Detonator for weapon

本発明は、起爆装置技術に関し、特にミサイルおよび爆弾などの兵器用の起爆装置に関する。

ミサイルおよび爆弾はこれらの目標に到達することによるなどの、特定の条件を満たしたときにのみ爆発することが望まれる。 その他の点では、この様なミサイルおよび爆弾を安全に取り扱い得ることが望まれる。 したがって、ミサイルまたは爆弾のためには、正規の取り扱いの結果起こるかもしくは厳しい不意の落下によってさえも起こる作動と、爆発を起こさせる例えば発射または衝撃の必要性を指示する作動との差異を認めることができる、起爆装置を備えることが必要である。 その上、操作上の即応性ならびに起爆装置の状態がテスト可能であり、その結果が人間によって知覚可能であることが望ましい。

本発明の原理に従って、比較的高いインピーダンスのトリガ機構に並列に結合された比較的低いインピーダンスのバイパス回路を中断するように動作する微小機械デバイスを使用して、爆薬および兵器のための高い信頼性を有する起爆装置を達成できることが解った。 電気的バイパスの除去は、規定の条件の下での爆轟を可能にするための、微小機械デバイスの動きの結果として実施される。 本発明の一態様によれば、電気的バイパスは、微小機械デバイスが、発射または衝撃中に発生する様な一般的に大きな力である規定のトリガ活動力を受けるときに、バイパス回路の一部分である少なくとも１つの低インピーダンス電気ブリッジを破断させることによって除去される。

本発明の一実施形態では、微小機械デバイスは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）であり、ブリッジは、ＭＥＭＳデバイスの一部でありかつバイパス回路の一部でもある少なくとも１つのばねである。 前記の少なくとも１つのばねの破断はバイパス回路を中断させ、爆轟を可能にする高インピーダンス・トリガ機構を通じて電流を通過させる。 本発明の別の実施形態では、ブリッジはＭＥＭＳデバイスと離れた別の要素であり、トリガ活動力によるＭＥＭＳデバイスの動きによって、ＭＥＭＳデバイスはブリッジを破断してバイパス回路を中断するように移動し、爆轟を可能にする高インピーダンス・トリガ機構を通じて電流を通過させる。

バイパス回路を中断するように移動した後、ＭＥＭＳデバイスはその新しい位置に移って掛け金がかけられ、ＭＥＭＳデバイスが例えばトリガの周りを移動するなどによる、トリガに対するあらゆる損傷を引き起こさない様にする。

複数のＭＥＭＳデバイスの移動は、複数の並列接続部として実現することもできるバイパス回路を完全に除去するために必要である。 複数のＭＥＭＳデバイスおよび／または複数のバイパス接続部を使用することによって提供される冗長性は、結果的により高いシステムの安全性、ならびにあらゆる形式のトリガ作動条件のために設計を行う能力となる。 例えば、各々がそれぞれのばねとして実現された個別のバイパス接続部に結合されている２つのＭＥＭＳデバイスを使用した場合、両方のばねが破断されていない限り高インピーダンス・トリガ機構が作動されないことは有利である。 冗長性の適用のために、両方のばねを破断して高インピーダンス・トリガ機構を作動させるために両方とも同じ方向に移動しなければならない様に、ＭＥＭＳデバイスを配置することができる。 トリガ作動条件を制御するために、ＭＥＭＳデバイスが各々反対方向に移動して、それぞれのばねの破断を生じさせ、これによって高インピーダンス・トリガ機構を作動させなければならないこともあり得る。 もちろん、実施者の自由裁量において様々な組合せを実行することができる。 代替案として、単一のＭＥＭＳデバイスを配置して、２回以上の動きによってバイパス回路を中断することができ、または２つＭＥＭＳデバイスがＭＥＭＳデバイスの少なくとも２回の動きを必要とする。

高インピーダンス・トリガ機構を、誘電膜と接触した少なくとも１つの高インピーダンス・フィラメントであって、十分な電流が高インピーダンス・フィラメントに供給されて高インピーダンス・フィラメントが兵器の主装薬を爆発させるときに、爆薬ペレットの爆発を引き起こす衝撃波を発生するために動作する、所謂「スラッパ」とすることもできる。

