KR20120125003A - Ｐａｓ 전기자전거용 토크센서 장치 - Google Patents

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KR20120125003A
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Abstract

본 발명은 PAS 전기자전거용 토크센서 장치에 관한 것으로, 특히 중앙으로 크랭크 축이 관통되는 홀을 형성하는 원판형상으로 상기 홀을 관통하는 크랭크 축에 의해 페달 회전축에 고정 체결되는 고정판; 상기 고정판에 배치 형성되는 봉 형태의 지지대; 중앙으로 크랭크 축이 관통되는 홀을 형성하고, 각각의 지지대가 관통 삽입될 수 있도록 대응위치에 회전 장홈이 형성된 스프로킷 기어; 상기 스프로킷 기어와 나사 결합으로 체결되며, 상기 회전 장홈의 대응위치에 댐퍼의 일부가 내부에 수용되고 삽입될 수 있는 댐퍼 삽입부를 형성하는 회전판; 상기 회전판의 댐퍼 삽입부에 수용 삽입되며, 상기 지지대에서 전달되는 상기 고정판의 회전력에 의해 탄성 압축되는 댐퍼; 상기 지지대의 봉 끝에 설치되는 제1 도그와, 상기 제1 도그가 위치되는 대응위치 위의 회전판에 설치되는 제2 도그로 구성되는 측정용 도그부; 및 상기 측정용 도그부의 제1 도그와 제2 도그를 감지하기 위한 제1 감지센서와 제2 감지센서를 구비하는 감지센서판;을 포함하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치를 개시한다.

Description

ＰＡＳ 전기자전거용 토크센서 장치{Torque sensor device for PAS electric bikes}
본 발명은 PAS(Pedal Assistance system) 전기자전거용 토크센서 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 크랭크에 가해지는 토크에 의한 고정판과 회전판을 연결하는 지지대의 변위각을 통해 전기자전거에 채용되는 PAS용의 토크를 쉽게 계측하는 것이 가능하면서도 저렴한 가격으로 구성되는 기구적 매커니즘의 구현이 적용되는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자전거는 사용자의 페달링에 의한 답력을 이용하여 주행하는 것으로서, 평지에서는 그 주행에 어려움이 없으나 언덕 등의 경사로를 올라갈 때에는 많은 힘을 필요로 하게 된다.
이러한 점을 해소하기 위하여, 최근에는 사용자의 답력에 더해 모터의 구동력을 사용하여 주행할 수 있도록 모터를 장착한 전기자전거가 개발되었다.
즉, 전기자전거에는 배터리로 구동되는 모터가 이용되며, 이러한 전기자전거는 사람이 페달을 밟는 힘만으로 주행하거나, 배터리로 구동되는 모터의 힘만으로 주행하거나, 둘 모두를 이용하여 주행하는 것을 선택할 수 있도록 구성되어 있다.
종래의 전기자전거는 언덕을 올라갈 때 페달의 축에 토크센서를 장착하여 토크센서에서 출력되는 신호에 따라 모터의 구동력을 자동으로 조절하도록 되어 있는 데, 이러한 토크센서는 고가이기 때문에 비용이 많이 소요된다는 문제가 있다.
즉, 전기자전거의 생산원가 및 구매 비용의 증가는 대중화에 걸림돌로 작용하게 된다.
현재 시판되고 있는 전기자전거에 장착된 PAS용 토크센서로는 가격이 고가인 토크 트렌듀서를 이용하는 방식과, 대부분의 중국 자전거에 채용되는 저가격의 페달회전 검출(홀센서를 이용한 회전속도 검출) 방식인 의사 PAS방식이 있다.
직접 측정의 일례로는 뒤틀림 센서 코일에서 뒤틀림에 따라 자기장을 발생시키면 이를 인덕터가 감지하여 전압을 발생시키는 마그네틱(Magnetic) 방식과, 페달과 크랭크 사이에 뒤틀림 센서를 장착하여 이를 측정하는 스트레인 게이지(Strain Gauge) 방식이 있다.
간접 측정의 일례로는 페달에 속도 센서를 달아 페달의 속도를 측정한 후 이를 미분하여 토크글 측정하는 스피드 메터(Speed Meter) 방식과, 페달의 속도 측정을 홀 센서를 사용하여 측정하는 홀 효과(Hole Effect) 방식이 있다.
