의료, 우주 분야 등 정밀 모션 애플리케이션에 적합한 보이스 코일 액추에이터(VCA)

Sensata

VCA(Voice Coil Actuator)는 많은 정밀 모션 애플리케이션에 매우 유용한 솔루션으로 부상하고 있다. 보다 작고 보다 높은 정확도의 선형 모션 제어 구성 요소에 대한 필요성이 증가됨에 따라, 이 액추에이터는 환자의 호흡을 돕는 인공호흡기 같은 아주 중요한 장비에서부터 소행성 수집 우주선의 가이드 암까지 사용되고 있다.

원래 오디오 스피커용으로 개발된 보이스 코일기술은 현재 광범위하게 의료, 산업 공정 및 우주 분야에서 정확하고 안정적인 모션 제어를 제공하는 데 사용되고 있다. 비록 수십 년 동안 사용되어 왔지만, 그림 1에 묘사된 VCA 기술은 최근까지도 많은 설계 엔지니어에게 선택받고 있다.

강력한 MCU와 정밀하고 효율적인 드라이버를 즉시 사용할 수 있게 됐으므로 VCA를 사용하는 고급 선형 모션 설계는 구현이 쉽고 비용이 적게 든다. 엔지니어는 안정적이고 반복 가능하며 제어 가능한 모션을 필요로 하는 제품을 개발할 때마다 VCA를 살펴봐야 한다. VCA는 엔지니어에게 많은 이점을 제공한다. 매우 간단하고 매우 강력하지만 동시에 주어진 입력만큼 정밀하다. VCA는 히스테리시스가 거의 없이 스트로크 내에서 임의의 위치로 부드럽고 빠르게 가속하며 시스템의 위치 감지 정밀도 및 드라이버 성능에만 좌우된다. 이러한 정확성으로 인해 이 장치는 의료 장치, 로봇 공학 및 산업 공정 장비와 같은 애플리케이션에 매우 적합하다.

의료 기기의 정밀 제어

중요한 정밀성을 요구하는 한 가지 애플리케이션은 의료 산업이다. 약물 분배 펌프 및 인공호흡기와 같은 장치는 근사치에서 작동하지 않는다. 모든 마이크로 리터의 액체 (또는 공기)는 신중하게 측정하고 관리되어야 한다. 의료 흐름 관리 시스템(medical flow-management system)에서 VCA 기반 솔루션이 제공하는 정밀한 모션 제어는 단순하고 일관된 정확성을 높인다.

의료 기기 설계의 과제는 엄격한 성능 및 규제 표준을 넘어 훨씬 복잡하다. 또한 시설 내 병실을 옮겨 다니는 간병인의 휴대용을 위해 작고 가벼운 장치가 필요하다. 제한된 공간에 이러한 요구에 맞는 성능으로서 VCA 솔루션이 아주 적합하다.

특히 선형 VCA는 의료 산업에 필요한 초소형 및 정확한 모션 제어 요구 사항을 충족하도록 설계 될 수 있다. 이 작은 VCA는 종종 인공 호흡기의 흡입 및 호기 밸브를 제어하여 정확한 공기량과 생명에 중요한 애플리케이션에 필요한 신뢰성을 제공하는 데 사용된다(그림 2).

이러한 유형의 VCA 모터의 또 다른 장점은 양방향 기능, 영구 자석 및 자기 래치(latches)로, 정전시 VCA가 스트로크의 한쪽 끝 또는 다른 쪽 끝에 위치를 유지하여 밸브가 열린 상태를 방해하는 전류 상황을 방지한다.

이 소형 VCA는 직경이 0.75 인치에 불과하고 무게가 2.3 온스에 불과하지만 낮은 히스테리시스, 제로 코깅, 높은 가속도 및 긴 수명 주기로 ±2mm의 작동 스트로크에서 거의 2파운드의 최대 힘을 전달할 수 있다. 이 정확한 선형 모션 제어는 마취 기계와 같은 정밀 의료 시스템뿐만 아니라 초음파 프로브, 혈액 분석기 및 실험실 장비에도 사용할 수 있다.

우주선의 안전한 작동

의료 산업과 마찬가지로 군사 및 항공 우주 애플리케이션 분야에 사용되는 장비는 어떤 환경 상황에서도 정밀해야 할 필요성이 우선이므로 정확한 만큼 견고해야 한다. 이와 같은 경우, 맞춤형 솔루션으로써 원하는 성능 달성을 위한 모든 사양을 초기 장비 설계에서 고려할 수 있다.

