JP5442821B1 - 自転車用駆動ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】モータおよび変速機を備え、変速機構を設置するスペースが節減され、軽量化、コンパクト化を実現する自転車の駆動ユニットを提供する。
【解決手段】クランク軸とモータの出力軸とを同軸で構成し、複数のギア比を選択可能な変速機構の軸１２をクランク軸と同一軸方向に加えて、２軸で電動補助自転車も駆動ユニットを構成する。ロータ１２１の径方向外側に配置されるモータのステータ１２３は、切欠き部１２１ａを有し、その切欠き部に変速機構１４０の一部を配置されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、補助動力としてモータ出力を使用し、かつ変速機構を有する電動補助自転車の駆動ユニットに関する。

補助動力として電動モータ（以下、モータという）の出力を使用する電動補助自転車として、特許文献１に記載された発明がある。特許文献１に係る電動補助自転車のパワーユニットでは、ＤＣブラシレスモータの一部を切欠き、スペースを設け、そのスペースにたとえばクランク軸、人力駆動系または電動モータ駆動系の出力伝達機構部品、および踏力検出機構などを設けている。

特開平９−１８８２８６号公報

特許文献１に開示される発明では、クランクの回転数に対する後輪の回転数の比率を変更するための変速機構を設ける場合、たとえばリアハブに内装変速機を設けたり、リアハブに複数のスプロケットと外装変速機を設けたりする必要があり、モータを備えるユニットとは別に変速機構を設ける必要がある。また上記の電動補助自転車では、人力駆動系および電動モータ駆動系の出力は、電動補助自転車のモータを有する駆動ユニットにおいて変速されることが望まれている。モータを備えるユニットに変速機構を追加すると、ユニットが不所望に重くなったり、大きくなったりしてしまうおそれがある。

本発明は、上述の課題に鑑みて、モータおよび変速機構を備え、軽量化、コンパクト化を実現する自転車の駆動ユニットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための自転車の駆動ユニットは、ロータと、ロータの径方向外側に配置されるステータとを有するモータと、複数のギア比を選択可能な変速機構と、を備え、ステータは、切欠き部を有し、変速機構の一部が、切欠き部に配置されることを特徴とする。

これにより、モータおよび変速機構を備えていても、軽量化、コンパクト化を実現する自転車の駆動ユニットが実現される。

さらに、ロータは、クランク軸を配置可能な孔を有するとよい。クランク軸の周囲にモータが配置されることによって、軽量化、コンパクト化を実現する自転車の駆動ユニットが実現される。

さらに、切欠き部は、モータの回転軸の軸方向においてステータの全体にわたって切欠かれて形成されるとよい。これにより、切欠き部に配置することができる変速機構の部分が大きくすることができる。

さらに、切欠き部は、モータの回転軸線まわりに９０°を超えて１２０°以下である角度範囲でステータを切欠いて形成されるとよい。これにより、モータの駆動力が低下してしまうことをできるだけ抑制するとともに、様々な大きさの変速機構の配置に対応することができる。

さらに、変速機構は、遊星歯車機構を有するとよい。これにより、当該駆動ユニットを備える自転車は、クランク軸の回転の変速を実現することができる。

さらに、クランク軸をさらに備えるとよい。また、クランク軸は、変速機構の入力部に結合されるとよい。これにより、乗り手の踏力を変速機構に伝達することができる。

また、クランク軸の回転軸と、モータの回転軸とは、同軸に設けられるとよい。これにより、これにより、モータの内部機構を簡略化することができるので、自転車の駆動ユニットの更なる軽量化、コンパクト化を実現する。

さらに、クランク軸およびモータが回転する第１回転軸と、変速機構が回転する第２回転軸とを有するとよい。これにより、当該駆動ユニットは、２軸により形成されるので、自転車の駆動ユニットの軽量化、コンパクト化を実現する。

さらに、変速機構の出力とモータの出力が合算される合成部をさらに備え、合成部には、スプロケットが接続されるとよい。これにより、変速機構によって複数のギア比を選択可能であるので、効率的にモータによる補助駆動を行うことができる。さらに、合成部の出力をリアハブ等に伝達することができる。

さらに、モータの出力は、ワンウェイクラッチを介して、合成部に伝達されるとよい。これにより、クランク軸の回転力が、モータに伝達されることを防止できる。

さらに、減速機構をさらに有し、モータの出力は、減速機構を介して、合成部に伝達されるとよい。これにより、モータの出力を減速して合成部に伝達することができるので、モータを効率良く動作させる合成部を実現することができる。

さらに、減速機構をさらに有し、モータの出力は、減速機構に入力され、減速機構の出力は、ワンウェイクラッチを介して、合成部に伝達されるとよい。これによりモータを効率良く動作させる合成部を実現するばかりでなく、合成部の回転力が、モータに伝達されることを防止できる。

さらに、モータの回転軸線方向の一方に合成部が配置され、モータの回転軸線方向の他方に、クランク軸および変速機構を連結する連結機構が配置されるとよい。これにより、モータの両側に連結機構と合成部が分離して配置されるので、クランク軸の回転軸線方向の重量バランスがとりやすくなる。

さらに、減速機構は、遊星歯車機構を有し、遊星歯車機構は、遊星歯車を有するキャリアを有し、キャリアは、合成部に支持されるとよい。これにより、当該駆動ユニットを備える自転車は、クランク軸の回転の変速を実現することができる。

さらに、合成部の回転軸は、クランク軸の回転軸と同軸に設けられるとよい。これにより、合成部の回転軸とクランク軸の回転軸の軸受けを一体化することができるので、自転車の駆動ユニットの更なる軽量化、コンパクト化を実現する。

さらに、変速機構の入力部分および出力部分は、第２回転軸まわりに回転するとよい。これにより、構成の複雑な変速機構およびモータを別々の回転軸まわりに回転するように構成するので、組み立て易い。

