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作者:洪永杰(2005-02-16);推薦:徐業良(2005-02-16)
附註:本文為車王電子公司委辦計畫計畫書

「可攜式電磁驅動衝擊型手工具專利分析與創新設計」計畫書

1.     計畫背景與目的

傳統可攜式衝擊型手工具(如充電式衝擊起子機,圖1)常用於如汽機車輪胎螺帽之旋緊與拆卸動作。其操作原理如圖2,利用電動馬達驅動轉動構件(hammer)向螺絲之旋緊或鬆開方向旋轉,當旋轉180°後hammer敲擊chuck產生衝擊扭力,藉以帶動連接於chuck前方之套筒板手進行鎖付或解鬆螺帽,同時開始減速,結束減速後因彈簧扭力作用而彈回後,再度開始向旋緊或鬆開方向旋轉,如此反覆作動。此種手工具由於hammer反覆敲擊chuck會產生極大之噪音(最大值98.8dBA),容易導致工作人員感到身心上不悅。

1. 充電式衝擊起子機【瑞吉達 RI1201型】

2. 衝擊型手工具工作原理

針對噪音產生的問題,日本Matsushita Electric Works松下電工公司提出了兩篇利用電磁驅動產生衝擊扭力而不產生噪音的專利,分別為US6,695,070號與US2004/0238191號。US6,695,070號專利(如圖4)揭示了一種可攜式動力手工具,係利用永久磁鐵(permanent magnet)型步進電動馬達造成旋轉的運動,來達成驅動相關機械工具(如螺絲起子、板手等)其工作原理為利用一驅動馬達以軸連接至hammer元件,當馬達旋轉時帶動hammer旋轉,同時利用磁鐵間之吸引(互斥)力牽引chuck元件轉動。注意兩者皆由永久磁鐵組成,其間有一微小間隙,為非接觸形式。如圖4所示,當hammerchuck位置重疊時(Fig.9a),由於兩者磁性相異(同)產生吸引(互斥)力,故僅有磁能而無扭力產生。當馬達帶動hammer旋轉一θ角時(Fig.9b),由於chuck逐漸受到一磁性拉(推)力的牽引(互斥)而開始轉動,當兩者間之磁性拉力(推力)達到臨界狀態時,hammer會瞬間脫開同時產生一磁扭力(magnetic torque)峰值。當hammer完全脫離chuck(Fig.9c),兩者間之torque值歸零。馬達持續帶動hammer旋轉時即會反覆持續上述動作,造成近似傳統衝擊型手工具之功效。

3. US6,695,070號專利

4. Impact Torque產生原理

US2004/0238191號專利同樣揭示了一種可攜式動力手工具(如圖5),此篇專利之工作原理與衝擊扭力產生方式與US6,695,070號專利相似,不同處為hammerchuck的構型分別為十字型與夾爪型。US2004/0238191號專利的一項特點為衝擊扭力值為可調整式,當圖5中之“magnetic bypass device”(為一永久磁鐵)靠近hammer側時,會導致hammerchuck間之磁通量(magnetic flux)減少,進而降低衝擊扭力值;反之當magnetic bypass device遠離hammer側時,會導致hammerchuck間之磁通量增加進而提高衝擊扭力值。

5. US2004/0238191號專利

Hitachi, Ltd.(日立製造所)公司則提出了一種可攜式動力手工具(US6,705,408號專利),係利用線性馬達造成往復式的運動來達成驅動相關機械工具(如鋸子、鎚子、鑿子等)。其工作原理如圖6,整個線性馬達係由活動元件、磁極齒、繞線所構成。圖中上磁極齒(upper magnetic pole teeth)與下磁極齒(lower magnetic pole teeth)的構型為一G字型,以開口端相反的方式面對面配置同時繞以線圈,當線圈通電時成為不同極性的磁極。而具有磁性之活動元件(moveable element)設置於上、下磁極齒的上方中空處,藉由預定的控制電路激磁前述繞線使上、下磁極齒產生不同極性,造成活動元件相對地往復移動而產生衝擊運動。

6. US6,705,408號專利

本計畫目的即在針對電磁驅動衝擊型手工具之相關技術,從專利檢索的角度出發,藉由蒐集、分析相關電磁驅動衝擊型手工具之專利,瞭解現有產品的專利狀況以及技術特點,同時對該領域內研究方向與技術有一整體性的認識,以期助於研究方向之導正,避免無意間落入他人專利陷阱、或觸犯他人專利等。在完成相關專利分析資訊的建置後,本計畫將導入TRIZ理論(Theory of Inventive Problem Solving,創意問題解決理論)來協助迴避設計既存專利,並嘗試針對電磁驅動衝擊型手工具的零組件開發提供可能的創新設計概念。

