(57)【要約】【課題】歩行速度、運動強度、または消費カロリーなどの有益な歩行関連情報を歩数と併せて提供する歩数計において、歩行関連情報が公知の数値内容と合わないといった問題を経験した。本発明は、このような問題点に鑑み、提供される歩行関連情報が少なくとも実用上の正確さをもち、さらに正確さを高めることができる、構造が単純で経済的に安価な歩数計に関する技術の提供を課題とする。【解決手段】本発明は課題解決のため、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を区分線形関数で捉え、歩行速度に対する運動強度の関係を公知の数値に基づいて区分線形関数で表し、これらから導かれる歩行速度と運動強度の演算式を分割区間で回帰分析して単純化する技術を基本とする。正確さを高めるため、歩数計利用者の歩行特性を歩数計に簡単に反映させる技術も提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する線形関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備えた歩数計であって、前記線形関数の傾きと切片が前記設定手段にさらに設定でき、かつ、前記線形関数の傾きと切片は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる区分二次関数に基づいて導き出される１つの回帰直線の傾きと切片であり、前記１つの回帰直線は、前記区分二次関数に対し、前記区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間で回帰分析を行って得られる１つの回帰直線であり、前記区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする歩数計。
【請求項２】
歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備えた歩数計であって、前記区分線形関数の特性を定める区間ごとの線形関数の傾きと切片、および隣接区間との区分点が前記設定手段にさらに設定でき、かつ、前記区分線形関数の特性を定める区間ごとの線形関数の傾きと切片、および隣接区間との区分点は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる区分二次関数に基づいて導き出される新たな区分線形関数の特性を定める区間ごとの線形関数の傾きと切片、および隣接区間との区分点であり、前記新たな区分線形関数は、前記区分二次関数に対し、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな区分線形関数であり、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする歩数計。
【請求項３】
歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備えた歩数計であって、前記区分線形関数は、歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる区分二次関数に基づいて導き出される新たな区分線形関数であり、前記新たな区分線形関数は、前記区分二次関数に対し、前記歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな区分線形関数であり、前記歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする歩数計。
【請求項４】
前記演算手段ではさらに、前記歩行速度を歩行速度に関する運動強度関数の式に代入して得られる結果を運動強度として算出し、前記運動強度関数は、歩行速度に対する運動強度の関係が表された区分線形関数に第１の操作、または第２の操作を行って得られる関数であって、前記第１の操作は、区分線形関数を、区間をすべて含んで複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな区分線形関数に置き換える操作とし、前記第２の操作は、区分線形関数を、区間の線形関数の傾きが、連続区間で漸次非減少のときは、連続区間を区間の線形関数の関数値の最大値を選出する最大値関数とする新たな１つの区間とし、連続区間で漸次非増加のときは、連続区間を区間の線形関数の関数値の最小値を選出する最小値関数とする新たな１つの区間とし、そのいずれでもないときは、連続区間から区間を１つ減じ、置き換えがなされていない連続区間がなくなるまで前記第２の操作を繰り返して新たな関数に置き換える操作とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の歩数計。
【請求項５】
前記演算手段ではさらに、前記歩行速度と前記運動強度とに歩行時間を乗じて歩行距離とエクササイズとを算出し、前記エクササイズに基礎代謝量を乗じて消費カロリーを算出し、前記歩数計測手段で計測された歩数と併せて前記演算手段で算出された歩行速度、歩行距離、運動強度、エクササイズ、または消費カロリーを表示する表示手段とを備え、前記基礎代謝量を、前記設定手段に設定された身長に加えて設定された歩数計利用者の体重の値、もしくは前記体重に係数１．０５を乗じた値、もしくは前記設定手段にさらに加えて設定された歩数計利用者の性別と年齢および前記身長と前記体重とから計算される値のいずれかとすることを特徴とする請求項４に記載の歩数計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行時の歩数を計測し、歩数と併せて歩行速度、歩行距離、運動強度、消費カロリー、または脂肪燃焼量などの歩行関連情報を提供する歩数計に関する。
【背景技術】
【０００２】
歩数計の歩数計測の原理は振り子式、或いは加速度センサ式があり、機能は基本の歩数の計測のみ、或いは歩数の計測と併せて歩行関連情報の演算など、多くの種類の歩数計が市販されている。
【０００３】
歩数計の計測歩数に関しては、ＪＩＳ（日本工業規格ＪＩＳ  Ｓ  ７２００）で誤差が規定（±３％）されているため、誤差内で正確な歩数値を得ることが出来る。
【０００４】
歩数計の提供する歩行関連情報のなかでも消費カロリーまたは脂肪燃焼量は、歩数計を健康管理に活用している利用者には有益な情報である。しかし、歩行関連情報に関しては、歩数のように規格が定められていない。そして、歩数計製造者の独自の演算方式が採用されているため、現状ではその正確さに関して予想がつかない。
【０００５】
本願発明者は健康状態改善のためにウォーキング（以下では歩行を同意語として使う）を日課としてきた。歩数計を携帯して歩行距離と歩行時間の基本データ（以下ではこの２量を原始データと呼ぶ）と、歩数計が提供する歩数および消費カロリー、脂肪燃焼量などの歩行関連情報を、歩行データとして記録してきた。予め歩行コースをいくつか定めてその距離を地図で測っておいた。そして、この予め測ったコース距離と歩行時に計った時間を原始データとして記録した。
【０００６】
本願発明者は市の開催した健康づくりのための説明会に参加する機会があった。この時に厚生労働省の運動施策の一環として報告された「健康づくりのための運動指針２００６＜エクササイズガイド２００６＞」の説明を受け、運動強度（メッツ）、エクササイズ、消費カロリーおよび脂肪燃焼量などの諸量の間の関係、歩行速度と運動強度の関係などの知識を得た。この知識を用いて、歩行記録の原始データからその歩行での消費カロリーを計算し、歩数計の消費カロリー表示値と比較し分析することにした。上記の諸量の間の関係、そして歩行速度と運動強度の関係は、今回の発明に深く関わるため、分析結果を述べる前に詳述する。
【０００７】
厚生労働省の運動施策の一環として報告された＜エクササイズガイド２００６＞では、体力の維持・向上を目的として行われる「運動」以外に、日常生活で行われる「生活活動」も身体活動とされる。身体活動の強さ、即ち運動強度はメッツの単位で表され、この値は安静時（１メッツ）の倍数に相当する。例えば、普通歩行は３メッツとされる。エクササイズ（Ｅｘ）は身体活動の量を表す単位であり、その身体活動の運動強度（メッツ）に身体活動の実施時間（時）を乗じたものである。３メッツの身体活動を３０分間行った時のエクササイズは、１．５Ｅｘである。
【０００８】
消費カロリーの計算については、身体活動量に相当するエネルギー消費量の計算式が、上記の＜エクササイズガイド２００６＞に記載されている。身体活動を行っている者の体重に比例し、安静時の分を含めて数式１で計算される。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
数式１の１．０５は、安静時酸素摂取量（３．５ｍｌ／ｋｇ／分）と酸素１０００ｍｌ当りのエネルギー消費量＝５ｋｃａｌから計算される１時間・１ｋｇ当りのエネルギー消費量である。１．０５×体重の部分が１時間当りの基礎代謝量に相当する。１．０５が概略１とされる場合もあり、この場合は、運動強度×実施時間に直接に体重が乗算される。また、身長、体重、性別、年齢から公知の計算式で求められた１時間当りの基礎代謝量が使われることもある。以下では、１．０５を乗ずる数式１を用いて説明する。また、エネルギー消費量の単位がｋｃａｌであり、以下では、消費カロリーと表現する。
【００１１】
脂肪燃焼量については、脂肪１ｇの燃焼に必要な消費カロリーは７．２ｋｃａｌであり（概略７ｋｃａｌとされることもある）、消費カロリーから脂肪燃焼量を計算出来る。
【００１２】
次に、歩行速度と運動強度の関係について説明する。一般に、人の歩く速さは４ｋｍ／時程度と言われている。＜エクササイズガイド２００６＞には、歩行速度と運動強度の関係が段階にわけて次のように示されている。
ゆっくりした歩行：平地、５４ｍ／分（３．２ｋｍ／時）        ２．５メッツ
普通歩行        ：平地、６７ｍ／分（４．０ｋｍ／時）        ３メッツ
歩行            ：平地、８１ｍ／分（４．８ｋｍ／時）        ３．３メッツ
やや速歩        ：平地、９４ｍ／分（５．６ｋｍ／時）        ３．８メッツ
速歩            ：平地、９５〜１００ｍ／分（６ｋｍ／時程度）４メッツ
かなり速歩      ：平地、１０７ｍ／分（６．４ｋｍ／時）      ５メッツ
【００１３】
歩行記録の原始データから消費カロリーを計算するには、原始データの歩行距離と歩行時間から歩行速度を計算し、その歩行速度に対応する運動強度を上記の関係から求め、数式１を用いて消費カロリーを計算する。＜エクササイズガイド２００６＞には段階ごとの歩行速度に対する運動強度しか示されていないため、その間の歩行速度に対しては線形補間することで計算する。
【００１４】
蓄積された歩行記録データをパソコンで分析することは、便利なソフトウェアツールが提供されているため比較的容易なことである。本願発明者もこれを活用して、原始データから数式１で計算される消費カロリーと歩数計の消費カロリー表示値を比較し分析を行った。分析の結果、原始データから計算した消費カロリーに比べて、歩数計の消費カロリー表示値が過大であることに気付き（歩行速度により、１．５倍程度、またはそれ以上）、何故なのかと疑問を持つに至った。
【００１５】
ここで、市販されている歩数計の現状について触れておく。歩数計は、原理が振り子式と加速度センサ式に大別され、提供される歩行関連情報が、歩行距離と消費カロリーに限定、歩行距離、歩行時間、歩行速度、運動強度、エクササイズ、消費カロリー、または脂肪燃焼量など豊富、さらには付加機能として、歩行データのメモリー（例えば１週間分）が可能、歩行データの表示が数値表示またはグラフ表示と多様、データ通信機能付など、多くの種類のものが市販されている。歩行関連情報または付加機能が多ければ多いほど複雑な構造となり価格も高く、付加機能が無く歩行関連情報が限定された単純構造の歩数計は低価格である。また、歩数計の機能を基本にした日常の行動（デスクワークなどの仕事や家事）も対象とする活動量計、歩数計の機能を内蔵した携帯電話に代表される携帯機器なども普及し始めている。
【００１６】
先述の通り、歩数計の歩数計測値に関してはＪＩＳで誤差が規定されている。低価格品であるために誤差が大きく正確さに欠けるということはない。しかし、歩行関連情報に関しては準拠規格が無く、特に注目している消費カロリーの正確さに関しては全く予想がつかない。
【００１７】
そこで、上記消費カロリーに関する疑問点について製造者に問合せてみたが、歩数計内部の独自演算方式に関するため開示は出来ないとの回答であった。このため本願発明者は特許文献調査などを鋭意行った。
【００１８】
歩数計は歩数をより正確に計測することが主な機能であり、直接に歩行速度を検出しているわけではない。単位時間での歩数計測値が多くなれば歩行速度が速くなり、少なくなれば遅くなることは容易に分かる。しかし、歩行速度を正確に求めることは容易なことではないように思われた。事実、調査を進める中で、消費カロリーなどの計算の基礎となる歩行速度をいかに正確に求めるかが重要な技術であることが分かった。また、調査の結果、以下に示す特許文献１〜特許文献３に開示された技術ではいくつかの問題があることも分かった。
【００１９】
特許文献１には、歩行中の歩幅を、設定された身長と単位時間の歩数計測値である歩行ピッチとから演算し、この歩幅を用いて、歩行速度を歩幅×歩行ピッチで演算する技術が開示されている。また、消費カロリー演算は物理学で公知の運動エネルギー公式に基づき、この公式の速度の項に歩行速度を適用する技術が開示されている。
【００２０】
上記の歩幅演算には、研究により見出されたとされる回帰分析に基づく回帰直線が使われている。しかし、後述する歩行ピッチ変化に対して歩幅変化が少なくなるピッチ範囲のことが全く考慮されていない。この結果、歩行ピッチが上がれば上がるだけ歩幅が広く、下れば下るだけ歩幅が狭く計算され、歩行関連情報の誤差が拡大する問題がある。考慮されていないことの理由は、回帰分析で求めたとされる係数を歩行ピッチ範囲で変更して演算するという記載や示唆がいずれもないことである。
【００２１】
