JP5684595B2 - 電動補助自転車 - Google Patents

Description

本発明は、電動補助自転車に関する。

電動補助自転車においては、運転者の疲労を軽減するため、電動モータによって補助動力が発生される。特許文献１に記載される電動モータ付き自転車においては、心拍数または呼吸回数等が人体指標として検出され、検出された人体指標に応じてモータが制御される。特許文献２に記載される人力装置においては、運転者の踏力およびクランク回転角度に基づいてクランク軸のトルクが算出され、算出されたトルクと補助動力によるトルクとの和が一定になるようにモータが制御される。引用文献３に記載される電気自転車においては、ペダル踏み力の上昇時における補助動力が、ペダル踏み力の下降時における補助動力よりも大きくなるようにモータが制御される。

特許第３２７６４２０号公報 特開平９−７１２８８号公報 特開２０００−１７７６７５号公報

運転者の疲労を十分に軽減するために、より効果的に補助動力が発生されることが求められる。

本発明の目的は、運転者の疲労を十分に軽減することが可能な電動補助自転車を提供することである。

（１）本発明に係る電動補助自転車は、ペダルと、ペダルの操作により回転するクランク軸と、クランク軸のトルクにより駆動される駆動輪と、電力により駆動輪の補助動力を発生する補助動力発生部と、クランク軸の回転速度をクランク回転速度として取得する回転速度取得部と、回転速度取得部により取得されたクランク回転速度に応じて補助動力のピークが現れるクランク軸の位相が変化するように補助動力発生部を制御する補助動力制御部とを備えるものである。

その電動補助自転車においては、運転者がペダルを操作することによりクランク軸が回転し、クランク軸のトルクにより駆動輪が駆動される。また、補助動力発生部により駆動輪の補助動力が発生される。クランク軸の回転速度が回転速度取得部によりクランク回転速度として取得される。取得されたクランク回転速度に応じて、補助動力のピークが現れるクランク軸の位相が変化するように補助動力制御部により補助動力発生部が制御される。

この場合、クランク回転速度に応じて適切なタイミングで補助動力を発生させることができる。それにより、運転者の疲労を十分に軽減することが可能となる。

（２）電動補助自転車は、クランク軸のトルクを検出するトルク検出部と、クランク軸の位相を検出する位相検出部とをさらに備え、補助動力制御部は、取得されたクランク回転速度に応じてクランク軸のトルクのピークが現れるクランク軸の位相と補助動力のピークが現れるクランク軸の位相との位相差が変化するように、トルク検出部により検出されるトルクおよび位相検出部により検出される位相に基づいて補助動力発生部を制御してもよい。

この場合、クランク回転速度に応じて、運転者がペダルに力を加えるタイミングに対して相対的に補助動力の発生タイミングが変化する。それにより、運転者の運転方法に応じて適切なタイミングで補助動力を発生させることができる。したがって、運転者の疲労をより十分に軽減することが可能となる。

（３）位相差は、運転者の筋電位の振幅がピークとなるときに補助動力発生部により発生される補助動力がピークとなるように設定されてもよい。

この場合、運転者がペダルに力を加える直前に補助動力がピークとなる。それにより、運転者に加わる負担が十分に小さくなる。

（４）位相差は、運転者の筋電位の変化開始時に補助動力発生部により発生される補助動力がピークとなるように設定されてもよい。

この場合、運転者がペダルに力を加えた直後に補助動力がピークとなる。それにより、運転者が加速感を得ることができる。

（５）補助動力制御部は、クランク回転速度と位相差との関係を予め記憶し、取得されたクランク回転速度と記憶された関係に基づいて位相差を決定してもよい。

この場合、クランク回転速度に応じて容易にかつ適切に位相差を決定することができる。それにより、クランク回転速度に応じて適切なタイミングで補助動力を発生させることができる。

（６）補助動力制御部は、クランク軸が第１の位相にあるときにトルク検出部により検出されるトルクの大きさに基づいて、クランク軸が第１の位相から上記位相差分遅れた第２の位相にあるときの補助動力発生部による補助動力の大きさを調整してもよい。

この場合、補助動力の大きさを容易にかつ適切に調整することができる。

（７）補助動力制御部は、走行状態に応じて、クランク回転速度と位相差との関係が互いに異なる複数の制御モードのうち一の制御モードを選択し、選択された制御モードで補助動力発生部を制御してもよい。

