JP4078331B2 - 自転車用駆動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、自転車のフレームに装着され、後輪を装着可能な自転車用駆動ユニットに関する。

自転車は、通常、フレームと、フレームに回転自在に装着された左右のクランクが装着される駆動部と、フレームの前後に装着された前輪及び後輪とを備えている。このような自転車に搭載される部品として、駆動部とフレームの後部とを一体化した駆動モジュール（自転車用駆動ユニットの一例）が知られている（特許文献１参照）。このような自転車用駆動ユニットを用いると自転車の組立作業性が向上して自転車のコストダウンを図ることができる。

従来の自転車用駆動ユニットは、フレームの後部となるサポート部（フレーム本体及びチェーンステイの一例）と、サポート部の両端に配置されたクランク軸及び後輪車軸と、クランク軸の両端に装着された左右のクランクと、後輪車軸に装着されたブレーキ付きの内装変速ハブとを備えている。右クランクにはフロントスプロケットが装着され、内装変速ハブにはリアスプロケットが装着されている。サポート部の内部には、両スプロケットに架け渡されたチェーンが装着されている。サポート部は、フレームに揺動自在に装着されている。サポート部の前端には、クランク軸を１対の軸受により支持する筒状のクランク支持部が突出して設けられており、フレームに片持ち支持されている。
独国特許 １９８４０５７６号公報

前記従来の自転車用駆動ユニットでは、フレーム本体がクランク支持部によりフレームに片持ち支持されているだけであるので、駆動ユニット全体の剛性を高く維持しにくい。

一方、最近では内装変速ハブなどの変速装置の変速動作を電動化する技術が広く採用されている。このように変速装置の変速動作を電動化する場合、前記従来の構成では、サポート部が片持ち支持されているため、片持ち支持されたサポート部の内部の空間が狭くなる。このため、変速装置の変速動作を電動化するためのモータを有する変速位置決めユニット（電気駆動機構の一例）やその電源を装着するのが困難である。このため、前記従来の駆動ユニットでは、変速装置の変速動作の電動化に対応するのが困難である。

本発明の課題は、全体の剛性を高く維持でき、かつ変速装置の変速動作の電動化に対応しやすい自転車用駆動ユニットを提供できるようにすることにある。

発明１に係る自転車用駆動ユニットは、自転車のフレームに装着され、後輪を装着可能なユニットであって、フレーム本体と、第１及び第２カバー部材と、リアハブと、リア変速装置と、電気駆動機構と、制御部と、電源とを備えている。フレーム本体は、第１端にフレームに揺動自在に装着される揺動装着部を有し、第１端から二股に分岐して延びる第２端に後輪を間に挟むように配置された第１及び第２ハブ装着部を有している。第１及び第２カバー部材は、フレーム本体の両外側面にフレーム本体との間に第１及び第２空間を形成可能に装着されたものである。リアハブは、第１及び第２ハブ装着部に回転不能に装着されるハブ軸と、ハブ軸に回転自在に装着されたハブシェルと、ハブシェルの一端に連結された駆動体と、駆動体に回転不能に装着されたリアスプロケットとを有する。リア変速装置は、自転車のクランク軸の回転を複数の変速段に変速可能な装置である。電気駆動機構は、第１空間に配置され、リア変速装置に連結可能であり、かつリア変速装置の変速動作を電動化可能な機構である。制御部は、第１空間に配置され、電気駆動機構を制御するものである。電源は、第１空間に配置され、電気駆動機構及び制御部に電力を供給するものである。電気駆動機構は、リア変速装置を複数の変速段に応じて位置決めする変速位置決めユニットを有し、変速位置決めユニットは変速ケーブルによりリア変速装置と連結されている。リアハブは、駆動体の回転を複数の動力伝達経路で前記ハブシェルに伝達する動力伝達機構と、動力伝達経路を択一的に切り換える切換機構とを有するリア変速装置が内部に設けられた内装変速ハブであり、リアハブは、動力伝達機構と並べて配置され前記ハブシェルとハブ軸との相対回転により発電し、発電された電力を電源に供給する発電機構をさらに有し、第１及び第２空間の少なくともいずれかには、発電機構と電源とを電気的に接続するための電気配線が配索されており、電気配線は、第２空間に配置された発電機構のコネクタに接続されており、第２空間から第１空間に配索されて電源に接続されている。

この駆動ユニットでは、フレーム本体の二股に分岐して延びる第２端に設けられた第１及び第２ハブ装着部に後輪のハブが配置される。このため、後輪が両端支持構造になる。また、フレーム本体の外方がフレーム本体との間で第１及び第２空間を形成可能に第１及び第２カバー部材で覆われており、第１空間には、リア変速装置を電力により変速駆動する電気駆動機構が設けられ、第１及び第２空間のいずれか一方には、電気駆動機構を制御する制御部と電源とが設けられている。ここでは、後輪のハブが片持ち支持ではなく両端支持構造となるため、フレーム本体の剛性を高く維持できる。また、リア変速装置の変速動作を電動化可能な電気駆動機構が第１空間に設けられるとともに、それを制御する制御部や電気駆動機構や制御部の電源が第１又は第２空間に設けられているので、リア変速装置の変速動作の電動化に容易に対応できる。また、電気駆動機構は、リア変速装置に直接ではなく変速ケーブルを介して連結されているので、既存のリア変速装置をユニット内に組み込むことができる。

