KR20200135195A - 제어 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

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타케시 이데
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

전원으로부터 공급된 전력을 무선 송신하는 송전 코일과, 상기 송전 코일과 수전 코일과의 사이의 전자계 결합에 의해 무선 수전하는 상기 수전 코일과, 상기 수전 코일을 통해 수신된 전력을 사용해서 부하부를 구동하는 구동회로와, 상기 부하부의 구동을 제어하기 위한 송신 신호를 무선 송신하는 송신 결합기와, 상기 송신 결합기와 수신 결합기와의 사이의 전자계 결합에 의해 상기 송신 신호를 무선 수신하는 상기 수신 결합기와, 상기 수신 결합기를 통해 수신된 상기 송신 신호로부터 상기 구동회로를 제어하기 위한 구동신호를 생성하는 생성 회로를 구비하는, 제어 시스템을 제공한다.

Description

제어 시스템 및 제어 방법{CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD}
본 개시내용은, 무선통신에 근거하여 제어를 행하는 제어 시스템에 관한 것이다.
종래, 모터에 전력을 공급해서 구동시키는 시스템이 있다. 반도체 노광 장치에서는, 웨이퍼를 노광 위치에 이동시키기 위한 스테이지 위에, 웨이퍼 위에 패턴을 형성하기 위해서 웨이퍼를 미량 이동시키는 모터가 탑재되어 있고, 그 모터를 구동하기 위한 전력을 공급하는 급전 케이블이 스테이지에 접속되어 있다. 또한, 이 케이블은 스테이지가 이동함에 따라 움직이기 때문에, 이 케이블의 장력이 스테이지의 위치결정 정밀도에 영향을 준다. 이를 고려하여, 급전 케이블이 필요로 하지 않게 모터 구동을 무선화하는 것이 고려중이다.
모터 구동을 무선화하는 기술로서, 일본특허 제6219495호 공보에는, 차량의 바퀴를 무선으로 구동하는 모터 시스템의 구성이 개시되어 있다. 해당 모터 시스템에서는, 모터를 구동하기 위한 전력을 무선으로 전송할 뿐만 아니라, 전파를 사용한 무선통신을 사용해서 수전측(가동측)에 설치된 모터 구동회로에 제어 신호를 전송하기도 하여서, 모터 구동회로의 제어를 실현하고 있다. 더욱, 전파를 사용한 무선통신을 행할 때 생기는 지연의 영향을 처리하기 위해서, 수전측에 구동전류 및 구동전압을 검출하는 검출 회로를 설치하고, 검출 값에 근거해 피드백 제어를 행하는 것으로 정류 회로의 제어를 실현하고 있다.
최근, 모터 등의 부하부(load portion)를 구동시키기 위한 제어 신호의 무선통신을 고속화하는 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 반도체 노광 장치에 있어서, 고정밀도화 및 노광 고속화를 위해서는, 모터 구동을 위한 제어 신호를 보다 짧은 주기로 송신될 필요가 있다. 일본특허 6219495호 공보에 개시된 기술에 있어서는, 무선ＬＡＮ등의 규격에 따라 전파를 사용한 방사형 무선통신을 행하기 때문에, 프로토콜 처리 등으로 인해 수백㎲∼수ms의 지연이 생길 것이라고 예측할 수 있다.
본 개시내용의 각종 실시예에서는, 전원으로부터 공급된 전력을 무선 송신하는 송전 코일; 상기 송전 코일과 수전 코일과의 사이의 전자계 결합에 의해 무선 수전하는 상기 수전 코일; 상기 수전 코일을 통해 수신된 전력을 사용해서 부하부를 구동하는 구동회로; 상기 부하부를 제어하기 위한 송신 신호를 무선 송신하는 송신 결합기; 상기 송신 결합기와 수신 결합기와의 사이의 전자계 결합에 의해 상기 송신 신호를 무선 수신하는 상기 수신 결합기; 및 상기 수신 결합기를 통해 수신된 상기 송신 신호로부터 상기 구동회로를 제어하기 위한 구동신호를 생성하는 생성 회로를 포함하는, 제어 시스템을 제공한다.
본 개시내용의 다른 특징들은, (첨부도면을 참조하여) 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은, 일 실시예에 따른 구동 시스템의 회로 블록도다.
도2는, 제1실시예에 따른 모터 구동회로와 게이트 구동회로의 회로 구성도다.
도3은, 일 실시예에 따른 구동 시스템의 가동 스테이지에의 적용 예의 개략도다.
도4는, 제1실시예에 따른 구동 시스템의 입/출력 특성의 측정 결과를 나타낸다.
도5는, 제2실시예에 따른 모터 구동회로와 게이트 구동회로의 회로 구성도다.
도6은, 제2실시예에 따른 구동회로의 동작 파형의 실측 결과를 나타낸다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시내용의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 이때, 이하 설명된 실시예는 본 개시내용의 범위에 한정하는 것은 아니다. 실시예에는 복수의 특징이 기재되어 있지만, 본 개시내용은 이것들의 복수의 특징 모두를 필요로 하는 실시예에 한정되지 않고, 또한, 이러한 복수의 특징은 적절히 조합되어도 좋다. 더욱, 첨부 도면에 있어서는, 동일 또는 유사한 구성에 동일한 참조 번호를 부여하고, 그에 대한 중복된 설명은 생략되어 있다.
