(57)【要約】【課題】構造が簡単で、かつ動作の安定性、信頼性、確実性に優れ、電力回生機能およびブレーキアシスト機能を備える電動補助自転車を提供する。【解決手段】クランク軸１０１から伝達された踏力を第一の伝動手段１１５ａを介して車軸１０６に伝達すると共に、補助動力としてのモータ１１４の出力を、乗員のブレーキ操作に連動してロック方向を切替可能のクラッチユニット１、および第二の電動手段１１５ｂを介して車軸１０６に伝達する。【選択図】      図６
2004268843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸から伝達された踏力、およびモータの出力を車軸に伝達する電動補助自転車において、モータの出力軸に、乗員のブレーキ操作に連動してロック方向を切替可能のクラッチユニットを連結したことを特徴とする電動補助自転車。
【請求項２】
クランク軸を、第一の伝動手段を介して車軸に連結すると共に、クラッチユニットの出力軸を、第二の伝動手段を介して車軸にリジッドに連結した請求項１記載の電動補助自転車。
【請求項３】
第一の伝動手段と車軸の間にワンウェイクラッチを介在させた請求項２記載の電動補助自転車。
【請求項４】
クラッチユニットの出力軸を伝動手段を介して車軸にリジッドに連結すると共に、クランク軸をクラッチユニットの出力軸に連結した請求項１記載の電動補助自転車。
【請求項５】
クランク軸とクラッチユニットの出力軸との間にワンウェイクラッチを介在させた請求項４記載の電動補助自転車。
【請求項６】
クラッチユニットの出力軸を伝動手段を介して車軸にリジッドに連結すると共に、クランク軸を当該伝動手段を介して車軸に連結した請求項１記載の電動補助自転車。
【請求項７】
クランク軸と伝動手段の間にワンウェイクラッチを介在させた請求項６記載の伝動補助自転車。
【請求項８】
クラッチユニットが、正回転方向のモータトルクが入力される入力側部材と、当該トルクが出力される出力側部材と、入力側部材と出力側部材の間に配置された複数の係合子と、各係合子を入力側部材および出力側部材と楔係合させる複数のカム面とを備え、クラッチユニットのロック方向を、乗員のブレーキ操作に連動して正回転方向から逆回転方向に切替えるものである請求項１〜７何れか記載の電動補助自転車。
【請求項９】
クラッチユニットの係合子を保持器で保持し、乗員のブレーキ動作に連動して保持器に回転遅れを与えることで、クラッチユニットのロック方向を切替える請求項８記載の電動補助自転車。
【請求項１０】
上記保持器に付与した弾性力で、係合子を常時正回転方向に付勢する請求項９記載の電動補助自転車。
【請求項１１】
クラッチユニットの複数のカム面が、係合子を正逆両回転方向で入力側部材および出力側部材と楔係合させるものである請求項８〜１０何れか記載の電動補助自転車。
【請求項１２】
クラッチユニットが、出力側からの逆入力トルクが設定値以下のとき、出力側から入力側に逆入力トルクを伝達し、逆入力トルクが設定値を越えたとき、出力側から入力側へのトルク伝達を遮断するものである請求項１〜１０何れか記載の電動補助自転車。
【請求項１３】
クラッチユニットの複数のカム面として、正回転方向でのみ係合子を入力側部材および出力側部材と楔係合させる第一カム面と、正逆両回転方向で係合子を入力側部材および出力側部材と楔係合させる第二カム面とを備える請求項１２記載の電動補助自転車。
【請求項１４】
第二カム面が、設定値を越える逆回転方向の逆入力トルクで、カム角度をロック角度以上に増大させるためのストッパ部を備える請求項１３記載の電動補助自転車。
【請求項１５】
第二のカム面を入力側部材と出力側部材の何れか一方の部材に形成し、ストッパ部で案内した係合子により、他方の部材を変形させてカム角度をロック角度以上に増大させる請求項１４記載の電動補助自転車。
【請求項１６】
係合子を正逆両回転方向で入力側部材および出力側部材と楔係合させるカム面の、正回転方向の係合子のロック位置と、逆回転方向の係合子のロック位置との間の角度を５°以上とした請求項１１、１３〜１５何れか記載の電動補助自転車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、補助動力としてモータ出力を使用する電動補助自転車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
平坦路走行や登坂走行中にモータ出力でアシスト走行する電動補助自転車には、モータ用の電源としてバッテリが搭載される。しかしながら、１回の充電で走行できる距離には自ずと限界があり、走行距離の拡大が強く望まれている。
【０００３】
