JPH0339898A - 圧電性結晶・電力レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、固体レーザからの光線を用いて大工技術（ｐ
ｙｒｏｔｅｃ）＋ｎ１ｃ）材料を点火する装置に関する
ものである。

（従来の技術） ネオジムガラスまたはＹＡＧレーザを備えるレーザ点火
装置は公知であり、米国特許第３，６１８゜５２６号お
よび第３，４０８，９３７号に述べられている。米国特
許第３，４０８，９３７号は電気ブリッジ配線を用いた
直接点火の不利を指摘し、爆発装置の点火用として、光
フアイバ導管で送られるレーザエネルギを用いた装置を
述べている。レーザは、化学的に発生される光源あるい
は他の適当なレーザ源、例えば単一の多色光源などを含
む基底光源によって、その偏光光線を出射する（“ポン
プされる″〉、また米国特許第３．６１８，５２６号も
、それぞれの電管に接続された光ファイバ束によって送
られるレーザエネルギによって爆発装置を起爆さぜるＡ
置を開示している。ここでは、キセノンフラッシュ管で
作動される周知のレーデの利用は不満足であると述べら
れ、レーザを囲むテース上に火工技術材のコーティング
を行い、電気的に作動する導火管を設けて該コーティン
グに点火し、レーザを作動さぜる方法を推奨している。

ボンピング用フラッシュは、マグネシウムのような活性
金属のコイルをコーティングとレーザとの間に配置する
ことによって増強される。

レーザ作動用として、バッテリや大容量コンデンサのよ
うな大電流電源が必要なことが米国特許第３，９０９，
７４５号に指摘されており、この場合は機械的なエネル
ギを電流源として用い、例えば、ばね上げされたハンマ
を設けて圧電性結晶をたたき、これによってコンデンサ
を充電して、レーザ伝送を作動させる赤外線パルスを発
生させている。

特に航空機の脱出シートに対する大工技術装置の応用で
は、長期間貯留できると共に、エネルギ源を内蔵した小
形軽量の点火装置が要求される。

（課題を解決するための手段と作用） 本発明によれば、作動時に大工技術材ＩＩを点火するの
に十分な光線を出射できる固体レーザを有する火工技術
材料の点火装置が、さらにレーザと組合せて、機械エネ
ルギの印加に応答して高電圧パルスを発生しうる圧電装
置と、該高電圧パルスによって作動しうる火花間隙を有
し、且つ火花間稼の作動に応答してフラッシュ光を出射
するパイロ（ｐｙｒｏ）フラッシュランプとを備え、前
記レーザが該フラッシュ光に応答して作動しうるという
ことを特徴としている。

本発明において点火装置に用いられる圧電装置は、ａ械
的な圧力が加えられたとき異った面上に反対極性の電荷
を発生できる。電気石、ロッシェル塩、ジルコン酸チタ
ン酸鉛、およびその池の物質の結晶がこのような効果を
発生する。ジルコン酸チタン酸鉛が本発明で用いるのに
推奨できる圧電性結晶材料でｃｌる。圧電性結晶に圧力
を加えたどき発生する電気エネルギは通常、高電圧蓄積
コンデンサに貯留される。このような圧電装置は商業ベ
ーズでよく知られており、例えば推奨できるものとして
、Ｆ　ｅｒｏｐｅｒ＋ｎ　Ｐ　ｉ、ｅ　ｚｏｃｅｒａｍ
ｉｃｓ形式ｐｚ２４およびＰＺ−２６の名称でＳ　ｅａ
ｃｏｒ　Ｉ　ｎＣ。

