JP2016165911A - 電動自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】力の伝達効率が良好で、かつ、力の出力範囲を大きくできる電動自転車を提供する。【解決手段】モータ２１Ａ、２１Ｂを有する駆動ユニット２０を有し、遊星歯車５２を回転自在に支持する遊星キャリア５４と太陽歯車５１と内歯車５５とを有する遊星歯車機構５０が備えられ、前記モータとして第１モータ２１Ａと第２モータ２１Ｂとを有し、遊星歯車機構５０における遊星キャリア５４と太陽歯車５１と内歯車５５との何れかである第１部品（例えば太陽歯車５１）に、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達され、遊星歯車機構５０における遊星キャリア５４と太陽歯車５１と内歯車５５との何れかで前記第１部品とは異なる第２部品（例えば内歯車５５）に、第２モータ２１Ｂからの補助駆動力が伝達されるよう構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能である電動自転車、詳しくは、変速比を連続的に変更可能な無段変速機能を有する電動自転車の変速装置に関するものである。

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自転車は既に知られている。

この電動自転車において、変速比を連続的に変更可能な無段変速機能を有するものとして、例えば、特許文献１、２等に開示された構造が提案されている。
特許文献１には、互いに接触して摩擦により力が伝達される押圧シェルおよび摩擦シェルと、摩擦リングと、コーン軸を中心として回転し、前記摩擦シェルおよび前記摩擦リングに接触するダブルコーンと、このダブルコーンの位置を調整する調整スリーブと、を有する自転車変速機が開示されている。そして、調整スリーブを外部から機械的に回転させてダブルコーンの位置を調整することで、ダブルコーンと前記摩擦シェルとの接触点のコーン軸の軸心からの長さ（接触部の回転半径）と、ダブルコーンと前記摩擦リングとの接触点のコーン軸の軸心からの長さ（接触部の回転半径）とを機械的に変更させて、無段変速させている。

また、特許文献２には、２つのモータと２つの遊星歯車機構とを有し、一方の遊星歯車機構の第１部品（実施の形態では遊星歯車のキャリア）に人力（ペダルからの踏力）を入力させ、各遊星歯車機構の第２部品（実施の形態では遊星歯車の太陽歯車）をそれぞれモータで回転させながら、各遊星歯車機構の第３部品（実施の形態では遊星歯車の環状内歯車）から出力する自転車変速システムが開示されている。

特開２０１３−２４９０６０号公報 特許第５６３１８９９号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されている自転車変速機では、作動時に摩擦シェルや摩擦リングなどの摩擦力により力を伝達する構造であり、摩擦力による多くの熱が発生して多くのエネルギーロスを伴うため、力の伝達効率が悪くて、バッテリの使用効率が低くなるおそれがある。また、ダブルコーンを用いて変速比を変更する構成なので、これによっても、力の伝達効率が悪くて、バッテリの使用効率が低くなるおそれがあった。

また、前記特許文献２に開示されている自転車変速システムでは、人力からの遊星歯車機構への入力箇所（例えば、第１部品であるキャリア）と、モータからの補助駆動力を入力する箇所（例えば、第２部品である太陽歯車）とが異なるため、力の出力範囲を大きくできなくなるおそれがある。

本発明は上記課題を解決するもので、力の伝達効率が良好で、かつ、力の出力範囲を大きくできる電動自転車を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、モータを有する駆動ユニットを有し、ペダルからの踏力による人力駆動力に、モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能である電動自転車であって、前記ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸と、遊星歯車を回転自在に支持する遊星キャリアと太陽歯車と内歯車とを有する遊星歯車機構と、が備えられ、前記モータとして第１モータと第２モータとを有し、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかである第１部品に、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達され、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかで前記第１部品とは異なる第２部品に、前記第２モータからの補助駆動力が伝達され、第２モータの回転数を調整することで、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかで前記第１部品および前記第２部品とは異なる第３部品を無段階に変速させて回転可能に構成したことを特徴とする。

この構成によれば、摩擦力により力を伝達する構造ではなく、前記遊星歯車機構を用いて、第１モータと第２モータとの補助駆動力を加える構成であるので、力の伝達効率を良好に維持することが可能となる。また、前記遊星歯車機構の前記第１部品に、前記人力駆動力だけが伝達されるのではなくて、前記人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達されるので、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、本発明は前記第２部品が前記内歯車であることを特徴とする。この構成により、前記内歯車を大きな回転数で回転することによって、第２のモータの補助駆動力も加えながら、より大きな回転数に変速させて無段階に出力させることができる。

