JP2016182851A - 自転車用ドライブユニット - Google Patents

Abstract

【課題】モータの電流量以外の方法を用いてクランク軸にかかるトルクを検出可能とした自転車用ドライブユニットを提供する。【解決手段】自転車用ドライブユニット４０は、クランク軸４２の回転が入力される入力体６４、回転を外部に出力する出力体５８、および、入力体と出力体との回転比を制御するための伝達体５６を含む遊星歯車機構４６を備える変速機構と、伝達体の回転を制御する第１のモータ４８と、第１のモータを支持する支持体７４と、支持体に取り付けられ、支持体にかかる力に応じた信号を出力するセンサ７６とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は自転車用ドライブユニットに関する。

従来より、入力体、出力体、および、伝達体を含む遊星歯車機構と、伝達体の回転を制御することにより変速比を変更するモータを備える自転車用ドライブユニットが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１のドライブユニットは、伝達体の回転を制御するモータの電流量に基づいて、クランク軸にかかるトルクを演算する。

特開２００８−２８５０６９号

本発明の目的は、伝達体の回転を制御するモータの電流量以外の方法を用いてクランク軸にかかるトルクを検出可能とした自転車用ドライブユニットを提供することにある。

〔１〕本発明に従う自転車用ドライブユニットは、クランク軸の回転が入力される入力体、回転を外部に出力する出力体、および、前記入力体と前記出力体との回転比を制御するための伝達体を含む遊星歯車機を備える変速機構と、前記伝達体の回転を制御する第１のモータと、前記第１のモータを支持する支持体と、前記支持体に取り付けられ、前記支持体にかかる力に応じた信号を出力するセンサとを備える。

〔２〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記第１のモータと、前記変速機構とが設けられるハウジングをさらに備え、前記支持体は、ハウジングに固定して設けられる。

〔３〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記支持体は、前記ハウジングと一体に形成される。
〔４〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記ハウジングに対する前記伝達体の一方向への回転を許容し、前記ハウジングに対する前記伝達体の他方向への回転を規制するワンウェイクラッチをさらに備える。

〔５〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記ワンウェイクラッチの一部は、前記支持体に設けられる。
〔６〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記ワンウェイクラッチの一部は、前記ハウジングに設けられる。

〔７〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記支持体は、前記第１のモータの回転軸まわりの外周部を支持する。
〔８〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記支持体は、前記第１のモータの前記外周部から、前記第１のモータの径方向外方に突出する第１の接続部分を備える。

〔９〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記ハウジングは、前記第１のモータの前記外周部側に延びる取付部を備え、前記第１の接続部分は、前記取付部に取り付けられる。

〔１０〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記センサは、前記第１の接続部分に設けられる。
〔１１〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記支持体は、前記第１のモータの前記外周部から、前記第１のモータの径方向内方に延びる第２の接続部分を備え、前記第２の接続部分に、前記ワンウェイクラッチが取り付けられる。

〔１２〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記第１のモータは、前記伝達体と同軸に配置される。
〔１３〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記入力体は、リングギアであり、前記出力体は、キャリアであり、前記伝達体は、サンギアである。

〔１４〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記入力体、前記出力体、および、前記伝達体は、前記クランク軸まわりにおいて前記クランク軸と同軸に配置される。
〔１５〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記第１のモータは、前記クランク軸まわりにおいて前記クランク軸と同軸に配置される。

〔１６〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記伝達体は、前記第１のモータの出力軸と一体的に形成される。
〔１７〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記出力体と接続され、かつ、フロントスプロケットを取り付け可能な出力部をさらに備える。

〔１８〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記クランク軸をさらに備える。
〔１９〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記出力体または前記入力体にトルクを伝達する第２のモータをさらに備える。

〔２０〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記第２のモータの中心軸は、前記クランク軸の径方向に前記クランク軸から離れて配置される。
〔２１〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記センサの出力に基づいて前記第１のモータおよび前記第２のモータの少なくとも一方を制御する制御部を備える。

〔２２〕前記自転車用ドライブユニットによれば、前記センサは、歪ゲージまたは半導体歪センサである。

上記自転車用ドライブユニットは、モータの電流量以外の方法を用いてクランク軸にかかるトルクを検出可能とした。

実施形態のドライブユニットを搭載した自転車の側面図。 図１のドライブユニットの断面図。 図２のドライブユニットのワンウェイクラッチの拡大図。 図２のドライブユニットの遊星歯車機構の模式図。 実施形態の第１の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第２の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第３の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第４の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第５の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第６の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第７の変形例のドライブユニットの模式図。 実施形態の第８の変形例のドライブユニットの模式図。

図１を参照して、自転車用ドライブユニットを搭載する自転車の構成を説明する。
自転車１０は、フレーム１２、ハンドルバー１４、前輪１６、後輪１８、駆動機構２０、バッテリユニット２２、および、ドライブユニット４０を備えている。

駆動機構２０は、左右のクランクアーム２４、左右のペダル２６、フロントスプロケット３０、リアスプロケット３２、および、チェーン３４を含む。左右のクランクアーム２４は、ドライブユニット４０のクランク軸４２を介して回転可能にフレーム１２に取り付けられている。ペダル２６は、ペダル軸２８まわりに回転可能にクランクアーム２４に取り付けられている。

