(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギを熱エネルギに変換することができるブリッジワイヤと、
前記ブリッジワイヤにスラリー状またはサスペンション状の原材料をディスペンスすることによって付着されたプライマと、
前記プライマにスラリー状またはサスペンション状の原材料をディスペンスすることによって付着させたフラッシュチャージと、
前記フラッシュチャージに近接する出力チャージとを含む、電気イニシエータ。
【請求項２】
電気エネルギを熱エネルギに変換することができるブリッジワイヤと、
前記ブリッジワイヤを覆うプライマと、
前記プライマを覆うフラッシュチャージと、
前記フラッシュチャージに近接する出力チャージとを含み、
前記プライマは、
重量で約１％−７％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５％−４％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、電気イニシエータ。
【請求項３】
電気エネルギを熱エネルギに変換することができるブリッジワイヤと、
前記ブリッジワイヤを覆うプライマと、
前記プライマを覆うフラッシュチャージと、
前記フラッシュチャージに近接する出力チャージとを含み、
前記プライマは、
重量で約１％−１０％のアルミニウムと、
重量で約１５％−４０％のジルコニウムと、
重量で約２０％−５０％のＫＣｌＯ4と、
重量で約１％−７％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５％−４％のクレイトン（登録商標）ＦＧと、
重量で約１０％−５０％の正常スチフニン酸鉛とをさらに含む、電気イニシエータ。
【請求項４】
前記フラッシュチャージは、
重量で２５％までのジルコニウムと、
重量で２５％までのＫＣｌＯ4と、
重量で約２０％−８０％の−１５０μｍ篩目の開き（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛と、
約５％−５０％の平均粒子径３−５ミクロンの正常スチフニン酸鉛と、
重量で約１％−５％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．１％−５％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項２または３に記載の電気イニシエータ。
【請求項５】
電気エネルギを熱エネルギに変換することができるブリッジワイヤと、
前記ブリッジワイヤを覆うプライマと、
前記プライマを覆うフラッシュチャージと、
前記フラッシュチャージに近接する出力チャージとを含み、
前記プライマは、
重量で約３０％−６０％のジルコニウムと、
重量で約３０％−６０％のＫＣｌＯ4と、
重量で約１％−１０％のフレークアルミニウムと、
重量で約２％−８％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．１％−５％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、電気イニシエータ。
【請求項６】
前記フラッシュチャージは、
重量で約１０％−５０％のフェリシアン化カリウム（１１１）と、
重量で約３０％−７５％の過塩素酸カリウムと、
重量で２０％までのジルコニウムと、
重量で約１％−８％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５％−６％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項２または５に記載の電気イニシエータ。
【請求項７】
電気エネルギを熱エネルギに変換することができるブリッジワイヤと、
前記ブリッジワイヤを覆うプライマと、
前記プライマを覆うフラッシュチャージと、
前記フラッシュチャージに近接する出力チャージと、
前記プライマ、前記フラッシュチャージ、および前記出力チャージを含む出力カップと、
前記ブリッジワイヤに接続されるピンが通る非導電ヘッダと、
前記出力カップを覆い前記非導電ヘッダに接続される誘導缶と、
前記誘導缶に接触し前記ピンに近接して終端をなす、前記非導電ヘッダにペイントされた導電ストライプとを含む、電気イニシエータ。
【請求項８】
前記誘導缶と前記ピンとの間で約５０００ボルトの降伏電圧を有する、請求項７に記載の電気イニシエータ。
【請求項９】
ヘッダと、
前記ヘッダから突出する第１のヘッドを有する第１の内側の端部を備える第１のピンとを含み、前記第１のピンは前記ヘッダを通り、前記第１のヘッドは前記ヘッダに近接し、さらに、
前記ヘッダから突出する第２のヘッドを有する第２の内側の端部を備える第２のピンを含み、前記第２のピンは前記ヘッダを通り、前記第２のヘッドは前記ヘッダに近接し、
前記第１のヘッドと前記第２のヘッドとの間に電気的に結合されて延在する電気抵抗装置と、
前記電気抵抗装置を覆うプライマと、
プライマにおけるボイドの形成を防止するために、前記第１のヘッドと前記第２のヘッドとの間の隙間を封止するように充填された不活性材料とを含む、電気イニシエータ。
【請求項１０】
電気イニシエータはさらに、
前記ヘッダに超音波溶接される出力カップを含み、前記出力カップおよび前記ヘッダは前記プライマを囲むキャビティを形成し、
前記プライマは、
重量で約１％−７％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５％−４％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項９に記載の電気イニシエータ。
【請求項１１】
前記出力カップは、丸みをつけたコーナーを有する、請求項１０に記載の電気イニシエータ。
【請求項１２】
３層点火構造を有する電気イニシエータを製造する方法であって、
出力カップを形成するステップと、
ヘッダを形成するステップと、
前記ヘッダを通して第１のピンを挿入するステップと、
前記ヘッダを通して第２のピンを挿入するステップと、
ブリッジワイヤを前記第１のピンおよび前記第２のピンに装着するステップと、
スラリー状またはサスペンション状のプライマをディスペンスすることによって前記ブリッジワイヤに付着させるステップと、
スラリー状またはサスペンション状のフラッシュチャージをディスペンスすることによって前記プライマに付着させるステップと、
前記出力カップを出力チャージで充填するステップと、
前記出力カップを前記ヘッダに超音波溶接するステップとを含む、電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１３】
前記出力カップは、丸みをつけたコーナーを有する、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１４】
前記ヘッダは、シヤー接合を含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１５】
前記プライマは、
重量で約１％−７％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５％−４％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１６】
前記プライマは、
重量で約１％−１０％のアルミニウムと、
重量で約１５％−４０％のジルコニウムと、
重量で約２０％ないし５０％のＫＣｌＯ4と、
重量で約１％−７％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５％−４％のクレイトン（登録商標）ＦＧと、
重量で約１０％ないし５０％の正常スチフニン酸鉛とを含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１７】
前記フラッシュチャージは、
重量で２５％までのジルコニウムと、
重量で２５％までのＫＣｌＯ4と、
重量で約２０％−８０％の−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛と、
約５％−５０％の平均粒子径３−５ミクロンの正常スチフニン酸鉛と、
重量で約１％−５％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．１％−５％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１８】
前記プライマは、
重量で約３０％−６０％のジルコニウムと、
重量で約３０％−６０％のＫＣｌＯ4と、
重量で約１％−１０％のフレークアルミニウムと、