この場合、走行状態に応じて異なるタイミングで補助動力を発生させることができる。それにより、走行状態に応じてより効果的に運転者の疲労を軽減することができる。

本発明によれば、運転者の疲労を十分に軽減することが可能となる。

本実施の形態に係る電動補助自転車の構成を示す側面図である。 補助駆動ユニットの構成を示すブロック図である。 運転時におけるクランクトルクおよび筋電位の測定結果を示す。 クランク回転速度が変化する場合のクランクトルクおよび筋電位の測定結果を示す図である。 クランクトルク、補助動力および筋電位の関係を示す図である。 種々のクランク回転速度におけるピーク位相差の測定結果を示す図である。 補助動力出力処理のフローチャートである。 クランクトルク、補助動力および筋電位の関係の他の例を示す図である。 図８の例における補助動力出力処理のフローチャートである。 総駆動力に応じた第１および第２の補助動力出力処理の選択について説明するための図である。 総駆動力および車速に応じた第１および第２の補助動力出力処理の選択について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電動補助自転車について図面を参照しながら説明する。

（１）構成
図１は、本実施の形態に係る電動補助自転車の構成を示す側面図である。以下の説明において、前後、左右および上下とは、電動補助自転車の運転者を基準とした前後、左右および上下を意味する。

図１に示すように、電動補助自転車１００はフレーム１を備える。フレーム１は、ヘッドパイプ１０、上部パイプ１１、フロントパイプ１２、シートパイプ１３、一対のリヤパイプ１４（図１においては１つのみ図示）および一対の下部パイプ１５（図１においては１つのみ図示）からなる。ヘッドパイプ１０から後方に略水平に延びるように上部パイプ１１が設けられ、ヘッドパイプ１０から後方にかつ斜め下方に延びるようにフロントパイプ１２が設けられる。フロントパイプ１２の後端部から上方に延びるようにシートパイプ１３が設けられる。上部パイプ１１の後端部はシートパイプ１３に連結される。シートパイプ１３の上端部にサドル１６が取り付けられる。サドル１６の下方においてシートパイプ１３にバッテリ５０が取り付けられる。

上部パイプ１１の後端部から後方にかつ斜め下方に延びるように一対のリヤパイプ１４が左右平行に設けられ、フロントパイプ１２の後端部から後方に略水平に延びるように一対の下部パイプ１５が左右平行に設けられる。一対のリヤパイプ１４の後端部と一対の下部パイプ１５の後端部とはそれぞれ互いに連結される。リヤパイプ１４と下部パイプ１５との連結部分に後輪スプロケット２８および後輪２９が回転自在にそれぞれ取り付けられる。

ヘッドパイプ１０内にはステアリング軸２０が回動自在に挿入される。ステアリング軸２０の上端部にハンドル２１が取り付けられる。ステアリング軸２０の下端部には一対のフロントフォーク１０３（図１においては１つのみ図示）が左右平行に取り付けられる。一対のフロントフォーク１０３の下端部に前輪２２が回転自在に取り付けられる。運転者ＤＶがハンドル２１を操作することにより、ヘッドパイプ１０の軸心を中心としてステアリング軸２０、フロントフォーク１０３および前輪２２が一体的に回動する。これにより、電動補助自転車１００が操舵される。

フロントパイプ１２とシートパイプ１３との連結部分に、左右に水平に延びるようにクランク軸２３が回転自在に取り付けられる。クランク軸２３には駆動スプロケット２６が取り付けられる。駆動スプロケット２６は無端のチェーン２７を介して後輪スプロケット２８に連結される。クランク軸２３の両端部には、それぞれクランク２４を介してペダル２５が取り付けられる。運転者ＤＶがペダル２５を操作することにより、クランク軸２３が回転する。クランク軸２３のトルクが駆動スプロケット２６およびチェーン２７を介して後輪スプロケット２８に伝達される。それにより、後輪２９が回転駆動される。クランク軸２３の近傍には、補助駆動ユニットＡＤが設けられる。

図２は、補助駆動ユニットＡＤの構成を示すブロック図である。図２に示すように、補助駆動ユニットＡＤは、コントローラ３０、トルクセンサ３１、クランク角センサ３２、インバータ３３およびモータ３４を含む。バッテリ５０がインバータ３３を介してモータ３４に接続される。バッテリ５０からモータ３４に駆動電流が与えられることにより、モータ３４が補助動力を発生する。発生された補助動力が駆動スプロケット２６、チェーン２７を介して後輪スプロケット２８に伝達される。それにより、後輪２９が補助駆動される。トルクセンサ３１は、クランク軸２３のトルク（以下、クランクトルクと呼ぶ）を検出する。クランク角センサ３２は、クランク軸２３の位相（以下、クランク角と呼ぶ）を検出する。

