NO319293B1 - Hybrid elektronisk detonator - Google Patents

Description

O ppfinnelsens område

Denne oppfinnelse vedrører forsinkelseskretser for elektroniske detonatorer.

Kient teknikk

Elektroniske kretser for å avfyre elektriske initierings- . elementer innen detonatorer etter en forhåndsbestemt, elektronisk kontrollert forsinkeIsesperiode er kjent. Por-sinkelsesperioden måles fra mottagelsen av et ikke-elektrisk initieringssignal som også kan levere effekt til timerkretsen og initieringselementet. US patent 5 133 257 til Jonsson, utstedt 28. juli 1992, beskriver et tennings-system omfattende en piezoelektrisk transduser som kan plasseres ved siden av sidelinje (branch line) av detonerende lunte. Når den detonerende lunte detonerer, utløser den energi i form av en sjokkbølge, som påvirker transduseren til å produsere en elektrisk puls. Den elektriske energien fra transduseren lagres i en kondensator som leverer kraft til en timer. Etter en forhåndsbestemt forsinkelse, tillater timeren den gjenværende lagrede energi i kondensatoren å avfyre et tenningshode i detonatoren. Tenningshodet initierer eksplosive materialer, og leverer slik den eksplosive utgang til detonatoren. Lignende arrangementer ses i US-patent 5 173 569 til Pallanck et al., utstedt 22. desember 1992, i US-patent 5 377 592 til Rode et al., utstedt 3. januar 1995 (som viser bruk av en 3-mikrofarad lagringskondensator med merkespenning 35 volt) (se kolonne 7, linjene 11-15), og i US patent 5 435 248 til Rode et al., utstedt 25. juli 1995. Som vist i US 5 435 248 i kolonne 9, linjene 41-50, er de elektroniske kretser til slike detonatorer typisk dannet i en enkelt integrert krets ("IC") produsert ved en komplementær metalloksyd halvleder {"CMOS") prosess brukt i sammenheng med en 10 mikrofarad lagringskondensator (merkespenning 35 volt) {se kolonne 6, linjene 45-52). CMOS-kretser er karakterisert ved deres lave effektforbruk og lave varmeutvikling.

Halvlederbro- ("SCB") tennere er kjent på området, som beskrevet i US patent 4 708 060 til Bickes Jr. et al., utstedt 24. november 1987, som eksemplifiserer bruk av aluminium for de metalliserte blokkene (pads) i SCB-en. Halvlederbrotennere som benytter wolfram i de metalliserte blokkene er også kjent, som beskrevet i US-patent 4 976 200 til Benson et al., utstedt 11. desember 1990. Slike innretninger har generelt impedanser på mindre enn

10 ohm, for eksempel omtrent 1 ohm.

US-patent 5 247 241 beskriver en konstantstrømskilde som kan utføres i forskjellige halvlederteknologier: CMOS, bipolar, BiCMOS og GaAs (se for eksempel kolonne 7, linje 9-12). Den foretrukne utførelse benytter PMOS- og NMOS-tran-sistorer (kolonne 8, linje 43-48) . I en annen utførelse, kan oppfinnelsen beskrevet i US-patent 5 247 241 benyttes "in conjunction with a timer/delay circuit" (kolonne 7, linje 12-14). Kretsen vist i US-patent 5 247 241 er imidlertid beregnet til å utføres i et enhetlig halvledermiljø hvor både konstantstrømkilden og timer/forsinkelseskretsene er utført i samme teknologi.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forsinkelseskrets som omfatter en inngangsterminal for å motta en ladning med elektrisk energi, lagringsinnretninger tilknyttet inngangsterminalen for å motta og lagre en ladning med elektrisk energi, og en integrert, dielektrisk isolert BiCMOS bytekrets som kobler lagringsinnretningene til en utgangsterminal for å levere en utløsning av energi lagret i lagringsinnretningene til utgangsterminalen. Bytekretsen påvirkes av en timerkrets. Det er en utgangsterminal tilknyttet lagringsinnretningene gjennom bytekretsen og en timerkrets operativt tilkoblet bytekretsen for å kontrollere utløsningen til utgangsterminalen av bytekretsen av energi lagret i lagringsinnretningene.

Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen, kan lagringsinnretningene omfatte en kondensator med en kåpasitans mindre enn omtrent 3 mikrofarad med merkespenning på mellom 50 og 150 volt. For eksempel kan kondensatoren ha en kapasitans i området omtrent 0,22 til l mikrofarad med merkespenning på mellom 50 og 150 volt.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen, kan kretsen videre omfatte et broinitieringselement tilknyttet utgangsterminalen. Lagringsinnretningene kan ha en kapasitans og svitsjekretsen kan ha en utløsningsimpedans. Lagringsinnretningene kan ha en tidskonstant utledet fra kapasitansen og utløsningsimpedansen på mindre enn omtrent 15 mikrosekund. For eksempel kan tidskonstansen være i området fra omtrent 0,2 til 15 mikrosekunder, for eksempel kan tidskonstanten være omtrent 2,5 mikrosekunder.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen, kan bytekretsen ha en utløsningsimpedans på mindre enn omtrent 15 ohm. For eksempel kan bytekretsen ha en utløsningsimpedans i området fra omtrent 1 til 5 ohm.

