JP3756850B2 - 高電流パルス発生器 - Google Patents

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。
【０００２】
【従来の技術】
インパルス・エネルギー（impulse energy）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５,３５９,２７９）、汚染粒子の除去（米国特許番号４,１６２,４１７）、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、５,８９５,５８４、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（IGBT）、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。
【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。
【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。
【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
【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。
【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。
【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。
【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。
【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直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。
【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１０％）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。
【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２０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C１およびC２は並列接続し、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、即時対応で直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１２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２０A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２０００ml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。
【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。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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

Claims (10)

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直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し前記出力センサーで作動する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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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