JP4116608B2 - 電流供給回路 - Google Patents

Description

本発明は、エアバッグ用ガス発生器の作動時において、点火器を作動させる電流を供給するための電流供給回路、前記電流供給回路を用いたエアバッグシステム、及び点火器の作動方法に関する。

車両の衝突時における衝撃から乗員を保護するためのエアバッグシステムは必須のものとなっているが、車両全体の軽量化の要請から、エアバッグシステムの軽量化が求められている。最近では、運転席用、助手席用、後部座席用、側面衝突用等のようにエアバッグの種類、総数が増加する傾向にあるため、エアバッグシステムの軽量化の要請はより大きなものとなっている。

現在のエアバッグシステムでは、電源（車両のバッテリー）及び衝撃検知センサに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）と個々のガス発生器（モジュールケース内にガス発生器とエアバッグとが収容されている。）とが個別に接続されている。このＥＣＵと個々のガス発生器との接続状態をイメージ化したものを図４に示す。

図４のとおり、ＥＣＵと個々のモジュールケースとは、２本の導線（リードワイヤ）で接続されており、点火器の作動時における電流はバッテリーから供給されるが、車両衝突時におけるバッテリーとＥＣＵ間を繋ぐリードワイヤの断線があった場合、ガス発生器が作動しないという事態が生じることになる。このような事態の発生を防止するため、ＥＣＵにはバックアップ電源用コンデンサが組み込まれているが、このコンデンサは全ての点火器を作動させる必要があるため、容量（即ち重量）が大きくならざるを得ず、それによってＥＣＵの大型化の原因となる。

本発明は、ＥＣＵに設置されたバックアップ電源用コンデンサの容量を小さくすることができ、エアバッグシステム全体の重量減少に寄与できる電流供給回路、前記電流供給回路を用いたエアバッグシステム、及び点火器の作動方法を提供することを課題とする。

本発明者は、ＥＣＵに設置されたバックアップ電源用コンデンサの容量を小さくするための必須条件である、コンデンサに蓄電される総電流量を減少させるため、個々の点火器の作動に要する着火エネルギー量を減少させる観点から研究を開始した。

車両の衝突時、所要時間内にエアバッグを膨張させるためには、点火器の発熱部を瞬時に発熱させ、発熱部と接した点火薬を確実に着火燃焼させる必要があるが、この発熱部の発熱に要する着火エネルギー（μＪ）として捉え、発熱部に供給される電流のパルス幅（μsec）と着火エネルギー量の関係について研究を重ねた。その結果、発熱部の抵抗値が２Ωで、点火薬がジルコニウム／過塩素酸カリウム混合物（ＺＰＰ）、又は水素化ハフニウム、チタンハライド等の他の点火薬と過塩素酸カリウムとの混合物という組み合わせの条件では、１０００μＪ前後の着火エネルギーにより、点火薬が着火燃焼できることを見出し、更に前記着火エネルギーを付与できる電流のパルス幅範囲を見出し、本発明を完成したものである。

本発明は、上記課題の解決手段として、エアバッグ用ガス発生器の作動時において、ガス発生器内に配設された電気式の点火器を作動させるに必要な電流を供給する電流供給回路であり、外部電源から得た電流を点火器作動の着火パルスとして供給し、前記着火パルスの幅が２０〜５００μsecになるように電流を供給する電流供給回路を提供する。

従来のエアバッグシステムの場合、点火器を作動させるための電流は電源（バッテリー）から１．２Ａで２msec程度、つまり比較的低電流でかつ長い時間流されているので、着火電流の波形（着火パルス）〔縦軸が電流値（Ａ）、横軸が時間（μsec）〕は矩形となる。

そこで上記発明では、比較的高電流でかつ短い時間、即ちそのときの着火パルスの幅が２０〜５００μsec、好ましくは３０〜２００μsec、より好ましくは４０〜１００μsecになるように電流を供給するものである。その結果、個々の点火器を作動させるに要する着火エネルギー量を減少させることができるので、点火器全体、即ちエアバッグシステム全体で必要な着火エネルギー量を減少させることができる。このためＥＣＵに組み込んだバックアップ電源用コンデンサの容量を小さくすることができ、従ってＥＣＵ自体も小さくすることができる。

