JPH0144342B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はトレーニング装置に関するものであ
る。 現在市場に、マイクロコンピユータを内蔵し、
その指令に基づき個人的な身体条件（年令・体
重・性別・脈拍数等）を入力し、これらの値を演
算処理することにより最適負荷値及びその負荷下
の管理脈拍数を算出し、これらの値に基づき、使
用者の連続運動を継続管理する、いわゆる自転車
エルゴメータがトレーニング装置として種々提供
されている。 この１つにねずみ鋳鉄から製造されたフライホ
イールと、フライホイールの回転数を検出するた
めの回転センサーと、トルク検出用のひずみゲー
ジとを備えており、ひずみゲージの出力とフライ
ホイールの回転数出力との相互関係から電磁ブレ
ーキに供給する電流を制御して一定トルクを得る
ようにした負荷装置を備えたトレーニング装置が
ある。 また他のトレーニング装置として上記したフラ
イホイールの回転数、トルク及び制御電流値の関
係をあらかじめコンピユータ等により計算して求
め、記憶装置に記憶させておき、プログラムに基
づく命令コードに従つて、フライホイールの回転
数と目標とする制動力より判断して制動用コイル
に流す電流を決定することにより一定トルクを得
るようにした装置がある。 これら２つの装置に於て、前者は機械的なトル
ク検出手段を備えているために、使用開始前又は
経年変化に伴う調整が煩雑である。また後者は事
前に複雑な計算を行なわなければならず、かつこ
の計算結果をデータとして記憶する別個の記憶装
置が必要である。これらの装置はいずれも負荷手
段を電気的に複雑に制御することにより一定トル
クを得る構成を有するトレーニング装置である。 また、いずれもインナーロータ、アウターステ
ータという構成であるので、励磁コイルを配設す
るアウターステータが大型となるとと共にインナ
ーロータが高熱となるという欠点がある。 従つて本発明は上記欠点に鑑みなされたもので
あり、負荷手段の電気的構成ではなく機械的構成
に注目したものであり、その構成自体でほぼ一定
トルクが得られるうず電流ブレーキを有する負荷
装置を備えたトレーニング装置を提供することを
目的とする。 前記目的は使用者の身体条件を入力とし使用者
の連続運動上の管理上限及び下限脈拍数を演算
し、これをトレーニング域設定範囲とすると共
に、連続運動下に於ける脈拍数の遷移に対して負
荷を増減することにより使用者の脈拍数を前記設
定範囲内に維持するトレーニング装置に於て、前
記装置は、身体条件（年令・性別・負荷値等）を
入力するための入力手段と、脈拍数を測定する脈
拍センサーと、前記身体条件の入力に基づき管理
上限及び管理下限脈拍数をプログラムに従つて演
算すると共にこれを設定範囲として連続運動下に
於ける脈拍センサーからの出力が前記設定範囲を
逸脱した場合には負荷を増減して脈拍センサーの
出力が設定範囲内に収まる様に制御する演算制御
回路と、炭素含有量0.12％以下及びシリコン含有
量0.35％以下の鉄鋼材料からなるアウターロータ
と複数個の励磁コイルが放射状に配設されている
インナーステータと前記演算制御回路の出力に応
答してその平方根信号を発生する特性信号発生回
路と電流源からなる負荷装置とから構成すること
により達成することができる。 また前記アウターロータを２種類の材料の同心
円構造として、その内周部ロータ材料を構造用炭
素鋼管（STK又はSTKM）から選択した前記含
有量を満足する鋼管として、鋳鉄材料からなる外
周部ロータ内に挿入すると好適である。 また外周部は内周部に対して単にフライホイー
ル効果を付与するのみの場合には、セメント等の
非鉄部材で作成することができる。 上記の様に構成することにより、何ら電気的に
複雑に制御することなく一定トルクが得られるう
ず電流ブレーキを有する負荷装置を備えたトレー
ニング装置を提供することができる。また本発明
の構成に係るトレーニング装置は、同一負荷条件
に於て他の従来の装置に比較して低電流で同一負
荷の制御をすることができるので連続的に使用し
