EP0548433B1 - Dispositif de mise à feu piézo-électrique pour l'actionnement d'un allumeur électrique à fil résistant - Google Patents

Dispositif de mise à feu piézo-électrique pour l'actionnement d'un allumeur électrique à fil résistant Download PDF

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EP0548433B1
EP0548433B1 EP19910403523 EP91403523A EP0548433B1 EP 0548433 B1 EP0548433 B1 EP 0548433B1 EP 19910403523 EP19910403523 EP 19910403523 EP 91403523 A EP91403523 A EP 91403523A EP 0548433 B1 EP0548433 B1 EP 0548433B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
mass
button
push
piezoelectric
bore
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP19910403523
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German (de)
English (en)
Other versions
EP0548433A1 (fr
Inventor
Edmond Roustant
Jacques Kartzeff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Group SAS
Original Assignee
Airbus Group SAS
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41A—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS COMMON TO BOTH SMALLARMS AND ORDNANCE, e.g. CANNONS; MOUNTINGS FOR SMALLARMS OR ORDNANCE
    • F41A19/00—Firing or trigger mechanisms; Cocking mechanisms
    • F41A19/58—Electric firing mechanisms
    • F41A19/60—Electric firing mechanisms characterised by the means for generating electric energy
    • F41A19/62—Piezoelectric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks
    • F23Q3/002—Igniters using electrically-produced sparks using piezoelectric elements

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric firing device designed to actuate an electric igniter with a resistant wire of a pyrotechnic assembly.
  • Such a device can in particular be used on shooting stations of different natures, to ensure the ignition of any pyrotechnic assembly actuated by an electric igniter with low or medium energy resistant wire.
  • Piezoelectric generators are often used in armament for the firing of active heads (anti-tank, flash, etc.), equipping rockets, missiles or artillery projectiles.
  • the piezoelectric generator is consumable. It operates under the effect of impact impact on the target and ignites a very low or low energy detonator or igniter of the spark gap or breakdown type.
  • the operating mode of this type of component is as follows. The high voltage produced by the generator creates a spark between two electrodes, which initiates a pyrotechnic composition. The primary component in turn initiates the entire pyrotechnic chain and leads to the operation of the main charge. As illustrated in document US-A-3 106 161, it has also been envisaged to interpose a transformer between the piezoelectric generator and the detonator.
  • the invention relates to a non-consumable firing device which can be actuated a very large number of times and capable of igniting an electric igniter with a resistant wire of low or medium energy (1.5 to 5 mJ) and operating by effect. Joule.
  • the firing of such an electric igniter with a resistant wire is carried out in a conventional manner by means of linear electromagnetic devices, devices with a rotating generator or devices with cells or batteries.
  • Linear electromagnetic devices constituted for example by a coil with plunger core or by a gap rupture system, are based on an abrupt variation of the flux inside a magnetic circuit. They have the advantage of being able to produce a fairly large amount of energy. However, they are quite heavy and relatively expensive, because they often require a cocking lever, in order to allow the delivery, by action on a trigger, the mechanical energy necessary for the activation of the electromagnetic system.
  • Battery or battery devices can be classified into three categories.
  • a battery is used directly to produce the ignition.
  • Such a device must include a protective resistor to protect against a short circuit of the igniter. This resistance, which is added to the internal resistance of the battery and that of the igniter, means that the intensity supplied by the device can sometimes be insufficient.
  • a battery charges a working capacitor before firing. This device makes it possible to provide the impulse necessary for firing, but its response time determined by the charging time of the capacitor is sometimes too long.
  • An improvement to battery and capacitor devices consists in adding an electronic signal processing circuit, making it possible to calibrate the latter according to the conditions of use.
  • This improvement which does not solve the problems mentioned above, also has the drawback of adding electronic circuits to these devices which can be complex and costly.
  • the subject of the invention is precisely a particularly simple piezoelectric firing device which can be reused a very large number of times (a few thousand), capable of being actuated manually and providing an electrical signal of high intensity and of sufficient duration to order a low or medium energy resistant wire igniter with sufficient safety margin.
  • a piezoelectric firing device for actuating an electric igniter with a resistant wire, comprising a piezoelectric generator capable of supplying electrical energy when it is stressed, and a control mechanism, characterized by the fact that the control mechanism comprises a control member whose actuation has the effect of propelling a mass with a predetermined force against the piezoelectric generator, the device comprising in association a transformer whose primary winding is electrically connected to the piezo generator -electric and a secondary winding of which is capable of being connected to the igniter.
  • the device also includes automatic reset means controlling the return of the control member and the mass to the rest positions as soon as it stops. actuation of the control member.
  • these automatic resetting means comprise elastic means for returning the push button to its rest position and means for controlling a reverse and a reverse rotation of said mass to its rest position during a retreat of the push button.
  • the means for controlling a rotation of the mass, the means for immobilizing the mass in translation in the body and the means for controlling a recoil and a reverse rotation of said mass comprise a radial pin secured to said mass; this pin passes through at least one cutout formed in a tubular part of the push button and which comprises two opposite ramps, and projects into at least one L-shaped groove formed in said bore and the two branches of which are oriented respectively in a circumferential direction and in an axial direction; means are provided to prevent relative rotation between the push button and the body.
  • the actuating means can then include a compression spring housed in the tubular part of the push button, between the mass and a push button firing button.
  • the elastic return means may comprise a second compression spring housed in the bore between one end of the push button and the piezoelectric generator.
  • the piezoelectric generator comprises a piezoelectric element prestressed in the direction of movement of said mass between two electrically conductive parts, electrically isolated from each other, a first of these parts constituting a cap capable of being struck by said mass.
  • the piezoelectric firing device comprises, inside a bore 12 formed in a housing 10, a control mechanism 14, a piezoelectric generator 16 and a transformer 18 mounted end to end and in this order.
