JP2009303377A - リニアモータ用ブレーキ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレーキ電流を外部から段階的に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１５０ａ、１５０ｂの負荷１に並列に接続された全波整流回路２０と、整流回路２０に直列に接続された、負荷１から出力される電流を制限する複数の電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２と、各電流制限抵抗に直列に接続されたスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２と、前記スイッチ素子を独立してオンオフさせるインバータＮ、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２を有する。これらの電流制限抵抗は直列または並列に接続することができる。スイッチ素子としてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用することが好ましい。
【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段階的に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（３相コイル：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１３を備えている。このインバータ回路１１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）を全波整流する整流回路と所定電圧に調整する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、巻線形モータ１０の二次側を三相全波整流回路１００により整流して、抵抗器１１１に直流電圧を加えることにより、巻線形モータ１０の二次側の抵抗器１１１の制御を行う（巻線形モータ１０の給電を制御する）とともに、巻線形モータ１０の運転条件に応じて半導体スイッチ手段（ＧＴＯ）１２１〜１２５をオンオフ制御することが記載されている。例えばクレーンの全速運転制御が継続して、目標位置のやや手前の位置にクレーンが移動すると、停止精度を上げるためにＧＴＯ１２１〜１２５を順にオフにする。このように、抵抗器１１１の抵抗値が大きくなるように制御することにより、巻線形モータ１０の回転数を下降させ、ブレーキ作用によってクレーンを停止させることが記載されている。

特開２００６−２３７０６９号公報（第５−６頁、図１、２、４） 特開２００２−１４２４９１号公報（第４―６頁、図４、５，６） 特開平９−１４０１８８号公報（第４―５頁、図１、２）

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では、半導体スイッチ手段としてＧＴＯサイリスタを使用するので、複雑なブレーキ回路になるという問題がある。

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段階的にコントロール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電流を制限する複数の電流制限抵抗と、前記各電流制限抵抗に直列に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子を独立してオンオフさせるベース駆動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、前記複数の電流制限抵抗は並列に接続することができる。

本発明において、前記複数の電流制限抵抗は直列に接続することができる。

本発明において、前記複数の電流制限抵抗は直列に接続されるとともに、前記スイッチ素子はアイソレーションアンプを介して直列に接続することができる。

本発明において、前記スイッチ素子としてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用するとともに、前記ドライブ回路は、前記ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴのゲートを駆動するインバータを有することが好ましい。

本発明によれば、電流制限抵抗を流れる電流を段階的に制御するので、ステージバランスに応じて制動力を外部（モータの制御回路とは別の回路）からコントロールすることができる。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段階的に制御できるので、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は本発明の第３の実施の形態に係るブレーキ回路を示す回路図である。

［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は、Ｙ軸方向に沿って複数個配置されており（各面に１個のみ図示）、各エアーパッドから圧縮エアを噴出することにより、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。

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。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。

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には、ブレーキ回路２が接続され、そこに流れるブレーキ電流を段階的に調整できるように構成されている。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、第１の実施の形態に係るブレーキ回路２は、負荷１に並列に接続された全波整流回路２０と、整流後の電流を制限する複数の電流制限抵抗２１（Ｒ、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２）と、各抵抗に直列に接続されたスイッチ素子２２（Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２）を有する。全波整流回路２０は、ブリッジ接続された複数のダイオードＤ１〜Ｄ６を有する。また各スイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２には各々、論理ゲート（インバータ）２３（Ｎ、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２）を含むベース駆動回路が接続され、制御電源Ｖｃｃから供給された直流電圧（例えば６〜１０Ｖ）をＡＤＣ（ＡＤコンバータ）２４によりディジタル信号に変換することにより、これらを個別にオンオフできるように構成される。

本発明のブレーキ回路２では、高速でスイッチング動作を行い、制動力を速やかに調整できるようにするために、スイッチ素子２２としては、例えばｎチャンネル形パワーＭＯＳＦＥＴが使用される。ｎチャンネル形パワーＭＯＳＦＥＴは、ゲート電圧がスレッショルド電圧（Ｖｔ）以下では、ドレインからソースに電流が流れないが、ゲート電圧がスレッショルド電圧（Ｖｔ）を超えると、ドレインからソースに電流が流れて、ターンオンされる。

