JP5008854B2 - ガス発生器の製造方法およびガス発生器 - Google Patents

Description

本発明は、純アルミニウム系素材のカップ体と、高強度アルミニウム合金素材のホルダとの間の気密性を高めるために、レーザーによる溶接を用いたガス発生器の製造方法、及び、気密性を有するガス発生器、特に自動車のシートベルトプリテンショナー等の車両搭乗者拘束装置を作動させるに好適なガス発生器に関する。

自動車の衝突時に生じる衝撃から乗員を保護するための安全装置の１つとして、シートベルトプリテンショナーが知られている。このシートベルトプリテンショナーは、ガス発生器から放出される高温、高圧のガスにより作動して乗員を保護するものである。このガス発生器は、着火手段及びガス発生剤を備え、衝突時に着火手段を作動させることで、ガス発生剤を引火、燃焼させ、急速にガスを発生させるものである。

従来のガス発生器の一例としては、図７に示すもの等が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この図７に示すガス発生器１００は、着火薬１０８と着火薬１０８に接する電極ピン１０９、１１０とを有する点火部１０１と、ガス発生剤１０２と、端面１０７を有するカップ体１０３と、点火部ケース１０４と、ホルダ１０５と、溶接可能部材１０６とを主構成とするものであり、溶接可能部材１０６の第２円柱部１０６ｂの第１円柱部１０６ａ側端部とカップ体１０３の開口側の端面１０７とが溶接されているものである。この溶接は、溶接可能部材１０６の端部１０６ｃ側からなされている。
国際公開第ＷＯ０３／０２２６４５号パンフレット

ところが、本発明者の実験によると、例えば、アルミニウム系金属で形成されたカップ体１０３と、高強度アルミニウム合金で形成された溶接可能部材１０６とを接合する際、溶接可能部材１０６の端部１０６ｃ側をレーザーで加熱すると、カップ体１０３との接触面の溶接が不十分で、高気密性を達成することが困難という問題が生じていた。この原因は、以下の通りである。レーザーの反射率が大きく、かつ熱伝導が良いアルミニウムを溶接するためには、大きな出力のレーザーを照射する必要がある。しかし、このような大きなエネルギを与えると、高強度アルミニウム合金が含有するＭｇやＣｕなどの低沸点の金属が爆飛して、溶接欠陥がおこり、シール性を損なってしまうのである。なお、溶接可能部材１０６とカップ体１０３との接触面を加熱しても、同様の問題が生じることが判明した。このような気密性に劣るガス発生器は、例えば高湿な雰囲気に長時間放置された場合、内部のガス発生剤、点火薬、着火薬が吸湿し、着火性能、燃焼性能に異常をきたすおそれがある。
また、カップ体１０３の外表面側から加熱して溶接可能部材１０６と溶接する方法も考えられるが、この場合加熱すべき部分の体積が大きくなりすぎて、多大なエネルギを必要とするため、爆飛が起こりやすくなり、実用化が困難という問題がある。

そこで、本発明の目的は、高シール性を有するガス発生器を安価かつ容易に実現する方法、及び高シール性を有するガス発生器を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

前記課題を解決するための手段として、本発明では、高強度アルミニウム合金製のホルダと、アルミニウム系金属製のカップ体の開口部を、レーザー溶接により接合して、高いシール性を実現し、前記課題の解決に成功したものである。

すなわち、本発明は、燃焼によりガスを発生させるガス発生剤を装填するカップ体と、電極ピンと、通電により発火する点火機構を有する点火部と、前記カップ体と前記カップ体の開口部側から挿入して前記ガス発生剤を封止するホルダとを備えるガス発生器の製造方法であって、前記カップ体が純アルミニウム又は純度９９％を超えるアルミニウム合金、好ましくは純アルミニウムから形成され、前記ホルダがアルミニウムよりも強度の高い高強度アルミニウム合金から形成されたものであり、前記カップ体の前記開口部側の端面にレーザー光を照射し、前記カップ体と前記ホルダとを溶接接合するものである。
上記構成により、低沸点金属の含有率が低いカップ体に集中的に熱を加え、その余熱により、高強度アルミニウム合金製のホルダの一部を溶かすことになり、ホルダへの集中的なエネルギの投入が回避できるので、高強度アルミニウム合金に含まれるＭｇやＣｕなどの低沸点金属の爆飛を抑えることができ、溶接欠陥の発生を抑止できる。この結果として、気密性の高いガス発生器が得られる製造方法を提供できる。

