(57)【要約】【課題】  効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる電動アシスト自転車を提供する。【解決手段】  電動アシスト自転車１は、ペダル４に入力された力を回転動力に変換し、クランク軸５に出力するペダル機構３と、駆動輪２と、ステータ２３と第１ロータ２２と第２ロータ２４の間で、回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介してエネルギを入出力するとともに、エネルギの入出力に伴って、回転磁界、第２および第１のロータ２４，２２が、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転するように構成された回転機２０と、を備えており、第１および第２のロータ２２，２４が、クランク軸５および駆動輪２にそれぞれ連結されている。【選択図】  図１
2009119953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペダルおよびクランク軸を有し、前記ペダルに入力された力を回転動力に変換し、前記クランク軸に出力するペダル機構と、
駆動輪と、
回転磁界を発生させるための不動のステータと、磁石で構成され、前記ステータに対向するように設けられた第１ロータと、軟磁性体で構成され、前記ステータと前記第１ロータの間に設けられた第２ロータとを有し、前記ステータと前記第１ロータと前記第２ロータの間で、前記回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介してエネルギを入出力するとともに、当該エネルギの入出力に伴って、前記回転磁界、前記第２および第１のロータが、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転するように構成され、前記第１ロータが前記クランク軸に連結されるとともに、前記第２ロータが前記駆動輪に連結された回転機と、
を備えることを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項２】
前記第２ロータと前記駆動輪の間を接続・遮断するクラッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
【請求項３】
前記クラッチは、前記駆動輪側の回転速度が前記第２ロータ側の回転速度よりも高いときに、前記第２ロータと前記駆動輪の間を遮断するワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項２に記載の電動アシスト自転車。
【請求項４】
前記クランク軸および前記第１ロータを含む第１動力伝達系と、前記第２ロータおよび前記駆動輪を含む第２動力伝達系との間を接続・遮断するクラッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
【請求項５】
前記クラッチは、前記第２ロータの回転速度が前記第１ロータの回転速度よりも高いときに、前記第１ロータと前記第２ロータの間を遮断するワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項４に記載の電動アシスト自転車。
【請求項６】
前記クランク軸と前記第１ロータの間を接続・遮断する第１クラッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
【請求項７】
前記第１クラッチは、前記第１ロータ側の回転速度が前記クランク軸側の回転速度よりも高いときに、前記クランク軸と前記第１ロータの間を遮断する第１ワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項６に記載の電動アシスト自転車。
【請求項８】
前記第１ロータと、前記第２ロータおよび前記駆動輪を含む動力伝達系との間を接続・遮断する第２クラッチと、
充電および放電可能に構成され、前記ステータに接続された蓄電装置と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項６または７に記載の電動アシスト自転車。
【請求項９】
前記第２クラッチは、前記第２ロータの回転速度が前記第１ロータの回転速度よりも高いときに、前記第１ロータと前記第２ロータの間を遮断する第２ワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項８に記載の電動アシスト自転車。
【請求項１０】
前記第１ロータ側の回転速度が前記クランク軸側の回転速度よりも高いときに、前記クランク軸と前記第１ロータの間を遮断する第１ワンウェイクラッチと、
前記クランク軸と、前記第２ロータおよび前記駆動輪を含む動力伝達系との間に設けられ、当該動力伝達系側の回転速度が前記クランク軸側の回転速度よりも高いときに、前記クランク軸と前記動力伝達系の間を遮断する第２ワンウェイクラッチと、をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
【請求項１１】
前記第２ロータは、動力を増速して伝達する増速機構を用いることなく、前記駆動輪に連結されていることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アシスト用の回転機を備える電動アシスト自転車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電動アシスト自転車として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この電動アシスト自転車では、運転者の踏み込み力（以下「踏力」という）を回転動力に変換するペダル機構と、アシスト用の回転機がいずれも、差動装置を介して駆動輪に連結されている。具体的には、この差動装置は、歯数が互いに等しい第１サイドギヤおよび第２サイドギヤと、これらの第１および第２のサイドギヤに噛み合うピニオンギヤを回転自在に支持する回転自在のデフケースを有している。第１および第２のサイドギヤは、ペダル機構および回転機にそれぞれ連結されており、デフケースは駆動輪に連結されている。以上の構成の従来の電動アシスト自転車では、回転機によるアシスト中、ペダル機構を介して第１サイドギヤに伝達された踏力と、第２サイドギヤに伝達された回転機の動力が合成された後、デフケースを介して駆動輪に伝達される。
【０００３】
上述したように、従来の電動アシスト自転車では、回転機によるアシスト中、ペダル機構からの踏力と回転機の動力が、差動装置を介して駆動輪に伝達されるため、差動装置における機械的な歯車の噛み合いやフリクションによる動力の伝達ロスによって、電動アシスト自転車の効率が低くなってしまう。また、複数の歯車や軸を組み合わせた複雑な機構を有する差動装置を用いなければならないため、電動アシスト自転車の構成が非常に複雑になることに加え、サイズや重量も大きくなってしまう。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる電動アシスト自転車を提供することを目的とする。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３０００９０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る電動アシスト自転車１、１Ａ〜１Ｇは、ペダル４およびクランク軸５を有し、ペダル４に入力された力を回転動力に変換し、クランク軸５に出力するペダル機構３と、駆動輪（実施形態における（以下、本項において同じ）後輪２）と、回転磁界を発生させるための不動のステータ２３と、磁石で構成され、ステータ２３に対向するように設けられた第１ロータ２２と、軟磁性体で構成され、ステータ２３と第１ロータ２２の間に設けられた第２ロータ２４とを有し、ステータ２３と第１ロータ２２と第２ロータ２４の間で、回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介してエネルギを入出力するとともに、エネルギの入出力に伴って、回転磁界、第２および第１のロータ２４，２２が、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転するように構成され、第１ロータ２２がクランク軸５に連結されるとともに、第２ロータ２４が駆動輪に連結された回転機２０と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この電動アシスト自転車によれば、回転機では、ステータ、第１および第２のロータの間で、ステータにおける回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介して、エネルギが入出力されるとともに、このエネルギの入出力に伴い、回転磁界、第２および第１のロータは、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転する。このような回転磁界、第１および第２のロータの三者間のリニアな速度関係は、遊星歯車装置のサンギヤおよびリングギヤの一方、他方、およびプラネタリギヤを支持するキャリアの回転速度の関係に相当する。このため、エネルギの入出力の関係において、ステータはサンギヤおよびリングギヤの一方に、第１ロータは他方に、第２ロータはキャリアに、それぞれ相当する。
【０００８】
上記のような動力の入出力関係にある第１および第２のロータが、ペダル機構のクランク軸および駆動輪にそれぞれ連結されている。このため、ステータに電力を供給するとともに、ペダルおよびクランク軸を介して第１ロータに力（以下、「踏力」という）を入力すると、ステータに供給された電力が動力に変換され（以下、この動力を「電力変換動力」という）、磁気回路を介して第２ロータに伝達されるのに伴い、第１ロータに入力された踏力も、磁気回路を介して第２ロータに伝達され、さらに、駆動輪に伝達される。このように、クランク軸からの踏力と、ステータからの電力変換動力を合成した状態で駆動輪に伝達できるので、回転機によって踏力をアシストすることができる。
【０００９】
また、上述したように、回転機によるアシスト中、駆動輪への踏力および電力変換動力の伝達がいずれも、磁気回路を介した非接触による、いわゆる磁気パスによって行われるので、その伝達効率は、前述した従来の電動アシスト自転車のように差動装置を介して行う場合よりも高い。さらに、回転機が動力源と遊星歯車装置を組み合わせた機能を有するため、踏力および電力変換動力を合成するとともに、駆動輪に伝達するための遊星歯車装置すなわち差動装置が不要になる。以上により、差動装置を用いる前述した従来の場合と比較して、電動アシスト自転車の効率を高めることができるとともに、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。
【００１０】
また、上述したように、ステータ、第１および第２のロータの間におけるエネルギの入出力中、回転磁界、第２および第１のロータは、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転する。このため、例えば、アシスト中、回転磁界の回転速度を制御することによって、第２ロータが連結された駆動輪の回転速度を、第１ロータが連結されたクランク軸に対して、変速装置を用いずにかつ無段階に、上昇および低下させることができる。
【００１１】
さらに、上述したステータ、第１および第２のロータの間のエネルギの入出力関係から、例えば、ステータにおいて相間短絡を行うとともに、踏力を第１ロータに入力することによって、回転磁界の回転速度がほぼ値０（ステータにおいて磁界が発生しているものの、回転はほとんどしていない状態）に制御され、それにより、この踏力（動力）を、磁気回路を介して第２ロータにすべて伝達でき、さらに、駆動輪に伝達することができる。このように、ステータに電力を供給することなく、すなわち、回転機によるアシストを行うことなく、踏力のみによって駆動輪を駆動することができる。以下、踏力のみを動力源として用いた電動アシスト自転車の走行を「ペダル走行」という。また、上述したように、ペダル走行中にも、アシスト中と同様、駆動輪への踏力の伝達が、磁気回路を介した磁気パスによって行われるので、電動アシスト自転車の効率を高めることができる。さらに、ペダル走行中、回転磁界の回転速度がほぼ値０に制御されるので、回転磁界の発生に伴って第２ロータに作用する回転抵抗が極めて小さく、したがって、電動アシスト自転車の効率をさらに高めることができる。
【００１２】
また、電動アシスト自転車の空走状態で、すなわち、クランク軸に踏力が入力されておらず、電動アシスト自転車が惰性で走行している状態で、第２ロータが回転しているときに、例えば、ステータに電力を供給し、それに伴って発生する回転磁界を第２ロータの回転方向に回転させるとともに、回転磁界の回転速度を制御する。これにより、クランク軸が連結された第１ロータの回転速度を値０に制御できるとともに、回転磁界による回転抵抗と、第１ロータおよびペダル機構のフリクションが、第２ロータを介して駆動輪に作用するのを防止できる。したがって、空走中、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、空走による走行距離を延ばすことができる。これにより、通常、電動アシスト自転車に設けられているクランク軸と駆動輪の間を接続・遮断するワンウェイクラッチが不要になり、それにより、電動アシスト自転車の構成のさらなる単純化、小型化および軽量化と、コストの削減を図ることができる。以下、上述した回転磁界による回転抵抗および第１ロータなどのフリクションが第２ロータに作用するのを防止するための回転機の制御を「ゼロトルク制御」という。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動アシスト自転車１Ａ、１Ｂにおいて、第２ロータ２４と駆動輪の間を接続・遮断するクラッチ（第１ワンウェイクラッチＣ１）をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、第２ロータと駆動輪の間が、クラッチによって接続・遮断される。このため、例えば、電動アシスト自転車の空走中、クラッチにより、第２ロータと駆動輪の間を遮断することによって、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構のフリクションや、ステータで発生する回転磁界による回転抵抗、第１ロータのフリクションが駆動輪に作用するのを完全に防止できるので、空走による走行距離を延ばすことができる。また、この場合、請求項１の作用で述べたゼロトルク制御が不要になり、それにより、例えば、ステータに蓄電装置の電力を供給することによってアシストを行う場合には、ゼロトルク制御が不要になる分、この蓄電装置の電力を確保でき、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電動アシスト自転車１Ａ、１Ｂにおいて、クラッチは、駆動輪側（出力部Ｃ１ｂ）の回転速度が第２ロータ２４側（入力部Ｃ１ａ）の回転速度よりも高いときに、第２ロータ２４と駆動輪の間を遮断するワンウェイクラッチ（第１ワンウェイクラッチＣ１）であることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、ワンウェイクラッチによって、第２ロータと駆動輪の間が、ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度が第２ロータ側の回転速度よりも高いときには遮断され、それ以外のときには接続される。空走中、踏力がクランク軸に入力されないことと、回転磁界による回転抵抗や第１ロータのフリクションが第２ロータに作用することによって、第２ロータの回転速度が低下し、それに伴い、ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度が、第２ロータ側の回転速度よりも高くなるので、上述したワンウェイクラッチによって、第２ロータと駆動輪の間が遮断される。このように、請求項２の電動アシスト自転車と同様、空走中、第２ロータと駆動輪の間を遮断できるので、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、空走による走行距離を延ばすことができる。
【００１７】
また、ペダル走行中およびアシスト中、請求項１の作用で述べたように、駆動輪は、第２ロータから動力が伝達されることによって初めて駆動されるので、ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度は、第２ロータ側の回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中およびアシスト中、ワンウェイクラッチによって、第２ロータと駆動輪の間が接続状態に保持されるので、ペダル走行中には踏力を、アシスト中には踏力およびステータからの電力変換動力の双方を、駆動輪に伝達することができる。
