JP4027425B2 - 膨脹自在部材を展開する液体推進膨脹装置 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は膨脹自在部材を膨脹させる装置と方法に関する。更に詳しくは、交通手段の搭乗者の安全バッグを展開させる装置と方法に関する。
関連技術の説明
「受動的」拘束装置、即ち効力を与えるために搭乗者による何の行為も必要としない装置は、効力を与えるには搭乗者による意識的な労力が必要な「能動的」拘束装置（例えば通常のシートベルト）とは対照的である。
この受動的装置は、現在では政府機関、保険業界や消費者の要請により、標準装備として自動車に一般的に組み込まれている。経験と実験に基づき、最も効果的な受動的拘束の方式は、強い衝撃事故に応答して安全バッグを自動的に迅速（およそ数ミリセコンド）に膨らませることであるということが示されている。膨張したエアーバッグは、重傷を負わせないための充分な時間の間、単独または複数の搭乗者への事故の影響を緩和する。
安全バッグを迅速に膨らませる機構には基本的に二つの形式がある。第一の形式は、多量の高圧ガス（例えばアルゴンガス）を適宜な貯蔵器に貯蔵することを含む。衝撃を受けると、そのガスが開放されて、安全バッグを膨らませる。しかしながら、この方式は幾つかの不利益を有する。必要な多量の圧搾ガスを貯蔵する部品の嵩と重量とは、安全装置を自動車のステアリングカラム内、ダッシュボード内、ドア内に収納することを困難で経費のかかるものにしてしまう。しかも、ガスが高圧で圧搾されているので、広く変化する環境下の長期間に亘る貯蔵信頼性は、贔屓目にみても乏しいものである。
それ故に、圧搾ガスの開放による安全バッグ膨脹は、もっぱらのところ、発熱反応により多量のバッグ膨張ガスを迅速に生成可能な発火性推進薬の使用に取って代わられている。推進薬は通常は個体または粒状形態であり、低エネルギーの組成物、例えばアルカリ金属アジド、酸化銅（II）、硝酸硼素などを含む。液体推進薬に対する重要な欠点は、液体推進薬が典型的に発生するガスが有毒な副生成物や顆粒体を含んでいることである。それ故、安全バッグ膨張ガスは通常はフィルタで濾過されて、有毒な副生成を除去し、また安全バッグの孔を焦がす燃焼顆粒体を捕捉するようにされている。それらのフィルタは、受動的拘束装置の大きさ、重量、経費を増大させてしまう。
代替策として、安全バッグ膨張のための推進薬は、Giovanetti氏へ発行された米国特許第５，０６０，９７３号に開示されたような液体形態としてもよく、その開示物は本明細書に援用されて組み込まれている。液体推進薬膨脹装置において特に考慮すべきことは、全ての液体推進薬の燃焼を制御して、安全バッグの効果的で迅速な展開を達成することである。
発明の概要
本発明の主要な目的は、膨脹自在部材を展開させる改良された装置を与えることである。
本発明の他の目的は、小型で構造が経済的で、且つ操作が効率的であり、液体推進薬の燃焼が制御されている間に発生するガスを用いて、自動車の搭乗者安全バッグを膨らませる装置を与えることである。
本発明の付加的な目的は、上述の特性の装置であって、膨脹させる安全バッグの大きさに応じて液体推進薬の体積を都合良く変化させることができる装置を与えることである。
本発明の更なる目的は、従来技術の不都合や欠点の少なくとも一つ以上を解決する安全バッグ膨脹装置を与えることである。
本発明に係る上述およびその他の目的を達成するために、ここに具体化して広く説明するように、本発明の装置は、展開される膨脹部材に流体連通する吐出孔通路を有するハウジングを備える。このハウジング内には、点火剤が配置されており、この点火剤は、活性化すると、内部燃焼チャンバにおける流体圧を上昇させる高温ガスを生成する。ハウジングは、流体通路を通じて燃焼チャンバに流体連通する液体推進薬貯蔵室と、流体圧アクチュエータをも包含し、その流体圧アクチュエータは、燃焼チャンバ内の流体圧に応答して、貯蔵室内の液体推進薬を連続的に圧搾して、燃焼チャンバ内の流体圧よりも高い圧力とする。その結果、液体推進薬は、貯蔵室から燃焼チャンバへ流体通路を通じて注入され、点火されて燃焼され、燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、膨脹自在部材を完全に展開するのに充分な量で吐出孔通路を通じて流れる。
