리니어 인코더
선형 인코더는 직선 변위를 전기 신호(디지털 또는 아날로그)로 변환하는 장치로, 테이블, 슬라이드 또는 공작물의 직선 운동을 직접 측정합니다. 이는 CNC 공작기계, 좌표 측정기(CMM), 반도체 장비 및 첨단 자동화 플랫폼에서 핵심적인 위치 센서로 사용됩니다. 볼스크류/랙을 통한 간접 계산 방식에 비해, 선형 인코더는 ‘직접 측정’을 제공하여 볼스크류 열팽창, 백래시 및 구동 오차가 위치 정밀도에 미치는 영향을 크게 줄여줍니다.
선형 인코더란 무엇인가 (What is a Linear Encoder)
선형 인코더는 스케일(Scale/Rule)과 리드헤드(Readhead)로 구성됩니다. 스케일에는 주기적인 패턴(광학 격자, 자기 격자, 유도 패턴 등)이 있으며, 리드헤드는 규정된 간격을 유지하며 이동하면서 위치 정보를 읽고 전기 신호를 출력합니다. 출력 형식에 따라 증분형(Incremantal)과 절대형(Absolute)으로 나뉘며, 검출 방식에 따라 광학식, 자기식, 유도식, 정전용량식으로 분류됩니다. 구조적으로는 개방형(Open-type)과 밀폐형(Sealed/Enclosed)으로 나눌 수 있습니다.
작동 원리 (Working Principle)
광학식 (Optical)
- 구조: 유리/세라믹 격자 스케일(또는 스테인리스 밴드) + LED/레이저 광원 + 포토디텍터 배열
- 원리: 투과/반사 간섭 또는 Moiré 패턴 이미지를 이용해 신호를 디모듈레이션 및 보간
- 특징: 고해상도(nm 단위), 선형 오차 ±1 μm/m 수준 가능. 하지만 오염과 결로에 민감
자기식 (Magnetic)
- 구조: 일정 피치의 자극 배열 자기 테이프(강철 또는 플렉서블 테이프) + Hall/AMR/GMR/TMR 센서
- 원리: 리드헤드가 위치 변화에 따른 자기장을 감지하고 위치를 계산
- 특징: 오염·진동에 강하고 설치 허용오차가 크며, 수십 m까지 측정 가능. 그러나 정밀도와 분해능은 고급 광학식보다 낮음
유도식 (Inductive)
- 구조: 리드헤드 내부의 여기 및 수신 코일, 금속 패턴 스케일
- 원리: 결합 및 와전류 효과가 간격과 위치에 따라 변화 → 위상/진폭 해석으로 위치 측정
- 특징: 오염·고온·전자기 간섭에 강함, 정밀도는 광학식과 자기식 사이
정전용량식 (Capacitive)
- 구조: 전극 배열 + 주기적 패턴의 스케일
- 원리: 변위에 따라 전극 간 정전용량이 변화하며, 위상 동기/디코딩으로 위치 계산
- 특징: 구조가 간단하고 저전력. 하지만 수분·금속 인접에 민감, 차폐와 접지가 중요
유형 및 구조 (Types & Constructions)
1) 출력 신호에 따른 구분
- 증분형(Incremental): A/B 위상 펄스(옵션으로 Z/참조점 포함), 컨트롤러에서 카운트 필요. 1 Vpp 사인/코사인 아날로그 신호를 제공해 보간 세분화 가능
- 절대형(Absolute): 임의 위치에서 고유 코드 출력. 단일 트랙 또는 거리 부호화 참조점(distance-coded reference marks) 제공. SSI, BiSS-C, EnDat 프로토콜 사용
2) 구조와 보호 등급에 따른 구분
- 개방형(Open-type): 리드헤드 노출, 높은 동적 응답, 낮은 마찰. 클린룸/준클린 환경 적합
- 밀폐형(Sealed/Enclosed): 스케일과 리드헤드가 밀폐 하우징에 포함, 브러시/에어퍼지 보호. 공작기계 및 오염 환경 적합
3) 스케일 재질 및 형태
- 유리/세라믹 격자: 낮은 CTE(열팽창계수), μm/m급 정밀도. 안정적 지지 및 온도 제어 필요
- 강철/스테인리스 밴드: 긴 측정 길이, 권취 가능. CTE 큼, 온도 보상 필요
- 자기 테이프(접착/가이드 레일 포함): 설치 용이, 오염에 강함. 정밀도는 고급 광학식보다 낮음
- 유도/정전도 패턴: 내환경성 강하고 견고
출력 및 인터페이스 (Outputs & Interfaces)