제1실시예
도1에, 제1실시예에 따른, 제어 시스템으로서 기능하는 구동 시스템(300)의 회로의 블록 구성을 나타낸다. 구동 시스템(300)은, 송전측 회로(100)와 수전측 회로(200)로 구성된다. 송전측 회로(100)와 수전측 회로(200)는 물리적으로 접속되지 않는다. 송전 코일(101)로부터 수전 코일(201)에 전력이 비접촉 방식으로 전송되고, 송신 결합기(102)로부터 수신 결합기(202)에 제어 신호가 비접촉 방식으로 전송된다.
전원(104)은 부하부로서의 모터(400)를 구동하는 전력원이다. 콘트롤러(103)는, 광학 센서등으로부터 얻어질 수 있는 현재의 모터(400)의 위치 정보에 근거하여 다음 위치에 관한 지령을 내린다. 구체적으로는, 콘트롤러(103)는, 모터(400)의 추진력을 결정하는 전원(104)의 출력 전압 진폭값과, 모터(400)가 움직이는 방향을 결정하는 모터 인가 전압부호의 지령을 내린다. 전원(104)은, 출력 전압 진폭값의 지령을 콘트롤러(103)로부터 받아, 해당 지령에 근거한 진폭값을 갖는 전압을 출력한다. 모터 인가 전압부호의 지령(부호전환신호)은 콘트롤러(103)로부터 송신 회로(105), 송신 결합기(102), 수신 결합기(202) 및 수신 회로(203)를 거쳐서 게이트 구동회로(205)에 보낸다. 그 부호전환신호에 의해, 후술하는 것 같이 모터 구동회로(206)의 정류 동작이 180°반전되고, 모터(400)에 인가된 전압의 부호가 정(positive)의 부호로부터 부(negative)의 부호, 혹은 부의 부호로부터 정의 부호로 반전된다.
정의 전압을 모터에 인가하기 위한 구동 시스템(300)의 동작
우선, 정의 전압을 모터(400)에 인가하기 위한 구동 시스템(300)의 동작 예를 상세히 설명한다. 콘트롤러(103)로부터 출력 전압 진폭값의 지령을 받아들인 전원(104)은, 해당 지령에 근거한 진폭값을 갖는 전압(전원출력 전압)을 ＳＷ회로(106)에 출력한다. ＳＷ회로(106)는 소정의 주파수의 클록 신호를 생성하는 생성기를 구비하고, 생성된 클록 신호에 따라 ＳＷ회로(106)에 구비된 스위칭 소자를 구동하여서 상기 입력된 전원출력 전압(DC전압)을 스위칭 하여, 전원출력 전압(DC전압)을 AC파형(AC 전압)으로 변환하는 변환 회로로서 기능한다. 스위칭 주파수는, 콘트롤러(103)의 지령 주파수, 즉 모터 제어 주파수보다도 높다. 또한, 클록 신호는 콘트롤러(103)에 의해 생성되어, ＳＷ회로(106)에 공급되어도 좋다.
그리고, ＳＷ회로(106)로부터 출력된 전력은 송전 코일(101)에 보내져, 송전 코일(101)과 수전 코일(201)과의 사이에서 전자계 결합에 의해 전달되어, 수전 회로(204)에 입력된다. 여기서, ＳＷ회로(106)와 수전 회로(204)는, 인덕턴스와 커패시터를 포함하는 공진전원회로로부터 형성되어 있다. 공진전원회로의 각 소자값은, 송전 코일(101)과 수전 코일(201)의 각 인덕턴스 값과 레지스턴스 값, 송전 코일(101)과 수전 코일(201)의 결합 계수, 스위칭 주파수, 최대 전원 출력 전압값, 최대 모터 인가 전압값(모터(400)에 인가된 전압값), 및 모터(400)의 레지스턴스 값에 따라 결정된다. 전원출력 전압값 및 모터 인가 전압값은, 콘트롤러(103)로부터의 지령에 따라 매번 변화된다. 따라서, 용도에 따라 미리 결정된 전압범위내에서, 전원출력 전압값과 모터 인가 전압값이 대략 같도록, 공진전원회로의 각 소자값은 조정될 수 있다. 더욱, 전원출력 전압값과 모터 인가 전압값의 관계를 미리 측정해서 테이블화하고, 원하는 모터 인가 전압값을 얻기 위한 전원출력 전압값을 지령하도록 구성을 채용함으로써, 모터(400)를 고정밀도로 구동할 수 있다.
본 실시예에서의 전자계 결합에는, 전계결합과 자계결합의 양쪽이 포함된다. 다시 말해, 무선전력전송은 전계결합에 의해 행해져도 좋거나, 자계결합에 의해 행해져도 좋거나, 전계결합과 자계결합의 양쪽에 의해 행해져도 좋다. 자계결합에는 전자 유도 및 자계공명이 포함된다. 또한, 무선전력전송은 마이크로파를 이용한 방식에 따라 행해져도 좋다. 또, 본 실시예에서는, 자계결합을 이용한 무선전력전송이 행해질 경우를 중심으로 설명한다.
