JP6735807B2 - 駆動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、駆動ユニットに関する。

従来、ペダルクランク軸とアシストモーターとの間に変速機を備えたアシスト自転車が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２６０９７９号公報

上記特許文献１における変速機は、モーター側（入力側）のメイン軸に一対のドライブギヤを支持し、クランク側（出力側）のカウンタ軸に一対のドリブンギヤを支持している。一対のドリブンギヤは、それぞれワンウェイクラッチを介して支持されている。一対のドライブギヤの一方は、中継ギヤを介して対応するドリブンギヤに噛み合っている。中継ギヤを含むギヤ列は、中継ギヤを含まないギヤ列に対して、減速比を大きくする（低速寄りになる）とともに、ドリブンギヤの回転方向を反転させる。アシストモーターが回転（正転）すると、中継ギヤを含むギヤ列を介してカウンタ軸が回転する。このとき、中継ギヤを含まないギヤ列のドリブンギヤは、ワンウェイクラッチを介して空転する。カウンタ軸の回転速度が上昇した後、アシストモーターの回転を正転から逆転に切り替えると、中継ギヤを含まないギヤ列を介してカウンタ軸が回転する。
このように、上記従来の構成は、アシストモーターの回転を正転から逆転に切り替えることで、減速比を変更して変速を行うものである。このため、円滑に連続的な変速動作を行うことができないという課題がある。

そこで本発明は、円滑に連続的な変速動作を行うことが可能な変速機を備える駆動ユニットを提供することを目的とする。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、乗員のペダル踏力が付与されるペダルクランク軸（３）と、前記ペダルクランク軸（３）に入力されたトルクを検出して駆動力を発生する電気モーター（１５）と、前記電気モーター（１５）の駆動力を変速して前記ペダルクランク軸（３）に伝達する変速機（１１）と、を備える駆動ユニット（１０）であって、前記変速機（１１）は、複数のドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）を支持するメイン軸（１２）と、前記複数のドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）の各々に噛み合う複数のドリブンギヤ（２１ｂ〜２４ｂ）を支持するカウンタ軸（１３）と、を備え、前記変速機（１１）は、前記複数のドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）の中から一つのトルク伝達ギヤを選択して、前記電気モーター（１５）の駆動力を前記カウンタ軸（１３）に伝達するものであり、前記ドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）の回転方向を反転させることなく前記トルク伝達ギヤを切り替えることを特徴とする。
この構成によれば、電気モーターならびに変速機のメイン軸およびカウンタ軸が、変速前後で回転方向を反転させることなく、同一方向に回転しながら変速を行うことができるため、円滑に動作させることができる。すなわち、本願の駆動ユニットでは、従来のようにモーターを逆転することにより変速が行われる構成に比べて、乗員のペダル漕ぎのアシストを途切れさせることなく、円滑に連続的な変速動作を行うことができる。
請求項２に記載した発明は、前記電気モーター（１５）から前記ペダルクランク軸（３）への動力伝達経路上に、前記ペダルクランク軸（３）に入力されたペダルトルクの前記電気モーター（１５）側への伝達を遮断するワンウェイクラッチ（３６，３８，３９）を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、乗員のペダル漕ぎが増してペダルクランク軸の回転が速くなったときに、ペダルトルクが電気モーター側に伝達されて電気モーター等を回さないようにすることができるため、フリクションによるトルクロスを抑えることができる。
請求項３に記載した発明は、前記カウンタ軸（１３）から前記ペダルクランク軸（３）への伝達経路上に、前記ワンウェイクラッチ（３６，３８）を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、乗員のペダル漕ぎが増してペダルクランク軸の回転が速くなったときに、ペダルトルクが変速機側に伝達されて変速機を回さないようにすることができるため、フリクションによるトルクロスを抑えることができる。
請求項４に記載した発明は、前記カウンタ軸（１３）と同軸に前記ワンウェイクラッチ（３８）を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、カウンタ軸と同軸にワンウェイクラッチを配置することで、複数のギヤを有する変速機周辺の空きスペースを利用してワンウェイクラッチを配置可能となり、駆動ユニットの小型化を図ることができる。
請求項５に記載した発明は、前記カウンタ軸（１３）は、前記ペダルクランク軸（３）及び前記メイン軸（１２）よりも上方に配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、カウンタ軸をペダルクランク軸及びメイン軸よりも上方に配置することで、最低地上高を確保しやすくなり、かつ変速機からペダルクランク軸までの前後方向長さを抑えることができる。
請求項６に記載した発明は、前記メイン軸（１２）は、前記ペダルクランク軸（３）よりも下方に配置され、前記電気モーター（１５）の駆動軸（１６）は、前記メイン軸（１２）よりも上方に配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、メイン軸をペダルクランク軸よりも低く配置し、かつ電気モーターはメイン軸よりも上方に配置することで、駆動ユニット全体の前後方向長さを抑えて小型化を図ることができる。
請求項７に記載した発明は、前記電気モーター（１５）の駆動軸（１６）は、前記ペダルクランク軸（３）よりも前方に配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、ペダルクランク軸の後方に後輪が配置される構成において、電気モーターをペダルクランク軸よりも前方に配置することで、電気モーターを効率よく配置することができる。
請求項８に記載した発明は、前記メイン軸（１２）は、前記ペダルクランク軸（３）よりも前方に配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、ペダルクランク軸の後方に後輪が配置される構成において、メイン軸をペダルクランク軸よりも前方に配置することで、メイン軸を効率よく配置することができる。
請求項９に記載した発明は、前記変速機（１１）は、ギヤポジションセンサ（３１）を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、複数のギヤによる有段変速のギヤポジションを検出し、電気モーターの細やかな制御に利用することができる。
請求項１０に記載した発明は、前記ギヤポジションセンサ（３１）は、前記メイン軸（１２）よりも下方に配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、ギヤポジションセンサをメイン軸よりも下方に配置することで、複数のギヤを有する変速機周辺の空きスペースを利用してギヤポジションセンサを配置可能となり、駆動ユニットの小型化を図ることができる。
請求項１１に記載した発明は、前記電気モーター（１５）から前記メイン軸（１２）への伝達経路上に、減速ギヤ対（１９ｄ，２０ｄ，１２ｄ）を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、電気モーターの駆動力を適宜減速して調整した上で、変速機に伝達することができる。

