次世代自動車用エアバッグシステムの開発

財団法人福岡県産業・科学技術振興財団
産学官共同研究開発事業
研究成果報告書
次世代自動車用エアバッグシステムの開発
（平成２３年度～平成２４年度）
目
次
【研究総括】
次世代自動車用エアバッグシステムの開発･････････････････････････････････････････ 1
研究総括責任者
福岡大学
加藤勝美
【研究報告】
１．
サブテーマ 1 新規ガス発生剤の開発 (スプレードライ微粒子の調製と物性評価 ) ･･4
福岡大学安全システム医工学研究所，
(独 )産業技術総合研究所安全科学研究部門
２．
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発 (吸湿性および潮解性 ) ••••••････････････11
福岡大学安全システム医工学研究所
３．
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発 (相安定性 ) •••･･･•••••••••••••••••••･･･16
福岡大学安全システム医工学研究所
４．
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発 (燃焼性 ) ••••••••••••••••••••••••･･････21
福岡大学安全システム医工学研究所
旭化成ケミカルズ (株 )大分工場
(独 )産業技術総合研究所安全科学研究部門
５．
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発 (熱安定性および振動耐性 ) ••••••••･･････27
福岡大学安全システム医工学研究所
旭化成ケミカルズ (株 )大分工場
６．
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発
(タンデムエアバッグおよび加害性評価装置の設計と試作 ) •••••••••･･････････33
福岡大学安全システム医工学研究所
(有 )沖本縫製奥谷工場
７．
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発 (加害性評価試験装置による評価 )•･••･39
福岡大学安全システム医工学研究所
(有 )沖本縫製奥谷工場
(独 )産業技術総合研究所安全科学研究部門
８．
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発 (静的展開試験およびリニアインパクタ試験)•47
福岡大学安全システム医工学研究所
(有 )沖本縫製奥谷工場
９．
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発 (豚眼の損傷に関する検討 ) ••••･･････57
福岡大学安全システム医工学研究所
福岡大学医学部，福岡大学病院
日本赤十字社福岡赤十字病院救急科
【成果実績】 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ･･････61
研究総括
福岡大学安全システム医工学研究所
助教
１
加藤
勝美
研究開発の背景および目的
エアバッグは，自動車の衝突時にガス発生剤と呼ばれる固体燃料が燃焼し，その燃焼ガ
スにより展開する。コスト等の観点からガス発生剤組成物として，硝酸アンモニウム (AN)
が注目されているが，AN は，吸湿性が高く，様々な温度帯で結晶構造変化 (固相間相転移 )
が起こる等，実用化に際し解決すべき課題がある。また，エアバッグには，搭乗者とバッ
グが衝突する際に，眼等に重篤な外傷を負うという加害性の問題もある。本研究では，こ
れら 2 つの問題を解決することを目的とし，物性改善した新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サ
ブテーマ 1)，および，加害性を軽減するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)を試みた。
２
研究開発体制
福岡大学加藤勝美を研究統括責任者として、下記「産」「学」「官」の研究体制 (下記 )で
本研究開発事業を実施した。また，東京大学環境安全研究センターの新井充教授には，ア
ドバイザーとしてご参画頂いた。
研究総括責任者
〈産〉
福岡大学
加藤勝美
(有 )沖本縫製奥谷工場
旭化成ケミカルズ (株 )大分工場
〈学〉
研究代表者：専務取締役
沖本雄紀
担
者：研究員
立花博隆
研究代表者：研究員
熊谷恒佑
担
塚原祐介
当
当
者：研究員
福岡大学安全システム医工学研究所研究代表者：助教
担
当
者：講師内田俊毅
助教東英子
助教入江豊
客員教授三好仁
福岡大学医学部，福岡大学病院
〈官〉
加藤勝美
教授中野勝之
ＰＤ土屋潤
学生永山清一郎
研究代表者：教授
内尾英一
担
尾崎弘明
当
者：診療教授
(独 )産業技術総合研究所安全科学研究部門
研究代表者：統括研究主幹
緒方雄二
担
和田有司
当
者：研究グループ長
日本赤十字社福岡赤十字病院救急科研究代表者：部長
1
友尻茂樹
３
研究成果の概要
３ー１
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発
硝酸アンモニウムの物性改質を目的として，スプレードライ処理により，硝酸アンモニ
ウム，硝酸カリウム (相安定化剤 )およびポリマー (防湿化剤 )が一体化した微粒子を調製し
た。評価の結果，本方法により硝酸アンモニウム問題点である防湿性および相安定性を改
善できることが明らかになった。一方，調製した微粒子を主成分とするガス発生剤を試作
し，各種物性を評価したところ，圧力指数が高い等，燃焼性に問題があることが分かり，
今後改善する必要がある。
３ー２
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発
加害性を軽減するエアバッグとして，タンデムエアバッグ (2 つのバッグが連結したエア
バッグ )が考案されている。本研究では，衝撃吸収効果およびバッグ展開速度の観点から，
タンデムエアバッグの最適構造 (容量，脱気孔径，通気孔径，体積調整ベルト長等 )を検討
した。その結果，従来のシングルエアバックと同程度の時間で展開し，かつ，衝突時の衝
撃をより軽減できる形状を明らかにした。
４
研究成果の市場性・優位性
４ -１
新規ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)
現在，自動車エアバッグ用ガス発生剤の成分として塩基性硝酸銅が主に用いられている
が，この物質は他の応用用途に乏しく，近年，その原料となる硝酸銅 (II)の価格は特に高
騰しており，1kg あたり 10,000 円を超えることもある。一方，本研究で着目する硝酸アン
モニウムは，産業用爆薬などの原料として広く流通していることから安価 (約 100 円 /kg)
であり，原料価格の大きな削減が見込める。
４ -２
新規エアバッグ形状の開発 (サブテーマ 2)
エアバッグの加害性を軽減する技術として，衝突する速度に応じてガスの噴出量を調節
するなどの方法が提案され，一部実用化されている。しかしながら，この方法は，インフ
レータ (ガスを噴出させる燃焼室 )の構造が複雑となり高価であることから，一部の高級車
のみに搭載されるに留まっている。一方，本研究で提案した加害性の軽減方法は，バッグ
の形状を変えるのみであり，現行のインフレータを流用できることから，普及車，低価格
車への搭載が可能となる。
５
今後の具体的な計画
５ -１
新規ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)
本研究にて調製した微粒子を主とするガス発生剤の燃焼性を評価したところ，圧力指数
が高い等，燃焼性に問題があることが分かった。今後は，この問題を解決するため，ガス
発生剤組成を変える等して目標とする燃焼性が得られるよう，研究を継続する。
2
５ -２
新規エアバッグ形状の開発 (サブテーマ 2)
タンデムエアバッグを試作し，バッグ部位に改良を重ねた結果，従来のシングルエアバ
ックと同程度の時間で展開し，かつ，衝突時の加害性を軽減でき得るバッグ形状を明らか
にできた。しかしながら，実用化するためには，本技術を適用することによって，どの程
度，外傷発生率を下げることができるのか，と言った医学的な定量的検証が必要である。
福岡大学医学部と引き続き連携し，また，自動車メーカ等の意見も取り入れながら，こう
した研究を継続する。
６
研究成果の波及効果
６ -１
新規ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)
近年の自動車のデザイン上の要求，および自動車１台あたりのエアバッグ搭載数増加な
どの事情から，インフレータの小型軽量化への要求が高まっている。本研究で開発したガ
ス発生剤は，金属含有量が少ないため，インフレータ中の残渣除去フィルタ部分の容積削
減に大きく寄与でき，自動車業界の要求に答えることができる。また，前述のようにコス
ト面でも有利であるため，今後改良を加えれば，急速に普及するポテンシャルはあると考
えられる。また，当該技術は，エアバッグの用途だけでなく，ロケット推進薬への応用も
期待でき，次世代の宇宙開発にも画期的に貢献できる可能性がある。
６ -２
新規エアバッグ形状の開発 (サブテーマ 2)
エアバッグの加害性を軽減する技術として，ガス発生剤の着火方法を変える，あるいは，
2 つのインフレータを用いて，衝突する速度に応じてガスの噴出量を調節するなど，イン
フレータ自体の構造を高度化してガス発生剤の燃焼速度を制御する方法が主流である。一
方，本研究で開発する加害性軽減技術は，バッグの形状を変えるのみであるため，エアバ
ッグモジュールの低コスト化を図ることができ，低価格車への搭載が可能となる。開発国
等も含め多くの人々の安全に貢献できると考えられる。
７
今後の課題と取り組み
サブテーマ 1 に関しては，平成 25 年度より企業との共同研究を開始しており，燃焼性の
改善等，実用化に向けた開発研究を継続している。サブテーマ 2 に関しては，本研究を通
じて構築した自動車メーカおよび医師らとの協力関係を維持しながら，エアバッグ加害に
関する研究を継続する予定である。
3
１
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発
（スプレードライ微粒子の調製と物性評価）
福岡大学安全システム医工学研究所
助教
加藤勝美
教授
中野勝之
助教
東英子
学生
永山清一郎
(独)産業技術総合研究所安全科学研究部門統括研究主幹
緒方雄二
研究グループ長和田有司
１―１
はじめに
スプレードライは，溶媒中に試料を溶解または分散させ，それを高速で高温雰囲気中に
噴霧し乾燥させることで微粒子を得る方法である [1]。手順が非常に簡便であるため，イン
スタントコーヒーや調味料の粉末化から汚泥の乾燥に至るまで広く用いられている。
本研究では，スプレードライにより，硝酸アンモニウム (AN)，相安定化剤 [2][3]である
硝酸カリウム (KN)および各種ポリマーが溶解または分散した水溶液に対してスプレードラ
イ処理を行い， 3 成分が一体化した微粒子 (ポリマー含有 PSAN)の調製を試みた。 AN と KN
が一体化し，さらにポリマーが粒子の表面に，あるいは粒子全体に均一に分布する微粒子
を調製することができれば，AN の問題点である相転移と吸湿性を共に解決できることが期
待でき， AN 系ガス発生剤の組成物としての利用が可能となる。
１―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 1 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (1)の研究について報告する。
(1) スプレードライによるポリマー含有 PSAN の調製
(2) ポリマー含有 PSAN の吸湿および潮解性評価
(3) ポリマー含有 PSAN の相安定性評価
(4) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の燃焼性評価
(5) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の熱安定性および振動耐性評価
１―３
目的と目標
スプレードライにより，AN，相安定化剤である KN，および各種ポリマーが一体化した微
粒子 (ポリマー含有 PSAN)の調製を目的とする。具体的目標は，含水率 1wt%以下で，かつ，
圧縮成型等が容易な粒径 50μ m 以下微粒子を得ることである。
4
１―４
実験方法及び実験条件
１―４―１
試料
AN(和光純薬工業 (株 )社製 )，および，相安定化剤として KN(和光純薬工業 (株 )社製 )を用
