Linear Encoder란? 직선 위치 측정 원리

Linear Encoder란 직선으로 이동하는 기계축의 위치와 이동량을 전기신호로 변환하는 센서입니다. Scale과 Read Head를 이용한 광학식·자기식 측정 원리와 정밀 위치제어 활용방법을 알아봅니다.

Linear Encoder란 무엇이며 무엇을 측정할까?

Linear Encoder는 기계가 직선방향으로 이동한 거리와 현재 위치를 전기적인 신호로 변환하는 위치측정 장치입니다. Rotary Encoder가 회전축의 각도와 회전량을 측정한다면 Linear Encoder는 X·Y·Z축과 같은 Linear Motion을 직접 측정한다는 차이가 있습니다. 기본적으로 일정한 간격의 패턴이나 위치정보가 기록된 Scale과 이를 읽는 Read Head로 구성됩니다. 기계축이 이동하면서 Scale과 Read Head 사이의 상대적인 위치가 변하면 Encoder가 이를 Pulse 또는 Digital Position Data로 변환합니다. CNC Machine, Semiconductor Equipment, Coordinate Measuring Machine, Precision Stage, Machine Tool, Robot과 자동화설비 등 정밀한 위치제어가 필요한 장비에서 활용됩니다. 특히 Motor Encoder만 이용하면 Motor Shaft의 회전위치는 알 수 있지만 Ball Screw의 Backlash, 열변형, Coupling 오차 등으로 실제 Table 위치와 차이가 발생할 수 있습니다. Linear Encoder를 이동축에 직접 설치하면 실제 기계축의 위치를 측정할 수 있어 높은 Positioning Accuracy가 필요한 시스템에서 중요한 Feedback Sensor로 사용됩니다.

Scale과 Read Head는 위치를 어떻게 검출할까?

Linear Encoder의 핵심은 Scale에 기록된 규칙적인 위치패턴과 이를 검출하는 Read Head입니다. 광학식 Optical Linear Encoder에서는 유리 또는 금속 Scale에 일정한 Pitch의 Line Pattern이 형성되어 있고 LED 등의 광원과 Photodetector가 이 패턴의 이동을 감지합니다. Scale이 움직이면 투과광이나 반사광의 세기가 주기적으로 변하고 Signal Processing Circuit이 이를 전기적인 위치신호로 변환합니다. 자기식 Magnetic Linear Encoder는 Scale이나 Magnetic Tape에 N극과 S극 등의 자기패턴을 일정한 간격으로 기록하고 Magnetic Sensor가 자기장의 변화를 읽습니다. 광학식은 높은 Resolution과 정밀도를 구현하는 데 유리하며 자기식은 먼지, Oil과 같은 산업환경에서 사용하기 유리한 제품이 많습니다. 다만 실제 성능은 방식만으로 결정되지 않으며 Scale Accuracy, Signal Interpolation, 설치오차, 온도변화 등의 영향을 함께 받습니다. 따라서 Resolution이 높다고 반드시 전체 Position Accuracy도 같은 수준으로 높아지는 것은 아닙니다.

Incremental과 Absolute 방식은 무엇이 다를까?

Linear Encoder도 Rotary Encoder와 마찬가지로 Incremental 방식과 Absolute 방식으로 구분할 수 있습니다. Incremental Linear Encoder는 Scale이 이동할 때 일정한 간격으로 Pulse를 발생시키며 Controller가 Pulse를 Count하여 상대적인 이동량을 계산합니다. A상과 B상처럼 위상차가 있는 신호를 사용하면 이동방향을 판단할 수 있고 Reference Mark를 이용하여 기준위치를 설정할 수 있습니다. 전원을 끄면 Controller가 기억하던 위치정보를 잃을 수 있으므로 장비를 다시 가동할 때 Reference 또는 Homing 동작이 필요한 시스템도 있습니다. Absolute Linear Encoder는 Scale의 각 위치에 고유한 Position Information이 기록되어 있어 Read Head가 현재 위치를 직접 판독할 수 있도록 설계됩니다. 따라서 전원을 다시 켠 뒤에도 기준점 탐색을 줄이거나 생략할 수 있는 시스템 구성이 가능합니다. 다만 실제 Homing 필요 여부는 Encoder 자체뿐 아니라 기계의 안전확인과 제어시스템 설계에 따라 달라질 수 있습니다.

Linear Encoder가 정밀 위치제어에 중요한 이유는 무엇일까?

Servo Motor가 Ball Screw를 회전시켜 Table을 이동시키는 장비에서는 Motor Encoder만으로도 이동량을 계산할 수 있습니다. 하지만 실제 기계에는 Backlash, Screw Pitch Error, Thermal Expansion, Elastic Deformation 등 다양한 오차가 존재합니다. Motor Shaft의 위치가 정확하더라도 이러한 기계오차 때문에 실제 Table Position이 목표위치와 달라질 수 있습니다. Linear Encoder를 Table이나 이동축에 설치하면 실제 움직이는 부분의 위치를 직접 측정하여 Controller에 Feedback할 수 있습니다. 이를 이용한 Full Closed Loop Control에서는 Motor Encoder뿐 아니라 Linear Encoder의 실제 위치정보를 활용하여 기계축의 Position Error를 보정할 수 있습니다. CNC와 정밀 Stage처럼 Micrometer 또는 그보다 작은 단위의 Positioning이 요구되는 장비에서 이러한 방식이 중요합니다. 다만 높은 제어성능을 얻으려면 Encoder의 Resolution만 높이는 것이 아니라 Servo Gain, 기계강성, Sampling Time과 구조적인 진동특성까지 함께 고려해야 합니다.

Linear Encoder를 설치할 때 무엇을 확인해야 할까?

Linear Encoder를 선정할 때는 Measuring Length, Resolution, Accuracy, Repeatability, Maximum Traversing Speed와 Output Interface 등을 확인해야 합니다. Resolution은 구분 가능한 최소 위치변화를 의미하지만 Accuracy는 실제 위치와 측정값 사이의 오차를 나타내므로 두 사양을 구분해야 합니다. 설치에서는 Scale과 Read Head 사이의 Gap, Parallelism, Yaw·Pitch·Roll 등의 Alignment가 중요하며 제조사가 지정한 설치공차를 따라야 합니다. 측정축과 Encoder Scale의 위치가 서로 떨어져 있으면 구조물의 회전오차가 위치오차로 나타나는 Abbe Error가 발생할 수 있으므로 정밀장비에서는 측정선 배치도 중요합니다. Optical Type은 먼지와 Oil 오염을 관리해야 하며 Magnetic Type도 강한 외부자계와 금속분진 등의 환경조건을 확인해야 합니다. 또한 Cable Shielding과 Grounding을 적절하게 구성하여 Motor와 VFD에서 발생하는 Electrical Noise의 영향을 줄여야 합니다. 결국 Linear Encoder는 직선축의 실제 이동위치를 Scale과 Read Head로 직접 측정하여 정밀한 위치확인과 Closed Loop Position Control을 가능하게 하는 핵심 Feedback Sensor입니다.