(57)【要約】【課題】遊星キャリアからハブケースへの直結状態を可能とする遊星歯車機構において、遊星キャリアを軽量にする。【解決手段】駆動輪のハブ１内部に変速機構３と変速制御機構１０を備え、変速機構３は遊星歯車機構によって構成され、車軸５周りの太陽歯車３ａとそれに噛み合う遊星歯車３ｂ及び遊星キャリア３ｃを有し、ハブケース７は遊星歯車３ｂと噛み合う外輪歯車３ｄと一体に回転する。太陽歯車３ａと車軸５の間には変速用第一クラッチ３ｅを、遊星キャリア３ｃとハブケース７との間にはラチェットクラッチからなる変速用第二クラッチ３ｈを備えた。変速用第二クラッチ３ｈは、遊星キャリア３ｃに設けられたクラッチ軸３ｍに揺動自在の変速用第二クラッチ爪３ｉが設けられ、その変速用第二クラッチ爪３ｉが噛み合う変速用第二カム面３ｊがハブケース７に設けられ、その遊星キャリア３ｃにアルミニウム合金材料又はマグネシウム合金材料を用いる構成とした。【選択図】図１
2012086654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータを取り付け、クランク軸から伝達された踏力又は前記モータの出力による駆動力を駆動力伝達要素を介して駆動輪に伝達可能とし、前進非駆動時には、駆動輪からモータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を二次電池に還元する回生機構を備え、
駆動輪に設けたハブ（１）内部に変速機構（３）を備え、その変速機構（３）は、遊星歯車機構によって構成されて、前記駆動輪の車軸（５）周りに設けられた太陽歯車（３ａ）と、その太陽歯車（３ａ）に噛み合う遊星歯車（３ｂ）、及びその遊星歯車（３ｂ）を保持する遊星キャリア（３ｃ）を有し、ハブケース（７）は、前記遊星歯車（３ｂ）と噛み合う外輪歯車（３ｄ）と一体に回転するようになっており、
前記変速機構（３）は、前進駆動時に、踏力又はモータの出力による駆動力が前記駆動力伝達要素から前記遊星キャリア（３ｃ）に入力されて前記遊星キャリア（３ｃ）から駆動輪に等速以上で伝達される増速型であり、前記太陽歯車（３ａ）と前記車軸（５）の間には変速用第一クラッチ（３ｅ）を、前記遊星キャリア（３ｃ）と前記ハブケース（７）との間には変速用第二クラッチ（３ｈ）を備え、その変速用第二クラッチ（３ｈ）はラチェットクラッチによって構成されて、前記遊星キャリア（３ｃ）に設けられたクラッチ軸（３ｍ）に変速用第二クラッチ爪（３ｉ）が揺動自在に設けられ、その変速用第二クラッチ爪（３ｉ）が噛み合う変速用第二カム面（３ｊ）がハブケース（７）に設けられており、前記遊星キャリア（３ｃ）にアルミニウム合金材料又はマグネシウム合金材料を用いたことを特徴とする電動補助自転車。
【請求項２】
前記ハブ（１）内部に変速制御機構（１０）を備え、その変速制御機構（１０）は、前記変速用第一クラッチ（３ｅ）及び前記変速用第二クラッチ（３ｈ）を切り替えることによって、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記太陽歯車（３ａ）を前記車軸（５）周りに相対回転可能または相対回転不能とに、及び、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記遊星キャリア（３ｃ）を前記ハブケース（７）周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替える機能を有し、前進非駆動時に、駆動輪からの逆入力は、いずれの変速段においても前進駆動時の駆動力伝達経路を逆向きに伝達されることを特徴とする請求項１に記載の電動補助自転車。
【請求項３】
前記遊星歯車（３ｂ）は歯数の異なる複数の歯車部を有し、前記太陽歯車（３ａ）は前記歯車部と同数設けられてその各太陽歯車（３ａ）が前記歯車部にそれぞれ噛み合っており、前記各太陽歯車（３ａ）と前記車軸（５）の間にはそれぞれ前記変速用第一クラッチ（３ｅ）が設けられ、前記変速制御機構（１０）は、前記各変速用第一クラッチ（３ｅ）をそれぞれ係合可能状態又は係合不能状態とに切り替えることで、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記各太陽歯車（３ａ）を前記車軸（５）周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替え可能であることを特徴とする請求項２に記載の電動補助自転車。
【請求項４】
前記変速用第一クラッチ（３ｅ）は、一つの係合子が駆動力と逆入力の両方に対して係合可能である構造を有する請求項１又は２に記載の電動補助自転車。
【請求項５】
前記変速用第一クラッチ（３ｅ）は、複数の係合子を有し、少なくとも一つの係合子が駆動力に対して係合可能であり、少なくとも一つの係合子が逆入力に対して係合可能である構造を有する請求項１又は２に記載の電動補助自転車。
【請求項６】
前記変速用第一クラッチ（３ｅ）がラチェットクラッチによって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の電動補助自転車。
【請求項７】
前記変速用第一クラッチ（３ｅ）は、少なくとも二つの変速用第一クラッチ爪（３ｆ）が前記車軸（５）の外面に揺動自在に設けられており、その変速用第一クラッチ爪（３ｆ）が噛み合う変速用第一クラッチカム面（３ｇ）が前記太陽歯車（３ａ）の内面に設けられており、前記少なくとも二つの変速用第一クラッチ爪（３ｆ）は互いに逆方向に係合可能であって、前記変速用第一クラッチカム面（３ｇ）は、その互いに逆方向に係合可能な前記変速用第一クラッチ爪（３ｆ）の一方が駆動力に対して他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状を有することを特徴とする請求項６に記載の電動補助自転車。
【請求項８】
前記変速用第二クラッチ（３ｈ）は、少なくとも二つの変速用第二クラッチ爪（３ｉ）を備え、前記少なくとも二つの変速用第二クラッチ爪（３ｉ）は互いに逆方向に係合可能であって、前記変速用第二クラッチカム面（３ｊ）は、その互いに逆方向に係合可能な前記変速用第二クラッチ爪（３ｉ）の一方が駆動力に対して他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の電動補助自転車。
【請求項９】
前記変速用第二クラッチ爪（３ｉ）は、その一端が弾性部材によって前記変速用第二クラッチカム面（３ｊ）側に起き上がる方向に付勢されており、変速用第二クラッチ切替部（１０ｉ）が前記変速用第二クラッチ爪（３ｉ）の位置と変速用第二クラッチ爪（３ｉ）から退避した位置との間で移動することによって、前記変速用第二クラッチ爪（３ｉ）を、前記変速用第二クラッチカム面（３ｊ）に係合可能な状態と係合不可能な状態とに切り替えることができることを特徴とする請求項８に記載の電動補助自転車。
【請求項１０】
遊星歯車軸（３ｎ）とクラッチ軸（３ｍ）を共通部材としたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の電動補助自転車。
【請求項１１】
前記遊星歯車（３ｂ）が偶数個備えられ、前記変速用第二クラッチ（３ｈ）は、駆動力に対して係合可能な係合子の数と逆入力に対して係合可能な係合子の数が等しく備えられていることを特徴とする請求項８又は９に記載の電動補助自転車。
【請求項１２】
前記遊星歯車（３ｂ）が奇数個備えられ、前記変速用第二クラッチ（３ｈ）は、駆動力に対して係合可能な係合子の数が逆入力に対して係合可能な係合子の数よりも多く備えられていることを特徴とする請求項８又は９に記載の電動補助自転車。
【請求項１３】
前記遊星歯車（３ｂ）が３個備えられていることを特徴とする請求項１２に記載の電動補助自転車。
【請求項１４】
変速制御機構（１０）は、車軸（５）内を通して外部に引き出された操作部（１０ａ）を有しており、操作部（１０ａ）を軸方向に移動操作することにより、変速切替を行うことが可能なことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一つに記載の電動補助自転車。
【請求項１５】
踏力又はモータの出力による駆動力は、前記駆動力伝達要素から前記遊星キャリア（３ｃ）に対してリアスプロケット（４）を介して入力され、前記変速用第二クラッチ（３ｈ）は、前記遊星歯車（３ｂ）を挟んで前記リアスプロケット（４）の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一つに記載の電動補助自転車。
【請求項１６】
前記変速制御機構（１０）は、前記車軸（５）の軸方向に対して、前記リアスプロケット（４）と反対側に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の電動補助自転車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動モータにより人力駆動系に補助力を付加させる電動補助自転車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動モータにより人力駆動系に補助力を付加させる電動補助自転車には、電動補助力を与えるためのモータ用電源としてバッテリが搭載される。このバッテリは、１回の充電で長時間走行できることが望ましいことから、走行エネルギーを有効に利用し、回生発電によりバッテリを充電する機能を備えた電動補助自転車が開発されている。