本発明の別の態様によれば、起爆装置は、その部品の様々な個体をテストすることができ、人間が知覚できるその結果の指示が提供されるように配置することもできる。 さらにまた、起爆装置を電気的および機械的に両方の面でテストされるように配置することもできる。 例えば、テスト電圧を供給することもでき、高インピーダンス・フィラメントに沿ったある一点における電圧を測定して、高インピーダンス・フィラメントの保全性を立証するために測定する。 同様に、組立体全体のインピーダンスを、テスト電圧を供給して結果として得られた電流を測定することによってテストすることもできる。 高い電流は、バイパス回路が無傷であることを示す。 ＭＥＭＳデバイスに対して電極を位置付けることもでき、様々な電圧を供給してＭＥＭＳデバイスを動かすこともできる。 そのような動きから結果として生じるキャパシタンスの変化は、もしあれば、測定され、ＭＥＭＳデバイスの機械的条件に関するその測定情報から決定される。

本発明の原理を以下に単に例証する。 したがって、本明細書には明解に説明または図示されていないが本発明の原理を実行しかつ本発明の精神と範囲の中に含まれる様々な配置構成を、当業者が考案できることは理解されよう。 その上に、本明細書の中で列挙するすべての実施例と条件付言語は、主として、本技術を助成するために本発明者が貢献する本発明の原理および概念を理解する上で読者を助けるための教示的目的のためのみとすることを明白に意図するものであり、さらにこの様な特定して列挙する実施例および条件に制限はないものと解釈すべきである。 その上に、本発明の原理、態様、および実施形態、ならびにこれらの特定の実施例を本明細書に中に列挙するすべての言明は、これらの構造的および機能的両方の等価物を含むものとする。 さらに、この様な等価物は、現在知られている等価物ならびに将来開発される等価物、即ち構造には関係なく同じ機能を実施するあらゆる開発された要素の両方を含むことが意図される。
したがって、例えば、本明細書におけるブロック図はすべて本発明の原理を具体化する例証的回路構成の概念図を表すことが、当業者には理解されよう。

本明細書の特許請求の範囲において、特定の機能を実施するための手段として表現されるいずれの要素も、この機能を実施するためのいずれの方法も含むことが意図される。 これには、例えばａ）この機能を実施する機械的または電気的要素の組合せ、またはｂ）あらゆる形式のソフトウェアであって、したがって、このソフトウェアを実行して機能を実施するための適切な回路構成と組み合わせたファームウェア、マイクロコードなど、ならびにもしあればソフトウェア制御式回路構成に結合された機械的要素を含むソフトウェアが含まれる。 この様な特許請求の範囲によって定義されるような本発明は、様々な列挙される手段によって提供される機能性は、特許請求の範囲が要求する方式で共に組み合わせられまとめられる、という事実に帰するものである。 したがって出願人は、本明細書に示す機能性を提供することのできるいずれの手段をも、本明細書に示されるものと等価であるとみなす。
本明細書に明白に指定されない限り、図面は一定の比例で拡大または縮小して描かれてはいない。

本明細書で使用される様に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスという用語は、ＭＥＭＳデバイス全体またはその何れか一部分を示すものとする。 したがって、ＭＥＭＳデバイスの一部分が活動していないか、またはＭＥＭＳデバイスの一部分が閉塞している場合でもなお、この様なＭＥＭＳデバイスを本開示の目的のためのＭＥＭＳデバイスと考える。
本説明では、異なる図において同じ番号を付けた構成部分は同じ構成部分を指す。

爆薬および兵器のための高い信頼性を有する起爆装置は、本発明の原理によって、比較的高いインピーダスのトリガ機構に並列に結合された比較的低いインピーダンスのバイパス回路を中断するように動作する微小機械デバイスを使用して達成可能である。 電気的バイパスの除去は、規定の条件の下での爆轟を可能にするための、微小機械デバイスの動きの結果として実施される。 本発明の一態様によれば、電気的バイパスは、微小機械デバイスが、発射または衝撃中に発生する様な一般的に大きな力である規定のトリガ活動力を受けるときに、バイパス回路の一部分である少なくとも１つの低インピーダンス電気ブリッジを破断させることによって除去される。

