JP3779730B2 - 混成インフレータ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、エアバッグ用のインフレータすなわちガス発生器、特に混成インフレータに関するものである。
米国特許第３，８９５，８２１号は、混成インフレータを記載している。この引例からわかるように、混成インフレータは、所定量の圧縮不活性ガスを充填した圧力容器を含む。圧力容器の一方側が破裂ディスクで閉鎖されている。推進剤に点火すると、圧力容器内のガス圧力が、ディスクを破裂させるのに十分なレベルまで上昇する。その後、加熱ガスが１つまたは複数の放出ポートから流出して、近くに設けられたエアバッグを膨張させる。米国特許第３，７５８，１３１号は、２つの推進燃料を圧力容器内に設けている、関連形式の第２の混成インフレータを記載している。衝突の強さに応じて、一方または両方の推進燃料が点火される。２つの燃料によって、ガスがインフレータからエアバッグ内へ流れる速度の制御の度合いを高めることができる。上記特許の各々は、制御信号によって励起された時に近くに位置する推進剤を燃焼させ始める点火器または点火管を備えている。
多くの混成インフレータの１つの問題点は、圧力容器内部の圧力が放出ポートに通じた破裂ディスクを破裂させるのに十分なレベルまで上昇するのに比較的長い時間がかかることである。発生材が大気圧の推進剤室内に入っている従来のインフレータでは、膨張ガスがインフレータから流出するのに掛かる時間は、発生材の周囲の、すなわち推進剤室内部の圧力が膨張ガスの背圧（一般的に推進剤室を圧力容器内の圧力から隔離するシールディスクに一般的に作用する）を越えるレベルまで上昇するために必要な時間と、ガスが推進剤室を出て圧力容器に流入するために必要な時間とを合わせたものである。この時間中、圧力容器内の圧力がバーストすなわち破裂ディスクを破裂して膨張ガスをインフレータから流出させることができるレベルに達するまで、高温推進ガスを大量に流し続けなければならない。
本発明の目的は、改良型混成インフレータを提供することである。本発明の別の目的は、推進剤の制御ガス発生速度を維持しながら、点火から破裂ディスクの破裂までの時間を短くした混成インフレータを提供することである。
従って、本発明は、端部を第１及び第２蓋部材で閉鎖した中央部材を含む圧力容器を備えた混成インフレータを有している。蓋部材の一方は、圧縮膨張ガスを圧力容器内へ導入する手段を含み、他方の蓋部材は、少なくとも１つの放出ポートと連通した破壊（破裂またはバースト）ディスクを含んでいる。火薬容器が圧力容器内に設けられて、一端部で一方の蓋部材に固定されており、その壁の周囲に複数の通気開口が設けられている。第１制御ガス発生速度が得られるように、第１量すなわち主燃料の火薬材料が火薬容器内に入っている。この主燃料は、圧力容器内の膨張ガスを加熱する主要手段にもなる。第２量すなわち補助燃料の火薬材料が、少なくとも部分的に主燃料内に配置されており、主燃料のガス発生速度よりも高速のガス発生速度を特徴としている。この補助燃料は、第１量すなわち主燃料の材料に点火する燃焼生成物を発生する。これらの燃焼生成物の一部は、破裂ディスクを開放する膨張ガスを初期急速加熱する。第２量の火薬材料に点火する手段が設けられている。
本発明の他の多くの目的は、以下に示す図面の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図面において、
第１図は、本発明の断面図である。
第２図は、本発明の変更実施形態を示している。
第３図は、混成インフレータに関連した圧力／時間曲線を示している。
第４及び第５図は、第１図のインフレータの断面図である。
第６及び第７図は、第２図のインフレータの断面図である。
図面の詳細な説明
