バッテリなどの蓄電器から給電されるモータを有し、ペダルに加えられる踏力からなる人力駆動力をトルクセンサにより検出し、人力駆動力に対応したモータの補助駆動力(アシスト力)を加えることで、上り坂等でも楽に走行できる電動アシスト自転車は既に知られている。
この電動アシスト自転車において、モータなどが内蔵されたモータ駆動ユニットを、クランク軸が設けられている箇所に配設したものがある。このような配置構成の電動アシスト自転車は、重量が比較的大きいモータ駆動ユニットが、電動アシスト自転車の前後方向中央(すなわち、前輪と後輪との間の中間)の低い位置に配置される。したがって、この配置構成の電動アシスト自転車は、モータが前輪のハブや後輪のハブに内蔵されているものと比較して、前輪や後輪を持ち上げ易くて、走行路に段差があっても容易に乗り越えることができるなど、車体の取り回しがよく、また、走行安定性も良好である。
この種の電動アシスト自転車に設けられるモータ駆動ユニットとしては、大別して、図18に示すように、クランク軸101の一端部近傍箇所に配設された人力駆動力出力輪体としての駆動スプロケット(前スプロケットや大ギヤとも称せられる)102とは別に、モータからの補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケット103を備えた、いわゆる二軸式とも称せられるモータ駆動ユニット100と、図19、図20に示すように、踏力による人力駆動力とモータによる補助駆動力とがモータ駆動ユニット200の内部で合成され、合成された合力が駆動スプロケット201から出力されるいわゆる一軸式とも称せられるモータ駆動ユニット200と、がある。
前記二軸式のモータ駆動ユニット100は、例えば特許文献1等に開示されている。この二軸式のモータ駆動ユニット100は、図18に示すように、補助駆動力出力スプロケット103が、モータ駆動ユニット100における駆動スプロケット102よりも後方の箇所から、モータ駆動ユニット100のユニットケース104より外側に突出された状態で配設されている。そして、人力駆動力が出力される駆動スプロケット102と補助駆動力が出力される補助駆動力出力スプロケット103とのそれぞれが、無端状駆動力伝達体としてのチェーン105に噛み合わされており、チェーン105によって人力駆動力と補助駆動力が合成されて後輪側に伝達される。
補助駆動力出力スプロケット103のさらに後方には、補助駆動力出力スプロケット103に噛み合った後のチェーン105に噛み合って下方に案内するテンショナ装置(ガイド装置とも称せられる)106が配設されている。そして、このテンショナ装置106に設けられたテンションスプロケット107により、補助駆動力出力スプロケット103に噛み合うチェーン105の巻き角度を増加させている。
一方、いわゆる一軸式のモータ駆動ユニット200は、例えば特許文献2等に開示されている。この一軸式のモータ駆動ユニット200は、図19、図20に示すように、ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸202の外周に、セレーション結合などにより前記人力駆動力が伝達される筒状の人力伝達体203と、この人力伝達体203を介して伝達された人力駆動力とモータ204からの補助駆動力とが合成される合力体205とを配設している。そして、人力伝達体203からの人力駆動力が一方向クラッチ206を介して合力体205に伝達されるよう構成している。また、合力体205の一端部には、モータ204からの補助駆動力が減速機構207を介して伝達される大径歯車部205aが形成され、合力体205の他端部には、無端状駆動力伝達体としてのチェーン208に噛み合わされる駆動力出力輪体としての駆動スプロケット201が取り付けられている。そして、合力体205において合成された合力が駆動スプロケット201からチェーン208を介して後輪側に伝達される。
図19、図20に示すように、一軸式のモータ駆動ユニット200は、チェーン208に駆動スプロケット201だけを噛み合わせて、人力駆動力と補助駆動力とを合成した合力をチェーン208に伝達する方式である。これに対して、二軸式のモータ駆動ユニット100では、図18に示すように、チェーン105に、人力駆動力を伝達する駆動スプロケット102と、補助駆動力を伝達する補助駆動力出力スプロケット103と、さらに、テンションスプロケット107とを噛み合わせる必要がある。
このため、一軸式のモータ駆動ユニット200は、モータ204や減速機構207などの配置を工夫することで、モータ駆動ユニット200の側面視した状態での面積(横方向からの投影面積)を、二軸式のモータ駆動ユニット100の面積よりも小さくできる(コンパクト化できる)利点がある。また、いわゆるフロント変速機を装着しようとした場合に、一軸式のモータ駆動ユニット200は、駆動スプロケット201を多段にすることで前記フロント変速機を装着することが可能となる。一方、二軸式のモータ駆動ユニット100は、チェーン105に駆動スプロケット102と補助駆動力出力スプロケット103とテンションスプロケット107とを噛み合わせる必要があるので、フロント変速機を装着することは困難である。さらに、一軸式のモータ駆動ユニット200は、テンションスプロケット107などのテンショナ装置106を設けなくて済む利点もある。