ここで、純度９９％を超えるアルミニウム合金は、マグネシウム、銅等の低沸点金属を含む。なお、カップ体には、純度の高いアルミニウムを用いることが好ましい。高強度アルミニウム合金と異なり、溶接欠陥の防止に対し有効なためである。

また、ホルダに高強度アルミニウム合金が用いられるのは、限られた寸法内で、ホルダとしての所望の強度を発揮し、かつ、鉄系合金よりも加工性が良いため、コストを低減させることができるためである。また、カップ体にアルミニウム系金属が用いられるのは、強度がそれほど要求されないためである。

本発明のガス発生器の製造方法は、前記カップ体内部に前記ホルダを挿入した後、前記レーザー光が照射されることが好ましい。
上記構成に示すように圧入することで、溶接部位の間の隙間がほとんどなくなった状態で溶接接合するため、隙間の偏りによる溶接状態のばらつきを抑えることが出来、気密性の高いガス発生器を確実に得ることができる。従って、溶接の歩留まりを向上させることができる。

本発明のガス発生器の製造方法は、前記レーザー光の出力波形が制御波形であることが好ましい。
上記構成により、矩形波のレーザー光の照射に比べて、溶接部が急速に冷えてしまうことを軽減することが可能となり、この急速な冷却に伴う溶接部のひび割れを防ぐことができるので、気密性の高いガス発生器をより確実に得ることができる。

本発明のガス発生器の製造方法は、前記ホルダが、前記カップ体に挿入された際、前記カップ体の前記開口部側端面と同一平面上で隣接する環状面を有するものであって、前記溶接が前記開口部側端面と前記環状面との間でなされることが好ましい。
上記構成により、カップ体の溶融部分の熱エネルギをホルダの溶接部に効果的に伝えることができ、より少ない照射エネルギで溶接することができるため、気密性の高いガス発生器をさらに確実かつ効率的に得ることができる。

本発明は、燃焼によりガスを発生させるガス発生剤を装填するカップ体と、電気を通電するための２本以上の電極ピンと、通電により発火する点火機構を有する点火部と、前記カップ体と前記カップ体の開口部において接合され前記ガス発生剤を封止するホルダとを備えるガス発生器であって、前記カップ体が純アルミニウム又は純度９９％を超えるアルミニウム合金から形成され、前記ホルダがアルミニウムよりも強度の高い高強度アルミニウム合金から形成されたものであり、前記カップ体の前記開口部と前記ホルダとが、前記カップ体の開口部側の端面にレーザー照射することにより、レーザー溶接接合されたものである。
上記構成により、気密性の高いガス発生器を得ることができる。

本発明のガス発生器は、前記ホルダが、前記電極ピンが貫通する孔が形成され、前記孔の一部に縮径部を有してなり、前記電極ピンが、塞栓を介して前記孔に固定されており、前記点火部が、前記各電極ピンの頭部同士を連結する抵抗体と、少なくとも前記抵抗体の周囲に形成される着火薬とを有することが好ましい。
上記構成により、湿気等に対するシール性が向上し、また、高温下でガス発生器が作動した場合でも、電極ピンが飛び出しにくいガス発生器を安価に提供できる。

以下、本発明の実施形態に係るガス発生器を、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の実施形態に係るガス発生器の軸方向断面図である。図２は図１のガス発生器においてカップ体３の底部分から見た図、図３は図１のIII−III断面矢視図である。図１において、ガス発生器１０は、着火薬８と、着火薬８に接する電極ピン９ａ、９ｂとを有し、この電極ピン９ａ、９ｂへの通電により発火する点火部１と、ガス発生剤２とを有し、燃焼によりガスを発生させるガス発生剤を装填するカップ体３と、塞栓４ａ、４ｂと、ホルダ５とを備えるものである。

