung verbunden ist, eingesetzt. Dieser kann neben einer Zündeinrichtung, wie etwa einer Leiterschicht auch noch elektronische Schaltkreise enthalten, um die Zündvorrichtung intelligenter zu machen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sockels für einen Zünder einer pyrotechnischen Schutzvorrichtung,
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2 eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Sockels,
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3 einen vergrößerten Ausschnitt des Schweißrandes des in 1 dargestellten Sockels,
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4 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zünder mit einem wie in den 1 bis 3 dargestellten Sockel,
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5A, 5B Temperaturbereiche auf einem Metall-Trägerteil (5A) ohne Schweißrand und dem Glas (5B) einer exzentrisch angeordneten Glas-Metall-Durchführung während des Anschweißens der Kappe an den Sockel,
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5C den Temperaturverlauf an mehreren Messpunkten auf der Innenfläche der Öffnung des in 5A gezeigten Metall-Trägerteils im Verlauf des Anschweißens,
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6A, 6B Temperaturbereiche auf einem Metall-Trägerteil (5A) mit Schweißrand und dem Glas (5B) einer exzentrisch angeordneten Glas-Metall-Durchführung während des Anschweißens der Kappe an den Sockel,
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6C den Temperaturverlauf an mehreren Messpunkten auf der Innenfläche der Öffnung des in 6A gezeigten Metall-Trägerteils im Verlauf des Anschweißens,
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7 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
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8 eine Variante des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels,
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9 eine Aufsicht auf eine isolierende Platte mit Dickschichtleiter,
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10–12 Ausschnitte im Bereich des Schweißrandes weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Zündvorrichtungen,
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13 einen Gasgenerator mit einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung, und
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14 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß gehäusten Drucksensor.
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In den 1 bis 3 ist ein Sockel 10 einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung für eine pyrotechnische Schutzvorrichtung dargestellt. Dabei zeigt 1 eine Schnittansicht des Sockels 10 und 3 eine Vergrößerung des in 1 mit ”X” gekennzeichneten Ausschnitts. 2 zeigt den Sockel 10 in perspektivischer Darstellung.
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Der Sockel 10 umfasst ein umgeformtes Metall-Trägerteil 3 mit einem Grundkörper 5, welcher eine scheibenförmige Grundform aufweist. Das Metall-Trägerteil 3 umfasst weiterhin einen Schweißrand 7, welcher außen an der Kante des Grundkörpers 5 angeordnet ist. Dieser erstreckt sich in axialer Richtung bezüglich der axialen Mittenachse 23 des Grundkörpers 5 und umläuft den Grundkörper 5 in dessen Umfangsrichtung. Die Ausbildung eines solchen Rands erfolgt beispielsweise durch weiteres Umformen eines ausgestanzten scheibenförmigen Rohlings des Metall-Trägerteils. Um Korrosion oder eine Reaktion mit der Treibladung zu vermeiden, wird bevorzugt Edelstahl als Material für das Metall-Trägerteil 3 verwendet, obwohl dieses Material schwieriger umzuformen ist, als viele andere Metalle.
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Insbesondere weist der Schweißrand 7 auch eine Dicke 71 auf, welche wesentlich geringer ist, als die Dicke 31 des scheibenförmigen Grundkörpers 5 des Metall-Trägerteils 3. Damit wird erreicht, dass eine geringere Wärmeenergie beim späteren Verschweißen des Metall-Trägerteils 3 mit einer Kappe notwendig ist. So wird eine maximale Dicke 31 des Metall-Trägerteils 3 des Sockels 10 im Bereich von 1,5 Millimetern bis 3,5 mm eingesetzt. Demgegenüber weist der Schweißrand eine Dicke von nur 0,1 mm bis 0,6 mm, bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,4 mm Dicke auf. Die Höhe 72 des Schweißrands liegt weiterhin bevorzugt in derselben Größenordnung. Ein derartiger Schweißrand 7 kann beispielsweise durch Kaltformen und Verdrängung von Material eines Rohlings für das Metall-Trägerteil hergestellt werden.
