자기 스프링을 이용한 고속 전자기 보상 저울의 설계

Abstract

미소 힘 측정은 반도체, 의학, 화학, 생명공학 등 정밀 시스템에서 필수적으로 적용된다. 또한 여러 가지 힘 측정의 일부인 중량 측정은 제품의 불량검사에도 활용된다. 특히 알약 포장 산업에서는 중량측정을 이용하여 불투명 제품의 불량검사를 실시하고 있다. 제품의 높은 생산성과 낮은 불량률을 만족시키기 위해서 불량검사 용 저울은 고속 판별, 높은 분해능, 높은 반복성의 특성이 요구된다. 기존 산업에서 적용되고 있는 힘 측정 센서의 종류로는 로드셀 센서, 피에조 센서, 정전 용량형 센서, 전자기 보상 센서 등이 있으며, 각 센서의 특성에 따라 다양한 분야에서 적용되고 있다. 이 중 전자기 보상 센서는 분해능이 매우 높고 반복성이 좋아 고정밀도를 요구하는 알약포장 불량 검사에 적합하다. 하지만 전자기 보상방식의 원리를 이용한 저울은 구조 상 기본적으로 보상하고 있는 자중의 크기가 클수록 분해능이 떨어지며, 정착시간이 상대적으로 길다는 문제가 있다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 개선하기 위하여 에어 베어링을 사용한 가이드 메커니즘과 자기 스프링을 적용하고자 한다. 에어 베어링 가이드 메커니즘은 이동방향에 대해 저강성을 유지하며, 기생방향에 대해 고강성을 구현한다. 또한, 시스템의 마찰을 극소화 하여 감쇠를 없애 응답성을 향상 시킬 수 있다. 또, 기존의 전자기 보상방식 저울에서 자중을 보상하기 위해 사용되었던 카운터웨이트 대신 할바흐 자석 배열(Halbach magnet array)의 자기 스프링을 사용하여 낮은 시스템의 강성을 달성할 수 있다. 할바흐 자석 배열은 자화 방향이 다른 자석을 강제로 결합한 것으로 한 면으로 향하는 자속밀도를 증가시키는 특성이 있다. 또한, 특정 범위 내에서 기본 영구자석에 비해 자기력의 변동이 적다. 이 자석 배열을 자기 스프링에 적용하면 할바흐 자석과 움직자석 사이의 자속 밀도에 비례하는 자기 스프링의 자기력을 강하게 할 수 있고, 특정 범위 내에서 강성을 낮출 수 있다. 결과적으로 동일 부피에서 일반적인 자석배열에 비해 더 강한 자기력을 내며, 더 낮은 강성을 갖게 하여 시스템의 분해능을 향상시킬 수 있다. 할바흐 배열의 자석은 Surface current model을 기반한 수학적 모델로 모델링 되었고 위 모델을 이용하여 영구자석의 자기력을 시뮬레이션 하였다. 그 결과 동일 자중(275 g)을 보상하는데 일반적인 코일 스프링의 강성 (600 N/m) 비해 현저히 낮은 강성(-2.7~4.5 N/m)을 갖는 시스템을 만들 수 있음을 확인하였다. SQP 최적설계 기법을 기반으로 하여 자기 스프링을 제작하였고, 연직방향 위치에 따라 VCM이 발휘하는 힘을 측정하여 자기 스프링의 힘의 특성을 확인 하였다. 그 결과 정적인 힘은 2.7 N, 시스템의 강성은 –27.3 N/m를 갖는 것을 확인했다. 또한 대수감쇠율을 이용하여 댐핑계수를 측정하고, 앞서 구한 강성을 이용하여 시스템을 2차로 모델링 하였다. 모델링 된 시스템의 주파수 응답과 외란 보상을 시뮬레이션 하여 실제 시스템의 거동을 예측하였고, 실제 실험을 통해 타당성을 검증하였다. 최종적으로 제작된 전자기 보상 저울 시스템의 성능 평가를 실시하였고, 25 mg의 분해능과 8 mg의 반복능(10 g 분동 기준) 그리고 15 g의 외란에 대해 64 ms의 정착시간을 갖는 것을 확인했다. 향후 연구로 전자기 보상 저울에 제어전략을 개선하여 정밀 저울로써 보다 성능을 개선할 수 있는 연구가 필요하다. 또한 오차의 원인이 될 수 있는 공기의 유동, 온도의 영향, 영구자석의 변화에 대한 억제 및 보정에 대한 연구가 필요하다. 최종적으로 실제 알약 포장 공정과 같이 컨베이어 벨트가 작동되며 진동이 발생하는 동적인 시스템에서의 타당성을 검증해야하며 실제 산업 분야에의 적용 가능성을 검토해야 한다.