Initiateur électro-pyrotechnique à commande magnétique

La présente invention se rapporte à un initiateur électro-pyrotechnique à commande magnétique.

Les initiateurs électro-pyrotechniques sont décrits dans de nombreux brevets. Ils sont couramment employés dans des dispositifs de protection des occupants de véhicule automobile tels que des générateurs de gaz pour airbag ou des rétracteurs de ceinture de sécurité. Ces initiateurs électro-pyrotechniques sont composés typiquement d'un capuchon fragmentable renfermant une charge pyrotechnique et d'un support en matériau isolant traversé par deux broches conductrices connectées à un élément résisitif chauffant, tel qu'un filament, destiné à allumer la charge pyrotechnique. Ces initiateurs sont particulièrement sensibles aux vibrations qui sont susceptibles de les rendre inopérant ainsi qu'aux décharges électrostatiques qui sont susceptibles d'entraîner leur mise à feu accidentelle.

Le brevet US6220163 décrit notamment un initiateur insensible aux vibrations et aux décharges électrostatiques. Pour cela, cet initiateur comporte un dispositif conducteur filtrant monté en parallèle de l'élément résistif chauffant permettant de définir un seuil de déclenchement de tension au-dessus duquel l'initiateur ne fonctionne pas. Ce dispositif conducteur filtrant sera par exemple constitué d'un condensateur et d'une varistance montés en parallèle l'un par rapport à l'autre ou de deux diodes zener en parallèle montées "tête-bêche". Un dispositif de commande externe permet de commander leur allumage. II est également connu du brevet FR 2 720 493 un initiateur électropyrotechnique employant un pont semi-conducteur pour initier sa charge pyrotechnique. Ce pont semi-conducteur présente la particularité de présenter des seuils de sécurité et de fonctionnement précis ce qui rend l'initiateur peu sensible aux décharges électrostatiques. En outre, ce document prévoit l'emploi d'interrupteurs électroniques tels que des transistors ou des thyristors pouvant bloquer le passage du courant dans le pont semi-conducteur. Dans ce cas, l'initiateur ne pourra être commandé qu'en réponse à un signal codé déterminé. Cependant, l'emploi d'interrupteurs électroniques augmente considérablement le coût de revient de

l'initiateur et il ne permet pas de régler complètement les inconvénients liés aux décharges électrostatiques et à la naissance de courants de fuite.

Le brevet US 4,527,480 décrit pour sa part un dispositif de désamorçage de bombe comportant notamment une charge explosive et un interrupteur piloté par un champ magnétique externe. L'interrupteur peut être normalement fermé ou normalement ouvert en court-circuit. Un tel dispositif nécessite des moyens de commande magnétiques externes pour pouvoir fonctionner. Il ne peut pas être commandé par l'injection d'un simple courant électrique.

Le but de l'invention est donc de proposer un initiateur électro-pyrotechnique commandé à l'allumage par un courant électrique qui soit compact, insensible aux vibrations et aux décharges électrostatiques et qui puisse se déclencher à partir d'un seuil de courant déterminé sans recourir à un dispositif conducteur filtrant ou à un pont semi-conducteur.

Ce but est atteint par un initiateur électro-pyrotechnique comprenant : - un corps renfermant une charge pyrotechnique et des moyens d'allumage de la charge pyrotechnique, lesdits moyens d'allumage comportant un circuit électrique d'allumage, les moyens d'allumage comprennent un micro-interrupteur à actionnement magnétique placé sur le circuit électrique d'allumage et piloté par des moyens de commande magnétiques entre une position d'ouverture et une position de fermeture pour commander l'allumage de la charge pyrotechnique, caractérisé en ce que : les moyens de commande magnétique du micro-interrupteur sont logés dans le corps de l'initiateur.

Selon une particularité, les moyens de commande magnétique comportent une bobine d'excitation.

