JP2012056408A - 電動自転車 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータ駆動ユニットを、電動自転車の前輪と後輪との間の中間位置に配設して良好な走行安定性を維持できながら、走行時の力の損失も最小限に抑えることができ、しかも、走行中において回生状態に切り替えられた際でも、大きな衝撃および音が発生することを防止できる電動自転車を提供する。
【解決手段】電動モータ１７などを備えたモータ駆動ユニット２０が、前輪と後輪との間の中間位置に配設され、ペダルからの踏力を後輪に伝達する駆動力伝達チェーンに、モータ駆動ユニット２０の補助駆動力出力スプロケット１９が噛合され、モータ駆動ユニット２０におけるモータ出力軸１７ａと補助駆動力出力軸４１との間の力の伝達経路に、力の伝達方向を切り換える入出力切換クラッチ４２と、ダンパ４３とが設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、電動モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能であるとともに、ブレーキ操作時などに電動モータを回転させてバッテリを充電する回生動作を実行可能である電動自転車に関するものである。
バッテリと、このバッテリから給電される電動モータを備えたモータ駆動ユニットとを有し、ペダルに加えられる踏力による人力駆動力に、前記モータ駆動ユニットの補助駆動力（アシスト力）を加えることで、上り坂等でも楽に走行できる電動自転車は既に知られている。また、この種の電動自転車において、ブレーキ操作時などに電動モータによる回生電力を発生させてバッテリに充電し、バッテリの充電作業回数に対する走行距離を増加させる構造を有するものも知られている。
例えば、特許文献１には、前輪のハブ内に電動モータを配設し、ブレーキにより制動させる際に、前輪の電動モータを発電機として用いて回生制御する技術が開示されている。
この種の前輪に配設した電動モータを回生制御する電動自転車の長所としては、回転している前輪のハブの中心に電動モータを配置することで、比較的簡単な構造で回生動作を実現できる利点がある。
しかしながら、このように前輪のハブに電動モータを配設して回生制御する電動自転車は、上記長所を有する一方で、以下のような短所も有する。電動自転車の制御部は、前輪や後輪など、接地面から直接振動が伝わる箇所には、振動による悪影響を受ける可能性があるので、制御部の配設箇所としては好ましくなく、一般には、前輪と後輪との間の中間位置、例えば、クランクシャフトを回転自在に支持する軸受などが配設されているハンガラグの後方箇所やその近傍箇所などに制御部が配設されることが多い。したがって、電動モータなどが配設されている電動モータ部と制御部とを分離させざるを得ず、いわゆる一体型ユニットとしては構成できないので、それぞれ個別にハウジングなどの部品が必要となって部品点数が多くなり、ひいては製造コストの増加を招き易くなる。
また、制御部と電動モータとを接続する配線をメインフレームやフロントフォークに沿って配設せざるを得ないため、配線が長くなり、その分だけ、配線が損傷する可能性が高くなる。さらに、前輪のハブに電動モータが配設されているため、前輪が重たくなり、電動自転車の重量バランスが前側に寄ってしまう欠点がある。また、回生動作を行った際に、前輪だけが減速してしまうために、後輪側が浮き上がるような姿勢で制動されて電動自転車の安全性が低下するおそれがある。また、このために、前輪の制動力をより大きくする回生動作を積極的には行えない。
さらに、前輪のハブに電動モータを配設して回生制御する電動自転車では、ハブに電動モータの固定子または回転子が直結されているだけでなく、ハブ内に遊星歯車などの複数段の減速機を有する構造であるので、図１４において、曲線ａで示すように、車速に対する力の損失が大きく、電動自転車が走行している際に、ペダルを漕ぐ力が余分に必要となって重く感じ易い欠点もある。
このような短所や欠点などを生じさせない構造として、特許文献２の図８などに開示されているものがある。この電動自転車では、電動モータや、補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケットや、制御部などをひとまとめにしたモータ駆動ユニットを、電動自転車の前輪と後輪との間の中間位置に配設している。また、ペダルが取り付けられているクランク軸の回転を後輪に伝える駆動力伝達チェーンを、モータ駆動ユニットの補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケットを噛合させ、かつ、駆動力伝達チェーンを、回生走行時に後輪の回転を前記補助駆動力出力スプロケットに伝達する伝達手段としても用いている。この構成によれば、回生走行時には、後輪の回転が駆動力伝達チェーンを介して電動モータに伝達されて回生動作が行われる。
この構成によれば、モータ駆動ユニットを、電動自転車の前輪と後輪との間の中間位置に配設したことにより、電動モータと制御部とを一体化できて部品点数を削減でき、また、電動自転車の重量バランスが良好となり走行安定性が向上する。また、回生動作を行った際に、後輪側で減速してしまうために、後輪側が浮き上がるような挙動を生じることが無く、電動自転車の安全性が良好に維持される。また、駆動力伝達チェーンを、ペダルからの人力駆動力や、電動モータからの補助駆動力を後輪に伝達する用途だけでなく、回生走行時に後輪の回転を前記補助駆動力出力スプロケットに伝達する用途として用いることができるので、各種の力を伝達するチェーンを１つだけで済ますことができて、部品点数の増加を抑えられるなどの長所もある。
図１４における曲線ｂは、回生走行時に駆動力伝達チェーンを介して電動モータに力を伝達する構造の電動自転車において、補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケットと、電動モータの出力軸とを直結した構造とした場合の、車速に対する力の損失を表す。この種の電動自転車は、回生走行時に駆動力伝達チェーンを介して電動モータに力を伝達する構造であり、遊星歯車などの複数段の減速機を介して減速する構成ではないので、図１４における曲線ａ（ハブ内蔵型の電動自転車の場合の車速に対する力の損失）と曲線ｂとを比較するとわかるように、ハブ内蔵型の電動自転車の場合と比較すると力の損失を小さくすることができる。
