JP2006246581A - 電源アンプの保護回路及び保護回路動作通知方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷である圧電アクチュエータ素子の短絡時等による過電流の発生時に、電圧の供給を遮断せずに、電流を所定値以内に制限する電源アンプの保護回路を提供すると共に、該保護回路が電流制限動作を開始したことを簡単な構成で外部に通知する。
【解決手段】 駆動電源12と、前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成するアンプ回路11と、前記アンプ回路と負荷の間に配設された保護回路14とを備えた電源アンプにおいて、前記負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限する電源アンプの保護回路動作通知方式であって、前記アンプ回路の入力電圧値と、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算16した電圧値とを比較する比較手段19を備え、前記比較手段の出力によって、前記保護回路の動作開始を検知する電源アンプの保護回路動作通知方式。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体製造装置、光学アライメント装置、精密位置決め装置等において対象物を移動させるための圧電アクチュエータ素子を駆動させる電源アンプの保護回路に関するものである。

この種の圧電アクチュエータ素子を駆動させるための従来の電源装置を図６に示す。
電圧制御回路１は外部から入力信号を入力すると、その入力信号に基づいて、高電圧電源回路２から供給される電源電圧を用いてステップ状、パルス状等の電圧波形を形成し、圧電アクチュエータ素子３に印加する。この電圧波形によって圧電アクチュエータ素子３が駆動される。

ただし、ステップ状の急峻な電圧波形を圧電アクチュエータ素子３に印加すると、圧電アクチュエータ素子３に過渡電流が流れて、駆動電圧を制御している電圧制御回路１内のＦＥＴ、トランジスタ等の回路素子が破損する惧れがある。そこで、図６に示されるように、電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間に保護抵抗４を直列に挿入し、これにより電流を規制する方法が一般的に採られてきた。

しかし、圧電アクチュエータ素子３自体が容量性負荷であるため、電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間に保護抵抗４を直列に挿入すると、圧電アクチュエータ素子３と保護抵抗４とによって結果的にＲＣ回路が形成される。
その結果、駆動電圧は、その周波数により振幅が変動したり、波形のなまりを生じ、高精度で圧電アクチュエータ素子３を駆動させることができなくなってしまう。
例えば、保護抵抗４の抵抗値をＲ［Ω］、圧電アクチュエータ素子３の容量をＣ［Ｆ］とすると、圧電アクチュエータ素子３に印加される電圧振幅は、周波数Ｆｃ＝１／（２πＲＣ）の時に一３ｄＢ（０．７０７倍）となり、−６［ｄＢ／ｏｃｔ］で減衰する。

上記の問題点を改善するために、大型のトランスを用い電流容量を大きくして、保護抵抗４の抵抗値Ｒを小さくする方法もあるが、駆動電源が大型になるばかりでなく、負荷となる圧電アクチュエータ素子３の短絡故障時に電圧制御回路１内の半導体素子に過大な電流が流れ、半導体素子を破損する原因にもなる。

また、電圧制御回路１内の半導体素子の破損は、電源投入時あるいは入出力の接触不良によっても引き起こされ、ヒュ一ズやリレー等の通常の保護手段では防ぎきれない短時間、例えば数十μｓｅｃで発生する。

短絡等により連続して過電流となった場合にこの過電流を電流検出回路で検出し、リレー駆動回路を介してリレーにより高電圧電源回路から電圧制御回路への電圧の供給を遮断すると共に、入力信号の電圧立ち上がり部分を微分マスク回路で取り出して過渡電流でのリレーの誤動作を防止する保護回路が知られている。（特許文献１参照）
特開昭６３−２４９４１６号公報

上記の従来の圧電アクチュエータ素子の短絡時等に発生する過電流を検出して、電圧制御回路への電圧の供給を遮断する保護回路では、過電流が流れた際に電圧制御回路への電圧の供給を遮断するため、圧電アクチュエータへ印加される電圧が急激に低下してしまうが、圧電アクチュエータが利用される製造装置を直ぐに停止させることは難しく、圧電アクチュエータへの電圧が急激に低下（停止）させることには問題があった。
また、圧電アクチュエータに流れる電流が過電流になって、保護回路が動作したことを外部に通知する構成が大掛かりになるという問題があった。

本発明の課題（目的）は、圧電アクチュエータ素子の短絡時等による過電流の発生時に、電圧制御回路への電圧の供給を遮断せずに、電圧制御回路への電流を所定値以内に制限する電源アンプの保護回路を提供すると共に、該保護回路が電流制限動作を開始したことを簡単な構成で外部に通知する保護回路の電流制限動作通知方式に関する。

前記課題を解決するために、駆動電源と、前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成するアンプ回路と、前記アンプ回路と負荷の間に配設された保護回路とを備えた電源アンプにおいて、
前記負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限することを特徴とする。（請求項１）

また、駆動電源と、前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成するアンプ回路と、前記アンプ回路と負荷の間に配設された保護回路とを備えた電源アンプにおいて、前記負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限する電源アンプの保護回路動作通知方式であって、
前記アンプ回路の入力電圧値と、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値とを比較する比較手段を備え、前記比較手段の出力によって、前記保護回路の動作開始を検知することを特徴とする。（請求項２）

