WO2009142199A1 - 電動アシスト自転車 - Google Patents

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WO2009142199A1
WO2009142199A1 PCT/JP2009/059184 JP2009059184W WO2009142199A1 WO 2009142199 A1 WO2009142199 A1 WO 2009142199A1 JP 2009059184 W JP2009059184 W JP 2009059184W WO 2009142199 A1 WO2009142199 A1 WO 2009142199A1
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WO
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force
angle
assist
crank angle
depression
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/059184
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English (en)
French (fr)
Inventor
吉家　彰人
勝浩 山口
Original Assignee
サンスター技研株式会社
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Publication date
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Priority to JP2010513023A priority patent/JP5296784B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to an electrically assisted bicycle that can easily travel with a good feeling even on an uphill.
  • the assist force output from the electric motor is based on the product of the detected pedal force and an assist ratio (ratio of the assist output of the electric motor to the pedal force) determined according to the vehicle speed or the like. It has been decided.
  • the bicycle When the power-assisted bicycle is running on a flat ground or a gentle slope, the bicycle has a certain degree of inertia and the next pedaling is lightened. However, it is possible to drive without problems in terms of feeling.
  • Patent Document 1 discloses a technique relating to the following electrically assisted bicycle. That is, the electrically assisted bicycle according to the related art has a pedal detection unit 4 that detects the pedaling force of the pedal, and an output time that is proportional to the duration of the pedaling force detected by the pedal detection unit 4 to generate a control signal.
  • a control signal generating means 3 for generating and a control means 1 for applying an assisting force in accordance with the depressing force of the pedal by the extended control signal are provided.
  • the assist force is continuously applied in proportion to the duration of the pedaling force as before, Even if the vehicle speed changes, the time during which the assist force is continuously applied can be controlled so as not to affect the next pedal cycle in accordance with the vehicle speed.
  • the output time is extended in proportion to the duration of the pedaling force detected by the pedal detection unit 4, and therefore it is not always possible to provide an assisting force that accurately corresponds to the current pedal position. There's a problem.
  • JP-A-8-113185 Japanese Patent No. 3389351
  • the present invention has been made in view of the above-described facts, and provides an electrically assisted bicycle that enables smooth and well-feeling electrically assisted traveling by providing an assist force having high followability even on an uphill. Is the purpose.
  • the present invention is an electrically assisted bicycle that travels by the rotation of a pedal crank by a pedaling force, and includes electric means for generating an assisting force added to the pedaling force, and a pedaling force for detecting the pedaling force.
  • Detecting means crank angle detecting means for detecting a crank angle that is an angle of the pedal crank with respect to the vehicle body; and determining an assist force based on at least the pedaling force detected by the pedaling force detecting means, and outputting the assisting force.
  • Assist control means for controlling the electric means, and climbing judgment means for judging whether the electric assist bicycle is running uphill, wherein the assist control means is running uphill by the climbing judgment means. Is determined, at least according to the crank angle detected by the crank angle detecting means. Switch the power on uphill assist force, which is constituted so as to control the electric means to output the output ⁇ slope.
  • the assist control unit switches the assist force to the climbing assist force according to at least the crank angle detected by the crank angle detection unit, Since the electric means is controlled so as to output the output, it is possible to provide an assist force having a high follow-up performance according to the crank angle even on an uphill, and a smooth and good electric assist. Driving is possible.
  • the assist control means determines that the assist force is applied to the climbing assist when the crank angle detected by the crank angle detection means is within a predetermined range when the climbing determination means determines that the vehicle is traveling uphill.
  • Switch to force For example, in the pedal half-turn cycle, the crank angle when the depression is started is defined as the depression start angle, the crank angle at which the depression force is maximum is defined as the maximum depression force angle, and the crank angle when the depression is completed is defined as the depression angle.
  • the predetermined range of the crank angle is from the first angle between the maximum pedaling force angle of one pedal half-rotation cycle to the depression end angle, and from the depression start angle of the next pedal half-rotation cycle to the maximum pedaling force angle.
  • the first angle is determined to be, for example, a crank angle of 150 ° in the previous pedal half-rotation cycle. May be determined, for example, at a crank angle of 30 ° in the next pedal half-turn cycle.
  • the first angle where the pedaling force has decreased from the maximum pedaling force to the second angle that has not yet reached the maximum pedaling force angle is a crank angle range in which the pedaling force is greatly reduced.
  • the crank angle is within this range, the normal assist force is switched to the climbing assist force, so that smooth and good electric assist traveling can be performed even during climbing. For this reason, the climbing assist force is determined so as to maintain an output value that is equal to or greater than the assist force from the first angle to the second angle.
  • the output value of the climbing assist force may be controlled to be a substantially constant value when the crank angle is in the predetermined range.
  • the normal assist force at the first angle may be controlled to be maintained up to the second angle.
  • the output value of the climbing assist force may be controlled so as to change according to at least one of the detected pedaling force, the crank angle, and the vehicle speed.
  • the output value of the climbing assist force increases / decreases in accordance with the detected increase / decrease of the pedaling force, but may be controlled so as not to become a predetermined value or less.
  • the output value of the climbing assist force decreases from the first angle to the stepping end angle with a decreasing slope that is gentler than the stepping force decrease, depending on the crank angle, and the pedaling force from the stepping end angle to the second angle. It increases so as to increase more slowly than the increase of. Thereby, the assist force larger than the normal assist force can be maintained.
  • the climbing assist force is determined so as to smoothly connect the assist force at the first angle and the assist force at the second angle.
  • the normal assist force is changed asymptotically to assist climbing Controlled to connect smoothly to force.
  • the ascending assist force is asymptotically changed to the normal assist force. It is controlled to change and smoothly connect to the normal assist force.
  • the climbing slope determination means of the present invention determines whether the electric assist bicycle is traveling uphill based on the pedaling force detected by the pedaling force detection means. For example, when the climbing force detected by the pedaling force detection unit exceeds a predetermined value when the crank angle detected by the crank angle detection unit is within a predetermined monitoring range, Judge that there is.
  • a determination method in this case as a method of determining that the climbing is performed when the average value of the pedaling force when the crank angle is within a predetermined monitoring range exceeds a predetermined value, detection is performed at a predetermined crank angle (for example, the maximum pedaling force angle).
  • a method of determining that the climbing is performed when the pedaling force exceeds a predetermined value, and a range in which the pedaling force exceeds a predetermined value (which may be a function of the crank angle) in the monitoring range is a constant ratio with respect to the monitoring range.
  • the crank angle when the depression is started is the depression start angle
  • the crank angle at which the depression force is maximum is the maximum depression force angle
  • the crank angle when the depression is completed is the depression angle.
  • the predetermined monitoring range of the crank angle is a range defined between the depression start angle and the maximum depression force angle of one pedal half rotation cycle. Since the monitoring range is a section in which the stepping force is increased and the pedaling force increases when climbing up, it is possible to accurately determine whether or not the climbing is uphill.
  • the monitoring range may be the entire range of 0 ° to 90 ° when the stepping start angle is 0 ° and the maximum pedaling force angle is 90 °, for example, or, for example, 20 ° to 60 °. It may be a partial angle range.
  • the crank angle detection means includes a disk coaxially fixed to the sprocket, a plurality of permanent magnets arranged on one plate surface side of the disk at equal circumferences, and the one of the disks.
  • a magnetic field detection means fixed to the vehicle body adjacent to the plate surface side, and a counting means for counting a magnetic field pulse signal from the magnetic field detection means, wherein the start of depression is detected by the pedaling force detection means The crank angle is detected based on the count value of the magnetic field pulse signal counted by the counting means from time to time.
  • FIG. 1 is a schematic view of an electrically assisted bicycle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a control system of the electrically assisted bicycle shown in FIG.
  • FIG. 3 is a side view of a one-way clutch used in the electrically assisted bicycle shown in FIG. 1 and incorporating a torque detection mechanism according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the configuration of the one-way clutch piece and the spring bar used in the piece part, wherein (a) is a perspective view of the piece part with the spring bar attached, ) Is a perspective view of the piece part with the spring bar removed, and FIG. 5C is a side view of the spring bar.
  • FIG. 1 is a schematic view of an electrically assisted bicycle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a control system of the electrically assisted bicycle shown in FIG.
  • FIG. 3 is a side view of a one-way clutch used in the electrically assisted bicycle shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing a fitting state of teeth and pieces of a one-way clutch (ratchet gear) in order to explain the principle of pedaling force detection of the electrically assisted bicycle shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view showing an example of rotation preventing means for preventing relative rotation of the piece portion with respect to the drive shaft.
  • FIG. 6A is a schematic diagram of a ball spline
  • FIG. FIG. 7 is a front view and a side view of a power transmission gear used in the resultant force mechanism according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state in which the crank angle of the electrically assisted bicycle according to the embodiment of the present invention is in the stepping start angle, the maximum stepping force angle, and the stepping end angle.
  • FIG. 9 is a graph showing temporal changes of the assist force when the pedal effort, the resultant force of the pedal effort and the assist force, and the assist ratio are 1: 1 in the electrically assisted bicycle according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a flow for determining the crank angle ⁇ , the depression start angle ⁇ s , the maximum depression force angle ⁇ mo , and the depression end angle ⁇ e0 of the electrically assisted bicycle according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the flow of the main routine of the electrically assisted bicycle according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the flow of the climbing assist control routine.
  • FIG. 13 is a graph showing the pedaling force and the assist force when the climbing assist force is applied according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a flow of a climbing determination routine as an example.
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating a flow of a climbing determination routine as another example.
  • FIG. 16 is a subroutine flowchart showing a flow of determining the maximum pedaling force angle and the end angle according to another embodiment in the control of FIG.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining a decrease in assist force during climbing in the conventional electric assist control.
  • FIG. 1 shows an outline of the electrically assisted bicycle 1.
  • the main skeleton portion of the electrically assisted bicycle 1 is composed of a body frame 3 made of metal pipe, as in a normal bicycle.
  • the body frame 3 includes a front wheel 20 and a rear wheel 22.
  • Handle 16 and saddle 18 are attached in a known manner.
  • a drive shaft 4 is rotatably supported at the center lower portion of the vehicle body frame 3, and pedals 8L and 8R are respectively attached to left and right ends thereof via pedal cranks 6L and 6R.
  • a sprocket 2 is coaxially attached to the drive shaft 4 via a one-way clutch (99 in FIG. 3 described later) for transmitting only rotation in the R direction corresponding to the forward direction of the vehicle body.
  • An endless rotating chain 12 is stretched between the sprocket 2 and a rear wheel power mechanism 10 provided at the center of the rear wheel 22.
  • An electric assist unit 11 that generates an auxiliary electric force is attached to the electric assist bicycle 1.
  • the generated auxiliary electric force is transmitted to the drive wheels 22 using a resultant force mechanism described later.
  • the outline of the control system of the electric assist bicycle 1 housed in the electric assist unit 11 is shown in FIG.
  • the control system of the electric assist bicycle 1 is directly connected to one microcomputer 14 that collectively controls electronic processing of the entire bicycle, an electric motor 37 capable of PWM control, and the microcomputer 14, and its control signal And an amplifier circuit 15 for amplifying the power of A battery 17 (external to the unit 11) that supplies power to the electric motor 37 is connected to the amplifier circuit 15.
  • the electric assist unit 11 accommodates a reduction gear or the like for reducing the rotational speed of the motor.
  • the microcomputer 14 receives magnetic field pulse signals for detecting the crank angle formed by the pedal crank 6R (6L) with respect to the vehicle body frame, and magnetic field signals 1, 2, and 3 for calculating the pedaling force. Means for generating these input signals will be described later.
  • a signal for designating a mode of electric assist (for example, normal mode, turbo mode, eco mode, etc.) may also be input.
