JPH10179660A - 運動負荷調節装置および運動負荷調節方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運動負荷測定装置に用いられる運動負荷調節
装置の運動負荷付加装置として発電機を使用し、運動負
荷を正確に与えると共に、発生する機械損を保証するこ
とがなかったため、特に運動処方に使用する場合に低運
動負荷を必要とする被験者には使用しにくく、測定も正
確に行いにくいという課題があった。 【解決手段】 運動負荷発生部に交流の発電機１０を用
いて、機械損以下の設定運動負荷の場合は、発電機１０
を直流ブラシレスサーボモータ制御に切り替え、機械損
以上の設定運動負荷の場合は、発電機１０の出力を負荷
制御するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被験者に運動を
させることにより、被験者に運動負荷を与える運動負荷
調節装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の運動療法用腕固定装置を示
す断面図であり、図において、２１は運動療法装置とし
て使用されるエルゴバイク、２２はエルゴバイク２１の
ペダル、２３はエルゴバイク２１の座席、２４は座席２
３に座った状態でペダル２２を回転させる被験者、２５
は被験者２４の手首に装着され、被験者２４の血圧や脈
拍数等のバイタル情報を計測するセンサ、２６は被験者
２４の手首を載せる受け台である。

【０００３】次に動作について説明する。エルゴバイク
２１は負荷のかかったペダル２２を一定のペースでスピ
ーカ等から出るビープ音や回転数表示を被験者が確認し
ながらペダル２２の回転数を指定の回転数に合わせるよ
うにしていた。具体的には、被験者２４の手首に装着さ
れたセンサ２５が被験者２４の血圧や脈拍数等のバイタ
ル情報を計測し、その計測結果をエルゴバイク２１の図
示せぬ演算装置に出力する。そして、演算装置が、例え
ば、バイタル情報として計測された被験者２４の最高血
圧が予め設定された最高血圧より高くなったとき、又
は、バイタル情報として計測された被験者２４の最高脈
拍数が予め設定された最高脈拍数より高くなったとき、
ブザー等を鳴らすことによって被験者２４に警報を発
し、運動の中止を促すようにしている。

【０００４】上述のエルゴバイク２１の運動負荷とし
て、ペダル２２による回転を機械的に増速し、直流発電
機、交流発電機、渦電流ブレーキ、パウダブレーキ等を
使用し、スイッチング素子を使用して負荷を制御するも
のである。具体的には、直流又は交流発電機を用いる場
合は外部に抵抗器を接続し、スイッチング素子でパルス
幅変調制御（以下、ＰＷＭ制御という）を行い、負荷を
制御している。また、渦電流又はパウダ等のブレーキを
負荷として用いる場合は、励磁コイルに流す電流をＰＷ
Ｍ制御を行い、負荷を制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の運動負荷調節装
置は以上のように構成されているので、ペダル等から機
械的増速部を経て発電機又はブレーキに連結されている
ため、機械損が必ず発生しており、特にランプ（漸増ま
たは漸減）運動負荷を被験者に与えて、運動機能等を測
定し、運動処方をするような場合に、最小設定運動負荷
が機械損より小さくできないため、健常者の測定には余
り問題とならないが高齢者や病気治療を要する異常者の
測定を正確に行うことができないなどの課題があった。

【０００６】また、被験者が運動負荷測定を行う場合、
従来は一定の指定回転数とするために、一定のペースで
スピーカ等から出るビープ音や回転数表示を被験者が確
認しながらペダル等の回転数を指定の回転数に合わせる
ようにしていた。しかし、指定の回転数に合わせるため
に、そちらに相当の神経を使う必要があり、また、安定
して一定の回転数に保つことは非常に難しいなどの課題
があった。

【０００７】また、回転数に影響の無いように一定の出
力になるように制御すると、低速回転で負荷トルクが重
くなり過ぎ、高速では負荷トルクが軽くなり過ぎて、回
転数を一定に維持するのが益々難しくなる等の課題があ
った。

【０００８】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、発電機をサーボモータとして動作
させて、機械損を保証することにより、被験者が健常
者、高齢者、異常者、女性等に関わらず、被験者のバイ
タル情報を高精度で測定ができる運動負荷調整装置を得
ることを目的としている。

【０００９】また、この発明はペダルの回転数を一定に
保ちやすくし、運動負荷測定が精度良くできる運動負荷
調整装置を得ることを目的としている。

【００１０】さらに、この発明は回転数が低下してきて
も負荷トルクが重くならず、回転数が高くなっても負荷
トルクが軽くならない運動負荷調整装置を得ることを目
的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る運動負荷
調節装置は、運動負荷発生部に交流発電機を用いて、機
械損以下の設定運動負荷の場合は、発電機を直流ブラシ
レスサーボモータ制御に切り替え、機械損以上の設定運
動負荷の場合は、発電機の出力を負荷制御するようにし
たものである。

【００１２】この発明に係る運動負荷調節装置は、回転
数の下限、上限の範囲を設定し、実際のペダル回転数と
設定値とを比較演算することにより、運動負荷の制御を
定トルク制御、定出力制御、定パルス幅制御等に切り替
えるものである。