본 출원인은 가격이 저렴한 간접측정 방식인 홀 효과(Hole Effect) 센서의 조합 방식이 적용되는 새로운 기구적 매커니즘으로 구성되는 토크센서 장치를 제안하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 크랭크에 가해지는 토크에 의한 고정판과 회전판을 연결하는 지지대의 변위각을 통해 전기자전거에 채용되는 PAS용의 실제 토크를 쉽게 계측할 수 있도록 기구적 매커니즘이 구현 적용되는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 간접측정 방식인 홀 효과(Hole Effect) 센서의 조합으로 구성되는 기구적 매커니즘을 제공함으로써, 저렴한 가격으로 구현될 수 있는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중앙으로 크랭크 축이 관통되는 홀을 형성하는 원판형상으로 상기 홀을 관통하는 크랭크 축에 의해 페달 회전축에 고정 체결되는 고정판; 상기 고정판에 배치 형성되는 봉 형태의 지지대; 중앙으로 크랭크 축이 관통되는 홀을 형성하고, 각각의 지지대가 관통 삽입될 수 있도록 대응위치에 회전 장홈이 형성된 스프로킷 기어; 상기 스프로킷 기어와 나사 결합으로 체결되며, 상기 회전 장홈의 대응위치에 댐퍼의 일부가 내부에 수용되고 삽입될 수 있는 댐퍼 삽입부를 형성하는 회전판; 상기 회전판의 댐퍼 삽입부에 수용 삽입되며, 상기 지지대에서 전달되는 상기 고정판의 회전력에 의해 탄성 압축되는 댐퍼; 상기 지지대의 봉 끝에 설치되는 제1 도그와, 상기 제1 도그가 위치되는 대응위치 위의 회전판에 설치되는 제2 도그로 구성되는 측정용 도그부; 및 상기 측정용 도그부의 제1 도그와 제2 도그를 감지하기 위한 제1 감지센서와 제2 감지센서를 구비하는 감지센서판;을 포함하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치를 개시한다.
바람직하게는, 상기 지지대는 상기 스프로킷 기어의 회전 장홈을 관통하고, 상기 댐퍼가 수용 삽입된 회전판의 댐퍼 삽입부에 위치되어 상기 고정판과 회전판을 연결하며, 상기 고정판의 회전에 의하여 발생되는 회전력을 댐퍼에 가하여 힘을 전달하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 댐퍼는 전달되는 힘에 의해 길이가 가변되는 탄성계수를 갖는 고무재 혹은 스프링 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전기자전거의 회전축에 가해지는 토크(T)는 상기 댐퍼의 탄성계수(K) × 댐퍼의 압축길이(L)로 구하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 댐퍼의 압축길이(L)는 상기 댐퍼의 변위각도(E)에 제2 도그의 중심까지의 반지름(r)의 곱으로 구하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 댐퍼의 변위각도(E)는 상기 고정판에 설치된 제1 도그의 회전을 감지하는 제1 감지센서로부터 초당 검출회수를 측정하여 구한 RPS(A)와, 상기 제1 감지센서와 제2 감지센서에서 감지한 제1 도그와 제2 도그의 감지되는 시간과의 차이(D)를 곱하여 구하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 PAS 전기자전거용 토크센서 장치에 의하면 다음과 같은 작용효과가 있다.
먼저, 본 발명은 크랭크에 가해지는 토크에 의한 고정판과 회전판을 연결하는 지지대의 변위각을 통해 전기자전거에 채용되는 PAS용의 토크를 쉽게 계측할 수 있는 기구적 매커니즘을 제공하는 작용효과가 있다.
또한, 본 발명은 간접측정 방식인 홀 효과(Hole Effect) 센서의 조합으로 구성되는 기구적 매커니즘을 제공함으로써, 저렴한 구성의 조합을 통한 생산 비용을 절감하게 되고, 그로인한 전기자전거의 가격 저렴화를 통해 대중화에 기여하는 작용효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 구성을 나타낸 분해사시도,
도 2는 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 조립 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 조립 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 조립 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치 중, 페달 회전축에 고정된 고정판의 구성을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치 중, 스프로킷 기어와 회전축이 체결된 상태의 구성을 나타낸 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치 중, 감지센서판을 나타낸 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 구성을 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 조립 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 조립 측면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치의 조립 정면도를 나타낸다.