また、このように前記第２部品が前記内歯車である場合に、前記内歯車が第２モータによる回転駆動方向と逆方向に回転することを阻止する逆回転阻止機構を設けると好適である。この構成によれば、補助駆動力を付加しない時や、バッテリの残量が少なくなった場合などに、前記第１モータや前記第２モータに通電させないでも、支障なく人力駆動力に対応する力を後輪側に出力することができる。つまり、例えば、特許文献２などに開示されている構成の場合には、遊星歯車機構の１つの部品（実施の形態では遊星歯車のキャリア）に人力が入力され、他の部品（実施の形態では遊星歯車の太陽歯車）をモータで（補助駆動）回転させながら、他の部品から出力する構成であるため、両方のモータとも通電しなければ、モータに接続された部品（例えば太陽歯車）が空転してしまい、人力も殆ど出力されなくなってしまう不具合があるが、本発明によればこのような不具合を生じることがない。

また、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される前記第１部品としては、前記太陽歯車を用いてもよいし、前記遊星キャリアを用いてもよい。また、前記第２モータは、走行開始時には駆動されず、走行開始後に回転可能に構成されることが好ましい。

また、本発明は、前記遊星歯車機構を、前記駆動ユニットの内部に配設し、前記駆動ユニットを前輪と後輪との間の中間位置に配設し、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車および前記内歯車を、前記クランク軸と同軸心で配設することが好ましい。また、前記第２モータをより高速で回転することにより、前記クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体がより高速で回転するよう構成することが好ましい。

また、本発明は、前記遊星歯車機構を介して、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力と前記第２モータからの補助駆動力とが出力用合力として合成され、この出力用合力が、前記クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体と、この駆動力出力輪体に掛け渡された無端状駆動力伝達体とを介して、後輪に伝達されるよう構成されていることを特徴とする。なお、前記無端状駆動力伝達体としては、チェーンを用いてもよいが、これに代えて歯付きベルトを用いてもよい。

本発明によれば、遊星歯車を回転自在に支持する遊星キャリアと太陽歯車と内歯車とを有する遊星歯車機構を備え、モータとして第１モータと第２モータとを有し、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかである第１部品に、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力を伝達し、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかで前記第１部品とは異なる第２部品に、前記第２モータからの補助駆動力を伝達し、第２モータの回転数を調整することで、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかで前記第１部品および前記第２部品とは異なる第３部品を無段階に変速させて回転可能に構成したことにより、力の伝達効率を良好に維持することが可能となる。また、前記遊星歯車機構の前記第１部品に、前記人力駆動力だけが伝達されるのではなくて、前記人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達されるので、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、前記第２モータからの補助駆動力が伝達される前記第２部品として前記内歯車を用いることで、第２のモータの補助駆動力も加えながら、より大きな回転数に変速させて無段階に出力させることができる。

また、このように前記第２部品が前記内歯車である場合に、前記内歯車が第２モータによる回転駆動方向と逆方向に回転することを阻止する逆回転阻止機構を設けることで、補助駆動力を付加しない時や、バッテリの残量が少なくなった場合などに、前記第１モータや前記第２モータに通電させなくても、支障なく人力駆動力に対応する力を後輪側に出力することができる。

また、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される前記第１部品としては、前記太陽歯車を用いてもよいし、前記遊星キャリアを用いてもよい。第１部品として前記太陽歯車を用いることで、第１部品として前記遊星キャリアを用いる場合と比較して、比較的低い回転数範囲で合力を出力することができる。また、第１部品として、前記遊星キャリアを用いることで、比較的高い回転数範囲で合力を出力することができる。

本発明の実施の形態に係る電動自転車の全体側面図 同電動自転車の部分切欠側面図 同電動自転車の駆動ユニットの右側面図 本発明の第１の実施の形態に係る電動自転車の駆動ユニットの平面断面図 同駆動ユニットの要部拡大平面断面図 同駆動ユニットにおける図５のＡ−Ａ線より矢視した概略的な要部右側面図で、走行開始時の状態 同駆動ユニットにおける図５のＡ−Ａ線より矢視した概略的な要部右側面図で、走行中の状態 本発明の第２の実施の形態に係る電動自転車の駆動ユニットの平面断面図 同駆動ユニットの要部拡大平面断面図 同駆動ユニットにおける図９のＢ−Ｂ線より矢視した概略的な要部右側面図で、走行開始時の状態 同駆動ユニットにおける図９のＢ−Ｂ線より矢視した概略的な要部右側面図で、走行中の状態