消費カロリー計算に関しても、＜エクササイズガイド２００６＞に記載の計算式の値と比べて大きな差が生じる問題がある。このことを示す数値計算例を以下に示す。歩幅：０．８ｍ、歩行ピッチ：１２５歩／分、体重：６５ｋｇ、歩行時間：１時間として、１時間の消費カロリーを計算してみる。歩行速度は、０．８×１２５×６０＝６ｋｍ／時、１００ｍ／分、１．６７ｍ／秒である。＜エクササイズガイド２００６＞では歩行速度が６ｋｍ／時程度では運動強度は４メッツである。この４メッツを用い、安静時の１メッツ分は差し引いて計算する。
特許文献１による計算結果
消費カロリー（ｋｃａｌ）
＝１／２×６５×１．６７×１．６７×３６００／４．２／１０００
＝７７．７
＜エクササイズガイド２００６＞に記載の計算式による計算結果
消費カロリー（ｋｃａｌ）
＝（４−１）×１×１．０５×６５＝２０５
【００２２】
特許文献２には、歩行ピッチと身長から歩行スピードを演算する方法（同文献の（３）式）、この歩行スピードと体重から運動負荷量を演算する方法（同文献の（４）式）が開示されている。前者の歩行スピード演算方法は、特許文献１に関しても述べたように、後述する歩行ピッチ変化に対して歩幅変化が少なくなるピッチ範囲のことが全く考慮されて   いない。この結果、正確な歩行スピードが求められない問題がある。考慮されていないことの理由は、歩行スピードの演算式が、歩行ピッチ範囲を通して同一の演算式で与えられている、また、補正係数に関しても歩行ピッチ範囲で変更して演算するという記載や示唆のいずれもないことである。
【００２３】
後者の運動エネルギーに基づくとされる運動負荷量は、消費カロリーに相当する量と考えられる。上で述べた正確さを欠く歩行スピードから演算される量であるため、運動負荷量もやはり正確さを欠く問題がある。
【００２４】
特許文献３には、既存の技術とされる運動強度を求める２例が記載されている。歩行についてこの２例を検証してみる。歩幅：８５ｃｍ、歩行ピッチ：１２５歩／分とすると、歩行速度は６．４ｋｍ／時であり、＜エクササイズガイド２００６＞に記載の運動強度は５メッツである。安静時の１メッツを差し引いて４メッツである。
１例目での計算結果：−７．０６５＋０．１０５×１２５＝６．０６
２例目での計算結果：０．０１５×１２５×０．８５＋１．５９９＝３．１９
計算方法により計算結果のメッツ値が異なり、＜エクササイズガイド２００６＞に記載のメッツ値とも合わず、既存の技術にも問題があると言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】特許第３７３４４２９号公報（請求項１、請求項２）
【特許文献２】特許第３９１６２２８号公報（（３）式、（４）式）
【特許文献３】特開２００９−２７９２３９号公報（段落００２３、００２４）
【非特許文献】
【００２６】
【非特許文献１】新しい運動基準・運動指針『身体活動のメッツ（ＭＥＴｓ）表』（独）国立健康・栄養研究所  ２００７年更新
【非特許文献２】改訂版『身体活動のメッツ（ＭＥＴｓ）表』  （独）国立健康・栄養研究所  ２０１２年改定
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、上で述べた従来の問題点に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、振り子式あるいは加速度センサ式の歩数計の原理を問わず、計測された歩数と設定された歩数計利用者の身長または体重などから演算される歩行速度、歩行距離、運動強度または消費カロリーなどの歩行関連情報が、少なくとも実用上の正確さをもち、さらに正確さを高めることができ、かつ、構造が単純で経済的に安価な歩数計に関する技術を提供することにある。実用上の正確さに関しては後で述べる。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記の課題を解決するために、本発明に係わる歩数計は、歩行速度と運動強度の演算に以下の特徴的な構成を採用し、算出された歩行速度または運動強度に基づいて歩行距離や消費カロリーなどを算出して、歩数と併せて表示提供する構成とする。
【００２９】
請求項３による、歩行速度演算の構成に関しては、歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備える。そして、前記区分線形関数は、歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる区分二次関数に基づいて導き出される新たな区分線形関数であり、前記新たな区分線形関数は、前記区分二次関数に対し、前記歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな区分線形関数であり、前記歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする。
【００３０】
これにより、区分二次関数による歩行速度の演算式を要求に応じて単純化できる。複数の回帰直線の傾きと切片に、歩行特性の代表値を固定して反映させることで、歩行速度が、要求の正確さで、比較的簡単に算出できる。
【００３１】
請求項２による、歩行速度演算の構成に関しては、歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備える。前記区分線形関数の特性を定める区間ごとの線形関数の傾きと切片、および隣接区間との区分点が前記設定手段にさらに設定できる。そして、前記区分線形関数の特性を定める区間ごとの線形関数の傾きと切片、および隣接区間との区分点は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる区分二次関数に基づいて導き出される新たな区分線形関数の特性を定める区間ごとの線形関数の傾きと切片、および隣接区間との区分点であり、前記新たな区分線形関数は、前記区分二次関数に対し、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな区分線形関数であり、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする。
【００３２】
これにより、区分二次関数による歩行速度の演算式を要求に応じて単純化できる。複数の回帰直線の傾きと切片に、歩数計利用者の歩行特性値を設定して反映させることが出来る。従って、歩行特性の乖離による誤差はなく、歩行速度を、演算式の単純化による誤差内で、要求の正確さで、比較的簡単に算出できる。
【００３３】
請求項１による、歩行速度演算の構成に関しては、歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する線形関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備える。前記線形関数の傾きと切片が前記設定手段にさらに設定できる。そして、前記線形関数の傾きと切片は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる区分二次関数に基づいて導き出される１つの回帰直線の傾きと切片であり、前記１つの回帰直線は、前記区分二次関数に対し、前記区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間で回帰分析を行って得られる１つの回帰直線であり、前記区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする。
【００３４】
これにより、区分二次関数による歩行速度の演算式を最も単純化できる。１つの回帰直線の傾きと切片に、歩数計利用者の歩行特性値を設定して反映させることが出来る。従って、歩行特性の乖離による誤差はなく、歩行速度を、演算式の単純化による誤差内で、正確に、簡単に算出できる。
【００３５】
請求項４による、運動強度演算の構成に関しては、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の歩行速度演算の構成に、さらに以下の特徴的な構成を備える。即ち、前記演算手段ではさらに、前記歩行速度を歩行速度に関する運動強度関数の式に代入して得られる結果を運動強度として算出する。そして、前記運動強度関数は、歩行速度に対する運動強度の関係が表された区分線形関数に第１の操作、または第２の操作を行って得られる関数であって、前記第１の操作は、区分線形関数を、区間をすべて含んで複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな区分線形関数に置き換える操作とし、前記第２の操作は、区分線形関数を、区間の線形関数の傾きが、連続区間で漸次非減少のときは、連続区間を区間の線形関数の関数値の最大値を選出する最大値関数とする新たな１つの区間とし、連続区間で漸次非増加のときは、連続区間を区間の線形関数の関数値の最小値を選出する最小値関数とする新たな１つの区間とし、そのいずれでもないときは、連続区間から区間を１つ減じ、置き換えがなされていない連続区間がなくなるまで前記第２の操作を繰り返して新たな関数に置き換える操作とすることを特徴とする。
【００３６】
これにより、歩行速度と運動強度の関係を表した運動強度の演算式に対し、要求に応じて、第１の操作による演算式の単純化、または第２の操作による演算過程の単純化を行うことが出来る。正確さが求められる場合は、第１の操作は限定することが望ましい。また、第２の操作では誤差は生じない。得られた歩行速度を、第１または第２の操作で置き換えられた運動強度関数に適用して、運動強度が演算される。運動強度の演算結果には歩行速度の演算誤差も含まれるため総合誤差の検証が必要となる。詳細は後述する。
【００３７】
請求項５による、歩行速度、歩行距離、運動強度または消費カロリーなどの歩行関連情報を演算して歩数と併せて表示提供する構成に関しては、請求項４に記載の構成に、さらに以下の構成を備える。即ち、前記演算手段ではさらに、前記歩行速度と前記運動強度とに歩行時間を乗じて歩行距離とエクササイズとを算出し、前記エクササイズに基礎代謝量を乗じて消費カロリーを算出し、前記歩数計測手段で計測された歩数と併せて前記演算手段で算出された歩行速度、歩行距離、運動強度、エクササイズ、または消費カロリーを表示する表示手段とを備える。そして、前記基礎代謝量を、前記設定手段に設定された身長に加えて設定された歩数計利用者の体重の値、もしくは前記体重に係数１．０５を乗じた値、もしくは前記設定手段にさらに加えて設定された歩数計利用者の性別と年齢および前記身長と前記体重とから計算される値のいずれかとすることを特徴とする。
【００３８】
これにより、要求の正確さに応じて求められた歩行速度と運動強度の２量から、歩行距離、消費カロリーなどを演算して、歩行速度、歩行距離、運動強度または消費カロリーなどの歩行関連情報が歩数と併せて表示できる。歩行関連情報の値には、これら２量の正確さがそのまま反映される。
【発明の効果】
【００３９】
以上に課題を解決するための手段について説明した。この手段を講ずることにより、歩行速度、運動強度、および歩行関連情報を、以下の通り、所望の正確さで求めることが出来る。後述するように、中間ピッチ区間と歩幅変化の少なくなる下方ピッチ区間および上方ピッチ区間における歩行特性が区分線形関数で表現できることに着目した。この区分線形関数に基づいて導かれる歩行速度の演算式を、回帰分析により実用上の正確さを保って単純化した演算式で、歩行速度をより簡単に求めることが出来る。また、歩行速度に対する運動強度の関係を、公知の数値に基づいて区分線形関数で表し、これを回帰分析により実用上の正確さを保って単純化した演算式で、運動強度をより簡単に求めることが出来る。単純化は、要求される正確さの程度に応じてすることができる。さらに、歩行特性が設定できる構成は、歩行特性が代表値に固定される構成よりも、歩数計利用者の歩行特性が直接に反映されて、正確さは大幅に増す。以上の手段を講ずることにより、本発明の課題は解決され、歩数と併せて提供される歩行速度、歩行距離、運動強度、または消費カロリーなどの歩行関連情報が、少なくとも実用上の正確さをもち、さらに正確さを高めることができ、かつ、構造が単純で経済的に安価な歩数計を提供出来ることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】歩行速度と運動強度の関係を表すデータとグラフである。
【図２】歩行ピッチと歩幅の関係を確認するために行った歩行実験結果を表すデータとグラフである。
【図３】本発明に係わる実施例での歩数計の構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
計測された歩数から歩行速度を、歩行速度から＜エクササイズガイド２００６＞またはその他の公知の数値に合った運動強度を、いかにして実用上の正確さで求めるか、さらに、いかにして正確さを高めるかが本発明の重要な技術であり、後者の運動強度から詳述する。詳述する前に実用上の正確さについて言及する。
【００４２】
歩数計で計測される歩数の誤差はＪＩＳ規格で±３％と規定されている。歩数計の応動範囲内（後述する）では、歩数計利用者の歩行特性（歩き方）にほとんど影響されることなく、規格誤差内で正確な歩数値が得られる。一方、歩行関連情報は、歩数計利用者の身長または体重などの身体データ、歩幅または歩行ピッチなどが関係する歩行特性に大きく影響されるため、規格で誤差を規定することは容易ではない。しかし、歩数と併せて提供される消費カロリーなどの規格に準拠しない歩行関連情報が、歩数計製造者が独自に開発した演算方式であることを理由に、公知の数値とかけ離れていることは問題である。歩数計利用者は、歩行関連情報が公知の数値と概ね合っていると信じて使っているはずである。そこで、歩数の計測誤差（±３％）を含まない、本発明の演算方式による歩行関連情報単独の正確さを、±５〜１０％程度の誤差とする。この誤差を評価するための基準値は、公知の数値に基づいて本発明で導き出した関数に基づく値である。本発明ではこの誤差を、実用上の誤差、あるいは、実用上の正確さと呼ぶことにする。
【００４３】
