EP0112254B1 - Amorce électrique à élément résistif - Google Patents

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EP0112254B1
EP0112254B1 EP83402426A EP83402426A EP0112254B1 EP 0112254 B1 EP0112254 B1 EP 0112254B1 EP 83402426 A EP83402426 A EP 83402426A EP 83402426 A EP83402426 A EP 83402426A EP 0112254 B1 EP0112254 B1 EP 0112254B1
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printed circuit
blasting cap
envelope
cap
pyrotechnic composition
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Joseph Refouvelet
René Santolaria
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F42B3/124—Bridge initiators characterised by the configuration or material of the bridge

Definitions

  • the present invention relates to electrical primers comprising a pyrotechnic composition initiated by a resistive heating element of the type constituted by a printed circuit (CA-A-581 316).
  • a known technique uses deposition by vacuum projection, with masking of a thin metallic layer, possibly adjusted by chemical or laser etching. This technique makes it possible to produce circuits of good definition and of high ohmic resistance value per unit area.
  • the metal layer obtained remains very thin ( ⁇ 1 ⁇ m), very fragile, sensitive to oxidation and to aging and not very resistant to severe thermal or climatic environments. In addition, this manufacturing technique is expensive.
  • high-precision printed circuits such as those described in documents FR-A-2 344 490 and FR-A- 2,354,617.
  • These circuits are of the type, for example in the case of filamentary resistive circuits, of those having very fine width filaments of the order of 10 ⁇ m and interfilamentary grooves whose width is less than 10 ⁇ m. This results in a very high ohmic value per unit area.
  • High precision printed circuits necessarily have edges with a defined profile and can be obtained by various techniques of selective electrolytic etching, or ion spraying, or photolithographic methods.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks encountered in the production of resistive elements for electrical primers by adapting to this application the techniques for manufacturing high-precision printed circuits used in the field of microelectronics. It follows that the resistive elements thus designed have a high resistance in a reduced space imposed in an electrical primer with high sensitivity.
  • the subject of the invention is therefore a primer comprising a pyrotechnic composition initiated by a resistive heating element of the type constituted by a printed circuit characterized in that this circuit is of high precision such that at least one filament has a width of between 5 and 20 li m, thus having an ohmic value greater than 80 KQ / CM2, and etched by electrolytic or ionic machining from a masked metal sheet.
  • the printed circuit consists of a thin annular substrate metallized on its two faces which are electrically connected by a metallized hole. It follows a considerable simplification of the resumption of electrical contacts and therefore of the definition of the initiator.
  • Another subject of the invention is an electrical primer as described above, characterized in that the printed circuit is connected twice to electrical contacts formed, for one by a central stud formed in the bottom of the primer, and for the other by an inner envelope separating the pyrotechnic composition and the outer envelope in the upper part of the primer.
  • the two electrical contact sockets can be coaxial, the inner casing having an upper ring electrically connected to the metallic outer casing, the central stud being electrically isolated from the bottom of the primer formed by this same metallic outer casing.
  • the assembly of the components in the enclosure is facilitated and the electrical contacts can be made by simple pressure.
  • the advantages of the primer according to the invention are therefore to present a resistive heating element of high precision and small dimensions, etched on a surface of approximately 10 ⁇ m by 100 ⁇ m, of high electrical resistance (10 to 100 ohms), usable in severe mechanical and thermal environments, and realizable in complex forms for particular applications.
  • the primer according to the invention comprises an external metallic envelope 1 approximately cylindrical containing the pyrotechnic charge 2 and the resistive heating element designated under the general reference 3.
  • the pyrotechnic charge is separated from the external metal casing 1 by a metal bucket 4, or internal cell, the bottom of which is provided with a central opening 5.
  • the useful pyrotechnic charge 2 is covered by a straw 2a which compresses this charge 2 towards the resistive element 3. The latter is in direct contact with the pyrotechnic charge 2 through the central opening 5 of the metal cup 4 .
  • the resistive element 3 is a high-precision printed circuit consisting of a substrate 31, for example of epoxy glass, metallized on its two upper 32 and lower 33 faces. Each face is engraved according to the desired design, the upper face carrying the etching of the fine resistive wire 34, which, by the Joule effect, initiates the payload 2.
  • the etchings of these highly precise printed circuits have grooves of width on the order of 5 ⁇ m, and the width of the filament is order of 10 ⁇ m.
  • the thickness of the metal layer is of the order of 5 ⁇ m.
  • the printed circuit thus produced must have a high ohmic value density, of the order of at least 80 KS per cm 2 .
  • resistors engraved on a flat support can be manufactured by various methods known in microelectronics. For example, by electrolytic machining techniques, an intermediate layer of a conductive material is deposited on a thin metallic layer, an insulating mask comprising grooves is applied to the metallic surface to be etched, and, after fixing on a support and electrolytic treatment, the intermediate layer and the mask are eliminated and the product obtained is covered with an electrical insulator.
  • ion bombardment techniques on a thin metallic sheet fixed on an insulating support: a mask is applied having grooves whose edges correspond to the outline of the electrical resistant circuit to be etched, which is done selectively by placing the mask , the sheet and the support in an ion beam of an inert gas which have a kinetic energy higher than the bond energy of the atoms constituting the mask and the sheet.
  • the resistors thus produced have very good mechanical and thermal resistance. They are preferably made of nickel-chromium alloy having a resistivity of the order of 130 ⁇ x cm.
  • the two faces of the printed circuit are connected by a metallized hole 35.
  • FIG. 2 appear the two annular electrodes 36 and 37 of the upper face 32, connected by the resistive filament 34 itself, appearing for example radially with respect to the concentric ring electrodes.
  • the printed circuit 3, in the form of a perforated washer is electrically connected to a central comductive pad 6, retained in the bottom of the metallic outer casing 1 isolated from the latter by a cell or insulating sheath 7, the upper edge of which 7a comes guide and control the printed circuit 3. It is also electrically connected by its crown 37 located on the upper face 32 to the part 4a of the internal conductive cell 4 which has an upper crown 4b supported on the upper edge of the casing 1 These electrical contacts are made by pressure.
  • the assembly of the components of the primer is explained below, and carried out using multiple tools making it possible to produce a few dozen primers simultaneously.
  • the insulating cell 7 is placed inside the outer casing 1.
  • the central stud 6 is introduced into the bottom of the previous assembly by pressing with a punch.
  • the washer constituting the printed circuit is then guided and held by the upper edge of the insulating cell.
  • the outer cell 4 is fixed and it is brought into contact with the metallized peripheral ring on the upper face of the printed circuit.
  • the pyrotechnic composition 2 is then loaded which is compressed and which is covered with a straw 2a.

