TW200941916A - Pulse-width modulated amplifier for inverted planar motor - Google Patents

Description

200941916 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般關於任何類型的反向平面馬達。本發明特別 關於用於例如用於半導體產業之反向平面馬達♦的脈寬調 變放大器。 ° 【先前技術】 * 反向平面馬達，特別是用於半導體產業者，需要具有高 加速度以實現高吞吐量。實現高加速度的一種方式是增加 © 磁場。例如，一種在此項技術中眾所周知的反向平面馬達 採用一位移裝置’該裝置具有以分別平行於X方向與γ方 向的列與行之二維模式配置的磁體。在每列與行中的該等 磁體被配置成Halbach陣列，以產生一非常強的磁場（即， 在每列與每行中的連續磁體的磁性定向逆時針旋轉9〇 度）。該反向平面馬達進一步採用一具有兩種類型的電機 線圈之線圈致動器。一種線圈類型具有相對於X方向偏移 +45度角’而另一種線圈類型具有偏移_45度角。一經由放 ❹ 大器流過該等電機線圈的控制電流在該等磁體與該等電機 線圈之間產生所要的磁性相互作用。 • 反向平面馬達例如上述的該馬達，需要有電流感測器的 . 能力以準確測量流過該等電機線圈的電流，以及該等放大 器的能力以測量與該電動勢有關的該等電機線圈的K因 數。本發明提供一種新的馬達配置，其基於依需要移動該 位移裝置’而促使精確的電流通過該等電機線圈，以實現 s亥等線圈的最佳致動。 136649.doc 200941916 【發明内容】 本發明的一種形式是一線圈致動器，其包括一電機線圈 與一電流放大器*該電流放大器可在一κ因數測量模式與 一電流測量模式之間切換。該κ因數測量模式包含：該電 流放大器防止電流流過該電機線圈，以促進測量指示該電 機線圈的K因數的電動勢電壓。該電流測量模式包含：該 電流放大器控制電流流過該電機線圈；及一電流感測器促 進測量流過該電機線圈的電流。 本發明的第二種形式是一反向平面馬達，其採用上述的 該線圈致動器及一與該線圈致動器磁性相互作用的磁性位 移裝置。 本發明的上述形式與其他形式以及本發明的各種特徵與 優點，從以下本發明的各種實施例的詳細描述結合該等所 附圖式閱讀將變得更加明顯。該詳細描述與圖式僅僅是說 明本發明，而不是限制本發明的範圍，其範圍是由附加申 請專利範圍及其同等物界定。 【實施方式】 參考圖1，顯示本發明的一反向平面馬達，其採用一磁 性位移裝置10與一線圈致動器20。磁位移裝置1〇包含一磁 板11、一載體12、一鏡射區塊13、一校正單元14與一壓板 15的已知配置。載體12與鏡射區塊13的一個例子如圖^中 所示。 仍然參考圖1，線圈致動器2〇包含電機線圈21與配置在 電機線圈21内的霍爾感測器22。由一線圈塊23支撐該等電 136649.doc 200941916 機線圈21與霍爾感測器22(或者磁致限制感測器），該線圈 塊23具有用於電機線圈21的冷卻通道，由在線圈塊23内的 虛線箭頭描繪。線圈塊23的一個例子如圖3中所示。 仍然參考圖1，線圈致動器2〇進一步包含電流放大電路 與霍爾電極29 ^圖1顯示與本發明的κ因數測量模式/線圈 電流測量模式有關的電流放大電路的元件，該等元件是電 流放大器26、電流感測器27及電流放大器26的散熱元件 28(例如’電力場效電晶體、IGBT或電力雙極電晶體），如 在圖4中示例性所示。該κ因數測量模式涉及：電流放大器 26防止電流流過線圈21並且測量每個電機線圈21的電動勢 電壓’電動勢電壓是指示該等電機線圈的Κ因數，如此處 結合圖5將示例性描述。該線圈測量模式涉及：該等電流 放大器26之一或多者控制電流流過各自電機線圈21 ;及對 應的電流感測器27測量流過各自電機線圈2丨的電流，如此 處結合圖5將示例性描述。 