い，防湿化剤 (ポリマー )として，ポリビニルアルコール (PVA，和光純薬工業 (株 )社製 )，カ
ルボキシメチルセルロースアンモニウム (CMCA，和光純薬工業 (株 )社製 )，カルボキシメチ
ルセルロースナトリウム (CMCNa，和光純薬工業 (株 )社製 )，ラテックス (Latex，旭化成ケミ
カルズ ( 株 ) 提供 ) をそれぞれ用いた。 PVA は重合度 400 の試料 (PVA400) と 2000 の試料
(PVA2000)を用いた。 AN， KN およびポリマー (各 1 種類 )の 3 成分を 4 倍量の milli-Q 水に
溶解 (あるいは分散 )させた。AN/KN/ポリマーの重量比は， 9:1:0.3(PSAN:ポリマー =10:0.3)
あるいは 9:1:1(PSAN:ポリマー =10:1)とした。また，ブランクとしてポリマーを含まない
試料も調製した。
１―４―２
スプレードライ処理
中部熱工業 (株 )社製のスプレードライヤー (図 1-1)を用い，1-4-1 で調製した水溶液に対
してスプレードライ処理を施した。熱風温度は 170℃ ，装置内部温度は 90℃ 一定とし，デ
ィスク回転数は主として 18000rpm，溶液の粘度が高い場合 (CMCNa 系 )は 24000rpm とした。
調製した水溶液を装置上部から投入すると，内部の噴霧ディスクからチャンバー内に高
速で噴霧される。装置内部では熱風で高温となっており，噴霧された溶液は一瞬で乾燥し，
装置下部から微粒子が回収される。
図 1-1 スプレードライヤー模式図
１―４―３
物性評価
１―４―３―１
含水率の測定
赤外線水分計 (ケット科学研究所 (株 )製， FD-230)を用い，スプレードライで調製した微
粒子の回収直後の含水率を測定した。
１―４―３―２
表面観察
走査型電子顕微鏡 (SEM (JEOL DATUM Ltd. 社製，加速電圧 10k～ 15kV))および低加速電圧
5
SEM(ZEISS 社製 ULV-SEM ULTRA55，加速電圧 0.7kV))により微粒子の表面状態を観察した。
また， SEM 画像から微粒子 500 個の直径を計測し，モード径とメジアン径を算出した。
１―４―３―３
元素組成分析
エネルギー分散型 X 線分析 (SEM/EDX， SEM 部分 :FEI 社製， EDX 部分 :EDAX 社製 )を用いて
微粒子の元素分布を観察した。加速電圧は 10kV とし，炭素，窒素，酸素，ナトリウム，カ
リウムの 5 元素について分析を行った。また，低加速電圧 SEM/EDX(ZEISS 社製 ULV-SEM
ULTRA55，加速電圧 0.7kV)を用いて粒子表面近傍の元素分布を観察した。
１―５
実験結果
１―５―１
目視観察および収率，含水率の測定
スプレードライの結果，ポリマーの種類，有無によらずサラサラとした白色の微粒子を
造粒することができた。一方で，ポリマーを含まないスプレードライ試料 (PSAN)の場合，
時間の経過 (概ね 7 日 )とともに PSAN は固化したが，ポリマーを含むスプレードライ試料 (ポ
リマー含有 PSAN)では，このような固化は観察されなかった (図 1-2)。
図 1-2 調製したスプレードライ試料の外観(約 7 日間放置後)
左:PSAN，右：ポリマー含有 PSAN (PSAN:CMCA=10:0.3)
PSAN およびポリマー含有 PSAN の収率，スプレードライ直後の含水率の測定結果を表 1-1
に示した。測定の結果，何れの試料も収率は 50-60%であった。表中の収率は本体下部 (図
1-1)から得られた試料の重量から計算されたものであり，サイクロン側から回収された試
料を含めると何れも概ね 70%の収率となる。含水率はすべての試料で 1wt%未満であった。
表 1-1
収率およびスプレードライ直後の含水率
6
１―５―２
表面観察
スプレードライで調製した PSAN およびポリマー含有 PSAN の表面状態を SEM(JEOL DATUM
Ltd.社製，加速電圧 10−15kV)を用いて観察した。結果の数例を図 1-3 に示した。PSAN およ
びポリマー含有 PSAN の粒子形状は，ポリマーの有無やポリマーの種類によらず球状であり
(図 1-3 b-d)，乳棒にて粉砕した試薬の AN(図 1-3 a)とは形状が異なっていた。また，PSAN(図
1-3b)では，粒子同士が凝集し，塊となっている部分が数多く観察されたが，ポリマー含有
PSAN(図 1-3c, d)では，このような凝集は観察されなかった。
a
b
図 1-3
c
d
調製した微粒子の SEM 画像 (x100)
a:試薬 AN(乳棒で粉砕 )， b： PSAN，
c:PSAN/CMCNa (10:0.3)， d： PSAN/CMCA (10:0.3)
低加速電圧 SEM(ZEISS 社製 ULV-SEM ULTRA55，加速電圧 0.7kV)を用いて，調製した PSAN
および PSAN/CMCA(10:0.3)の粒子表面をより詳細に観察した。 PSAN はほとんどが球状の微
粒子であるが，表面が凝着し塊を形成している部分が観察された (図 1-4 a)。 PSAN はポリ
マーが含まれておらず高い吸湿性を有することから，粒子の表面がわずかに吸湿した後に
潮解し，粒子同士が凝着することでこのような塊を形成したと予想される。一方，PSAN/CMCA
(図 1-4 b)では，粒子同士が一体化した部分や，大きな塊を形成している部分は全く観察
されなかった。
a
図 1-4
b
低加速電圧 SEM による粒子表面の画像 (x1000)
a: PSAN， b: PSAN/CMCA (10:0.3)
7
ポリマー含有 PSAN の表面状態を， SEM(JEOL DATUM Ltd.社製，加速電圧 10k～ 15kV)によ
り観察し，含まれるポリマーの種類毎に比較した。前述のように，何れのポリマー含有 PSAN
の場合でも大部分は球状の粒子が得られるが，詳細に観察すると， PVA および CMCNa を含
む PSAN では表面に破れがある粒子があり，また内部が中空である粒子や，内部にさらに細
かな粒子が充填されている粒子等も存在することが分かった (図 1-5 a, b)。一方， CMCA
や Latex を含む PSAN では，表面に破れは観察されず，また内部は中空ではなく密な断面を
有していることが分かった (図 1-5 c, d)。ポリマーの物性が粒子形状に影響を及ぼしてい
る可能性がある。
a
b
図 1-5
c
d
含有ポリマーの異なる微粒子の表面状態の比較
a:PSAN/CMCNa(10:0.3) ， b： PSAN/PVA2000(10:0.3)，
c: PSAN/CMCA(10:0.3) ， d： PSAN/Latex(10:0.3)
１―５―３
粒度分布
表面観察で得られた SEM 画像を元に粒度分布を算出した。計測の結果，PSAN およびポリ
マー含有 PSAN は，概ね粒径 20−40μ m の微粒子が最も多く存在することが分かった (表 1-2)。
PSAN は，ポリマー含有 PSAN と比較して粒径が大きい傾向があった。また，ポリマーに CMCNa
を用いた場合，他の試料よりも粒径が小さい傾向があるが，これは CMCNa 水溶液の粘度が
高く，他の試料と同じディスクの回転数 (18000rpm)では造粒できなかったため，回転数を
24000rpm に上げたことにより噴霧時の液滴が小さくなったことによるものと考えられる。
その他については，ポリマーの種類や添加量の違いによる粒径の明確な差はなかった。
表 1-2 PSAN およびポリマー含有 PSAN の粒径
Median diameter
Modal diameter
Sample(Weight ratio)
[μm]
[μm]
PSAN
38
40
PSAN/PVA400(10:0.3)
29
29
PSAN/PVA400(10:1)
23
20
PSAN/PVA2000(10:0.3)
34
24
PSAN/PVA2000(10:1)
42
38
PSAN/CMCA(10:0.3)
29
21
PSAN/CMCA(10:1)
33
33
PSAN/CMCNa(10:0.3)
25
16
PSAN/CMCNa(10:1)
19
11
PSAN/Latex(10:0.3)
30
38
PSAN/Latex(10:1)
29
27
8
１―５―４
元素組成分析
SEM/EDX(SEM 部分 :FEI 社製， EDX 部分 :EDAX 社製 )を用いて粒子表面の元素分布を観察し
た (表 1-3)。表中の理論値は，各組成物の分子式と組成比から推算した値である。 Latex
のみ分子式が不明であったため， Latex 単独の元素分布を EDX により分析し，その値を元
に推算した値となっている。この表から，ポリマーが含まれていない PSAN でも炭素が検出
され，また，ポリマー含有 PSAN では炭素の割合が理論値よりも高いことが分かる。これは，
測定時のビームが試料を一部貫通しており，台座のカーボンテープ由来の炭素が検出され
たことが原因と予想される。
表 1-3 に示した各ポリマー含有 PSAN の炭素量 (mol%)から PSAN で観察された炭素量
(mol%) を差し引くと，全ての試料で概ね理論値と近い値を示すことから，ポリマー含有
PSAN は AN， KN およびポリマーが一体化した微粒子であると考えられる。
表 1-3 EDX 測定結果
Sample(Weight ratio)
PSAN
Experimental
Theoretical
PSAN/PVA400(10:0.3)
Experimental
Theoretical
PSAN/PVA2000(10:0.3)
Experimental
Theoretical
PSAN/CMCA(10:0.3)
Experimental
Theoretical
PSAN/CMCNa(10:0.3)
Experimental
Theoretical
PSAN/Latex(10:0.3)
Experimental
Estimated
１―６
C
[mol%]
8.2
0.0
11.8
2.2
11.9
2.2
11.7
1.6
8.5
1.6
9.1
3.2
N
[mol%]
39.3
38.4
38.3
37.1
39.2
37.1
34.0
37.4
42.1
37.2
42.1
37.3
O
[mol%]
49.4
60.0
47.4
59.1
46.8
59.1
47.6
59.5
47.0
59.5
46.8
58.0
Na
[mol%]
0.1
0.0
0.1
0.0
0.2
0.0
0.1
0.0
0.3
0.2
0.1
0.0
K
[mol%]
2.9
1.6
2.3
1.6
1.9
1.6
6.5
1.6
2.1
1.6
1.9
1.6
研究成果
(1) スプレードライの結果，サラサラとした粒径 20−40μ m の白色の微粒子を造粒すること
ができた。試料調製直後の含水率はポリマーの種類に依らず 1wt%未満であった。
(2) SEM 観察の結果，PSAN では粒子同士の凝集が散見されたのに対して，ポリマー含有 PSAN
では凝集がほとんど観察されなかった。
(3) 含まれるポリマーの種類により粒子の状態に違いが観察された。 PVA および CMCNa を
それぞれ含む試料では粒子の表面に破れ等が観察され，内部が中空であった。一方，
CMCA および Latex を含む試料では破れ等は観察されず，密な断面を有していた。
(4) 粒子表面の元素分析から， AN， KN，ポリマーの 3 成分が均一に分散した粒子であるこ
とが確認された。
以上の結果から，目標とする微粒子を調製することができたと言える。
9
参考文献・引用文献
[1] 中部熱工業ホームページ (左記 URL から閲覧可能 )， http://hp.nagoya-cci.or.jp/cnk/
[2] Jun-Hyung kim, Preparation of phase stabilized ammonium nitrate (PSAN) by a
salting out process, Journal of Chemical Engineering of Japan, 30(2), 336 (1997).
[3] I. B. Mishra, Potassium Fluoride Stabilized Ammonium Nitrate, United Sates Patent
4,552,736, Olin Corporation, S tamford, CT, USA (1983).
[4] A. O. Remya Sudhakar, Suresh Math ew，Thermal behavior of CuO doped phase -stabilized
ammonium nitrate, Thermochimica Acta, 451(1 -2), 5 (2005).