Ｗｅｓｔｗｏｏｄ、Ｎｅｗ　　Ｊｅｒｓｅｙから出され
ている。また好ましくは、圧電装置は静電容量０．１〜
１０マイクロファラッドのコンデンサを組み合せている
。

このような装置は、圧電装置がパイロ・フラッジスラン
プをｆ４勢するのに十分な高電圧、すなわち通常１０．
０００ボルト台以上、好ましくは２０．０００〜５０　
、０００ボルトの高電圧電出射できなければなちないと
いう要求を満足する。好ましくは、圧電常数は１６０〜
２７５Ｘ１０−　”　Ｃ／　Ｎ　（クーロン／周波数常
数〉である。このような圧電装置は、典型的に直径が２
．５４ａ＋ｍ（０，１ｆ＞チ）と小さく、かつ長さが０
．２５４ｅｎ＋という短いものである。上記した好まし
いユニットは直径が約０．４４５ｃ＋ｎ（０，１７５イ
ンチ）、長さが約０．８８９ｃｎ（０，３５０（ンチ）
であり、小形でコンパクトな点火ユニットを得るという
目標に対して著しく貢献している。

圧電装置は従来から、圧電手段が所望の電圧電出射する
のに十分な機械的なエネルギ源によってトリガされる。

−例として、２８．４ｇ（１オンス）の重量を、は７１
１９７０ｍ（１０オンス／ｆシチ〉の強さを有するばね
で駆動することで十分である。これに関連して、ばねの
かかった質量を（赤外線パルス源を作動させるために〉
用いることが、例えば上記の米国特許第３．９０９，７
４５号から知られている。他の方法として、従来の他の
装置を本発明の点火装置と組きわせて、高い機械エネル
ギのトリガ入力に用いることができる０例えば、外部の
機械式または電気式のトリガを、圧電性結晶に適当な重
量の衝撃をあたえるためガス圧電発生する火工技術装置
の作動に利用することができる。

高電圧パルスに応答して光を出射する手段は典型的に、
フォトフラッシュランプに似た１つ、または複数のパイ
ロ・フラッシュランプがらできており、これは例えば米
国特許第４，２４９，８８７号がら周知されている。こ
のランプは、圧縮酸素が充填されると共に、外部接触ピ
ンを有するガラスの外囲体を有し、さらにこの外囲体を
貫通し且つ火花間隙を形成する導線を（ブリッジ導線な
しに）もっている。導線の先端は火工技術プライマ（ｐ
ｒｉｍｅｒ）混合物でコーティングされており、さらに
ランプは通常、ジルコニウムまたはハフニウムの可燃性
金属繊維のゆるいがたまりを持っている。高電圧パルス
、例えばｔｏ、ｏｏｏボルト台またはそれ以上のパルス
に応答して、導線間の空隙を火花が走り、プライマを点
火して金属繊維の急激な燃焼をトリガする。ブリッジ導
線の代りに火花間隙をもった、この形式のフラッシュラ
ンプによって発生するフラッシュは、火工技術材料を確
実に点火させるのに要求されるパワーレベルまでレーザ
を十分に作動できるということが、本発明の臨界的な特
長である。

好ましくは、フラッシュランプは３８００ルーメン秒以
上の光出力を有し、光のピークは点火ｆ＆１０ミリ秒未
満内に発生し、少くとも１０，０００ボルトの印加によ
って点火するものとする。実例としては、ＧＴＥ　　Ｐ
ｒｏｄｕｃｔｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｍｏｎｔｏ
ｕｓｖｉｌ！ｅ。

Ｐ　ｅｎｎｓｙ　１ｖａｎ　ｉａ製の５ｙｌｖａｎｉａ
　　Ｍｏｄｅｌ　　Ｎｏ、　Ｓ−１がある。好ましくは
、本発明の点火装置は、このようなフラッシュランプそ
レーザの周りに３藺以上、さらに好ましくは６藺有し、
電気的に直列接続している。用いられるフラッシュラン
プの数は要求されるレーザ出力、あるいは要求される信
頼度又はこれら２つの組み合わせ、さらには適当な冗長
レベルに依存し、フラッシュランプを４個以上用いると
冗長度が保証される。これらの市販ユニットの寸法の小
さいことも、小形でコンパクトな点火ユニットを得ると
いう目標に対して有利である。

レーザは、好ましくは、固体のルビー、ネオジムガラス
、またはネオジムガラスのレーザであり、特に後者の方
が、広い温度範囲で使用できると共に経済的であること
から有利である。これらのレーザは通常、６〜９％のネ
オジム分子でドープされると共に、透明ガラスの被覆で
囲まれ、１．０６μ］ｎの増幅された光を出射する棒で
できている。

