JP2011025808A - 回生機構を備えた電動補助自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】内装変速機を備えたセンタモータ方式の電動補助自転車において、装置を複雑化することなく回生充電を可能とする。
【解決手段】駆動輪のハブ１に遊星歯車機構からなる変速機構３と逆入力用ワンウェイクラッチ２とクラッチ切替装置９とを備える。変速機構３は少なくとも一つの太陽歯車を有し、駆動力をスプロケット４を通じて駆動輪に伝達する。また、駆動力に対して、太陽歯車を車軸５回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１０を備え、逆入力用ワンウェイクラッチ２は少なくとも一つの太陽歯車と車軸５との間に設けられ、クラッチ切替装置９によって逆入力に対して太陽歯車が車軸５回りに回転可能又は回転不能とに切り替えられる。駆動時には、クラッチ切替装置９により逆入力用ワンウェイクラッチ２が回転可能状態とされて駆動力が伝達され、前進非駆動時には回転不能状態とされて、逆入力トルクがスプロケット４に伝達される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動モータにより人力駆動系に補助力を付加させる電動補助自転車に関するものである。

電動モータにより人力駆動系に補助力を付加させる電動補助自転車には、電動補助力を与えるためのモータ用電源としてバッテリが搭載される。このバッテリは、１回の充電で長時間走行できることが望ましいことから、自走中のエネルギーを有効に利用し、その自走中の回生発電により、バッテリを充電する機能を備えた電動補助自転車が開発されている。

その回生発電によるバッテリの充電装置として、例えば、特許文献１に、ブレーキレバーの操作を検出して回生装置に回生作動を指令する回生制御装置の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の電力回生機能を搭載する場合、例えば、特許文献２に示すように、車軸周辺にモータ及び変速機を設けた電動補助自転車（ハブモータ方式）の場合は、車軸とモータのロータを直結とすることで、電力回生は比較的容易に実現できる（例えば、特許文献２参照）。
しかし、このハブモータ方式の場合、モータから二次電池までの距離が遠くなりがちであり、その二次電池までの配線の取り回しが煩雑になる傾向がある。また、モータをフロントの車軸に配置すると操作性が悪化し、リア側に配置すると変速機との両立が困難になるという問題もある。

このため、電力回生機能を搭載する場合、操作性と構造の簡素化を求めるならば、例えば、特許文献３のように、クランク軸及びその軸受等を含む人力駆動系と、モータによる補助動力をクランク軸に合力させる駆動系とを単一のハウジングに収容した駆動装置、いわゆるセンタモータユニットを備えた構造（センタモータ方式）とするのが有利である（例えば、特許文献３参照）。

センタモータ方式で、電力回生機能を搭載した電動補助自転車として、例えば、特許文献４に示すものがある。
この電動補助自転車では、モータ出力軸と駆動スプロケットとの間に第一ワンウェイクラッチを設け、踏力が入力されるペダルクランク軸と駆動スプロケットとの間に第二のワンウェイクラッチを設け、さらにブレーキ操作に応じて第一ワンウェイクラッチをロックする直結手段を設けることで、制動時の電力回生を実現している。なお、リアハブとリアスプロケットとは、回生時にタイヤからの逆入力トルクをモータに伝えることができるように直結されている。

また、同じく、電力回生機能を搭載した電動補助自転車として、例えば、特許文献５に示すものがある。
この電動補助自転車では、センタモータユニット内で、モータの出力軸にブレーキ操作に連動してロック方向を切り替えることが出来るツーウェイクラッチを設け、制動時の電力回生を実現している。

すなわち、モータアシスト時には、ツーウェイクラッチを正回転方向でロックさせることにより、モータの出力を車軸に伝達することができ、モータアシストが可能となる。また、乗員のブレーキ操作に連動してツーウェイクラッチのロック方向を切替え、ツーウェイクラッチを逆回転方向でロックさせれば、車軸側からの逆入力トルク（正回転方向）をモータに伝達することができ、これによって回生発電およびブレーキアシストが可能となる。この構成では、回生時に車軸側からの逆入力トルクをモータ側に伝達させる必要があるため、リアハブとリアスプロケットとは直結としている。

特開平８−１４０２１２号公報 特開２００３−１６６５６３号公報 特開平１０−２５０６７３号公報 特開２００１−２１３３８３号公報 特開２００４−２６８８４３号公報

前述のように、電動補助自転車は、モータを、クランク軸周辺に設けたセンタモータ方式と、モータを、フロントハブ若しくはリアハブに内装したハブモータ方式とに大別できる。

ハブモータ方式では、モータの他、減速機も併せてリアハブ内に組み込む必要があるが、スペース的に高減速比とすることが困難で、大きなトルクを得ることが出来ないという問題がある。また、重量物が、自転車の重心から離れた位置に配置されることで、操縦性が悪く、モータと電池が離れることで配線の取り回しも複雑になるという問題がある。さらには、タイヤからの衝撃が直接減速機及びモータに伝わるため、故障が起きやすいという欠点がある。そのため、現在ではセンタモータ方式が主流となっている。