ＳＷ회로(106)에 의해 생성된 클록 신호는, 모터 구동회로(206)로 동기 정류하기 위해서도 사용된다. ＳＷ회로(106)로부터 출력된 클록 신호와, 콘트롤러(103)로부터 출력된 부호전환신호는, 송신 회로(105)에 입력되어, 위상과 진폭이 조정된 송신 신호가 생성된다. 그후, 송신 신호는 송신 결합기(102)에 입력된다. 또한, 송신 회로(105)는, 클록 신호 또는 부호전환신호 중 어느 한쪽으로부터 송신 신호를 생성해도 좋다. 위상은 동기 정류의 타이밍을 조정하도록 조정되고, 진폭은 수신 회로(203)로 재생하도록 조정된다. 그리고, 그 송신 신호는, 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)와의 사이의 전자계 결합을 통해 수신 결합기(202)에 전달되고, 수신 회로(203)에 입력된다. 전자계 결합을 통해 클록 신호를 스트림형 방식으로 송신한다. 따라서, 패킷을 송신하는 것 같은 무선통신으로 발생할 지연은 생기지 않아, 고속 신호 전달을 행할 수 있다. 수신 회로(203)에서는 수신 결합기(202)로 수신한 신호로부터 클록 신호를 재생한다. 재생된 클록 신호는, 게이트 구동회로(205)에 입력되어, 모터 구동회로(206)의 동기 정류 회로(207)(도2)를 구동한다. 동기 정류 회로를 설치함으로써, 다이오드에서는 정류할 수 없는 수mV의 작은 전압이라도 정류할 수 있고, 작은 전압을 모터에 인가할 수 있기 때문에, 모터 제어의 정밀도가 높아진다. 모터 구동회로(206)는, 수전 회로(204)로부터 출력된 AC 파형을 정류한 후, 출력 전압의 부호를 결정해서 모터(400)에 인가한다.
송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)와의 사이의 무선통신은, 전계결합, 자계결합 또는, 전계결합과 자계결합의 양쪽에 의해 행해져도 좋다. 본 실시예에서의 전자계 결합을 통해 행해진 무선통신은, 원방계의 전파를 전송 매체로서 이용하는 방사형의 통신 방식과는 다르고, 근방 전자계를 전송 매체로서 이용하는 비방사형의 통신 방식이다. 이때, 본 실시예에서는, 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)와의 사이에서 베이스밴드 방식에 따라 전기신호가 무선전송된다. 베이스밴드 방식에 의하면, 전기신호의 변조와 복조를 필요로 하지 않아서, 회로 규모를 감소시키고 저지연으로 통신할 수 있다. 단, 통신 방식은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 송신 결합기(102)로부터 수신 결합기(202)에 송신된 반송파를, 제어 신호나 클록 신호에 의해 변조함으로써, 반송 통신을 행해도 좋다.
도2에, 본 실시예에 따른 모터 구동회로와 게이트 구동회로의 회로 구성을 나타낸다. 도2는 본 실시예에 있어서 모터 구동회로(206)와 게이트 구동회로(205)의 상세한 회로 구성의 일례를 나타낸 것이다. 모터 구동회로(206)는, 동기 정류 회로(207)와 부호전환 회로(208)를 포함한다. 게이트 구동회로(205)는, 구동신호 생성 회로(215-1∼215-8)를 포함한다. 동기 정류 회로(207)는, 수신 회로(203)로부터 출력된 클록 신호를 바탕으로 구동신호 생성 회로(215-1∼215-4)에 의해 생성된 게이트 구동신호를 사용하여 동작한다. 구체적으로는, 구동신호 생성 회로(215-1∼215-4)는, 게이트 구동신호로서, 동기 정류 회로(207)의 각 스위칭 소자의 소스-게이트간 전압(신호)을 생성한다. 소스-게이트간 전압은, 수신 회로(203)와 모터 구동회로(206)를 서로 절연하거나 부트스트랩 회로를 사용하는 것에 의해, 생성될 수 있다. 이 소스-게이트간 전압에 의해, 동기 정류 회로(207)의 각 스위칭 소자가 ＯＮ 및 ＯＦＦ로 된다. 예를 들면, 도2에 나타낸 클록 신호 입력의 2개의 단자 중 상측단자가 정의 전위일 때는 동기 정류 회로(207)의 좌상과 우하의 스위칭 소자를 ＯＮ, 좌하와 우상의 스위칭 소자를 ＯＦＦ로 하고, 상측단자가 부의 전위일 때는 반대로 하면, 동기 정류 회로(207)의 출력은 항상 상측이 정의 전위가 된다. 이 ＯＮ 및 ＯＦＦ의 전환의 타이밍은, 미리 수전 회로(204)의 출력 전압파형이 제로 크로싱 타이밍을 측정해 두고, 송신 회로(105)로 클록 신호의 위상이 해당 제로 크로싱 타이밍과 일치하도록 위상 조정을 행하면 좋다. 조정후는 위상천이량을 고정해두면 좋다. 또한, 전원(104)의 출력 전압 진폭에 따라 제로 크로싱 타이밍이 변동할 경우는, 미리 출력 전압 진폭과 위상천이량의 관계를 측정해두고, 송전측 회로(100)에서 출력 전압 진폭에 대하여 위상천이량을 자동으로 보정함으로써 보다 정류 효율이 향상된다.
