(57)【要約】本発明は電気起爆要素（１０）用保護回路（１２）に関しており、半導体ブリッジ（ＳＣＢｓ）、ブリッジワイヤ他、の様な電気ブリッジ起爆要素が過渡現象の様な、環境から来る電気信号により故意にでなく動作してしまうことを防止するために利用される。本発明の保護回路（１２）はダイマー部分（１４）とクランプ動作部分（１６）とを有し、適当な起爆信号の持続時間より可成り短いのが典型的な予想の過渡現象的信号の持続時間に対応する適当な時間の間、その入力ノード（１０ａ、１０ｂ）で受ける電気信号の少なくとも１部分を、電気起爆要素（１０）から逸らすように設計されている。
2005533991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号入力ノードを有する電気起爆要素と、
該信号入力ノード間に接続された保護回路とを具備しており、該保護回路はこの様な入力信号の少なくとも１部分を該起爆要素から逸らすために、該入力ノードでの入力信号に応答するクランプ動作部分を備えており、該クランプ動作部分は、レリース信号に応答し、この様な該レリース信号を受けると、該入力信号が該起爆要素へ進むことを可能にし、
更に、該クランプ動作部分及び該入力ノードに接続されたタイマー部分を具備しており、該タイマー部分は該入力信号を受けた後クランプ動作時間の経過後に該クランプ動作部分にレリース信号を発するために、この様な入力信号に応答することを特徴とする起爆デバイス。
【請求項２】
該クランプ動作時間が約１００マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項１の該起爆デバイス。
【請求項３】
該クランプ動作時間が約５マイクロ秒から１００マイクロ秒の範囲内にあることを特徴とする請求項２の該起爆デバイス。
【請求項４】
該クランプ動作時間が約２０マイクロ秒から約１００マイクロ秒の範囲内にあることを特徴とする請求項２の該起爆デバイス。
【請求項５】
ユニポーラークランプ動作回路及びユニポーラータイマー回路を具備することを特徴とする請求項１の起爆デバイス。
【請求項６】
バイポーラークランプ動作回路及びバイポーラータイマー回路を具備することを特徴とする請求項１の該起爆デバイス。
【請求項７】
該電気起爆要素及び該保護回路の少なくとも１つが集積回路として形成されることを特徴とする請求項１の該起爆デバイス。
【請求項８】
該起爆要素及び保護回路が、該保護回路に接続された２本の電気リード線を有するヘッダー上に設置されており、そして更に該ヘッダー上に設置されたシェルと、該起爆要素による起爆用に該シェル内の反応性材料のチャージと、を具備することを特徴とする請求項７の該起爆デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気部品用の保護回路（protection circuitry）に関し、特に、例えば、スクイブ（squibs）、爆薬（detonators）、等で、反応性材料（reactive material）と共に使用するための電気起爆要素（electrical initiation elements）の保護に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本発明は、信号入力ノード（signal input nodes）を備える電気起爆要素を具備し、該信号入力ノード間に接続された保護回路を具備する、起爆デバイス（initiator device）を提供する。該保護回路は該入力ノードに於ける入力信号に応答するクランプ動作部分（clamping portion）を備えるが、それは該起爆要素からこの様な入力信号の少なくとも１部分を逸らすためであり、該クランプ動作部分はレリース信号に応答するが、それはこの様なレリース信号（release signal）を受けると該入力信号が該起爆要素へ進むことを可能にするためであり、そして該保護回路は又該クランプ動作回路と該入力ノードとに接続されたタイマー部分（timer portion）を備えており、該タイマー部分はこの様な入力信号に応答するが、それは該入力信号の受けた後クランプ動作時間の経過後該クランプ動作部分へレリース信号を発するためである。
