JP2008092751A - リニアモータ用通電制御回路及びリニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 載置重量が極めて大きく、かつ、駆動距離を大きくする必要があるＸＹステージの駆動を行なうリニアモータ用通電制御回路とリニアモータを提供する。
【解決手段】 リニアモータのブレーキ指令により、多相コイルに発生する回生エネルギーを回生ブレーキ抵抗に導いて前記回生エネルギーを減少させる回生ブレーキ回路と、リニアモータの駆動を減速させる減速指令により、多相コイルに発生する回生エネルギーの電圧が所定の値を超えたときに、この回生エネルギーに基づく電圧を低下させる回生消費抵抗を有する回生消費回路とを備えたリニアモータ用通電制御回路、及びこの通電制御回路を用いたリニアモータである。さらに、通電制御回路は商用２００Ｖを整流して２８０Ｖ以上に昇圧する昇圧回路と、多相コイルはコイルを冷却する冷却手段を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイスや液晶ディスプレイ等の電子部品の搬送手段、あるいはこれら電子部品に検査等の各種の処理を行なうための手段として使用されるリニアモータに関し、特に、重量が極めて重い電子部品等の搬送あるいは各種の処理を行なう装置を駆動させるリニアモータの通電制御回路と、この通電制御回路を用いたリニアモータに関するものである。

半導体デバイスや液晶ディスプレイ等の製造装置においては、高精度の位置決めを必要とする部品や部材の移動手段として、扁平状のコイルを２相又は３相に重ね合わせた構造とした多相コイルに正弦波状の駆動電流を通電することにより、可動子を直線方向に駆動させるリニアモータが使用されている。その駆動方式から、２相又は３相等の多相コイルを用いた可動コイル型ブラシレスリニアモータ（可動コイル型リニアモータ）、あるいは可動磁石型ブラシレスリニアモータ（可動磁石型リニアモータ）が実用化されている。

可動コイル型リニアモータは、固定子を、相隣る磁極が交互に異なる極性になるように複数の界磁磁石（永久磁石）を長手方向に配置した界磁磁石の列を所定の磁気空隙を設けて２列配置した構成にしている。そして、磁気空隙を介して対向する界磁磁石の磁極は、異極が対向するように配置している。

一方、可動子は多相の扁平コイル（３相コイル等）から構成されている。多相コイルは、固定子が形成する磁気空隙（以下、磁気空隙路という場合がある）における磁束と巻線方向が直交するように、磁気空隙路内を直線移動が可能になるように配置されている。また、多相コイルの各コイルは界磁磁石の配置方向に若干ずらして配設すると共に、必要に応じて磁極の方向を検出する磁界検出素子（ホール素子）を備えている。

そして、可動コイル型リニアモータの制御装置は、磁界検出素子からの検出情報と可動子の現在位置の情報に基づいて、可動子を目標位置に駆動させるための大きさと向きの正弦波駆動電流を各コイルに通電する制御を行なう。これにより、１２０°（２π／３）ずつ位相のずれた電流が多相コイルに入力されるので、多相コイルはフレミングの左手の法則により磁気空隙路の長手方向の駆動力を受けることになる。そして、多相コイルを一体に指示している可動子は、この駆動力により磁気空隙路の長手方向に移動することが可能になる。

また、多相コイルに前記と逆方向の電流を流すと、多相コイルには前記と逆方向の駆動力が作用するので、可動子は前記と逆方向に移動する。従って、多相コイルへの通電及びその電流の方向を制御することにより、可動子を所定の位置に移動させることが可能になる。

これに対して、可動磁石型リニアモータは、例えば、リニアスケールによって可動子となる永久磁石の磁極を検出しながら、制御装置によって固定子となる多相コイルを所定の極性に磁化させるように制御することにより、可動子（永久磁石）を直線運動させるものである。

リニアモータにおいては、直流を通電制御回路に設けたインバータ回路（ＰＷＭスイッチ回路）に入力して、そこで数ＫＨＺ〜数１０ＫＨＺのスイッチング周波数でパルス幅変調（ＰＷＭ）を行なって得た所定の正弦波駆動電流が、可動コイル又は固定コイルに出力される。

リニアモータの駆動を高精度に制御するためには、リニアモータの通電制御回路からリニアモータに出力される駆動電流のリップルを低減し、さらに、周波数特性を向上することが重要になる。このような課題を解決するためには、インバータ回路のスイッチング周波数を高めることが要求される。しかし、インバータ回路とリニアモータを接続するケーブルや多相コイル等に高周波の駆動電流が流れると、ケールや多相コイルから外部に輻射するノイズが発生する。この対策としては、例えば、特許文献１に記載されているように、ＰＷＭスイッチ回路のスイッチ素子とリニアモータへの出力端子との間に、平滑回路を設けることが提案されている。

さらに、上記した輻射ノイズを低減する方法として、特許文献１に記載されているように、２つのスイッチ素子を交互にオン・オフ制御することによりＰＷＭパルスを発生するスイッチ回路と多相コイルが接続される出力端子との間に、磁気的に結合されたインダクタンスとコンデンサを含む平滑回路を設け、さらに、２つのスイッチ素子と並列に回生ダイオードを接続することが提案されている。

