배터리가 필요 없는 다회전 앱솔루트 센서 AZ 시리즈

고정도 위치결정 운전에 사용되고 있는 스텝핑 모터(STEPPING MOTOR)는 높은 정확성과 신뢰성이 요구된다. 고정도를 요구하는 시스템들은 일반적으로 배터리 백업 시스템, 폐(閉) 루프 제어 등을 실시한다. 그러나 배터리 교체와 유지보수 등의 단점이 있기 때문에 이러한 불편함을 해결하기 위해서는 배터리가 필요 없고 멀티 턴이 가능하며 반영구적인 절대치 엔코더가 필요하다.
오리엔탈모터는 이러한 시장의 요구에 대응하고자 ‘ABZO 센서’라는 무전원 배터리, 멀티 턴 절대 엔코더를 개발했다. 그리고 이러한 제품을 기반으로 폐(閉) 루프 스텝핑 모터 시스템을 갖춘 AZ 시리즈가 자동화 시장에 새롭게 등장했다.

인아오리엔탈모터 기술연구소


최근 높은 생산성이 요구되는 설비 등에는 주 전원이 차단되어도 위치 정보가 유지된 상태로 생산의 흐름이 지속되는 시스템을 요구하고 있다. 이러한 설비에 사용되는 모터는 배터리를 이용하여 다회전 위치 정보를 계속 유지하는 배터리 백업 방식을 이용하고 있다.



오리엔탈모터도 서보모터 및 폐 루프 스텝핑 모터 유닛인 알파스텝 등에 이 방법을 사용하고 있다.
그러므로 주 전원이 차단되었을 때 위치 정보의 보유 기간은 백업 배터리의 능력에 의존한다. 통상 배터리의 저장 능력은 완전 충전 상태에서 2주 정도가 한계이다. 통상 배터리가 완전히 방전될 때까지 전원을 끈 상태로 사용하는 경우는 적기 때문에 방전에 인한 위치 손실 가능성은 적다. 그러나 장기 휴업 또는 해외로의 수송 등에서는 복구 시 원점의 재조정이 필요할 수 있다. 또한, 최근에는 배터리의 운송에 관한 규제가 엄격해지면서 배터리를 연결한 상태로 수송하는 것이 어렵게 되었다.
그리고 배터리의 수명은 3~4년 정도이기 때문에 정기적인 교환이 필요하며, 그때마다 원점의 재설정이 필요하다.
배터리 백업 방식의 이러한 문제점 때문에 배터리를 사용하지 않는 다회전 절대 엔코더가 요구되고 있다. 그래서 GEAR 기구를 이용한 기계식 다회전 앱솔루트 센서가 고안되었다.
하지만 기계식 센서는 구조가 복잡하고 부피가 크며 가격이 비싸다. 이러한 이유로 현재까지는 배터리를 사용하여 백업하는 시스템이 일반적이다. 그래서 오리엔탈모터는 정밀 수지 부품의 채용과 소형화를 추구한 기구 설계를 했다.
또한, 최근 급속하게 발전하고 있는 자기 센서를 병용함으로써 작고 저렴한 다회전 앱솔루트 센서 개발에 성공했다(특허 출원 중). 오리엔탈모터는 이 센서를 ‘ABZO(앱조) 센서’라는 애칭으로 부르고 있다(그림 2 참조).



이 ABZO 센서를 탑재한 AZ 시리즈는 알파스텝의 ‘TUNINGLESS’,‘고효율’ 등의 특징을 계승하면서 ‘배터리 불필요’,‘다회전 앱솔루트 시스템’을 실현한 모터이다. 여기에서는 이 ABZO 센서와 AZ 시리즈(그림 3)에 대해 설명한다.



ABZO 센서의 위치 검출 원리와 구조

ABZO 센서는 1회전(360°)의 좌표를 중앙의 모터 샤프트에 설치한 자석과 그 바로 위에 설치된 회로 기판상의 자기 센서로 검출한다. 이 자석은 중심에 2개의 극이 부착된 자기면과 외주에 부착된 다극면을 가지는 특수한 형태로 되어 있다(그림 4 참조).



중심에 있는 2개의 자기면에서 나오는 자속의 방향을 읽어 대략적인 좌표를 검출하고 동시에 외주에 부착된 다극면의 자속의 위상을 함께 읽어 정확한 위치를 산출한다.
다회전 좌표 검출은 모터 샤프트에 설치된 선단의 자석과 그 주위에 배치된 치차에 설치된 자석의 자속 방향을 읽어 검출한다. 중심의 모터 샤프트에 1개의 치차(1st 치차)를 배치, 그 치차로부터 병렬로 2열의 치차를 갖는 구조로 되어 제1열은 2단 구성의 치차(1st/2nd 치차, 2nd/3rd 치차), 제2열은 1단 구성의 치차(1st/4th 치차)를 배치하고 있다(그림 5참조).



각각의 치차에 대해 잇수의 차이를 가지고 있어 모터의 샤프트가 1회전 할 때마다 맞물리는 기어의 위상이 변화한다. 이 치차수의 비율에 따라 발생하는 위상을 이용해서 1피치 단위로 치차 위상을 검출하고 그 위상의 조합을 통해 다회전 좌표를 검출하게 된다(그림 6 참조).