  • the microcomputer 14 calculates the traveling speed, crank angle, and pedaling force from these input signals, and performs electronic processing for determining the assist ratio (assisting force / treading force) based on a predetermined algorithm.
  • the microcomputer 14 sequentially outputs PWM commands corresponding to the assist force.
  • a pedal force detection mechanism that outputs magnetic field signals 1, 2, and 3 input to the microcomputer 14 will be described with reference to FIGS.
  • the pedaling force detection mechanism detects a magnetic field that changes due to the deformation of the one-way clutch 99 according to the pedaling force.
  • the one-way clutch 99 includes a piece part 100 and a tooth part 112.
  • the piece portion 100 has a substantially disk shape in which a piece portion bore 106 for receiving the drive shaft 4 is formed in the center portion, and is equiangular along the circumferential direction.
  • Three rigid ratchet pieces 102 are arranged on the second engagement surface 110 side facing the tooth portion 112. Since the piece part 100 accommodates each ratchet piece 102, as shown in FIG.4 (b), the three recessed parts 170 are formed along the circumferential direction.
  • the ratchet piece 102 is rotated in a state where the rotation shaft portion is accommodated in the recess 170, and the ratchet piece 102 changes an angle with respect to the second engagement surface 110 in accordance with the rotation.
  • the piece portion 100 is formed with linear grooves 171 that can accommodate the spring bars 104 adjacent to the respective concave portions 170, and both end portions of the three linear grooves 171. Extends to the outer peripheral edge of the piece 100.
  • the spring bar 104 has one end A bent substantially vertically and the other end B bent in a U shape.
  • the U-shaped B part ties the piece part 100 while sliding the spring bar 104 in the straight groove.
  • the spring bar 104 can be easily attached to the piece part 100 simply by being clamped.
  • the spring rod 104 may fall off due to the pulling force from the B portion. Therefore, the A portion bent vertically is engaged with the side wall of the piece portion to prevent the spring rod from falling off. . Therefore, the spring bar 104 of this embodiment is compatible with both ease of attachment and prevention of disconnection.
  • the length direction of the ratchet piece 102 makes a predetermined angle with respect to the second engagement surface 110 when no external force is applied ( It rises in the direction of equilibrium 160) in FIG.
  • the spring bar 104 has a slight elastic force applied to the ratchet piece 102 so as to return the bias to the equilibrium direction 160. Effect.
  • the first rotation preventing groove 108 extending in the axial direction 5 is formed at four locations on the inner wall of the piece bore 106.
  • Four second anti-rotation grooves 140 extending in the axial direction 5 so as to face the first anti-rotation groove 108 are also formed on the outer wall portion of the drive shaft 4 that is in sliding contact with the inner wall of the piece bore 106. ing.
  • the first antirotation groove 108 and the second antirotation groove 140 facing the first antirotation groove form a cylindrical groove extending along the axial direction. Inside, a large number of steel balls 150 are accommodated so as to fill them.
  • the piece part 100 can move along the axial direction 5 with the minimum frictional resistance, and the relative rotation with respect to the drive shaft 4 is prevented.
  • This is a kind of ball spline, but other types of ball splines, such as an endless rotating ball spline, can be applied as such a slidable rotation preventing means.
  • a protrusion 140a extending in the axial direction is provided on the drive shaft 4, and a third anti-rotation groove 108a that accommodates the protrusion 140a is formed in the piece 100.
  • a key spline type is also applicable as a rotation prevention means.
  • the protrusion 140a may be provided on the piece 100 side and the third rotation prevention groove 108a may be provided on the drive shaft 4 side. Further, as shown in FIG.
  • a fourth rotation prevention groove 108b extending in the axial direction and a fifth rotation prevention groove 140b facing the groove are provided in the piece portion 100 and the drive shaft 4, respectively.
  • a so-called key groove type in which the key plate is accommodated in a rectangular parallelepiped groove formed by the groove is also applicable as the rotation preventing means.
  • a disc spring 137 is interposed between the piece portion 100 and the support disk 151 fixed to the drive shaft 4. Both end portions of the disc spring 137 are in contact with the back surface of the piece portion 100 and the support disk 151, respectively. Therefore, the disc spring 137 opposes the sliding of the piece portion 100 in the axial direction with an elastic force.
  • the tooth part 112 is formed on the first engagement surface 121 which is the surface of the power transmission gear 200 as shown in FIG.
  • a plurality of ratchet teeth 114 for engaging with the ratchet piece 102 are formed on the first engagement surface 121.
  • the ratchet teeth 114 are formed in a staggered manner along the circumferential direction of the tooth portion periodically and with a steeper slope 118 with respect to the first engagement surface 121 and a gentler And a slope 116.
  • the tooth portion 112 is driven in a state where the first engagement surface 121 faces the second engagement surface 110 of the piece portion 100 and the ratchet piece 102 and the ratchet teeth 112 are engaged (FIG. 5).
  • the shaft 4 is pivotally supported so as to be slidable. That is, the drive shaft 4 is operatively connected to the tooth portion 112 only through the engagement portion between the ratchet piece 102 and the ratchet tooth 112.
  • the power transmission gear 200 including the tooth portion 112 is fixed coaxially with the sprocket 2 using a fixing pin 206, and a pedal shaft is attached to the tip of the drive shaft 4.
  • the ratchet gear 99 for connecting the drive shaft 4 and the sprocket 2 so as to transmit only the rotation by the pedal depression force in the vehicle body forward direction to the sprocket 2 is completed.
  • a permanent magnet 161 formed in a ring shape is attached to the piece portion 100 of the ratchet gear 99 concentrically with the drive shaft 4 and the piece portion 100.
  • the ring-shaped permanent magnet 161 is preferably configured so that one surface of the ring is N-pole and the opposite surface is S-pole, and the ring axial direction of the permanent magnet 161 and the axial direction of the ratchet gear 99 are Arranged to align.
  • a plurality (three in this embodiment) of hall elements 162 for detecting the magnetic field are respectively arranged at three predetermined positions in a plane perpendicular to the axis of the drive shaft 4.
  • the three predetermined positions at which the Hall elements are arranged are positions substantially equidistant in the radial direction and approximately equiangular in the circumferential direction around the axis.
  • the predetermined position where the hall element 162 is disposed corresponds to a fixed position of the vehicle body frame in the vicinity of the ring-shaped permanent magnet 161.
  • These Hall elements 162 are connected to the microcomputer 14 (FIG. 2).
  • the magnetic field detection signals 1, 2, and 3 output from the three Hall elements 162 are input to the microcomputer 14 (FIG. 2) as described above.
  • a ring member 163 made of a magnetic material such as iron can be used instead of the ring-shaped permanent magnet 161.
  • the magnet 164 is fixed at a predetermined position where the piece portion 100 moves relatively, for example, a position close to the Hall element 162.
  • the material of the ring member 163 can also be made of any material that can change the magnetic field of the magnet 164, for example, a diamagnetic material.
  • the tip of the ratchet piece 102 receives a force Fp due to a load for driving from a steeper slope 118.
  • the ratchet piece 102 to which opposite forces Fp and Fd are applied from both ends thereof rotates in the direction a and rises.
  • the piece part 100 moves inward in the axial direction by the rising of the ratchet piece 102 and pushes the disc spring 137 interposed between the piece part 100 and the support disk 151.
  • the disc spring 137 counteracts this and applies an elastic force Fr to the piece portion 100.
  • This force Fr and the force reflecting the pedal depression force that moves the piece part 100 in the axial direction are balanced in a short time.
  • the axial position of the piece 100 is a physical quantity that reflects the pedal effort.
  • the magnetic field intensity detected by the Hall element 162 differs depending on the axial position of the piece 100. That is, when the pedal depression force increases, the piece portion 100 slides inward in the axial direction, and the permanent magnet 161 approaches the Hall element 162, so that the magnetic field strength detected by the Hall element increases. On the contrary, when the pedal depression force decreases, the piece portion 100 slides outward in the axial direction, and the permanent magnet 161 moves away from the Hall element 162, so that the magnetic field strength detected by the Hall element decreases.
  • the microcomputer 14 calculates an average magnetic field strength by performing an average operation (including a simple addition operation) on the magnetic field detection signals detected by the three Hall elements 162.
  • the microcomputer 14 stores a look-up table representing a functional relationship between the magnetic field strength and the axial position of the permanent magnet 161 reflecting the pedaling force in the memory, and calculates an average magnetic field calculated by referring to the table.
  • the pedal depression force T is obtained from the strength.
  • the microcomputer 14 can not only improve the SN ratio but also cancel out variations in the magnetic field strength caused by the shake of the piece portion 100.
  • the pedal depression force T can be obtained more accurately.
  • the magnetic field distribution of the magnet 164 changes depending on the influence of the magnetic body or diamagnetic body depending on the axial position of the ring member 163. To do. Therefore, in the alternative embodiment, the pedal depression force T can be obtained as described above based on the detected magnetic field strength.
  • the pedaling force detection mechanism described above has the following excellent effects. (1) Since the disc spring 137 is in contact with the piece portion 100 and the support disk 151 that do not rotate relative to the drive shaft 4, the disc spring 137 also has the drive shaft 4, the piece portion 100, and the support disc 151. ,Rotate. Therefore, no friction is generated between the disc spring 137 and the piece 100, and no rotation resistance is generated. (2) Since the one-way clutch and the pedaling force detection mechanism are realized by one mechanism, the number of parts can be reduced, and a reduction in size, weight and cost can be achieved. (3) Since the magnetic force detection unit is provided close to the disc spring for detecting the treading force, there is no disc spring wear or rotational resistance, and the accuracy of the torque detector is improved. And durability can be improved.
  • FIG. 3 shows the power transmission gear 200 fixed coaxially to the sprocket 2 using the fixing pin 206 as described above.
  • the power transmission gear 200 has a plurality of teeth 204 formed on the outer periphery.
  • the teeth 204 of the power transmission gear 200 are engaged with a gear 220 provided at the tip of the assist force output shaft 222 of the electric assist unit 11. Therefore, the assist force output from the electric assist unit 11 is transmitted to the power transmission gear 200 via the shaft 222 and the gear 220, and is transmitted from the power transmission gear 200 to the driving wheel via the sprocket 2 and the chain 12. .
  • the resultant force of the pedaling force and the assist force is achieved. Since the number of teeth 204 of the power transmission gear 200 is larger than the number of teeth of the gear 220, the power transmission gear 200 also functions as a reduction gear. (Crank angle and vehicle speed detection mechanism)
  • a crank angle detection mechanism of the electrically assisted bicycle 1 will be described with reference to FIGS. 3 and 7 to 8.
  • twelve permanent magnets 202 are arranged on a circumference of 12 equal parts. These permanent magnets 202 emit one magnetic pole (N pole or S pole) to the surface of the plate surface, the other magnetic pole is directed to the opposite side of the surface, and the direction connecting both magnetic poles is the axis of the drive shaft 4. It is arranged to align in the direction. It is preferable that all the magnetic poles appearing on the surface of the plate surface are the same, but the magnetic poles of adjacent magnets 202 may be arranged alternately.
  • the hall element 210 is arranged at a position fixed to the vehicle body frame adjacent to the plate surface of the power transmission gear 200 on which the magnet 202 is arranged.
  • the radial distance of the hall element 210 from the drive shaft 4 is set to be substantially the same as the radial distance of the permanent magnet 202 from the drive shaft 4.
  • the power transmission gear 200 rotates with the rotation of the pedal, while the hall element 210 is stationary with respect to the vehicle body, so that the magnetic field of the permanent magnet 202 crosses the detection range of the hall element 210 one after another by the pedal crank rotation. Go.
  • the Hall element 210 outputs a detection signal having a pulse number corresponding to the pedal crank rotation speed. This magnetic field pulse signal is input to the microcomputer 14 (FIG. 2).