Oppfinnelsen vedrører også en transduserkretssammenstilling omfattende en transdusermodul, en elektronikkmodul omfattende (a) en forsinkelseskrets som beskrevet ovenfor med inngangsterminalen operativt tilknyttet transdusermodulen, og (b) en utgangsinitieringsinnretning operativt tilknyttet utgangsterminalen til forsinkelseskretsen for å motta energien fra lagringsinnretningene og produsere et eksplosivt utgangsinitieringssignal.

Oppfinnelsen vedrører videre en detonator omfattende et hus med en lukket ende og en åpen ende, hvor den åpne ende er dimensjonert og konfigurert for tilknytning til over-føringsinnretning for et initieringssignal i huset. Over-føringsinnretningen for initieringssignalet leverer et elektrisk initieringssignal til en forsinkelseskrets som beskrevet ovenfor. En detonatorutgangsinnretning er plassert i huset i operativt forhold til lagringsinnretningene for å generere et utgangssignal ved utløsning av lagringsinnretningene.

I en spesiell utførelse kan overføringsinnretningene for initieringssignalet omfatte enden av et sjokkrør, en tennladning (booster charge) og en transdusermodul, alle sikret i huset. Disse innretningene er innrettet slik at et ikke-elektrisk signal utsendt fra enden av sjokkrøret vil initiere tennladningen. Tennladningen er plassert i kraft-overførende forhold til transdusermodulen og transdusermodulen er operativt tilknyttet

inngangsterminalen til forsinkelseskretsen.

Her og i kravene, er uttrykket "broinitieringselement" ment å omfatte halvlederbrotennere og wolframbrotennere.

Omfanget av oppfinnelsen fremgår av de vedføyde patentkrav.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Figur 1 er en skjematisk representasjon av en forsinkelseskrets i samsvar med én utførelse av foreliggende oppfinnelse,

figur 2 er en delvis perspektivisk fremvisning i tverrsnitt av en transduser-forsinkelsesinitieringssammenstilling omfattende en elektronikkmodul og hylse sammen med en transdusermodul,

figur 3A er en skjematisk fremvisning, delvis i tverrsnitt, som viser en forsinkelsesdetonator omfattende en innkapslet elektronikk-krets i samsvar med en utførelse av foreliggende oppfinnelse, og

figur 3B er en fremvisning, forstørret i forhold til figur 3A, av isolasjonskoppen og tennladningskomponentene til detonatoren 3A.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen og foretrukne utførelsesformer derav

Foreliggende oppfinnelse gir en forbedring av elektroniske forsinkelseskretser som tillater større effektivitet i overføringen av elektrisk energi fra en inngangsterminal til en utgangsterminal enn det som oppnås i tidligere kjent teknikk. Energien kan brukes på forskjellige måter, for eksempel til å initiere et utgangsinitieringselement, for eksempel et broinitieringselement. Som et resultat kan utgangsinitieringselementet, som typisk omfatter en halvlederbro, initieres med mindre energi enn det som kreves for konvensjonelle initieringselementer. Den økede effektivitet oppnås ved å benytte en dielektrisk isolert, bipolar komplementær metalloksydhalvleder- ("DI BiCMOS") bytekrets, som fortrinnsvis omfatter et integrert byteelement slik som en kiselstyrt likeretter ("SCR") som tjener som en bryter mellom en lagringsinnretning for elektrisk energi og utgangsterminalen til broinitieringselementet. En CMOS-integrert krets kan brukes for timer-delen av forsinkelseskretsen. I motsetning til dette bruker den kjente teknikk (for eksempel US patent 5 435 248) CMOS kretser for både timing og bryterfunksjoner i sammenheng med en diskret SCR. En kretssammenstilling av foreliggende oppfinnelse tilveiebringer den økede virkningsfullhet for energioverføring som kan oppnås fra en DI BiCMOS krets og det lave effektforbruk tilveiebrakt av en CMOS krets.

En dielektrisk isolert BiCMOS-krets, som brukt i sammenheng med foreliggende oppfinnelse, kan oppnå høyere spenninger enn den korresponderende tidligere kjente CMOS-krets. For eksempel kan en BiCMOS krets oppnå spenninger opp til for eksempel 150 volt, mens CMOS-kretser typisk er begrenset til omtrent 50 volt. Siden kretsen ifølge foreliggende oppfinnelse opererer i området for eksempel 50 til 150 volt, tillater dette bruk av en lagringskondensator med mindre kapasitans enn det som har vært brukt i den kjente teknikk. Som et resultat, har forsinkelseskretsen en mindre tidskonstant (målt i sekunder) for utladningen av lagringskondensatoren for initieringen av broinitieringselementet enn tidligere kjente kretser. Tidskonstanten kan beregnes som produktet av kapasitansen til lagringskondensatoren (i farad) og "utløsningsimpedansen" av kretsen (i ohm), det vil si impedansen påtrykket kondensatoren av svitjekretsen og broinitieringselementet under en slik utløsning. Utløs-ningsimpedansen kan approksimeres som summen av impedansene av byteelementet og broinitieringselementet. Mindre tidskonstanter overføres til større effektivitet i energiover-føring fra kondensatoren til broinitieringselementet.