對於線圈電流測量模式’散熱元件28配置在一次要冷卻 體24内’該次要冷卻體具有用於散熱元件28的冷卻通道， 由在次要冷卻體24内的虛線箭頭描繪。類似地，電流感測 器27配置在一主要冷卻體25内，該主要冷卻體具有用於電 流感測器27的冷卻通道’由在主要冷卻體25内的虚線箭頭 描繪。為進行本發明的電流測量，一流體（例如，一液 體、軋體或其組合）被引導通過主要冷卻體25，如由實線 箭頭描繪，而通向主要冷卻體25的該主要冷卻通道。隨著 該流體離開主要冷卻體25，該流體被引導通過次要冷卻體 136649.doc 200941916 24，如由實曲線箭頭描繪， 而通向次要冷卻體24的該次要 冷卻通道。隨著該流體離開 网-人要冷部體24，該流體被引導 通過線圈塊23，如由實曲娩拉 曲線箭碩描繪，而通向線圈塊23的 該線圈冷卻通道，或者從線 攸踝圈塊23引導出去，如由虛直線 箭頭描繪’而從次要冷卻艚2丨播b丄 哪體24引導出去，藉此使額外的流 體被引導通過線圈塊23，如由虎亩始其 邪田虚直線箭頭描繪，而通向線 圈塊23的該線圈冷卻通道。

該流體流過冷卻體24與25的以上描述可促進電流感測器 27的穩定電流測量溫度（例％，22度），特別是藉由在電流 感測器27上安裝該等散熱元件28。因此該等電流放大電 路能夠測量流過該等電機線圈的電流，如此處結合圖5將 進一步描述。 圖2說明線圈致動器20的另一形式2〇,，其中放大器“被 安裝在次要冷卻體24上，該次要冷卻體反過來被安裝在主 要冷卻體25上。儘管如此，此另一形式的線圈致動器2〇|的 操作是以與線圈致動器20相同的方式操作。 圖5說明本發明的一電流放大電路，其採用一設定值級 40、一誤差放大級50、一雙比例積分（，^。。級⑹、一脈寬 調變（"PWM")放大級80、一半橋端級1〇〇、一電流測量級 130、一過電流保護級140、一誤差狀態級15〇、一電力狀 態級160，與一溫度狀態級170。 設定級40包含一數位至類比轉換器41，每當經由一反相 器44閉合一開關42且斷開一開關43時，該轉換器41會施加 一數位設定信號DS到級50。每當經由反相器44斷開一開關 136649.doc -9· 200941916 42且閉合一開關43時，設定值級40進一步施加一類比設定 信號AS到級50。 誤差放大級50包含一運算放大器51、一電阻器52(例 如’ 2 k歐姆）、一電阻器53(例如，20 k歐姆）、一電阻器 54(例如’ 2 k歐姆）與一負反饋電阻器55(例如，20 k歐姆） 的說明性配置。 ' PI2級60包含一電阻器61(例如，200 k歐姆）、一電阻器 62(例如’ 4 Μ歐姆）、一電容器63(例如，1毫微法拉）、一 ® 電阻器64(例如，200 k歐姆）、一運算放大器65、一電阻器 66(例如’ 20 k歐姆）、一電阻器67(例如，4 Μ歐姆）、一電 容器68(例如’ 0.5納法）、一電阻器69(例如，200 k歐姆）， 與一運算放大器70的說明性配置。 PWM放大級80包含一電阻器81(例如，2 k歐姆）、一電阻 器82(例如’ 100 k歐姆）、一電阻器83(例如，10 k歐姆）、 一 SAW產生器84、一電阻器85(例如，10 k歐姆）、一運算 放大器86、一電壓源87、一電阻器88(例如，1 k歐姆）、一 電晶體開關89、一電晶體開關9〇與一電阻器91 (例如，1 k 歐姆）的說明性配置。 • 半橋端級100包含一電壓源101(例如，200伏特）、一電 力FET 102、一個二極體1〇3、一電阻器1〇4(例如，0.04歐 姆）、一電感器105、一電阻器1〇6(例如，〇.〇4歐姆）、一電 力FET 107、一個二極體108、一電壓源1〇9(例如，-200伏 特）、一電容器110(例如，2微法拉）、一電阻器111 (例如， 〇· 1歐姆），與一溫度感測電阻器Π2的說明性配置。