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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aktivieren einer sicherheitstechnischen Einrichtung, insbesondere einer Insassenschutzeinrichtung in einem Fahrzeug. Derartige Vorrichtungen werden eingesetzt, um beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug mit einem sogenannten Pre-Crash-System sicherheitstechnische Einrichtungen wie etwa ausfahrbare Überrollbügel, Pop-up-Motorhauben oder aktive Kopfstützen zu aktivieren, um die Insassen des Kraftfahrzeuges bei einem Zusammenstoß besser zu schützen.
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Derartige Vorrichtungen benötigen für den Betrieb elektrische Energie, um ein sicheres Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung zu gewährleisten, und weisen daher eine nicht zu vernachlässigende elektrische Anschlussleistung auf. Um die Anschlussleistung zu reduzieren, kann die Vorrichtung einen Kondensator aufweisen, in dem elektrische Energie gespeichert wird und der bei Bedarf in kurzer Zeit, d. h. mit vergleichsweise hoher Leistung, entladen wird. Der elektrische Energiespeicher muss zuvor geladen werden, und es muss gewährleistet sein, dass der Energiespeicher stets die für das Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung erforderliche Energie gespeichert hat. Dies erfordert im Betrieb eine permanente elektrische Energieversorgung.
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Aus der
DE 197 22 013 C2 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere bei geringer elektrischer Anschlussleistung und bei geringem Energieverbrauch ein sicheres Auslösen der sicherheitstechnischen Einrichtung gewährleistet.
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Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung neben dem Aktuator und dem Energiespeicher einen Permanentmagneten auf, der in einem Ausgangszustand der Vorrichtung das Freisetzen der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie blockiert. Vorteilhaft ist dabei, dass der Permanentmagnet weder im Betrieb noch beim Aktivieren eine elektrische Energieversorgung benötigt. Dadurch weist die Vorrichtung einen geringen Energieverbrauch auf und selbst beim Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung ist die Leistungsaufnahme der Vorrichtung nur gering. Vorteilhaft ist außerdem, dass durch den Permanentmagneten verhältnismäßig hohe Kräfte bereitstellbar sind, um die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie zu blockieren.
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Durch den Aktuator ist der von dem Permanentmagneten hervorgerufene magnetische Fluss mindestens temporär, nämlich beim Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung, so veränderbar, dass die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie freisetzbar ist. Der Aktuator selbst kann dabei eine vergleichsweise geringe elektrische Anschlussleistung aufweisen, weil lediglich die blockierende Wirkung des Permanentmagneten aufgehoben werden muss.
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In einer Ausführungsart ist der Energiespeicher ein mechanischer Energiespeicher, beispielsweise ein federelastisch verformbares und dadurch energiespeicherndes Element. Grundsätzlich kann das energiespeichernde Verformen des mechanischen Energiespeichers steuerbar und motorisch angetrieben erfolgen, beispielsweise in einem Initialisierungsvorgang, mit dem die Vorrichtung in ihren Ausgangszustand gesetzt wird. In einer Ausführungsart erfolgt das Verformen des mechanischen Energiespeichers manuell, so dass auch zum Laden des Energiespeichers keine elektrische Energie erforderlich ist. In einer Ausführungsart ist der mechanische Energiespeicher als Federelement ausgeführt, beispielsweise als Schraubenfeder, Tellerfeder oder dergleichen.
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In einer Ausführungsart wirkt der Energiespeicher auf ein Element der Vorrichtung ein, insbesondere ist der Energiespeicher in Anlage an einem Element der Vorrichtung, das mindestens abschnittsweise von dem magnetischen Fluss durchströmt ist, der von dem Permanentmagneten hervorgerufen ist. Durch den magnetischen Fluss wirken magnetische Anziehungskräfte auf das Element, das dadurch das Freisetzen der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie blockiert.
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In einer Ausführungsart fließt in dem Ausgangszustand der Vorrichtung der von dem Permanentmagneten hervorgerufene magnetische Fluss über ein magnetisches Joch, durch das die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie blockiert ist. Der magnetische Fluss fließt dabei vorzugsweise luftspaltfrei, wodurch bei gegebenem Permanentmagneten eine große Blockierkraft aufbringbar ist.