なお、このような利点を有する一軸式のモータ駆動ユニット200においては、クランク軸202からの人力駆動力が伝達される人力伝達体203の外周面とその対向部分に、人力駆動力を検出する磁歪式のトルクセンサ209が設けられる場合が多い。すなわち、人力伝達体203の外周面に磁歪発生部209bが形成されているとともに、この磁歪発生部209bに対向するように、磁歪発生部209bでの磁気の変動を検出するコイル209aが配設されている。そして、左右のペダルを踏み込んだ際にクランク軸202が踏力(人力駆動力)により捩れるため、クランク軸202からの人力駆動力が伝達される人力伝達体203の捩れ状態を、前記トルクセンサ209により検出している。
ところで、このような一軸式のモータ駆動ユニット200において、フロント変速機を装着する場合には、スポーツ用の自転車などに設けられているような外装変速機をクランク軸の側方に配設することが考えられる。すなわち、図20に示すような駆動スプロケット201の箇所に、複数の駆動スプロケットを、クランク軸202の軸心方向に沿う方向(車幅方向とも称す)に対して位置をずらして配設するとともに、これらの駆動スプロケットの近傍に、チェーンを車幅方向に移動させるフロントディレーラを設けることが考えられる。
以下、本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車について図面に基づき説明する。なお、以下の説明における左右方向および前後方向とは、進行方向に向って当該電動アシスト自転車1に搭乗した状態での方向を言う。また、この発明の構成が以下で述べる構成に限定されるものではない。
図1、図2における1は本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車である。図1、図2などに示すように、この電動アシスト自転車1は、ヘッドパイプ2a、前フォーク2b、メインパイプ2c、立パイプ2d、チェーンステー2e、シートステー2fなどからなる金属製のフレーム2と、前フォーク2bの下端に回転自在に取り付けられた前輪3と、チェーンステー2eの後端に回転自在に取り付けられた後輪4と、前輪3の向きを変更するハンドル5と、サドル6と、踏力からなる人力駆動力がかけられるクランク7およびペダル8と、補助駆動力(アシスト力)を発生させる駆動源としての電動のモータ21(図4など参照)およびこのモータ21を含めた各種の電気的制御を行う制御部24(図4参照)などが設けられたモータ駆動ユニット20と、モータ21に駆動用の電力を供給する二次電池からなるバッテリ12と、ハンドル5などに取り付けられて、搭乗者などが操作可能で、後述する遊星歯車機構25の変速機能の速度(低速(第1速)または高速(第2速))を設定する変速段手元操作部18と、ハンドルなどに取り付けられて、搭乗者などが操作可能で、当該電動アシスト自転車1の電源の切り換えや走行モードなどを設定する手元設定部(図示せず)と、クランク軸7aと同軸心で一体的に回転するように取り付けられ、人力駆動力および補助駆動力が合わされた合力を出力する駆動力出力輪体としての駆動スプロケット(前スプロケット、クランクスプロケットや前ギヤとも称せられる)13と、後輪4のハブ(後ハブとも称する)9に取り付けられた後部輪体としての後スプロケット(後ギヤとも称せられることがある)14と、駆動スプロケット13と後スプロケット14とにわたって回転可能な状態で無端状に巻回された無端状駆動力伝達体としてのチェーン15と、チェーン15などを側方から覆うチェーンカバー17と、などを備えている。
なお、バッテリ12は蓄電器の一例であり、二次電池が好適であるが、蓄電器の他の例としてはキャパシタなどであってもよい。なお、クランク7は、左右にそれぞれ設けられるクランクアーム7bと、左右のクランクアーム7b同士を連結するクランク軸7aとからなり、クランクアーム7bの端部にペダル8が回転自在に取り付けられている。
図1、図2に示すように、この電動アシスト自転車1においても、モータ駆動ユニット20が、クランク軸7aの略後方など、前輪3と後輪4との間の中間位置(より詳しくは中間位置の下部)に配置されている。そして、このような配置構成にすることで、重量が比較的大きいモータ駆動ユニット20が、電動アシスト自転車1の前後方向中央に配置されるため、前輪3や後輪4を持ち上げ易くて、走行路に段差があっても容易に乗り越えることができるなど、電動アシスト自転車1の車体(フレーム2など)の取り回しがよく、また、走行安定性も良好とされている。
図3はモータ駆動ユニット20の右側面図、図4はモータ駆動ユニット20の平面横断面図である。
図3、図4に示すように、モータ駆動ユニット20は、モータケース22a、左側ケース22b、右側ケース22cからなるユニットケース22により外殻部などが構成され、モータ駆動ユニット20の前部をクランク軸7aが左右に貫通している。また、クランク軸7aの外周に、クランク軸7aからの人力駆動力が伝達される略筒状の人力伝達体28と、人力伝達体28からの人力駆動力が伝達される連動筒体23と、連動筒体23からの人力駆動力が一方向クラッチ(補助駆動力切断用の一方向クラッチ)30などを介して伝達されるとともに、人力駆動力とモータ21からの補助駆動力とを合成した合力を駆動スプロケット13に伝達する合力伝達体29と、が配設されている。
