自転車用ハブダイナモ

【課題】三相交流の発電を行いつつ、出力電流を容易に取り出せるハブダイナモを提供する。
【解決手段】ハブダイナモ１０は、ハブ軸１１に固定されるステータユニット２０と、ダイナモケース１２に固定されるロータユニット３０を備える。ステータユニット２０は三相交流発電用である。ステータユニット２０の三相交流出力を直流出力に変換する整流回路４２を備えた回路基板４０がダイナモケース１２内に配置される。回路基板４０は導電性物質製のホルダ４１でハブ軸１１に支持される。ホルダ４１は直流出力を取り出す一対の出力線４２ａの一方をハブ軸１１に電気的に接続する役割を担う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自転車用ハブダイナモに関する。
【背景技術】
【０００２】
日常使用する自転車には、ヘッドランプなどで消費する電力を供給するためのダイナモが装備されているものが多い。そのダイナモも、近年では車輪のハブに組み込まれるハブダイナモが一般的になっている。
【０００３】
通常のハブダイナモは単相交流で発電している。発電効率を向上させるため、三相交流で発電することも技術的な選択肢として存在する。三相交流で発電を行うハブダイナモの例が特許文献１、２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１２９６５号公報（国際特許分類：Ｈ０２Ｋ２１／２２、Ｂ６２Ｊ６／１２、Ｈ０２Ｋ５／２２、Ｈ０２Ｋ７／１１６、Ｈ０２Ｋ７／１８）
【特許文献２】特開２００４−１５９０９号公報（国際特許分類：Ｈ０２Ｋ２１／２２、Ｂ６０Ｑ１／０２、Ｂ６２Ｊ６／０２、Ｂ６２Ｊ６／１２、Ｈ０２Ｋ７／１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三相交流の場合、出力線が３本になり、そのすべてをハブダイナモから導出させるのは、設計の面でも組立の面でも困難を伴う。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、三相交流の発電を行いつつ、出力電流を容易に取り出せるハブダイナモを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態によれば、ハブ軸及び当該ハブ軸に回転自在に保持されたダイナモケースを有する自転車用ハブダイナモは、前記ハブ軸に固定されるステータユニットと、前記ダイナモケースに固定されるロータユニットを備え、前記ステータユニットは三相交流発電用であり、前記ステータユニットの三相交流出力を直流出力に変換する整流回路を備えた回路基板が前記ダイナモケース内に配置される。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成の自転車用ハブダイナモにおいて、前記回路基板は導電性物質製のホルダで前記ハブ軸に支持され、前記ホルダは前記直流出力を取り出す一対の出力線の一方を前記ハブ軸に電気的に接続する役割を担う。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成の自転車用ハブダイナモにおいて、前記ステータユニットに含まれる鉄芯は積層鉄芯である。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記構成の自転車用ハブダイナモにおいて、前記鉄芯の極片の極数と、前記ロータユニットに含まれるマグネットの極数が異なる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、三相交流電流をダイナモケース内で直流電流に変換してから出力するものであるから、出力線の数が少なくて済み、三相交流の利用が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るハブダイナモを備えた自転車の部分側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るハブダイナモの正面断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るハブダイナモに含まれるステータユニットの正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るハブダイナモに含まれるステータユニットを図３の矢印Ａ方向に見た側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るハブダイナモに含まれるステータユニットと回路基板を図３の矢印Ｂ方向に見た側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るハブダイナモにおけるステータユニットとロータユニットの組み合わせを示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るハブダイナモにおけるステータユニットとロータユニットの組み合わせを図６の矢印Ｃ方向に見た側面図である。
