レーザ着火式点火具
【課題】より小型で、より低価格であり、且つより安全なレーザ着火式点火具を提供する。
【解決手段】偏光性を有した状態で入力されたレーザ光ＬＢを平行光に変換するレンズであるコリメートレンズ３１と、平行光に変換されたレーザ光ＬＢを集光するレンズである集光レンズ３２と、集光されたレーザ光ＬＢの焦点近傍に配置された点火薬４２と、偏光性を有するレーザ光ＬＢの透過と遮断を制御可能であるとともにレーザ光ＬＢが入力される位置から点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材７０と、が収容されている、レーザ着火式点火具。
【解決手段】偏光性を有した状態で入力されたレーザ光ＬＢを平行光に変換するレンズであるコリメートレンズ３１と、平行光に変換されたレーザ光ＬＢを集光するレンズである集光レンズ３２と、集光されたレーザ光ＬＢの焦点近傍に配置された点火薬４２と、偏光性を有するレーザ光ＬＢの透過と遮断を制御可能であるとともにレーザ光ＬＢが入力される位置から点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材７０と、が収容されている、レーザ着火式点火具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて点火薬に着火するレーザ着火式点火具に関し、安全装置を備えたレーザ着火式点火具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ロケットモータやガスジェネレータ用イグナイタ等、爆発性火工品の点火用として、白金線や抵抗体に電流を流して発熱させて点火薬を発火させる点火具が利用されている。
そして近年では、より確実に点火するために、レーザ光を用いた、種々のレーザ着火式点火具が提案されており、更に、種々の安全装置を備えたレーザ着火式点火具が提案されている。
例えば特許文献１に記載された従来技術では、回転可能に構成されて種々の方向に着火用のレーザ光を反射可能な方向制御装置と、方向制御装置に向けてレーザ光を出射可能なレーザ発振装置と、方向制御装置に向かう側に受光面を向けた単数または複数の光ファイバと、を備えている。そして方向制御装置を制御することで、選択された光ファイバに向けてレーザ光を反射して伝送する、レーザ着火火工品用セーフアーム装置が開示されている。
また特許文献２に記載された従来技術では、光ファイバを収容して光ファイバ端面にレンズが設けられた光ファイバコネクタフェルールを２つ用意して、スリーブの両側から対向するように且つ所定間隔を設けて光ファイバコネクタフェルールの先端部をスリーブ内に固定している。そして一方の光ファイバコネクタフェルールの先端部と他方の光ファイバコネクタフェルールの先端部との間におけるスリーブ部分にシャッタ挿入用穴を穿孔し、当該シャッタ挿入用穴にシャッタ部材を出し入れすることで、レーザ光の伝送と遮断を行うことができる、レーザ着火火工品用セーフアーム装置が開示されている。
また特許文献３に記載された従来技術では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）シャッタを用いて、所望の時間や所望の位置で爆発させることができる、起爆制御された砲弾のための起爆器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１８４４３号公報
【特許文献２】特開平０８−３０３３００号公報
【特許文献３】特許第４６５２８３１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に記載された従来技術では、レーザ光を反射する方向制御装置は、反射鏡と回転駆動部を有しており、装置が大型化する。また、方向制御装置の反射角度の位置決めを高精度に行うことができるガイドやストッパ等が必要であり、装置が大型化する。
また特許文献２に記載された従来技術では、シャッタ部材を機械的に出し入れする必要があるのでシャッタ部材を出し入れするモータ等の駆動装置が必要であり、大型化する。
また特許文献３に記載された従来技術では、ＭＥＭＳシャッタを用いており、比較的高価である。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、より小型で、より低価格であり、且つより安全なレーザ着火式点火具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ着火式点火具は次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、偏光性を有した状態で入力されたレーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ光が入力される位置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、が収容されている、レーザ着火式点火具である。
【０００６】
この第１の発明では、入射されたレーザ光の偏光性を保持する光ファイバ（例えば偏波保持ファイバ）等から入力されたレーザ光を、コリメートレンズと集光レンズを用いて焦点位置に集光してエネルギー密度を高め、当該集光位置に点火薬を配置する。
これにより、例えば比較的出力の低いレーザ光を入力しても確実に着火することができる、より小型で安価、且つ一体型のレーザ着火式点火具を構成することができる。
また、偏光性を有するレーザ光を入力し、点火薬までの経路中にレーザ光の遮断と透過を制御可能なシャッタ部材を設けることで、より安全なレーザ着火式点火具を実現することができる。
【０００７】
次に、本発明の第２の発明は、偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置と、前記レーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ発振装置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、が収容されている、レーザ着火式点火具である。
【０００８】
この第２の発明によれば、偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置を内蔵し、発生させたレーザ光を、コリメートレンズと集光レンズを用いて焦点位置に集光してエネルギー密度を高め、当該集光位置に点火薬を配置する。
これにより、例えば比較的出力の低いレーザ発振装置を用いても確実に着火することができる、より小型で安価、且つ一体型のレーザ着火式点火具を構成することができる。
また、レーザ発振装置から点火薬までの経路中にレーザ光の遮断と透過を制御可能なシャッタ部材を設けることで、より安全なレーザ着火式点火具を実現することができる。
【０００９】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るレーザ着火式点火具であって、前記シャッタ部材は、前記コリメートレンズと前記集光レンズの間に配置されている。
【００１０】
この第３の発明によれば、レーザ光のエネルギー密度が最も低い位置（レーザ光のビーム径が最も大きい位置）にシャッタ部材を配置するので、レーザ光の透過時におけるエネルギーロスを抑制することができるとともに、レーザ光の遮断時におけるシャッタ部材の焼損を防止することができる。
【００１１】
次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記コリメートレンズと前記集光レンズは、いずれも略球体のボールレンズである。
【００１２】
この第４の発明によれば、焦点距離が比較的短く、且つ安価な球状のボールレンズを使用することで、より小型化することが可能な、比較的安価なレーザ着火式点火具を実現することができる。
また、ボールレンズは、レンズ中心をレーザ光の光軸上に配置するだけで良く、特にレンズの光軸の傾きを意識する必要がないので、組み付け性が良い。
【００１３】
次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記コリメートレンズは略球体のボールレンズであり、前記集光レンズにおいて、前記コリメートレンズの側は球面に形成されており、前記コリメートレンズと反対の側は前記レーザ光の光軸に直交する平面である点火薬側平面が形成されている。
【００１４】
この第５の発明によれば、より大きな屈折率を有する集光レンズを用いて、光軸方向における集光レンズの厚さをより薄くすることができるので、レーザ着火式点火具をより小型にすることができる。
【００１５】
次に、本発明の第６の発明は、上記第５の発明に係るレーザ着火式点火具であって、前記点火薬側平面と前記点火薬との間には、前記レーザ光が透過可能であるとともに略平板状である平板状透過部材が配置されている。
【００１６】
この第６の発明によれば、平板状透過部材を用いることで、集光レンズの焦点距離の長さ等を調節することができるので、便利である。
【００１７】
次に、本発明の第７の発明は、上記第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されている。
また、前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されている。
【００１８】
この第７の発明によれば、点火薬を集光レンズまたは平板状透過部材に接触する位置に配置するので、点火薬の装填位置の位置決めが容易である。
また、点火薬を球面に装填するのでなく平面に装填することができるので、点火薬の装填が容易である。更に、点火薬を圧縮しながら装填する場合、球面でなく平面に装填するので、容易に点火薬の圧力を均一にすることができる。
【００１９】
次に、本発明の第８の発明は、上記第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間には空間が形成されている。
また、前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間には空間が形成されている。
【００２０】
この第８の発明によれば、集光レンズの焦点位置を、集光レンズ（あるいは平板状透過部材）から離れた位置に設定するので、集光されたレーザ光のエネルギーが集光レンズまたは平板状透過部材に伝導されて低下することを防止することができる。
【００２１】
次に、本発明の第９の発明は、上記第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められている。
また、前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められている。
【００２２】
この第９の発明によれば、集光レンズの焦点位置を、集光レンズ（あるいは平板状透過部材）から離れた位置に設定するので、集光されたレーザ光のエネルギーが集光レンズまたは平板状透過部材に伝導されて低下することを防止することができる。また、集光レンズと点火薬との間を、レーザ光を透過するとともに断熱性を有する断熱透過部材で埋めることで、レーザ光のエネルギーロスを抑制するとともに点火薬の位置決めも容易なレーザ着火式点火具を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（Ａ）は、レーザダイオード２０を内蔵したレーザ着火式点火具１を構成する各部材を説明する斜視図であり、（Ｂ）は、各部材を組み付けたレーザ着火式点火具１をレーザ光ＬＢの光軸ＺＬに沿って切断した断面図である。
