JP4541516B2 - 電動自転車用の運動エネルギー回生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気モータを備えた電動自転車（電動式補助動力付きの自転車を含む）に関する。なかでも、その運動エネルギー回生装置に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電気モータを備えた電動自転車が開発され、製品化された。そして、これは坂道などでの乗員の負担軽減に大きな役割を果している。
【０００３】
ちなみに、こうした電動自転車は次のような構造を有する。すなわち、そのペダル軸には、電気モータおよび踏力センサが接続されている。乗員の踏力は、この踏力センサが検出する。これを受けた制御部は、乗員の踏力に応じたトルクを出すよう電気モータを制御する。この結果、乗員の踏力と電気モータの駆動力との合力が、チェーンを介して後輪を回転させることになる。
【０００４】
さて、坂道を下る時や減速時、そして停止時には、運動エネルギーの一部または全部が熱となって浪費される。そこで、この運動エネルギーを電気的に回生する技術が研究されている。この技術は、具体的に言うと、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、電池に蓄えるものである。そして、蓄えられた電気エネルギーは坂を登る際などに利用されることになる。
【０００５】
しかし、この技術を採用するにあたっては、次のような問題がある。
【０００６】
すなわち後輪の軸には、通常の自転車と同様のハブが設けられている（但し、このハブは変速機を内蔵することも、しないこともある）。さて同ハブは、それが内蔵するラチェット機構によって、一方向にしか駆動力を伝達しない。つまりハブはフリーホイール機能を有する。更に具体的に言うと、チェーンから後輪へは駆動力が伝達されるが、その逆は起こらない。要するに、ハブは、それと同軸上にあってチェーンと噛み合うスプロケットには、後輪からの逆駆動力を伝達しない。
【０００７】
これは、ときとして長所でもある。例えば、惰性走行距離を増大させることができるといった利点がある。しかし、上記運動エネルギー回生装置の実用化に際しては、大きな障害となる。更に詳しく言うと、電動自転車が備える電気モータを回生発電機として使用することができない。これは、言うまでもなく、チェーンによって電気モータを逆駆動できないからである。
【０００８】
したがって、運動エネルギーの回生を実現しようとすれば、乗員の踏力を伝達する第１のチェーン、および電気モータの駆動力を伝達する第２のチェーンの、計二つのチェーンが必要になる。しかし、これは効率的ではない。
【０００９】
こうした問題点があるにもかかわらず、運動エネルギー回生技術は、電動自転車の航続距離延長に大きな効果を発揮するため、その実用化が熱望されている。
なかでもコスト低減の観点から、電気モータを発電機として使用でき、更に、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用できるタイプの運動エネルギー回生装置が強く求められている。
【００１０】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、後輪駆動用の電気モータを発電機として利用できる電動自転車用の運動エネルギー回生装置を提供することである。更に、これに加えて、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用できる電動自転車用の運動エネルギー回生装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブに固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１の駆動力伝達要素と、
前記第１の駆動力伝達要素の回転によって駆動される第２の駆動力伝達要素と、
前記第２の駆動力伝達要素の回転によって駆動され、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１の駆動力伝達要素、前記第２の駆動力伝達要素、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によって解決される。
【００１２】
なお、上記第１の駆動力伝達要素および上記第２の駆動力伝達要素としては、互いに噛み合うギアを用いることができる。あるいは、エンドレスベルトによって連結されたプーリーを用いることができる。
【００１３】
更に上記アイドラスプロケットは、チェーンにテンションを与えるよう、このチェーンに圧接させてもよい。すなわち、アイドラスプロケットをチェーンのテンショナーとして用いることもできる。
【００１４】
そして、第１の駆動力伝達要素および第２の駆動力伝達要素が互いに噛み合うギアである場合、上記アイドラスプロケットは、チェーンの下側部分に下方から接するよう設けることができる。あるいは、それをチェーンの上側部分に上方から接するよう設けることもできる。
【００１５】
これに対して、第１の駆動力伝達要素および第２の駆動力伝達要素が、エンドレスベルトによって連結されたプーリーである場合、上記アイドラスプロケットは、チェーンの下側部分に上方から接するよう設けることができる。あるいは、それをチェーンの上側部分に下方から接するよう設けることもできる。
【００１６】
また本発明では、上記第２の駆動力伝達要素と上記アイドラスプロケットとの間に第１のワンウェイクラッチを介在させ、上記第２の駆動力伝達要素から上記アイドラスプロケットへは駆動力が伝達されるが、上記アイドラスプロケットから上記第２の駆動力伝達要素へは駆動力が伝達されないよう構成することが好ましい。更に、こうした構造とする場合、上記チェーンの循環動によって回転させられる上記アイドラスプロケットの回転速度が、上記第１の駆動力伝達要素の回転によって回転させられる上記第２の駆動力伝達要素の回転速度以上となるよう構成されてなることが好ましい。特に、後輪ハブが変速機を内蔵する場合には、最も高い変速比を選んだ際に、この条件が満たされるよう設計されることが望ましい（但し、最も高い変速比とは、後軸スプロケットが一回転した際、後輪ハブの回転数が最も多くなるような変速比を指す）。ちなみに、こうした構造を採用するのが好ましいのは、通常走行がスムーズになされるようにするためである。そして、運動エネルギー回生時に、装置のスムーズな動作を実現するためである。
【００１７】
また、第２の駆動力伝達要素とアイドラスプロケットとの間に、上記第１のワンウェイクラッチを介在させる場合には、更に、アイドラスプロケットと第１のワンウェイクラッチとの間に、後退用クラッチを介在させることが好ましい。そして、後退時には、上記後退用クラッチを駆動力が伝達されない状態とすることで、アイドラスプロケットが自由に回転できるよう構成するのが望ましい。あるいは、後退用クラッチを、第１のワンウェイクラッチと第２の駆動力伝達要素との間に介在させ、そして後退時には、上記後退用クラッチを駆動力が伝達されない状態とすることで、アイドラスプロケットが自由に回転できるよう構成してもよい。こうした構造を採用することにより、スムーズな後退動作が可能となる。
【００１８】
更に言えば、本発明が対象とする電動自転車としては、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
上記チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
