(54)【考案の名称】自転車用駆動ユニット

(51)【国際特許分類】

B62M 6/55

B62M 6/80

(73)【実用新案権者】株式会社シマノ

(72)【考案者】【考案者】

[fig000002]
【選択図】図2

【概要説明】

【分野】

【0001】
本考案は自転車用駆動ユニットに関する。

【従来の技術】

【0002】
特許文献1は、アシストモータ、変速機、および、変速機用のモータを備える自転車用駆動ユニットを開示している。一般に、アシストモータは、アシストモータ用の駆動回路により駆動し、変速機用のモータは、変速機用のモータの駆動回路により駆動する。
【0003】

【効果】

【0014】
上記自転車用駆動ユニットは、電気的な構成を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第1実施形態の自転車用駆動ユニットを搭載する自転車の左側面図。
【図2】図1の2−2線に沿う駆動ユニットの断面図。
【図3】図2の3−3線に沿う変速機の断面図。
【図4】図1の駆動ユニットの電気的な構成を示すブロック図。
【図5】第2実施形態の駆動ユニットの電気的な構成を示すブロック図。
【図6】図5の駆動ユニットの部分断面図。
【図7】変形例の駆動ユニットの部分断面図。

【0016】
(第1実施形態)
図1を参照して、自転車用駆動ユニットを搭載する自転車10の構成について説明する。
【0017】
自転車10は、駆動ユニット30、駆動ユニット30を介して図示しないフレームに回転可能に取り付けられる左右のクランクアーム12、クランクアーム12に回転可能に取り付けられる左右のペダル14、フロントスプロケット16、リアスプロケット18、チェーン20、および、バッテリ24(図4参照)を備えている。
【0018】
フロントスプロケット16は、駆動ユニット30のクランク軸32に連結されている。フロントスプロケット16は、クランク軸32と同軸に設けられる。リアスプロケット18は、後輪(図示略)の車軸22まわりに回転可能に取り付けられている。チェーン20は、フロントスプロケット16とリアスプロケット18とに巻き掛けられている。ペダル14に加えられる人力駆動力によりクランクアーム12が回転するとき、フロントスプロケット16、チェーン20、および、リアスプロケット18によって、後輪(図示略)が回転する。
【0019】
図4に示すバッテリ24は、図示しないフレームまたはリアキャリアに固定されている。バッテリ24は、1または複数のバッテリセルを含む。バッテリ24は、2次電池によって構成される。バッテリ24は、図2に示す駆動ユニット30に電気的に接続されて、駆動ユニット30に電力を供給する。
【0020】
図2に示されるように、駆動ユニット30は、クランク軸32、ハウジング34、フロントスプロケット16が取り付けられる出力軸36、アシスト装置38、変速機40、および、制御基板42を備えている。アシスト装置38、変速機40、および、制御基板42は、ハウジング34に収容され、すなわちハウジング34の内部に配置されている。アシスト装置38は、クランク軸32まわりに配置されている。変速機40は、アシスト装置38の径方向の外側に配置されている。
【0021】
アシスト装置38は、人力駆動力をアシストするアシストモータ44、および、アシストモータ44と連結されてアシストモータ44の回転を減速する減速機46を備えている。
【0022】
アシストモータ44は、クランク軸32のまわりにクランク軸32に対して回転可能に取り付けられるロータ48と、ロータ48の外周に回転可能に取り付けられるステータ50とを備えている。ロータ48は、クランク軸32と同軸まわりに回転する。ステータ50は、ハウジング34に固定されている。
【0023】
ロータ48の回転は、アシストモータ44と軸方向において隣り合う位置に配置された減速機46に伝達される。減速機46は、遊星歯車機構により構成されている。減速機46により減速された回転は、減速機46の出力軸46Aを介して、クランク軸32の外周に配置される出力軸36に伝達される。減速機46と出力軸36とは、ワンウェイクラッチ54を介して接続されている。ワンウェイクラッチ54は、減速機46の出力部の回転速度が出力軸36の回転速度以上のときに減速機46からの回転を出力軸36に伝達する。ワンウェイクラッチ54は、ローラクラッチまたは爪式クラッチによって構成される。