【０００３】
その回生発電によるバッテリの充電装置として、例えば、特許文献１に、ブレーキレバーの操作を検出して回生装置に回生作動を指令する回生制御装置の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この種の電力回生機能を搭載する場合、例えば、特許文献２に示すように、車軸周辺にモータ及び変速機を設けた電動補助自転車（ハブモータ方式）の場合は、駆動輪とモータの出力軸とを直結とすることで、電力回生は比較的容易に実現できる（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
しかし、このハブモータ方式の場合、バッテリ（以下、二次電池と称する）からモータまでの距離が遠くなりがちであり、その二次電池までの配線の取り回しが煩雑になる傾向がある。また、モータをフロント側に配置すると操作性が悪化し、リア側に配置すると変速機との両立が困難になるという問題もある。
【０００６】
このため、電力回生機能を搭載する場合、操作性と構造の簡素化を求めるならば、例えば、特許文献３のように、クランク軸及びその軸受等を含む人力駆動系と、モータによる補助動力をクランク軸に合力させる駆動系とを単一のハウジングに収容した駆動装置、いわゆるセンタモータユニットを備えた構造（センタモータ方式）とするのが有利である（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
センタモータ方式で、電力回生機能を搭載した電動補助自転車として、例えば、特許文献４に示すものがある。
この電動補助自転車では、モータの出力軸と駆動側スプロケットとの間に第一ワンウェイクラッチを設け、ペダルから踏力が入力されるクランク軸と駆動側スプロケットとの間に第二のワンウェイクラッチを設け、さらにブレーキ操作に応じて第一ワンウェイクラッチをロックする直結手段を設けることで、制動時の電力回生を実現している。なお、リアハブとリアスプロケットとは、回生時に後輪からの逆入力トルクをモータに伝えることができるように直結されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
また、同じく、電力回生機能を搭載した電動補助自転車として、例えば、特許文献５に示すものがある。
この電動補助自転車では、センタモータユニット内で、モータの出力軸にブレーキ操作に連動してロック方向を切り替えることが出来るツーウェイクラッチを設け、制動時の電力回生を実現している。
【０００９】
すなわち、モータアシスト時には、ツーウェイクラッチを正回転方向でロックさせることにより、モータの出力を後輪に伝達することができ、モータアシストが可能となる。また、乗員のブレーキ操作に連動してツーウェイクラッチのロック方向を切り替え、ツーウェイクラッチを逆回転方向でロックさせれば、後輪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。この構成では、回生時に後輪側からの逆入力トルクをモータ側に伝達させる必要があるため、リアハブとリアスプロケットとは直結としている（例えば、特許文献５参照）。
【００１０】
このように、センタモータ方式の駆動系において、電力回生機能を搭載する場合、後輪からの逆入力トルクをモータに伝えるため、上記特許文献４や特許文献５では、リアハブとリアスプロケットは直結されている。
【００１１】
ところで、一般的な自転車の変速機構は、クランク軸又はリア車軸の何れか一方、もしくは両方の同軸上に多段のスプロケットを設け、ディレイラーによってチェーンをスプロッケット間で移動させることによって変速する方式（外装変速機）とリアハブの内部に設けた歯車を掛けかえることによって変速する方式（内装変速機）がある。
外装変速機は構造が簡単で軽量であるが、スプロケットやチェーンが摩耗する原因になり、チェーン外れの原因にもなる。一方、内装変速機は防塵、防水性があり、メンテナンスフリーであるためシティサイクルに使われることが多い。現在のところ、電動補助自転車はシティサイクルを中心に展開しており、その殆どが内装変速機を採用している。
【００１２】
この点、上記特許文献４や特許文献５では、リアハブとリアスプロケットとが直結されているので、内装変速機に対応することができない。
【００１３】
また、内装変速機内には、通常、惰性走行に対応するためのワンウェイクラッチが設けられている。このため、その構造を、そのまま回生機構を備えた電動補助自転車に適用しても、後輪からの逆入力は、リアハブからリアスプロケットに伝わらない。すなわち、ワンウェイクラッチは空転するから、後輪からの逆入力により、センタモータを回転、回生させることができない。
【００１４】
逆入力に対応するため、例えば、後輪からクランク軸、及び後輪からモータの出力軸をそれぞれ別々の動力伝達要素で結合することも可能であるが、２本の伝達要素を用いることはレイアウト的にもコスト的にも商品価値の大幅な低下を招く。
【００１５】
そこで、特許文献６では、内装変速機を備えたセンタモータ方式の電動補助自転車において、図１０に示すように、リアハブ２１に、変速機構２３と逆入力伝達用のクラッチ（逆入力用クラッチ）２２を設けることにより、惰性走行時に後輪からの逆入力がチェーンを介してモータに伝達されることで、回生発電を可能としている。
【００１６】
この特許文献６の電動補助自転車において、変速機構２３は、遊星歯車機構を用いており、車軸２５周りに設けた複数の太陽歯車２３ａが、それぞれ歯数の異なる複数の歯車部を有する遊星歯車２３ｂの各歯車部に噛み合っている。また、その遊星歯車２３ｂは、ハブケース２７と一体に回転するように設けられた外輪歯車２３ｄに噛み合っている。チェーンが係合されるスプロケット２４は、遊星歯車２３ｂと一体に回転する遊星キャリア２３ｃに取付けられている。
【００１７】
遊星歯車２３ｂの各歯車部に噛み合う太陽歯車２３ａと車軸２５との間には、それぞれ変速用クラッチ２３ｅが設けられており、さらに、遊星キャリア２３ｃとハブケース２７との間には駆動用ワンウェイクラッチ２３ｆが設けられている。これらの変速用クラッチ２３ｅ、駆動用ワンウェイクラッチ２３ｆによって、３段以上の変速比を切り替えることができる。
【００１８】
すなわち、この変速機構２３では、スプロケット２４から遊星キャリア２３ｃに入力された駆動力が、遊星キャリア２３ｃとハブケース２７との間の駆動用ワンウェイクラッチ２３ｆを介して、車輪（ハブケース２７）に伝達される直結状態とすることができる。また、複数の太陽歯車２３ａと車軸２５との間にそれぞれ設けてある変速用クラッチ２３ｅを切り替えることによって、複数段の増速状態の切り替えを行うことができる。
【００１９】
なお、この電動補助自転車における前記逆入力用クラッチ２２として通常のワンウェイクラッチを採用すると、後退しようとした際（自転車を手で押して後退するような状態）に、逆入力用クラッチ２２が噛み合って車輪がロックしてしまう。このため、後退することができない状態となってしまう。このような事態を回避するため、その後退時において、逆入力用クラッチ２２の係合を解除する（係合させない）機構が必要である。
上記特許文献６に記載された発明では、逆入力用クラッチ２２の係合を解除する（係合させない）機構（以下、逆入力用クラッチ解除機構２８と称する。）は、固定の車軸２５に対するハブケース２７の回転方向が、後退時にのみ、駆動方向と逆回転となることを利用して、ハブケース２７の回転運動を軸方向運動に変換して、逆入力用クラッチ２２を解除する機構となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平８−１４０２１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６６５６３号公報
【特許文献３】特開平１０−２５０６７３号公報
【特許文献４】特開２００１−２１３３８３号公報
【特許文献５】特開２００４−２６８８４３号公報
【特許文献６】特開２０１０−０９５２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記特許文献６に記載された発明では、ハブ２１内に設けられる変速機構２３として遊星歯車機構を採用している。この遊星歯車機構を構成する各部部材は、軽量であることが望ましい。
【００２２】
しかし、クラッチカム面や歯車部など、特に高面圧となるような荷重負荷部位については所定の強度が求められるため、軽量金属を採用することができない場合がある。
【００２３】
特に、遊星キャリア２３ｃについては、ハブケース２７との間に駆動用ワンウェイクラッチ２３ｆが設けられるため、その駆動用ワンウェイクラッチ２３ｆの係合子によって高い荷重負荷が見込まれる。このため、軽量金属を用いることができない。
