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作者:洪永杰(2005-09-24);推薦:徐業良(2005-09-**)

可攜式電磁驅動衝擊性手工具創新設計流程

本文首先針對欲進行迴避設計之專利技術資料,分項拆解出各功能部態勢樣及其功能,同時就該篇專利請求之權利,逐一條列出所有權利範圍,分析判斷每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。此外,依其每項之權利範圍進行要件分析,思考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。最後將利用電腦輔助創新設計軟體Goldfire Innovator中之Tech Optimizer模組配合TRIZ技法來進行可攜式電磁驅動衝擊型手工具之創新概念設計。整體創新設計步驟如圖1所示。

1. TRIZ技法來進行專利迴避與創新設計步驟

1.     專利迴避設計實施流程

專利迴避設計的實施流程可分成下列七大步驟:

(1)                透過專利資料的檢索與蒐集,利用檢索關鍵字與條件的設定,透過專利資料庫搜尋得欲設計產品相關領域的全部專利,並對檢索結果的每件專利作初步技術評估,以篩選出確實屬於欲開發產品之專利,並整理列表成一次專利資料庫。

(2)                透過專利資料分析法,針對一次資料庫內的專利,尤其是指標性專利進行閱讀與分析,了解該專利創作標的物先前的技藝所存在的問題(缺點),解析該創作標的物(最佳實施例)之各技術元件構成機構的技術特徵,各技術性特徵(尤其核心技術)的功能與目的,並確實明瞭專利申請範圍中各權利請求項的內容,尤其是核心技術,然後據以建立專利分析摘要表,作為專利的二次資料庫。

(3)                針對所閱讀的每一件專利,研發人員應檢討創作標的物中的每一技術特徵是否均為必要,若否,則可藉由刪除該多餘的技術特徵,以達到專利迴避的目的。

(4)                檢查所閱讀每一件專利之權利請求項,若有數字、形狀等限制用語,或較下位的元件名稱用法,想辨法迴避限制用語,並使用較上位的元件名稱,以擴展原權利範圍。

(5)                對所閱讀的每一件專件之各技術元件特徵清楚了解後,看能否由設計便覽或技術手冊(習知技藝)中找到替代的技術特徵,以消除原技術特徵之功能所附帶的缺點。

(6)    運用專利迴避設計法,如下節所述,以創新專利。

(7)         確認迴避設計的結果與既有專利至少有一個以上技術特徵的實質差異, 最好在專利功能、目的上也產生差異。

本研究已於期中報告時完成上述步驟中之(1)(2),依據與車王電子討論結果,本研究初步鎖定電磁驅動旋轉式衝擊性手工具做為創新設計之對象。以下將先針對專利迴避設計法作一介紹,接著針對欲進行迴避設計之專利進行權利要件拆解,利用專利迴避設計方式先嘗試進行創新的設計。若是此法不能得到令人滿意的結果,本研究接著導入電腦輔助創新設計軟體Tech Optimizer模組配合TRIZ技法來進行之創新概念設計。

2. 專利迴避設計法

一般而言,常用的專利迴避設計法有6種方式,以下針對個別方式之內容進行說明:

(1) 改變技術特徵,但功能不變

以他件專利的某些技術特徵置換欲迴避專利要件的技術特徵,為了能確實迴避專利侵害的全要件與均等論原則,用來替換的技術特徵最好來自二件以上的專利。

所謂「全要件」係指若被控侵害對象物的全部構成要件與被侵害專利之申請範圍的全部構成要件完全相同,且其技術內容亦完全相同,則侵權才算成立。換言之,「全要件」原則是完全抄襲、仿製之意,若少了一個構成要件,基本上就沒有侵權。

所謂「均等論」係指若被控侵害對象物構成之一部份要件改變,使其與被侵害專利範圍的組成要件不完全相同,雖未落入全要件原則,但由於功能、效果完全相同,仍可以「均等論」視同專利侵權。均等論成立與否,在於取代要件之技術特徵是否為熟悉該領域者顯而易知的。換言之,其取代的技術是否具進步性,若否,則均等論成立。

