JP3828904B2 - エアバッグ用インフレータの性能試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用のエアバッグを展開させるガスを発生させるインフレータの性能試験装置に関する。

硝酸エステル系の火薬が劣化して分解すると窒素酸化物を発生することに着目し、窒素酸化物の吸着により電気抵抗が変化するフタロシアニン類を感応膜とするガスセンサ素子により、硝酸エステル系の火薬からの窒素酸化物の発生速度を計測して劣化度合いを判定するものが、下記特許文献１により公知である。

また推薬の燃焼によりガスを発生するインフレータを用いずにエアバッグの展開実験を行うべく、蓄圧シリンダに蓄圧したガスをエアバッグに供給して展開させるものが、下記特許文献２により公知である。
特許第２６１３７５２号公報 特開平７−８３８００号公報

ところで、新規に開発したインフレータの性能を試験する場合や、製造後に時間が経過したインフレータの推薬の劣化度合いを試験する場合に、インフレータが発生するガスのエネルギーが点火後の時間経過に伴ってどのように変化するのかを知る必要がある。しかしながら、インフレータは１００ｍｓｅｃ程度の極めて短い時間で推薬を燃焼させてガスを発生するため、その短い時間の間にインフレータが発生するガスのエネルギーがどのように変化するのかを的確に把握できる試験装置は従来存在していなかった。また同じインフレータを試験する場合であっても、実験室の温度条件やインフレータが発生するガスの温度条件によって試験結果がばらつくことが懸念され、温度条件に左右されずに再現性の高い試験結果が得られる試験装置の開発が望まれていた。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、インフレータが発生するガスのエネルギーの変化特性を再現性良く試験することが可能なエアバッグ用インフレータの性能試験装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、上下面が上壁および下壁で閉塞された円筒状のタンクと、タンクの内周面との間にガスが流通可能な隙間を存して上下動自在に配置された円板状のピストンと、ピストンの上下動をガイドすべく該ピストンから上方に突出してタンクの上壁を摺動自在に貫通するピストンロッドと、ピストンの下方のタンク内に区画された下室と、ピストンの上方のタンク内に区画された上室と、下室に配置されたインフレータと、上室の圧力を検出する圧力センサと、上室の容積を検出するためにピストンの変位を検出するピストン変位センサとを備え、インフレータの点火後に上室の圧力および容積に基づいてインフレータのエネルギー指標となるインフレータ局所的仕事およびインフレータ全体仕事を算出することを特徴とするエアバッグ用インフレータの性能試験装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記インフレータ局所的仕事は、インフレータが単位時間に発生するエネルギー量であることを特徴とするエアバッグ用インフレータの性能試験装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記インフレータ全体仕事は、インフレータが点火してから所定時間が経過するまでに発生するトータルのエネルギー量であることを特徴とするエアバッグ用インフレータの性能試験装置が提案される。

請求項１の構成によれば、円筒状のタンクの内周面との間にガスが流通可能な隙間を存して円板状のピストンを上下動自在に配し、ピストンの下方のタンク内に区画された下室にインフレータを配置するとともに、ピストンの上方のタンク内に区画された上室の圧力を検出する圧力センサと、ピストンの変位から前記上室の容積を検出するピストン変位センサとを設けたので、インフレータの点火後に上室の圧力および容積に基づいてインフレータのエネルギー指標となるインフレータ局所的仕事およびインフレータ全体仕事を算出することで、インフレータが発生するガスのエネルギーの変化特性を再現性良く試験することが可能となる。

請求項２の構成に発明によれば、インフレータ局所的仕事としてインフレータが単位時間に発生するエネルギー量を測定できるので、エアバッグの展開速度の確認や調整に役立てることができる。

請求項３の構成によれば、インフレータ全体仕事としてインフレータが点火してから所定時間が経過するまでに発生するトータルのエネルギー量を測定できるので、エアバッグの容積に対するインフレータの出力の過不足の確認や調整に役立てることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図３は本発明の一実施例を示すもので、図１はインフレータの性能試験装置の構造を説明する図、図２はインフレータ局所的仕事を示すグラフ、図３はインフレータ全体仕事を示すグラフである。

図１に示すように、推薬の燃焼によりエアバッグを展開させるガスを発生させるインフレータの性能を試験するための性能試験装置は、上下両端が上壁１１ａおよび下壁１１ｂで閉塞された円筒状のタンク１１と、タンク１１に上下動自在に案内される円板状のピストン１２と、ピストン１２の中心から上方に延出し、タンク１１の上壁１１ａに設けた摺動抵抗が小さいブッシュ１３を摺動自在に貫通するピストンロッド１４とを備える。タンク１１の内部はピストン１２によって下室１６および上室１７に区画されており、性能を試験するインフレータ１５は下室１６の中心に配置される。またピストン１２の外周とタンク１１の内周との間には微小な隙間αが形成されており、両者間に摺動抵抗が発生するのを回避するとともに、隙間αを通してのガスの流通を可能にしている。

