JP5634842B2 - 遊星歯車機構およびこれを備えた電動補助自転車用のハブモータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、遊星歯車機構およびこれを備えた電動補助自転車用のハブモータ装置の改良に関する。

入力側の回転トルクを減速した上で出力側に伝達する減速機構として、入力側に設けられる太陽歯車と、出力側に設けられる内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数配設された遊星歯車とを備えた、いわゆる遊星歯車機構が広く用いられている。

例えば、下記の特許文献１には、ペダルの踏力を受けて後輪が駆動し、モータの回転トルクを受けて前輪が駆動する、いわゆる前輪アシストタイプの電動補助自転車が記載されており、この電動補助自転車には、前輪を車軸に対して回転可能に支持するハブ（フロントハブ）と、このハブに内蔵された入力側としてのモータ、及び当該モータの回転トルクを減速してハブに伝達する遊星歯車機構とを主要部として構成されたハブモータ装置が装備されている。電動補助自転車がかかるハブモータ装置を装備していることにより、トルク検出手段により検出されたペダルの踏力が設定値を超え、バッテリーから供給される電力によってモータが駆動されると、入力側としてのモータの回転トルクが遊星歯車機構を介して出力側としてのハブに伝達されて補助動力が発生する（アシスト機能が働く）ので、自転車を軽快に運転走行させることができる。

特許第４２１５６７０号

特許文献１に記載のハブモータ装置においては、入力側としてのモータ、遊星歯車機構及び出力側としてのハブが直接的に連結されている構成上、例えばバッテリー切れとなり、ペダル踏力のみで自転車を運転走行させなければならないような場合においても、前輪の回転は遊星歯車機構を介してモータに伝達される。そのため、乗員は遊星歯車機構で生じるトルクロスを含んでペダルを踏み込まねばならなくなり、多大な踏力が必要となる。また、例えば手押し走行時や、下り坂等でペダルを踏み込まずに自転車を運転走行させる惰性走行時においても、ハブモータ装置内でトルクロスが生じるため、ペダル踏力のみで運転走行される一般的な自転車よりも取り回し性が悪くなったり、走行速度が急激に低下したりするという問題がある。

この種の問題は、例えば、ハブモータ装置を構成する遊星歯車機構内に、モータの回転トルク（入力トルク）をハブに対して出力する一方、ハブの回転トルク（逆入力トルク）をモータに対して出力しないように構成された、いわゆるワンウェイクラッチを設けることで解消することができる。しかしながら、この種の電動補助自転車においては、バッテリー容量をむやみに増大させることなく、補助動力を長時間に亘って取得可能とすることを目的として、いわゆる電力回生機構を設ける場合が多いため、上記したような一般的なワンウェイクラッチを設けるだけではモータに逆入力トルクが伝達されず、発電（電力回生）が実行されなくなる。

かかる実情に鑑み、本発明の目的は、回転トルクの伝達方向を必要に応じて切り替えることができ、しかも、入力側の停止時に、内部でトルクロスが生じない遊星歯車機構を提供することにある。

上記の目的を達成すべく創案された本発明にかかる遊星歯車機構は、入力側に設けられる太陽歯車と、出力側に設けられる内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数介設された遊星歯車体とを備え、入力側の回転トルクを内歯車に伝達可能な正回転ロック状態、入力側の停止時に内歯車を太陽歯車に対して空転させる空転回転状態、又は入力側の停止状態で出力側が回転するのに伴って内歯車に入力される回転トルクを太陽歯車に伝達可能な逆回転ロック状態、の何れか一つの状態に切り替え可能とされ、切り換え操作により、空転回転状態および逆回転ロック状態の何れか一方から他方への切り替えが実行されるものであって、各遊星歯車体は、太陽歯車および内歯車に夫々噛合した第１および第２中間歯車を有し、少なくとも一の遊星歯車体を構成する両中間歯車の間に、両中間歯車の間で何れか一方から他方へのトルク伝達を選択的に許容し、かつ上記切り替え操作により、両中間歯車間でのトルク伝達方向が切り替えられるツーウェイクラッチを設けると共に、他の遊星歯車体を構成する両中間歯車の間に、第１中間歯車から第２中間歯車へのトルク伝達を許容し、かつ上記切り替え操作により、第１中間歯車から第２中間歯車へのトルク伝達を許容するロック状態又はトルク伝達を許容しないロック解除状態が切り替えられるワンウェイクラッチを設けたことを特徴とする。

このような構成を備えた遊星歯車機構は、特に、いわゆる前輪アシストタイプの電動補助自転車用のハブモータ装置であって、前輪を車軸に対して回転可能に支持する筒状のハブに、モータ、およびモータの回転トルクを減速してハブに伝達する減速機構が内蔵されてなるものにおいて、減速機構として好適に用い得る。この場合、モータが入力側に相当し、ハブが出力側に相当する。以下では、部分的に、この種の電動補助自転車用のハブモータ装置に上記構成を有する遊星歯車機構を組み込んだと仮定して、本発明の構成を採用することによる作用効果を述べる。

このような構成によれば、空転回転状態に切り替えておくことにより、例えば、（１）モータに駆動電力を供給するバッテリーの残量がゼロになったとき、（２）故意に電源を切ってペダル踏力のみで自転車を運転走行させるとき、（３）手押しで自転車を前進させるとき、あるいは（４）下り坂等でペダル踏力を与えずに自転車を惰性走行させるとき等に、出力側としてのハブに設けられる内歯車が、入力側としてのモータに設けられる太陽歯車に対して空転する。すなわち、入力側の停止状態では、内歯車と太陽歯車とが共回りするのを防止することができる。これにより、モータの停止状態において遊星歯車機構内でトルクロスが生じるのを回避することができるので、この種の電動補助自転車の取り回し性等を向上することができる。