本実施の形態のブレーキ回路２の動作は、次の通りである。スイッチ素子Ｍ０、Ｍ１及びＭ２のゲートにＬレベル（例えば３Ｖ以下）の電圧を印加し、スイッチ素子ＭのゲートにＨレベル（例えば５Ｖ以上）の電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍはターンオンし、他のスイッチ素子はターンオフするので、電流制限抵抗２１のうちＲのみにブレーキ電流ｉ１が流れる。次にスイッチ素子Ｍ１及びＭ２のゲートにＬレベルの電圧を印加し、スイッチ素子Ｍ及びＭ０のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ及びＭ０はターンオンし、他のスイッチ素子はターンオフするので、電流制限抵抗ＲとＲ０にブレーキ電流ｉ１、ｉ２が流れ、ブレーキ電流はｉ１＋ｉ２に増加する。またスイッチ素子Ｍ、Ｍ０及びＭ１のゲートにＨレベルの電圧を印加し、スイッチ素子Ｍ２のゲートにＬレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ、Ｍ０及びＭ１はターンオンし、スイッチ素子Ｍ２はターンオフするので、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０及びＲ１にブレーキ電流ｉ１、ｉ２、ｉ３が流れ、ブレーキ電流はｉ１＋ｉ２＋ｉ３に増加する。そして全てのスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１及びＭ２のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１及びＲ２にブレーキ電流ｉ１、ｉ２、ｉ３、ｉ４が流れ、ブレーキ電流はｉ１＋ｉ２＋ｉ３＋ｉ４に増加する。したがって複数のスイッチ素子を選択的にターンオン又はターンオフすることにより、ブレーキ電流を段階的に制御することができる。

［ブレーキ回路例２］
第２の実施の形態に係るブレーキ回路を図５により説明する。図５において、図４と同一部分は同一の参照符号で示す。

このブレーキ回路２は、負荷１に並列に接続された全波整流回路２０と、整流後の電流を制限する直列に接続された複数の電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、各抵抗の中点に接続されたスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２を有する。また第１の実施の形態と同様に、各スイッチ素子Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２には各々、インバータ２３が接続され、制御電源Ｖｃｃから供給された直流電圧をＡＤＣ２４によりディジタル信号に変換することにより、これらを個別にオンオフできるように構成されている。

本実施の形態のブレーキ回路２の動作は、次の通りである。スイッチ素子Ｍ０、Ｍ１及びＭ２のゲートにＬレベルの電圧を印加し、スイッチ素子ＭのゲートにＨレベルの電圧を加えることにより、スイッチ素子Ｍはターンオンし、他のスイッチ素子はターンオフするので、電流制限抵抗２１のうちＲのみにブレーキ電流ｉ１が流れる。次にスイッチ素子Ｍ、Ｍ１及びＭ２のゲートにＬレベルの電圧を印加し、スイッチ素子Ｍ０のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ０はターンオンし、他のスイッチ素子はターンオフするので、電流制限抵抗ＲとＲ０にブレーキ電流ｉ２（＜ｉ１）が流れる。またスイッチ素子Ｍ１のゲートにＨレベルの電圧を印加し、スイッチ素子Ｍ、Ｍ０及びＭ２のゲートにＬレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ１はターンオンし、他のスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ２はターンオフするので、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０及びＲ１にブレーキ電流ｉ３（＜ｉ２）が流れる。さらにスイッチ素子Ｍ２のゲートにＨレベルの電圧を印加し、他のスイッチ素子Ｍ、Ｍ０及びＭ１のゲートにＬレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ２はターンオンし、他のスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１はターンオフするので、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１及びＲ２にブレーキ電流ｉ４（＜ｉ３）が流れる。そして全てのスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１及びＭ２のゲートにＬレベルの電圧を印加することにより、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１及びＲ２にブレーキ電流ｉ５（＜ｉ４）が流れる。したがって複数のスイッチ素子を選択的にターンオン又はターンオフすることにより、ブレーキ電流を段階的に制御することができる。