ても発熱が少なくかつ装置を小型化することがで
きる。 以下添付図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。 第１Ａ図は本発明に係るトレーニング装置１０
を示す図であり、第１Ｂ図はマイクロコンピユー
タ及び負荷装置のブロツク図である。 第２図は、第１図で示した入出力ボツクスのフ
ロントパネルである。 使用者は、トレーニング装置１０のサドル１上
に乗り、入出力ボツクス１１の側面から伸びてい
る脈拍センサー１２を耳に取り付けると共に第２
図に示したフロントパネル下段のトレーニング操
作手順に従つてキー操作をする。脈拍センサー１
２を取り付けたならば次に（リセツトキーを押圧
し）所望のトレーニング・プログラム、すなわち
パネル中段にある一般トレーニングか減量トレー
ニングかを選択し、続いて身体条件（年令・性
別・負荷値）を中段のテンキーを用いて入力す
る。更に所望に応じて、目標トレーニング時間及
び目標消費運動量を入力設定することができる。
そしてスタートボタンを押圧しペダル２上に足を
載置すると共にハンドル３を握りながら連続的に
足の屈伸運動を行なうことにより負荷装置を駆動
し、トレーニングを開始する。ペダルの駆動力は
ペダル軸上の歯車からチエイン等を介して変速機
４に伝達され、ここで好適に変速された後ベルト
等を介してうず電流ブレーキを用いた負荷装置の
アウターロータ５，６に伝達されている。従つて
使用者は第２図のフロントパネルより入力し設定
した負荷値、目標トレーニング時間及び／又は目
標消費運動量に応じてトレーニングを行なうこと
ができる。 本発明に係わるうず電流ブレーキを用いた負荷
装置はその一部が第１Ａ図に示されているよう
に、ねずみ鋳鉄製の外周側ローター５に構造用炭
素鋼管（STK‐50）からなる内周側ローター６
が内ばめされている。一方インナーステータ７上
には６個の励磁コイル８が前記内周側ローター６
と対向するように放射状に配設されており、励磁
コイルは互いに直列接続されており、その給電線
両端が演算制御回路９に接続されている。負荷装
置２０の電気的構成は、第１Ｂ図に示す様にうず
電流ブレーキ２１に電流を供給する電源２２と、
その間に位置し供給電流を制御する電流制御回路
２３と、回路２３に対して外部に設けた入出力ボ
ツクス１１のテンキー指示による負荷値（Ｗ）に
基づき、その平方根値を指示値として供給する特
性信号発生回路２４とから構成されている。 入出力ボツクス１１から回路２４への指示はデ
ジタル信号の場合はＤ‐Ａコンバータを介して、
アナログの場合には直接供給されている。 次に本発明に係るトレーニング装置の演算制御
方法について第１Ｂ図及び第２図に基づいて説明
する。 本発明のトレーニング装置は第２図に示した入
出力ボツクスのフロントパネルにより入力された
年令、性別及び負荷値及びトレーニングプログラ
ムの選択により、管理上限脈拍数、管理下限脈拍
数、及び負荷値に於ける初期負荷値からウオーミ
ングアツプ終了時点として設定したトレーニング
開始後３分経過後までの負荷印加値を決定する。 入出力ボツクスから入力されたデータは演算制
御回路９を構成するマイクロコンピユータ内部の
RAMに記憶されると共に、スタートスイツチの
押圧によりROM内に記憶されている年令から最
高脈拍数を求める一般式（男性：220−0.7×年
令；女性：215−0.7×年令）がCUP内に呼び出さ
れ、前記入力された年令を基に最高脈拍数が算出
され、次に一般トレーニングか減量トレーニング
かの選択指示に基づいて、管理上限脈拍数及び管
理下限脈拍数〔一般トレーニングの場合、最高脈
拍数−55（上限）及び−65（下限）；減量トレーニ
ングの場合、最高脈拍数−70（上限）及び−80（下
限）〕が演算される。 これとは異なる方法として、本発明のトレーニ
ング装置は体力測定を行なうことができるプログ
ラムを備えているので、前もつて体力測定を行な
うことによつて前記データの全てを得ることがで
きる。 体力測定を行なつて前記データを得る方法とし
ては、使用者の安静状態の脈拍数を第１データと
