(57)【要約】ガス発生器（１０）の組立ては、未硬化シリコーンを前記推進剤カップ（２５）に挿入するステップを含む。次に顆粒状酸化剤を前記シリコーン表面上に振りかけ、拡散せしめる。その後、前記シリコーンを硬化せしめ、前記推進剤カップ（２５）の内壁と同面連通せしめる。他の顆粒状ガス発生成分を加えてもよい。このようにして組み立てられたガス発生器（１０）においては、ガス発生組成物（２６）の燃焼速度の予測がより正確に行えるため、ガス発生器（１０）のパフォーマンスの予測もより正確に行える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両乗員保護システムで用いるためのガス発生器であって、第一端部と第二端部、および内壁と外壁を含むハウジング、
該ハウジングの前記第二端部の前記内壁内部に前記内壁により画定される推進剤カップ、
該推進剤カップ内部に形成され、前記内壁と同面連結する一体式ガス発生組成物であって、シリコーンおよび酸化剤を含む前記組成物、および前記第一端部内部に固定され、前記一体式ガス発生組成物の燃焼のために前記一体式ガス発生組成物と点火可能に連通しているイニシエータ、
を含む、前記ガス発生器。
【請求項２】
一体式ガス発生組成物が１５〜３０重量％のシリコーンおよび７０〜８５重量％の過塩素酸アンモニウムを含む、請求項１に記載のガス発生器。
【請求項３】
一体式ガス発生組成物が１５〜３０重量％のシリコーンおよび７０〜８５重量％の過塩素酸カリウムを含む、請求項１に記載のガス発生器。
【請求項４】
内壁と一体式ガス発生組成物との間に形成された自動発火材料をさらに含む、請求項１に記載のガス発生器。
【請求項５】
一体式ガス発生組成物がシリコーン、酸化剤、および燃料を含み、該シリコーンが１５〜３０重量％、該酸化剤が７０〜８５重量％である、請求項１に記載のガス発生器。
【請求項６】
車両乗員保護システムで用いるためのガス発生器であって、第一端部と第二端部、および内壁と外壁を含むハウジング、
該ハウジングの前記第二端部の前記内壁内部に前記内壁によって画定される推進剤カップ、
該推進剤カップ内部に形成され、前記内壁と同面連結する一体式ガス発生組成物であって、約２７重量％のシリコーンと約７３重量％の過塩素酸アンモニウムを含む前記組成物、および
前記第一端部内部に固定され、前記一体式ガス発生組成物の燃焼のために前記一体式ガス発生組成物と点火可能に連通しているイニシエータ、
を含む、前記ガス発生器。
【請求項７】
車両乗員保護システムに用いるためのガス発生器であって、第一端部と第二端部、および内壁と外壁を含むハウジング、
該ハウジングの前記第二端部の前記内壁内部に該内壁によって画定される推進剤カップ、
該推進剤カップ内部に形成され、前記内壁と同面連結する一体式ガス発生組成物であって、１５〜３０重量％のシリコーンおよび７０〜８５重量％の酸化剤を含む前記組成物、および
前記第一端部内部に固定され、前記一体式ガス発生組成物の燃焼のために前記一体式ガス発生組成物と点火可能に連通するイニシエータ、
を含む、前記ガス発生器。
【請求項８】
酸化剤が、金属ならびに非金属の硝酸塩、亜硝酸塩、過塩素酸塩、および塩素酸塩、ならびにそれらの混合物の群から選択される、請求項７に記載のガス発生器。
【請求項９】
前記推進剤カップが組み込まれた車両乗員保護システム用ガス発生器の組立て方法であって、未硬化シリコーンを前記推進剤カップに挿入し、それによって少なくとも１つのシリコーン表面を生成するステップ、
顆粒状酸化剤を前記少なくとも１つのシリコーン表面上に振りかけ、前記未硬化シリコーンと前記顆粒状酸化剤とを混合するステップ、および
少なくとも１つのガス発生成分と混合した前記シリコーンを硬化し、それにより一体式ガス発生組成物を前記推進剤カップ内に形成するステップ、
を含む、前記組立て方法。
【請求項１０】
硬化ステップに先立ち、表面を改変するための予備成形物を推進剤カップに挿入するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
硬化ステップが常温で少なくとも２４時間行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
硬化ステップが６５℃で約４時間行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
硬化ステップが１５０℃で約１５分行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
顆粒状燃料を少なくとも１つの表面に加えるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