本発明は、上記課題の他の解決手段として、エアバッグ用ガス発生器の作動時において、ガス発生器内に配設された電気式の点火器を作動させるに必要な電流を供給する電流供給回路であり、点火器を作動させるための電流経路を開閉するスイッチ回路と、前記スイッチ回路を開閉するための制御用パルスを送るパルス発生器とを有しており、前記電流経路と外部電源との間にスイッチ回路が介在している電流供給回路であり、
前記スイッチ回路により、外部電源から得た電流を点火器作動の着火パルスとして供給し、更に前記着火パルスの幅が２０〜５００μsecになるように電流を調整して供給する電流供給回路を提供する。

上記発明においては、更に前記電流経路の断線を検知するための断線検知回路を有し、前記電流経路と前記断線検知回路との間にはスイッチ回路は介在してないものにすることができる。

上記発明においては、更に電圧変換器と、外部電源から供給される電流を蓄積し、外部電源からの電流の供給が遮断されたときに、外部電源に替わり電流を供給するためのコンデンサを有しているものにすることができる。電圧変換器は、インターフェース用又はＭＣＵ（Micro Computer Unit）用に電圧変換するためのものである。

スイッチ回路としては、サイリスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ又はバイポーラ・トランジスタ等を用いることができ、スイッチ回路は、前記電流の供給経路の正負側の両方又は一方に設けることができる。

上記した発明の電流供給回路においては、外部電源から得た電流を点火器作動の着火パルスとして供給し、前記着火パルスの幅が２０〜５００μsec、好ましくは３０〜２００μsec、より好ましくは４０〜１００μsecになるように電流を供給する。

このような特定幅の着火パルスを用いることにより、個々の点火器を作動させるに要する電流量（着火エネルギー量）を減少させることができるので、点火器全体、即ちエアバッグシステム全体で必要な電流量を減少させることができる。このためＥＣＵに組み込んだバックアップ電源用コンデンサの容量を小さくでき、それによりＥＣＵ自体も小さくできる。

また本発明は、上記課題の他の解決手段として、電源及び衝撃検知センサに接続されたＥＣＵと、前記ＥＣＵと接続された、複数のガス発生器とエアバッグとが収容された複数のモジュールケースとを有しており、ＥＣＵと個々のガス発生器が、それぞれ導体により別々に接続されているエアバッグシステムであり、前記ＥＣＵに上記した電流供給回路が設けられているエアバッグシステムを提供する。

また本発明は、上記課題の他の解決手段として、エアバッグ用ガス発生器内に配設された電気式の点火器に電流を供給して作動させ、点火器を作動させる方法であり、外部電源から得た電流を点火器作動の着火パルスとして供給し、前記着火パルスの幅が２０〜５００μsecになるように電流を供給する点火器の作動方法を提供する。

上記発明において、着火パルスの幅が４０〜１００μsecになるように電流を供給することが、電流量を減少させる観点から好ましい。

本発明の電流供給回路を用いることにより、従来と同様の作動性能を確保したまま、車両に搭載するエアバッグシステム全体の重量を減少させることができる。

（１）第１の実施形態
以下、図面により本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の電流供給回路の概念図であり、この電流供給回路はＥＣＵ内に設けられている。

電流供給回路は、基板上に、少なくともスイッチ回路、パルス発生器、断線検知回路、電圧変換器及びコンデンサ等の各素子が配置されたものであり、外部電源であるバッテリーと、ガス発生器内に組み込まれた点火器とを接続する電流経路途中に設けられている。電流経路は、１つの点火器に対して２つずつ存在しており、２本の導線（リードワイヤ）で形成されている。

電気供給回路には、電流経路を開閉し、点火器が作動の必要のないときは電流を遮断しおき、点火器の作動時には電流の供給を開始するためのスイッチ回路が設けられており、このスイッチ回路は電流経路ごとに（１本の導線ごとに）１つ設けられている。スイッチ回路が開いているときには、電流経路に通電されることはない。

スイッチ回路とパルス発生器は導体により接続されており、パルス発生器からスイッチ回路の開閉を指示する制御用パルスを送ることにより、スイッチ回路が開閉される。このパルス発生器に対する制御用パルス伝達の指示は、衝撃検知センサからの指令を受け、ＭＣＵから送られる。

