JP4913741B2 - 圧力調節手段が取り付けられたガス生成器及びガス生成器が取り付けられた安全装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス生成器と自動車用の安全装置に関する。

自動車の安全装置用の爆発ガス生成器は、動作圧力に応じた燃焼速度（又は、燃焼率）を有する推進剤から構成された爆発用充填物を使用している。
従って、特定の圧力未満においては推進剤が機能しないと共に、その公称圧力レンジを上回る領域においては、その燃焼性能が急速に変化する。

この問題を解決するための解決策が既に提案されている。
すなわち、特許文献１には自動車の安全装置用のガス生成器が記載されており、この生成器は、火花起爆装置とこの起爆装置によって燃焼が引き起こされる爆発用充填物とを収容している第一燃焼チャンバと、この充填物の燃焼の結果生成されるガスが外部に排出される前に搬送される拡散用の第二チャンバと、を具備する。

これら二つのチャンバは、カプセルによって閉鎖された連通用オリフィスが設けられた隔壁によって分離される。
拡散チャンバには、このチャンバ内のガス圧力の関数としてオリフィスを開閉するのに適するピストンが設けられる。このピストンは皿バネによりオリフィス閉鎖位置に向かって継続的に押圧されている。

実際に、燃焼チャンバ内のガス圧が十分に大きくなるとすぐにピストンが押し返されてスプリングが圧縮される。
この結果、推進剤の燃焼を管理することが可能となる。

特許文献２にはエアバッグ用のガス生成器が記載されており、このガス生成器には燃焼チャンバ内の圧力を調節する手段が設けられている。
この燃焼チャンバは孔の開いた円筒形の壁を具備する静止したハウジングとピストンとから形成され、このピストンは同様に円筒に構成されると共にハウジング内において摺動するのに適している。ピストンの位置に応じて壁を貫通する多数の又は少数の孔が露出し、この結果、燃焼チャンバが拡散チャンバと連通した状態となる。

特定の実施形態においては、ピストンはスプリング上に取り付けられる。別の変形例においては、弾性変形可能な材料の塊によりピストンは反転自在に摺動可能である。

特許文献３には、ガスの蓄えを有するハイブリッド型生成器が記載されており、この生成器は、燃焼チャンバと拡散チャンバとの間に横方向に配置された弁を更に有する。この弁の機能は、二つのチャンバを相互接続する通路を絞ることにある。
この弁は、温度感知型金属スプリング式要素に固定されたピストンを具備する。

ガスの供給における温度に関連した圧力差を補償すべく、ピストンの位置に応じて、通路内の利用可能な断面が温度の関数として変化する。
但し、二つのチャンバ間の通路は完全には閉鎖されないと明確に記述されている。また、弁の位置は生成器が動作状態にある際には止まったままであるとも記述されている。弁は、温度感知型金属要素のみによって移動せしめられる。

生成器の動作が要求される温度範囲は、通常、−３５℃〜＋８５℃である。
推進剤の燃焼速度も温度に依存しており、このことは、流速制御部が固定されている場合には、燃焼チャンバ内の圧力が温度に伴って上昇し、この結果、温度に応じて性能に差が生じることを意味する。

先程引用した特許文献１及び特許文献２に記載のシステムは、収容されている手段が温度とは無関係に動作しているため、この問題を解決不可能である。

特許文献３に記載のシステムの場合には、その動作が厳格に温度の関数となっており、燃焼チャンバ内の圧力について考慮していない。

米国特許第５，７００，０３０号明細書 特開平８−１５６７３７号公報 米国特許第６，０６２，５９８号明細書

本発明の基本的な目的は、燃焼チャンバ内の圧力と外部温度の両方を考慮しつつ、その動作を調節可能なガス生成器を提供することにある。

従って、本発明は、主に自動車の安全装置用のガス生成器を提供しており、このガス生成器は、火花起爆装置と、この起爆装置によって燃焼が引き起こされる爆発用充填物とを収容する燃焼用の第一チャンバと、充填物の燃焼の結果生成されるガスが外部に排出される前に搬送される拡散用の第二チャンバとを具備し、これら二つのチャンバは、少なくとも１つの連通オリフィスを有する「ノズル」隔壁によって互いに分離される。