重量で約２％−８％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．１％−５％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項１９】
前記フラッシュチャージは、
重量で約１０％−５０％のフェリシアン化カリウム（１１１）と、
重量で約３０％−７５％の過塩素酸カリウムと、
重量で２０％までのジルコニウムと、
重量で約１％−８％のクレイトン（登録商標）Ｇと、
重量で約０．５−６％のクレイトン（登録商標）ＦＧとを含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項２０】
前記第１のピンは隙間によって前記第２のピンから分離され、
前記第１のピンおよび前記第２のピンのヘッド間の前記隙間を不活性材料で充填するステップをさらに含む、請求項１２に記載の電気イニシエータを製造する方法。
【請求項２１】
電気イニシエータのためのプライマを製造する方法であって、
（ａ）  ボールミル粉砕により−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛を生成するステップと、
（ｂ）  ジルコニウムと、アルミニウムと、過塩素酸カリウムと、クレイトン（登録商標）Ｇと、クレイトン（登録商標）ＦＧと、正常スチフニン酸鉛とを組み合わせて以下の混合物を生じさせるステップとを含み、混合物とは、
（i）  重量で約１％−１０％のアルミニウム、
（ii）  重量で約１５％−４０％のジルコニウム、
（iii）  重量で約２０％ないし５０％のＫＣｌＯ4、
（iv）  重量で約１％−７％のクレイトン（登録商標）Ｇ、
（v）  重量で約０．５％−４％のクレイトン（登録商標）ＦＧ、ならびに、
（vi）  重量で約１０％ないし５０％の、前記−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛であり、さらに、
（ｃ）  第１の溶媒で前記混合物をボールミル粉砕するステップと、
（ｄ）  前記第１の溶媒を蒸発させるステップと、
（ｅ）  第２の溶媒を添加するステップと、
（ｆ）  前記第２の溶媒で前記混合物を磁気的に攪拌するステップとを含む、電気イニシエータのためのプライマを製造する方法。
【請求項２２】
電気イニシエータのためのフラッシュチャージを製造する方法であって、
（ａ）  ジルコニウムと、アルミニウムと、過塩素酸カリウムと、クレイトン（登録商標）Ｇと、クレイトン（登録商標）ＦＧと、正常スチフニン酸鉛とを組み合わせて以下の混合物を形成するステップとを含み、混合物とは、
（i）  重量で２５％までのジルコニウム、
（ii）  重量で２５％までのＫＣｌＯ4、
（iii）  重量で２０％−８０％の−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛、
（ｉｖ）  重量で５％−５０％の平均粒子径３−５ミクロンの正常スチフニン酸鉛、
（ｖ）  重量で１％−５％のクレイトン（登録商標）Ｇ、ならびに、
（ｖｉ）  重量で０．１％−５％のクレイトン（登録商標）ＦＧであり、さらに、
（ｂ）前記混合物を溶媒でボールミル粉砕するステップと、
（ｃ）前記混合物を前記溶媒で磁気的に攪拌するステップとを含む、電気イニシエータのためのフラッシュチャージを製造する方法。
【請求項２３】
電気エネルギを熱エネルギに変換することができるブリッジワイヤと、
前記ブリッジワイヤにスラリー状またはサスペンション状の原材料をディスペンスすることによって形成され、前記ブリッジワイヤの少なくとも一部をコーティングするプライマと、
前記プライマにスラリー状またはサスペンション状の原材料をディスペンスすることによって形成され、前記プライマの少なくとも一部をコーティングするフラッシュチャージと、
前記フラッシュチャージに近接する出力チャージとを含む、電気イニシエータ。
【請求項２４】
前記プライマはヘッダに付着する、請求項１または２３に記載の電気イニシエータ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は電気イニシエータおよびガス発生器の分野に関する。本発明はより特定的に、衝突時に自動車においてガス発生器に点火してエアバッグを膨張させるためおよびシートベルトプレテンショナのためのガス発生器を電気的に起動させるために使用する電気イニシエータに関する。
エアバッグおよびシートベルトプレテンショナは衝突による死亡または傷害を減少させる上で重要な役割を果たす。イニシエータは、衝突検出システムからの電気信号を急速な運動をする熱い粒子に迅速に変換することによりこれらの安全メカニズムを活性化する場合に重大な役目を有する。これらの熱い粒子が固体のガス発生剤に点火し、これがエアバッグを膨張させるためまたはシートベルトプレテンショナを活性化するために必要なガスを生じさせる。
電気イニシエータは概念上数多くの構成部品を含む。イニシエータは、結合されてキャビティを形成するヘッダおよびカップを有する。イニシエータはまた、ヘッダおよびカップの外側からキャビティへの導電経路を与える２つの導電性のピンを有する。キャビティ内部では、この明細書では抵抗体と呼ばれる電気抵抗装置により、ピンはともに接続される。
抵抗体が１つの金属から形成されているときにはブリッジワイヤと呼ばれる。
抵抗体は、温度に対する感度が非常に高い、プライマと称される化学化合物に囲まれている。プライマに近接して、出力チャージと呼ばれる別の化学化合物がある。出力チャージおよびプライマはともに、砲と称される。砲は形成されたキャビティ内に含まれる。
イニシエータは、ガス発生器と呼ばれる装置内に含まれる。安全システムというコンテクストにおいてイニシエータの動作の説明を簡潔にするためには、イニシエータのカップがガス発生剤と呼ばれる固体の化学物質で囲まれていると考えることができる。固体のガス発生剤は、点火されるとガスを生成する。
イニシエータの動作は、導電ピンに電気信号が届くことにより開始される。抵抗体は、信号における電気エネルギを熱エネルギに変換する。その熱エネルギが抵抗体の温度を上昇させ、プライマにおいて発火反応が開始される。プライマにおける発火反応が、出力チャージにおける発火反応を引き起こす。これらの反応により生じる圧力および熱の上昇がカップの破裂をもたらす。高圧により熱いガスおよび粒子が外に拡がり、固体のガス発生剤に点火してガスが生じる。次にこのガスを用いてエアバッグを膨張させたり、ピストンを動かしてシートベルトプレテンショナを動作させたりできる。
自動車の安全システムにおいて用いられるイニシエータを商業的に成功させるには、イニシエータは高速で、信頼性高くかつ一貫性がなければならない。イニシエータはまた経済的に製造されることが必要である。
イニシエータは、必要時に信頼性高く点火を行い、決して意図せずに点火してはならないため、信頼性があり高速でなければならない。イニシエータは、作動の必要性が生じるまでに車内で未使用のまま何年も経過する可能性がある。ガス発生器が適時にエアバッグを膨張させたりシートベルトを締めたりして自動車の乗員の傷害を防止する必要があるため、イニシエータは高速でなければならない。安全システムの設計者が、安全システムの全部分が正確に適切なときに作動して乗員を保護することを確認できるようにするには、イニシエータは高速でなければならない。
高度の信頼性および一貫性が必要なイニシエータには、金属のヘッダを用い、ピンとヘッダとの間でガラス−金属シールまたはセラミック−金属シールを利用し、ヘッダに溶接された金属のカップを有するものがある。これらのイニシエータでは、一方または双方のピンはガラスまたはセラミックの絶縁体を介して金属のヘッダを通して与えられ、ガラスまたはセラミックの絶縁体は金属のピンを絶縁体におよび絶縁体の金属のヘッダに封止する。一方のピンのみがヘッダから絶縁されていれば、ヘッダそのものがキャビティへの導電経路部分として働く。
ガラス−金属シールまたはセラミック−金属シールはハーメチックシールであり、イニシエータ動作中１つまたは複数のピンを適所で保持するには十分に強い。これらのタイプのシールは、抵抗体、プライマ、および出力チャージが水分や湿度の変動を受けないようにする。砲における水分は、適切な電気信号を受けた際にイニシエータが迅速かつ一貫性をもって点火する能力を減じさせる。
イニシエータは経済的に製造できねばならない。ガラス−金属、セラミック−金属、および金属−金属溶接シールは高価である。これらがイニシエータの製造において最も費用のかかる局面となるかもしれない。不運にも、ナイロンなどの安価な材料を用いるイニシエータの信頼性は非常に低い。たとえば、イニシエータはプラスチックのヘッダおよびカップを使用し得る。イニシエータの製造業者が、クリンプまたは注封材料を用いてヘッダとカップとの間に環境シールを設けようとすることがある。このタイプのイニシエータは安価であるが、自動車環境の需要に見合うシールを提供せず、このタイプの安全応用には重要な長期にわたる信頼性をもたらすこともできない。