10
２
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発
（吸湿性および潮解性）
福岡大学安全システム医工学研究所
２―１
助教
加藤勝美
教授
中野勝之
助教
東英子
学生
永山清一郎
はじめに
前章の研究において，スプレードライにより PSAN とポリマーが一体化した微粒子 (ポリ
マー含有 PSAN)の調製に成功した。また，調製した微粒子は，ポリマーを含有しているこ
とにより，時間が経過しても粒子同士が凝集し難く，AN の取扱上の問題である吸湿性が改
善されている可能性が示唆された。
本章では，調製したポリマー含有 PSAN を一定湿度条件下に貯蔵し，貯蔵中の吸湿量や潮
解過程の SEM 画像から，吸湿性をより定量的に評価した。
２―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 1 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (2)の研究について報告する。
(1) スプレードライによるポリマー含有 PSAN の調製
(2) ポリマー含有 PSAN の吸湿および潮解性評価
(3) ポリマー含有 PSAN の相安定性評価
(4) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の燃焼性評価
(5) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の熱安定性および振動耐性評価
２―３
目的と目標
本研究では，調製したポリマー含有 PSAN の吸湿および潮解性を評価した。目標とする防
湿性は，ポリマーを含有しないブランク試料 (PSAN)よりも吸湿しないことと設定した。
２―４
実験方法及び実験条件
２―４―１
試料
前章記載のポリマー含有 PSAN および PSAN を使用した。同試料を 90℃ の恒温槽内にて一
昼夜放置し，充分に乾燥させた後，以下の試験に用いた。
11
２―４―２
吸湿量の観察
一定湿度に保持したデシケータ内にポリマー含有 PSAN および PSAN を貯蔵し，貯蔵前後
の重量変化から吸湿性を評価した。塩飽和水溶液の存在する密閉空間では，一定の相対湿
度を取る [1]ことが知られることから，本研究では炭酸カリウムおよび塩化ナトリウムをそ
れぞれ用いてデシケータ内を湿度 40%rh および 70%rh に調整した。
２―４―３
潮解過程の観察
高湿度下において試料が潮解する過程を環境制御型電子顕微鏡 (ESEM，FEI 社製，Quanta
FEG-200F)を用いて視覚的に観察した。同実験は，装置内の雰囲気圧力を 400Pa，装置内温
度を −3.3℃ に調整し，湿度 84%rh の条件下で行った。
２―５
実験結果
２―５―１
ポリマー含有 PSAN の吸湿性 (40%rh)
湿度 40％ rh 下における重量 (吸湿量 )の経時変化を図 2-1 に示した。40%rh の条件下では，
全ての試料で実験開始 2 時間までに吸湿による重量増加が見られ，それ以降はほとんどの
試料が吸湿しなかった。PSAN/CMCNa(10:0.3) は 2 時間以降もわずかながら重量が増加した。
また，全てのポリマー含有 PSAN は， PSAN より吸湿量が小さく，ポリマーの添加により AN
の防湿性を向上できることが確認された。特に PSAN/Latex の場合において， PSAN の 1/10
程度まで吸湿量が低下しており，高い防湿効果が確認された。今回使用したポリマーのう
ち， PVA， CMCA， CMCNa は水溶性ポリマーであるのに対し， Latex のみ不溶性であるため，
防湿効果が特に高かったものと考えている。
図 2-1
２―５―２
吸湿量の経時変化 (40%rh)
ポリマー含有 PSAN の吸湿性 (70%rh)
より相対湿度が高い 70%rh の条件下で吸湿量を観察した。湿度 70%rh の条件下では，湿
度 40%rh の条件下と比較して，ポリマー含有 PSAN の優位性は小さい結果となった (図 2-2)。
また，吸湿速度が非常に速く，吸湿量が平衡に達することもなかったため，吸湿量の差を
明確に比較することができなかった。
12
図 2-2
２―５―３
吸湿量の経時変化 (70%rh)
潮解過程の観察
前節の検討において，高湿度条件下における防湿性を比較することが出来なかったため，
ESEM(FEI 社製， Quanta FEG-200F)を用いて高湿度条件下 (84%rh)における潮解過程を視覚
的に観察し，ポリマーの有無による比較を行った。図 2-3 に潮解過程の SEM 画像を示した。
PSAN では，実験開始直後に潮解を開始し， 5 分後には液滴となった。ポリマー含有 PSAN
のうち，PVA400，CMCA および CMCNa を含む試料では，10 分経過後も粒子形状に変化がなか
った。一方， Latex を含む試料では，時間の経過に伴い，粒子表面がわずかに変化し，粒
子同士が凝集する様子が観察された。CMCA 等のポリマーは吸湿すると糊状となるため，粒
子形状を保持できるのに対し， Latex は他のポリマーと異なり吸湿性が低いことから，潮
解した PSAN を保持する能力が低く，表面の形状が変化したと考えられる。しかしながら，
粒子形状は留めており， PSAN とは明らかに異なる結果と言える。
PSAN/CMCA(10:0.3)については，より長時間の撮影を実施した。その結果，実験開始 60
分後も粒子の表面にほとんど変化は観察されないことが分かった (図 2-4)。実験開始 120
分後では一部試料が潮解するものの，高湿度の条件下でも長時間，試料の防湿性が保持さ
れることが確認された。
13
図 2-3
潮解過程の SEM 画像
14
図 2-4
２―６
潮解過程の SEM 画像 (長時間撮影， PSAN/CMCA(10:0.3))
研究成果
(1) 湿度 40%rh の条件下，ポリマー含有 PSAN の吸湿量は， PSAN よりも低かった。特にポ
リマー成分として Latex を用いた場合に防湿性が優れていた。
(2) 84%rh の雰囲気中に貯蔵し，試料の潮解過程を SEM により観察した。PSAN の場合では，
貯蔵直後に潮解した。一方，ポリマー含有 PSAN の場合は，潮解が開始するまでの時間
が延長し，ポリマー成分として CMCA を用いた場合は，貯蔵開始から 60 分後も粒子形
状に変化がなかった。
以上の結果は，目標の防湿性 (AN の微粒子よりも吸湿しないこと )を満足する結果であると
言える。
参考文献・引用文献
[1] 日本工業規格，湿度計 −試験方法， JIS B7920 (2000)
15
３
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発
（相安定性）
福岡大学安全システム医工学研究所
３―１
助教
加藤勝美
教授
中野勝之
助教
東英子
学生
永山清一郎
はじめに
AN は， 30， 80， 125℃ 付近で固相間相転移を起こすことが知られており，それぞれの温
度領域で結晶構造が組み代わり，体積が変化する [1]。 AN をガス発生剤等の用途として利
用する際にはこの体積変化が課題となる。例えば，自動車のエアバッグに用いられるガス
発生剤はペレット状に成型されるが，含まれる AN が体積変化すると，ペレットにひびが入
り，最終的には粉状化してしまう。ペレットが粉状化すると表面積が大幅に変化するため，
燃焼速度が変化し，異常燃焼を引き起こす可能性がある。これはエアバッグ装置全体の破
損にも繋がりかねないため， AN の利用には相安定化が必要である。
AN の相転移は，カリウム塩や銅塩等の添加により抑制できることが知られている [2][3]
ため，本研究 (1 章 )で調製した微粒子 (ポリマー含有 PSAN の相安定性 )にも相安定化を目的
として硝酸カリウムを配合している。本章では，調製したポリマー含有 PSAN の相安定性を
熱分析により調査した。
３―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 1 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (3)の研究について報告する。
(1) スプレードライによるポリマー含有 PSAN の調製
(2) ポリマー含有 PSAN の吸湿および潮解性評価
(3) ポリマー含有 PSAN の相安定性評価
(4) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の燃焼性評価
(5) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の熱安定性および振動耐性評価
３―３
目的と目標
本研究では，調製したポリマー含有 PSAN の相安定性の評価を目的とし，熱分析を実施し
た。相安定性の目標は，室温 −100℃ の範囲で固相間相転移が起こらないことである。
16
３―４
実験方法及び実験条件
３―４―１
試料
1 章記載のポリマー含有 PSAN および PSAN を実験試料として用いた。当該試料を 90℃ の
恒温槽内にて一昼夜放置し，充分に乾燥させた後，以下の試験に用いた。
３―４―２
示差走査熱量測定
ポリマー含有 PSAN の昇温加熱下 (2K/min)における熱的挙動を観察し，試料の吸熱ピーク
から固相間相転移の有無を観察した。また，スプレードライにより調製した試料の他に，
ブランク試料として和光純薬工業 (株 )社製の AN(AN 単独 )に対しても同様の実験を行った。
実験には，セイコーインスツル (株 )製示差走査型熱量計 DSC200(DSC)を用い，試料容器
には，同社製のステンレス製密閉型試料容器 (容量 15μ L)を用いた。
３―５
実験結果
DSC 測定結果を図 3-1 に示した。 AN 単独では 35， 80， 125℃ に固相間相転移によるもの
と考えられる吸熱ピークが観察された一方，PSAN およびポリマー含有 PSAN では，100℃ 以
下に吸熱ピークは観察されず，首尾よく相安定化できていることが確認された。
相安定化のメカニズムを検討するため，KN 量の異なる PSAN(AN/KN 共晶 )を調製し，同試
料の熱的挙動を観察した。同共晶は， AN および KN 水溶液を恒温槽内で蒸発乾固させるこ
とで得たものである。KN 量の異なる AN/KN 共晶の DSC 測定結果を図 3-2 に示した。この図
より， AN 単独で観察される 30℃ の吸熱ピークは， KN の添加により消滅した。 80℃ の吸熱
ピークは KN の添加量が増加するごとに高温側にシフトする傾向があった。また， 125℃ の
吸熱ピークは，KN を 10wt%添加しても変化がなく，AN と同様の相転移が起きていることが
示唆された。一方，スプレードライにより調製したポリマー含有 PSAN の熱挙動 (図 3-1)を
見ると，概ね AN/KN 共晶 (重量比 9:1，図 3-2)と同様の熱挙動を示していることから，ポリ
マー含有 PSAN においても AN/KN が共晶を形成することにより相安定化している可能性があ
る。
一方， PSAN/CMCA(10:0.3)では， KN の添加により高温側へシフトする 80℃ の吸熱ピーク
および KN を添加しても抑制できない 125℃ の吸熱ピークが観察されなかった (図 3-1)。こ
のことから，CMCA 自体が AN に対する相安定化効果を有するものと推定した。確認のため，
KN 未添加のスプレードライ試料 (AN/CMCA(9:0.3))を新たに調製し，相安定化効果の確認を
行った。その結果，図 3-3 に示すように， 30℃ および 80℃ の吸熱ピークが観察されない
など AN 単独とは異なる挙動が観察された。したがって，CMCA は AN の相転移を抑制する効
果を有する可能性がある。
CMCA の相安定化効果についてより詳しく検討するため，AN/CMCA(9:0.3)水溶液を恒温槽
にて乾燥させ，蒸発乾固物の熱的挙動を観察した。測定結果を図 3-4 に示した。蒸発乾固
物の測定の結果では， AN 単独の場合と同様に， 30， 80， 125℃ 付近に吸熱ピークが観察さ
れたことから， AN に対する CMCA の相安定化効果は，スプレードライのような方法を用い
て均一に混合した場合のみ発揮されるものと考えられる。
17
図 3-1
AN， PSAN，およびポリマー含有 PSAN の DSC 測定結果
図 3-2
KN 添加量の異なる AN/KN 共晶の DSC 測定結果
18
図 3-3
AN， AN/CMCA，および PSAN/CMCA の DSC 測定結果
図 3-4
調製方法の異なる AN/CMCA の DSC 測定結果
19
３―６
研究成果
(1) ポリマー含有 PSAN では，含まれる KN 等の効果により，室温 −100℃ の範囲内の AN の
相転移が抑制され，目標とする相安定性を有することが確認された。
(2) ポリマー成分として CMCA を用いた場合，KN 添加では抑制できない 80，125°C 付近の
相転移が観察されなかったこと等から， CMCA 自体に AN の相転移を抑制する効果があ
る可能性が示唆された。
以上の結果は，目標の相安定性 (室温 −100℃ の範囲内で相転移しないこと )を満足する結
果である。
参考文献・引用文献
[1] R. V. Coates, G. D. Woodard, X-Ray Powder Diffraction Data for Solid Solutions
and Double Salts Occurring in Granular Compound Fertilisers, Journal of the
science of food and Agriculture, 14(16), 398 (1963).
