JP2009303376A - リニアモータ用ブレーキ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 リニアモータの制動力を外部から制御することが可能なリニアモータ用ブレーキ回路を提供する。
【解決手段】 リニアモータの負荷１に並列に接続された３相全波整流回路２０と、この整流回路２０に直列に接続された、モータの負荷１から出力される電流を制限する電流制限抵抗Ｒａ及び電流制限抵抗Ｒａと直列に接続された定電流回路２１とを有し、定電流回路２１は、駆動用トランジスタＭとそのゲート電圧を制御するオペアンプＯＰとその反転入力端子に接続された基準抵抗Ｒｓと、発振を防止する位相補償回路を有する。駆動用トランジスタＭとしては、ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用することが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステージなどを駆動するリニアモータの制動力を外部から制御することが可能なリニアモータ用ブレーキ回路に関する。

半導体製造装置（例えば投影露光装置や検査装置）においては、非露光部材（例えばガラス基板）などを搭載したステージを所定の位置まで高速で移動させるために、ステージを非接触で（例えば静圧軸受で）ステージの両側に設けられたリニアガイドに沿ってリニア同期モータ（以下単にリニアモータという）により駆動することが行われている

上記のリニアモータの駆動回路の概略を図７に示す。同図に示すように、リニアモータの負荷（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）に駆動電流を供給するための駆動回路は、直流電源１０から供給された直流を交流に変換するためにブリッジ接続した３組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路１１と、各スイッチング素子をその制御位相を１２０°ずつずらして（ＵＶ−ＵＷ−ＶＷ−ＶＵ−ＷＵ−ＷＶ）オンオフさせるＰＷＭ制御回路１２を有する。また、リニアモータは、コイルに供給する電流の向きを変えるために可動子（例えば３相コイル）の位置を検出する位置センサ１４を備えている。この駆動回路からリニアモータの負荷（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）に正弦波電流が供給されることにより、電流の値に応じた推力で可動コイル部材を移動することができ、またコイルに供給する電流の向きを変えることにより、可動子（コイル部材）の移動方向を切り替えることができる。なお、図示を省略するが、直流電源１０は、例えば商用交流電源（通常は３相交流電源）を全波整流して直流電圧に変換する整流回路とこの直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば昇圧チョッパ回路）で構成することができる。

上記のステージを非常時に速やかに停止させるために、３組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の下アームＱ２、Ｑ４、Ｑ６を全てオンとし、各相のコイルを短絡することにより、制動（ダイナミックブレーキ）を掛けることが一般的である。しかるにエア浮上タイプのＸＹステージでは、左右の静圧軸受の浮上力が一致せず、ステージの重心位置が中央からずれることがある。この状態で、左右のリニアモータに同じ制動力を掛けると、慣性力の強い側に回転力が働き、ステージのねじれ現象が発生する。

上述したように、ステージの重心が一対のリニアモータの中心位置からずれている状態でダイナミックブレーキを働かせると、モーメントが発生してステージは重心周りに回転（ヨーイング）しようとする。これを解消するために、特許文献１には、緊急時にはリニアモータが備える少なくとも１つのコイルを含む閉回路を構成してダイナミックブレーキを働かせることによって前記移動体を減速させるステージ装置において、ダイナミックブレーキ時にコイルに流れる電流を制限する制限手段を設けることが提案されている。

また特許文献２には、半導体投影露光装置のウエハステージやレチクルステージ等において移動ストロークの長いステージに使用されているリニアモータにおいて、駆動中に停電が生じた場合、ステージを確実に停止させるために、停電時にダイナミックブレーキを働かせる半導体リレースイッチ２０２と、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、コイルＬ２、Ｌ３とが閉回路を構成し、停電が生じると、コイルＬ２、Ｌ３の位置に対応して位置する可動子の永久磁石が慣性で移動しようとするのを、コイルＬ２、Ｌ３に逆起電力を生じさせ、可動子の移動を妨げる向きに閉回路内で電流を流すことにより、可動子にはダイナミックブレーキが働くことによりリニアモータを停止させることが記載されている。

この他にも、特許文献３には、モータ（直流モータや交流モータ等）の駆動電源装置の障害発生時に、モータを回生制動するために、障害検出時にオンとするトランジスタ等から構成されたスイッチ回路と、このスイッチ回路をオンとした時に、モータと並列に接続し、モータの回生電圧を印加して、予め設定した定電流が流れる特性とした定電流回路とを設けることが記載されている

特開２００６−２３７０６９号公報（第４−５頁、図１、２、４） 特開２００２−１４２４９１号公報（第４―６頁、図４、５，６） 特開２００７−２５２１２６号公報（第４―５頁、図１、３）

