(57)【要約】【課題】  静かで安定したスムーズな走行が可能で、コンパクトな構造とした電動補助人力車両用ハブユニット、および電動補助自転車等の車両を提供する。【解決手段】  自転車の後輪２と共に回転するハブケース４０と、これに隣接して車軸４１と同心に設けられたリアスプロケット９とを有する。リアスプロケット９の出力を変速可能に後輪２に伝達する変速機構部３０と、駆動用モータ８と、その出力を減速して後輪２に伝達する減速機構部２０とを、ハブケース４０の内側に、車軸４１の軸方向に並べて設ける。変速機構部３０と減速機構部２０は共に遊星歯車機構からなる。変速機構部３０の遊星キャリア３３と減速機構部２０の遊星キャリア２３とが同一部材または互いに一体回転可能な部材からなり、変速機構部３０の太陽歯車３１と車軸４１との間にローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチ５１を介在させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の後輪の車軸を中心に後輪と共に回転するハブケースと、前記車軸の軸方向に前記ハブケースに隣接して車軸と同心に設けられたリアスプロケットとを有し、前記リアスプロケットに隣接して設けられリアスプロケットの回転出力を変速可能に後輪に伝達する変速機構部と、駆動用モータと、この駆動用モータの回転出力を減速して後輪に伝達する減速機構部とを、前記ハブケースの内側に、前記車軸の軸方向に並べて設けた電動補助人力車両用ハブユニットであって、
前記変速機構部が２段以上の変速が可能な遊星歯車機構からなると共に、前記減速機構部が遊星歯車機構からなり、前記変速機構部の出力部材である遊星キャリアと前記減速機構部の出力部材である遊星キャリアとが、同一部材または互いに一体回転可能な部材からなり、前記変速機構部の入力部材である太陽歯車と前記車軸との間にローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチを介在させたことを特徴とする電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記変速機構部は直結状態を含む２段の変速が可能な遊星歯車機構からなる電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記車軸に、前記ワンウェイクラッチの内輪転走面を設けた電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記変速機構部は、その遊星歯車機構の外輪歯車とは別体で前記リアスプロケットと一体に回転する駆動体を有し、この駆動体は前記外輪歯車に対して径方向自由度を有するものとした電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記変速機構部を構成する遊星歯車機構は、遊星キャリアと外輪歯車との間に介在する直結用のクラッチを有し、遊星歯車を前記遊星キャリアに固定する回転軸を、前記クラッチを固定する回転軸に共用した電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記車軸は一部材で構成され、車両のフレームに両持ち固定される電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記変速機構部の出力部材である遊星キャリアと前記減速機構部の出力部材である遊星キャリアとが同一部材からなる電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記減速機構部の遊星歯車は、太陽歯車に噛み合う第１の歯部と、この歯部と歯数が異なり外輪歯車に噛み合う第２の歯部との２段の歯部を有する電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記減速機構部の外輪歯車と前記ハブケースとの間に軸受を介在させた電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記減速機構部の外輪歯車と前記ハブケースとの間にクラッチを介在させた電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項１１】
請求項１０において、前記減速機構部の外輪歯車と前記ハブケースとの間に介在させたクラッチがツーウェイクラッチである電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項１２】
請求項１１において、前記ツーウェイクラッチは外部入力によってＯＮ／ＯＦＦ操作される電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記ハブケースの内側に、前記リアスプロケット側から、前記変速機構部、減速機構部および駆動用モータを、これらの順に前記車軸の軸方向に並べて設けた電動補助人力車両用ハブユニット。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の電動補助人力車両用ハブユニットを備えた電動補助自転車または電動二輪車からなる電動補助人力車両。
【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する電動補助自転車等の電動補助人力車両に用いられる電動補助人力車両用ハブユニット、並びにそれを用いた電動補助自転車、電動二輪車等の電動補助人力車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動補助自転車用ハブユニットとして、後輪のハブケース内にモータと変速機構を配置した構造のものが提案されている（例えば特許文献１〜４）。なお、電動補助自転車と電動二輪車とは、アシスト比率等の要件によって法令上その呼称が区別されるが、ここでは電動補助自転車と総称して以下に説明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０５８５６８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】