【００１８】
さらに、ワンウェイクラッチは、油圧式などのクラッチと異なり、その作動を制御するためのアクチェータなどを必要としないので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができるとともに、電動アシスト自転車のコストを削減することができる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の電動アシスト自転車１Ｂ，１Ｅにおいて、クランク軸５および第１ロータ２２を含む第１動力伝達系と、第２ロータ２４および駆動輪を含む第２動力伝達系との間を接続・遮断するクラッチ（第２ワンウェイクラッチＣ２、第４ワンウェイクラッチＣ４）をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、クランク軸および第１ロータを含む第１動力伝達系と、第２ロータおよび駆動輪を含む第２動力伝達系の間が、クラッチによって接続・遮断される。このため、例えば、ステータの故障によって、ステータ、第１および第２のロータの間で磁気回路が形成されなくなった場合でも、第１動力伝達系と第２動力伝達系の間すなわちクランク軸と駆動輪の間をクラッチにより接続することによって、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。また、第１動力伝達系と第２動力伝達系の間をクラッチにより接続することによって、請求項１の作用で述べたステータの相間短絡を行うことなく、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【００２１】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の電動アシスト自転車１Ｂ，１Ｅにおいて、クラッチは、第２ロータ２４の回転速度（第２ロータ回転速度ＶＲ２）が第１ロータ２２の回転速度（第１ロータ回転速度ＶＲ１）よりも高いときに、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を遮断するワンウェイクラッチ（第２ワンウェイクラッチＣ２、第４ワンウェイクラッチＣ４）であることを特徴とする。
【００２２】
ペダル走行中、請求項１の作用で述べたように、駆動輪に連結された第２ロータは、クランク軸が連結された第１ロータから踏力が伝達されることによって初めて駆動される。このため、ペダル走行中、第２ロータの回転速度は、第１ロータの回転速度よりも高くはならない。上記の構成によれば、駆動輪が連結された第２ロータの回転速度がクランク軸が連結された第１ロータの回転速度よりも高くならない限り、ワンウェイクラッチによって、第１ロータと第２ロータの間が接続状態に保持されるので、ペダル走行中、クランク軸に入力された踏力を、第１ロータ、ワンウェイクラッチおよび第２ロータを介して、駆動輪に伝達することができる。したがって、請求項４の電動アシスト自転車と同様、ステータの故障により磁気回路が形成されなくなった場合でも、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。また、請求項１の作用で述べたステータの相間短絡を行うことなく、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【００２３】
さらに、この場合、ワンウェイクラッチによって、第２ロータの回転速度が第１ロータの回転速度よりも高くなったときに、第１ロータと第２ロータの間が遮断される。したがって、請求項１の作用で述べたように、アシスト中、回転磁界の回転速度の制御によって、第２ロータが連結された駆動輪の回転速度を、第１ロータが連結されたクランク軸に対して、変速装置を用いずに無段階に上昇させる場合に、そのような駆動輪の増速を支障なく行うことができる。
【００２４】
また、クラッチとしてワンウェイクラッチを用いるので、請求項３の電動アシスト自転車と同様、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、電動アシスト自転車のコストを削減することができる。
【００２５】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の電動アシスト自転車１Ｄ、１Ｅにおいて、クランク軸５と第１ロータ２２の間を接続・遮断する第１クラッチ（第３ワンウェイクラッチＣ３）をさらに備えることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、クランク軸と第１ロータの間が、クラッチによって接続・遮断される。このため、空走中、クラッチにより、クランク軸と第１ロータの間を遮断することによって、クランク軸と、第１ロータに磁気回路を介して連結された第２ロータおよび駆動輪との間を遮断でき、したがって、クランク軸を停止状態に保持できる。また、例えば、回転機において、請求項１の作用で述べた電力変換動力と第１ロータに入力された動力との合成比が１：１のときには、空走中、前述したゼロトルク制御において、回転磁界の回転速度を第２ロータの回転速度と同じに制御することによって、回転磁界による回転抵抗および第１ロータのフリクションが駆動輪に作用するのを防止できる。一方、空走中、請求項１の作用で述べたように、クランク軸および第１ロータを互いに接続した状態でゼロトルク制御を行う場合において、クランク軸を停止状態に保持するには、回転磁界の回転速度を第１ロータの回転速度が値０になるように制御しなければならず、その結果、回転磁界の回転速度は、駆動輪が連結された第２ロータの回転速度よりも高くなるので、ゼロトルク制御用にステータに供給される電力は大きくなる。
【００２７】
上記の構成によれば、ゼロトルク制御中、クラッチによりクランク軸と第１ロータの間を遮断することによって、回転磁界の回転速度を第２ロータの回転速度と同じに制御することが可能になり、それにより、回転磁界による回転抵抗および第１ロータのフリクションが駆動輪に作用するのを防止できるとともに、上述したようにクランク軸と第１ロータを接続状態に保持する場合と比較して、ゼロトルク制御用の電力を低減することができる。また、このゼロトルク制御用の電力の低減によって、例えば、ステータに蓄電装置の電力を供給することによってアシストを行う場合には、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【００２８】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の電動アシスト自転車１Ｄ、１Ｅにおいて、第１クラッチは、第１ロータ２２側（出力部Ｃ３ｂ）の回転速度がクランク軸５側（入力部Ｃ３ａ）の回転速度よりも高いときに、クランク軸５と第１ロータ２２の間を遮断する第１ワンウェイクラッチ（第３ワンウェイクラッチＣ３）であることを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高いときには遮断され、それ以外のときには接続される。空走中、第１ロータが慣性によって回転している状態で、クランク軸を停止状態に保持すれば、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなるので、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が遮断される。したがって、請求項６の電動アシスト自転車と同様、空走中、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ゼロトルク制御用の電力を低減することができる。
【００３０】
また、ペダル走行中およびアシスト中、請求項１の作用で述べたように、第１ロータは、クランク軸から動力が伝達されることによって初めて駆動されるので、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度は、クランク軸側の回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中およびアシスト中、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が接続状態に保持されるので、ペダル走行中およびアシスト中、踏力を駆動輪に伝達することができる。
【００３１】
さらに、第１クラッチとして第１ワンウェイクラッチを用いるので、請求項３の電動アシスト自転車と同様、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、電動アシスト自転車のコストを削減することができる。
【００３２】
請求項８に係る発明は、請求項６または７に記載の電動アシスト自転車１Ｅにおいて、第１ロータ２２と、第２ロータ２４および駆動輪を含む動力伝達系との間を接続・遮断する第２クラッチ（第４ワンウェイクラッチＣ４）と、充電および放電可能に構成され、ステータ２３に接続された蓄電装置（バッテリ３３）と、をさらに備えることを特徴とする。
【００３３】
請求項１の作用で述べたように、回転機では、エネルギの入出力の関係において、ステータはサンギヤおよびリングギヤの一方に、第１ロータは他方に、第２ロータはキャリアに、それぞれ相当する。したがって、第２ロータに動力を入力するとともに、ステータにおいて発電を行うと、第２ロータに入力された動力（エネルギ）は、磁気回路を介して、ステータと第１ロータに分配される。このため、第２ロータの動力をステータに電力として伝達するには、第１ロータが第２ロータの回転方向に回転するのを妨げる負荷トルクを第１ロータに作用させる必要がある。
【００３４】
上述した構成によれば、第２クラッチによって、第１ロータと、第２ロータおよび駆動輪を含む動力伝達系との間が、接続・遮断されるとともに、充電・放電可能に構成された蓄電装置がステータに接続されている。このため、例えば、空走中、駆動輪の動力を用いて、回転機において発電し、発電した電力を蓄電装置に充電することができる。具体的には、空走中、第２クラッチにより、第１ロータと、第２ロータおよび駆動輪を含む動力伝達系との間を接続することによって、両ロータが一体となって駆動輪とともに回転するので、上述した負荷トルクを第１ロータに作用させる必要がなく、駆動輪から第２および第１のロータに伝達された動力を、ステータに電力として適切に伝達することができる。このように、空走中、駆動輪の動力を用いて、ステータにおいて発電することができ、ひいては、発電した電力を蓄電装置に充電できるとともに、充電した電力をアシストに用いることによって、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【００３５】
また、前述した第１クラッチを備える場合には、空走中における発電時、第１クラッチにより、クランク軸と第１ロータの間を遮断することによって、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構によるフリクションが第１ロータを介して第２ロータに作用するのを防止でき、したがって、より大きな電力を蓄電装置に充電することができる。
【００３６】
さらに、前述した第１ワンウェイクラッチを備える場合にも、空走中、請求項７の作用で述べたように、クランク軸と第１ロータの間が遮断されるので、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構によるフリクションが第１ロータを介して第２ロータに作用するのを防止でき、したがって、より大きな電力を蓄電装置に充電することができる。
【００３７】
また、例えば、ステータの故障によって、ステータ、第１および第２のロータの間で磁気回路が形成されなくなった場合でも、第１ロータと動力伝達系の間すなわちクランク軸と駆動輪の間を第２クラッチにより接続することによって、請求項４の電動アシスト自転車と同様、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。さらに、第１ロータと動力伝達系の間を第２クラッチにより接続することによって、請求項１の作用で述べたステータの相間短絡を行うことなく、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【００３８】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の電動アシスト自転車１Ｅにおいて、第２クラッチは、第２ロータ２４の回転速度（第２ロータ回転速度ＶＲ２）が第１ロータ２２の回転速度（第１ロータ回転速度ＶＲ１）よりも高いときに、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を遮断する第２ワンウェイクラッチ（第４ワンウェイクラッチＣ４）であることを特徴とする。
【００３９】
この構成によれば、第２ワンウェイクラッチによって、第１ロータと第２ロータの間が、第２ロータの回転速度が第１ロータよりも高いときに遮断され、それ以外のときに接続される。前述したステータ、第１および第２のロータの間のエネルギの入出力関係から、請求項８の作用で述べた空走中における発電の実行に伴い、第１ロータを第２ロータの回転方向に回転させるトルクが第１ロータに作用し、その結果、第１ロータの回転速度が上昇するようになる。この場合、上昇した第１ロータの回転速度が第２ロータの回転速度と等しくなると、その後、発電に伴って第２ロータの回転方向に回転させるトルクが第１ロータに作用している限り、第１ロータと第２ロータの間が第２ワンウェイクラッチによって接続され、両ロータが一体になる。したがって、請求項８の電動アシスト自転車と同様、空走中、駆動輪の動力を用いて、ステータにおいて発電することができ、ひいては、発電した電力を蓄電装置に充電できるとともに、充電した電力をアシストに用いることによって、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【００４０】
また、ペダル走行中、請求項５の作用で述べたように、第２ロータは第１ロータから踏力が伝達されることによって初めて駆動されることから、第２ロータの回転速度は、第１ロータの回転速度よりも高くはならないので、第２ワンウェイクラッチによって、第１ロータと第２ロータの間は接続状態に保持される。したがって、請求項８の電動アシスト自転車と同様、例えば、ステータの故障によって、ステータ、第１および第２のロータの間で磁気回路が形成されなくなった場合でも、クランク軸に入力された踏力を、第１ロータ、第２ワンウェイクラッチおよび第２ロータを介して、駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。同じ理由により、請求項１の作用で述べたステータの相間短絡を行うことなく、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【００４１】
さらに、アシスト中、請求項１の作用で述べたように、回転磁界の回転速度の制御によって、第２ロータが連結された駆動輪の回転速度を、第１ロータが連結されたクランク軸に対して、変速装置を用いずに無段階に上昇させる場合に、第２ワンウェイクラッチによって、第１ロータと第２ロータの間が遮断されるので、そのような駆動輪の増速を支障なく行うことができる。
【００４２】
また、第２クラッチとして、第２ワンウェイクラッチを用いるので、請求項３の電動アシスト自転車と同様、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、電動アシスト自転車のコストを削減することができる。
【００４３】
請求項１０に係る発明は、請求項１に記載の電動アシスト自転車１Ｆ，１Ｇにおいて、第１ロータ２２側（出力部Ｃ３ｂ）の回転速度がクランク軸５側（入力部Ｃ３ａ）の回転速度よりも高いときに、クランク軸５と第１ロータ２２の間を遮断する第１ワンウェイクラッチ（第３ワンウェイクラッチＣ３）と、クランク軸５と、第２ロータ２４および駆動輪を含む動力伝達系との間に設けられ、動力伝達系側（出力部Ｃ４ｂ）の回転速度が、クランク軸５側（入力部Ｃ４ａ）の回転速度よりも高いときに、クランク軸と動力伝達系の間を遮断する第２ワンウェイクラッチ（第４ワンウェイクラッチＣ４）と、をさらに備えることを特徴とする。
【００４４】
この構成によれば、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高いときには遮断され、それ以外のときには接続される。また、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と、第２ロータおよび駆動輪を含む動力伝達系との間が、第２ワンウェイクラッチの動力伝達系側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高いときには遮断され、それ以外のときには接続される。
