JP2016214816A - 人力発電を電源とする体力トレーニング装置と、人力発電機の増速に使用するｖベルトを張るパンタグラフジャッキ式回転ローラー。 - Google Patents

Abstract

【課題】金属製の重りや、ゴムやバネ等を使用する機械的な負荷、又は商用電源を使用することなく、上半身と下半身の筋力強化や、有酸素運動を同時に行える手段を提供する。【解決手段】自転車のペダルを漕いで発電機を運転しながら、腹筋や背筋を鍛える電動式筋力トレーニング器や音楽プレーヤー等の電気器具を使用すると、前記電気器具の電力消費量に相当する負荷がペダルを漕ぐ足に掛かる仕組としている。【選択図】図２

Description

本発明は、体力トレーニングする者が装置に存在する自転車のペダルを漕いで、発電機を運転しながら、電動式筋力トレーニング器を使用することを特徴とする体力トレーニング装置である。

従来、自転車のペダルを漕いで発電しながら体力トレーニングを行う人力発電装置が存在する。

特許公開２００３−２０６８５４号広報「人力発電電源装置」

特許文献１の「人力発電電源装置」には、発電した電力を蓄電したり、体力トレーニングをすることが開示されている。

特許文献１は、上半身の筋力を鍛える手段がない。あった方が好ましい。

従来、商用電源を動力源とする電動式筋力トレーニング器が存在する。できるなら、ＣＯ２を発生させない手段で得た電力を動力源とするのが望ましい。

それでは、本発明の人力発電を電源とする体力トレーニング装置の効果を紹介する。尚、ここからは「人力発電を電源とする体力トレーニング装置」を略して装置と記す。

まず一つ目の効果を紹介する。本装置は、体力トレーニングする者が装置に存在する自転車のペダルを漕いで発電機を運転しながら、腹筋や背筋を鍛える電動式筋力トレーニング器や音楽プレーヤー等の電気器具を使用すると、前記電気器具の電力消費量に相当する負荷がペダルを漕ぐ足に掛かる仕組としている。

よって、腹筋と背筋と大腿四頭筋と腓腹筋などが強化される。さらに、ペダルを漕ぐ有酸素運動は体脂肪を燃焼する効果と心肺機能を高める効果が表れる。

又、電動式筋力トレーニング器や音楽プレーヤー等の電気料金が発生しないことを利点としている。発電機の動力源が人間であるため、発電時に排出されるＣＯ２の量は微量である。本装置は、地球環境保全に貢献できる健康増進トレーニング装置である。

金属製の重りや、ゴムやバネ等を使用する機械的な負荷、又は、商用電源を使用することなく上半身と下半身の筋力強化と、体脂肪を燃焼させる有酸素運動を同時に行う仕組みとするトレーニング装置は他に類を見ない。本装置だけである。

二つ目に、トレーニングする者が自分で発電した電力を動力源とする音楽プレーヤーで、楽曲を聴きながらトレーニングする効果を説明する。楽曲は一般的に５分前後のものが多い。例えば、５分を要する楽曲を３曲聴きながらトレーニングすると合計１５分になる。

一般的に好きな楽曲を聴いている間は時間を意識しない傾向がある。よって、１５分間のトレーニングを苦痛と感じるのではなく、軽快に感じられる心理的な効果がある。好きな楽曲を聴きたいという欲求を満たすことで、結果的にトレーニングを一定時間継続する効果を生むのである。又、好きな楽曲を聴き終えるまで頑張るという心理を利用するトレーニング方法である。

三つ目の効果を紹介する。巨大地震や火山爆発等の災害発生時は電力の供給が停止される。この様な時、本装置は使用者の身近に存在し、使い慣れしているので素早く非常電源として使用できる便利さがある。長期間停電された場合、威力を発揮すると考える。

例えば、停電時に消費電力６ワットのＬＥＤ照明器具を８個使用すると仮定した場合、延長コードを使用すれば８カ所の部屋を灯すことができる。又、被害状況や避難情報を得るラジオや携帯電話などの電源として使用できる便利な非常電源である。

最後に、本考案のパンタグラフジャッキ式回転ローラーを使用する効果を紹介する。本装置は、自転車と発電機を繋ぐ手段として、増速の役割を果たすプーリーとＶベルトを使用する仕組みとしている。前記Ｖベルトは効率よく張らなければならない。

