JP4115087B2 - 二段階式ガス発生器 - Google Patents

Description

〔本発明の背景〕
〔本発明の技術分野〕
本発明は、一般的なガス発生装置に関するものであり、特に、異なる率（rate）で選択的にガスを放出し、エアーバッグまたは類似の膨張型安全固定（restraining ）装置を異なる車の速度（velocity) に合わせた異なる速さ（speed ）で展開させることができるガス発生装置に関する発明である。
【０００１】
〔関連する技術の説明〕
近年、エアーバッグ固定（restraint ）システムなどの安全装置の膨張率を、衝突時の乗客の人数や車の速度などの変数に応じて制御することが求められている。低速での衝突事故の場合、一人あるいは複数の乗客は、比較的高速で起こる衝突の場合に比べてより緩い力を受けて車内から排除される（たとえば前方へ放り出される）傾向にある。エアーバッグが完全に展開（膨張）して適当な圧力を与える状態に到達するには所定の量のガスが必要であるから、乗客が相対的に弱い力の下で車内で排除された場合には、高速で衝突した場合より、固定するエアーバッグの完全な展開まで有効な時間に余裕がある。つまり、低速時の膨張率は、高速時に比べて低くすることができる。
【０００２】
膨張率を二種類設けるために、米国特許番号3,773,353 号、Trowbridgeその他では、充填物（charge）を２つ離して用意しておいて、ゆっくりした膨張が要求される際には１つに点火し、高速での衝突の際には両方を点火して、このような状況下で必要となる、エアーバッグの非常に迅速な膨張と展開とを実現している。この装置では、加圧下で無毒のガスを満たした筐体（hausing ）の中に該充填物が収められている。この筐体は破裂板で密封されていて、２つの充填物のどちらかが爆発すると、この破裂板には、ピストンとロッドに類似した仕掛けで穴があけられる。ただし、この仕掛けは比較的複雑で、したがって比較的高価なことが欠点を招来する。たとえば、上記の２つの充填物を別々に格納して、さらに、別々に導火爆管などの点火装置に接触させるには、筐体構成に加えて、少なくとも破裂板構成が３つおよび充填物が２つ必要になる。
【０００３】
米国特許番号3,905,515 号、Allemannは、他の二段階式の膨張器組立品（assembly）が開示されている。ここでは２種類の異なる充填物を用いており、この充填物は無害なガスを加圧下で格納するために用いられるチャンバー内に収められている。しかしながら、この構成は前記米国特許番号3,773,353 号よりもさらに複雑である。この構成では、破裂円盤の一部がすべり可能な（slidable）シャトル弁部材の頭部を形成しており、この頭部は、２つの充填物の一方または双方の爆轟に続くガスの流出を部分的に抑圧するために排気経路にせり出している。
【０００４】
〔本発明の要約〕
本発明の一つの目的は、少なくとも２つの異なる率で膨張することによって、感知した車の速度に合わせて展開できる、エアーバッグまたは類似の膨張型固定装置のためのシンプルで安価なガス発生器を提供することである。
【０００５】
本発明の他の目的は、導火爆管、または類似の円盤強度低下装置の使用によって円盤が一つを残して全て開放される多重破裂円盤構造を用いて膨張率を制御する、衝突時に点火される充填物を１つのみしか必要としないエアーバッグなどの自動車用安全固定システムのためのガス発生器を提供することである。
【０００６】
固体推進剤を上記バッグ膨張ガスの生成に用いる場合、該固体燃料は、固定された流出口（exist port）の面積において、口を絞る（choked）か流れを抑えた（throttled ）燃焼室の中で燃焼する。火工（pyrotechnic ）発生器では、ガスの流量が上記流出口の面積（port area ）に反比例する。よって、流出口の面積の増加は減少した流量（flow rate ）と速力の減じたバッグ膨張を結果として生じさせる。したがって、低速衝突時には大きな流出口が要求され、より高速の事故の場合ではより小さな流出口が要求される。
