JP6693283B2 - 無線起爆ユニット用ケースおよび無線起爆ユニット - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの掘削現場等において爆薬を無線方式の信号に基づいて起爆させる際に使用する無線起爆ユニット用ケース、およびそのケースを用いた無線起爆ユニットに関する。

例えばトンネルの掘削現場における爆破作業では、起爆操作機から発信される無線方式の信号によって爆薬を起爆する無線起爆システムが採用されることがある。この無線起爆システムでは、トンネルの切羽面に穿った複数個の各装薬孔に、爆薬、電気雷管、起爆側受信アンテナ、および電子回路基板等をセットする。この状態において、切羽面の遠隔位置に配置される起爆操作機から操作側送信アンテナを介して無線方式の信号を発信する。すると、起爆操作機から発信された信号を起爆側受信アンテナで受信することで、当該起爆側受信アンテナにおいて起電力が生じる。そして、この起電力を制御プログラムの動力や電気雷管起爆用の点火エネルギーとして使用可能な電力へ電子回路にて変調・蓄電し、その電力を電気雷管に伝達することで、爆薬が起爆されるシステムである。

このような無線起爆システムとして、例えば特許文献１が提案されている。特許文献１に記載されている無線起爆システムでは、電気雷管に、高透磁率物質からなるコアに巻回された起爆側受信アンテナ（受信コイル）や、無線信号を受けて起爆側受信アンテナにて生じた起電力を電力に変調・蓄電する電子回路等が電気的に接続されて構成された無線起爆雷管を、各装薬孔の最奥部に装填される爆薬（通称、親ダイナマイトを略した「親ダイ」と称される）と共に装填される。なお、爆発力を増大するため、親ダイの後方（装薬孔の開口部側）には、必要に応じて複数個の爆薬（通称、増ダイナマイトを略した「増ダイ」と称される）が連続して装薬孔へ装填される。

特開２００１−１５３５９８号公報

特許文献１に記載されている無線起爆雷管では、電気雷管、電子回路基板、および起爆側受信アンテナ等が電気的に接続されて一体化（ユニット化）されているが、その具体的構成は不明である。特に、起爆側受信アンテナはコアに巻回されているので、これも含めて一体化する必要があり、効率よくコンパクトにユニット化することは困難である。

しかも、特許文献１に記載されている無線起爆雷管は親ダイとは一体化されていない。そのため、各装薬孔へ無線起爆雷管と親ダイとを別々に挿入する必要があり煩雑であるばかりか、各装薬孔において電気雷管が確実に親ダイへセットできているか否かを確認することはできない。したがって、最悪の場合は、不発が生じるおそれもある。これを避けるためには、各装薬孔へ装填する前に現場の作業者が親ダイへ無線起爆雷管をセットさせればよいが、一度の爆破で穿つ装薬孔は数十個あり、且つこれを何度も繰り返すので、装薬孔へ装填する前にいちいち現場で親ダイへ無線起爆雷管をセットするのは、極めて煩雑である。

本発明は、このような課題を解決しようとするもので、その目的は、親ダイとなる爆薬と共に起爆側受信アンテナ、電子回路基板、および電気雷管を効率よくユニット化するための無線起爆ユニット用ケース、およびこれを用いた無線起爆ユニットを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するためのもので、以下のように構成されている。
（１）起爆側受信アンテナ、電子回路基板、電気雷管、および爆薬をユニット化するための無線起爆ユニット用ケースであって、
外面に前記起爆側受信アンテナを装着可能で、かつ、前記爆薬に前記電気雷管をセットした状態で両者を内部に装填可能な筒形状の第１ケースと、
前記電子回路基板を収納可能な筒形状の第２ケースと、
筒形状の第３ケースと、
からなり、
前記第１ケースと前記第２ケースとが互いに連結可能に構成されており、
前記第３ケースは、前記起爆側受信アンテナを被うように前記第１ケースの外面に装着可能である、無線起爆ユニット用ケース。
（２）起爆操作機から発信される無線方式の信号に基づいて爆薬を起爆する無線起爆ユニットであって、
爆薬と、
前記起爆操作機からの信号を受信する起爆側受信アンテナと、
前記起爆側受信アンテナにて生じた起電力を変調・蓄電する電子回路を備える電子回路基板と、
前記電子回路から伝達される電力によって前記爆薬を起爆する電気雷管と、
それぞれ筒形状の、第１ケース、第２ケースおよび第３ケースからなる無線起爆ユニット用ケースと、
を有し、
前記起爆側受信アンテナが前記第１ケースの外面に装着されており、
前記爆薬に前記電気雷管がセットされた状態で、両者が前記第１ケースの内部に装填されており、
前記電子回路基板が前記第２ケース内に収納されており、
前記第１ケースと前記第２ケースとが互いに連結され、
前記第１ケースの外面に装着された前記起爆側受信アンテナが、前記第３ケースによって覆われている、無線起爆ユニット。