しかし、この種の電動自転車のモータ駆動ユニットにおいて、補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケットと、電動モータの出力軸とを直結した構造とすると、補助駆動力を付加していない状態でペダル走行をしている際（以下、ペダル走行状態と称す）でも、電動モータも常に回転することとなって、ペダルを回す力として大きな力が必要となる。これに対処する方法としては、モータ駆動ユニットにおける、電動モータの出力軸であるモータ出力軸と、前記補助駆動力出力スプロケットが取り付けられた補助駆動力出力軸との伝達経路に、ペダル走行状態では、補助駆動力出力スプロケットとモータ出力軸とが、フリー状態（開放状態）となるように切り換える切換クラッチを介装することが考えられ、この構成が、特許文献２に開示されている。この構成によれば、ペダル走行状態では、図１４における曲線ｃで示すように、電動モータが力の伝達経路から分離されるので、ペダルを回す力を減少させることができて、車速に対する力の損失をさらに小さくすることができる。
特開２００４−１４９００１号公報 特開２００４−２６８８４３号公報
しかしながら、モータ駆動ユニットを、電動自転車の前輪と後輪との間の中間位置に配設し、回生走行時に駆動力伝達チェーンを介して電動モータに力を伝達し、モータ駆動ユニットにおける、モータ出力軸と補助駆動力出力軸との伝達経路に切換クラッチを介装した構造を採用した場合でも、走行中において回生状態に切り替えられた際、すなわち、駆動力伝達チェーンからの力が電動モータの出力軸側に伝達されるように切換えられた際に、大きな衝撃および音が発生して運転者に違和感や不快感を与えるおそれが高い。また、電動モータの出力軸と補助駆動力出力軸との伝達経路に設けられている減速機構などの部品に、急激に大きな衝撃力が加えられるため、これらの部品の耐用年数が短くなるおそれもある。
本発明は上記課題を解決するもので、モータ駆動ユニットを、電動自転車の前輪と後輪との間の中間位置に配設して良好な走行安定性を維持できながら、走行時の力の損失も最小限に抑えることができ、しかも、走行中において回生状態に切り替えられた際でも、大きな衝撃および音が発生することを防止できる電動自転車を提供することを目的とするものである。またさらに、部品の耐用年数を向上させることもできる電動自転車を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、バッテリから給電される電動モータにより発生する補助駆動力を加えて、走行可能であるとともに、後輪が接地面からの受動駆動力を受けて走行する受動走行時において前記受動駆動力を利用して前記電動モータを回転させて前記バッテリを充電する回生動作を実行可能に構成した電動自転車であって、前記電動モータと、補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体と、制御部と、を備えたモータ駆動ユニットが、前輪と後輪との間の中間位置に配設され、ペダルからの踏力を後輪に伝達する無端状駆動力伝達体が、前記受動走行時において後輪が受ける受動駆動力を伝達可能に構成され、前記無端状駆動力伝達体に、前記モータ駆動ユニットの前記補助駆動力出力輪体が噛合され、前記モータ駆動ユニットにおける、前記電動モータの出力軸であるモータ出力軸と前記補助駆動力出力輪体が取り付けられた補助駆動力出力軸との間の力の伝達経路に、力の伝達方向を切り換える入出力切換クラッチと、ダンパと、が設けられ、前記入出力切換クラッチは、前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達可能な出力状態と、後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達可能な入力状態とに切り換えられるよう構成され、前記ダンパは、クラッチ接続時の衝撃を緩和するよう構成されていることを特徴とする。
より具体的には、当該電動自転車が惰性走行状態やアシストなし走行状態から回生状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記出力状態において前記モータ駆動ユニットの前記補助駆動力出力輪体の回転が電動モータ側に伝達されない出力フリー状態から、前記入力状態において後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達する入力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記出力フリー状態から前記入力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されている。
また、当該電動自転車がアシスト走行状態から回生状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記出力状態において前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達する出力ロック状態から、前記入力状態において後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達する入力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記出力ロック状態から前記入力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されている。
また、当該電動自転車が回生状態からアシスト走行状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記入力状態において後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達する入力ロック状態から、前記出力状態において前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達する出力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記入力ロック状態から前記出力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されている。
