JP2004297992A - Power supply module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源モジュールに関し、特に、各種の交換備品を有する多機能工具を駆動することができる、直流電圧源およびスーパーキャパシタを具える電源モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
現在の生活において、たくさんの機器が過電圧で短パルスの電源による駆動を必要としている。例えば、釘を木材に打ち込むとき、石材に穴を開けるとき、または、芝刈り機あるいは車両のエンジンを駆動するとき、いずれも高トルク動作を必要とし、その際にはピーク電圧によって初めてこれらのような動作を行うことができる。米国特許第5699780号明細書でビッソネッテ(Bissonnette)が開示したように、延長された弾性袋および海水のような流体によって、迅速に位置エネルギーを運動エネルギーに変換して、パルスを発生させ、発生させたパルスによって銛を発射して、海中の魚を狙うことができる。また、直流電源または交流電源により発生させたパルスによって釘またはステープルを発射することができる。例えば、米国特許第6173877号明細書には電池駆動の電動釘打機が開示されており、米国特許第4558391号明細書および第5105329号明細書には電池駆動の電動ステープラが開示されており、米国特許第4986713号明細書、第5818186号明細書および第6086304号明細書には装丁装置が開示されている。一般的に、直流電源により駆動する工具は、電線を必要とせず、しかも空間による制限を受けない、つまりコンセントから離れた場所でも使用できるため、たいへん便利である。また、直流電源により駆動する工具は、電圧変動に耐える必要がなく、交流電源により駆動する工具は、反対に電圧変動に耐えるものでなければならない。さらに、直流モータの提供する衝撃は、直接駆動であり歯車駆動ではないので、直流電源により駆動する工具について言えば、モータが衝撃ピストンに印加するトルクがより確実なものとなる。
【0003】
物体を発射できる以外にも、直流電源により発生するパルスエネルギーは衝撃力に変換でき、彫刻、掘削、切り欠き、曲げ、挟み、加圧、巻き取り、押し潰し、圧印、穿孔、圧迫、接合、衝撃などの動作を行うことができる、多くの特許ならびに商業製品がこれらのような動作を達成できるものであり、例えば、米国特許第4015671号、第4468826号、第4579029号、第4991472号、第6427596号、第6460627号などは、いずれも電池駆動の工具に関係している。動作的には、ピストンと弾性部材(例えば、ばね)との間の相互作用により必要な力を直接伝達することができる。また、別な応用においては、直流電源が提供するパルスにより大電流を直接伝送することで溶接を行うことができ、例えば、米国特許第4801780号明細書および第6225596号明細書に開示されている。商業電力を利用できるほか、電池を、溶接機、光源、災害復旧用の電源として利用することができる。
【0004】
【発明が解決し要素とする課題】
従来技術において、パルスにより駆動できる携帯式電動工具は、多くが電池を電源としており、その電池としては、例えば、鉛−硫酸(Pb−H2SO4)からなる重い電池、環境汚染が心配なニッケル−カドミウム(Ni−Cd)電池、メモリ効果を有するニッケル水素(Ni−MH)電池などがある。十分なパルスを提供するために、サイズが大きくかつ多数の電池を使用する必要があるため、工具自体がかさばるものとなってしまう。さらに、必要なパルスを発生させるための電気回路も複雑なものとなって、工具の製造コストを押し上げるものとなっている。また、前述した電池は、充電可能な電池ではあるけれども、一定時間使用すれば蓄電容量が低下して、緊急時には間に合わなくなってしまう。このようなとき、使用者が何時間かけて電池を充電しても、数分間の仕事しかできない可能性がある。
【0005】
そこで、本発明の第1の目的は、容量の小さい電池とスーパーキャパシタとを使用して期待されるパルス値を出力できる電源モジュールを提供することにある。また、本発明に係る電源モジュールは、アルカリ電池のような一次電池を使用することができる。さらに、本発明に係る電源モジュールを電動工具に適用すれば、軽く薄く短く小さくすることができ、携帯しやすくなるという利点がある。したがって、本発明に係る電源モジュールを利用し、交換備品を採用する設計にすれば、パルス駆動を利用して各種の異なる作業を行える多機能携帯工具を提供することができる。
【0006】
エネルギー交換方式によって、パルス駆動による工具は、以下の3類に大別することができる。
1.第1類工具:パルスおよび構成部材を利用して、釘、ステープル、ピンなどの物体を発射し、接合作業を行うことができる。
2.第2類工具:パルスおよび構成部材を利用して衝撃力を提供し、削り取る、打撃する、衝撃を与える、圧印する、切り欠く、掘削する、穿孔する、接合する、挟み付けるなどの動作を行えるもの。
3.第3類工具:パルスを利用して衝撃波またはピーク値電流を直接伝達し、エンジンの起動、金属の溶接、各種機械の始動などを行えるもの。
【0007】
本発明の第2の目的は、必要なパルスを発生させる方法を提供して、効率よく上述した作業を行えるようにすることであり、上述した作業が大きなエネルギーを必要とするにもかかわらず、スーパーキャパシタおよび電池を有して制御回路に並列接続された電源モジュールによって、必要とされる電源を実現することにある。
【0008】
【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、本発明に係る電源モジュールは、直流電圧源と、前記直流電圧源に電気接続されたスイッチセットと、前記スイッチセットに電気接続されて、並列で充電を行い、前記スイッチセットを介して直列に切り替えて放電を行う複数個のキャパシタと、前記スイッチセットに電気接続されて、前記スイッチセットの状態を切り替えるスイッチと、前記直流電圧源に電気接続されて、前記複数個のキャパシタが前記スイッチセットを介して直列に切り替えて放電を行うときに、前記複数個のキャパシタに並列接続される昇圧回路とから構成される。
【0009】
【作用】
