JP2009077104A - Coil drive circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コイル駆動回路に関し、スイッチング素子のオン/オフの切り替えを高速にすることができるようにしたコイル駆動回路に関する。 The present invention relates to a coil drive circuit, and more particularly to a coil drive circuit that can switch on / off of a switching element at high speed.
3相リニアモータは、半導体露光装置におけるマスクステージやウエハステージの駆動用として用いられている。移動するストロークの長い3相リニアモータにおいて、固定子をコイル、可動子を磁石としたMM(ムービングマグネット)方式のリニアモータでは、可動子の磁石が存在しない部分のコイルには通電せず、可動子の移動する位置に応じて、通電するコイルを順次切り替えていく、いわゆる励磁切り替え方式のリニアモータが省電力化のために使用されている。 A three-phase linear motor is used for driving a mask stage and a wafer stage in a semiconductor exposure apparatus. In a three-phase linear motor with a long moving stroke, in a MM (moving magnet) type linear motor in which the stator is a coil and the mover is a magnet, the coil of the part where the magnet of the mover does not exist is not energized and moved. A so-called excitation switching type linear motor that sequentially switches the coil to be energized according to the position where the child moves is used for power saving.
本出願人は、この通電するコイルを順次切り替えていくモータ励磁切り替え回路として、フォトカプラを使用した、特許文献1および特許文献2を先に提案している。
しかしながら、従来のように、フォトカプラの出力側を、フォトダイオードの起電力を出力としたフォトボル出力にて、MOS-FET(metal oxide semiconductor field effect transistor)やIGBT(insulated gate bipolar transistor)を駆動使用する場合には、MOS-FETやIGBTによる入力容量の影響を受けて、比較的高速にオン/オフを切り替えるのが困難であるという問題があった。 However, as in the past, MOS-FETs (insulated gate bipolar transistors) and IGBTs (insulated gate bipolar transistors) are used to drive the output side of the photocoupler with a photovolt output that uses the electromotive force of the photodiode as an output. In this case, there is a problem that it is difficult to switch on / off at a relatively high speed under the influence of the input capacitance due to the MOS-FET or IGBT.
そのため、MOS-FETやIGBTのゲートを駆動するゲートドライブカプラを使用することが行われていたが、この場合、各切り替えを行うコイルに対応したMOS-FETやIGBT毎に、別途1次側の電源と絶縁されたDC-DCコンバータにて電源を供給することが必要となり、励磁切り替えを行う回路の小型化を阻む要因になると共に、コストダウンしきれない原因ともなっていた。 For this reason, gate drive couplers that drive the gates of MOS-FETs and IGBTs have been used. In this case, a separate primary side is provided for each MOS-FET or IGBT corresponding to each coil to be switched. It was necessary to supply power with a DC-DC converter that was isolated from the power supply, which hindered miniaturization of the circuit for switching excitation and also prevented cost reduction.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子のオン/オフの切り替えを高速にし、かつ、小型化してコストを低減することができるようにするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and is intended to increase the switching speed of switching elements at high speed and reduce the size to reduce the cost.
本発明のコイル駆動回路は、リニアモータを構成する複数のコイルのうちの所定のコイルに電流を流して、コイルを駆動するコイル駆動回路において、所定のパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、生成されたパルス信号を伝送する信号伝送手段と、伝送されたパルス信号を整流する整流素子と、パルス信号を整流することで得られた駆動電圧のレベルに応じてスイッチング動作して、コイルに流す電流をオン/オフする第1のスイッチング素子とを備え、信号伝送手段は、パルス信号生成手段と、整流素子とを電気的絶縁状態で接続し、パルス信号を、パルス信号生成手段から整流素子に伝送することを特徴とする。 A coil drive circuit according to the present invention includes a pulse signal generation unit that generates a predetermined pulse signal in a coil drive circuit that drives a coil by causing a current to flow through a predetermined coil among a plurality of coils constituting a linear motor. A signal transmission means for transmitting the generated pulse signal, a rectifying element for rectifying the transmitted pulse signal, and a switching operation according to the level of the driving voltage obtained by rectifying the pulse signal to flow through the coil A first switching element for turning on / off the current, and the signal transmission means connects the pulse signal generating means and the rectifying element in an electrically insulated state, and the pulse signal is transferred from the pulse signal generating means to the rectifying element. It is characterized by transmitting.
本発明によれば、スイッチング素子のオン/オフの切り替えを高速にし、かつ、小型化してコストを低減することができる。 According to the present invention, on / off switching of a switching element can be performed at high speed, and the size can be reduced to reduce cost.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用したコイル駆動回路の構成例を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a coil drive circuit to which the present invention is applied.