フロントスプロケット３０は、ドライブユニット４０の出力部６６（図２参照）に連結されている。フロントスプロケット３０は、クランク軸４２と同軸に設けられる。リアスプロケット３２は、後輪１８の車軸１８Ａまわりに回転可能に取り付けられている。リアスプロケット３２は、ワンウェイクラッチ（図示略）を介して後輪１８に連結される。チェーン３４は、フロントスプロケット３０とリアスプロケット３２とに巻き掛けられている。ペダル２６に加えられる人力駆動力によりクランクアーム２４が回転するとき、フロントスプロケット３０、チェーン３４、および、リアスプロケット３２によって、後輪１８が回転する。

バッテリユニット２２は、バッテリ３６、および、バッテリ３６をフレーム１２に着脱可能に取り付けるためのバッテリホルダ３８を備えている。バッテリ３６は、１または複数のバッテリセルを含む。バッテリ３６は、充電池を含んで構成される。バッテリ３６は、ドライブユニット４０に電気的に接続されて、ドライブユニット４０に電力を供給する。

図２に示されるように、ドライブユニット４０は、クランク軸４２、ハウジング４４、遊星歯車機構４６、第１のモータ４８、第２のモータ５０、トルク検出装置５２、および、ワンウェイクラッチ５４を備えている。

ハウジング４４には、遊星歯車機構４６、第１のモータ４８、および、第２のモータ５０が設けられる。遊星歯車機構４６、第１のモータ４８、および、第２のモータ５０は、ハウジング４４の内部に収容される。ハウジング４４は、クランク軸４２を回転可能に支持している。クランク軸４２は、ハウジング４４を貫通して設けられている。クランク軸４２の両端部には、クランクアーム２４（図１参照）が装着される。

ハウジング４４は、クランク軸４２の軸方向に離れた位置で、クランク軸４２をそれぞれ支持する１対の側壁４４Ｂ，４４Ｃと、側壁４４Ｂ，４４Ｃを連結し、クランク軸４２のまわりを囲む外周部４４Ａと、取付部４４Ｄとを備えている。側壁４４Ｂはベアリング４５Ａを介してクランク軸４２を回転可能に支持する。一方の側壁４４Ｂと外周部４４Ａとは一体に形成されているが、着脱可能に連結されていてもよい。他方の側壁４４Ｂは、外周部４４Ａと着脱可能に設けることもできる。

取付部４４Ｄは、１対の側壁４４Ｂ，４４Ｃと外周部４４Ａとによって構成されるハウジング４４の本体から、ハウジング４４の内部の第１のモータ４８の外周部７２Ａ側に延びる。取付部４４Ｄは、一方の側壁４４Ｂに設けられる。取付部４４Ｄは、円筒形状を有し、第１のモータ４８の外周部７２Ａの一部を囲むように、クランク軸４２と同軸に配置される。取付部４４Ｄは、一方の側壁４４Ｂと一体に形成されているが、別体で構成され、ボルトなどの連結部材によって一方の側壁４４Ｂに固定されてもよい。取付部４４Ｄは、側壁４４Ｂではなく、外周部４４Ａに一体、または別体で設けられてもよい。取付部４４Ｄは、円筒形状ではなく、第１のモータ４８の外周部のまわりに、周方向において所定の間隔をあけて複数設けられてもよい。この場合、取付部４４Ｄは、クランク軸４２の回転軸を中心に対称の位置に設けられることが好ましい。

遊星歯車機構４６は、伝達体であるサンギア５６、回転を外部に出力する出力体であるリングギア５８、複数のプラネタリギア６０、複数のプラネタリピン６２、および、クランク軸４２の回転が入力される入力体であるキャリア６４を備えている。

サンギア５６は、クランク軸４２のまわりにおいてクランク軸４２と同軸に配置されている。
リングギア５８は、サンギア５６よりもクランク軸４２の径方向の外側に配置されている。リングギア５８は、クランク軸４２のまわりにおいてクランク軸４２と同軸に配置されている。このため、リングギア５８は、サンギア５６のまわりにおいてサンギア５６と同軸に配置されている。リングギア５８には、フロントスプロケット３０を取り付け可能な出力部６６が接続されている。出力部６６の一端は、ハウジング４４の内部に収容され、他端はハウジング４４から露出している。出力部６６のハウジング４４から露出している部分の内周には、ボルトＢがねじ込まれる。フロントスプロケット３０は、スプラインによって出力部６６の周方向に回転不能に支持される。フロントスプロケット３０は、ボルトＢによって軸方向に移動不能に出力部６６に取り付けられる。出力部６６の外周部は、ベアリング４５Ｂを介してハウジング４４の側壁４４Ｃに回転可能支持される。クランク軸４２は、ベアリング４５Ｃを介して出力部６６に回転可能に支持されることによって、側壁４４Ｃに間接的に支持されている。なお、リングギア５８と出力部６６とは一体に形成されていてもよい。

複数のプラネタリギア６０は、サンギア５６とリングギア５８との間に配置されている。各プラネタリギア６０は、大径部６０Ａおよび小径部６０Ｂを備えている。大径部６０Ａの外周のギアは、サンギア５６の外周と対向する部分に配置され、サンギア５６と噛み合わせられている。小径部６０Ｂの外周のギアは、リングギア５８の内周と対向する部分に配置され、リングギア５８と噛み合わせられている。ここでは、大径部６０Ａおよび小径部６０Ｂを有するプラネタリギア６０を用いているが、通常のシングルギアで構成されるプラネタリギアであってもよい。

複数のプラネタリピン６２は、それぞれプラネタリギア６０を軸方向に貫通している。各プラネタリピン６２は、各プラネタリギア６０を回転可能に支持している。各プラネタリピン６２の両端部は、キャリア６４により回転可能に支持されている。