本発明によれば、拡散チャンバには燃焼チャンバ内のガス圧力の関数としてオリフィスを開閉するのに適したピストンが設けられ、このピストンは弾性変形可能な材料の塊によりオリフィスを閉鎖する位置へと付勢され、この塊は温度の関数として変化する剛性を有し、この剛性は温度の上昇に伴って小さくなる。

この特徴により、外部温度が低い場合には、塊の剛性が大きくなり、この結果オリフィスを通じたガスの流路断面が小さくなると共に、恐らくは燃焼チャンバ内の圧力が上昇する。
逆に、温度が高い場合には、剛性が小さくなり、この結果、流路断面が大きくなると共に、燃焼チャンバ内の圧力が低下する。
この結果、可能な限り圧力が調節される。

本生成器のその他の限定するものではない有利な特徴によれば、弾性変形可能な材料の塊は、エラストマーから製造されており、この塊は円筒形のパッドから構成される。また、本生成器が基本的に円筒形状である場合には、オリフィス及びピストンはその長手軸線上に延在し、且つ、オリフィスを閉鎖するピストンの基端部は切頭円錐形の外形を有する。

最後に、本発明は、前述の特徴のいずれかを有する生成器が取り付けられたエアバッグトリガ又は安全ベルトリトラクタ等の自動車の安全装置を提供する。

本発明のその他の特徴及び利点については、添付の図面を参照して付与されている以下の詳細な説明を参照することにより明らかになるであろう。

添付の図１及び図３に部分的に示されたガス生成器は、基本的に、燃焼チャンバＣ及び拡散チャンバＤを有する。

この生成器は、軸Ｘ−Ｘ’を有する中空金属シリンダ１から形成された包囲部材によって構成され、この包囲部材は、半径方向に向けられ且つ拡散（又は、「プレナム」）チャンバＤの壁を貫通して配置されたガス排出オリフィス１００を有する。
この包囲部材の両端部は、押し込められた閉鎖壁１１及び１３によって閉鎖される。
「ノズル」とも呼ばれる横方向の厚い隔壁１２が、この包囲部材を壁１１と連通する燃焼チャンバＣと、壁１３と連通する拡散チャンバＤとに分離している。

隔壁１２は、二つのチャンバＣ及びＤを互いに連通状態にするオリフィス１４を有する。隔壁又はノズル１２は、例えば、薄い金属フィルムによって形成されたカプセル１２０によって閉鎖される。

オリフィス１４は、軸Ｘ−Ｘ’上にセンタリングされる。これは、チャンバＣからチャンバＤに向かって、一定の円形断面を有する円筒形のセグメント１４０とこのセグメント１４０に続く切頭円錐形状のセグメント１４１とから構成される。従って、切頭円錐形状のセグメントは、セグメント１４０をチャンバＣと連通させる開口よりも大きな開口を介してチャンバＤと連通する。
起爆装置２が、軸Ｘ−Ｘ’上にセンタリングされて、開口１１０内の壁１１に取り付けられる。この起爆装置は、適切な手段によって収容及び位置決めされる。

例えば推進剤から構成された爆発用充填物３が、起爆装置を包囲する。この爆発用充填物３は、その形状が環状であり、その対称軸線が軸Ｘ−Ｘ’と一致している。図示していない実施形態においては、充填物はペレットから構成されてもよい。
このブロックはグリッド４によって位置決めされており、このグリッドは隔壁１２にも当接する。