【０００７】
一方、火工ガス生成が圧縮ガス源とともに用いられるハイブリッド構成、および、推進剤燃焼生成物がガス貯蔵ボトル容器内の圧縮ガス（たとえばアルゴン）とその上記容器内で温度と圧力が上昇するように混合されるハイブリッド構成では、オリフィス流出係数を決定する圧縮ガスと燃焼生成物との混合比が、時間の経過に伴って複雑に変化する。流量方程式（flow equation ）の数値解析は、流量が上記流出口の面積に比例することを示す。
【０００８】
本発明は、ハイブリッド火工／圧縮ガス構成を用いて流出口の面積を変化させれば、流量が少なくとも２つの異なった値をとるように制御でき、その結果、エアーバッグの膨張率が少なくとも速い膨張率と遅い膨張率とに切り替え制御可能になるという着想に基づいている。つまり、加圧下のガスが火工充填物と組み合わせられて備えられるハイブリッド構成を用いることで、上記流量が、上記ガスの排出される上記流出口の面積に比例する状況を作り出し、遅い膨張が要求される場合には、複数の流出口の少なくとも１つのみが選択的に開放され、より速い膨張および展開率が必要な場合には、開放する流出口の数を増加することができる。
【０００９】
簡潔に記すと、上記目的は、ガス発生器が、アルゴンまたは類似の無毒の不活性ガスが加圧下で格納されているチャンバー内に配置されている１つの充填物を備える構成によって達成される。上記チャンバーは２つ以上の破裂円盤で閉鎖しており、その内の１つのみが選択的に点火可能な導火爆管に接触しない。非接触の破裂円盤は、火工充填物が点火されて規定の許容限界を超えてチャンバー内のガス圧が上昇した際に破壊される。その他の円盤は全てこの圧力に耐えられように構成されていて、破砕（breach）が起る前に連合した（associated）導火爆管からの熱に曝されることによって弱められることが要求される。
【００１０】
ガス／火工圧力の発生を圧縮する上記ハイブリッドは、エアーバッグの膨張率が破裂円盤の破砕によって開放される上記流出口の総面積とほぼ比例するようになっている。破砕される破裂円盤の個数を限定することによって、上記流出口の面積およびエアーバッグの膨張／展開率が、低速衝突のための制御される。上記円盤の全ての破砕は、流出口の面積を最大化するとともに、高速衝突のために適当なレベルまで加圧率を最大化する。一方、選択された個数の円盤の破砕は、中速度の衝突時により適するように制御された膨張率を可能とする。
【００１１】
より明確には、本発明の第１の側面は車安全固定のための膨張装置に存在し、該膨張装置は、容器；該容器内部を、密封するようにシールされた第１チャンバーと、複数の排出口（exit opening）を通じて出口を与えられる第２チャンバーとに分割する隔離部；上記第１チャンバーの中に配置される火工充填物；該火工充填物に選択的に点火する手段；第１規定圧力の下で上記第１チャンバー内に格納される規定量で規定種類のガス；第１および第２チャンバーをつなぐ第１流出口を閉鎖しているが、第１チャンバー内の圧力が第２規定圧力に達すると壊れる（fail）ように適合されている第１破裂円盤手段；第１および第２チャンバーをつなぐ第２流出口を閉鎖する第２破裂円盤手段；上記第１規定圧力とほぼ等しい圧力で該第２破裂円盤が選択的に壊れるように誘発する手段；を備えている。
【００１２】
本発明の第２の側面は膨張型固定部材を有する車固定システムに使用する膨張装置に存在し、この膨張装置は、圧力下ガス源と排気口（discharge opening ）との間に機能的に設けられ、第１流出口を開放するために規定圧力下で壊れるように調節されており、上記圧力下ガス源と上記排気口とをつなぐようになっている第１破裂円盤；上記圧力下ガス源と排気口との間に機能的に設けられ、第２流出口を開放するために該規定圧力を超える圧力下で壊れるように調節されている第２破裂円盤；規定圧力下で壊れて上記第２流出口を開放する程度の第２破裂円盤の構造的強度を低下させるための手段；を備えている。