キャリア６４は、クランク軸４２のまわりにおいてクランク軸４２と同軸に配置されている。キャリア６４は、複数のプラネタリピン６２を介して、複数のプラネタリギア６０を回転可能に支持している。このため、複数のプラネタリギア６０は、サンギア５６とリングギア５８との間において、サンギア５６まわりを公転する。なお、各プラネタリピン６２の両端部が、キャリア６４により回転可能に支持されていれば、各プラネタリピン６２は、各プラネタリギア６０に回転不能に支持されていてもよい。また、各プラネタリピン６２が、各プラネタリギア６０を回転可能に支持していれば、各プラネタリピン６２の両端部は、キャリア６４により回転不能に支持されていてもよい。

キャリア６４は、複数のプラネタリピン６２の一端部を支持する第１キャリア６４Ａと、複数のプラネタリピン６２の他端部を支持する第２キャリア６４Ｂを備えている。第１キャリア６４Ａは、プラネタリギア６０のうちの小径部６０Ｂ側の端部と対向している。第２キャリア６４Ｂは、プラネタリギア６０のうちの大径部６０Ａ側の端部と対向している。第１キャリア６４Ａと第２キャリア６４Ｂとは、連結されており、一体的に回転する。第１キャリア６４Ａと第２キャリア６４Ｂとは、一体形成されていてもよい。

第１キャリア６４Ａの内周とクランク軸４２とは、例えば、スプライン嵌合または圧入等により接続されている。キャリア６４は、クランク軸４２と一体的に回転する。クランク軸４２の回転は、キャリア６４に入力される。

第１のモータ４８は、クランク軸４２のまわりにおいてクランク軸４２と同軸に配置されている。第１のモータ４８は、サンギア５６と同軸に配置されている。第１のモータ４８は、クランク軸４２の軸方向において、遊星歯車機構４６と隣り合う位置に配置されている。第１のモータ４８は、クランク軸４２の軸方向において、遊星歯車機構４６よりもフロントスプロケット３０から遠い側に配置されている。

第１のモータ４８は、インナーロータ式のモータであり、ハウジング４４に支持されるステータ６８、ステータ６８の内部に配置されるロータ７０、および、ステータ６８およびロータ７０を収容するモータハウジング７２を備えている。ロータ７０の内周には、第１のモータ４８の出力軸と一体的に形成されるサンギア５６の中間部が挿入されている。サンギア５６の一方の端部は、第１のモータ４８から露出している。サンギア５６は、ロータ７０にスプライン嵌合、または、圧入されている。このため、ロータ７０およびサンギア５６は、クランク軸４２に対して一体的に回転する。すなわち、第１のモータ４８は、サンギア５６にトルクを伝達し、サンギア５６の回転を制御する。サンギア５６は、第１のモータ４８の駆動により、キャリア６４とリングギア５８との回転比を制御する。なお、サンギア５６およびロータ７０を一体的に形成することもできる。

モータハウジング７２は、円筒形状の外周部７２Ａと、外周部７２Ａの軸方向の両端部から径方向内側に延びる円盤形状の側壁部７２Ｂとを備えている。外周部７２Ａの内周部には、ステータ６８が回転不能に支持されている。ステータ６８は、側壁部７２Ｂに支持されていてもよい。側壁部７２Ｂの中央の孔７２Ｃは、サンギア５６の外周にベアリング４５Ｄを介して回転可能に支持されている。

第２のモータ５０の中心軸は、クランク軸４２の径方向にクランク軸４２から離れて配置されている。第２のモータ５０の出力ギア５０Ａは、第２キャリア６４Ｂの外周に形成されるギア６４Ｃと噛み合わせられている。第２のモータ５０は、ギア６４Ｃを介してキャリア６４にトルクを伝達する。なお、第２のモータ５０の回転軸とキャリア６４との間の動力伝達経路に、第２のモータ５０の回転をキャリア６４に伝達し、かつ、クランク軸４２が一方に回転したときの、キャリア６４の回転を第２のモータ５０に伝達しないワンウェイクラッチを設けることもできる。

トルク検出装置５２は、第１のモータ４８を支持する支持体７４、および、支持体７４に取り付けられるセンサ７６を備えている。トルク検出装置５２は、いわゆるロードセルを構成する。支持体７４は起歪体であり、センサ７６は支持体７４の歪を検出する歪センサである。センサ７６は、歪ゲージ、または、半導体歪センサによって構成される。支持体７４は、第１のモータ４８の回転軸まわりの外周部４４Ａを支持する。

支持体７４は、クランク軸４２と同軸の円筒部分７４Ａ、円筒部分７４Ａの軸方向の一端から径方向外方に突出する第１の接続部分７４Ｂ、および、円筒部分７４Ａの軸方向の他端から径方向内方に延びる第２の接続部分７４Ｃを備えている。

円筒部分７４Ａおよび第２の接続部分７４Ｃは、モータハウジング７２の外形に対応している。円筒部分７４Ａは、モータハウジング７２の外周部７２Ａを覆う。第２の接続部分７４Ｃは、モータハウジング７２の一方の側壁部７２Ｂを覆う。すなわち、モータハウジング７２は、支持体７４に嵌め込まれている。円筒部分７４Ａおよび第２の接続部分７４Ｃは、圧入、接着またはボルトなどの固定部材によって、モータハウジング７２に固定されている。

