JP3845092B2 - 自転車用点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、自転車用点灯装置、特に、自転車用ダイナモによって点灯する自転車用点灯装置に関する。

自転車用の点灯装置、特に前照灯としては、従来、特開２００３−２９１８７０号公報に示されたような装置が提案されている。この装置は、前照灯内に発光ダイオード（ＬＥＤ)及び電球が内蔵されており、ＬＥＤは太陽電池で充電される２次電池を電源として点灯又は点滅するように構成されている。

また、自転車の前照灯を点灯するために、ダイナモを利用した自転車も既に提案されている（例えば、特開２００３−２３０３００号公報）。このようなダイナモの出力を利用して自転車の前照灯を点灯させたり、あるいは他の電気部品を駆動する場合は、自転車が高速度になると発電電圧も高電圧になるので、そのための保護回路が設けられている。
特開２００３−２９１８７０号公報 特開２００３−２３０３００号公報

前述の前者の公報に記載された装置では、ＬＥＤを駆動する場合は電池を用いている。これは、ダイナモの出力を利用して駆動する場合は、前述のように、自転車の速度によってダイナモ出力が変化し、ＬＥＤが点灯しなかったり、あるいは過大な電流が流れることによってＬＥＤが破壊されてしまうからである。

したがって、ダイナモの出力によってＬＥＤを駆動する場合は、抵抗素子やツェナーダイオードからなる保護回路によって、ＬＥＤ回路に印加される電圧を制限したり、ＬＥＤに流れる電流を制限する必要がある。このような構成の保護回路を用いた場合、高速度域においても対応可能にするために、すなわち発熱等を避けるために、抵抗素子の抵抗値を大きくする必要がある。しかし、抵抗素子の抵抗値を大きくすると、この抵抗素子での低速度域における損失が大きくなり、低速度域においてＬＥＤを駆動（点灯）することができなくなる。

そこで、入力される電圧値によって抵抗値が異なるように、トランジスタを用いた電圧リニアレギュレート方式、電流制限方式による回路を用いて、ＬＥＤを保護することが考えられる。しかし、このような回路を用いた場合、回路での電圧降下（回路損失）が大きくなり、前記同様に低速度域においてＬＥＤを駆動することができなくなってしまう。

本発明の課題は、ダイナモと点灯装置としてのＬＥＤとの間での回路損失を抑えつつ、効率よくＬＥＤを点灯することができるようにすることにある。

請求項１に係る自転車用点灯装置は、所定の内部抵抗成分を有する自転車用ダイナモによって点灯する装置であって、発光ダイオードユニットと保護手段とを有している。発光ダイオードユニットは少なくとも１つの発光ダイオードを有している。保護手段は、発光ダイオードユニットを構成する各発光ダイオードに流れる電流を制限する。そして、特定のダイナモを用いた場合に、想定する自転車速度域において、発光ダイオードユニットの明るさが必要値以上となり、発光ダイオードユニットに流れる電流の最高値が許容範囲内に収まるように、発光ダイオードユニットにおける直列接続される発光ダイオードの個数及び並列接続される発光ダイオードの個数が設定されており、保護手段は、特定のダイナモの内部抵抗成分に対して、発光ダイオードユニットに流れる電流の最高値が許容範囲内に収まるように発光ダイオードの直列数及び並列数が決定された発光ダイオードユニットの定電圧特性によって構成されている。

ここで、自転車に装着されるダイナモは、内部抵抗成分を有しており、この内部抵抗成分と、ダイナモの負荷としての発光ダイオードユニットの定電圧特性とをバランスさせることによって、ダイナモの出力を効率よく発光ダイオードに与えることができるとともに、ダイナモの内部抵抗と発光ダイオードユニットの定電圧特性とから構成される保護手段を構成することができる。このため、この装置では、従来装置においてダイナモと点灯装置との間に設けられていた素子や回路による保護回路は不要となる。したがって、回路損失が抑えられ、ダイナモの出力を効率よく発光ダイオードユニットに供給でき、より低速度域からの発光ダイオードの駆動が可能となる。

請求項２に係る自転車用点灯装置は、請求項１の装置において、発光ダイオードユニットは複数の発光ダイオードを直列接続して構成されている。この場合は、発光ダイオードユニットの順方向電圧を高くすることができ、発光ダイオードに加えられるエネルギをより大きくすることができる。

請求項３に係る自転車用点灯装置は、請求項１又は２の装置において、発光ダイオードユニットは複数の発光ダイオードを並列接続して構成されている。この場合は、発光ダイオードユニットを構成する各発光ダイオードに流れる電流を抑えることができる。