本発明では、起爆側受信アンテナを第１ケースの外面に装着し、電気雷管を爆薬にセットした状態で両者共に第１ケースの内部に装填する一方、電子回路基板を第２ケース内に収納した状態で、第１ケースと第２ケースを連結しているので、起爆側受信アンテナ、電子回路基板、および電気雷管のみならず爆薬も含めて効率よくユニット化することができる。また、運搬・保管も容易である。

すなわち、起爆側受信アンテナは第１ケースの外面に装着すればよいので、特許文献１のようなコアを使用する必要が無い。このため、無線起爆ユニットの簡略化、コンパクト化、コスト削減を図ることができる。また、電気雷管がセットされた状態で爆薬がユニット化されているので、現場での装填作業が楽であると共に、不発を確実に避けることができる。

加えて、第３ケースを装着することで、第１ケースの外周に装着される起爆側受信アンテナを保護することができる。無線起爆雷管システムにおいては、受信アンテナを保護し、断線を防ぐことは、起爆の確実性、安全性を確保する上で非常に重要である。

トンネル掘削現場における切羽面を爆破する無線起爆システムの説明図。 装薬孔の平断面図。 無線起爆ユニット用ケースの分解斜視図。 第１ケースの先端側側面図。 無線起爆ユニットの分解斜視図。 第３ケースを使用する場合の無線起爆ユニットの部分分解斜視図。 第３ケースを使用した無線起爆ユニットの外観斜視図。 図７の断面図。 無線起爆ユニット用ケースにおける形状の変更例１を表した側面図。 無線起爆ユニット用ケースにおける形状の変更例２を表した側面図。 無線起爆ユニット用ケースにおける形状の変更例３を表した側面図。

本発明の無線起爆ユニットおよびそのための無線起爆ユニット用ケースは、従来から公知の全ての無線起爆システムにおいて使用できる。具体的には、起爆操作機から発信される無線方式の信号を起爆側受信アンテナで受信し、これにより該起爆側受信アンテナにて生じた起電力を電子回路にて変調・蓄電し、その電力を電気雷管に伝達して爆薬を起爆する無線起爆システムである限り、爆破場所やその他の付加システム構成等に制限されること無く広く使用できる。以下には、トンネルの掘削現場において無線起爆システムを使用する場合に適用した代表例を挙げて説明する。

図１に示す無線起爆システムにおいては、トンネルの切羽面４１に複数穿たれた各装薬孔４０に対し、図２で示すように無線起爆ユニット１が爆薬３６と共に挿入・セット（装填）されている。各装薬孔４０の開口部は、粘土等の封止物４２によって塞がれている。爆薬３６は、各装薬孔４０の最奥部に装填される一つの親ダイ３６Ａと、その後方（装薬孔４０の開口部側）に連続する複数個の増ダイ３６Ｂとで構成されている。そのうち、親ダイ３６Ａが、無線起爆ユニット１とユニット化されている。なお、増ダイ３６Ｂは、爆発力を増大調整するために必要に応じて適宜配される任意の爆薬であって、掘削現場によっては親ダイ３６Ａだけで爆薬３６が構成される場合もある。