さらに、内装変速ハブの変速動作の電動化に容易に対応できるとともに、二次電池やコンデンサなどの蓄電素子を電源として用いることにより、発電機構で生じた電力により電源を充電できる。このため、電源が消耗しにくくなり、長時間の電動変速動作が可能になる。また、電気配線が配策されているので、自転車組立時に電源と発電機構との電気配線工事が不要になる。

発明２に係る自転車用駆動ユニットは、発明１に記載のユニットにおいて、制御部に接続され、後輪の回転速度を検出するための速度センサをさらに備える。この場合には、後輪の回転速度を検出できるので、それにより自転車の速度を表示したり、回転速度に応じた自動変速制御を行ったりすることができる。

発明３に係る自転車用駆動ユニットは、発明１又は２に記載のユニットにおいて、リアハブとフレーム本体との間に設けられ、前記後輪を制動するハブブレーキ機構をさらに備え、フレーム本体は、ハブブレーキ機構とブレーキレバーとを連結するためのブレーキケーブルを係止するアウター受けを有する。この場合には、フレームにアウター受けを設けているので、ハブブレーキ装置にアウター受けを設ける必要がなくなり、ハブブレーキ装置のデザインの制限を少なくすることができる。

発明４に係る自転車用駆動ユニットは、発明１から３のいずれかに記載の機構において、揺動装着部は、自転車のクランク軸回りに揺動自在に前記フレームに装着されている。この場合には、駆動ユニットがクランク軸回りに揺動するので、駆動ユニットが揺動してもクランク軸からハブ軸までの長さが変わらなくなり、チェーン長さの変化によるチェーンの振動を防ぐことができる。

発明５に係る自転車用駆動ユニットは、発明４に記載のユニットにおいて、揺動装着部は、内部で自転車のクランク軸を回転自在に支持する。この場合には、フレーム本体の揺動装着部にクランク軸が支持されているので、駆動ユニットを自転車のフレームに装着するだけで、自転車のフレーム全体を完成させることができ、自転車の組立工程を簡素化できる。

発明６に係る自転車用駆動ユニットは、発明５に係るユニットにおいて、クランク軸の一端に装着されるフロントスプロケットを有するギアクランクと、他端に装着される左クランクとをさらに備える。この場合には、駆動ユニットのクランク軸に予めギアクランクや左クランクを装着することにより、自転車の組み立て工程をさらに簡素化できる。

発明７に係る自転車用駆動ユニットは、発明６に記載のユニットにおいて、フロントスプロケットとリアスプロケットとに架け渡されるチェーンをさらに備える。この場合にはフロントスプロケットとリアスプロケットとにチェーンを架け渡しておくことにより、第１及び第２カバー部材を装着した状態で駆動ユニットを出荷でき、自転車の組み立て工程をさらに簡素化できる。

本発明に係る自転車用駆動ユニットによれば、後輪のハブが片持ち支持ではなく両端支持構造となるため、フレーム本体の剛性を高く維持できる。また、第１空間にリア変速装置の変速動作を電動化可能な電気駆動機構が第１空間に設けられるとともに、それを制御する制御部や電気駆動機構や制御部の電源が第１空間に設けられているので、リア変速装置の電動化に容易に対応できる。

図１及び図２において、本発明の一実施形態が採用された自転車１０は、Ｖ字状に湾曲したフレーム体１２とフロントフォーク１３とを有するフレーム１１を有している。また、自転車１０は、フレーム体１２の下部に揺動自在に装着された本発明の一実施形態による駆動ユニット１５と、フロントフォーク１３の先端に装着された前輪１６ｆと、駆動ユニット１５の後端に装着された後輪１６ｒと、フロントフォーク１３の上部に連結されたハンドル部１７とを有している。フレーム体１２は、湾曲部分から下方に突出するハンガー部１２ａを有しており、ハンガー部１２ａには、図３に示すように、クランク取付孔１２ｂが左右方向（図３上下方向）に貫通して形成されている。このクランク取付孔１２ｂにクランク軸組立体２０が装着されている。

クランク軸組立体２０は、クランク取付孔１２ｂに回転不能に装着されるスリーブ２１と、スリーブ２１に軸受２３ａ，２３ｂにより回転自在に装着されたクランク軸２２とを有している。スリーブ２１は、両端に小径の１対の揺動支持部２１ａが形成されており、揺動支持部２１ａの内側に隣接して揺動支持部２１ａより大径の１対の雄ねじ部２１ｂが形成されている。１対の雄ねじ部２１ｂの間はさらに大径の固定部２１ｃとなっている。各雄ねじ部２１ｂには、固定ナット２４ａ，２４ｂが装着されており、これによりスリーブ２１がハンガー部１２ａに回転不能に固定されている。なお、スリーブ２１の外周面にキー溝などを形成し、キーによりスリーブ２１を回り止めしてもよい。クランク軸２２の右端（図３下端）には、フロントスプロケット３８を有するギアクランク４０が回転不能に装着されている。クランク軸２２の左端（図３上端）には、左クランク４１が回転不能に装着されている。各クランク４０，４１の先端には、図１及び図２に示すようにペダル４２ａ．４２ｂが装着されている。

駆動ユニット１５は、図３から図５に示すように、ハンガー部１２ａに揺動自在に装着されたフレーム本体３０と、フレーム本体３０の外側面に装着された第１及び第２カバー部材３１，３２と、フレーム本体３０の後端に装着された内装変速ハブ３３と、内装変速ハブ３３の変速動作を電動化可能な変速位置決めユニット（電気駆動機構の一例）３５と、変速位置決めユニット３５を制御する回路ユニット３６（制御部の一例）と、変速位置決めユニット３５及び回路ユニット３６に電力を供給する電源としての蓄電素子３７とを有している。