コントローラ３０は、メモリ４１およびＣＰＵ（中央演算処理装置）４２を含む。メモリ４１には、後述の補助動力出力処理を行うための補助動力出力処理プログラム、およびその補助動力出力処理に用いられる種々の情報が記憶される。トルクセンサ３１により検出されたクランクトルクおよびクランク角センサ３２により検出されたクランク角は、ＣＰＵ４２に与えられる。ＣＰＵ４２はモータ３４を制御する。具体的には、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶される補助動力出力処理プログラムを実行することにより、与えられるクランクトルクおよびクランク角、ならびにメモリ４１に記憶される種々の情報に基づいて、モータ３４を駆動するためのＰＷＭ（Pulse width modulation）信号を生成する。生成されたＰＷＭ信号は、インバータ３３に与えられる。インバータ３３は、与えられたＰＷＭ信号に応じてバッテリ５０からモータ３４に与えられる駆動電流を制御する。

（２）クランクトルクと筋電位との関係
電動補助自転車１００の運転時には、運転者ＤＶの脳から足の筋肉に命令として微弱な電気信号が与えられる。これにより、運転者ＤＶの足の筋肉が収縮し、ペダル２５が踏み込まれる。その結果、クランクトルクが上昇する。この場合、運転者ＤＶの足の筋肉に筋電位が発生する。通常、筋電位が発生してから数十ｍｓ〜１００ｍｓ経過した後に、ペダル２５が踏み込まれる。以下、筋電位が発生してからペダル２５が踏み込まれるまでの時間を反応時間と呼ぶ。

クランクトルクおよび筋電位の関係について説明する。図３は、運転時におけるクランクトルクおよび筋電位の測定結果を示す。図３（ａ）は、クランクトルクの変化を示し、図３（ｂ）は、運転者ＤＶの右下肢外側広筋の筋電位の変化を示し、図３（ｃ）は、運転者ＤＶの左下肢外側広筋の筋電位の変化を示す。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、横軸は時間を示す。図３（ａ）において、縦軸はクランクトルクを示し、図３（ｂ）および図３（ｃ）において、縦軸は筋電位を示す。また、図３（ｂ）および図３（ｃ）において、実線は、筋電位の実際の測定値を示し、点線は、その測定値の振幅を包絡線処理することにより得られた波形（以下、筋電位振幅波形と呼ぶ）を示す。

図３の例では、時点Ｔ１ａで右下肢外側広筋の筋電位の振幅がピークとなる。時点Ｔ１ａから上記の反応時間が経過した後に、左足によりペダル２５が踏み込まれる。その結果、時点Ｔ１でクランクトルクがピークとなる。続いて、時点２ａで左下肢外側広筋の筋電位の振幅がピークとなる。時点Ｔ２ａから反応時間が経過した後に、右足によりペダル２５が踏み込まれる。その結果、時点Ｔ２でクランクトルクがピークとなる。

以後同様に、右下肢外側広筋および左下肢外側広筋に交互にかつ周期的に筋電位が発生し、右足および左足により交互にかつ周期的にペダル２５が踏み込まれる。それにより、クランクトルクが周期的にピークとなる。ここで、筋電位が発生するとは、筋電位の振幅が一定値以上となることをいう。

（３）クランク回転速度と筋電位との関係
クランク軸２３の回転速度（以下、クランク回転速度と呼ぶ）と筋電位との関係について説明する。図４は、クランク回転速度が変化する場合のクランクトルクおよび筋電位の測定結果を示す図である。図４（ａ）は、クランクトルクの変化を示し、図４（ｂ）は、右下肢外側広筋の筋電位振幅波形を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）において、横軸はクランク角を示す。この場合、左側のペダル２５が上死点にあり、右側のペダル２５が下死点にあるときのクランク角が０度である。図４（ａ）において、縦軸はクランクトルクを示し、図４（ｂ）において、縦軸は筋電位を示す。

図４の例では、クランク回転速度がＳ１、Ｓ２およびＳ３に設定される。Ｓ１よりＳ２が高く、Ｓ２よりＳ３が高い。図４（ａ）および図４（ｂ）において、クランク回転速度がＳ１である場合のクランクトルクおよび筋電位振幅波形が実線で示され、クランク回転速度がＳ２である場合のクランクトルクおよび筋電位振幅波形が点線で示され、クランク回転速度がＳ３である場合のクランクトルクおよび筋電位振幅波形が一点鎖線で示される。

