特許 7598306 インバータ装置、駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-03

(45)【発行日】2024-12-11

(54)【発明の名称】インバータ装置、駆動装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241204BHJP

   H02M 1/08 20060101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M1/08 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021144514

(22)【出願日】2021-09-06

(65)【公開番号】P2023037753

(43)【公開日】2023-03-16

【審査請求日】2023-11-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】彭 博

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０４０９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１８３５８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ １／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流の高電圧を供給する高電圧ラインと直流の低電圧を供給する低電圧ラインの間に接続される少なくとも一つのトランジスタのスイッチング動作によって交流を出力するインバータと、
前記トランジスタの制御端子に前記スイッチング動作のためのパルスを供給するパルス供給部と、
前記低電圧ライン側に接続される前記トランジスタの低電圧端子に前記制御端子より低い電圧であって、前記低電圧ラインと異なる電圧を印加するツェナーダイオードと、
を備えるインバータ装置。

【請求項2】

前記ツェナーダイオードは、前記高電圧ラインと異なる高電圧サブラインと前記低電圧ラインと異なる低電圧サブラインの間に接続され、当該高電圧サブラインと当該低電圧サブラインの間の電圧を入力として前記低電圧端子に印加される電圧を出力する、請求項１に記載のインバータ装置。

【請求項3】

前記制御端子と前記低電圧端子はコンデンサを介して接続される、請求項１または２に記載のインバータ装置。

【請求項4】

前記インバータは、前記高電圧ラインと前記低電圧ラインの間に直列に接続される高電圧側トランジスタおよび低電圧側トランジスタからなるトランジスタ対を複数備え、当該各トランジスタ対のスイッチング動作によって多相の交流を出力し、
前記ツェナーダイオードは、全てのトランジスタ対における前記高電圧側トランジスタに併設される一方、少なくとも一つのトランジスタ対における前記低電圧側トランジスタには併設されない、
請求項１から３のいずれかに記載のインバータ装置。

【請求項5】

前記ツェナーダイオードが併設されない低電圧側トランジスタの低電圧端子は、前記ツェナーダイオードが併設される低電圧側トランジスタの低電圧端子に接続される、請求項４に記載のインバータ装置。

【請求項6】

被駆動体と、
交流に基づいて前記被駆動体を駆動するモータと、
直流の高電圧を供給する高電圧ラインと直流の低電圧を供給する低電圧ラインの間に接続される少なくとも一つのトランジスタのスイッチング動作によって前記モータに対して交流を出力するインバータと、
前記トランジスタの制御端子に前記スイッチング動作のためのパルスを供給するパルス供給部と、
前記低電圧ライン側に接続される前記トランジスタの低電圧端子に前記制御端子より低い電圧であって、前記低電圧ラインと異なる電圧を印加するツェナーダイオードと、
を備える駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は直流を交流に変換する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、直流を交流に変換するインバータが開示されている。このインバータは、直流の高電圧を供給する高電圧ライン（Ｖｐｐ）と直流の低電圧を供給する低電圧ラインの間に直列に接続されるトランジスタ対を三つ備え、各トランジスタ対のスイッチング動作によって３相の交流をモータに対して出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－６３３０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

インバータにおける各トランジスタは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）によってデューティ比が制御されたパルスに応じて、オン状態とオフ状態の間でスイッチング動作を行う。オフ状態ではトランジスタが非導通状態となるのが理想的であるが、トランジスタの各端子間の電圧の変動によってトランジスタが導通状態となってしまう可能性もある。

【0005】

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフ状態のトランジスタを非導通状態に保持しやすくできるインバータ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のインバータ装置は、直流の高電圧を供給する高電圧ラインと直流の低電圧を供給する低電圧ラインの間に接続される少なくとも一つのトランジスタのスイッチング動作によって交流を出力するインバータと、トランジスタの制御端子にスイッチング動作のためのパルスを供給するパルス供給部と、低電圧ライン側に接続されるトランジスタの低電圧端子に制御端子より低い電圧を印加するツェナーダイオードと、を備える。