En krets i samsvar med foreliggende oppfinnelse omfatter typisk en lagringskondensator med størrelse på mindre enn 3 mikrofarad (uf) , for eksempel i området fra omtrent 0,22 til 1 mikrofarad på omtrent 50 til 150 volt, mens tidligere kjente kretser benytter kondensatorer med størrelse på omtrent 3 mikrofarad eller mer (for eksempel US 5 377 592 (3 uf), US 5 435 248 (10 uf)). Videre kan lagringskondensatoren i en krets ifølge foreliggende oppfinnelse se en utladningsimpedans på 15 ohm eller mindre, for eksempel 5 ohm eller til og med 1 ohm. Tidskonstanten for utløsning av kondensatoren i foreliggende oppfinnelse er derfor nokså liten, for eksempel 15 mikrosekunder (for eksempel 1 mikrofarad kondensator med 15 ohm byteutløsningsimpedans for bytekretsen) eller mindre, og kan være så lav som for eksempel omtrent 0,2 mikrosekund (for eksempel 0,22 mikrofarad kondensator med 1 ohm utløsningimpedans). For eksempel er en typisk tidskonstant for kretsen i foreliggende oppfinnelse forventet å være omtrent 2,5 mikrosekund (for eksempel 0,5 mikrofarad kondensator med 5 ohm utløs-ningsimpedans) . Fortrinnsvis er impedansen av broinitieringselementet omtrent lik impedansen av bryterelementet slik at energi fra ladningskondensatoren ikke unødig forbrukes av bryterelementet under utløsning til broinitieringselementet.

Broinitieringselementer, det vil SCB-er og wolframbroer, foretrekkes over andre initieringselementer på grunn av de relativt små energikrav som de har for initiering, deres lave impedans (vanligvis mindre enn 10 ohm, fortrinnsvis omkring 1 ohm), deres raske responstid og overlegne varmeoverføringskarakteristikker. SCB-er tilbyr også et høyt nivå av sikkerhet og pålitelighet vedrørende energier for samlet avfyring og ingen avfyring. Som diskutert nærmere nedenfor, kan broinitieringselementet omfatte deler av en utgangsinitieringsinnretning som kan festes til kretsen, og utgangsinitieringsinnretningene kan omfatte deler av en utgangsinnretning for en detonator.

En elektronisk detonator-forsinkelseskrets i samsvar med en bestemt utførelse av foreliggende oppfinnelse er skjematisk illustrert i figur 1 med en piezoelektrisk transduser 14 og en halvlederbro 18. Forsinkelseskrets 10 omfatter forskjellige kretselementer som kan inkludere diskrete kretselementer og/eller integrerte kretser. Forsinkelseskrets 10 omfatter for eksempel en lagringskondensator 12 som tjener som lagringsinnretning for sammenstillingen for å motta og lagre en ladning med elektrisk energi fra en initierings-signalsinnretning. I den illustrerte utførelse tilveiebringer det elektriske initieringssignal fra en piezoelektrisk transduser 14 som produserer en puls med elektrisk energi ved mottagelse av en detoneringssjokk-bølge. Detoneringssjokkbølgen kan tilveiebringes fra en detonerende lunte (detonating cord) plassert nær innpå transduser 14, som foreslått av Jonssons US-patent 5 133 257. Alternativt kan detoneringssjokkbølgen oppnås fra en tennladning assosiert med kretssammenstillingen, som beskrevet nærmere nedenfor. Energien produsert av transduser 14 overføres til lagringskondensator 12 gjennom en styrediode 24. En avledningsmotstand 16 er posisjonert for å utlede lagringskondensator 12 i tilfelle at energi ladet i kondensator 12 ellers ikke utlades av forsinkelseskrets 10. Ordinært er en detonatorforsinkelseskrets utformet til å initiere en utgangsladning ved å utlade ladningskondensatoren innen et forsinkelsesintervall i området fra 1 millisekund til 10 sekunder fra mottagelsen av initieringssignalet. Avledningsmotstand 16 er valgt slik at en utladerladningskondensator 12 over en betydelig lengere tidsperiode enn det forventede forsinkelsesintervall. For eksempel kan avledningsmotstand 16 velges å utlade ladningskondensator 12 over en tidsperiode på 15 minutter.

SCB 18 er koblet til utgangsterminalen av bryterkrets 20 og er slik operativt forbundet til ladningskondensator 12. Operasjonen av bryterkrets 20 kontrolleres av en timerkrets 22. Som illustrert, trekker både bryterkrets 20 og timerkrets 22 effekt for deres operasjon fra ladningskondensator 12, selv om det i alternative utførelser av oppfinnelsen valgfritt kan benyttes separate effektkilder, slik som battericeller, for å forsyne disse kretsene.

Integrert bryterkrets 20 omfatter en spenningsregulator 26, en integrert kiselstyrt likeretter (SCR) 28 og en utløser-kontrollsignalkrets 30. SCR 28 tjener som et bryterelement gjennom hvilket energien lagret i lagringskondensator 12 kan leveres til SCB 18. Operasjonen av SCR 28 kontrolleres av utløsningskrets 30 som reagerer på et avfyringssignal utstedt av timerkrets 22. Regulator 26 bringer ned spenningen lagret i kondensator 12 for å tilveiebringe en kraftkilde for utløsningskrets 30 og for timerkrets 22.

Timerkrets 22 trekker kraft fra ladningskondensator 12 via leder 32. Timerkrets 22 omfatter en oscillator 34, hvis frekvens bestemmes delvis av en timingkondensator 35 og ved valget av en ekstern timingmotstand 36. Timerkrets 22 omfatter også en teller 38 og en nullstillingskrets 40 (power-on reset, "POR"). Ved mottagelse av kraft fra ladningskondensator 12 og regulator 26, initierer POR-krets 40 oscillator 34 og setter teller 38 til en forhåndsbestemt nulltilstand. Som svar på pulser mottatt fra oscillator 34, vil teller 38 telle ned fra nulltilstanden, og når det

forhåndsbestemte intervall er tellet, utsteder teller 38 et

avfyringssignal via avfyringsleder 42. Avfyringssignalet aktiverer utløsningskrets 30 som aktiverer SCR 28. Den gjenværende lagrede energi i lagringskondensator 12 blir da utladet gjennom SCR 28 til SCB 18.

