(57)【要約】【課題】極めて簡単な構造としながら、ぺタル等の回転トルクを理想的なトルクにコントロールする。ぺタル等で回転される発電機の出力で二次電池を充電して発電エネルギーを有効に利用する。二次電池を好ましい電流で充電して寿命を長くする。【解決手段】トレーニング装置は、外部からの作用で回転される回転駆動手段２を介して回転される発電機３を備える発電機構１と、この発電機構１から出力される電力を電流制御する制御回路４と、この制御回路４を制御して発電機３の回転トルクをコントロールするトルク設定回路５と、制御回路４に接続してなる負荷抵抗６及び二次電池７とを備え、制御回路４が、負荷抵抗６に流す負荷電流と、二次電池７の充電電流とをコントロールして、トルク設定回路５で設定される回転トルクとなるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの作用で回転される回転駆動手段(2)を介して回転される発電機(3)を備える発電機構(1)と、この発電機構(1)から出力される電力を電流制御する制御回路(4)と、この制御回路(4)を制御して発電機(3)の回転トルクをコントロールするトルク設定回路(5)と、前記制御回路(4)に接続してなる負荷抵抗(6)及び二次電池(7)とを備え、
前記制御回路(4)が、前記負荷抵抗(6)に流す負荷電流と、前記二次電池(7)の充電電流とをコントロールして、前記トルク設定回路(5)で設定される回転トルクとなるように制御することを特徴とするトレーニング装置。
【請求項２】
前記発電機構(1)が交流発電機(3A)と、この交流発電機(3A)から出力される交流を整流して直流に変換する整流回路(8)とを備える請求項１に記載されるトレーニング装置。
【請求項３】
前記二次電池(7)が鉛バッテリである請求項１又は２に記載されるトレーニング装置。
【請求項４】
前記制御回路(4)が、オンオフのデューティーで負荷電流と充電電流をコントロールするスイッチング素子(18)を備える請求項１ないし３のいずれかに記載されるトレーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ぺタル等の回転駆動手段を有するトレーニング装置に関し、とくにぺタル等の回転トルクで二次電池を充電しながら最適な回転トルクに制御できるトレーニング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ぺタルを回転するトレーニング装置は開発されている。（特許文献１〜３参照）
特許文献１のトレーニング装置は、ぺタルを回転して永久磁石式の直流発電機を回転する。このトレーニング装置は、既設の交流電源に接続している太陽電池等の直流電源部に、直流発電機の発電電力を供給する。このことを実現するために、直流発電機の出力電流を検出し、この検出電流を設定電流となるように制御する。発電機の出力電流を設定電流とするために、増幅器、ＰＭＷ回路、三角波発生器、駆動回路からなる電流制御回路と、直流発電機の出力電圧をＰＶインバータの直流電源を構成するコンデンサの電圧より高くなるようにするＭＯＳＦＥＴとダイオードからなる昇圧チョッパ回路を備えている。
【０００３】
特許文献２のトレーニング装置は、人力で回転されるぺタルで発電機を回転し、発電機の発電電力を電磁ブレーキに供給して消費すると共に、二次電池を充電する。
【０００４】
特許文献３のトレーニング装置は、体力トレーニングを行う人の脈拍数を測定し、測定された脈拍数と予め設定された目標脈拍などの目標値との差から負荷抵抗の大きさを決定する。この決定された負荷抵抗の大きさに負荷抵抗調整装置が体力トレーニング装置本体の負荷抵抗の大きさを調節する。負荷抵抗調整装置は、体力トレーニング装置本体と連動する発電機と、負荷抵抗調整装置のエネルギ源及び制御系の電源となる二次電池とを備える。トレーニングを行うことにより発電機で発電し、この発電機の発生する電力で二次電池を充電し、体力トレーニング装置の負荷抵抗調節装置用のエネルギ源及び制御系の電源として使用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１３０８９９号公報
【特許文献２】特開平５−３０９１４８号公報