| 구분 | 출력 방식 | 주요 용도 |
|---|---|---|
| 증분 펄스 | A/B(+Z), TTL/HTL, RS422 | PLC 고속 카운터, 속도/위치 제어 루프 |
| 사인/코사인 | 1 Vpp, 11 μApp | 고해상도 보간 (세분화 ×4 ~ ×10,000 이상) |
| 절대 직렬 | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | 절대 위치 신호, 진단, 온도/상태 데이터 |
| Fieldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET | 다축 동기화, 원거리 전송, 온라인 진단 |
최대 출력 주파수 예시 (증분 펄스):
f_max ≈ (V / Pitch) × Edges_per_cycle
- V: 선속도(mm/s)
- Pitch: 격자 피치(mm/cycle)
- Edges_per_cycle: 주기당 출력 에지 수 (예: ×4 배율)
주요 사양 (Key Specifications)
| 항목 | 의미/범위 | 비고 |
|---|---|---|
| 분해능(Resolution) | 5 μm → 0.1 μm(자기식/강철); 1 μm → 1 nm(광학/간섭식) | 보간 배율에 따라 달라짐 |
| 선형 정확도(Accuracy) | ±3 ~ ±10 μm/m(자기식); ±1 ~ ±3 μm/m(광학 고급형) | μm/m 또는 ppm 단위 |
| 반복성(Repeatability) | < ±0.1 ~ ±0.5 μm(고급 광학) | 설치 및 환경에 영향 |
| 세분화 오차(SDE) | ±20 ~ ±80 nm(고급 1 Vpp 시스템) | 보간 과정의 주기적 오차 |
| 지터/노이즈(Jitter/Noise) | 수십 nm 수준 | 아날로그 회로 및 전원 노이즈에 영향 |
| 참조점 | 단일/거리 부호화/양방향 | 원점 복귀 및 기준 설정 |
| 측정 길이(Measuring Length) | 0.1 m → 30+ m | 초장거리 시 보상 필요 |
| 설치 간극(Ride Height) | 0.1 ~ 1.0 mm | pitch/roll/yaw 허용 포함 |
| CTE | 유리/세라믹: ~0.5–2 ppm/K; 강철: ~10–17 ppm/K | 온도 보상 전략 결정 |
| 보호 등급(IP) | IP40(개방형) → IP67(밀폐형) | 오일미스트/냉각수/분진 고려 |
설치 및 기하학적 오차 (Installation & Geometric Errors)
- 간극/자세 허용오차: 리드헤드 높이 및 pitch/roll/yaw 각도 초과 시 신호 약화, SDE 증가
- Abbe 오차 (Abbe Error): 측정선과 운동 중심 간 거리 × 각도 오차 → 추가 변위 오차. 측정선은 운동 중심과 일치하도록 배치
- 코사인 오차 (Cosine Error): 인코더 축이 실제 운동 방향과 평행하지 않을 때 발생
- 열 결합 및 고정 방식: 강철/자기 테이프는 플로팅 설치 필요, 온도차로 인한 장력/뒤틀림 방지. 유리/세라믹 스케일은 등온 지지 필요
- 접지 및 차폐: 단일점 접지, 케이블 차폐는 규격에 따라 접지 → 루프 및 잡음 방지
교정 및 보상 (Calibration & Compensation)
- 선형 보상: 레이저 간섭계, 볼바, 게이지 블록으로 전구간 보정 → 오차 맵핑(Error Mapping) 생성
- 열 보상: CTE와 기계 온도 분포 기반 보정. 고급 시스템은 리드헤드 온도/기계 열모델 활용
- SDE 저감: 고품질 1 Vpp, 아날로그 경로 최적화, 보간 알고리즘 개선
- 참조점 전략: 거리 부호화 참조점은 원점 복귀 시간 단축, 양방향 참조점은 재현성 향상
다른 기술과 비교 (Comparisons)
| 기술 | 장점 | 한계 | 적용 예시 |
|---|---|---|---|
