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自転車用メータ
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- 【要約】
【課題】 自転車が一般路上を走行する際でも仕事率、消費エネルギー、最適ペダリング頻度を正確に演算・表示することができる自転車用メータを提供する。
【解決手段】 トルクセンサ８により検出されたクランク軸トルクＴ及びクランク軸回転センサ１８により検出されたクランク軸回転数Ｎc がマイクロコンピュータ１７に入力される。マイクロコンピュータ１７は、これらクランク軸トルクＴ及びクランク軸回転数Ｎc に基づいて、仕事率Ｗ、消費エネルギーＥ及び最適ペダリング頻度Ｎcsを演算し、これらの情報を仕事率表示部１９、消費エネルギー表示部２０及び最適ペダリング頻度及び／又は回転数差表示部２１にそれぞれ出力する。
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- 【特許請求の範囲】
【請求項１】 自転車のクランク軸に印加されるトルクを検出するトルク検出手段と、このクランク軸の回転数を検出するクランク軸回転数検出手段と、これらトルク検出手段及びクランク軸回転数検出手段からそれぞれ検出されたトルク及びクランク軸回転数に基づいて仕事率を演算する仕事率演算手段とを具えることを特徴とする自転車用メータ。
【請求項２】 前記仕事率及びペダリング頻度を考慮して自転車の乗り手の消費エネルギーを演算する消費エネルギー演算手段を具えることを特徴とする請求項１記載の自転車用メータ。
【請求項３】 前記仕事率に基づいて自転車の乗り手の消費エネルギーが最も少なくなる最適ペダリング頻度を演算する最適ペダリング頻度演算手段を具えることを特徴とする請求項１又は２記載の自転車用メータ。
【請求項４】 前記最適ペダリング頻度と実際のペダリング頻度との回転数差を演算する回転数差演算手段を具えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれかに記載の自転車用メータ。
【請求項５】 前記仕事率の所定時間に亘る平均仕事率を演算する平均仕事率演算手段を具えることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれかに記載の自転車用メータ。
【請求項６】 前記仕事率、消費エネルギー、最適ペダリング頻度、実際のペダリング頻度、回転数差及び平均仕事率のうちの少なくとも一つを表示する表示手段を具えることを特徴とする請求項５記載の自転車用メータ。
- 【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自転車の走行状態及びその乗り手の運動状態を検出し及び表示する自転車用メータに関するものである。より詳細には、定置式自転車型健康機（自転車エルゴメータ）の機能を具えた一般路を走れる自転車用の計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、予め出力を校正した電磁式のブレーキを用いて仕事率や消費エネルギー等の運動強度及び運動量をフィットネス情報として高精度に表示する機能は、一般に定置式自転車型健康機（自転車エルゴメータ）に用いられている。一方、一般の路上を走行する自転車では、デジタルスピードメータによって走行中のスピード、走行距離、クランク軸回転数等を演算し及び表示するものが一般的に用いられているが、一般の路上走行中に仕事率、消費エネルギー等の運動強度及び運動量のようなフィットネス情報を演算し、表示することは、困難であった。
【０００３】特開平7-17450 号公報には、乗り手の体重及び車両重量が入力され、加速度及び走行距離から仕事量を演算し、この仕事量を所定時間で除算することにより自転車走行時の物理的仕事率を演算するものが提案されている。
【０００４】また、特開平7-96877 号公報には、自転車の走行状態及びペダル操作部に加わる圧力から仕事率を演算し及び表示するものが開示されている。
