엔코더의 특성 (분해능, 속도 제한) - 스테이지 기초이론 4

안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

 

지난 포스팅에서

엔코터(Encoder)가 무엇인지

엔코더(Encoder) 종류는

어떠한 것이 있는지를 알아보았습니다.

 

똑순이밍쓰가 일하는 분야인

정밀 스테이지 업계에서는 

지난번에 설명드린 많은 엔코더 종류 중에

광학식 인크리멘탈형 리니어 엔코더

(Optical Incremental Linear Encoder)를 

많이 사용하고 있습니다.

 

아무래도 자기식 엔코더 (Magnetic Encoder)

보다는 광학식 엔코더 (Optical Encoder)가

정밀도가 뛰어나며

정밀 스테이지를 사용하는 곳이 주로 

직선 움직임을 요구하는 곳이 많기 때문에

광학식 인크리멘탈형 리니어 엔코더

(Optical Incremental Linear Encoder)를

많이 적용하고 있습니다.

 

그럼 엔코더 (Encoder)의 성능은 

무엇으로 판단할 수 있을까요?

 

 

바로 분해능 (Resolution)입니다.

 

엔코더(Encoder)의 분해능(Resolution)

엔코더(Encoder)가 얼마나 세밀하게

위치를 감지할 수 있는지를 나타내는 것입니다.

 

로터리 엔코더 (Rotary Encoder)의 경우

1바퀴 회전할 때마다 엔코더가 몇 번이나

위치를 감지할 수 있는지

즉, 펄스(Pulse)를 카운트할 수 있는지를

나타냅니다.

분해능(Resolution)이 높을수록

1바퀴 회전할 때마다 

감지할 수 있는 위치가 많아 

미세하고 정밀한 제어가 가능하며

분해능(Resolution)이 낮으면

러프한 제어만 가능합니다.

 

리니어 엔코더 (Linear Encoder)의 경우

스케일(Scale) 내에서 얼마나 세밀하게

있는지가 분해능(Resolution) 특성을

좌우하게 됩니다.

즉, 헤드(Head)가 움직이면서 

스케일(Scale)에 있는 눈금을 읽어 들여

아날로그 펄스 (Pulse) 신호를

전기적인 디지털(Digital) 신호로 보내게 됩니다.

결국 이 눈금이 얼마나 촘촘하게 

있는지가 분해능(Resolution) 특성을

나타내게 됩니다.

리니어 엔코더(Encoder)를 구매하실 때

Grating Pitch라는 것이 있는데

이 것이 스케일(Scale)에

얼마만큼의 간격으로 눈금이

새겨져 있는지를 뜻하는 것으로 

이 수치를 확인함으로써

엔코더(Encoder)의 분해능(Resolution)을

알 수 있습니다.

예를 들어 설계에 반영하고자 하는 

스케일(Scale)의 Grating Pitch가 

20um이라고 한다면

이것은 20um간격으로 눈금이 

새겨져 있다는 뜻으로 보시면 됩니다.

 

엔코더(Encoder) 초기단계에는

분해능(Resolution)이

스테이지(Stage)의 특성으로 나타났으나 

지금은 기술이 발전하여

아날로그(Analog) 신호를 체배 하는

기술이 개발되어 

엔코더(Encoder) 분해능(Resolution)보다

더 세밀하게 제어가 가능해졌습니다.

 

엔코더(Encoder)의 속도 제한

엔코더(Encoder)에는 

기계적, 전기적 두 가지 요소에 의해서

속도제한이 발생합니다.

기계적 속도제한은

엔코더(Encoder) 자체에 

손상이 발생하지 않고 

작동할 수 있는 최대 속도입니다.

전기적 속도 제한은

시간당 읽어 들일 수 있는 

펄스(Pulse) 수에 따라서 

즉, 전자장치가 얼마나

빨리 신호를 전화한 수 있는지를 

뜻하게 됩니다.

결국 기계적 속도제한

전기적 속도제한 중에서 

낮은 것이 엔코더(Encoder)가

허용할 수 있는 최대 속도입니다.

 

엔코더(Encoder)의 정밀도

위에서 말한 해상도(Resolution)와

관련 있는 특성입니다.

결국 해상도(Resolution)는

스케일(Scale)에 새겨진 눈금 간격에

따라서 특성이 정해지는데 

스케일(Scale)의 눈금은

보통 포토리소그래피(Photolithographic)

이라는 공정으로 제조가 됩니다.

이 공정에도 오차가 발생하기 때문에

Granting Pitch가 20um이라고 했을 때

정확하게 20um 간격으로 

눈금이 새겨져 있으면 완벽하겠지만,

공정상에 오차가 발생할 수밖에 없기 때문에

그 오차 범위가 어느 정도인지를 나타내는 것이

정밀도 특성입니다.

 

일반적인 정밀 스테이지(Stage)가 아닌

초정밀 스테이지(Stage)를 설계할 때에는 

열에 의한 변형을 고려하지 않을 수 없습니다.

스테이지의 위치 정밀도 특성은

엔코더(Encoder)에 의해서 좌우되는데 

엔코더(Encoder)에서도 열변형이 

발생하게 되면 스테이지 위치 정밀도 특성은

낮아질 수밖에 없습니다.

엔코더(Encoder)의 열변형을 최소화하는 것은

눈금이 새겨진 스케일(Scale)의 열변형을 

최소화해야 합니다.

 

스케일(Scale)의 열변형을 최소화

하는 방법으로는 스케일(Scale) 재질을

일반적으로는 스틸(Steel)을 사용하는데

스틸(Steel)이 아닌 열팽창 계수가 적은

글라스(Glass) 재질의 스케일(Scale)을 

적용한 것입니다.

 

위 사항 이외에도 

엔코더(Encoder)를 사용할 때는

주의해야 할 사항이 

스케일(Scale)은 절대 오염이 돼서는 

안됩니다.

오염이 되어서 이물질이 붙는다거나

손자국이 남거나 한경우에는

스케일(Scale)에 새겨진

눈금이 가려지거나 지워져서 

헤드(Head)가 눈금을 읽어 들이지 못하는

현상이 발생하게 됩니다.

 

그리고 엔코더(Encoder)를 설치할 때는

헤드(Head)와 스케일(Scale) 간에 

간격을 유지해 주어야 하는데

설치 시에 볼트를 적절한 토크로

체결해 주지 않아 

볼트가 풀리게 되면 

헤드(Head)와 스케일(Scale) 간에

간격이 변경되면서 

신호를 읽어 드리지 못하는 상황이 

발생할 수 있으니 

유의해야 합니다.