I den illustrerte utførelse, er bryterkrets 20 dannet som en integrert BiCMOS-krets hvor de integrerte kretselementer er dielektrisk isolert (Dl) fra hverandre. Timerkrets 22 er imidlertid en konvensjonell CMOS-integrert krets, og er derfor i stand til å utføre sine timing- og initierings-signaleringsfunksjoner mens det trekkes minimalt med energi fra lagringskondensator 12. Den relativt høye impedans av CMOS-timerkrets 22 skader ikke effektiviteten med hvilken energi overføres fra ladningskondensator 12 ti SCB 18. For eksempel, ved å bruke en 0,5 mikrofarad kondensator og en byterkrets med 5 ohm utladningsimpedans, kan byterkrets 20 utlade 50 mikrojoul (uJ)) (det vil si 0,5 millijoul (mJ)) fra lagringskondensator 12 i omtrent 1 til 3 mikrosekunder for å initiere SCB 18. Tidligere kjente kretser krever i motsetning til dette i det minste 0,25 mJ for initiering av et broinitieringselement i samme tidsramme. Se for eksempel US-patent 5 309 841 til Hartman et al., utstedt 10. mai 1994, i kolonne 7, linjene 10-15 (5 volt påført i 10 mikrosekunder), og US patent 4 708 060 utstedt til Bickes Jr. et al., utstedt 24. november 1987, i kolonne 6, linjene 7-13 (1-5 mJ). Evnen til å initiere SCB 18 med en slik liten mengde elektrisk energi forbedrer påliteligheten av forsinkelseskretsen siden det da er mindre trolig at bryterkrets 20 og timerkrets 22 vil utlade ladningskondensator 12 i en slik grad at det er umulig, etter den forhåndsbestemte forsinkelse, å initiere SCB 18. I tillegg vil mindre tidskonstanter av kretsene ifølge foreliggende oppfinnelse bidra til mer jevn ytelse blant tilsvarende konfigurerte kretser.

Som et videre resultat av oppdelingen av høyspent- og lavspentfunksjoner av forsinkelseskretsen i dielektrisk isolerte BiCMOS og konvensjonelle CMOS-integrerte kretser, er den samlede størrelse av forsinkelseskretsen mindre enn korresponderende tidligere kjente kretser med bare CMOS, slik som vist i US 5 173 569 til Pallanck et al. Denne reduksjon i størrelse oppnås fordi disse kretselementer som tidligere måtte være diskrete enheter, kan inkorporeres i de integrerte kretser. For eksempel dannes styrediode og SCR 28 som del av den dielektrisk isolerte BiCMOS-brytekrets 20, mens tidligere kjente styredioder og SCR-er ikke kunne inkorporeres i en standard CMOS-krets og slik var tilstede som diskrete kretselementer. I tillegg, fordi DI BiCMOS-delen av kretsen kan tåle høyere spenninger enn en CMOS krets, kan forsinkelseskretsen omfatte en mindre lagringskondensator enn tidligere kjente kretser. Nærmere bestemt kan lagringskondensator 12 ifølge foreliggende oppfinnelse, være en kondensator av keramisk type, som er mindre, mindre kostbar og lettere å inkorporere i forsinkelseskrets 10 enn tidligere kjente lagringskonden-satorer, som generelt er av typen viklet film. Størrelses-reduksjonen resulterende fra oppdelingen av forsinkelseskrets funksjoner inn i CMOS- og DI BiMOS-deler tillater forsinkelseskretsen ifølge foreliggende oppfinnelse å inkorporeres i en detonator med standard størrelse hylse for en konvensjonell Nr. 8 eller 12 detonator, som generelt er sylindrisk i form og har 0,296 tommer (0,117 cm) diameter. Derfor tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en elektrisk detonator som kan brukes med de forskjellige konvensjonelle sprengeprodukter slik som tennladninger, tilkoblingsanordninger osv. som er konfigurert for standard størrelse detonatorer, og gir brukeren fordelen av forsinkelsen med digitalt kontrollert presisjon. Det er til og med rom i detonatoren for beskyttende kretsinnkapsling, slik som innkapsling 15 (figur 2), som beskytter detonatorkretsen fra ekstern vibrasjon. I motsetning til dette er tidligere kjente digitalt kontrollerte detonatorkretser så store at de krever hylser i overstørrelse og derfor ikke kan brukes med mange standard sprengningskomponenter.