【００１３】
本発明の第３の側面は膨張型安全固定装置の膨張を制御する方法に存在し、この方法は、ある容量の加圧ガス内で火工充填物を点火することによってさらに加圧されたガスを生成するステップ；第１破裂円盤を上記さらに加圧されたガスに曝すことによって、第１破裂円盤を破砕して第１流出口を開放するステップ；第１流出口の面積にほぼ比例する率でガスを放出させるステップ；第２破裂円盤が上記さらに加圧されたガスの適用下で破砕されて第２流出口を開放するように誘導するために、第１規定速度を超える車の速度の検出に応答して第２破裂円盤の構造的強度を低下させるステップ；第１および第２流出口の双方を通じて第１および第２流出口の合計面積にほぼ比例する率でガスを放出するステップ；を備えている。
【００１４】
〔より好ましい実施の形態の詳細な説明〕
図１は本発明の実施の形態を示しており、火工充填物１０１を包含するガス発生装置１００が、円筒型鋼製筐体または圧力容器１０２内に設けられており、該圧力容器１０２は、図１に示すように、その部分で固定（たとえば溶接）されている２つの蓋状の端部部材１０６・１０８によって閉鎖している１本の円筒型パイプ１０４からなっている。導火爆管または類似の点火装置１１０と点火円盤１１２とは、第１端部部材１０６中で火工充填物１０１に極めて近接して配置されている。
【００１５】
隔離板１１４は、導火爆管１１０から相対的に末端（distal）となるように第２端部部材１０８に最も近い上記パイプ１０４中に配置されている。隔離板１１４は、密封するようにシールされて、圧力下でアルゴンやヘリウムのような適当な無毒のガスで充填された上記パイプ１０４中でチャンバー１１６を限定するようにその部分で固定されている。充填口１１７は、上記装置が組み立てられ、種々の部品が互いに固定された後に、上記選択された無毒のガスでチャンバー１１６のチャージング（charging）を促進するために第１端部部材１０６中に備えられている。
【００１６】
図１および図２に示すように、上記隔離板１１４は２つの分離された破裂円盤１１８・１２０により形成されている。第１円盤１１８は、規定圧力の適用下で壊れて破砕するように適合されており、第２円盤１２０は、より高い圧力かまたは破壊が起る前に弱くなるようなある形状を要するように設計されている。第２導火爆管１２２は、第２破裂円盤１２０に極めて近接して筐体の第２端部部材１０８に固定されている。第２導火爆管１２２は、第１破裂円盤１１８を破砕する圧力で第２破裂円盤１２０も破砕するように第２破裂円盤１２０を加熱して弱めるために調整されている。
【００１７】
複数の分岐出口（manifold exits）１２４は、上記パイプ１０４の壁を突き抜けて形成されており、該ガスは、破裂円盤１１８・１２０の一方または両方が壊れるように誘導された際に開放される上記流出口（the ports ）を介して、エアーバッグまたは類似の膨張型固定装置（図示せず）に上記ガスを流入させる導管または導管構造（図示せず）に流出するために、隔離板１１４および第２端部部材１０８の間を限定するサブチャンバー１２６に放出される。
【００１８】
上記火工充填物の構造や構成は本発明には直接関係がなく、適当な公知の様式とすることができるので、簡潔にするために同様の詳細な説明を省略する。しかしながら、本装置のこの側面に関連するさらなる参考文献として、たとえば、発明者Ochi他の１９９６年１月９日に発行された米国特許番号 5,482,579号、発明者Onishi他の１９９５年８月８日に発行された米国特許番号 5,439,251号、発明者Hoc 他の１９９５年７月１１日に発行された米国特許番号 5,431,103号、発明者Poole 他の１９９０年８月１４日に発行された米国特許番号4,948,439 号、および発明者Warrenの１９７１年１０月１９日に発行された特許番号 3,613,579号のような参考文献を挙げることができる。