この要求に応えるものとして、ブレーキ作動中の車輪の回転によって回生発電を行い、その回生電流でバッテリを充電する発明が、例えば特開２００１−２１３３８３号公報に開示されている（以下、先行発明と称する）。この先行発明は、モータ駆動部の回転をラチェット機構等のワンウェイクラッチで後輪に伝達すると共に、後輪を制動させるブレーキ手段の付勢に応答して上記ワンウェイクラッチを直結する直結手段を具備するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１３３８３号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、車輪とモータの間にワンウェイクラッチを介在させた場合、モータによる走行アシスト中は、モータから車輪にトルク伝達が行われるのに対し、ブレーキ作動時は、トルク伝達方向が逆になって車輪からモータにトルクが伝達されるため、ワンウェイクラッチが空転する。このままでは、モータにトルクが伝達されず、発電が不可能となるので、上記先行発明では、直結手段として摩擦式クラッチ装置を設け、そのクラッチプレート（公報中の符号８６）を出力側の部材と入力側の部材に押し付けることによって、摩擦力で出力側から入力側へのトルク伝達を行うようにしている。
【０００６】
しかしながら、この種の直結手段を使用する場合、ワンウェイクラッチとは別にクラッチ装置が必要となって構造が複雑化する。また、摩擦式であるが故に動作の安定性や信頼性にも欠ける。
【０００７】
そこで、本発明では、構造が簡単で、かつ動作の安定性、信頼性、確実性に優れ、電力回生機能およびブレーキアシスト機能を備える電動補助自転車の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、クランク軸から伝達された踏力、およびモータの出力を車軸に伝達する電動補助自転車において、モータの出力軸に、乗員のブレーキ操作に連動してロック方向を切替可能のクラッチユニットを連結した。
【０００９】
以上の構成から、モータアシスト時にはクラッチユニットを正回転方向でロックさせることにより、モータの出力を車軸に伝達することができ、モータアシストが可能となる。乗員のブレーキ操作に連動してロック方向を切替え、クラッチユニットを逆回転方向でロックさせれば、車軸側からの逆入力トルク（正回転方向）をモータに伝達することができ、これによって回生発電およびブレーキアシストが可能となる。以上の各動作は、一つのクラッチユニットで実現でき、別途クラッチ装置を必要とする従来品に比べて、コンパクト化および低コスト化を図ることができる。
【００１０】
具体的には、▲１▼クランク軸を、第一の伝動手段を介して車軸に連結すると共に、クラッチユニットの出力軸を、第二の伝動手段を介して車軸にリジッドに連結したり（図６参照）、▲２▼クラッチユニットの出力軸を伝動手段を介して車軸にリジッドに連結すると共に、クランク軸をクラッチユニットの出力軸に連結したり（図７参照）、あるいは▲３▼クラッチユニットの出力軸を伝動手段を介して車軸にリジッドに連結すると共に、クランク軸を当該伝動手段を介して車軸に連結することにより（図８参照）、上記各機能を実現することができる。
【００１１】
この場合、ブレーキ操作中に車軸の回転がクランク軸を介してペダルに伝達されないよう、▲１▼の場合は、第一の伝動手段と車軸の間にワンウェイクラッチを介在させ、▲２▼の場合は、クランク軸とクラッチユニットの出力軸との間にワンウェイクラッチを介在させ、▲３▼の場合はクランク軸と伝動手段の間にワンウェイクラッチを介在させるのが好ましい。
【００１２】
上記クラッチユニットは、正回転方向のモータトルクが入力される入力側部材と、当該トルクが出力される出力側部材と、入力側部材と出力側部材の間に配置された複数の係合子と、各係合子を入力側部材および出力側部材と楔係合させる複数のカム面とを備え、クラッチユニットのロック方向を、乗員のブレーキ操作に連動して正回転方向から逆回転方向に切替えるもので構成することができる。このクラッチユニットは、正回転方向のロックと逆回転方向のロックの何れかの状態に切替えて使用される。
【００１３】
このように係合子の楔係合作用でトルク伝達を行い、係合子の楔係合方向を正回転方向から逆回転方向に切替えるクラッチユニットを使用すれば、摩擦式クラッチ装置を使用する場合に比べて、動作の安定性、信頼性、確実性を高めることができる。係合子は、入力側部材および出力側部材と楔係合可能な部材であればよく、ローラの他、スプラグを使用することもできる。また、カム面は、入力側部材および出力側部材の何れに形成してもよい。通常、入力側部材および出力側部材は、何れか一方が他方の外径側に配置される。
【００１４】
係合子を保持器で保持し、乗員のブレーキ動作に連動して保持器に入力側部材や出力側部材に対する回転遅れを与えることで、クラッチユニットのロック方向を切替える構成とすることにより、シンプルな構成で高い動作安定性を得ることができる。回転遅れは、例えば保持器に制動部材を押し当てることにより与えることができる。
【００１５】
この場合、保持器に付与した弾性力で、係合子を常時正回転方向に付勢するのが望ましい。
【００１６】
クラッチユニットの複数のカム面は、係合子を正逆両回転方向で入力側部材および出力側部材と楔係合させるものとすることができる。これにより、係合子を正回転方向で楔係合させれば正回転方向のロック状態となって入力側部材から出力側部材へのトルク伝達が可能となる一方、係合子を逆回転方向で楔係合させれば、逆回転方向のロック状態となって、出力側部材からの正回転方向の逆入力トルクを入力側部材に伝達することが可能となる。