また、本発明の遊星歯車機構では、上記切り替え操作により、空転回転状態および逆回転ロック状態の何れか一方から他方への切り替えが実行される。そのため、上記したハブモータ装置等、出力側であるハブに入力される逆入力トルクを入力側に伝達することによって電力回生が実行される用途においては、空転回転状態から逆回転ロック状態へと適宜切り替えることで電力回生を適切に実行することができる。

上記構成において、入力側の停止状態で出力側が回転（自転車を前進させる方向に回転）するとき、正回転ロック状態から空転回転状態に自動的に切り替わるようにすることもできる。このようにしておけば、例えば突然バッテリー切れとなったような場合においても、出力側が回転するのに伴って遊星歯車機構内でトルクロスが生じるのを回避することができる。従って、常時トルクロスがない状態で自転車を運転走行させることができる。

一般に、電力回生を実行する際に必要とされるモータ（入力側）の回転トルクは、補助動力を付与する際に必要とされる回転トルクに比べて小さくて済む。そのため、ツーウェイクラッチを備えた遊星歯車体は最小限で足りる。これにより、ツーウェイクラッチの数を最小限としてコスト増を可及的に抑制しながら、補助動力を適切に得ることが、さらには電力回生を適切に実行することができる。

かかる構成において、ツーウェイクラッチは、第１中間歯車に設けられる外輪と、第２中間歯車に設けられる内輪と、外輪と内輪の間に配置された複数の係合子と、各係合子を外輪および内輪と正逆両回転方向で楔係合させる複数のカム面と、係合子を保持する保持器と、保持器に弾性力を付与する弾性部材とを備え、保持器に付与した弾性力で係合子を常時正回転方向に付勢し、かつ保持器に回転遅れを与え、正回転方向に楔係合した係合子を逆回転方向の楔係合に切り替えることで、両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるものとすることができる。

また、ワンウェイクラッチは、第１中間歯車に設けられる外輪と、第２中間歯車に設けられる内輪と、外輪と内輪の間に配置された複数の係合子と、各係合子を外輪および内輪と正回転方向でのみ楔係合させる複数のカム面と、係合子を保持する保持器と、保持器に弾性力を付与する弾性部材とを備え、保持器に付与した弾性力で係合子を常時正回転方向に付勢し、かつ保持器に回転遅れを与え、正回転方向に楔係合した係合子の楔係合状態を解除することで、ロック状態からロック解除状態に切り替えられるものとすることができる。

上記構成において、ワンウェイクラッチのロック状態からロック解除状態への切り替えが実行されるのに先立って、ツーウェイクラッチを設けた両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるようにすると、一時的に両回転方向のトルク伝達が可能な状態となって、回転トルクを円滑に伝達できない（回転方向の切り替えを適切に実行できない）可能性が高まる。従って、上記構成においては、ツーウェイクラッチを設けた両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチのロック状態からロック解除状態への切り替えが実行されるようにするのが望ましい。

このようにするための具体的手段として、ワンウェイクラッチの弾性部材として、ツーウェイクラッチの弾性部材よりも小さな弾性力を有するものを使用する、両クラッチのうちワンウェイクラッチの保持器に対して優先的に回転遅れを与える、あるいはこれらを併用することが考えられる。

上記したとおり、本発明にかかる遊星歯車機構は、例えば、いわゆる前輪アシストタイプの電動補助自転車用のハブモータ装置に組み込まれる減速機構として好適に用い得る。この場合、遊星歯車機構の各状態の切り替えは、自転車の乗員のブレーキ操作に連動して行われるようにすることができる。具体例を挙げると、（モータの停止状態で）ブレーキレバーを握り込むことで前輪に制動力が付与されるのと同時に、遊星歯車機構（例えば、各クラッチ機構を構成する保持器）に回転制動力が付与されることによって空転回転状態から逆回転ロック状態に切り替わり、ブレーキレバーの握り込みを解放して前輪に対する制動力の付与が解除されるのと同時に、遊星歯車機構に対する回転制動力の付与が停止されることによって逆回転ロック状態から空転回転状態に切り替わるように構成することができる。一般に、ブレーキレバーを握り込むときに補助動力が必要となる可能性は低い。従って、このようにすれば、電動補助自転車を軽快に運転走行させることができながら、効率的に電力回生を実行することができる。

なお、本発明にかかる遊星歯車機構は、トルク伝達方向の切り替えが必要な用途であれば、上記したハブモータ装置以外の用途にも好ましく用いることができ、その他の用途の一例として風力発電機の動力伝達系を挙げることができる。風力発電機においては、風が弱いときにおいても比較的大きな発電力を得ることを目的として、ファンと発電機（モータ）との間に遊星歯車機構を設け、ファンの回転を増速して発電機に伝達可能とする場合がある。この場合、台風通過時等、強風が吹き荒れるような状況下においては、発電機保護の観点からファンから入力される回転を遮断することが望ましい。従って、回転トルクの伝達又は非伝達（トルク伝達方向の切り替え）が制御可能な本発明にかかる遊星歯車機構は、風力発電機等にも好ましく用いることができる。