【図２】（Ａ）は、光ファイバ８０からレーザ光を入力するレーザ着火式点火具１Ａを構成する各部材を説明する斜視図であり、（Ｂ）は、各部材を組み付けたレーザ着火式点火具１Ａをレーザ光ＬＢの光軸ＺＬに沿って切断した断面図である。
【図３】レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構造の例を説明する図であり、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）とが接触するように点火薬４２を配置した例を説明する図である。
【図４】レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構造の例を説明する図であり、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間に所定距離Ｄ２の空間が形成されている例を説明する図である。
【図５】レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構造の例を説明する図であり、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間の所定距離Ｄ２が断熱透過部材４１にて埋められている（充填されている）例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。
●［レーザダイオード２０を内蔵したレーザ着火式点火具１の全体構成（図１）］
まず図１（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、レーザ着火式点火具１の一実施の形態の全体構成について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例は、偏光性を有するレーザ光を発生させるレーザダイオード２０を内蔵した例を示している。
レーザ着火式点火具１は、ダイオードホルダ６１、レーザダイオード２０（レーザ発振装置に相当）、コリメートレンズ３１、シャッタ部材７０、集光レンズ３２、スペーサ１１、断熱透過部材４１、点火薬４２、点火薬ホルダ６２、主装薬５０、キャップ６３等がケース１０内に収容されて構成されている。ケース１０内の一方端（図１では左側端部）にレーザダイオード２０が収容され、レーザダイオード２０のレーザ光出力窓の軸線である光軸ＺＬ上に、コリメートレンズ３１とシャッタ部材７０と集光レンズ３２と点火薬４２が収容されている。
また、後述する図３、図４の例に示すように、断熱透過部材４１は省略しても良い。
【００２５】
レーザダイオード２０は、端子２０Ａに電源が供給されると発光部Ｆｓからレーザ光ＬＢを出射する。また本実施の形態では、偏光性を有するレーザ光ＬＢを出射するレーザダイオード２０を用いている。なお出射されたレーザ光ＬＢの光軸を光軸ＺＬにて示す。そしてレーザダイオード２０は、ダイオードホルダ６１にてケース１０に保持されている。
出射されたレーザ光ＬＢは、所定の拡がり角を有して円錐状に拡がるため、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２にて構成されたレンズ群３０を用いて、点火薬４２の表面近傍に集光される。
コリメートレンズ３１は、レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを平行光に変換する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、コリメートレンズ３１は略球体のボールレンズであり、レーザダイオード２０の発光部Ｆｓまでの距離が焦点距離ｆ１とほぼ一致するように設定されている。
集光レンズ３２は、平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、点火薬４２の表面近傍と光軸ＺＬとの交点となる集光位置Ｆｇに向けて集光する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、集光レンズ３２は略球体のボールレンズであり、集光位置Ｆｇまでの距離が焦点距離ｆ２とほぼ一致するように設定されている。
【００２６】
シャッタ部材７０は、例えば電気式の液晶シャッタであり、端子７０Ａに電源が接続され、偏光性を有するレーザ光ＬＢの透過と遮断を制御可能である。シャッタ部材７０は、例えば非通電時ではレーザ光ＬＢを遮断し、通電時ではレーザ光ＬＢを透過するように方向が調整されて配置されている。シャッタ部材７０としては、例えば電圧で偏光面を制御可能な液晶板に偏光板が接合された一般的な構造のものが使用される。この場合、液晶板は、電圧を印加した場合に偏光板と偏光方向が一致するように設定されており、電圧を印加しない場合に偏光板に対して偏光方向が９０度回転するように設定されている。また、偏光性を有するレーザ光ＬＢを出射するレーザダイオード２０を用いることで、互いに偏光方向が直交する２枚のシャッタ部材を必要とせず、１枚のシャッタ部材７０にてレーザ光ＬＢの透過と遮断を制御しており、高い透過率を確保している。
なお、図１の例ではコリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間にシャッタ部材７０を配置しているが、レーザ光の入力位置（この場合、レーザダイオード２０の発光部Ｆｓ）から点火薬４２までのレーザ光ＬＢの経路中であれば、どの位置に配置しても良く、例えば集光レンズ３２と点火薬４２との間に配置しても良い。しかし、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間ではレーザ光ＬＢが平行光となっているので、シャッタ部材７０を配置するためにコリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間隔を任意に設定することが可能であり、焦点距離を考慮する必要がない。また、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の間はレーザ光ＬＢのビーム径が最も大きくエネルギー密度が最も小さいため、レーザ光ＬＢの透過時ではエネルギーロスがより小さく、且つレーザ光ＬＢの遮断時ではシャッタ部材７０の焼損を防止することができるので、より好ましい。
安全装置としてシャッタ部材７０を設けることで、誤信号でレーザ光ＬＢが発生した場合であっても（光ファイバ等から入力された場合であっても）、点火薬４２の着火を防止することが可能であり、安全性を向上させることができる。
またシャッタ部材７０は、薄い板状であって電圧で制御できるのでモータ等の駆動装置を必要とせず、レーザ着火式点火具１に内蔵しても、充分に小型化を実現できる。
【００２７】
断熱透過部材４１は、レーザ光ＬＢを透過するとともに断熱性を有する部材であり、点火薬４２と集光レンズ３２との間を埋めるスペーサの役割を果たす。
点火薬４２は、レーザ光ＬＢにて直接的に着火される火薬である。
また、断熱透過部材４１と点火薬４２は、点火薬ホルダ６２にてケース１０内に保持されている。
主装薬５０は、点火薬４２の燃焼によって着火燃焼し、イグナイタとして必要な熱量や多量の熱粒子や破片を発生する火薬成分であり、必要な熱量等に応じて適宜分量が調整される。
ケース１０は、例えば耐圧性の金属ケースであり、キャップ６３は、例えば樹脂製もしくは金属製である。また、ケース１０内には、コリメートレンズ３１の径、及び集光レンズ３２の径の内径を有するスペーサ１１が収容されている。
そして点火薬４２と主装薬５０の燃焼生成物は、ケース１０の他方端（図１では右側端部）のキャップ６３を破って噴出する構造を有している。
【００２８】
レーザ着火式点火具１は、上記に記載したケース１０を除く全ての構成部品がケース１０内に収容され、レーザダイオード２０の端子２０Ａとシャッタ部材７０の端子７０Ａに電源を接続するだけで良いので、取り扱いが容易である。
なお、レーザダイオード２０は、入手が容易で安価な、近赤外から可視光の波長を有するものが好ましい。そしてレーザ光の出力は、短時間で点火薬を着火するエネルギーが必要であるので、例えば０．２［Ｗ］以上、好ましくは０．５［Ｗ］以上の出力を有するものが必要である。なお、０．５［Ｗ］出力のレーザダイオードであっても、５〜６［ｍｍ］程度の大きさであり、充分小型である。また、高出力のレーザダイオードほど、レーザ照射の開始から着火までの時間が短く、例えば０．５［Ｗ］以上であれば、１［ｍｓ］以下の短い着火遅れ時間を実現することができる。
【００２９】
また点火薬４２は、例えば過塩素酸カリウム・ジルコニウム混合物や、硝酸カリウム・ボロン混合物等、一般的な点火具に使用されている点火薬を使用できる。なお、点火薬にカーボンブラックのような黒色の成分を１［％］〜５［％］程度、含有させると、レーザ光ＬＢの吸収率が向上し、比較的低出力のレーザダイオードであっても、着火遅れ時間をより短くすることができるので、好ましい。
また主装薬５０としては、例えば硝酸カリウム・ボロン混合物や、過塩素酸カリウム・アルミニウム混合物等、一般的な点火薬成分のものを使用できる。
またレーザ着火式点火具１をデトネータ（起爆装置、雷管等）として使用する場合は、点火薬４２として、例えばアジ化鉛やＤＤＮＰ（ジアゾジニトロフェノール）のような起爆薬を使用し、主装薬としてペンスリットやＨＭＸ（オクトーゲン）のような爆薬成分を使用できる。
また断熱透過部材４１は、レーザ光ＬＢの透過に伴う減衰の少ない部材であるとともに断熱性を有する部材である。集光レンズ３２と点火薬４２との間に所定距離Ｄ２を設け、その所定距離Ｄ２を、この断熱透過部材４１にて埋めることで、集光レンズ３２の半径、焦点距離、屈折率の設計自由度を向上（後述の（式１）参照）させることができるとともに、点火薬４２の位置決めを容易にすることができる。
また断熱透過部材４１の材質としては、例えば透明アクリル樹脂のほか、ＬＥＤの封止剤に使用されている透明エポキシ樹脂や透明シリコン樹脂等が使用可能である。
【００３０】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の双方をボールレンズとしている。ボールレンズは、球体でない一般的な凸レンズと比較して、曲率が大きいため焦点距離が短く、製造も比較的容易で安価である。また、球体であるため、２個使用してもレンズ中心Ｏ１、Ｏ２を光軸ＺＬに合致させるだけでレンズ光軸の傾きを意識する必要が無く、光軸調整が容易である。従って、ボールレンズを用いることで、レーザ着火式点火具１の光軸ＺＬ方向の長さをより短くしてより小型化できるとともに、組み付けも容易とすることができる。また、２個のレンズでレーザ光を集光してエネルギー密度を高くするので、小型のレーザダイオードで良く、さらにレーザ着火式点火具１を小型化することができる。
【００３１】
次に図１（Ｂ）を用いて、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の焦点距離、屈折率等について説明する。
一般的なレーザダイオード２０は、発光部Ｆｓから透過窓面（レーザダイオード表面）までの距離である発光部距離Ｄ１は、約１［ｍｍ］である。従って、レーザダイオード２０の透過窓にコリメートレンズ３１を接触させて配置する場合、レンズ表面から焦点までの距離が１［ｍｍ］のレンズが好ましいことになる。