また、当該が惰性走行状態やアシストなし走行状態からアシスト走行状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記出力状態において前記モータ駆動ユニットの前記補助駆動力出力輪体の回転が電動モータ側に伝達されない出力フリー状態から、前記出力状態において前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達する出力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記出力フリー状態から前記出力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されている。
なお、前記回生動作は、ブレーキ操作に連動して行われるよう構成することが好ましい。
上記構成によれば、モータ駆動ユニットにおける、モータ出力軸と補助駆動力出力軸との力の伝達経路に、力の伝達方向を切り換える入出力切換クラッチだけでなく、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパが設けられているので、走行中において回生状態などに切り替えられた際に、クラッチ接続時の衝撃や音が緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。また、ダンパによりクラッチ接続時の衝撃力が緩和されるので、電動モータの出力軸と補助駆動力出力軸との伝達経路に設けられている部品の耐用年数が短くなることを最小限に抑えられ、ひいては、ダンパが設けられていないものと比較して、電動自転車としての耐用年数を向上させることが可能となる。また、電動モータの出力軸と補助駆動力出力軸との伝達経路に設けられている部品として、多大な強度を有する厚肉の部品（ギヤ）などを用いなくて済む利点もある。
本発明によれば、モータ駆動ユニットにおける、電動モータの出力軸と、前記補助駆動力出力輪体が取り付けられた補助駆動力出力軸との伝達経路に、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパが設けられているので、走行中において回生状態などに切り替えられた際でも、クラッチ接続時の衝撃や音が緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。また、ダンパによりクラッチ接続時の衝撃力が緩和されるので、電動モータの出力軸と補助駆動力出力軸との伝達経路に設けられている部品の耐用年数が短くなることを最小限に抑えられ、ひいては、ダンパが設けられていないものと比較して、電動自転車としての耐用年数を向上させることも可能となる。また、電動モータの出力軸と補助駆動力出力軸との伝達経路に設けられている部品として、多大な強度を有する厚肉の部品（ギヤ）などを用いなくて済むので、モータ駆動ユニットをコンパクト化することも可能となる。
本発明の実施の形態に係る電動自転車の全体側面図 同電動自転車の部分切欠側面図 同電動自転車のモータ駆動ユニットおよびその近傍箇所の斜視図 同電動自転車のモータ駆動ユニットの概略的な平面断面図 同電動自転車のハンドルとブレーキ装置とを概略的に示す図 同電動自転車のモータ駆動ユニットの要部拡大平面断面図 （ａ）および（ｂ）は同電動自転車のモータ駆動ユニットにおける減速ギヤの左側面図および平面断面図 （ａ）は図６のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｂ）は図６のＡ−Ａ線矢視断面図 同電動自転車のモータ駆動ユニットにおける減速ギヤ、ダンパ、トルク伝達板の斜視図 入出力切換クラッチの出力用状態と入力用状態とでの入出力切換クラッチの外輪部と内輪部との回転可または回転不可の状態を示す簡略的な図 （ａ）はアシスト走行時の駆動力伝達チェーンなどの動作を簡略的に示す図、（ｂ）は惰性走行時の駆動力伝達チェーンなどの動作を簡略的に示す図 （ａ）はペダル走行時の駆動力伝達チェーンなどの動作を簡略的に示す図、（ｂ）は回生走行時の駆動力伝達チェーンなどの動作を簡略的に示す図 手押し後退時の駆動力伝達チェーンなどの動作を簡略的に示す図 電動自転車において、補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケットと、電動モータのモータ出力軸とを直結した構造とした場合の、車速に対する力の損失を表す図
以下、本発明の実施の形態に係る電動自転車について図面に基づき説明する。
図１、図２に示すように、本発明の実施の形態に係る電動自転車は、フレーム体１０と、前輪１１と、ハンドルステム１２およびハンドル１３と、サドル９と、ペダル１４と、モータ駆動ユニット２０と、後輪２１と、バッテリ２２と、人力駆動力出力輪体としてのフロントスプロケット（いわゆるクランクギヤ）２５と、後部輪体としてのリアスプロケット（いわゆる後輪ハブギヤ）２６と、無端状駆動力伝達体としての駆動力伝達チェーン２７と、チェーンカバー２８と、テンショナ装置３９となどを備えている。
図１〜図４などに示すように、フレーム体１０は、ヘッドパイプ１、フロントフォーク２、メインフレーム３、立パイプ４、ハンガラグ５（図３参照）、チェーンステー６、バックフォーク７などからなる。前輪１１は、フロントフォーク２の下端部に回転自在に組み付けられている。ハンドルステム１２およびハンドル１３は、ヘッドパイプ１に上方から挿入されてフロントフォーク２と一体的に回転するように組み付けられている。サドル９は、立パイプ４に挿入されたシートポスト８の上端部に取り付けられている。ペダル１４はクランク１５の両端部に回転自在に取り付けられ、人力駆動力としての踏力が加えられる。モータ駆動ユニット２０は、ペダル１４がクランク１５を介して取り付けられたクランク軸１６を回転自在に支持する。後輪２１は、チェーンステー６の後端に回転自在に取り付けられている。
図４に示すように、モータ駆動ユニット２０は、補助駆動力を発生する電動モータ１７や減速機構１８、補助駆動力出力輪体としての補助駆動力出力スプロケット１９、ペダル１４からの踏力を検知するトルクセンサ２９、制御部３０、ユニットケース３５などを有している。減速機構１８は、モータ出力軸１７ａの減速ギヤ部１７ｂおよび減速ギヤ４４などから構成されている。補助駆動力出力スプロケット１９は、軸受４６Ａ、４６Ｂにより回転自在に支持された補助駆動力出力軸４１の端部に取り付けられ、補助駆動力を出力する。
