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作者:洪永杰(2005-05-12);推薦:徐業良(2005-05-13)

可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利技術分析

本文以Knowledgist語意分析軟體,針對可攜式電磁驅動衝擊型手工具美國專利4篇、日本專利8篇,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)、該專利的優點及特色(Features)、以及文中所提及的重要主題(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,整理成專利重要技術摘要表。此外為了系統化掌握可攜式電磁驅動衝擊性手工具之專利技術及功效範圍,本文並整理技術∕功效分類表進行細部技術解析,以提供後續創新設計之參考。

1.     可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利細部技術特徵解析

1為可攜式電磁驅動衝擊型手工具專利清單(扣除重複專利後僅9篇),圖1整理此9篇專利之技術∕功效分類魚骨圖。可攜式電磁驅動衝擊型手工具衝擊方式有Rotary MotorLinear Motor兩種,驅動方式則有Rotary percussive forceReciprocation兩種,功效部分則強調衝擊力∕扭力提升、降低噪音、與減緩反作用力等四項。表2整理9篇專利之技術特徵及其功效。

1. 可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利清單

 

專利號

專利名稱

1

US20040238191

Magnetic impact tool

2

US6705408

Power tool with a linear motor

3

US6695070

Magnetic impact device and method for magnetically generating impact motion

4

US6520269

Hand-held tool with electromagnetic hammer mechanism

5

JP2004291138

Magnetic impact tool

6

JP2004291136

Magnetic impact tool

7

JP9254046

Electric driver

8

JP2002144255

Power tool with a linear motor

9

JP2002011676

Hand-held tool with electromagnetic hammer mechanism

10

JP2000079460

Striking device

11

JP2000167783 

Hand-held drill and/or chisel device

12

JP1316179

Percussion tool

1. 技術/功效分類魚骨圖

2. 可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利細部技術特徵(1)

專利號

衝擊方式(A)

驅動方式(B)

功效(D)

US20040238191

Rotary percussive force

Rotary motor

Reduce noise

US6705408

Reciprocation

Linear motor

Reduce noise, Increase impact energy efficiency

US6695070

Rotary percussive force

Rotary motor

Reduce noise

US6520269

Reciprocation

Linear motor

Increase impact energy efficiency

JP2004291136

Rotary percussive force

Rotary motor

Reduce noise

JP9254046

Rotary percussive force

Rotary motor

Reduce noise, Reduce reaction force

JP2000079460

Reciprocation

Linear motor

Increase impact energy efficiency

JP2000167783 

Reciprocation

Linear motor

Increase impact energy efficiency

JP1316179

Rotary percussive force

Rotary motor

Increase torque energy efficiency

如圖1所示,可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利中重要零組件包括HammerChuckPercussive toolMagnetic poleCoil、和Spring6項。表3整理9項專利之重要結構幾何圖示,與其重要零組件。

3. 可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利細部技術特徵(2)

專利號

重要結構/幾何圖示

重要零組件(C)

US20040238191

Hammer (C1)

Chuck (C2)

    Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

    Coil (C5)

    Spring (C6)

US6705408

Hammer (C1)

    Chuck (C2)

Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

    Coil (C5)

Spring (C6)

US6695070

Hammer (C1)

Chuck (C2)

    Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

    Coil (C5)

    Spring (C6)

US6520269

Hammer (C1)

    Chuck (C2)

Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

    Coil (C5)

    Spring (C6)

JP2004291136

Hammer (C1)

Chuck (C2)

    Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

    Coil (C5)

Spring (C6)

JP9254046

Hammer (C1)

Chuck (C2)

    Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

    Coil (C5)

Spring (C6)

JP2000079460

Hammer (C1)

Chuck (C2)

Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

Coil (C5)

Spring (C6)

JP2000167783 

Hammer (C1)

Chuck (C2)

Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

Coil (C5)

Spring (C6)

JP1316179

Hammer (C1)

Chuck (C2)

Percussive tool (C3)

Magnetic pole (C4)

Coil (C5)

Spring (C6)

2.     可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利技術摘要表

本節中將逐篇解析可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利內涵,並針對個別專利整理為一對應之摘要表(表4~15)以供參考。

4. US20040238191專利摘要表

專利號碼

US20040238191

專利名稱

Magnetic impact tool

專利申請日

2004.3.24

專利公告日

2004.12.2

專利權人

Matsushita Electric Works, Ltd.

專利權人國家

日本

專利家族

欲解決問題

消除傳統衝擊式手工具因hammer反覆敲擊chuck會產生極大之噪音之問題

技術特徵

利用一永久磁鐵型步進電動馬達以軸連接至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。利用hammer chuck間夾角變化產生磁扭力。

此專利的一項特點為Impact Torque值為可調整式。當magnetic bypass device(為一Permanent magnet)靠近hammer側時,會導致hammerchuck間之磁通量(magnetic flux)的減少進而降低Impact Torque值;反之當magnetic bypass device遠離hammer側時,會導致hammerchuck間之磁通量(magnetic flux)的增加進而提高Impact Torque值。

5. US6705408專利摘要表

專利號碼

US6705408

專利名稱

Power tool with a linear motor

專利申請日

2001.11.2

專利公告日

2004.3.16

專利權人

Hitachi, Ltd.