本発明によれば、円滑に連続的な変速動作を行うことが可能な変速機を備える駆動ユニットを提供することができる。

本発明の実施形態における自転車の右側面図である。 上記自転車の駆動ユニットの右側面図である。 上記駆動ユニットの複数の回転軸の軸心を結ぶ断面図である。 上記駆動ユニットおよび後輪軸の回転方向を示す説明図である。 上記駆動ユニットおよび後輪軸のアシスト有り運転時のトルクフローを示す説明図である。 上記駆動ユニットおよび後輪軸のアシスト無し運転時のトルクフローを示す説明図である。 上記駆動ユニットの変速機の説明図であり、（ａ）はメイン軸の軸方向に沿う断面図、（ｂ）はドライブギヤおよびワンウェイクラッチをメイン軸の軸方向から見た側面図である。 上記変速機の変速用シャフト周辺の軸方向に沿う断面図であり、（ａ）は一速状態、（ｂ）は二速状態、（ｃ）は三速状態、（ｄ）は四速状態を示している。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明における前後左右等の向きは、特に記載が無ければ以下に説明する車両における向きと同一とする。また以下の説明に用いる図中適所には、車両前方を示す矢印ＦＲ、車両左方を示す矢印ＬＨ、車両上方を示す矢印ＵＰが示されている。

＜車両全体＞
図１に示すように、本実施形態の自転車１は、ペダルに加わる踏力に応じて電気モーター（アシストモーター）１５による補助動力を発生させる電動アシスト自転車である。自転車１は、車体フレーム４の下部に駆動ユニット１０を搭載し、かつ車体フレーム４のダウンチューブ４３に沿ってバッテリー５を搭載している。なお、駆動ユニット１０は、モーター出力のみで自転車１を走行させる原動機として用いてもよい。図中符号６は前輪、符号７は後輪、符号８はハンドル、符号９はシート、をそれぞれ示している。

車体フレーム４は、例えばアルミニウム合金製の複数のフレーム部材を溶接および締結等により一体に結合して構成されている。車体フレーム４は、前輪懸架系を操向可能に支持するヘッドパイプ４１と、ヘッドパイプ４１の上部から下後方に延びるトップチューブ４２と、ヘッドパイプ４１の下部からトップチューブ４２よりも急傾斜で下後方に延びるダウンチューブ４３と、トップチューブ４２及びダウンチューブ４３の後端部間に渡って上下に延びるシートチューブ４４と、トップチューブ４２の後端部の後方で左右に分岐し、トップチューブ４２よりもやや急傾斜で下後方に延びる左右シートステー４５と、ダウンチューブ４３の後端部の後方で左右に分岐し、略水平に後方へ延びる左右リヤステー４６と、を備えている。

トップチューブ４２の後端部はシートチューブ４４の上端部前側に結合され、ダウンチューブ４３の後端部はシートチューブ４４の下端部前側に結合され、シートチューブ４４の上端部後側には左右シートステー４５の前端部が結合されている。左右リヤステー４６の前端部は、例えば駆動ユニット１０の後端部を介してシートチューブ４４の下端部に結合されている。なお、左右リヤステー４６の前端部は、駆動ユニット１０を介さず、別途のフレーム部材（ロアブラケット）を介してシートチューブ４４の下端部に結合されてもよい。

駆動ユニット１０の電気モーター１５を制御するＰＣＵ（Power Control Unit）３０は、車体フレーム４のトップチューブ４２とシートチューブ４４との結合部の前下方に配置されている。電気モーター１５駆動用のバッテリー５は、ダウンチューブ４３の背面側に配置されている。ＰＣＵ３０およびバッテリー５は、車体フレーム４における側面視でヘッドパイプ４１、トップチューブ４２、ダウンチューブ４３およびシートチューブ４４に囲まれた領域内に配置されている。電気モーター１５および動力伝達機構１８を一体化した駆動ユニット１０は、ダウンチューブ４３の下部前側からシートチューブ４４の下端部に渡る部位に配置されている。

＜駆動ユニット＞
図２、図３に示すように、駆動ユニット１０は、ペダルクランク軸３の前上方に電気モーター１５を備えている。電気モーター１５は、ペダルクランク軸３と平行なモーター駆動軸１６を備えている。図３中線ＣＬは車両左右中心を示している。

駆動ユニット１０は、ペダルクランク軸３の前方で電気モーター１５の下後方に変速機１１を備えている。変速機１１は、ペダルクランク軸３と平行なメイン軸（モーター側入力軸）１２およびカウンタ軸（クランク側出力軸）１３を備えている。メイン軸１２は、ペダルクランク軸３と上下方向で略同一の高さ（詳細にはペダルクランク軸３よりも上下方向でやや下方）に配置されている。カウンタ軸１３は、メイン軸１２及びペダルクランク軸３よりも上下方向で上方に変位して配置されている。

駆動ユニット１０は、メイン軸１２およびモーター駆動軸１６の間に、ペダルクランク軸３と平行な第一中継軸１９および第二中継軸２０を備えている。第一中継軸１９は、モーター駆動軸１６の下後方に配置されている。第二中継軸２０は、第一中継軸１９よりもメイン軸１２側の中継軸であり、第一中継軸１９の下方に配置されている。第一中継軸１９、第二中継軸２０および変速機１１は、駆動ユニット１０の動力伝達機構１８を構成している。

