JP2583334B2 - 自転車用ハブ発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自転車用ハブに内蔵する発電装置に関する
ものである。

（従来の技術） 一般に、自転車では、車体または前ホークに別体の発
電機を取り付ける外装式が多く用いられている。この外
装式発電機は、発電機のローラーをタイヤの側面あるい
は外周に押圧し、タイヤとローラーの摩擦によって、車
輪の回転をローラーに伝達して駆動するものである。

発電機が発電するためにはローラーが高速で回転する
ことが必要であるが、外装式発電機では、大径のタイヤ
で小径のローラーを回転させることによって高増速比を
得ている。しかしながらこの場合、タイヤのゴムと金属
のローラーとの摩擦伝動であるから、機械的伝動効率が
非常に悪く、通常で約50％程度しかない。その上、この
伝動効率は、水濡れ、泥汚れなどの摩擦表面の状態や、
発電機の取り付け状態や、車輪の振れ具合などの接触状
態に大きく影響されてさらに低下することが多い。

また外装式では発電機を別体として車体あるいは前ホ
ークに取り付けるので、発電機の一部が自転車の外方に
突出する。この突出している部分は人や物と接触しやす
く、自転車を取り扱うときに邪魔になる。また、自転車
を転倒させたりして、発電機の突出部分を物にぶつけた
場合、発電機の取り付け部が歪み、そのたびに正確な取
り付け位置に修正しなければならないため、大変面倒で
あった。

このように従来の外装式発電機は効率が悪い、邪魔に
なる、メンテナンスが面倒であるなど、欠点の多いもの
であった。そこで、効率がよく、邪魔にならず、小型軽
量の自転車用発電装置の開発が要望されていた。

このような要望に答えて、本出願人は先に特願平１−
202915号、202916号、202917号を出願した。この発明に
係わる発電装置は、自転車車輪のハブに発電機を内蔵し
たもので、ハブの内部において、車軸に固定された発電
コイル体と、磁石と一体で、車軸に回転自在に設けた回
転子と、車軸周りに増速装置として設けた遊星歯車列を
備え、この遊星歯車列により車輪の回転を増速して回転
子に伝えることにより発電するものである。

しかして、この発電装置では、遊星歯車列の増速作用
によって、車輪の回転は約25倍になって回転子に伝わる
ので、自転車の通常走行において、回転子の回転数が約
4000rpmに達する。このように回転子が高速で回転する
と、遊星歯車列の歯車噛合部から騒音を発するという問
題が生じた。

また、自転車を急発進したり、急停車させた場合、回
転子の回転数が急激に変化するため、回転子の慣性質量
によって遊星歯車装置に大きな負荷が加わり、その結果
歯車が損傷することがあった。

本出願人は、上述の発電装置をさらに改良するものと
して、特願平１−275998号、特願平１−306433号を出願
した。この改良に係わる発電装置は、前に提案した発電
装置の増速装置として、遊星歯車列の代わりに、遊星ロ
ーラー列を用いたものである。そして、この遊星ローラ
列では、太陽ローラー、遊星ローラー及び弾性リングの
各接触点を圧接状態とし、摩擦によって回転を伝達する
ようにした。

すなわち、このような遊星ローラー列では、平滑なロ
ーラー周面による回転伝動であるから高速回転になって
も騒音が発生することはない。また、摩擦伝動であるの
で、過大な負荷に対してスリップさせることによって部
品の損壊を防ぐことができた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した遊星ローラーを用いた発電装
置では、遊星増速部において、遊星キャリア及び回転子
が車軸に連設されており、それぞれ車軸に対して回転自
在であると共に、軸方向に移動可能であり、そして、遊
星ローラーの転動面は平坦であるから、回転中に軸方向
に横ずれし、遊星キャリア及び回転子等の部品の側面が
互いに接触して摺動しながら回転することがあった。そ
の結果、この摺動回転が摩擦損失となり、遊星増速部の
効率低下を引き起こしていた。また、その摺動回転によ
って部品の側面が摩滅し、耐久性にも悪影響を与えると
いう問題があった。

すなわち、本来摩擦ローラーによる遊星装置は極めて
効率がよいはずであるが、このような摺動回転の伴って
いたため、遊星増速部の伝動効率が低下したり、ばらつ
きを生じていた。