  • the microcomputer 14 can calculate the vehicle speed and the increment of the crank angle from the number of magnetic field pulse signals counted per unit time.
  • the depression of the right pedal crank 6R with respect to the pedal 8R is started at the depression start angle, and as the crank angle ⁇ increases, the depression force gradually increases, the depression force becomes maximum at the maximum depression force angle, and then the depression force gradually increases. Decreases, the pedaling force becomes substantially zero at the depression end angle, and the pedal half rotation cycle in the right pedal crank 6R is completed.
  • the crank angle further increases by a certain angle from the end angle, the left pedal crank 6L starts to be depressed with respect to the pedal 8L, and similarly, the pedal half rotation cycle in the left pedal crank 6L is executed.
  • step 300 the detection processing of the pedaling force F L by the above-described pedal effort detection mechanism is executed (step 300), processing of counting the number of output pulses of the Hall element 210 is executed (step 302).
  • steps 302 and 304 the microcomputer 14 determines whether the hall element 162 and the hall element 210 are independent of the situation where the pedal is actually depressed or the situation where the pedal force is not detected (for example, a situation where the pedal is downhill). The output signal from is constantly monitored. When the number of output pulses is counted in step 302, the vehicle speed V is detected from the number of pulses counted (step 304). Note that these steps 300, 302, and 304 are always executed by the microcomputer 14 even after shifting to the next step.
  • step 306 it is determined whether the depression is detected by a change of the detected pedaling force F L (step 306). For example, when the detected pedaling force F L exceeds a predetermined threshold value, it is determined that the depression start.
  • the crank angle at the time of depression detection is set to the start angle ⁇ s (step 308), and the maximum pedaling force angle ⁇ m0 and the end angle ⁇ e0 from the start angle ⁇ s are determined.
  • the maximum pedaling force angle ⁇ m0 and the end angle ⁇ e0 may be typical fixed values obtained in advance by experience.
  • the power transmission gear 200 integrates the tooth portion 112 of the one-way clutch 99 constituting the pedaling force detection means, the resultant force mechanism, the reduction gear at the time of the resultant force, the vehicle speed detection mechanism, and the crank angle detection mechanism. It functions as a means. Thereby, in the electrically assisted bicycle 1, the number of parts can be reduced and the space in the axial direction can be saved.
  • FIG. 9 shows a graph of pedaling force and assisting force that varies as a function of crank angle.
  • the pedaling force F L ( ⁇ , k) gradually increases from the crank angle ⁇ s (k), becomes maximum at ⁇ m (k), and gradually decreases from there, and becomes substantially 0 at ⁇ e (k).
  • fm ( ⁇ , k) indicates a change in assist force when the assist ratio when the vehicle speed is constant in the pedal half-rotation cycle is constant regardless of the crank angle in the cycle.
  • the shaded portion indicates the assist force applied when the assist ratio is constant. It can be understood that fm ( ⁇ , k) also increases or decreases according to the change in the pedaling force F L ( ⁇ , k).
  • step 350 detection of the pedal effort F L , the vehicle speed V, the crank angle ⁇ , the depression start angle ⁇ s, the maximum pedal effort angle ⁇ m0 and the end angle ⁇ e0 is executed (step 350). This detection process is executed at any time while the subsequent processes are being executed.
  • Power-assisted bicycle performs the determination process whether the vehicle is traveling on an uphill based on pedal force F L and the crank angle theta (step 356). Details of the climbing determination method will be described later.
  • a normal assist control subroutine is called (step 362), and normal assist control is executed.
  • the assist force computed based on the detected pedal force F L and vehicle speed V the executing the motor control for outputting the assist force.
  • This assist force is shown as fm ( ⁇ , k) in FIG. Steps 350 and 356 are also executed in parallel while normal assist control is being executed.
  • step 360 a climbing assist control subroutine is called (step 360), and climbing assist control is executed. Steps 350 and 356 are also executed in parallel while the climbing assist control is being executed.
  • the pedaling force F L when entering the climbing assist control routine, the pedaling force F L , the vehicle speed V, the crank angle ⁇ , the stepping start angle ⁇ s, and the end angle ⁇ e0 detected in step 350 of FIG. 11 are delivered ( Step 370).
  • crank angle ⁇ 1 is a crank angle at which the pedaling force is decreasing from the maximum pedaling force in the pedal half-rotation cycle 250
  • the crank angle ⁇ 2 is the subsequent pedal half-rotation cycle 251. Is a crank angle that has not yet reached the maximum pedaling force angle from the stepping start angle.
  • the crank angle ⁇ 1 is equal to the previous pedal half-rotation cycle 250.
  • crank angle is determined to be 150 °
  • crank angle ⁇ 2 is determined to be, for example, a crank angle of 30 ° in the next pedal half rotation cycle 251.
  • the crank angle is between ⁇ 1 and ⁇ 2 , the depression of the pedaling force is large, and when traveling uphill, smooth traveling by inertial force becomes difficult.
  • step 371 If it is determined in step 371 that the crank angle ⁇ is not between ⁇ 1 and ⁇ 2 , the pedal force is sufficiently large and the assist force is relatively large, so a normal assist control subroutine is called (step 378), and normal assist is performed. Execute control. This assist control is processed as continuous execution when step 362 of FIG. 11 has already been executed.
  • crank angle theta is determined to be between theta 2 from theta 1 at step 371, i.e., when a drop is large crank angle range of pedal force, it is calculated in the storage or real-time pre
  • the climbing assist force data TAf (V, ⁇ ) is read (step 372).
  • the microcomputer 14 is pedaling force F L in the background counts time which was less than the predetermined threshold value F min, the time is judged whether or not continued for a predetermined time or more (step 374) .
  • F min is set to a value close to zero.
  • step 374 affirmative determination
  • the treading force F L ⁇ F min continues for a certain time or longer (step 374 affirmative determination)
  • the treading force is virtually zero and the stepping operation is not performed, and the main climbing slope assist control is returned. In this case, the normal assist operation is resumed, but since the pedal effort is zero, the assist force is also zero.
  • step 376 When reading the assist force data TAf uphill, executes a motor control for outputting the uphill assist force (step 376), returns to step 371, while the theta 2 crank angle from theta 1, the assist force control for hill climbing Execute.
  • the climbing assist control in step 376 is started, the normal assist control is interrupted, but when the section is exited, the normal assist control is resumed.
  • assist force for climbing data TAf the crank angle is between theta 1 of theta 2, is controlled to be substantially constant value.
  • the normal assist force Af (V, ⁇ 1 ) calculated based on the pedaling force and the vehicle speed at the crank angle ⁇ 1 is controlled to be maintained up to the crank angle ⁇ 2 .
  • TAf is not a function of the crank angle.
  • the assist force data TAf uphill is detected pedaling force F L, according to at least one of the crank angle ⁇ and the vehicle speed V, for example, the following (2) may be controlled as shown in (3).
  • (2) assist force data TAf uphill is increased or decreased depending on the increase or decrease of the detected pedaling force F L, is controlled not fall below a certain value.
  • the climbing assist force smoothly connects the normal assist force at the crank angle ⁇ 1 and the normal assist force at the crank angle ⁇ 2 . It is preferable to be determined as follows. For example, when the climbing assist force determined at the crank angle ⁇ 1 changes suddenly from the normal assist force applied until immediately before, the normal assist force is changed asymptotically, and the climbing assist force is changed asymptotically. Controlled to connect smoothly to force. On the other hand, if such changes suddenly from a normal uphill assist force that has been applied until immediately before the time of switching to the assist force immediately after the crank angle theta 2, the uphill assist force asymptotically normal assist force It is controlled to change and smoothly connect to the normal assist force.
  • any one of the above-described methods (1) to (3) for calculating the assist force for climbing may be used alone, or some of the calculation methods (1) to (3) may be combined. May be used.
  • the monitoring range may be the entire range from 0 ° to 90 ° when the depression start angle is 0 ° and the maximum pedaling force angle is 90 °, for example.
  • a partial angle range such as 20 ° to 60 ° may be used.
  • step 356 of FIG. 11 it is determined that when the detected pedal force F L when the crank angle is in the above monitoring range exceeds a predetermined value, is in uphill.
  • the following example is given as a determination method in this case. (1) When the average value of the pedaling force when the crank angle is within the monitoring range exceeds a predetermined value, it is determined that the vehicle is climbing. (2) When the pedaling force detected at a predetermined crank angle (for example, the maximum pedaling force angle) within the monitoring range exceeds a predetermined value, it is determined to climb. (3) When the range in which the pedal effort exceeds a predetermined value (which may be a function of the crank angle) in the monitoring range is present at a constant ratio with respect to the monitoring range, it is determined that the vehicle is climbing. (4) Climbing is determined when the pedaling force exceeds a predetermined value (which may be a function of the crank angle) for a predetermined time or a predetermined angle in the monitoring range.
  • a predetermined value which may be a function of the
  • the above climbing determination method (3) can be realized, for example, by the flowchart of FIG.
  • the pedal effort F L , the crank angle ⁇ , the depression start angle ⁇ s, and the maximum pedal effort angle ⁇ m0 are delivered from the main routine of FIG. 11 (step 400).
  • the variable C is incremented by 1 (step 404). Note that the default value of C is set to 0 in advance.
  • either pedal force F L exceeds the threshold value T (theta) is determined (Step 406).
  • Threshold T (theta) is a function of the crank angle theta, is determined based on empirical values of the pedaling force F L during uphill travel. That is, when the pedaling force exceeds the threshold value T ( ⁇ ), it can be considered that the probability that the vehicle is climbing is very high. If the pedal pressure F L exceeds the threshold value T (theta) (step 406 affirmative determination), the variable R is incremented by 1 (step 408), returns the mound determination routine. Note that the default value of R is set to 0 in advance. In this way, while the crank angle is within the monitoring range, R is gradually incremented every pedal force F L exceeds the threshold value T ( ⁇ ).
  • step 410 when the crank angle ⁇ is out of the monitoring range in step 402, it is determined whether C is 1 or more (step 410). If C is 0 (No at step 410), it means that the determination at step 406 has not been executed yet, or the climbing determination in the pedal half cycle has been completed, and the present climbing determination routine is returned. When C is 1 or more (step 410: affirmative determination), it is determined whether the ratio R / C of R to C is greater than or equal to the threshold Th (step 412).
  • step 412 affirmative determination
  • the ratio of the crank angle theta is greater than the threshold value T (theta) pedal force F L is during a said monitoring range exceeds a predetermined value Therefore, it is determined that there is a climb (step 414).
  • R / C does not exceed the threshold value Th (No in step 412)
  • it is determined that there is no climbing step 416).
  • the presence or absence of climbing is identified by 0 or 1 of the climbing flag.
  • the variables C and R are reset to 0 (step 418), and the climbing determination routine is returned.
  • the above climbing determination method (4) can be realized, for example, by the flowchart of FIG.
  • the pedaling force F L , the crank angle ⁇ , the depression start angle ⁇ s, and the maximum pedaling force angle ⁇ m0 are delivered from the main routine of FIG. 11 (step 450).
  • the threshold value T ( ⁇ ) is the same as the example shown in FIG.
  • step 454 If the pedal pressure F L exceeds the threshold value T (theta) (step 454 affirmative determination), whether the variable ⁇ ss is -1 is determined (step 456). Since the default value of ⁇ ss is set to ⁇ 1 in advance, the determination is affirmed first, and the first crank angle ⁇ at which the pedaling force FL exceeds the threshold value T ( ⁇ ) is substituted for ⁇ ss (step 458). Since the crank angle cannot take a negative value, ⁇ ss being ⁇ 1 means that ⁇ ss has not been set yet.