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Zum Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung wird die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie freigesetzt. Hierzu kann ein Aktuator vorgesehen sein, der den von dem Permanentmagneten hervorgerufenen magnetischen Fluss herabsetzt, beispielsweise durch Einbringen eines Luftspaltes oder durch Vergrößern eines vorhandenen Luftspaltes. Dadurch ist die Magnetkraft auf das Element, das die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie blockiert, soweit reduzierbar, dass die Energie zum Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung freigesetzt wird. Dies kann beispielsweise über einen elektromechanisch bewegbaren Anker, einen piezoelektrischen Aktuator, einen magnetorestriktiven Aktuator oder dergleichen erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsart ist der Aktuator durch einen Elektromagneten gebildet, durch dessen Bestromen der von dem Permanentmagneten hervorgerufene magnetische Fluss mindestens temporär und lokal so veränderbar ist, dass die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie zum Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung freisetzbar ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass dadurch zum Aktivieren nur ein verhältnismäßig geringer Strom und mithin eine geringe elektrische Leistung erforderlich ist. Dies ist umso bedeutsamer unter Berücksichtigung des Umstandes, dass in vielen Anwendungsfällen mehrere solche sicherheitstechnischen Einrichtungen mehr oder weniger gleichzeitig aktiviert werden, so dass sich die elektrischen Leistungen mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen für das Bordnetz des Fahrzeuges summieren.
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Der durch die Bestromung des Elektromagneten hervorgerufene magnetische Fluss überlagert sich mindestens abschnittsweise mit dem magnetischen Fluss des Permanentmagneten. Dabei ist die Stromrichtung beim Bestromen des Elektromagneten so gewählt, dass jedenfalls im Bereich eines magnetischen Jochs, durch das die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie blockiert ist, soweit herabgesetzt ist, dass die resultierende magnetische Kraft geringer ist als die von dem Energiespeicher aufgebrachte Kraft, so dass in dem Energiespeicher gespeicherte Energie zum Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung freigesetzt wird. In einer Ausführungsart ist durch das Bestromen des Elektromagneten der magnetische Fluss durch ein Element der Vorrichtung, auf das der Energiespeicher einwirkt, jedenfalls temporär reduzierbar.
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In einer Ausführungsart ist ein Stellelement in der Vorrichtung bewegbar gelagert. Das Stellelement aktiviert nach dem Freisetzen der Energie des Energiespeichers durch eine Relativbewegung gegenüber der Vorrichtung die sicherheitstechnische Einrichtung. In einer Ausführungsart führt das Stellelement mindestens abschnittsweise, vorzugsweise insgesamt, eine lineare Bewegung aus. In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung auch einen Anschlag für die Relativbewegung des Stellelements auf, so dass auch nach dem Aktivieren der sicherheitstechnischen Einrichtung das Stellelement sich in einer definierten Position befindet. Vorzugsweise ist das Stellelement im Ausgangszustand von dem magnetischen Fluss durchsetzt, der von dem Permanentmagneten hervorgerufen ist. Das Stellelement kann rücksetzbar sein, vorzugsweise manuell rücksetzbar.
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In einer Ausführungsart ist die sicherheitstechnische Einrichtung von der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur mittelbar aktivierbar. Die Vorrichtung wirkt hierzu auf eine Auslöseeinrichtung der sicherheitstechnischen Einrichtung ein. Beispielsweise kann die sicherheitstechnische Einrichtung ihrerseits mit einem mechanischen Energiespeicher, beispielsweise einem Federelement, vorgespannt sein, wobei das Auslösen der sicherheitstechnischen Einrichtung mittels einer Blockiereinrichtung blockiert ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt auf die Blockiereinrichtung und aktiviert die sicherheitstechnische Einrichtung dadurch, dass die Blockiereinrichtung deaktiviert wird und dadurch die sicherheitstechnische Einrichtung ausgelöst wird.
