JP4326554B2 - 自転車用照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置、特に、自転車の走行に応じて発電する発電機に接続可能な自転車用照明装置に関する。

自転車のヘッドライトやテールランプ等の自転車用照明装置において、球切れのトラブル等を軽減するために、発光ダイオードを用いたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。従来の照明装置では、車輪中に配置されたハブダイナモで発電された電力により発光ダイオードが点灯される。発光ダイオードは、２つ設けられており、相互に逆方向となるように並列接続されている。これにより、ハブダイナモから出力された交流電力を整流することなく用いることができる。
特開２００５−３２９７３７号公報

電球のような抵抗負荷の場合は、一般に、オームの法則に従って電球を流れる電流は電圧に比例する。しかし、発光ダイオード負荷の場合は、２〜４ボルト程度の電圧で電流が急激に流れ出す。また、発光ダイオードが一つの場合、回転速度が低い状態ではある程度の出力が得られるが、回転速度が高くなると途中で出力の上昇割合が低くなり、ほぼ頭打ちにあるという問題がある。このため、高速走行時には出力が充分ではないという問題がある。

これを解消するために複数の発光ダイオードを直列接続することが考えられる。発光ダイオードを直列接続した場合、自転車の速度が速くなる、つまり発電機の回転速度が速くなるにつれて発光ダイオードとのマッチングがとれる電圧（以下、マッチング電圧という）が高くなるため、接続される発光ダイオードの数が多い方がその出力が大きくなる。しかし、回転速度が低くになるにつれてはマッチング電圧が低くなる。したがって、複数の発光ダイオードを直列接続したものを動作させると、発電電圧が低い低速走行時に充分な出力が得られないおそれがある。

本発明の課題は、複数の発光ダイオードを有する自転車用照明装置において、発電機の回転状態に応じて最適な出力が得られるようにすることにある。

発明１に係る自転車用照明装置は、自転車の走行に応じて発電する発電機に接続可能な装置であって、複数の光源と、複数のスイッチ部と、回転状態検出部と、制御部とを備えている。複数の光源は、発電機の出力により発光する少なくとも一つの発光ダイオードを各別に有している。複数のスイッチ部は複数の光源をオンオフ可能である。回転状態検出部は発電機の回転状態を検出する。制御部は、回転状態検出部で検出された検出結果に応じて複数のスイッチ部のいずれか一つを選択的にオンし、自転車の速度の増加に応じて一つの光源から順にオンする光源の個数を増加させる。

この照明装置では、発電機の回転状態に応じて発電機と複数の光源との接続状態が切換制御される。たとえば、発電機の回転状態が低い低速のときには、一つの光源だけをオンし、回転状態が速くなるにつれてオンする光源を増やしていく。これにより、マッチング電圧が低い低速時に充分な出力を確保し、かつマッチング電圧が高い高速時にも充分な出力を得ることができる。ここでは、発電機の回転状態に応じて複数の光源の接続状態を切換制御するように構成したので、回転状態に応じて点灯する光源の数を増減することができる。このため、発電機の回転状態に応じて最適な出力が得られるようになる。

発明２に係る自転車用照明装置は、発明１に記載の装置において、複数の光源は、極性が異なるように並列接続された２つの発光ダイオードをそれぞれ有する。この場合には、一つの光源を構成する２つの発光ダイオードが、極性が異なるように並列接続されているので、２つの発光ダイオードが相互に逆方向となるように配置される。このため、発電機から交流が出力されても、その交流電力を整流することなく用いることができる。

発明３に係る自転車用照明装置は、発明１に記載の装置において、交流発電機の交流電力を整流する整流回路をさらに備え、複数の光源は、１つの発光ダイオードをそれぞれ有し、整流された電力で動作する。この場合には、１つの発光ダイオードで光源を構成できるので、光源の構成が簡素になり照明装置の小型化を図ることができる。

