Detonator for detonation-controlled shell

本発明は一般に、起爆制御された砲弾の起爆装置、より詳しくは、レーザー及び光スイッチを用いて砲弾を起爆させるための起爆装置に関する。

起爆システムは、軍儒品、カートリッジ又は重砲の主装填（軍事用砲弾の２次装填）（以下、総称して砲弾という）を所望の時間又は位置で爆発させるためのものである。 起爆器は砲弾の偶発的爆発を防止する基本的な安全装置としての役割を果たし、砲弾の取り扱いを安全にする。 起爆システムにおいては様々な技術が用いられている。 ここでは、起爆器とは、砲身から砲弾が発射される直前に、起爆器が砲弾の２次装填の爆発を所望の時間及び／又は位置で開始するようにタイミングや類似のデータが読み込まれるといったように「プログラム可能」なものである。 そのような起爆システムの１つの一般的な手法は、コンデンサを充電し、そして細い導線から所望の時間でそれを放電し、主爆薬を点火するための充分な局部的予熱又は発火を与えるというものである。 基板上の電子又は機械デバイスが放電のタイミングを制御する。 起爆器は一般に、起爆器が規模及び時間の加速に曝されるまで砲身内にただ配置されて爆発を防止する「ｇ−スイッチ」を組み込んでいる。 マイクロマシンスイッチ（ＭＥＮＳ）を基にしたｇ−スイッチの製作にはさらなる労力が費やされている。

従来の起爆システムによってなされた進歩にもかかわらず、砲弾起爆システム全体に対する大幅な小型化並びに性能及び安全性向上への要求は未だに存在する。

本発明によると、砲弾起爆装置は電気、機械及び光デバイスを用いるものとして記載される。 砲弾起爆装置は光スイッチを制御する制御器及び砲弾の弾薬を（直接的又は間接的に）爆発させるレーザーを含む。 その砲弾起爆装置によって大幅な小型化並びに性能及び安全性の向上が図られた。

全体として、本発明が開示するものは、砲弾の弾薬を点火するための起爆装置であって、
調節可能な光パワーレベルを有するレーザー、
起爆装置が発射前段階にあるときにレーザー光信号が弾薬に当たるのを防止する第１の姿勢を有し、及び、装備信号に応答して、レーザー光信号の遮断を解除してそれが弾薬に当たるようにする第２の姿勢を設定する光スイッチデバイス、及び 砲弾が発射された時を特定し、装備信号を光スイッチデバイスに送り、レーザーのパワーレベルを、弾薬を爆発させるレベルまで増加するための制御ユニットからなる起爆装置である。

他の実施形態は、砲弾が発射されたことを検知する加速度計及び／又は回転検出器、及びレーザーの適切な動作を検知する光検出器を含む。 さらに他の実施形態では、弾薬が点火装置の点火（燃焼）又は点火装置からの衝撃波いずれかによって起爆される。 ここで、点火装置は起爆器の部分である小（１次）爆薬又は火工品の装填物である。 他の実施形態はレーザー光信号を点火装置に集光するマイクロレンズを含む。

本発明は、付随する図面と照らし合わせて読まれる以下の詳細な説明を考察することによってより完全に理解されるものである。
以下の記載において、異なる図面における同じ符号は同じ要素を表すものである。 さらに、符号において、上一桁はその数字が示す図面において初めて登場するものである（例えば、１０１は図１で初めて登場するものである）。

ほとんどの砲弾、魚雷、大砲は主（２次）弾薬を所望の時間で起爆させる起爆器を内蔵している。 起爆器は偶発的な爆発を防止する安全のための重要な役割を果たし、砲弾の取り扱いを安全にする。 理想の起爆器とは無視できるほどの場所しかとらず、取り扱いが安全であり、かつ、正確な時間に主弾薬に点火するものである。 本発明によると、砲弾起爆装置は、起爆器の向上した安全性及び信頼性のために電気的、機械的及び光学的デバイスを用いるものとして開示される。