フレーム本体３０は、前後に延びる第１フレーム部材４５と、第１フレーム部材４５に固定ボルト５５によりねじ止め固定される前後に延びる第２フレーム部材４６とを有している。第１及び第２フレーム部材４５，４６は、前端にフレーム体１２のハンガー部１２ａに固定されたスリーブ２１の両端に揺動自在に装着される第１及び第２揺動装着部５０ａ，５０ｂを有し、前端から両フレーム部材４５，４６で二股に分岐して延びる後端に後輪１６ｒの中心に配置された内装変速ハブ３３を間に挟むように配置された第１及び第２ハブ装着部５１ａ，５１ｂを各別に有している。

第１フレーム部材４５は、第２フレーム部材４６に対向して配置される主フレーム部材４５ａと、第１カバー部材３１との間で第１空間を形成可能な従フレーム部材４５ｂとを有している。主フレーム部材４５ａは、前端に第１揺動装着部５０ａを有し、第１揺動装着部５０ａから斜め上方かつ後方に向かって延びた後に僅かに斜め下方かつ後方に向かって延びている。この延びた後端に第１ハブ装着部５１ａが後端から前方に向かって延びるスリットの形態で設けられている。第１揺動装着部５０ａには、鍔付きブッシュ５３ａがたとえば内側から装着されている。この鍔付きブッシュ５３ａがスリーブ２１の揺動支持部２１ａに接触している。従フレーム部材４５ｂは、第１カバー部材３１との間で第１空間５６を形成するとともに、第１空間を塞ぐために設けられている。従フレーム部材４５ｂは、前端部がフロントスプロケット３８を第１カバー部材３１が覆えるように主フレーム部材４５ａにより大きい側面を有している。

第２フレーム部材４６は、図３及び図５に示すように、自転車の左右方向の中心線に対してほぼ第１フレーム部材４５の主フレーム部材４５ａと線対称の形状である。第２フレーム部材４６には第２カバー部材３２との間に第２空間５７を形成するように外側面が凹んでいる。なお、第２カバー部材３２を膨出させて第２空間５７を形成してもよい。第２フレーム部材４６は、前端に第２揺動装着部５０ｂを有し、第２揺動装着部５０ｂから斜め上方かつ後方に向かって延びた後に僅かに斜め下方かつ後方に向かって延びている。この延びた後端に第２ハブ装着部５１ｂが後端から前方に向かって延びるスリットの形態で設けられている。第２揺動装着部５０ｂには、鍔付きブッシュ５３ｂがたとえば内側から装着されている。この鍔付きブッシュ５３ｂがスリーブ２１の揺動支持部２１ｂに装着されている。これにより、駆動ユニット１５がフレーム体１２に対して揺動自在に装着される。第２フレーム部材４６の第１ハブ装着部５１ｂの前方内面には、内装変速ハブ３３に装着された後述するハブブレーキ装置であるローラブレーキ装置６０を動作させるためのブレーキケーブル６１のアウターケーシングを装着するためのアウター受け６２が装着されている。このブレーキケーブル６１は、ハンドル部１７に装着されたブレーキレバー１７ａ，１７ｂに連結される。

第１カバー部材３１は、図３及び図４に示すように、従フレーム部材４５ｂとの間で第１空間５６を形成し得るように従フレーム部材４５ｂにビス止めされている。第１空間５６には、フロントスプロケット３８、内装変速ハブ３３に装着されたリアスプロケット３９，変速位置決めユニット３５，回路ユニット３６，蓄電素子３７，テンションプーリ６８，ガイドプーリ６７及び両スプロケット３８，３９に架け渡されたチェーン６５が配置されている。テンションプーリ６８は、フロントスプロケット３８に近接した位置に配置され、チェーン６５にテンションを付与するものである。ガイドプーリ６７は、リアスプロケット３９に近接した位置に配置され、チェーン６５を第１空間５６内に案内するものである。

第２カバー部材３２は、第２フレーム部材４６に凹んで形成された部分を覆って第２空間５７を形成するために設けられている。第２空間５７には、後述する発電機構と蓄電素子３７とを電気的に接続して発電機構から出力された電力を蓄電素子３７に供給するための２本の電気配線６９が配索されている。電気配線６９は、第２空間５７と第１空間５６とを連通する連通孔６３を通って第１空間５６内の回路ユニット３６を介して蓄電素子３７に接続される。

内装変速ハブ３３は、リアハブとしての機能とリア変速装置としての機能とを有している。図６において、リアハブとしては、内装変速ハブ３３は、第１及び第２ハブ装着部５１ａ，５１ｂに回転不能に装着されるハブ軸７１と、ハブ軸７１に回転自在に装着されたハブシェル７２と、ハブシェル７２の一端に連結された駆動体７３と、駆動体に回転不能に装着されたリアスプロケット３９とを有している。ハブシェル７２の両端には、左右のスリーブ７７ａ，７７ｂが装着されており、スリーブ７７ａ，７７ｂを介してハブ軸７１に回転自在に支持されている。スリーブ７７ａの外周には、ローラブレーキ装置６０が装着されている。