【０００４】
特許文献１に開示された電動補助自転車用ハブユニットでは、変速機構を車軸上に配置し、モータはハブ軸と異なる位置に設けている。このため、ハブユニットの外径が大きくなり、重量バランスが悪くなる傾向がある。
特許文献２に開示された電動補助自転車用ハブユニットでは、変速機構を車軸上に配置し、その外周にモータを配置している。このため、この場合も、ハブユニットの外径が大きくなる傾向がある。
特許文献３に開示された電動補助自転車用ハブユニットでは、組立性を考慮して、モータと減速機構を組み込む作業と、ハブケースの蓋体に内装変速機を組み込む作業とを別々に行うようにして、モータおよび減速機と、内装変速機とを組み込んでいる。このため、減速機と内装変速機とが完全に別々に構成される。また、高速段時には低速段時用のラチェット式クラッチが空転するために音が発生し、運転者に不快感を与えるばかりか、強度面でも問題が生じる場合がある。
特許文献４に開示された電動補助自転車用ハブユニットでは、モータ、減速機、および変速機構を車軸上に並設した構造とし、モータは、減速機と変速機構の間に配置している。しかし、このような構成では、モータの電源や制御用配線を配置し難く、構造が複雑化する。また、減速機と変速機が互いに独立した構成となるため、省スペース化が困難である。
【０００５】
自転車に用いられ変速機構には様々な種類のものがあるが、一般的には、外装変速機と内装変速機が用いられている。外装変速機は、クランク軸またはリア車軸のいずれか一方、もしくは両方において、多段のスプロケットを同軸上に設け、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で変速する方式である。内装変速機は、後輪のハブケースの内部に設けた歯車を掛け替えることにより変速する方式である。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磨耗する原因になり、チェーン外れの原因にもなる。これに対して、内装変速機は防塵、防水性があり、メンテナンスフリーといった利点があるため、シティサイクル自転車の変速機構として用いられることが多い。
【０００６】
後輪のハブケース内に駆動用の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では、モータを変速機と組み合わせる場合、変速機として上記した外装変速機または内装変速機を用いることができる。外装変速機を用いる場合、ハブはモータと減速機だけを有する構造となり簡素となるものの、上記した外装変速機自体の問題がある。一方、内装変速機を用いる場合、ハブは、モータ、減速機、および変速機を有する構造となり、ハブ自体の構造は複雑となるが、上記したような内装変速機の利点がある。
【０００７】
現在のところ、電動補助自転車はシティサイクル自転車を中心に展開しており、その多くが内装変速機を採用している。したがって、リアハブモータ方式の電動補助自転車においても、変速機構として内装変速機を用いることが望ましい。
また、電動補助自転車には、モータ駆動による補助が可能なスピート範囲があるが、それを超えるスピード範囲の場合、さらには電池切れによって補助モータが作動しない場合には、減速機によってモータの引き擦りトルクが増加し、走行抵抗となる課題が残る。
【０００８】
この発明の目的は、安定したスムーズな走行および静かな走行が可能で、車軸方向にコンパクトな構造とすることができる電動補助人力車両用ハブユニット、並びにそれを用いた電動補助自転車または電動二輪車からなる電動補助人力車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の電動補助人力車両用ハブユニットは、車両の後輪の車軸を中心に後輪と共に回転するハブケースと、前記車軸の軸方向に前記ハブケースに隣接して車軸と同心に設けられたリアスプロケットとを有し、前記リアスプロケットに隣接して設けられリアスプロケットの回転出力を変速可能に後輪に伝達する変速機構部と、駆動用モータと、この駆動用モータの回転出力を減速して後輪に伝達する減速機構部とを、前記ハブケースの内側に、前記車軸の軸方向に並べて設けた電動補助人力車両用ハブユニットであって、
前記変速機構部が２段以上の変速が可能な遊星歯車機構からなると共に、前記減速機構部が遊星歯車機構からなり、前記変速機構部の出力部材である遊星キャリアと前記減速機構部の出力部材である遊星キャリアとが、同一部材または互いに一体回転可能な部材からなり、前記変速機構部の入力部材である太陽歯車と前記車軸との間にローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチを介在させたことを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、変速機後部の入力部材である太陽歯車と車軸との間にローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチを介在させているので、安定してスムーズな走行が可能となる。また、ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチは、ラチェット式のクラッチとは異なり、空転時に音がならないことから、静かな走行が可能となる。また、変速機構部が２段以上の変速が可能な遊星歯車機構からなると共に、減速機構部が遊星歯車機構からなり、変速機構部の出力部材である遊星キャリアと減速機構部の出力部材である遊星キャリアとが、同一部材または互いに一体回転可能な部材からなるので、ハブユニットを車軸方向にコンパクトな構造とすることができる。