【０００３】
本発明の１側面に依ると、該クランプ動作時間は約１００マイクロ秒以下であってもよい。例えば、該クランプ動作時間は約１マイクロ秒から約１００マイクロ秒の、又は約１０マイクロ秒から約１００マイクロ秒の、範囲にあってもよい。
【０００４】
本発明の種々の実施例では、該起爆デバイスはユニポーラークランプ動作回路（unipolar clamping circuit）及びユニポーラータイマー回路（unipolar timer circuit）を含んでもよく、或いはそれはバイポーラークランプ動作回路（bipolar clamping circuit）及びバイポーラータイマー回路（bipolar timer circuit）を含んでもよい。
【０００５】
オプションとして、該電気起爆要素と該保護回路の１つ又は両方が集積回路（integrated circuitry）として形成されてもよい。例えば、該起爆要素と保護回路は該保護回路に接続された２本の電気リード線を有するヘッダー（header）上に設置されてもよく、該デバイスは更に、該ヘッダー上に設置されたシェル（shell）と、該起爆要素による起爆用の該シェル内の反応材料のチャージ（charge of reactive material）と、を含んでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、反応性作動体（reactive effectors）、すなわち、起爆装置｛スクイブ（squibs）、爆薬（detonators）、他）、爆発ボルト（exploding bolts）、他の様な爆発性又は火工技術デバイス（explosive or pyrotechnic devices）を起爆するために普通使われる種類の電気起爆要素用の保護回路に関する。該保護回路は、該起爆要素が適当な起爆信号に応答して機能することを可能にしながら、過渡的環境電気信号（transient environmental electric signal）に応答する該起爆要素の故意でない動作（inadvertent functioning）を防止するため役立つ。該回路は典型的過渡信号の持続時間に対応する時間｛該クランプ動作時間（clamping interval）”｝の間入力電気信号の少なくとも１部分を該電気起爆要素から逸らす（diverting）｛”クランプ動作（clamping）する”｝ことにより機能する。この仕方で、過渡信号は該起爆要素を起爆しない。該クランプ動作時間は適当な起爆信号の持続時間より可成り短いので、適当な起爆信号の適当な部分（adequate proportion）がそれを機能させるよう該起爆要素に渡され得る。従って、本発明の保護回路はクランプ動作回路と、該クランプ動作回路が応答し、該クランプ動作時間を決めるタイマー回路と、を有する。
【０００７】
本発明の保護回路は、起爆要素の故意でない作動を引き起こし得る多くの過渡パルスが真正の（bona fide）起爆信号より持続時間が遙かに短い事実を利用する。従って、該保護回路は該起爆要素に供給された最小しきい値を上回るどんな入力電流の少なくとも１部分でも、短い時間｛”クランプ動作時間（the clamping interval）”｝の間、該起爆要素から逸らす（diverting）ことにより機能する。該クランプ動作時間の後は、該入力電流は該起爆要素へ流れることが可能になる。該クランプ動作時間は典型的過渡信号を阻止するには充分長いが、真正の（bona fide）起爆信号への該起爆要素の応答の信頼性が可成り影響されるようには長くないように選択される。起爆信号への該起爆要素の応答は該クランプ動作時間により遅延させられるので、該起爆信号は該起爆要素の機能時間を少なくともクランプ動作時間の長さだけ超えねばならない。
【０００８】
