JP5634918B2 - 電動補助自転車用のハブモータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動補助自転車用のハブモータ装置の改良に関する。

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いる。この電動補助自転車においては、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）に、上記のモータ、及び当該モータの回転トルクを減速してフロントハブに伝達する減速機構が内蔵されており、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たときには、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。これにより、モータの回転トルクが減速機構を介してフロントハブ（前輪）に伝達されるので、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

上記のとおり、前輪アシストタイプの電動補助自転車には、フロントハブ内にモータ及び減速機構を内蔵してなるハブモータ装置が装備されているが、従来のハブモータ装置においては、モータ、減速機構及びフロントハブが直接的に連結されているのが一般的である。このような構成のハブモータ装置を装備した電動補助自転車において、例えばバッテリー切れとなった場合には、電動アシスト機能を具備せず、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るという問題がある。

すなわち、従来のハブモータ装置では、モータ、減速機構及びフロントハブが直接的に連結されている構成上、バッテリー切れとなり乗員によるペダルの踏力のみで自転車を運転走行させるような場合においても、前輪の回転はフロントハブ及び減速機構を介してモータ（モータの回転軸）に伝達される。そのため、乗員は減速機構やモータ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、例えば手押し走行させる場合でも、フロントハブ（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るという問題がある。

かかる実情に鑑み、本発明の目的は、バッテリー切れ時等、モータが駆動されない状況下においてもトルクロスが生じるのを可及的に防止し得るハブモータ装置を提供し、これにより、前輪アシストタイプの電動補助自転車の取り回し性を向上することにある。

上記の目的を達成すべく創案された本発明は、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す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、及び該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、減速機構が、モータの回転軸に設けられた太陽歯車と、ハブの内径部に設けられた内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数介設され、太陽歯車に噛合した第１中間歯車及び内歯車に噛合した第２中間歯車を有する遊星歯車体とを備え、かつ少なくとも一つの遊星歯車体に、第１中間歯車から第２中間歯車へのトルク伝達のみを許容するワンウェイクラッチ機構を設けると共に、ワンウェイクラッチを設けた遊星歯車体を除く遊星歯車体の少なくとも一つに、第１中間歯車と第２中間歯車と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可能なツーウェイクラッチ機構を設けたことにより、モータの回転トルクをハブに対して出力可能な正回転ロック状態、モータの停止時にハブを前記モータの回転軸に対して空転させる空転回転状態、又はモータの停止時に前輪が正回転するのに伴ってハブに入力される回転トルクをモータに対して出力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に構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、減速機構を空転回転状態としておくことにより、モータが停止した状態で自転車を前進させるとき、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、あるいは、（３）手押しで自転車を前進させるとき等に、ハブがモータの回転軸に対して空転する。すなわち、モータが停止した状態では、ハブとモータの回転軸とが共回りするのを防止することができる。これにより、モータの停止状態でモータや減速機構でトルクロスが生じるのを回避することができるので、従来のハブモータ装置を装備させた場合に比べて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る。

上記構成において、モータの停止状態で前輪が正回転（自転車を前進させる方向の回転）するとき、減速機構は、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構成することができる。これにより、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、前輪が正回転するのに伴ってモータや減速機構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、常時ハブモータ装置内での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。

上記構成において、減速機構を正回転ロック状態と空転回転状態とに（自動的に）切り替え可能とするための具体的手段として、減速機構を、モータの回転軸に設けられた太陽歯車と、ハブの内径部に設けられた内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数介設され、太陽歯車に噛合した第１中間歯車及び内歯車に噛合した第２中間歯車を有する遊星歯車体とを備えるものとし、かつ、少なくとも一つの遊星歯車体に、第１中間歯車から第２中間歯車への（一方向の）トルク伝達のみを許容するワンウェイクラッチ機構を設けることが考えられる。すなわち、上記構成を実現するための具体的手段としては、（Ａ）太陽歯車と内歯車の間に介設する複数の遊星歯車体のうち、一又は全部ではない複数の遊星歯車体にワンウェイクラッチ機構を設けると共に、残余の遊星歯車体にワンウェイクラッチ機構を設けない構成、あるいは（Ｂ）太陽歯車と内歯車の間に介設する複数の遊星歯車体の全てにワンウェイクラッチ機構を設ける構成、の何れかとすることができる。但し、上記（Ａ）の構成を採用する場合、ワンウェイクラッチ機構を設けない遊星歯車体においては、第１中間歯車と第２中間歯車とを両方向に相対回転自由に構成しておく。

