JP2005349995A - 自転車用電気機器の保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハブダイナモによって駆動される自転車用ランプシステムを保護するとともに、ランプオフ時におけるハブダイナモの回転トルクを抑える。
【解決手段】 この装置は、電流検出素子１０と、スイッチ回路１３及び電圧クランプ回路１４からなる保護回路とを備えている。電流検出素子１０はランプシステムに流れる電流の有無を検出する。スイッチ回路１０は、電流検出素子１０に電流が流れているときにハブダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスして電圧クランプ回路１４に電流を流し、ランプシステムに印加される電圧を所定の電圧以下に維持するとともに、電流検出素子１０に電流が流れていないときは電圧クランプ回路１４に電流を流すのを禁止する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、保護装置、特に、自転車用ダイナモで発電された電圧が供給される負荷に対して過電圧が作用するのを防止する自転車用電気機器の保護装置に関する。

自転車に用いられる電気機器として、例えば、前照灯及び尾灯等を含むランプシステムがある。そして、このようなランプシステムを含む電気機器は電池やダイナモによって駆動される。ここで、特にダイナモを使用する場合は、一般的に自転車の速度（車輪の回転）に比例して発電電圧が大きくなり、高速になると発電電圧が１００Ｖを越えるような場合がある。そこで、特開２００４−８８８１２号公報に示された装置では、ダイナモと負荷との間にツェナーダイオードからなる電流バイパス回路を設け、ダイナモの発電電圧が所定のしきい値を超えた場合には、ダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスし、ランプ等に印加される電圧を所定の電圧値以内に制限するようにしている。
特開２００４−８８８１２号公報

ここで、ブロックダイナモの場合は、その構成上、ダイナモ内にツェナーダイオード等を設けて、一定以上の電圧をクリップすることが可能である。しかし、ハブダイナモの場合は、単純にツェナーダイオードを設けると、例えば負荷としてのランプがオフのときに、ツェナーダイオードに常に電流が流れ、ハブダイナモの回転トルクが重くなるという問題がある。

この点について詳細に説明する。ブロックダイナモの場合は、ダイナモを回転させるか、させないかで、ランプのオン／オフを切り換える。したがって、ランプオフ時にダイナモは回転トルクを発生しない。

しかし、ハブダイナモの場合は、オート回路、もしくは電気的なスイッチによって手動でランプのオン／オフを操作するように構成されており、ハブダイナモはランプのオン／オフにかかわりなく常に回転している。例えば、図１に示すように、ハブダイナモ１のダイナモ本体２に対して、ツェナーダイオードからなる過電圧保護回路３を接続した場合、前照灯４及び尾灯５のオン時には、各ランプ４，５で大半の電力を消費し、ツェナーダイオードからなる過電圧保護回路３は過電圧分の電力を消費する。一方、各ランプ４，５がオフのときには、各ランプ４，５に消費されていた電力も含めて、ハブダイナモの電力の全てが過電圧保護回路３によって消費されることになる。したがって、ランプオフ時には、常にハブダイナモが電力を発生することになり、結果としてハブダイナモの回転トルクが大きくなる。

本発明の課題は、ハブダイナモによって駆動される自転車用電気機器のシステムにおいて、特に電気機器のオフ時にハブダイナモの回転トルクを抑えることにある。

発明１に係る自転車用電気機器の保護装置は、自転車用ハブダイナモで発電された電圧が供給される電気機器に対して過電圧が作用するのを防止する装置であって、電流検出手段と、保護回路とを備えている。電流検出手段は電気機器に対して流れる電流の有無を検出する。保護回路は、ハブダイナモと電気機器との間に設けられ、電流検出手段で電流が検出されたときにハブダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスして電気機器に印加される電圧を所定の電圧以下に維持するとともに、電流検出手段で電流が検出されなかったときにハブダイナモ出力の両端の間で電流がバイパスされるのを禁止する。