【００１９】
図３に示すように、上記２つの導火爆管１１０および１２２は、たとえば車の減速度を検出するＧセンサー２０１の出力および車速センサー２０２の出力に応答する回路２００に機能的に接続されていて、導火爆管１１０・１２２の両方が同時に点火される必要があるか、１１０のみが最初に点火される必要があるか決定するために構成されている。
【００２０】
本実施の形態では、導火爆管１１０・１２２の両方に点火することが望ましいことを注記しておく。高速で衝突した場合、両方の破裂円盤１１８・１２０を***（破砕）して、エアーバッグ固定システムのより迅速な膨張を許すように両方の出口を開放するように両方同時に点火する必要がある。しかしながら、低速で衝突した場合には、第１導火爆管１１０が最初に点火され、続いて第２導火爆管１２２が遅らせて点火される。この遅延は約１００ｍｓに設定されていて、この時間内にチャンバー１１６内で発生した圧力のほとんど大部分が実質的に生じるようになっている。この遅延では、第２導火爆管１２２の点火が、エアーバッグの膨張率には本質的に影響がなく、事実、第２破裂円盤１２０の破砕を結果として引き起こさなくてもよい。つまり、第２導火爆管１２２による破裂円盤１２０の加熱は、火工充填物１０１の爆轟を結果として引き起こすようなチャンバー１１６内で発生する上昇圧力がそれを破砕する程度まで、第２円盤１２０を弱めるように設計されている。しかしながら、第２円盤１２０の加熱が遅れると、第２導火爆管が点火された時点でチャンバー１１６内に残存する上記圧力は、第２破裂円盤１２０を実際に破壊するとともに第２流出口を開放するために実際十分ではない場合がある。
【００２１】
安全性の重要性を考慮すれば、衝突した後の極めて短い時間でのエアーバッグ固定システムの展開を保障するために、導火爆管１１０・１２０の両方が、非常に短い期間内でそれぞれが点火されることが好ましく、上記ユニットは全体として作用しなくなり、望ましくない側面の効果を誘導するかもしれないさらなる爆轟ができない状態となる。たとえばひどい事故が発生した場合、不注意に第２導火爆管の遅れた（たとえば２０秒以上）爆轟が燃料蒸気を点火する状態は非常に望ましくない。衝突後にエアーバッグを取り替える際の予期しない爆轟もまた上記の導火爆管１２２の遅れた点火によって除去される。
【００２２】
他の選択肢あるいは遅れた点火信号への追加の何れとしても、図４に示すように自動点火ピル（ＡＩＰ）３０１を第２導火爆管に備えることも本発明の範囲内である。図４に概要を示すように、同ピル３０１は、サブチャンバー１２６を通って漏れ出す熱い流出物からの熱を適当な膜３０２で保護しており、この熱はその点火と、約１００ｍｓの遅れの後に起る第２導火爆管１２２’の続いて起る爆轟を保証し、開放され、エアーバッグの膨張率を制御する上記多数の流出口に影響のない遅れた効果を伴って上記ピル３０１に伝達する。このＡＩＰ３０１の装備は、第２導火爆管１２２が点火して、第２遅延点火信号を送信できなくなるような衝突による損傷を受けても制御回路２００に関係なく無害にすることを保証するようになっている。
【００２３】
本発明を完成させるために実施した試験では、ガス発生器がアルゴンで3112 psiまで満たされ、６０リットルタンクに発射した（fired ）。破裂円盤構成は、流出口の面積の合計が主流出口のそれよりも７５％大きくなるようにした。
【００２４】
高速衝突の模擬実験では、流出口は二つが同時に開いた。主流出口はボトル容器の圧力の上昇によって開放され、副流出口は、圧力の上昇および第２導火爆管１２２からの熱の組み合わせにより開放された。その結果、迅速なブロウダウン（blowdown）となり、ほんの１０ｍｓでアルゴンボトル容器の圧力が最大5821 psiに達し、７６ｍｓで６０リットルタンク圧力が最大88.34 psi に達した。