上記（Ａ）（Ｂ）の何れの構成を採用しても、ワンウェイクラッチ機構を有する遊星歯車体の第１中間歯車に、太陽歯車を介してモータの回転トルクが入力されたときには、クラッチのロック方向となって第２中間歯車へのトルク伝達が行なわれる（正回転ロック状態）。一方、ワンウェイクラッチ機構を有する遊星歯車体の第２中間歯車に、内歯車を介して前輪の正回転方向の回転トルクが入力されてもクラッチの空転方向となることから、第１中間歯車、ひいてはモータの回転軸にトルク伝達が行なわれない（空転回転状態）。また、上記（Ａ）の構成を採用する場合、ワンウェイクラッチ機構を設けない遊星歯車体においては、第１中間歯車と第２中間歯車とを両方向に相対回転自由に構成しておけば、前輪の正回転方向の回転トルクが入力されてもモータの回転軸にトルクは伝達されない。上記（Ａ）の構成を採用する場合、ワンウェイクラッチ機構を有さない遊星歯車体が存在する関係上、上記（Ｂ）の構成を採用する場合に比べて減速機構の構造を簡略化することができるので、ハブモータ装置の低コスト化を図る上で有利となる。なお、上記（Ａ）の構成を採用する場合、伝達すべき回転トルクよりもワンウェイクラッチ機構の許容トルクの総和が大きくなるようにワンウェイクラッチ機構を有する遊星歯車体の最小個数を決定付けるのが肝要である。

かかる構成において、第１中間歯車は、その直径が第２中間歯車の直径よりも大きいものを用いることができる。このような構成によれば、モータの回転トルクを高い減速比で減速した上でハブに伝達することができるので、大きな補助動力が得られる。

ところで、上記特許文献１にも記載されているように、この種の電動補助自転車には、バッテリー切れとなるのを可及的に防止することを目的として、いわゆる電力回生機構が設けられる場合がある。この種の電力回生機構における電力回生は、モータに入力される逆入力トルク、すなわち、前輪が正回転するのに伴ってハブ及び減速機構を介してモータに入力されるトルクを受けてモータの回転軸が回転することにより実行されるのが一般的である。

上記した本発明に係るハブモータ装置において、減速機構は、さらに、モータの停止時に、前輪が正回転するのに伴ってハブに入力される回転トルクをモータに対して出力可能な逆回転ロック状態に切り替え可能に構成することもできる。このような構成によれば、減速機構を逆回転ロック状態にしたとき、前輪が正回転するのに伴ってハブに入力される回転トルクがモータに伝達されることでモータの回転軸が回転し、電力回生を実行することができる。

減速機構の正回転ロック状態と逆回転ロック状態との切り替えは、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、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たときに、正回転ロック状態あるいは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が解除されたときに、逆回転ロック状態から正回転ロック状態あるいは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。

減速機構を正回転ロック状態と逆回転ロック状態とに切り替え可能とするための具体的手段の一例として、減速機構を、モータの回転軸に設けられた太陽歯車と、ハブの内径部に設けられた内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数介設され、太陽歯車に噛合した第１中間歯車及び内歯車に噛合した第２中間歯車を有する遊星歯車体とを備えるものとし、かつ、少なくとも一つの遊星歯車体に、第１中間歯車と第２中間歯車と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可能なツーウェイクラッチ機構を設けることが考えられる。

より具体的な一例を挙げると、複数の遊星歯車体のうち、一の遊星歯車体に、第１中間歯車体と第２中間歯車体と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可能なツーウェイクラッチ機構を設け、残余の遊星歯車体に、第１中間歯車から第２中間歯車への（一方向の）トルク伝達のみを許容するワンウェイクラッチ機構を設けることが考えられる。