リア変速装置としては、内装変速ハブ３３は、駆動体７３の回転を複数の動力伝達経路でハブシェルに伝達する動力伝達機構７４と、動力伝達経路を択一的に切り換える切換機構７５とを有している。リア変速装置としての内装変速ハブ３３は、たとえば８つの動力伝達経路を有しており、ペダル４２ａ，４２ｂによるクランク軸２２の回転を８段階に変速することができる。また、内装変速ハブ３３は、動力伝達機構と並べて配置されハブシェル７２とハブ軸７１との相対回転により発電し、発電された電力を電源に供給する発電機構７６をさらに有している。発電機構７６は、主として、図６に示すように、内側固定子７８と、外側回転子７９とから構成されている。この発電機構７６により発電された電力は、コネクタ８０から取り出すことができる。

内側固定子７８は、主として、２つのステータヨーク８１，８２と、コイル８３が巻かれたボビン８４と、筒状コアヨーク８５とから構成されている。ステータヨーク８１，８２、ボビン８４、及び筒状コアヨーク８５は、組み付けられると一体となって内側固定子を構成する。この内側固定子７８はハブ軸７１に固定されている。

外側回転子７９は、主として、ハブシェル７２に固定されたキャップ部材８６と永久磁石８７とを有しており、両者は一体化される。この一体化された外側回転子７９は、ハブシェル７２の内周面に嵌合固定されている。

キャップ部材８６には円周方向に等間隔に分割された４個の磁石体から成る永久磁石８７が固着されている。この永久磁石８７には、等間隔で交互にＮ極とＳ極とが着磁されており、合計２８極のそれぞれがステータヨーク８１，８２と対向している。

次に、内装変速ハブ３３内の発電機構７６による発電動作について説明する。

自転車１０の走行にしたがって、ハブ軸７１に対してハブシェル７２が回転すると、ハブ軸７１に固定されている内側固定子７８に対して、ハブシェル７２の内周面に固定されて内側固定子７８に対し回転自在とされている外側回転子７９が回転する。すると、ステータヨーク８１，８２の外側を永久磁石８７が回転する。これにより、ステータヨーク８１，８２は、一方が永久磁石８７からＮ極の磁束供給を受けるときには他方がＳ極の磁束供給を受け、一方が永久磁石８７からＳ極の磁束供給を受けるときには他方がＮ極の磁束供給を受ける。すなわち、ステータヨーク８１，８２の外側を永久磁石８７が回転することにより、ステータヨーク８１がＮ極でステータヨーク８２がＳ極である第１状態、及びステータヨーク８１がＳ極でステータヨーク８２がＮ極である第２状態が繰り返されて、両者８１，８２を磁気的に連結している筒状コアヨーク８５にハブ軸方向の交番磁束が発生する。このコイル８３の内側に発生する交番磁束によって、コイル８３に電流が発生し、電力は発生する。発生した電力はコネクタ８０から電気配線６９により、蓄電素子３７及び回路ユニット３６を介して変速位置決めユニット３５に供給することにより内装変速ハブ３３の電動変速動作を実現できる。

変速位置決めユニット３５は、図７から図９に示すように、８つの変速段を有する内装変速ハブ３３と変速ケーブル８８を介して連結されており、変速ケーブル８８を介して内装変速ハブ３３を変速段に応じて位置決めするユニットである。変速位置決めユニット３５は、第１空間５６内に装着されるケース９０と、ケース９０に第１軸Ｘ回りに回動自在に装着された巻取体９１と、ケース９０に固定された位置決め部材９２と、巻取体９１に係止姿勢と離脱姿勢とに揺動自在に装着された爪部材９３と、爪部材９３を係止姿勢に付勢する環状ばね部材９４と、爪部材５３を離脱姿勢に倒す爪解除部材９５と、変速位置を検出する変速位置センサ（図示せず）と、爪解除部材９５を駆動する電動駆動部９７とを有している。

ケース９０は、第１ケース部材１００と、第１ケース部材１００をねじ止めされる第２ケース部材１０１と、第２ケース部材１０１にねじ止めされた蓋部材１０２とを有している。

第１ケース部材１００は、一面が開口する矩形の第１収納空間１００ａを有する筐体であり、底部にボス部１００ｂが形成されている。このボス部１００ｂに巻取体９１及び爪解除部材９５を回動自在に支持する回動軸９８の基端が回転不能に立設されている。回動軸９８の先端は蓋部材１０２に支持されている。

第２ケース部材１０１は、第１ケース部材１００の第１収納空間１００ａを塞ぐように形成され、表面に巻取体９１の一部が収納される円筒状の第２収納空間１０１ａが形成されている。第２ケース部材１０１の第１収納空間１００ａ側には、電動駆動部９７の電動モータ１１０が装着されている。第２収納空間１０１ａの中心には、第１収納空間１００ａに連通する円形の開口１０１ｂが形成されている。また、第２ケース部材１０１の側面には、変速ケーブル８８のアウターケーシング８８ｂが係止されるアウター係止部１０１ｃが突出して形成されている。

巻取体９１は、変速ケーブル８８のインナーケーブル８８ａの先端を係止するケーブル係止部１０３ａを有するケーブル巻取部１０３と、ケーブル巻取部１０３と回転不能に連結された爪装着部１０４とを有している。ケーブル巻取部１０３は、爪装着部１０４に回転不能に連結された一部が径方向に突出する、たとえば合成樹脂製の雨滴筒状の部材である。ケーブル係止部１０３ａは、突出部分にインナーケーブル８８ａの先端に固定された円柱状のタイコ８８ｃが係止される円形の孔部を有している。ケーブル巻取部１０３の外周面には、インナーケーブル８８ａが巻回される巻取溝１０３ｂが形成されている。また、内周面には、爪装着部１０４が回転不能に連結されるスプライン溝１０３ｃが形成されている。