図１、図４などに示すように、バッテリ２２は、立パイプ４と後輪２１との間に配置され、電動モータ１７などに給電する。フロントスプロケット２５は、クランク軸１６にクランク一方向クラッチ２３およびスプロケット取付用回転軸２４を介して連結されて、クランク軸１６が止まっていても回転可能に配設されている。図２に示すように、リアスプロケット２６は、後輪２１のハブである後部ハブ４０に組み付けられており、後輪２１とリアスプロケット２６とが一体的に回転するように、リアスプロケット２６が後部ハブ４０（詳しくは、後部ハブ４０における回転部）に固定されている。駆動力伝達チェーン２７は、フロントスプロケット２５、補助駆動力出力スプロケット１９およびリアスプロケット２６に噛合し、フロントスプロケット２５からの人力駆動力および補助駆動力出力スプロケット１９からの補助駆動力をリアスプロケット２６に伝達する。カバー２８は、フロントスプロケット２５、駆動力伝達チェーン２７の上側箇所およびモータ駆動ユニット２０を側方から覆う。テンショナ装置３９は、駆動力伝達チェーン２７の弛みを吸収する。
モータ駆動ユニット２０は、ペダル１４からの踏力を、モータ駆動ユニット２０内部に設けられたトルクセンサ２９により検出し、この踏力に応じて電動モータ１７から発生させた補助駆動力を、補助駆動力出力スプロケット１９を介して出力する。これらの人力駆動力と補助駆動力とが駆動力伝達チェーン２７に合わせられ、リアスプロケット２６などを介して後輪２１側に伝達される。これにより当該電動自転車が登り坂などでも楽に走行可能に構成している。
図４に示すように、モータ駆動ユニット２０には、補助駆動力の発生を含めた各種の制御を行う制御基板や記憶手段などからなる制御部３０が内蔵されている。図３に示すように、モータ駆動ユニット２０は、支持ブラケット２０ａ、２０ｂを介して、フレーム体１０におけるハンガラグ５の近傍箇所に固定されており、これにより、モータ駆動ユニット２０は、前輪１１と後輪２１との間の中間位置（いわゆる中央部）に配設されている。なお、図２や図１０〜図１２における３１は、駆動力伝達チェーン２７が補助駆動力出力スプロケット１９に噛み合う巻き角度を増加させるように案内するガイドプーリである。また、この実施の形態では、トルクセンサ２９をモータ駆動ユニット２０の内部に設けた場合を述べたが、これに限るものではなく、モータ駆動ユニット２０の外部に設けられていても何ら差し支えない。
図５に示すように、ハンドル１３の両端部に取り付けられたグリップの下方には、左右のブレーキレバー３２（３２Ａ、３２Ｂ）が回動自在に枢支された状態で取り付けられている。一方（例えば右側）のブレーキレバー３２Ａには、ブレーキワイヤ３３Ａを介して、前輪１１に対して機械的に制動力を与える前部ブレーキ装置３６が物理的に連動するように連結されている。他方（例えば左側）のブレーキレバー３２Ｂには、ブレーキワイヤ３３Ｂを介して、後輪２１に対して機械的に制動力を与える後部ブレーキ装置３７が物理的に連動するように連結されている。また、この電動自転車では、ブレーキ操作時に電動モータ１７による回生電力を発生させてバッテリ２２を充電する回生動作を実行可能に構成しており、ハンドル１３の一部には、補助駆動力の追加動作（いわゆるアシスト動作）を電気的にＯＮ・ＯＦＦするためのスイッチボタン（図示せず）などを複数備えた動作用操作部３８が取り付けられている。また、各ブレーキレバー３２Ａ、３２Ｂの取付箇所には、各ブレーキレバー３２Ａ、３２Ｂの操作状態を検知するブレーキスイッチ３４Ａ、３４Ｂが配設され、これらのブレーキスイッチ３４Ａ、３４Ｂによりブレーキレバー３２Ａ、３２Ｂの操作状態を検知しながら、制御部３０により回生充電機能を適切に働かせるように制御されている。
本発明の実施の形態に係る電動自転車では、ペダル１４が踏み込まれず、踏力が殆ど検知されていない状態で走行する際には、後述するように、後輪２１が接地面から受ける受動回転駆動力が、リアスプロケット２６を介して駆動力伝達チェーン２７に伝達されるように構成されており、前記受動回転駆動力がモータ駆動ユニット２０の補助駆動力出力スプロケット１９などを介して電動モータ１７が回転される。そして、このような状況下で、ブレーキレバー３２（３２Ａ、３２Ｂ）が操作されてこの状態がブレーキスイッチ３４Ａ、３４Ｂで検知された際に、回生動作を実行するように制御部３０により制御されており、この際には電動モータ１７の回転を利用して回生動作が実行されてバッテリ２２が充電される。なお、ペダル１４が踏み込まれていない状態でも、駆動力伝達チェーン２７は後輪２１の回転に伴って駆動（移動）されるが、フロントスプロケット２５とクランク軸１６との間にクランク一方向クラッチ２３が介装されているので、クランク軸１６やクランク１５、ペダル１４は回転しない。
図４、図６に示すように、本発明の実施の形態に係る電動自転車では、モータ駆動ユニット２０における、電動モータ１７のモータ出力軸１７ａと、補助駆動力出力スプロケット１９が取り付けられた補助駆動力出力軸４１との間の力の伝達経路に、減速機構１８の減速ギヤ４４が配設されているだけでなく、入出力切換クラッチ４２と、ダンパ４３と、トルク伝達板４５などが設けられている。入出力切換クラッチ４２は、電動モータ１７と補助駆動力出力スプロケット１９との間の力の伝達方向を切り換える。ダンパ４３は、入出力切換クラッチ４２によるクラッチ接続時の衝撃を緩和する。トルク伝達板４５は、ダンパ４３の片側を支持し、内径部が入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂ（図６、図８（ｂ）、図９参照）にスプライン結合などにより嵌め込まれている。
図６〜図９に示すように、減速機構１８の減速ギヤ４４は合成樹脂製とされ、その外周面にモータ出力軸１７ａの減速ギヤ部１７ｂに噛み合うギヤ面４４ａが形成されているとともに、半径方向中央部に挿入孔４４ｂが周方向に複数形成されている。ダンパ４３は、ゴムまたは合成ゴムなどの弾力性を有する材料で形成され、厚肉環状の本体部４３ａから両側方に突出する第１突起部４３ｂと第２突起部４３ｃとがそれぞれ周方向所定角度毎に形成されている。そして、ダンパ４３の第１突起部４３ｂが減速ギヤ４４の挿入孔４４ｂに挿入されて、減速ギヤ４４とダンパ４３との間で力が伝達されるよう構成されている。また、トルク伝達板４５の径方向に延びる箇所にも、挿入孔４５ａが周方向に複数形成されており、ダンパ４３の第２突起部４３ｃがトルク伝達板４５の挿入孔４５ａに挿入されて、ダンパ４３とトルク伝達板４５との間で力が伝達されるよう構成されている。さらに、ダンパ４３の本体部４３ａの外周面と内周面とは、捩じられた際に歪みを生じやすいようにその断面で湾曲した凹形状に形成されている。
