JP2015025738A - 車両用速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単で正確な速度計を提供する。【解決手段】本発明は公知の大バルクハウゼン現象を利用する。３は自転車の車軸、４はハブ筒である。ステータ−８は車軸３に装着される非回転部材であり、ローター６はハブ筒４に装着される回転部材である。ハブ筒４が回転すると磁石７が回転して、静止している複合磁性体８ａの近傍を通過する。磁石７の磁界が移動して複合磁性体に交番磁界を作用させるので、検知コイル８ｂに電気パルスが発生する。この場合、正弦波電流でなくて電気パルスであること、および、低速回転の検出精度に優れていることが大バルクハウゼン現象を利用したことに因る特徴である。電気パルスを回路基板８ｃに入力して車速を算出し、無線送信機８ｄによって送信する。【選択図】 図１

Description

本発明は車輪の回転を電気的に検出する技術に関するものである。
本発明は自転車の速度計として好適なように創作されたものであるが、車両全般に適用することができ、例えば、流れ作業で生産している工場の自動運搬車に適用しても実用的効果を奏し得る。

自動車用の速度計や走行距離計は一般に、トランスミッションの出力側、すなわち車輪の回転速度に比例して回転する部材の回転速度を機械的に（歯車手段を介して）検出している。
自転車の照明灯装置においては前輪の回転を電気的出力に変換する技術が実用化されており、特許文献１として挙げた特開２０１３−４６５３８号公報、および特許文献２として挙げた特開２０１１−１７２４６３号公報に開示されている。
また、自転車の走行速度を検出するため後輪の付近に「電池入りのセンサ機器」を設けたり、引出し線をフレームに沿わせたりした例も公知であるが、いかにも「付け足しパーツ」を装着したようで見栄えが良くない。

特開２０１３−４６５３８ 特開２０１１−１７２４６３

従来技術のように車輪の回転を機械的に取り出すと、これを遠隔監視したり自動制御したりするのに不便であり、一旦電気的信号に変換してから通信線または電波に乗せて送信しなければならない。
自転車用にハブダイナモ(商標名)と通称される機器が有り、前輪の回転速度に比例した交流電力を発生させる。これを速度計に利用することは可能であるが、車速が遅いときの検出精度が良くない。
電磁的に回転速度を検出する技術としてホール素子の利用も考えられるが、外部電源の支援を必要とする。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであって、車輪回転速度が極めて低い状態（緩速走行時）においても鋭敏に高精度で走行速度を検出することができ、外部電源の支援を受けることなく自家発電機能を有し、しかも検出した信号を無線送信し得る車両用速度計の提供を目的とする。
更に、走行速度検出機構部分が外観に現れないように工夫した。自転車の用途は広範であるが、特に趣味、娯楽やレンタルの領域においては、「見栄え」や「センス」が重視され、前述の例のように付け足しパーツを装着したような印象を与えると商品価値が低下する。

本発明は、車輪の回転を電気信号に変換して検出する手段として大バルクハウゼン現象を利用する。
特定の処理を施された磁性体に交番磁界を作用させると、外部磁界の方向が変わる毎に該磁性体の磁極方向が変わる。この場合の磁極方向変化は、外部磁界の変化速度に依存することなく瞬間的に反転する。この瞬間的な極性反転が大バルクハウゼン現象の特徴である。

これを通常の発電機に比較して考察すると次の通りである。
一般の発電機はフレーミング右手の法則に従って、磁界強度の変化速度に比例した起電力を誘導するので、緩速回転時には誘導起電力が微小である。
大バルクハウゼン現象においては外部磁界の反転速度が極端に低い場合であっても、〔比喩的に言えば〕複合磁性体の極性反転を堰き止めておいて一挙に放出するように、瞬間的に極性が反転する。
このため複合磁性体は、外部磁界の緩徐な反転の途中で１回限り、雪崩のような極性反転を生じるので、その近傍に配置されたコイルに鋭い電気パルスが誘起される。