本発明は以上のような問題を解決するためになされた
ものである。

（課題を解決するための手段） 上述の問題点を解決するため本発明においては、自転
車のフレームに固定した車軸に対して車輪のハブ体を回
転自在に嵌合し、このハブ体の内部に中空円筒状の固体
筒体を前記車軸に固定して設け、この固体筒体内に発電
コイル体を固定して設けると共に、磁石と第２太陽ロー
ラーとを一体的に形成した回転子を前記車軸に回転自在
に設け、この第２太陽ローラーに外接する複数の第２遊
星ローラーを前記車軸に回転自在に設けた遊星キャリア
に軸により枢支し、この遊星キャリアに一体に形成した
第１太陽ローラーに外接した第１遊星ローラーをハブ体
に固定した側蓋体に軸により枢支し、前記固定筒体の内
周に内歯を刻設し、弾性リングの外周に刻設した外歯を
前記内歯に遊嵌して該弾性リングを保持すると共に、こ
の弾性リングに前記各遊星ローラーを内接するように
し、該弾性リングの内径を各遊星ローラーの内接円径よ
りやや小さく設定することによって、前記各遊星ローラ
ーが前記弾性リング及び太陽ローラーとそれぞれ圧接す
るようにしたハブ内蔵式発電装置において、前記各遊星
ローラーの外周面に、周方向の突条または溝からなる軌
道を形成し、これに対応する前記太陽ローラー及び弾性
リングの転動周面に、前記軌道と嵌合する溝または突条
からなる軌道を形成して自転車用ハブ発電装置を構成す
る。

また前記した遊星ローラーの周面には軌道を設けず、
太陽ローラー及び弾性リングの転動周面に、前記遊星ロ
ーラーと嵌合する溝からなる軌道を形成して自転車用ハ
ブ発電装置を構成する。

（作 用） 本発明は、以上のように構成したので、太陽ローラ
ー、遊星ローラー、弾性リングを遊星増速装置として組
み立てた場合、太陽ローラーの軌道部と遊星ローラーの
軌道部が嵌合すると共に、遊星ローラーの軌道部と弾性
リングの軌道部が嵌合するので、上記各部品は軌道によ
って整合する。そして、遊星ローラー列が回転した場合
でも、太陽ローラー、遊星ローラー、弾性リングは常に
軌道によって案内されているので、各部品が横ずれして
軸方向に移動することはない。従って、あらかじめ部品
間に隙間を設定しておけば、部品同士が接触して摺動回
転することはなくなる。

（実施例） 以下、図面について本発明の一実施例を説明する。

図中１は自転車のフレームの一部である前ホーク、２
は左右の前ホーク１の端部間にかけ渡してそれぞれナッ
ト３により固定した車軸である。

本実施例においては、前輪のハブ体４の一端（第１図
における右側端）を開放した中空円筒状に形成し、その
開放端に側蓋体５を螺着したものを、玉軸受け６を介し
て車軸２に回転自在に設ける。なおハブ体４の開放端側
は径を拡張して大径部4aを形成してある。７はこのハブ
体４にそれぞれ取り付けた車輪スポークである。

中空円筒状の固定筒体８の一端（第１図における右側
端）を車軸２と嵌合すると共に、キー９によって固定
し、この固定筒体８の他端（第１図における左側端）を
開放し、その開放端側の径を拡張して大径8aを形成する
と共に、その内周に内歯8bを刻設する。

第１弾性リング10及び第２弾性リング11の外周には、
内歯8bよりピッチ径がわずかに小さい外歯10a,11aを刻
設する。また第１弾性リング10及び第２弾性リング11の
内周には、リングの幅のほぼ中央に全周にわたって、断
面凹状の溝からなる軌道10b、11b（第２図参照）を形成
する。

そして、大径部8aの内歯8bに、外歯10a、11aを遊嵌状
態（第5,6図参照）で噛合させ、大径部8aの内周に第１
弾性リング10及び第２弾性リング11をリング状のスペー
サー12を挟んで併設する。13は第２弾性リング11の第１
図における右側の隅部に設けたコーナーリングであり、
14は止め輪である。なお2aは車軸２に設けた段部、2bは
キー溝を兼ねるリード線の取り出し溝、15は座金、16は
ばねである。