［ブレーキ回路例３］
第３の実施の形態に係るブレーキ回路を図６により説明する。図６において、図４と同一部分は同一の参照符号で示す。

このブレーキ回路２は、負荷１に並列に接続された全波整流回路２０と、整流後の電流を制限する直列に接続された複数の電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、各抵抗の中点に接続されたスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２を有する。また第１の実施の形態と同様に、各スイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２には各々、インバータ２３が接続され、制御電源Ｖｃｃから供給された直流電圧をＡＤＣ２４によりディジタル信号に変換することにより、これらを個別にオンオフできるように構成される。さらに、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、最下段以外のスイッチ素子のゲートとソース間にアイソレーションアンプＡＭ、ＡＭ０、ＡＭ１を設ける。すなわちスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１はグランドから浮いているので、アイソレーションアンプＡＭ、ＡＭ０、ＡＭ１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。本実施の形態のようにＭＯＳＦＥＴを駆動する場合には、アイソレーションアンプＡＭ、ＡＭ０、ＡＭ１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。

本実施の形態のブレーキ回路２の動作は、次の通りである。全てのスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、これらのスイッチ素子はターンオンするので、電流制限抵抗２１のうちＲのみにブレーキ電流ｉ１が流れる。次にスイッチ素子ＭのゲートにＬレベルの電圧を印加し、他のスイッチ素子Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍはターンオフし、他のスイッチ素子はターンオンするので、電流制限抵抗ＲとＲ０にブレーキ電流ｉ２（＜ｉ１）が流れる。またスイッチ素子Ｍ、Ｍ０のゲートにＬレベルの電圧を印加し、他のスイッチ素子Ｍ１、Ｍ２のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ、Ｍ０はターンオフし、他のスイッチ素子はターンオンするので、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０及びＲ１にブレーキ電流ｉ３（＜ｉ２）が流れる。さらにスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１のゲートにＬレベルの電圧を印加し、他のスイッチ素子Ｍ２のゲートにＨレベルの電圧を印加することにより、スイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１はターンオフし、他のスイッチ素子はターンオンするので、電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１及びＲ２にブレーキ電流ｉ４（＜ｉ３）が流れる。そして全てのスイッチ素子Ｍ、Ｍ０、Ｍ１及びＭ２のゲートにＬレベルの電圧を印加することにより、全ての電流制限抵抗Ｒ、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３にブレーキ電流ｉ５（＜ｉ４）が流れる。したがって複数のスイッチ素子を選択的にターンオン又はターンオフすることにより、ブレーキ電流を段階的に制御することができる。

本発明では、ブレーキ回路を複数の電流制限抵抗と複数のスイッチ素子で構成することにより、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り、ステージバランスが崩れていても、ステージの状態に応じて各リニアモータに安定した制動がかけられ、機械的なストレス（ステージのねじれ）を軽減することができる。したがってエア浮上型ステージにおいて、ステージのねじれが防止され、高精度の位置決め精度を確保することができる。

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、制限電流を流す抵抗を選択すればよい。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。

また、本発明では、複数のスイッチ素子を使用するので、例えば全てのＭＯＳＦＥＴの熱破壊により、ブレーキ回路が故障しない限り（いくつかの素子が損傷した場合でも）、ブレーキを掛けることが可能であり、リニアモータの安全性を保証することができる。

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段階的に制御できるので、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。 本発明の第３の実施の形態に係るブレーキ回路を示す回路図である。 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：電流制限抵抗、２２：スイッチ素子、２３：インバータ、２４：ＡＤコンバータ

Claims (5)

1. リニアモータの負荷に並列に接続される全波整流回路と、前記全波整流回路に直列に接続され、前記全波整流回路から出力される電流を制限する複数の電流制限抵抗と、前記各電流制限抵抗に直列に接続されるスイッチ素子と、前記スイッチ素子を独立してオンオフさせるベース駆動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. 前記複数の電流制限抵抗は並列に接続され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. 前記複数の電流制限抵抗は直列に接続され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。
4. 前記複数の電流制限抵抗は直列に接続されるとともに、前記スイッチ素子はアイソレーションアンプを介して直列に接続され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。
5. 前記スイッチ素子としてｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを使用するとともに、前記ベース駆動回路は、前記ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴのゲートを駆動するインバータを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリニアモータ用ブレーキ回路。

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