(57)【要約】【課題】  小さな初期エネルギーによる反応開始が可能で、且つ反応中断が生ぜず、更には製作過程における容易な計量性、或いは均一な装填性に対処した画期的なマイクロ爆薬システムが提供できた。【解決手段】  ＭＥＭＳの加工技術により製作された構成体と発火点が２４０℃以下の化合火薬類を組み合わせたマイクロ爆薬システム、及びその際、化合火薬類がジアゾジニトロフェノールであり、且つジアゾジニトロフェノールの形状が球形であるマイクロ爆薬システム。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳの加工技術により製作された構成体と発火点が２４０℃以下の化合火薬類を組み合わせたことを特徴とするマイクロ爆薬システム。
【請求項２】
化合火薬類がジアゾジニトロフェノールであることを特徴とする請求項１記載のマイクロ爆薬システム。
【請求項３】
ジアゾジニトロフェノールの形状が球形であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ爆薬システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳの加工技術によって作製される構成体と火薬類を組み合わせたマイクロ爆薬システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
岩石発破、ロケットの推進薬等に使用されている火薬類の潜在的な高エネルギーを、より微細な技術領域、或いは高度な精密制御の必要な技術領域へと応用するために、爆薬システムを小型化する研究、開発が活発に行われている。
これらの小型爆薬システムとしては、例えば、内径１ｍｍ、長さ２０ｍｍのステンレス鋼管に火薬２ｍｇを装填した膀胱結石破砕用装置の小型爆薬システムが非特許文献１に開示されている。
しかしながら、更に微細構造を有するマイクロ爆薬システムの製作は、加工技術の限界により、はなはだ困難なものであった。
一方、電子産業、特に半導体分野における製造技術の発展は目覚しく、微細加工技術の進展により、種々のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）が生み出されている。このＭＥＭＳに関する加工技術と火薬類を組み合わせたマイクロ爆薬システムとして、トリニトロレゾルシン鉛を用いた小型推進装置が非特許文献２に、硝石とホウ素、ロダン鉛と塩素酸カリウムを用いた小型推進装置が非特許文献３に、或いはシクロテトラメチレンテトラニトラミン、シクロトリメチレントリニトラミンを用いた小型推進装置が非特許文献４に開示されている。  
【０００３】
【非特許文献１】工業火薬協会誌  Vol.41, No.2. pp.98-105, 1980
【非特許文献２】Sensors and Actuators 80 pp.143-154, 2000
【非特許文献３】Japan Soc.Aero.Space Sci. Vol.46, No.151. pp.47-51, 2003
【非特許文献４】Technical  Digest  of  Power  MEMS  2003、pp、149-152、Makuhari、Japan、2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらのマイクロ爆薬システムを製作する上で重要なことは、極微量な火薬類で要求される性能を満足させることである。火薬類の反応は、量による影響を大きく受け、量が少ない時は反応温度の低下、生成ガス量の低下、更には反応中断などを生じる場合がある。
確実に反応を進行させるためには、微量な領域において偏析の無い、均一な組成を得る等の対策を講じることが必要である。
また、本発明のＭＥＭＳ技術領域では、大電流による装置破損を防止するために、火薬類の反応開始に必要な初期エネルギーを出来るだけ小さくする必要がある。
次に重要なことは、微細な構成体中へ火薬類を如何に計量性良く、且つムラなく均一に装填するかである。そして加えて重要なことは、マイクロ爆薬システム中への異物、特に火薬類による粉塵混入対策である。精密な電子回路を有するマイクロ爆薬システムにおいては、異物混入は電気回路のショート等による障害を生じる恐れがある。
以上の技術的課題に対して、非特許文献２では酸化剤の働きを有する硝石、又は塩素酸カリウム、可燃剤の働きを有するホウ素、又はロダン鉛からなる混合火薬を用いている。混合火薬は、２種類以上の原料成分を機械的に混合することによって得られるが、その場合、微少領域まで均一に混合された組成物にすることははなはだ困難である。
【０００５】
非特許文献３及び４には、単一化合物である化合火薬トリシネート、シクロテトラメチレンテトラニトラミン、或いはシクロトリメチレントリニトラミンが記載されているが、これらの火薬類を安定に反応開始させるためには、その特性上、大きな初期エネルギーを与えてやる必要がある。特に、シクロテトラメチレンテトラニトラミン、或いはシクロトリメチレントリニトラミンは小さな初期エネルギーでは、反応が全体に渡り継続しないことが開示されている。更に、非特許文献２、３、４には、マイクロ爆薬システムの製作工程における、計量の容易性、ムラのない均一な装填性、或いは粉塵等の課題への対策に関しては殆ど開示されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ついに本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は次の態様を有するものである。