入出力切換クラッチ４２は、電動モータ１７からの補助駆動力が入力される外輪部４２ｂ、補助駆動力を出力する内輪部４２ｃ、これらの部材間に配設された複数の係合子であるローラ４２ａなどを有している本体部と（何れも簡略的に示している）、前記ローラ４２ａを周方向等間隔の姿勢で保持する保持器４２ｄ、この保持器４２ｄに外周から当接するシュー４２ｅ、保持器４２ｄを所定位置に保持するためのワッシャ４２ｆなどを備えている。そして、入出力切換クラッチ４２は、電動自転車のブレーキ操作や、所定の回生動作を行わせる前記スイッチボタンなどの指示手段による指示動作などに連動して、シュー４２ｅにより保持器４２ｄを拘束または開放することで、ロック方向を切り換えるよう構成されている。
すなわち、入出力切換クラッチ４２は、シュー４２ｅにより保持器４２ｄを開放しており、電動モータ１７からの補助駆動力を出力可能である出力用状態と、シュー４２ｅにより保持器４２ｄを拘束しており、後輪２１が接地面から受ける受動回転駆動力を駆動力伝達チェーン２７を介して電動モータ１７側に入力可能である入力用状態とに、シュー４２ｅによって切り換えられる。
ここで、図１０は、入出力切換クラッチ４２の出力用状態と入力用状態とでの入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂと内輪部４２ｃとの状態を示すための簡略的な図であり、進行方向に向って右側となる面を側面視した状態を示している。入出力切換クラッチ４２が出力用状態である場合には、図１０の左側部分に示すように、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂに対して、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが相対的に右回転することは禁止されて出力ロック状態となる一方、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが相対的に左回転することは許容されて出力フリー状態となる。また、入出力切換クラッチ４２が入力用状態である場合には、図１０の右側部分に示すように、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂに対して、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが相対的に右回転することは許容されて入力フリー状態となる一方、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが相対的に左回転することは禁止されて入力ロック状態となる。
上記構成における、駆動力伝達チェーン２７や補助駆動力出力スプロケット１９、フロントスプロケット２５、リアスプロケット２６などの動作について説明する。なお、以下においては、図１および図１１〜図１３に示すように、進行方向に向った場合に右側となる面を側面視した状態で説明する。なお、これらの図におけるＥは接地面である。また、これらの図では、駆動力伝達チェーン２７において、張り状態である部分を実線で、緩み状態である部分を点線で示す。
ペダル１４からの人力に、電動モータ１７からの補助駆動力が加えられて走行するアシスト走行時には、図１１（ａ）に示すように、進行方向に向って右側となる面を側面視した状態で、ペダル１４とフロントスプロケット２５とが右回転され、また、電動モータ１７が駆動されてモータ出力軸１７ａおよび減速ギヤ部１７ｂが右回転され、これに伴って、減速ギヤ４４、トルク伝達板４５および入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂが左回転される。この際は、入出力切換クラッチ４２が、そのシュー４２ｅが保持器４２ｄから離された出力用状態とされている。そして、この状態で、左回転される入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂに対して、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂよりも遅い速度で左回転しようとしても（すなわち、相対的に右回転しようとしても）回転できずにロックされた出力ロック状態となる。したがって、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃも左回転され、これらの入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃやフロントスプロケット２５により、駆動力伝達チェーン２７が右回りに移動するように引っ張られて、リアスプロケット２６が右回転し、これに伴って、後輪２１が右回転して、人力駆動力および補助駆動力が加えられて走行する。
電動自転車が慣性力のみにより走行する惰性走行時、例えば、平地でペダル１４を漕ぐことを停止して電動自転車が慣性力のみにより走行する惰性走行時にも、入出力切換クラッチ４２は出力用状態とされる。そして、この惰性走行時には、図１１（ｂ）に示すように、接地した後輪２１が右回転し、これに伴って、リアスプロケット２６が右回転するとともに、駆動力伝達チェーン２７が右回りに移動するように引っ張られる。この結果、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃは左回転とされるが、電動モータ１７は停止しているので、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂも停止しようとする。この際、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂに対して入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが相対的に左回転しようとすることとなるが、入出力切換クラッチ４２は引き続き出力用状態であるので出力フリー状態となって、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃだけがフリー状態で左回転する。また、駆動力伝達チェーン２７の右回りへの移動に伴ってフロントスプロケット２５が右回転されるが、クランク軸１６にはクランク一方向クラッチ２３が設けられているので、ペダル１４に足をつけている状態では、ペダル１４は停止状態となる。このように、惰性走行時には、電動モータ１７は停止しており、入出力切換クラッチ４２はフリー状態であるので、駆動力伝達チェーン２７も軽快に移動し、惰性走行も良好に行える。
