다음은 엔지니어와 설계자가 선형 액추에이터를 선택하기 전에 고려해야 할 몇 가지 질문입니다.

특정 장치나 기계에 사용할 선형 액추에이터를 선택하려는 설계자는 해당 장치의 공급업체 및 제조업체에 문의할 질문 목록을 미리 준비해야 합니다. 이러한 목록에는 일반적으로 자주 묻는 질문(FAQ)이 포함되며, 액추에이터를 판매하는 대부분의 업체는 이에 대한 답변을 준비합니다. 그러나 많은 경우, 공급업체는 잠재 구매자가 FAQ보다 더 심층적이고 통찰력 있는 질문, 즉 잘 알려지지 않은 질문(iFAQ)을 할 것으로 예상합니다.

선형 액추에이터를 선정할 때 엔지니어가 고려해야 할 두 가지 질문은 다음과 같습니다.

질문: 긴 구간에서 빠른 속도와 높은 정확도가 필요합니다. 어떤 종류의 액추에이터를 사용해야 할까요?

A. 아주 좋은 질문입니다. 많은 설계 엔지니어들이 기존 모터와 액추에이터의 장거리 이동 시 정확도를 과대평가하는 경향이 있습니다. 단거리 이동에서 성능이 좋으면 장거리 이동에서도 똑같이 잘 작동할 것이라고 잘못 생각하는 것이죠. 다양한 종류의 선형 시스템이 엔지니어들이 일반적으로 요구하는 세 가지 조건(장거리 이동, 고속, 높은 위치 정밀도) 중 두 가지를 충족하지만, 선형 모터 액추에이터만이 세 가지 조건을 모두 만족시키면서 타협 없이 제공합니다. 이러한 액추에이터는 반도체 제조, 가전제품 검사, 의료 및 생명 과학 분야, 공작기계, 인쇄 및 포장 분야에 널리 사용됩니다.

배경 설명을 드리자면, 선형 모터란 무엇일까요? 기본적으로 선형 모터는 회전 모터를 풀어서 평평하게 만든 것입니다. 덕분에 모터가 선형 부하에 직접 연결될 수 있습니다. 이와 대조적으로, 다른 설계 방식들은 회전 모터를 사용하고 기계적인 연결 장치를 통해 부하를 연결하는데, 이 과정에서 백래시, 효율 손실, 기타 오차가 발생할 수 있습니다. 또한, 선형 모터는 동일한 이동 거리를 가진 볼 스크류에 비해 최대 회전 속도가 더 높은 경향이 있습니다.

오늘날 사용되는 선형 모터에는 크게 세 가지 유형이 있습니다. 첫 번째는 철심 모터로, 철 재질의 톱니 주위에 코일을 감고 적층판으로 감싸는 방식입니다. 이러한 모터는 크기 대비 최대 출력을 제공하며 열 전달 효율이 우수하고 일반적으로 가격이 가장 저렴합니다. 그러나 모터에 철이 포함되어 있으면 코깅(모터 자석 간의 상호 작용으로 인한 토크)이 증가하기 때문에 두 번째 유형인 무철심 선형 모터에 비해 정밀도가 다소 떨어지는 경우가 많습니다.

이름에서 알 수 있듯이, 무철심 선형 모터는 내부에 철이 없습니다. 구동 장치는 기본적으로 촘촘하게 감긴 구리 코일이 삽입된 에폭시 플레이트입니다. 이 장치는 서로 마주 보는 두 줄의 자석 사이를 미끄러지듯 움직입니다. (이를 U자형 자석 통로라고도 합니다.) 자석 한쪽 면에 있는 스페이서 바가 두 자석을 연결합니다. 무철심 모터의 주요 장점은 낮은 인력과 코깅 현상이 없다는 것입니다. 이로 인해 철심 모터보다 정밀도가 높습니다. 그러나 두 줄의 자석 때문에 무철심 모터는 철심 모터보다 가격이 더 비쌉니다. 또한 열 전달 관리가 어려울 수 있으므로 특정 용도에서 과열 위험이 있는지 여부를 조기에 파악하는 것이 중요합니다. 최신 무철심 모터는 열 방출을 위한 접촉면적을 넓히기 위해 코일을 겹쳐서 배치하는 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 설계 덕분에 모터의 추력 밀도도 높아집니다.