プラスチックを用いる既存のイニシエータは、プライマおよび出力チャージを環境から独立させるには効果的ではない。ピンとプラスチックヘッダとの間に水分の浸入経路が存在し得る。たとえば、ヘッダ内でピンを成形することにより製造されるイニシエータがある。注入されたプラスチックの温度が下がるとヘッダがピンから引き剥がされ、水分の経路が残るかもしれない。
プラスチックヘッダおよびカップは、ガラス−金属ヘッダと比較して熱膨張係数が非常に高い。自動車環境において、たとえば１５年間という長期の耐用年数にわたる膨張および収縮が抵抗体に機械的応力をかける可能性がある。抵抗体の破損が電気的な問題を引き起こし、イニシエータの点火が遅れたり、完全な故障につながったりする。
抵抗体がハンダでピンに結合されるイニシエータがある。この方策に伴う１つの問題は、ハンダのフラックスがプライマを汚染する可能性があることである。ハンダ付けでは信頼ある接続は保証されない。これらの問題はどちらもイニシエータの信頼性を損なう可能性がある。さらに、ハンダ付けにはさらなる材料、すなわちハンダおよびフラックスが必要である。これらの材料を用いるイニシエータは、これらの材料を用いないものよりも製造がより困難かつ高価になる。
適切に配置された場合、イニシエータは検知システムから電気信号を受取る。しかしながら、イニシエータの製造または設置中に生じる静電気により、イニシエータが不慮にトリガされる可能性がある。これは実際作業者および設備には非常に危険である。
理想的な出力チャージはいくつかの重要な特性を有するだろう。これは水分があるところで点火および燃焼特性を維持する。数多くの熱い粒子を生成してガス発生剤に点火する。また静電放電に比較的感度が低い。理想からはほど遠いが、多くのイニシエータは出力チャージとして黒色火薬を用いる。
イニシエータは、ニトロセルロースを結合剤とし正常スチフニン酸鉛（ＮＬＳ）からなるプライマを使用している。しかしながら、このプライマは熱伝達特性に優れず、直径の大きなブリッジワイヤを用いるか、またはプライマの熱伝達特性を変更しなければ、無発火要求を満たさないだろう。典型的な無発火要求とは、８５℃で１０秒間２００ミリアンペアが与えられた際に、９５％の信頼水準で９９．９％の場合プライマは発火してはならないということである。しかしながら、ブリッジワイヤが大きくなるとイニシエータの応答時間が遅くなり、応答時間要求および全発火要求を満たさなくなるかもしれない。典型的な全発火要求とは、−３５℃で２ミリ秒間８００ミリアンペアが与えられた際、９５％の信頼水準で９９．９％の場合プライマは発火せねばならないということである。
ニトロセルロースの熱的安定性は正常スチフニン酸鉛よりも低いため、およびニトロセルロースはプライマに優れた熱伝達特性を与えないため、ニトロセルロースを用いるプライマは、長期にわたる耐老化性に劣り、熱ヒートシンク能力が低く、熱および機械的衝撃に容易に耐えるために必要な回復力に欠ける。回復力に欠けるということは、プライマが硬くて脆いために超音波溶接プロセスに適さないということを意味する。
発明の概要
本発明は、信頼性の高い低コストの電気イニシエータを提供する。ピンの構造、ヘッダへのピンの装着、カップへのヘッダの装着、ピンへの抵抗体の装着、抵抗体の構造ならびに出力チャージおよびプライマを選択することにより、本発明は高価な構成部品を備えるイニシエータの信頼性を達成する。
ある実施例では、本発明はのこ歯状のぎざぎざ（すなわち、バーブ）が形成されたピンを使用する。のこ歯状のぎざぎざの１つの目的は、ピンが挿入された際にピンを適所で保持することである。別の目的は、数多くの場所でプラスチックに食い込むことにより環境シールを形成し、ラビリンスシールを作り出すことである。のこ歯状のぎざぎざを有するピンを適量の力でプラスチックヘッダに挿入すると、プラスチックの弾性によりヘッダがパチンと戻り、ピンを適所で封止する。
ピンにさらなるシールをもたらすために、ヘッダの下部でピンがヘッダから出ているところの小さなウェルに回復力のあるエポキシが設けられる。エポキシはピンおよびヘッダに結合し、ピンに別の環境シールを形成する。ピンを介する漏れを防ぐことが、本発明を助けるものの１つとなる。
代替の実施例では、ピンは溝なしで形成され、意図する穴よりも僅かに幅広い。このようなピンを穴に押し込んで締まりばめとすることにより、環境シールが設けられる。
本発明のヘッダおよびカップは各々ポリブチレンテレフタル酸エステル（ＰＢＴ）の射出成形により形成される。適切なプラスチックの１つはバロックス（Valox）ＤＲ４８である。バロックスＤＲ４８のヘッダおよびカップは厳しい自動車環境に耐えることができ、超音波溶接されることができる。
本発明のある実施例は、抵抗体として金属のブリッジワイヤを用い、金属抵抗溶接を行なってブリッジワイヤをピンに結合させる際の高い信頼性をもたらす。ハンダまたはフラックスがないため、プライマまたは出力チャージを汚染したり、またはそれらと相互作用する危険性が減じられる。
本発明は、プラスチックヘッダの熱膨張および収縮のために金属のピンが動く場合に備えて、応力除去としてブリッジワイヤに小さなループを設ける。
好ましい実施例では、本発明は少なくとも３つの理由で、出力チャージとしてＢＫＮＯ3（ホウ素／硝酸カリウム）を用いる。第１に、ＢＫＮＯ3の発火および燃焼特性は、従来の黒色火薬よりもはるかに水分に対する感度が低い。このことにより実際使用する場合において本発明をより信頼性高く予測可能なものとし、製造も容易になる。第２に、ＢＫＮＯ3は黒色火薬よりも多くの熱い粒子および金属のスラグを生成する。このことにより、本発明が従来のイニシエータよりも効率的にガス発生剤に点火することが助けられる。第３に、ＢＫＮＯ3は黒色火薬よりも静電放電を受けにくい。したがって本発明では従来のイニシエータよりも製造および使用において安全なものになる。
本発明はアルミニウム粉末のミクロ粒子でのプライマのドーピングを提供し、正常スチフニン酸鉛をもとにしたプライマの熱伝達特性を高める。
本発明は、超音波溶接を用いてカップをヘッダに結合させる。この溶接により、ヘッダとカップとの間に高品質の環境シールがもたらされる。代替の実施例では、熱溶接を利用してカップをヘッダに結合させることができる。
本発明は熱的に安定かつ回復力のある結合剤を用いて、長期にわたる高温の老化および熱衝撃に対する抵抗力がより大きいプライマを提供する。この結合剤は回復力があるため、抵抗体として用いられる金属のブリッジワイヤなどどんな装置でも、超音波溶接プロセス中の機械的衝撃から保護する。
さらに、本発明では絶縁耐力の高いプラスチックを用いるため、優れた静電放電保護がもたらされる。超音波溶接が放電のための空気の経路を妨げる。絶縁耐力の高い十分な厚みを有するプラスチックを用いることにより、プライマおよび出力チャージが静電放電から絶縁され、別個のスパークギャップが不要になる。
本発明の一局面は、ヘッダに挿入されるピンのヘッドを囲む不活性材料を与えることにより、その部分の無発火能力を向上させる。不活性材料の熱伝達特性はプラスチックのヘッダよりも優れている。不活性材料を用いてピン間のボイドを充填すると、プライマが占めねばならない体積が減少する。プライマの量が減じられると、異なるプライマ組成、特に結合剤材料がより少ない組成を利用することが容易になる。結合剤材料の量が少なくなると、点火の信頼性が増大する。
ピンのヘッドを囲む不活性材料を用いることにより、ブリッジワイヤのまわりのプライマにおけるボイドの形成を排除する助けとなる。プライマにおいて急速に蒸発する溶媒によりボイドが発生する可能性がある。プライマの深さを減少させることもまた、プライマにおけるボイドの生成を制御することになる。プライマの熱伝達特性と比較して、ボイドは断熱体として作用する。したがって、ブリッジワイヤにおいて形成されるボイドが点火を妨げ、全発火要求に見合わないハイニシエータにつながるかもしれない。ブリッジワイヤ近くで形成されたり、その一部分のみを覆うボイドが、少量の電流がブリッジワイヤを通る際に局部的に熱いスポットを生じさせ得る。これらの熱いスポットが通常必要とされるよりも少ない電流で砲に点火する可能性がある。したがって、ボイドが無発火要求を満たさないイニシエータにつながる可能性がある。ボイドの形成を排除することにより、イニシエータの信頼性が向上する。
本発明のある局面では、蒸発速度が比較的遅いプライマの溶媒を用いることができる。溶媒の量およびタイプがボイドの形成に影響する。１つの応用で与えられるプライマの量を減少させることにより、使用される溶媒の量が減少する。このことが溶媒の蒸発速度の多くの制約を緩和する。蒸発速度が遅いとボイドの形成も減少する。