Selon une autre particularité, la bobine d'excitation est placée sur le circuit électrique d'allumage en parallèle du micro-interrupteur. Selon l'invention, un même courant permet donc de commander le micro-interrupteur pour fermer le circuit électrique d'allumage et pour allumer la charge pyrotechnique. Le passage d'un

courant d'intensité suffisante dans la bobine provoque la création d'un champ magnétique permettant de commander la fermeture du micro-interrupteur et donc du circuit électrique d'allumage. Le courant passant dans le circuit électrique d'allumage permet ensuite d'initier en combustion la charge pyrotechnique. Le courant envoyé dans le circuit d'allumage doit être d'intensité suffisante pour à la fois commander le micro-interrupteur à la fermeture et pour entraîner l'allumage de la charge pyrotechnique.

Selon une autre particularité, le micro-interrupteur est polarisé dans chacune de ses positions d'ouverture et de fermeture par un champ magnétique permanent. Ce champ magnétique permanent est par exemple généré par un aimant permanent logé dans le corps de l'initiateur.

Selon une autre particularité, le micro-interrupteur comporte une membrane ferromagnétique montée sur un substrat.

Dans une première configuration, l'allumage de la charge pyrotechnique est réalisée directement par le micro-interrupteur qui est conçu pour se volatiliser lors du passage du courant dans le circuit électrique d'allumage. Dans ce cas, la membrane du micro-interrupteur est par exemple fusible et est donc destinée à initier en combustion la charge pyrotechnique lorsqu'elle est soumise à un courant d'intensité déterminée. Dans une seconde configuration, les moyens d'allumage comprennent un élément résistif chauffant placé en série avec le micro-interrupteur sur le circuit électrique d'allumage et destiné à initier en combustion la charge pyrotechnique.

Selon l'invention, la bobine d'excitation est par exemple de type planaire intégrée au substrat. Selon l'invention, le corps est par exemple composé d'un capuchon renfermant la charge pyrotechnique et d'un support isolant traversé par deux broches conductrices débouchant à l'intérieur du capuchon et connectées au circuit électrique d'allumage. Pour commander le micro-interrupteur et entraîner l'allumage de la charge pyrotechnique, le courant est envoyé sur ces broches conductrices, dans un sens approprié pour créer un champ magnétique de direction et de sens adéquats pour commander le micro-interrupteur.

Selon une particularité de l'invention, le dispositif comporte par exemple un circuit électronique connecté sur le circuit électrique d'allumage et apte à réaliser des fonctions d'adressage et de diagnostics.

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente schématiquement un initiateur électro- pyrotechnique selon l'invention, la figure 2 représente une variante de réalisation de l'initiateur électropyrotechnique de l'invention, la figure 3 représente l'initiateur électro-pyrotechnique de l'invention auquel ont été ajoutées de nouvelles fonctionnalités. - les figures 4 à 8 représentent un micro-interrupteur tel qu'employé dans l'initiateur de l'invention.

En référence à la figure 1 , l'invention concerne un initiateur électropyrotechnique 1 (ci-après initiateur) comportant un corps doté d'un capuchon 10 métallique, de forme cylindrique circulaire autour de l'axe vertical (X) de l'initiateur 1. Ce capuchon 10 présente une paroi latérale fermée à une extrémité par une paroi supérieure 100 et ouverte à son autre extrémité. Le corps de l'initiateur 1 comporte en outre un élément support 1 1 , appelé également traversée, obturant l'extrémité ouverte du capuchon 10. Cet élément support 11 est réalisé dans un matériau isolant de l'électricité tel qu'un mélange de verre et de résine. La paroi supérieure 100 du capuchon 10 est fragmentable suivant une amorce de rupture de manière à pouvoir éclater sous l'effet d'une augmentation de pression à l'intérieur du capuchon 10.

L'initiateur 1 comporte en outre un circuit électrique d'allumage composé de deux broches 6a, 6b conductrices traversant l'élément support 1 1 et débouchant par leurs extrémités supérieures à l'intérieur du capuchon 10. Sur la figure 1 , ces deux broches 6a, 6b conductrices sont reliées entre elles dans le capuchon 10 par l'intermédiaire d'un élément résistif 9 chauffant et d'un micro-interrupteur M. Cet

élément résistif 9 chauffant peut être constitué par exemple d'un simple filament (figure 1 ) ou d'un assemblage de couches comme décrit dans la demande de brevet WO2006/095066. Les extrémités inférieures des deux broches 6a, 6b conductrices sont par exemple connectées chacune à une borne d'une source d'énergie SE qui est par exemple apte à recevoir un signal de déclenchement provenant de moyens de détection 2.