典型的実施例では、２ミリ秒（ｍｓ）、１アンペア（Ａ）起爆信号に応答する５００マイクロ秒より短い機能時間を有するよう設計された半導体ブリッジ（semiconductor bridge）（ＳＢＣ）起爆要素用の保護回路は、該ブリッジ電流を、約１００マイクロ秒（μｓ）までのクランプ動作時間中約０．５Ａより多くないよう制限する。かくして、該クランプ動作時間は適当な起爆信号の場合、該起爆要素の期待機能時間の約２０％まで、この例では、該起爆信号の持続時間の約５％まで、続いてもよい。好ましくは、該保護回路は、該ＳＣＢが２５℃で５０μｓ続く長方形２．５Ａ入力信号、又は５．３Ａ、４μｓ長方形パルス、に応答して着火しないことを要求する、その該デバイス用非着火制限の中に入るよう入力信号をクランプするべく設計される。典型的には、該クランプ動作時間は少なくとも約１μｓ、好ましくは少なくとも１０μｓである。
【０００９】
本発明の保護回路はクランプ動作部分とタイマー部分とを有する。この様な保護回路のユニポーラーの実施例の一般的表現は図１に示され、例えば、ＳＣＢ、チタンブリッジ、爆発性ブリッジワイヤ、他であってもよい電気起爆要素又は”ブリッジ”１０に接続される。保護回路１２はタイマー回路を有するタイマー部分１４と、クランプ動作回路を有するクランプ部分１６と、を備えるが、その両者はノード１０ａ及び１０ｂで受ける入力信号により電力を与えられる。ブリッジ１０は起爆信号と、恐らくは、回路過渡現象、静電放電、他の様な種々の望ましくない信号を、ノード１０ａ及び１０ｂを経由して受信する。該クランプ動作部分１６はノード１０ａ及び１０ｂに対し、ブリッジ１０間にそれと並列に接続される。結果として、クランプ動作部分１６はスイッチを有し、該スイッチは、閉じられた時、ブリッジ１０と並列に回路を創り、それはノード１０ａ及び１０ｂ間の電位により発生するどんな電流の可成りの部分も該ブリッジからそらす。該クランプ動作部分１６は、図解回路で、ブリッジ１０間の電位を規定するノード１０ａ及び１０ｂ間の電位の初期印加に応答する。しかしながら、クランプ動作部分１６の動作はタイマー部分１４により制御され、該タイマー部分は、該クランプ動作回路に該入力信号をレリースさせる（すなわちクランプ動作を停止させる）レリース信号を発生することにより、予め決められた時間（該クランプ期間）の後、該クランプ動作部分１６を動作不可能にする（disables）。もし、該クランプ動作時間の後電位がノード１０ａと１０ｂの間に残っていれば、それにより発生される何等かの電流がブリッジ１０を通って流れ、ブリッジ１０を機能させてもよい。
【００１０】
図１の保護回路１２の特定の実施例の回路線図が図２で提供される。この図で示される様に、タイマー部分１４のタイマー回路はトランジスターＱ１及びＱ２と一緒にＲＣ回路（抵抗Ｒ１及びキャパシターＣ１）を有する。クランプ動作部分１６のクランプ動作回路は抵抗器Ｒ２とトランジスターＱ３，Ｑ４及びＱ５とを有するシャントスイッチ（shunt switch）を備える。この様な保護回路１２の動作は下記例で説明される。
【００１１】
図２に示す該保護回路は性質上ユニポーラーであり、すなわち、それは特定の極性のノード１０ａ及び１０ｂ間電位にのみに応答して機能する。しかしながら、ノード１０ａ及び１０ｂ間の望ましくない漂遊電流（stray currents）及び放電は又図２の回路が応答出来ない反対の極性を有し、該ブリッジ１０を故意でない着火に対し攻撃を受けやすくする。この理由で、電気起爆要素の故意でない動作（inadvertent function）に対して保護するためにバイポーラー能動クランプ回路を提供することが好ましい。
【００１２】
ブリッジ間及びノード１０ａ’、１０ｂ’間に接続された図１のバイポーラー保護回路の略図的表現が図３に示される。この図で示される様に、タイマー部分１４’は、各々が相互に反対極性の入力信号に応答して動作するよう設計された２つのタイマー回路、タイマー回路１２２ａ及びタイマー回路１２２ｂと有する。クランプ動作部分１６’は、各々がダイオードと連携して働き、相互に反対極性の信号をクランプするよう設計されたシャントスイッチを有する、２つのクランプ動作回路を備える。タイマー回路１２２ａはダイオード１２０ａと連携して働くシャントスイッチ（shunt switch）１１８ａを有するクランプ動作部分１６’内のクランプ動作回路を制御する。タイマー回路１２２ａ、シャントスイッチ１１８ａそしてダイオード１２０ａは、特定極性の入力信号に応答して予め決められたクランプ動作時間の間ブリッジ１０間の能動的クランプ機能を提供するよう協力する。逆に、タイマー回路１２２ｂはタイマー回路１２２ａ、他が応答するそれらと反対の極性の信号に応答して能動的クランプ機能を提供するよう、シャントスイッチ１１８ｂそしてダイオード１２０ｂを含むクランプ動作回路を制御する。