Figur 2 gir et perspektivisk bilde av transduserkretssammenstilling 55 omfattende en elektronikkmondul 54 som omfatter forsinkelseskretsen 10 i figur 1 med en tilknyttet utgangsinitieringsinnretning 6. Forsinkelseskretsen 10 omfatter forskjellige kretskomponenter inkludert timerkrets 22, en timingmotstand 36, en bryterkrets 20, en ladningskondensator 12, en avledningsmotstand 16 og utgangsledere 37 som tilveiebringer en utgangsterminal til hvilken ladningskondensator 12 blir utladet. Disse forskjellige komponenter er montert på gitterlignende deler eller traser 41 av en lederramme, og som unntatt for utgangsledere 37, er plassert inne i innkapslingen 15. I den illustrerte utførelse, omfatter utgangsinitieringsinnretningene 46 i tillegg til halvlederbro 18 (som er koblet over utgangs-lederne 37), en initieringsladning 46a, som fortrinnsvis omfatter et fint partikkelformet eksplosivt materiale og en initierings-kapsling 46b som er krympet på halsområdet 44 av innkapsling 15 og som holder initieringsladning 46a i energioverførende forhold til halvlederbro 18. Initieringsladning 46a er fortrinnsvis presset inn i initieringskapsel 46b til en tetthet på mindre enn 80 prosent av sin maksimale teoretiske tetthet (MTD). Fortrinnsvis er SCB 18 festet til utgangsledere 37 på en måte som tillater SCB 18 å stikke inn i og være omgitt av initieringsladning 46a. Alternativt kan slike materialer fremstilles i form av en slurry eller kuleblanding (bead mix) som kan påføres SCB-en. Utgangsinitieringsinnretning 46 kan omfatte deler av utgangsinnretningene av en detonator og kan brukes, for eksempel til å initiere grunnladningen eller "utgangs-ladningen" av detonatoren hvor transduserkrets sammenstillingen 55 er plassert, som beskrevet nedenfor.

Innkapsling 15 holder fortrinnsvis hylse 21 bare langs longitudianalt strekkende utstikkende ribber eller finner (som ikke er synlig i figur 2) og etablerer slik en spalte 48 mellom innkapsling 15 og hylse 21 i områdene som strekker seg rundt innkapsling 15 mellom finnene. Som et alternativt til finner, kan innkapsling 15 utformes til å ha utoverragende fremspring som berører innerflaten av en omgivende hylse eller detonatorskall eller den kan være polygonal i tverrsnitt og berøre hylse 21 langs longitudi-nale topper eller kanter, eller kan ha en annen utforming som virker til å oppta sjokkbølge som kan sendes til kretsen fra innretningens omgivelser. Generelt vil slike utforminger minimalisere eller i det minste redusere kontaktflaten mellom innkapsling 15 og hylse 21. I tillegg kan noe eller hele innkapslingen 15 omfatte et sjokkabsorberende materiale. Alternativt kan en innkapsling 15 omfatte et sjokkabsorberende materiale som valgfritt kan ha full kontakt med hylse 21.

I den illustrerte utførelse, kan innkapsling 15 valgfritt definere tunger 50 som gjør testledere 52 tilgjengelige, men som fortrinnsvis tillater lederene å forbli innen over-flateprofilet av innkapsling 15, det vil si at lederene fortrinnsvis ikke strekker seg inn i spalte 48. Hvis tungene 50 utelates, er det å foretrekke at testlederene. ikke strekker seg over spalte 48 for å kontakte den omgivende innkapsling. Før elektronikkmodulen (som omfatter de forskjellige kretselementer, utgangsinitieringsinnret-ningen 46 og innkapsling 15) blir plassert i hylse 21, er følgelig ledere slik som leder 52, tilgjengelig for å teste den sammenstilte krets. Da kan elektronikkmodul 54 settes inn i hylse 21 og ledere 52 vil ikke kontakte hylse 21. Elektronikkmodul 54 er utformet slik at utgangsledere 37 og initieringsinngangsledere 56, gjennom hvilken ladningskondensator 12 kan lades, stikker frem fra respektive motsatte ender av elektronikkmodul 54. En transdusermodul 58 omfatter en piezoelektrisk transduser 14 og to overføringsledere 62 lukket inne i transduserinnkapsling

64. Transduserinnkapsling 64 er dimensjonert og innrettet til å berøre hylse 21 slik at transdusermodul 58 kan sikres på enden av hylse 21 med ledere 62 i kontakt med inngangs-ledere 56. Fortrinnsvis er innkapsling 15, hylse 21 og transduserinnkapsling 64 dimensjonert og innrettet slik at når sammenstilt som vist i figur 2, er det etablert en luftspalte indikert ved 66 mellom innkapsling 15 og transduserinnkapsling 64. På denne måte er elektronikkmodul 54 i det minste delvis skjermet fra detonasjonssjokkbølgen som får piezoelektrisk transduser 14 til å lage denne elektriske puls som initierer elektronikkmodul 54. Trykket påført av en slik detonasjonssjokkbølge overføres gjennom transdusermodul 58 til hylse 21, som indikert med kraftpiler 68, i stedet for til elektronikkmodul 54.

I motsetning til tidligere kjente detonatorforsinkelses-kretser, hvor de forskjellige kretspakker og elementer er montert på et polymer eller keramisk substrat i et "chip-på-kort"-type arrangement, kan de integrerte kretser og kretselementer til forsinkelseskrets 10 monteres direkte på metallsporene 41 i en føringsramme. Denne sammenstillings-prosedyren er mindre kostbar enn tidligere kjente prosedyrer og reduserer størrelsen av forsinkelseskretsen, forenkler integreringsprosessen og tillater en større og mer beskyttende innkapsling.