また、モータ駆動ユニット20におけるユニットケース22の前側右寄り箇所に、人力駆動力とモータ21からの補助駆動力とが合成された合力を変速する遊星歯車機構50が設けられている。また、モータ駆動ユニット20における前後方向中央部には、複数の減速用歯車36〜40などを有する減速機構25が配設されている。この実施の形態では、後述するように、遊星歯車機構50により内装変速機(内装型の変速装置)としての機能も付与している。また、ユニットケース22内の後部左側にモータ21が配設され、ユニットケース22内の後部右側に、各種の電気的制御を行う電子部品が設けられた制御基板24aや各種情報の記憶部などを有する制御部24が配設されている。
モータ駆動ユニット20についてさらに詳しく述べると、図4、図5などに示すように、クランク軸7aが、モータ駆動ユニット20の前部を左右に貫通した状態で軸受26、27により回転自在に配設され、このクランク軸7aにおける左側寄り部分の外周に、セレーション部(またはスプライン部)7cを介して、筒状の人力伝達体28が一体的に回転する状態で嵌め込まれている。なお、人力伝達体28の内周におけるクランク軸7aのセレーション部(またはスプライン部)7cに対応する箇所にもセレーション部(またはスプライン部)28bが形成されてクランク軸7aのセレーション部(またはスプライン部)7cと噛み合っている。
人力伝達体28の外周表面には、磁気異方性を付与した磁歪発生部31bが形成されているとともに、その外周に一定の隙間(空間)を介してコイル31aが配設され、これらの磁歪発生部31bおよびコイル31aにより磁歪式のトルクセンサ(人力検知部)31が構成されている。これにより、クランク軸7aからの人力駆動力が人力伝達体28に伝達されるとともに、トルクセンサ31により人力駆動力が検出される。また、この磁歪式のトルクセンサ31では、磁歪発生部31bが、人力伝達体28の軸心方向に対して例えば+45度と−45度とをなす螺旋形状に形成されており、人力伝達体28に人力駆動力が伝達されると人力伝達体28の表面の磁歪発生部31bに歪みが発生して透磁率の増加部分と減少部分とが発生するため、コイル31aのインダクタンス差を測定することでトルク(人力駆動力)の大きさを検出できるよう構成されている。
連動筒体23は、クランク軸7aの外周における人力伝達体28の右側に隣接した箇所で、クランク軸7aに対して回転自在の状態で配設されているが、人力伝達体28の右端部外周に形成されたセレーション部(またはスプライン部)28aと、連動筒体23の左端部内周に形成されたセレーション部(またはスプライン部)23aとで嵌合されて、人力伝達体28と一体的に回転する。なお、この実施の形態では、人力伝達体28のセレーション部(またはスプライン部)28aに、連動筒体23の左端部内周に形成されたセレーション部(またはスプライン部)23aが外側から嵌合されている。
また、この実施の形態では、連動筒体23の左側部分の外周に、連動筒体23の回転状態を検出するための回転検出体11が取り付けられており、さらに、回転検出体11を左右から微小隙間をあけて挟むように、回転検出器10がユニットケース22に取付部材10aを介して取り付けられて固定されている。例えば、回転検出器10は、出射部と受光部とからなる対となった光センサが回転検出体11の回転方向に2つ並べられて構成され、回転検出体11は、くし(櫛)歯状に外周方向に延びる多数の歯部(遮光部)を有している。そして、回転検出体11の歯部が回転検出器10の出射部と受光部との間を通過することにより、光の入射状態と遮光状態とを回転検出器10により電気的に検知して、この信号を入力する制御部24において、連動筒体23の回転量および回転方向を検知する。なお、光センサに代えて磁気センサを設けて連動筒体23の回転量および回転方向を検知してもよい。ここで、連動筒体23は人力伝達体28と一体的に回転し、人力伝達体28はクランク軸7aと一体的に回転するため、連動筒体23の回転量および回転方向を検知することで、クランク軸7aやペダル8の回転量や回転方向も検知できるよう構成されている。
また、連動筒体23の右側部分の外周に、一方向クラッチ(補助駆動力切断用の一方向クラッチ)30を介して、減速機構25に設けられた低速用減速歯車(減速歯車の1つ)36が配設されている。そして、ペダル8を漕いで前進している場合には、連動筒体23に伝達された人力駆動力が減速機構25の低速用減速歯車36に伝達される。
図4に示すように、モータ21はモータ軸受32、33によりその回転軸21aおよびロータ部21bが回転自在に支持されている。また、モータ21の回転軸21aが右側方に突出され、この突出部の外周に後述するモータ軸減速歯車40が形成されている。
図4、図5に示すように、減速機構25は、クランク軸7aと平行に配設された中間軸44と、低速用減速歯車36などを含む減速歯車36〜40とを有する。そして、減速機構25は、クランク軸7aを通して伝達された人力駆動力とモータ21から伝達された補助駆動力とを合成し、かつ、前記人力駆動力と前記補助駆動力とが合成されてなる合力を、変速可能な状態で、中間軸44に伝達する。