【0007】

この態様では、ツェナーダイオードによってトランジスタの低電圧端子に制御端子より低い電圧が印加されるため、オフ状態のトランジスタを非導通状態に保持しやすくできる。

【0008】

本発明の別の態様は、駆動装置である。この装置は、被駆動体と、交流に基づいて被駆動体を駆動するモータと、直流の高電圧を供給する高電圧ラインと直流の低電圧を供給する低電圧ラインの間に接続される少なくとも一つのトランジスタのスイッチング動作によってモータに対して交流を出力するインバータと、トランジスタの制御端子にスイッチング動作のためのパルスを供給するパルス供給部と、低電圧ライン側に接続されるトランジスタの低電圧端子に制御端子より低い電圧を印加するツェナーダイオードと、を備える。

【0009】

この態様では、ツェナーダイオードによってトランジスタの低電圧端子に制御端子より低い電圧が印加されるため、オフ状態のトランジスタを非導通状態に保持しやすくできる。従って、インバータから交流が供給されるモータの制御性や駆動精度を向上できる。このため、本態様の駆動装置は、高い駆動精度が求められる装置、例えば、露光装置、イオン注入装置、熱処理装置、アッシング装置、スパッタリング装置、ダイシング装置、検査装置、洗浄装置等の半導体製造装置において、処理対象の半導体ウエハ等を載置するテーブルを被駆動体とする用途に好適である。

【0010】

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、インバータにおいてオフ状態のトランジスタを非導通状態に保持しやすくできる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】インバータ装置の概要を模式的に示す。

【図2】３相の交流を出力するインバータ装置の構成例を示す。

【図3】インバータ装置を適用可能なステージ装置を模式的に示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明または図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記載されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0014】

図１は、本発明の実施形態に係るインバータ装置１の概要を模式的に示す。インバータ装置１は、インバータ２と、ドライバ３と、周辺回路４を備える。インバータ２は、直流の高電圧Ｖｄｄを供給する高電圧ライン２１と直流の低電圧Ｖｓｓを供給する低電圧ライン２２の間に接続される少なくとも一つのトランジスタ２３のスイッチング動作によって交流を出力する。後述するように、トランジスタ２３は、高電圧ライン２１と低電圧ライン２２の間に直列に接続される高電圧側トランジスタ２３Ｈと低電圧側トランジスタ２３Ｌを含み、高電圧側トランジスタ２３Ｈの低電圧端子と低電圧側トランジスタ２３Ｌの高電圧端子の接続点である出力端子から交流を出力する。また、高電圧側トランジスタ２３Ｈおよび低電圧側トランジスタ２３Ｌからなるトランジスタ対を並列に複数（例えば三つ）設けることで多相（例えば３相）の交流を出力するインバータを構成できる。

【0015】

トランジスタ２３は、制御端子としてのゲート２３１と、高電圧ライン２１側に接続される高電圧端子としてのコレクタ２３２と、低電圧ライン２２側に接続される低電圧端子としてのエミッタ２３３を備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、トランジスタ２３は、制御端子としてのゲートと、高電圧端子としてのドレインと、低電圧端子としてのソースを備える電界効果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor）でもよいし、制御端子としてのベースと、高電圧端子としてのコレクタと、低電圧端子としてのエミッタを備えるバイポーラトランジスタでもよい。

【0016】

集積回路（IC：Integrated Circuit）として構成されるドライバ３は、トランジスタ２３のゲート２３１にスイッチング動作のためのパルスＶＯＵＴを供給するパルス供給部としてのパルス供給端子３１と、後述するツェナーダイオード等に直流の高電圧ＶＣを供給する高電圧供給端子３２と、後述するツェナーダイオード等に直流の低電圧ＶＥＥを供給する低電圧供給端子３３を備える。パルス供給端子３１は、ＰＷＭによってデューティ比が制御されたパルスをトランジスタ２３のゲート２３１に印加する。トランジスタ２３は、パルスの有無に応じてオン状態とオフ状態の間でスイッチング動作を行う。具体的には、パルスがゲート２３１に印加されている間はトランジスタ２３がオン状態となり、コレクタ２３２とエミッタ２３３の間が導通状態となる。また、パルスがゲート２３１に印加されていない間はトランジスタ２３がオフ状態となり、コレクタ２３２とエミッタ２３３の間が非導通状態となる。