【００１７】
上記クラッチユニットが、出力側からの逆入力トルクが設定値以下のとき、出力側から入力側に逆入力トルクを伝達し、逆入力トルクが設定値を越えたとき、出力側から入力側へのトルク伝達を遮断するものであれば、クラッチユニットにトルクリミッタとしての機能を付加することができ、逆入力トルクをモータに伝達する際、停止していたモータを急加速させることによる衝撃荷重でモータ等の構成要素が損傷する事態を防止することができる。
【００１８】
この機能は、クラッチユニットが、複数のカム面として、正回転方向でのみ係合子を入力側部材および出力側部材と楔係合させる第一カム面と、正逆両回転方向で係合子を入力側部材および出力側部材と楔係合させる第二カム面とを設けることによって得ることができる。
【００１９】
すなわち、モータアシスト時は、第一カム面と第二カム面で各係合子を入力側部材および出力側部材と正回転方向で楔係合させ、モータの出力を車軸に伝達する一方、ブレーキ操作時には、第二カム面と係合子との間でのみ逆回転方向で楔係合させる。この場合、ブレーキ操作時には、楔係合箇所が減少して楔係合個所での負荷が大きくなるため、入力側部材もしくは出力側部材が変形し易くなる。この変形により、係合子と第二カム面との間でカム角度を増大させることができるので、カム角度をロック角度以上とすることで過大な逆入力トルクに対してロック機能を失わせ、入力側へのトルク伝達を回避することができる。
【００２０】
このロック機能の喪失は、例えば第二カム面を入力側部材と出力側部材の何れか一方に形成し、ストッパ部で案内した係合子により、他方の部材を変形させてカム角度をロック角度以上に増大させることにより、実現可能となる。
【００２１】
係合子を正逆両回転方向で入力側部材および出力側部材と楔係合させるカム面の、正回転方向の係合子のロック位置と、逆回転方向の係合子のロック位置との間の角度を５°以上に設定することにより、出力側部材に連結した伝動要素（例えばチェーン）の回転むら等によるロック方向の意図しない切替えを防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１４に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、電動補助自転車の一例を表す右側面図である。この電動補助自転車は、ペダル１００に作用する踏力を、クランク軸１０１→フロントスプロケット１０２（図６〜図８参照）→チェーン１０３→リヤスプロケット１０４という経路を経て、後車輪１０５の車軸１０６に伝達する過程で、モータ出力を補助動力として合成し、走行をアシストするものである（モータアシスト）。通常は、トルク検出手段でクランク軸１０１に作用するトルクを常時検出し、その検出値が設定値を超えたところで、モータを起動して不足分に応じたトルクを補助動力として発生させている。アシスト用のモータを含むモータユニット１０７は、一般に立パイプ１０８の下端部とメインパイプ１０９の後端部との連結部付近に配置され、モータ駆動用のバッテリ１１０は立パイプ１０８に沿って配置されている。
【００２４】
本発明は、モータの出力軸にロック方向を切り替え可能のクラッチユニットを連結したことを特徴とするものである。以下では、先ずこのクラッチユニット１の構造および機能を説明する。
【００２５】
図２および図３に示すように、クラッチユニット１は、モータ側からトルクを入力される入力側部材としての外輪２と、トルクを車輪側に出力する出力側部材としての内輪３と、外輪２と内輪３の間に配置される係合子としての複数の円筒形のローラ４（以下、単に「ローラ」と称する）と、ローラ４を円周方向の複数箇所に等配する保持器５と、保持器５の回転方向位相を制御する弾性部材６とを主体として構成される。
【００２６】
外輪２は、内周面２ａを円筒状とする輪体で、その外周にはブッシュ８が圧入されている。ブッシュ８の外周には入力ギヤ９が圧入されており、モータからのトルクはこの入力ギヤ９を介してブッシュ８に伝達され、さらに外輪２に伝達される。入力ギヤ９の表面硬度を確保できるのであれば、入力ギヤ９とブッシュ８を一体とし、あるいは入力ギヤ９、ブッシュ８および外輪２を一体とすることもできる。
【００２７】
内輪３は、外輪２の内周に配置された輪体で、その内周面には出力軸１１が圧入されている。出力軸１１は、ローラ４を挟んで軸方向両側に配置した軸受（例えば玉軸受１２ａ，１２ｂ）によって回転自在に支持されており、その軸端には、スプロケットとトルク伝達可能に結合するためのスプライン１１ａが形成されている。なお、必要に応じて内輪３と出力軸１１を一体とすることもできる。
【００２８】
