JP2013039865A - 自転車用ハブユニット、並びにそれを用いた電動補助自転車及び電動二輪車 - Google Patents

Abstract

【課題】装置をコンパクトにし、モータの引き摺りトルクを抑制する。
【解決手段】ハブ１０の内部に変速機構部３０、減速機構部４０及び駆動用モータ１８を車軸１５に沿って並列して備え、変速機構部３０は人力の駆動力を、減速機構部４０は駆動用モータ１８の駆動力をハブケース１１に伝達する。変速機構部３０は、変速機用太陽歯車３０ａ、変速機用遊星歯車３０ｂ、変速機用遊星キャリア３０ｃを備え、変速機用遊星キャリア３０ｃをハブケース１１への出力部材とする。減速機構部４０は、減速機用太陽歯車４０ａ、減速機用遊星歯車４０ｂ、減速機用外輪歯車４０ｄを備え、減速機用遊星歯車４０ｂを減速機用外輪歯車４０ｄに噛み合わせ、減速機用遊星歯車４０ｂを保持する変速機用遊星キャリア３０ｃをハブケース１１への出力部材とする。また、減速機用外輪歯車４０ｄと駆動用モータ１８のモータハウジング１８ｂとの間に切替用クラッチ２０を備えた。
【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や電動二輪車、及び、その電動補助自転車や電動二輪車に用いられる自転車用ハブユニット、並びにそれを用いた電動補助自転車及び電動二輪車に関するものである。

自転車の変速機には、様々な種類のものが存在する。このような中で、一般的には、クランク軸又はリア車軸の何れか一方、もしくは両方の同軸上に多段のスプロケットを設け、ディレイラーによってチェーンをスプロケット間で移動させることによって変速する方式（外装変速機）と、駆動輪である後輪のリアハブの内部に設けた歯車を掛けかえることによって変速する方式（内装変速機）がある。

外装変速機は、構造が簡単で軽量であるが、スプロケットやチェーンが摩耗する原因になり、チェーン外れの原因にもなる。一方、内装変速機は、防塵、防水性に優れており、メンテナンスフリーといった利点があるため、シティサイクルに使われることが多い。

ところで、電動モータにより人力駆動系に補助力を付加させる電動補助自転車や電動二輪車（以下、電動補助自転車で総称する）において、その電動補助自転車の駆動輪である後輪のリアハブ内に、駆動用モータ、減速機構部、変速機構部が備えられたものがある。

リアハブにモータを設けた、所謂リアハブモータ方式の電動補助自転車は、変速機構部と組み合わせる場合、外装変速機又は内装変速機のいずれかを用いることができる。
ただし、外装変速機を用いる場合、ハブの構造は、主として駆動用モータと減速機構部とから構成されるので簡素となるが、前述のような外装変速機ゆえのメンテナンス上の問題がある。一方、内装変速機を用いる場合、ハブの構造は、モータ、減速機構部及び変速機構部とから構成されるので、ハブ自体の構造は複雑となるが、前述のような内装変速機ゆえの利点があるので有利である。

現在のところ、電動補助自転車はシティサイクルを中心に展開しており、その殆どが内装変速機を採用している。従って、リアハブモータ方式の電動補助自転車においても、内装変速機とすることが望ましいと考えられている。
この種の内装変速機を備えた電動補助自転車の構造として、例えば、特許文献１，２に記載のものがある。

これらの構造では、リアハブ内において、駆動用モータ（電動機）、減速機構部、変速機構部が配置されている。モータによる駆動機構としては、駆動用モータと、その駆動用モータの回転数を減速する動力系の減速機構部を内蔵している。また、人力の入力機構としては、駆動輪の車軸に入力用のスプロケットが設けられ、その車軸より外周に向かって変速機構部、減速機構部を順に配置している。
リアハブは、回転ケーシングと固定ケーシングとを備え、前記人力系の入力機構は回転ケーシング側に、前記駆動用モータによる駆動機構は、主として固定ケーシング側に配置されている。

ペダルによって与えられた人力は、チェーンによって駆動輪のスプロケットに伝達され、変速機構部で変速され、回転ケーシングを通じて駆動輪を回転させる。また、モータによる駆動力は、前述の人力系の変速機構部とは別に備えた動力系の減速機構部で減速されて、その後、回転ケーシングにおいて人力駆動力と電動駆動力とが合力されて、駆動輪に伝達される。
このとき、電気信号に変換された前記人力による駆動力と、速度センサからの走行速度の電気信号とが、その電動補助自転車が備える制御部に入力され、その制御部が、所定の条件に基づいて駆動信号を出力し、モータを制御するようになっている。

しかし、これらの構造では、モータは、車軸の軸心から偏心した位置や、あるいは、車軸から外径側に大きく離れた位置に配置されている。このため、ハブの外径が大きくなるという問題がある。ハブの外径が大きいと、重量バランスが悪くなる傾向がある。

この点、特許文献３，４に記載の構造によれば、減速機構部、駆動用モータ、変速機構部を車軸の軸心に沿って併設した構成となっているから、上記ハブの大型化は抑制できる。

特開平９−５８５６８号公報 特開２０００−０４３７８０号公報 特開２００２−２９３２８５号公報 特開２００３−１６００８９号公報

しかし、特許文献３では、その組み立て性を考慮し、駆動用モータと減速機構部を組込む作業と、ハブケースの端面を閉じる蓋体に内装変速機を組込む作業を別作業とし、その後、両者を組込んでいる。すなわち、減速機構部と変速機構部とは完全に別ユニットで構成される。ハブケース内の軸方向のスペースには限りがあるので、このような構成では、変速機構部の配置スペースを確保しにくく、変速段数を増やすことが困難である。

また、特許文献４では、駆動用モータは、減速機構部と変速機構部の間に配置されている。このような構成では、モータの電源及び制御用の配線を配置しにくく、また、その構造が複雑である。さらに、減速機構部と変速機構部は独立した構成となり、特許文献３と同様、変速段数を増やすことは困難である。
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ドの範囲があり、それを越える範囲のスピード、あるいは、電池切れ等によって補助モータが作動しない場合には、減速機構部によってモータの引き摺りトルクが増加し、走行抵抗が大きくなってしまうという問題がある。

そこで、この発明は、車軸の軸心に沿って減速機構部、駆動用モータ、変速機構部の３つの機構を並列に備えた構成において、装置をコンパクトにするとともに、補助モータが作動しない場合におけるモータの引き摺りトルクを抑制することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、ハブの内部に、変速機構部、減速機構部及び駆動用モータを車軸の軸方向に並列して配置した自転車用ハブユニットにおいて、前記変速機構部は、入力手段に入力される人力による駆動力をハブケースに伝達する機能を有し、前記減速機構部は、前記駆動用モータから入力される駆動力をハブケースに伝達する機能を有しており、前記変速機構部は、２段以上の変速段を有する遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの変速機用太陽歯車と、その変速機用太陽歯車に噛み合う変速機用遊星歯車、及びその変速機用遊星歯車を保持する変速機用遊星キャリアとを備え、前記入力手段からの駆動力に対して前記少なくとも1つの変速機用太陽歯車を前記車軸周りに回転可能又は回転不能とに切り替えて変速を行う変速制御機構部を備えており、前記減速機構部は、遊星歯車機構によって構成されて前記駆動用モータのモータ軸と一体に回転する減速機用太陽歯車と、前記減速機用太陽歯車に噛み合う減速機用遊星歯車とを備え、前記減速機用遊星歯車に噛み合う減速機用外輪歯車と前記駆動用モータを保持するモータハウジングとを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチを備え、前記変速機構部の前記ハブケースへの出力部材である前記変速機用遊星キャリアで前記減速機用遊星歯車を保持することにより、前記変速機用遊星キャリアを前記減速機構部のハブケースへの出力部材としたことを特徴とする自転車用ハブユニットを採用した。