【００１１】
この発明において、前記変速機構部は直結状態を含む２段の変速が可能な遊星歯車機構からなるものとしても良い。
【００１２】
この発明において、前記車軸に、前記ワンウェイクラッチの内輪転走面を設けても良い。このように、車軸にワンウェイクラッチの内輪転走面を設けることにより、ハブユニットの構成を簡素化でき、低コスト化が可能となる。
【００１３】
この発明において、前記変速機構部は、その遊星歯車機構の外輪歯車とは別体で前記リアスプロケットと一体に回転する駆動体を有し、この駆動体は前記外輪歯車に対して径方向自由度を有するものとしても良い。
このように構成した場合、製造誤差などでずれた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り、耐久性の低下を防ぐことが可能となる。また、外輪歯車と別体に駆動体を形成すれば、比較的強度を必要としない駆動体をアルミ材料で形成し、熱処理による硬化層が必要となる外輪歯車を鋼材で形成するなど、異種材料の選択が可能となり軽量化を実現できる。
【００１４】
前記変速機構部を構成する遊星歯車機構は、その遊星キャリアと外輪歯車との間に介在する直結用のクラッチを有し、遊星歯車を前記遊星キャリアに固定する回転軸を、前記クラッチを固定する回転軸に共用しても良い。
【００１５】
この発明において、前記車軸は一部材で構成され、車両のフレームに両持ち固定されるものとしても良い。このように、一部材からなる車軸が車両のフレームに両持ち固定されることで、ハブユニット全体の剛性が確保される。
【００１６】
この発明において、前記変速機構部の出力部材である遊星キャリアと前記減速機構部の出力部材である遊星キャリアとが同一部材からなるものとしも良い。
【００１７】
この発明において、前記減速機構部は、複数個の遊星歯車と、太陽歯車と、外輪歯車とを有する。
【００１８】
この発明において、前記減速機構部の外輪歯車と前記ハブケースとの間に軸受を介在させても良い。
【００１９】
この発明において、前記減速機構部の外輪歯車と前記ハブケースとの間にクラッチを介在させても良い。
【００２０】
この場合に、前記減速機構部の外輪歯車と前記ハブケースとの間に介在させたクラッチがツーウェイクラッチであっても良い。また、前記ツーウェイクラッチは外部入力によってＯＮ／ＯＦＦ操作されるものとしても良い。
【００２１】
この発明において、前記ハブケースの内側に、前記リアスプロケット側から、前記変速機構部、減速機構部および駆動用モータを、これらの順に前記車軸の軸方向に並べて設けても良い。
【００２２】
この発明の電動補助車両車は、この発明の前記いずれかの構成の電動補助人力車両用ハブユニットを備えた電動補助自転車または電動二輪車からなる電動補助車両車である。この電動補助人力車両によると、この発明の電動補助人力車両用ハブユニットを備えるため、安定してスムーズな走行と静かな走行が可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明の電動補助人力車両用ハブユニットは、車両の後輪の車軸を中心に後輪と共に回転するハブケースと、前記車軸の軸方向に前記ハブケースに隣接して車軸と同心に設けられたリアスプロケットとを有し、前記リアスプロケットに隣接して設けられリアスプロケットの回転出力を変速可能に後輪に伝達する変速機構部と、駆動用モータと、この駆動用モータの回転出力を減速して後輪に伝達する減速機構部とを、前記ハブケースの内側に、前記車軸の軸方向に並べて設けた電動補助人力車両用ハブユニットであって、前記変速機構部が２段以上の変速が可能な遊星歯車機構からなると共に、前記減速機構部が遊星歯車機構からなり、前記変速機構部の出力部材である遊星キャリアと前記減速機構部の出力部材である遊星キャリアとが、同一部材または互いに一体回転可能な部材からなり、前記変速機構部の入力部材である太陽歯車と前記車軸との間にローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチを介在させたため、安定したスムーズな走行および静かな走行が可能で、車軸方向にコンパクトな構造とすることができる。
この発明の電動補助車両車は、この発明の電動補助人力車両用ハブユニットを備えた電動補助自転車または電動二輪車であるため、安定してスムーズな走行と静かな走行が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の電動補助人力車両用ハブユニットが搭載された電動補助自転車の側面図である。
【図２】同電動補助人力車両用ハブユニットの変速２速時の状態を示す断面図である。
【図３】同ハブユニットの変速機構部における第２クラッチの変速２速時の状態を示す正面図である。
【図４】同ハブユニットの減速機構部におけるツーウェイクラッチの正面図である。
【図５】同ハブユニットの変速１速時の状態を示す断面図である。
【図６】同ハブユニットの変速機構部における第２クラッチの変速１速時の状態を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態に係る電動補助人力車両用ハブユニットを備えた電動補助人力車両である電動補助自転車の側面図を示す。この電動補助自転車は、人力による駆動輪である後輪２に電動補助人力車両用ハブユニット１が搭載され、このハブユニット１の内部に電動の駆動用モータを備えるリアハブユニット方式の電動補助自転車である。この実施形態の電動補助自転車は、法令上の区分においても電動補助自転車とされるものである。この電動補助自転車の人力駆動時、すなわちペダル３を通じてクランク軸１１から伝達された踏力が入力される場合、クランク軸１１に直結するフロントスプロケット１２と後輪２のハブユニット１のリアスプロケット９とを結ぶ動力伝達要素であるチェーン４を介して、前記踏力が後輪２に伝達される。