【０００５】一方、自転車走行時の消費エネルギーは通常、胸部、指等に取り付けた心拍（脈拍）数検出装置から演算され及び表示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる自転車エルゴメータでは一般的に、仕事率と消費エネルギーとの一次関数的な直線関係を用いて消費エネルギーを演算しているが、自転車で路上を走行する場合には仕事率は一定でない。また、自転車の走行効率はペダリング頻度によって異なるので、これを考慮しない場合、算出される消費エネルギーは誤差が大きくなり、信頼性に難点がある。
【０００７】また、上記特開平7-17450 号公報に記載された自転車用メータでは、自転車で一般の路上を走行する場合、路面の起伏、風向き及び路面状況を考慮しないので、仕事率の誤差が大きくなる。
【０００８】また、上記特開平7-96877 号公報に記載された自転車用メータでは、ペダルにかかる力はペダルに対して垂直な成分のみを検出し、ペダル面とクランクの成す角度を考慮していないので、単にペダル圧力にクランク長を乗算することよって仕事率を計算する場合には大きな誤差が生じるおそれがある。
【０００９】また、心拍（脈拍）数検出装置から自転車走行時の消費エネルギーを算出する場合、同一強度の運動をしても乗り手の年齢や体力水準によって脈拍数が相違するので、これにより得られる消費エネルギーも誤差が大きくなり、得られる消費エネルギーの値の信頼性に欠ける。
【００１０】さらに、自転車の乗り手の消費エネルギーが最も少なくなる最適ペダリング頻度を演算する自転車用メータは従来提案されていない。長距離を楽に自転車走行するためには、乗り手はそれぞれの走行状態において乗車時の最適ペダリング頻度を知ることが好ましい。しかしながら、従来の自転車用メータではこのような機能を有するものはない。
【００１１】本発明の第１の目的は、正確な仕事率を演算することができる自転車用メータを提供することである。
【００１２】本発明の第２の目的は、ペダリング頻度を考慮した自転車の乗り手の消費エネルギーを演算することができる自転車用メータを提供することである。
【００１３】本発明の第３の目的は、仕事率に基づいて最適ペダリング頻度を演算する自転車用メータを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明による請求項１の自転車用メータは、自転車のクランク軸に印加されるトルクを検出するトルク検出手段と、このクランク軸の回転数を検出するクランク軸回転数検出手段と、これらトルク検出手段及びクランク軸回転数検出手段からそれぞれ検出されたトルク及びクランク軸回転数に基づいて仕事率を演算する仕事率演算手段とを具えることを特徴とするものである。
【００１５】本発明による請求項１の自転車用メータでは、トルク検出手段により自転車のクランク軸に印加されるトルクを検出するとともに、クランク軸回転数検出手段によりクランク軸の回転数を検出し、検出されたトルク及びクランク軸回転数に基づいて仕事率を演算する。このようにして仕事率を演算することにより、乗り手の体重及び車両重量を入力する必要がなく、また自転車で一般の路上を走行する場合に路面の起伏、風向き及び路面状況を考慮する必要がなく、かつ、単にペダル圧力にクランク長を乗算した値を用いて仕事率を計算しないため、路上を走行する場合でも上記不都合を有することなく仕事率を正確に演算することができ、その結果上記第１の目的を達成することができる。
【００１６】本発明による請求項２の自転車用メータは、前記仕事率及びペダリング頻度を考慮して自転車の乗り手の消費エネルギーを演算する消費エネルギー演算手段を具えることを特徴とするものである。
【００１７】本発明によれば、仕事率及びペダリング頻度を考慮して自転車の乗り手の消費エネルギーを演算するので、心拍（脈拍）数検出装置から自転車走行時の消費エネルギーを算出する必要がなくなり、上記作用・効果に加えて、消費エネルギーの誤差が小さくなり、上記第２の目標を達成することができる。また、ペダリング頻度を考慮することにより、さらに消費エネルギーの誤差は小さくなり、信頼性のあるものとなる。
【００１８】本発明による請求項３の自転車用メータは、前記仕事率に基づいて自転車の乗り手の消費エネルギーが最も少なくなる最適ペダリング頻度を演算する最適ペダリング頻度演算手段を具えることを特徴とするものである。
【００１９】本発明によれば、仕事率に基づいて自転車の乗り手の消費エネルギーが最も少なくなる最適ペダリング頻度を演算するので、上記作用・効果に加えて、長距離を楽に自転車走行することができ、その結果上記第３の目的を達成することができる。