  • step 460 in a state where the first crank angle ⁇ ss at which the pedaling force FL exceeds the threshold value T ( ⁇ ) is stored.
  • Crank angle range pedaling force F L exceeds the threshold value T (theta) is continuously, when the current crank angle and theta, expressed by ( ⁇ - ⁇ ss).
  • step 460 it is determined whether the crank angle range ( ⁇ ss) is equal to or greater than a predetermined value Ti.
  • crank angle range pedaling force F L exceeds the threshold value T (theta) is equal to or greater than a predetermined value Ti (step 460 affirmative determination)
  • the crank angle theta is pedaling force F L is a predetermined angle continuously during a said monitoring range Therefore, it is determined that there is climbing (step 462). For example, by changing the climbing flag from the default value 0 to 1 indicating that there is climbing, it is possible to express the climbing situation.
  • the climbing flag is reset to 0 each time the crank angle ⁇ enters the monitoring range in the next cycle.
  • this subroutine is returned. At this time, the climbing flag remains at the default value 0 indicating no climbing.
  • step 452 if the crank angle theta has emerged from the monitoring range, or when the pedal force F L becomes the threshold T (theta) or less at step 454, to reset the ⁇ ss to -1 (step 464), the Returns to the climbing judgment routine. Thereafter, the climbing determination process is continued.
  • Any of the climbing determination methods (1) to (4) may be used alone, or some of the climbing determination methods (1) to (4) may be used in combination. .
  • step 310 of FIG. 10 the maximum pedaling force angle ⁇ m0 and the ending angle ⁇ e0 are always determined as fixed values. Is not limited. Considering this point, a method of changing the maximum pedaling force angle ⁇ m0 and the end angle ⁇ e0 according to the situation will be described with reference to FIG. Note that the control of FIG. 16 is implemented as a subroutine called in step 310 of FIG.
  • the count value of the counted Hall element output pulses in pedal force F L and step 302 detected in step 300 of FIG. 10 are passed to the subroutine program (step 330, step 332).
  • the characteristic parameter of change pattern of pedal force F L is extracted for each pedal half rotation cycle (step 334).
  • this characteristic parameter for example, the maximum depression force angle ⁇ m (k) and the depression end angle ⁇ e (k) are extracted in each pedal half-rotation cycle k.
  • step 336 the previous n pieces of data just before the data extracted in step 334 are averaged.
  • the current pedal half-rotation cycle number is p
  • the past n maximum pedaling force angle data is ⁇ m (pn), ⁇ m (pn + 1),. . ⁇ m (p ⁇ 1)
  • the average maximum pedaling force angle Av ⁇ m is calculated from these data as follows.
  • Av.theta.m (. Theta.m (pn) +. Theta.m (pn-1) + .. theta.m (p-1)) / n
  • the average maximum pedaling force angle Av ⁇ e is calculated from ⁇ e (p ⁇ 1) as follows.
  • Av ⁇ e ( ⁇ e (p ⁇ n) + ⁇ e (p ⁇ n + 1) +... ⁇ e (p ⁇ 1)) / n
  • the average maximum pedaling force AvF L max can be obtained from F L max (p ⁇ 1) as follows.
  • AvF L max (F L max (p ⁇ n) +... F L max (p ⁇ 1)) / n
  • step 336 When the average value is calculated in step 336, this subroutine is returned and the process returns to step 310 in FIG. At this time, Av ⁇ m and Av ⁇ e obtained in step 336 are substituted for the maximum pedaling force angle ⁇ m0 and the end angle ⁇ e0, respectively, and the process proceeds to step 312.
  • the maximum pedaling force angle ⁇ m0 and the ending angle ⁇ e0 are obtained by averaging the past n pieces of data, so parameters applied to pedaling force patterns that vary according to individual differences, road surface conditions, etc. Can be set.
  • step 336 the average calculation is performed based on the past n pieces of data.
  • FIGS. 10, 11, 12, 14, 15 and 16 can be arbitrarily changed.
  • the piece part 100 may be formed on the power transmission gear 200 side
  • the tooth part 112 may be slidably and non-rotatably attached to the drive shaft 4
  • the disc spring 137 may be pushed by the tooth part 112.
  • the type and shape of the elastic body arranged against the deformation of the one-way clutch 99 can be arbitrarily changed.
  • an elastic body such as a coil spring or rubber may be used.
  • the Hall element is taken as an example of the means for detecting the magnetic field, it is not limited to this as long as the magnetic field can be detected.
  • the position of the magnetic field detection means, the shape of the magnet and its attachment position, and the shape of the magnetic body or diamagnetic body and the attachment position thereof are also determined by the magnetic field pulse signal or one direction. As long as the change in the magnetic field caused by the deformation of the clutch can be detected, the change can be suitably made. Further, the number of magnetic field detection means, magnets, and magnetic bodies or diamagnetic bodies is not limited to the above example, and can be arbitrarily changed.

Abstract

　登り坂であっても追従性の高いアシスト力を提供することによって円滑でフィーリングのよい電動アシスト走行を可能とした電動アシスト自転車を提供するため次の制御を実行する。踏力ＦＬ、車速Ｖ、クランク角度θ、開始角度θｓ、最大踏力角度θm0 及び終了角度θe0 を検出する（ステップ３５０）。踏力ＦＬ及び車速Ｖからアシスト力を計算し（ステップ３５２）、モータ制御を実行する(ステップ３５４)。アシスト動作を実行中に、踏力ＦＬ及びクランク角度θから登坂を走行中であるか否かを判定する（ステップ３５６）。登坂を走行中と判定された場合、クランク角度が登坂用アシスト力適用開始角度に達したとき（ステップ３５８肯定判定）、踏力ＦＬ、車速Ｖ、クランク角度θに基づいて登坂用アシスト力の再計算及びモータ制御を実行する（ステップ３６０）。

Description

電動アシスト自転車
　本発明は、登り坂においても良好なフィーリングで容易に走行することを可能にした電動アシスト自転車に関する。
　従来、電動アシスト自転車において、電動モータから出力されるアシスト力は、検出された踏力と、車速等に応じて決定されたアシスト比（踏力に対する電動モータの補助出力の比率）との積に基づいて決定されている。
　実際にペダルをこぐとき、踏力は、ペダル踏み込み開始角度から上昇し始め、最大踏力角度で最大となり、終了角度で実質的にゼロとなる（図８参照）。このサイクルが左右のペダルで交互に繰り返される。従って、左右の両ペダルから寄与された踏力の変化は、図１７の２６０、２６１に示されるように、正弦波状となる。ここで、隣接する２つのペダリングサイクルの山２６０、２６１は、一方が左右いずれかのペダルからの踏力寄与分とすると、他方が反対側のペダルからの踏力寄与分となる。かくして、踏力とアシスト比の積に比例するアシスト力の変化は、図１７の２６２、２６３のように踏力の変化と相似形となる。これより、隣接するペダリングサイクルの間には、アシスト力が低下する区間２６４が存在することが理解できる。
　電動アシスト自転車が、平地や緩やかな坂で走行中には、自転車にある程度の慣性がついていて次のペダリングを軽くしているため、上記のようにアシスト力の低下区間２６４が存在していたとしても、フィーリングの点で問題なく運転することができる。
　しかし、急な登り坂を上がる場合、隣接するペダリングサイクルの間では、図１７の２６５に示されるように、重力によって、慣性が持続できずゼロにまで低下するか或いは登り方向とは逆方向にトルクを受けるおそれがある。これは、登り坂での走行を困難にし、本来の電動アシスト自転車の目的から逸脱するおそれがある。また、走行フィーリングを著しく低下させかねない。