さらに、合成部は、変速機構の出力部分に結合される第１結合部と、モータに結合される第２結合部とを有するとよい。これにより、当該駆動ユニットは、クランク軸の回転トルクと、モータの回転トルクを合成することができる。

本発明によれば、モータおよび変速機構を備える自転車の駆動ユニットにおいて、軽量化、コンパクト化を実現する。

本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットを組み込んだ電動補助自転車の側面図。 本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットの断面図。 図２における切断面線III−IIIから見たモータおよび変速機の側面図。 本発明の第１の実施形態による内装変速ハブの縦断面図。 その軸の斜視図。 第１ワンウェイクラッチの横断面図。 第２ワンウェイクラッチの横断面図。 第３ワンウェイクラッチの横断面図。 切換機構の分解斜視図。 カム受け部材の正面図。 カム受け部材の半截断面図。 第２クラッチ機構の連結状態のときの横断面図。 第２クラッチ機構が連結解除状態のときの横断面図。 第１操作筒と第２操作筒との相対回動可能範囲を示す横断面図。 本発明の第１の実施形態の変形例の駆動ユニットの断面図。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る駆動ユニットを組み込んだ電動補助自転車の一例を表す右側面図である。この電動補助自転車は、ペダル１００に作用する踏力を、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→駆動ユニット１→フロントスプロケット１０３→チェーン１０４→リアスプロケット１０５という経路を経て、後車輪の車軸１０６まわりに回転可能に設けられるハブ体に伝達する。この過程で、この電動補助自転車は、モータ出力を補助動力として合成し、走行をアシストする。通常は、トルク検出手段でクランク軸１０２に作用するトルクを検出し、その検出値が設定値を超えたところで、モータを起動して踏力に応じたトルクを補助動力として発生させている。トルク検出手段は、たとえばクランク軸１０２に磁歪素子と、検出コイルとを備え、クランク軸１０２の捩れを検出する。アシスト用のモータを含む駆動ユニット１は、一般にフレームのシートチューブの下端部とフレームのダウンチューブの後端部との連結部付近に配置され、図示しないボルトによってフレームに固定される。モータ駆動用のバッテリは、リアキャリア、ダウンチューブまたはシートチューブに沿って配置される。

本発明は、クランク軸と、モータの出力軸とを同軸で構成し、変速機構の軸を加えて、ニ軸で駆動ユニットを構成する。そして、本発明は、モータのステータに切り欠き部を有し、その切欠き部に変速機構の一部を配置することを特徴とするものである。以下では、駆動ユニット１の構造および機能を説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットの断面図である。図２に示すように、本駆動ユニット１では、クランク軸１０２がケーシング１１１の貫通孔１１１Ａに内挿されており、軸受１１２，１１３を介してケーシング１１１に回転自在に支持されている。クランク軸１０２の両端には、クランクアーム１０１が着脱可能に取り付けられている。クランクアーム１０１は、ケーシング１１１の外部に配置されている。

＜アシスト用モータの構成＞
モータ（電動機）１２０は、その回転軸がクランク軸１０２の回転軸と同軸になるように配置されている。モータ１２０のステータ１２１は、励磁用コイルを巻かれてクランク軸１０２の同心円上に配置され、取付部１２２によりケーシング１１１に固定されている。ロータ１２３は、クランク軸１０２を配置可能な孔１２３ａを有する。孔１２３ａはロータ１２３の回転軸線方向に、ロータ１２３を貫通し、クランク軸は孔１２３ａを挿通する。ロータ１２３は、クランク軸１０２に回転自在に支持されている。モータ１２０は、ＤＣブラシレスモータによって実現される。ロータ１２３は、たとえば周方向に複数の磁極を有する磁石１２３ｃと、磁石を保持する磁石保持部１２３ｂとを有している。ロータ１２３は、クランク軸方向に間隔を隔てて配置される第１軸受１２４ａ及び第２軸受１２４ｂによりクランク軸１０２に回転自在に支持されている。

本実施形態のモータは、ロータ１２３がステータ１２１に外囲されて設けられるインナーロータ式のモータである。ただし、図３に示されるように、ステータ１２１の一部に切欠き部１２１ａを有する。ステータ１２１は、回転軸まわりの周方向に並んで設けられる複数のスロット１２１ｂが形成される。各スロット１２１ｂの間にはコイル１２１ｃが設けられ、相を構成する。本実施の形態でのステータ１２１は、３相９スロットとなる。ここでは、ステータ１２１は、３相１２スロット、３相１５スロットであってもよく、３相（３×Ｎ）スロット（Ｎは正の整数）であればよい。切欠き部１２１ａは、モータ１２０の回転軸の軸方向においてステータ１２１の全体にわたって切欠かれて形成される。切欠き部１２１ａは、モータ１２０の回転軸線まわりにαの角度範囲でステータ１２１を切欠いて形成される。αは、１２０°であることが望ましい。

なお、モータ１２０は図示を省略したインバータによって駆動される。インバータは、図示しない制御部によって駆動され、制御部は、踏力および速度に応じて、インバータを制御する。

＜減速機構の構成＞
減速機構１２５は、ロータ１２３の回転をトルク伝達部材１３０に伝達する。図２は、減速機構１２５の一例として太陽ギア１２６ａと複数の遊星ギア１２６ｂとを備える遊星歯車機構を示しているが、減速機構１２５は、クランク軸方向に並べて配置される複数の遊星歯車機構によって形成されてもよい。本実施の形態では、トルク伝達部材１３０は遊星ギア１２６ｂを回転可能に保持する遊星歯車機構のキャリアである。遊星歯車機構の内歯ギア１２６ｃは、ケーシング１１１に固定されている。この減速機構１２５は、ケーシング１１１に対して太陽ギア１２６ｂが回転可能に支持されるため、太陽ギア１２６ａ、遊星ギア１２６ｂおよび内歯ギア１２６ｃの歯数比に基づいてモータ１２０の回転が減速されてトルク伝達部材１３０に伝達される。

