자동으로 움직이는 기계에는 어떠한 동력이 사용됩니다. 동력의 근본이 되는 것을 총칭해 액추에이터라 합니다. 액추에이터에는 모터나 엔진, 유압 실린더 등이 있습니다. 또한, 기계를 움직일 때에는 기계 그 자체나 주변의 상태를 확인하기 위해 센서가 사용됩니다. 이번에는 기계 설계 중에서도 특히 움직임에 관한 기계 요소인 액추에이터와 센서의 기능에 대해 알아보겠습니다. 
목차
액추에이터 중에서 가장 많이 이용되는 모터란
모터는 대표적인 액추에이터 중 하나입니다. 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 장치로 크레인이나 청소기, 전기 자동차 등 다양한 곳에 사용됩니다. 전세계에서 소비되는 전력 중 대략 반 정도가 모터로 사용되고 있다고 합니다. 모터는 사용하는 전류에 따라 크게 2종류로 나뉩니다.
- DC 모터(직류 모터) DC 모터는 직류 전류를 전원으로 하는 모터입니다. 건전지로 움직이는 장난감이나 정밀 기계 등에서 사용됩니다. 전극을 전환하는 브러시를 사용하는 것과 브러시를 사용하지 않는 것이 있습니다.
- AC 모터(교류 모터) AC 모터는 교류 전류를 전원으로 하는 모터입니다. 가정의 전원과 같이 1상 교류 전류로 움직이는 것과 공장 등에서 사용되는 3상 교류 전류로 움직이는 것이 있습니다.
기계 설계에서 모터를 선정할 경우, 모터의 회전 속도와 토크를 고려해야 합니다. 토크란 모터가 낼 수 있는 힘입니다. 모터는 허용 토크 이상의 힘이 가해지면 움직임이 멈추거나 올바른 동작이 불가능해집니다. 따라서 기어나 풀리 등의 구동 장치를 통해 모터에 가해지는 힘을 계산해야 합니다. 제조업체의 카탈로그 등을 참조하여 목적에 맞는 모터를 선택해야 합니다.
병진 운동 액추에이터
모터나 엔진은 회전 운동을 하는 액추에이터인데, 회전이 아닌 이동(병진 운동)을 하는 액추에이터도 있습니다. 유압이나 공압으로 신축하는 실린더나 전자기 액추에이터, 피에조 액추에이터 등이 있습니다.
- 유압 실린더 실린더 내부에 기름을 보내거나 빼내면서 피스톤을 움직입니다. 유압 실린더는 직선 운동밖에 하지 못하지만, 매우 커다란 힘을 낼 수 있다는 특징이 있습니다. 건설 기계나 돔 지붕을 개폐하는 기구와 같은 커다란 것에도 사용됩니다.
- 전자기 액추에이터 코일 내에 철심을 통과시켜 코일에 전기를 보내 발생하는 자기장 이용하여 철심을 움직이는 것이 전자기 액추에이터입니다. 기본적인 구조는 전지 열차와 동일합니다. 코일에 따른 전후 운동과 코일 내에서의 회전 운동이 가능합니다. 유압이나 공압 실린더에 비해 동작이 빠르고 빈번한 동작이 가능하다는 특징이 있습니다. 마그넷 핸드나 제어 밸브 등에 사용됩니다.
- 피에조 액추에이터 전압을 가하면 신축하는 성질을 가진「피에조 소자」를 이용한 액추에이터입니다. 매우 정밀한 제어가 가능하다는 것이 특징입니다. 잉크젯 프린터의 잉크 토출량을 조정하는 밸브나 초음파 발생 장치 등에 사용됩니다.
이처럼 액추에이터에는 다양한 종류가 있으며 액추에이터를 가동시키기 위해 필요한 부품이나 장치도 각각 다릅니다. 기계 설계를 할 때, 각각의 특징이나 작동 원리 등을 고려하여 주위 부품도 포함해 적절하게 설계해야 합니다.
센서
센서 혹은 감지기라고 합니다. 습도나 온도, 진동이나 변위량, 압력이나 전류량 등 기계를 둘러싼 다양한 조건을 감지하여 수치나 신호로 출력하는 장치입니다. 일상 생활 속에서 가장 흔히 볼 수 있는 것은 온도계나 체온계, GPS, 스마트폰이나 태블릿의 터치 패널 등입니다. 예전에 센서는 바이메탈에 의한 서모스탯과 같이 기계적으로 단순한 것이 대부분이었습니다. 그러나 최근에는 전자화에 따라 소형이면서 고도의 센서가 주류를 이루고 있습니다. 센서가 감지할 수 있는 내용도 매우 다양합니다. 또한, AI에 의한 이미지 진단 기술도 발전하여 센서가 판단하는 조건도 보다 고도화되고 있습니다. 센서는 나사나 볼트와 같은 구조적인 기계 요소와 달리 제품의 라인업이나 능력이 빠른 속도로 변화해 가는 분야입니다. 기계 설계에서는 센서를 이용할 때, 우선 목적에 맞는 센서를 조사하는 것부터 시작해야 합니다.
정리
이번에는 기계의 동력의 근본이 되는 액추에이터와 기계가 자신이나 주위 상태를 감지하는 센서의 기능에 대해 소개했습니다. 이들 모두 기계를 움직이기 위해서는 반드시 필요한 것입니다. 상당히 많은 종류가 있는 기계 요소이므로 설계 시에는 제조업체의 카탈로그 등을 참조해 목적에 맞게 올바르게 선택해야 합니다.