図１を参照すると、本発明による砲弾起爆装置１００の説明図が示され、弾薬１４２とともに発射され爆発する砲弾の部分を構成する。 砲弾起爆装置１００は５部材を含むように示され、レーザー及び検出ユニット１１０、光スイッチ又はシャッター１２０、マイクロレンズ１３０、弾薬１４２及び「プログラム可能な」電子制御チップ１５０を含む。 説明すると、レーザー／検出器ユニット１１０はインジウムフォスファイド（ＩｎＰ）チップ１１５に実装されたレーザー１１１及び検出器１１４を含み、制御チップ１５０に接続される。 レーザー／検出器ユニット１１０は組み込み型のセルフテスト回路を含み、レーザー１１１及び光スイッチ１２０の発射前後の姿勢をテストするようにしてもよい。

一実施形態では、光スイッチ１２０がＭＥＮＳシャッター１２１（砲弾を発射するとＭＥＮＳシャッター１２１を移動するように用いられるアクチュエーター等）及び加速度計（ｇ−スイッチ）１２２を用いて構成されるようにしてもよい。 砲弾が発射されたことを検知するためにｇ−スイッチ１２２又は回転検出器を用いることができる。 ＭＥＮＳのｇ−スイッチは米国特許第６１６７８０９号及び６３２１６５４号に記載されている。 ＭＥＮＳのｇ−スイッチ１２２はシャッターを発射姿勢に移動するよう制御チップ１５０に信号を出すことができる。

好適な実施形態において、ＭＥＮＳシャッター１２１は、同時に特許出願されたDS Greywallによる「MICROMECHANICAL LATCHING SWITCH」、シリアル番号No.１０／＿＿＿＿＿＿に記載されるように実施されるようにしてもよく、ここに参照により取り込まれている。 シャッターを移動してレーザー光の弾薬ユニット１４０に対する遮断を解除する（光線を弾薬ユニット１４０に向ける）というよりは、反射部材を傾斜させてレーザー光を弾薬ユニット１４０に向けて再方向調整してＭＥＮＳシャッター１２１によって行われる光スイッチングが行われるようにしてもよい。 用いられるＭＥＮＳ光スイッチを傾斜させる１つの方法は、文献：表題「Monolithic MENS optical switch with amplified out-of-plane angular motion」、著者「Lopez, D.; Simon, T,; Ferry,E.; Aksyuk,V.; Klemens,F.; Cirelli,R.; Neilson,DT; Shea,H.; Sorsch,T.; Ferry,E.; Nalamasu,O.; Gammel,PL」、発行「Optical MENs, 2002. Conference Digest. 2002 IEEE/LEOS International Conference on, 20-23 Aug. 2002」における「2002年8月23日」の第165-166ページに記載されているようなＭＥＮＳミラーを用いるものである。

本実施形態において、電子制御チップ１５０が加速度計（ｇ−スイッチ）１２２からの信号を受信し、検出器１１４からのレーザー光を弾薬ユニット１４０に対して再方向調整するＭＥＮＳ照準固定用ミラーへの信号を生成する。

その最も簡単な実施形態では、光スイッチ１２０は内蔵された加速度計１２２を有する必要はない。 加速度計１２２は必要とされないか、あるいは光スイッチ１２０及び／又は起爆装置１００から独立したチップ上に配置されるか、いずれも可能である。 加速度計１２２がない場合、電子制御チップ１５０は、起爆器が砲弾を爆発させる時の所望の時間及び／又は位置を決定するために発射制御ユニットから起爆器に読み込まれたタイミング又は類似のデータを用いる。 このデータを用いて、電子制御チップ１５０はタイマー又は他の制御プログラムを起動してレーザー１１１の起動／パワーレベルを制御し、及びシャッター１２１を移動して弾薬ユニット１４０の起爆を開始する。

しかしながら、加速度計１２２は余剰の安全措置を提供し、砲弾が発射される積極的表示を提供するので、起爆装置１００が加速度計１２２を含まない場合は安全性に劣る。 砲弾の発射を検知して電子制御チップ１５０に信号を送りレーザー１１１のパワーレベルを増加して弾薬ユニット１４０を点火するために加速度計１２２の機械的動作が用いられるので、余剰性が与えられる。 追加的な安全対策として、回転センサ１２３を起爆装置１００に内蔵して砲弾が発射された時に起こる回転を検出し電子制御チップ１５０に信号を送るようにすることもできる。 この回転センサ１２３は、砲弾がいかなる重力、例えば落下等の砲弾の発射によらないもの、によっても起爆しないという追加的な安全策を提供するものである。