スーパーキャパシタ(ウルトラキャパシタあるいは電気二重層キャパシタ)により大量の静電荷を蓄積することができ、小さい体積の単一キャパシタに数千ファラッドも蓄積することができる。スーパーキャパシタ内部に蓄積した静電荷は瞬時に放電することができるので、巨大な電流を提供して電動工具を駆動することができる。スーパーキャパシタは軽量小型なので、スーパーキャパシタにより駆動する工具は、携帯性に優れたものとなる。また、各種形態のスーパーキャパシタを製造するコストは低く、公知の昇圧変換器、電気誘導またはフライホイールにより電池の出力電圧を上昇させることと比較して、スーパーキャパシタにより電池の出力電圧を上昇させることの方が優れた選択と言える。スーパーキャパシタは、特別に大きな電源密度を具えているから、例え直流電源が一次電池のような小電力出力手段であったとしても、直流電源の出力電圧を上昇させることができる。本発明に係る電源モジュールにおいて、電池によりスーパーキャパシタを充電することができ、パルス幅調整器(PWM)でスーパーキャパシタの電圧出力形態を調整することができる。電池の使用寿命を延長させるために、電池を小さい電力で放電させるので、電池により小電力というニーズを満たし、スーパーキャパシタにより電池からは得られない高電力というニーズを満たすことができる。このように電池の大電力出力を回避することで、電池の降圧を低減させ、電池の使用時間を延長することができる。
【0010】
理論上、スーパーキャパシタを十分に充電した後、スーパーキャパシタの提供する電圧値は、電池の提供する電圧値に等しくなる。したがって、多くの電池を直列配置すれば、期待する充電電圧を得ることができる。しかしながら、電池数量を増やせば、工具の電源モジュールもまたかさばるものとなってしまう。したがって本発明においては、多数個の別個スーパーキャパシタまたはスーパーキャパシタモジュールを並列に接続して、スーパーキャパシタの充電を行う。パルスを提供する時には、すべてのスーパーキャパシタを一時的に直列状態に切り替えて、スーパーキャパシタの放電を行う。このようにスーパーキャパシタを並列充電すれば、電池の寸法および数量を減らすことができる。スーパーキャパシタを直列に切り替えて放電するときには、並列状態で提供できる電圧の2倍の電圧を携帯式工具に提供することができる。トリガおよび電磁リレーが動作するときにだけ、スーパーキャパシタが一時的に並列状態から直列状態に切り替えられるので、電子制御回路において簡単で経済的な構成とすることができるだけでなく、電池電力を増幅する時のエネルギー損失も発生しない。
【0011】
本発明において、電子パルスを3種類の実施方式に応用し、交換可能部品(備品)を取り付けた工具本体と電源モジュールとは一体的に配置することができるとともに、交換可能部品(備品)を工具本体に容易に取り付けることができる。また、工具本体と交換可能部品(備品)とを同じ工具箱に収納できるため、必要な交換可能部品(備品)を取り付けて、必要な作業を行うことができる。
【0012】
現在の日常生活において、電子および非電子の携帯装置がますます普遍的かつ重要なものとなっており、これらの携帯装置は、軽く薄く短く小さくという要求を満たすだけでなく、多機能である必要もある。例えば、現在の携帯電話の重量はすでに100gを切っているのにもかかわらず、機能的には音声の伝達以外にも、デジタルスチルカメラおよびビデオカメラの機能も備えて、インターネット等を介して動画のやり取りすらできる。このように携帯装置の寸法がますます小さくなっているのに、ますます多くの機能を備えるものとなっているので、携帯装置に電源を提供する電池の重量が、携帯装置および付属部品の総重量より重くなってしまっている。上述した携帯装置の動向に適合させるために、電池の電力密度ならびに給電エネルギーを絶えず向上させていかなければならないが、電池の研究開発は常に現状を満足させることができないので、エネルギーを節約する多くの技術を研究開発することによって、電池の弱点を補強する必要がある。例えば、低電力プロセッサ、自動センサおよび待ち受けモードシステムなどがそうである。製造ならびに組み立ての観点から、スーパーキャパシタは、電池エネルギーを制御して電子部品を動作させる最良のものであって、スーパーキャパシタが充電状態にある時には、エネルギーレジスタまたはエネルギー等化器として働き、スーパーキャパシタが放電状態にあるときには、電力増幅器として働くことができる。したがって、本発明は、変換器、切り替え器、機能発生器または発振RCL回路の利用を必要とせず、スーパーキャパシタを利用して電池の電力出力を増幅することにより、各種の工具を駆動することができるものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図1Aにおいて、本発明の好適な第1実施例である電動釘打機100を説明する。電動釘打機100は、電源モジュールから提供されるパルス駆動によって、各種の釘またはピンを発射して固定する作業を行うことができ、その電源モジュールは、電池とスーパーキャパシタとを含む。トリガ113を引くと、釘またはピンのような物体が電動釘打機100の発射口110から発射されるが、このとき、取り外し可能容器111内に置かれた電源モジュール(図示せず)が放電動作を行う。使用者は、ハンドル112を握って電動釘打機100を支持ならびに移動させることができ、工具本体114は、多数の機械手段、例えばモータ、歯車およびばね(いずれも図示せず)を含む。電源モジュール(図示せず)の提供するパルスを利用して、ばねを極小位置にまで駆動あるいは圧縮し、ばねが初期長さに復帰するとき、電動釘打機100は、瞬間的に釘またはピンに撃力与えて釘またはピンをカートリッジ(図示せず)から打ち出し、電動釘打機100の発射口110から発射して固定作業を行う。また、工具本体114前側の調整ねじ115および備品116を利用すれば、固定作業以外の機能を有するものとなる。図1Bにおいて、調整ねじ115を緩めて備品116位置を変更し、再び調整ねじ115を締め付けると、発射口110の真向かいに曲げ台122が来て、電動装丁機102となる。トリガ113を引くと、U字型のステープル(図示せず)が電動装丁機102から発射され、発射口110と曲げ台122との間に重ねられた用紙(図示せず)を貫き、用紙を貫いたステープルの針先が曲げ台122で曲げられて積み重ねられた用紙の最後を留めて、装丁作業を行うことができる。なお、図1Bにおいて、スロット124は、積み重ねられた用紙の厚さにより、発射口110と曲げ台122との間の距離を調整するためのものである。以上のように、電動釘打機100および電動装丁機102は、同じ工具本体114ならびに取り外し可能容器111内に置かれた電源モジュール(図示せず)を共用できるだけでなく、釘、ピンおよびステープルも共通の経路を通過するものである。備品116により電動釘打機100と電動装丁機102とを切り替える使用方式により、本発明は、1つの工具に2つの機能を備えさせることができる。
【0014】