第１の接続部分７４Ｂは、モータハウジング７２の外周部７２Ａから第１のモータ４８の径方向外方に突出する。第１の接続部分７４Ｂの外方の端部は、ハウジング４４の取付部４４Ｄに回転不能に取り付けられる。第１の接続部分７４Ｂの外方の端部は、取付部４４Ｄに固定して設けられる。このため、支持体７４は、ハウジング４４に固定して設けられる。支持体７４は、取付部４４Ｄに、接着またはボルトなどの固定部材によって固定される。第２の接続部分７４Ｃは、モータハウジング７２の外周部７２Ａから第１のモータ４８の回転軸の近傍まで延びる。

センサ７６は、支持体７４のうちの第１の接続部分７４Ｂに設けられる。センサ７６は、支持体７４の歪み量に応じた信号を出力する。支持体７４の歪み量は、支持体７４にかかる力に相関する。このため、センサ７６は、支持体７４にかかる力に応じた信号を出力する。

図３に示されるように、ワンウェイクラッチ５４は、ローラクラッチである。ワンウェイクラッチ５４は、外輪７８、内輪８０、および、外輪７８と内輪８０との間に配置される転動体８２を備えている。なお、ワンウェイクラッチ５４は、爪式のクラッチによって構成されてもよい。

ワンウェイクラッチ５４の一部である外輪７８は、支持体７４の第２の接続部分７４Ｃの内周部に取り付けられる。外輪７８は、例えば圧入またはスプライン嵌合により、第２の接続部分７４Ｃに回転不能に支持される。ワンウェイクラッチ５４の一部である内輪８０は、サンギア５６の端部の外周部に設けられる。内輪８０は、例えば圧入またはスプライン嵌合により、サンギア５６に回転不能に支持される。転動体８２は、外輪７８の内周面、および、内輪８０の外周面の少なくとも一方に形成され、周方向の一方に向かうにつれて深くなる溝（図示略）に配置されている。なお、外輪７８を第２の接続部分７４Ｃと一体的に形成することもできる。また、内輪８０をサンギア５６またはロータ７０と一体的に形成することもできる。

図２に示すワンウェイクラッチ５４は、ハウジング４４および支持体７４に対するサンギア５６の一方向への回転を許容し、ハウジング４４および支持体７４に対する他方向への回転を規制する。具体的には、サンギア５６が支持体７４に対して自転車１０（図１参照）が前進するときのクランク軸４２の回転方向と逆方向（以下、「逆転方向」）に回転することを許容し、サンギア５６が支持体７４に対して、自転車１０（図１参照）が前進するときのクランク軸４２の回転方向（以下、「正転方向」）に回転することを規制する。換言すれば、サンギア５６は、支持体７４に対して正転方向に回転することができない。第１のモータ４８に電力が供給されていないときに、クランク軸４２の正転方向の回転が入力された場合、サンギア５６はワンウェイクラッチ５４によって回転が規制されるので、クランク軸４２の正転方向の回転が、遊星歯車機構４６によって増速されて出力部６６に伝達される。

ドライブユニット４０は、制御部８４を備えている。制御部８４は、ハウジング４４に設けられている。制御部８４は、ハウジング４４の内部に収容されている。制御部８４は、センサ７６、第１のモータ４８、および、第２のモータ５０と、図示しない信号線を介して制御部８４に電気的に接続されている。

制御部８４は、第１のモータ４８を駆動する駆動回路、第２のモータ５０を駆動する駆動回路を含む。制御部８４は、バッテリ３６（図１参照）から供給される電力を用いて第１のモータ４８および第２のモータ５０を駆動する。制御部８４は、センサ７６から入力される信号に基づいて第１のモータ４８および第２のモータ５０の少なくとも一方を制御する。

制御部８４には、予め実験等により得られたセンサ７６の出力とクランク軸４２に入力される人力駆動力との関係を示すマップおよび計算式の少なくとも一方が記憶されている。制御部８４は、このマップおよび計算式の少なくとも一方に基づいて、第１のモータ４８および第２のモータ５０の少なくとも一方を制御することにより、人力駆動力をアシストするアシスト力を発生させる。

また、制御部８４は、図示しない操作装置からアシスト力を変更するための操作信号が入力されたとき、人力駆動力に対する第２のモータ５０の出力が大きくなるように第２のモータ５０を制御する。また、制御部８４は、遊星歯車機構４６の変速比γを変更するための操作信号が入力されたとき、クランク軸４２の回転に対する出力部６６の回転の比率が、所定の変速比γになるように第１のモータ４８を制御する。なお、遊星歯車機構４６の変速比γは、遊星歯車機構４６に入力された回転数に対する遊星歯車機構４６から出力された回転数である。操作信号は、有線または無線のいずれによって制御部８４に入力されてもよい。

制御部８４は、第１のモータ４８を駆動させることにより、サンギア５６に逆転方向のトルクを伝達する。これにより、図４に示すように、サンギア５６の回転がサンギア５６まわりで回転するプラネタリギア６０の自転速度を加速させる。このため、リングギア５８の回転速度も大きくなり、変速比γが大きくなる。サンギア５６の回転速度に応じて、変速比γは無段階に変更される。なお、制御部８４は、変速比γ、すなわちサンギア５６の回転速度を段階的に変更するように制御することもできる。また、制御部８４と外部の装置とを無線または有線により接続し、外部の装置を用いて変速比γの段階の数、および、大きさを変更することもできる。外部の装置は、たとえばサイクルコンピュータまたはパーソナルコンピュータである。