特許文献１に記載されたブレーキ回路では、全ての負荷（コイル）が短絡状態となるので、速度に比例して急激な制動力が発生し、リニアモータには機械的なストレスが加わり、位置決め精度が低下するという問題がある。

特許文献２に記載されたブレーキ回路は、逆起電力を利用して制動を掛けるので、ステージのバランスが崩れた場合には、安定した制動を掛けることができないという問題がある。

また特許文献３に記載されたブレーキ回路のように、定電流回路を設けただけでは安定した制動を掛けることができないという問題がある。

従って本発明の目的は、ステージバランスに応じて制動力を外部から制御することができるリニアモータ用ブレーキ回路を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のリニアモータ用ブレーキ回路は、リニアモータの負荷に並列に接続された全波整流回路と、前記整流回路に直列に接続された、前記負荷から出力されるブレーキ電流を制限する電流制限抵抗と、前記電流制限抵抗と直列に接続された定電流回路と、前記定電流回路に制御信号を出力する制御信号発生回路とを有し、前記定電流回路は、駆動用トランジスタと、そのゲート電圧を制御するオペアンプを含む反転増幅回路と、前記オペアンプの基準電圧を与える基準抵抗と、発振を防止する位相補償回路を有することを特徴とするものである。

本発明において、前記制御信号発生回路は、指令電圧を増幅して制御信号を生成する演算回路を有する構成とすることができる。

本発明において、前記駆動用トランジスタとしてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用することが好ましい。

本発明によれば、電流制限抵抗に定電流回路を接続し、かつこの定電流回路を駆動用トランジスタと、そのゲート電圧を制御する反転増幅器と、前記反転増幅器の基準電圧を与える基準抵抗と、発振を防止する位相補償回路とで構成するので、複数の駆動軸（例えば２軸）を有するステージにおいて、ステージバランスに応じて各リニアモータの制動力を外部（モータの制御回路とは別の回路）から制御することができる。したがって非常停止時にステージに作用する機械的なストレスを軽減することができる。

本発明によれば、単軸のステージにおいても、リニアモータの制動力を外部から制御できるので、非常停止時にステージに作用する機械的なストレスを軽減することができる。

以下、本発明の詳細を添付図面を参照して説明する。図１は本発明の対象とするＸＹステージの平面図、図２は図１をＡ方向からみた矢視図、図３はリニアモータの駆動回路を示すブロック図、図４は本発明の第１の実施の形態に係るブレーキ回路を示す回路図、図５は本発明の第２の実施の形態に係るブレーキ回路を示す回路図、図６は図５のブレーキ回路のブレーキ電流の波形を示す図である。

［ＸＹステージ］
ＸＹステージの構成を図１及び図２により説明する。ＸＹステージ１００は、ベース１１０と、その上にＹ方向に伸長するリニアガイド１２０ａ、１２０ｂと、空気軸受を形成するためにこのリニアガイドの外周面に設けられたエアーパッド１３０ａ、１３０ｂと、Ｘステージ１６０（図中破線で示す）を搭載したキャリッジ１４０と、キャリッジ１４０を駆動するリニアモータ１５０ａ、１５０ｂを備えている。エアーパッド１３０ａ、１３０ｂから圧縮エアを噴出すことにより、静圧軸受が形成されて、キャリッジは非接触でガイドに支持される。なお図示を省略するが、エアーパッド１３０ａ、１３０ｂは各々、Ｙ軸方向に沿って所定間隔をおいて複数個配置されている。

リニアモータ１５０ａは、強磁性体からなり断面コ字状のヨーク１５２ａの内側にその伸長方向に沿って異なる極性の磁極が現出しかつ異なる極性の磁極が対向するように複数の永久磁石１５３ａを固着し、正弦波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子１５１ａと、磁気空隙内に位置する有効導体部を有する３相コイル（例えば空心コイル）１５４ａを有する可動コイル部材１５５ａを備えている。

リニアモータ１５０ｂは、リニアモータ１５０ａと同様に、強磁性体からなり断面コ字状のヨーク１５２ｂの内側にその伸長方向に沿って異なる極性の磁極が現出しかつ異なる極性の磁極が対向するように複数の永久磁石１５３ｂを固着し、正弦波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有する固定子１５１ｂと、磁気空隙内に位置する有効導体部を有する３相コイル（例えば空心コイル）１５４ｂを有する可動コイル部材１５５ｂを備えている。