【0017】

高電圧供給端子３２は、前述の高電圧ライン２１と異なる高電圧サブライン３２１を構成する。高電圧供給端子３２が高電圧サブライン３２１に供給する直流の高電圧ＶＣと、高電圧ライン２１が供給する直流の高電圧Ｖｄｄの大小関係は問わないが、典型的にはＶＣはＶｄｄ以下である。また、低電圧供給端子３３は、前述の低電圧ライン２２と異なる低電圧サブライン３３１を構成する。低電圧供給端子３３が低電圧サブライン３３１に供給する直流の低電圧ＶＥＥと、低電圧ライン２２が供給する直流の低電圧Ｖｓｓの大小関係は問わないが、典型的にはＶＥＥはＶｓｓ以上である。

【0018】

周辺回路４は、抵抗４１と、ツェナーダイオード４２と、コンデンサ４３と、コンデンサ４４を備える。高電圧サブライン３２１上に設けられる抵抗４１は、ドライバ３の高電圧供給端子３２に接続される入力端子４１１と出力端子４１２を備える。

【0019】

ツェナーダイオード４２は、低電圧サブライン３３１またはドライバ３の低電圧供給端子３３と接続される入力端子４２１と、抵抗４１の出力端子４１２に接続される出力端子４２２を備える。ツェナーダイオードは定電圧ダイオードとも呼ばれ、流れる電流によらず略一定の電圧を出力可能なダイオードである。図１におけるツェナーダイオード４２は、低電圧サブライン３３１から抵抗４１に向かう方向、すなわち、低電圧側から高電圧側に向かう逆方向に配置され、抵抗４１を介して高電圧サブライン３２１から供給される高電圧（抵抗４１における電圧降下をＶＣから引いた電圧）と低電圧サブライン３３１から供給される低電圧ＶＥＥの電圧差を入力として、略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂを出力端子４２２から出力する。ツェナーダイオード４２の出力端子４２２は、トランジスタ２３の低電圧端子としてのエミッタ２３３に接続され、制御端子としてのゲート２３１より低い略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂをエミッタ２３３に印加する。

【0020】

コンデンサ４３は、ツェナーダイオード４２が出力する略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂを保持して急激な変動を抑制するために、ツェナーダイオード４２と並列に設けられる。具体的には、コンデンサ４３の一方の端子はツェナーダイオード４２の入力端子４２１と接続され、コンデンサ４３の他方の端子はツェナーダイオード４２の出力端子４２２と接続される。

【0021】

コンデンサ４４は、ツェナーダイオード４２の出力端子４２２またはトランジスタ２３のエミッタ２３３とトランジスタ２３のゲート２３１の間に設けられる。すなわち、トランジスタ２３の制御端子としてのゲート２３１と低電圧端子としてのエミッタ２３３はコンデンサ４４を介して接続される。このようにエミッタ２３３がコンデンサ４４によってゲート２３１から隔てられていることで、ドライバ３のパルス供給端子３１からゲート２３１に印加されるパルスによらず、エミッタ２３３にはツェナーダイオード４２からの略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂが印加される。

【0022】

ドライバ３のパルス供給端子３１からトランジスタ２３のゲート２３１に印加される電圧を、パルスありの時はＶｈと表し、パルスなしの時はＶｌと表す。Ｖｈはバイアス電圧の絶対値Ｖｂより十分に大きい正の電圧であり、Ｖｌは典型的には零である。トランジスタ２３のゲート２３１にパルス電圧Ｖｈが印加されている場合、ゲート２３１とエミッタ２３３の間の電圧はＶｈ－Ｖｂと十分に大きい正の値を取るため、トランジスタ２３がオン状態となり、コレクタ２３２とエミッタ２３３の間が導通状態となる。また、トランジスタ２３のゲート２３１にＶｌが印加されている場合（またはパルス電圧Ｖｈが印加されていない場合）、ゲート２３１とエミッタ２３３の間の電圧はＶｌ－Ｖｂと十分に大きい負の値を取るため、トランジスタ２３がオフ状態となり、コレクタ２３２とエミッタ２３３の間が非導通状態となる。