본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치는 도 1에 도시되는 바와 같이, 고정판(10), 지지대(20), 스프로킷 기어(30), 회전판(40), 댐퍼(50), 측정용 도그부(70), 및 감지센서판(70)을 포함하여 구성한다.
상기 고정판(10)은 중앙으로 크랭크 축(1)이 관통되는 홀(11)을 형성하는 원판형상으로 상기 홀(11)을 관통하는 크랭크 축(1)에 의해 페달 회전축(2)에 고정 체결된다. 여기서, 상기 고정판(10)은 일례로서 140 파이 3티의 크기로 구성된다.
상기 지지대(20)는 도 1 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 고정판(10)에 120° 등간격으로 각각 배치 형성되는 봉 형태의 구성이며, 일례로서 길이 30mm, 10파이의 크기로 구성된다.
이러한 상기 지지대(20)는 후술하는 스프로킷 기어(30)의 회전 장홈(32)을 관통하고, 댐퍼(50)가 수용 삽입된 회전판(40)의 댐퍼 삽입부(41)에 위치되어 고정판(10)과 회전판(40)을 연결하며, 고정판(10)의 회전에 의하여 발생되는 회전력을 댐퍼(50)에 가하여 힘을 전달한다.
상기 스프로킷 기어(30)는 중앙으로 크랭크 축(1)이 관통되는 홀(31)을 형성하고, 각각의 지지대(20)가 관통 삽입될 수 있도록 대응위치에 예를 들어 3개의 회전 장홈(32)이 형성된다.
여기서, 상기 회전 장홈(32)은 일례로서 50mm의 크기를 가지도록 구성된다.
또한, 상기 스프로킷 기어(30)는 미도시한 체인변속기가 부착되는 형태의 구조로서, 체인변속기의 중심 축에서 제일 큰 체인 스프로킷의 100파이 위치에 상기 회전 장홈(32)이 형성되는 구조로 구성된다.
상기 회전판(40)은 상기 스프로킷 기어(30)와 나사(3) 결합으로 체결되며, 상기 예를 들어 3개의 회전 장홈(32)의 대응위치에 댐퍼(50)의 일부가 내부에 수용되고 삽입될 수 있는 예를 들어 3개의 댐퍼 삽입부(41)를 형성하는 원판형태로 구성된다.
상기 댐퍼(50)는 상기 회전판(40)의 댐퍼 삽입부(41)에 수용 삽입되며, 상기 지지대(20)에서 전달되는 상기 고정판(10)의 회전력에 의해 탄성 압축된다.
여기서, 상기 댐퍼(50)는 전달되는 힘에 의해 길이가 가변되는 탄성계수를 갖는 고무재 혹은 스프링 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 측정용 도그부(60)는 상기 지지대(20)의 봉 끝에 설치되는 제1 도그(61)와, 상기 제1 도그(61)가 위치되는 대응위치 위의 회전판(40)에 설치되는 제2 도그(62)로 구성된다.
상기 감지센서판(70)은 상기 측정용 도그부(60)의 제1 도그(61)와 제2 도그(62)를 감지하기 위한 제1 감지센서(71)와 제2 감지센서(72)를 구비한다.
본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 크랭크 축(1)과 체결되는 페달 회전축(2) 사이에 체결되는 구성으로, 먼저 상기 페달 회전축(2)에 제1 도그(61)가 설치된 봉 형태의 지지대(20)가 예를 들어 120° 등각으로 배치 형성된 고정판(10)이 위치한다.
다음, 상기 댐퍼(50)가 수용 삽입된 회전판(40)과 스프로킷 기어(30)가 나사(3) 결합으로 체결된 상태에서, 상기 고정판(10)에 형성된 지지대(20)를 통해 결합된다.
이때, 상기 지지대(20)는 상기 스프로킷 기어(30)의 회전 장홈(32)을 관통하고, 상기 댐퍼(50)가 수용 삽입된 회전판(40)의 댐퍼 삽입부(41)의 빈 공간에 위치된다. 즉, 상기 지지대(20)는 상기 회전 장홈(32)에 수용 삽입된 댐퍼(50)의 일측과 맞닿은 상태의 위치에 놓이게 된다.
