エアバッグ

エアバッグとは、膨らんだ袋体を用いて移動体の運動エネルギーを吸収、もしくは衝撃緩和する装置のことである。

本項では後述のシートベルト補助として使われるSRSエアバッグも含め「エアバッグ」と記述する。

身近なところでは自動車の乗員保護システムの中の1つとして、シートベルトと併用して使われるSRSエアバッグシステムがある。Supplementalとあるように、シートベルト着装をした上で、本来の効果がある乗員保護システムの1つである。したがって、シートベルトを着用していないとその効果は発揮されない。それどころか、最悪の場合はエアバッグにより死亡する場合もある。俗称や口頭上の説明では、SRSやシステムを省略して「エアバッグ」と呼ばれる。

前席に加え、一部車種では後部座席用も用意された。現在では側面からの衝突に対応するサイドエアバッグやカーテンエアバッグ、膝にかかる衝撃を緩和するためのニーエアバッグ、さらにはシートベルトを膨らませる方式のものもある。

オートバイ・自転車のライダー用や歩行者用のエアバッグも販売されている。また、火星探査機が火星に着陸する際にエアバッグを利用して着陸するなど、さまざまな方面で衝撃吸収のために利用されている。なお、エアバッグは保安基準の対象外であるため取り外しても特に罰則等はないが、取り外しや故障によって警告灯が点灯している場合は車検が受け付けられない。

1. エアバッグの仕組み
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1.1. エネルギー吸収の原理
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例えばブレーキは、車体の運動エネルギーを熱エネルギーに変換して吸収するが、エアバッグは移動体の運動エネルギーを、ガスの運動エネルギーに変換し吸収する。

移動体がエアバッグに衝突するとエアバッグの容積を減少させる。この時エアバッグ内の圧力が高まるが、予めエアバッグには排出口が開けられており、そのベントホールよりガスが勢いよく噴出する。

つまり、移動体がエアバッグに衝突するとエアバッグ内のガスが外へ噴出する構成とされている。このエアバッグの中から外へ移動するガスの運動エネルギーに置換されるのである。

ガスの運動エネルギーは、移動するガス重量とその速度で算出することが可能である。自動車用エアバッグの場合、移動するガス重量を25g、エアバッグに開いたベントホールから出るガス速度を350m/secとした場合、エネルギーの公式：E=mv2/2に当てはめると、2000Jのエネルギーを持つものとわかる。

1.2. エアバッグ特有のエネルギー吸収特性
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ところで、上記のエネルギー吸収メカニズムは、エアバッグ内の圧力が充分高まった後にもたらされる作用で、移動体の接触直後には一定程度、空走が必要であることが知られている。つまり、移動体がエアバッグに接触し、押し潰して容量が減少することにより、圧力が上昇するというプロセスが必要ということである。

これは同じくEAを目的とするショックアブソーバーと大きく異なる点で、ショックアブソーバーは「定型の容器」と内容物にはオイル等の非圧縮体を用いることが出来るので、荷重が加わると即時に内圧が高まり、最小限のストロークで抗力が立ち上がることが出来る。またその後一定の効力を保つことも容易で、効率的なEAとすることが可能である。

対してエアバッグは、形が定まっていない「不定形の袋体」と可圧縮体のガスを用いるので、接触初期には空走距離が構造的に必要で、ストロークの後半にやっと抗力が発生してEA効果を発揮することになるため、理想的なEAには程遠いものとなる。これは通常使用時に、コンパクトに収納できることとの相反で「エアバッグ」の宿命である。

1.3. 他
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自動車用エアバッグにおける展開初期のアスピレート効果について：コンパクトに折り畳まれたエアバッグは、展開プロセスの初期にインフレーターのガス圧で急に移動させられるが、この時「発生したガス量はバッグ容量よりも少ない」場合、バッグ内は負圧となる。この時、ベントホールより周辺の空気をバッグ内へ吸引するアスピレート現象が発生し、インフレーター出力よりも多くのガスをエアバッグに取り入れることがある。