請求項４に係る自転車用点灯装置は、請求項１から３のいずれかの装置において、ダイナモと発光ダイオードユニットとの間には、電気素子又は回路によって構成される発光ダイオード保護用の回路が設けられていない。ここでは、回路損失を抑えることができ、低速度域から発光ダイオードを駆動することができる。

請求項５に係る自転車用点灯装置は、請求項１から４のいずれかの装置において、ダイナモと発光ダイオードユニットとの間に設けられた整流回路をさらに備えている。

請求項６に係る自転車用点灯装置は、請求項１から５のいずれかの装置において、発光ダイオードユニットは自転車の前照灯として用いられる。

請求項７に係る自転車用点灯装置は、請求項１から６のいずれかの装置において、発光ダイオードユニットと並列に接続され、少なくとも１つの発光ダイオードを有し、発光ダイオードユニットの順方向電圧よりも低い順方向電圧を有する補助発光ダイオードユニットをさらに備えている。

前述のように、複数の発光ダイオードを直列に接続して発光ダイオードユニットを構成すると、順方向電圧は高くなり、より明るくすることができる。しかし、この場合は、逆に、発光ダイオードが駆動されない不点灯電圧領域が増え、低速度域では発光ダイオードが点灯しないことになる。

そこでこの請求項７に係る装置では、発光ダイオードユニットの順方向電圧よりも低い順方向電圧を有する補助発光ダイオードユニットを発光ダイオードユニットに並列に接続している。これにより、より低速度域においても発光ダイオードを駆動することができ、不点灯電圧領域を少なくすることができる。

以上のような本発明では、特別な保護回路なしで発光ダイオードを保護でき、しかも低速度域において効率よく点灯させることができる。

［第１実施形態］
図１に本発明の第１実施形態に係る自転車用点灯装置１を示す。この点灯装置１は、自転車の前照灯として使用されるものであり、自転車のハブに設けられたダイナモ２に接続されるものである。そして、この点灯装置１は、全波整流回路３と、全波整流回路３の出力側においてダイナモ２と直列に接続された発光ダイオードユニットとしてのＬＥＤ４とを有している。全波整流回路３は、４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を接続して構成されたブリッジ整流回路である。

ここで、従来の一般的な保護回路を本発明の点灯装置に適用した場合の構成を図２に示す。この図に示すように、ＬＥＤはダイナモに対してブリッジ整流回路を介して接続されるが、ＬＥＤの保護回路として、一般的には、電流制限用の抵抗素子Ｒ１と、電圧制限用の抵抗素子Ｒ２及びツェナーダイオードＤ５とが設けられる。前述のように、このような従来の保護回路を用いた場合、高速度域で抵抗素子Ｒ２が発熱するのを抑えるために、抵抗素子Ｒ２は容量の大きな素子を準備する必要がある。しかし、抵抗素子Ｒ２の抵抗値を大きくすると、この部分でのロスが大きくなり、低速度域でＬＥＤを点灯させることができなくなる。

そこでこの実施形態の点灯装置１は、ダイナモ２の内部抵抗成分とＬＥＤ４の特性によって機能する保護回路を有している。すなわち、ダイナモ２は、抵抗成分及びコイル成分からなる内部抵抗Ｒ０を有しており、ＬＥＤ４は定電圧特性を有している。そこで、ダイナモ２の内部抵抗Ｒ０を図２の抵抗素子Ｒ２の代わりとして用い、ＬＥＤ４の定電圧特性を図２のツェナーダイオードＤ５の代わりとして用いることにより、従来の保護回路を全く設けることなく、ＬＥＤ４の保護回路を構成することができる。

ここで、ダイナモ２の内部抵抗と負荷とのバランスを適切にすることにより、ダイナモ２の出力を効率よくＬＥＤ４に与えることができるとともに、前述のような保護回路を構成することが可能であるが、通常は、負荷としては、図１に示すような１個のＬＥＤ４ではなく、複数のＬＥＤを直列あるいは並列に接続して、ユニットを構成する必要がある。図３に示す点灯装置１’は、ＬＥＤに加わるエネルギをより大きくするために、負荷としてのＬＥＤユニットの順方向電圧を大きくしたものである。ここでは、ＬＥＤユニットは、２つのＬＥＤ５ａ，５ｂを直列に接続して構成されている。また、各ＬＥＤに流れる電流をより抑えるために、複数のＬＥＤを並列に接続してＬＥＤユニットを構成しても良い。