【００２５】
低速衝突の模擬実験では、アルゴンボトル容器の圧力の上昇により主流出口のみが開放された。副流出口は、第２導火爆管１２２の遅れた活性化のために開放されずに残った。減少された流量面積のために、ブロウダウンは、タンク圧量が１００ｍｓが経過するまで88.34 psi に到達しないほど緩やかに起った。
【００２６】
推進力（つまりアルゴンボトル容器の圧力）が12,518 psiにまで高くなったにも関わらず、エアーバッグの膨張率は相応して緩やかになったが、該推進力は、高速衝突の模擬実験において観察された１０ｍｓと比較して、２３ｍｓでより緩やかに最大化するように発生した。
【００２７】
以下に示す表１により具体的なデータを示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
上記データから明らかなように、流出口の面積における３３％増加は結果としてタンク圧力４．６％の増加、上昇時間の５．５％の減少、およびその結果として推進力（つまりボトル容器の圧力）は１５％減少したにもかかわらずタンク圧力上昇率の１１％の増加を生じさせた。
【００３０】
本発明においては１つの主な実施の形態に関して吟味したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な変更や修飾は本発明の範囲から外れるものではないことは認識されるだろう。たとえば、上記発生器は、１つまたはそれ以上の他の円盤も破砕するために、選択的に弱くされる導火爆管として備えられる１つを除く、３つまたはそれ以上の破裂円盤、および、第１をブロウする圧力を許容する破裂円盤を備えていてもよい。これは、流出口の面積を二段階に変化させるのではなく、三段階、あるいは四段階に変化させて、適応できる速度を多段階に増加することを可能にすることを意味している。さらなる修飾は、異なる隔離部材／位置としての破裂円盤の配置を含むこともできる。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴および付随の利点は、添付された図面とともにより好ましい実施の形態の記述から、より明らかに認識されるものと思われる。次に図面を説明する。
【図１】 本発明の実施の形態にかかる断面図である。
【図２】 破裂円盤の配置およびさらなる円盤を備えることが可能な方法を示すように形成されている、図１に示す実施の形態の要部を形成する破裂円盤としての板の概略要部図である。
【図３】 破砕する破裂円盤の個数を制御して、エアーバッグ固定装置の膨張速度を制御することに用いられる回路構成を示すブロック図である。
【図４】 上記第１導火爆管が点火した後に規定時間をおいて第２導火爆雷に点火するために用いられる自動点火ピル（ＡＩＰ）を含む修飾導火爆管の概略描写図である。

Claims (16)

1. 筐体と、
   該筐体内部を、密封するようにシールされた第１チャンバーと、複数の排出口を通じて出口を与えられる第２チャンバーとに分割する隔離部と、
   上記第１チャンバー内に配置された火工充填物と、
   上記火工充填物に選択的に点火するための手段と、
   第１規定圧力の下で上記第１チャンバー内に規定量で格納されている規定種類のガスと、
   第１および第２チャンバーをつなぐ第１流出口を閉鎖しており、第１チャンバー内の圧力が上記第１規定圧力より高い第２規定圧力に達すると壊れるように調整されている第１破裂円盤手段と、
   第１および第２チャンバーをつなぐ第２流出口を閉鎖する第２破裂円盤手段と、
   上記第１円盤手段とほぼ同時あるいは直後に、上記第２規定圧力よりも低い圧力で該第２破裂円盤手段が選択的に壊れるように誘発する手段とを備えている車安全固定用膨張装置。
2. 上記選択的破壊誘発手段が、点火されると上記第２破裂円盤を加熱して弱くする導火爆管を含む請求項１記載の膨張装置。