　上記問題を解決するため、例えば下記特許文献１には、以下のような電動アシスト自転車に関する技術が開示されている。即ち、当該従来技術に係る電動アシスト自転車は、ペダルの踏力を検出するペダル検出部４と、該ペダル検出部４により検出された踏力の持続時間に比例して出力時間を延長して制御信号を生成する制御信号生成手段３と、該延長された制御信号によりペダルの踏力に応じてアシスト力を加える制御手段１とを備えている。本技術によれば、ペダルが上死点や下死点に達して力が入らない状態になったときにも、踏力の持続時間に比例してそれ以前と同様にアシスト力を加え続けるため、車体速度が変わっても、その車体速度に応じて次のペダルサイクルに影響を与えないようにアシスト力を与え続ける時間を制御することができる、とされている。
　しかし、上記従来技術では、ペダル検出部４により検出された踏力の持続時間に比例して出力時間を延長するため、必ずしも現在のペダル位置に正確に対応したアシスト力を提供できるとは限らないといった問題がある。
特開平８－１１３１８５号（特許第３３８９３５１号）
　本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、登り坂であっても追従性の高いアシスト力を提供することによって円滑でフィーリングのよい電動アシスト走行を可能とした電動アシスト自転車を提供することを、その目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、踏力によるペダルクランクの回転で走行する電動アシスト自転車であって、踏力に付加されるアシスト力を発生するための電動手段と、踏力を検出するための踏力検出手段と、前記ペダルクランクの車体に対する角度であるクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、少なくとも前記踏力検出手段により検出された踏力に基づいてアシスト力を決定し、該アシスト力を出力するように前記電動手段を制御するアシスト制御手段と、前記電動アシスト自転車が登坂を走行しているかを判定する登坂判定手段と、を備え、前記アシスト制御手段は、前記登坂判定手段により登坂走行中であると判定された場合、少なくとも前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度に応じて前記アシスト力を登坂用アシスト力に切り替え、該登坂用出力を出力するように前記電動手段を制御するように構成したものである。
　本発明によれば、登坂走行中であると判定された場合、アシスト制御手段が、少なくとも前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度に応じて前記アシスト力を登坂用アシスト力に切り替え、該登坂用出力を出力するように前記電動手段を制御するようにしたので、登り坂であってもクランク角度に応じた追従性の高いアシスト力を提供することができ、円滑でフィーリングのよい電動アシスト走行が可能となる。
　好ましい態様のアシスト制御手段は、前記登坂判定手段により登坂走行中であると判定された場合、前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度が所定の範囲にあるとき前記アシスト力を前記登坂用アシスト力に切り替える。例えば、ペダル半回転サイクルにおいて、踏み込みが開始されたときのクランク角度を踏み込み開始角度、踏力が最大となるクランク角度を最大踏力角度、及び、踏み込みが終了したときのクランク角度を踏み込み終了角度と定義したとき、前記クランク角度の所定の範囲は、一つのペダル半回転サイクルの最大踏力角度から踏み込み終了角度の間にある第１の角度から、次のペダル半回転サイクルの踏み込み開始角度から最大踏力角度の間にある第２の角度までの範囲である。踏み込み開始角度を０°として最大踏力角度を例えば９０°、踏み込み終了角度を例えば１８０°としたとき、第１の角度は、先のペダル半回転サイクルにおいて例えばクランク角度１５０°に決定され、第２の角度は、次のペダル半回転サイクルにおいて例えばクランク角度３０°に決定されてもよい。
　登坂を走行中の場合、最大踏力から踏力が低下してきている前記第１の角度から、最大踏力角度にまだ達していない第２の角度までは、踏力の落ち込みが大きいクランク角度範囲であり、登坂を走行している場合には慣性力によるスムーズな走行が困難となる区間である。本発明では、クランク角度がこの範囲にあるときに、通常のアシスト力を登坂用アシスト力に切り替えるため、登坂走行中でも円滑でフィーリングのよい電動アシスト走行が可能となる。このため、前記登坂用アシスト力は、前記第１の角度から前記第２の角度まで前記アシスト力以上となる出力値を維持するように決定される。
　例えば、前記登坂用アシスト力の前記出力値は、クランク角度が上記所定の範囲である場合、略一定値となるように制御されてもよい。例えば、第１の角度における通常のアシスト力を第２の角度まで維持するように制御されてもよい。また、前記登坂用アシスト力の前記出力値は、検出された踏力、前記クランク角度及び車速のうち少なくともいずれかに応じて変化するように制御されてもよい。例えば、登坂用アシスト力の前記出力値は、検出された踏力の増減に応じて増減するが、一定値以下にはならないように制御されてもよい。また、登坂用アシスト力の前記出力値は、クランク角度に応じて、第１の角度から踏み込み終了角度まで、踏力の低下よりも緩い減少勾配で減少し、踏み込み終了角度から第２の角度まで踏力の増加よりも緩い増加勾配で増加するようにする。これにより、通常のアシスト力よりも大きいアシスト力を維持することができる。
　好ましくは、前記登坂用アシスト力は、前記第１の角度におけるアシスト力及び前記第２の角度におけるアシスト力を滑らかに接続するように決定される。例えば、第１の角度において決定された登坂用アシスト力が、その直前まで適用されていた通常のアシスト力から急激に変化するような場合、通常のアシスト力を漸近的に変化させて登坂用アシスト力に滑らかに接続するように制御される。他方、第２の角度の直後に通常のアシスト力に切り替える際にその直前まで適用されていた登坂用アシスト力から急激に変化するような場合、登坂用アシスト力を通常のアシスト力に漸近的に変化させて通常のアシスト力に滑らかに接続するように制御される。
　本発明の前記登坂判定手段は、前記踏力検出手段により検出された踏力に基づいて前記電動アシスト自転車が登坂を走行しているかを判定する。例えば、前記登坂判定手段は、前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度が所定の監視範囲にあるときに前記踏力検出手段により検出された踏力が所定値を超えた場合に、登坂走行中であると判定する。この場合の判定の方法としては、クランク角度が所定の監視範囲にあるときの踏力の平均値が所定値を超えた場合に登坂と判定する方法、所定のクランク角度（例えば最大踏力角度）において検出された踏力が所定値を超えた場合に登板と判定する方法、当該監視範囲において踏力が所定値（クランク角度の関数であってもよい）を超えた範囲が監視範囲に対して一定の比率で存在した場合に登坂と判定する方法、及び、当該監視範囲において踏力が所定時間又は所定角度連続して所定値（クランク角度の関数であってもよい）を超えた場合に登坂と判定する方法などが挙げられる。
　好ましくは、ペダル半回転サイクルにおいて、踏み込みが開始されたときのクランク角度を踏み込み開始角度、踏力が最大となるクランク角度を最大踏力角度、及び、踏み込みが終了したときのクランク角度を踏み込み終了角度と定義したとき、前記クランク角度の所定の監視範囲は、一つのペダル半回転サイクルの踏み込み開始角度から最大踏力角度の間で画定された範囲である。上記監視範囲は、登坂時に踏み込みを強くして踏力が増大していく区間であるので、登坂か否かを正確に判定することができる。前記監視範囲は、踏み込み開始角度を０°として最大踏力角度を例えば９０°としたとき、０°～９０°の全範囲であってもよいし、あるいは、一例として２０°～６０°のように部分的な角度範囲であってもよい。
　好ましい態様に係る前記クランク角度検出手段は、スプロケットに同軸に固定されたディスクと、前記ディスクの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石と、前記ディスクの前記一方の板面側に隣接して前記車体に対して固定された磁場検出手段と、前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、を備え、前記踏力検出手段により踏み込み開始が検出されたときから前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて前記クランク角度を検出する。　　
　本発明の他の形態及び効果は、次の図面を参照した以下の説明によって明らかとなる。
図１は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車の概略図である。 図２は、図１に示す電動アシスト自転車の制御系を示す概略図である。 図３は、図１に示す電動アシスト自転車で使用される、本発明の実施例に係るトルク検出機構を組み込んだ一方向クラッチの側面図である。 図４は、一方向クラッチの駒部及び該駒部で使用されるバネ棒の構成を示す図であって、（ａ）は、バネ棒が取り付けられた状態の駒部の斜視図、（ｂ）は、バネ棒を取り外した状態の駒部の斜視図、（ｃ）は、バネ棒の側面図である。 図５は、図１に示す電動アシスト自転車の踏力検出の原理を説明するため一方向クラッチ（ラチェットギア）の歯及び駒の嵌合状態を示す図である。 図６は、ドライブシャフトに対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。 図７は、本発明の実施例に係る合力機構で用いられる動力伝達ギアの正面図及び側面図である。 図８は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車のクランク角度が、踏み込み開始角度、最大踏力角度、及び、踏み込み終了角度にある状態を示す説明図である。 図９は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車における、踏力、前記踏力と前記アシスト力との合力、アシスト比が１：１のときのアシスト力の時間的変化を示すグラフである。 図１０は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車のクランク角度θ、踏み込み開始角度θｓ、最大踏力角度θｍｏ、踏み込み終了角度θｅ０を決定する流れを示すフローチャートである。 図１１は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車のメインルーチンの流れを示すフローチャートである。 図１２は、登板アシスト制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。 図１３は、本発明の実施例に従って登板アシスト力が印加されたときの踏力及びアシスト力を示すグラフである。 図１４は、一例としての登板判定ルーチンの流れを示すフローチャートである。 図１５は、別の例としての登板判定ルーチンの流れを示すフローチャートである。 図１６は、図１０の制御において、別の実施例に係る最大踏力角度及び終了角度の決定の流れを示すサブルーチンフローチャートである。 図１７は、従来技術の電動アシスト制御における登坂時のアシスト力低下を説明するための図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
　図１には、電動アシスト自転車１の概略が示されている。同図に示すように、この電動アシスト自転車１の主要な骨格部分は、通常の自転車と同様に、金属管製の車体フレーム３から構成され、該車体フレーム３には、前輪２０、後輪２２、ハンドル１６、及びサドル１８などが周知の態様で取り付けられている。
　また、車体フレーム３の中央下部には、ドライブシャフト４が回転自在に軸支され、その左右両端部には、ペダルクランク６Ｌ、６Ｒを介してペダル８Ｌ、８Ｒが各々取り付けられている。このドライブシャフト４には、車体の前進方向に相当するＲ方向の回転のみを伝達するための一方向クラッチ（後述する図３の９９）を介して、スプロケット２が同軸に取り付けられている。このスプロケット２と、後輪２２の中央部に設けられた後輪動力機構１０との間には無端回動のチェーン１２が張設されている。
　電動アシスト自転車１には、補助電動力を発生する電動アシストユニット１１が取り付けられている。発生した補助電動力は、後述する合力機構を用いて駆動輪２２に伝達される。
　電動アシストユニット１１に収容された電動アシスト自転車１の制御系の概略が図２に示されている。電動アシスト自転車１の制御系は、該自転車全体の電子的処理を一括して制御する１個のマイクロコンピュータ１４と、ＰＷＭ制御可能な電動モータ３７と、マイクロコンピュータ１４に直接接続され、その制御信号の電力を増幅する増幅回路１５と、を備える。増幅回路１５には、電動モータ３７に電源供給するバッテリー１７（ユニット１１の外部）が接続されている。また、電動アシストユニット１１には、モータの回転速度を減速するための減速ギア等が収容されている。
　マイクロコンピュータ１４には、車体フレームに対してペダルクランク６Ｒ（６Ｌ）がなすクランク角度を検出するための磁場パルス信号、踏力を演算するための磁場信号１、２、３が入力される。これらの入力信号を発生する手段については後述する。なお、電動アシストのモード（例えばノーマルモード、ターボモード、エコモード等）を指定するための信号も入力されてもよい。マイクロコンピュータ１４は、これらの入力信号から走行速度、クランク角度及び踏力を演算し、所定のアルゴリズムに基づいてアシスト比（アシスト力／踏力）を決定する電子的処理を行う。次に、マイクロコンピュータ１４は、決定されたアシスト比に対応するアシスト力を発生させるよう電動モータ３７を指令するため、該アシスト力に応じたＰＷＭ指令を順次出力する。
　以下、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車の踏力検出機構、合力機構、並びに、クランク角度及び車速の検出機構について各々説明する。
（踏力検出機構）
