JP4203173B2 - 補強用リブ付きフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフィルタ、とくに車両利用者保護エアバッグ膨張用高温ガスの濾過に有用なフィルタ素子、その種のフィルタの製造方法および使用方法、並びにその種のフィルタを含むエアバッグおよび車両に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
比較的最近、陸上車両内での利用者の安全性に対する関心が高まり、「エアバッグ」技術の開発、すなわち、充填用圧縮ガスまたは化学的生成ガスの利用により極めて短時間に膨張するバッグまたは枕状の空気袋を含む受動的制止保護装置の開発が進められてきた。膨張状態のバッグが車両利用者の正面または側面と車両内の利用者コンパートメント内部との間に配置されるようにするのである。
【０００３】
第一世代の花火技術利用エアバッグ式車両利用者保護システムは、エアバッグ膨張用ガスの生成にアジ化物組成物（通常、アジ化ナトリウムＮａＮ_３と重金属酸化物とを混合）を用いていた。これらの爆発性組成物は、ガス生成反応の初期相の期間に１，０００°Ｆ以上のガスを発生する。凝縮可能な溶融状態、固体などの微粒子状物質がガスとともに大量に発生する。この微粒子状物質の大部分は極めて高温であるだけでなく高速で移動する苛性組成物であり、バッグの完全無欠性および保護対象の車両利用者にとって潜在的に危険である。エアバッグの中には利用者コンパートメントにガスを排出するための大きい通気孔を備えた構造のものもあり、その場合はバッグの膨張のためのガスを濾過して、微粒子が放出ガスとともに乗客コンパートメントに侵入することをがないようにする必要がある。それらのエアバッグ構成では、生成ガスはすべて反応室から排出されエアバッグに進むので、ガスおよび微粒子はフィルタなしでは少なくともバッグ自体に必ずぶつかる。この反応混合物の上記劣化作用を緩和する手段をとらない場合は、ガスや微粒子がバッグに浸透しバッグを故障させる原因となり、さらに深刻な場合は、車両利用者を負傷させる可能性がある。
【０００４】
ガスの劣化作用を抑えるために多様な対策がとられてきた。それら対策の一部は米国特許第４，９０２，０３６号および同第５，３１８，３２３号に記載されており、これら特許番号をここに参照してその内容をこの明細書に組み入れる。この劣化作用を抑える手法の一つは、微粒子状物質の速度低下のための犠牲層の利用、および静的遠心分離手法または衝突粒子分離技法の利用であった。この手法は、より高い密度のフィルタ装置やより長いフィルタ装置の利用に依存していた。これらの手法のいずれにおいても、ガスの濾過と、エアバッグ膨張速度に支障を生じない程度に十分に小さい圧力低下とのトレードオフがある。また、微粒子偏向装置は通常重量の大きい厚鋼板製の高価な機械加工品である（プレス加工ができないので、製造費が増加する）ので他にもトレードオフがある。一般に、エアバッグ設計者は、高濃度固体有毒生成物（通常は、未反応のアジ化ナトリウムおよび反応で生成される酸化ナトリウム）の除去、バッグの膨張前のガス冷却、爆薬源からの均質で一様な分布のガス流の形成だけで満足しなければならなかった。
【０００５】
今日使用されているフィルタの多くは、多様なメッシュ寸法の複数の金属篩層とそれら篩層の相互間に充填された一つ以上の不燃性繊維状材料層とから構成されている。この種のフィルタの濾過効率は上記充填材がどれほど密に充填されているがに依存し、充填密度が高いほど濾過効率は高くなるが、圧力低下は大きくなる。上記の米国特許第５，３１８，３２３号によると、この種の金属篩マット複合体の大量生産において、フィルタ完成品の各々について均一の圧力低下を確保することは難しいという点で品質管理上の問題もある。
【０００６】
