JP2006138510A

JP2006138510A - 無起爆薬電気雷管

Info

Publication number: JP2006138510A
Application number: JP2004327003A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kagawa; 豊香川; Tatsuji Arifuku; 達治有福; Shigeru Maeda; 繁前田; Hirotsuyo Kuraki; 大剛椋木
Original assignee: Nippon Kayaku Co Ltd
Current assignee: Nippon Kayaku Co Ltd
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-06-01
Also published as: US20080190316A1; WO2006059460A1; WO2006059460A9

Abstract

【課題】起爆薬や点火薬を省略し、その上で構造が簡単でかつ二次爆薬である添装薬を直接点火できる電気雷管を提供すること。
【解決手段】一端が閉塞された筒状の管体と、閉塞された一端側の管体内に装薬された添装薬と、管体の開放された他端側から挿入され、他端側に収納された点火装置と、を含んでなり、該点火装置が、反応性金属層及び反応性絶縁物層からなるラミネート層と、電極パッドとを有する半導体電橋装置であり、該添装薬が、ペンタエリスリトールテトラナイトレート等であることを特徴とする雷管。
【選択図】図４

Description

本発明は電気雷管に関するものであり、より詳しくは起爆薬を使用しない無起爆薬電気雷管に関するものである。

従来の瞬発電気雷管は起爆薬(一次爆薬)、添装薬(二次爆薬)が装薬された金属管体、点火薬、電気点火装置、雷管を密閉する塞栓、導電線である脚線からなる。一次爆薬の例としてはアジ化鉛、ジアゾジニトロフェノール（ＤＤＮＰ)、トリニトロレゾルシン鉛(トリシネート)などが挙げられる。また二次爆薬の例としてはペンタエリスリトールテトラナイトレート（ＰＥＴＮ）、シクロ-１，３，５−トリメチレン-２，４，６−トリニトラミン（ＲＤＸ）、シクロ−１，３，５，７−テトラメチレン−２，４，６，８−テトラニトラミン（ＨＭＸ）などが挙げられる。また点火薬には起爆薬と酸化剤の混合物などが使用される。

瞬発電気雷管の作動フローとしては、脚線から通電された電流により電気点火装置の電橋線(白金線・ニクロム線等)が加熱し、点火薬を着火、点火薬の着火から起爆薬が着火・爆発し、添装薬を爆発させる。二次爆薬である添装薬は、一次爆薬である起爆薬による爆発のような大きなエネルギーがないと正常に爆発しない特性を持っている。しかし点火薬や起爆薬は二次爆薬や一般的な産業用爆薬と比較して熱、摩擦、衝撃の外的刺激に対して非常に敏感であり、製造時や使用時の取り扱いに留意する必要があった。このような問題の対策として、起爆薬を用いない電気雷管が開発されている。

特許文献１には二次爆薬である添装薬に酸化剤を混合することにより、起爆薬を使用しない雷管が開示されている。具体的にはＰＥＴＮに塩素酸カリウムを混合し、それを金属製の内管の中に入れ拘束することにより起爆薬を使用しなくても機能する雷管が開示されている。しかしながらこの添装薬を添加するための点火装置には感度の高い点火薬等を用いる必要があり、また内管を複数使用しなければならないなど構造が複雑になる。
同様に特許文献２にはフライングプレートを用いて添装薬に衝撃を与えて起爆する方法が開示されている。具体的には点火薬により点火された発射薬のガスによりフライングプレートが添装薬に向かって飛翔し衝突し、その衝突時のエネルギーにより添装薬が爆発する。この場合、フライングプレートを飛ばすための点火装置には点火薬等の感度の高い薬剤を使用しており、またプレートを飛翔させるための構造が必要となり、構造が複雑となる。また発破時の隣接孔の影響により変形するとフライングプレートが正確に添装薬に衝突できず、不発になる可能性がある。