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In einer Öffnung 9 des Metall-Trägerteils 3 ist außerdem eine Stromdurchführung 11 mit einem Pin 15 angeordnet. Die Öffnung 9 kann beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden. Es ist insbesondere auch daran gedacht, einen Rohling des Metall-Trägerteils 3 aus einem Blech auszustanzen, wobei gleichzeitig auch die Öffnung 9 mittels eines geeigneten Stempels ausgestanzt wird. Der Rohling wird dann in einem weiteren Umformschritt unter Ausbildung des Schweißrands 7 umgeformt. Beispielsweise kann dies durch Kaltformen, Tiefziehen oder Fließpressen geschehen. Es wird jedoch erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, die Öffnung 9 zu bohren, also mittels eines spanenden Verfahrens herzustellen.
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Der Pin 15 dient zur Kontaktierung einer elektrischen Zündung, beispielsweise in Form eines Glühdrahts als Zündbrücke, mit welcher die im fertigen Zünder eingeschlossene Treibladung gezündet wird. Die Stromdurchführung 11 ist insbesondere als Glas-Metall-Durchführung ausgeführt, wobei Glas 13 als Isolationsmaterial zwischen Pin 15 und der Wandung der Öffnung 9 im Metall-Trägerteil dient. Eine derartige Stromdurchführung bietet den besonderen Vorteil, dass sie nicht nur elektrisch sehr gut isoliert, sondern auch hermetisch dicht gegenüber Atmosphärenbestandteilen ist, welche mit der Treibladung im Laufe der Zeit reagieren oder sich mit dieser vermischen und diese verschlechtern können. Die Verwendung einer derartigen Stromdurchführung ermöglicht demgemäß auch auf lange Zeit eine sicheres Auslösen des Zünders. Um zu verhindern, dass die Stromdurchführung bei dem sich nach dem Zünden durch die Treibladung aufbauenden Druck aus dem Metall-Trägerteil herausgedrückt wird, ist zusätzlich in der Öffnung 9 ein Absatz 91 vorgesehen, so dass sich die Öffnung von der Seite 32 aus gesehen, welche nach dem Zusammenbau innenseitig in dem mit der Kappe gebildeten Gehäuse angeordnet ist, zur Außenseite 33 hin verjüngt. Auf diese Weise kann auch eine feste Glas-Metall-Verbindung mit dem vergleichsweise dünnen Metall-Trägerteil 3 des Sockels 10 erreicht werden.
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Die Stromdurchführung 11 ist bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Beispiel weiterhin exzentrisch bezüglich der axialen Mittenachse 23 des Metall-Trägerteils angeordnet. Damit wird erreicht, dass auch bei kleinem Radius des Metall-Trägerteils hinreichend viel Platz zur Befestigung eines weiteren Pins 17 zur Verfügung steht. Der weitere Pin 17 ist am Metall-Trägerteil 3 mit Hartlot 19 angelötet. Um über einen an beiden Pins 15, 17 angelegten Spannungsimpuls die Zündbrücke zum Glühen zu bringen, wird diese dementsprechend bei dieser Ausführungsform außer mit dem Pin 15 zusätzlich mit dem Metallträgerteil oder der Kappe verbunden. Zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung werden Pins 15, 17 verwendet, welche zumindest im Anschlußbereich für einen Stecker eine Vergoldung 21 aufweisen.
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In 4 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zünder 1 mit einem Sockel 10 gezeigt, wie er anhand der 1 bis 3 beschrieben wurde. Der Zünder 1 wird unter Verwendung eines solchen Sockels durch Verbinden einer Kappe 25 mit dem Metall-Trägerteil 3 unter Einschluß einer Treibladung 40 hergestellt, wobei das Verbinden mit einer umlaufenden Laserschweißnaht 27 am Schweißrand 7 erfolgt. Mit dem Sockel 10, beziehungsweise dessen Metall-Trägerteil 3 und der Kappe 25 wird durch das Verschweißen mit einer umlaufenden Schweißnaht ein hermetisch dichtes Gehäuse 26 für die Treibladung hergestellt.