図１において、切羽面４１からの遠隔位置に配置される起爆操作機５０は、発破母線６２と、中継装置５１と、補助母線６１とを介して操作側送信アンテナ６０に電流を供給し、この送信アンテナ６０の周囲に磁界を発生させる。この磁界は、電子回路準備開始信号等の制御信号や、起爆信号を重畳している。つまり、起爆操作機５０は、操作側送信アンテナ６０を介して、無線方式により制御信号および起爆信号を無線起爆ユニット１へ送信する。また、詳細は後述するが、無線起爆ユニット１からも無線方式の応答信号が送信され、その応答信号を操作側受信アンテナ６５で受信し、補助母線６６、中継装置５１、および発破母線６２を順に介して起爆操作機５０へ入信される付加システムも有する。

無線起爆ユニット１は、図３で示す第１ケース１０、第２ケース２０、および第３ケース３０からなる無線起爆ユニット用ケースを使用することによってユニット化される。これら第１ケース１０、第２ケース２０、および第３ケース３０は円筒形状に形成されており、例えばＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）等の合成樹脂からなる射出成形品である。中でも、成形性が良く機械的強度が高く、耐衝撃性が高く、接着性の良いＡＢＳやＰＣが好ましい。

第１ケース１０と第２ケース２０とは、同軸上で前後に連結可能となっている。具体的には、第１ケース１０の先端部と第２ケース２０の後端部とが連結可能となっている。第３ケース３０は、後述する第１ケース１０の外面に装着された起爆側受信アンテナ１２を被うように、第１ケース１０の外面に装着可能となっている。したがって、第１ケース１０および第２ケース２０と第３ケース３０も、同軸関係にある。

第１ケース１０は、後端（装薬孔４０の開口部側）が開口している。第１ケース１０の先端（装薬孔４０の奥方側）も開口しているが、その先端から所定寸法後方位置には、壁板１０ｄが設けられている。この第１ケース１０の先端から壁板１０ｄまでのスペース（軸方向寸法）は、第２ケース２０と連結するためのスペース（軸方向寸法）である。したがって、第１ケース１０の先端部が、第２ケース２０と連結するための連結端部１０ａとして形成されている。第１ケース１０の連結端部１０ａの外面先端部は、第２ケース２０と連結した際に第２ケース２０との外観的な連続性を出すため、テーパー面となっている。

第１ケース１０における連結端部１０ａの外周壁には、後述する起爆側受信アンテナ１２と電子回路基板２２とを電気的に接続する導電線２６を通す（図５）ためのスリット１０ｂが、内外貫通状に設けられている。第１ケース１０の後端縁外周には、第３ケース３０の後端を受け止めるため、フランジ形状のストッパー１０ｃが形成されている。第１ケース１０の軸方向中央部（ストッパー１０ｃと連結端部１０ａとの間の領域）の外径は、その外面に起爆側受信アンテナ１２を装着するため、連結端部１０ａの外径より僅かに小径となっている。第１ケース１０の内径は先端から後端にかけて一様であり、親ダイ３６Ａがちょうど収まる径に設計されている。第１ケース１０の長さ（軸方向寸法）は、親ダイ３６Ａよりも短寸である。したがって、親ダイ３６Ａを第１ケース１０内へ装填したとき、親ダイ３６Ａは第１ケース１０から突出している（図７等参照）。これにより、必要に応じて各装薬孔４０へ親ダイ３６Ａに連続して増ダイ３６Ｂを装填する場合に、親ダイ３６Ａと増ダイ３６Ｂとを確実に接触させることができる。

図４に示すように、壁板１０ｄの径方向中心部には、無線起爆ユニット１における後述の電気雷管１４を挿通させるための貫通孔１０ｅが設けられている。また、第１ケース１０の連結端部１０ａの内周面には、スリット１０ｂを囲むように突起１０ｆが内周に向けて突設されている。スリット１０ｂは、突起１０ｆを含めて内外面に貫通している。