この保護装置では、ハブダイナモから電気機器に対して電流が流れているか否かが検出される。そして、電流が流れていることが検出された場合は、ハブダイナモ出力の両端の間がバイパスされ、これにより電気機器に印加される電圧が所定の電圧以下に維持される。一方、電流が検出されなかった場合は、ハブダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスすることが禁止される。

ここでは、例えばランプ点灯時等のように電気機器が作動している場合は、ハブダイナモの両出力端で電流がバイパスされ、これにより保護回路によって電気機器に対して印加される電圧が所定の電圧以下に維持される。また、電気機器が作動していない場合、あるいは電気機器が故障して、電気機器に対して所定値以上の電流が供給されていない場合は、電流のバイパスが禁止される。すなわち、保護回路には電流が流れない。したがって、電気機器の非作動中に保護回路で電力が消費されることはなく、ハブダイナモの回転トルクが大きくなるのを抑えることができる。

発明２に係る自転車用電気機器の保護装置は、発明１の装置において、電流検出手段は、ハブダイナモと電気機器との間に接続された電流検出用の抵抗素子と、抵抗素子の両端の電位差を検出してハブダイナモから電気機器に対して所定値以上の電流が流れているか否かを判定する判定回路とを有している。

この場合は、電流が電気機器に対して供給されている場合は、抵抗素子を所定値以上の電流が流れ、これにより抵抗素子の両端に電位差が生じる。この電位差は判定回路によって検出され、電気機器に対して電流が流れているか否かが判定される。

この判定回路は、抵抗素子を使用しているので、非常に小さく構成でき、また、安価に構成できるという効果を得ることができる。

発明３に係る自転車用電気機器の保護装置は、発明１又は２の装置において、保護回路は、スイッチ回路と電圧クランプ回路とを有している。スイッチ回路は電流検出手段の電流検出結果に応じてオン、オフする。電圧クランプ回路は、スイッチ回路がオンのときに、バイパスされた電流を流して電気機器に印加される電圧を所定電圧以下に維持する。

このように、スイッチ回路と電圧クランプ回路とによって保護回路を構成したので、電気機器が作動していない場合、あるいは電気機器が故障して、電気機器に対して所定値以上の電流が供給されていない場合は、スイッチ回路がオフとなり、保護回路には電流が流れないので、電気機器の非作動中に保護回路で電力が消費されることはなく、ハブダイナモの回転トルクが大きくなるのを抑えることができるという効果を得ることができる。

発明４に係る自転車用電気機器の保護装置は、発明３の装置において、判定回路は、ハブダイナモから電気機器に対して所定値以上の電流が流れているときに電流検出信号を出力するものであり、スイッチ回路は電流検出信号によってオン、オフされるトランジスタ素子を含んでいる。そして、電圧クランプ回路は、スイッチ回路を構成するスイッチング素子と、スイッチング素子がオンのときにバイパス電流を流すツェナーダイオードとを含む。

この場合は、より正確に且つ確実に、保護回路への電流を阻止することができる。
発明５に係る自転車用電気機器の保護装置は、発明４の装置において、スイッチ回路を構成するスイッチング素子を、電界効果トランジスタで構成することにより、従来のものに比べ、使用するツェナ-ダイオードも小容量のもので構成できるので、コストダウン及びサイズダウンを図ることができる。

以上のような本発明によれば、ハブダイナモによって駆動される自転車用電気機器を保護する装置において、高速走行時に電気機器に過電圧が印加されるのを防止できるとともに、電気機器が作動していないときに、過電圧を保護するための回路で電力が消費されるのを防止してハブダイナモの回転トルクが大きくなるのを抑えることができる。