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Beim Laserschweißen werden insbesondere zwei Verfahren unterschieden: Wärmeleitungs- und Tiefschweißen. Charakteristisch für das für die Erfindung besonders bevorzugte Wärmeleitungsschweißen ist, dass der Werkstoff nur an der Oberfläche aufgeschmolzen wird. Bei ausreichender Intensität schmelzen die Werkstoffe auf, fließen ineinander und erstarren nach dem Erkalten in einer gemeinsamen Schweißnaht. Die Schweißnähte haben eine Tiefe von typischerweise einigen Zehntel Millimetern. Für dieses besonders zur Bearbeitung von dünnwandigen Bauteilen eingesetzte Verfahren sind unter anderem gepulste YAG-Lasern geeignet. Insbesondere beim Schweißen von Profilen und dickwandigen Rohren wird vielfach mit einem CO2-Laser im cw-Betrieb (”cw” = ”continuous wave”) tiefgeschweißt. Hierbei wird der Werkstoff an der Oberfläche so stark erhitzt, dass er verdampft und eine Öffnung, ein sogenanntes ”keyhole” bildet. Es wird erfindungsgemäß aber nicht ausgeschlossen, dass auch ein Tiefenschweißverfahren eingesetzt werden kann, um Sockel 10 und Kappe 25 zu verbinden. Auch die Kappe 25 kann vorteilhaft kostengünstig unter Verwendung umformender Fertigungsschritte hergestellt werden.
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Zusätzlich wird vor oder beim Verbinden von Sockel 10 und Kappe 25 noch eine Zündbrücke 42 an den Pin 15 der Stromdurchführung und die Kappe, oder wie in 4 gezeigt, das Metall-Trägerteil 3 angeschlossen. Beispielsweise kann die Zündbrücke 42 ein Glühdraht sein, welcher an Pin 15 und Metall-Trägerteil 3 jeweils mittels einer Punktschweißung befestigt wird. Vielfach wird, anders als in der vereinfachten Darstellung der 4 gezeigt, zusätzlich zur Treibladung 40 noch ein Frühzündstoff verwendet, welcher die Zündbrücke umgibt.
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Die mit der entlang der umlaufenden Laserschweißnaht 27 am Schweißrand 7 mit dem Sockel 10 verbundene Kappe 25 weist insbesondere eine mit der Dicke oder Wandstärke des Schweißrands 7 vergleichbare Wandstärke auf. Dies gilt besonders an der Anschweißstelle. In anderen Bereichen der Kappe kann die Wandstärke auch abweichen. So weißt die Kappe 25 des in 4 dargestellten Beispiels eine Sollbruchstelle 29 auf, an welcher die Kappe 25 durch den sich beim Zünden der Treibladung 40 entwickelnden Druck auseinanderreißt. Anders als in 4 gezeigt, kann beispielsweise auch eine sternförmige Sollbruchstelle im Deckel der Kappe verwendet werden, da eine derartige Sollbruchstelle besonders leicht aufreißt und kein Kappenteil abreißt.
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Durch die Wahl vergleichbarer Wandstärken von Kappe 25 und Schweißrand 7 wird die benötigte Schweißenergie deutlich reduziert. Damit sinkt die Aufheizung der Glas-Metall-Durchführung 11 und der eingeschlossenen Treibladung 40 beträchtlich. Bevorzugt wird der Schweißrand 7 so ausgeformt, dass sich die Dicke oder Wandstärke des Schweißrandes 7 von der Dicke oder Wandstärke der Kappe 25 um höchstens 75%, insbesondere um höchstens 35%, besonders bevorzugt um höchstens 20% unterscheidet. Im Rahmen der Herstellungstoleranzen ist es insbesondere vorteilhaft, gleiche Wandstärken von Kappe 25 und Schweißrand 7 zu verwenden.