＜連結機構の構成＞
連結機構は、第１歯車１１４および第２歯車１４１を備える。クランク軸１０２と変速機構本体１４０ｂとを連結する。第１歯車１１４は、クランク軸１０２の一端部側に設けられる。第１歯車１１４は、クランク軸１０２に固着して、クランク軸１０２と一体となって回転する。第１歯車１１４は、たとえばセレーションによって、着脱可能にクランク軸１０２に取り付けられてもよい。第２歯車１４１は、変速機構１４０にトルクを入力する部材であり、第１歯車１１４と噛み合っている。連結機構は、モータ１２０を挟んでトルク合成部材１３１およびフロントスプロケット１０３とは反対側に設けられる。

＜変速機構の構成＞
変速機構１４０は、変速機構用モータユニット１４０ａと変速機構本体１４０ｂとから構成される。変速機構用モータユニット１４０ａは、ハンドルに装着された変速操作部（図示せず）における乗り手の指示により、後述する変速機構本体１４０ｂの係止体８８を所定の位相に回転させる。変速機構用モータユニット１４０ａとして、例えば、特許第３５２９７２３号に開示されている公知のモータユニットを利用することができる。変速機構本体１４０ｂは、複数のギア比を選択可能な変速機である。変速機構本体１４０ｂは、本実施の形態では、複数の変速段を選択可能であって、少なくとも１つの遊星ギア及び太陽ギアを有する回転伝達機構と、それらのギアの一部を回動可能もしくは回動不能とする制御機構を有する。図２は、３段切り替えの変速機構を例に挙げて、変速機構本体１４０ｂを図示する詳細説明図である。

＜変速機構本体の構成＞
変速機構本体１４０ｂは、図４に示すように、軸１２と、出力部１４と、駆動体（入力部）１６と、回転伝達機構１８と、切換機構２０と、を備えている。軸１２は、ケーシング１１１に回転不能に装着可能である。なお、説明の便宜上、図４では、変速機構本体１４０ｂの向きが、図２の変速機構本体１４０ｂの向きと左右反対となっている。出力部１４および駆動体１６は筒状に形成される。出力部１４は、駆動体１６とともに、回転伝達機構１８および切換機構２０を覆う。出力部１４の一端（図４左端）は、軸受２２ａを介して軸１２に回転自在に支持されている。駆動体１６は、軸１２に軸受２２ｂを介して回転自在に支持されている。出力部１４の他端（図４右端）は、駆動体１６に、軸受２２ｃを介して回転自在に支持されている。

軸受２２ａは、軸１２の後述する第２雄ねじ部２６に螺合する玉押し２３ａと、出力部１４の一端内周面に形成された玉受け２３ｂと、玉押し２３ａと玉受け２３ｂとの間に配置された鋼球２３ｃと、を有している。軸受２２ｂは、軸１２の後述する回り止め溝２７ｂに回り止めされた玉押し２３ｄと、駆動体１６の一端内周面に形成された玉受け２３ｅと、玉押し２３ｄと玉受け２３ｅとの間に配置された鋼球２３ｆと、を有している。軸受２２ｃは、駆動体１６の外周面に形成された玉押し２３ｇと、出力部１４の他端内周面に形成された玉受け２３ｈと、玉押し２３ｇと玉受け２３ｈとの間に配置された鋼球２３ｉと、を有している。

＜軸の構成＞
軸１２は、図５に示すように、ケーシング１１１に形成された挿入口１１５（図２参照）にナット１１６（図２参照）により固定するための第１雄ねじ部２４ａ，２４ｂを両端部に有している。第１雌ねじ部２４ａ，２４ｂには、挿入口１１５に回り止めされる平行に形成された回り止め部２５ａ，２５ｂが形成されている。第１雌ねじ部２４ａの軸方向内側には、軸受２２ａを装着するための第２雄ねじ部２６が形成されている。第１雌ねじ部２４ｂの軸方内側には、軸受２２ｂ及び切換機構２０の構成部材を回り止めするための幅が異なる２つの回り止め溝２７ａ，２７ｂが１８０度間隔で軸方向に沿って形成されている。軸１２の軸方向の中央部には、切換機構２０のワンウェイクラッチとして機能する第１突起部２８と、回り止めとして機能する第２突起部２９と、が１８０度間隔で径方向に突出して形成されている。第２突起部２９の軸方向の中央部には、位置決め凹部２９ａが形成されている。

＜出力部の構成＞
出力部１４は、軸１２回りに回転自在である。出力部１４は、図４に示すように、一端（図４左端）から他端（図４右端）に向けて階段状に拡径する筒状の部材である。出力部１４の外周部には、第３歯車１４２が回転不能に装着されている。出力部１４は、第３歯車１４２と一体的に回転可能である。

＜駆動体の構成＞
駆動体１６は、軸１２と出力部１４の間に両者に回転自在に装着された筒状の部材である。駆動体１６は、一端（図４右端）に向けて階段状に縮径している。駆動体１６の出力部１４とは反対側の端部には、第２歯車１４１が装着されている。駆動体１６は、第２歯車１４１と一体的に回転可能である。

