JPH1035567A - 自転車用メータ - Google Patents

Abstract

(57)【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１
７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。

Description

【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Ｎ_CS及び
／又は回転数差ΔＮ_CS（Ｎ_CS−Ｎ_C ）、平均仕事率Ｗ_av
並びに現在のペダリング頻度Ｎ_C 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２
０、最適ペダリング頻度及び／又は回転数差表示部２
１、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Ｓ
３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55rp
m 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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】ハンガー部に内蔵されたトルクセンサの断面図
である。

【図３】本発明による自転車用メータの外観図である。

【図４】本発明による自転車用メータの機能ブロック図
である。

【図５】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。

【図６】本形態で用いられる仕事率と消費エネルギーと
の関係を示す図である。

【図７】本形態で用いられる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。

【図８】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。

【符号の説明】

１ 自転車用メータ ２ 自転車 ３ ハンドル ４ ペダル ５ クランク軸 ６ ハンガー部 ７ ワイヤ ８ トルクセンサ ９ 励磁／検出コイル １０ シールドヨーク １１ ハウジング部 １２ ナーリング（溝） １３ リード線 １４ ディスプレイ １５ スタート／ストップスイッチ １６ モードスイッチ １７ マイクロコンピュータ １８ クランク軸回転センサ １９ 仕事率表示部 ２０ 消費エネルギー表示部 ２１ 最適ペダリング頻度及び／又は回転数差表示部 ２２ 平均仕事率表示部 ２３ 現在のペダリング頻度表示部 Ｅ 消費エネルギー Ｎc １分間当たりに換算したペダリング頻度（クラン
ク軸回転数） Ｎcs 最適ペダリング頻度 Ｔ クランク軸１回転当たりの平均クランク軸トルク Ｗ 仕事率 Ｗav 平均仕事率 ΔＮcs（Ｎcs−Ｎc ） 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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。