前記パンタグラフジャッキ式回転ローラーは、プーリーの位置をずらさず固定したまま、工具を使用することなくＶベルトを任意の強さに数分で張る事ができる器具である。又、前記Ｖベルトが磨り減って緩んだり伸びた場合も、素早く張りの調整をすることができる便利な器具である。ベルト駆動式の人力発電において前記器具が果たす役割は大きい。

は、人力発電を電源とする体力トレーニング装置の写真である。 は、自転車のクランク２１と、プーリー２３が一体化した状態と、発電機１１と、プーリー２４と２５を取り付ける軸受けを持つ軸５２を示す写真である。 は、整流器用端子台３０と、整流器が入ったボックス３１と、直流電源用ブレーカー３３と、変圧器６６６を示す写真である。 は、枠１０に施設した発電機１１と、インバーター５５５と、コンセント５５６を示す写真である。 は、三相ブレーカー４０と、端子台４５と、土台５０とを示す写真である。 は、Ｖベルト６６と７７と、プーリー４個と、自転車の足２２と、前記自転車の足を差し込む穴５１と、パンタグラフジャッキ式回転ローラ８８を示す写真である。 は、パンタグラフジャッキ式回転ローラ８８を示す写真である。 は、電動式筋力トレーニング器８８８を示す写真である。

１０枠 １１コアレス三相交流発電機 １２交流電圧計 ２０自転車 ２１クランク ２２自転車の足 １５・２３・２４・２５プーリー３０整流器用端子台 ３１ボックス ３３直流電源用ブレーカー ３５・３６・３７単相ブレーカー ４０三相ブレーカー ４５端子台▲１▼▲２▼ ５０土台 ５１自転車の足を差し込む穴 ５２土台に存在する軸 ６６Ｖベルト ７７Ｖベルト ８８パンタグラフジャッキ式回転ローラ ８０回転ローラー ８５摘み ９０・９１・９２コンセント ９３・９４・９５ランプレセプタクル １００電源パネル ５５５インバータ ５５６コンセント ６６６変圧器 ７７７音楽プレーヤー ８８８電動式筋力トレーニング器

本発明は、発電機と、前記発電機を運転する自転車と、腹筋や背筋を鍛える電動式筋力トレーニング器と、音楽プレーヤー、又はその他の電気器具で構成されるもので、名称を「人力発電を電源とする体力トレーニング装置」とする。尚、ここからは「人力発電を電源とする体力トレーニング装置」を略して装置と記す。

本装置は、体力向上と健康増進を目指す者が、自転車のペダルを漕いで発電機を運転して発電した電力を動力源とする、音楽プレーヤーで楽曲を聴きながら、腹筋や背筋を強化する電動式トレーニング器を使用することを特徴とするものである。

始めに、本装置の原理を説明する。まず、トレーニングする者が自転車のペダルを漕いで発電機を運転すると、前記トレーニングする者の運動エネルギーが前記発電機を経由して電力となる。前記電力は、前記トレーニングする者がペダルを漕ぎながら使用する音楽プレーヤーと電動式筋力トレーニング器の動力源として使用される。

当然であるが、前記音楽プレーヤーと前記電動式筋力トレーニング器は電力を消費する。つまり、前記音楽プレーヤーと前記電動式筋力トレーニング器が消費する電気エネルギーは、前記トレーニングする者の運動エネルギーであることは明白である。

前記トレーニングする者は、前記音楽プレーヤーと前記電動式筋力トレーニング器を使用するために、前記自転車のペダルを漕いで前記発電機を継続して運転しなければならない。この時、前記音楽プレーヤーと前記電動式筋力トレーニング器の電力消費量に相当する負荷がペダルを漕ぐ足に常時掛かるのである。いわゆる、前記ペダルには緩い坂道を登る時の様な負荷が掛かる。

よって、足の筋力が強化されるのである。同時に腹筋や背筋も強化される。この様な仕組みでトレーニングする装置やトレーニング手段は他に類を見ない。本発明者は従来存在しないまったく新しい手段を用いるトレーニング装置をここに提供する。尚、発電するためにペダルを漕ぐ行為は有酸素運動である。有酸素運動は体脂肪を燃焼する効果がある。