不活性材料はまた、ピンをヘッダ内で保持するさらなる保持力を与える。
本発明のある局面は出力チャージを保持する出力カップに丸みをつけた端部を与え、カップがヘッダに超音波溶接される際の、出力カップおよび出力チャージへの損傷を防止する。この丸みをつけた端部が超音波エネルギの結合を向上させ、超音波結合を行なうのに必要なエネルギ量を減じる。丸みをつけた端部はまた、各部分を製造するのに必要なエネルギの変化を減じる。このことが製造された部分の変化の減少につながる。
本発明のある局面は、抵抗体の近くに位置するプライマ、プライマを覆うフラッシュチャージ、およびフラッシュチャージの上部の出力チャージを含む３層点火構造を与える。プライマの組成を調整して、全発火および無発火特性を広範囲にわたり制御することができる。フラッシュチャージの組成および量を調整して、点火された際にすばやく砲の出力を生じさせることができる。このことより、変動のほとんどない高速の機能時間がもたらされる。出力チャージの組成を調整して、圧力および熱い粒子を増加させ、発火材料の効果を最大とすることができる。
本発明の一局面は、ブリッジワイヤを覆う湿ったプライマを軽く押圧することにより、組立てられたすべての部分にわたる無発火および全発火特性における変動を減少させる。
本発明の一局面は無鉛のプライマを用いる。本発明の別の局面は無鉛のフラッシュチャージを用いる。無鉛のプライマまたはフラッシュチャージを用いると、イニシエータが用いられる環境において鉛の源が取除かれる。
さらに、これらのプライマの実施例では、抵抗体およびヘッダへの付着能力が強化される。このことにより出力カップをヘッダに超音波溶接するプロセスがさらに簡素化される。付け加えて、このようなプライマはまた水分および静電放電の影響に対する抵抗力が非常に大きいため、イニシエータの信頼性および安全性が向上する。
本発明の一局面は、ヘッダ本体の外側に沿い導電性材料を設けることにより、組立てられた部分の静電放電感度を減じる。この導電性材料は、プラスチックの出力カップを覆う金属の缶からその部分のピン近くの場所への導電経路を与える。これが、金属缶とピンとの間で増大している静電荷を放電するのにスパークがその部分の外側へと飛び越えねばならない隙間の大きさを減少させる。増大した静電荷の放電を可能にする１つの方法は、イニシエータの外側に沿い金属缶からピンへと空気中でアークすることである。増大した静電荷の放電を可能にする別の方法は、イニシエータの内側で砲を通してピンへとアークすることである。この内部でのアークが砲に点火し得る。ピンと金属缶との間の隙間の大きさを減じさせる導電経路を与えることにより、砲を横切るアークに沿ってではなく、その部分の外側で静電放電が起こりやすくなる。こうしてその部分の扱いが安全になる。
本発明の一局面は、イニシエータの後ろに金属の裏張りを設けることにより、点火中その部分が背圧に耐える能力を高める。イニシエータは、点火中に発生する粒子およびガスが特定的な方向、すなわちヘッダから離れてガス発生剤へと移動するということを目的としてシステムに配置される。しかしながら、点火中に生じる機械的な力がプラスチックに過度の応力をかけ、ヘッダの破裂を引き起こすかもしれない。こうして粒子およびガスがガス発生剤から離れるように流れると、イニシエータの効果を減じることになる。イニシエータの後ろの金属のハウジングが、ヘッダにさらなるサポートを与えることによりこのことが生じる危険性を減じる。
本発明のある局面は、ジルコニウム粉末のミクロ粒子でのプライマのドーピングを提供し、正常スチフニン酸鉛をもとにしたプライマの熱伝達特性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
図１は、電気イニシエータのある実施例を利用するガス発生システムの実施例のブロック図である。
図２は、電気イニシエータのある実施例の断面図である。
図３は、電気イニシエータのある実施例の外面図である。
図４は、ピンが設けられたヘッドのある実施例の断面図である。
図５は、のこ歯状のぎざぎざ部分を示すピンのある実施例の外面図である。
図６は、のこ歯状のぎざぎざ部分のある実施例の拡大図である。
図７は、ピンのヘッド間およびそのまわりに不活性材料を用いることを示す、ピンが挿入されたヘッドの代替実施例の側面の断面図である。
図８は、ピンが挿入され、ピンのヘッドを不活性材料が取り囲んでいるヘッダの上面図である。
図９は、導電ストライプを示すイニシエータの底面図である。
図１０は、３層点火構造および導電ストライプを示す断面図である。
図１１は、図１０の３層点火構造のより詳細な断面図である。
図１２は、コーナーが丸くされた出力カップの代替実施例の断面図である。
図１３は、ガス発生器の代替実施例の断面図である。
図１４は、プライマ、フラッシュチャージおよびガス発生剤のみを用いるガス発生器のある実施例の断面図である。
図１５は、ピンに対する穴を伴う金属の裏張りプレートを示すガス発生器のある実施例の断面図である。
図１６は、プライマ、フラッシュチャージおよびガス発生剤のみを用い、ピンに対する穴の伴う金属の裏張りプレートを有するガス発生器のある実施例の断面図である。
図１７は、超音波溶接プロセスを概略的に示す断面図である。
図１８は、溶接前のカップのウェルを詳細に示すヘッダの断面図である。
図１９は、溶接後のカップのウェルの詳細を示すヘッダの断面図である。
図２０は、フランジを有するイニシエータの代替実施例に対する超音波溶接プロセスを概略的に示す断面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
以下の説明は、本発明の実行において意図する最高モードである。この説明の目的は、本発明の一般原理を示すことであり、制限という意味で理解されるべきでない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参照することによって最良に判断される。添付の図面では、いくつかの図面における同じ数字は同じ部分を示す。
図１は、本発明のイニシエータ１０がいかにしてガス発生システムの部分として使用され得るかを示している。イニシエータ１０は電気接続３０１および３０２によりトリガシステム３００に接続される。イニシエータ１０はガス発生器３０３の中にある。ガス発生器３０３は、固体のガス発生剤３０５を保持するガス発生剤の囲い３０４を含む。ガス発生剤の囲い３０４は、イニシエータ１０から離れたところで表面上に小さな穴を有し、燃焼している固体のガス発生剤３０５から生じたガスがシステムから出ることができるようになっている。ガス発生剤の囲い３０４はまた、イニシエータ１０に近い表面に穴または飛散領域を有する。誘導缶３０６は、点火されたイニシエータ１０からガス発生剤の囲い３０４へとガスおよび粒子を誘導する、穴を有する金属の容器である。
代替の実施例では、ガス発生剤３０５を純粋な固体以外のものとすることができる。ガス発生剤３０５を、イニシエータにより加熱または点火させるガスとすることができる。ある実施例ではアルゴンが用いられる。
図２は、本発明のイニシエータ１０のある実施例の断面図である。イニシエータ１０は、絶縁誘電材料のヘッダ１００および出力カップ１６０を含む。ヘッダ１００および出力カップ１６０が、出力チャージ１７０、第１のプライマ４０、および第２のプライマ４１で充填される囲いを規定する。１組の導電金属ピン２０および２１がヘッダ１００に埋込まれる。ピン２２はピンヘッドとも呼ばれる内側の端部２２、および外側の端部２３を有する。ピン２１はピンヘッドともまた呼ばれる内側の端部２４、および外側の端部２５を含む。ピン２０、２１は各々、ヘッダ１００とのシールを形成するのこ歯状のぎざぎざ５０部分を有する。
図３は、図２に示すイニシエータ１０と同じ実施例の外面図であるが、イニシエータ１０は９０°回転されている。フィンガ２６および２７は、イニシエータ１０の外部電気コネクタ（図示せず）への接続を維持する助けとなる。
図３のイニシエータは、誘導缶（図示せず）により囲まれる出力カップ１６０を有することができる。誘導缶は図１に示すように点火された出力チャージを運ぶだろう。
図２では、好ましくはピン２０、２１各々は、窪み１８０および１８１を満たすエポキシのシーラント１４０により囲まれる。ヘッダ１００の外側に延在するピン２０、２１の部分は、イニシエータ１０をトリガシステム３００（図１）に接続するのに用いられる。内側の端部２２および内側の端部２４は、ヘッダ１００および出力カップ１６０により形成される囲いに延在する。
代替の実施例では、エポキシのシーラント１４０は省かれ、エポキシのシーラントに対するキャビティを排除し得る。