[2] I. B. Mishra, Potassium Fluoride Stabilized Ammonium Nitrate, United Sates Patent
4,552,736, Olin Corporation, Stamford, CT, USA (1983).
[3] A.
O.
Remya
Sudhakar,
Suresh
Mathew ， Thermal
behavior
of
CuO
doped
phase-stabilized ammonium nitrate, Thermochimica Acta, 451(1 -2), 5 (2005).
20
４
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発
（燃焼性）
福岡大学安全システム医工学研究所
旭化成ケミカルズ株式会社大分工場
助教
加藤勝美
教授
中野勝之
助教
東英子
学生
永山清一郎
研究員
熊谷恒佑
研究員
塚原祐介
(独)産業技術総合研究所安全科学研究部門統括研究主幹
研究グループ長
４―１
緒方雄二
和田有司
はじめに
前節までの検討で，ポリマー含有 PSAN の防湿化と相安定化が確認された。ここでは，硝
酸グアニジン (GN)，塩基性硝酸銅 (BCN)とポリマー含有 PSAN を混合してガス発生剤の模擬
試料を調製し燃焼性を評価した。
４―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 1 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (4)の研究について報告する。
(1) スプレードライによるポリマー含有 PSAN の調製
(2) ポリマー含有 PSAN の吸湿および潮解性評価
(3) ポリマー含有 PSAN の相安定性評価
(4) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の燃焼性評価
(5) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の熱安定性および振動耐性評価
４―３
目的と目標
本研究では，調製したポリマー含有 PSAN を主成分とするガス発生剤を調製し，燃焼性を
評価することを目的とした。ここでの目標は， Vieille の式 [1]における圧力指数が概ね n
≤0.4 となるガス発生剤組成を明らかにすることである。
４―４
実験方法及び実験条件
４―４ー１
試料
1 章記載のポリマー含有 PSAN (PSAN:Polymer=10:0.3，ポリマー成分：PVA，CMCA)および
PSAN のそれぞれに塩基性硝酸銅 (BCN)および硝酸グアニジン (GN)を混合，15MPa で圧縮成形
21
し，ガス発生剤ペレットを調製した。各成分の重量組成は，既往の研究 [2],[3]を参考にし
て，表 4-1 に示す組成とした。ペレット成型後，ガス発生剤にレスト剤としてエポキシ系
接着剤を塗布し燃焼試験に供した。
表 4-1
Sample
PSAN-70
PSAN-80
PVA400-50
PVA400-60
PVA400-70
PVA400-80
PVA400-90
PVA2000-70
CMCA-50
CMCA-60
CMCA-70
CMCA-80
CMCA-90
４―４ー２
GN
30
20
50
40
30
20
10
30
50
40
30
20
10
ガス発生剤の重量組成
PSAN
70
80
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
PSAN/Polymer
−
−
50
60
70
80
90
70
50
60
70
80
90
BCN
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
燃焼試験装置
実験装置にはチムニ型燃焼器 (図 4-1)を用いた。この装置は，装置下部から窒素ガスを
流すことで装置内部を加圧し，加圧下における燃焼挙動を観察することができる。実験試
料は装置下部のサンプルスタンドにセットし，試料上部からニクロム線で着火した。燃焼
面が進行する様子を高速度カメラ (30−500fps)で撮影することにより，試料の燃焼速度を算
出した。加圧圧力は (1−9MPa(窒素 ))とした。
図 4−1
チムニ型燃焼器概略図
22
４―５
実験結果
４―５―１
ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の燃焼速度
ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤 (PSAN-80 および PSAN-70)の燃焼速度を観察
した。PSAN-80 では 1MPa 付近で燃焼が中断し，燃焼速度を計測することができなかったが，
PSAN-70 は 1MPa 程度でも燃焼は中断せず， 1−9MPa で燃焼が継続することが確認された。
一方，ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤では PSAN の場合よりも燃焼速度が増
加する傾向があり (図 4−2)，燃焼の中断等は確認されなかった。表 1-2 より，ポリマー含
有 PSAN は PSAN よりも粒径が細かいことから，ポリマー含有 PSAN と GN および BCN との接
触面積が増加し燃焼速度が増加したことが要因の一つと考えられる。また，融解したポリ
マーやポリマー分解生成物と PSAN との反応が起こり，燃焼速度が増加した可能性も考えら
れる。
４—５—２燃焼速度に及ぼす組成比の影響
組成比が異なるガス発生剤を調製し燃焼速度を観察したところ，ガス発生剤中のポリマ
ー含有 PSAN の量によって燃焼速度が変化した (図 4-3)。CMCA 系のガス発生剤では CMCA-70
が最も高い燃焼速度となり，ポリマー含有 PSAN の含有量が増加，または減少するに従い燃
焼速度が低下した。一方， PVA400 系のガス発生剤は PSAN 量と燃焼速度の明確な関係性は
見られなかった。
図 4−2
PSAN 系およびポリマー含有 PSAN 系ガス発生剤の燃焼速度
23
図 4-3
ポリマー含有 PSAN の添加量と燃焼速度の関係 (左： CMCA 系，右： PVA 系 )
４—５—３圧力指数低下方法の検討
一般に燃焼速度と雰囲気圧力との関係は， Vieille の式 (式 1)[1]で表されることが知ら
れている。
r  aPn
(式 1)
r：燃焼速度， P：雰囲気圧力， n：圧力指数
この式から， log r vs. log P のグラフの傾きは圧力指数 (n)に対応し，圧力指数は低い
ほど (概ね n≤0.4)，燃焼速度の制御が容易となり工業的に有用な燃焼組成と言える。前節
までの結果から圧力指数を算出したところ，ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤は，
n=0.8-1 程度となり，目標値 n≤0.4 よりも圧力指数が高いことが分かった。
既往の研究 [2]では，AN/KN/GN/BCN 系の燃焼速度が検討されている。この研究によると，
ガス発生剤中の KN の割合が低い場合に圧力指数が低下する結果が得られている。そこで，
KN を含まないスプレードライ試料 (AN:CMCA=10:0.3)を主剤とするガス発生剤 (表 4-2)を調
製し，燃焼性を観察した。実験の結果，KN を含まないガス発生剤の圧力指数は，最も小さ
い CMCA-70(KN 非添加 )の場合で，n=0.65 程度が得られており，KN を添加した場合よりも圧
力指数を低下させることができた (図 4-4)。 KN を添加しない場合，相安定性の観点から問
題となるが，CMCA は，それ自体に相安定化効果があることから，本節にて検討した組成に
より，相安定性および燃焼性の双方を改善できる可能性がある。
次に，オキサミドを添加することにより，さらに圧力指数を低下させることを試みた。
オキサミドは化学式 H 2 NCOCO 2 H の化合物であり，発射薬の分野等で圧力指数を低下させる
ために添加される物質である。この物質を表 4-2 の組成に約 3%添加し燃焼速度を観察した。
実験の結果，オキサミドを添加することによる圧力指数の低下は観察されず，また，燃焼
速度もほとんど変化しなかった (図 4–5)。このことから，オキサミドが本研究で調製した
ガス発生剤の圧力指数および燃焼速度に与える影響は小さいと考えられる。
24
表 4-2
Sample
ガス発生剤 (KN 非添加 )の重量組成比
GN
AN/CMCA*
BCN
CMCA-70 KN Free
CMCA-80 KN Free
CMCA-90 KN Free
図 4−4
図 4−5
30
70
20
80
10
90
*AN:CMCA=9:0.3(重量比)
20
20
20
KN の有無による圧力指数の比較
オキサミドの有無による圧力指数の比較
25
４―６
研究成果
(1) 硝酸グアニジン (GN)および塩基性硝酸銅 (BCN)とポリマー含有 PSAN を混合したガス発
生剤 (ポリマー含有 PSAN 系ガス発生剤 )を調製し燃焼速度の観察を行ったところ，ポリ
マー含有 PSAN 系ガス発生剤は PSAN 系と比較して燃焼速度が向上した。
(2) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の圧力指数 (n)を算出したところ，n=0.8−1
程度となり，目標値 n≤0.4 よりも圧力指数が高いことが分かった。圧力指数は KN 量に
関係すると考え， KN 非添加系ガス発生剤の燃焼性を観察した。その結果， n=0.65 程度
にまで圧力指数を減少させることができた。
(3) 圧力指数をさらに低下させるため，オキサミドを添加したガス発生剤を調製し燃焼性
を観察したが，オキサミド添加による圧力指数の低下は観察されなかった。
４―７
今後の課題と取組み
本研究では，調製したポリマー含有 PSAN を主成分とするガス発生剤を調製し，燃焼性を
観察したところ，Vieille の式 [1]における圧力指数が，最も低い試料でも 0.6 程度であり，
目標としていた 0.4 以下を達成できなかった。この問題を解決するため，ガス発生剤組成
を変える等して目標とする燃焼性が得られるよう，今後も研究を継続する。
参考文献・引用文献
[1]
久保田浪之介ら , プロペラント・ハンドブック , 一般社団法人火薬学会 , p.129
(2009)．
[2] Yusuke Wada， M.Arai, A study on ammonium nitrate -metal nitrate double salts as
oxidizers for gas generation agent，Science and Technology of Energetic Materials ，
71(2)， 39 (2010).
[3] Yusuke Wada, K.Hori, M.Arai, Combustion mechanism of mixtures of guanidine
nitrate， ammonium nitrate， and basic copper nitrate， Science and Technology
of Energetic Materials, 71(4), 83 (2010).