また、電動自転車が比較的高速で走行している場合や、動作用操作部３８を操作してアシスト動作を解除した場合などは、電動自転車が、補助駆動力を加えられずに、人力駆動力のみにより走行することとなる。このアシストなし走行時（ペダル走行時）にも、入出力切換クラッチ４２は出力用状態とされる。そして、このアシストなし走行時（ペダル走行時）には、図１２（ａ）に示すように、ペダル１４とフロントスプロケット２５とが右回転され、これに伴って、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃは左回転とされるが、電動モータ１７は停止しているので、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂも停止しようとする。この際、入出力切換クラッチ４２は引き続き出力用状態とされているので出力フリー状態となって、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃはフリー状態で左回転する。そして、フロントスプロケット２５により、駆動力伝達チェーン２７が右回りに移動するように引っ張られて、リアスプロケット２６が右回転し、これに伴って、人力駆動力のみにより後輪２１が右回転して走行する。
一方、惰性走行状態やアシストなし走行（ペダル走行）状態から、ブレーキレバー３２（３２Ａ、３２Ｂ）が操作されると電動自転車が回生状態となるが、回生走行時には、シュー４２ｅが保持器４２ｄに当接して保持器４２ｄが所定位置に拘束され、これにより、入出力切換クラッチ４２が入力用状態となり、後述するように、後輪２１側から伝達された受動駆動力を電動モータ１７側へ伝達する一方、反対側への回転時には、フリー状態となる。
つまり、この回生走行時には、図１２（ｂ）に示すように、接地した後輪２１が接地面Ｅからの受動駆動力を受けて右回転し、これに伴って、リアスプロケット２６が右回転するとともに、駆動力伝達チェーン２７が右回りに移動するように引っ張られる。この結果、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃは左回転とされるが、電動モータ１７は停止しているので、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂも停止しようとする。ところが、入出力切換クラッチ４２は入力用状態とされているので、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが左回転している状態で、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂが内輪部４２ｃに対して相対的に右回転しようとした場合には、入出力切換クラッチ４２がロックされた入力ロック状態となり、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂが内輪部４２ｃと一体的に左回転する。これにより、減速ギヤ部１７ｂおよびモータ出力軸１７ａが右回転され、電動モータ１７は前記受動駆動力により回転されてバッテリ２２を充電する回生動作を行う。
ここで、電動自転車が惰性走行状態やアシストなし走行（ペダル走行）状態である状況で、ブレーキレバー３２（３２Ａ、３２Ｂ）が操作されて回生状態に切り換えられた際には、入出力切換クラッチ４２が出力状態（より詳しくは出力フリー状態）から入力状態（より詳しくは入力ロック状態）に切り換えられて、電動モータ１７が停止されて減速ギヤ４４が殆ど回転していない状態から、強制的に減速ギヤ４４や電動モータ１７が回転される状態となる。したがって、入出力切換クラッチ４２に減速ギヤ４４が直接固定されていると、このクラッチ切換時に、入出力切換クラッチ４２で大きな衝撃および音が発生して、運転者に違和感や不快感を与えるおそれがある。しかしながら、本発明では、電動モータ１７のモータ出力軸１７ａと補助駆動力出力軸４１との伝達経路に（本実施の形態では減速ギヤ４４とトルク伝達板４５との間に）、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパ４３が設けられているので、走行中において回生状態に切り替えられた際でも、クラッチ接続時の衝撃や音が緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。
また、クラッチ接続時の衝撃力が緩和されるので、モータ出力軸１７ａと補助駆動力出力軸４１との力の伝達経路に設けられている部品の耐用年数が短くなることが最小限に抑えられ、ひいては、ダンパが設けられていないものと比較して、電動自転車としての耐用年数を向上させることも可能となる。
なお、回生走行時には、駆動力伝達チェーン２７の右回りへの移動に伴ってフロントスプロケット２５が右回転されるが、クランク軸１６にはクランク一方向クラッチ２３が設けられているので、ペダル１４に足をつけている状態では、ペダル１４は停止状態となる。このように、回生走行時には、電動モータ１７は受動駆動力を受けて良好に回転するが、ペダル１４は停止可能であり、運転者に違和感などを与えることはない。
また、電動自転車がアシスト走行状態から、ブレーキレバー３２（３２Ａ、３２Ｂ）が操作されて回生状態に切り換えられた際には、入出力切換クラッチ４２が出力状態（より詳しくは出力ロック状態）から入力状態（より詳しくは入力ロック状態）に切り換えられるので、入出力切換クラッチ４２に減速ギヤ４４が直接固定されていると、このクラッチ切換時に、入出力切換クラッチ４２でより大きな衝撃および音が発生して、運転者に違和感や不快感を与えるおそれがある。しかしながら、本発明では、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパ４３が設けられているので、走行中においてアシスト走行状態から回生状態に切り替えられた際でも、クラッチ接続時の衝撃や音がより効果的に緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。