【００１３】この発明に係る運動負荷調節装置は、発電
機に負荷をかけることにより、発電機の温度が上昇して
永久磁石の磁力が低下したり、巻線の抵抗値が上昇した
りしても、指定の運動負荷が安定して得られるように温
度検出手段を備えて、負荷制御補正を行うものである。

【００１４】この発明に係る運動負荷調節装置は、交流
発電機を用いて負荷をかける場合、定格回転数近傍で最
大の負荷が取り出せるように、発電機の内部リアクタン
スと内部巻線抵抗を等しくするようにして、スイッチン
グ手段により発電機の出力を直接ＰＷＭ制御で開閉する
ものである。

【００１５】この発明に係る運動負荷調節装置は、交流
発電機を直流ブラシレスサーボモータとしても使用可能
としているが、発電機の回転数検出を直流ブラシレスサ
ーボモータの磁極位置センサを共用として使用し、ま
た、ペダル回転数の算出にも使用するものである。

【００１６】この発明に係る運動負荷調節装置は、制御
電源が未投入の場合や、制御開始前に、被験者がペダル
を高速で回転させた場合でも、発電機出力電圧が異常に
上昇して、半導体制御回路を破壊しないように、また、
被験者が危険にならないように発電機の出力を短絡し
て、スイッチ手段により負荷が重くなるようにしたもの
である。

【００１７】この発明に係る運動負荷調節装置は、制御
電源が未投入の場合や、制御開始前に、被験者がペダル
を高速で回転させた場合でも、発電機出力電圧が異常に
上昇して、半導体制御回路を破壊しないように、スイッ
チ手段により発電機出力と半導体回路を切り離すように
したものである。

【００１８】この発明に係る運動負荷調節装置は、ラン
プ運動負荷を交流発電機を使用し、直線性補正手段によ
り出力をＰＷＭ制御によりスイッチング素子で直接開閉
するようにしたものである。

【００１９】この発明に係る運動負荷調節方法は、運動
負荷設定値と機械損とを比較し、機械損が運動負荷設定
値より大きい場合は発電機をサーボモータに切り替えト
ルク制御し、機械損が運動負荷設定値より小さい場合
は、発電機出力を負荷として制御するようにしたもので
ある。

【００２０】この発明に係る運動負荷調節方法は、運動
負荷設定値と機械損とを比較し、機械損が運動負荷設定
値より大きい場合は発電機をサーボモータに切り替えト
ルク制御し、機械損が運動負荷設定値より小さい場合
は、発電機出力を負荷として制御し、ペダル回転数によ
り負荷の制御方法を切り替えるようにしたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による運
動負荷調節装置を備える運動負荷測定装置を示す側面図
であり、図において、１は運動負荷調節装置本体、２は
運動負荷調節装置本体１の両側で対となるペダル、３は
運動負荷調節装置本体１の両側で対となるクランク、４
はクランク軸に固定された大プーリＡ、５は中間軸の小
プーリＢ、６は同じく中間軸の小プーリＢに固定された
大プーリＣ、７は発電機軸に固定された小プーリＤ、８
は大プーリＡ４と小プーリＢ５とを連結するベルトＡ、
９は同じく大プーリＣ６と小プーリＤ７とを連結するベ
ルトＢ、１０は運動負荷発生部となる発電機、１１は運
動負荷制御用マイクロコンピュータやスイッチング素子
やサーボモータ制御部等で構成される動力制御部であ
り、これらは運動負荷調節装置本体１内に収納されてい
る。

【００２２】また、１２はバイタル情報や各種演算処理
結果等を表示するＣＲＴ、液晶等の表示器、１３は運動
負荷調節装置本体１のケース、１４は表示器１２の画面
表面に取り付けられ、各種操作を行うためのタッチパネ
ル、１５はバイタル情報や各種演算処理の結果を記録す
るプリンタ、１６は被験者の血圧／脈拍センサ等のバイ
タルセンサ２００（後述説明）からのバイタル情報を収
集演算制御するバイタル情報処理部、１７は運動負荷調
節装置本体１への負荷制御やバイタル情報処理部１６か
らのデータ取り込みやプリンタ１５や表示器１２やタッ
チパネル１４等を制御する情報制御部、１８は被験者が
運動負荷を測定する際に座る椅子である。

【００２３】図２はこの発明の実施の形態１による運動
負荷調節装置の動力制御部と情報制御部との構成を示す
回路図であり、図において、図１と同一の符号について
は同一または相当部分を示すので説明を省略する。１０
ａは発電機１０を直流ブラシレスサーボモータとして使
用する際の回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサ
で、三相の場合は１２０度毎に３個使用される。１０ｂ
は発電機のフレームや巻線等に取り付けて発電機の温度
を検出する温度センサで運動負荷発生部は構成されてい
る。