この構成によれば、変速機構部と減速機構部のそれぞれにおいて遊星歯車機構を採用し、変速機構部のハブケースへの出力部材である変速機用遊星キャリアで減速機用遊星歯車を保持することにより、その変速機用遊星キャリアを減速機構部のハブケースへの出力部材としたので、部材の共通化により車軸方向にコンパクトな構造とすることが可能となる。
また、減速機用遊星歯車に噛み合う減速機用外輪歯車と駆動用モータを保持するモータハウジングとの間に切替用クラッチを設けたことから、補助モータが作動しない場合におけるモータの引き摺りトルクを抑制することができる。

ここで、例えば、前記変速機構部の構成を、前記入力部材から前記ハブケースへの直結状態を含む減速型とすることができる。また、前記変速機構部の構成を、前記入力部材から前記ハブケースへの直結状態と２段以上の減速状態を含む減速型とすることができる。

遊星歯車機構の２段以上の変速段を切り替える変速制御機構部の構成としては、例えば、クラッチ部材を変速機用太陽歯車と車軸との間に設け、このクラッチ部材（変速機用第一ワンウェイクラッチと称する）を、前記変速機用太陽歯車が車軸回り一方向へ回転可能な状態と回転不能な状態とに切替えることで変速できる構成を採用することができる。
さらに、それに加え、例えば、入力手段に接続され変速機用遊星歯車に噛み合う変速機用外輪歯車と、その変速機用遊星歯車を保持する変速機用遊星キャリアとの間に別のクラッチ部材を設け、変速制御機構部が、変速機用外輪歯車を変速機用遊星キャリアに対して軸回り一方向へ回転不能な状態に切替えることで、入力手段から変速機用遊星キャリアへ等速（直結）状態に変速することができる。
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（例えば、３段変速の場合の３速時の状態）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。なお、遊星歯車の段数を増やし、さらにこの遊星歯車の段数に応じて太陽歯車を同数設けることで、４段、５段、６段と変速数を増加させることが可能となる。

また、これらの各構成において、前記車軸を自転車のフレームに両持ち固定される単一の部材とすれば、車軸がフレームに両端支持により完全固定されることで、リアハブユニット全体の剛性が確保され、駆動用モータは、この車軸に完全に固定されることで安定して回転可能となる。

さらに、これらの各構成において、前記切替用クラッチを、例えば、ツーウェイクラッチとした構成を採用することができる。また、その切替用クラッチには、例えば、ローラクラッチ又はスプラグクラッチ、ラチェット機構を備えたクラッチ（ラチェットクラッチ）を採用することができる。このツーウェイクラッチにローラクラッチやスプラグクラッチを用いることで、ガタ量を小さくすることが可能となり、また、ラチェット機構を用いることで、構造を簡素化することができる。

これらの各構成において、前記切替用クラッチは、前記駆動用モータからの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリアの前記モータハウジングに対する回転には常に係合可能な状態とされ、その反対方向の回転には、外部から伝達された切替えを指示するための入力によって、係合可能な状態及び係合不能な状態とに切替えできる構成を採用することができる。

すなわち、駆動用モータからの駆動力が負荷される場合に、常に、減速機構部の減速機用外輪歯車はツーウェイクラッチによってモータハウジングに対して回転不能な状態になるようにする（逆方向トルクの作用時は空転する）。駆動用モータは車軸に対して回転固定されていることから、減速機用外輪歯車もまた回転固定される。したがって、駆動用モータから減速機用太陽歯車、減速機用遊星歯車を介して出力部材（変速機用遊星キャリア）へと駆動力が伝達され、出力部材とハブケースは一体回転可能に結合されているから、駆動輪へとトルク伝達される。これにより、補助力による走行が可能となる。

また、駆動用モータからの補助力が不必要、若しくは電池切れの場合など補助力が得られない場合、人力の駆動力によって、減速機用外輪歯車はモータハウジングに対して駆動用モータからの駆動力で前進する際とは反対方向に回転する。この状態で、減速機構部の減速機用外輪歯車をモータハウジングに対して回転可能な状態とし、すなわち、減速機用遊星外輪歯車はモータハウジングに対して空転する。これにより、駆動用モータの引き摺り抵抗がない快適な走行が可能となる。

さらに、自転車が惰性で走行する際における駆動輪からの逆入力に対しては、同じく、減速機用外輪歯車はモータハウジングに対して駆動用モータからの駆動力で前進する際とは反対方向に回転する。この状態で、外部から伝達された入力によってツーウェイクラッチを入とし、減速機構部の減速機用外輪歯車をモータハウジングに対して回転不能な状態とする。これにより、減速機構部を介して駆動用モータに駆動輪からの逆入力が伝達され、回生充電が可能となる。

したがって、回生が必要な時にのみ、切替用クラッチを係合可能な状態から係合不能な状態に切り替えればよく、ハブ内部の構造を簡素化できる。また、その切替用クラッチの切り替えは、例えば、外部からの電気信号の入力によって切り替えることも可能であるが、部材の進退動作や回転動作等の機械的な動作（入力）によって切替えることも可能である。

いずれの場合にも、その切替えをブレーキ操作と連動させることで、ブレーキ時にのみ回生させることが可能となる。このとき、外部からの入力は、ブレーキ操作と連動して作動する切替用クラッチ制御機構部によって伝達されるようにできる。切替用クラッチ制御機構部の構成としては、例えば、ブレーキ操作と連動するワイヤー等の進退動作やその他リンク機構を構成する部材の回転動作（入力）を活用して、その切替えを行う構成とできる。

さらに、複数の要素（ブレーキ操作の有無、回転数、ペダルトルクの数値）に基づいて、それらの複数の要素が所定の要件を満たした場合に、前記切替用クラッチの切り替えを行う構成を採用することができる。複数の要素を切り替えの基準とすることで、より快適な走行を得ることが可能となる。

前記切替用クラッチとして、例えば、ラチェット機構を備えたクラッチを採用した場合において、そのラチェット機構は、前記減速機用遊星キャリアの前記モータハウジングに対する軸周り一方向のみに係合する第一ラチェット部と、その第一ラチェット部の係合方向とは反対方向の回転のみに係合する第二ラチェット部とで構成することができる。

このとき、前記第一ラチェット部は、前記駆動用モータからの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用遊星キャリアの前記モータハウジングに対する回転には常に係合可能な状態とされ、前記第二ラチェット部は、前記駆動用モータから駆動力が入力されない場合には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切り替えできる構成とすることができる。

これらの各構成において、前記モータハウジングは、自転車のフレームもしくは車軸に相対回転不能に保持されている構成とすることができる。

また、これらの各構成において、前記入力手段を前記車軸の一端側に、前記駆動用モータを前記車軸の他端側に設け、前記変速機構部及び前記減速機構部は、前記入力手段と前記駆動用モータとの間に設けられる構成を採用することができる。
変速機構部及び減速機構部を、車軸の一端側のスプロケットと、他端側の駆動用モータとの間に設ければ、変速機用遊星キャリアと減速機用遊星キャリアとが近接するので、キャリアを共通化するための構造をさらに簡素にし得る。なお、駆動用モータは、自転車に両持ち支持される車軸に完全に固定されることで、ハブユニット全体の高い剛性が確保できるようになる。

また、これらの各構成において、前記変速機構部は、前記入力手段からの駆動力を伝達する駆動体と一体に回転する変速機用外輪歯車が前記変速機用遊星歯車に噛み合い、前記変速機用遊星キャリアの外周から前記ハブケースの内径にトルク伝達可能に接合されており、前記入力手段からの駆動力は、前記駆動体から前記変速機用遊星歯車、前記変速機用遊星キャリアを通じて前記ハブケースへ等速以下で伝達される減速型とした構成を採用することができる。