L'élément résistif 9 chauffant est par exemple enrobé dans une charge pyrotechnique d'amorçage 50 surmontée d'une charge pyrotechnique d'allumage 5, ces deux charges 5, 50 étant enfermées hermétiquement dans le capuchon 10 de l'initiateur 1. La charge pyrotechnique d'amorçage 50 est par exemple à base de nitrocellulose ou peut être constituée d'un mélange de bore et de nitrate de potassium. La charge pyrotechnique d'allumage 5 peut par exemple être composée d'un mélange d'hydrure de titane et de perchlorate de potassium. L'envoi par la source d'énergie SE d'un courant d'intensité suffisante sur les deux broches 6a, 6b conductrices entraîne un échauffement de l'élément résistif 9 qui, en produisant de la chaleur, allume la charge pyrotechnique d'amorçage 50, celle-ci allumant la charge pyrotechnique d'allumage 5.

Selon l'invention, le circuit électrique d'allumage comporte en outre le microinterrupteur M à actionnement magnétique logé dans le capuchon 10 de l'initiateur 1 et monté en série avec l'élément résistif 9 chauffant. En position de fermeture, ce micro-interrupteur M commande réchauffement de l'élément résistif 9 et donc l'allumage des charges pyrotechniques 5, 50 d'amorçage et d'allumage.

Le circuit électrique d'allumage comporte également une bobine d'excitation

4 logée dans le capuchon 10 de l'initiateur 1 , permettant de commander le basculement du micro-interrupteur M entre ses deux positions comme décrit ci-après.

Cette bobine d'excitation 4 est montée sur le circuit électrique d'allumage en parallèle par rapport au micro-interrupteur M et à l'élément résistif 9 chauffant.

Selon l'invention, le micro-interrupteur M ainsi que la bobine d'excitation 4 sont donc tous deux logés dans le capuchon 10 de l'initiateur 1 ce qui permet notamment de simplifier la commande de l'initiateur 1.

Le micro-interrupteur M tel qu'utilisé dans l'invention présente les avantages suivants : isolation galvanique élevée en position d'ouverture,

résistance à des décharges électrostatiques élevées, - fonctionnement avec une faible énergie de déclenchement, rapidité de fermeture, grande fiabilité et faible sensibilité au vieillissement. En outre, il est également possible de s'assurer de façon régulière du bon fonctionnement de l'initiateur 1 en injectant un couple tension/courant inférieur ou égal au courant de "non feu" et en mesurant régulièrement un paramètre déterminé tel que par exemple la résistance du circuit électrique d'allumage.

Le micro-interrupteur M selon l'invention est logé dans un boîtier parfaitement hermétique (non représenté) ce qui le rend insensible aux interactions chimiques avec les charges pyrotechniques 5, 50 et notamment avec les gaz issus de la combustion de ces charges. Il pourra notamment être fabriqué par une technologie de type MEMS

(Micro-Electro-Mechanical System).

Dans une variante de réalisation représentée en figure 2, il est possible de se passer de l'élément résistif 9 chauffant en employant directement le micro-interrupteur M comme moyen d'allumage des charges pyrotechniques 5, 50. En effet, à partir d'un certain courant, le micro-interrupteur M peut être conçu pour se volatiliser en produisant l'énergie nécessaire à la mise à feu de la charge pyrotechnique 50. Pour cela, le micro-interrupteur M comporte par exemple une membrane 20 fusible apte à se volatiliser lorsque le courant commandé devient trop fort. Sur la figure 2, le microinterrupteur est positionné en face de la charge pyrotechnique 50 et suivant l'axe (X) de l'initiateur de manière à pourvoir initier cette charge 50 lorsque sa membrane 20 se volatilise. Hormis le remplacement de l'élément résistif 9 par le micro-interrupteur M lui même, le fonctionnement de l'initiateur 1 reste identique et ses avantages sont les mêmes.