【００２４】また、運動負荷調節装置本体１内の動力制
御部１１は次のように構成されている。１１ａはマイク
ロコンピュータ等で構成される演算制御部、１１ｂはダ
イオードＤ１で三相ダイオードブリッジＤＳを構成し、
三相ダイオードブリッジＤＳと並列に接続するパワート
ランジスタやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング
素子ＴＲ１で同様に構成された三相スイッチング素子ブ
リッジＴＳで構成された混合ブリッジ、１１ｃはサーボ
モータ制御部、１１ｄはパワートランジスタやＭＯＳＦ
ＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子ＴＲ２と、発電機
１０の電流を検出するための抵抗Ｒ１と、発電機１０の
出力電圧検出用の分圧用抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３とスイッチ
ング素子ＴＲ２の遮断時に発生するサージ電圧吸収用の
非直線抵抗素子ＺＮで構成された運動負荷制御部を構成
している。

【００２５】また、１１ｅは磁極位置センサ１０ａの信
号を用いて発電機１０の回転数を検出する回転数検出
部、１１ｆは運動負荷制御を行うためのＰＷＭ制御部、
１１ｇは異常通報やペダル回転数のペースメーカとして
のビープ音発生用のブザー、１１ｈは発電機１０の負荷
制御か、発電機１０をサーボモータとして駆動トルクを
発生させるかを切り替えるリレー等の切替スイッチ部、
切替スイッチ部１１ｈにより、切り替えたサーボモータ
側には図示しない直流電源のＤＣ＋に接続されている端
子ａとＤＣ−に接続されている端子ｂが接続されてい
る。１１ｉは制御電源未投入や運動負荷を未制御中の発
電機１０の出力を短絡するようにしたリレー等の短絡ス
イッチ部、１１ｊは制御電源未投入や運動負荷を未制御
中発電機と混合ブリッジ１１ｂを切り離すようにしたリ
レー等の解放スイッチ部、１１ｋは情報制御部１７との
通信用インターフェイスである。なお、短絡スイッチ部
１１ｉと解放スイッチ部１１ｊは併用しても単独に用い
てもよい。

【００２６】また、被験者の運動負荷の測定演算制御部
としての情報制御部１７は以下のように構成されてい
る。まず、１７ａは被験者の異常呼び出し、正常確認用
等の入力信号や異常通報、異常表示用等の出力をする外
部操作部、１７ｂは処理データ等を記憶するＦＤＤ、Ｈ
ＤＤ、ＩＣメモリ等の外部記憶部、１７ｃは被験者に運
動負荷測定装置の操作説明等の音声、測定中にリラック
スさせるためのバックグラウンドミュージック（以下、
ＢＧＭ）等を発生させるスピーカ、１７ｄは運動負荷調
節装置本体１の演算制御部１１ａと通信をするための通
信用インターフェイス、１７ｅはバイタルセンサ２００
のセンサ信号を受けて血圧／脈拍等を検出演算処理をす
るバイタル情報処理部１６の信号と、外部操作部１７ａ
の信号と、タッチパネル１４の信号等を受けて演算処理
をして、表示器１２への表示、プリンタ１５への処理結
果の印刷表示、運動負荷調節装置本体１への運動負荷指
令出力等を制御するマイクロコンピュータ等で構成され
ている。

【００２７】図３はこの発明の実施の形態１による運動
負荷調節装置で用いられるバイタルセンサの構造を示す
断面図、図４は図３のバイタルセンサで測定された脈拍
毎の血圧波形を示す波形図であり、図において、２００
は一般に間接的連続血圧測定法としてのトノメータ法と
して知られているバイタルセンサであり、被験者の手首
等に装着して被験者の血圧／脈拍を測定する。２００ａ
は内側に空気圧室を持つセンサフレーム、２００ｂは圧
力センサエレメント、２００ｃは圧力センサエレメント
２００ｂの固定台、２００ｄはセンサーフレーム２００
ａの内側の空気圧室を圧力センサエレメント２００ｂの
固定台２００ｃで囲み、かつ固定台２００ｃを可動可能
に取り付け密封するダイヤフラムである。

【００２８】このバイタルセンサ２００の測定原理を説
明すると、まず、バイタルセンサ２００を手首に取り付
けると、圧力センサエレメント２００ｂが被験者の手首
の皮膚２１０ａを通して、橈骨動脈の血管２１０ｂをセ
ンサフレーム２００ａ内の空気圧室の圧力を受けて押圧
する。これにより、橈骨動脈の血管２１０ｂは橈骨２１
０ｃに挟まれて橈骨動脈の血管２１０ｂの圧力センサエ
レメント２００ｂ側が扁平となり、橈骨動脈の血管２１
０ｂ内の１脈拍毎の血圧を圧力センサエレメント２００
ｂが検出することとなる。この検出信号としては、図４
に示されるような動脈波形が観測される。