以下に、ダイナモ２と負荷としてのＬＥＤユニットとの選択の具体的な一例を挙げる。
まず、図４にダイナモ回転数と出力電流との関係を示し、図５にダイナモ回転数と回路のトータル損失との関係を示し、図６にダイナモ回転数とＬＥＤ損失との関係を示す。図５及び図６において、「その１」はブリッジ整流回路と１つのＬＥＤとからなる回路の損失特性であり、「その２」はブリッジ整流回路と２つの直列接続されたＬＥＤとからなる回路の損失特性であり、「その３」はブリッジ整流回路とレギュレータ回路とからなる回路の損失特性である。また、図６に示すＬＥＤ損失は、ＬＥＤユニットでの損失を示しており、この損失が大きいということは、より明るいことを意味する。

これらの図からも明らかなように、ある特定のダイナモに対して、負荷としてのＬＥＤユニットの構成を変更すれば、回路損失、ＬＥＤ損失が変わることがわかる。

そこで、図６を参照して、例えば、「明るさ」を優先するのであれば、「その２」の構成を選択すればよい。ただし、この場合は、低速度域ではＬＥＤを駆動することはできない。一方、「より低い速度域から点灯すること」を優先するのであれば、「その１」の構成を選択すればよい。但し、この場合は、先の例とは逆に、明るさ犠牲になる。

一般的には、ＬＥＤの明るさの絶対値が重要な（必要とする）速度域で必要値以上か否か、ＬＥＤ点灯の最低速度域、明るさの絶対値の最高値を考慮して、ＬＥＤの直列数（順方向電圧）を決定し、最大許容電流値を考慮して、ＬＥＤの並列数を決定する。

次に動作について説明する。
この装置では、自転車が走行してダイナモ２が回転すると、交流電圧が出力される。この交流電圧の正の半周期（ダイオードＤ１側が＋）では、ダイナモ２の第１端子から出力された電流は、ダイオードＤ１を通過した後にＬＥＤ４に供給される。このとき、ＬＥＤ４の順方向電圧以上の電圧が生じる速度域において、ＬＥＤ４が駆動され、発光する。ＬＥＤ４を通過した電流はダイオードＤ４を通過してダイナモ２の第２端子に帰る。

次に極性が逆転し、交流電圧の負の半周期では、ダイナモ２の第２端子から出力された電流は、ダイオードＤ２を通過した後にＬＥＤ４に供給される。このとき、前記同様に、ＬＥＤ４の順方向電圧以上の電圧が生じる速度域において、ＬＥＤ４が駆動され、発光する。ＬＥＤ４を通過した電流はダイオードＤ３を通過してダイナモ２の第１端子に帰る。

以上の動作を繰り返すことにより、ＬＥＤ４は全周期において、ＬＥＤ４の順方向電圧以上の電圧が生じる速度域において発光することになる。

ここで、高速度域になった場合も、前述のように、想定する速度域において、ＬＥＤに流れる電流の最高値、平均値等が各ＬＥＤの許容範囲内に収まるように、ダイナモとＬＥＤとが決定されているので、ＬＥＤの損傷を避けることができる。

［第２実施形態］
以上のような第１実施形態では、複数のＬＥＤを直列接続してＬＥＤユニットを構成すると、ユニットの順方向電圧が高くなり、ＬＥＤの不点灯電圧領域がより高い速度域になってしまう。すなわち、より高い速度域にならなければＬＥＤが点灯しなくなる。

以上の問題を解消するための第２実施形態を図７に示す。この第２実施形態は、２つの直列接続されたＬＥＤ１０ａ，１０ｂからなるＬＥＤユニット１０を有し、さらにこのＬＥＤユニット１０に対して並列に補助ＬＥＤユニット１１が接続されている。この補助ＬＥＤユニット１１は、ＬＥＤ１１ａと抵抗素子１１ｂとを直列に接続してなるものである。なお、他の構成は前記第１実施形態の構成と同様である。

ここで、補助ＬＥＤユニット１１の順方向電圧はＬＥＤユニット１０の順方向電圧よりも低くなっている。したがって、ＬＥＤユニット１０が駆動される（点灯される）速度域よりも低速度域において、この補助ＬＥＤユニット１１を駆動し、点灯させることができる。

また、補助ＬＥＤユニット１１は、ＬＥＤユニット１０の定電圧特性によってＬＥＤユニット１０に印加される電圧を越える電圧が印加されないので、補助ユニット１１を保護するための特別な素子や回路が不要となる。