【0023】

以上のように、本実施形態によれば、ツェナーダイオード４２が生成する略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂによって、パルス非印加時のトランジスタ２３を確実にオフ状態または非導通状態に保持できる。なお、ツェナーダイオード４２の代わりに三端子レギュレータを用いて負のバイアス電圧を生成することもできるが、三端子レギュレータは自身の周波数特性や併設されるコンデンサ（４３）の特性の影響を受けやすいため、安定したバイアス電圧を供給するのが難しいという課題がある。これに対して、ツェナーダイオード４２を用いれば、三端子レギュレータより簡易な回路構成で安定した負のバイアス電圧－Ｖｂをエミッタ２３３に供給できる。

【0024】

図２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流を出力するインバータ装置１の構成例を示す。図１で説明した構成要素には同一の符号を付すか符号自体を省略し、重複した説明を省略する。インバータ装置１は、Ｕ相の交流を出力するＵ相インバータ２Ｕと、Ｖ相の交流を出力するＶ相インバータ２Ｖと、Ｗ相の交流を出力するＷ相インバータ２Ｗを備える。各相のインバータ２Ｕ、２Ｖ、２Ｗは、高電圧ライン２１と低電圧ライン２２の間に直列に接続される高電圧側トランジスタ２３Ｈおよび低電圧側トランジスタ２３Ｌからなるトランジスタ対を備え、高電圧側トランジスタ２３Ｈの低電圧端子としてのエミッタ２３３Ｈと低電圧側トランジスタ２３Ｌの高電圧端子としてのコレクタ２３２Ｌの接続点である各出力端子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗから各相の交流を出力する。モータ５は、各出力端子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗから供給される３相の交流に基づいて回転動力を発生させる。

【0025】

トランジスタ２３のエミッタ２３３に略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂを印加するツェナーダイオード４２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の全てのトランジスタ対における高電圧側トランジスタ２３Ｈに併設される一方、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の少なくとも一つのトランジスタ対における低電圧側トランジスタ２３Ｌには併設されない。図２の例では、Ｕ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌにはツェナーダイオード４２が併設されるが、Ｖ相およびＷ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌにはツェナーダイオード４２が併設されない。

【0026】

ここで、ツェナーダイオード４２が併設されないＶ相およびＷ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌの低電圧端子としてのエミッタ２３３Ｌは、ツェナーダイオード４２が併設されるＵ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌのエミッタ２３３Ｌと接続ライン４５によって接続される。このため、Ｕ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌに併設されたツェナーダイオード４２が生成する負のバイアス電圧－Ｖｂは、接続ライン４５を介してＶ相およびＷ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌのエミッタ２３３Ｌにも印加されるため、Ｕ相に限らずＶ相およびＷ相の低電圧側トランジスタ２３Ｌもパルス非印加時に確実にオフ状態または非導通状態に保持できる。

【0027】

以上のように、接続ライン４５を設けることで、全ての相の低電圧側トランジスタ２３Ｌにツェナーダイオード４２を併設する必要がなくなるため、回路構成を簡素化できる。一方、各相の高電圧側トランジスタ２３Ｈのエミッタ２３３Ｈを相互に接続すると、各相の出力端子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗが短絡し、３相の交流を出力できなくなってしまうため、各相の高電圧側トランジスタ２３Ｈにはツェナーダイオード４２を個別に併設するのが好ましい。

【0028】

図３は、図２のインバータ装置１を適用可能な駆動装置の一例としてのステージ装置１００を模式的に示す斜視図である。ステージ装置１００は、定盤１０２と、定盤１０２を下方から支持する除振台１０４と、除振装置１０６と、半導体ウエハ等の処理対象物を載置する被駆動体としてのテーブル２０、Ｘ軸に沿って延びる１本のＸ軸アクチュエータ１２０、Ｙ軸に沿って延びる２本のＹ軸アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂ（以下、Ｙ軸アクチュエータ１３０と総称する）を備える。Ｘ軸アクチュエータ１２０およびＹ軸アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂは上面視でＨ型をなす。除振装置１０６は、Ｘ軸アクチュエータ１２０やＹ軸アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの動作に起因する力や床からの振動を吸収して定盤１０２の振動を抑制する。