図４（ａ）に示すように、クランク回転速度がＳ１、Ｓ２およびＳ３のいずれであっても、クランクトルクはクランク角Ａ１，Ａ２でピークとなる。この場合、左足によるペダル２５の踏み込みにより、クランク角Ａ１でクランクトルクのピークが現れ、右足によるペダル２５の踏み込みにより、クランク角Ａ２でクランクトルクのピークが現れる。このように、クランクトルクがピークとなるクランク角（以下、トルクピーク角と呼ぶ）は、クランク回転速度が変化してもほぼ一定である。

一方、図４（ｂ）に示すように、クランク回転速度がＳ１である場合には、クランク角Ａ２ａで筋電位の振幅がピークとなり、クランク回転速度がＳ２である場合には、クランク角Ａ２ｂで筋電位の振幅がピークとなり、クランク回転速度がＳ３である場合には、クランク角Ａ２ｃで筋電位の振幅がピークとなる。このように、筋電位の振幅がピークとなるクランク角（以下、筋電ピーク角と呼ぶ）は、クランク回転速度が高くなるほど小さくなる。

これにより、右足の筋電ピーク角と右足の踏み込みによるトルクピーク角との位相差ｐｄ１，ｐｄ２，ｐｄ３は、クランク回転速度が大きくなるほど大きくなる。すなわち、左足の踏み込みによるトルクピーク角とその次の右足の筋電ピーク角との位相差ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３は、クランク回転速度が大きくなるほど小さくなる。以下、一方の足の踏み込みによるトルクピーク角とその次の他方の足の筋電ピーク角との位相差をピーク位相差と呼ぶ。

この場合、クランク回転速度がＳ１である場合のピーク位相差ＰＤ１よりクランク回転速度がＳ２である場合のピーク位相差ＰＤ２が小さく、クランク回転速度がＳ２である場合のピーク位相差ＰＤ２よりクランク回転速度がＳ３である場合のピーク位相差ＰＤ３が小さい。

なお、図４においては、ピーク位相差として左足の踏み込みによるトルクピーク角と右足の筋電ピーク角との位相差が示されるが、右足の踏み込みによるトルクピーク角と左足の筋電ピーク角との位相差もこれとほぼ同じである。

（４）補助動力
モータ３４により発生される補助動力について説明する。図５は、クランクトルク、補助動力および筋電位の関係を示す図である。図５（ａ）は、クランクトルクの変化を示し、図５（ｂ）は、モータ３４により発生される補助動力の変化を示し、図５（ｃ）は、筋電位振幅波形を示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）において、横軸はクランク角を示す。図５（ａ）において、縦軸はクランクトルクを示し、図５（ｂ）において、縦軸は補助動力を示し、図５（ｃ）において、縦軸は筋電位を示す。図５（ｃ）の点線は、右下肢外側広筋の筋電位振幅波形を示し、一点鎖線は、左下肢外側広筋の筋電位振幅波形を示す。

図５の例では、クランク角Ａ３１において左下肢外側広筋の筋電位の振幅がピークになる。クランク角Ａ３１から反応時間が経過した後に左足によりペダル２５が踏み込まれ、クランク角Ａ１でクランクトルクがピークになる。クランク角Ａ１からピーク位相差分ＰＤ遅れたクランク角Ａ３２において右下肢外側広筋の筋電位の振幅がピークになる。クランク角Ａ３２から反応時間が経過した後に右足によりペダル２５が踏み込まれ、クランク角Ａ２でクランクトルクがピークになる。

本実施の形態では、筋電位の振幅のピークが現れるクランク角Ａ３１，Ａ３２で補助動力がピークとなるように、モータ３４が制御される。上記のように、クランク回転速度に応じて筋電位の振幅のピークが現れるクランク角は変化する。それにより、クランク回転速度に応じて補助動力のピークが現れるクランク角が変化する。この場合、クランク回転速度とピーク位相差ＰＤとの関係が予めメモリ４１に記憶される。クランク回転速度とピーク位相差との関係は、例えば次のようにして得られる。

図６は、種々のクランク回転速度におけるピーク位相差の測定結果を示す図である。図６において、横軸はクランク回転速度を示し、縦軸はピーク位相差を示す。図６には、図４（ｂ）の測定結果が示される。これらの測定結果について線形回帰を行うことにより、下記の回帰式（１）で表される回帰線Ｄ１が得られる。回帰式（１）において、ＰＤはピーク位相差であり、Ｒはクランク回転速度であり、Ｈおよびｔは定数である。

ＰＤ＝Ｈ−ｔ・Ｒ…（１）
このようにして得られた回帰式（１）は、クランク回転速度とピーク位相差との関係としてメモリ４１に記憶される。なお、回帰式（１）の代わりに、例えばクランク回転速度とピーク位相差との関係を示すマップがメモリ４１に記憶されてもよい。