図３に示すように、負荷１（３相コイル１５４ａ、１５４ｂ）に駆動電流を供給する駆動回路は、直流電源１０から供給された直流を交流に変換するためにブリッジ接続した３組のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路１１と、スイッチング素子をその制御位相を１２０°ずつずらして（ＵＶ−ＵＷ−ＶＷ−ＶＵ−ＷＵ−ＷＶ）オンオフさせるＰＷＭ制御回路１２とを有する。負荷１に接続されたブレーキ回路２には、ブレーキ回路２に流れる制限電流を可変調整するために、ブレーキ回路２に制御信号を与える制御信号発生回路３が接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、図示したＮＰＮ形トランジスタに限定されず、例えばパワーＭＯＳＦＥＴを使用することができる。インバータ回路１１は、主回路を電圧源にする電圧形インバータ又は主回路を電流源にする電流形インバータのいずれでもよい。

［ブレーキ回路例１］
図４に示すように、ブレーキ回路２は、負荷１（例えば３相コイル）に並列に接続された、ブリッジ接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６を有する３相全波整流回路２０と、整流後の電流を制限する電流制限抵抗Ｒａと、電流制限抵抗Ｒａに流れる電流を一定にする定電流回路２１と、定電流回路２１の駆動を制御する、基準電圧源Ｖｃｃに基づいて制御信号を生成する演算回路３０を含む制御信号発生回路３を有する。

（定電流回路の構成）
定電流回路２１は、負荷から供給される電流が変化しても電流制限抵抗Ｒａに常に一定のブレーキ電流ｉが流れるようにするために、駆動用トランジスタＭと、基準抵抗Ｒｓを有するとともに、基準抵抗Ｒｓにかかる電圧を入力電圧に比例した電圧となるようにトランジスタＭのゲート電圧を制御するためにオペアンプＯＰを含む差動増幅回路２２とを有する。基準抵抗Ｒｓは一端が接地されかつ他端が制御信号との比較照合のためにオペアンプＯＰに負帰還されている。

本発明においては、駆動用トランジスタＭとしてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用することが好ましい。このＭＯＳＦＥＴを使用することにより、ドレイン電流とソース電流が高い精度で一致するので、高い定電流精度が得られるとともに、スイッチング時のピーク電力に対する安全動作領域を広く取ることができる。またパワーＭＯＳＦＥＴは１０００ｐＦ程度の寄生容量をもつので、負荷インダクタンスとの共振を防止することが必要となる。そこで図４に示すようにオペアンプＯＰの反転入力端子に、例えばコンデンサＣと抵抗Ｒｂを接続して位相補償を行うことが好ましい。
（定電流回路の動作）

この定電流回路２１においては、ソースに対してドレインが正電圧になるようにゲート電圧をスレショールド電圧よりも高い正電圧を加えることで、ドレイン−ソース間が導通し（オン状態）、ゲート−ソース間にかかる電圧によりドレイン−ソース間電圧が変化して、電圧制御電流源として作用する。ここで負荷からのブレーキ電流が変動しても入力信号に比例した電流を出力するために、基準抵抗Ｒｓにかかる電圧を入力電圧に比例した値となるように駆動用トランジスタを制御すればよい。また反転増幅形式の負帰還を行うので、入力信号が負の領域において、基準抵抗に比例した電流が電流制限抵抗Ｒａを流れる。

（ブレーキ回路の動作）
図４に示すブレーキ回路２によれば、モータ負荷に全波整流回路２０と電流制限抵抗Ｒａと特定の定電流回路２１を接続し、定電流回路２１の駆動用トランジスタＭのゲートに印加する電圧を変化させることにより、トランジスタＭのドレインとソース間に流れる電流を制御するので、電流制限抵抗を流れる電流を調整することができる。

（ステージバランスの調整）
ステージバランスは、レーザ干渉計などによりキャリッジの浮上量を監視し、その出力信号に基づいて、例えば、図１及び２においてリニアモータ１５０ａ側にキャリッジ１４０が傾いた場合には、リニアモータ１５０ａのブレーキ電流が小さくなるように、電流制限抵抗を流れる電流を調整すればよい。これにより、ステージを正常な姿勢を保持した状態でリニアモータを所定位置に位置決めすることができる。このようにステージを駆動する例えば一対のリニアモータに加えられる制動力を、個別に（リニアモータのドライバとは無関係に）調整することにより、ステージに機械的なアンバランスが生じた場合でも、ステージにかかる機械的なストレスを軽減することができる。