부호전환 회로(208)는, 동기 정류 회로(207)의 출력 전압을 정의 전압으로서 직접 출력할지, 전압을 부의 전압으로 전환 후 출력 전압을 출력할지를 선택하는 회로다. 부호전환 회로(208)의 각 스위칭 소자는, 콘트롤러(103)로부터 출력된 부호전환신호를 바탕으로 구동신호 생성 회로(215-5∼215-8)에 의해 생성된 게이트 구동신호에 따라 동작한다. 동기 정류 회로(207)와 마찬가지로, 구동신호 생성 회로(215-5∼215-8)는, 게이트 구동신호로서, 부호전환 회로(208)의 각 스위칭 소자의 소스-게이트간 전압(신호)을 생성한다. 소스-게이트간 전압은, 동기 정류 회로(207)와 마찬가지로, 수신 회로(203)와 모터 구동회로(206)를 서로 절연하거나 부트스트랩 회로를 사용함으로써, 생성될 수 있다. 정의 전압을 모터(400)에 인가할 경우, 부호전환 회로(208)의 우상과 좌하의 스위칭 소자를 ＯＮ, 좌상과 우하의 스위칭 소자를 ＯＦＦ로 하는 부호전환신호를 콘트롤러(103)가 송신하면 좋다.
부의 전압을 모터에 인가하기 위한 구동 시스템(300)의 동작
다음에, 부의 전압을 모터(400)에 인가하기 위한 구동 시스템(300)의 동작 예에 대해서 설명한다. 콘트롤러(103)로부터 송신 회로(105)에 보내진 부호전환신호의 부호를 반전시키지만, 이외는, 정의 전압을 인가하기 위한 동작과 같다. 부호전환신호의 부호를 반전시키면, 부호전환 회로(208)의 스위칭 소자의 ＯＮ 및 ＯＦＦ 하는 스위칭 소자가 서로 서로 전환한다. 이에 따라, 부호전환 회로(208)의 좌상과 우하의 스위칭 소자가 ＯＮ, 좌하와 우상이 ＯＦＦ가 되고, 모터 인가 전압의 부호가 반전된다.
이렇게, 모터 구동회로(206)를 제어하는 신호는, 주파수, 듀티(Ｄｕｔｙ)가 고정된 클록 신호와, 출력 전압의 부호를 전환하는 타이밍을 제공하는 단순한 ＯＮ/ＯＦＦ신호를 포함한다. 종래, 일반적인 모터 제어 신호는 펄스폭 변조(ＰＷＭ)신호이며, 모터 구동회로에 입력된 전압 진폭은 고정되고, 모터 구동회로에 제공된 제어 신호의 펄스 폭을 변경하는 것으로 모터 인가 전압의 진폭과 부호를 변화시켰다. 한편, 본 실시예에서는, 모터 인가 전압의 진폭은, 송전측 회로(100)의 전원(104)에 의해 변화된다. 따라서, 스페이스에 제약이 있는 수전측 회로(200)는, 모터 인가 전압의 진폭을 변화시킬 필요가 없고, 소형화가 실현된다.
도3은, 일 실시예에 따른, 반도체 노광 장치등의 가동 스테이지에의 구동 시스템(300)의 적용 예를 나타내는 개략도다. 수전측 회로(200)는, 가동 스테이지(401) 위에 배치되고, 송전측 회로(100)에 대하여 물리적으로 이동한다. 송전측 회로(100)는, 가동 스테이지(401) 위에 배치되지 않고, 그 가동 스테이지(401)를 움직이는 가동 스테이지 동력원(402)이 배치되는 고정측에 배치된다. 송전측 회로(100) 자신은 움직이지 않는다.
송전측 회로(100)와 수전측 회로(200)와의 사이에는 무선으로 급전, 통신하기 위한 송전기(110)와 수전기(210)가 있다. 송전기(110)에는 송전 코일(101)과 송신 결합기(102)가 탑재되고, 수전기(210)에는 수전 코일(201)과 수신 결합기(202)가 탑재된다. 송전기(110)와 수전기(210)는 서로 비접촉이다. 수전기(210)도 가동 스테이지(401) 위에 배치되고, 가동 스테이지(401)와 함께 이동한다. 예를 들면, 송전기(110)는 수전기(210)보다 길고, 수전기(210)는 송전기(110)가 수전기(210)보다 긴 방향으로 단축으로 이동가능하게 구성된다. 이러한 방식으로, 송전기(110)를 가동 스테이지(401)의 이동 범위를 커버할만큼 충분히 길게 함으로써, 가동 스테이지(401)가 이동하는 위치에 상관없이 모터에 비접촉 방식으로 급전할 수 있다. 또한, 송전기(110)와 수전기(210)의 배치는 도3에 나타낸 것에 한정되지 않고, 수전기(210)는 송전기(110)보다 길게 구성되어도 좋다. 또한, 수전기(210)에 대하여 송전기(110)가 이동해도 좋거나, 송전기(110)와 수전기(210)의 양쪽이 서로에 대해 소정방향을 따라 이동해도 좋다. 송전기(110)를 이동시키기 위해서, 송전기(110)를 다른 가동 스테이지 위에 설치해도 좋다.