図2において、この発明の好適な実施例に係る電源モジュール200の回路構成図を示す。電源モジュール200を利用してパルスを供給し、工具を駆動することにより、物体を発射、撃力の提供ならびにピーク電流の伝送などの動作を行うことができる。ブロック240内部の電気回路により、前述した電動釘打機100または電動装丁機102を瞬間的に駆動することができ、ブロック260内部の電気回路によって大きな電流を提供して大きな負荷を駆動することができ、ブロック240およびブロック260は、スーパーキャパシタ207、208およびリレーS1−S4を共用することができる。スーパーキャパシタ207、208を、ウルトラキャパシタまたは電気二重層キャパシタとすることもでき、スーパーキャパシタで大量の静電荷を蓄積することができ、小体積の単一キャパシタ内部に数千ファラッドも蓄積可能である。ブロック240およびブロック260中の電気回路には、電力調整器230を含んでおり、電源の電力出力を作業負荷に適合するように制御することができる。スイッチ202がa1、a1’の状態に切り替わったとき、ブロック240内の回路を駆動するとともに、直流電圧源201が接点S1a、S1を介してスーパーキャパシタ207を充電し、接点S3a、S3を介してスーパーキャパシタ208を充電することができる。ダイオード203によりスーパーキャパシタ207、208の出力する電流が直流電圧源201へ逆流することを防止できる。接点S1、S1a、S3、S3aは、4つの接点ポートを有する電磁リレーの12接点中の4つであり、接点S1〜S4は共用接点であって、各接続ポートは、単極双投スイッチ(SPDT)であり、12個の接点のうち4組(S1−S1a,S2−S2a,S3−S3a,S4−S4a)は常時閉鎖状態であり、他の4組(S1−S1b,S2−S2b,S3−S3b,S4−S4b)は常時開放状態である。スーパーキャパシタ207、208を充電するとき、スーパーキャパシタ207、208を並列接続とすることができ、直流電圧源201の提供する動作電圧がスーパーキャパシタ207、208の提供できる動作電圧より少し高いものとなり、工具をパルス駆動するモータ209が必要とする駆動電圧よりはるかに低いものとすることができるので、直流電圧源201の寸法および数量を減らすことができる。工具のトリガ205を引いたとき、リレーが常時閉鎖状態から常時開放状態に切り替わるから、スーパーキャパシタ207、208が直列接続となってモータ209へ放電するが、モータ209が受けるパルスはスーパーキャパシタ207、208いずれか1つの放電電圧の2倍となる。放電後は、スーパーキャパシタ207、208が再び並列状態に戻り、スーパーキャパシタ207、208の充電を行う。もしも工具が異なる電力ニーズに適合しなければならないのであれば、電力選択器210により必要なニーズを満たすことができる。電力選択器210は、例えば3つの電力レベルA、B、Cを有し、それぞれ小、中、大の電力出力を選択できるが、電力選択器210の電力レベルは、抵抗222、223、224の抵抗値で決まる。抵抗値が低ければ低いほど出力される電力レベルがより高いものとなる。スイッチ202がa1からa1’に切り替わるとき、直流電圧源201が接点a1を介して電力選択器210に供給する。直流電圧源210の提供した電圧が抵抗222、223、224の1つを経て分圧された後、非反転入力の差動増幅器214へ入力される。入力された分圧と差動増幅器214内部の参考電圧とを比較した後、差動電圧を出力端に発生させるが、差動電圧は、抵抗213、212の抵抗値比率により増幅を行う。差動増幅器214の出力端電圧は、すなわちパルス幅調整器(PWM)215の入力電圧であり、選択した電力レベルA、B、Cに基づいて、パルス幅調整器215の入力端電圧が低、中、高3レベルのいずれかになって、パルス幅調整器215の生成するパルス幅がそれぞれ小、中、大のいずれかになる。N型チャネル電界効果トランジスタ(NチャネルFET)217は、パルス幅調整器215の出力する小、中、大いずれかのパルス幅に基づいて、それぞれN型チャネル電界効果トランジスタ217の起動時間を制御する。N型チャネル電界効果トランジスタ217の起動時間によりモータ209が受ける低、中、高3レベルのパルスを決定することができる。上述した電力調整器230によって、例えば紙のような材質が過大な力により損傷することから保護することができる。
【0015】
スイッチ202がa2からa2’に切り替わったとき、電源モジュール200がブロック260を使用するように切り替わる。ブロック260への切り替え動作時に、スーパーキャパシタ207、208の充電および放電は、上述したのと同様にブロック240内の回路で行われる。ブロック260への切り替え動作時には、スイッチ204によりリレーS1〜S4を駆動するものであって、トリガ205によってではない。また、昇圧回路219もまた直流電圧源201に電気接続され、リレーS1〜S3を介してスーパーキャパシタ207、208を直列接続に切り替えるとき、昇圧回路219が直列接続のスーパーキャパシタ207、208と並列に電気接続される。昇圧回路219は、直流電圧源201から提供される電圧を上昇させることができ、昇圧後の電圧は、コネクタ221に電気接続された負荷を駆動することができる。昇圧回路219により直流電圧源210の電力を増幅することで、スーパーキャパシタ207、208の予備電源とすることができ、スーパーキャパシタ207、208放電時の急速な降圧を補償することができる。スーパーキャパシタ207、208の電力出力と比較すると、予備電源の電力出力はわずかなものであるけれども、大負荷を駆動するとき、例えばバッテリに電気がなくなった自動車を起動するとき、予備電源の提供する電力が役に立つものとなる。直流電圧源201は、例えば、一次電池、二次電池、燃料電池、金属空気電池、太陽電池、風力電池、整流後の交流電気などであり、いずれもスーパーキャパシタ207、208の充電に適している。また、リレーS1〜S4の種類は、電磁リレー以外にも、固体リレー(SSR)またはソレノイドなどで、いずれもスーパーキャパシタ207、208の状態を切り替えることができる。本発明に係る電源モジュール200により上述した応用ニーズを満たすことができる。電源モジュール200内において、直流電圧源201とスーパーキャパシタ207、208とが放電時には均衡状態になるので、電源モジュール200は、その寸法内に特定の電力密度、例えば1kW/kg以上を提供することができる。本発明の別な利点は、直流電圧源201が低電圧で放電を維持することができるので、直流電圧源210の降圧を減少することができ、直流電圧源201の使用時間を延長することができるとともに、スーパーキャパシタ207、208により直流電圧源201では達成できない大電力出力を提供することができる。