して測定し、第１負荷下に於ける定常脈拍数を第
２データとして測定する。その後、統計により求
めた性別最小２乗法平均負荷−脈拍数直線上の第
１負荷下に於ける定常脈拍数である第１基準値と
比較し第２負荷値を決定し、更にこの第２負荷下
に於ける定常脈拍数を第３データとして測定した
後、前記性別最小２乗法平均負荷−脈拍数直線上
の第２負荷下に於ける定常脈拍数である第２の基
準値と比較し第３負荷値を決定する。次に第３負
荷値以下に於ける定常脈拍数を第４データとして
測定すると共にその測定値上限を年令・性別で計
算される運動安全脈拍数で限定する。即ち第４の
データが得られた場合には第２〜第４のデータを
基に、第４のデータが得られる前に運動安全脈拍
数に達した場合には第１〜第３のデータを基に負
荷−脈拍数近似直線を得ると共にその直線上限を
年令・性別で計算される最高脈拍数で限定し、そ
の最高脈拍数から55拍を減算した値を管理脈拍上
限としてまた65拍を減算した値を管理脈拍下限と
して一般トレーニングの場合には使用する。この
場合最適負荷値は管理脈拍下限に対応する値を選
択している。又減量トレーニングは、例えば肥満
体の人が体力の維持向上を目的とすると共に、体
重の減量をも目的として運動するもので、最高脈
拍数から70拍を減算した値を管理脈拍上限とし
て、また80拍を減算した値を管理脈拍下限として
使用する。最適負荷値は一般トレーニングの時と
同様に、管理脈拍下限の脈拍数に対応する負荷値
を使用する。 この場合、ウオーミングアツプ中に負荷制御条
件（管理脈拍範囲）に脈拍センサーからの出力が
達した場合には、その時点より、負荷制御を優先
させる。 続く制御の方法としてスタートから一定時間
内に脈拍管理下限に達したならば負荷を適量下げ
る。スタートから一定時間経過した後脈拍数が
脈拍管理上限を越えたれすぐに負荷を適量下げ
る。下げた後一定時間後を判断点として同じ判断
を繰返す。スタートから一定時間経過後、脈拍
数が脈拍管理下限に達していない場合負荷を適量
上げる。上げた後一定時間経過したら同じ判断を
繰返す。 以上の負荷の増減を繰返しながら使用者の脈拍
数が管理脈拍数範囲内に維持されるように制御す
る。このトレーニングは入力時点で設定された目
標トレーニング時間又は後述する計算により求め
られる運動量が目標消費運動量に達する迄続けら
れる。 消費カロリーの計算は、トレーニング・スター
ト時点から30秒毎の負荷値をサンプリング値とし
て計測し、カロリーを求める一般式Ｅ＝負荷強度
（Ｗ）×0.014（Kcal／分）×１／0.233（自転車によ
る運動効率）×時間（分）でその30秒間の消費カ
ロリーとし、これらをトレーニング終了時点まで
積分した値で求めることができる。以上でトレー
ニング運動を終了する。 以上述べた本発明のトレーニングの動作を第３
図 図にフローチヤートして示した。 次に本発明のトレーニング装置に使用する負荷
装置を説明する。本発明の負荷装置はうず電流ブ
レーキにより構成されている。 本発明者らはうず電流ブレーキのフライホイー
ルのフアクターの内、固有抵抗（Ω.cm）及び透
磁率（H/m）に着目し、種々の材料からフライ
ホイールを作成しそのブレーキ力を励磁コイルの
励磁電流との関係を測定した。この結果を第４図
として示した。図中は純鉄、は鋳鉄、は従
来のねずみ鋳鉄により作成したフライホイールの
ブレーキ力−励磁電流特性である。この時の負荷
装置のペダル回転数は50rpmである。図から容易
に理解できるように、少ない電流値で最も高負荷
が得られるのは純鉄製のフライホイールであり、
次いで鋳鉄製のフライホイール、そしてこれら２
者とは比較にならない程性能の悪いものが従来使
用されているねずみ鋳鉄製のフライホイールであ
る。 従つて、フライホイール材料としては純鉄又は
鋳鉄製のものが好ましいということが判断でき
る。 更に本発明者らは、これら使用した鉄材料の成
分とブレーキ特性との関係を調べたところ、Si
（シリコン）の含有率が固有抵抗に関係しており、
その量が少ない程固有抵抗が小さくなること、及
