混合式电子雷管延迟电路装置

本发明涉及电子雷管延迟电路。

用于在预定电子控制延迟周期之后在雷管内起爆电子引爆元件 的电子电路是已知的。从收到非电起爆信号开始测量延迟周期，该信 号也可以为定时器电路和引爆元件提供能量。因而，1992年7月28 日授予Jonsson的U.S.专利5,133,257公开了一种点火系统，该系 统包括可紧挨引爆线支线放置的压电传感器。当引爆线引爆时，它以 冲击波的形式释放能量，这导致传感器产生电脉冲。从传感器发出的 电能存储在为定时器供电的电容器中。在预定延迟之后，定时器允许 电容器中剩余的存储能量激发雷管中的点火头。点火头引爆炸药，从 而为雷管提供爆炸输出。类似的装置可见1992年12月22日授予 Pallanck授予的U.S.专利5,173,569；1995年1月3日授予Rode 等的U.S.专利5,377,592(它教导了在额定35伏特电压下3微法(μ f)存储电容器的使用)(见第7栏，第11-15行)；以及1995年7 月25日授予Rode等的U.S.5,435,248。正如在U.S.5,435,248的 第9栏第41-50行所教导的，这种雷管的电子电路通常是单个集成电 路(“IC”)的形式，该集成电路是由互补型金属氧化物半导体 (“CMOS”)工艺制造的，与10μf存储电容器(额定为35伏特) (见第6栏，第45-52行)联合使用。CMOS电路的特征在于其低耗 电量和低热耗散。

半导体桥(“SCB”)点火器在现有技术中是已知的，如1987年 11月24日授予Bickes，Jr.等的U.S.专利4,708,060公开的那样， 它例示了将铝用于SCB的金属垫板。将钨用于金属垫板的半导体桥点 火器也是已知的，已由1990年12月11日授予Benson等的U.S.专 利4,976,200公开。这种装置通常具有小于10欧姆的阻抗，例如， 大约1欧姆。

本发明涉及一种延迟电路，包括：输入端，用于接收电能的电荷； 连接到所述输入端的存储装置，用于接收和存储电能的电荷；以及将 所述存储装置连接到输出端的集成介质绝缘BiCOMS开关电路，用于 响应定时器电路信号以将存储在所述存储装置中的能量释放到该输 出端；通过所述开关电路连接到所述存储装置的输出端；以及有效连 接到所述开关电路的定时器电路，用于通过能量存储在所述存储装置 中的所述开关电路控制到所述输出端的所述释放。

根据本发明的一个方面，所述存储装置包括具有额定在50和150 伏特之间小于约3微法的电容量的电容器。例如电容器可以具有额定 在50和150伏特之间约0.22到1微法范围内的电容量。

根据本发明的另一方面，电路还包括连接到所述输出端的桥引爆 元件，所述存储装置具有电容量并且所述开关电路具有放电阻抗，所 述存储装置具有由所述电容量和所述放电阻抗导出的小于大约15微 秒的时间常数。例如，时间常数范围是从大约0.2到15微秒，例如， 时间常数可以为大约2.5微秒。

根据本发明的另一方面，所述开关电路具有小于大约15欧姆的 放电阻抗。例如，所述开关电路具有大约1到5欧姆范围的放电阻抗。

本发明也适合于传感器电路装置，该装置包括：传感器模块，电 子设备模块，包括(a)延迟电路，如上所述其输入端连接到传感器 模块；以及(b)连接到所述延迟电路的输出起爆装置，用于从所述 存储装置接收能量以及产生输出起爆信号。

本发明还涉及雷管，包括：具有闭合端和开口端的外壳，所述开 口端的尺寸和结构是为了连接外壳中的起爆信号传输装置。如上所述 起爆信号传输装置向延迟电路的输入端发送电起爆信号。放置在所述 外壳中与所述存储装置相关的雷管输出装置，用于在所述存储装置刚 一放电时产生输出信号。