【００２９】次に動作について説明する。図５はこの発
明の実施の形態１による運動負荷調節装置を備える運動
負荷測定装置全体の動作を示すフローチャートである。
まず、初期処理が実行されることにより、内部設定の運
動負荷設定量、内部タイマー等がクリアされる（ステッ
プＳＴ１）。また、必要に応じて、運動負荷調節装置本
体の動力制御部１１へも通信指令を出して必要な設定量
を指示しても良い。次に、被験者の年齢、性別、体重、
運動効率、体力レベル、測定時間、血圧・脈拍・ＰＲＰ
（Presure Rate Product：脈拍数と収縮期血圧の積）等
の目標値や前回測定値や測定値のトレンド等の各種設定
を行う（ステップＳＴ２）。そして、運動療法の測定モ
ードの選択を行い（ステップＳＴ３）、定出力運動負荷
の出力値を設定し（ステップＳＴ４）、定トルク運動負
荷のトルク値を設定する（ステップＳＴ５）。

【００３０】次に、各種目標値の選択を行い（ステップ
ＳＴ６）、血圧の目標値をステップＳＴ２で入力した値
を読み込むとともに（ステップＳＴ７）、脈拍の目標値
をステップＳＴ２で入力した値を読み込み（ステップＳ
Ｔ８）、ＰＲＰの目標値をステップＳＴ２で入力した値
を読み込む（ステップＳＴ９）。次に、バイタルセンサ
からのデータを読み取り（ステップＳＴ１０）、脈波デ
ータから脈波振幅、脈波微分値、脈波振幅の時間波形信
号、収縮期血圧、拡張期血圧、平均血圧、脈拍数、収縮
期血圧と脈拍数との積（ＰＲＰ）等のバイタル情報を演
算し、更に、脈拍数、血圧、ＰＲＰの時間変化と変曲点
の算出をする（ステップＳＴ１１）。

【００３１】次に、ステップＳＴ７、ＳＴ８、ＳＴ９で
読み込んだ目標値とステップＳＴ１１で算出した実測値
と比較し（ステップＳＴ１２）、実測値が目標値より大
きくなった場合は、運動負荷量を所定量減じる（ステッ
プＳＴ１３）。一方、実測値が目標値より小さい場合
は、負荷モードがランプ出力負荷か否かを判断する（ス
テップＳＴ１４）。そして、負荷モードがランプ出力負
荷である場合、又は運動負荷を増加させると判断した場
合は、運動負荷量を所定量増やす（ステップＳＴ１
５）。一方、ステップＳＴ１４で負荷モードがランプ出
力負荷で無い場合又は運動負荷量を変更せず継続すると
判断した場合は、運動負荷量を変化させずにステップＳ
Ｔ１６へ進む。

【００３２】次に、ステップＳＴ１６においては、ステ
ップＳＴ１３又はステップＳＴ１５で設定された運動負
荷量を設定値として運動負荷調節装置本体１の制御部で
受信し、運動負荷調節を行う（ステップＳＴ１６）。な
お、詳細動作については、図６のフローチャートに基づ
き後述する。そして、ＣＲＴ、液晶等の表示器１２やプ
リンタ１５に表示し（ステップＳＴ１７）、必要によっ
てはＦＤＤ、ＨＤＤ、ＩＣメモリ等の外部記憶部１７ｂ
に記憶させたり、外部操作部１７ａに信号出力を送った
り、音声や音楽をスピーカ１７ｃで鳴らしたりする。

【００３３】次に、異常発生の有無を判定し（ステップ
ＳＴ１８）、異常が無ければ、更に設定時間内かどうか
判定し（ステップＳＴ１９）、設定時間内であれば、再
びステップＳＴ１０へ進み、上記処理を繰り返す。一
方、ステップＳ１８で異常が発生していた場合は、異常
内容を表示器等に表示し（ステップＳＴ２０）、全ての
運動負荷測定装置の動作の停止処理を行い、終了する
（ステップＳＴ２１）。また、ステップＳＴ１９で設定
時間となっている場合には、ステップＳＴ２０での表示
処理を実行することなく、全ての運動負荷測定装置の動
作の停止処理を行い、終了する（ステップＳＴ２１）。
なお、停止処理としては、各種演算結果の図示しない内
部記憶装置への格納、運動負荷を除々に減少させるクー
ルダウン処理等も行う。

【００３４】次に、ステップＳＴ３でランプ出力負荷が
選択された場合には、ランプ出力負荷の最大値、ランプ
出力負荷の時間当たりの運動負荷の増加率等が設定され
（ステップＳＴ２２）、この測定が運動処方用かどうか
判断され（ステップＳＴ２３）、運動療法であれば、ス
テップＳＴ６に進み上述の動作となる。一方、運動処方
であれば、バイタルセンサからのデータを読み取り（ス
テップＳＴ２４）、脈波データから脈波振幅、脈波微分
値、脈波振幅の時間波形信号、収縮期血圧、拡張期血
圧、平均血圧、脈拍数、収縮期血圧と脈拍数との積（Ｐ
ＲＰ）等のバイタル情報を演算し、更に、脈拍数、血
圧、ＰＲＰの時間変化と変曲点の算出をする（ステップ
ＳＴ２５）。

【００３５】次に、運動負荷量を所定量増やし（ステッ
プＳＴ２６）、運動負荷調節装置本体１の制御部で受信
し、運動負荷調節を行う（ステップＳＴ２７）。そし
て、ＣＲＴ、液晶等の表示器１２やプリンタ１５に表示
し（ステップＳＴ２８）、必要によってはＦＤＤ、ＨＤ
Ｄ、ＩＣメモリ等の外部記憶部１７ｂに記憶させたり、
外部操作部１７ａに信号出力を送ったり、音声や音楽を
スピーカ１７ｃで鳴らしたりする。