すなわち、前記直結状態（スプロケット２４から遊星キャリア２３ｃに入力された駆動力が等速でハブケース２７に伝達される状態）を実現するために、遊星キャリア２３ｃとハブケース２７との間に駆動用ワンウェイクラッチ２３ｆが設けられるからである。
【００２４】
そこで、この発明は、遊星キャリアからハブケースへの直結状態を可能とする遊星歯車機構において、遊星キャリアを軽量にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の課題を解決するために、この発明は、前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータを取り付け、クランク軸から伝達された踏力又は前記モータの出力による駆動力を駆動力伝達要素を介して駆動輪に伝達可能とし、前進非駆動時には、駆動輪からモータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を二次電池に還元する回生機構を備え、駆動輪に設けたハブ内部に変速機構を備え、その変速機構は、遊星歯車機構によって構成されて、前記駆動輪の車軸周りに設けられた太陽歯車と、その太陽歯車に噛み合う遊星歯車、及びその遊星歯車を保持する遊星キャリアを有し、ハブケースは、前記遊星歯車と噛み合う外輪歯車と一体に回転するようになっており、前記変速機構は、前進駆動時に、踏力又はモータの出力による駆動力が前記駆動力伝達要素から前記遊星キャリアに入力されて前記遊星キャリアから駆動輪に等速以上で伝達される増速型であり、前記太陽歯車と前記車軸の間には変速用第一クラッチを、前記遊星キャリアと前記ハブケースとの間には変速用第二クラッチを備え、その変速用第二クラッチはラチェットクラッチによって構成されて、前記遊星キャリアに設けられたクラッチ軸に変速用第二クラッチ爪が揺動自在に設けられ、その変速用第二クラッチ爪が噛み合うカム面がハブケースに設けられており、前記遊星キャリアにアルミニウム合金材料又はマグネシウム合金材料を用いたことを特徴とする電動補助自転車とした。
【００２６】
この構成によれば、遊星キャリアについては、特に高面圧となるような荷重負荷部位が存在しない。このため、軽量化のために、遊星キャリアの素材として、アルミニウム合金材料又はマグネシウム合金材料を用いることができる。
【００２７】
この構成において、前記ハブ内部に変速制御機構を備え、その変速制御機構は、前記変速用第一クラッチ及び前記変速用第二クラッチを切り替えることによって、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記太陽歯車を前記車軸周りに相対回転可能または相対回転不能とに、及び、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記遊星キャリアを前記ハブケース周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替える機能を有し、前進非駆動時に、駆動輪からの逆入力は、いずれの変速段においても前進駆動時の駆動力伝達経路を逆向きに伝達される構成を採用することができる。
【００２８】
一般に、この種の内装変速機を備えたセンタモータ方式の電動補助自転車において、変速制御機構により制御される変速用クラッチはワンウェイクラッチであるため、逆入力に対しては変速用クラッチは係合できない。そこで、全ての変速用クラッチを両方向に係合可能なクラッチとし、変速制御機構によりクラッチの切替を制御することで、いずれの変速段においても逆入力の伝達を可能とし得る。このとき、変速機構は、等速以上で伝達される増速型であるため、逆入力に対しては減速となり、設定された増速比と同じ値の減速比となる。
【００２９】
すなわち、この構成によれば、クラッチ同士の干渉が起きることはなく、いかなる変速段においても後退が可能である。また、従来のようなテーパ状の部材を用いた逆入力用クラッチ解除機構が不要であるから構造がシンプルとなり、後退時にクラッチ同士が干渉してロックすることを防ぐ機構を簡素化できる。
【００３０】
なお、遊星キャリアからハブケースへの直結（等速）状態を得るために必要な変速用第二クラッチを、遊星キャリアとハブケースとの間に設けることにより、直結時の駆動力及び逆入力は、遊星キャリア、変速用第二クラッチ、及びハブケースを経由して伝達される。このため、遊星歯車は、駆動力及び逆入力の伝達に関与しないため、歯車の耐久面から考えると、変速用第二クラッチを遊星キャリアと太陽歯車との間に設けるよりも有利である。
【００３１】
この構成において、前記遊星歯車は歯数の異なる複数の歯車部を有し、前記太陽歯車は前記歯車部と同数設けられてその各太陽歯車が前記歯車部にそれぞれ噛み合っており、前記各太陽歯車と前記車軸の間にはそれぞれ変速用第一クラッチが設けられ、前記変速制御機構は、前記各変速用第一クラッチをそれぞれ係合可能状態又は係合不能状態とに切り替えることで、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記各太陽歯車を前記車軸周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替え可能である構成を採用することができる。
【００３２】
この構成において、前記変速用第一クラッチは、一つの係合子が駆動力と逆入力の両方に対して係合可能である構造を有するものとすることができる。すなわち、一つの係合子が、駆動力と逆入力の両方向の相対回転に対してそれぞれ係合可能である構成である。
この変速用第一クラッチとして、係合子としてボール、スプラグ、ローラまたはラチェット爪等を備えた各種クラッチ、及びスプライン等によるドグクラッチ等の構成を採用することができる。
【００３３】
また、前記変速用第一クラッチとしては、複数の係合子を有し、少なくとも一つの係合子が駆動力に対して係合可能であり、少なくとも一つの係合子が逆入力に対して係合可能である構造とすることもできる。
この各構成においても、前記変速用第一クラッチとして、スプラグクラッチ、ローラクラッチ等の構成を採用してよいが、特に、ラチェットクラッチからなる構成を採用することができる。一般に、この種の内装変速機において、変速用ワンウェイクラッチはラチェット機構（ラチェットクラッチ）を採用している場合が多く、両方向に係合可能なクラッチとした場合でもラチェット機構を採用することにより、既存の構成からなる変速制御機構を用いて、各変速用クラッチの切替を行うことが可能である。ラチェットクラッチを採用した場合、例えば、以下の構成を採用することができる。
【００３４】
すなわち、前記変速用第一クラッチは、少なくとも二つの変速用第一クラッチ爪が前記車軸の外面に揺動自在に設けられており、その変速用第一クラッチ爪が噛み合う変速用第一クラッチカム面が前記太陽歯車の内面に設けられており、前記少なくとも二つの変速用第一クラッチ爪は互いに逆方向に係合可能であって、前記変速用第一クラッチカム面は、その互いに逆方向に係合可能な前記変速用第一クラッチ爪の一方が駆動力に対して他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状を有する構成である。
【００３５】
また、ラチェットクラッチのラチェット爪とカム面を内外逆にした構成、すなわち、前記変速用第一クラッチは、少なくとも二つの変速用第一クラッチ爪が前記太陽歯車の内面に揺動自在に設けられており、その変速用第一クラッチ爪が噛み合う変速用第一クラッチカム面が前記車軸の外面に設けられており、前記少なくとも二つの変速用第一クラッチ爪は互いに逆方向に係合可能であって、前記変速用第一クラッチカム面は、その互いに逆方向に係合可能な前記変速用第一クラッチ爪の一方が駆動力に対して他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状を有する構成を採用することもできる。
【００３６】
前者のように、変速用のクラッチ爪を車軸の外面に設け、変速用のクラッチカム面を太陽歯車の内面に設けた場合、各カム面の溝数を周方向に沿って数多く配置できることから機能的には望ましい。すなわち、変速用第一クラッチのクラッチカム面の係合溝数を確保し易くなるため、クラッチの遊び角（係合するまでのタイムラグ）を小さくできる。
逆に、後者のように、変速用のクラッチ爪を太陽歯車の内面に設け、変速用のクラッチカム面を車軸の外面に設けた場合、各カム面の溝数は少なくなるが、車軸の構造をシンプルにできるため低コスト化を図ることができる。
【００３７】
なお、変速用第一クラッチの構成としてラチェットクラッチを採用した場合において、前記変速用第一クラッチ爪を車軸側に設けた場合、前記変速用第一クラッチ爪は、弾性部材によってそれぞれその一端が前記変速用第一クラッチカム面側に起き上がる方向に付勢され、その他端が前記車軸の外周に設けた変速用スリーブに接することができるようになっており、前記操作部の移動操作により、前記変速用スリーブに設けられた切欠部が、前記変速用第一クラッチ爪の位置と、その前記変速用第一クラッチ爪から退避した位置との間でそれぞれ移動することにより、前記変速用第一クラッチが切り替えられる構成を採用することができる。
【００３８】