カップ体３は、大径の円筒部３ａと、この円筒部３ａに連なる有底筒部３ｂと、開口部を含んでおり、この開口部の端部には端面７、すなわち、カップ体３の開口部側の端面を有する。図２に示すように、有底円筒部３ｂの底面には、６本の切欠き部３ｃが中心から放射状に形成されている。そして、カップ体３内のガス発生剤２が燃焼して高温且つ高圧のガスが発生したときには、そのガスの圧力により切欠き部３ｃが破断して、図示しないシートベルトプリテンショナーへガスが直接放出される。なお、カップ体３の材質としては、アルミニウム系金属、特に、添加物０．５％以下の純アルミニウムが好ましい。

ホルダ５は略有底円筒状であり、電極ピン９ａ、９ｂが樹脂製の塞栓４ａ、４ｂのそれぞれを介して固定されるための縮径部を有する孔が設けられている。ホルダ５の孔は、その中に電極ピン９ａ、９ｂが塞栓４ａ、４ｂを介して挿入された状態で、その周端面をカシメることにより、縮径するように塑性変形させられ、この縮径された部分で電極ピン９ａ、９ｂおよび塞栓４ａ、４ｂをホルダ５に固定している。なお、ホルダ５の材質としては、高強度アルミニウム合金が挙げられる。

電極ピン９ａ、９ｂは、電橋線１１によって通電可能に電気的に接続されているが、塞栓４ａ、４ｂにより、ホルダ５とは電気的に絶縁されている。また、電極ピン９ａ、９ｂは、例えば、銅、鉄等の導電性金属合金材料で形成されるものであるが、表面に金メッキ等が施されていてもよい。

塞栓４ａ、４ｂは、貫通孔を有する短筒状であり、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン６、ナイロン６６、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポエチレンイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン等の樹脂が用いられる。これらの中でも、特に、シール性、耐熱性に優れた材料として、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホンを用いることが好ましい。

ホルダ５とカップ体３とは、図４（ａ）に示すように、カップ体３の開口部において、ホルダ５が内部側に圧入されている。このとき、ホルダ５の環状面６が、カップ体３の開口部の端面７と同一平面上で隣接するように位置調整されている。その後、端面７にレーザー光を照射し、カップ体３とホルダ５とを溶接する（図４（ｂ）参照）。なお、レーザーには、矩形波でないもの、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すような制御波形のものを用いる。
また、レーザーの種類としては、アルミニウムの溶接に有効なＮｄ−ＹＡＧレーザーを用いることが望ましい。このＮｄ−ＹＡＧレーザーによれば、歪みの少ない溶接が容易にできる（図１参照）。

点火部１は、電極ピン９ａ、９ｂの頭部同士を連結する抵抗体（電橋線１１）と、抵抗体（電橋線１１）の周囲に配される着火薬８を有する。着火薬８は、抵抗体（電橋線１１）に電流が流れた際の発熱で燃焼を開始し、後述するガス発生剤２を引火させるものである。

ガス発生剤２は、カップ体３の内側に充填されている。ここで、使用できるガス発生剤は、従来使用されている無煙火薬等が挙げられるが、好ましくは、燃料成分として含窒素有機化合物、酸化剤成分として無機化合物、及び少なくとも１種以上の添加物を含有するガス発生剤が良い。具体的には、燃料成分として、ニトログアニジン、アミノテトラゾール、硝酸グアニジンよりなる群から選ばれる少なくとも１種以上が挙げられる。また、酸化剤成分としては、硝酸ストロンチウム、硝酸アンモニウム、硝酸カリウム、過塩素酸アンモニウム、過塩素酸カリウム、塩基性硝酸銅よりなる群から選ばれる少なくとも一種以上が挙げられる。添加物としては、二酸化珪素、窒化珪素、三酸化モリブデン、タルク、クレー、カオリン、シランカップリング剤等が挙げられる。その他、ガス発生剤に添加しうる添加剤としては、バインダーなどが挙げられ、バインダーとして、グアガム、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、水溶性セルロースエーテル、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミドよりなる群から選ばれる少なくとも一種以上が挙げられる。好適なガス発生剤の組み合わせとしては、燃料成分としてニトログアニジン、５−アミノテトラゾール及び硝酸グアニジン、酸化剤として硝酸ストロンチウム及び過塩素酸アンモニウム、バインダーとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース、ポリアクリルアミドを含有するガス発生剤である。より好適には、燃料成分としてニトログアニジン２５〜４５重量％、酸化剤として硝酸ストロンチウムを１５〜３５重量％、過塩素酸アンモニウムを１５〜３５重量％、バインダーとしてヒドロキシプロピルメチルセルロースとポリアクリルアミドとの混合物を１〜１０重量％含有するガス発生剤である。