上記ペダルの回転軸と上記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、上記ペダルの回転軸から上記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものを挙げることができる。
【００１９】
そして、こうした電動自転車を対象とする場合には、上記電気モータを、
この電気モータから上記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第３のワンウェイクラッチと、
運動エネルギー回生時にのみ、上記ペダル軸スプロケットから上記電気モータへ駆動力を伝達する駆動力断続用クラッチと
を介して、上記ペダル軸スプロケットに接続することができる。
【００２０】
ひるがえって、上記の課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブの外周に固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合い、前記第１のギアの回転によって回転させられる第２のギアと、
前記第２のギアの回転によって回転させられ、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１のギア、前記第２のギア、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によっても解決される。
【００２１】
また、上記の課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブの外周に固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合い、前記第１のギアの回転によって回転させられる第２のギアと、
前記第２のギアの回転によって回転させられ、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１のギア、前記第２のギア、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなり、
更に、前記電動自転車は、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
前記チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
前記ペダルの回転軸と前記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、前記ペダルの回転軸から前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものであることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によって解決される。
【００２２】
そして更に、上記の課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブの外周に固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合い、前記第１のギアの回転によって回転させられる第２のギアと、
前記第２のギアの回転によって回転させられ、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１のギア、前記第２のギア、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなり、
更に、前記電動自転車は、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
前記チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
前記ペダルの回転軸と前記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、前記ペダルの回転軸から前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものであって、
かつ、前記電気モータは、
この電気モータから前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第３のワンウェイクラッチと、
運動エネルギー回生時にのみ、前記ペダル軸スプロケットから前記電気モータへ駆動力を伝達する駆動力断続用クラッチと
を介して、前記ペダル軸スプロケットに接続されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によって解決される。
【００２３】
さて、上述したように本発明では、電動自転車用の運動エネルギー回生装置を以下の特徴的な構成要件ａ〜ｃを具備してなる構造とした。
【００２４】
ａ：後輪ハブに固定され、かつ、この後輪ハブと共に回転する第１の駆動力伝達要素
ｂ：第１の駆動力伝達要素の回転によって駆動される第２の駆動力伝達要素
ｃ：第２の駆動力伝達要素の回転によって駆動され、かつ、チェーンと噛み合うアイドラスプロケット
【００２５】
よって運動エネルギー回生時には、後輪ハブの回転が、第１の駆動力伝達要素、第２の駆動力伝達要素、そしてアイドラスプロケットを経て、チェーンを循環動させる。この結果、チェーンと連動する電気モータが発電機として機能し、運動エネルギーを回生するようになる。すなわち本発明に係る運動エネルギー回生装置では、チェーンによって電気モータを逆駆動することが可能となっている。特に、後輪ハブとして既存の自転車後輪用のものをそのまま使用して、電気モータを逆駆動することが可能である。
【００２６】
このように本発明に係る運動エネルギー回生装置では、後輪駆動用の電気モータを発電機として利用できる。しかも既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用することができる。つまり後輪ハブとして特殊なものを開発することなく、既存の安価なものを用いて、運動エネルギーの回生が可能となる。そして、この結果、運動エネルギー回生装置のコスト低減が図れる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態を更に詳しく説明する。なお、図１は本実施形態に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置の概略構造図、図２は各スプロケットの位置関係を示す側面図、図３は通常走行時の駆動力伝達経路を示す概略図、図４は運動エネルギー回生時の逆駆動力伝達経路を示す概略図である。
【００２８】
以下で説明する運動エネルギー回生装置は、正確には電動アシスト自転車用のものである。つまり、乗員の踏力を主要な動力源とする自転車に、本発明の技術を適用した場合の実施形態である。しかし、言うまでもなく、電気モータを動力源とする完全な電動自転車についても、これと同様に本発明の技術を適用できる。
【００２９】
次に、図１および図２を用いて、本実施形態に係る運動エネルギー回生装置（以下、本回生装置と言う）の構造について説明する。
【００３０】
まず本回生装置は、上述したように、電動自転車における、電気モータ（動力源）を回生発電機として使用したものである。
【００３１】