　マイクロコンピュータ１４に入力される磁場信号１、２、３を出力する踏力検出機構を図３乃至図７を用いて説明する。この踏力検出機構は、踏力に応じた一方向クラッチ９９の変形によって変化する磁場を検出する。
　図３に示すように、一方向クラッチ９９は、駒部１００及び歯部１１２を備える。
　駒部１００は、図４（ａ）に示すように、ドライブ軸４を受け入れるための駒部ボア１０６が中央部に形成された略円盤形状を有し、その周方向に沿って等角度毎に３つの剛性のラチェット駒１０２が、歯部１１２と相対する第２の係合面１１０側に配置されている。駒部１００は、ラチェット駒１０２を各々収容するため、図４（ｂ）に示すように、周方向に沿って３つの凹部１７０が形成される。かくして、ラチェット駒１０２は、凹部１７０にその回転軸部が収容された状態で回動し、この回動に応じてラチェット駒１０２は、第２の係合面１１０に対する角度を変える。
　再び図４（ｂ）を参照すると、駒部１００には、各々の凹部１７０に隣接して、バネ棒１０４を収容可能な直線溝１７１が夫々形成されており、３つの直線溝１７１の両端部は、駒部１００の外周エッジまで延在している。図４（ｃ）に示すように、バネ棒１０４は、一方の端部Ａが略垂直に折り曲げられ、他方の端部Ｂがコ字状に曲げられている。バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１内に取り付ける場合、図４（ｂ）に示すように、バネ棒１０４を直線溝内を摺動させながら、コ字状のＢ部が駒部１００をクリップ状に挟み止めさせるようにするだけで、バネ棒１０４を駒部１００に容易に装着することができる。しかし、このままだと、Ｂ部から引っ張る力によりバネ棒１０４が抜け落ちる可能性があるので、垂直に折れ曲がったＡ部が駒部の側壁と係合することにより、バネ棒の脱落を防止している。従って、本実施形態のバネ棒１０４は、取り付けの容易さ及び抜け防止を両立している。
　バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１に取り付けた場合、ラチェット駒１０２は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす（図５の平衡方向１６０）ように立ち上がる。図５に示すように、ラチェット駒１０２が平衡方向１６０から上昇方向ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、バネ棒１０４は、その偏倚を平衡方向１６０に戻すようにラチェット駒１０２に僅かな弾性力を及ぼす。
　駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブシャフト４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。図６（ａ）に示すように、第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブシャフト４に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。
　また、駒部１００のドライブシャフト４への取り付け方法として、図６（ａ）のボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図６（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａをドライブシャフト４に設け、該突起部１４０ａを収容する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図６（ｂ）において、突起部１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８ａをドライブシャフト４側に設けてもよい。更に、図６（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１４０ｂを駒部１００及びドライブシャフト４に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。
　図３に示されるように、皿バネ１３７が、駒部１００と、ドライブシャフト４に固定された支持ディスク１５１との間に介在されている。皿バネ１３７の両端部は、各々、駒部１００の裏面と支持ディスク１５１とに当接している。従って、皿バネ１３７は、駒部１００の軸方向内側への摺動に対して弾性力で対抗する。
　一方、歯部１１２は、図７に示されるように、動力伝達ギア２００の表面である第１の係合面１２１上に形成されている。第１の係合面１２１には、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、図５に示されるように、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。歯部１１２は、その第１の係合面１２１を駒部１００の第２の係合面１１０に対面させ、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２とを係合させた状態（図５）で、ドライブシャフト４に摺接可能に軸支される。即ち、ドライブシャフト４は、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２との係合部分を介してのみ歯部１１２と作動的に連結される。
　図３に示されるように、歯部１１２を備える動力伝達ギア２００は、固定ピン２０６を用いてスプロケット２と同軸に固定され、更に、ドライブシャフト４の先端にはペダル軸が取り付けられる。かくして、車体前進方向のペダル踏力による回転のみをスプロケット２に伝達するようにドライブシャフト４とスプロケット２とを連結するラチェットギア９９が完成する。
　更に、ラチェットギア９９の駒部１００には、ドライブシャフト４及び駒部１００と同心に、リング状に形成された永久磁石１６１が取り付けられている。リング状の永久磁石１６１は、好ましくは、リングの一方の表面がＮ極、反対側の表面がＳ極となるように構成され、永久磁石１６１のリング軸方向とラチェットギア９９の軸方向とが整列するように配列される。
　また、磁場を検出するための複数（本実施例では３個）のホール素子１６２が、ドライブシャフト４の軸線に対して垂直な平面内で、３箇所の所定位置に各々配置されている。好ましくは、ホール素子が配置される３箇所の所定位置は、該軸線を中心として径方向に略等距離で周方向に略等角度毎の位置である。更に、ホール素子１６２が配置される所定位置は、リング状永久磁石１６１に近接した車体フレームの固定位置に相当する。これらのホール素子１６２は、マイクロコンピュータ１４（図２）に接続される。３個のホール素子１６２から各々出力された磁場検出信号１、２、３は、上述したように、マイクロコンピュータ１４（図２）に入力される。
　代替実施例として、リング状永久磁石１６１の代わりに、鉄等の磁性体からなるリング部材１６３を用いることができる。この場合、磁石１６４を駒部１００が相対的に移動するところの所定位置、例えば、ホール素子１６２に近接した位置に固定する。なお、リング部材１６３の材料は、磁石１６４の磁場を変化させることができる任意の材料、例えば反磁性体から作ることもできる。
　次に、本踏力検出機構の作用を説明する。
　搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌ（図１）にペダル踏力を与え、ドライブシャフト４を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブシャフト４に対し回転不可能且つ摺動可能に軸支された駒部１００に伝達される。このとき、図５に示すように、ラチェット駒１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄを与えられるので、その先端部は歯部１１２のラチェット歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、スプロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２は、ａ方向に回転して立ち上がる。このとき駒部１００は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部１００と支持ディスク１５１との間に介在する皿バネ１３７を押し込む。皿バネ１３７は、これに対抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒと、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、駒部１００の軸方向位置はペダル踏力を反映する物理量となる。
　リング状永久磁石を使用した実施例の場合、駒部１００の軸方向位置に応じて、ホール素子１６２により検出される磁場強度は異なっている。即ち、ペダル踏力が増大すると、駒部１００は軸方向内側に摺動し、永久磁石１６１がホール素子１６２に接近するため、ホール素子により検出される磁場強度は増大する。逆に、ペダル踏力が減少すると、駒部１００は軸方向外側に摺動し、永久磁石１６１がホール素子１６２から遠ざかるため、ホール素子により検出される磁場強度は減少する。
　マイクロコンピュータ１４は、３個のホール素子１６２により検出された磁場検出信号を平均演算（単なる加算演算を含む）して平均磁場強度を求める。マイクロコンピュータ１４は、磁場強度とペダル踏力を反映する永久磁石１６１の軸方向位置との間の関数関係を表すルックアップテーブルをメモリに格納しており、該テーブルを参照することにより演算した平均磁場強度からペダル踏力Ｔを求める。
　このようにマイクロコンピュータ１４は、複数箇所の軸方向の磁場を平均化しているため、ＳＮ比を改善することができるだけでなく、駒部１００の振れに起因する磁場強度のばらつきを相殺することにより、より正確にペダル踏力Ｔを求めることができる。
　なお、磁性体又は反磁性体のリング部材１６３を使用した代替実施例の場合、リング部材１６３の軸方向位置に応じて、磁性体又は反磁性体の影響の変化により磁石１６４の磁場分布は変化する。従って、代替実施例においても、検出された磁場強度に基づいて、上述のようにペダル踏力Ｔを求めることができる。
　上記した踏力検出機構には以下のような優れた効果がある。
(1) 皿バネ１３７は、ドライブシャフト４に対して相対的に回転しない駒部１００と支持ディスク１５１とに当接しているため、皿バネ１３７もドライブシャフト４、駒部１００及び支持ディスク１５１と共に、回転する。よって、皿バネ１３７と駒部１００との間には摩擦が生じず、回転抵抗も発生しない。
(2) 一方向クラッチと踏力検出機構とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。
(3)　踏力を検出する部分を、磁力発生ユニットに対して皿バネに近接して磁場検出センサーを設けたので、皿バネの磨耗や回転抵抗などが発生せず、トルク検出装置の精度を向上させると共に耐久性を向上させることができる。
(4)　上記項目(2)及び(3)に示したように踏力検出機構の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であっても踏力検出機構を取り付ける可能性が更に広がった。
(5)　上記項目(2)及び(3)で示した理由により、従来機構に比べて、非接触式の磁場強度による踏力検出機構を用いたので、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。
(6)　上記項目(2)及び(3)で示した理由により、従来機構（コイルバネ使用）に比べ、ペダルに無駄な動き（センサーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感があったのに対し、上記例では、通常の自転車のフィーリングと同様になった。
（合力機構）
　電動アシスト自転車１の合力機構を、図３及び図７を用いて説明する。
　図３には、上述されたように固定ピン２０６を用いてスプロケット２に同軸に固定された動力伝達ギア２００が示されている。動力伝達ギア２００は、図７に示すように、外周部に複数の歯２０４が形成されている。
　動力伝達ギア２００の歯２０４は、図３に示されるように、電動アシストユニット１１のアシスト力出力シャフト２２２の先端に設けられたギア２２０と嵌合する。従って、電動アシストユニット１１から出力されたアシスト力は、シャフト２２２、ギア２２０を介して動力伝達ギア２００に伝達され、該動力伝達ギア２００からスプロケット２、チェーン１２を介して駆動輪に伝達される。かくして、踏力とアシスト力との合力が達成される。動力伝達ギア２００の歯２０４の数は、ギア２２０の歯数よりも多いので、動力伝達ギア２００は、減速ギアとしても機能する。
（クランク角度及び車速の検出機構）
　電動アシスト自転車１のクランク角度検出機構を、図３、図７乃至図８を用いて説明する。　　
　図７に示すように、動力伝達ギア２００の一方の板面側には、１２個の永久磁石２０２が円周１２等分に配置されている。これらの永久磁石２０２は、一方の磁極（Ｎ極又はＳ極）を当該板面の表面に出し、他方の磁極を該表面と反対側に向け、両磁極を結ぶ方向が、ドライブシャフト４の軸方向に整列するように配置されている。板面の表面に出ている磁極は、全て同一に揃えるのが好ましいが、隣接する磁石２０２の磁極が互い違いになるように配置することもできる。
　図３を参照すると、磁石２０２が配置された動力伝達ギア２００の板面に隣接して、車体フレームに対して固定された位置にホール素子２１０が配置されている。このホール素子２１０のドライブシャフト４からの径方向距離は、永久磁石２０２のドライブシャフト４からの径方向距離と実質的に同一に設定されている。動力伝達ギア２００は、ペダルの回転と共に回転し、一方、ホール素子２１０は車体に対して静止しているので、ペダルクランク回転によって、ホール素子２１０の検出範囲に永久磁石２０２の磁場が次々横切っていく。従って、ホール素子２１０は、ペダルクランク回転数に応じたパルス数の検出信号を出力する。この磁場パルス信号は、マイクロコンピュータ１４（図２）へと入力される。
　動力伝達ギア２００は、ペダルクランク及びスプロケット２と一緒に回転するため、動力伝達ギア２００の回転速度は、車速及びクランク角速度を反映している。かくして、マイクロコンピュータ１４は、単位時間当たりの磁場パルス信号のカウント数から、車速と、クランク角度の増加分とを演算することができる。