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In einer Ausführungsart ist die Vorrichtung nach dem Aktivieren in den Ausgangszustand zurücksetzbar. Dies kann vorzugsweise manuell erfolgen, entweder an der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbst, an der Auslöseeinrichtung der sicherheitstechnischen Einrichtung und/oder an der sicherheitstechnischen Einrichtung. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der sicherheitstechnischen Einrichtung derart mechanisch gekoppelt, dass durch ein rücksetzendes Bewegen der sicherheitstechnischen Einrichtung, beispielsweise durch ein Zurückschieben einer aktivierten Kopfstütze, die Vorrichtung in ihren Ausgangszustand rücksetzbar ist und durch das selbsttätig erfolgende Schließen des magnetischen Kreises wieder einen stabilen Ausgangszustand einnimmt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 zeigt einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel der 1 entlang II-II.
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3 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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4 zeigt einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel der 3 entlang IV-IV.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Aktivieren einer sicherheitstechnischen Einrichtung, insbesondere einer Insassenschutzeinrichtung in einem Fahrzeug. Die 2 zeigt einen Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel der 1 entlang II-II.
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Die Vorrichtung 1 weist einen Aktuator 10, einen Energiespeicher 12 und einen Permanentmagneten 14 auf. Der Aktuator 10 ist durch einen Elektromagneten gebildet, der einen Spulenkörper 16 aufweist, auf den mindestens eine Wicklung 18 um eine Längsachse 20 der Vorrichtung 1 herum aufgewickelt ist. Der Spulenkörper 16 kann aus einem den magnetischen Fluss nicht oder nur schlecht leitenden Werkstoff hergestellt sein. Der Elektromagnet ist in einen topfartigen Grundkörper 22 eingesetzt, der ebenso wie ein den Grundkörper 22 mit dem Elektromagneten abschließendes Stellelement 24 aus einem den magnetischen Fluss gut leitenden Werkstoff hergestellt ist.
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Auf einer der Längsachse 20 zugewandten radial inneren Seite ist auf einen zapfenartigen Fortsatz des Grundkörpers 22 der Permanentmagnet 14 aufgesetzt, der ringförmig mit einer zentrischen Öffnung ausgebildet ist und axial in Richtung der Längsachse 20 polarisiert ist. In Richtung auf das Stellelement 24 schließt an den Permanentmagnet 14 ein den magnetischen Fluss gut leitendes Ringelement 26 an, das auf seiner radialen Innenseite einen vorzugsweise ringförmigen Absatz für die Anlage des Energiespeichers 12 aufweist, der durch eine Schraubenfeder gebildet ist. Mit dem gegenüberliegenden Ende stützt sich der Energiespeicher 12 unmittelbar oder mittels einer Scheibe 28 an dem Stellelement 24 ab, das im dargestellten Querschnitt hutförmig ausgebildet ist und zusammen mit dem Ringelement 26 einen im wesentlichen zylindrischen Hohlraum für die Aufnahme des Energiespeichers 12 bildet.
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Innerhalb des vom Stellelement 24 begrenzten Hohlraumes ist ein mit der Scheibe 28 verbundener, vorzugsweise mindestens abschnittsweise zylindrischer Stößel 30 angeordnet, der sich vorzugsweise konzentrisch zur Längsachse 20 erstreckt und an der dem Grundkörper 22 zugewandten Stirnfläche 32 der Vorrichtung 1 aus dem Grundkörper 22 austritt. Der Überstand des Stößels 30 über die Stirnfläche 32 des Grundkörpers 22 bzw. der Vorrichtung 1 ist kleiner oder gleich dem maximalen Hub des Stellelements 24. Der Stößel 30 ist mittels zweier axial voneinander beabstandeter, im Bereich des Aktuators 10 angeordneter Gleitlager 34 in der Vorrichtung 1 beweglich gelagert.
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In dem in der 2 dargestellten Ausgangszustand der Vorrichtung 1 ist durch den Permanentmagneten 14 das Stellelement 24 in Anlage an dem Grundkörper 22 bzw. dem Ringelement 16 gehalten und blockiert dadurch das Freisetzen der in dem Energiespeicher 12 gespeicherten Energie. Dabei ruft der Permanentmagnet 14 einen magnetischen Fluss hervor, der ausgehend von dem Permanentmagneten 14 in axialer Richtung – bezogen auf die Längsachse 20 – über das Ringelement 26 in das Stellelement 24, dann in radialer Richtung über den flanschartigen Teil des Stellelement 24 und zurück in axialer und dann radialer Richtung über den Grundkörper 22 zum Permanentmagneten 14 fließt.