【００２０】本発明による請求項４の自転車用メータは、前記最適ペダリング頻度と実際のペダリング頻度との回転数差を演算する回転数差演算手段を具えることを特徴とするものである。
【００２１】本発明によれば、最適クランク軸回転数とクランク軸回転数との回転数差を演算するので、上記作用・効果に加えて、乗り手は現在の走行と理想的な走行との差の情報を得ることができる。
【００２２】本発明による請求項５の自転車用メータは、前記仕事率の所定時間に亘る平均仕事率を演算する平均仕事率演算手段を具えることを特徴とするものである。
【００２３】本発明によれば、仕事率の所定時間に亘る平均仕事率を演算することができるので、上記作用・効果に加えて、乗り手は所定時間に亘る平均仕事率の情報を得ることができる。
【００２４】本発明による請求項６の自転車用メータは、前記仕事率、消費エネルギー、最適ペダリング頻度、実際のペダリング頻度、回転数差及び平均仕事率のうちの少なくとも一つを表示する表示手段を具えることを特徴とするものである。
【００２５】本発明によれば、仕事率、消費エネルギー、最適ペダリング頻度、実際のペダリング頻度、回転数差及び平均仕事率のうちの少なくとも一つを表示するので、乗り手はこれらのうちの必要な情報を任意に得ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明による自転車用メータの実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中、同一部材には同一符号を付すものとする。図１は、本発明による自転車用メータを付設した自転車の部分的斜視図である。本形態では、自転車用メータ１を、一般の路上を走行する自転車２のハンドル３に取り付ける。
【００２７】乗り手がペダル４を介して印加したクランク軸５のトルクと、クランク軸５のクランク軸回転数とは、ハンガー部６に内蔵されたトルクセンサ及びクランク軸回転センサ（ともに図示せず）によってそれぞれ検出され、これらの検出信号がワイヤ７を介して自転車用メータ１に送信され、後に説明する演算が自転車用メータ１で行われる。なお、本形態では、乗り手の左足によって印加されたトルクを検出している。
【００２８】図２は、ハンガー部に内蔵されたトルクセンサの断面図である。トルクセンサ８は、クランク軸５のトルク量を電気信号に変換する励磁／検出コイル９と、励磁／検出コイル９からの磁束をトルクセンサ８内部に閉じ込めるシールドヨーク１０と、クランク軸５、励磁／検出コイル９及びシールドヨーク１０を収容するハウジング部１１を具える。
【００２９】磁歪特性の良好なクランク軸５には、複数のナーリング（溝）１２が軸線方向に対して±45°の方向に刻まれ、これによりクランク軸５のトルク量を磁気特性の変化量に変換する。励磁／検出コイル９は、この磁気特性の変化量をクランク軸５のトルク量として電気信号に変換し、この電気信号をワイヤ７（図１）に接続したリード線１３を介して自転車用メータ１（図１）に送信する。
【００３０】図３は、本発明による自転車用メータの外観図である。図３において、自転車用メータ１は、液晶表示装置のようなディスプレイ１４と、乗り手の操作により操作の開始及び終了を制御するスタート／ストップスイッチ１５と、ディスプレイ１４の表示モードを切り替えるモードスイッチ１６とを具える。
【００３１】本形態では、ディスプレイ１４は、仕事率、消費エネルギー、現在のペダリング頻度、最適ペダリング頻度、最適ペダリング頻度と現在のペダリング頻度との回転数差及び平均仕事率のうちの少なくとも一つを、乗り手によるモードスイッチ１６の操作により任意に表示し、又はスキャン機能により一定時間ごとに自動的に表示項目を切り替える。なお、図３に図示した例では、仕事率及び消費エネルギーを表示している。
【００３２】図４は、本発明による自転車用メータの機能ブロック図である。この図において、マイクロコンピュータ１７には、クランク軸トルクＴを検出するトルクセンサ８及びクランク軸回転数Ｎｃを検出するクランク軸回転センサ１８から信号が入力される。マイクロコンピュータ１７は、これら信号及びこれに内蔵されたタイマ（図示せず）で計測された経過時間に基づいて、仕事率Ｗ、消費エネルギーＥ、最適ペダリング頻度ＮCS及び／又は回転数差ΔＮCS（ＮCS−ＮC ）、平均仕事率Ｗav並びに現在のペダリング頻度ＮC を演算し、かつ、乗り手の指示に応じて又はマイクロコンピュータ１７によって自動的に仕事率表示部１９、消費エネルギー表示部２０、最適ペダリング頻度及び／又は回転数差表示部２１、平均仕事率表示部２２及び現在のペダリング頻度表示部２３にこれらの情報をそれぞれ出力する。なお、クランク軸回転センサ１８としては従来既知のものを使用するものとし、クランク軸回転センサ１８を、トルクセンサ８とともにクランク軸５（図１及び２）の付近に配置する。