| 선형 인코더(광학) | nm급 분해능, μm/m급 정확도, 우수한 동특성 | 오염/결로에 민감, 설치 요구 높음 | CNC, CMM, 반도체 |
| 선형 인코더(자기식) | 오염 강인성, 설치 허용도 큼, 장거리 측정 | 정밀도/분해능 제한 | 자동화, 중공업 |
| 레이저 간섭계 | 최고 정밀도, 추적성 보장 | 고비용, 환경 민감 | 교정 및 계측 |
| LVDT/와전류 센서 | 견고, 단거리 반복성 우수 | 범위 제한, 선형도 낮음 | 스트로크 제한, 정밀 제어 |
| 회전 인코더+볼스크류 | 저비용, 성숙한 기술 | 열팽창/백래시/피치 오차 영향 큼 | 중저정밀도 위치 제어 |
적용 사례 (Applications)
- CNC 직선축(X/Y/Z): 절삭 열 및 하중 변화에도 정밀 위치 유지
- CMM/측정 현미경 플랫폼: nm급 보간 + 오차 맵핑으로 치수 추적성 확보
- 반도체 장비: 노광/얼라인/검사 플랫폼. nm 지터와 낮은 SDE 요구
- 고급 인쇄/포장/SMD: 장거리, 고속, 정밀 동기 제어
- 의료 장비: CT/MRI 테이블, 방사선 치료 위치 시스템
- 물류/대형 설비: 자기 테이프 기반 장거리 측정, 높은 환경 적응성
유지보수 및 트러블슈팅 (Maintenance & Troubleshooting)
일상 점검
- 정기적 청소(광학: 무섬유 천+IPA, 자기식: 금속분 제거)
- 케이블 굽힘 반경 및 고정 상태 확인, 단선·차폐 손상 방지
- 환경 온도·습도·냉각수 스플래시 모니터링, 결로 방지
자주 발생하는 문제
| 증상 | 원인 | 해결 방법 |
|---|---|---|
| 신호 손실/펄스 누락 | 간극 초과, 자세 불량, 오염 | 리드헤드 높이·자세 조정, 스케일 청소, 강성 확인 |
| 지터/세분화 오차 큼 | 아날로그 노이즈, 접지 불량 | 차폐/접지 개선, 고품질 전원·케이블 사용 |
| 큰 선형 오차 | 스케일 장력 잔류, 온도 보상 없음 | 플로팅 재설치, 교정 및 에러맵 적용 |
| 절대 통신 오류 | SSI/BiSS/EnDat 파라미터 불일치 | 타이밍·폴라리티·CRC 확인, 케이블 임피던스 점검 |
| 참조점 불안정 | 오염 또는 잘못된 설정 | 마크 청소, 참조 전략 및 파라미터 확인 |
표준 및 참고 (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP 보호 등급)
- IEC 60068-2 시리즈 (진동/충격/온습도/염무)
- IEC 61000-6-2/-6-4 (산업 EMC 내성/방출)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (공작기계 정확도·열특성 시험)
- ISO 10360 시리즈 (CMM 검증 및 인증)
- ISO 14644 시리즈 (클린룸 환경, 반도체/계측 참조)
참고: 표준 적용은 장비·산업별로 다르며, 반드시 제조사 매뉴얼과 실제 환경을 검토해야 합니다.
선택 가이드 (Selection Guide)
- 정밀도 목표: 시스템 위치·반복 정밀도 및 허용 선형 오차(μm/m) 결정
- 원리 선택: 청정/초정밀 → 광학, 오염·진동·장거리 → 자기·유도
- 출력·인터페이스: 속도 루프는 증분형, 다축·고정밀 → SSI/BiSS/EnDat 또는 EtherCAT
- 기계·설치 조건: 길이, 스케일 재질, CTE, 간극·자세 허용, 고정 방식(플로팅/접착/클램프) 확인
- 환경·보호: 냉각수/분진/온도 변화 → 밀폐형·적절한 IP, 에어퍼지·브러시 계획
- 보상·진단: 오차 맵핑, 온도·상태 모니터링, 온라인 진단·알람 지원 여부 확인
- 전체 수명 주기: 케이블·리드헤드 교체 용이성, 부품 공급, 교정·서비스 체계
선형 인코더의 원리·구조·설치 요건을 이해하고, 오차 모델링·열 보상·표준화 검증 절차를 결합함으로써 엔지니어링 팀은 복잡한 산업 환경에서도 고정밀·장수명·진단 가능한 직선 위치 및 속도 제어를 구현할 수 있습니다.