［ブレーキ回路例２］
本発明の定電流回路の動作を確認するために、図５に示すブレーキ回路２により、ＳＰＩＣＥを使用してシミュレーションを行った結果を説明する。

（ブレーキ回路の構成）
このブレーキ回路２は、回生電圧源ＶＨＶ（負荷から供給される電流を３相全波整流して得られる直流電圧に相当）から供給されるブレーキ電流ＶＡ＿Ｂ１、ＶＡ＿Ｂ２を可変調整できるようにするために、電流制限抵抗Ｒ１４、Ｒ１１と直列に接続された定電流回路２１ａ、２１ｂと、制御信号（推力分配指令）を生成する制御信号発生回路３を有する。

（定電流回路の構成）
定電流回路２１ａは、電流制限抵抗Ｒ１４と、一端が接地されかつ他端が制御信号との比較照合のために負帰還された基準抵抗Ｒ１３との中間に駆動用トランジスタＭａを設けたものである。この定電流回路２１ａは、反転増幅形式の負帰還を行い、入力信号が負の領域において、基準抵抗に比例した電流が電流制限抵抗Ｒ１４を矢印方向に流れるように構成される。またトランジスタＭａとしてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用するとともに、オペアンプＯＰ３の反転入力端子にコンデンサＣ０と抵抗Ｒ１７を接続して発振防止のための位相補償を行うようにしている。

定電流回路２１ｂは、電流制限抵抗Ｒ１１と、一端が接地されかつ他端が制御信号との比較照合のために負帰還された基準抵抗Ｒ１２との中間に駆動用トランジスタＭｂを設けたものである。この定電流回路２１ｂも、反転増幅形式の負帰還を行い、入力信号が負の領域において、基準抵抗に比例した電流が電流制限抵抗Ｒ１１を矢印方向に流れるように構成される。また駆動用トランジスタＭｂとしてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用するとともに、オペアンプＯＰ４の反転入力端子にコンデンサＣと抵抗Ｒ２２を接続して発振防止のための位相補償を行うようにしている。

（制御信号発生回路の構成）
制御信号発生回路３は、基準電圧源Ｖ＿Ｄｉｓｔ、正のバイアス電圧源Ｖ２及び負のバイアス電圧源Ｖ３と、基準電圧と正のバイアス電圧との差を演算して定電流回路２１ａに制御信号を出力する減算回路３１と、基準電圧とバイアス電圧の和を演算して、定電流回路２１ｂに制御信号を出力する加算回路３２と、を有する。またＶ０、Ｖ１は、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２のバイアス電源を示し、４１、４２は電圧計を示し、４３、４４は電流計を示す。

減算回路３１は、ゲインを下げて出力のオーバーフローを防止するために抵抗Ｒ５が負帰還接続されたオペアンプＯＰ１と、反転入力端子に接続された抵抗Ｒと、非反転入力端子に接続された抵抗Ｒ０、Ｒ１、Ｒ８を含み、抵抗の比により重みを付した電圧を非反転増幅して出力することができる。例えば、抵抗Ｒ＝Ｒ２＝１０ｋΩ、Ｒ３＝５ｋΩとすることにより、入力電圧の差をそのまま非反転増幅して出力することができる。

加算回路３２は、抵抗Ｒ３で負帰還をかけたオペアンプＯＰ１と、非反転入力端子に接続された抵抗Ｒ０、Ｒ１と、反転入力端子に接続された抵抗Ｒ６を含み、抵抗の比により重みを付した電圧を非反転増幅して出力することができる。すなわち出力電圧は、（Ｖ＿Ｄｉｓｔ×（Ｒ３／Ｒ）＋Ｖ２×（Ｒ３／Ｒ１））となる。例えば、抵抗Ｒ０＝Ｒ１＝Ｒ５＝Ｒ６＝１０ｋΩ、Ｒ８＝５ｋΩとすることにより、入力電圧の和の１／２を非反転増幅して出力することができる。

（絶縁回路）
上記の定電流回路２１ａに使用されるオペアンプＯＰ３はグランドから浮いているので、入力信号のグランドと出力信号のグランドを区別して、各グランド間に任意の電位をもたせるために、減算回路３１のオペアンプＯＰ２の出力端子とオペアンプＯＰ３の非反転入力端子との間にアイソレーションアンプＡＭ１（絶縁回路）を設ける。同様の理由で上記の定電流回路２１ｂに使用されるオペアンプＯＰ１の出力端子と加算回路３２のオペアンプＯＰ１の非反転入力端子との間にアイソレーションアンプＡＭ２（絶縁回路）を設ける。

このように加算回路３１及び減算回路３２を含む制御信号発生回路と定電流回路との間にアイソレーションアンプＡＭ１、ＡＭ２を設けることにより、共通のグランドを基準として電圧を印加することができる。本実施の形態では、アイソレーションアンプＡＭ１、ＡＭ２として、フォトカプラ（例えば入力側に発光ＬＥＤ、出力側にフォトダイオードアレイを内蔵したフォトボルカプラ）を使用することが好ましい。