一般に、電力回生を実行する際に必要とされるモータの回転トルクは、前輪に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機構を備えた遊星歯車体は最小限で足りる。これにより、ワンウェイクラッチ機構に比べて構造が複雑となり易いツーウェイクラッチ機構を備えた遊星歯車体を最小限としてコストの増大を可及的に抑制しながら、自転車を軽快に運転走行させることができ、さらには電力回生を適切に実行することができる。

この場合においても、第１中間歯車として、その直径が第２中間歯車の直径よりも大きいものを用いることができる。

以上に示したように、本発明に係る電動補助自転車用のハブモータ装置によれば、バッテリー切れ等、モータが駆動されない状況下においてもその内部機構でトルクロスが生じるのを可及的に防止することができる。これにより、いわゆる前輪アシストタイプの電動補助自転車の取り回し性を向上することができる。

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。 本発明の一実施形態に係るハブモータ装置の断面図である。 正回転ロック状態における図２のＹ１−Ｙ１線矢視断面図である。 空転回転状態における図２のＹ１−Ｙ１線矢視断面図である。 図２の要部拡大図であり、減速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機構を備えた遊星歯車体が正回転ロック状態にあるときの断面図である。 図５のＹ２−Ｙ２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。 減速機構の逆回転ロック状態を示すものであり、図７のＹ３−Ｙ３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、本発明に係るハブモータ装置１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に加えられた踏力を後輪の車軸１０４に伝達する人力駆動機構Ａと、前輪を電動駆動させるための電動駆動機構Ｂとを備える。

人力駆動機構Ａでは、ペダル１００に加えられた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。

電動駆動機構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からハブモータ装置１のモータ１０に電力が供給され、モータ１０が駆動するようになっている。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、電動駆動機構Ｂを作動させるか否か、言い換えると人力駆動機構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電動駆動機構Ｂが作動して補助動力が得られるが、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１１１残量がゼロになるのを可及的に防止するためにいわゆる電力回生機構を有する。ここでは、モータ１０の停止状態で前輪が正回転（自転車を前進させる方向の回転。以下同様。）している最中に、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、前輪が正回転するのに伴ってハブモータ装置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。

次に、ハブモータ装置１について詳述する。

図２に、本発明の一実施形態に係るハブモータ装置１の断面図（軸平行断面図）を示す。同図に示すハブモータ装置１は、図１に示す前輪アシストタイプの電力回生機構付き電動補助自転車に装備される（当該自転車の駆動系統を構成する）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２０が内蔵されて主要部が構成されている。ハブ３は、転がり軸受４ａ，４ｂによっ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４０が挿通されている。なお、制動部材４０の動作態様等は後に詳述する。

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減速機構２０の一部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。

図３及び図４に示すように、減速機構２０はいわゆる遊星歯車機構であり、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とを主要部として構成される。ここで、遊星歯車体２６は円周方向の３箇所に等間隔で配設され、また、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、ひいては当該減速機構２０内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に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の回転軸１３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減速機構２０は、少なくとも、モータ１０の駆動トルク（回転軸１３の回転トルク）をハブ３に対して出力可能な正回転ロック状態（図３を参照）と、モータ１０の停止時に、ハブ３をモータ１０の回転軸１３に対して空転させる（前輪が正回転するのに伴ってハブ３に入力される回転トルクをモータ１０に対して出力しない）空転回転状態（図４を参照）とに切り替え可能となっている。図３に示す正回転ロック状態では、モータ１０の回転軸１３が回転（ここでは時計回りに回転）すると、回転軸１３の回転トルクは、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る前輪が正回転方向（図中反時計回り）に回転する。一方、図４に示す空転回転状態では、前輪が正回転するのに伴ってハブ３に入力される回転トルクは、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（モータ１０の回転軸１３）へは伝達されない。従って、空転回転状態では、ハブ３がモータ１０の回転軸１３に対して空転する。

