JP2006168697A - 自転車ペダル用発電装置、自転車用ペダル及び自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】 増速機構が不要で、ペダルクランク軸の回転速度が低速であっても、負荷に必要な電力が間欠的に安定して確実に得られ、ペダルクランク軸の回転速度が変化しても、誘起電圧の変動が小さく、構造が単純で製品化が容易な、自転車ペダル用発電装置を提供する。
【解決手段】 回転磁石の回転を制動するための制動磁石を設ける。回転磁石はペダル軸と連動して回転可能であるとともに、ペダル軸に対し回動可能な構造にする。その結果、回転磁石は発電コイルに対して間欠回転し、瞬間的に急速度で回転する期間を生ずる。その際に回転磁石に働く回転力は、ペダルクランク軸の回転速度に影響されず、誘起電圧の変動を小さくできる。増速機構が不要になることで構造が単純化され、製品化が容易になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗り物である自転車の、ペダルと発電装置と灯具に関し、より詳細には、ペダルに具備する発電装置の構造に関する。

夜間あるいは夕暮れ時等の自転車走行における安全性向上のため、ペダル部分に取り付けた発光素子を点灯させ、他者からの視認性を高めようとした試みが従来からある。発光素子の点灯用電源として、電池を用いる方法以外に、ペダルの足を載せる部分（以下ペダル主体という）と、ペダル主体を回転自在に支持する取り付け軸（以下ペダル軸という）が、ペダルクランク軸（チェーン歯車の駆動軸）の回転にともない、相対的に回転することを利用した発電機構を備えたものとして、例えば以下の例がある。

特公表２００２−５０１８５８号公報 実用登録３０８３９６３号 実用登録３０９１３４０号 特開２００４−０３４８４２号公報 特開平１１−１２６５０１号公報

従来技術における一般的な発電機構は、ペダルに相対回転するコイルと磁石を設け、ペダル主体とペダル軸の相対回転により駆動する構造である。駆動に増速機構を介するもの（例えば特許文献１）、直接駆動すると思われるもの（例えば特許文献２）等がある。

発光素子の点灯に必要な起電力を得るには、発電用のコイルと磁石をある程度以上の相対速度で回転させる必要がある。しかしペダル主体とペダル軸の相対回転速度、それは即ちペダルクランク軸の回転速度は毎秒１回転程度と遅く、そのまま磁石やコイルを回転駆動する構造では、その周速度が小さいために得られる誘起電圧が低いという問題がある。

発光素子に発光ダイオードを用いる場合、その両端で約１．２ボルトの電圧が必要になる。そのため一般的な解決策として、必要とされる回転速度を得るには、伝動ベルトとプーリー、あるいは歯車などを用いた増速機構を組み込む必要があるという問題があった。

しかし増速機構を用いる場合、ペダル内部に確保できる容積が限られるため、寸法上の制約が大きく、狭い空間に多数の部品を組み込むことで装置が複雑化する問題があった。また、伝動ベルトや歯車など磨耗をともなう部品の耐久性や保守の問題、ペダル全体の価格に対する増速機構部分のコストの高さが、商品化に至らない要因となる可能性もある。

誘起電圧は磁石とコイルの相対回転速度に比例するから、従来の技術においては、発電コイルに生ずる誘起電圧が、ペダルクランク軸の回転速度に比例して変化してしまうという問題もある。増速機構の使用は、低速時においても必要な電圧を得るために増速比を大きくすると、通常時には必要以上に回転が速くなり、部品の消耗を早めることになる。

また、誘起電圧の変動に対し、負荷となる発光素子の発光輝度を一定に保つには、定電圧回路や定電流回路、あるいは機械式ガバナーなどの安定化装置を設ける必要があった。これらは一般に損失をともなうため、装置全体の効率を低下させる要因となりやすい。

あるいは、増速機構や発電機構を組み込むことで、ペダル全体の形状や構造が一般の普及品と大きく異なることになれば、新規に設計を行うコストや生産設備の変更、追加など経済的な負担も問題となる。そこで普及品に近い形で搭載可能な発電装置が望まれる。