例えば、この変速用スリーブが、前記車軸の軸方向に移動することにより、前記切欠部の移動が行われる構成とした場合、その切欠部の軸方向端部に、軸方向外側に向かうにつれて外径側に近づくテーパ面を設けた構成を採用することができる。
このようにすれば、クラッチカム面に噛み込んだクラッチ爪と切欠部が接触した際に、そのテーパ面の傾斜面によってクラッチ爪をカム面から外す力を大きくすることができる。
なお、変速用スリーブが、前記車軸の軸周り方向に移動することにより、前記切欠部の移動が行われる場合は、変速用スリーブの切欠部の周方向端縁にテーパ面を設けることもできる。
【００３９】
一方、これらの各構成において、前記変速用第二クラッチとして、例えば、以下の構成を採用することができる。
【００４０】
すなわち、その構成は、前記変速用第二クラッチは、少なくとも二つの変速用第二クラッチ爪を備え、前記少なくとも二つの変速用第二クラッチ爪は互いに逆方向に係合可能であって、前記変速用第二クラッチカム面は、その互いに逆方向に係合可能な前記変速用第二クラッチ爪の一方が駆動力に対して他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状を有する構成である。
【００４１】
また、変速用第二クラッチ爪は、少なくとも係合方向の異なる二つのものがあれば、駆動力と逆入力のそれぞれを伝達可能とし得るが、さらに、同一の係合方向のクラッチ爪を複数とすることにより、その伝達時のトルク容量を容易に確保できる。さらに、その同一方向のクラッチ爪の位相（車軸周りの方位の位相）を、変速用第二クラッチカム面の位相とずらして配置することにより、クラッチが係合するまでのタイムラグを小さくすることができる。
【００４２】
さらに、前記変速用第二クラッチ爪は、その一端が弾性部材によって前記変速用第二クラッチカム面側に起き上がる方向に付勢されており、変速用第二クラッチ切替部が前記変速用第二クラッチ爪の位置と変速用第二クラッチ爪から退避した位置との間で移動することによって、前記変速用第二クラッチ爪を、前記変速用第二クラッチカム面に係合可能な状態と係合不可能な状態とに切り替えることができる構成を採用することができる。
【００４３】
この変速用第二クラッチ切替部は、例えば、その変速用第二クラッチ切替部の軸方向（車軸の軸方向）端部に、軸方向外側に向かうにつれて内径側に近づくテーパ部を設けた構成を採用することができる。
この構成によれば、クラッチカム面に噛み込んだクラッチ爪とテーパ部が接触した際に、そのテーパ面の傾斜面によってクラッチ爪をカム面から外す力を大きくすることができる。
なお、変速用第二クラッチ切替部が、前記車軸の軸周り方向に移動することにより前記切り替えが行われる場合は、変速用第二クラッチ切替部の周方向端縁にテーパ部を設けることもできる。
【００４４】
また、この構成において、前記クラッチ軸は、前記遊星歯車と前記遊星キャリアとを結ぶ遊星歯車軸と一体である構成を採用することができる。
この構成によれば、変速用第二クラッチのクラッチ軸を支持するために、遊星キャリアに対して新たにクラッチ軸用の穴を加工する必要がなく、コスト低減が可能である。すなわち、遊星キャリアに設けられている遊星歯車軸用の軸穴を、変速用第二クラッチ爪を支持するクラッチ軸の軸穴と共通化することができるので、新たにクラッチ軸用の穴を加工する必要がない。
また、遊星歯車の数は、奇数個または偶数個備えることが可能である。遊星歯車が偶数個備えられている場合、前記変速用第二クラッチは、駆動力に対して係合可能な係合子の数と逆入力に対して係合可能な係合子の数が等しく備えられている構成を採用することが望ましい。一方、遊星歯車が奇数個備えられている場合、平均的な駆動力と逆入力との大きさから考えると、前記変速用第二クラッチは、駆動力に対して係合可能な係合子の数が逆入力に対して係合可能な係合子の数よりも多く備えられている構成を採用することが望ましい。
また、その遊星歯車は、特に、荷重のバランスが取れやすい３個備えている構成を採用することができる。この場合、同じく、平均的な駆動力と逆入力の大きさから考えると、変速用第二クラッチは、例えば、駆動力に対して係合可能な係合子を二つとし、逆入力に対して係合可能な係合子を一つとすることができる。
【００４５】
これらの各構成において、変速制御機構は、車軸内を通して外部に引き出された操作部を有しており、操作部を軸方向に移動操作することにより、変速切替を行うことが可能な構成を採用することができる。この構成によれば、簡単な機構により、各変速用クラッチの切り替えを外部から行うことができるようになる。
【００４６】
また、これらの各構成は、特に、遊星歯車が、歯数の異なる二つの歯車部を有する遊星歯車機構によって構成した、直結（等速）と２段階の増速による３段変速構造とすることができる。
【００４７】
さらに、これらの各構成において、踏力又はモータの出力による駆動力は、前記駆動力伝達要素から前記遊星キャリアに対してリアスプロケットを介して入力され、前記変速用第二クラッチは、前記遊星歯車を挟んで前記リアスプロケットの反対側に配置されている構成を採用することができる。
【００４８】
このとき、前記変速制御機構は、前記車軸の軸方向に対して、前記リアスプロケットと反対側に配置されている構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００４９】
この発明は、遊星キャリアからハブケースへの直結（等速）状態を得るために必要な変速用第二クラッチをラチェットクラッチによって構成し、その変速用第二クラッチが備える変速用第二クラッチ爪を、遊星キャリアに設けられたクラッチ軸に揺動自在に設けたので、遊星キャリアには、特に高面圧となるような荷重負荷部位が存在しない。このため、軽量化のために、遊星キャリアの素材として、アルミニウム合金材料又はマグネシウム合金材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の一実施形態の変速１段目（直結状態）を示すハブの縦断面図
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）は同Ｃ−Ｃ断面図
【図３】この発明の一実施形態の変速２段目を示すハブの縦断面図
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）は同Ｃ−Ｃ断面図
【図５】この発明の一実施形態の変速３段目を示すハブの縦断面図
【図６】（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）は同Ｃ−Ｃ断面図
【図７】この発明の一実施形態の前進非駆動時（変速３段目による回生状態）を示すハブの縦断面図
【図８】（ａ）は図７のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ断面図、（ｃ）は同Ｃ−Ｃ断面図
【図９】電動補助自転車の全体図
【図１０】従来例の縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００５１】
この発明の実施形態を、図１〜図９に基づいて説明する。この実施形態の電動補助自転車は、前輪２２と後輪２５間の中央部付近において、その前輪２２と後輪２５とを結ぶフレームＦに二次電池及び補助駆動用のモータを内蔵したセンタモータユニットＣが取り付けられたセンタモータ方式である。
【００５２】
駆動時、例えば、図９に示すペダル２０を通じてクランク軸２１から伝達された踏力，又は前記モータの出力による駆動力が入力された場合は、フロントスプロケット２４と後輪２５のスプロケット４（以下、「リアスプロケット４」と称する。）とを結ぶチェーン２３等の動力伝達要素を介して、後輪２５に駆動力が伝達可能となっている。
【００５３】
また、前進非駆動時には、後輪２５のハブ１（以下、「リアハブ１」と称する）から前記モータの出力軸へ逆入力が伝達され、その逆入力により生じた回生電力を、前記センタモータユニットＣの二次電池に還元する回生機構を備えている。その回生機構は、センタモータユニットＣや二次電池を収容したケース２６の周辺において、前記フレームＦに取り付けられる。
【００５４】
リアハブ１は、後輪２５の車軸５と同軸に設けたハブケース７内に、図１に示すように、遊星歯車機構で構成された変速機構３と変速制御機構１０とを備えている。車軸５はフレームＦに対して回転不能に固定されている。
【００５５】
変速機構３は、直結と２段増速の合計３段変速が可能な遊星歯車機構で構成された増速型である。その遊星歯車機構による変速機構３は、車軸５の外周に設けられた太陽歯車３ａが、変速用第一クラッチ３ｅを介して接続されている。
【００５６】
この実施形態では、変速機構３は、歯数の異なる二つの歯車部を有する遊星歯車３ｂを備え、太陽歯車３ａは、その遊星歯車３ｂの数、すなわち、歯車部の数と同じく二つ設けられて、その各太陽歯車３ａが対応する歯車部にそれぞれ噛み合っている。以下、その二つの太陽歯車３ａを、第一太陽歯車３ａ−１、第二太陽歯車３ａ−２と称する。
【００５７】
また、変速機構３は、その遊星歯車３ｂを保持する遊星キャリア３ｃ、遊星歯車３ｂに噛み合い、ハブケース７と一体に回転する外輪歯車３ｄを備えている。