図３等に示すように、第２ケース２０は後端が開口しており、先端は閉塞されている。第２ケース２０の後端から所定寸法（軸方向寸法）は、第２ケース２０の外径よりも小径となっている。この小径とする軸方向寸法は、第１ケース１０と連結するための寸法であって、第１ケース１０における先端から壁板１０ｄまでの軸方向寸法、すなわち第１ケース１０の連結端部１０ａと同じ寸法に設計されている。これにより、第２ケース２０の後端部が、第１ケース１０との連結端部２０ａとして形成されている。第２ケース２０の連結端部２０ａの外径は、第１ケース１０の連結端部１０ａに調度内嵌する径に設計されている。また、第２ケース２０（連結端部２０ａ以外の部分）の外径は、第１ケース１０の先端の外径とほぼ同じである。

第２ケース２０の連結端部２０ａには、切欠部２０ｂが設けられている。この切欠部２０ｂは、後述する第１ケース１０の外面（の起爆側受信アンテナ１２）からスリット１０ｂを介して第２ケース２０の内部（の電子回路基板２２）に配索される導電線２６が、連結端部２０ａによって邪魔されることを避けるために設けられている。すなわち、切欠部２０ｂを設けることによって、第１ケース１０と第２ケース２０とを連結する際に、スリット１０ｂに通された導電線２６に第２ケース２０の連結端部２０ａの端面が押し付けられ、導電線２６に損傷を与える等の事態が回避される。また、第１ケース１０と第２ケース２０とを連結したとき、切欠部２０ｂは第１ケース１０の突起１０ｆに嵌合する。これにより、導電線２６を内外に通す第１ケース１０のスリット１０ｂと第２ケース２０の切欠部２０ｂとの位置合わせが容易となる。また、第１ケース１０と第２ケース２０とを連結してユニット化した後に、第２ケース２０が第１ケース１０に対して相対的に周回転し、スリット１０ｂと切欠部２０ｂとの位置関係がズレることも防止される。

第３ケース３０は、軸方向両端、すなわち先端および後端が開口している。第３ケース３０は、これの後端側を第１ケース１０の先端側から挿通することで、第１ケース１０の外面へ装着可能である。第３ケース３０の長さ（軸方向寸法）は、第１ケース１０とほぼ同じ（正確には僅かに短寸）である。したがって、第３ケース３０を第１ケース１０へ装着した状態では、第３ケース３０が第１ケース１０のスリット１０ｂを覆い（図７等参照）、第３ケース３０の後端は第１ケース１０のストッパー１０ｃで受け止められる。第３ケース３０の内径は、第１ケース１０の連結端部１０ａへちょうど外嵌できる寸法に設定されている。第３ケース３０の先端部外面は、第１ケース１０へ装着した際に、第１ケース１０や第２ケース２０との外観的な連続性を出すためにテーパー面となっている。第２ケース２０の外径は、第３ケース３０の外径よりも小さい。

図５，図８に示すように、無線起爆ユニット１は、起爆側受信アンテナ１２、電気雷管１４、電子回路基板２２、起爆側送信アンテナ２４、および爆薬３６（親ダイ３６Ａ）を備えている。起爆側受信アンテナ１２はコイルアンテナであり、第１ケース１０の外周面に巻回される。電気雷管１４は、第１ケース１０における壁板１０ｄの貫通孔１０ｅに挿通される。電子回路基板２２は、第２ケース２０の内部に収納される。

電子回路基板２２は、起爆側受信アンテナ１２にて生じた起電力を変調・蓄電する電子回路２３を備えている。この電子回路２３は、起爆側受信アンテナ１２と導電線２６で接続されており、かつ、電気雷管１４と導電線２８で接続されている。起爆側送信アンテナ２４は、電子回路基板２２にプリントされており、電子回路２３と配線パターンで接続されている。爆薬３６を構成する親ダイ３６Ａは、電気雷管１４がセットされた状態で第１ケース１０の内部に装填される。