また、逆に、ブレーキレバー３２の操作が解除されて（止められて）、電動自転車が回生状態からアシスト走行状態に切り換えられた際には、入出力切換クラッチ４２が入力状態（より詳しくは入力ロック状態）から出力状態（より詳しくは出力ロック状態）に切り換えられるので、この場合においても、入出力切換クラッチ４２に減速ギヤ４４が直接固定されていると、このクラッチ切換時に、入出力切換クラッチ４２でより大きな衝撃および音が発生して、運転者に違和感や不快感を与えるおそれがある。しかしながら、本発明では、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパ４３が設けられているので、走行中において回生状態からアシスト走行状態に切り替えられた際でも、クラッチ接続時の衝撃や音がより効果的に緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。
また、電動自転車が惰性走行状態やアシストなし走行（ペダル走行）状態である状況からアシスト走行状態に切り換えられた際には、入出力切換クラッチ４２は出力状態のままであるが、出力フリー状態から出力ロック状態になるので、この際に、入出力切換クラッチ４２などで衝撃が発生して、運転者にある程度の違和感や不快感を与えるおそれがある。しかしながら、本発明では、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパ４３が設けられているので、走行中において出力フリー状態から出力ロック状態に切り替えられた際でも、クラッチ接続時の衝撃が緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。
なお、電動自転車から運転者が降りた状態で、手押しするなどして電動自転車を前進させた際の各部の動きは、図１１（ｂ）に示すような、惰性走行時の場合とほぼ同じであるが、ペダル１４に足を乗せていない状態では、フロントスプロケット２５とともにペダル１４が右回転する。
また、電動自転車から運転者が降りた状態で、手押しするなどして電動自転車を後退させた際には、図１３に示すように、接地した後輪２１が左回転し、これに伴って、リアスプロケット２６が左回転するとともに、駆動力伝達チェーン２７が左回りに移動するように引っ張られる。この結果、フロントスプロケット２５が左回転されるとともに、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃは右回転される。ここで、ブレーキレバー３２を操作しない状態では入出力切換クラッチ４２が出力用状態であるので、入出力切換クラッチ４２の内輪部４２ｃが右回転すると、入出力切換クラッチ４２の外輪部４２ｂが出力ロック状態となって内輪部４２ｃとともに右回転し、電動モータ１７のモータ出力軸１７ａは左回転される。したがって、電動自転車から運転者が降りた状態で、手押しするなどして電動自転車を後退させる際には、電動モータ１７も回転するものの、電動自転車を支障なく後退させることができる。
上記構成によれば、電動モータ１７のモータ出力軸１７ａと補助駆動力出力軸４１との伝達経路に、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパ４３が設けられているので、走行中において回生状態に切り替えられて入出力切換クラッチ４２が接続された際や、回生状態からアシスト走行状態に切り換えられた際、或いは、惰性走行状態やアシストなし走行（ペダル走行）状態である状況からアシスト走行状態に切り換えられた際の何れの場合でも、クラッチ接続時の衝撃や音が緩和されて、運転者に違和感や不快感を与えることを防止できる。また、これにより、電動モータ１７のモータ出力軸１７ａと補助駆動力出力軸４１との伝達経路に設けられている部品に急激に衝撃力が負荷されることを緩和できるので、これらの部品の耐用年数が短くなることを最小限に抑えることができる。また、電動モータ１７のモータ出力軸１７ａと補助駆動力出力軸４１との伝達経路に設けられている部品として、多大な強度を有する厚肉の部品（ギヤ）などを用いなくて済むので、モータ駆動ユニット２０をコンパクト化することも可能となる。
さらに、クラッチ接続時の衝撃を緩和するダンパ４３が設けられていることにより、スタート時にペダル１４を急激に踏み込んで、電動モータ１７からの出力トルクが急激に増加した際に駆動力伝達チェーン２７などに作用する衝撃力を緩和することができて、これによっても、運転者に感じる衝撃力を緩和することができて、より良好な乗り心地を得ることができる。また、走行時において、ペダル１４の踏力と速度との関係などにより、アシスト状態と非アシスト状態が頻繁に切り換えられる際でも、この際の、ギクシャクする（短時間に多くの変動を生じる）ような衝撃力を運転者に与えることも緩和できるので、これによっても良好な乗り心地を得ることができる。
なお、上記実施の形態では、ブレーキレバー３２Ａ、３２Ｂの操作状態を検知しながら、制御部３０により回生充電機能を適切に働かせるように制御されている場合を述べたが、これに限るものではなく、動作用操作部３８に設けたスイッチボタンなどにより回生動作を電気的にＯＮ・ＯＦＦする場合にも適用可能であり、この場合に回生動作中において、ペダル１４が所定のトルク以上の力で踏み込まれた際に回生動作を解除するよう構成してもよい。
また、上記の実施の形態では、ペダル１４からの踏力を後輪に伝達する無端状駆動力伝達体として、チェーン（駆動力伝達チェーン２７）が用いられた場合を述べたが、これに限るものではなく、チェーンに代えて歯付きベルトを用いてもよい。また、同様に、歯付きベルト（駆動力伝達歯付きベルト）を用いる場合には、補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体として、補助駆動力出力スプロケット１９に代えて補助駆動力出力歯車を用い、後部輪体としてリアスプロケット２６に代えてリア歯車を用いるとよい。