　図８に示すように、踏み込み開始角度で右側ペダルクランク６Ｒのペダル８Ｒに対する踏み込みが開始され、クランク角度θが増大するにつれ、踏力が漸次大きくなり、踏力最大角度で踏力が最大となり、それから次第に踏力が減少し、踏み込み終了角度で踏力が実質的に０となり、右側ペダルクランク６Ｒにおけるペダル半回転サイクルが完了する。終了角度から更にクランク角度が一定角度増大すると、左側ペダルクランク６Ｌのペダル８Ｌに対する踏み込みが開始され、同様に、左側ペダルクランク６Ｌにおけるペダル半回転サイクルが実行される。
　ここで、図１０を参照して、磁場パルス信号のカウント数から、車体に対する（絶対的な）クランク角度を求める方法を説明する。
　図１０に示されるように、上述した踏力検出機構により踏力ＦＬの検出処理が実行され（ステップ３００）、ホール素子２１０の出力パルス数のカウント処理が実行される（ステップ３０２）。ステップ３０２及び３０４では、マイクロコンピュータ１４は、実際に踏み込みが行われている状況か又は踏力が検出されない状況（例えば坂道を下っている状況等））かに関わりなく、ホール素子１６２及びホール素子２１０からの出力信号を絶えず監視している。ステップ３０２で出力パルス数がカウントされる場合にはパルスのカウント数から車速Ｖが検出される（ステップ３０４）。なお、これらのステップ３００、３０２、３０４は、マイクロコンピュータ１４によって、次のステップに移行した後も、常時、実行される。
　次に、検出した踏力ＦＬの変化により踏み込みが検出されたか否かを判定する（ステップ３０６）。例えば、検出した踏力ＦＬが所定の閾値を超えたとき、踏み込み開始と判定する。踏み込みが検出された場合（ステップ３０６肯定判定）、踏み込み検出時のクランク角度を開始角度θｓに設定し（ステップ３０８）、開始角度θｓからの最大踏力角度θm0及び終了角度θe0を決定する。一実施例では、最大踏力角度θm0及び終了角度θe0は、予め経験的に求められている典型的な固定値としてもよい。
　以上のように、動力伝達ギア２００は、踏力検出手段を構成する一方向クラッチ９９の歯部１１２、合力機構、合力時の減速ギア、車速の検出機構、並びに、クランク角度検出機構を一体化した手段として機能している。これにより、電動アシスト自転車１において部品点数の削減、軸方向の省スペース化を図ることができる。
（本発明の実施例の作用）
　図９には、クランク角度の関数として変化する踏力及びアシスト力のグラフが示されている。図９において、θｓ（ｋ）、θｍ（ｋ）及びθｅ（ｋ）は、各々、ｋ番目のペダル半回転サイクル（サイクル番号ｋ＝１，２，３，．．．）における踏み込み開始角度、踏力最大角度及び踏み込み終了角度である。例えばｋ＝１におけるペダル半回転サイクルが、右側ペダルクランク６Ｒに関するものであるとすると、ｋ＝２のペダル半回転サイクルは、左側ペダルクランク６Ｌに関するものとなり、以下同様に左右の半サイクルが交互に現われる。
　なお、θｓ（ｋ）、θｍ（ｋ）及びθｅ（ｋ）は、サイクル数ｋが大きくなるにつれて、グラフ上では増大していくが、以下、単に「クランク角度」と称した場合には、θｓ（ｋ）＝０にリセットされるものとする。即ち、後述される踏力最大角度及び踏み込み終了角度は、各々、開始角度を０としたときのクランク角度である。
　図９に示されるように、踏力ＦＬ（θ、ｋ）は、クランク角度θｓ（ｋ）から漸次増大し、θｍ（ｋ）で最大となり、そこから漸次減少しθｅ（ｋ）で実質０となる。ｆｍ（θ、ｋ）は、ペダル半回転サイクルにおいて車速一定としたときのアシスト比が当該サイクルでクランク角度に依らず一定である場合のアシスト力の変化を示している。図９では、斜線部分がアシスト比一定の場合に付加されるこのアシスト力を示している。踏力ＦＬ（θ、ｋ）の変化に応じてｆｍ（θ、ｋ）も増減していることが理解できる。
　ここで、本実施例に係る電動アシスト自転車１の電動アシスト処理の流れを図１１乃至図１５のフローチャートを用いて説明する。
　図１１に示されるように、踏力ＦＬ、車速Ｖ、クランク角度θ、踏み込み開始角度θｓ、最大踏力角度θm0及び終了角度θe0の検出を実行する（ステップ３５０）。この検出処理は、以降の処理が実行されている間にも随時実行される。
　踏力ＦＬ及びクランク角度θに基づいて電動アシスト自転車が登坂を走行中であるかの判定処理を実行する（ステップ３５６）。登板判定方法の詳細については後述する。ステップ３５６の登板判定処理の結果、登板を走行中ではないと判定された場合（ステップ３５８否定判定）、通常のアシスト制御サブルーチンを呼び出し（ステップ３６２）、通常のアシスト制御を実行する。この通常のアシスト制御サブルーチンでは、検出された踏力ＦＬ及び車速Ｖに基づいてアシスト力を計算し、該アシスト力を出力するためのモータ制御を実行する。このアシスト力は、図９にｆｍ（θ、ｋ）として示されているものである。通常のアシスト制御を実行している間にもステップ３５０及び３５６は並列的に実行される。
　ステップ３５８で登坂を走行中と判定された場合、登板アシスト制御サブルーチンを呼び出し（ステップ３６０）、登板アシスト制御を実行する。登板アシスト制御を実行している間にもステップ３５０及び３５６は並列的に実行される。
　次に、ステップ３６０の登坂アシスト制御の処理の流れを図１２を用いて説明する。
　図１２に示すように、登坂アシスト制御のルーチンに入ると、図１１のステップ３５０で検出された踏力ＦＬ、車速Ｖ、クランク角度θ、踏み込み開始角度θｓ及び終了角度θe0が引渡される（ステップ３７０）。
　次に、クランク角度θがθ１からθ２の間であるか否かを判定する（ステップ３７１）。ここで、クランク角度θ１は、図１３に示すように、ペダル半回転サイクル２５０において最大踏力から踏力が低下してきているクランク角度であり、クランク角度θ２は、次に続くペダル半回転サイクル２５１において踏み込み開始角度から最大踏力角度にまだ達していないクランク角度である。例えば、ペダル半回転サイクル２５０、２５１において、踏み込み開始角度を０°として最大踏力角度を例えば９０°、踏み込み終了角度を例えば１８０°としたとき、クランク角度θ１は、先のペダル半回転サイクル２５０において例えばクランク角度１５０°に決定され、クランク角度θ２は、次のペダル半回転サイクル２５１において例えばクランク角度３０°に決定される。クランク角度がθ１からθ２の間では、踏力の落ち込みが大きく、登坂を走行している場合には慣性力によるスムーズな走行が困難となる。
　ステップ３７１でクランク角度θがθ１からθ２の間ではないと判定された場合、十分に踏力が大きく、アシスト力も比較的大きいので、通常のアシスト制御サブルーチンを呼び出し（ステップ３７８）、通常のアシスト制御を実行する。このアシスト制御は、図１１のステップ３６２が既に実行されている場合には継続的な実行として処理される。
　これに対して、ステップ３７１でクランク角度θがθ１からθ２の間であると判定された場合、即ち、踏力の落ち込みが大きいクランク角度範囲となった場合、事前に記憶又はリアルタイムに計算された登坂用アシスト力データＴＡｆ（Ｖ，θ）を読み込む（ステップ３７２）。なお、マイクロコンピュータ１４は、バックグラウンドで踏力ＦＬが所定の閾値Fmin未満であった時間をカウントしており、この時間が一定時間以上継続したか否かを判定している（ステップ３７４）。なお、Fminはゼロに近い値が設定されている。踏力ＦＬ＜Fminが一定時間以上継続した場合（ステップ３７４肯定判定）、踏力は、事実上ゼロであり、踏み込み動作が行われていないとみなして、本登坂アシスト制御をリターンする。この場合、通常のアシスト動作に戻るが、踏力がゼロなので、アシスト力もゼロとなる。
　登坂用アシスト力データＴＡｆを読み込むと、登坂用アシスト力を出力するためのモータ制御を実行し（ステップ３７６）、ステップ３７１に戻り、クランク角度がθ１からθ２の間、登坂用アシスト力制御を実行する。ステップ３７６の登板アシスト制御が開始されるときには、通常のアシスト制御は中断されるが、この区間を脱したときには通常のアシスト制御が再開される。
　以上のように図１２の登坂処理を実行すると、図１３に示すように、クランク角度がθ１からθ２の間、通常のアシスト力を登坂用アシスト力ＴＡｆに切り替えるため、登坂走行中でも円滑でフィーリングのよい電動アシスト走行が可能となる。
　図１２のステップ３７２で読み込まれる登坂用アシスト力データＴＡｆ（Ｖ，θ）の計算方法として以下の例が挙げられる。
（１）登坂用アシスト力データＴＡｆは、クランク角度がθ１からθ２の間、略一定値となるように制御される。例えば、クランク角度θ１において踏力及び車速に基づいて計算された通常のアシスト力Ａｆ（Ｖ，θ１）をクランク角度θ２まで維持するように制御される。この場合、ＴＡｆはクランク角度の関数ではない。
　また、登坂用アシスト力データＴＡｆは、検出された踏力ＦL、クランク角度θ及び車速Ｖのうち少なくともいずれかに応じて例えば以下の（２）、（３）のように制御されてもよい。
（２）　登坂用アシスト力データＴＡｆは、検出された踏力ＦLの増減に応じて増減するが、一定値以下にはならないように制御される。
（３）　登坂用アシスト力データＴＡｆは、クランク角度θに応じて、クランク角度θ１から踏み込み終了角度θeoまで、踏力ＦLの低下よりも緩い減少勾配で減少し、踏み込み終了角度θeoからクランク角度θ２まで踏力ＦLの増加よりも緩い増加勾配で増加するように制御される。これにより、通常のアシスト力よりも大きいアシスト力を維持することができる。
　上記登坂用アシスト力の計算方法（１）ないし（３）のいずれにおいても、登坂用アシスト力は、クランク角度θ１における通常のアシスト力及びクランク角度θ２における通常のアシスト力を滑らかに接続するように決定されるのが好ましい。例えば、クランク角度θ１において決定された登坂用アシスト力が、その直前まで適用されていた通常のアシスト力から急激に変化するような場合、通常のアシスト力を漸近的に変化させて登坂用アシスト力に滑らかに接続するように制御される。他方、クランク角度θ２の直後に通常のアシスト力に切り替える際にその直前まで適用されていた登坂用アシスト力から急激に変化するような場合、登坂用アシスト力を通常のアシスト力に漸近的に変化させて通常のアシスト力に滑らかに接続するように制御される。
　また、上記登坂用アシスト力の計算方法（１）ないし（３）は、いずれかが単独で使用されてもよく、或いは、上記計算方法（１）ないし（３）のうち幾つかが組み合わされて使用されてもよい。
　図１１のステップ３５６の登板走行中を判定する際には、一つのペダル半回転サイクルの踏み込み開始角度から最大踏力角度の監視範囲の間で検出された踏力に基づいて判定することができる。この監視範囲は、登坂時に踏み込みを強くして踏力が増大していく区間であるので、登坂か否かを正確に判定することができる。前記監視範囲は、図１３に示されるように、踏み込み開始角度を０°として最大踏力角度を例えば９０°としたとき、０°～９０°の全範囲であってもよいし、あるいは、一例として２０°～６０°のように部分的な角度範囲であってもよい。
　図１１のステップ３５６では、クランク角度が上記監視範囲にあるときに検出された踏力ＦＬが所定値を超えた場合に、登坂走行中であると判定する。この場合の判定の方法としては、次の例が挙げられる。
（１）クランク角度が上記監視範囲にあるときの踏力の平均値が所定値を超えた場合に登坂と判定する。
（２）　上記監視範囲内の所定のクランク角度（例えば最大踏力角度）において検出された踏力が所定値を超えた場合に登板と判定する。
（３）　上記監視範囲において踏力が所定値（クランク角度の関数であってもよい）を超えた範囲が監視範囲に対して一定の比率で存在した場合に登坂と判定する。
（４）　上記監視範囲において踏力が所定時間又は所定角度連続して所定値（クランク角度の関数であってもよい）を超えた場合に登坂と判定する。
　上記登板判定方法（３）は、例えば、図１４のフローチャートによって実現することができる。
　図１４の登板判定ルーチンにおいて、図１１のメインルーチンから踏力ＦＬ、クランク角度θ、踏み込み開始角度θｓ、最大踏力角度θm0が引き渡される（ステップ４００）。次に、クランク角度θが上記監視範囲内にあるか否か、即ち開始角度θｓ＜θ＜θm0が成立するか否かが判定される（ステップ４０２）。クランク角度θが上記監視範囲内にある場合（ステップ４０２肯定判定）、変数Ｃが１だけインクリメントされる（ステップ４０４）。なお、Ｃのデフォルト値は予め０に設定されている。次に、踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えたかが判定される（ステップ４０６）。閾値Ｔ（θ）はクランク角度θの関数となっており、登板走行中の踏力ＦＬの経験値に基づいて決定されている。即ち、閾値Ｔ（θ）を超える踏力の場合、登板走行中である確率が非常に高いとみなすことができる。踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えた場合（ステップ４０６肯定判定）、変数Ｒが１だけインクリメントされ（ステップ４０８）、登板判定ルーチンをリターンする。なお、Ｒのデフォルト値は予め０に設定されている。このようにして、クランク角度が上記監視範囲内にある間は、踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超える毎にＲがインクリメントされていく。
　次に、ステップ４０２で、クランク角度θが上記監視範囲から脱した場合、Ｃが１以上であるか否かが判定される（ステップ４１０）。Ｃが０である場合（ステップ４１０否定判定）、ステップ４０６の判定は未だ実行されていないか又は当該ペダル半サイクルにおける登板判定が終了したことを意味するので、本登板判定ルーチンをリターンする。Ｃが１以上である場合（ステップ４１０肯定判定）、Ｃに対するＲの比Ｒ／Ｃが閾値Ｔｈ以上であるかが判定される（ステップ４１２）。Ｒ／Ｃが閾値Ｔｈを超えた場合（ステップ４１２肯定判定）、クランク角度θが上記監視範囲のある間に踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えた比率が一定値を超えたことを意味するので、登板有りと判定する（ステップ４１４）。これに対し、Ｒ／Ｃが閾値Ｔｈを超えていない場合（ステップ４１２否定判定）、登板無しと判定する（ステップ４１６）。なお、登板の有無は、登板フラグの０、１によって識別される。次に、変数Ｃ、Ｒを０にリセットし（ステップ４１８）、本登板判定ルーチンをリターンする。