【００２６】
図２に示すように、後輪２の車軸４１は、一部材で構成されてハブユニット１内を貫通しており、その両端は自転車の車体フレーム６で両持ち固定される。ハブユニット１のハブケース４０の外周に、後輪２の環状リブ２ａが固定されている。
【００２７】
ハブユニット１は、車軸４１を中心に後輪２と共に回転するハブケース４０と、車軸４１の軸方向に前記ハブケース４０に隣接して車軸４１と同心に設けられたリアスプロケット９とを有する。ハブケース４０の内側に、リアスプロケット９側から、変速機構部３０、減速機構部２０、および駆動用モータ８が、これらの順に車軸４１の軸方向に並べて設けられる。駆動用モータ８は補助力を出力する駆動源となる。駆動用モータ８は、そのステータが、車軸４１にねじ止めなどにより固定され、ロータに固定されたモータ軸８ａの中心部を車軸４１が貫通することで、モータ軸８ａは車軸４１の周りを回転する。
【００２８】
変速機構部３０は、リアスプロケット９の回転出力を変速可能に後輪２に伝達する機構部である。減速機構部２０は、駆動用モータ８の回転出力を減速してハブケース４０から後輪２に伝達する機構部である。変速機構部３０の変速切り替えは変速制御機構部５０により行われるが、その変速制御機構部５０へ切り替え動作を指令する信号または動作は、ハブユニット１の外部となる自転車のハンドル５、あるいは車体フレーム６などに取付けられた変速切替スイッチ（図示せず）から手動もしくは電動により入力される。
【００２９】
駆動用モータ８による補助力としての駆動力が出力されない前進非駆動時には、後輪２からの逆入力が前記減速機構部２０（逆入力の場合は増速される）を介して駆動用モータ８にトルク伝達される。この後輪２からの逆入力によって生じた回生電力は、ハブユニット１の外部となる自転車の車体フレーム６等に取付けられた二次電池７（図１）に還元される。すなわち、この場合のハブユニット１は、後輪２からの逆入力によって生じた回生電力を還元する回生機構の機能も有する。この回生充電により、航続距離を伸ばすことができる。
【００３０】
以下に、ハブユニット１の各機構部の構成を個別に説明する。
〔変速機構部３０〕
この変速機構部３０は、「直結と遊星歯車機構を用いた減速」の２段階に変速可能な構成とされている。すなわち、変速機構部３０は、変速用太陽歯車３１、変速用遊星歯車３２、変速用遊星キャリア３３、変速用外輪歯車３４などを備える遊星歯車機構からなる。この変速機構部３０では、その入力部材である変速用外輪歯車３４が前記車軸４１の外周に回転自在に配置されており、また、変速用太陽歯車３１と車軸４１との間に、上記した変速制御機構部５０の一部を構成する変速用第１クラッチ部５１が介在させてある。この変速用第１クラッチ部５１は、ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチからなり、これにより変速用太陽歯車３１は駆動方向にのみ回転固定され、逆方向回転時には静かに空転する。
【００３１】
また、この変速機構部３０は、前記変速用外輪歯車３４とは別体で前記リアスプロケット９と一体に回転する駆動体３５を有し、この駆動体３５は前記外輪歯車３４に対して径方向自由度を有する。変速用遊星歯車３２は変速用太陽歯車３１と変速用外輪歯車３４とに常に噛み合っている。前記駆動体３５、およびこの駆動体３５と径方向自由度を持ちつつ一体に回転する変速用外輪歯車３４と、変速用遊星キャリア３３とは、前記変速制御機構部５０の他の一部を構成する図３に示す変速用第２クラッチ部５２を介して接続されている。なお、図２は、変速機構部３０が変速２速（高速運転）のときのハブユニット１の断面図を示し、図３はそのときの変速用第２クラッチ部５２の正面図を示している。
【００３２】
変速制御機構部５０の操作で前記変速用第２クラッチ部５２を切り替えることによって、変速用外輪歯車３４と変速用遊星キャリア３３の相対回転は、一方向のみに回転可能または回転不能に切り替えられ、変速が可能となる。
図３に２速時の状態を示すように、変速用第２クラッチ部５２は弾性部材（図示せず）によって常に変速用外輪歯車３４の内周に形成されたクラッチカム面５５と噛み合う状態（クラッチ爪５４が起き上がる状態）としており、２速時にはこのクラッチ爪５４を寝かすための拘束が排除され、クラッチカム面５５と噛み合う状態になっている。なお、変速１速（低速運転）時には拘束によってクラッチ爪５４が寝かされ噛み合わない。
このように、変速機構部３０は、変速用太陽歯車３１に噛み合う変速用遊星歯車３２と、この変速用遊星歯車３２を保持する変速用遊星キャリア３３と、変速用遊星歯車３２に噛み合い、且つ、駆動体３５と一体に回転可能である変速用外輪歯車３４とを備えている。
【００３３】
この実施形態では、変速用外輪歯車３４と駆動体３５とを別体に形成し、半径方向に浮動支持（半径方向移動に自由度を与える）している。これにより、製造誤差などでずれた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り、耐久性の低下を防ぐことが可能となる。また、別体に形成すれば、比較的強度を必要としない駆動体３５をアルミ材料で形成し、熱処理による硬化層が必要となる変速用外輪歯車３４およびクラッチカム面５５を鋼材で形成するなど、異種材料の選択が可能となり軽量化を実現できる。