運転時には、ＣＰＵ４２が、クランク角センサ３２からの出力信号に基づいて、クランク回転速度を取得する。例えば、ＣＰＵ４２は、クランク角センサ３２からの出力信号のパルス幅に基づいてクランク回転速度を取得する。ＣＰＵ４２は、取得されたクランク回転速度およびメモリ４１に記憶された回帰式（１）を用いて、ピーク位相差を算出する。

任意のクランク角における補助動力の値は、そのクランク角よりピーク位相差分前のクランク角におけるクランクトルクの値に基づいて設定される。例えば、任意のクランク角における補助動力の値は、そのクランク角よりピーク位相差分前のクランク角におけるクランクトルクに比例する値または等しい値に設定される。

図５の例では、任意のクランク角における補助動力の値が、そのクランク角よりピーク位相差ＰＤ分前のクランク角におけるクランクトルクの値と等しい値に設定される。例えば、クランク角Ａ３２における補助動力の値（ピーク値）は、クランク角Ａ３２よりもピーク位相差ＰＤ分前のクランク角Ａ１におけるクランクトルクの値（ピーク値）と等しい。また、クランク角Ａ３３ａにおける補助動力の値は、クランク角Ａ３３ａよりもピーク位相差ＰＤ分前のクランク角Ａ１１におけるクランクトルクの値と等しい。同様に、クランク角Ａ３１における補助動力の値（ピーク値）は、クランク角Ａ３１よりもピーク位相差ＰＤ分前のクランク角（図５には示されず）の値（ピーク値）と等しい。このようにして、筋電位の振幅のピークが現れるクランク角Ａ３１，Ａ３２で補助動力がピークとなる。

（５）補助動力出力処理
コントローラ３０のＣＰＵ４２の制御動作について説明する。電動補助自転車１００の運転時に、ＣＰＵ４２は以下に示す補助動力出力処理を行う。図７は、補助動力出力処理のフローチャートである。

まず、ＣＰＵ４２は、トルクセンサ３１により検出された現時点のクランクトルクを取得するとともに（ステップＳ１）、クランク角センサ３２により検出された現時点のクランク角を取得する（ステップＳ２）。

次に、ＣＰＵ４２は、取得されたクランクトルクを取得されたクランク角に対応付けてクランクトルクの履歴としてメモリ４１に記憶する（ステップＳ３）。次に、ＣＰＵ４２は、クランク角センサ３２からの出力信号に基づいて、現時点のクランク回転速度を取得し、メモリ４１に記憶する（ステップＳ４）。本例では、クランク軸２３の１回転分のクランク回転速度のみがメモリ４１に記憶される。この場合、その後に新たなクランク回転速度がメモリ４１に順に記憶されると、最も過去のクランク回転速度がメモリ４１から順に削除される。したがって、メモリ４１には、直近のクランク軸２３の１回転の間に取得されたクランク回転速度のみが記憶される。

次に、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶されたクランクトルクの履歴に基づいて、補助動力出力処理が開始されてからクランク軸２３が規定角度以上回転したか否かを判定する（ステップＳ５）。規定角度は、例えば３６０度（１回転）である。

補助動力出力処理が開始されてからクランク軸２３が規定角度以上回転している場合、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶されたクランク回転速度の平均値を算出する（ステップＳ６）。この場合、クランク軸２３の１回転の間におけるクランク回転速度の平均値が算出される。

なお、クランク軸２３の１回転分のクランク回転速度のみがメモリ４１に記憶される代わりに、取得されたクランク回転速度が全てメモリ４１に記憶されてもよい。この場合、取得されたクランク回転速度がクランク角と対応付けられてクランク回転速度の履歴としてメモリ４１に記憶される。ステップＳ６においては、クランク回転速度の履歴に基づいて、直近のクランク軸２３の１回転の間におけるクランク回転速度の平均値が算出される。

次に、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶されたクランク回転速度とピーク位相差との関係（回帰式（１））に基づいて、算出されたクランク回転速度の平均値に対応するピーク位相差を算出する（ステップＳ７）。

次に、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶されたクランクトルクの履歴に基づいて、現時点のクランク角よりもピーク位相差分前のクランク角におけるクランクトルクの値を取得する（ステップＳ８）。ＣＰＵ４２は、取得されたクランクトルクの値に基づいて、モータ３４により発生されるべき補助動力の値を決定する（ステップＳ９）。例えば、取得されたクランクトルクの値に比例する値または等しい値が補助動力の値として決定される。

