(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生するレーザ発振装置と、
前記レーザ光を焦点に集光するレンズと、
前記焦点より反レンズ側である前方に位置し燃焼により燃焼ガスを発生させる主点火薬と、を備えるレーザ点火装置であって、
前記焦点に位置する第１点火薬と、該第１点火薬に第１隙間を挟んで対向し該第１点火薬と前記主点火薬との間に位置する第２点火薬と、を有する点火ユニットと、
前記点火ユニットから前方に向けて延び前記主点火薬に至る第２隙間と、を備える、レーザ点火装置。
【請求項２】
前記第１隙間は、燃焼する前記第１点火薬又は前記第２点火薬から飛散する火種が対向する前記第１点火薬又は前記第２点火薬に到達する距離である、請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項３】
前記第１点火薬又は前記第２点火薬は、非結晶ボロン硝石である、請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
【請求項４】
前記点火ユニットと前記主点火薬を収納するケースを備え、
前記ケースは、その後端部の前記レーザ光の光路上に設けられた採光孔と、
前記レーザ光を透過し前記採光孔を気密に閉塞する透過窓材と、
前端部に設けられ前記燃焼ガスを前記ケースの外部へ放出する放出孔と、を有し、
前記第１点火薬は、前記透過窓材の前面に設けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ点火装置。
【請求項５】
前記透過窓材は、前記ケースの後方壁面の前面に設けられた窪みに嵌められて設けられている、請求項４に記載のレーザ点火装置。
【請求項６】
後端部に前記第２点火薬を固定し前端部に前記主点火薬を固定する固定具を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光で点火するレーザ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体ロケットの推進薬を着火する点火装置としては、火薬を使用するものが一般的である。点火装置を簡便化すべく、レーザ光を使用した点火装置が研究されている。
レーザ光を使用した点火装置は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３０３３０１号公報
【特許文献２】特開２０１３−５７４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の点火装置は、光ファイバの出口端部を点火薬に押し付けて点火薬を着火する。
【０００５】
点火薬を着火するのに必要な単位面積あたりのエネルギは、予め決まっている。しかし、光ファイバの径をどんなに小さく成形しようとしても、限界がある。たとえ径を小さく設けた光ファイバであっても、その径の中にレーザ光のエネルギが分散してしまう。
そのため、光ファイバの出口端部の全面において、着火に必要となるエネルギ（単位面積あたりのレーザ出力）を達成するためには、出力が大きなレーザ光が必要となり、大型のレーザ発振装置を必要とする。そのため特許文献１の点火装置を小型化又は軽量化するのは困難であった。
【０００６】
特許文献２には、レーザ光を集光させるレンズを備えた点火装置が開示されている。レンズを設けることで、レーザ光を一点に集光させることができる。そのため、この点火装置は、集光によりエネルギの密度を高めることができるので、特許文献１の点火装置より弱いレーザ光であっても、着火に必要な単位面積あたりのエネルギを上回り、着火できる。
【０００７】
しかし、特許文献２の点火装置は、レーザ光を一点に集光させるため、着火する点火薬は極めて狭い範囲に限られる。このような点火装置の点火薬は、その小さな着火点からじわじわとゆっくり燃え広がることとなるため、燃焼が本格化するまでに多くの時間を必要とする。そのため特許文献２の点火装置は、点火が遅いという特徴があった。
【０００８】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、従来の点火装置より小型であり、かつ速やかに点火できるレーザ点火装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、レーザ光を発生するレーザ発振装置と、
前記レーザ光を焦点に集光するレンズと、
前記焦点より反レンズ側である前方に位置し燃焼により燃焼ガスを発生させる主点火薬と、を備えるレーザ点火装置であって、