(2) 改變技術特徵,使功能改變

只要一核心技術特徵與功能均變,即可迴避均等論。

(3) 增加技術特徵,使功能增加

所增加的技術特徵須為核心技術,以確實迴避均等論。

(4) 減少技術特徵,使功能退化

刪除結構複雜、製造困難,易生故障,成本太高或非必要性等技術特徵,即可迴避專利,又可生產競爭力高的產品。

(5) 合併多技術特徵,雖功能未變

把二項以上的技術特徵以另一技術特徵取代,雖功能不變,但技術元件,手段已變,即不受限於專利侵害的均等論原則。

(6) 分解一技術特徵為多技術特徵,雖功能未變

把一多功能但有缺點的技術特徵,以多個技術特徵取代,雖技術元件複雜化,但可避免缺點的產生,當然也不受限於均等論原則。

1.專利迴避設計法

迴避方法

原專利技術特徵→迴避後技術特徵

說明

1

A+ B+ C1+ D1A+ B+ C2+ D3

功能C1= C2D1= D3

技術特徵C1C2

技術特徵D1D3

2

A+ B+ C+ DA+ B+ E

功能、技術特徵CDE

3

A+ B+ CA+ B+ C+ D

 

4

A+ B+ C+ DA+ B+ C

 

5

A+ B+ C+ DA+ B+(CD)

CD表具有CD功能

6

A+ B+ C+ D1A+ B+ C+ D’2+ D’’3

D1功能分解成D’2D’’3功能

3.電磁驅動旋轉式衝擊性手工具專利權利範圍解析

本研究初步鎖定US20040238191US6695070此兩篇專利為迴避設計的對象,因此以下將針對此兩篇專利進行權利要件拆解,以做為專利迴避設計之參考。

3.1 US20040238191號專利權利範圍解析

此篇專利申請之專利範圍包含一個獨立項與九個附屬項,由於專利侵害鑑定中僅針對專利申請範圍中獨立項部分與疑似侵權產品進行逐一比對,而不考慮附屬項,因此在進行迴避設計時,應著重了解獨立項所包含之要件、技術特徵與其達成功能之相關資訊。

2為該篇專利之代表性圖示,該獨立項包含:

(1)   一馬達,用以產生旋轉動力;

(2)   一驅動軸,由馬達驅動使之旋轉;

(3)   一磁性Hammer,與上述驅動軸連結以產生旋轉運動;

(4)   一磁性Anvil,與上述磁性Hammer相面對設置,藉由磁性Hammer傳遞磁力使其產生轉動,同時HammerAnvil上皆具有一個以上的磁極(magnet pole)

(5)   一輸出軸,由磁性Anvil驅動使之旋轉;

(6)   一磁性bypass裝置(magnetic bypass device),用以改變磁性Hammer與磁性Anvil間之磁通量;

(7)   一變換裝置(changing device),用來變換磁性bypass裝置的位置使改變磁性Hammer與磁性Anvil間之磁通量,以調整磁性Hammer作用於磁性Anvil上扭矩之大小。

2. US20040238191號專利圖示

3.2 US6695070號專利權利範圍解析

此篇專利申請之專利範圍包含5個獨立項與46個附屬項,圖3為該篇專利之代表性圖示,該獨立項包含:

(1)   至少一Chuck

(2)   至少一Hammer

(3)   至少一ChuckHammer具有磁性或由磁性材料所構成;

(4)   一磁性Chuck,與上述磁性Hammer相面對設置,藉由磁性Hammer傳遞磁力使其產生轉動,同時HammerChuck上皆具有一個以上的磁極(magnet pole)

(5)   一驅動單元用以驅動上述Hammer使其與Chuck間有一相對運動並產生衝擊運動。

3. US6,695,070號專利圖示

2為把上述專利的技術元件特徵與相對應的功能顯示出來的技術功能矩陣表(英文字母表技術功能別,數字表技術特徵別),本計劃首先利用迴避設計法配合技術功能矩陣圖提出可能的創新迴避設計思考方向。