【図８】整流回路の回路図である。
【図９】ヘッドランプの側面図である。
【図１０】図９のヘッドランプの水平断面図である。
【図１１】図９のヘッドランプの部分正面図である。
【図１２】図９のヘッドランプの点灯回路図である。
【図１３】従来のヘッドランプの側面図である。
【図１４】図１３のヘッドランプの水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１には自転車１の前輪２にハブダイナモ１０が配備された状況が描かれている。ハブダイナモ１０はハンドル３に連結したフロントフォーク４に支持され、複数のスポーク５で前輪２のリム２ａに支持されている。フロントフォーク４にはハブダイナモ１０から電力の供給を受けるヘッドランプ６が取り付けられている。
【００１４】
図２に示す通り、ハブダイナモ１０はハブ軸１１とダイナモケース１２を有する。ハブ軸１１は、両端の雄ねじ部１３に螺合するナット１４でワッシャー７０を介してフロントフォーク４を締め付けることにより、フロントフォーク４から脱落しないように、またフロントフォーク４に対し回転しないように固定される。
【００１５】
ダイナモケース１２は略円筒形の中空部品であって、一端が開口部となっている。この開口部に円盤状のリッド１５がはめ込まれ、固定されることにより、外界から隔離された内部空間１６が形成される。ダイナモケース１２は、開口部でない側の端とハブ軸１１との間に介在するボールベアリング１７と、リッド１５とハブ軸１１との間に介在するボールベアリング１８により、ハブ軸１１に回転自在に保持される。それぞれのボールベアリング１７、１８とハブ軸１１の間には、ハブ軸１１に固定されるスリーブ７１、７２が介在している。７３はスリーブ７１を覆うカバーである。
【００１６】
ダイナモケース１２は、左右の端部近傍に外フランジ１９を有する。外フランジ１９には複数のスポーク取付穴１９ａが所定の角度間隔で形成されており、このスポーク取付穴１９ａにスポーク５の根元部が取り付けられる。
【００１７】
ダイナモケース１２の内部空間１６にはステータユニット２０とロータユニット３０が収納される。以下、図３から図８を参照しつつステータユニット２０とロータユニット３０の構造を説明する。
【００１８】
ステータユニット２０は積層鉄芯からなる鉄芯２１を備える。図４に示す通り、鉄芯２１には合計９個の極片２１ａが形成されている。この極片２１ａにコイル２２が巻かれる。コイル２２は、図８に示す通り、三相スター結線とされている。
【００１９】
鉄芯２１は中心に貫通穴を有し、この貫通穴にハブ軸１１が通される。ステータユニット２０は、ダイナモケース１２の内部空間１６でワッシャー７４、スプリングワッシャー７５を介してハブ軸１１に螺合するナット２３により、ハブ軸１１の軸線方向にずれないように、またハブ軸１１に対し回転しないように固定される。
【００２０】
ダイナモケース１２の内部には、コイル２２で発生した三相交流を直流に整流する整流回路を備えた回路基板４０が配置される。回路基板４０はドーナツ形であり、ハブ軸１１の軸線方向においてステータユニット２０に整列する形に配置される。回路基板４０は円板形のホルダ４１によってハブ軸１１に取り付けられる。ホルダ４１は導電物質製である。金属板のプレス成型でホルダ４１を形成するのがよい。ホルダ４１はハブ軸１１を通す貫通穴を中心に有し、ナット２３の締め付けでステータユニット２０と共にハブ軸１１に固定される。
【００２１】
回路基板４０には、図８に示す整流回路４２が形成されている。整流回路４２は６個のダイオード４３を含む。この整流回路４２にコイル２２の３本の出力線２２ａが接続される。整流回路４２からは直流出力を取り出す２本の出力線４２ａが導出される。
【００２２】
２本の出力線４２ａの一方はホルダ４１のホルダ端部４１ａに電気的に接続される。ホルダ４１はハブ軸１１に電気的に接続した状態にあり、ホルダ４１に電気的に接続された出力線４２ａの一方は、ホルダ４１を介してハブ軸１１に電気的に接続されることになる。これにより、ハブ軸１１が固定される自転車１全体が整流回路４２に対しグラウンドとして機能する。
【００２３】
他方の出力線４２ａには絶縁被覆で覆われたリード線４４が接続される。リード線４４はスリーブ７２に設けた通路によりハブ軸１１とボールベアリング１８の間を通ってハブダイナモ１０の外に導出される。
【００２４】
図２において、７６は出力端子で、リード線４４と接続されており、ワッシャー７７を介し、ナット７８によりスリーブ７２の外周に取り付けられる。出力端子７６の周囲はカバー７９で覆われる。
【００２５】
尚図５において、太い黒い線４７は、回路基板４０に印刷されたプリント配線を示す。
【００２６】
ロータユニット３０は、軟鋼からなるリング状のロータヨーク３１と、ロータヨーク３１の内面に接着剤で固定されたリング状のマグネット３２を備える。マグネット３２は、図７に示す通り、Ｓ極とＮ極に交互に着磁されている。Ｓ極とＮ極の合計数は１０極とされている。すなわちマグネット３２の極数は鉄芯２１の極片２１ａより１極多くなっている。