従って本発明は、構造の複雑化とコスト増の要因になる増速機構を用いることなく、単純な構造で、ペダルクランク軸の回転速度が遅くても、間欠的に所定の回転角度ごとに必要な電圧が安定して確実に得られ、ペダルクランク軸の回転速度が変化しても、発電コイルに生ずる電圧の変動が小さい、自転車ペダル用発電装置を提供することを課題とする。

発光を行う目的は、自己の存在を他者に積極的に視覚認識させて、注意を喚起し安全性を向上させることにある。ならば各種の交通信号や航空標識の例に見られるように、一般に灯火類は点灯したままの不動光よりも、点滅光や明滅光のほうが目立つ特性を利用すれば、間欠的な起電力による点滅発光でも、十分にその目的を達成することができる。

従って本発明は、ペダルクランク軸１回転につき、１回から４回程度の間欠的な発電と発光を前提とし、発電コイルに対し回転する磁石（以下回転磁石という）に制動力を加えるための磁石（以下制動磁石という）を設け、回転磁石が駆動側に対し回動できる構造により、回転と停止を交互に繰り返す間欠回転を行うことで、従来の問題を解決した。

従来技術では、回転磁石は、ペダルクランク軸に比例した速度で連続回転する構造である。それに対し本発明による発電装置では、１回の発電サイクルを、回転磁石を制動磁石による制動力に逆らい駆動する第１期間、制動力により急速回転する第２期間、制動力により静止する第３期間、の三つの期間で構成し、これを順次繰り返す間欠回転を行う。

その際、第１期間及び第３期間の経過に要する時間は、ペダルクランク軸の回転速度により変化するが、第２期間の急速回転に要する時間は、主に磁石部材の磁気的性能と寸法及び慣性モーメント等によって決まり、ペダルクランク軸の回転速度による影響が相対的に小さい特性を利用して、第２期間の急速回転時に生ずる誘導起電力を負荷に供給する。

力学的には回転磁石は、制動力に逆らって回転させるのに要した仕事に相当する位置エネルギーを得る。その位置エネルギーを短時間のうちに運動エネルギーに変えることで、増速機構を用いずに、瞬間的に速い回転速度を得る。即ち、第１期間は仕事を位置エネルギーに、第２期間は位置エネルギーを運動エネルギーに変換する工程であると言える。

第１期間に得られる位置エネルギーは、トルクと回転角度の積で決まり、回転磁石の駆動に要した時間、即ちペダルクランク軸の回転速度に関係しない。そのため、ペダルクランク軸の回転速度の変化は、第２期間において運動エネルギーに変換されることで生ずる急速回転の速度に比べ、相対的に小さい。その結果、誘起電圧の変動を小さくできる。

従って本発明では、連続回転するペダルクランク軸の回転速度の変化は、間欠的に行われる発電の間隔時間の変化に置き換わり、誘起電圧への影響を小さくすることができる。

以上の理由から、本発明による発電装置を発光素子の点灯用電源として用いれば、増速機構が不要であること、低速回転時においても確実に間欠発光すること、回転速度の変化による発光輝度の変動が小さい、という効果が得られる。ペダルクランク軸の回転速度が様々に変化し、あるいは極端に遅くても、変化するのは単位時間あたりの発光回数であって、発光輝度の変化は小さく、回転磁石の磁極数で決まる回転角度ごとに必ず発光する。

増速機構が不要なため構造が単純で、構成部品の数、及び磨耗、劣化、疲労個所が少なく、外部からの給電や電池が不要なため、密閉構造が可能で信頼性と耐久性が向上する。ペダル主要部分の形状、寸法、材質、基本構造等が従来の一般普及品に近く、生産設備の変更が少なくすみ、特殊な部品や特別な製造技術が不要で、製品化が容易である。

