액티브 제진대의 센서와 액추에이터

 액티브 제진대의 핵심 부품이라고 할 수 있는 센서와 액추에이터에 대해서 알아보겠습니다. 먼저 센서는 주로 가속도 센서나 속도 센서, 변위 센서를 사용합니다. 변위 센서는 주로 공압식 제진대에 사용하는데, 제진대의 상판이 일정한 위치를 유지할 수 있도록 거리를 측정하는 역할을 합니다. 크게 접촉식, 비접촉식 변위 센서가 있으며, 제품에 따라 다르겠지만 일반적으로 비접촉식보다는 접촉식 변위 센서가 좀 더 저렴한 편입니다. 일본의 공압식 액티브 제진대는 거의 대부분이 비접촉식 변위 센서를 사용하고 있으며, TMC의 전자식 공압 제진대인 PEPS도 같은 종류의 센서를 사용합니다. 반면에 Bilz의 EPPC는 Genge & Thoma AG라는 회사의 접촉식 변위 센서를 사용하고 있습니다.

왼쪽부터 TMC PEPS의 비접촉식 변위 센서, Bilz EPPC의 접촉식 변위 센서, 쿠라시키 카코 BLI의 비접촉식 변위 센서

Meiritz의 MAPS 컨트롤러 (오른쪽의 PV1~3, PH1~3은 변위 센서와 상판 및 수평판 사이의 간격을 조절하는 노브)

 비접촉식 변위 센서는 레이저 방식, 와전류 방식 등 다양한 센서들이 있지만 액티브 제진대는 주로 와전류 방식을 사용하며, 와전류식 변위 센서는 구동 방식이 단순하고(DC 전압 공급), 정밀도가 높은 것(μm 수준) 등이 장점입니다. 아래의 사진은 Keyence와 Baumer의 와전류식 변위 센서이며, Keyence의 센서 중 하나는 TMC PEPS의 센서와 비슷하게 생겼으며, Baumer의 센서는 쿠라시키 카코 BLI의 센서와 비슷하게 생긴 것을 확인할 수 있습니다.

왼쪽부터 Keyence의 와전류식 변위 센서와 Baumer의 와전류식 변위 센서

 가속도 센서는 주로 피에조 센서나 서보형 센서를 사용하는데, 일본의 제품들은 대부분 서보형 센서를 사용하는 것으로 알고 있습니다. 피에조 가속도 센서는 TableStable과 Accurion(Halcyonics)이 사용하고 있는데, 기성품이 아닌 자체 제작 방식의 센서인 것 같습니다. 서보형 센서의 경우 일본의 Mitutoyo(미츠토요)라는 회사가 판매를 하고 있었는데, 최근에 후속 제품의 발표도 없이 단종되었다는 정보가 있으며, 홈페이지에서 검색도 되지 않습니다. 서보형 센서의 장점 중 하나는 DC 즉, 0Hz부터 신호가 나온다는 점인데, 액티브 제진대에서 사용할 때는 0.1Hz나 0.01Hz 등의 하이패스 필터를 적용하며, 필터링을 하지 않으면 센서의 신호에 중력가속도를 더한 수치가 출력됩니다.

왼쪽부터 Accurion의 피에조 가속도 센서, Mitutoyo의 서보형 가속도 센서 V405

Mitutoyo의 서보형 가속도 센서 V405의 구조 및 주파수 특성

 속도 센서는 지오폰이라는 지진 계측용 센서를 사용하는데, 하나에 10만 원 정도로 시중에 판매 중인 피에조나 서보형 가속도계에 비해 가격이 저렴한 것이 장점입니다. 특징 중 하나는 수직이나 수평 방향 구분 없이 사용할 수 있는 가속도 센서와 달리 수직 및 수평 방향 지오폰이 있다는 것인데, 실제로 수직 방향 지오폰을 세워서 위아래로 흔들면 내부의 무게추가 움직이는 것을 느낄 수 있지만 옆으로 눕혀서 좌우로 흔들면 움직이지 않습니다. 마찬가지로 수평 방향 지오폰은 옆으로 눕혀서 흔들어야 내부의 무게추가 움직입니다. 국내의 한 업체는 감도가 2.55 V/in/s (100.4 V/m/s) +10%인 센서를 사용한다고 액티브 제진대의 사양을 표기하고 있는데, 검색해 보면 Geospace의 저주파수 특화 모델인 GS-One LF를 사용하고 있는 것을 알 수 있습니다.

왼쪽부터 지오폰의 구조 및 측정 방식, Geospace의 GS-One LF 지오폰

 마지막으로 액티브 제진대에서 사용하는 액추에이터에 대해서 알아볼 텐데, 공압식 액티브 제진대의 경우 서보밸브나 리니어모터를 사용하고, 코일스프링을 사용하는 제진대는 보이스 코일 모터(VCM)를 사용하며, TMC는 유일하게 압전소자(Piezoelectric)을 액추에이터로 사용합니다.

 일본의 공압식 제진대는 서보밸브나 리니어모터를 액추에이터로 사용하며, 쿠라시키 카코의 경우 홍보 영상에서 어떤 리니어모터와 가속도 센서를 사용하는지 볼 수 있는데 아래 그림과 같습니다. 서보밸브는 일본의 여러 회사를 통틀어서 최소한 3가지 이상의 제품을 확인할 수 있으며, MOOG, PSC 주식회사 등의 노즐 플래퍼 방식의 서보밸브를 사용하고 있습니다.

쿠라시키 카코의 LHKP 제품의 내부 (가속도 센서, 리니어 모터, 레벨링 밸브)

왼쪽부터 쿠라시키 카코의 A type 액티브 제진대 서보밸브와 MOOG의 J814 서보밸브, 도쿄기기의 서보밸브

Nozzle-Flapper Servo Valve의 구조

 TMC의 경우 PI의 피에조 액추에이터를 사용하고 있으며, 전자식 제진대인 PEPS는 비례제어밸브를 사용하고 있습니다. PEPS의 경우 국내의 산업용 전자제품 수리 업체에서 컨트롤러를 수리하면서 올려놓은 사진에 밸브 제품명이 자세히 나와있으며, Parker의 미니어처 비례 밸브를 사용하는 것을 확인할 수 있습니다.

PI의 피에조 액추에이터

 보이스 코일 모터는 어떻게 보면 리니어모터의 축소판 또는 열화판이라고 할 수 있으며, 밀어낼 수 있는 힘이 적게는 4N, 크게는 75N 정도로 그리 강하지 않기 때문에 하중이 백에서 수 백 kg 수준인 탁상형이나 모듈형 액티브 제진대에 주로 사용합니다. 액티브 제진대의 센서와 액추에이터에 대해서는 여기까지입니다.

Herzan TS 시리즈의 보이스 코일 모터