すなわち、図１において、１は電気モータである。本実施形態が対象とする電動自転車は、この電気モータ１を動力源とするものである。そして、この電気モータ１の駆動力は、チェーン２およびこのチェーン２と噛み合う後軸スプロケット３を介して、後輪ハブ４を回転させる。なお、この後輪ハブ４は、後軸スプロケット３と同軸上に存在する。そして、後輪ハブ４は、言うまでもなく既存品である。つまり後輪ハブ４は、後軸スプロケット３から後輪５へは駆動力を伝達するが、その逆方向には駆動力を伝達しない。
【００３２】
さて本回生装置は、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、そしてアイドラスプロケット８を主要な構成要素とする。
【００３３】
このうち第１の駆動力伝達要素６は、後輪ハブ４の外周に固定されたリング状のギアである。したがって第１の駆動力伝達要素６は、後輪ハブ４と共に回転する。一方、第２の駆動力伝達要素７は、図示していない電動自転車のフレームに支持されている。この第２の駆動力伝達要素７もギアであり、上記第１の駆動力伝達要素６と噛み合っている。よって第２の駆動力伝達要素７は、第１の駆動力伝達要素６の回転によって回転させられる。更にアイドラスプロケット８は、上記第２の駆動力伝達要素７と同軸上に存在する。そして、チェーン２と噛み合っている。
【００３４】
なお、アイドラスプロケット８と第２の駆動力伝達要素７との間には、第１のワンウェイクラッチ９ａが設けられている。このため、アイドラスプロケット８は、第２の駆動力伝達要素７からチェーン２へのみ駆動力を伝達し、その逆方向には駆動力を伝達しない。つまり、チェーン２によって第２の駆動力伝達要素７が回転させられることはない。そして後に詳述するが、運動エネルギー回生時には、後輪ハブ４の回転が、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、アイドラスプロケット８を介して、チェーン２を強制的に循環動させる。この結果、チェーン２と連動する電気モータ１が発電機として機能し、運動エネルギーを回生するようになっている。
【００３５】
また本実施形態では、アイドラスプロケット８と第１のワンウェイクラッチ９ａとの間に、後退用クラッチ９ｂを介在させている。つまり、第１のワンウェイクラッチ９ａに後退用クラッチ９ｂを直列に接続している。そして後退時には、この後退用クラッチ９ｂを駆動力が伝達されない状態（解除状態）とすることで、アイドラスプロケット８が自由に回転できるよう構成している。
【００３６】
なお、この後退用クラッチ９ｂの解除機構は機械式のものである。すなわち、自転車のハンドル（図示せず）等に、このクラッチ解除機構を操作するレバー（図示せず）を設け、これを操作することで、後退用クラッチ９ｂを解除できるようにしている。ところで、こうした機械式のクラッチ解除機構では、ケーブルやリンクを介して、後退用クラッチ９ｂが人力で操作されることになる。しかし、これに替えて、電気的に後退用クラッチ９ｂを操作できるよう構成してもよい。具体的には、後退用クラッチ９ｂとして電磁クラッチを採用する方法が挙げられる。更に言えば、後退用クラッチ９ｂは、第１のワンウェイクラッチ９ａと第２の駆動力伝達要素７との間に介在させられていてもよい。
【００３７】
なお、上述したように、第１の駆動力伝達要素６および第２の駆動力伝達要素７は互いに噛み合うギアである。しかし、このギア対に替えて、エンドレスベルトによって連結されたプーリー対を用いてもよい。
【００３８】
また、上記アイドラスプロケット８は、図示していない付勢手段によって、電動自転車のフレームに支持されている。つまりアイドラスプロケット８は、チェーン２に圧接させられている。言い換えればアイドラスプロケット８は、チェーン２のテンショナーとしても機能する。
【００３９】
更に言えば、上記アイドラスプロケット８は、図２から判るように、チェーン２の下側部分に下方から接するよう設けられている。しかし、アイドラスプロケット８は、チェーン２の上側部分に上方から接するよう設けられていてもよい。
【００４０】
ちなみに、第１の駆動力伝達要素６および第２の駆動力伝達要素７が、エンドレスベルトによって連結されたプーリーである場合、この位置関係が逆になる。すなわち、この場合、アイドラスプロケット８は、チェーン２の下側部分に上方から接するよう、あるいはチェーン２の上側部分に下方から接するよう設けられる。これは、第１の駆動力伝達要素６および第２の駆動力伝達要素７が、同方向に回転するためである。
【００４１】
これに加えて本実施形態では、通常走行時、アイドラスプロケット８が第２の駆動力伝達要素７よりも高速で回転するよう構成している。すなわち、チェーン２の循環動によって強制回転させられるアイドラスプロケット８の回転速度が、第１の駆動力伝達要素６の回転によって回転させられる第２の駆動力伝達要素７の回転速度以上となるよう構成している。具体的には、第１の駆動力伝達要素６と第２の駆動力伝達要素７との間の減速比、後軸スプロケット３やアイドラスプロケット８の歯数を選定することにより、こうした構造を実現している。なお、後輪ハブ４が変速機を内蔵する場合には、最も高い変速比を選択しても、アイドラスプロケット８が第２の駆動力伝達要素７よりも高速で回転（アイドリング）するよう設計される。
【００４２】
次に、本回生装置が設けられる電動自転車（以下、本電動自転車と言う）の構造について、特に回生装置と関連がある部分を中心に説明する。
【００４３】
本電動自転車は、まず、乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダル１０を備える。但し、完全な電動自転車とする場合、このペダル１０は設けられないこともある。また本電動自転車は、上記チェーン２と噛み合うペダル軸スプロケット１１を有する。そして、ペダル１０の回転軸１０ａとペダル軸スプロケット１１との間には、第２のワンウェイクラッチ１２が介在させられている。したがってペダル１０に加えた踏力は、ペダル軸スプロケット１１に伝達されるが、その逆方向に駆動力は伝達されない。
【００４４】
更に本電動自転車において、電気モータ１は、二つの減速機を介して、上記ペダル軸スプロケット１１に接続されている。この二つの減速機のうちの一方は、電気モータ１の出力軸に固定されたピニオン１３と、これと噛み合うギア１４とからなる。もう一つの減速機は、駆動力の直交変換機能をも有するものである。
すなわち同減速機は、ギア１４と同軸上に存在するギア１５と、これと噛み合うリング状のギア１６とからなる。
【００４５】
但し、このギア１６は、上記ペダル軸スプロケット１１と一体になっている。更にギア１４とギア１５との間には、２種類のクラッチが介在させられている。その一つは、常時、ギア１４とギア１５とをつなぐ第３のワンウェイクラッチ１７である。また、もう一つは、必要に応じてギア１４とギア１５とを接続する駆動力断続用クラッチ（電磁クラッチ）１８である。但し、実際には、第３のワンウェイクラッチ１７が、駆動力断続用クラッチ１８内に収まった構造となっている。そして第３のワンウェイクラッチ１７は、ギア１４からギア１５へのみ駆動力を伝達する。すなわち、電気モータ１からペダル軸スプロケット１１へのみ駆動力を伝達する。
【００４６】
他方、駆動力断続用クラッチ１８は、運動エネルギー回生時にのみ機能（接合）し、ギア１４とギア１５とを接続する。この結果、ペダル軸スプロケット１１から電気モータ１へ駆動力を伝達することが可能となる。要するに、電気モータ１は、第３のワンウェイクラッチ１７と駆動力断続用クラッチ１８とを介して、ペダル軸スプロケット１１に接続されている。
【００４７】