また第４図に詳細に示すように、溝付リング17aの溝
内に導線17bを巻き付けてコイル17を形成し、ついで円
筒の外周を４分割した位置にそれぞれ帯板状の磁極片18
aを配置すると共に、これら４本の磁極片18aをそれぞれ
小径の円筒部18bに連結して第１電機子18を一体に形成
し、この第１電機子18の円筒部18bを前記コイル17の中
心孔17c内に挿通し、この中心孔17cより突出した円筒部
18bを外包する円筒部19bと、組み立て時に前記４本の磁
極片18aの中間にそれぞれ位置する４本の帯板状の磁極
片19aとを連結して第２電機子19を一体に形成し、この
第２電機子19を前述したコイル17と第１電機子18との結
合体に嵌合して第３図に示すように発電コイル体20を一
体的に構成する。なお21はコイル18から引き出したリー
ド線である。

そして上述のように構成した発電コイル体20を第１図
に示すように、固定筒体８と車軸２との間に挿入して固
定し、そのリード線21を固定筒体８に設けた孔8c及びキ
ー溝2bを介して外部に取り出す。

また磁石22aと第２太陽ローラー22bとを結合して一体
的に形成した回転子22を、磁石22aが前記発電コイル体2
0の各磁極片18a、19aと対応するように車軸２に対し回
転自在に設ける。

また第１太陽ローラー23aと円板状の遊星キャリア23
を一体的に形成し、この遊星キャリア23を前記回転子22
とハブ体４の側蓋体５との間の車軸２に対して回転自在
に設け、前記第１太陽ローラー23aの外周に配設された
３個の第１遊星ローラー24（第５図参照）を前記ハブ体
４の側蓋体５に軸25によりそれぞれ枢支して設ける。

また前記第２太陽ローラー22bの外周に３個の第２遊
星ローラー26（第６図参照）を前記遊星キャリア23に軸
27によりそれぞれ枢支して設ける。

そして前記した第１弾性リング10の内周面の直径は、
各第１遊星ローラー24が内接する円の直径よりやや小さ
く形成し、この小さい内径の第１弾性リング10を各第１
遊星ローラー24の外側に圧入して、この第１遊星ローラ
ー24を第１太陽ローラー23aに圧接状態にする。

同様に前記した第２弾性リング11の内周面の直径は、
各第２遊星ローラー26が内接する円の直径よりやや小さ
く形成し、この小さい内径の第２弾性リング11を各第２
遊星ローラー26の外側に圧入して、この第２遊星ローラ
ー26を第２太陽ローラー22bに圧接状態にする。

以上の構成は前述した特願平１−306433号の構成と同
一であるが、本発明においては次の構成をつけ加えるも
のである。

すなわち第１図および第２図は本発明の第１実施例を
示すもので、この場合第１遊星ローラー24の外周面に周
方向の角形突条よりなる軌道24aを突設し、第２遊星ロ
ーラー26の外周面にも周方向の角形突条よりなる軌道26
aを突設する。

そして軌道24aと嵌合する角形溝からなる軌道10bを第
１弾性リング10の内周面に設けると共に、軌道24aと嵌
合する角形溝からなる軌道23bを第１太陽ローラー23aの
外周面に設ける。

また第２遊星ローラー26の外周面の軌道26aと嵌合す
る角形溝からなる軌道11bを第２弾性リング11の内周面
に設けると共に、軌道26aと嵌合する角形溝からなる軌
道22cを第２太陽ローラー22bの外周面に設ける。

第７図は本発明の第２実施例を示すもので、この場合
は各遊星ローラー24,26の外周面に設けた軌道24a,26aを
角形溝に形成し、これらの軌道24a,26aとそれぞれ嵌合
する軌道10b,11b,23b,22cを角形突条に形成してある。

また第８図は本発明の第３実施例を示すもので、この
場合は各遊星ローラー24,26の外周面に設けた軌道24a,2
6bを三角形の突条に形成し、これらの軌道24a,26aとそ
れぞれ嵌合する軌道10b,11b,23b,22cを三角形の溝に形
成してある。