このような構成から、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、あるいは、（３）手押しで自転車を前進させるとき等に、ハブ３がモータ１０の回転軸１３に対して空転する。すなわち、モータ１０が停止した状態では、ハブ３とモータ１０の回転軸１３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１０の停止状態でモータ１０や減速機構２０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、本発明のハブモータ装置１を装備した前輪アシストタイプの電動補助自転車であれば、従来のハブモータ装置を装備した電動補助自転車に比べて取り回し性が向上する。

以上に示したハブモータ装置１が装備される電動補助自転車は電力回生機構を有するものであることから、減速機構２０は、さらに、モータ１０の停止時に前輪が正回転するのに伴ってハブ３に入力される回転トルクをモータ１０に対して出力する逆回転ロック状態に切り替え可能となっている。すなわち、減速機構２０が逆回転ロック状態となったときには、図３に示す正回転ロック状態とは真逆の経路を介してハブ３に入力される回転トルクがモータ１０の回転軸３に伝達される。これにより、モータ１０の回転軸３が回転し、電力回生がなされる（バッテリー１１１が充電される）。

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への切り替えは、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との間に画成される環状空間Ｇ（図５参照）に、クラッチ機構を設けたことによって実現される。本実施形態では、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の環状空間Ｇに、第１中間歯車２４と第２中間歯車２５と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可能とするツーウェイクラッチ機構３０を設けると共に、残り二つの遊星歯車体２６の環状空間に、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機構を設けたことにより、減速機構２０が正回転ロック状態、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となる。

以下、図５〜図８を参照しながら、減速機構２０を構成する複数（３つ）の遊星歯車体２６のうち、一の遊星歯車体２６の環状空間Ｇに設けたツーウェイクラッチ機構３０について詳述する。

図５に、ツーウェイクラッチ機構３０を有する遊星歯車体２６を拡大して示す。ツーウェイクラッチ機構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の間に配置されたトルク伝達部材（係合子）としての複数のローラ３３と、複数のローラ３３を円周方向所定間隔で保持する保持器３４と、保持器３４の回転方向位相を制御する弾性部材３５とを組み合わせることで構成される。

外輪３１は、例えば金属材料で環状に形成され、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、例えば金属材料で環状に形成され、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、図６に示すように、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の内周面と内輪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３８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４０と摺接する摺動面３４ｄが設けられている。ポケット３４ｃとローラ３３の外周面との間の隙間は、ローラ直径の１／２０以下の正隙間に設定される。ポケット３４ｃとローラ３３の外周面との間の隙間が正隙間に設定される構成上、例えば保持部３４ａのポケット内面に円周方向に突出する突起を設けることによって、ポケット３４ｃからのローラ３３の脱落を防止するのが望ましい。

制動部材４０は、図２に示したように、中空の第２車軸２ｂの内周に挿通された断面Ｔ字形状の部材であり、径方向に延び、保持器３４の摺動面３４ｄと軸方向に対向配置されたフランジ部４０ａを有する。そして、当該制動部材４０が保持器３４に対して接近移動することによってフランジ部４０ａが保持器３４の摺動面３４ｄに押し当てられると、摺動面３４ｄとフランジ部４０ａとが摺接し、保持器３４の回転が制動される。なお、制動部材４０の保持器３４に対する接近及び離反移動は、ブレーキ１１２（図１参照）の操作に連動して実行される。ここでは、ブレーキレバーを握り込むと制動部材４０が保持器３４に対して接近移動して（フランジ部４０ａが摺動面３４ｄに押し当てられて）保持器３４の回転が制動され、ブレーキレバーの握り込みを解放すると制動部材４０が保持器３４から離反移動して保持器３４の回転が許容される。

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に付勢され、保持器３４に押されたローラ３３が、楔隙間３８の正回転方向側に付勢されている。

以下、上記構成からなるツーウェイクラッチ機構３０を備えた遊星歯車体２６の動作態様について説明を行うが、この遊星歯車体２６を備えた減速機構２０（ハブモータ装置１）の動作態様についても併せて説明する。