なお、本電動自転車は、上記構成要素以外にも次のようなものを備える。すなわち、電気モータ１は制御ユニット１９に接続されており、更に、この制御ユニット１９にはバッテリー２０が接続されている。また制御ユニット１９は、上記駆動力断続用クラッチ１８に接続されており、この駆動力断続用クラッチ１８を制御する役割を果たす。更に制御ユニット１９は、ペダル１０の回転軸１０ａの周囲に設けたトルクセンサ２１にも接続されている。これは、ペダル１０の回転軸１０ａに作用するトルクを検出するためである。
【００４８】
さて、上記構成の本回生装置を備える電動自転車は、次のように機能する。
【００４９】
まず平地走行時であるが、ペダル１０に入力された乗員の踏力は、チェーン２を介して、ペダル軸スプロケット１１から後軸スプロケット３へと伝達される。この時、電動自転車は、この駆動力によって推進させられる（図３参照）。
【００５０】
次に、上り坂にさしかかって大きな踏力が必要になった場合、それがトルクセンサ２１によって検出される。すると、制御ユニット１９は電気モータ１を作動させる。そしてこの電気モータ１の駆動力が、ペダル軸スプロケット１１に、乗員の踏力と共に入力される。この結果、電動自転車は、電気モータ１によって推進をアシストされることになる。なお、この際には、言うまでもなく、バッテリー２０に蓄えられた電気エネルギーが消費される。
【００５１】
更に言えば、上り坂以外でも、速度を増大させようとする場合などには、ペダル１０に加えられる踏力が増大する。ここで、上記トルクセンサ２１は、常時、踏力の変化を検出している。このため、踏力が増加した場合、それに見合った駆動力が、直ちに電気モータ１から供給される。但し、電気モータ１の駆動力が随時要求されるような状況下では、駆動力断続用クラッチ１８は離断した状態となっている。このため、電気モータ１の引きずり抵抗などに起因した走行障害は起きない。
【００５２】
次に、運動エネルギー回生時、本回生装置は次のように機能する。なお、運動エネルギー回生モードへの移行には、何らかのきっかけが必要となる。具体的には、ブレーキシステム使用の検出（ブレーキシステムとの連動）、下り坂走行に入ったことの検出、惰性走行の検出などがトリガーとなる。
【００５３】
さて、運動エネルギー回生モード（以下、単に回生モードと言う）に入ったならば、まず、駆動力断続用クラッチ１８が接続状態となる。そして、先に説明した駆動力供給時の経路とは異なり、後輪５からの逆駆動力は、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、アイドラスプロケット８を経て、チェーン２に伝達される（図４参照）。この逆駆動力は、更に、ペダル軸スプロケット１１やそれ以降のギア群、および接続状態の駆動力断続用クラッチ１８を介して、最終的に電気モータ１に伝達される。この結果、電気モータ１は発電機として機能し、運動エネルギーを回生することになる。そして、これによって生じた電気エネルギーはバッテリー２０に蓄えられる。
【００５４】
なお、既に説明したように本実施形態では、通常走行時、チェーン２の循環動によって回転させられるアイドラスプロケット８の回転速度が、第１の駆動力伝達要素６の回転によって回転させられる第２の駆動力伝達要素７の回転速度以上となるよう構成している。よって、アイドラスプロケット８の回転速度と、第２の駆動力伝達要素７の回転速度とが等しくなる運動エネルギー回生時においてはアイドラスプロケット８の回転により、チェーン２介して強制回転させられる後軸スプロケット３の回転速度が、後輪ハブ１４の回転速度を越えることはない。したがって、後輪ハブ１４が有するフリーホイール機能との間に、動作の不整合は生じない。
【００５５】
さて、本発明に係る運動エネルギー回生装置では、運動エネルギーの回生時、後輪ハブ４の回転が、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、そしてアイドラスプロケット８を経て、チェーン２を強制的に循環動させる。このため、チェーン２と連動する電気モータ１が発電機として機能し、運動エネルギーを回生する。つまり本運動エネルギー回生装置では、チェーン２によって電気モータ１を逆駆動することが可能である。特に、後輪ハブ４として既存の自転車後輪用のものをそのまま使用して、電気モータ１を逆駆動することが可能である。
【００５６】
このように本運動エネルギー回生装置では、後輪駆動用の電気モータ１を回生発電機として利用できる。しかも、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用することができる。言い換えれば、後輪ハブ４として特殊なものを開発することなく、既存の安価なものを用いて、運動エネルギーの回生が可能となる。そしてこの結果、運動エネルギー回生装置、さらには電動自転車自体のコスト低減が図れる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるわけではない。その技術思想の範囲内であれば、上記実施形態に適当な変更を加えて、いかようにも実施可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置を用いれば、後輪駆動用の電気モータを発電機として利用することができる。これに加えて、本発明に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置を用いれば、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置の概略構造図
【図２】各スプロケットの位置関係を示す側面図
【図３】通常走行時の駆動力伝達経路を示す概略図
【図４】運動エネルギー回生時の逆駆動力伝達経路を示す概略図
【符号の説明】
１ 電気モータ
２ チェーン
３ 後軸スプロケット
４ 後輪ハブ
５ 後輪
６ 第１の駆動力伝達要素
７ 第２の駆動力伝達要素
８ アイドラスプロケット
９ａ 第１のワンウェイクラッチ
９ｂ 後退用クラッチ
１０ ペダル
１０ａ ペダルの回転軸
１１ ペダル軸スプロケット
１２ 第２のワンウェイクラッチ
１３ ピニオン
１４，１５，１６ ギア
１７ 第３のワンウェイクラッチ
１８ 駆動力断続用クラッチ
１９ 制御ユニット
２０ バッテリー
２１ トルクセンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気モータを備えた電動自転車（電動式補助動力付きの自転車を含む）に関する。なかでも、その運動エネルギー回生装置に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電気モータを備えた電動自転車が開発され、製品化された。そして、これは坂道などでの乗員の負担軽減に大きな役割を果している。
【０００３】
ちなみに、こうした電動自転車は次のような構造を有する。すなわち、そのペダル軸には、電気モータおよび踏力センサが接続されている。乗員の踏力は、この踏力センサが検出する。これを受けた制御部は、乗員の踏力に応じたトルクを出すよう電気モータを制御する。この結果、乗員の踏力と電気モータの駆動力との合力が、チェーンを介して後輪を回転させることになる。
【０００４】
さて、坂道を下る時や減速時、そして停止時には、運動エネルギーの一部または全部が熱となって浪費される。そこで、この運動エネルギーを電気的に回生する技術が研究されている。この技術は、具体的に言うと、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、電池に蓄えるものである。そして、蓄えられた電気エネルギーは坂を登る際などに利用されることになる。
