JP2003333871A - 高電流パルス発生器 - Google Patents
高電流パルス発生器Info
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- pulse generator
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- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
- B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
- H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
-
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
- H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電気インパルス発生に関する問題を解決する
ためにスーパーキャパシターおよび電磁リレーを使用す
る費用効率性の高い方法を提供する。 【解決手段】 本発明にかかる高電流パルス発生器は、
直流電源と、直流電源が供給する大量の静電荷を蓄電
し、かつ電荷を放出するように、相互および電源と並列
に接続する複数のコンデンサーと、コンデンサーの電荷
の蓄電を開始するためにコンデンサーに結合するラッチ
と、電源の出力をモニターするために電源に結合する出
力センサーと、電荷を放出して高電流の電気インパルス
を発生させるようにコンデンサーを並列接続に切り換え
るためのスイッチ素子と、コンデンサーの切り換えを開
始するようにスイッチ素子に結合するトリガーとから構
成される。
ためにスーパーキャパシターおよび電磁リレーを使用す
る費用効率性の高い方法を提供する。 【解決手段】 本発明にかかる高電流パルス発生器は、
直流電源と、直流電源が供給する大量の静電荷を蓄電
し、かつ電荷を放出するように、相互および電源と並列
に接続する複数のコンデンサーと、コンデンサーの電荷
の蓄電を開始するためにコンデンサーに結合するラッチ
と、電源の出力をモニターするために電源に結合する出
力センサーと、電荷を放出して高電流の電気インパルス
を発生させるようにコンデンサーを並列接続に切り換え
るためのスイッチ素子と、コンデンサーの切り換えを開
始するようにスイッチ素子に結合するトリガーとから構
成される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気モーターを駆
動して短時間に衝撃トルクが生じるように高電流インパ
ルスを発生させるための小型電源モジュールに関し、そ
れによって携帯工具に電圧を印加または燃焼機関を点火
もしくはオートマティック・システムを稼動し、特に、
スーパーキャパシターまたはウルトラキャパシターもし
くは電気二重層コンデンサーが、充電段階時の並列接続
から、電気化学的スイッチ素子の使用時の直列接続へ配
置されて、望ましいインパルスの発生に向けて放電す
る、可動部のないスイッチング・コンデンサーに関す
る。
動して短時間に衝撃トルクが生じるように高電流インパ
ルスを発生させるための小型電源モジュールに関し、そ
れによって携帯工具に電圧を印加または燃焼機関を点火
もしくはオートマティック・システムを稼動し、特に、
スーパーキャパシターまたはウルトラキャパシターもし
くは電気二重層コンデンサーが、充電段階時の並列接続
から、電気化学的スイッチ素子の使用時の直列接続へ配
置されて、望ましいインパルスの発生に向けて放電す
る、可動部のないスイッチング・コンデンサーに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】インパルス・エネルギー（impulse ener
gy）は、多数の産業において非常に有益である。インパ
ルス・エネルギーは、例えば、石の破砕（米国特許番号
６,０５８,０２９）、金属の蒸発（米国特許番号５,３
５９,２７９）、汚染粒子の除去（米国特許番号４,１６
２,４１７）、および血液サンプルの採取（米国特許番
号５,８３９,４４６）に利用することができる。
gy）は、多数の産業において非常に有益である。インパ
ルス・エネルギーは、例えば、石の破砕（米国特許番号
６,０５８,０２９）、金属の蒸発（米国特許番号５,３
５９,２７９）、汚染粒子の除去（米国特許番号４,１６
２,４１７）、および血液サンプルの採取（米国特許番
号５,８３９,４４６）に利用することができる。
【０００３】インパルス・エネルギーを発生するため
に、多くの技術が用いられており、例えば、極めて短時
間で高速度の流量を生成する潜水艦の魚雷発射システム
で使う海水および薄膜である（米国特許番号５,２００,
５７２および６,１４６,１１４）。音響変換器（米国特
許番号４,５４１,０８１）および圧電変換器（米国特許
番号６,２０４,５９２）ならびにフライホィール（米国
特許番号５,５１１,７１５）を使用することによっても