また、近年の電子材料技術の発展に伴い、半導体製造技術を点火装置に応用した半導体電橋装置が開発された。半導体電橋装置は従来の白金線やニクロム線の電橋と比較して高効率で電気的ノイズに対して安全性が高いことが知られている（特許文献３）。
半導体電橋装置は、高電圧を印加し、爆薬を爆発させる軍事用のものは知られているが、高電圧の印加は産業爆薬用雷管の点火装置としては不向きである。また、例えば特許文献３に記載の半導体電橋装置も、その起爆エネルギー小さいため産業爆薬用雷管の点火装置としては不向きである。

特開平６−２２１７９９公報特開平６−２４９５９４公報特表２００４−５１３３１９公報

このように、起爆薬を省略しようとすると構造が複雑になり、製造コストが上昇する。また感度の高い点火薬等を使用しているので製造時や使用時の取り扱いに留意する必要がある。本発明の目的は、起爆薬や点火薬を省略し、その上で構造が簡単でかつ二次爆薬である添装薬を直接点火できる電気雷管を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討した結果、添装薬に二次爆薬であるＰＥＴＮまたはそのＰＥＴＮと所定の物質を混合した混合物を用い、点火装置として半導体電橋（ＳＣＢ）装置を用いることにより、起爆薬を用いることなく、より簡単な構造で添装薬を直接点火できることを見出した。
すなわち本発明は、一端が閉塞された筒状の管体と、閉塞された一端側の管体内に装薬された添装薬と、管体の開放された他端側から挿入され、他端側に収納された点火装置と、を含んでなり、
該点火装置が、基板上にある２つのランドと、該２つのランド部分を電気的に接続する電橋部とを構成し、かつ交互に積み重ねられた反応性金属層及び反応性絶縁物層からなるラミネート層と、前記２つのランド部分を構成するそれぞれのラミネート層の少なくとも１つの反応性金属層に電気接続された電極パッドとを有し、前記電極パッドに印加された前記電橋部を流れる所定強度の電流が、プラズマを発生させる半導体電橋装置であり、
該添装薬が、ペンタエリスリトールテトラナイトレート、またはペンタエリスリトールテトラナイトレートと、金属、金属酸化物、金属過酸化物、金属硝酸塩、金属塩素酸塩、及び金属過塩素酸塩からなる群から選ばれる１種以上を含む添装薬であることを特徴とする雷管を提供する。このような構成、特に従来、産業爆薬用雷管の点火装置としては不向きであるとされる半導体電橋装置、を備えることによって、点火剤や起爆剤を使用しなくても添装薬に点火できることが見出された。
また本発明の雷管における点火装置において、前記反応性絶縁物の代わりに金属酸化物を使用することもできる。金属酸化物を使用したほうが、ラミネート層の製造が容易で、しかも低エネルギー（低電流）で点火可能となり電橋部の抵抗値を高くした場合でも、良好な性能を発揮でき、電源一つあたり結線できる雷管の数がより多くなる。

反応性金属層と反応性絶縁物層または金属酸化物層は、交互に層をなしてラミネート層を形成し、反応性金属層に電気接続された金属パッドに電流が流れることにより、プラズマが発生するが、金属パッドが電気接続される反応性金属層は、ラミネート層の最上層にあるのが好ましい。このような構成を採用すると発火効率がよくなる。
特に反応性金属層がＴｉ、Ｗ、ＺｒまたはＮｉである場合、製造が容易で発火効率に優れる。また、反応性絶縁物層がＢである場合や、金属酸化物層がＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２である場合、安定したプラズマの供給ができ好ましい。

添装薬としては、ペンタエリスリトールテトラナイトレートと金属を組み合わせて使用すると点火効率が向上し、好ましい。特に金属としては、Ｎｉ、Ｗ、ＴｉまたはＡｌが取り扱いやすい。