【0024】
変速機40は、伝達機構56、遊星歯車機構58、遊星歯車機構58の構成要素の回転を選択的に規制する回転規制機構60、および、回転規制機構60を駆動する変速モータ62を備えている。変速機40は、8段階の変速比を備えている。
【0025】
伝達機構56は、クランク軸32まわりに取り付けられてクランク軸32と一体的に回転する第1ギア64と、第1ギア64と噛み合わせられて、遊星歯車機構58にクランク軸32の回転を伝達する第2ギア66とを備えている。
【0026】
図3に示されるように、遊星歯車機構58は、第1サンギア68、第2サンギア70、第3サンギア72、第4サンギア74、複数の第1プラネタリギア76、複数の第2プラネタリギア78、キャリア80、第1リングギア82、第2リングギア84、第1プラネタリピン86、および、第2プラネタリピン88を備えている。また、遊星歯車機構58は、第2ギア66と結合される入力部90、および、遊星歯車機構58により変速した回転を出力軸36(図2参照)に伝達するための出力軸である出力部92を備えている。
【0027】
各サンギア68,70,72,74は、入力部90側から出力部92側に向かって第1サンギア68、第2サンギア70、第3サンギア72、および、第4サンギア74の順にシャフト100の軸方向に並べられている。各サンギア70,72,74は、第2サンギア70、第3サンギア72、および、第4サンギア74の順に外径が小さく、かつ、歯数が少ない。第1サンギア68はシャフト100に固定され、各サンギア70,72,74は、回転規制機構60のシャフト100のまわりにシャフト100に対して回転可能に取り付けられ、同軸まわりに回転する。
【0028】
複数の第1プラネタリギア76は、外径および歯数の異なる第1ギア部76Aおよび第2ギア部76Bを備えている。第1ギア部76Aの外径は、第2ギア部76Bの外径よりも小さい。複数の第1プラネタリギア76は、第1サンギア68のまわりに配置されている。第1ギア部76Aは、第1サンギア68と噛み合わせられている。第2ギア部76Bは、第1リングギア82と噛み合わせられている。
【0029】
複数の第2プラネタリギア78は、外径および歯数の異なる第1ギア部78A、第2ギア部78B、および、第3ギア部78Cを備えている。第1ギア部78Aの外径は、第2ギア部78Bの外径よりも小さく、第2ギア部78Bの外径は、第3ギア部78Cの外径よりも小さい。第1ギア部78Aは、第2サンギア70のまわりに配置されて、第2サンギア70と噛み合わせられている。第2ギア部78Bは、第3サンギア72のまわりに配置されて、第3サンギア72と噛み合わせられている。第3ギア部78Cは、第4サンギア74のまわりに配置されて、第4サンギア74と噛み合わせられている。
【0030】
第1リングギア82は、複数の第1プラネタリギア76の外周に配置されて、複数の第1プラネタリギア76と噛み合わせられている。第1リングギア82は、第1プラネタリギア76の第2ギア部76Bに噛み合う。第2リングギア84は、複数の第2プラネタリギア78の外周に配置されて、複数の第2プラネタリギア78と噛み合わせられている。
【0031】
第1プラネタリピン86は、複数の第1プラネタリギア76のそれぞれに設けられ、第1プラネタリギア76および、キャリア80を軸方向に貫通している。第1プラネタリピン86は、複数の第1プラネタリギア76、および、キャリア80に対して回転可能である。
【0032】
第2プラネタリピン88は、複数の第2プラネタリギア78のそれぞれに設けられ、第2プラネタリギア78および、キャリア80を軸方向に貫通している。第2プラネタリピン88は、複数の第2プラネタリギア78、および、キャリア80に対して回転可能である。
【0033】
キャリア80は、第1プラネタリピン86および第2プラネタリピン88を各サンギア68,70,72,74のまわりにおいて一体的に回転させる。キャリア80は、第1プラネタリピン86および第2プラネタリピン88を介して複数の第1プラネタリギア76および複数の第2プラネタリギア78を支持している。