また第９図は本発明の第４実施例を示すもので、この
場合は各遊星ローラ24,26の外周面に設けた軌道24a,26a
を半円形の突条に形成し、これらの軌道24a,26aとそれ
ぞれ嵌合する軌道10b,11b,23b,22cを半円形の溝に形成
してある。

また第10図は本発明の第２発明の実施例を示すもの
で、この場合は、第1,第２遊星ローラ24,26の周面には
軌道を設けず、第1,第２太陽ローラー23a,22b及び第1,
第２弾性リング10,11の転動周面に、前記遊星ローラー2
4,26と嵌合する凹形の溝からなる軌道10b,11b,23b,22c
を形成してある。

なお第1,第２弾性リング10,11は圧入の際に前記した
各軌道の凹凸が障害となるが、各弾性リングは薄肉でば
ね鋼等を素材としているので容易に変形させることがで
きる。また各遊星ローラー24,26とこれを枢支する軸25,
27とのはめあい部には適度の隙間を持たせてあるため、
各遊星ローラー24,26が外周方向に拡がることができる
ので組み立てに支障はない。

また組み立て後においても、第1,第２弾性リング10,1
1はわずかに三角形状に変形しているが、このたわみは
前述した大径部8aの内歯8bと、外歯10a及び11aの間の隙
間によって吸収することができる。

つぎに上述のように構成した本発明装置の作用を説明
する。

この自転車が走行すると、車輪と一体的に構成されて
いるハブ体４が側蓋体５および軸25と共に第５図の矢印
Ａの方向に回転する。この場合固定筒体８は固定されて
いるために、軸25を介して第１遊星ローラー24が矢印Ａ
の方向に公転すると、それに伴って各第１遊星ローラー
24は矢印Ｂの方向に自転する。この第１遊星ローラー24
の矢印Ａ方向の公転と矢印Ｂ方向の自転によって、この
第１遊星ローラー24と接触して転動する第１太陽ローラ
ー23aは第５図の矢印Ｃの方向に増速されて回転する。

本実施例では、固定筒体８の第１弾性リング10の内径
が64mmであり、第１太陽ローラー23aの外径が16mmであ
るから、第１太陽ローラー23aと一体の遊星キャリア23
の回転は、（64＋16）÷16＝５であるから、ハブ体の回
転の５倍に増速される。

また第１太陽ローラー23aと一体の遊星キャリア23が
矢印Ｃの方向に回転すれば、第６図に示すように軸27も
矢印Ｃの方向に回転するため、第２遊星ローラ26は矢印
Ｃの方向に公転すると共に矢印Ｄの方向に自転する。し
たがって、これと接触して転動する第２太陽ローラー22
bは矢印Ｅの方向に増速されて回転する。

本実施例では、固定筒体８の第２弾性リング11の内径
が64mmであり、第２太陽ローラー22bの外径が16mmであ
るから、第２太陽ローラー22bと一体の回転子22の回転
は、（64＋16）÷16＝５であるから、遊星キャリア23の
５倍の増速回転になる。

すなわち、第１段目の遊星ローラー列と第２段目の遊
星ローラー列によって、（５×５）＝25倍の増速回転が
得られる。

また本発明においては、各弾性リング10,11と各遊星
ローラー24,26との接触面および各遊星ローラー24,26と
各太陽ローラー23a,22bとの接触面にそれぞれ嵌合する
軌道を形成したから、上記各部品は軌道によって整合す
る。したがって、遊星ローラー列が回転した場合、太陽
ローラー、遊星ローラー、弾性リングは常に軌道によっ
て案内されるので、各部品が横ずれして軸方向に移動す
ることはない。このため、あらかじめ部品間に隙間を設
定しておけば、部品同士が接触して摺動回転することは
なくなる。

（発明の効果） 本発明装置は上述のように構成したので、遊星ローラ
ー装置において、太陽ローラーと遊星ローラー及び遊星
ローラーと弾性リングの各接触部は常に圧接状態にあ
る。このような遊星ローラー装置を作動させると、各接
触部に摩擦力が発生し、太陽ローラー、遊星ローラー、
弾性リングはそれぞれに前記摩擦力によって伝動するこ
とができる。すなわち、本発明装置では、遊星ローラー
列が遊星歯列と同様の増速伝動装置として作用し、従来
と同等の発電をすることができる。