センタモータ方式の駆動系において、電力回生機能を搭載する場合、車輪からの逆入力トルクをモータ軸に伝えるため、上記特許文献４や特許文献５では、リアハブとリアスプロケットは直結されている。

この点、一般的な自転車の変速機構は、クランク軸又はリア車軸の何れか一方、もしくは両方の同軸上に多段のスプロケットを設け、ディレイラーによってチェーンをスプロッケット間で移動させることによって変速する方式（外装変速機）とリアハブの内部に設けた歯車を掛けかえることによって変速する方式（内装変速機）がある。内装変速機内には通常ワンウェイクラッチが設けられており、タイヤからの逆入力はリアハブからリアスプロケットに伝わらない。
外装変速機は構造が簡単で軽量であるが、スプロケットやチェーンが摩耗する原因になり、チェーン外れの原因にもなる。一方、内装変速機は防塵、防水性があり、メンテナンスフリーであるためシティサイクルに使われることが多い。現在のところ、電動アシスト自転車はシティサイクル自転車を中心に展開しており、その殆どが内装変速機を採用している。

しかし、このように、内装変速機を採用すると、そのままでは、車輪からの逆入力はリアハブからリアスプロケットに伝わらない。このため、車輪からの逆入力によりセンタモータを回転、回生することができない。
逆入力に対応するため、例えば、車軸からクランク軸、及び車軸からモータ軸をそれぞれ別々の動力伝達要素で結合することも可能であるが、２本の伝達要素を用いることはレイアウト的にもコスト的にも商品価値の大幅な低下を招く。

そこで、この発明は、内装変速機を備えたセンタモータ方式の電動補助自転車において、できる限り装置を複雑化することなく、回生充電を可能とすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータを取り付け、クランク軸から伝達された踏力又は前記モータの出力による駆動力を駆動輪に伝達可能とし、前進非駆動時には、前記駆動輪から前記モータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を前記二次電池に還元する回生機構を備えた電動補助自転車において、前記駆動輪に設けたハブに変速機構と逆入力用ワンウェイクラッチとクラッチ切替装置とを備え、前記変速機構は遊星歯車機構によって構成されて、少なくとも一つの太陽歯車を有し、前記踏力又は前記モータの出力による駆動力をスプロケットを通じて前記駆動輪に伝達する機能を有して、そのスプロケットからの駆動力に対して、前記太陽歯車を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を備えており、前記逆入力用ワンウェイクラッチは少なくとも一つの太陽歯車と車軸との間に設けられて、前記クラッチ切替装置によって、前記駆動輪からの逆入力に対して、前記太陽歯車が車軸回りに回転可能又は回転不能とに切り替えられる機能を有しており、駆動時には、前記スプロケットからの駆動力は前記変速機構を通じて駆動輪に伝達され、前進非駆動時には、前記クラッチ切替装置により前記逆入力用ワンウェイクラッチにおける前記太陽歯車と車軸とを逆入力に対して回転不能とすることによって、前記駆動輪からの逆入力トルクを前記スプロケットに伝達できる機能を有することを特徴とする回生機構を備えた電動補助自転車を採用した。

上記構成により、駆動前進時には、変速機構を介して駆動輪のスプロケットからハブに駆動力が伝達され、自転車は前進する。前進非駆動時には、逆入力用ワンウェイクラッチを介して、駆動輪のハブからの逆入力がスプロケットに伝達され、さらに、スプロケットから動力伝達要素を通してモータ駆動スプロケットにトルクが伝わることで、回生発電が可能となる。なお、駆動力に対しては、逆入力用ワンウェイクラッチは常に空転するため、駆動時において、クラッチ切替装置の状態は限定されない。
このように、逆入力用ワンウェイクラッチを太陽歯車と車軸との間に配置することで、内装変速機を備えたセンタモータ方式の電動補助自転車において、装置を複雑化することなく、駆動力の伝達と逆入力の伝達とを実現できる。

前記逆入力用ワンウェイクラッチとしては、周知のワンウェイクラッチを採用できるが、例えば、ラチェットクラッチを採用することができる。

また、前記クラッチ切替装置としては、例えば、棒状の操作部を有し、その操作部の一端が車軸内を通って外部に引き出されて外部から軸方向移動の操作が可能であり、その操作部を軸方向に移動させることによって、前記逆入力用ワンウェイクラッチにおける前記太陽歯車の車軸に対する回転可能又は回転不能を切り替えできる構成を採用することができる。

また、他の構成からなる前記クラッチ切替装置としては、例えば、前記車軸周りに回転可能な回転部材を有し、その回転部材が前記車軸に沿ってハブケース外に引き出され外部より回転操作が可能であり、その回転部材を車軸周りに回転させることによって、前記逆入力用ワンウェイクラッチにおける前記太陽歯車の車軸に対する回転可能又は回転不能を切り替えできる構成を採用することができる。

なお、それらの前記逆入力用ワンウェイクラッチとしては、周知のワンウェイクラッチを採用できるが、例えば、係合子としてローラを用いたローラクラッチを採用することができる。あるいは、係合子としてスプラグを用いたスプラグクラッチを採用することができる。