次に、以上説明したガス発生器１０の作用について説明する。図示しない衝突センサが自動車の衝突を感知すると、２本の電極ピン９ａ、９ｂに着火電流が通電される。すると、電極ピン９ａ、９ｂに接続された抵抗体である電橋線１１が発熱し、電橋線１１の周囲に配された着火薬８が発火、燃焼を開始する。この着火薬８の火炎で、ガス発生剤２が引火、燃焼する。ガス発生剤２の燃焼によりカップ体３内に発生した高温のガスは、カップ体３の内圧を急速に高め、やがてカップ体３の底部に設けられている切欠き部３ｃを破断して、ガスが放出される。なお、２本の電極ピン９ａ、９ｂは、塞栓４ａ、４ｂを介してホルダ５の孔に個別にカシメ固定されているため、カップ体３内が高温且つ高圧の状態においても、２本の電極ピン９ａ、９ｂがホルダ５から抜けて外側へ飛び出しにくくなっている。

次に、ガス発生器１０の製造方法について説明する。カップ体３に所定量のガス発生剤２が計量され装填される。電極ピン９ａ、９ｂには、それぞれ塞栓４ａ、４ｂがその周囲にはめ込まれ、また、それらはホルダ５に設けられた縮径部を有する孔にはめ込まれる。そして、ホルダ５に設けられた孔にカシメられることで、塞栓４ａ、４ｂの孔が縮径するように塑性変形されて、ホルダ５に電極ピン９ａ、９ｂ、塞栓４ａ、４ｂが固定される。次いで、電極ピン９ａ、９ｂの内部側各先端に電橋線１１が接続され、その周囲に着火薬８が配される。このようにして点火部１が形成されたホルダ５は、環状面６が、カップ体３の開口部の端面７と同一平面上で隣接するように、カップ体３に圧入される。その後、端面７（好ましくは、端面７の幅方向中心付近）にレーザー光（例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー光）を照射し、カップ体３とホルダ５とを溶接し接合する（図４参照）。なお、レーザーには、矩形波でないもの、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すような制御波形のものを用いる。

上記構成によれば、低沸点金属の含有率が低いアルミニウム合金系のカップ体に集中的に熱を加え、その余熱により、高強度アルミニウム合金製のホルダの一部を溶かすことになり、ホルダへの集中的なエネルギの投入が回避できるので、高強度アルミニウム合金に含まれるＭｇやＣｕなどの低沸点金属の爆飛を抑えることができ、溶接欠陥の発生を抑止できる。この結果として、気密性の高いガス発生器が得られる。また、端面７の幅方向内側には、プレス加工などの影響により曲面が存在する場合があるが、この場合、アルミニウム合金系であるカップ体３の溶融部分が、高強度アルミニウム合金製であるホルダ５に溶接されるまでに温度が若干下がり、高強度合金を溶かすために適切な温度となり、より好ましい場合がある。そのため、端面７の幅方向内側には積極的に曲面を与えても構わないが、適宜決定することが好ましい。参考値として、A１０６０の融点は、６４６℃〜６５７℃、A６０６１の融点は、５８２〜６５２℃である（出展：社団法人日本アルミニウム協会編アルミニウムハンドブック）。

また、カップ体にホルダを圧入するため、溶接部位の間の隙間がほとんどなくなった状態でレーザー溶接を行うので、気密性の高いガス発生器を確実に得ることができる。従って、レーザー溶接の歩留まりを向上させることができる。

さらに、レーザー光の波形が制御波形であるため、矩形波のレーザー光の照射に比べて、溶接部が急速に冷えてしまうことを軽減することが可能となり、この急速な冷却に伴う溶接部のひび割れを防ぐことができるので、気密性の高いガス発生器をより確実に得ることができる。なお、図５（ｂ）に示すような２段以上の制御波形を用いるのが好ましい。

