(57)【要約】【課題】装置の大型化や高コスト化を招くことなく、複数の負荷に同時に電力供給できる構成の実現。【解決手段】複数相の交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に変換して負荷へ供給するための交流変換装置であって、前記複数相の交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に変換する複数のスイッチからなるスイッチ群と、前記スイッチ群から複数の負荷への出力を切り替える切り替えスイッチと、前記複数の負荷へ供給する電圧、及び、周波数が、それぞれ予め決められた値になるよう前記スイッチ群及び前記切り替えスイッチを制御する制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数相の交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に変換して負荷へ供給するための交流変換装置であって、
前記複数相の交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に変換する複数のスイッチからなるスイッチ群と、
前記スイッチ群から複数の負荷への出力を切り替える切り替えスイッチと、
前記複数の負荷へ供給する電圧、及び、周波数が、それぞれ予め決められた値になるよう前記スイッチ群及び前記切り替えスイッチを制御する制御部と、を備えることを特徴とする交流変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記スイッチ群から前記負荷に電力を供給するオン期間を負荷ごとに時分割で設定し、該オン期間に基づいて前記複数の負荷に対して同時に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の交流変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、一つの負荷に対して電力を供給しない期間の間に、前記切り替えスイッチにより他の負荷に対する電力供給をオン期間に設定することを特徴とする請求項１に記載の交流変換装置。
【請求項４】
前記切り替えスイッチは、前記負荷の各相に電力を供給しない状態で、該切り替えスイッチの各相をショート状態にするスイッチを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の交流変換装置。
【請求項５】
前記交流電力は、車両のエンジンにより駆動される発電機により発電される電力であり、
前記複数の負荷は、少なくとも車両に搭載されたバッテリ、コンデンサ、モータ及びコンセントであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の交流変換装置。
【請求項６】
前記複数の負荷は、リニアモータを構成する複数のコイルであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の交流変換装置。
【請求項７】
基板を露光する露光装置であって、
該基板または原版を保持するステージと、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の交流変換装置と、
前記交流変換装置の出力に応じて前記ステージを移動させる駆動手段と、を有することを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項７に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
該露光された基板を現像するステップと、を有することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の負荷に同時に電力を供給可能な交流変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、多相交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に直接変換する交流変換装置としてマトリックスコンバータが注目されている（例えば、特許文献１参照）。このマトリックスコンバータは、交流電源→直流電源→交流電源という変換ではなく、交流電源→交流電源という直接変換を行うため、直流電源での大きなコンデンサやフィルタ等が不要となる。このため、小型化が可能であり、且つ直接変換を行うので高効率という大きなメリットを有している。
【０００３】
上述のように、マトリックスコンバータは様々なメリットを有している反面、その電源制御部は従来の電源より複雑で高価なものとなってしまう。そのため、複数の負荷に電力を供給するように構成すると、装置コストが上昇してしまうという問題がある。
【０００４】
ここで、図１０〜図１３を参照して、従来のマトリックスコンバータの概要について説明する。
【０００５】
図１０は従来のマトリックスコンバータの構成図、図１１は３相交流電源の説明図、図１２は従来のマトリックスコンバータのスイッチング動作説明図、図１３は従来のマトリックスコンバータの出力電圧の説明図である。
【０００６】