エアバッグフィルタ装置設計におけるもう一つの問題は、フィルタの目詰まりの進行に伴ってフィルタによる圧力低下が大きくなることである。フィルタにかかる機械的応力がそのために大きくなり、フィルタ内におけるガスおよび微粒子の通過速度が大きくなり、フィルタ内の流速の増大、フィルタ入出力端間の圧力低下の増大、およびフィルタへの微粒子流入速度の増大に耐えるようフィルタの強度と靭性を改善する必要が生ずる。
【０００７】
上記特許の他にも、米国特許第３，９８５，０７６号（金属メッシュ）、欧州特許第６７４，５８２号（焼結金属ファイバ構造体）、米国特許第４，０１７，１００号（グラスファイバ、スチールウール、および篩層と穴あきプレートとの多層構造）、ドイツ特許第２，３５０，１０２号（グラスウール）、英国特許第２，０４６，１２５号（剛性多孔質本体を形成するように部分的に焼結合体した金属球）、米国特許第５，２０４，０６８号（シリコン化合物で被覆したニッケルなどの被覆ファイバからなる金属ファイバフェルト）、ＰＣＴ公表公報第ＷＯ９４／１４６０８号（金属ファイバの不織ウェブを焼結により接着した金属ワイヤメッシュ）などにも記載されているとおり、通常のエアバッグ用フィルタは、圧縮金属ワイヤメッシュまたはスチールウールで作られており、これらの特許の番号をここに参照してこれら特許の記載内容すべてをこの明細書に組み入れる。通常銅とアジ化物（アゾイミド）組成物とから成るガス生成用組成物は、高温ガスと銅スラグ粒子とを生成する。この銅スラグ粒子を濾過して、溶解金属飛沫のエアバッグへの衝突を防ぐのが設計者の狙いである。最終的なフィルタ設計は、（ｉ）スラグ粒子を捕捉するのに十分な密度のフィルタ材料を有すること、（ｉｉ）濾過ずみのスラグ粒子がフィルタのメッシュ素子またはウール素子を溶融させて通り抜けたり同様の事態に導く可能性のある一層細かい飛沫に細分化されたりする前にその濾過ずみスラグ粒子を冷却するのに十分な質量のメッシュ素子またはウール素子をフィルタ内に備えること、および（ｉｉｉ）フィルタの総密度および総重量の制約の間のトレードオフになる。すなわち、溶解したスラグ粒子すべてを確実に捕捉できるようにフィルタを非常に細かいワイヤメッシュまたはウールで作ると、それらメッシュまたはウールファイバの質量が導入スラグ粒子の固体を冷却するのに十分でなく、溶解スラグ粒子がメッシュまたはウールを溶融させたり、より微小な粒子に細分化されてフィルタを通り抜けてエアバッグにぶつかったりする。
【０００８】
新型のガス発生器は、アジ化物利用の組成物よりも多量のガスを生ずるクリーンで毒性の少ない非アジ化物ガス生成組成物（例えば米国特許第５，５２５，１７０号に記載されており、同特許をここに参照してその内容をこの明細書に組み入れる）を用いている。したがって、生成ガスの濾過の必要性は従来よりは低下するが、生成ガス中の可溶性微粒子および非溶性微粒子の許容量の限度を設定する米国連邦政府の標準があるので、ガス濾過はやはり必要である。生成ガスの冷却もエアバッグ利用においてやはり必要である。さらに、これら新型のガス発生器でも、発生する爆発力はやはり相当に大きく、それに対してフィルタ構成要素を安定化させる必要がある。
【０００９】
したがって、この発明の一つの目的はエアバッグおよびこの種の膨張式受動的安全装置のための比較的安価でしかも強度の大きいフィルタを提供することである。
【００１０】
本発明のもう一つの目的はガス生成の際の爆発力への耐性を高めるための強化材を備える単純な構成のエアバッグ用フィルタを提供することである。
【００１１】
本発明のさらにもう一つの目的は軽量で安価でしかも効果の著しいエアバッグ用フィルタ器具を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的および上記以外の目的は、フィルタ周囲に複数のリブを形成するように成形したワイヤメッシュフィルタによって実現される。このフィルタは押型への圧入で成形できる。リブによってフィルタのフープ強度が改善される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