이에 따라, 상기 회전판(40)의 댐퍼 삽입부(41)에 위치하는 제1 도그(61)와, 상기 제1 도그(61)의 위치에 대응하는 바로 위의 회전판(40)상에 제2 도그(62)가 위치하게 되고, 상기 제1 도그(61) 및 제2 도그(62)와 대응하는 위치에 감지센서판(70)이 위치하게 된다.
여기서, 상기 감지센서판(70)의 제1 감지센서(71)는 제1 도그(61)를 감지하도록 대응되고, 제2 감지센서(72)는 제2 도그(62)를 감지하도록 대응되게 설치된다.
상기와 같은 순서로 조립되는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치는 도 2의 조립 사시도와, 도 3의 조립 측면도, 및 도 4의 조립 정면도로 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치 중, 페달 회전축에 고정된 고정판의 구성을 사시도로 나타내고, 도 6은 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치 중, 스프로킷 기어와 회전축이 체결된 상태의 구성을 사시도로 나타내며, 도 7은 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치 중, 감지센서판의 구성을 나타낸다.
본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치는, 상기의 구성들을 통해 전기자전거의 회전축에 가해지는 실제 토크(T)를 측정하게 된다.
여기서, 전기자전거의 회전축에 가해지는 토크(T)는 상기 댐퍼(50)의 탄성계수(K) × 댐퍼의 압축길이(L)로 구하게 된다.
여기서, 댐퍼(50)의 탄성계수는 댐퍼의 재질종류에 따라 알려져 있는 것이므로 적당한 종류를 선택하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 댐퍼(50)의 압축길이(L)는 상기 댐퍼(50)의 변위각도(E)에 제2 도그(62)의 중심까지의 반지름(r)의 곱으로 구하게 되고, 상기 댐퍼(50)의 변위각도(E)는 상기 고정판(10)에 설치된 제1 도그(61)의 회전을 감지하는 제1 감지센서(71)로부터 초당 검출회수를 측정하여 구한 RPS(A)와, 상기 제1 감지센서(71)와 제2 감지센서(72)에서 감지한 제1 도그(61)와 제2 도그(62)의 감지되는 시간과의 차이(D)를 곱하여 구하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 PAS 전기자전거용 토크센서 장치를 이용한 토크 계측 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 크랭크 축(1)에 고정된 고정판(10)이 페달 회전축(2)의 회전에 따라 상기 고정판(10)에 형성된 지지대(20)가 댐퍼(50)에 회전력을 전달하게 되고, 상기 댐퍼(50)는 전달받은 회전력의 힘에 의해 가압되며, 이에 따라 상기 제1 도그(61)와 제2 도그(62)의 대응위치에 간격의 차이가 발생된다.
즉, 상기 댐퍼(50)의 탄성계수 만큼 전달받은 회전력에 의한 제1, 및 제2 도그(61,62)의 위치 간격이 발생하게 된다.
이러한 상태에서 상기 감지센서판(70)에 구성되는 제1 감지센서(71)는 상기 고정판(10)에 설치된 상기 제1 도그(61)의 회전을 감지하고, 초당 검출회수를 측정하여 RPS(Revolutions Per Second)를 구하게 된다. 이때, 상기 RPS에 60을 곱하게 되면 분당회전수인 RPM(Revolutions Per Minute)이 된다.
즉, 1RPS는 2π(2×3.141592) [rad/sed]이다.
이와 동시에, 상기 고정판(10)에 설치된 제1 도그(61)의 회전을 감지하는 제1 감지센서(71)에서 감지된 시간과, 체인 스프로킷(30)에 설치된 회전판(40)에 설치된 제2 도그(62)의 회전을 감지하는 제2 감지센서(72)에서 감지된 시간과의 차(D)를 계산한다.
이러한 시간 차이(D)는 상기 댐퍼(50)에 가해진 힘의 세기에 따라 변하는 값이며, 토크가 클수록 그 시간단위는 크게 나타난다.