在一个具体实施例中，所述起爆信号传输装置包括激波管的端 部，传爆装药和传感器模块，它们全部固定在所述外壳中且排布使得 从所述激波管端部发出的非电起爆信号引爆传爆装药，传爆装药与所 述传感器模块以力通讯的关系放置，所述传感器模块连接到所述延迟 电路的所述输入端。

说明书和权利要求书中使用的术语“桥引爆元件”的含义包括半 导体桥点火器和钨桥点火器。

图1是根据本发明的一个实施例的延迟电路的略图；

图2是包括电子设备模块和套管连同传感器模块的传感器延迟引 爆装置的部分剖面透视图；

图3A是示意性的部分剖面图，示出了包括根据本发明的一个实 施例的封装电子电路的延迟雷管；以及

图3B是相对于图3A放大了的图3A雷管的隔离帽和传爆装药成 分的视图。

本发明提供一种改进的电子延迟电路，与现有技术相比，该电路 便于以更高的效率将电能从输入端传送到输出端。电能可以用于不同 方面，例如起爆桥引爆元件这样的输出引爆元件。因此，通常包括半 导体桥的输出引爆元件能够用少于传统引爆元件所需的电能起爆输 出引爆元件。这种效率的提高通过采用介质绝缘双极性互补型金属氧 化物半导体(“DI BiCMOS”)开关电路，该电路最好包括集成开关 元件，例如可控硅整流器(“SCR”)，以在电能存储装置和桥引爆 元件输出端之间起开关作用。CMOS集成电路可用作延迟电路的定时 部分。相反，现有技术(例如美国专利US5,435,248)教导了CMOS 电路连同分立式SCR一起既有定时功能又有开关功能的应用。本发明 的电路装置通过DI BiCMOS电路增强了电能传送效能且通过COMS电 路提供低耗电量。

根据本发明所使用的介质绝缘BiCMOS电路与相应的现有技术 COMS电路相比可以提供更高的电压。例如，BiCMOS电路可以使用高 达例如150V的电压，而COMS电路通常被限制到大约50V。由于本发 明的电路工作在例如50V至150V这一范围，它允许使用与现有技术 相比更低容量的存储电容器。因此，与现有技术电路相比，延迟电路 具有更小的时间常数(以秒为单位)用于起爆桥引爆元件的存储电容 器的放电。时间常数可以作为存储电容器(以法拉为单位)和电路的 “放电阻抗”(以欧姆为单位)的乘积来计算，放电阻抗即在这一放 电期间通过开关电路和桥引爆元件施加于电容器的阻抗。放电阻抗大 致为开关元件和桥引爆元件阻抗之和。在电能从电容器传送到桥起爆 电路的过程中，更小的时间常数转换为更高的效率。

根据本发明的电路通常包括额定小于3微法(μf)的存储电容 器，例如在大约50至150V时大约0.22至1微法的范围，然而，现 有技术电路采用额定约为3μf或更高的电容器(例如 U.S.5,377,592(3μf)；U.S.5,435,248，(10μf))。而且，根据本 发明电路的存储电容器可以具有小于等于15欧姆的放电阻抗，例如5 欧姆或者甚至1欧姆。因此，本发明的电容器放电时间常数很小，例 如15微秒(例如，具有15欧姆开关电路放电阻抗的1微法电容器) 或者更小，并且可以低至例如大约0.22微秒(例如，具有1欧姆放 电阻抗的0.22μf电容器)。例如，本发明电路的典型时间常数为大 约2.5微秒(例如，具有5欧姆放电阻抗的0.5μf电容器)。最好 是，桥引爆元件的阻抗大致等于开关元件的阻抗，使得在向桥引爆元 件放电期间开关元件不过度消耗存储电容器的能量。

由于相对小的起爆能量需求，低阻抗(通常小于10欧姆，最好 大约1欧姆)，快速响应时间以及优良的传热特性，桥引爆元件，即 SCB和钨桥比其它引爆元件更为优选。SCB也提供与全点火和不点火 能量(all-fire and no-fire energies)有关的高度安全性和可靠 性。正如下面更为充分讨论的，桥引爆元件可以包括可固定到电路的 输出起爆装置部分，输出起爆装置可以包括用于雷管的输出装置的一 部分。