2. 電磁驅動旋轉式衝擊性手工具技術功能矩陣表

           功能

技術特徵

Hammer旋轉

A

衝擊扭矩產生

B

改變磁力扭矩

C

改變磁通量

D

Motor a1

US20040238191

US 6,695,070

 

 

 

Magnetic hammer b1

US20040238191

US 6,695,070

US20040238191

US 6,695,070

 

 

Magnetic chuck or Magnetic anvil c1

 

US20040238191

US 6,695,070

 

 

Magnetic bypass device d1

 

 

 

US20040238191

Changing device e1

 

 

 

US20040238191

Hammer and chuck

shifting angle f1

 

 

US 6,695,070

 

 

3.迴避設計法與技術功能矩陣圖的關係圖

           功能

技術特徵

Hammer旋轉

A

衝擊扭矩產生

B

改變磁力扭矩

C

改變磁通量

D

US 6,695,070

(a1b1c1f1)

a1b1

b1c1

f1

 

US20040238191

(a1b1c1d1e1)

a1b1

b1c1

 

d1e1

4. 電磁驅動旋轉式衝擊性手工具專利迴避設計

依據前述兩篇專利所包含之權利要件,如欲進行創新設計首先必須先考慮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迴避,以避免新設計落入「全要件」之專利侵害。可考慮的方式例如:

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

以下將針對US20040238191US 6,695,070此兩篇專利可能創新的方向提出一些可供思考的途徑。

4.1 US20040238191號專利創新思考方向(1)

US20040238191號專利之申請範圍如表2所示,如欲避開「全要件」之專利侵害嘗試轉移功能到某一工作元素上或刪除、重組元件以達成新的功能可以優先被考慮。

l          以轉移功能到某一工作元素上為例,該專利申請範圍之馬達係用以驅動hammer使之旋轉進而與chuck產生衝擊扭矩。換個方式思考,是否有其他技術可以驅動hammer亦或hammer本身就可以自行驅動而不需要馬達?

l          以刪除、重組元件以達成新的功能為例,該專利申請範圍中Changing device係用以變換磁性bypass裝置的位置使改變磁性Hammer與磁性Anvil間之磁通量,以調整磁性Hammer作用於磁性Anvil上扭矩之大小。換個方式思考,是否需要改變扭矩之大小亦或維持定扭矩即可?如刪除該元件將可避免「全要件」之專利侵害(此方式稱為改惡設計亦即功能被減弱)。另外,如需維持改變扭矩大小之功能,是否有其它方式可達成?

評估上述第一個問題,由於本篇專利中之馬達、hammerchuck為必要之元件,若是缺一則無法完成旋轉同時產生衝擊扭矩,因此暫不予考慮刪除其中任一元件。接著考慮第二個問題,是否有其它方式可達成改變扭矩大小之功能,答案是有的,因此本創新設計首先刪除Changing device與變換磁性bypass裝置此兩項要件以避免落入「全要件」之專利侵害,接著利用TRIZ技法中「嘗試轉移功能到某一工作元素上」的方式進行創新設計。

4.創新設計概念(1)

4為本創新設計概念圖,詳細設計概念詳述如下:

(1)   US20040238191專利中,hammer係由磁性軟鐵等磁性体所構成,同時以間隔90°方式進行排列,而chuck同樣由磁性軟鐵等磁性体所構成,兩者間以吸引或排斥扭矩方式旋轉。本創新設計在chuck中僅維持一對由磁性軟鐵所構成之磁性体,另一對以鐵心纏繞線圈通予電流變成電磁鐵。該設計同樣維持以吸引扭矩方式產生旋轉,另外電磁鐵部份可以藉由通過電流之大小來控制磁阻變化,以進一步調整hammerchuck之吸引力,該吸引力之大小將會影響衝擊扭矩值。因此,chuck在本設計中同時結合了改變扭矩大小的功能。