図２に示す制御部８４が第１のモータ４８への電力の供給を停止したとき、第１のモータ４８の駆動が停止する。サンギア５６と支持体７４との間には、ワンウェイクラッチ５４が設けられているため、サンギア５６の支持体７４に対する回転が規制される。このため、制御部８４が第１のモータ４８への電力の供給を停止したとき、変速比γは遊星歯車機構４６の各構成要素のギア数に応じた変速比γに維持される。遊星歯車機構４６は、キャリア６４が入力部として機能し、リングギア５８が出力部６６に接続されている。このため、サンギア５６がハウジング４４に対して回転しないとき、遊星歯車機構４６に入力された回転は増速されて出力される。このため、制御部８４が第１のモータ４８への電力の供給を停止したときの変速比γは、１以上であり、例えば、１．２以上である。第１のモータ４８は、変速比γを１〜３．０の範囲内において変更することが好ましい。

制御部８４は、第２のモータ５０を駆動させることにより、キャリア６４に正転方向のトルクを伝達する。これにより、クランク軸４２から入力されたトルクは、アシスト力が加えられて遊星歯車機構４６から出力する。

トルク検出装置５２の作用について説明する。
キャリア６４には、クランク軸４２に入力された人力駆動力と、第２のモータ５０のトルクとが伝達される。キャリア６４に入力された回転は、プラネタリギア６０に伝達される。このとき、サンギア５６にはプラネタリギア６０からプラネタリギア６０の自転方向とは逆の回転方向に反力が発生する。

第１のモータ４８が駆動しているとき、第１のモータ４８は、プラネタリギア６０からの力によって生じたサンギア５６の反力を加味して、サンギア５６の回転速度を制御する。すなわち、第１のモータ４８のロータ７０には、サンギア５６の反力が伝達されている。このため、第１のモータ４８のモータハウジング７２とハウジング４４とに取り付けられている支持体７４には、ロータ７０に伝達されたサンギア５６に生じる反力の大きさに応じた微小な歪みが生じる。このため、第１のモータ４８が駆動しているとき、センサ７６は、クランク軸４２に入力された人力駆動力、および、第２のモータ５０のトルクに応じた信号を制御部８４に出力する。

第１のモータ４８が駆動していないとき、プラネタリギア６０からの力によってサンギア５６には、逆転方向への反力が発生する。ワンウェイクラッチ５４は、サンギア５６がハウジング４４に対して逆転方向に回転することを規制する。このため、ワンウェイクラッチ５４とハウジング４４とに取り付けられている支持体７４には、サンギア５６に生じる反力の大きさに応じた微小な歪みが生じる。このため、第１のモータ４８が駆動していないとき、センサ７６は、クランク軸４２に入力された人力駆動力、および、第２のモータ５０のトルクに応じた信号を制御部８４に出力する。

なお、制御部８４は、第２のモータ５０が駆動しているとき、センサ７６の出力に基づいて演算されたトルクから、第２のモータ５０のトルクを減算することにより、クランク軸４２にかかる人力駆動力を演算することもできる。第２のモータ５０のトルクは、第２のモータ５０に供給する電流量、電流量の指令値、または、第２のモータ５０のトルクを検出するセンサの出力を用いて演算することができる。

ドライブユニット４０は、以下の効果を奏する。
（１）ドライブユニット４０は、第１のモータ４８を支持する支持体７４と、支持体７４に取り付けられ、７３支持体にかかる力に応じた信号を出力するセンサ７６とを備える。このため、第１のモータ４８が駆動しているときには、センサ７６の出力を用いてサンギア５６から第１のモータ４８にかかる力に基づいてクランク軸４２にかかるトルクを演算できる。すなわち、第１のモータ４８の電流量以外の方法を用いてクランク軸４２にかかるトルクを検出できる。

（２）支持体７４は、ハウジング４４と別体に形成されて、ハウジング４４に取り付けられる。このため、支持体７４とハウジング４４とを一体的に形成する場合と比較して、支持体７４の材料および形状の自由度が向上する。

（３）ドライブユニット４０は、サンギア５６の他方向への回転を規制するワンウェイクラッチ５４を備えている。このため、第１のモータ４８への電力の供給を停止したときも、適切にリングギア５８から回転を出力することができる。このため、サンギア５６のハウジング４４に対する回転を第１のモータ４８により停止する構成と比較して、省電力化に貢献できる。

（４）ワンウェイクラッチ５４の一部は、支持体７４に設けられる。このため、第１のモータ４８が停止しているときにも、センサ７６の出力を用いてサンギア５６にかかる力に基づいてクランク軸４２にかかるトルクを演算できる。

（変形例）
自転車用ドライブユニットが取り得る具体的な形態は、上記実施形態に例示された形態に限定されない。自転車用ドライブユニットは、上記実施形態とは異なる各種の形態を取り得る。以下に示される上記実施形態の変形例は、自転車用ドライブユニットが取り得る各種の形態の一例である。

・支持体７４を、ハウジング４４と一体的に形成することもできる。例えば、図５に示されるように、支持体４４Ｅは、第１の接続部分４４Ｆ、円筒部分４４Ｇ、および、第２の接続部分４４Ｈを備えている。第１の接続部分４４Ｆは、取付部４４Ｄの第１のモータ４８側の端部から連続し、取付部４４Ｄから径方向内方に向かう。円筒部分４４Ｇは、第１の接続部分４４Ｆと連続し、外周部７２Ａを覆う。第２の接続部分４４Ｈは、円筒部分４４Ｇと連続し、径方向内方に向かう。第２の接続部分４４Ｈの内周面には、ワンウェイクラッチ５４が設けられている。

・支持体７４の円筒部分７４Ａを省略することもできる。この場合、支持体７４は、第１の接続部分７４Ｂおよび第２の接続部分７４Ｃが連続した円盤形状に形成し、モータハウジング７２の外周部７２Ａを覆わないようにすることもできる。