송전 코일(101)의 형상은 예를 들면 횡으로 긴 타원형의 코일이며, 수전 코일(201)은 송전 코일(101)보다 짧은 코일이다. 수전 코일(201)이 길어도 되고, 송전 코일(101)이 짧아도 된다. 송신 결합기(102)는, 예를 들면 프린트 기판에 배치된 긴 차동신호 배선으로 구성되고, 일단으로부터 클록 신호를 입력하고, 타단은 종단된다. 수신 결합기(202)는 예를 들면 프린트 기판에 배치된 짧은 차동신호 배선으로 구성된다. 그 차동신호 배선은, 수신 회로(203)의 차동입력에 접속된다. 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)의 차동신호 배선이 서로 대향하고 서로 전자계 결합함에 의해 신호가 전달된다. 수신 결합기(202)가 길고 송신 결합기(102)가 짧아도 된다.
도4는, 제1실시예에 따른 구동 시스템의 입/출력 특성의 측정 결과를 나타낸다. 도4는 전원(104)의 출력 전압에 대한 모터(400)에 인가된 인가 전압을 측정하여서 얻어진 입/출력 특성의 측정 결과(실선)를 나타낸다. 그래프 4a와 4b에 있어서, 횡축은 전원(104)의 출력 전압, 즉 입력 전압이며, 종축은 모터(400)에 인가된 인가 전압, 즉 출력 전압이다. 부호전환신호를 반전시켜서 정의 전압과 부의 전압의 양쪽을 측정한다. 상기 그래프들에는 맞춰서 입출력이 일치했을 경우에 해당한 이상적인 곡선(파선)도 도시되어 있다. 스위칭 주파수는 4MHz이며, 3ｍＨ의 인덕터를 의사부하로서 모터 대신에 접속하고 있다. 그래프 4b로부터는, 0V∼30V의 임의의 전압을 무선으로 급전할 수 있는 것을 알 수 있다. 이상적인 곡선보다 출력 전압이 낮아져 있는 부분이 있지만, 그래프 4a와 4b에 근거하여, 이상적인 곡선보다 출력 전압이 낮은 양만큼 전원출력 전압을 증가시키도록 콘트롤러(103)로부터 전원(104)에의 출력 전압 진폭의 지령 값을 보정함으로써 출력 전압을 이상적인 곡선에 보다 가깝게 할 수 있다.
이상, 제1실시예를 설명하였다. 상술한 제1실시예의 각종 실시예들에 의하면, 전자계 결합을 사용해서 비접촉 방식으로 가동측에 모터 구동신호를 송신 함에 의해, 모터 제어의 고속화가 실현된다. 더욱, 고속 클록 신호도 저지연으로 동기 정류 회로에 보낼 수 있다. 따라서, 가동측에 검출 회로와 피드백 제어 회로가 불필요해져, 가동측 회로의 소형 및 경량화가 실현된다.
제2실시예
다음에, 제2실시예 있어서의 구동 시스템(300)을 설명한다. 이하, 제1실시예와 다른 점에 대해서 설명한다. 그에 대한 중복된 설명은 적절한 경우 생략하고 있다. 도5에, 제2실시예에 따른 상기 모터 구동회로와 상기 게이트 구동회로의 회로 구성을 설명하는 도면이다. 도5는 본 실시예에 있어서의 상기 모터 구동회로(206)와 상기 게이트 구동회로(205)의 상세한 회로 구성의 일례를 나타낸다. 제1실시예에서는 동기 정류 회로(207)와 부호전환 회로(208)가 별개이도록 구성된다. 그렇지만, 본 제2실시예에서는, 동기 정류 회로(207)와 부호전환 회로(208)가 합체 회로(동기 정류/부호전환 회로209)로 합체되어 있다. 이러한 요인으로 인해, 게이트 구동회로(205)의 규모가 절반이 되고, 회로의 한층 더 소형화가 실현된다.
동기 정류/부호전환 회로(209)의 각 스위칭 소자는, 구동신호 생성 회로(215-9∼215-12)에 의해 생성된 게이트 구동신호를 사용하여 동작한다. 구동신호 생성 회로(215-9∼215-12)는, 게이트 구동신호로서, 동기 정류/부호전환 회로(209)의 각 스위칭 소자의 소스-게이트간 전압(신호)을 생성한다. 소스-게이트간 전압은, 제1실시예와 마찬가지로, 수신 회로(203)와 모터 구동회로(206)를 서로 절연하거나, 부트스트랩 회로를 사용해서, 생성된다.
스위칭 소자는, 구동신호 생성 회로 1개(구동신호 생성 회로 215-9∼215-12 중 어느 하나)에 대해서 2개의 스위칭 소자가 있는 양방향 스위치형으로 배치되어 있다. 그 이유는, 입력으로부터는 AC 전압이 들어오므로, 스위칭 소자가 1개만 있으면 부호가 반전했을 때에 보디 다이오드로 ＯＮ해버려, 게이트 구동회로(205)에 의한 ＯＮ/ＯＦＦ제어를 할 수 없을 것이기 때문이다.
