(57)【要約】【課題】車軸に沿って減速機構部、駆動用モータ、変速機構部を並列に備えた構成において、装置をコンパクトにする。【解決手段】ハブ１０の内部に変速機構部３０、減速機構部４０及び駆動用モータ１８を車軸１５に沿って並列して備え、変速機構部３０は人力の駆動力をハブケース１１に伝達し、減速機構部４０は駆動用モータ１８の駆動力をハブケース１１に伝達する。変速機構部３０は、変速機用太陽歯車３０ａ、変速機用遊星歯車３０ｂ、変速機用遊星キャリア３０ｃを備え、人力の駆動力に対して変速機用太陽歯車３０ａを車軸１５周りに回転可能又は不能に切り替えて変速する。減速機構部４０は、減速機用太陽歯車４０ａ、減速機用遊星歯車４０ｂを備え、減速機用遊星歯車４０ｂを変速機用遊星キャリア３０ｃに設けた減速機用外輪歯車４０ｄに噛み合わせ、減速機用遊星キャリア４０ｃと駆動用モータ１８のモータハウジング１８ｂとを相対回転可能又は不能に切替可能な切替用クラッチ２０を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ（１０）の内部に、変速機構部（３０）、減速機構部（４０）及び駆動用モータ（１８）を車軸（１５）の軸方向に並列して配置した自転車用ハブユニットにおいて、
前記変速機構部（３０）は、入力手段（９）に入力される人力による駆動力をハブケース（１１）に伝達する機能を有し、前記減速機構部（４０）は、前記駆動用モータ（１８）から入力される駆動力をハブケース（１１）に伝達する機能を有しており、前記変速機構部（３０）は、２段以上の変速段を有する遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの変速機用太陽歯車（３０ａ）と、その変速機用太陽歯車（３０ａ）に噛み合う変速機用遊星歯車（３０ｂ）、及びその変速機用遊星歯車（３０ｂ）を保持する変速機用遊星キャリア（３０ｃ）とを備え、前記入力手段（９）からの駆動力に対して前記少なくとも1つの変速機用太陽歯車（３０ａ）を前記車軸（１５）周りに回転可能又は回転不能とに切り替えて変速を行う変速制御機構部（３５）を備えており、前記減速機構部（４０）は、遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの減速機用太陽歯車（４０ａ）と、その減速機用太陽歯車（４０ａ）に噛み合う減速機用遊星歯車（４０ｂ）とを備え、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）を、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）又はその変速機用遊星キャリア（３０ｃ）と一体に回転する部材に設けた減速機用外輪歯車（４０ｄ）に噛み合わせ、前記減速機用太陽歯車（４０ａ）を保持する減速機用遊星キャリア（４０ｃ）と前記駆動用モータ（１８）を保持するモータハウジング（１８ｂ）若しくはモータハウジング（１８ｂ）に固定された部材とを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチ（２０）を備えたことを特徴とする自転用ハブユニット。
【請求項２】
前記変速制御機構部（３５）は、前記少なくとも一つの変速機用太陽歯車（３０ａ）を前記車軸（１５）周り一方向に回転不能とできる変速機用第一ワンウェイクラッチ（３０ｅ）を、その一方向に相対回転可能又は相対回転不能に切替可能であることを特徴とする請求項１に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項３】
前記切替用クラッチ（２０）をツーウェイクラッチとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項４】
前記切替用クラッチ（２０）をローラクラッチ又はスプラグクラッチとしたことを特徴とする請求項３に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項５】
前記切替用クラッチ（２０）は、前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリア（４０ｃ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する回転には常に係合可能な状態とされ、その反対方向の回転には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切替えできることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項６】
前記切替用クラッチ（２０）はラチェット機構を備えたクラッチであり、そのラチェット機構は、前記減速機用遊星キャリア（４０ｃ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する軸周り一方向のみに係合する第一ラチェット部（２０ａ）と、その第一ラチェット部（２０ａ）の係合方向とは反対方向の回転のみに係合する第二ラチェット部（２０ｂ）とで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項７】
前記第一ラチェット部（２０ａ）は、前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリア（４０ｃ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する回転には常に係合可能な状態とされ、前記第二ラチェット部（２０ｂ）は、前記駆動用モータ（１８）から駆動力が入力されない場合には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切り替えできることを特徴とする請求項６に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項８】
前記外部からの入力は、ブレーキ操作と連動して作動する切替用クラッチ制御機構部（２５）によって伝達されることを特徴とする請求項５又は７に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項９】
前記モータハウジング（１８ｂ）は、自転車のフレームもしくは車軸（１５）に相対回転不能に保持されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１０】
前記入力手段（９）を前記車軸（１５）の一端側に、前記駆動用モータ（１８）を前記車軸（１５）の他端側に設け、前記変速機構部（３０）及び前記減速機構（４０）は、前記入力手段（９）と前記駆動用モータ（１８）との間に設けられる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自転車用ハブユニット。
【請求項１１】
前記変速機構部（３０）は、前記入力手段（９）からの駆動力を伝達する駆動体（３２）と一体に回転する変速機用外輪歯車（３０ｄ）が前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）に噛み合い、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）の外周に設けた外径歯車部（４０ｇ）が前記ハブケース（１１）に設けた内径歯車部（４０ｈ）に噛み合っており、前記入力手段（９）からの駆動力は、前記駆動体（３２）から前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）を通じて前記ハブケース（１１）へ等速以下で伝達されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１２】
前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とは別部材であり、その別部材の前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とが一体回転可能な結合によって保持されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１３】
前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とは、半径方向へ相対移動可能に保持されていることを特徴とする請求項１２に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１４】
前記減速機構部（４０）は、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に設けた第一外径歯車部（４０ｅ）が前記減速機用太陽歯車（４０ａ）に噛み合い、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に設けられ前記第一外径歯車部（４０ｅ）よりも歯数の少ない第二外径歯車部（４０ｆ）が前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）に設けた内径歯車部（４０ｈ）に噛み合っており、前記減速機構部（４０）は、前記減速機用太陽歯車（４０ａ）を前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力部材とし、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）を前記ハブケース（１１）への出力部材とする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自転車用ハブユニット。