スイッチ回路は、サイリスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ又はバイポーラ・トランジスタ等により形成されている。スイッチ回路は、誤作動防止の観点からは、図１に示すように電流経路の正負極側に設けることが望ましいが、正極側のみに設けることもできる。このスイッチ回路は、パルス発生器より例えば波形幅１００μsecの電流パルスが加えられたとすると、１００μsec間スイッチを閉じ、電圧変換器からの電流を幅１００μsecのパルスとして点火器の発熱部に流すものである。このようにして、所定の時間幅のパルスを点火器の発熱部に与えることで、発熱部を発熱させ、点火薬を着火燃焼させるものである。

断線検知回路は、点火器の異常（点火器の発熱部の異常）を検知するためのもので、電気経路と接続されているが、断線検知回路と電流経路との間にはスイッチ回路は介在してない。このため、点火器が作動していないとき（車両の通常の走行状態のとき）、断線検知回路からは常に断線検知用の微弱電流が流されているので、速やかに点火器の異常を検知することができ、異常があるときには連携して作動する警告ランプ等で知らせることにより、部品の早期交換ができる。

コンデンサは、バッテリーから供給される電流を蓄積し、バッテリーからの電流の供給が遮断されたときに、バッテリーに替わり電流を供給するためのものであるから、電流供給回路内の全ての素子と直接又は間接に導体で接続されている。コンデンサは、バッテリーから電流供給回路内への電流経路の途中に設けられているが、バッテリーとＥＣＵ間の断線が生じない限り、電流供給回路内への通電はバッテリーのみからなされる。

電圧変換器は、インターフェース用又はＭＣＵ用に電圧変換するためのものであり、ＲＯＭは、各エアバッグシステムの作動に必要な信号のパターンを記憶しておくものであり、インターフェースは、外部からの信号をＭＣＵ、パルス発生器、断線検知回路に伝えるためにその信号を最適化するためのものである。

次に、電流供給回路の動作を説明する。車両が通常の走行状態であるとき、バッテリーから供給された電流により、コンデンサはバックアップ用電源として必要な電流を蓄電している。そして、断線検知回路からは断線検知用の試験電流（微弱電流）が出されており、点火器の異常（点火器の発熱部と点火薬との接触不良、又は発熱部の断線）が検知される。

ガス発生器が正常に作動するための要件の１つとして、点火器の発熱部と点火薬との接触状態が良いこと（発熱部と点火薬が圧接状態にあること）が必要であり、例えば、発熱部と点火薬との間に空隙がある場合には、点火器が作動したときに点火薬が着火しなかったり、着火遅れが生じたりするという不具合が生じることが考えられる。また、発熱部が断線していたり、断線しかかっているときにも同様の不具合が生じることが考えられる。このため、前記不具合を検知するための情報を断線検知回路に記録しておけば、製品の出荷時においては不良品を排除することができ、実用時（車両の運転時）においては異常を検知することで、速やかな交換ができるようになる。

車両が衝突したとき、衝撃検知センサからの指令がＥＣＵに送られ、ＭＣＵを経てパルス発生器に対して、スイッチ回路を閉じるための指令が伝達される。この指令の伝達を受けて、パルス発生器からの制御用パルスがスイッチ回路に流されている間、バッテリーからの電流が点火器作動の着火パルス（幅が２０〜５００μsec、好ましくは３０〜２００、より好ましくは４０〜１００μsec）として、電流経路を経て点火器に送られる。この着火パルスを受けて、点火器の発熱部が発熱し、発熱部と接する点火薬が着火される。

次に、実験例を示して、電流供給回路を用いたときの着火パルス幅（μsec）と着火エネルギー（μＪ）の関係を説明する。

実験例１
電流供給回路として図７に示す試験回路を用い、それぞれのスイッチ回路には、電源から供給された電流を、１５μsec、４０μsec、１００μsec及び２０００μsec幅の着火パルスに調整して供給できるように記録しておいた。