第１図は、本発明に従って構成された混成インフレータ２０を示している。インフレータ２０は、一部がスチール管等の薄壁の中心部材２４で形成された圧力容器２２と、第１蓋部材２８と、第２蓋部材３０とを含む。蓋部材２８は、部材２４の端部２６に溶接され、蓋部材３０は、部材２４の端部２７に溶接されている。蓋部材と中心部材との間の円周方向溶接の全体が３５及び３７で示されている。第２蓋部材３０は、円筒形の中空マニホルド部分３２を備えており、その開放端部３３が圧力容器内へ延びている。破裂すなわちバーストディスクまたはダイアフラム３４が、マニホルド３２の端部３３に溶接されている。第１図には、貯蔵ガス（一般的にアルゴンとヘリウムとの混合物）の内圧のためにディスク３４が外向きにたわんだ状態に示されている。マニホルド３２はさらに、ディスク３４の下流側に複数の放出ポートすなわち出口４０を備えている。ディスクと放出ポート４０との間に、耐熱性材料からなる円錐形の粒子スクリーン、フィルタまたはトラップ４２が配置されている。スクリーンまたはフィルタ４２は、放出ガス流内の粒子を捕獲できるが、インフレータから近くに位置するエアバッグへ流入する膨張ガスの流れを阻害するほど小さくはない大きさの複数の小ポートまたはオリフィス４４を備えている。蓋部材３０にはさらに、インフレータの一方側を近くの支持構造体に取り付けるための手段となるねじ付き取り付けスタッド４６が設けられている。
蓋部材２８の説明に戻ると、突出ボス６０が設けられ、それに内孔６２が貫設されている。ボスの底部から半径方向外向きに突出部６４が形成されている。突出部６４の側壁６６に環状溝６８が設けられている。蓋部材２８にはさらに、圧力容器に膨張ガスを充填する注入孔または通路７０が設けられており、これは後で公知のように溶接されたプラグ７２で閉鎖される。
蓋部材２８に、主すなわち第１火薬容器８０が取り付けられている。蓋部材２８には、さらに圧力容器のこの端部を支持構造体に固定するために使用される取り付けブラケット１４６も取り付けられている。火薬容器８０は、側壁８２と底すなわち端部８４とを備えた円筒形になっている。端部８４には、破裂ディスク３４の方に面する少なくとも１つの開口８６と、多数の支え８５とが設けられている。容器８０を蓋部材２８に固定するため、側壁８２の端部８８が突出部６４の周囲にかしめられている。ねじや溶接等の他の取り付け手段を用いることもできる。容器８０の端部８８付近に複数の開口９０が半径方向で配置されている。
主燃料すなわち大部分の火薬材料１００と、第２すなわち点火燃料の火薬材料１０２が、容器８０内に完全に、または部分的に配置されている。点火器１０４も設けられている。当該技術分野では、点火器は「点火管」と呼ばれることも多い。主燃料１００は、第４及び第５図に示されているように、中空でたたみ込まれた形状になっている。主燃料の第１端部１０６が、支え８５の端部８４に押し付けられている。環状ワッシャ部材１１０が、主燃料１００の他端部１０８に当接している。付勢ばね１１２や他の弾性部材、例えば可撓性発泡材をボス６０の周囲にはめ付けてワッシャ１１０に当接させることによって、主燃料１１０を端部８４に押し付けている。ワッシャ１１０に複数の開口１１４と中央孔１１６が設けられている。弾性部材１１２によって得られる柔的取り付けは、インフレータが振動や衝撃を受けたり落下した場合の推進剤とそれの容器との相対移動を防止して、火薬燃料１００の構造破損を防止する。
薄壁の金属管で形成された第２火薬容器１２０が、ワッシャ１１０の中央孔１１６及び容器８０の端部８４の開口８６を通っている。第１及び第４図からわかるように、第２燃料の火薬材料１０２がこの容器に入っており、主推進燃料１００のたたみ込まれた部分によって一部が支持されている。この第２燃料１０２は、開口８６に面する貫通孔１２２を設けたたたみ込まれた形状をしている。第２容器１２０の壁１２６に複数の開口すなわち通気孔１２４が設けられている。開口１２４は、第１燃料１００の最内端部のほぼ下方にくる位置に設けることが好ましい。この特徴によって、第２容器１２０からの高温ガスが主燃料１００の表面全体を流れることができ、熱伝達を向上させて主燃料の点火を促進する。第２容器には、火薬材料１０２と開口１３２を形成した穿孔ワッシャ１３０とを容器１２０内に固定すなわち位置決めする複数のクリンプすなわち内向きの窪み１２８が設けられている。第１図に示されている実施形態では、第２容器１２０の端部１３４と火薬材料１０２が主容器８０の端部８４から相当に延びており、開口すなわち通気孔１２４は壁１２２の中央寄りに配置されている。第２図の実施形態では、第２容器に小径部分１３６が設けられ、肩部１３８が端部８４に当接して、開口８６から出ている。小径端部１３６は、のこ歯状ワッシャ１４１で固定されている。肩部１３２が、火薬材料１０２を容器１２０内に位置決めしている。第６及び第７図は、このインフレータの様々な断面図を示している。