一体式ガス発生組成物が１５〜３０重量％のシリコーンおよび７０〜８５重量％の過塩素酸アンモニウムを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
請求項９の方法によって組み立てられたガス発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は２０００年１１月２８日に出願された米国仮出願第60/253,516号の利益を主張する。
【０００２】
発明分野
概して本発明は、車両乗員保護システムに用いられるガス発生器に関する。したがって、本発明の望ましい使用法は、たとえばシートベルト用プリテンショナ（seatbelt pretensioner）の始動に一般的に使用できるガス発生器に関連する。
【０００３】
背景
シートベルト用プリテンショナに用いられるガス発生器は、ガス発生器として比較的小規模であることから超小型ガス発生器（micro gas generator）として知られている。典型的なプリテンショナは米国特許第5,397,075号と第5,899,399号に記載のものを含み、本願に参考文献として組み込まれている。
【０００４】
超小型ガス発生器は一般に、イニシエータ（initiator）、イニシエータ保持器（initiator retainer）、推進剤カップ（propellant cup）、および推進剤カップ内に入った推進剤（propellant）を含む。多くの超小型ガス発生器では、推進剤は錠剤の形をしており、例えば一体式ガス発生キャスト（monolithic gas generating casts）のガス発生剤（gas generants）と比べて、非常に大きい総燃焼表面積を持つ。
【０００５】
いずれのガス発生器の推進剤の総表面積も、それぞれのガス発生組成物（gas generant composition）の燃焼速度（burning rate）に基づいて最適化されることが多い。歴史的には、多くのアジド化合物ベースの組成物がその比較的低い燃焼速度のため、錠剤の形で問題なく提供されてきた。しかし、非アジド化合物ベースの組成物の出現にともない、比較的高い燃焼速度のために、比較的低い推進剤総表面積が必要となることが多い。したがって、推進剤の燃焼暴露総表面積を効率的に低減する一体式キャストを形成することができる。
【０００６】
いくつかのプリテンショナデザインでは、比較的短時間でのガスの放出または生成が利点となるであろう。しかし、多くのデザインでは、有孔円筒形推進剤粒子（Perforated cylindrical propellant grains）などの中間(neutral)燃焼表面形状から生成されるような比較的安定したガスの供給が利点となる。例としては、ニトロセルロースなどの非アジド化合物燃料を含む典型的な最新の超小型ガス発生器（ＭＧＧ）であり、これは図６に示すようなタンク曲線を発生する。ニトロセルロースの使用における欠点の一つは、燃焼に伴い過剰な一酸化炭素が生成されることである。代替的な推進剤組成物は排出ガスと安定性の要求については改善するが、比較的高い燃焼速度を有するため、小顆粒、小錠剤、または小粒径の実際的な使用を妨げる。
【０００７】
錠剤などの顆粒状または小型押し出し形状の推進剤粒子の使用に伴う他の問題は、いったん燃焼が始まると、火薬材料（pyrotechnic material）をプリテンショナ中に放出する可能性があることである。これは、燃焼している推進剤をプリテンショナから放出する可能性、もしくはプリテンショナ部品の燃焼を引き起こす可能性がある。燃焼中に推進剤を推進剤カップ内に保持することによって、このような潜在的な欠点を防ぐことができる。
【０００８】
一体式推進剤キャストを形成する場合、キャストの形は推進剤カップにほぼ対応するものでなければならない。推進剤キャストの外面が推進剤カップの内面に沿う形にできないと、総燃焼表面積の事前決定に大きく影響する。別の表現をすれば、推進剤カップの内面に接触しないキャストの外面のいずれの部分も余分な表面積となり、ガス発生器の燃焼プロファイルを歪曲する。その結果、該ガス発生器および／またはプリテンショナの性能予測の精度を下げる。
【０００９】
さらに、一体式キャストは全体がよく混合され均質な濃度（consistency）でなければならないことはよく認識されている。種々のガス発生成分（gas generant constituents）を適切に混合して均一な混合物を作ることができなければ、例えばシートベルト用プリテンショナに対して不完全な燃焼および／または不定な燃焼プロファイルを引き起こす可能性がある。本質的に、不完全な混合は燃料と酸化剤の不均質な混合物を作り、その結果固体推進剤のある部分において不完全な燃焼系を生じさせることになる。これに関連する懸念のひとつは、十分混合された均質な組成物はより労働集約的なもしくはより複雑なプロセスを必要とすることである。一般に製造プロセスが複雑になるにつれて、生産コストは実質的により増大する。