＜エクササイズガイド２００６＞には、１０７ｍ／分の“かなり速歩”を超える歩行に関する歩行速度と運動強度の関係は示されていない。非特許文献１には、さまざまな身体活動に対する運動強度、即ち、メッツ値が示されている。歩行運動に関しては次のデータが示されている。このメッツ値は安静時の１メッツ分を含む値である。
５３ｍ／分（３．２ｋｍ／時）平地、遅い                        ２．５メッツ
６７ｍ／分（４．０ｋｍ／時）硬く安定した平地                  ３．０メッツ
８０ｍ／分（４．８ｋｍ／時）平地、適度な速度                  ３．３メッツ
９３ｍ／分（５．６ｋｍ／時）平地、運動として、小気味よい速度  ３．８メッツ
１０７ｍ／分（６．４ｋｍ／時）平地、小気味よい速度              ５．０メッツ
１２０ｍ／分（７．２ｋｍ／時）平地、とてもきびきびとした速度    ６．３メッツ
１３３ｍ／分（８．０ｋｍ／時）                                  ８．０メッツ
【００４４】
上記データは、＜エクササイズガイド２００６＞のデータおよびインターネット上の多くの関連情報のデータとよく合う。＜エクササイズガイド２００６＞が改定作業中であること、そして非特許文献１が最近に改定されたことを考慮して、非特許文献１の改訂版である非特許文献２の以下に示すデータ（改定データと呼ぶ）を、本発明の歩行速度と運動強度の関係の根拠とする。＜エクササイズガイド２００６＞のデータ、非特許文献１のデータ、および非特許文献２のデータは権威ある公的機関から発表されている公知のデータであり、根拠とするには十分である。この改定データのメッツ値も安静時の１メッツ分を含む値である。
５３ｍ／分（３．２ｋｍ／時）ゆっくり、平らで固い地面            ２．８メッツ
６７ｍ／分（４．０ｋｍ／時）平らで固い地面                      ３．０メッツ
８０ｍ／分（４．８ｋｍ／時）ほどほどの速度、平らで固い地面      ３．５メッツ
９３ｍ／分（５．６ｋｍ／時）速い、平らで固い地面、運動目的で歩く４．３メッツ
１０７ｍ／分（６．４ｋｍ／時）平らで固い地面、とても速い          ５．０メッツ
１２０ｍ／分（７．２ｋｍ／時）平らで固い地面、極めて速い          ７．０メッツ
１３３ｍ／分（８．０ｋｍ／時）平らで固い地面                      ８．３メッツ
【００４５】
改定データのメッツ値は、改定前のメッツ値から、速度の遅い方から順に、０．３／０／０．２／０．５／０／０．７／０．３メッツ上方修正されている。歩行速度に対してメッツ値が最大で０．５／３．８≒１３％増加している。しかし、この上方修正によるメッツ値が増加したことで、＜エクササイズガイド２００６＞の内容を根拠として先に説明した、歩数計の消費カロリーの過大表示の問題や特許文献調査で見つかった先行技術の問題が解消されることはない。
【００４６】
図１は、横軸を歩行速度（ｋｍ／時）、縦軸を運動強度（メッツ）とし、改定データをプロットして直線で結んだグラフ、所謂、区分線形関数である。歩行速度と運動強度の関係は、区分的に二次関数に近いと考えられる。しかし、この関数を決定し運動強度を求めることは複雑すぎる。そこで、この連続した区分線形関数を、本発明の歩行速度と運動強度の関係を表す基本（基準）の関数とする。図１から分かるように区間の数は少なくなく、この区分線形関数を用いることは実用上まったく問題ないと考えられる。上で、“連続した”と付けた理由は、後述する不連続な区分線形関数と区別するためである。
【００４７】
歩行速度をこの区分線形関数の式に代入することで、運動強度を正確に求めることができることは当然である。具体的には、最初に歩行速度が６つの区間のいずれにあるかを判定し、その区間の直線（線形関数）の式に歩行速度を代入して運動強度を求める。この普通の演算手順は、区間と同数の６つの直線と、最大３回の区間判定を必要とする。区間の数が少なくなれば、手順はより単純になることは明らかである。本発明の課題は、少なくとも実用上の正確さをもち、さらに、正確さを高めることができ、かつ構造が単純で経済的にも安価なことである。手順の単純化、換言すると演算構造の単純化は、後者の課題解決に有効な手段である。区間を少なくして単純化する方法を説明する前に、区間判定の回数を減らす考え方を説明する。
【００４８】
区間判定は、分岐したパスを、歩行速度の大小比較をしながら目的の区間にたどり着くといった、煩雑な過程である。区間判定の回数を減らすことで過程は単純になる。連続した区分線形関数は、連続した区間で、区間ごとの直線の傾きが漸次非減少であれば、その連続した区間で凹特性を示し、漸次非増加であれば、凸特性を示す。そして、連続した区間での区分線形関数の関数値の演算には、連続した区間で凹特性であれば、その区間ごとの直線式の値の最大値を選ぶ関数（本発明では最大値関数と呼ぶ）を用いることが出来、また、連続した区間で凸特性であれば、その区間ごとの直線式の値の最小値を選ぶ関数（本発明では最小値関数と呼ぶ）を用いることが出来る。従って、連続した区間では、さらに区間判定を行う必要がない。このことは、容易に理解できると思われるので、詳しく説明しない。
【００４９】
図１の６つの速度区間を速度の遅い方から、第１区間、第２区間・・・第６区間と呼ぶことにする。図１の区分線形関数は、第１区間から第３区間までは凹特性、第４区間から第５区間までは凹特性であり、第６区間は、便宜上、凹特性もしくは凸特性として扱っても良い。あるいは、第１区間から第２区間までは凹特性、第３区間から第４区間までは凸特性、そして第５区間から第６区間までは凸特性である。いずれの場合も、区間判定の回数は２回となり、特性に応じて最大値関数、もしくは最小値関数を用いることが出来る。運動強度を求めるこの演算は、誤差を伴うことなく、普通の演算手順よりは単純となる。次に、区間の数を少なくすることにより、誤差は発生するが、手順をさらに単純化する方法を説明する。
【００５０】
図１で、連続する第３区間と第４区間の２つの直線の傾きはわずかに異なるが、この２つの区間を１つの区間と１つの直線にまとめても誤差の点で問題はないようである。図１で、第１区間と第２区間、あるいは、第５区間と第６区間を１つにまとめると、多少誤差が発生するようである。しかし、これが実用上の誤差であれば、１つにまとめることで、手順がさらに単純化できる。
【００５１】
手順の単純化のために区間の数を少なくするには、連続する２つ以上の区間を１つの区間にまとめて新たな区間とする方法、あるいは、元の６つの区間に関係なく、歩行速度区間の一部あるいは全部を、いくつかに分割して新たな区間を作る方法もある。新たな区間で１つの直線を定めるには、周知の最小二乗法による回帰分析を行って回帰直線を得る方法が、単純明快で優れている。以下に具体的な方法を詳しく説明する。
【００５２】
ある区間で定義された関数に対して、その区間で最小二乗法を用いた回帰分析により、解析的に回帰直線を求めることができる。簡単化のため、連続する等間隔の２つの区間（ｖ１，ｖ２）、（ｖ２，ｖ３）について説明する。各区間の直線の傾きと切片を、（ａ１，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）とする。この時、１つにまとめた区間（ｖ１，ｖ３）で回帰分析を行って得られる１つの回帰直線の傾きと切片（α，β）は、次の二元連立一次方程式の解として得られることが示される。証明は省く。
２・（Ａ＋Ｂ）・α＋３・（Ｃ＋Ｄ）・β＝  ２・（ａ１・Ａ＋ａ２・Ｂ）＋
３・（ｂ１・Ｃ＋ｂ２・Ｄ）
（Ｃ＋Ｄ）・α＋          ４・β＝     （ａ１・Ｃ＋ａ２・Ｄ）＋
２・（ｂ１    ＋ｂ２    ）
ここで、Ａ＝ｖ１・ｖ１＋ｖ１・ｖ２＋ｖ２・ｖ２、Ｃ=ｖ１＋ｖ２
Ｂ＝ｖ２・ｖ２＋ｖ２・ｖ３＋ｖ３・ｖ３、Ｄ=ｖ２＋ｖ３
【００５３】
１つにまとめた区間を、例えば、第１∨２区間と表す。上記の解析結果を、図１の第３区間と第４区間に適用すると、第３∨４区間の回帰直線の傾きと切片は（０．９３７５，−０．９７５）となる。この近似値（０．９４，−０．９８）を用いて元の直線の式の値と比較すると、誤差は１％未満であることが確認でき、実用上の誤差としては全く問題ない。
【００５４】
第３∨４区間の回帰直線は、隣接の第２区間および第５区間の境界で厳密には不連続となり、５つの区間の５つの直線は不連続な区分線形関数となる。不連続点での誤差が１％未満であるため、５つの区間で連続な区分線形関数とみなすことが出来る。さらに、第１区間、第２区間、第３∨４区間、および第５区間の直線の傾きは漸次増加（漸次非減少）であることから、これら４つの区間ではこの関数は凹特性とみなすことが出来る。そして、凹特性を利用して、これら４つの区間ではさらに区間判定を行わず、最大値関数を用いることが出来る。具体的には、歩行速度が第６区間にあるか否かの１回の判定を行い、第６区間にあれば、第６区間の直線の式に歩行速度を代入して運動強度を求める。さもなければ、第１区間、第２区間、第３∨４区間、および第５区間の直線の式に歩行速度を代入し、それらの最大値を運動強度として求める。もちろん、この４つの区間に対しても、分岐をたどって区間判定を忠実に行い、たどり着いた区間の直線式で代入計算する方法でもよい。いずれの方法を選択するかの判断は、例えば、プログラム設計時に出くわすであろう。
【００５５】
上記の方法は、先に述べた普通の手順と比べて、誤差１％未満で単純化された演算方法である。誤差が多少増加するが、さらに単純化された演算方法について以下に説明する。この方法は、区間の数をさらに少なくして、かつ、区間判定が不要な演算方法である。
【００５６】
図１の第１区間と第２区間を１つにまとめ、さらに第５区間と第６区間を１つにまとめる。上記のαとβの二元連立一次方程式を適用する。第１∨２区間の回帰直線の傾きと切片は（０．４３７５，１．３２５）≒（０．４４，１．３３）、第５∨６区間の回帰直線の傾きと切片は（２．０６２５，−８．０２５）≒（２．０６，−８．０３）となる。上記の通り、第３∨４区間の回帰直線の傾きと切片は（０．９３７５，−０．９７５）≒（０．９４，−０．９８）である。新たな３つの区間の境界で、隣接する回帰直線は不連続となるが、不連続点（歩行速度４．８ｋｍ／時、６．４ｋｍ／時）での、元の運動強度（３．５メッツ、５．０メッツ）に対する誤差は、（３．５３２−３．４４２）／３．５≒２．６％、（５．１５４−５．０３６）／５．０≒２．４％であり、誤差はわずかである。また、３つの回帰直線の傾きは漸次増加である。そこで、これらの３つの区間の３つの回帰直線からなる区分線形関数は連続であり、３つの区間で凹特性であるとして扱う。こうすると、区間判定を行わず、歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）に関する最大値関数を用いた次の数式２により運動強度Ｍ（メッツ）を求めることが出来る。身体活動分を対象とする時は、安静時の１メッツ分を差し引く。
【００５７】
【数２】
2014150919.tif 000004
【００５８】
基準とする６つの区間の区分線形関数の値と、数式２による演算値との誤差を確認する。数値検証結果、最大誤差は、歩行速度Ｖ＝６．４ｋｍ／時で、約３．１％であり、実用上の誤差としては問題ないと言える。
【００５９】
歩行速度から運動強度を求める上記の単純化された演算方法は、非特許文献２の改訂版データに基づく本発明で基準とする区分線形関数から導き出されている。この演算方法は、次の特徴ある過程の一方または双方を用いて、実用上の正確さを保って単純化された方法である。そして、本発明の課題解決に大きく貢献する。その特徴ある過程とは、連続する区間で凹特性もしくは凸特性のいずれかであれば、その連続する区間ではさらに区間判定を行わず特性に応じて最大値関数もしくは最小値関数を用いる過程と、連続する区間を１つにまとめて、回帰分析で得られた１つの回帰直線に置き換える過程である。製品設計上の許容誤差を考慮し、これらの過程を組み合わせて演算方法を決定すればよい。この特徴ある過程は、区分線形関数の形が変わっても、また、歩行以外のジョギングやランニングなどの運動強度演算にも応用出来ることは言うまでもない。
【００６０】
歩行速度を求めた後は、例えば、数式２を用いて運動強度が計算出来る。さらに、この運動強度に計測された歩行時間を乗じてエクササイズが、これに１．０５×体重の基礎代謝量を乗じて消費カロリーが、これを７．２で除して脂肪燃焼量が、と連なるように歩行関連情報が計算できる。従って、歩行速度が全ての歩行関連情報の基礎となるため、歩行速度を、いかにして実用上の正確さもって求めるか、さらに、いかにして正確さを高めるかが鍵となることが理解される。以下に歩行速度の演算方法を詳述する。
【００６１】
先に結論を示す。以下の数式３が歩行速度の演算式となる。Ｎが単位時間（例えば１分）の歩数、即ち歩行ピッチである。以下では、単にピッチとも呼ぶ。Ｌは身長であり、ウォーキング歩幅は公知の身長の０．４５倍を用いる。０．４５Ｌ・Ｎは、単位時間の歩行距離、即ち歩行速度である。しかし、歩幅は常に一定ではなく、ピッチが上ると広くも、下ると狭くもなる。歩幅を０．４５・Ｌとしたままでは正確に歩行速度を求めることは出来ない。歩幅を何らかの方法で補正しなければ、歩行関連情報も正確さを欠く。そこで、ピッチＮに応じた歩幅の補正を、補正関数ｆ（Ｎ）を乗ずることにより行い、数式３で歩行速度を演算する。数式３は、０．４５をそのまま使わず、身長に対する倍率を表す歩幅係数Ｓ３を用いた一般式としている。歩幅係数Ｓ３は後に説明する。
【００６２】
【数３】
2014150919.tif 000005
【００６３】
上記の数式３は、単位を揃えず、歩行速度演算式の形についてのみ示したものであり、後述の実際の演算式とは、係数の有無などに違いがある。また数式３の形自体は単純であるが、補正関数ｆ（Ｎ）の導出はそれほど簡単ではなく、本願発明者が特許文献を含めて関連情報の調査や、繰り返し行った歩行実験結果から導き出したものである。
【００６４】