略述すると、とくに選んだ種類および太さのワイヤを、所望の濾過用に適した特定の幅および密度の編上げメッシュ管の形に編み上げる。重量および濾過条件並びに濾過対象の流体で定まる特定の重量になるように上記編上げメッシュ管を切断する。次に、そのメッシュ管を雌押型、マンドレルおよびプランジャーまたはプレス機を用いて所望の管状フィルタに成形し、所望の寸法、重量および密度のフィルタを作る。次に、このフィルタをさらに押型で成形して、外側環状周囲に一連のリブを形成する。
【００１４】
図１Ａ、ＢおよびＣは上記メッシュフィルタにリブを形成するのに用いる押型１０１の側面図、平面図および底面図をそれぞれ示す。この押型は硬質工具鋼で作るのが好ましい。この押型は内側環状円周の画する内部空胴１０３を備える。この工具を、図２Ａおよび図２Ｄに示したリブ付きフィルタ、すなわち軸方向長さの一部だけにわたって伸びるリブを備えるリブ付きフィルタの製造に用いる。図１に戻ると、図２Ａおよび図２Ｄに示したフィルタを作るには、この工具が二つの内径１０５および１０７を備えるのが好ましい。これら内径の一つには円周方向に等間隔で押型の軸と平行（円周に直角方向）に伸びる複数の溝すなわちチャンネル１０９を設けてある。このメッシュフィルタをプランジャーで工具に圧入すると、上記溝がフィルタの外周を形成し、成形用工具の内側空胴全体を前記メッシュが占める。次に、このリブ付きフィルタを成形用工具からとり外す。
【００１５】
図２Ａ−２Ｄを参照すると、図２Ａは、図１の工具で製造したフィルタの理想化した斜視図を示す。この成形用工具はフィルタの外周を形成し、メッシュが成形用工具内の溝を占めるようにする。押型からとり出すと、メッシュフィルタの外周には、その外周沿いに等間隔の複数のリブ２０１が形成されている。図１の工具は二つの内側環状面（すなわち、互いに異なる二つの環状面、すなわち溝付きの環状面と溝なしの環状面）を備えるので、図２Ａのフィルタリブはフィルタの軸方向の長さの一部だけに延びる。図２Ｄは図２Ａのフィルタ側面図を示す。代替的には、この成形用工具にその内側軸方向全長に沿って延びる溝付きの単一の内部空胴および内側環状面を備えることもできる。そのような工具を用いた場合は、出来上がりのフィルタは、図２Ｂの形状、すなわちリブがフィルタ素子の軸方向の全長にわたって延びる形状を備える。図２Ｃは、リブ端部を含むフィルタの端部から見た図２Ａまたは２Ｂのフィルタの端面図である。
【００１６】
本発明による好適なフィルタ素子は、所望の形状、好ましくは環状、円形状または楕円形状に圧縮したワイヤメッシュから成る。このワイヤメッシュは通常のワイヤ編み機（例えば、英国のＴｒｉｔｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から市販されている製品）で製造するのが好ましい。高温用途のための封止材および支持材として使用されるワイヤメッシュの例は、米国特許第４，６８３，０１０号および同第５，４４９，５００号に記載されており、これら番号を参照してその記載内容をこの明細書に組み入れる。ワイヤメッシュ編み機は、通常、曲げやすいメッシュスリーブを形成する。
【００１７】
メッシュの製造に用いるワイヤは、多様な組成のもので構成でき、３０４、３０９、３１０等級のステンレス鋼などオースティナイト合金およびニッケル合金含有のステンレス鋼から選択するのが好ましい。このワイヤの組成は、フィルタの配置環境および濾過対象の流体（または混合相）との間で化学的融和性（できるだけ）を備えるように選択する。したがって、上記環境および濾過対象物の特性に応じて上記以外の金属や重合体繊維も、外周沿いに間隔を隔てて設けたリブ付きのフィルタを形成できる限り、利用可能である。