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Durch ein Bestromen der Wicklung 18 des Aktuators 10 wird der magnetische Fluss insbesondere im Bereich des flanschartigen Teils des Stellelements 24 derart reduziert, dass die Haltekraft gegenüber der vom Energiespeicher 12 aufgebrachten Federkraft nicht mehr ausreicht und durch den Energiespeicher 12 das Stellelement 24 von dem Permanentmagneten 14 wegbewegt wird in Richtung der Längsachse 20. Nach einem Hub von beispielsweise wenigen mm kommt der flanschartige Abschnitt des Stellelements 24 in Anlage an eine von einem Gehäuseelement 36 ausgebildeten Anlage 38, die im Ausführungsbeispiel ringförmig ist.
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Die Vorrichtung 1 weist Belüftungsöffnungen für das durch die Bewegung des Stellelements 24 sich vergrößernde Volumen auf, um eine hohe Beschleunigung des Stellelements 24 zu ermöglichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der flanschartige Teil des Stellelements 24 hierzu mindestens eine Bohrung 60 auf, vorzugsweise eine Vielzahl von Bohrungen 60, die beispielsweise auf einer zur Längsachse 20 konzentrischen Kreislinie gleich beabstandet angeordnet sein können.
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Es ist nur ein sehr kurzzeitiges Bestromen der Wicklung 18 erforderlich, da die magnetische Haltekraft sehr stark abnimmt, sobald das Stellelement 24 von dem Grundkörper 22 bzw. von dem Ringelement 26 abgehoben hat. Demgegenüber wirkt die Kraft des Energiespeichers 12 jedenfalls innerhalb des im Vergleich zur axialen Länge des Energiespeichers 12 vergleichsweise geringen Hub annähernd konstant. Dadurch ist eine sehr große Beschleunigung des Stellelements 24 gewährleistet, die zu sehr kurzen Schaltzeiten von beispielsweise weniger als 5 ms, vorzugsweise weniger als 2 ms und insbesondere weniger als 1 ms führt, bis das Stellelement 24 an der Anlage 38 anliegt. In diesem Zustand verschwindet der zapfenartig verjüngte Endabschnitt des Stößels 30 in der Bohrung 40 derart, dass sein Ende nicht über die Stirnfläche 32 übersteht. Durch dieses Zurückziehen des Stößels 30 ist die sicherheitstechnische Einrichtung aktivierbar.
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Die Geometrie und/oder der Werkstoff des Grundkörpers 22 ist so gewählt, dass sich mindestens ein Abschnitt des Grundkörpers 22, vorzugsweise der an das Stellelement 24 angrenzende Abschnitt des Grundkörpers 22, durch den vom Permanentmagneten hervorgerufenen magnetischen Fluss in der magnetischen Sättigung befindet. Im Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 22 einen ringförmigen Abschnitt 62 auf, der einstückig mit einem die Stirnfläche 32 bildenden plattenförmigen Abschnitt ausgebildet ist und im dargestellten Ausgangszustand an das Stellelement 24 angrenzt. Die Dicke des ringförmigen Abschnitts 62 ist so gewählt, dass sich der ringförmige Abschnitt 62 in der magnetischen Sättigung befindet. Dadurch ist das Schaltverhalten noch weiter optimiert, insbesondere der Gradient der magnetischen Haltekraft in Abhängigkeit des Abstandes des Stellelements 24 vom Grundkörper 22 erhöht.
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Vorzugsweise ist die Geometrie und/oder der Werkstoff des Grundkörpers 22 und/oder des Stellelements 24 so gewählt, dass insbesondere bei der Aktivierung der sicherheitstechnischen Einrichtung elektrische oder magnetische Verluste reduziert sind, insbesondere Wirbelströme in der Vorrichtung 1 reduziert oder unterdrückt sind. Hierzu kann der ringförmige Abschnitt 62 des Grundkörpers 22 mindestens einen Schlitz aufweisen, insbesondere mindestens einen parallel zur Längsachse verlaufenden Schlitz, und/oder das Stellelement 24, insbesondere der flanschartige Abschnitt des Stellelements 24, kann mindestens einen Schlitz aufweisen, insbesondere einen radial in Bezug auf die Längsachse 20 verlaufenden Schlitz.