＜回転伝達機構の構成＞
回転伝達機構１８は、駆動体１６の回転を複数（例えば３つ）の変速段に変速して出力部１４に伝達可能な遊星歯車機構３２を有している。遊星歯車機構３２は、リングギア３４と、第１遊星ギア３６と、第２遊星ギア３８と、第１及び第２遊星ギア３６，３８を回転自在に支持するキャリア４０と、第１遊星ギア３６にかみ合う第１太陽ギア４２と、第２遊星ギア３８にかみ合う第２太陽ギア４４と、を有している。リングギア３４は、駆動体１６の他端側（図４左側）の内周面に形成されている。第１遊星ギア３６は、リングギア３４に噛み合う少なくとも一つのギアである。第２遊星ギア３８は、第１遊星ギア３６と一体回転可能であり、第１遊星ギア３６より歯数が多い少なくとも一つ（例えば、３０）のギアである。この実施形態では、第１遊星ギア３６と第２遊星ギア３８は一体形成されているが別体で形成してもよい。キャリア４０は、周方向に等間隔で配置されたそれぞれ３つの第１及び第２遊星ギア３６，３８を回転自在に支持し、かつ軸１２回りに回転自在である。第１太陽ギア４２は、軸１２回りに回転し、第１遊星ギア３６に噛み合うギアである。第２太陽ギア４４は、軸１２回りに回転し、第２遊星ギア３８に噛み合うギアである。キャリア４０は、軸１２と平行に配置された複数本（例えば３本）の支持軸４０ａにより第１及び第２遊星ギア３６，３８を支持している。

また、回転伝達機構１８は、第１ワンウェイクラッチ５０と、第２ワンウェイクラッチ５２と、をさらに有している。

第１ワンウェイクラッチ５０は、軸１２に回転自在に装着された筒状の第１爪支持部５４を有している。第１爪支持部５４は、キャリア４０と一体回転可能に連結されている。第１爪支持部５４は、外周面に後述する第１クラッチ爪５５を起伏自在に装着する周方向に間隔を隔てて配置された複数（例えば６つ）の第１装着凹部５４ａを有している。また、第１装着凹部５４ａに隣接して一端（図４右端）にキャリア４０に一体回転可能に連結される連結凹部５４ｂを有している。第１爪支持部５４は、図４に示すように、軸１２の外周面に装着された止め輪５３により軸方向の移動が規制されている。第１ワンウェイクラッチ５０は、図６に示すように、キャリア４０に連結された第１爪支持部５４の進行方向の矢符Ａに示す回転のみ出力部１４に伝達する。

第１ワンウェイクラッチ５０は、第１装着凹部５４ａに起伏自在に装着された複数（例えば６つ）の第１クラッチ爪５５と、第１クラッチ爪５５に噛み合うように出力部１４の内周面に形成された第１ラチェット歯５６と、をさらに有している。第１クラッチ爪５５は、第１爪装着部５４の外周面に装着された環状の第１バネ部材５７により、第１ラチェット歯５６に噛み合う起立姿勢に向けて付勢されている。

第２ワンウェイクラッチ５２は、図７に示すように、第１遊星ギア４２の進行方向と逆方向の矢符Ｂで示す回転を阻止する。第２ワンウェイクラッチ５２は、図４に示すように、軸１２に回転不能に連結された筒状の第２爪支持部５８を有している。第２爪支持部５８は、図７に示すように、内周面に軸１２の第２突起部２９に係合する係合凹部５８ａを有する回り止め部５８ｂが径方向内方に突出して形成されている。第２爪支持部５８は、位置決め凹部２９ａに係合する位置決めピン５９により軸１２方向の移動が規制されている。位置決めピン５９は、第２爪支持部５８の径方向に沿って配置された固定孔５８ｃに配置されている。これより、第２爪支持部５８が軸１２に回転不能かつ軸方向移動不能に連結されている。

第２爪支持部５８は、外周面に後述する第２クラッチ爪６０を起伏自在に装着する周方向に間隔を隔てて配置された複数（例えば２つ）の第２装着凹部５８ｄを有している。また、切換機構２０の後述する第１捩じりバネ９７の他端９７ｂを係止するためのバネ係止孔５８ｅを外周面に有している。

第２ワンウェイクラッチ５２は、第２装着凹部５８ｄに配置され、起伏自在に装着された複数（例えば２つ）の第２クラッチ爪６０と、第２クラッチ爪６０に噛み合うように第１太陽ギア４２の内周面に形成された第２ラチェット歯６１と、をさらに有している。第２クラッチ爪６０は、第２爪支持部５８の外周面に装着された環状の第２バネ部材６２により、第２ラチェット歯６１に噛み合う起立姿勢に向けて付勢されている。

＜切換機構の構成＞
切換機構２０は、図４に示すように、例えば変速機構用モータユニット１４０ａのモータの出力軸の回転により移動可能な移動部材６３を有している。また、切換機構２０は、移動部材６３の移動に応じて駆動体１６とキャリア４０とを連結状態と連結解除状態とに切換可能な第１クラッチ機構６４と、移動部材６３の移動に応じて第２太陽ギア４４を回転可能状態と回転不能状態とに切換可能な第２クラッチ機構６６と、移動部材６３の移動に応じて第１及び第２クラッチ機構６４，６６を切換操作可能な操作機構７０と、をさらに有している。

＜移動部材の構成＞
移動部材６３は、図４及び図９に示すように、変速機構用モータユニット１４０ａと係合している係止体８８（図４参照）と、係止体８８と連動可能な第１操作筒９０と、第１操作筒９０に連動可能な第２操作筒９２と、を有している。

係止体８８は、第１雄ねじ部２４ｂに螺合するナット１６０及び変速機構用モータユニット１４０ａにより軸受２２ｂの玉押し２３ｄに押圧された状態で軸１２の外周面に回動自在に配置されている。係止体８８には、変速機構用モータユニット１４０ａの駆動用リング（図示せず）が係止されている。係止体８８は、変速機構用モータユニット１４０ａの動作により回動する。係止体８８は、変速機構用モータユニット１４０ａの動作により第１位置から第３位置までの３つの位置に位置決めされる。以後、第１位置を高速位置と記載し、第２位置を中間位置と記載し、第３位置を低速位置と記載する。例えば、係止体８８は、ハンドルに装着された変速操作部（図示せず）により低速動作が指示されると、低速位置に配置され、変速操作部（図示せず）により高速動作が指示されると、高速位置に配置される。