26
５
サブテーマ 1
新規ガス発生剤の開発
（熱安定性および振動耐性）
福岡大学安全システム医工学研究所
旭化成ケミカルズ株式会社大分工場
５―１
助教
加藤勝美
教授
中野勝之
助教
東英子
学生
永山清一郎
研究員
熊谷恒佑
研究員
塚原祐介
はじめに
ガス発生剤には，自動車の長期間の使用を想定し，貯蔵中に化学変化が起こらない等の
高い熱安定性が求められる。例えば，米国自動車技術会規格 (SAE/USCAR-24)[1]では，ガス
発生剤の熱安定性として，貯蔵 (107±3℃ ， 400 時間 )前後の試料重量および燃焼速度の変
化が 5％以下と規定されている。これは常温でガス発生剤を貯蔵した場合に約 15 年使用出
来るという指標である。また，貯蔵中に化学変化は起こらなくとも車両運行時の振動によ
りガス発生剤が粉状化する可能性も否定できないため，振動耐性の確認も必要であろう。
そこで，本研究では調製したガス発生剤 (前章記載 )の熱安定性および振動耐性を調査した。
５―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 1 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (5)の研究について報告する。
(1) スプレードライによるポリマー含有 PSAN の調製
(2) ポリマー含有 PSAN の吸湿および潮解性評価
(3) ポリマー含有 PSAN の相安定性評価
(4) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の燃焼性評価
(5) ポリマー含有 PSAN を主剤とするガス発生剤の熱安定性および振動耐性評価
５―３
目的と目標
米国自動車技術会の規格 (SAE/USCAR-24)[1]では，ガス発生剤の基本性能として， 107±
3℃ ，400 時間貯蔵前後の試料重量および燃焼速度の変化が 5wt%以下となる熱安定性を求め
ている。本研究では，当該規格に準拠した試験を実施し，この熱安定性を満足する AN 系ガ
ス発生剤組成を明らかにすることを目標とする。また， JIS D1601(自動車部品振動試験方
法 ) [2]に従った振動試験を実施し，試験前後の試料について，ペレット強度を観察する。
目標は，粉状化せず，かつ強度が変化しないこととした。
27
５―４
実験方法及び実験条件
５―４ー１
熱安定性試験
５ー４ー１ー１
試料
前章記載の CMCA-70 および PSAN-70 と同じ重量組成の試料をハンドプレスにてペレット
状に圧縮成型し，実験試料とした。
５ー４ー１ー２
重量変化
調製したガス発生剤のペレット (200mg，圧縮圧力 10MPa)をサンプル管 (容量 2.2ml：胴径
12.0mm，全長 35mm，口内径 10.3mm)に装填し，約 107℃ に調温した恒温槽内に貯蔵した。
一定時間ごとにサンプル瓶を取り出し，貯蔵開始から 400 時間の重量変化を観察した。
５ー４ー１ー３
燃焼速度の変化
調製したガス発生剤のペレット (3g，圧縮圧力 15MPa)を約 107℃ に調温した恒温槽内に
400 時間貯蔵した。貯蔵前後の燃焼速度を旭化成ケミカルズ (株 )所有の燃焼試験装置を用
いて観察した。試料上部にニクロム線を設置し通電することで着火した。燃焼速度はワイ
ヤーブレイク法により測定した。
５―４ー２
振動耐性試験
５ー４ー２ー１
試料
前章記載の CMCA-70，PVA400-70 および PSAN-70 と同じ重量組成の試料をハンドプレスに
て圧縮成型し，ペレット (200mg，圧縮圧力 10MPa)を作製した。ペレットを 3 つあるいは 1
つずつサンプル管 (容量 2.2ml：胴径 12.0mm，全長 35mm，口内径 10.3mm)に装填した。
５ー４ー２ー２
振動耐性試験
ガス発生剤を装填したサンプル管を図 5-1 のように振盪器の台座（アルミ板）の上に瞬
間接着剤で固定した。その後， JIS D 1601(自動車部品の振動試験方法 )[2]に基づき，振動
試験器 (IMV 社製， i230/SA2M/H6)により，上下 4 時間，左右 2 時間，前後 2 時間の計 8 時
間，振動負荷 (正弦波，振動数 67Hz，振動加速度 45m/s 2 )を与えた。 2 時間おきにそれぞれ
実験試料を 1 本取り出し，実験試料の粉状化の有無を目視観察した。また，硬度計 (富士薬
品機械社製，FY-KD2-500)を用いて，ガス発生剤に荷重をかけ，ペレットが破断する荷重 (ペ
レット強度 )を観察した。
図 5-1 ガス発生剤の設置状況 (振盪器台座部分 )
28
５―５
実験結果
５ー５ー１
熱安定性試験
５ー５ー１ー１
重量変化
CMCA-70 および PSAN-70 を 107℃ で 400 時間貯蔵し，貯蔵中の重量変化を観察した。実験
の結果，図 5-2 に示すように，双方の試料共に重量変化は約 2−3%となり，規格 (5%以内 )を
満足する結果が得られた。
図 5-2
５ー５ー１ー２
熱安定性試験結果 (重量変化 )
燃焼性
CMCA-70 および PSAN-70 を 107±3℃ で 400 時間貯蔵し，貯蔵前後の燃焼性を観察した。
実験の結果， PSAN-70 および CMCA-70 共に貯蔵後には燃焼速度が増加する傾向が得られた
(図 5-3)。燃焼速度は，ポリマーの有無によらず変化していることから，貯蔵により組成
中の AN と GN や BCN とが反応し燃焼速度が変化した可能性がある。また，図 5-3 に示した
結果 (燃焼速度 )は， 4 章の結果と異なっているが，これは，実験装置および燃焼速度の測
定方法等の違いによるものである可能性があり，今後，実験装置および実験条件を統一し
て検討する必要がある。
図 5-3
熱安定性試験前後におけるガス発生剤の燃焼速度 (左： PSAN-70，右： CMCA-70)
29
５ー５ー２
振動耐性試験
５ー５ー２ー１
ガス発生剤のペレット強度
振動耐性試験に先立って，ガス発生剤ペレットを作製し，その強度を，含まれるポリマ
ーの種類，および添加量の違いにより比較した。結果を図 5-4 に示した。この図から，PSAN
系よりもポリマー含有 PSAN 系ガス発生剤のほうが高い強度を示すことが分かる。また，ポ
リマーを多く含む方がより強度が向上する傾向が見られ，ポリマーが糊のような働きをし
て，ガス発生剤ペレットの強度が上昇したものと考えられる。
図 5-4 ガス発生剤中のポリマー量の違いによるペレット強度の比較
左 : PSAN/Polymer(10:0.3)を使用したガス発生剤
右： PSAN/Polymer(10:1)を使用したガス発生剤
５ー５ー２ー２
振動によるペレット強度の変化
ガス発生剤に JIS D 1601[2]に基づく振動負荷を加えた際の強度の推移を観察した。実
験の結果，実験開始 8 時間後も実験試料に粉状化は観察されず，また実験試料の強度の低
下もほとんど観察されなかった (図 5-5)。このため，振動加速度を 2 倍の 90m/s 2 に調整し，
ガス発生剤のペレット強度の変化を観察した。実験の結果，図 5-6 に示すように，実験し
た全ての試料において，実験開始 2 時間目まで強度が低下し，その後，強度がほぼ一定と
なった。また， CMCA-70 は常に PSAN-70 より高い強度を維持していた。このため， CMCA は
特にペレット強度を向上させる効果を有するものと考えられる。
30
図 5-5 振動試験時におけるガス発生剤ペレット強度の推移
左 : PSAN および PSAN/Polymer(10:0.3)を使用したガス発生剤
右： PSAN および PSAN/Polymer(10:1)を使用したガス発生剤
図 5-6 高加速度の振動試験時におけるガス発生剤ペレット強度の推移
５―６
研究成果
(1) 熱安定性評価を目的として，ポリマー含有 PSAN 系ガス発生剤 (ポリマー成分：CMCA)
を 107±3℃ で 400 時間貯蔵し，重量変化を観察したところ，貯蔵前後の重量変化は
5%以内であり， SAE 規格を満足する結果が得られた。
(2) 貯蔵前後の燃焼速度を観察した結果，貯蔵後に燃焼速度が上昇した。ポリマー含有
PSAN を含まない PSAN 系ガス発生剤でも燃焼速度が変化したことから，貯蔵中に
AN/GN/BCN が反応したことが予想される。
(3) 圧縮成型後のポリマー含有 PSAN 系ガス発生剤のペレット強度は，PSAN 系よりも高
かった。また，振動負荷 (JIS D1601)をかけても強度に変化は観察されず， PSAN 系
よりも高い強度を維持した。
31
５―７
今後の課題と取組み
本研究では，ポリマー含有 PSAN を主成分とするガス発生剤の熱安定性および振動耐性を
調査した。熱安定性の結果では，貯蔵前後の重量変化は SAE 規格を満足する 5wt%以下であ
り目標を達成する結果が得られた。しかしながら，燃焼速度は，貯蔵後に上昇する傾向が
見られ，組成物 (GN や BNC)を変更し，今後再試験する必要がある。
参考文献・引用文献
[1] SAE Standard, USCAR inflator technical requirements and validation, SAE USCAR
24 (2004).
[2] 日本工業規格，自動車部品振動試験方法， JIS D1601 (1995).
32
６
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発
（タンデムエアバッグおよび加害性評価試験装置の設計と試作）
福岡大学安全システム医工学研究所
有限会社沖本縫製奥谷工場
６―１
助教
加藤勝美
講師
内田俊毅
助教
東英子
ＰＤ
土屋潤
客員教授
三好仁
専務取締役
沖本雄紀
研究員
立花博隆
はじめに
エアバッグの普及により，従来であれば救命できなかった自動車衝突事故から多くの人
命が救われるようになった。一方で，近年，エアバッグの展開が引き起こす搭乗者への加
害性の問題がクローズアップされるようになった。例えば，エアバッグと搭乗者との衝突
による頸椎損傷，胸部への外力による心臓挫傷や心臓破裂，エアバッグが顔面に衝突した
際に発生したと考えられる眼球破裂や角膜損傷，鼻骨骨折，顔面打撲等がある [1]-[5]。こ
のように，エアバッグの加害性が報告される中，米国では 2006 年に先進エアバッグの搭載
を義務づけることを決定し，各国の自動車メーカは米国の安全規制への対応を視野に入れ
た開発を進めている。
これに対して筆者 (内田 )は，バッグ形状を変更することにより加害を軽減できれば，低
コストかつ，広く一般車への普及も可能であるとの着想の下，2 つのバッグを連結させ，
衝撃吸収効果を向上させたエアバッグ (タンデムエアバッグ )を考案した [6][7]。本研究で
は，当該エアバッグの最適形状を明らかにする研究の初手として，形状 (容量，脱気孔径，
通気孔径，体積調整ベルト長等 )の異なるタンデムエアバッグおよびその加害性 (衝撃吸収
効果 )を検証する試験装置を試作した。
６―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 2 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (1)の研究について報告する。
(1) タンデムエアバッグおよび加害性評価試験装置の設計と試作
(2) 加害性評価試験装置による評価
(3) 静的展開試験およびリニアインパクタ試験
(4) 豚眼の損傷に関する検討
33
６―３
目的と目標
形状の異なるタンデムエアバッグおよびその加害性を検証する試験装置を試作すること
を目的とした。以下に試作品の概要について記述する。
６―４
実験結果
６ー４ー１
タンデムエアバッグ
タンデムエアバッグは (図 6-1b)，従来のシングルエアバッグ (図 6-1a)と異なり，バッグ
が 2 段となっている。 1 段目 (ハンドル側 )のバッグと 2 段目 (搭乗者側 )のバッグとは通気
孔で繋がっており，ガス発生剤から発生したガスは 1 段目のバッグから 2 段目に流入し，
バッグが展開する。タンデムエアバッグのそれぞれのバッグ容量は従来型のエアバッグよ
りも小さいため脱気がスムーズであり，柔らかい 2 段目のバッグで頭部をソフトに受け止
め，その後，脱気孔がない 1 段目のバッグで頭部を完全に静止させることができる設計と
なっている。
図 6-1b は，最初に試作したタンデムエアバッグ (T0)である。図 6-1a は，比較用に試作
したシングルエアバッグ (S0)であり，それぞれの仕様は，表 6-1 に示す通りである。
その後，各種評価試験や自動車メーカ等への聞き取り調査等により試行錯誤を行い，最
終的に 14 種類の改良モデル (図 6-2，表 6-2)，および，より実際のシングルエアバッグ (S1)
を試作した。初期モデル T0 と改良型タンデムエアバッグの違いは，エアバッグ展開時間を
短縮するためにバッグ全体の容量を約 67L から約 52L に縮小している点である。また，さ
らに展開時間の短縮を目的として，通気孔および脱気孔面積の変更および容量調節用ベル
トの設置等を行っている。なお，各エアバッグ作製には実際のエアバッグに仕様される
470d，ナイロン 66，シリコンコート 35g の基布を用いた。