次に、ＣＰＵ４２は、決定された補助動力の値に対応するＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号を出力する（ステップＳ９）。これにより、現時点のクランク角よりもピーク位相差分前のクランク角におけるクランクトルクの値に基づく補助動力がモータ３４により発生される。その後、ＣＰＵ４２は、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理を繰り返す。

ステップＳ５において、補助動力出力処理が開始されてからクランク軸２３が規定角度以上回転していない場合、ピーク位相差分前のクランク角におけるクランクトルクの値がメモリ４１に記憶されていないことがある。そこで、実験等により得られた補助動力の値が初期値として予めメモリ４１に記憶される。ＣＰＵ４２は、メモリ４１から現時点のクランク角に対応する補助動力の初期値を取得し（ステップＳ９）、取得された値に対応するＰＷＭ信号を生成して出力する（ステップＳ１０）。

（６）効果
本実施の形態に係る電動補助自転車１００においては、取得されたクランク回転速度に応じて補助動力にピークが現れるクランク角が変化するようにモータ３４が制御される。これにより、クランク回転速度に応じて適切なタイミングで補助動力を発生させることができる。それにより、運転者ＤＶの疲労を十分に軽減することが可能となる。

また、本実施の形態では、取得されたクランク回転速度および予め記憶された回帰式（１）に基づいてピーク位相差が算出され、クランクトルクがピークとなるクランク角と補助動力がピークとなるクランク角との差が算出されたピーク位相差と一致するようにモータ３４が制御される。この場合、クランク回転速度に応じて、運転者ＤＶがペダル２５に力を加えるタイミングに対して相対的に補助動力の発生タイミングが変化する。それにより、運転者ＤＶの運転方法に応じて適切なタイミングで補助動力を発生させることができる。したがって、運転者ＤＶの疲労をより十分に軽減することが可能となる。

また、本実施の形態では、筋電位の振幅のピークが現れるクランク角で補助動力がピークとなるようにモータ３４が制御される。上記のように、筋電位は実際に筋肉が動く直前に変化する。そのため、筋電位の振幅のピークが現れるクランク角で補助動力がピークとなることにより、クランクトルクがピークとなる直前で補助動力がピークとなる。それにより、運転者ＤＶに加わる負担が十分に小さくなる。

また、筋電位は脳内の作用に準じて変化するので、筋電位に応じて補助動力が変化することにより、脳内の作用に準じて補助動力が変化する。そのため、運転者ＤＶが爽快感を得ることができる。

（７）他の実施の形態
（７−１）
上記実施の形態では、筋電位の振幅のピークが現れるクランク角で補助動力がピークとなるようにモータ３４が制御されるが、筋電位に応じた他のタイミングで補助動力がピークとなるようにモータ３４が制御されてもよい。

図８は、クランクトルク、補助動力および筋電位の関係の他の例を示す図である。図８（ａ）は、クランクトルクの変化を示し、図８（ｂ）は、モータ３４により発生される補助動力の変化を示し、図８（ｃ）は、筋電位振幅波形を示す。図８（ａ）〜図８（ｃ）において、横軸はクランク角を示す。図８（ａ）において、縦軸はクランクトルクを示し、図８（ｂ）において、縦軸は補助動力を示し、図８（ｃ）において、縦軸は筋電位を示す。図８（ｃ）の点線は、右下肢外側広筋の筋電位振幅波形を示し、一点鎖線は、左下肢外側広筋の筋電位振幅波形を示す。

図８の例について、上記実施の形態と異なる点を説明する。本例では、筋電位振幅波形の立ち上がり時のクランク角（以下、筋電立ち上がり角と呼ぶ）Ａ４１，Ａ４２で補助動力がピークとなるように、モータ３４が制御される。

上記のように、クランク回転速度が大きくなるほど、一方の足の踏み込みによるトルクピーク角とその次の他方の足の筋電ピーク角との位相差（ピーク位相差）ＰＤが小さくなる。それに応じて、クランク回転速度が大きくなるほど、一方の足の踏み込みによるトルクピーク角とその次の他方の足の筋電立ち上がり角との差（以下、立ち上がり位相差と呼ぶ）ＰＤａが小さくなる。

本例では、クランク回転速度と立ち上がり位相差との関係が予めメモリ４１に記憶される。クランク回転速度と立ち上がり位相差との関係は、図６の例と同様に、種々のクランク回転速度における立ち上がり位相差の測定結果に基づいて得られる。

図９は、図８の例における補助動力出力処理のフローチャートである。図９の補助動力出力処理について、図７の例と異なる点を説明する。本例では、ステップＳ６においてクランク回転速度の平均が算出された後、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶されたクランク回転速度と立ち上がり位相差との関係に基づいて、算出されたクランク回転速度の平均値に対応する立ち上がり位相差を算出する（ステップＳ７ａ）。

