JP2012201163A - ハブユニットおよび電動自転車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ハブユニット4のハブケース20は、モータ3を収容して前輪5と一体回転し、ワンウェイクラッチ22は、減速機構21を介してモータ3のロータ29に連結された出力軸60からハブケース20に補助駆動力を伝達したり、補助駆動力によるアシストが不要な場合にはハブケース20と出力軸60側のロータ29とを遮断したりする。連結解除機構61は、モータ3が回生電力を発生しないときは、ハブケース20と出力軸60との連結を解除するので、出力軸60とハブケース20との間のワンウェイクラッチ22が、その機能を発揮できる状態となり、補助駆動力によるアシストが不要な場合には、乗り手は、ロータ29を空転させる負担を負わずに、軽い力でペダルを漕ぐことができる。
【選択図】図2
Description
特許文献1に記載の電動アシスト自転車では、前輪のハブがハブユニットを構成している。ハブにはモータが内蔵されている。このモータでは、ステータが自転車のフロントフォークに固定されていて、ロータがワンウェイクラッチを介して前輪に連結されている。
この発明は、かかる背景のもとでなされたもので、回生電力を発生できる構成において、乗り手に対する負担を軽減することができるハブユニット、および、これを備える電動自転車を提供することを目的とする。
請求項6記載の発明は、前記連結制御手段は、回生電力の発生が不要であると前記第1判別手段が判別したのに応じて、前記連結解除機構による前記ハブケースと前記出力軸との連結を解除させることを特徴とする、請求項4または5記載の電動自転車である。
ハブケースは、モータを収容し、車輪と一体回転する。減速機構は、モータのロータの回転を減速する。出力軸は、減速機構を介してロータに連結され、ハブケースと同心状で回転可能である。
一方、ワンウェイクラッチは、出力軸に対してハブケースが他方側へ回転するときは、ハブケースのみを自由回転状態とする。そのため、モータの補助駆動力によるアシストが不要な場合には、車輪が引き続き回転することで(車輪と一体回転する)ハブケースが出力軸に対して他方側へ回転しようとしても、ハブケースと出力軸側のロータとが遮断される。これにより、乗り手は、電動自転車のペダルを漕いで車輪を回転させる際に、ロータを空転させる負担を負わずに済むので、その分、軽い力でペダルを漕ぐことができる。
一方、連結解除機構は、モータが回生電力を発生しないときはハブケースと出力軸との連結を解除する。そのため、モータが回生電力を発生しないときには、出力軸とハブケースとの間に介在されたワンウェイクラッチが、その機能を発揮できる状態となるので、モータの補助駆動力によるアシストが不要な場合には、乗り手は、ロータを空転させる負担を負わずに、軽い力でペダルを漕ぐことができる。
請求項2記載の発明によれば、連結解除機構は、ハブケースに設けられた溝と、出力軸に設けられ、溝に対して進退可能な爪とを含む構成であってもよい。この場合、爪が進出して溝に嵌まり込むことでハブケースと出力軸とが連結され、爪が退避して溝から外れることでハブケースと出力軸との連結が解除される。
第1判別手段は、回生電力の発生が必要であるか否かを判別する。第2判別手段は、回生電力の発生が必要であると第1判別手段が判別したのに応じて、ハブケースの回転と出力軸の回転とが同期しているか否かを判別する。
連結制御手段は、ハブケースの回転と出力軸の回転とが同期していると第2判別手段が判別したのに応じて、出力軸側の爪を進出させることでハブケースと出力軸とを連結させる。
請求項5記載の発明によれば、請求項3記載のハブユニットを有する電動自転車は、第1判別手段と、連結制御手段とを有している。第1判別手段は、回生電力の発生が必要であるか否かを判別する。連結制御手段は、回生電力の発生が必要であると第1判別手段が判別したのに応じて、出力軸側のブレーキ部材を進出させることでハブケースと出力軸とを連結させる。