本発明の雷管は半導体電橋装置を用いることにより、従来の無起爆薬雷管より簡単な構造で、しかも高感度な点火薬を使用することなく、添装薬であるＰＥＴＮに直接点火、爆発させることができ、産業用爆薬である含水爆薬を起爆できる性能を有している。また本発明の雷管にＰＥＴＮ混合物を使用することにより、ＰＥＴＮ単体よりも点火エネルギーを低減できることが可能になった。

以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の雷管は、一般の電気雷管において点火薬や起爆薬として使用される高感度の火薬類は使用しない。
本発明の雷管においては、添装薬としてＰＥＴＮを使用する。ＰＥＴＮは、雷管用に一般的に使用されるグレードであれば、その純度等に特に制限はない。
ＰＥＴＮは単独で使用することも可能であるが、より低いエネルギーで点火可能とするため、添装薬の感度を向上させる物質を併用するのが好ましい。このような添加物としては金属、金属酸化物、金属過酸化物、金属硝酸塩、金属塩素酸塩、及び金属過塩素酸塩が挙げられる。具体的には、金属硝酸塩としては硝酸ナトリウム、硝酸カリウムまたは硝酸バリウム等が、金属酸化物としては酸化銅等が、金属過酸化物としては過酸化バリウム等が、また、金属塩素酸塩としては、塩素酸カリウム等が、また、金属過塩素酸塩としては過塩素酸カリウム等が、また、金属としてはチタン、タングステン、ニッケル、コバルト、鉄、亜鉛、銅、アルミニウム等がそれぞれ挙げられる。これらのうち、ニッケル、タングステン、チタン、アルミニウムが感度の面から好ましい。

ＰＥＴＮと添加物の混合物（以下、ＰＥＴＮ混合物という）を得るためには両者を溶媒中に入れてスラリー状態で十分混合し、乾燥する。乾燥は、溶媒を除去できる方法であれば特に制限はなく、例えば室温〜５０℃で１日以上かけて行う。溶媒は水やメチルアルコール、エチルアルコールなどのアルコール類を用いることができ、ＰＥＴＮ混合物の合計重量に対して５０〜２００重量％程度使用すれば充分である。

添加物は、爆薬であるＰＥＴＮの威力を損なわない程度の量使用し、ＰＥＴＮ１００重量部に対し通常０．１〜５０重量部、好ましくは１〜１０重量部程度の割合で使用する。使用されるＰＥＴＮの粒度は、半導体電橋装置が発生するエネルギーにより点火し、さらに燃焼速度の急激で加速的な増加をもたらすためには平均粒径で５０μｍ以下、好ましくは３〜２０μｍが好ましい。このような範囲の平均粒径のＰＥＴＮを得るには、例えばＣＨＥＭＩＳＴＲＹＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯＦＥＸＰＬＯＳＩＶＥＳＶＯＬＵＭＥ４の３１０ページに示されるような再結晶法で再結晶する方法が採用できる。また添加物の粒度はＰＥＴＮと混合した場合の点火感度、製造上の問題を考慮に入れると、平均粒径で通常０．１〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍが良い。

また必要に応じて結合剤(バインダー)を添加することによって、ＰＥＴＮ混合物が取り扱い易くなり作業性が向上する。バインダーはフッ化ゴムなどのゴム、ニトロセルロース、エチルセルロースなどの繊維、ポリビニルアルコールなどのポリマーなどが挙げられる。これらをこれらが溶解可能な溶媒（アセトン、水等）に溶解して、ＰＥＴＮ混合物と水やアルコール類などの前記溶媒を混合したスラリーに添加し、混合した後、乾燥する。バインダーの添加量は、一般的に少ないほうが好ましく、通常、ＰＥＴＮ混合物の重量に対して５重量％以下、好ましくは１重量％以下である。なお、バインダーはＰＥＴＮを単独で使用する場合にも、上記と同じ目的で使用することができる。この場合も、所定の溶媒にバインダーを溶解させたものをＰＥＴＮと水やアルコール類などの前記溶媒を混合したスラリーに添加し、乾燥すればよい。なお、バインダー溶液、ＰＥＴＮ及び溶媒の混合順に特に制限はなく、均一に混合できる限り同時に行ってもかまわない。この場合もバインダーの添加量は、一般的に少ないほうが好ましく、通常、ＰＥＴＮの重量に対して通常５重量％以下、より好ましくは１重量％以下である。