図１は、微小機械デバイスが微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであり、ブリッジが、ＭＥＭＳデバイスの一部であってかつバイパス回路の一部でもある少なくとも１つのばねである、本発明の例示的実施形態を示す。 少なくとも１つのばねを破断することはバイパス回路を中断し、爆轟を可能にする高インピーダンス・トリガ機構に電流を通過させる。 具体的には図１には、ａ）比較的高いインピーダンスのトリガ１０１、ｂ）塊体１０３と任意選択の電極１０７とを含むＭＥＭＳデバイス、ｃ）ブリッジ１０５−１および１０５−２、集合的に本明細書ではブリッジ１０５、ｄ）電気接続およびテスト・ポート１０９−１および１０９−２、集合的に本明細書では電気接続およびテスト・ポート１０９、ｅ）任意選択の電機接続部１１１−１、１１１−２、集合的に本明細書では電気接続部１１１、およびｆ）テスト・ポート１１７が示されている。

比較的高いインピーダンスのトリガ１０１は、十分に高い電流が供給されたときに爆発を引き起こす。 爆発は、トリガ内における比較的高いインピーダンスのワイヤ１１３の供給電流による加熱によって刺激される。 例えば、トリガ１０１を、比較的高いインピーダンスのワイヤ１１３を含む所謂「スラッパ」にすることもできる。 十分に高い電流を比較的高いインピーダンスのワイヤ１１３に加えることによって、ワイヤ１１３は加熱され、物質１１５を激しく膨張させる。 続いてこれは、多分、物質１１５の激しい膨張によって起こる衝撃波の結果として、より大きな爆発を起こさせる。 この様なスラッパおよび類似のデバイスは当業者には周知である。

塊体１０３がブリッジ１０５に結合されている。 ＭＥＭＳデバイスは、ブリッジの少なくとも１つが破断するように十分な力をブリッジ１０５に行使するよう、規定の条件の下で塊体１０３の動きによって動作する。 本発明の一実施形態では、ブリッジ１０５は塊体１０３を支持している。 本発明の別の実施形態では、塊体１０３はブリッジ１０５とは少なくとも部分的に独立して支持されている。

本発明の一態様によれば、ブリッジ１０５は、比較的低いインピーダンスのバイパス回路の一部であり、このバイパス回路はトリガ１０１と並列に電気的に接続され、トリガ１０１を迂回する。 したがって、ブリッジ１０５が無傷のままである限り、爆薬１１５の爆轟を起こさせるために十分に高い大きさの電流をトリガ１０１の両端間を通すことはできない。 したがって、トリガ１０１は動作不可能であり、この兵器は爆発しない。

電気的接続およびテスト・ポート１０９−１および１０９−２は、トリガ１０１の爆発を起こさせるために使用できる電流を供給するために使用される。 しかし、ブリッジ１０５が無傷のままである限り、トリガ１０１は効果的に短絡されており、電流は単に電気的接続およびテスト・ポート１０９の１つから分路し、ブリッジ１０５の１つを通り、塊体１０３を通り、ブリッジ１０５の別の１つを通り、それから電気的接続およびテスト・ポート１０９の他の１つから出る。

任意選択の電極１０７を使用して、塊体１０３の移動能力をテストすることもできる。 電気的接続およびテスト・ポート１０９の１つと任意選択の電気接続部１１１の１つとの間にテスト信号を加えることによって、塊体１０３を動かすこともできる。 塊体１０３の運動を、テスト・ポート１０９の別の１つと任意選択の電気接続部１１１の別の１つとの間で測定されたキャパシタンスの変化によって検知することもできる。 キャパシタンスが変化しない場合には、これは、塊体１０３が動いておらず、トリガに欠陥があることを指示する。

比較的高いインピーダンスのワイヤ１１３が無傷であり、電気的接続およびテスト・ポート１０９に接続されていることをテストするために、小さなテスト電圧を電気的接続およびテスト・ポート１０９の間に印加することもできる。 テスト・ポート１１７と電気的接続およびテスト・ポート１０９の１つとの間における電圧の測定値が、比較的高いインピーダンスのワイヤ１１３の電気的保全性に関する情報を提供する。 具体的には、テスト・ポート１１７が実質的に比較的高いインピーダンスのワイヤ１１３の中間点に位置する場合には、テスト・ポート１１７において測定された電圧は、電気的接続およびテスト・ポート１０９の間に印加された小さなテスト電圧の約半分になるはずである。 さらに、測定することによって、結果的に得られるテスト電流は、ブリッジ１０５と塊体１０３とによって作られるバイパス回路が無傷である場合には、比較的大きくなるはずである。
本発明の一態様によれば、比較的高いインピーダンスのトリガ１０１とこれに繋がる接続部は、起爆装置の残りを含む密封されたパッケージ１３１の外側にある。