それでは、実施例１をもって装置の製作方法と、形態と使用方法を以下に紹介する。本装置は、［符号の説明］［００１９］に記した物の集合体である。この他にも付属品が存在するが省略する。

ここから装置の製作過程の第一段階を紹介する。実施例１は、発電機の回転子を増速する手段としてベルト駆動を選択した。増速にはプーリー４個とＶベルト２本を使用する。

ベルト駆動は、歯車式の増速機と比較すると騒音が低い長所を持つ。又、安価である。尚、プーリーの数とＶベルトの数は限定するものではない。

始めに、発電機１１の回転子にプーリー１５を取り付ける。次に、発電機１１を枠１０に固定する。続けて、自転車のクランク２１にプーリー２３を取り付ける。さらに、プーリー２４と２５を土台５０に存在する軸受けを持つ軸５２に取り付ける。

次に、自転車の足２２を装置の土台５０に存在する穴５１に差し込んだ後、プーリー２５とプーリー１５にＶベルト６０を掛け渡す。続けて、プーリー２３とプーリー２４にＶベルト７７を掛け渡す。

次に、器具８８をＶベルト６６とＶベルト７７の真下に位置させ土台５０に固定する。尚、前記Ｖベルトは掛け渡した状態においてプーリーから簡単に外すことができる緩い状態にある。器具８８を［図７］の写真に示す。

この後、器具８８の摘み８５を手で回し回転ローラー８０を上昇させて、Ｖベルト６６の表面に押し当て任意の強さに張る。続けてＶベルト７７も同様に張る。Ｖベルトの張りの調整は発電機に負荷をかけない状態で、電圧計１２を見ながらペダルを漕いで調整する。

ベルト駆動において、Ｖベルトの張り具合は一番の課題である。例えば、強く張り過ぎるとペダルを漕ぐ足に必要以上の負荷が掛かる。こうなると、発電機の回転を上げることができなくなるので電気器具を使用するだけの電力が得られなくなる弊害が起こる。

逆に張りが弱い状態で発電機を運転すると、発電機に重い負荷が掛かった時にＶベルトがスリップするので発電機の回転が一定しなくなる。この結果、電圧が変動する。電圧が低くなるとトレーニング中に負荷として使用している電気器具が停止する弊害が起こる。

本発明者は、Ｖベルトを張る手段を長期間に渡り試行錯誤を重ねた結果、プーリーの位置を変えることなく、固定したままの状態で工具を使用することなくＶベルトを張る器具８８を考案した。

前記器具８８は、パンタグラフジャッキの最上部に、回転するローラ８０を取り付け、前記ジャッキの昇降操作部に摘み８５を取り付けたものである。名称をパンタグラフジャッキ式回転ローラーとする。尚、前記回転ローラーの幅をＶベルトの幅に対し約５倍の８０ミリとしたので前記Ｖベルトが前記回転ローラーの周上から外れることはない。

本考案のパンタグラフジャッキ式回転ローラは、数百キロの加重に耐える能力を持つので一度ベルトを張るとベルトに重い負荷が掛かっても降下しない。よって、運転中にベルトが緩んでスリップすることは無い。前記パンタグラフジャッキ式回転ローラーを使用すると、ペダルを漕ぐ者の運動エネルギーが効率良く発電機に伝達される。

尚、Ｖベルトは長期間使用すると伸びたり磨り減る弱点を持つ。この様な時、ローラーの摘み８５を手で回し、ローラーを上昇させて緩んだＶベルトを秒単位で張ることができる。工具を使用してプーリーの位置をずらしＶベルトを張る方法と比較すると時間がかからない便利な器具である。

消耗したベルトを交換にする時に要する時間も分単位である。人力発電の増速にベルト駆動を採用する場合、絶対に不可欠なものと考える。本装置で複数の電気器具を使用するだけの電力が得られるのは前記器具８８の存在があるからである。

ここからは電源回路の工事である。本装置では、高電圧の印加による電気器具の故障を防止する手段として変圧器とボルテージセンサーを使用する。それでは電源回路を紹介する。まず、電源パネル１００を枠１０に固定する。次に土台５０に変圧器６６６を取り付け、続けて前記パネルに端子台（▲１▼と▲２▼）４５と三相ブレーカー４０を取り付ける。