請求項6記載の発明によれば、連結制御手段は、回生電力の発生が不要であると第1判別手段が判別したのに応じて、連結解除機構によるハブケースと出力軸との連結を解除させる。そのため、回生電力の発生が必要でないときには、出力軸とハブケースとの間に介在されたワンウェイクラッチが、その機能を発揮できる状態となるので、モータの補助駆動力によるアシストが不要な場合には、乗り手は、モータのロータを空転させる負担を負わずに、軽い力でペダルを漕ぐことができる。
図1は、この発明の一実施形態に係る電動自転車1の右側面図である。
なお、以下では、電動自転車1を正面側(図1における左側)から見たときを基準として、電動自転車1の方向を規定する。そのため、図1では、紙面左側が前側で、紙面右側が後側で、紙面手前側が右側で、紙面奥側が左側である。
図2を参照して、ハブユニット4は、その外郭をなすハブケース20と、前述したモータ3と、減速機構21と、出力軸60と、ワンウェイクラッチ22と、連結解除機構61とを含んでいる。
ハブケース20は、左右方向に延びる中心軸を有する中空円筒状である。ハブケース20の外周面において、左右方向に間隔を隔て、かつ、周方向に間隔を隔てた複数の位置に、ハブケース20から径方向外側へ突出した突出部23が一体的に設けられている。各突出部23には、貫通穴24が形成されていて、貫通穴24にスポーク7(図1参照)が係止される。ハブケース20は、右側の突出部23の位置において、左右に分割可能であり、ハブケース20の左側部分と右側部分とは、ねじ25によって組み付けることができる。ハブケース20の左右の側壁は、円板形状であり、それぞれの円中心位置には、これらの側壁を左右に貫通する丸い挿通穴26が形成されている。ハブケース20の右側壁の左側面において、挿通穴26よりも径方向外側の位置には、挿通穴26(挿通穴26の円中心)を円中心とする環状のリング部材30がハブケース20に対して一体的に設けられている。つまり、リング部材30は、ハブケース20の一部である。リング部材30は、ハブケース20の右側壁の左側面からハブケース20の内部へ向けて左側へ突き出ている。
モータケース27の左端部27Aには、左端部27Aの円中心位置から左外側へ突出する支持軸32が一体的に設けられている。支持軸32の右端面は、モータケース27の内部に臨んでいて、この右端面には、左側へ窪む凹部33が形成されている。凹部33には、環状の軸受34が嵌め込まれている。モータケース27の右側壁は、円板形状であり、その円中心位置には、この右側壁を左右に貫通する貫通穴35が形成されている。貫通穴35には、環状の軸受36が嵌め込まれている。そして、この右側壁において貫通穴35よりの径方向外側の位置には、右方向外側へ突出する軸37が、貫通穴35を中心とする周方向に等間隔を隔てて3つ設けられている。
減速機構21は、ハブケース20内において、モータ3の右隣に配置されている。減速機構21は、3つの歯車45と、回転盤46と、ホルダ44とを含んでいる。なお、図2では、歯車45が1つだけ図示されている。
このようなハブユニット4では、モータケース27側の支持軸32,50がフロントフォーク2(図2参照)の先端に固定されている。そして、ハブケース20の外周面の各突出部23の貫通穴24に前輪5のスポーク7(図2参照)が係止されている。そのため、ハブユニット4では、少なくとも、モータケース27と、ステータ28と、減速機構21において回転盤46以外の部分とがフロントフォーク2に固定されていて、ハブケース20および第2回転盤52が前輪5に固定されている。そのため、前輪5の回転速度は、ハブケース20および第2回転盤52の回転速度と同じである。つまり、ハブケース20および第2回転盤52は、前輪5と一体回転する。