さらに、他の構成として、前記逆入力用ワンウェイクラッチは係合子を保持器で保持した係合子クラッチであり、前記クラッチ切替装置は前記車軸周りに回転可能な回転部材を有し、その回転部材の一端が前記車軸に沿ってハブケース外に引き出され外部より回転操作が可能であり、その他端が前記逆入力用ワンウェイクラッチの前記保持器に連結されており、その回転部材を車軸周りに回転させることによって、前記逆入力用ワンウェイクラッチにおける前記太陽歯車の車軸に対する回転可能又は回転不能を切り替えできる構成を採用することができる。

これらの各構成において、前記クラッチ切替装置による、前記駆動輪からの逆入力に対する前記太陽歯車と車軸の回転可能又は回転不能との切り替えは、ブレーキ操作に連動して行われる構成を採用することができる。

なお、センタモータユニット内においては、モータ出力軸とモータ駆動スプロケットとを直結することにより、駆動力及び逆入力の両方向のトルクを伝達することができ、また、クランク軸とクランクスプロケット（人力駆動スプロケット）との間には、駆動力のみ伝達し、逆入力時は空回りするセンタワンウェイクラッチを組み込むことにより、逆入力によりペダルが強制的に回転するのを防止することができる。すなわち、駆動輪に対して駆動力を伝達する方向にロックし、駆動輪からの逆入力に対して空転するセンタワンウェイクラッチである。
このセンタワンウェイクラッチとしては、ローラクラッチ、スプラグクラッチ、ラチェットクラッチ等を採用することができる。

この発明は、回生エネルギーを二次電池に蓄えることができ、回生充電しない場合と比較して充電１回当たりの航続距離を大幅に延ばすことができる。また、現行の回生機能付き電動補助自転車は、フロント若しくはリアハブ内に重量の大きなモータを配置しているが、この発明によれば、モータを重心に近いクランク軸付近に配置することができるため、自転車全体の操縦性がよい。また、変速機構を備えているためにスタート時の踏力が少なくて済み、バランスを崩し難い上にアシストパワーも節約でき、更に航続距離が延びる。変速機構はハブに内装されるため、耐久性が高くメンテナンスフリーとすることができる。さらに、逆入力用ワンウェイクラッチを太陽歯車と車軸との間に設けたことで、フレームに固定されている車軸上に逆入力用ワンウェイクラッチを配置することができる。
すなわち、逆入力用ワンウェイクラッチを太陽歯車と車軸との間に配置することで、内装変速機を備えたセンタモータ方式の電動補助自転車において、装置を複雑化することなく、駆動力の伝達と逆入力の伝達とを実現できる。

第一の実施形態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第一の実施形態において逆入力トルクが伝達可能な状態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第二の実施形態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第二の実施形態において逆入力トルクが伝達可能な状態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第三の実施形態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第三の実施形態において逆入力トルクが伝達可能な状態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第四の実施形態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図 第五の実施形態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は正面図

（第一の実施形態）
この発明の第一の実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。この実施形態の電動補助自転車は、前輪と後輪間の中央部付近において、その前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータ（センタモータユニット）を取り付けたセンタモータ方式である。

駆動時、すなわち、ペダルを通じてクランク軸から伝達された踏力、又は前記モータの出力による駆動力が入力された場合は、図示しないセンタモータユニットのクランクスプロケットと、駆動輪である後輪のリアスプロケット（スプロケット）４とを結ぶチェーン等の動力伝達要素を介して、その後輪に駆動力が伝達可能となっている。また、前進非駆動時には、後輪のリアハブ１から前記モータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を、前記センタモータユニットの二次電池に還元する回生機構を備えている。

リアハブ１は、図１（ｂ）に示すように、後輪の車軸５と同軸に設けたハブケース７内に、変速機構３と、逆入力伝達用の逆入力用ワンウェイクラッチ２を備えている。

変速機構３は、直結と２段増速の合計３段変速が可能な遊星歯車機構で構成されている。
その構成は、前記車軸５の外周に設けられた二つの太陽歯車３ａ，３ｂ（第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂと称する）が、それぞれ第二ワンウェイクラッチ３ｄ、第三ワンウェイクラッチ３ｅを介してその車軸５に接続可能とされている。

この実施形態では、第二ワンウェイクラッチ３ｄ、第三ワンウェイクラッチ３ｅは、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することは差し支えない。

また、変速機構３は、前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂに対して噛み合う２段の歯車を有する遊星歯車３ｆ、その遊星歯車３ｆを保持する前記遊星キャリア３ｃ、及び前記遊星歯車３ｆに噛み合う外輪歯車３ｇ、遊星キャリア３ｃとハブケース７との間に設けられた第一ワンウェイクラッチ８を備えている。なお、この実施形態では、外輪歯車３ｇはハブケース７と一体に形成されている。