本発明の基本的な原理について、その１実施形態に対応する図面を参照して説明すると次の通りである。この［課題を解決するための手段］の欄は、図面との対照が容易なように括弧書きで図面符号を付記してあるが、この括弧付き符号は本発明の構成を図面のとおりに限定するものではない。

請求項１に係る発明の構成は次の通りである。
（図１参照）、本図は本発明を自転車の前輪に適用した場合を描いてある。
符号（３）を付したのは車軸であって、図外の車台に対して固定的に支持されている。
符号（４）を付したのはハブ筒であって、スポークにより車輪と一体的に結合されている。
複数個の磁石（７）が車軸（３）と平行に、かつ隣接する磁石の極性方向が反対になるようハブ筒４に取り付けられていて、
大バルクハウゼン現象を発生し得るように処理された複合磁性体（８ａ）および検知コイル（８ｂ）が車軸（３）に装着されており、
車輪の回転に伴って複合磁性体（８ａ）に発生した電気パルスを入力されて当該車両の速度を算出する回路基板（８ｃ）を備えている。

請求項２に係る発明の構成は、請求項1に記載した構成要件の「複数個の磁石」の内、少なくとも1個が永久磁石であり、その他の磁石は、該永久磁石の磁界内に配置された軟鉄製の一時磁石である。

請求項３に係る発明の構成は、前記請求項１の発明装置の構成要件に加えて、
前記回路基板（８ｃ）が、車両の速度および走行距離を算出する機能を有している。

請求項４に係る発明の構成は、前記請求項１または請求項３に記載した発明装置構成要件に加えて、
前記回路基板（８ｃ）が算出した出力を入力される無線送信機（８ｄ）または赤外線送信機（図示省略）を有している。

請求項５に係る発明の構成は、下記の通りである。
（図２参照） 図は自転車の前輪を描いてある。符号（４）を付して示したのはハブ筒であって、車軸（３）によって回転自在に支承されている。
ハブ筒（４）の内部を思考的に、センサ区域Ｓと発電区域Ｇとに区分する。
センサ区域Ｓには、前掲の図１で説明した車両用速度計を収納する。
発電区域Ｇには、公知のハブダイナモ(商標名)を設置する。
ハブダイナモの電気出力は前照灯に用いるが、その１部を本発明に係る回路基板（８ｃ）や無線送信機（８ｄ）の電源としても利用する。

請求項１の発明を適用すると、車両の走行速度が電気的信号として検出され、この信号を遠隔地で監視したり、制御に利用したりすることができる。
特に、外部電源に依存せず自家発電で賄えること、および、緩速走行時の検出精度に優れていることが顕著な効果である。
しかも、走行速度検出機構部分が外観に現れないので、高い商品価値を維持し得る。

請求項２の発明を適用すると、１個の永久磁石を採用しているので、量産時のコスト低減が可能である。

請求項３の発明を適用すると、車両の走行速度のみならず走行距離も検出できるので、特に、車両の運行管理に好都合である。

請求項４の発明を適用すると、遠隔地において車両の運行を監視したり制御したりするのに好都合である。

請求項５の発明を適用すると、１個の組立部材（アッセンブリ機器）によって２輪車の前方照明と速度検出とを併せて遂行することができる。

本発明の１実施形態を示し、自転車の前輪に適用した例の模式的な要部分解斜視図である。 本発明の請求項５に対応する実施形態の模式的な断面図である。 図１と異なる実施形態を説明するためのイメージ図である。

図１は本発明を自転車前輪に適用した実施形態を模式的に描いた分解斜視図である。
符号３を付して示したのは車軸であって、車台に対して回転しない静止部材である。Ｚ−Ｚは中心線である。
符号４を付して示したのはハブ筒であって、その両端を軸受箱付きのハブ筒カバー５で覆われており、前記の車軸３で支承された回転部材である。