内輪３の外周面３ａには、複数（ローラ４と同数）のカム面１３が形成される。カム面１３は、例えば円周方向の中央部を最小径とする断面Ｖ字型に形成され、このカム面１３と外輪２の内周面２ａとの間に正逆両回転方向で半径方向の幅を縮小させた楔隙間１４が形成されている。ローラ４が楔隙間１４の円周方向中央に位置するとき、ローラ４は自転可能となるが、ローラ４が正逆何れかの回転方向に移動して外輪２および内輪３と係合（楔係合）すると、当該回転方向で外輪２と内輪３がロックされる。
【００２９】
外輪２と内輪３の間には、両者の同軸度を確保するために調心軸受１５が配置される。この調心軸受１５は、例えばブッシュ８の内周面と出力軸１１の外周面との間の空間に軸受部材１６を嵌合配置することによって構成される。
【００３０】
保持器５は、ローラ４を収容するためのポケット５ａと、後述するシュー１７と摺動する摺動面５ｂとを具備する。図示例の保持器５は、軸方向に延びる保持部５１、保持部５１の一端より半径方向に延びるフランジ部５２、フランジ部５２の外径端から軸方向に延びる大径円筒部５３、大径円筒部５３より内径側のフランジ部５２から軸方向に延びる小径円筒部５４を一体に備えている。保持部５１の円周方向の等配位置にポケット５ａが形成され、大径円筒部５３の外周面に摺動面５ｂがそれぞれ形成されている。ポケット５ａとローラ４の外周面との間の隙間は、負隙間あるいはローラ直径の１／２０以下の正隙間に設定される。正隙間とする場合、保持部５１のポケット内面に円周方向に突出する突起を設け、ローラ４の脱落を防止するのが望ましい。
【００３１】
保持器５は、摺動面５ｂとシュー１７との接触時にも外輪２や内輪３に対する同軸度が確保されるよう、出力軸１１に対して滑り軸受１８で回転自在に支持される。この滑り軸受１８は、例えば保持器５の小径円筒部５４と出力軸１１との間の環状隙間に圧入もしくは正隙間をもって配置したスペーサ１９の外周面と、小径円筒部５４の内周面との間に構成される。
【００３２】
制動部材としてのシュー１７は、乗員のブレーキ操作と連動して保持器５に制動力を作用させるためのものであり、図示のように保持器５の摺動面５ｂと対峙させて配置されている。このシュー１７は、自転車のブレーキレバー１１２（図１参照）にワイヤ等を介して機械的に連結する他、例えばブレーキレバー１１２の操作状態を電気信号に変換し、この信号に基づいてソレノイドを励磁させる等の電気的手段でブレーキ操作と連動させることもできる。
【００３３】
弾性部材６は、例えばリングばねで構成される。この弾性部材６は、その一端を保持器５の保持部５１に設けた穴２１に挿入し、他端を内輪３の一端に設けた切欠き２３に挿入することにより、内輪３と保持器５の間に介装される。この弾性部材６の取付けに際しては、弾性部材６を自然状態から拡径もしくは縮径させて保持器５と内輪３にそれぞれ取り付け、取り付け後は、その弾性力によって保持器５と内輪３とに回転方向の位相ずれをもたせる。従って、この状態では、図４に示すように、保持器５に押されたローラ４が、楔隙間１４のうちの正回転方向、すなわち、モータ駆動による外輪２の回転方向（図面の時計方向）の縮小側に変位する。
【００３４】
符号２２は、軸受１２と出力軸１１の肩部との間に配置されたワッシャで、このワッシャ２２により、クラッチユニット１の構成部品の脱落防止やクラッチ内部のシールが図られている。
【００３５】
以下、上記構成からなるクラッチユニットの機能説明を図４および図５に基づいて行う。
【００３６】
図４は、モータの駆動中におけるクラッチユニットを示す。この状態では、上述のように弾性部材６の弾性力により、ローラ４が楔隙間１４の正回転方向の縮小側に変位している。モータから正回転方向の入力トルクを与えて外輪２を回転させると、ローラ４が外輪２および内輪３と楔係合し、外輪２と内輪３が正回転方向にロックされる。これによりモータからの入力トルク（正回転方向）が内輪３に伝達され、出力軸１１が同方向に回転する（以下、この状態を「正回転ロック状態」と呼ぶ）。また、この正回転ロック状態では、出力軸１１から内輪３に逆回転方向（反時計方向）の逆入力トルクを与えた場合も同様にローラ４が楔係合状態となり、内輪３から外輪２へのトルク伝達が可能となる。一方、これ以外の方向の入力トルクあるいは逆入力トルクが負荷された場合、楔隙間でのローラ４と外輪２および内輪３との楔係合が解除されるため、トルク伝達は行われない。
【００３７】
乗員がブレーキ操作を行うと、これに連動してシュー１７が摺動面５ｂに押し当てられ、保持器５に制動力が作用する。ブレーキ操作中は、モータは停止状態であって入力トルクは外輪２に負荷されず、車輪の慣性回転による正回転方向の逆入力トルクによって内輪３が空転する。この状態で保持器５に制動力を作用させると、弾性部材の弾性力に抗して保持器５に回転遅れが生じ、保持器５が内輪３に対して逆回転方向に相対回転する。その結果、図５に示すようにローラ４は、楔隙間１４の正回転方向の縮小部から離脱して逆回転方向の縮小部に噛み込み、外輪２および内輪３と楔係合して両者を逆回転方向にロックする（以下、この状態を「逆回転ロック状態」と呼ぶ）。この逆回転ロック状態は、機構的には外輪２からの逆回転方向の入力トルクが内輪３に伝達されると共に、内輪３からの正回転方向の逆入力トルクが外輪２に伝達され得る状態であり、これ以外の方向の入力トルクおよび逆入力トルクに対しては楔係合状態が解除されるのでトルク伝達は行われない。