따라서 백래시는 1 피치 미만이면 검출할 수 있다. 그러나 좌표 검출의 오차 요인으로는 백래시 이외에도 자석의 자기 간섭의 영향과 부품 정밀도에 의한 오차 등이 존재한다.
이러한 이유로 그 부분까지 고려하여 백래시는 치차 1피치보다 더욱 작은 설계치를 기준으로 삼고 있다.
모든 기어의 위상은 모터가 1,800회전 할 때 초기 단계로 돌아가도록 설계되어 있다. 이렇게 해서 ABZO 센서는 1,800회전분의 회전 좌표를 모두 검출할 수 있게 된다. 다회전 좌표 검출량 1800회전이라는 숫자는 오리엔탈모터 감속비 종류의 공배수가 되어 출력축에서의 거리 관리가 쉬워진다. 

ABZO 센서의 재료와 내구성

1. 치차의 재료
ABZO 센서는 자석과 자기 센서로 구성된다. 구조적으로 자성체를 이용하면 자속의 방향에 영향을 미치고 위치 검출이 어려워진다. 이러한 이유로 오리엔탈모터는 치차를 수지 재료로 제작했다. 수지 재료를 사용하면 아래와 같은 장점을 얻게 된다.

· 비자성 물체이기 때문에 검출 정도에 영향을 주지 않는다.
· 자기 윤활성이 있다.
· 내마모성이 우수하다.
· 금속 재료보다 가벼워 모터 무게를 가볍게 한다.
· 기어 기구부의 관성모멘트를 적게 할 수 있다.
· ABZO 센서는 몸체를 소형화하기 위해 자기 센서를 회로 기판 가까이 배치하는 구조로 되어 있다. 그러므로 도체 재료를 사용하면 마모 가루가 발생하여 전자 회로를 단락시킬 우려가 있다. 수지재료는 이러한 염려가 없다. 

2. ABZO 센서의 내구성
지금까지 설명한 대로, ABZO 센서는 치차 기구를 이용 해서 다회전 위치 검출을 실현한다. 그리고 ABZO 센서 축차는 동력의 전달이 목적이 아니라, 다회전 검출을 위해 이용된다.
따라서 거의 무부하 상태에서 구동하고 있다. 또한, 재료는 자기 윤활성을 가지며, 내마모성이 뛰어난 수지와 수지전용 그리스를 사용하고 있어 높은 내구성을 갖추고 있다.
기어의 내마모성과 내 충격성의 관점에서 표 1, 표 2와 같이 한 방향 연속 운전 시험 및 순간 정역 운전 시험을 통해 충분한 내구성이 있다는 것을 확인했다.





위의 두 조건에서 시험했고, 치차의 마모와 백래시의 경시 변화를 조사한 결과 문제되는 경시 변화는 확인되지 않았다. 

ABZO 센서를 이용한 AZ 시리즈 특징

AZ 시리즈는 배터리가 불필요한 다회전 앱솔루트 시스템을 실현하면서 폐(閉) 루프 제어 시스템으로 구성된 스테핑 모터 유닛이다.
ABZO 센서부에서 절대 좌표를 가지고 있기 때문에 원점 복귀 운전을 할 필요가 없다. 굳이 원점 복귀 운전을 할 경우에도 모터가 원점 위치를 알고 있기 때문에 외부 센서는 필요하지 않다.
일반적으로 외부 센서를 이용해 정확한 원점 복귀 운전을 할 때에는 센서의 ON ·OFF 감지 샘플링 주기를 고려해서 저속으로 원점 복귀 운전을 해야 하고, 경우에 따라 매우 긴 시간이 소요된다. 또한, 원점 복귀 정확성을 향상시키기 위해 외부 센서와 Z상 신호의 병용(그림 7 참조) 및 누름 운전 원점 복귀를 이용하는 등의 보완이 필요하다.



그러나 AZ 시리즈를 사용하는 경우 속도 및 센서 정도를 걱정할 필요가 없다. 또한, 원점 복귀 속도 제한을 모터가 구동할 수 있는 범위 내에서 자유롭게 설정할 수 있어 모터의 위치 결정 정도를 그대로 유지하면서 정확한 원점 복귀가 가능하다(그림 8 참조).



설비에 설치된 센서(리미트 센서 등)에는 광센서가 일반적으로 사용된다. 그러나 광센서는 공기 중의 오일 미스트나 먼지 등으로 인해 고장이 나거나 오동작이 발생하기도 한다. AZ 시리즈를 이용하면 센서를 부착할 필요가 없으므로 센서 비용을 절감할 수 있고, 센서로 인한 고장과 오동작을 예방할 수 있다. 센서를 사용하지 않으므로 센서 자체의 비용 절감 외에도 센서에 연결되는 배선 비용 절감, 배선 작업에 필요한 수고를 줄일 수 있다.
설비의 원점을 외부 센서에서 설정하는 경우, 목표 위치에 센서를 설치해야 한다. 하지만 설치 공간이 협소하거나 이동 거리가 짧아 센서를 부착하기 어려운 경우에도 AZ 시리즈는 ‘원점 사전설정 기능’에 의해 임의의 점을 쉽게 원점으로 설정할 수 있다.

마무리

신개발 ABZO 센서를 채용한 AZ 시리즈는 백업 배터리가 불필요한 다회전 앱솔루트 시스템을 구축할 수 있어 외부 센서 비용의 절감, 유지보수 비용 절감 등 고객 장비의 총비용 절감에 공헌할 수 있다. 또한, 신뢰성 높은 오리엔탈모터만의 폐(閉) 루프 제어 방식에 의해 고신뢰성과 고효율 기술을 계승하면서 시퀀스 기능, 각종 모니터 기능 등에 이용할 수 있다. 향후 AZ 제품의 특징을 살린 다양한 상품을 확대할 계획이다.
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