・支持体７４の円筒部分７４Ａおよび第２の接続部分７４Ｃを、モータハウジング７２と一体で形成してもよい。この場合、モータハウジング７２とサンギア５６との間にワンウェイクラッチ５４が設けられてもよい。

・第１のモータ４８を、図６に示されるように第１のモータ４８の中心軸がクランク軸４２の径方向外側に配置されるようにすることもできる。この場合、支持体７４は、モータハウジング７２とハウジング４４の外周部４４Ａの内周とに取り付けることもできる。また、この場合、ワンウェイクラッチ５４を第１のモータ４８の回転軸とハウジング４４との間に設けることもできる。また、ワンウェイクラッチ５４を、ハウジング４４とサンギア５６との間に設けることもできる。

・図６に示すように、第２のモータ５０をクランク軸４２まわりにおいてクランク軸４２と同軸に配置することもできる。この場合、キャリア６４に内歯車６４Ｄを形成し、第２のモータ５０の出力ギア５０Ａと噛み合わせることもできる。

・第１のモータ４８および第２のモータ５０の少なくとも一方を、ハウジング４４の外部に設けることもできる。
・第２のモータ５０をリングギア５８に接続し、リングギア５８にトルクを伝達することもできる。

・制御部８４は、第１のモータ４８を正転方向に駆動させることもできる。この場合、ワンウェイクラッチ５４は設けない。第１のモータ４８が、サンギア５６を正転方向に回転させると、変速比γが小さくなる。第１のモータ４８の回転速度を大きくすることにより、変速比γを１未満にすることもできる。

・クランク軸４２とキャリア６４との間、または、リングギア５８とフロントスプロケット３０との間に減速機構を設けることもできる。この場合、減速機構により変速比γを１未満にすることもできる。この減速機構は、少なくとも２枚以上の歯車によって実現されてもよいし、遊星歯車機構によって実現されてもよい。

・取付部４４Ｄを、サンギア５６とクランク軸４２との間に設けることもできる。また、取付部４４Ｄを省略し、支持体７４の第１の接続部分７４Ｂを外周部４４Ａまたは側壁４４Ｂに取り付けることもできる。

・第１のモータ４８を、ロータ７０がステータ６８のまわりに配置されるアウターロータ型のモータにすることもできる。
・サンギア５６と第１のモータ４８の出力軸とを別体に構成し、サンギア５６と第１のモータ４８の出力軸とをスプライン嵌合等により接続することもできる。この場合、第１のモータ４８の出力軸には、サンギア５６に生じる反力がかかる。このため、第１のモータ４８の出力軸と支持体７４との間にワンウェイクラッチ５４を取り付けることもできる。

・ワンウェイクラッチ５４を、ロータ７０と取付部４４Ｄとの間に設けることもできる。また、ワンウェイクラッチ５４を、ハウジング４４の取付部４４Ｄ以外の部分とロータ７０との間に設けることもできる。

・ワンウェイクラッチ５４を省略することもできる。この場合、サンギア５６のハウジング４４に対する回転を規制するときには、第１のモータ４８が回転しないように制御することにより、サンギア５６のハウジング４４に対する回転位相を維持する。

・ワンウェイクラッチ５４を、キャリア６４とリングギア５８との間、または、クランク軸４２と出力部６６との間に設けることもできる。ワンウェイクラッチ５４は、クランク軸４２およびキャリア６４に対する出力部６６およびリングギア５８の正転方向への回転を許容する。すなわち、出力部６６およびリングギア５８がクランク軸４２およびキャリア６４よりも速く回転しているとき、出力部６６およびリングギア５８と、クランク軸４２およびキャリア６４との相対回転が許容される。ワンウェイクラッチ５４は、クランク軸４２およびキャリア６４に対する出力部６６およびリングギア５８の逆転方向への回転を規制する。すなわち、出力部６６およびリングギア５８の正転方向への回転速度がクランク軸４２およびキャリア６４の回転速度に等しくなったとき、出力部６６およびリングギア５８と、クランク軸４２およびキャリア６４とが連結され、一体的に回転する。このため、例えば、第１のモータ４８への電力の供給が停止されて変速比γが１になったとき、ワンウェイクラッチ５４の機能によりキャリア６４とリングギア５８とが正転方向に一体的に回転する。このため、第１のモータ４８への電力の供給が停止された場合であっても、クランク軸４２の回転をフロントスプロケット３０に伝達することができる。なお、この変形例においては、支持体７４にワンウェイクラッチ５４を取り付けないようにすることもできる。

・ドライブユニット４０を、図７に示すように変更することもできる。このドライブユニット４０の遊星歯車機構４６は、クランク軸４２の回転が入力体であるリングギア５８に入力され、出力体であるキャリア６４の回転がフロントスプロケット３０に出力される。伝達体であるサンギア５６は、ハウジング４４に対して回転可能である。第２のモータ５０は、リングギア５８またはキャリア６４に接続されて、第２のモータ５０のトルクをリングギア５８またはキャリア６４に伝達する。第１のモータ４８は、サンギア５６に接続されて、サンギア５６にトルクを伝達し、サンギア５６の回転を制御する。支持体７４は、第１のモータ４８とハウジング４４とに取り付けられる。遊星歯車機構４６は、サンギア５６のハウジング４４に対する回転が規制されているとき、遊星歯車機構４６による変速比γが１未満である。このため、第１のモータ４８を逆転方向に駆動することにより、変速比γを１未満の範囲および１以上の範囲において無段階に変更できる。ワンウェイクラッチ５４は、支持体７４と第１のモータ４８の回転軸との間に設けられる。なお、第１のモータ４８を正転方向に駆動することにより、変速比γをさらに小さくできる構成を採用することもできる。