一方、半導体デバイスや液晶ディスプレイ等の製造装置、特に、液晶パネル（ＬＣＤ）の製造ラインにおいては、基板サイズの拡大とともに、液晶パネルの表示品質の向上、例えば、輝点欠陥とともに黒点欠陥も解消することが要求される。このため、パネル基板の表示部に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を配列するＴＦＴ工程、カラーフィルター（ＣＦ）を作成するＣＦ工程、ＴＦＴとＣＦを貼り合わせるパネル工程及びパネル周辺に駆動回路を実装するモジュール工程の各工程においては、パネル基板に存在する欠陥を検出するとともに、検出した欠陥を非接触かつ局部加工が可能なレーザ処理により、高速で修復（リペア）することが行なわれている。

また、近年、液晶パネルに使用するガラス基板等のサイズの拡大により、リペア装置等の専有面積も増大している。このため、製造ラインの床面積の低減を図るために、リペア装置等にガラス基板を定盤に固定し、欠陥を検出するための撮像手段やレーザ照射手段などの処理手段を搭載したガントリーが移動する型式（ガントリー駆動型）からなるＸＹステージが使用されている。

そして、上記ＸＹステージの下軸及び上軸の駆動手段として、高精度の駆動制御を行なうことができるリニアモータが使用されている。しかしながら、上記したように液晶パネルの基板サイズ等の拡大により、例えば、ガントリー駆動型のＸＹステージの下軸を構成する下軸リニアモータのストローク長は３０００〜５０００ｍｍというロングストロークが必要である。更に、下軸リニアモータの上に、ＸＹステージの可動子となる上軸リニアモータが載置されるが、この上軸リニアモータを含むガントリー部分から構成される可動子は３０００〜５０００ｋｇという大質量になる（後述の図５参照）。従って、下軸リニアモータとして、特に、大推力、ロングストロークであって、かつ高精度の高速動作（少なくとも１ｍ／秒程度）及び高い位置決め精度（絶対位置精度、繰返し位置精度）が要求される。また、上軸リニアモータにも同様の高精度の高速動作（少なくとも１ｍ／秒程度）及び高い位置決め精度が要求される。

さらに、上記のように大質量のガントリー駆動型の可動子にガラス基板等を載置して、例えば、欠陥部をリペアしているときに、何らかの原因により、駆動制御装置からＸＹステージの駆動を非常停止させる信号が下軸リニアモータ側に入力されると、ＸＹステージの移動を直ちに停止させる制御を行なう必要がある。このとき、ＸＹステージの駆動を急停止させると、ＸＹステージに載置された大質量の可動子に生じる慣性により、ＸＹステージあるいは該ステージを含む製造装置を破損させる危険性が生じる。

また、所定の速度で駆動しているＸＹステージを減速又は加速するように制御すると、下軸リニアモータを構成する多相コイルは発電機として作用する。特に、減速時において多相コイル内に発生するこの高い起電力（以下、回生エネルギーという）は、下軸リニアモータに対して駆動電流を供給する通電制御回路に逆流し、通電制御回路を構成する回路部品を破壊する危険性が生じる。

上記の回生エネルギーにより通電制御回路を構成するＩＣ等の回路部品の破壊を防止する対策として、例えば、特許文献２に記載の発明が提案されている。

特許文献２には、電動射出成型機において、電動モータに駆動電力を供給するサーボ電源と、このサーボ電源と並列に接続され、電動モータの減速駆動時に生ずる回生エネルギーを電源側に回生する電源回生手段と、サーボ電源と並列に接続され電動モータの減速駆動時に生ずる回生エネルギーを抵抗器で熱エネルギーとして消費する抵抗回生手段を設けた駆動制御装置が提案されている。さらに、特許文献２には、電動モータの減速駆動時におけるサーボ電源の電圧を検出するセンサを設け、このセンサからの検出電圧が予め設定した第１の電圧（Ｖ１）に達したとき電源回生手段を作動させ、検出電圧が予め設定した第１の電圧（Ｖ１）より高い第２の電圧（Ｖ２）に達したとき抵抗回生手段を作動させるスイッチング制御手段を設けることが記載されている。また、特許文献２には、電動モータをリニアモータで構成することも記載されている。

特開平２００３−８８１７０号公報 特開２００４−１５４９６１号公報

特許文献２に記載の発明は、電動射出成形機の駆動制御装置を対象とした発明であって、ＸＹステージを駆動するための駆動制御装置、特に、ガントリー駆動型のＸＹステージにおける大質量の可動子を取り扱うリニアモータに関する通電制御回路に関するものではない。さらに、特許文献２に記載の発明は、電動射出成形機の駆動を非常停止させるときにリニアモータの多相コイルに発生する回生エネルギーを、非常停止時の急激な停止を緩和するために利用することについては記載されていない。