発明４に係る自転車用照明装置は、発明１に記載の装置において、制御部は、検出された速度の増加に応じて複数の光源が一つずつ順にオンするようにスイッチ部を制御する。この場合には、速度が増加すると点灯する光源が一つずつ多くなるので、無駄な電力の消費を抑えることができる。

本発明によれば、発電機の回転状態に応じて複数の光源の接続状態を切換制御するように構成したので、回転状態に応じて点灯する光源の数を増減することができる。このため、発電機の回転状態に応じて最適な出力が得られるようになる。

＜第１実施形態＞
図１において、本発明の第１実施形態を採用した自転車１０１は、フロントフォーク１０２ａを有するフレーム１０２と、ハンドル１０４と、チェーンやペダル等から成る駆動部１０５と、スポーク９９を有する前輪（車輪）１０６と、後輪１０７とを備えている。この自転車１０１の前輪１０６に内部に交流出力の発電機１９（図２）を有するハブダイナモ１０が組み込まれ、発電した電力が電源線１３を介してヘッドランプ（自転車用照明装置の一例）１４に供給されている。

本発明の第１実施形態による自転車用照明装置であるヘッドランプ１４は、フロントフォーク１０２ａに設けられたランプスティ１０２ｂに固定されている。ヘッドランプ１４は、前部にレンズ１５ａを有し、ランプスティ１０２ｂに固定されるランプケース１５を備えている。

また、ヘッドランプ１４は、図２に示すように、ランプケース１５内に収納された複数（たとえば４つ）の光源２０ａ〜２０ｄと、発電機１９と複数の光源２０ａ〜２０ｄとの接続状態を、発電機１９の回転状態に応じて切換制御する切換制御部（制御部の一例）２１と、を備えている。ヘッドランプ１４は、複数の光源をオンオフ可能な第１〜第４スイッチ（複数のスイッチ部の一例）２２ａ〜２２ｄと、発電機の回転状態を検出する回転状態検出部２３と、切換制御部２１に所定電圧の直流電力を供給する回路電源部２４と、自転車１０１の周囲の明るさ（照度）に応じて光源２０ａ〜２０ｂを一括してオンオフする照度制御部２５とをさらに備えている。

照度制御部２５は、発電機１９と光源２０ａ〜２０ｄとの間に配置され、周囲が明るいたとえば昼間のような明状態のとき光源２０ａ〜２０ｂをオフし、周囲が暗いたとえば夜間のような暗状態のとき光源２０ａ〜２０ｂをオンする。

複数の光源２０ａ〜２０ｄは、直列接続されており、各光源２０ａ〜２０ｄは、発電機１９の交流出力により発光する２つの発光ダイオード３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄを有している。各発光ダイオード３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄは、たとえば、３Ｗ，７００ｍＡ程度の高輝度型の白色発光するものである。２つの発光ダイオード３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄは、極性が異なるように並列接続されている。すなわち、一方の発光ダイオード３１ａ〜３１ｄのアノードが他方の発光ダイオード３２ａ〜３２ｄのカソードに接続され、一方の発光ダイオード３１ａ〜３１ｄのカソードが他方の発光ダイオード３２ａ〜３２ｄのアノードに接続されており、２つの発光ダイオード３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄが相互に逆方向となるように配置されている。これにより、発電機１９からの交流出力を直流に整流することなく用いることができる。

切換制御部２１は、たとえば、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭや入出力Ｉ／Ｆを有するマイクロコンピュータを有している。切換制御部２１は、回転状態検出部２３で検出された回転状態に応じて第１〜第４スイッチ２２ａ〜２２ｄをオンオフすることにより発電機１９と光源２０ａ〜２０ｄとの接続状態を切換制御する。