【０００５】
しかし、この技術を採用するにあたっては、次のような問題がある。
【０００６】
すなわち後輪の軸には、通常の自転車と同様のハブが設けられている（但し、このハブは変速機を内蔵することも、しないこともある）。さて同ハブは、それが内蔵するラチェット機構によって、一方向にしか駆動力を伝達しない。つまりハブはフリーホイール機能を有する。更に具体的に言うと、チェーンから後輪へは駆動力が伝達されるが、その逆は起こらない。要するに、ハブは、それと同軸上にあってチェーンと噛み合うスプロケットには、後輪からの逆駆動力を伝達しない。
【０００７】
これは、ときとして長所でもある。例えば、惰性走行距離を増大させることができるといった利点がある。しかし、上記運動エネルギー回生装置の実用化に際しては、大きな障害となる。更に詳しく言うと、電動自転車が備える電気モータを回生発電機として使用することができない。これは、言うまでもなく、チェーンによって電気モータを逆駆動できないからである。
【０００８】
したがって、運動エネルギーの回生を実現しようとすれば、乗員の踏力を伝達する第１のチェーン、および電気モータの駆動力を伝達する第２のチェーンの、計二つのチェーンが必要になる。しかし、これは効率的ではない。
【０００９】
こうした問題点があるにもかかわらず、運動エネルギー回生技術は、電動自転車の航続距離延長に大きな効果を発揮するため、その実用化が熱望されている。
なかでもコスト低減の観点から、電気モータを発電機として使用でき、更に、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用できるタイプの運動エネルギー回生装置が強く求められている。
【００１０】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、後輪駆動用の電気モータを発電機として利用できる電動自転車用の運動エネルギー回生装置を提供することである。更に、これに加えて、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用できる電動自転車用の運動エネルギー回生装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブに固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１の駆動力伝達要素と、
前記第１の駆動力伝達要素の回転によって駆動される第２の駆動力伝達要素と、
前記第２の駆動力伝達要素の回転によって駆動され、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１の駆動力伝達要素、前記第２の駆動力伝達要素、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によって解決される。
【００１２】
なお、上記第１の駆動力伝達要素および上記第２の駆動力伝達要素としては、互いに噛み合うギアを用いることができる。あるいは、エンドレスベルトによって連結されたプーリーを用いることができる。
【００１３】
更に上記アイドラスプロケットは、チェーンにテンションを与えるよう、このチェーンに圧接させてもよい。すなわち、アイドラスプロケットをチェーンのテンショナーとして用いることもできる。
【００１４】
そして、第１の駆動力伝達要素および第２の駆動力伝達要素が互いに噛み合うギアである場合、上記アイドラスプロケットは、チェーンの下側部分に下方から接するよう設けることができる。あるいは、それをチェーンの上側部分に上方から接するよう設けることもできる。
【００１５】
これに対して、第１の駆動力伝達要素および第２の駆動力伝達要素が、エンドレスベルトによって連結されたプーリーである場合、上記アイドラスプロケットは、チェーンの下側部分に上方から接するよう設けることができる。あるいは、それをチェーンの上側部分に下方から接するよう設けることもできる。
【００１６】
また本発明では、上記第２の駆動力伝達要素と上記アイドラスプロケットとの間に第１のワンウェイクラッチを介在させ、上記第２の駆動力伝達要素から上記アイドラスプロケットへは駆動力が伝達されるが、上記アイドラスプロケットから上記第２の駆動力伝達要素へは駆動力が伝達されないよう構成することが好ましい。更に、こうした構造とする場合、上記チェーンの循環動によって回転させられる上記アイドラスプロケットの回転速度が、上記第１の駆動力伝達要素の回転によって回転させられる上記第２の駆動力伝達要素の回転速度以上となるよう構成されてなることが好ましい。特に、後輪ハブが変速機を内蔵する場合には、最も高い変速比を選んだ際に、この条件が満たされるよう設計されることが望ましい（但し、最も高い変速比とは、後軸スプロケットが一回転した際、後輪ハブの回転数が最も多くなるような変速比を指す）。ちなみに、こうした構造を採用するのが好ましいのは、通常走行がスムーズになされるようにするためである。そして、運動エネルギー回生時に、装置のスムーズな動作を実現するためである。
【００１７】
また、第２の駆動力伝達要素とアイドラスプロケットとの間に、上記第１のワンウェイクラッチを介在させる場合には、更に、アイドラスプロケットと第１のワンウェイクラッチとの間に、後退用クラッチを介在させることが好ましい。そして、後退時には、上記後退用クラッチを駆動力が伝達されない状態とすることで、アイドラスプロケットが自由に回転できるよう構成するのが望ましい。あるいは、後退用クラッチを、第１のワンウェイクラッチと第２の駆動力伝達要素との間に介在させ、そして後退時には、上記後退用クラッチを駆動力が伝達されない状態とすることで、アイドラスプロケットが自由に回転できるよう構成してもよい。こうした構造を採用することにより、スムーズな後退動作が可能となる。
【００１８】
更に言えば、本発明が対象とする電動自転車としては、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
上記チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
上記ペダルの回転軸と上記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、上記ペダルの回転軸から上記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものを挙げることができる。
【００１９】
そして、こうした電動自転車を対象とする場合には、上記電気モータを、
この電気モータから上記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第３のワンウェイクラッチと、
運動エネルギー回生時にのみ、上記ペダル軸スプロケットから上記電気モータへ駆動力を伝達する駆動力断続用クラッチと
を介して、上記ペダル軸スプロケットに接続することができる。
【００２０】
ひるがえって、上記の課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブの外周に固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合い、前記第１のギアの回転によって回転させられる第２のギアと、