【００１０】
発明の概要
一体式推進剤キャストを含むガス発生器は上記の問題を解決する。本発明によれば、好ましいガス発生成分は推進剤カップ内で混合され、この場合には、過塩素酸アンモニウムまたはその他の酸化剤が未硬化シリコーン（uncured silicon）に単純に加えられる。未硬化シリコーンはガス発生組成物総重量の約１５〜３０％の割合で、組み立てラインで最初に推進剤カップに加えられる。次に、過塩素酸アンモニウムがガス発生組成物総重量の７０〜８５％の割合で、前記未硬化シリコーンに加えられる。好ましい組成は２７重量％のシリコーンと７３重量％の過塩素酸アンモニウムを含む。本発明の発明者らは偶然、粒化された酸化剤を未硬化シリコーンに単純に加えると、酸化剤がシリコーン中に均一に分散することを発見した。用いる樹脂の種類にもよるが、酸化剤はシリコーン中に平均して１〜２時間浮遊する。
【００１１】
未硬化シリコーンは硬化に伴って分散特性を有し、それにより該シリコーンが完全に硬化する前の段階において、過塩素酸アンモニウムまたは車両乗員保護システムでの使用が既知であるその他のガス発生成分の均一な分散を促進すると考えられている。その結果実際の混合操作は不要であり、したがって処理が簡単になる。さらに、前記未硬化シリコーンは、硬化し始めると推進剤カップの内面に付着し、それによってキャストの外面が推進剤カップの内面に完全に密着しそれとともに同面連結(flush communication)することを保証する。これにより予め定められている表面積が保証され、平均燃焼プロファイルの偏りが最小化される。さらに、いったん燃焼が始まると、一体式キャストは推進剤カップ内によりよく保持される。
【００１２】
発明の望ましい実施形態の詳細な説明
図に示すように、超小型ガス発生器１０は内壁１４と外壁１６を有するハウジング１２、第一端部１８、および第二端部２０を含む。ハウジング１２は第一端部１８の内部に下記のガス発生組成物に点火するためのイニシエータ２２を含む。イニシエータ保持器２４は第一端部１８の内部に形成され、イニシエータ２２を構造的に支持している。推進剤カップ２５は第二端部２０内部の内壁１４で画定される。一体式推進剤粒子または一体式(monolithic)ガス発生組成物２６は、推進剤カップ２５の内部に含まれ、イニシエータ２２と点火可能に連通する（ignitably communicate）。推進剤２６は推進剤カップ２５の内部に成形され（下に記すように）、それによって予め定められた幾何学的形状の一体式粒子を形成する。ガス発生組成物２６はシリコーンを好ましくは１５〜３０重量％、および少なくとも１種類の酸化剤を７０〜８５重量％含む。
【００１３】
推進剤２６の表面積２８は、当該技術分野においてよく知られている成形技術を用いてそれぞれの燃焼速度に基づき形成することができる。粒子の幾何学的形状は燃焼表面積を制御し、それによってガスの発生およびガス発生組成物の燃焼速度を制御する。ある実施形態においては、燃焼表面積は燃焼中に比較的一定であり、それにより安定してガスが供給される。燃焼速度は、カップのデザインの関数として逆進的または漸進的燃焼速度に適合するように調整することもできる。
【００１４】
推進剤燃焼速度と粒子表面積２８の変化により、図３に示すように広い範囲のガス発生速度を実現できる。図４に、異なる初期表面積２８ａ、２８ｂおよび２８ｃによって異なるガス発生速度を実現するいくつかの成形形状を示す。予備成形物３０を推進剤カップに挿入することによって、種々の表面形状の形成が容易となる。
【００１５】
本発明によれば、火薬材料ガス発生組成物のガス発生成分は、燃料／結合剤として全ガス発生組成物の１５〜３０重量％のシリコーンを含む。顆粒状酸化剤、好ましくは過塩素酸アンモニウムは、全ガス発生組成物の７０〜８５重量％である。代替的に過塩素酸ナトリウムなどの他の酸化剤を用いてもよい。
【００１６】
上記のガス発生剤１０を組み立てる場合、最初に未硬化シリコーンが推進剤カップまたは燃焼容器２４に加えられる。次に、顆粒状酸化剤と、車両乗員保護システムでの使用が既知で認容されているその他の望ましいガス発生成分が、前記未硬化シリコーンの上に単純に加えられるか、または振りかけられる。該未硬化シリコーンは次に、硬化の過程で、該顆粒固体成分を吸収する。さらに、該シリコーン／ガス発生成分の混合物は、常温または望ましい場合には温度を上げて硬化される。硬化の完了には、数秒から望ましい場合には数日またはそれ以上を要する。当業者は、硬化が温度ならびにシリコーン、樹脂、および既成のシリコーンに通常含まれる硬化抑制剤の種類の関数であることを理解するであろう。ガス発生組成物２６は硬化するにしたがってハウジング１２の内壁１４に付着し、それによって壁１４との同面連結を構築し、推進剤２６の燃焼中の総燃焼表面積を制御する。