La structure du micro-interrupteur M magnétique employé dans l'initiateur 1 ainsi que son fonctionnement sont détaillés ci-dessous :

En référence à la figure 4, le micro-interrupteur M comporte un élément mobile monté sur un substrat S fabriqué dans des matériaux comme le silicium, le verre, des céramiques ou sous forme de circuits imprimés. Le substrat S porte par exemple sur sa surface 30 au moins deux contacts ou pistes conductrices 31 , 32

planes, identiques et espacées, destinées à être reliées électriquement par un contact électrique mobile 21 porté par l'élément mobile afin d'obtenir la fermeture du circuit électrique d'allumage. L'élément mobile est composé d'une membrane 20 déformable présentant au moins une couche en matériau ferromagnétique. Le matériau ferromagnétique est par exemple du type magnétique doux et peut être par exemple un alliage de fer et de nickel (« permalloy » Ni ₈ oFe ₂ o). Selon l'orientation d'une composante magnétique créée dans la membrane, la membrane 20 peut prendre une position basse, dite de fermeture, dans laquelle son contact mobile 21 relie électriquement les deux pistes 31 , 32 conductrices fixes de manière à fermer le circuit électrique ou une position haute, relevée, dite d'ouverture, dans laquelle son contact mobile 21 est éloigné des deux pistes conductrices de manière à ouvrir le circuit électrique. En position d'ouverture, l'espace libre devra être suffisant pour tenir la norme de "non feu" en cas de courant parasite.

En référence à la figure 2, la membrane 20 du micro-interrupteur M présente un axe longitudinal (A) et est solidaire du substrat S par l'intermédiaire de deux bras

22a, 22b de liaison reliant ladite membrane 20 à deux plots d'ancrage 23a, 23b disposés symétriquement de part et d'autre de son axe longitudinal (A) et s'étendant perpendiculairement par rapport à cet axe (A). Par torsion des deux bras de liaison

22a, 22b, la membrane 20 est apte à pivoter entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture suivant un axe de rotation (R) parallèle à l'axe décrit par les points de contact de la membrane 20 avec les pistes électriques 31 , 32 et perpendiculaire à son axe longitudinal (A). Son contact électrique mobile 21 est disposé sous la membrane 20, à une extrémité de celle-ci.

L'actionnement magnétique du micro-interrupteur M consiste à soumettre la membrane 20 à un champ magnétique permanent B ₀ , préférentiellement uniforme et par exemple de direction perpendiculaire à la surface 30 du substrat S pour maintenir la membrane 20 dans chacune de ses positions, et à appliquer un champ magnétique temporaire Bc de commande pour piloter le passage de la membrane 20 d'une position à l'autre, par inversion du couple magnétique s'exerçant sur la membrane 20. Forcer la membrane 20 à l'ouverture en employant un champ magnétique temporaire

B ₀ peut s'avérer nécessaire pour résister aux décharges électrostatiques et pour conférer au micro-interrupteur M une forte isolation galvanique. Cependant, il est possible de se passer de l'application du champ magnétique permanent B ₀ si la membrane au repos garantit un espace à l'ouverture suffisant. Pour garantir cet espace à l'ouverture suffisant, la membrane 20 peut être précontrainte

mécaniquement, par exemple en lui adjoignant une couche réalisée dans un matériau précontraint.

Pour générer le champ magnétique permanent B ₀ , on utilise un aimant permanent (non représenté) par exemple fixé sous le substrat S. Le champ magnétique temporaire Bc est par exemple généré à l'aide de la bobine d'excitation 4 du circuit électrique d'allumage. Cette bobine d'excitation 4 peut être planaire (figure 5), intégrée au substrat S, ou externe, par exemple de type solénoïde. Le passage d'un courant dans la bobine d'excitation 4 génère un champ magnétique temporaire de direction parallèle au substrat S et parallèle à l'axe longitudinal (A) de la membrane 20 pour commander, selon le sens du courant dans la bobine, le basculement de la membrane 20 de l'une de ses positions vers l'autre de ses positions. Le fonctionnement d'un tel micro-interrupteur M est détaillé ci-dessous en liaison avec les figures 6 à 8.