  • the control mechanism 14 comprises a cylindrical body 20 traversed along its axis by a bore 22.
  • a push button 24 is slidably mounted in this bore 22 and protrudes outside through an opening formed in a removable part 10a of the housing 10.
  • the push button 24 mainly consists of a tubular part 26, the end of which is located outside the housing 10 carries a firing button 28, for example by means of a pin 30.
  • the push button 24 is immobilized in rotation inside the body 20 of the control mechanism 14, for example by a finger 32 which projects radially outside the cylindrical part 26 and enters a longitudinal groove 34 machined in the bore wall 22.
  • a metallic mass 36 is mounted in the tubular part 26 of the push button 24 so as to be able to move therein in rotation and in translation.
  • This mass 36 is crossed radially by a pin 38 whose ends pass through two cutouts 40, symmetrical with respect to the axis of the push button 24, formed in the tubular part 26 of the push button 24 and penetrate into two grooves 42, symmetrical by relative to the same axis, machined in the wall of bore 22.
  • each of the two cutouts 40 formed in the tubular part 26 of the push button 24 has substantially the shape of a parallelogram, of which two opposite parallel edges 40a and 40b are oriented parallel to the axis common to the bore 22 and the push button 24 and whose two other parallel opposite edges 40c and 40d form ramps. More specifically, the edge 40c is inclined towards the outer end of the push button 24 carrying the firing button 28, from the edge 40a, and the edge 40d is inclined towards the opposite inner end of the push button 24, from the edge 40b. Furthermore, the edge 40b of each of the cutouts 40 is angularly offset in an anticlockwise direction with respect to the edge 40a, looking from the right to the left in the figures.
  • each of the two grooves 42 has the shape of an L, one of the branches 42a of which is oriented in an axial direction, that is to say parallel to the axis of the bore 22, and the other branch 42b of which is oriented in a circumferential direction, that is to say located in a radial plane relative to the axis of the bore 22.
  • the branch 42b of each of the grooves 42 in the form L is connected to the branch 42a at the end of the latter facing the removable part 10a of the housing 10, and rotates clockwise looking from right to left in the figures.
  • a compression spring 44 constituting elastic means for actuating the control mechanism 14 is housed in the tubular part 26 of the push button 24, so as to be compressed between the end of this tubular part carrying the firing button 28 and the end opposite the mass 36.
  • another compression spring 46 constituting elastic return means for the push button 24 and the mass 36, is housed in the bore 22 between the end of the push button 24 located at the inside the body 20 and the piezoelectric generator 16.
  • the button push-button 24 and the metallic mass 26 normally occupy at rest the positions illustrated in FIG. 1.
  • the push-button 24 then projects as far as possible outside of the removable part 10a of the housing 10.
  • the pin 38 mounted in the mass 36 is then resting in the closest acute angle to the piezoelectric generator 16, formed between the edges 40a and 40d of each of the cutouts 40.
  • the ends of the pin 40 are located in the circumferential branches 42b of each of the grooves 42 L-shaped, in the ends of these branches 42b furthest from the longitudinal branches 42a.
  • the pin 38 runs along the inclined edges 40c of the cutouts 40, so that the mass 36 rotates in an anti-clockwise direction looking from the right towards the left in the figures.
  • the ends of the pin 38 run through the circumferential branches 42b of the L-shaped grooves 42, gradually approaching the longitudinal branches 42a.
  • the mass 36 is therefore always immobilized in translation in the bore 22 by the cooperation of the ends of the pin 38 with the branches 42b.
  • the compression of the spring 44 continues.
  • the spring 46 recalls the push button 24 towards its rest position illustrated in FIG. 1. From the start of this movement, the pin 38 comes to bear against the inclined edges 40d of the cutouts 40, near the longitudinal edges 40b. However, since the ends of the pin 38 are then located in the axial parts 42a of the L-shaped grooves 42, the mass 36 cannot rotate and therefore moves together with the push button 24 away from the piezo generator electric 16.
  • the piezoelectric generator 16 comprises a piezoelectric element 48 constituted by a small piezoelectric ceramic bar, the dimensions of which are determined according to the characteristics which are desired. get.
  • This piezoelectric element 48 is arranged along the axis of the bore 12 of the housing 10, in the extension of the bore 22 formed in the body 20 of the control mechanism 14.
  • the piezoelectric element 48 is surrounded by an insulating element 50 and compressed axially between two electrically conductive parts constituted by a cap 52 and by a positive stud 54.
  • the support planes between the axial ends of the piezoelectric element 48 and, on the one hand, the cap 52, and, on the other hand, the positive stud 56 have very good geometric correction in order to guarantee good transmission of electrical signals delivered by the generator.
  • the cap 52 has a disc-shaped part which penetrates into the adjacent end of the bore 22, one face of which is in contact with the piezoelectric element 48 and the face of which faces towards the inside of this bore carries a convex protuberance 52a (FIGS. 3 and 4) which is struck by the mass 36 during actuation of the control mechanism 14. Outside of the bore 22 and around the insulating element 50, this part in the form of disk of the cap 52 is extended by a frustoconical part of small thickness 52b terminated by a tubular end part 52c.
  • the positive stud 54 has the shape of a disc, one face of which is in contact with the end of the piezoelectric element opposite the cap 52 and the opposite face of which carries in its center a cylindrical piece 54a of electrical connection.
  • the part of the positive stud 54 adjacent to the piezoelectric element 48 is surrounded by a second insulating element 56 which also partially surrounds the insulating element 50 and the end of which penetrates inside the tubular end part 52c of the cap 52.
  • the insulating material constituting the element 56 is chosen so as to have good mechanical hardness and high dielectric rigidity.
  • the piezoelectric generator 16 further comprises a metal carcass constituted by a body 58 and by an annular nut 60.