図中符号Ｃ１はペダルクランク軸３の中心軸線、符号Ｃ２はモーター駆動軸１６の中心軸線、符号Ｃ３はメイン軸１２の中心軸線、符号Ｃ４はカウンタ軸１３の中心軸線、符号Ｃ５は第一中継軸１９の中心軸線、符号Ｃ６は第二中継軸２０の中心軸線、をそれぞれ示している。

ペダルクランク軸３、変速機１１、第一中継軸１９、第二中継軸２０および電気モーター１５は、ユニットケース２５内に収容、支持されている。
ユニットケース２５は、例えば左右方向で複数の分割体に分割されている。ユニットケース２５の各分割体は、それぞれ例えばアルミニウム合金で一体成形されている。具体的に、ユニットケース２５は、側面視で電気モーター１５からペダルクランク軸３に渡る範囲を形成する左ケース体２６と、側面視で変速機１１およびペダルクランク軸３に渡る範囲を形成する右ケース体２７と、左右ケース体２６，２７内に配置されて右ケース体２７とともに変速機ケース２７ａを形成する隔壁形成体２８と、左ケース体２６における側面視で電気モーター１５からメイン軸１２に渡る範囲を左方から覆う左ケースカバー２９と、に分割されている。

図１を併せて参照し、ユニットケース２５は、車体フレーム４のダウンチューブ４３の下部前側に設けられたマウントブラケット４７に固定、支持されている。マウントブラケット４７は、側面視でダウンチューブ４３の傾斜に沿うように並んだ一対の締結部４７ａを備えている。一対の締結部４７ａには、ユニットケース２５の前上部が、それぞれ車幅方向（左右方向）に沿うボルト等を介して締結固定されている。

図３を参照し、電気モーター１５は、例えば直流モーターであり、モーター駆動軸１６を一体回転可能に挿通するロータ１５ａと、ロータ１５ａの外周で左ケース体２６の前上部のモーター収容部２６ａ内に固定されるステータ１５ｂと、を有している。モーター収容部２６ａは左方に開放し、この開放部分にモーターカバー２６ｂが着脱可能に取り付けられている。

変速機１１は、メイン軸１２およびカウンタ軸１３に跨って支持された常時噛み合いの変速ギヤ群１４を備えている。変速ギヤ群１４は、変速機ケース２７ａ内（オイル室内）に配置され、変速機ケース２７ａ内に貯留されたオイルに適宜浸漬されている。

変速機１１のメイン軸１２には、電気モーター１５の駆動トルク（モータートルク、アシストトルク）が、第一中継軸１９および第二中継軸２０を介して入力される。変速機１１のカウンタ軸１３からは、変速ギヤ群１４を介して変速したモータートルクが、ペダルクランク軸３上に支持された伝動筒１７に出力される。変速機１１は、電気モーター１５からペダルクランク軸３への出力を変速する。これにより、電気モーター１５の定格回転数を利用して効率よくトルクを得るとともに、速度上昇持の騒音が抑えられる。なお、モーター出力で走行する車両とした場合、変速機１１は、出力部１７ｂら後輪７への出力を変速するものとなる。

メイン軸１２は中空をなし、このメイン軸１２内には、右端開口から変速用ロッド３３が軸方向移動可能に挿入されている。右ケース体２７における側面視でメイン軸１２の前下方に位置する部位には、変速用ロッド３３を軸方向移動させる変速用アクチュエータ３２が配置されている。変速用アクチュエータ３２は、例えばペダルクランク軸３と平行な駆動軸３２ａを有し、駆動軸３２ａとともにガイド溝部３２ｂを回転させて、変速用ロッド３３をストロークさせる。変速動作については後述する。

右ケース体２７における変速用アクチュエータ３２の右外側部には、ギヤポジションセンサ３１が配置されている。ギヤポジションセンサ３１は、変速用アクチュエータ３２の駆動軸３２ａの回転角度を検出する角度センサであり、ギヤポジションセンサ３１と同軸に配置されている。図中符号Ｃ７は変速用アクチュエータ３２およびギヤポジションセンサ３１の中心軸線を示している。

モーター駆動軸１６は、モーター収容部２６ａの左方に突出する左側部にピニオンギヤ１６ａを形成している。
第一中継軸１９は、ピニオンギヤ１６ａに噛み合う第一大径ギヤ１９ａを右側部に支持し、左側部に第一小径ギヤ１９ｂを支持している。第一中継軸１９は、後述する第四ワンウェイクラッチ３９を介して第一大径ギヤ１９ａを支持している。ピニオンギヤ１６ａおよび第一大径ギヤ１９ａは、第一減速ギヤ対１９ｄを構成している。

第二中継軸２０は、第一小径ギヤ１９ｂに噛み合う第二大径ギヤ２０ａを右側部に支持し、左側部に第二小径ギヤ２０ｂを支持している。第一小径ギヤ１９ｂおよび第二大径ギヤ２０ａは、第二減速ギヤ対２０ｄを構成している。

メイン軸１２は、第二小径ギヤ２０ｂに噛み合う第三大径ギヤ１２ａを左端部に支持し、変速機ケース２７ａ内に臨む右側部に変速ギヤ群１４の一速〜四速ドライブギヤ２１ａ〜２４ａを支持している。メイン軸１２は、後述する一速〜四速ワンウェイクラッチ３６〜３９を介して一速〜四速ドライブギヤ２１ａ〜２４ａを支持している。第二小径ギヤ２０ｂおよび第三大径ギヤ１２ａは、第三減速ギヤ対１２ｄを構成している。

カウンタ軸１３は、左側部を構成するカウンタ軸本体１３ｂに対し、右側部を相対回転可能な軸端回転軸１３ｃとして分割している。カウンタ軸本体１３ｂと軸端回転軸１３ｃとは、後述する第三ワンウェイクラッチ３８を介して連結されている。カウンタ軸本体１３ｂは、変速機ケース２７ａ内に臨み、変速ギヤ群１４の一速〜四速ドリブンギヤ２１ｂ〜２４ｂを支持している。軸端回転軸１３ｃは、第四小径ギヤ１３ａを支持している。