图1中示意示出的根据本发明的具体实施例的电子雷管延迟电路 具有压电传感器14和半导体桥18。延迟电路10包括可包含分立电 路元件和/或集成电路的多种电路元件。延迟电路10例如包括作为存 储装置的存储电容器12用于接收和存储来自起爆信号装置的电能的 电荷。在所示实施例中，电起爆信号来自一接收到爆炸冲击波就产生 电能脉冲的压电传感器14。如Jonsson专利U.S.5,133,257所建议 的，爆炸冲击波可以从紧邻传感器14设置的引爆线获得。或者，爆 炸冲击波可以由与电路装置相关联的传爆装药得到，下面做更为充分 的描述。传感器14产生的能量经过引导二极管24传送到存储电容器 12。泄漏电阻器16的位置是为了在电容器12存储的能量不另外通过 延迟电路10被放电时对存储电容器12放电。通常，雷管延迟电路的 设计是为了通过从收到起爆信号1毫秒到10秒范围的延迟间隔之内 对存储电容器放电以起爆输出电荷。泄漏电阻器16的选择是使得它 以超过预期的时间间隔的较长的时间周期对存储电容器12放电。例 如，泄漏电阻器16可以被选择以对存储电容器12放电超过15分钟 的时间周期。

SCB18连接开关电路20的输出端且因此连接到存储电容器12。 定时电路22控制开关电路20的操作。如图所示，尽管在本发明可替 换的实施例中可以随意提供例如电池组电池这样的独立电源为这些 电路供电，但是开关电路20和定时电路22都从存储电容器12汲取 它们的操作能量。

集成开关电路20包括电压调节器26、集成可控硅整流器(SCR) 28和触发器控制信号电路30。SCR28用作开关元件，通过它，存储 在存储电容器12中的能量可以输送到SCB18。SCR28的操作受响应定 时电路22发出的起爆信号的触发器电路30的控制。调节器26降低 存储在电容器12中的电压以便为触发器电路30和定时电路22提供 电源。

定时电路22经引线32从存储电容器12汲取能量。定时电路22 包括振荡器34，振荡器的频率在某种程度上由定时电容器35和外部 定时电阻36的选择来决定。定时电路22还包括计数器38和加电复 位(“POR”)电路40。一旦从存储电容器12和调节器26收到能量， POR电路40就起动振荡器34并将计数器38设置为预定的复位状态。 响应从振荡器34接收到的脉冲，计数器38从复位状态递减，当记数 预定间隔时，计数器38经引爆线42发出起爆信号。起爆信号激活触 发器电路30，触发器电路激活SCR28。然后存储电容器12中剩余的 存储能量通过SCR28向SCB18放电。

在图示实施例中，开关电路20是作为集成BiCOMS电路形成的， 在该电路中，集成电路元件彼此是介质绝缘的(DI)。但是，定时电 路22是传统的COMS集成电路并因此能够在从存储电容器12汲取最 小能量的同时实现其定时和起爆信号功能。CMOS定时电路22的相对 高阻抗没有降低能量从存储电容器12输送到SCB18的效率。例如， 使用0.5μf电容器和具有5欧姆放电电阻的开关电路，开关电路20 在大约1到3微秒内从存储电容器12放电50微焦(μJ)(即0.05 毫焦(mJ))以起动SCB18。相反，在同样的时间内现有技术电路需 要至少0.25mJ来起动桥引爆元件。参见例如1994年5月10日授予 Hartman等的U.S.专利5,309,841第7栏第10-15行(施加5V电压 10微秒)；以及1987年11月24日授予Brickes，Jr.等的U.S.专利 4,708,060第6栏第7-13行(1-5mJ)。由于开关电路20和定时电 路22在预定延迟之后不太可能使存储电容器12放电到不能起动 SCB18的程度，因此用如此少量的电能来起动SCB18的能力改善了延 迟电路的可靠性。另外，本发明电路更小的时间常数有助于使类似结 构电路中的性能更为一致。