電子回路２３は、従来からこの種の無線起爆システムにおいて使用されている公知の回路であればよい。例えば電子回路２３は、共振回路、ダイオード、コンデンサ、ＣＰＵ、スイッチ回路、変調回路、復調回路等によって構成されている。起爆側受信アンテナ１２にて生じた起電力は、共振回路にて効率的に電力として取り出される。共振回路に生じた交流電流はダイオードを通して直流に整流され、コンデンサに蓄電される。このコンデンサに蓄えられた電力がＣＰＵ等を駆動する動力や、起爆用の点火エネルギーとして使用される。

第１ケース１０および第２ケース２０を使用して、親ダイ３６Ａと共に起爆側受信アンテナ１２、電子回路基板２２、および電気雷管１４をユニット化する際は、図５に示すように、第１ケース１０の外面へ起爆側受信アンテナ１２を巻回装着する一方、親ダイ３６Ａの先端へ電気雷管１４の一部をセットした状態で親ダイ３６Ａと電気雷管１４の両者を第１ケース１０の内部に装填し、起爆側受信アンテナ１２および電気雷管１４をそれぞれ導電線２６および導電線２８を介して電子回路２３と接続させた状態で、電子回路基板２２を第２ケース２０へ収納するように、第１ケース１０と第２ケース２０とを互いの連結端部１０ａ，２０ａにて嵌合させればよい。このとき、起爆側受信アンテナ１２と電子回路２３とを接続している導電線２６は、第１ケース１０のスリット１０ｂを通じて第２ケース２０内に引き込まれている。

このように、第１ケース１０と第２ケース２０とを連結することにより、無線起爆ユニット１は親ダイ３６Ａも含めて効率よくユニット化された状態で取り扱うことが可能となる。したがって、切羽面４１の各装薬孔４０に対して無線起爆ユニット１をセットする作業、あるいは無線起爆ユニット１の運搬・保管も容易となる。また、図６〜図８に示すように、第１ケース１０の外面に第３ケース３０を装着することにより、起爆側受信アンテナ１２を保護することができる。

本実施形態の無線起爆ユニット１においては、互いの周波数帯域が大きく異なる起爆側受信アンテナ１２と起爆側送信アンテナ２４とを、個々の周波数に最適なサイズに収めるために敢えて分離している。しかしながら、この分離に伴う課題についても、第１ケース１０と第２ケース２０とを連結してユニット化することによって解消される。すなわち、起爆側受信アンテナ１２を備えた第１ケース１０と、起爆側送信アンテナ２４を備えた電子回路基板２２が収納された第２ケース２０との連結により、起爆側受信アンテナ１２と起爆側送信アンテナ２４とを一体化された状態で扱うことができる。なお、起爆側受信アンテナ１２および起爆側送信アンテナ２４のサイズに拘らなければ、起爆側受信アンテナ１２に起爆側送信アンテナ２４の機能を兼用させてもよい。

つづいて、無線起爆の手順を簡単に説明する。まず、図１に示す爆破システムにおいて、起爆操作機５０から電子回路準備を開始させる制御信号を含む電子回路準備開始信号を、操作側送信アンテナ６０を介して無線起爆ユニット１に向けて送信する。この電子回路準備開始信号は、起爆側受信アンテナ１２を介して電子回路基板２２の電子回路２３で受信され、電子回路準備を開始する。この電子回路準備が完了した電子回路２３は、その応答信号である電子回路準備完了信号を起爆側送信アンテナ２４から起爆操作機５０側に向けて送信する。

応答信号である電子回路準備完了信号は、操作側受信アンテナ６５を介して起爆操作機５０にて受信される。この後、起爆操作機５０から操作側送信アンテナ６０を介して無線起爆ユニット１に向けて起爆信号が送信される。この起爆信号は、起爆側受信アンテナ１２を介して電子回路基板２２の電子回路２３に入信される。