図 6-1
シングルエアバッグと開発初期型タンデムエアバッグ
34
図 6-2
表 6-1
試験体*
エアバッグ直径
[mm]
S0
T0
改良型タンデムエアバッグ
開発初期型エアバッグ試作品水準
通気孔
脱気孔**
ベルト長
[mm]
直径
[mm]
数
[−]
面積
[mm2]
直径
[mm]
面積
[mm2]
680 ㎜（シングル）
―
―
―
30
1413
―
610(上)
20
4
1256
40
2512
―
580(下)
*「 S0」は従来型のシングルエアバッグを想定して作製した試験体
「 T0」は初期型のタンデムエアバッグ
**脱気孔数は全て 2 つ
35
表 6-2
試験体*
エアバッグ直径
[mm]
S1
改良型エアバッグ試作品水準
通気孔
脱気孔**
ベルト長
[mm]
直径
[mm]
数
[−]
面積
[mm2]
直径
[mm]
面積
[mm2]
680 ㎜（シングル）
―
―
―
40
2512
―
Ta
590(上)
540(下)
20
4
1256
40
2512
220
Tb
590(上)
540(下)
22
4
1519.8
40
2512
220
Tc
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
220
Td
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
220
Te
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
20
628
220
Tf
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
30
1413
220
Tg
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
3925
220
Th
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
160
Ti
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
2512
160
Tj
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
60
Tk
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
2512
60
Tl
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
100
Tm
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
100
Tn
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
20
*「 S1」は従来型シングルエアバッグ，「 T」シリーズは改良型タンデムエアバッグ
**脱気孔数は全て 2 つ
６―４ー２
加害性評価試験装置
図 6-3 に，本研究にて設計，試作した加害性評価試験装置の概要を示す。本装置は，頭
部ダミー人形を，圧縮ガスにより展開したエアバッグ上に落下させ，頭部ダミー人形にか
かる衝撃加速度を計測するシステムである。以下，本装置の仕様を機構毎に概説する。
６―４ー２ー１
落下機構
本装置は，頭部ダミー人形とエアバッグとを自由落下により衝突させるため，頭部ダミ
ーには，ジュラルミン製の支持棒を設置し，ガイドワイヤに沿ってバッグに落下するよう
に設計した。また，頭部ダミー人形と吊り上げ用のワイヤは，電磁石で連結されており，
所定の高さまで引き上げられた頭部ダミー人形は，電磁石を切ると同時にエアバッグに向
かって落下する。エアバッグへ落下後は，頭部ダミー人形の破損を防止するため，ストッ
パーによりエアバッグ台座の直上で強制的に停止する。ガイドワイヤと支持棒の摩擦によ
り，自由落下しない可能性も懸念されたが，カメラ画像から落下速度を算出したところ，
理論値に一致する速度が得られることが確認された。
６―４ー２ー２
エアバッグ展開機構
エアバッグの展開には，圧縮窒素ガスボンベ (2 本 )を使用する。ガス噴出の入 /切は，電
36
磁弁で制御され，頭部ダミー人形引き上げ用の電磁石と連動している。即ち，電磁石の通
電停止 (頭部ダミー人形の落下開始 )から，設定時間経過後に自動的にガス流入を止めるこ
とができる。これにより頭部がバッグに衝突すると同時にバッグが収縮するよう制御でき
る等，実際の衝突を模擬できるシステムとなっている。
６―４ー２ー３
頭部ダミー人形
試作した頭部ダミー人形の外観を図 6-4 に示す。同ダミー人形は，Jasti 社製 Hybrid-III
50th をカスタマイズしたものである。頭部および図 6-3 に示した支持棒部分の合計重量が
4.5kg になるよう設計されており，成人男性の頭部とほぼ同じ重量である。また，眼部分
に人工眼窩を設け，眼球 (豚眼 )を取り付けることができる。頭部内部は空洞になっており，
重心位置に加速度センサを取り付けることができる。このため，頭部ダミー人形とエアバ
ッグとの衝突時の衝撃加速度および豚眼の損傷を観察することができる。
図 6-3
試作した加害性試験装置の概要と写真
図 6-4
試作した頭部ダミー人形
37
６―６
研究成果
(1) タンデムエアバッグを試作し，その後，各種評価試験や自動車メーカ等への聞き取り
調査等により試行錯誤を行い，最終的に容量，脱気孔径，通気孔径，体積調整ベルト長
が異なる 14 種類の改良モデルを試作した。
(2) 頭部ダミー人形を，圧縮ガスにより展開したエアバッグ上に落下させ，頭部ダミー人
形にかかる衝撃加速度を計測する装置 (加害性評価装置 )を設計，試作した。
参考文献・引用文献
[1] 一杉正仁 , 木戸雅人 , 横山朊子 , 本澤養樹 , 黒須明 , 長井敏明 , 影山幾男 , 徳留省
悟, エアバッグ展開車両乗員にみられる交通事故死の特徴, 日本職業・災害医学会会
誌 , 53(6), 305 (2005).
[2] 笹元威宏 , 稲富誠 , 小出良平 , エアーバッグ外傷により Purtscher 網膜症をきたした
1 例 , 日本職業・災害医学会会誌 , 52(4), 250 (2004).
[3] 米川力 , 中永士師明 , エアバッグによる顔面外傷の 3 例 , 日本職業・災害医学会会誌 ,
49(6), 600 (2001).
[4] 松田憲明 , 高村佳弘 , 久保江里 , 眼部エアバッグ外傷の１例 , 眼科臨床医報 ,
101(10), 1010 (2007).
[5] 清水麻衣子 , 菅澤淳 , 江富朊彦 , 臨床報告エアバッグ展開による片眼外傷性内側縦
束症候群の 1 例 ,臨床眼科 , 61(13), 2153 (2007).
[6] 内田俊毅 ,エアバッグ装置 ,特許 4129758,福岡大学 (2008).
[7] Toshiki Uchida, Airbag system, United States Patent 6,554,313 B2, Fukuoka
University, Fukuoka, Japan (2003).
38
７
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発
（加害性評価試験装置による評価）
福岡大学安全システム医工学研究所
有限会社沖本縫製奥谷工場
助教
加藤勝美
講師
内田俊毅
助教
東英子
ＰＤ
土屋潤
専務取締役
沖本雄紀
研究員
立花博隆
(独)産業技術総合研究所安全科学研究部門統括研究主幹
研究グループ長
７―１
緒方雄二
和田有司
はじめに
近年，エアバッグの展開が引き起こす搭乗者への加害性 (エアバッグと搭乗者との衝突に
よる頸椎損傷，胸部への外力による心臓挫傷や心臓破裂，エアバッグが顔面に衝突した際
に発生したと考えられる眼球破裂や角膜損傷，鼻骨骨折，顔面打撲等 [1]-[5])の問題がク
ローズアップされるようになった。この問題に対して筆者らは， 2 つのバッグを連結させ，
衝撃吸収効果を向上させたエアバッグ (タンデムエアバッグ )を考案 [6][7]し，前章におい
て容量，脱気孔径，通気孔径，体積調整ベルト長が異なるタンデムエアバッグを試作した。
また，エアバッグの加害性 (衝撃吸収効果 )を検証する試験装置 (加害性評価装置 )も同時に
試作した。
本研究では，当該加害性評価装置を用いて，試作したタンデムエアバッグの容量，脱気
孔径，通気孔径および体積調整ベルト長の違いが衝撃吸収効果に及ぼす影響を調査した。
７―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 2 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (2)の研究について報告する。
(1) タンデムエアバッグおよび加害性評価試験装置の設計と試作
(2) 加害性評価試験装置による評価
(3) 静的展開試験およびリニアインパクタ試験
(4) 豚眼の損傷に関する検討
７―３
目的と目標
本研究では，試作したタンデムエアバッグの容量，脱気孔径，通気孔径および体積調整
ベルト長と衝撃吸収効果の関係を明らかにすることを目的とした。
39
７ー４
実験方法及び実験条件
前章記載のエアバッグ (表 6-1 および表 6-2)を加害性評価試験装置 (図 6-3)に設置し，頭
部ダミー人形と各エアバッグの衝突時の加速度を計測した。加速度センサは， Endevco 社
製 7246B を使用し，サンプリング周波数は 10kHz とした。また，衝突時の様子をビデオカ
メラにて撮影し，従来型のシングルエアバッグとタンデムエアバッグとを比較した。頭部
ダミー人形の落下高は，既往の研究 [9][10]を参考にして 35km/h となるよう約 5m とした。
エアバッグは，窒素ボンベ 2 本から各 2MPa の圧縮ガス流入させることにより展開させた。
頭部ダミー人形の落下開始 (電磁石の通電停止 )から 0.9 秒後に電磁弁が閉止するよう設定
し，頭部ダミー人形とバッグが衝突すると同時にバッグが収縮するようにした。
７ー５
実験結果
７ー５ー１
初期型タンデムエアバッグの評価
タンデムエアバッグ T0 と実際のエアバッグを模して作製した従来型のシングルエアバ
ッグ S0(表 6-1)との比較から研究を開始した。それぞれのエアバッグ上に頭部ダミー人形
を落下させた際の写真を図 7-1 および図 7-2 に示した。この写真から，S0 の場合，バッグ
と頭部ダミー人形が衝突した際の衝撃により支持棒が凸状に変形していることがわかる
(図 7-1，4 コマ目および 5 コマ目の写真 )。その後，支持棒はストッパーに引っ掛りさらに
変形が進んでいる。また，頭部ダミー人形は衝突時の衝撃により上方向に押し返され大き
く振動した (図 7-1， 6 コマ目以降の写真 )。一方，タンデムエアバッグ T0 の場合には，頭
部ダミー人形は， 2 段目のバッグに包みこまれるようにして衝撃が吸収され (図 7-2， 2−5
コマ目 )，その後，頭部ダミー人形は振動することなく静止した (図 7-2， 6 コマ目以降 )。
また，支持棒の変形等も観察されなかった。
当該実験時における加速度測定の結果を図 7-3 に示した。シングルエアバッグの場合，
衝突時の最大加速度は 25G 程度である一方，タンデムエアバッグの場合は， 14G 程度であ
り， 3−4 割程度衝撃が軽減できることが分かった。
40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
図 7-1
頭部ダミー人形とシングルエアバッグ S0 の衝突時の状況 (11.9ms 間隔 )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
図 7-2
頭部ダミー人形とタンデムエアバッグ T0 の衝突時の状況 (11.9ms 間隔 )
41
図 7-3
７ー５ー２
シングルエアバッグ S0 とタンデムエアバッグ T0 の加速度測定結果
バッグ容量の縮小
前節の検討において，タンデムエアバッグにより加害性を軽減できる可能性が示された。
しかしながら，タンデムエアバッグ T0 は，容積が 67L であり，シングルエアバッグ (約 50L)
よりも大きく，通常のインフレータにより展開できない可能性がある。このため，容積を
従来エアバッグとほぼ同じ 52L に縮小し，さらに展開時間の短縮を目的として，通気孔お
よび脱気孔面積の変更および容量調節用ベルトの設置等を行った，改良型のタンデムエア
バッグ (表 6-2)を試作し，加害性評価試験装置により評価した。
測定結果の一例として，タンデムエアバッグ Tc とシングルエアバッグ S1 の測定結果を
図 7-4 に示した。S1 の場合の最大加速度は 25G 程度である一方，Tc の場合は，15G 程度で
あった。この結果は，容量が大きい T0 の結果とほぼ同じ値であり，少なくとも本研究で実
施した範囲において，容積は衝撃加速度にほとんど影響しないものと考えられる。
図 7-4
シングルエアバッグ S1 とタンデムエアバッグ Tc の加速度測定結果
42
７ー５ー３
通気孔面積と加速度との関係
前述のように，改良型のタンデムエアバッグでは，バッグ容積を変更した他に，通気孔