第１操作筒９０は、軸１２の外周面に回動自在に装着されている。第１操作筒９０は、図９に示すように、一端（図９右端）に係止体８８に係合する軸方向に延びる円弧状の１対の係合突起９０ａを有している。この係合突起９０ａの先端には、係止体８８に係合する僅かに周方向長さが短い係止部９０ｃが形成されている。この係止部９０ｃが係止体８８の内周面に係合することにより、第１操作筒９０は係止体８８の回動に連動して前述した３つの位置のいずれかに位置決めされる。係合突起９０ａは、後述するカム部材８０の通過凹部８０ｂを通過して係止体８８に係止されている。

第１操作筒９０の他端（図９左端）には、第２操作筒９２に連結される１対の第１連結片９０ｂが形成されている。第１連結片９０ｂの先端部９０ｄは基端部より周方向長さが短い。また、第１操作筒９０の外周面には、後述する第２捩じりバネ９８の一端（図９右端）９８ａが係止されるバネ係止孔９０ｅが形成されている。

第２操作筒９２は、一端（図９右端）に第１操作筒９０の第１連結片９０ｂに係合する円弧状の１対の第２連結片９２ａを有している。第２連結片９２ａの先端部９２ｂは基端部より周方向長さが短い。第１連結片９０ｂと第２連結片９２ａとは、図１４に示すように、所定角度β（例えば４０度）程度の相対回動が可能なように形成されている。また、第２操作筒９２の他端（図９左端）には、第２クラッチ機構６６を制御するための１対の第２制御部材８５が一体で形成されている。

＜第１クラッチ機構の構成＞
第１クラッチ機構６４は、図４、図８及び図９に示すように、駆動体１６とキャリア４０との間に配置された第３ワンウェイクラッチ７２と、第３ワンウェイクラッチ７２を連結状態と連結解除状態とに制御する第１制御部材７３と、を有している。

第３ワンウェイクラッチ７２は、駆動体１６の進行方向の矢符Ｃで示す回転のみキャリア４０に伝達する。第３ワンウェイクラッチ７２は、図８に示すように、駆動体１６の内周面に形成された複数（例えば２つ）の第３装着凹部１６ｂに起伏自在に装着された第３クラッチ爪７４と、第３クラッチ爪７４に噛み合うようにキャリア４０の一端（図４右端）外周面に形成された第３ラチェット歯７５と、を有している。第３クラッチ爪７４は、駆動体１６の内周面に装着された環状の第３バネ部材７６により、第３ラチェット歯７５に噛み合う起立姿勢に向けて付勢されている。

第１制御部材７３は、図９に示すように、軸１２に回転不能に連結されたカム部材８０と、軸回りに回転可能なカム受け部材８１と、を有している。

カム部材８０は、有底筒状の部材であり、軸１２の回り止め溝２７ａに係合する係止突起８０ａを内周面に有している。また、第１操作筒９０の係合突起９０ａを通過させる円弧状の通過凹部８０ｂを内周面に有している。通過凹部８０ｂは、第１操作筒９０の所定範囲（例えば略４０度）の回動を許容するように係合突起９０ａの周方向長さより長い周方向長さを有している。カム部材８０の筒状部の端面には、カム受け部材８１に係合する１対の傾斜カム８０ｃが形成されている。傾斜カム８０ｃは、周方向に傾斜した傾斜面で構成されている。

カム受け部材８１は、図１０及び図１１に示すように、リング状の部材であり、その内周面には、傾斜カム８０ｃに係合する１対のカム受けピン８１ａが径方向内方に突出して形成されている。また、一端面（図９奥側端面）には、第３クラッチ爪７４を第３ラチェット歯７５に噛み合う起立姿勢と第３ラチェット歯７５から離反する伏臥姿勢とに切り換える複数（例えば８つ）の制御面８１ｂが形成されている。制御面８１ｂは、周方向に間隔を隔てて配置され周方向及び径方向に傾斜したカム面を有している。

カム受け部材８１は、図４に示すように、キャリア４０との間に配置されたコイルバネ８３により軸方向外方（図４右方）に付勢されている。カム受け部材８１は、操作機構７０の後述する回動部材９４が図９の時計回りに回動すると、この回動によりカム部材８０の傾斜カム８０ｃにカム受けピン８１ａが係合してコイルバネ８３の付勢力に抗して軸方向内方（図４左方）に移動する。この軸方向内方への移動により制御面８１ｂが第３クラッチ爪７４を起立姿勢から伏臥姿勢に向けて押圧する。これにより、第３ワンウェイクラッチ７２が連結解除状態になる。また、回動部材９４が図９の反時計回りに回動すると、連結状態に戻る。

＜第２クラッチ機構の構成＞
第２クラッチ機構６６は、図１２及び図１３に示すように、軸１２と第２太陽ギア４４との間に配置された第４ワンウェイクラッチ８４と、第４ワンウェイクラッチ８４を連結状態と連結解除状態とに制御する第２制御部材８５と、を有している。

第４ワンウェイクラッチ８４は、図１２に示す連結状態にあるとき、第２太陽ギア４４の進行方向の矢符Ｄで示す回転を禁止する。第４ワンウェイクラッチ８４は、第２太陽ギア４４の内周面に形成された複数（例えば２つ）の第４装着凹部４４ａに起伏自在に装着された第４クラッチ爪８６と、第４クラッチ爪８６に噛み合うように軸１２の外周面に形成された第１突起部２８と、を有している。第４クラッチ爪８６は、第２太陽ギア４４の内周面に装着された環状の第４バネ部材８７により、第１突起部２８に噛み合う起立姿勢に向けて付勢されている。