【００４５】
ペダル走行中、第２ロータおよび駆動輪を含む動力伝達系は、踏力が入力されることによって初めて駆動されるので、第２ワンウェイクラッチの動力伝達系側の回転速度は、クランク軸側の回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と駆動輪を含む動力伝達系との間が接続状態に保持されるので、クランク軸に入力された踏力を、第２ワンウェイクラッチおよび第２ロータを介して、駆動輪に伝達することができる。したがって、請求項４の電動アシスト自転車と同様、ステータの故障により磁気回路が形成されなくなった場合でも、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。また、請求項１の作用で述べたステータの相間短絡を行うことなく、クランク軸に入力された踏力を駆動輪に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【００４６】
さらに、ペダル走行中、前述したステータ、第１および第２のロータの間のエネルギの入出力関係から、第２ロータが駆動輪とともに回転するのに伴って発生した回転磁界による回転抵抗は、第１ロータを第２ロータの回転方向に回転させるように第１ロータに作用するとともに、第２ロータおよび駆動輪に負荷として作用する。さらに、第２ロータには、第１ロータのフリクションが負荷として作用する。これらの回転磁界による回転抵抗と第１ロータのフリクションは、前述した所定の共線関係に基づく所定の合成比で合成された後、第２ロータに伝達される。また、第１ロータのフリクションに対する回転磁界による回転抵抗の比が上記の所定の合成比よりも大きい場合において、第１および第２のロータを接続状態に保持すると、そのように大きな回転磁界による回転抵抗がすべて第２ロータに作用し、その結果、ペダル走行中における電動アシスト自転車の効率が低下する。
【００４７】
上記の構成によれば、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高いときに遮断される。上述したように、回転磁界による回転抵抗は、第１ロータを第２ロータの回転方向に回転させるように第１ロータに作用するので、それに伴って、第１ロータの回転速度は、クランク軸に連結された第２ロータの回転速度よりも高くなる。その結果、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなることによって、クランク軸と第１ロータの間が遮断され、それに伴って、クランク軸に連結された第２ロータと第１ロータの間も遮断される。これにより、上述したように第１および第２のロータを接続状態に保持した場合と異なり、回転磁界による回転抵抗の一部のみを、第１および第２のロータに作用させ、回転磁界による回転抵抗が第２ロータにすべて作用することがないので、ペダル走行中における電動アシスト自転車の効率を高めることができる。
【００４８】
また、アシスト中、前述したステータ、第１および第２のロータの間のエネルギの入出力関係から、ステータからのトルクは、第１ロータを第２ロータの回転方向とは逆方向に回転させるように、第１ロータに作用する。これにより、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなることはなく、その結果、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が接続状態に保持されるので、第１ロータに踏力が入力される。したがって、請求項１の電動アシスト自転車と同様、クランク軸からの踏力と、ステータからの電力変換動力を合成した状態で駆動輪に伝達できるので、回転機によって踏力をアシストすることができる。この場合にも、請求項１の電動アシスト自転車と同様、電動アシスト自転車の効率を高めることができるとともに、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。
【００４９】
さらに、アシスト中、請求項１の作用で述べたように、回転磁界の回転速度の制御によって、駆動輪の回転速度をクランク軸に対して、変速装置を用いずに無段階に上昇させる場合に、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第２ロータおよび駆動輪を含む動力伝達系との間が遮断されるので、そのような駆動輪の増速を支障なく行うことができる。
【００５０】
また、空走中、第１ロータが慣性により回転している状態で、クランク軸を停止状態に保持すれば、第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなるので、第１ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第１ロータの間が遮断される。また、第２ワンウェイクラッチの動力伝達系側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなるので、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と第２ロータおよび駆動輪を含む動力伝達系との間が遮断される。このように、空走中、クランク軸と駆動輪の間が遮断されるので、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、クランク軸と第１ロータの間が遮断されるので、請求項６の電動アシスト自転車と同様、クランク軸と第１ロータを接続状態に保持する場合と比較して、ゼロトルク制御用の電力を低減することができる。
【００５１】
請求項１１に係る発明は、請求項１ないし１０のいずれかに記載の電動アシスト自転車１Ａ〜１Ｇにおいて、第２ロータ２４は、動力を増速して伝達する増速機構６を用いることなく、駆動輪に連結されていることを特徴とする。
【００５２】
第２ロータを、増速機構を介して駆動輪に連結した場合には、この増速機構による増速によって、第２ロータから駆動輪に伝達されるトルクが小さくなり、その分、クランク軸から第１および第２のロータに伝達されるトルクが大きくなるので、回転機に必要とされるトルクは大きくなる。これに対し、上述した構成によれば、第２ロータが、増速機構を用いることなく、駆動輪に連結されているので、この連結を増速機構を用いて行った場合と比較して、クランク軸から第１および第２のロータに伝達されるトルクが小さくなり、回転機に必要とされるトルクが小さくなることによって、回転機の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態による電動アシスト自転車１を概略的に示している。この電動アシスト自転車１は、二輪式のものであり、図１に示すように、後輪２（駆動輪）、ペダル機構３、増速機構６、変速装置１０、および回転機２０を備えている。なお、図１は、主として本発明の特徴部分を示しており、電動アシスト自転車１が、前輪、ハンドル、サドルおよびブレーキと、これらの前輪などが設けられたフレーム（いずれも図示せず）をさらに備えることは、もちろんである。これらの要素は、従来のものと同様であり、その詳細な説明については省略する。
【００５４】
後輪２は、フレームの後端部に、車軸１ａや軸受け（図示せず）を介して取り付けられており、それにより、水平方向に延びる軸線を中心として回転自在である。
【００５５】
ペダル機構３は、運転者の足の踏み込み力（以下「踏力」という）を回転動力に変換するものであり、ペダル４およびクランク軸５を有している。クランク軸５は、水平方向に延びる軸状のクランクジャーナル５ａと、このクランクジャーナル５ａの両端部に固定され、クランクジャーナル５ａに直交するクランクアーム５ｂ，５ｂによって構成されている。クランクジャーナル５ａは、フレームの中央の下端部に取り付けられた軸受け（図示せず）に支持されており、それにより、クランク軸５は、水平方向に延びる軸線を中心として回転自在である。各クランクアーム５ｂには、クランクジャーナル５ａと逆側の端部に、ペダル４が取り付けられている。ペダル４は、クランクアーム５ｂに直交しており、クランクアーム５ｂに対して、水平方向に延びる軸線を中心として回転自在である。以上の構成により、ペダル機構３では、ペダル４に運転者の踏力が入力されると、この踏力は、クランク軸５に伝達されるとともに、回転動力に変換された状態で、クランクジャーナル５ａに出力される。
【００５６】
回転機２０は、運転者の踏力をアシストするためのものであり、フレームの中央の下端部に、ペダル機構３と一体に設けられている。図１および図２に示すように、回転機２０は、フレームと一体のケースＣＡと、このケースＣＡに回転自在に支持された回転軸２１と、第１ロータ２２と、第１ロータ２２に対向するように配置されたステータ２３と、両者２２，２３の間に所定の間隔を存した状態で設けられ、回転軸２１に連結された第２ロータ２４とを備えている。第１ロータ２２、第２ロータ２４およびステータ２３は、径方向に、内側からこの順で並んでいる。以下、図２の左側を「左」、右側を「右」として説明する。
【００５７】
第１ロータ２２は、２ｎ個の永久磁石２２ａを有しており、これらの永久磁石２２ａは、上述したペダル機構３のクランクジャーナル５ａの周方向（以下、単に「周方向」という）に等間隔で並んだ状態で、リング状の固定部２２ｂの外周面に取り付けられている。また、各永久磁石２２ａは、クランクジャーナル５ａの軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に若干延びている。上記の固定部２２ｂは、軟磁性体、例えば鉄で構成されており、その内周面が、円板状のフランジ２２ｃの外周面に取り付けられている。このフランジ２２ｃは、クランクジャーナル５ａに一体に同心状に設けられている。以上の構成により、永久磁石２２ａは、クランクジャーナル５ａと一体に回転自在であり、換言すれば、第１ロータ２２は、クランク軸５と一体に回転自在である。
【００５８】
また、図３に示すように、クランクジャーナル５ａを中心として、周方向に隣り合う各２つの永久磁石２２ａがなす中心角は、所定角度θである。また、永久磁石２２ａの極性は、周方向に隣り合う各２つについては互いに異なっている。以下、永久磁石２２ａの左側および右側の磁極をそれぞれ、「第１磁極」および「第２磁極」という。
【００５９】
ステータ２３は、回転磁界を発生させるものであり、周方向に等間隔で並んだ３ｎ個の電機子２３ａを有している。各電機子２３ａは、鉄芯２３ｂと、鉄芯２３ｂに巻回されたコイル２３ｃなどで構成されている。鉄芯２３ｂは、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石２２ａとほぼ同じ長さを有している。鉄芯２３ｂの内周面の軸線方向の中央部には、周方向に延びる溝２３ｄが形成されている。３ｎ個のコイル２３ｃは、ｎ組のＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相コイルを構成している（図３参照）。また、電機子２３ａは、ケースＣＡに、リング状の固定部２３ｅを介して取り付けられており、移動不能になっている。以上のような電機子２３ａおよび永久磁石２２ａの数と配置から、ある１つの電機子２３ａの中心が、永久磁石２２ａの中心と周方向に一致したときには、その電機子２３ａに対して２つおきの電機子２３ａの中心と、その永久磁石２２ａに対して１つおきの永久磁石２２ａの中心とが、周方向に一致する。
【００６０】
さらに、電機子２３ａは、パワードライブユニット（以下「ＰＤＵ」という）３２を介してＥＣＵ３１とバッテリ３３に接続されている。このＥＣＵ３１は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、このＰＤＵ３２は、インバータなどの電気回路で構成されている。このバッテリ３３は、充電および放電可能に構成されている。また、電機子２３ａは、バッテリ３３から電力が供給されたとき、または、後述するように発電したときに、鉄芯２３ｂの左右の端部に、互いに異なる極性の磁極がそれぞれ発生するように構成されている。さらに、これらの磁極の発生に伴って、第１ロータ２２の左側（第１磁極側）の部分との間および右側（第２磁極側）の部分との間に、第１および第２の回転磁界が周方向に回転するようにそれぞれ発生する。以下、鉄芯２３ｂの左右の端部に発生する磁極をそれぞれ、「第１電機子磁極」および「第２電機子磁極」という。また、これらの第１および第２の電機子磁極の数はそれぞれ、永久磁石２２ａの磁極の数と同じ、すなわち２ｎである。
【００６１】
第２ロータ２４は、複数の第１コア２４ａおよび第２コア２４ｂを有している。第１および第２のコア２４ａ，２４ｂはそれぞれ、周方向に等間隔で並んでおり、両者２４ａ，２４ｂの数はいずれも、永久磁石２２ａと同じ、すなわち２ｎに設定されている。各第１コア２４ａは、軟磁性体、例えば複数の鋼板を積層したもので、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石２２ａのほぼ半分の長さで延びている。各第２コア２４ｂは、第１コア２４ａと同様、複数の鋼板を積層したもので、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石２２ａのほぼ半分の長さで延びている。
【００６２】
また、軸線方向において、第１コア２４ａは、第１ロータ２２の左側（第１磁極側）の部分とステータ２３の左側（第１電機子磁極側）の部分との間に配置され、第２コア２４ｂは、第１ロータ２２の右側（第２磁極側）の部分とステータ２３の右側（第２電機子磁極側）の部分との間に配置されている。さらに、第２コア２４ｂは、第１コア２４ａに対して周方向に互い違いに並んでおり、その中心が、第１コア２４ａの中心に対して、前述した所定角度θの１／２、ずれている。
【００６３】
また、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂは、ドーナツ板状のフランジ２４ｃの外端部に、軸線方向に若干延びる棒状の連結部２４ｄ，２４ｅをそれぞれ介して取り付けられている。フランジ２４ｃは、前述した回転軸２１に一体に同心状に設けられている。この構成により、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂは、回転軸２１と一体に回転自在である。また、回転軸２１は、中空に形成されており、その内側には、クランクジャーナル５ａが同心状に回転自在に嵌合している。
【００６４】
以上の構成の回転機２０では、図３に示すように、第１および第２の回転磁界の発生中、各第１電機子磁極の極性が、それに対向する（最も近い）各第１磁極の極性と異なるときには、各第２電機子磁極の極性は、それに対向する（最も近い）各第２磁極の極性と同じになる。また、各第１磁極と各第１電機子磁極の間に、各第１コア２４ａが位置しているときには、各第２コア２４ｂが、周方向に隣り合う各２組の第２電機子磁極および第２磁極の間に位置する。さらに、図示しないが、第１および第２の回転磁界の発生中、各第２電機子磁極の極性が、それに対向する（最も近い）各第２磁極の極性と異なるときには、各第１電機子磁極の極性は、それに対向する（最も近い）各第１磁極の極性と同じになる。また、各第２磁極と各第２電機子磁極の間に、各第２コア２４ｂが位置しているときには、各第１コア２４ａが、周方向に隣り合う各２組の第１電機子磁極および第１磁極の間に位置する。
【００６５】
また、回転機２０は、２部材で回転動力を入出力するとともに、１部材で電力を入出力する遊星歯車装置とみなすことができる。以下、この点に関し、回転機２０の動作に基づいて説明する。上述した図３では、展開図として示したために、電機子２３ａおよび固定部２３ｅが２つに分かれているように示されているものの、これらは実際には１つのものであるので、図３の構成を、それと等価のものとして図４のように示すことができる。このため、以下、回転機２０の動作を、永久磁石２２ａ、電機子２３ａ、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが、図４に示すように配置されているものとして説明する。
【００６６】
また、この動作説明を、説明の便宜上、第１および第２の回転磁界の動きを、それと等価の、永久磁石２２ａと同数の２ｎ個の仮想の永久磁石（以下「仮想磁石」という）ＶＭの物理的な動きに置き換えて説明するものとする。また、仮想磁石ＶＭの左側（第１磁極側）および右側（第２磁極側）の磁極をそれぞれ、第１および第２の電機子磁極として、第１ロータ２２の左側（第１磁極側）の部分との間および右側（第２磁極側）の部分との間にそれぞれ発生する回転磁界を、第１および第２の回転磁界として、説明するものとする。さらに、以下、永久磁石２２ａの左側の部分および右側の部分をそれぞれ、「第１磁石部」および「第２磁石部」という。