  • the annular nut 60 is screwed onto the end of the body 58 facing the control mechanism 14 and it has a part which projects radially towards the inside, so as to be in abutment on the frustoconical part of small thickness 52b of the cap 52.
  • This arrangement makes it possible to apply to the assembly an axial prestress on the piezoelectric element 48 between the cap 52 and the positive stud 54.
  • This prestress which can be measured during assembly using the piezoelectric element electric 48 as a force sensor, or by any other means, makes it possible to guarantee the transmission to the piezoelectric element of the energy resulting from the impact of the mass 36 on the cap 52, whatever the temperature in a predetermined operating range (for example between about -50 ° C and + 60 ° C).
  • the particular structure of the cap 52 described above guarantees the maintenance of an acceptable prestress despite the differential expansions that occur in this temperature range.
  • the nut 60 further comprises, in its part facing the control mechanism 14, a second threaded part capable of being screwed onto an adjacent threaded end of the body 20 of the mechanism 14, in order to allow the assembly of these two parts.
  • the electrical energy delivered to the igniter is maximum for a given value of the transformation ratio (for example, about 450), which can be determined according to the characteristics of the circuits.
  • a high yield can then be achieved, for example around 8%.
  • one of the advantages of the invention is that the transformation ratio is not critical, the yield remaining close to its maximum value even if the value of the transformation ratio is modified (for example, between approximately 280 and approximately 500 ).
  • the electrical transformer 18 comprises a primary winding which has a large number of turns (for example around 3000) of pre-insulated fine wire and which is connected directly to the piezoelectric generator by two electrical conductors 62 and 64 respectively connected to the body 58 and to the cylindrical part 54a of the positive stud 54.
  • the secondary winding of the transformer 18 on the contrary comprises a small number of turns of wire (of the order of 8) and it is connected to an electric igniter with resistant wire (not shown) external to the device by two electrical conductors 66 running between the wall of the bore 12, the piezoelectric generator 16 and the control mechanism 14.
  • the primary and secondary windings of the transformer 18 are placed on a ferrite jar 68 supported by a rod 70 arranged coaxially inside the bore 12.
  • the use of a ferrite jar transformer with a core makes it possible to improve the overall efficiency of the device and avoid any risk of overvoltage in the event of a load fault on the transformer secondary.
  • the rod 70 is integral with a skirt 72 which fills the annular space formed between the piezoelectric generator 16, the control mechanism 14 and the bore 12. The end of this skirt 70 is fixed to the body 20 of the control mechanism 14 for example by means of screws 72.
  • the assembly formed by the electric transformer 18, the piezoelectric generator 16 and the control mechanism 14 thus constitutes a whole which can be fitted into the bore 12 of the housing 10 when the removable part 10a of this case.
  • the end of the body 20 facing outwards is advantageously provided with a thread which is screwed into a threaded hole formed in this removable part 10a as illustrated in FIG. 1.
  • the pushing by an operator of the push button 24 of the control mechanism 14 has the effect, as described above, of propelling the metallic mass 36 with a predetermined force against the cap 52 of the piezoelectric generator 16.
  • an electrical signal of high voltage (10 to 15 kV) of very short duration (approximately 200 ⁇ s) is generated by the generator piezoelectric 16.
  • this electrical signal is transformed into a low voltage signal (around 30 V).
  • a firing pulse whose maximum intensity reaches approximately 15 A and which lasts approximately 0.2 ms can thus be obtained, which makes it possible to control a resistor with a resistant wire having an inherent resistance of approximately 2 ohms, by using all of the piezoelectric energy supplied by the generator 16.
  • the electrical energy at the output of the piezoelectric ignition device according to the invention can reach up to 17 mJ, which ensures in safe actuation of a resistant wire igniter whose operating energy generally varies between 1.5 and 5 mJ.
  • the electrical conductors 62 and 64 connecting the latter to the transformer 18 are coated with an insulating product 74 with high dielectric strength. It is possible, as indicated above, to reduce the number of turns of the primary, which has the effect of reducing the high voltage and facilitating the insulation of the wires.
  • the piezoelectric firing device makes it possible, in a completely original way, to control an electric igniter with a resistant wire in a particularly simple and inexpensive manner, for a very compact size and an extreme reliability guaranteeing the actuation of the device several thousand times without maintenance.
  • the energy is only delivered at the time of firing, any problem of energy storage is eliminated, which significantly improves safety.
  • the ignition pulse is delivered in a particularly short time (less than 1 ms), which constitutes an appreciable advantage compared to existing battery or battery devices.
  • control mechanism 14 can be modified according to the shape given to the control member (push button, lever, trigger, pedal, etc.) without departing from the scope of the invention.
  • control member push button, lever, trigger, pedal, etc.

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Description

  • L'invention concerne un dispositif de mise à feu piézo-électrique conçu pour réaliser l'actionnement d'un allumeur électrique à fil résistant d'un ensemble pyrotechnique.
  • Un tel dispositif peut notamment être utilisé sur des postes de tir de différentes natures, pour assurer la mise à feu de tout ensemble pyrotechnique actionné par un allumeur électrique à fil résistant de basse ou moyenne énergie.
  • Les générateurs piézo-électriques sont souvent utilisés en armement pour la mise à feu de têtes actives (antichar, à éclats, etc.), équipant des roquettes, missiles ou projectiles d'artillerie. Dans ce cas, le générateur piézo-électrique est consommable. Il fonctionne sous l'effet du choc à l'impact sur la cible et met à feu un détonateur ou un allumeur très basse ou basse énergie de type à éclateur ou à claquage. Le mode de fonctionnement de ce type de composant est le suivant. La haute tension produite par le générateur crée une étincelle entre deux électrodes, laquelle initie une composition pyrotechnique. Le composant primaire initie à son tour l'ensemble de la chaîne pyrotechnique et conduit au fonctionnement de la charge principale. Comme l'illustre le document US-A-3 106 161, il a aussi été envisagé d'interposer un transformateur entre le générateur piézo-électrique et le détonateur.