［ブロック構成］
図２に本発明の一実施形態による保護装置のブロック図を示す。この保護装置は、ハブダイナモ８によって駆動される自転車用ランプシステム９を保護するための装置であり、ランプオン時にランプに対して過電圧が印加されるのを防止するとともに、ランプオフ時にハブダイナモ８の回転トルクが重くなるのを抑えるための装置である。なお、ランプシステム９は、前照灯、尾灯、各ランプを自動的にオン／オフするためのオート回路等を含んでいる。

この保護装置は、電流検出手段としての、電流検出素子１０と、電圧増幅回路１１と、判定回路１２とを有し、さらに保護回路としての、スイッチ回路１３と、電圧クランプ回路１４とを有している。

電流検出素子１０は、ハブダイナモ８とランプシステム９との間に直列に接続されており、ランプシステム９に電流が供給されているか否かを検出する。電圧増幅回路１１は、電流検出素子１０の両端に発生した電位差を増幅する回路である。判定回路１２は、電圧増幅回路１１によって増幅された結果によって、ランプシステムに電流が流れているか否かを検出するものである。なお、電流が流れている場合は、オート回路によってスイッチがオンされ、ランプが点灯しているときである。また、電流が流れていない場合は、オート回路によってスイッチがオフされてランプが消灯しているか、あるいはオート回路によってスイッチがオンであるにもかかわらず、ランプの電球が切れている場合である。

スイッチ回路１３は、判定回路１２によってオン、オフが制御される回路であり、電流検出素子１０に電流が流れていることが検出されたときにオンとなって電圧クランプ回路１４に電流を流し（バイパスし）、電流検出素子１０に電流が流れていないことが検出されたときにオフとなり、この場合は電圧クランプ回路１４に電流が流れない。電圧クランプ回路１４は、ハブダイナモ８の両端の電圧がしきい値を超えた場合にスイッチ回路１３を介して電流が供給され（バイパスされ）、ランプシステム９に印加される電圧を一定の範囲内に制限する。

［概略の動作］
次に図２のブロック図の動作について説明する。

＜ランプＯＦＦ＞
ランプオフの場合は、ランプシステム９側に電流が流れない。したがって、電流検出素子１０の両端に電位差は生じない。これにより、判定回路１２によってスイッチ回路１３はオフとなり、電圧クランプ回路１４には電流が流れない。したがって、電圧クランプ回路１４を含む負荷側の消費電力はほぼ「０」であり、ハブダイナモ８の回転トルクが重くなることはない。

＜ランプＯＮ＞
ランプオンの場合は、ランプ側において電球切れ等の異常がなければ、電流がランプシステム９に流れる。したがって、電流検出素子１０の両端に電位差が生じ、この電位差は電圧増幅回路１２によって増幅される。この増幅された結果は判定回路１２で判定され、この場合は、判定回路１２によってスイッチ回路１３がオンされる。すると、電圧クランプ回路１４に電流が流れ、電圧クランプ回路１４によってランプシステム９に印加される電圧が一定電圧以内にクリップされる。

＜ランプＯＮ・電球切れ＞
ランプシステム９において、オート回路によってスイッチオンになっている場合でも、電球が切れている場合は、ランプシステム９に電流は流れない。したがって、ランプオフの場合と同様に、スイッチ回路１３がオフとなり、電圧クランプ回路１４に電流は流れない。したがって、ハブダイナモ８の回転トルクが重くなることはない。

以上のような本実施形態では、ランプオン時には、電圧クランプ回路１４によってランプシステム９に印加される電圧を所定の電圧内に抑えることができる。したがって、高速走行している場合であっても、ランプシステム９を構成する機器に過電圧が印加されるのを保護することができる。また、ランプオフ時や、ランプオン時で電球切れの場合は、電流がランプシステム９に流れないことを検出し、電圧クランプ回路１４に電流が流れないようにしているので、電圧クランプ回路を含む負荷側で電力が消費されることはなく、ハブダイナモ８の回転トルクが重くなることはない。