第１〜第４スイッチ２２ａ〜２２ｄは、照度制御部２５と各光源２０ａ〜２０ｄの間に配置されている。具体的には、第１スイッチ２２ａは、光源２０ａと光源２０ｂとの間に接続され、第２スイッチ２２ｂは、光源２０ｂと光源２０ｃとの間に接続され、第３スイッチ２２ｃは、光源２０ｃと光源２０ｄとの間に接続され、第４スイッチ２２ｄは、光源２２ｄの端部に接続されている。照度制御部２５は、発電機１９の一端に接続され、光源２０ａの端部は、発電機１９の他端に接続されている。第１〜第４スイッチ２２ａ〜２２ｄは、切換制御部２１によりオンオフ制御される。ここで、第１スイッチ２２ａだけがオンすると光源２０ａが点灯し、第２スイッチ２２ｂだけがオンすると光源２０ａ，２０ｂが点灯し、第３スイッチ２２ｃだけがオンすると光源２０ａ〜２０ｃが点灯し、第４スイッチ２２ｄだけがオンすると全ての光源２０ａ〜２０ｄが点灯する。

回転状態検出部２３は、発電機１９の一端に接続され、発電機１９の出力から発電機１９の１回転当たり複数のパルスを有するパルス信号を生成して切換制御部２１に出力する。切換制御部２１ではその複数のパルス信号から自転車１０１の速度を算出する。

回路電源部２４は、発電機１９の一端に接続され、発電機１９の交流出力を直流に整流し、かつ、たとえば３〜５ボルト程度の所定の直流電圧に定電圧化して切換制御部２１に出力する。

ここで、光源２０ａ〜２０ｄの接続数を変化させた場合の、発光ダイオード３１ａ〜３１ｄ又は３２ａ〜３２ｄの出力（Ｗ）を縦軸にとり、自転車１０１の時速（ｋｍ／ｈ）を横軸にとった発光ダイオード３１ａ〜３１ｄ又は３２ａ〜３２ｄの出力曲線を図４に表す。ここで、図４において、黒菱形の長破線は、光源を一つだけ発電機１９に接続した場合の出力曲線を示し、黒四角の二点鎖線は、直列接続した２つの光源を発電機１９に接続した場合の出力曲線を示している。また、黒三角の短破線は、直列接続した３つの光源を発電機１９に接続した場合の出力曲線を示し、Ｘの一点鎖線は直列接続した４つの光源を発電機１９に接続した場合の出力曲線を示している。

図４に示すように、直列接続された発光ダイオードの数を増やすにつれて、高速時の出力が徐々に大きくなる。しかし、逆に低速時の出力は徐々に小さくなる。そこで、本実施形態では、光源の個数による出力曲線が交差する位置近辺の速度Ｖ１〜Ｖ３で、点灯する光源２０ａ〜２０ｄの数を切換制御部２１で切換制御することにより、速度に応じた最適な出力を得ることができる。

次に、切換制御部２１の切換制御動作について、図３に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

自転車１０１が走行して切換制御部２１に電源が投入されると、ステップＳ１で初期設定がなされる。ステップＳ１では、たとえば車輪の周長データや前述した切換用の速度Ｖ１〜Ｖ３等のデータがセットされる。ステップＳ２では、回転状態検出部２３から出力されたパルス信号の回転状態のデータから自転車１０１の速度Ｖを算出する。ステップＳ３では、速度Ｖが、速度Ｖ１、すなわち１個の発光ダイオードと２個の発光ダイオードとの出力曲線が交差する付近の速度未満か否かを判断する。ステップＳ４では、速度Ｖが、速度Ｖ１以上でありかつ速度Ｖ２、すなわち２個の発光ダイオードと３個の発光ダイオードとの出力曲線が交差する付近の速度未満か否かを判断する。ステップＳ５では、速度Ｖが、速度Ｖ２以上でありかつ速度Ｖ３、すなわち３個の発光ダイオードと４個の発光ダイオードとの出力曲線が交差する付近の速度未満か否かを判断する。