弾薬ユニット１４０は弾薬１４２を単独で又は反応性ナノ技術（Reactive Nano Technologies : ＲＮＴ）フォイル１４１を（主装填）として含んでもよい。 ＲＮＴフォイル１４１は集光したレーザーによって簡単に点火される高エネルギー・ナノ金属材料である。 なお、集光したレーザーによって点火される他の種類の発火性又は爆発性のデバイスをＲＮＴフォイル１４１の代替とすることもできる。 砲弾が弾薬１４２を含むがＲＮＴフォイル１４１を含まない場合、レーザー１１１のパワーは弾薬１４２を直接点火するのに充分なものでなくてはならない。 弾薬ユニット１４０がＲＮＴフォイル１４１を含む場合、レーザー１１１はＲＮＴフォイル１４１を点火し、それにより弾薬１４２を点火する。 ＲＮＴフォイル１４１が用いられる場合、それは砲弾起爆装置１００の部分として装備されるが、弾薬１４２は砲弾起爆装置１００の部分としては含まれない。

図１は発射前段階における砲弾起爆装置１００を示すものである。 発射段階及び砲弾が砲身から発射される直前の段階において、制御器１５０はタイミング又は類似のデータを、データ入力用リード線１１７を介して受信する。 このデータは制御器１５０をプログラムして砲弾起爆装置１００の静止試験を行い、砲弾の弾薬１４０の所望の時間及び／又は場所での爆発を制御する。 なお、発射前段階において、制御器１５０はデータ用リード線の１つでの信号によってオンされる内蔵バッテリ１５１によって、又はデータ用リード線の１つを介して充電されるコンデンサ１５２によって電源が入るようにしてもよい。

図１から３を併せて参照して、砲撃用装置に用いる本発明の砲弾起爆装置１００の動作シーケンスが記述される。 光スイッチ１２０が加速度計１２２を含むＭＥＮＳシャッターを用いて備えられるものとして記述される。 ステップ３１０において、（図１の起爆装置１００を内蔵する）砲弾が砲身内に配置され砲撃発射制御ユニット（図示せず）からのデータ用リード線に結合される。 ステップ３０２において、コンデンサ１５２が充電され又は起爆装置１００を動作させるための電力を供給するために内部バッテリがオンされる。 そして、制御器１５０が発射制御プログラム及び／又はデータを、データ用リード線１１７を介して砲撃発射制御ユニットから公知の方法で受信する。

ステップ３０３において、制御器１５０はＭＥＮＳシャッター１２０の姿勢が閉じる（遮蔽する）ための姿勢にあるかどうかをチェックするためにセルフテストを行い、これによりレーザー光が弾薬ユニット１４０に到達しないようにする。 ＭＥＮＳシャッターの姿勢が機械的姿勢センサを用いて判定されるようにしてもよい。 ＭＥＮＳシャッターの姿勢が正しくない場合にはステップ３０６において、砲弾が発射されるのを防ぐためにその手順を中止するとともに中止信号が発射制御ユニットに返送される。 姿勢が正しい場合にはステップ３０４において、制御器１５０が、シャッター１２０から検出器１１４上に反射されるレーザー１１１から低パワーパルス（１ｍＷ以下）を検出することによってレーザー１１１及び検出器１１４の動作をチェックする。 ステップ３０５において、ＭＥＮＳシャッターの姿勢が安全でないと判定された場合、ステップ３０６において、中止信号が発射制御ユニットへ返送され砲弾が発射されるのを防ぐ。 なお、低パワーレーザーパルスはシャッターが開いていたとしても弾薬を点火できない程の低いパワーのものである。

姿勢が安全である場合にはステップ３０７において、セルフテストが許可され砲弾が発射可能であることが発射制御ユニットに通知される。 データ復号を確認し砲弾起爆装置１００を校正するために、この情報は発射前段階でのトークバック段階において発射制御ユニットに返信される。 ステップ３０１から３０７によって発射前段階が完了する。