図１０において、R,S,Tは３相交流電源の各相を、ACM1は３相交流モータをそれぞれ表している。また、SW-RU,SW-SU,SW-TUは、３相交流電源のR,S,T相と、３相交流モータACM1のU相との電気的な接続を行うためのスイッチである。また、SW-RV,SW-SV,SW-TVは、３相交流電源のR,S,T相と、３相交流モータACM1のV相との電気的な接続を行うためのスイッチである。更に、SW-RW,SW-SW,SW-TWは、３相交流電源のR,S,T相と、３相交流モータACM1のW相との電気的な接続を行うためのスイッチである。これらのスイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等の半導体スイッチ素子を逆並列接続して構成される。
【０００７】
また、１は上記各スイッチから構成されたマトリックスコンバータスイッチ群を表している。尚、実際には、上述のマトリックスコンバータスイッチ群１の各スイッチに対して、個別にオン／オフ指令を出力するスイッチング制御部が設けられているが、図示は省略している。
【０００８】
３相交流電源は、図１１に示すように、R,S,T相の各電源電圧の大きさが、１周期の電源周期において６通りのパターンF1〜F6で変化している。マトリックスコンバータは、不図示のスイッチング制御部が上記各スイッチをオン／オフさせることにより、これらR,S,T相の中から負荷側に供給する電圧を制御するものである。
【０００９】
図１２では、説明の簡略化のために負荷側のU,V相のみを示し、また、電源電圧の大小関係は６パターン存在するが、説明の簡略化のため、電源電圧はR相電源電圧≧S相電源電圧≧T相電源電圧とする。
【００１０】
図１２（ａ）〜（ｃ）のように、マトリックスコンバータスイッチ群１の各スイッチのオン／オフを制御することにより、図１３のようにゼロ電圧の状態A、中間電圧（Vs-Vt）の状態B、高電圧（Vr-Vt）の状態Cを負荷側のU-V相に生成できる。不図示のスイッチング制御部は、これら３つの状態をマトリックスコンバータスイッチ群１により実現し、また、各状態の時間幅をスイッチのPWM制御等によって可変として、負荷側に所望の出力電圧を供給可能となる。
【００１１】
図１３は状態A→状態B→状態C→状態B→状態Aへと略等間隔の時間で切り替えた場合を示しており、この場合の実効上の出力電圧は、図１３に示す平均電圧レベルとなる。この平均電圧は、上記３つの状態の切り替え、及び、各状態の時間幅によって任意に変更可能であり、所望の電圧及び周波数の交流電源を生成することが可能となる。
【特許文献１】特開２００６−１４５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、マトリックスコンバータは大きなメリットを有している反面、多くのスイッチ素子を必要とする。例えば、図１０の構成では、負荷の各相ごとに３個、合計９個のスイッチが必要であり、各スイッチは２個のスイッチ素子からなるため、合計で１８個のスイッチ素子が必要となる。そのため、複数の負荷を駆動する必要がある装置や機器類、車両等への適用を考慮した場合、スイッチ素子数が非常に増加し、コンバータのサイズやコスト面で不都合が発生する。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、複数の負荷に同時に電力供給できる構成を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の交流変換装置は、複数相の交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に変換して負荷へ供給するための交流変換装置であって、前記複数相の交流電力を別の電圧及び周波数の交流電力に変換する複数のスイッチからなるスイッチ群と、前記スイッチ群から複数の負荷への出力を切り替える切り替えスイッチと、前記複数の負荷へ供給する電圧、及び、周波数が、それぞれ予め決められた値になるよう前記スイッチ群及び前記切り替えスイッチを制御する制御部と、を備える。
【００１５】
また、本発明の露光装置は、基板を露光する露光装置であって、該基板または原版を保持するステージと、上記交流変換装置と、前記交流変換装置の出力に応じて前記ステージを移動させる駆動手段と、を有する。
【００１６】
また、本発明のデバイス製造方法は、上記露光装置を用いて基板を露光するステップと、該露光された基板を現像するステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、複数の負荷に同時に電力供給できる構成を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１９】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００２０】
［マトリックスコンバータの構成］
図１は、本発明に係る実施形態のマトリックスコンバータの構成を例示する図である。
【００２１】
図１において、１はマトリックスコンバータスイッチ群である。R,S,Tは３相（複数相）交流電源の各相である。ACM1,ACM2は負荷としての３相交流モータである。また、SW-RU,SW-SU,SW-TU,SW-RV,SW-SV,SW-TV,SW-RW,SW-SW,SW-TWは、マトリックスコンバータスイッチ群（以下、スイッチ群）１を構成する各スイッチである。また、SW-U11,SW-V11,SW-W11、及び、SW-U21,SW-V21,SW-W21は、３相交流モータACM1,ACM2側の切リ替え用スイッチである。また、SW-U12,SW-V12,SW-W12、及び、SW-U22,SW-V22,SW-W22は、３相交流モータACM1,ACM2側の相間ショート用スイッチである。