始めに、発電機の出力線Ｒ相Ｓ相Ｔ相に逆流防止用のダイオードを入れた後、相順通り端子台▲１▼４５のＵＶＷに繋ぐ。次に端子台▲１▼４５のｕｖと前記変圧器の一次側ＵＶを繋ぐ。この時、端子台▲１▼４５のＶ端子を保護継電器の端子に繋いでおく。次に、前記変圧器の二次側のｕｖとボルテージセンサーの一次側を繋ぐ。

次に、ボルテージセンサーの電圧検出部を保護継電器の端子に繋ぐ。次に、前記保護継電器の二次側と前記発電機のＴ相を三相ブレーカー４０の一次側ＵＶＷに繋ぐ。この後、三相ブレーカー４０の二次側から電源回路▲１▼と▲２▼に分けて各種電気器具を使用する。尚、前記変圧器は単相誘導電圧調整器であるが略して変圧器と記した。

ここで、変圧器とボルテージセンサーを使用する理由を説明する。電気器具を使用中に、発電機を運転するペダルを激しく漕ぐと、前記発電機の出力電圧が一時的に１００Ｖを大きく超す場合がある。こうなると、前記電気器具に定格以上の電圧が印加されるので故障することが考えられる。

これを防ぐために前記変圧器の一次側に入力された電圧を制限し、さらに前記ボルテージセンサーを使用するのである。前記ボルテージセンサーは発電機の出力が１００ボルトを超した時に検知し、継電器を動作させて電力の供給を停止させるのを目的とするものである。つまり、前記変圧器と前記ボルテージセンサーは安全装置としての役割を果たす。

本装置は、人間がペダルを漕いで発電機を運転するので発電機の回転を一定に保つことが難しい。このため周波数と電圧を一定に保つことができない弱点を持つ。しかし、本装置において出力電圧は７０Ｖ〜１００Ｖに維持できれば電気器具に対する支障はない。周波数も５０Ｈｚ／６０Ｈｚでなくても支障はない。

それでは、最初に電源回路▲１▼の工事を紹介する。まず、三相ブレーカー４０の二次側ＵＶＷとパネルの裏側に施設したボックス３１の横に存在する整流器用端子台３０の一次側ＵＶＷ端子を電線で繋ぐ。

次に、整流器用端子台３０の二次側ｕｖｗ端子と整流器の入力側を繋ぐ。続けて、整流器の出力側と直流電源用のブレーカ３３の一次側を繋ぎ、ブレーカー３３の二次側にインバーター５５５の入力端子を繋ぐ。

これで、前記インバターの出力端子から商用電源と同じ単相交流１００Ｖ（５０／６０Ｈｚ）を取り出せる。電気器具を使用するコンセントは５５６である。安定した電源を必要とするスマホや充電電池の充電はこの電源が適する。

次に電源回路▲２▼を紹介する。電源回路▲２▼は三相ブレーカー４０の二次側を単相ブレーカー３個を用いて分岐する回路である。電気器具を分割して使用するためである。はじめに、前記三相ブレーカー４０の二次側ＵＶＷと端子台▲２▼４５の一次側ＵＶＷを電線で繋ぐ。

次に、端子台▲２▼４５の二次側ｕｖｗ端子のｕｖ端子と単相ブレーカ３５の一次側を電線で繋ぐ。次に、前記ｕｖ端子とコンセント９０を電線で繋ぐ。続けて、単相ブレーカー３５の二次側にランプレセプタクル９３を取り付ける。

次に、端子台▲２▼４５の二次側ｕｖｗ端子のｖｗ端子と単相ブレーカー３６の一次側を電線で繋ぐ。次に、前記ｖｗ端子とコンセント９１を電線で繋ぐ。続けて、単相ブレーカ３６の二次側にランプレセプタクル９４を取り付ける。

次に、端子台▲２▼４５の二次側ｕｖｗ端子のｕｗ端子と単相ブレーカー３７を電線で繋ぐ。次に、前記ｕｗ端子とコンセント９２を電線で繋ぐ。続けて、単相ブレーカー３７の二次側にランプレセプタクル９５を取り付ける。最後に端子台▲１▼４５の一次側ＵＶから交流電圧計１２に配線する。以上で、▲２▼の電源回路の工事は終了する。