또한, 동기 정류와 부호전환을 1개의 회로로 동시에 행하기 위해서, 게이트 구동회로(205)에 입력되는 제어 신호는 클록 신호와 부호전환신호를 합체한 신호다. 제1실시예에서는, 클록 신호와 부호전환신호가 별개의 신호이므로, 한쪽이 클록 신호용이고 다른 쪽이 부호전환신호용인 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)의 2페어(pair)가 필요하다. 한편, 본 실시예에서는, 1페어의 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)이면 좋고, 송전기(110)와 수전기(210)를 소형화할 수 있다.
다음에, 동기 정류/부호전환 회로(209)의 동작을 설명한다. 정의 전압을 모터(400)에 인가하는 동안에는(정의 전압 출력동안에는), 입력의 2개의 단자의 상측이 정의 전위일 때는 동기 정류/부호전환 회로(209)의 좌상 및 우하의 양방향 스위치를 ＯＮ, 좌하 및 우상의 양방향 스위치를 ＯＦＦ로 하고, 입력의 2개의 단자의 상측이 부의 전위로 전환할 때는 반대로 전환하면 좋다. 이것은, 제1실시예와 마찬가지로, ＳＷ회로(106)의 스위칭 클록에 동기한 게이트 구동신호를 제공함으로써 실현된다. 여기에서, 스위칭 소자가 양방향 스위치형으로 되어 있지 않으면, 입력의 2개의 단자의 상측이 부의 전위로 전환한 시점에서 보디 다이오드가 ＯＮ되어, 동기 정류를 행할 수 없을 것이다.
더욱, 부의 전압을 모터(400)에 인가할 때(출력을 부의 전압으로 전환할 때)에는, 이 동기된 게이트 구동신호를 반전하면 좋다. 다시 말해, 입력의 2개의 단자의 상측이 정의 전위일 때는 동기 정류/부호전환 회로(209)의 좌하 및 우상의 양방향 스위치를 ＯＮ, 좌상 및 우하의 양방향 스위치를 ＯＦＦ로 하고, 입력의 2개의 단자의 상측이 부의 전위로 전환할 때는 반대로 전환하면 좋다. 게이트 구동회로(205)에 입력된 제어 신호는, 상술한 조건이 충족되면 동기 정류와 부호전환을 1개의 회로로 실현할 수 있다.
이러한 제어 신호는, 송신 회로(105)를 사용하여 생성하면 좋다. ＳＷ회로(106)로부터 입력된 클록 신호와 콘트롤러(103)로부터 입력된 부호전환신호를, 예를 들면 배타적 논리합으로 합성하면 상술한 조건이 충족된다. 부호전환신호가 "0"일 때는 클록 신호가 직접 송신되고, 부호전환신호가 "1"일 때는 클록 신호가 반전 상태로 송신된다. 그 밖의 부분은 제1실시예와 같다.
이렇게 동기 정류와 부호전환을 1개의 회로로 실현할 수 있는 것은, 상술한 바와 같이 모터 구동회로(206)를 제어하는 신호가 주파수, 듀티가 고정된 클록 신호와 출력 전압의 부호를 전환하는 타이밍을 제공하는 단순한 ＯＮ/ＯＦＦ신호이기 때문이다. 종래기술에 개시된 일반적인 모터 제어 신호는, 동기 정류용의 클록 신호와는 전혀 다른 파형인 ＰＷＭ신호다. 이 때문에, 동기 정류 회로를 제어할 수 없고, 게이트 구동회로의 규모를 ＰＷＭ신호로 감소시킬 수는 없어서, 본 개시내용의 각종 실시예에 의해 실현된 소형화를 ＰＷＭ신호로 실현할 수는 없다.
도6은 제2실시예에 따른 구동회로의 동작 파형의 실측 결과를 나타낸다. 도6에서, 파형 6a는, 콘트롤러(103)가 출력한 부호전환신호와, 게이트 구동회로(205)에 입력된 제어 신호와, 모터(400)에 인가된 인가 전압과의 관계를 나타내는 실측 파형이며, 파형 6b는 그 파형 6a의 확대 파형을 나타낸다. 횡축은 시간을 가리키고, 파형 6a는 5㎲/div, 파형 6b는 200ｎｓ/div에 해당한다. 파형 6a와 6b 양쪽은, 위로부터 순서대로 부호전환신호 파형, 제어 신호 파형, 및 인가 전압파형을 나타내고 있다. 종축은 전압을 가리키고, 부호전환신호가 2V/div, 제어 신호가 4V/div, 인가 전압이 2V/div다. 인가 전압파형은, 상승하기 전의 부의 전압이며, 상승 후의 정의 전압이다. 스위칭 주파수는 4MHz이며, 3ｍＨ의 인덕터를 의사부하로서 모터 대신에 접속하고 있다.