  • L'invention concerne un dispositif de mise à feu non consommable pouvant être actionné un très grand nombre de fois et capable de mettre à feu un allumeur électrique à fil résistant de basse ou moyenne énergie (1,5 à 5 mJ) et fonctionnant par effet Joule. La mise à feu d'un tel allumeur électrique à fil résistant s'effectue d'une manière classique au moyen de dispositifs électromagnétiques linéaires, de dispositifs à génératrice tournante ou de dispositifs à pile ou batterie.
  • Les dispositifs électromagnétiques linéaires, constitués par exemple par une bobine à noyau plongeur ou par un système à rupture d'entrefer, sont basés sur une brusque variation du flux à l'intérieur d'un circuit magnétique. Ils ont pour avantage de pouvoir produire une énergie assez importante. Cependant, ils sont assez lourds et relativement coûteux, car ils nécessitent souvent un levier d'armement, afin de permettre de délivrer, par action sur une gachette, l'énergie mécanique nécessaire à l'activation du système électromagnétique.
  • Les dispositifs à génératrice tournante tels que les dynamos et alternateurs ont pour avantage de pouvoir produire, dans un encombrement restreint, des énergies relativement importantes. Cependant, ces dispositifs sont relativement complexes et coûteux, notamment en raison du mécanisme d'entraînement rapide de la génératrice.
  • Les dispositifs à pile ou à batterie peuvent être rangés en trois catégories.
  • Dans la première catégorie, une pile est utilisée directement pour produire la mise à feu. Un tel dispositif doit comporter une résistance de protection permettant de se protéger d'un court circuit de l'allumeur. Cette résistance, qui s'ajoute à la résistance interne de la pile et à celle de l'allumeur, fait que l'intensité fournie par le dispositif peut parfois être insuffisante.
  • Dans la deuxième catégorie de dispositifs de ce type, une batterie charge un condensateur de travail avant le tir. Ce dispositif permet de fournir l'impulsion nécessaire à la mise à feu, mais son temps de réponse déterminé par le temps de charge du condensateur est parfois trop long.
  • Un perfectionnement aux dispositifs à batterie et condensateur consiste à ajouter un circuit de traitement électronique du signal, permettant de calibrer ce dernier en fonction des conditions d'utilisation. Ce perfectionnement, qui ne résoud pas les problèmes mentionnés précédemment, a en outre pour inconvénient d'ajouter à ces dispositifs des circuits électroniques qui peuvent être complexes et coûteux.
  • Un inconvénient majeur de ces dispositifs à pile ou à batterie est qu'ils demandent une vérification de l'état des piles avant chaque utilisation et un remplacement périodique des batteries. De plus, une énergie stockée en permanence nécessite une très grande rigueur dans l'élaboration des systèmes de sécurité.
  • Dans le document FR-A-2 123 924, il a aussi été envisagé d'assurer la mise à feu d'un inflammateur électrique par l'intermédiaire d'un transformateur dont le primaire est connecté à un élément piézo-électrique. Cependant, cet élément est activé par décompression ce qui se traduit par un décalage entre la production du courant électrique et son utilisation.
  • L'invention a précisément pour objet un dispositif de mise à feu piézo-électrique particulièrement simple et réutilisable un très grand nombre de fois (quelques milliers), apte à être actionné manuellement et fournissant un signal électrique d'intensité élevée et de durée suffisante pour commander un allumeur électrique à fil résistant de basse ou moyenne énergie avec une marge de sécurité suffisante.
  • Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif de mise à feu piézo-électrique pour l'actionnement d'un allumeur électrique à fil résistant, comprenant un générateur piézo-électrique apte à fournir une énergie électrique lorsqu'il est soumis à une contrainte, et un mécanisme de commande, caractérisé par le fait que le mécanisme de commande comprend un organe de commande dont un actionnement a pour effet de propulser une masse avec une force prédéterminée contre le générateur piézo-électrique, le dispositif comprenant en association un transformateur dont un enroulement primaire est raccordé électriquement au générateur piézo-électrique et dont un enroulement secondaire est apte à être raccordé sur l'allumeur.
  • Dans un tel dispositif, un actionnement manuel de l'organe de commande déclenche le mécanisme de commande qui propulse la masse contre le générateur piézo-électrique. L'énergie parfaitement contrôlée du choc ainsi produit engendre à la sortie du générateur piézo-électrique un signal électrique haute tension (par exemple, 10 à 15 kV) de très courte durée (environ 200 µs). Le transformateur transforme ce signal électrique en un signal basse tension (environ 30 V), mais présentant une intensité élevée (environ 15 A) suffisante pour que l'actionnement de l'allumeur à fil résistant puisse avoir lieu. En outre, ce dispositif fournit une énergie électrique, pouvant atteindre jusqu'à environ 17 mJ, qui présente une marge de sécurité suffisante pour assurer la mise à feu d'un initiateur à fil résistant de basse ou moyenne énergie (1,5 mJ à environ 5 mJ).
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le mécanisme de commande comprend :
    • un corps fixé au générateur piézo-électrique et dans lequel est formé un alésage dont une extrémité débouche en face de ce générateur ;
    • un bouton poussoir monté coulissant dans ledit alésage, et constituant l'organe de commande ;
    • des moyens pour commander une rotation de ladite masse dans un premier sens jusqu'à une position angulaire prédéterminée lors d'un enfoncement du bouton poussoir ;
    • des moyens pour immobiliser la masse en translation dans ledit corps lorsqu'elle n'est pas dans ladite position angulaire prédéterminée ; et
    • des moyens élastiques d'actionnement comprimés entre la masse et le bouton poussoir lors d'un enfoncement de ce dernier, de façon à emmagasiner ladite force prédéterminée qui propulse la masse contre le générateur piézo-électrique lorsque ladite masse atteint la position angulaire prédéterminée.