ペダルクランク軸３は、左側部にトルクセンサ３５を支持し、右側部に伝動筒１７を支持している。ペダルクランク軸３は、後述する第一ワンウェイクラッチ３６を介して伝動筒１７を支持している。伝動筒１７は、第四小径ギヤ１３ａに噛み合う第五大径ギヤ１７ａを支持している。第四小径ギヤ１３ａおよび第五大径ギヤ１７ａは、第四減速ギヤ対１３ｄを構成している。軸端回転軸１３ｃ、第四減速ギヤ対１３ｄ、伝動筒１７およびペダルクランク軸３は、駆動ユニット１０の出力部１７ｂを構成している。

ペダルクランク軸３は、左右端部がユニットケース２５の外側に突出している。ペダルクランク軸３の左右端部には、それぞれ左右ペダルクランクアーム２ａの基端部が直接又は連結部材を介して一体回転可能に連結されている。左右ペダルクランクアーム２ａの先端部には、それぞれ左右ペダル２が支持されている。
図１を併せて参照し、右ペダルクランクアーム２ａには、右ペダルクランク軸３と後輪７との間に架け渡されるチェーン式伝動機構３４のドライブスプロケット３４ａが一体回転可能に支持されている。後輪７のハブ７ａには、チェーン式伝動機構３４のドライブスプロケット３４ａが、後述する第二ワンウェイクラッチ３７を介して支持されている。

＜ワンウェイクラッチ＞
図４を参照し、第一ワンウェイクラッチ３６は、ペダルクランク軸３が伝動筒１７に先んじて正転方向に相対回転しようとしたとき（換言すれば、ペダルクランク軸３の正転方向の回転数が伝動筒１７の正転方向の回転数を越えようとしたとき）、ペダルクランク軸３から伝動筒１７へトルクを伝達しない。本願における「正転方向」とは、各軸および回転体における車両を前進させる向きの回転方向である。すなわち、伝動筒１７の静止状態（アシスト無し状態）において、車両を前進させる側にペダル２を漕いだときには、伝動筒１７に対してペダルクランク軸３が空転する。これにより、ペダルクランク軸３は、伝動筒１７（ひいては変速機１１）を回転させることなく、ドライブスプロケット３４ａを回転させて後輪７を駆動可能である。

第一ワンウェイクラッチ３６は、伝動筒１７がペダルクランク軸３に先んじて正転方向に相対回転しようとしたとき（換言すれば、伝動筒１７の正転方向の回転数がペダルクランク軸３の正転方向の回転数を越えようとしたとき）、伝動筒１７からペダルクランク軸３へトルクを伝達する。すなわち、伝動筒１７の駆動状態（アシスト有り状態）において、伝動筒１７に伝達されたモータートルクは、ペダルクランク軸３に伝達可能であり、ペダルクランク軸３の回転（ペダル漕ぎ）をアシスト可能である。

自転車１において、乗員がペダル２を漕いで走行する際、ペダルクランク軸３の駆動力は、右ペダルクランクアーム２ａからチェーン式伝動機構３４を介して後輪７に伝達される。このとき、電気モーター１５が駆動すると、電気モーター１５の駆動力が動力伝達機構１８を介して伝動筒１７に伝達され、ペダル踏力を軽減するべくアシストする。

自転車１において、乗員がペダル２を停止させる等により後輪７に駆動力を付与しないで走行する際、後輪７の駆動力は、後輪軸（ハブに相当）７ａに配置された第二ワンウェイクラッチ３７に遮断されて、チェーン式伝動機構３４を駆動させない。

図３を参照し、トルクセンサ３５は、ペダルクランク軸３に配置された磁歪式トルクセンサであり、ペダルクランク軸３にトルクが入力された際の捩じれ歪を検出する。ペダルクランク軸３は、トルクセンサ３５よりも左方の部位からペダル踏力によるトルク（ペダルトルク）の入力があると、トルクセンサ３５よりも右方の部位からチェーン式伝動機構３４を介して後輪７を駆動させる。

このとき、トルクセンサ３５が所定以上のトルクを検出すると、ＰＣＵ３０（図１参照）が電気モーター１５を駆動し、伝動筒１７にアシストトルクが入力される。このとき、第一ワンウェイクラッチ３６は、「伝動筒１７の正転方向の回転数」＞「ペダルクランク軸３の正転方向の回転数」になろうとしたとき、伝動筒１７に入力されたアシストトルクをペダルクランク軸３に伝達する。これにより、ペダルクランク軸３の回転がアシストされてペダル踏力の軽減が図られる。

電気モーター１５の駆動制御は、ＰＣＵ３０によりなされる。ＰＣＵ３０は、ＥＣＵ（Electric Control Unit）およびＰＤＵ（Power Driver Unit）を一体に備えている。ＥＣＵは、トルクセンサ３５及び不図示の車速センサ等からの入力に基づき、ＰＤＵに制御信号を出力して電気モーター１５を駆動させる。ＰＣＵ３０は、ペダルトルクが検出されたとき、車速が所定未満となる範囲で、ペダル踏力を軽減するべく電気モーター１５を駆動する。

＜トルクの伝達＞
図３、図４を参照し、ペダルクランク軸３には、第一ワンウェイクラッチ３６が配置されている。後輪軸７ａには、第二ワンウェイクラッチ３７が配置されている。カウンタ軸１３には、第三ワンウェイクラッチ３８が配置されている。第一中継軸１９には、第四ワンウェイクラッチ３９が配置されている。