도6으로부터, 부호전환신호가 "1"로부터 "0"으로 전환하면, 게이트 구동회로(205)에 입력된 제어 신호, 즉 클록 신호와 부호전환신호로부터 합성된 합성 신호 파형의 위상이 반전되고, 인가 전압파형이 부의 전압으로부터 정의 전압으로 전환되는 것을 알 수 있다. 부의 전압으로부터 정의 전압으로 전환할 때까지의 시간은 10㎲정도 걸리지만, 이것은 출력 커패시터나 의사부하의 인덕터에 의해 정의된 시정수가 관계되어 있고, 출력 커패시터를 보다 작게 하는 것으로 한층 더 고속화가 가능하다.
또한, 부호전환신호가 "1"로부터 "0"으로 전환할 때의 타이밍부터 게이트 구동회로(205)에 입력된 제어 신호 파형의 위상이 반전할 때까지의 지연 시간은 100ｎｓ이하인 것을 도6으로부터 확인할 수 있다. 다시 말해, 100ｎｓ이하의 주기로 모터 동작을 제어할 수 있다. 이것은, 제어 신호가 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)의 사이에서 전자계 결합을 통해 수ｎｓ의 지연만으로 전달되기 때문이며, 종래기술에서와 같이, 전파를 사용한 무선통신을 사용했을 경우에는 이러한 짧은 주기로 모터 동작을 제어할 수 없다. 또한, 모터 제어보다 고속으로 전환하는 클록 신호는 저지연으로 송신될 수 없기 때문에, 클록 신호와 부호전환신호로부터 합성된 합성 신호는 송신될 수 없다. 다시 말해, 전파를 사용한 무선통신을 사용했을 경우에, 본 실시예에서와 같이, 동기 정류 회로(207)와 부호전환 회로(208)를 합체해서 게이트 구동회로(205)를 소형화할 수 없다. 본 실시예에서와 같이 전자계 결합을 통한 제어 신호의 송신에 의해, 모터 제어의 고속화, 가동측에 배치된 회로의 소형 및 경량화가 실현된다.
또한, 도5에 있어서의 동기 정류/부호전환 회로(209)가 풀 브리지형 회로로서 설명되었지만, 동기 정류/부호전환 회로(209)가 센터 탭형 회로이어도 좋다. 이러한 경우에, 수전 코일(201)을 센터 탭형 코일로 구성할 필요가 있기 때문에, 배선이 복잡해진다. 그렇지만, 동기 정류/부호전환 회로(209)의 스위칭 소자의 수를 4개로 감소할 수 있다.
변형 예
상기 설명한 실시예에서는, 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)가 전자계 결합으로 결합되는 경우에 대해서 설명하였다. 그렇지만, 그 밖의 실시예에서는, 송신 결합기(102)와 수신 결합기(202)가 광결합으로 결합되어도 좋다. 예를 들면, 레이저나 지향성이 날카로운 발광 다이오드를 고정측에 배치하고, 스테이지의 이동 방향을 따라서 발광시켜 두고, 그 발광 광의 광로 위에 수광면이 위치하도록 포토다이오드등의 수광소자를 가동측에 배치하면 좋다. 광결합도 전파를 사용한 무선통신과 비교하여 저지연으로 송신할 수 있지만, 전자계 결합과 비교할 때 발광 소자와 수광소자의 주파수 특성에 의존한 지연이 존재한다.
또한, 수신 회로(203)와 게이트 구동회로(205)를 동작시키기 위한 전원은 예를 들면, 모터 인가 전압으로부터 승강압 회로 등을 사용해서 생성되어 좋거나, 송전 코일과 수전 코일은 별도로 설치되어도 좋다.
또한, 송전 코일(101)과 수전 코일(201)은, 프린트 기판 위에 배선으로 형성되어도 좋다. 게다가, 프린트 기판에 자성 시트를 부착해서 전자계 결합시의 손실을 감소해도 좋다. 또한, 송전 코일(101)과 수전 코일(201)은, 페라이트 등의 자성체와 리츠(litz)선등의 권선을 사용한 권선 트랜스포머이여도 좋다.
또한, 동기 정류 회로(207)은, 모터(400)에 인가되는 최저전압의 절대치가, 다이오드로 정류할 수 있는 수백mV이상인 경우에는, 다이오드를 사용한 정류 회로이여도 좋다. 그 경우, 동기 정류 회로(207)의 게이트 구동이 불필요하고, 수전측 회로(200)를 소형화할 수 있다.
상술한 실시예에 의하면, 부하부를 구동시키기 위한 제어 신호의 무선통신을 고속화 할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 개시내용의 그 밖의 실시예에서 여러가지로 변경 및 변형이 가능하다.