以上に示したように、本発明によれば、回転トルクの伝達方向を必要に応じて切り替えることができ、しかも、入力側の停止時に、内部でトルクロスが生じない遊星歯車機構を提供することができる。従って、本発明にかかる遊星歯車機構を、例えば前輪アシストタイプの電動補助自転車用のハブモータ装置に用いれば、この種の電動補助自転車の取り回し性を向上することができ、しかも任意のタイミングで電力回生を実行することができる。

前輪アシストタイプの電動補助自転車の駆動系統を模式的に示す図である。 本発明に係る遊星歯車機構を組み込んだハブモータ装置の断面図である。 遊星歯車機構が正回転ロック状態となっている場合における図２のＹ１−Ｙ１線矢視断面図である。 遊星歯車機構が空転回転状態となっている場合における図２のＹ１−Ｙ１線矢視断面図である。 図２の要部拡大図であり、遊星歯車機構を構成する複数の遊星歯車体のうちツーウェイクラッチを備えた遊星歯車体の断面図である。 図５のＹ２−Ｙ２線矢視断面図である。 図２の要部拡大図であり、遊星歯車機構を構成する複数の遊星歯車体のうちワンウェイクラッチを備えた遊星歯車体の断面図である。 図７のＹ３−Ｙ３線矢視断面図である。 図５に示す遊星歯車体が逆回転ロック状態にあるときの断面図である。 図９のＹ４−Ｙ４線矢視断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明に係る遊星歯車機構が組み込まれたハブモータ装置１（詳細は図２を参照）を装備してなる電動補助自転車の駆動系統を模式的に示す。この電動補助自転車は、ペダル踏力（人力駆動力）を受けて後輪が駆動し、モータの回転トルクを受けて前輪が駆動するいわゆる前輪アシストタイプの電動補助自転車であり、ペダル１００に加えられた乗員の踏力を後輪の車軸１０４に伝達する人力駆動系Ａと、前輪を電動駆動させるための電動駆動系Ｂとを備える。

人力駆動系Ａでは、ペダル１００の踏力がペダルクランク１０１でクランク軸１０２の回転運動に変換され、クランク軸１０２の回転トルクは、クランク軸１０２に取り付けられたフロントスプロケット１０３、後輪の車軸１０４に取り付けられたリヤスプロケット１０５、及び両スプロケット１０３，１０５に掛け渡されたチェーン１０６等のトルク伝達部材を介して後輪の車軸１０４に伝達される。リヤスプロケット１０５と車軸１０４とは、リヤスプロケット１０５からのトルク（ペダル１００の踏力）を車軸１０４に伝達する一方で、車軸１０４からの逆入力トルクをリヤスプロケット１０５に伝達しないよう、図示外のワンウェイクラッチを介してフリーに連結されている。

電動駆動系Ｂは、前輪に補助動力を付与するためのモータ１０（図２等を参照）が内蔵され、前輪を車軸２に対して回転可能に支持するフロントハブとしての機能を兼ね備えたハブモータ装置１と、モータ１０に電力を供給するバッテリー１１１と、ペダル１００の踏力（クランク軸１０２の回転トルク）を検出するトルク検出手段１１０とを主要部として構成される。そして、トルク検出手段１１０で検出したペダル１００の踏力が設定値を超えたときには、バッテリー１１１からモータ１０に電力が供給されてモータ１０が駆動されることにより、人力駆動系Ａでの不足分に応じたトルクが補助動力として得られる。なお、図示は省略しているが、この電動補助自転車には、電動駆動系Ｂを作動させるか否か、言い換えると人力駆動系Ａのみで当該自転車を運転走行させるか否かを選択するための電源スイッチが設けられている。従って、電源スイッチが「ＯＮ」の状態でペダル１００の踏力が設定値を超えたときには補助動力を得られるが、電源スイッチが「ＯＦＦ」の状態では、ペダル１００の踏力が設定値を超えたとしても補助動力は得られない。

また、この電動補助自転車は、バッテリー切れが生じるのを可及的に防止するため、電力回生機構を有する。ここでは、モータ１０が停止した状態で自転車運転走行させている最中に、前輪に制動力を付加するためのブレーキ１１２が操作される（ブレーキレバーが握り込まれる）と、ハブモータ装置１に内蔵されたモータ１０の回転軸が回転し、これによって電力回生がなされてバッテリー１１１が充電されるようになっている。

以下、ハブモータ装置１の詳細構造について延べる。

図２に、ハブモータ装置１の断面図を示す。同図に示すハブモータ装置１は、図１に示す電動補助自転車の電動駆動系Ｂを構成するものであって、前輪を車軸２に対して回転可能に支持する略円筒状のハブ３に、バッテリー１１１から電力が供給されることにより駆動するモータ１０、及びモータ１０の回転トルクを減速してハブ３に伝達する減速機構としての遊星歯車機構２０を組み込んで主要部が構成されている。かかる構成から、本実施形態では、モータ１０が本発明でいう入力側に相当し、ハブ３が本発明でいう出力側に相当する。ハブ３は、転がり軸受４ａ，４ｂによって車軸２に対して回転自在に支持されている。車軸２は、ハブ３の一端側（図中左側）に設けられた中空又は中実の第１車軸２ａと、ハブ３の他端側（図中右側）に設けられた中空の第２車軸２ｂとで構成され、第２車軸２ｂの内周には断面Ｔ字形状の制動部材５０が挿通されている。