【特許文献３】特開平５−３１７４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のトレーニング装置は、ぺタルで回転される発電機の出力を、既設の交流電源に接続している太陽電池等の直流電源部に供給するので、太陽電池と発電機の出力を負荷抵抗に供給して有効に利用できる。しかしながら、このトレーニング装置は回路構成が極めて複雑となって部品コストや組み立てコストが著しく高くなる欠点がある。また、発電機の出力を複雑な回路でコントロールして太陽電池の直流電源部に供給するので、太陽電池を備えない用途に使用できない欠点がある。
【０００７】
また、特許文献２のトレーニング装置は、ぺタルで回転される発電機の出力で二次電池を充電し、さらに、ぺタルの回転トルクをコントロールするために、機構が複雑な電磁ブレーキを使用するので、部品コストが高くなる。また、電磁ブレーキでは、回転速度が大幅に変動する状態で、回転トルクを精密に安定して制御するのが難しく、ぺタルの回転トルクを理想的な状態でコントロールするのが難しい欠点がある。
【０００８】
さらに、特許文献３のトレーニング装置は、ぺタルの回転トルクを二次電池の充電電流でコントロールするので、二次電池を好ましい状態で充電するのが難しい欠点がある。二次電池は、満充電容量や種類などによって最適な充電電流が特定の範囲に制限される。過大電流で充電されたり過充電されると著しく劣化する性質がある。ぺタルの回転トルクで充電電流が特定されると、二次電池は常に好ましい電流では充電されず、著しく劣化して寿命が短くなったり、発熱して安全に充電できない等の弊害が発生する。このトレーニング装置は、モータでぺタルを回転して回転トルクを軽くしているが、この構造は、モータを必要とし、またモータの制御回路も必要とすることから部品コストが高く、構造も複雑になる欠点がある。
【０００９】
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、極めて簡単な構造としながら、ぺタル等の回転駆動手段の回転トルクを理想的なトルクにコントロールでき、しかも回転駆動手段で回転される発電機の出力で二次電池を充電して発電エネルギーを有効に利用でき、さらに二次電池を好ましい電流で充電して寿命を長くできるトレーニング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１０】
本発明のトレーニング装置は、外部からの作用で回転される回転駆動手段２を介して回転される発電機３を備える発電機構１と、この発電機構１から出力される電力を電流制御する制御回路４と、この制御回路４を制御して発電機３の回転トルクをコントロールするトルク設定回路５と、制御回路４に接続してなる負荷抵抗６及び二次電池７とを備え、制御回路４が、負荷抵抗６に流す負荷電流と、二次電池７の充電電流とをコントロールして、トルク設定回路５で設定される回転トルクとなるように制御する。
【００１１】
以上のトレーニング装置は、極めて簡単な構造としながら、回転駆動手段の回転トルクを理想的なトルクにコントロールでき、しかも回転駆動手段で回転される発電機の出力で二次電池を充電して発電エネルギーを有効に利用でき、さらに二次電池を好ましい電流で充電して寿命を長くできる。回転駆動手段の回転トルクを理想的なトルクにコントロールできるのは、発電機の出力を負荷電流と二次電池の充電電流でコントロールするからである。負荷電流を大きく、また二次電池の充電電流を大きくして回転駆動手段の回転トルクを大きくできるが、負荷電流と充電電流は、簡単な回路で連続的に正確にコントロールできるので、回転トルクを理想的な状態に制御できる。また、負荷電流と充電電流の両方で回転駆動手段の回転トルクをコントロールするので、二次電池の充電電流を最適な電流にコントロールしながら、回転駆動手段の回転トルクを理想的な状態にコントロールできる。それは、充電電流が大きすぎるときには負荷電流を大きくし、充電電流が小さいときには負荷電流を小さくして、回転トルクをコントロールできるからである。また、二次電池が理想的な状態で充電されることから、劣化を少なくして寿命を長くできる特徴も実現する。
【００１２】
本発明のトレーニング装置は、発電機構１が交流発電機３Ａと、この交流発電機３Ａから出力される交流を整流して直流に変換する整流回路８とを備えることができる。
このトレーニング装置は、発電機に交流発電機を使用するので、発電機の構造が簡単になって故障が少なく、また、メンテナンスも簡素化できる。それは、交流発電機では、直流発電機のブラシに変わってスリップリングを使用するからである。