前記焦点に位置する第１点火薬と、該第１点火薬に第１隙間を挟んで対向し該第１点火薬と前記主点火薬との間に位置する第２点火薬と、を有する点火ユニットと、
前記点火ユニットから前方に向けて延び前記主点火薬に至る第２隙間と、を備える、レーザ点火装置が提供される。
【００１０】
また前記第１隙間は、燃焼する前記第１点火薬又は前記第２点火薬から飛散する火種が対向する前記第１点火薬又は前記第２点火薬に到達する距離である。
【００１１】
また前記第１点火薬又は前記第２点火薬は、非結晶ボロン硝石である。
【００１２】
また前記点火ユニットと前記主点火薬を収納するケースを備え、
前記ケースは、その後端部の前記レーザ光の光路上に設けられた採光孔と、
前記レーザ光を透過し前記採光孔を気密に閉塞する透過窓材と、
前端部に設けられ前記燃焼ガスを前記ケースの外部へ放出する放出孔と、を有し、
前記第１点火薬は、前記透過窓材の前面に設けられる。
【００１３】
また前記透過窓材は、前記ケースの後方壁面の前面に設けられた窪みに嵌められて設けられている。
【００１４】
また後端部に前記第２点火薬を固定し前端部に前記主点火薬を固定する固定具を備える。
【発明の効果】
【００１５】
上述した本発明の装置によれば、レーザ光を集光させるレンズを備えるので、レーザ点火装置が、レーザ光の出力が小さい小型のものであっても、第１点火薬を着火させることができる。
【００１６】
本発明のレーザ点火装置が第１隙間を有することにより、第１点火薬は、燃焼により圧力が上昇した際に、弾けて第１隙間内を四方八方に飛散する。それにより、火の付いた火薬や火花（以下、火種）が第２点火薬の後面の広範囲にわたり付着するため、第２点火薬を第１点火薬に接しさせて配置した場合よりも、火種が付いた第２点火薬の面積が大きくなる。
【００１７】
また、本発明のレーザ点火装置は、第２点火薬から前方に離して主点火薬を配置し、主点火薬と点火ユニットとの間に延びる第２隙間を備える。
この構成により、第２隙間という狭い空間に高温高速の燃焼ガスを流すことで、より多くの火薬の表面に燃焼ガスを接しさせることができる。それにより、従来の点火装置の点火薬より主点火薬が少なくても、速やかに主点火薬を着火することができる。
【００１８】
したがって、第１点火薬と第２点火薬が第１隙間を挟んで対向して配置され、点火ユニットと主点火薬が第２隙間によって連結することにより、従来の点火装置より点火薬が少量であっても、速やかに着火することができる。
【００１９】
そのため本発明のレーザ点火装置は、従来の点火装置より小型に構成することができ、かつ速やかに点火することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のレーザ点火装置の断面図である。
【図２】本発明のレーザ点火装置における燃焼ガスの流れの説明図である。
【図３】実験例１と比較例１の着火時間を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明のレーザ点火装置１の断面図である。
本発明のレーザ点火装置１は、レーザ発振装置２、レンズ４、主点火薬１０、点火ユニット６、第２隙間１６、ケース１２、及び固定具１８を備える。また点火ユニット６は、対向する第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂを有する。
以下の説明において、第１点火薬６ａとレーザ光２ａの光路を焦点Ｆとする。また、レーザ光２ａの光路におけるレーザ発振装置側（焦点Ｆよりレンズ側）を後方とし、その反対側（焦点Ｆより反レンズ側）を前方とする。
【００２３】
レーザ発振装置２は、レーザ光２ａを発生させる装置である。例えばレーザ発振装置２には光ファイバ２ｂが接続されており、その光ファイバ２ｂの前端部（出口端部）からレーザ光２ａを出力するように構成されていることが好ましい。しかしこれに限らず、レーザ発振装置２から直接レンズ４に向けてレーザ光２ａが照射されてもよい。
【００２４】
レンズ４は、光ファイバ２ｂの出口端部と第１点火薬６ａとの間に設けられ、レーザ光２ａを焦点Ｆに集光する。
第１点火薬６ａの前面にレーザ光２ａを集光させることができるのであれば、レンズ４は、一つであってもよい。
【００２５】
もしくは図１に示すように、レンズ４は、２つ以上を組み合わせて設けられていてもよい。例えば図１の場合、後方のレンズ４が、光ファイバ２ｂの出口端部から放出されるレーザ光２ａを、平行光（平行なレーザ光２ａ）に変換する。前方のレンズ４は、平行光を焦点Ｆに集光させる。平行光は、平行に進むので、前方のレンズ４と後方のレンズ４との距離が変化しても、レーザ光２ａの光路に直交する幅は、変わらない。