そこで、本発明の目的は、ＸＹステージの駆動を制御するためのリニアモータにおいて、リニアモータを高推力、高速及び高精度で駆動させることが可能であると共に、非常停止に対する対策も考慮したリニアモータ用通電制御回路、およびこの通電制御回路を用いたリニアモ−タを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のリニアモータの通電制御回路は、交流を整流する整流回路と、前記整流回路により整流して得た前記直流を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路により昇圧した直流を平滑する平滑回路と、前記平滑回路により平滑した直流をＰＷＭスイッチ回路によりパルス幅変調して得られた駆動用電源を多相コイルに供給することにより、磁気空隙を介して対向する前記多相コイルと界磁用永久磁石とが前記磁気空隙に沿って相対駆動するように構成されたリニアモータの通電制御回路において、
前記相対駆動中に該相対駆動を停止させるブレーキ指令に基づいて作動する回路であって、前記ブレーキ指令による前記リニアモータの停止制御により前記多相コイルに発生する回生エネルギーを、回生ブレーキ抵抗を介して前記多相コイルに導くようにして前記回生エネルギーを減少させる回生ブレーキ回路と、
前記相対駆動中に該相対駆動を減速させる減速指令により、前記多相コイルに発生する前記回生エネルギーにより前記通電制御回路にかかる電圧が所定の値を超えたときに、前記回生エネルギーに基づく電圧を低下させる回生消費抵抗を有する回生消費回路と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明のリニアモータは、交流を整流する整流回路と、前記整流回路により整流して得た前記直流を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路により昇圧した直流を平滑する平滑回路と、前記平滑回路により平滑した直流をＰＷＭスイッチ回路によりパルス幅変調して得られた駆動用電源を多相コイルに供給することにより、磁気空隙を介して対向する前記多相コイルと界磁用永久磁石とが前記磁気空隙に沿って相対駆動するように構成されたリニアモータにおいて、
前記相対駆動中に該相対駆動を停止させるブレーキ指令に基づいて作動する回路であって、前記ブレーキ指令による前記リニアモータの停止制御により前記多相コイルに発生する回生エネルギーを、回生ブレーキ抵抗を介して前記多相コイルに導くようにして前記回生エネルギーを減少させる回生ブレーキ回路と、
前記相対駆動中に該相対駆動を減速させる減速指令により、前記多相コイルに発生する前記回生エネルギーにより前記通電制御回路にかかる電圧が所定の値を超えたときに、前記回生エネルギーに基づく電圧を低下させる回生消費抵抗を有する回生消費回路と、を備えたリニアモータ用通電制御回路と、
前記多層コイルを冷却するコイル冷却手段を備えていることを特徴とする。

前記昇圧回路は、前記整流回路により整流して得た直流を２５０Ｖ以上に昇圧するようにしたものが好ましい。

前記本発明のリニアモータにおいて、コイル冷却手段として、前記多相コイルを覆い、内部の空間に冷媒が供給されるジャケットを備えるともに、前記ジャケットは、内部に駆動方向に沿って配置したくし歯状の形状を有する部材を備え、前記多相コイルは、前記部材のくし歯状のくしの歯の間に挟んで保持される構成のものが好ましい。

本発明は、下記の効果を発揮することができる。
（１）リニアモータの多相コイルに駆動電源を供給するための通電制御回路には、非常停止等に伴うブレーキ指令が入力されたときに、多相コイルに発生する回生エネルギーを、回生ブレーキ抵抗に導き、さらに、多相コイルに循環させることによりこの回生エネルギーをブレーキをかける作用として利用しながら減少させる回生ブレーキ回路を設けている。これにより、大質量の可動子を有するリニアモータの駆動に際し、非常停止により急停止させる事態が発生しても、この回生エネルギーを有効利用してＸＹステージの駆動を短時間のうちに緩やかに停止させることができるので、ＸＹステージや該ステージを含む製造設備等が急停止による衝撃により破損することを防止できるようになる。

（２）リニアモータの駆動中にこの駆動を減速させる減速指令により、多相コイルに発生した回生エネルギーが付加された電圧が予め設定した電圧値を超えた高電圧が通電制御回路にかかったときに、この回生エネルギーに基づく高電圧を低下させるための回生消費回路を備えている。この回生消費回路により、ＸＹステージの駆動を高速から低速へ減速する加速度制御を行なったときに発生する高電圧により通電制御回路を構成するＩＣ等の回路部品が破壊されることを防止することが可能になる。

（３）多相コイルに供給する駆動電源は、商用ＡＣ２００Ｖの交流を整流して２８０〜３５０Ｖに昇圧した電源を供給するようにしている。これにより、ＸＹステージを駆動させるリニアモータは従来のリニアモータと比較して高推力を得ることができる。

（４）上記（１）、（２）、（３）により、特に、大型の液晶パネルの製造装置など、ＸＹステージの可動子の質量が３０００〜５０００ｋｇという大質量を有し、若しくは前記の大質量を有すると共に下軸リニアモータのストローク長が３０００〜５０００ｍｍというロングストロークを有し、かつＸＹテーブルの駆動制御を高速と減速とを繰り返して高精度で行うことができる極めて有用なリニアモータを提供可能である。

以下本発明の詳細を、添付図面に基づいて説明する。図１は本発明のリニアモータ用通電制御回路を用いたリニアモータにおいて、リニアモータの駆動を制御する方法を模式的に表した制御ブロック図、図２はこの通電制御回路の構成を示すブロック図、図３は通電制御回路を構成する回生消費回路の構成例、図４は同じく通電制御回路を構成する回生ブレーキ回路の構成例を示す図である。なお、以下の説明においては、多相コイルを可動子とした可動コイル型リニアモータを例にして説明する。

リニアモータの制御ブロック図を示す図１において、１はリニアモータの駆動を制御するマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータあるいはシーケンサ等から構成される制御装置（以下、駆動制御装置という）であって、予め搭載されているソフトウエア手段によりリニアモータのＸ軸、Ｙ軸方向の駆動等を統括して制御する装置である。なお、図１においては、ＸＹステージのうち、例えば、Ｘ軸（下軸）用の通電制御回路とその３相のコイル３ａ、３ｂ、３ｃを示している。実際のＸＹステージにおいては、Ｙ軸（上軸）を駆動させるための通電制御回路とその３相のコイルを備えているが、図１には示していない。

２は、リニアモータに駆動電源を供給するためのドライバ（以下、リニアモータ用通電回路という）である。３ａ、３ｂ、３ｃは、リニアモータに設けられている３相のコイル（以下、多相コイルという）である。