專利權人國家

日本

專利家族

JP 2002144255AUS 2002053445A1WO0236310A1

欲解決問題

提高線性馬達效率、減少電樞與活動元件間之磁漏與減少操作時噪音

技術手段

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,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. US6695070專利摘要表

專利號碼

US6695070

專利名稱

Magnetic impact device and method for magnetically generating impact motion

專利申請日

2002.8.5

專利公告日

2004.2.24

專利權人

Matsushita Electric Works, Ltd.

專利權人國家

日本

專利家族

EP 1461186A2US 2004020667A1WO 2004012910A2

欲解決問題

消除傳統衝擊式手工具因hammer反覆敲擊chuck會產生極大之噪音之問題

技術手段

利用PM(Permanent magnet,永久磁鐵)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(兩者皆由永久磁鐵組成,其間有一微小間隙,非接觸) Impact Torque產生方式如圖所示,當hammerchuck位置重疊時(Fig.9a),由於兩者磁性相異()產生吸引(互斥)力故僅有磁能而無torque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()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magnetic torque peak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。

 

7. US6520269專利摘要表

專利號碼

US6520269

專利名稱

Hand-held tool with electromagnetic hammer mechanism

專利申請日

2001.5.14

專利公告日

2003.2.18

專利權人

Hilti AG

專利權人國家

列支敦士登

專利家族

CN 1324712A DE 10025371A1EP 1157789A1

欲解決問題

增加衝擊力

技術手段

利用polarized reluctance actuator (PRA)所構成之線性馬達造成往復式的運動來達成驅動相關機械工具。其原理係利用線圈通電產生電磁場,藉由Pole shoes(極靴)包覆線圈來增強磁通量,兩線圈與yoke由於相互磁場之作用,造成yoke相對地往復移動而產生衝擊運動。

 

8. JP2004291138專利摘要表

專利號碼

JP2004291138

專利名稱

Magnetic impact tool

專利申請日

2004.3.26

專利公告日

2004.10.21

專利權人

Matsushita Electric Works, Ltd.

專利權人國家

日本

欲解決問題

消除傳統衝擊式手工具因hammer反覆敲擊chuck會產生極大之噪音之問題

技術手段

利用一永久磁鐵型步進電動馬達以軸連接至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。利用hammer chuck間夾角變化產生磁扭力。

此專利的一項特點為Impact Torque值為可調整式。當magnetic bypass device(為一Permanent magnet)靠近hammer側時,會導致hammerchuck間之磁通量(magnetic flux)的減少進而降低Impact Torque值;反之當magnetic bypass device遠離hammer側時,會導致hammerchuck間之磁通量(magnetic flux)的增加進而提高Impact Torque值。

9. JP2004291136專利摘要表

專利號碼

JP2004291136

專利名稱

Magnetic impact tool

專利申請日

2004.3.26

專利公告日

2004.10.21

專利權人

Matsushita Electric Works, Ltd.

專利權人國家

日本

欲解決問題

消除傳統衝擊式手工具因hammer反覆敲擊chuck會產生極大之噪音之問題

技術手段

利用一永久磁鐵型步進電動馬達以軸連接至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。利用hammer chuck間夾角變化產生磁扭力。

此專利的一項特點為Impact Torque值為可調整式。與上述JP2004291138專利不同的是其torque值調整方式係利用位於hammer chuck間之彈簧來做控制,但如何調整文獻中並無多作說明。

10. JP9254046專利摘要表

專利號碼

JP9254046

專利名稱

ELECTRIC DRIVER

專利申請日

1996.3.26

專利公告日

1997.9.30

專利權人

Matsushita Electric Works, Ltd.

專利權人國家

日本

欲解決問題

消除傳統衝擊式手工具因hammer反覆敲擊chuck會產生極大之噪音之問題,並減低元件間摩擦與震動。

技術手段

利用一永久磁鐵型步進電動馬達以軸連接至磁性離合器之磁性碟盤6b上,當馬達旋轉時帶動磁性碟盤6b旋轉,同時利用磁鐵間之吸引(排斥)力牽引磁性碟盤6c轉動。由於磁性碟盤6b6c上以扇形方式分列著不同磁極,利用磁極間之磁性不同產生磁扭力。

11. JP2002144255專利摘要表

專利號碼

JP2002144255

專利名稱

POWER TOOL WITH LINEAR MOTOR

專利申請日

2000.11.6

專利公告日

2002.5.21

專利權人

Hitachi, Ltd.