【００６７】
まず、回転機２０の動作として、第１ロータ２２を回転不能にした状態で、電機子２３ａへの電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作について説明する。
【００６８】
図５（ａ）に示すように、各第１コア２４ａが各第１磁石部に対向するとともに、各第２コア２４ｂが隣り合う各２つの第２磁石部の間に位置した状態から、第１および第２の回転磁界を、同図の下方に回転させるように発生させる。その発生の開始時においては、各第１電機子磁極の極性を、それに対向する各第１磁極の極性と異ならせるとともに、各第２電機子磁極の極性をそれに対向する各第２磁極の極性と同じにする。
【００６９】
第１コア２４ａは、前述したように配置されているので、第１磁極および第１電機子磁極によって磁化されるとともに、第１磁極、第１コア２４ａおよび第１電機子磁極の間に、磁力線（以下「第１磁力線」という）Ｇ１が発生する。同様に、第２コア２４ｂは、前述したように配置されているので、第２電機子磁極および第２磁極によって磁化されるとともに、第２電機子磁極、第２コア２４ｂおよび第２磁極の間に、磁力線（以下「第２磁力線」という）Ｇ２が発生する。
【００７０】
図５（ａ）に示す状態では、第１磁力線Ｇ１は、第１磁極、第１コア２４ａおよび第１電機子磁極を結ぶように発生し、第２磁力線Ｇ２は、周方向に隣り合う各２つの第２電機子磁極と両者の間に位置する第２コア２４ｂを結ぶように、また、周方向に隣り合う各２つの第２磁極と両者の間に位置する第２コア２４ｂを結ぶように発生する。その結果、この状態では、図７（ａ）に示すような磁気回路が構成される。この状態では、第１磁力線Ｇ１が直線状であることにより、第１コア２４ａには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。また、周方向に隣り合う各２つの第２電機子磁極と第２コア２４ｂの間の２つの第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いおよび総磁束量が互いに等しく、同様に、周方向に隣り合う各２つの第２磁極と第２コア２４ｂの間の２つの第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いおよび総磁束量も、互いに等しく、バランスしている。このため、第２コア２４ｂにも、周方向に回転させるような磁力は作用しない。
【００７１】
そして、仮想磁石ＶＭが図５（ａ）に示す位置から図５（ｂ）に示す位置に回転すると、第２電機子磁極、第２コア２４ｂおよび第２磁極を結ぶような第２磁力線Ｇ２が発生するとともに、第１コア２４ａと第１電機子磁極の間の第１磁力線Ｇ１が、曲がった状態になる。また、これに伴い、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２によって、図７（ｂ）に示すような磁気回路が構成される。
【００７２】
この状態では、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いは小さいものの、その総磁束量が多いため、比較的強い磁力が第１コア２４ａに作用する。これにより、第１コア２４ａは、仮想磁石ＶＭの回転方向、すなわち第１および第２の回転磁界の回転方向（以下、「磁界回転方向」という）に、比較的大きな駆動力で駆動され、その結果、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。また、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いは大きいものの、その総磁束量が少ないため、比較的弱い磁力が第２コア２４ｂに作用し、それにより、第２コア２４ｂは、磁界回転方向に比較的小さな駆動力で駆動され、その結果、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。
【００７３】
次いで、仮想磁石ＶＭが、図５（ｂ）に示す位置から、図５（ｃ），（ｄ）および図６（ａ），（ｂ）に示す位置に順に回転すると、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂはそれぞれ、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力によって磁界回転方向に駆動され、その結果、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。その間、第１コア２４ａに作用する磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが大きくなるものの、その総磁束量が少なくなることによって、徐々に弱くなり、第１コア２４ａを磁界回転方向に駆動する駆動力が、徐々に小さくなる。また、第２コア２４ｂに作用する磁力は、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いが小さくなるものの、その総磁束量が多くなることによって、徐々に強くなり、第２コア２４ｂを磁界回転方向に駆動する駆動力が、徐々に大きくなる。
【００７４】
そして、仮想磁石ＶＭが図６（ｂ）に示す位置から図６（ｃ）に示す位置に回転する間、第２磁力線Ｇ２が曲がった状態になるとともに、その総磁束量が最多に近い状態になり、その結果、最強の磁力が第２コア２４ｂに作用し、第２コア２４ｂに作用する駆動力が最大になる。その後、図６（ｃ）に示すように、仮想磁石ＶＭが第１および第２の磁石部に対向する位置に移動すると、互いに対向する第１電機子磁極および第１磁極が互いに同一極性になり、第１コア２４ａが、周方向に隣り合う２組の同一極性の第１電機子磁極および第１磁極の間に位置するようになる。この状態では、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが大きいものの、その総磁束量が少ないことによって、第１コア２４ａには、磁界回転方向に回転させるような磁力が作用しない。また、互いに対向する第２電機子磁極および第２磁極が互いに異なる極性になる。
【００７５】
この状態から、仮想磁石ＶＭがさらに回転すると、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力によって、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが磁界回転方向に駆動され、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。その際、仮想磁石ＶＭが図５（ａ）に示す位置まで回転する間、以上とは逆に、第１コア２４ａに作用する磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合が小さくなるものの、その総磁束量が多くなることによって強くなり、第１コア２４ａに作用する駆動力が大きくなる。逆に、第２コア２４ｂに作用する磁力は、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合が大きくなるものの、その総磁束量が少なくなることによって弱くなり、第２コア２４ｂに作用する駆動力が小さくなる。
【００７６】
以上のように、仮想磁石ＶＭの回転、すなわち第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂにそれぞれ作用する駆動力が、交互に大きくなったり、小さくなったりする状態を繰り返しながら、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。この場合、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂを介して伝達されるトルクをＴ２４ａ，Ｔ２４ｂとすると、第２ロータ２４に伝達されるトルク（以下「第２ロータ伝達トルク」という）ＴＲ２と、これら２つのトルクＴ２４ａ，Ｔ２４ｂとの関係は、概ね図８に示すものになる。同図に示すように、２つのトルクＴ２４ａ，Ｔ２４ｂは、同じ周期でほぼ正弦波状に変化するとともに、位相が半周期分、互いにずれている。また、第２ロータ２４には第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが連結されているため、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、上記のように変化する２つのトルクＴ２４ａ，Ｔ２４ｂを足し合わせたものとなり、ほぼ一定になる。
【００７７】
また、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力の作用によって、第１コア２４ａが、第１磁力線Ｇ１で結ばれた第１磁極と第１電機子磁極の中間に位置し、かつ、第２コア２４ｂが、第２磁力線Ｇ２で結ばれた第２磁極と第２電機子磁極の中間に位置した状態を保ちながら、第２ロータ２４が回転する。このため、第１および第２の回転磁界の回転速度（以下「磁界回転速度」という）Ｖ０と、第１ロータ２２の回転速度（以下「第１ロータ回転速度」という）ＶＲ１と、第２ロータ２４の回転速度（以下「第２ロータ回転速度」という）ＶＲ２との間には一般に、次式（１）が成立する。
ＶＲ２＝（Ｖ０＋ＶＲ１）／２                                    ……（１）
また、この式（１）を変形すると、次式（２）が得られる。
Ｖ０−ＶＲ２＝ＶＲ２−ＶＲ１                                    ……（２）
これらの式（１）および（２）から明らかなように、第２ロータ回転速度ＶＲ２は、磁界回転速度Ｖ０と第１ロータ回転速度ＶＲ１との平均速度に等しく、換言すれば、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差は、第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差に等しい。このように、磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２は、共線関係にある。
【００７８】
したがって、上述した第１ロータ回転速度ＶＲ１が値０のときには、ＶＲ２＝Ｖ０／２が成立し、このときの磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の関係は、例えば、図９（ａ）のように示される。
【００７９】
また、この場合、第２ロータ回転速度ＶＲ２が、磁界回転速度Ｖ０の１／２に減速されるので、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、ステータ２３への供給電力および磁界回転速度Ｖ０と等価のトルクを駆動用等価トルクＴＳＥとすると、この駆動用等価トルクＴＳＥの２倍になる。すなわち、次式（３）が成立する。
ＴＲ２＝ＴＳＥ・２                                              ……（３）
以上のように、第１ロータ２２を回転不能にした状態でステータ２３に電力を供給した場合には、この電力はすべて、第２ロータ２４に動力として伝達される。
【００８０】
次に、第２ロータ２４を回転不能にした状態で、電機子２３ａへの電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作について説明する。
【００８１】
この場合にも、図１１（ａ）に示すように、各第１コア２４ａが各第１磁石部に対向するとともに、各第２コア２４ｂが隣り合う各２つの第２磁石部の間に位置した状態から、第１および第２の回転磁界を同図の下方に回転させるように発生させる。その発生の開始時においては、各第１電機子磁極の極性を、それに対向する各第１磁極の極性と異ならせるとともに、各第２電機子磁極の極性をそれに対向する各第２磁極の極性と同じにする。この状態では、前述した図７（ａ）に示すような磁気回路が構成される。
【００８２】
そして、仮想磁石ＶＭが、図１１（ａ）に示す位置から図１１（ｂ）に示す位置に回転すると、第１コア２４ａと第１電機子磁極の間の第１磁力線Ｇ１が曲がった状態になるのに伴い、第２電機子磁極が第２コア２４ｂに近づくことによって、第２電機子磁極、第２コア２４ｂおよび第２磁極を結ぶような第２磁力線Ｇ２が発生する。その結果、前述した図７（ｂ）に示すような磁気回路が構成される。
【００８３】
この状態では、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１の総磁束量は多いものの、この第１磁力線Ｇ１がまっすぐであるため、第１コア２４ａに対して第１磁石部を回転させるような磁力が発生しない。また、第２磁極およびこれと異なる極性の第２電機子磁極の間の距離が比較的長いことにより、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の総磁束量は比較的少ないものの、その曲がり度合いが大きいことによって、第２磁石部に、これを第２コア２４ｂに近づけるような磁力が作用する。これにより、永久磁石２２ａは、仮想磁石ＶＭの回転方向、すなわち磁界回転方向と逆方向（図１１の上方）に駆動され、図１１（ｃ）に示す位置に向かって回転する。これに伴い、第１ロータ２２が磁界回転方向と逆方向に回転する。
【００８４】
そして、永久磁石２２ａが図１１（ｂ）に示す位置から図１１（ｃ）に示す位置に向かって回転する間、仮想磁石ＶＭは、図１１（ｄ）に示す位置に向かって回転する。以上のように、第２磁石部が第２コア２４ｂに近づくことにより、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いは小さくなるものの、仮想磁石ＶＭが第２コア２４ｂにさらに近づくのに伴い、第２磁力線Ｇ２の総磁束量は多くなる。その結果、この場合にも、第２磁石部に、これを第２コア２４ｂ側に近づけるような磁力が作用し、それにより、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。
【００８５】
また、永久磁石２２ａが磁界回転方向と逆方向に回転するのに伴い、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１が曲がることによって、第１磁石部に、これを第１コア２４ａに近づけるような磁力が作用する。しかし、この状態では、第１磁力線Ｇ１による磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが第２磁力線Ｇ２よりも小さいことによって、上述した第２磁力線Ｇ２による磁力よりも弱い。その結果、両磁力の差分に相当する磁力によって、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。
【００８６】
そして、図１１（ｄ）に示すように、第１磁極と第１コア２４ａの間の距離と、第２コア２４ｂと第２磁極の間の距離が互いにほぼ等しくなったときには、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１の総磁束量および曲がり度合いが、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の総磁束量および曲がり度合いとそれぞれほぼ等しくなる。その結果、これらの第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力が互いにほぼ釣り合うことによって、永久磁石２２ａが一時的に駆動されない状態になる。
【００８７】
この状態から、仮想磁石ＶＭが図１２（ａ）に示す位置まで回転すると、第１磁力線Ｇ１の発生状態が変化し、図１２（ｂ）に示すような磁気回路が構成される。それにより、第１磁力線Ｇ１による磁力が、第１磁石部を第１コア２４ａに近づけるようにほとんど作用しなくなるので、永久磁石２２ａは、第２磁力線Ｇ２による磁力によって、図１２（ｃ）に示す位置まで、磁界回転方向と逆方向に駆動される。
【００８８】
そして、図１２（ｃ）に示す位置から、仮想磁石ＶＭが若干、回転すると、以上とは逆に、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力が、第１磁石部に、これを第１コア２４ａに近づけるように作用し、それにより、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動され、第１ロータ２２が磁界回転方向と逆方向に回転する。そして、仮想磁石ＶＭがさらに回転すると、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力と第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２による磁力との差分に相当する磁力によって、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。その後、第２磁力線Ｇ２による磁力が、第２磁石部を第２コア２４ｂに近づけるようにほとんど作用しなくなると、第１磁力線Ｇ１による磁力によって、永久磁石２２ａが磁界回転方向と逆方向に駆動される。