高エネルギーパルスが発生する。それにもかかわらず、
米国特許番号４,２５８,４０５、４,９９４,１６０、
５,３５９,２７９、５,７２９,５６２、５,８９５,５８
４、６,０５８,０２９、６,０６３,１６８、および６,
３５９,４２４において見られるように、インパルス・
エネルギーは、電気回路を用いることにより最も一般的
に発生する。コンデンサーは、先行技術のインパルス発
生器に例外なく含まれているが、サイラトロン、サイリ
スター、絶縁ゲート型バイポーラトランジスター（IGB
T）、もしくはサイリスタシリコン制御整流器（SCR）と
同様に、パルス幅変調（PWM）のコイルおよび変圧器な
らびにマイクロコントローラーなどの種々の半導体スイ
ッチング装置が、コンデンサーのスイッチングに用いら
れている。先行技術の電気インパルス発生器におけるチ
ップカウントが高いため、その結果としての電気配置は
大きくしかも費用のかかるものとなる。さらにサイラト
ロンには、スイッチング効率および半導体素子の電圧の
ホールドオフ能力を低減する可能性のあるカソードおよ
びアノードの腐食に関係する寿命問題がある。
に、多くの技術が用いられており、例えば、極めて短時
間で高速度の流量を生成する潜水艦の魚雷発射システム
で使う海水および薄膜である（米国特許番号５,２００,
５７２および６,１４６,１１４）。音響変換器（米国特
許番号４,５４１,０８１）および圧電変換器（米国特許
番号６,２０４,５９２）ならびにフライホィール（米国
特許番号５,５１１,７１５）を使用することによっても
高エネルギーパルスが発生する。それにもかかわらず、
米国特許番号４,２５８,４０５、４,９９４,１６０、
５,３５９,２７９、５,７２９,５６２、５,８９５,５８
４、６,０５８,０２９、６,０６３,１６８、および６,
３５９,４２４において見られるように、インパルス・
エネルギーは、電気回路を用いることにより最も一般的
に発生する。コンデンサーは、先行技術のインパルス発
生器に例外なく含まれているが、サイラトロン、サイリ
スター、絶縁ゲート型バイポーラトランジスター（IGB
T）、もしくはサイリスタシリコン制御整流器（SCR）と
同様に、パルス幅変調（PWM）のコイルおよび変圧器な
らびにマイクロコントローラーなどの種々の半導体スイ
ッチング装置が、コンデンサーのスイッチングに用いら
れている。先行技術の電気インパルス発生器におけるチ
ップカウントが高いため、その結果としての電気配置は
大きくしかも費用のかかるものとなる。さらにサイラト
ロンには、スイッチング効率および半導体素子の電圧の
ホールドオフ能力を低減する可能性のあるカソードおよ
びアノードの腐食に関係する寿命問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ステープラー、ネイラ
ー、タッカー、ドリル、ハンマー、ピンナー、破砕機、
ニブラー、圧縮機、ヘッジャー（hedger）、刈り込み用
道具、および剪定バサミなどを含む携帯用ハンドヘルド
工具を操作するには、衝撃力もまた必要とされている。
ネイラーもしくはステープラーを例に挙げると、従来で
は、圧縮ガス（米国特許番号６,１５５,４７２）または
加圧された燃料ガス（米国特許番号５,９１１,３５０）
により空圧で動力供給されて、バネを圧縮位置に充填
し、木またはコンクリート表面に釘を打ち込む。従って
前述の工具は、工具の移動性を損なう現場用の圧縮機ま
たはコンバスチョン・チャンバが必要である。携帯用工
具に最高の移動性を与えるには、その工具は、バネが付
いていないか、コードレスであるべきであり、しかも蓄
電池で動力供給されることが好ましい。直流電動工具
は、交流電動工具と類似して、実用の駆動にソレノイド
アクチュエーターを同様に利用する。Goldnerに付与さ
れた米国特許番号５,１０５,３２９において、電気ステ
ープラーを稼動した蓄電池のアーマチュアーを駆動する
ために、ソリッドステート回路が備えられている。同特
許をここに引用文献として含む。蓄電池が直流ステープ
ラー用の唯一の電源であると同時に、‘３２９特許は、
多数の電子部品を用いた複雑な回路を使って、蓄電池の
効果的な稼動寿命を提言している。近頃、多くの商業用
コードレス電動工具は、工具の電気モーター駆動用に、
当初はニッカド（NiCd）電池へ依存し、次いで環境上の
理由でニッケル水素（NiMH）電池に移行していった。し
かしながら、蓄電池は、出力密度を限定しており、重作
業で必要とする衝撃トルクを発することが不可能である
か、または蓄電池の有効使用時間が電力の過度の引き出
しにより減少する。
ー、タッカー、ドリル、ハンマー、ピンナー、破砕機、
ニブラー、圧縮機、ヘッジャー（hedger）、刈り込み用
道具、および剪定バサミなどを含む携帯用ハンドヘルド
工具を操作するには、衝撃力もまた必要とされている。
ネイラーもしくはステープラーを例に挙げると、従来で
は、圧縮ガス（米国特許番号６,１５５,４７２）または
加圧された燃料ガス（米国特許番号５,９１１,３５０）
により空圧で動力供給されて、バネを圧縮位置に充填