ここから装置の使用方法を説明する。その前に本装置の発電機の能力を紹介する。前記発電機は、自転車で平坦な道路を時速１５キロメートル程度（通常走行のスピード）で走行する状態と同等にペダルを漕ぐと６０ワット消費する電気器具を使用することができる。

７０ワット消費する場合を例に取ると、緩い坂道を登る時の様な疲労感を足に感じる。この状態が脚力のトレーニングに適すると考える。本実施例１は最大１００ワット消費する電気器具を使用できる設計とした。尚、１００ワット消費する状態は、少し急な坂道を頑張って登る様な感じである。ペダルが重くなるが困難な状態ではない。

次に、装置に存在する腹筋や背筋を鍛える電動式筋力トレーニング器を紹介する。前記電動式筋力トレーニング器は、２００ミリ程度の幅を持つベルトの中央に振動する物体を持つもので、前記ベルトを腹部や腰に巻き付け、腹筋や背筋に振動を与えて、筋肉を鍛えると共に皮下脂肪と内臓脂肪を取り除くことを目的とする器具である。

尚、電動式の筋力トレーニング器は前記電動式筋力トレーニング器に限るものではない。又、腕を鍛える電動式筋力トレーニング器などを使用することも可能である。

それでは、装置の使用方法の１例を紹介する。電気器具の電源は電源回路▲２▼を使用する。始めに、電動式筋力トレーニング器（３０ワット）のプラグをコンセント９２につなぐ。

次に、音楽プレーヤー（１０ワット）のプラグをコンセント９１につなぎ、レセプタクル９４に白熱電球（１０ワット）を取り付ける。続けて、レセプタクル９３に白熱電球（２０ワット）を取り付ける。これで負荷の合計は７０ワットになる。

この状態で、自転車のペダルを漕ぐと白熱電球が直ぐに点灯するので発電していることを目視確認できる。この時点でペダルを漕ぐ足に少し重さを感じる。次に音楽プレーヤーの電源を入れ、好みの楽曲（１曲５分程度）をスタートさせると前記足に重さが加算される。

さらに、腹部に巻き付けた電動式筋力トレーニング器の電源を入れ、振動の強さを自分の好みに設定する。すると、漕いでいるペダルにグイクグイという重さを感じる。この状態が足に約７０ワット分の負荷がのし掛かっている時である。

いわゆる、電動式筋力トレーニング器や音楽プレーヤー等の電気器具を使用している最中にペダルを漕ぐ足に重さを感じる時が、電力消費する電気器具がトレーニングする者の負荷になることを、体と脳で理解できる時である。又、自分の運動エネルギーが発電機を経由して電気器具を通過してペダルに戻ってくることも理解できるのである。

２曲目が終了する頃は、約１０分経過する。もう一曲聴きたくてペダルを漕ぐが、大腿四頭筋に疲労が蓄積され限界を感じる。しかし、どうしても３曲目が聞きたいと思う。この場合は負荷を減らせばよい。

ペダルを漕ぎながら、白熱電球のスイッチを一つずつ切る。一つ切るたびに足が軽くなるのが分かる。電球をすべて消灯すると３０ワット分の負荷がペダルから消えるので、大腿四頭筋から疲労感が少し抜けていくのを感じる。しかし、ペダルには４０ワット分の負荷が掛かっている。よって、脚力を強化する運動は継続され、腹筋を鍛えるトレーニング器も稼働状態を維持している。当然、ペダルを漕いでいるので有酸素運動も継続状態にある。

この様に、負荷を減らして３曲目を最後まで聞きながらトレーニングを行うことができる。前記腹筋を鍛えるトレーニング器を使用すると、腹筋も強化されるが腹部の皮下脂肪と内臓脂肪を減らす効果がある。体脂肪を燃焼する有酸素運動との相乗効果が顕著に表れる。

トレーニングは２セット３セットと繰り返せばより効果が上がる。又、負荷の組み合わせが自在なのでトレーニングがマンネリ化して飽きることはない。

本装置は、ペダルを漕ぐことでトレーニングが始まり、ペダルを漕ぐのを停止すればその時点でトレーニングを終了することができる仕組みとしている。過負荷を感じた時は、直ぐにトレーニングを中止することができるので筋肉損傷の恐れがない安全なトレーニング装置である。老弱男女全ての人が使用できる装置であると考える。