爪装着部１０４は、第１収納空間１００ａに収納されており、回動軸９８が中心を貫通する筒状の金属製の部材である。爪装着部１０４は、爪部材９３が揺動自在に収納される凹部１０４ａが外周面に形成された大径部１０４ｂと、大径部１０４ｂからケーブル巻取部１０３に向かって延びる小径の軸部１０４ｃとを有している。大径部１０４ｂの外周面には、環状ばね部材９４が装着される環状溝９４ｄが形成されている。また、大径部９４ｂの端面には、爪解除部材９５に連動して糸巻取方向に回転するための連動ピン１０４ｈ（図９）が爪解除部材９５に向けて突出している。

軸部１０４ｃは、開口１０１ｂを貫通して第２収納空間１０１ａに延びており、その先端の外周面には、ケーブル巻取部１０３のスプライン溝１０３ｃに係合するスプライン溝１０４ｅと防水用のＯリング９９ａが装着される環状溝１０４ｆとが並べて形成されている。また、先端面には、Ｏリング９９ｂを装着するための環状凹部１０４ｇが形成されている。Ｏリング９９ａは、第２ケース部材１０１の開口１０１ｂと爪装着部１０４との隙間をシールし、第２収納空間１０１ａから第１収納空間１００ａへの液体の浸入を阻止する。Ｏリング９９ｂは、爪装着部１０４と回動軸９８との隙間をシールし、外部から第１収納空間１００ａへの液体の浸入を阻止する。

位置決め部材９２は、爪部材９３を介して巻取体９１を８つの変速位置で位置決めするための部材である。これにより、変速ケーブル８８が８つの変速位置で位置決めされる。位置決め部材９２は、金属製の略矩形板状部材であり、中心部に形成された円形の位置決め開口部９２ａと、位置決め開口部９２ａに内周側に突出して形成された８つの突起部９２ｂとを有している。８つの突起部９２ｂは、８段変速の内装変速ハブ３３の変速位置に応じて回転方向に間隔を隔てて配置されている。

爪部材９３は、金属製の部材であり、先端９３ｂが径方向外方に起立して８つの突起部９２ｂのいずれかに係止される係止姿勢と係止姿勢より径方向内方に仰臥し、８つの突起部９２ｂのいずれかから離脱する離脱姿勢とに揺動する。爪部材９３は、位置決め部材９２とで、巻取体９１のケーブル巻取方向Ａの回転を許容し、ケーブル繰り出し方向Ｂの回転を禁止するために設けられている。すなわち、爪部材９３は、巻取体９１の爪装着部１０４の凹部１０４ａに揺動自在に装着された状態でその揺動中心１０３ａは、爪部材１０３の先端１０３ｂよりケーブル巻取方向Ａの下流側に配置されている。これにより、爪部材１０３はケーブル巻取方向Ａに回転して突起部１０２ｂに接触すると離脱姿勢に倒れる。逆にケーブル繰り出し方向Ｂに回転すると突起部９２ｂにより係止され、巻取体９１のそれ以上の回転が阻止される。

爪部材５３の外周部には、環状ばね部材９４が装着される溝部９３ｃが回転方向に沿って形成されている。爪部材９３は溝部９３ｃを挟んで第１軸Ｘ方向に間隔を隔てて位置決め部材９２と爪解除部材９５とに先端９３ａが接触可能である。

環状ばね部材９４は、金属製のばね部材であり、環状溝１０４ｄ及び溝部９３ｃに引っ張られた状態で装着されている。これにより、環状ばね部材９４に縮もうとする力が発生する。この力を利用して爪部材９３を係止姿勢に付勢している。このような環状ばね部材９４により爪部材９３を付勢すると、爪部材９３の付勢が容易であり、かつばねを収納するための第１軸Ｘ方向の空間が小さくて済む。

爪解除部材９５は、外周に電動駆動部９７に噛み合うギア歯９５ａが形成された円板状の金属製の部材であり、回動軸９８に巻取体９１と並べて回転自在に装着されている。

電動駆動部９７は、図８に示すように、駆動用の電動モータ１１０と、電動モータ１１０の回転を減速する減速機構１１１とを有している。電動モータ１１０は、たとえば直流モータである。

減速機構１１１は、電動モータ１１０の出力軸に固定されたウォームギア１１２と、ウォームギア１１２に噛み合うウォームホイール１１３ａを含む第１減速ギア部１１３と、第１減速ギア部１１３に噛み合う第２減速ギア部１１４と、第２減速ギア部１１４に噛み合う第３減速ギア部１１５とを有している。各減速ギア部１１４は、大径ギアと小径ギアとを有しており、小径ギアが別の減速ギア部の大径ギアに噛み合うことにより減速している。第３減速ギア部１１５の小径ギアは爪解除部材９５の外周に形成されたギア部９５ａに噛み合っている。この減速機構１１１により電動モータ１１０の回転はたとえば１／１５００程度に減速される。