세 번째이자 마지막 유형은 슬롯리스 리니어 모터로, 기본적으로 앞의 두 유형을 결합한 형태입니다. 슬롯리스 모터는 철심처럼 자석이 한 줄로 배열되어 있어 가격을 낮추는 데 도움이 됩니다. 적층형 백철은 우수한 열 전달을 보장하며, 철심 모터보다 인력과 코깅 현상을 줄여줍니다. 또한 슬롯리스 모터는 가격이 저렴할 뿐만 아니라 철심이 없는 모터보다 높이가 낮다는 장점도 있습니다. 기계 부품의 크기를 최대한 줄이려는 설계자에게는 단 1mm의 공간 절약도 매우 중요합니다.

질문: 특정 액추에이터가 특정 환경에서 사용하기에 적합한지 어떻게 알 수 있습니까?

A. 설계 엔지니어들은 액추에이터를 선택할 때 사용 환경을 고려하지 않고 단순히 부품만 선택하는 경우가 너무나 많습니다. 선형 액추에이터는 설계 및 제조된 환경에 맞춰 제작되어야만 제대로 작동하는 중요한 움직이는 부품들을 가지고 있습니다. 부적절한 선형 액추에이터를 사용하면 오작동부터 액추에이터 자체의 복구 불가능한 손상에 이르기까지 다양한 문제가 발생할 수 있습니다. 절삭 공구처럼 입자와 파편을 흩뿌리는 "오염이 심한" 환경에서는 액추에이터를 오염 물질로부터 보호하기 위해 밀봉 및 차폐 장치가 필수적입니다.

반대로, 적절한 보호 장치가 없는 액추에이터는 청정 환경에 오염 물질을 유입시켜 응용 분야를 손상시킬 수 있습니다. 일반적인 마모로 인해 선형 스테이지는 시간이 지남에 따라 미세 입자를 발생시킵니다. 클린룸이나 진공 환경에서는 미세 입자를 전혀 방출하지 않는 장비만 사용해야 하는 경우가 많으므로, 이러한 환경에서 사용되는 액추에이터는 미세 입자가 환경으로 유입되는 것을 방지하기 위해 밀봉 및 보호 장치를 갖추는 것이 매우 중요합니다. 반도체 공정과 같이 선형 운동을 제공하는 일부 기계 장치는 한 번에 수 마이크론 단위로만 움직이기 때문에 아주 미량의 오염 물질이라도 응용 분야를 손상시키거나 망칠 수 있습니다.

씰과 실드는 주요 부품을 가혹한 환경에 노출되는 것으로부터 보호하여 선형 액추에이터가 설계된 대로 작동할 수 있도록 합니다. 청정 환경에서는 씰과 실드가 액추에이터 자체에서 발생하는 오염 물질로부터 주변 환경을 보호합니다. 씰과 실드 외에도, 맞춤형 선형 액추에이터는 장치 내부의 오염 물질을 배출하는 양압 포트를 장착하여 성능과 수명을 극대화할 수 있도록 설계할 수 있습니다.

선형 액추에이터를 선택할 때는 다양한 환경적 요인을 고려해야 합니다. 이러한 요인에는 주변 온도, 습도, 화학 물질 및 가스(실내 공기 제외) 노출, 방사선, 기압(진공 환경에서 작동하는 경우), 청결도, 주변 장비 등이 포함됩니다. 예를 들어, 주변에 선형 스테이지의 성능에 영향을 줄 수 있는 진동을 전달할 수 있는 장비가 있는지 확인해야 합니다.

선형 스테이지의 방수/방진(IP) 등급은 일반적으로 제품 사양에 명시되어 있으며, 특정 환경으로부터 적절한 보호 기능을 갖추고 있는지 여부를 나타냅니다. IP 등급은 외부 물질(먼지 및 오물)과 다양한 수준의 습기로부터 제품을 보호하는 밀폐 장치의 효과를 나타내는 기준입니다.

외함 등급은 "IP-" 뒤에 두 자리 숫자가 붙는 형식으로 표시됩니다. 첫 번째 숫자는 움직이는 부품과 이물질로부터의 보호 정도를 나타냅니다. 두 번째 숫자는 다양한 수준의 습기(물방울, 분무, 완전 침수 등)에 대한 보호 수준을 나타냅니다.

액추에이터 선정 초기 단계에서 IP 등급을 확인하는 것은 환경에 적합하지 않은 제품을 빠르게 걸러내는 효과적인 방법입니다. 예를 들어, IP30 등급의 액추에이터는 습기로부터는 보호하지 못하지만 손가락 크기의 물체는 막아줍니다. 습기 보호가 필수적인 경우, 먼지와 물 튀김으로부터 보호하는 IP54와 같은 더 높은 등급의 액추에이터를 고려해야 합니다. 하지만 오염 물질이 문제가 되지 않는 환경에서는 침투 방지나 습기 보호 기능이 없는 액추에이터도 경제적인 대안이 될 수 있습니다.