JP2006290315A - 自転車用タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のタイヤと従来の自転車用発電機の組み合わせでは、発電機の軸部がタイヤ側面に接触して回転する方式の場合、発電機を押し付ける力によってタイヤが部分的に変形し、その変形に伴う機械的なエネルギー損失がタイヤの回転を妨げる抵抗力として作用し、運転者の負担を増加させる一因となっていた。
【解決手段】 タイヤの側面に、ゴム磁石などの柔軟性のある磁石材料を用いて磁極を設ける。磁極に対向する位置に近接して発電コイルを設置し、タイヤ側面の磁極と発電コイルの組み合わせによる発電機構を構成する。タイヤ自体を発電装置の構成部品とすることで、機械的な動力伝達機構を省き、エネルギーの損失を低減させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、乗り物である自転車の、タイヤの構造と化学的組成に関し、関連して発電装置、前照灯それぞれの構造にも関する。

公道を走行する自転車には、夜間の安全のため多くの場合、前照灯と発電機が具備される。従来技術における自転車用発電機として、タイヤ側面またはリム側面に発電機の回転軸ローラーを接触させ、摩擦により駆動する方式のもの（例えば特許文献１参照）が多く普及している。あるいは、ハブ軸部分に発電機構を組み込んだ方式のものもある。

従来のタイヤと組み合わせて使用されている従来の発電機の構造は、例えばタイヤ側面に回転軸ローラーが接触する方式の場合、回転軸と共に発電機内部の永久磁石回転子が固定コイルに対して回転し、誘導起電力を生ずるしくみになっている。多くの場合、発電が不要な時にタイヤから接触を離すための回動機構と、回転軸ローラーをタイヤに押し付けるためのバネ部品が付随して設けられている。

特開平０７−０６６６８３号公報

従来のタイヤの働きは、推進、制動、穏衝などの走行に伴う機械的な役割を担うものであり、発電という電磁気的な役割は、タイヤとは別に設けた発電機が担っていた。そのためタイヤと発電機の間には、なんらかの機械的な動力伝達部が介在していた。

従来の例えばタイヤ側面に接触する方式の発電機では、発電機を押し付ける力によってタイヤが部分的に変形することで、機械的な損失が生じていた。損失はタイヤの回転を妨げる抵抗力として作用し、運転者の負担を増加させるという問題があった。加えて発電機を使用しないときに、接触部をタイヤから離すための回動機構が必要であった。

そこで本発明は、機械的な可動部分や動力伝達機構を極力排除した発電機構の構成を可能にするため、従来の機械的な役割に加え、新たに電磁気的な役割を併せ持つ自転車用タイヤを提供することを課題とする。

本発明では、これまで機械的な役割に限られていたタイヤに電磁気的な役割を付加し、タイヤ自体も発電装置の構成要素とすることで前記課題を解決する。具体的には、タイヤ側面に直接、タイヤと同程度に変形が可能な柔軟性を有する磁石材料（可どう性磁石）による磁性材質部を設け、多数の磁極を形成する。一方で自転車本体には、タイヤに形成された磁極に近接する位置に発電コイルを設置し、タイヤの回転により磁極が移動すると、発電コイルに誘導起電力を生じる発電機構を構成する。

柔軟性を有する磁石（可どう性磁石）材料としてはゴム磁石、プラスチック磁石などに代表されるボンド磁石の使用が考えられる。これらは、フェライトなどの磁性体粉末をゴム、またはプラスチック樹脂等のバインダ材と混合し、成形、着磁したもので、今日では様々な用途に広く使用され、身近な例では冷蔵庫のドアパッキンがよく知られている。

本発明による自転車用タイヤに、発電コイルを組み合わせることにより、タイヤに機械的に接触しない発電機構が構成できる。本発明による自転車用タイヤは、発電コイルと磁気的に結合しているだけであるから、従来の機械的なエネルギー損失を原因とする運転者の負担が軽減される。タイヤは本来回転するものであるが、タイヤが回転すること以外に可動部分が無く、構造がシンプルで耐久性や信頼性が向上するなどの利点がある。

本発明による自転車用タイヤを使用した発電機構は、過去に生産された、あるいは現在生産されている多くの自転車本体、車輪リム、スポーク、ハブ軸等の基本構造に変更を加えること無く、そのまま適用が可能である。新規に製造出荷される新車はもちろん、従来の発電機を備えた使用中の自転車においても、多くの場合タイヤの交換と発電コイルの取り付けにより、本発明によるタイヤを使用した発電機構に移行することができる。

従来の発電装置を使用している自転車ユーザーにおいても、タイヤの接地面は走行によって磨耗し、経年劣化もするからいずれは交換時期をむかえる。従って新しいタイヤに交換する際に、本発明によるタイヤを使用した発電機構に移行すれば経済的である。