速度Ｖが速度Ｖ１未満の場合、ステップＳ３からステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、第１スイッチ２２ａだけをオンし、それ以外の第２〜第４スイッチ２２ｂから２２ｄをオフし、ステップＳ２に戻る。これにより、光源２０ａだけが点灯する。速度Ｖが速度Ｖ１以上でありかつ速度Ｖ２未満の場合、ステップＳ４からステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１では、第２スイッチ２２ｂだけをオンし、それ以外の第１，第３，第４スイッチ２２ａ，２０ｃ，２２ｄをオフしてステップＳ２に戻る。これにより２つの光源２０ａ，２０ｂが点灯する。

速度Ｖが速度Ｖ２以上でありかつ速度Ｖ３未満の場合、ステップＳ５からステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２では、第３スイッチ２２ｃだけをオンし、それ以外の第１，第２，第４スイッチ２２ｂ〜２２ｄをオフしてステップＳ２に戻る。これにより３つの光源２０ａ〜２０ｃが点灯する。速度Ｖが速度Ｖ３以上の場合、ステップＳ５からステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、第４スイッチ２２ｄだけをオンし、それ以外の第１〜第３スイッチ２２ａ〜２２ｃをオフする。これにより４つの光源２０ａ〜２０ｄの全てが点灯してステップＳ２に戻る。

このように光源２０ａ〜２０ｄを切換制御した場合の出力曲線を図５に表す。図５におい、黒菱形の実線は、切換制御した場合の出力曲線を示し、＊の二点鎖線は、１５Ω負荷の電球を用いた場合の出力曲線を示している。

図４と図５との比較から明らかなように、発光ダイオードが一つの場合に比べて高速側の出力が高くなり、２つの場合に比べて高速側及び低速側の出力が高くなり、３つの場合に比べて高速側及び低速側の出力が高くなり、４つの場合に比べて低速側の出力が高くなる。

このヘッドランプ１４では、発電機１９の回転状態が低い低速のときには、一つの光源２０ａだけをオンし、回転状態が速くなるにつれてオンする光源を増やしていく。これにより、マッチング電圧が低い低速時に充分な出力を確保し、かつマッチング電圧が高い高速時にも充分な出力を得ることができる。ここでは、発電機１９の回転状態に応じて複数の光源２０ａ〜２０ｄの接続状態を切換制御するように構成したので、回転状態に応じて点灯する光源２０ａ〜２０ｄの数を増減することができる。このため、発電機１９の回転状態に応じて最適な出力が得られるようになる。

＜第２実施形態＞
前記第１実施形態では、光源２０ａ〜２０ｄにそれぞれ極性が異なるように並列接続した２つの発光ダイオードを設け、発電機１９の交流出力をそのまま用いて光源２０ａ〜２０ｄを点灯させたが、第２実施形態では、図６に示すように、ヘッドランプ１１４に交流電力を直流に整流する整流回路１２６を設けている。

整流回路１２６は、発電機１９の一端と照度制御部２５との間に配置されている。整流回路１２６は、４つのダイオードをブリッジ接続した全波整流回路で構成されている。また、回路電源部１２４は、整流機能は有しておらず、直流を所定電圧化する定電圧機能を有している。

直列接続された光源１２０ａ〜１２０ｄは、それぞれ一つの発光ダイオード１３１ａ〜１３１ｄで構成されている。この発光ダイオード１３１ａ〜１３１ｄのアノードが各スイッチ２２ａ〜２２ｄに接続されている。

切換制御部２１は、第１実施形態と同様な制御を行う。すなわち速度Ｖが速度Ｖ１未満の時は第１スイッチ２２ａだけをオンし、速度Ｖ１以上Ｖ２未満の時は第２スイッチ２２ｂだけをオンし、速度Ｖ２以上Ｖ３未満の時は第３スイッチ２２ｃだけをオンし、速度Ｖ３以上の時は第４スイッチ２２ｄだけをオンする。これにより、光源１２０ａから順に一つずつ速度に応じてオンする光源が増加する。

この場合には、１つの発光ダイオード１３１ａ〜１３１ｄでそれぞれの光源１２０ａ〜１２０ｄを構成できるので、光源１２０ａ〜１２０ｄの構成が簡素になりヘッドランプ１１４の小型化を図ることができる。