コイル駆動回路は、リニアモータを駆動するモータ駆動回路と、リニアモータのコイルとの間に配置されるモータ励磁切り替え回路であって、例えば半導体露光装置のステージ等に使用されるモータの駆動装置にて使用される。 The coil drive circuit is a motor excitation switching circuit disposed between a motor drive circuit that drives a linear motor and a coil of the linear motor, and is used, for example, as a motor drive device used for a stage of a semiconductor exposure apparatus. Used.
コイル駆動回路は、JKフリップフロップU1、パルストランスL1、ダイオードブリッジ11、LPF(low pass filter)12、放電用抵抗R1、ゲート抵抗13、MOS-FETQ1、MOS-FETQ2、サージアブソーバD5、フォトカプラPC1、および抵抗R4を含むようにして構成される。
The coil drive circuit is JK flip-flop U1, pulse transformer L1,
JKフリップフロップU1は、2つの入力J,KおよびクロックCLKと、2つの出力Q,/Q(Qの反転)を持っている。JKフリップフロップU1において、2つの入力J,Kには、駆動電源VCCが接続され、2つの出力Q,/Qには、パルストランスL1の1次側コイルの両端が接続されている。JKフリップフロップU1において、ON/OFF信号(図中の/PREはクロックCLKに関わらず強制的にオンすることを示し、/CLRはクロックCLKに関わらず強制的にオフすることを示している)がLowレベルの場合には、クロックCLKに同期したパルス信号は出力されず、一方、ON/OFF信号がHighレベルの場合には、クロックCLKに同期したパルス信号がパルストランスL1の1次側コイルに出力される。 The JK flip-flop U1 has two inputs J and K, a clock CLK, and two outputs Q and / Q (Q inversion). In the JK flip-flop U1, the drive power supply VCC is connected to the two inputs J and K, and both ends of the primary coil of the pulse transformer L1 are connected to the two outputs Q and / Q. ON / OFF signal in JK flip-flop U1 (/ PRE in the figure indicates that it is forcibly turned on regardless of clock CLK, and / CLR indicates that it is forcibly turned off regardless of clock CLK) When is low, no pulse signal synchronized with the clock CLK is output. On the other hand, when the ON / OFF signal is high, the pulse signal synchronized with the clock CLK is primary coil of the pulse transformer L1. Is output.
なお、JKフリップフロップU1と、パルストランスL1の1次側コイルの端との間に、コンデンサや抵抗からなる波形整形回路を設けて、パルス信号の波形を整形してからパルストランスL1の1次側コイルに出力するようにしてもよい。 A waveform shaping circuit consisting of capacitors and resistors is provided between the JK flip-flop U1 and the end of the primary coil of the pulse transformer L1, and after shaping the waveform of the pulse signal, the primary of the pulse transformer L1 You may make it output to a side coil.
パルストランスL1は、パルス信号を伝送する信号伝送用パルストランスであって、JKフリップフロップU1と、ダイオードブリッジ11とを電気的絶縁状態で接続し、JKフリップフロップU1からのパルス信号を、ダイオードブリッジ11に伝送する。パルストランスL1の2次側コイルの両端は、ダイオードブリッジ11に接続されている。
The pulse transformer L1 is a pulse transformer for signal transmission that transmits a pulse signal. The pulse transformer L1 connects the JK flip-flop U1 and the
ダイオードブリッジ11は、ダイオードD1乃至ダイオードD4の4つの整流素子がブリッジ状に接続されており、パルストランスL1からの出力を全波整流する。なお、パルストランスL1からの出力を整流する方法は、全波整流に限らず、例えば、パルストランスL1からの出力を、1つの整流素子により半波整流する等、他の整流方法を用いてもよい。
The
ダイオードブリッジ11の出力端の一方は、ゲート抵抗R2を介してMOS-FETQ1のゲートと、ゲート抵抗R3を介してMOS-FETQ2のゲートと接続され、他方は、MOS-FETQ1のソースとMOS-FETQ2のソースとの接続端に接続される。また、ダイオードブリッジ11の2つの出力端には、コンデンサC1から構成されるLPF12と、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2の入力容量(寄生容量)に蓄えられた電荷を放電するための放電用抵抗R1が接続される。
One of the output ends of the
すなわち、コイル駆動回路においては、JKフリップフロップU1からパルス信号が出力されると、そのパルス信号がパルストランスL1によってダイオードブリッジ11に伝送される。続いて、ダイオードブリッジ11によって、そのパルス信号が整流され、整流されることで得られた概ね直流電圧(駆動電圧)が、LPF12によって、ゲート抵抗R2およびゲート抵抗R3にそれぞれ印加される。
That is, in the coil drive circuit, when a pulse signal is output from the JK flip-flop U1, the pulse signal is transmitted to the
MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2は、そのゲートに供給される駆動電圧に応じてスイッチング動作をする。すなわち、MOS-FETQ1のゲートに入力される駆動電圧のレベルが、LowレベルからHighレベルに変化して、所定の閾値電圧を超えると、MOS-FETQ1の状態がオン状態となる。一方、MOS-FETQ1のゲートに入力される駆動電圧のレベルが、HighレベルからLowレベルに変化して、所定の閾値電圧を下回ると、MOS-FETQ1の状態は、オフ状態となる。MOS-FETQ2についても、MOS-FETQ1と同様である。 The MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 perform a switching operation according to the drive voltage supplied to the gates. That is, when the level of the drive voltage input to the gate of the MOS-FET Q1 changes from the low level to the high level and exceeds a predetermined threshold voltage, the state of the MOS-FET Q1 is turned on. On the other hand, when the level of the drive voltage input to the gate of the MOS-FET Q1 changes from the High level to the Low level and falls below a predetermined threshold voltage, the state of the MOS-FET Q1 is turned off. MOS-FETQ2 is the same as MOS-FETQ1.
