JP2019001191A - 自転車用点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自転車サドルの振動を利用しつつ、発光素子を高い輝度で発光させることのできる自転車用点灯装置を提供する。【解決手段】 自転車用点灯装置１０１は、基台１と、圧電素子振動板３と、弾き用歯車５と、ラック歯車７と、ピニオン歯車９と、発光素子１１と、を備えている。基台１は、自転車サドルのサドルレールに取り付けられている。圧電素子振動板３は、板状の基材の主面に板状の圧電素子が接合された構造を有し、基台１に基端部が支持されている。ラック歯車７はサドルの底面に固定されている。サドルが振動すると、ラック歯車７に噛み合うピニオン歯車９が正逆方向に回転する。この回転は、弾き用歯車５に伝えられる。弾き用歯車５は、回転するのに伴って、圧電素子振動板３の先端部を弾く。弾かれて振動する圧電素子振動板３に発生する起電力が、発光素子１１に供給される。【選択図】 図２

Description

本発明は、自転車サドルの振動を利用した自転車用点灯装置に関する。

従来、この種の自転車用点灯装置として、同一出願人による特許文献１に記載されるものが知られている。特許文献１に記載される従来装置は、自転車サドルの上面などに圧電素子フィルムを配設し、運転者の体重によりサドルに加わる押圧力の変動により、圧電素子フィルムを反復的に曲げ変形させ、それにより起電力を得て、サドルの前面及び背面に設置したＬＥＤを点灯させるように構成されている。

しかし、この従来装置は、ＬＥＤを点灯させることはできるものの、通常走行時において、ＬＥＤを十分な輝度をもって反復的に点灯させるほどに十分に高い電圧を、圧電素子フィルムから得ることはできない、という問題点があった。

特許第６０８２８６３号公報

本願発明者は、柔軟な圧電素子フィルムに、緩やかに曲げ変形を加えたときよりも、圧電素子振動板の基端部を固定し、先端部を弾（はじ）いたときに、より高い電圧が発生することに着目し、圧電素子振動板を、自転車サドルの振動に伴い、弾く（はじく）ように構成することができるならば、高い電圧が得られるに相違ない、との着想を得た。そして、この着想に沿って、自転車サドルの振動を、圧電素子振動板を弾く動きに変換する様々な機構を試作し、ＬＥＤの輝度を確認する、という試行錯誤を行った結果、特許文献１に記載の従来技術をはるかに超える十分な輝度により、発光素子を発光させることに成功した。圧電素子振動板は、ステンレス鋼などの板状基材の片面又は両面に、板状の圧電素子が接合された構造を有しており、「振動発電素子」の名称で市販されている周知の発電用素子であり、振動させることにより発電する。

本発明は本願発明者のかかる試行錯誤の結果により得られたものであり、自転車サドルの振動を利用しつつ、発光素子を高い輝度で発光させることのできる自転車用点灯装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明のうち第１の態様によるものは、自転車に取り付けて使用される自転車用点灯装置であって、圧電素子振動板と、弾き（はじき）部材と、伝達機構と、発光素子と、を備えている。圧電素子振動板は、板状の基材の主面に板状の圧電素子が接合された構造を有し、基端部が支持されている。弾き部材は、前記圧電素子振動板の先端部を弾く部材である。伝達機構は、自転車フレームに相対的な前記自転車サドルの上下の動きを拡大して、前記弾き部材に機械的に伝達する。発光素子は、前記圧電素子振動板に電気的に接続され、当該圧電素子振動板の起電力により点灯する。

この構成によれば、自転車サドルの上下の動きは微小であるものの、伝達機構により動きが拡大された上で、圧電素子振動板の先端部が弾かれるので、発光素子が十分に高い輝度で点灯するのに足りる高い起電力を、圧電素子振動板により得ることができる。なお、「自転車フレーム」は、高さ調整が可能なサドル支柱、サドル支柱に固定されるサドルレールなど、本来の自転車フレームに固定された部材をも含む用語として用いる。

本発明のうち第２の態様によるものは、第１の態様による自転車用点灯装置であって、前記弾き部材として、前記圧電素子振動板の前記先端部を、歯により弾くように配置された弾き用歯車を備えている。前記伝達機構は、一組のラック・ピニオン歯車と、回転伝達機構と、を有している。一組のラック・ピニオン歯車は、前記自転車フレームに相対的な前記自転車サドルの上下の動きを、回転運動に変換する。回転伝達機構は、前記一組のラック・ピニオン歯車を構成するピニオン歯車の回転を、前記弾き用歯車に伝える。

この構成によれば、簡素な構造により、発光素子を十分に高い輝度で点灯させることのできる伝達機構が実現する。

本発明のうち第３の態様によるものは、第２の態様による自転車用点灯装置であって、前記弾き用歯車は、前記ピニオン歯車よりも大径であり、前記回転伝達機構は、前記ピニオン歯車と前記弾き用歯車とを直結し、前記ピニオン歯車の回転を同一回転速度で前記弾き用歯車に伝達する。