本発明の更なる特徴、利点、目的は以下の説明に記載されており、その一部は以下の説明から明らかになるか、或いは本発明の実践により教示され得る。本発明の目的と利点は、以下に記載された説明、添付の請求の範囲、および添付図面に特に記載された装置により実現され獲得される。上述の一般的な説明と以下の詳細な説明とは、共に例示的かつ解釈的であり、請求された発明を限定するものではないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
添付図面は本発明の更なる理解を与えることが意図されており、本明細書に組込まれてその一部を構成して本発明の好適実施例を図示し、かつ記載された説明と共に本発明の原理の説明に役立てられる。図１のみの添付図面は、本発明に係る安全バッグ膨脹装置の好適実施例の断面図を示す。
詳細な説明
添付図面に図示された一例を参照しながら、本発明の好適実施例について詳細に説明する。
本発明に係り、全体的に符号１０で示される装置は、自動車における搭乗者拘束安全バッグのような膨張自在部材を展開させる適用例として図示されている。この装置１０は、全体的に符号１２で示される円筒状ハウジングを含み、このハウジング内には、挿入体１４が流体を封止する関係でハウジングの一方の開口端を通じて収容されている。挿入体１４は、軸方向に延伸する一対の盲穴を設けるように加工されており、それらの盲穴は、平行且つ等長に延伸するシリンダ１６，１８の役割を果たす。栓２０は、ハウジングの他方の開口端に嵌合されており、挿入体１４との間に燃焼チャンバ２２を設けるように、挿入体１４から離間した位置にあって流体を封止する関係にある。これらハウジング１２と挿入体１４および栓２０は、安全バッグ展開中に発生する高圧の内部流体圧に耐えるように、鋼鉄またはアルミニウムなどの金属製であることが好ましい。
離隔ピストン２４はシリンダ１６内に摺動自在に収容され、ピストン２６はシリンダ１８内に摺動自在に収容されている。シリンダ１６の開口端は、栓２８により密封されている。この栓２２とピストン２４との間の空間は、液体推進薬３２を包含する貯蔵室３０を与える。この液体推進薬は、米国陸軍指定名称「ＸＭ４６」と称されるＨＡＮ系液体推進薬とし得る。これに代えて液体推進薬は、先に引用したGiovanetti米国特許に開示されているように、ヒドロキシ硝酸アンモニウム系液体単元推進薬とし得る。代表的な液体推進薬の組成は、質量にして、約６０％のヒドロキシ硝酸アンモニウム（酸化剤）、２０％のトリエチル硝酸アンモニウム（燃料）、２０％の水（溶材）を含む。
挿入体１４に設けられた横ポート３４は、シリンダ１６と１８との間に、それぞれのシリンダ閉止端１７，１９に隣接する位置で流体連通を与える。ピストン２４および２６の間のシリンダ１６および１８の区画は、ポート３４を通じて流体連通し、液体形態にある圧力流体３８を包含する収縮された貯蔵室３６を与える。
ピストン２６には、延伸したピストンロッド４０が取りつけられており、このロッド４０は、シリンダ１８の中を同軸に延伸し、そのシリンダ１８の閉止端１９を貫いて穿孔された密接嵌合孔４２を通って突出する。ピストンロッド４０が存在することにより、液圧流体貯蔵室３６に対峙するピストン２６の面２５は、燃焼チャンバ２２に対峙するピストン面２７よりも小さな面領域を有することになる。この面領域差異の意味は、以下に詳細に説明される。
シリンダ１６の開口端に嵌合した栓２８は一方向弁４２と一体をなし、この弁は、液体推進薬を貯蔵室３０から流路４４を通じて燃焼チャンバ２２へ流れさせ、その一方、燃焼チャンバ内の高圧流体圧力に抗して帰還する流体が貯蔵室３０へ逆流するのを防いでいる。このため、一方向弁４２は、通常の構造のスプリング装填ボール弁またはチェック弁としてもよい。