【００３４】
変速制御機構部５０の一部である変速用第１クラッチ部５１は、ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチによって構成されており、変速用太陽歯車３１の内周面に組み込まれている。ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチの内輪は車軸４１と一体に形成されており、ラチェット式のクラッチを使用する場合と比較して車軸形状が簡素化される。ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチは、一方向の回転に対してのみ回転不能（逆回転は常に回転可能）となる。
また、変速制御機構部５０の他の一部である変速用第２クラッチ部５２では、図３に示すように、変速用遊星キャリア３３に固定された変速用遊星歯車３２支持用の回転軸３６周りに、揺動自在にクラッチ爪５４が変速用遊星キャリア３３の外周側に向けて配置されている。そのクラッチ爪５４が噛み合うクラッチカム面５５は変速用外輪歯車３４（または駆動体３５）の内周面に設けられている。クラッチ爪５４がクラッチカム面５５と噛み合うことで、変速用遊星キャリア３３は変速用外輪歯車３４（または駆動体３５）に対し一方向の回転に対してのみ回転不能（逆回転は空転する）とすることができる。
【００３５】
この実施形態では、組立性の向上のため、変速用遊星歯車３２を支持する回転軸３６にクラッチ爪５４を取付けた構成としているが、別軸に装着することも可能である。クラッチ爪５４を支持する固定軸を、変速用遊星歯車３２を支持する回転軸３６と別軸とした場合、クラッチ爪５４は２個若しくは１個とすることも可能である。しかし、全体的な荷重バランスを考慮した場合、クラッチ爪５４は２個以上とするのが適している。
【００３６】
〔変速制御機構部５０〕
変速制御機構部５０は、上記した変速用第１クラッチ部５１および変速用第２クラッチ部５２のほか、クラッチ切り替え部材５６、クラッチ切り替え制御部材５７、クラッチ切り替え部材案内５８、外部からの信号をリアハブユニット１内に伝達する変速切り替え棒５９などで構成されており、手元スイッチなどから手動または電動によって入力された信号によって、変速切り替え棒５９が押し込まれる。
【００３７】
車軸４１には変速案内溝４２が形成されており、軸方向にある角度を持って捩じられた形状となっている。前記変速切り替え棒５９を押し込むことで、変速案内溝４２内に保持されているピン４３が車軸中心に対し回転しながら車軸方向に移動する。ピン４３の作動によって、クラッチ切り替え制御部材５７が車軸回りを同回転だけ回転作動する。なお、車軸４１の内部に配置された弾性部材４４の弾性力によってピン４３は反力を受けており、変速切り替え棒５９と弾性部材４４の間に安定して配置される。
クラッチ切り替え制御部材５７には、変速用第２クラッチ部５２を切り替える移動制御用テーパー面５７ａが形成されており、この移動制御用テーパー面５７ａの移動によって、クラッチ切り替え部材５６が軸方向に移動してクラッチ爪５４が起き上がり、変速用外輪歯車３４と変速用遊星キャリア３３は一方向のみに相対回転可能または相対回転不能に切り替わる。
【００３８】
〔減速機構部２０〕
減速機構部２０は、減速用太陽歯車２１、減速用遊星歯車２２、減速用遊星キャリア２３、および減速用外輪歯車２４からなる遊星歯車機構で構成されている。ここで、前記変速機構部３０の変速用遊星キャリア３３と、減速機構部２０の減速用遊星キャリア２３とを同一部材で構成しているため、軸方向にコンパクトな設計が可能となる。また、駆動用モータ８のモータ軸８ａと前記減速用太陽歯車２１とは、同一部材または互いに一体で回転する部材で保持されており、さらに減速用遊星歯車２２は２段の歯数の異なる歯車で構成されている。これにより、高減速比を実現でき、駆動用モータ8 の小型化、さらにはハブユニット１全体の小型化が可能となる。
【００３９】
この実施形態では、減速機構部２０を構成する遊星歯車機構の減速用外輪歯車２４を回転固定しており、駆動力が入力部材である減速用太陽歯車２１（モータ軸８a と一体）から出力部材である変速用遊星キャリア３３へと減速されて出力され、ハブケース４０を介して後輪２に伝達される。また、減速用外輪歯車２４は、図４に示すように、モータハウジング８ｂと減速用外輪歯車２４の間に介在させたツーウェイクラッチ６０のＯＮ／ＯＦＦによって回転固定される。
【００４０】
〔ツーウェイクラッチ６０〕
図４に示すように、前記ツーウェイクラッチ６０では、駆動用モータ８からの駆動力が作用し前進する場合に、減速用外輪歯車２４に対し常に係合可能となるように、弾性部材（図示せず）によってツーウェイクラッチ用保持器６２に回転負荷が与えられている。反対に、駆動用モータ８からの駆動力が作用しない非駆動時には、ツーウェイクラッチ用保持器６２が減速用外輪歯車２４と共に回転する方向に弾性部材によって回転負荷を与えられている。このことから、減速用外輪歯車２４はモータハウジング８ｂに対し空転する方向に回転し、モータ軸８ａにトルク伝達されることは無く、モータハウジング８ｂと減速用外輪歯車２４の間にある軸受６５によって空転する。すなわち、トルク伝達しないことから、駆動用モータ８の引き摺りトルクを遮断することが可能となる。
【００４１】
下り坂などで惰性走行する場合、後輪２（ハブケース４０）から逆入力され、その回転力によって回生充電を行うことが可能となる。この時、ツーウェイクラッチ制御機構部７０からの外部入力信号によってツーウェイクラッチ用保持器６２に抵抗を与え、ツーウェイクラッチ６０を係合可能に切り替えることで、ハブケース４０からの逆入力は減速用遊星キャリア２３から入力され、減速機構部２０を介して減速用太陽歯車２１（モータ軸８ａ）へと伝達され回生を行うことが可能となる。