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Description

  • La présente invention concerne les amorces électriques comprenant une composition pyrotechnique initiée un élément résistif chauffant du type constitué par un circuit imprimé (CA-A-581 316).
  • De façon générale, les amorces, ou initiateurs pyrotechniques, électriques connues utilisent des fils métalliques résistifs soudés sur des électrodes. Ces fils ne présentent pas une grande résistivité et l'augmentation de la résistance du fil exige soit une augmentation de longueur, souvent impossible dans l'encombrement imparti à une amorce, soit une diminution du diamètre du fil, entraînat une fragilité prohibitive. De plus, ces fils doivent être soudés sur les électrodes et cette soudure est une opération délicate, coûteuse et qui entraîne une fragilisation du fil. Ce technologie du fil résistant n'est donc utilisée principalement que pour les initiateurs à faible résistance (inférieure à 10 ohms) et pour les fabrications de petites et moyennes séries.
  • Les inconvénients évoqués ci-dessus peuvent être partiellement évités en utilisant, pour remplacer le fil soudé, un élément résistif obtenu selon la technique connue des circuits gravés.
  • Une technique connue utilise le dépôt par projection sous vide, avec masquage d'une couche métallique mince, éventuellement ajustée par gravure chimique ou laser. Cette technique permet de réaliser des circuits de bonne définition et de grande valeur de résistance ohmique par unité de surface. Mais la couche métallique obtenue reste très mince ( < 1 pm), très fragile, sensible à l'oxydation et au vieillissement et peu résistante aux environnements thermiques ou cl imatiques sévères. De plus, cette technique de fabrication est onéreuse.
  • On a partiellement résolu ces difficultés comme l'ensiegne par exemple le brevet CA-A-581 316 en utilisant des circuits imprimés classiques comme éléments résistifs, mais leur faible définition (distance interfilamentaire supérieure à 50 µm) limite leur application au cas des amorces de faible sensibilité et de faible résistance. De plus, les connexions électriques sont difficiles et entraînemt une complexité de structure et de montage incompatible avec les impératifs d'une production d'amorces en grande série.
  • Dans un autre domaine technique, celui des composants pour la micro-électronique et notamment des composants pour circuits hybrides, on sait réaliser des circuits imprimés de grande précision tels que ceux décrits dans les documents FR-A-2 344 490 et FR-A-2 354 617. Ces circuits sont du type par exemple dans le cas de circuits résistifs filamentaires, de ceux présentant des filaments de largeur très fine de l'ordre de 10 µm et des sillons interfilamentaires dont la largeur est inférieure à 10 um. Il en résulte une valeur ohmique très élevée par unité de surface. Les circuits imprimés de grande précision présentent nécessairement des bords à profil défini et peuvent être obtenus par des techniques variées de gravure électrolytique sélective, ou de pulvérisation ionique, ou des méthodes photolithographiques.
  • La présente invention vise à pallier les inconvénients rencontrés dans la réalisation des éléments résistifs pour amorces électriques en adaptant à cette application les techniques de fabrication de circuits imprimés de grande précision utilisés dans la domaine de la microélectronique. Il en résulte que les éléments résistifs ainsi conçus présentent une résistance élevée dans un encombrement réduit imposé dans une amorce électrique à grande sensibilité.
  • L'invention a donc pour objet une amorce comprenant une composition pyrotechnique initiée par un élément résistif chauffant du type constitué par un circuit imprimé caractérisée en ce que ce circuit est de haute précision telle qu'au moins un filament présente une largeur comprise entre 5 et 20 lim, présentant ainsi une valeur ohmique supérieure à 80 K Q/CM2, et gravé par usinage électrolytique ou ionique à partir d'une feuille métallique masquée.
  • Selon une réalisation de l'amorce suivant l'invention, le ciruit imprimé est constitué d'un substrat mince annulaire métallisé sur ses deux faces qui sont électriquement reliées par un trou métallisé. Il s'en suit une simplification considérable des reprises de contacts électriques et donc de la définition de l'initiateur. L'invention a pour autre objet une amorce électrique telle que décrite plus haut, caractérisée en ce que le circuit imprimé est relié à deux reprises de contacts électriques constituées, pour l'une par un plot central ménagé dans le fond de l'amorce, et pour l'autre par une enveloppe intérieure séparant la composition pyrotechnique et l'enveloppe extérieure dans la partie supérieure de l'amorce.
  • Les deux prises de contacts électriques peuvent être coaxiales, l'enveloppe intérieure présentant une couronne supérieure électriquement reliée à l'enveloppe extérieure métallique, le plot central étant électriquement isolé du fond de l'amorce constitué par cette même enveloppe extérieure métallique. Le montage des composants dans l'enveloppe est facilité et les contacts électriques peuvent être réalisés par simple pression.
  • Les avantages de l'amorce selon l'invention sont donc de présenter un élément résistif chauffant de grande précision et de faibles dimensions, gravé sur une surface d'environ 10 µm sur 100 um, de grande résistance électrique (10 à 100 ohms), utilisable dans des environnements sévères mécaniques et thermiques, et réalisable sous formes complexes pour des applications particulières.