【0016】
図3において、本発明の好適な第2実施例に係るパルス駆動工具および備品を示す。パルス駆動工具は、図2に示した電源モジュール200が提供するパルスを使用して撃力を提供し、各種の作業を行うことができる。工具本体306は、ハンドル305と、トリガ307と、電源モジュール200を収納できる取り外し可能容器308とを具え、交換可能部品である備品を工具本体306に取り付けて各種の作業を行うことができる。ヘラ型備品304を工具本体306の駆動手段に取り付けると、図3Aに示したように、電動スクレーバを構成することができ、表面残留物を除去する作業を行うことができる。もしも図3Bに示したハンマ型備品を利用してヘラ型備品304に換えるならば、電動ハンマドリルとなって、石またはコンクリートを打撃する作業を行うことができる。もしも図3Cに示したLEDと刻印した圧印型備品を工具本体306に取り付けるならば、電動圧印器となって、木材、プラスチックまたは金属表面に圧印する作業を行うことができる。もしも図3Dに示した錐先型備品を工具本体306に取り付けるならば、電動穿孔器となって、図2に示した電源モジュール200により穿孔作業を行うことができる。上述したように、交換備品に撃力を提供することができ、交換備品を工具本体306に固定するだけで、取り外し可能容器308内の電源モジュール200によって交換備品を駆動して、必要な作業を行うことができる。
【0017】
図4は、本発明の好適な第3実施例を示す。携帯式電源供給器およびその備品は、図2に示した電源モジュール200によりピーク電流を提供することができる。図4Aに示した携帯型電源供給器は、ハウジング408を具え、ハウジング408内部には、電源モジュール200を収納する以外にも、ハウジング408内の一端にフラッシュランプ406を収納して警報に用いるとともに、その他端には非常用ランプ407を収納して照明に用いる。警報および照明機能の他に、携帯式電源供給器は、その他の機能を備えている。ハンドル409が、ハウジング408上方にあって携帯機電源供給器を容易に携帯できるものとしている。また、ハウジング408表面に3つのスイッチ401、402、403が設けられ、スイッチ401は、電源モジュール200の開閉に用いることができ、スイッチ402は、図2のブロック260を起動または停止するために用いることができ、図2のブロック260が起動しているとき、携帯式電源供給器がピーク電流を提供して、大負荷を要する作業を行うことができる。ハウジング408表面には、2つのコンセント404、405が設けられ、コンセント404は、電源モジュール200が提供するピーク電流の電源コンセントであり、コンセント405は、外部電源に電気接続して電源モジュール200を充電する直流電圧源201のような作業を行うことができる。図4Bに示した自動車バッテリ接続線411は、2本の接続線412、413を有し、接続線412、413の一端には接続ヘッド416を設けて、コンセント404に差し込んでピーク電流の供給を受けることができ、2つの鰐口クリップ414、415が接続線412、413の他端に設けられて、それぞれバッテリの正極端と負極端とに接続することができる。自動車のキーを回転させてエンジンが起動する場合、図2中のスイッチ204をオンにすると、電源モジュール200が十分な電圧および電流を提供して、電気花火の点火を持続させることができる。図4Cに示した溶接機備品は、ハンドル423を手で握るとき、トリガ422を起動させるので、コンセント424を介して図4A中の携帯式電源供給器が出力するピーク電流をハウジング421内部の時間電流制御回路に供給する。トリガ422が断続的に起動されるとき、ピーク電流が電極棒420の先端へ出力され、電極棒420の先端が溶融して溶接作業を可能とする。図4Dに示した溶接ガン430は、電線432およびプラグ434を介して図4A中の携帯式電源供給器が出力するピーク電流の供給を受けて溶接棒を溶融させるので、溶接作業が可能となる。図4B、図4C、図4Dに示した交換可能部品としての備品を取り付けることにより、図4A中の携帯式電源供給器は、それぞれ携帯式充電器、携帯式エンジン始動器または携帯式溶接器となることができる。しかしながら、携帯式電源供給器の用途はこれらのものだけに限られるものではなく、適切な備品を携帯式電源供給器の電源コンセントに接続すると、携帯式電源供給器は、また別な用途を得ることができる。また、直流電圧源およびスーパーキャパシタのエネルギー貯蔵値を制御することによって、携帯式電源供給器の出力電力ならびに使用時間を調整することができる。
【0018】
次に、電源モジュールの別な実施例を説明する。図2に示した電源モジュール200を、リチウム電池とスーパーキャパシタとから構成することができ、例えば8個の型番18650のリチウム電池(半径18mm、長さ65mm)は、2S4P構造、つまり先ず電池を2個ずつ直列にしてから、これら4組の電池を並列にしてあり、各リチウム電池が例えば3.7Vを提供でき、かつ2000mAhの容量および比較可能な内部抵抗を有するとすれば、直流電圧源201は、7.4Vの電圧を提供でき、かつ8000mAhの容量を有するものとなる。また、電源モジュール200は、6個のスーパーキャパシタを具えることができ、これらの6個のスーパーキャパシタを2組に分け、1組が3個のスーパーキャパシタを直列接続し、各スーパーキャパシタは2.5V×200Fの容量を有し、その直径は50mm、長さは75mmである。充電時には、2組のスーパーキャパシタは並列接続され、放電時には一時的に直列接続に切り替えられる。この電源モジュールおよび図4Bに示した交換可能備品を利用すれば、180Aまたは200Aのピーク電流を提供することができ、それぞれ2000ccまたは3000ccのエンジン排気量の自動車を起動することができ、ピーク電流の維持時間は100msないし500msの範囲となる。従来の自動車バッテリは12Vであるから、この実施例の電源モジュールは、少なくとも2.16kWから2.88kWの電力を提供しなければならないが、このように大きな電力は8000mAhのリチウム電池パックだけでは達成することができない。240Aの電力出力は、80000mAhのリチウム電池パックの30Cの放電率に等しく、もしもリチウム電池だけで放電するとしたら、悲惨な結果となる。さらに、このような電源モジュールおよびハウジングの総重量は1.5kgであり、ハウジングは5280mlの体積(150mm×160mm×220mm)を有する。