【００１８】
エアバッグフィルタの製造に用いるメッシュ用のワイヤは線径約０．７５ｍｍ乃至約０．０５ｍｍ（約０．０３インチ乃至約０．００２インチ）すなわち約２１ゲージ乃至約４７ゲージ（英国規格）の範囲のものが好ましい（これよりも太いものや細いものも使えるが）。単一のフィルタに複数のワイヤメッシュを用いる場合は、線径最大のワイヤをフィルタゾーンの最も内側に用い、線径最小のワイヤを外側に用い半径方向内側から外側に向かってワイヤ線径が小さくなるようにするのが好ましい。上述のとおり、爆発性装薬は溶融金属（スラグ）微粒子を放出してそれら微粒子がフィルタに衝突する。太いメッシュワイヤや高密度の半径方向内側部を用いると、浸食性混合物によるフィルタの劣化を改善できる。例えば、装薬の爆発およびフィルタ衝突スラグの発生箇所であるフィルタ中心付近では、太いワイヤは（ａ）細いワイヤよりも強度が大きく爆発力をよりよく吸収し、（ｂ）実効熱容量が大きく細いワイヤと比べて（例えば、溶融スラグ粒子がワイヤを溶融させて突き抜ける前の）より粒度の大きいより高温のスラグ粒子に耐え得る。
【００１９】
フィルタ全体またはフィルタの個々の部分のいずれかに用いるワイヤは断面が円形のものでも断面が平らなものでもよい。また、使用ワイヤを二つ以上の互いに異なる寸法形状や互いに異なる組成のものの組合せで構成することもできる。互いに異なる種類、線径、形状のワイヤを単一のメッシュに編み上げて、互いに異なるワイヤを一様に配置したものまたはメッシュ管の長さ方向で変化するワイヤ組成を有するメッシュを作成できる。また、例えば（周囲環境など）酸素含有雰囲気の中で焼きなましするなどの熱処理によってフィルタの強度をさらに高めることができる。そのような焼きなまし処理は前記米国特許第５，４４９，５００号（ここに参照してその内容をこの明細書に組み入れる）に記載されている。互いに異なる二つのフィルタ部分に同じワイヤを用い、それらフィルタ部分の各々に異なる密度を与えるように圧縮または成形することもできる。同様に、（寸法形状や組成が）互いに異なるワイヤを用い、密度を互いに等しくし互いに異なるフィルタ部分を作成することもできる。ワイヤメッシュおよびスチールウールのほかに、一つ以上のフィルタ部分に上記以外の種類のワイヤフィルタ媒体（オーストラリアの Ｍｅｍｔｅｃ，Ｌｔｄ．社から市販されているものなど）を含めることができる。また、そのような媒体に成形ワイヤメッシュや焼きなましワイヤメッシュを含めることもでき、個別に入手した場合は、本発明の圧縮ワイヤメッシュに一体化する前に所望の形状に加工（例えば、帯状に切断したうえ円形ループ形状に溶接）できる。
【００２０】
フィルタ密度は、通常は、エアバッグ組立体全体の設計者が特定する。フィルタ体積（また、例えば、車両ハンドルの寸法および形状による設計上の制約）およびワイヤの比密度（通常、ステンレス鋼の密度は約８．０２７ｇ／ｃｍ^３（０．２９１ｂ．／ｉｎ^３））が分かると、フィルタ密度を算定できる。すなわち、ある比密度を有するフィルタの特定領域について、その特定領域の体積へのはめ合わせに必要なメッシュの重量は、密度から算出できる。
【００２１】
編上げワイヤメッシュ管から始めて一連の圧縮により最終的なフィルタ製品に作り上げるのが好ましい。上述のとおり、最終的なフィルタの密度はエアバッグ組立体の設計パラメータである。ほぼ一様な密度のフィルタを作る必要がある場合は、フィルタを一連の圧縮で形成するのが好ましい。初めの圧縮において、（環状体の内径および外径を形成する）マンドレル付きの円柱状の雌押型と、マンドレル・雌押型間の空間に編上げメッシュ管を圧入するスリーブ状プランジャーとを用いて、所望の量の編上げメッシュを環状体の形に圧入して成形する。この中間製品は、押型底部の基底およびプランジャーの接触する被加工物端で区画できる。例えば、３５．５６ｃｍ（１４インチ）の編上げメッシュ管を８．８９ｃｍ（３．５インチ）乃至１０．１６ｃｍ（４インチ）の環状体（環状体の軸に沿って測定）に圧縮する。