【００２２】
図２は、本実施形態のマトリックスコンバータの動作説明図であり、上述の切り替え用スイッチ、相間ショート用スイッチ及びスイッチ群１の各動作を示している。
【００２３】
本実施形態では、不図示のスイッチング制御部が上述の切り替え用スイッチ、相間ショート用スイッチ及びスイッチ群１をオン／オフ制御することにより、２つの３相交流モータACM1,ACM2を同時に駆動可能に構成されている。同時駆動する場合には、３相交流モータACM1,ACM2のそれぞれの駆動速度及び駆動負荷等に基づいて駆動時間比率が設定される。
【００２４】
以下では、３相交流モータACM1,ACM2の駆動時間比率を２：１とした場合について説明する。
【００２５】
尚、上記駆動時間比率は、１つのモータの駆動が終了した場合に変更しても良いし、また、１つのモータの駆動中に、他のモータを駆動する必要が発生した場合に変更することも可能である。
【００２６】
本実施形態では、図２に示すように、20μsの期間、SW-U11,SW-V11,SW-W11をオン状態とすることで、スイッチ群１から３相交流モータACM1に電力を供給している。このオン期間、スイッチ群１は、所定の交流電圧及び周波数で３相交流モータACM1に電力を供給するように、SW-RU〜SW-TWを切り替え、且つ、PWM制御11を行っている。
【００２７】
上記20μsの期間が終了すると、次の10μsの期間、SW-U21,SW-V21,SW-W21をオン状態とし、スイッチ群１から３相交流モータACM2に電力供給を行う。このオン期間、スイッチ群１は、所定の交流電圧及び周波数で３相交流モータACM2に電力を供給するように、SW-RU〜SW-TWを切り替え、且つ、PWM制御12を行う。
【００２８】
以上の動作を繰り返し行うことにより、２つの３相交流モータACM1,ACM2に対する電力供給を時分割で制御可能となり、スイッチ群１は複数の負荷を同時に駆動可能となる。
【００２９】
尚、SW-U11〜SW-W11がオフ状態の場合に、相間ショート用スイッチSW-U12〜SW-W12をオン状態（ショート状態）にしているのは、誘導負荷である交流モータの各相間をクローズ状態にすることで逆起電力の発生を抑えるためである。
【００３０】
［変形例１（構成の簡略化）］
図３は、本実施形態の変形例１のマトリックスコンバータの構成を例示する図であり、図２の相間ショート用スイッチを省略して簡略化したものである。
【００３１】
誘導負荷であっても、そのインダクタンス値が小さい場合には相間ショート用スイッチを省略でき、図３のような構成の簡略化が可能となる。
【００３２】
［変形例２（一般機器への適用例）］
図４は、本実施形態の変形例２のマトリックスコンバータの構成を例示する図であり、車両への適用例を示している。
【００３３】
DCM1は直流モータ、HTはヒータ、F1はフィルタである。また、SW-U11,SW-V11,SW-W11、SW-DC1,SW-DC2及びSW-HT1,SW-HT2は、負荷である３相交流モータACM1、直流モータDCM1、ヒータHT側の切り替え用スイッチである。
【００３４】
本変形例は、図２の構成に対して、３相交流負荷の他に直流負荷を複数接続したものである。スイッチ群１は、切り替え用スイッチと協調しながら、一定周期ごとに３相交流負荷と２つの直流負荷に対して３相交流電源の切り替えとPWM制御とを時分割で行う。
【００３５】
［変形例３（車両への適用例）］
図５は、本実施形態の変形例３のマトリックスコンバータの構成を例示する図であり、ハイブリッド車両への適用例を示している。
【００３６】
ENGは車両のエンジン、MG1は発電機（オルタネータ）、ACM１はエンジンENGの出力を補助するための３相交流モータである。また、Tireは車輪又は車軸、DCM1はドアミラー、ワイパー、パワーシート等の補機駆動用の直流モータ、BT1はバッテリ、C1はコンデンサ、F2,F3はフィルタ、AC100Vは車両に設けられた交流機器用コンセントである。更に、SW-AC1,SW-AC2は負荷である交流機器用コンセントの切り替え用スイッチである。SW-DU,SW-GU,SW-DV,SW-GV,SW-DW,SW-GWはバッテリBT1及びコンデンサC1の直流電源を交流電源に変換するスイッチであり、バッテリ系マトリックスコンバータスイッチ群２を構成している。
【００３７】
図６は、図５のマトリックスコンバータの動作説明図であり、発電機MG1の電力により３相交流モータACM1を駆動中に余分な電力をバッテリBT1及びコンデンサC1に蓄える状態を示している。
【００３８】
本変形例においては、エンジンENGにより駆動される発電機MG1が３相の電力を発生し、その３相電力をスイッチ群１により所望の交流電圧及び周波数の交流電源に変換して３相交流モータACM1を駆動する。
【００３９】
ここで、３相交流モータACM１は常時、発電機MG1からの電力をフルに必要なわけではないので、スイッチ群１では、図６に示すように所定時間、３相交流モータACM1のPWM制御を行うだけで済む場合がある。