ピン２０、２１に到達する電気信号におけるエネルギを第１のプライマ４０および第２のプライマ４１に点火するのに必要な熱エネルギに変換するために、内側の端部２２、２４は何らかの電気抵抗材料または装置を用いて電気的にともに接続される必要がある。好ましい実施例では、この接続は、金属からなるブリッジワイヤ３０を用いて行なわれる。代替の実施例では、電気抵抗材料または装置を半導体のブリッジ（図示せず）とすることができる。
図４は、図２に示すイニシエータ１０と同じ実施例のピン２０、２１およびブリッジワイヤ３０を有するヘッダ１００の断面図である。図４は、出力カップ１６０を設ける前のヘッダを示す。カップのウェル７０は、ヘッダ１００に超音波溶接する前に、出力カップ１６０を入れるための場所を与える。内側の端部２２および２４ならびにブリッジワイヤ３０が、第１のプライマ４０と密に接触している。
図２に示すように、第２のプライマ４１の組成は第１のプライマ４０の組成と同じであり、第２のプライマ４１は出力カップ１６０の、ヘッダ１００に対向する端部に設けられる。第２のプライマ４１は、出力チャージ１７０の燃焼速度を加速し、製造プロセスを簡素化するのに用いられる。適切に点火を行なうには、プライマの全量が適切でなければならない。ブリッジワイヤ３０に必要なプライマすべてを設けると製造を困難にする可能性がある。出力カップ１６０に第２のプライマ４１を設けるということは、イニシエータにおいて適切なプライマの全量を有しつつ、ブリッジワイヤ３０により少ない第１のプライマ４０を設けることができるということを意味する。
代替の実施例では、第２のプライマ４１の組成を第１のプライマ４０の組成と異なるものにできる。
図１０は、３層点火構造および誘導缶１９０を備えるイニシエータを示す。図１１は３層構造をより詳細に示す。プライマ１１２０は、ブリッジワイヤ３０の隣に位置する。フラッシュチャージ１０５０はプライマ１１２０を覆い、出力チャージ１７０はフラッシュチャージ１０５０に近接する。こうしてプライマ１１２０の組成を最適化し、全発火および無発火特性を強調することができる。フラッシュチャージ１０５０は最適化されて、プライマ１１２０により一旦始めに加熱されると迅速に燃焼する。さらに、フラッシュチャージ１０５０はまた最適化されて、出力チャージ１７０に迅速かつ完璧に点火する。
ピン２０、２１はステンレス鋼からなり、ブリッジワイヤ３０への溶接を促進する。内側の端部２２、２４における金メッキは、こういった状況において最適なブリッジワイヤ溶接をもたらさないだろう。したがって、金でメッキされたピンを用いる場合は、ピンをメッキするときに内側の端部２２、２４から金メッキを取除くか、または溶接前に金メッキを削り落とさねばならない。
好ましい実施例では、ブリッジワイヤ３０は、ニクロム（Nichrome）と呼ばれるニッケル−クロム−鉄合金からなる。ブリッジワイヤ３０をまた、たとえばステンレス鋼または白金という別の金属から形成することもできる。ニクロムは抵抗温度係数（ＴＣＲ）が大きく、溶接に優れるため、好ましい実施例ではニクロムを用いる。ＴＣＲが大きいことにより、ブリッジワイヤ３０が溶接された後、および図２における第１のプライマ４０または図１１におけるプライマ１１２０が加えられた後に熱転位テストを行なうことができる。このテストは溶接の品質チェックを行なう。このテストはまた、プライマ４０またはプライマ１１２０が与えられており、ブリッジワイヤと十分に接触していることを確かめる。
１つの金属を用いて内側の端部２２、２４をともに接続する代わりに、その他の抵抗装置を用いることができる。たとえば、イニシエータ１０において使用するのに適する半導体のブリッジが、１９９３年２月２６に出願された、クウォンティック・インダストリーズ（Quantic Industries）に共通に譲渡される、米国出願番号第０８／０２３，０７５号に開示されており、その開示を本明細書に引用により援用する。半導体ブリッジに対する別の実施例が、ホランダ（Hollander）への米国特許第３，３６６，０５５号に開示されており、その開示を本明細書に引用により援用する。半導体ブリッジに対する別の実施例が、ベンソン（Benson）ら(サンディア（Sandia））への米国特許第４，９７６，２００号に開示されており、その開示を本明細書に引用により援用する。半導体ブリッジに対する別の実施例が、バジンスキ（Baginski）への米国特許第５，９８５，１４６号に開示されており、その開示を本明細書に引用により援用する。半導体ブリッジをヘッダに取付ける方法が、米国出願第０８／１７０，６５８号に開示されており、その開示を本明細書に引用により援用する。半導体ブリッジをヘッダに取付ける方法はまた、特許協力条約出願ＰＣＴ／ＵＳ９４−０１６０６に開示されており、その開示を本明細書に引用により援用する。
図５はピン２０の外面図であり、内側の端部２２、外側の端部２３およびのこ歯状のぎざぎざ部分５０を示している。のこ歯状のぎざぎざ５１は、鋭いエッジがピンの直径を越えて延在するように設計される。これはまたピンが挿入されるのと反対方向にヘッダ１００（図４）と係合するように設計される。この設計は、ねじまたは釘を製造するのに用いられる従来の冷間加工プロセスによって低コストで製造できる。溝の数は、保持封止および生産性に対して最適化される。重要な特徴は、数、ピッチ、角度、外径、および鋭さである。
図６は、図２に示す好ましい実施例ののこ歯状のぎざぎざ部分を拡大して示す図である。以下の仕様で好ましい結果が得られる。溝の角度５２は、ピンの中央線４００から３０°となるように規定される。溝の間のピッチ４１０は、０．３ミリメートルとなるように規定される。溝はピン２０、２１の外径を０．０２０ミリメートル越えて延在する。溝の外側のエッジはできるだけ鋭くなるように形成されねばならない。
ピン２０および２１に対する以下の仕様が好ましい結果をもたらす。のこ歯状のぎざぎざ部分５０は７つの溝５１を含む。図５に示すように、ピン２０、２１は、ヘッダ１００に接触する内側の端部２２、２４の側から外側の端部２３、２５までが１１．０ミリメートルとなるように規定される。ピン２０、２１は直径１．０ミリメートルと規定される。内側の端部２２、２４は、大きさ５３で示すように、厚み０．２８ミリメートルと規定され、大きさ５２で示すように０．６ミリメートルピンの中央線４００からオフセットされるように規定される。内側の端部２２、２４はまたピンヘッドとしても知られる。
イニシエータ１０の動作は、ピン２０および２１に電気信号が届くことで開始される。電気信号は、十分な電流を発生して、第１のプライマ４０が点火されるポイントまでブリッジワイヤ３０を加熱せねばならない。好ましい実施例では、以下に説明するように信頼性高くプライマの点火を開始するのに、２ミリ秒間の８００ミリアンペアが必要である。
トリガシステム３００により送られる特定された電流および電圧に対し、イニシエータ１０の点火特性を、プライマ４０、１１２０が点火されるのが容易にも困難にもなる。ブリッジワイヤ３０の抵抗、直径または長さを変更すると、その電気特性が変わり、ブリッジワイヤ３０が生成する単位当りの熱の量が決定する。ある実施例では、ブリッジワイヤ３０の長さは１．０１６ｍｍ（０．０４０インチ）であり、直径２２．８６μｍ（０．０００９インチ）である。
第１のプライマ４０および第２のプライマ４１は、正常スチフニン酸鉛、結合剤材料、熱伝達剤、および溶媒で構成される。結合剤材料の選択として適切なのは、ケル（Kel）−Ｆに類似するフルロエラストマ（fluroelastomer）であるフローレル（Florel）２１７５である。ケル−Ｆは広く用いられているが、フローレル２１７５よりも高価である。熱可塑性ゴムであるクレイトン（Kraton）、またはゴム化合物であるビトン（Viton）ＡまたはＢを用いることもできる。アルミニウム粉末またはジルコニウム粉末は、優れた熱伝達添加剤となる。プライマの配合が乾燥重量で８５％の正常スチフニン酸鉛、５％のアルミニウム、および１０％のフローレル２７１５であるときに、好ましい結果が得られる。アルミニウムを３％ないし１０％の範囲とし、フローレルを６％ないし１２％の範囲とし、正常スチフニン酸鉛をその残りとすることができる。溶媒がこの混合物に加えられ、プライマへの適用が可能になる。ＭＩＢＫまたはＭＥＫと酢酸Ｎブチルとを５０％−５０％で混合すると、優れた溶媒となる。イニシエータを形成するのに必要なプライマのスラリーを作るには、乾燥したプライマの重量の３０％を構成するある特定された量の溶媒を加えることが好ましい。最良の結果を得るには、スラリーは均一的なコンシステンシーでなければならない。したがって、スラリーは使用されるまで攪拌され続けなければならない。