【００３３】本形態では、クランク軸１回転当たりの平均クランク軸トルクをＴ(kgf・m)とし、１分間当たりに換算したクランク軸回転数をＮc(rpm)とし、操作開始後の経過時間をｔ（分）とし、重力加速度をｇ(m/s2)とし、クランク軸回転数係数をＣR とすると、仕事率Ｗを、計算式【数１】W = (2π・2T・Nc・g)/60secによって演算する。ここで、トルクを2Tとしたのは、既に説明したように左足によって印加されたトルクを用いているからである。また、消費エネルギーＥを、計算式【数２】E = CR(aW+b)tによって演算する。ここで、ａ及びｂを、発明者が種々の実験により得た任意の値とする。また、最適ペダリング頻度Ｎcsを、回帰式【数３】Ncs = cW2+dW+eによって演算する。ここで、ｃ，ｄ及びｅを、発明者が種々の実験により得た任意の値とする。また、平均仕事率Ｗavを、計算式【数４】Wav = ΣW/tによって演算する。
【００３４】本形態の動作を説明する。図５は、本発明による自転車用メータの動作を示すフローチャートである。本ルーチンは、例えば、一定時間ごと又は一定ペダリング回転ごとの定時割り込みによりマイクロコンピュータ１７（図４）によって遂行される。
【００３５】先ず、ステップＳ１において、自転車の乗り手がスタート／ストップスイッチ１５（図３）をＯＮにした後、ステップＳ２において、クランク軸１回転当たりの平均クランク軸トルクＴ、１分間当たりに換算したクランク軸回転数Ｎｃ及び経過時間ｔをマイクロコンピュータ１７（図４）に入力する。次いで、ステップＳ３において、仕事率Ｗを数１を用いて計算する。その後ステップＳ４においてこの仕事率Ｗを仕事率表示部１９（図４）に出力し、ディスプレイ１４（図３）上に表示する。本形態では、この仕事率Ｗを、例えば５回転ごとでの移動平均値として演算され、かつ、例えば２秒ごと、すなわち一定時間ごとに表示される。
【００３６】ステップＳ５において、仕事率と消費エネルギーとの回帰式をペダリング頻度に応じて選択する。すなわち、クランク軸回転数係数ＣR をペダリング頻度（クランク軸回転数）Ｎc に応じて選択する。仕事率と消費エネルギーとの回帰式は予め実験から導かれたものであり、マイクロコンピュータ１７（図４）に記憶されている。本形態で用いられる消費エネルギーと仕事率との間の関係を図６に示す。なお、図６（ａ）は、クランク軸回転数が35rpm 以下の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものであり、図６（ｂ）は、クランク軸回転数が35rpm より上で45rpm 以下の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものであり、図６（ｃ）は、クランク軸回転数が45rpm より上で55rpm 以下の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものであり、図６（ｄ）は、クランク軸回転数が55rpm より上で65rpm 以下の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものであり、図６（ｅ）は、クランク軸回転数が65rpm より上で75rpm 以下の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものであり、図６（ｆ）は、クランク軸回転数が75rpm より上で90rpm 以下の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものであり、図６（ｇ）は、クランク軸回転数が90rpm より上の場合の仕事率と消費エネルギーとの間の関係を示すものである。いずれも横軸に仕事率(Watt)をとり、縦軸に消費エネルギー(kcal/min)をとるものとする。