したがって、ゲート抵抗R2およびゲート抵抗R3に駆動電圧が印加されることで、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2のゲートがドライブされ、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2がオン状態となり、駆動電流をリニアモータのコイルに流すことが可能となる。 Therefore, when the drive voltage is applied to the gate resistor R2 and the gate resistor R3, the gates of the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are driven, the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are turned on, and the drive current is supplied to the linear motor. It becomes possible to flow through the coil.
逆に、JKフリップフロップU1からパルス信号が出力されないと、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2は、オフ状態となり、リニアモータのコイルには、駆動電流は流れないことになる。また、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2がオフ状態となると、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2の寄生容量に蓄えられた電荷は、放電用抵抗R1を通じて放電される。 On the other hand, if no pulse signal is output from the JK flip-flop U1, the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are turned off, and no drive current flows through the coil of the linear motor. Further, when the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are turned off, the charges stored in the parasitic capacitances of the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are discharged through the discharge resistor R1.
サージアブソーバD5は、図中のOUT+と、OUT-との間に接続されているリニアモータのコイルによる逆起電圧が発生した場合に、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2の端子電圧が一定電圧以上に上昇しないようにクランプする、双方向のサージアブソーバとして機能している。 Surge absorber D5 has a terminal voltage of MOS-FETQ1 and MOS-FETQ2 that exceeds a certain level when a counter electromotive voltage is generated by the linear motor coil connected between OUT + and OUT- in the figure. It functions as a bi-directional surge absorber that clamps against rising.
フォトカプラPC1は、本出願人が先に提案している、上記の特許文献1に開示されているように、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2がオフ状態となったとき、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2の電荷をディスチャージしてオフを早めるために設けられるものであって、放電用抵抗R1と並列になるように接続される。フォトカプラPC1は、例えば、発光素子としてのダイオードと、受光素子としてのフォトトランジスタから構成される。 As disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 previously proposed by the present applicant, the photocoupler PC1 is configured such that when the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are turned off, the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q1 It is provided to discharge the charge of the FETQ2 and accelerate the turn-off, and is connected in parallel with the discharging resistor R1. The photocoupler PC1 includes, for example, a diode as a light emitting element and a phototransistor as a light receiving element.
すなわち、JKフリップフロップU1からパルス信号が出力されずに、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2がオフ状態に切り替わるとき、フォトカプラPC1はオン状態となり、フォトカプラPC1のフォトトランジスタを介して、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2の寄生容量に蓄電した電荷を放電する。これにより、MOS-FETQ1およびMOS-FETQ2をオフ状態にするためのスイッチング時間を大幅に短縮することが可能となる。 That is, when the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 are turned off without outputting a pulse signal from the JK flip-flop U1, the photocoupler PC1 is turned on, and the MOS-FETQ1 is passed through the phototransistor of the photocoupler PC1. And the charge stored in the parasitic capacitance of MOS-FETQ2 is discharged. Thereby, the switching time for turning off the MOS-FET Q1 and the MOS-FET Q2 can be greatly shortened.