【００８９】
以上のように、第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力と、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２による磁力と、これらの磁力の差分に相当する磁力とが、永久磁石２２ａに、すなわち第１ロータ２２に交互に作用し、それにより、第１ロータ２２が磁界回転方向と逆方向に回転する。また、そのように磁力すなわち駆動力が第１ロータ２２に交互に作用することによって、第１ロータ２２に伝達されるトルク（以下「第１ロータ伝達トルク」という）ＴＲ１は、ほぼ一定になる。
【００９０】
また、このときの磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の関係は、式（１）において、ＶＲ２＝０とすることにより、ＶＲ１＝−Ｖ０で表され、例えば、図９（ｂ）のように示される。このように、第１ロータ２２は、第１および第２の回転磁界と同じ速度で逆方向に回転する。さらに、この場合、第１ロータ伝達トルクＴＲ１は、駆動用等価トルクＴＳＥと等しくなり、次式（４）が成立する。
ＴＲ１＝ＴＳＥ                                                  ……（４）
【００９１】
また、磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２がいずれも値０でない場合、例えば、第１ロータ２２を動力により回転させた状態で、第１および第２の回転磁界を発生させた場合には、磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の間に、前述した一般式（１）がそのまま成立し、三者間の速度関係は、例えば、図１０（ａ）のように示される。この場合、第１ロータ伝達トルクＴＲ１と駆動用等価トルクＴＳＥが、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力すなわち磁気回路を介して、合成され、第２ロータ２４に伝達される。すなわち、次式（５）が成立する。
ＴＲ２＝ＴＳＥ＋ＴＲ１                                          ……（５）
ただし、この場合、前記式（２）に示すように、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差、および第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差が、互いに等しいため、駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１のトルク合成比は、１：１である。したがって、ステータ２３への電力の供給に伴い、ステータ２３から第２ロータ２４に伝達される動力（以下「電力変換動力」という）と、第１ロータ２２から第２ロータ２４に伝達される動力との合成比は、磁界回転速度Ｖ０と第１ロータ回転速度ＶＲ１との比に等しい。
【００９２】
さらに、第２ロータ２４を動力により回転させるとともに、ステータ２３の三相コイル２３ｃを、相間短絡により互いに接続した場合には、第２ロータ２４の回転に伴って発生する第１および第２の回転磁界の磁界回転速度Ｖ０がほぼ値０になり、その結果、第２ロータ２４に入力された動力（エネルギ）は、ステータ２３には伝達されず、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力すなわち磁気回路を介して、第１ロータ２２にすべて伝達される。同様に、第１ロータ２２を動力により回転させるとともに、磁界回転速度Ｖ０を値０に制御した場合には、第１ロータ２２に入力された動力（エネルギ）は、ステータ２３には伝達されず、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力を介して第２ロータ２４にすべて伝達される。
【００９３】
また、このときの磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の関係は、式（１）において、Ｖ０＝０とすることによって、ＶＲ１＝２・ＶＲ２で表され、例えば、図１０（ｂ）のように示される。また、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の間に、次式（６）が成立する。
ＴＲ１＝ＴＲ２／２                                              ……（６）
【００９４】
さらに、回転機２０では、ステータ２３への電力供給が行われていない場合でも、電機子２３ａに対して、第１ロータ２２への動力の入力により永久磁石２２ａが回転したり、第２ロータ２４への動力の入力により第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが回転したときには、電機子２３ａにおいて、誘導起電力が発生し、発電が行われる。この発電に伴って、第１および第２の回転磁界が発生した場合にも、前記式（１）および（２）が成立するとともに、前記式（３）〜（５）で表されるようなトルクの関係が成立する。
【００９５】
このため、例えば、第２ロータ２４に動力を入力するとともに、この動力の一部を用いてステータ２３で発電を行った場合において、第１ロータ２２、第２ロータ２４、第１および第２の回転磁界の回転方向が互いに同じであるときには、ステータ２３で発電される電力および磁界回転速度Ｖ０と等価のトルクを発電用等価トルクＴＧＥとすると、この発電用等価トルクＴＧＥと、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２との間に、次式（７）が成立する。
ＴＲ２＝ＴＧＥ＋ＴＲ１                                          ……（７）
この場合、この式（７）から明らかなように、第２ロータ伝達トルクＴＲ２が分割され、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力を介して、発電用等価トルクＴＧＥおよび第１ロータ伝達トルクＴＲ１として出力される。また、前記式（２）に示すように、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差、および第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差が、互いに等しいため、この場合のトルク分配比は１：１である。したがって、エネルギ（電力・動力）の分配比は、磁界回転速度Ｖ０と第１ロータ回転速度ＶＲ１との比に等しい。
【００９６】
上述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間における式（１）や図９などで表されるような回転速度の関係、および、式（３）〜（７）で表されるようなトルクの関係は、遊星歯車装置のサンギヤおよびリングギヤの一方、他方、およびプラネタリギヤを支持するキャリアの回転速度の関係およびトルクの関係に、それぞれ相当する。さらに、そのような回転速度およびトルクの関係が、ステータ２３への電力供給時だけでなく、発電時にも同様に得られることから、回転機２０は、２部材で回転動力を入出力するとともに、１部材で電力を入出力する遊星歯車装置とみなすことができる。また、上述したように、この場合のステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間でのエネルギの入出力は、遊星歯車装置と異なり、歯車ではなく、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力、すなわち、磁気回路を介した非接触による、いわゆる磁気パスによって行われる。
【００９７】
また、ステータ２３に対する第１および第２のロータ２２，２４の回転角度位置はそれぞれ、第１角度位置センサ４１および第２角度位置センサ４２によって検出され、それらの検出信号は、ＥＣＵ３１に出力される。ＥＣＵ３１は、これらの検出信号に基づき、ＰＤＵ３２を制御することによって、ステータ２３に供給される電力と、ステータ２３で発電される電力と、これらの電力供給および発電に伴って発生した第１および第２の回転磁界の磁界回転速度Ｖ０などを制御する。また、ＥＣＵ３１は、検出された第１および第２のロータ２２，２４の回転角度位置に基づき、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２をそれぞれ算出する。
【００９８】
前述した増速機構６は、第１スプロケット７および第２スプロケット８と、これらの第１および第２のスプロケット７，８に巻きかけられたチェーン９を有している。第１スプロケット７の歯数は、第２スプロケット８よりも大きく、それにより、第１スプロケット７に入力された動力は、増速された状態で第２スプロケット８に伝達される。また、第１スプロケット７は、回転機２０の回転軸２１に同心状に固定されており、それにより、回転軸２１と一体に回転自在である。
【００９９】
変速装置１０は、遊星歯車装置などで構成された、いわゆる内装式のものであり、入力軸１０ａおよび出力軸１０ｂを有するとともに、３つの変速段を有している。入力軸１０ａに入力された動力は、これらの３つの変速段の１つの変速比で変速された後、出力軸１０ｂに出力される。これらの入力軸１０ａおよび出力軸１０ｂはそれぞれ、第２スプロケット８および後輪２に同心状に固定されており、それにより、第２スプロケット８および後輪２と一体に回転自在である。また、変速装置１０の変速段は、運転者によるレバー（図示せず）の操作に応じて切り換えられるとともに、ギヤ位置センサ４３によって検出され、その検出信号はＥＣＵ３１に出力される。
【０１００】
以上の構成により、回転機２０の第２ロータ２４は、回転軸２１、増速機構６および変速装置１０を介して、後輪２に連結されている。また、前述したように、第１ロータ２２は、ペダル機構３のクランク軸５に直結されている。
【０１０１】
次に、電動アシスト自転車１の動作について説明する。まず、回転機２０によるアシストを行わずに、ペダル４に入力された運転者の踏力のみを動力源として、電動アシスト自転車１を走行させる場合の動作について説明する。以下、このような電動アシスト自転車１の走行を、「ペダル走行」という。
【０１０２】
ペダル走行中、ステータ２３の三相コイル２３ｃは、相間短絡により互いに接続される。これにより、クランク軸５で回転動力に変換された状態で第１ロータ２２に入力された運転者の踏力は、図１０（ｂ）や式（６）を用いて説明したように、磁気回路を介して第２ロータ２４にすべて伝達される。第２ロータ２４に伝達された動力は、増速機構６および変速装置１０を介して、後輪２に伝達され、その結果、自転車が走行する。
【０１０３】
次に、回転機２０によるアシスト中の動作について説明する。アシスト中には、ステータ２３にバッテリ３３の電力を供給するとともに、第１および第２の回転磁界を第２ロータ２４の回転方向に回転させる。これにより、回転動力として第１ロータ２２に伝達された運転者の踏力は、式（５）を用いて説明したように、ステータ２３に供給された電力を動力に変換した電力変換動力と合成された後、第２ロータ２４に伝達され、さらに、後輪２に伝達される。
【０１０４】
このアシスト中、図１３に中抜きの矢印で示すように、第１ロータ回転速度ＶＲ１に対して、磁界回転速度Ｖ０を低下させることによって、第２ロータ回転速度ＶＲ２を無段階に低下させることができ、ひいては、第１ロータ２２が直結されたクランク軸５に対して、第２ロータ２４が連結された後輪２の回転速度を無段階に低下させることができる。逆に、第１ロータ回転速度ＶＲ１に対して、磁界回転速度Ｖ０を上昇させることによって、第２ロータ回転速度ＶＲ２を無段階に上昇させることができ、ひいては、クランク軸５に対して、後輪２の回転速度を無段階に上昇させることができる。
【０１０５】
また、式（５）を用いて説明したように、ステータ２３からの駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１とのトルク合成比は、１：１である。さらに、前述したように、ステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間には、遊星歯車装置と同様のエネルギの入出力関係が成立する。これらのことから、第１ロータ２２に一定の踏力が入力されていると仮定した場合において、この踏力よりも大きな駆動用等価トルクＴＳＥが発生するように、ステータ２３に電力を供給したときには、第１ロータ回転速度ＶＲ１が低下する。一方、踏力よりも小さな駆動用等価トルクＴＳＥが発生するように、ステータ２３に電力を供給したときには、第１ロータ回転速度ＶＲ１が上昇する。このため、アシスト中、ステータ２３に供給される電力は、第１ロータ回転速度ＶＲ１がそのときの値に保持されるように制御される。これにより、駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１とのトルク合成比を、１：１に制御することができる。このように、駆動用等価トルクＴＳＥの制御を、第１ロータ伝達トルクＴＲ１が既知でなくても行えるので、それを検出するためのトルクセンサは不要である。
【０１０６】
次に、電動アシスト自転車１の空走時、すなわち、ペダル機構３に踏力が入力されておらず、クランク軸５が回転していない状態で、電動アシスト自転車１が惰性で走行しているときの動作について説明する。空走中には、ステータ２３に電力を供給するとともに、第１および第２の回転磁界を第２ロータ２４の回転方向に回転させる。さらに、そのときの第２ロータ回転速度ＶＲ２に対して、磁界回転速度Ｖ０を、第１ロータ回転速度ＶＲ１が値０になるように制御する。この場合の磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の三者の関係は、前述した図９と同じなる。この場合、第１および第２の回転磁界による回転抵抗や、第１ロータ２２およびペダル機構３のフリクションが第２ロータ２４を介して後輪２に作用するのを防止するために、ステータ２３には、これらの回転抵抗やフリクションに相当する電力が供給される。以下、空走中に上述したように行われる、第１および第２の回転磁界による回転抵抗や第１ロータ２２のフリクションが第２ロータ２４に作用するのを防止するための回転機２０の制御を「ゼロトルク制御」という。
【０１０７】
以上のように、本実施形態によれば、第１および第２のロータ２２，２４が、クランク軸５および後輪２にそれぞれ連結されているので、回転機２０によって運転者の踏力をアシストすることができる。また、第１および第２のロータ２２，２４とクランク軸５および後輪２の間の連結が、踏力および電力変換動力を合成するための差動装置を用いることなく行われており、アシスト中、後輪２への踏力および電力変換動力の伝達がいずれも、磁気回路を介した非接触による、いわゆる磁気パスによって行われる。したがって、前述した差動装置を用いる従来の場合と比較して、電動アシスト自転車１の効率を高めることができるとともに、電動アシスト自転車１の構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。さらに、図１３を用いて説明したように、後輪２の回転速度をクランク軸５に対して、変速装置１０を用いずにかつ無段階に、上昇および低下させることができる。
【０１０８】
また、ペダル走行中、ステータ２３において相間短絡を行うことによって、第１ロータ２２に入力された踏力が、磁気回路を介して第２ロータ２４にすべて伝達され、さらに、後輪２に伝達される。このように、回転機２０に電力を供給することなく、踏力のみによって後輪２を駆動することができる。さらに、ペダル走行中にも、アシスト中と同様、後輪２への踏力の伝達が、磁気回路を介した磁気パスによって行われるので、電動アシスト自転車１の効率を高めることができる。また、ペダル走行中、磁界回転速度Ｖ０がほぼ値０に制御されるので、第１および第２の回転磁界の発生に伴って第２ロータ２４に作用する回転抵抗が極めて小さく、したがって、電動アシスト自転車１の効率をさらに高めることができる。
【０１０９】
さらに、空走中、第１ロータ回転速度ＶＲ１が値０になるように磁界回転速度Ｖ０を制御するので、クランク軸５を停止状態に保持できるとともに、ゼロトルク制御を行うので、空走による走行距離を延ばすことができる。また、電動アシスト自転車１では、クランク軸５と後輪２の間を接続・遮断するワンウェイクラッチが省略されており、したがって、電動アシスト自転車１の構成のさらなる単純化、小型化および軽量化と、コストの削減を図ることができる。