【００１３】
本発明のトレーニング装置は、二次電池７を鉛バッテリとすることができる。
このトレーニング装置は、安価な二次電池で充電電流を大きくできる。
【００１４】
本発明のトレーニング装置は、制御回路４が、オンオフのデューティーで負荷電流と充電電流をコントロールするスイッチング素子１８を備えることができる。
このトレーニング装置は、スイッチング素子のデューティーを制御して、負荷電流と充電電流の両方を電力損失なくスムーズに、しかも大幅にコントロールして、回転駆動手段の回転トルクを理想的なトルクに制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるトレーニング装置の概略構成図である。
【図２】回転駆動手段の回転トルクを設定トルクとする設定電流を示すグラフである。
【図３】制御回路が記憶する負荷電流と充電電流の比率の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのトレーニング装置を例示するものであって、本発明はトレーニング装置を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１７】
図１のトレーニング装置は、外部からの作用で回転される回転駆動手段２を介して回転される発電機３を備える発電機構１と、この発電機構１から出力される電力を電流制御する制御回路４と、この制御回路４を制御して発電機３の回転トルクをコントロールするトルク設定回路５と、制御回路４に接続している負荷抵抗６と二次電池７とを備える。
【００１８】
回転駆動手段２は、外部からの作用で回転されて、この回転力で発電機３を回転させる。このような回転駆動手段２として、図に示すトレーニング装置は、ユーザーが足で回転させるペタル９を備えている。この回転駆動手段２は、ユーザーが足でペタル９を回転し、この回転力で発電機３を回転させる。ただ、回転駆動手段は、必ずしもユーザーが足で回転させるペタルには特定しない。回転駆動手段は、手回しのハンドルや、歩行やランニングにより回転するローラーとすることもできる。これらの回転駆動手段も、ユーザーの運動によって、ハンドルやローラーが回転されて、この回転力で発電機を回転させる構造とする。また、本発明のトレーニング装置は、トレーニングの対象を必ずしも人間には特定せず、犬やハムスター等の動物とすることもできる。
以下、回転駆動手段２をペタル９として、ユーザーがペタル９を介して発電機３を回転させる構造について説明する。
【００１９】
発電機構１は、回転駆動手段２であるペタル９で回転される交流発電機３Ａと、この交流発電機３Ａから出力される交流を整流して直流に変換する整流回路８とを備える。交流発電機３Ａは、動力伝達機構１０を介して回転されるペタル９の回転軸に連結している。図の動力伝達機構１０は、ペタル９をクランクアーム１２の先端に連結しているクランク軸１１に固定している大プーリ１３と、発電機３の回転軸３ａに固定している小プーリ１４と、大プーリ１３と小プーリ１４とに連結しているベルト１５とからなる。この動力伝達機構１０は、ペタル９の回転を増速して交流発電機３Ａを回転できる。クランク軸１１は、１８０度クランクで、クランクアーム１２の先端にペタル９を回転できるように連結している。ユーザーがペタル９に足を載せてクランク軸１１を回転すると、大プーリ１３と小プーリ１４とベルト１５を介して交流発電機３Ａが回転される。交流発電機３Ａは、励磁コイルの電流をコントロールして出力電圧を一定の電圧にコントロールしている。この交流発電機３Ａは、所定の回転速度で回転される状態で、一定の電圧の交流を出力する。ただし、交流発電機は、回転速度に比例して出力電圧が高くなる発電機も使用できる。
【００２０】
整流回路８は、交流発電機３Ａから出力される三相交流を整流するダイオードブリッジ１６と、ダイオードブリッジ１６から出力される脈流を平滑化する電解コンデンサ１７とからなる。三相交流をダイオードブリッジ１６で整流する回路は、出力される脈流のリップルが小さくなるので、必ずしも電解コンデンサを接続する必要はない。
【００２１】
図１の発電機構１は、交流発電機３Ａから出力される交流電力を整流回路８で整流して直流に変換するが、発電機構には直流発電機も使用できる。直流発電機は、直流電力を出力するので、整流回路を設ける必要がない。