中間軸44は、モータ駆動ユニット20の前後方向中央部において左右に延びてクランク軸7aと平行な姿勢で、軸受34、35により回転自在に支持された状態で配設されている。中間軸44には、人力駆動力切断用の一方向クラッチ47と、大径の第1の中間軸減速歯車37と、小径の第2の中間軸減速歯車38と、小径であるが第2の中間軸減速歯車38よりも大径である第3の中間軸減速歯車39と、などが取り付けられている。そして、人力駆動力切断用の一方向クラッチ47が切断されていない場合には、第1〜第3の中間軸減速歯車37〜39は中間軸44とともに一体的に回転する。
モータ21の回転軸21aに形成されたモータ軸減速歯車40は小径とされて、大径の第1の中間軸減速歯車37に噛み合う。これにより、モータ21の回転が減速され、モータ21からの補助駆動力のトルクが増幅されて中間軸44に伝達される。小径の第2の中間軸減速歯車38は、クランク軸7aの外周に回転自在に配設された大径の低速用減速歯車36に噛み合う。これにより、クランク軸7aから人力伝達体28、連動筒体23、補助駆動力切断用の一方向クラッチ30を介して伝達された人力が、さらに、低速用減速歯車36および第2の中間軸減速歯車38を介して中間軸44に伝達され、中間軸44において人力駆動力と補助駆動力とが合わされる。そして、この実施の形態では、人力駆動力と補助駆動力とが合わされてなる合力が、第3の中間軸減速歯車39を介して遊星歯車機構50に伝達され、さらに遊星歯車機構50を介することで変速可能とされた状態で、合力伝達体29および駆動スプロケット13に伝達される。
図5、図6などに示すように、この実施の形態の遊星歯車機構50は、低速用減速歯車36における右側の小径部36bの外周を介して回転自在に配設された太陽歯車51と、太陽歯車51の歯部に公転および自転可能な状態で噛み合う複数(例えば3つ)の遊星歯車52と、この遊星歯車52をそれぞれ回転自在に支持する遊星歯車軸53と、これらの遊星歯車軸53を公転自在に支持するキャリア54と、遊星歯車52に外周側から噛み合う内歯車55と、ユニットケース22の前側内周面に、その前側部分が嵌められて固定された固定体57と、太陽歯車51の左側部の外周に取り付けられ、固定体57の内周に形成された歯部57a(図6(a)参照)に係合可能とされて、太陽歯車51が反時計方向に回転することを規制して太陽歯車51を固定可能とする一方向クラッチからなる太陽歯車固定用クラッチ56と、ロック防止用一方向クラッチ59を介して、キャリア54に対して軸方向にスライド可能な状態でスプライン結合され、かつロック防止用一方向クラッチ59のカム(爪部)を傾倒可能な突状傾斜面58aを有する変速用クラッチ58(図5参照)と、などを有している。なお、ロック防止用一方向クラッチ59は、内歯車55の内歯55aに係脱自在とされており、当該電動アシスト自転車1を後退させる際に、合力伝達体29がロックすることを防止するよう作用する。
また、この実施の形態では、内歯車55は、遊星歯車52に噛み合う内歯55aが内周に形成されているとともに、外周に外歯55bが形成されている。そして、内歯車55の外歯55bに第3の中間軸減速歯車39が噛み合わされて中間軸44からの合力が内歯車55に伝達され、これにより、遊星歯車機構50の内歯車55への入力となる。また、右側のキャリア54が合力伝達体29と一体形成されており、遊星歯車機構50のキャリア54からの出力が合力伝達体29に伝達される。すなわち、この実施の形態の遊星歯車機構50は、合力を内歯車55から入力し、キャリア54から出力するよう構成されている。
また、変速段手元操作部18の操作に伴って、ケーブルなどを介して変速用クラッチ58が移動するよう構成されている。そして、変速段手元操作部18が低速段(第1段)に切り換えられた際は、図4、図5に示すように、変速用クラッチ58の突状傾斜面58aがロック防止用一方向クラッチ59のカム(爪部)に当接してこのカムを倒しており、この結果、ロック防止用一方向クラッチ59のカムが内歯車55の内歯55aから離反し、キャリア54と内歯車55とはそれぞれ別個に回転自在とされている。一方、変速段手元操作部18が高速段(第2段)に切り換えられると、図7に示すように、変速用クラッチ58の突状傾斜面58aはロック防止用一方向クラッチ59のカムから離反し、これにより、ロック防止用一方向クラッチ59のカムは起立可能な状態とされ、このロック防止用一方向クラッチ59のカムにより、キャリア54と内歯車55とは互いに係合して一体的に回転するよう構成されている。
上記構成において、変速段手元操作部18が低速段(第1段)に切り換えられた際は、図4、図5などに示すように、変速用クラッチ58の突状傾斜面58aがロック防止用一方向クラッチ59のカム(爪部)に当接してこのカムを倒し、キャリア54と内歯車55とはそれぞれ別個に回転自在である。中間軸44に伝達された合力は第3の中間軸減速歯車39を介して、合力が内歯車55に伝達され、これにより、図6(b)に示すように、内歯車55および遊星歯車52は右側から側面視して時計方向にそれぞれ回転する。太陽歯車51は遊星歯車52からの反力により、逆方向である反時計方向に回転しようとするが、図6(a)に示すように、太陽歯車51に取り付けられた太陽歯車固定用クラッチ56のカムが固定体57に係合し、太陽歯車51は反時計方向に回転できずに固定状態となる。