ピストン５は、軸Ｘ−Ｘ’上にセンタリングされた状態でチャンバＤ内に取り付けられる。例として、このピストンは、上記セグメント１４１の外形に対して実質的に相補的である切頭円錐形状の外径５０を備え且つオリフィス１４を閉鎖する基端を有する金属ボディによって構成される。

図示していない実施形態においては、ピストンの切頭円錐形状の外形５０はセグメント１４１の外形に対して相補的になっている。この変形例は、ピストン５と隔壁又はノズル１２との間での漏れの危険性を低減するように機能する。
当然のことながら、オリフィス１４の特定の形状に応じて、ピストン５の形状及びサイズを相応して適合可能である。

ピストン５の背後には、弾性変形可能な材料体６が取り付けられる。この場合、材料体６は弾性体のパッドから構成される。
このパッドは円筒形であり、停止時に、すなわち図５に示されている非圧縮状態にある際に、その直径は例えばピストンの直径と等しい。
パッドは、ピストンと一体になった周囲のカラー部分５１によりピストン５の背後において係合及び保持される。

本発明によれば、材料体６は、剛性が温度の関数として変化可能であるという特徴を有し、この剛性は温度が上昇すると増大する。
換言すると、この剛性は、低温において大きく、高温において小さい。
一例として、使用される弾性体は、−４０℃〜＋１００℃の温度範囲においてその剛性が２０％〜４０％だけ変化するという特徴を有する。

以下、このような生成器の動作について説明し、これにより上述した特徴に基づく利点を明らかにする。
生成器１が始動される前に、生成器１の構成要素は図１に示したように位置し、このことはオリフィス１４を閉鎖すべく、材料体６がピストン５を隔壁１２に対して押圧していることを意味する。

動作の際には、点火電流が端子ピン２０を介して起爆装置に伝達される。次いで、この点火により、起爆装置のキャップ内に収容されている充填物が起爆される。
その後、キャップ内の圧力が増大して、キャップが開放され且つ／又は断片化され、ここからガスと炎が（すなわち、チャンバＣ内に）放出されることになる。
そして、この炎とガスが爆発用充填物３に点火する。

この燃焼の結果生成されるガスにより、チャンバＣ内の圧力が次第に増大する。特定の圧力レベル（約１０メガパスカル（ＭＰａ））よりも高くなると、カプセル１２０がせん断効果によって破壊される。次いで、加圧状態のガスがピストン５に作用する。

この圧力は、ピストン５と弾性体６に対して図１の矢印Ｆの方向に作用する力を生成する。
この力の影響により、ピストン５と隔壁１２の間に軸線方向に保持された弾性体６が軸線方向に縮小すると同時に半径方向に拡大し、この結果、ピストンが上記矢印Ｆの方向に軸線方向に移動することができ、これによりオリフィス１４が開く。

この結果、ピストンの切頭円錐形状の外形５０とオリフィス１４の間にクリアランスｊ（図２参照）が生じ、このクリアランスを介してガスがチャンバＤ内に放出される。

推進剤充填物（ブロック又はペレットのいずれか）の燃焼を管理及び制御するのはこのクリアランスあり、より詳しくはこのようにして動的に変化する。

燃焼チャンバＣ内の圧力が上昇すると、クリアランスｊが増大し、よってガスを搬送するのに利用可能な断面が増大し、この結果このチャンバ内の圧力が低下する。
逆に、圧力が低過ぎる場合には、クリアランスｊが減少し、圧力が上昇する。

上述したように、使用される弾性体の剛性は温度の関数として変化する。
従って、外部温度が低い場合には（例えば、約−３５℃）、弾性体の剛性が大きくなり、この結果クリアランスｊの値が小さくなり、これにより燃焼チャンバＣ内の圧力の増大に寄与することになる。
対照的に、温度が高い場合には（例えば、約８５℃）、剛性が小さくなり、この結果クリアランスｊが大きくなり、これにより燃焼チャンバ内の圧力を低下させることができる。