このとき、前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とを一体の部材で形成することも可能であるが、前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とを別部材とし、その別部材の前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とが一体回転可能な結合によって保持されている構成とすることができる。

前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とを別部材とした場合、前記駆動体と前記変速機用外輪歯車とは、半径方向へ相対移動可能に保持されている構成とすることができる。駆動体と変速機用外輪歯車とが半径方向へ相対移動可能であれば、その駆動体や変速機用外輪歯車に生じ得る製造誤差や組み立て誤差を、その相対移動によって吸収することができ、遊星歯車機構の噛み合っている各歯車間のバランスを良好に保つことができる。
遊星歯車は、理想的には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した上記構成が好ましい。
すなわち、ここでは、入力部材が結合される駆動体と変速機用外輪歯車とを別部材とし、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している。また、駆動体は車軸にベアリングによって回転支持されていることから、この変速機外輪歯車が半径方向に移動することで、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。

また、これらの各構成において、前記減速機構部は、前記減速機用遊星歯車に設けた第一外径歯車部が前記減速機用太陽歯車に噛み合い、前記減速機用遊星歯車に設けられ前記第一外径歯車部よりも歯数の少ない第二外径歯車部が前記減速機用外輪歯車に噛み合っている構成を採用することができる。
このように、減速機構部の遊星歯車機構に、歯数の異なる2段の減速機用遊星歯車を用いることによって、コンパクトな構造で高減速比とすることが可能となる。

また、これらの各構成において、前記変速機用遊星歯車の数と前記減速機用遊星歯車の数を同数とすれば、主に入力手段からの人力による駆動力を伝達する変速機構部における車軸周りへの荷重バランスと、主に駆動用モータからの駆動力を伝達する減速機構部における車軸周りへの荷重バランスとが近いものとなるので望ましい。

また、例えば、前記変速機用遊星歯車の数を３個とすれば、駆動力を伝達する際の車軸周りへの荷重バランスが最も良好となる。このとき、前記減速機用遊星歯車の数も同数の３個とすることが望ましい。

また、これらの各構成において、前記変速制御機構部は、前記少なくとも一つの変速機用太陽歯車を前記車軸周り一方向に回転不能とできる変速機用第一ワンウェイクラッチを、その一方向に相対回転可能又は相対回転不能に切替可能である構成を採用することができる。

さらに、これらの各構成からなる自転車用ハブユニットを組み込み、電動モータにより人力駆動系に補助力を付加させることができ、且つ、回生機構を備えた電動補助自転車や電動二輪車とすることができる。

この発明は、車軸の軸心に沿って減速機構部、駆動用モータ、変速機構部の３つの機構を並列に備えた構成において、変速機構部と減速機構部のそれぞれにおいて遊星歯車機構を採用し、変速機構部のハブケースへの出力部材である変速機用遊星キャリアで減速機用遊星歯車を保持することにより、その変速機用遊星キャリアを減速機構部のハブケースへの出力部材としたので、部材の共通化により車軸方向にコンパクトな構造とすることが可能となる。
また、減速機用遊星歯車に噛み合う減速機用外輪歯車と駆動用モータを保持するモータハウジングとの間に切替用クラッチを設けたことから、補助モータが作動しない場合におけるモータの引き摺りトルクを抑制することができる。

この発明の一実施形態を示す縦断面図 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図 図１の要部拡大図 同実施形態の変速１段目を示す縦断面図 （ａ）は図４のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図４のＣ−Ｃ断面図 同実施形態の変速２段目を示す縦断面図 （ａ）は図６のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図６のＣ−Ｃ断面図 同実施形態の変速３段目を示す縦断面図 （ａ）は図８のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図８のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図８のＣ−Ｃ断面図 図８のＸ−Ｘ断面図 図１０の他の実施形態を示す断面図 （ａ）は切替用クラッチ制御機構部、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す要部拡大図 電動補助自転車又は電動二輪車の全体図

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。この実施形態の電動補助自転車は、駆動輪である後輪のハブ１０（以下、「リアハブ１０」と称する）内部に駆動用モータ１８が設けられている、リアハブモータ方式の電動補助自転車である。図１３に電動補助自転車の全体図を示す。
なお、電動補助自転車と電動二輪車とは、人力による駆動力に対する駆動用モータによる駆動力の補助率が異なるように設定されており、駆動力の伝達機構に関しその主たる構造は同一である。このため、以下、実施形態では、電動補助自転車と電動二輪車とを電動補助自転車と総称して、電動補助自転車と電動二輪車の両方に適用できるこの発明の構成を説明する。

この電動補助自転車において、駆動時、すなわち、ペダル３を通じてクランク軸から伝達された踏力が入力された場合は、駆動輪である後輪２のスプロケット９（以下、「リアスプロケット９」と称する。）とを結ぶチェーン等の動力伝達要素４及び変速機構部３０を介して、後輪２に駆動力が伝達可能となっている（図１２及び図１参照）。リアスプロケット９は、後輪２への人力による駆動力の入力手段として機能する。

なお、変速機構部３０の変速段を切り替える変速制御機構部３５がリアハブ１０に設けられている。この変速制御機構部３５は、リアハブ１０外部、例えば、ハンドル５若しくはフレーム６などに取り付けられた変速切替スイッチより、手動もしくは電動により入力され、その入力によって変速段の切り替えが可能となっている。

また、補助力としての駆動用モータ１８の出力による駆動力は、リアハブ１０内部の減速機構部４０等を介して、ハブケース１１に伝達され、後輪２に伝達可能となっている。

また、自転車が惰性で走行する前進非駆動時には、後輪２からの逆入力が減速機構部４０（逆入力の場合は増速される）を介して駆動用モータ１８に伝達され、後輪２からの逆入力によって生じた回生電力を、リアハブ１０外部のフレーム６等に取り付けられた二次電池７に還元する回生機構を備えている。

リアハブ１０は、図１に示すように、後輪２の車軸１５と同軸に設けたハブケース１１内に、一端のリアスプロケット９側から変速機構部３０と減速機構部４０と駆動用モータ１８とを順に備えている。車軸１５は、その両端が電動補助自転車のフレーム６にそれぞれ固定され、いわゆる両持ち固定の状態である。
また、駆動用モータ１８は車軸１５にねじ止めなどにより自由度無く固定されている。駆動用モータ１８のモータ軸１８ａの中心部に車軸１５が挿通され、モータ軸１８ａはその車軸１５周りに回転する。車軸１５とモータ軸１８ａとは軸受１８ｃによって回転自在に支持されている。

（変速機構部３０）
変速機構部３０は、直結と２段減速の合計３段階に変速可能な遊星歯車機構で構成されている。変速機構部３０は、車軸１５の外周に変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅを介して設けられた変速機用太陽歯車３０ａを備える。この実施形態では、変速機用太陽歯車３０ａは２つの太陽歯車、すなわち、第一太陽歯車３０ａ−１、第二太陽歯車３０ａ−２からなる。その第一太陽歯車３０ａ−１、第二太陽歯車３０ａ−２が、それぞれ変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２を介して車軸１５の外周に接続されている。

なお、第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２は、それぞれ車軸１５の外周に完全固定（不動に固定）された変速クラッチ保持部３４に揺動可能に設けられている。車軸１５と変速クラッチ保持部３４とを回転不能に固定する構造としては、この実施形態では、断面六角形の車軸１５を変速クラッチ保持部３４に設けた穴部に圧入することによって実現している。また、変速クラッチ保持部３４は、車軸１５の軸方向に止め輪などを用いて固定されている。

変速機構部３０は、その第一太陽歯車３０ａ−１、第二太陽歯車３０ａ−２にそれぞれ噛み合う二つの歯車部を有する変速機用遊星歯車３０ｂ、及び、その変速機用遊星歯車３０ｂを遊星キャリア軸３０ｉを介して保持する変速機用遊星キャリア３０ｃとを備える。変速機用遊星歯車３０ｂの二つの歯車部は、互いにその外径が異なり、且つ、歯数が異なるように設定されている。