第１図に戻って説明すると、第２容器に延長部分１４０が設けられ、その内部に点火器または点火管１０４が固定されている。点火器は、ワッシャ１１４の開口１１６付近に配置されている。管状のスリーブ１４２がボス６０から開口１１６を通って延長部分１４０の周囲まで延び、第２容器の位置固定を助けている。スリーブ１４２の端部１４４がボス６２に溶接されている。複数の電線１５０が内孔６２を通っており、１５２で示されているガラス／金属シールによって密封されている。電線１５０は、電子制御装置（図示せず）または衝突センサから公知の様々な点火器または点火管１０２の端子へ制御信号を送る。
第２図に戻って説明すると、第２容器１２０の延長部分１４０はボス６０から離隔されている。さらに、ボス６０は第１図で使用したものよりも大きくなって、第１図の実施形態とは異なって、圧力容器の外側に点火管１０４を配置できるようにしている。第２破裂またはシールディスク１６２が内孔６２を閉鎖して、ボス６０の端部１６０に取り付けられている。ディスク１６２は、圧力容器の左端部用のシールになっている。点火管または点火器１０４は、内孔６２内に第２破裂ディスク１６２より上流側に配置されている。蓋部材２８には、点火管の周囲にかしめてそれを保持できるようにする一体部分１６４を設けることができる。ディスク１６２が開口した時のガスの漏出を防止するため、Ｏリング等のシール１６６を設けることができる。点火管１０４に図示のような電気端子が設けられている。
好適な材料を挙げると、主燃料の火薬材料１００は、アトランティック・リサーチ・コーポレーション(Atlantic Research Corporation)製のアーサイト(Arcite)であり、米国特許第４，９８１，５３４号及び第３，７２３，２０５号に開示されており、これらの特許は参考として本説明に含まれる。アーサイトを使用する利点は、押し出し成形が可能で、個々の用途に応じていずれの長さにも切断できる点にある。主燃料１００をばね付勢することによって、インフレータの構造を変化させないで様々な長さの材料を使用できるようになる。主燃料の特性の全体的説明をすると、重量が２７グラム、壁厚が５ｍｍ、合計燃焼面積が７４０ｍｍ²である。
第２燃料の火薬材料１０２もアーサイトからなり、図示のようにたたみ込まれた壁を備えた押し出し成形の中空シリンダとして形成するか、アーサイト推進剤の多数の小粒子、ペレットまたはシリンダとして形成することができる。重畳壁か、小粒子やペレット等を用いる目的は、点火器１０４によって作動させた時、材料１００で得られる熱源に比較して短命であるが強力な熱源を提供できるように、この材料の露出すなわち燃焼表面積を増加させることにある。好適な実施形態では、この燃料１０２は、重量が約２．５グラム、壁厚が約１．５ｍｍ、合計燃焼面積が約１６００ｍｍ²である。
次に、２つの基本曲線を示す第３図を参照しながら説明する。第１曲線２００は、圧力容器２２内の圧力レベルを概算したものであるのに対して、第２曲線２０２は、膨張中のエアバッグ内の圧力レベルを概算したものである。実際には、この第２曲線は、１００リットルのテストタンク内で一般的に得られる圧力増加である。第３図には、第２火薬材料１０２を使用しなかった場合に圧力容器及びエアバッグ内に発生する圧力を示す曲線２００’及び２０２’も含まれている。第３図は、本発明の作動を理解する上でも役に立つ。制御信号に応答して、点火器１０４が作動し、それによってアーサイト推進剤１０２の増加した表面領域（粒子／ペレットまたはシリンダ）が強烈に燃焼する。曲線２００上の点２０６は、制御信号を受け取ってから一般的に１ミリ秒以内に発生する点火管の作動を示している。点火管は強烈な炎を発生し、これによって推進剤１０２が急激に燃焼する。第２燃料１０２の燃焼によって発生した燃焼生成物の一部が、主容器８０の開口８６を通って流れて、膨張ガスを直接加熱する。推進剤１０２の量は、圧力容器の内圧が約３５００ｐｓｉ（Ｋｐｉ）の大気レベルから約６０００ｐｓｉまで急激に増加するように選択される。約１０ミリ秒後、推進剤１０２は完全に消耗するが、それの燃焼中に発生した強烈な熱が容器内の圧力をディスク３４の破裂レベルまで上昇させると共に、量が多い方の推進剤１００を燃焼させ始める。燃焼推進剤１０２の残りの燃焼生成物は、第２容器の側部ポートすなわち通気孔１２４から流出して主火薬燃料を横切って流れることによって、それに点火して燃焼させる。主推進燃料１００は燃焼し続けることによって、貯蔵ガスを膨張させてエアバッグへ送る。その後、加熱された貯蔵膨張ガスはオリフィス４０を出ると、容器２２内の圧力がゼロまで低下する。