８は、静止部材である車軸に装着されたステータ−である。
（注）本発明において静止とは、車台に対して回転しない意であり、車両の走行に伴って移動したり、操向に伴って回動したりする。
６は、ハブ筒４に取り付けられて一緒に回転するローターである。
ローター６の本体部分は非磁性体で形成され、複数個の棒磁石７を中心線Ｚと平行に支持しており、隣接する棒磁石は相互に極性方向（Ｎ極とＳ極の向き）を反対にしている。

ステータ−８の詳細な構成は次の通りである。
３個の複合磁性体８ａは中心線Ｚと平行に配設され、前記の磁石７に対して平行に対向離間している。その近傍に検知コイル８ｂが配置される(本例では外嵌されている)。
車輪が回転して、ローター６がハブ筒４と共に回転すると、複数個の磁石７が複合磁性体８ａの周辺を周回して交番磁界を作用させる。
交番磁界の作用で外部磁界の方向を反転された複合磁性体８ａは大バルクハウゼン現象を呈し、検知コイル８ｂに電気パルスを誘導させる。
検知コイル８ｂに誘導された電気パルスは回路基板８ｃに入力されて、車速が算出される。車速とともに走行距離を算出することも推奨される。

回路基板８ｃで算出された走行速度や走行距離は無線送信機８ｄによって無線送信される。
本実施形態は自転車に適用された例であるから、無線送信された信号は自転車のハンドルに装着された表示機器で受信される。
図示を省略するが、多数の車両を運行させている場合、司令室において多数の車両の走行速度を監視することができる。さらに、車両の走行距離から車両位置を算定することもできるから、多数の車両の運行状態を把握して管理するにも有効である。

次に、図１を援用して前記と異なる実施形態を説明する。
前記実施形態では、ローター６に配列した８個の磁石７を永久磁石で構成したが、これら８個の磁石の内で1個のみを永久磁石とし、他の7個を軟鉄片で代替しても、軟鉄片が磁化されて一時磁石となる。これら一時磁石の極性（南北の向き）もこの図１と同様になる。
従って、請求項１における「複数個の磁石」の内、少なくとも１個を永久磁石とし、他を一時磁石としても、同様の作用効果が得られる。

８個の磁石の内で1個を永久磁石とし、他の7個を軟鉄片とした構成のイメージ図を図３に示す。
図において、符号７を付した部材は永久磁石であり、符号１４を付した部材はヨークである。
図３の実施形態においては軟鉄製の一時磁石をヨーク状に形成してある。

図２は前掲の図１と異なる実施形態（請求項５に対応）を説明するための概要的なイメージ図である。
車軸３は一対の自転車フロントフォーク９に固定されて、ハブ筒４を回転自在に支承している。１０はスポークである。

思考的に、ハブ筒４の内部をセンサ区域Ｓと発電区域Ｇとに区分する。この区分は説明の便宜上のものであって、本発明(請求項５)の必須構成要件ではない。
センサ区域Ｓに、前掲の図１に示したローター６とステータ−８とを収納する。
発電区域Ｇには、公知のハブダイナモを収納する。

センサ区域Ｓに配置した構成部材は、前掲の図１に示した構成部材と類似であって、
ハブ筒４の内周面に固着したローター６は複数個の磁石７を保持している（本図２の断面には１個だけ現れている）。
上記の磁石７に対向離間させて複合磁性体８ａが配置されるとともに、その近傍に検知コイル８ｂが配置されている。
図から理解されるように、磁石７の磁界を有効に複合磁性体８ａに作用させる為、ローター６は非磁性体であることを要する。ただし、ハブ筒４を非磁性のステンレス鋼で形成するなどの配慮をすればローター６を省略して磁石７をハブ筒４に取付けても良い。

回路基板８ｃや無線送信機８ｄは前記実施形態（図１）と同様ないし類似の部材である。
無線送信機８ｄは、導電性のハブ筒４内に収納されているが、そのアンテナ（図示省略）はハブ筒４の外に設ける。
本実施形態(図２)に限っていえば、発電区域Ｇにハブダイナモを設置していてこのハブダイナモで発生した電力は電線（図示省略）のよってハブ筒の外へ送電される。このような配線の存在を勘案すると、本実施形態の無線送信機８ｄは必須の構成要件ではない。