この実施形態では、ハブケース７と外輪歯車３ｄとは別体に形成されて、それらを一体に回転するように接合しているが、ハブケース７と外輪歯車３ｄとを一体に形成してもよい。
【００５８】
その第一太陽歯車３ａ−１と車軸５との間、第二太陽歯車３ａ−２と車軸５との間には、それぞれ前記変速用第一クラッチ３ｅが設けられている。
【００５９】
第一太陽歯車３ａ−１と車軸５の間の変速用第一クラッチ３ｅを、以下、変速用第一クラッチ部３ｅ−１と称する。また、第二太陽歯車３ａ−２と車軸５の間の変速用第一クラッチ３ｅを、以下、変速用第二クラッチ部３ｅ−２と称する。
【００６０】
また、遊星キャリア３ｃとハブケース７との間には、変速用第二クラッチ３ｈが設けられている。遊星キャリア３ｃとハブケース７は、変速用第二クラッチ３ｈを介して接続されている。
【００６１】
この実施形態では、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２、変速用第二クラッチ３ｈとして、それぞれラチェットクラッチ（ラチェット機構）を採用している。
【００６２】
これらの構成により、後述の変速制御機構１０を操作することで、第一太陽歯車３ａ−１は変速用第一クラッチ部３ｅ−１、第二太陽歯車３ａ−２は変速用第二クラッチ部３ｅ−２を介して、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して車軸５周りに相対回転可能または相対回転不能とすることにより変速を行うことができる。また、同じく変速制御機構１０を操作することで、遊星キャリア３ｃは、変速用第二クラッチ３ｈを介して、駆動力及び逆入力のそれぞれに対してハブケース７周りに相対回転可能または相対回転不能とすることにより変速を行うことができる。
【００６３】
なお、遊星キャリア３ｃと車軸５との間、及びハブケース７と車軸５との間には、それぞれ軸受部１３，１３が設けられ、互いに相対回転可能に支持されている。遊星キャリア３ｃとハブケース７との間にも、軸受部１４が設けられて互いに相対回転可能となっている。
【００６４】
変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１は、車軸５に固定した揺動軸（クラッチ軸）３ｋの軸周りに、二つの揺動自在の変速用第一クラッチ爪３ｆ（以下、変速用第一爪部３ｆ−１と称する）が車軸５の外面に設けられており、その変速用第一爪部３ｆ−１が噛み合う変速用第一クラッチカム面３ｇ（以下、変速用第一カム面部３ｇ−１と称する）が第一太陽歯車３ａ−１の内面に設けられている（図２（ｃ）参照）。
【００６５】
この二つの変速用第一爪部３ｆ−１は、互いに第一太陽歯車３ａ−１と車軸５との逆方向の相対回転に対して係合可能である。図２（ｃ）に示す上方の変速用第一爪部３ｆ−１は、クラッチ軸３ｋを揺動中心として時計回り方向に揺動することで係合側に近づき、下方の変速用第一爪部３ｆ−１は、反時計回り方向に揺動することで係合側に近づくようになっている。
【００６６】
また、変速用第一カム面部３ｇ−１は、周方向に沿って凹凸が連続する形状となっており、これは、逆方向に揺動する変速用第一爪部３ｆ−１の一方が駆動力に対して、他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状となっている。
【００６７】
なお、この実施形態では、変速用第一爪部３ｆ−１は、互いに第一太陽歯車３ａ−１と車軸５との逆方向の相対回転に対して係合可能な二つの爪で構成されているが、変速用第一爪部３ｆ−１の数は、少なくとも互いに逆方向に係合可能な二つのものが含まれていれば、その数は限定されない。例えば、時計回り方向に揺動することで係合側に近づく変速用第一爪部３ｆ−１を二つ、反時計回り方向に揺動することで係合側に近づく変速用第一爪部３ｆ−１を二つとしてもよい。また、それらを揺動方向の異なる爪を、互いに異なる数に設定してもよい。
【００６８】
また、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第二クラッチ部３ｅ−２も、前記揺動軸（クラッチ軸）３ｋの軸周りに、二つの揺動自在の変速用第一クラッチ爪３ｆ（以下、変速用第二爪部３ｆ−２と称する）が車軸５の外面に設けられており、その変速用第二爪部３ｆ−２が噛み合う変速用第一クラッチカム面３ｇ（以下、変速用第二カム面部３ｇ−２と称する）が第一太陽歯車３ａ−１の内面に設けられている（図２（ｂ）参照）。
【００６９】
この変速用第二クラッチ部３ｅ−２についても、変速用第一クラッチ部３ｅ−１の場合と同様に、二つの変速用第二爪部３ｆ−２は、互いに第二太陽歯車３ａ−２と車軸５との逆方向の相対回転に対して係合可能である。図２（ｂ）に示す上方の変速用第二爪部３ｆ−２は、クラッチ軸３ｋを揺動中心として時計回り方向に揺動することで係合側に近づき、下方の変速用第二爪部３ｆ−２は、反時計回り方向に揺動することで係合側に近づくようになっている。
【００７０】
また、変速用第二カム面部３ｇ−２は、周方向に沿って凹凸が連続する形状となっており、これは、逆方向に揺動する変速用第二爪部３ｆ−２の一方が駆動力に対して、他方が逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状となっている。
【００７１】
なお、この実施形態では、変速用第二爪部３ｆ−２は、互いに第二太陽歯車３ａ−２と車軸５との逆方向の相対回転に対して係合可能な二つの爪で構成されているが、変速用第二爪部３ｆ−２の数は、少なくとも互いに逆方向に係合可能な二つのものが含まれていれば、その数は限定されない。例えば、時計回り方向に揺動することで係合側に近づく変速用第二爪部３ｆ−２を二つ、反時計回り方向に揺動することで係合側に近づく変速用第二爪部３ｆ−２を二つとしてもよい。また、それらを揺動方向の異なる爪を、互いに異なる数に設定してもよい。なお、図２（ｂ）（ｃ）等において、遊星歯車３ｂの図示は省略している。
また、図１、図３、図５、図７中の符号３ｐは、図２（ｂ）等におけるクラッチ軸３ｋを支持するための部材である。この実施形態では、その部材３ｐは、外面が円筒状で、その内面が三角形状を成す部材となっており、その内側に断面六角形の車軸５が圧入されている。
【００７２】
また、変速用第二クラッチ３ｈは、遊星歯車３ｂと前記遊星キャリア３ｃとを結ぶ遊星歯車軸３ｎを軸方向へ延長し、その延長部分をクラッチ軸３ｍとしてそのクラッチ軸３ｍに揺動自在に設けられた変速用第二クラッチ爪３ｉを備えている。すなわち、遊星歯車軸３ｎとクラッチ軸３ｍを共通部材としているから、変速用第二クラッチ爪３ｉは、車軸５の軸周りに設けられた複数の遊星歯車軸３ｎにそれぞれ設けられていることになる。なお、この実施形態では、三本の遊星歯車軸３ｎにそれぞれ一つの変速用第二クラッチ爪３ｉが設けられている。
また、その変速用第二クラッチ爪３ｉが噛み合う変速用第二クラッチカム面３ｊが、ハブケース７の内面に設けられている（図２（ａ）参照）。
【００７３】
この変速用第二クラッチ３ｈについても、変速用第一クラッチ３ｅの場合と同様に、互いに遊星キャリア３ｃとハブケース７との逆方向の相対回転に対してそれぞれ係合可能な、揺動方向の異なる変速用第二クラッチ爪３ｉが含まれている。
【００７４】
具体的には、図２（ａ）に示す右下の変速用第二クラッチ爪３ｉは、クラッチ軸３ｍを揺動中心として時計回り方向に揺動することで係合側に近づき、上方及び左下の変速用第二クラッチ爪３ｉは、反時計回り方向に揺動することで係合側に近づくようになっている。
【００７５】
また、変速用第二クラッチカム面３ｊは、周方向に沿って凹凸が連続する形状となっており、これは、逆方向に揺動する変速用第二クラッチ爪３ｉの一部が駆動力に対して、残りが逆入力に対してそれぞれ係合可能な形状となっている。
【００７６】
なお、この実施形態では、変速用第二クラッチ爪３ｉは、互いに遊星キャリア３ｃとハブケース７との逆方向の相対回転に対してそれぞれ係合可能な、揺動方向の異なる変速用第二クラッチ爪３ｉを備えているが、この互いに逆方向に係合可能な変速用第二クラッチ爪３ｉの数は限定されない。例えば、時計回り方向に揺動することで係合側に近づく変速用第二クラッチ爪３ｉを二つ、反時計回り方向に揺動することで係合側に近づく変速用第二クラッチ爪３ｉを二つとしてもよい。また、それらを係合方向の異なる爪を、互いに異なる数に設定してもよい。ただし、平均的な駆動力と逆入力の大きさから考えると、変速用第二クラッチ爪３ｉは、駆動力に対して係合可能なものを、逆入力に対して係合可能なものよりも多く配置することが望ましい。
なお、図２（ａ）等において、太陽歯車３ａの内径側に位置する車軸５等の図示は省略している。
【００７７】
また、変速用第二クラッチ３ｈの変速用第二クラッチ爪３ｉを支持するクラッチ軸３ｍは、遊星歯車３ｂと前記遊星キャリア３ｃとを結ぶ遊星歯車軸３ｎと一体であるので、変速用第二クラッチ３ｈのクラッチ軸３ｍを支持するために、遊星キャリア３ｃに対して新たにクラッチ軸３ｍ用の穴を加工する必要がなく、コスト低減が可能である。すなわち、遊星キャリア３ｃに設けられている遊星歯車軸３ｎ用の軸穴３ｑを、変速用第二クラッチ爪３ｉを支持するクラッチ軸３ｍの軸穴と共通化することができるので、新たにクラッチ軸３ｍ用の穴を加工する必要がない。