ここで、第1回転盤51の回転速度が第2回転盤52(前輪5)の回転速度と同じ(ともに零の場合もある)か、第2回転盤52の回転速度以上の場合には、第1回転盤51と第2回転盤52とが共回りすることで、ワンウェイクラッチ22がつながる。すると、第2回転盤52が固定されたハブケース20が、第1回転盤51と同じ方向(右側面視で反時計回りの方向)へ回転し、前輪5(図1参照)を同じ方向へ回転させる。
つまり、ワンウェイクラッチ22は、ロータ29(厳密には、第1回転盤51)の回転速度が前輪5(第2回転盤52)の回転速度未満のときには切れていてロータ29と前輪5との間の力の伝達を遮断し、ロータ29の回転速度が前輪5の回転速度まで上昇すると、つながってロータ29から前輪5に補助駆動力を伝達する。なお、ワンウェイクラッチ22についての詳細は、前述した特許文献1(特開2009−12627号公報)に開示されている。
連結解除機構61は、出力軸60(回転盤46の一部も含まれる)とハブケース20のリング部材30とに跨って設けられている。連結解除機構61は、アクチュエータ62と、リンク部材63と、リターンスプリング64と、溝65とを含んでいる。
図3(a)を参照して、アクチュエータ62は、出力軸60の外周部分に設けられて出力軸60(回転盤46の一部も含まれる)に固定されている。出力軸60の外周部分には、出力軸60の右端面から右側へ露出される切欠き70が形成されていて、切欠き70内にアクチュエータ62が収容されている。なお、アクチュエータ62は、出力軸60の周方向1箇所に1つだけ設けられていてもよく、複数のアクチュエータ62が、出力軸60の周方向において等しい間隔を隔てて配置されていてもよい。ただし、ここでは、アクチュエータ62は、1つだけあるものとして説明する。
図3(a)に示す状態では、リンク部材63の爪63Aは、出力軸60の切欠き70から右側へはみ出ており、出力軸60の右側面から右側へ突出している。このときの爪63Aの左右方向における位置を「進出位置」という。爪63Aが進出位置にある状態では、アクチュエータ62のアーム67が左位置にある。この状態で、アーム67を右位置へ向けてスライドさせると、爪63Aが左側へ退避し、かつ、連結部63Bが右側へ移動するようにリンク部材63が回動する。
アクチュエータ62をONにすると、図3(a)に示すように、アーム67が左位置までスライドし、これに連動して爪63Aが進出位置まで進出する。このとき、爪63Aは、リング部材30のいずれかの溝65に対しても進出して、当該いずれかの溝65に対して左側から嵌まり込む。これにより、爪63Aを有する出力軸60と、溝65を有するリング部材30(ハブケース20)とが直接連結されて一体化される。そのため、出力軸60とハブケース20とは、相対回転不能になる。そして、出力軸60とハブケース20とが連結されているので、ワンウェイクラッチ22が機能できない状態(「ロック」された状態ということにする)にある。
一方で、アクチュエータ62をOFFにすると、図3(b)に示すように、アーム67がリターンスプリング64に付勢されることで右位置までスライドし、これに連動して爪63Aが退避位置まで退避し、今まで嵌まり込んでいた溝65から退避して完全に外れる。これにより、出力軸60とリング部材30(ハブケース20)との直接の連結が解除される。そのため、今までロックされていたワンウェイクラッチ22は、機能できる状態(「フリー」の状態)にある。このときは、前輪5に固定されたハブケース20が出力軸60よりも高速回転しようとしても、ワンウェイクラッチ22が切れていてロータ29が回転しないので、モータ3は回生電力を発生しない。
図4は、電動自転車1の制御回路ブロック図である。