点火器として図３に示す汎用点火器を用いた。この点火器は、抵抗発熱体（抵抗＝２Ω）である金属細線を抵抗溶接により電極間に繋いだものを発熱部としており、点火薬はＺＰＰ６０ｍｇを用い、発熱部とＺＰＰは、カップ内において圧接状態になるように保持した。点火器は、２本のピンの部分で導線と接続し、図７の電流供給回路を介して直流電源と接続した。

このような実験条件において、直流電源から電流を供給し、所定の着火パルス幅（μsec）を供給したときの点火薬の燃焼状態を観察した。測定結果を図２に示す。

図２は、着火パルスのパルス幅（μsec）と着火エネルギー（μＪ）との関係を示したもので、図２中の各点は、パルス幅の小さい順に、１５μsec、４０μsec、１００μsec、２０００μsecである。なお、着火エネルギーは、次式：Ｅ＝Ｉ²Ｒｔ〔Ｉは電流（Ａ）（９９．９９９９％の信頼度を有する着火電流）、Ｒは抵抗（Ω）、ｔはパルス幅（μsec）〕から求められるもので、Ｒ（Ω）を一定とし、パルス幅（ｔ）が１５μsec、４０μsec、１００μsec及び２０００μsecの場合において、電流（Ｉ）を変化させたときに点火薬が正常に着火するかどうかの試験を繰り返すことで、正常に着火したときの最小の着火エネルギー（Ｅ）を求めた。

図２には、１５μsec、４０μsec、１００μsec、２０００μsecの全てのパルス幅における最小着火エネルギーが示されており、着火エネルギーが１０００μＪ程度である４０〜１００μsecの範囲のパルス幅でも充分に点火薬を着火燃焼できることが確認された。この４０〜１００μsec範囲のパルス幅で得られる着火エネルギーは、従来のパルス幅２０００μsec（２ｍsec）で得られる着火エネルギーの１／５にまで減少されている。

このような電流供給回路を用い、着火パルス幅を所定範囲に設定することにより、個々の点火器を正常作動させるに要する電流量（着火エネルギー量）が減少されるので、点火器全体を正常作動させるに要する電流量（着火エネルギー量）も減少されることになり、バックアップ電源用コンデンサの容量（即ち重量）も小さくすることができ、ＥＣＵ自体を小さくできる。

本発明の電流供給回路は、運転席のエアバッグ用インフレータ、助手席のエアバッグ用インフレータ、サイドエアバッグ用インフレータ、カーテン用インフレータ、ニーボルスター用インフレータ、インフレータブルシートベルト用インフレータ、チューブラーシステム用インフレータ、プリテンショナー用インフレータ等の各種インフレータ（ガス発生器）に適用できる。

（２）第２の実施形態
次に、図１〜図６により、上記した電流供給回路を用いた本発明のエアバッグシステムの実施形態を説明する。図５、図６は一般的なガス発生器の半径方向への断面図で、図５は点火器が１個のシングル型、図６は点火器が２個のデュアル型である。

図４に示すとおり、車両に搭載されたエアバッグシステムは、電源（バッテリー）及び衝撃検知センサに接続されたＥＣＵと、前記ＥＣＵと接続された、複数のガス発生器とエアバッグとが収容された複数のモジュールケースとを有しており、ＥＣＵと個々のガス発生器が、それぞれ導体により別々に接続されており、ＥＣＵ内に図１で示すような電流供給回路が設けられている。

モジュールケース内に収容されたガス発生器としては、図５に示すシングル型のもの、図６に示すデュアル型のものを用いることができ、ガス発生器に組み込む点火器としては、図３に示すものを用いることができる。

図１の電流供給回路では、点火器が４個図示されているが、これはシングル型のもの４個、デュアル型のもの２個、又はシングル型とデュアル型のものの組み合わせにすることができる。

次に、図１〜図６により、本発明のエアバッグシステムの動作を説明する。車両が通常の走行状態であるときには、電流供給回路からガス発生器の点火器に対して、発熱部の断線検知用の微弱電流が送られ、それらに異常がないかどうかが検知される。そして、異常があるときには、エアバッグシステムと連携して作動する警告ランプ等で知らせることにより、部品の早期交換ができるので、安全性を確保することができる。また、電源から電流供給回路のコンデンサへの充電もなされる。

