JP4714727B2 - 自転車用電源装置及び自転車用電気部品の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、自転車用電気装置及び自転車用電気部品の駆動方法、特に、ダイナモコイルを用いて直流電源の電圧を増幅し電圧を供給する装置及び方法に関する。

自転車は、交通手段としてだけではなく、リクリエーションとしても盛んに用いられるようになってきている。さらに、自転車はアマチュア及びプロの競技としても人気がある。このように、リクリエーション、交通手段あるいは競技に自転車が用いられているが、自転車産業では常に部品の改良が行われている。広範囲に改良が行われている自転車部品のなかには、フロントライトや電気システムがある。

最近では、自転車用ライトの小型化及び軽量化を図るために、ライトの光源として発光ダイオードが提案されてきている（例えば特許文献１及び特許文献２）。このような発光ダイオードは、いくつかのダイオードを組み合わせて１つの光源とすることにより、軽量でかつ適切な照明となる。ここで、自転車はダイナモを装着している場合が多い。このダイナモは、自転車が走行しているときに発電し、ダイオードを駆動するのに十分な電圧を発生することができるが、発電は自転車が走行しているときにしか行われない。したがって、自転車が止まってしまうと、ダイオードを駆動するために別の電源が必要になる。ただし、ダイオードにとって必要な照明用の電圧は非常に低い。一般的に、バッテリは、自転車においてダイオードを駆動するには十分すぎるし、またバッテリを装着すると重量が増加してしまう。また、変圧器のような電気回路によって、小型のバッテリからダイオードを駆動するのに十分な電圧を得ることもできる。しかし、このような電気回路も、自転車の重量を増加させるので好ましくない。
特開２００５−３２９７３７号公報 特開２００７−２３０３７４号公報

以上の点から、本開示によって、当業者に、自転車の重量を増加させずに小型バッテリのような電源から十分な電圧を供給する改良された電力システムの要求があることが明らかにされる。本発明は、この要求と同様に、本開示から、当業者に対して、明らかにされる他の要求に対してもなされたものである。

本発明の課題は、自転車の重量を増加させずに自転車用照明システムの機能を増加させることにある。

本発明の別の課題は、自転車に存在する部品を用いて、小型バッテリのような電源からの電圧を増幅し、発光ダイオードを点灯させることができるようにすることにある。

本発明に係る自転車の電源装置は、コイルを有するダイナモと、電気部品と、電源と、スイッチと、を備えている。電気部品はダイナモに電気的に接続されている。電源は、電気部品と並列にダイナモに電気的に接続され、ダイナモを充電可能である。スイッチは、電源に直列に接続されている。スイッチは、ダイナモが発電していないときに閉状態で電源からの電流をダイナモのコイルに流し、開の状態ではダイナモのコイルは自転車の電気部品に電圧を供給する。

以上のような本発明では、自転車の重量を増加させずに自転車用照明システムの機能を増加させることができる。

本発明の選択的な実施形態を、図面を用いて説明する。以下の本発明にかかる実施の形態の説明は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって決められる本発明を限定するものではない。

［第１実施形態］
図１に電源装置１２を有する自転車１０を示す。

自転車１０は基本的に、フレーム１４と、ハブ１８を含む前輪１６と、フロントディレイラ２０と、リアディレイラ２２と、チェーンＣと、フロントライト２６と、リアライト２８と、電源装置１２と、他の部品と、を含んでいる。電源装置１２は、フロントライト２６に対して、自転車１０が走行していない時でも数分間フロントライト２６を点灯させるのに十分な電圧を供給するものである。

フレーム１４は、従来と同様の自転車用フレームであり、金属あるいは複合材料で形成することができる。前輪１６のハブ１８は図２に示すようなダイナモ３０を有している。ダイナモ３０は、自転車１０が走行しているときに電源装置１２に電力を供給するように構成されている。特に、ハブ１８、前輪１６及びダイナモ３０は、前輪１６の回転中に従来と同様の方法で直流電流を発生するものである。すなわち、ダイナモ３０は、自転車１０に装着され、自転車１０が走行しているときにフロントライト２６（電気部品）に電力を供給するように構成されている。ダイナモ３０により供給される直流電流はフロントライト２６及び／又はリアライト２８を駆動することが可能である。