点火装置には半導体電橋装置が用いられる。本発明に使用される半導体電橋装置を図１に、そのＡ−Ａ’断面図を図２（ａ）に、またラミネート層２０の構造を図２（ｂ）にそれぞれ示す。半導体電橋装置１００は、基板１０上にラミネート層２０と電極パッド３４を有する。ラミネート層２０は、２つのランド３０、３２と、該２つのランド部分を接続する電橋部３６とを構成し、かつ交互に積み重ねられた反応性金属層及び反応性絶縁物層、または反応性金属層及び金属酸化物層からなり、前記２つのランド部分を構成するそれぞれのラミネート層の少なくとも１つの反応性金属層に電気接続された電極パッド３４を介して脚線と電気接続され、前記電極パッド３４に印加された前記電橋部を流れる所定強度の電流がプラズマを発生させるもので、例えば特許文献３や特願２００４−２９０９９３号に記載された装置を使用することができる。半導体電橋装置は、ワイヤーボンディング、導電性ペースト、はんだなどで電極パットと脚線を接続し使用する。なお、本発明において「プラズマ」とは電橋部を流れる電流により生じる火花状の熱媒体を指す。

図２（ｂ）における反応性金属層２２−１〜２２−６としては、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、ｎ型Ｓｉ、ｐ型Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、ＺｎまたはＺｒ等が挙げられ、Ｔｉ、Ｗ、ＺｒまたはＮｉが好ましい。反応性絶縁物層２４−１〜２４−５は、金属と互いに化学的によく反応する組み合わせが選択され、金属よりも高い抵抗率と低い熱伝導性があるものを使用する。反応性絶縁物としては、Ｂ、Ｃａ、ＭｎまたはＳｉ等が挙げられ、Ｂが好ましい。金属酸化物層２４−１〜２４−５としては、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３等が挙げられ、ＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２が好ましい。

ラミネート層２０における反応性金属２２−１〜２２−６は、そのうち少なくとも１層が電気パッド３４と電気的接続されているが、図２（ａ）におけるように最上層にある反応性金属２２−６が電気パッド３４と電気接続している形態が好ましい。

図３は本発明を示す例であり、この例において管体１は金属であり、電気雷管の管体として一般的に使用されている銅、アルミニウム、鉄の他、ステンレス鋼が使用できる。管体１の形状は特に制限はないが、一般的には円筒形である。またその内外径、厚み、長さは用途や爆薬量に応じて任意に設定できる。管体１の内部には二次爆薬である添装薬４が配される。添装薬はＰＥＴＮまたはＰＥＴＮ混合物を用いる。添装薬の使用量は、管体の大きさや所望する装薬密度により異なり、一概には言えないが、通常５ｇ以下である。

装薬密度は一般的に大きい方が、威力が大きくなり、小さい方が、着火感度が高くなる傾向にある。しかしながら、半導体電橋装置を使用した場合、ある程度高い装薬密度のほうが着火しやすくなる。本発明の場合、添装薬の装薬密度は、通常１．０ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．３ｇ／ｃｍ^３以上である。なお、装薬密度を半導体電橋装置に近いところから、段階的に小さくしていくような装薬方法や、更に着火感度を考慮して、一旦小さくした装薬密度を、再び大きくするような装薬方法も選択できる。

また添装薬４はＰＥＴＮまたはＰＥＴＮ混合物を単独で使用できるほか、２層以上の層をなして充填することも可能である。例えばＰＥＴＮを下の層に配置し、半導体電橋装置と接する上部の層にＰＥＴＮ混合物の層とすることもできる。