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Die 5A–5C, 6A bis 6C zeigen Simulationen des Temperaturverlaufes auf Metall-Trägerteilen und dem Glas 13 einer Glas-Metall-Durchführung in den Metallträgerteilen.
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Dabei zeigen die 5A bis 5C Simulationsergebnisse für ein Metal-Trägerteil ohne Schweißrand und die 6A bis 6C die Ergebnisse für ein Metallträgerteil eines erfindungsgemäßen Sockels mit Schweißrand.
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Bei den in diesen Figuren gezeigten Ergebnissen wurde jeweils davon ausgegangen, dass die Schweißnaht bei einer Position ϕ = 180° auf dem Umfang des Metallträgerteils begonnen wurde. Die Position ϕ = 0° ist in den 5A und 6A gekennzeichnet und liegt auf einer radialen Achse durch den Mittelpunkt der exzentrisch angeordneten Mittenachse der Stromdurchführung und der axialen Mittenachse des Metall-Trägerteils. Die Schweißnaht wird demgemäß jeweils an der Stelle des geringsten Abstands von Schweißnaht zur Stromdurchführung begonnen. Für die Simulationen wurden folgende Parameter angenommen: 2.6 Joules pro Puls, 100 Pulse pro Sekunde, insgesamt 291.5 Joules übertragene Heizenergie, 1.12 Sekunden Schweißzeit bei 0.7878 Joules pro Winkelgrad ϕ bei einem Gesamtwinkel von 370° der Schweißnaht (entsprechend einer Überdeckung von 10°). An der Außenhaut des Zünders erfolgt der Wärmeabtransport durch Konvektion. Es wurde dazu ein Wärmeübergangskoeffizient von 10 W/m2K bei einer Umgebungstemperatur von 20°C angenommen.
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In den 5A, 5B, 6A, 6B sind jeweils Isothermen eingezeichnet und einige der Temperaturbereiche zwischen den Isothermen nach 1.1 Sekunden, also kurz vor Beendigung des Schweißvorgangs angegeben. Die maximale Temperatur beträgt jeweils 1420°C an der Schweißstelle. Die Diagramme der 5C und 6C zeigen jeweils den Temperaturverlauf an einigen Messpunkten, welche sich auf der Innenfläche der Öffnung der Stromdurchführung im Metall-Trägerteil, beziehungsweise auf der Metall-Glas-Grenzfläche in der Öffnung befinden. Die Messpunkte sind jeweils in Grad angegeben. Zur Verdeutlichung sind in 5A drei Messpunkte R1, R2, R3 eingezeichnet, wobei R1 bei 0°, R2 bei 180° und R3 bei 270° liegt. Die Messposition 180° liegt also analog zum Winkel ϕ = 180° an der Stelle des geringsten Abstands von Schweißnaht zur Stromdurchführung 11.
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Wie aus einem Vergleich der 5A–5C mit den 6A–6C deutlich wird, ist die Aufheizung bei einem erfindungsgemäßen Sockel mit Schweißrand auch bei exzentrisch bezüglich der axialen Mittenachse angeordneter Stromdurchführung deutlich geringer. Insbesondere können die an der Glas-Metall-Durchführung bei einem Metall-Trägerteil ohne Schweißrand erreichten Temperaturen von 450° zu einer Überschreitung der Inversionstemperatur des Glas-Metall-Übergangs führen. Dadurch kann die Stromdurchführung undicht werden, oder sich sogar von der Öffnung ablösen. Weiterhin sind Temperaturen größer als 380°C auch für die Treibladung kritisch. Demgegenüber werden mit einem erfindungsgemäßen Schweißrand an der Glas-Metall-Durchführung nur weitaus geringere Spitzentemperaturen von höchstens 275°C erreicht.