さらに、変速機構部３０は、リアスプロケット９と一体に回転し、そのリアスプロケット９からの駆動力を伝達する駆動体３２を備える。駆動体３２には、変速機用遊星歯車３０ｂの歯数が少ない方の歯車部に噛み合う変速機用外輪歯車３０ｄを備えた補助駆動体３３が一体に回転するように接続されている。なお、変速機用外輪歯車３０ｄは、変速機用遊星歯車３０ｂの歯数が多い方の歯車部に噛み合わせてもよい。

さらに、変速機用遊星キャリア３０ｃの外周からハブケース１１の内径部にトルク伝達可能に接合されている。

また、駆動体３２と変速機用遊星キャリア３０ｃとは、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１を介して接続されている。

この実施形態では、駆動体３２と補助駆動体３３（変速機用外輪歯車３０ｄ）とは別部材であり、その別部材の駆動体３２と補助駆動体３３とが、軸３２ａを介した一体回転可能な結合によって保持されている。このように、駆動体３２と補助駆動体３３とを別体の部材で形成すれば、比較的強度を必要としない駆動体３２はアルミ材料、熱処理による硬化層が必要となる変速機用外輪歯車３０ｄやクラッチカム面を備えた補助駆動体３３は鋼材とするなど、異種材料の選択が可能となり軽量化を実現することができる。
また、この実施形態では、駆動体３２と補助駆動体３３とを半径方向に浮動支持（半径方向移動に自由度を与えて支持した状態）とすることで、各歯車の配置が荷重バランスの取れる位置にずれることで、全体の荷重バランスが取りやすい構成としている。なお、駆動体３２と補助駆動体３３とは一体の部材で形成することもできる。

また、駆動体３２と車軸１５外周に設けた変速制御機構部３５との間、駆動体３２とハブケース１１との間、ハブケース１１の端面を閉じるリング部材１７と駆動用モータ１８の端面に取付けられる蓋１６との間には、それぞれ軸受１２，１３，１４が設けられている。この軸受１２，１３，１４によって、それぞれの部材同士が相対回転可能に支持されている。
また、駆動用モータ１８を保持するモータハウジング１８ｂと減速機用外輪歯車４０ｄとの間にも、軸受部２６が設けられている。この軸受部２６によって、モータハウジング１８ｂと減速機用外輪歯車４０ｄとは相対回転可能に支持されている。軸受部２６は、保持器２６ｂで保持された複数のローラ２６ａが、周方向に沿って配置されている。

変速制御機構部３５を操作することにより、第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２、さらには、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１の切替えを行うことができる。その切替えによって、第一太陽歯車３０ａ−１及び第二太陽歯車３０ａ−２は車軸１５に対し、駆動体３２は変速機用遊星キャリア３０ｃに対し、それぞれ軸周り一方向に回転可能な状態と回転不能な状態とに切り替えられる。

図１及び図２は、変速３段目（３速時）の各クラッチの状態を示す。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、３速時には、すべてのクラッチがクラッチカム面と噛合う状態になっている。すなわち、この３速時には、それぞれのクラッチを寝かすための拘束が無くなり、上述した３つすべてのクラッチがクラッチカム面と噛合う状態になっている。

なお、この実施形態では、第一クラッチ部３０ｅ−１、第二クラッチ部３０ｅ−２、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１に、それぞれ、他のクラッチ機構に比べて比較的安価であるラチェットクラッチを採用している。ただし、これらのクラッチの種別は限定されず、ガタ詰め効果（がたつき防止効果）の高いローラクラッチやスプラグクラッチ等、異なる他のクラッチを用いてもよい。

図２（ａ）に示すように、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、車軸１５の外周に揺動可能な変速機用第一ワンウェイクラッチ爪３０ｆ（第一クラッチ爪部３０ｆ−１）を備える。第一クラッチ爪部３０ｆ−１は、図示しない弾性部材によって、第一太陽歯車３０ａ−１の内周面に設けられた変速機用第一ワンウェイクラッチカム面３０ｇ（第一カム面部３０ｇ−1）に噛み合う方向へと付勢されている。その第一クラッチ爪部３０ｆ−１が第一カム面３０ｇ−1と噛み合うことで、第一太陽歯車３０ａ−１を車軸１５に対して軸周り一方向の回転に対してのみ回転不能とできる。なお、軸周り他方向の回転に対しては、第一太陽歯車３０ａ−１は常に車軸１５に回転可能（空転状態）である。

同様に、図２（ｂ）に示すように、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第二クラッチ部３０ｅ−２は、車軸１５の外周に揺動可能な変速機用第一ワンウェイクラッチ爪３０ｆ（第二クラッチ爪部３０ｆ−２）を備える。第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、図示しない弾性部材によって、第二太陽歯車３０ａ−２の内周面に設けられた変速機用第一ワンウェイクラッチカム面３０ｇ（第二カム面３０ｇ−２）に噛み合う方向へと付勢されている。その第二クラッチ爪部３０ｆ−２が第二カム面３０ｇ−２と噛み合うことで、第二太陽歯車３０ａ−２を車軸１５に対して軸周り一方向の回転に対してのみ回転不能とできる。なお、軸周り他方向の回転に対しては、第二太陽歯車３０ａ−２は常に車軸１５に回転可能（空転状態）である。

この第二クラッチ部３０ｅ−２の第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、変速制御機構部３５が備えるクラッチ切替部材３７の回転動作によって、ＯＮ／ＯＦＦに切替えることができる。すなわち、その切替え状態がＯＦＦになれば、第二クラッチ部３０ｅ−２の第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、第二カム面３０ｇ−２に係合できない状態（係合不能な状態）となり、第二太陽歯車３０ａ−２を車軸１５に対して軸周りの回転に対して回転可能となる。
また、その切替え状態がＯＮになれば、第二クラッチ部３０ｅ−２の第二クラッチ爪部３０ｆ−２は、第二カム面３０ｇ−２に係合できる状態（係合可能な状態）となり、第二太陽歯車３０ａ−２を車軸１５に対して軸周り一方向の回転に対して回転不能となる。
このように、第二太陽歯車３０ａ−２は、車軸１５に対する軸周り一方向の回転に対しては、回転可能、回転不能とに切り替え可能である。

また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが、変速機用遊星歯車３０ｂを変速機用遊星キャリア３０ｃに支持する遊星キャリア軸３０ｉ周りに揺動自在に設けられている。
変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆは、変速機用遊星キャリア３０ｃに外周側に向かって配置され、図示しない弾性部材によって、駆動体３２（補助駆動体３３）の内周面に設けられた変速機用第二ワンウェイクラッチカム面３１ｇに噛み合う方向へと付勢されている。このように、変速機用第二ワンウェイクラッチカム面３１ｇは、変速機用遊星キャリア３０ｃの外周面よりも、駆動体３２（補助駆動体３３）の内周面に設ける方が望ましい。

この変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが変速機用第二ワンウェイクラッチカム面３１ｇと噛み合うことで、変速機用遊星キャリア３０ｃを、駆動体３２（補助駆動体３３）に対して軸周り一方向の回転に対してのみ回転不能とできる。なお、軸周り他方向の回転に対しては、変速機用遊星キャリア３０ｃは常に駆動体３２（補助駆動体３３）に回転可能（空転状態）である。

この実施形態では、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆは、その組み立て性の向上のため遊星キャリア軸３０ｉに取り付けた構成としているが、これを変速機用遊星キャリア３０ｃに設けた別の軸に装着することも可能である。

このように、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆを支持する軸を別の軸とした場合、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆは、変速機用遊星歯車３０ｂの数（この実施形態では３個）に左右されることなく、例えば、４個以上とすることも可能である。
しかし、その変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆを２個若しくは１個とすることで、装置の簡素化を図ることも可能である。荷重バランスを考慮した場合、等間隔に２個以上が適している。