発明の実施をするための最良の形態

図１は本発明による発電装置を、ペダルに具備した状態を示す分解斜視図である。図１において、本発明による発電装置は、発電コイル１、回転磁石２、制動磁石３、支持軸４、ブッシング５により構成される。ペダル主体６とペダル軸７は、本発明による発電装置を搭載するためのものである。密閉ふた８は発電部を防水、防塵するためのものである。

図１において、ペダル主体６とペダル軸７は互いに相対回転自在な構造であり、ペダル主体６に対しペダル軸７が連続回転すると、制動磁石３と回動構造の作用により、回転磁石２が発電コイル１に対し間欠回転して発電を行う。図１は構成部品を個々にペダルに取り付けた例で、他にあらかじめユニットとして組み立てたものを組み込む方法もある。

図２は、本発明による発電装置の基本構造例を示す分解斜視図で、図２（ａ）は回転磁石２が４極、図２（ｂ）は２極以上の例である。発電コイル１と制動磁石３は、回転磁石２との間に適度なギャップを設けて、ペダル主体６に直接、あるいは取り付け部材を介して配設する。回転磁石２は支持軸４とブッシング５により支持する。

各部品の役割は、発電コイル１は負荷に供給する電力を発生し、回転磁石２は間欠回転して発電コイル１に磁束の変化を与え、制動磁石３は回転磁石２の回転を制動する、制動磁界を形成するためのものである。支持軸４は回転磁石２を回動可能に支持しながら、回転運動を伝達する支持部材、ブッシング５は回転磁石２の脱落を防ぐ保持部材である。

各部品の概要は、発電コイル１は、積層珪素鋼板等のコアに線材を巻いたものである。回転磁石２は、ラジアル方向に磁化した環状、円筒あるいは円盤状等の永久磁石である。制動磁石３は、厚さ方向に磁化した板状の永久磁石で、通常２個から４個程度を配置する。支持軸４とブッシング５は樹脂製の成型品で、表面の摩擦係数が低い材料を用いる。

図３（ａ）は、本発明の回転磁石２の支持方法と、回転及び回動構造の例を示す、部分切り欠き分解斜視図である。図においてペダル主体６は、ペダル軸７から抜けるのを防止するため、軸端のナット９で係止されている。従って、ナット９と密に嵌合する六角形の凹部を設けた支持軸４をナット９に嵌挿し、その軸部に回転磁石２の中央穴を遊挿する。

さらにブッシング５を支持軸４の軸部中空部に嵌入し、回転磁石２の脱落を防ぐ。支持軸４の軸部寸法は、回転磁石２が自由に回動できるように設定する。支持軸４の軸部外周壁と、回転磁石２の中央穴内周壁には、回転運動を伝達するための１箇所以上の係合用凸部があり、回転磁石２は支持軸４の周りを、係合部が係合しない範囲で回動可能となる。

図３（ｂ）は、制動磁石３の例を示す斜視図である。磁極の極性は他の部品との配置関係で異なり、矢印は磁化の方向を示す。図３（ｃ）は、回転磁石２の磁極配置の概念図で、極数が４極の例を示す。中央穴の係合用凸部は、支持軸４に対する回動可能な最大角度が、３６０度を磁極の数で割った角度以上得られるように設ける。

図４は、回転磁石２とペダル軸７の関係を示す側面図である。図において、ペダル軸７と支持軸４とブッシング５は、一体となってペダル主体６に対し回転自在となっている。従って、ペダル主体６に対してペダル軸７を回転させると、回転磁石２は支持軸４と係合した状態では、ペダル軸７に連動してペダル主体６に対して回転し、かつ係合が離れた状態では、支持軸４の周りを回動することもできる。

図５は、発電の過程を示す動作説明図である。回転磁石２が４極、制動磁石３が２個である場合を例に、（ａ）から（ｄ）まで時間の経過に従い説明する。図において支持軸４は、毎秒１回転程度の速度で反時計方向に駆動され、連続して回転しているものとし、発電コイル１と制動磁石３は空間に対し固定されているものと仮定する。