【0034】
回転規制機構60は、シャフト100、シャフト100に回転可能に支持されるスリーブ101、第1クラッチ部材102、第2クラッチ部材104、第3クラッチ部材106、第4クラッチ部材108、および、変速モータ62(図2参照)を備えている。
【0035】
シャフト100は、ハウジング34(図2参照)に回転不能に支持されている。シャフト100の軸方向は、クランク軸32の軸方向と平行している。
スリーブ101は、シャフト100の外周に沿う3つのアームと、軸方向に延び、3つのアームを連結するスリーブ本体とを備えている。各アームは、各クラッチ部材104,106,108と対応する位置に配置されている。スリーブ101のアームは、各クラッチ部材104,106,108を介して第2サンギア70、第3サンギア72、または、第4サンギア74の回転を規制する。
【0036】
第1クラッチ部材102は、クラッチリング102Aおよびばね102Bを備えている。クラッチリング102Aは、キャリア80と軸方向において隣り合う位置に配置されている。クラッチリング102Aは、入力部90に連結され、入力部90と一体に回転する。入力部90は、ワンウェイクラッチを介してリングギア82に連結されている。ばね102Bは、クラッチリング102Aに軸方向においてキャリア80に近づく方向の力を付与している。クラッチリング102Aは、変速モータ62(図2参照)の回転にともなって回転し、ばね102Bの力により軸方向に移動する。クラッチリング102Aは、図3の二点鎖線で示されるようにキャリア80のスプライン80Aと係合することにより、入力部90とキャリア80とを連結し、入力部90の回転をキャリア80に伝達する。第1クラッチ部材102が、キャリア80から離脱することにより、入力部90の回転が第1リングギア82に伝達する。
【0037】
第2クラッチ部材104は、シャフト100の外周と第2サンギア70の内周との間に配置されている。第2クラッチ部材104は、スリーブ101の回転にともなってスリーブ101のアームによって制御される。このとき、第2クラッチ部材104の外周に形成される爪部が第2サンギア70の内周に形成されるラチェット歯と係合することにより、第2サンギア70の回転を規制し、爪部が第2サンギア70から離脱することにより、第2サンギア70の回転を許容する。
【0038】
第3クラッチ部材106は、シャフト100の外周と第3サンギア72の内周との間に配置されている。第3クラッチ部材106は、スリーブ101の回転にともなってスリーブ101のアームによって制御される。このとき、第3クラッチ部材106の外周に形成される爪部が第3サンギア72の内周に形成されるラチェット歯と係合することにより、第3サンギア72の回転を規制し、爪部が第3サンギア72から離脱することにより、第3サンギア72の回転を許容する。
【0039】
第4クラッチ部材108は、シャフト100の外周と第4サンギア74の内周との間に配置されている。第4クラッチ部材108は、スリーブ101の回転にともなってスリーブ101のアームによって制御される。このとき、第4クラッチ部材108の外周に形成される爪部が第4サンギア74の内周に形成されるラチェット歯と係合することにより、第4サンギア74の回転を規制し、爪部が第4サンギア74から離脱することにより、第4サンギア74の回転を許容する。
【0040】
変速モータ62(図2参照)が駆動することにより、クラッチリング102Aが移動し、スリーブ101が回転する。このときのスリーブ101の回転位相に応じて、回転が規制されるサンギア70,72,74の組み合わせが変化する。また、回転が規制されるサンギア70,72,74の組み合わせに応じて、遊星歯車機構58の各要素の回転状態が異なる。このため、回転規制機構60の動作により、変速機40の変速比が変化する。表1は、遊星歯車機構58の各構成要素の回転と変速段との関係を示している。1段は、最も変速比が小さい変速段である。8段は、変速比が最も大きい変速段である。入力部90の回転は、表1の上方に記載する構成要素から、下方の構成要素に伝達される。
【0041】
【表1】[fig000003]