多相コイルを構成する各コイル３ａ、３ｂ、３ｃは扁平なコイルから構成され、基板等に、扁平なコイルのコイル幅だけ順次ずらして固定されている。そして、可動コイル型リニアモータにおいては、扁平なコイル３ａ、３ｂ、３ｃからなる可動子は、磁気空隙路内では同一平面上に配置されて、磁気空隙路の長手方向に移動可能に配設されている。これにより、磁気空隙路を形成する一対の永久磁石間の磁気間隙を小さく形成するようにしている。なお、３相のコイル３ａ、３ｂ、３ｃには、駆動制御装置１からの制御指令に基づいてリニアモータ用通電制御回路２から順次、駆動電流が印加されるようになっている。

４は界磁用永久磁石の磁束の大きさと向きを検出するホール素子等のセンサ、５は可動子の現在位置を検出するためのセンサ、例えば、エンコーダ等である。これらセンサが検出したデータは所定の時間間隔で駆動制御装置１に入力される。

図１に示す制御ブロック図において、リニアモータの駆動を制御する方法を説明すると下記（１）〜（３）に記載のようになる。

（１）駆動制御装置１には、半導体デバイスや液晶ディスプレイ等の製造仕様に対応して、そのＸＹステージのＸ軸及びＹ軸方向の駆動を制御するためのプログラムが、予め搭載されている。そして、製造ラインの稼動に伴なってこの制御プログラムが作動すると、ホール素子４、エンコーダ５からの検出情報が駆動制御装置１に入力される。これらの情報が入力されると、駆動制御装置１はＸ軸あるいはＹ軸を所定の距離ほど駆動させるためのアナログ電流等を演算して求め、このアナログ電流を駆動指令として通電制御回路２に出力する。

（２）通電制御回路２は、駆動制御装置１からアナログ電流が入力されると、このアナログ電流を、ＯＮ−ＯＦＦ信号変換回路により、ＰＷＭスイッチ回路のトランジスタをＯＮ−ＯＦＦするＰＷＭ信号に変換する処理を行なう。
（３）上記（２）により変換されたＰＷＭ信号がＰＷＭスイッチ回路に供給されると、ＰＷＭスイッチ回路は、平滑回路により平滑され駆動電源を数ＫＨＺ〜数１０ＫＨＺのスイッチング周波数でパルス幅変調（ＰＷＭ）を行なう。そして、パルス幅変調して得た所定の正弦波駆動電流はリニアモータの多相コイルに供給（出力）される。これにより、多相コイルを備えた可動子は、磁気空隙路内を所定の速度パターンで駆動するが可能になる。

続いて、本発明のリニアモータ用通電制御回路２の構成を図２に示す回路ブロック図に基づいて説明する。図２に示すように、リニアモータ用通電制御回路２は、整流回路６、昇圧回路７、平滑回路８、回生消費回路９、ＰＷＭスイッチ回路１０、回生ブレーキ回路１１、等から構成される。なお、１２は整流回路６に供給する商用ＡＣ２００Ｖの３相交流である。

整流回路６は、商用ＡＣ２００Ｖの電源から供給された交流電源を直流に変換するための回路である。整流回路６は、例えば、ダイオードをブリッジ状に配列した全波整流回路等により交流電源を直流に変換する。

昇圧回路７は、整流回路６により交流電源を直流に変換した電圧を昇圧するための回路である。この昇圧回路７は、トランジスタ、ダイオード、コイル等を用いた公知の昇圧回路から構成されるが、本発明においては２８０Ｖ以上に昇圧するようにしていることに特徴がある。従来のリニアモータ用通電制御回路においては、２５０Ｖ程度に昇圧していたが、本発明において、昇圧回路７により昇圧する電圧は２５０Ｖを超える値、好ましくは２８０Ｖ〜３５０Ｖ程度に昇圧することが望ましい。

リニアモータによりＸＹステージのＸ軸、Ｙ軸の駆動推力を高推力にするためには、多相コイルに供給する駆動電流のアンペア（Ａ）を高くすることが考えられるが、電流値を高くすると、多相コイルおよびリニアモータ用通電制御回路２から発生する熱量が多くなって温度上昇が生じる。特に、多相コイルを含むリニアモータの温度が上昇すると、その熱によりレーザ照射装置から照射されたレーザ光に悪影響を与えるので、多相コイルに供給する駆動電源はその電流は高くせずに、電圧を高くすることが望ましい。

本発明において、昇圧回路７により多相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに供給する駆動電源の電圧は２５０Ｖを超える値、好ましくは２８０Ｖ〜３５０Ｖ程度に昇圧する理由は次の通りである。

すなわち、ＸＹステージの可動子が大質量になる場合には、昇圧電圧が２８０Ｖより低いと高推力を得ることができなくなる。また、昇圧電圧を３５０Ｖより高くすると、ノイズが発生し易くなって、ＸＹステージの駆動制御に誤動作が発生する可能性が生じるからである。従って、ＸＹステージの可動子が大質量になるリニアモータ用通電制御回路においては、昇圧回路７により２８０Ｖ〜３５０Ｖ程度に昇圧した駆動電源を３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに供給することが望ましい。

平滑回路８は、昇圧回路７により２８０Ｖ〜３５０Ｖ程度に昇圧した直流電源を一定の安定した電圧に平滑するための回路であって、コイル及びコンデンサ等を用いた公知の回路から構成されている。