【００４０】
そこで、３相交流モータACM1へのPWM制御13がオフ状態になると、スイッチSW-DU,SW-DVをオン状態にする。そしてスイッチ群１からの電力供給をバッテリBT1及びコンデンサC1側に切り替え、且つ、バッテリBT1及びコンデンサC1に対するPWM制御14を行う。これにより、余分な電力を時分割にてバッテリBT1及びコンデンサC1に蓄えることができる。
【００４１】
また、図６においては、余分な電力を、バッテリBT1及びコンデンサCに蓄える場合であるが、この電力を交流機器用コンセントAC100Vに分配することも可能である。この場合、スイッチ群１は、一定周期ごとに、３相交流負荷と交流機器用コンセントAC100Vに対して、３相交流電源の切り替えとPWM制御とを時分割で同時に行うことになる。
【００４２】
［変形例４（リニアモータへの適用例）］
図９（ａ）は、本実施形態の変形例４のマトリックスコンバータの構成、特に半導体露光装置等に多用されるアクチュエータ（駆動手段）としてのリニアモータへの適用例を示し、図９（ｂ）はリニアモータコイル及びリニアモータマグネットの断面図である。
【００４３】
特に半導体露光装置等に多用されるリニアモータへの適用例を示している。
【００４４】
図７（ａ）は従来のリニアモータの構成を例示し、図７（ｂ）はリニアモータコイル及びリニアモータマグネットの断面図を示している。
【００４５】
図７において、１０は固定子であるリニアモータコイル、１１は可動子であるリニアモータマグネット、１２はコイル切替スイッチである。また、AMP-A,AMP-Bはリニアモータコイル１０へのPWM電流AMP（アンプ）である。
【００４６】
従来のリニアモータは、コイル切替スイッチ１２により、互いに隣接する２組のリニアモータコイル１０に、アンプAMP-A,AMP-Bから所定の電流を通電させて移動磁場を生成し、リニアモータマグネット１１に推力を発生させる。詳細は、例えば、特開平11-341853号公報等に記載されているので、ここでの説明は省略する。
【００４７】
図８（ａ）は、従来のマトリックスコンバータをリニアモータに適用した構成を例示しており、図８（ｂ）はリニアモータコイル及びリニアモータマグネットの断面図を示している。
【００４８】
図８では、図７のリニアモータのアンプAMP-A,AMP-Bをスイッチ群１に置き換えて構成している。図８に示す構成では、隣接する２組のリニアモータコイル１０の電流値を抵抗R1,R2により検出し、それぞれのリニアモータコイル１０に所定の電流が通電されるように、スイッチング制御部Contがスイッチ群１のオン／オフを制御している。
【００４９】
これに対して、図９に示す構成では、隣接する２組のリニアモータコイル１０に、所定の電流を通電させるために、２組のリニアモータコイル１０への給電を時分割で行っている。そのため、スイッチ群１のスイッチ数が１／２になっており、また、電流検出用の抵抗も抵抗Rのみとなっており、回路が簡略化されている。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態のマトリックスコンバータは、複数の交流負荷や直流負荷を駆動する場合に広く適用可能である。
【００５１】
上記実施形態によれば、複数の負荷に対して、マトリックスコンバータを時分割でスイッチング動作させるため、スイッチ群のスイッチ数を最小にすることができる。
【００５２】
また、複数の負荷に対して、マトリックスコンバータから供給する電力の比率を任意に制御できるため、各負荷を最大の効率で駆動可能となる。
【００５３】
［露光装置の説明］
図１４は、図９に示すリニアモータを搭載するステージ装置をウエハステージ及びレチクルステージとして適用した半導体露光装置の概略構成図である。
【００５４】
図１４に示すように、本実施形態の露光装置は、露光光を照射する照明装置５１、レチクル（原版）を保持し相対的に移動させるレチクルステージ５２、投影光学系５３、ウエハ（基板）を保持し相対的に移動させるウエハステージ５４を備える。露光装置は、レチクルに形成された回路パターン像をウエハに投影露光するものであるが、投影露光方式は、ステップアンドリピート式やステップアンドスキャン式が適用できる。
【００５５】
照明装置５１は、回路パターンが形成されたレチクルを照明し、光源部と照明光学系とを有する。光源部は、例えば、光源としてレーザを使用する。レーザは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長約１５３ｎｍのＦ2エキシマレーザなどを使用することができるが、レーザの種類はエキシマレーザに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザを使用してもよい。また、そのレーザの個数も限定されない。光源にレーザが使用される場合、レーザ光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザ光束をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。また、光源部に使用可能な光源はレーザに限定されるものではなく、一又は複数の水銀ランプやキセノンランプなどのランプも使用可能である。照明光学系はレチクルを照明する光学系であり、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、絞り等を含む。