図５に示すツーウェイクラッチ制御機構部７０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が可能である。また、ハブユニット1 内に配置された電磁クラッチまたはソレノイドバルブを電気信号によってＯＮ／ＯＦＦさせ、ツーウェイクラッチ６０の保持器６２を作動させることでツーウェイクラッチ６０を制御することも可能である。
【００４２】
次に、この電動補助人力車両用ハブユニット１の動作を、変速１速時、変速２速時、モータ駆動時、モータ非駆動時、回生充電時の各場合に分けて説明する。
（１）  変速１速時（低速走行）
変速１段におけるハブユニット１の状態を図５および図６に示す。この実施形態では、リアスプロケット９が駆動体３５に取り付けられ、ペダル３からの駆動力が駆動体３５に伝達される。
この変速１段目において、ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチによって構成される変速用第１クラッチ部５１は、駆動力に対して係合可能な状態となっており、変速用第２クラッチ部５２はクラッチ爪５４がクラッチ切り替え部材５６によって、一端を拘束され係合不可能な状態となっている。この時、変速用第１クラッチ部５１がローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチで構成されていることから、ガタの無い係合が可能となる。
駆動体３５に入力された駆動力は、駆動体３５と径方向に自由度を有しつつ一体回転可能にされた変速用外輪歯車３４より変速用遊星歯車３２に入力され、変速用太陽歯車３１が変速用第１クラッチ部５１によって駆動力方向に係合されていることから、変速用遊星キャリア３３へと出力されハブケース４０に伝達される。この状態では、リアスプロケット９からの駆動力は、変速用太陽歯車３１の歯数をａ１、変速用外輪歯車３４の歯数をｄ１とすると、速度比は、
ｄ１／（ａ１＋ｄ１）
でハブケース４０に伝達される。
【００４３】
（２）  変速２速時（高速走行）
変速２段におけるハブユニット１の状態を図２および図３に示す。この状態では、変速切り替え棒５９が奥側へ押し込まれることで、ピン４３およびクラッチ切り替え制御部材５７が回転させられる。
この変速２段目において、変速用第１クラッチ部５１は１速時と同様に、１速時の変速用太陽歯車３１の駆動方向へのみ係合可能な状態となっている。また、変速用第２クラッチ部５２では、クラッチ切り替え制御部材５７の回転移動によってクラッチ切り替え部材移動制御用テーパー面５７ａがクラッチ切り替え部材５６の軸方向移動拘束を解除する。これにより、クラッチ切り替え部材５６が移動することで、クラッチ切り替え部材５６とクラッチ爪５４の一端の拘束が解除されクラッチ爪５４が起き上がり係合可能な状態となる。このとき、変速用太陽歯車３１は、変速用第１クラッチ部５１が一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用することによって、変速用太陽歯車３１は係合可能な方向（１速時）とは異なる逆方向回転をすることから空転可能であり、変速用外輪歯車３４と変速用遊星キャリア３３が駆動力方向に対して相対回転不能となる。変速用第１クラッチ部５１が空転するとき、これをローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチとしていることから、空転音がなくスムーズな回転が可能となる。
駆動力は変速用外輪歯車３４よりクラッチ爪５４を介して変速用遊星キャリア３３に伝達され、ハブケース４０に直結状態で伝達される。このとき、トルク伝達において歯車を介さないことから、耐久性が格段に向上する。
【００４４】
（３）  モータ駆動時
また、各変速段数を問わず、駆動用モータ８からの駆動力が負荷される場合、モータ軸8 ａは減速用太陽歯車２１と一体もしくは一体回転可能に保持されており、減速用外輪歯車２４とモータハウジング８ｂとの間にはツーウェイクラッチ６０が介在させてあり、図４に示すようにモータ駆動力に対してツーウェイクラッチ６０のローラ６１が前進側カム面６３と係合する方向に保持器６２が弾性部材（図示せず）の弾性力によって負荷を与えられており、駆動用モータ８の駆動によって常に動力伝達可能となっている。
この駆動用モータ８からの駆動力は、遊星歯車機構からなる減速機構部２０の減速用遊星歯車２２を介して出力部材である減速用遊星キャリア２３へと出力される。このとき、減速用遊星キャリア２３は変速用遊星キャリア３３と一体もしくは一体回転可能に保持されている。また、減速用遊星歯車２２は異なる歯数のギアを２段持ち、減速用遊星歯車２２の少ない側の歯車は減速用外輪歯車２４と、減速用遊星歯車２２の多い側の歯車は減速用太陽歯車２１と噛み合っている。このように、減速用遊星歯車２２を２段のギアを持つ構造としているので、高減速比が実現可能となり、モータサイズの小型化が可能となり、さらにはハブユニット１全体を小型化できる。
この状態では、駆動用モータ８からの駆動力は、減速用太陽歯車２１の歯数をａ２、外輪歯車２４の歯数をｄ２、減速用遊星歯車２２の少ない側の歯車の歯数をｂ２、減速用遊星歯車２２の多い側の歯車の歯数をｂ３とすると、モータ回転数に対する速度比は、
（ａ２×ｂ２）／[ （ａ２×ｂ２）+ （ｂ３×ｄ２）]
でハブケース４０に伝達される。
【００４５】
（４）  モータ非駆動時