【００７８】
また、変速用第二クラッチ３ｈの変速用第二クラッチ爪３ｉを、遊星歯車軸３ｎ（遊星歯車軸３ｎの延長部分であるクラッチ軸３ｍ）に揺動自在に設けたので、遊星キャリア３ｃについては、歯車やカム面等、特に高面圧となるような荷重負荷部位が存在しない。このため、遊星キャリア３ｃの素材として、軽量化のためにアルミニウム合金材料を用いている。この遊星キャリア３ｃの素材としては、ほかにマグネシウム合金材料を用いることも可能である。なお、この実施形態では、遊星キャリア３ｃに設けられた遊星歯車軸３ｎとクラッチ軸３ｍとを共通部材として、変速用第二クラッチ爪３ｉを遊星歯車軸３ｎに揺動自在に設けたが、この変速用第二クラッチ爪３ｉを支持するクラッチ軸３ｍは、遊星キャリア３ｃに設けられていればよく、遊星歯車軸３ｎとクラッチ軸３ｍとを別部材とした構成を採用してもよい。
【００７９】
つぎに、変速制御機構１０について説明すると、変速制御機構１０は、車軸５の中心に設けた軸方向へ伸びる孔５ａ内を通して外部に引き出された操作部１０ａと、その操作部１０ａに接続され車軸５の外側に設けられた二つの変速用スリーブ１０ｂを有している。
【００８０】
踏力又はモータの出力による駆動力は、チェーン２３から遊星キャリア３ｃに対して、車軸５の軸方向一方側に設けたリアスプロケット４を介して入力される。一方、変速用第二クラッチ３ｈは、遊星歯車３ｂを挟んでリアスプロケット４の反対側に配置されているから、変速制御機構１０の操作部１０ａは、車軸５の軸方向に対して、リアスプロケット４と反対側に配置しやすい。このため、操作部１０ａの動作機構（図示せず）を、リアスプロケット４の反対側のより広いスペースを利用して配置することができ、装置の構成を簡素化し得る。
【００８１】
その操作部１０ａを軸方向に移動操作することにより、変速用スリーブ１０ｂが軸方向へ移動し、その移動によって、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２が、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合状態又は係合不能状態とに切り替えられる。
すなわち、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、第一太陽歯車３ａ−１及び第二太陽歯車３ａ−２を、それぞれ車軸５周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
【００８２】
その作用について、さらに詳しく説明すると、変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２のそれぞれにおいて、変速用第一爪部３ｆ−１及び変速用第二爪部３ｆ−２は、それぞれ、対応するカム面に対して、係合していない状態から係合した状態への揺動方向がクラッチ軸３ｋ周り逆向きになるクラッチ爪を備えている。その逆向きの各クラッチ爪は、それぞれカム面への係合側の端部（一端）が、図示しない弾性部材によって、そのカム面（変速用第一カム面部３ｇ−１又は変速用第二カム面部３ｇ−２）側に起き上がる方向に負荷を与えられている。一方、その係合側の反対側の端部（他端）は、変速制御機構１０における変速用スリーブ１０ｂに接しており、その弾性部材の弾性力に抗して、変速用第一カム面部３ｇ−１又は変速用第二カム面部３ｇ−２側に起き上がるのが抑制されている（例えば、図２（ｂ）（ｃ）参照）。
【００８３】
ここで、変速用スリーブ１０ｂには、車軸５の軸方向に沿って２箇所の切欠部１０ｄが設けられている。車軸５内を通って外部に引き出された操作部１０ａを、車軸５外からの外部操作により軸方向へ移動させると、変速用スリーブ１０ｂも軸方向に移動し、その変速用スリーブ１０ｂの切欠部１０ｄが、変速用第一爪部３ｆ−１又は変速用第二爪部３ｆ−２の位置、あるいは、その位置から外れた位置に移動する。
【００８４】
そうすると、変速用スリーブ１０ｂの切欠部１０ｄに対面した変速用第一爪部３ｆ−１や変速用第二爪部３ｆ−２は、その変速用スリーブ１０ｂによる拘束が解除され、その一端が、変速用第一カム面部３ｇ−１や変速用第二カム面部３ｇ−２側に起き上がり、駆動力及び逆入力に対して係合することが可能な状態となる（以下、係合可能状態と称する。）。例えば、図４（ｂ）（ｃ）は、変速用第一爪部３ｆ−１と変速用第二爪部３ｆ−２のうち、変速用第一爪部３ｆ−１のみが係合可能状態で、その変速用第一爪部３ｆ−１が実際に起き上がって係合している状態を示しており、図６（ｂ）（ｃ）は、変速用第一爪部３ｆ−１と変速用第二爪部３ｆ−２のうち、変速用第二爪部３ｆ−２のみが係合可能状態で、その変速用第二爪部３ｆ−２が実際に起き上がって係合している状態を示している。また、図２（ｂ）（ｃ）は、変速用第一爪部３ｆ−１と変速用第二爪部３ｆ−２の両方が拘束されて、それぞれ係合できない状態（以下、係合不能状態と称する。）となっているのを示している。
【００８５】
変速用スリーブ１０ｂの切欠部１０ｄの軸方向両端には、テーパ面１０ｅが設けられている。このテーパ面１０ｅは、変速用第一爪部３ｆ−１や変速用第二爪部３ｆ−２が、変速用第一カム面部３ｇ−１や変速用第二カム面部３ｇ−２と係合している状態から、その係合を解除しようとする際に、テーパ面１０ｅが各爪部３ｆ−１，３ｆ−２の他端に接することで、その係合解除をスムーズにしている。すなわち、そのテーパ面１０ｅの傾斜面によって、各爪部３ｆ−１，３ｆ−２をカム面部３ｇ−１，３ｇ−２から外す力を大きくすることができる。
【００８６】
ただし、同一の太陽歯車３ａに対応するクラッチ、すなわち、軸方向同一の位置に設けられた二つの変速用第一爪部３ｆ−１、あるいは、二つの変速用第二爪部３ｆ−２は、前述のように、その係合方向が互いに逆向きになるよう配置されているので、前記係合可能状態であっても、駆動力に対しては、その逆向きの各爪部のうち、一方の変速用第一爪部３ｆ−１、変速用第二爪部３ｆ−２のみが係合し、逆入力に対しては、他方の変速用第一爪部３ｆ−１、変速用第二爪部３ｆ−２のみが係合することとなる。
【００８７】
さらに、操作部１０ａを軸方向に移動操作することにより、変速用第二クラッチ切替部１０ｉが軸方向へ移動し、その移動によって、変速用第二クラッチ３ｈが、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合可能状態又は係合不能状態とに切り替えられる。
すなわち、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、遊星キャリア３ｃをハブケース７周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
【００８８】
その作用について、さらに詳しく説明すると、変速用第二クラッチ３ｈにおいて、変速用第二クラッチ爪３ｉは、カム面に対して、係合していない状態から係合した状態への揺動方向がクラッチ軸３ｍ周り逆向きのものが含まれている。その逆向きの各変速用第二クラッチ爪３ｉは、それぞれ変速用第二クラッチカム面３ｊへの係合側の端部（一端）が、図示しない弾性部材によって、その変速用第二クラッチカム面３ｊ側に起き上がる方向に負荷を与えられている。一方、その係合側の反対側の端部（他端）は、変速制御機構１０における変速用第二クラッチ切替部１０ｉに接しており、その弾性部材の弾性力に抗して、変速用第二クラッチカム面３ｊ側に起き上がるのが抑制されている（例えば、図２（ａ）参照）。
【００８９】
ここで、操作部１０ａを、車軸５外からの外部操作により軸方向へ移動させると、変速用スリーブ１０ｂとともに変速用第二クラッチ切替部１０ｉも軸方向に移動し、その変速用第二クラッチ切替部１０ｉが、変速用第二クラッチ爪３ｉの位置、あるいは、その位置から外れた位置に移動する。
【００９０】
そうすると、変速用第二クラッチ切替部１０ｉに対面した変速用第二クラッチ爪３ｉは、その変速用第二クラッチ切替部１０ｉによって拘束され、その一端が、変速用第二クラッチカム面３ｊ側に起き上がらないため、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合しない状態となる。また、変速用第二クラッチ切替部１０ｉが、変速用第二クラッチ爪３ｉの位置から離脱すると、その変速用第二クラッチ切替部１０ｉによる拘束が解除され、その一端が、変速用第二クラッチカム面３ｊ側に起き上がり、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合することが可能な状態となる。
【００９１】
例えば、図２（ａ）は、三つの変速用第二クラッチ爪３ｉの全てが係合可能状態となって、そのうち、遊星キャリア３ｃとハブケース７との相対回転方向に応じて一部が実際に係合している状態を示しており、図４（ａ）、図６（ａ）、図８（ａ）は、いずれも変速用第二クラッチ爪３ｉが拘束されて、それぞれ係合不能状態となっているのを示している。ただし、変速用第二クラッチ爪３ｉは、前述のように、その係合方向が互いに逆向きになるものが含まれて配置されているので、前記係合可能状態であっても、駆動力に対しては、その逆向きの変速用第二クラッチ爪３ｉのうち、一部の変速用第二クラッチ爪３ｉのみが係合し、逆入力に対しては、残りの変速用第二クラッチ爪３ｉのみが係合することとなる。