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Die Temperaturbelastung kann noch weiter reduziert werden, wenn nicht im Bereich des geringsten Abstands von Schweißnaht zu Stromzuführung begonnen wird. So ist es von Vorteil, wenn das Schweißen an einer Stelle begonnen wird, welche auf dem Rand ausgehend von der axialen Mittenachse des Metall-Trägerteils unter einem Winkel von zumindest 25° (entsprechend einem Winkel ϕ = 155° oder ϕ = 205°) bevorzugt zumindest 90° (entsprechend einem Winkel ϕ = 90° oder ϕ = 270°) zur Position des minimalen Abstands des Schweißrands zur Stromdurchführung, besonders bevorzugt gegenüber (entsprechend einem Winkel ϕ = 0°) liegt. Selbst bei einer solchen Startposition beim Schweißen werden in einem vergleichbaren Gehäuse ohne Schweißrand jedoch immer noch Temperaturen von über 400°C an der Glas-Metall-Durchführung erreicht, während die Spitzentemperaturen an der Glas-Metall-Durchführung bei einem erfindungsgemäßen Gehäuse mit Schweißrand demgegenüber dann deutlich unter 300°C liegen.
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7 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Schweißrand 7 des Metall-Trägerteils nicht in axialer Richtung, wie bei dem in 1 gezeigten Beispiel, sondern in radialer Richtung des Grundkörpers und läuft in Umfangsrichtung um den Grundkörper des Metall-Trägerteils 3 um. Der Schweißrand bildet auf diese Weise einen Anschlag beim Aufsetzen der Kappe 25, so dass diese sehr leicht exakt positionierbar ist. Der Schweißrand 7 des in 7 dargestellten Beispiels kann in vorteilhafter Weise durch Tiefziehen oder Fließpressen eines beispielsweise gestanzten Rohlings erhalten werden.
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In 8 ist eine Weiterbildung des in 7 dargestellten Beispiels gezeigt. Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Schweißrand 7 ausgehend vom Grundkörper 5 ebenfalls in radialer Richtung, weist jedoch eine größere Höhe auf. Auch die Kappe 25 weist einen ähnlichen, sich in radialer Richtung erstreckenden Rand, beziehungsweise eine Krempe 44 auf, an welcher die Kappe 25 mit dem Schweißrand 7 des Metal-Trägerteils 7 mit einer umlaufenden, vorzugsweise auch mit überlappenden Enden, beziehungsweise mit Überdeckung ausgeführten Schweißnaht verbunden sind. Die Krempe 44 und der Schweißrand 7 bilden dann einen Flansch 46 der Zündvorrichtung 1. Dieser Flansch 46 kann insbesondere auch als Befestigungsflansch zur Fixierung der Zündvorrichtung dienen.
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Die in 8 gezeigte Zündvorrichtung unterscheidet sich von den in den 1 und 7 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung weiterhin auch durch die Art der Zündbrücke 42. Diese umfasst bei dem in 8 dargestellten Beispiel einen Dickschichtleiter 50. Dieser ist auf einer elektrisch isolierenden Platte 48 mit Öffnungen 54, 55 für die Pins 15, 17 auf. Vorzugsweise wird Keramik für die isolierende Platte 48 verwendet. 9 zeigt die isolierende Platte 48 mit dem Dickschichtleiter 50 in Aufsicht. Der Dickschichtleiter 50 ist nach der Art einer Leiterbahn ausgebildet, welche die Öffnungen 54, 55 zur Aufnahme der Pins 15, 17 umgibt. Ein Abschnitt des Dickschichtleiters 50 auf der Platte 48 ist verjüngt und bildet so die Zündbrücke 42. Die Platte 48 mit dem Dickschichtleiter wird auf die bei dieser Ausführungsform auf der Innenseite des Sockels herausragenden Pins 15, 17 aufgesetzt. Die Befestigung und Kontaktierung kann hier in besonders einfacher Weise durch verlöten des Dickschichtleiters 50 mit den Pins 15, 17 erfolgen. Als Lot 52 kann in diesem Fall auch herkömmliches Weichlot, wie es in der Elektronik eingesetzt wird, verwendet werden. Diese Ausführungsform der Erfindung bietet neben der einfachen Montage der Zündbrücke außerdem noch den besonderen Vorteil, dass die elektrisch isolierende Platte 48 zusätzlich thermisch isoliert. In Verbindung mit der durch den erfindungsgemäßen Schweißrand erzielten Verringerung der Schweißenergie kann somit die Aufheizung der Treibladung 40 noch weiter reduziert werden.