駆動用モータ８からの駆動力が負荷されない場合（例えば電池切れの場合や、速度超過によって法律上アシスト機能を得られない場合など）、通常では減速用遊星キャリア２３を介して駆動用モータ８へとトルク伝達されるが、モータ駆動される場合とは逆方向のトルクが作用する。ツーウェイクラッチ６０の保持器６２には、減速用外輪歯車２４と共に回転する方向に弾性部材によって回転負荷が与えられていることから、減速用外輪歯車２４はモータハウジング８ｂに対し空転する方向に回転する。このため、モータ軸８ａにトルク伝達されることは無く、すなわち駆動用モータ８の引き摺りトルクを遮断することが可能で、減速用外輪歯車２４とモータハウジング８ｂ間の軸受６５によってスムーズな回転が可能となる。
【００４６】
（５）  回生充電時
下り坂などで後輪２（ハブケース４０）から逆入力され、その回転力によって回生充電を行う場合、前記ツーウェイクラッチ６０において、ツーウェイクラッチ制御機構部７０からの外部入力信号によってツーウェイクラッチ用保持器６２に抵抗を与え、前進時と異なる回転方向の回生側カム面６４と係合する方向へ保持器６２（ローラ６１）を移動させ係合可能に切り替える。これにより、ハブケース４０からの逆入力は減速用遊星キャリア２３から入力され、減速機構部２０を介して減速用太陽歯車２１（モータ軸８ａ）へと伝達され、ハブユニット１の外部に設けられた二次電池７に回生充電が可能となる。
また、この実施形態では、前記ツーウェイクラッチ６０として図４のようなローラタイプを示したが、ラチェット式として両回転方向に設置してもかまわない。ローラタイプの場合、空転時の音や振動がなくスムーズな回転を得ることができ、ラチェット式であれば低コスト化が可能となる。
【００４７】
以下に、この電動補助人力車両用ハブユニット１による効果を説明する。
この電動補助人力車両用ハブユニット１が搭載される電動補助自転車は、車体フレーム６に両端完全固定可能な一部材で形成される車軸４１を持ち、ハブケース４０の内側に、前記車軸４１周りにそれぞれ回転運動可能な変速機構部３０、減速機構部２０、および駆動用モータ８を並設して前記ハブユニット１が構成される。変速機構部３０は、変速が可能な遊星歯車機構によって構成され、変速用太陽歯車３１を車軸４１回りに有し、リアスプロケット９からの駆動力に対して前記変速用太陽歯車３１が車軸４１周りにローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチからなる変速用第１クラッチ部５１によって特定方向に回転可能または逆回転に回転不能に切り替えられる。
前記車軸４１が車体フレーム６に両端支持により完全固定されることで、ハブユニット１全体の剛性が確保され、駆動用モータ８は、この車軸４１に完全に固定されることで安定して回転可能となる。
駆動用モータ８からの駆動力は減速機構部２０を介してハブケース４０（後輪２）に伝達される。また、この減速機構部２０として、変速機構部３０と同様に遊星歯車機構を採用している。変速用遊星キャリア３３と減速用遊星キャリア２３を、同一部材または互いに一体回転可能に結合された部材としているので、ハブユニット１として車軸方向にコンパクトな構造とすることが可能となる。
【００４８】
変速機構部３０は、変速用太陽歯車３１と車軸４１との間に設けられたローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチからなる変速用第１クラッチ部５１によって、前記変速用太陽歯車３１が車軸４１回りに一回転方向に回転・回転不能となるように構成され、その変速用太陽歯車３１が固定されることで、変速用外輪歯車３４を入力部材、変速用遊星キャリア３３を出力部材とした遊星歯車機構となる。また、変速機構部３０の別の構成部として、変速用外輪歯車３４と変速用遊星キャリア３３間に駆動回転方向のみに係合可能なワンウェイクラッチ部材からなる変速用第２クラッチ部５２を設けることで、直結伝達を可能としている。この変速用第２クラッチ部５２が変速切替機構で係合されることによって、等速（直結）運転することが可能とされる。通常、電動補助自転車では変速比の最も大きいトップギアで走行することが多いことから、トップギアに歯車を介さないトルク伝達経路（直結運転）とすることで、安定性が高く、耐久性の向上が著しく見込める。また、前記直結時には減速用太陽歯車２１は駆動トルク方向とは逆向きに回転し、変速用第１クラッチ部５１は空転する。このとき、変速用第１クラッチ部５１がラチェット式のワンウェイクラッチであると空転する場合に音が発生し、また、ラチェット式のワンウェイクラッチを動作させる弾性部材（例えばバネ）の強度に問題が起こる場合がある。ローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチは音の発生が少なく空転可能となる。実施形態では直結を含んだ２段変速の例を図示している。２段変速であれば、直結用のクラッチの入切を切り替えるのみで良いことから、切り替え機構を簡素化できコスト低減が可能となる。
【００４９】
減速機構部２０は、遊星歯車機構の減速用遊星歯車２２に歯数の異なる2 段の歯車を用いることによって、高減速比とし、駆動用モータ８のトルク容量を小さくできることから、駆動用モータ８の小型化が可能となり、さらにはハブユニット１全体の重量減が可能となる。
減速用外輪歯車２４とモータハウジング８ｂの間にツーウェイクラッチ６０を設け、駆動用モータ８からの駆動力が負荷される場合には、常に減速用外輪歯車２４がツーウェイクラッチ６０によって回転不能になるように配置されている（逆方向トルクの時は空転する）。駆動用モータ８は車軸４１に対して回転固定されていることから、前記ツーウェイクラッチ６０によって係合されることで、減速用外輪歯車２４も回転固定される。したがって、モータ軸８ａと一体もしくは一体回転可能である減速用太陽歯車２１から減速用遊星歯車２２を介して減速用遊星キャリア２３へと駆動用モータ８の駆動力が出力される。減速用遊星キャリア２３とハブケース４０は一体回転可能に結合されており、後輪２へとトルク伝達される。