前記第２のギアの回転によって回転させられ、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１のギア、前記第２のギア、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によっても解決される。
【００２１】
また、上記の課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブの外周に固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合い、前記第１のギアの回転によって回転させられる第２のギアと、
前記第２のギアの回転によって回転させられ、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１のギア、前記第２のギア、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなり、
更に、前記電動自転車は、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
前記チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
前記ペダルの回転軸と前記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、前記ペダルの回転軸から前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものであることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によって解決される。
【００２２】
そして更に、上記の課題は、
電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブの外周に固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合い、前記第１のギアの回転によって回転させられる第２のギアと、
前記第２のギアの回転によって回転させられ、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１のギア、前記第２のギア、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなり、
更に、前記電動自転車は、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
前記チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
前記ペダルの回転軸と前記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、前記ペダルの回転軸から前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものであって、
かつ、前記電気モータは、
この電気モータから前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第３のワンウェイクラッチと、
運動エネルギー回生時にのみ、前記ペダル軸スプロケットから前記電気モータへ駆動力を伝達する駆動力断続用クラッチと
を介して、前記ペダル軸スプロケットに接続されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置によって解決される。
【００２３】
さて、上述したように本発明では、電動自転車用の運動エネルギー回生装置を以下の特徴的な構成要件ａ〜ｃを具備してなる構造とした。
【００２４】
ａ：後輪ハブに固定され、かつ、この後輪ハブと共に回転する第１の駆動力伝達要素
ｂ：第１の駆動力伝達要素の回転によって駆動される第２の駆動力伝達要素
ｃ：第２の駆動力伝達要素の回転によって駆動され、かつ、チェーンと噛み合うアイドラスプロケット
【００２５】
よって運動エネルギー回生時には、後輪ハブの回転が、第１の駆動力伝達要素、第２の駆動力伝達要素、そしてアイドラスプロケットを経て、チェーンを循環動させる。この結果、チェーンと連動する電気モータが発電機として機能し、運動エネルギーを回生するようになる。すなわち本発明に係る運動エネルギー回生装置では、チェーンによって電気モータを逆駆動することが可能となっている。特に、後輪ハブとして既存の自転車後輪用のものをそのまま使用して、電気モータを逆駆動することが可能である。
【００２６】
このように本発明に係る運動エネルギー回生装置では、後輪駆動用の電気モータを発電機として利用できる。しかも既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用することができる。つまり後輪ハブとして特殊なものを開発することなく、既存の安価なものを用いて、運動エネルギーの回生が可能となる。そして、この結果、運動エネルギー回生装置のコスト低減が図れる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態を更に詳しく説明する。なお、図１は本実施形態に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置の概略構造図、図２は各スプロケットの位置関係を示す側面図、図３は通常走行時の駆動力伝達経路を示す概略図、図４は運動エネルギー回生時の逆駆動力伝達経路を示す概略図である。
【００２８】
以下で説明する運動エネルギー回生装置は、正確には電動アシスト自転車用のものである。つまり、乗員の踏力を主要な動力源とする自転車に、本発明の技術を適用した場合の実施形態である。しかし、言うまでもなく、電気モータを動力源とする完全な電動自転車についても、これと同様に本発明の技術を適用できる。
【００２９】
次に、図１および図２を用いて、本実施形態に係る運動エネルギー回生装置（以下、本回生装置と言う）の構造について説明する。
【００３０】
まず本回生装置は、上述したように、電動自転車における、電気モータ（動力源）を回生発電機として使用したものである。
【００３１】
すなわち、図１において、１は電気モータである。本実施形態が対象とする電動自転車は、この電気モータ１を動力源とするものである。そして、この電気モータ１の駆動力は、チェーン２およびこのチェーン２と噛み合う後軸スプロケット３を介して、後輪ハブ４を回転させる。なお、この後輪ハブ４は、後軸スプロケット３と同軸上に存在する。そして、後輪ハブ４は、言うまでもなく既存品である。つまり後輪ハブ４は、後軸スプロケット３から後輪５へは駆動力を伝達するが、その逆方向には駆動力を伝達しない。
【００３２】
さて本回生装置は、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、そしてアイドラスプロケット８を主要な構成要素とする。
【００３３】
このうち第１の駆動力伝達要素６は、後輪ハブ４の外周に固定されたリング状のギアである。したがって第１の駆動力伝達要素６は、後輪ハブ４と共に回転する。一方、第２の駆動力伝達要素７は、図示していない電動自転車のフレームに支持されている。この第２の駆動力伝達要素７もギアであり、上記第１の駆動力伝達要素６と噛み合っている。よって第２の駆動力伝達要素７は、第１の駆動力伝達要素６の回転によって回転させられる。更にアイドラスプロケット８は、上記第２の駆動力伝達要素７と同軸上に存在する。そして、チェーン２と噛み合っている。
【００３４】