し、木またはコンクリート表面に釘を打ち込む。従って
前述の工具は、工具の移動性を損なう現場用の圧縮機ま
たはコンバスチョン・チャンバが必要である。携帯用工
具に最高の移動性を与えるには、その工具は、バネが付
いていないか、コードレスであるべきであり、しかも蓄
電池で動力供給されることが好ましい。直流電動工具
は、交流電動工具と類似して、実用の駆動にソレノイド
アクチュエーターを同様に利用する。Goldnerに付与さ
れた米国特許番号５,１０５,３２９において、電気ステ
ープラーを稼動した蓄電池のアーマチュアーを駆動する
ために、ソリッドステート回路が備えられている。同特
許をここに引用文献として含む。蓄電池が直流ステープ
ラー用の唯一の電源であると同時に、‘３２９特許は、
多数の電子部品を用いた複雑な回路を使って、蓄電池の
効果的な稼動寿命を提言している。近頃、多くの商業用
コードレス電動工具は、工具の電気モーター駆動用に、
当初はニッカド（NiCd）電池へ依存し、次いで環境上の
理由でニッケル水素（NiMH）電池に移行していった。し
かしながら、蓄電池は、出力密度を限定しており、重作
業で必要とする衝撃トルクを発することが不可能である
か、または蓄電池の有効使用時間が電力の過度の引き出
しにより減少する。
【０００５】そこで、本発明の第１の目的は、電気イン
パルス発生に関する上記の問題を解決するためにスーパ
ーキャパシターおよび電磁リレーを使用する費用効率性
の高い方法を提供することにある。
パルス発生に関する上記の問題を解決するためにスーパ
ーキャパシターおよび電磁リレーを使用する費用効率性
の高い方法を提供することにある。
【０００６】本発明は、負荷平準化としてスーパーキャ
パシターを直流電源機器の蓄電池に利用する。従って、
機器への動力供給に必要とされる蓄電池の数を低減、も
しくは蓄電池の有効使用時間を引き延ばすことができ
る。直流電源機器の電源装置内にアルカリ電池が用いら
れると、蓄電池の充電のための待機時間を必要としない
ため、その機器はすぐに実行することができる。
パシターを直流電源機器の蓄電池に利用する。従って、
機器への動力供給に必要とされる蓄電池の数を低減、も
しくは蓄電池の有効使用時間を引き延ばすことができ
る。直流電源機器の電源装置内にアルカリ電池が用いら
れると、蓄電池の充電のための待機時間を必要としない
ため、その機器はすぐに実行することができる。
【０００７】本発明は、最小数の蓄電池を使用するが、
スーパーキャパシターの充電には十分である。負荷が大
きい電流を要求すると、スーパーキャパシターは、蓄電
池を隔離したままか低放電率の状態のままで即座に必要
電力を供給する
スーパーキャパシターの充電には十分である。負荷が大
きい電流を要求すると、スーパーキャパシターは、蓄電
池を隔離したままか低放電率の状態のままで即座に必要
電力を供給する
【０００８】本発明は、電気インパルスの発生目的にス
イッチ素子として電磁リレーのみを用いて、スーパーキ
ャパシターを並列接続から直列接続に切り換える。リレ
ーは小さくしかも安価である。従ってスーパーキャパシ
ターおよびリレーから成るこのインパルス発生器は、小
型かつ費用効果が高い。
イッチ素子として電磁リレーのみを用いて、スーパーキ
ャパシターを並列接続から直列接続に切り換える。リレ
ーは小さくしかも安価である。従ってスーパーキャパシ
ターおよびリレーから成るこのインパルス発生器は、小
型かつ費用効果が高い。
【０００９】本発明は、スーパーキャパシターの静電容
量および等価直列抵抗（ESR）を制御するので、発生器
が与える衝撃力（または衝撃トルク）の大きさはオーダ
ーメードである。
量および等価直列抵抗（ESR）を制御するので、発生器
が与える衝撃力（または衝撃トルク）の大きさはオーダ
ーメードである。
【００１０】本発明に基づくこれらおよび他の特徴と同
様に、目的および利点は、添付の図面とともに以下の詳
細の説明および実施形態から明白になる。
様に、目的および利点は、添付の図面とともに以下の詳
細の説明および実施形態から明白になる。
【００１１】前述の概要および以下の詳細な説明は両方
とも、代表的なものであり、しかも本発明の更なる説明
を請求のとおり提供することを目的とする。
とも、代表的なものであり、しかも本発明の更なる説明
を請求のとおり提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、所望
の目的を達成するために、本発明にかかる高電流パルス
発生器は、直流電源と、直流電源が供給する大量の静電
荷を蓄電し、かつ電荷を放出するように、相互および電
源と並列に接続する複数のコンデンサーと、コンデンサ
ーの電荷の蓄電を開始するようにコンデンサーに結合す
るラッチと、電源の出力をモニターするために電源に結
合する出力センサーと、電荷を放出して高電流の電気イ
ンパルスを発生させるようにコンデンサーを並列接続に
切り換えるためのスイッチ素子と、コンデンサーの切り
換えを開始するようにスイッチ素子に結合するトリガー
とから構成される。