健康の増進あるいは改善のために意識的に速度を上げて行う運動としての歩行があり、買い物や散歩に出かけるといった生活活動の中での歩行もある。両者のピッチと歩幅は、当然異なり、前者は後者に比べ、いずれも大きくなることは容易に分かる。そこで、ピッチと歩幅の関係がどのように捉えられるかについて、まず説明する。
【００６５】
時速６ｋｍ程度の速歩は、ピッチは１２０〜１３０歩／分、歩幅は公知のウォーキング歩幅０．４５・Ｌ（Ｌは身長）に相当する。一方、上に例として示した生活活動の歩行も含めた 時速４ｋｍ前後の普通歩行は、ピッチは９０〜１００歩／分、そして、歩幅は０．４０・Ｌ程度とされる。
【００６６】
次に、ピッチに対する歩幅の変化について説明する。ピッチが９０〜１３０歩／分の範囲では、ピッチと歩幅の変化は直線的であると考えられる。この点で特許文献１での回帰直線を用いる方法は妥当であり、本願発明者の行った歩行実験からもほぼ直線的変化が確認された。この歩行実験に関しては後述する。
【００６７】
しかし、疑問はピッチが９０歩／分以下の範囲と１３０歩／分以上の範囲での歩幅変化である。この範囲にまで前記の直線を延長して考えればよいわけではない。延長すれば、次に述べる点から、歩幅計算に大きな誤差が生じ、正確な歩行速度を求めることが出来なくなる。
【００６８】
ピッチが９０〜１３０歩／分の範囲では、ピッチを上げると同時に歩幅も広くなり、歩行速度はピッチにも歩幅にも概ね比例して増加する。ピッチが１３０歩／分以上の範囲ではピッチを上げても、歩幅変化は少なく増加はわずかと考えられ、歩行速度はピッチに比例した増加が主となる。なぜなら、歩幅をより広げた一歩行にかかる時間と、速いピッチとのバランスを維持して歩行を継続することは容易ではないことが理由である。専門家の次のような意見がある。身長の５０％の歩幅で歩く人がいないと言うことは出来ないが、その歩行はむしろ不自然な歩行か、あるいは、余程下半身の筋群のトレーニングを積んだ例外的な人であるだろう。（ｈｔｔｐ：／／ｗｗ２．ｗａｉｎｅｔ．ｎｅ．ｊｐ／〜ｔｕｋａｓａ／Ｕ＿６．ｈｔｍｌ）
【００６９】
さらにピッチを上げると歩幅は逆に狭くなり、歩行としては不自然な小走りに転じ、やがて、歩幅を回復して走行へと移る。従って、運動としての自然な歩行を対象とする限り、歩数計の応動範囲としてピッチの上限（例えば１５０〜１６０歩／分の範囲の値）を設定する必要があろう。
【００７０】
一方、ピッチが９０歩／分以下の範囲では、一歩行の時間に余裕があるため、歩幅を広くする、あるいは狭くすることは可能である。しかし、上げた片足を着地させるまでは、身体を他方の足で支える必要があるため、ピッチと身体バランス維持の点から、歩幅を広くすることは限界があり、さらに、不自然な歩行となる。逆に、歩幅を狭くすることは、身体バランスの問題はないが、狭くしすぎることは不自然な歩行となる。 以上から、ピッチが９０歩／分以下の範囲では、自然な歩行での歩幅変化は少なく、歩幅の減少はわずかと考えられる。後述の本願発明者の歩行実験でもこのことを確認している。ピッチが下り過ぎると、生活活動を含めた運動としての自然な歩行とは言い難くなる。従って、上記と同様に、歩数計の応動範囲としてピッチの下限（例えば７０〜８０歩／分の範囲の値）を設定することも必要であろう。
【００７１】
以上に定量的に、定性的にピッチと歩幅との関係を詳述した。この関係を検証するために本願発明者は歩行実験を行った。一定区間（距離５５０ｍ）を、歩行ピッチを維持するために携帯した電子メトロノームの発信音に合わせて歩行し、歩行時間と歩数計の歩数を記録しデータを分析する。図２が実験結果を表し、計算された歩行ピッチと歩幅の関係をグラフ化している。ピッチ１２５歩／分あたり以上から歩幅増加の少ない範囲が現れ、ピッチ９５歩／分あたり以下から歩幅減少の少ない範囲が現れている。実験結果は上述の内容とよく一致する。本願発明者の身長１７２ｃｍから、計算上、ウォーキング歩幅＝１７２×０．４５＝７７．４ｃｍ、普通歩行歩幅＝１７２×０．４０＝６８．８ｃｍとなり、実験結果ともよく合う。
【００７２】
さて、歩幅の補正関数ｆ（Ｎ）について以下に説明する。説明で使う記号の意味は次の通りである。Ｎ２、Ｎ３、Ｓ２、Ｓ３、Ｋ１、およびＫ４は歩行特性を定めるパラメータと捉えることが出来る。
Ｎ１（歩／分）：下限ピッチ      例えば  ７０≦Ｎ１≦  ８０の定数
Ｎ２（歩／分）：普通歩行ピッチ  例えば  ９０≦Ｎ２≦１００の定数
Ｎ３（歩／分）：速歩ピッチ      例えば１２０≦Ｎ３≦１３０の定数
Ｎ４（歩／分）：上限ピッチ      例えば１５０≦Ｎ４≦１６０の定数
Ｓ２         ：普通歩幅係数    ０≦Ｓ２≦１の定数  例えば、０．４０
Ｓ３         ：速歩歩幅係数    ０≦Ｓ３≦１の定数  例えば、０．４５
Ｋ１         ：下方傾き係数    ０≦Ｋ１≦１の定数  例えば、０．５０
Ｋ４         ：上方傾き係数    ０≦Ｋ４≦１の定数  例えば、０．５０
Ｌ（ｃｍ）   ：身長
記号のＮ１とＮ４は、歩数計の応動範囲の下限と上限のピッチであり、歩行特性とは直接関係しない。Ｓ２とＳ３は、歩幅の身長に対する倍率、また、Ｋ１とＫ４は、区間ごとに直線で表される補正関数の傾きに関する係数で、以下に説明する中間ピッチ区間の直線の傾きに対する倍数である。
【００７３】
単位時間に計測される歩数、即ち、歩行ピッチをＮ（歩／分）とする。先の詳細な説明に基づいて、歩幅の補正関数ｆ（Ｎ）は、３つの歩行ピッチ区間を設けて、数式４、数式５、および数式６で与えることができる。この補正関数は、３つの区間を持つ連続な区分線形関数を構成する。尚、ｆ（Ｎ）は速歩歩幅Ｓ３・Ｌで正規化している。
【００７４】
普通歩行ピッチＮ２〜速歩ピッチＮ３（以下では“中間ピッチ区間”と呼ぶ）
【００７５】
【数４】
2014150919.tif 000006
【００７６】
下限ピッチＮ１〜普通歩行ピッチＮ２（以下では“下方ピッチ区間”と呼ぶ）
【００７７】
【数５】
2014150919.tif 000007
【００７８】
速歩ピッチＮ３〜上限ピッチＮ４（以下では“上方ピッチ区間”と呼ぶ）
【００７９】
【数６】
2014150919.tif 000008
【００８０】
上記の数式４、数式５、もしくは数式６のいずれかの歩幅の補正関数を用いて計算された補正値ｆ（Ｎ）を数式３に適用することで正確に歩行速度を求めることが出来る。
【００８１】
しかし、本発明は、歩数と併せて提供される歩行関連情報が、少なくとも実用上の正確さをもち、さらに、正確さを高めることができ、かつ、構造が単純で経済的にも安価であることを課題としている。上記の数式４、数式５、数式６、および数式３による歩行速度の演算方式を単純化することによって、この課題を解決する方法を以下に詳しく説明する。
【００８２】
まず、数式４、数式５、および数式６を数式３に代入し、歩行速度の演算式を具体的に展開してみる。中間ピッチ区間Ｎ２〜Ｎ３については、数式４を数式３に代入する。
歩行速度Ｖ＝ｆ（Ｎ）・Ｓ３・Ｌ・Ｎ
＝（（１−Ｓ２／Ｓ３）／（Ｎ３−Ｎ２）・（Ｎ−Ｎ３）＋１）・Ｓ３・Ｌ・Ｎ
＝（Ｓ３−Ｓ２）／（Ｎ３−Ｎ２）・
（Ｎ＋（Ｓ２・Ｎ３−Ｓ３・Ｎ２）／（Ｓ３−Ｓ２））・Ｎ・Ｌ
【００８３】
下方ピッチ区間Ｎ１〜Ｎ２については、数式５を数式３に代入する。
歩行速度Ｖ＝ｆ（Ｎ）・Ｓ３・Ｌ・Ｎ
＝（Ｋ１・（１−Ｓ２／Ｓ３）／（Ｎ３−Ｎ２）・（Ｎ−Ｎ２）＋Ｓ２／Ｓ３）・
Ｓ３・Ｌ・Ｎ
＝（Ｓ３−Ｓ２）／（Ｎ３−Ｎ２）・
（Ｋ１・Ｎ＋Ｓ２・（Ｎ３−Ｎ２）／（Ｓ３−Ｓ２）−Ｋ１・Ｎ２）・Ｎ・Ｌ
【００８４】
上方ピッチ区間Ｎ３〜Ｎ４については、数式６を数式３に代入する。
歩行速度Ｖ＝ｆ（Ｎ）・Ｓ３・Ｌ・Ｎ
＝（Ｋ４・（１−Ｓ２／Ｓ３）／（Ｎ３−Ｎ２）・（Ｎ−Ｎ３）＋１）・
Ｓ３・Ｌ・Ｎ
＝（Ｓ３−Ｓ２）／（Ｎ３−Ｎ２）・
（Ｋ４・Ｎ＋Ｓ３・（Ｎ３−Ｎ２）／（Ｓ３−Ｓ２）−Ｋ４・Ｎ３）・Ｎ・Ｌ
【００８５】
歩行速度演算式を展開した式の形は、歩行速度Ｖ＝ｋ・（ｋｉ・Ｎ＋ｃｉ）・Ｎ・Ｌである。ここで、ＮとＬは歩行ピッチ（歩／分）と身長（ｃｍ）、係数ｋは３つの歩行ピッチ区間の直線に共通の係数であり、係数ｋｉと定数ｃｉは３つの歩行ピッチ区間の直線の傾きと切片に相当する。上式に歩行時速への換算係数ｈ＝６０／１００／１０００を乗算して歩行時速が得られる。そして、ｈ・ｋ・ｋｉを新たな係数ｋｉと考え、ｈ・ｋ・ｃｉを新たな定数ｃｉと考える。このようにして、歩行速度の演算式は、次の数式７で与えられる。数式７において、３つのピッチ区間ごとに定められたＮの一次式が表す直線が、連続な区分線形関数を構成していることは言うまでもない。また、この一次式にＮを乗じた二次式も、３つのピッチ区間で連続な区分的に二次関数となる。本発明では区分二次関数と呼ぶ。この区分二次関数が、後述の各種の回帰式の誤差評価の基準となる。
【００８６】
【数７】
2014150919.tif 000009
【００８７】
数式７を用いて歩行速度を求める方法は、まず、ピッチ区間の判定を行う。３つの区間であるから、最大２回の判定が必要ある。そして、そのピッチ区間に定められた一次式を選択して代入計算を行う。この時、係数との乗算がある。次に、この結果にＮとＬを乗算する。この方法は歩行速度を正確に演算する、順当な過程を経る、普通の演算手順である。先の運動強度演算で、連続な区分線形関数に対して区間判定回数を減らす方法を説明した。連続する区間での凹特性、もしくは凸特性に応じて最大値関数、もしくは最小値関数を用いる方法である。この方法によって、区間判定の回数を１回とすることが出来る。しかし、これだけでは、手順の単純化の効果は少ない。
【００８８】
数式７において、Ｎの一次式にＮが乗算された二次式部分を回帰分析する。そして得られた回帰直線の一次式に置き換えると、乗算回数を１回減らすことが出来る。高々１回の乗算回数の減少だが、近似誤差が実用上の誤差内であれば、このような工夫を重ねることは演算の構造を単純化し、結果、本発明の課題解決につながる。以下に具体的に説明する。
【００８９】
二次式（ｋｉ・Ｎ＋ｃｉ）・Ｎを、区間Ｐ〜Ｑで最小二乗法により回帰分析する。回帰直線は解析的に求められ、その傾きと切片は、次の一般式で与えられる。証明は省く。尚、この回帰直線の傾きと切片が、回帰式の係数と定数であることは言うまでもない。
回帰直線の傾き：ｋｉ・（Ｐ＋Ｑ）＋ｃｉ
回帰直線の切片：−ｋｉ・（Ｐ・Ｐ＋４・Ｐ・Ｑ＋Ｑ・Ｑ）／６
二次式のｋｉ、ｃｉ、区間のＰ、Ｑは検討内容から正値と考えてよい。回帰式から二次式を引いた差分の値は、区間の中間で最大（正値）となり、区間の両端で最小（負値で、大きさは最大値の２倍）となることが示される。従って、二次式の値が区間で増加であるから、差分の二次式に対する誤差の大きさは区間の下端（Ｐ）で最大で、次式で計算される。
差分絶対値の最大値：ｋｉ・（Ｐ−Ｑ）・（Ｐ−Ｑ）／６
誤差絶対値の最大値：ｋｉ・（Ｐ−Ｑ）・（Ｐ−Ｑ）／６／（（ｋｉ・Ｐ＋ｃｉ）・Ｐ）
【００９０】
具体的な数値を使って確認してみる。代表的な数値、Ｎ１＝７０、Ｎ２＝９５、Ｎ３＝１２５、Ｎ４＝１６０、Ｓ２＝０．４０、Ｓ３＝０．４５、Ｋ１＝０．５、およびＫ４＝０．５を使う。二次式と回帰式、最大誤算は、３つのピッチ区間ごとに以下の通りである。尚、計算上、３つの一次式（ｋｉ・Ｎ＋ｃｉ）の係数ｋｉと定数ｃｉは、これらに共通する値の（Ｓ３−Ｓ２）／（Ｎ３−Ｎ２）＝１／６００に、時速換算係数ｈ＝６０／１００／１０００を乗じた値で割り算している。
【００９１】
下方ピッチ区間（７０〜９５歩／分）
二次式と回帰式：（Ｎ／２＋３８５／２）・Ｎ≒２７５・Ｎ−３３７７
最大誤差      ：０．００３２７≒０．３３％
【００９２】
中間ピッチ区間（９５〜１２５歩／分）
二次式と回帰式：（Ｎ＋１４５）・Ｎ≒３６５・Ｎ−１２０２５
最大誤差      ：０．００６５７≒０．６６％
【００９３】
上方ピッチ区間（１２５〜１６０歩／分）
二次式と回帰式：（Ｎ／２＋４１５／２）・Ｎ≒３５０・Ｎ−１０１０２
最大誤差      ：０．００３０２≒０．３０％
【００９４】
いずれのピッチ区間でも誤差は１％未満であり、二次式を回帰式に置き換えても全く問題はない。置き換えることで乗算回数を１回減らすことが出来る。歩行速度計算式に戻すために、上記の共通数を乗算すると、３つの回帰式の係数と定数は変わるが、誤差は変わらないことは言うまでもない。さらに、３つの回帰直線は、３つのピッチ区間で区分線形関数を構成する。厳密には区間の境界で不連続であるが、元の二次式の値に対す不連続点の誤差は１％未満であり、連続な区分線形関数とみなし、加えて、回帰直線の傾きから、下方ピッチ区間と中間ピッチ区間で凹特性、あるいは、中間ピッチ区間と上方ピッチ区間で凸特性と見なすことも出来る。従って、最大値関数、あるいは最小値関数を用いて凹特性、もしくは凸特性区間での区間判定を不要にする方法を組み合わせることも出来る。
【００９５】
上記の歩行速度の演算方法はピッチ区間の判定が必要だが、二次式が回帰式で単純化され、その誤算も１％未満である。本発明の課題解決の有効な手段と出来る１つの方法である。これから説明する方法は、誤差が多少増加するが、ピッチ区間の判定が不要な、より単純化された優れた歩行速度の演算方法である。
【００９６】
数式７の二次式部分は、３つのピッチ区間で連続な区分二次関数となることを先に述べた。この区分二次関数を、ピッチ区間を通して最小二乗法によって回帰分析し、１つの回帰直線に置き換えようとする方法である。この回帰直線も、解析的に求めることができる。傾きと切片を変数とする回帰直線との差分の二乗値を、対象とする区間で積分し、その積分値を最少にする変数を決定する方法である。先に求めた回帰直線も同じ手法で求めている。今回は、多少複雑となるが、結果を以下に示す。証明は省く。
【００９７】
以上で使ってきた記号Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｋ１、およびＫ４を用いる。尚、Ｎ１≦Ｎ２≦Ｎ３≦Ｎ４とする。中間ピッチ区間の二次式を、（ｋ２・Ｎ＋ｃ２）・Ｎで表す。この時、下方ピッチ区間および上方ピッチ区間の一次式は連続であるため、二次式は次の式で表される。
下方ピッチ区間の二次式：（Ｋ１・ｋ２・（Ｎ−Ｎ２）＋ｋ２・Ｎ２＋ｃ２）・Ｎ
上方ピッチ区間の二次式：（Ｋ４・ｋ２・（Ｎ−Ｎ３）＋ｋ２・Ｎ３＋ｃ２）・Ｎ