【００１３】
図３の略図の特定のクランプ動作回路の回路線図が図４で提供される。図３及び４の回路はツエナーダイオード部分（zener diode portoin）１２４を有するが、それは、その大きさ及び／又は速度が該クランプ動作回路のクランプ動作能力及び／又は応答時間を超える静電放電の様な高電力過渡現象（high power transients）から該ブリッジ、該タイマー部分そして該クランプ動作部分を保護する。該ツエナーダイオード部分１２４はノード１０ａ’及び１０ｂ’間で、直列であるが、相互に対し逆バイアス配向の２つのツエナーダイオードを含む。
【００１４】
オプションとして、ツエナーダイオード部分は又図１及び図２のユニポーラーの実施例で、適当にバイアスされた単一ダイオードをオプション的に伴って、ノード１０ａ及び１０ｂ間で使われてもよい。
【００１５】
図２及び４に表された回路は個別回路素子（discrete circuit elements）を使って示された様に実質的に実施するよう容易に変えられ得る。しかしながら、該クランプ動作回路及びそれらが使われる電気起爆要素の好ましい実施例は、適当な基盤上に形成される固体起爆要素（solid state initiation element）｛例えば、半導体ブリッジ（ＳＣＢ）、タングステンブリッジ（tungsten bridge）、等｝を有する固体集積回路ダイ（solid state integrated circuit die）の形になっている。例えば、当該技術で公知の様に、ＳＣＢダイは上にＳＣＢ及びオプションの付随回路素子が形成される非導電基盤（non-conductive substrate）を有する。この様なダイは接触パッドを有して形成され、該パッドはリード線が電気起爆信号を提供するため接続され得る入力ノードを提供する。本発明の保護回路は、該起爆要素を有するダイ上の、又は別のダイ上の集積回路として、又は個別回路素子から、形成され得る。集積回路実施例の製作では、個別回路素子の特性に対して集積回路技術を使って形成される回路素子（抵抗器、キャパシター、他）の種々の特性及び能力を取り込むために、図解された回路線図への或るルーチン的変更がルーチンの問題として行われる。
【００１６】
図４Ａには本発明の電気起爆要素と、付随する保護回路と、を含む起爆装置が示される。起爆装置３０は非導電基盤（例えば、サフアイヤ）を有するＳＣＢダイ３２を含むが、該基盤上には集積回路製造技術を使って半導体ブリッジ起爆要素と本発明の保護回路とが形成されている。ダイ３２はエポキシ３６の薄い層によりヘッダー（header）３４に取り付けられる。ヘッダー３４とエポキシ３６とは非導電性材料で形成される。該保護回路及び該半導体ブリッジ用の入力ノードは該ダイ上にメタライズされたランド（metallized land）３８ａ及び３８ｂにより提供される。電気リード線４０はヘッダー３４内に設置され、リード線４２ａ及び４２ｂによりメタライズされたランド３８ａ及び３８ｂに接続される。反応性材料４６を含むシェル４４は反応性材料４６がダイ３２上の起爆要素と接触するようヘッダー３４に取り付けられる。該反応性材料４６は爆発性チャージ（explosive charge）を含み、そこでは該半導体ブリッジの動作時、反応性材料４６はシェル４４からの爆発性出力（explosive output）を発生する。代わりに、反応性材料４６は火工技術的出力（pyrotechnical output）を発生する火工技術材料（pyrotechnic material）を含んでもよい。
【実施例】
【００１７】
図２の回路線図のプロトタイプのクランプ動作回路が商業的に入手可能な部品を用いてブレッドボード（breadboard）上で組み立てられ、テストされた。該回路で使用された回路素子の仕様は下記の様である。