ハウジング端栓２０は、全体的に符号４８で示される開始剤を受け入れる貫通孔４６を含み、その開始剤４８は、液体推進薬３２の点火と燃焼を導くように燃焼チャンバ２２を加圧するためのものである。好ましくは、開始剤４８は、爆発材料５０と点火剤５２を含む。爆発材料５０は、液体形態としてもよいが、好ましくは固体であって、例えば、硝酸カリウムホウ素（boron potassium nitrate）またはジルコニウムカリウムフルオロ塩化物（zirconium potassium fluorochloride）、或いは無煙火薬である。点火剤５２は、爆発材料５０を点火させる能力のある任意の種類のもの、例えば先に引用したGiovanetti米国特許に開示されたものとすることができる。
この開示された実施例においては、点火剤５２は電極５４へ晒されており、この電極５４は、ハウジング端栓２０およびハウジング１２の壁を貫通して穿孔された密封径方向孔を通じて導出され、通常は開放状態にある衝撃検知慣性スイッチ５８を通じて車輌バッテリ５６の一方の側に接続するようにされている。バッテリ５６の他方の側はハウジング１２へ接続されて、スイッチ５８の閉止により点火回路が完成するようにされている。
ハウジング端栓２０は、吐出孔通路６０として働く軸方向穴をも含み、これは燃焼チャンバ２２と、図１に符号６４で示される膨脹自在部材（例えば安全バッグ）との間の流体連通を与える。膨脹自在部材６４の口は、適宜なクランプ６６によりハウジング１２の吐出端のまわりに封止されている。安全バッグ膨脹率の制御を支援するために、オリフィス要素６８が吐出孔通路６０内に組み込まれている。更に、吐出孔通路６０には破裂ディスク７０が組み込まれ、このディスクは、燃焼チャンバ２２内の流体圧力が所定のレベル、例えば１，０００ｐｓｉに達したときに裂けるように設計され、燃焼チャンバ内で適切な量の液体推進薬が燃焼するまで、安全バッグ膨脹を遅延させるようにしている。好ましくは、破裂ディスク８０は真鍮またはアルミニウムなどの金属製である。
本発明の装置１０を備えた車輌が、衝撃度の高い事故に巻き込まれた場合、スイッチ５８が閉止して点火回路が完成し、開始剤４８が活性化される。点火剤５２は、爆発材料５０を起爆させ、燃焼チャンバ２２を加圧する。燃焼チャンバ２２における流体圧上昇は、ピストン２６をシリンダ１８の閉止端１９へ向かって推進させ、その結果として、流体圧流体（圧力流体）３８がピストン２４の後ろでポート３４を通じてシリンダ１６へ圧送される。ピストン２６の面２５および２７の面領域の差異に起因して、貯蔵室３６内の圧力流体が、燃焼チャンバ２２内の流体圧よりも高い流体圧となるように連続的に加圧される。従って、ピストン２４へ働く圧力流体圧は、貯蔵室３０内の液体推進薬３２を燃焼チャンバ２２内の流体圧よりも高い流体圧になるように効果的に加圧する。
その結果として、一方向弁４２が開放して、流路４４を通じて燃焼チャンバへ入る液体推進薬の圧送流を可能とする。燃焼チャンバへ入来してくる液体推進薬は、起爆した爆発材料５０により生成された高温燃焼ガスによって、直ちに点火される。ここで液体推進薬の燃焼が開始されるので、燃焼チャンバ２２内の流体圧は、破裂ディスク７０の設計破裂圧力へ急速に上昇する。破裂ディスク７０が裂けると、燃焼ガスがオリフィス部材６８および吐出孔通路を通じて流れ、安全バッグ６４の膨脹を開始する。
ピストン２６の面領域差異の効果により、貯蔵室３０内の液体推進薬は、膨脹過程全体に亘って、燃焼チャンバ２２内の流体圧よりも高い圧力になるように連続的に加圧され、液体推進薬３２の点火と完全燃焼のために、液体推進薬３２の貯蔵室３０から燃焼チャンバへの完全充填の射出が保証される。安全バッグの完全膨脹は、数マイクロ秒で迅速に達成されて、車輌の搭乗者の負傷を防ぐ。