また、求める回帰直線の式を次式とする。
回帰直線の式          ：γ・Ｎ＋δ
ピッチ区間Ｎ１〜Ｎ４における、二次式と回帰直線の式との差分の二乗値をこの区間で積分し、その積分値の最小値を与えるγとδを決定する。
【００９８】
回帰直線の傾きγと切片δ、即ち、回帰式の係数γと定数δは、次の二元連立一次方程式の解として与えられる。
（２／３）・（Ｇ３（Ｎ４，Ｎ１））・γ＋   （Ｇ２（Ｎ４，Ｎ１））・δ＝ＳＧＭ１
（Ｇ２（Ｎ４，Ｎ１））・γ＋２・（Ｇ１（Ｎ４，Ｎ１））・δ＝ＳＧＭ２
ここで、関数Ｇ１（Ｘ，Ｙ）、Ｇ２（Ｘ，Ｙ）、Ｇ３（Ｘ，Ｙ）、およびＧ４（Ｘ，Ｙ）、並びに、ＳＧＭ１とＳＧＭ２は次の通りである。
Ｇ１（Ｘ，Ｙ）＝Ｘ−Ｙ
Ｇ２（Ｘ，Ｙ）＝Ｘ・Ｘ−Ｙ・Ｙ
Ｇ３（Ｘ，Ｙ）＝Ｘ・Ｘ・Ｘ−Ｙ・Ｙ・Ｙ
Ｇ４（Ｘ，Ｙ）＝Ｘ・Ｘ・Ｘ・Ｘ−Ｙ・Ｙ・Ｙ・Ｙ
ＳＧＭ１＝   （２／４）・ｋ２・（Ｇ４（Ｎ４，Ｎ１））
＋（２／３）・ｃ２・（Ｇ３（Ｎ４，Ｎ１））
−２・（１−Ｋ１）・ｋ２・（１／４）・（Ｇ４（Ｎ２，Ｎ１））
−２・（１−Ｋ４）・ｋ２・（１／４）・（Ｇ４（Ｎ４，Ｎ３））
＋２・（１−Ｋ１）・ｋ２・（１／３）・Ｎ２・（Ｇ３（Ｎ２，Ｎ１））
＋２・（１−Ｋ４）・ｋ２・（１／３）・Ｎ３・（Ｇ３（Ｎ４，Ｎ３））
ＳＧＭ２＝   （２／３）・ｋ２・（Ｇ３（Ｎ４，Ｎ１））
＋（２／２）・ｃ２・（Ｇ２（Ｎ４，Ｎ１））
−２・（１−Ｋ１）・ｋ２・（１／３）・（Ｇ３（Ｎ２，Ｎ１））
−２・（１−Ｋ４）・ｋ２・（１／３）・（Ｇ３（Ｎ４，Ｎ３））
＋２・（１−Ｋ１）・ｋ２・（１／２）・Ｎ２・（Ｇ２（Ｎ２，Ｎ１））
＋２・（１−Ｋ４）・ｋ２・（１／２）・Ｎ３・（Ｇ２（Ｎ４，Ｎ３））
【００９９】
上記の二元連立一次方程式の解であるγとδを、一般式の形で解くことは相当に複雑である。また、元の区分二次関数と、求められた回帰直線との差分誤差を一般式の形で導出することも同様に複雑である。しかし、具体的な数値によって二元連立一次方程式の係数と定数が決れば、容易に解くことが出来、回帰直線が決定出来る。そして、誤差も計算できる。そこで、具体的な数値で確認してみる。先に使った代表的な数値、Ｎ１＝７０、Ｎ２＝９５、Ｎ３＝１２５、Ｎ４＝１６０、Ｓ２＝０．４０、Ｓ３＝０．４５、Ｋ１＝０．５、Ｋ４＝０．５、および、中間ピッチ区間の二次式（Ｎ＋１４５）・Ｎを用いる。この時は、ｋ２＝１、ｃ２＝１４５である。二元連立一次方程式を解き、得られた回帰式は、次の通りである。２つのピッチ区間で回帰分析した理由は、誤差傾向の確認の他に、歩数計の応動範囲とも関係している。これらについては後で説明する。
ピッチ区間７０〜１６０を通して回帰分析した回帰式：３４２・Ｎ−  ９１７４
ピッチ区間８０〜１５０を通して回帰分析した回帰式：３４９・Ｎ−１００９４
【０１００】
上記の回帰式を用いると、ピッチ区間の判定は不要となり演算式はただ１つでよく、演算構造は最も単純化される。誤差が実用上の範囲内か否かを確認する前に、この方法に至る１つ手前の演算方法について説明する。最も単純化された方法よりは、誤差が少なくなることが期待出来そうである。１つ手前の方法とは、３つのピッチ区間を、例えば中間当たりで分割し、２つのピッチ区間とする。それぞれのピッチ区間で二次式を回帰分析して、２つの回帰直線を求める。そして、最大値関数、もしくは最小値関数を用いて区間判定を省く方法である。
【０１０１】
２分割するピッチを中間の１１５（歩／分）とする。Ｎ１＝７０（または８０）、Ｎ２＝９５、Ｎ３＝例えば１０５、Ｎ４＝１１５、Ｓ２＝０．４、Ｓ３＝０．４５、Ｋ１＝０．５、Ｋ４＝１．０、二次式を（Ｎ＋１４５）・Ｎとして、先のγとδに関する二元連立一次方程式を解くことにより、ピッチ区間７０（８０）〜１１５での回帰直線を決定できる。また、Ｎ１＝１１５、Ｎ２＝例えば１２０、Ｎ３＝１２５、Ｎ４＝１６０（または１５０）、Ｓ２＝０．４、Ｓ３＝０．４５、Ｋ１＝１．０、Ｋ４＝０．５とすれば、ピッチ区間１１５〜１６０（１５０）での回帰直線を決定できる。決定された回帰式は次の通りである。
ピッチ区間７０〜１６０をピッチ１１５で２分割
ピッチ区間  ７０〜１１５で回帰分析した回帰式：３０９・Ｎ−  ６０６９
ピッチ区間１１５〜１６０で回帰分析した回帰式：３５２・Ｎ−１０４５９
ピッチ区間８０〜１５０をピッチ１１５で２分割
ピッチ区間  ８０〜１１５で回帰分析した回帰式：３２３・Ｎ−  ７６５６
ピッチ区間１１５〜１５０で回帰分析した回帰式：３５２・Ｎ−１０３６１
【０１０２】
誤差評価の基準となる区分二次関数と得られ回帰直線との誤差を評価する。基準となる二次式は先に示した通り。比較する回帰式はすぐ上に示した通り。尚、１分割とはピッチ区間７０〜１６０、あるいは８０〜１５０を通した回帰分析を言う。表１に誤差の計算結果を示す。尚、誤差は、回帰式の値から二次式の値を減じ、その結果を二次式の値で割り算をして％で示している。
ピッチ区間  ７０〜  ９５の二次式：（Ｎ／２＋３８５／２）・Ｎ
ピッチ区間  ９５〜１２５の二次式：（Ｎ＋１４５）・Ｎ
ピッチ区間１２５〜１６０の二次式：（Ｎ／２＋４１５／２）・Ｎ
ピッチ区間７０〜１６０で回帰分析
１分割：３４２・Ｎ−９１７４
２分割：ＭＡＸ（３０９・Ｎ−６０６９，３５２・Ｎ−１０４５９）
ピッチ区間８０〜１５０で回帰分析
１分割：３４９・Ｎ−１００９４
２分割：ＭＡＸ（３２３・Ｎ−７６５６，３５２・Ｎ−１０３６１）
【０１０３】
【表１】
2014150919.tif 000010
【０１０４】
表１に示されるように、誤差が約５％以上は、ピッチ区間７０〜１６０で１分割の回帰式を用いた場合である。それは、ピッチ７０台半ば以下の一部の区間のみである。いずれの回帰式を用いた場合も、ピッチ８０から８０台の半ばまでは約４％以下、ピッチ８０台半ば以上では約２％以下、さらに、１１０台半ば以上では約１％以下に収まっている。２分割では、ピッチ区間を通して約２％以下であり、期待通りである。この誤差結果から、区間判定を不要とでき、かつ、演算構造をより単純化できる上記の方法は、本発明の課題解決の手段として十分に有効であると言える。
【０１０５】
歩数計の応動範囲について言及する。歩数計に内蔵の振り子や加速度センサの歩行ピッチに対する応答性能について、本願発明者は次のようなことを経験した。先の歩行実験時に、ピッチ８０以下、或いは、ピッチ１５０以上で歩行した時に、まれに歩数計の歩数値がおかしいと、はっきりと気が付くほど少ないことがあった。つまり、センサが正しく応答していないと考えられる。また、自然な身体活動として歩行をした時の歩行ピッチも考えると、演算式を単純化したときに発生する誤差は、ピッチ区間８０〜１５０で評価すればよいと言える。
【０１０６】
上記の点から表１を見直すと、ピッチ区間７０〜１６０での１分割の回帰式は、ピッチ８０以上において誤差は約２％以下であるから、他と比較しても十分に実用性がある。誤差をより小さくする、換言すると、正確さをより追求するか、あるいは、演算構造をより単純化して経済的に安価にするかは、設計上のトレードオフである。従って、上に説明してきた演算構造の単純化の方法は、製品設計で演算方式を検討する場合に、選択の範囲を拡げる大きな効果があると言える。
【０１０７】
以上に歩行ピッチから歩行速度を求める演算方法について詳しく述べた。ピッチ区間を通して区分二次関数を回帰分析して得られる１つの回帰直線を用いる演算は、最も単純化された方法である。ピッチ区間８０〜１５０で回帰分析して得られた回帰式を用いた具体的な演算式は次の数式８となる。
【０１０８】
【数８】
2014150919.tif 000011
【０１０９】
数式８で歩行速度Ｖを求め、これを数式２に適用して運動強度Ｍが求められる。数式２  および数式８は、実用上の誤差を保って単純化された演算式である。本願発明者が、公知の数値と十分な検討を重ねて導き出した２つの区分線形関数に基づいて単純化された演算式である。２つの区分線形関数は本発明の基準とする関数である。１つは歩行速度と運動強度の関係を定め、もう１つは、歩行ピッチと歩幅（詳しくは歩幅の身長比）の関係を定める。
【０１１０】
前者の区分線形関数は、特定の歩数計利用者に限らず不特定多数の利用者に適用できる。一方、後者の区分線形関数は、中間ピッチ区間と歩幅変化の少なくなる下方および上方ピッチ区間における歩数計利用者の歩行特性を決めるいくつかのパラメータを持つ。これらのパラメータの値を決めることによって、後者の区分線形関数の形が具体的に決定される。そして、歩行特性に応じた歩幅が正確に算出できる。その結果、歩行速度も正確に算出できることになる。従って、身長や体重の設定の他に、歩数計利用者の歩行特性に合わせた歩行特性パラメータを、歩数計に設定出来るようにすることで、正確な歩行関連情報が得られる。
【０１１１】
しかし、歩行特性パラメータは、身長、体重のように日常で扱う数値ではないため、設定が煩雑で構造が複雑となる。少なくとも実用上の正確さもち、さらに、正確さを高めることができ、かつ、構造が単純で経済的に安価な汎用の歩数計を設計する場合は、歩行特性パラメータを設定する構造は不利である。数式８は、この問題を解決するために、特性パラメータを代表的な数値に固定し、演算構造の大幅な単純化を行って得た演算式である。この代表値とは、一般的に使われている公知の数値や本願発明者の歩行実験結果などに基づき導きだした、次の固定値である。これらの数値は、以上の説明でもたびたび使用した。
下限ピッチ      Ｎ１（歩／分）：  ７０
普通歩行ピッチ  Ｎ２（歩／分）：  ９５
速歩ピッチ      Ｎ３（歩／分）：１２５
上限ピッチ      Ｎ４（歩／分）：１６０
普通歩幅係数    Ｓ２：０．４０
速歩歩幅係数    Ｓ３：０．４５
下方傾き係数    Ｋ１：０．５０
上方傾き係数    Ｋ４：０．５０
【０１１２】
歩数計利用者が上記の固定値から離れた歩行特性である時に、数式８で算出された歩行速度を数式２に適用して得られる運動強度に生ずる誤差は、演算式の単純化（近似）と歩行特性パラメータの固定化による両方の誤差を含む総合誤差である。つまり、単純化された演算式を採用した場合の歩数計の構造上の誤差であり、歩数計が提供する歩行関連情報の正確さ、即ち、実用性能を決定することになる。従って、この総合誤差の検証は不可欠である。
【０１１３】
そこで、歩数計利用者の歩き方、つまり歩行特性の違いを、歩行特性パラメータを変化させることによってシミュレートし、固定値による数式８で求めた歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）と、これを数式２に適用して求めた運動強度Ｍ（メッツ）との誤差を評価する。誤差評価の基準値は、本発明で基準とする区分線形関数の関数値である。運動強度の基準値は、図１に示される区分線形関数に基づく。歩行速度の基準値は、歩行特性パラメータを変化させた時の、数式４、数式５、数式６、および数式７を用いた演算に基づく時速換算値である。歩行特性パラメータの固定値からの変化は次の通りである。身長はＬ＝１７０ｃｍとしている。
（Ｎ２，Ｎ３）：（  ９５，１２５）→ （  ９５，１３５）、（  ９５，１１５）
変化幅：  ±１０    （  ８５，１２５）、（１０５，１２５）
（Ｓ２，Ｓ３）：（４０％，４５％）→ （  ４０，  ４７）、（  ４０，  ４３）
変化幅：  ±２％    （  ３８，  ４５）、（  ４２，  ４５）
（下傾，上傾）：（５０％，５０％）→ （  ５０，１００）、（  ５０，    ０）
変化幅：±５０％    （    ０，  ５０）、（１００，  ５０）
【０１１４】
説明の都合上、３種類の特性パラメータ（Ｎ２，Ｎ３）、（Ｓ２，Ｓ３）、（下傾，上傾）を（Ｎ）、（Ｓ）、（傾）と略して表す。ここで、上記の特性パラメータの変化幅に関して説明する。（傾）で定めた固定値の５０％は、この特性パラメータに関する公知の数値が見つからないため、０％と１００％の平均値とした。このため変化幅をあえて大きく５０％（率で１００％）とした。（Ｎ）の１０は、１０／１１０（＝９５と１２５の平均値）で約１０％である。（Ｓ）の変化幅の２％は、２／４２．５（＝４０と４５の平均値）で約５％である。決して小さい値ではない。この２％の変化幅では、身長Ｌ＝１７０ｃｍに対して、４５％歩幅：７６．５ｃｍ、４７％歩幅：７９．９ｃｍとなる。身長が１７２ｃｍの本願発明者の歩行経験からも小さな変化幅ではない。
【０１１５】
１種類の特性パラメータを変化させる時は、残り２種類は固定値にフィックスさせて、誤差の数値検証を行った。表２は（Ｎ）を、表３は（Ｓ）を、表４は（傾）を固定値から上記の４組の数値に変化させた時の検証結果である。これらの表は、歩行速度の演算値とこの演算値の誤差、そして、運動強度の演算値とこの演算値の誤差を示す。誤差は、数式８（あるいは数式８と数式２）の演算値から基準値を減じ、その結果を基準値で割り算をして％で表している。また、誤差を概数で捉えるために、小数点第１位を四捨五入している。尚、運動強度の演算値は、安静時の１メッツ分を含む。
【０１１６】
【表２】
2014150919.tif 000012
【０１１７】
【表３】
2014150919.tif 000013
【０１１８】
【表４】
2014150919.tif 000014
【０１１９】
表２、表３、および表４から、歩行速度演算値の誤差と運動強度演算値の誤差は、次のように集約される。
±５％以内の区間  ±６％以内の区間   区間８０〜１５０の誤差
（Ｎ）歩行速度Ｖ    ８５〜１５０      ８０〜１５０       ±  ６％以内
運動強度Ｍ     ８０〜１３０      ８０〜１３０       ±１２％以内
（Ｓ）歩行速度Ｖ  １０５〜１４０      ９０〜１５０       ±１０％以内
運動強度Ｍ   １０５〜１２０      ８０〜１３０       ±１７％以内
（傾）歩行速度Ｖ    ８５〜１５０      ８５〜１５０       ±  ７％以内
運動強度Ｍ    ８０〜１３５      ８０〜１３５       ±１０％以内
【０１２０】