【００３８】
次に、上記クラッチユニット１を組み込んだモータユニット１０７の具体的構造を実施例１〜３として説明する。なお、何れの実施例でも、駆動系として、ペダル１００（図１参照）に加えられた踏力を後車輪１０５の車軸１０６に伝達する人力駆動系と、モータ１１４の出力を後車輪１０５の車軸１０６に伝達するモータ駆動系とが設けられている。
【００３９】
［実施例１］
図６（ａ）（ｂ）に示す実施例１は、人力駆動系の踏力とモータ駆動系のモータ出力を、伝動手段１１５よりも出力側の車軸１０６で合成するものである。
【００４０】
実施例１において、人力駆動系では、ペダル１００に作用する踏力がクランク１１７でクランク軸１０１の回転運動に変換され、そのトルクは第一の伝動手段１１５ａを介して後車輪１０５の車軸１０６に伝達される。第一の伝動手段１１５ａは、クランク軸１０１に取り付けられたフロントスプロケット１０２と、後車輪１０５の車軸１０６に取り付けられたリヤスプロケット１０４ａと、両スプロケット１０２，１０４ａに掛け渡されたチェーン１０３ａとで構成される。リヤスプロケット１０４ａと車軸１０６は、リヤスプロケット１０４ａからのトルクを車軸１０６に伝達する一方で、車軸１０６からの逆入力トルクをリヤスプロケット１０４ａに伝達しないよう、公知のワンウェイクラッチ（楔係合タイプの他、ラチェット機構を使用してもよい。以下同じ）１１９を介してフリーに連結されている。
【００４１】
モータ駆動系では、モータ１１４の出力が上記クラッチユニット１に入力され、さらにクラッチユニット１の出力が第二の伝動手段１１５ｂを介して後車輪１０５の車軸１０６に伝達される。第二の伝動手段１１５ｂは、クラッチユニット１の出力軸１１に取り付けられたミドルスプロケット１１８と、後車輪１０５の車軸１０６に取り付けられたリヤスプロケット１０４ｂと、両スプロケット１１８，１０４ｂに掛け渡されたチェーン１０３ｂとで構成される。リヤスプロケット１０４ｂと車軸１０６は、リヤスプロケット１０４ｂと車軸１０６間で双方向のトルク伝達が可能となるようリジッドに連結されている。
【００４２】
上述のように、この実施例１はチェーンを二本掛けとするものであるが、この構成では、モータ駆動系のチェーン１０３ｂを適正張力とした際、人力駆動系のチェーン１０３ａに緩みが生じる可能性がある。この緩みを吸収するため、人力駆動系のチェーン１０３ａにはテンショナ１２０を配置するのが望ましい。
【００４３】
なお、図示は省略するが、クランク軸１０１には、その軸トルクを検出するトルク検出手段が配置されている。このトルク検出手段は、例えば磁気歪センサをクランク軸１０１周りに同軸配置することで構成され、これによりコンパクトかつシンプルな構成で高精度のトルク検出を行うことが可能となる。
【００４４】
次に、実施例１における走行状態とクラッチユニット１の作動状態との関係を説明する。
【００４５】
モータアシストによる走行中、クラッチユニット１は、図４に示す正回転ロック状態となる。従って、モータ１１４からの正回転方向の入力トルクは、入力ギヤ９→ブッシュ８→外輪２→ローラ４→内輪３→出力軸１１という経路を経てリヤスプロケット１０４ｂに伝達される。このモータトルクが人力駆動系からの踏力トルクと車軸１０６で合成されるため、自転車を軽快に走行させることが可能となる。
【００４６】
その一方、モータアシストのない走行中は、出力軸１１からクラッチユニット１に、後車輪１０５の慣性回転による正回転方向の回転トルクが逆入力されるが、この正回転方向の逆入力トルクに対しては、上述のようにローラ４の楔係合が解除されるため、この逆入力トルクが外輪２へ伝達されることはなく、内輪３が空転する。従って、惰行時にモータ１１４が駆動されることもなく、モータ１１４の内部摩擦によるトルク増大も起こりえないので、モータアシストのない通常の自転車と同様に軽快な走行が可能となる。
【００４７】
乗員がブレーキ操作を行うと、これに連動してシュー１７が摺動面５ｂに押し付けられ、クラッチユニット１のロック方向が切り替わって、図５に示す逆回転ロック状態になる。この状態では、モータ１１４は停止していて外輪２への入力トルクは供給されない。その一方、後車輪１０５の回転トルクが車軸１０６とリジッドに結合されたリヤスプロケット１０４ｂおよびチェーン１０３ｂを介してクラッチユニット１の出力軸１１に作用する。この逆入力トルクに対しては、ローラ４が逆回転方向の楔隙間に噛み込むので、逆入力トルクは、出力軸１１→内輪３→ローラ４→外輪２→ブッシュ８→入力ギヤ９という経路を経てモータ１１４に入力される。このトルクによりモータ１１４を駆動させて回生発電させることが可能となり、回生電流をバッテリ１１０に蓄電することができる。
【００４８】
同時にモータ１１４を駆動させるための動力が制動力となり、ブレーキ操作のアシスト機能が得られる（ブレーキアシスト）。そのため、軽い力で強力な制動作用を得ることができ、モータアシストによる走行性能の向上と高次元でバランスした高い制動性能を実現することができる。また、健常者に比べて握力の低い者であっても、軽い力で必要十分な制動力が得られるので、この種のハンデを有する者の安全で快適な走行にも寄与することもできる。