次に、ＣＰＵ４２は、メモリ４１に記憶されたクランクトルクおよびクランク角の履歴に基づいて、現時点のクランク角よりも立ち上がり位相差分前のクランク角におけるクランクトルクの値を取得する（ステップＳ８ａ）。その後、ＣＰＵ４２は、取得されたクランクトルクの値に基づいて、モータ３４により発生されるべき補助動力の値を決定し（ステップＳ９）、決定された補助動力の値に対応するＰＷＭ信号を生成して出力する（ステップＳ１０）。これにより、現時点のクランク角よりも立ち上がり位相差分前のクランク角におけるクランクトルクの値に基づく補助動力がモータ３４により発生される。

このように、筋電位振幅波形の立ち上がり時（筋電位の変化開始時）に補助動力がピークとなるようにモータ３４が制御されることにより、クランクトルクがピークとなる直後に補助動力がピークとなる。それにより、運転者ＤＶが加速感を得ることができる。

（７−２）
電動補助自転車１００の走行状態に応じて、図７の補助動力出力処理と図９の補助動力出力処理とが選択的に行われてもよい。以下、図７の補助動力出力処理を第１の補助動力出力処理と呼び、図９の補助動力出力処理を第２の補助動力出力処理と呼ぶ。

例えば、電動補助自転車１００が坂道を上っている場合には、電動補助自転車１００が水平に走行している場合および電動補助自転車１００が坂道を下っている場合に比べて、大きな駆動力が必要になる。そこで、運転者ＤＶによる駆動力とモータ３４による補助動力との合計（以下、総駆動力と呼ぶ）に応じて、第１および第２の補助動力出力処理が選択的に行われてもよい。ここで、運転者ＤＶによる駆動力はクランクトルクに相当する。

総駆動力は、図７および図９のステップＳ１で取得されるクランクトルクの値および図７および図９のステップＳ９で決定される補助動力の値を合計することにより得られる。なお、電流センサを用いてモータ３４の駆動電流を検出し、検出された値に基づいて補助動力を算出してもよい。

図１０は、総駆動力に応じた第１および第２の補助動力出力処理の選択について説明するための図である。図１０において、横軸は時間を示し、縦軸は総駆動力を示す。また、図１０において、クランク軸２３が１回転する間の総駆動力の平均値が黒点で示される。

図１０の例では、期間Ｐ１において、総駆動力の平均値Ｆ１が予め設定されたしきい値ＴＨｘより大きく、期間Ｐ２において、総駆動力の平均値Ｆ２がしきい値ＴＨｘ以下である。この場合、期間Ｐ１においては、第１の補助動力出力処理が選択され、期間Ｐ２においては、第２の補助動力出力処理が選択される。これにより、例えば電動補助自転車１００が坂道を上っている場合に、運転者ＤＶの負担が十分に軽減され、電動補助自転車１００が水平に走行している場合および電動補助自転車１００が坂道を下っている場合に、運転者ＤＶが加速感を得ることができる。

また、電動補助自転車１００が坂道を上っている場合には、電動補助自転車１００が水平に走行している場合および電動補助自転車１００が坂道を下っている場合に比べて、電動補助自転車１００の速度（以下、車速と呼ぶ）が低くなる傾向がある。そこで、総駆動力および車速に応じて、第１および第２の補助動力出力処理が選択的に行われてもよい。

この場合、車速に比例する速度を検出する速度センサが設けられる。速度センサは、例えば、前輪２２もしくは後輪２９の回転速度、またはモータ３４の回転速度を検出可能に設けられる。

図１１は、総駆動力および車速に応じた第１および第２の補助動力出力処理の選択について説明するための図である。図１１において、横軸は車速を示し、縦軸は総駆動力を示す。図１１に示すように、総駆動力のしきい値ＴＨｙは、車速が低いほど小さくなるように予め設定される。総駆動力がしきい値ＴＨｙより大きい場合、第１の補助動力出力処理が選択され、総駆動力がしきい値ＴＨｙ以下である場合、第２の補助動力出力処理が選択される。具体的には、総駆動力が比較的大きい場合および車速が比較的低い場合に、第１の補助動力出力処理が選択され、総駆動力が比較的小さい場合および車速が比較的高い場合に、第２の補助動力出力処理が選択される。これにより、第１および第２の補助動力出力処理のうち、電動自転車１００の走行状態に応じた処理がより正確に選択される。それにより、例えば電動補助自転車１００が坂道を上っている場合に、より確実に運転者ＤＶの負担が十分に軽減され、電動補助自転車１００が水平に走行している場合および電動補助自転車１００が坂道を下っている場合に、より確実に運転者ＤＶが加速感を得ることができる。