以下、本発明の実施の形態に係る電動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自転車１に搭乗した状態での方向を言う。但し、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自転車である。図１、図２などに示すように、この電動自転車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２１Ａ、２１Ｂ（図４など参照）およびこれらのモータ２１Ａ、２１Ｂを含めた各種の電気的制御を行う制御部２４Ａ、２４Ｂ（図４参照）などが設けられた駆動ユニット２０と、モータ２１Ａ、２１Ｂ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の変速機能の速度を任意に設定可能とされた変速段手元操作部１８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、当該電動自転車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。上記したように、本発明の実施の形態に係る電動自転車１では、駆動ユニット２０内に２つのモータ２１Ａ、２１Ｂ（第１モータ２１Ａおよび第２モータ２１Ｂ）が設けられている。

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、この電動自転車１では、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駆動ユニット２０が、電動自転車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は駆動ユニット２０の右側面図、図４は駆動ユニット２０の平面横断面図である。
図３、図４に示すように、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、駆動ユニット２０の中央部をクランク軸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、駆動ユニット２０（ユニットケース２２内）における前後方向中央部の右寄り箇所に、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力（第１合力）に第２モータ２１Ｂの力を加えながら無段変速可能とされた遊星歯車機構５０が設けられている。また、駆動ユニット２０における後部寄り箇所には複数の減速用歯車３６Ａ〜４０Ａなどを有する第１減速機構２５Ａが配設されており、後述するように、この第１減速機構２５Ａは、第１モータ２１Ａの補助駆動力を減速しながら遊星歯車機構５０の太陽歯車５１に伝達する。また、駆動ユニット２０（ユニットケース２２内）における前部寄り箇所には複数の減速用歯車３６Ｂ〜４０Ｂなどを有する第２減速機構２５Ｂが配設されており、後述するように、この第２減速機構２５Ｂは、第２モータ２１Ｂの補助駆動力を減速しながら遊星歯車機構５０の内歯車５５に伝達する。

この実施の形態では、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内の後部左側に第１モータ２１Ａが配設され、ユニットケース２２内の後部右側に、第１モータ２１Ａの制御を含む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２４Ａａや各種情報の記憶部などを有する制御部２４Ａが配設されている。また、ユニットケース２２内の前部左側に第２モータ２１Ｂが配設され、ユニットケース２２内の前部右側に、第２モータ２１Ｂの制御を含む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２４Ｂａや各種情報の記憶部などを有する制御部２４Ｂが配設されている。なお、制御部２４Ａ、２４Ｂは２箇所に分けることなく、１箇所にまとめて配設していてもよい。

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、駆動ユニット２０の中央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や人力伝達体２８に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（回転検出体１１の取付箇所は、連動筒体２３や人力伝達体２８の何れの箇所でもよく、クランク軸７ａに直接取り付けてもよい）、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（図示せず）がユニットケース２２に固定されている。ここで、連動筒体２３や人力伝達体２８はクランク軸７ａと一体的に回転するため、連動筒体２３や人力伝達体２８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、第１減速機構２５Ａに設けられた低速用減速歯車（減速歯車の１つ）３６Ａ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第１減速機構２５Ａの減速歯車３６Ａに伝達される。

図４に示すように、第１モータ２１Ａはモータ軸受３２Ａ、３３Ａによりその回転軸２１Ａａおよびロータ部２１Ａｂが回転自在に支持されている。また、第１モータ２１Ａの回転軸２１Ａａ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４０Ａが形成されている。

図４、図５に示すように、第１減速機構２５Ａは、クランク軸７ａと平行に配設された中間軸４４Ａと、減速歯車３６Ａなどを含む減速歯車３６Ａ〜４０Ａとを有する。そして、第１減速機構２５Ａは、クランク軸７ａを通して伝達された人力駆動力と第１モータ２１Ａから伝達された補助駆動力とを合成する。