図５（ａ）において、反時計方向に回転している支持軸４の係合用凸部が、回転磁石２の中央穴係合用凸部に到達接触すると、それまで制動磁石３による制動力によって静止していた回転磁石２が、制動力に逆らって同じく反時計方向に回転を始める。

図５（ｂ）は、（ａ）の状態から４分の１回転ほど進んで、回転磁石２のＳ極が制動磁石３のＳ極の対向位置まで来た状態である。この状態までは、回転磁石２のＳ極は、制動磁石３の中心と回転磁石２の回転中心を結ぶ線よりも右側にあり、従って回転磁石２に働く回転力の向きは時計方向である。ここまでの過程を第１期間とする。

図５（ｃ）において、（ｂ）の状態からわずかに進み、回転磁石２のＳ極が、制動磁石３の中心と回転磁石２の回転中心を結ぶ線よりも左側に来ると、回転磁石２に働く回転力の向きが反時計方向に変わる。回転磁石２は支持軸４の周りを回動できる構造だから、制動磁石３のＳ極と回転磁石２のＳ極の間に働く反発力、及び制動磁石３のＳ極と回転磁石２のＮ極の間に働く吸引力により、反時計方向に急速回転する。

この急速回転は、支持軸４の回転速度にかかわらず、回転磁石２に働く回転トルクが、支持軸４との接触部分に生ずる最大摩擦トルクを上回った瞬間に必ず行われる。その回転速度は、主に両磁石の寸法と磁気的性能、回転磁石２の慣性モーメントの値で決まり、安価なフェライト磁石を使用しても、実用上必要な回転速度が得られる。

この急速回転の過程で発電コイル１に与えられる磁束変化によって、電磁誘導作用により瞬間的に起電力を生じ、負荷に供給される。即ち、支持軸４の回転によって得た位置エネルギーが運動エネルギーに変わり、さらに電気エネルギーに変換される。

図５（ｄ）において、急速回転して来た回転磁石２は、そのＮ極が制動磁石３のＳ極と対向する位置まで来たところで、互いの吸引力が最大となり静止して安定する。この間の過程を第２期間とし、この第２期間は、実際には短時間の間に行われる。

しばらく静止した後、遅れて回転してきた支持軸４の係合用凸部が、回転磁石２の中央穴係合用凸部に到達して、再び図５（ａ）の状態へ戻り、１回の発電サイクルを完了する。静止している間の過程を第３期間とする。

以後この一連の動作を繰り返すことで、支持軸４の連続回転により、回転磁石２が連動回転と急速回転と静止からなる間欠回転を繰り返す。この例では回転磁石２が４極なので、２分の１回転、即ち１８０度で１回の発電サイクルを終了し、支持軸４が１回転するあいだに２回の発電サイクルを行う。

第１期間中の支持軸４の回転、即ちペダルクランク軸の回転は、回転磁石２の位置エネルギーを最大値まで押し上げるための動作であって、実際に負荷を駆動する発電は、第２期間中に回転磁石２と制動磁石３との間に働く回転力により行われる。また厳密には、第１期間中にも低い電圧が生ずるが、負荷の動作電圧には達しない。

位置エネルギー、または回転力を決める要素は、回転磁石２と制動磁石３の寸法と位置関係、磁界強度あるいは磁束密度などである。これらはいずれも固定された値だから、位置エネルギー、または回転力は、支持軸４の回転速度の影響を受けない。

しかし回転磁石２は、急速回転の開始時において、支持軸４に連動して回転しているから、急速回転の初速はペダルクランク軸の回転速度の影響を受ける。その影響が最終的に誘起電圧に変動を及ぼす程度の計算例を、概算であるが以下に示す。

図６は本発明において、制動磁石３の磁界により、回転磁石２に働く力を示す模式図である。図は４極の回転磁石２に、制動磁石３を２個配置した例で、図６（ａ）は第１期間中に、図６（ｂ）は第２期間中に回転磁石２に働く力を示す。双方は力の方向が逆になるだけでその計算方法は同じなので、共に以下のように考えられる。計算を簡単に行うため、磁極は実際には面積を持つが、点に置き換える方法を用いた。