（変速制御機構部３５）
図３に変速制御機構部３５の詳細図を示す。変速制御機構部３５は、クラッチ切替部材３９、クラッチ切替制御部材３７、クラッチ切替案内部材３８、外部からの信号をリアハブユニット内に伝達する変速切替棒（変速操作部）３６で構成されている。手元スイッチなどから手動若しくは電動によって入力された信号によって、変速切替棒３６の端部３６ａが押し込まれるようになっている。

車軸１５には変速案内溝３５ｂが設けられている。その変速案内溝３５ｂは、軸方向に対してある角度を持って捩じられた形状となっている。変速切替棒３６を押し込むことで、変速案内溝３５ｂ内に保持されているピン３５ｃが、車軸１５の軸心周り回転しながら車軸１５の軸方向に移動する。ピン３５ｃの作動によって、クラッチ切替制御部材３７が車軸１５の軸回りを同角度だけ回転作動する。なお、車軸１５の内部の軸孔１５ａに配置された弾性部材３５ｄの弾性力によってピン３５ｃは前記押し込み方向と逆方向に反力を受けている。このため、ピン３５ｃは、変速切替棒３６と弾性部材３５ｄの間に安定して配置される。

また、クラッチ切替制御部材３７の回転作動によって、そのクラッチ切替制御部材３７に設けられた変速機用第一ワンウェイクラッチ切替部３７ａが、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１において、その第一クラッチ爪部３０ｆ−１に当接した状態と離反した状態とに切り替わる。その切り替えにより、第一クラッチ爪部３０ｆ−１の揺動が制御され、第一太陽歯車３０ａ−１は、車軸１５の軸周り一方向の回転に対して相対回転可能又は相対回転不能な状態とに切り替わる。

さらに、クラッチ切替制御部材３７に設けられた傾斜面からなる変速機用第二ワンウェイクラッチ切替部３７ｂによって、クラッチ切替部材３９が押圧されて車軸１５の軸方向に沿って移動可能し、クラッチ切替部材３９が、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１の変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆに当接した状態と離反した状態とに切り替わる。その切り替えにより、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの揺動が制御され、変速機用外輪歯車３０ｄ（駆動体３２、補助駆動体３３）と変速機用遊星キャリア３０ｃとは、車軸１５の軸周り一方向の回転に対して相対回転可能又は相対回転不能な状態とに切り替わる。

なお、変速機用第一ワンウェイクラッチ切替部３７ａ、変速機用第二ワンウェイクラッチ切替部３７ｂが各クラッチ爪に当接する部分は、軸方向一方に向かって徐々に内径側に近づくテーパ面３９ｃとなっていることから、これらの各クラッチ爪がカム面に噛み合って係合している状態から、その係合を解除する際の力を大きくすることができる。
また、クラッチ切替部材３９は、車軸１５の外周に設けたクラッチ切替案内部材３８、若しくは別体とされた部材との間に弾性部材３５ｅを備えていることから、変速切替棒３６による軸方向への押圧が解除されれば、その弾性力で自動的に変速機用第二ワンウェイクラッチ切替部３７ｂが変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの位置から離脱する。

（減速機構部４０）
つぎに、減速機構部４０について説明する。減速機構部４０は、遊星歯車機構によって構成されて、駆動用モータ１８のモータ軸１８ａの外周に設けられた減速機用太陽歯車４０ａと、その減速機用太陽歯車４０ａに噛み合う減速機用遊星歯車４０ｂ、その減速機用遊星歯車４０ｂに噛み合う減速機用外輪歯車４０ｄを備える。

モータ軸１８ａと減速機用太陽歯車４０ａとは同部材であるか、または、減速機用太陽歯車４０ａはモータ軸１８ａと一体で回転する部材で保持されている。また、減速機用遊星歯車４０ｂは歯数の異なる２段の歯車部を備えることによって高減速比を実現する。

すなわち、減速機構部４０は、減速機用遊星歯車４０ｂに設けた第一外径歯車部４０ｅが減速機用太陽歯車４０ａに噛み合い、減速機用遊星歯車４０ｂに設けられ第一外径歯車部４０ｅよりも歯数の少ない小径の第二外径歯車部４０ｆが、変速機用外輪歯車４０ｄに噛み合っている。
また、前述のように、変速機用遊星キャリア３０ｃとハブケース１１とは、その変速機用遊星キャリア３０ｃの外周からハブケース１１の内径部にトルク伝達可能に接合されている。

さらに、減速機用遊星歯車４０ｂと変速機用遊星キャリア３０ｃとは、遊星キャリア軸４０ｉを介して接続されている。すなわち、減速機用遊星歯車４０ｂを保持するキャリアを変速機用遊星キャリア３０ｃとし、変速機用遊星歯車３０ｂと減速機用遊星歯車４０ｂとを共通のキャリアで保持している。このように、変速機用遊星歯車３０ｂと減速機用遊星歯車４０ｂとを共通のキャリアで保持することで、コンパクトな構造を実現している。また、ハブの軸方向寸法を短縮することが可能となり、それぞれ独立してハブケース１１に噛み合わせる場合よりも、組み立てをより簡素化できる。

また、減速機用遊星歯車４０ｂは変速機用遊星キャリア３０ｃで保持されているから、その変速機用遊星キャリア３０ｃは、人力による駆動力と、駆動用モータ１８による駆動力の両方において、ハブケース１１への共通の出力部材として機能する。つまり、変速機構部３０は、リアスプロケット９及び駆動体３２を人力による駆動力の入力部材とし、変速機用遊星キャリア３０ｃをハブケース１１への出力部材としている。また、減速機構部４０は、減速機用太陽歯車４０ａを駆動用モータ１８からの駆動力の入力部材とし、変速機用遊星キャリア３０ｃをハブケース１１への出力部材としている。

また、減速機用遊星歯車４０ｂに噛み合う減速機用外輪歯車４０ｄと駆動用モータ１８を保持するモータハウジング１８ｂとを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチ２０を備えている。
この切替用クラッチ２０により、減速機用外輪歯車４０ｄをモータハウジング１８ｂに回転固定（回転不能に固定）することで、駆動用モータ１８からの駆動力は、減速機用太陽歯車４０ａから出力部材としての変速機用遊星キャリア３０ｃへと減速されて出力され、ハブケース１１を介して後輪２に駆動力が伝達される。

この減速機用外輪歯車４０ｄのモータハウジング１８ｂへの回転支持は、軸受２６によって行われ、これと並列に配置されたモータハウジング１８ｂと減速機用外輪歯車４０ｃ間に設けられたツーウェイクラッチからなる前記切替用クラッチ２０（以下、「ツーウェイクラッチ２０」と称する）の係合によって前記回転固定状態に設定できるようになっている。なお、モータハウジング１８ｂはモータ１８と共に、自転車のフレーム６若しくは車軸１５に相対回転不能に保持されている。

（ツーウェイクラッチ２０）
ツーウェイクラッチ２０は、モータ駆動時（駆動用モータ１８からの駆動力が作用し、電動補助自転車が前進する場合）において、保持器２４には、図示しない弾性部材によって、常に、ツーウェイクラッチ２０が係合する方向へ向かって負荷が与えられている。このため、減速機用外輪歯車４０ｄはモータハウジング１８ｂに対して回転固定される。
また、モータ非駆動時（人力による駆動力のみで電動補助自転車が前進する場合）には、保持器２４には、弾性部材によって、減速機用外輪歯車４０ｄとともに回転する方向に向かって、回転負荷を与えられていることから、減速機用外輪歯車４０ｄは、モータハウジング１８ｂに対し空転する方向、すなわち、駆動用モータ１８からの駆動力が作用する場合とは逆方向に回転する。このため、モータ軸１８ａにトルク伝達されることはなく、すなわち、駆動用モータ１８の引き摺りトルクを遮断することが可能となる。