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Anders als in den 8 und 9 gezeigt, kann auch eine Keramikplatte verwendet werden, welche nicht den gesamten Boden des Metall-Trägerteils bedeckt, um die Herstellungskosten zu senken.
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Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung wird anstelle oder zusätzlich zur elektrisch isolierenden Platte 48 ein Halbleiter-Chip eingesetzt. Dieser kann neben der Zündbrücke auch noch elektronische Komponenten enthalten, beispielsweise, um die Zündvorrichtung mit intelligenter Elektronik und/oder eigenen Sensoren auszustatten.
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10 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt im Bereich des Schweißrandes 7 noch einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich der Schweißrand 7 schräg zur axialen Mittenachse des Metall-Trägerteils 3, so dass dieser schräg nach außen steht. Damit wird der Rand der Kappe 25 beim Aufschieben auf den Sockel durch den Schweißrand 7 leicht auseinandergedehnt, wie in 10 vereinfacht durch den Knick im Querschnitt der Kappe und den Pfeil angedeutet ist. Dadurch werden die beiden Teile fest miteinander verpresst und können sogar bereits dadurch eine hermetisch dichte Anordnung ergeben. Die äußere Kante des Schweißrands 7 bildet außerdem eine Schneide 59, welche in eine innenseitig in der Kappe in Umfangsrichtung parallel zum Rand der Kappe umlaufende Kerbe 57 eingreift. Auf diese Weise verrasten das Metall-Trägerteil 3 und die Kappe 25, wenn die beiden Teile ineinander gesteckt werden und es wird eine formschlüssige Verbindung erreicht. Die Schneide kann die Kerbe auch selbst beim Ineinanderstecken in die Kappe hinein schneiden. Zusätzlich werden die Teile dann mit einer umlaufenden Laserschweißnaht dauerhaft und fest miteinander verbunden.
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11 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Schweißrand 3 durch Aufschmelzen eines Rings 60 auf den Grundkörper 5 des Metall-Trägerteils 3 hergestellt. Dabei kann beispielsweise ein Hartlot-Ring oder auch ein Glaslot-Ring aufgeschmolzen werden. Dieser Ring 60 wird anschließend wieder, wie in den oben erläuterten Beispielen mit der Kappe 25 durch Laserschweißen verschweißt.
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Bei der in 12 dargestellten Ausführungsform wird der Schweißrand 7 vor dem Schweißen wie anhand des Pfeiles skizziert umgebördelt und dabei fest mit der Kappe 25 verpresst. Auch auf diese Weise kann eine feste Verbindung zwischen Kappe 25 und Sockel hergestellt werden, die sogar bereits hermetisch dicht sein kann.