この結果、キャリア54は内歯車55よりも減速された状態で回転される。例えば、太陽歯車51の歯数が29、遊星歯車52の歯数が13、内歯車55の内歯55aの歯数が57であり、クランク軸が60回転/分(rpm)の速度で回転された場合には、内歯車55が70回転/分(rpm)、キャリア54は46.4回転/分(rpm)で回転される(図6(a)、(b)参照)。そして、このように合力が、遊星歯車機構50内で減速された状態で合力伝達体29や駆動スプロケット13に伝達され、チェーン15を介して後輪4側に伝達される。
変速段手元操作部18が高速段(第2段)に切り換えられた際は、図7に示すように、変速用クラッチ58の突状傾斜面58aはロック防止用一方向クラッチ59のカムから離反し、これにより、ロック防止用一方向クラッチ59のカム(爪部)は起立可能な状態となって内歯車55の内歯55aに係合し、キャリア54と内歯車55とが一体的に回転する状態となる。これにより、図8(b)に示すように、内歯車55とキャリア54や遊星歯車52とが、互いの相対位置が変動しない状態で一体的に回転するため、内歯車55やキャリア54とともに、太陽歯車51も一体的に回転する。なお、この際は、図8(a)に示すように、太陽歯車固定用クラッチ56は空転状態となる。したがって、クランク軸が60回転/分(rpm)の速度で回転された場合には、内歯車55とキャリア54とがともに70回転/分(rpm)で回転される(図8(a)、(b)参照)。そして、このように合力が、遊星歯車機構50内で減速も増速もされない状態で合力伝達体29や駆動スプロケット13に伝達され、チェーン15を介して後輪4側に伝達される。
上記構成によれば、一軸式のモータ駆動ユニットに外装変速機を設ける場合に必要となる車幅方向に対して小さい寸法の(薄い)チェーンを用いなくても済み、チェーンの耐用年数が極めて短い期間となって部品の交換の頻度が多くなったり、補助駆動力が不充分となったりすることがない。また、フロントディレーラを設けなくて済むとともに、フロントディレーラの配設箇所について課題を生じることもない。また、遊星歯車機構50を用いて変速するので、いわゆるニュートラル状態(空回転状態)となることなく出力することができる。この結果、変速時にいわゆるニュートラル状態(空回転状態)となることによって搭乗者に対して不快感やショックを与えることはない。
また、遊星歯車機構50により、人力駆動力とモータからの補助駆動力とが合成された合力を変速する構成であるので、人力駆動力を変速した後に補助駆動力と合成する構成や、補助駆動力を変速した後に人力駆動力と合成する構成の場合よりも、力の出力範囲を広げることができる。
また、上記のように、遊星歯車機構50として、人力駆動力とモータ21からの補助駆動力とが合成された合力を、内歯車55から入力してキャリア54から出力する構成とすることで、遊星歯車機構50により減速しながら合力を出力することが可能となる。また、比較的高負荷で使用される高速段の際には、内歯車55とキャリア54と太陽歯車51とが一体的に回転し、遊星歯車機構50の各歯車が噛み合いによる増減速でトルクを伝達することが無いように構成できるため、低速段および高速段のいずれの場合でも遊星歯車機構50の各歯車が噛み合いによって摺動しながらトルクを伝達する構成の場合と比較して、各歯車の歯面および歯元が損傷し難くなり、強度上有利となるとともに、遊星歯車機構50としての使用可能な期間(いわゆる寿命)を延ばすことができる。
上記の実施の形態(第1の実施の形態)では、合力を内歯車55から入力し、キャリア54から出力するよう構成されている遊星歯車機構50を用いた場合を述べたが、これに代えて、合力を、キャリア64から入力し、太陽歯車61から出力する遊星歯車機構60を用いてもよい(第2の実施の形態)。なお、この実施の形態では、中間軸44に、第2の中間軸減速歯車38は設けられているが、第3の中間軸減速歯車39は設けられていない。
図9、図10などに示すように、この実施の形態の遊星歯車機構60でも、太陽歯車61と、太陽歯車61の外周面に形成された歯部61aに対して公転および自転可能な状態で噛み合う複数(例えば3つ)の遊星歯車62と、この遊星歯車62をそれぞれ回転自在に支持する遊星歯車軸63と、これらの遊星歯車軸63を公転自在に支持するキャリア64と、遊星歯車62に外周側から噛み合う内歯車65とを備えている。また、キャリア64の大径外周部に、第2の中間軸減速歯車38に噛み合う歯部64cが形成されている。さらに、キャリア64の内周側左寄り箇所に筒状の中径部64aが形成され、このキャリア64の中径部64aは、補助駆動力切断用の一方向クラッチ30を介して連動筒体23の外周に取り付けられている。また、キャリア64の内周側右寄り箇所には筒状の小径部64bが形成され、このキャリア64の小径部64bは、クランク軸7aの外周に回転自在に配設されている。
この遊星歯車機構60では、キャリア64の小径部64bの外周と太陽歯車61の内周との間にも、一方向クラッチ66が配設されており、この一方向クラッチ66のカムが太陽歯車61の内周面に形成された歯部61bに係合可能とされている。また、太陽歯車61は合力伝達体29と一体形成されて、太陽歯車61に伝達された力がそのまま合力伝達体29に伝達される。また、内歯車65の右側には筒状の小径部65aが形成され、この内歯車65の小径部65aが、合力伝達体29の外周に配設された軸受68と、軸受68よりも外周側に配設された軸受27とに挟まれた状態で回転自在に支持されている。