ダイナモ３０はさらに従来と同様のコイル３２を有している。コイル３２は、前輪１６の回転から電気エネルギを発生させるために直列巻線を有している。前輪１６が回転していないときは、ダイナモ３０からは電流も電圧も発生しない。しかしながら、本発明では、コイル３２により、以下に詳細に説明するように、フロントライト２６を点灯するのに十分な電圧を発生することができる。特に、第１電圧時の直流電流がコイル３２を通過するときに、コイル３２の巻線が磁界を形成する。直流電流がコイル３２から流れなくなったときには、磁界が崩壊したりあるいは消失し、磁界が急激に変化する。そして、コイル３２の電気誘導により、磁界の急激な変化が、第１電圧よりも高い第２電圧で直流電流を発生させる。本発明では、以下に詳細に説明するように、コイルの巻線の特性による特有の効果を有している。

フロントディレイラ２０は従来と同様の機構である。同様に、リアディレイラ２２も従来と同様の機構である。

フロントライト２６は、図１に示すように、フレーム１４の前部に装着されている。また、図２〜図６示すように、フロントライト２６（電気部品）は、複数の発光ダイオード４０と、電源４６と、電圧検出回路４８と、スイッチ５０と、を備えている。複数のダイオード４０はそれらを電流が通過するように直列に接続されている。これらのダイオード４０は照明のためにそれぞれ約３ボルトの電圧が必要である。この実施形態では、４つの発光ダイオードが互いに直列に接続されている。したがって、これらのダイオード４０によって照明するためには、約１２ボルトの電圧が必要となる。

図２に示すように、電源装置１２は基本的に、ダイナモ３０と、配線４２及び４４と、フロントライト２６と、を備えている。

配線４２は、ダイナモ３０の第１端子を電源４６の負側端子及びダイオード４０の第１端子に電気的に接続する。配線４４は、ダイオード４０の第２端子をスイッチ５０の１つの端子及びダイナモ３０の第２端子に電気的に接続する。

前述のように、電源４６の負側端子は配線４２に電気的に接続されており、正側端子はスイッチ５０の端子に接続されている。電源４６は基本的に１つの電源であり、ダイナモ３０に対してダイオード４０と電気的に並列に接続されている。さらに、電源４６はダイナモ３０（及びコイル３２）に充電可能に接続されている。スイッチ５０は電源４６と配線４４との間に配置されている。したがって、スイッチ５０は電源４６の電気的入出力を制御している。電源４６は、従来と同様の方法で電気的エネルギを蓄えることが可能な１つのコンデンサあるいは互いに並列に接続された複数のコンデンサによって構成することが可能である。好適な実施形態では、電源４６は電気的エネルギを蓄電可能な１ファラッドのコンデンサであり、フルに充電された状態で短時間に約２．３ボルトの電位を発生することができる。したがって、電源４６は、電源装置１２の第１電圧として約２．３ボルトを発生することができる。また、電源４６は、前輪１６が回転して自転車１０が走行している状態で、ダイナモ３０により充電される。前輪１６の回転が止まったときには、以下に示すように、電源４６が電源装置１２及びダイオード４０を駆動するための電力を供給する。

電圧検出回路（制御回路）４８は、配線４２のポイントＡと配線４４のポイントＢとの間の電位を検出する回路である。また、電圧検出回路４８はスイッチ５０を制御する回路及び／又は機構を含んでいる。特に、電圧検出回路４８は、この回路４８によって検出されたポイントＡとＢとの間（ダイナモ３０の両端に対応している）の電圧及び／又は電流の値に応じてスイッチ５０の開閉を行うように構成されている。さらに後述するように、スイッチ５０は電源４６のラインに接続されている。