第２制御部材８５は、第２操作筒９２に一体形成された円弧状断面の１対の部材である。第２制御部材８５は、軸１２の第１突起部２８の図４右側面に近接して配置されている。第２制御部材８５は、第２操作筒９２の軸回りの回動により、図１２に示す連結位置と、図１３に示す連結解除位置との間で回動する。連結解除位置に第２制御部材８５が回動すると、第４クラッチ爪８６が伏臥姿勢側に押圧されて第４ワンウェイクラッチ８４が連結解除状態になり、第２太陽ギア４４が進行方向に回転可能になる。

＜操作機構の構成＞
操作機構７０は、図４及び図９に示すように、第２操作筒９２に連動して回動する回動部材９４と、第２操作筒９２に連動して回動する復帰部材９６と、を有している。また、操作機構７０は、第１捩じりバネ９７と、第２捩じりバネ９８と、を有している。

回動部材９４は、金属板をプレス成形して形成された円板状の部材である。回動部材９４は、カム受け部材８１を係止体８８の回動に応じて回動させるために設けられている。回動部材９４は、略座金状の本体部９４ａと、本体部９４ａの外周部両側から９０度折り曲げられて突出する１対の係合片９４ｂと、を有している。本体部９４ａの内周面には、第１操作筒９０の第１連結片９０ｂの先端部９０ｄに係合する第１係合凹部９４ｃと、第２操作筒９２の第２連結片９２ａの先端部９２ｂに係合する第２係合凹部９４ｄと、が形成されている。係合片９４ｂの中央部分には、カム受け部材８１のカム受けピン８１ａを軸方向移動自在に挟持する挟持溝９４ｅが形成されている。一方の係合片９４ｂには、第２捩じりバネ９８の他端９８ｂを係止するバネ係止孔９４ｆが形成されている。

復帰部材９６は、金属板をプレス成形して形成された円板状の部材である。復帰部材９６は、第１捩じりバネ９７の付勢力を第１及び第２操作筒９０，９２に伝達して第１及び第２操作筒９０，９２を図９の反時計回りに回動させるために設けられている。復帰部材９６は、内周側に第１操作筒９０の第１連結片９０ｂの先端部９０ｄに係合する第１係合凹部９６ａと、第２操作筒９２の第２連結片９２ａの先端部９２ｂに係合する第２係合凹部９６ｂと、を有している。また、側部に、第１捩じりバネ９７の一端（図９右端）９７ａを係止するバネ係止孔９６ｃが形成されている。

第１捩じりバネ９７は、例えば捩じりコイルバネであり、第１及び第２操作筒９０，２のリターンバネとして作用する。すなわち、変速機構用モータユニット１４０ａが高速位置から中速位置、あるいは中速位置から低速位置に向けて位置決めしようとするとき、第１及び第２操作筒９０，９２並びに係止体８８を図９の反時計回りに回動させる。第１捩じりバネ９７は、前述したように、一端９７ａが復帰部材９６に、他端９７ｂが軸１２に対して回転不能な第２爪支持部５８に係止されている。

第２捩じりバネ９８は、例えば捩じりコイルバネであり、第１操作筒９０と第２操作筒９２とを連動させるものである。具体的には、第３ワンウェイクラッチ７２又は第４ワンウェイクラッチ８２が動力伝達状態で切換操作できないときに、動力伝達状態が解除されてから第２操作筒９２を回動させるために設けられている。前述したように第２捩じりバネ９８は、一端９８ａが第１操作筒９０に他端が回動部材９４に係止されている。したがって、第２操作筒９２には、第２捩じりバネ９８及び回動部材９４を介して第１操作筒９０の回動が伝達される。

＜切換機構の動作＞
次に、変速機構用モータユニット１４０ａの動作による切換機構２０の動作について説明する。

変速機構用モータユニット１４０ａの動作により係止体８８が高速位置に位置決めされると、第１クラッチ機構６４において、第１制御部材７３のカム受け部材８１は第３ワンウェイクラッチの第３クラッチ爪７４から離反して配置される。このため、第３ワンウェイクラッチは連結状態になり、駆動体１６の回転がキャリア４０に伝達される。したがって、遊星歯車機構３２は動作せず、駆動体１６の回転が、キャリア４０及び第１ワンウェイクラッチ５０を介してそのまま出力部１４に伝達される。そして、最終的には、駆動体１６の回転が、第３歯車１４２に伝達される。この駆動体１６からキャリア４０を介して出力部１４に伝達される経路が遊星歯車機構３２の機能を使用しない等速伝達経路である。

変速機構用モータユニット１４０ａの動作により高速位置から中間位置に係止体８８が位置決めされると、係止体８８が回動し、それに応じて第１操作筒９０が図９の反時計回りに回動する。これにより第１クラッチ機構６４において、第１制御部材７３のカム受け部材８１が図９の時計回りに回動しつつ図４左方に移動し、第３ワンウェイクラッチ７２の第３クラッチ爪７４を伏臥姿勢に押圧しようとする。しかし、乗り手がペダル１００をこいでいるときは、第３ワンウェイクラッチ７２の第３クラッチ爪７４が動力伝動状態になっているため、カム受け部材８１が第３クラッチ爪７４を押圧できない。したがって、第１操作筒９０は回転しても、回動部材９４及び第２操作筒９２が回転せず、第２捩じりバネ９８がたわんでその力が蓄えられる。そして、乗り手がペダル１００をこぐのをやめると、第２捩じりバネ９８の付勢力により回動部材９４及び第２操作筒９２が時計回りに回動する。これにより第１クラッチ機構６４が連結解除状態になり、駆動体１６に設けられたリングギア３４により遊星歯車機構３２が動作する。