ハウジング１２は円筒形状として図示されているが、車輌における設置場所（即ちステアリングカラム、ダッシュボード、またはドア）に応じて矩形状などの様々な形状を採らせることは望ましいことである。その設置に必要な空間が限られているならば、ピストンロッド４０は、安全バッグ膨脹期間中にハウジング端からロッド４０の自由端が押し出されるにつれて、次第に砕けるように設計することが容易である。
図１においては、安全バッグ６４は、その口がハウジング１２の一端の回りに封止されて示されているが、この安全バッグ６４は、膨脹装置のハウジング形状に応じて様々な方式でハウジングへ組み込み得る。例えば、外部マニホルド（図示せず）をハウジングの一側に取り付けて、膨脹ガスをハウジング吐出孔通路から、マニホルドの回りに口が封止された安全バッグへと向かわせるようにしてもよい。
本発明の重要な特徴として、膨脹装置１０は、自動車内の設置場所により指定されるような広範な寸法の安全バッグの膨脹へ容易に適応し得る。最後に、この膨脹装置１０は、安全バッグ６４の取付けと、貯蔵室３０への液体推進薬３２の充填および貯蔵室３６へ圧力流体３８の充填とを除いては、工場で完全に組み立ててもよい。後続の流体装填に適合させるために、径方向ポート８０が、シリンダ栓２８に隣接する位置でハウジング壁を貫いて貯蔵室３０へ穿孔されている。第二充填ポート８２は、ハウジング壁を貫いて貯蔵室３６へ穿孔されている。そこで、膨脹装置が膨らませる安全バッグの大きさが既に決定しているときは、適切な量の液体推進薬３２を液体推進薬源８４から貯蔵室３０へポート８０を通じて圧送させる。ピストン２４を装填位置へ向かって後方へ摺動させ、貯蔵室容積を拡張して、圧力流体源８０により貯蔵室３０へ圧送される液体推進薬３２の測定された投入量に適合させる。次いで、ポート８０を栓８６で封止する。次いで圧力流体３８を圧力流体源８８からポート８２を通じて圧送させ、貯蔵室３６を完全に充填させる。次いで、ポート８２を栓９０で封止する。ピストン２４の位置は、貯蔵室３０へ装填圧送される液体推進薬の体積を容易に調整するので、膨脹装置１０は、広範な安全バッグ寸法のうち、貯蔵室３０へ圧送された液体推進薬投入量により決定される任意の一つの寸法のバッグを完全に膨らませるように広く適用できることが明らかである。
本発明の膨脹装置について、本明細書では自動車内に装備された搭乗者拘束安全バッグを膨らませるものとして説明したが、この説明は発明の趣旨を限定するものではない。即ち、本発明の膨脹装置は、他の目的のための他の形式の膨脹自在部材を迅速に展開させるために使用できる。
本発明の他の実施例は、本明細書の考察と、ここに開示された発明の実践とから当業者には明らかである。本発明は、添付の請求の範囲の目的およびその等価物の範囲内でなされた本発明の変更例および変形例を包含することが意図されている。

Claims (12)

1. 膨張自在部材を展開する装置であって、
   ハウジングであり、このハウジングに取りつけられた前記膨張自在部材に流体連通する吐出孔通路を含むハウジングと、
   このハウジング内の燃焼チャンバと、
   衝撃を受けると、前記燃焼チャンバ内の流体圧を上昇させる高温ガスを発生するように前記ハウジング内に配置された開始剤と、
   前記ハウジング内で液体推進薬を包含する液体推進薬貯蔵室と、
   この液体推進薬貯蔵室を前記燃焼チャンバへ接続する流路と、
   流体圧アクチュエータであり、前記燃焼チャンバ内の流体圧に応答して、前記液体推進薬貯蔵室内の液体推進薬が前記燃焼チャンバ内の流体圧よりも高い圧力になるように前記液体推進薬貯蔵室内の液体推進薬を連続的に加圧して、前記吐出孔通路を通じて前記膨脹自在部材を展開するように流れる燃焼ガスを発生させる液体推進薬の点火と燃焼のために、前記液体推進薬貯蔵室から前記燃焼チャンバへの液体推進薬の持続的注入を達成する流体圧アクチュエータと、
   前記液体推進薬貯蔵室へ流体圧力を加える関係にある流体圧流体貯蔵室とを備えると共に、前記流体圧アクチュエータが、前記液体推進薬貯蔵室と流体圧流体貯蔵室とを離隔して、流体圧流体の流体圧力を液体推進薬へ加える摺動自在なピストンを更に含む装置。