Le substrat S supportant la membrane 20 est placé sous l'effet du champ magnétique permanent B ₀ déjà défini ci-dessus. Comme représenté en figure 6, le premier champ magnétique B ₀ génère initialement une composante magnétique BP ₂ dans la membrane 20 suivant son axe longitudinal (A). Le couple magnétique résultant du premier champ magnétique B ₀ et de la composante BP ₂ générée dans la membrane 20 maintient la membrane 20 dans l'une de ses positions, par exemple la position d'ouverture sur la figure 4.

En référence à la figure 7, le passage d'un courant de commande dans un sens défini à travers la bobine d'excitation 4 permet de générer le champ magnétique temporaire de commande Bc dont la direction est parallèle au substrat S, son sens dépendant du sens du courant délivré dans la bobine 4. Le champ magnétique temporaire Bc génère la composante magnétique BP ₃ dans la couche magnétique de la membrane 20. Si le courant de commande est délivré dans un sens approprié, cette nouvelle composante magnétique BP ₃ s'oppose à la composante BP ₂ générée dans la couche magnétique de la membrane 20 par le premier champ magnétique B ₀ . Si la composante BP ₃ est d'intensité supérieure à celle générée par le premier champ magnétique B ₀ , le couple magnétique résultant du premier champ magnétique B ₀ et de cette composante BP ₃ s'inverse et provoque le basculement de la membrane 20 de sa position d'ouverture vers sa position de fermeture (figure 7).

Une fois le basculement de la membrane 20 effectué, l'alimentation en courant de la bobine 4 n'est plus nécessaire. Selon l'invention, le champ magnétique

Bc n'est généré que de manière transitoire pour faire basculer la membrane 20 d'une position à l'autre. Comme représenté en figure 8, la membrane 20 est ensuite maintenue dans sa position de fermeture sous l'effet du seul premier champ magnétique B ₀ créant une nouvelle composante magnétique BP ₄ dans la membrane 20 et donc un nouveau couple magnétique imposant à la membrane 20 de se maintenir dans sa position de fermeture.

Sur les figures 1 à 3, l'initiateur est représenté de manière schématique. Sur ces figures, il faut comprendre que la bobine d'excitation 4 est positionnée par rapport au micro-interrupteur M de manière à créer le champ magnétique de commande Bc adapté pour commuter le micro-interrupteur M.

En référence à la figure 3, l'initiateur 1 peut comporter un circuit électronique 7 doté notamment d'un micro-processeur. Ainsi, l'initiateur peut réaliser des fonctions connexes, notamment d'adressage et de diagnostics. Il est donc à même de pouvoir dialoguer avec une unité centrale et d'être commandé individuellement par injection d'un courant dans sa bobine 4 de commande. Ce circuit électronique 7 est par exemple positionné sur le circuit électrique d'allumage, en parallèle des deux broches conductrices 6a, 6b. En outre, il peut également être désactivé en envoyant un courant en sens inverse dans sa bobine 4 ou même neutralisé par l'injection d'un courant fort entraînant sa destruction.

Le micro-interrupteur M étant initialement en position d'ouverture, le fonctionnement de l'initiateur 1 de l'invention est le suivant.

Lorsqu'un courant d'intensité suffisante est envoyé par la source d'énergie SE dans le circuit électrique d'allumage, ce courant traversant la bobine d'excitation 4 crée le champ magnétique de commande Bc qui permet de commander le basculement de la membrane 20 du micro-interrupteur M vers sa position de fermeture comme décrit ci-dessus. La fermeture du micro-interrupteur M entraîne donc la fermeture de la branche de circuit portant l'élément résistif 9. Le courant traversant cette branche de circuit provoque réchauffement de l'élément résistif 9. Lorsque cet échauffement est suffisant, il entraîne l'initiation en combustion de la charge pyrotechnique 50 d'amorçage puis celle de la charge pyrotechnique 5 d'allumage. Les gaz générés à l'intérieur du capuchon 10 par la combustion des deux charges 5, 50 provoque l'éclatement de la paroi supérieure 100 du capuchon 10 suivant l'amorce de rupture.

II est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.