第１減速機構２５Ａの中間軸４４Ａは、駆動ユニット２０の後部寄り箇所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３４Ａ、３５Ａ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４４Ａには、人力駆動力切断用の一方向クラッチ４７Ａと、大径の第１の中間軸減速歯車３７Ａと、小径の第２の中間軸減速歯車３８Ａ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４７Ａが切断されていない場合には、第１および第２の中間軸減速歯車３７Ａ、３８Ａは中間軸４４Ａとともに一体的に回転する。

第１モータ２１Ａの回転軸２１Ａａに形成されたモータ軸減速歯車４０Ａは小径とされて、大径の第１の中間軸減速歯車３７Ａに噛み合う。これにより、第１モータ２１Ａの回転が減速され、第１モータ２１Ａからの補助駆動力のトルクが増幅されて中間軸４４Ａに伝達される。小径の第２の中間軸減速歯車３８Ａは、クランク軸７ａの外周に回転自在に配設された大径の減速歯車３６Ａ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、減速歯車３６Ａに伝達されて、補助駆動力と合わされる。そして、この実施の形態では、人力駆動力と第１モータ２１Ａの補助駆動力とが合わされてなる合力が、遊星歯車機構５０の太陽歯車５１に伝達される。

図４に示すように、第２モータ２１Ｂはモータ軸受３２Ｂ、３３Ｂによりその回転軸２１Ｂａおよびロータ部２１Ｂｂが回転自在に支持されている。また、第２モータ２１Ｂの回転軸２１Ｂａ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４０Ｂが形成されている。

図４、図５に示すように、第２減速機構２５Ｂは、クランク軸７ａと平行に配設された中間軸４４Ｂと、低速用減速歯車３７Ｂなどを含む減速歯車３７Ｂ〜４０Ｂとを有する。第２減速機構２５Ｂの中間軸４４Ｂは、駆動ユニット２０の前側寄り箇所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３４Ｂ、３５Ｂ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４４Ｂには、人力駆動力切断用の一方向クラッチ４７Ｂと、大径の第１の中間軸減速歯車３７Ｂと、小径の第２の中間軸減速歯車３８Ｂ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４７Ｂが切断されていない場合には、第１および第２の中間軸減速歯車３７Ｂ、３８Ｂは中間軸４４Ｂとともに一体的に回転する。

第２モータ２１Ｂの回転軸２１Ｂａに形成されたモータ軸減速歯車４０Ｂは小径とされて、大径の第１の中間軸減速歯車３７Ｂに噛み合う。これにより、第２モータ２１Ｂの回転が減速され、第２モータ２１Ｂからの補助駆動力のトルクが増幅されて中間軸４４Ｂに伝達される。小径の第２の中間軸減速歯車３８Ｂは、遊星歯車機構５０の内歯車５５に外側から噛み合う。これにより、第２モータ２１Ｂからの補助駆動力のトルクが増幅された状態で遊星歯車機構５０の内歯車５５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、減速歯車３６Ａにおける右側の小径部３６ｂＡの外周に一体形成され、軸受５６を介してクランク軸７ａの外周に回転自在に配設された太陽歯車（この実施の形態における第１部品）５１と、太陽歯車５１の歯部５１ａに小径歯部５２ａで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遊星キャリア５４と、軸受５７、５８を介して、クランク軸７ａと同軸心で回転自在に支持され、遊星歯車５２の大径歯部５２ｂに内歯５５ａが外周側から噛み合う内歯車（この実施の形態における第２部品）５５と、などを有している。

また、この実施の形態では、内歯車５５の外周には外歯５５ｂが形成され、この内歯車５５の外歯５５ｂが、第２減速機構２５Ｂの第２の中間軸減速歯車３８Ｂに噛み合わされている。また、第２減速機構２５Ｂの中間軸４４Ｂには、さらにロック用歯部３９Ｂが形成され、このロック用歯部３９Ｂには、内歯車５５が太陽歯車５１と逆方向（図６における反時計方向）に回転することを阻止する（すなわち、第２減速機構２５Ｂの中間軸４４Ｂが図６における時計方向に回転することを阻止する）一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６０の爪部先端が係脱自在とされている。