【００２２】
次に、雌押型とマンドレルから成る図１に示した種類の押型に上記中間製品の環状体をいれ、スリーブプランジャーを用いてその環状体に加圧し、マンドレルと溝付き雌押型外周面とに形状合致しながらワイヤメッシュが実質的に押し出されるようにする。不均一な圧縮およびそれに伴う不均一な密度を除去するために、上記中間製品の環状体「被加工物」端を最初に押型に入れ、その端が次の操作における「基底」端になるようにする。すなわち、この中間製品を逆にして、最初の加圧とは反対の端が加圧されるようにする。この２回目の工程において、８．８９ｃｍ（３．５インチ）乃至１０．０６ｃｍ（４インチ）の環状体を２．５４ｃｍ（１インチ）乃至５．０８ｃｍ（２インチ）（環状体の軸に沿った）の長さに圧縮する。この第２回目の圧縮成形ステップを容易にするために、１回目の圧縮成形ステップで用いる押型は完成品よりも大きい内径と小さい外径とをもつ環状体とし、中間製品の環状体が最終製品の製造に用いるマンドレルおよび押型に容易に収まるようにしなければならない。ワイヤメッシュを成形し上記フィルタ製品を製造するには、７０乃至８０トン、できれば最高１００トンまでの圧力を加え得るプレスが必要である。
【００２３】
成形に用いる器具を図３Ａおよび図３Ｂに示す。より詳しく述べると、図３Ａはこの発明に用いるマンドレルを示す。このマンドレルは、円盤状の基底部３０１を備え、この基底部３０１の中央部にマンドレル３０３を垂直に取り付ける。基底部の寸法は、図３Ｂ（ここでは溝は図示していない）に示すとおり、雌押型の底部にしっかりはめ合わされる値でなければならない。編上げずみのメッシュ、つまり中間製品の環状体を雌押型空胴に配置したマンドレルに被せて、スリーブプランジャー３０５で加圧して成形体にする。このプランジャーの外径３０７は雌押型の内径と一致し、プランジャーの内径３０９はマンドレルの外径３１１と一致する。圧縮ずみメッシュ製品の外側にリブを形成し、その雌押型の内壁に溝を設ける必要のある本発明のような場合は、プランジャー内壁に溝対応のリブを設け、圧縮中のメッシュと良好な封止が形成され、メッシュが必要に応じて成形体として流れるようにする（すなわち、そうしないと、メッシュがプランジャーの周囲を流れ、圧縮ずみ製品が平板状にならない）。
【００２４】
実施例によっては、押型には長すぎる（または所望の長さの押型が高価すぎる）ほどの比較的長い圧縮ワイヤメッシュ製品が望ましい。その場合は、複数の圧縮ずみ環状メッシュ体製品を端部どうし管継手などで結合する。好ましい管継手は溝形構造、すなわち、上記製品中間部の端に舌状部を設け、もう一方の端に溝を設けた構造である。マンドレル基底部とプランジャーの被加工物接触端との構造を変えることによってこれを実現できる。より詳細に述べると、円形の溝またはリッジをマンドレル基底部に形成し、プランジャーによるワイヤメッシュの圧接の際に、その被圧縮メッシュ製品の対応当接端に（それぞれ）舌状部または溝が形成されるようにする。プランジャーの被加工物当接端は山または溝の互いに逆の形状構造を備えるよう変形し、それによって被圧縮メッシュ製品の互いに反対の端に溝または舌状部が形成されるようにする。すなわち、上記手法で形成した圧縮ずみメッシュ製品は一方の端に溝を、もう一方の端に舌状部を有し、それらの端部を結合して（軸方向に）長い最終製品を作ることができる。
【００２５】