さらに、図12に示すように、この遊星歯車機構60では、太陽歯車61の外周近傍箇所に、環状の固定枠67がユニットケース22(右側ケース22c)に固定されている。また、この固定枠67の所定箇所に(固定枠67の周方向の2箇所に設けている場合を図示しているが、1箇所または周方向に3箇所以上でもよい)、軸69aを介して揺動可能な爪状の変速用クラッチ69が、クランク軸7aの軸心方向に沿って移動可能な状態で配設されている。そして、この変速用クラッチ69は、変速段手元操作部18の操作に伴って、ケーブルなどを介して移動するよう構成されている(図示せず)。
また、図10に示すように、内歯車65の、変速用クラッチ69が臨む外周面には、変速用クラッチ69の先端が係合可能な歯状部65cが形成されているが、この歯状部65cの左側部分は単なる円筒形状とされて、変速用クラッチ69の先端が係合しないよう構成されている。なお、変速用クラッチ69は、その先端が内歯車65の外周面側に移動する方向に、つる巻きばね(図示せず)などにより付勢されている。
上記構成において、変速段手元操作部18が低速段(第1段)に切り換えられた際は、図9、図10、図12(a)に示すように、変速用クラッチ69が左寄り位置に移動されて、内歯車65の外周部における歯状部65cが形成されていない箇所に臨む位置に配設される。これにより、内歯車65は変速用クラッチ69によっては回転することが規制されず、自由に回転できる状態とされる。中間軸44に伝達された補助駆動力は第2の中間軸減速歯車38を介して、キャリア64に伝達され、キャリア64で補助駆動力と人力駆動力とが合わされる。また、図12(a)に示すように、キャリア64に取り付けられている一方向クラッチ66のカムが太陽歯車61に係合されており、これにより、太陽歯車61はキャリア64の小径部64bと一体的に回転するとともに、内歯車65も回転を規制されていないため、キャリア64や遊星歯車62とともに一体的に回転する。この結果、キャリア64とともに内歯車65や太陽歯車61も同じ回転速度で一体的に回転する。したがって、例えば、上記実施の形態と同様の歯数で、キャリア64が60回転/分(rpm)の速度で回転されている場合には、太陽歯車61も60回転/分(rpm)で回転される。そして、このように、低速段(第1段)では、合力が、遊星歯車機構60内で減速も増速もされない状態で合力伝達体29や駆動スプロケット13に伝達され、チェーン15を介して後輪4側に伝達される。
変速段手元操作部18が高速段(第2段)に切り換えられた際は、図11、図12(b)に示すように、変速用クラッチ69が右寄り位置に移動されて、内歯車65の外周部における歯状部65cに係合可能な位置に配設される。これにより、内歯車65は変速用クラッチ58によって所定方向(図12(b)における反時計方向)に回転することが規制される。内歯車65が反時計方向に回転することが規制された状態で、キャリア64が回転されるため、太陽歯車61は増速状態で回転される。例えば、キャリア64が60回転/分(rpm)の速度で回転されている場合には、太陽歯車61は約160回転/分(rpm)で回転される。そして、高速段(第2段)では、合力が、遊星歯車機構60内で増速された状態で太陽歯車61から出力されて合力伝達体29や駆動スプロケット13に伝達され、チェーン15を介して後輪4側に伝達される。なお、この際、キャリア64の小径部64bよりも太陽歯車61が高速で回転するため、これらの間に配設されている一方向クラッチ66は空転する。
上記構成によっても、一軸式のモータ駆動ユニット20に外装変速機を設ける場合に必要となる車幅方向に対して小さい寸法の(薄い)チェーンを用いなくても済み、チェーンの耐用年数が極めて短い期間となって部品の交換の頻度が多くなったり、補助駆動力が不充分となったりすることがない。また、フロントディレーラを設けなくて済むとともに、フロントディレーラの配設箇所について課題を生じることもない。また、遊星歯車機構60を用いて変速するので、いわゆるニュートラル状態(空回転状態)となることなく出力することができる。この結果、変速時にいわゆるニュートラル状態(空回転状態)となることによって搭乗者に対して不快感やショックを与えることはない。
また、この実施の形態では、遊星歯車機構60のキャリア64に人力駆動力とモータ21からの補助駆動力とが入力されて合成され、この合成された合力を遊星歯車機構60により変速する構成であるので、人力駆動力を変速した後に補助駆動力と合成する構成や、補助駆動力を変速した後に人力駆動力と合成する構成の場合よりも、力の出力範囲を広げることができる。
また、上記のように、遊星歯車機構60として、人力駆動力とモータ21からの補助駆動力とが合成された合力を、キャリア64から入力して太陽歯車61から出力する構成とすることで、遊星歯車機構60により増速しながら合力を出力することが可能となる。また、上記第1の実施の形態のような第3の中間軸減速歯車39を設けなくても済み、中間軸44に設ける歯車の数を減少できるので、ひいては、モータ駆動ユニット20のコンパクト化を図ることができる。また、軸受34、35により中間軸44をその両端で支持する構造とでき、軸受の容量(ベアリング容量)が比較的小さいコンパクトな軸受を使用でき、これによってさらにモータ駆動ユニット20のコンパクト化(特に、モータ駆動ユニット20の幅方向のコンパクト化)を図ることができる。