【００５０】
また、駆動用モータ８からの補助力が不必要、もしくは電池切れの場合など補助力が得られない場合には、減速用外輪歯車２４をモータハウジング８ｂに対し回転可能な状態としており、空転することで減速機構部２０を構成する遊星歯車機構の減速用太陽歯車２１（モータ軸８ａと一体または一体回転可能）へのトルク伝達が不能となり、駆動用モータ８の引き摺りがない快適な走行が可能となる。
さらに、下り坂などによる惰性走行時の後輪２からの逆入力に対しては、前記ツーウェイクラッチ６０をＯＮとすることで、減速外輪歯車２４を回転不能な状態とし、減速機構部２０を介して駆動用モータ８に後輪２からの逆入力が伝達され、回生充電が可能となる。この場合、回生が必要な条件においてのみツーウェイクラッチ６０の切り替え作業を行えば良く、構造を簡素化できる。また前記ツーウェイクラッチ６０の切り替えは、電気信号によって切り替えることも可能であるが、簡易的にブレーキ操作と連動させることでブレーキ時に回生させることが可能となる。さらに、多数の条件（ブレーキ操作、回転数、ペダルトルク等）が揃うことによって必要時に前記ツーウェイクラッチ６０の切り替えを行うことで、より快適な走行を得ることが可能となる。
このツーウェイクラッチ６０として、ローラ式またはスプラグ式のものを用いることでガタ量を小さくすることが可能となり、また、ラチェットを用いる場合には、構造を簡素化することができる。
【００５１】
前記変速機構部３０や減速機構部２０として用いられる遊星歯車機構は、理想的には太陽歯車と外輪歯車とが同心駆動であることが望ましいが、実際にはそれぞれの歯車形状に製造誤差が含まれる。製造誤差によって特定の歯車に過大な荷重がかかる場合があり、耐久性が低下する恐れがある。したがって、これらの製造誤差を吸収することができるようにすることが適している。ここでは、リアスプロット９が結合される駆動体３５と変速用外輪歯車３４を別部材とし、それぞれを一体回転可能としつつ、半径方向に自由度を持たせている。駆動体３５は車軸４１にベアリング７１によって回転支持されていることから、この変速用外輪歯車３４が半径方向に移動することで、変速機構部３０を構成する遊星歯車機構において荷重バランスの取れた配置とすることが可能となる。
遊星歯車機構における遊星歯車の半径、厚さをできる限り小さくすることを考慮した場合、変速機構部３０および減速機構部２０を構成する遊星歯車機構共に、3 個の遊星歯車によって構成されることが最も望ましい。また、遊星歯車の個数を同数とすることで荷重バランスがとれる。
【００５２】
このように、この電動補助人力車両用ハブユニット１によれば、ハブケース４０の内側に駆動用モータ８と内装式の変速機構部３０を設けたリアハブモータ方式の電動補助自転車や自動二輪車において、ハブユニット１の構造を簡素化することができ、低コスト化を実現できる。また、モータ駆動時以外に駆動用モータ８の引き摺りトルクを遮断することができ、快適な走行が可能となる。さらに、回生充電が可能であり航続距離を伸ばすことができる。
【００５３】
この実施形態における補助人力車両用ハブユニット１の特徴および作用，効果を纏め直して次に示す。
・  ハブケース４０の内側に、駆動用モータ８、減速機構部２０、および変速機構部３０を設け、小型化を実現している。
・  変速機構部３０を構成する遊星歯車機構の変速用太陽歯車３１と車軸４１との間にローラ式またはスプラグ式のワンウェイクラッチからなる変速用第１クラッチ部５１を設け、空転時の音や振動を低減させ、安定した走行を可能としている。
・  減速機構部２０および変速機構部３０に遊星歯車機構を用い、低コストで確実なトルク伝達を可能としている。
・  減速機構部２０と変速機構部３０の遊星キャリア２３，３３を、同一部材または互いに一体回転可能な部材とし、車軸方向に小型化を実現している。
・  減速機構部２０を構成する遊星歯車機構内の外輪歯車２４とモータハウジング８ｂとの間にツーウェイクラッチ６０を設け、モータ駆動が無い場合（電池切れや速度過度時）の駆動用モータ８の引き摺りトルクを遮断し、運転者の負荷を低減している。これにより快適な走行が可能となる。
・  前記ツーウェイクラッチ６０のＯＮ／ＯＦＦ切り替えによって、アシスト走行（モータ駆動のみの場合も含む）、電池切れの場合の通常走行、惰性運転中の回生をそれぞれ選択できるようにしている。
【００５４】
なお、上記実施形態では、電動補助人力車両用ハブユニット１を搭載した電動補助人力車両が電動補助自転車である場合につき説明したが、この実施形態の電動補助人力車両用ハブユニット１は、電動二輪車や、他の各種の電動補助人力車両においても上記と同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…電動補助人力車両用ハブユニット
２…後輪
３…ペダル
９…リアスプロケット
２０…減速機構部
２１…減速用太陽歯車
２２…減速用遊星歯車
２３…減速用遊星キャリア
２４…減速用外輪歯車
３０…変速機構部
３１…変速用太陽歯車
３２…変速用遊星歯車
３３…変速用遊星キャリア
３４…変速用外輪歯車
３５…駆動体
３６…回転軸
４０…ハブケース
４１…車軸
５０…変速制御機構部
５１…変速用第１クラッチ部
５２…変速用第２クラッチ部
６０…ツーウェイクラッチ
６５…軸受
７０…ツーウェイクラッチ制御機構部
【図１】
2013129336.tif 000003
【図２】
2013129336.tif 000004
【図３】
2013129336.tif 000005
【図４】
2013129336.tif 000006
【図５】
2013129336.tif 000007
【図６】
2013129336.tif 000008