【００２６】
したがって、この構成により、前方のレンズ４と後方のレンズ４の距離を自由に設定することができる。例えば前方のレンズ４と後方のレンズ４との距離を長く設定することにより、レーザ発振装置２から離れた位置に、ケース１２を設置することができる。それにより、レーザ発振装置２が点火薬の燃焼による高熱に曝露され、故障するのを防ぐことができる。
【００２７】
主点火薬１０は、焦点Ｆより前方（図１では、右側）に位置し、燃焼することにより燃焼ガスを発生させる。本発明のレーザ点火装置１が備える点火薬（主点火薬１０及び後述する第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂ）のうち、主点火薬１０が最も多くの燃焼ガスを発生させる。主点火薬１０は、例えばペレット状のボロン硝石であることが好ましい。しかしこれに限らず、主点火薬１０は、他の点火薬であってもよい。例えば、主点火薬１０は、アルミ粉末と過塩素酸アンモニウムおよびそれらを固めるための樹脂（バインダー）の混合物であってもよい。なお、ボロン硝石とは、結晶性ボロンと硝石とバインダーの混合物である。
【００２８】
ケース１２は、点火ユニット６と主点火薬１０を収納し、採光孔１２ａ、透過窓材１２ｂ、放出孔１２ｃを有する。ケース１２は、耐圧構造となっていることが好ましい。例えば図１の例の場合、ケース１２は、前端部の壁（以下、前方壁面）と側壁とを有する収納部と、後端部の壁（以下、後方壁面）とをパッキン１２ｄ（例えばＯリング）を介して連結させることにより構成される。
しかし、ケース１２の構成は、その他のものであってもよい。
またケース１２は、例えばチタン合金で形成されていることが好ましいが、その他の素材で形成されていてもよい。
【００２９】
図２は、本発明のレーザ点火装置１における燃焼ガスの流れの説明図である。この図においては、火が着いた火薬や火花の動きを実線の矢印で示し、燃焼ガスの流れを破線の矢印で示す。
【００３０】
放出孔１２ｃは、ケース１２の前端部（図２の例では、前方壁面）に設けられた貫通孔である。第２隙間１６を通って前方（図２では、右側）に流れる燃焼ガスは、放出孔１２ｃからケース１２の外部へ放出される。
【００３１】
採光孔１２ａは、レーザ光２ａの光路上であって、ケース１２の後方壁面に設けられた貫通孔である。
【００３２】
透過窓材１２ｂは、レーザ光２ａを透過し、採光孔１２ａを気密に閉塞する部材である。透過窓材１２ｂは、例えばアクリル、石英ガラス、もしくはサファイアガラスで構成されていてもよい。しかしそれに限らず、耐熱性、レーザ光２ａの透過性、及び耐圧性を備えるのであれば、その他の素材でもよい。
透過窓材１２ｂが採光孔１２ａに設けられることにより、ケース１２の後面の気密性を維持したまま、ケース１２の内側にレーザ光２ａを通すことができる。
【００３３】
図２に示すように、透過窓材１２ｂは、ケース１２の後方壁面の前面に設けられた窪み１２ｅに、前方（図２では、右側）から嵌められていることが好ましい。それにより燃焼ガスの発生によってケース１２の内圧が上昇すると、透過窓材１２ｂが後方に向けてケース１２の後方壁面に押し付けられる。
したがって、燃焼ガスが採光孔１２ａから漏れるのを防ぎ、採光孔１２ａの気密性が保たれる。
【００３４】
この構成により、ケース１２に前後の２つの孔（採光孔１２ａと放出孔１２ｃ）が開いていても、燃焼ガスは放出孔１２ｃからのみ放出される。そのため燃焼ガスは、ケース１２の前方にのみ放出される。
【００３５】
固定具１８は、燃焼しない素材で構成され、第２点火薬６ｂと主点火薬１０を保持し、それらの位置を固定する。例えば固定具１８は、ベークライトで構成されていてもよい。また図２に示すように、固定具１８は、第２隙間１６の形状を形成してもよい。
例えば固定具１８は、後端部に第２点火薬６ｂを固定し、前端部に主点火薬１０を固定してもよい。この場合、主点火薬１０を固定具１８の側面や前面に固定してもよい。
【００３６】
点火ユニット６は、対向する第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂを有する。なお、以下の説明において、第１点火薬６ａ、第２点火薬６ｂ、及び主点火薬１０の総称として、点火薬と呼ぶ。
【００３７】