ホルダが、カップ体に圧入された際、カップ体の開口部側端面と同一平面上で隣接する環状面を有するものであって、圧入後の溶接がカップ体の開口部側端面とホルダの環状面との間でなされるので、カップ体の溶融部分の熱エネルギをホルダの溶接部に効果的に伝えることができ、より少ない照射エネルギで溶接することができるため、気密性の高いガス発生器をさらに確実かつ効率的に得ることができる。

なお、上記実施形態の変形例として、図６のカップ体３の端面７付近の一部拡大図に示すように、ホルダ５の環状面６が、カップ体３の開口部の端面７と同一平面上で隣接していなくとも、端面７（好ましくは、端面７の幅方向中心付近）にレーザー光を照射することで、カップ体３とホルダ５とを溶接することとしてもよい。また、電極ピンが３本以上ある構成のガス発生装置であってもよい。これらのような構成のガス発生装置でも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るガス発生器の断面図である。 図１のガス発生器において、カップ体の底部分から見た図である。 図１のIII−III断面矢視図である。 図１のカップ体の開口部付近の一部拡大図であって、レーザー溶接について説明するための図である。 本発明に用いられるレーザーの制御波形の例を示す図である。 本発明のガス発生器の変形例のカップ体の端面付近の一部拡大図であって、レーザー溶接について説明するための図である。 従来のガス発生器の一例を示す断面図である。

符号の説明

１、１０１ 点火部
２、１０２ ガス発生剤
３、１０３ カップ体
３ａ 円筒部
３ｂ 有底筒部
３ｃ 切欠き部
４ａ、４ｂ 塞栓
５、１０５ ホルダ
６ 環状面
７、１０７ 端面
８、１０８ 着火薬
９ａ、９ｂ、１０９、１１０ 電極ピン
１０、１００ ガス発生器
１１ 電橋線
１０４ 点火部ケース
１０６ 溶接可能部材
１０６ａ 第１円柱部
１０６ｂ 第２円柱部
１０６ｃ 端部

Claims (6)

1. 燃焼によりガスを発生させるガス発生剤を装填するカップ体と、電極ピンと、通電により発火する点火機構を有する点火部と、前記カップ体と前記カップ体の開口部側から挿入して前記ガス発生剤を封止するホルダとを備えるガス発生器の製造方法であって、
   前記カップ体が純アルミニウム又は純度９９％を超えるアルミニウム合金から形成され、前記ホルダがアルミニウムよりも強度の高い高強度アルミニウム合金から形成されたものであり、
   前記カップ体の前記開口部側の端面にレーザー光を照射し、前記カップ体と前記ホルダとを溶接接合するガス発生器の製造方法。
2. 前記カップ体内部に前記ホルダを挿入した後、前記レーザー光が照射される請求項１記載のガス発生器の製造方法。
3. 前記レーザー光の出力波形が制御波形である請求項１又は２に記載のガス発生器の製造方法。
4. 前記ホルダが、前記カップ体に挿入された際、前記カップ体の前記開口部側端面と同一平面上で隣接する環状面を有するものであって、前記溶接が前記開口部側端面と前記環状面との間でなされる請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス発生器の製造方法。
5. 燃焼によりガスを発生させるガス発生剤を装填するカップ体と、電気を通電するための２本以上の電極ピンと、通電により発火する点火機構を有する点火部と、前記カップ体と前記カップ体の開口部において接合され前記ガス発生剤を封止するホルダとを備えるガス発生器であって、
   前記カップ体が純アルミニウム又は純度９９％を超えるアルミニウム合金から形成され、前記ホルダがアルミニウムよりも強度の高い高強度アルミニウム合金から形成されたものであり、
   前記カップ体の前記開口部と前記ホルダとが、前記カップ体の開口部側の端面にレーザー照射することにより、レーザー溶接接合されたガス発生器。
6. 前記ホルダは、前記電極ピンが貫通する孔が形成され、前記孔の一部に縮径部を有しており、
   前記電極ピンは、塞栓を介して前記孔に固定されており、
   前記点火部は、前記各電極ピンの頭部同士を連結する抵抗体と、少なくとも前記抵抗体の周囲に形成される着火薬とを有することを特徴とする請求項５記載のガス発生器。

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