一般的なインフレータでは、ピークの容器内圧が点火管１０４の始動時点から約２５ミリ秒以内で最高値に達することが望ましい。曲線２０２からわかるように、結合されたエアバッグ（テストタンク）内の圧力は増加し続ける。一般的に、インフレータの起動時点から約４０ミリ秒以内に最終的すなわちピークエアバッグ膨張圧の８０％に到達し、６０ミリ秒以内にその最大値に到達することが望ましい。エアバッグがこのように膨張すれば、乗員を十分に保護するであろう。乗員に衝突した後、バッグ内の内圧は急激にしぼむ、すなわち低下することは理解されるであろう。曲線２０２は、この最終期間を省略し、示されていない。
本発明では、点火器及び第２燃料からの結合高温ガスが主火薬容器８０の内部を前進する。点火器１０４、燃料１０２及び主燃料１００の燃焼生成物は容器８０の半径方向開口９０から圧力容器に流入して、圧力容器の全長を移動中の貯蔵膨張ガスをさらに加熱することによって、貯蔵ガス全部が確実に加熱される。燃焼ガスが膨張ガスを加熱する速度は、半径方向孔９０の大きさ及び数で調節することができる。本発明の変更実施形態では、容器の内部に入る流量を調節するため、これらの孔の一部または全部を破断シールで一時的に閉鎖してもよい。点線で示されているこの破断材料９１は、破裂ディスク３４を形成する際に使用した材料と同じ材料にすることもできる。各孔または１組の孔を閉鎖する材料９１の厚さは、エアバッグの膨張速度を所望通りに変更できるように孔９０が段階的に、すなわち順次開放して遅延流量速度が得られるように変更することができる。主燃料１００の形状、寸法及び重量と共に第２燃料１０２の粒径、形状及び量を変化させることによって、性能変更を行うことができる。エアバッグ内の圧力がピークに達するまでの時間は、放出ポート４０の流出面積を変化させることによって変更することができる。
本発明の各実施形態において、主火薬容器８０及び第２容器１２０は、それぞれの容器の内部が圧力容器の内部と連通して貯蔵ガスの圧力に維持されるように通気されている。簡単に言うと、材料１０２及び１００の燃焼生成物は１６２のようなディスクを破裂させるために大きな圧力差に打ち勝つ必要がないので、ディスク３４を破裂させるためには少量の火薬材料が必要なだけである。第２実施形態では、点火器１０４が圧力容器の圧力に維持されていないで第２ディスク１６２で分離されているが、点火器の周囲の体積が非常に小さく、この体積の圧力をこの第２ディスク１６２を破裂させるレベルにするために必要な推進剤及び時間は極僅かである。
もちろん、発明の精神の範囲内において本発明の上記実施形態に様々な変更を加えることができる。従って、その範囲は添付の請求項の範囲のみに限定されるものとする。

Claims (14)

1. 端部を第１（２８）及び第２蓋部材（３０）で閉鎖した中央部材（２４）を備え、内部に圧縮ガスを含む圧力容器（２２）を備えており、蓋部材の一方は、圧縮ガスを圧力容器内へ導入する手段（７０）を含み、他方の蓋部材は、少なくとも１つの放出ポート（４０）と連通した破裂ディスク（３４）を含んでおり、さらに、
   圧力容器内に設けられて、圧縮ガスを通し、それにより内外のガス圧力を安定させるために周囲に複数の通気孔（９０）を設けている、シールされていない火薬容器（８０）と、
   圧力容器内の圧縮ガスを加熱する主要手段として、第１制御ガス発生速度で燃焼が生じるように火薬容器内に配置された第１量の火薬材料（１００）と、
   少なくとも部分的に第１量の火薬材料内に配置されており、第１量の材料のガス発生速度よりも高速のガス発生速度を得ることができ、第１量の材料に点火する燃焼生成物を発生し、これらの燃焼生成物の一部が圧縮ガスの初期急速加熱を行って破裂ディスクを急速に開放する第２量の火薬材料（１０２）と、
   第２量の火薬材料に点火する手段（１０４）とを備えていることを特徴とする混成インフレータ（２０）。
2. 前記通気孔は圧力容器の一端で少なくとも一つの放出ポートと反対側の端部にある請求の範囲第１項に記載の混成インフレータ。
3. 点火する手段が圧力容器の外側にあることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の混成インフレータ。
4. 第２量の材料（１０２）は、第１量の材料の重畳形、ペレット形または粒子形の１つであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の混成インフレータ。