　上記登板判定方法（４）は、例えば、図１５のフローチャートによって実現することができる。
　図１５の登板判定ルーチン２において、図１１のメインルーチンから踏力ＦＬ、クランク角度θ、踏み込み開始角度θｓ、最大踏力角度θm0が引き渡される（ステップ４５０）。次に、クランク角度θが上記監視範囲内にあるか否か、即ち開始角度θｓ＜θ＜θm0が成立するか否かが判定される（ステップ４５２）。クランク角度θが上記監視範囲内にある場合（ステップ４５２肯定判定）、踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えたかが判定される（ステップ４５４）。閾値Ｔ（θ）は図１４で示した例と同様である。踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えた場合（ステップ４５４肯定判定）、変数θssが－１であるか否かが判定される（ステップ４５６）。θssのデフォルト値は予め－１に設定されているため、最初は当該判定が肯定され、踏力FLが閾値Ｔ（θ）を超えた最初のクランク角度θがθssに代入される（ステップ４５８）。クランク角度は負の値を取り得ないので、θssが－１であることは、θssが未だ設定されていないことを意味している。
　踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えた状態が続き、登板判定ルーチン２が次のサイクルに移行したとき、θssには既にステップ４５８でクランク角度の値が代入されているためステップ４５６で否定され、踏力FLが閾値Ｔ（θ）を超えた最初のクランク角度θssが保存された状態でステップ４６０に移行する。踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を連続的に超えたクランク角度範囲は、現在のクランク角度をθとするとき、（θ－θss）で表される。ステップ４６０では、このクランク角度範囲（θ－θss）が所定値Ti以上となったかが判定される。踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）を超えたクランク角度範囲が所定値Ti以上となった場合（ステップ４６０肯定判定）、クランク角度θが上記監視範囲のある間に踏力ＦＬが所定角度連続して閾値Ｔ（θ）を超えたことを意味するので、登板有りと判定する（ステップ４６２）。例えば登板フラグをデフォルト値０から登板有りを示す１に変更することによって、登板状況であることを表現することができる。なお、登板フラグは、クランク角度θが次サイクルで監視範囲に入る毎に０にリセットされる。
　これに対し、クランク角度範囲が所定値Ti未満の場合（ステップ４６０否定判定）、本サブルーチンをリターンする。このとき、登板フラグは、登板無しを示すデフォルト値０のままである。
　ステップ４５２で、クランク角度θが上記監視範囲から脱した場合、又は、ステップ４５４で踏力ＦＬが閾値Ｔ（θ）以下となった場合、θssを－１にリセットして（ステップ４６４）、本登板判定ルーチンをリターンする。その後、引き続いて登板判定処理が続行される。
　上記登板判定方法（１）ないし（４）は、いずれかが単独で使用されてもよく、或いは、上記登板判定方法（１）ないし（４）のうち幾つかが組み合わされて使用されてもよい。
　図１０のステップ３１０では、最大踏力角度θm0及び終了角度θe0を常に固定値として決定していたが、実際には、個々人の踏力パターンの差や、路面状況等に応じて、常に一定であるとは限らない。この点を考慮して、最大踏力角度θm0及び終了角度θe0を状況に応じて変更する方法を図１６を用いて説明する。なお、図１６の制御は、図１０のステップ３１０で呼び出されるサブルーチンとして実施される。
　図１６に示されるように、図１０のステップ３００で検出された踏力ＦＬ及びステップ３０２でカウントされたホール素子出力パルスのカウント値が本サブルーチンプログラムに引き渡される（ステップ３３０、ステップ３３２）。次に、踏力ＦＬの変化パターンの特徴パラメータが、ペダル半回転サイクル毎に抽出される（ステップ３３４）。この特徴パラメータとして、例えば、ペダル半回転サイクルｋの各々において最大踏力角度θｍ（ｋ）及び踏み込み終了角度θｅ（ｋ）が抽出される。これらの抽出方法としては、踏み込み終了角度θｅに関しては、踏み込み開始角度θｓが検出されてから一定以上のクランク角度が増加し、かつ、踏力ＦＬが所定の閾値以下になり始めたときのクランク角度として抽出することができる。また、最大踏力角度θｍ（ｋ）に関しては、クランク角度が踏み込み開始角度θｓから踏み込み終了角度θｅまでの間で最大踏力ＦＬmax（ｋ）を周知の極大値検索アルゴリズム等で検索し、該最大踏力を与えたクランク角度を最大踏力角度θｍ（ｋ）として抽出する。
　次に、ステップ３３４で抽出されたデータのうち直前の過去ｎ個のデータを平均演算する（ステップ３３６）。例えば、現在のペダル半回転サイクル番号をｐとすると、過去ｎ個の最大踏力角度のデータはθｍ（ｐ－ｎ）、θｍ（ｐ－ｎ＋１），．．θｍ（ｐ－１）となり、これらのデータから次式の通り平均最大踏力角度Ａｖθｍを演算する。
Ａｖθm＝（θm（ｐ－ｎ）＋θm（ｐ－ｎ＋１）＋．．θm（ｐ－１））／ｎ
　また、過去ｎ個の踏み込み終了角度のデータθｅ（ｐ－ｎ）、θｅ（ｐ－ｎ＋１），．．θｅ（ｐ－１）から次式の通り平均最大踏力角度Ａｖθｅを演算する。
Ａｖθｅ＝（θe（ｐ－ｎ）＋θe（ｐ－ｎ＋１）＋．．θe（ｐ－１））／ｎ
　更に、過去ｎ個の最大踏力のデータＦＬmax（ｐ－ｎ）、ＦＬmax（ｐ－ｎ＋１），．．ＦＬmax（ｐ－１）から次式の通り踏み込み平均最大踏力ＡｖＦＬｍａｘを求めることもできる。
ＡｖＦＬｍａｘ＝（ＦＬmax（ｐ－ｎ）＋．．ＦＬmax（ｐ－１））／ｎ
　ステップ３３６で平均値が演算されると、本サブルーチンをリターンして、図１０のステップ３１０に戻る。このとき、ステップ３３６で求められたＡｖθm及びＡｖθｅを各々最大踏力角度θm0及び終了角度θe0に代入し、ステップ３１２に移行する。このように本サブルーチンでは、最大踏力角度θm0及び終了角度θe0を過去ｎ個分のデータを平均することによって求めているので、個々人の差や路面状況等に応じて変動する踏力パターンに適用したパラメータを設定することができる。なお、ステップ３３６では、過去ｎ個のデータに基づいて平均演算を行ったが、例えば、指定した一定学習期間の走行中に取得したｎ個のデータに基づいてＡｖθm及びＡｖθｅを求め、学習期間終了後は、それらの平均値をステップ３１０で固定値として用いることもできる。なお、ｎ＝１であってもよい。
　以上が本発明の実施例であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。
　例えば、図１０、１１、１２、１４、１５及び１６の処理の流れは任意好適に変更可能である。
　また、一方向クラッチ９９の駒部１００及び歯部１１２のいずれか一方を動力伝達ギア２００に形成し、他方をドライブシャフトに取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば駒部１００を動力伝達ギア２００側に形成し、歯部１１２をドライブシャフト４に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部１１２によって皿バネ１３７を押し込めるようにしてもよい。
　更に、一方向クラッチ９９の変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネ以外に例えばコイルスプリング、ゴム等の弾性体などを用いることもできる。また、磁場を検出する手段として、ホール素子を例にしたが、磁場を検出できれば、これに限定されるものではない。
　また、クランク角度検出手段及び踏力検出手段に関して、その磁場検出手段の位置、磁石の形状及びその取り付け位置、並びに、磁性体又は反磁性体の形状及びその取り付け位置も、磁場パルス信号や、一方向クラッチの変形によりもたらされる磁場の変化を検出することができる限り、任意好適に変更可能である。また、磁場検出手段、磁石及び磁性体又は反磁性体の数に関しても、上記例に限定されるものではなく、任意好適に変更可能である。
　　　１　　電動アシスト自転車
　　　２　　スプロケット
　　　３　　フレーム
　　　４　　ドライブシャフト
　　１１　　電動アシストユニット
　　１２　　チェーン
　　１４　　マイクロコンピュータ
　　１５　　増幅回路
　　１７　　バッテリー
　　２２　　駆動輪（後輪）
　　３７　　電動モータ
　　３７ａ　電動モータの出力軸
　　９９　　一方向クラッチ
　１００　　駒部
　１０２　　ラチェット駒
　１０８　　第１の回転防止用溝
　１１２　　歯部
　１１４　　ラチェット歯
　１３７　　皿バネ
　１４０　　第２の回転防止用溝
　１５０　　鋼球
　１５１　　支持ディスク
　１６１　　リング状の永久磁石
　１６２　　ホール素子
　１６３　　（磁性体又は反磁性体でできた）リング部材
　１６４　　永久磁石
　２００　　アシスト力伝達ギア
　２０２　　クランク角度検出用の永久磁石
　２０４　　動力伝達ギアの歯部
　２０６　　固定ピン
　２１０　　クランク角度検出用のホール素子
　２２０　　ギア
　２２２　　アシスト力の出力シャフト

Claims (11)

  1. 踏力によるペダルクランクの回転で走行する電動アシスト自転車であって、
    　踏力に付加されるアシスト力を発生するための電動手段と、
    　踏力を検出するための踏力検出手段と、
    　前記ペダルクランクの車体に対する角度であるクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
    　少なくとも前記踏力検出手段により検出された踏力に基づいてアシスト力を決定し、該アシスト力を出力するように前記電動手段を制御するアシスト制御手段と、
    　前記電動アシスト自転車が登坂を走行しているかを判定する登坂判定手段と、
    を備え、
    　前記アシスト制御手段は、前記登坂判定手段により登坂走行中であると判定された場合、少なくとも前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度に応じて前記アシスト力を登坂用アシスト力に切り替え、該登坂用出力を出力するように前記電動手段を制御する、電動アシスト自転車。
  2. 前記アシスト制御手段は、前記登坂判定手段により登坂走行中であると判定された場合、前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度が所定の範囲にあるとき前記アシスト力を前記登坂用アシスト力に切り替える、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
  3. ペダル半回転サイクルにおいて、踏み込みが開始されたときのクランク角度を踏み込み開始角度、踏力が最大となるクランク角度を最大踏力角度、及び、踏み込みが終了したときのクランク角度を踏み込み終了角度と定義したとき、前記クランク角度の所定の範囲は、一つのペダル半回転サイクルの最大踏力角度から踏み込み終了角度の間にある第１の角度から、次のペダル半回転サイクルの踏み込み開始角度から最大踏力角度の間にある第２の角度までの範囲である、請求項２に記載の電動アシスト自転車。
  4. 前記登坂用アシスト力は、前記第１の角度から前記第２の角度まで前記アシスト力以上となる出力値を維持するように決定される、請求項３に記載の電動アシスト自転車。
  5. 前記登坂用アシスト力の前記出力値は、略一定値である、請求項４に記載の電動アシスト自転車。
  6. 前記登坂用アシスト力の前記出力値は、検出された踏力、前記クランク角度及び車速のうち少なくともいずれかに応じて変化する、請求項４に記載の電動アシスト自転車。
  7. 前記登坂用アシスト力は、前記第１の角度におけるアシスト力及び前記第２の角度におけるアシスト力を滑らかに接続するように決定される、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
  8. 前記登坂判定手段は、前記踏力検出手段により検出された踏力に基づいて前記電動アシスト自転車が登坂を走行しているかを判定する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
  9. 前記登坂判定手段は、前記クランク角度検出手段により検出されたクランク角度が所定の監視範囲にあるときに前記踏力検出手段により検出された踏力が所定値を超えた場合に、登坂走行中であると判定する、請求項８に記載の電動アシスト自転車。
  10. ペダル半回転サイクルにおいて、踏み込みが開始されたときのクランク角度を踏み込み開始角度、踏力が最大となるクランク角度を最大踏力角度、及び、踏み込みが終了したときのクランク角度を踏み込み終了角度と定義したとき、前記クランク角度の所定の監視範囲は、一つのペダル半回転サイクルの踏み込み開始角度から最大踏力角度の間で画定された範囲である、請求項９に記載の電動アシスト自転車。
  11. 前記クランク角度検出手段は、
    　スプロケットに同軸に固定されたディスクと、
    　前記ディスクの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石と、
    　前記ディスクの前記一方の板面側に隣接して前記車体に対して固定された磁場検出手段と、
    　前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、
    　を備え、
    　前記踏力検出手段により踏み込み開始が検出されたときから前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて前記クランク角度を検出する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
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