図３に具体的回路を示す。電流検出素子１０は、ハブダイナモ８の端子に接続されるDYNAMO IN 2 端子とランプシステム９に接続されるDYNAMO OUT 2 端子との間に接続された抵抗Ｒ２０からなる。電圧増幅回路１１は、オペアンプＵ１７と、オペアンプＵ１７の非反転入力端子に接続された抵抗Ｒ１０，Ｒ１４，Ｒ１６，Ｒ１７と、反転入力端子に接続された抵抗Ｒ２２，Ｒ２３とを有している。判定回路１２は、電圧増幅回路１１の出力がベースに入力されるnpn形トランジスタＱ５と、トランジスタＱ５のコレクタがベースに接続されたpnp形トランジスタＱ６と、各トランジスタＱ５，Ｑ６の端子に接続された抵抗Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１５，Ｒ１８，Ｒ２１と、トランジスタＱ５のエミッタとアースとの間に接続されたツェナーダイオードＤ８と、判定回路１２の出力部であるトランジスタＱ６のコレクタに接続されたダイオードＤ６とを有している。

スイッチ回路１３及び電圧クランプ回路１４は、ハブダイナモ８に接続されるDYNAMO IN 2 端子とDYNAMO IN 1 端子（ランプシステム９に接続されるDYNAMO OUT 1 端子）との間に設けられている。この回路１３，１４は、判定回路２１の出力がベースに入力されるnpn形トランジスタＱ１と、ベースにトランジスタＱ１のコレクタが接続されたpnp形トランジスタＱ２と、ハブダイナモ８に接続されるDYNAMO IN 2 端子とDYNAMO IN 1 端子（DYNAMO OUT 1 端子）との間にソース、ドレインが接続されるとともに互いに直列に接続された２つの電解効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ（Field-effect transistor）素子）Ｍ１，Ｍ２とを有している。そして、各トランジスタの端子には、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ６と、コンデンサＣ１とが接続されている。トランジスタＱ１のエミッタ及びトランジスタＱ２のコレクタは、それぞれＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２のソース、ドレイン間に接続され、トランジスタＱ２のエミッタは、後述するバイパス回路ＢＰに接続されている。また、ＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２は互いのゲート同士が接続されている。

さらに、この回路１３，１４は、DYNAMO IN 2 端子とDYNAMO IN 1 端子（DYNAMO OUT 1 端子）との間にバイパスして設けられたバイパス回路ＢＰを有している。このバイパス回路ＢＰには、それぞれが互いに逆方向に接続されたダイオードＤ３，Ｄ４と、ツェナーダイオードＤ１，Ｄ５とが、直列に接続されて設けられている。

なお、DYNAMO OUT 1 端子とDYNAMO OUT 2 端子との間には、ダイオードＤ２及びコンデンサＣ４が接続されている。

次に動作について説明する。
＜ランプＯＮ＞
(i) DYNAMO IN 1 端子が正の半周期で低速のとき
DYNAMO IN 1 端子から入力された電流は、DYNAMO OUT 1 端子を介してランプ側へ流れると同時に、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２に充電され、平滑される（半波整流動作）。

その後、コンデンサＣ２の電圧は、トランジスタＱ４及びダイオードＤ７により、「（Ｄ７のツェナー電圧）−（Ｑ４のベース−エミッタ降下電圧）」に安定化され、本回路の電源として、オペアンプＵ１７等に供給される。このとき、ランプオンのために、抵抗Ｒ２０に電流が流れ、抵抗Ｒ２０のDYNAMO OUT 2 端子側に、ＧＮＤを基準とした場合、正電圧が発生するが、オペアンプＵ１７は反転増幅のために、オペアンプＵ１７の出力電圧は低下する方向に向かう。したがって、トランジスタＱ５，Ｑ６はオンにならない。

このため、トランジスタＱ１，Ｑ２はオフとなり、ＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２のゲート電圧は０ボルトのままで、ツェナーダイオードＤ１，Ｄ５がブレークする、しないにかかわらず、正の半周期ではクランプ回路は作動しない。