【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ものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、本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得るものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと等価な領域と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、本発明に係る電源モジュールは、容量の小さい電池とスーパーキャパシタとを使用して期待されるパルス値を出力できるので、本発明に係る電源モジュールを電動工具に応用すれば、軽く薄く短く小さくできて携帯しやすくなるという利点があり、本発明に係る電源モジュールを利用し、交換備品を採用する設計にすれば、パルス駆動を利用して、各種の異なる作業を行える多機能携帯工具を開発することができる。したがって、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】Aは、本発明に係る電動釘打機を示す側面図であり、Bは、本発明に係る電動装丁機を示す側面図である。
【図2】本発明に係る電源モジュールの回路構成を示す回路図である。
【図3】Aは、本発明の電動工具を示す説明図であり、BないしDは、交換可能な備品を示す説明図である。
【図4】Aは、本発明の携帯式電源供給器を示す説明図であり、BないしDは、交換可能な備品を示す説明図である。
【符号の説明】
100 電動釘打機
102 電動装丁機
110 発射口
111 取り外し可能容器
112 ハンドル
113 トリガ
114 工具本体
115 調整ねじ
116 備品
122 曲げ台
124 スロット
200 電源モジュール
201 直流電圧源
202、204 スイッチ
203 ダイオード
205 トリガ
207、208 スーパーキャパシタ
209 モータ
210 電力選択器
211、222 抵抗
214 差動増幅器
215 パルス幅調整器
217 電界効果トランジスタ
219 昇圧回路
221 コネクタ
230 電力調整器
240 ブロック
304 ヘラ型備品
305 ハンドル
306 工具本体
307 トリガ
308 取り外し可能容器
401 スイッチ
404 コンセント
406 フラッシュランプ
407 非常用ランプ
408 ハウジング
409 ハンドル
411 バッテリ接続線
412 接続線
414、415 クリップ
416 接続ヘッド
420 電極棒
422 トリガ
424 コンセント
430 溶接ガン
432 電線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply module, and more particularly to a power supply module having a DC voltage source and a supercapacitor capable of driving a multifunctional tool having various kinds of replacement equipment.
[0002]
[Prior art]
In today's life, many devices need to be driven by overvoltage, short-pulse power supplies. For example, when driving nails into wood, drilling holes in stone, or driving a lawnmower or vehicle engine, they all require high torque operation, in which case the first time with a peak voltage, such as these Operation can be performed. As disclosed by Bissonnette in U.S. Pat. No. 5,699,780, a fluid, such as an elongated elastic bag and seawater, rapidly converts potential energy to kinetic energy to generate and generate pulses. A pulse can fire a harpoon, aiming at underwater fish. Also, nails or staples can be fired by pulses generated by a DC or AC power supply. For example, U.S. Pat. No. 6,173,877 discloses a battery driven electric nailer, U.S. Pat. Nos. 4,558,391 and 5,105,329 disclose a battery driven electric stapler, U.S. Pat. Nos. 4,986,713, 5,818,186 and 6,086,304 disclose binding devices. Generally, a tool driven by a DC power supply is very convenient because it does not require an electric wire and is not restricted by space, that is, it can be used in a place away from an outlet. Also, a tool driven by a DC power supply does not need to withstand voltage fluctuations, and a tool driven by an AC power supply must be able to withstand voltage fluctuations. Furthermore, since the impact provided by the DC motor is a direct drive and not a gear drive, the torque applied to the impact piston by the motor is more reliable for a tool driven by a DC power supply.