この構成によれば、さらに簡素な構造により、発光素子を十分に高い輝度で点灯させることのできる伝達機構が実現する。

本発明のうち第４の態様によるものは、第２の態様による自転車用点灯装置であって、前記回転伝達機構は、ゼンマイと、巻き上げ機構と、駆動機構とを有する。巻き上げ機構は、前記ピニオン歯車の回転により、前記ゼンマイを巻き上げる。駆動機構は、巻き上げられた前記ゼンマイの復元力により、前記弾き用歯車を回転させる。

この構成によれば、ピニオン歯車の回転が、まずゼンマイの巻き上げに利用され、巻き上げられたゼンマイの復元力により、弾き用歯車が回転する。しかも、弾き用歯車が圧電素子振動板から受ける抵抗力により、ゼンマイは緩やかに巻き戻される。従って、自転車サドルの上下の動きが、断続的であるなど、一定しない場合であっても、発光素子を比較的均一な周期で点灯させることができる。

本発明のうち第５の態様によるものは、第４の態様による自転車用点灯装置であって、前記回転伝達機構は、前記ゼンマイの巻き戻しの速度を緩和する調速機構を、さらに有する。

この構成によれば、調速機構により、ゼンマイがさらに緩やかに巻き戻される。従って、自転車サドルの上下の動きが、比較的長い期間にわたって途絶えることあっても、発光素子を比較的均一な周期で点灯させることができる。

以上のように本発明によれば、自転車サドルの振動を利用しつつ、発光素子を高い輝度で発光させることのできる自転車用点灯装置が実現する。

本発明の一実施の形態による自転車用点灯装置の構成を示す側面図である。 図１の自転車用点灯装置の概略構成を示す斜視図である。 図１の自転車用点灯装置の構成を示す上面断面図である。 図１の自転車用点灯装置の電気的構成を示す回路図である。 本発明の別の実施の形態による自転車用点灯装置の構成を示す上面断面図である。

図１は、本発明の一実施の形態による自転車用点灯装置の構成を示す側面図である。図１において、装置の構成を明瞭に示すために、サドルは断面図により表現している。図２は、図１の自転車用点灯装置の概略構成を示す斜視図である。また、図３は、図１の自転車用点灯装置の構成を示す上面断面図である。この自転車用点灯装置１０１は、基台１、圧電素子振動板３、弾き（はじき）用歯車５、ラック歯車７、ピニオン歯車９、発光素子１１を有している。

自転車サドル１３は、自転車フレームに対し高さ調整が可能なサドル支柱１５に取り付けられたサドルレール（舟線）１７と、一対のスプリング１９とに支持されている。サドルレール１７は、略「逆Ｖ字」状を成すように、前方から後方へ向かって、左右に開いたパイプであり、サドル支柱１５の上端部に、ネジ止めにより固定される。サドルレール１７の前端部は、サドル１３の前部底面に連結されている。一対のスプリング１９は、サドルレール１７の後端部に下端部がネジ止めされ、サドル１３の後部底面に上端部が固定されている。

自転車用点灯装置１０１の基台１は、一例としてサドルレール１７に固定される。図示の例では、基台１は、サドルレール１７の二股に分かれた部分を互いに連結する前後２本の連結部材２１、２３に、例えばネジ止めにより固定されている。連結部材２１、２３は、例えば金属製である。ラック歯車７の上端部は、固定部材２５を介して、サドル１３に固定されている。固定部材２５は、一例として断面「Ｌ字」状に屈曲した板状金具であり、略水平な平坦部はサドル１３の底面に、例えばネジ止めにより固定され、略垂直な平坦部は、ラック歯車７の上端部に、例えばネジ止めにより固定される。図示の例のように、ラック歯車７は、上端から下端までの全長のうち、一部にのみ歯列が形成されていてもよい。

ピニオン歯車９は、ラック歯車７に噛み合う平歯車であり、基台１に回転自在に軸支されている。ラック歯車７は、基台１に形成された凹部２７に案内されることにより、ピニオン歯車９との噛み合いが保持される。自転車の使用者がサドル１３に跨がり、自転車を運転するときには、使用者の上半身の上下の揺れに伴い、サドル１３が上下に振動する。ピニオン歯車９はサドルレール１７に固定された基台１に支持されるので、サドル１３の上下振動は、ラック歯車７を介して、ピニオン歯車９の正逆方向の回転に変換される。