(ii) DYNAMO IN 1 端子が正の半周期で高速のとき
前述の(i)と同様に、トランジスタＱ１，Ｑ２はオフとなり、ＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２のゲート電圧は０ボルトのままで、ツェナーダイオードＤ１，Ｄ５がブレークする、しないにかかわらず、正の半周期ではクランプ回路は作動しない。

(iii) DYNAMO IN 2 端子が正の半周期で低速のとき
DYNAMO IN 2 端子から入力された電流は、電流検出素子１０としての抵抗Ｒ２０を通り、DYNAMO OUT 2 端子を介してランプシステム９に供給される。このとき、抵抗Ｒ２０の両端に、GNDを基準とした場合、負電圧が発生し、オペアンプＵ１７で増幅されて出力電圧が上昇する。この電圧値が、「（Ｄ８のツェナー電圧）＋Ｑ５のベース−エミッタ降下電圧）」を超えると、トランジスタＱ５がオンとなり、トランジスタＱ６もオンとなる。このとき、（Ｑ６エミッタ）→（Ｑ６コレクタ）→Ｒ９→Ｄ６→Ｃ１→Ｍ１ソース→Ｍ１ドレインのルートで電流が流れ、コンデンサＣ１が充電される。

このためにトランジスタＱ１，Ｑ２オンとなるが、低速ではツェナーダイオードＤ１，Ｄ５がブレークする電圧まで DYNAMO IN 1 端子、DYNAMO IN 2 端子の電圧が上昇しないために、ＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２のゲート電圧は０ボルトのままで、クランプ回路は作動しない。

(iv) DYNAMO IN 2 端子が正の半周期で高速のとき
前述の(iii)と同様に、トランジスタＱ１，Ｑ２がオンとなる。そして、ツェナーダイオードＤ５がブレークし、トランジスタＱ２を通り、ＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２の電圧が上昇する。このとき、
Ｍ２ドレイン−ソース間電位差＞
Ｄ５ツェナー電圧＋Ｄ４順方向降下電圧＋Ｍ２ゲートＯＮ電圧
の場合、Ｍ２ソース−ゲート電圧が上昇→Ｍ２ドレイン−ソース間抵抗低下→Ｍ２ドレイン−ソース間の電位差縮小、となる。

また、
Ｍ２ドレイン−ソース間電位差＜
Ｄ５ツェナー電圧＋Ｄ４順方向降下電圧＋Ｍ２ゲートＯＮ電圧
の場合、Ｍ２ソース−ゲート電圧が低下→Ｍ２ドレイン−ソース間抵抗増加→Ｍ２ドレイン−ソース間の電位差拡大、となる。この結果、
Ｍ２ドレイン−ソース間電位差＝
Ｄ５ツェナー電圧＋Ｄ４順方向降下電圧＋Ｍ２ゲートＯＮ電圧
となって、平衡を保つようになる。

そして、DYNAMO IN 1 端子〜DYNAMO IN 2 端子間の電位差は、
Ｄ５ツェナー電圧＋Ｄ４順方向降下電圧＋Ｍ２ゲートＯＮ電圧＋Ｍ１寄生ダイオード降下電圧
以下の電圧値にクリップされることになる。

なお、コンデンサＣ１は次の半周期（DINAMO IN 1 端子が正の半周期）のときでも、トランジスタＱ１をオンする電圧を保つ容量に設定されている。このため、DINAMO IN 1 端子が正の半周期の場合も、トランジスタＱ１はオンし続け、DYNAMO IN 1 端子〜DYNAMO IN 2 端子間の電位差は、前記同様に、
Ｄ５ツェナー電圧＋Ｄ３順方向降下電圧＋Ｍ１ゲートＯＮ電圧＋Ｍ２寄生ダイオード降下電圧
以下の電圧値にクリップされることになる。