5. 第１量の材料を火薬容器の内端部（８４）に押し付けるばね手段（１１２、１１０）を備えていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の混成インフレータ。
6. 端部を第１（２８）及び第２蓋部材（３０）で閉鎖した中央部材（２４）を備え、内部に圧縮ガスを含む圧力容器（２２）を備えており、蓋部材の一つは、少なくとも１つの放出ポート（４０）と連通した破裂ディスク（３４）を含んでおり、さらに、
   圧力容器内に設けられて、周囲に複数の通気孔（９０）を設けている、火薬容器（８０）と、
   圧力容器内の圧縮ガスを加熱する主要手段として、第１制御ガス発生速度で燃焼が生じるように火薬容器内に配置された第１量の火薬材料（１００）と、
   少なくとも部分的に第１量の火薬材料内に配置されており、第１量の材料のガス発生速度よりも高速のガス発生速度を得ることができ、第１量の材料に点火する燃焼生成物を発生し、これらの燃焼生成物の一部が圧縮ガスの初期急速加熱を行って破裂ディスクを急速に開放する第２量の火薬材料（１０２）と、
   第２量の火薬材料に点火する手段（１０４）とを具備し、
   前記第２量の材料は、少なくとも部分的に火薬容器及び第１量の材料内にそれらと同軸的に配置された火薬ハウジング（１２０）内に収容されており、そのハウジングは圧力容器の内部に面した第１通気開口（１３９）を備えて、これを通って燃焼生成物が流れることによって圧縮ガスを直接加熱することができ、また複数の開口（１２４）を半径方向に配置して、それを通って燃焼生成物が流れることによって第１量の材料を点火することができるようにしたことを特徴とする混成インフレータ（２０）。
7. 複数の開口（１２４）は、第１量の材料の一端部付近で火薬容器の一端部付近に配置されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の混成インフレータ。
8. 第１及び第２量の材料は、圧力容器内部の圧力を受けていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の混成インフレータ。
9. 火薬容器の複数の通気孔は、火薬ハウジングの第１通気開口の反対側にあることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の混成インフレータ。
10. 前記通気孔は圧力容器の一端で少なくとも一つの放出ポートと反対側の端部にある請求の範囲第６項に記載の混成インフレータ。
11. 点火する手段が圧力容器の外側にあることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の混成インフレータ。
12. 端部を第１（２８）及び第２蓋部材（３０）で閉鎖した中央部材（２４）を備え、内部に圧縮ガスを含む圧力容器（２２）を備えており、蓋部材の一つは、少なくとも１つの放出ポート（４０）と連通した破裂ディスク（３４）を含んでおり、さらに、
    圧力容器内に設けられて、周囲に複数の通気孔（９０）を設けている、火薬容器（８０）と、
    圧力容器内の圧縮ガスを加熱する主要手段として、第１制御ガス発生速度で燃焼が生じるように火薬容器内に配置された第１量の火薬材料（１００）と、
    少なくとも部分的に第１量の火薬材料内に配置されており、第１量の材料のガス発生速度よりも高速のガス発生速度を得ることができ、第１量の材料に点火する燃焼生成物を発生し、これらの燃焼生成物の一部が圧縮ガスの初期急速加熱を行って破裂ディスクを急速に開放する第２量の火薬材料（１０２）と、
    第２量の火薬材料に点火する手段（１０４）と、
    第１量の材料を火薬容器の内端部（８４）に押し付けるためのばね及びプレートを含むばね手段（１１２、１１０）とを備えていることを特徴とする混成インフレータ（２０）。
13. 前記通気孔は圧力容器の一端で少なくとも一つの放出ポートと反対側の端部にある請求の範囲第１２項に記載の混成インフレータ。
14. 点火する手段が圧力容器の外側にあることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の混成インフレータ。

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