・ドライブユニット４０を、図８に示すように変更することもできる。このドライブユニット４０の遊星歯車機構４６は、クランク軸４２の回転が入力体であるキャリア６４に入力され、出力体であるサンギア５６の回転がフロントスプロケット３０に出力される。伝達体であるリングギア５８は、ハウジング４４に対して回転可能である。第２のモータ５０は、キャリア６４またはサンギア５６に接続されて、第２のモータ５０のトルクをキャリア６４またはサンギア５６に伝達する。第１のモータ４８は、リングギア５８に接続されて、リングギア５８にトルクを伝達し、リングギア５８の回転を制御する。支持体７４は、第１のモータ４８とハウジング４４とに取り付けられる。遊星歯車機構４６は、リングギア５８のハウジング４４に対する回転が規制されているとき、遊星歯車機構４６による変速比γが１未満である。このため、第１のモータ４８を逆転方向に駆動することにより、変速比γを１未満の範囲および１以上の範囲において無段階に変更できる。ワンウェイクラッチ５４は、支持体７４とも第１のモータの回転軸との間に設けられる。なお、第１のモータ４８を正転方向に駆動することにより、変速比γをさらに小さくできる構成を採用することもできる。

・ドライブユニット４０を、図９に示すように変更することもできる。このドライブユニット４０の遊星歯車機構４６は、クランク軸４２の回転が入力体であるサンギア５６に入力され、出力体であるキャリア６４の回転がフロントスプロケット３０に出力される。伝達体であるリングギア５８は、ハウジング４４に対して回転可能である。第２のモータ５０は、サンギア５６またはキャリア６４に接続されて、第２のモータ５０のトルクをサンギア５６またはキャリア６４に伝達する。第１のモータ４８は、リングギア５８に接続されて、リングギア５８にトルクを伝達し、リングギア５８の回転を制御する。支持体７４は、第１のモータ４８とハウジング４４とに取り付けられる。遊星歯車機構４６は、リングギア５８のハウジング４４に対する回転が規制されているとき、遊星歯車機構４６による変速比γが１未満である。このため、第１のモータ４８を正転方向に駆動することにより、変速比γを１未満の範囲および１以上の範囲において無段階に変更できる。ワンウェイクラッチ５４は、支持体７４と第１のモータ４８の回転軸との間に設けられる。なお、第１のモータ４８を逆転方向に駆動することにより、変速比γをさらに小さくできる構成を採用することもできる。

・ドライブユニット４０を、図１０に示すように変更することもできる。このドライブユニット４０の遊星歯車機構４６は、クランク軸４２の回転が入力体であるリングギア５８に入力され、出力体であるサンギア５６の回転がフロントスプロケット３０に出力される。伝達体であるキャリア６４は、ハウジング４４に対して回転可能である。第２のモータ５０は、リングギア５８またはサンギア５６に接続されて、第２のモータ５０のトルクをリングギア５８またはサンギア５６に伝達する。第１のモータ４８は、キャリア６４に接続されて、キャリア６４にトルクを伝達し、キャリア６４の回転を制御する。支持体７４は、第１のモータ４８とハウジング４４とに取り付けられる。遊星歯車機構４６は、キャリア６４のハウジング４４に対する回転が規制されているとき、リングギア５８の回転方向とサンギア５６の回転方向とが異なる。このため、サンギア５６とフロントスプロケット３０との間には回転方向を変換する伝達ギア８８が配置されている。伝達ギア８８と、サンギア５６と、フロントスプロケット３０とによって遊星歯車機構を構成する。この場合、伝達ギア８８がプラネタリギアとして機能し、サンギア５６がサンギアとして機能し、フロントスプロケット３０がリングギアとして機能する。伝達ギア８８を支持するキャリアをハウジングに固定することによって、サンギア５６の回転方向と、フロントスプロケット３０の回転方向を逆にすることができる。なお、伝達ギア８８は、クランク軸４２とリングギア５８との間に配置することもできる。ワンウェイクラッチ５４は、支持体７４と第１のモータ４８の回転軸との間に設けられる。

・ドライブユニット４０を、図１１に示すように変更することもできる。このドライブユニット４０の遊星歯車機構４６は、クランク軸４２の回転が入力体であるサンギア５６に入力され、出力体であるリングギア５８の回転がフロントスプロケット３０に出力される。伝達体であるキャリア６４は、ハウジング４４に対して回転可能である。第２のモータ５０は、サンギア５６に接続されて、第２のモータ５０のトルクをサンギア５６に伝達する。第１のモータ４８は、キャリア６４に接続されて、キャリア６４にトルクを伝達し、キャリア６４の回転を制御する。支持体７４は、第１のモータ４８とハウジング４４とに取り付けられる。遊星歯車機構４６は、キャリア６４のハウジング４４に対する回転が規制されているとき、サンギア５６の回転方向とリングギア５８の回転方向とが異なる。このため、リングギア５８とフロントスプロケット３０との間には回転方向を変換する伝達ギア８８が配置されている。伝達ギア８８と、リングギア５８と、フロントスプロケット３０とによって遊星歯車機構を構成する。この場合、伝達ギア８８がプラネタリギアとして機能し、リングギア５８がサンギアとして機能し、フロントスプロケット３０がリングギアとして機能する。伝達ギア８８を支持するキャリアをハウジングに固定することによって、サンギア５６の回転方向と、フロントスプロケット３０の回転方向を逆にすることができる。なお、伝達ギア８８は、クランク軸４２とサンギア５６との間に配置することもできる。ワンウェイクラッチ５４は、支持体７４と第１のモータ４８の回転軸との間に設けられる。