モータ１０は、第１車軸２ａに固定された略円筒状のモータケース１４と、モータケース１４の内径面に固定されたステータ１１と、回転軸１３を有するロータ１２とで主要部が構成される。ロータ１２は、ステータ１１の内径側で車軸２と同軸に配置され、モータケース１４の内周に配設された転がり軸受４ｃ，４ｄによってモータケース１４に対して回転自在に支持されている。回転軸１３の図中右側の一端はモータケース１４の外部に突出しており、この突出部分の外周には遊星歯車機構２０を構成する太陽歯車２１が設けられている。本実施形態では、回転軸１３の外周面に切削等の機械加工あるいは鍛造等の塑性加工を施すことによって回転軸１３と一体に太陽歯車２１を設けている。なお、太陽歯車２１は、回転軸１３と別体に設けることも可能である。

制動部材５０は、第２車軸２ｂの内周に挿通された軸部と、軸部の一端から径方向外側に延び、遊星歯車体２６（詳しくは、後述する保持器３４，４４）と軸方向に対向配置された円盤状のフランジ部５０ａとを有する。この制動部材５０は、遊星歯車体２６に対する接近および離反移動が可能とされており、かかる接近および離反移動は、自転車のブレーキ１１２（図１参照）操作に連動して実行される。詳しくは、ブレーキレバーを握り込むと制動部材５０が遊星歯車体２６に対して接近移動し、ブレーキレバーの握り込みを解放すると制動部材５０が遊星歯車体２６から離反移動する。

図３及び図４にも示すように、遊星歯車機構２０は、モータ１０の回転軸１３に設けられた太陽歯車２１と、ハブ３の内径部に設けられた内歯車２２と、太陽歯車２１と内歯車２２の間に複数介設された遊星歯車体２６とを主要部として備える。遊星歯車体２６は円周方向の３箇所に等間隔で配設されており、内歯車２２は、ハブ３とは別体に設けられてハブ３の内周面に固定されている。内歯車２２とハブ３とが別体に設けられた本実施形態において両者が相対回転すると、両者間でのトルク伝達が適切に行われなくなることから、ハブ３と内歯車２２とを円周方向で係合させることによって両者の相対回転を防止している。ここでは、ハブ３の内周面に設けた凸部３ａを内歯車２２の外周面に設けた凹部２２ａに嵌合させることにより、ハブ３と内歯車２２の相対回転を防止している。なお、内歯車２２は、ハブ３と一体に設けることも可能である。

各遊星歯車体２６は、モータケース１４から軸方向に突設された遊星歯車軸２３と、太陽歯車２１に噛合した第１中間歯車２４と、内歯車２２に噛合した第２中間歯車２５とを有し、第２中間歯車２５は遊星歯車軸２３の外径面に固定されている。図５等にも拡大して示すように、第２中間歯車２５は段付き円筒状に形成され、第１中間歯車２４は、第２中間歯車２５の小径外周面２５ａの外周に配置されている。第１中間歯車２４として、その直径が第２中間歯車２５の直径よりも大きいものを用いている。これにより、モータ１０の回転トルクは、大きな減速比で減速されたうえで内歯車２２（ハブ３）に伝達されるので、大きな補助動力が得られる。

以上の構成を有する遊星歯車機構２０は、モータ１０の回転トルクを内歯車２２（ハブ３）に伝達可能な正回転ロック状態、モータ１０の停止時に内歯車２２を太陽歯車２１（モータ１０の回転軸１３）に対して空転させる空転回転状態、又は、モータ１０の停止状態でハブ３が回転するのに伴って内歯車２２に入力される回転トルク（逆入力トルク）を太陽歯車２１に伝達可能な逆回転ロック状態の何れか一つの状態に切り替え可能となっている。

上記各状態についてさらに詳述する。図３に示す正回転ロック状態では、モータ１０の回転トルクが太陽歯車２１→第１中間歯車２４→第２中間歯車２５→内歯車２２という経路を介してハブ３に伝達され、ハブ３及びこれに支持された前輪が、自転車を前進させる方向（図中反時計回り）に回転する。従って、遊星歯車機構２０が正回転ロック状態となっているときには、モータ１０からの補助動力が得られる。また、図４に示す空転回転状態では、モータ１０の停止状態で前輪が自転車を前進させる方向に回転すると、これに伴って内歯車２２に入力される回転トルク（逆入力トルク）は、内歯車２２→第２中間歯車２５にまで伝達されるだけであって、第２中間歯車２５から第１中間歯車２４、さらには太陽歯車２１へは伝達されない。従って、空転回転状態では、ハブ３に設けられた内歯車２２がモータ１０の回転軸１３に設けられた太陽歯車２１に対して空転する。また、逆回転ロック状態では、図３に示す正回転ロック状態とは真逆の経路を介して内歯車２２に入力される回転トルク（逆入力トルク）が太陽歯車２１に伝達される。これにより、モータ１０の回転軸３が回転し、電力回生がなされてバッテリー１１１が充電される。

遊星歯車機構２０が空転回転状態となっていれば、モータ１０が停止した状態で自転車を前進させるとき、例えば、（１）バッテリー１１１の残量がゼロになったとき、（２）電源スイッチを「ＯＦＦ」の状態としてペダル１００の踏力のみで自転車を運転走行させるとき、（３）手押しで自転車を前進させるとき、あるいは、（４）下り坂等でペダル１００に踏力を与えず自転車を惰性走行させるとき等に、ハブ３がモータ１０の回転軸１３に対して空転する。これにより、モータ１０の停止状態において、遊星歯車機構２０内でトルクロスが生じるのを回避することができる。従って、本発明にかかる遊星歯車機構２０を組み込んだハブモータ装置１であれば、電動補助自転車の取り回し性を向上することができる。