실시예들을 설명하였지만, 본 개시내용은 상기 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

Claims (16)

  1. 전원으로부터 공급된 전력을 무선 송신하는 송전 코일;
    상기 송전 코일과 수전 코일과의 사이의 전자계 결합에 의해 무선 수전하는 상기 수전 코일;
    상기 수전 코일을 통해 수신된 전력을 사용해서 부하부를 구동하는 구동회로;
    상기 부하부를 제어하기 위한 송신 신호를 무선 송신하는 송신 결합기;
    상기 송신 결합기와 수신 결합기와의 사이의 전자계 결합에 의해 상기 송신 신호를 무선 수신하는 상기 수신 결합기; 및
    상기 수신 결합기를 통해 수신된 상기 송신 신호로부터 상기 구동회로를 제어하기 위한 구동신호를 생성하는 생성 회로를 포함하는, 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 송전기와 수전기를 구비하고,
    상기 송전기는, 상기 송전 코일과 상기 송신 결합기를 구비하고,
    상기 수전기는, 상기 수전 코일과 상기 수신 결합기를 구비하는, 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 송전기와 상기 수전기 중 적어도 하나를 상대적으로 소정방향을 따라 이동시키는 가동부를 더 포함하는, 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원으로부터 출력된 DC 전압을 클록 신호를 사용해서 AC 전압으로 변환하고, 해당 AC 전압을 상기 송전 코일에 인가하는 변환 회로를 더 포함하고,
    상기 송신 결합기를 통해 무선 송신된 상기 송신 신호는 상기 클록 신호를 포함하고,
    상기 생성 회로에 의해 생성된 구동신호는, 상기 구동회로에 있어서 동기 정류하기 위한 상기 클록 신호에 해당하는 신호를 포함하는, 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 클록 신호는, 상기 변환 회로에 의해 생성되는, 제어 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 구동회로는, 상기 수전 코일로부터 출력된 전압을 입력 전압으로서 수신하는 동기 정류 회로와, 상기 동기 정류 회로로부터 출력된 전압의 부호를 전환하는 부호전환 회로를 구비하고,
    상기 생성 회로는, 상기 송신 신호에 포함된 상기 클록 신호로부터 상기 동기 정류 회로를 위한 구동신호를 생성하고, 상기 송신 신호에 포함된 부호전환용 신호로부터 상기 부호전환 회로를 위한 구동신호를 생성하는, 제어 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 구동회로는, 상기 수전 코일로부터 출력된 전압을 입력 전압으로서 수신하는 동기 정류 회로와, 상기 동기 정류 회로로부터 출력된 전압의 부호를 전환하는 부호전환 회로를, 합체한 합체 회로를 구비하고,
    상기 생성 회로는, 상기 송신 신호에 포함되는 상기 클록 신호와 부호전환용 신호로부터 상기 합체 회로를 위한 구동신호를 생성하는, 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 송신 신호는, 상기 부호전환용 신호와 상기 클록 신호와의 배타적 논리합으로 합성된 신호인, 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동회로는 복수의 스위칭 소자를 사용한 풀 브리지형 회로로서 구성되는, 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 소자는, 양방향 스위치형으로 배치되는, 제어 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동회로는, 복수의 스위칭 소자를 사용한 센터 탭형 회로로서 구성되는, 제어 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 결합기와 상기 수신 결합기와의 사이의 무선통신은 베이스밴드 방식에 따라 행해지는, 제어 시스템.
  13. 전원으로부터 공급된 전력을 무선 송신하는 송전 코일;
    상기 송전 코일과 수전 코일과의 사이의 전자계 결합에 의해 무선 수전하는 상기 수전 코일;
    상기 수전 코일을 통해 수신된 전력을 사용해서 부하부를 구동하는 구동회로;
    상기 부하부의 구동을 제어하기 위한 송신 신호를 무선 송신하는 송신 결합기;
    상기 송신 결합기와 수신 결합기와의 사이의 광결합에 의해 상기 송신 신호를 무선 수신하는 상기 수신 결합기; 및
    상기 수신 결합기를 통해 수신된 상기 송신 신호로부터 상기 구동회로를 제어하기 위한 구동신호를 생성하는 생성 회로를 포함하는, 제어 시스템.
  14. 송전 코일과, 수전 코일과, 송신 결합기와, 수신 결합기와, 부하부를 구비하는 제어 시스템의 제어 방법으로서,
    전원으로부터 공급된 전력을, 상기 송전 코일과 상기 수전 코일과의 사이의 전자계 결합에 의해 무선 송신하는 단계;
    상기 부하부의 구동을 제어하기 위한 송신 신호를, 상기 송신 결합기와 상기 수신 결합기와의 사이의 전자계 결합에 의해 무선 송신하는 단계; 및
    상기 수전 코일을 통해 수전된 전력을 사용해서 상기 부하부를 구동하는 구동회로를 제어하기 위한 구동신호를, 상기 수신 결합기를 통해 수신된 상기 송신 신호로부터 생성하는 단계를 포함하는, 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 시스템에 구비되는 송전기와 수전기 중 적어도 하나를 상대적으로 소정방향을 따라 이동시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 송전기는, 상기 송전 코일과 상기 송신 결합기를 구비하고,
    상기 수전기는, 상기 수전 코일과 상기 수신 결합기를 구비하는, 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전원으로부터 출력된 DC 전압을 클록 신호를 사용해서 AC 전압으로 변환하는 단계; 및
    해당 AC 전압을 상기 송전 코일에 인가하는 단계를 더 포함하고,
    상기 송신 결합기를 통해 무선 송신된 상기 송신 신호는 상기 클록 신호를 포함하고,
    상기 생성된 구동신호는, 상기 구동회로에 있어서 동기 정류하기 위한 상기 클록 신호에 해당하는 신호를 포함하는, 제어 방법.
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