【００２２】
制御回路４は、回転駆動手段２であるペタル９の回転トルクを、トルク設定回路５でセットする設定トルクとするように、発電機構１の出力電流をコントロールする。発電機構１の出力電流を大きく設定すると、ペタル９の回転トルクは大きく、反対に発電機構１の出力電流を小さく設定するとペタル９の回転トルクは小さくなる。したがって、制御回路４が出力電流をコントロールして、ペタル９の回転トルクを設定トルクにできる。
【００２３】
制御回路４は、これに接続している負荷抵抗６に流れる負荷電流と二次電池７の充電電流をコントロールして、発電機構１の出力電流をコントロールする。制御回路４は、発電機構１の出力電流をできる限り大きく、すなわち負荷電流に対する充電電流の比率を大きくして二次電池７に供給する。発電機構１の発電エネルギーを有効に二次電池７に蓄電するためである。ただ、二次電池７は、過充電すると劣化して寿命が短くなるので、過充電しないように充電電流を制御する。図１の制御回路４は、二次電池７である鉛バッテリの電圧を検出しながら、充電電流を制御する。二次電池７を鉛バッテリとするトレーニング装置は、鉛バッテリの電圧が１４．５Ｖを越えないように、充電電流をコントロールする。
【００２４】
二次電池７は必ずしも鉛バッテリとする必要はなく、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池など、充電できる全ての二次電池を使用できる。ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などのアルカリ電池は、たとえば、充電電流を一定の電流に制限して定電流充電し、定電流充電する状態で電池の電圧がピーク電圧からΔＶ低下すると、満充電されたと判定して、充電電流を遮断する。リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池は、電池電圧が４．１Ｖ／セル〜４．３Ｖ／セルを越えないように、充電電流を制御する。
【００２５】
制御回路４は、充電電流と負荷電流のトータル電流を設定電流とするように制御して、回転駆動手段２であるペタル９の回転トルクを設定トルクとする。すなわち、充電電流と負荷電流を加算したトータル電流を設定電流とする。
【００２６】
制御回路４は、負荷電流と充電電流を制御するスイッチング素子１８を備える。スイッチング素子１８は、ＦＥＴやトランジスタ等の半導体スイッチング素子である。制御回路４は、コントロール回路１９で、スイッチング素子１８を所定の周期でオンオフに切り換えるデューティーを調整して、負荷電流と充電電流をコントロールする。コントロール回路１９は、スイッチング素子１８のオフ時間に対するオン時間を長くして、すなわちデューティーを大きくして、負荷電流と充電電流を大きくし、反対にデューティーを小さくして負荷電流と充電電流を小さく調整する。
【００２７】
制御回路４は、負荷抵抗６に流れる負荷電流と、二次電池７の充電電流とを別々にコントロールして、トータル電流を調整する。負荷抵抗６と二次電池７の電流を独立して調整するために、整流回路８の出力側を分岐して、各々の出力側にスイッチング素子１８を接続している。負荷抵抗６に流れる負荷電流は、整流回路８の出力側と負荷抵抗６との間に接続している第１のスイッチング素子１８Ａのデューティーを調整してコントロールされ、二次電池７の充電電流は、整流回路８の出力側と二次電池７との間に接続している第２のスイッチング素子１８Ｂのデューティーを調整してコントロールされる。制御回路４は、負荷電流と充電電流のトータル電流を、トルク設定回路５から入力される設定電流とするように、第１のスイッチング素子１８Ａと第２のスイッチング素子１８Ｂのデューティーをコントロール回路１９で制御する。
【００２８】
トルク設定回路５は、ユーザーが回転駆動手段２であるペタル９を回転する回転トルクを設定トルクとする設定電流を制御回路４に出力する。図２は、ペタル９の回転トルクを設定トルクとする設定電流を示すグラフである。この図に示すように、ペタル９の設定トルクは、設定電流を大きくして大きくなる。トルク設定回路５は、図２に示す設定トルクに対する設定電流を関数として、あるいはルックアップテーブルとして記憶している。さらに、トルク設定回路５は、図１に示すように、設定トルクを増加し、また減少させるスイッチ２１と、設定トルクを表示する表示部２２とを備える。このトルク設定回路５は、ユーザーがスイッチ２１を操作して、表示部２２の設定トルクを自分の好きなトルクに設定する。トルク設定回路５は、ユーザーの設定トルクから設定電流を特定して、設定電流を制御回路４に出力する。