  • D'autres avantages de l'amorce électrique selon l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation à caractère non limitatif, em référence au dessin sur lequel:
    • - la figure 1 représente une coupe schématique longitudinale d'une amorce conforme à l'invention,
    • - la figure 2 est une vue de dessus d'un mode de réalisation de l'élément résistif constitué par un circuit imprimé de grande précision, ,
    • - la figure 3 est une coupe du circuit imprimé représenté sur la figure 2,
  • Sur la figure 1, l'amorce selon l'imvention comprend une enveloppe métallique extérieure 1 approximativement cylindrique renfermant la charge pyrotechnique 2 et l'élément résistif chauffant désigné sous la référence générale 3. La charge pyrotechnique est séparée de l'enveloppe métallique extérieure 1 par un godet 4 en métal, ou alvéole intérieur, dont le fond est muni d'une ouverture centrale 5. La charge pyrotechnique utile 2 est recouverte par un paillet 2a qui comprime cette charge 2 vers l'élément résistif 3. Celui-ci est en contact direct avec la charge pyrotechnique 2 par l'ouverture centrale 5 du godet métallique 4.
  • L'élément résistif 3 est un circuit imprimé de grande précision constitué d'un substrat 31, par exemple en verre époxy, métallisé sur ses deux faces supérieure 32 et inférieure 33. Chaque face est gravée suivant le dessin désiré, la face supérieure portant la gravure du fil fin résistif 34, qui, par effet Joule, initie la charge utile 2. Les gravures de ces circuits imprimés de grande précision présentent des sillons de largeur de l'ordre de 5 µm, et la largeur du filament est de l'ordre de 10 um. L'épaisseur de la couche métallique est de l'ordre de 5 µm. Par exemple, le circuit imprimé ainsi réalisé doit présenter une densité de valeur ohmique élevée, de l'ordre d'au moins 80 K S par cm2.
  • Ces résistances gravées sur un support plan, peuvent être fabriquées par divers procédés connus en microélectronique. Par exemple, par des techniques d'usinage électrolytique, on dépose une couche intermédiaire d'un matériau conducteur sur une couche mince métallique, on applique sur la surface métallique à graver un masque isolant comportant des sillons, et, après fixation sur un support et traitement électrolytique, la couche intermédiaire et le masque sont éliminés et le produit obtenu est recouvert d'un isolant électrique. On peut aussi utiliser des techniques de bombardement ionique sur une feuille mince métallique fixée sur un support isolant: on applique un masque présentant des sillons dont les bords correspondent au contour du circuit résistant électrique à graver, ce qu'on effectue sélectivememt en plaçant le masque, la feuille et le support dans un faisceau d'ions d'un gaz inerte qui possèdent une énergie cinétique supérieure à l'énergie de liaison des atomes constituant le masque et la feuille.
  • Les résistances ainsi fabriquées présentent une très bonne tenue mécanique et thermique. Elles sont de préférence fabriquées en alliage nickel-chrome présentant une résistivité de l'ordre de 130 µΩ x cm.
  • Les deux faces du circuit imprimé sont reliées par um trou métallisé 35. Sur la figure 2 apparaissent les deux électrodes annulaires 36 et 37 de la face supérieure 32, reliées par le filament résistif 34 lui-même, se présentant par exemple radialement par rapport aux électrodes annulaires concentriques. Le circuit imprimé 3, sous forme de rondelle trouée est électriquement relié à un plot central comducteur 6, retenu dans le fond de l'enveloppe extérieure métallique 1 isolé de celle-ci par un alvéole ou gaine isolante 7, dont le rebord supérieur 7a vient guider et matenir le circuit imprimé 3. Il est aussi électriquement relié par sa couronne 37 située sur la face supérieure 32 à la partie 4a de l'alvéole interne conducteur 4 qui présente une couronne supérieure 4b appuyée sur le rebord supérieur de l'enveloppe 1. Ces contacts électriques sont réalisés par pression.
  • Lorsqu'une tension est appliquée entre le plot 6 et l'enveloppe extérieure 1 de l'anorce, le courant parcourt successivememt le plot, la face inférieure du circuit imprimé, le trou métallisé, la face supérieure (provoquant alors l'échnuffement du fil gravé et l'initiation de la composition pyrotechnique), la couronne métallisée de la face supérieure du circuit inprimé, l'alvéole intérieur (ou godet métallique), et l'enveloppe extérieure.
  • Le montage des composants de l'amorce est explicité ci-après, et effectué à l'aide d'outillages multiples permettant de réaliser quelques dizaines d'amorces simaltanément. L'alvéole isolant 7 est mis en place à l'intérieur de l'enveloppe extérieure 1. Le plot central 6 est introduit au fond du montage précédent par pression avec un poinçon. La rondelle constituant le circuit imprimé est alors guidée et maintenue par le rebord supérieur de l'alvéole isolant. On fixe l'alvéole extérieur 4 et on le met en contact avec la couronne périphérique métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé. On charge alors la composition pyrotechnique 2 que l'on comprime et que l'on recouvre avec un paillet 2a.
  • Les caractéristiques énumées ci-dessus permettent la réalisation d'un système de mise à feu pyrotechnique simple, sensible, très performant et fabricable en grande série à faible coût.
  • Ces amorces sont nettement plus sensibles et permettent fonctionnement sous 24 volts, 15 il série, alors que les anorces classiques nécessitent 50 volts, 15 il série.
  • Elles présentent de plus un temps de fonctionnement plus réduit, c'est à dire inférieur à 200 µs sous 24 volts, 15Q série, alors que les amorces classiques ont un temps de fonctionnement de l'ordre de 300 µs sous 50 v, 15 P série.