制動磁石３の表面磁束密度を０．１［Ｗｂ／ｍ^２］、磁極面寸法を長辺８［ｍｍ］、短辺６［ｍｍ］と仮定すると、その磁荷ｍｓ［Ｗｂ］は、

数１

ｍｓ＝０．１×８×１０^−３×６×１０^−３＝４．８×１０^−６［Ｗｂ］

回転磁石２の表面磁束密度を０．２［Ｗｂ／ｍ^２］、寸法を直径２０［ｍｍ］、回転軸方向の厚さを６［ｍｍ］と仮定、極数が４のとき１磁極あたりの磁荷ｍｒ［Ｗｂ］は、

数２

ｍｒ＝０．２×２０×１０^−３×π×６×１０^−３／４＝１．８８×１０^−５［Ｗｂ］

双方磁石の磁極を点磁極とみなし、制動磁石３の磁極から、回転磁石２のＳ極とＮ極が同じ距離にある状態のとき、その磁極間距離ｄを９［ｍｍ］と仮定し、空気中の透磁率μは４π×１０^−７における、両磁極間に働く反発力、または吸引力Ｆ［Ｎ］は、

数３

Ｆ＝（ｍｓ・ｍｒ）／（μ・４π・ｄ^２）
＝（４．８×１０^−６×１．８８×１０^−５）／（４π×１０^−７×４π×（９×１０^−３）^２）
＝７．０５×１０^−２［Ｎ］

回転磁石２の半径をＲとして、４つの磁極によるトルクＴ［Ｎ・ｍ］は、

数４

Ｔｍａｘ＝４・Ｆ・Ｒ
＝４×７．０５×１０^−２×１０×１０^−３＝２．８２×１０^−３［Ｎ・ｍ］

回転磁石２と制動磁石３の磁極が対向して、回転トルクがゼロになる位置を基準とし、基準から任意の角度θ［ｒａｄ］におけるトルクＴｒ［Ｎ・ｍ］は、Ｔを最大値とする正弦関数で近似した場合、

数５

Ｔｒ＝Ｔ・ｓｉｎ２θ＝２．８２×１０^−３×ｓｉｎ２θ［Ｎ・ｍ］

以上から、第１期間中に回転磁石２を回転させるのに必要なトルク、または第２期間中に回転磁石２に働くトルク（双方は同じ値）の平均値Ｔａｖ［Ｎ・ｍ］は、

数６

Ｔａｖ＝Ｔ・２／π＝２．８２×１０^−３×２／π＝１．８×１０^−３［Ｎ・ｍ］

その結果、第１期間中に支持軸４の回転により、回転磁石２にＴａｖ［Ｎ・ｍ］のトルクを加え、π／２［ｒａｄ］回転させたとき、得られる位置エネルギーＵ［Ｊ］は、回転にともなう損失（主に摩擦など）が十分に小さければ、

数７

Ｕ≒Ｔａｖ・π／２［Ｊ］

回転磁石２の、支持軸４を回転軸とする慣性モーメントＪ［ｋｇ・ｍ^２］は、同磁石の半径Ｒを１０［ｍｍ］、中央穴半径ｒを３［ｍｍ］、厚さＬを６［ｍｍ］、フェライトの密度ρを５［ｇ／ｃｍ^３］（＝５×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）とすれば、

数８

Ｊ＝ρ・Ｌ（Ｒ^４−ｒ^４）π／２
＝５×１０^３×６×１０^−３×（（１０×１０^−３）^４−（３×１０^−３）^４）×π／２
＝４．６７×１０^−７［ｋｇ・ｍ^２］