【００１７】
顆粒状ガス発生成分の粒径を与えられたシリコーンの粘度に対して最適化することにより、混合速度を望ましい値に変えられることが理解できるであろう。さらに、硬化時間と粘度は、種々の粒径に適合し爆発特性（ballistic characteristics）を設計するように調整することができる。
【００１８】
硬化後に、生成した固形物は火薬材料の均一混合キャストとして機能する。シリコーンの分散特性が、酸化剤またはガス発生成分に作用して、均一な混合を提供し、それによって均質な混合物を生成すると考えられる。
【００１９】
シリコーンは、交互に並ぶ珪素原子および酸素原子ならびにその珪素原子に結合している種々の有機基（または官能基）からなる構造に基づき、多数のシロキサンポリマー群のあらゆるものとして定義される。基にはメチル基、メトキシ基およびアミノ基が含まれるが、それらに限定されるものではない。ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は一例である。
【００２０】
ここで用いられる「シリコーン」の用語は、その総称的な意味において理解されるであろう。ハウリ（Hawley）の記述によると、シリコーン（オルガノシロキサン）は、交互に並ぶ珪素原子および酸素原子ならびに、その珪素原子に結合した種々の有機基からなるという構造に基づく、多数のシロキサンポリマー群のあらゆるものである。
【化１】
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式１：シリコーンの例
または、シリコーンは、式２で示すように、より一般的に表すこともできる。
【化２】
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式２：シリコーンの例
ここで、上記式中の「ｎ」は、括弧内に与えられたポリマー群または分子部分の倍数を表し、珪素原子に結合された有機基を含む。
【００２１】
シリコーンの例としては、米国特許5,589,662号、同5,610,444号、同5,700,532号、ならびに「TECNOLOGY OF POLYMER COMPOUNDS AND ENERGETIC MATERIALS, Fraunhofer fur Chemische Technologie (ICT), 1990」に開示されているものがあり、これらの参考文献および文書のそれぞれは、参照されることによって本明細書に組み込まれる。
【００２２】
ＧＥ  ＲＴＶ６１５は、ジェネラルエレクトリック社製造のシリコーンの商品名であり、本発明に有用であることが見出されている。２部シリコーン（two-part silicone）の主成分は、６０〜８０重量％のビニルポリジメチルシロキサンおよび１０〜３０重量％のビニル含有樹脂を含む。ＲＴＶ６１５は大気温度にて６〜７日で完全に硬化する（しかし２４時間でも十分に硬化する）。熱を加えると硬化速度が大きく早められ、６５℃では硬化速度は約４時間であり、１５０℃では約１５分である。未硬化のＲＴＶ６１５の常温での粘度は約４０００〜７０００センチポアーズである。一般に、本発明で用いるシリコーンは、該シリコーンが流動性を有するかまたは製造環境下で液体としての挙動を示す限り、望まれる場合は４０〜１０，０００センチポアーズの粘度を有してよい。
【００２３】
自動点火材料（ＡＩＭ）が必要な場合、一片の予備成形された自動点火材料３６を推進剤カップ壁１４に対して挿入成形することができ、環境との密な熱的接触（intimate thermal contact）が提供される。図５を参照されたい。
【００２４】
ガス発生組成物の推進剤カップ２５内での現位置混合（in situ blending）は、ガス発生組成物の製造における別の混合または別の配合段階の必要性を排除する。したがって、別の混合施設もしくは別の推進剤製造施設は、前記製造プロセスに不要である。このように、前記製造プロセスは本質的により安価で、安全で、時間もかからないものとなる。さらに、米国運輸省（ＤＯＴ）により規定されているような危険物の移送要請は大きく緩和される。本発明で用いられるガス発生成分それ自身は（in and of themselves）ＤＯＴの規制に定義されている「危険物」とは判断されない。一般に、本発明のガス発生成分の衝撃感受性もしくは摩擦感受性は、重大な危険をもたらし得ない。
【００２５】
超小型ガス発生器の構成要素は当該技術分野において既知の方法によって製造される。本願に参照されることによって組み込まれている米国特許5,397,075号および同5,899,399号は教育的で（instructional）あり、車両乗員保護システムのシートベルト用プリテンショナにおける超小型ガス発生器の使用について例示している。一般に、本発明は、当該技術分野の多くのガス発生器に対して広い応用範囲を有すると考えられる。