遊星歯車機構２０を、上記した正回転ロック状態、空転回転状態、又は逆回転ロック状態の何れか一つの状態に切り替え可能とするため、各遊星歯車体２６を構成する第１中間歯車２４と第２中間歯車２５との間にクラッチを設けた。詳しくは、図３および図４に示すように、円周方向の三箇所に配設した遊星歯車体２６のうち、一の遊星歯車体２６を構成する両中間歯車２４，２５間に、両中間歯車２４，２５間で何れか一方から他方へのトルク伝達を選択的に許容可能とするツーウェイクラッチ３０を設けると共に、残り二つの遊星歯車体２６を構成する両中間歯車２４，２５間に、第１中間歯車２４から第２中間歯車２５へのトルク伝達のみを許容するワンウェイクラッチ４０を設け、かつ適当な切り替え操作により（回転制動力の付与又は付与停止を切り替えることにより）、空転回転状態および逆回転ロック状態の何れか一方から他方への切り替えが実行されるようにした。

図５および図６に、ツーウェイクラッチ３０を設けた一の遊星歯車体２６を拡大して示す。ツーウェイクラッチ３０は、外輪３１と、外輪３１の内径側に配置された内輪３２と、外輪３１と内輪３２の間に円周方向等間隔で配置された係合子としてのローラ３３と、ローラ３３を円周方向所定間隔で保持する保持器３４と、保持器３４に弾性力を付与する弾性部材３５とを備える。

外輪３１は、その外径面に設けた凸部を第１中間歯車２４の大径内周面２４ａに設けた凹部に嵌合することで、第１中間歯車２４と一体回転する構造とされている。なお、外輪３１の外径面に凹部を設け、この凹部と、第１中間歯車２４の大径内周面２４ａに設けた凸部とを嵌合するようにしても良い。

内輪３２は、その内径面に設けた凸部を第２中間歯車２５の小径外周面２５ａに設けた凹部に嵌合することで、第２中間歯車２５と一体回転する構造とされている。なお、内輪３２の内径面に凹部を設け、この凹部と、第２中間歯車２５の小径外周面２５ａに設けた凸部とを嵌合するようにしても良い。内輪３２の外径面には、ローラ３３と接触する複数のカム面３７が形成される。図示例では、内輪３２の外径面が正八角形断面に形成され、この正八角形断面を構成する各平面がカム面３７として機能する。このようなカム面３７が内輪３２の外径面に形成されていることにより、外輪３１の真円状内径面と内輪３２の外径面（カム面３７）との間に正逆両回転方向で半径方向の幅を縮小させた複数の楔隙間３９が形成されている。

保持器３４は、軸方向に延びて外輪３１と内輪３２との間に介在する円筒状の保持部３４ａと、保持部３４ａの一端から外径側に延びるフランジ部３４ｂとを一体に備える。保持部３４ａには、円周方向等間隔でローラ３３を収容するためのポケット３４ｃが設けられ、フランジ部３４ｂの端面（反第１中間歯車２４側の端面）には、制動部材５０のフランジ部５０ａと摺接する摺動面３６が設けられている。

弾性部材３５は、例えばリングばねで構成される。弾性部材３５は、その一端を保持器３４の保持部３４ａに固定し、他端を内輪３２の一端面に設けた切欠き３２ａに固定することにより、内輪３２と保持器３４の間に介装される。この弾性部材３５の取り付けに際しては、弾性部材３５を自然状態から拡径もしくは縮径させて保持器３４と内輪３２にそれぞれ取り付け、取り付け後は、その弾性力によって保持器３４と内輪３２とに回転方向の位相ずれをもたせる。ここでは、図６に示すように、弾性部材３５の弾性力によって保持器３４が内輪３２に対して正回転方向（同図中、反時計回りの方向）に常時付勢され、保持器３４に押されたローラ３３が楔隙間３９の正回転方向側に常時付勢されている。

次いで、図７および図８に、ワンウェイクラッチ４０を設けた遊星歯車体２６を拡大して示す。ワンウェイクラッチ４０は、上記したツーウェイクラッチ３０と同様に、外輪、内輪、係合子としてのローラ、保持器および弾性部材を備えており、本実施形態では、内輪、保持器および弾性部材が、ツーウェイクラッチ３０のそれらとは異なる構成を有している。従って、ここでは、ワンウェイクラッチ４０を構成する外輪およびローラについてはツーウェイクラッチ３０のそれらと同一の符号を付して説明を省略し、内輪、保持器および弾性部材についてのみ詳細に説明を行う。

ワンウェイクラッチ４０の内輪４２の外径面には、カム面４７と、カム面４７よりも内径側に後退した逃げ部４８とが円周方向で交互に形成されている。各カム面４７は、外輪３１の真円状内径面との間に、正回転方向（図８中、反時計回りの方向）で半径方向の幅を縮小させた楔隙間４９を形成している。一方、各逃げ部４８は、外輪３１の真円状内径面との間に楔隙間４９よりも幅広の半径方向隙間を形成しており、この半径方向隙間の隙間幅は、ローラ３３の直径よりも大きく設定される。かかる構成から、ローラ３３は、正回転方向でのみ外輪３１および内輪４２と楔係合し、逆回転方向では外輪３１および内輪４２と楔係合しない。ローラ３３が正回転方向で外輪３１および内輪４２と楔係合した状態が本発明でいう「ロック状態」に相当し、外輪３１および内輪４２と楔係合していない状態が「ロック解除状態」に相当する。