下り坂などで電動補助自転車が惰性で走行し、後輪２（ハブケース１１）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、ツーウェイクラッチ２０を、切替用クラッチ制御機構部２５からの入力（外部入力信号）によって係合可能に切り替える。これにより、ハブケース１１からの逆入力は、減速機構部４０を介して駆動用モータ１８へと伝達され回生を行うことが可能となる。

ツーウェイクラッチ２０は、切替用クラッチ制御機構部２５に伝達された手動又は電動による外部からの信号（入力）によって、係合可能な状態及び係合不能な状態とに切り替え可能になっている。また、その外部からの入力は、ブレーキ操作と連動して、切替用クラッチ制御機構部２５によってツーウェイクラッチ２０に伝達されるようになっている。

この実施形態では、図１２（ａ）に示すように、切替用クラッチ制御機構部２５として、ブレーキ操作と連動するワイヤー等の進退動作が入力機構２５ａに入力され、その入力により、入力機構２５ａが作用部材２５ｂを弾性部材２５ｃの付勢力に抗して外径側へ押し出すことで、保持器２４に回転方向の外力又はその回転に対する抵抗を負荷する構成としている。この外力や抵抗の負荷が、保持器２４の前記弾性部材の付勢力以上にすることで、保持器２４が減速機用外輪歯車４０ｄの回転よりも遅れ、ツーウェイクラッチ２０の切替えを行うことができる。

また、例えば、図１２（ｂ）に示すように、リアハブユニット内に配置された切替用クラッチ制御機構部２５としての電磁クラッチ２５ｄ又はソレノイドバルブ２５ｄを採用することもできる。この電磁クラッチ２５ｄやソレノイドバルブ２５ｄに電気信号が伝達され、その電気信号によって電磁クラッチ２５ｄ又はソレノイドバルブ２５ｄがＯＮ／ＯＦＦされて、ツーウェイクラッチ２０の保持器２４に回転方向の外力又はその回転に対する抵抗を負荷することで、そのツーウェイクラッチ２０を制御することもできる。

なお、変速機構部３０と減速機構部４０とで、各遊星歯車３０ｂ、４０ｂの個数を同数で設定することで、駆動用モータ１８からの駆動力と、人力の駆動力による変速機構部３０内の駆動力がバランスすることができる。また、限られたスペースを活用するために、両遊星歯車３０ｂ、４０ｂの個数を３個ずつで設定することが望ましい。

それぞれの部材の作動について、変速段毎に、図４以下を用いて説明する。

変速１段目（１速時）におけるリアハブユニットの配置を図４及び図５に示す。この実施形態では、リアスプロケット９は、変速機構部３０の駆動体３２に取り付けられており、ペダル３からの人力による駆動力が駆動体３２に伝達される。

この変速１段目において、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１によって駆動力に対して係合可能な状態となっており、第二クラッチ部３０ｅ−２は、第二クラッチ爪３０ｆ−２がクラッチ切替制御部材３７の変速機用第一ワンウェイクラッチ切替部３７ａによってその一端を拘束され、係合不可能な状態となっている。
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが、クラッチ切替制御部材３７の変速機用第二ワンウェイクラッチ切替部３７ｂを通じて動作するクラッチ切替部材３９によってその一端を拘束され、係合不可能な状態となっている。

このため、人力による駆動力は、駆動体３２、補助駆動体３３を通じて変速機用遊星歯車３０ｂに入力され、このとき、第一太陽歯車３０ａ−１は、第一クラッチ部３０ｅ−１によって駆動力方向に係合されていることから、駆動力は，変速機用遊星キャリア３０ｃを介してハブケース１１に伝達される。

この状態では、リアスプロケット９からの駆動力は、第一太陽歯車３０ａ−１の歯数をａ１、変速機用外輪歯車３０ｄの歯数をｄ１とすると、速度比、
ｄ１／（ａ１＋ｄ１）
でハブケース１１に伝達される。

変速２段目（２速時）におけるリアハブユニットの配置を、図６及び図７に示す。変速１段目と同様、リアスプロケット９は、変速機構部３０の駆動体３２に取り付けられており、ペダル３からの人力による駆動力が駆動体３２に伝達される。

変速切替棒３６が押し込まれることでピン３５ｃもハブ内部へ押し込まれ、そのピン３５ｃ及びクラッチ切替制御部材３７が軸周り回転する。この変速２段目において、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、１速時と同様、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が係合可能な状態となっており、また、第二クラッチ部３０ｅ−２は、第二クラッチ爪部３０ｆ−２が、クラッチ切替制御部材３７の回転移動によって、変速機用第一ワンウェイクラッチ切替部３７ａによる一端の拘束を解除され、係合可能な状態となっている。
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが、クラッチ切替制御部材３９によってその一端を拘束され、係合不可能な状態となっている。このとき、第一太陽歯車３０ａ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が軸周り一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用すると係合可能な方向とは逆方向回転をすることから空転可能である。したがって、第二太陽歯車３０ａ−２のみが駆動力方向に係合される。

このため、人力による駆動力は、駆動体３２、補助駆動体３３を通じて変速機用遊星歯車３０ｂに入力され、第二太陽歯車３０ａ−２は第二クラッチ部３０ｅ−２によって駆動力方向に係合されていることから，駆動力は、変速機用遊星キャリア３０ｃを介してハブケース１１に伝達される。

このとき、変速機用遊星歯車３０ｂは，歯数の異なる歯車部（ギア）を２段持ち、その変速機用遊星歯車３０ｂの歯数の少ない側の歯車部が変速機用外輪歯車３０ｄと、歯数の多い側の歯車部は第二太陽歯車３０ａ−２と噛み合っている。
この状態では、リアスプロケット９からの駆動力は、第二太陽歯車３０ａ−２の歯数をａ２、変速機用外輪歯車３０ｄの歯数をｄ１、変速機用遊星歯車３０ｂの歯数の少ない側の歯車部の歯数をｂ１、歯数の多い側の歯車部の歯数をｂ２とすると、速度比、
（ｂ２×ｄ１）／［（ａ２×ｂ１）＋（ｂ２×ｄ１）］
でハブケース１１に伝達される。

変速３段目（３速時）におけるリアハブユニットの配置を、図８及び図９に示す。変速１，２段目と同様、リアスプロケット９は、変速機構部３０の駆動体３２に取り付けられており、ペダル３からの人力による駆動力が駆動体３２に伝達される。

変速切替棒３６が、最も奥側まで押し込まれることでピン３５ｃもハブ内部へ押し込まれ、そのピン３５ｃ及びクラッチ切替制御部材３７が、さらに軸周り回転する。この変速３段目において、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅの第一クラッチ部３０ｅ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が、１速時における第一太陽歯車３０ａ−１の駆動方向への回転に対してのみ係合可能な状態となっている。また、第二クラッチ部３０ｅ−２は、第二クラッチ爪部３０ｆ−２が、クラッチ切替制御部材３７の回転移動によって変速機用第一ワンウェイクラッチ切替部３７ａによる一端の拘束を解除され、係合可能な状態となっている。
また、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆが、クラッチ切替制御部材３７の回転移動によって、変速機用第二ワンウェイクラッチ切替部３７ｂがクラッチ切替部材３９の軸方向移動拘束を解除する。この解除により、クラッチ切替部材３９が、弾性部材３５ｅの弾性力によって図８中左側へ移動することで、変速機用第二ワンウェイクラッチ爪３１ｆの一端の拘束が解除され、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は係合可能な状態となる。

