혁신적이고 내구성이 뛰어난 MILE 인코더

소형의 견고하고 정밀한 맥슨모터의 인덕티브 마이크로 인코더는 획기적인 제품이다. 인덕티브 인코더는 타깃 디스크로 유도된 자기장배위 변동에 의한 한 개 이상의 코일 인덕턴스 변화를 이용한다. 특히 EMC, 먼지와 기름으로부터 영향을 받지 않으며, 직경 6mm 남짓의 작은 크기 안에 통합 정류신호 뿐만 아니라 프로그램형 인덱스 펄스가 장착된다.
글·Max Erick Busse-Grawitz
자료제공·맥슨모터 코리아(www.maxonmotor.co.kr)

로터리 포지션 인코더는 매우 뛰어난 정밀기기인 동시에 매우 섬세한 제품이기도 하다. 오늘날 광학식 로터리 인코더는 나노미터의 정밀함을 얻을 수 있지만 먼지, 물과 기름(증기포함), 안개 및 서리와 같이 광선을 방해하는 요소들에 매우 민감하다. 이런 점을 극복하기 위해서는 고가의 씰링 기법이 필요하다.

마그네틱 인코더는 극한 환경조건인 산업용 어플리케이션에 적합하고 구조상 먼지와 물에 쉽게 대처할 수 있는 반면, 모터와 결합 시 자기장에 취약한 약점이 그대로 드러난다. 자기저항(MR)과 홀센서 기반의 인코더에는 동질의 지속 영역을 교정하는 보정법이 있다. 하지만 이 방법은 모터와 직접 결합 시 발생하기 쉬운 비동질의 교번자계에 대해서는 매우 비효율적이다.

소형 모터에 대해서, 아직도 많은 고객들은 모터와 인코더를 하나의 케이블로 연결하거나 또는 모터의 한 쪽 끝에 연결하기를 원한다. 대부분의 경우 가격 문제로 실딩을 하지 않는다. 광학식/마그네틱 인코더 시스템의 선택에 있어서, 전기용량 및 인덕턴스와 같은 다른 원리가 고려되어야 한다.

인코더의 이런 현상은 이미 대형 모터에서 나타났지만 소형 모터에서는 지금까지 야기되지 않고 있다. 이 때문에 맥슨모터는 매우 소형화된 인덕티브 인코더 개발에 투자를 아끼지 않고 있다.

그 결과가 바로 세계에서 가장 작은 MILE 인코더(Maxon’S Inductive Little Encoder)이다. MILE 인코더의 대표적 분야는 의료기술, 로보틱스 그리고 극한 환경에서 사용되는 산업용 어플리케이션이다.

스탠더드 인덕티브 인코더의 원리

인덕티브 인코더는 타깃 디스크로 유도된 자기장 배위 변동에 의한 한 개 이상의 코일 인덕턴스 변화를 이용한다. 예를 들어 타깃 디스크를 의미하는 반원형 철심은 코일을 직접적으로 지나 인덕턴스를 변화시킨다.

이는 LC 발진기의 공진주파수로 측정된다. 성능의 향상으로 구동 시 속도가 스스로 변하는 운동 및 자체 인덕턴스가 아닌 멀티코일 배열의 보정된 상호 인덕턴스에 대한 측정이 가능해졌다.

진보된 신호조정 측정법에도 불구하고 단순한 철 혹은 페라이트 코어 기반의 인덕티브 인코더에는 많은 장애가 있다. 연철/페라이트의 온도 의존성은 보정 측정이 필요하고, 외부 자기장은 사용된 재료의 투과성을 임계점 아래로 변화시킬 수 있다.

철 혹은 페라이트 인덕티브 인코더는 마그네틱 인코더에 비해 자기장에 더욱 강하다. 그러나 강자기장에서 인덕티브 인코더 조차 그 특성이 상당히 변할 수 있다. 따라서 추가적인 방법이 강구되지 않는다면 미세한 인터폴레이션에서는 적합하지 않다. 따라서 고정밀 인덕티브 인코더는 무철심으로 설계되어야 한다.

MILE 인코더

맴돌이 전류를 기반으로 한 인덕티브 인코더 원리
MILE 인코더는 반대로 발생하는 맴돌이 전류를 이용한 인덕티브 인코더이다: 타깃(전자기파를 반사시키는 물체)은 구리 혹은 알루미늄과 같이 비자성, 전도성이 우수한 금속구조로 되어 있다.
고주파에 노출되면 자기장은 멀리까지 통과할 수 없게 된다. 유도된 맴돌이 전류는 반대 방향으로 자기장을 생성하고 그 영향으로 생성된 자기장은 표면에 남는다(Skin Effect).

전기장 속 자유전하는 중심부를 통과하는 대신 타깃 주위를 흐르며 공기와 금속 사이에 전위차를 발생시킨다. 적당한 금속두께로 이러한 효과를 얻고 초소형화된 시스템에서 알맞은 신호를 확인하기 위해 메가헤르츠 범위에서 여기 주파수(Excitation Frequency)가 설정된다.

이 주파수에서 얇은 구리 층이 사용될 수 있다(100μm). 선택된 주파수는 표준 PWM 주파수 이상으로 설정되고 매우 강한 PWM 신호에서도 간섭이 거의 없다.

이중 보상구조는 시스템 온도와 타깃 디스크 피치의 부정적인 영향을 최소화시킨다. 여자코일(Excitation Coil, 붉은색 표시)은 내부코일로 변압기를 만들면서 대칭신호를 수신한다. 두 쌍의 내부코일은 비연속적으로 연결된다. 구조가 대칭이기 때문에, 개별코일의 기대전압은 서로 상쇄된다.

만약 타깃 디스크(그림 1 반투명)가 구조상 코일의 일부분만 감싼다면, 측정 가능한 전압은 증폭기의 입력부에서 확인된다. 전압의 진폭과 위상은 타깃 디스크에 따라 다양하다. 시스템은 레졸버로서의 역할을 한다.

그림 1. MILE 센서 원리

그림 2. MILE 센서, 3.2 x 2.7 x 0.4mm 크기의 소형 플립 칩 적용

적용 분야

컴팩트한 MILE 인코더는 공간의 제약이 있고 정밀제어 드라이브가 필요한 모든 어플리케이션에 적합하다. 맥슨모터의 고출력을 충분히 활용할 수 있으며 모터직경 보다 큰 인코더를 사용할 필요가 없을 것이다.

예를 들어, 1mm 이하의 전자부품을 고르고 운반하여 제자리에 놓는 픽앤플레이스 기계의 회로기판에 공간의 제약이 있다고 가정해 보자.

피더는 서로 매우 가깝게 위치하고 스트랩 드라이버는 밀리미터 두께의 직경이어야 하며 돌출된 부분이 없어야 한다. 부품이 매우 작기 때문에 위치제어를 하는 동안 초정밀도가 요구된다. 이는 또한 최대한 정밀하게(허용공차 마이크로미터 이하) 전자부품의 위치를 제어하고 정확하게 마운트하는 마운팅 헤드에 적용된다.

그림 3. MILE 엔코더가 결합된 맥슨 EC6 모터: 라인 드라이버형 64펄스, 3채널, 최대속력 120,000rpm, 통합정류 출력