タンク１１の上室１７の圧力が圧力センサ１８により検出され、またタンク１１の上室１７の容積がピストン変位センサ１９で検出したピストン１２の変位（つまりピストンロッド１４の変位）に基づいて検出される。

図１において使用されている記号の意味は以下のとおりである。尚、記号における添え字「_t 」は、時間的に変化する物理量を示している。

Ｐ₁,_t ：下室１６の圧力［Ｐａ］
Ｐ_2,t ：上室１７の圧力［Ｐａ］
Ｖ_1,t ：下室１６の容積［ｍ³ ］
Ｖ_2,t ：上室１７の容積［ｍ³ ］
ｈ₁ ：初期状態でのピストン１２の下面のグランドラインＧＬからの高さ［ｍ］
ｈ_2,t ：膨張後のピストン１２の下面のグランドラインＧＬからの高さ［ｍ］
Δｈ_t ：ピストン１２の上昇量［ｍ］
ｍ：ピストン１２の質量［ｋｇ］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓｅｃ² ］
ここで、「ピストン仕事」を、インフレータ１５からガスが発生したときに、タンク１１の下室１６の内圧が増加してピストン１２が上方に移動することで発生する仕事と定義する。「ピストン局所的仕事」は、図１に示す系において、熱の授受を無視したときの系内部の増加エネルギーと、系が系の外部に対してなした仕事との和として求められる（エネルギー保存則）。この「ピストン局所的仕事」を時間積算したものが「ピストン全体仕事」である。

本願発明の発明者等は、インフレータ１５がガスを発生したときにタンク１１の内圧が増加してピストン１２を重力に抗して上昇させることで発生する仕事（ピストン仕事）に着目し、このピストン仕事からインフレータ１５のエネルギー指標を表現できると考えた。その結果、インフレータ１５のエネルギー指標と相関関係にあると考えられる「インフレータ仕事」という物理量を定義し、これを試験式化した。このインフレータ仕事の試験式は、ピストン１２が上昇することで得られる差分圧力と差分容積とから構成された気体の状態方程式であり、実験室の温度条件やインフレータ１５が発生するガスの温度をも理論上表現しており、実験結果の同一安定性が高いと考えられる。

以下、その試験式を導き出す過程を説明する。

（１）式はピストン局所的仕事Δｗ_t を示すもので、その右辺の第１項および第２項は系が外部に対してなした仕事であり、第３項および第４項はそれぞれ位置エネルギーおよび運動エネルギーよりなる系内部の増加仕事である。

（２）式は、（１）式で求めたピストン局所的仕事Δｗ_t を時刻ｔ＝０からｔ＝Ｎまで時間積算したピストン全体仕事Ｗ_t を示すものである。

インフレータ仕事は（１）式を離散化することで得られる。

（３）式の右辺の第２項および第４項を構成する一つ一つの項がインフレータ局所的仕事であり、この第２項および第４項を構成する一つ一つの項は、インフレータ１２が発生するガスを理想気体と仮定した場合に、次の（４）式のように定義できる。

この（４）式における仮定条件を適用して、インフレータ局所的仕事Δｗ_t ^* と、インフレータ全体仕事Ｗ_t ^* とを、それぞれ次の（５）式および（６）式により求める。

インフレータ仕事を（４）式の右辺を用いて求める理由は、タンク１１内に既存する空気の圧縮性効果を小さくするためである。

（５）式および（６）式を比熱比κを用いて一般化すると、次の（７）式および（８）式が得られる。

（７）式および（８）式は、発生するガスの成分が異なるインフレータ１５どうしを比較する際に用いると便利である。

（５）式あるいは（７）式により与えられるインフレータ局所的仕事Δｗ_t ^* は、インフレータ１５から単位時間あたりに発生するガスのエネルギーとして定義される。また（６）式あるいは（８）式により与えられるインフレータ全体仕事Ｗ_t ^* は、インフレータ１５が発生するガスが所定時間の間エアバッグに与えることが可能なトータルのエネルギーとして定義される。そして（５）式〜（８）式の値は、圧力センサ１８で検出したタンク１１の上室１７の圧力Ｐ_2,t と、ピストン変位センサ１９で検出したピストン１２の変位から検出したタンク１１の上室１７の容積Ｖ_2,t とから算出することができる。

このように、（５）式〜（８）式で与えられインフレータ仕事を示す試験式は、ピストン１２が上昇することで得られる差分圧力と差分容積とから構成された気体の状態方程式であることから、実験室の温度条件やインフレータ１５が発生するガスの温度をも理論上表現しており、実験結果の同一安定性が高いと考えられる。