【請求項１５】
前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）の数と、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）の数を同数とした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自転車用ハブユニット。
【請求項１６】
前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）の数を３個とすることを特徴とする請求項1乃至１５のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニットを用いたことを特徴とする電動補助自転車及び電動二輪車。
【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や電動二輪車、及び、その電動補助自転車や電動二輪車に用いられる自転車用ハブユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自転車の変速機には、様々な種類のものが存在する。このような中で、一般的には、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、駆動輪である後輪の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。
【０００３】
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、防水性に優れており、メンテナンスフリーといった利点があるため、シティサイクルに使われることが多い。
【０００４】
ところで、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や電動二輪車（以下、電動補助自転車で総称する）において、その電動補助自転車の駆動輪である後輪のリアハブ内に、駆動用モータ、減速機構部、変速機構部が備えられたものがある。
【０００５】
リアハブにモータを設けた、所謂リアハブモータ方式の電動補助自転車は、変速機構部と組み合わせる場合、外装変速機又は内装変速機のいずれかを用いることができる。
ただし、外装変速機を用いる場合、ハブの構造は、主として駆動用モータと減速機構部とから構成されるので簡素となるが、前述のような外装変速機ゆえのメンテナンス上の問題がある。一方、内装変速機を用いる場合、ハブの構造は、モータ、減速機構部及び変速機構部とから構成されるので、ハブ自体の構造は複雑となるが、前述のような内装変速機ゆえの利点があるので有利である。
【０００６】
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。従って、リアハブモータ方式の電動補助自転車においても、内装変速機とすることが望ましいと考えられている。
この種の内装変速機を備えた電動補助自転車の構造として、例えば、特許文献１，２に記載のものがある。
【０００７】
これらの構造では、リアハブ内において、駆動用モータ（電動機）、減速機構部、変速機構部が配置されている。モータによる駆動機構としては、駆動用モータと、その駆動用モータの回転数を減速する動力系の減速機構部を内蔵している。また、人力の入力機構としては、駆動輪の車軸に入力用のスプロケットが設けられ、その車軸より外周に向かって変速機構部、減速機構部を順に配置している。
リアハブは、回転ケーシングと固定ケーシングとを備え、前記人力系の入力機構は回転ケーシング側に、前記駆動用モータによる駆動機構は、主として固定ケーシング側に配置されている。
【０００８】
ペダルによって与えられた人力は、チェーンによって駆動輪のスプロケットに伝達され、変速機構部で変速された後、人力系の減速機構部に伝達されて、回転ケーシングを通じて駆動輪を回転させる。また、モータによる駆動力は、前述の人力系の変速機構部とは別に備えた動力系の減速機構部で減速されて、その後、回転ケーシングにおいて人力駆動力と電動駆動力とが合力されて、駆動輪に伝達される。
このとき、電気信号に変換された前記人力による駆動力と、速度センサからの走行速度の電気信号とが、その電動補助自転車が備える制御部に入力され、その制御部が、所定の条件に基づいて駆動信号を出力し、モータを制御するようになっている。
【０００９】
しかし、これらの構造では、モータは、車軸の軸心から偏心した位置や、あるいは、車軸から外径側に大きく離れた位置に配置されている。このため、ハブの外径が大きくなるという問題がある。ハブの外径が大きいと、重量バランスが悪くなる傾向がある。
【００１０】
この点、特許文献３，４に記載の構造によれば、減速機構部、駆動用モータ、変速機構部を車軸の軸心に沿って併設した構成となっているから、上記ハブの大型化は抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−５８５６８号公報
【特許文献２】特開２０００−０４３７８０号公報
【特許文献３】特開２００２−２９３２８５号公報
【特許文献４】特開２００３−１６００８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献３では、その組み立て性を考慮し、駆動用モータと減速機構部を組込む作業と、ハブケースの端面を閉じる蓋体に内装変速機を組込む作業を別作業とし、その後、両者を組込んでいる。すなわち、減速機構部と変速機構部とは完全に別ユニットで構成される。ハブケース内の軸方向のスペースには限りがあるので、このような構成では、変速機構部の配置スペースを確保しにくく、変速段数を増やすことが困難である。
【００１３】
また、特許文献４では、駆動用モータは、減速機構部と変速機構部の間に配置されている。このような構成では、モータの電源及び制御用の配線を配置しにくく、また、その構造が複雑である。さらに、減速機構部と変速機構部は独立した構成となり、特許文献３と同様、変速段数を増やすことは困難である。
【００１４】
そこで、この発明は、車軸の軸心に沿って減速機構部、駆動用モータ、変速機構部の３つの機構を並列に備えた構成において、装置をコンパクトにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、この発明は、ハブの内部に、変速機構部、減速機構部及び駆動用モータを車軸の軸方向に並列して配置した自転車用ハブユニットにおいて、前記変速機構部は、入力手段に入力される人力による駆動力をハブケースに伝達する機能を有し、前記減速機構部は、前記駆動用モータから入力される駆動力をハブケースに伝達する機能を有しており、前記変速機構部は、２段以上の変速段を有する遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの変速機用太陽歯車と、その変速機用太陽歯車に噛み合う変速機用遊星歯車、及びその変速機用遊星歯車を保持する変速機用遊星キャリアとを備え、前記入力手段からの駆動力に対して前記少なくとも1つの変速機用太陽歯車を前記車軸周りに回転可能又は回転不能とに切り替えて変速を行う変速制御機構部を備えており、前記減速機構部は、遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの減速機用太陽歯車と、その減速機用太陽歯車に噛み合う減速機用遊星歯車とを備え、前記減速機用遊星歯車を、前記変速機用遊星キャリア又はその変速機用遊星キャリアと一体に回転する部材に設けた減速機用外輪歯車に噛み合わせ、前記減速機用太陽歯車を保持する減速機用遊星キャリアと前記駆動用モータを保持するモータハウジング若しくはモータハウジングに固定された部材とを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチを備えたことを特徴とする自転用ハブユニットを採用した。
【００１６】
この構成によれば、変速機構部と減速機構部のそれぞれにおいて遊星歯車機構を採用し、変速機構部の変速機用遊星キャリア又はその変速機用遊星キャリアと一体に回転する部材に設けた減速機用外輪歯車に、減速機構部の減速機用遊星歯車を噛み合わせることから、部材の共通化により車軸方向にコンパクトな構造とすることが可能となる。
【００１７】
なお、遊星歯車機構の２段以上の変速段を切り換える前記変速制御機構部の構成としては、クラッチ部材を変速機用太陽歯車と車軸との間に設け、このクラッチ部材（変速機用第一ワンウェイクラッチと称する）を、前記変速機用太陽歯車が車軸回り一方向へ回転可能な状態と回転不能な状態とに切替えることで変速できる構成を採用することができる。
さらに、それに加え、入力手段に接続され変速機用遊星歯車に噛み合う変速機用外輪歯車と、その変速機用遊星歯車を保持する変速機用遊星キャリアとの間に別のクラッチ部材を設け、変速制御機構部が、変速機用外輪歯車を変速機用遊星キャリアに対して軸回り一方向へ回転不能な状態に切替えることで、入力手段から変速機用遊星キャリアへ等速（直結）状態に変速することができる。
【００１８】