保持器４４は、軸方向に延びて外輪３１と内輪４２との間に介在する円筒状の保持部４４ａと、保持部４４ａの一端から外径側に延びるフランジ部４４ｂとを一体に備える。保持部４４ａには、円周方向等間隔でローラ３３を収容するためのポケット３４ｃが設けられ、フランジ部４４ｂの反第１中間歯車２４側の端面には、制動部材５０のフランジ部５０ａと摺接する摺動面３６が設けられている。この保持器４４とツーウェイクラッチ３０の保持器３４とでは、フランジ部の軸方向寸法が異なっている。詳しくは、保持器３４のフランジ部３４ｂの軸方向寸法をＴ１（図５を参照）、保持器４４のフランジ部４４ｂの軸方向寸法をＴ２とすると、Ｔ１＜Ｔ２の関係式が成立するように各フランジ部３４ｂ，４４ｂの軸方向寸法が設定される。なお、詳細な図示は省略しているが、各遊星歯車体２６を構成する第１中間歯車２４は同一構造を有し、かつ同一の平面上（軸直交平面）に配置されている。従って、遊星歯車機構２０において、ワンウェイクラッチ４０の保持器４４の摺動面３６の方が、ツーウェイクラッチ３０の保持器３４の摺動面３６よりも反モータ１０側に位置する。

弾性部材４５は、例えばリングばねで構成される。弾性部材４５は、その一端を保持器４４の保持部４４ａに固定し、他端を内輪４２の一端面に設けた切欠き４２ａに固定することにより、内輪４２と保持器４４の間に介装される。この弾性部材４５の取り付けに際しては、弾性部材４５を自然状態から拡径もしくは縮径させて保持器４４と内輪４２にそれぞれ取り付け、取り付け後は、その弾性力によって保持器４４と内輪３２とに回転方向の位相ずれをもたせる。ここでは、図８に示すように、弾性部材４５の弾性力によって保持器４４が内輪４２に対して正回転方向（図８中、反時計回りの方向）に常時付勢され、保持器４４に押されたローラ３３が、楔隙間４９の正回転方向側に常時付勢されている。このように、ワンウェイクラッチ４０を構成する弾性部材４５の基本構造および取り付け態様は、ツーウェイクラッチ３０を構成する弾性部材３５のそれらと同様であるが、弾性部材４５の弾性力は、弾性部材３５のそれよりも小さく設定されている。

以上の構成を有する遊星歯機構２０（ハブモータ装置１）は、以下に示す態様で動作する。

ハブモータ装置１の停止状態（自転車の停止状態）において、ツーウェイクラッチ３０の保持器３４およびローラ３３は、弾性部材３５の弾性力により楔隙間３９の正回転方向に変位し（図６参照）、また、ワンウェイクラッチ４０の保持器４４およびローラ３３は、弾性部材４５の弾性力により楔隙間４９の正回転方向に変位している（図８参照）。自転車の運転走行開始時等、ペダル１００の踏力が設定値を超えることによってモータ１０が駆動され、モータ１０の回転トルクが太陽歯車２１を介して各クラッチ３０，４０を構成する第１中間歯車２４に入力されると、第１中間歯車２４及び外輪３１は正回転方向に一体的に回転し、ローラ３３が外輪３１および内輪３２，４２と正回転方向で楔係合してロックされる（正回転ロック状態）。これにより、モータ１０の回転トルクが第２中間歯車２５（内輪３２）ひいては内歯車２２に対して伝達可能となる。従って、この状態でモータ１０が引き続き駆動されると、その回転トルクは、太陽歯車２１および全ての遊星歯車体２６を介して内歯車２２に伝達され、内歯車２２と一体的に設けられたハブ３および前輪が回転する（図３を参照）。

次いで、図４に示すように、例えばペダル１００の踏力が設定値以下となってモータ１０が停止し、各第１中間歯車２４および外輪３１への正回転方向のトルク入力が中断されると、前輪およびハブ３の慣性回転により、各第２中間歯車２５および内輪３２，４２は同方向に回転しようとする。この回転方向はツーウェイクラッチ３０およびワンウェイクラッチ４０の空転方向であるため、ハブ３の回転トルク（逆入力トルク）は内歯車２２→各遊星歯車体２６を構成する第２中間歯車２５に伝達されるだけであって、第１中間歯車２４や太陽歯車２１に伝達されない。従って、この状態では、内歯車２２は、太陽歯車２１に対して空転する（空転回転状態）。