ここで、球状のコリメートレンズ３１の屈折率をＮ１、焦点距離をｆ１、レンズ半径をＲ１とすると、以下の式が成立する。
焦点距離ｆ１＝屈折率Ｎ１＊レンズ半径Ｒ１／［２＊（屈折率Ｎ１−１）］ （式１）
なおこの場合、焦点距離ｆ１＝レンズ半径Ｒ１＋発光部距離Ｄ１＝２＋１＝３［ｍｍ］である。
上記の（式１）に、焦点距離ｆ１＝３［ｍｍ］、レンズ半径Ｒ１＝２［ｍｍ］を代入すると、屈折率Ｎ１＝１．５が算出され、この屈折率１．５程度の材質でコリメートレンズ３１を形成する必要があることがわかる。
なお、屈折率Ｎ１＜１．５の場合は、焦点距離ｆ１が伸びるが、レンズ半径Ｒ１を小さくすれば同等の焦点距離にすることができる。例えばレンズ半径Ｒ１＝１．７５［ｍｍ］に設定した場合、焦点距離ｆ１＝レンズ半径Ｒ１＋発光部距離Ｄ１＝１．７５＋１＝２．７５［ｍｍ］であり、（式１）から屈折率Ｎ１≒１．４６９となる。この場合、コリメートレンズ３１のレンズ半径Ｒ１をより小さくできるので、レーザ着火式点火具１を、より小型にすることができる。
【００３２】
また、集光レンズ３２の屈折率をＮ２、レンズ半径をＲ２、焦点距離をｆ２として、レンズ表面から所定距離Ｄ２だけ離れた集光位置Ｆｇが焦点となるように集光レンズ３２を設計する。例えば所定距離Ｄ２＝１［ｍｍ］、レンズ半径Ｒ２＝２［ｍｍ］、焦点距離ｆ２＝レンズ半径Ｒ２＋所定距離Ｄ２＝２＋１＝３［ｍｍ］であり、これらを（式１）に代入して、屈折率Ｎ２＝１．５を得ることができる。この場合、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２を、同一のボールレンズとすることができるので、組み付け時に混同することもなく、容易に組み付けることができる（径は同じだが屈折率が異なる場合は混同しやすく、誤組み付けが発生しやすい）。
なお、レーザ着火式点火具１を、より小型化するためには、集光位置Ｆｇを集光レンズ３２の表面により近い位置にすることが好ましい。例えばレンズ半径Ｒ２＝２［ｍｍ］、集光位置Ｆｇがレンズ表面に接する位置となるように焦点距離ｆ２＝２［ｍｍ］とした場合（所定距離Ｄ２＝ゼロ）、（式１）より屈折率Ｎ２＝２を得ることができる。
また例えば、集光位置Ｆｇを集光レンズ３２より０．２［ｍｍ］離した位置に設定し、レンズ半径Ｒ２＝１．７５［ｍｍ］とした場合、（式１）より、屈折率Ｎ２≒１．８１５を得ることができる。
【００３３】
●［光ファイバ８０からレーザ光を入力するレーザ着火式点火具１Ａの全体構成（図２）］
次に図２（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、レーザ着火式点火具１Ａの一実施の形態の全体構成について説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す例は、レーザダイオード２０を内蔵する代わりに、光ファイバ８０からレーザ光を入力する例を示している。この場合、偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置と、偏光特性を保持する偏波保持ファイバ等と、を使用し、レーザ発振装置から出射されるレーザ光の偏光方向と、光ファイバ８０（偏波保持ファイバ等）の偏光方向とを一致させている。そして、偏光方向を保持した状態で、レーザ光を光ファイバ８０にて伝播させている。
図１の例に示すレーザ着火式点火具１に対して、図２の例に示すレーザ着火式点火具１Ａでは、以下の２点が異なる。
（相違点１）レーザダイオード２０が省略されてダイオードホルダ６１の代わりに光ファイバホルダ６１Ａが用いられる点。
（相違点２）先端部に嵌合用のコネクタ８１が取り付けられた光ファイバ８０が光ファイバホルダ６１Ａに嵌合され、嵌合された光ファイバ８０の先端位置が発光部Ｆｓとなる点。
なお、光ファイバ８０の先端の発光部Ｆｓから出射されるレーザ光ＬＢは、偏光方向が保持されており、偏光性を有している。
なお、その他の点については、図１の例に示すレーザ着火式点火具１同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
また、以下に説明する図３〜図５は、図１（Ｂ）に示すレーザ着火式点火具１から、レーザダイオード２０、コリメートレンズ３１、シャッタ部材７０、集光レンズ３２、点火薬４２、断熱透過部材４１を抽出しており、レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２の種々の構成の例を説明する図である。なお、図１、図３〜図５において、レーザダイオード２０は、全て同じものを用いている。
また、図３〜図５には、参考として、図２（Ｂ）に示すレーザ着火式点火具１Ａから、光ファイバ８０、コリメートレンズ３１、シャッタ部材７０、集光レンズ３２、点火薬４２、断熱透過部材４１を抽出した模式図も記載している。
【００３５】
●［レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構成の例１（図３）］
図３（Ａ）〜（Ｅ）に示す例は、断熱透過部材４１が省略され、点火薬４２を、集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）に接触する位置に配置した例を示している。点火薬４２を集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）の表面に接するように充填すれば良いので、点火薬４２の装填位置の微調整が不要であり、点火薬４２の位置決めが容易である。
【００３６】
図３（Ａ）の例は、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２は、球状のボールレンズでなく、一般的な凸レンズを用いている。一般的な凸レンズは、ボールレンズよりも曲率が小さいので、同じ屈折率であれば、焦点距離ｆ１１は図１の焦点距離ｆ１よりも長くなり、焦点距離ｆ２１は図１の焦点距離ｆ２よりも長くなる。しかし、より大きな屈折率の部材を選定し、より適切なレンズ半径に選定することで、焦点距離ｆ１１、ｆ２１を短くすることが可能である。レンズが球状でないため（式１）を適用できないが、屈折率、レンズ半径、レンズ面の曲率等を適切に選定することで、集光レンズ３２のレンズ表面に集光位置Ｆｇを設定することができる。
【００３７】
以下図３（Ｂ）〜（Ｅ）の例において、コリメートレンズ３１はボールレンズであり、図１の例に示したものと同じである。従って、図３（Ｂ）〜（Ｅ）の例の説明では、集光レンズ３２について説明する。
図３（Ｂ）の例は、集光レンズ３２がボールレンズであり、点火薬４２を、集光レンズ３２に接触する位置に配置した例を示している。図２（Ｂ）の例では、集光レンズ３２の焦点距離ｆ２２＝集光レンズ３２の半径Ｒ２であり、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、（式１）より、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２が得られる。
【００３８】
図３（Ｃ）の例では、集光レンズ３２は、コリメートレンズ３１の側は球面であり、コリメートレンズ３１と反対の側（点火薬４２と対向する側）は、光軸ＺＬに直交する平面である点火薬側平面Ｍ１が形成されている。図３（Ｃ）の例では、焦点距離ｆ２３＝１．７５［ｍｍ］、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、入射面が球面で焦点位置がレンズ表面であるので（式１）を適用可能であり、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２．３が得られる。この場合、点火薬４２の装填個所が、球面でなく平面になるので、点火薬４２の装填作業が容易となる。
この場合、点火薬側平面Ｍ１は集光レンズ３２の半径Ｒ２よりも内側に位置するため、点火薬４２の表面に焦点を合わせるためには、屈折率Ｎ２＞２（好ましくは２．１〜２．２程度）の材質にて集光レンズ３２を形成する必要がある。なお、より大きな屈折率を有する集光レンズ３２を用いて、光軸方向における集光レンズ３２の厚さをより薄くすることができるので、レーザ着火式点火具をより小型にすることができる。
【００３９】
図３（Ｄ）の例では、集光レンズ３２は、コリメートレンズ３１の側は球面であり、コリメートレンズ３１と反対の側（点火薬４２と対向する側）は、光軸ＺＬに直交する平面である点火薬側平面Ｍ１が形成されており、集光レンズ３２と点火薬４２との間は、レーザ光ＬＢを透過するとともに平板状である平板状透過部材３３にて埋められている。例えば集光レンズ３２の屈折率Ｎ２と、平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３と、を同じ屈折率に設定することで、焦点距離ｆ２４を平板状透過部材３３の厚さＬ３だけ延長させることができる。図３（Ｄ）の例では、焦点距離ｆ２４＝２［ｍｍ］、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、（式１）等を参考にして、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２が得られる。また、点火薬４２の装填個所が平面（平板状透過部材３３の点火薬側平面Ｍ２）になるので、装填作業が容易である。また、円柱状の平板状透過部材３３の底面の半径を集光レンズ３２の球面部分の半径Ｒ２と同じにすると、ケース１０内に収容した集光レンズ３２の光軸の傾き（及び平板状透過部材３３の光軸の傾き）を抑制することができる。
【００４０】
図３（Ｅ）の例では、図３（Ｄ）の例に対して、集光レンズ３２における点火薬側平面Ｍ１が集光レンズ３２のレンズ中心Ｏ２を通る面であり、円柱状の平板状透過部材３３の底面の半径が集光レンズ３２の球面部分の半径Ｒ２と同じである。図３（Ｅ）の例では、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３、焦点距離ｆ２５＝２［ｍｍ］、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、（式１）等を参考にして、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２が得られる。また、点火薬４２の装填個所が平面になるので、装填作業が容易である。また、図３（Ｄ）の例に対して、平板状透過部材３３の厚さＤ３が、より厚くなるので、ケース１０内における集光レンズ３２の収まりが良く、光軸の傾きをさらに抑制することができる。
この場合、ハーフボール状の集光レンズ３２と平板状透過部材３３の屈折率Ｎ２、Ｎ３をどちらも屈折率＝２に設定すると、平板状透過部材３３の厚さＤ３＝レンズ半径Ｒ２＝２［ｍｍ］に設定すれば良い。
【００４１】
●［レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構成の例２（図４）］