このレーザは、フラッシュランプがらの光がレーザの側
面を貫通して入ってきた後、ネオジム原子が励起され（
次に減衰し）たとき、゛ポンプ（ｐ　ｕ　＋ａ　ｐ　）
”される、すなわちその漏光光線を出射させられる。

本発明で用いられる特に好ましいレーザは、Ｑ１００被
覆ネオジムガラス棒（Ｋ　：ｇｒｅ　Ｉ　ｎｃｏｒｐｏ
ｒａｔｅｄ。

Ｈｉｌｔｏｎ　　Ｈｅａｄ　　ｌ５ｌａｎｄ、５ｏｕｔ
ｌ＋　　Ｃａｒａｌｉｎｅから入手可能〉の長さ４．４
２ｃ＋ｅ（１，７４０インチ〉で０．６ｃｍ（０，２３
６インチ〉のコアを有し、かっプラノ／プラノ（Ｐ　１
ａｎｏ／　Ｐ　１ａｎｏ）端末をもつものである。この
端末は２インチ円弧内で平行になっている。仕上げは１
０　／　５　　Ｓ　／　Ｄ　（Ｓ　ｃｒａｐｅ／　Ｄ　
ｉｇ）で、ラムダは１０フラット以上である。反射率は
一端が最大で、他端が９５．５ｇである。外径は共に微
細な研磨または光沢仕上げになっている。このようなレ
ーザはまたＨ　ｏｙａ　Ｏｐｔｉｅｓ　Ｉ　ｎｃｏｒｐ
ｏｒａｔｅｄ　　ｏｆ　　Ｆ　ｒｅｅｍｏｎｔＣａｌｉ
ｆｏｒｎｉａからも入手可能である。

レーザ光線は、例えばロケットモータ点火装置すなわち
イグナイタ（イニシエータ）の推進剤内の火工技術材料
、すなわち点火用の別置の火工技術材ｒ［の所望量を点
火するのに十分な出力を有する必要がある。光線をフォ
ーカスすなわち集光させるのに通常、平凸の光学レンズ
が用いられ、典型的には直径０．６３ｃｍ（０，２５４
シナ）から直径０．０９ｃｍ（０，０３５（’ｄ）まで
集光する。集光された光線は点火すべき火工技術材料に
直接に印加されるか、あるいは例えば溶融シリカ光ファ
イバから成る光ファイバク“−プルを通して印加される
。光フアイバケーブルは点火装置と火工技術材料を含む
装置とを分離する必要があるとき、および２つ以上の火
工技術材料体を１つのレーザ点火装置で点火したいとき
有利である。

本発明による点火装置は、好ましくは、機械的または電
気的安全手段を有し、さらに好ましくはその両方を有す
る。例えば、レーザ光線が人工技術材Ｆ［を１，１発的
にたたくのを防ぐ従来の機械的シャッタは望ましくない
点火を防止する。

（実施例） 第１図は本発明による点火装置を示すもので、圧電性結
晶（１）、固体レーザ（２〉、レーザを囲んて置かれ、
圧電装置およびそれぞれが直列に接続されｆＳ４つのフ
ォトフラッシュランプ（３）、レーデビー１１を集光さ
せる光学レンズ（４）、閉鎖位置のシャッタ（５）、お
よびイニシヱータ（６）（ｒ！Ａ１えば、固体ロｒツト
モータを点火させるのに用いる火工技術材料を含むカプ
セル）、およびばわ荷重の重り集き体（７）から構成さ
れている。

第１（ａ）図は、ばわ荷重の重りが圧電性結晶をたたき
、ランプ（３）をフラッシュさせる高電圧パルスを発生
させ、シャッタ（５）はその開放位置にあってレーザビ
ームがレンズ（４）およびガラス窓（６ａ）を通り、イ
ニシエータ（６）内の火工技術材Ｅｌをたたいている状
態を示している。