우주 기반 애플리케이션의 고유한 요구사항을 해결하기 위해 Sensata 엔지니어는 OSIRIS-Rex(Origins-Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer) 우주선의 분광계 이동 거울에 대한 혹독한 요구 사항을 처리 할 수 있는 이동 자석 VCA를 만들었다. 2016년 9월에 출시되어 2018년 소행성 Bennu와 만나고 2023년에 지구로 샘플을 반환한다.

이 맞춤형 이동자석 VCA는 OSIRIS-Rex 열 방출 분광계(OTES, OSIRIS-Rex Thermal Emission Spectrometer)의 이동 거울 어셈블리에 부착되어 우주선이 소행성에 접근함에 따라 표면을 스캔하도록 적절히 배치했다. 맞춤형 VCA는 높은 신뢰성과 안전한 작동을 보장하기 위해 특별히 제작되었다. 정확한 모션 제어 포지셔닝을 위한 중복 기술(Redundant technology), 낮은 가스 방출 및 높은 정밀도는 모두 액추에이터 설계의 핵심 요구 사항이다.

물론, 우주선이 매우 좁아서 특정 크기, 무게 및 전력 제한을 유지하는 것이 중요했다. 이 크기는 직경이 약 2인치 그리고 길이는 3인치인 소형 하우징에서 달성됐다. 거의 제로에 가까운 방출에 대한 중요한 요구를 충족시키기 위해 Sensata는 가스를 유발할 수 있는 물질을 제거하기 위해 클린 제조 공정 내에서 조립하였다. 가능한 적은 접착제 또는 잉크를 사용하여 우주 비행에 승인된 재료만으로 액추에이터를 개발했다. 또한, 높은 작동 효율을 제공하기 위해 에너지가 높은 네오디뮴 철 붕소 자석이 통합되었다.

이 맞춤형 자석 솔루션 및 클린 조립 방법으로 다양한 크기의 다양한 액추에이터를 통합 구성하여 직경 12‒65mm 및 길이 12‒75mm (중간 스트로크)의 반도체, 군사, 우주 및 테스트 및 측정 애플리케이션에 이상적인 고성능 VCA를 만들었다.(그림 3).

산업 및 가공 애플리케이션에서 부드러운 작동

한 장소에서 다른 장소로 물체를 이동하는 것은 매우 흥미 있는 애플리케이션 분야이지만 항상 컨베이어 벨트에 모터를 연결하는 것만큼 간단하지는 않다. 지속적으로 작동하는 많은 애플리케이션에서, 과도한 마찰로 인한 일관성 없는 동작은 이익을 감소시킬 뿐만 아니라 수율을 감소시키는 결함을 생성 할 수 있다. 이와 같은 애플리케이션의 경우 그림 4에 표시된 VCA와 같이 정확하고 일관된 양방향 위치 제어를 제공하면서 매우 낮은 히스테리시스 및 마찰을 나타내는 VCA 솔루션이 이상적이다.

VCA의 저 마찰 설계의 핵심은 대칭형 플렉스 회로(flex circuit)로, 단단한 황동 볼 케이지와 결합하여 움직임으로 인한 마찰을 방지하여 더욱 감소시킨다. 이 설계는 최대 50~200mN를 제공하는 유사한 스타일의 액추에이터에 비해 10mN의 히스테리시스로 작동 성능을 제공한다. VCA의 다른 성능 특성으로는 4.7N의 피크 힘, 7.4mm의 총 스트로크, 38mm의 길이 및 48.3mm의 소형 크기가 있다.

개발 속도를 높이기 위한 도구 제공

엔지니어가 주어진 기술을 이해하고 구현하는 데 도움을 주는 설계 도구의 채택은 중요하며, VCA도 예외는 아니다. Sensata의 VCA Developer 's Kit(그림 5)와 같이 자체 피드백 키트가 내장되어 있으며, 피드백 센서가 내장된 VCA와 PC 호환 모션 제어 소프트웨어가 포함된 프로그래밍이 가능한 제어기를 포함하여 사용자는 VCA의 이점을 활용할 수 있다.
이런 유형의 도구는 설계자가 작동 시스템을 신속하게 개발하고 속도, 위치, 힘, 왕복 운동 및 가속 제어 기능을 갖춘 설계 작업을 시연하며 거의 모든 애플리케이션을 처리할 수 있다.

VCA 기술을 통한 이동

VCA는 고급 정밀 선형 모션을 어디에나 적용할 수 있는 성능으로 두 가지 모두 즉, 레거시 애플리케이션 공간과 비용 또는 복잡성 문제로 인해 이전에 개발되지 않은 새로운 용도를 보완할 수 있다.

자료 제공: Sensata(www.sensata.com)