点火ユニット６では、燃え広がりを速くするため、燃え広がりが速い火薬を第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂに使用する。第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂは、燃焼により高温高速の燃焼ガスを発生する。
【００３８】
第１点火薬６ａは、透過窓材１２ｂの前面に設けられる。第１点火薬６ａの後面は、焦点Ｆ又は焦点Ｆの近傍（以下、単に「焦点Ｆ」とする）に位置する。例えば第１点火薬６ａは、ケース１２の透過窓材１２ｂの前面に塗布されていてもよい。
【００３９】
第２点火薬６ｂは、第１点火薬６ａに第１隙間１４を挟んで対向し、第１点火薬６ａと主点火薬１０との間に位置する。第２点火薬６ｂは、第１点火薬６ａより火薬量が多く設けられていることが好ましい。
【００４０】
また、第２点火薬６ｂの後面の面積は、第１点火薬６ａの前面の面積よりも広く設けられていることが好ましい。
それにより、第１点火薬６ａから四方八方に飛び散った火種を、第２点火薬６ｂの後面で効率よく受けることができる。
【００４１】
第１点火薬６ａ又は第２点火薬６ｂは、例えば非結晶ボロン硝石であることが好ましい。しかしこれに限らず、第１点火薬６ａ又は第２点火薬６ｂは、粉状や粒状のボロン硝石、アルミ粉末と過塩素酸アンモニウムおよびそれらを固めるためのバインダーの混合物であってもよい。なお、非結晶ボロン硝石とは、非結晶性ボロンと硝石とバインダーの混合物である。
【００４２】
第１隙間１４は、燃焼する第１点火薬６ａ又は第２点火薬６ｂから飛散する火種が対向する第１点火薬６ａ又は第２点火薬６ｂに到達する距離である。例えば第１隙間１４は、約０．５〜３ｍｍの距離であってもよい。もしくは飛散する火種が対向する第１点火薬６ａ又は第２点火薬６ｂに付着できるのであれば、第１隙間１４の距離はこれより大きくてもよい。
【００４３】
第２隙間１６は、点火ユニット６から前方に向けて延び、主点火薬１０に至り、ケース１２の放出孔１２ｃを介してケース１２の外部に連通する。第２隙間１６は、第１隙間１４に連結する。
例えば図１の例で、主点火薬１０は、第２隙間１６に露出して固定具１８の側面に保持されている。また例えば第２隙間１６は、図１に示すように、ケース１２と点火ユニット６及び主点火薬１０との間に設けられていてもよい。しかしこれに限らず、第２隙間１６は、その他の流路を構成していてもよい。
【００４４】
第２隙間１６は、第１点火薬６ａ又は第２点火薬６ｂの燃焼により発生する燃焼ガスが通過できる限りで狭く設けることが好ましい。例えば第２隙間１６の距離は、約２ｍｍ（例えば０．５〜３ｍｍ）であってもよい。
それにより、第１点火薬６ａ及び第２点火薬６ｂや主点火薬１０の火薬の量が従来の点火装置のものより少なくても、速やかに燃焼ガスの圧力を上昇させることができる。燃焼ガスが回る速度は、燃焼ガスの圧力に比例し、圧力の上昇速度が速いほど、燃焼ガスが回る速度が速くなる。そのため第２隙間１６を狭く構成することにより、従来の点火装置より点火薬が少量であっても、速やかに着火することができる。
【００４５】
また第２隙間１６は、図２に示すように、後方から前方に向けて狭くなるように設けられていてもよい。図２のレーザ点火装置１の場合、固定具１８は、光路に直交する断面積が前方に向かうにつれて漸増する形状となっている。それにより図２の第２隙間１６は、前方に向かうにつれて狭くなっている。もしくは、第２隙間１６は、固定具１８の外面形状で形成する他に、ケース１２の内面形状により形成されていてもよい。
この構成により、点火ユニット６で発生した燃焼ガスの流速は、前方に向かうにつれて上昇する。
【実施例】
【００４６】
以下、各実験例に基づき本発明を具体的に説明する。なお、本発明は下記の内容に制限されるものではない。
【００４７】
実験例１においては、上述した本発明のレーザ点火装置１を用いて主点火薬１０までを含めた着火時間を計測した。実験例１のレーザ発振装置２のレーザ光２ａの出力は、１Ｗであった。また、実験例１で使用した点火薬のうち、第１点火薬６ａは非結晶ボロン硝石であり、第２点火薬６ｂと主点火薬１０は結晶性ボロンと硝石、および樹脂（バインダー）の混合物であった。
【００４８】
比較例１として、上述した本発明のレーザ点火装置１とは、第１点火薬６ａを有さない点のみ異なるレーザ点火装置を用いて着火時間を計測した。その際のレーザ集光位置は第２点火薬６ｂとした。比較例１のレーザ発振装置のレーザ光の出力も、１Ｗであった。また、比較例１で使用した点火薬のうち、第２点火薬６ｂと主点火薬１０は結晶性ボロンと硝石、およびバインダーの混合物であった。