而且由于延迟电路高压和低压功能的双态加入到介质绝缘 BiCOMS和传统CMOS集成电路中，延迟电路的总尺寸比例如Pallanck 等的U.S.5,173,569所示相应现有技术的只有CMOS的电路小。这种 尺寸上的减小是因为先前必须为分立元件的某些电路元件并入了集 成电路中。例如引导二极管24和SCR28是作为介质绝缘BiCOMS开关 电路20的部分而形成的，然而现有技术引导二极管和SCR不能并入 标准CMOS电路中并因此作为分立电路元件出现。此外，由于电路的 DI BiCOMS部分能承受比CMOS电路更高的电压，延迟电路可以包括 比现有技术电路更小的存储电容器。准确地说，本发明的存储电容器 12可以是陶瓷型电容器，这种电容器与现有技术存储电容器相比， 尺寸更小，价格更低廉且更易于并入延迟电路10中，现有技术存储 电容器通常是缠绕薄膜型的。由延迟电路功能的双态加入到CMOS和 DI BiCOMS部分所造成的尺寸的减小使本发明的延迟电路可以并入具 有传统8号或10号雷管的标准尺寸外壳的雷管中，这两种传统雷管 通常是半径为0.296英寸(0.117cm)的圆柱形。因此，本发明提供 的电子雷管可以用于各种各样的传统爆破产品，例如传爆装药，连接 器装置等，这种雷管构造成标准尺寸的雷管，为用户提供具有数字控 制精度的延迟的优点。在雷管中甚至还有用于保护电路封装的空间， 例如封装15(图2)，它保护雷管电路免受外部振动。相反，现有技 术数字控制的雷管电路太大了以至需要过大的外壳，因此不能用于很 多标准的爆破部件。

图2提供了传感器电路装置55的透视图，该装置包含电子设备 模块54，该模块包含具有连接到输出起爆装置46的图1的延迟电路 10。延迟电路10包括不同的电路部件，有定时电路22、定时电阻器 36、开关电路20、存储电容器12、泄漏电阻器16以及提供存储电容 器12放电输出端的输出引线37。这些不同的部件除了输出引线37 以外都安装在引线框架的花格形部分或轨道41上，并且都配置在封 装15内。在图示实施例中，输出起爆装置46除了半导体桥18(它 跨接输出引线37)外包括起爆炸药46a，该炸药最好包括精细粒子爆 炸原料和压接到封装15颈区域44上的起爆外壳46b并保持起爆炸药 46a到半导体桥18的能量传输关系。起爆炸药46a最好在起爆外壳 46b中压至密度小于其最大理论密度(MTD)的80％。最好将SCB18 以允许SCB18伸入起爆炸药46a中并被起爆炸药包围的方式固定到输 出引线37上。可替换的是，这种原料可以以能应用到SCB上的浆料 或珠混合的方式来实施。输出起爆装置46可以包括雷管输出装置部 分并且例如可以为起爆目的放置在传感器电路装置55中的雷管药包 或“输出”炸药，这将在以下描述。

封装15最好使用仅沿隆起的脊或翅(图2中未示出)纵向延伸 的套管21并因此在翅之间封装15周围圆周区域的封装15和套管21 之间建立缝隙48。可以替换翅的是，封装15可以构造得使隆起的凸 起部接合环绕套管或雷管外壳的内表面，或者可以是横截面为多边形 的且沿纵向最高点或边缘接合套管21，或者可以是其它任何有效结 构以消散可从设备外部传到电路的冲击波。通常，这种结构使封装15 和套管21之间的接触表面面积达到最小或至少使其减小。此外，封 装15的部分或全部可以包括减震材料。可替换的是，封装15可以任 选地包括与套管21充分接触的减震材料。