【０１１０】
また、クランク軸５に第１ロータ２２が直結されていることから、第１ロータ回転速度ＶＲ１はクランク軸５の回転速度と等しいので、クランク軸５の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。さらに、第２ロータ２４が、増速機構６および変速装置１０を介して後輪２に連結されていることから、第２ロータ回転速度ＶＲ２と、増速機構６の所定の増速比と、ギヤ位置センサ４３で検出された変速装置１０の変速段に応じて、後輪２の回転速度を算出できるので、後輪２の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。また、回転機２０が電動アシスト自転車１の中央の下端部に設けられ、ペダル機構３と一体に設けられているので、電動アシスト自転車１の良好な重量バランスを得ることができる。
【０１１１】
次に、図１４を参照しながら、本発明の第２実施形態による電動アシスト自転車１Ａについて説明する。この電動アシスト自転車１Ａは、第１実施形態と比較して、第１ワンウェイクラッチＣ１をさらに備える点のみが異なっている。図１４において、第１実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。このことは、後述する他の実施形態についても同様である。なお、本実施形態では、第１ワンウェイクラッチＣ１が、請求項２の発明におけるクラッチおよび請求項３の発明におけるワンウェイクラッチに相当する。
【０１１２】
この第１ワンウェイクラッチＣ１は、変速装置１０の出力軸１０ｂに直結された入力部Ｃ１ａと、後輪２に直結された出力部Ｃ１ｂを有しており、電動アシスト自転車１Ａの走行中、出力軸１０ｂと後輪２の間、すなわち第２ロータ２４と後輪２の間を、出力部Ｃ１ｂの回転速度が入力部Ｃ１ａの回転速度よりも高いときには遮断し、それ以外のときには接続する。
【０１１３】
この電動アシスト自転車１Ａでは、ペダル走行中およびアシスト中の動作が、第１実施形態と同様にして行われる。これにより、ペダル走行中およびアシスト中、運転者の踏力が、第１および第２のロータ２２，２４を介して、変速装置１０の出力軸１０ｂに伝達される。この場合、後輪２は、踏力が伝達されることによって初めて駆動されるので、後輪２が連結された第１ワンウェイクラッチＣ１の出力部Ｃ１ｂの回転速度は、出力軸１０ｂが連結された入力部Ｃ１ａの回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中およびアシスト中、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、出力軸１０ｂと後輪２の間が接続状態に保持されるので、出力軸１０ｂに伝達された動力は、後輪２に伝達される。
【０１１４】
空走中の動作は、第１実施形態と異なっている。具体的には、空走中、踏力がクランク軸５に入力されないことと、第１および第２の回転磁界による回転抵抗や第１ロータ２２のフリクションなどが、第１ワンウェイクラッチＣ１の入力部Ｃ１ａに作用することによって、入力部Ｃ１ａの回転速度が低下し、それに伴い、後輪２とともに回転する出力部Ｃ１ｂの回転速度が、入力部Ｃ１ａの回転速度よりも高くなる。その結果、空走中、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、出力軸１０ｂと後輪２の間、すなわち、ペダル機構３、回転機２０、増速機構６および変速装置１０と、後輪２との間が遮断される。
【０１１５】
これにより、本実施形態によれば、空走中、クランク軸５を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構３、回転機２０、増速機構６および変速装置１０のフリクションが後輪２に作用するのを完全に防止できるので、空走による走行距離を延ばすことができる。また、第１実施形態と異なり、前述したゼロトルク制御は行われず、その分、バッテリ３３の電力を確保でき、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【０１１６】
さらに、油圧式などのクラッチではなく、第１ワンウェイクラッチＣ１を用いるので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車１Ａの構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができるとともに、電動アシスト自転車１Ａのコストを削減することができる。
【０１１７】
なお、本実施形態では、第２ロータ２４と後輪２の間を遮断するための第１ワンウェイクラッチＣ１が設けられているので、ワンウェイクラッチの省略による構成の単純化やコストの削減などを図れるという効果は得られないものの、その他の第１実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ａの高効率化などの効果については、同様に得ることができる。
【０１１８】
また、本実施形態では、第１ワンウェイクラッチＣ１を変速装置１０の出力軸１０ｂと後輪２の間に設けているが、第２ロータ２４と後輪２の間を接続・遮断できるのであれば、他の適当な位置、例えば、第２スプロケット８と変速装置１０の入力軸１０ａとの間や、第２ロータ２４と回転軸２１の間、回転軸２１と第１スプロケット７の間に設けてもよい。
【０１１９】
次に、図１５を参照しながら、本発明の第３実施形態による電動アシスト自転車１Ｂについて説明する。この電動アシスト自転車１Ｂは、第２実施形態と比較して、第２ワンウェイクラッチＣ２とトルクセンサ４４をさらに備える点のみが異なっている。第２ワンウェイクラッチＣ２は、第１ロータ２２に直結された入力部Ｃ２ａと、第２ロータ２４に直結された出力部Ｃ２ｂを有しており、電動アシスト自転車１Ｂの走行中、出力部Ｃ２ｂの回転速度すなわち第２ロータ回転速度ＶＲ２が、入力部Ｃ２ａの回転速度すなわち第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高いときには、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を遮断し、それ以外のときには接続する。トルクセンサ４４は、第１ロータ伝達トルクＴＲ１を検出し、その検出信号をＥＣＵ３１に出力する。
【０１２０】
なお、本実施形態では、第２ワンウェイクラッチＣ２が、請求項４の発明におけるクラッチおよび請求項５の発明におけるワンウェイクラッチに相当する。また、本実施形態では、クランク軸５および第１ロータ２２が、請求項４の発明における第１動力伝達系に相当し、第２ロータ２４、増速機構６、変速装置１０、および後輪２が、請求項４の発明における第２動力伝達系に相当する。
【０１２１】
この電動アシスト自転車１Ｂでは、ペダル走行中およびアシスト中における動作のみが第２実施形態と異なっており、空走中の動作については、第２実施形態と同様にして行われる。まず、ペダル走行中の動作について説明する。すなわち、ペダル走行中、第２ロータ２４は、第１ロータ２２から運転者の踏力が伝達されることによって初めて駆動されることから、第２ロータ回転速度ＶＲ２は、第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、第１および第２のロータ２２、２４の間が接続状態に保持されるので、第１ロータ２２に伝達された踏力は、第２ロータ２４に伝達され、さらに、変速装置１０の出力軸１０ｂに伝達される。また、第２実施形態と同様、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、出力軸１０ｂと後輪２の間が接続状態に保持され、それにより、出力軸１０ｂに伝達された動力は、後輪２に伝達される。このため、本実施形態では、ペダル走行中、第１および第２の実施形態と異なり、ステータ２３において相間短絡は行われない。
【０１２２】
また、アシスト中にも、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くならない限り、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続状態に保持される。このように第１および第２のロータ２２，２４が一体である場合、第１ロータ２２に伝達された踏力と比較して、ステータ２３からの駆動用等価トルクＴＳＥが小さくても、第１実施形態で述べたように第１ロータ回転速度ＶＲ１は上昇しない。このため、本実施形態では、アシスト中、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くないために、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続されている状態では、トルクセンサ４４で検出した第１ロータ伝達トルクＴＲ１に基づき、ステータ２３に供給する電力を制御し、それにより、駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１との比が、１：１に制御される。
【０１２３】
以上のように、本実施形態によれば、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続状態に保持される。したがって、例えばステータ２３の故障によって、ステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間で磁気回路が形成されなくなった場合でも、運転者の踏力を、第１および第２のロータ２２，２４を介して後輪２に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。同じ理由により、第１実施形態で述べたステータ２３の相間短絡を行うことなく、踏力を後輪２に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【０１２４】
また、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くなったときに、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間が遮断される。したがって、図１３を用いて説明したように、アシスト中、後輪２の回転速度をクランク軸５に対して、変速装置１０を用いずに無段階に上昇させる場合に、そのような後輪２の増速を支障なく行うことができる。
【０１２５】
さらに、油圧式などのクラッチではなく、第２ワンウェイクラッチＣ２を用いるので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車１Ｂの構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができるとともに、電動アシスト自転車１Ｂのコストを削減することができる。
【０１２６】
なお、本実施形態では、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続状態に保持されるので、第１および第２のロータ２２，２４の回転に伴って発生する第１および第２の回転磁界による回転抵抗が、第２ロータ２４を介して後輪２に作用する。その分、ペダル走行中、第１および第２の実施形態と比較して、電動アシスト自転車１Ｂの効率が低下する。この場合、この回転抵抗分の電力をステータ２３に供給し、それにより発生する第１および第２の回転磁界を第２ロータ２４の回転方向に回転させるとともに、磁界回転速度Ｖ０を第２ロータ回転速度ＶＲ２と等しくなるように制御することによって、第１および第２の回転磁界による回転抵抗が後輪２に作用することがなくなり、電動アシスト自転車１Ｂの高い効率を確保できる。また、本実施形態によれば、図１３を用いて説明したアシスト中における後輪２の減速制御は行えないものの、その他の第２実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ｂの高効率化などの効果については、同様に得ることができる。
【０１２７】
なお、本実施形態では、第２ワンウェイクラッチＣ２を、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間に設けているが、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高いときに、第１および第２のロータ２２，２４の間を遮断できるのであれば、他の適当な位置に設けてもよい。例えば、クランク軸５と、第２ロータ２４、回転軸２１および第１スプロケット７の１つとの間や、第１ロータ２２と、回転軸２１および第１スプロケット７の一方との間に設けてもよい。
【０１２８】
また、本実施形態において、第１ワンウェイクラッチＣ１を省略してもよく、その場合には、第２ワンウェイクラッチＣ２を、互いに連結されたクランク軸５および第１ロータ２２を含む動力伝達系と、互いに連結された第２ロータ２４、回転軸２１、増速機構６、変速装置１０および後輪２を含む動力伝達系との間を接続・遮断することが可能な任意の位置に設けてもよい。さらに、この場合において、クランク軸５と後輪２の間を連結する経路を増速機構６および変速装置１０と並列に設けるとともに、この経路に第２ワンウェイクラッチＣ２を設け、クランク軸５と後輪２の間を接続・遮断することも、本発明の範囲内である。
【０１２９】
次に、図１６を参照しながら、本発明の第４実施形態による電動アシスト自転車１Ｃについて説明する。この電動アシスト自転車１Ｃは、第１実施形態と比較して、後輪２、ペダル機構３および回転機２０の間の連結関係が主に異なっている。具体的には、ペダル機構３のクランク軸５には、第１実施形態と異なり、第１ロータ２２が直結されておらず、増速機構６の第１スプロケット７が直結されている。また、回転機２０は、第１実施形態と異なり、電動アシスト自転車１Ｃのフレームの中央の下端部には設けられておらず、フレームの後端部に設けられている。さらに、変速装置１０の出力軸１０ｂには、第１実施形態と異なり、後輪２が直結されておらず、第１ロータ２２が直結されている。また、回転機２０の回転軸２１は、第１スプロケット７ではなく、後輪２に直結されている。以上のように、第１ロータ２２は、第１実施形態と異なり、変速装置１０および増速機構６を介して、クランク軸５に連結されており、第２ロータ２４は、第１実施形態と異なり、増速機構６および変速装置１０を介さずに、後輪２に直結されている。
【０１３０】
以上の構成の電動アシスト自転車１Ｃでは、ペダル走行中、アシスト中および空走中における動作が、第１実施形態と同様にして行われる。これにより、ペダル走行中およびアシスト中、クランク軸５に伝達された踏力は、増速機構６、変速装置１０、第１および第２のロータ２２，２４を介して、後輪２に伝達される。
【０１３１】
以上により、本実施形態によれば、第１実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ｃの高効率化などの効果を、同様に得ることができる。また、第２ロータ２４が、増速機構６を用いることなく、後輪２に直結されているので、第２ロータ２４と後輪２の間に増速機構６を連結した第１実施形態の場合と比較して、クランク軸５から第１および第２のロータ２２，２４に伝達されるトルクが小さくなり、回転機２０に必要とされるトルクが小さくなることによって、回転機２０の小型化を図ることができる。
【０１３２】
さらに、第２ロータ２４が後輪２に直結されていることから、第２ロータ回転速度ＶＲ２が後輪２の回転速度に等しいので、後輪２の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。また、クランク軸５が、増速機構６および変速装置１０を介して第１ロータ２２に連結されているので、増速機構６の所定の増速比と、検出された変速装置１０の変速段と、第１ロータ回転速度ＶＲ１に基づき、クランク軸５の回転速度を算出することができ、したがって、クランク軸５の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。
【０１３３】
次に、図１７を参照しながら、本発明の第５実施形態による電動アシスト自転車１Ｄについて説明する。この電動アシスト自転車１Ｄは、第４実施形態と比較して、第３ワンウェイクラッチＣ３をさらに備える点のみが異なっている。この第３ワンウェイクラッチＣ３は、変速装置１０の出力軸１０ｂに直結された入力部Ｃ３ａと、第１ロータ２２に直結された出力部Ｃ３ｂを有しており、出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間、すなわち、クランク軸５と第１ロータ２２の間を、出力部Ｃ３ｂの回転速度が入力部Ｃ３ａの回転速度よりも高いときには遮断し、それ以外のときには接続する。なお、本実施形態では、第３ワンウェイクラッチＣ３が、請求項６の発明における第１クラッチおよび請求項７の発明における第１ワンウェイクラッチに相当する。