回生消費回路９は、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃの電圧が予め設定した電圧値を超えたときに、この電圧を低下させるために設けた回路である。駆動制御装置１がリニアモータの駆動を減速する制御指令を出すと、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに供給する駆動電流が抑制されるので、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃには回生エネルギーが発生する。この回生消費回路９は、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに発生した回生エネルギーにより３相コイルにかかる電圧が予め設定した電圧値、例えば、３８０Ｖを超えると、この電圧を回生消費抵抗により所定の電圧になるように調整する（降下させる）ための回路である。本発明においては、リニアモータの駆動の減速制御に伴なって３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに発生する回生エネルギーが付加された高電圧が、リニアモータ用通電制御回路２を構成する回路部品に負荷されて、これら回路部品が破壊することを防止できるようになる。

図３は、回生消費回路９の回路構成の一例を示す図である。図３において、１３は回生消費抵抗、１４はトランジスタを用いたスイッチ素子、１５はコンパレータ、１６及び１７は抵抗である。

上記したように、リニアモータの駆動を減速する制御指令に基づいて３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃには回生エネルギーが発生するので、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃにかかる電圧値は上昇する。図３に示すに回生消費回路９は、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃにかかる電圧を結線１８からコンパレータ１５に導くようにしている。そして、コンパレータ１５は、この電圧が予め設定した所定の電圧値、例えば、３８０Ｖを超えているか否かを判定し、所定の電圧値を超えているとコンパレータ１５からの出力信号に基づいてスイッチ素子１４を「ＯＮ」する。スイッチ素子１４が「ＯＮ」すると、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃにかかる駆動電源は、回生消費抵抗１３を経由してＧＮＤ側に流れるようになるので、その電圧は回生消費抵抗１３により降下する。

図３に示すに回生消費回路９においては、例えば、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃにかかる電圧が３８０Ｖを超えたときに、コンパレータ１５はスイッチ素子１４を「ＯＮ」して回生消費抵抗１３によりその電圧を降下させる。そして、例えば、この電圧は３５０Ｖに降下すると、コンパレータ１５はスイッチ素子１４を「ＯＦＦ」するようにする。このように、回生消費抵抗１３の抵抗値を適切な値に設定することにより、回生エネルギーの発生により３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃにかかる電圧が、例えば３８０Ｖを超えると、その電圧を適切な値に降下させることが可能になる。これにより、リニアモータ用通電制御回路２を構成する回路部品に高電圧が負荷されて、これら回路部品の破壊を防止することが可能になる。本発明において、回生消費抵抗１３の抵抗値は、５０Ω程度に設定するとよい。

ＰＷＭスイッチ回路１０は、駆動制御装置１からのアナログ電流指令に基づいて、ＰＷＭスイッチ回路１０を構成するスイッチ素子用トランジスタに「ＯＮ」、「ＯＦＦ」用のＰＷＭ信号を与えて、平滑回路８から供給される駆動電源を数ＫＨＺ〜数１０ＫＨＺのスイッチング周波数でパルス幅変調（ＰＷＭ）を行なって、所定の正弦波駆動電流を得るための回路である。そして、この正弦波駆動電流は、ＰＷＭスイッチ回路１０から３相の各コイル３ａ、３ｂ、３ｃに出力される。なお、ＰＷＭスイッチ回路１０は、複数のスイッチ素子とダイオードを含むスイッチ回路、及びスイッチ回路の作動を制御するスイッチ制御回路等から構成されている。

本発明のリニアモータ用通電制御回路２は、前記したように、例えばガントリー駆動型ＸＹステージ等の可動子（ガントリー）が大質量になるＸＹステージ上で高速で当該可動子を高速高精度でロングストロークにわたって制御させるための駆動電源を、３相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに供給することを目的とした通電制御回路である。このようなＸＹステージにおいて、ＸＹステージの駆動制御中に何らかの異常が発生すると、ＸＹステージの駆動、すなわち、リニアモータを非常停止させる制御を行なう必要がある。

図２に示すリニアモータ用通電制御回路２に設けている回生ブレーキ回路１１は、ＸＹステージの駆動を停止させる非常停止等のブレーキ信号（以下、ブレーキ信号という）が、駆動制御装置１から入力されたときに作動させるための回路である。上記したように、大質量の可動子を駆動しているとき、当該駆動中の可動子を非常停止指令により急停止させると、この可動子の慣性により、ＸＹステージや当該ステージを含む製造設備はこの急停止の衝撃により破壊が発生する危険性が生じる。

そこで、本発明のリニアモータ用通電制御回路２においては、ＰＷＭスイッチ回路１０と３相のコイル３ａ、３ｂ、３ｃとの間に回生ブレーキ回路１１を設けて、非常停止等のブレーキ信号に伴なって発生する上記課題を解決するようにしている。図４は、回生ブレーキ回路１１の一例を示す回路図である。

図４に示す回生ブレーキ回路１１において、１９〜２４はダイオード、２５は回生ブレーキ抵抗、２６はトランジスタから構成されるスイッチ素子、２７はブレーキ信号である。そして、ダイオード１９と３０の中点にコイル３ａが、同じくダイオード２１と２２の中点にコイル３ｂが、同じくダイオード２３と２４の中点にコイル３ｃを接続している。また、回生ブレーキ抵抗２５はスイッチ素子２６に接続されている。なお、駆動制御装置１から指令されるブレーキ信号２６は、スイッチ素子２６を「ＯＮ」、「ＯＦＦ」するようになっている。なお、リニアモータ用通電制御回路２に、駆動制御装置１からの非常停止指令を、「ＯＮ」、「ＯＦＦ」信号に変換してスイッチ素子２６に入力するためのインタフェース回路を設けるようにしてもよい。