スイッチ５０は、発電していないダイナモ３０に電源４６を選択的に接続するように構成されている。特に、スイッチ５０が閉じられた閉状態では、ダイナモ３０は電源４６によって充電され、スイッチ５０が開けられた開状態では、ダイナモ３０はダイオード４０に増幅された電圧を供給する。

自転車１０が走行している状態では、前輪１６は回転し、ダイナモ３０はダイオード４０に電力を供給している。したがって、自転車１０が走行しているときは、ダイオード４０は自転車１０の前方を照らしている。一方、自転車１０が停止しているときは、前輪１６の回転は停止し、もはやダイナモ３０から電力は供給されない。

本発明の電源装置１２は、自転車１０が走行しておらず、かつダイナモ３０が発電していない時に、以下のように動作する。

電源装置１２の動作を、図２〜図６を参照して説明する。

図２において、自転車１０が停止した場合は、ダイナモ３０は前輪１６の回転の停止により電力の発生を停止する。すると、電圧検出回路４８は、ポイントＡとＢとの間の電圧／電流の低下を検出し、図３に示すように、スイッチ５０を閉じる。スイッチ５０が閉じられると、電源４６からの直流はダイナモ３０に供給される。

図４に示すように、スイッチ５０が閉じられた状態では、直流電流は電源４６から矢印Ｃ方向に流れる。このように電源４６から電流が流れると、ダイナモ３０内部のコイル３２は充電されることになる。特に、ダイナモ３０への直流電流は、コイル３２に磁界を発生させることになる。コイル３２は電磁石と同様に直列巻線であるので、電磁石と同様の態様で磁界が発生する。そして、ダイナモ３０のコイル３２が充電された状態で、電圧検出回路４８が、図５に示すように、スイッチ５０を開くことによって、ダイナモ３０から電源４６を切り離す。スイッチ５０が開状態で、かつダイナモ３０のコイル３２が充電された状態では、図６に示すように、コイル３２はダイオード４０に対して電圧を供給する。さらに、コイル３２内で崩壊した磁界からの電圧による電流は、図６の矢印Ｄで示すように流れる。

いったんスイッチ５０が開くと、ダイオード４０はダイナモ３０のコイル３２の磁界の急激な変化によって生じた電圧により駆動される。この結果、フロントライト２６は電源４６からの電力なしに、ダイナモ３０のコイル３２による電圧によって、前方を照らすことが可能になる。

本発明の電源装置１２の利点は、電源４６のような低電圧電源によってコイル３２を充電し、磁界を生成することができることである。ここで、コイル３２は磁界を発生するための直列巻線を含むので、巻線の間の誘導は磁界の崩壊によって発生する、ダイオード４０を駆動するための電圧を、電源４６からの入力電圧に比較して増加させる。磁界の急激な変化による電圧は電源装置１２の第２電圧であり、１２ボルトよりも大きい。ダイオード４０は照明のために約１２ボルトの電圧が必要となる。したがって、第２電圧はダイオード４０を駆動するのに十分な電圧である。

電源４６は、ダイナモ３０の入力と出力との間の電位差を検出する電圧検出回路４８によって制御される。電圧検出回路４８は配線４２と配線４４との間の電位差に応じてスイッチ５０の開閉制御を行うようにプログラムあるいは設計されている。

図７に、電圧検出回路４８の動作フローを示す。ステップＳ１において、電圧検出回路４８は電力の存在下でスタートする。例えば、別の内部バッテリ（図示せず）及び対応するスイッチ（図示せず）によって、あるいは配線４２及び４４のポイントＡ，Ｂ間の電位差によって電力が供給される。そして、初期の電力は、前輪１６の回転につれてダイナモ３０から得ることができる。このダイナモ３０からの初期の電力は、スイッチ５０が初期状態では閉じられ、かつ電圧検出回路４８の動作が開始するまで開かないので、電源４６の充電に用いられる。