在图示实施例中，封装15任选地限定可接近测试引线52的扇形 50，但最好使引线保留在封装15的表面轮廓内，即引线最好不延伸 到缝隙48中。如果省去扇形50，最好是测试引线不延伸跨过缝隙48 从而接触外层封装。因此，在电子设备模块(它包括不同的电路元件， 输出起爆装置46和封装15)放于套管21内之前，可以利用引线52 这样的引线来测试装配好的电路。然后，电子设备模块54插入套管 21中且引线52不接触套管21。

设计电子设备模块54使得可以通过其给存储电容器12充电的输 出引线37和起爆输入引线56从电子设备模块54各自相对的端部伸 出。传感器模块58包括压电传感器14和密封在传感器封装64中的 两个传输引线62。传感器封装64的尺寸和结构是为了接合套管21， 使得传感器模块58可以用与输入引线56接触的引线62固定到套管 21的端部上。最好是，封装15、套管21和传感器封装64的尺寸和 结构使得当如图2所示装配好时，在封装15和传感器封装64之间建 立在66处所指示的气隙。以这种方式，电子设备模块54至少部分地 屏蔽了导致压电传感器14产生起爆电子设备模块54的电脉冲的爆炸 冲击波。如力箭头68所示，这种爆炸冲击波所带来的压力通过传感 器模块58传输到套管21上而不是电子设备模块54上。

与现有技术延迟电路相比，其中不同的电路封装和元件以芯片直 接组装形式排布安装在聚合物或陶瓷基板上，集成电路和延迟电路10 的电路元件可以直接安装在引线框架的金属轨道41上。这种装配程 序耗资低于现有技术程序且减小了延迟电路的尺寸，简化了集成工 艺，允许采用更大更具保护性的封装。

现在参考图3A，所示数字延迟雷管100的一个实施例包括根据本 发明的电子设备模块。延迟雷管100包括具有开口端112a和闭合端 112b的外壳112。外壳112由导电材料制成，通常为铝，且最好具有 传统起爆筒即雷管的尺寸和形状。雷管100包括向延迟电路发送电起 爆信号的起爆信号发送装置。起爆信号发送装置可以简单地包括可与 根据本发明的适当构造的延迟电路输入端直接连接的电起爆信号 线。但是，最好雷管用作非电系统的部分并且起爆信号发送装置包括 非电信号发送线(例如激波管)的端部和用于将非电起爆信号转换成 电信号的传感器，在此将作描述。在图示实施例中，延迟雷管100连 接到非电起爆信号装置，在图示例子中，该装置包括激波管110、传 爆装药120和传感器模块58。可以理解，非电信号发送线除了导爆 线这样的激波管之外，可以使用低能导爆线、低压激波管或类似的东 西。正如本领域技术人员所熟知的，激波管包括空心塑料管，塑料管 的内壁涂上炸药，这样，一旦点火，低能冲击波通过管传播。例如参 见1986年8月26日授予Thureson等的U.S.专利4,607,573。激波 管110通过围绕管110的接头套管114固定在外壳112中。外壳112 在弯边116、116a处压接到套管114上以将激波管110固定在外壳 112中并在外壳112和激波管110外表面之间形成外层保护性密封。 激波管110的片段110a在外壳112内延伸并以紧密接近或邻接接触 抗静电隔离帽118的方式端接在端部。

隔离帽118在外壳112内部具有摩擦配合并且由半导电材料制 成，例如充碳聚合材料，使得形成从激波管110到外壳112的导电接 地路径以清除任何可沿激波管110传送的静电。这种隔离帽在本领域 中是众所周知的，例如见1976年9月21日授予Gladden的U.S.专 利3,981,240。低能传爆装药120与抗静电隔离帽118相邻放置。最 好如图3B所示，正如本领域所熟知的，抗静电隔离帽118包括通常 为圆柱形的壳体(通常是截椎体的形式，朝向外壳112开口端112a 设置的半径端部较大)，通过薄的可破裂的隔板118b将该壳体分为 进口室118a和出口室118c。激波管110的端部110b(图3A)收容 在进口室118a中(为图示清楚起见，激波管110在图3B中未示出)。 出口室118c在以彼此之间相互信号传送关系配置的激波管110的端 部110b和传爆装药120之间提供气隙或间隙。在运行中，从激波管 110的端部110b发出的冲击波信号将割裂隔板118b，传过出口室 118c提供的间隙并起燃传爆装药120。