【０１３４】
以上の構成の電動アシスト自転車１Ｄでは、ペダル走行中およびアシスト中の動作が、第１および第４の実施形態と同様にして行われる。これにより、ペダル走行中およびアシスト中、運転者の踏力が、増速機構６を介して変速装置１０の出力軸１０ｂに伝達される。この場合、第１および第２のロータ２２，２４と後輪２は、踏力が伝達されることによって初めて駆動されるので、第１ロータ２２が連結された第３ワンウェイクラッチＣ３の出力部Ｃ３ｂの回転速度は、出力軸１０ｂが連結された入力部Ｃ３ａの回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中およびアシスト中、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間が接続状態に保持されるので、出力軸１０ｂに伝達された動力は、第１ロータ２２に伝達され、さらに、第２ロータ２４を介して後輪２に伝達される。
【０１３５】
空走中の動作、特に、ゼロトルク制御は、第１および第４の実施形態と異なっている。具体的には、空走中、第１ロータ２２が慣性により回転している状態で、クランク軸５を停止状態に保持すると、クランク軸５に連結された出力軸１０ｂも停止状態に保持され、それに伴い、第３ワンウェイクラッチＣ３の出力部Ｃ３ｂの回転速度は、入力部Ｃ３ａの回転速度よりも高くなる。その結果、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、クランク軸５と第１ロータ２２の間が遮断され、ひいては、クランク軸５と、第１ロータ２２に磁気回路を介して連結された第２ロータ２４および後輪２との間が遮断される。また、このようにクランク軸５と第１ロータ２２の間が遮断されることと、前述したようにステータ２３からの電力変換動力と第１ロータ２２からの動力との合成比が１：１であることから、ゼロトルク制御中、磁界回転速度Ｖ０は、第１および第４の実施形態と異なり、第２ロータ回転速度ＶＲ２と同じに制御される。なお、ゼロトルク制御中、ステータ２３に、第１および第２の回転磁界による回転抵抗と第１ロータ２２のフリクションに相当する電力が供給されることは、第１および第４の実施形態と同様である。
【０１３６】
以上のように、本実施形態によれば、空走中、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、クランク軸５と第１ロータ２２の間が遮断され、ひいては、クランク軸５と後輪２の間が遮断されるので、クランク軸５を停止状態に保持することができる。また、第１および第４の実施形態と同様、ゼロトルク制御によって、第１および第２の回転磁界による回転抵抗と第１ロータ２２のフリクションが、第２ロータ２２を介して後輪２に作用するのを防止できる。さらに、このゼロトルク制御中、磁界回転速度Ｖ０を第２ロータ回転速度ＶＲ２と同じに制御するので、磁界回転速度Ｖ０が第２ロータ回転速度ＶＲ２よりも高く制御される第１および第４の実施形態と比較して、ゼロトルク制御用の電力を低減でき、したがって、バッテリ３３の電力を確保でき、ひいては、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【０１３７】
また、本実施形態によれば、油圧式などのクラッチではなく、第３ワンウェイクラッチＣ３を用いるので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車１Ｄの構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができるとともに、電動アシスト自転車１Ｄのコストを削減することができる。
【０１３８】
なお、本実施形態では、第３ワンウェイクラッチＣ３が設けられているので、ワンウェイクラッチの省略による構成の単純化やコストの削減などを図れるという効果は得られないものの、その他の第４実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ｄの高効率化などの効果については、同様に得ることができる。
【０１３９】
また、本実施形態では、第３ワンウェイクラッチＣ３を変速装置１０の出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間に設けているが、クランク軸５と第１ロータ２２の間を接続・遮断できるのであれば、他の適当な位置、例えば、クランク軸５と第１スプロケット７の間や、第２スプロケット８と入力軸１０ａの間に設けてもよい。
【０１４０】
次に、図１８を参照しながら、本発明の第６実施形態による電動アシスト自転車１Ｅについて説明する。この電動アシスト自転車１Ｅは、第５実施形態と比較して、第４ワンウェイクラッチＣ４と、第３実施形態のトルクセンサ４４と、電流電圧センサ４５をさらに備える点のみが異なっている。第４ワンウェイクラッチＣ４は、第１ロータ２２に直結された入力部Ｃ４ａと、第２ロータ２４に直結された出力部Ｃ４ｂを有しており、出力部Ｃ４ｂの回転速度すなわち第２ロータ回転速度ＶＲ２が、入力部Ｃ４ａの回転速度すなわち第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高いときには、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を遮断し、それ以外のときには接続する。
【０１４１】
なお、本実施形態では、第４ワンウェイクラッチＣ４が、請求項４および５の発明におけるクラッチおよびワンウェイクラッチ、ならびに、請求項８および９の発明における第２クラッチおよび第２ワンウェイクラッチに相当する。また、クランク軸５、増速機構６、変速装置１０、および第１ロータ２２が、請求項４の発明における第１動力伝達系に相当し、第２ロータ２４および後輪２が、請求項４の発明における第２動力伝達系に相当する。
【０１４２】
電流電圧センサ４５は、バッテリ３３に入出力される電流・電圧値を検出し、その検出信号をＥＣＵ３１に出力する。ＥＣＵ３１は、この検出信号に基づいて、バッテリ３３の充電状態ＳＯＣを算出する。
【０１４３】
この電動アシスト自転車１Ｅでは、ペダル走行中の動作が次のようにして行われる。すなわち、第５実施形態と同様、ペダル走行中、第３ワンウェイクラッチＣ３が接続状態に保持され、それにより、運転者の踏力は第１ロータ２２に伝達される。また、互いに直結された第２ロータ２４および後輪２は、第１ロータ２２から動力が伝達されることによって初めて駆動されることから、第２ロータ回転速度ＶＲ２は、第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、第１および第２のロータ２２、２４の間が接続状態に保持されるので、第１ロータ２２に伝達された動力は、第２ロータ２４に伝達され、さらに、後輪２に伝達される。このため、本実施形態では、ペダル走行中、第１実施形態と異なり、ステータ２３において相間短絡は行われない。
【０１４４】
また、アシスト中にも、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くならない限り、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続状態に保持される。このため、本実施形態では、第３実施形態と同様、アシスト中、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くなく、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続されている状態では、検出された第１ロータ伝達トルクＴＲ１に基づき、ステータ２３に供給する電力を制御し、それにより、駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１との比が、１：１に制御される。
【０１４５】
さらに、空走中、充電状態ＳＯＣが所定値よりも大きく、バッテリ３３の電力が十分に残っているときには、空走中の動作は、第５実施形態と同様にして行われる。また、空走中、充電状態ＳＯＣが所定値よりも小さく、バッテリ３３の電力が十分に残っていないときには、後輪２の動力を用いて、ステータ２３において発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ３３に充電する。
【０１４６】
この発電に伴い、前述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間のエネルギの入出力関係から、第１ロータ２２を第２ロータ２４の回転方向に作用させるトルクが第１ロータ２２に作用し、その結果、第１ロータ回転速度ＶＲ１が上昇する。この場合、上昇した第１ロータ回転速度ＶＲ１が第２ロータ回転速度ＶＲ２と等しくなると、その後、発電に伴って第２ロータ２４の回転方向に回転させるトルクが第１ロータ２２に作用している限り、第１および第２のロータ２２，２４の間が第４ワンウェイクラッチＣ４によって接続され、両ロータ２２，２４が一体になる。したがって、後輪２から第１および第２のロータ２２，２４に伝達された動力を、ステータ２３に電力として適切に伝達できる。また、第５実施形態と同様、空走中、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、クランク軸５と第１ロータ２２の間が遮断されるので、上述した発電は、クランク軸５と第１ロータ２２の間を遮断した状態で行われる。
【０１４７】
以上のように、本実施形態によれば、ペダル走行中、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続状態に保持される。したがって、例えばステータ２３の故障によって、ステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間で磁気回路が形成されなくなった場合でも、第３実施形態と同様、運転者の踏力を、第１および第２のロータ２２，２４を介して後輪２に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。同じ理由により、第１実施形態で述べたステータ２３の相間短絡を行うことなく、踏力を後輪２に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【０１４８】
また、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くなったときに、クランク軸５に連結された第１ロータ２２と、後輪２に連結された第２ロータ２４との間が遮断される。したがって、第３実施形態と同様、図１３を用いて説明したように、アシスト中、後輪２の回転速度をクランク軸５に対して、変速装置１０を用いずに無段階に上昇させる場合に、そのような後輪２の増速を支障なく行うことができる。
【０１４９】
さらに、空走中、後輪２の動力を用いて、ステータ２３において発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ３３に充電するので、アシストによる走行距離を延ばすことができる。また、この発電を、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、クランク軸５と第１ロータ２２の間を遮断した状態で行えるので、ペダル機構３によるフリクションが第１ロータ２２を介して第２ロータ２４に作用するのを防止でき、したがって、より大きな電力をバッテリに３３に充電することができる。
【０１５０】
さらに、油圧式などのクラッチではなく、第４ワンウェイクラッチＣ４を用いるので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車１Ｅの構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができるとともに、電動アシスト自転車１Ｅのコストを削減することができる。
【０１５１】
なお、本実施形態では、ペダル走行中、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続状態に保持されるので、第１および第２のロータ２２，２４の回転に伴って発生する第１および第２の回転磁界による回転抵抗が、第２ロータ２４を介して後輪２に作用する。その分、ペダル走行中、第４および第５の実施形態と比較して、電動アシスト自転車１Ｂの効率が低下する。この場合、第３実施形態と同様、この回転抵抗分の電力をステータ２３に供給し、それにより発生する第１および第２の回転磁界を第２ロータ２４の回転方向に回転させるとともに、磁界回転速度Ｖ０を第２ロータ回転速度ＶＲ２と等しくなるように制御することによって、第１および第２の回転磁界による回転抵抗が作用することがなくなり、電動アシスト自転車１Ｅの高い効率を確保できる。また、本実施形態によれば、図１３を用いて説明したアシスト中における後輪２の減速制御は行えないものの、その他の第５実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ｅの高効率化などの効果については、同様に得ることができる。
【０１５２】
なお、本実施形態では、第４ワンウェイクラッチＣ４を、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間に設けているが、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高いときに、第１および第２のロータ２２，２４の間を遮断できるのであれば、他の適当な位置、例えば、第１ロータ２２と、回転軸２１および後輪２の一方との間に設けてもよい。また、本実施形態において、第３ワンウェイクラッチＣ３を省略してもよく、その場合には、第４ワンウェイクラッチＣ４を、互いに連結されたクランク軸５、増速機構６、変速装置１０および第１ロータ２２を含む動力伝達系と、互いに連結された第２ロータ２４および後輪２を含む動力伝達系との間を接続・遮断するように設けてもよい。この場合において、クランク軸５と後輪２の間を連結する経路を増速機構６および変速装置１０と並列に設けるとともに、この経路に第４ワンウェイクラッチＣ４を設け、クランク軸５と後輪２の間を接続・遮断することも、本発明の範囲内である。
【０１５３】
次に、本発明の第７実施形態による電動アシスト自転車１Ｆについて説明する。この電動アシスト自転車１Ｆでは、第６実施形態と異なり、第４ワンウェイクラッチＣ４の入力部Ｃ４ａは、第１ロータ２２ではなく、変速装置１０の出力軸１０ｂに直結されている。また、第４ワンウェイクラッチＣ４の出力部Ｃ４ｂは、後輪２に直結されており、すなわち、後輪２を介して第２ロータ２４に連結されている。第４ワンウェイクラッチＣ４は、出力部Ｃ４ｂの回転速度が入力部Ｃ４ａの回転速度よりも高いときには、出力軸１０ｂと後輪２の間、すなわちクランク軸５と、後輪２および第２ロータ２４との間を遮断し、それ以外のときには接続する。その他の要素の連結関係については、第６実施形態と同様である。
【０１５４】
なお、本実施形態では、第３ワンウェイクラッチＣ３が、請求項１０の発明における第１ワンウェイクラッチに相当し、第４ワンウェイクラッチＣ４が、請求項１０の発明における第２ワンウェイクラッチに相当する。また、第２ロータ２４および後輪２が、請求項１０の発明における動力伝達系に相当する。
【０１５５】
以上の構成の電動アシスト自転車１Ｆでは、ペダル走行中の動作が次のようにして行われる。すなわち、ペダル走行中、第２ロータ２４および後輪２は、運転者の踏力が伝達されることによって初めて駆動されることから、第２ロータ２４および後輪２に連結された第４ワンウェイクラッチＣ４の出力部Ｃ４ｂの回転速度は、変速装置１０の出力軸１０ｂに連結された入力部Ｃ４ｂの回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、出力軸１０ｂと、第２ロータ２４および後輪２との間が接続状態に保持されるので、クランク軸５に伝達された踏力は、増速機構６、変速装置１０および第４ワンウェイクラッチＣ４を介して、後輪２に伝達される。このため、本実施形態では、ペダル走行中、第１実施形態などと異なり、ステータ２３において相間短絡は行われない。
【０１５６】
また、ペダル走行中、前述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間のエネルギの入出力関係から、第２ロータ２４が後輪２とともに回転するのに伴って発生した第１および第２の回転磁界による回転抵抗が、第１ロータ２２を第２ロータ２４の回転方向に回転させるように第１ロータ２２に作用するとともに、第２ロータ２４および後輪２に負荷として作用する。さらに、第２ロータ２４には、第１ロータ２２のフリクションが負荷として作用する。これらの第１および第２の回転磁界による回転抵抗と第１ロータ２２のフリクションは、前述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間のエネルギの入出力関係から、１：１の合成比で合成された後、第２ロータ２４に伝達される。