本発明による自転車用タイヤを用いた発電機構は、構成部品がタイヤ面に接触しないので、雨天時の未舗装道路のような状況下でも動作に影響を受けにくい利点がある。また、後輪に適用すると、テールライトなどの点灯用電源として応用することができ、電池が不要になるなどの利点がある。

本発明による自転車用タイヤの構造を図１から図４に従い説明する。図１は、本発明による自転車用タイヤの側面図である。図はタイヤ全体の約４分の１の範囲を表す。タイヤ１において外側の弧線が接地部を表し、内側の弧線がリムに接するビード部を表す。タイヤは実際の使用時にはリムに装着するが、図はタイヤのみを表すものである。

タイヤ１の側面に、タイヤ１と同程度に変形が可能な柔軟性を有する、磁性材質部２を設ける。磁性材質部２の材料としては、安価なフェライト磁性体粉末と、タイヤ１の材料に近い合成ゴムのバインダ材を主成分とするゴム磁石などの例が考えられる。

磁性材質部２の面積と、そこに蓄えられる磁気エネルギーは、発電により得られる電力に直接関係する。磁性素材部２の形状は、図の例では全周にわたり連続していて全体としてリング状であるが、他の形状としてオフロード用タイヤ等では、トレッドパターンの機能を兼ねて、磁極ごとにブロック状に分割して設ける方法も考えられる。

図２は、本発明による自転車用タイヤの図１におけるＡ−Ａ線の断面図である。図の上側が接地部、下側の直線部がリムに接するビード部を表す。タイヤ１の片側または両側に磁性材質部２を設ける。磁性材質部２の厚さは、発電に必要な磁界強度が得られ、かつフォークやステーに接触しないよう、３から５ミリメートル程度が適当と思われる。

磁性材質部２の側面は平面で図示されているが、実際にはタイヤ１の輪郭に沿った曲面にする方法もある。表面は必ずしも図のようにタイヤ面から一段高く出ている必要は無いが、製造上の都合からこのようになる可能性が高いと考えられる。また、一般にタイヤ１の内部や内側には補強用の繊維や鋼線が入っているものが多いが、図では省略した。

タイヤ１に磁性材質部２を設ける第一の方法例は、タイヤ１の製造における射出成形工程で、成形用金型の磁性材質部２になる部分には磁石材料を、他の部分には通常のタイヤ１の材料を充填し、１と２双方を一体として成形する。１と２の境界部分は、双方の材料の親和性により接合される。また、磁性体の種類によっては、成形を磁界中で行う。

例えば第二の方法は、磁性材質部２の部分を別に作り、タイヤ１の側面にあとからなんらかの方法で固着する。固着の方法としては、接着剤、超音波溶着、高周波溶着などの利用が考えられる。この方法では、磁性材質部２の部分は固着の段階でまだ着磁がなされていないもの、すでに着磁がされて磁石になっているもの、の二通りがある。

本発明による自転車用タイヤには、最終的に着磁処理を行い複数の磁極を設ける。図３は、本発明による自転車用タイヤに磁極を設けた状態を示す側面図である。タイヤ１側面の磁性材質部２に、全周にわたり数十個程度の磁極２ａを形成する。結果的にタイヤ１の側面は多極のリング磁石のようになる。磁極２ａは実際には目視できず、明確な境界や輪郭が無いので、２点鎖線により概念として表す。

隣接する磁極間距離ｄの値は、タイヤの直径とは無関係に一定の範囲内の値として、国際的に統一されると都合が良い。適当な値、例えば４センチメートル（または１と２分の１インチなど）を基準値として定め、その基準値に近い磁極間隔になるように磁極数を設定する。磁極数は一般に自然数の偶数なので、例えば直径２６インチのタイヤで４８極、２０インチで３６極、１６インチで２８極などとする例が考えられる。

図４は、本発明による自転車用タイヤに磁極を設けた状態の、図３におけるＡ−Ａ線の断面図である。図の上側が接地部、下側の直線部がリムに接するビード部を表す。磁極２ａは図のように厚さ方向に磁化し、矢印は磁力線の概念を簡単に視覚的に示す。

図１０と図１１に、本発明による自転車用タイヤに磁極を設ける方法の例を示す。図１０は、本発明による自転車用タイヤに着磁を行う方法の概要図である。タイヤ１の両側面から、磁性材質部２に対し強い磁界を加え着磁を行う。電源１３から着磁装置１０の励磁コイル１１に大電流を供給し、着磁ポール１２のギャップ部に磁界１４を発生させる。

図１１は、本発明による自転車用タイヤに着磁を行う装置の例の概要図である。図は２６インチサイズで磁極数を４８に設定し、１本のタイヤの全磁極を２回に分けて着磁を行う。着磁装置１０はタイヤ１のサイズにあわせ、放射状に設けた上下それぞれ２４極の着磁ポール１２により磁気回路が構成され、中央には励磁コイル１１が巻いてある。

