글라스 스케일 리니어 엔코더는 어디에 적용되는가?

HEIDENHAIN

리니어 엔코더는 일반적으로 광학식이나 자기식 스캐닝 기술로 분류된다. 자기식 엔코더는 금속 스케일(종종 ‘테이프’라고 한다)을 사용한다.

반면 광학식 엔코더는 금속 혹은 유리로 만들어진 스케일을 사용한다. 자기식 엔코더는 최근 몇 년 동안 해상도와 정확도가 크게 향상됐다. 단일 미크론 및 서브 미크론 측정 분해능의 경우 광학식 엔코더가 여전히 더 나은 해결책이다. 유리기판은 나노미터 수준의 분해능을 필요로 하는 애플리케이션에 적합하다.

 

광학식 엔코더 기술에 대한 리뷰

일반적으로 광학식 엔코더는 위치 결정을 위해 빛의 반사나 회절을 기반으로 하는 몇 가지 형태의 광전 스캔(photoelectric scanning)을 사용한다. 글라스 스케일은 격자 또는 눈금이라고 하는 매우 미세한 선으로 표시돼 있다. 격자 주기(간격)는 단지 몇 마이크론(μm) 정도이다. 스캐닝 레티클(스캐닝 헤드 또는 판독 헤드의 일부)은 눈금과 동일한 격자를 갖고 있다.

스캐닝의 이미징 방법에서, LED 소스는 스캐닝 레티클(reticle)을 통해 빛을 통과시킨다. 스캐닝 레티클과 눈금이 서로에 대해 상대적으로 움직이면 빛이 변조된다. 격자의 간격이 정렬되면 빛이 통과하지만 레티클의 선이 스케일의 간격과 일치하면(또는 그 반대로) 빛이 통과할 수 없다. 광전지 셀은 빛의 변동을 모니터링해서 전기 신호로 변환한 다음 이동을 추적한다.

간섭식 스캐닝은 보통 5미크론(micron) 이하의 격자 주기에 사용된다. 규모에 따라 3차원 구조를 사용하고 빛의 회절과 간섭에 따른다. 빛이 레티클을 통과하면 3개의 부분 파(partial waves)로 회절되고, 부분 파가 눈금 에 부딪칠 때 눈금의 3차원 격자가 파를 회절시킨다. 파는 레티클에서 다시 만나게 된다. 그들은 더 회절돼 서로 간섭한다. 레티클과 눈금이 서로에 대해 상대적으로 이동함에 따라 교대로 광도가 생성된다. 이 광도 변화는 광전지에 의해 모니터링되고 전기 신호로 변환된다.

서브 마이크론 해상도는 언제 필요할까?

글라스 스케일 리니어 엔코더의 가장 일반적인 애플리케이션은 항공우주산업에서 사용되는 광학, 부품용 연삭기, 선반과 같은 초정밀 가공이다. 단일 숫자 또는 서브 마이크론 정밀도로 가공된 부품을 검사해야 한다. 글라스 스케일을 사용하면 좌표 측정기(CMM, coordinate measuring machines)와 같은 측정 장치로 작업을 수행할 수 있다.

글라스 스케일 리니어 엔코더는 자기식 버전보다 높은 해상도를 제공한다.

그뿐만 아니라 열팽창 계수가 훨씬 낮으므로, 스케일이 온도 변화에 거의 영향을 받지 않는다. 다만 온도 변화로 인해 스케일 격자의 피치가 변경되고 측정 정확도가 떨어질 수 있다. 글라스 스케일 엔코더는 고진공 및 초고진공을 포함하는 진공 환경에서 사용될 수 있다.

그러나 글라스 스케일은 여전히 ​​틈새시장 제품으로 남아 있다. 대개 반드시 필요한 곳에만 사용된다. 비용 문제도 있지만, 글라스 스케일 선형 엔코더는 자기식보다 적용 및 통합에 다른 어려움이 있기 때문이다. 대부분의 자기식 엔코더보다 격자 피치가 더 미세하므로, 발생하는 마운팅 오류는 스케일의 정확성에 더 큰 영향을 미친다.

글라스 스케일은 자기식 스케일보다 훨씬 견고하다. 그러나 장착 표면의 평탄도는 금속 테이프보다 유리기판에 더 중요하게 요구된다. 스캔 헤드를 장착하려면 스캔 헤드와 스케일 사이의 정확한 에어 갭(노동 집약적 공정) 을 달성하기 위해 5축의 정렬이 필요하다.

광학식 스케일이 장착되면 오염물질로부터 보호하는 것이 매우 중요하다. 자기식 스케일은 대부분 자기적 오염물질에만 민감하다.

반면 광학식 엔코더는 빛의 전달을 방해하는 잔해에 민감하다. 작업을 수행하는 이동 축에 선형 눈금이 있어 종종 엔코더를 칩, 액체, 기타 부스러기의 소스에 직접 놓기 때문에 이것이 문제될 수 있다.

광학식 엔코더(특히 글라스 스케일)를 오염 물질로부터 보호하는 대표적인 방법은 하우징에 스케일을 넣는 것이다. 하우징에 공기 퍼지(air purge)를 적용해 지와 액체에 대한 보호 기능을 강화할 수도 있지만, 인클로저 비용이 추가로 발생하고 마모 및 히스테리시스로 인한 측정 정확도를 저해할 수 있다.

자료 제공 : HEIDENHAIN(www.heidenhain.com)