図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す例は、断熱透過部材４１が省略され、点火薬４２と、集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように点火薬４２を配置した例を示している。レンズの材質はガラスのような熱伝導率が比較的高い物質であるので、レンズ表面にレーザ光ＬＢの焦点位置があると、レーザ光ＬＢで点火薬が加熱されてもレンズを通して一部の熱が失われ、着火までの時間が増大する可能性が考えられる。図４（Ａ）〜（Ｅ）の例では、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間に所定距離Ｄ２の空間があるので、レーザ光のエネルギーが集光レンズ（または平板状透過部材３３）に伝導するエネルギーロスを低減することができる。この所定距離Ｄ２の空間は、図１に示す点火薬ホルダ６２にて形成することができる。また、この所定距離Ｄ２は、適宜設定される。
なお、エネルギーロスの低減とレーザ着火式点火具１の小型化を両立する所定距離Ｄ２の好ましい距離は、例えば０．２〜０．３［ｍｍ］程度である。
【００４２】
図４（Ａ）の例は、図３（Ａ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。（式１）に基づいて、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２６、集光レンズ３２の半径、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。
【００４３】
図４（Ｂ）の例は、図３（Ｂ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。（式１）に基づいて、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２７、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。
【００４４】
図４（Ｃ）の例は、図３（Ｃ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。集光レンズ３２が球体でないので（式１）等を参考にして、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２８、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。
【００４５】
図４（Ｄ）の例は、図３（Ｄ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。集光レンズ３２が球体でないので（式１）等を参考にして、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２９、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。なお、平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３と厚さＤ３を調整することで、焦点距離ｆ２９を調整することも可能である。
【００４６】
図４（Ｅ）の例は、図３（Ｅ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。集光レンズ３２が球体でないので（式１）等を参考にして、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２α、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。なお、平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３と厚さＤ３を調整することで、焦点距離ｆ２αを調整することも可能である。
例えば図４（Ｅ）の例において、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３＝２に設定した場合、平板状透過部材３３の厚さＤ３を、集光レンズ３２のレンズ半径Ｒ２よりも小さくすれば、所定距離Ｄ２を形成することができる。また、平板状透過部材３３の厚さＤ３＝レンズ半径Ｒ２の場合、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＜２に設定すれば良い。
【００４７】
●［レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構成の例３（図５）］
図５（Ａ）〜（Ｅ）に示す例は、図４（Ａ）〜（Ｅ）に対して、集光レンズ３２と点火薬４２との間に設けた所定距離Ｄ２の空間を、断熱透過部材４１にて埋めた例を示している。断熱透過部材４１は、レーザ光ＬＢの透過に伴う減衰の少ない部材であるとともに、断熱性を有する部材である。これにより、図４（Ａ）〜（Ｅ）の例と同様、エネルギーロスを低減することができるとともに、点火薬４２を装填する際の位置決めが容易である。なお、この所定距離Ｄ２は、図１に示す点火薬ホルダ６２にて形成しても良いし、断熱透過部材４１にて形成しても良い。また、この所定距離Ｄ２は、適宜設定される。
【００４８】
図５（Ａ）〜（Ｅ）に示す例のそれぞれは、図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す例のそれぞれに対して、所定距離Ｄ２を、断熱透過部材４１にて埋めたものである。なお、断熱透過部材４１には、レーザ光ＬＢの透過性を有する結晶性の透明な火薬や、透明なアクリル樹脂等を用いることも可能であり、透明な火薬を用いた場合、着火時のエネルギーをより大きくすることができる。
なお、断熱透過部材４１の屈折率Ｎ４は、焦点距離ｆ２Ａ〜ｆ２Ｅに影響する。
また、図５（Ｂ）に示す例は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すレーザ着火式点火具１の構成と同じである。
【００４９】
以上に説明したように、レーザダイオード２０と点火薬４２との間に、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２、あるいはコリメートレンズ３１と集光レンズ３２と平板状透過部材３３、あるいはコリメートレンズ３１と集光レンズ３２と断熱透過部材４１、あるいはコリメートレンズ３１と集光レンズ３２と平板状透過部材３３と断熱透過部材４１、の構成とする。これにより、レーザ光ＬＢを点火薬４２に集光してエネルギー密度を高めて着火可能であるので、比較的低出力のレーザダイオード２０を使用してより低価格に構成することができる。また、レンズ半径、屈折率、レンズ形状を適切に設定することで、より小型化することが可能であるとともに、点火薬４２の装填をより容易にすることができる。
またレーザ光の経路中にシャッタ部材７０を設けることで、安全性をより向上させることができる。
【００５０】
本発明のレーザ着火式点火具１、１Ａは、本実施の形態にて説明した外観、構造、構成、形状等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また本実施の形態にて説明したレーザ着火式点火具１、１Ａは、ロケットモータやガスジェネレータ用イグナイタの他にも、種々の用途に利用することが可能である。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１、１Ａ レーザ着火式点火具
１０ ケース
１１ スペーサ
２０ レーザダイオード
３０ レンズ群
３１ コリメートレンズ
３２ 集光レンズ
３３ 平板状透過部材
４１ 断熱透過部材
４２ 点火薬
５０ 主装薬
６１ ダイオードホルダ
６１Ａ 光ファイバホルダ
６２ 点火薬ホルダ
６３ キャップ
７０ シャッタ部材
８０ 光ファイバ
８１ コネクタ
Ｄ１ 発光部距離
Ｄ２ 所定距離
Ｆｓ 発光部
Ｆｇ 集光位置
ＬＢ レーザ光
Ｏ１、Ｏ２ レンズ中心
Ｒ１、Ｒ２ レンズ半径
ｆ１、ｆ２ 焦点距離
ＺＬ 光軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて点火薬に着火するレーザ着火式点火具に関し、安全装置を備えたレーザ着火式点火具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ロケットモータやガスジェネレータ用イグナイタ等、爆発性火工品の点火用として、白金線や抵抗体に電流を流して発熱させて点火薬を発火させる点火具が利用されている。
そして近年では、より確実に点火するために、レーザ光を用いた、種々のレーザ着火式点火具が提案されており、更に、種々の安全装置を備えたレーザ着火式点火具が提案されている。
例えば特許文献１に記載された従来技術では、回転可能に構成されて種々の方向に着火用のレーザ光を反射可能な方向制御装置と、方向制御装置に向けてレーザ光を出射可能なレーザ発振装置と、方向制御装置に向かう側に受光面を向けた単数または複数の光ファイバと、を備えている。そして方向制御装置を制御することで、選択された光ファイバに向けてレーザ光を反射して伝送する、レーザ着火火工品用セーフアーム装置が開示されている。
また特許文献２に記載された従来技術では、光ファイバを収容して光ファイバ端面にレンズが設けられた光ファイバコネクタフェルールを２つ用意して、スリーブの両側から対向するように且つ所定間隔を設けて光ファイバコネクタフェルールの先端部をスリーブ内に固定している。そして一方の光ファイバコネクタフェルールの先端部と他方の光ファイバコネクタフェルールの先端部との間におけるスリーブ部分にシャッタ挿入用穴を穿孔し、当該シャッタ挿入用穴にシャッタ部材を出し入れすることで、レーザ光の伝送と遮断を行うことができる、レーザ着火火工品用セーフアーム装置が開示されている。
また特許文献３に記載された従来技術では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）シャッタを用いて、所望の時間や所望の位置で爆発させることができる、起爆制御された砲弾のための起爆器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１８４４３号公報
【特許文献２】特開平０８−３０３３００号公報
【特許文献３】特許第４６５２８３１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に記載された従来技術では、レーザ光を反射する方向制御装置は、反射鏡と回転駆動部を有しており、装置が大型化する。また、方向制御装置の反射角度の位置決めを高精度に行うことができるガイドやストッパ等が必要であり、装置が大型化する。
また特許文献２に記載された従来技術では、シャッタ部材を機械的に出し入れする必要があるのでシャッタ部材を出し入れするモータ等の駆動装置が必要であり、大型化する。
また特許文献３に記載された従来技術では、ＭＥＭＳシャッタを用いており、比較的高価である。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、より小型で、より低価格であり、且つより安全なレーザ着火式点火具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ着火式点火具は次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、偏光性を有した状態で入力されたレーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ光が入力される位置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、が収容されている、レーザ着火式点火具である。