管体１に半導体電橋装置２を付属させた塞栓３を挿入する。半導体電橋装置２は脚線５に電気接続されている。塞栓は爆発時の圧力に耐えうるものであれば材質に特に制限はなく、金属・樹脂などが使用できる。塞栓挿入後はさらに密閉強度を向上させるためにエポキシ樹脂や溶接等で封止してもよい。また管の上端を口締めしても良い。

以下に実施例により本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではない。

実施例１
一端を閉塞した銅製の外径８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ、長さ５０ｍｍの円筒状管体１の内部に添装薬２として再結晶したＰＥＴＮ２．０ｇ（平均粒径約１０μｍ；目視による）を装薬密度１．５ｇ／ｃｍ^３となるように装薬した。装薬した管体１に半導体電橋装置が付属した塞栓３をＰＥＴＮと半導体電橋装置が密着するよう圧入した。さらに密閉性を高くするため、管体１の上部を外径９．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのステンレス製チューブ７で覆い、その内側をエポキシ樹脂６で封止し、本発明の雷管を得た（図４）。なお、半導体電橋装置は、図１において一辺が２×２ｍｍの角のシリコン基板１０上にＴｉ（２２−６（１．０μｍ）、２２−５（０．２５μｍ）、２２−４（０．２５μｍ）、２２−３（０．２５μｍ）、２２−２（０．２５μｍ）、２２−１（０．０５μｍ））とＢ（２４−５（０．２２５μｍ）、２４−４（０．２２５μｍ）、２４−３（０．２２５μｍ）、２４−２（０．２２５μｍ）、２４−１（１．０μｍ））を積層したものを使用した。

実施例２
再結晶したＰＥＴＮ（平均粒径約１０μｍ；目視による）１００重量部と、バインダーとしてのフフッ化ゴムの２０重量％アセトン溶液２．５重量部及びエチルアルコール１００重量部を混合し４０℃で１日乾燥して添装薬を得た。得られた添装薬１２０ｍｇを外径８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ、長さ６ｍｍのステンレス製の管体１に装薬密度１．５ｇ／ｃｍ^３となるように装薬した。次いで、装薬された管体１に実施例１と同じ半導体電橋装置２が付属した塞栓３を添装薬４と電橋装置２が密着するよう圧入し、本発明の雷管を得た（図３）。

実施例３
再結晶したＰＥＴＮ（平均粒径約１０μｍ；目視による）９５重量部、Ｗ５重量部、フッ化ゴムの２０重量％アセトン溶液２．５重量部及びエチルアルコール１００重量部を混合し、４０℃で１日乾燥して添装薬を得た。得られた添装薬１２０ｍｇを外径８mm、厚さ０．４ｍｍ、長さ６ｍｍのステンレス製の管体１に装薬密度１．５ｇ／ｃｍ^３となるように装薬した。次いで、装薬された管体１に実施例１と同様の半導体電橋装置２が付属した塞栓３を添装薬４と電橋装置２が密着するよう圧入し、本発明の雷管を得た（図３）。

実施例４
再結晶したＰＥＴＮ（平均粒径約１０μｍ；目視による）９５重量部、Ａｌ（東洋アルミニウム株式会社製Ｐ−１００）５重量部、フッ化ゴムの２０重量％アセトン溶液２．５重量部及びエチルアルコール１００重量部を混合し、４０℃で１日乾燥して添装薬を得た。得られた添装薬１２０ｍｇを外径８mm、厚さ０．４ｍｍ、長さ６ｍｍのステンレス製の管体１に装薬密度１．５ｇ／ｃｍ^３となるように装薬した。次いで、装薬された管体１に実施例１と同様の半導体電橋装置２が付属した塞栓３を添装薬４と電橋装置２が密着するよう圧入し、本発明の雷管を得た（図３）。

試験例１
実施例１で得られた雷管を含水爆薬(日本化薬（株）製；商品名アルテックス)５０ｇに挿入した。この雷管に３Ｊの電気エネルギーを供給したところ、含水爆薬は起爆し、爆発した。
試験例２
実施例２で得られた雷管を使用し、半導体電橋装置に供給する電気エネルギーを変化させて、試験例１と同様にして含水爆薬の爆発数を試験したところ表１の結果を得た。