この構成において、前記切替用クラッチを、例えば、ツーウェイクラッチとした構成を採用することができる。また、その切替用クラッチには、例えば、ローラクラッチ又はスプラグクラッチ、ラチェット機構を備えたクラッチ（ラチェットクラッチ）を採用することができる。
【００１９】
これらの各構成において、前記切替用クラッチは、前記駆動用モータからの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリアの前記モータハウジングに対する回転には常に係合可能な状態とされ、その反対方向の回転には、外部から伝達された切替えを指示するための入力によって、係合可能な状態及び係合不能な状態とに切替えできる構成を採用することができる。
【００２０】
すなわち、駆動用モータからの駆動力が負荷される場合に、常に、減速機構部の減速機用遊星キャリアはツーウェイクラッチによってモータハウジングに対して回転不能な状態になるように配置する。これにより、補助力による走行が可能となる。
また、駆動用モータからの補助力が不必要、若しくは電池切れの場合など補助力が得られない場合、人力の駆動力によって、減速機用遊星キャリアはモータハウジングに対して駆動用モータからの駆動力で前進する際とは反対方向に回転する。この状態で、減速機構部の減速機用遊星キャリアをモータハウジングに対して回転可能な状態とし、すなわち、減速機用遊星キャリアはモータハウジングに対して空転する。これにより、駆動用モータの引き摺り抵抗がない快適な走行が可能となる。
さらに、自転車が惰性で走行する際における駆動輪からの逆入力に対しては、同じく、減速機用遊星キャリアはモータハウジングに対して駆動用モータからの駆動力で前進する際とは反対方向に回転する。この状態で、外部から伝達された入力によって前記ツーウェイクラッチを入とし、減速機構部の減速機用遊星キャリアをモータハウジングに対して回転不能な状態とする。これにより、減速機構部を介して駆動用モータに駆動輪からの逆入力が伝達され、回生充電が可能となる。
したがって、回生が必要な時にのみ、切替用クラッチを係合可能な状態から係合不能な状態に切り替えればよく、ハブ内部の構造を簡素化できる。また、その切替用クラッチの切り替えは、例えば、外部からの電気信号の入力によって切り替えることも可能であるが、部材の進退動作や回転動作等の機械的な動作（入力）によって切替えることも可能である。
【００２１】
いずれの場合にも、その切替えをブレーキ操作と連動させることで、ブレーキ時にのみ回生させることが可能となる。このとき、外部からの入力は、ブレーキ操作と連動して作動する切替用クラッチ制御機構部によって伝達されるようにできる。切替用クラッチ制御機構部の構成としては、例えば、ブレーキ操作と連動するワイヤー等の進退動作やその他リンク機構を構成する部材の回転動作（入力）を活用して、その切替えを行う構成とできる。
【００２２】
前記切替用クラッチとして、ラチェット機構を備えたクラッチを採用した場合において、そのラチェット機構は、前記減速機用遊星キャリアの前記モータハウジングに対する軸周り一方向のみに係合する第一ラチェット部と、その第一ラチェット部の係合方向とは反対方向の回転のみに係合する第二ラチェット部とで構成することができる。
【００２３】
このとき、前記第一ラチェット部は、前記駆動用モータからの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリアの前記モータハウジングに対する回転には常に係合可能な状態とされ、前記第二ラチェット部は、前記駆動用モータから駆動力が入力されない場合には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切り替えできる構成とすることができる。
【００２４】
これらの各構成において、前記モータハウジングは、自転車のフレームもしくは車軸に相対回転不能に保持されている構成とすることができる。
【００２５】
また、これらの各構成において、前記入力手段を前記車軸の一端側に、前記駆動用モータを前記車軸の他端側に設け、前記変速機構部及び前記減速機構は、前記入力手段と前記駆動用モータとの間に設けられる構成を採用することができる。
変速機構及び減速機構を、車軸の一端側のスプロケットと、他端側の駆動用モータとの間に設ければ、変速機用遊星キャリアと減速機用遊星キャリアとが近接するので、キャリアを共通化するための構造をさらに簡素とし得る。なお、駆動用モータは、自転車に両持ち支持される車軸に完全に固定されることで、ハブユニット全体の高い剛性が確保できるようになる。
【００２６】
また、これらの各構成において、前記変速機構部は、前記入力手段からの駆動力を伝達する駆動体と一体に回転する変速機用外輪歯車が前記変速機用遊星歯車に噛み合い、前記変速機用遊星キャリアの外周に設けた外径歯車部が前記ハブケースに設けた内径歯車部に噛み合っており、前記入力手段からの駆動力は、前記駆動体から前記変速機用遊星歯車、前記変速機用遊星キャリアを通じて前記ハブケースへ等速以下で伝達される減速型とした構成を採用することができる。
【００２７】
このとき、前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とを一体の部材で形成することも可能であるが、前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とを別部材とし、その別部材の前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とが一体回転可能な結合によって保持されている構成とすることができる。
【００２８】
前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とを別部材とした場合、前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とは、半径方向へ相対移動可能に保持されている構成とすることができる。駆動体と変速機用外輪歯車とが半径方向へ相対移動可能であれば、その駆動体や変速機用外輪歯車に生じ得る製造誤差や組み立て誤差を、その相対移動によって吸収することができ、遊星歯車機構の噛み合っている各歯車間のバランスを良好に保つことができる。
【００２９】
また、これらの各構成において、前記減速機構部は、前記減速機用遊星歯車に設けた第一外径歯車部が前記減速機用太陽歯車に噛み合い、前記減速機用遊星歯車に設けられ前記第一外径歯車部よりも歯数の少ない第二外径歯車部が前記変速機用遊星キャリアに設けた内径歯車部に噛み合っており、前記減速機構部は、前記減速機用太陽歯車を前記駆動用モータからの駆動力の入力部材とし、前記変速機用遊星キャリアを前記ハブケースへの出力部材とする構成を採用することができる。
【００３０】
この構成によれば、変速機構部の変速機用遊星キャリアが、減速機構部の外輪歯車の部材を兼ねるので、ハブの軸方向へのさらなるコンパクト化が可能となる。
また、減速機用遊星歯車に歯数の異なる２つの歯車部を有する２段の歯車を用いることによって、高減速比とすることが可能となる。
【００３１】
また、これらの各構成において、前記変速機用遊星歯車の数と前記減速機用遊星歯車の数を同数とすれば、主に入力手段からの人力による駆動力を伝達する変速機構部における車軸周りへの荷重バランスと、主に駆動用モータからの駆動力を伝達する減速機構部における車軸周りへの荷重バランスとが近いものとなるので望ましい。
【００３２】
また、例えば、前記変速機用遊星歯車の数を３個とすれば、駆動力を伝達する際の車軸周りへの荷重バランスが最も良好となる。このとき、前記減速機用遊星歯車の数も同数の３個とすることが望ましい。
【００３３】
また、これらの各構成において、前記変速制御機構部は、前記少なくとも一つの変速機用太陽歯車を前記車軸周り一方向に回転不能とできる変速機用第一ワンウェイクラッチを、その一方向に相対回転可能又は相対回転不能に切替可能である構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００３４】
この発明は、車軸の軸心に沿って減速機構部、駆動用モータ、変速機構部の３つの機構を並列に備えた構成において、変速機構部と減速機構部のそれぞれにおいて遊星歯車機構を採用し、変速機構部の変速機用遊星キャリア又はその変速機用遊星キャリアと一体に回転する部材に設けた減速機用外輪歯車を、減速機構部の減速機用遊星歯車に噛み合わせることで、部材の共通化により車軸方向にコンパクトな構造とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の一実施形態を示す縦断面図
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図
【図３】図１の要部拡大図
【図４】同実施形態の変速１段目を示す縦断面図
【図５】（ａ）は図４のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図４のＣ−Ｃ断面図
【図６】同実施形態の変速２段目を示す縦断面図
【図７】（ａ）は図６のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図６のＣ−Ｃ断面図
【図８】同実施形態の変速３段目を示す縦断面図
【図９】（ａ）は図８のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図８のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図８のＣ−Ｃ断面図