【0029】

Ｘ軸アクチュエータ１２０およびＹ軸アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂには、図２に示されるインバータ装置１およびモータ５がそれぞれ設けられる。各モータ５が発生させる回転動力は、ラック・ピニオン機構等によってＸ軸方向またはＹ軸方向の直線動力に変換され、被駆動体としてのテーブル２０をＸ軸方向またはＹ軸方向に直線駆動する。Ｘ軸アクチュエータ１２０は、Ｘ軸方向に延在するスクエアシャフトまたはＸ軸ガイド１２２と、Ｘ軸ガイド１２２に沿ってＸ軸方向に移動可能なＸ軸スライダ１２４を備える。同様に、Ｙ軸アクチュエータ１３０は、Ｙ軸方向に延在するスクエアシャフトまたはＹ軸ガイド１３２と、Ｙ軸ガイド１３２に沿ってＹ軸方向に移動可能なＹ軸スライダ１３４を備える。

【0030】

Ｘ軸ガイド１２２の両端部は、Ｙ軸アクチュエータ１３０Ａ、１３０ＢのＹ軸スライダ１３４に固定される。Ｙ軸アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂにおけるモータ５が互いに同期してＹ軸スライダ１３４をＹ軸方向に駆動すると、Ｙ軸スライダ１３４に固定されたＸ軸ガイド１２２ごとＸ軸アクチュエータ１２０がＹ軸方向に移動する。Ｘ軸アクチュエータ１２０のＸ軸スライダ１２４にはテーブル２０が固定されているため、被駆動体としてのテーブル２０はＹ軸アクチュエータ１３０のモータ５によってＹ軸方向に駆動される。また、Ｘ軸アクチュエータ１２０のモータ５は、テーブル２０ごとＸ軸スライダ１２４をＸ軸方向に駆動する。このように、ステージ装置１００は、Ｘ軸アクチュエータ１２０およびＹ軸アクチュエータ１３０のモータ５によって、被駆動体としてのテーブル２０をＸＹ平面内で駆動する。

【0031】

位置センサ１４０はテーブル２０のＸ軸方向の位置を測定し、位置センサ１４２はテーブル２０のＹ軸方向の位置を測定する。測定されたＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を時間で微分すれば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の速度が得られる。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の速度を時間で微分すれば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の加速度が得られる。これらの位置、速度、加速度の測定データに基づくフィードバック制御によって、被駆動体としてのテーブル２０を高精度に駆動できる。

【0032】

図１および図２で説明したように、本実施形態のインバータ装置１では、ツェナーダイオード４２が生成する略一定の負のバイアス電圧－Ｖｂによって、パルス非印加時のトランジスタ２３を確実にオフ状態または非導通状態に保持できるため、インバータ装置１から交流が供給されるモータ５の制御性や、駆動装置としてのステージ装置１００の駆動精度を向上できる。このような駆動精度が高い本実施形態のステージ装置１００は、精密な位置決めが求められる各種の装置、例えば、露光装置、イオン注入装置、熱処理装置、アッシング装置、スパッタリング装置、ダイシング装置、検査装置、洗浄装置等の半導体製造装置やＦＰＤ（Flat Panel Display）製造装置において、処理対象の半導体ウエハ等を載置するテーブル２０を被駆動体とする用途に好適である。

【0033】

なお、図３ではＸ軸方向およびＹ軸方向にテーブル２０を直線駆動するステージ装置１００を例示したが、テーブル２０をＺ軸方向に直線駆動するステージ装置や、テーブル２０をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りに回転駆動するステージ装置にも、本実施形態のインバータ装置１は適用可能である。

【0034】

以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【0035】

なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。

【符号の説明】

【0036】

１ インバータ装置、２ インバータ、３ ドライバ、５ モータ、２０ テーブル、２１ 高電圧ライン、２２ 低電圧ライン、２３ トランジスタ、２３Ｈ 高電圧側トランジスタ、２３Ｌ 低電圧側トランジスタ、３１ パルス供給端子、３２ 高電圧供給端子、３３ 低電圧供給端子、４２ ツェナーダイオード、４４ コンデンサ、４５ 接続ライン、１００ ステージ装置、２３１ ゲート、２３２ コレクタ、２３３ エミッタ、３２１ 高電圧サブライン、３３１ 低電圧サブライン。

【図1】

【図2】

【図3】