【００３７】次いで、ステップＳ６において、今回のルーチンで消費された消費エネルギーを、ペダリング頻度ごとの仕事率と消費エネルギーとの一次回帰を用いて、数２により計算し、その後ステップＳ７において、スタート／ストップスイッチ１５（図３）をＯＮにしてから今回のルーチンまでに消費された積算値を演算するため、スタートしてから前回のルーチンまで消費された消費エネルギーの積算値に、今回のルーチンで求めた消費エネルギーの値を加算する。その後ステップＳ８において、消費エネルギーをマイクロコンピュータ１７（図４）に記憶させるとともに、ステップＳ９において、この値を消費エネルギーとしてディスプレイ１４（図３）に表示される。なお、消費エネルギーの積算値は、スタート／ストップスイッチ１５（図３）をＯＦＦにすると零にリセットされる。
【００３８】ステップＳ１０において、数３を用いて最適ペダリング頻度Ｎcsを計算する。この最適ペダリング頻度Ｎcsも、数３のような予め実験から導かれ、かつ、マイクロコンピュータ１７（図４）に記憶された仕事率と最適ペダリング頻度との回帰式から計算される。その後ステップＳ１１において、最適ペダリング頻度Ｎcsをディスプレイ１４（図３）に表示する。
【００３９】図７は、本形態で用いられる仕事率ごとのペダリング頻度と消費エネルギーとの関係を示す図である。この図において、横軸にペダリング頻度(rpm) をとり、縦軸に消費エネルギー(kcal/min)をとる。この図は、図６で示した各ペダリング頻度の仕事率と消費エネルギーとの回帰直線に各々の仕事率（２０，４０，…，３００Ｗ）を代入して導き出したものである。
【００４０】図８は、本形態で用いられる仕事率と最適ペダリング頻度との関係を示す図である。この図において、横軸に仕事率(watts) をとり、縦軸に最適ペダリング頻度(rpm) をとる。この図は、図７に示した２次多項式から仕事率ごとに消費エネルギーが最も少なくなるペダリング頻度を求め、２次多項式で回帰したものである。
【００４１】本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、自転車を、一般の路上を走行するものの代わりに定置式自転車型健康機のように使用することもできる。また、本発明を電磁式のブレーキを有しない定置式自転車型健康機に用いることにより、信頼性の高い仕事率、消費エネルギー等の情報を得ることが可能になる。また、従来のクランク軸回転センサ１８を用いる代わりに、トルクセンサ８にクランク軸回転センサの機能を持たせてもよい。さらに、本形態では左足側のペダルに印加されたトルクを検出したが、右足側のペダルに印加されたトルクを検出することもでき、又は両足側のペダルに印加されたトルクを検出することもできる。発明者の実験の結果、これらのトルクはほぼ同一であることが確認されている。なお、両足側のペダルに印加されたトルクを検出する場合、数１において、2Tの代わりにＴを用いる。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、検出されたトルク及びクランク軸回転数に基づいて仕事率を演算するので、路上を走行する場合でも仕事率を正確に演算、表示することができる。また、仕事率及びペダリング頻度を考慮して自転車の乗り手の消費エネルギーを演算することにより、表示する消費エネルギーの誤差は小さくなる。さらに、仕事率に基づいて自転車の乗り手の消費エネルギーが最も少なくなる最適ペダリング頻度を演算、表示し、これを利用することにより長距離を楽に自転車走行することができるようになる。
【００４３】したがって、健康づくりや体力増強を目的とした運動において、自転車で一般の路上を走りながら、室内用の定置式自転車型健康機等のように、その運動の強さ（仕事率）、運動量（乗り手が消費したエネルギー）及び最適ペダリング頻度を提供することが可能となり、自転車走行をより楽しく快適にでき、安全かつ効率的に健康づくりや体力増強が可能となる。また、これらから、自転車による健康づくりや体力増強を図ろうとする動機付けにもなる。
- 【公開番号】特開平１０−３５５６７
【公開日】平成１０年（１９９８）２月１０日
【発明の名称】自転車用メータ
- 【出願番号】特願平８−１９０８１４
【出願日】平成８年（１９９６）７月１９日
【出願人】
【識別番号】０００１１２９７８
【氏名又は名称】ブリヂストンサイクル株式会社
- 【代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 暁秀 （外４名）
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