基台１には、帯板状の圧電素子振動板３の基端部が固定されている。すなわち、圧電素子振動板３は、片持ち梁（カンチレバー）の形態を成すように基台１に支持されている。弾き用歯車５は、圧電素子振動板３の先端部を弾くための歯車であり、歯列が形成された周面が、圧電素子振動板３の先端部に向き合うように配置されている。弾き用歯車５は、例えば回転軸２９により、ピニオン歯車９に連結されており、ピニオン歯車９と同一回転速度で回転する。弾き用歯車５は、ピニオン歯車９よりも、径が大きく設定される。それにより、サドル１３の微小な上下振動が、弾き用歯車５の歯列に、周方向に沿った大きな動きとなるように拡大して伝えられる。すなわち、サドル１３の微小な上下振動により、圧電素子振動板３の先端部が、大きく弾かれる。従って、圧電素子振動板３が弾かれる度に、大きな電力が生成される。圧電素子振動板３は、一旦弾かれると、振幅が減衰しながらも、振動がある期間にわたって継続する。振動が続く間は、振幅に応じた大きさの電力が反復的に生成される。

圧電素子振動板３が生成する電力は、発光素子１１に供給される。発光素子１１は、一例として発光ダイオードであり、図示の例では、基台１の後部壁に取り付けられている。圧電素子振動板３が弾かれる度に、発光素子１１が点灯する。圧電素子振動板３の振動の周波数は高いので、圧電素子振動板３が振動している間は、発光素子１１は点灯しているように視認される。

図４は、自転車用点灯装置１０１の電気的構成を示す回路図である。例示する圧電素子振動板３では、例えばステンレス鋼などの板状の基材３１の両主面に、例えばセラミクス製である板状の圧電素子３３，３５が接合されており、これら圧電素子３３，３５の表面に、金属製等の電極３７，３９が接合されている。圧電素子振動板３に、正逆方向に曲げ変形が加わると、圧電素子３３，３５は正逆方向に起電力を生じる。従って、圧電素子振動板３が弾かれ、振動を起こすと、圧電素子３３，３５は交流の起電力を生じる。交流の起電力は、整流回路４０により整流され、発光素子１１に印加される。整流回路４０は、例えば、４個のダイオードを有するダイオードブリッジ回路である。図１〜図３には、整流回路４０及び電気配線の図示を略している。

以上のように、自転車用点灯装置１０１では、サドル１３の微小な動きにより、圧電素子振動板３が大きく弾かれるので、発光素子１１を十分に高い輝度で点灯させることができる。自転車用点灯装置１０１を試作し、試験走行を行った結果、平坦な舗装道路上を走行するときでも、発光ダイオードである発光素子１１を、十分に点灯させることができることが確認された。

図５は、本発明の別の実施の形態による自転車用点灯装置の構成を示す上面断面図である。この自転車用点灯装置１０２は、ピニオン歯車９と弾き用歯車５との間に、ゼンマイ４７に機械的エネルギーを蓄積する動力蓄積機構４２が介在している点で、自転車用点灯装置１０１とは異なっている。ピニオン歯車９の回転は、一方向のみが歯車４１に伝達される。より具体的には、ピニオン歯車９の回転軸は、図視略のラチェット機構により、一方向の回転のみを歯車４１に伝達し、逆方向には歯車４１に対し自由に回転する。

歯車４１の回転は歯車４３に伝えられる。歯車４３は、ラチェット機構４５により、逆戻りの回転が制止される。歯車４３の回転は、渦巻き状のゼンマイ４７の中心軸５１に伝えられる。それにより、ゼンマイ４７が一方向に巻き上げられる。ゼンマイ４７の中心軸５１は、ラチェット機構４５により、巻き戻り方向の回転が制止される。ゼンマイ４７は、一例として図示の通り、ケース４６に収納されている。ケース４６は、基台１の一部であるケース支持用の柱４８に支持されている。ラチェット機構４５は、ケース４６に取り付けられている。

ゼンマイ４７の外周端５０は、歯車５３に連結されており、ゼンマイ４７を巻き戻そうとする復元力は、ゼンマイ４７の外周端５０により歯車５３に伝えられる。歯車５３の回転は、歯車５５に伝えられ、さらに、歯車５５に直結する弾き用歯車５に伝えられる。好ましくは図示の通り、歯車４１は歯車４３よりも径が大きく設定される。それにより、サドル１３の微小な動きにより、ゼンマイ４７が大きく巻き上げられる。さらに好ましくは図示の通り、歯車５３は、歯車５５よりも径が大きく設定される。その結果、弾性復元力により巻き戻される、ゼンマイ４７の僅かな回転の動きが、拡大されて弾き用歯車５に伝えられる。

弾き用歯車５には、さらに歯車５７が直結している。歯車５７には歯車５９が噛み合っており、歯車５９には、空気の抵抗により回転を抑制する羽根車６１が直結している。羽根車６１は、空気抵抗を利用して、ゼンマイ４７が一気に巻き戻されることなく、緩やかに巻き戻されるようにするために設けられる。好ましくは図示の通り、歯車５７は、歯車５９よりも径が大きく設定される。このため、羽根車６１に加わる空気抵抗により、ゼンマイ４７の巻き戻しが、効果的に抑制される。