このとき、第一太陽歯車３０ａ−１は、第一クラッチ爪部３０ｆ−１が軸周り一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用すると、係合可能な方向とは逆方向回転をすることから空転可能であり、第二太陽歯車３０ａ−２は、第二クラッチ爪部３０ｆ−２が軸周り一方向に対し係合可能な状態となっているが、駆動力が作用すると、係合可能な方向とは逆方向回転をすることから空転可能である。したがって、変速機用外輪歯車３０ｄと変速機用遊星キャリア３０ｃとが駆動力方向に対して相対回転不能となる。

このため、駆動力は、駆動体３２、変速機用外輪歯車３０ｄより変速機用第二ワンウェイクラッチ３１を介して変速機用遊星キャリア３０ｃに伝達され、ハブケース１１に直結状態で伝達される。この最も高速の変速段において、トルク伝達において歯車を介さないことから、ハブの耐久性が格段に向上する。

また、モータ駆動時において、各変速段を問わず、駆動用モータ１８からの駆動力が負荷される場合、モータ軸１８ａは、減速機用太陽歯車４０ａと一体、若しくは、一体回転可能に保持されている。また、減速機用外輪歯車４０ｄとモータハウジング１８ｂ間にはツーウェイクラッチ２０が配置されている。また、ツーウェイクラッチ２０は、図１０に示すように、駆動用モータ１８による駆動力に対して、係合子であるローラ２３に、周方向一方側の前進側カム面２１ｂと係合する方向に負荷を与えている。この付加は、保持器２４を介して、図示しない弾性部材（図示せず）から与えられている。このため、ツーウェイクラッチ２０は、駆動用モータ１８の駆動力によって、常に動力伝達可能となっている。

このため、駆動用モータ１８からの駆動力は、減速機用遊星歯車４０ｂを介して、ハブケース１１への出力部材である変速機用遊星キャリア３０ｃに伝達される。このとき、減速機用遊星歯車４０ｂを保持するキャリアは、変速機用遊星歯車３０ｂを保持する変速機用遊星キャリア３０ｃと共用されている。すなわち、減速機用遊星歯車４０ｂが、変速機用遊星キャリア３０ｃ、又は、その変速機用遊星キャリア３０ｃと一体に回転する部材に保持されることで、装置のコンパクト化が図られている。

また、減速機用遊星歯車４０ｂは、歯数の異なる歯車部（ギア）を２段持ち、減速機用遊星歯車４０ｂの歯数の少ない側の歯車部（前記第二外径歯車部４０ｆ）は減速機用外輪歯車４０ｄと、歯数の多い側の歯車部（前記第一外径歯車部４０ｅ）は減速機用太陽歯車４０ａと噛み合っている。このように、減速機用遊星歯車４０ｂを２段とすることで、高減速比が実現可能となる。

この状態では、駆動用モータ１８からの駆動力は、減速機用太陽歯車４０ａの歯数をａ３、減速機用外輪歯車４０ｄの歯数をｄ２、減速機用遊星歯車４０ｂの歯数の少ない側の歯車部の歯数をｂ３、歯数の多い側の歯車部の歯数をｂ４とすると、モータ回転数に対する速度比、
（ａ３×ｂ３）／[（ａ３×ｂ３）+（ｂ４×ｄ２）]
でハブケース１１に伝達される。

さらに、モータ非駆動時、例えば、モータアシストを行うように設定された速度の範囲を超えた場合や、あるいは、電池切れ等の理由によって、駆動用モータ１８からの駆動力が負荷されない場合、ハブケース１１から減速機用遊星歯車４０ｂを介して駆動用モータ１８へトルクが伝達される。このトルクは、モータ駆動される場合とは逆方向のトルクである。このとき、ツーウェイクラッチ２０の保持器２４には、その保持器２４が、減速機用外輪歯車４０ｄと共に回転する方向へ、弾性部材によって回転負荷を与えられている。このため、減速機用外輪歯車４０ｄはモータハウジング１８ｂに対して空転する方向に回転し、モータ軸１８ａにトルク伝達されることは無く、すなわちモータの引き摺りトルクを遮断することが可能となる。

また、下り坂などで後輪２（ハブケース１１）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、ツーウェイクラッチ２０に対して、切替用クラッチ制御機構部２５を通じて外部入力信号によって、そのツーウェイクラッチ２０の保持器２４に抵抗を与え、前進時と異なる回転方向の回生側カム面２１ａと係合する方向へ保持器２４及びローラ２３を移動させ、係合可能状態に切り替える。これにより、ハブケース１１からの逆入力は、変速機用遊星キャリア３０ｃから入力されて、減速機構部４０を介して、減速機用太陽歯車４０a（モータ軸１８ａ）へと伝達され、リアハブユニット外部に設けられた二次電池７に回生充電が可能となる。

また、この実施形態では、ツーウェイクラッチ２０として、図１０に示すようなローラタイプを示したが、これに代えて、例えば、図１１に示すように、ラチェット機構を備えたクラッチを採用することもできる。

この場合、ツーウェイクラッチ２０の第一ラチェット部２０ａは、係合子２３であるラチェット爪２３ａが、常に、駆動用モータ１８による駆動力に対して係合可能に配置されている。また、第二ラチェット部２０ｂのラチェット爪２３ａは、切替用クラッチ制御機構部２５を通じた外部入力信号によって、係合可能な状態と係合不能な状態とに切り替えることができる。この切り替えによって、前述の回生可能な状態、又は、モータ引き摺りトルクを遮断できる状態とすることが可能となる。

なお、この実施形態では、変速機用遊星歯車３０ｂの段数を２段としているが、この変速機用遊星歯車３０ｂの段数は、３段又は４段以上とすることもできる。

また、これらの実施形態では、ラチェットクラッチで構成された変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅ、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１において、そのラチェットクラッチの各クラッチ爪のクラッチカム面への噛合を、回転移動するクラッチ切替制御部材３７と、それに連動して軸方向移動するクラッチ切替部材３９とでそれぞれ係合可能な状態と係合不能な状態とに切り替える方式を採用したが、車軸１５と変速機用太陽歯車３０ａ、変速機用外輪歯車３０ｄ（駆動体３２）と変速機用遊星キャリア３０ｃとを相対回転可能、相対回転不能とに切り替える手段としては、その他の構成を採用してもよい。

また、この実施形態では、変速機用第一ワンウェイクラッチ３０ｅ、変速機用第二ワンウェイクラッチ３１は、それぞれラチェットクラッチを採用しているが、ローラクラッチ、スプラグクラッチ等、他の構成からなるワンウェイクラッチを採用してもよい。

１ 電動補助自転車（電動二輪車）
２ 駆動輪（後輪）
３ ペダル
４ 動力伝達要素（チェーン）
５ ハンドル
６ フレーム
７ 二次電池
８ ハブフランジ
９ 入力手段（リヤスプロケット）
１０ ハブ（リアハブ）
１１ ハブケース
１２，１３，１４，１８ｃ，２６ 軸受
１５ 車軸
１５ａ 軸孔
１６ 蓋
１７ リング部材
１８ 駆動用モータ
１８ａ モータ軸
１８ｂ モータハウジング
１９ 押さえ部材
２０ 切替用クラッチ（ツーウェイクラッチ）
２０ａ 第一ラチェット部
２０ｂ 第二ラチェット部
２１ カム面
２１ａ 回生側カム面
２１ｂ 前進側カム面
２２ 外径面
２３ 係合子
２３ａ 回生用ラチェット爪
２３ｂ 前進側ラチェット爪
２４ 保持器
２５ 切替用クラッチ制御機構部
２５ａ 入力機構
２５ｂ 作用部材
２５ｃ 弾性部材
２５ｄ 電磁クラッチ（ソレノイドバルブ）
３０ 変速機構部
３０ａ 変速機用太陽歯車
３０ａ−１ 第一太陽歯車
３０ａ−２ 第二太陽歯車
３０ｂ 変速機用遊星歯車
３０ｃ 変速機用遊星キャリア
３０ｄ 変速機用外輪歯車
３０ｅ 変速機用第一ワンウェイクラッチ
３０ｅ−１ 第一クラッチ部
３０ｅ−２ 第二クラッチ部
３０ｆ 変速機用第一ワンウェイクラッチ爪
３０ｆ−１ 第一クラッチ爪部
３０ｆ−２ 第二クラッチ爪部
３０ｇ 変速機用第一ワンウェイクラッチカム面
３０ｇ−１ 第一カム面部
３０ｇ−２ 第二カム面部
３０ｉ 遊星キャリア軸
３１ 変速機用第二ワンウェイクラッチ
３１ｆ 変速機用第二ワンウェイクラッチ爪
３１ｇ 変速機用第二ワンウェイクラッチカム面
３２ 駆動体
３２ａ 軸
３３ 補助駆動体
３４ 変速クラッチ保持部
３５ 変速制御機構部
３５ｂ 変速案内溝
３５ｃ ピン
３６ 変速切替棒（変速操作部）
３６ａ 端部
３７ クラッチ切替制御部材
３７ａ 変速機用第一ワンウェイクラッチ切替部
３７ｂ 変速機用第二ワンウェイクラッチ切替部
３８ クラッチ切替案内部材
３９ クラッチ切替部材
４０ 減速機構部
４０ａ 減速機用太陽歯車
４０ｂ 減速機用遊星歯車
４０ｄ 減速機用外輪歯車
４０ｅ 第一外径歯車部
４０ｆ 第二外径歯車部
４０ｉ 遊星キャリア軸