前記比較手段の構成は、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値に所定のオフセット値を加算した電圧値と前記入力電圧値とを比較回路で比較する構成であることを特徴とする。（請求項３）
前記比較手段の構成は、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値と前記入力電圧値とを差動増幅器に入力し、当該差動増幅器の出力と所定の基準値とを比較回路で比較する構成であることを特徴とする。（請求項４）

請求項１記載の発明は、駆動電源と、前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成するアンプ回路と、前記アンプ回路と負荷の間に配設された保護回路とを備えた電源アンプにおいて、前記負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限するので、過電流が流れた際にも、負荷である圧電アクチュエータに供給される電圧が突然低下するという問題がなくなる。
また、請求項２〜４に記載の発明は、負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限する電源アンプの保護回路動作通知方式であって、前記アンプ回路の入力電圧値と、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値とを比較する比較手段を備え、前記比較手段の出力によって、前記保護回路の動作開始を検知するので、簡易な装置で保護回路の動作開始を通知することができる。

図１を用いて、本発明の電源アンプの保護回路の説明をする。
図１（ａ）において、電源アンプは、アンプ回路１１で入力信号１３を所定のゲイン（Ｇ）倍に昇圧（増幅）して、保護回路（電流制限回路）１４を介して、出力信号１５として出力する。
図１において、１２はアンプ回路の動作用電源回路であり、出力信号１５は、負荷１０である圧電素子（圧電アクチュエータ）等に印加される。

図１における保護回路（電流制限回路）１４は、出力電流が所定値に制限される構成であれば、電流をリニアに制御する方式でも、オン・オフで制御する方式でも良く、入力信号の電圧が上昇しても、保護回路の動作によって出力信号の電圧は所定値以上にはならないように制限される。

図１（ｂ）に保護回路（電流制限回路）１４の１例として、トランジスタを用いた例を示す。
図１（ｂ）の回路がアンプ回路１１と負荷である圧電素子１０の間に挿入され、この図１（ｂ）の回路は、トランジスタを用いた公知のスイッチング回路である。

以下に、図１（ｂ）の電流制限回路によって、出力電流を１０ｍＡに制限する例について説明する。
トランジスタＱ３のベース−エミッタ間にＯＮ電圧（一般的には約０．６Ｖ）を印加することによって、トランジスタＱ３が導通して、トランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧がＯＮ電圧になって該トランジスタＱ２が導通して出力信号が負荷（例えば圧電素子）に供給される。
負荷である圧電素子のショート等によって過大な電流が流れると、抵抗Ｒ１の端子間電圧が大きくなり、その電圧がトランジスタＱ１のベース−エミッタ間のＯＮ電圧になった時点でトランジスタＱ１が導通する。
このトランジスタＱ１の導通によって、トランジスタＱ２が遮断されるが、トランジスタＱ２の遮断により、抵抗Ｒ１の電流が無くなるので、トランジスタＱ２は直ぐに導通状態に復帰する。
この状態を繰り返すことによって、出力電流が所定の値以下に制限される。
出力電流を１０ｍＡに制限するためには、抵抗Ｒ１の値を６０Ωにする。（ベース−エミッタ間のＯＮ電圧が０．６Ｖの場合）

次に、保護回路が電流制限動作を開始したことを簡単な構成で外部に通知する保護回路の動作検知方式の実施態様について図２〜５を用いて説明する。
図２は、本発明の電源アンプの保護回路の電流制限動作検知を通知する第1の方式を説明する概念図である。
図２において、電源アンプは、アンプ回路１１で入力信号１３を所定のゲイン倍に昇圧（増幅）して、保護回路１４を介して、出力信号１５として出力する。
また、１６は前記保護回路１４の出力（即ち出力信号）の「１／Ｇａｉｎ」を得るゲイン換算回路である。
１７は、前記出力信号に所定の電圧を加算回路１８で加算するオフセット回路である。
１９は、前記加算回路１８の出力と前記入力信号とを比較する比較回路であり、前記入力信号が前記加算回路の出力を超えた際に保護回路動作検知信号２０を出力する。

次に、図２の保護回路動作検知方式を図３を用いて詳細に説明する。
図３（ａ）は、入力電圧と出力電圧の検知信号（出力信号／２０＋０．０１５Ｖ）との関係を入力電圧を０〜７．５Ｖまで変化させた際の測定値を示す表である。
ここで、Ｇａｉｎは２０倍であり、オフセットの電圧値は０．０１５Ｖである。

図３（ｂ）は、入力電圧（黒丸印）と出力電圧の検知信号（黒三角印）との関係を示すグラフである。
出力電圧の検知信号は、入力電圧の増加に伴って比例して増加するが、保護回路による電流制限動作が開始すると出力電圧の検知信号は一定に保持される。

図３（ｃ）は、入力電圧（実線）と出力電圧の検知信号（破線）との関係を詳細（オフセット電圧０．０１５Ｖ）を加味した状態を示すグラフである。
加算回路の出力電圧は、（保護回路の出力電圧／２０）にオフセット電圧（０．０１５Ｖ）を加算した値であって、入力電圧よりも０．０１５Ｖ高い値であるが、保護回路による電流制限動作が開始すると出力電圧の検知信号は一定に保持されるので、電流制限動作開始後に入力電圧の方が高くなり、保護回路動作検知信号２０を出力する。