【０００６】
この第１の発明では、入射されたレーザ光の偏光性を保持する光ファイバ（例えば偏波保持ファイバ）等から入力されたレーザ光を、コリメートレンズと集光レンズを用いて焦点位置に集光してエネルギー密度を高め、当該集光位置に点火薬を配置する。
これにより、例えば比較的出力の低いレーザ光を入力しても確実に着火することができる、より小型で安価、且つ一体型のレーザ着火式点火具を構成することができる。
また、偏光性を有するレーザ光を入力し、点火薬までの経路中にレーザ光の遮断と透過を制御可能なシャッタ部材を設けることで、より安全なレーザ着火式点火具を実現することができる。
【０００７】
次に、本発明の第２の発明は、偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置と、前記レーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ発振装置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、が収容されている、レーザ着火式点火具である。
【０００８】
この第２の発明によれば、偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置を内蔵し、発生させたレーザ光を、コリメートレンズと集光レンズを用いて焦点位置に集光してエネルギー密度を高め、当該集光位置に点火薬を配置する。
これにより、例えば比較的出力の低いレーザ発振装置を用いても確実に着火することができる、より小型で安価、且つ一体型のレーザ着火式点火具を構成することができる。
また、レーザ発振装置から点火薬までの経路中にレーザ光の遮断と透過を制御可能なシャッタ部材を設けることで、より安全なレーザ着火式点火具を実現することができる。
【０００９】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るレーザ着火式点火具であって、前記シャッタ部材は、前記コリメートレンズと前記集光レンズの間に配置されている。
【００１０】
この第３の発明によれば、レーザ光のエネルギー密度が最も低い位置（レーザ光のビーム径が最も大きい位置）にシャッタ部材を配置するので、レーザ光の透過時におけるエネルギーロスを抑制することができるとともに、レーザ光の遮断時におけるシャッタ部材の焼損を防止することができる。
【００１１】
次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記コリメートレンズと前記集光レンズは、いずれも略球体のボールレンズである。
【００１２】
この第４の発明によれば、焦点距離が比較的短く、且つ安価な球状のボールレンズを使用することで、より小型化することが可能な、比較的安価なレーザ着火式点火具を実現することができる。
また、ボールレンズは、レンズ中心をレーザ光の光軸上に配置するだけで良く、特にレンズの光軸の傾きを意識する必要がないので、組み付け性が良い。
【００１３】
次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記コリメートレンズは略球体のボールレンズであり、前記集光レンズにおいて、前記コリメートレンズの側は球面に形成されており、前記コリメートレンズと反対の側は前記レーザ光の光軸に直交する平面である点火薬側平面が形成されている。
【００１４】
この第５の発明によれば、より大きな屈折率を有する集光レンズを用いて、光軸方向における集光レンズの厚さをより薄くすることができるので、レーザ着火式点火具をより小型にすることができる。
【００１５】
次に、本発明の第６の発明は、上記第５の発明に係るレーザ着火式点火具であって、前記点火薬側平面と前記点火薬との間には、前記レーザ光が透過可能であるとともに略平板状である平板状透過部材が配置されている。
【００１６】
この第６の発明によれば、平板状透過部材を用いることで、集光レンズの焦点距離の長さ等を調節することができるので、便利である。
【００１７】
次に、本発明の第７の発明は、上記第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されている。
また、前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されている。
【００１８】
この第７の発明によれば、点火薬を集光レンズまたは平板状透過部材に接触する位置に配置するので、点火薬の装填位置の位置決めが容易である。
また、点火薬を球面に装填するのでなく平面に装填することができるので、点火薬の装填が容易である。更に、点火薬を圧縮しながら装填する場合、球面でなく平面に装填するので、容易に点火薬の圧力を均一にすることができる。
【００１９】
次に、本発明の第８の発明は、上記第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間には空間が形成されている。
また、前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間には空間が形成されている。
【００２０】
この第８の発明によれば、集光レンズの焦点位置を、集光レンズ（あるいは平板状透過部材）から離れた位置に設定するので、集光されたレーザ光のエネルギーが集光レンズまたは平板状透過部材に伝導されて低下することを防止することができる。
【００２１】
次に、本発明の第９の発明は、上記第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係るレーザ着火式点火具であって、前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められている。
また、前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められている。
【００２２】
この第９の発明によれば、集光レンズの焦点位置を、集光レンズ（あるいは平板状透過部材）から離れた位置に設定するので、集光されたレーザ光のエネルギーが集光レンズまたは平板状透過部材に伝導されて低下することを防止することができる。また、集光レンズと点火薬との間を、レーザ光を透過するとともに断熱性を有する断熱透過部材で埋めることで、レーザ光のエネルギーロスを抑制するとともに点火薬の位置決めも容易なレーザ着火式点火具を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（Ａ）は、レーザダイオード２０を内蔵したレーザ着火式点火具１を構成する各部材を説明する斜視図であり、（Ｂ）は、各部材を組み付けたレーザ着火式点火具１をレーザ光ＬＢの光軸ＺＬに沿って切断した断面図である。
【図２】（Ａ）は、光ファイバ８０からレーザ光を入力するレーザ着火式点火具１Ａを構成する各部材を説明する斜視図であり、（Ｂ）は、各部材を組み付けたレーザ着火式点火具１Ａをレーザ光ＬＢの光軸ＺＬに沿って切断した断面図である。
【図３】レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構造の例を説明する図であり、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）とが接触するように点火薬４２を配置した例を説明する図である。
【図４】レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構造の例を説明する図であり、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間に所定距離Ｄ２の空間が形成されている例を説明する図である。
【図５】レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構造の例を説明する図であり、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間の所定距離Ｄ２が断熱透過部材４１にて埋められている（充填されている）例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。
●［レーザダイオード２０を内蔵したレーザ着火式点火具１の全体構成（図１）］
まず図１（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、レーザ着火式点火具１の一実施の形態の全体構成について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例は、偏光性を有するレーザ光を発生させるレーザダイオード２０を内蔵した例を示している。
レーザ着火式点火具１は、ダイオードホルダ６１、レーザダイオード２０（レーザ発振装置に相当）、コリメートレンズ３１、シャッタ部材７０、集光レンズ３２、スペーサ１１、断熱透過部材４１、点火薬４２、点火薬ホルダ６２、主装薬５０、キャップ６３等がケース１０内に収容されて構成されている。ケース１０内の一方端（図１では左側端部）にレーザダイオード２０が収容され、レーザダイオード２０のレーザ光出力窓の軸線である光軸ＺＬ上に、コリメートレンズ３１とシャッタ部材７０と集光レンズ３２と点火薬４２が収容されている。
また、後述する図３、図４の例に示すように、断熱透過部材４１は省略しても良い。
【００２５】
レーザダイオード２０は、端子２０Ａに電源が供給されると発光部Ｆｓからレーザ光ＬＢを出射する。また本実施の形態では、偏光性を有するレーザ光ＬＢを出射するレーザダイオード２０を用いている。なお出射されたレーザ光ＬＢの光軸を光軸ＺＬにて示す。そしてレーザダイオード２０は、ダイオードホルダ６１にてケース１０に保持されている。
出射されたレーザ光ＬＢは、所定の拡がり角を有して円錐状に拡がるため、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２にて構成されたレンズ群３０を用いて、点火薬４２の表面近傍に集光される。
コリメートレンズ３１は、レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを平行光に変換する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、コリメートレンズ３１は略球体のボールレンズであり、レーザダイオード２０の発光部Ｆｓまでの距離が焦点距離ｆ１とほぼ一致するように設定されている。
集光レンズ３２は、平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、点火薬４２の表面近傍と光軸ＺＬとの交点となる集光位置Ｆｇに向けて集光する。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、集光レンズ３２は略球体のボールレンズであり、集光位置Ｆｇまでの距離が焦点距離ｆ２とほぼ一致するように設定されている。
【００２６】