（７−３）
上記実施の形態では、筋電位に基づいて補助動力の発生タイミングが制御されるが、これに限定されない。例えば、種々のクランク回転速度において運転者の疲労が軽減される補助動力の発生タイミングが予め測定され、その測定結果に基づいて補助動力の発生タイミングが制御されてもよい。

（７−４）
上記実施の形態では、クランク回転速度とピーク位相差との関係が予め記憶され、取得されたクランク回転速度および記憶された関係に基づいて補助動力の発生タイミングが制御されるが、これに限定されない。例えば、クランク回転速度と補助動力がピークとなるクランク角との関係が予め記憶され、取得されたクランク回転速度および記憶された関係に基づいて補助動力の発生タイミングが制御されてもよい。

（７−５）
本発明は、２輪の電動補助自転車１００に限定されず、３輪以上の電動補助自転車に適用されてもよい。

（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

上記実施の形態においては、ペダル２５がペダルの例であり、クランク軸２３がクランク軸の例であり、後輪２９が駆動輪の例であり、モータ３４が補助動力発生部の例であり、クランク角センサ３２が回転速度取得部および位相検出部の例であり、ＣＰＵ４２が補助動力制御部の例であり、トルクセンサ３１がトルク検出部の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

本発明は、２輪または３輪等の種々の電動補助自転車に有効に利用することができる。

１ フレーム
１０ ヘッドパイプ
１１ 上部パイプ
１２ フロントパイプ
１３ シートパイプ
１４ リヤパイプ
１５ 下部パイプ
１６ サドル
２０ ステアリング軸
２１ ハンドル
２２ 前輪
２３ クランク軸
２４ クランク
２５ ペダル
２６ 駆動スプロケット
２７ チェーン
２８ 後輪スプロケット
２９ 後輪
３０ コントローラ
３１ トルクセンサ
３２ クランク角センサ
３３ インバータ
３４ モータ
４１ メモリ
４２ ＣＰＵ
５０ バッテリ
１００ 電動補助自転車
１０３ フロントフォーク
ＡＤ 補助駆動ユニット
ＤＶ 運転者

Claims (7)

1. ペダルと、
   前記ペダルの操作により回転するクランク軸と、
   前記クランク軸のトルクにより駆動される駆動輪と、
   電力により前記駆動輪の補助動力を発生する補助動力発生部と、
   前記クランク軸の回転速度をクランク回転速度として取得する回転速度取得部と、
   前記回転速度取得部により取得されたクランク回転速度に応じて前記補助動力のピークが現れる前記クランク軸の位相が変化するように前記補助動力発生部を制御する補助動力制御部とを備えることを特徴とする電動補助自転車。
2. 前記クランク軸のトルクを検出するトルク検出部と、
   前記クランク軸の位相を検出する位相検出部とをさらに備え、
   前記補助動力制御部は、前記取得されたクランク回転速度に応じて前記クランク軸のトルクのピークが現れる前記クランク軸の位相と補助動力のピークが現れる前記クランク軸の位相との位相差が変化するように、前記トルク検出部により検出されるトルクおよび前記位相検出部により検出される位相に基づいて補助動力発生部を制御することを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車。
3. 前記位相差は、運転者の筋電位の振幅がピークとなるときに前記補助動力発生部により発生される補助動力がピークとなるように設定されることを特徴とする請求項２記載の電動補助自転車。
4. 前記位相差は、運転者の筋電位の変化開始時に前記補助動力発生部により発生される補助動力がピークとなるように設定されることを特徴とする請求項２記載の電動補助自転車。
5. 前記補助動力制御部は、クランク回転速度と前記位相差との関係を予め記憶し、前記取得されたクランク回転速度と前記記憶された関係に基づいて前記位相差を決定することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の電動補助自転車。
6. 前記補助動力制御部は、前記クランク軸が第１の位相にあるときに前記トルク検出部により検出されるトルクの大きさに基づいて、前記クランク軸が第１の位相から前記位相差分遅れた第２の位相にあるときの前記補助動力発生部による補助動力の大きさを調整することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の電動補助自転車。
7. 前記補助動力制御部は、走行状態に応じて、クランク回転速度と前記位相差との関係が互いに異なる複数の制御モードのうち一の制御モードを選択し、選択された制御モードで補助動力発生部を制御することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の電動補助自転車。

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