さらに、補助ＬＥＤユニット１１を構成する抵抗素子１１ｂの抵抗値を調整したり、あるいは抵抗素子１１ｂとＬＥＤ１１ａの列を複数列にすること等によって、高速度域においてＬＥＤユニット１０に加わる過大なエネルギを抑えることも可能である。

［第３実施形態］
図８に第３実施形態を示す。この第３実施形態は、第２実施形態の構成に加えて、補助ＬＥＤユニット１１と並列に、平滑コンデンサ１２を接続したものである。このような構成によれば、平滑コンデンサ１２の作用によってＬＥＤ１１ａのちらつきを抑える事ができる。また、前記と同様の理由によって平滑コンデンサ１２にはＬＥＤユニット１０の順方向電圧を超える電圧が印加されないので、平滑コンデンサ１２としては、耐圧の小さい小型のコンデンサを用いることができる。

［第４実施形態］
なお、前記各実施形態では、ダイナモとＬＥＤとの間に整流回路を設けたが、例えば、図９に示すような回路構成にすることによって、前記各実施形態に示した整流回路を省略することも可能である。この図９に示す装置は、１対のＬＥＤ１５ａ，１５ｂをそれぞれ順方向が逆になるように並列に接続している。

この場合は、ダイナモ２の各半周期に、それぞれ１対のＬＥＤ１５ａ，１５ｂが駆動されることになり、前記各実施形態に比較してちらつきが生じるものの、より簡単な回路構成で前照灯装置を実現することができる。

本発明の第１実施形態による点灯装置の回路図。 従来の保護回路を用いた点灯装置の回路図。 本発明の第１実施形態の変形例による点灯装置の回路図。 ダイナモ回転数と出力電流との関係を示す図。 ダイナモ回転数と回路のトータル損失との関係を示す図。 ダイナモ回転数とＬＥＤ損失との関係を示す図。 本発明の第２実施形態による点灯装置の回路図。 本発明の第３実施形態による点灯装置の回路図。 本発明の第４実施形態による点灯装置の回路図。

符号の説明

１，１’ 点灯装置
２ ダイナモ
３ 全波整流回路
４，５ａ，５ｂ，１０，１５ａ，１５ｂ ＬＥＤ（ＬＥＤユニット）
１１ 補助ＬＥＤユニット

Claims (7)

1. 所定の内部抵抗成分を有する自転車用ダイナモによって点灯する自転車用点灯装置であって、
   少なくとも１つの発光ダイオードを有する発光ダイオードユニットと、
   前記発光ダイオードユニットを構成する各発光ダイオードに流れる電流を制限するための保護手段と、
   を備え、
   特定のダイナモを用いた場合に、想定する自転車速度域において、前記発光ダイオードユニットの明るさが必要値以上となり、前記発光ダイオードユニットに流れる電流の最高値が許容範囲内に収まるように、前記発光ダイオードユニットにおける直列接続される発光ダイオードの個数及び並列接続される発光ダイオードの個数が設定されており、
   前記保護手段は、前記特定のダイナモの内部抵抗成分に対して、前記発光ダイオードユニットに流れる電流の最高値が許容範囲内に収まるように発光ダイオードの直列数及び並列数が決定された発光ダイオードユニットの定電圧特性によって構成されている、
   自転車用点灯装置。
2. 前記発光ダイオードユニットは複数の発光ダイオードを直列接続して構成されている、請求項１に記載の自転車用点灯装置。
3. 前記発光ダイオードユニットは複数の発光ダイオードを並列接続して構成されている、請求項１又は２に記載の自転車用点灯装置。
4. 前記ダイナモと発光ダイオードユニットとの間には、電気素子又は回路によって構成される発光ダイオード保護用の回路が設けられていない、請求項１から３のいずれかに記載の自転車用点灯装置。
5. 前記ダイナモと発光ダイオードユニットとの間に設けられた整流回路をさらに備えた、請求項１から４のいずれかに記載の自転車用点灯装置。
6. 前記発光ダイオードユニットは自転車の前照灯として用いられる、請求項１から５のいずれかに記載の自転車用点灯装置。
7. 前記発光ダイオードユニットと並列に接続され、少なくとも１つの発光ダイオードを有し、前記発光ダイオードユニットの順方向電圧よりも低い順方向電圧を有する補助発光ダイオードユニットをさらに備えた、
   請求項１から６のいずれかに記載の自転車用点灯装置。
   

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