シャッタ部材７０は、例えば電気式の液晶シャッタであり、端子７０Ａに電源が接続され、偏光性を有するレーザ光ＬＢの透過と遮断を制御可能である。シャッタ部材７０は、例えば非通電時ではレーザ光ＬＢを遮断し、通電時ではレーザ光ＬＢを透過するように方向が調整されて配置されている。シャッタ部材７０としては、例えば電圧で偏光面を制御可能な液晶板に偏光板が接合された一般的な構造のものが使用される。この場合、液晶板は、電圧を印加した場合に偏光板と偏光方向が一致するように設定されており、電圧を印加しない場合に偏光板に対して偏光方向が９０度回転するように設定されている。また、偏光性を有するレーザ光ＬＢを出射するレーザダイオード２０を用いることで、互いに偏光方向が直交する２枚のシャッタ部材を必要とせず、１枚のシャッタ部材７０にてレーザ光ＬＢの透過と遮断を制御しており、高い透過率を確保している。
なお、図１の例ではコリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間にシャッタ部材７０を配置しているが、レーザ光の入力位置（この場合、レーザダイオード２０の発光部Ｆｓ）から点火薬４２までのレーザ光ＬＢの経路中であれば、どの位置に配置しても良く、例えば集光レンズ３２と点火薬４２との間に配置しても良い。しかし、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間ではレーザ光ＬＢが平行光となっているので、シャッタ部材７０を配置するためにコリメートレンズ３１と集光レンズ３２との間隔を任意に設定することが可能であり、焦点距離を考慮する必要がない。また、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の間はレーザ光ＬＢのビーム径が最も大きくエネルギー密度が最も小さいため、レーザ光ＬＢの透過時ではエネルギーロスがより小さく、且つレーザ光ＬＢの遮断時ではシャッタ部材７０の焼損を防止することができるので、より好ましい。
安全装置としてシャッタ部材７０を設けることで、誤信号でレーザ光ＬＢが発生した場合であっても（光ファイバ等から入力された場合であっても）、点火薬４２の着火を防止することが可能であり、安全性を向上させることができる。
またシャッタ部材７０は、薄い板状であって電圧で制御できるのでモータ等の駆動装置を必要とせず、レーザ着火式点火具１に内蔵しても、充分に小型化を実現できる。
【００２７】
断熱透過部材４１は、レーザ光ＬＢを透過するとともに断熱性を有する部材であり、点火薬４２と集光レンズ３２との間を埋めるスペーサの役割を果たす。
点火薬４２は、レーザ光ＬＢにて直接的に着火される火薬である。
また、断熱透過部材４１と点火薬４２は、点火薬ホルダ６２にてケース１０内に保持されている。
主装薬５０は、点火薬４２の燃焼によって着火燃焼し、イグナイタとして必要な熱量や多量の熱粒子や破片を発生する火薬成分であり、必要な熱量等に応じて適宜分量が調整される。
ケース１０は、例えば耐圧性の金属ケースであり、キャップ６３は、例えば樹脂製もしくは金属製である。また、ケース１０内には、コリメートレンズ３１の径、及び集光レンズ３２の径の内径を有するスペーサ１１が収容されている。
そして点火薬４２と主装薬５０の燃焼生成物は、ケース１０の他方端（図１では右側端部）のキャップ６３を破って噴出する構造を有している。
【００２８】
レーザ着火式点火具１は、上記に記載したケース１０を除く全ての構成部品がケース１０内に収容され、レーザダイオード２０の端子２０Ａとシャッタ部材７０の端子７０Ａに電源を接続するだけで良いので、取り扱いが容易である。
なお、レーザダイオード２０は、入手が容易で安価な、近赤外から可視光の波長を有するものが好ましい。そしてレーザ光の出力は、短時間で点火薬を着火するエネルギーが必要であるので、例えば０．２［Ｗ］以上、好ましくは０．５［Ｗ］以上の出力を有するものが必要である。なお、０．５［Ｗ］出力のレーザダイオードであっても、５〜６［ｍｍ］程度の大きさであり、充分小型である。また、高出力のレーザダイオードほど、レーザ照射の開始から着火までの時間が短く、例えば０．５［Ｗ］以上であれば、１［ｍｓ］以下の短い着火遅れ時間を実現することができる。
【００２９】
また点火薬４２は、例えば過塩素酸カリウム・ジルコニウム混合物や、硝酸カリウム・ボロン混合物等、一般的な点火具に使用されている点火薬を使用できる。なお、点火薬にカーボンブラックのような黒色の成分を１［％］〜５［％］程度、含有させると、レーザ光ＬＢの吸収率が向上し、比較的低出力のレーザダイオードであっても、着火遅れ時間をより短くすることができるので、好ましい。
また主装薬５０としては、例えば硝酸カリウム・ボロン混合物や、過塩素酸カリウム・アルミニウム混合物等、一般的な点火薬成分のものを使用できる。
またレーザ着火式点火具１をデトネータ（起爆装置、雷管等）として使用する場合は、点火薬４２として、例えばアジ化鉛やＤＤＮＰ（ジアゾジニトロフェノール）のような起爆薬を使用し、主装薬としてペンスリットやＨＭＸ（オクトーゲン）のような爆薬成分を使用できる。
また断熱透過部材４１は、レーザ光ＬＢの透過に伴う減衰の少ない部材であるとともに断熱性を有する部材である。集光レンズ３２と点火薬４２との間に所定距離Ｄ２を設け、その所定距離Ｄ２を、この断熱透過部材４１にて埋めることで、集光レンズ３２の半径、焦点距離、屈折率の設計自由度を向上（後述の（式１）参照）させることができるとともに、点火薬４２の位置決めを容易にすることができる。
また断熱透過部材４１の材質としては、例えば透明アクリル樹脂のほか、ＬＥＤの封止剤に使用されている透明エポキシ樹脂や透明シリコン樹脂等が使用可能である。
【００３０】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の双方をボールレンズとしている。ボールレンズは、球体でない一般的な凸レンズと比較して、曲率が大きいため焦点距離が短く、製造も比較的容易で安価である。また、球体であるため、２個使用してもレンズ中心Ｏ１、Ｏ２を光軸ＺＬに合致させるだけでレンズ光軸の傾きを意識する必要が無く、光軸調整が容易である。従って、ボールレンズを用いることで、レーザ着火式点火具１の光軸ＺＬ方向の長さをより短くしてより小型化できるとともに、組み付けも容易とすることができる。また、２個のレンズでレーザ光を集光してエネルギー密度を高くするので、小型のレーザダイオードで良く、さらにレーザ着火式点火具１を小型化することができる。
【００３１】
次に図１（Ｂ）を用いて、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２の焦点距離、屈折率等について説明する。
一般的なレーザダイオード２０は、発光部Ｆｓから透過窓面（レーザダイオード表面）までの距離である発光部距離Ｄ１は、約１［ｍｍ］である。従って、レーザダイオード２０の透過窓にコリメートレンズ３１を接触させて配置する場合、レンズ表面から焦点までの距離が１［ｍｍ］のレンズが好ましいことになる。
ここで、球状のコリメートレンズ３１の屈折率をＮ１、焦点距離をｆ１、レンズ半径をＲ１とすると、以下の式が成立する。
焦点距離ｆ１＝屈折率Ｎ１＊レンズ半径Ｒ１／［２＊（屈折率Ｎ１−１）］ （式１）
なおこの場合、焦点距離ｆ１＝レンズ半径Ｒ１＋発光部距離Ｄ１＝２＋１＝３［ｍｍ］である。
上記の（式１）に、焦点距離ｆ１＝３［ｍｍ］、レンズ半径Ｒ１＝２［ｍｍ］を代入すると、屈折率Ｎ１＝１．５が算出され、この屈折率１．５程度の材質でコリメートレンズ３１を形成する必要があることがわかる。
なお、屈折率Ｎ１＜１．５の場合は、焦点距離ｆ１が伸びるが、レンズ半径Ｒ１を小さくすれば同等の焦点距離にすることができる。例えばレンズ半径Ｒ１＝１．７５［ｍｍ］に設定した場合、焦点距離ｆ１＝レンズ半径Ｒ１＋発光部距離Ｄ１＝１．７５＋１＝２．７５［ｍｍ］であり、（式１）から屈折率Ｎ１≒１．４６９となる。この場合、コリメートレンズ３１のレンズ半径Ｒ１をより小さくできるので、レーザ着火式点火具１を、より小型にすることができる。
【００３２】
また、集光レンズ３２の屈折率をＮ２、レンズ半径をＲ２、焦点距離をｆ２として、レンズ表面から所定距離Ｄ２だけ離れた集光位置Ｆｇが焦点となるように集光レンズ３２を設計する。例えば所定距離Ｄ２＝１［ｍｍ］、レンズ半径Ｒ２＝２［ｍｍ］、焦点距離ｆ２＝レンズ半径Ｒ２＋所定距離Ｄ２＝２＋１＝３［ｍｍ］であり、これらを（式１）に代入して、屈折率Ｎ２＝１．５を得ることができる。この場合、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２を、同一のボールレンズとすることができるので、組み付け時に混同することもなく、容易に組み付けることができる（径は同じだが屈折率が異なる場合は混同しやすく、誤組み付けが発生しやすい）。
なお、レーザ着火式点火具１を、より小型化するためには、集光位置Ｆｇを集光レンズ３２の表面により近い位置にすることが好ましい。例えばレンズ半径Ｒ２＝２［ｍｍ］、集光位置Ｆｇがレンズ表面に接する位置となるように焦点距離ｆ２＝２［ｍｍ］とした場合（所定距離Ｄ２＝ゼロ）、（式１）より屈折率Ｎ２＝２を得ることができる。
また例えば、集光位置Ｆｇを集光レンズ３２より０．２［ｍｍ］離した位置に設定し、レンズ半径Ｒ２＝１．７５［ｍｍ］とした場合、（式１）より、屈折率Ｎ２≒１．８１５を得ることができる。
【００３３】
●［光ファイバ８０からレーザ光を入力するレーザ着火式点火具１Ａの全体構成（図２）］
次に図２（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、レーザ着火式点火具１Ａの一実施の形態の全体構成について説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す例は、レーザダイオード２０を内蔵する代わりに、光ファイバ８０からレーザ光を入力する例を示している。この場合、偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置と、偏光特性を保持する偏波保持ファイバ等と、を使用し、レーザ発振装置から出射されるレーザ光の偏光方向と、光ファイバ８０（偏波保持ファイバ等）の偏光方向とを一致させている。そして、偏光方向を保持した状態で、レーザ光を光ファイバ８０にて伝播させている。
図１の例に示すレーザ着火式点火具１に対して、図２の例に示すレーザ着火式点火具１Ａでは、以下の２点が異なる。
（相違点１）レーザダイオード２０が省略されてダイオードホルダ６１の代わりに光ファイバホルダ６１Ａが用いられる点。
（相違点２）先端部に嵌合用のコネクタ８１が取り付けられた光ファイバ８０が光ファイバホルダ６１Ａに嵌合され、嵌合された光ファイバ８０の先端位置が発光部Ｆｓとなる点。
なお、光ファイバ８０の先端の発光部Ｆｓから出射されるレーザ光ＬＢは、偏光方向が保持されており、偏光性を有している。
なお、その他の点については、図１の例に示すレーザ着火式点火具１同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
また、以下に説明する図３〜図５は、図１（Ｂ）に示すレーザ着火式点火具１から、レーザダイオード２０、コリメートレンズ３１、シャッタ部材７０、集光レンズ３２、点火薬４２、断熱透過部材４１を抽出しており、レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２の種々の構成の例を説明する図である。なお、図１、図３〜図５において、レーザダイオード２０は、全て同じものを用いている。