なお、アイドラスプロケット８と第２の駆動力伝達要素７との間には、第１のワンウェイクラッチ９ａが設けられている。このため、アイドラスプロケット８は、第２の駆動力伝達要素７からチェーン２へのみ駆動力を伝達し、その逆方向には駆動力を伝達しない。つまり、チェーン２によって第２の駆動力伝達要素７が回転させられることはない。そして後に詳述するが、運動エネルギー回生時には、後輪ハブ４の回転が、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、アイドラスプロケット８を介して、チェーン２を強制的に循環動させる。この結果、チェーン２と連動する電気モータ１が発電機として機能し、運動エネルギーを回生するようになっている。
【００３５】
また本実施形態では、アイドラスプロケット８と第１のワンウェイクラッチ９ａとの間に、後退用クラッチ９ｂを介在させている。つまり、第１のワンウェイクラッチ９ａに後退用クラッチ９ｂを直列に接続している。そして後退時には、この後退用クラッチ９ｂを駆動力が伝達されない状態（解除状態）とすることで、アイドラスプロケット８が自由に回転できるよう構成している。
【００３６】
なお、この後退用クラッチ９ｂの解除機構は機械式のものである。すなわち、自転車のハンドル（図示せず）等に、このクラッチ解除機構を操作するレバー（図示せず）を設け、これを操作することで、後退用クラッチ９ｂを解除できるようにしている。ところで、こうした機械式のクラッチ解除機構では、ケーブルやリンクを介して、後退用クラッチ９ｂが人力で操作されることになる。しかし、これに替えて、電気的に後退用クラッチ９ｂを操作できるよう構成してもよい。具体的には、後退用クラッチ９ｂとして電磁クラッチを採用する方法が挙げられる。更に言えば、後退用クラッチ９ｂは、第１のワンウェイクラッチ９ａと第２の駆動力伝達要素７との間に介在させられていてもよい。
【００３７】
なお、上述したように、第１の駆動力伝達要素６および第２の駆動力伝達要素７は互いに噛み合うギアである。しかし、このギア対に替えて、エンドレスベルトによって連結されたプーリー対を用いてもよい。
【００３８】
また、上記アイドラスプロケット８は、図示していない付勢手段によって、電動自転車のフレームに支持されている。つまりアイドラスプロケット８は、チェーン２に圧接させられている。言い換えればアイドラスプロケット８は、チェーン２のテンショナーとしても機能する。
【００３９】
更に言えば、上記アイドラスプロケット８は、図２から判るように、チェーン２の下側部分に下方から接するよう設けられている。しかし、アイドラスプロケット８は、チェーン２の上側部分に上方から接するよう設けられていてもよい。
【００４０】
ちなみに、第１の駆動力伝達要素６および第２の駆動力伝達要素７が、エンドレスベルトによって連結されたプーリーである場合、この位置関係が逆になる。すなわち、この場合、アイドラスプロケット８は、チェーン２の下側部分に上方から接するよう、あるいはチェーン２の上側部分に下方から接するよう設けられる。これは、第１の駆動力伝達要素６および第２の駆動力伝達要素７が、同方向に回転するためである。
【００４１】
これに加えて本実施形態では、通常走行時、アイドラスプロケット８が第２の駆動力伝達要素７よりも高速で回転するよう構成している。すなわち、チェーン２の循環動によって強制回転させられるアイドラスプロケット８の回転速度が、第１の駆動力伝達要素６の回転によって回転させられる第２の駆動力伝達要素７の回転速度以上となるよう構成している。具体的には、第１の駆動力伝達要素６と第２の駆動力伝達要素７との間の減速比、後軸スプロケット３やアイドラスプロケット８の歯数を選定することにより、こうした構造を実現している。なお、後輪ハブ４が変速機を内蔵する場合には、最も高い変速比を選択しても、アイドラスプロケット８が第２の駆動力伝達要素７よりも高速で回転（アイドリング）するよう設計される。
【００４２】
次に、本回生装置が設けられる電動自転車（以下、本電動自転車と言う）の構造について、特に回生装置と関連がある部分を中心に説明する。
【００４３】
本電動自転車は、まず、乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダル１０を備える。但し、完全な電動自転車とする場合、このペダル１０は設けられないこともある。また本電動自転車は、上記チェーン２と噛み合うペダル軸スプロケット１１を有する。そして、ペダル１０の回転軸１０ａとペダル軸スプロケット１１との間には、第２のワンウェイクラッチ１２が介在させられている。したがってペダル１０に加えた踏力は、ペダル軸スプロケット１１に伝達されるが、その逆方向に駆動力は伝達されない。
【００４４】
更に本電動自転車において、電気モータ１は、二つの減速機を介して、上記ペダル軸スプロケット１１に接続されている。この二つの減速機のうちの一方は、電気モータ１の出力軸に固定されたピニオン１３と、これと噛み合うギア１４とからなる。もう一つの減速機は、駆動力の直交変換機能をも有するものである。
すなわち同減速機は、ギア１４と同軸上に存在するギア１５と、これと噛み合うリング状のギア１６とからなる。
【００４５】
但し、このギア１６は、上記ペダル軸スプロケット１１と一体になっている。更にギア１４とギア１５との間には、２種類のクラッチが介在させられている。その一つは、常時、ギア１４とギア１５とをつなぐ第３のワンウェイクラッチ１７である。また、もう一つは、必要に応じてギア１４とギア１５とを接続する駆動力断続用クラッチ（電磁クラッチ）１８である。但し、実際には、第３のワンウェイクラッチ１７が、駆動力断続用クラッチ１８内に収まった構造となっている。そして第３のワンウェイクラッチ１７は、ギア１４からギア１５へのみ駆動力を伝達する。すなわち、電気モータ１からペダル軸スプロケット１１へのみ駆動力を伝達する。
【００４６】
他方、駆動力断続用クラッチ１８は、運動エネルギー回生時にのみ機能（接合）し、ギア１４とギア１５とを接続する。この結果、ペダル軸スプロケット１１から電気モータ１へ駆動力を伝達することが可能となる。要するに、電気モータ１は、第３のワンウェイクラッチ１７と駆動力断続用クラッチ１８とを介して、ペダル軸スプロケット１１に接続されている。
【００４７】
なお、本電動自転車は、上記構成要素以外にも次のようなものを備える。すなわち、電気モータ１は制御ユニット１９に接続されており、更に、この制御ユニット１９にはバッテリー２０が接続されている。また制御ユニット１９は、上記駆動力断続用クラッチ１８に接続されており、この駆動力断続用クラッチ１８を制御する役割を果たす。更に制御ユニット１９は、ペダル１０の回転軸１０ａの周囲に設けたトルクセンサ２１にも接続されている。これは、ペダル１０の回転軸１０ａに作用するトルクを検出するためである。
【００４８】
さて、上記構成の本回生装置を備える電動自転車は、次のように機能する。
【００４９】
まず平地走行時であるが、ペダル１０に入力された乗員の踏力は、チェーン２を介して、ペダル軸スプロケット１１から後軸スプロケット３へと伝達される。この時、電動自転車は、この駆動力によって推進させられる（図３参照）。
【００５０】
次に、上り坂にさしかかって大きな踏力が必要になった場合、それがトルクセンサ２１によって検出される。すると、制御ユニット１９は電気モータ１を作動させる。そしてこの電気モータ１の駆動力が、ペダル軸スプロケット１１に、乗員の踏力と共に入力される。この結果、電動自転車は、電気モータ１によって推進をアシストされることになる。なお、この際には、言うまでもなく、バッテリー２０に蓄えられた電気エネルギーが消費される。