由本發 136649.doc -10· 200941916 明的一次要冷卻體予以溫度控制的端級100的元件突顯顯 示在該等虛線框124内。 電流測量級130包含一準確（1 〇 ppm)分流電阻電流感測 器131，其由本發明的一主要冷卻鱧予以溫度控制，如由 該等虛線框125突顯顯示。 過電流保護級140包含一電壓源141、一電阻器142、一 ' 連接到級100的比較器144，以及一電壓源143的說明性配 置，從而產生過電流狀態信號SOC。 ® 誤差狀態級150包含一連接到一電壓源180的電阻器 151、一連接到級50的比較器152，以及一電壓源153的說 明性配置，從而產生一誤差狀態信號SE。 電力狀態級160包含一連接到電壓源180的電阻器161、 一連接到一電力信號PS的比較器162，以及一電壓源163的 說明性配置，從而產生一電力狀態信號SP » 溫度狀態級170包含一連接到電壓源180的電阻器17ι、 一連接到一溫度感測感測器112的比較器7 2，以及一電壓 〇 源173的說明性配置，從而產生一溫度狀態信號ST。 圖5的該電流放大電路在經由一高線圈接點12〇與一低線 - 圈接點121而連接到一電機線圈後具有兩種操作模式。 . 第一種模式是κ因數測量模式，其操作包括閉合開關 42、斷開開關43以及啟用PWM放大級80。一零的電流設定 值經由數位設定DS被施加到級80，藉此使一換向電流j等 於零，以及測量一電動勢電壓VEMF並且將其用於計算該電 機線圈的該K因數，如熟習此項技術者所理解。 136649.doc • 11 · 200941916 第二種模式是電流測量模式，其操作包括斷開開關42、 閉合開關43以及啟用PWM放大級80。一電流設定依需要經 由類比設定AS而施加到PWM放大級80，藉此使級80控制 換向電流Ic流過該電機線圈，以依需要移動一與該電機線 圈相互作用的磁性位移裝置。電流感測器13丨提供一指示 電流流過該電機線圈之電流感測IS回饋給誤差放大級5〇， 藉此使電流感測器131的該穩定電流測量溫度促進由電流 參

感測器13 1感測的一準確電流，從而準確移動該位移裝 置。 第二種模式的另一種形式為’使用經由數位設定值DS 定的該電流設定閉合開關42並且斷開開關43。 §玄電流放大電路在所說明的該小型設計内可使用丨5 〇 kHz 切換頻率操作，以及使用3〇 kHz的低通濾波引導PWMe 參考圖1-5，熟習此項技術者將明白，本發明的一反向 平面馬達可運用於許多應用中，％，例如在半導體製造應 用（例如，ASML、LAK-Tencor、AMAT、NXP)、樣品 /基 板反應或排斥定位應肖、^速度/速度應、真空i 用：生產應用、醫療應用(例如，χ光裝置中的快門葉片) 與/肖費電子應用（例如，CD/DVD/藍光驅動系統）中。 此外’在實務中，本發明的-反向平面馬達的每個元件 Γ田配置與相對大小是取決於該馬達的明確應用的 的二本發明不會在許多潛在應用之間限制本發明 配置與相對^達的每個元件的任何特定類型的最佳結構 136649.doc •12· 200941916 然而’引導通過該主要冷卻體的流體的溫度可能是非常 穩定的（例如，士0.1 °c )，引導通過次要冷卻體的流體的溫 度可能是較不穩定的（例如，土1 .〇。(3 ) ’以及引導通過該線 圈塊的流體可回流到該主要冷卻體。 此外’該等冷卻體24與25是由導熱材料組成，例如鋁、 陶瓷、不錄鋼與銅。 此外’該電流放大電路的規格可能是（1)供應電壓+/_ 150-200伏特；（2)最大電流2〇安培；（3)帶寬1〇 kHz ; (4)大 於50 kn的輸出阻抗10_500 Hz ; (5)低於j kHz的放大器雜 訊少於200 uA rms ; (6)放大器偏移少於！ mA ; (7)放大器 增益準確度小於0.3% ; (8)額定負載電阻5 Ω以及額定負載 電感10 mH » 雖然此處揭露的本發明的該等實施例目前被認為是較佳 的，但是在不偏離本發明的精神與範圍下可作各種改變與 修改。