の目的を達成するために、本発明にかかる高電流パルス
発生器は、直流電源と、直流電源が供給する大量の静電
荷を蓄電し、かつ電荷を放出するように、相互および電
源と並列に接続する複数のコンデンサーと、コンデンサ
ーの電荷の蓄電を開始するようにコンデンサーに結合す
るラッチと、電源の出力をモニターするために電源に結
合する出力センサーと、電荷を放出して高電流の電気イ
ンパルスを発生させるようにコンデンサーを並列接続に
切り換えるためのスイッチ素子と、コンデンサーの切り
換えを開始するようにスイッチ素子に結合するトリガー
とから構成される。
【００１３】
【発明の実施形態】以下、本発明にかかる好適な実施形
態を図面に基づいて説明する。スーパーキャパシター
は、表面吸着または表面レドックス（酸化還元）によっ
て最大で数千ファラッド（F）の静電気を蓄電可能な電
気化学セルのエネルギー貯蔵装置である。吸着につい
て、蓄電された電荷を二重層容量（DLC）と称し、一方
で擬似容量（pseudocapacitance: PC）は表面酸化還元
により蓄電される電荷に与えられる。一般的に、炭質は
DLCのみを有すると確認され、金属酸化物はDLCとPCの両
方を有するとみられている。電荷の蓄電における前述の
相違点から、炭素を電極材料として用いるコンデンサー
はスーパーキャパシターもしくは電気二重層コンデンサ
ーと名付けられ、それに対し酸化物を電極材料として用
いるコンデンサーはいわゆるウルトラキャパシターであ
る。それにもかかわらず、前述のキャパシターは全て、
従来型コンデンサーと比較すると非常に高いエネルギー
密度を有しており、しかもこれら全てが蓄電池と比較し
て高い出力密度を保有する。最も重要なことは、それら
全てが本発明で示す高電流パルス発生器を作るのにふさ
わしいことである。
態を図面に基づいて説明する。スーパーキャパシター
は、表面吸着または表面レドックス（酸化還元）によっ
て最大で数千ファラッド（F）の静電気を蓄電可能な電
気化学セルのエネルギー貯蔵装置である。吸着につい
て、蓄電された電荷を二重層容量（DLC）と称し、一方
で擬似容量（pseudocapacitance: PC）は表面酸化還元
により蓄電される電荷に与えられる。一般的に、炭質は
DLCのみを有すると確認され、金属酸化物はDLCとPCの両
方を有するとみられている。電荷の蓄電における前述の
相違点から、炭素を電極材料として用いるコンデンサー
はスーパーキャパシターもしくは電気二重層コンデンサ
ーと名付けられ、それに対し酸化物を電極材料として用
いるコンデンサーはいわゆるウルトラキャパシターであ
る。それにもかかわらず、前述のキャパシターは全て、
従来型コンデンサーと比較すると非常に高いエネルギー
密度を有しており、しかもこれら全てが蓄電池と比較し
て高い出力密度を保有する。最も重要なことは、それら
全てが本発明で示す高電流パルス発生器を作るのにふさ
わしいことである。
【００１４】スーパーキャパシターは、高エネルギー密
度のため、スーパーキャパシターの定格電圧（許容値１
０％）を越えない限り、任意の大きさの電流で充電する
ことができる。使用した素子は、電気インパルスの供給
者としての機能を果たすために、要求に応じて短時間で
エネルギー貯蔵およびエネルギー放出を行う能力がある
ものとする。スーパーキャパシターに加えて、フライホ
ィールおよび誘電子は、代替候補であり、しかもこれら
はエネルギーパルスの発生に頻繁に利用されている。し
かしながら、フライホィールは、稼動に駆動モーターお
よび他の可動部を必要とし、一方で誘電子はヒステリシ
スを有し、しかも単独ではほとんど使用されない。これ
に対してスーパーキャパシターは、可動部および遅滞な
しで即時対応においてエネルギーを受けるとともに放出
する。さらにスーパーキャパシターは、メンテナンスの
必要なしに充電および放電を長期にわたって事実上実行
することができる。従ってスーパーキャパシターは、電
気インパルスの発生においてフライホィールよりも優れ
た装置である。
度のため、スーパーキャパシターの定格電圧（許容値１
０％）を越えない限り、任意の大きさの電流で充電する
ことができる。使用した素子は、電気インパルスの供給
者としての機能を果たすために、要求に応じて短時間で
エネルギー貯蔵およびエネルギー放出を行う能力がある
ものとする。スーパーキャパシターに加えて、フライホ
ィールおよび誘電子は、代替候補であり、しかもこれら
はエネルギーパルスの発生に頻繁に利用されている。し
かしながら、フライホィールは、稼動に駆動モーターお
よび他の可動部を必要とし、一方で誘電子はヒステリシ
スを有し、しかも単独ではほとんど使用されない。これ
に対してスーパーキャパシターは、可動部および遅滞な
しで即時対応においてエネルギーを受けるとともに放出
する。さらにスーパーキャパシターは、メンテナンスの
必要なしに充電および放電を長期にわたって事実上実行
することができる。従ってスーパーキャパシターは、電
気インパルスの発生においてフライホィールよりも優れ
た装置である。
【００１５】図１は、スーパーキャパシターが、充電中