ステップ３０８において砲弾は発射され、ステップ３０９において急速な砲弾の加速によって加速度計（ｇ−スイッチ）１２２がＭＥＮＳシャッター１２１を半装備姿勢に移動させる。 ステップ３１０において、分離センサ（例えば、タイマーや衝撃センサ等）がいつ起爆を開始するかを決定する。 即ち、起爆器は制御器１５０によって発射からある時間経過後に爆発するようにプログラムされていてもよいし、例えば、壁や戦車に当たった時を検知する追加の衝撃センサや、近接センサ、高度計など、いつ起爆器を起爆するかを決める他の手段を装備してもよい。

ステップ３１１において、ＭＥＮＳシャッターは完全装備段階に入る。 これは、ＭＥＮＳシャッターの姿勢を制御器１５０からのシャッター制御信号に電気的又は温度的に応答して再移動させることによってなされる。 シャッター制御信号は所定のプログラムされた時間が経過した後又は衝撃センサの信号に応答して印加される。 そして、砲弾は起爆準備され、ステップ３１２においてレーザー１１１のパワーが最大値まで上昇する。 完全装備段階のステップ３１３において、ＭＥＮＳシャッター１２１は、ＲＮＴフォイル１４１に衝撃を与えて点火するレーザー１１１の光を開放し又は再方向調整する。 ステップ３１４において、点火されたＲＮＴフォイル１４１は１０００℃以上に急速に加熱し、主爆薬（又は火工品）の装填物１４２（図２における２０１）を点火する。 また、代替の設計において、弾薬ユニット１４０はＲＮＴフォイル１４１を有さず、レーザー１１１が直接主弾薬１４２を点火する。

砲弾起爆装置１００はレーザー１１１を含む空間的に構成されたチップ（１１０、１３０）を含む統合されたシステムとして、統合された検出器１１４及びマイクロマシン化されたレンズ１３０とともに装備されるようにしてもよい。 このレーザー／検出器／レンズのチップ（１１０及び１３０）はインジウムフォスファイド（ＩｎＰ）チップとして装備されるようにしてもよい。 レーザー／検出器／レンズのチップ及び（光シャッター／スイッチ及び加速度計ｇ−スイッチを含む）ＭＥＮＳユニット１２０は一般的な「マイクロ」コアユニットにまとめてもよい。 爆発力のある積層された薄膜であるナノメタルフォイル１４１がマイクロコアユニットに装着される。 ＲＮＴフォイル１４１の感度は、砲弾が悪条件下で安全にかつ高い信頼性で動作するように選択される。

ＲＮＴフォイル（又は火工品若しくは弾薬）１４１は表面の安定化と保護のためにガラスでカプセル化するようにしてもよい。 ガラスはスピン・オン（spin-on）又はソル・ジェル（sol-gel）のようなガラスでよい。 ガラス製の封体部がナノメタルを熱や化学的影響から保護する。 その一方、ガラスはレーザーパルスに簡単に貫通され、そのレーザーパルスの熱がガラスのカプセル化による「オーブン」のような空洞内に蓄えられ爆発が急速かつ確実に起こり得る。 従って、ガラスコーティングはフォイルを酸化や汚染から保護するとともに爆発力をより強力にする。 従って、集光されたレーザーパルスからの熱が、ＲＮＴフォイル１４１において１０００℃以上に急速に加熱する反応を開始させ、弾薬１４２を急速かつ確実に爆発させる。

なお、ＲＮＴフォイル１４１は点火時に熱を生成するが衝撃波は生成しない。 多くの火器兵器は爆発連鎖物を点火するために拡散ガスの衝撃波を必要とする。 他の特徴によると、本発明の砲弾起爆装置１００は、アジ化銀（silver azide）やアジ化鉛（lead azide）のように点火されたＲＮＴフォイル１４１の熱によって点火され主弾薬１４２における爆発を開始するのに必要な衝撃波を生成する発火性化合物のコーティング１４３の薄層をＲＮＴフォイル１４１に積層して構成される。 薄い起爆層１４３をＲＮＴフォイル１４１上に、例えば、スパッタ又は塗布してもよい。 この方法はレーザーによるＲＮＴフォイル１４１の点火に従来の弾薬を点火するために用いられる衝撃波の発生を組み合わせたものである。