得られた位置エネルギーＵが運動エネルギーに変換され、最大瞬間角速度ω［ｒａｄ／ｓ］に達したとき、回転にともなう損失（摩擦など）が十分に小さければ、

数９

Ｔａｖ・π／２≒Ｊω^２／２

従って、回転磁石２が位置エネルギーＵから得る最大瞬間角速度ω［ｒａｄ／ｓ］は、

数１０

ω≒√（Ｔａｖ・π／Ｊ）
＝√（１．８×１０^−３×π／４．６７×１０^−７）≒１１０［ｒａｄ／ｓ］

そのときの平均角加速度ａ［ｒａｄ／ｓ^２］は、

数１１

ａ＝Ｔａｖ／Ｊ＝１．８×１０^−３／４．６７×１０^−７≒３８５４［ｒａｄ／ｓ^２］

その結果、回転磁石２が第２期間の急速回転に要する時間ｔ［ｓ］は、

数１２

ｔ＝ω／ａ＝１１０／３８５４≒０．０３［ｓ］

以上の値は、制動磁石３と回転磁石２の間に働く力だけによるもので、実際には支持軸４の角速度が急速回転の初速として加わるので、最終的には以下のように考えられる。

支持軸４の角速度をωａとすると、それはペダルクランク軸の角速度に等しいから、仮に走行速度を１５［ｋｍ／ｈ］、後輪直径を２６インチ、ペダルクランク軸のチェーン歯車歯数と、後輪チェーン歯車歯数の比率を２としたとき、ωａ［ｒａｄ／ｓ］は、

数１３

ωａ＝（１５×１０^３／３６００）／（２６×０．０２５４×π×２）
≒６．３［ｒａｄ／ｓ］

同様に、走行速度５［ｋｍ／ｈ］と、３０［ｋｍ／ｈ］についても、支持軸４の角速度ωａを求めると、それぞれ２．１［ｒａｄ／ｓ］と１２．６［ｒａｄ／ｓ］となる。

回転磁石２の、発電コイル１に対する最終的な最大瞬間角速度をωｒとすれば、それは初速である支持軸４の角速度ωａと、急速回転による最大瞬間角速度ωの和だから、走行速度５［ｋｍ／ｈ］と３０［ｋｍ／ｈ］における、ωｒ［ｒａｄ／ｓ］はそれぞれ、

数１４

ωｒ（５）＝２．１＋１１０＝１１２．１［ｒａｄ／ｓ］

数１５

ωｒ（３０）＝１２．６＋１１０＝１２２．６［ｒａｄ／ｓ］

その結果、公道における走行速度をおおよそ５〜３０［ｋｍ／ｈ］と想定すれば、５［ｋｍ／ｈ］と３０［ｋｍ／ｈ］における、ωｒの比率は約１：１．１と計算できる。

発電コイル１に生ずる電圧ｅ［Ｖ］は、コイル巻き数をＮ、鎖交磁束の変化量をΔΦ［Ｗｂ］、変化した時間をΔｔ［ｓ］とすれば、ファラデー及びレンツの法則から、

数１６

ｅ＝−Ｎ・ΔΦ／Δｔ［Ｖ］

で表され、同じΔΦに対し、Δｔがωｒに逆比例して変化するものとすれば、ｅもまたおおよそ１：１．１となる。従って以上の計算例においては、走行速度５〜３０［ｋｍ／ｈ］における、発電コイル１の誘起電圧の変化は、全体の１０％程度と計算できる。

その結果、一般的な発光ダイオードの順方向電流対輝度特性においては、ペダルクランク軸の回転速度の変化による発光輝度の変化は、おおよそ１０％程度と計算できる。

図７は本発明による発電装置を、発光素子の点灯用電源として具備した自転車用ペダルの分解斜視図である。１から５は本発明による発電装置であり、発光素子１２は回路基板１３を介し発電コイル１に接続する。反射板１４は発光素子１２の光の透過と外来光の反射、発光部の防水と防塵を行う。発光部はペダル主体６の前面と後面に１組ずつ設ける。

図８は本発明による発電装置を、発光素子の点灯用電源に適用する場合の電気回路図の例である。発電コイル１のコア断面積とコイル巻数は、負荷である発光素子１２の特性に応じて適切に選定し、発光素子１２は現在において、発光ダイオードが最適である。