2.     研究方法與進行步驟

2.1 專利檢索與分析

本計畫首先針對電磁驅動衝擊型手工具之相關技術進行專利檢索,因為就技術層面而言,專利文獻確實是最能完整揭示當前技術現況、紀錄技術發展歷程及資料量最完整的一種公開資料。根據統計,約有90%~95%的技術創作會在專利文獻中被揭露,這其中約80%的技術並不會見於其他公開的文獻中,就產品設計的技術發展層面來看,善於利用專利資訊將可有效決定技術發展方向,並提供選擇可能的技術切入點時重要的參考依據。因此本計畫第一階段的工作,將針對目前電磁驅動衝擊型手工具技術與普及率較為成熟的美國與日本地區進行專利檢索,藉以瞭解現有產品的專利狀況以及技術特點,同時將專利文獻進行有系統之整理與研讀。

本計畫第一階段專利檢索與分析工作有如下三個重點:

(1)    擴張現有專利技術資訊

針對既有3篇專利進行再次解讀,從中歸納出各關鍵技術部份之關鍵字、國際專利技術分類碼(IPC)、與美國專利技術分類碼(UPC),利用此新資訊進行現有專利數量之有效擴張。

(2)    專利資訊探勘

利用文字採礦(Text Mining)方法,對專利說明書內之應用領域(Application)、欲解決問題(Task)、使用之技術手段(Method)、該專利領域已存在之先前技藝與改良技術(Prior Art and Invention),以及重要主題(Important topics)進行語意分析(semantic analysis),並針對相關專利技術進行摘要整理、專利特性分析、功效搜尋、與技術問題解答。針對欲解決與創新之問題,進行專利技術分類與相關專利功效矩陣之建構,同時產出專利技術分析圖表,藉以擬定技術研發與創新設計之切入點,建立有別於現有產品之市場與技術區隔。

(3)    建立重要技術之發展魚骨與族譜圖

針對關鍵技術之專利技術演進分別建立一有系統之發展族譜圖,鎖定特定技術之專利,藉以判斷哪些技術手段逐漸成熟即將進入市場,哪些技術手段已經成熟較難突破。同時鎖定技術領域內之特定專利權人的核心與基礎型專利,藉由過去被他人引證與自我引證之關係圖,建立技術演繹魚骨圖,以掌握該技術領域內主要研究對手之研發技術走向與重點研發項目。經由此一分析結果可以進一步瞭解目前廠商與研發單位的技術佈局(technology focus)以及後續主力技術之研究時程。初步鎖定電磁驅動衝擊型手工具專利技術檢索與分析的重點如圖7所示。

專利分析工作進行之步驟如圖8所示。當專利文獻的檢索與分析工作告一階段後,預計將取得的資訊歸納整理為專利管理圖、專利技術資訊圖、與專利權利圖三項重要圖表,並提供第二階段工作-創新設計之參考,詳細說明如表1

1. 專利地圖說明

專利圖表

地圖製作例

主要傳達之資訊與目的

專利管理圖

專利技術生命週期

衡量專利技術所處狀態,預測未來技術興衰

歷年專利分布圖

歷年專利產出發展情形

專利所屬國分析圖

判別主導該技術國家

專利專利權人分析

判別主導該技術之重要企業或研究機構

專利引證率分析

找出該領域內之核心技術專利

專利技術資訊圖

技術手段分析圖

掌握該領域內之主要技術之發展與趨勢

技術功效矩陣表

開發領域的選定與技術評估,尋找技術切入點

技術功效魚骨圖

相關技術與其所能達成功效之分類細部整理

專利權利圖

專利家族圖

掌握重要專利權利資訊

專利範圍要點圖

掌握受專利權保護之技術範圍,提供迴避設計參考

7. 電磁驅動衝擊型手工具專利技術分類

8. 電磁驅動衝擊型手工具專利分析工作流程圖

2.2 創新設計

在進行完專利的資料蒐集與整理後,本計畫將導入TRIZ理論(Theory of Inventive Problem Solving,創意問題解決理論)來協助迴避設計既存專利,並嘗試針對電磁驅動衝擊型手工具核心組件提供可能的創新設計概念。