この実施形態では、図１（ａ）に示すように、第一ワンウェイクラッチ８はラチェットクラッチを採用しており、そのラチェットクラッチが備えるクラッチ爪８ａが、遊星キャリア３ｃとハブケース７とが一方向へ相対回転する際に、その遊星キャリア３ｃの外周とハブケース７の内周との間に係合し、他方向へ相対回転する際には、その係合が解除されるようになっている。なお、第一ワンウェイクラッチ８として、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することは差し支えない。

また、遊星キャリア３ｃと車軸５との間、及びハブケース７と車軸５との間には、それぞれ軸受部が設けられている。この軸受部によって、遊星キャリア３ｃと車軸５、及びハブケース７と車軸５とは、それぞれ相対回転可能に支持されている。
また、遊星キャリア３ｃとハブケース７との間にも、軸受部が設けられている。この軸受部によって、遊星キャリア３ｃとハブケース７と車軸５とは相対回転可能に支持されている。

前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂは、それぞれに対応するワンウェイクラッチ３ｄ，３ｅにより、変速制御機構１０を操作することで、いずれかひとつを選択的に車軸５に固定するか、あるいは全てをフリーの状態にすることができる。
例えば、前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂを、いずれも車軸５に対してフリーの状態とした場合に、リアスプロケット４から駆動力が伝達されると、遊星歯車機構は駆動力の増速には直接関与せず、遊星キャリア３ｃから第一ワンウェイクラッチ８を介してハブケース７に直接駆動力が伝達される（直結状態）。この場合、リアスプロケット４からの回転速度は変速されずにハブケース７に伝達される。

また、第一太陽歯車３ａを車軸５に固定した場合、その第一太陽歯車３ａの歯数をａ、外輪歯車３ｇの歯数をｄとすると、遊星キャリア３ｃから外輪歯車３ｇへの増速比は（ａ＋ｄ）／ｄとなる。このとき、第二太陽歯車３ｂは空転状態であり、トルク伝達に関与しない。

さらに、第二太陽歯車３ｂを車軸５に固定した場合、その第二太陽歯車３ｂの歯数をａ、第一太陽歯車３ａと噛み合う遊星歯車３ｆの歯数をｂ、第二太陽歯車３ｂと噛み合う遊星歯車３ｆの歯数をｃ、外輪歯車３ｇの歯数をｄとすると、遊星キャリア３ｃから外輪歯車３ｇへの増速比は、
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
となる。
このとき、第一太陽歯車３ａは空転状態であり、トルク伝達に関与しない。

すなわち、前記各太陽歯車３ａ，３ｂは異なる歯数であり、全てフリーとするか、または、いずれか一つを車軸に対し固定することで、増速比を変化させることができる。

また、逆入力用ワンウェイクラッチ２は、ラチェットクラッチで構成されており、前記第二太陽歯車３ｂと車軸５との間に設けられている。

その逆入力用ワンウェイクラッチ２は、クラッチ爪軸２ｂ周りに揺動自在に支持されたクラッチ爪２ａを有し、そのクラッチ爪２ａは、弾性部材（図示せず）によって、クラッチ爪軸２ｂ周りに回転し、図１（ａ）に示す状態から図２（ａ）に示す状態へと、その一端２ｇが起き上がる方向に付勢されている。

すなわち、通常は図１（ａ）に示すように、クラッチ切替装置９の駆動部材９ｂにより、クラッチ爪２ａはその他端２ｈで回転が拘束され、すなわち、クラッチ爪２ａを強制的に倒した状態となっている。なお、駆動部材９ｂは弾性部材９ｃの弾性力によって、軸方向一方側（図の右側）に付勢されている。また、その駆動部材９ｂには、一方側に伸びる軸状の操作部９ａが接続されている。操作部９ａは、車軸５内の中空部を通って、車軸５の端部から外側に引き出されている。操作部９ａの車軸５外への引き出し構造は、この実施形態に限定されず、車軸５の外周を通る構造など他の構造を採用してもよい。

ここで、図２（ｂ）に示すように、操作部９ａが軸方向他方側（図の左側）に押されると、駆動部材９ｂが同方向に移動し、前記駆動部材９ｂのテーパー面９ｅに沿って逆入力用ワンウェイクラッチのクラッチ爪２ａの拘束が解除され、クラッチ爪２ａが弾性部材（図示せず）の力によってクラッチ爪軸２ｂ周りに回転し起き上がる。

このとき、ハブケース７側から逆入力トルクが伝達されると、第二太陽歯車３ｂは、その逆入力に対して車軸５に固定される。つまり、逆入力用ワンウェイクラッチ２は、クラッチ切替装置９によって、駆動輪からの逆入力に対して、前記第二太陽歯車３ｂが車軸５回りに回転可能又は回転不能とに切り替えられる機能を有しているのである。

前進非駆動時において、このように逆入力用ワンウェイクラッチ２をロックした場合、タイヤからの逆入力トルクは、ハブケース７、遊星歯車３ｆ、遊星キャリア３ｃ、リアスプロケット４へと伝達される。