電気器具を使用する電源は▲２▼に限定するものではない。▲１▼の電源を使用しても良い。又、実施例１は負荷の一つとして白熱電球を使用するが限定するものではない。これに変わるものとして、ＬＥＤ電球でもよい。加減装置付きの負荷抵抗器でも良い。

使用例２として、トレーニング中に自転車のハンドルの中央部に小型扇風機を取り付けて、風を顔に当てながらペダルを漕ぐ方法もある。扇風機を使用すると夏場でも快適にペダルを漕ぐことができる。前記扇風機は涼むために使用するが、負荷としての働きをするので一石二鳥の効果が得られる。

又、発電した電力を小型のバッテリーに充電しながらトレーニングすることができる。これにより、自分のエネルギーをバッテリーに蓄電し、スマホの電源にしたり小型バッテリーを電源とする電化製品を使用することができるので便利である。充電した小型バッテリーの用途は多いと考える。

本発明者は、トレーニングの負荷として使用する電気器具を長期間使用する実験をした。その結果、すべての電気器具が電圧７０Ｖ〜１１０Ｖの範囲で使用することが可能であり、多少の電圧変動があっても電気器具に対し支障を来さなかったことをここに報告する。

次に、周波数変動による器具への影響の有無を以下に紹介する。扇風機は回転にムラが出るが特に影響無し。音楽プレーヤーの動作回路は直流なので影響無し。腹筋を鍛える器具の振動モーターはほぼ影響無し。白熱電球は影響無し。ほとんどの電気器具が周波数変動による影響を受けなかった。

本装置は、第一の利用目的を体力トレーニング装置としているが、災害発生時に非常電源として使用することを考えて設計した。なぜならば本装置は使用者の身近に存在し、使い慣れしているので素早く非常電源として使用できるからである。

Claims (7)

1. 発電機と、前記発電機を運転する自転車と、電動式筋力トレーニング器などの電気器具からなる、人力発電を電源とする体力トレーニング装置に関する。
2. 前記発電機の回転子に存在するプーリーと、前記自転車のクランクに固定されるプーリーはＶベルトで掛け渡され、前記Ｖベルトは、パンタグラフジャッキ式回転ローラと称する器具で張られることを特徴とする請求項１に記載の、人力発電を電源とする体力トレーニング装置に関する。
3. 前記パンタグラフジャッキ式回転ローラーは、パンタグラフジャッキの最上部に回転するローラーを設け、前記ジャッキの昇降操作部に摘みを設けた器具であり、
   前記器具をプーリーに掛け渡されたＶベルトの下部に位置させ、前記摘みを回し前記回転するローラーを上昇させ、前記Ｖベルトの表面に前記回転するローラーを押し当て、前記Ｖベルトを任意の強さに張ることを目的とする請求項２に記載のパンタグラフジャッキ式回転ローラー関する。
4. 体力トレーニングする者が、自転車のペダルを漕いで発電機を運転し、自分の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、電動式筋力トレーニング器などの電気器具を使用すると、前記電気器具の電力消費量に相当する負荷が、前記自転車のペダルを漕ぐ足に掛かる仕組みとするもので、
   前記トレーニングする者が有酸素運動と筋力トレーニングを同時に行うことを特徴とする請求項１と２に記載の、人力発電を電源とする体力トレーニング装置に関する。
5. 自転車のペダルを漕ぎながら有酸素運動と筋力トレーニングする者に、負荷を掛ける手段として、電動式筋力トレーニング器や音楽プレーヤーなど、電力消費する各種電気器具を使用することを特徴とする請求項１と２と４に記載の、人力発電を電源とする体力トレーニング装置に関する。
6. 発電機の出力側に変圧器をつなぎ電圧を制御し、ＵＶ間とＶＷ間とＵＷ間にそれぞれブレーカーを設け、電気器具を分割して使用する仕組みとすることを特徴とする請求項１と２と４と５に記載の、人力発電を電源とする体力トレーニング装置に関する。
7. 筋力トレーニング方法として、自分で発電した電力を電源とする音楽プレーヤーで楽曲を聞きながら、電動式筋力トレーニング器や各種電気器具を使用することを特徴とする請求項１と２と４と５と６に記載の、人力発電を電源とする体力トレーニング装置に関する。