本發明的範圍被表明在附加申請專利範圍中，在相 同含義與範圍内的所有改變意為包含在其中。 【圖式簡單說明】 圖1說明按照本發明的一反向平面馬達的一第一示例性 實施例的方塊圖； 圖2說明按照本發明的一反向平面馬達的一第二示例性 實施例的方塊圖； 圖3與4分別說明圖1中所說明的該反向平面馬達的一示 例性實施例的俯視透視圖與局部透視圖； 圖5說明按照本發明的一放大電路的一實施例的示意 136649.doc 200941916 圖 【主要元件符號說明】 ❿ ⑩ 10 磁性位移裝置 11 磁板 12 載體 13 鏡射區塊 14 校正單元 15 壓板 20 線圈致動器 20， 線圈致動器 21 電機線圈 22 霍爾感測器 23 線圈塊 24 次要冷卻體 25 主要冷卻體 26 電流放大益 27 電流感測器 28 散熱元件 29 霍爾電極 40 設定級 41 數模轉換器 42 開關 43 開關 44 反相器 136649.doc -14- 200941916

50 誤差放大級 51 運算放大器 52 電阻器 53 電阻器 54 電阻器 55 負反饋電阻器 60 雙比例積分級 61 電阻器 62 電阻器 63 電阻器 64 電阻器 65 運算放大器 66 電阻器 67 電阻器 68 電容器 69 電阻器 70 運算放大器 80 脈寬調變放大級 81 電阻器 82 電阻器 83 電阻器 84 SAW產生器 85 電阻器 86 運算放大器 136649.doc -15- 200941916

87 電壓源 88 電阻器 89 電晶體開關 90 電晶體開關 91 電阻器 100 半橋端級 101 電壓源 102 電力場應電晶體 103 二極體 104 電阻器 105 電感器 106 電阻器 107 電力場應電晶體 108 二極體 109 電壓源 110 電容器 111 電阻器 112 溫度感測電阻器 120 高線圈連接 121 低線圈連接 124 虛線框 125 虛線框 130 電流測量級 131 分流電阻電流感測器 136649.doc -16- 200941916 140 141 142 143 144 150 151 152 ❿ 153 160 161 162 163 170 171 172 173 180 過電流保護級 電壓源 電阻器 電壓源 比較器 誤差狀態級 電阻器 比較器 電壓源 電力狀態級 電阻器 比較器 電壓源 溫度狀態級 電阻器 比較器 電壓源 電壓源 136649.doc -17-

Claims (1)

1. 200941916 十、申請專利範圍： 1. 一種線圈致動器（20)，其包括： 一電機線圈（21);及 一電流放大器（26)，該電流放大器（26)與該電機線圈 (21)電連通，該電流放大器（26)能夠在一 K因數測量模式 與一電流測量模式之間切換， _ 其中該K因數測量模式包含防止一電流流過該電機 線圈（21 )，以促進測量指示該電機線圈（21)的一 K因數 © 之一電動勢電壓（VEMF)。 2. 如請求項1之線圈致動器（20)，其進一步包括： 一電流感測器（27) ’其與該電機線圈（21)電連通； 其中該電流測量模式包含：該電流放大器（26)控制 一電流流過該電機線圈（21);及該電流感測器（27)促 進測量流過該電機線圈（2 1)之該電流。 3·如請求項2之線圈致動器（20)，其進一步包括： 一主要冷卻體（25)，其包含一主要冷卻通道，該主要 ® 冷卻通道用於引導一流體通過該主要冷卻體（25); 其中該電流感測器（27)係相對於該主要冷卻通道而 . 配置在該主要冷卻體（25)内，用於穩定該電流感測器 (27)之一電流測量溫度。 4.如請求項3之線圈致動器（20)，其進一步包括： 一相對於該主要冷卻體（25)而定位之次要冷卻體 (24); 其中該電流放大電路進一步包含配置在該次要冷卻 136649.doc 200941916 體（24)内之至少一散熱元件（28)。 