まず、着磁ポール１２のギャップ部にタイヤ１を装填し、励磁コイル１１に瞬間的に大電流を供給して１度目の着磁を行う。すると磁性材質部２に、１５度間隔で２４の磁極が形成される。次にタイヤ１の上下を反転し、角度を７．５度回転させて装填する。再び励磁コイル１１に電流を供給し、２度目の着磁を行う。以上でタイヤ１側面の磁性材質部２には、円周上に７．５度の間隔で、４８の磁極がＮ極とＳ極が交互に形成される。

また、機械的にタイヤ１の上下を反転するかわりに、励磁コイルに供給する電流の極性を反転させる方法も考えられる。

図５から図８に、本発明による自転車用タイヤを使用した、発電機構の実施例を示す。図５と図６に、本発明による自転車用タイヤを使用した発電機構の、基本的な発電原理を示す。図５はタイヤの接地面（トレッド面）側から見た状態を示す概要図で、図６はタイヤの横断面を見た状態を示す概要図である。

図５と図６において、タイヤ１側面の、磁性材質部２と向きあう位置に、発電コイル３を近接して置く。発電コイル３に対してタイヤ１が回転すると、磁極２ａの移動に伴い発電コイル３の鉄心を通過する磁束が変化し、誘導起電力を生ずる。

図７は、本発明による自転車用タイヤと組み合わせて発電装置を構成するための、発電コイル一体型前照灯の具体例の、構造を示す斜視図である。

図７において発電コイル３は、積層珪素鋼板などを材料とする鉄心に線材を巻いたもので、外部からの磁束と鎖交することで誘導起電力を発生し、負荷の発光ダイオードへ電力を供給する。回路基板４は、白色発光ダイオード７とその点灯に必要な整流回路等をまとめたものである。前照灯ケース５は各部品を防水および保護するもので、発電コイル３の鉄心に出入りする磁束が通過できるように、プラスチック等の非磁性材料を用いる。

発電コイル３と他の前照灯の部品は、必ずしも同一のケースに収める必要はないが、このように一体化すると安価に生産でき、従来の発電機とそのまま置き換えが可能で利便性が良く、図のような形状例とした。なお、発電コイル３だけを前照灯と分離して設置するときは、コイルと鉄心全体を樹脂でモールドするなどして防水処理を行う。

図８は、本発明による自転車用タイヤを具備した自転車の、発電コイル一体型前照灯と組み合わせた発電機構近傍を前方から見た外観図である。タイヤ１側面の磁性材質部２と向かい合って、前照灯ケース５内の発電コイル３が位置するように、接触しない程度の間隙をあけて、発電コイル一体型前照灯を自転車のフロントフォーク６に設置する。

図９は、本発明による自転車用タイヤを具備した自転車の、発電コイル一体型前照灯と組み合わせた発電機構近傍を側方から見た外観図である。タイヤ１が回転すると、タイヤ１側面の磁性材質部２の磁極２ａから出る磁束が、前照灯ケース５内部の発電コイル３と鎖交して誘導起電力を生じ、白色発光ダイオード７を点灯させる。また、夜間のみ点灯させたいときは、照度センサと半導体素子などによるスイッチ回路を設ける。

本発明による自転車用タイヤの側面図。 本発明による自転車用タイヤの図１におけるＡ−Ａ線断面図。 本発明による自転車用タイヤの磁極の状態を示す側面図。 本発明による自転車用タイヤの図３におけるＡ−Ａ線断面図。 本発明による自転車用タイヤを使用した発電機構の原理を示す概要図。 本発明による自転車用タイヤを使用した発電機構の原理を示す概要図。 本発明による自転車用タイヤと共に使用する前照灯の構造を示す斜視図。 本発明による自転車用タイヤを具備した自転車の、発電機構の前面外観図。 本発明による自転車用タイヤを具備した自転車の、発電機構の側面外観図。 本発明による自転車用タイヤへの着磁方法の概要図。 本発明による自転車用タイヤへの着磁装置の概要図。

符号の説明

１ タイヤ
２ 磁性材質部
２ａ 磁極
３ 発電コイル
４ 回路基板
５ 前照灯ケース
６ フロントフォーク
７ 白色発光ダイオード
１０ 着磁装置
１１ 励磁コイル
１２ 着磁ポール
１３ 電源
１４ 磁界

Claims (6)

1. タイヤ（１）に、粉末状磁性体を磁性材料に用いた磁性材質部（２）を設けて成る、自転車用タイヤ。
2. タイヤ（１）に、粉末状磁性体を磁性材料に用いた磁性材質部（２）を設け、複数の磁極（２ａ）を形成して成る、自転車用タイヤ。
3. タイヤ（１）に、ゴム磁石による磁性材質部（２）と複数の磁極（２ａ）を設けて成る、自転車用タイヤ。
4. タイヤ（１）に、プラスチック磁石による磁性材質部（２）と複数の磁極（２ａ）を設けて成る、自転車用タイヤ。
5. タイヤ（１）に、軟質の磁性材質部（２）を設けて成る、自転車用タイヤ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の自転車用タイヤを具備した自転車。

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