上記の実施の形態(第2の実施の形態)では、合力を、キャリア64から入力し、太陽歯車61から出力する遊星歯車機構60を用いた場合を述べたが、これに代えて、合力を、太陽歯車71から入力し、キャリア74から出力する遊星歯車機構70を用いてもよい(第3の実施の形態)。なお、この実施の形態では、第2の実施の形態と同様に、中間軸44に第3の中間軸減速歯車39は設けられていない。
図13、図14などに示すように、この実施の形態の遊星歯車機構70でも、太陽歯車71と、太陽歯車71の歯部71dに公転および自転可能な状態で噛み合う複数(例えば3つ)の遊星歯車72と、この遊星歯車72をそれぞれ回転自在に支持する遊星歯車軸73と、これらの遊星歯車軸73を公転自在に支持するキャリア74と、遊星歯車72に外周側から噛み合う内歯車75とを備えている。なお、この実施の形態では、太陽歯車71(詳しくは、後述する太陽歯車本体71A)の外周部に、第2の中間軸減速歯車38に噛み合う大径歯部71cが形成されている。また、太陽歯車71の内周側左寄り箇所に筒状の中径部71aが形成され、この太陽歯車71の中径部71aは、補助駆動力切断用の一方向クラッチ30を介して連動筒体23の外周に取り付けられている。そして、人力(踏力)が付加されている場合には、太陽歯車71で人力駆動力とモータ21による補助駆動力とが合成されるよう構成されている。
また、この実施の形態では、太陽歯車71に、後述する変速クラッチを装着するために、太陽歯車71が、太陽歯車本体71Aと、この太陽歯車本体71Aの内周側右寄り箇所に形成された小径部71bにセレーション部などを介して外嵌された外筒部71Bとに分割されて構成されている。そして、太陽歯車71の外筒部71Bの外周右寄り箇所に、遊星歯車72に噛み合う歯部71dが形成されている。しかし、これに限るものではなく、太陽歯車71を1つの部品で構成しても差支えない。また、太陽歯車71は、その小径部71bで、クランク軸7aの外周に回転自在の状態で配設されている。
さらに、太陽歯車71の外筒部71Bの外周左寄り領域には、スプライン部を介して変速用クラッチ76が軸方向にスライド自在の状態で取り付けられている。この変速用クラッチ76は、変速段手元操作部18の操作に伴って、ケーブルなどを介して移動するよう構成されている。また、変速用クラッチ76の内周寄り右側面には、太陽歯車71の外筒部71Bの外周に組み付けられたロック防止用一方向クラッチ80のカム(爪部)を傾倒可能な突状傾斜面76aが形成されている。なお、ロック防止用一方向クラッチ80は、キャリア74の内周側に形成された歯部74aに係脱自在とされており、当該電動アシスト自転車1を後退させる際に、合力伝達体29がロックすることを防止するよう作用する。
そして、変速段手元操作部18が低速段(第1段)に切り換えられた際は、図13、図14に示すように、変速用クラッチ76の突状傾斜面76aがロック防止用一方向クラッチ80のカム(爪部)に当接してこのカムを倒しており、この結果、ロック防止用一方向クラッチ80のカムがキャリア74の歯部74aから離反し、太陽歯車71とキャリア74とはそれぞれ別個に回転自在とされている。一方、変速段手元操作部18が高速段(第2段)に切り換えられると、図15に示すように、変速用クラッチ76の突状傾斜面76aがロック防止用一方向クラッチ80のカムから離反し、これにより、ロック防止用一方向クラッチ80のカムは起立可能な状態とされ、このロック防止用一方向クラッチ80のカムにより、太陽歯車71とキャリア74とは互いに係合して一体的に回転するよう構成されている。
また、右側のキャリア74が合力伝達体29と一体形成されており、遊星歯車機構70のキャリア74からの出力が合力伝達体29に伝達される。すなわち、この実施の形態の遊星歯車機構70は、合力を太陽歯車71から入力し、キャリア74から出力するよう構成されている。
また、図16(a)、(b)などに示すように、この実施の形態では、内歯車75の外周に複数の突起部75aが形成され、この突起部75aの片側の面(図16(a)、(b)に示すように、右側から側面視して、クランク軸7aの軸心を中心として突起部75aの時計回り側の面)のみに傾斜面75bが形成されている。さらに、この突起部75aに当接可能とされた断面略矩形形状のブロック体77が設けられている。このブロック体77は、ユニットケース22の前側内周面に固定された固定リング78に形成された収納凹部78aから出退自在に配設されている。収納凹部78aの外周寄り箇所には板ばね79が配設されて、ブロック体77は、内周側(内歯車75に当接する側)に付勢されている。すなわち、ブロック体77が内歯車75の外周面側に押し当てられていることにより、内歯車75は一方向(図16(a)、(b)における時計回りの方向)のみ回転可能とされ、いわゆる一方向クラッチと同様な機能を発揮する(遊星歯車機構70の内歯車75を固定状態と回転可能状態とに切り換える内歯車切換手段の一例)。なお、このような機構に代えて、カムを有する一方向クラッチを設けてもよい。