  • Afin que le dispositif soit réutilisable un grand nombre de fois sans que l'opérateur ait à intervenir, il comprend de plus des moyens de réarmement automatique commandant le retour de l'organe de commande et de la masse dans des positions de repos dès que cesse l'actionnement de l'organe de commande.
  • Avantageusement, ces moyens de réarmement automatique comprennent des moyens élastiques de rappel du bouton poussoir vers sa position de repos et des moyens pour commander un recul et une rotation inverse de ladite masse jusqu'à sa position de repos lors d'un recul du bouton poussoir.
  • Avantageusement, les moyens pour commander une rotation de la masse, les moyens pour immobiliser la masse en translation dans le corps et les moyens pour commander un recul et une rotation inverse de ladite masse comprennent une goupille radiale solidaire de ladite masse ; cette goupille traverse au moins une découpe formée dans une partie tubulaire du bouton poussoir et qui comporte deux rampes opposées, et fait saillie dans au moins une rainure en forme de L formée dans ledit alésage et dont les deux branches sont orientées respectivement selon une direction circonférentielle et selon une direction axiale ; des moyens sont prévus pour empêcher une rotation relative entre le bouton poussoir et le corps.
  • Les moyens d'actionnement peuvent alors comprendre un ressort de compression logé dans la partie tubulaire du bouton poussoir, entre la masse et un bouton de tir du bouton poussoir.
  • Par ailleurs, les moyens élastiques de rappel peuvent comprendre un deuxième ressort de compression logé dans l'alésage entre une extrémité du bouton poussoir et le générateur piézo-électrique.
  • Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le générateur piézo-électrique comprend un élément piézo-électrique précontraint selon la direction de déplacement de ladite masse entre deux pièces électriquement conductrices, isolées électriquement l'une de l'autre, une première de ces pièces constituant une coiffe apte à être heurtée par ladite masse.
  • Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale représentant un dispositif de mise à feu piézo-électrique conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est une vue en perspective et en coupe représentant à plus grande échelle l'intérieur de l'alésage formé dans le corps du mécanisme de commande et dans lequel sont reçus le bouton poussoir et la masse apte à venir percuter le générateur piézo-électrique ;
    • la figure 3 est une vue en coupe longitudinale partielle représentant une partie du mécanisme de commande dans la position qu'il occupe normalement au repos ; et
    • la figure 4 est une vue comparable à la figure 3 représentant la même partie du mécanisme de commande dans sa position enfoncée d'actionnement.
  • Comme l'illustre la figure 1, le dispositif de mise à feu piézo-électrique conforme à l'invention comprend, à l'intérieur d'un alésage 12 formé dans un boîtier 10, un mécanisme de commande 14, un générateur piézo-électrique 16 et un transformateur 18 montés bout à bout et dans cet ordre.
  • Le mécanisme de commande 14 comporte un corps cylindrique 20 traversé selon son axe par un alésage 22. Un bouton poussoir 24 est monté coulissant dans cet alésage 22 et fait saillie à l'extérieur au travers d'une ouverture formée dans une partie amovible 10a du boîtier 10. Le bouton poussoir 24 se compose principalement d'une partie tubulaire 26 dont l'extrémité située à l'extérieur du boîtier 10 porte un bouton de tir 28, par exemple par l'intermédiaire d'une goupille 30.
  • Le bouton poussoir 24 est immobilisé en rotation à l'intérieur du corps 20 du mécanisme de commande 14, par exemple par un doigt 32 qui fait saillie radialement à l'extérieur de la partie cylindrique 26 et pénètre dans une rainure longitudinale 34 usinée dans la paroi de l'alésage 22.
  • Une masse métallique 36, de forme cylindrique, est montée dans la partie tubulaire 26 du bouton poussoir 24 de façon à pouvoir se déplacer dans ce dernier en rotation et en translation. Cette masse 36 est traversée radialement par une goupille 38 dont les extrémités passent dans deux découpes 40, symétriques par rapport à l'axe du bouton poussoir 24, formées dans la partie tubulaire 26 du bouton poussoir 24 et pénètrent dans deux rainures 42, symétrique par rapport au même axe, usinées dans la paroi de l'alésage 22.
  • Comme le montrent mieux les figures 3 et 4, chacune des deux découpes 40 formées dans la partie tubulaire 26 du bouton poussoir 24 présente sensiblement la forme d'un parallélogramme dont deux bords opposés parallèles 40a et 40b sont orientés parallèlement à l'axe commun à l'alésage 22 et au bouton poussoir 24 et dont les deux autres bords opposés parallèles 40c et 40d forment des rampes. Plus précisément, le bord 40c est incliné vers l'extrémité extérieure du bouton poussoir 24 portant le bouton de tir 28, à partir du bord 40a, et le bord 40d est incliné vers l'extrémité intérieure opposée du bouton poussoir 24, à partir du bord 40b. Par ailleurs, le bord 40b de chacune des découpes 40 est décalé angulairement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par rapport au bord 40a, en regardant de la droite vers la gauche sur les figures.
  • Comme l'illustre la figure 2, chacune des deux rainures 42 présente la forme d'un L dont l'une des branches 42a est orientée selon une direction axiale, c'est-à-dire parallèlement à l'axe de l'alésage 22, et dont l'autre branche 42b est orientée selon une direction circonférentielle, c'est-à-dire située dans un plan radial par rapport à l'axe de l'alésage 22. La branche 42b de chacune des rainures 42 en forme de L est raccordée sur la branche 42a à l'extrémité de cette dernière tournée vers la partie amovible 10a du boîtier 10, et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre en regardant de la droite vers la gauche sur les figures.