電源スイッチ82は、電動自転車1の電源をON/OFFするためのスイッチである。モード設定スイッチ83は、前述した走行モードを設定するためのスイッチである。ライト点灯スイッチ84は、ライト74(図1参照)を点灯または消灯するためのスイッチである。ブレーキ検出部85は、ハンドル80に取り付けられたブレーキレバー75(図1参照)が操作されてブレーキ(図示せず)が作動中であるか否かを検出する。ブレーキが作動中であるときには、手元操作部81の表示ランプ(図示せず)を点灯させるなどで、その旨を報知してもよい。車輪回転情報部86は、前輪5(換言すれば、前述した第2回転盤52およびハブケース20)の回転速度を検出する部分である。厳密には、車輪回転情報部86において、実際に前輪5の回転速度を検出する部分は、前輪5の近傍に取り付けられている。車輪回転情報部86は、前輪5の回転速度から電動自転車1の走行速度も検出できる。バッテリー残量表示部87は、バッテリー10の残量を表示するものである。モード表示部88は、現在の走行モードを表示する。
図5は、電動自転車1において行われる制御動作の一例を示すフローチャートである。
電動自転車1の走行速度が前記所定速度以上まで上昇すると(ステップS4でYES)、制御部89は、モータ3をOFFにしてアシスト運転を停止する(ステップS5)。このように電動自転車1が高速走行している際、ワンウェイクラッチ22がステップS1(後述するステップS13も含む)でフリーになっていて切れているので、乗り手は、停止したモータ3のロータ29を空転させる負担を負わずに、ペダル11を軽い踏力で円滑に漕ぐことができる。
なお、電源スイッチ82がOFFになったときには(ステップS7でYES)、ワンウェイクラッチ22は必ずフリーになっている。そのため、乗り手は、この状態で、ハンドル80を握って電動自転車1を手押ししたり、電動自転車1が補助駆動力の無いただの自転車となった状態でペダル11を漕いだりしても、ロータ29を空転させる負担を負わなくてもよいので、電動自転車1を円滑に手押ししたり、ペダル11を円滑に漕いだりできる。
次に、変形例について説明する。
図6は、変形例に係るハブユニット4の正断面図である。図7(a)は、図6の要部拡大図であって、図7(b)は、図7(a)においてアクチュエータ62がOFFになっている状態を示す。
変形例では、連結解除機構61の構成だけが、前述した実施例(図2〜図5参照)と異なる。ただし、変形例に係る連結解除機構61の役割は、前述した実施例に係る連結解除機構61の役割と同じである。
アクチュエータ62およびリターンスプリング64の構成は、前述した実施例と同じである。つまり、アクチュエータ62がONになると、アクチュエータ62のホルダ66を構成するソレノイド(図示せず)が駆動(ON)されることによってアーム67は左位置までスライドさせられて左位置で位置決めされる(図7(a)参照)。一方、アクチュエータ62がOFFになると、ソレノイド(図示せず)の駆動が停止(OFF)されることによって、アーム67は、左位置で位置決めされなくなり、リターンスプリング64によって、右位置までスライドさせられる(図7(b)参照)。
図7(a)に示す状態では、リンク部材95の押圧部95Aは、出力軸60の切欠き70内において目一杯右側に位置している。このときの押圧部95Aの左右方向における位置を「進出位置」という。押圧部95Aが進出位置にある状態では、アクチュエータ62のアーム67が左位置にある。この状態で、アーム67を右位置へ向けてスライドさせると、押圧部95Aが左側へ退避し、かつ、連結部95Bが右側へ移動するようにリンク部材95が回動する。アーム67が右位置に配置されると、図7(b)に示すように、押圧部95Aは、切欠き70内において目一杯左側へ移動する。このときの押圧部95Aの左右方向における位置を「退避位置」という。この状態でアーム67を左位置までスライドさせると、リンク部材63が逆向きに回動し、その結果、図7(a)に示すように押圧部95Aが進出位置に配置される。