6.hammerchuck構造設計

(2)由於chuck上之電磁鐵需要外接電源,因此本設計於chuck前端之輸出軸部份加裝兩金屬環,一個以碰觸方式連接電源正極,一個以碰觸方式連接電源負極,同時兩電磁線圈之正負極分別連接於其上。此外,亦可由外接電源控制通過電流的大小來改變線圈產生磁場的大小,已達成可調整衝擊扭矩值之功能。

7.線圈供電構造設計

4.2 US20040238191號專利創新思考方向(2)

此一部分的創新思考方向將導入電腦輔助創新設計軟體Tech Optimizer模組配合TRIZ技法來進行創新概念之設計。首先,利用系統定義(IMC Systems Definition)US20040238191號專利申請範圍中獨立項部分的元件依系統目的(target)、系統元件(component)加以定義,如圖8。接著依序定義元件與元件間相互作用關係(action),步驟如圖9~15所示。

8. US20040238191號專利系統定義圖

(1)   motordrive shift間作用關係

在本專利中,馬達的主要有益作用為驅動傳動軸進行旋轉運動。

9. motordrive shift間作用關係

(2)   drive shiftchanging devicebypass device間作用關係

在本專利中,drive shift的主要有益作用為提供bypass device作支撐,同時changing device的主要有益作用為變動bypass device的相對位置來改變magnet hammermagnet anvil間之磁通量(magnetic flux)以調整衝擊扭力值之大小。

10. drive shiftchanging devicebypass device間作用關係

(3)   drive shiftmagnet hammerbypass device間作用關係

在本專利中,drive shift的另一主要有益作用為帶動magnet hammer旋轉,而bypass device的主要有益作用為改變magnet hammermagnet anvil間的磁通量,不過由於該專利中提及此手工具僅適用於居家修繕或一般日常生活鎖固低扭力螺絲或螺帽之用,因此我們將bypass devicemagnet hammer間改變磁力的有益作用定義為不足的有益作用以利後續創新設計時加以改善。

11. drive shiftmagnet hammerbypass device間作用關係

(4)   magnet hammermagnet anvil間作用關係

在本專利中,magnet hammer的有益作用有二,一為帶動magnet anvil旋轉,二為藉由與magnet anvil間的磁力關係與旋轉角度的變化以產生衝擊扭矩。誠如上述(3)中所提及bypass devicemagnet hammer間存在不足的有益作用,由於此效應會影響到magnet hammer作用於magnet anvil衝擊扭矩值大小,因此我們將衝擊扭矩(impact torque)定義為不足的有益作用以利後續創新設計時加以改善。

12. magnet hammermagnet anvil間作用關係

(5)   magnet anvilbit間作用關係

在本專利中,magnet anvil的有益作用為固定bit使其能鎖固螺絲,不過bit於鎖固的過程中亦會產生反作用力於magnet anvil上,此為一有害作用。

13 .magnet anvilbit間作用關係

(6)   bitscrew間作用關係

在本專利中,bit的有益作用為鎖固螺絲,不過螺絲亦可能於鎖固的過程中造成bit的磨損,此為一有害作用。

14. bitscrew間作用關係

綜合上述每一元件間有益與有害的作用關係,整體US20040238191號專利的功能模型可表示成如圖15所示。

15. US20040238191號專利的功能模型

以下將利用Tech Optimizer軟體來協助變更一部分的系統元件(以及相關的作用),以獲得較簡化、較佳的功能模型。本創新設計首先考慮變更magnet hammermagnet anvil此兩項要件的設計與作動方式以避免落入「全要件」之專利侵害。

在完成功能模型的建構後,Tech Optimizer軟體列出了本創新設計案中四項功能改善的問題,包含:

1.      如何避免螺絲於鎖固的過程中造成bit的磨損?

2.      如何加強bypass device調整磁通量的大小的功能?

3.      如何提升magnet hammermagnet anvil 間的衝擊扭力值?