また、右側の遊星キャリア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の遊星キャリア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、人力駆動力と第１モータ２１Ａから伝達された補助駆動力との合力（第１合力）を太陽歯車５１から入力し、第２モータ２１Ｂから伝達された補助駆動力を内歯車５５から入力し、これらが合わされた合力（第２合力）を遊星キャリア５４から出力するよう構成されている。また、第２モータ２１Ｂからの補助駆動力で内歯車５５が、太陽歯車５１と同方向に回転されることで、遊星歯車機構５０の遊星キャリア（この実施の形態における第３部品）５４の回転速度が増加する。

上記構成において、当該電動自転車１の走行開始時には、クランク軸７ａに作用するトルクに応じて第１モータ２１Ａが回転されて、第１モータ２１Ａからの補助駆動力が人力駆動力に加えられ、人力駆動力と第１モータ２１Ａの補助駆動力とが合わされてなる合力（第１合力）が遊星歯車機構５０の太陽歯車５１に伝達される。これにより、図６に示すように、遊星歯車機構５０の太陽歯車５１は、右側面視して、ａ方向（時計回り方向）に回転され、遊星歯車５２は、ｂ方向（反時計回り方向）に回転する。

一方、当該電動自転車１の走行開始時には、第２モータ２１Ｂは駆動されない。この際、遊星歯車５２がｂ方向（反時計回り方向）に回転するため、内歯車５５は遊星歯車５２から力を受けることで反時計回り方向に回転しようとする。しかし、第２減速機構２５Ｂに一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６０が設けられているため、内歯車５５は反時計方向への回転が阻止され、内歯車５５は固定される。これにより、図６に示すように、遊星キャリア５４は比較的低い回転数でｃ方向（時計回り方向）に回転し、人力駆動力と第１モータ２１Ａとが合わされてなる合力（第１合力）が、低回転の合力伝達体２９および駆動スプロケット１３から出力される。

上記構成において、当該電動自転車１が走行されて、クランク軸７ａの回転数（ケイデンス）が大きくなった状態で、変速段手元操作部１８が操作されて高速側に変速するよう指示されると、第２モータ２１Ｂが駆動され、これに伴って、図７に示すように、第２の中間軸減速歯車３８Ｂがｄ方向（反時計回り方向）に回転される。これにより、内歯車５５がｅ方向（時計回り方向）に回転され、遊星歯車５２が第２モータ２１Ｂからの補助駆動力も受けながら、ｂ方向（反時計回り方向）に高速で回転する。その結果、遊星キャリア５４は比較的高い回転数でｃ方向（時計回り方向）に回転し、人力駆動力と第１モータ２１Ａの補助駆動力とが合わされてなる合力（第１合力）にさらに第２モータ２１Ｂの補助駆動力も合わされてなる合力（第２合力）が、高回転の合力伝達体２９および駆動スプロケット１３から出力される。さらに、変速段手元操作部１８が操作されて、より高速側に変速するように指示されると、第２モータ２１Ｂがさらに高速回転で駆動され、前記第２合力が、より高回転とされた合力伝達体２９および駆動スプロケット１３から出力される。

このように、第２モータ２１Ｂの回転数を増加させることで、第２のモータの補助駆動力も加えながら、遊星キャリア５４から、より大きな回転数（高速）に変速させて無段階に出力させる（高速走行させる）ことができる。すなわち、第２モータ２１Ｂの回転数を調整することで、遊星歯車機構５０における第３部品としての遊星キャリア５４から無段階に変速させて回転させて出力することができる。また、上記構成によれば、摩擦力により力を伝達する構造ではなく、遊星歯車機構５０を用いて、第１モータ２１Ａと第２モータ２１Ｂとの補助駆動力を加える構成であるので、力の伝達効率を良好に維持することが可能となる。

また、第２モータ２１Ｂの回転数を増加させることで、出力部である合力伝達体２９や駆動スプロケット１３の回転を極めて細かく、スムーズに調整することができる利点もある。これ対して、前記特許文献１に開示されているような自転車変速機では、調整スリーブを外部から機械的に回転させてダブルコーンの位置を調整する構造であるので、位置調整用の部品の位置を機械的に伝達する部品を設けなければならないが、本発明の実施の形態では、第２モータ２１Ｂの回転数を調整するための電気信号だけを設けるだけで済ませることが可能である。