この集約結果から、誤差が±５％以内の区間は、普通歩行ピッチＮ２＝９５、速歩ピッチＮ３＝１２５と固定して定めた中間ピッチ区間をほぼカバーし、誤差が±６％で完全にカバーしている。また、区間８０〜１５０では、歩行速度の誤差は±１０％以内、運動強度の誤差は、表３に示すように一部区間１４０〜１５０を除いて、±１２％以内である。運動強度の誤差が、この区間で拡大している理由は次のように考えられる。パラメータＳ３が、４５％→４７％もしくは４３％に変化することで発生する歩行速度演算誤差は、表３に示されるように、５％ないし６％と小さい。しかし、図１から分かるように、歩行速度の演算値が、６．４〜７．２ｋｍ／時に在るときは、傾きが最大（２０／８＝２．５）の直線式を用いて運動強度を演算するため、運動強度の誤差が２．５倍に拡大する。このことが、運動強度の誤差拡大の原因と考えられる。
【０１２１】
上記の検証は、変化させる特性パラメータを１種類のみとした場合である。３種類を同時に、かつ、各種類の２つのパラメータも同時に変化させた時の誤差も検証している。この時は、同時変化であるため、変化幅を上記の１／２とし、４×４×４-＝６４通りの組み合わせで同様の数値検証を行った。歩行速度の誤差に関しては、上記の集約結果と概ね同じ結果を得た。運動強度の誤差に関しては、区間８０〜１５０で誤差が±１０％以下となる組み合わせが３６通りで、残りの２８通りは、一部区間１４０〜１５０で誤差が±１０％を超える。２８通りの内訳は、誤差が±１０％を超え±１２％以下が１４通り、±１２％を超え±１５％以下が８通り、±１５％超える組み合わせが６通りであった。
【０１２２】
誤差が±１５％を超える６通りの組み合わせを（Ｎ）、（Ｓ）、（傾）、誤差の順に示す。
（１００，１２０）、（３９，４６）、（２５もしくは７５，７５） ±２３％以内
（１００，１２０）、（４１，４６）、（２５もしくは７５，７５） ±１８％以内
（  ９０，１２０）、（３９，４６）、（２５もしくは７５，７５） ±１７％以内
誤差拡大の理由は、２３％の組では、中間ピッチ区間が狭くなり（３０→２０）、同区間の歩幅補正関数の傾きが大きくなり（５／３０→７／２０）、さらに上方ピッチ区間での傾きも大きくなり（５／３０×５０％→７／２０×７５％）、その結果、固定値からの乖離が大きくなったことが主な原因である。上記の運動強度演算の直線式の傾きによる誤差拡大も重なっている。下の組も同様の理由である。これらは、数値検証下での組み合わせである。これらの組み合わせでは、上方ピッチ区間での歩幅増加が尋常ではなく、歩行速度も時速７ｋｍを超える演算結果であり、自然な歩行とは言い難い。従って、これらの組み合わせは、誤差の評価対象から除いてもよいと考えられる。
【０１２３】
以上に、本発明の、数式８で演算される歩行速度と、その結果を数式２に適用して演算される運動強度の値に含まれる誤差（総合誤差）を詳細に数値検証した。１つのパラメータのみを変化させる検証と、３つを同時に変化させる検証の２種類である。２種類の検証結果を総合評価する。上で示した６通りの極端な組み合わせを除いて次の結論を得る。
【０１２４】
表２、表３および表４から分かるように、本発明で実用上の誤差として定めた±５％、±１０％以内の区間はもちろん存在する。結論を最大公約数的に示すと、歩行速度および運動強度の誤差は、区間９０〜１３０では、±６％以内であり、区間８０〜１５０では、大半の組み合わせで、±１２％以内である。±１２％を超えるのは、運動強度の演算値の誤差のみであり、区間１４０〜１５０で発生している。１４０以上の歩行ピッチは、相当速いピッチである。このピッチで歩行を続けることは容易ではなく、大多数の歩数計利用者は、このピッチ以下の歩行と考えられる。以上より、単純化された数式８、または数式８と数式２を組み合わせることは、演算構造を大幅に単純化できるだけでなく、最初に言及した、歩行関連情報に関する実用上の誤差±５〜１０％程度と概ね一致することになる。従って、少なくとも実用上の正確さをもつことが確認され、十分に実用性があると結論付けることが出来る。
【０１２５】
歩行関連情報の歩行距離、エクササイズ、問題の消費カロリー、脂肪燃焼量などは、歩行速度、運動強度に、計測された歩行時間（歩行関連情報を提供する歩数計では一般に時計機能が内蔵されており、誤差が無視出来る正確な時間情報が得られる）や体重設定値、定数など誤差のない値が乗算されるだけである。従って、歩行関連情報の誤差も上記と変わらないことは言うまでもない。
【０１２６】
数式８と数式２を用いた数値検証の最後に、もう１つ興味ある数値検証結果を示す。本願発明者の図２の歩行実験データから、歩行特性パラメータを決定し、上記と同じ誤差検証を行って得た結果である。図２の歩行ピッチ８０〜１５０までのデータを用いて、歩行特性パラメータＮ２、Ｎ３、Ｓ２、Ｓ３、Ｋ１およびＫ４を決定する。本願発明者の場合は、図２からＮ２＝１００、Ｎ３＝１２５と読み取れる。Ｎ１＝８０、Ｎ４＝１５０として、実験データから、３つの区間の直線を定める。これは、回帰分析の計算ソフトを使って傾きと切片を得た。これらの直線から、Ｓ２＝４０％、Ｓ３＝４５％、Ｋ１＝３３％、Ｋ４＝４％が得られた。このパラメータを用いた数値検証結果は、歩行速度に関しては、８０〜１４０で誤差が±２％以下、８０〜１５０で±４％以下、運動強度に関しては、８０〜１３５で±４％以下、８０〜１５０で±８％以下であった。尚、身長は本願発明者のＬ＝１７２ｃｍに変更して、数値検証を行った。
【０１２７】
本願発明者の歩き方（歩行特性）は、決して極端に偏った歩き方ではない。代表的な歩き方だと言うつもりはないが、他の多くの者と同様に、無理のない自然な歩行である。歩行特性パラメータの分布があるのなら、その分布の中央からそれほど外れてはいないと考える。このような本願発明者の歩行特性パラメータを用いた場合の誤差は、上記のように全く問題はない。この最後に示した数値検証結果からも、数式２と代表値に固定した数式８による演算方式の実用性が十分に証明できたと考える。
【０１２８】
歩数計利用者の歩行特性に合わせた歩行特性パラメータを歩数計に設定出来るようにすることで、より正確な歩行関連情報を提供できることは明らかである。経済的に安価であることよりも、歩行関連情報がより正確で付加機能も豊富である歩数計の設計を行う場合は、歩数計に内蔵させる演算回路は能力の高いものとなるであろう。この場合は、設定された歩行特性パラメータで決定される区分線形関数を単純化することなく、さらに運動強度の区分線形関数も単純化することなく、普通の演算手順で歩行速度と運動強度を演算すればよい。
【０１２９】
しかし、構造が単純で経済的に安価な汎用の歩数計を設計する場合は、歩行特性パラメータを設定しこれを演算に使うことは困難である。なぜなら、設定回路の容量が増加するだけでなく、汎用の演算回路に、上記と同じ普通の演算手順で歩行速度と運動強度の演算を毎回実施させることは負担が重い。また、設定された歩行特性パラメータを演算初期時にのみ使い、単純化された演算式である回帰直線の傾きと切片を算出し、通常演算時に使うことも困難である。なぜなら、回帰直線の決定には、先に示した二元連立一次方程式を解く必要があり、記憶回路の容量不足が懸念される。従って、歩行特性パラメータの設定は行わず、例えば、歩行速度は代表値で固定して単純化された数式８の採用が、運動強度は単純化された数式２の採用が検討されるであろう。
【０１３０】
歩行特性パラメータの決定には、例えば本願発明者が行った歩行実験などのような、事前に歩行データを収集する必要があり、確かに煩雑さを伴う。しかし、誤差の改善の点では、歩数計利用者の歩行特性が何らかの方法で反映できることが最善である。特に、数式８のような歩行特性が代表値に固定されて単純化された演算式を採用した経済的に安価で汎用の歩数計に、少ない負担で歩数計利用者の歩行特性が反映できるならば、それは非常に魅力的で価値がある。なぜなら、原理的には、歩行特性の乖離による誤差がなくなり、演算式の単純化による誤差だけとなる。つまり、安価で誤差の少ない理想的な歩数計が提供できるからである。
【０１３１】
表２〜表４の、歩行速度演算値の誤差および運動強度演算値の誤差を見てみる。この一段目の誤差が参考になる。この誤差は、歩行特性に乖離がなく演算式の単純化による分だけである。誤差は小さく非常に良好である。以下に歩行特性を反映させる方法を説明する。
【０１３２】
その方法は次のような内容である。例えば歩行実験などで得られた歩行データで決定された歩行特性パラメータを、予めプログラムが組み込まれた、例えばパソコンなどに入力する。そして、１つの回帰直線の傾きと切片を出力する。これらが、数式８におけるＮの一次式の係数と定数に置き換わる値となる。歩数計にはこの値を設定値として設定する。こうすることで、歩数計には、最少の負担で、歩数計利用者の歩行特性が反映されることになる。この設定値のデフォルト値は、例えば代表値に固定して求められた数式８のＮの一次式の傾きと切片の値としておく。そして、歩数計利用者の要求に応じて設定できるようにすればよい。必ずしも事前の歩行データ収集と歩行特性パラメータの決定は必要なく、歩数計利用者は、この歩数計の利用に煩雑な思いをしなくてもよい。
【０１３３】
例えばパソコンなどに組み込まれるプログラムは、先に示した、歩数計利用者の歩行特性パラメータであるＮ２（普通歩行ピッチ）、Ｎ３（速歩ピッチ）、Ｓ２（普通歩幅係数）、Ｓ３（速歩歩幅係数）、Ｋ１（下方傾き係数）、および、Ｋ４（上方傾き係数）、そして、予め決められたＮ１（下限ピッチ）とＮ４（上限ピッチ）とを入力とし、先に説明した、γとδの二元連立一次方程式の係数と定数を演算する。そして、この方程式の２つの解が出力される。これらが１つの回帰直線の傾きと切片である。
【０１３４】
ここで、歩数計利用者の歩行特性を反映させるために、歩数計に備えられる構造について説明する。数式７のＮに関する二次式部分を、分割された区間ごとに回帰分析して得られる回帰直線の回帰式に置き換えることで単純化した。数式８が、１分割の最も単純化された歩行速度演算式である。歩数計は、数式８のＮの一次式の係数と定数が設定できる構造であり、設定値を読み込んで演算できる構造でなければならない。歩数計に備えられる演算式の構造を数式９に示す。線形関数の式に身長Ｌを乗算する最も単純な形となる。
【０１３５】
【数９】
2014150919.tif 000015
【０１３６】
数式９のＮの一次式の特性を定めるパラメータである係数ｋと定数ｃが、歩数計の設定値となる。この設定値は、歩数計利用者の歩行特性パラメータに基づいて、上述のパソコンなどに組み込まれた、γとδの二元連立一次方程式に関するプログラムで算出される回帰直線の傾きと切片である。上記の本願発明者の歩行特性パラメータ、Ｎ２＝１００、Ｎ３＝１２５、Ｓ２＝４０％、Ｓ３＝４５％、Ｋ１＝３３％、およびＫ４＝４％、下限Ｎ１＝８０、上限Ｎ４＝１５０を入力すると、ｋ＝０．０００３３４、ｃ＝−０．００８８１３が出力される。もちろん、ｋとｃの有効桁数や正負などの扱いは設計上考慮すべき事項である。
【０１３７】
区分二次関数を２分割、あるいは３分割した場合の、歩数計に備えられる演算式の構造について説明する。まず、２分割の場合を示す。再び本願発明者の歩行特性パラメータを使う。ピッチ区間８０〜１５０を、ピッチ１２５で２分割した例を示す。２つの回帰式は、区間８０〜１２５で、傾きｋ１＝０．０００３３７、切片ｃ１＝−０．００９１６５、区間１２５〜１５０で、傾きｋ２＝０．０００２７７、切片ｃ２＝−０．０００９０５、である。これは上記のプログラムを活用して算出できる。直線としての傾きは漸次非増加であるから、区間判定せず最小値関数（ＭＩＮ）を用いる。回帰式で単純化された演算式は次の通りである。
歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）
＝（ＭＩＮ（０．０００３３７・Ｎ−０．００９１６５，
０．０００２７７・Ｎ−０．０００９０５））・Ｌ
また、歩数計に備えられる演算式の構造は次のいずれかとなる。傾きが漸次非増加とは限らないから、漸次非減少の場合には最大値関数（ＭＡＸ）を用いる。２つの回帰直線の傾きと切片（ｋ１、ｃ１）、（ｋ２、ｃ２）、および、ＭＡＸとＭＩＮのいずれかが、歩行速度の演算式の特性を定めるパラメータとなる。そして、これらが設定される。もちろん、次に述べる３分割の演算式と設定の構造を使ってもよい。
傾きが漸次非減少の場合
歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ＭＡＸ（ｋ１・Ｎ＋ｃ１，ｋ２・Ｎ＋ｃ２））・Ｌ
傾きが漸次非増加の場合
歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ＭＩＮ（ｋ１・Ｎ＋ｃ１，ｋ２・Ｎ＋ｃ２））・Ｌ
【０１３８】
次に、３分割の場合の一般的な演算式を説明する。区分二次関数を回帰分析して、３つの回帰直線が得られる。これらの回帰直線の傾きと切片も、先述のγとδの二元連立一次方程式に関するプログラムを活用して求めることが出来る。回帰直線の傾きが、３つの区間で漸次非減少、あるいは漸次非減少とは限らず、いくつかの組合せとなる。２分割のように単純ではなく、演算式は、次に示す、区間判定の方法が単純であろう。３分割の区分点である分割ピッチを下方からｐ１、ｐ２とする。回帰直線の傾きと切片を、下方から、（ｋ１、ｃ１）、（ｋ２、ｃ２）、（ｋ３、ｃ３）とする。歩数計への設定手順は、例えば、（ｋ１、ｃ１）→ｐ１→（ｋ２、ｃ２）→ｐ２→（ｋ３、ｃ３）となろう。そして、演算式は次のフローで示される。
入口
ステップ１：Ｎ≦ｐ１ならば、ステップ３へ、さもなければステップ２へ
ステップ２：Ｎ≦ｐ２ならば、ステップ４へ、さもなければステップ５へ
ステップ３：歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ｋ１・Ｎ＋ｃ１）・Ｌ  出口
ステップ４：歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ｋ２・Ｎ＋ｃ２）・Ｌ  出口
ステップ５：歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ｋ３・Ｎ＋ｃ３）・Ｌ  出口
【０１３９】