4.      如何避免bit於鎖固的過程中產生反作用力於magnet anvil?

上述問題中,問題2與問題3為本創新設計的重點問題,接下來將利用TRIZ技法以及尋找相關科技知識庫(IMC scientific effects)來尋求突破。此外,由於bit的磨損與產生反作用力於magnet anvil上的情形普遍存在於現有的手工具中,同時其問題的嚴重程度不大,因此在本設計中暫不予以考慮解決。

17. 四項設計問題

關於問題3的部份,在Tech Optimizer軟體中的科技知識庫我們找尋到一種關於量測磁力強度所能產生力矩的方式,其原理係利用一塗佈磁性物質的載流導線或線圈,兩端架設於可旋轉的樞鈕上。當導線(線圈)通電時,放置一磁性物質於載流導線(線圈)的上方,因磁力的作用會吸引凸字型的載流導線(線圈)向上轉動,即可量取磁力矩。

18. Magnetic intensity measurement by measurement of torque

藉由上述概念,我們利用類比轉換的方式衍生出下列的設計方案:

1.      magnet anvil設計成凸字型具有磁性的圓棒構造,同時將馬達連結至magnet anvil的後端,帶動其旋轉。

2.      bit連結至magnet anvil的前端。

3.      magnet anvil架設於可旋轉的樞鈕架上以方便其進行360度的旋轉。

19. magnet anvil的構造

接著於問題二方面,我們嘗試將US20040238191號專利中magnet hammer所使用的永久磁鐵以電磁線圈加以代換。如圖20所示,當線圈通過電流時會產升一感應磁場,此效應的典型利用實例之ㄧ為matrix printer上所使用的print hammer actuator裝置,如圖21(左),當線圈尚未通電時,coil並不會產生感應磁場,此時print hammercore保持開路;當線圈通電時,如圖21(右),coil產生感應磁場,此時print hammer會受到磁力吸引向下彎曲而接觸到core產生閉回路而作動。

20.Eddy current產生感應磁場圖示

21. print hammer actuator作動原理

因此藉由上述概念,我們利用類比轉換的方式衍生出下列的設計方案,如圖22

1.      magnet hammer內部挖空置入一載流線圈。

2.      利用調整線圈通過電流大小或加裝一bypass device來調整磁通量進而控制與magnet anvil的吸引力,以調整impact torque值,如圖23

22.magnet hammer 構造示意

23. 調整impact torque裝置示意

24. 創新設計概念(2)

此項設計概念的重點為利用電磁鐵通過電流,使magnet hammer產生感應磁場以吸引magnet anvil,同時在兩者互相吸引力達最大值時,瞬間切斷電磁鐵電流使其磁力消失,此時magnet anvil會繼續由馬達帶動旋轉同時感受到瞬間衝擊磁扭力的產生。如圖25的連續作動圖所示,圖25(1)代表當magnet anvil的凸緣由馬達帶動至與magnet hammer呈現最小距離時,兩者間有最大磁吸引力存在。此時瞬間將位於magnet hammer內的電磁線圈斷電使其磁力消失,magnet anvil仍繼續由馬達帶動旋轉同時感受到瞬間一衝擊磁扭力的產生。直至magnet anvil由馬達帶動運轉至圖25(4)的位置時,magnet hammer內的電磁線圈才再次通電,逐步吸引magnet anvil直到圖25(1)的位置時再度斷電,如此依序循環即可造成於鎖固螺絲時不斷有impact torque的產生。如需調整impact torque值,本創新設計有兩種方式可供調整,一為利用調整通過線圈的電流大小來控制與magnet anvil間的磁吸引力,以間接方式調整兩者間脫開的難易度;另一方式為通過線圈的電流大小為定值,利用一磁性bypass device裝設於magnet hammer的上端,藉由調整其位置來改變磁通量的大小,以間接達成調整hammeranvil兩者間脫開的難易度。