図２は、図１に示す実施形態に似ているが、並列に接続された２つのブリッジがあり、各ブリッジはＭＥＭＳデバイスに結合されている、本発明の別の例示的実施形態を示す。 ブリッジの各々における少なくとも１つのばねを破断するだけで、バイパス回路が中断され、電流が高インピーダンス・トリガ機構を通過できて、爆轟を可能にする。 図２は、図１と同じ要素をすべて示しているが、ｇ）塊体２０３と任意選択の電極２０７とを含むＭＥＭＳデバイス、ｈ）ブリッジ２０５−１および２０５−２、集合的に本明細書ではブリッジ２０５、および任意選択の電機接続部２１１−１、２１１−２、集合的に本明細書では電気接続部２１１も含む。 図２の各追加要素の動作は、採用する図を指示する先導桁を除いて、図１の対応する各要素と同様の名称を有し、同様な番号が付けられている。 図２の本発明の実施形態が図１には存在しない冗長安全機構を提供することは有利である。

図３は、図１に示す実施形態に似ているが、塊体１０３が、これがブリッジ１０５の少なくとも１つを破断するように移動した後に適所に掛け金で止められるよう配置されている、本発明の別の例示的実施形態を示す。 図３は図１と同じ要素をすべて示しているが、ｇ）ロック可能タブ３２１およびｈ）ロック・レセプタクル３２３も含む。 ロック可能タブ３２１は、塊体１０３に結合され、塊体１０３がロック・レセプタクル３２３に向かって移動するとタブ３２１がその中に挿入されてロック・レセプタクル３２３の両ロック・アーム３２５を強制的に離すように、塊体１０３と共に移動する。 一旦タブ３２１の最大幅部分のセクションがロック・アーム３２５を通り過ぎると、ロック・アーム３２５は再び閉じてタブ３２１の戻り退出を防止することができ、これによって塊体１０３を適所にロックする。 ブリッジ１０５の少なくとも１つが破断した後に、望ましくない破損の原因となることもある塊体１０３の自由な動きができないことは有利である。

図４は、図２に示す実施形態に似ているが、２つの塊体１０３および２０３が両方とも、図３に示すものと同じ方法でブリッジ１０５および２０５のそれぞれ関連するものの少なくとも１つを動かして破断した後に、適所に掛け金で止められるよう配置されている、本発明の別の例示的実施形態を示す。 図４は図２と同じ要素をすべて示しているが、ｊ）ロック可能なタブ３２１、ｋ）ロック・レセプタクル３２３、ｌ）ロック可能なタブ４２１、ｍ）およびロック・レセプタクル４２３も含む。 図３に関して説明したように、ロック可能なタブ３２１は塊体１０３に結合され、塊体１０３がロック・レセプタクル３２３に向かって移動するとタブ３２１がその中に挿入されてロック・レセプタクル３２３の両ロック・アーム３２５を強制的に離すように、塊体１０３と共に移動する。 一旦タブ３２１の最大幅部分のセクションがロック・アーム３２５を通り過ぎると、ロック・アーム３２５は再び閉じてタブ３２１の戻り退出を防止することができ、これによって塊体１０３を適所にロックする。 ブリッジ１０５の少なくとも１つが破断した後に、望ましくない破損の原因となることもある塊体１０３の自由な動きができないことは有利である。 同様に、ロック可能なタブ４２１は塊体２０３に結合され、塊体２０３がロック・レセプタクル４２３に向かって移動するとタブ４２１がその中に挿入されてロック・レセプタクル４２３の両ロック・アーム４２５を強制的に離すように、塊体２０３と共に移動する。 一旦タブ４２１の最大幅部分のセクションがロック・アーム４２５を通り過ぎると、ロック・アーム４２５は再び閉じてタブ４２１の戻り退出を防止することができ、これによって塊体２０３を適所にロックする。 ブリッジの少なくとも１つ１０５または２０５が破断した後に、望ましくない破損の原因となることもある塊体１０３または塊体２０３の自由な動きができないことは有利である。

図５は、図１に示す実施形態に似ているが、塊体１０３をポストに結合するばね５０１が存在し、これらのポストは基板に取り付けられ、基板の上には電極１０７が設けられている、本発明の別の例示的実施形態である。 ばね５０１は、ブリッジ１０５の少なくとも１つが破断した後に、望ましくない破損の原因となることもある塊体１０３の自由な動きを防止する。