このような構成の変速位置決めユニット３５では、巻取体９１の回転を電動モータ１１０により位置決めして内装変速ハブ３３の変速動作を電動化できる。

回路ユニット３６は、図１０に示すように、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，Ｉ／Ｏインターフェースからなるマイクロコンピュータを含む変速制御部１２５を備えている。なお、図中太線はたとえば１Ａ程度の電流線を、実線は５ｍＡ程度の電流線をそれぞれ示し、破線は信号線を示している。

変速制御部１２５は、ハンドル部１７に装着される変速操作部（図示せず）の操作スイッチ１２６の操作に応じて内装変速ハブ３３を速度に応じて自動変速制御するとともに、変速操作部に設けられた液晶表示部１２４の表示制御を行う。また、前かごの先端に装着されたランプ１１８を周囲の状況が所定の明るさ以下になると点灯し、所定の明るさを超えると消灯するランプ制御を行う。変速制御部１２５には、変速操作部に設けられた操作スイッチ１２６と、液晶表示部１２４と、ランプ１１８を制御するための照度センサとしての光センサ１３６と、交流発電機１１９からの出力により速度信号を生成するためのダイナモ波形成形回路１３４とが接続されている。また、変速制御部１２５には、充電制御回路１３３と蓄電素子３７とオートライト回路１３５とが省電力回路１３１を介して接続されている。さらに、モータドライバ１２８と変速位置決めユニット３５に設けられる変速位置センサ１５６と他の入出力部とが接続されている。

液晶表示部１２４には、現在の走行速度も表示されるとともに、変速時には操作された変速段が表示される。

省電力回路１３１は、自転車が停止しているときの電力消費を抑えるために設けられたものである。省電力回路１３１には、蓄電素子３７で蓄えられた電力が供給される。省電力回路１３１は、変速制御部１２５、モータドライバ１２８、充電制御回路１３３及びオートライト回路１３５に接続され、それらに蓄電素子３７で蓄えられた動作用の電力を供給するとともに、自転車停止時にそれらへの電力の供給を遮断する。省電力回路１３１には、発電機構７６からの信号が入力されており、この信号により自転車１０が停止しているか否かを判断する。このような省電力回路１３１を設けることにより蓄電素子３７に蓄えられた電力の無駄な消耗を抑えることができる。

蓄電素子３７は、たとえば電気二重層コンデンサ等の大容量コンデンサからなり、発電機構７６から出力され、充電制御回路１３３で整流された直流電力を蓄える。蓄電素子３７で蓄えられた１ｍＡの電流は省電力回路１３１を介して変速制御部１２５、モータドライバ１２８、充電制御回路１３３及びオートライト回路１３５に供給される。モータドライバ１２８には蓄電素子３７で蓄えられた１Ａの電流も直接供給される。なお、蓄電素子３７をコンデンサに代えてニッケル・カドニウム電池やリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池で構成してもよい。

モータドライバ１２８は、電動モータ１１０を位置決め制御する。モータドライバ１２８は、省電力回路１３１から供給された１ｍＡの電流で動作し、蓄電素子３７から供給された１Ａの電流を位置決め用に制御して電動モータ１１０に供給する。

充電制御回路１３３はたとえば半波整流回路で構成され、発電機構７６から出力された交流電流をたとえば１Ａと５ｍＡの直流電流に整流する。

ダイナモ波形成形回路１３４は、発電機構７６から出力された交流電流から速度信号を生成する。すなわちサインカーブの交流信号をたとえば半周期分抽出し、それをシュミット回路等の適宜の波形成形回路を通し、速度に応じたパルス信号を生成する。

オートライト回路１３５は、光センサ１３６からの検出出力より変速制御部１２５から出力されるオンオフ信号により動作し発電機構７６から出力された１Ａの電流をランプ１１８に供給・遮断する。これにより照度が所定以下になるとランプ１１８が自動的に点灯し、所定の照度を超えると消灯する。

このように構成された変速制御部１２５では、変速操作部で選択された自動変速モード又は手動変速モードで内装変速ハブ３３が変速制御される。具体的には、たとえば自動変速モードが選択されると、車速に応じて８段階の変速制御を行える。また、変速操作部の操作に応じて変速制御を行うこともできる。なお、回路ユニット３６には、変速操作部に接続するための配線端子が設けられている。

一方、車輪が回転すると、省電力回路１３１がそのことを検出して変速制御部１２５や充電制御回路１３３等に制御動作用の電力を供給する。この結果、変速制御部１２５が動作を開始し、液晶表示部１２４やモータドライバ１２８やオートライト回路１３５や充電制御回路１３３が制御される。そして、発電機構７６からの電力が蓄電素子３７に充電される。また、ダイナモ波形成形回路１３４から車速信号が変速制御部１２５に与えられる。車輪が停止すると省電力回路１３１がそれを検出して制御用の電力の供給を遮断する。これにより、停止時に無駄な電力を消費しなくなる。このため、停止時に蓄電素子３７が消耗しなくなる。

ここでは、蓄電素子３７を設けて発電機構７６からの電力を蓄え、その電力により変速制御部１２５を含む各部を動作させているので、電池の交換や充電作業が不要になる。また、電池残量の管理や予備の電池を持ち歩く必要がなくなり、電源に関わる煩わしい作業を行うことなく変速動作を行えるようになる。