2.2.1 利用TRIZ技法來進行專利迴避與創新設計步驟

由於TRIZ理論本身就是研究分析專利文獻所提出來的創新設計方法,所以用TRIZ技法來進行專利迴避與創新設計是一項可思考選擇的途徑,圖9為利用TRIZ技法來進行專利迴避與創新設計的流程。

9. TRIZ技法來進行專利迴避與創新設計步驟

TRIZ技法進行專利迴避與創新設計的步驟說明如下:

(1)   依專利請求之權利,逐一條列出所有權利範圍,分析判斷每一項權利範圍之新穎性與進步性,思考是否有可刪除之專利有效範圍。

(2)   依其每項之權利範圍進行要件分析,是否有可以刪除的專利申請範圍的元件或功能,或可以取代之元件與功能性來進行專利迴避與創新設計。例如:

l          增加在系統中的功能元件

l          刪除或重組元件以達成新的功能

l          轉移功能到某一工作元素上

l          轉移某些功能到前一系統或外在環境上

l          利用已存在之內外在資源

(3)   利用TRIZ技法,列出欲改善功能之矛盾衝突。

(4)   列出各種設計參數條件,由衝突表中找出適當之設計原則。

(5)   檢核所找出之設計原則,是否能避開權利範圍之「全要件」或「均等論」之要項,亦即為「風險評估」。

(6)   確認已達成專利迴避之要項後,進行工程計算、設計製造。

下一節中詳細說明以TRIZ技法進行創新設計流程。

2.2.2 TRIZ技法進行創新設計流程

整個電磁驅動衝擊型手工具關鍵技術的創新設計概念建構將嘗試結合TRIZ方法與知識庫,利用TRIZ理論之矛盾表與40創新法則,針對此領域中之特定技術或產品,嘗試產生可能的創新設計概念,同時運用物質-場(Su-Field)模型之觀念,將產品與創新設計概念分別以功能模型(Functional Model)與功能元件模組(Functions & Components)的形式加以具體表達出來,並將之存入知識庫中。再利用電腦輔助軟體來作加入、修剪(Trimming)功能元件,變化產品之物質-場模型並加以最佳化,以產生全新功能的模型,此一新的功能模型即設計上所要達到之創新概念設計,可作為後續技術開發之依據。此階段預計進行步驟下:

(1)   問題規劃-理想化概念

就可攜式電磁驅動衝擊型手工具既存專利欲迴避之關鍵技術加以定義並列出,如hammer chuck之構型,或是驅動方式與衝擊扭力效能提升之問題。同時利用TRIZ中之理想化(Ideality)概念分析現有設計中是否有矛盾問題之產生,或者在不增加設計困難度的情形下,是否有其他幾何與效應上之轉換可利用。

(2)   創新設計思考方向的建立-矛盾表與40創新法則

接續上一階段已定義出之問題,此階段將利用TRIZ理論之矛盾表與40創新法則,針對欲開發技術領域中之特定技術問題,產生多種可能的創新思考方向。TRIZ理論發明人Genrich Altshuller 認為矛盾與衝突是創新發明的機會,經由分析歸納得到於工程問題中經常遇到技術矛盾的系統共有39個,並將其對應解的法則整理成矩陣的方式,成為TRIZ理論中最廣為人知的矛盾矩陣(圖10)。矛盾矩陣的縱軸為欲改善的工程特性,而橫軸則為可能惡化的工程特性,假設當設計者欲改善工程特性A時,將令工程特性B發生惡化的情況,即可經由直交快速找到解決問題的創新法則。矛盾矩陣為一39×39的矩陣,共有1263個元素。在此階段將利用矛盾矩陣針對上一階段所定義出之問題加以轉化並求解後,將所得解答代入原始問題以獲取初步創新設計概念。

10. 矛盾矩陣表簡表

(3)   創新設計概念雛形建立與初步檢驗-物質-(Su-Field)模型

此一階段將針對初步創新設計的抽像概念加以圖像化,並且定義系統元件的功能,與彼此間和外界環境的交互作用,來分析系統是否合乎預期設計。由設計的觀點來看,任何系統內的元件必有存在目的即提供功能,運用物質-場(Su-Field)模型與功能分析可以重新展現元件設計目的和性能表現,進而發現問題的癥結(圖11)。運用Altshuller提出之76個標準問題解來將已存在系統的特定問題解決,所得之解答即為一新的設計方案。圖12顯示一簡易可攜式電磁驅動衝擊型手工具物質場模型,圖中顯示當hammerchuck間之磁扭力效能如果不足,依據76標準解建議,可適時加入一新的場(如電力),利用電磁感應而非單純異相磁極相吸的方式來做效能提升。