【００３６】そして、異常発生の有無を判定し（ステッ
プＳＴ２９）、異常が発生した場合はステップＳＴ２０
へ進む。一方、異常が発生していない場合は、ステップ
ＳＴ２５で演算算出されたＰＲＰの変曲点が得られたか
どうか判断し（ステップＳＴ３０）、変曲点が得られて
いない場合は、運動負荷量が最大設定値になったかどう
か判断し（ステップＳＴ３１）、最大設定値になってい
る場合は、ステップＳ２１へ進み停止処理を行い終了す
る。一方、最大設定値になっていない場合は、ステップ
ＳＴ２４へ進み、上述の動作を繰り返す。

【００３７】次に、運動負荷調節装置の動作を説明す
る。図６はこの発明の実施の形態１による運動負荷調節
装置の動作を示すフローチャートである。まず、初期処
理が実行され（ステップＳＴ６１）、入力、及び各種出
力を設定するが、ここで切替スイッチ部１１ｈを発電機
出力側へ、短絡スイッチ部１１ｉを発電機１０の出力を
短絡する側へ、ＰＷＭ制御部１１ｆの出力をＯＦＦに設
定する。また、発電機１０の出力電圧定数、巻線抵抗、
インダクタンス、機械的増速率等も必要に応じて設定す
る。次に、運動負荷測定装置の制御部で設定された運動
負荷量の設定値、運転開始信号を読み込み（ステップＳ
Ｔ６２）、運動負荷制御開始かどうか判断する（ステッ
プＳＴ６３）。そして、制御開始を待ち、制御開始で短
絡スイッチ部１１ｉのリレーをＯＮして発電機出力の短
絡を解除し（ステップＳＴ６４）、発電機１０の温度を
検出し、補正値を算出する（ステップＳＴ６５）。

【００３８】ここで、発電機１０の巻線抵抗の温度補正
後の巻線抵抗値Ｒｔは、 Ｒｔ＝Ｒ２０［１＋ｋ２０（ｔ−２０）］ ・・・（１） Ｒ２０：２０度Ｃの抵抗値 ｋ２０：２０度Ｃの抵抗の温度係数 ｔ：測定時の巻線推定温度

【００３９】次に、発電機１０の回転子の永久磁石の温
度係数による発電電圧の温度補正後の発電電圧Ｅｔは、 Ｅｔ＝Ｅ２０［１−ｊ２０（ｔ−２０）］ ・・・（２） Ｅ２０：２０度Ｃの出力電圧 ｊ２０：２０度Ｃの電圧温度係数 ｔ：測定時の回転子の永久磁石の推定温度 なお、サーボモータの駆動トルク出力は、電流検出によ
るフィードバックがなされており補正を特別には必要無
いが、上記推定温度により、補正しても良い。

【００４０】次に、サーボモータの回転子の磁極位置セ
ンサ信号により、発電機１０の回転数を検出し、併せ
て、ペダル軸の回転数を機械的増速率の比率より算出す
る（ステップＳＴ６６）。次に、ステップＳＴ６２で読
み込んだ運動負荷設定値と運動負荷調節装置のペダル軸
から発電機軸までの増速部を含めた機械損と比較して
（ステップＳＴ６７）、機械損の方が大きい場合は、発
電機１０をサーボモータとして動作するように発電機１
０、サーボモータ切替スイッチ部のスイッチをサーボモ
ータ駆動側に切替、図示しない直流電源に発電機を接続
して、駆動出力トルクを発生させペダル軸の運動負荷を
補償することにより（ステップＳＴ６８）、設定値に精
度良く運動負荷量を合わせる。ペダル軸換算の補償出力
トルクは、

【００４１】 ＴＭ＝（Ｐ−ＰＭ）／Ｎ ・・・（３） Ｐ：運動負荷設定出力（Ｗ） Ｎ：ペダル軸の回転数 ＰＭ：ペダル軸でのＮ回転における機械損

【００４２】 ＰＭ＝１．０２７×Ｎ×ＴＮ ・・・（４） ＴＮ＝Ｔ０＋ＫＭ×Ｎ ・・・（５） ＴＮ：ペダル軸でのＮ回転における機械損トルク Ｔ０：ペダル軸回転がほぼ停止状態の動トルク ＫＭ：動トルクの回転数当たりの増加比例係数

【００４３】ステップＳＴ６７で設定値の方が機械損よ
り大きい場合は、発電機１０をサーボモータへ切り替え
る切替スイッチ部のスイッチを発電機側に接続し、発電
機１０の出力をダイオードブリッジで整流し、負荷制御
部でＰＷＭ制御をして運動負荷を制御する（ステップＳ
Ｔ６９）。ここで、発電機の負荷は、設定値から機械損
を引いた差分であるから、