3. 上記規定種類のガスは、アルゴンおよびヘリウムを含むグループから選択される無毒ガスである請求項１記載の膨張装置。
4. 第１規定圧力が約3000 psiである請求項１記載の膨張装置。
5. 圧力下ガス源および排気口の間に機能的に配置され、圧力下ガス源および排気口をつなぎ、第１流出口を開放するために規定圧力下で壊れるように調整されている第１破裂円盤と、
   圧力下ガス源および排気口の間に機能的に配置され、圧力下ガス源および排気口をつなぐ第２流出口を開放するために規定圧力を超える圧力下で壊れるように調整されている第２破裂円盤と、
   上記規定圧力下で壊れて第２流出口を開放するための上記第２破裂円盤の構造強度を低下する手段とを備えた膨張型固定部材を含む車固定システムに使用する膨張装置。
6. 上記圧力下ガス源が、上記規定圧力より低い圧力下で規定種類のガスで満たされる容器と、点火により、上記規定種類のガスを混合して上記規定圧力と少なくともほぼ同じ高さのガス圧力を生成する、加熱ガス状生成物を生成する選択的に点火可能な火工充填物とを含む請求項５記載の膨張装置。
7. さらに、上記選択的に点火可能な火工充填物の点火タイミングの制御、および上記第２破裂円盤を弱めるために上記構造強度を低くする制御のための制御手段を含む請求項６記載の膨張装置。
8. 上記制御手段は、車の加速および車速に応答し、
   上記制御手段は、上記火工充填物を点火して、車速が規定限界値を超えて検出された際には、上記規定圧力下で壊れる上記第２破裂円盤の強度を低下させる上記構造強度低下手段を制御する請求項７記載の膨張装置。
9. 上記制御手段は、火工充填物を点火して、上記車速が上記規定限界値よりも低く検出された際には、上記火工充填物の点火後に規定時間遅らせて上記第２破裂円盤の強度を低下させる上記構造強度低下手段を制御する請求項８記載の膨張装置。
10. 上記強度低下手段が、上記第２破裂円盤を加熱して弱めるために点火される導火爆管を含む請求項５記載の膨張装置。
11. 上記導火爆管が、上記火工充填物の点火後に規定時間遅らせて導火爆管に点火する起因となる、第１流出口に通って放出されるガスの熱に応答する点火ピル手段を含む請求項１０記載の膨張装置。
12. 上記圧力下ガス源が、火工充填物および上記規定圧力より低い圧力下の規定量のガスを含み、上記火工充填物が高温ガス状燃焼生成物を生成するために選択的に燃え易く、上記高温ガス状燃焼生成物は、上記第１破裂円盤が壊され、上記第２破裂円盤が完全に残される上記規定圧力と少なくとも同じ高さの圧力となるように規定量のガスを混合して加熱する請求項５記載の膨張装置。
13. 上記規定種類のガスは、アルゴンおよびヘリウムを含むグループから選択される無毒ガスである請求項６記載の膨張装置。
14. ある容量の加圧ガス内で火工充填物を点火することによってさらに加圧されたガスを生成するステップと、
    第１破裂円盤を上記さらに加圧されたガスに曝すことによって、第１破裂円盤を破砕して第１流出口を開放するステップと、
    第１流出口の面積にほぼ比例する率でガスを放出させるステップと、
    第２破裂円盤が上記さらに加圧されたガスの適用下で破砕されて第２流出口を開放するように誘導するために、第１規定速度を超える車の速度の検出に応答して第２破裂円盤の構造的強度を低下させるステップと、
    車速が上記規定速度を超えた際には、第１および第２流出口の双方を通じて第１および第２流出口の合計面積にほぼ比例する率でガスを放出するステップとを含む膨張型安全固定装置の膨張を制御する方法。
15. 上記構造強度を低下させるステップが、第２破裂円盤を加熱して弱める導火爆管を用いることを含む請求項１４記載の方法。
16. 上記車速が上記規定車速を超えない際には、火工充填物が点火された後に規定時間遅らせて上記点火可能な導火爆管が点火される請求項１５記載の方法。

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