【００１８】
Ｃ１          １００ｐＦセラミックキャパシター、１００％、１００Ｖ
Ｑ１−３      ２Ｎ２２２２Ａ  ＮＰＮ小信号トランジスター
Ｑ４          ２Ｎ２９０７Ａ  ＰＮＰ小信号トランジスター
Ｑ５          ＭＭＪＴ９４１０Ｔ１  ＮＰＮ中電力トランジスター
Ｒ１          ２４９ｋΩ、１％、０．１Ｗ、金属膜
Ｒ２          １０ｋΩ、１％、０．１Ｗ、金属膜
Ｒ（ＳＣＢ）  ２つの１Ω、１Ｗ、直列の捲き線型（標準ＳＣＢをシミュレートする）
トランジスターＱ１−Ｑ５は約７５、好ましくは少なくとも約５０のベータ（beta）を有するバイポーラー接合型トランジスター（bipolar junction transistors）である。トランジスターＱ５は低いＶＣＥで大電流｛例えば、約１アンペア（Ａ）｝を扱うことが出来なければならない。シミュレートされた入力電流過渡現象の印加時、Ｒ（ＳＣＢ）（公称２Ωの抵抗）間に電圧が展開された（テストの目的で、ＳＣＢ又は他の電気起爆要素、の代わりに抵抗器が用いられた）。キャパシターＣ１がトランジスターＱ１を賦活するのに充分な程充電するまで、トランジスターＱ１及びＱ２の両者は”オフ”状態に保持される。これは電流が抵抗器Ｒ２を通って流れることを可能にして、トランジスターＱ３にベースドライブを提供する。トランジスターＱ３のコレクター電流はトランジスターＱ４のベースドライブを提供し、それは今度はトランジスターＱ５にベースドライブを提供し、該Ｑ５は入力電流の少なくとも１部分を抵抗器Ｒ（ＳＣＢ）から離れるようシャントする。
【００１９】
タイマー回路は、キャパシターＣ１がトランジスターＱ１を賦活するのに充分な程充電するまでトランジスターカップルＱ１／Ｑ２のターンオンを遅延させることにより動作する。その点で、トランジスターＱ１はオンに変わり、トランジスターＱ２にベースドライブを提供する。トランジスターＱ２は、オンの時、トランジスターＱ３のベースエミッター電圧をクランプするレリース信号を有効に発生し、それはトランジスターＱ４及びＱ５をオフにして、残りの入力電流の実質的に全部を抵抗器Ｒ（ＳＣＢ）を通って流れさせる。大きな電流利得（large current gain）のために、トランジスターＱ３のコレクター−エミッター飽和電圧ＶＣＥ（ＳＡＴ）はトランジスターＱ４のＶＣＥ（ＳＡＴ）より常に小さくあるべきで、同様に、トランジスターＱ４のベース−エミッター電圧ＶＢＥはトランジスターＱ５のＶＢＥより常に小さくあるべきである。
【００２０】
該回路は該クランプがオフに替わる時ヒステレシス（hysteresis）を有する。一旦キャパシターＣ１の電圧がトランジスターカップルＱ１／Ｑ２をオンに替えるに充分な程大きくなると、該クランプはオフに替わり始める。一定入力電流を仮定すると、抵抗器Ｒ（ＳＣＢ）  を通る電流は該クランプ動作回路がオフに替わると昇り始め、抵抗器Ｒ（ＳＣＢ）間の大きな電圧に帰着する。この正のフイードバックは、高い回路利得と一緒になって、クランプ動作回路の速いオフ切り替えをもたらす。これは、抵抗器Ｒ１が、入力電流の変動により引き起こされる遅延の変動を減じるめ電流源により置き換えられる場合に、憶えて置かれるべきである。その種の電流源の実施例ではこの様な劇的な正のフイードバックを有することは期待出来ない。
【００２１】
本来的に、タイマー回路及びクランプ動作回路用に選ばれた特定の回路素子はしきい値の大きさ（threshold magnitude）より小さい入力信号に応じない回路を作り、かくして該保護回路への本来的なしきい値検出機能（inherent threshold sensing function）を提供する。例えば、該入力信号がトランジスターＱ３を賦活するのに充分なＲ２の電流を発生しないならば該クランプ回路は機能しない。同様に、該タイマー回路トランジスターカップルＱ１／Ｑ２は入力電圧がそれらの組み合わせＶＢＥしきい値を超えるまでオンに切り替わらない。この例で、これは、該クランプがオンに殆ど切り替わりそうであるが、オフに切り替わらない様な、０．５Ａと０．６Ａの間の入力電流の範囲があるだろう、と言うことを意味する。該保護回路は、該しきい値が該起爆要素の故意でない作動を引き起すことが出来る期待される過渡信号の大きさの下にあるよう、当業者により容易に設計され得る。