以上の場合の電力消費は、ほとんどＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２で行われるために、クランプ電圧を決めるツェナーダイオードＤ１，Ｄ５は安価でかつ小型の小信号用ダイオードを用いることができる。

＜ランプＯＦＦ＞
ランプがオフされると、及びランプオンであっても電球が切れているような場合は、DYNAMO IN 2 から入力された電流は、電流検出素子１０としての抵抗Ｒ２０を通らない。したがって、抵抗Ｒ２０の両端の電位差は理論上は「０」となり、判定回路１２を構成するトランジスタＱ５，Ｑ６はオフとなる。すると、前述のコンデンサＣ１の充電サイクルが停止し、コンデンサＣ１の電位が低下する。すると、トランジスタＱ１，Ｑ２がオフし、ＦＥＴ素子Ｍ１，Ｍ２のゲート電圧が０となり、クランプ動作が解除される。

この場合は、回路１３，１４に電流がほとんど流れることはなく、回路１３，１４において電力は消費されないので、ハブダイナモの回転トルクが大きくなることはない。

［他の実施形態］
なお、前記実施形態では、電気機器としてランプシステムを例にとって説明したが、ランプシステム以外の電気機器に対しても本発明を同様に適用できるのはもちろんである。

従来の保護装置を示すシステムブロック図。 本発明の一実施形態による保護装置のシステムブロック図。 本発明の一実施形態による保護総地温具体的回路の一例を示す図。

符号の説明

８ ハブダイナモ
９ ランプシステム
１０ 電流検出素子
１２ 判定回路
１３ スイッチ回路
１４ 電圧クランプ回路
Ｒ２０ 抵抗
Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ
Ｍ１，Ｍ２ トランジスタ
Ｄ１，Ｄ５ ツェナーダイオード
Ｄ３，Ｄ４ ダイオード

Claims (5)

1. 自転車用ハブダイナモで発電された電圧が供給される電気機器に対して過電圧が作用するのを防止する自転車用電気機器の保護装置であって、
   前記電気機器に対して流れる電流の有無を検出する電流検出手段と、
   前記ハブダイナモと前記電気機器との間に設けられ、前記電流検出手段で電流が検出されたときに前記ハブダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスして前記電気機器に印加される電圧を所定の電圧以下に維持するとともに、前記電流検出手段で電流が検出されなかったときに前記ハブダイナモ出力の両端の間で電流がバイパスされるのを禁止する保護回路と、
   を備えた自転車用電気機器の保護装置。
2. 前記電流検出手段は、
   前記ハブダイナモと前記電気機器との間に接続された電流検出用の抵抗素子と、
   前記抵抗素子の両端の電位差を検出して前記ハブダイナモから前記電気機器に対して所定値以上の電流が流れているか否かを判定する判定回路と、
   を有している、請求項１に記載の自転車用電気機器の保護装置。
3. 前記保護回路は、
   前記電流検出手段の電流検出結果に応じてオン、オフするスイッチ回路と、
   前記スイッチ回路がオンのときに、前記バイパスされた電流を流して前記電気機器に印加される電圧を所定電圧以下に維持する電圧クランプ回路と、
   を有している、請求項１又は２に記載の自転車用電気機器の保護装置。
4. 前記判定回路は、前記ハブダイナモから前記電気機器に対して所定値以上の電流が流れているときに電流検出信号を出力するものであり、
   前記スイッチ回路は、前記電流検出信号によってオン、オフされるトランジスタ素子を含み、
   前記電圧クランプ回路は、前記スイッチ回路を構成するスイッチング素子と、前記スイッチング素子がオンのときに前記バイパス電流を流すツェナーダイオードとを含む、
   請求項３に記載の自転車用電気機器の保護装置。
5. 前記スイッチ回路を構成するスイッチング素子は、電界効果トランジスタを含む、
   請求項４に記載の自転車用電気機器の保護装置。

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