いったん電圧検出回路４８に電力が供給されると、スイッチ５０は開状態となる（ステップＳ２）。ステップＳ２の状態を図２に示している。次に、配線４２及び４４のポイントＡ，Ｂ間の電圧が測定される（ステップＳ３）。ステップＳ３における電圧検出の結果がステップＳ４においてしきい値と比較される。すなわち、ステップＳ４では、仮にＡ，Ｂ間の電位差が予め設定された所定の電圧レベル以上の場合（前輪１６の回転によりダイナモ３０から電圧が発生されたことを意味する）はステップＳ３が繰り返し実行される。

ステップＳ４において、ポイントＡ，Ｂ間の電圧が所定のレベルより下がった場合（自転車１０が停止したことを意味している）は、ステップＳ５に移行してスイッチ５０が閉じられる。ステップＳ５の状態は図３に対応している。スイッチ５０が閉じられた状態では、図４の矢印Ｃで示すように、電源４６からダイナモ３０のコイル３２に低電圧による電流が流れる。スイッチ５０はコイル３２を充電するのに十分な期間だけ閉じられる。この結果、コイル３２に磁界が形成される。充電期間は、コイル３２を充電するのに必要な期間であり、電源装置１２の構成に応じて決定される。また、充電期間は、ダイオード４０の構造、電源４６の電位及びダイナモ３０のコイル３２の応答性によって種々に変化する。この実施形態では、充電期間は２０〜３０ミリ秒である。

次にステップＳ６でスイッチ５０が開状態になる。電圧検出回路４８はスイッチ５０を少なくとも１秒間だけ開いた状態に維持する。図５はスイッチ５０が開いている状態を示している。このようにスイッチ５０が開いている状態では、コイル３２の磁界は、第２電圧を発生し、ダイオード４０を点灯する電流Ｄ（図６参照）が流れるように変化を始めている。

図７に示されたプロセスは、電源４６に蓄積されたエネルギが消費されるまで、ダイオード４０が約１秒に１回点滅するように繰り返し実行される。具体的には、ステップＳ６では、スイッチ５０が開いているとき、コイル３２に形成された磁界は、ダイオード４０に電流が流れ、電力が供給されるように変化する。この実施形態では、電源４６によってダイオード４０を約５分間点滅させることができる。

また、図７に示すプロセスは、自転車１０が再び移動し始めてダイナモ３０が電流を発生するまで繰り返し実行される。具体的には、電源装置１２の電圧は、前輪１６が回転し始めて増加する。そして、ポイントＡ，Ｂ間の電圧が、スイッチ５０がステップＳ３，Ｓ４の動作により開状態を維持するように増加する。

電源４６が完全に放電し、自転車１０が停止した場合は、スイッチ５０は初期設定である閉状態になる。そして、いったん前輪１６が回転し、ダイナモ３０が電流を発生し始めると、電源４６は再度充電される。

この第１実施形態では、電源４６は１ファラッドのコンデンサあるいは短期のバッテリを形成する直列に接続されたコンデンサである。また、この第１実施形態では、電源４６が、前輪１６の回転により、すなわちダイナモ３０からの電流によって完全に充電されると、電源４６は約２．３ボルト（第１電圧）の電圧を出力することが可能となる。そして、前輪１６の回転が停止し、ダイナモ３０から電流が発生されなくなってスイッチ５０が閉じられると、電源４６は約２．３ボルトの電圧で約２０〜３０ミリ秒の間、コイル３２を充電する。また、スイッチ５０がいったん開状態になると、コイル３２の磁界が３〜４ミリ秒の間変化し、瞬時的な電圧（１２ボルトより高い第２電圧）が発生する。

コイル３２から出力された第２電圧は、数ミリ秒間のみ続くが、これはダイオード４０を作動させるのに十分な電圧である。言い換えれば、ダイオード４０は点滅する。この１２ボルトより高い第２電圧は４つのダイオード４０を駆動するのに十分な電圧である。電圧検出回路４８は、図７のプロセスを繰り返す前に、約１秒間ステップＳ６においてスイッチ５０を開状態にする。したがって、ダイオード４０は５分間（電源４６が放電するのにかかる時間）ほど、約１秒間に一度点滅することができる。