また、図３〜図５には、参考として、図２（Ｂ）に示すレーザ着火式点火具１Ａから、光ファイバ８０、コリメートレンズ３１、シャッタ部材７０、集光レンズ３２、点火薬４２、断熱透過部材４１を抽出した模式図も記載している。
【００３５】
●［レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構成の例１（図３）］
図３（Ａ）〜（Ｅ）に示す例は、断熱透過部材４１が省略され、点火薬４２を、集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）に接触する位置に配置した例を示している。点火薬４２を集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）の表面に接するように充填すれば良いので、点火薬４２の装填位置の微調整が不要であり、点火薬４２の位置決めが容易である。
【００３６】
図３（Ａ）の例は、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２は、球状のボールレンズでなく、一般的な凸レンズを用いている。一般的な凸レンズは、ボールレンズよりも曲率が小さいので、同じ屈折率であれば、焦点距離ｆ１１は図１の焦点距離ｆ１よりも長くなり、焦点距離ｆ２１は図１の焦点距離ｆ２よりも長くなる。しかし、より大きな屈折率の部材を選定し、より適切なレンズ半径に選定することで、焦点距離ｆ１１、ｆ２１を短くすることが可能である。レンズが球状でないため（式１）を適用できないが、屈折率、レンズ半径、レンズ面の曲率等を適切に選定することで、集光レンズ３２のレンズ表面に集光位置Ｆｇを設定することができる。
【００３７】
以下図３（Ｂ）〜（Ｅ）の例において、コリメートレンズ３１はボールレンズであり、図１の例に示したものと同じである。従って、図３（Ｂ）〜（Ｅ）の例の説明では、集光レンズ３２について説明する。
図３（Ｂ）の例は、集光レンズ３２がボールレンズであり、点火薬４２を、集光レンズ３２に接触する位置に配置した例を示している。図２（Ｂ）の例では、集光レンズ３２の焦点距離ｆ２２＝集光レンズ３２の半径Ｒ２であり、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、（式１）より、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２が得られる。
【００３８】
図３（Ｃ）の例では、集光レンズ３２は、コリメートレンズ３１の側は球面であり、コリメートレンズ３１と反対の側（点火薬４２と対向する側）は、光軸ＺＬに直交する平面である点火薬側平面Ｍ１が形成されている。図３（Ｃ）の例では、焦点距離ｆ２３＝１．７５［ｍｍ］、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、入射面が球面で焦点位置がレンズ表面であるので（式１）を適用可能であり、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２．３が得られる。この場合、点火薬４２の装填個所が、球面でなく平面になるので、点火薬４２の装填作業が容易となる。
この場合、点火薬側平面Ｍ１は集光レンズ３２の半径Ｒ２よりも内側に位置するため、点火薬４２の表面に焦点を合わせるためには、屈折率Ｎ２＞２（好ましくは２．１〜２．２程度）の材質にて集光レンズ３２を形成する必要がある。なお、より大きな屈折率を有する集光レンズ３２を用いて、光軸方向における集光レンズ３２の厚さをより薄くすることができるので、レーザ着火式点火具をより小型にすることができる。
【００３９】
図３（Ｄ）の例では、集光レンズ３２は、コリメートレンズ３１の側は球面であり、コリメートレンズ３１と反対の側（点火薬４２と対向する側）は、光軸ＺＬに直交する平面である点火薬側平面Ｍ１が形成されており、集光レンズ３２と点火薬４２との間は、レーザ光ＬＢを透過するとともに平板状である平板状透過部材３３にて埋められている。例えば集光レンズ３２の屈折率Ｎ２と、平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３と、を同じ屈折率に設定することで、焦点距離ｆ２４を平板状透過部材３３の厚さＬ３だけ延長させることができる。図３（Ｄ）の例では、焦点距離ｆ２４＝２［ｍｍ］、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、（式１）等を参考にして、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２が得られる。また、点火薬４２の装填個所が平面（平板状透過部材３３の点火薬側平面Ｍ２）になるので、装填作業が容易である。また、円柱状の平板状透過部材３３の底面の半径を集光レンズ３２の球面部分の半径Ｒ２と同じにすると、ケース１０内に収容した集光レンズ３２の光軸の傾き（及び平板状透過部材３３の光軸の傾き）を抑制することができる。
【００４０】
図３（Ｅ）の例では、図３（Ｄ）の例に対して、集光レンズ３２における点火薬側平面Ｍ１が集光レンズ３２のレンズ中心Ｏ２を通る面であり、円柱状の平板状透過部材３３の底面の半径が集光レンズ３２の球面部分の半径Ｒ２と同じである。図３（Ｅ）の例では、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３、焦点距離ｆ２５＝２［ｍｍ］、半径Ｒ２＝２［ｍｍ］とした場合、（式１）等を参考にして、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝２が得られる。また、点火薬４２の装填個所が平面になるので、装填作業が容易である。また、図３（Ｄ）の例に対して、平板状透過部材３３の厚さＤ３が、より厚くなるので、ケース１０内における集光レンズ３２の収まりが良く、光軸の傾きをさらに抑制することができる。
この場合、ハーフボール状の集光レンズ３２と平板状透過部材３３の屈折率Ｎ２、Ｎ３をどちらも屈折率＝２に設定すると、平板状透過部材３３の厚さＤ３＝レンズ半径Ｒ２＝２［ｍｍ］に設定すれば良い。
【００４１】
●［レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構成の例２（図４）］
図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す例は、断熱透過部材４１が省略され、点火薬４２と、集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように点火薬４２を配置した例を示している。レンズの材質はガラスのような熱伝導率が比較的高い物質であるので、レンズ表面にレーザ光ＬＢの焦点位置があると、レーザ光ＬＢで点火薬が加熱されてもレンズを通して一部の熱が失われ、着火までの時間が増大する可能性が考えられる。図４（Ａ）〜（Ｅ）の例では、点火薬４２と集光レンズ３２（または平板状透過部材３３）との間に所定距離Ｄ２の空間があるので、レーザ光のエネルギーが集光レンズ（または平板状透過部材３３）に伝導するエネルギーロスを低減することができる。この所定距離Ｄ２の空間は、図１に示す点火薬ホルダ６２にて形成することができる。また、この所定距離Ｄ２は、適宜設定される。
なお、エネルギーロスの低減とレーザ着火式点火具１の小型化を両立する所定距離Ｄ２の好ましい距離は、例えば０．２〜０．３［ｍｍ］程度である。
【００４２】
図４（Ａ）の例は、図３（Ａ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。（式１）に基づいて、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２６、集光レンズ３２の半径、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。
【００４３】
図４（Ｂ）の例は、図３（Ｂ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。（式１）に基づいて、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２７、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。
【００４４】
図４（Ｃ）の例は、図３（Ｃ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。集光レンズ３２が球体でないので（式１）等を参考にして、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２８、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。
【００４５】
図４（Ｄ）の例は、図３（Ｄ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。集光レンズ３２が球体でないので（式１）等を参考にして、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２９、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。なお、平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３と厚さＤ３を調整することで、焦点距離ｆ２９を調整することも可能である。
【００４６】
図４（Ｅ）の例は、図３（Ｅ）の例に対して、点火薬４２の表面の集光位置Ｆｇと集光レンズ３２との間に所定距離Ｄ２の空間を有するように構成した例を示している。集光レンズ３２が球体でないので（式１）等を参考にして、所定距離Ｄ２を含む焦点距離ｆ２α、集光レンズ３２の半径Ｒ２、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２が適切に設定されている。なお、平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３と厚さＤ３を調整することで、焦点距離ｆ２αを調整することも可能である。
例えば図４（Ｅ）の例において、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＝平板状透過部材３３の屈折率Ｎ３＝２に設定した場合、平板状透過部材３３の厚さＤ３を、集光レンズ３２のレンズ半径Ｒ２よりも小さくすれば、所定距離Ｄ２を形成することができる。また、平板状透過部材３３の厚さＤ３＝レンズ半径Ｒ２の場合、集光レンズ３２の屈折率Ｎ２＜２に設定すれば良い。
【００４７】
●［レーザダイオード２０から出射されたレーザ光ＬＢを点火薬４２に集光するコリメートレンズ３１、集光レンズ３２、シャッタ部材７０の構成の例３（図５）］
図５（Ａ）〜（Ｅ）に示す例は、図４（Ａ）〜（Ｅ）に対して、集光レンズ３２と点火薬４２との間に設けた所定距離Ｄ２の空間を、断熱透過部材４１にて埋めた例を示している。断熱透過部材４１は、レーザ光ＬＢの透過に伴う減衰の少ない部材であるとともに、断熱性を有する部材である。これにより、図４（Ａ）〜（Ｅ）の例と同様、エネルギーロスを低減することができるとともに、点火薬４２を装填する際の位置決めが容易である。なお、この所定距離Ｄ２は、図１に示す点火薬ホルダ６２にて形成しても良いし、断熱透過部材４１にて形成しても良い。また、この所定距離Ｄ２は、適宜設定される。