ここで、変速機構３において、３段変速のいずれのギアを選択していても、逆入力に対しては第二太陽歯車３ｂが固定されることから、逆入力時の変速比は選択しているギアによらず常に一定となり、減速比は
［（ａ×ｂ）／（ｃ×ｄ）］＋１
となる。

なお、操作部９ａの軸方向への移動はブレーキ操作と連動させることもできる。
この場合、ブレーキが操作されると、操作部９ａを介して駆動部材９ｂが軸方向他方側（図の左側）に移動し、逆入力に対して第二太陽歯車３ｂは、逆入力用ワンウェイクラッチ２を介して車軸５に固定され、タイヤからの逆入力トルクはリアスプロケット４へと伝達される。

また、ブレーキを解除した場合、駆動部材９ｂは弾性部材９ｃの付勢力によって、元の位置に移動しようとする。
しかしながら、逆入力トルクがかかっている状態では、駆動部材９ｂのテーパー面９ｅが逆入力用ワンウェイクラッチ２のクラッチ爪２ａに接触し、駆動部材９ｂは、軸方向一方側へ移動できない。このため、逆入力用ワンウェイクラッチ２のロックがはずれることはない。

そして、逆入力トルクが無くなると、弾性部材９ｃの付勢力によって、駆動部材９ｂのテーパー面９ｅがクラッチ爪２ａを上に押し上げる（クラッチ爪２ａを倒そうとする）力が起き上がろうとする力に勝り、駆動部材９ｂは軸方向一方側へ移動し、元の位置に戻ってロックが解除される。

この構成により、リアスプロケット４からの駆動力は、直結もしくは増速されてタイヤに伝達される。一方、タイヤからの逆入力トルクは減速され、リアスプロケット４からチェーン等の動力伝達要素を通してモータ軸に伝わり、回生充電が可能な状態となるのである。

なお、遊星歯車３ｆが噛み合う前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂの選択は、変速制御機構１０によって行うことができる。
この実施形態において、変速制御機構１０は、車軸５の外周に相対回転可能に設けた回転部材１０ａを備え、その回転部材１０ａを車軸５に対して円周方向へ回転操作することによって、遊星歯車３ｆが噛み合う前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂの選択を行うことができる。また、変速制御機構１０は、本実施形態のクラッチ切替装置９のように、棒状の操作部を有し、その操作部の一端が車軸内を通って外部に引き出されて外部から軸方向移動の操作が可能であり、その操作部を軸方向に移動させることによって、前記第二及び第三ワンウェイクラッチにおける前記太陽歯車の車軸に対する回転可能又は回転不能を切り替えできる構成を採用することもできる。

この実施形態は、逆入力用ワンウェイクラッチ２を第二太陽歯車３ｂと車軸５との間に設けているが、第一太陽歯車３ａと車軸５との間に設けてもよい。また、この実施形態では、遊星歯車３ｆを２段としているが、１段もしくは３段以上の遊星歯車を用いても差し支えない。

なお、図示していないが、クランク軸とクランクスプロケットの間には、駆動力を伝達する方向にロックし、逆入力に対して空転するセンターワンウェイクラッチが設けられている。このため、逆入力によって、クランク軸やペダル等に対して駆動力が伝達されないようになっている。このセンターワンウェイクラッチとしては、ローラクラッチ、スプラグクラッチ、ラチェットクラッチ等、周知のワンウェイクラッチを採用できる。

また、後進非駆動時（自転車を降りて、後方に引くような状況）では、絶対的な回転方向は逆となるが、リアスプロケット４とハブケース７との相対回転の関係は、前進駆動時と同じである。

（第二の実施形態）
この発明の第二の実施形態を、図３及び図４に示す。この実施形態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２は、第一の実施形態と同様ラチェットクラッチで構成しているが、クラッチ切替装置９を車軸５に沿って配置した回転部材９ｄによって主に構成している。他の主要な構成は、第一の実施形態と同様である。

この実施形態では、回転部材９ｄは、車軸５の外周に沿って設けられた筒状の部材であり、その回転部材９ｄが車軸５と軸周り相対回転可能となっている。また、回転部材９ｄは、その周方向途中にスリット９ｆが設けられたものとなっている。

通常、逆入力用ワンウェイクラッチ２のクラッチ爪２ａは、図３（ａ）に示すように、前記回転部材９ｄによって、強制的に倒された状態となっている。

ここで、回転部材９ｄを車軸５に対して円周方向へ回転操作することによって、回転部材９ｄに設けられたスリット９ｆがクラッチ爪２ａ上に移動し、そのクラッチ爪２ａの拘束が解除される。

回転部材９ｄによる拘束が解除されると、クラッチ爪２ａは、図４（ａ）に示すように、弾性部材（図示せず）の付勢力によって起き上がる。
このとき、ハブケース７側から逆入力トルクが伝達されると、第二太陽歯車３ｂは逆入力に対して車軸５に固定される。すなわち、前進非駆動時において、逆入力用ワンウェイクラッチ２をロックした場合、タイヤからの逆入力トルクは、ハブケース７、遊星歯車３ｆ、遊星キャリア３ｃ、リアスプロケット４へと伝達される。