・センサ７６を、円筒部分７４Ａ、または、第２の接続部分７４Ｃに取り付けることもできる。
・図１２に示されるように、ワンウェイクラッチ５４の一部を、ハウジング４４に設けることもできる。この場合も、第１のモータ４８が駆動しているときのクランク軸４２にかかる力をセンサ７６により検出することができる。

・ドライブユニット４０からクランク軸４２を省略し、ドライブユニット４０と別体のクランク軸を取り付けることもできる。
・第２のモータ５０を省略することもできる。

・制御部８４を省略することもできる。この場合、ドライブユニット４０の外部の制御ユニットの制御部に、センサ７６の信号を出力することもできる。
・制御部８４は、第１のモータ４８に供給する電流量を用いてクランク軸４２にかかるトルクを演算することもできる。この場合、制御部８４は、センサ７６の出力に応じて演算されたクランク軸４２にかかるトルクを、電流量を用いて演算したクランク軸４２にかかるトルクを用いて補正することもできる。また、制御部８４は、センサ７６の出力に応じて演算されたクランク軸４２にかかるトルクと、電流量を用いて演算したクランク軸４２にかかるトルクとを比較し、少なくとも一方に基づいて第１のモータ４８および第２のモータ５０の少なくとも一方を制御することもできる。

１０ 自転車
３０ フロントスプロケット
４０ ドライブユニット
４２ クランク軸
４４ ハウジング
４４Ｃ 取付部
４６ 遊星歯車機構
４８ 第１のモータ
５０ 第２のモータ
５４ ワンウェイクラッチ
５６ サンギア（伝達体）
５８ リングギア（出力体）
６４ キャリア（入力体）
６６ 出力部
７２ モータハウジング
７２Ａ 外周部
７４，４４Ｅ 支持体
７４Ｂ 第１の接続部分
７４Ｃ 第２の接続部分
７６ センサ
８４ 制御部

Claims (22)

1. クランク軸の回転が入力される入力体、回転を外部に出力する出力体、および、前記入力体と前記出力体との回転比を制御するための伝達体を含む遊星歯車機を備える変速機構と、
   前記伝達体の回転を制御する第１のモータと、
   前記第１のモータを支持する支持体と、
   前記支持体に取り付けられ、前記支持体にかかる力に応じた信号を出力するセンサとを備える、自転車用ドライブユニット。
2. 前記第１のモータと、前記変速機構とが設けられるハウジングをさらに備え、
   前記支持体は、ハウジングに固定して設けられる、請求項１に記載の自転車用ドライブユニット。
3. 前記支持体は、前記ハウジングと一体に形成される、請求項２に記載の自転車用ドライブユニット。
4. 前記ハウジングに対する前記伝達体の一方向への回転を許容し、前記ハウジングに対する前記伝達体の他方向への回転を規制するワンウェイクラッチをさらに備える、請求項２または３に記載の自転車用ドライブユニット。
5. 前記ワンウェイクラッチの一部は、前記支持体に設けられる、請求項４に記載の自転車用ドライブユニット。
6. 前記ワンウェイクラッチの一部は、前記ハウジングに設けられる、請求項４に記載の自転車用ドライブユニット。
7. 前記支持体は、前記第１のモータの回転軸まわりの外周部を支持する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
8. 前記支持体は、前記第１のモータの前記外周部から、前記第１のモータの径方向外方に突出する第１の接続部分を備える、請求項７に記載の自転車用ドライブユニット。
9. 前記ハウジングは、前記第１のモータの前記外周部側に延びる取付部を備え、
   前記第１の接続部分は、前記取付部に取り付けられる、請求項２を引用する請求項８に記載の自転車用ドライブユニット。
10. 前記センサは、前記第１の接続部分に設けられる、請求項８または９に記載の自転車用ドライブユニット。
11. 前記支持体は、前記第１のモータの前記外周部から、前記第１のモータの径方向内方に延びる第２の接続部分を備え、
    前記第２の接続部分に、前記ワンウェイクラッチが取り付けられる、請求項５を引用する請求項７〜１０のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
12. 前記第１のモータは、前記伝達体と同軸に配置される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
13. 前記入力体は、リングギアであり、
    前記出力体は、キャリアであり、
    前記伝達体は、サンギアである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
14. 前記入力体、前記出力体、および、前記伝達体は、前記クランク軸まわりにおいて前記クランク軸と同軸に配置される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
15. 前記第１のモータは、前記クランク軸まわりにおいて前記クランク軸と同軸に配置される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
16. 前記伝達体は、前記第１のモータの出力軸と一体的に形成される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
17. 前記出力体と接続され、かつ、フロントスプロケットを取り付け可能な出力部をさらに備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
18. 前記クランク軸をさらに備える、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
19. 前記出力体または前記入力体にトルクを伝達する第２のモータをさらに備える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。
20. 前記第２のモータの中心軸は、前記クランク軸の径方向に前記クランク軸から離れて配置される、請求項１９に記載の自転車用ドライブユニット。
21. 前記センサの出力に基づいて前記第１のモータおよび前記第２のモータの少なくとも一方を制御する制御部を備える、請求項１９または２０に記載の自転車用ドライブユニット。
22. 前記センサは、歪ゲージまたは半導体歪センサである、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の自転車用ドライブユニット。