第一ワンウェイクラッチ３６は、ペダルクランク軸３と伝動軸１７（ひいては変速機１１）との間に配置され、「伝動筒１７の正転方向の回転数」＞「ペダルクランク軸３の正転方向の回転数」になろうとしたとき、伝動筒１７に入力されたアシストトルクをペダルクランク軸３に伝達する。第一ワンウェイクラッチ３６は、「ペダルクランク軸３の正転方向の回転数」＞「伝動筒１７の正転方向の回転数」になろうとしたとき、ペダルクランク軸３から伝動軸１７（ひいては変速機１１）へトルクを伝達しない。これにより、変速機１１を回転させることなくペダルクランク軸３を回転させ、ペダルトルクによって後輪７を駆動可能である。

第二ワンウェイクラッチ３７は、チェーン式伝動機構３４のドリブンスプロケット３４ｂと後輪軸７ａとの間に配置され、「ドリブンスプロケット３４ｂの正転方向の回転数」＞「後輪軸７ａの正転方向の回転数」になろうとしたとき、ドリブンスプロケット３４ｂから後輪軸７ａへトルクを伝達する。これにより、ドリブンスプロケット３４ｂに入力されたトルクによって後輪軸７ａひいては後輪７を駆動可能である。

第三ワンウェイクラッチ３８は、変速機１１内でカウンタ軸（出力軸）１３のカウンタ軸本体１３ｂと伝動筒１７寄りの軸端回転軸１３ｃとの間に配置され、「カウンタ軸本体１３ｂの正転方向の回転数」＞「軸端回転軸１３ｃの正転方向の回転数」になろうとしたとき、カウンタ軸１３から軸端回転軸１３ｃへトルクを伝達する。第三ワンウェイクラッチ３８は、「軸端回転軸１３ｃの正転方向の回転数」＞「カウンタ軸１３の正転方向の回転数」になろうとしたとき、軸端回転軸１３ｃからカウンタ軸１３へトルクを伝達しない。

第四ワンウェイクラッチ３９は、第一中継軸１９と第一大径ギヤ１９ａとの間に配置され、第三ワンウェイクラッチ３８と同様に機能する。すなわち、「第一大径ギヤ１９ａの正転方向の回転数」＞「第一中継軸１９の正転方向の回転数」になろうとしたとき、第一大径ギヤ１９ａから第一中継軸１９へトルクを伝達し、「第一中継軸１９の正転方向の回転数」＞「第一大径ギヤ１９ａの正転方向の回転数」になろうとしたとき、第一中継軸１９から第一大径ギヤ１９ａへトルクを伝達しない。

第三ワンウェイクラッチ３８および第四ワンウェイクラッチ３９の内、第四ワンウェイクラッチ３９のみ設置した場合、フリクションによるトルクロスが増加してしまう。すなわち、第三ワンウェイクラッチ３８が無いと、ペダル漕ぎをモーターでアシストしない非アシスト時に、ペダルトルクの一部が変速機１１の駆動に供されてしまう。これに対し、変速機１１のカウンタ軸（出力軸）１３に第三ワンウェイクラッチ３８を設置することで、非アシスト時にペダルトルクで変速機１１を駆動させずに済み、フリクションによるトルクロスが低減される。

＜トルクフロー＞
図５を参照し、アシスト有り運転時のトルクフローを説明する。図中矢印は自動二輪車の右側面視における各軸および回転体の正転方向を示している。
アシスト有り運転時には、第一ワンウェイクラッチ３６、第二ワンウェイクラッチ３７、第三ワンウェイクラッチ３８および第四ワンウェイクラッチ３９は全てオン（トルク伝達状態）となる。

すなわち、アシスト有り運転時において、電気モーター１５のトルクは、第一減速ギヤ対１９ｄから第四ワンウェイクラッチ３９を介して第一中継軸１９に伝達され、かつ第二減速ギヤ対２０ｄを介して第二中継軸２０に伝達され、さらに第三減速ギヤ対１２ｄを介してメイン軸１２に伝達される。

メイン軸１２に伝達されたモータートルクは、変速ギヤ群１４における確立したギヤ対を介して、カウンタ軸本体１３ｂに伝達され、かつ第三ワンウェイクラッチ３８を介して軸端回転軸１３ｃに伝達される。軸端回転軸１３ｃに伝達されたモータートルクは、第四減速ギヤ対１３ｄを介して伝動筒１７に伝達され、かつ第一ワンウェイクラッチ３６を介してペダルクランク軸３に伝達される。

これにより、ペダルクランク軸３の回転がモータートルクでアシストされ、その後にチェーン式伝動機構３４および第二ワンウェイクラッチ３７を介して後輪７が駆動される。図中網掛けで示す矢印は、ペダルクランク軸３に入力されたペダルトルクによる各部の駆動方向を示している。

図６を参照し、アシスト無し（非アシスト）運転時のトルクフローを説明する。
アシスト無し運転時には、第一ワンウェイクラッチ３６および第二ワンウェイクラッチ３７はオン、第三ワンウェイクラッチ３８および第四ワンウェイクラッチ３９はオフ（トルク非伝達状態）となる。

すなわち、アシスト無し運転時において、電気モーター１５は停止してトルクを発生せず、第一中継軸１９、第二中継軸２０および変速機１１は回転しない。ペダルクランク軸３に付与されるペダルトルクは、チェーン式伝動機構３４のドリブンスプロケット３４ｂに伝達され、「ドリブンスプロケット３４ｂの正転方向の回転数」＞「後輪軸７ａの正転方向の回転数」になろうとしたとき、第二ワンウェイクラッチ３７を介して後輪７が駆動される。ペダルトルクの変速機１１側への伝達は、第三ワンウェイクラッチ３８が空転することで遮断される。