【００２２】
該ブレッドボード回路についてのテストデータが５０マイクロ秒電流パルスについて表１で示される。該入力電流は該回路の入力ノードへの電流であり、ブリッジ電流は抵抗器Ｒ（ＳＣＢ）を通る測定された電流である。
【００２３】
【表１】
2005533991.tif 000003
【００２４】
表１のデータは０．５アンペア（Ａ）の最小テスト電流で該クランプは既にオンに替わり始め、該ブリッジから約８０ｍＡを逸らすことを示す。１．０Ａの入力電流で、該クランプは該入力電流の約半分をシャントしつつある。２．５Ａのテストされた最大過渡現象レベルで、該クランプは約１．８６Ａをシャントし、残りの０．６４Ａが該ブリッジを通り流れる。
【００２５】
更に進んだテストが１．２Ａ及び２．０Ａまでの正常な着火入力（normal firing input）で行われた。Ｒ（ＳＣＢ）を通る電流の最終波形が図５，６及び７で示されている。これらの図で、水平軸線は５０μｓ間隔で目盛り付けされ、垂直の尺度付けは０．５Ａ／デビジョン（0.5A/division）である。図５は、１．２Ａの入力信号に応答して、Ｒ（ＳＣＢ）で受けた電流が約１００μｓのクランプ動作時間について０．５Ａに過ぎないことを示す。その後、タイマーはクランプをレリースし、電圧は１．２Ａに上昇し、すなわち全入力電流（full input current）がＲ（ＳＣＢ）を通して受けられた。図６は、１．５Ａの入力信号に応答して、Ｒ（ＳＣＢ）により受けられる電流は該クランプ動作回路により減じられるので、約０．５Ａの電流しか約７５μｓのクランプ動作時間用に作られなかった（developed）ことを示す。該クランプ動作時間の後では、Ｒ（ＳＣＢ）の電流は全部の１．５Ａを得る。図７は、２Ａの入力信号に応答して、該クランプ動作時間中にＲ（ＳＣＢ）での減衰させられた電流は僅かに約０．５Ａとなり、該クランプ動作時間は約５０μｓ続いたことを示す。その後、タイマーが該クランプ動作回路をレリースし、全入力電流がＲ（ＳＣＢ）に供給され、２Ａの電流を作る。該クランプ動作時間は該入力電流が大きくなるにつれ予測可能に短くなり、何故ならばより大きい入力電流がキャパシターＣ１をより速く充電するからである。しかしながら、当業者は、一旦前記開示を与えられると、何等かの指定されたクランプ動作時間の間に該ブリッジから電流を逸らすのに好適な、本発明の能動的クランプ動作回路を設計出来る。
【００２６】
本発明がその２つの特定の実施例に関し図解され、説明されたが、前記開示を読むと、それらの実施例の数多くの変更と変型が可能であるがそれらは本発明及び付属の請求項の範囲に入ることは当業者により理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の電気起爆要素を有するユニポーラーの能動的クランプ動作回路の略図的表現である。
【図２】図１の回路の特定の実施例の回路線図である。
【図３】電気起爆要素を有する、本発明のバイポーラークランプ動作回路の略図的表現である。
【図４】図３で表された能動的クランプ動作回路の特定の実施例の回路線図である。
【図４Ａ】本発明の保護回路を有する電気起爆要素を備えた起爆装置の略図的断面図である。
【図５−７】例で説明された電気起爆要素の代わりの抵抗素子を通って流れる電流のプロットであり、それからクランプ動作時間が明らかになる。
【図１】
2005533991.tif 000004
【図２】
2005533991.tif 000005
【図３】
2005533991.tif 000006
【図４】
2005533991.tif 000007
【図４Ａ】
2005533991.tif 000008
【図５】
2005533991.tif 000009
【図６】
2005533991.tif 000010
【図７】
2005533991.tif 000011
【国際調査報告】
2005533991.tif 000012