続いて、回生ブレーキ回路１１の作動について説明する。駆動制御装置１は、ＸＹステージが駆動中に、例えば、異常検出プログログムが何らかの異常を検出すると、非常停止の制御として、通電制御回路２のＰＷＭスイッチ回路１０に対して、多相コイルの各コイル３ａ、３ｂ、３ｃに供給する駆動電流を停止する制御を行なうと共に、スイッチ素子２６を「ＯＮ」するためのブレーキ信号２７をスイッチ素子２６に供給するための制御を行なう。このとき、前記磁気空隙路に沿って駆動する多相コイル３ａ、３ｂ、３ｃの駆動は急激に減速するので、多相コイルの各コイル３ａ、３ｂ、３ｃには回生エネルギーが発生する。

回生ブレーキ回路１１は、ブレーキ信号２７に基づいてスイッチ素子２６が「ＯＮ」されると、多相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに発生した回生エネルギーに係わる電流を回生ブレーキ抵抗２５に導いて、この回生電流を回生ブレーキ抵抗２５により減少させると共に、この電流値が減少した回生電流を再び多相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに戻す作用を行なう。これにより、多相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに発生した回生電流は、回生ブレーキ回路１１に設けた回生ブレーキ抵抗２５を流れて再び多相コイル３ａ、３ｂ、３ｃに戻る循環した流れを繰り返すことにより減衰しその電流は無くなる。このようにして、ＸＹステージの駆動について非常停止が発生した場合、回生ブレーキ回路１１により、ＸＹステージの駆動は直ちに急停止することなく、回生電流を利用して所定の短時間の間に減速させながら緩やかに停止させることが可能になる。

本発明のリニアモータの通電制御回路を搭載した好適な実施の一例であるガントリー駆動型ＸＹステージ（以降、単にＸＹステージという場合がある）について、図５〜７により説明する。
図５は本発明に係わるＸＹステージの平面図、図６は図５をＣ方向から見た矢視図、図７（ａ）は図６のＤ部を拡大した図、及び図７（ｂ）は図６のＥ部を拡大した図である。

図５に示すように、ガントリー駆動型ＸＹステージ１０１は、平板状に形成された定盤１０２と、そのＹ軸方向に沿って移動するガントリー１０５と、ガントリー１０５に設置され、そのＸ軸方向に移動する複数のスライド部材（図示省略）を備えている。定盤１０２は、ガントリー１０５及び各スライド部材の高精度の移動を保証するために、例えば、免震装置（不図示）を介して床面に設置されている。定盤１０２の表面には、図５中一点鎖線で示されるガラス基板１００（例えば第６又は第７世代以降の大型基板等）を保持してＹ軸方向の所定位置まで案内しかつガントリー１０５の底面に対向させる搬送手段（不図示）が設置されている。ＸＹステージ１０１の各部は次のように構成されている。

定盤１０２は、複数のブロック１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃをＹ軸方向に並べて形成された平板状部材である（図５参照）。各ブロックは、精密な駆動を実現するために、剛性が高くかつ周囲の温度及び湿度変化に対して影響を受けにくい材料（例えばグラナイトに代表される石材）で形成されると共に、高い位置決め精度を実現するために、ガントリー１０５が支持される上面が高い面精度と平面度を有するように加工されている。

ガントリー１０５は、定盤１０２の表面に設置された２組のガイド部材１０３ａ、１０３ｂに案内されてＹ軸方向に移動するスライドベース１０４ａ、１０４ｂに支持されている（図５参照）。ガイド部材１０３ａ（１０３ｂ）は、図示を省略するがＹ軸方向において複数に分割されていると共に、平面からみてその側面３１１ａ（３１１ｂ）が定盤１０２の側面２２０ａ（２２０ｂ）と一致するように定盤１０２の略全長にわたって敷設された第１レール１３１ａ（１３１ｂ）と、平面からみて第１レール１３１ａ（１３１ｂ）と一部が重なるようにその上面に敷設された第２レール１３２ａ（１３２ｂ）から構成されている（図６参照）。第１レール１３１ａ（１３１ｂ）及び第２レール１３２ａ（１３２ｂ）は、矩形状断面を有すると共に、定盤１０２と同様に、精密な駆動を実現するために、剛性が高くかつ周囲の温度及び湿度変化に対して影響を受けにくい材料（例えばグラナイトに代表される石材）で形成されている。また第１レール１３１ａ（１３１ｂ）の周囲には、所定間隔をおいて略Ｌ字型のスライドベース１０４ａ、１０４ｂが配置されると共に、両ベースを駆動するためのＹ軸リニアモータ２０６ａ、２０６ｂが設置されている（図６参照）。

図７（ａ）（ｂ）に示すように、スライドベース１０４ａ、１０４ｂを第２レール１３２ａ、１３２ｂに対して非接触で支持するために、スライドベース１０４ａ（１０４ｂ）の内周面の３辺には各々、円板状のエアーパッド３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃが装着され、各エアーパッドは、圧縮空気発生源（不図示）に連通する給気孔（不図示）を有する。各エアーパッドから第２レール１３２ａ（１３２ｂ）の表面に向かって圧縮空気（例えば０．４７ＭＰａ）が噴出されることにより、静圧空気軸受が形成され、各エアーパッドと第２レール１３２ａ（１３２ｂ）との間に、例えば５〜１０μｍの微小間隙が形成される。第２レール１３２ａ（１３２ｂ）を取り囲むように設置されるエアーパッドの数量はベースの長さに応じて選定すればよく、本例では、エアーパッドはＹ軸方向に沿って複数個（例えば２又３個）配置されている。