表1に示されるように、1段〜4段では、入力部90の回転は、最初に第1リングギア82に伝達される。5段〜8段では、入力部90の回転は、最初にキャリア80に伝達される。また、1段および5段では、キャリア80の回転が出力部92を回転させる。2段〜4段、および、6段〜8段では、第2リングギア84の回転が出力部92を回転させる。
【0042】
出力部92の外周に形成されるギア92Aは、出力軸36の外周に形成されるギア36A(図2参照)と噛み合わせられている。このため、変速機40により変速された回転は、出力部92を介して出力軸36に伝達される。出力軸36は、アシスト装置38にも連結されている。このため、出力軸36は、変速機40から伝達された駆動力と、アシスト装置38から伝達された駆動力とにより回転する。
【0043】
図2に示されるように、ハウジング34には、変速機40の径方向の外側に、内側から外側に向って凹む凹部34Aが形成されている。凹部34Aには、制御基板42が配置されている。制御基板42は、平面方向が変速機40の出力部92の軸方向に沿っている。制御基板42は、ハウジング34と変速機40との間に配置されている。制御基板42は、アシストモータ44よりも変速モータ62の近くに配置されている。制御基板42は、ハウジング34の内周部に固定される。制御基板42とハウジング34との間に、制御基板42で発生する熱をハウジング34に伝達する伝達部材を介在させてもよい。伝達部材は、例えば絶縁性を有する樹脂によって構成される。
【0044】
図4に示されるように、制御基板42には、アシストモータ44のインバータ回路を含む第1モータ駆動回路110、変速モータ62の駆動回路である第2モータ駆動回路112、および、電力制御回路114が実装されている。
【0045】
第1モータ駆動回路110は、人力駆動力を検出するセンサ(図示略)の出力に基づいてアシストモータ44を駆動させる。第2モータ駆動回路112は、操作者により操作されるシフター(図示略)からの信号に基づいて、変速モータ62を駆動させる。
【0046】
電力制御回路114は、バッテリ24から供給される電力を第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112のそれぞれに供給する。このため、アシストモータ44、第1モータ駆動回路110、変速モータ62、および、第2モータ駆動回路112には、共通のバッテリ24から電力が供給される。電力制御回路114は、電圧変換器を有し、バッテリ24の電圧を第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112の少なくともいずれかに適した電圧に変換する。第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112は、それぞれマイクロコンピュータを含む。第1モータ駆動回路110のマイクロコンピュータは、アシストモータ44を駆動するインバータ回路を制御する。第2モータ駆動回路112のマイクロコンピュータは、変速モータ62を駆動するドライバ回路を制御する。
【0047】
駆動ユニット30は、以下の作用および効果を奏する。
(1)第2モータ駆動回路112を駆動ユニット30の外部に配置する場合、第2モータ駆動会と112と駆動ユニット30とがコネクタ等を用いて電線により接続される。このため、駆動ユニット30および自転車10の電気的な構成が煩雑になる。アシストモータ44、第1モータ駆動回路110、変速機40、変速モータ62、および、第2モータ駆動回路112がハウジング34に設けられている。このため、駆動ユニット30の電気的な構成を簡略化できる。
【0048】
(2)第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112が同一の制御基板42上に実装されている。このため、第1モータ駆動回路110と第2モータ駆動回路112とを各別の制御基板上に実装する構成と比較して、ケーブルによる配線を簡略化することができる。
【0049】
(3)変速モータ62は、アシストモータ44と比較して変速モータ62に供給される電流量および通電時間が短い。このため、変速モータ62は、アシストモータ44よりも発熱量が小さい。一方、第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112はアシストモータ44よりも変速モータ62の近くに配置されている。このため、第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112の温度が上昇しにくい。