第２図は本発明によるレーザ点火システムのもう１つの
実施例を示す概略構成図であり、ガン発射のロケットに
よる射出体に用いるものである。

通常の発火ピンで点火されるガン（ｇｕｎ）推進剤を用
いて、ロゲット式の射出体はガンから点火される、ガン
が点火されたとき発生する゛″セツトバツク力、すなわ
ちガン運動（２１）はロケットモータ内部の人工地震体
または重り（８〉を起動させ、圧電性結晶（９）をたた
いてこれに応力を加える。またこの同じ力によって電気
式安全スイッチ〈１０〉が閉じる。圧電性結晶に応力が
加えられたとき発生する電気エネルギは高電圧蓄積コン
デンサ（１２）に貯留される。射出体がガンがら出て行
くと、経験で知られている負加速力が時間遅延スイッチ
（１３〉を閉じる。該スイッチが閉じると、コンデンサ
に貯留された電気エネルギが、それぞれ火花間隙（１５
）を有する複数のフラッシュランプ（１４）（図ではラ
ンプは１つだけ示している）に印加され、フラッジスラ
ンプを点火させる。これによって発生した光はレーザ（
１６）をポンプして光線を出射させ、この光線はレンズ
（１７）および窓（１８）を通りて走り、ロケット・モ
ータのイニシエータ（２０〉の火玉技術材料（１９〉を
たたき、これで火玉技術材ｆｉｌにロケット・モータを
点火させる。本実施例て用いるコンデンサは０．１〜１
，０マイクロフアランドの静電容量を有し、これはガス
充填レーザの点火に用いるコンデンサの場りよりも小さ
い値で、ｐ）る。

第１図に示すばわ荷重の重り集合体（７）ｌまイニシエ
ータ装置の一部分として構成してもよく１．するいは別
置の装置として動作するようにすることもできる３また
第１図では、シャッタは閉鎖位置で示されてｔ３つ、こ
の位置によりレーザビー・ｌ、が火工技術材料に到達し
てこれを点火するのを防止する。

また第１（ａ）図に示すガラス窓（６ａ〉は、シャッタ
（５）とイニジエータ＜６）との間の圧力シールとして
作用する。また第１（ａ〉図における参照番号（９〉は
イニシエータの火玉技術材［１からの高温ガス出力を示
している。本実施例においては、この高温ガスが固体ロ
ケット・モータの火工技術材ｆｌを点火する。

もう１つの実施例では、孔をもった回転シャフトがレー
ザと火工技術材料またはレーザビームを大工技術材料へ
伝送する光ファイバとの間に設けている。安全状態は、
この孔とレーザビームとがずれているときであり、この
ときシャフトが、レーザビームが火工技術材料に到達し
てこれを点火するのを防止している。装置を点火状態に
させるときは、シャフトを回転させてレーザビームがこ
の孔を通過できるようにする。

他の機械的な安全装置として、レーザ（またはレーザお
よびフラッシュランプを含む構成体）を回転させ、また
は動かして、火工技術材料または光ファイバとの関係位
置を合せたり、ずらしたりする手段、光ファイバを回転
させたり動かしたりして関係位置を合せたりずらしたり
する手段、および装置がトリガされるのを防ぐ（例えば
、開放ハンドルまたは点火ピンを一定位置にロックする
、安全と点火状態との２つの位置をもった回転式のばね
荷重をもった重りを用いる、など〉機械的手段を無用の
点火を防止するのに用いることができる。

また通常の短絡スイッチを安全装置として用いることも
可能である。例えば、フラッシュランプの２つのピンを
接続する導線が短絡回路を形成し、これによってフラッ
シュランプ内の火花間隙の間にスパークが発生するのを
防止する。