[0003]
In addition to being able to fire objects, pulse energy generated by a DC power supply can be converted into an impact force, which can be used to engrave, excavate, cut out, bend, pinch, press, wind, crush, stamp, punch, press, join, Many patents and commercial products capable of performing operations such as impact can achieve such operations, for example, U.S. Pat. Nos. 4,156,671, 4,468,826, 4,579,029, 4,991,472, Nos. 6427596 and 6460627 all relate to battery-powered tools. Operationally, the interaction between the piston and the resilient member (eg, a spring) can directly transfer the required force. In another application, welding can be performed by directly transmitting a large current by a pulse provided by a DC power supply, and is disclosed, for example, in US Pat. Nos. 4,801,780 and 6,225,596. . In addition to being able to use commercial power, batteries can be used as welding machines, light sources, and power sources for disaster recovery.
[0004]
Problems to be solved by the present invention
In the prior art, many portable electric tools that can be driven by pulses use a battery as a power source, and the battery is, for example, lead-sulfuric acid (Pb-H). 2 SO 4 ), A nickel-cadmium (Ni-Cd) battery, which is a source of concern for environmental pollution, and a nickel hydrogen (Ni-MH) battery having a memory effect. The tool itself is bulky because of the large size and the need to use a large number of batteries to provide sufficient pulses. Further, the electric circuit for generating the necessary pulses is complicated, which increases the manufacturing cost of the tool. In addition, although the above-described battery is a rechargeable battery, its storage capacity is reduced if used for a certain period of time, so that it cannot be used in an emergency. In such a case, no matter how long the user charges the battery, there is a possibility that the user can only work for a few minutes.
[0005]
Therefore, a first object of the present invention is to provide a power supply module that can output an expected pulse value using a small-capacity battery and a supercapacitor. Further, the power supply module according to the present invention can use a primary battery such as an alkaline battery. Furthermore, when the power supply module according to the present invention is applied to a power tool, there is an advantage that the power supply module can be made light, thin, short, and small, and can be easily carried. Therefore, if the power supply module according to the present invention is used and the replacement equipment is designed, it is possible to provide a multifunctional portable tool that can perform various different operations using pulse driving.
[0006]
According to the energy exchange method, the tools driven by pulse driving can be roughly classified into the following three types.
1. First-class tool: The object such as nails, staples, pins, etc. can be fired using a pulse and components to perform a joining operation.
2. Type 2 tools: Provide impact force using pulses and components to perform operations such as scraping, hitting, impacting, coining, notching, excavating, drilling, joining, pinching, etc. thing.
3. Class 3 tool: A tool that directly transmits a shock wave or a peak value current using a pulse and can start an engine, weld a metal, start various machines, and the like.
[0007]
A second object of the present invention is to provide a method for generating a necessary pulse so that the above-mentioned operation can be efficiently performed. It is to realize a required power supply by a power supply module having a super capacitor and a battery and connected in parallel to a control circuit.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve a desired object, a power supply module according to the present invention includes a DC voltage source, a switch set electrically connected to the DC voltage source, and electrically connected to the switch set. A plurality of capacitors that perform charging in parallel and perform switching by switching in series via the switch set; a switch that is electrically connected to the switch set to switch the state of the switch set; And a booster circuit connected in parallel to the plurality of capacitors when the plurality of capacitors perform discharge by switching in series via the switch set.
[0009]
[Action]
Supercapacitors (ultracapacitors or electric double-layer capacitors) can store large amounts of static charge, and thousands of farads can be stored in a single capacitor with a small volume. Since the electrostatic charge accumulated inside the supercapacitor can be discharged instantaneously, a huge current can be provided to drive the power tool. Because the supercapacitor is lightweight and compact, the tool driven by the supercapacitor is excellent in portability. In addition, the cost of manufacturing various types of supercapacitors is low, and the output voltage of the battery is increased by the supercapacitor as compared with the case of increasing the output voltage of the battery by a known boost converter, electric induction or flywheel. Is a better choice. Since the supercapacitor has a particularly large power supply density, it is possible to increase the output voltage of the DC power supply even if the DC power supply is a low power output means such as a primary battery. In the power supply module according to the present invention, the supercapacitor can be charged by the battery, and the voltage output form of the supercapacitor can be adjusted by the pulse width adjuster (PWM). Since the battery is discharged with small power in order to extend the service life of the battery, the need for low power can be satisfied by the battery, and the need for high power that cannot be obtained from the battery can be satisfied by the supercapacitor. By avoiding the large power output of the battery in this manner, the step-down of the battery can be reduced and the operating time of the battery can be extended.
[0010]
In theory, after the supercapacitor is fully charged, the voltage value provided by the supercapacitor will be equal to the voltage value provided by the battery. Therefore, an expected charging voltage can be obtained by arranging many batteries in series. However, as the number of batteries increases, the power supply module of the tool also becomes bulky. Thus, in the present invention, a number of separate supercapacitors or supercapacitor modules are connected in parallel to charge the supercapacitor. When providing a pulse, all supercapacitors are temporarily switched into a series state to discharge the supercapacitors. When the supercapacitors are charged in parallel, the size and quantity of the batteries can be reduced. When the supercapacitors are switched in series and discharged, the portable tool can be provided with twice the voltage that can be provided in parallel. Only when the trigger and the electromagnetic relay operate, the supercapacitor is temporarily switched from the parallel state to the series state, so that the electronic control circuit can not only have a simple and economical configuration, but also amplify the battery power. No energy loss occurs.