また図７（ａ）に示すように、Ｙ軸リニアモータ２０６ａは、第２レール１３２ａに取り付けられたコ字形のヨーク部６１１とその対向する内面に固着された２列の永久磁石体６１２からなる磁石部材３６１と、スライドベース１０４ａに結合され、両永久磁石体の間に配置されるコイル部材３６２とを含む可動コイル型リニアモータである。永久磁石体６１２は、複数のブロック状永久磁石を異極性の磁極が対向しかつ異極性の磁極がＹ軸方向に交互に並ぶように配列し、対向する永久磁石の間に形成された磁気空隙６５１に正弦波状の磁束密度分布を有する磁束が発生するように構成されている。コイル部材３６２は、絶縁体からなるコイル基板とそこに装着された複数の偏平コイル（いずれも不図示）を含む多相コイルであり、各相のコイルに通電された時にＹ軸方向の推力が発生するように結線されている。図７（ｂ）に示すように、Ｙ軸リニアモータ２０６ｂはＹ軸リニアモータ２０６ａと同様の構造を有する。
ガントリー１０５にはＸ軸方向に駆動するＸ軸リニアモータ（図示省略）が搭載されている。このＸ軸リニアモータはＹ軸リニアモータ２０６と同様の構造を有し、Ｙ軸リニアモータに同期して駆動制御される。
リニアモータ２０６ａ、２０６ｂの上には、可動子としてのガントリー１０５（質量３０００〜５０００ｋｇ程度）が搭載され、Ｙ軸方向のストローク長は３０００〜５０００ｍｍというロングストロークのものであるが、本発明の通電制御回路を具備することにより、起動時には多相コイルに大電流を流して大きな推力を発生させ、所定速度まで加速された時には駆動電流を低減させて一定の速度で駆動し、目標位置に近づくと再び駆動電流を高めて減速させるような速度パターンで駆動した場合に良好な制御特性、高精度を得られる。即ち、大質量の可動子を載置したＸＹステージの駆動を非常停止により急停止させる事態が発生しても、ＸＹステージの駆動を短時間のうちに緩やかに停止させることができるので、急停止の衝撃によりＸＹステージや製造設備を構成する部材の破損を防止することが可能になる。なお、急停止の原因が解明されてＸＹステージが再稼動を開始すると、駆動制御装置１のプログラム処理により、スイッチ素子は「ＯＦＦ」される。

（実施例）
図８は、本発明の通電制御回路を具備するリニアモータを下軸リニアモータ（図５のＹ軸リニアモータ）として搭載したＸＹステージにおいて、本発明の通電制御回路を備えた場合（実線）と、従来の通電制御制御回路を使用した場合（点線）を比較した３相コイルの電流、可動子の速度波形を示す。
図８より、回生ブレーキ回路１１を備えた本発明の下軸リニアモータは、回生ブレーキ回路１１を備えていない比較例の下軸リニアモータと比較して、非常停止信号が入力された後、約８０ミリ秒の間は、速度（減速速度）は約１／２になり、８０ミリ秒を経過すると減速速度は同一となり、約２００ミリ秒後に両リニアモータ共に駆動後を停止させることができた。これにより、回生ブレーキ回路１１を備えた本発明の下軸リニアモータは、比較例の場合に比べて、１／２の速度に減速させながら短時間で駆動を停止できることが確認された。

図９は本発明の通電制御回路を搭載した他の実施の形態である可動コイル型リニアモータにおける、可動子の多相コイルの冷媒（冷却液）による冷却構造の一例を示す分解斜視図である。図９では図示を簡便化するために、８０１は３相コイルのうちの平コイル８０１ａのみを示している。８１４ａ及び８１４ｂはジャケットを構成するジャケット部分、８０８はジャケット部分８１４ａ及び８１４ｂに設けたくし歯構造部である。３相コイル８０１ａは、ジャケット部分８１４ａ及び８１４ｂによって形成されるジャケットの内部に配置され、ジャケット部分８１４ａ及び８１４ｂで構成されたくし歯構造部８０８の凹部に固定されている。

図１０に示すように、３相コイル８０１は、平コイル８０１ａ（例えばｕ相）及び２つの曲げコイル８０１ｂ（例えばｖ相），曲げコイル８０１ｃ（例えばｗ）を１組として、通常複数組から構成される。３相コイル８０１は、平コイル８０１ａの空芯部に曲げコイル８０１ｂ及び８０１ｃの平面部が入り込み、鎖交部分がこの３つのコイル（１組）のほぼ同一平面部で構成されている。８０５ａ〜８０５ｅは各相コイル間の隙間である。この１組のコイルを複数組並べたものが、ジャケット８１４で覆われている。

図１１は、図９のジャケット部分の駆動方向（図９中の矢印方向）に垂直な断面図である。くし歯構造部８０８は、ジャケット部分８１４の対向する各内面上において駆動方向に平行にかつ相互に対向するように設けた凹部８１１と、この対向する凹部間を連結している凸部８１２とを有し、凹部８１１によりコイル８０１ａ及び８０１ｂを各内面から浮かして支持するとともに凸部８１２によりコイル８０１ａ及び８０１ｂを駆動方向について固定している。この冷却構造は、ジャケット８１４に対向する界磁用永久磁石（図示省略）により形成された磁気空隙８５１内に配置される。ジャケット８１４の内部空間には冷媒（冷却液）（図示省略）が満たされて３相コイル８０１の表面が直接冷却される。