25.連續作動圖

4.3 US 6,695,070號專利創新思考方向

US2 6,695,070號專利之申請範圍如表2所示,如欲避開「全要件」之專利侵害,嘗試轉移功能到某一工作元素上或刪除、重組元件以達成新的功能可以優先被考慮。與US20040238191號專利申請範圍中獨立項元件不同的是此項專利並無提到改變磁通量的裝置或方式,其專利保護的元件僅包含具磁性的hammer、具磁性的chuck與驅動馬達此三項元件,若是以刪除元件的方式來作迴避設計,將無法產生所需的功能,如衝擊扭力,因此此一部分的創新思考方向將導入TRIZ技法來進行創新概念之設計。

由於傳統可攜式衝擊型手工具係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,容易導致工作人員感到身心上不悅。為有效迴避US 6,695,070號專利的限制同時有效改善傳統衝擊型手工具所帶來的噪音,接下來將利用TRIZ技法以及尋找相關科技知識庫(IMC scientific effects)來尋求突破。

TRIZ理論中,上述問題為一典型的技術矛盾,因此我們嘗試利用Altshuller的矛盾矩陣表來解決,當我們試著改善「物體引起的危害(Object-generated harmful factors, 31)」這個參數時,「能量損失與浪費(loss of energy, 22)」這個參數反而會因此惡化。對於如此的技術矛盾,矛盾矩陣表(表4)提供了下列四項法則:

l      21:急速作用(Hurrying)

l      35:改變性質(Parameter changes)

l      2:分離(Separation)

l          22:轉禍為福(Blessing in disguise)

4.矛盾矩陣表

Undesired result

 

 

Feature to change

1

22

39

Weight of moving object

Loss of energy

Productivity

1

Weight of moving object

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

Object-generated harmful factors

 

 

21,35,2,22

 

 

 

 

 

 

 

39

Productivity

 

 

 

 

 

如前述,US 6,695,070號專利利用了分離hammerchuck的方式消除噪音,不過其衝擊扭力與傳統手工具相比小了許多,在此我們選擇利用轉禍為福(Blessing in disguise)的發明原理來進行專利迴避設計。

Tech Optimizer軟體中的科技知識庫我們找尋到一種關於鏈條傳動之多角型效應(polygon effect),如圖26。其原理係利用當鏈條園繞鏈輪上成一多角型,因此其傳動運轉時之有效直徑常在Dmax=RDmin=Rcosα=r(圖27、圖28)間變換而致使鏈條速度,亦在VmaxVmin間不斷變化,此項不均勻之速度變化在齒數越少時越為顯著,甚至產生振動,此現象稱之為多角型效應。

26. Velocity change of flexible element

27. 鏈條傳動之多角型效應(1)

28. 鏈條傳動之多角型效應(2)

29. 鏈條傳動示意圖

如圖29所示,鏈的嚙合情形是呈現與鏈輪齒數相等的多角形。因此,每半個節距,回轉半徑在Rr之間變化,鏈的速度也隨之變動,由圖29可知:

 (mm)                                                                                      (1)

因此,若n表示轉速(rpm),則鏈的最大速度Vmax與最小速度Vmin分別為

 (m/s)                                                                                       (2)

 (m/s)                                                                                        (3)

鏈的速度在此2個值之間做週期性的變動。因此,縱使主動輪以定速運轉,從動輪會有不勻稱的轉動,若速度變動率以y來表示的話,則

                                                                               (4)

因此本設計概念嘗試轉換因鏈輪速度變動率所造成之振動來達到衝擊扭矩的產生。該設計為將一馬達配合減速齒輪連結於圖29中之主動輪上,利用鏈條帶動從動輪旋轉,使其運轉時維持整體鏈條拉力於以下此2個拉力值之間做週期性的變動。

                                  (5)

                                   (6)

:鏈條之拉力,相當於鏈條齒輪運行傳遞之切線力

:比例因數,

PS,運行傳遞之額定馬力

:依據式(2)(3)所得之鏈條運行速度