［第２実施形態］
図８に、第２実施形態による電源装置１２’を示す。電源装置１２’は、電源４６が電源４６’と入れ替わっている点を除いて、第１実施形態と同様の構成である。電源４６’は出力が約１．２ボルトの充電式電池である。電源４６’の出力電圧は第１実施形態の電源４６の出力よりも低い。したがって、第２実施形態の第１電圧は第１実施形態の第１電圧よりも低い。しかしながら、電源４６’の出力は第１実施形態の電源装置１２と同様の方法で電源装置１２’を作動させるのに十分なものである。磁界を形成するのに要求されるコイル３２の充電期間（図７のステップＳ５）は、電源４６’の低電圧のために第１実施形態に比較して若干長くなる。第２実施形態における他の構成及び動作は、第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
図９に、第３実施形態による電源装置１１２を示している。第１実施形態と第３実施形態との共通性に着目して、第３実施形態において第１実施形態と同様の部品については、第１実施形態と同様の符号を付している。さらに、第３実施形態において第１実施形態と同様の部品については、その説明を省略する。

電源装置１１２は、リアライト２８を含む点を除いて、第１実施形態の電源装置１２と同様の全ての構成を含んでいる。リアライト２８及びフロントライト２６はともに電源装置１１２によって駆動される。具体的には、リアライト２８は、配線４２及び４４に、フロントライト２６のダイオード４０と並列に接続された複数の発光ダイオード１４０を有している。電圧検出回路４８及びダイナモ３０の動作については、第１実施形態と同様である。

［第４実施形態］
図１０に、第４実施形態による電源装置２１２を示している。第１実施形態と第４実施形態との共通性に着目して、第４実施形態において第１実施形態と同様の部品については、第１実施形態と同様の符号を付している。さらに、第４実施形態において第１実施形態と同様の部品については、その説明を省略する。

電源装置２１２は自転車用電気部品としてのリアディレイラ２２を有している。より詳しくは、電池４６、電圧検出回路４８及びスイッチ５０がリアディレイラ２２の内部に一体的に設けられている。言い換えれば、第１実施形態の電源１２の全ての部品が、ダイオード４０がコンデンサ２２０及びモータ２２２に置き換えられている点を除いて、リアディレイラ２２に含まれている。

モータ２２２及びコンデンサ２２０は配線４２及び４４に電気的直列に接続されている。例えば、モータ２２２は、スプロケット間でチェンＣを移動させるときに、リアディレイラ２２をアシストする。

この第４実施形態において、自転車１０が停止した状態では、ダイナモ３０は電圧を発生しない。しかしながら、電圧検出回路４８がスイッチ５０を閉じると、コイル３２が充電される。この後、コイル３２からの電圧はコンデンサ２２０を充電するのに使用される。コンデンサ２２０に充電された電力はモータ２２２を駆動するのに使用することができる。電圧検出回路４８及びダイナモ３０の動作は第１実施形態と同様である。

なお、モータ２２２はフロントディレイラ２０の内部に配置して使用することも可能である。

［用語の説明］
本発明の範囲の理解において、装置の部品、あるいは部分を説明するために用いられる語「構成される」は、ハードウェア及び／又は所望の機能を実現するように構築されたあるいはプログラムされたソフトウェアを含む。本発明の範囲の理解において、ここで用いられる用語「備える」およびその派生語は、記載された特徴、エレメント、部品、群、完全体、および／またはステップがあることを明記しているオープンエンドの用語を意味するのであって、記載されていない特徴、エレメント、部品、グループ、完全体、および／またはステップがあることを排除するものではない。上記は、用語「有する」、「含む」およびそれらの派生語など同様の意味を持つ語にも当てはまる。また、単数形的に用いられる用語「パート」、「部分」、「部」、「部材」あるいは「エレメント」は、単一のパートあるいは複数のパーツの２つの意味を持ちうる。ここで、本発明を説明するために用いられる、次の用語、「前方、後方、上、下向き、垂直、水平、下、横」同じく他の同様な方向を示す用語が、本発明の自転車の方向を示す用語として使用されている。このように、本発明において用いられるこれらの用語は、通常のライディングポジションにおいて用いられるような、本発明が適用される自転車に対して相対的な意味で用いられる。最後に、ここでは、「ほぼ」、「およそ」、「約」といった程度を示す用語は、最終結果が大きく変わらないような、妥当な変形の条件の変更量を意味するものとして用いる。