本発明の砲弾起爆装置１００は安全性に関する多くの独自の特徴を組み込んでいる。
（ａ）一実施形態においては、ＭＥＮＳユニット１２０が可動のシャッター、シャッター姿勢センサ及び加速度計スイッチを含む。 なお、その最も単純な実施形態では、ＭＥＮＳユニット１２１のみが可動のシャッターである。 このシャッターは、最初は閉じた姿勢にありいかなる光もＲＮＴフォイル１４１に到達しないように遮断する。 制御器１５０はデータ及び電力を受け取り、レーザー１１１は、シャッター１２１によって検出器１１４上に反射又は通過された低パワー信号を出力する。 低パワーモードで動作するとき、レーザー１１１の強度はＲＮＴフォイル１４１を点火するには弱いレベルに設定される。 これにより、シャッター１２１が偶発的に開放されてしまったとしても、ＲＮＴフォイル１４１を点火することはできない。 検出器１１４から及びシャッター姿勢センサからの信号が装置の正しい動作を確認するために用いられる（セルフテスト）。 この情報が制御器１５０によって復号されたデータに従って発射制御ユニットに返送される。

（ｂ）砲弾が発射される時、ＭＥＮＳ加速度計１２２は急速な加速によって逆行することなく移動される。 その後に限り、ＭＥＮＳシャッター１２１は、所定のプログラムされた時間が経過した後又は衝撃センサから信号が受信された後に印加される制御器１５０からの制御信号に応答して移動され得る。 従って、ＭＥＮＳシャッター１２１が充分な時間にわたって充分な加速に曝されなければ、砲弾起爆装置１００はＲＮＴフォイル１４１又は弾薬１４２を点火することができない。 これにより、砲弾起爆装置１００は発射前に起爆されることはない。

（ｃ）ＭＥＮＳシャッター１２１が完全装備段階になると、レーザー１１１のパワーは最大値まで上昇させられる。 レーザーの放射によってＲＮＴフォイル１４１が点火され、ＲＮＴフォイルは１０００℃以上にまで加熱され、弾薬を点火する。 ＲＮＴフォイル１４１及び弾薬１４２を制御器１５０の電気信号から分離することによって、本発明の砲弾起爆装置１００は静電気又は電気的誤動作による暴発から守られる。 レーザー１１１は光アイソレータのように動作し、偶発的電気的点火を防止する。

さらに簡易な実施形態では、本発明の砲弾起爆装置１００はレーザー１１１、ＭＥＮＳシャッター１２１、ＲＮＴフォイル１４１及び制御器１５０だけを含む。 この構成において、制御器１５０はレーザー１１１が動作しているか否か若しくはそれがどのパワーレベルかを判定できず又はＭＥＮＳシャッター１２１が正しい姿勢にあるかを電気的に判定できないので、安全性に関する特徴は減殺される。 さらに、マイクロレンズ１３０を用いないので、レーザー１１１はＲＮＴフォイル１４２を点火するために充分な集光されないパワーを有していなければならない。

本発明の砲弾起爆装置１００の「集積回路」型の実施形態によって、非常に小型な約１〜４ミリ立法メートルのモノリシックな立方体とすることができる。 そのようなモノリシックな立方体は、電源供給及びトリガメカニズムのための全ての制御系、電子系、雷管及び有線伝送の設備を通常の手段によって含むものである。 マイクロマシン技術及び高度なパッキング技術に組み合わされたナノ技術材料によって、性能と信頼性を向上しつつも、この劇的な小型化が可能となった。

当業者であれば本発明の様々な変更例を思いつくであろう。 しかし、技術の高度化に要する原理とそれと同等なものに基本的に依存する本明細書の特定の教示からの全ての変更は、明細書及び特許請求の範囲に記載される本発明の範疇であると適正に解釈される。

図１は、本発明において、発射前段階における砲弾起爆装置を示す図である。

図２は発射後及び起爆段階における砲弾起爆装置を示す図である。

図３は本起爆装置の動作シーケンスを記載するフローチャートである。

符号の説明

１００ 砲弾起爆装置１１０ 検出ユニット１１１ レーザー１１４ 検出器１１５ ＩｎＰチップ１２０ 光スイッチ１２１ シャッター１２２ 加速度計１３０ マイクロレンズ１４０ 弾薬ユニット１４１ ＲＮＴフォイル１４２ 弾薬
１４３ コーティング１５０ 制御器１５１ 内蔵バッテリ１５２ コンデンサ