電子回路２３の復調回路には、変調回路によって変調された変調交流信号が入力され、復調回路は変調交流信号を制御信号に復調してＣＰＵに出力する。ＣＰＵは復調回路から出力された制御信号を処理して点火起爆全体の制御を行い、スイッチ回路を通して電気雷管１４に電力を伝達し、爆薬３６を起爆させる。ＣＰＵは、制御信号に応じた返信内容を変調回路によって変調された高周波電流として起爆側送信アンテナ２４に出力し、当該起爆側送信アンテナ２４から操作側受信アンテナへ電波を輻射する。

以上、本発明の代表的な実施形態を図面に関連して説明したが、この実施形態は、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で容易に変更または変形できるものである。例えば無線起爆ユニット用ケースを構成する第１ケース１０、第２ケース２０、および第３ケース３０の形状（側面視形状）については、円形のみならず種々の態様が考えられる。例えば、図９に示す無線起爆ユニット用ケースのように、円形の外周のうち、相対向する二面を平坦にした形状とすることができる。また、図１０、図１１に示す無線起爆ユニット用ケースのように、三角形あるいは四角形にすることができる。その他にも、第１ケース１０、第２ケース２０、および第３ケース３０の側面視形状は、楕円形のほか、五角形、六角形、八角形等の多角形にすることもできる。

第１ケース１０および第３ケース３０の長さは、親ダイ３６Ａより長くしてもよい。また、上記実施形態では、第２ケース２０の連結端部２０ａを第１ケース１０の連結端部１０ａへ内嵌させたが、第２ケース２０の連結端部２０ａを第１ケース１０の連結端部１０ａへ外嵌させることもできる。この場合、第２ケース２０と第３ケース３０の外径を同じにして、第２ケース２０と第３ケース３０の外面が面一となるように設計することも好ましい。第１ケース１０のストッパー１０ｃは、必ずしも設ける必要は無い。

１ 無線起爆ユニット
１０ 第１ケース
１０ａ 連結端部
１０ｂ スリット
１０ｄ 壁板
１０ｅ 貫通孔
１２ 起爆側受信アンテナ
１４ 電気雷管
２２ 電子回路基板
２０ 第２ケース
２０ａ 連結端部
２０ｂ 切欠部
２４ 起爆側送信アンテナ
３０ 第３ケース
３６ 爆薬
３６Ａ 親ダイ
３６Ｂ 増ダイ
４０ 装薬孔
４１ 切羽面
５０ 起爆操作機
５１ 中継装置
６０ 操作側送信アンテナ
６５ 操作側受信アンテナ

Claims (2)

1. 起爆側受信アンテナ、電子回路基板、電気雷管、および爆薬をユニット化するための無線起爆ユニット用ケースであって、
   外面に前記起爆側受信アンテナを装着可能で、かつ、前記爆薬に前記電気雷管をセットした状態で両者を内部に装填可能な筒形状の第１ケースと、
   前記電子回路基板を収納可能な筒形状の第２ケースと、
   筒形状の第３ケースと、
   からなり、
   前記第１ケースと前記第２ケースとが互いに連結可能に構成されており、
   前記第３ケースは、前記起爆側受信アンテナを被うように前記第１ケースの外面に装着可能である、無線起爆ユニット用ケース。
2. 起爆操作機から発信される無線方式の信号に基づいて爆薬を起爆する無線起爆ユニットであって、
   爆薬と、
   前記起爆操作機からの信号を受信する起爆側受信アンテナと、
   前記起爆側受信アンテナにて生じた起電力を変調・蓄電する電子回路を備える電子回路基板と、
   前記電子回路から伝達される電力によって前記爆薬を起爆する電気雷管と、
   それぞれ筒形状の、第１ケース、第２ケースおよび第３ケースからなる無線起爆ユニット用ケースと、
   を有し、
   前記起爆側受信アンテナが前記第１ケースの外面に装着されており、
   前記爆薬に前記電気雷管がセットされた状態で、両者が前記第１ケースの内部に装填されており、
   前記電子回路基板が前記第２ケース内に収納されており、
   前記第１ケースと前記第２ケースとが互いに連結され、
   前記第１ケースの外面に装着された前記起爆側受信アンテナが、前記第３ケースによって覆われている、無線起爆ユニット。
   

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