上記構成において、変速段手元操作部18が低速段(第1段)に切り換えられた際は、図13、図14、図16(a)に示すように、変速用クラッチ76が右寄り位置に移動されて、変速用クラッチ76の突状傾斜面76aがロック防止用一方向クラッチ80のカム(爪部)に当接してこのカムを倒している。これにより、太陽歯車71とキャリア74とは互いに回転が規制されることなく自由に回転可能な状態である。そして、人力駆動力が付加された際には、太陽歯車71は、クランク軸7aと同じ回転数(例えば、60回転/分(rpm))で同方向(図16(a)に示すように、時計回り)に回転し、これに伴って、遊星歯車72は遊星回転軸73を中心に反時計方向に自転する。一方、内歯車75は遊星歯車72から反力を受けて、反時計方向に回転しようとするが、この際は、ブロック体77が、内歯車75の突起部75aにおける傾斜面75bが設けられていない側の側面に当接し、この結果、内歯車75は固定状態となる。このように、内歯車75が固定されている状態で、太陽歯車71が回転されることにより、キャリア74は減速状態で回転する(例えば、20.2回転/分(rpm))。そして、このように、低速段(第1段)では、合力が、遊星歯車機構70内で減速された状態でキャリア74から出力され、この減速されてトルクが増幅された合力が合力伝達体29や駆動スプロケット13に伝達され、チェーン15を介して後輪4側に伝達される。
変速段手元操作部18が高速段(第2段)に切り換えられた際は、図15、図16(b)に示すように、変速用クラッチ76が左寄り位置に移動されて、変速用クラッチ76の突状傾斜面76aがロック防止用一方向クラッチ80のカムから離反される。これにより、ロック防止用一方向クラッチ80のカムが起立可能状態となり、太陽歯車71は、クランク軸7aと同じ回転数(例えば、60回転/分(rpm))で同方向(図16(a)に示すように、時計回り)に、キャリア74とともに一体回転する。また、太陽歯車71がキャリア74とともに一体回転するため、内歯車75もこれに伴って一体的に回転する(例えば、60回転/分(rpm))。なお、この際、ブロック体77は内歯車75の突起部75aに当接するが、当接する面には傾斜面75bが形成されているため、内歯車75は時計回りに支障なく回転する。このように、高速段(第2段)では、合力が、遊星歯車機構70内で増速されたり減速されたりすることなく、そのままの状態でキャリア74から出力され、この合力が合力伝達体29や駆動スプロケット13に伝達され、チェーン15を介して後輪4側に伝達される。
上記構成によっても、一軸式のモータ駆動ユニット20に外装変速機を設ける場合に必要となる車幅方向に対して小さい寸法の(薄い)チェーンを用いなくても済み、チェーンの耐用年数が極めて短い期間となって部品の交換の頻度が多くなったり、補助駆動力が不充分となったりすることがない。また、フロントディレーラを設けなくて済むとともに、フロントディレーラの配設箇所について課題を生じることもない。また、遊星歯車機構70を用いて変速するので、いわゆるニュートラル状態(空回転状態)となることなく出力することができる。この結果、変速時にいわゆるニュートラル状態(空回転状態)となることによって搭乗者に対して不快感やショックを与えることはない。
また、この実施の形態では、遊星歯車機構70の太陽歯車71に人力駆動力とモータ21からの補助駆動力とが入力されて合成され、この合成された合力を遊星歯車機構70により変速する構成であるので、人力駆動力を変速した後に補助駆動力と合成する構成や、補助駆動力を変速した後に人力駆動力と合成する構成の場合よりも、力の出力範囲を広げることができる。
また、上記のように、遊星歯車機構70として、人力駆動力とモータからの補助駆動力とが合成された合力を、太陽歯車71から入力してキャリア74から出力する構成とすることで、遊星歯車機構70により減速しながら合力を出力することが可能となる。また、上記第1の実施の形態のような第3の中間軸減速歯車39を設けなくても済み、中間軸44に設ける歯車の数を減少できるので、ひいては、モータ駆動ユニット20のコンパクト化(特に、モータ駆動ユニット20の幅方向のコンパクト化)を図ることができる。また、軸受34、35により中間軸44をその両端で支持する構造とでき、軸受の容量(ベアリング容量)が比較的小さいコンパクトな軸受を使用でき、これによってさらにモータ駆動ユニット20のコンパクト化を図ることができる。
また、比較的高負荷で使用される高速段の際には、太陽歯車71とキャリア74と内歯車75とが一体的に回転し、遊星歯車機構70の各歯車が噛み合いによる増減速でトルクを伝達することが無いように構成できるため、低速段および高速段のいずれの場合でも遊星歯車機構70の各歯車が噛み合いによって摺動しながらトルクを伝達する構成の場合と比較して、各歯車の歯面および歯元が損傷し難くなり、強度上有利となるとともに、使用可能な期間(いわゆる寿命)を延ばすことができる。
なお、上記実施の形態では、無端状駆動力伝達体としてチェーン15を用いて、駆動スプロケット13からの力を、チェーン15を介して後スプロケット14に伝達する場合を述べた。しかし、これに限るものではなく、図17に示すように、無端状駆動力伝達体として歯付きベルト19を用いて、駆動スプロケットに相当する駆動ギヤ13’からの力を、歯付きベルト19を介して後ギア(図示せず)伝達するように構成してもよい。