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13 zeigt in aufgeschnittener Ansicht einen als Ganzes mit dem Bezugszeichen 62 bezeichneten Gasgenerator einer pyrotechnischen Schutzvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung 1. Die Zündvorrichtung ist in 13 nicht aufgeschnitten dargestellt. Der Gasgenerator 62, wie er in 13 gezeigt ist, kann insbesondere für einen Lenkrad-Airbag verwendet werden und wird dazu in den Pralltopf des Lenkrads eingebaut. Der Gasgenerator 62 weist einen zentralen Hohlraum 64 auf, in welchen die erfindungsgemäße Zündvorrichtung 1 eingesetzt wird. Die Zündvorrichtung weist beispielhaft einen Flansch 46 zur Halterung der Vorrichtung 1 am Ausgang des zentralen Hohlraums 64 auf. Selbstverständlich kann aber auch eine beispielsweise wie in 1 gezeigte Zündvorrichtung 1 in einem geeignet geformten Hohlraum 64 verwendet werden. Der zentrale Hohlraum 64 ist mit Kanälen 66 mit dem ringförmigen Treibstoffbehälter 65 verbunden, welcher den Treibstoff, beispielsweise in Tablettenform gepressten Treibstoffaus Natriumazid, Kaliumnitrat und Sand enthält. Dieser wird beim Zünden durch das explosionsartig aus der Zündvorrichtung 1 entweichende Gas gezündet und setzt seinerseits Treibgase frei, welche durch die Kanäle 67 nach außen strömen und einen beispielsweise am Befestigungskranz 68 befestigten Luftsack aufblasen.
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14 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß gehäusten Drucksensor 1. Das Gehäuse 26 mit Sockel 10 und Kappe 25 dieser Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich dem in 8 dargestellten Gehäuse der dort gezeigten Zündvorrichung 1 aufgebaut. Der Schweißrand 7 des Metall-Trägerteils 3 und die damit verschweißte Krempe 44 der Kappe 25 bilden einen Flansch 46. Dieser kann zur Befestigung in einer Aufnahmeöffnung und – zusammen mit einem Dichtungsring – zur Abdichtung der Aufnahmeöffnung für den Sensor 80 verwendet werden. Auf die Pins 15, 17 ist eine Leiterplatte 82 mit Öffnungen 54, 55 und Leiterbahnen 83 aufgesetzt und mit den Pins 15, 17 verlötet. Auf der Leiterplatte 82 sind eine an die Leiterbahnen angeschlossene Sensoreinrichtung 84 und eventuelle weitere Bauelemente 85 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 84 und Bauelemente 85 können beispielsweise SMT-Bauteile sein. Ein zusätzlich im Gehäuse 26 eingeschlossenes Fluid sorgt für eine Weitergabe des auf dem Gehäuse 26 lastenden, zu messenden Drucks auf die Sensoreinrichtung. Beispielsweise kann der Drucksensor in eine Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs zur Messung des Bremsdrucks eingesetzt werden. Durch die hermetische Verkapselung wird eine Langzeitstabilität des Bauelements unterstützt und auch ein direkter Kontakt mit der Bremsflüssigkeit oder – je nach Einsatzzweck – einem anderen Fluid – vermieden. Auch andere Sensoren, wie Temperatursensoren können mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse versehen werden.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündvorrichtung
- 3
- Metall-Trägerteil
- 5
- Grundkörper von 3
- 7
- Schweißrand von 3
- 9
- Öffnung in 3
- 10
- Sockel
- 11
- Glas-Metall-Durchführung
- 13
- Glas
- 15, 17
- Pin
- 19
- Hartlot
- 21
- Vergoldung
- 23
- axiale Mittenachse von 3
- 25
- Kappe
- 26
- Gehäuse
- 27
- Laserschweißnaht
- 29
- Sollbruchstelle in 25
- 40
- Treibladung
- 42
- Zündbrücke
- 44
- Krempe von 25
- 46
- Flansch
- 48
- isolierende Platte
- 50
- Dickschichtleiter
- 52
- Lot
- 54, 55
- Öffnungen für 15, 17 in 48
- 57
- Kerbe
- 59
- Schneide
- 60
- auf 5 aufgeschmolzener Ring
- 62
- Gasgenerator
- 64
- mittlerer Hohlraum von 62
- 65
- Treibstoffbehälter von 62
- 66, 67
- Kanäle
- 68
- Befestigungskranz
- 71
- Dicke von 7
- 72
- Höhe von 7
- 80
- Drucksensor
- 82
- Platine
- 83
- Leiterbahn
- 84
- Sensoreinrichtung
- 85
- Bauelement
- 86
- Fluid
- 91
- Absatz in 9