【００９２】
操作部１０ａは軸状を成し、車軸５内に設けた孔５ａ内に進退自在に挿通されており、弾性部材１０ｇによって、軸方向外側に付勢されている。このため、操作部１０ａの軸方向への移動操作は、その操作部１０ａをハブ１内に押し込む時は、前記弾性部材１０ｇの付勢力に抗して行われ、押し込む力を解除すると、操作部１０ａは、その付勢力によって自動的に元の状態に復帰する。
【００９３】
また、変速用スリーブ１０ｂは、車軸５に設けられた横穴１０ｈに挿入されたピン１０ｆによってその車軸５に固定されている。ピン１０ｆを操作部１０ａによって横穴１０ｈ内で軸方向へ移動操作することにより、変速用スリーブ１０ｂの軸方向への移動を行うことができる。
【００９４】
このように、変速用第一クラッチ３ｅに関し、変速制御機構１０は、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、その変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２を、係合可能状態又は係合不能状態とに切り替える機能を有している。この切替により、第一太陽歯車３ａ−１及び第二太陽歯車３ａ−２を、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、車軸５周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
【００９５】
また、変速用第二クラッチ３ｈに関し、変速制御機構１０は、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、その変速用第二クラッチ３ｈを係合可能状態又は係合不能状態とに切り替える機能を有している。この切替により、遊星キャリア３ｃを、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、ハブケース７周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
【００９６】
変速機構３による変速段の切替について具体的に説明すると、例えば、変速用第二クラッチ３ｈにより、遊星キャリア３ｃをハブケース７に対して相対回転不能とし、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２により、第一太陽歯車３ａ−１及び第二太陽歯車３ａ−２を車軸５に対して相対回転可能とする。この場合、リアスプロケット４から駆動力が入力されると、遊星キャリア３ｃを介して遊星歯車３ｂに駆動力が伝達される。このとき、遊星キャリア３ｃとハブケース７とが一体に回転するため、等速（直結）で駆動力が伝達される。
【００９７】
また、変速用第二クラッチ３ｈにより、遊星キャリア３ｃをハブケース７に対して相対回転可能とし、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２により、第一太陽歯車３ａ−１を車軸５に対して相対回転不能、第二太陽歯車３ａ−２を車軸５に対して相対回転可能とした場合、第一太陽歯車３ａ−１の歯数をａ、外輪歯車３ｄの歯数をｄとすると、遊星キャリア３ｃから外輪歯車３ｄへの増速比は、
（ａ＋ｄ）／ｄ
となる。このとき、第二太陽歯車３ａ−２は車軸５に対して空転状態であり、トルク伝達に関与しない。また、変速用第二クラッチ３ｈは、変速制御機構１０における変速用第二クラッチ切替部１０ｉによって、強制的に変速用第二クラッチ爪３ｉが変速用第二クラッチカム面３ｊに噛み込まない状態にしてある。
【００９８】
また、変速用第二クラッチ３ｈにより、遊星キャリア３ｃをハブケース７に対して相対回転可能とし、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２により、第一太陽歯車３ａ−１を車軸５に対して相対回転可能、第二太陽歯車３ａ−２を車軸５に対して相対回転不能とした場合、第二太陽歯車３ａ−２の歯数をａ、第一太陽歯車３ａ−１と噛み合う遊星歯車３ｂの歯数をｂ、第二太陽歯車３ａ−２と噛み合う遊星歯車３ｂの歯数をｃ、外輪歯車３ｄの歯数をｄとすると、遊星キャリア３ｃから外輪歯車３ｄへの増速比は、
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
となる。このとき、第一太陽歯車３ａ−１は空転状態であり、トルク伝達に関与しない。
【００９９】
すなわち、第一太陽歯車３ａ−１、第二太陽歯車３ａ−２は異なる歯数であり、車軸５に対して全てフリー（相対回転可能）として、遊星キャリア３ｃとハブケース７とを固定するか、遊星キャリア３ｃとハブケース７をフリーとして車軸５に対していずれか一つの太陽歯車３ａを固定（相対回転不能）とすることで増速比を変化させることができる。
【０１００】
また、変速制御機構１０により、変速用第二クラッチ３ｈを係合可能状態とし、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１、変速用第二クラッチ部３ｅ−２が係合不能状態となっていれば（等速状態）、前進非駆動時において、駆動輪からの逆入力はハブケース７からリアスプロケット４に等速で伝達される。
【０１０１】
同様に、変速制御機構１０により、変速用第二クラッチ３ｈを係合可能状態とし、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１、変速用第二クラッチ部３ｅ−２のうち、変速用第一クラッチ部３ｅ−１のみが係合不能状態となっているとき、第一太陽歯車３ａ−１は車軸５に固定（相対回転不能）である。
よって、駆動輪からの逆入力が、ハブケース７からリアスプロケット４に伝達されるとき、第一太陽歯車３ａ−１の歯数をａ、外輪歯車３ｄの歯数をｄとすると、減速比は、
（ａ＋ｄ）／ｄ
となる。
【０１０２】
さらに、変速制御機構１０により、変速用第二クラッチ３ｈを係合可能状態とし、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１、変速用第二クラッチ部３ｅ−２のうち、変速用第二クラッチ部３ｅ−２のみが係合不能状態となっているとき、第二太陽歯車３ａ−２は車軸５に固定（相対回転不能）である。
よって、駆動輪からの逆入力が、ハブケース７からリアスプロケット４に伝達されるとき、第二太陽歯車３ａ−２の歯数をａ、第一太陽歯車３ａ−１と噛み合う遊星歯車３ｂの歯数をｂ、第二太陽歯車３ａ−２と噛み合う遊星歯車３ｂの歯数をｃ、外輪歯車３ｄの歯数をｄとすると、減速比は、
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
となる。すなわち、駆動輪からの逆入力は、変速制御機構１０により選択された変速段に応じて、駆動力が伝達する経路と同じ経路を逆方向に伝達される。
【０１０３】
変速１段目（直結）の状態を図１及び図２に示す。この実施形態では、車軸５の軸方向両端のうち、リアスプロケット４を設けた側の反対側に変速制御機構１０の操作部１０ａを配置して装置の構成を簡素化しているが、これを逆方向に配置してもよい。
【０１０４】
この変速１段目において、変速制御機構１０における変速用スリーブ１０ｂによって、変速用第一爪部３ｆ−１及び変速用第二爪部３ｆ−２は、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、いずれも変速用スリーブ１０ｂによりその他端が拘束され、係合不能状態となっている。
したがって、第一太陽歯車３ａ−１及び第二太陽歯車３ａ−２は、車軸５周りに相対回転可能となっている。
【０１０５】
また、変速用第二クラッチ３ｈの変速用第二クラッチ爪３ｉは、図２（ａ）に示すように、変速制御機構１０における変速用第二クラッチ切替部１０ｉの拘束が解除され係合可能状態となっている。
このため、遊星キャリア３ｃとハブケース７とは、相対回転不能となっている。
【０１０６】
この場合、リアスプロケット４からの駆動力は、遊星キャリア３ｃ、変速用第二クラッチ３ｈ、ハブケース７の順に等速で伝達される。一方、この状態で、駆動輪からの逆入力が入力されると、変速用第二クラッチ爪３ｉは変速用第二クラッチカム面３ｊに係合し、前進駆動時の駆動力伝達経路とは逆方向の経路、すなわち、ハブケース７、変速用第二クラッチ３ｈ、遊星キャリア３ｃ、リアスプロケット４の順に等速で伝達される。
【０１０７】
変速２段目（増速１）の状態を図３及び図４に示す。前記変速１段目の状態から、外部操作により変速制御機構１０の操作部１０ａを、図３で示す矢印の方向へ軸方向のある位置まで押し込むと、変速用スリーブ１０ｂが軸方向にスライドし、変速用第一爪部３ｆ−１の位置に変速用スリーブ１０ｂの切欠部１０ｄが移動する。
【０１０８】
これにより、変速用第一爪部３ｆ−１は、変速用第一カム面部３ｇ−１に係合可能状態となり、第一太陽歯車３ａ−１は駆動力及び逆入力のそれぞれに対して車軸５周りに相対回転不能となる。このとき、変速用第二爪部３ｆ−２の駆動力及び逆入力のそれぞれに対する係合不能状態は維持されている。