[0011]
In the present invention, the electronic pulse is applied to three types of implementation methods, and the tool body and the power supply module having the replaceable parts (equipment) attached thereto can be integrally disposed, and the replaceable parts (equipment) can be used as the tool. Can be easily attached to the main body. In addition, since the tool body and the replaceable parts (equipment) can be stored in the same tool box, necessary work can be performed by attaching necessary exchangeable parts (equipment).
[0012]
In today's everyday life, electronic and non-electronic portable devices are becoming more and more universal and important, and these portable devices must not only meet the requirements of being light, thin, short and small, but also be multifunctional. There is also. For example, despite the fact that the current weight of a mobile phone is less than 100 g, it has a digital still camera and a video camera function in addition to the function of transmitting sound, and it can be used for moving images via the Internet. Can even communicate. As the size of portable devices has become smaller and smaller, the weight of the batteries that provide power to the portable device has reduced the total weight of the portable device and its accessories. It is heavier than the weight. In order to adapt to the trends of the portable devices described above, the power density and power supply energy of the battery must be constantly improved, but since the research and development of the battery cannot always satisfy the current situation, many energy savings are required. It is necessary to reinforce the weak point of the battery by researching and developing the technology. For example, low power processors, automatic sensors and standby mode systems. From a manufacturing and assembly point of view, supercapacitors are the best for controlling battery energy to operate electronic components, and when the supercapacitor is in charge, it acts as an energy resistor or energy equalizer, Can act as a power amplifier when is in a discharged state. Thus, the present invention does not require the use of converters, switches, function generators or oscillating RCL circuits, and can drive various tools by amplifying the battery power output using a supercapacitor. You can do it.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Referring to FIG. 1A, an
[0014]
FIG. 2 shows a circuit configuration diagram of a
[0015]
When
[0016]
FIG. 3 shows a pulse-driven tool and equipment according to a second preferred embodiment of the present invention. The pulse-driven tool can perform various operations by using a pulse provided by the
[0017]
FIG. 4 shows a third preferred embodiment of the present invention. The portable power supply and its fixtures can provide peak current with the
[0018]
Next, another embodiment of the power supply module will be described. The
[0019]
As described above, the present invention has been disclosed by the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments, and can be easily understood by those skilled in the art. Since changes and modifications can be made, the scope of patent protection must be determined based on the claims and equivalents thereof.
[0020]
【The invention's effect】
According to the above configuration, the power supply module according to the present invention can output an expected pulse value using a small-capacity battery and a supercapacitor. Therefore, if the power supply module according to the present invention is applied to a power tool, it is light and thin. It has the advantage of being short and small and easy to carry. If it is designed to use the power supply module according to the present invention and adopt replacement equipment, a multifunctional portable tool that can perform various different operations by using pulse driving. Can be developed. Therefore, the industrial use value is high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a side view showing an electric nailing machine according to the present invention, and FIG. 1B is a side view showing an electric binding machine according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a power supply module according to the present invention.
FIG. 3A is an explanatory view showing an electric tool of the present invention, and FIGS. 3B to 3D are explanatory views showing replaceable equipment.
FIG. 4A is an explanatory view showing a portable power supply of the present invention, and FIGS. 4B to 4D are explanatory views showing replaceable equipment.
[Explanation of symbols]
100 Electric nailing machine
102 Electric binding machine
110 launch port
111 Removable Container
112 handle
113 Trigger
114 Tool body
115 Adjustment screw
116 Equipment
122 bending table
124 slots
200 power module
201 DC voltage source
202, 204 switch
203 diode
205 Trigger
207, 208 Super capacitor
209 motor
210 Power selector
211, 222 resistance
214 differential amplifier
215 Pulse width adjuster
217 Field Effect Transistor
219 Boost circuit
221 connector
230 power regulator
240 blocks
304 Spatula-type equipment
305 handle
306 Tool body
307 trigger
308 Removable container
401 switch
404 outlet
406 flash lamp
407 Emergency lamp
408 housing
409 handle
411 Battery connection line
412 connection line
414,415 clips
416 connection head
420 electrode rod
422 trigger
424 outlet
430 welding gun
432 electric wire
Claims (4)
前記直流電圧源に電気接続されたスイッチセットと、
前記スイッチセットに電気接続されて、並列で充電を行い、前記スイッチセットを介して直列に切り替えて放電を行う複数個のキャパシタと、
前記スイッチセットに電気接続されて、前記スイッチセットの状態を切り替えるスイッチと、
前記直流電圧源に電気接続されて、前記複数個のキャパシタが前記スイッチセットを介して直列に切り替えて放電を行うときに、前記複数個のキャパシタに並列接続される昇圧回路とを具えることを特徴とする電源モジュール。A DC voltage source;
A switch set electrically connected to the DC voltage source;
A plurality of capacitors that are electrically connected to the switch set, perform charging in parallel, and perform switching and discharging in series through the switch set.
A switch electrically connected to the switch set to switch a state of the switch set;
A booster circuit electrically connected to the DC voltage source, the booster circuit being connected in parallel to the plurality of capacitors when the plurality of capacitors perform discharge by switching in series via the switch set. Characteristic power supply module.
前記直流電圧源に電気接続されたスイッチセットと、
前記スイッチセットに電気接続されて、並列で充電を行い、前記スイッチセットを介して直列に切り替えて放電を行う複数個のキャパシタと、
前記スイッチセットに電気接続されて、前記スイッチセットの状態を切り替えるスイッチとを具えることを特徴とする電源モジュール。A DC voltage source;
A switch set electrically connected to the DC voltage source;
A plurality of capacitors that are electrically connected to the switch set, perform charging in parallel, and perform switching and discharging in series through the switch set.