ゼンマイ４７に蓄積された機械的エネルギーが、羽根車６１によって損失を生じないように、羽根車６１に代えて、例えば、ゼンマイ式腕時計・置き時計に使用されるテンプを用いても良い。また、羽根車６１が無くとも、弾き用歯車５には圧電素子振動板３から抵抗力が付加されることから、ゼンマイ４７の巻き戻しの速度は、ある程度緩和される。ゼンマイ４７を巻き上げる機構、及びゼンマイ４７の復元力により、弾き用歯車５を回転させる駆動機構は、ゼンマイ式の腕時計・置き時計・オルゴール・おもちゃなどに使用される周知の技術であることから、より詳細な説明は略する。

自転車用点灯装置１０２は、以上のように、ピニオン歯車９の回転が、まずゼンマイ４７の巻き上げに利用され、巻き上げられたゼンマイ４７の弾性復元力により、弾き用歯車５が回転する。ゼンマイ４７の巻き戻しの速度は緩やかであるので、サドル１３の上下の動きが、断続的であるなど、一定しない場合であっても、発光素子１１を比較的均一な周期で点灯させることができる。

（その他の実施の形態）
（１）自転車用点灯装置１０１，１０２では、基台１はサドルレール１７に固定された。これに対して、基台１を、サドルレール１７以外の部位、例えばサドル支柱１５に固定しても良い。さらには、基台１をサドル１３に固定し、ラック歯車７をサドルレール１７、サドル支柱１５などに固定してもよい。

（２）発光素子１１は、基台１の前方壁など、自転車の前方から見える部位に設置しても良く、後方と前方の双方に設置しても良い。あるいは、発光素子１１を、自転車のハンドルなど、他の部位に設置してもよい。

１ 基台、 ３ 圧電素子振動板、 ５ 弾き（はじき）用歯車、 ７ ラック歯車、 ９ ピニオン歯車、 １１ 発光素子、 １３ 自転車サドル、 １５ サドル支柱、 １７ サドルレール（舟線）、 １９ スプリング、 ２１、２３ 連結部材、 ２５ 固定部材、 ２７ 凹部、 ２９ 回転軸、 ３１ 基材、 ３３，３５ 圧電素子、 ３７，３９ 電極、 ４０ 整流回路、 ４１ 歯車、 ４２ 動力蓄積機構、 ４３ 歯車、 ４５ ラチェット機構、 ４６ ケース、 ４７ ゼンマイ、 ４８ 柱、 ５０ 外周端、 ５１ 中心軸、 ５３ 歯車、 ５５ 歯車、 ５７ 歯車、 ５９ 歯車、 ６１ 羽根車、 １０１，１０２ 自転車用点灯装置。

Claims (5)

1. 自転車に取り付けて使用される自転車用点灯装置であって、
   板状の基材の主面に板状の圧電素子が接合された構造を有し、基端部が支持された圧電素子振動板と、
   前記圧電素子振動板の先端部を弾く弾き部材と、
   自転車フレームに相対的な前記自転車サドルの上下の動きを拡大して、前記弾き部材に機械的に伝達する伝達機構と、
   前記圧電素子振動板に電気的に接続され、当該圧電素子振動板の起電力により点灯する発光素子と、を備える自転車用点灯装置。
2. 前記弾き部材として、前記圧電素子振動板の前記先端部を、歯により弾くように配置された弾き用歯車を備え、
   前記伝達機構は、
   前記自転車フレームに相対的な前記自転車サドルの上下の動きを、回転運動に変換する一組のラック・ピニオン歯車と、
   前記一組のラック・ピニオン歯車を構成するピニオン歯車の回転を、前記弾き用歯車に伝える回転伝達機構と、を有する、請求項１に記載の自転車用点灯装置。
3. 前記弾き用歯車は、前記ピニオン歯車よりも大径であり、
   前記回転伝達機構は、前記ピニオン歯車と前記弾き用歯車とを直結し、前記ピニオン歯車の回転を同一回転速度で前記弾き用歯車に伝達する、請求項２に記載の自転車用点灯装置。
4. 前記回転伝達機構は、
   ゼンマイと、
   前記ピニオン歯車の回転により、前記ゼンマイを巻き上げる巻き上げ機構と、
   巻き上げられた前記ゼンマイの復元力により、前記弾き用歯車を回転させる駆動機構と、を有する、請求項２に記載の自転車用点灯装置。
5. 前記回転伝達機構は、前記ゼンマイの巻き戻しの速度を緩和する調速機構を、さらに有する、請求項４に記載の自転車用点灯装置。