  • En se reportant à la figure 1, on observe qu'un ressort de compression 44 constituant des moyens élastiques d'actionnement du mécanisme de commande 14 est logé dans la partie tubulaire 26 du bouton poussoir 24, de façon à être comprimé entre l'extrémité de cette partie tubulaire portant le bouton de tir 28 et l'extrémité en vis-à-vis de la masse 36.
  • Pour compléter la description du mécanisme de commande 14, un autre ressort de compression 46 constituant des moyens élastiques de rappel pour le bouton poussoir 24 et la masse 36, est logé dans l'alésage 22 entre l'extrémité du bouton poussoir 24 située à l'intérieur du corps 20 et le générateur piézo-électrique 16.
  • Sous l'action du ressort de rappel 46, le bouton poussoir 24 et la masse métallique 26 occupent normalement au repos les positions illustrées sur la figure 1. Le bouton poussoir 24 fait alors saillie au maximum à l'extérieur de la partie amovible 10a du boîtier 10. La goupille 38 montée dans la masse 36 est alors en appui dans l'angle aigu le plus proche du générateur piézo-électrique 16, formé entre les bords 40a et 40d de chacune des découpes 40. De plus, les extrémités de la goupille 40 se trouvent dans les branches circonférentielles 42b de chacune des gorges 42 en forme de L, dans les extrémités de ces branches 42b les plus éloignées des branches longitudinales 42a.
  • Lorsqu'un opérateur enfonce le bouton poussoir 24 en agissant sur le bouton de tir 28, il ne se produit aucune rotation de la masse 36 tant que les extrémités de la goupille 38 n'arrivent pas dans les angles obtus formés entre les bords 40a et 40c de chacune des découpes 40 (figure 3). Par conséquent, les extrémités des goupilles 38 restent bloquées dans les branches 42b des gorges 42 en forme de L et la masse 36 reste immobile. Il se produit donc une compression du ressort 44.
  • Si l'opérateur poursuit l'enfoncement du bouton poussoir 24, la goupille 38 parcourt les bords inclinés 40c des découpes 40, de telle sorte que la masse 36 tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en regardant de la droite vers la gauche sur les figures. Au cours de cette rotation, les extrémités de la goupille 38 parcourent les branches circonférentielles 42b des gorges 42 en forme de L, en se rapprochant progressivement des branches longitudinales 42a. La masse 36 est donc toujours immobilisée en translation dans l'alésage 22 par la coopération des extrémités de la goupille 38 avec les branches 42b. Pendant cette phase de l'actionnement du dispositif, la compression du ressort 44 se poursuit.
  • Lorsque l'enfoncement du bouton poussoir 24 amène la goupille 38 à proximité des angles délimités entre les bords 40c et 40d des découpes 40 (position illustrée en trait mixte sur la figure 4), les extrémités de la goupille 38 arrivent en face des branches longitudinales 42a des gorges 42 en forme de L. L'énergie emmagasinée par la compression du ressort 44 se trouve alors brusquement libérée et propulse la masse 36 vers le générateur piézo-électrique 16, de telle sorte que la masse 36 vient heurter ce générateur. Etant donné que la contrainte du ressort 44 pour laquelle le déplacement de la masse 36 vers le générateur piézo-électrique se produit est déterminée par construction, l'énergie transmise au générateur piézo-électrique est connue et reproductible.
  • Lorsque l'opérateur relâche son action sur le bouton de tir 28, le ressort 46 rappelle le bouton poussoir 24 vers sa position de repos illustrée sur la figure 1. Dès le début de ce déplacement, la goupille 38 vient en appui contre les bords inclinés 40d des découpes 40, à proximité des bords longitudinaux 40b. Cependant, étant donné que les extrémités de la goupille 38 se trouvent alors dans les parties axiales 42a des rainures 42 en forme de L, la masse 36 ne peut pas tourner et se déplace donc conjointement avec le bouton poussoir 24 en éloignement du générateur piézo-électrique 16.
  • Vers la fin de ce déplacement conjoint, les extrémités de la goupille 38 arrivent en face des branches 42b des gorges 42, de sorte que la masse 36 est entraînée en rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en regardant vers l'extrémité extérieure ouverte de l'alésage 22 sous l'effet de la coopération de la goupille 38 avec les bords inclinés 40d des découpes 40. La masse 36 se retrouve ainsi automatiquement dans sa position de repos illustrée sur la figure 1.
  • En se reportant à nouveau à la figure 1, on voit que le générateur piézo-électrique 16 comprend un élément piézo-électrique 48 constitué par un petit barreau de céramique piézo-électrique dont les dimensions sont déterminées en fonction des caractéristiques que l'on désire obtenir. Cet élément piézo-électrique 48 est disposé selon l'axe de l'alésage 12 du boîtier 10, dans le prolongement de l'alésage 22 formé dans le corps 20 du mécanisme de commande 14.
  • L'élément piézo-électrique 48 est entouré d'un élément isolant 50 et comprimé axialement entre deux pièces électriquement conductrices constituées par une coiffe 52 et par un plot positif 54.
  • Les plans d'appui entre les extrémités axiales de l'élément piézo-électrique 48 et, d'une part, la coiffe 52, et, d'autre part, le plot positif 56 présentent une très bonne correction géométrique afin de garantir une bonne transmission des signaux électriques délivrés par le générateur.
  • La coiffe 52 comporte une partie en forme de disque qui pénètre dans l'extrémité adjacente de l'alésage 22, dont une face est en contact avec l'élément piézo-électrique 48 et dont la face tournée vers l'intérieur de cet alésage porte une protubérance bombée 52a (figures 3 et 4) que vient heurter la masse 36 lors de l'actionnement du mécanisme de commande 14. A l'extérieur de l'alésage 22 et autour de l'élément isolant 50, cette partie en forme de disque de la coiffe 52 est prolongée par une partie tronconique de faible épaisseur 52b terminée par une partie tubulaire d'extrémité 52c.