エアバッグシステムを設置した車両が衝突したとき、衝撃検知センサからの情報はＥＣＵ内の電流供給回路に送られ、この情報を受け、パルス発生器から制御用パルスが送られて、スイッチ回路が作動する。そして、スイッチ回路の作動により、電流は点火器作動の着火パルスとして供給され、着火パルスの幅は２０〜５００μsecになるように調整され、所要の着火エネルギーが点火器の発熱部に供給され、点火薬が着火燃焼される。

この点火薬の着火燃焼により、図５、図６のガス発生器における伝火薬、更にはガス発生剤が着火燃焼してガスが発生し、ガス排出口から排出され、モジュールケース内にガス発生器と共に収容されたエアバッグを膨張させる。

このようなエアバッグシステムを用いることにより、個々の点火器を正常作動させるに要する電流量（着火エネルギー量）が減少されるので、点火器全体を正常作動させるに要する電流量（着火エネルギー量）も減少されることになり、バックアップ電源用コンデンサの容量（即ち重量）も小さくでき、ＥＣＵ自体を小さくできる。このため、エアバッグシステム全体の重量を減少させることができる。

本発明のエアバッグシステムは、運転席のエアバッグ用インフレータ、助手席のエアバッグ用インフレータ、サイドエアバッグ用インフレータ、カーテン用インフレータ、ニーボルスター用インフレータ、インフレータブルシートベルト用インフレータ、チューブラーシステム用インフレータ、プリテンショナー用インフレータ等の各種インフレータ（ガス発生器）に適用できる。

電流供給回路の概念図。 電流供給回路の効果を説明するための図。 点火器の縦断面図。 エアバッグシステムのイメージ図。 シングル型ガス発生器の半径方向への断面図。 デュアル型ガス発生器の半径方向への断面図。 実験例１で用いた試験回路の概念図。

Claims (6)

1. 外部電源に接続され、エアバッグシステム用ガス発生器の電気式点火器を作動させるための着火パルスを発生させる電流供給回路であり、
   前記供給回路が、基板上に、少なくともスイッチ回路、パルス発生器、断線検知回路、電圧変換器及び外部電源のバックアップ用コンデンサが配置されたものであり、
   前記スイッチ回路が、外部電源と電気式点火器とを接続する電流経路途中に設けられており、パルス発生器より加えられた制御用パルス幅と同じ時間だけスイッチを閉じ、電圧変換器から前記と同じ幅の電流を着火パルスとして点火器の発熱部に流すものであり、
   前記着火パルスの幅が２０〜５００μsecであり、前記点火器の発熱部の抵抗値が２Ωで、点火薬がジルコニウム／過塩素酸カリウム混合物（ＺＰＰ）、又は水素化ハフニウム、チタンハライドと過塩素酸カリウムとの混合物であるとき、
   前記外部電源のバックアップ用のコンデンサが、下記式から定まる着火エネルギー（Ｅ）（μＪ）を電荷として蓄積する、電流供給回路。
   次式：Ｅ＝Ｉ ² Ｒｔ
   〔式中、Ｉは電流（Ａ）（９９．９９９９％の信頼度を有する着火電流）、Ｒは点火器の発熱部の抵抗（Ω）、ｔは着火パルスの幅（μsec）〕
2. 複数の電気式点火器が独立した電流経路によって並列に接続されており、前記独立した電流経路には独立したスイッチ回路が存在している、請求項１記載の電流供給回路。
3. 更に前記電流経路の断線を検知するための断線検知回路を有し、前記電流経路と前記断線検知回路との間にはスイッチ回路は介在してない請求項１又は２記載の電流供給回路。
4. スイッチ回路が、サイリスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ又はバイポーラ・トランジスタである請求項１〜３のいずれか１記載の電流供給回路。
5. スイッチ回路が、前記電流経路の正負側に設けられている請求項１〜４のいずれか１記載の電流供給回路。
6. 外部電源及び衝撃検知センサーに接続された電子制御ユニットと、前記電子制御ユニットと接続された複数のガス発生器とエアバッグが収容された複数のモジュールケースを有しており、
   前記電子制御ユニットと個々のガス発生器が、それぞれ導体により別々に接続されているエアバッグシステムであり、
   前記電子制御ユニットに請求項１〜５のいずれか１記載の電流供給回路が設けられているエアバッグシステム。

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