この中間位置にあるとき、第２クラッチ機構６６は、図１２に示す連結状態になっている。このため、第２太陽ギア４４は、逆方向の回転が阻止されリングギア３４が進行方向に回転したときに第２太陽ギア４４が回転せず、第２遊星ギア３８及び第２太陽ギア４４の噛み合いにより決定される減速比で駆動体１６の回転を減速してキャリア４０を進行方向に回転する。この回転が第１ワンウェイクラッチ５０を介して出力部１４に伝達される。このため、高速位置の場合より出力部１４の回転が減速する。なお、乗り手がペダル１１１をこいでいないときには、回動部材９４及び第２操作筒９２は第１操作筒９０と連動して回動する。

この駆動体１６から第２遊星ギア３８及び第２太陽ギア４４の作用によりキャリア４０が減速する経路が、２つの減速伝達経路のうちの高速側の減速伝達経路である。

変速機構用モータユニット１４０ａの動作により中速位置から低速位置に係止体８８を回動さ出力部と、第１クラッチ機構６４は、連結解除状態のままである。また第２クラッチ機構６６において図１３に示すように、第２制御部材８５が軸１２の第１突起部２８に回動方向で重なるようになる。このため、第４クラッチ爪８６が第１突起部２８にかみ合えなくなり、第２クラッチ機構６６が連結解除状態になる。したがって、第２太陽ギア４４が両方向に回動できるようになり、太陽ギアとしての機能を果たせなくなる。この結果、第１遊星ギア３６及び第１太陽ギア４２の噛み合いにより決定される減速比で駆動体１６の回転を減速してキャリア４０を進行方向に回転させる。このとき、第１太陽ギア４２が第２太陽ギア４４より歯数が多いので中間位置よりさらに減速してキャリア４０を進行方向に回転させる。

この駆動体１６から第１遊星ギア３６及び第１太陽ギア４２の作用によりキャリア４０がさらに減速する経路が、２つの減速伝達経路のうちの低速側の減速伝達経路である。

一方、変速機構用モータユニット１４０ａの動作により低速位置から高速位置に操作すると、第１捩じりバネ９７の付勢力により復帰部材９６を介して第２操作筒９２が図９の時計回りに回動し、それに応じて第１操作筒９０及び回動部材９４も図９の反時計回りに回動し、高速位置側に変速動作がなされる。

＜トルク合成部材＞
トルク合成部材１３１は、クランク軸１０２の他端部側に設けられる。環状に形成されており、クランク軸１０２に沿って延びる第１環状部分と、第１環状部分の端部からクランク軸１０２に関して径方向に延びる第２環状部分とを有する。第２環状部分は、第１環状部分のモータ側の端部に配置される。トルク合成部材１３１の外周部は歯車１３１ａにより構成されている。歯車１３１ａは、第２環状部分の外周部に形成されている。トルク合成部材１３１の外周部は、第３歯車１４２と噛み合っている。トルク合成部材１３１の内周部は、ワンウェイクラッチ１３２を介して、トルク伝達部材１３０に連結されている。第１環状部分の内周部に、ワンウェイクラッチ１３２のクラッチ溝が形成される。トルク合成部材１３１には、さらに、トルク伝達部材１３０の回転を支持する回転支持部１３３が設けられている。回転支持部１３３は、第２環状部分に設けられる。トルク合成部材１３１の内周部には、軸受１１３が設けられ、トルク合成部材１３１は、クランク軸１０２を回転可能に支持している。第１環状部分の内周部に軸受１１３が設けられる。トルク合成部材１３１の外周部には、軸受１３４が設けられ、トルク合成部材１３１は、ケーシング１１１によって回転可能に支持されている。第１環状部分の外周部に軸受１３４が設けられる。軸受１１３とワンウェイクラッチ１３２とは、第１環状部分を挟んで近接して設けられている。トルク合成部材１３１には、トルク合成部材１３１と一体となって回転可能なようにスプロケット１０３が取り付けられている。トルク合成部材１３１の端部（第１環状部分の端部）は、ケーシング１１１の孔１１１Ａから外部に突出する。このトルク合成部材１３１の第１環状部分の端部に、たとえばボルトによってスプロケット１０３が着脱可能に取り付けられる。

＜駆動ユニットの動作＞
次に、本駆動ユニットの動作について説明する。乗り手の踏力によるトルクは、クランク１０１→クランク軸１０２→第１歯車１１４→第２歯車１４１→変速機構本体１４０ｂ→第３歯車１４２→トルク合成部材１３１へと変速機構を介して伝達される。一方、モータからの出力トルクは、減速機構１２５→トルク伝達部材１３０→ワンウェイクラッチ１３２→トルク合成部材１３１へと伝達される。トルク合成部材１３１は、これら２つのトルクを合成し、スプロケット１０３に合成したトルクを伝達する。これにより、モータによるアシストが実現される。

＜第１の実施形態の効果＞
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の駆動ユニットは、モータのステータは切欠き部を有し、変速機構の一部が切欠き部に配置されるので、軽量化、コンパクト化された自転車の駆動ユニットを実現することができる。

また、変速機構の入力トルクとして、モータの出力トルクがかからないので、変速機構が内装変速機構と同様の遊星歯車機構を備える変速機構であっても、乗り手は、段の切り替えをスムーズに行うことができる。また変速機構によって複数のギア比を選択可能であるので、効率的にモータによる補助駆動を行うことができる。

また、本実施形態の変速機構１４０では、通常使用されるアシスト自転車で比較的使用頻度が高い最も高速の段階で遊星歯車機構３２の減速伝達経路が使用されない。このため、構造が複雑な遊星歯車機構を使用する頻度が低くなり、変速機構１４０の耐久性を高く維持することができる。