Det vises nå til figur 3A hvor det er vist en utførelse av en digital forsinkelsesdetonator 100 omfattende en elektronikkmodul i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Forsinkelsesdetonator 100 omfatter et hus 112 som har en åpen ende 112a og en lukket ende 112b. Hus 112 er laget av et elektrisk ledende materiale, vanligvis aluminium, og har fortrinnsvis størrelsen og formen til konvensjonelle fenghetter, det vil si detonatorer. Detonator 100 omfatter en overføringsinnretning for initieringssignaler for å levere et elektrisk initieringssignal til forsinkelseskretsen. Overføringsinnretningene for initieringssignaler kan simpelthen omfatte en elektrisk initieringssignallinje som kan være direkte tilknyttet inngangsterminalen av en passende konfigurert forsinkelseskrets i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Imidlertid blir detonatoren fortrinnsvis brukt som del av et ikke-elektrisk system og overføringsinnretningene for initieringssignalet omfatter enden av en ikke-elektrisk signaloverføringslinje (for eksempel sjokkrør) og en transduser for å omforme det ikke-elektriske initieringssignal til et elektrisk signal, som beskrevet heri. I den illustrerte utførelse er forsin-kelsesdetonatoren 100 koblet til en ikke-elektrisk initieringssignalinnretning som omfatter, i det illustrerte tilfelle, et sjokkrør 110, tennladning 120 og transdusermodul 58. Det er å forstå at ikke-elektriske signalover-føringslinjer foruten sjokkrør, slik som en detonerende lunte, lavenergi-detonerende lunte, lavhastighets-sjokkrør og lignende, kan brukes. Som er vel kjent for fagfolk på området, omfatter sjokkrør hule plastrør hvor veggen på innsiden er dekket med et eksplosivt materiale, slik at ved tenning vil en lavenergi-sjokkbølge forplante seg gjennom røret. Se for eksempel Thureson et al-, US patent 4 607 573, utstedt 26. august 1986. Sjokkrør 110 er sikret til hus 112 av adapterbøssing 114 som omgir rør 110. Hus 112 er krympet på bøssing 114 i krympepunkter 116, 116a for å sikre sjokkrør 110 i hus 112 og danne en beskyttende forsegling mot omgivelsene mellom hus 112 og den ytre overflate av sjokkrør 110. Et segment 110a av sjokkrør 110 strekker seg inne i hus 112 og terminerer ved ende 110b nært til, eller i buttende kontakt med, en antistatisk isolasjonskopp 118.

Isolasjonskopp 118 som er innpresset (friction fit) i hus 112, er laget av et halvledende materiale, for eksempel et karbonfylt polymermateriale, slik at den danner en ledende jordingsvei fra sjokkrør 110 til hus 112 for å ta opp statisk elektrisitet som kan forplante seg langs sjokkrør 110. Slike isolasjonskopper er velkjente på område. Se for eksempel US-patent 3 981 240 til Gladden, utstedt 21. desember 1976. En lavenergi-tennladning 120 er posisjonert tilliggende antistatisk isolasjonskopp 118. Som det best kan ses i figur 3b, omfatter antistatisk isolasjonskopp 118, som det er vel kjent på området, et generelt sylindrisk legeme (som vanligvis er i form av en trunkert kon, med den største enden rettet mot den åpne ende 112) som er delt av en tynn, oppbrytbar membran 118b i et inngangskammer 118a og et utgangskammer 118c. Enden 110b av sjokkrør 110 (figur 3A) mottas inne i inngangskammer 118a (sjokkrør 110 er ikke vist i figur 3B for klarhets skyld). Utgangskammer 118c tilveiebringer et luftrom og avstands-stykke mellom enden llOb av sjokkrør 110 og tennladning 120 som er plassert i gjensidig signaloverførende forhold til hverandre. Under drift vil sjokkbølgesignalet utsendt fra enden 110b av sjokkrør 110 sprenge membran 118b, krysse avstandsdykket tilveiebrakt av utgangskammer 118c og initiere tennladning 120.

Tennladning 120 omfatter en liten mengde av et primært eksplosiv 124 slik som blyazid (eller et egnet sekundært eksplosivt materiale slik som BNCP), som er plassert inne i et tennskall 132 og hvorpå det er plassert et første puteelement 126 (ikke vist i figur 3A for klarhets skyld). Første puteelement 126, som er ringformet i utforming unntatt for en tynn sentralmembran, er plassert mellom isolasjonskopp 118 og eksplosiv 124, og tjener til å beskytte eksplosiv 124 fra trykk påført det under produksjon.

Isolasjonskopp 118, første puteelement 126 og tennladning 120 kan med fordel passes inn i et tennskall 132 som vist i figur 3B. Den ytre overflate av isolasjonskopp 118 er i ledende kontakt med innerflaten av tennskall 132 som i sin tur er i ledende kontakt med hus 112 for å tilveiebringe en elektrisk ledevei for statisk elektrisitet utladet fra sjokkrør 110. Generelt settes tennskall 132 inn i hus 112 og hus 112 krympes for å holde tennskall 132 deri så vel som for å beskytte innholdet av hus 112 fra omgivelsene.

En ikke-ledende buffer 128 (ikke vist i figur 3A for klarhets skyld), som typisk er 0,015 tommer tykk, er plassert mellom tennladning 120 og transdusermodul 58 for elektrisk å isolere transdusermodul 58 fra tennladning 120. Transdusermodul 58 omfatter en piezoelektrisk transduser (ikke vist i figur 3A) som er plassert i kraftoverførende forhold med tennladning 120 og slik kan omforme utgangskraften fra tennladning 120 til en puls med elektrisk energi. Transdusermodul 58 er operativt tilknyttet elektronikkmodul 54 som vist i figur 2. Overføringsinn-retningen for initieringssignalet omfatter sjokkrørssegment 110b, tennladning 120 og transdusermodul 58, tjener til å levere til forsinkelseskrets 10, i elektrisk form, et ikke-elektrisk initieringssignal mottatt via sjokkrør 110, som beskrevet nedenfor.