  • Le plot positif 54 a la forme d'un disque dont une face est en contact avec l'extrémité de l'élément piézo-électrique opposée à la coiffe 52 et dont la face opposée porte en son centre une pièce cylindrique 54a de raccordement électrique.
  • La partie du plot positif 54 adjacente à l'élément piézo-électrique 48 est entourée par un deuxième élément isolant 56 qui entoure également en partie l'élément isolant 50 et dont l'extrémité pénètre à l'intérieur de la partie tubulaire d'extrémité 52c de la coiffe 52. Le matériau isolant constituant l'élément 56 est choisi de façon à présenter une bonne dureté mécanique et une rigidité diélectrique importante.
  • Le générateur piézo-électrique 16 comprend de plus une carcasse métallique constituée par un corps 58 et par un écrou annulaire 60. Le corps 58 placé autour de l'élément isolant 56, prend appui sur une face de cet élément tournée vers le transformateur électrique 18 et est en contact électrique avec la partie tubulaire d'extrémité 52c de la coiffe 52. L'écrou annulaire 60 est vissé sur l'extrémité du corps 58 tournée vers le mécanisme de commande 14 et il comporte une partie qui fait saillie radialement vers l'intérieur, de façon à être en appui sur la partie tronconique de faible épaisseur 52b de la coiffe 52.
  • Cet agencement permet d'appliquer au montage une précontrainte axiale sur l'élément piézo-électrique 48 entre la coiffe 52 et le plot positif 54. Cette précontrainte, que l'on peut mesurer lors du montage en se servant de l'élément piézo-électrique 48 comme capteur d'effort, ou par tout autre moyen, permet de garantir la transmission à l'élément piézo-électrique de l'énergie résultant de l'impact de la masse 36 sur la coiffe 52, quelle que soit la température dans une gamme de fonctionnement prédéterminée (par exemple entre environ -50°C et +60°C). La structure particulière de la coiffe 52 décrite précédemment garantit le maintien d'une précontrainte acceptable malgré les dilatations différentielles qui se produisent dans cette gamme de température.
  • L'écrou 60 comporte en outre, dans sa partie tournée vers le mécanisme de commande 14, une deuxième partie filetée apte à être vissée sur une extrémité adjacente filetée du corps 20 du mécanisme 14, afin de permettre l'assemblage de ces deux pièces.
  • Pour un choc d'énergie mécanique donnée, l'énergie électrique délivrée à l'allumeur est maximale pour une valeur donnée du rapport de transformation (par exemple, environ 450), que l'on peut déterminer en fonction des caractéristiques des circuits. On peut alors atteindre un rendement élevé, par exemple d'environ 8 %.
  • Cependant, un des avantages de l'invention est que le rapport de transformation n'est pas critique, le rendement restant proche de sa valeur maximale même si la valeur du rapport de transformation est modifiée (par exemple, comprise entre environ 280 et environ 500).
  • On peut ainsi, pour faciliter la réalisation du transformateur, abaisser légèrement le rapport de transformation en réduisant le nombre de spires au primaire. Le rapport de transformation peut même être réduit plus nettement si l'on désire abaisser sensiblement le coût du dispositif, mais cela se fait alors au détriment du rendement et, par conséquent, de la fiabilité d'actionnement de l'allumeur.
  • Dans l'exemple de réalisation décrit, le transformateur électrique 18 comprend un enroulement primaire qui comporte un grand nombre de spires (par exemple environ 3000) de fil fin préisolé et qui est relié directement au générateur piézo-électrique par deux conducteurs électriques 62 et 64 raccordés respectivement sur le corps 58 et sur la pièce cylindrique 54a du plot positif 54. L'enroulement secondaire du transformateur 18 comprend au contraire un petit nombre de spires de fil (de l'ordre de 8) et il est relié à un allumeur électrique à fil résistant (non représenté) extérieur au dispositif par deux conducteurs électriques 66 cheminant entre la paroi de l'alésage 12, le générateur piézo-électrique 16 et le mécanisme de commande 14.
  • Les enroulements primaire et secondaire du transformateur 18 sont placés sur un pot de ferrite 68 supporté par une tige 70 disposée coaxialement à l'intérieur de l'alésage 12. L'utilisation d'un transformateur à pot de ferrite à noyau, permet d'améliorer le rendement global du dispositif et évite tout risque de surtension en cas de défaut de charge sur le secondaire du transformateur. La tige 70 est solidaire d'une jupe 72 qui remplit l'espace annulaire formé entre le générateur piézo-électrique 16, le mécanisme de commande 14 et l'alésage 12. L'extrémité de cette jupe 70 est fixée sur le corps 20 du mécanisme de commande 14 par exemple au moyen de vis 72.
  • L'ensemble formé par le transformateur électrique 18, le générateur piézo-électrique 16 et le mécanisme de commande 14 constitue ainsi un tout qui peut être emmanché dans l'alésage 12 du boîtier 10 lors de la mise en place de la partie amovible 10a de ce boîtier. A cet effet, l'extrémité du corps 20 tourné vers l'extérieur est avantageusement pourvue d'un filetage qui est vissé dans un trou taraudé formé dans cette partie amovible 10a comme l'illustre la figure 1.
  • Dans le dispositif de mise à feu piézo-électrique qui vient d'être décrit, l'enfoncement par un opérateur du bouton poussoir 24 du mécanisme de commande 14 a pour effet, comme on l'a décrit précédemment, de propulser la masse métallique 36 avec une force prédéterminée contre la coiffe 52 du générateur piézo-électrique 16. Sous l'effet de l'impact, un signal électrique de forte tension (10 à 15 kV) de très faible durée (environ 200 µs) est engendré par le générateur piézo-électrique 16.