回転磁石２の磁極数を２で割った値が、ペダルクランク軸１回転につき発光する回数となり、４極の場合ならば２回発光する。誘起する電圧の極性は、磁極が近づく時と遠ざかる時で逆になるので、発光素子１２は図のように互いに逆極性に接続すれば、同時には点灯しないから、１個ぶんの供給電流で点灯できる。

図９（ａ）は本発明において、回転磁石２の中央穴に係合用凸部を設ける方法の例を示す分解斜視図である。回転磁石２の中央穴に、係合用凸部を形成した樹脂製の係合部材１０を密に嵌入し、または嵌入後接着して一体の部品とする。これにより、単なる環状の既製品磁石を利用できること、支持軸４との摩擦係数が低減し、耐久性と発電効率が向上すること、機械的衝撃力に弱いフェライト磁石の角部が欠けるのを防止できる利点がある。図９（ｂ）は、回転磁石２に係合部材１０を装着した状態を示す斜視図である。

図１０は、回転磁石２の支持方法と回転及び回動構造の、図３（ａ）と異なる例の分解斜視図である。図において、ナット９と密に嵌合する六角形の凹部を設けた支持軸４を、ナット９に嵌挿する。回転磁石２と樹脂製の係合部材１１は、１１の軸部を２の中央穴に嵌入または接着して一体とした後、係合部材１１の軸部中空部を支持軸４に遊挿する。

さらにブッシング５を支持軸４の軸部中空部に嵌入し、回転磁石２の脱落を防ぐ。支持軸４の軸部寸法は、回転磁石２と係合部材１１が自由に回動できるように設定し、係合部材１１の支持軸４と接する面には、係合のための円弧状長穴を１箇所以上設ける。

支持軸４の係合部材１１と接する面には、回転運動を伝達するための１箇所以上の円柱状凸部を、係合部材１１に設けた円弧状長穴の端部と係合する位置に設ける。従って、回転磁石２は支持軸４の周りを、係合部が係合しない範囲で回動することができる。

図１１は制動磁石３を設ける、他の方法を示す配置図である。図１１（ａ）は、発電コイル１のコアの一部を、制動磁石３により置き換えた例である。図１１（ｂ）は、発電コイル１のコア自体を着磁して磁石とし、コアが制動磁石３を兼ねる例である。共に磁気飽和をしやすい反面、少ない取り付けスペースと部品で構成できる利点がある。

図１１（ｃ）は、制動磁石３をペダル主体６に対し横方向に配置し、上下方向の寸法を節約した例である。図１１（ｄ）は、制動磁石３を４個設けた例である。

図１２は制動磁石３の、配置の変形例を示す配置図である。図１２（ａ）は、２極の回転磁石２に対し、制動磁石３を発電コイル１の磁気回路内に設けた例である。図１２（ｂ）は、８極の回転磁石２と、４個の制動磁石３を設け、発電回数を４回にした例である。

回転磁石２の極数が多ければ、１回転あたりの発電回数も増えるが、逆に鎖交磁束数が減少するため、得られる誘起電圧は低くなる。従って、極数は磁石材料の磁気的性能と、他の諸条件を考慮し設定するが、実用としては４極程度が妥当と考えられる。

以上の発展型として、さらに磁極数を増やして発電回数を多くしたい場合、例えば１２極、１６極などとしたい場合、あるいはより高い電圧を得たい場合、エネルギー積の大きい希土類磁石を使用する方法が考えられる。ただし材料が高価であることと、保持力が弱い場合、減磁により性能が劣化する可能性がある。また、制動磁石３はその配置や磁極の向きにもよるが、ヨークを併用して磁界強度を向上させる方法などが考えられる。