传爆装药120包括少量的叠氮化铅这样的初发炸药(或适当的传 爆炸药原料，例如BNCP)，它放置在传爆管外壳中且其上放置第一 减震器元件126(未图示简明起见未在图3A中示出)。除了薄的中 央隔板外，结构为环形的第一减震器元件126位于隔离帽118和炸药 124之间，用于在制造过程中使压力不强加于炸药124上。

如图3B所示，隔离帽118，第一减震器元件126和传爆装药120 可以便利地放置在传爆管外壳132中。隔离帽118的外表面同又与外 壳112导电接触的传爆管外壳132的内表面导电接触，以提供从激波 管110释放的任何静电的电流路径。通常，传爆管外壳132插入外壳 112中并将外壳112弯边，以便在将传爆管外壳132保持于其中的同 时保护外壳112中的元件与环境隔离。

通常为0.015英寸厚的非导电缓冲器128(为简明起见未在图3A 中示出)位于传爆装药120和传感器模块58之间，以便使传感器模 块58和传爆装药120电隔离。传感器模块58包括压电传感器，压电 传感器的放置与传爆装药120是压力通讯的关系(图3A中未示出)， 所以能够将传爆装药120的输出压力转换为电能的脉冲。如图2所 示，传感器模块58连接到电子设备模块54。包括激波管片段110b、 传爆装药120和传感器模块58的起爆信号发送装置用于将通过激波 管110接收到的非电起爆信号以电的形式输送到延迟电路10，这将 在下面进行描述。

除了外壳112以外，雷管100所提供的封装包括任选的、包围电 子设备模块54的端部开口的钢套管21。电子设备模块54在其输出 端部包括输出起爆装置46(如图2所示)，引爆装置包括用于雷管 的输出装置部分。与电子设备模块54的输出起爆装置邻接的是类似 于第一减震器元件126的第二减震器元件142。第二减震器元件142 将电子设备模块54的输出端与雷管输出装置的其它部分分隔开，包 括压入外壳112闭合端112b中的输出炸药144。输出炸药144包括 对电子设备模块54的输出起爆装置敏感且具有足够的冲击能量以引 爆铸形传爆药、黄色炸药等的传爆炸药144b。输出炸药144可以任 选地包括相对小炸药量的初发炸药144a以引爆传爆炸药144b，但是 如果电子设备模块54的引爆炸药量具有足够的输出强度来引爆传爆 炸药144b，则可以省去初发炸药144a。传爆炸药144b具有足够的冲 击能量割裂外壳112和引爆以信号传送接近雷管100放置的铸形传爆 药、黄色炸药等。

在应用中，通过激波管110传播的非电起爆信号在端部110b发 射。信号割裂隔离帽118的隔板118b和第一减震器元件126，以便 通过引爆初发炸药124来激活传爆装药120。初发炸药124产生爆炸 冲击波，冲击波在传感器模块58中的压电发生器上施加输出力。压 电发生器与传爆装药120是力通讯的关系，所以将输出力以电子设备 模块54所接收到的电能脉冲的形式转换为电信号。如以上所说明 的，电子设备模块54存储电能脉冲并且在预定延迟之后将能量释放 或传送到雷管输出装置中。在图示实施例中，负荷释放到引爆输出负 荷144的输出起爆装置中。如本领域所熟知的，输出负荷144割裂外 壳112并发出可用于起爆其它爆破装置的引爆输出信号。

虽然参考特殊实施例对本发明进行了详细描述，但显然一旦阅读 并理解了前述内容，本领域的技术人员就可以在权利要求的范围内对 所述实施例作出大量变更。例如，对实施例进行变更示出的以上本发 明的混合式定时器和开关电路用于固定到非电起爆信号传送线(例如 激波管110)的雷管中，可以理解的是，用固定到电信号传送线的雷 管同样可以实现本发明。