  • Dans le transformateur 18, ce signal électrique est transformé en un signal de faible tension (environ 30 V). Une impulsion de mise à feu dont l'intensité maximale atteint environ 15 A et qui dure environ 0,2 ms peut ainsi être obtenue, ce qui permet de commander un allumeur à fil résistant ayant une résistance propre d'environ 2 ohms, en utilisant la totalité de l'énergie piézo-électrique fournie par le générateur 16. Par ailleurs, l'énergie électrique à la sortie du dispositif de mise à feu piézo-électrique selon l'invention peut atteindre jusqu'à 17 mJ, ce qui assure en toute sécurité l'actionnement d'un allumeur à fil résistant dont l'énergie de fonctionnement varie généralement entre 1,5 et 5 mJ.
  • Compte tenu de la très haute tension du signal délivré par le générateur piézo-électrique, les conducteurs électriques 62 et 64 reliant ce dernier au transformateur 18 sont enrobés par un produit isolant 74 à rigidité diélectrique importante. On peut, comme signalé ci-dessus, diminuer le nombre de spires du primaire, ce qui a pour effet de réduire la haute tension et de faciliter l'isolement des fils.
  • Le dispositif de mise à feu piézo-électrique selon l'invention permet, de façon totalement originale, de commander un allumeur électrique à fil résistant d'une manière particulièrement simple et peu coûteuse, pour un encombrement très réduit et une fiabilité extrème garantissant l'actionnement du dispositif plusieurs milliers de fois de suite sans maintenance. De plus, étant donné que l'énergie n'est délivrée qu'à l'instant du tir, tout problème de stockage d'énergie est supprimé, ce qui améliore notablement la sécurité. Enfin, l'impulsion de mise à feu est délivrée en un temps particulièrement court (inférieur à 1 ms), ce qui constitue un avantage appréciable par rapport aux dispositifs à pile ou à batterie existants.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, on comprendra aisément que le mécanisme de commande 14 peut être modifié selon la forme donnée à l'organe de commande (bouton poussoir, levier, gachette, pédale, etc.) sans sortir du cadre de l'invention. Il en est de même de la structure de montage du générateur piézo-électrique 16, et du rapport de transformation qui n'est pas critique, comme on l'a dit.

Claims (10)

  1. Dispositif de mise à feu piézo-électrique pour l'actionnement d'un allumeur électrique à fil résistant, comprenant un générateur piézo-électrique (16) apte à fournir une énergie électrique lorsqu'il est soumis à une contrainte, et un mécanisme de commande (14), caractérisé par le fait que le mécanisme de commande (14) comprend un organe de commande (24) dont un actionnement a pour effet de propulser une masse (36) avec une force prédéterminée contre le générateur piézo-électrique (16), le dispositif comprenant en association un transformateur (18) dont un enroulement primaire est raccordé électriquement au générateur piézo-électrique et dont un enroulement secondaire est apte à être raccordé sur l'allumeur.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (46) de réarmement automatique commandant le retour de l'organe de commande (24) et de la masse (36) dans des positions de repos dès que cesse l'actionnement de l'organe de commande.
  3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le mécanisme de commande (14) comprend :
    - un corps (20) fixé au générateur piézo-électrique (16) et dans lequel est formé un alésage (22) dont une extrémité débouche en face de ce générateur ;
    - un bouton poussoir (24) monté coulissant dans ledit alésage, et constituant l'organe de commande ;
    - des moyens (38,40c) pour commander une rotation de ladite masse (36) dans un premier sens jusqu'à une position angulaire prédéterminée lors d'un enfoncement du bouton poussoir ;
    - des moyens (38,42b) pour immobiliser la masse en translation dans ledit corps lorsqu'elle n'est pas dans laposition angulaire prédéterminée ; et
    - des moyens élastiques d'actionnement (44) comprimés entre la masse et le bouton poussoir lors d'un enfoncement de ce dernier, de façon à emmagasiner ladite force prédéterminée qui propulse la masse contre le générateur piézo-électrique (16) lorsque ladite masse atteint la position angulaire prédéterminée.
  4. Dispositif selon les revendications 2 et 3 combinées, caractérisé par le fait que les moyens de réarmement automatique comprennent des moyens (46) élastiques de rappel du bouton poussoir vers sa position de repos et des moyens (38,40d) pour commander un recul et une rotation inverse de ladite masse jusqu'à sa position de repos lors d'un recul du bouton poussoir.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens pour commander une rotation de ladite masse, les moyens pour immobiliser la masse en translation dans le corps et les moyens pour commander un recul et une rotation inverse de ladite masse comprennent une goupille radiale (38) solidaire de ladite masse ; cette goupille traversant au moins une découpe (40) formée dans une partie tubulaire (26) du bouton poussoir et qui comporte deux rampes opposées (40c,40d), et faisant saillie dans au moins une rainure en forme de L (42) formée dans ledit alésage (22) et dont les deux branches sont orientées respectivement selon une direction circonférentielle et selon une direction axiale ; des moyens (32,34) étant prévus pour empêcher une rotation relative entre le bouton poussoir (24) et le corps (20).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens élastiques d'actionnement comprennent un ressort de compression (44) logé dans ladite partie tubulaire du bouton poussoir, entre ladite masse (36) et un bouton de tir (28) du bouton poussoir.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que les moyens élastiques de rappel comprennent un deuxième ressort de compression (46) logé dans ledit alésage (22) entre une extrémité du bouton poussoir et le générateur piézo-électrique.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le générateur piézo-électrique comprend un élément piézo-électrique (48) précontraint selon la direction de déplacement de ladite masse (36) entre deux pièces électriquement conductrices (52,54), isolées électriquement l'une de l'autre, une première desdites pièces constituant une coiffe (52) apte à être heurtée par ladite masse.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le mécanisme de commande (14), le générateur piézo-électrique (16) et le transformateur (18) sont placés dans cet ordre à l'intérieur d'un boîtier (10).
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le transformateur (18) comprend un pot de ferrite à noyau (68).
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