【００２７】
ロータヨーク３１はダイナモケース１２の内周面に密着し、ダイナモケース１２に接着剤で固定される。
【００２８】
前輪が回転すると、ハブ軸１１とダイナモケース１２の間に相対回転が生じ、マグネット３２が形成する磁束が鉄芯２１の極片２１ａを次々と横切って行く。これにより、コイル２２に三相交流電流が流れる。三相交流電流は整流回路４２で直流電流に整流される。その直流電流をリード線４４経由で出力端子７６より取り出し、ヘッドランプ６の点灯などに利用する。
【００２９】
ステータユニット２０は三相交流電流を発生するものであるから、発電効率が高い。鉄芯２１が積層鉄芯なので、発電効率が一層高まる。そして三相交流電流はそのままの形でハブダイナモ１０から出力するのでなく、ハブダイナモ１０の内部の整流回路４２で直流電流に変換してから出力するので、出力線４２ａの数が少なくて済む。その上、２本の出力線４２ａの一方はホルダ４１を介して自転車１にグラウンドをとるので、結局、ハブダイナモ１０の外に引き出すリード線４４は１本で済むことになり、ハブダイナモ１０の設計や組立が容易になる。
【００３０】
また、鉄芯２１の極片２１ａの極数と、マグネット３２の極数を異ならせたので、マグネット３２の極の全てと極片２１ａの全てが一斉にすれ違うということがなくなり、コギングトルクが減少する。すなわちハブダイナモ１０の回転がスムーズに感じられることになり、使用感が向上する。なお本実施形態ではマグネット３２の極数を鉄芯２１の極片２１ａより１極多くするという形で鉄芯２１の極数とマグネット３２の極数を異ならせているが、この構成に限定されるものではない。鉄芯２１の極数の方がマグネット３２の極数より多くてもよく、極数の差が２以上であってもよい。
【００３１】
ヘッドランプ６には、自転車１の搭乗者の安全を確保するための工夫が施されている。それを図９から図１３までの図に基づき説明する。
【００３２】
ヘッドランプ６は合成樹脂成型品からなる砲弾型のヘッドランプケース５０を備える。ヘッドランプケース５０は金属製のステー５１を介してフロントフォーク４に取り付けられる。ヘッドランプケース５０は前方側が開口しており、そこに透明な合成樹脂からなるヘッドキャップ５２が取り付けられる。ヘッドキャップ５２はヘッドランプケース５０に面する側が開口となっており、そこに反射鏡５３が取り付けられる。反射鏡５３は合成樹脂成型品であり、メッキまたは金属の蒸着により反射面５３ａが形成されている。
【００３３】
反射鏡５３の中心に位置してランプ５４が配備されている。ランプ５４は白熱電球であってもよく、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。ランプ５４の端子部分はヘッドランプケース５０の内部に支持された回路基板５５に電気的に接続される。回路基板５５にはハブダイナモ１０が発電した直流電流が供給されるものであり、その直流電流がランプ５４に流れ、ランプ５４が点灯する。
【００３４】
ヘッドランプケース５０の中で外向きになった側面には貫通穴５０ａが形成され、ここに、内部空間５６ａを有する箱形の導光レンズ５６が取り付けられる。導光レンズ５６は正面形状が横長の矩形であり、図１０に示す形状の水平断面を備える。すなわち導光レンズ５６の内部空間５６ａには貫通穴５０ａに向かって突き出す山形突部５７が形成されている。山形突部５７の中心には、外面より山形の凹部５８が形成されている。山形突部５７の肉厚部分と凹部５８の境界面が第１の反射面５７ａとなり、山形突部５７の肉厚部分と導光レンズ５６の内部空間５６ａの境界面が第２の反射面５７ｂとなる。第２の反射面５７ｂは階段状に形成されている。
【００３５】
ヘッドランプケース５０には、導光レンズ５６の前方面に当接する箇所に円形の貫通穴５０ｂが形成されている。反射鏡５３にも、貫通穴５０ｂに整列する箇所に円形の貫通穴５３ｂが形成されている。その結果、導光レンズ５６からの光が貫通穴５０ｂ、５３ｂを通じてヘッドキャップ５２から漏れ出すことになる。
【００３６】
導光レンズ５６に対し光を供給する光源となるのは、回路基板５５に実装されたＬＥＤ５９である。ＬＥＤ５９は山形突部５７の頂点の平坦部に光を照射するように取り付けられる。ＬＥＤ５９に電力を供給するのはハブダイナモ１０であるが、ハブダイナモ１０が発電をやめた後は回路基板５５に実装されたコンデンサ６０がＬＥＤ５９に電力を供給する。コンデンサ６０としては、ある程度の蓄電量が必要とされることから、電気二重層コンデンサが選択される。
【００３７】
回路基板５５に形成された電気回路は、図１２に示す個別回路要素を含む。すなわち整流回路６１、定電圧回路６２、光センサ回路６３、点灯消灯制御回路６４、及び定電圧回路６５である。光センサ回路６３はヘッドランプ６の外界の明るさを検知する光センサ６６を含む。点灯消灯制御回路６４はランプ５４を点灯または消灯させる。
【００３８】