なお、回転部材９ｄの円周方向への回転操作は、第一の実施形態の場合と同様、ブレーキ操作と連動させることもできる。
この場合、ブレーキをかけた時に回転部材９ｄが円周方向に回転し、逆入力用ワンウェイクラッチ２がロックする。ブレーキを解除した場合、回転部材９ｄには円周方向に弾性部材が設けられており（図示せず）、その弾性部材の弾性力によって回転部材９ｄが元の位置に戻ろうとする。

この時、逆入力トルクが入力されている状態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２のクラッチ爪２ａが、第二太陽歯車３ｂ内面の凹凸と噛み合っており、回転部材９ｄは逆入力用ワンウェイクラッチのクラッチ爪２ａに接触し回転できないため、ロックがはずれることはない。逆入力トルクが無くなると回転部材９ｄが回転可能となり元の位置に戻り、ロックが解除されるのである。

この構成により、リアスプロケット４からの駆動力は、直結もしくは増速されてタイヤに伝達される。一方、タイヤからの逆入力トルクは減速され、リアスプロケット４からチェーン等の動力伝達要素を通してモータ軸に伝わり、回生充電が可能な状態となるのである。

この実施形態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２を第二太陽歯車３ｂと車軸５との間に設けているが、第一太陽歯車３ａと車軸５との間に設けてもよい点は、同様である。また、この実施形態では、遊星歯車３ｆを２段としているが、１段もしくは３段以上の遊星歯車を用いても差し支えない。

（第三の実施形態）
この発明の第三の実施形態を、図５及び図６に示す。この実施形態は、逆入力用ワンウェイクラッチ２をローラクラッチで構成したものである。他の主要な構成は、第二の実施形態と同様である。

逆入力用ワンウェイクラッチ２の構成を中心に説明すると、図５に示すように、第二太陽歯車３ｂをローラクラッチの外輪２ｄ、車軸５を内輪２ｅとし、その内輪２ｅとしての車軸５側に、ローラ２ｃが係合するカム面２ｉを設けている。

また、ローラ２ｃの保持器２ｆは、前記クラッチ切替装置９の回転部材９ｄと直結されている。

この構成において、通常は、ローラ２ｃが、前記内輪２ｅのカム面２ｉと、外輪２ｄの内周面とによって形成された楔区間において、その楔の拡がっている位置（図５（ａ）に示すカム面２ｉの周方向中央部）となるように、回転部材９ｄによって保持器２ｆの位置が定められている。

この状態では、前記逆入力用ワンウェイクラッチ２は、リアスプロケット４からの駆動力、及びハブケース７からの逆入力の両者に対して空転する。

前進非駆動時に、回転部材９ｄによって保持器２ｆの位置を車軸５に対して円周方向に回転させ、図５（ａ）に示す位置から図６（ａ）に示す位置へとローラ２ｃが移動すると、ローラ２ｃは楔の狭まる方へ移動するから、第二太陽歯車３ｂは逆入力に対してロックする。この状態で、ハブケース７からリアスプロケット４に逆入力トルクが伝達されるのである。

なお、回転部材９ｄの円周方向への回転操作はブレーキ操作と連動させることができる点は、前述の実施形態と同様である。

すなわち、この場合、ブレーキをかけた時に回転部材９ｄが円周方向に回転し、ローラ２ｃは楔の狭まる方へ移動するから、逆入力用ワンウェイクラッチ２がロックする。ブレーキを解除した場合、回転部材９ｄには円周方向に弾性部材が設けられており（図示せず）、その弾性部材の弾性力によって回転部材９ｄが元の位置に戻ろうとする。

この時、逆入力トルクが入力されている状態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２のローラ２ｃが前記楔空間と噛み合っており、ロックがはずれることはない。逆入力トルクが無くなると回転部材９ｄが弾性部材の付勢力によって元の位置に戻り、ロックが解除されるのである。

この構成により、リアスプロケット４からの駆動力は、直結もしくは増速されてタイヤに伝達される。一方、タイヤからの逆入力トルクは減速され、リアスプロケット４からチェーン等の動力伝達要素を通してモータ軸に伝わり、回生充電が可能な状態となるのである。

この実施形態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２を第二太陽歯車３ｂと車軸５との間に設けているが、第一太陽歯車３ａと車軸５との間に設けてもよい。また、遊星歯車３ｆを２段としているが、１段もしくは３段以上の遊星歯車を用いても差し支えない。また、逆入力用ワンウェイクラッチ２として、ローラクラッチではなくスプラグクラッチを用いることもできる。

（第四の実施形態）
この発明の第四の実施形態を、図７に示す。この実施形態は、変速機構３の遊星歯車３ｆを３段とした３段増速の変速機構としており、また、前述の各実施形態とは異なり、遊星キャリア３ｃとハブケース７との間に第一ワンウェイクラッチ８は設けていない。