び炭素の含有率が透磁率に関係しており、その量
が少ない程透磁率が大きくなることがわかつた。
各フライホイールの成分を分析した結果を表１に
示した。

【表】 従つて本発明者らは、負荷装置のうず電流ブレ
ーキを構成する場合、そのフライホイールの材料
の組成成分を規定することにより、特性の優れ
た、かつ小電流で大きな負荷を得ることができる
という結論に達した。 この結論に従えば、フライホイールを鉄材料の
中で炭素及びシリコンの含有量が最も少ない純鉄
を用いて構成すれば一番良い特性、かつ小電流で
最大の負荷値を得ることができる。 なお、第５図は純鉄のブレーキ力−励磁電流特
性図である。 しかし、純鉄は市場では入手が困難であり、高
価格であるので、本発明者らは、純鉄と近似した
特性の得られる鋳鉄を用いてフライホイールを製
造したところ、ほぼ満足のゆく特性を得ることが
できた。この場合、フライホイールの諸特性と市
場での入手の容易さを考慮し、市場で容易に入手
できる構造用炭素鋼管を励磁コイルに面する内周
側部材とし、外周側をフライホイール効果を生じ
させるために、ねずみ鋳鉄により外周側部材を製
造しても、全体を鋳鉄により製造した場合とほぼ
同じ結果が得られることがわかつた。但しこの場
合、STK又はSTKMと呼ばれる構造用炭素鋼管
の組成成分はJISに於てはその上限が定められて
いるのみであるので、前記構造用炭素鋼管を使用
する場合には規格品として製造された鋼管の中か
ら所望の炭素及びシリコンの含有率条件を満たす
ものを選択しなければならない。 実施例として従来のねずみ鋳鉄により製造した
外周側フライホイールを２重同心円構造とし励磁
コイルに対向する内周側をSTK−50から炭素及
びシリコンの含有率（Ｃ＝0.12％以下、Si＝0.35
以下）が条件を満たすものを選択し、うず電流ブ
レーキを構成した。この２重構造及びねずみ鋳鉄
で製造したフライホイールを有するうず電流ブレ
ーキの特性を第６図から第１１図に示した。 STK以外にSTKMの鋼管から選択しても良
い。 第６図及び第７図は従来及び本発明に係る負荷
装置のうず電流ブレーキのＷ−I_S特性である。第
４図及び第５図にて示した様に、同じ印加電流値
に於て、本発明に係るフライホイールを用いた場
合の方が大きな負荷力を得られると共に、各回転
数に於ける負荷値間で差が少なく、その曲線が２
乗曲線で近似できる。特に第６図に於ては40rpm
時の曲線が他の曲線からかなりはずれている。 第８図及び第９図は従来及び本発明に係る負荷
装置のうず電流ブレーキのトルク−回転数特性で
ある。うず電流ブレーキを用いた負荷装置のペダ
ルの実用回転数範囲を40〜60rpmとしてその電流
値及びトルクの変動範囲を比較したものを表２と
して示した。

【表】

【表】 上記比較から容易に理解できるように、本発明
に係るフライホイール構成は、励磁コイルの電流
値を一定にした場合、フライホイールのペダルの
実用回転数範囲に於て従来例より格段に変動が少
なく、かつ高出力負荷を得ることができるもので
ある。 第１０図及び第１１図にトルク−励磁電流特性
を各回転数を基に示した。図中斜線で示した部分
は回転数及びトルクの実用回転数内での変動幅を
示す図であり、正確に一定負荷とする場合電流値
を更に制御する等して補償しなければならない部
分である。実用範囲としてトルクを50rpm時
300Wの点である38.8Kg‐cm以下と想定すると、
第１１図に示した斜線部分は第１０図に示した斜
線部分と比較すると殆ど無視できる程度である。
このことは本発明のフライホイールを用いたうず
電流ブレーキは、外部からの特別な補償回路によ
り補正することなくほぼ励磁電流の２乗特性で実
用範囲に於ける定トルク特定を得ることができ
る。 以上記載したとおり、本発明は演算制御回路か
らの信号に応答して、簡単な制御方法で正確に負
荷装置のうず電流ブレーキを制御することができ
るものである。またこの負荷装置は、従来のもの
より格段に優れた定トルク特性を得られることが
できると共にその制御特性をほぼ２乗関数で近似
することができる。また従来のトレーニング装置