第１中間歯車２４及び第２中間歯車２５が共に静止した状態（自転車の停止状態）では、保持器３４及びローラ３３は、弾性部材３５の弾性力により楔隙間３８の正回転方向に変位している（図６参照）。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、回転軸１３の回転トルクが太陽歯車２１を介して第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と楔係合してロックされる（正回転ロック状態）。これにより、外輪３１に入力される正回転方向の回転トルクが内輪３２に対して伝達可能となる。従って、この状態でモータ１０の回転軸１３が回転すると、その回転トルクが太陽歯車２１及び第１中間歯車２４を介して第２中間歯車２５、さらには内歯車２２に伝達され、ハブ３が正回転方向に回転する（図３を参照）結果、前輪に補助動力が付与される。なお、この正回転ロック状態は、機構的には内輪３２（第２中間歯車２５）に逆回転方向（図６中、時計回り方向）の回転トルクが入力された際、これを外輪３１（第１中間歯車２４）に伝達することもできる。

例えば、ペダル１００の踏力が設定値以下となることによってモータ１０が停止し、第１中間歯車２４及び外輪３１の正回転が中断されると、前輪およびハブ３の慣性回転により、内輪３２および第２中間歯車２５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機構３０の空転方向であるため外輪３１にトルクは伝達されず、第２中間歯車２５及び内輪３２は外輪３１に対して空転回転する（空転回転状態）。

この内輪３２の空転状態で、ブレーキレバーが握り込まれ、保持器３４の摺動面３４ｄに制動部材４０のフランジ部４０ａが押し当てられると（図７を参照）、保持器３４に回転遅れが生じ、保持器３４が内輪３２に対して逆回転方向に相対回転する。その結果、ローラ３３は、図８に示すように楔隙間３８の逆回転方向側に噛み込み、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）。これにより、内輪３２に入力される正回転方向の回転トルクが外輪３１に対して伝達可能となる。従って、モータ１０の停止時に前輪が正回転した状態でブレーキレバーが握り込まれると、前輪の回転トルクが内歯車２２及び第２中間歯車２５を介して第１中間歯車２４、さらには太陽歯車２１に伝達され、その結果、モータ１０の回転軸１３が回転して電力回生がなされる。

以上の構成において、減速機構２０を構成する残余（残り二つ）の遊星歯車体２６の環状空間には、上述のとおり、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機構が設けられていることから、残余の遊星歯車体２６においても、モータ１０が駆動されると第１中間歯車２４から第２中間歯車２５にトルクが伝達され、モータ１０の駆動力を受けてハブ３（前輪）が回転する（図３を参照）。一方、モータ１０の停止時に前輪が正回転するのに伴ってハブ３に正回転方向の回転トルクが入力されても、当該残余の遊星歯車体２６に設けられたワンウェイクラッチ機構では、第２中間歯車２５から第１中間歯車２４へのトルク伝達が行なわれないため、当該残余の遊星歯車体２６からモータ１０の回転軸１３に対してトルクは伝達されない（図４を参照）。

本実施形態では、減速機構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がツーウェイクラッチ機構３０を備えるものである一方、残り二つの遊星歯車体２６がワンウェイクラッチ機構を備えるものとした。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、前輪に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機構３０を備えた遊星歯車体２６（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な遊星歯車体２６）は最小限で足りるからである。これにより、ワンウェイクラッチ機構に比べて構造が複雑となり易いツーウェイクラッチ機構３０を備えた遊星歯車体２６を最小限としてコストの増大を可及的に抑制しながら、自転車を軽快に運転走行させることができ、さらには電力回生を適切に実行することができる。

もちろん、減速機構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がツーウェイクラッチ機構３０を備えたものにすると共に、残り一つの遊星歯車体２６がワンウェイクラッチ機構を備えたものにしても良い。また、複数の遊星歯車体２６の全てがツーウェイクラッチ機構３０を備えたものにしても良い。