また、上記の実施の形態では、後輪２１のハブに人力駆動力出力輪体としてのフロントスプロケット（いわゆるクランクギヤ）２５が直結されている場合を述べたが、これに限るものではない。つまり、走行している際に、後輪の回転がフロントスプロケット２５に伝達される構造であればよく、後輪のハブに外装変速機が設けられたり、後輪のハブに内装変速機が設けられていたりしてもよい。なお、この場合に用いる後輪のハブに内装する内装変速機としては、本出願人が出願した内容が開示されている特開２０１０−９５２０３公報の構造が特に適しているが、これに限るものではない。
本発明は、補助駆動力を付与可能で回生動作も可能で、かつ、モータ駆動ユニットが中央に配置されている各種の電動自転車に適用可能である。
１０ フレーム体
１１ 前輪
１４ ペダル
１６ クランク軸
１７ 電動モータ
１８ 減速機構
１９ 補助駆動力出力スプロケット（補助駆動力出力輪体）
２０ モータ駆動ユニット
２１ 後輪
２２ バッテリ
２３ クランク一方向クラッチ
２５ フロントスプロケット（人力駆動力出力輪体）
２６ リアスプロケット（後部輪体）
２７ 駆動力伝達チェーン（駆動力伝達チェーン）
２９ トルクセンサ
３０ 制御部
３２、３２Ａ、３２Ｂ ブレーキレバー
３６ 前部ブレーキ装置
３７ 後部ブレーキ装置
３８ 動作用操作部
３９ テンショナ装置
４０ 後部ハブ
４１ 補助駆動力出力軸
４２ 入出力切換クラッチ
４３ ダンパ
４４ 減速ギヤ
４５ トルク伝達板

Claims (6)

  1. ペダルからの踏力による人力駆動力に、バッテリから給電される電動モータにより発生する補助駆動力を加えて、走行可能であるとともに、後輪が接地面からの受動駆動力を受けて走行する受動走行時において前記受動駆動力を利用して前記電動モータを回転させて前記バッテリを充電する回生動作を実行可能に構成した電動自転車であって、
    前記電動モータと、補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体と、制御部と、を備えたモータ駆動ユニットが、前輪と後輪との間の中間位置に配設され、
    ペダルからの踏力を後輪に伝達する無端状駆動力伝達体が、前記受動走行時において後輪が受ける受動駆動力を伝達可能に構成され、
    前記無端状駆動力伝達体に、前記モータ駆動ユニットの前記補助駆動力出力輪体が噛合され、
    前記モータ駆動ユニットにおける、前記電動モータの出力軸であるモータ出力軸と前記補助駆動力出力輪体が取り付けられた補助駆動力出力軸との間の力の伝達経路に、力の伝達方向を切り換える入出力切換クラッチと、ダンパと、が設けられ、
    前記入出力切換クラッチは、前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達可能な出力状態と、後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達可能な入力状態とに切り換えられるよう構成され、
    前記ダンパは、クラッチ接続時の衝撃を緩和するよう構成されている
    ことを特徴とする電動自転車。
  2. 当該電動自転車が惰性走行状態やアシストなし走行状態から回生状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記出力状態において前記モータ駆動ユニットの前記補助駆動力出力輪体の回転が電動モータ側に伝達されない出力フリー状態から、前記入力状態において後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達する入力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記出力フリー状態から前記入力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動自転車。
  3. 当該電動自転車がアシスト走行状態から回生状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記出力状態において前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達する出力ロック状態から、前記入力状態において後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達する入力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記出力ロック状態から前記入力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動自転車。
  4. 当該電動自転車が回生状態からアシスト走行状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記入力状態において後輪側から伝達された前記受動駆動力を前記電動モータ側へ伝達する入力ロック状態から、前記出力状態において前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達する出力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記入力ロック状態から前記出力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動自転車。
  5. 当該が惰性走行状態やアシストなし走行状態からアシスト走行状態に切り換えられた際に、前記入出力切換クラッチは、前記出力状態において前記モータ駆動ユニットの前記補助駆動力出力輪体の回転が電動モータ側に伝達されない出力フリー状態から、前記出力状態において前記電動モータの駆動力を前記補助駆動力出力軸側に伝達する出力ロック状態に切り換えられ、前記ダンパは、前記出力フリー状態から前記出力ロック状態に切換えられたクラッチ接時の衝撃を緩和するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動自転車。
  6. 前記回生動作が、ブレーキ操作に連動して行われるよう構成したことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動自転車。
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