エネルギ材料として正常スチフニン酸鉛の代わりにジルコニウム／過塩素酸カリウムを用いることができるが、温度に対して敏感でない。しかしながら、ジルコニウムは優れた熱伝達特性をもたらすため、ジルコニウム／過塩素酸カリウムにアルミニウムを添加する必要はない。重量にして４５％ないし５５％のジルコニウムとその残りの過塩素酸カリウムとのジルコニウム／過塩素酸カリウムの混合物を用いると好ましい結果が得られる。重量にしてジルコニウム／過塩素酸カリウムと結合剤との混合物の３％ないし１０％をなす結合剤と、ジルコニウム／過塩素酸カリウムの混合物とを組み合わせることができる。
さらに、プライマ４０、１１２０、およびフラッシュチャージ１０５０は十分な回復力を有して、出力カップ１６０をヘッダ１００に接続する超音波溶接プロセスによる振動からの損傷に耐えねばならない。この実施例における材料の選択により、損傷を引き起こすような振動をブリッジワイヤ３０に伝えないプライマ４０、４１、１１２０、およびフラッシュチャージ１０５０がもたらされる。
図１１は、３層の点火構造を示す。ある好ましい実施例では、プライマ１１２０は、重量比にして、１０％ないし５０％の正常スチフニン酸鉛、１％ないし１０％の−篩目の開き４５μｍ（３２５メッシュ）のフレークアルミニウム、公称粒子径±ミクロンで２．５ミクロンの１５％ないし４０％のジルコニウム、公称粒子径１０ないし２０ミクロンの２０％ないし５０％のＫＣｌＯ4、１％ないし７％のクレイトンＧ、および０．５％ないし４％のクレイトンＦＧから構成される。ある実施例では、プライマ１１２０は、すべて重量比で２８．３６％の正常スチフニン酸鉛、３．０７％のフレークアルミニウム、２９．９７％のジルコニウム、３４．８８％のＫＣｌＯ4、２．５６％のクレイトンＧ、および１．１６％のクレイトンＦＧから構成される。ある実施例では、クレイトンＧ−１６５２およびクレイトンＦＧ−１９０１Ｘが用いられる。
クレイトンＦＧの結合剤は、イニシエータを組立てるのに用いられる超音波溶接プロセスに対し非常に抵抗性がある。クレイトンＦＧおよびクレイトンＧは、溶液が流された熱可塑性ゴムとしてしばしば説明される熱可塑性ゴムである。溶液が流されたとは、その材料がたとえばトルエン、酢酸Ｎ−アミル、シクロヘキサンなどの適切な溶媒に溶解していることを意味する。割合にしてごく僅かなクレイトンＦＧをその混合物に添加することにより、ヘッダおよびブリッジワイヤへのプライマおよびフラッシュチャージの付着性が向上する。これはまたその材料の均一性を向上させる。結合剤およびその残りの材料の量のバランスには注意しなければならない。クレイトンＧとクレイトンＦＧとの組合せの代わりにクレイトンＦＧを用いると、結合作用が非常に高まるため、砲の出力は抑制される。さらに、クレイトンＦＧにはボイドが形成されやすいため、使用量を最少としなければならない。クレイトンＧとクレイトンＦＧとの組合せの代わりにクレイトンＧを用いる場合には、同様の結合作用を得るには重量にしてより多くの結合剤が必要であり、砲の出力は減じられる。クレイトンＦＧおよびクレイトンＧは、４２２５  ネイパビルロード、スーツ３７５、ライル、イリノイ６０５３２−３６６０の、シェル  ケミカル  カンパニー（Shell Chemical Company）から入手できる。この材料は、シェルケミカルより入手可能な、「クレイトン熱可塑性ゴム、典型的な特性（Kraton Thermoplastic Rubber、Typical Properties）、１９９２」と題されるデータシートに述べられている。
デュポン（Dupont）により開発されたビトンＡおよびＢのように従来使用されているような強力な結合剤およびその他のゴムのような結合剤の使用を含め、その他の結合剤の組合せを当業者が開発することが可能である。結合剤の重要な特性は、回復力のある均質的なマトリックスを与えて、その他の材料を支持し、砲の出力を大きく遅らせることなく超音波溶接および熱衝撃環境に耐えねばならないということである。イニシエータにおいて使用するには、ＮＬＳに対する従来のニトロセルロースの結合剤は熱的に十分安定ではなく、非常に脆いため超音波溶接プロセスに耐えることができない。
図１０に示す３層点火構造におけるプライマ−は、−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛を２４時間ボールミル粉砕して、平均粒子径３ないし５ミクロンの材料を生成することにより形成される。この乾燥した材料は次に、６．３５ｍｍ（４分の１インチ）のステンレス鋼のボール３００グラムを含むボールミル内で、溶媒としてトルエン（Toluene）を用い、前述の比率で材料と混合される。次に溶媒が蒸発し、５０グラムにつき約３５ミリリットルの酢酸Ｎアミルが溶媒として添加される。この材料は次に磁気攪拌器において混合され、後述の組立プロセス中にブラッシングまたは分配により、ヘッダ内に設けられる抵抗体に与えられる。
ジルコニウムおよびＫＣｌＯ4が増大すると、プライマ１１２０の無発火レベルも上昇する。結合材料の量が減少すると、砲の出力が向上するが、その理由は結合剤が熱の伝搬を遅らせるからである。たとえ使用する結合材料が少なくても、溶媒における変更およびクレイトンＦＧの添加により、プライマは第１のプライマ４０よりもより強く抵抗体に密着する。
好ましい実施例では、図１０に示す３層点火構造において用いるフラッシュチャージ１０５０は、重量にして０％ないし２５％のジルコニウム、０％ないし２５％のＫＣｌＯ４、２０％ないし８０％の−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛、平均粒子径３−５ミクロンの５％ないし５０％の正常スチフニン酸鉛、１％ないし５％のクレイトンＧ、および０．１％ないし５％のクレイトンＦＧからなる。ある実施例では、フラッシュチャージは重量にして、７．５％のジルコニウム、７．５％のＫＣｌＯ4、７１％の−篩目の開き１５０μｍ（１００メッシュ）の正常スチフニン酸鉛、平均粒子径３−５ミクロンの１０％正常スチフニン酸鉛、３％のクレイトンＧ、および１％のクレイトンＦＧから構成される。この実施例では、ＫＣｌＯ4は、２４時間ボールミル粉砕されて、平均粒子径が３ないし８ミクロンとなったものである。ある実施例では、クレイトンＧ−１６５２およびクレイトンＦＧ−１９０１Ｘが用いられる。
バッチ量５０グラムのこの材料は、４５度のミルで、６０個の６．３５ｍｍ（４分の１インチ）の鋼球を用い、この材料を１５分間酢酸Ｎ−アミルと混合することにより作ることができる。この後、この材料は、ブラシまたはディスペンサによりイニシエータに適用する前に、少なくとも２分の１時間磁気的に攪拌される。プライマが適用され部分的に乾燥された後に、フラッシュチャージ１０５０が与えられる。
フラッシュチャージ１０５０は、粒子がより大きな正常スチフニン酸鉛を含み、熱伝搬を向上させる。
プライマ１１２０およびフラッシュチャージ１０５０はまた容易に超音波溶接プロセスに耐え、水分の影響に非常に抵抗力がある。
ある実施例では、第１のプライマ４０、第２のプライマ４１、または図１１の３層点火構造におけるプライマ１１２０の代わりに、無鉛のプライマを使用することができる。好ましい実施例では、無鉛のプライマの組成は、重量にして３０％ないし６０％のジルコニウム、３０％ないし６０％のＫＣｌＯ4、１％ないし１０％のフレークアルミニウム、２％ないし８％のクレイトンＧ、および０．１％ないし５％のクレイトンＦＧである。ある実施例では、無鉛のプライマの組成は、重量にして４３％のジルコニウム、５０％のＫＣｌＯ４、３％のフレークアルミニウム、３％のクレイトンＧ、および１％のクレイトンＦＧである。
無鉛のプライマは、６．３５ｍｍ（４分の１インチ）の硬化ステンレス鋼のボールを３００グラム有する混合ジャーにおいて２０時間トルエンとその材料とを混合することにより形成される。混合された材料は次に乾燥され、酢酸Ｎ−アミルが添加される。次にこの材料は磁気攪拌器を用いて８時間混合され、ブラシまたは分配を用いてその部分に与えられる。
ある実施例では、無鉛のフラッシュチャージを使用することができる。好ましい実施例では、無鉛のフラッシュチャージの組成は、１０％ないし５０％のフェニシアン化カリウム（１１１）（Ｋ3Ｆｅ（ＣＮ）6）、３０％ないし７５％のＫＣｌＯ4、０％ないし２０％のジルコニウム、１％ないし８％のクレイトンＧ、および０．５％ないし６％のクレイトンＦＧである。ある実施例では、無鉛のフラッシュチャージの組成は、２７．２％のフェリシアン化カリウム（１１１）（Ｋ3Ｆｅ（ＣＮ）6）、６３．４％のＫＣｌＯ4、４．９％のジルコニウム、２．２５のクレイトンＧ、および２．２５％のクレイトンＦＧである。こうした実施例はまた、無鉛のプライマとしても使用できる。
出力チャージ１７０は、固体のガス発生剤３０５をガスに変化させる熱いガスおよび粒子を生成する材料から構成される必要がある。出力チャージは時間の経過や温度の変化とともに劣化してはならない。