And a switch electrically connected to the switch set to switch a state of the switch set.
前記直流電圧源に1つを電気接続する複数個の抵抗器と、
前記複数個の抵抗器に電気接続されて、これらのうちの1つを選択して前記直列電圧源に電気接続し、この出力を制御するパルス幅調整器と、
ゲートが前記パルス幅調整器に電気接続され、前記パルス幅調整器の出力によって、自身の動作時間と前記電源モジュールを制御するための出力電力とを決定するトランジスタとを具えることを特徴とする電源モジュール。The power supply module according to claim 1, further comprising a power regulator electrically connected to the DC voltage source to control an output voltage of the power supply module, wherein the power regulator includes:
A plurality of resistors electrically connecting one to the DC voltage source;
A pulse width adjuster electrically connected to the plurality of resistors, selecting one of them and electrically connecting to the series voltage source, and controlling an output thereof;
A gate is electrically connected to the pulse width adjuster, and includes a transistor that determines, according to an output of the pulse width adjuster, its operation time and output power for controlling the power supply module. Power module.
前記直流電圧源に電気接続された第1スイッチセットと、
前記直流電圧源に電気接続された第2スイッチセットと、
前記第1スイッチセットに電気接続されて、並列で充電を行い、前記第1スイッチセットを介して直列に切り替えて放電を行う複数個のキャパシタと、
前記第1スイッチセットと前記第2スイッチセットとの間に電気接続された第1スイッチと、
前記第1スイッチセットと前記第2スイッチセットとの間に電気接続された第2スイッチと、
前記第2スイッチセットに電気接続された昇圧回路とを具え、
前記第2スイッチセットを切り替えることにより第1状態と第2状態とのうち1つを選択することができ、
前記第1状態に切り替えると、前記昇圧回路と直流電圧源との間が電気接続し、前記複数個のキャパシタが前記第1スイッチセットを介して直列に切り替えられて放電したときに、前記昇圧回路が前記複数個のキャパシタに並列となり、前記第1スイッチセットが前記第2スイッチセットおよび直流電圧源の電気接続を介して前記第1スイッチセットの状態を切り替え、前記第2スイッチセットと直流電圧源との間の電気接続をオフにし、
前記第2状態に切り替えると、前記昇圧回路と直流電圧源との間の電気接続がオフになり、前記第2スイッチセットが前記第2スイッチセットと直流電圧源との間の電気接続を介して前記第1スイッチセットの状態を切り替え、前記第1スイッチセットと直流電圧源との間の電気接続をオフにする、ことを特徴とする電源モジュール。A DC voltage source;
A first switch set electrically connected to the DC voltage source;
A second switch set electrically connected to the DC voltage source;
A plurality of capacitors electrically connected to the first switch set, performing charging in parallel, and switching in series to discharge through the first switch set;
A first switch electrically connected between the first switch set and the second switch set;
A second switch electrically connected between the first switch set and the second switch set;
A booster circuit electrically connected to the second switch set,
By switching the second switch set, one of a first state and a second state can be selected,
When switching to the first state, the booster circuit and the DC voltage source are electrically connected, and when the plurality of capacitors are switched in series via the first switch set and discharged, the booster circuit Is in parallel with the plurality of capacitors, the first switch set switches the state of the first switch set via an electrical connection between the second switch set and a DC voltage source, and the second switch set and the DC voltage source Turn off the electrical connection between
When switching to the second state, the electrical connection between the booster circuit and the DC voltage source is turned off, and the second switch set is connected via the electrical connection between the second switch set and the DC voltage source. A power supply module, wherein a state of the first switch set is switched, and an electrical connection between the first switch set and a DC voltage source is turned off.
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010104490A (en) * | 2008-10-29 | 2010-05-13 | Panasonic Corp | Puncture device and its control method |
CN102136739A (en) * | 2010-01-21 | 2011-07-27 | 袁小勇 | Mobile phone charger of direct plugging type |
JP2012196530A (en) * | 2006-10-11 | 2012-10-18 | Mallinckrodt Inc | Injector having low input power |
JP2013196524A (en) * | 2012-03-22 | 2013-09-30 | Kubota Corp | Automatic vending machine |
CN104242427A (en) * | 2014-09-15 | 2014-12-24 | 东莞博力威电池有限公司 | Emergency starting power supply of automobile |
US9590497B2 (en) | 2014-10-14 | 2017-03-07 | Rosemount Aerospace Inc. | Systems and methods for capacitor charge extraction |
JP2020524468A (en) * | 2017-05-02 | 2020-08-13 | ザップゴー リミテッド | Super capacitor device |
-
2003
- 2003-06-09 JP JP2003164136A patent/JP2004297992A/en active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012196530A (en) * | 2006-10-11 | 2012-10-18 | Mallinckrodt Inc | Injector having low input power |
US8657787B2 (en) | 2006-10-11 | 2014-02-25 | Mallinckrodt Llc | Injector having low input power |
JP2010104490A (en) * | 2008-10-29 | 2010-05-13 | Panasonic Corp | Puncture device and its control method |
CN102136739A (en) * | 2010-01-21 | 2011-07-27 | 袁小勇 | Mobile phone charger of direct plugging type |
JP2013196524A (en) * | 2012-03-22 | 2013-09-30 | Kubota Corp | Automatic vending machine |
CN104242427A (en) * | 2014-09-15 | 2014-12-24 | 东莞博力威电池有限公司 | Emergency starting power supply of automobile |
US9590497B2 (en) | 2014-10-14 | 2017-03-07 | Rosemount Aerospace Inc. | Systems and methods for capacitor charge extraction |
JP2020524468A (en) * | 2017-05-02 | 2020-08-13 | ザップゴー リミテッド | Super capacitor device |
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