自動車用エアバッグにおいてベントホールの無いものもある。一般的なカーテンエアバッグ、サイドエアバッグ、ニーエアバッグ等がそうであるが、これらは袋体の厚みが運転席・助手席用に比べて薄いため、ベントホールを付けることが出来ず、袋体の容量も小さいため袋体内のガス移動によるEA効果も期待できない。そのためエネルギー吸収効果はほとんど無く、バッグを圧縮して上がった圧力は、ゴムボールのように再度移動体を跳ね返す仕事に変換される。しかし、これらは車室内構造物に直接接触するのを防ぐ事で衝撃を緩和し、ピークGの低減に貢献している。また、膨らんだ後にしばらく形状を保持する製品もあり、その形状が機能として衝突安全に寄与するものもある。

非自動車用途では、落下する物体を受け止めるためのエアバッグが存在するが、これらはスペース的な制約があまり無く、バッグの容量も自動車用に比べると非常に大きいため、バッグ内だけのガス移動のみで、エネルギー吸収が可能である。

2. 歴史
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最初の航空機および自動車のエアバッグに当たる発明は、二人のイギリス人歯科医Harold RoundとArthur Parrottによってアメリカで1919年に申請され1920年に受理された特許まで遡ることができる。

他の用途での空気で膨らませたクッション・バッグは1951年までには利用されるようになっていた。

ドイツ人技術者Walter Lindererはエアバッグの仕組みの特許を1951年10月6日にドイツにて申請し、1953年11月12日に承認された。衝突によってバネが跳ねると空気圧縮機がクッションを膨らませる仕組みであり、現在のより反応速度が速い火薬やより最新の電子スイッチ式の装置と比べると、この機械仕掛けのエアバッグの反応は安全な速さとは言えなかった。

アメリカ海軍に所属していた技術者John W. Hetrickは、現在のエアバッグにあたる安全クッションを1952年に設計し、8月5日に特許を申請、翌年1953年8月13日に承認された。魚雷で用いられている空気圧縮技術を応用して、自動車事故の安全性を高める仕組みだった。Hetrickはアメリカの自動車会社でも働いていたが、会社側は彼の発明を製品化することに興味を示さず、この発明から10年以上たつまで市場に出ることはなかった。初めて彼の発明が搭載されたのは、1971年のフォード車だった。

Allen K. Breedは画期的な衝突検知の技術を1960年代後半に発明した。この技術では、磁石によってチューブに引っ付いた鉄球でできた電子機械式のセンサーで衝突から30ミリ秒でエアバッグのクッションを膨らませることができた。また、圧縮空気ではなくアジ化ナトリウムの爆発でバッグを膨らませる技術も初めて用いられた。Breedコーポレーションは、1967年にこの技術をクライスラーの車に搭載し初めて市場に出た。同様の衝突抑制器 "Auto-Ceptor" はEaton YaleとTowne Inc.によって開発され、フォードに搭載された。この技術はすぐにアメリカで自動車安全システムとして販売された。一方、イタリアのEaton-Liviaカンパニーはこれを改良したローカライズされたエアバッグを販売していた。

後に、一般的に世界中で広く各社に使用されているようになった火薬を用いて起動させる方式のエアバッグは、日本人の小堀保三郎によって発明された。この日本でのエアバッグの発明は1963年に遡る。特許申請事務代行業のGICを経営していたが、航空機事故などで、衝撃を緩和させ、生存率を改善させる装置として考案した。後に一般的に搭載されるようになったエアバッグではあるが、当時としてはあまりに奇抜な発想だったため、発表の場では、日本人の関係者からは失笑を買い、相手にされることはなかった。また、エアバッグが、火薬の使用が当時の日本の消防法に抵触してしまうことから、日本でエアバッグが開発されることはなかった。一方、欧米の企業では、エアバッグの研究、開発が進められ、それにあわせて法規も整えられていった。開発が進むにつれ、その有用性が認められ、1970年頃からは日本でも本格的な開発が始まった。現在、エアバッグは、世界中の自動車で、ほぼ標準装備となっているが、小堀が特許を有していた間は、実用化されていなかったため、特許による収入がなく、研究費などで借金を抱えていた。なお小堀はエアバッグの世界的な普及を知ることなく、1975年8月30日、生活苦から夫婦でガス心中を遂げている。