このような構造の第一の利点は、通常の温度範囲における生成器の性能の再現性が向上することにある。
また、剛性が変化可能である弾性体の使用は、同一の温度範囲における推進剤の性能を滑らかにするよう機能する。

さらに、最大圧力が低減されるため、燃焼チャンバ内における圧力変化の程度が小さくなり、この結果、安全係数を同一に保持しつつ構造を軽量化することができる。
生成器が火災に遭遇したことを仮定した場合には、弾性体の材料が溶解し、この結果、ピストン５がオリフィス１４から切り離される。
この結果、推進剤が相対的に低い圧力において燃焼可能であり、これにより噴出や断片化に起因した生成器の構造体に対する損傷が回避される。

目安として、弾性体は、以下の剛性値（単位：キロニュートン／ミリメートル（ｋＮ／ｍｍ））を示す。

・ショア硬さが６０である場合：
・−４０℃において、１５７ｋＮ／ｍｍ
・２５℃において、１４２ｋＮ／ｍｍ
・９０℃において、１２９ｋＮ／ｍｍ
・ショア硬さが８０である場合：
・−４０℃において、１９２ｋＮ／ｍｍ
・２５℃において、１５７ｋＮ／ｍｍ
・９０℃において、１１４ｋＮ／ｍｍ

本発明に係る生成器の長手方向の中間断面図であり、この生成器が収容しているピストンが、二つのチャンバを分離する隔壁内のオリフィスを閉鎖する位置に示されている。 ピストン、これに関連する弾性体、及び二つのチャンバを分離する隔壁の長手断面図である。 図１に類似した図であり、ピストンが隔壁から離れた収縮位置に示されている。

Claims (8)

1. 自動車の安全装置用のガス生成器であって、
   火花起爆装置（２）と、該起爆装置によって燃焼が引き起こされる爆発用充填物（３）とを収容する燃焼用の第一チャンバ（Ｃ）と、
   前記充填物（３）の燃焼の結果生成されるガスが外部に排出される前に搬送される拡散用の第二チャンバ（Ｄ）と、を具備し、
   これら二つのチャンバ（Ｃ、Ｄ）は、少なくとも１つの連通オリフィス（１４）を有する「ノズル」隔壁（１２）によって互いに分離されるガス生成器において、
   前記拡散チャンバ（Ｄ）には前記燃焼チャンバ（Ｃ）内のガス圧力の関数として前記オリフィス（１４）を開閉するのに適したピストン（５）が設けられ、該ピストン（５）は弾性変形可能な材料の塊（６）により前記オリフィス（１４）を閉鎖する位置へと付勢され、前記塊（６）は温度の関数として変化する剛性を有し、該剛性は、温度の上昇に伴って小さくなることを特徴とする、ガス生成器。
2. 前記弾性変形可能な材料の塊（６）は、エラストマーから製造されていることを特徴とする、請求項１に記載のガス生成器。
3. 前記塊（６）は円筒形のパッドから構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス生成器。
4. 長手軸線（Ｘ−Ｘ’）回りで基本的に円筒形状であり、
   前記オリフィス（１４）及び前記ピストン（５）は前記軸線（Ｘ−Ｘ’）上に延在することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス生成器。
5. 前記オリフィスを閉鎖する前記ピストン（５）の基端部（５０）が切頭円錐形の外形を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス生成器。
6. 前記ピストン（５）と前記オリフィス（１４）との間にクリアランス（ｊ）が形成され、このクリアランスは前記第一チャンバ（Ｃ）内の圧力が上昇すると増大すると共に前記第一チャンバ（Ｃ）内の圧力が低下し過ぎると減少し、これにより爆発用充填物（３）の燃焼が管理及び制御される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス生成器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の生成器（１）が取り付けられた自動車の安全装置。
8. 当該自動車の安全装置は、エアバッグトリガ又は安全ベルトリトラクタである、請求項７に記載の自動車の安全装置。

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