【００４８】
図５（Ａ）〜（Ｅ）に示す例のそれぞれは、図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す例のそれぞれに対して、所定距離Ｄ２を、断熱透過部材４１にて埋めたものである。なお、断熱透過部材４１には、レーザ光ＬＢの透過性を有する結晶性の透明な火薬や、透明なアクリル樹脂等を用いることも可能であり、透明な火薬を用いた場合、着火時のエネルギーをより大きくすることができる。
なお、断熱透過部材４１の屈折率Ｎ４は、焦点距離ｆ２Ａ〜ｆ２Ｅに影響する。
また、図５（Ｂ）に示す例は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すレーザ着火式点火具１の構成と同じである。
【００４９】
以上に説明したように、レーザダイオード２０と点火薬４２との間に、コリメートレンズ３１と集光レンズ３２、あるいはコリメートレンズ３１と集光レンズ３２と平板状透過部材３３、あるいはコリメートレンズ３１と集光レンズ３２と断熱透過部材４１、あるいはコリメートレンズ３１と集光レンズ３２と平板状透過部材３３と断熱透過部材４１、の構成とする。これにより、レーザ光ＬＢを点火薬４２に集光してエネルギー密度を高めて着火可能であるので、比較的低出力のレーザダイオード２０を使用してより低価格に構成することができる。また、レンズ半径、屈折率、レンズ形状を適切に設定することで、より小型化することが可能であるとともに、点火薬４２の装填をより容易にすることができる。
またレーザ光の経路中にシャッタ部材７０を設けることで、安全性をより向上させることができる。
【００５０】
本発明のレーザ着火式点火具１、１Ａは、本実施の形態にて説明した外観、構造、構成、形状等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また本実施の形態にて説明したレーザ着火式点火具１、１Ａは、ロケットモータやガスジェネレータ用イグナイタの他にも、種々の用途に利用することが可能である。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１、１Ａ レーザ着火式点火具
１０ ケース
１１ スペーサ
２０ レーザダイオード
３０ レンズ群
３１ コリメートレンズ
３２ 集光レンズ
３３ 平板状透過部材
４１ 断熱透過部材
４２ 点火薬
５０ 主装薬
６１ ダイオードホルダ
６１Ａ 光ファイバホルダ
６２ 点火薬ホルダ
６３ キャップ
７０ シャッタ部材
８０ 光ファイバ
８１ コネクタ
Ｄ１ 発光部距離
Ｄ２ 所定距離
Ｆｓ 発光部
Ｆｇ 集光位置
ＬＢ レーザ光
Ｏ１、Ｏ２ レンズ中心
Ｒ１、Ｒ２ レンズ半径
ｆ１、ｆ２ 焦点距離
ＺＬ 光軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光性を有した状態で入力されたレーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、
平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、
集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、
偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ光が入力される位置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、
が収容されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項２】
偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置と、
前記レーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、
平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、
集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、
偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ発振装置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、
が収容されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記シャッタ部材は、前記コリメートレンズと前記集光レンズの間に配置されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記コリメートレンズと前記集光レンズは、いずれも略球体のボールレンズである、
レーザ着火式点火具。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記コリメートレンズは略球体のボールレンズであり、
前記集光レンズにおいて、前記コリメートレンズの側は球面に形成されており、前記コリメートレンズと反対の側は前記レーザ光の光軸に直交する平面である点火薬側平面が形成されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記点火薬側平面と前記点火薬との間には、前記レーザ光が透過可能であるとともに略平板状である平板状透過部材が配置されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、
前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間には空間が形成されており、
前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間には空間が形成されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められており、
前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められている、
レーザ着火式点火具。
【請求項１】
偏光性を有した状態で入力されたレーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、
平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、
集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、
偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ光が入力される位置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、
が収容されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項２】
偏光性を有するレーザ光を発生するレーザ発振装置と、
前記レーザ光を平行光に変換するレンズであるコリメートレンズと、
平行光に変換された前記レーザ光を集光するレンズである集光レンズと、
集光された前記レーザ光の焦点近傍に配置された点火薬と、
偏光性を有する前記レーザ光の透過と遮断を制御可能であるとともに前記レーザ発振装置から前記点火薬に至る経路中のいずれかの位置に配置されるシャッタ部材と、
が収容されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記シャッタ部材は、前記コリメートレンズと前記集光レンズの間に配置されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記コリメートレンズと前記集光レンズは、いずれも略球体のボールレンズである、
レーザ着火式点火具。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記コリメートレンズは略球体のボールレンズであり、
前記集光レンズにおいて、前記コリメートレンズの側は球面に形成されており、前記コリメートレンズと反対の側は前記レーザ光の光軸に直交する平面である点火薬側平面が形成されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記点火薬側平面と前記点火薬との間には、前記レーザ光が透過可能であるとともに略平板状である平板状透過部材が配置されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、
前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面に接する位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間には空間が形成されており、
前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間には空間が形成されている、
レーザ着火式点火具。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ着火式点火具であって、
前記平板状透過部材を有している場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記平板状透過部材の表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記平板状透過部材の側の表面の近傍が焦点位置となるように前記集光レンズと前記平板状透過部材が構成されており、前記平板状透過部材と前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められており、
前記平板状透過部材を有していない場合、前記点火薬は、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬に対向している前記集光レンズの表面から前記光軸に沿って所定距離だけ離れた位置に配置され、前記レーザ光の光軸上であって前記点火薬における前記集光レンズの側の表面の近傍が前記レーザ光の焦点位置となるように前記集光レンズが構成されており、前記集光レンズと前記点火薬との間は前記レーザ光が透過可能であるとともに断熱性を有する断熱透過部材にて埋められている、
レーザ着火式点火具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５７４４７（Ｐ２０１３−５７４４７Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５９８６（Ｐ２０１１−１９５９８６）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００００４３４１）日油株式会社 (896)
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００００４３４１）日油株式会社 (896)
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