【００４９】
この実施例１の構成の利点としては、モータユニット１０７内の構成がシンプルであること、車軸１０６に内装される多段変速機にも対応できること等を挙げることができる。
【００５０】
［実施例２］
図７（ａ）（ｂ）に示す実施例２は、人力駆動系の踏力とモータ駆動系のモータ出力を、伝動手段１１５よりも入力側のモータユニット１０７内で合成するものである。すなわち、上記実施例１や後述する実施例３のように、人力駆動系およびモータ駆動系の出口にそれぞれスプロケット１０２，１１８を配置するのではなく、合成された駆動力を共通のスプロケット１０２から出力するものである。
【００５１】
具体的には、人力駆動系では、ペダル１００で受けた踏力が大ギヤ１２１→ワンウェイクラッチ１１９→変速機１２２→変速機ギヤ１２３→出力ギヤ１２４という経路を経てクラッチユニット１の出力軸１１に伝達され、クラッチユニット１の入力ギヤ９から出力軸１１に伝達されたモータ駆動系のモータ出力と合成される。合成された駆動力は、出力軸１１に取り付けたフロントスプロケット１０２、チェーン１０３、およびリヤスプロケット１０４からなる伝動手段１１５を介して後車輪１０５の車軸１０６に伝達され、後車輪１０５を回転させる。リヤスプロケット１０４と車軸１０６は、スプロケット１０４と車軸１０６間で双方向のトルク伝達が可能となるようリジッドに結合されている。
【００５２】
この実施例２における走行状態とクラッチユニット１の作動状態との関係は、実施例１と共通するため、重複説明を省略する。実施例２の構成の利点として、テンショナが不要である分、外装構成をシンプルにできること、モータユニット１０７を予め組み立てておくことにより、良好な組立性を確保できること等を挙げることができる。
【００５３】
［実施例３］
図８（ａ）（ｂ）に示す実施例３は、人力駆動系の踏力とモータ駆動系のモータ出力を、伝動手段１１５中で合成するものである。
【００５４】
この実施例３において、人力駆動系では、ペダル１００で受けた踏力は、クランク軸１０１→ワンウェイクラッチ１１９→伝動手段１１５を介して後車輪１０５の車軸１０６に伝達される。また、モータ駆動系では、モータ１１４の出力がクラッチユニット１に入力され、さらにクラッチユニット１の出力が伝動手段１１５を介して後車輪１０５の車軸１０６に伝達される。伝動手段１１５は、クランク軸１０１に取り付けられたフロントスプロケット１０２と、クラッチユニット１の出力軸１１に取り付けられたミドルスプロケット１２６と、後車輪１０５の車軸１０６に取り付けられたリヤスプロケット１０４と、各スプロケット１０２，１２６，１０４に掛け渡されたチェーン１０３とで構成される。リヤスプロケット１０４と車軸１０６は、スプロケット１０４と車軸１０６間で双方向のトルク伝達が可能となるようリジッドに結合されている。
【００５５】
また、チェーン１０３の正回転時（乗員がペダルを漕ぐ時の回転方向）の張り側となる部分には、チェーン１０３を上方から付勢する第一テンショナ１２７が配置されている。緩み側となる部分では、ミドルスプロケット１２６が下方からチェーン１０３を付勢し、第二テンショナ１２８が上方からチェーン１０３を付勢している。
【００５６】
この実施例３における走行状態とクラッチユニット１の作動状態との関係は、実施例１と共通するため、重複説明を省略する。実施例３の構成の利点としては、モータユニット１０７内の構成がシンプルであること、インライン方式でかつ減速工程が少ないことから機械効率が良好であること、後車輪車軸１０６に外装される多段変速機にも対応できること等を挙げることができる。
【００５７】
ところで、一般にチェーン１０３，１０３ａ，１０３ｂの回転時には、チェーンの回転むらが避けられない。特にモータ駆動系のチェーン１０３，１０３ｂで回転むらが生じた場合には、正回転ロック状態のローラ４（図４）が突然逆回転ロック状態の位置（図５）に移動し、モータアシスト状態からブレーキアシスト状態に切り替わって安定走行に支障を来たすおそれがある。かかる事態を防止するため、図９に示すように、正回転ロック状態のローラ４１の位置（スタンバイ位置）と逆回転ロック状態のローラ４２の位置（スタンバイ位置）との間の角度εは、５°以上に設定するのが望ましい。
【００５８】
なお、以上の実施例１〜３では、伝動手段１１５、１１５ａ，１１５ｂを全てチェーン−スプロケット方式とした場合を例示しているが、これに代えてその他の伝動方式、例えば、ベルトドライブ方式やシャフトドライブ方式を採用することもできる。
【００５９】
図２〜図５に示すクラッチユニット１では、ロック方向が切り替わった瞬間、すなわち図４に示す正回転ロック状態から図５に示す逆回転ロック状態に移行する瞬間に、停止していたモータを急激に回転させることとなる。この場合、入力ギヤよりも入力側の構成要素、例えばモータ１１４に衝撃的な荷重が負荷されるため、各要素に衝撃荷重対策が必要となってコスト高を招く場合も起こり得る。