【００２６】
動作に際しては、例えば衝突センサー（図示されていない）が遠隔的に発生せしめた信号により、イニシエータ２２が起動される。図２に示すように、イニシエータ２２が発火し、一体式推進剤粒子２６を点火する。該粒子２６が燃焼しハウジング１２内の圧力を増加せしめると、推進剤カップ２５が第二端部２０で十字形応力増加器（cruciform stress riser）３２に沿って破壊される。これによりガスが推進剤カップペタル３２を通って放出され、結合されているデバイス、例えばプリテンショナを起動する。
【００２７】
要約すると、本発明は、シリコーンおよび少なくとも１種のガス発生成分を含む一体式ガス発生組成物を組み込んだ、完全な燃焼システムを実現するガス発生器として特徴付けられ、これによって一体式推進剤が推進剤カップ２５内に形成される。このため、表面積が制御され、たとえば推進剤タブレットの緩みによって起こる騒音の解消などの他の利点が提供される。本質的には、燃焼表面積を制御することにより、燃焼ガスの供給速度を制御して個々のプリテンショナドライブデザインの性能を改善することができる。最後に、本発明は、ガス発生器の製造の簡単な方法を提供するものであり、該ガス発生器は、それに連結されたあらゆるデバイスを起動するのに自己充足的である。
【００２８】
特定の実施形態が詳細に記載されているが、当業者であれば、開示の全体的な教示を踏まえて、様々な改良や変更をこれらの詳細に加えることが可能であることを理解するであろう。たとえば、過塩素酸アンモニウムはガス発生能力およびシリコーンに吸着されやすい傾向のために好ましい酸化剤であるが、燃料および／またはそれが車両乗員保護システムに用いられていることが既知である酸化剤を包含する他のガス発生成分も、未硬化シリコーン上に「振りかける」ことができる。これらは、共同保有に係る米国特許5,035,757号（本明細書に参照されることによって組み込まれている）に開示されたガス発生成分を含むが、それらに限定されるものではない。したがって、テトラゾール、トリアゾール、およびそれらの金属塩類と非金属塩類の群から選択される燃料、および／または、金属および非金属の硝酸塩、亜硝酸塩、過塩素酸塩、および塩素酸塩からなる群から選択される酸化剤が、考慮されたガス発生成分の例である。
【００２９】
したがって、本明細書において開示されている個々の実施態様は説明目的のみを意図するものであり、本明細書の記載から導かれる、全ての請求項の広がりの全てを与えられる本発明の範囲、およびそのあらゆる全ての均等物の範囲に限定を加えるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に基づく超小型ガス発生器の上下方向断面図である。
【図２】本発明に基づく推進剤燃焼開始後の超小型ガス発生器の上下方向断面図である。
【図３】可変表面積を有する推進剤の一体式キャストと比較した、比較的燃焼速度の高い、火薬材料小顆粒の燃焼速度を示すグラフである。燃焼速度Ｂは大きい燃焼表面積を有する成形キャストを示し、燃焼速度Ａは小さい燃焼表面積を有する成形キャストを示す。ゆるいピースの（loose piece）推進剤の燃焼速度Ａの非直線グラフと比べて、成形燃焼速度Ａの直線は、成形推進剤による強い制御を示している。
【図４ａ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図４ｂ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図４ｃ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図４ｄ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図４ｅ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図４ｆ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図４ｇ】それぞれに応じた可変燃焼速度を可能にする、種々の幾何学的形状表面を示す。
【図５】自動点火材料を含む本発明による超小型ガス発生器を示す。
【図６】ニトロセルロースを含む典型的な最新の超小型ガス発生器の圧力の経時曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004535966.tif 000037
2004535966.tif 000038
【国際調査報告】
2004535966.tif 000039
2004535966.tif 000040