自転車１が走行しハブダイナモ１０が発電を行ったとき、夜間等周囲が所定の明るさよりも暗くなっていることを光センサ６６が検知したときは、点灯消灯制御回路６４がランプ５４に電流を流し、ランプ５４を点灯させる。これにより、ヘッドキャップ５２を通じて自転車１の前方に光が照射され、搭乗者は光で前方を確認しつつ自転車１を走行させることができる。尚図１２においては、ハブダイナモ１０として単相のものを使用しているが、三相交流発電機を使用しても勿論構わない。
【００３９】
夜間の走行時、ハブダイナモ１０が発電を行うと、ＬＥＤ５９も点灯する。ＬＥＤ５９から出射された光は図１０に示す通り山形突部５７の頂点の平坦部より山形突部５７の肉厚内に入り、第１の反射面５７ａに当たり、ヘッドランプ６の前後軸に沿う水平方向に反射される。その光は山形突部５７の肉厚内を進んで第２の反射面５７ｂに当たり、ヘッドランプ６の前後軸と直角の方向に、すなわちヘッドランプ６の側方に向かって反射する。この光は、第２の反射面５７ｂが階段状になっていることから、多数のきらめきとなって観察者の目を射る。このため、自転車１の存在を側方から良く認識することができる。
【００４０】
ＬＥＤ５９から照射された光は全量が第１の反射面５７ａで反射される訳ではなく、一部は第１の反射面５７ａを通り抜ける。この光も側方からの自転車１の認識に役立つ。
【００４１】
第２の反射面５７ｂに当たる光も、全量が第２の反射面５７ｂで反射される訳ではなく、一部は第２の反射面５７ｂを通り抜ける。前方の第２の反射面５７ｂを通り抜けた光はヘッドランプケース５０の貫通穴５０ｂと反射鏡５３の貫通穴５３ｂを通り、ヘッドキャップ５２から前方に漏れ出る。この漏出光により、自転車１の存在を前方から認識することができる。
【００４２】
後方の第２の反射面５７ｂを通り抜けた光は導光レンズ５６の後方側面から後方に漏れ出る。この漏出光により、自転車１の存在を後方から認識することができる。
【００４３】
夜間、ハブダイナモ１０が発電を行っている間、コンデンサ６０に充電が行われる。自転車１が停止し、ハブダイナモ１０が発電を行わなくなっても、コンデンサ６０の蓄電量がＬＥＤ５９の発光に十分なものである間は、ＬＥＤ５９は点灯を続ける。このため、走行を続けてきた自転車１が信号待ち等で停止したとき、ランプ５４は消灯し、ヘッドランプ６の機能は失われるが、ＬＥＤ５９は点灯したままで、前方、側方、後方の三方向より視認可能である。このように点灯するＬＥＤ５９が他の自転車や自動車、歩行者などに対し自転車１の存在を主張するので、搭乗者の安全を確保することができる。
【００４４】
図１３、１４に従来のヘッドランプ１００を示す。図９から図１２に示したヘッドランプ６と機能的に共通する構成要素にはヘッドランプ６と同じ符号を付し、説明は省略する。
【００４５】
ヘッドランプ６に存在した構成要素で、ヘッドランプ１００に欠けている構成要素の主なものは、導光レンズ５６、ＬＥＤ５９、及びコンデンサ６０である。ランプ５４も、反射鏡５３に形成された切り欠き部５３ｃを通じて側方に光を放ちはするが、自転車１が走行を停止し、ハブダイナモ１０が発電を行わなくなると、発光しなくなってしまう。そのため、自転車１が夜間に走行状態から停止状態になったとき、ヘッドランプ６ほど搭乗者の安全を確保できない。
【００４６】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は自転車用ハブダイナモに広く利用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１自転車
２前輪
３ハンドル
４フロントフォーク
５スポーク
６ヘッドランプ
１０ハブダイナモ
１１ハブ軸
１２ダイナモケース
２０ステータユニット
２１鉄芯
２１ａ極片
２２コイル
３０ロータユニット
３１ロータヨーク
３２マグネット
４０回路基板
４１ホルダ
４２整流回路
４２ａ出力線

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ軸及び当該ハブ軸に回転自在に保持されたダイナモケースを有する自転車用ハブダイナモであって、
前記ハブ軸に固定されるステータユニットと、前記ダイナモケースに固定されるロータユニットを備え、
前記ステータユニットは三相交流発電用であり、
前記ステータユニットの三相交流出力を直流出力に変換する整流回路を備えた回路基板が前記ダイナモケース内に配置されることを特徴とする自転車用ハブダイナモ。
【請求項２】
前記回路基板は導電性物質製のホルダで前記ハブ軸に支持され、前記ホルダは前記直流出力を取り出す一対の出力線の一方を前記ハブ軸に電気的に接続する役割を担うことを特徴とする請求項１に記載の自転車用ハブダイナモ。
【請求項３】
前記ステータユニットに含まれる鉄芯は積層鉄芯であることを特徴とする請求項１または２に記載の自転車用ハブダイナモ。
【請求項４】
前記鉄芯の極片の極数と、前記ロータユニットに含まれるマグネットの極数が異なることを特徴とする請求項３に記載の自転車用ハブダイナモ。

【図１】