以上の構成の連結解除機構61において、アクチュエータ62をONにすると、図7(a)に示すように、アーム67が左位置までスライドし、これに連動して押圧部95Aおよびブレーキ部材96が進出位置まで進出して、ブレーキ部材96のブレーキパッド100がハブケース20のリング部材30の左側面に対して左側から圧接する。これにより、ブレーキパッド100とリング部材30の左側面との間に摩擦力が発生するので、ブレーキパッド100(ブレーキ部材96)を有する出力軸60と、リング部材30(ハブケース20)とが連結されて一体化される。そのため、出力軸60とハブケース20とは、相対回転不能になり、ワンウェイクラッチ22がロックされて機能できない状態になる。なお、ブレーキパッド100がリング部材30の左側面に対して効果的に圧接できるようにするために、リング部材30の左側面においてブレーキパッド100と接触する部分は、平坦面であることが好ましい。
図8を参照して、電源スイッチ82(図4参照)がONになった直後に、制御部89は、アクチュエータ62をOFFにして、ワンウェイクラッチ22をフリーにする(ステップS21)。なお、電源スイッチ82をONにする以前(OFFの状態)では、アクチュエータ62(ホルダ66のソレノイド)が常にOFFになっているので、ステップS1の処理は省略される。
踏力が所定の閾値以上であれば(ステップS22でYES)、補助駆動力が必要なので、制御部89は、モータ3をONにしてアシスト運転を開始する(ステップS23)。アシスト運転開始後、前述した実施例と同様に、アシスト運転に伴う電動自転車1の走行速度の上昇に応じて、段階的に補助駆動力を小さくすることでアシストを減らしていってもよい。
電動自転車1の走行速度が前記所定速度以上まで上昇して電動自転車1が高速走行状態になると(ステップS24でYES)、制御部89は、前述したステップS5と同様に、モータ3をOFFにしてアシスト運転を停止する(ステップS25)。このように電動自転車1が高速走行している際、ワンウェイクラッチ22がステップS21(後述するステップS31も含む)でフリーになっていて切れているので、乗り手は、停止したモータ3のロータ29を空転させる負担を負わずに、ペダル11を軽い踏力で円滑に漕ぐことができる。
なお、電源スイッチ82がOFFになったときには(ステップS27でYES)、ワンウェイクラッチ22は必ずフリーになっている。そのため、乗り手は、この状態で、ハンドル80を握って電動自転車1を手押ししたり、電動自転車1が補助駆動力の無いただの自転車となった状態でペダル11を漕いだりしても、ロータ29を空転させる負担を負わずに済むので、電動自転車1を円滑に手押ししたり、ペダル11を円滑に漕いだりできる。
一方、アシスト運転中において、電動自転車1の走行速度が前記所定速度以上まで上昇しておらず(ステップS24でNO)、電源スイッチ82が引き続きONである場合(ステップS26でNO)、制御部89は、ペダル11の踏力が前記所定の閾値以上であるか否かを確認する(ステップS28)。ステップS28では、ステップS8と同様に、制御部89は、回生運転を行うか否か(回生電力の発生が必要であるか否か)を判別する。
回生運転中、ペダル11の踏力が所定の閾値以上になれば(ステップS30でYES)、補助駆動力(アシスト運転の開始)が必要となったので、制御部89は、回生電力の発生が不要であると判別する。これに応じて、制御部89は、アクチュエータ62をOFFにして、連結解除機構61による出力軸60とハブケース20との連結を解除させ、ワンウェイクラッチ22をフリーにすることで回生運転を停止する(ステップS31)。これにより、回生電力の発生が必要でないときには、出力軸60とハブケース20との間に介在されたワンウェイクラッチ22が、その機能を発揮できる状態となるので、モータ3の補助駆動力によるアシストが不要な場合には、乗り手は、モータ3のロータ29を空転させる負担を負わずに、軽い力でペダルを漕ぐことができる(図7(b)参照)。