Claims (20)

1. ハブ（１０）の内部に、変速機構部（３０）、減速機構部（４０）及び駆動用モータ（１８）を車軸（１５）の軸方向に並列して配置した自転車用ハブユニットにおいて、
   前記変速機構部（３０）は、入力手段（９）に入力される人力による駆動力をハブケース（１１）に伝達する機能を有し、前記減速機構部（４０）は、前記駆動用モータ（１８）から入力される駆動力をハブケース（１１）に伝達する機能を有しており、前記変速機構部（３０）は、２段以上の変速段を有する遊星歯車機構によって構成されて少なくとも1つの変速機用太陽歯車（３０ａ）と、その変速機用太陽歯車（３０ａ）に噛み合う変速機用遊星歯車（３０ｂ）、及びその変速機用遊星歯車（３０ｂ）を保持する変速機用遊星キャリア（３０ｃ）とを備え、前記入力手段（９）からの駆動力に対して前記少なくとも1つの変速機用太陽歯車（３０ａ）を前記車軸（１５）周りに回転可能又は回転不能とに切り替えて変速を行う変速制御機構部（３５）を備えており、前記減速機構部（４０）は、遊星歯車機構によって構成されて前記駆動用モータ（１８）のモータ軸（１８ａ）と一体に回転する減速機用太陽歯車（４０ａ）と、前記減速機用太陽歯車（４０ａ）に噛み合う減速機用遊星歯車（４０ｂ）とを備え、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に噛み合う減速機用外輪歯車（４０ｄ）と前記駆動用モータ（１８）を保持するモータハウジング（１８ｂ）とを相対回転可能又は相対回転不能に切替可能な切替用クラッチ（２０）を備え、前記変速機構部（３０）の前記ハブケース（１１）への出力部材である前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）で前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）を保持することにより、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）を前記減速機構部（３０）のハブケース（１１）への出力部材としたことを特徴とする自転車用ハブユニット。
2. 前記変速機構部（３０）を、前記入力手段（９）から前記ハブケース（１１）への直結状態を含む減速型としたことを特徴とする請求項１の自転車用ハブユニット。
3. 前記変速機構部（３０）を、前記入力手段（９）から前記ハブケース（１１）への直結状態と二段以上の減速状態を含む減速型としたことを特徴とする請求項１の自転車用ハブユニット。
4. 前記車軸（１５）を、自転車のフレーム（６）に両持ち固定される単一の部材としたことを特徴とする請求項1乃至３のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
5. 前記切替用クラッチ（２０）をツーウェイクラッチとしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
6. 前記切替用クラッチ（２０）をローラクラッチ又はスプラグクラッチとしたことを特徴とする請求項５に記載の自転車用ハブユニット。
7. 前記切替用クラッチ（２０）は、前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用外輪歯車（４０ｄ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する回転には常に係合可能な状態とされ、その反対方向の回転には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切替えできることを特徴とする請求項５又は６に記載の自転車用ハブユニット。
8. 前記切替用クラッチ（２０）はラチェット機構を備えたクラッチであり、そのラチェット機構は、前記減速機用外輪歯車（４０ｄ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する軸周り一方向のみに係合する第一ラチェット部（２０ａ）と、その第一ラチェット部（２０ａ）の係合方向とは反対方向の回転のみに係合する第二ラチェット部（２０ｂ）とで構成したことを特徴とする請求項７に記載の自転車用ハブユニット。
9. 前記第一ラチェット部（２０ａ）は、前記駆動用モータ（１８）からの駆動力の入力による自転車の前進時における前記減速機用外輪歯車（４０ｄ）の前記モータハウジング（１８ｂ）に対する回転には常に係合可能な状態とされ、前記第二ラチェット部（２０ｂ）は、前記駆動用モータ（１８）から駆動力が入力されない場合には、外部から伝達された入力によって係合可能な状態及び係合不能な状態とに切り替えできることを特徴とする請求項８に記載の自転車用ハブユニット。
10. 前記外部からの入力は、ブレーキ操作と連動して作動する切替用クラッチ制御機構部（２５）によって伝達されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
11. 前記モータハウジング（１８ｂ）は、前記車軸（１５）に相対回転不能に保持されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
12. 前記入力手段（９）を前記車軸（１５）の一端側に、前記駆動用モータ（１８）を前記車軸（１５）の他端側に設け、前記変速機構部（３０）及び前記減速機構（４０）は、前記入力手段（９）と前記駆動用モータ（１８）との間に設けられることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
13. 前記変速機構部（３０）は、前記入力手段（９）からの駆動力を伝達する駆動体（３２）と一体に回転する変速機用外輪歯車（３０ｄ）が前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）に噛み合い、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）の外周から前記ハブケース（１１）の内径にトルク伝達可能に接合されており、前記入力手段（９）からの駆動力は、前記駆動体（３２）から前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）、前記変速機用遊星キャリア（３０ｃ）を通じて前記ハブケース（１１）へ等速以下で伝達されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
14. 前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とは別部材であり、その別部材の前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とが一体回転可能な結合によって保持されていることを特徴とする請求項１３に記載の自転車用ハブユニット。
15. 前記駆動体（３２）と前記変速機用外輪歯車（３０ｄ）とは、半径方向へ相対移動可能に保持されていることを特徴とする請求項１４に記載の自転車用ハブユニット。
16. 前記減速機構部（４０）は、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に設けた第一外径歯車部（４０ｅ）が前記減速機用太陽歯車（４０ａ）に噛み合い、前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）に設けられ前記第一外径歯車部（４０ｅ）よりも歯数の少ない第二外径歯車部（４０ｆ）が前記減速機用外輪歯車（４０ｄ）に噛み合っていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
17. 前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）の数と前記減速機用遊星歯車（４０ｂ）の数を同数としたことを特徴とする請求項1乃至１６のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
18. 前記変速機用遊星歯車（３０ｂ）の数を３個とすることを特徴とする請求項1乃至１７のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
19. 前記変速制御機構部（３５）は、前記少なくとも一つの変速機用太陽歯車（３０ａ）を前記車軸（１５）周り一方向に回転不能とできる変速機用第一ワンウェイクラッチ（３０ｅ）を、その一方向に相対回転可能又は相対回転不能に切替可能であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニット。
20. 請求項１乃至１９のいずれか一つに記載の自転車用ハブユニットを用いたことを特徴とする電動補助自転車又は電動二輪車。

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