しかも、発電機構７６から出力された交流信号に基づき車速を検出し、その検出された車速により変速制御している。発電機構７６を構成する交流発電機は一般に複数の磁極を有しているので、交流発電機からはこの磁極数と車速とに関連する周波数からなる交流信号が出力される。このため、通常自転車で用いられるような、たとえば車輪に付けた磁石を検出する速度センサから得られる速度信号に比べて１回転当たり多くのパルス信号を交流信号から得ることができる。したがって車速を１回転の間に細かく検出することができ、リアルタイムで高精度の変速制御を行える。また、発電機構７６からの交流信号に基づき制御しているので、駆動ユニット１５内で変速制御を行える。

また、従来、昼間は使用していなかった発電機構７６の電力を有効に利用できるようになる。

さらに、変速位置決めユニット３５を薄型化したので、第１空間５６内に回路ユニット３６及び蓄電素子３７と並べて配置できる。このように、回路ユニット３６及び電動モータ７０の電源として発電機構７６からの電力を使用できるとともに、変速位置決めユニット３５を薄型化できるので、自転車の自動変速をコンパクトかつ軽量な構成で実現できる。

また、後輪１６ｒの内装変速ハブ３３が片持ち支持ではなく両端支持構造となるため、フレーム本体３０の剛性を高く維持できる。また、第１空間５６に内装変速ハブ３３の変速動作を電動化可能な変速位置決めユニット３５が第１空間に設けられるとともに、それを制御する制御部や電気駆動機構や制御部の電源も第１空間５６に設けられているので、内装変速ハブ３３の変速動作の電動化に容易に対応できる。

〔他の実施形態〕
（ａ）前記実施形態では、リア変速装置として内装変速ハブを例示したが、ディレーラと多段ギアとを有する外装変速装置にも本発明を適用できる。

（ｂ）前記実施形態では、フレーム本体３０をクランク軸回りに揺動自在にフレーム体１２に連結したが、クランク軸以外の場所で揺動させてもよい。

（ｃ）前記実施形態ではクランク軸組立体２０をハンガー部に設けたが、図１１及び図１２に示すように、これらを駆動ユニット２１５に組み込んでもよい。これによりクランク軸組立体２２０も駆動ユニット２１５に設けることができる。

図１１において、フレーム体２１２のハンガー部２１２ａは、２つ割りの筒状の揺動支持部２１２ｂを有している。揺動支持部２１２ｂはハンガー部２１２ａに固定された上半円筒部２１３ａと、上半円筒部２１３ｂに固定ボルト２１４により固定された下半円筒部２１３ｂと、上半円筒部２１３ａに装着された上半割ブッシュ２１６ａと、下半円筒部２１３ｂに装着された下半割ブッシュ２１６ｂとを有している。上半円筒部２１３ａと下半円筒部２１３ｂ及び上半割ブッシュ２１６ａと下半割ブッシュ２１６ｂには芯出しして位置決めするための段差部２１４，２１７がそれぞれ形成されている。上半割ブッシュ２１６ａと下半割ブッシュ２１６ｂには、それぞれ両端に鍔部２１８が形成されている。

駆動ユニット２１５は、図１２に示すように、ハンガー部２１２ａに揺動自在に装着されたフレーム本体２３０と、フレーム本体２３０の外側面に装着された第１及び第２カバー部材２３１，２３２と、フレーム本体２３０の後端に装着された内装変速ハブ３３と、内装変速ハブ３３の変速動作を電動化可能な変速位置決めユニット（電動駆動機構の一例）３５と、変速位置決めユニット３５を制御する回路ユニット３６（制御部の一例）と、変速位置決めユニット３５及び回路ユニット３６に電力を供給する電源としての蓄電素子３７と、クランク軸組立体２２０とを有している。

クランク軸組立体２２０は、フレーム本体２３０の前端部に回転不能に装着されている。クランク軸組立体２２０は、上下の半割ブッシュ２１６ａ，２１６ｂに揺動自在に装着されるスリーブ２２１と、スリーブ２２１に軸受２２３ａ，２２３ｂにより回転自在に装着されたクランク軸２２２と、クランク軸２２２の両端に装着されたクランク４０，４１とを有している。

フレーム本体２３０は、前後に延びる第１フレーム部材２４５と、第１フレーム部材２４５に固定ボルト２５５によりねじ止め固定される前後に延びる第２フレーム部材２４６とを有している。第１フレーム部材２４５は、前端に固定されたスリーブ２２１として機能する揺動装着部２５０を有している。揺動装着部２５０は、第２フレーム部材２４６に形成された孔部２４６ａに挿入されている。両フレーム部材２４５，２４６は、前端から両フレーム部材２４５，２４６で二股に分岐して延びる後端に後輪１６ｒの中心に配置された内装変速ハブ３３を間に挟むように配置された第１及び第２ハブ装着部２５１ａ，２５１ｂを各別に有している。揺動装着部２５０の周囲の第１及び第２フレーム部材１４５，１４６の内側面には、上半割ブッシュ２１６ａと下半割ブッシュ２１６ｂの鍔部２１７が接触している。その他の構成は前記時実施形態と同様なため説明を省略する。

このような構成の駆動ユニット２１５では、揺動装着部２５０を半割ブッシュ２１６ａ，２１６ｂに装着して固定ボルト２１４で固定することにより、クランク４０，４１やフロントスプロケット３８やチェーン６５を組み込んだ完成品の駆動ユニット２１５をフレーム２１２に装着することができる。

（ｄ）前記実施形態では、変速位置決めユニット３５を変速ケーブル８８を介して内装変速ハブ３３に連結したが、内装変速ハブ３３やリアディレーラなどのリア変速装置の切換機構に直接連結してもよい。