すなわち、変速機構３は、前記車軸５の外周に設けられた三つの太陽歯車３ａ，３ｂ，３ｈ（第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂ、第三太陽歯車３ｈ）が、それぞれ第二ワンウェイクラッチ３ｄ、第三ワンウェイクラッチ３ｅ、第四ワンウェイクラッチ３ｉを介してその車軸５に接続可能とされている。

この実施形態では、第二ワンウェイクラッチ３ｄ、第三ワンウェイクラッチ３ｅ、第四ワンウェイクラッチ３ｉは、ラチェットクラッチを採用しているが、他の構成として、ローラクラッチ、スプラグクラッチを採用してもよい。

また、変速機構３は、前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂ、第三太陽歯車３ｈに対して噛み合う３段の歯車を有する遊星歯車３ｆ、その遊星歯車３ｆを保持する前記遊星キャリア３ｃ、及び前記遊星歯車３ｆに噛み合う外輪歯車３ｇ、遊星キャリア３ｃを備えている。遊星キャリア３ｃとリアスプロケット４とは一体回転可能である。なお、この実施形態においても、外輪歯車３ｇはハブケース７と一体に形成されている。

この構成において、リアスプロケット４からの駆動力に対して、変速制御機構１０を用いて、第二〜第四ワンウェイクラッチ３ｄ，３ｅ，３ｉのいずれか一つをロックし、太陽歯車３ａ，３ｂ，３ｈのいずれかを選択的に車軸５に対して固定させることで変速させている。
すなわち、第二〜第四ワンウェイクラッチ３ｄ，３ｅ，３ｉを全てフリーとした場合の直結の変速モードは存在しない。その直結以外の変速機構は、第一〜第三の実施形態の場合と同様である。

また、この実施形態において、逆入力用ワンウェイクラッチ２を第三太陽歯車３ｈと車軸５との間に設けているが、第一太陽歯車３ａ又は第二太陽歯車３ｂと車軸５との間に設けてもよい。

さらに、この実施形態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２は第一の実施形態と同様の、操作部９ａ及び駆動部材９ｂを用いた機構を採用しているが、第二、第三の実施形態のような回転部材９ｄを用いた機構を採用することもできる。
また、この実施形態では、遊星歯車３ｆを３段としているが、２段もしくは４段以上の遊星歯車を用いても差し支えない。

（第五の実施形態）
この発明の第五の実施形態を、図８に示す。この実施形態では、変速機構３の遊星歯車３ｆを３段とした３段減速の変速機構としている。

すなわち、変速機構３は、前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂ、第三太陽歯車３ｈに対して噛み合う３段の歯車を有する遊星歯車３ｆ、その遊星歯車３ｆを保持する前記遊星キャリア３ｃ、及び前記遊星歯車３ｆに噛み合う外輪歯車３ｇとを備えている。外輪歯車３ｇとリアスプロケット４とは一体回転可能である。

また、逆入力用ワンウェイクラッチ２は、第一〜第四の実施形態とはロック方向が周方向逆向きとなっている（図８（ａ）参照）。

なお、第四の実施形態と同様、第二〜第四ワンウェイクラッチ３ｄ，３ｅ，３ｉを全てフリーとした場合の直結の変速モードは存在しない。

前記第一太陽歯車３ａ、第二太陽歯車３ｂ、第三太陽歯車３ｈは、前記変速制御機構１０を用いることで、それぞれに対応する第二ワンウェイクラッチ３ｄ、第三ワンウェイクラッチ３ｅ、又は第四ワンウェイクラッチ３ｉにより、いずれかひとつを選択的に車軸５に固定することができる。
すなわち、前記各太陽歯車３ａ，３ｂ，３ｈのいずれか一つを、対応するワンウェイクラッチ３ｄ、３ｅ，３ｉにより車軸５に対し固定することで、減速比を変化させることができる。このとき、固定されていない太陽歯車は車軸５に対し空転する点は同様である。

なお、この実施形態では、遊星キャリア３ｃは、ハブケース７とスプライン等により噛み合わせて一体回転可能としているが、両者を一体に形成することもできる。

また、この実施形態では、逆入力用ワンウェイクラッチ２を、第三太陽歯車３ｈと車軸５との間に設けているが、第一太陽歯車３ａ又は第二太陽歯車３ｂと車軸５との間に設けてもよい。
さらに、逆入力用ワンウェイクラッチ２は、第一の実施形態と同様の操作部９ａ及び駆動部材９ｂを用いた機構を採用しているが、第二、第三の実施形態のような回転部材９ｄを用いた機構を採用することもできる。また、遊星歯車を３段としているが、２段もしくは４段以上の遊星歯車を用いても差し支えない。

１ リアハブ
２ 逆入力用ワンウェイクラッチ
２ａ クラッチ爪
２ｂ クラッチ爪軸
２ｃ ローラ
２ｄ 外輪
２ｅ 内輪
２ｆ 保持器
２ｇ 一端
２ｈ 他端
３ 変速機構
３ａ 第一太陽歯車
３ｂ 第二太陽歯車
３ｈ 第三太陽歯車
３ｃ 遊星キャリア
３ｄ 第二ワンウェイクラッチ
３ｅ 第三ワンウェイクラッチ
３ｉ 第四ワンウェイクラッチ
３ｆ 遊星歯車
３ｇ 外輪歯車
４ スプロケット（リアスプロケット）
５ 車軸
６ ハブフランジ
７ ハブケース
８ 第一ワンウェイクラッチ
９ クラッチ切替装置
９ａ 操作部
９ｂ 駆動部材
９ｃ 弾性部材
９ｄ 回転部材
９ｅ テーパー面
１０ 変速制御機構
１０ａ 回転部材