ある実施例では、６５ないし８５ミリグラム、好ましくは５０ミリグラムのＢＮＫＯ3を出力チャージ１７０とし用い、２０ミリグラムの好ましいプライマの混合物を第１のプライマ４０として用い、２０ミリグラムの好ましいプライマの混合物を第２のプライマ４１として用いることにより、好ましい結果が得られる。
３層点火構造では、出力チャージ１７０として６５ｍｇないし８５ｍｇのＢＫＮＯ3を用い、プライマ１１２０の好ましい実施例を５ｍｇ用い、フラッシュチャージ１０５０を２５ｍｇ用いることにより、好ましい結果が得られる。
ヘッダ１００および出力カップ１６０は、自動車環境に抵抗力があり超音波溶接されることが可能なバロックスＤＲ４８などの材料から射出成形される。
ヘッダおよび出力カップとして使用可能な別の材料は、ＤＲ４８材料よりもガラスの含有量が多いバロックス４３０である。ニュージャージー州チャタムの、ホーケストセラニーズアドバンストマテリアルズグループ（Hoechst Celanese Advanced Materials Group）製造の、液晶ポリマであるベクトラ（Vectra）５１５を用いることもできる。
ある実施例では、超音波溶接を容易にするために、出力カップ１６０には丸みをつけた外部コーナー１６６および丸みをつけた内部コーナー１６５が形成される。これは図１２に示されている。丸みをつけたコーナーは溶接に必要なエネルギを減少させ、出力カップの損傷を防ぐ。コーナーの半径を１．５ミリメートルとすると良好な結果が得られる。代替の実施例では、各コーナーの半径は異なる。
ピン２０、２１はのこ歯状のぎざぎざ５０をつけて形成される。ピン２０、２１を機械加工するかまたは冷間成形することができる。冷間成形によるとコストが減少する。ヘッダ内でピンをしっかりと保持し、耐久性のある環境シールをもたらす上で、このぎざぎざは重要な要素である。次に各ピン２０、２１は約２２．６７−２２６．７５ｋｇ（５０−５００ポンド）、好ましくは４５．３５ｋｇ（１００ポンド）の力でヘッダ１００内に挿入され、各ピン２０、２１はヘッダ１００内に駆動され、内側の端部２２、２４はヘッダに近接する。ある実施例では、内側の端部の高さはヘッダ１００の上で約０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）である。この挿入中、ピン２０、２１はヘッダ１００内に押し込まれ、のこ歯状のぎざぎざ部分５０は十分にヘッダ１００と係合する。ある実施例では、各ピン２０、２１は別々に挿入される。挿入する力をピン２０、２１から取除くと、ヘッダ１００を構成するプラスチック材料の自然な跳ね返りがピン２０または２１を支える。上記のように形成されたのこ歯状のぎざぎざ部分５０には、ピン２０または２１が跳ね返ろうとする際にヘッダ１００のプラスチックに食い込むまたは切り込む鋭いエッジがある。こうしてのこ歯状のぎざぎざ５０は、フックの後ろ側のようにヘッダ材料に食い込むことができる。プラスチックへのこの食い込みが、のこ歯状のぎざぎざ部分５０の各エッジでのシールを形成する。のこ歯状のぎざぎざ部分５０の複数の鋭いエッジが、ピン２０、２１とヘッダ１００を構成するプラスチックとの間に環境シールをもたらす。
代替の実施例では、もしピンが挿入される長い穴よりも僅かに大きければ、その長い長さにわたり締まりばめを行なうことによりピンはシールを形成することができる。そのようなピンは溝を有する必要はない。
次に、シールの一体性をさらに高めるために、エポキシ１４０がヘッダのベースのくぼみ１８０、１８１内に設けられ、硬化される。好ましい実施例では、ＤＣ−００３ユニフォーム（Uni-Form）などの一部分エポキシプレフォームの使用が可能である。ＤＣ−００３ユニフォームはマルチシール社（Multi-Seals，Inc.）から入手できる。
図７および８に示すある実施例では、ピン間の隙間は不活性材料１７５で充填される。隙間を充填するために、不活性注封材料１７５が、ヘッダ１００にピン２０、２１のヘッドの周りで与えられる。不活性の注封材料の選択として、インディアナ州ウォーソーのモートンインターナショナルスペシャリティケミカルグループ（Morton International Specialty Chemicals Group）の１部門であるアームストロング（Armstrong）により製造される、活性剤Ｅを伴うＡ２がある。これは、２８ノーフォークアベニュー、サウスイーストン、ＭＡ  ０２３７５のレジンテクノロジー（Resin Technology）から入手できる。不活性注封材料は次に硬化される。ヘッダ１００のピンヘッド側は次にラップ仕上げされ、ピン２０、２１のヘッドを覆う注封材料が取除かれる。ラップ動作はまた、ピン２０、２１のヘッドの金メッキも除去する。
代替の実施例では、ピン間の隙間をエポキシ１４０適用の前に充填できる。
次のステップは、ブリッジワイヤ３０を内側の端部２２、２４に抵抗溶接することである。ブリッジワイヤ３０は、２つのうち１つの方法を用い、ピン２０、２１に溶接されるときにループとともに形成される。ブリッジワイヤ３０を半円のピンの上にわたり引き、その端部で溶接できる。その代わりとして、溶接を行なう機械がワイヤそのものを形成することができる。
第１のプライマ４０はスラリーまたはサスペンションの形式であり、塗装プロセスまたは一連の自動分配ステーションを用いてブリッジワイヤ３０に直接分配することにより、ブリッジワイヤ３０に堆積される。そのようなステーションの１つは、プロビデンス、ＲＩのＥＦＤ社により製造されているエアオーバ液体ディスペンサである。製造中絶えまなくプライマ４０、４１、１１２０を攪拌することにより、プライマーの均一性が保たれる。これが高度のプロセスの均一性を達成する助けとなる。第１のプライマ４０または１１２０がブリッジワイヤ３０を完全に覆っているならば、イニシエータ１０の動作は最高になる。適用後、約６０℃（１４０°Ｆ）で約２時間オーブンにその部分を入れておくことにより、溶媒はスラリーから蒸発する。
第２のプライマ４１を用いるときは、第１のプライマ４０と同じ材料からなり、スラリーまたはサスペンションの形式のものである。これは出力カップ１６０の下部に設けられ、第１のプライマ４０と同じ態様で乾燥される。
３層点火構造を有するイニシエータでは、２１ゲージの針を備えるＥＦＤディスペンサーモデル１０００ＸＬによりブリッジワイヤ３０に与えられる。通常の室温の温度制御された室内に与え、溶媒の蒸発速度を制御することにより、ボイドの形成は排除される。
前述のようにフラッシュチャージはプライマの最上部に与えられる。フラッシュチャージは１８ゲージの針を用いる上記のディスペンサーを用いて与えられる。
代替の実施例では、３層点火構造におけるプライマ１１２０を、プライマが乾燥する前に抵抗体に押圧することができる。ロッドの端部で軽い力を与えることにより押圧が行なわれる。このようにしてプライマを押圧すると、全部分にわたる点火特性の変化が減じられる。
代替の実施例では、イニシエータ１０はプライマおよび出力チャージ１７０双方に対し同じ材料を利用できる。出力チャージおよびプライマの選択は、意図する用途および材料のコスト次第である。プライマは熱エネルギに対する感度が高くなければならない。出力チャージは、イニシエータが点火するガス発生剤に対し適切な点火特性を与えるものでなければならない。
好ましい実施例では、ＢＫＮＯ3の出力チャージ１７０は、篩目の開き３００μｍ（−２０／＋４８メッシュ）といった乾燥した粉状または粒状のものである。固定量の出力チャージが出力カップ１６０に注がれる。
次に、ピン２０、２１、ブリッジワイヤ３０、プライマ４０、およびエポキシシーラント１４０が設けられたヘッダ１００が出力カップ１６０の上に与えられ、ともに超音波溶接される。代替の実施例では、ヘッダ１００を出力カップ１６０に熱溶接するかまたはエポキシで取付けることができる。
超音波溶接は、小さな部分を封止するには費用効率の高いメカニズムである。良好な超音波溶接は、強度の高い高品質の環境シールをもたらす。超音波溶接により、自動化された設備を用いて製造の歩留りが非常に大きくなる。超音波溶接により、硬化またはＯリングの挿入を伴うエポキシのように、その他の封止技術において用いられるその他の設備または材料が不要となる。しかしながら、熱溶接、エポキシ、Ｏリング、またはその他の封止方法を利用して出力カップをヘッダに封止することができる。
好ましい結果をもたらす超音波溶接システムは、６３０エスタスアベニュー、シャウムバーグ、ＩＬのハーマンウルトラソニックス社（Herrman Ultrasonics Inc.）により製造される。特に、この溶接機は、溶接において利用する力に微細な制御を行なう。ヘッダは、Ｏリングなどの軟質のマウンティングで超音波溶接機に装着されねばならない。こうしてマウンティングアンビルに対してヘッダを保護する。さらに、カップおよびヘッダを適切なアライメントで維持しなければならない。ある実施例では、約４．５３６ｋｇ（１０ポンド）のトリガ力および約７．２５７ｋｇ（１６ポンド）の溶接力が利用される。