本発明の説明のためにいくつかの実施例が選択されたに過ぎず、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することがない範囲で、種々の変更、変形ができることは、本開示から当業者には明らかであろう。さらに、前述の本発明にかかる実施例の説明は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって決められる本発明を限定するものではないことは、本開示から当業者には明らかであろう。

本発明の実施形態が採用された自転車の正面図。 第１実施形態による電源装置のスイッチが開いた状態の回路図。 第１実施形態による電源装置のスイッチが閉じた状態の回路図。 第１実施形態による電源装置において、スイッチが閉じられダイナモのコイルが充電される状態を示す回路図。 第１実施形態による電源装置において、電圧検出回路によってスイッチが開けられた状態を示す回路図。 第１実施形態による電源装置において、スイッチが開けられ、ダイナモのコイルが発光ダイオードを駆動している状態を示す回路図。 第１実施形態による電圧検出回路の動作を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態による電源装置の回路図。 本発明の第３実施形態による電源装置の回路図。 本発明の第４実施形態による電源装置の回路図。

符号の説明

１０ 自転車
１２ 電源装置
２６ フロントライト（電気部品）
３０ ダイナモ
４０ 発行ダイオード
４６ 電源
４８ 電圧検出回路
５０ スイッチ

Claims (14)

1. コイルを有する自転車用ダイナモと、
   前記ダイナモに電気的に接続された自転車用電気部品と、
   前記ダイナモに対して、前記電気部品と電気的に並列に接続された電源と、
   前記電源に直列に接続されたスイッチと、
   を備え、
   前記スイッチは、前記ダイナモが発電していないときに閉状態で前記電源からの電流を前記ダイナモのコイルに流し、かつ開状態で前記ダイナモのコイルが前記電気部品に電圧を供給するように開閉制御可能である、
   自転車用電源装置。
2. 前記電気部品は自転車用ライトである、請求項１に記載の自転車用電源装置。
3. 前記自転車用ライトは複数の発光ダイオードを有している、請求項２に記載の自転車用電源装置。
4. 前記発光ダイオードは直列に配置されている、請求項３に記載の自転車用電源装置。
5. 前記電気部品はコンデンサを含んでいる、請求項１に記載の自転車用電源装置。
6. 前記電気部品は変速用モータを有している、請求項１に記載の自転車用電源装置。
7. 前記ダイナモの両端の電圧を検出し、検出された電圧に応じて前記スイッチの開閉を行う制御回路をさらに備えている、請求項１に記載の自転車用電源装置。
8. 前記電源は電池である、請求項１に記載の自転車用電源装置。
9. 前記電源はコンデンサである、請求項１に記載の自転車用電源装置。
10. 前記ダイナモに対して前記電気部品と電気的に並列に接続された第２電気部品をさらに備えている、請求項１に記載の自転車用電源装置。
11. 前記電気部品及び前記第２電気部品はそれぞれ複数の発光ダイオードを有している、請求項１０に記載の自転車用電源装置。
12. 前記ダイナモは、自転車に装着され、自転車が走行している状態で前記電気部品に電力を供給する、請求項１に記載の自転車用電源装置。
13. 自転車用電気部品に電力を供給する方法であって、
    ダイナモが発電していないときにダイナモのコイルに直流電流源を与えてダイナモのコイルに磁界を発生させる第１ステップと、
    前記ダイナモから前記直流電流源を切り離す第２ステップと、
    前記充電されたダイナモのコイルの磁界変化による直流電流によって電気部品を作動させる第３ステップと、
    を備えた自転車用電気部品の駆動方法。
14. 前記ダイナモの入出力間の電位を検出し、
    前記電位の検出結果に応じて、前記第１ステップと前記第３ステップとを制御する、
    請求項１３に記載の自転車用電気部品の駆動方法。

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