この圧縮メッシュ製品をエアバッグに用いる場合は、エアバッグメーカーはメッシュフィルタの挿入を受ける缶を供給し、メッシュ製品の環状部に爆発物を雷管とともに入れてその缶を密閉する。缶には、生成したガスを放出するための多数の孔が設けてあり、それらの孔は通常（例えば水に対する）障壁を構成する紙で密閉してある。従来は、メーカーはフィルタ姿勢判定用の探知器を缶に挿入し、フィルタの周囲に溶接ずみの鑽孔管を挿入して環状体の強度を上げる必要があった。探知器は、フィルタ位置の判定のためだけでなく、管の内壁にフィルタが触れて管の密封孔が破損することがないようにするために用いるものである。本発明により、上記探知器および鑽孔管を製造過程から除去することができ、著しいコストの節減と製造の単純化を達成できる。上述のとおり、リブにより、上記鑽孔管を除去して差し支えないほどに十分に向上した環状体の強度が得られる。図２Ａに示したフィルタは、リブが上記缶内でフィルタを中央に位置づけする位置決め素子として作用するので、上記探知器の除去に使用できる。また、リブがフィルタの長さ方向の一部のみに延び、リブなしの部分の直径がより小さいので、直径の小さいその部分を孔付き缶の部分に隣接させ、しかも十分な距離を保って保持することができ、したがって上記爆発物排出口を覆う封止材がフィルタとの接触で損傷を受ける可能性はほとんどない。
【００２６】
また、本発明の上記の新規なメッシュ製品は、エネルギーの吸収、運動の制限、または曲げ運動の発生など運動の機械的減衰のためのメッシュ代替品の製造にも適している。すなわち、これらの新規なメッシュ製品は、ゴムブッシングおよびたわみ管（導管接続用の可撓性円筒状または環状の管部材）の代替品として有用である。
【００２７】
上述の説明は例示のためのものであり、限定を意図するものではない。この明細書を熟読すれば、多様な変更、修正および追加が当業者には明瞭となるであろうが、それら変更、修正、追加等は添付特許請求の範囲の請求項で定義した発明の範囲および真意に含めることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは本発明による新規なフィルタの製造に用いる成型用工具の側面図、Ｂは同成型用工具の平面図、Ｃは同成型用工具の底面図。
【図２】ＡおよびＢは、本発明により製造したリブ付きフィルタの二つの斜視図、Ｃは同フィルタの端面図、Ｄは同フィルタの側面図。
【図３】Ａは、本発明用のプランジャー、Ｂは雌押型・マンドレル組合せ。
【符号の説明】
１０１ 押型
１０３ 内側空胴
１０５，１０７ 空胴直径
１０９ 溝
２０１ リブ
３０１ 円盤状基底部
３０３ マンドレル
３０５ プランジャー
３０７ 外径
３０９ 内径
３１１ 外径

Claims (5)

1. ガス発生器とエアーバッグとを有するエアーバッグ組立体に使用するためのワイヤメッシュフィルタであって、編み上げられかつ圧縮されたワイヤメッシュを含み、前記ワイヤメッシュは、二つの端をもつ一つの軸及び円筒状の外側壁を規定する環状部と、前記外側壁に沿って前記軸の方向にのびた複数のリブとを有し、前記リブは前記軸の方向において前記外側壁の一部だけに設けられており、前記エアーバッグを膨張させるために前記ガス発生器によって発生させられたガスの通過を許すように構成されたことを特徴とするワイヤメッシュフィルタ。
2. 前記ワイヤメッシュは、３０４または３０９等級のステンレス鋼からなるワイヤを含む、請求項１に記載のワイヤメッシュフィルタ。
3. 前記リブは、前記環状部の変形により形成されている、請求項１又は２に記載のワイヤメッシュフィルタ。
4. ガスを発生するガス発生器、膨張可能なバッグ、及びガスが前記バッグを膨張させるときに通過するフィルタを含むエアーバッグ組立体であって、前記フィルタとして、請求項１から３のいずれかに記載のワイヤメッシュフィルタを用いたことを特徴とするエアーバッグ組立体。
5. 請求項４に記載のエアーバッグ組立体を備えたことを特徴とする乗用車。

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