【００４９】
図３は、実験例１と比較例１の着火時間を比較したグラフである。この図は、第１点火薬６ａの有無と着火時間との関係を表している。この図において、縦軸は、着火時間を無次元化して示している。この図の左側の棒グラフは比較例１を示し、右側の棒グラフは実験例１を示す。
【００５０】
この図では、比較例１の着火時間を基準として無次元化している。つまり、この図の実験例１の値は、実験例１の着火時間の実測値を、比較例１の着火時間の実測値で除した値である。
【００５１】
この図に示すように、実験例１は、比較例１の約半分（０．４倍〜０．６倍）の時間で着火した。これにより、本発明のレーザ点火装置１（実験例１）は、第１点火薬６ａを有することにより、第１点火薬６ａを有しないレーザ点火装置の約２倍の速さで着火できることが分かった。
【００５２】
上述した本発明の装置によれば、レーザ光２ａを集光させるレンズ４を備えるので、レーザ点火装置１が、レーザ光２ａの出力が小さい小型のものであっても、第１点火薬６ａを着火させることができる。
【００５３】
本発明のレーザ点火装置１は、第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂが燃え広がりの速さが速い火薬であり、レンズ４の焦点Ｆに第１点火薬６ａが配置される。第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂの間に第１隙間１４を備えるので、第１点火薬６ａを着火すると、第１点火薬６ａの圧力が高まり、火の付いた火薬が吹き飛び、撒き散らされる。第２点火薬６ｂは、第１点火薬６ａに対向する位置に配置されるので、撒き散らされた火薬が第２点火薬６ｂに到達し、着火させる。点火ユニット６と主点火薬１０は第２隙間１６で連結しているので、第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂの間で発生した燃焼ガスが第２隙間１６を通って前方（図２では、右側）へ燃え広がり、主点火薬１０を着火させる。
【００５４】
つまり本発明のレーザ点火装置１は第１隙間１４を有することにより、第１点火薬６ａが、燃焼により圧力が上昇した際に、弾けて第１隙間内を四方八方に飛散する。それにより、火の付いた火薬や火花等の火種が第２点火薬６ｂの後面の広範囲にわたり付着するため、第２点火薬６ｂを第１点火薬６ａに接しさせて配置した場合よりも、火種が付いた第２点火薬６ｂの面積が大きくなる。
したがって、本発明のレーザ点火装置１は、第２点火薬６ｂをより広範囲で燃焼させることができるので、第２点火薬６ｂの燃焼を早期に本格化させることができる。
【００５５】
また、本発明のレーザ点火装置１は、第２点火薬６ｂから前方に離して主点火薬１０を配置し、主点火薬１０と点火ユニット６との間に延びる第２隙間１６を備える。この構成により、第２隙間１６という狭い空間に高温高速の燃焼ガスを流すことで、より多くの火薬の表面に燃焼ガスを接しさせることができる。それにより、従来の点火装置の点火薬より主点火薬１０が少なくても、速やかに主点火薬１０を着火させることができる。
【００５６】
したがって、第１点火薬６ａと第２点火薬６ｂが第１隙間１４を挟んで対向して配置され、点火ユニット６と主点火薬１０が第２隙間１６によって連結することで、従来の点火装置より点火薬が少量であっても、速やかに着火することができる。そのため従来の点火装置より小型に構成することができ、かつ着火性を向上させることができる。また本発明のレーザ点火装置１は小型に形成することができるので、従来の点火装置より、軽量に構成することができる。
それにより、本発明のレーザ点火装置１は、宇宙ロケットの上段モータに対して、従来より、小型、軽量、省スペースな点火システムを適用することができる。
【００５７】
なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１  レーザ点火装置、
２  レーザ発振装置、２ａ  レーザ光、２ｂ  光ファイバ、
４  レンズ、
６  点火ユニット、６ａ  第１点火薬、６ｂ  第２点火薬、
１０  主点火薬、
１２  ケース、１２ａ  採光孔、１２ｂ  透過窓材、
１２ｃ  放出孔、１２ｄ  パッキン、１２ｅ  窪み、
１４  第１隙間、１６  第２隙間、１８  固定具、
Ｆ  焦点
【図１】
0006650830.tif 000002
【図２】
0006650830.tif 000003
【図３】
0006650830.tif 000004