【００４４】 ＰＥ＝Ｐ−ＰＭ ・・・（６） ＰＥ：発電機の電気的負荷

【００４５】従って、発電機の電気的負荷は ＰＥ＝（ＩＤ＾２×Ｒｔ）／（２×Ｋ１） ・・・（７） ＩＤ＝ＥＤ／Ｚｔ ・・・（８） ＥＤ＝ＫＥｔ×ｎ×６＾０．５ ・・・（９） ｆ＝（ＰＯＬ×ｎ）／１２０ ・・・（１０） Ｋ２＝ｎ／Ｎ ・・・（１１） Ｚｔ＝（（６．２８×ｆ×Ｌ）＾２＋Ｒｔ＾２）＾０．５ ・・・（１２） ＩＤ：三相全波整流後電流 Ｒｔ：発電機の１相分抵抗 Ｋ１：三相全波整流波形率 ＥＤ：三相全波整流後電圧 Ｚｔ：発電機の１相分インピーダンス ＫＥｔ：発電機発電電圧定数（温度補正後） ｎ：発電機回転数 ｆ：発電機の発電周波数 ＰＯＬ：発電機の極数 Ｋ２：機械的増速率 Ｌ：発電機の１相分インダクタンス

【００４６】以上に算出された電気的負荷に基づきＰＷ
Ｍ制御により、発電機の負荷制御は実施されるが、上述
のように交流発電機を使用して発電機出力を直接スイッ
チング素子で開閉すると発電機のインダクタンス分によ
る電流の立ち上がり遅れが大きく発生するため、ＰＷＭ
制御の周期をペダル回転に負荷の脈動が影響しない早さ
まで早くすると（ＰＷＭ制御周期で約８ｍ秒以下）発電
機のＬ／Ｒ時定数の影響で制御負荷の小さい領域で設定
値より小さい負荷となってしまうため、ＰＷＭ制御のＯ
Ｎ時間に補正係数Ｋ３を乗算して直線性の補正をする。
なお、設定負荷値に対する直線性補正係数は、

【００４７】 Ｋ３＝矩形波実効電力／実際の実効電力 ・・・（１２） となる。

【００４８】次に、ペダルに於ける運動負荷量は、上述
のようにＰ＝１．０２７×Ｎ×Ｔとなるために、定出力
制御の場合、ペダル軸の回転トルクが回転数に反比例し
て重くなるため、低速では異常に重くなり、高速では異
常に軽くなると言う現象が発生し、運動負荷測定をする
場合、測定精度を上げるため極力一定速でペダル２を回
転させる必要がある。そのために前述のような特性を持
たせるとペダル回転数を一定速に保ちにくいため、回転
数の判別を実施する（ステップＳＴ７０）。なお、回転
数の下限（約４０回転）と上限（約７０回転）の間は定
出力制御そのままとなるのでステップＳＴ７３へ進む。

【００４９】ステップＳＴ７０での判断の結果、回転数
の下限未満では定トルク負荷制御とし（ステップＳＴ７
１）、回転数の上限超過で上限時の負荷設定値の算出パ
ルス幅で一定とする負荷制御とする（ステップＳＴ７
２）。次に、装置の通信異常、運動負荷の制御異常等を
判別し（ステップＳＴ７３）、アラーム出力を主制御部
へ送出し（ステップＳＴ７４）、制御を中止し、無負荷
の状態へ移行する（ステップＳＴ７５）。そして、短絡
スイッチ部１１ｉのスイッチで発電機の出力を短絡する
（ステップＳＴ７６）。

【００５０】一方、ステップＳＴ７３で異常が無かった
場合は、ステップＳＴ７７で主制御部へ回転数データ等
を送信し（ステップＳＴ７７）、また、ペダル回転数を
一定速に保ちやすくするためのペースメーカ用ビープ音
をブザーより発生させて（ステップＳＴ７８）、ステッ
プＳＴ６２へ進み、上述の動作を繰り返す。以上、本発
明の実施の一形態を説明したが、この他に例えば、運動
負荷制御部１１ｄのスイッチング素子ＴＲ２に替えて、
混合ブリッジ１１ｂ内の三相スイッチング素子ブリッジ
ＴＳを使用して運動負荷制御を行うようにしてもよい。
この場合には、三相ダイオードブリッジＤＳにより整流
した後、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチングをしてもよく、ま
た、三相出力を直接スイッチングしてもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、運動
負荷発生部に交流発電機を用いて、機械損以下の設定運
動負荷の場合は、発電機を直流ブラシレスサーボモータ
制御に切り替え、機械損以上の設定運動負荷の場合は、
発電機の出力を負荷制御するように構成したので運動負
荷の小さい場合でも精度良く設定ができる効果がある。
また、機械損のみをサーボモータとして保証するのみで
良いためサーボモータ制御部は小さい容量のもので構成
できる効果がある。

【００５２】この発明によれば、回転数の下限、上限の
範囲を設定し、実際のペダル回転数と設定値とを比較演
算することにより、運動負荷の制御を定トルク制御、定
出力制御、定パルス幅制御とに切り替えるように構成し
たため、ペダルの回転数を一定に保ちやすくなり、運動
負荷測定が精度良くできる効果がある。