Claims (6)

1. Amorce électrique comprenant une composition pyrotechnique initiée par un élément résistif chauffant du type constitué par un circuit imprimé caractérisée, en ce que ce circuit est de haute précision telle qu'au moins un filament présente une largeur comprise entre 5 et 20 µm présentant ainsi une valeur ohmique supérieure à 80 K Q/cm2, et gravé par usinage électrolytique ou ionique à partir d'une feuille métallique masquée.
2. Amorce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit imprimé est constitué d'un substrat (31), mince annulaire métallisé sur ses deux faces (32, 33), qui sont électriquement reliées par un trou métallisé (35).
3. Amorce selon la revendication 2, caractérisée en ce que le circuit imprimé est relié à deux prises de contacts électriques constitués pour l'une, par un plot central (5) ménagé dans le fond de l'amorce et pour l'autre, par une enveloppe intérieure (4) séparant la composition pyrotechnique et l'enveloppe extérieure (1) dans la partie supérieure de l'amorce.
4. Amorce selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux prises de contacts électriques sont coaxiales, l'enveloppe intérieure présentant une couronne supérieure (4b), électriquement reliée à l'enveloppe extérieure métallique, le plot central étant électriquement isolé du fond de l'amorce constitué par cette même enveloppe extérieure métallique.
5. Amorce selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisée en ce les contacts électriques sont réalisés par pression.
6. Amorce selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit imprimé comprend un alliage nickel-chrome présentant une résistivité de l'ordre de 130 µ il x cm.
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