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、バッテリー10(図1参照)の残量がなくなった場合にはハブユニット4によるアシストが不可能になるので、バッテリー10の残量が所定量まで低下すると、連結解除機構61による出力軸60とハブケース20との連結が解除されるようになっていてもよい(図3(b)および図7(b)参照)。そうすれば、ハブユニット4によるアシストが無い状態でペダル11を漕ぐ乗り手に対して、モータ3のロータ29を空回りさせる負担をかけずに済む。
3 モータ
4 ハブユニット
5 前輪
20 ハブケース
21 減速機構
22 ワンウェイクラッチ
29 ロータ
39 回転軸
60 出力軸
61 連結解除機構
63A 爪
65 溝
89 制御部
96 ブレーキ部材
Claims (6)
- 電動自転車の車輪に取り付けられるハブユニットであって、
回転軸を有するロータを備え、電力で前記ロータを回転させることによって補助駆動力を発生することができ、前記ロータが電力で回転される回転速度で回転されることによって回生電力を発生することができるモータと、
前記モータを収容し、前記車輪と一体回転するハブケースと、
前記ロータの回転を減速する減速機構と、
前記減速機構を介して前記ロータに連結され、前記ハブケースと同心状で回転可能な出力軸と、
前記出力軸と前記ハブケースとの間に介在され、前記出力軸に対して前記ハブケースが一方側へ回転するときは、前記ハブケースと前記出力軸とを一体回転させ、前記出力軸に対して前記ハブケースが他方側へ回転するときは、前記ハブケースのみを自由回転状態とするワンウェイクラッチと、
前記モータが回生電力を発生するときは前記ハブケースと前記出力軸とを連結し、前記モータが回生電力を発生しないときは前記ハブケースと前記出力軸との連結を解除する連結解除機構とを有することを特徴とする、ハブユニット。 - 前記連結解除機構は、前記ハブケースに設けられた溝と、前記出力軸に設けられ、前記溝に対して進退可能な爪とを含み、
前記爪が進出して前記溝に嵌まり込むことで前記ハブケースと前記出力軸とが連結され、前記爪が退避して前記溝から外れることで前記ハブケースと前記出力軸との連結が解除されることを特徴とする、請求項1記載のハブユニット。 - 前記連結解除機構は、前記出力軸に設けられ、前記ハブケースに対して進退可能なブレーキ部材を含み、
前記ブレーキ部材が進出して前記ハブケースとの間で摩擦力を発生させることで前記ハブケースと前記出力軸とが連結され、前記ブレーキ部材が退避して前記ハブケースから離間することで前記ハブケースと前記出力軸との連結が解除されることを特徴とする、請求項1記載のハブユニット。 - 請求項2記載のハブユニットと、
回生電力の発生が必要であるか否かを判別する第1判別手段と、
回生電力の発生が必要であると前記第1判別手段が判別したのに応じて、前記ハブケースの回転と前記出力軸の回転とが同期しているか否かを判別する第2判別手段と、
前記ハブケースの回転と前記出力軸の回転とが同期していないと前記第2判別手段が判別したのに応じて、前記ハブケースの回転と前記出力軸の回転とが同期するように前記モータの駆動を制御する駆動制御手段と、
前記ハブケースの回転と前記出力軸の回転とが同期していると前記第2判別手段が判別したのに応じて、前記出力軸側の爪を進出させることで前記ハブケースと前記出力軸とを連結させる連結制御手段とを有することを特徴とする、電動自転車。 - 請求項3記載のハブユニットと、
回生電力の発生が必要であるか否かを判別する第1判別手段と、
回生電力の発生が必要であると前記第1判別手段が判別したのに応じて、前記出力軸側のブレーキ部材を進出させることで前記ハブケースと前記出力軸とを連結させる連結制御手段とを有することを特徴とする、電動自転車。 - 前記連結制御手段は、回生電力の発生が不要であると前記第1判別手段が判別したのに応じて、前記連結解除機構による前記ハブケースと前記出力軸との連結を解除させることを特徴とする、請求項4または5記載の電動自転車。
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