【００５３】この発明によれば、発電機に負荷をかける
ことにより、発電機の温度が上昇して永久磁石の磁力が
低下したり、巻線の抵抗値が上昇したりしても、指定の
運動負荷が安定して得られるように温度検出手段を備え
て、負荷制御補正を行うように構成したため、発電機の
温度を限界まで使用しても負荷調節特性を補正すること
ができるとともに、高精度制御ができ、且つ発電機を小
形にできる効果がある。

【００５４】この発明によれば、交流発電機を用いて負
荷をかける場合、定格回転数で最大の負荷が取り出せる
ように、発電機の内部リアクタンスと内部巻線抵抗を等
しくするようにして、スイッチング手段により発電機の
出力を直接ＰＷＭ制御で開閉するように構成したので、
外部の負荷抵抗を省略でき、発電機の熱容量の大きな構
成物で負荷を消費できる効果がある。

【００５５】この発明によれば、交流発電機を直流ブラ
シレスサーボモータとしても使用可能としているが、発
電機の回転数検出を直流ブラシレスサーボモータの磁極
位置センサを共用として使用し、また、ペダル回転数の
算出にも使用するように構成したので、回路が簡単にな
り、外付けのセンサが不要となり、構造が簡単になる効
果がある。

【００５６】この発明によれば、制御電源が未投入の場
合や、制御開始前に、被験者がペダルを高速で回転させ
た場合でも、発電機出力電圧が異常に上昇して、半導体
制御回路を破壊しないように、また、被験者が危険にな
らないように発電機の出力を短絡して、スイッチ手段に
より負荷が重くなるように構成したので、制御電源が入
っていないときや、制御開始前でも被験者が勝手に高速
回転にしたりすることがなくなり、発電機の出力電圧が
異常に高くなり、内部の半導体制御素子を破壊したりす
ることを防止したり、被験者が異常に高速で回転させる
こともないため安全性が高い等の効果がある。

【００５７】この発明によれば、制御電源が未投入の場
合や、制御開始前に、被験者がペダルを高速で回転させ
た場合でも、発電機出力電圧が異常に上昇して、半導体
制御回路を破壊しないように、スイッチ手段により発電
機出力と半導体回路を切り離すように構成したので、制
御電源が入っていないときや、制御開始前でも被験者が
勝手に高速回転にしたりして発電機の出力電圧が異常に
高くなっても、内部の半導体制御素子を破壊したりする
ことを防止することができる効果がある。

【００５８】この発明によれば、ランプ運動負荷を交流
発電機を使用し、直線性補正手段の出力をＰＷＭ制御に
よりスイッチング素子で直接開閉するように構成したの
で、運動負荷設定値に対する直線性が改善でき、運動負
荷測定が正確にできる効果がある。

【００５９】この発明によれば、運動負荷設定値と機械
損とを比較し、機械損が運動負荷設定値より大きい場合
は発電機をサーボモータに切り替えトルク制御し、機械
損が運動負荷設定値より小さい場合は、発電機出力を負
荷として制御するように構成したので、全ての被験者に
対応可能な運動負荷調節を提供できる効果がある。

【００６０】この発明によれば、運動負荷設定値と機械
損とを比較し、機械損が運動負荷設定値より大きい場合
は発電機をサーボモータに切り替えトルク制御し、機械
損が運動負荷設定値より小さい場合は、発電機出力を負
荷として制御し、ペダル回転数により負荷の制御方法を
切り替えるように構成したので、ペダル回転数が安定し
て得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による運動負荷調節
装置を備える運動負荷測定装置を示す側面図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による運動負荷調節
装置の動力制御部と情報制御部との構成を示す回路図で
ある。