【０１５７】
また、回転機１０では、その構成上、第１ロータ２２のフリクションよりも第１および第２の回転磁界による回転抵抗の方が大きくなっている。このため、上記のように作用する第１および第２の回転磁界による回転抵抗によって、第１ロータ回転速度ＶＲ１は、第２ロータ回転速度ＶＲ２、すなわち、第２ロータ２４が連結された変速装置１０の出力軸１０ｂの回転速度よりも高くなる。それに伴い、第１ロータ２２が連結された第３ワンウェイクラッチＣ３の出力部Ｃ３ｂの回転速度が、出力軸１０ｂが連結された入力部Ｃ３ａの回転速度よりも高くなる。その結果、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間が遮断され、それに伴い、出力軸１０ｂに連結された第２ロータ２４と第１ロータ２２との間も遮断される。
【０１５８】
さらに、アシスト中、前述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間のエネルギの入出力関係から、ステータ２３からのトルクは、第１ロータ２２を第２ロータ２４の回転方向と逆方向に回転させるように第１ロータ２２に作用する。これにより、第３ワンウェイクラッチＣ３の出力部Ｃ３ｂの回転速度が入力部Ｃ３ａの回転速度よりも高くはならないので、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間、すなわちクランク軸５と第１ロータ２２の間が接続状態に保持され、その結果、第１ロータ２２に運転者の踏力が伝達される。したがって、この場合にも、第１実施形態などと同様、クランク軸５からの踏力と、ステータ２３からの電力変換動力は、磁気回路を介して合成された後、後輪２に伝達される。
【０１５９】
また、上述したように、出力部Ｃ３ｂの回転速度すなわち第１ロータ回転速度ＶＲ１が、入力部Ｃ３ａの回転速度すなわち出力軸１０ｂの回転速度よりも高くならない限り、出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間が接続される。さらに、出力部Ｃ４ｂの回転速度すなわち第２ロータ回転速度ＶＲ２が、入力部Ｃ４ａの回転速度すなわち出力軸１０ｂの回転速度よりも高くならない限り、出力軸１０ｂと第２ロータ２４の間が接続される。以上から、アシスト中、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２が互いに等しいときには、第１および第２のロータ２２，２４の間が、出力軸１０ｂ、第３および第４のワンウェイクラッチＣ３，Ｃ４を介して、接続状態に保持される。このため、本実施形態では、アシスト中、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，２が互いに等しく、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続されている状態では、第３実施形態と同様、トルクセンサ４４で検出した第１ロータ伝達トルクＴＲ１に基づき、ステータ２３に供給する電力を制御し、それにより、駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１との比が、１：１に制御される。
【０１６０】
さらに、第５および６の実施形態と同様、空走中、第１ロータ２２が慣性により回転している状態で、クランク軸５を停止状態に保持すると、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、変速装置１０の出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間が遮断され、ひいては、クランク軸５と、第１ロータ２２に磁気回路を介して連結された第２ロータ２４および後輪２との間が遮断される。また、第４ワンウェイクラッチＣ４の出力部Ｃ４ｂの回転速度が入力部Ｃ４ａの回転速度よりも高くなるので、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、出力軸１０ｂと第２ロータ２４および後輪２の間、すなわち、クランク軸５と、第２ロータおよび後輪２との間が遮断される。また、ゼロトルク制御が第５実施形態と同様にして行われる。すなわち、ステータ２３に、第１および第２の回転磁界による回転抵抗と第１ロータ２２のフリクションに相当する電力を供給するとともに、磁界回転速度Ｖ０を、第２ロータ回転速度ＶＲ２と同じに制御する。
【０１６１】
以上のように、本実施形態によれば、ペダル走行中、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、クランク軸５と、第２ロータ２４および後輪２との間が接続状態に保持される。したがって、例えばステータ２３の故障によって、ステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間で磁気回路が形成されなくなった場合でも、第３実施形態と同様、運転者の踏力を後輪２に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。同じ理由により、第１実施形態で述べたステータ２３の相間短絡を行うことなく、踏力を後輪２に伝達でき、ペダル走行を行うことができる。
【０１６２】
また、ペダル走行中、第３ワンウェイクラッチＣ３によって、第２ロータ２４と第１ロータ２２との間が遮断される。したがって、第１および第２のロータ２２，２４を接続状態に保持した場合、すなわち第６実施形態の場合と異なり、第１および第２の回転磁界による回転抵抗の一部のみを、第１および第２のロータ２２，２４に作用させ、第１および第２の回転磁界による回転抵抗が第２ロータ２４にすべて作用することがないので、ペダル走行中における電動アシスト自転車１Ｆの効率を高めることができる。
【０１６３】
さらに、第４ワンウェイクラッチＣ４によって、第２ロータ回転速度ＶＲ２がクランク軸５に連結された出力軸１０ｂの回転速度よりも高いときには、クランク軸５と、第２ロータ２２および後輪２との間が遮断される。したがって、アシスト中、図１３を用いて説明したように、磁界回転速度Ｖ０の制御によって、後輪２の回転速度を、クランク軸５に対して、変速装置１０を用いずに無段階に上昇させる場合に、第６実施形態と同様、そのような後輪２の増速を支障なく行うことができる。
【０１６４】
また、空走中、第３および第４のワンウェイクラッチＣ３，Ｃ４によって、クランク軸５と後輪２の間が遮断されるので、第１実施形態などと同様、クランク軸５を停止状態に保持することができる。さらに、空走中、クランク軸５と第１ロータ２２の間が遮断されるとともに、ゼロトルク制御が第５実施形態と同様にして行われる。これにより、第５実施形態と同様、第１および第４の実施形態と比較して、ゼロトルク制御用の電力を低減できるので、バッテリ３３の電力を確保でき、アシストによる走行距離を延ばすことができる。
【０１６５】
なお、本実施形態では、空走中、後輪２の動力を用いたバッテリ３３の充電が行われず、したがって、それに起因するアシストによる走行距離の延長効果は得られないものの、その他の第６実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ｆの高効率化などの効果については、同様に得ることができる。
【０１６６】
なお、本実施形態では、第４ワンウェイクラッチＣ４の出力部Ｃ４ｂを、後輪２に直結しているが、第２ロータ２４に直結し、クランク軸５と、第２ロータ２４および後輪２との間を、第４ワンウェイクラッチＣ４により接続・遮断してもよい。また、本実施形態では、第３ワンウェイクラッチＣ３を出力軸１０ｂと第１ロータ２２の間に、第４ワンウェイクラッチＣ４を出力軸１０ｂと後輪２の間に、それぞれ設けているが、例えば、両ワンウェイクラッチＣ３，Ｃ４を次のようにして設けてもよい。すなわち、クランク軸５と第１ロータ２２の間を連結する第１経路と、クランク軸５と、第２ロータ２４および後輪２との間を連結する第２経路とを、並列に設けるとともに、これらの第１および第２の経路に、第３および第４のワンウェイクラッチＣ３，Ｃ４を設けてもよい。この場合、第１および第２の経路を、複数の歯車と軸の組み合わせや、スプロケットとチェーンの組み合わせ、ベルトとプーリの組み合わせなど、任意の機構によって構成してもよいことは、もちろんである。
【０１６７】
次に、本発明の第８実施形態による電動アシスト自転車１Ｇについて説明する。この電動アシスト自転車１Ｇでは、第７実施形態と異なり、第３ワンウェイクラッチＣ３の入力部Ｃ３ａは、変速装置１０の出力軸１０ｂではなく、入力軸１０ａに直結されており、出力部Ｃ３ｂは、第７実施形態と同様、第１ロータ２２に直結されている。第３ワンウェイクラッチＣ３は、出力部Ｃ３ｂの回転速度が、入力部Ｃ３ａの回転速度よりも高いときには、入力軸１０ａと第１ロータ２２の間を遮断し、それ以外のときには接続する。その他の要素の連結関係については、第７実施形態と同様である。
【０１６８】
以上の構成の電動アシスト自転車１Ｇでは、ペダル走行中、アシスト中および空走中の動作が、第７実施形態と同様にして行われる。以上により、本実施形態によれば、第７実施形態の効果を同様に得ることができる。
【０１６９】
なお、本実施形態では、第４ワンウェイクラッチＣ４の出力部Ｃ４ｂを、後輪２に直結しているが、第２ロータ２４に直結し、クランク軸５と、第２ロータ２４および後輪２との間を、第４ワンウェイクラッチＣ４により接続・遮断してもよい。
【０１７０】
なお、本発明は、これまでに説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、本実施形態におけるペダル機構３は、踏力が入力されるタイプのものであるが、運転者の腕の力が入力されるタイプのものでもよい。また、本実施形態では、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂを、鋼板で構成しているが、他の軟磁性体で構成してもよい。さらに、本実施形態は、第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差（以下「第２・第１ロータ速度差」という）と、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差（以下「磁界・第２ロータ速度差」という）が等しい回転機２０に本発明を適用した例であるが、本発明は、これに限らず、第２・第１ロータ速度差と磁界・第２ロータ速度差が１：ｎである回転機に適用してもよい。また、本実施形態では、本発明における蓄電装置はバッテリ３３であるが、キャパシタでもよい。
【０１７１】
さらに、本実施形態における第１〜第４のワンウェイクラッチＣ１〜Ｃ４に代えて、油圧式や電磁式のクラッチを用いてもよい。この場合、第６実施形態において、第３および第４のワンウェイクラッチＣ３，Ｃ４に代えて、油圧式や電磁式のクラッチを用いたときには、例えば、回転機２０のみを動力源として、電動アシスト自転車１Ｅを走行させることができる。また、第２および第３の実施形態では、第２ロータ２４と後輪２の間の連結を、増速機構６を用いて行っているが、第４〜第８の実施形態と同様、増速機構６を用いることなく行ってもよい。さらに、増速機構６は、本実施形態に例示したチェーン式のものではなく、ベルト式やシャフト式のものでもよい。また、本実施形態では、本発明における駆動輪は後輪２であるが、前輪でもよい。
【０１７２】
さらに、本実施形態は、変速装置１０付の電動アシスト自転車１，１Ａ〜１Ｇに本発明を適用した例であるが、本発明はこれに限らず、変速装置が設けられていない電動アシスト自転車に適用可能である。その場合には、電動アシスト自転車の効率をさらに高めることができる。また、本発明を、本実施形態の二輪式の電動アシスト自転車１，１Ａ〜１Ｇではなく、１つ、または、３つ以上の車輪を有する電動アシスト自転車に適用してもよいことは、もちろんである。さらに、本実施形態では、回転機２０を制御する制御装置を、ＥＣＵ３１およびＰＤＵ３２で構成しているが、マイクロコンピュータと電気回路の組み合わせで構成してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】第１実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である。
【図２】回転機の拡大断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線の位置で周方向に沿って破断した断面の一部を、第１および第２の回転磁界の発生時について示す展開図である。
【図４】図３の展開図の構成と機能的に同じ構成を示す図である。
【図５】第１ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合の回転機の動作を説明するための図である。
【図６】図５の続きの動作を説明するための図である。
【図７】回転機の動作中に構成される磁気回路を示す図である。
【図８】第１ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合に第２ロータに伝達されるトルクの一例を模式的に示す図である。
【図９】磁界回転速度、第１および第２のロータ回転速度の関係の一例を、（ａ）第１ロータを回転不能にした場合について、（ｂ）第２ロータを回転不能にした場合について、それぞれ示す共線図である。
【図１０】磁界回転速度、第１および第２のロータ回転速度の関係の一例を、（ａ）第１および第２のロータがいずれも回転している場合、（ｂ）磁界回転速度が値０の場合について、それぞれ示す共線図である。
【図１１】第２ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合の回転機の動作を説明するための図である。
【図１２】図１１の続きの動作を説明するための図である。
【図１３】図１の電動アシスト自転車におけるアシスト中の変速動作を説明するための図である。
【図１４】第２実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である。
【図１５】第３実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である。
【図１６】第４実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である。
【図１７】第５実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である
【図１８】第６実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である
【図１９】第７実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である
【図２０】第８実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である
【符号の説明】
【０１７４】
１  電動アシスト自転車
１Ａ  電動アシスト自転車
１Ｂ  電動アシスト自転車
１Ｃ  電動アシスト自転車
１Ｄ  電動アシスト自転車
１Ｅ  電動アシスト自転車
１Ｆ  電動アシスト自転車
１Ｇ  電動アシスト自転車
２  後輪（駆動輪）
３  ペダル機構
４  ペダル
５  クランク軸
６  増速機構
２０  回転機
２２  第１ロータ
２３  ステータ
２４  第２ロータ
３３  バッテリ（蓄電装置）
Ｃ１  第１ワンウェイクラッチ（クラッチ、ワンウェイクラッチ）
Ｃ１ａ  入力部（ワンウェイクラッチの第２ロータ側）
Ｃ１ｂ  出力部（ワンウェイクラッチの駆動輪側）
Ｃ２  第２ワンウェイクラッチ（クラッチ、ワンウェイクラッチ）
Ｃ３  第３ワンウェイクラッチ（第１クラッチ、第１ワンウェイクラッチ）
Ｃ３ａ  入力部（第１ワンウェイクラッチのクランク軸側）
Ｃ３ｂ  出力部（第１ワンウェイクラッチの第１ロータ側）
Ｃ４  第４ワンウェイクラッチ（クラッチ、ワンウェイクラッチ、第２クラッチ、第２
ワンウェイクラッチ）
Ｃ４ａ  入力部（第２ワンウェイクラッチのクランク軸側）
Ｃ４ｂ  出力部（第２ワンウェイクラッチの動力伝達系側）
ＶＲ１  第１ロータ回転速度
ＶＲ２  第２ロータ回転速度
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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