다음, 상기의 과정으로 검출된 RPS(A)에 시간 차(D)를 곱하면 상기 댐퍼(50)의 변위각도(E, 단위:radian)를 계산할 수 있다
즉, 변위각도(E)= RPS(A)×2π[rad/sec]×시간차이(D)(sec)로 정의된다.
다음, 상기 회전판(40)에 설치된 제2 도그(62)는 미리 정해진 위치에 고정되게 설치되므로 제2 도그(62)의 중심까지의 반지름(r, 단위 mm)은 미리 정의된 상태이므로 알 수 있다.
따라서, 상기 댐퍼(50)의 압축길이(L)는 변위각도(E)에 제2 도그(62)의 중심까지 반지름(r)의 곱에 의해 계산된다.
이렇게 계산된 상기 댐퍼(50)의 압축길이(L)에 댐퍼(50)의 탄성계수(K)를 곱하면 최종적으로 전기자전거의 회전축에 가해지는 토크(T)의 계산이 이루어지게 된다.
즉, 본 발명은 크랭크에 가해지는 토크에 의한 상기 고정판(10)과 회전판(40)을 연결하는 지지대(20)의 변위각을 통해 구하는 원리를 제공한다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예에 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 적용되고 변형실시될 수 있다.
10 : 고정판 11 : 홀
20 : 지지대 30 : 스프로킷 기어
31 ; 홀 32 : 회전 장홈
40 : 회전판 41 : 댐퍼 삽입부
50 : 댐퍼 60 : 측정용 도그부
61 : 제1 도그 62 : 제2 도그
70 : 감지센서판 71 : 제1 감지센서
72 : 제2 감지센서

Claims (6)

  1. 중앙으로 크랭크 축이 관통되는 홀을 형성하는 원판형상으로 상기 홀을 관통하는 크랭크 축에 의해 페달 회전축에 고정 체결되는 고정판;
    상기 고정판에 배치 형성되는 봉 형태의 지지대;
    중앙으로 크랭크 축이 관통되는 홀을 형성하고, 각각의 지지대가 관통 삽입될 수 있도록 대응위치에 회전 장홈이 형성된 스프로킷 기어;
    상기 스프로킷 기어와 나사 결합으로 체결되며, 상기 회전 장홈의 대응위치에 댐퍼의 일부가 내부에 수용되고 삽입될 수 있는 댐퍼 삽입부를 형성하는 회전판;
    상기 회전판의 댐퍼 삽입부에 수용 삽입되며, 상기 지지대에서 전달되는 상기 고정판의 회전력에 의해 탄성 압축되는 댐퍼;
    상기 지지대의 봉 끝에 설치되는 제1 도그와, 상기 제1 도그가 위치되는 대응위치 위의 회전판에 설치되는 제2 도그로 구성되는 측정용 도그부; 및
    상기 측정용 도그부의 제1 도그와 제2 도그를 감지하기 위한 제1 감지센서와 제2 감지센서를 구비하는 감지센서판;
    을 포함하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지대는,
    상기 스프로킷 기어의 회전 장홈을 관통하고, 상기 댐퍼가 수용 삽입된 회전판의 댐퍼 삽입부에 위치되어 상기 고정판과 회전판을 연결하며, 상기 고정판의 회전에 의하여 발생되는 회전력을 댐퍼에 가하여 힘을 전달하는 것을 특징으로 하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 댐퍼는,
    전달되는 힘에 의해 길이가 가변되는 탄성계수를 갖는 고무재 혹은 스프링 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기자전거의 회전축에 가해지는 토크(T)는,
    상기 댐퍼의 탄성계수(K) × 댐퍼의 압축길이(L)로 구하는 것을 특징으로 하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 댐퍼의 압축길이(L)는,
    상기 댐퍼의 변위각도(E)에 제2 도그의 중심까지의 반지름(r)의 곱으로 구하는 것을 특징으로 하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 댐퍼의 변위각도(E)는,
    상기 고정판에 설치된 제1 도그의 회전을 감지하는 제1 감지센서로부터 초당 검출회수를 측정하여 구한 RPS(A)와, 상기 제1 감지센서와 제2 감지센서에서 감지한 제1 도그와 제2 도그의 감지되는 시간과의 차이(D)를 곱하여 구하는 것을 특징으로 하는 PAS 전기자전거용 토크센서 장치.
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