また、本実施形態では、係止体８８及び第１及び第２操作筒が軸回りに回転するタイプの変速機構を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、ベルクランクとベルクランクにより軸方向に移動するプッシュロッドを有する内装変速ハブの機構と同様の変速機構を用いて本発明の駆動ユニットを構成することもできる。図１５は、このような変速機構を用いた一例を示す。図１５に開示された変速機本体１４０ｂは、特許第３４２８５５９号公報に開示された内装変速ハブであり、この変速機１４０は、変速機構用モータユニット１４０ａに代えて、ハンドルに装着された変速操作部（図示せず）からの指示を受けて動作するベルクランクを含む変速指示機構１４０ｃを備える。また、変速機本体１４０ｂは、ベルクランクにより軸方向に移動するプッシュロッド（図示せず）を含む。

また、変速機構１４０は、３段のものを例に挙げて説明したが、変速機構１４０は、前述したものに限定されない。例えば、変速機構１４０は、５段、７段、８段、１１段、もしくはそれ以外の段数のものであってもよい。これらの変速機構本体１４０ｂは、例えば、特許第４５６４９７８号公報、特許第３１８４２３０号公報、特許第３６５４８４５公報、特許第４７０５１３１号公報に開示されているものと同一のものを利用できる。これらの構成においても、第１の実施形態と同じ効果を奏するのは、当業者には明白である。また上記の変速機構の構成は上記のものに限らず、少なくとも減速機構および増速機構のいずれかを含む変速機構であればよい。

以上の実施形態及び変形例の説明において、クランク軸から変速機構１４０へのトルクの伝達、変速機構１４０からトルク合成部材１３１へのトルクの伝達は、歯車を介して行うように説明した。しかし、これらのトルクの伝達は、ベルトまたはチェーンを用いて行われてもよい。

また、連結機構は、第１歯車１１４および第２歯車１４１によって構成されているが、３つ以上の歯車を用いて、クランク軸１０２から変速機構１４０に駆動力を伝達してもよい。また、変速機構の出力部１４と、トルク合成部材１３１との間に、複数の歯車を設けて駆動力を伝達してもよい。

また、変速機本体１４０ｂは、多段変速機に代えて無段変速機であってもよい。さらには、アシスト用モータ１２０が低速に駆動することが可能なのであれば、減速機構１２５は省略されてもよい。その場合、モータ出力が、そのままワンウェイクラッチ１３２に伝達される。

以上の実施形態では、変速は手動で行っているが、自動で変速を行ってもよい。この場合、自転車の速度検出する速度センサを設けて、速度センサの出力と、トルク検出手段からの出力とに基づいて、制御部が変速機構用モータユニット１４０ａを制御して、変速機構１４０の変速を行う。

上記の実施の形態で、変速機１４０の配置空間を最大限確保するためには、αは９０°を超えて１２０°以下であることが望ましい。

１ 駆動ユニット
１４ 出力部
３２ 遊星歯車機構
１０２ クランク軸
１０３ スプロケット
１２０ モータ
１２１ ステータ
１２１ａ 切欠き部
１２３ ロータ
１２５ 減速機構
１３１ トルク合成部材
１３２ ワンウェイクラッチ
１４０ 変速機構

Claims (17)

1. クランク軸を配置可能な孔を有するロータと、前記ロータの径方向外側に配置されるステータとを有するモータと、
   複数のギア比を選択可能な変速機構と、
   を備え、
   前記ステータは、切欠き部を有し、
   前記変速機構の一部が、前記切欠き部に配置される自転車の駆動ユニット。
2. 前記切欠き部は、前記モータの回転軸の軸方向において前記ステータの全体にわたって切欠かれて形成される請求項１に記載の自転車の駆動ユニット。
3. 前記切欠き部は、前記モータの回転軸線まわりに９０°を超えて１２０°以下である角度範囲で前記ステータを切欠いて形成される、請求項１または２に記載の自転車の駆動ユニット。
4. 前記変速機構は、遊星歯車機構を有する、請求項１から３のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
5. 前記クランク軸をさらに備える、請求項１から４のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
6. 前記クランク軸の回転軸と、前記モータの回転軸とは、同軸に設けられる、請求項５に記載の自転車の駆動ユニット。
7. 前記クランク軸は、前記変速機構の入力部に結合される、請求項５または６に記載の自転車の駆動ユニット。
8. 前記クランク軸および前記モータが回転する第１回転軸と
   前記変速機構が回転する第２回転軸とを有する、請求項５から７のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
9. 前記変速機構の出力と前記モータの出力が合算される合成部をさらに備え、
   前記合成部には、スプロケットが接続される、請求項１から８のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
10. 前記モータの出力は、ワンウェイクラッチを介して、前記合成部に伝達される、請求項９に記載の自転車の駆動ユニット。
11. 減速機構をさらに有し、
    前記モータの出力は、前記減速機構を介して、前記合成部に伝達される、請求項１０に記載の自転車の駆動ユニット。
12. 前記モータの出力は、前記減速機構に入力され、
    前記減速機構の出力は、前記ワンウェイクラッチを介して、前記合成部に伝達される、請求項１１に記載の自転車の駆動ユニット。
13. 前記モータの回転軸線方向の一方に前記合成部が配置され、前記モータの回転軸線方向の他方に、前記クランク軸および前記変速機構を連結する連結機構が配置される、請求項５に係る請求項９から１２のいずれか1つに記載の自転車の駆動ユニット。
14. 前記減速機構は、遊星歯車機構を有し、
    前記遊星歯車機構は、遊星歯車を有するキャリアを有し、
    前記キャリアは、前記合成部に支持される請求項１１または１２に記載の自転車の駆動ユニット。
15. 前記合成部の回転軸は、前記クランク軸の回転軸と同軸に設けられる、請求項５に係る請求項９から１４のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
16. 前記変速機構の入力部分および出力部分は、前記第２回転軸まわりに回転する、請求項８に係る請求項９から１５のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
17. 前記合成部は、
    前記変速機構の前記出力部分に結合される第１結合部と、
    前記モータに結合される第２結合部とを有する、請求項９に係る請求項１６に記載の自転車の駆動ユニット。

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