図１７は、超音波溶接前後のヘッダ１００および出力カップ１６０の位置を示す。図１７の右側は、ホーン１００４の上に設けられ、カップのウェル７０に部分的に挿入されている出力カップ１６０を示す。ホーン１００４は、出力カップ１６０をカップのウェル７０に振動させる音響エネルギを与える。こうしてヘッダ１００および出力カップ１６０の端部を構成する材料が溶融し、強い接合が形成される。フラッシュトラップ１００３は溶接プロセスからの過度の材料が蓄積するためのスペースを設ける。図１７の左側は、溶接後の出力カップ１６０の位置を示す。
図１８は、溶接前の接合構造のより詳細な断面図であり、図１９は溶接後の詳細である。図示される接合はシヤー接合であり、出力カップ１６０は、大きさ１００１で示される、１．１０６ｍｍ（４０ミル）の深さで、接合の７６．２μｍ（３ミル）ないし１２７μｍ（５ミル）のしめしろのしめしろ１６１に対向して駆動される。出力カップ１６０の壁の幅はカップのウェル７０の幅よりも僅かに大きい。超音波溶接プロセスにより、出力カップ１６０はカップのウェルに押し込まれ、この２つの構造を形成するプラスチックを溶かす。こうしてしっかりとした締まりばめが形成される。
図２０は、出力カップ１６０に関するホーン１００４の代替の設置例を示す。ここでは、ホーンは出力カップの垂直の壁に近接してフランジ１００５に載置される。
出力カップ１６０をヘッダ１００に取付けた後、図９および１０に示すように、１つ以上の導電性のインクストライプ１２０５、１２０６がイニシエータの外側にペイントされる。導電インクストライプにより、イニシエータの外側に与えられる静電荷が、砲、プライマまたはフラッシュチャージを通して放電する危険性が減じられる。偶発的な静電放電は、イニシエータの製造および設置中に重大な危険をもたらす。図９に示すように、導電インクストライプ１２０５、１２０６は導電ピン２０、２１に非常に近接している。導電インクストライプ１２０５、１２０６は、導電ピン２０、２１と金属の誘導缶１９０との間の隙間を減じる。このような小さなスパークギャップを与えることにより、約３，０００ないし６，０００ボルトの降伏電圧の優先的な安全な放電経路がもたらされる。さらに、導電性のインクストライプをブラシまたはペンを用いて低コストで与えることができる。優先的なスパークギャップを取除くと、出力カップ１６０、プライマ４０、１１２０およびフラッシュチャージ１０５０を通る、誘導缶とピンのヘッドとの間の電位の放電経路が残る。
ガス発生システム３０３（図１）の代替の実施例として、イニシエータ１０を変形して固体のガス発生剤の囲い３０４（図１）を不要にすることができる。出力カップ１６０（図２）における出力チャージ１７０（図２）の代わりに、シングルベースの無煙火薬などの固体のガス発生剤を用い、以下のような変形を行なうことによって上記が達成できる。
出力カップ１６０（図２）を拡張させて、ガスの生成に必要な固体のガス発生剤の堆積をより多く収容するようにせねばならない。第２のプライマ４１（図２）は不要である。
図１３は、ガス発生器の代替実施例を示す。誘導缶１０１０はガス発生剤３０５を保持する。ある実施例では、誘導缶はステンレス鋼からなる。イニシエータの出力カップ１６０は出力チャージ１７０を含む。フラッシュチャージ１０５０は、ブリッジワイヤ３０を囲むプライマ１１２０を囲んでいる。ブリッジワイヤ３０はピン２０、２１に溶接される。ガス発生器のベース１０９０は、ヘッダ１００を支持する機械加工されたまたは鋳造された部分で形成される。Ｏリング１０１１、１０１２は、誘導缶をガス発生器のベース１０９０およびヘッダ１００に封止する。シール１０９６は誘導缶１０１０の端部を閉じる。シール１０１１、１０１２、１０９６と、ピン２０、２１および誘導缶１０１０の封止との組合せが、ガス発生剤３０５に対する環境シールをもたらす。
ガス発生剤３０５の燃焼により生じたガスは、始めはシール１０９６により閉じられていた誘導缶１０１０のポート１０９５から出ていく。ガス発生システムから流れ出るガスを用いて、シートベルトプレテンショナなどの機械装置を動作できる。システムから流れ出すガスの圧力があまりにも急速に増大すると、このガスを利用する機械装置は過度の応力を受けて損傷する可能性がある。ポート１０９５の出力側での圧力の上昇速度を減じるように、ポート１０９５の大きさを設定することができる。取付けられた機械システムへの過度の応力および損傷の可能性をこうして回避する。ある実施例では、ポート１０９５の直径は約１．９０５ｍｍ（０．０７５インチ）ないし６．３５ｍｍ（０．２５０インチ）である。好ましい実施例では、ポート１０９５の直径は約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）である。
図１５は、ピンの穴１１００および１１０１を備える変形されたガス発生器ベース１０９１を有するガス発生器の代替実施例を示す。図３のイニシエータにおいて示されていたフィンガー２６および２７がないという点で、変形されたヘッダ１０８０はヘッダ１００と異なる。ピン２０、２１は変形されたヘッダ１０８０を通り、外部回路（図示せず）との電気的接続を形成する。変形されたガス発生器ベース１０９１により、イニシエータに対するより完璧な金属の裏張りがもたらされ、ガス発生剤３０５の燃焼により発生した圧力が変形されたヘッダ１０８０を破裂させ、ポート１０９５を通してよりもむしろその部分の後ろ側からガスが出ていく危険性が減少する。
５００ミリグラムないし１５００ミリグラムの無煙火薬を用い、それに従って出力カップ１６０の大きさを修正するデュアルプライマガス発生器を用いて好ましい結果が得られる。前述のプライマの混合物を１０ミリグラムないし４０ミリグラム用いるとまた、優れた性能が生み出される。
３００ミリグラムないし１５００ミリグラムの無煙火薬、過塩素酸アンモニウム推進薬、またはＢＫＮＯ3を用い、それに従って誘導缶１０１０の大きさを修正する、図１３における３層点火構造のガス発生器を用いると好ましい結果が得られる。
図１４および１６は、出力カップ１６０および出力チャージ１７０を備えないガス発生器の代替実施例を示す。この設計では製造がより経済的に行なわれるが、プライマ１１２０およびフラッシュチャージ１０５０の静電放電に対する感度が低いか、またはガス発生器のベース１０９０、１０９１がピン２０、２１への低電圧のスパークギャップを与える必要がある。これら実施例では、５ミリグラムのプライマ１１２０に対し、２５ミリグラムないし６０ミリグラムのフラッシュチャージ１０５０を用いて、好ましい結果が得られている。３００ミリグラムないし１５００ミリグラムの無煙火薬、過塩素酸アンモニウム推進薬、またはＢＫＮＯ3を用い、それに従い誘導缶の大きさを修正すると、好ましい結果が生じる。
溶媒の混合物の成分ＭＩＢＫはメチルイソブチルケトンであり、産業界では一般に入手可能である。溶媒の混合物の成分ＭＥＫはメチルエチルケトンであり、産業界では一般に入手できる。溶媒混合物成分酢酸Ｎブチルは、産業界で一般に入手できる。黒色火薬はとりわけゴエックス（Goex）により製造され、産業界では一般に入手可能である。正常スチフニン酸鉛はとりわけオリン（Olin）により製造されており、産業界では一般に入手可能である。ニクロムは産業界では一般に周知であり入手可能な金属合金である。ＢＫＮＯ3はＰＳＩおよびトラコール（Tracor）から入手でき、産業界では一般に知られている。無煙火薬は一般に既知であり、ＩＭＲから入手できる。
以下の化学薬品はイニシエータの当業者には一般に既知である。バロックスＤＲ４８はゼネラルエレクトリック（General Electric）から入手でき、ポリブチレンテレフタル酸エステル（ＰＢＴ）である。フローレル２１７５は３Ｍより入手可能である。ケルＦはデュポンから入手できる。クレイトンはシェルケミカルが製造している。ビトンＡおよびビトンＢはデュポンにより製造される。
本発明の範囲内で当業者が前述の実施例に数多くの変形を行なうことができることが理解されるだろう。この応用例は制限的ではないが自動車のエアバッグ、シートベルトプレテンショナ、およびその他の類似する応用例を含む。本発明は、好ましい実施例、または材料、構成、大きさ、応用の特定的な選択、または本明細書で採用される機能パラメータの範囲に制限されると考えるべきものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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