以上のように、本実施の形態において、コイル駆動回路は、1次側の回路と絶縁するとともに、従来のようなフォトカプラを用いてMOS-FETを駆動する代わりに、パルストランスを用いて、パルストランスに一定のクロックから発生するパルス信号を入力し、整流したパルストランスの出力電圧にてMOS-FETのゲートを駆動する。 As described above, in the present embodiment, the coil drive circuit is insulated from the primary side circuit, and instead of driving a MOS-FET using a conventional photocoupler, a pulse transformer is used. A pulse signal generated from a constant clock is input to the pulse transformer, and the gate of the MOS-FET is driven by the output voltage of the rectified pulse transformer.
すなわち、通常、直流電圧、あるいは低周波数の信号や電力の伝送には、波形歪みの影響等により、パルストランスを使用できないが、本実施の形態においては、パルストランスの出力に対して、ブリッジ型に接続されたダイオードにより整流することで、パルストランスの入力にパルス波形が入力されている間は、MOS-FETのゲート入力にオン状態となる電位を発生させることが可能となる。一方、パルス波形が停止した場合には、MOS-FETのゲート入力の電位が低下し、MOS-FETはオフ状態となる。 That is, normally, a pulse transformer cannot be used for transmission of a DC voltage or a low-frequency signal or power due to the influence of waveform distortion or the like, but in this embodiment, a bridge type is used for the output of the pulse transformer. By rectifying with the diode connected to the, it is possible to generate a potential to be turned on at the gate input of the MOS-FET while the pulse waveform is input to the input of the pulse transformer. On the other hand, when the pulse waveform is stopped, the potential of the gate input of the MOS-FET is lowered, and the MOS-FET is turned off.
パルストランスによる信号の伝送は、従来より用いられてきたフォトカプラのフォトボル出力と比較すると、MOS-FETに遅れなく電圧を供給できると共に、各MOS-FETに対して、別途DC-DC電源等を設ける必要がなく、受動デバイスのみでMOS-FETを駆動できる。その結果、スイッチング素子のオン/オフの切り替えを高速に行う共に、小型で、かつ、低コストのコイル駆動回路を構成することができる。 Compared to the photovoltaic output of a photocoupler that has been used in the past, the signal transmission by a pulse transformer can supply voltage to the MOS-FET without delay, and a separate DC-DC power supply or the like can be supplied to each MOS-FET. There is no need to provide a MOS-FET with only passive devices. As a result, the switching element can be switched on and off at high speed, and a small and low-cost coil drive circuit can be configured.
また、従来では、1次側の駆動電源VCCとモータの駆動系とを絶縁するために、ゲートドライブカプラとDC-DCコンバータを使用し、ON/OFF信号に基づいて、ゲートドライブカプラのダイオードに電流を流すことで、MOS-FETをオン状態にしていたが、この構成を採用すると、各MOS-FETに対して使用しているデバイスは、ゲートドライブカプラとDC-DCコンバータであるため、素子数こそ少なくできるが、比較的高価になってしまうことと、基板上での実装面積が必要となるので、小型化およびコストダウンを行うには限度がある。 Also, conventionally, a gate drive coupler and a DC-DC converter are used to insulate the primary drive power supply VCC from the motor drive system, and the gate drive coupler diode is based on the ON / OFF signal. The MOS-FET was turned on by passing current, but when this configuration is adopted, the devices used for each MOS-FET are gate drive couplers and DC-DC converters. Although the number can be reduced, there is a limit to downsizing and cost reduction because it is relatively expensive and requires a mounting area on the substrate.
一方、本実施の形態では、従来と比較すると、素子数は多いが、主として受動デバイスが多いので、実装面での面積も少なくて済み、またコスト的にも有利であるため、コストダウンの効果を期待することができる。また、上記の特許文献1や特許文献2等に開示されている、フォトボル出力の場合と比較すると、MOS-FETのゲートに電圧を供給する能力が高いため、高速でオンすることが可能となる。 On the other hand, in this embodiment, the number of elements is larger than in the conventional case, but mainly because there are many passive devices, the area on the mounting surface is small, and the cost is advantageous. Can be expected. In addition, compared to the case of the photovol output disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, Patent Document 2, etc., the ability to supply a voltage to the gate of the MOS-FET is high, so that it can be turned on at high speed. .