発電区域Ｇに設けたハブダイナモを構成している１１はマグネット、１２はコア、１３はコイルである。公知の構成部材であるから詳細な説明は省略する。
コイル１３に誘導された電力は当該自転車の前照灯に用いられるが、本実施形態においては、特に前照灯の光源をＬＥＤとして電力消費の節減を図るとともに、余剰の電力を回路基板８ｃの電源に充てた。
これにより、検知コイル８ｂの電力負荷が軽減される。
すなわち、検知コイル８ｂの電気的出力（パルス）はハブ筒の回転検出のみに用いれば足り、その１部を整流して回路基板８ｃの電源に充当することを要しなくなる。

図２の実施形態は本発明を通常の自転車に適用した例を示しているが、発電区域に設置したハブダイナモを公知のハブモータで代替すると電動自転車になる。この場合、必然的に電動自転車用の外部電源（バッテリ）を設けて給電を受ける。この給電の１部を回路基板８ｃや無線送信機８ｄの電源にすることもできる。
この適用例から理解し得るように本発明はＥＶバイクやＥＶカーに適用することができる。
また、流れ作業の生産工場におけるパーツ供給車や半製品運搬車に適用すると、多数の車両類の運営状態を司令室で把握し管理するに好適である。この場合車両の走行距離から車両位置を算定できることが大きい利点である。

本発明を適用して検出した情報（回転速度・回転数累計）を無線送信した場合の受信は、種々の形態が考えられる。
例えば、自転車のハンドルに装着する方式の「アナログ速度計にデジタル走行距離計を併設した簡単な表示器」でも良く、自転車用コンピュータ（サイクルコンピュータ）でも良い。また、スマートフォン形の携帯電話で受信することも可能である。

図２の実施形態では本発明装置とハブダイナモとを協働させたが、これと異なる実施形態として、本発明によってハブダイナモの役目（灯火の電源）を兼ねさせることもできる。
すなわち、検知コイル８ｂに発生した電気パルスの１部分で回転検出を行なうとともに、電気パルスの残部を整流して、整流された電力の１部分を回路基板８ｃや無線送信機８ｄの電源とし、残部の電力でＬＥＤを発光させて夜間走行の安全を図ることも可能である。

３…車軸
４…ハブ筒
５…ハブ筒カバー（軸受箱付き）
６…ローター
７…磁石
８…ステータ−
８ａ…複合磁性体
８ｂ…検知コイル
８ｃ…回路基板
８ｄ…無線送信機
９…フロントフォーク
１０…スポーク
１１…マグネット
１２…コア
１３…コイル
１４…ヨーク
Ｇ…発電区域
Ｓ…センサ区域

Claims (5)

1. 車台に対して固定的に支持された車軸と、該車軸によって回転可能に支承された車輪とを有する車両において、
   複数個の磁石が車軸と平行に、かつ隣接する磁石の極性方向が反対になるよう車輪に取り付けられており、
   大バルクハウゼン現象を発生し得るように処理された複合磁性体および検出コイルが車軸に装着されており、
   車輪の回転に伴って複合磁性体に発生した電気パルスを入力されて当該車両の速度を算出する回路基板を備えていることを特徴とする車両用速度計。
2. 前記複数個の磁石の内、少なくとも1個は永久磁石であり、
   その他の磁石は、前記永久磁石の磁界内に配置された軟鉄製の一時磁石である請求項１に記載の車両用速度計。
3. 前記回路基板が、車両の速度および走行距離を算出する機能を有している請求項１に記載の車両用速度計。
4. 前記回路基板が算出した出力を入力される無線送信機、または赤外線送信機を有している請求項１または請求項３に記載の車両用速度計。
5. ２輪車の前輪に対して、請求項１ないし請求項４の何れかに記載した構成部材、およびハブダイナモが装着されており、
   上記ハブダイナモの発生電力が、ＬＥＤライト、および前記回路基板の電源として用いられている車両用速度計。
   

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