および脱気孔面積の変更および容量調節用ベルトの設置等を行っている。本節では，タン
デムエアバッグの詳細設計を目的として，通気孔径および孔数の異なるタンデムエアバッ
グ (表 7-1)に対して加害性評価試験を実施し，通気孔面積と衝撃加速度との関係について
検討した。
実験の結果，図 7-5 に示すように，通気孔数が 4 つの Ta，Tb および Tc の場合では，通気孔面積が大
きくなるほど，1G 程度最大加速度が大きくなった。しかしながら，通気孔数が 8 つあり，最も通気孔面
積が大きい Td の場合では，Tc と同程度の値であり，また，実験誤差を考えると，この差は有意差とは
言えず，通気孔面積は衝撃加速度にほとんど影響しないものと判断した。
表 7-1 比較に用いた通気孔面積が異なるタンデムエアバッグ(表 6-2 より抜粋)
エアバッグ直径
[mm]
試験体
通気孔
脱気孔*
直径
[mm]
数
[−]
面積
[mm2]
直径
[mm]
面積
[mm2]
ベルト長
[mm]
Ta
590(上)
540(下)
20
4
1256
40
2512
220
Tb
590(上)
540(下)
22
4
1519.8
40
2512
220
Tc
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
220
Td
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
220
*脱気孔数は全て 2 つ
20
ave.±SD
18
最大加速度[G]
16
14
12
Ta
Tb
Tc
Td
10
8
6
4
2
0
1000
2000
3000
通気孔面積[mm2]
図 7-5
通気孔面積と加速度との関係
43
4000
７ー５ー４
脱気孔面積と加速度との関係
脱気孔径の異なるタンデムエアバッグ (表 7-2)に対して加害性評価試験を実施し，通気
孔面積と衝撃加速度との関係について検討した。
実験結果を図 7-6 に示す。この図から，ベルト長が比較的長い場合 (160-220mm)は，脱気孔
面積が大きくなるほど衝突時の最大加速度が小さくなる傾向が示された。脱気孔面積が大
きい場合，ガスの脱出が速やかでバッグが柔らかいため，衝突時の衝撃が緩和されたもの
と考えられる。一方，ベルト長が比較的短い場合 (60mm)は，脱気孔径の影響が見られなか
った。ベルト長が短い場合，2 段目のバッグが薄くなるため，脱気孔の有無によらず衝撃
が吸収され難くなり，脱気孔がない 1 段目のバッグとの衝突が支配的になっている可能性
がある。
表 7-2
試験体
比較に用いた脱気孔面積が異なるタンデムエアバッグ (表 6-2 より抜粋 )
エアバッグ直径
[mm]
通気孔
脱気孔*
直径
[mm]
数
[−]
面積
[mm2]
直径
[mm]
面積
[mm2]
ベルト長
[mm]
Te
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
20
628
220
Tf
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
30
1413
220
Tc
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
220
Tg
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
3925
220
Th
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
160
Ti
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
2512
160
Tj
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
60
Tk
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
2512
60
*脱気孔数は全て 2 つ
図 7-6
脱気孔面積と加速度との関係
44
７ー５ー５
ベルト長と加速度との関係
ベルト長の異なるタンデムエアバッグ (表 7-3)に対して加害性評価試験を実施し，ベル
ト長と衝撃加速度との関係について検討した。
実験結果を図 7-7 に示す。ベルト長が 100mm 以上では，衝撃加速度に大きな差が見られな
かったが，ベルト長が短い 60mm の場合に衝撃加速度が高くなる傾向が見られた。しかしな
がら，ベルト長が短い 60mm の場合は，データのばらつきが大きく，シングルエアバッグと
同程度の加速度を示す場合もあれば，その他のタンデムエアバッグと同程度の低い加速度
を示す場合もあった。これは，ベルト長が短く 2 段目のバッグが薄くなると，頭部ダミー
人形の僅かな衝突の仕方の違いでも加速度に大きく影響することを示す結果であると考え
られる。
表 7-3
試験体
比較に用いたベルト長が異なるタンデムエアバッグ (表 6-2 より抜粋 )
エアバッグ直径
[mm]
通気孔
脱気孔*
直径
[mm]
数
[−]
面積
[mm2]
直径
[mm]
面積
[mm2]
ベルト長
[mm]
Tj
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
60
Tl
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
100
Th
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
160
Tc
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
220
Tk
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
2512
60
Ti
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
2512
160
Tg
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
50
3925
220
*脱気孔数は全て 2 つ
図 7-7
ベルト長と加速度の関係
45
７―６
研究成果
(1) 加害性評価試験装置を用いて試作したタンデムエアバッグを評価した。エアバッグと
頭部ダミー人形の衝突時のビデオ画像から，タンデムエアバッグは，安定して頭部を受
け止め，衝突時の衝撃を低減できることが明らかとなった。また，タンデムエアバッグ
の場合，シングルエアバッグよりも 3−4 割程度衝撃 (最大加速度 )が軽減できることが分
かった。
(2) 衝突時の最大加速度は，脱気孔径が大きく，ベルト長が長い程低下した。ベルト長が
短い場合 (60mm 以下 )，データのばらつきが大きくなり，シングルエアバッグと同程度
の高い加速度を示す場合もあった。一方，加速度は，実験した範囲内で通気孔径および
通気孔数に依存しないことが分かった。
参考文献・引用文献
[1] 一杉正仁 , 木戸雅人 , 横山朊子 , 本澤養樹 , 黒須明 , 長井敏明 , 影山幾男 , 徳留省
悟, エアバッグ展開車両乗員にみられる交通事故死の特徴, 日本職業・災害医学会会
誌 , 53(6), 305 (2005).
[2] 笹元威宏 , 稲富誠 , 小出良平 , エアーバッグ外傷により Purtscher 網膜症をきたした
1 例 , 日本職業・災害医学会会誌 , 52(4), 250 (2004).
[3] 米川力 , 中永士師明 , エアバッグによる顔面外傷の 3 例 , 日本職業・災害医学会会誌 ,
49(6), 600 (2001).
[4] 松田憲明 , 高村佳弘 , 久保江里 , 眼部エアバッグ外傷の１例 , 眼科臨床医報 ,
101(10), 1010 (2007).
[5] 清水麻衣子 , 菅澤淳 , 江富朊彦 , 臨床報告エアバッグ展開による片眼外傷性内側縦
束症候群の 1 例 ,臨床眼科 , 61(13), 2153 (2007).
[6] 内田俊毅 ,エアバッグ装置 ,特許 4129758,福岡大学 (2008).
[7] Toshiki Uchida, Airbag system, United States Patent 6,554,313 B2, Fukuoka
University, Fukuoka, Japan (2003).
46
８
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発
（静的展開試験およびリニアインパクタ試験）
福岡大学安全システム医工学研究所
有限会社沖本縫製奥谷工場
８―１
助教
加藤勝美
講師
内田俊毅
助教
東英子
ＰＤ
土屋潤
専務取締役
沖本雄紀
研究員
立花博隆
はじめに
前章では，試作したタンデムエアバッグの容量，脱気孔径，通気孔径および体積調整ベ
ルト長の違いが衝撃吸収効果に及ぼす影響を調査したところ，衝突時の最大加速度は，脱
気孔径が大きく，ベルト長が長い程低下した。一方，加速度は，実験した範囲内で通気孔
径および通気孔数に依存しなかった。
本研究では，これまでの検討で衝撃吸収効果が高いことが確認されたタンデムエアバッ
グ等に対して，静的展開試験およびリニアインパクタ試験 (実際のインフレータを使用して
バッグを展開させる試験 )を実施し，バッグの展開時間も考慮した形状の評価を実施した。
８―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 2 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (3)の研究について報告する。
(1) タンデムエアバッグおよび加害性評価試験装置の設計と試作
(2) 加害性評価試験装置による評価
(3) 静的展開試験およびリニアインパクタ試験
(4) 豚眼の損傷に関する検討
８―３
目的と目標
本研究では，これまでの検討で衝撃吸収効果が高いことが確認されたタンデムエアバッ
グを実際のインフレータにより展開させ，展開時間とバッグ形状との関係について検討す
ることを目的とした。目標は，従来のシングルエアバッグと同程度の時間で展開するバッ
ク形状を明らかにすることとした。
47
８ー４
実験方法及び実験条件
８ー４ー１
静的展開試験
表 8-1 に静的展開試験に使用したエアバッグの一覧を示した。表中の Tb，Tc，Td は，前
章の検討で使用したタンデムエアバッグであり，何れも衝撃加速度の軽減効果が高いバッ
グである。 Tm および Tn は，通気孔数を 8 つとし，ベルト長をさらに短くしたタンデムエ
アバッグであり，展開速度を高めるために新たに試作したものである。また， S1 は，比較
に用いたシングルエアバッグである。
静的展開試験は，実際のインフレータを用いてエアバッグを展開させる試験である。本
研究では，高速度カメラにより展開状況を確認し，高速度カメラ画像から展開時間を概算
した。インフレータは，株式会社本田技術研究所殿より提供されたインフレータを用い，
日本プラスト株式会社殿への委託試験により実施した。
表 8-1
静的展開試験を実施したエアバッグの仕様 (表 6-2 より抜粋 )
試験体
エアバッグ直径
[mm]
S1
通気孔
脱気孔*
ベルト長
[mm]
直径
[mm]
数
[−]
面積
[mm2]
直径
[mm]
面積
[mm2]
680 ㎜（シングル）
―
―
―
40
2512
―
Tb
590(上)
540(下)
22
4
1519.8
40
2512
220
Tc
590(上)
540(下)
24.5
4
1884.8
40
2512
220
Td
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
220
Tm
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
100
Tn
590(上)
540(下)
24.5
8
3769.6
40
2512
20
*脱気孔数は全て 2 つ
８ー４ー２
リニアインパクタ試験
前章の検討および上記した静的展開試験結果から，衝撃加速度の軽減効果が高く，かつ，
展開時間も良好なタンデムエアバッグに対してリニアインパクタ試験を実施した。
リニアインパクタ試験は，頭部に見立てた負荷子 (加速度センサ設置 )を，インフレータ
により展開したエアバッグに衝突させて，その際の衝撃加速度等を計測する試験である。
本研究では，負荷子の速度は 20km/h とし，バッグの展開終了と同時に負荷子が衝突するよ
う設定し試験を実施した。また，加速度センサのサンプリング周波数は， 10kHz とした。
静的展開試験と同様，インフレータは，株式会社本田技術研究所殿より提供されたインフ
レータを用い，日本プラスト株式会社殿への委託試験により実施した。
８ー５
実験結果
８ー５ー１
静的展開試験
図 8-1-図 8-3 に静的展開試験より得られた各タンデムエアバッグの展開時の高速度カメ
ラ画像を示す。また，高速度カメラ画像から概算した展開時間を表 8-2 にまとめた。
比較に用いたシングルエアバッグ S1 は，約 0.034 秒で展開が終了するが，タンデムエアバ