【００５１】
更に言えば、上り坂以外でも、速度を増大させようとする場合などには、ペダル１０に加えられる踏力が増大する。ここで、上記トルクセンサ２１は、常時、踏力の変化を検出している。このため、踏力が増加した場合、それに見合った駆動力が、直ちに電気モータ１から供給される。但し、電気モータ１の駆動力が随時要求されるような状況下では、駆動力断続用クラッチ１８は離断した状態となっている。このため、電気モータ１の引きずり抵抗などに起因した走行障害は起きない。
【００５２】
次に、運動エネルギー回生時、本回生装置は次のように機能する。なお、運動エネルギー回生モードへの移行には、何らかのきっかけが必要となる。具体的には、ブレーキシステム使用の検出（ブレーキシステムとの連動）、下り坂走行に入ったことの検出、惰性走行の検出などがトリガーとなる。
【００５３】
さて、運動エネルギー回生モード（以下、単に回生モードと言う）に入ったならば、まず、駆動力断続用クラッチ１８が接続状態となる。そして、先に説明した駆動力供給時の経路とは異なり、後輪５からの逆駆動力は、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、アイドラスプロケット８を経て、チェーン２に伝達される（図４参照）。この逆駆動力は、更に、ペダル軸スプロケット１１やそれ以降のギア群、および接続状態の駆動力断続用クラッチ１８を介して、最終的に電気モータ１に伝達される。この結果、電気モータ１は発電機として機能し、運動エネルギーを回生することになる。そして、これによって生じた電気エネルギーはバッテリー２０に蓄えられる。
【００５４】
なお、既に説明したように本実施形態では、通常走行時、チェーン２の循環動によって回転させられるアイドラスプロケット８の回転速度が、第１の駆動力伝達要素６の回転によって回転させられる第２の駆動力伝達要素７の回転速度以上となるよう構成している。よって、アイドラスプロケット８の回転速度と、第２の駆動力伝達要素７の回転速度とが等しくなる運動エネルギー回生時においてはアイドラスプロケット８の回転により、チェーン２介して強制回転させられる後軸スプロケット３の回転速度が、後輪ハブ１４の回転速度を越えることはない。したがって、後輪ハブ１４が有するフリーホイール機能との間に、動作の不整合は生じない。
【００５５】
さて、本発明に係る運動エネルギー回生装置では、運動エネルギーの回生時、後輪ハブ４の回転が、第１の駆動力伝達要素６、第２の駆動力伝達要素７、そしてアイドラスプロケット８を経て、チェーン２を強制的に循環動させる。このため、チェーン２と連動する電気モータ１が発電機として機能し、運動エネルギーを回生する。つまり本運動エネルギー回生装置では、チェーン２によって電気モータ１を逆駆動することが可能である。特に、後輪ハブ４として既存の自転車後輪用のものをそのまま使用して、電気モータ１を逆駆動することが可能である。
【００５６】
このように本運動エネルギー回生装置では、後輪駆動用の電気モータ１を回生発電機として利用できる。しかも、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用することができる。言い換えれば、後輪ハブ４として特殊なものを開発することなく、既存の安価なものを用いて、運動エネルギーの回生が可能となる。そしてこの結果、運動エネルギー回生装置、さらには電動自転車自体のコスト低減が図れる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるわけではない。その技術思想の範囲内であれば、上記実施形態に適当な変更を加えて、いかようにも実施可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置を用いれば、後輪駆動用の電気モータを発電機として利用することができる。これに加えて、本発明に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置を用いれば、既存の自転車後輪用のハブを、そのまま利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電動自転車用の運動エネルギー回生装置の概略構造図
【図２】各スプロケットの位置関係を示す側面図
【図３】通常走行時の駆動力伝達経路を示す概略図
【図４】運動エネルギー回生時の逆駆動力伝達経路を示す概略図
【符号の説明】
１ 電気モータ
２ チェーン
３ 後軸スプロケット
４ 後輪ハブ
５ 後輪
６ 第１の駆動力伝達要素
７ 第２の駆動力伝達要素
８ アイドラスプロケット
９ａ 第１のワンウェイクラッチ
９ｂ 後退用クラッチ
１０ ペダル
１０ａ ペダルの回転軸
１１ ペダル軸スプロケット
１２ 第２のワンウェイクラッチ
１３ ピニオン
１４，１５，１６ ギア
１７ 第３のワンウェイクラッチ
１８ 駆動力断続用クラッチ
１９ 制御ユニット
２０ バッテリー
２１ トルクセンサ
Claims (4)
- 電気モータを備え、前記電気モータの駆動力が、チェーンおよび前記チェーンと噛み合う後軸スプロケットを介して、前記後軸スプロケットと同軸上に設けられた後輪ハブを回転させるよう構成された電動自転車における、前記電気モータを使用した運動エネルギー回生装置であって、
前記後輪ハブに固定され、かつ、前記後輪ハブと共に回転する第１の駆動力伝達要素と、
前記第１の駆動力伝達要素の回転によって駆動される第２の駆動力伝達要素と、
前記第２の駆動力伝達要素の回転によって駆動され、かつ、前記チェーンと噛み合うアイドラスプロケットと
を具備し、
運動エネルギー回生時には、前記後輪ハブの回転が、前記第１の駆動力伝達要素、前記第２の駆動力伝達要素、そして前記アイドラスプロケットを介して、前記チェーンを循環動させ、前記チェーンと連動する前記電気モータが、運動エネルギーを回生するよう構成されてなることを特徴とする電動自転車用の運動エネルギー回生装置。 - 第２の駆動力伝達要素とアイドラスプロケットとの間には第１のワンウェイクラッチが介在させられてなり、前記第２の駆動力伝達要素から前記アイドラスプロケットへは駆動力が伝達されるが、前記アイドラスプロケットから前記第２の駆動力伝達要素へは駆動力が伝達されないよう構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車用の運動エネルギー回生装置。
- 電動自転車は、
乗員の踏力を後輪駆動力に変換するためのペダルと、
チェーンと噛み合うペダル軸スプロケットと、
前記ペダルの回転軸と前記ペダル軸スプロケットとの間に介在させられ、前記ペダルの回転軸から前記ペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第２のワンウェイクラッチと
を具備してなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動自転車用の運動エネルギー回生装置。 - 電気モータは、
この電気モータからペダル軸スプロケットへのみ駆動力を伝達する第３のワンウェイクラッチと、
運動エネルギー回生時にのみ、前記ペダル軸スプロケットから前記電気モータへ駆動力を伝達する駆動力断続用クラッチと
を介して、前記ペダル軸スプロケットに接続されてなることを特徴とする請求項３に記載の電動自転車用の運動エネルギー回生装置。
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