図９〜１１に示すコイル冷却構造（コイルを冷媒で液冷するタイプ）を、図６のＸＹステージ１０１の下軸リニアモータ３６１のコイル部材３６２に替えて用いることが好ましい。この冷却構造は、特に露光装置用に有用であり、多相コイルからの発熱を顕著に抑制し、高精度、ロングストロークでかつ大推力のリニアモータ特性を得ることができる。

上記実施の形態及び実施例では、可動コイル型リニアモータに本発明を適用した場合を記載したが特に限定されない。可動子が界磁用永久磁石を有して構成され、固定子が多相コイルを有して構成される、可動磁石型リニアモータにおいても本発明は有用である。
なお、多相コイルとは、２相または３相以上のものをいう。

リニアモータの駆動を制御する方法を説明するための制御ブロック図である。 本発明の通電制御回路の構成を説明するためのブロック図である。 図２に示す通電制御回路について、回生消費回路の構成例を説明するための回路図である。 同じく、図２に示す通電制御回路について、回生ブレーキ回路の構成例を説明するための回路図である。 本発明の実施の形態に係るＸＹステージの平面図である。 図５をＣ方向から見た矢視図である。 （ａ）は図６のＤ部を拡大した図であり、（ｂ）は図６のＥ部を拡大した図である。 実施例の一例を示す、リニアモータの速度及び多相コイルの電流の波形を示す図である。 本発明の実施の形態に係る可動コイル型リニアモータのジャケットを分解して示す斜視図である。 空芯部に他相のコイル平面部を配置してなる３相扁平コイルの構造を説明する図である。 ジャケット部分における、駆動方向に垂直な断面図である。

符号の説明

１：リニアモータ駆動制御回路、２：通電制御回路、３ａ、３ｂ、３ｃ：多相コイル、
４：磁界検出センサ（ホール素子）、５：エンコ−ダ、６：整流回路、７：昇圧回路、
８：平滑回路、９：回生消費回路、１０：ＰＷＭスイッチ回路、１１：回生ブレーキ回路、
１２：商用ＡＣ２００Ｖ電源、１３：回生消費抵抗、１４：スイッチ素子、
１５：コンパレータ、１９〜２４：ダイオード、２５：回生ブレーキ抵抗、
２６：スイッチ素子、２７：ブレーキ信号、１００：基板、１０１：ガントリー駆動型ＸＹステージ、１０２：定盤、１０３ａ，１０３ｂ：ガイドレール、１０４ａ，１０４ｂ：スライドベース、１０５：ガントリー、１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ：ブロック、１３１，１３２：レール、３６１：磁石部材、６１１：ヨーク、６１２：界磁用永久磁石、６５１，８５１：磁気空隙。

Claims (5)

1. 交流を整流する整流回路と、前記整流回路により整流して得た前記直流を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路により昇圧した直流を平滑する平滑回路と、前記平滑回路により平滑した直流をＰＷＭスイッチ回路によりパルス幅変調して得られた駆動用電源を多相コイルに供給することにより、磁気空隙を介して対向する前記多相コイルと界磁用永久磁石とが前記磁気空隙に沿って相対駆動するように構成されたリニアモータの通電制御回路において、
   前記相対駆動中に該相対駆動を停止させるブレーキ指令に基づいて作動する回路であって、前記ブレーキ指令による前記リニアモータの停止制御により前記多相コイルに発生する回生エネルギーを、回生ブレーキ抵抗を介して前記多相コイルに導くようにして前記回生エネルギーを減少させる回生ブレーキ回路と、
   前記相対駆動中に該相対駆動を減速させる減速指令により、前記多相コイルに発生する前記回生エネルギーにより前記通電制御回路にかかる電圧が所定の値を超えたときに、前記回生エネルギーに基づく電圧を低下させる回生消費抵抗を有する回生消費回路と、を備えていることを特徴とするリニアモータ用通電制御回路。
2. 前記昇圧回路は、前記整流回路により整流して得た直流を２５０Ｖ以上に昇圧することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ用通電制御回路。
3. 交流を整流する整流回路と、前記整流回路により整流して得た前記直流を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路により昇圧した直流を平滑する平滑回路と、前記平滑回路により平滑した直流をＰＷＭスイッチ回路によりパルス幅変調して得られた駆動用電源を多相コイルに供給することにより、磁気空隙を介して対向する前記多相コイルと界磁用永久磁石とが前記磁気空隙に沿って相対駆動するように構成されたリニアモータにおいて、
   前記相対駆動中に該相対駆動を停止させるブレーキ指令に基づいて作動する回路であって、前記ブレーキ指令による前記リニアモータの停止制御により前記多相コイルに発生する回生エネルギーを、回生ブレーキ抵抗を介して前記多相コイルに導くようにして前記回生エネルギーを減少させる回生ブレーキ回路と、
   前記相対駆動中に該相対駆動を減速させる減速指令により、前記多相コイルに発生する前記回生エネルギーにより前記通電制御回路にかかる電圧が所定の値を超えたときに、前記回生エネルギーに基づく電圧を低下させる回生消費抵抗を有する回生消費回路と、を備えたリニアモータ用通電制御回路と、
   前記多層コイルを冷却するコイル冷却手段を備えていることを特徴とするリニアモータ。
4. 前記昇圧回路は、前記整流回路により整流して得た直流を２５０Ｖ以上に昇圧することを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記コイル冷却手段は、前記多相コイルを覆い、内部の空間に冷媒が供給されるジャケットを備え、
   前記ジャケットは、内部に駆動方向に沿って配置したくし歯状の形状を有する部材を備え、
   前記多相コイルは、前記部材のくし歯状のくしの歯の間に挟んで保持される構成のものであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のリニアモータ。

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