図４は、本発明の電源アンプの保護回路の電流制限動作検知を通知する第２の方式を説明する概念図である。
図４において、電源アンプは、アンプ回路１１で入力信号１３を所定のゲイン倍に昇圧（増幅）して、保護回路１４を介して、出力信号１５として出力する。
また、１６は前記保護回路１４の出力（即ち出力信号）の「１／Ｇａｉｎ」を得るゲイン換算回路である。
２１は、前記入力信号（入力電圧）と前記ゲイン換算回路１６の出力電圧とが入力される差動増幅回路である。
１９は、前記差動増幅器の出力電圧と、基準電圧(Ref)２２とを比較する比較回路であって、前記差動増幅器の出力電圧は、前記基準電圧（Ref）を超えた際に保護回路動作検知信号２０を出力する。

次に、図４の保護回路動作検知方式を図５を用いて詳細に説明する。
図５（ａ）は、入力電圧と出力電圧／Ｇａｉｎとの関係を、入力電圧を０〜７．５Ｖまで変化させた際の値を示す表である。

図５（ｂ）は、入力電圧（黒丸印）と、出力電圧／Ｇａｉｎ（黒三角印）との関係を示すグラフである。
出力電圧／Ｇａｉｎは、入力電圧の増加に伴って比例して増加するが、保護回路による電流制限動作が開始すると出力電圧は一定に保持される。

図５（ｃ）は、差動増幅器の入力電圧である、入力電圧と出力電圧（ゲイン換算）との関係を示し、保護回路が電流制限動作を開始するまでは両者は等しいが、電流制限動作を開始すると、出力電圧は一定に保持され両者には差が出てくることを示すものである。
この差動増幅器の出力電圧が基準値（Ref）を超えたことを比較回路１９で検出して保護回路動作検知信号２０を出力する。

上述の如く、本発明の電源アンプの保護回路の電流制限動作検知を通知する第１及び２の方式では、感知電圧として数十ｍＶ程度のぶれは生じるが、特別の精度を要求される場合を除いて十分に保護回路の動作開始を通知できるものである。

請求項１〜４に記載の発明は、負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限する電源アンプの保護回路動作通知方式であって、前記アンプ回路の入力電圧値と、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値とを比較する比較手段を備え、前記比較手段の出力によって、前記保護回路の動作開始を検知するので、過電流が流れた際にも、負荷である圧電アクチュエータに供給される電圧が突然低下することがないと共に、簡易な装置で保護回路の動作開始を通知することができるという効果を奏するので、産業上の利用可能性は極めて大きい。

本発明の電源アンプの保護回路を示す図である。 本発明の電源アンプの保護回路の電流制限動作検知を通知する第１の方式を説明する概念図である。 図２の保護回路動作検知方式を説明する図である。 本発明の電源アンプの保護回路の電流制限動作検知を通知する第２の方式を説明する概念図である。 図４の保護回路動作検知方式を説明する図である。 従来の圧電アクチュエータ素子を駆動させるための電源装置を示す図である。

符号の説明

１０ 圧電素子（圧電アクチュエータ）
１１ アンプ回路
１２ 電源回路
１３ 入力信号
１４ 保護回路（電流制限回路）
１５ 出力信号
１６ １／Ｇａｉｎ回路（ゲイン換算回路）
１７ オフセット（Ｏｆｆｓｅｔ）回路
１８ 加算回路
１９ 比較回路
２０ 保護回路動作検知信号
２１ 差動増幅器
２２ 基準値（Ｒｅｆ）

Claims (4)

1. 駆動電源と、前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成するアンプ回路と、前記アンプ回路と負荷の間に配設された保護回路とを備えた電源アンプにおいて、
   前記負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限することを特徴とする電源アンプの保護回路。
2. 駆動電源と、前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成するアンプ回路と、前記アンプ回路と負荷の間に配設された保護回路とを備えた電源アンプ
   において、前記負荷に流れる電流を検出して、当該電流が設定値を超えた際に、前記保護回路で負荷に流れる電流を前記設定値に制限する電源アンプの保護回路動作通知方式であって、
   前記アンプ回路の入力電圧値と、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値とを比較する比較手段を備え、
   前記比較手段の出力によって、前記保護回路の動作開始を検知することを特徴とする電源アンプの保護回路動作通知方式。
3. 前記比較手段の構成は、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値に所定のオフセット値を加算した電圧値と前記入力電圧値とを比較回路で比較する構成であることを特徴とする請求項２に記載の電源アンプの保護回路動作通知方式。
4. 前記比較手段の構成は、前記保護回路の出力電圧を前記アンプ回路のゲイン換算した電圧値と前記入力電圧値とを差動増幅器に入力し、当該差動増幅器の出力と所定の基準値とを比較回路で比較する構成であることを特徴とする請求項２に記載の電源アンプの保護回路動作通知方式。
   
   
   
   

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