エアバッグが最初に実用化されたのは、1970年代中盤のアメリカ合衆国においてである。当時のアメリカでは、シートベルトの着用義務付けを法制化することに対し、「ロマンがなくなる」などという理由から反発があった。そのため、シートベルトを締めずとも死なないシステムをメーカーは用意する必要があった。1971年、フォード社が顧客の車両にエアバッグを取り付け、モニター調査を行った。1973年にはゼネラルモーターズが、キャデラック、ビュイックなど数車種でのオプション装備を可能とした。GMはこの装備を//Air Cushion Restraint System//と銘打っている。特にキャデラックでは、運転席と助手席ともにエアバッグを装備することが可能だった。ただし極めて高価であり、加えて誤作動による事故が発生したため1976年モデルを最後に姿を消している。

1980年には、ダイムラー・ベンツ社が、高級車Sクラスにオプションとして装備した。同社が開発時に取得した特許は安全はすべてのメーカーが享受すべきという信念のもと、無償公開された。初期のエアバッグは、一部の限られた高級車にオプション装備として搭載されるのみであったが、次第に乗用車のほとんどでオプションとして搭載されたり、上級モデルには標準装備されるようになった。一時期、エアバッグ設定のない自動車でも装備できるよう、後付の機械式エアバッグを製造・販売した会社もあったが、あまり売れず、現在は入手不可能となっている。そのため、ユーザーが、自らの好みに合わせて汎用の市販ステアリング・ホイールに変更した場合、原則として運転席エアバッグが装備できないことになる。

日本車で初めて市販車に搭載されたエアバッグは、1987年にホンダが発売したレジェンドに搭載されたタカタとホンダの共同開発のエアバッグであり、日本車で最初に運転席側を全車に標準装備としたのは1992年発売の同社のドマーニである。日本車では1990年代中盤から急速に普及した。当時の日産は、自動車そのものはそっちのけで、エアバッグのみを宣伝するようなCMを放送したほどだった。1999年までに販売された車種のエアバッグの火薬には人体に有害なアジ化ナトリウムが使用されていたが有害なことが問題視され、2000年以降の販売車両には使用されていない。

セダンなど一般的な自動車では早くから開発が進んでいたが、SUVやクロスカントリー車といったオフロード走行を主眼にした自動車では開発が遅れた。これは、オフロード走行時の衝撃と、エアバッグを必要とする衝突事故の衝撃を判別するのが難しかったためである。

2009年現在では一部の安価な車種を除き、日米欧の大手自動車メーカーのほぼ全ての車種の運転席・助手席に標準装備されている。唯一、ボルボでは、車の購入時に助手席エアバッグを装備しない選択もできる。また、助手席エアバッグの作動を一時的にキャンセルする機能や、車の購入後でも助手席エアバッグを作動しない状態にするサービスがある。これは、助手席に小さな子供を乗せて走るユーザーやタクシーとして使用するユーザーへの配慮である。

運転席・助手席の座席サイド部分に内蔵されているサイドエアバッグ、ルーフライニングのサイド部分に内蔵されているカーテンエアバッグ、インパネ下部に内蔵されている下股部を保護するニーエアバッグも搭載されるようになった。その後、乗用車はもちろん、軽自動車、貨物自動車、バスにも搭載されている。しかし、欧州メーカーと比較すると多くの日本メーカーはサイド・カーテンエアバッグの標準搭載が遅れており、廉価グレードではオプションですら選択できないことも多い。そればかりか、マイナーチェンジを機にオプション設定からはずされてしまった車種も存在する。軽自動車では現在においてもサイド・カーテンエアバッグの設定がない車種が多い。

一部の車種では、ハンドルや助手席エアバッグに外から見て盛り上がりや切れ目のない車種が増加した。その理由として、質感の向上やドライバーの視線の妨げにならないようにすることを目的としている。部品モジュール化やCAD技術の発達、ドイツ製レーザーカット機の導入によるところが大きい。