11. 物質場模型

12. 可攜式電磁驅動衝擊型手工具簡易物質場模型

(4)   組合基礎物質-場(Su-Field)模型與功能元件模組-新設計誕生

此一階段將針對已產生之物質-場模型配合電腦輔助軟體(Goldfire Innovator)產生多量的創新的概念設計。本方法好比堆積木,首先選擇一塊大積木(基礎產品的物質場模型)作地基,然後再選擇要堆放的各種小積木(功能元件模組),最後決定堆放的位置(將功能與元件作結合),由排列組合的概念來產生多量的新設計;但只是單純的組合產品的物質場模型與功能元件模組可能會遇上矛盾的問題,因此在加入功能元件模組再應用軟體進行修剪(Trimming),藉由Goldfire Innovator的評價分析功能消除矛盾(圖13),將組合產生的新產品物質場模型加以最佳化,即得到最後需要之概念設計,整個技術創新設計雛形到此即告完整。

13. Goldfire Innovator創新軟體

上述創新設計流程結合TRIZ設計方法、功能分析(Functional analysis)、知識庫以及運用創新設計軟體(Goldfire Innovator),發展出以軟體輔助設計之環境,藉以就現有產品為基礎來作創新改良設計。其完整之流程圖如圖14所示,左方為運用、建構知識庫之流程、右方為再設計時之自我檢查流程,中間則為結合TRIZ設計方法、功能分析與運用創新設計軟體(Goldfire Innovator)之執行主軸。

14.TRIZ創新設計方法之整體流程圖

3.     預期完成之工作項目及具體成果

本計畫預計分6個月兩階段進行,各階段具體工作目標條列如下:

12個月:電磁驅動衝擊型手工具專利檢索與分析

以電磁驅動衝擊型手工具之專利搜尋結果為基礎,分析現有產品的專利狀況以及技術特點,同時將專利文獻進行有系統之整理與研讀,提供研發團隊進行可行性評估、決定研發方向與後續專利迴避設計之依據。預期完成之工作項目及具體成果如下:

(1)專利經營管理面分析-產出相關專利管理圖表

針對可攜式電磁驅動衝擊型手工具之現存專利以鳥瞰的方式針對相關領域之歷年專利產出情形、各國專利佔有比例、主力公司研發軌跡與趨勢等資訊進行統計上的處理,以經營的角度進行研發策略規劃、市場定位與研發資源分配等策略面的制定。

(2)專利技術與功效之系統化歸納-產出相關專利技術資訊圖表

針對可攜式電磁驅動衝擊型手工具之現存技術,分析其研發方向、各主力公司技術發展與擴散情形、針對專利挖洞可行性等資訊進行評估,以R&D的角度決定欲投入之技術市場與持續研發的主軸。

(3)專利研發與技術管理之整合-產出相關專利權利圖表

針對可攜式電磁驅動衝擊型手工具之現存專利及其專利保護範圍製作專利權利圖表,以提供後續迴避與創新設計時,針對「全要件」、「均等論」等侵權判定之用。

3~6個月:電磁驅動衝擊型手工具創新設計概念之建立

結合TRIZ方法與知識庫建立電磁驅動衝擊型手工具關鍵技術創新設計平台,來協助迴避設計既存技術之專利,並嘗試針對電磁驅動衝擊型手工具核心組件提供可能的創新設計概念。預期完成之工作項目及具體成果如下:

(1)創新設計問題之規劃

針對可攜式電磁驅動衝擊型手工具欲創新之零組件,如hammerchuck之構型,或是驅動方式與衝擊扭力效能提升之問題加以明確定義。同時利用TRIZ中之理想化(Ideality)概念分析現有設計中是否有矛盾問題之產生,或者在不增加設計困難度的情形下,是否有其他幾何與效應上之轉換可利用。

(2)創新設計模型的建立

此階段工作將針對現存專利中具有核心技術之專利,利用Goldfire Innovator建立相對應之功能模型,藉以定義系統元件的功能,與彼此間和外界環境的交互作用來分析系統,進而發現工程設計矛盾處之存在,並運用TRIZ中之矛盾解法(40創新法則、76標準解等)加入功能模型中,使其成為創新的功能模型。

(3)創新設計概念產生

將功能模型(Functional Model)以功能元件模組(Functions & Components)的形式加以具體表達出來,並將之存入知識庫中。再利用電腦輔助軟體(TechOptimizer)來作加入、修剪(Trimming)功能元件,變化產品之物質-場模型並加以最佳化,以產生設計上所要達到之創新概念設計。