（１）ＭＥＭＳの加工技術により製作された構成体と発火点が２４０℃以下の化合火薬類を組み合わせたマイクロ爆薬システム。
（２）化合火薬類がジアゾジニトロフェノールである上記（１）記載のマイクロ爆薬システム。
（３）ジアゾジニトロフェノールの形状が球形であることを特徴とする上記（２）記載のマイクロ爆薬システム。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、小さな初期エネルギーによる反応開始が可能で、且つ反応中断が生じず、更には製作過程における容易な計量性、或いは均一な装填性に対処した画期的なマイクロ爆薬システムが提供できた。
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明におけるＭＥＭＳの加工技術とは、前述したように主に半導体の製造を目的として発展してきた微細加工技術である。例えば、シリコン基板上に、センサーや作動装置を集積化させる加工技術で、この技術の進歩によりミクロン単位の構成体の製造が可能となった。
本発明における構成体は、この加工技術により製作された火薬を装填するための燃焼室と火薬の反応を開始させるための点火部及びその電気、電子回路を基本構成とするものであり、その構成体と火薬類を組み合わせたものが本発明のマイクロ爆薬システムである。
本発明において用いられる火薬類は、発火点２４０℃以下の化合火薬類である。
【０００８】
火薬類は、前述した酸化剤と可燃剤の混合からなる混合火薬類、または分子内で酸化還元反応を生じる単一化合物としての化合火薬類に分けられる。化合火薬類は混合火薬類に比べ、単一化合物であるため、微量においても組成偏析の影響は受けることなく、好ましく用いられる。
この化合火薬類中において好ましいのは、小さな点火エネルギーで反応が開始され、且つ燃焼伝搬性に優れた特性を有するもので、より具体的には発火点が低く、反応熱量の大きいものである。
化合火薬類には、トリシネート、シクロテトラメチレンテトラニトラミン、シクロトリメチレントリニトラミン、ペンタエリスリットテトラナイトレート等が挙げられるが、これらは発火点が、例えば、シクロテトラメチレンテトラニトラミンは３３５℃（「工業火薬ハントブック」1966参照）、シクロトリメチレントリニトラミンは２６０℃（「工業火薬ハントブック」1966参照）と高いために、反応を開始させるための初期エネルギーが高く、且つ反応開始後の燃焼伝搬性が低いために好ましくない。好ましいのは発火点２４０℃以下の化合火薬類であり、例えば、ジアゾジニトロフェノール、エチレンジニトラミン、ペンタエリスリットテトラナイトレート等が挙げられる。その中で特に好ましいのは、ジアゾジニトロフェノールである。ジアゾジニトロフェノールは、酸素を開放しやすいニトロ基、及び極めて自己分解を生じ易いジアゾ基を分子内に有する単一化合物であり、発火温度が１８０℃と他の化合火薬と比較して低く、且つ反応熱は８２０ｋｃａｌ／ｇと高い化合火薬である。
【０００９】
本発明において用いられる火薬類の形状は、粉体状、或いは粉体を予め成形したペレット状、等でも構わないが、好ましくは、個々の粒子が球形、又は造粒により球形化したものを用いることである。
球形状はその他の形状に比較して流動性に優れており、複雑な形状を有する燃焼室に対しても均一に装薬が可能である。またマイクロ爆薬システムに外部応力が負荷された場合、個々の粒子が応力を緩和し、割れなどを生じ難い。球形の粒径は、燃焼室の寸法を考慮した上で１０〜４００μｍの範囲が好ましく、更に好ましいのは、粉塵付着を避けるために５０μｍ以上である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のマイクロ爆薬システムは、前記の小型人工衛星の姿勢制御用推進装置を初めとして、医療用結石破砕装置、医療用血栓除去装置、更にはミサイルの姿勢制御用装置など、幅広い利用分野が考えられる。
以下に、本発明の一実施態様である小型ガス発生装置を例に、更に本発明を詳細に説明する。
図１に小型ガス発生装置の一例を示す。
図１における小型ガス発生装置は、火薬類の反応を開始させるための点火部としての薄膜金属ヒーター１、該薄膜金属ヒーター１を配置した構成体底面部としてのヒーター付ガラス２、本発明に係る火薬類を装填、燃焼させる構成体側面部としてのエッチングシリコンウェハー３、そしてガス排出口を備えた構成体上面部としての上面ガラス４から成る。ヒーター付ガラス２は、フォトレジストを用いたリフトオフ法により、薄膜金属ヒーター１の形状に金属を蒸着することにより製作する。清浄なガラス板に反転型ポジレジストを塗布し、ヒーターの形状をしたマスクをかけて短時間露光することにより、マスク部以外の部分をネガレジストに反転させる。マスクを取り除き、長時間露光を行った後、現像するとマスク部のポジレジストが流出し、ガラス板が露出する。現像後、金属の蒸着を行い、レジストを溶剤により完全に除去するとマスク部のみに金属蒸着が残留することで、ヒーター付ガラス２を製作する。