と比較して低電流で高負荷を得ることができるの
で、発熱が少なく放熱を殆ど考慮する必要がな
く、長時間の使用も安心して行なうことができか
つ小型化することができる。この場合、特に、本
発明はインナーステータ、アウターロータとする
ことにより、発熱体が回転する構造となるのでロ
ータの回転による対流により何ら放熱手段を備え
ていなくとも発熱自体が少ないので自然に放熱さ
れる。 上記構成に於て、外周部ロータを内周部ロータ
に対して単にフライホイール効果を付与するのみ
の目的で非鉄部材、例えばコンクリート等により
作成することもできる。 更に、本発明に於ては詳述しなかつたが、更
に、ひずみ計算のトルク検出手段を備えこの出力
をマイクロコンピユータに入力し演算補正するこ
とにより、上記本発明の特徴を備えた、正確なエ
ルゴメータを提供することができる。 又、実用回転数範囲を拡大する場合には、回転
数補正を行なうとよい。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明のトレーニング装置を示す図
であり、第１Ｂ図はマイクロコンピユータ及び負
荷装置のブロツク図であり、第２図は入出力ボツ
クスのフロントパネルの図であり、第３図は本発
明のトレーニング装置の動作のフローチヤートで
あり、第４図から第１１図は負荷装置の種々の特
性を示す図である。 （図中符号） １：サドル、２：ペダル、３：
ハンドル、４：変速機、５：外周側ローター、
６：内周側ロータ、７：ステータ、８：励磁コイ
ル、９：演算制御回路、１０：トレーニング装
置、１１：入出力ボツクス、１２：脈拍センサ
ー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 使用者の身体条件を入力とし使用者の脈拍数
   の管理上限及び管理下限を演算し、これをトレー
   ニング域設定範囲とすると共に、連続運動途上の
   脈拍数を計測し、その遷移に対して負荷を増減す
   ることにより脈拍数を前記設定範囲内に維持する
   トレーニング装置であつて、前記装置は、身体条
   件（年令・性別・負荷値等）を入力するための入
   力手段と、脈拍数を測定する脈拍センサーと、前
   記身体条件の入力に基づき管理上限及び管理下限
   脈拍数をプログラムに従つて演算すると共にこれ
   を設定範囲として連続運動下に於ける脈拍センサ
   ーからの出力が前記設定範囲を逸脱した場合に該
   設定範囲内に収まる様に負荷を制御する演算制御
   回路と、を具備し、前記負荷は、炭素含有量0.12
   ％以下及びシリコン含有量0.35パーセント以下の
   鉄鋼材料からなるアウターロータと複数個の励磁
   コイルが放射状に配設されているインナーステー
   タと前記演算制御回路の出力に応答してその平方
   根信号を発生する特性信号発生回路と平方根信号
   に応答して励磁コイルへの供給信号を制御する電
   流制御回路と励磁コイルの電流源からなる負荷装
   置により形成されることを特徴とするトレーニン
   グ装置。 ２ 前記アウターロータは２種類の鉄鋼材料から
   なる同心円構造であり、その内周部ロータ材料は
   構造用炭素鋼管（STM又はSTKM）から選択さ
   れた前記含有量を満足する鋼管であり、鋳鉄材料
   からなる外周部ロータに挿入されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のトレーニ
   ング装置。 ３ 前記２種類の同心円構造のアウターロータの
   外周部は任意の非鉄部材（コンクリート）からな
   り、内周部に対してフライホイール効果を付与し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第２項に
   記載のトレーニング装置。 ４ 更に、前記負荷装置はひずみ計等のトルク検
   出手段を備えており、特性信号発生回路の出力を
   補正して電流制御回路に入力していることを特徴
   とする特許請求の範囲のいずれか１項に記載のト
   レーニング装置。