2. 前記流路内に配置された一方向弁を更に備える請求項１記載の装置。
3. 前記燃焼チャンバ内の流体圧がしきい値を超えるまで前記吐出孔通路を遮断するように配置された破断自在部材を更に備える請求項１記載の装置。
4. 前記吐出孔に配置されたオリフィス部材を更に備える請求項３記載の装置。
5. 前記流体圧アクチュエータが、前記燃焼チャンバと流体圧流体貯蔵室との間に配置された流体圧ピストンとを含む請求項１記載の装置。
6. 前記流体圧ピストンが、前記燃焼チャンバ内の流体圧力に晒された第一の面と、
   前記流体圧流体貯蔵室に対峙する第二の面とを含み、その第一の面は、第二の面よりも大きな表面領域を有する請求項５記載の装置。
7. 膨張自在部材を展開する装置であって、
   ハウジングであり、このハウジングに取りつけられた前記膨張自在部材に流体連通する吐出孔通路を含むハウジングとこのハウジング内の燃焼チャンバと、
   衝撃を受けると、前記燃焼チャンバ内の流体圧を上昇させる高温ガスを発生するように前記ハウジング内に配置された開始剤と、
   前記ハウジング内に互いに平行な関係で配置された第一と第二とのシリンダであり、その第一のシリンダは、燃焼チャンバに対面する第一の開口端と、第一の閉止端とを有し、且つその第二のシリンダは、燃焼チャンバに対面する第二の開口端と、第二の閉止端とを有する第一と第二のシリンダと、
   第一と第二の閉止端に隣接して第一と第二のシリンダを流体連通させる開口と、流路を含み、第一のシリンダの第一の開口端における閉止体と、第一のシリンダ内に摺動自在に収容されて、前記閉止体と協動して第一の貯蔵室を画定する第一のピストンと、
   第一の貯蔵室内に保持された液体推進薬と、
   第二のピストンであり、第二のシリンダの第二の開口端内に摺動自在に収容されて、第一と第二のピストンの間に第二の貯蔵室を画定する第二のピストンと、
   第二の貯蔵室に充填される流体圧流体であり、この流体圧流体を通じて、第二のピストンが、前記燃焼チャンバ内の流体圧力に比例する力を第一のピストンへ伝える流体圧流体とを備え、
   ここで第二のピストンが、面領域の異なる対向する面を有し、これは第一の貯蔵室内の前記液体推進薬を、前記燃焼チャンバ内の流体圧力よりも高い圧力へ連続的に加圧可能であることにより、前記吐出孔通路を通じて前記膨脹自在部材を展開するように流れる燃焼ガスを発生させる前記液体推進薬の点火と燃焼のために、前記貯蔵室から前記燃焼チャンバへの液体推進薬の持続的注入を達成する装置。
8. 前記ハウジングが、第一のポートであって、この第一のポートを通じて、前記液体推進薬の測定された投入量が、第一の貯蔵室へ導かれて、第一のピストンが、前記液体推進薬投入量を充分に収容可能な第一の貯蔵室の容積を設定する装填位置へ第一のシリンダ内を摺動する第一のポートと、第二のポートであって、この第二のポートを通じて、前記液体圧流体が導かれて、第二のピストンと前記装填位置にある第一のピストンとの間に画定された第二の貯蔵室を充填する第二のポートと、これら第一と第二のポートを封止する栓とを更に含む請求項７記載の装置。
9. 前記流路内に配置された一方向弁を更に備える請求項７記載の装置。
10. 前記燃焼チャンバ内の流体圧がしきい値を超えるまで前記吐出孔通路を遮断するように配置された破断自在部材を更に備える請求項９記載の装置。
11. 前記吐出孔に配置されたオリフィス部材を更に備える請求項１０記載の装置。
12. 第二のピストンが、前記燃焼チャンバに対峙する第一の面と、第二の貯蔵室に対峙する第二の面と、この第二の面に固定されたピストンロッドであり、第二のシリンダの第二の閉止端における開口を通じて摺動自在に収容された自由端へ、第二のシリンダの中を通って延出するピストンロッドとを含み、第二のピストンが第二の面の表面領域を第一の面の表面領域よりも小さな値へ減少させて、第二のピストンが面領域の異なる対向する面を有するようにされている請求項７記載の装置。

Images