【図１０】図８のＸ−Ｘ断面図
【図１１】図１０の他の実施形態を示す断面図
【図１２】電動補助自転車又は電動二輪車の全体図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。この実施形態の電動補助自転車は、駆動輪である後輪のハブ１０（以下、「リアハブ１０」と称する）内部に駆動用モータ１８が設けられている、リアハブモータ方式の電動補助自転車である。図１２に電動補助自転車の全体図を示す。
なお、電動補助自転車と電動二輪車とは、人力による駆動力に対する駆動用モータによる駆動力の補助率が異なるように設定されており、駆動力の伝達機構に関しその主たる構造は同一である。このため、以下、実施形態では、電動補助自転車と電動二輪車とを電動補助自転車と総称して、電動補助自転車と電動二輪車の両方に適用できるこの発明の構成を説明する。
【００３７】
この電動補助自転車において、駆動時、すなわち、ペダル３を通じてクランク軸から伝達された踏力が入力された場合は、駆動輪である後輪２のスプロケット９（以下、「リアスプロケット９」と称する。）とを結ぶチェーン等の動力伝達要素４及び変速機構部３０を介して、後輪２に駆動力が伝達可能となっている（図１２及び図１参照）。リアスプロケット９は、後輪２への人力による駆動力の入力手段として機能する。
【００３８】
なお、変速機構部３０の変速段を切り替える変速制御機構部３５がリアハブ１０に設けられている。この変速制御機構部３５は、リアハブ１０外部、例えば、ハンドル５若しくはフレーム６などに取り付けられた変速切替スイッチより、手動もしくは電動により入力され、その入力によって変速段の切り替えが可能となっている。
【００３９】
また、補助力としての駆動用モータ１８の出力による駆動力は、リアハブ１０内部の減速機構部４０等を介して、ハブケース１１に伝達され、後輪２に伝達可能となっている。
【００４０】
また、自転車が惰性で走行する前進非駆動時には、後輪２からの逆入力が減速機構部４０（逆入力の場合は増速される）等を介して駆動用モータ１８に伝達され、後輪２からの逆入力によって生じた回生電力を、リアハブ１０外部のフレーム６等に取り付けられた二次電池７に還元する回生機構を備えている。
【００４１】
リアハブ１０は、図１に示すように、後輪２の車軸１５と同軸に設けたハブケース１１内に、変速機構部３０と減速機構部４０と駆動用モータ１８とを備えている。車軸１５は、その両端を電動補助自転車のフレーム６にそれぞれ固定され、駆動用モータ１８は車軸１５にねじ止めなどにより自由度無く固定されている。
駆動用モータ１８のモータ軸１８ａの中心部に車軸１５が挿通され、モータ軸１８ａはその車軸１５周りに回転する。車軸１５とモータ軸１８ａとは軸受１８ｃによって回転自在に支持されている。
【００４２】
変速機構部３０は、直結と２段減速の合計３段階に変速可能な遊星歯車機構で構成されている。変速機構部３０は、車軸１５の外周に変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅを介して設けられた変速機用太陽歯車３０ａを備える。この実施形態では、変速機用太陽歯車３０ａは２つの太陽歯車、すなわち、第一太陽歯車３０ａ−１、第二太陽歯車３０ａ−２からなる。その第一太陽歯車３０ａ−１、第二太陽歯車３０ａ−２が、それぞれ変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２を介して車軸１５の外周に接続されている。
【００４３】
変速機構部３０は、その第一太陽歯車３０ａ−１、第二太陽歯車３０ａ−２にそれぞれ噛み合う二つの歯車部を有する変速機用遊星歯車３０ｂ、及びその変速機用遊星歯車３０ｂを遊星キャリア軸３０ｉを介して保持する変速機用遊星キャリア３０ｃとを備える。変速機用遊星歯車３０ｂの二つの歯車部は、互いにその外径が異なり、且つ、歯数が異なるように設定されている。
【００４４】
さらに、変速機構部３０は、リアスプロケット９と一体に回転し、そのリアスプロケット９からの駆動力を伝達する駆動体３２を備える。駆動体３２には、変速機用遊星歯車３０ｂの歯数が少ない方の歯車部に噛み合う変速機用外輪歯車３０ｄが一体若しくは一体に回転する部材に設けられている。なお、変速機用外輪歯車３０ｄは、変速機用遊星歯車３０ｂの歯数が多い方の歯車部に噛み合わせてもよい。
【００４５】
さらに、変速機用遊星キャリア３０ｃの外周に設けた外径歯車部４０ｇがハブケース１１に設けた内径歯車部４０ｈに噛み合っている。
【００４６】
また、駆動体３２と変速機用遊星キャリア３０ｃとは、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１を介して接続されている。
【００４７】
なお、この実施形態では、駆動体３２と変速機用外輪歯車３０ｄとは一体の部材で形成しているが、この駆動体３２と変速機用外輪歯車３０ｄとを別体の部材で形成し、その別部材の駆動体３２と変速機用外輪歯車３０ｄとを一体回転可能な結合によって保持してもよい。このとき、駆動体３２と変速機用外輪歯車３０ｄとを半径方向に浮動支持（半径方向移動に自由度を与えて支持した状態）とすることで、各歯車の配置が荷重バランスの取れる位置にずれ、全体の荷重バランスが取りやすくなる。
また、駆動体３２と変速機用外輪歯車３０ｄとを別体の部材で形成すれば、比較的強度を必要としない駆動体３２はアルミ材料、熱処理による硬化層が必要となる変速機用外輪歯車３０ｄは鋼材とするなど、異種材料の選択が可能となり軽量化を実現する。
【００４８】
また、駆動体３２と車軸１５外周に設けた変速制御機構部３５との間、駆動体３２とハブケース１１との間、ハブケース１１の端面を閉じるリング部材１７と駆動用モータ１８の端面に取付けられる蓋１６との間には、それぞれ軸受１２，１３，１４が設けられている。この軸受１２，１３，１４によって、それぞれの部材同士が相対回転可能に支持されている。
また、駆動用モータ１８を保持するモータハウジング１８ｂと減速機用キャリア４０ｃとの間にも、軸受２６が設けられている。この軸受２６によって、モータハウジング１８ｂと減速機用キャリア４０ｃとは相対回転可能に支持されている。軸受部２６は、保持器２６ｂで保持された複数のローラ２６ａが、周方向に沿って配置されている。
【００４９】
変速制御機構部３５を操作することにより、第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２、さらには、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１の切替えを行うことができる。その切替えによって、第一太陽歯車３０ａ−１及び第二太陽歯車３０ａ−２は車軸１５に対し、駆動体３２は変速機用遊星キャリア３０ｃに対し、それぞれ軸周り一方向に回転可能な状態と回転不能な状態とに切り替えられる。
【００５０】
図１及び図２は、変速３段目（３速時）の各クラッチの状態を示す。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、３速時には、すべてのクラッチがクラッチカム面と噛合う状態になっている。
【００５１】
なお、この実施形態では、第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１に、それぞれ、他のクラッチ機構に比べて比較的安価であるラチェットクラッチを採用している。ただし、これらのクラッチの種別は限定されず、ガタ詰め効果（がたつき防止効果）の高いローラクラッチやスプラグクラッチ等、異なる他のクラッチを用いてもよい。
【００５２】
図２（ａ）に示すように、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、車軸１５の外周に揺動可能な変速機用第一ワンウェイクラッチ爪３０ｆ（第一クラッチ爪部３０ｆ−１）を備える。第一クラッチ爪部３０ｆ−１は、図示しない弾性部材によって、第一太陽歯車３０ａ−１の内周面に設けられた変速機用第一ワンウェイクラッチカム面３０ｇ（第一カム面部３０ｇ−1）に噛み合う方向へと付勢されている。その第一クラッチ爪部３０ｆ−１が第一カム面３０ｇ−1と噛み合うことで、第一太陽歯車３０ａ−１を車軸１５に対して軸周り一方向の回転に対してのみ回転不能とできる。なお、軸周り他方向の回転に対しては、第一太陽歯車３０ａ−１は常に車軸１５に回転可能（空転状態）である。
【００５３】
同様に、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第二クラッチ部３０ｅ−２は、車軸１５の外周に揺動可能な変速機用第一ワンウェイクラッチ爪３０ｆ（第二クラッチ爪部３０ｆ−２）を備える。第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、図示しない弾性部材によって、第二太陽歯車３０ａ−１の内周面に設けられた変速機用第一ワンウェイクラッチカム面３０ｇ（第二カム面３０ｇ−２）に噛み合う方向へと付勢されている。その第二クラッチ爪部３０ｆ−２が第二カム面３０ｇ−２と噛み合うことで、第二太陽歯車３０ａ−２を車軸１５に対して軸周り一方向の回転に対してのみ回転不能とできる。なお、軸周り他方向の回転に対しては、第二太陽歯車３０ａ−２は常に車軸１５に回転可能（空転状態）である。
【００５４】