図６は、図５に示す実施形態に似ているが、図３のロッキング機構も含む、本発明の別の実施形態である。 ばね５０１が塊体１０３の自由な動きを防止するのみならず、図３におけるように、塊体１０３はまた、タブ３２１のロック・レセプタクル３２３の中への挿入によって適所にロックされる。

図７は、図６に示す実施形態に似ているが、ロック可能なタブ７２１とロック・レセプタクル７２３とから作られた、ロッキング・アーム７２５を含む追加のロッキング機構も含む、本発明の別の例示的実施形態である。 やはり図６に示すように、ばね５０１が塊体１０３の自由な動きを防止するのみならず、塊体１０３はまた、タブ３２１のロック・レセプタクル３２３の中への挿入によって適所にロックされる。 その上、塊体１０３がロック・レセプタクル７２３に向かって動く場合には、これはロック可能なタブ７２１を掴むロッキング・アーム７２５によってロック・レセプタクルの中にロックされる。 したがって、図７の実施形態は２方向のいずれにおける加速度によっても作動されるのに適している。

図８は、図１におけるように塊体がブリッジに接続されていない、本発明の別の例示的実施形態である。 その代わりに、比較的高いインピーダンスのトリガ１０１に向かう塊体８０３の十分な移動によって、ヘッド８２７が目標点８３７を打つことになり、これによって、ブリッジ８０５の少なくとも１つを弱点８３５または目標点８３７の少なくとも１つにおいて回路から分断することによって、低インピーダンス接続を電気接続部およびテスト・ポート１０９−１〜１０９−２から破壊する。 塊体８０３は、ばね５０１と同様なばね８３１を介してポスト８３３に結合されている。 ばね８３１は、規定の加速度条件の下でヘッド８２７が移動して目標点８３７を打ち、これによって低インビーダンス回路を中断することができるようになっている。

図９は、図８に示す本発明の実施形態に似ているが、比較的高いインピーダンスのトリガ１０１に向かい、また比較的高いインピーダンスのトリガ１０１から遠ざかる加速度が、爆薬が引き起こされる前に必要とされる、本発明の別の例示的実施形態である。 比較的高いインピーダンスのトリガ１０１に向かう加速度に関しては、図９の実施形態は図８の実施形態の動作と同じに動作する。 さらに、比較的高いインピーダンスのトリガ１０１から遠ざかる塊体８０３の移動によって、ヘッド９２７は目標点９３７を打つことになり、これによって、ブリッジ９０５の少なくとも１つを弱点９３５または目標点９３７の少なくとも１つにおいて回路から分断することによって、低インピーダンス接続部の追加分岐を電気接続およびテスト・ポート１０９−１〜１０９−２から破壊する。 電気接続およびテスト・ポート１０９−１〜１０９−２からの低インピーダンス接続部の両ブランチが破壊されたときだけ、爆発を引き起こすための十分な電流が比較的高いインピーダンスのトリガ１０１を通じて流れる。

微小機械デバイスが微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであり、ブリッジがＭＥＭＳデバイスの一部でありまたバイパス回路の一部でもある、本発明の例示的実施形態を示す図である。

図１に示すものに類似しているが、並列に接続された２つのブリッジがあって、各ブリッジはＭＥＭＳデバイスに結合されている、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

図１に示すものに類似しているが、塊体１０３が配置されて、これがブリッジの少なくとも１つを破断する様に移動した後に、適所で掛け金がかけられる、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

図２に示すものに類似しているが、２つの塊体が配置されて、図３に示す方法と同じ方法で移動してそれぞれに関連するブリッジの少なくとも１つを破断した後に、適所で掛け金がかけられる、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

図１に示すものに類似しているが、塊体をポストに結合するばねが存在し、これらのポストは電極が上に置かれている基板に取り付けられている、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

図５に示すものに類似しているが、図３のロッキング機構も含む、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

図６に示すものに類似しているが、追加のロッキング機構も含む、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

塊体がブリッジに連結されていない、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。

図８に示す本発明の実施形態に類似しているが、爆発が引き起こされる前にスラッパへ向かうおよびスラッパから離れる加速度が必要である、本発明の別の例示的実施形態を示す図である。