【０１０９】
また、このとき、変速用第二クラッチ爪３ｉは、変速用第二クラッチ切替部１０ｉのテーパ部１０ｊに沿って、遊星キャリア３ｃの変速用第二クラッチカム面３ｊから切り離される。
このため、遊星キャリア３ｃとハブケース７とは、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して相対回転可能となる。
【０１１０】
この状態では、リアスプロケット４からの駆動力は、第一太陽歯車３ａ−１の歯数をａ、外輪歯車３ｄの歯数をｄとすると、増速比が、
（ａ＋ｄ）／ｄ
でハブケース７に伝達される。一方、駆動輪からの逆入力は、減速比が、
（ａ＋ｄ）／ｄ
でリアスプロケット４に伝達される。
【０１１１】
変速３段目（増速２）の状態を図５及び図６に示す。前記変速２段目の状態から、外部操作により変速制御機構１０の操作部１０ａを、図５で示す矢印の方向へ軸方向のある位置までさらに押し込むと、変速用スリーブ１０ｂが軸方向にスライドし、変速用第二爪部３ｆ−２の位置に変速用スリーブ１０ｂの切欠部１０ｄが移動する。
【０１１２】
変速用第二爪部３ｆ−２は、変速用第二カム面部３ｇ−２に係合可能状態となり、第二太陽歯車３ａ−２は駆動力及び逆入力のそれぞれに対して車軸５周りに相対回転不能となる。
このとき、変速用第一爪部３ｆ−１の位置にあった変速用スリーブ１０ｂの切欠部１０ｄは、その変速用第一爪部３ｆ−１の位置から離脱する。このため、変速用第一爪部３ｆ−１は、その他端が拘束されて、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合不能状態に移行する。
【０１１３】
また、このとき、遊星キャリア３ｃとハブケース７とは、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して相対回転可能な状態に維持されている。
【０１１４】
この状態では、リアスプロケット４からの駆動力は、第二太陽歯車３ａ−２の歯数をａ、第一太陽歯車３ａ−１と噛み合う遊星歯車３ｂの歯数をｂ、第二太陽歯車３ａ−２と噛み合う遊星歯車３ｂの歯数をｃ、外輪歯車３ｄの歯数をｄとすると、増速比が、
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
でハブケース７に伝達される。一方、駆動輪からの逆入力は、減速比が、
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
でリアスプロケット４に伝達される。
【０１１５】
変速３段目から２段目に戻す場合や、変速２段目から１段目に戻す場合、操作部１０ａを押し込む方向の力を解除すれば、あるいは緩めれば、弾性部材１０ｇによって変速用スリーブ１０ｂ、変速用第二クラッチ切替部１０ｉが押し戻されるので、容易に変速操作が可能である。
【０１１６】
このとき、切欠部１０ｄの軸方向端部に設けられたテーパ面１０ｅによって、変速用第一クラッチカム面３ｇに噛み込んでいる変速用第一爪部３ｆ−１、変速用第二爪部３ｆ−２の他端を押し上げる力が強くなり、変速用スリーブ１０ｂが戻り易くなるため、スムーズな切替が可能となる。
【０１１７】
また、変速用第二クラッチ３ｈについても、変速用第二クラッチ切替部１０ｉの軸方向端部に設けられたテーパ部１０ｊによって、変速用第二クラッチカム面３ｊに噛み込んでいる変速用第二クラッチの他端を押し上げる力が強くなり、変速用スリーブ１０ｂが戻り易くなるため、スムーズな切替が可能となる。
【０１１８】
前進非駆動時（駆動輪からの逆入力時）の状態を図７及び図８に示す。図では、一例として、変速３段目の状態を示している。このとき、変速制御機構１０により、変速用第二クラッチ部３ｅ−２のみが係合可能状態となっている。
【０１１９】
逆入力に対しては、第二太陽歯車３ａ−２は車軸５に対して駆動方向と逆方向に回転しようとするが、その係合方向が互いに逆向きになるよう設けられた二つの変速用第二爪部３ｆ−２によって、第二太陽歯車３ａ−２は車軸５周りに相対回転不能となる。他のクラッチ、すなわち、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１は、変速制御機構１０によって、いずれも係合しない状態に拘束されているため、干渉することはない。よって、駆動輪からの逆入力は、減速比が、
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
でリアスプロケット４に伝達される。
【０１２０】
なお、自転車を手で押して後退する際（後退時）において、変速制御機構１０により、いずれの変速段においてもある一ヶ所のクラッチのみ（変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１、変速用第二クラッチ部３ｅ−２、及び、変速用第二クラッチ３ｈの三つのクラッチのうち一つ）しか係合可能状態となっていないため、他のクラッチと干渉が起こることはなく、後退が可能である。
【０１２１】
なお、他の実施形態として、変速用第一クラッチ３ｅの変速用第一クラッチ部３ｅ−１及び変速用第二クラッチ部３ｅ−２における変速用第一爪部３ｆ−１、変速用第二爪部３ｆ−２を、それぞれ第一太陽歯車３ａ−１及び第二太陽歯車３ａ−２の内面に設け、変速用第一カム面部３ｇ−１、変速用第二カム面部３ｇ−２を車軸５の外面に設けた構成を採用することもできる。
【０１２２】
この構成において、例えば、変速用第一爪部３ｆ−１、変速用第二爪部３ｆ−２は、それぞれ第一太陽歯車３ａ−１、第二太陽歯車３ａ−２の内面に少なくとも二つ設けられ、前述の実施形態と同様、その変速用第一爪部３ｆ−１、変速用第二爪部３ｆ−２は、互いに太陽歯車３ａと車軸５との逆方向の相対回転に対してそれぞれ係合可能な、つまり、逆方向に係合可能なクラッチ爪を含んだ構成とすることができる。
【０１２３】
この実施形態の場合、変速用第一クラッチカム面３ｇの溝数は確保し難くなるが、車軸５の構造をシンプルとし得る。
【０１２４】
また、変速制御機構１０として、車軸５内を通して軸方向に移動操作することにより切り替える方式を採用しているが、車軸５周りに操作部を回転（揺動）操作することにより切り替える方式など、既知の自転車の変速機構を採用することができる。また、遊星歯車３ｂを２段としているが、１段もしくは３段以上の遊星歯車を用いても差し支えない。また、車軸５は軸方向に沿って伸びる孔５ａが、軸方向片側の端部から空けられており他端は中実となっているが、これを、両端間を結ぶ貫通穴としてもよい。
【０１２５】
また、これらの実施形態では、ラチェットクラッチで構成された変速用第一クラッチ３ｅと変速用第二クラッチ３ｈにおいて、そのラチェットクラッチの各クラッチ爪のクラッチカム面への噛合を、変速用スリーブ１０ｂや変速用第二クラッチ切替部１０ｉによって係合できる状態と係合できない状態とに切り替える方式を採用したが、車軸５と太陽歯車３ａとの間のクラッチや、遊星キャリア３ｃとハブケース７との間のクラッチを係合できる状態と係合できない状態とに切り替える手段としては、これらの実施形態の変速用スリーブ１０ｂや変速用第二クラッチ切替部１０ｉ以外の他の構成を採用してもよい。
【０１２６】
また、この実施形態では、変速用第一クラッチ３ｅと変速用第二クラッチ３ｈは、ラチェットクラッチによって構成されているが、ローラクラッチ、スプラグクラッチ等、他の構成からなるクラッチを採用することもできる。
【符号の説明】
【０１２７】
１  リアハブ（ハブ）
３  変速機構
３ａ  太陽歯車
３ａ−１  第一太陽歯車
３ａ−２  第二太陽歯車
３ｂ  遊星歯車
３ｃ  遊星キャリア
３ｄ  外輪歯車
３ｅ  変速用第一クラッチ
３ｅ−１  変速用第一クラッチ部
３ｅ−２  変速用第二クラッチ部
３ｆ  変速用第一クラッチ爪
３ｆ−１  変速用第一爪部
３ｆ−２  変速用第二爪部
３ｇ  変速用第一クラッチカム面
３ｇ−１  変速用第一カム面部
３ｇ−２  変速用第二カム面部
３ｈ  変速用第二クラッチ
３ｉ  変速用第二クラッチ爪
３ｊ  変速用第二クラッチカム面
３ｋ，３ｍ  クラッチ軸
３ｎ  遊星歯車軸
３ｐ  筒状部材
３ｑ  軸穴
４  リアスプロケット（スプロケット）
５  車軸
５ａ  孔
６  ハブフランジ
７  ハブケース
１０  変速制御機構
１０ａ  操作部
１０ｂ  変速用スリーブ
１０ｄ  切欠部
１０ｅ  テーパ面
１０ｆ  ピン
１０ｇ  弾性部材
１０ｈ  横穴
１０ｉ  変速用第二クラッチ切替部
１０ｊ  テーパ部
１３，１４  軸受部
【図１】
2012086654.tif 000003
【図２】
2012086654.tif 000004
【図３】
2012086654.tif 000005
【図４】
2012086654.tif 000006
【図５】
2012086654.tif 000007
【図６】
2012086654.tif 000008
【図７】
2012086654.tif 000009
【図８】
2012086654.tif 000010
【図９】
2012086654.tif 000011
【図１０】
2012086654.tif 000012