は並列に接続するとともに、電気インパルスを発生する
ために、トリガーを引き直列接続に切り換わる回路図で
ある。図１は、ステープラー、ネイラー、タッカー、ハ
ンマー、および刈り込み用道具などの実用を駆動させる
ために電気インパルスを発生する本発明の第１実施形態
に基づく。電気インパルス発生器１０は、電源として蓄
電池Bと、エネルギー貯蔵装置としてスーパーキャパシ
ターC１およびC2と、スーパーキャパシターを放電位置
に切り換えるための4ポート（S1からS4を共有の接点と
して）電磁リレーとを具備する。リレーの各ポートは、
単極双投（Single-Pole-Double-Throw:SPDT）を有す
る。１２個の接点４組は、ノーマルクローズ（S1a-S1、
S2a-S2、S3a-S3、およびS4a-S4）であり、一方で残りの
組はノーマルオープン（S1-S1b、S2-S2b、S3-S3b、およ
びS4-S4b）である。充電段階の間、電力線１２内の蓄電
池Bから接点S1aおよびS3aを通って直流電流が流れ、ス
ーパーキャパシターC１およびC２をそれぞれ充電する。
蓄電池がスーパーキャパシターを充電する間、モーター
MはS４およびS4aによりアースされる。C１およびC2は充
電のため並列に接続しているので、蓄電池Bの電圧は、
スーパーキャパシターC1およびC2の電圧よりもわずかに
高くなるように設計されているが、Mの駆動に必要とさ
れる電圧よりはるかに低い。これにより、蓄電池の寸法
および数量を低減することができる。蓄電池のエネルギ
ーを蓄えるために、工具を使用する前にスーパーキャパ
シターの充電を開始する目的でプッシュラッチボタンが
ある（図１に図示せず）。工具が非動作時の間、蓄電池
はスーパーキャパシターおよびモーターから絶縁してい
る。工具を使用する時になって、ラッチボダンが押され
るとともにトリガーが引かれて、電磁リレーをノーマル
クローズからノーマルオープンに切り換える。このた
め、スーパーキャパシターC１およびC２、同じくモータ
ーMは全て直列に接続される。即座にスーパーキャパシ
ターは、針繰り出し部からステープラーの針を打ち込む
ために、放電して高電流を生成し、バネ機構をバネ圧縮
位置へ急に駆動するように衝撃トルクをモーターに与え
る。ステープラーの針を発射後、バネ機構は自動的に元
の位置に戻り、次の稼動に備える。図１において、ダイ
オードDは蓄電池Bを逆充電から保護するためのものであ
り、一方コンデンサーC３は、発生の可能性がある電圧
量の急増を吸収するための従来型コンデンサーである。
は並列に接続するとともに、電気インパルスを発生する
ために、トリガーを引き直列接続に切り換わる回路図で
ある。図１は、ステープラー、ネイラー、タッカー、ハ
ンマー、および刈り込み用道具などの実用を駆動させる
ために電気インパルスを発生する本発明の第１実施形態
に基づく。電気インパルス発生器１０は、電源として蓄
電池Bと、エネルギー貯蔵装置としてスーパーキャパシ
ターC１およびC2と、スーパーキャパシターを放電位置
に切り換えるための4ポート（S1からS4を共有の接点と
して）電磁リレーとを具備する。リレーの各ポートは、
単極双投（Single-Pole-Double-Throw:SPDT）を有す
る。１２個の接点４組は、ノーマルクローズ（S1a-S1、
S2a-S2、S3a-S3、およびS4a-S4）であり、一方で残りの
組はノーマルオープン（S1-S1b、S2-S2b、S3-S3b、およ
びS4-S4b）である。充電段階の間、電力線１２内の蓄電
池Bから接点S1aおよびS3aを通って直流電流が流れ、ス
ーパーキャパシターC１およびC２をそれぞれ充電する。
蓄電池がスーパーキャパシターを充電する間、モーター
MはS４およびS4aによりアースされる。C１およびC2は充
電のため並列に接続しているので、蓄電池Bの電圧は、
スーパーキャパシターC1およびC2の電圧よりもわずかに
高くなるように設計されているが、Mの駆動に必要とさ
れる電圧よりはるかに低い。これにより、蓄電池の寸法
および数量を低減することができる。蓄電池のエネルギ
ーを蓄えるために、工具を使用する前にスーパーキャパ
シターの充電を開始する目的でプッシュラッチボタンが
ある（図１に図示せず）。工具が非動作時の間、蓄電池
はスーパーキャパシターおよびモーターから絶縁してい
る。工具を使用する時になって、ラッチボダンが押され
るとともにトリガーが引かれて、電磁リレーをノーマル
クローズからノーマルオープンに切り換える。このた
め、スーパーキャパシターC１およびC２、同じくモータ
ーMは全て直列に接続される。即座にスーパーキャパシ
ターは、針繰り出し部からステープラーの針を打ち込む
ために、放電して高電流を生成し、バネ機構をバネ圧縮
位置へ急に駆動するように衝撃トルクをモーターに与え
る。ステープラーの針を発射後、バネ機構は自動的に元
の位置に戻り、次の稼動に備える。図１において、ダイ
オードDは蓄電池Bを逆充電から保護するためのものであ
り、一方コンデンサーC３は、発生の可能性がある電圧
量の急増を吸収するための従来型コンデンサーである。