Innkapslingen tilveibrakt av detonator 100 omfatter i tillegg til hus 112, den opsjonelle stålhylse 21 med åpen ende som omgir elektronikkmodul 54. Elektronikkmodul 54 omfatter i sin utgangsende en utgangsinitieringsinnretning 46 {vist i figur 2), som omfatter deler av utgangsinnretningene for detonatoren. Ved siden av utgangsinitieringsinnretningene av elektronikkmodul 54 er et andre puteelement 142, som lignende første puteelement 126. Andre puteelement 142 separerer utgangsenden av elektronikkmodul 54 fra resten av detonatorens utgangsinnretninger. Omfattende en utgangsladning 144 som er presset inn i den lukkede ende 112b av hus 112. Utgangsladning 144 omfatter et sekundært eksplosiv 144b som er følsom for utgangsinitieringsinnretningene av elektronikkmodul 54 som har tilstrekkelig sjokkeffekt til å detonere støpte tenneksplosiver, dynamitt osv. Utgangsladning 144 kan valgfritt omfatte en relativt liten ladning av et primært eksplosiv 144a for å initiere sekundært eksplosiv 144b, men primært eksplosiv 144a kan sløyfes hvis initieringsladning av elektronikkmodul 54 har tilstrekkelig utgangsstyrke til å initiere sekundært eksplosiv 144b. Det sekundære eksplosiv 144b har tilstrekkelig sjokkeffekt til å sprenge hus 112 og detonere støpte tenneksplosiver, dynamitt osv., plassert nær signaloverføringsmessig til detonator 100.

I bruk utsendes det et ikke-elektrisk initieringssignal som forplanter seg gjennom sjokkrør 110 ved ende 110b. Signalet sprenger membran 118b av isolasjonskopp 118 og første puteelement 126 for å aktivere tennladning 120 ved å initiere primært eksplosiv 124. Primært eksplosiv 124 generer detonasjonssjokkbølge som påtrykker en utgangskraft på den piezoelektriske generator i transdusermodul 58. Den piezoelektriske generator er i kraftoverførende forhold til tennladning 120 og konverterer utgangskraften til et elektrisk utgangssignal i form av en puls med elektrisk energi som mottas av elektronikkmodul 54. Som indikert ovenfor, lagrer elektronikkmodul 54 pulsen med elektrisk energi, og etter en forhåndsbestemt forsinkelse, frigjøres eller formidles energien til detonatorutgangsinnretningene. I den illustrerte utførelse, frigjøres ladningen til utgangsinitieringsinnretningene, som initierer utgangsladning 144. Utgangsladning 144 sprenger hus 112 og utsender et detonasjonsutgangssignal som kan brukes til å initiere andre eksplosive innretninger, som velkjent på området.

Mens oppfinnelsen har blitt beskrevet i detalj med henvisning til bestemte utførelsesformer derav, er det åpenbart at ved lesing og forståelse av det foregående, vil mange endringer til de beskrevne utførelser fremgå for fagfolk på området og det er ment å inkluderes slike endringer innen omfanget av de medfølgende krav. For eksempel mens den hybride timer og bryterkrets ifølge foreliggende oppfinnelse er illustrert ovenfor en utførelse tilrettelagt for bruk i en detonator sikret til en overføringslinje for et ikke-elektrisk initieringssignal {for eksempel sjokkrør 110), er det å forstå at oppfinnelsen også kan utøves med detonatorer sikret til elektriske signaloverføringslinj er.

Claims (21)

1. Forsinkelseskrets (10), karakterisert ved: en inngangsterminal (56) for å motta en ladning med elektrisk energi, lagringsinnretninger (12) koblet til inngangsterminalen for å motta og lagre en ladning med elektrisk energi, en integrert, dielektrisk isolert BiCMOS brytekrets (20) omfattende integrerte kretselementer som er dielektrisk isolert fra hverandre og som kobler ladningsinnretningene (12) til en utgangsterminal for å utløse energi lagret i lagringsinnretningene (12) til en slik utgangsterminal som svar på et signal fra en timerkrets (22), en utgangsterminal (37) koblet til lagringsinnretningene (12) gjennom bryterkretsen (20), og idet timerkretsen (22) er operativt tilkoblet bryterkretsen for å kontrollere utløsningen av energi lagret i lagringsinnretningene (12) til utgangsterminalen (37) av brytekretsen (20), hvor timerkretsen (22) omfatter en CMOS-integrert krets.

2. Krets ifølge krav 1, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans på mindre enn omtrent 3 mikrofarad med merkespenning mellom 50 og 150 volt.

3. Krets ifølge krav 2, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans i området fra omtrent 0,22 til 1 mikrofarad med merkespenning mellom 50 og 150 volt.

4. Krets ifølge krav 1, krav 2 eller krav 3, karakterisert ved at den videre omfatter et broinitieringselement tilknyttet utgangsterminalen (37), hvor lagringsinnretningene (12) har en kapasitans og brytekretsen (20) har en utladningsimpedans, i det lagringsinnretningene (12) har en tidskonstant utledet fra kapasitansen og utladningsimpedansen, på mindre enn omtrent 15 mikrosekunder.

5. Krets ifølge krav 4, karakterisert ved at den har en tidskonstant i området fra omtrent 0,2 til 15 mikrosekunder.

6. Krets ifølge krav 5, karakterisert ved at den har en tidskonstant på omtrent 2,5 mikrosekunder.

7. Krets ifølge krav 2 eller krav 3, karakterisert ved at bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans på mindre enn omtrent 15 ohm.