＜変速機＞
図７を参照し、変速機１１の構成および変速動作について説明する。
変速機１１の変速ギヤ群１４は、メイン軸１２に支持された複数のドライブギヤ２１ａ〜２４ａ、およびカウンタ軸１３に支持された複数のドリブンギヤ２１ｂ〜２４ｂ、により構成されている。複数のドライブギヤ２１ａ〜２４ａと複数のドリブンギヤ２１ｂ〜２４ｂとは、対応するギヤ同士で互いに噛み合い、変速段数（四速）分のギヤ列２１〜２４を構成している。

図示の例では、右側から順に一速ギヤ列２１、二速ギヤ列２２、三速ギヤ列２３及び四速ギヤ列２４が構成されている。四速分のギヤ列２１〜２４は、一速ギヤ列２１、二速ギヤ列２２、三速ギヤ列２３及び四速ギヤ列２４の順に減速比が小さくなり、メイン軸１２の回転数に対するカウンタ軸１３の回転数を増加させる。四速分のギヤ列２１〜２４は、変速機１１の変速段に応じて択一的に選択されてトルク伝達に用いられる。

変速機１１は、変速用アクチュエータ３２の作動により、中空のメイン軸１２内に右端から挿入された変速用ロッド３３を軸方向移動させることで、トルク伝達に用いるギヤ列を選定する。変速機１１の動作は、例えば乗員が不図示の変速操作子を操作することでなされる。なお、手動変速に限らず自動変速を可能としてもよい。

一速ドライブギヤ２１ａは、一速ワンウェイクラッチ２１ｃを介してメイン軸１２に支持されている。二速ドライブギヤ２２ａ、三速ドライブギヤ２３ａおよび四速ドライブギヤ２４ａは、それぞれ二速ワンウェイクラッチ２２ｃ、三速ワンウェイクラッチ２３ｃおよび四速ワンウェイクラッチ２４ｃを介してメイン軸１２に支持されている。各ワンウェイクラッチ２１ｃ〜２４ｃは、メイン軸１２にモータートルクが入力されると、正転方向のモータートルクに限り対応する対応するドリブンギヤに伝達する。

二速ワンウェイクラッチ２２ｃ、三速ワンウェイクラッチ２３ｃおよび四速ワンウェイクラッチ２４ｃは、変速用ロッド３３の軸方向移動によって、正転方向のモータートルクに限り対応するドリブンギヤに伝達可能なオン状態（ワンウェイ作動状態）と、正転方向のモータートルクであっても対応するドリブンギヤに伝達せず空転するオフ状態（フリー状態）と、に切り替わる。

各ワンウェイクラッチ２１ｃ〜２４ｃは、メイン軸１２側のインナー４０ａと、ドライブギヤ側のアウター４０ｂと、ワンウェイ作動時にインナー４０ａおよびアウター４０ｂの間に噛み込まれるローラー４０ｃと、を備えている。二速ワンウェイクラッチ２２ｃ、三速ワンウェイクラッチ２３ｃおよび四速ワンウェイクラッチ２４ｃは、さらに、ローラー４０ｃをインナー４０ａおよびアウター４０ｂ間の噛み込み位置から退避させる変速用ピン４０ｄを備えている。

変速用ピン４０ｄは、変速用ロッド３３の外周に突設された軸方向カム３３ａに乗り上げることで、インナー４０ａおよびアウター４０ｂ間に突出する。このとき、変速用ピン４０ｄは、ローラー４０ｃを噛み込み位置から押し退けることで、対象のワンウェイクラッチをフリー状態とする。変速用ピン４０ｄは、変速用ロッド３３が軸方向移動して軸方向カム３３ａから降りることで、インナー４０ａおよびアウター４０ｂ間から退避する。このとき、変速用ピン４０ｄは、ローラー４０ｃの押し出しを解除してローラー４０ｃを噛み込み位置に配置可能とし、対象のワンウェイクラッチをワンウェイ作動状態とする。

なお、モーター駆動時（トルク伝達時）に変速用ピン４０ｄが突出しても、噛み込んだローラー４０ｃには荷重が掛かっているので、軸方向カム３３ａではローラー４０ｃを押し退けてワンウェイクラッチをフリー状態にすることができない。このため、変速用ロッド３３の外周には、メイン軸１２の駆動力を利用してワンウェイクラッチをフリー状態にすることが可能な回転方向カム３３ｂが設けられている。

図８（ａ）は、変速機１１の一速状態（ローギヤ状態）を示している。ローギヤ状態では、二速ワンウェイクラッチ２２ｃ、三速ワンウェイクラッチ２３ｃおよび四速ワンウェイクラッチ２４ｃの各々は、変速用ピン４０ｄが変速用ロッド３３の軸方向カム３３ａに乗り上げることでフリー状態となる。

このため、メイン軸１２およびカウンタ軸１３間のトルク伝達には、一速ワンウェイクラッチ２１ｃを介して一速ギヤ列２１が用いられる。カウンタ軸１３が回転すると、二速ギヤ列２２、三速ギヤ列２３および四速ギヤ列２４も回転するが、これらのギヤ列２２〜２４ではメイン軸１２上でドライブギヤが空転するのみである。

図８（ｂ）は、変速機１１の二速状態（セカンドギヤ状態）を示している。セカンドギヤ状態では、二速ワンウェイクラッチ２２ｃの変速用ピン４０ｄが軸方向カム３３ａから降りる。これにより、二速ワンウェイクラッチ２２ｃは、正転方向のモータートルクに限り、メイン軸１２から二速ギヤにトルクを伝達可能なワンウェイ作動状態となる。三速ワンウェイクラッチ２３ｃおよび四速ワンウェイクラッチ２４ｃについては、変速用ピン４０ｄが変速用ロッド３３の軸方向カム３３ａに乗り上げたままのフリー状態である。