【００１６】図２は、別の実施形態に基づいて、スーパ
ーキャパシターが、放電して、負荷の要求する電力需要
を蓄電池が満たすように補助できる回路図である。図２
は、動力ドリルのモーターおよびバイクと自動車のエン
ジン、同じくオートマティック・システムのアクチュエ
ーターなどの負荷の電力需要増加に対処するために、高
電流パルスを発生することを目的とする本発明の第２実
施形態に基づく。図１と同様に、高電流パルス発生器２
０は、電源として蓄電池Bと、エネルギー貯蔵装置とし
てスーパーキャパシターC１およびC2と、スーパーキャ
パシターを放電位置に切り換えるためのSPDT３ポート電
磁リレーとを具備する。ただし、ソレノイドSが図２の
発生器に含まれており、そして蓄電池Bは、初期稼動に
低電力を必要とするモーターMの駆動のためのみなら
ず、スーパーキャパシターの充電のために蓄電池の通常
放電率以内である直流電流を供給する。充電段階の間、
ノーマルクローズ（S1a-S1、S2a-S2、およびS3a-S3）状
態にあるリレーと一体となってスーパーキャパシターC
１およびC２は並列接続詞し、かつソレノイドSを貫流す
る直流電流は、装置のターンオンのしきい値以下であ
る。モーターMの電力需要が増加する時、例えば、動力
ドリルのドリル用ビットが工作物を貫通する瞬間、もし
くは車両エンジンのイグニション時、モーターは、蓄電
池Bから出力されるよりも多量の電流を求めて多量の衝
撃トルクを必要とする。Sを貫流し、かつSのターンオン
のしきい値を超えて増加する直流電流に伴って、Sのス
イッチは閉じられ、しかも電磁リレーはノーマルクロー
ズからノーマルオープンに切り換えられる（S1-S1b、S2
-S2b、およびS3-S3b）。スーパーキャパシターC１およ
びC２は、電力需要を満たすために、即時対応で並列接
続するとともに放電して高電流パルスをMへ発生する。
前述の稼動において、蓄電池Bの放電は低率に保たれ
る。従って、突然の電圧降下が起こることなく、しかも
蓄電池の有効稼動時間が引き延ばされる。
ーキャパシターが、放電して、負荷の要求する電力需要
を蓄電池が満たすように補助できる回路図である。図２
は、動力ドリルのモーターおよびバイクと自動車のエン
ジン、同じくオートマティック・システムのアクチュエ
ーターなどの負荷の電力需要増加に対処するために、高
電流パルスを発生することを目的とする本発明の第２実
施形態に基づく。図１と同様に、高電流パルス発生器２
０は、電源として蓄電池Bと、エネルギー貯蔵装置とし
てスーパーキャパシターC１およびC2と、スーパーキャ
パシターを放電位置に切り換えるためのSPDT３ポート電
磁リレーとを具備する。ただし、ソレノイドSが図２の
発生器に含まれており、そして蓄電池Bは、初期稼動に
低電力を必要とするモーターMの駆動のためのみなら
ず、スーパーキャパシターの充電のために蓄電池の通常
放電率以内である直流電流を供給する。充電段階の間、
ノーマルクローズ（S1a-S1、S2a-S2、およびS3a-S3）状
態にあるリレーと一体となってスーパーキャパシターC
１およびC２は並列接続詞し、かつソレノイドSを貫流す
る直流電流は、装置のターンオンのしきい値以下であ
る。モーターMの電力需要が増加する時、例えば、動力
ドリルのドリル用ビットが工作物を貫通する瞬間、もし
くは車両エンジンのイグニション時、モーターは、蓄電
池Bから出力されるよりも多量の電流を求めて多量の衝
撃トルクを必要とする。Sを貫流し、かつSのターンオン
のしきい値を超えて増加する直流電流に伴って、Sのス
イッチは閉じられ、しかも電磁リレーはノーマルクロー
ズからノーマルオープンに切り換えられる（S1-S1b、S2
-S2b、およびS3-S3b）。スーパーキャパシターC１およ
びC２は、電力需要を満たすために、即時対応で並列接
続するとともに放電して高電流パルスをMへ発生する。
前述の稼動において、蓄電池Bの放電は低率に保たれ
る。従って、突然の電圧降下が起こることなく、しかも
蓄電池の有効稼動時間が引き延ばされる。
【００１７】＜第１実施例＞１.５Vのアルカリ電池６個
と、ESRが８０-１００mΩである７.５V×６Fのスーパー
キャパシター２個を使用して、図１で説明する高電流パ
ルス発生器は、本来１.２V×１８００mAhのNiCd電池１
２個に依存する電動ステープラー用に配置される。スー
パーキャパシターの充電直後、発生器は１／２インチの
ステープルをベニヤ合板へ連続的に打ち込むことができ
る。最初５発射についての電圧の放電および電流パルス
の曲線を図３に示す。ステープラーの稼動に要する平均
電流は、前述のアルカリ電池の電流出力を優に上回る２
０Aである。本来のNiCd電池６個もしくはNiCdと同一の
静電容量のNiMH電池６個を発生器に使用すると、ステー
プラーは稼動中、非常に活動的になり、かつ躊躇を示さ
ない。
と、ESRが８０-１００mΩである７.５V×６Fのスーパー
キャパシター２個を使用して、図１で説明する高電流パ
ルス発生器は、本来１.２V×１８００mAhのNiCd電池１
２個に依存する電動ステープラー用に配置される。スー