この第二クラッチ部３０ｅ−２の第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、変速制御機構部３５が備えるクラッチ切替部材３７の回転動作によって、ＯＮ／ＯＦＦに切替えることができる。すなわち、その切替え状態がＯＦＦになれば、第二クラッチ部３０ｅ−２の第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、第二カム面３０ｇ−２に係合できない状態（係合不能な状態）となり、第二太陽歯車３０ａ−２を車軸１５に対して軸周りの回転に対して回転可能となる。
また、その切替え状態がＯＮになれば、第二クラッチ部３０ｅ−２の第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、第二カム面３０ｇ−２に係合できる状態（係合可能な状態）となり、第二太陽歯車３０ａ−２を車軸１５に対して軸周り一方向の回転に対して回転不能となる。
このように、第二太陽歯車３０ａ−２は、車軸１５に対する軸周り一方向の回転に対しては、回転可能、回転不能とに切り替え可能である。
【００５５】
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ部３１は、変速機用遊星キャリア３０ｃに設けられた遊星キャリア軸３０ｉ周りに揺動自在に、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが設けられている。変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆは、変速機用遊星キャリア３０ｃに外周側に向かって配置されている。変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆは、図示しない弾性部材によって、駆動体３２のの内周面に設けられた変速機用第二ワンウェイクラッチカム面３１ｇに噛み合う方向へと付勢されている。
この変速機用第二ワンウェイクラッチカム面３１ｇは、変速機用外輪歯車３０ｄの内周面に設けることが望ましい。
【００５６】
この変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが変速機用第二ワンウェイクラッチカム面３１ｇと噛み合うことで、変速機用遊星キャリア３０ｃは、変速機用外輪歯車３０ｄ、駆動体３２に対して軸周り一方向の回転に対してのみ回転不能とできる。なお、軸周り他方向の回転に対しては、変速機用遊星キャリア３０ｃは常に変速機用外輪歯車３０ｄ、駆動体３２に回転可能（空転状態）である。
【００５７】
この実施形態では、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆを変速用遊星歯車３０ｂを支持する遊星キャリア軸３０ｉに揺動自在に取り付けた構成としているが、これを変速用遊星歯車３０ｂや変速機用遊星キャリア３０ｃに設けた別の軸に装着することも可能である。
【００５８】
このように、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆを支持する軸を別の軸とした場合、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆは、変速機用遊星歯車３０ｂの数（この実施形態では３個）に左右されることなく、例えば、４個以上とすることも可能である。また、その支持する軸がいずれの場合においても、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの数は、逆に、１個、２個とすることも可能である。
【００５９】
図３に変速制御機構部３５の詳細図を示す。変速制御機構部３５は、変速切替入力部材３６ａと変速切替中間部材３６ｂ、第一クラッチ切替部材３７、第二クラッチ切替部材３９、クラッチ切替制御部材３６ｃ等で構成される変速操作部３６を備える。
【００６０】
手元スイッチ等から手動若しくは電動によって入力された信号によって、変速切替入力部材３６ａが回転作動する。この変速切替入力部材３６ａに、リアハブ１０内部で連結された変速切替中間部材３６ｂは、第一クラッチ切替部材３７と第二クラッチ切替部材３９を保持している。また、クラッチ切替制御部材３６ｃは、弾性部材３６ｇ、３６ｈの弾性力によって、特定回転方向に負荷を与えられている。
【００６１】
クラッチ切替制御部材３６ｃが前記弾性力に抗して軸周り回転すると、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第二クラッチ部３０ｅ−２内に設けた断面Ｃ字状を成すスリーブ状の第一クラッチ切替部材３７（図２（ｂ）参照）も軸周り同方向に回転する。
また、そのクラッチ切替制御部材３６ｃに設けられたテーパ面３６ｄの作用によって、第二クラッチ切替部材３９が軸方向に移動可能とする。このとき、第二クラッチ切替部材３９は、その内径側に位置するガイド部３９ｂが、車軸１５に回転固定されたガイド部材３６ｅのガイド穴３６ｆに嵌って、その軸方向移動がガイドされている。
【００６２】
第一クラッチ切替部材３７の軸周り回転により、その第一クラッチ切替部材３７が第二クラッチ爪部３０ｆ−２の位置から離脱すると、その第二クラッチ爪部３１ｆ−２が係合方向へ立ち上がり、変速機用太陽歯車３０ａと車軸１５とは軸周り一方向にのみ相対回転可能な状態となる。また、その第一クラッチ切替部材３７が第二クラッチ爪部３０ｆ−２の位置に入り込むと、その第二クラッチ爪部３０ｆ−２の係合方向への立ち上がりが阻止され、変速機用太陽歯車３０ａと車軸１５とは、軸周りに相対回転可能な状態となる。このように、変速機用太陽歯車３０ａを車軸１５に対して軸周り一方向に相対回転可能又は相対回転不能とに切り替えることができる。
【００６３】
また、第二クラッチ切替部材３９の軸方向移動により、その外径側に位置する作用部３９ａが、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの位置から離脱すると、その変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが係合方向へ立ち上がり、変速機用外輪歯車３０ｄと変速機用遊星歯車３０ｂとは、軸周り一方向に相対回転可能な状態となる。また、作用部３９ａが、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの位置に入り込むと、その変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの係合方向への立ち上がりが阻止され、変速機用外輪歯車３０ｄと変速機用遊星歯車３０ｂとは、軸周りに相対回転可能な状態となる。このように、変速機用遊星歯車３０ｂを、変速機用外輪歯車３０ｄ、駆動体３２に対して軸周り一方向に相対回転可能又は相対回転不能とに切り替えることができる。
【００６４】
なお、作用部３９ａが変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆに当接する部分は、軸方向一方に向かって徐々に内径側に近づくテーパ面３９ｃとなっていることから、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが変速機用第二クラッチカム面３１ｇに噛み合って係合している状態から、その係合を解除する際の力を大きくすることができる。
また、第二クラッチ切替部材３９は、車軸１５の外周に設けた保持部材３８との間に弾性部材３８ａを備えていることから、クラッチ切替制御部材３６ｃのテーパ面３６ｄの作用による軸方向への押圧が解除されれば、その弾性力で、自動的に作用部３９ａが変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの位置から離脱する。
【００６５】
つぎに、減速機構部４０について説明する。減速機構部４０は、遊星歯車機構によって構成されて、駆動用モータ１８のモータ軸１８ａの外周に設けられた減速機用太陽歯車４０ａと、その減速機用太陽歯車４０ａに噛み合う減速機用遊星歯車４０ｂ、減速機用遊星歯車４０ｂを遊星キャリア軸４０ｉを介して保持する減速機用遊星キャリア４０ｃを備える。
【００６６】
モータ軸１８ａと減速機用太陽歯車４０ａは、同部材または一体で回転する部材で保持されており、また、減速機用遊星歯車４０ｂは歯数の異なる２段の歯車部を備えることによって高減速比を実現する。
【００６７】
また、減速機構部４０は、減速機用遊星歯車４０ｂに設けた第一外径歯車部４０ｅが減速機用太陽歯車４０ａに噛み合い、減速機用遊星歯車４０ｂに設けられ第一外径歯車部４０ｅよりも歯数の少ない小径の第二外径歯車部４０ｆが、変速機用遊星キャリア３０ｃに一体に設けた前記減速機用外輪歯車（内径歯車部）４０ｄに噛み合っている。
また、その前記減速機用外輪歯車４０ｄ、すなわち、変速機用遊星キャリア３０ｃに設けた外径歯車部４０ｇは、ハブケース１１に設けた内径歯車部４０ｈに噛み合っている。
このため、変速機用遊星キャリア３０ｃは、人力による駆動力と、駆動用モータ１８による駆動力の両方において、ハブケース１１への共通の出力部材である。
【００６８】
すなわち、変速機構部３０は、リアスプロケット９及び駆動体３２を人力による駆動力の入力部材とし、変速機用遊星キャリア３０ｃをハブケース１１への出力部材とする。