区分二次関数を複数の分割区間で回帰分析をして複数の回帰直線が得られる。これらは、新たな区分線形関数を構成する。そして、この区分線形関数に基づいて歩行速度が演算される。この演算方法は、上記の３分割の場合の演算フローを、２分割の場合にも、３分割以上の場合にも、容易に一般化できる。複数の回帰直線の傾きと切片、および区分点を示す分割ピッチを、例えば、下方より順番に（ｋ１、ｃ１）、ｐ１、（ｋ２、ｃ２）、ｐ２、（ｋ３、ｃ３）、ｐ３、（ｋ４、ｃ４）、ｐ４・・・と設定することで、上記の新たな区分線形関数を唯一に定めることが出来る。従って、これらの設定値が、設定順序も含めて、歩行速度の演算式を定めるパラメータとなる。それは、回帰直線パラメータと区分点パラメータである。この設定方法による演算式の定義は、２分割にも、１分割にも適用できる。ありえないピッチ、例えば５００を用いる。２分割では、ｐ２＝５００、１分割では、ｐ１＝５００とするのである。この５００は、パラメータの読み込み終了にも利用できる。上記の方法は、すべての分割に対して統一的な設定方法で、歩行速度の演算構造を統一的に定めることができる。この統一された演算方法を後の説明の都合上、ステップ演算法と呼ぶことにする。尚、分割数を増やすと当然誤差は少なくなるが、設定の煩雑さ、演算フローや記憶容量の増大を招くことになる。歩行ピッチに対する歩幅の身長割合の特性は、もともと、３つの歩行ピッチ区間で定めた特性である。従って、分割もこの区間数と同程度までであろう。
【０１４０】
歩数計利用者の歩行特性を歩数計に反映させる方法を詳しく説明した。この方法によれば、歩数計の構造上、演算上の負担は僅かである。歩行特性が設定されない場合は、歩行特性パラメータを代表値として算出される回帰直線パラメータがデフォルト値となる。この値による性能は、いくつもの数値検証で示されたように、実用上の正確さは証明済みである。歩行特性が設定された場合には、原理上、歩行特性の乖離による誤差は無くなり演算式の単純化による誤差のみとなる。従って、誤差は大幅に改善される。このようにして、本発明の課題が解決され、少なくとも実用上の正確さをもち、さらに正確さを高めることができ、かつ、構造が単純で経済的に安価な歩数計が創出できることになる。
【０１４１】
以上に、歩数計における歩行速度と運動強度の演算方法について詳述した。この演算方法は２つの基準となる区分線形関数に基づいて導き出されている。これらの区分線形関数の区間数や区間での一次式が変わっても、歩数計に限らず活動量計や携帯電話などの携帯機器にも、さらには、歩行運動に限らずジョギングやランニングにも、本願発明の演算方法が適用または応用できることは言うまでもない。
【実施例】
【０１４２】
以下に本発明の実施例について図３により説明する。図３は、本発明に係わる最後に説明した単純化された数式９および数式２を用いた歩数計の構成を示すブロック図である。この単純化された数式９および数式２を用いる場合においても、本発明の基準とする２つの区分線形関数を単純化することなく普通の演算手順を用いる場合においても、あるいは、一部を単純化した場合においても、必要とする性能に応じた演算回路が選択される。しかし、いずれの場合も、図３の構成は大幅には変わらない。
【０１４３】
最初に、歩行ピッチを演算する単位時間と、各種演算を一巡する演算周期について説明する。ピッチの単位は通常、歩／分であるため、実施例においても単位時間を１分とする。これ以外の時間でも全く問題はない。
【０１４４】
昨今、電子回路を内蔵する民生製品の多くにＭＰＵ（マイクロプロセサ）が搭載されている。ＭＰＵの性能、機能も多岐に渡り、経済性を重視して演算速度の遅いＭＰＵを選択したとしても、上記の単位時間１分は、ＭＰＵにとって十分な時間である。
【０１４５】
最新の歩数値と単位時間前の歩数値とから歩行ピッチを求め、各種の歩行関連情報の演算処理を行ったとしても、所要時間は１００ｍｓ、２００ｍｓ程度であろう。従って、次の歩数値が得られる１分の単位時間を待つのは、ＭＰＵを遊ばせることになる。そこで、例えば、１／６の１０秒を演算周期とし、演算周期毎の歩数値を、最古を捨て最新を残す形で一定量メモリーする。そして、メモリー内の最新歩数値から単位時間前の歩数値を減算して、当該演算周期での単位時間の歩数値、即ち歩行ピッチとする。このような方法を採れば、ＭＰＵを効率よく活用出来る。
【０１４６】
ＭＰU及びその周辺機能、例えばＲＯＭ（リードオンリーメモリー）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）などのメモリー部、入出力部、電源部などは本発明に係わる歩数計の技術とは直接関係しないため、図３には図示していない。演算周期、メモリーなどＭＰＵを念頭に置いて説明を進める。説明上、演算周期を１０秒とする。１秒でも可能であろう。１秒では歩数変化が少ないにもかかわらず、メモリー量が多くなる欠点がある。ただし、表示部（歩数計利用者とのインターフェイス部）は１０秒周期では、応答性が悪い。そこで、例えば、１０秒の最初の１秒は演算、残り９秒は表示部の処理などとなろう。
【０１４７】
図３の１〜８の数字の符号を付したブロックについて以下に説明する。 その前に、図３の符号を付していないパソコン（プログラム）について説明する。歩数計利用者の歩行特性を歩数計に反映させるために、歩行特性パラメータをパソコンに入力する。そして、パソコンには、数式９の線形関数の傾きと切片に相当する回帰直線パラメータであるｋとｃを出力するプログラム（先述のγとδの二元連立一次方程式に関するプログラム）が組み込まれている。そして、得られた回帰直線パラメータのｋとｃが歩数計に設定値として入力される。このことにより、歩数計の負担を最小限にして、歩数計利用者の歩行特性が反映できることになる。このパソコンは、回帰直線パラメータを求める時にだけ必要であり、実施例の歩数計の利用開始に先立って求めておくのが望ましい。尚、歩行速度演算には、直前に説明した、統一されたステップ演算法を用いる。従って、設定値は、（ｋ１＝ｋ、ｃ１＝ｃ）、ｐ１＝５００である。
【０１４８】
設定値記憶部１には、歩行速度と消費カロリー演算に必要となる歩数計利用者の身長Ｌ  （ｃｍ）、歩行特性が反映された回帰直線パラメータｋ１＝ｋとｃ１＝ｃ、区分点パラメータｐ１＝５００、および体重Ｗ（ｋｇ）が、 設定値として記憶される。回帰直線パラメータを得るには、歩行データ収集を行って歩行特性パラメータを決定する、パソコンにプログラムをインストールするなどの事前準備が必要となる。この事前準備の手間を考えると、回帰直線パラメータは歩数計利用者の要求に応じて設定できることが望ましい。設定されない場合は、例えば、先述の歩行特性パラメータの代表値から決定された数式８の回帰直線パラメータを、デフォルト値として使えばよい。このデフォルト値は、図示していないＲＯＭに格納され、歩数計の初期化時に設定値記憶部１に移される。そして、設定された時に上書きされる。設定値記憶部１の設定値は、歩数計のバッテリーで保護され消失することはない。
【０１４９】
歩数計測部２は、歩数計の基本機能である歩行運動による歩数の計測部である。振り子式、加速度センサ式などの歩数計測手段は問わない。既存の技術を用いて、規格の誤差内で精度の高い計測部を構成することが可能である。
【０１５０】
タイマ３は、１０秒の演算周期毎に起動信号を発信する。この起動信号は歩行ピッチ演算部４に与えられ、当該演算周期が開始する。以下に示す各種演算処理は、当該演算周期での演算処理である。
【０１５１】
歩行ピッチ演算部４は、上記起動信号に基づき、歩数計測部２の最新の歩数値データを読み込み、上述した最古の歩数値データを捨て最新の歩数値データを残す形で歩数値データを更新する。そして、最新データから、６データ前（単位時間前）のデータを減算して、当該演算周期での単位時間歩数値、即ち歩行ピッチＮ（歩／分）を得る。
【０１５２】
歩行ピッチ演算部４の出力である歩行ピッチＮは、設定値記憶部１に設定された歩数計利用者の身長設定値Ｌ（ｃｍ）、回帰直線パラメータおよび区分点パラメータと共に、歩行速度演算部５に読み込まれる。回帰直線パラメータｋ１とｃ１に続いて区分点パラメータｐ１が読み込まれ、ｐ１＝５００を認識してパラメータの読み込みは終了する。そして、歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）が、ステップ演算法に従って演算される。具体的に説明すると、同部５に読み込まれた歩行ピッチＮがｐ１と比較される。Ｎ≦ｐ１＝５００であるから、直ちに演算ステップに進み、Ｎとｋ１が乗算され、これにｃ１が加算され、得られた結果に、同部５に入力の身長設定値Ｌが乗算され、歩行速度Ｖが求められ、演算が終わる。
【０１５３】
歩行速度演算部５の出力の歩行速度Ｖは、運動強度演算部６に入力され、数式２に従って運動強度Ｍ（メッツ）が計算される。具体的に説明する。３つの歩行速度Ｖに関する一次式０．４４・Ｖ＋１．３３、０．９４・Ｖ−０．９８、２．０６・Ｖ−８．０３のそれぞれの傾きと切片はＲＯＭに格納されている。同部６に入力された歩行速度Ｖに対するそれぞれの一次式の値を算出する。そして、得られた結果の最大値を運動強度Ｍとして求める。身体活動分のみの時は最大値から１を減算する。
【０１５４】
運動強度演算部６の出力である運動強度Ｍは、設定値記憶部１に設定された歩数計利用者の体重設定値Ｗ（ｋｇ）と共に、消費カロリー演算部７に入力される。数式１に従って、実施時間を１（時間）として、１時間相当の消費カロリーＫ（ｋｃａｌ）が演算される。具体的に説明すると、同部７に入力された運動強度Ｍに、同部７に入力された体重設定値Ｗに係数１．０５が乗算された基礎代謝量を乗算する。これが、１時間相当の消費カロリーである。１時間値とする理由は、以下に説明するように、演算周期時間が設計変更されても同部７での演算変更を不要とするためである。尚、上記の基礎代謝量に替えて、係数１．０５を概数の１とする、あるいは、身長、体重の他に性別、年齢が設定でき、これらから公知の計算式で求められる１時間当りの基礎代謝量を用いることもできる。
【０１５５】
当該演算周期で得られた歩行速度演算部５での歩行速度Ｖと、消費カロリー演算部７での消費カロリーＫは、演算表示部８に入力される。消費カロリーＫは１時間相当の値としている。また、歩行速度Ｖも単位は時速であるため、歩行速度Ｖの値は１時間相当の距離である。両者に共通に演算周期時間１／３６０（１０秒）を乗ずることで当該演算周期での値に変換される。また、同部８では、歩行距離や消費カロリーの累計値を表示するため、累計演算も行う。これらの変換演算や累計演算が同部８でＶ、Ｋに対して共通に行われる。歩行速度演算部５や消費カロリー演算部７で個別に変換演算や累計演算を行うよりも構造が単純である。また、演算周期時間が設計変更されても同部８の演算変更のみで済むのでメリットがある。
【０１５６】
演算表示部８に入力された歩行速度Ｖと消費カロリーＫは、１演算周期前の各累計値に加算される形で更新される。歩行速度Ｖと消費カロリーＫの累計値に１／３６０を乗じて表示データに変換される。
【０１５７】
これらの表示データは、歩行関連情報として、歩数と共に、演算表示部８を介して歩数計利用者が確認することができる。設定値記憶部１の設定値は、同部８にも入力されており、同部８を介して設定値の確認や変更がなされる。
【０１５８】
最後に、図３の点線で示される内容に関して説明する。運動強度演算部６の出力は運動強度Ｍ（メッツ）である。この値は１時間の身体活動量、即ち、エクササイズ（Ｅｘ）の値そのものである。これに演算周期時間１／３６０（１０秒）を乗ずることで当該演算周期での値に変換できる。さらに、表示の形式としては累計値である。従って、同部６の出力を演算表示部８に直接入力して（同図の横の点線矢印）、上述の歩行距離や消費カロリーと同様に累計演算と変換演算を行えば、エクササイズも歩行関連情報として提供できる。尚、同部８へ入力される歩行速度Ｖと上記の運動強度Ｍを、累計値として扱うだけでなく、本来の即時値として扱うのもよい。同部８で、例えば平均値や最大値に加工して、同部８より表示することは、構造を大幅に変更することなく可能である。
【０１５９】
図３の縦の点線矢印について説明する。最初に説明したが、脂肪燃焼量は消費カロリーを所定値７．２で除算するだけで求められる。従って、これを歩行関連情報として表示する場合は、表示される消費カロリーの値を７．２で除算して表示すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
歩行は、健康増進、生活習慣病の発症予防などに、気軽に行え、かつ、効果的な運動である。そして、多くの場面で歩行の大切さが力説されている。このようなことから、歩数計を健康管理に活用する利用者が年々増加すると考えられる。本願発明者も、同様の動機から歩行を始め、歩数計にも関心を持つようになった。しかし、従来の歩数計の技術には、歩行関連情報の正確さなどの点で課題があることが分かった。本発明では、この課題の解決方法を理論立てて詳細に丁寧に説明し、直ちに利用できる具体的な技術として提供している。さらに、製品設計において設計目標に応じた技術の選択が出来るように、複数の技術を提供している。以上から、本願発明の産業上の利用可能性は極めて大きいと言える。
【符号の説明】
【０１６１】
１  設定値記憶部
２  歩数計測部
３  タイマ
４  歩行ピッチ演算部
５  歩行速度演算部
６  運動強度演算部
７  消費カロリー演算部
８  演算表示部
【図１】
2014150919.tif 000016
【図２】
2014150919.tif 000017
【図３】
2014150919.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月26日(2013.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する直線として定められる補正関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備えた歩数計であって、前記補正関数の特性を定める傾きおよび切片が前記設定手段にさらに設定でき、かつ、前記傾きおよび切片は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる特性区分二次関数に対し、前記特性区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間で回帰分析を行って得られる１つの回帰直線の傾きおよび切片であり、前記特性区分線形関数は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする歩数計。