（モータ１０の停止状態で）ブレーキレバーが握り込まれると、前輪に制動力が付与されるのと同時に、制動部材５０が遊星歯車体２６に対して接近移動し、制動部材５０のフランジ部５０ａがクラッチ３０，４０を構成する保持器３４，４４の摺動面３６に押し当てられる（図９を参照）。このように、制動部材５０のフランジ部５０ａがクラッチ機構３０，４０を構成する保持器３４，４４の摺動面３６に押し当てられると、保持器３３，４４に作用する回転制動力（摺動面３６とフランジ部５０ａとの間に生じる摩擦力）によって保持器３４，４４に回転遅れが生じ、両クラッチ３０，４０において保持器３４，４４が内輪３２，４２に対して逆回転方向に相対回転する。その結果、ツーウェイクラッチ３０においては、楔隙間３９におけるローラ３３の噛み込み位置が楔隙間３９の正回転方向側から逆回転方向側に切り替わり、各ローラ３３は、楔隙間３９の逆回転方向側で外輪３１および内輪３２と楔係合してロックされる（逆回転ロック状態。図１０を参照）。このとき、ワンウェイクラッチ４０においては、各ローラ３３と外輪３１および内輪４２との正回転方向での楔係合が解除され、各ローラ３３が、内輪４２の逃げ部４８と外輪３１の内径面とで形成される半径方向隙間に収容される（ワンウェイクラッチ４０は、ロック状態からロック解除状態に切り替わる）。このように、各ローラ３３が半径方向隙間に収容されることによってロック解除状態になると、正逆両回転方向においてトルク伝達が行われなくなる。

以上の構成から、遊星歯車機構２０が逆回転ロック状態になると、内歯車２２に入力される逆入力トルクが、遊星歯車機構２０に設けた遊星歯車体２６のうち、一の遊星歯車体２６に設けたツーウェイクラッチ３０を介して太陽歯車２１に伝達可能となり、これに伴ってモータ１０の回転軸１３が回転して電力回生がなされる。

そして、ブレーキレバーの握り込みが解放され、制動部材５０が遊星歯車体２６に対して離反移動すると、保持器３４，４４の回転遅れがなくなる。これにより、両クラッチ３０，４０において、保持器３４，４４は、弾性部材３５，４５の弾性力によって内輪３２，４２に対して正回転方向に相対回転する。その結果、ツーウェイクラッチ３０では、楔隙間３９におけるローラ３３の噛み込み位置が楔隙間３９の逆回転方向側から正回転方向側に切り替わり、また、ワンウェイクラッチ４０では、楔隙間４９にローラ３３が噛み込んで、外輪３１（第１中間歯車２４）から内輪４２（第２中間歯車２５）へのトルク伝達が許容されるロック状態に切り替わる。すなわち、ブレーキレバーの握り込みが解放され、制動部材５０が遊星歯車体２６に対して離反移動すると、遊星歯車機構２０は、逆回転ロック状態から空転回転状態に切り替わる。

以上で説明したように、本発明にかかる遊星歯車機構２０では、適当な切り替え操作（ここではブレーキ操作）により、空転回転状態および逆回転ロック状態の何れか一方から他方への切り替えが実行される。そのため、ハブモータ装置１等、出力側であるハブ３に入力される逆入力トルクを入力側であるモータ１０に伝達することによって電力回生が実行される用途においては、空転回転状態から逆回転ロック状態へと適宜切り替えることで電力回生を適切に実行することができる。

また、本実施形態では、上記したように、ツーウェイクラッチ３０を構成する保持器３４のフランジ部３４ｂの軸方向寸法Ｔ１と、ワンウェイクラッチ４０を構成する保持器４４のフランジ部４４ｂの軸方向寸法Ｔ２との間に、Ｔ１＜Ｔ２の関係式が成立するように各フランジ部３４ｂ，４４ｂの軸方向寸法を設定した。これにより、ブレーキレバーを握り込んで制動部材５０を保持器３４，４４に対して接近移動させたときには、ツーウェイクラッチ３０の保持器３４およびワンウェイクラッチ４０の保持器４４のうち、ワンウェイクラッチ４０の保持器４４に対して優先的に回転遅れが与えられる。言い換えると、ツーウェイクラッチ３０を設けた両中間歯車２４，２５間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチ４０がロック状態からロック解除状態に切り替わる。

もちろん、これとは逆に、ワンウェイクラッチ４０がロック状態からロック解除状態に切り替わるのに先立って、ツーウェイクラッチ３０を設けた両中間歯車２４，２５間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えることも可能である。しかしながら、このようにすると、一時的に両回転方向のトルク伝達が可能な状態となって、回転トルクを円滑に伝達できない（回転方向の切り替えを適切に実行できない）可能性が高まる。従って、本実施形態のように、ツーウェイクラッチ３０を設けた両中間歯車２４，２５間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチ４０がロック状態からロック解除状態に切り替わるようにしておけば、回転トルクを常に円滑に伝達することができる。

これに加えて、本実施形態では、ワンウェイクラッチ４０を構成する弾性部材４５として、ツーウェイクラッチ３０を構成する弾性部材３５よりも小さな弾性力を有するものを使用するようにしたため、ツーウェイクラッチ３０の回転方向切り替えが実行されるのに先立ってのワンウェイクラッチ４０のロック状態からロック解除状態への切り替えが一層円滑に行われる。そのため、回転トルクを一層円滑に伝達することができる。

なお、ツーウェイクラッチ３０を設けた両中間歯車２４，２５間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチ４０がロック状態からロック解除状態に切り替わるようにするためには、ワンウェイクラッチ４０の弾性部材４５としてツーウェイクラッチ３０の弾性部材３５よりも小さな弾性力を有するものを使用するという手段、もしくは両クラッチ３０，４０のうちワンウェイクラッチ４０の保持器４４に対して優先的に回転遅れを与えるという手段の何れか一方のみを採用することでも達成することができる。