また、遊星歯車機構５０の太陽歯車５１（この実施の形態では、遊星歯車機構５０の第１部品）に、人力駆動力だけが伝達されるのではなくて、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達されるので、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、上記構成によれば、内歯車５５が第２モータ２１Ｂによる回転駆動方向と逆方向に回転することを阻止する一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６０を設けたので、補助駆動力を付加しない時や、バッテリ１２の残量が少なくなった場合などに、第１モータ２１Ａや第２モータ２１Ｂを通電させなくても、支障なく人力駆動力に対応する力を後輪４側に出力することができる。

これに対して、前記特許文献２に開示されている自転車変速システムでは、遊星歯車機構の１つの部品（実施の形態では遊星歯車のキャリア）に人力が入力され、他の部品（実施の形態では遊星歯車の太陽歯車）をモータで（補助駆動）回転させながら、他の部品から出力する構成であるため、両方のモータとも通電しなければ、モータに接続された部品（例えば太陽歯車）が空転してしまい、人力も殆ど出力されなくなってしまう。すなわち、この特許文献２に開示されている自転車変速システムでは、常に両方のモータとも通電しなければならないため、バッテリの使用効率が低くなるおそれがあるが、本発明の実施の形態では、このような不具合の発生を最小限に抑えることができる。

上記実施の形態では、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される第１部品（遊星歯車機構５０の第１部品）が太陽歯車５１である場合を述べた。しかしこれに限るものではなく、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される第１部品が、遊星キャリア７４であってもよい。図８〜図１１はこのような構成を有する本発明の第２の実施の形態を示すものである。

図８〜図１０に示すように、この実施の形態でも、前記実施の形態と同様な構成の第１モータ２１Ａ、第２モータ２１Ｂ、第１減速機構２５Ａ、第２減速機構２５Ｂ、一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６１などが設けられている。しかしながら、この実施の形態では、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される、減速歯車３６Ａにおける右側部分が遊星歯車機構７０の遊星キャリア７４として一体形成されている。また、遊星歯車機構７０の太陽歯車７１の右側に合力伝達体２９が一体形成されている。

すなわち、この実施の形態の遊星歯車機構７０は、図９、図１０などに示すように、軸受７６を介してクランク軸７ａの外周に回転自在に配設された太陽歯車７１と、太陽歯車７１の歯部７１ａに小径歯部７２ａで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５３を公転自在に支持する遊星キャリア（この実施の形態における第１部品）７４と、軸受７７、７８を介して、クランク軸７ａと同軸心で回転自在に支持され、遊星歯車７２の大径歯部７２ｂに内歯７５ａが外周側から噛み合う内歯車（この実施の形態における第２部品）７５と、などを有している。

また、この実施の形態でも、内歯車７５の外周に外歯７５ｃが形成され、この内歯車７５の外歯７５ｃが、第２減速機構２５Ｂの第２の中間軸減速歯車３８Ｂに噛み合わされている。また、第２減速機構２５Ｂの中間軸４４Ｂに、さらにロック用歯部３９Ｂが形成され、このロック用歯部３９Ｂには、内歯車７５が遊星キャリア７４と同方向（図１０における時計方向）に回転することを阻止する（すなわち、第２減速機構２５Ｂの中間軸４４Ｂが図１０における反時計方向に回転することを阻止する）一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６１の爪部先端が係脱自在とされている。

また、上述したように、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される、減速歯車３６Ａにおける右側部分が、遊星歯車機構７０の遊星キャリア７４として一体形成されている。また、遊星歯車機構７０の太陽歯車７１の右側に、合力伝達体２９が一体形成されており、遊星歯車機構７０の太陽歯車７１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、人力駆動力と第１モータ２１Ａから伝達された補助駆動力との合力（第１合力）を遊星キャリア（この実施の形態における第１部品）７４から入力し、第２モータ２１Ｂから伝達された補助駆動力を内歯車（この実施の形態における第２部品）７５から入力し、これらが合わされた合力（第２合力）を太陽歯車７１から出力するよう構成されている。また、第２モータ２１Ｂからの補助駆動力で内歯車７５が遊星キャリア７４と逆方向に回転されることで、太陽歯車（この実施の形態における第３部品）７１の回転速度が増加する。