（ｅ）前記実施形態では、フレーム本体３０を第１フレーム部材４５と第２フレーム部材４６とに分割したが、フレーム本体を分割せずに一体形成してもよい。

（ｆ）前記実施形態では、発電機構７６の出力により自転車に車速を検出したが、たとえば回路ユニットなどに速度センサを設けてもよい。具体的には、後輪のスポークに磁石を装着し、磁石に検知可能な位置に、たとえば、リードスイッチを回路ユニット内に配置して、リードスイッチの出力パルスにより車速を検出してもよい。

本発明の一実施形態を採用した自転車の右側面図。 本発明の一実施形態を採用した自転車の左側面図。 その駆動ユニットの断面図。 駆動ユニットの第１フレーム部材側の第１カバー部材を外した状態の側面図。 駆動ユニットの第２フレーム部材側の第２カバー部材を外した状態の側面図。 内装変速ハブの半截断面図。 変速位置決めユニットの平面一部破断図。 第２ケース部材をあけた状態の位置決めユニットの平面図。 図７のIX−IX断面図。 回路ユニットの構成を示すブロック図。 他の実施形態の図４に相当する図。 他の実施形態の図３に相当する図。

符号の説明

１０ 自転車
１１ フレーム
１２ フレーム体
１５ 駆動ユニット
２２ クランク軸
３０ フレーム本体
３１，３２ 第１及び第２カバー部材
３３ 内装変速ハブ（リアハブ及びリア変速装置の一例）
３５ 変速位置決めユニット（電気駆動機構の一例）
３６ 回路ユニット（制御部の一例）
３７ 蓄電素子（電源の一例）
３９ リアスプロケット
５０ａ、５０ｂ 揺動装着部
５１ａ、５１ｂ ハブ装着部
５６、５７ 第１，第２空間
５１ａ、５１ｂ ハブ装着部
６９ 電気配線
７１ ハブ軸
７２ ハブシェル
７３ 駆動体
７４ 動力伝達機構
７５ 切換機構
７６ 発電機構
８８ 変速ケーブル

Claims (7)

1. 自転車のフレームに装着され、後輪を装着可能な自転車用駆動ユニットであって、
   第１端に前記フレームに揺動自在に装着される揺動装着部を有し、前記第１端から二股に分岐して延びる第２端に前記後輪を間に挟むように配置された第１及び第２ハブ装着部を有するフレーム本体と、
   前記フレーム本体の両外側面に前記フレーム本体との間に第１及び第２空間を形成可能に装着された第１及び第２カバー部材と、
   前記第１及び第２ハブ装着部に回転不能に装着されるハブ軸と、前記ハブ軸に回転自在に装着されたハブシェルと、前記ハブシェルの一端に連結された駆動体と、前記駆動体に回転不能に装着されたリアスプロケットとを有するリアハブと、
   前記自転車のクランク軸の回転を複数の変速段に変速可能なリア変速装置と、
   前記第１空間に配置され、前記リア変速装置に連結可能であり、かつ前記リア変速装置の変速動作を電動化可能な電気駆動機構と、
   前記第１空間に配置され、前記電気駆動機構を制御する制御部と、
   前記第１空間に配置され、前記電気駆動機構及び前記制御部に電力を供給する電源と、を備え、
   前記電気駆動機構は、前記リア変速装置を前記複数の変速段に応じて位置決めする変速位置決めユニットを有し、前記変速位置決めユニットは変速ケーブルにより前記リア変速装置と連結されており、
   前記リアハブは、前記駆動体の回転を複数の動力伝達経路で前記ハブシェルに伝達する動力伝達機構と、前記動力伝達経路を択一的に切り換える切換機構とを有する前記リア変速装置が内部に設けられた内装変速ハブであり、
   前記リアハブは、前記動力伝達機構と並べて配置され前記ハブシェルと前記ハブ軸との相対回転により発電し、発電された電力を前記電源に供給する発電機構をさらに有し、
   前記第１及び第２空間の少なくともいずれかには、前記発電機構と前記電源とを電気的に接続するための電気配線が配索されており、
   前記電気配線は、前記第２空間に配置された前記発電機構のコネクタに接続されており、前記第２空間から前記第１空間に配索されて前記電源に接続されている、自転車用駆動ユニット。
2. 前記制御部に接続され、前記後輪の回転速度を検出するための速度センサをさらに備える、請求項１に記載の自転車用駆動ユニット。
3. 前記リアハブと前記フレーム本体との間に設けられ、前記後輪を制動するハブブレーキ機構をさらに備え、
   前記フレーム本体は、前記ハブブレーキ機構とブレーキレバーとを連結するためのブレーキケーブルを係止するアウター受けを有する、請求項１又は２に記載の自転車用駆動ユニット。
4. 前記揺動装着部は、前記自転車のクランク軸回りに揺動自在に前記フレームに装着されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の自転車用駆動ユニット。
5. 前記揺動装着部は、内部で前記自転車のクランク軸を回転自在に支持する、請求項４に記載の自転車用駆動ユニット。
6. 前記クランク軸の一端に装着されるフロントスプロケットを有するギアクランクと、他端に装着される左クランクとをさらに備える、請求項５に記載の自転車用駆動ユニット。
7. 前記フロントスプロケットと前記リアスプロケットとに架け渡されるチェーンをさらに備える、請求項６に記載の自転車用駆動ユニット。

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