（ブレーキ回路の動作）
上記の構成を有するブレーキ回路２は、次のような動作で、ブレーキ電流を外部から制御することができる。基準電圧源ＶＤｉｓｔからの推力指令信号が減算回路２１に入力されると、オペアンプＯＰ２から入力電圧の差電圧（制御信号：推力分配指令ＩＶm0）が出力される。定電流回路２１ａでは、この差電圧がオペアンプＯＰ３の非反転入力端子に入力されて、基準抵抗Ｒ１３との差電圧がトランジスタＭａのゲートに加えられる。また推力指令信号が加算回路２２に入力されると、オペアンプＯＰ１から入力電圧の和（制御信号：推力分配指令ＩＶm）が出力されて、定電流回路２１ｂに入力される。定電流回路２１ｂでは、この電圧がオペアンプＯＰ４の非反転入力端子に入力されて、基準抵抗Ｒ１２との差電圧がトランジスタＭｂのゲートに加えられる。したがって、ブレーキ電流（ＶＡ−Ｂ１、ＶＡ＿Ｂ２）を個別に調整することができる。

（ブレーキ電流の波形）
図５に示すブレーキ回路において、推力分配指令を±１０Ｖの振幅を有する正弦波電流とした場合の、ブレーキ電流ＶＡ−Ｂ１とＶＡ＿Ｂ２をＳＰＩＣＥによりシミュレーションで求めた結果を図６に示す。図６からブレーキ電流ＶＡ−Ｂ１、ＶＡ＿Ｂ２はいずれも推力分配指令に対して位相が同じ正弦波電流であり、ブレーキ電流を制御信号に対応した電流値に調整できることがわかる。

図６は、Ｒ＝Ｒ０＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ１７＝Ｒ１８＝Ｒ２１＝Ｒ２２＝１０ＫΩ、Ｒ３＝Ｒ８＝５ＫΩ、Ｒ４＝Ｒ７＝３９Ｋ、Ｒ９＝Ｒ１０＝２．５ＫΩ、Ｒ１１＝Ｒ１４＝６２ＫΩ、Ｒ１２＝Ｒ１３＝２４ＫΩ、Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１９＝Ｒ２０＝１ＫΩ、Ｃ＝Ｃ０＝１００ｐＦに設定した結果を示す。

上述したように本発明では、ブレーキ回路に特定の定電流回路を設けることにより、リニアモータの制動力を外部（リニアモータの制御回路から電気的に独立した回路）から制御することが可能となる。したがってエア浮上型ステージにおいて、ステージの重心が一方のリニアモータ側にずれた場合でも、ステージのねじれに起因する機械的なストレスを軽減することができる。

本発明のブレーキ回路は、図１に示すような複数軸のステージに限らず、単軸のステージに使用することが可能であり、その場合でも、リニアモータの制動力を外部から制御できるので、ステージに作用する機械的なストレスを軽減することができる。

ＸＹステージを示す平面図である。 図１をＡ方向からみた矢視図である。 本発明のブレーキ回路を備えたリニアモータの駆動回路を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るブレーキ回路を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係るブレーキ回路を示す回路図である。 図５のブレーキ回路のブレーキ電流の波形を示す図である。 従来の駆動回路を示すブロック図である。

符号の説明

１：負荷、２：ブレーキ回路、２０：全波整流回路、２１：定電流回路、２２：差動増幅回路、３：制御信号発生回路、３０：演算回路、Ｒａ：電流制限抵抗、Ｍ：駆動用トランジスタ、ＯＰ：オペアンプ、Ｒｓ：基準抵抗

Claims (3)

1. リニアモータの負荷に並列に接続された全波整流回路と、前記整流回路に直列に接続された、前記負荷から出力されるブレーキ電流を制限する電流制限抵抗と、前記電流制限抵抗と直列に接続された定電流回路と、前記定電流回路に制御信号を出力する制御信号発生回路とを有し、前記定電流回路は、駆動用トランジスタと、そのゲート電圧を制御するオペアンプを含む反転増幅回路と、前記オペアンプの基準電圧を与える基準抵抗と、発振を防止する位相補償回路を有することを特徴とするリニアモータ用ブレーキ回路。
2. 前記制御信号発生回路は、指令電圧を増幅して制御信号を生成する演算回路を有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ブレーキ回路。
3. 前記駆動用トランジスタとしてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用することを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ用ブレーキ回路。

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