また、以上では、電力回生機構付きの電動補助自転車に装備されるハブモータ装置１について説明を行ったが、本発明に係るハブモータ装置１は、電力回生機構を具備しない電動補助自転車にも好ましく装備することができる。なお、電力回生機構を具備しない電動補助自転車においては、前輪が正回転するのに伴ってハブ３に入力される回転トルクをモータ１０の回転軸１３に伝達する必要がなく、自転車を軽快に運転走行させることができれば足りるので、ハブモータ装置１の減速機構２０は、モータ１０の回転トルクがハブ３に伝達可能となる正回転ロック状態、又はモータ１０の回転軸１３に対してハブ３が空転回転する空転回転状態の何れかの状態に切り替え可能であれば良い。従って、電力回生機構を具備しない電動補助自転車に、本発明に係るハブモータ装置１を装備する場合、ハブモータ装置１の減速機構２０を構成する複数の遊星歯車体２６は、少なくとも一つが第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機構を備えるもので構成すれば足りる（図示省略）。

この場合、伝達すべき回転トルクの大きさとワンウェイクラッチ機構の許容トルクとを考慮し、“伝達すべき回転トルク”＜“ワンウェイクラッチ機構１個あたりの許容トルク容量”דワンウェイクラッチ機構の設置個数”の関係式が満たされるように、ワンウェイクラッチ機構を設けるべき遊星歯車体２６の個数を決定付ける。上記の関係式が満たされれば、モータ１０の回転トルクがハブ３に対して適切に伝達される。

なお、例えば、上述した実施形態のように、３つの遊星歯車体２６が設けられた構成において、１又は２つの遊星歯車体２６にのみワンウェイクラッチ機構を設ける（複数の遊星歯車体２６の全てにワンウェイクラッチ機構を設けない）ようにすれば、全ての遊星歯車体２６にワンウェイクラッチ機構を設ける場合に比べて減速機構２０、ひいてはハブモータ装置１の低コスト化を図る上で有効となる。すなわち、ワンウェイクラッチ機構を設けない遊星歯車体２６においては、第１中間歯車２４と第２中間歯車２５とを両方向に相対回転自由に構成しておけば足り、遊星歯車体２６、ひいては減速機構２０の構造を簡略化することができるからである。

１ ハブモータ装置
２ 車軸
３ ハブ
１０ モータ
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ 回転軸
２０ 減速機構
２１ 太陽歯車
２２ 内歯車
２３ 遊星歯車軸
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機構
３１ 外輪
３２ 内輪
３３ ローラ（トルク伝達部材）
３４ 保持器
３５ 弾性部材
３７ カム面
３８ 楔隙間
４０ 制動部材
１００ ペダル
１１０ トルク検出手段
１１１ バッテリー
１１２ ブレーキ
Ａ 人力駆動機構
Ｂ 電動駆動機構

Claims (4)

1. 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す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、前記モータ、及び該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、
   減速機構が、前記モータの回転軸に設けられた太陽歯車と、ハブの内径部に設けられた内歯車と、太陽歯車と内歯車の間に複数介設され、太陽歯車に噛合した第１中間歯車及び内歯車に噛合した第２中間歯車を有する遊星歯車体とを備え、かつ少なくとも一つの遊星歯車体に、第１中間歯車から第２中間歯車へのトルク伝達のみを許容するワンウェイクラッチ機構を設けると共に、前記ワンウェイクラッチを設けた遊星歯車体を除く遊星歯車体の少なくとも一つに、第１中間歯車と第２中間歯車と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可能なツーウェイクラッチ機構を設けたことにより、前記モータの回転トルクをハブに対して出力可能な正回転ロック状態、前記モータの停止時にハブを前記モータの回転軸に対して空転させる空転回転状態、又は前記モータの停止時に前輪が正回転するのに伴ってハブに入力される回転トルクを前記モータに対して出力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に構成されていることを特徴とする電動補助自転車用のハブモータ装置。
2. 第１中間歯車として、その直径が第２中間歯車の直径よりも大きいものが用いられている請求項１に記載の電動補助自転車用のハブモータ装置。
3. 前記正回転ロック状態と前記逆回転ロック状態との切り替えが、ブレーキ操作に連動して行われる請求項１又は２に記載の電動補助自転車用のハブモータ装置。
4. 複数の遊星歯車体のうち、一の遊星歯車体に、前記ツーウェイクラッチ機構を設け、残余の遊星歯車体に、前記ワンウェイクラッチ機構を設けた請求項１〜３の何れか一項に記載の電動補助自転車用のハブモータ装置。

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