上記構成において、当該電動自転車１の走行開始時には、クランク軸７ａに作用するトルクに応じて、第１モータ２１Ａが回転されて、第１モータ２１Ａからの補助駆動力が人力駆動力に加えられ、人力駆動力と第１モータ２１Ａの補助駆動力とが合わされてなる合力（第１合力）が、遊星歯車機構７０の遊星キャリア７４に伝達される。これにより、図１０に示すように、遊星歯車機構７０の遊星キャリア７４は、右側面視して、ｆ方向（時計回り方向）に回転される。

一方、当該電動自転車１の走行開始時には、第２モータ２１Ｂは駆動されない。また、第２減速機構２５Ｂに一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６１が設けられているため、内歯車７５は時計方向への回転が阻止される。これにより、図１０に示すように、遊星歯車５２は比較的低い回転数でｇ方向（反時計方向）に回転し、また、太陽歯車７１はこれに応じて比較的低い回転数でｈ方向（時計方向）に回転する。そして、人力駆動力と第１モータ２１Ａとが合わされてなる合力（第１合力）が、低回転の合力伝達体２９および駆動スプロケット１３から出力される。

上記構成において、当該電動自転車１が走行されて、クランク軸７ａの回転数（ケイデンス）が大きくなった状態で、変速段手元操作部１８が操作されて高速側に変速するよう指示されると、第２モータ２１Ｂが駆動され、これに伴って、図１１に示すように、第２の中間軸減速歯車３８Ｂがｉ方向（時計回り方向）に回転される。これにより、内歯車５５がｊ方向（反時計回り方向）に回転され、遊星歯車７２が第２モータ２１Ｂからの補助駆動力も受けながら、ｇ方向（反時計回り方向）に高速で回転する。その結果、太陽歯車７１は比較的高い回転数でｈ方向（時計回り方向）に回転し、人力駆動力と第１モータ２１Ａの補助駆動力とが合わされてなる合力（第１合力）にさらに第２モータ２１Ｂの補助駆動力も合わされてなる合力（第２合力）が、高回転の合力伝達体２９および駆動スプロケット１３から出力される。さらに、変速段手元操作部１８が操作されて、より高速側に変速するよう指示されると、第２モータ２１Ｂがさらに高速回転で駆動され、前記第２合力が、より高回転とされた合力伝達体２９および駆動スプロケット１３から出力される。

このように、第２モータ２１Ｂの回転数を増加させることで、第２のモータの補助駆動力も加えながら、より大きな回転数（高回転数）に変速させて無段階に出力させる（高速走行させる）ことができる。また、上記構成によれば、摩擦力により力を伝達する構造ではなく、遊星歯車機構５０を用いて、第１モータ２１Ａと第２モータ２１Ｂとの補助駆動力を加える構成であるので、力の伝達効率を良好に維持することが可能となる。

また、第２モータ２１Ｂの回転数を増加させることで、出力部である合力伝達体２９や駆動スプロケット１３の回転を極めて細かく、スムーズに調整することができる利点もある。また、遊星歯車機構７０の遊星キャリア７４（この実施の形態では、遊星歯車機構７０の第１部品）に、人力駆動力だけが伝達されるのではなくて、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達されるので、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、上記構成によれば、内歯車７５が第２モータ２１Ｂによる回転方向と逆方向に回転することを阻止する一方向クラッチ（逆回転阻止機構）６１を設けたので、補助駆動力を付加しない時や、バッテリ１２の残量が少なくなった場合などに、第１モータ２１Ａや第２モータ２１Ｂを通電させなくても、支障なく人力駆動力に対応する力を後輪４側に出力することができる。

なお、上記実施の形態では、人力駆動力と第１モータ２１Ａからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される遊星歯車機構５０、７０の第１部品が太陽歯車５１や遊星キャリア７４である場合を述べた。しかし、これに限るものではなく、人力駆動力と第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達される遊星歯車機構の第１部品として内歯車を用いることも可能である。また、上記実施の形態では、第２モータ２１Ｂからの補助駆動力が伝達される遊星歯車機構５０、７０の第２部品が、内歯車５５、７５である場合を述べた。しかし、これに限るものではなく、第２モータからの補助駆動力が伝達される遊星歯車機構の第２部品として、太陽歯車や遊星キャリアを用いることも可能である（但し、この場合には、第１部品として遊星キャリア（第２部品として太陽歯車を用いる場合）や太陽歯車（第２部品として遊星キャリアを用いる場合）を用いることになる）。また、上記実施の形態では、遊星歯車機構５０、７０からの出力合力が出力される（無段階に変速されて回転される）第３部品が、遊星歯車機構５０の遊星キャリア５４や遊星歯車機構７０の太陽歯車７１である場合を述べた。しかし、これに限るものではなく、遊星歯車機構からの出力合力が出力される（無段階に変速されて回転される）第３部品として、内歯車を用いることも可能である。なお、このように、第３部品として内歯車を用いる場合には、第１部品や第２部品として、太陽歯車や遊星キャリアを用いることになる。