パーキャパシターの充電直後、発生器は１／２インチの
ステープルをベニヤ合板へ連続的に打ち込むことができ
る。最初５発射についての電圧の放電および電流パルス
の曲線を図３に示す。ステープラーの稼動に要する平均
電流は、前述のアルカリ電池の電流出力を優に上回る２
０Aである。本来のNiCd電池６個もしくはNiCdと同一の
静電容量のNiMH電池６個を発生器に使用すると、ステー
プラーは稼動中、非常に活動的になり、かつ躊躇を示さ
ない。
【００１８】＜第２実施例＞３.６V×１６００mAhのリ
チウムイオン電池６個は、まず直列接続したダブルバッ
テリー(double battery)３組にグループ化し、次いでそ
の３組が並列接続して７.２V×４８００mAhのバッテリ
ーパックを形成するのだが、それらのリチウムイオン電
池をESRが３０Ωである６.５V×４０Fのスーパーキャパ
シター２個と一緒に用いて、図２で説明する高電流パル
ス発生器を作る。発生器は、６シリンダー自動車の２０
００ml燃焼機関を燃焼することができる。また、重さ
１.４lbsの発生器は、スーパーキャパシターのフル充電
１回につき、電力７２０W（１２V×６０A）を２秒間発
することが測定された。前述の２つの例から、本発明は
以下の特徴を実証した。 １．アルカリ電池など一次電池を電動工具に用いること
ができる ２．スーパーキャパシターの助けにより、NiMH電池およ
びリチウムイオン電池など低い出力密度の充電式バッテ
リーを、鉛蓄電池およびNiCd電池など高い出力密度の蓄
電池と差し替えて、重作業の実行に使用することができ
る。 ３．スーパーキャパシターは、一次および二次電池、同
じく前述の蓄電池、燃料電池、太陽電池、および空気電
池を含む再生エネルギーの出力密度を高めることができ
る。そのうえ、蓄電池およびスーパーキャパシターから
成る発生器の出力は、スーパーキャパシターの静電容量
を調節することによりオーダーメードできる。
チウムイオン電池６個は、まず直列接続したダブルバッ
テリー(double battery)３組にグループ化し、次いでそ
の３組が並列接続して７.２V×４８００mAhのバッテリ
ーパックを形成するのだが、それらのリチウムイオン電
池をESRが３０Ωである６.５V×４０Fのスーパーキャパ
シター２個と一緒に用いて、図２で説明する高電流パル
ス発生器を作る。発生器は、６シリンダー自動車の２０
００ml燃焼機関を燃焼することができる。また、重さ
１.４lbsの発生器は、スーパーキャパシターのフル充電
１回につき、電力７２０W（１２V×６０A）を２秒間発
することが測定された。前述の２つの例から、本発明は
以下の特徴を実証した。 １．アルカリ電池など一次電池を電動工具に用いること
ができる ２．スーパーキャパシターの助けにより、NiMH電池およ
びリチウムイオン電池など低い出力密度の充電式バッテ
リーを、鉛蓄電池およびNiCd電池など高い出力密度の蓄
電池と差し替えて、重作業の実行に使用することができ
る。 ３．スーパーキャパシターは、一次および二次電池、同
じく前述の蓄電池、燃料電池、太陽電池、および空気電
池を含む再生エネルギーの出力密度を高めることができ
る。そのうえ、蓄電池およびスーパーキャパシターから
成る発生器の出力は、スーパーキャパシターの静電容量
を調節することによりオーダーメードできる。
【００１９】以上のごとく、本発明を好適な実施例によ
り開示したが、もとより、本発明を限定するためのもの
ではなく、当業者であれば容易に理解できるように、こ
の発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならび
に修正が当然なされうるものであるから、その特許権保
護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域
を基準として定めなければならない。
り開示したが、もとより、本発明を限定するためのもの
ではなく、当業者であれば容易に理解できるように、こ
の発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならび
に修正が当然なされうるものであるから、その特許権保
護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域
を基準として定めなければならない。
【００２０】
【発明の効果】上記構成により、本発明にかかる高電流
パルス発生器は、高電流パルス発生用の電力装置として
実行可能であるとともに、性能、便利さ、小型さ、簡単
さ、信頼性、耐久性および費用において有利である。従
って、産業上の利用価値が高い。
パルス発生器は、高電流パルス発生用の電力装置として
実行可能であるとともに、性能、便利さ、小型さ、簡単
さ、信頼性、耐久性および費用において有利である。従
って、産業上の利用価値が高い。
【００２１】
【図１】図１は、本発明にかかる１つの実施形態に基づ
いて、トリガーを引くことによりスーパーキャパシター
は、充電中は並列に接続するとともに、電気インパルス