5·如請求項3之線圈致動器（20)，其進一步包括： 一次要冷卻體（24)，其包含一與該主要冷卻通道流體 連通之次要冷卻通道，用於引導流體流出該主要冷卻通 道而通過該次要冷卻體（24); 其中該電流放大電路進一步包含至少一散熱元件 (28)，該至少一散熱元件（28)係相對於該次要冷卻通 道而配置在該次要冷卻體（24)内。 © 6·如請求項5之線圈致動器（20)，其進一步包括： 一線圈塊（23)，其包含一與該次要冷卻通道流體連通 之線圈冷卻通道，用於引導流體流出該次要冷卻通道而 通過該線圈塊（23)。 7. —種反向平面馬達，其包括： 一磁性位移裝置（10);及 一線圈致動器（20)，該線圈致動器（2〇)與該磁性位移 裝置（10)磁性相互作用，該線圈致動器（2〇)包含： 一電機線圈（21)，及 一電流放大器（26) ’該電流放大器（26)與該電機線 • 圈（21)電連通，該電流放大器（26)能夠在一 κ因數測量 模式與一電流測量模式之間切換； 其中該K因數測量模式包含防止一電流流過該電機 線圈（21)，以促進測量指示該電機線圈（21)的一 κ因數 之一電動勢電壓（VEMF)。 8. 如請求項7之反向平面馬達， 136649.doc •2· 200941916 其中該線圈致動器（20)進一步包含一與該電機線圈 (21)電連通之電流感測器Q7);且 其中該電流測量模式包含：該電流放大器（26)控制一 電流流過該電機線圈（21);及該電流感測器（27)促進測 量流過該電機線圈（21)之該電流。 9. 如請求項8之反向平面馬達，其進一步包括： _ 一主要冷卻體（25)，其包含一主要冷卻通道，該主要 冷卻通道用於引導一流體通過該主要冷卻體（25); © 其中該電流感測器（27)係相對於該主要冷卻通道而 配置在該主要冷卻體（25)内，用於穩定該電流感測器 (27) 之一電流測量溫度。 10. 如請求項9之反向平面馬達，其中該線圈致動器（2〇)進— 步包含： 一相對於該主要冷卻體（25)而定位之次要冷卻體 (24); 其中該電流放大電路進一步包含配置在該次要冷卻 體（24)内之至少一散熱元件（28)。 11. 如請求項9之反向平面馬達，其中該線圈致動器（2〇)進一 - 步包含： 一次要冷卻體（24)，其包含一與該主要冷卻通道流體 連通之次要冷卻通道，用於引導流體流出該主要冷卻通 道而通過該次要冷卻體（24); 其中該電流放大電路進一步包含至少一散熱元件 (28) ’該至少—散熱元件（28)係相對於該次要冷卻通 136649.doc 200941916 道而配置在該次要冷卻體（24)内。 12.如請求項11之反向平面馬達，其中該線圈致動器（2〇)進 一步包含： 一線圈塊（23)，其包含一與該次要冷卻通道流體速通 之線圈（21)冷卻通道，用於引導流體流出該次要冷卻通 道而通過該線圈塊（23)。 13· —種操作一電機線圈（21)之方法，該電機線圈（21)電連 通於一電流放大器（26)及一電流感測器（27)，該方法包 β 括： 將該電流放大器（26)設定到一 Κ因數測量模式，用於 防止一電流流過該電機線圈（21);以及 測量指示該電機線圈（21)的該Κ因數之該電機線圈（21) 之一電動勢電壓（Vemf)。 14. 如請求項13之方法，其進一步包括： 穩定該電流感測器（27)之一電流測量溫度； 將該電流放大器（26)設定到一電流測量模式，用於控 〇 制該電流流過該電機線圈（21);以及 將一由該電流感測器（27)促進之流過該電機線圈（21) 的該電流之一測量之回饋提供給該電流放大器（26)。 15. 如請求項14之方法， 其中該電流感測器（27)係配置在一主要冷卻體（25) 内；以及 其中穩.定該電流感測器（27)之該電流測量溫度包含引 導一流體通過該主要冷卻體（25)。 136649.doc