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Radial außenseitig weist das Gehäuselement 36, das aus einem den magnetischen Fluss nichtleitenden Werkstoff bestehen kann und im Ausführungsbeispiel aus Kunststoff oder Aluminium besteht, eine sich kreissegmentartig über einen Winkel von etwa 45 Grad erstreckende Öffnung 42 in Radialrichtung auf, die mit einer weiteren Öffnung 44 im Grundkörper 22 korrespondiert und dem Herausführen von Anschlussleitungen für die Wicklung 18 dient.
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Die 3 zeigt eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindunsgemäßen Vorrichtung 101 und die 4 zeigt einen Schnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 101 entlang IV-IV der 3. In Ergänzung zum ersten Ausführungsbeispiel wird das zweite Ausführungsbeispiel in eine Gehäuseschale 150 eingesetzt, die vorzugsweise einstückig einen Anschlußnippel 152 ausbildet für einen elektrischen Schraub- oder Steckanschluß der Vorrichtung 101, insbesondere des Aktuators 110. Soweit das zweite Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 101 mit dem ersten Ausführungsbeispiel 1 der 1 und 2 übereinstimmt, wird auf die dortige Figurenbeschreibung verwiesen.
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Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 101 als Stellelement 124 eine Platte auf, die zentrisch zur Längsachse 120 eine Bohrung für den Durchtritt des Stößels 130 aufweist. Randseitig weist das Stellelement 124 außen einen ringförmigen Absatz auf, der beim Freisetzen der in dem Energiespeicher 112 gespeicherten Energie in Anlage an die Anlage 138 des Gehäuseelements 136 kommt. Der Energiespeicher 112 ist im zweiten Ausführungsbeispiel als Tellerfeder ausgebildet und mit seinem radial inneren Ende in Anlage an dem Spulenkörper 116 und mit seinem radial äußeren in Anlage an einer ringförmigen Nut auf der dem Spulenkörper 116 zugewandten Stirnfläche des Stellelements 124.
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An der Gehäuseschale 150 ist exzentrisch eine Achse 154 angeordnet, die zu beiden Seiten der Gehäuseschale 150 axial entlang der Längsachse 120 übersteht. Innerhalb der Gehäuseschale 150 ist eine Schwenkriegel 156 gelagert, der im dargestellten Ausführungszustand durch Federkraft in radialer Anlage an dem über den Grundkörper 122 überstehenden Ende des Stößels 130 gehalten ist. Durch Betätigen des Aktuators 110, nämlich Bestromen der Wicklung des Elektromagneten, wird der durch den Permanentmagneten 114 hervorgerufene magnetische Fluss durch das Stellelement 124 derart reduziert, dass das Stellelement 124 unter Wirkung des Energiespeichers 112 abhebt und der mit dem Stellelement 124 jedenfalls axial bewegungsgekoppelte Stößel 130, der vorzugsweise mit dem Stellelement 124 verbunden ist, wird in den Grundkörper 122 hinein bewegt.
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Damit wird der Schwenkweg für den Schwenkriegel 156 freigegeben und dadurch die sicherheitstechnische Einrichtung aktiviert. Hierzu schwenkt der Schwenkriegel 156 derart, dass er beispielsweise einen federkraftbelasteten Bolzen freigeben kann, durch dessen Bewegung beispielsweise eine Kopfstütze in Richtung des Kopfes eines Insassen eines Fahrzeuges bewegt wird und dadurch die Verletzungsgefahr für die Insassen im Falle eines Zusammenstoßes reduziert ist. Durch ein manuelles Zurückschwenken des Schwenkriegels 156 und anschließendes Spannen des Energiespeichers 112, beispielsweise indem über eine Öffnung 158 in der Gehäuseschale 150 das Stellelement 124 wieder in rastende Anlage an. den Grundkörper 122 gebracht wird, kann die Vorrichtung zurückgesetzt werden.