さらに、従来のように、フォトカプラやゲートドライバを使用した場合には、各CHにおいて、数mA乃至10mA程度の電流を消費するため、停電時等の電源保持や通常時の電力が大きくなるデメリットがあるのに対して、本実施の形態のようなパルストランスを使用した方式においては、基本的に電力を消費する部分が存在しないので、供給電源及び電源保持部分での小型化も可能となる。 In addition, when a photocoupler or gate driver is used as in the past, each channel consumes a current of several mA to 10 mA. On the other hand, in the system using the pulse transformer as in the present embodiment, there is basically no portion that consumes power, so that the power supply and the power holding portion can be downsized. .
以上のように、本発明によれば、従来のように、フォトボル出力のフォトカプラを使用しないので、MOS-FETをオン状態する場合に高速にオンすることができる。また、各MOS-FET毎に、ゲートドライバやDC-DCコンバータを使用する必要がないので、安価に実装面積が少ないコイル駆動回路を構成することができる。 As described above, according to the present invention, since a photovol output photocoupler is not used as in the prior art, it can be turned on at high speed when the MOS-FET is turned on. In addition, since it is not necessary to use a gate driver or a DC-DC converter for each MOS-FET, a coil drive circuit with a small mounting area can be configured at low cost.
なお、本実施の形態では、説明を簡略化するために、MOS-FETQ1とMOS-FETQ2の2個1組のMOS-FETを例にして説明したが、MOS-FETの個数および組数は任意でよい。また、MOS-FETの代わりに、例えばIGBTを用いる等、他のスイッチング素子を用いることも可能である。 In this embodiment, in order to simplify the description, the description has been given by taking MOS-FET Q1 and MOS-FET Q2 as one set of MOS-FETs, but the number of MOS-FETs and the number of sets are arbitrary. It's okay. Further, instead of the MOS-FET, other switching elements such as IGBT may be used.
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
11 ダイオードブリッジ, 12 LPF, 13 ゲート抵抗, C1 コンデンサ, D1乃至D4 ダイオード, D5 サージアブソーバ, L1 パルストランス, PC1 フォトカプラ, Q1 MOS-FET, Q2 MOS-FET, R1 放電用抵抗, R2 ゲート抵抗, R3 ゲート抵抗, R4 抵抗, U1 JKフリップフロップ, VCC 駆動電源 11 diode bridge, 12 LPF, 13 gate resistance, C1 capacitor, D1 to D4 diode, D5 surge absorber, L1 pulse transformer, PC1 photocoupler, Q1 MOS-FET, Q2 MOS-FET, R1 discharge resistance, R2 gate resistance, R3 gate resistor, R4 resistor, U1 JK flip-flop, VCC drive power supply
Claims (4)
所定のパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、
生成された前記パルス信号を伝送する信号伝送手段と、
伝送された前記パルス信号を整流する整流素子と、
前記パルス信号を整流することで得られた駆動電圧のレベルに応じてスイッチング動作して、前記コイルに流す電流をオン/オフする第1のスイッチング素子と
を備え、
前記信号伝送手段は、前記パルス信号生成手段と、前記整流素子とを電気的絶縁状態で接続し、前記パルス信号を、前記パルス信号生成手段から前記整流素子に伝送する
ことを特徴とするコイル駆動回路。 In a coil drive circuit that drives a coil by passing a current through a predetermined coil among a plurality of coils constituting the linear motor,
Pulse signal generating means for generating a predetermined pulse signal;
Signal transmission means for transmitting the generated pulse signal;
A rectifying element for rectifying the transmitted pulse signal;
A first switching element that performs a switching operation according to a level of a driving voltage obtained by rectifying the pulse signal, and turns on / off a current flowing through the coil;
The signal transmission means connects the pulse signal generation means and the rectifier element in an electrically insulated state, and transmits the pulse signal from the pulse signal generation means to the rectifier element. circuit.
前記整流素子は、前記2次側コイルからの出力を整流する
ことを特徴とする請求項1に記載のコイル駆動回路。 The signal transmission means is a pulse transformer having a primary side coil to which the pulse signal is input and a secondary side coil for transmitting the pulse signal input to the primary coil.
The coil drive circuit according to claim 1, wherein the rectifier element rectifies an output from the secondary coil.
ことを特徴とする請求項1に記載のコイル駆動回路。 The coil drive circuit according to claim 1, further comprising a discharging resistor for discharging the charge stored in the parasitic capacitance of the first switching element.
前記第2のスイッチング素子は、前記第1のスイッチング素子がオフ状態となったとき、オン状態となって前記電荷を放電する
ことを特徴とする請求項3に記載のコイル駆動回路。 A second switching element provided in parallel with the discharging resistor;
The coil driving circuit according to claim 3, wherein the second switching element is turned on when the first switching element is turned off to discharge the electric charge.
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