図１３は、本発明による発電装置を具備した自転車の部分外観図である。運転者がペダルクランク軸１６を回転させると、ペダル主体６は常に地面に対して概ね平行な状態であるのに対し、ペダル軸７はクランクアーム１５を介してペダルクランク軸１６に固定されているため、ペダル軸７は空間と地面に対して回転する。従ってペダル軸７はペダル主体６に対して回転し、その結果、回転磁石２が発電コイル１に対し間欠回転し発電を行う。

このように、負荷への電力供給が間欠的でよい用途には、本発明は極めて相性が良い。その他の利点として、回転方向を選ばないので、仮にペダルクランク軸を逆回転させても問題なく作動すること、増速機構を使用しないので、急加速、急減速、急逆転をしても機構部に負担がかからないことなどがある。

本発明による発電装置をペダルへ搭載した状態を示す分解斜視図である。 本発明による発電装置の基本構造の例を示す分解斜視図である。 本発明の、回転磁石２の回動構造の例を示す分解斜視図である。 本発明の、回転磁石２とペダル軸７の関係を示す側面図である。 本発明による発電装置の、発電の過程を示す動作説明図である。 本発明の、回転磁石２の角速度を計算するための模式図である。 本発明による発電装置を具備した自転車用ペダルの分解斜視図である。 本発明を発光装置の電源として適用する例の電気回路図である。 本発明の、回転磁石２に凸部を設ける方法を示す斜視図である。 本発明の、回転磁石２の他の回動構造例を示す分解斜視図である。 本発明の、制動磁石３を設ける方法の例を示す配置図である。 本発明の、制動磁石３の配置の変形例を示す配置図である。 本発明による発電装置を具備した自転車の部分外観図である。

符号の説明

１ 発電コイル
２ 回転磁石
３ 制動磁石
４ 支持軸
５ ブッシング
６ ペダル主体
７ ペダル軸
８ 密閉ふた
９ ナット
１０ 係合部材
１１ 係合部材
１２ 発光素子
１３ 回路基板
１４ 反射板
１５ クランクアーム
１６ ペダルクランク軸

Claims (5)

1. 自転車用ペダルの、足を載せる部分（以下ペダル主体という）と、前記ペダル主体を支持する軸（以下ペダル軸という）が、相対回転自在な構造の自転車用ペダルに具備する発電装置であって、
   前記ペダル主体に配設する電力発生用の電気コイル（以下発電コイルという）と、
   前記発電コイルに対し回転可能に配置、支持される磁石（以下回転磁石という）と、
   前記回転磁石に対し磁界を形成し、前記回転磁石の回転を制動するための磁石（以下制動磁石という）を備え、
   前記回転磁石は、前記ペダル軸との間に設けた係合構造を介して、前記ペダル軸と連動して前記発電コイルに対し回転可能であり、かつ、前記回転磁石は前記ペダル軸に対し回動可能な構造であって、
   前記ペダル軸が前記ペダル主体に対し回転すると、
   前記ペダル軸の回転を動力源として、
   前記回転磁石が前記制動磁石の磁界による制動力に逆らって、
   前記回転磁石が前記発電コイルに対し回転する第１期間、
   前記制動磁石の磁界との間に働く吸引反発力を動力源として、
   前記回転磁石が前記発電コイルに対し回転する第２期間、
   前記制動磁石の磁界による制動力により、
   前記回転磁石が前記発電コイルに対し静止している第３期間、
   の三つの期間で１回の発電サイクルを構成し、
   前記ペダル軸が前記ペダル主体に対し連続回転すると、前記回転磁石が前記発電サイクルによる間欠回転を繰り返すことを特徴とする、自転車ペダル用発電装置。
2. 前記制動磁石は、前記発電コイルのコアの一部または全部を磁石に置き換えたものである、請求項１記載の自転車ペダル用発電装置。
3. 前記制動磁石は、前記発電コイルのコア自体に着磁をして磁石にしたものである、請求項１記載の自転車ペダル用発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の自転車ペダル用発電装置を具備した自転車用ペダル。
5. 請求項１〜３のいずれか１項記載の自転車ペダル用発電装置を具備した自転車。

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