の発生に直列接続へ切り換える回路図である。
いて、トリガーを引くことによりスーパーキャパシター
は、充電中は並列に接続するとともに、電気インパルス
の発生に直列接続へ切り換える回路図である。
【図２】図２は、本発明にかかる別の実施形態に基づい
て、スーパーキャパシターが放電して、負荷の要求する
電力需要を蓄電池が満たすことができる回路図である。
て、スーパーキャパシターが放電して、負荷の要求する
電力需要を蓄電池が満たすことができる回路図である。
【図３】図３は、本発明にかかる別の実施形態に基づい
て、電気ステープラーを稼動するために、電源としてア
ルカリ電池を使用して、発生器が生成する電圧および電
流パルスを示す回路図である。
て、電気ステープラーを稼動するために、電源としてア
ルカリ電池を使用して、発生器が生成する電圧および電
流パルスを示す回路図である。
１０ 電気インパルス発生器
１２ 電力線
２０ 高電流パルス発生器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 鐘 興振
台湾新竹縣竹東鎮頭重里４鄰中興路四段
542號
Ｆターム(参考） 5H790 BB05 BB08 CC01 DD01 EA01
EA23
Claims (10)
- 【請求項１】 １つの直流電源と、 前記直流電源が供給する大量の静電荷を蓄電し、かつ前
記電荷を放出するように、相互および前記電源と並列に
接続する複数のコンデンサーと、 前記コンデンサーの電荷の蓄電を開始するように前記コ
ンデンサーに結合する１つのラッチと、 前記電源の出力をモニターするために前記電源に結合す
る１つの出力センサーと、 前記電荷を放出して高電流の電気インパルスを発生させ
るように前記コンデンサーを並列接続に切り換えるため
の１つのスイッチ素子と、 前記コンデンサーの切り換えを開始するように前記スイ
ッチ素子に結合する１つのトリガーとから成る、 直流電動装置の電源装置としての高電流パルス発生器。 - 【請求項２】 上記電源は、一次電池である請求項１記
載の高電流パルス発生器。 - 【請求項３】 上記一次電池は、アルカリ電池および空
気電池から成るグループから選択される請求項２記載の
高電流パルス発生器。 - 【請求項４】 上記電源は、二次電池である請求項１記
載の高電流パルス発生器。 - 【請求項５】 上記二次電池は、ニッケル水素電池と、
リチウムイオン電池と、リチウムポリマー電池と、鉛蓄
電池とから成るグループから選択される請求項４記載の
高電流パルス発生器。 - 【請求項６】 上記電源は、水素と、炭化水素アルコー
ルと、太陽熱の放射と、風と、水圧波とから成るグルー
プから選択される資源を用いて生成される再生可能エネ
ルギーである請求項１記載の高電流パルス発生器。 - 【請求項７】 上記コンデンサーは、スーパーキャパシ
ターおよびウルトラキャパシターならびに電気二重層コ
ンデンサーから成るグループから選択される請求項１記
載の高電流パルス発生器。 - 【請求項８】 上記コンデンサーは、使用電圧≧２.５V
および静電容量≧１Fならびに電子スピン共鳴（ESR）≦
１００mΩを有する請求項７記載の高電流パルス発生
器。 - 【請求項９】 上記出力センサーは、ソレノイドである
請求項１記載の高電流パルス発生器。 - 【請求項１０】 上記スイッチ素子は、電磁リレーであ
る請求項１記載の高電流パルス発生器。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP02010669A EP1363386B1 (en) | 2002-05-13 | 2002-05-13 | High current pulse generator |
| US10/063,794 US6650091B1 (en) | 2002-05-13 | 2002-05-14 | High current pulse generator |
| US10/063,794 | 2002-05-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003333871A true JP2003333871A (ja) | 2003-11-21 |
| JP3756850B2 JP3756850B2 (ja) | 2006-03-15 |
Family
ID=32395427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002187771A Expired - Fee Related JP3756850B2 (ja) | 2002-05-13 | 2002-06-27 | 高電流パルス発生器 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6650091B1 (ja) |
| EP (1) | EP1363386B1 (ja) |
| JP (1) | JP3756850B2 (ja) |
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