このため、メイン軸１２およびカウンタ軸１３間のトルク伝達には、一速ワンウェイクラッチ２１ｃを介して一速ギヤ列２１が用いられるか、二速ワンウェイクラッチ２２ｃを介して二速ギヤ列２２が用いられる。実際は、メイン軸１２およびカウンタ軸１３間のトルク伝達には、二速ワンウェイクラッチ２２ｃを介して二速ギヤ列２２が用いられる。カウンタ軸１３の各ドリブンギヤ２１ｂ〜２４ｂの回転数は同一なので、一速ギヤ列２１では一速ドライブギヤ２１ａが回転数を増し、メイン軸１２上でメイン軸１２に先んじて回転（空転）する。三速ギヤ列２３および四速ギヤ列２４では、メイン軸１２上でドライブギヤが空転するのみである。

図８（ｃ）は、変速機１１の三速状態（サードギヤ状態）を示している。サードギヤ状態では、さらに三速ワンウェイクラッチ２３ｃの変速用ピン４０ｄが軸方向カム３３ａから降りる。これにより、三速ワンウェイクラッチ２３ｃは、正転方向のモータートルクに限り、メイン軸１２から三速ギヤにトルクを伝達可能なワンウェイ作動状態となる。四速ワンウェイクラッチ２４ｃについては、変速用ピン４０ｄが変速用ロッド３３の軸方向カム３３ａに乗り上げたままのフリー状態である。

このため、メイン軸１２およびカウンタ軸１３間のトルク伝達には、三速ワンウェイクラッチ２３ｃを介して三速ギヤ列２３が用いられる。一速ギヤ列２１および二速ギヤ列２２では、回転数を増した一速ギヤおよび二速ギヤが、それぞれメイン軸１２上でメイン軸１２に先んじて回転（空転）する。四速ギヤ列２４では、メイン軸１２上でドライブギヤが空転するのみである。

図８（ｄ）は、変速機１１の四速状態（トップギヤ状態）を示している。トップギヤ状態では、さらに四速ワンウェイクラッチ２４ｃの変速用ピン４０ｄが軸方向カム３３ａから降りる。これにより、四速ワンウェイクラッチ２４ｃは、正転方向のモータートルクに限りメイン軸１２から四速ギヤにトルクを伝達可能なワンウェイ作動状態となる。

このため、メイン軸１２およびカウンタ軸１３間のトルク伝達には、四速ワンウェイクラッチ２４ｃを介して四速ギヤ列２４が用いられる。一速ギヤ列２１、二速ギヤ列２２および三速ギヤ列２３では、回転数を増した一速ギヤ、二速ギヤおよび三速ギヤがそれぞれメイン軸１２上でメイン軸１２に先んじて回転（空転）する。

本願では、変速機１１は、変速段に対応するギヤ列が選択される前から選択される後まで、各軸および回転体の回転方向は変化（反転）しない。このため、変速機１１が変速前後で軸等の回転の停止や回転方向の反転を伴う構成に比べて、円滑かつ迅速な変速動作を行うことが可能となっている。

以上説明したように、上記実施形態における駆動ユニット１０は、乗員のペダル踏力が付与されるペダルクランク軸３と、前記ペダルクランク軸３に入力されたトルクを検出して駆動力を発生する電気モーター１５と、前記電気モーター１５の駆動力を変速して前記ペダルクランク軸３に伝達する変速機１１と、を備え、前記変速機１１は、複数のドライブギヤ２１ａ〜２４ａを支持するメイン軸１２と、前記複数のドライブギヤ２１ａ〜２４ａの各々に噛み合う複数のドリブンギヤ２１ｂ〜２４ｂを支持するカウンタ軸１３と、を備え、前記変速機１１は、前記複数のドライブギヤ２１ａ〜２４ａの中から一つのトルク伝達ギヤを選択して、前記電気モーター１５の駆動力を前記カウンタ軸１３に伝達するものであり、前記ドライブギヤ２１ａ〜２４ａの回転方向を反転させることなく前記トルク伝達ギヤを切り替えるものである。

この構成によれば、電気モーター１５ならびに変速機１１のメイン軸１２およびカウンタ軸１３が、変速前後で回転方向を反転させることなく、同一方向に回転しながら変速を行うことができるため、円滑に動作させることができる。すなわち、本願の駆動ユニット１０では、従来のようにモーターを逆転することにより変速が行われる構成に比べて、乗員のペダル漕ぎのアシストを途切れさせることなく、円滑に連続的な変速動作を行うことができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記電気モーター１５から前記ペダルクランク軸３への動力伝達経路上に、前記ペダルクランク軸３に入力されたペダルトルクの前記電気モーター１５側への伝達を遮断する第一ワンウェイクラッチ３６、第三ワンウェイクラッチ３８および第四ワンウェイクラッチ３９を備えている。
この構成によれば、乗員のペダル漕ぎが増してペダルクランク軸３の回転が速くなったときに、ペダルトルクが電気モーター１５側に伝達されて電気モーター１５等を回さないようにすることができるため、フリクションによるトルクロスを抑えることができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記カウンタ軸１３から前記ペダルクランク軸３への伝達経路上に、前記第一ワンウェイクラッチ３６および第三ワンウェイクラッチ３８を備えている。
この構成によれば、乗員のペダル漕ぎが増してペダルクランク軸３の回転が速くなったときに、ペダルトルクが変速機１１側に伝達されて変速機１１を回さないようにすることができるため、フリクションによるトルクロスを抑えることができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記カウンタ軸１３と同軸に前記第三ワンウェイクラッチ３８を備えている。
この構成によれば、カウンタ軸１３と同軸に第三ワンウェイクラッチ３８を配置することで、複数のギヤを有する変速機１１周辺の空きスペースを利用して第三ワンウェイクラッチ３８を配置可能となり、駆動ユニット１０の小型化を図ることができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記カウンタ軸１３は、前記ペダルクランク軸３及び前記メイン軸１２よりも上方に配置されている。
この構成によれば、カウンタ軸１３をペダルクランク軸３及びメイン軸１２よりも上方に配置することで、最低地上高を確保しやすくなり、かつ変速機１１からペダルクランク軸３までの前後方向長さを抑えることができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記メイン軸１２は、前記ペダルクランク軸３よりも下方に配置され、前記電気モーター１５の駆動軸１６は、前記メイン軸１２よりも上方に配置されている。
この構成によれば、メイン軸１２をペダルクランク軸３よりも低く配置し、かつ電気モーター１５はメイン軸１２よりも上方に配置することで、駆動ユニット１０全体の前後方向長さを抑えて小型化を図ることができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記電気モーター１５の駆動軸１６は、前記ペダルクランク軸３よりも前方に配置されている。
この構成によれば、ペダルクランク軸３の後方に後輪７が配置される構成において、電気モーター１５をペダルクランク軸３よりも前方に配置することで、電気モーター１５を効率よく配置することができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記メイン軸１２は、前記ペダルクランク軸３よりも前方に配置されている。
この構成によれば、ペダルクランク軸３の後方に後輪７が配置される構成において、メイン軸１２をペダルクランク軸３よりも前方に配置することで、メイン軸１２を効率よく配置することができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記変速機１１は、ギヤポジションセンサ３１を備えている。
この構成によれば、複数のギヤによる有段変速のギヤポジションを検出し、電気モーター１５の細やかな制御に利用することができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記ギヤポジションセンサ３１は、前記メイン軸１２よりも下方に配置されている。
この構成によれば、ギヤポジションセンサ３１をメイン軸１２よりも下方に配置することで、複数のギヤを有する変速機１１周辺の空きスペースを利用してギヤポジションセンサ３１を配置可能となり、駆動ユニット１０の小型化を図ることができる。