本実施形態では、遊星歯車機構２０を構成する３つの遊星歯車体２６のうち、一の遊星歯車体２６にツーウェイクラッチ３０を設け、残り二つの遊星歯車体２６にワンウェイクラッチを設けた。このような構成を採用したのは、一般に、電力回生を実行する際に必要とされるモータ１０の回転トルクは、補助動力を付与する際に必要とされる回転トルクに比べて小さくて済み、ツーウェイクラッチ３０を備えた遊星歯車体２６は最小限で足りるからである。もちろん、遊星歯車機構２０を構成する３つの遊星歯車体２６のうち、二つの遊星歯車体２６にツーウェイクラッチ３０を設けると共に、残り一つの遊星歯車体２６にワンウェイクラッチ４０を設けるようにしても良い。

また、以上では、３つの遊星歯車体２６を備えた遊星歯車機構２０に本発明を適用したが、本発明は、２つ又は４つ以上の遊星歯車体２６を備えた遊星歯車機構２０にも適用することができる。

１ ハブモータ装置
２ 車軸
３ ハブ
１０ モータ
２０ 遊星歯車機構
２１ 太陽歯車
２２ 内歯車
２４ 第１中間歯車
２５ 第２中間歯車
２６ 遊星歯車体
３０ ツーウェイクラッチ
３１ 外輪
３２、４２ 内輪
３３ ローラ（係合子）
３４、４４ 保持器
３５、４５ 弾性部材
３７、４７ カム面
３９、３９ 楔隙間
４０ ワンウェイクラッチ
４８ 逃げ部
５０ 制動部材
１００ ペダル
１１２ ブレーキ
Ａ 人力駆動系
Ｂ 電動駆動系

Claims (7)

1. 入力側に設けられる太陽歯車と、出力側に設けられる内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数介設された遊星歯車体とを備え、
   入力側の回転トルクを内歯車に伝達可能な正回転ロック状態、入力側の停止時に内歯車を太陽歯車に対して空転させる空転回転状態、又は入力側の停止状態で出力側が回転するのに伴って内歯車に入力される回転トルクを太陽歯車に伝達可能な逆回転ロック状態、の何れか一つの状態に切り替え可能とされ、切り替え操作により、空転回転状態および逆回転ロック状態の何れか一方から他方への切り替えが実行される遊星歯車機構であって、
   各遊星歯車体は、太陽歯車および内歯車に夫々噛合した第１および第２中間歯車を有し、
   少なくとも一の遊星歯車体を構成する両中間歯車の間に、両中間歯車の間で何れか一方から他方へのトルク伝達を選択的に許容し、かつ前記切り替え操作により、両中間歯車間でのトルク伝達方向が切り替えられるツーウェイクラッチを設けると共に、
   他の遊星歯車体を構成する両中間歯車の間に、第１中間歯車から第２中間歯車へのトルク伝達を許容し、かつ前記切り替え操作により、第１中間歯車から第２中間歯車へのトルク伝達を許容するロック状態又はトルク伝達を許容しないロック解除状態が切り替えられるワンウェイクラッチを設けたことを特徴とする遊星歯車機構。
2. ツーウェイクラッチは、第１中間歯車に設けられる外輪と、第２中間歯車に設けられる内輪と、外輪と内輪の間に配置された複数の係合子と、各係合子を外輪および内輪と正逆両回転方向で楔係合させる複数のカム面と、係合子を保持する保持器と、保持器に弾性力を付与する弾性部材とを備え、
   保持器に付与した弾性力で係合子を常時正回転方向に付勢し、かつ保持器に回転遅れを与え、正回転方向に楔係合した係合子を逆回転方向の楔係合に切り替えることで、両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられる請求項１に記載の遊星歯車機構。
3. ワンウェイクラッチは、第１中間歯車に設けられる外輪と、第２中間歯車に設けられる内輪と、外輪と内輪の間に配置された複数の係合子と、各係合子を外輪および内輪と正回転方向でのみ楔係合させる複数のカム面と、係合子を保持する保持器と、保持器に弾性力を付与する弾性部材とを備え、
   保持器に付与した弾性力で係合子を常時正回転方向に付勢し、かつ保持器に回転遅れを与え、正回転方向に楔係合した係合子の楔係合状態を解除することで、前記ロック状態から前記ロック解除状態に切り替えられる請求項１又は２に記載の遊星歯車機構。
4. ツーウェイクラッチを設けた両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチの前記ロック状態から前記ロック解除状態への切り替えが実行される請求項１〜３の何れか一項に記載の遊星歯車機構。
5. ワンウェイクラッチの弾性部材として、ツーウェイクラッチの弾性部材よりも小さな弾性力を有するものを使用することにより、ツーウェイクラッチを構成する両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチの前記ロック状態から前記ロック解除状態への切り替えが実行される請求項４に記載の遊星歯車機構。
6. 両クラッチのうちワンウェイクラッチの保持器に対して優先的に回転遅れを与えることにより、ツーウェイクラッチを設けた両中間歯車間におけるトルク伝達方向が正回転方向から逆回転方向に切り替えられるのに先立って、ワンウェイクラッチの前記ロック状態から前記ロック解除状態への切り替えが実行される請求項４に記載の遊星歯車機構。
7. ペダル踏力を受けて後輪が駆動し、ペダル踏力が設定値を超えたとき、モータの回転トルクを受けて前輪が駆動される電動補助自転車用のハブモータ装置であって、
   前輪を車軸に対して回転可能に支持する筒状のハブに、モータ、およびモータの回転トルクを減速してハブに伝達する減速機構が内蔵されてなるものにおいて、
   減速機構として、請求項１〜６の何れか一項に記載の遊星歯車機構を用いたことを特徴とする電動補助自転車用のハブモータ装置。

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