【００５６】
投影光学系５３は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも１枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）等を使用することができる。他に、複数のレンズ素子と少なくとも１枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系、全ミラー型の光学系等を使用することができる。
【００５７】
このような露光装置は、半導体集積回路等の半導体デバイスや、マイクロマシン、薄膜磁気ヘッド等の微細なパターンが形成されたデバイスの製造に利用され得る。
【００５８】
［デバイス製造方法］
次に、上述した露光装置を利用したデバイス製造方法の実施形態を説明する。
【００５９】
図１５は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。Ｓ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。Ｓ２（レチクル製作）では設計した回路パターンに基づいてレチクルを作製する。一方、Ｓ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。Ｓ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記レチクルとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィー技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のＳ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、Ｓ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。Ｓ６（検査）ではＳ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（Ｓ７）される。
【００６０】
図１６は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。Ｓ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。Ｓ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。Ｓ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。Ｓ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。Ｓ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。Ｓ１６（露光）では上記説明した露光装置によって回路パターンをウエハに焼付露光する。Ｓ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る加工を行う。Ｓ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る実施形態のマトリックスコンバータの構成を例示する図である。
【図２】本実施形態のマトリックスコンバータの動作説明図である。
【図３】本実施形態の変形例１のマトリックスコンバータの構成を例示する図である。
【図４】本実施形態の変形例２のマトリックスコンバータの構成を例示する図である。
【図５】本実施形態の変形例３のマトリックスコンバータの構成を例示する図である。
【図６】本実施形態の変形例３のマトリックスコンバータの動作説明図である。
【図７】従来のリニアモータの構成図である。
【図８】リニアモータに従来のマトリックスコンバータを適用した構成を例示する図である。
【図９】リニアモータに本実施形態のマトリックスコンバータを適用した構成を例示する図である。
【図１０】従来のマトリックスコンバータの構成図である。
【図１１】３相交流電源の説明図である。
【図１２】従来のマトリックスコンバータのスイッチング動作説明図である。
【図１３】従来のマトリックスコンバータの出力電圧の説明図である。
【図１４】本実施形態の露光装置の概略構成図である。
【図１５】デバイス製造方法を示す図である。
【図１６】ウエハプロセスを示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  マトリックスコンバータスイッチ群
２  バッテリ系マトリックスコンバータスイッチ群
R,S,T  ３相交流電源
ACM1,ACM2  ３相交流モータ
DCM1 直流モータ
HT ヒータ
ENG  エンジン
MG1  発電機
Tire  車輪
BT1  バッテリ
C1  コンデンサ
F2  フィルタ
AC100V  コンセント
１０  リニアモータコイル
１１  リニアモータマグネット
１２  コイル切替スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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