【0050】
(第2実施形態)
図5に示されるように、本実施形態の駆動ユニット30は、第1の制御基板116と、第2の制御基板118とを備えている。
【0051】
第1の制御基板116には、第1モータ駆動回路110および電力制御回路114が実装されている。第2の制御基板118には、第2モータ駆動回路112が実装されている。
【0052】
図6に示されるように、第1の制御基板116および第2の制御基板118は、ハウジング34の内面に取り付けられている。第1の制御基板116および第2の制御基板118は、ハウジング34と変速機40との間に配置されている。
【0053】
第1の制御基板116の主面と第2の制御基板118の主面とは対向している。第1の制御基板116および第2の制御基板118は、平面方向が変速機40の出力部92の軸方向に沿っている。本実施形態の駆動ユニット30によれば、第1実施形態の(1)に準じた効果を奏することができる。
【0054】
(変形例)
本駆動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。本駆動ユニットは、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、本駆動ユニットが取り得る各種の形態の一例である。
【0055】
・図7に示されるように、第2実施形態の第1の制御基板116と第2の制御基板118とを平面方向に並べることもできる。
・第2実施形態の第1の制御基板116の主面と第2の制御基板118の主面とが対向しないように第1の制御基板116と第2の制御基板118とを平面方向にずらして配置することもできる。
【0056】
・第1実施形態の制御基板42、第2実施形態の第1の制御基板116および第2の制御基板118を、その平面方向が変速機40の出力部92と直交する方向に沿うように配置することもできる。
【0057】
・第1実施形態の制御基板42、第2実施形態の第1の制御基板116および第2の制御基板118を、複数の基板から構成することもできる。この場合、第1実施形態の制御基板42、第2実施形態の第1の制御基板116および第2の制御基板118を、立体的、例えば、U字状に形成することもできる。
【0058】
・第1モータ駆動回路110および第2モータ駆動回路112を、ハウジング34とアシストモータ44との間に配置することもできる。
・自転車10にバッテリ24を2つ備えることもできる。この場合、第1モータ駆動回路110と第2モータ駆動回路112とにそれぞれ異なるバッテリから電力を供給することもできる。
【0059】
・アシストモータ44、第1モータ駆動回路110、変速機40、変速モータ62、および、第2モータ駆動回路112の少なくとも1つを、ハウジング34の外部に取り付けることもできる。この場合も、アシストモータ44、第1モータ駆動回路110、変速機40、変速モータ62、および、第2モータ駆動回路112を1つのコンポーネントとしてまとめることができるため、第1実施形態の(1)に準じた効果が得られる。
【0060】
・変速機40をクランク軸32のまわりに配置し、アシスト装置38をクランク軸32の径方向の外側に配置することもできる。また、変速機40およびアシスト装置38をクランク軸32のまわりにおいて軸方向に隣り合うように配置することもできる。
【0061】
・変速機40を、8段よりも少ない、または、8段よりも多い複数の変速段を備える変速機40に変更することもできる。また、変速機40を、変速比を無段階に変更する変速機にすることもできる。
【0062】
24 バッテリ
30 駆動ユニット
32 クランク軸
34 ハウジング
34A 凹部
36 出力軸
44 アシストモータ
46A 出力軸
40 変速機
62 変速モータ
42 制御基板
110 第1モータ駆動回路
112 第2モータ駆動回路
114 電力制御回路
116 第1の制御基板
118 第2の制御基板

(57)【要約】

【課題】電気的な構成を簡略化することができる自転車用駆動ユニットを提供する。【解決手段】人力駆動力をアシストするアシストモータ44と、アシストモータに電力を供給する第1モータ駆動回路110と、クランク軸32の回転が伝達される変速機40と、変速機の変速比を切り替える変速モータ62と、変速モータに電力を供給する第2モータ駆動回路112と、アシストモータ、第1モータ駆動回路、変速機、変速モータおよび第2モータ駆動回路が設けられるハウジング34とを備える。


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