また、減速機構部４０は、減速機用太陽歯車４０ａを駆動用モータ１８からの駆動力の入力部材とし、変速機用遊星キャリア３０ｃをハブケース１１への出力部材とする。
【００６９】
このように、減速機用外輪歯車４０ｄを、変速機構部３０のキャリア部材である変速機用遊星キャリア３０ｃと同部材、若しくは、それと一体で回転する部材で構成したので、ハブの軸方向寸法を短縮することが可能となり、それぞれ独立してハブケース１１に噛み合わせる場合よりも、組み立てをより簡素化できる。
【００７０】
また、減速機構部４０の遊星歯車機構は、減速機用遊星キャリア４０ｃが回転固定可能となっている。このため、入力部材である減速機用太陽歯車４０ａから減速機用外輪歯車４０ｄへと減速されて出力され、ハブケース１１を介して後輪２に駆動力が伝達される。
【００７１】
この減速機用遊星キャリア４０ｃの回転支持は、軸受２６によって行われ、これと並列に配置されたモータハウジング１８ｂと減速機用遊星キャリア４０ｃ間に設けられたツーウェイクラッチからなる切替用クラッチ２０（以下、「ツーウェイクラッチ２０」と称する）の係合によって前記回転固定状態に設定できるようになっている。なお、モータハウジング１８ｂは、自転車のフレームもしくは車軸１５に相対回転不能に保持されている。
【００７２】
ツーウェイクラッチ２０は、駆動時（駆動用モータ１８からの駆動力が作用し、電動補助自転車が前進する場合）に、常に係合する方向へ減速機用遊星キャリア４０ｃに対し弾性部材２０ｃによってツーウェイクラッチ２０の保持器２４に負荷を与えている。
また、非駆動時（人力による駆動力のみで電動補助自転車が前進する場合）には、減速機用遊星キャリア４０ｃはモータハウジング１８ｂに対し空転する方向、すなわち、駆動用モータ１８からの駆動力が作用する場合とは逆方向に回転する。このため、モータ軸１８ａにトルク伝達されることは無く、すなわち、駆動用モータ１８の引き摺りトルクを遮断することが可能となる。
【００７３】
さらに、電動補助自転車が惰性で走行し、後輪２及びハブケース１１から逆入力されてその回転力によって回生充電を行う場合、ツーウェイクラッチ２０を切替用クラッチ制御機構部２５からの入力（外部入力信号）によって係合可能に切り替える。これにより、ハブケース１１からの逆入力は、減速機構部４０を介して駆動用モータ１８へと伝達され回生を行うことが可能となる。
【００７４】
これらの切替用クラッチ制御機構部２５は手動もしくは電動によって作動され、例えばブレーキと連動させることで回生可能とすることも可能である。
【００７５】
この実施形態では、図１に示すように、切替用クラッチ制御機構部２５として、ブレーキ操作と連動するワイヤー等の進退動作が入力機構２５ａに入力され、その入力により、入力機構２５ａが作用部材２５ｂを弾性部材２５ｃの付勢力に抗して外径側へ押し出すことで、保持器２４又は弾性部材２０ｃに回転方向の外力又はその回転に対する抵抗を負荷する構成としている。この外力や抵抗の負荷が、弾性部材２０ｃの付勢力以上にすることで、保持器２４が減速機用遊星キャリア３０ｃの回転よりも遅れ、ツーウェイクラッチ２０の切替えを行うことができる。
【００７６】
なお、変速機構部３０と減速機構部４０とで、各遊星歯車３０ｂ、４０ｂの個数を同数で設定することで、駆動用モータ１８からの駆動力と、人力の駆動力による変速機構部３０内の駆動力がバランスすることができる。また、限られたスペースを活用するために、両遊星歯車３０ｂ、４０ｂの個数を３個ずつで設定することが望ましい。
【００７７】
それぞれの部材の作動について、変速段毎に、図４以下を用いて説明する。
【００７８】
変速１段目（１速時）におけるリアハブユニットの配置を図４及び図５に示す。この実施形態では、リアスプロケット９は、変速機構部３０の駆動体３２に取り付けられており、ペダル３からの人力による駆動力が駆動体３２に伝達される。
【００７９】
この変速１段目において、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１によって駆動力に対して係合可能な状態となっており、第二クラッチ部３０ｅ−２は、第二クラッチ爪３０ｆ−２が第一クラッチ切替部材３７によってその一端を拘束され、係合不可能な状態となっている。
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが、第二クラッチ切替部材３９によってその一端を拘束され、係合不可能な状態となっている。
【００８０】
このため、人力による駆動力は、変速機用外輪歯車３０ｄより変速機用遊星歯車３０ｂに入力され、このとき、第一太陽歯車３０ａ−１は、第一クラッチ部３０ｅ−１によって駆動力方向に係合されていることから、駆動力は，変速機用遊星キャリア３０ｃを介してハブケース１１に伝達される。
【００８１】
この状態では、リアスプロケット９からの駆動力は、第一太陽歯車３０ａ−１の歯数をａ１、変速機用外輪歯車３０ｄの歯数をｄ１とすると、速比、
ｄ１／（ａ１＋ｄ１）
でハブケース１１に伝達される。
【００８２】
変速２段目（２速時）におけるリアハブユニットの配置を、図６及び図７に示す。変速１段目と同様、リアスプロケット９は、変速機構部３０の駆動体３２に取り付けられており、ペダル３からの人力による駆動力が駆動体３２に伝達される。
【００８３】
この変速２段目において、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が係合可能な状態となっており、第二クラッチ部３０ｅ−２は、第二クラッチ爪部３０ｆ−２がクラッチ切替部材３７の回転移動によってその一端の拘束を解除され、係合可能な状態となっている。
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが第二クラッチ切替部材３９によってその一端を拘束され、係合不可能な状態となっている。このとき、第一太陽歯車３０ａ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が軸周り一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用すると係合可能な方向とは逆方向回転をすることから空転可能である。したがって、第二太陽歯車３０ａ−２のみが駆動力方向に係合される。
【００８４】
このため、人力による駆動力は、変速機用外輪歯車３０ｄより変速機用遊星歯車３０ｂに入力され、第二太陽歯車３０ａ−２は第二クラッチ部３０ｅ−２によって駆動力方向に係合されていることから，駆動力は、変速機用遊星キャリア３０ｃを介してハブケース１１に伝達される。
【００８５】
このとき、変速機用遊星歯車３０ｂは，歯数の異なる歯車部（ギア）を２段持ち、その変速機用遊星歯車３０ｂの歯数の少ない側の歯車部が変速機用外輪歯車３０ｄと、歯数の多い側の歯車部は第二太陽歯車３０ａ−２と噛み合っている。
この状態では、リアスプロケット９からの駆動力は、第二太陽歯車３０ａ−２の歯数をａ２、変速機用外輪歯車３０ｄの歯数をｄ１、変速機用遊星歯車３０ｂの歯数の少ない側の歯車部の歯数をｂ１、歯数の多い側の歯車部の歯数をｂ２とすると、速比、
（ｂ２×ｄ１）／［（ａ２×ｂ１）＋（ｂ２×ｄ１）］
でハブケース１１に伝達される。
【００８６】
変速３段目（３速時）におけるリアハブユニットの配置を、図８及び図９に示す。変速１，２段目と同様、リアスプロケット９は、変速機後部３０の駆動体３２に取り付けられており、ペダル３からの人力による駆動力が駆動体３２に伝達される。
【００８７】
この変速３段目において、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が係合可能な状態となっており、第二クラッチ部３０ｅ−２は、第二クラッチ爪部３０ｆ−２がクラッチ切替部材３７の回転移動によってその一端の拘束を解除され、係合可能な状態となっている。
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが第二クラッチ切替部材３９の軸方向移動によってその一端の拘束を解除され、係合可能な状態となっている。
【００８８】
このとき、第一太陽歯車３０ａ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が軸周り一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用すると、係合可能な方向とは逆方向回転をすることから空転可能であり、第二太陽歯車３０ａ−２は、第二クラッチ爪部３０ｆ−２が軸周り一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用すると、係合可能な方向とは逆方向回転をすることから空転可能である。したがって、変速機用外輪歯車３０ｄと変速機用遊星キャリア３０ｃとが駆動力方向に対して相対回転不能となる。
【００８９】
このため、駆動力は、変速機用外輪歯車３０ｄより変速機用第二ワンウェイクラッチ３１を介して変速機用遊星キャリア３０ｃに伝達され、ハブケース１１に直結状態で伝達される。この最も高速の変速段において、トルク伝達において歯車を介さないことから、ハブの耐久性が格段に向上する。
【００９０】