【図３】 この発明の実施の形態１による運動負荷調節
装置で用いられるバイタルセンサの構造を示す断面図で
ある。

【図４】 図３のバイタルセンサで測定された脈拍毎の
血圧波形を示す波形図である。

【図５】 この発明の実施の形態１による運動負荷調節
装置を備える運動負荷測定装置全体の動作を示すフロー
チャートである。

【図６】 この発明の実施の形態１による運動負荷調節
装置の動作を示すフローチャートである。

【図７】 従来の運動療法用腕固定装置を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

２ ペダル、１０ 発電機、１１ 動力制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水庫 功 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被験者がビープ音や回転数表示を確認し
   ながら指定の回転数に合わせるペダルと、上記ペダルに
   接続された増速手段を経由して連結された発電機と、上
   記発電機にダイオードとスイッチング素子を並列接続し
   たブリッジと、上記ブリッジに接続したサーボモータ制
   御手段と、上記ブリッジに接続した運動負荷制御用のス
   イッチング素子と、運動負荷設定値と機械損を差分の演
   算と上記サーボモータ制御手段へのトルク制御指令と上
   記運動負荷制御用のスイッチング素子、または上記スイ
   ッチング素子の何れかを用いたスイッチング手段へのパ
   ルス幅変調制御指令をする動力制御部とを備えた運動負
   荷調節装置。
2. 【請求項２】 動力制御部は、被験者に与える運動負荷
   の設定値が運動負荷装置の機械損より、小さい場合には
   発電機をサーボモータとして設定値と機械損の差分をサ
   ーボモータ制御手段に指令し、ペダルに駆動トルクとし
   て付与し、設定値が機械損より大きくなった場合に上記
   発電機の発電電力を上記運動負荷制御用スイッチング素
   子手段でパルス幅変調制御することにより、ペダル回転
   の運動負荷特性を変えることを特徴とする請求項１記載
   の運動負荷調節装置。
3. 【請求項３】 被験者がビープ音や回転数表示を確認し
   ながら指定の回転数に合わせるペダルと、上記ペダルに
   接続された増速手段を経由して連結された発電機と、上
   記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、上記発電
   機にダイオードとスイッチング素子を並列接続したブリ
   ッジと、上記ブリッジに接続した運動負荷制御用のスイ
   ッチング素子と、運動負荷設定値と機械損を差分の演算
   し、上記運動負荷制御用のスイッチング素子、または上
   記スイッチング素子の何れかを用いたスイッチング手段
   へのパルス幅変調制御指令演算と回転数による負荷特性
   演算をする動力制御部とを備えた運動負荷調節装置。
4. 【請求項４】 動力制御部は、上記被験者に与える運動
   負荷設定値と上記運動負荷装置の機械損との差分の演算
   結果に基づき、上記発電機の発電電力を上記運動負荷制
   御用スイッチング手段をパルス幅変調制御することによ
   り、ペダル回転の運動負荷特性を変えるようにし、更
   に、被験者のペダル回転数により、下限の設定回転数よ
   り低い場合は定トルクまたは一定パルス幅の何れかの負
   荷制御とし、上限の回転数より高い場合は指定の一定パ
   ルス幅または定トルクの何れかの制御負荷に切り替える
   切替手段とを備えたことを特徴とする請求項３記載の運
   動負荷調節装置。
5. 【請求項５】 発電機の温度を検出する温度検出手段
   と、この温度検出手段から得られた上記発電機の温度に
   応じて、運動負荷制御用スイッチング手段へのパルス幅
   変調制御手段へ運動負荷特性を演算補正する演算手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうち
   のいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
6. 【請求項６】 発電機は交流発電機であり、交流発電機
   の内部インピーダンスを定格回転数近傍において、内部
   巻線抵抗を内部リアクタンスと等しくなるようにしたこ
   とを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか
   １項記載の運動負荷調節装置。
7. 【請求項７】 発電機はサーボモータとして使用可能な
   直流ブラシレスサーボモータ方式であるとともに、上記
   直流ブラシレスサーボモータの磁極位置センサは発電機
   回転数検出センサとし、ペダル回転数を演算することを
   特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項
   記載の運動負荷調節装置。
8. 【請求項８】 ダイオードブリッジの出力端に出力を短
   絡するような短絡手段を備え、運動負荷制御をしないと
   きに短絡手段で出力を短絡するようにしたことを特徴と
   する請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の
   運動負荷調節装置。
9. 【請求項９】 発電機とブリッジとの間に上記発電機の
   出力とブリッジとを解放する解放手段を備え、運動負荷
   制御をしないときに上記発電機と上記ブリッジとを解放
   するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項４
   のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装置。
10. 【請求項１０】 発電機は交流発電機であり、この交流
    発電機のパルス幅変調制御手段により、直接スイッチン
    グ素子でＯＮ、ＯＦＦして運動負荷特性を変えるように
    した構成において、交流発電機の内部巻線抵抗と内部巻
    線インダクタンスによる時定数による遅れ電流変化分と
    を補正演算し、運動負荷制御用のスイッチング素子への
    パルス幅変調制御手段に対して運動負荷特性を演算補正
    する演算補正手段を備えたことを特徴とする請求項１か
    ら請求項４のうちのいずれか１項記載の運動負荷調節装
    置。
11. 【請求項１１】 被験者に運動をさせることにより、被
    験者に運動負荷を与えるためのランプ運動負荷を設定生
    成し、運動負荷設定値と機械損との比較を行い、上記ラ
    ンプ負荷の増加に伴ってサーボモータ制御による駆動ト
    ルクを出力するか、または発電機負荷制御に切り替える
    かを選択し、サーボモータ制御による駆動トルク出力を
    演算、または発電機の負荷制御演算を実行する運動負荷
    調節方法。
12. 【請求項１２】 被験者に運動をさせることにより、被
    験者に運動負荷を与えるためのランプ運動負荷を設定生
    成し、運動負荷設定値と機械損との比較を行い、上記ラ
    ンプ負荷の増加に伴ってサーボモータ制御による駆動ト
    ルクを出力するか、または発電機負荷制御に切り替える
    かを選択し、サーボモータ制御による駆動トルク出力を
    演算、または発電機の負荷制御演算を実行するととも
    に、上記サーボモータの回転数を検出し、実際の回転数
    と下限及び上限設定回転数とを比較し、この回転数の比
    較結果により、定トルク制御、定出力制御、定パルス幅
    制御等の負荷制御方法に切り替える運動負荷調節方法。