なお、機械式エアバッグ内蔵ステアリング・ホイールステアリングの場合、ステアリング・ホイールに関わる整備の際の衝撃による意図しない作動を防ぐための安全装置がステアリング・ホイール本体に設置されている場合が多いので、取り扱いの際には注意を要する。

2.1. その他
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エアバッグは保安上重要な部品であるが、法で定める指定部品の扱いは受けていないため、取り外すといった行為をしても特に罰則はない。しかし、タカタ製エアバッグ問題を受けて、それ以降の車検・点検整備の際はエンジン始動の際にエアバッグ警告灯の点灯確認が義務付けられた。正常に点灯しない場合、一切の車検・点検整備が不可とされた。

近年の車両は運転席だけではなく、助手席やサイドエアバッグ、シートエアバッグなど複数存在し、警告灯が点灯しない場合、これらのエアバッグの展開が保証されなくなることも義務付けられた理由のひとつでもある。

3. 自動車用エアバッグ作動の流れ
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エアバッグは、自家用車などの高速移動体の乗員周辺に装備されるものが代表的な存在だが、例えば車椅子のような低速移動体の転倒障害防止装置や、各種スタント行為の障害防止用クッション、さらに惑星間移動体の着陸衝撃の緩和装置にも利用されている。ここでは自動車用エアバッグを中心に説明をする。

車両が衝突すると加速度センサーが反応。センサーからエアバッグECUに加速度の情報が送られる。
エアバッグECUは内部でも持っている加速度センサーの情報も加味してエアバッグの展開・不展開を決定する。
展開との決定が下された場合、エアバッグECUはエアバッグモジュールに展開の指示を行う。
インフレーターにて火薬を爆発させることでガスを発生させ、エアバッグを0.01秒の単位で瞬時に膨らませる。この際、収納部を押し破ることでバッグが出てくる。
完全に膨張したら、バッグの背後に設けられている穴よりただちにガスが抜けエアバッグが収縮する。人間の眼からは、この動作が一瞬のうちに行われているように見える。

3.1. 各エアバッグの役割
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運転席エアバッグステアリングホイール内部から膨らみ、運転席の搭乗者を前面衝突時のみ保護するエアバッグである。助手席エアバッグ助手席のインパネ上から膨らみ、助手席の搭乗者を前面衝突時のみ保護するエアバッグである。装備車では、作動の障害になるので「バッグ収納部分には何も設置してはならない」と注意がされている。サイドエアバッグ側面衝突時に運転席と助手席のシート外側部分から膨らみ、運転席と助手席の搭乗者の胸部、腹部を保護するエアバッグで、最近は後席にも装備するモデルが登場している。カーテンシールドエアバッグ側面衝突時または車両横転時にルーフサイド部分から膨らみ、運転席と助手席の搭乗者および後席搭乗者の頭部、頚部を保護するエアバッグである。なお、メルセデス・ベンツでは、SRSウィンドウバッグと呼ぶ。ドアマウントカーテンエアバッグ側面衝突時に、窓枠下部からサイドウインドウを覆うように天井へ向けて展開し、乗員の頭部を保護する。オープンカーなど、カーテンシールドエアバッグの搭載が物理的に不可能な車両に採用される。ニーエアバッグステアリングコラムまたはインパネの下部から膨らみ、衝突時に乗員を正しい着座位置に保つために腰部の固定を目的とし、また、下肢部を保護するエアバッグである。運転席のみまたは運転席・助手席用もある。シートクッションエアバッグシート座面下に装備されており、衝突時に座面前部を押し上げ、腰部の前方移動を抑止するとともに、下腹部への衝撃を緩和する。。リアウインドウカーテンシールドエアバッグ追突時に後席頭上に展開し、後席乗員の頭部、頚部を保護する。。後席エアバッグ助手席シートバックに組み込まれ、衝突を受けた後席左側乗員の頭や肩、上腕部を保護する。搭載車は日産・プレジデント、1993年発表）