【請求項２】
歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数として定められる補正関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備えた歩数計であって、前記補正関数の特性を定める区間ごとの直線の傾きおよび切片、並びに隣接区間との区分点が前記設定手段にさらに設定でき、かつ、前記区間ごとの直線の傾きおよび切片、並びに隣接区間との区分点は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる特性区分二次関数に対し、前記特性区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した再分割区間ごとに回帰分析を行って得られる前記再分割区間ごとの回帰直線の傾きおよび切片、並びに隣接区間との区分点であり、前記特性区分線形関数は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする歩数計。
【請求項３】
歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数として定められる補正関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備えた歩数計であって、前記補正関数は、歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる特性区分二次関数に対し、前記特性区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した再分割区間ごとに回帰分析を行って得られる前記再分割区間ごとの回帰直線であり、前記特性区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする歩数計。
【請求項４】
前記演算手段ではさらに、前記歩行速度を歩行速度に関する運動強度関数の式に代入して得られる結果を運動強度として算出する歩数計であって、前記運動強度関数は、歩行速度に対する運動強度の関係が表された現区分線形関数に第１の操作、または第２の操作を行って得られる関数であり、前記第１の操作は、前記現区分線形関数に対して、前記現区分線形関数の区間をすべて含んで複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな新区分線形関数に置き換える操作であり、前記第２の操作は、前記現区分線形関数もしくは前記新区分線形関数の連続区間を、前記連続区間での線形関数の傾きが漸次非減少のときは、前記連続区間を前記線形関数の関数値の最大値を選出する最大値関数とする新たな１つの区間に置き換え、漸次非増加のときは関数値の最小値を選出する最小値関数とする新たな１つの区間に置き換え、そのいずれでもないときは、前記連続区間から区間を１つ減じ、置き換えが出来なくなるまで前記第２の操作を繰り返す操作であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の歩数計。
【請求項５】
前記演算手段ではさらに、前記歩行速度と前記運動強度とに歩行時間を乗じて歩行距離とエクササイズとを算出し、前記エクササイズに基礎代謝量を乗じて消費カロリーを算出し、前記歩数計測手段で計測された歩数と併せて前記演算手段で算出された歩行速度、歩行距離、運動強度、エクササイズ、または消費カロリーを表示する表示手段とを備えた歩数計であって、前記基礎代謝量は、前記設定手段に設定された身長に加えて設定された体重の値、もしくは前記体重に係数１．０５を乗じた値、もしくは前記設定手段にさらに加えて設定された性別と年齢および前記身長と前記体重とから計算される値のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の歩数計。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
請求項３による、歩行速度演算の構成に関しては、歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数として定められる補正関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備える。そして、前記補正関数は、歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる特性区分二次関数に対し、前記特性区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した再分割区間ごとに回帰分析を行って得られる前記再分割区間ごとの回帰直線であり、前記特性区分線形関数は、歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
これにより、特性区分二次関数による歩行速度の演算式を要求に応じて単純化できる。歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に、歩行特性の代表値を固定して反映させることで、歩数計利用者の歩行特性との乖離が大きくなければ、歩行速度が、要求の正確さで、比較的簡単に算出できる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
請求項２による、歩行速度演算の構成に関しては、歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する区分線形関数として定められる補正関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備える。前記補正関数の特性を定める区間ごとの直線の傾きおよび切片、並びに隣接区間との区分点が前記設定手段にさらに設定できる。そして、前記区間ごとの直線の傾きおよび切片、並びに隣接区間との区分点は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる特性区分二次関数に対し、前記特性区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間を複数に分割した再分割区間ごとに回帰分析を行って得られる前記再分割区間ごとの回帰直線の傾きおよび切片、並びに隣接区間との区分点であり、前記特性区分線形関数は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
これにより、歩行速度の演算に係る補正関数が、比較的単純な区分線形関数として定められるため、歩行速度を比較的簡単に算出できる。さらに、歩数計利用者の歩行特性値を設定して反映させることが出来る。従って、歩行特性の乖離による誤差はなく、歩行速度を、演算式の再分割の単純化による誤差内で、要求の正確さで、比較的簡単に算出できる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
請求項１による、歩行速度演算の構成に関しては、歩数計利用者の身長を設定する設定手段と、前記歩数計利用者の歩行時の歩数を計測する歩数計測手段と、前記歩数計測手段で計測される単位時間当たりの歩数を歩行ピッチとして算出し、前記歩行ピッチを歩行ピッチに関する直線として定められる補正関数の式に代入して得られる結果と前記設定手段に設定された身長とに基づいて歩行速度を算出する演算手段とを備える。前記補正関数の特性を定める傾きおよび切片が前記設定手段にさらに設定できる。そして、前記傾きおよび切片は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに関する特性区分線形関数に歩行ピッチを乗じて得られる特性区分二次関数に対し、前記特性区分線形関数の複数の区間の少なくとも１つを含む区間で回帰分析を行って得られる１つの回帰直線の傾きおよび切片であり、前記特性区分線形関数は、前記歩数計利用者の歩行特性を定める歩行ピッチに対する歩幅の身長に対する割合の変化を前記変化に応じて複数に区分した区間ごとに歩行ピッチに関する一次関数で表した区分線形関数であることを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
これにより、歩行速度の演算に係る補正関数が、最も単純な直線として定められるため、歩行速度を簡単に算出できる。さらに、歩数計利用者の歩行特性値を設定して反映させることが出来る。従って、歩行特性の乖離による誤差はなく、歩行速度を、演算式の単純化による誤差内で、正確に、簡単に算出できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
請求項４による、運動強度演算の構成に関しては、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の歩行速度演算の構成に、さらに以下の特徴的な構成を備える。即ち、前記演算手段ではさらに、前記歩行速度を歩行速度に関する運動強度関数の式に代入して得られる結果を運動強度として算出する。そして、前記運動強度関数は、歩行速度に対する運動強度の関係が表された現区分線形関数に第１の操作、または第２の操作を行って得られる関数であって、前記第１の操作は、前記現区分線形関数に対して、前記現区分線形関数の区間をすべて含んで複数に分割した区間ごとに回帰分析を行って得られる複数の回帰直線からなる新たな新区分線形関数に置き換える操作であり、前記第２の操作は、前記現区分線形関数もしくは前記新区分線形関数の連続区間を、前記連続区間での線形関数の傾きが漸次非減少のときは、前記連続区間を前記線形関数の関数値の最大値を選出する最大値関数とする新たな１つの区間に置き換え、漸次非増加のときは関数値の最小値を選出する最小値関数とする新たな１つの区間に置き換え、そのいずれでもないときは、前記連続区間から区間を１つ減じ、置き換えが出来なくなるまで前記第２の操作を繰り返す操作であることを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
【数４】
2014150919.tif 000019
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
【数５】
2014150919.tif 000020
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
【数６】
2014150919.tif 000021
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３８】
次に、３分割の場合の一般的な演算式を説明する。区分二次関数を回帰分析して、３つの回帰直線が得られる。これらの回帰直線の傾きと切片も、先述のγとδの二元連立一次方程式に関するプログラムを活用して求めることが出来る。回帰直線の傾きが、３つの区間で漸次非減少、あるいは漸次非増加とは限らず、いくつかの組合せとなる。２分割のように単純ではなく、演算式は、次に示す、区間判定の方法が単純であろう。３分割の区分点である分割ピッチを下方からｐ１、ｐ２とする。回帰直線の傾きと切片を、下方から、（ｋ１、ｃ１）、（ｋ２、ｃ２）、（ｋ３、ｃ３）とする。歩数計への設定手順は、例えば、（ｋ１、ｃ１）→ｐ１→（ｋ２、ｃ２）→ｐ２→（ｋ３、ｃ３）となろう。そして、演算式は次のフローで示される。
入口
ステップ１：Ｎ≦ｐ１ならば、ステップ３へ、さもなければステップ２へ
ステップ２：Ｎ≦ｐ２ならば、ステップ４へ、さもなければステップ５へ
ステップ３：歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ｋ１・Ｎ＋ｃ１）・Ｌ  出口
ステップ４：歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ｋ２・Ｎ＋ｃ２）・Ｌ  出口
ステップ５：歩行速度Ｖ（ｋｍ／時）＝（ｋ３・Ｎ＋ｃ３）・Ｌ  出口
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４０】
歩数計利用者の歩行特性を歩数計に反映させる方法を詳しく説明した。この方法によれば、歩数計の構造上、演算上の負担は僅かである。歩行特性が設定されない場合は、歩行特性パラメータを代表値として算出される回帰直線パラメータがデフォルト値となる。この値による実用上の正確さは、複数分割よりも誤差が大きくなると考えられる１分割（数式８）で行ったいくつもの数値検証結果から確認済みである。歩行特性が設定された場合には、原理上、歩行特性の乖離による誤差は無くなり演算式の単純化による誤差のみとなる。従って、誤差は大幅に改善される。このようにして、本発明の課題が解決され、少なくとも実用上の正確さをもち、さらに正確さを高めることができ、かつ、構造が単純で経済的に安価な歩数計が創出できることになる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４６】
ＭＰＵ及びその周辺機能、例えばＲＯＭ（リードオンリーメモリー）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）などのメモリー部、入出力部、電源部などは本発明に係わる歩数計の技術とは直接関係しないため、図３には図示していない。演算周期、メモリーなどＭＰＵを念頭に置いて説明を進める。説明上、演算周期を１０秒とする。１秒でも可能であろう。１秒では歩数変化が少ないにもかかわらず、メモリー量が多くなる欠点がある。ただし、表示部（歩数計利用者とのインターフェイス部）は１０秒周期では、応答性が悪い。そこで、例えば、１０秒の最初の１秒は演算、残り９秒は表示部の処理などとなろう。