ッグ Tb は展開時間が 0.073 秒であり，通常エアバッグの 2 倍の時間を要することが明らか
48
となった。 Tb よりも通気孔径が大きい Tc の場合は，展開終了時の時間が約 0.061 秒にま
で短縮した。さらに展開時間を短縮するため，通気孔数を増やし (Td)，内部の調整ベルト
長を短くする (Tm， Tn)等の改良を加えた。その結果， Tm および Tn では，シングルエアバ
ッグとほぼ同程度の約 0.04 秒にまで展開時間が短縮した。但し，Tn のベルト長は 20mm と
短いため，バッグの展開に耐えられずベルトが破断する結果となった。また， 7-5-5 に示
すようにベルト長が短い場合，加害性軽減の観点から不利であるため，本研究にて実施し
たタンデムエアバッグの中では Tm が最適な構造であると判断した。
表 8-2
静的展開試験における各試験体の展開時間
試験体名
展開時間[s]
S1
0.034
Tb
0.073
Tc
0.061
Td
0.055
Tm
0.042
Tn*
0.041
*展開後にベルトが破断
49
時間[s]
試験体名
試験体名
S1
Tb
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
図 8-1
静的展開試験時の高速度カメラ画像 (1)
50
時間[s]
試験体名
試験体名
Tc
Td
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
図 8-2
静的展開試験時の高速度カメラ画像 (2)
51
時間[s]
試験体名
試験体名
Tm
Tn
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
図 8-3
静的展開試験時の高速度カメラ画像 (3)
52
８ー５ー２
リニアインパクタ試験
前章の検討および静的展開試験結果から，衝撃加速度の軽減効果が高いことが予想され，
かつ，展開時間も良好なタンデムエアバッグ Tm に対してリニアインパクタ試験を実施し，
シングルエアバッグ S1 と比較した。
リニアインパクタ試験時の負荷子に係る衝突加速度の時間変化を図 8-4 に，試験実施時
の高速度カメラ画像を図 8-5 および図 8-6 に示した。加速度の測定結果から，シングルエ
アバッグの最大加速度は約 10G であったのに対し，タンデムエアバッグは約 4.5G であり，
5 割程度低減できることが示された。
図 8-4
リニアインパクタ試験時の加速度の時間変化
53
時間[s]
時間[s]
0.00
0.06
0.01
0.07
0.02
0.08
0.03
0.09
0.04
0.10
0.05
図 8-5
リニアインパクタ試験画像 (シングルエアバッグ S1
54
0−0.1s， 10ms 間隔 )
時間[s]
時間[s]
0.00
0.06
0.01
0.07
0.02
0.08
0.03
0.09
0.04
0.10
0.05
図 8-6
リニアインパクタ試験画像（タンデムエアバッグ Tm
55
0−0.1s， 10ms 間隔）
８―６
研究成果
(1) 実際のインフレータを用いてタンデムエアバッグを展開させ，展開までの時間を計測
した。タンデムエアバッグは，シングルエアバッグよりも展開までの時間が遅かった
ため，加害性に影響しない範囲でベルト長を短縮する等の改良を加え，再度試験を実
施した。その結果，目標としていたシングルエアバッグと同程度の展開時間 (約 0.04s)
を達成することができた。
(2) 加害性および展開時間の観点から良好と判断されたタンデムエアバッグに対して，リ
ニアインパクタ試験による最終評価を行った。その結果，タンデムエアバッグの衝撃
加速度は約 4.5G であり，シングルエアバッグの 1/2 程度まで低減できることが明らか
となった。
56
９
サブテーマ 2
新規エアバッグ形状の開発
（豚眼の損傷に関する検討）
福岡大学安全システム医工学研究所
福岡大学医学部，福岡大学病院
日本赤十字社福岡赤十字病院救急科
９―１
助教
加藤勝美
講師
内田俊毅
助教
東英子
助教
入江豊
ＰＤ
土屋潤
教授
内尾英一
診療教授
尾崎弘明
部長
友尻茂樹
はじめに
前章まで検討では，加害性およびバッグ展開時間の観点から最適なタンデムエアバッグ
の構造を明らかにすることを目標として検討を行い，概ねこの目標を達成できたと考えら
れる。一方，どの程度，実際の加害性を軽減できるかについては明らかでないことから，
本章では，人間の眼球と構造・大きさが酷似している豚眼の破損確率と衝撃加速度との関
係について検討した。
９―２
プロジェクト全体における本研究開発部分の位置づけ
本プロジェクトは，新規 AN 系ガス発生剤の開発 (サブテーマ 1)，および，加害性を軽減
するバッグ形状の設計 (サブテーマ 2)からなる。サブテーマ 2 では，以下の方針に沿って
研究を実施する。ここでは， (4)の研究について報告する。
(1) タンデムエアバッグおよび加害性評価試験装置の設計と試作
(2) 加害性評価試験装置による評価
(3) 静的展開試験およびリニアインパクタ試験
(4) 豚眼の損傷に関する検討
９―３
目的と目標
本章では，人間の眼球と構造・大きさが酷似している豚眼の破損確率と衝撃加速度との
関係について検討し，試作したタンデムエアバッグの加害性軽減効果に関する検討を加え
ることを目的とした。
９ー４
実験方法及び実験条件
開発初期の予定では，豚眼を取り付けた頭部ダミー人形を，図 6-3 に示した加害性評価
試験装置を用いてエアバッグ上に落下させ豚眼の損傷を観察することを計画していた。し
57
かしながら，この方法は，実験上の操作性が著しく悪く，実験を実施できなかったため，
図 9-1 のように装置を改造し評価試験を実施した。これは，直径 2mm の鉛の粒 10kg が入っ
たナイロン製の袋 (おもり )を 4.0−6.0m の高さから床面の豚眼を設置した頭部ダミー人形
に落下させる装置である。落下機構，頭部ダミー人形，加速度センサ等の仕様は，図 6-3
の場合と全く同じであるが，バッグと頭部ダミー人形の位置が異なる。
頭部ダミー人形に取付ける豚眼は，福岡大学医学部の協力を得て福岡市内の食肉業者か
ら購入した。豚眼の眼圧は，個体差があるため，ヒアルロン酸を注入して眼圧を 50mHg に
調整した。その後，図 9-2 のように頭部ダミー人形に設置した。試験実施後は，眼科医等
が破損状況の観察を行った。また，ホルマリンに一昼夜浸漬させた後，豚眼を切開して豚
眼内部を観察した。
電磁石
おもり（10kg）
ワイヤ
衝突時の加速度・
眼球の損傷度合い
頭部ダミー
加速度センサ
豚眼
図 9-1
図 9-2
改良型加害性評価試験装置
豚眼を設置した頭部ダミー人形
58
９ー５
実験結果
図 9-3 および図 9-4 に試験後の豚眼を示す。図 9-3 は，損傷が確認されなかった豚眼で
ある。一方，図 9-4 は，損傷が確認された豚眼であり，強膜 (眼球の外側の膜 )が破れ，水
晶体が脱出する水晶体脱臼が観察された。
同様の実験を，おもりの落高を変えて合計 60 個の豚眼に対して実施し，図 9-4 のような豚
眼の損傷が起きる数 (損傷数 )をカウントした。また，損傷数から損傷率 (下式 )を算出した。
損傷率 (%)
＝（損傷数／各加速度範囲での供試豚眼数） × 100
図 9-5 に頭部ダミー人形に係る最大加速度と豚眼の損傷率との関係を示す。図から，加速
度が大きくなると，損傷率も増加する傾向が見られた。また，両者の間には，シグモイド
型の関係があるように見える。
リニアインパクタ試験で得られたタンデムエアバッグの加速度 (4.5G)をこのグラフに適
用すると，損傷確率は 20%以下となり，タンデムエアバッグは眼外傷軽減に有効であると
考えられる。しかしながら，本研究では，直径 2mm の鉛の粒が入った袋を落下させている
ため，衝突時に局所的に豚眼に圧力がかかることが予想され，実際のエアバッグの衝突時
よりも加害性を過大評価している可能性がある。このため，本研究結果とリニアインパク
タ試験結果等とは厳密には比較的できず，今後詳細に検討する必要がある。
図 9-3
図 9-4
実験後の豚眼の様子 (損傷が認められない豚眼 )
実験後の豚眼の様子 (破裂して水晶体脱臼した豚眼 )
59
図 9-5
９ー６
加速度と豚眼の損傷率の関係
研究成果
(1) 4-6m の高さから鉛粒 10kg が入ったおもりを，豚眼を設置した頭部ダミー人形の上に落
下させたところ，豚眼に眼球破裂および水晶体脱臼等の損傷が確認された。
(2) 落下により損傷が起きる確率は，頭部ダミー人形に係る衝撃加速度に依存した。この
実験では，30G 程度の衝撃で，全ての豚眼が損傷する結果が得られたが，実際のエアバ
ッグの衝突時よりも加害性を過大評価している可能性があるため，今後詳細に検討する
必要がある。
９ー７
今後の課題と取組み
本研究では，鉛粒の入った袋を頭部ダミー人形へ落下させているため，豚眼に局所的に
力が加えられる等，実際のエアバッグの衝突時よりも加害性を過大評価している可能性が
ある。このため，計測装置の改良等を行い，今後詳細に検討する必要がある。また，豚眼
の損傷率と人間の眼の損傷率の関係等も明らかにする必要があり，医学的見地からの検討
も不可欠と考えられる。
60
成果実績
（１）口頭発表
・第 2 回中東欧熱測定国際会議 (CEEC-TAC 2 )（ 2013.8.27
ヴィリニュス, リトアニ
ア）
Investigation of the crystal transformation of spray dried particles comprising
ammonium nitrate, potassium nitrate and polymer （発表者
永山清一郎，加藤勝美,
東英子，中野勝之, 熊谷恒佑, 羽生宏人, 和田有司，新井充）
・第 2 回中東欧熱測定国際会議 (CEEC-TAC 2 )（ 2013.8.27
ヴィリニュス, リトアニ
ア）
Thermal decomposition behavior of spray dried particles comprising of ammonium
nitrate, potassium nitrate and polymer （発表者
永山清一郎, 加藤勝美, 東英子,
中野勝之, 羽生宏人）
・火薬学会 2013年度年会（ 2013.5.16
横浜市）
ポリマー含有硝酸アンモニウム微粒子の熱分解挙動（発表者
永山清一郎，加藤勝美，
東英子，中野勝之，熊谷恒佑，羽生宏人，和田有司，新井充）
・火薬学会 2012年度秋季研究発表講演会（ 2012.11.15 鹿児島市）
ポリマーを含有した硝酸アンモニウム /硝酸カリウム微粒子の打撃感度および潮解過
程の観察 (発表者
永山清一郎，加藤勝美，東英子，中野勝之，林政彦，熊谷恒佑，羽
生宏人，和田有司，新井充)
（２）論文発表
・永山清一郎，加藤勝美 , 東英子，中野勝之 , 熊谷恒佑 , 羽生宏人 , 和田有司，新井充：
Investigation of the crystal transformation of spray dried particles comprising
ammonium nitrate, potassium nitrate and polymer , J. Therm. Anal.Cal.(投稿中 )
・永山清一郎 , 加藤勝美 , 東英子 , 中野勝之 , 羽生宏人 : Thermal decomposition
behavior of spray dried particles comprising of ammonium nitrate, potassium
nitrate and polymer, J. Therm. Anal.Cal.,
(投稿中 )
・永山清一郎，加藤勝美，東英子，林政彦，熊谷恒佑，羽生宏人，和田有司，中野勝之，
新井充： Preparation of spray dried particles comprising ammonium ni trate/
potassium nitrate/polymer, Propel . Explos. Pyrotech., (投稿中 )
61
・土屋潤，加藤勝美，内田俊毅，東英子，中野勝之，立花博隆，新井充： Performance
evaluation of the tandem-type airbag system,Proceedings of 11th International
Symposium and Exhibition on Sophisticated Car Occupant Safety Systems (Airbag
2012) pp.29-1-29-7 (2012)
（３）雑誌掲載
なし
（４）特許出願
・ガス発生剤用硝酸アンモニウム粒状物の製造方法およびその製造方法並びにガス発
生剤ペレット，特開 2014-001128,出願人：日本化薬 (株 )，旭化成ケミカルズ (株 )，(独 )
産業技術総合研究所 ,出願日： 2013年 5月 22日
（５）商品化
なし
（６）受賞
・永山清一郎，平成 25 年度火薬学会秋季研究発表会優秀講演賞， ( 一社 ) 火薬学会，
2013.12.12
62

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