專利權人國家

日本

欲解決問題

提高線性馬達效率、減少電樞與活動元件間之磁漏與減少操作時噪音

技術手段

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,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。

12. JP2002011676專利摘要表

專利號碼

JP2002011676

專利名稱

Hand-held tool with electromagnetic hammer mechanism

專利申請日

2001.6.8

專利公告日

2002.1.15

專利權人

Hilti AG

專利權人國家

列支敦士登

欲解決問題

增加衝擊力

技術手段

利用polarized reluctance actuator (PRA)所構成之線性馬達造成往復式的運動來達成驅動相關機械工具。其原理係利用線圈通電產生電磁場,藉由Pole shoes(極靴)包覆線圈來增強磁通量,兩線圈與yoke由於相互磁場之作用,造成yoke相對地往復移動而產生衝擊運動。

 

13. JP2000079460專利摘要表

專利號碼

JP2000079460

專利名稱

STRIKING DEVICE

專利申請日

1998.9.4

專利公告日

2000.3.21

專利權人

UINBERU

專利權人國家

日本

欲解決問題

提高線性馬達效率與精確控制衝擊時間

技術手段

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。其工作原理如圖,整個線性馬達係由衝擊軸(striking shaft)、磁性線圈(magnetic coil)、磁極圈(magnetic pole ring)與一列由異相磁極交叉排列(NSNSNS…)所形成之長磁極條(counter pole parts)。藉由預定的控制電路激磁相鄰磁極圈兩側之線圈成為不同極性的磁極,衝擊軸設置於上、下磁性線圈與磁極圈的中空處,利用線圈與衝擊軸磁極之吸引(排斥),造成衝擊軸相對地往復移動而產生衝擊運動。

 

14. JP2000167783專利摘要表

專利號碼

JP2000167783

專利名稱

Hand-held drill and/or chisel device

專利申請日

1999.12.3

專利公告日

2000.6.30

專利權人

Hilti AG

專利權人國家

列支敦士登

欲解決問題

提升hammer衝擊力量

技術手段

利用雙線圈與永久磁鐵造成往復式的運動來達成驅動相關機械工具。其工作原理係利用兩線圈系統交替通電使hammer在交替方向運動並且在雙線圈之間放置一高導磁性之永久磁鐵藉以提高磁通量,以有效提升hammer衝擊力量。

 

15. JP1316179專利摘要表

專利號碼

JP1316179

專利名稱

PERCUSSION TOOL

專利申請日

1988.6.17

專利公告日

1989.12.21 

專利權人

SHIBAURA ENG WORKS CO LTD 

專利權人國家

日本

欲解決問題

產生衝擊扭力並減少衝擊時之震動現象產生

技術手段

利用一馬達以軸連接齒輪組帶動具有兩塊永久磁鐵(second magnet)之磁性碟盤,當馬達旋轉時帶動該碟盤並利用磁鐵間之吸引(排斥)力牽引位於前方之兩塊永久磁鐵(first magnet)同步轉動,vibration body first magnet間以一對彈簧做連接,利用first magnet second magnet間夾角變化產生磁扭力。

 

3.     結論

在逐篇探討完可攜式電磁驅動衝擊性手工具專利之相關細部技術與功效後,以下分別針對兩種驅動方式Rotary MotorLinear Motor型式之手工具作一總結。

(1)   Rotary Motor電磁驅動衝擊性手工具

此種形式手工具之技術特徵在於利用Rotary Motor連結Hammer使之造成旋轉,HammerChuck的結構中皆含有永久磁鐵,兩者間利用吸引(排斥)力牽引來達成同動效果(如圖2)。衝擊扭力的產生係以HammerChuck間的夾角變化來達成,以US6,695,070專利技術為例,兩者間所夾角度(θ)與空隙(gap)為影響磁扭力(magnet torque)大小的重要關鍵。另外HammerChuck幾何構形上的變化,如十字形(US6,695,070)、扇形(JP9254046)設計,或是永久磁鐵的數目多寡,如4片式(US6,695,070JP9254046)2片式(JP1316179)等設計對於磁扭力的影響都必須於創新設計時列入考慮。此種專利所強調的功效多集中於減低HammerChuck叩擊時所發出之噪音,係因兩者間採用非接觸式的設計。

2. Rotary Motor電磁驅動衝擊性手工具作動原理

(2)   Linear Motor電磁驅動衝擊性手工具

此種形式手工具之技術特徵在於利用磁性線圈(magnetic coil)、一列由異相磁極交叉排列(NSNSNS…)所形成之長磁極條(counter pole parts)與衝擊軸所組成。藉由預定的控制電路激磁相鄰磁極圈兩側之線圈成為不同極性的磁極,使衝擊軸產生前後移動(如圖3)。此種專利所探討的重點多集中於如何提升衝擊力道,使用的技術手段包括利用Pole shoes(極靴)包覆線圈來增強磁通量(US6520269)、使用雙線圈並於其間放置高導磁性永久磁鐵以提高磁通量(JP2000167783),以及減少磁漏。此種專利強調的功效多集中於減低HammerChuck叩擊時所發出之噪音,係因兩者間採用非接觸式的設計。

3. Linear Motor電磁驅動衝擊性手工具作動原理