【００２９】
制御回路４は、設定電流に対する負荷電流と充電電流を関数又はルックアップテーブルとして記憶している。制御回路４は、充電電流が二次電池７の最大充電電流を越えないように、設定電流に対する負荷電流と充電電流を記憶している。図３は、制御回路４が記憶する負荷電流と充電電流の比率を示している。この図のように記憶する制御回路４は、設定電流が二次電池７の最大充電電流よりも小さい領域においては、設定電流を充電電流とする。設定電流が最大充電電流よりも大きくなると、設定電流と充電電流の差電流を負荷電流とする。ただし、図３の鎖線で示すように、設定電流が次第に大きくなるにしたがって、充電電流と負荷電流を大きくして、負荷電流と充電電流のトータル電流が設定電流となるように制御することもできる。
【００３０】
さらに、制御回路４は、負荷電流に対する第１のスイッチング素子１８Ａのデューティーと、充電電流に対する第２のスイッチング素子１８Ｂのデューティーも関数又はルックアップテーブルとして記憶している。回転速度に対して出力電圧が変化する発電機３を備えるトレーニング装置は、整流回路８の出力電圧と負荷電流に対する第１のスイッチング素子１８Ａのデューティーと、出力電圧と充電電流に対する第２のスイッチング素子１８Ｂのデューティーを関数又はルックアップテーブルとして記憶している。
【００３１】
図１のトレーニング装置は、整流回路８の出力電流を検出する電流検出回路２０を備えており、この電流検出回路２０の検出電流が設定電流となるように、コントロール回路１９が第１のスイッチング素子１８Ａと第２のスイッチング素子１８Ｂをオンオフに切り換えるデューティーを調整する。
【００３２】
制御回路４は、トルク設定回路５から入力される設定電流が、負荷電流と充電電流のトータル電流となるように、第１のスイッチング素子１８Ａと、第２のスイッチング素子１８Ｂのデューティーを制御する。
【００３３】
以上のトレーニング装置は、以下のようにして、回転駆動手段２であるペタル９の回転トルクを設定トルクとする。
（１）ユーザーがトルク設定回路５を操作して、設定トルクを入力する。
（２）トルク設定回路５は、設定トルクから設定電流を特定する。
（３）設定電流がトータル電流となるように、制御回路４は第１のスイッチング素子１８Ａと第２のスイッチング素子１８Ｂをオンオフに切り換えるデューティーを制御する。
第１のスイッチング素子１８Ａが所定のデューティーでオンオフに切り換えられて、負荷抵抗６に流れる平均電流が設定値に調整され、さらに、第２のスイッチング素子１８Ｂが所定のデューティーでオンオフに切り換えられて、二次電池７の平均電流が設定値に調整される。
（４）負荷抵抗６と充電電流のトータル電流が設定電流に調整されて、回転駆動手段２であるペタル９の回転トルクは設定トルクに調整される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、ペタル等の回転駆動手段を回転するトレーニング装置であって、とくにペタル等の回転トルクで二次電池を充電するトレーニング装置に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１…発電機構
２…回転駆動手段
３…発電機                    ３Ａ…交流発電機
３ａ…回転軸
４…制御回路
５…トルク設定回路
６…負荷抵抗
７…二次電池
８…整流回路
９…ペタル
１０…動力伝達機構
１１…クランク軸
１２…クランクアーム
１３…大プーリ
１４…小プーリ
１５…ベルト
１６…ダイオードブリッジ
１７…電解コンデンサ
１８…スイッチング素子        １８Ａ…第１のスイッチング素子
１８Ｂ…第２のスイッチング素子
１９…コントロール回路
２０…電流検出回路
２１…スイッチ
２２…表示部
【図１】
2013248054.tif 000003
【図２】
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【図３】
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