＜他の実施形態＞
（ａ）前記両実施形態では、照度制御部を設けて照度に応じて光源をオンオフするように構成したが、照度制御部を設けずに常時点灯するように構成してもよい。また、照度センサを切換制御部に接続し、切換制御部で照度に応じたオンオフ制御を行ってもよい。

（ｂ）前記両実施形態では、回転状態の検出結果から自転車の速度を算出して切換制御を行っているが、発電機１９の回転状態である発電機１９の回転速度を用いて切換制御を行ってもよい。また、自転車の速度を検出する速度センサを別に設け、その検出出力を発電機の回転状態として切換制御を行ってもよい。

（ｃ）前記両実施形態では、自転車用照明装置としてヘッドランプを例示したが、自転車の位置を点滅して示すなどのポジションランプやテールランプにも本発明を適用できる。

（ｄ）前記両実施形態では、フロントフォーク１０２ａに装着されたヘッドランプを例示したが、自転車照明装置としては、自転車に装着可能なものであればどのような部位に装着されるものでもよい。

（ｅ）前記両実施形態では、発電機１９としてハブダイナモ１０に搭載されたものを例示したが、本発明に接続される発電機はこれに限定されず、リムダイナモや車輪のスポークとフレームとの間に配置された発電機や車輪のスポークの外側に配置された発電機にも接続可能である。

（ｆ）光源の数は４つに限定されず複数であればどのような数でもよい。またスイッチの数も４つに限定されず、光源の数や接続形態に合わせて任意に設定できる。

（ｇ）前記実施形態では、光源を直列接続しているが、４つの光源を用いる場合、たとえば４つの光源を並列接した構成と、並列接続された２つの光源を直列接続した構成と、４つの光源を直列接続した構成とに切換制御するようにしてもよい。この場合、光源を直列接続した後者の構成に比べて並列接続が加わる前者の２つでは、各発光ダイオードに流れる電流が大幅に減少する効果がある。

本発明の第１実施形態が採用された自転車の側面図。 その制御ブロック図。 その制御フローチャート。 直列接続された発光ダイオードの出力曲線を示すグラフ。 本発明の照明装置の出力曲線を示すグラフ。 第１実施形態の図２に相当する図。

符号の説明

１４，１１４ ヘッドランプ（自転車用照明装置の一例）
１９ 発電機
２０ａ〜２０ｄ，１２０ａ〜１２０ｄ 光源（複数の光源の一例）
２１ 切換制御部（制御部の一例）
２２ａ〜２２ｄ，１２２ａ〜１２２ｄ 第１〜第４スイッチ（複数のスイッチ部の一例）
３１ａ〜３１ｄ，３２ａ〜３２ｄ，１３１ 発光ダイオード
２３ 回転状態検出部
１０１ 自転車

Claims (4)

1. 自転車の走行に応じて発電する発電機に接続可能な自転車用照明装置であって、
   前記発電機の出力により発光する少なくとも一つの発光ダイオードを各別に有する複数の光源と、
   前記複数の光源をオンオフ可能な複数のスイッチ部と、
   前記発電機の回転状態を検出する回転状態検出部と、
   前記回転状態検出部で検出された検出結果に応じて前記複数のスイッチ部のいずれか一つを選択的にオンし、自転車の速度の増加に応じて一つの光源から順にオンする光源の個数を増加させる制御部と、
   を備えた自転車用照明装置。
2. 前記複数の光源は、極性が異なるように並列接続された２つの発光ダイオードをそれぞれ有する、請求項１に記載の自転車用照明装置。
3. 前記交流発電機の交流電力を整流する整流回路をさらに備え、
   前記複数の光源は、１つの発光ダイオードをそれぞれ有し、整流された電力で動作する、請求項１に記載の自転車用照明装置。
4. 前記制御部は、検出された前記回転速度の増加に応じて前記複数の光源が一つずつ順にオンするように前記スイッチ部を制御する、請求項１に記載の自転車用照明装置。

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