【００６０】
図１０〜図１２に、この種の衝撃荷重対策を施したクラッチユニット１’の実施形態（第二の実施形態）を示す。なお、このクラッチユニット１’の基本的構成や作用は、図２〜図５に基づいて説明した第一の実施形態のクラッチユニット１と共通するので、以下では、第一の実施形態にかかるクラッチユニット１の構成部材と共通する部材については、同じ符号を付して重複説明を省略し、相違点を中心として説明する。
【００６１】
第二の実施形態にかかるクラッチユニット１’と第一の実施形態にかかるクラッチユニット１との最大の相違点は、カム面１３の形状にある。すなわち、第一の実施形態にかかるクラッチユニット１では、各カム面１３は同一形状としているが、第二の実施形態にかかるクラッチユニット１’では、カム面として、形状の異なる二種類のカム面１３ａ，１３ｂを形成している。
【００６２】
図１１に示すように、一方のカム面１３ａ（第一カム面）は、正回転方向側の領域、すなわちモータアシスト時（図４の状態）にローラ４が移行する領域を平坦面状とし、当該方向でのみ外輪２の内周面２ａとの間に楔隙間の縮小部を形成している。第一カム面１３ａの逆回転方向側の領域には、半径Ｒの凸曲面状をなす逃げ部２６が平坦面部分と滑らかに連続させて形成されており、この逃げ部２６と外輪２の内周面２ａとで区画された隙間の幅は、ローラ４の直径よりも大きい。従って、逃げ部２６では、ローラ４は外輪２および内輪３と楔係合せず、公転可能となる。
【００６３】
他方のカム面１３ｂ（第二のカム面）は、全体が平坦面状をなし、正回転方向および逆回転方向の双方で外輪内周面２ａとの間に楔隙間の縮小部を形成する。第二のカム面１３ｂのうち、逆回転方向側の端部領域には、半径ｒの凹曲面状に突出するストッパ部２７が平坦面部分と滑らかに連続して形成されている。
【００６４】
以上の構成から、このクラッチユニット１’では、モータアシスト時は、図１１に示すように全てのローラ４が、図示しない弾性部材（図２中の符号６）の弾性力によって正回転方向に変位し、外輪２および内輪３と楔係合して両者を正回転方向にロックする。そのため、外輪２に入力されたモータ１１４のトルクは、出力軸１１に伝達され、さらに後車輪１０５の車軸１０６に伝達される。
【００６５】
一方、ブレーキ操作時には、保持器５に生じた回転遅れによって、図１２に示すように、ローラ４が正回転方向の縮小部から離脱して逆回転方向に移動する。これに伴い、第一カム面１３ａで区画形成された楔隙間１４では、ローラ４が逃げ部２６の形成領域に入るため、ローラ４は外輪２および内輪３と楔係合することなく公転可能となる。その一方で、第二カム面１３ｂで形成された楔隙間１４では、ローラ４が外輪２および内輪３と楔係合するため、外輪２と内輪３が逆回転方向にロックされる。この場合、トルクの負荷能力を有するのは、第二カム面１３ｂで形成された楔隙間１４のローラ４に限られ、第一カム面１３ａで形成された楔隙間１４のローラ４は、トルクの負荷能力を喪失する。従って、クラッチユニット１’全体でのトルクの負荷能力が不足し、外輪２は、図１３に示すように、法線力によって真円から三角歪形状への変形を強要される（なお、図１３では、理解の容易のため、外輪２の変形度合いを誇張している）。この外輪２の変形がスムーズに行われるよう、外輪２は撓み剛性の低い薄肉の鋼材で形成するのが望ましく、また、この鋼製外輪２の変形に対する外径側からの拘束力を減じるため、ブッシュ８や入力ギヤ９は、鋼材よりも弾性率の高い例えば樹脂材等で形成するのが望ましい。
【００６６】
この外輪２の変形に対応して、第二カム面１３ｂで形成された楔隙間１４のローラ４は、第二カム面１３ｂのストッパ部２７に接触し、さらにストッパ部２７に案内されて外径側に押し上げられるため、外輪２は益々顕著な三角歪形状になる。これに伴い、図１４に示すように、カム角度βがストッパ部２７の形成領域に達するより以前のカム角度θ（スタンバイ位置のカム角度）よりも大きくなり、やがてロック角度を超えるようになる（図中に一点鎖線で示す）。ここで「カム角度」とは、ローラ４と外輪２および内輪３との各接触点（本実施形態でいえば外輪内周面２ａおよび第二カム面１３ｂとの各接触点）を通る接線の交差角度をいい、「ロック角度」とは、ローラ４の楔係合が解除され、ローラ４が外輪２あるいは内輪３の面（本実施形態では外輪内周面２ａ）に対して滑り始めるカム角度を意味する。ちなみに一般のクラッチでは、ロック角度は１２°〜１５°以下に設定されている。
【００６７】
このようにカム角度βが大きくなって、クラッチとしてのロック角度を超えると、ストッパ部２７と接触状態にあるローラ４が外輪２の内周面２ａを滑りはじめ、ローラ４による外輪２と内輪３のロック機能が失われる。従って、モータ１１４は衝撃的な荷重を受けることなく、ゆっくりと回転しはじめる。モータが回転しはじめると、外輪２がもとの形状に弾性復帰し、これによってカム角度が小さくなり、当該ローラ４が外輪２および内輪３と楔係合するようになって、クラッチとしての機能が回復する。そのため、以後は逆入力トルクがモータ１１４に伝達され、順調に発電およびブレーキアシストが行われる。