8. Krets ifølge krav 7, karakterisert ved at bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans i området fra omtrent 1 til 5 ohm.

9. Transduserkretssammenstilling (55), karakterisert ved en transdusermodul (58) for å konvertere en sjokkbølgepuls til en puls med elektrisk energi, en elektronikkmodul (54) omfattende (a) en forsinkelseskrets (10) omfattende (I) lagringsinnretninger (12) koblet til transdusermodulen (58) for å motta og lagre elektrisk energi fra transdusermodulen (58),

(11) en integrert, dielektrisk isolert BiCMOS brytekrets (20) som forbinder lagringsinnretningene (12) til en utgangsinitieringsinnretning for å utløse energi lagret i lagringsinnretningene (12) til en utgangsinitieringsinnretning som svar på et signal fra en timerkrets (22), og (III) en timerkrets (22) operativt tilknyttet bryterkretsen (20) for å kontrollere utløsningen til utgangsterminalen av bryterkretsen (20) av energi lagret i lagringsinnretningene

(12) , og (b) en utgangsinitieringsinnretning operativt tilknyttet lagringsinnretningene gjennom bryterkretsen for å motta energi fra lagringsinnretningene og for å generere et utgangsinitieringssignal som svar på dette.

10. Sammenstilling ifølge krav 9, karakterterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans C og at bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans R, idet bryterkretsen (12) har en tidskonstant utledet fra kåpasitansen C og utladningsimpedansen R på mindre enn omtrent 15 mikrosekunder.

11. Sammenstilling ifølge krav 10, karakterisert ved at tidskonstanten er i området fra omtrent 0,2 til 15 mikrosekunder.

12. Sammenstilling ifølge krav 11, karakterisert ved at tidskonstanten er omtrent 2,5 mikrosekund.

13. Sammenstilling ifølge krav 10, krav 11 eller krav 12, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans på mindre enn omtrent 3 mikrofarad med merkespenning på mellom 50 og 150 volt og at bytekretsen (20) har en utladningsimpedans på mindre enn omtrent 15 ohm.

14. Sammenstilling ifølge krav 13, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans i området fra omtrent 0,22 til 1 mikrofarad med merkespenning på mellom 50 og 150 volt og at bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans i området fra omtrent 1 til 5 ohm.

15. Detonator (100), karakterisert ved: et hus (112) med en lukket ende (112b) og en åpen ende (112a), idet den åpne ende er dimensjonert og innrettet for tilkobling til en overføringsinnretning (110, 120, 58) for et initieringssignal, en overføringsinnretning (110, 120, 58) for et initieringssignal i huset (112) for å levere et elektrisk initieringssignal til inngangsterminalen (56) av en forsinkelseskrets (10) , en forsinkelseskrets (10) i huset (112) omfattende (I) en inngangsterminal (56) for å motta en ladning med elektrisk energi, (II) lagringsinnretninger (12) koblet til inngangsterminalen (56) for å motta og lagre en ladning med elektrisk energi, (III) en integrert, dielektrisk isolert BiCMOS bryterkrets (20) som kobler lagringsinnretningene (12) til en utgangsterminal (37) for å utløse energi lagret i lagringsinnretningene (12) til en målanordning koblet til en utgangsinitieringsinnretning som svar på et signal fra en timerkrets (22), (IV) en utgangsterminal (37) koblet til lagringsinnretningene (12) gjennom bryterkretsen (20), og (V) en timerkrets (22) operativt tilknyttet bryterkretsen (20) for å kontrollere utløsningen til utgangsterminalen (37) av bryterkretsen (20) av energi lagret i lagringsinnretningene (12), og detonatorutgangsinnretninger (144) plassert i huset (112) i operativt forhold til lagringsinnretningene (12) for å generere et utgangssignal ved utladning av lagringsinnretningene (12) .

16. Detonator ifølge krav 15, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans C og bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans R, i det lagringsinnretningene (12) har en tidskonstant ledet fra kapasitansen C og utladningsimpedansen R på mindre enn omtrent 15 mikrosekunder.

17. Detonator ifølge krav 16, karakterisert ved at den har en tidskonstant i området fra omtrent 0,2 til 15 mikrosekunder.

18. Detonator ifølge krav 17, karakterisert ved at den har en tidskonstant på omtrent 2,5 mikrosekunder.

19. Detonator ifølge krav 15, krav 16, krav 17 eller krav 18, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans på mindre enn omtrent 3 mikrofarad med merkespenning på mellom 50 og 150 volt, og at bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans på mindre enn omtrent 15 ohm.

20. Detonator ifølge krav 19, karakterisert ved at lagringsinnretningene (12) har en kapasitans i området fra omtrent 0,22 til 1 mikrofarad med merkespenning på mellom 5 0 og 150 volt, og hvor bryterkretsen (20) har en utladningsimpedans i området fra omtrent 1 til 5 ohm.

21. Detonator ifølge krav 15, karakterisert ved at overføringsinnret-ningen for initieringssignalet omfatter enden av et sjokkrør, en tennladning og en transdusermodul alle sikret i huset og innrettet slik at et ikke-elektrisk initieringssignal utstedt fra enden av sjokkrøret initierer tennladningen, som er plassert i kraftoverførende forhold til transdusermodulen, idet transdusermodulen er operativt tilknyttet inngangsterminalen av forsinkelseskretsen.