（発明の効果） 本発明による点火装置は重量が軽く、比較的小形であり
、また無制限の期間貯蔵可能であり、さらに高レベルの
レーザエネルギを供給できる。すなわち直径がわずか１
インチ、長さが２インチ、重さもわずか２オンスという
小形にできる。この点火装置は、通常のレーザ点火装置
を用いて点火できる大ていの火工技術システムまたは火
砲システムを点火するのに利用でき、さらに大電流電源
を必要とするためこの種の装置の使用が実用的でなかっ
たり、不可能であるような他の装置、例えば従来の電気
爆発式の爆管が点火手段として有利であるような用途に
対しても適用可能である。また、固体ログットモータ、
商業的な爆破や軍用火砲に用いられる爆発装置などのよ
うに、比較的感度の悪い大工技術材料の点火に好適であ
る０本発明のもう１つの利点は、点火してはいけない場
合に対する安全性、および必要な場合の確実でかつタイ
ムリな点火の両方について、その冗長性をシステム内に
容易に構成できるということである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による火工技術材料の点火装置の一実施
例をレーザビームを遮断した状態で示す図、第１（ａ）
図は、同じくレーザビームが通過する状態で示す図、第
２図は本発明によるレーザ点火システムの別の一実施例
を示す概略構成図である。 １・・・圧電性結晶　　　　２・・・固体レーザ３・・
・フラッシュランプ　４・・・光学レンズ５・・・シャ
ッタ　　　　　６・・・イニシエータ６ａ・・・ガラス
窓　　　　　７・・・重り葉身体８・・・重り　　　　
　　　９・・・圧電性結晶１０・・・安全スイッチ １２・・・高電圧蓄積コンデンサ ３・・・時間遅延スイッチ ４・・・フラッシュランプ ５・・・火花間隙 ７・・・レンズ ９・・・火工技術材料 １・・・ガン運動 １６・・・レーザ １８・・・窓 ２０・・・イニシエータ （外４名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作動時に火工技術材料を点火するのに十分な光線を
   出射しうる固体レーザを有する火工技術材料の点火装置
   において、 さらに前記レーザと組合せて、機械エネルギの印加に応
   答して高電圧パルスを発生しうる圧電装置と、 該高電圧パルスによって作動しうる火花間隙を有し、該
   火花間隙の作動に応答してフラッシュ光を出射するパイ
   ロ・フラッシュランプとを備え、前記レーザが前記フラ
   ッシュ光に応答して作動しうることを特徴とする火工技
   術材料の点火装置。 ２、さらに、前記フラッシュランプは、圧縮酸素および
   可燃金属繊維のゆるいかたまりが充填されたガラスの外
   囲体を有すると共に、外部接触ピンおよび前記外囲体を
   貫通して内部に火花間隙を形成する導線を有し、かつ該
   導線の先端は火工技術プライマ混合物でコーティングさ
   れていることを特徴とする請求項１記載の火工技術材料
   の点火装置。 ３、さらに、フラッシュランプは、１０，０００ボルト
   台またはそれ以上の高電圧パルスに応答してフラッシュ
   を生ずると共に、３，８００ルーメン秒以上の光出力を
   有し、かつ光のピークは点火後１０ミリ秒未満に生ずる
   ことを特徴とする請求項２記載の火工技術材料の点火装
   置。 ４、さらに、前記圧電装置は結晶ジルコン酸チタン酸鉛
   を有し、少くとも１０，０００ボルトを出射しえて、且
   つ静電容量０．１〜１．０マイクロファラッドのコンデ
   ンサを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか
   一項に記載の火工技術材料の点火装置。 ５、さらに、前記圧電装置は、２０，０００〜５０，０
   ００ボルトを出射しえて、圧電常数として１６０〜２７
   ５×１０＾−＾１＾２／　Ｎ（クーロン／周波数常数）
   を有することを特徴とする請求項４記載の大工技術材料
   の点火装置。 ６、さらに、前記圧電装置は、約０．４４５ｃｍの直径
   、および約０．８８９ｃｍの長さを有することを特徴と
   する請求項４または５記載の火工技術材料の点火装置。 ７、さらに、前記レーザは、ルビーレーザ、ネオジムガ
   ラスレーザ、またはネオジムＹＡＧレーザであることを
   特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の火
   工技術材料の点火装置。 ８、さらに、前記レーザは、Ｑ−１００被覆の、長さ４
   ．４２ｃｍで０．６ｃｍのコアを有する、ネオジムガラ
   ス棒であることを特徴とする請求項７記載の火工技術材
   料の点火装置。