試験例３
実施例３及び実施例４で得られた雷管について半導体電橋装置に０．３Ｊのエネルギーを供給し、試験例１と同様にして含水爆薬の爆発試験をしたところ、両者ともに爆発した。

試験例の結果から本発明の雷管は、半導体電橋装置を用いて二次爆薬である添装薬を直接点火でき、また産業用爆薬である含水爆薬を起爆できる性能を有していることがわかる。

半導体電橋装置の平面図である。半導体電橋装置のＡ−Ａ’断面図である。ラミネート層２０の拡大図である。実施例２〜４の無起爆薬雷管を示す断面図である。実施例１の無起爆薬雷管を示す断面図である。

符号の説明

１００半導体電橋装置
１０シリコン基板
２０ラミネート層
２２−１、２２−２、２２−３、２２−４、２２−５Ｔｉ層
２４−１、２４−２、２４−３、２４−４、２４−５Ｂ層
３０、３２ランド部分
３４電極パッド
３６電橋部
１管体
２半導体電橋装置
３塞栓
４添装薬
５脚線
６エポキシ樹脂
７ステンレス製チューブ

Claims

一端が閉塞された筒状の管体と、閉塞された一端側の管体内に装薬された添装薬と、管体の開放された他端側から挿入され、他端側に収納された点火装置と、を含んでなり、
該点火装置が、基板上にある２つのランドと、該２つのランド部分を電気的に接続する電橋部とを構成し、かつ交互に積み重ねられた反応性金属層及び反応性絶縁物層からなるラミネート層と、前記２つのランド部分を構成するそれぞれのラミネート層の少なくとも１つの反応性金属層に電気接続された電極パッドとを有し、前記電極パッドに印加された前記電橋部を流れる所定強度の電流が、プラズマを発生させる半導体電橋装置であり、
該添装薬が、ペンタエリスリトールテトラナイトレート、またはペンタエリスリトールテトラナイトレートと、金属、金属酸化物、金属過酸化物、金属硝酸塩、金属塩素酸塩、及び金属過塩素酸塩からなる群から選ばれる１種以上を含む添装薬であることを特徴とする雷管。
一端が閉塞された筒状の管体と、閉塞された一端側の管体内に装薬された添装薬と、管体の開放された他端側から挿入され、他端側に収納された点火装置と、を含んでなり、
該点火装置が、基板上にある２つのランドと、該２つのランド部分を電気的に接続する電橋部とを構成し、かつ交互に積み重ねられた反応性金属層及び金属酸化物層からなるラミネート層と、前記２つのランド部分を構成するそれぞれのラミネート層の少なくとも１つの反応性金属層に電気接続された電極パッドとを有し、前記電極パッドに印加された前記電橋部を流れる所定強度の電流が、プラズマを発生させる半導体電橋装置であり、
該添装薬が、ペンタエリスリトールテトラナイトレート、またはペンタエリスリトールテトラナイトレートと、金属、金属酸化物、金属過酸化物、金属硝酸塩、金属塩素酸塩、及び金属過塩素酸塩からなる群から選ばれる１種以上を含む添装薬であることを特徴とする雷管。
電極パッドが電気接続された反応性金属層が、ラミネート層の最上層にある請求項１または２記載の雷管。
反応性金属層がＴｉ、Ｗ、ＺｒまたはＮｉである請求項１〜３のいずれか１項に記載の雷管。
反応性絶縁物層がＢである請求項１記載の雷管。
金属酸化物層がＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２である請求項２記載の雷管。
添装薬が、ペンタエリスリトールテトラナイトレートと、金属を含んでなる請求項１または２記載の雷管。
金属がＮｉ、Ｗ、ＴｉまたはＡｌである請求項７記載の雷管。