【００６８】
このように、第二の実施形態にかかるクラッチユニット１’では、ブレーキアシスト時に設定値以上の逆入力トルクをモータ１１４に入力させないトルクリミッタとしての機能も併せて有する。この設定値は、外輪２の変形強度、ストッパ部２７のｒ寸法、あるいはローラ４のスタンバイ位置等によって左右される。従って、換言すれば、これらの設計条件を適宜変更することによって、上記設定値を任意の値に設定することが可能となる。
【００６９】
以上の説明からも理解できるとおり、外輪２はスムーズに変形可能であるのが望ましく、これを実現するために第二のカム面１３ｂはできるだけその数を少なくするのが望ましい。この観点から、図１１および図１２では、全体で九つのカム面１３ａ，１３ｂのうち、第二のカム面１３ｂを三つとし、その間に二つの第一カム面１３ａを配設した構造を例示している。もちろんカム面１３ａ，１３ｂの個数や配設態様はこれに限定されるものではない。
【００７０】
なお、この他にも第二の実施形態にかかるクラッチユニット１’では、第一の実施形態にかかるクラッチユニット１と異なり、図１０に示すように、軸受部材１６とワッシャ２２と一体化することにより（この部品を符号２９で表す）、部品点数の削減を図っているが、これと同様の構成は、図２に示すクラッチユニット１でも適用することができる。
【００７１】
【発明の効果】
このように本発明によれば、モータアシスト、ブレーキアシスト、および電力回生の各機能を備える伝動補助自転車を提供することができる。また、新たに一つのクラッチユニットを追加することによって、これらの機能を実現できるから、モータユニットのコンパクト化や低コスト化を図ることができる。さらには、クラッチユニットが係合子の楔作用を利用するものであるので、動作の安定性、信頼性、確実性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電動補助自転車の側面図である。
【図２】上記電動補助自転車で使用するクラッチユニットの軸方向の断面図である。
【図３】上記クラッチユニットの半径方向の断面図である。
【図４】上記クラッチユニットのモータアシスト状態を示す半径方向の断面図である。
【図５】上記クラッチユニットのブレーキアシスト状態を示す半径方向の断面図である。
【図６】上記クラッチユニットを組み込んだ電動補助自転車の駆動部の構成例を示す図で、（ａ）図はその側面図、（ｂ）図はその平面図である。
【図７】上記クラッチユニットを組み込んだ電動補助自転車の駆動部の他の構成例を示す図で、（ａ）図はその側面図、（ｂ）図はその平面図である。
【図８】上記クラッチユニットを組み込んだ電動補助自転車の駆動部の他の構成例を示す図で、（ａ）図はその側面図、（ｂ）図はその平面図である。
【図９】上記クラッチユニットのカム面付近を拡大して示す半径方向の断面図である。
【図１０】上記クラッチユニットの他の実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図１１】上記クラッチユニットのモータアシスト状態を示す半径方向の断面図である。
【図１２】上記クラッチユニットのブレーキアシスト状態を示す半径方向の断面図である。
【図１３】外輪の変形状態を示す正面図である。
【図１４】上記クラッチユニットの第二カム面付近を拡大して示す半径方向の断面図である。
【符号の説明】
１，１’    クラッチユニット
２          入力側部材（外輪）
２ａ        入力側部材（外輪）内周面
３          出力側部材（内輪）
３ａ        出力側部材（内輪）外周面
４          係合子（ローラ）
５          保持器
５ａ        ポケット
５ｂ        摺動面
６          弾性部材
８          ブッシュ
９          入力ギヤ
１１        出力軸
１２ａ，１２ｂ  軸受
１３        カム面
１３ａ      第一カム面
１３ｂ      第二カム面
１５        調心軸受
１６        軸受部材
１７        シュー
１８        滑り軸受
１９        スペーサ
２６        逃げ部
２７        ストッパ部
１００      ペダル
１０１      クランク軸
１０２      フロントスプロケット
１０３      チェーン
１０４      リヤスプロケット
１０５      後車輪
１０６      車軸
１０７      モータユニット
１１０      バッテリ
１１２      ブレーキレバー
１１５      伝動手段
１１５ａ    第一の伝動手段
１１５ｂ    第二の伝動手段
１１９      ワンウェイクラッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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