【００１１】
薄膜金属ヒーター１に用いる金属は、導電性の高い白金、金、銀、銅等が好ましく、その中でも耐食性が良く、強度が比較的強い白金がより好ましい。更に好ましくは、ヒーターのはがれを防ぐため、ガラス上に予めチタンを蒸着した後、白金を蒸着することである。薄膜金属ヒーター１の厚さは、リフトオフ法を用いる場合、高精度のヒーター設計が容易となる１００ｎｍ以下にすることが好ましい。
ヒーター付ガラス２の材質は、ガラス材料等の無機材料の他に、金属材料、或いは樹脂材料などを用いても構わない。
【００１２】
エッチングシリコンウェハー３には、シリコンウェハーをエッチング法により、燃焼室としての燃料タンクの形状を作製する。清浄なシリコンウェハーを熱酸化させて、表面を二酸化ケイ素によりコーティングする。コーティングしたウェハー上にネガレジストを塗布後、燃料タンクの形状をしたマスクをかけ、露光する。露光後、現像するとマスク部のウェハーの二酸化ケイ素表面が露出する。フッ酸系水溶液で二酸化ケイ素をエッチングし、マスク部のシリコンを露出させる。これを水酸化カリウム水溶液に浸し、シリコンをエッチングすることで燃料タンクの形状を成形する。
エッチングシリコンウェハー３は、シリコンウェハー以外に金属材料や樹脂材料などを用い、それぞれに適した方法により燃料タンクの形状を作製しても構わないが、精度の良さ、或いは量産が容易さからシリコンウェハーを用いることが好ましい。
ガス排出口を備えた上面ガラス４の材質は、ガラス材料などの無機材料の他に、金属材料、或いは樹脂材料などを用いても構わない。このガス排出口には、内部の火薬類の流出を防ぐために薄膜が配置されている。また、この薄膜は、燃焼室の圧力を上昇させ、一定の圧力以上になると破れることにより、大きなガス圧力を得る効果も有している。薄膜に用いられる材料は、例えば、金属箔、或いは樹脂薄膜等である。
【００１３】
図２は、小型ガス発生装置を組立てた一例を示す。
ヒーター付ガラス２とエッチングシリコンウェハー３を接着剤等の接合で一体化した後、燃焼室に球状のジアゾジニトロフェノールを装填し、ガス排出口を備えた上面ガラス４で封入し一体化している。
また図２は、球状のジアゾジニトロフェノールを用いたことによる燃焼室への均一な装填状態も模式的に示している。
図１、２の例においては、燃焼室の形状は直方形であるが、目的に応じて円柱形、角錐形、円錐形などの形状であっても構わない。
薄膜金属ヒーター１の数は、必要に応じて設置され、また設置個所については、燃焼室の底部のみならず、上部或いは側面であっても構わない。更に、点火部の機構として電磁波等を照射する方法を用いても構わない。
このようにして組立てられた小型ガス発生装置であるマイクロ爆薬システムは、以下の作用により作動する。
先ず、ヒーター部に電気を通じることによりヒーターが発熱する。そのヒーターの熱エネルギーにより、ジアゾジニトロフェノールが燃焼を開始する。反応生成物である燃焼ガスは、上部ガス排出口を通して外部へ排出され、圧力として作用する。
【実施例】
【００１４】
〔実施例１〕
図１に示す構成体に平均粒径１００μｍの球形状ジアゾジニトロフェノールを装填したマイクロ爆薬システムを製作し、ヒーターに７Ｗ電力を与える燃焼試験を５回実施した。その結果、５回のいずれの試験においても装填されたジアゾジニトロフェノールが燃焼し、ガス排出口よりガスの排出が認められた。
〔実施例２〕
図１に示す構成体に、平均粒径１０μｍの粉状ジアゾジニトロフェノールを装填したマイクロ爆薬システムを製作し、ヒーターに７Ｗ電力を与える燃焼試験を５回実施した。その結果、５回のいずれの試験においても装填されたジアゾジニトロフェノールが燃焼し、ガス排出口よりガスの排出が認められた。但し、燃焼室へのジアゾジニトロフェノールの装填は、実施例１に比較して均一に装填し難い等、作業性は容易ではなかった。
【００１５】
〔比較例１〕
図１に示す構成体に平均粒径５０μｍのシクロトリメチレントリニトラミンを装填したマイクロ爆薬システムを製作し、ヒーターに７Ｗ電力を与える燃焼試験を５回実施した。その結果、５回のいずれの試験においても装填されたシクロトリメチレントリニトラミンは、ヒーター接触部の一部が燃焼したのみで燃焼の中断が生じた。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明のマイクロ爆薬システムは、小型人工衛星の姿勢制御用推進装置を初めとして、医療用結石破砕装置、医療用血栓除去装置、更にはミサイルの姿勢制御用装置などの幅広い利用分野に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のマイクロ爆薬システムの実施態様の一例の概略図である。
【図２】図１の小型ガス発生装置を組立てた概略図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  薄膜金属ヒーター
２  ヒーター付ガラス
３  エッチングシリコンウェハー
４  ガス排出口を備えた上面ガラス
５  化合火薬類（例：球状ジアゾジニトロフェノール）
【図１】
2005337588.tif 000002
【図２】
2005337588.tif 000003