また、各変速段を問わず、駆動用モータ１８からの駆動力が負荷される場合、モータ軸１８ａは、減速機用太陽歯車４０ａと一体、若しくは、一体回転可能に保持されている。また、減速機用遊星キャリア４０ｃとモータハウジング１８ｂ間にはツーウェイクラッチ２０が配置されており、図１０に示すように、駆動用モータ１８による駆動力に対して、係合子であるローラ２３が、周方向一方側の前進側カム面２１ｂと係合する方向に保持器２４が弾性部材２０ｃの弾性力によって負荷を与えられている。このため、ツーウェイクラッチ２０は、駆動用モータ１８の駆動力によって、常に動力伝達可能となっている。
【００９１】
この駆動用モータ１８からの駆動力は、減速機用遊星歯車４０ｂを介して減速機用外輪歯車４０ｄに伝達される。このとき、減速機用外輪歯車４０ｄは、変速用遊星キャリア３０ｃと一体、若しくは、一体回転可能に保持されている。
【００９２】
また、減速機用遊星歯車４０ｂは、歯数の異なる歯車部（ギア）を２段持ち、減速機用遊星歯車４０ｂの歯数の少ない側の歯車部（前記第二外径歯車部４０ｆ）は減速機用外輪歯車４０ｄと、歯数の多い側の歯車部（前記第一外径歯車部４０ｅ）は減速機用太陽歯車４０ａと噛み合っている。また、その減速機用外輪歯車４０ｄ、すなわち、変速機用遊星キャリア３０ｃに設けた外径歯車部４０ｇは、ハブケース１１に設けた内径歯車部４０ｈに噛み合っている。このように、減速機用遊星歯車４０ｂを２段とすることで、高減速比が実現可能となる。
【００９３】
この状態では、駆動用モータ１８からの駆動力は、減速機用太陽歯車４０ａの歯数をａ３、減速機用外輪歯車４０ｄの歯数をｄ２、減速機用遊星歯車４０ｂの歯数の少ない側の歯車部の歯数をｂ３、歯数の多い側の歯車部の歯数をｂ４とすると、速比、
（ａ３×ｂ３）／（ｂ４×ｄ２）
でハブケース１１に伝達される。
【００９４】
さらに、駆動用モータ１８からの駆動力が負荷されない場合、ハブケース１１から減速機用外輪歯車４０ｄを介してトルク伝達され、減速機用遊星キャリア４０ｃは、モータ駆動される場合とは反対方向に回転する。このことから、減速機構部４０の減速機用遊星キャリア４０ｃとモータハウジング１８ｂとは係合不能な状態となり空転する。
したがって、モータ軸１８ａは回転することが無くなり、モータの引き摺りトルクを発生させることが無く、快適に走行が可能となる。
【００９５】
なお、回生充電をする場合、切替用クラッチ制御機構部２５を操作することによって、ツーウェイクラッチ２０の保持器２４に抵抗を与え、前進時と異なる回転方向の回生側カム面２１ａと係合する方向へ保持器２４及びローラ２３を移動させ、減速機構部４０の減速機用遊星キャリア４０ｃとモータハウジング１８ｂは係合可能となる。
これによって、ハブケース１１からの駆動力は減速機構部４０を介してモータ軸１８ａに伝達され、リアモータユニット外部に設けられた二次電池７に回生充電が可能となる。
【００９６】
また、この実施形態では、ツーウェイクラッチ２０として、図１０に示すようなローラタイプを示したが、これに代えて、例えば、図１１に示すように、ラチェット機構を備えたクラッチを採用することもできる。
【００９７】
この場合、ツーウェイクラッチ２０の第一ラチェット部２０ａは、係合子２３であるラチェット爪２３ａが、常に、駆動用モータ１８による駆動力に対して係合可能に配置されており、また、第二ラチェット部２０ｂのラチェット爪２３ａを、第一クラッチ切替部材３７によって係合可能な状態と係合不能な状態とに切り替えることによって、前述の回生可能な状態、又は、モータ引き摺りトルクを遮断できる状態とすることが可能となる。
【００９８】
なお、この実施形態では、変速機用遊星歯車３０ｂの段数を２段としているが、この変速機用遊星歯車３０ｂの段数は、３段又は４段以上とすることもできる。
【００９９】
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機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅ、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１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、回転移動する第一クラッチ切替部材３７と軸方向移動する第二クラッチ切替部材３９とでそれぞれ係合可能な状態と係合不能な状態とに切り替える方式を採用したが、車軸１５と変速機用太陽歯車３０ａ、変速機用外輪歯車３０ｄ（駆動体３２）と変速機用遊星キャリア３０ｃとを相対回転可能、相対回転不能とに切り替える手段としては、その他の構成を採用してもよい。
【０１００】
また、この実施形態では、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅ−１、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、それぞれラチェットクラッチを採用しているが、ローラクラッチ、スプラグクラッチ等、他の構成からなるワンウェイクラッチを採用してもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１  電動補助自転車
２  駆動輪（後輪）
３  ペダル
４  動力伝達要素（チェーン）
５  ハンドル
６  フレーム
７  二次電池
８  ハブフランジ
９  入力手段（リヤスプロケット）
１０  ハブ（リアハブ）
１１  ハブケース
１２，１３，１４，１８ｃ，２６  軸受
１５  車軸
１６  蓋
１７  リング部材
１８  駆動用モータ
１８ａ  モータ軸
１８ｂ  モータハウジング
１９  押さえ部材
２０  切替用クラッチ（ツーウェイクラッチ）
２０ａ  第一ラチェット部
２０ｂ  第二ラチェット部
２１  カム面
２１ａ  回生側カム面
２１ｂ  前進側カム面
２２  外径面
２３  係合子
２３ａ  回生用ラチェット爪
２３ｂ  前進側ラチェット爪
２４  保持器
２５  切替用クラッチ制御機構部
３０  変速機構部
３０ａ  変速機用太陽歯車
３０ａ−１  第一太陽歯車
３０ａ−２  第二太陽歯車
３０ｂ  変速機用遊星歯車
３０ｃ  変速機用遊星キャリア
３０ｄ  変速機用外輪歯車
３０ｅ  変速機用第一ワンウェイクラッチ
３０ｅ−１  第一クラッチ部
３０ｅ−２  第二クラッチ部
３０ｆ  変速機用第一ワンウェイクラッチ爪
３０ｆ−１  第一クラッチ爪部
３０ｆ−２  第二クラッチ爪部
３０ｇ  変速機用第一ワンウェイクラッチカム面
３０ｇ−１  第一カム面部
３０ｇ−２  第二カム面部
３０ｉ  遊星キャリア軸
３１  変速機用第二ワンウェイクラッチ
３１ｆ  変速機用第二ワンウェイクラッチ爪
３１ｇ  変速機用第二ワンウェイクラッチカム面
３２  駆動体
３５  変速制御機構部
３６  変速操作部
３６ａ  変速切替入力部材
３６ｂ  変速切替中間部材
３６ｃ  クラッチ切替制御部材
３６ｄ  テーパ面
３６ｅ  ガイド部材
３６ｆ  ガイド穴
３６ｇ，３６ｈ  弾性部材
３７  第一クラッチ切替部材
３８  保持部材
３８ａ  弾性部材
３９  第二クラッチ切替部材
３９ａ  作用部
３９ｂ  ガイド部
３９ｃ  テーパ面
４０  減速機構部
４０ａ  減速機用太陽歯車
４０ｂ  減速機用遊星歯車  
４０ｃ  減速機用遊星キャリア
４０ｄ  減速機用外輪歯車
４０ｅ  第一外径歯車部
４０ｆ  第二外径歯車部
４０ｇ  外径歯車部
４０ｈ  内径歯車部
４０ｉ  遊星キャリア軸
【図１】
2012206569.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成23年12月12日(2011.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
上記の課題を解決するために、この発明は、ハブの内部に、変速機構部、減速機構部及び駆動用モータを車軸の軸方向に並列して配置した自転車用ハブユニットにおいて、前記変速機構部は、入力手段に入力される人力による駆動力をハブケースに伝達する機能を有し、前記減速機構部は、前記駆動用モータから入力される駆動力をハブケースに伝達する機能を有しており、前記変速機構部は、２段以上の変速段を有する遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの変速機用太陽歯車と、その変速機用太陽歯車に噛み合う変速機用遊星歯車、及びその変速機用遊星歯車を保持する変速機用遊星キャリアとを備え、前記入力手段からの駆動力に対して前記少なくとも1つの変速機用太陽歯車を前記車軸周りに回転可能又は回転不能とに切り替えて変速を行う変速制御機構部を備えており、前記減速機構部は、遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの減速機用太陽歯車と、その減速機用太陽歯車に噛み合う減速機用遊星歯車とを備え、前記減速機用遊星歯車を、前記変速機用遊星キャリア又はその変速機用遊星キャリアと一体に回転する部材に設けた減速機用外輪歯車に噛み合わせ、前記減速機用遊星歯車を保持する減速機用遊星キャリアと前記駆動用モータを保持するモータハウジング若しくはモータハウジングに固定された部材とを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチを備えたことを特徴とする自転用ハブユニットを採用した。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ（１０）の内部に、変速機構部（３０）、減速機構部（４０）及び駆動用モータ（１８）を車軸（１５）の軸方向に並列して配置した自転車用ハブユニットにおいて、