Claims (12)

1. 前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータを取り付け、クランク軸から伝達された踏力又は前記モータの出力による駆動力を駆動輪に伝達可能とし、前進非駆動時には、前記駆動輪から前記モータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を前記二次電池に還元する回生機構を備えた電動補助自転車において、
   前記駆動輪に設けたハブ（１）に変速機構（３）と逆入力用ワンウェイクラッチ（２）とクラッチ切替装置（９）とを備え、
   前記変速機構（３）は遊星歯車機構によって構成されて、少なくとも一つの太陽歯車を有し、前記踏力又は前記モータの出力による駆動力をスプロケット（４）を通じて前記駆動輪に伝達する機能を有して、そのスプロケット（４）からの駆動力に対して、前記太陽歯車を車軸（５）回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（１０）を備えており、
   前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）は少なくとも一つの太陽歯車と車軸（５）との間に設けられて、前記クラッチ切替装置（９）によって、前記駆動輪からの逆入力に対して、前記太陽歯車が車軸（５）回りに回転可能又は回転不能とに切り替えられる機能を有しており、
   駆動時には、前記スプロケット（４）からの駆動力は前記変速機構（３）を通じて駆動輪に伝達され、前進非駆動時には、前記クラッチ切替装置（９）により前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）における前記太陽歯車と車軸（５）とを逆入力に対して回転不能とすることによって、前記駆動輪からの逆入力トルクを前記スプロケット（４）に伝達できる機能を有することを特徴とする回生機構を備えた電動補助自転車。
2. 前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）はラチェットクラッチからなることを特徴とする請求項１に記載の回生機構を備えた電動補助自転車。
3. 前記クラッチ切替装置（９）は棒状の操作部（９ａ）を有し、その操作部（９ａ）の一端が車軸（５）内を通って外部に引き出されて外部から軸方向移動の操作が可能であり、その操作部（９ａ）を軸方向に移動させることによって、前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）における前記太陽歯車の車軸（５）に対する回転可能又は回転不能を切り替えできることを特徴とする請求項１又は２に記載の回生機構を備えた電動補助自転車。
4. 前記クラッチ切替装置（９）は前記車軸（５）周りに回転可能な回転部材（９ｄ)を有し、その回転部材（９ｄ）が前記車軸（５）に沿ってハブケース（７）外に引き出され外部より回転操作が可能であり、その回転部材（９ｄ）を車軸（５）周りに回転させることによって、前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）における前記太陽歯車の車軸（５）に対する回転可能又は回転不能を切り替えできることを特徴とする請求項１又は２に記載の回生機構を備えた電動補助自転車。
5. 前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）が、係合子（２ｃ）としてローラを用いたローラクラッチからな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回生機構を備えた電動補助自転車。
6. 前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）が、係合子（２ｃ）としてスプラグを用いたスプラグクラッチからな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回生機構を備えた電動補助自転車。
7. 前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）は係合子（２ｃ）を保持器（２ｆ）で保持した係合子クラッチであり、前記クラッチ切替装置（９）は前記車軸（５）周りに回転可能な回転部材（９ｄ)を有し、その回転部材（９ｄ）の一端が前記車軸（５）に沿ってハブケース（７）外に引き出され外部より回転操作が可能であり、その他端が前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）の前記保持器（２ｆ）に連結されており、その回転部材（９ｄ）を車軸（５）周りに回転させることによって、前記逆入力用ワンウェイクラッチ（２）における前記太陽歯車の車軸（５）に対する回転可能又は回転不能を切り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回生機構を備えた電動補助自転車。
8. 前記クラッチ切替装置（９）による、前記駆動輪からの逆入力に対する前記太陽歯車と車軸（５）の回転可能又は回転不能との切り替えは、ブレーキ操作に連動して行われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の回生機構を備えた電動補助自転車。
9. 前記クランク軸とクランクスプロケットの間に、駆動輪に対して駆動力を伝達する方向にロックし、駆動輪からの逆入力に対して空転するセンタワンウェイクラッチを設けた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回生機構を備えた電動補助自転車。
10. 前記センタワンウェイクラッチが、係合子としてローラを用いたローラクラッチからなることを特徴とする請求項９に記載の回生機構を備えた電動補助自転車。
11. 前記センタワンウェイクラッチが、係合子としてスプラグを用いたスプラグクラッチからなることを特徴とする請求項９に記載の回生機構を備えた電動補助自転車。
12. 前記センタワンウェイクラッチが、ラチェットクラッチからなることを特徴とする請求項９に記載の回生機構を備えた電動補助自転車。

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