また、本発明装置の太陽ローラー、遊星ローラー、弾
性リングは常に密着状態にあり、しかも各ローラーは平
滑な周面の回転転動であるので、高速になっても、接触
部から騒音が発生することはなく、自動車の高速走行時
に発電しても、静粛な回転が得られる。

また、そのローラーの圧接によって生ずる摩擦力を、
あらかじめ発電に要するトルクの３〜４倍に設定してお
けば、それ以上のトルクが加わった時にはローラーの接
触面がスリップするため、装置各部に無理な力が作用す
ることがなくなり、自転車の急発進、急停止によって増
速装置に過大な負荷が加わることはない。したがって、
部品が損傷するようなこともなくなる。

さらに、本発明では太陽ローラー、遊星ローラー、弾
性リングは常に軌道によって案内されているので、部品
同士が摺動回転することがなくなり、遊星増速部の機械
的伝動効率が向上し、部品の耐久性も向上する。

このように、本発明によれば、従来の外装発電機と同
等の発電性能を有しながら、小型軽量で、取り扱いに邪
魔にならず、効率のよい、自転車用発電装置を提供する
ことができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の断面図、 第２図は本発明装置の要部の拡大図、 第３図は発電コイル体の斜視図、 第４図は発電コイル体の分解斜視図、 第５図は１段目の遊星ローラー列の作用説明図、 第６図は２段目の遊星ローラー列の作用説明図、 第７図〜第10図は第２図に対応する他の実施例を示す要
部の拡大図である。 １……前ホーク、２……車軸 ４……ハブ体、５……側蓋体 ８……固定筒体、8b……内歯 10……第１弾性リング、10a……外歯 10b……軌道、11……第２弾性リング 11a……外歯、11b……軌道 17……コイル、18……第１電機子 19……第２電機子、20……発電コイル体 22……回転子、22a……磁石 22b……第２太陽ローラー、22c……軌道 23……遊星キャリア 23a……第１太陽ローラー、23b……軌道 24……第１遊星ローラー、24a……軌道 25……軸、26……第２遊星ローラー 26a……軌道、27……軸

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自転車のフレームに固定した車軸２に対し
   て車輪のハブ体４を回転自在に嵌合し、このハブ体４の
   内部に中空円筒状の固体筒体８を前記車軸２に固定して
   設け、この固体筒体８内に発電コイル体20を固定して設
   けると共に、磁石22aと第２太陽ローラー22bとを一体的
   に形成した回転子22を前記車軸２に回転自在に設け、こ
   の第２太陽ローラー22bに外接する複数の第２遊星ロー
   ラー26を前記車軸２に回転自在に設けた遊星キャリア23
   に軸27により枢支し、この遊星キャリア23に一体に形成
   した第１太陽ローラー23aに外接した第１遊星ローラー2
   4をハブ体４に固定した側蓋体５に軸25により枢支し、
   前記固定筒体８の内周に内歯8bを刻設し、弾性リング1
   0,11の外周に刻設した外歯10a,11aを前記内歯8bに遊嵌
   して該弾性リング10,11を保持すると共に、この弾性リ
   ング10,11に前記各遊星ローラー24,26を内接するように
   し、該弾性リング10,11の内径を各遊星ローラー24,26の
   内接円径よりやや小さく設定することによって、前記各
   遊星ローラー24,26が前記弾性リング10,11及び太陽ロー
   ラー23a,22bとそれぞれ圧接するようにしたハブ内蔵式
   発電装置において、前記各遊星ローラー24,26の外周面
   に、周方向の突条または溝からなる軌道を形成し、これ
   に対応する前記太陽ローラー23a,22b及び弾性リング10,
   11の転動周面に、前記軌道と嵌合する溝または突条から
   なる軌道を形成したことを特徴とする自転車用ハブ発電
   装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の遊星ローラー24,26の周面
   には軌道を設けず、太陽ローラー23a,22b及び弾性リン
   グ10,11の転動周面に、前記遊星ローラー23a,22bと嵌合
   する溝からなる軌道を形成したことを特徴とする自転車
   用ハブ発電装置。