前記変速機構部（３０）は、入力手段（９）に入力される人力による駆動力をハブケース（１１）に伝達する機能を有し、前記減速機構部（４０）は、前記駆動用モータ（１８）から入力される駆動力をハブケース（１１）に伝達する機能を有しており、前記変速機構部（３０）は、２段以上の変速段を有する遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの変速機用太陽歯車（３０ａ）と、その変速機用太陽歯車（３０ａ）に噛み合う変速機用遊星歯車（３０ｂ）、及びその変速機用遊星歯車（３０ｂ）を保持する変速機用遊星キャリア（３０ｃ）とを備え、前記入力手段（９）からの駆動力に対して前記少なくとも1つの変速機用太陽歯車（３０ａ）を前記車軸（１５）周りに回転可能又は回転不能とに切り替えて変速を行う変速制御機構部（３５）を備えており、前記減速機構部（４０）は、遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの減速機用太陽歯車（４０ａ）と、その減速機用太陽歯車（４０ａ）に噛み合う減速機用遊星歯車（４０ｂ）とを備え、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）を、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）又はその変速機用遊星キャリア（３０ｃ）と一体に回転する部材に設けた減速機用外輪歯車（４０ｄ）に噛み合わせ、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）を保持する減速機用遊星キャリア（４０ｃ）と前記駆動用モータ（１８）を保持するモータハウジング（１８ｂ）若しくはモータハウジング（１８ｂ）に固定された部材とを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチ（２０）を備えたことを特徴とする自転用ハブユニット。
【請求項２】
前記変速制御機構部（３５）は、前記少なくとも一つの変速機用太陽歯車（３０ａ）を前記車軸（１５）周り一方向に回転不能とできる変速機用第一ワンウェイクラッチ（３０ｅ）を、その一方向に相対回転可能又は相対回転不能に切替可能であることを特徴とする請求項１に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項３】
前記切替用クラッチ（２０）をツーウェイクラッチとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項４】
前記切替用クラッチ（２０）をローラクラッチ又はスプラグクラッチとしたことを特徴とする請求項３に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項５】
前記切替用クラッチ（２０）は、前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリア（４０ｃ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する回転には常に係合可能な状態とされ、その反対方向の回転には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切替えできることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項６】
前記切替用クラッチ（２０）はラチェット機構を備えたクラッチであり、そのラチェット機構は、前記減速機用遊星キャリア（４０ｃ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する軸周り一方向のみに係合する第一ラチェット部（２０ａ）と、その第一ラチェット部（２０ａ）の係合方向とは反対方向の回転のみに係合する第二ラチェット部（２０ｂ）とで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項７】
前記第一ラチェット部（２０ａ）は、前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリア（４０ｃ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する回転には常に係合可能な状態とされ、前記第二ラチェット部（２０ｂ）は、前記駆動用モータ（１８）から駆動力が入力されない場合には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切り替えできることを特徴とする請求項６に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項８】
前記外部からの入力は、ブレーキ操作と連動して作動する切替用クラッチ制御機構部（２５）によって伝達されることを特徴とする請求項５又は７に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項９】
前記モータハウジング（１８ｂ）は、自転車のフレームもしくは車軸（１５）に相対回転不能に保持されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１０】
前記入力手段（９）を前記車軸（１５）の一端側に、前記駆動用モータ（１８）を前記車軸（１５）の他端側に設け、前記変速機構部（３０）及び前記減速機構（４０）は、前記入力手段（９）と前記駆動用モータ（１８）との間に設けられる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自転車用ハブユニット。
【請求項１１】
前記変速機構部（３０）は、前記入力手段（９）からの駆動力を伝達する駆動体（３２）と一体に回転する変速機用外輪歯車（３０ｄ）が前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）に噛み合い、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）の外周に設けた外径歯車部（４０ｇ）が前記ハブケース（１１）に設けた内径歯車部（４０ｈ）に噛み合っており、前記入力手段（９）からの駆動力は、前記駆動体（３２）から前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）を通じて前記ハブケース（１１）へ等速以下で伝達されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１２】
前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とは別部材であり、その別部材の前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とが一体回転可能な結合によって保持されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１３】
前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とは、半径方向へ相対移動可能に保持されていることを特徴とする請求項１２に記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１４】
前記減速機構部（４０）は、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に設けた第一外径歯車部（４０ｅ）が前記減速機用太陽歯車（４０ａ）に噛み合い、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に設けられ前記第一外径歯車部（４０ｅ）よりも歯数の少ない第二外径歯車部（４０ｆ）が前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）に設けた内径歯車部（４０ｈ）に噛み合っており、前記減速機構部（４０）は、前記減速機用太陽歯車（４０ａ）を前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力部材とし、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）を前記ハブケース（１１）への出力部材とする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自転車用ハブユニット。
【請求項１５】
前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）の数と、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）の数を同数とした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自転車用ハブユニット。
【請求項１６】
前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）の数を３個とすることを特徴とする請求項1乃至１５のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニットを用いたことを特徴とする電動補助自転車及び電動二輪車。