次に、タンク１１の容積が０．０５４ｍ³ の性能試験装置を用いて、二段点火式のインフレータ１５の試験を行った結果を、図２および図３に基づいて説明する。

図２は前記（５）式に基づいて算出したインフレータ局所的仕事Δｗ_t ^* を示すもので、実線は一段目および二段目を同時に点火した場合の特性を、破線は一段目の点火から２０ｍｓｅｃ後に二段目を点火した場合の特性を、鎖線は一段目の点火から４０ｍｓｅｃ後に二段目を点火した場合の特性をそれぞれ示している。

同時点火の特性（実線）は、２０ｍｓｅｃ遅延点火の特性（破線）および４０ｍｓｅｃ遅延点火の特性（鎖線）に比べて、インフレータ局所的仕事Δｗ_t ^* が急激に立ち上がるが、比較的に早い時期でΔｗ_t ^* が減少に転じている。２０ｍｓｅｃ遅延点火および４０ｍｓｅｃ遅延点火の特性は、一段目の点火から２０ｍｓｅｃが経過するまではΔｗ_t ^* が一致していることが確認でき、その後に２０ｍｓｅｃ遅延点火の特性は、一段目の点火から２０ｍｓｅｃが経過するとΔｗ_t ^* の増加が確認され、４０ｍｓｅｃ遅延点火の特性は、一段目の点火から４０ｍｓｅｃが経過するとΔｗ_t ^* の増加が確認される。このように、図２に示す実験結果から（５）式の妥当性が証明される。

図３は前記（６）式に基づいて算出したインフレータ全体仕事Ｗ_t ^* を示すもので、実線は一段目および二段目を同時に点火した場合の特性を、破線は一段目の点火から２０ｍｓｅｃ後に二段目を点火した場合の特性を、鎖線は一段目の点火から４０ｍｓｅｃ後に二段目を点火した場合の特性をそれぞれ示している。

このインフレータ全体仕事Ｗ_t ^* に関しても、上述したインフレータ局所的仕事Δｗ_t ^* と同様の特性が読み取れ、（６）式の妥当性が証明される。

特に、インフレータ１５が単位時間あたりに発生するガスのエネルギーとして定義されるインフレータ局所的仕事Δｗ_t ^* を算出することで、エアバッグの展開速度の確認や調整に役立てることができる。またインフレータ１５が発生するガスが所定時間の間エアバッグに与えることが可能なトータルのエネルギーとして定義されるインフレータ全体仕事Ｗ_t ^* を算出することで、エアバッグの容積に対するインフレータ１５の出力の過不足の確認や調整に役立てることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

インフレータの性能試験装置の構造を説明する図 インフレータ局所的仕事を示すグラフ インフレータ全体仕事を示すグラフ

符号の説明

１１ タンク
１１ａ 上壁
１１ｂ 下壁
１２ ピストン
１４ ピストンロッド
１５ インフレータ
１６ 下室
１７ 上室
１８ 圧力センサ
１９ 容積センサ
Ｗ_t ^* インフレータ全体仕事
Δｗ_t ^* インフレータ局所的仕事
α 隙間

Claims (3)

1. 上下面が上壁（１１ａ）および下壁（１１ｂ）で閉塞された円筒状のタンク（１１）と、
   タンク（１１）の内周面との間にガスが流通可能な隙間（α）を存して上下動自在に配置された円板状のピストン（１２）と、
   ピストン（１２）の上下動をガイドすべく該ピストン（１２）から上方に突出してタンク（１１）の上壁（１１ａ）を摺動自在に貫通するピストンロッド（１４）と、
   ピストン（１２）の下方のタンク（１１）内に区画された下室（１６）と、
   ピストン（１２）の上方のタンク（１１）内に区画された上室（１７）と、
   下室（１６）に配置されたインフレータ（１５）と、
   上室（１７）の圧力を検出する圧力センサ（１８）と、
   上室（１７）の容積を検出するためにピストン（１２）の変位を検出するピストン変位センサ（１９）と、
   を備え、
   インフレータ（１５）の点火後に上室（１７）の圧力および容積に基づいてインフレータ（１５）のエネルギー指標となるインフレータ局所的仕事（Δｗ_t ^* ）およびインフレータ全体仕事（Ｗ_t ^* ）を算出することを特徴とするエアバッグ用インフレータの性能試験装置。
2. 前記インフレータ局所的仕事（Δｗ_t ^* ）は、インフレータ（１５）が単位時間に発生するエネルギー量であることを特徴とする、請求項１に記載のエアバッグ用インフレータの性能試験装置。
3. 前記インフレータ全体仕事（Ｗ_t ^* ）は、インフレータ（１５）が点火してから所定時間が経過するまでに発生するトータルのエネルギー量であることを特徴とする、請求項１に記載のエアバッグ用インフレータの性能試験装置。
   

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