また、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、無端状駆動力伝達体として歯付きベルトを用いて、駆動スプロケットに相当する駆動ギヤからの力を、歯付きベルトを介して後ギヤに伝達するように構成してもよい。

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能である各種の電動自転車に適用可能である。

１ 電動自転車
２ フレーム
３ 前輪
４ 後輪
７ クランク
７ａ クランク軸
１２ バッテリ
１３ 駆動スプロケット
１４ 後スプロケット
１５ チェーン（無端状駆動力伝達体）
１８ 変速段手元操作部
２０ 駆動ユニット
２１Ａ 第１モータ
２１Ｂ 第２モータ
２２ ユニットケース
２５Ａ 第１減速機構
２５Ｂ 第２減速機構
２３ 連動筒体
２８ 人力伝達体
２９ 合力伝達体
３０ 一方向クラッチ（補助駆動力切断用の一方向クラッチ）
３１ トルクセンサ（人力検知部）
３６Ａ〜４０Ａ、３６Ｂ〜４０Ｂ 減速用歯車
４７ 人力駆動力切断用の一方向クラッチ
５０ 遊星歯車機構
５１ 太陽歯車
５２ 遊星歯車
５３ 遊星歯車軸
５４ 遊星キャリア
５５ 内歯車
６０、６１ 一方向クラッチ（逆回転阻止機構）
７０ 遊星歯車機構
７１ 太陽歯車
７２ 遊星歯車
７３ 遊星歯車軸
７４ 遊星キャリア
７５ 内歯車

Claims (11)

1. モータを有する駆動ユニットを有し、ペダルからの踏力による人力駆動力に、モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能である電動自転車であって、
   前記ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸と、遊星歯車を回転自在に支持する遊星キャリアと太陽歯車と内歯車とを有する遊星歯車機構と、が備えられ、
   前記モータとして第１モータと第２モータとを有し、
   前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかである第１部品に、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力とが合成された合力が伝達され、
   前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかで前記第１部品とは異なる第２部品に、前記第２モータからの補助駆動力が伝達され、
   第２モータの回転数を調整することで、前記遊星歯車機構における遊星キャリアと太陽歯車と内歯車との何れかで前記第１部品および前記第２部品とは異なる第３部品を無段階に変速させて回転可能に構成した
   ことを特徴とする電動自転車。
2. 前記第２部品が前記内歯車であることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車。
3. 前記内歯車が第２モータによる回転駆動方向と逆方向に回転することを阻止する逆回転阻止機構を有することを特徴とする請求項２に記載の電動自転車。
4. 前記第１部品が前記太陽歯車であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動自転車。
5. 前記第１部品が前記遊星キャリアであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動自転車。
6. 前記第２モータは、走行開始時には駆動されず、走行開始後に回転可能に構成されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動自転車。
7. 前記遊星歯車機構が、前記駆動ユニットの内部に配設され、
   前記駆動ユニットが前輪と後輪との間の中間位置に配設され、
   前記遊星歯車機構の前記太陽歯車および前記内歯車が、前記クランク軸と同軸心で配設されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電動自転車。
8. 前記遊星歯車機構を介して、人力駆動力と前記第１モータからの補助駆動力と前記第２モータからの補助駆動力とが出力用合力として合成され、この出力用合力が、前記クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体と、この駆動力出力輪体に掛け渡された無端状駆動力伝達体とを介して、後輪に伝達されるよう構成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電動自転車。
9. 前記第２モータをより高速で回転することにより、前記クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体がより高速で回転するよう構成したことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の電動自転車。
10. 前記無端状駆動力伝達体として、チェーンが用いられていることを特徴とする請求項８に記載の電動自転車。
11. 前記無端状駆動力伝達体として、歯付きベルトが用いられていることを特徴とする請求項８に記載の電動自転車。

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