上記実施形態における駆動ユニット１０において、前記電気モーター１５から前記メイン軸１２への伝達経路上に、第一〜第三減速ギヤ対１９ｄ，２０ｄ，１２ｄを備えている。
この構成によれば、電気モーター１５の駆動力を適宜減速して調整した上で、変速機１１に伝達することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、駆動ユニット１０は、モーター出力のみで車両を走行可能ないわゆるモペッドの原動機として用いてもよい。
そして、上記実施形態における構成は本発明の一例であり、実施形態の構成要素を周知の構成要素に置き換える等、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１ 自転車
３ ペダルクランク軸
１０ 駆動ユニット
１１ 変速機
１２ メイン軸
１２ｄ 第三減速ギヤ対（減速ギヤ対）
１３ カウンタ軸
１５ 電気モーター
１６ モーター駆動軸（駆動軸）
１９ｄ 第一減速ギヤ対（減速ギヤ対）
２０ｄ 第二減速ギヤ対（減速ギヤ対）
２１ａ〜２４ａ ドライブギヤ
２１ｂ〜２４ｂ ドリブンギヤ
３１ ギヤポジションセンサ
３６ 第一ワンウェイクラッチ（ワンウェイクラッチ）
３８ 第三ワンウェイクラッチ（ワンウェイクラッチ）
３９ 第四ワンウェイクラッチ（ワンウェイクラッチ）

Claims (11)

1. 乗員のペダル踏力が付与されるペダルクランク軸（３）と、
   前記ペダルクランク軸（３）に入力されたトルクを検出して駆動力を発生する電気モーター（１５）と、
   前記電気モーター（１５）の駆動力を変速して前記ペダルクランク軸（３）に伝達する変速機（１１）と、を備える駆動ユニット（１０）であって、
   前記変速機（１１）は、
   複数のドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）を支持するメイン軸（１２）と、
   前記複数のドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）の各々に噛み合う複数のドリブンギヤ（２１ｂ〜２４ｂ）を支持するカウンタ軸（１３）と、を備え、
   前記変速機（１１）は、
   前記複数のドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）の中から一つのトルク伝達ギヤを選択して、前記電気モーター（１５）の駆動力を前記カウンタ軸（１３）に伝達するものであり、前記ドライブギヤ（２１ａ〜２４ａ）の回転方向を反転させることなく前記トルク伝達ギヤを切り替えることを特徴とする駆動ユニット（１０）。
2. 前記電気モーター（１５）から前記ペダルクランク軸（３）への動力伝達経路上に、前記ペダルクランク軸（３）に入力されたペダルトルクの前記電気モーター（１５）側への伝達を遮断するワンウェイクラッチ（３６，３８，３９）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の駆動ユニット（１０）。
3. 前記カウンタ軸（１３）から前記ペダルクランク軸（３）への伝達経路上に、前記ワンウェイクラッチ（３６，３８）を備えていることを特徴とする請求項２に記載の駆動ユニット（１０）。
4. 前記カウンタ軸（１３）と同軸に前記ワンウェイクラッチ（３８）を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の駆動ユニット（１０）。
5. 前記カウンタ軸（１３）は、前記ペダルクランク軸（３）及び前記メイン軸（１２）よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の駆動ユニット（１０）。
6. 前記メイン軸（１２）は、前記ペダルクランク軸（３）よりも下方に配置され、前記電気モーター（１５）の駆動軸（１６）は、前記メイン軸（１２）よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の駆動ユニット（１０）。
7. 前記電気モーター（１５）の駆動軸（１６）は、前記ペダルクランク軸（３）よりも前方に配置されていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の駆動ユニット（１０）。
8. 前記メイン軸（１２）は、前記ペダルクランク軸（３）よりも前方に配置されていることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の駆動ユニット（１０）。
9. 前記変速機（１１）は、ギヤポジションセンサ（３１）を備えていることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の駆動ユニット（１０）。
10. 前記ギヤポジションセンサ（３１）は、前記メイン軸（１２）よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の駆動ユニット（１０）。
11. 前記電気モーター（１５）から前記メイン軸（１２）への伝達経路上に、減速ギヤ対（１９ｄ，２０ｄ，１２ｄ）を備えていることを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の駆動ユニット（１０）。

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