(57)【要約】【課題】プラズマ（負荷）インピーダンスを高精度で測定することができるインピーダンス測定装置を提供する。【解決手段】インピーダンス整合器１は、複数の可変コンデンサ１ａと、自己の等価回路の回路形及び回路定数のデータを格納した不揮発性メモリ２を備える。インピーダンス測定装置は、インピーダンス整合器１と、高周波電源９及びインピーダンス整合器の入力端３の間に配置され、入力端から見て負荷１０側の回路のインピーダンスを入力インピーダンスとして検出する入力インピーダンス検出手段１２と、可変コンデンサの容量を検出する容量検出手段１１と、不揮発性メモリから読み出したデータと、入力インピーダンスの検出値と、可変コンデンサの容量の検出値とから、負荷のインピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出手段１３とを備える。【選択図】図５
2011089873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可変インピーダンス素子を有し、高周波電源と、前記高周波電源から電力供給を受ける負荷との間に接続されるインピーダンス整合器であって、
自己の等価回路の回路形及び回路定数のデータを格納した不揮発性メモリを備えたことを特徴とするインピーダンス整合器。
【請求項２】
請求項１に記載のインピーダンス整合器を備え、高周波電源から電力供給を受ける負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記高周波電源及び前記インピーダンス整合器の入力端の間に配置され、前記入力端から見て前記負荷側の回路のインピーダンスを入力インピーダンスとして検出する入力インピーダンス検出手段と、
前記可変インピーダンス素子の特性値を検出する素子特性値検出手段と、
前記不揮発性メモリから読み出した前記データと、前記入力インピーダンスの検出値と、前記可変インピーダンス素子の特性値の検出値とから、前記負荷のインピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出手段と、を備えたことを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項３】
前記入力インピーダンス検出手段は、
前記高周波電源と前記インピーダンス整合器の前記入力端とを接続する伝送線路と、
前記伝送線路に第１の線路結合器を介して分岐接続され、前記高周波電源から前記入力端に入射する進行波の電流を検出する進行波電流検出手段と、
前記伝送線路に第２の線路結合器を介して分岐接続され、前記進行波の電圧と、前記入力端からの反射波の電圧との合成電圧を検出する電圧検出手段と、
前記進行波電流検出手段によって検出された進行波電流値Ｉｆ、及び前記電圧検出手段によって検出された電圧値Ｖを用いて、
【数１】
2011089873.tif 000033
ここで、
【数２】
2011089873.tif 000034
であり、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、
に従って決定したＺを、前記入力インピーダンスの検出値として出力する入力インピーダンス算出手段と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記第１の線路結合器は方向性結合器からなっていることを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項５】
前記入力インピーダンス検出手段は、
前記高周波電源と前記インピーダンス整合器の前記入力端とを接続する伝送線路と、
前記伝送線路の途中に接続された方向性結合器と、
前記方向性結合器に接続され、前記高周波電源から前記入力端に入射する進行波の電流を検出する進行波電流検出手段と、
前記方向性結合器に接続され、前記進行波の電圧と、前記入力端からの反射波の電圧との合成電圧を検出する電圧検出手段と、
前記進行波電流検出手段によって検出された進行波電流値Ｉｆ、及び前記電圧検出手段によって検出された電圧値Ｖを用いて、
【数３】
2011089873.tif 000035
ここで、
【数４】
2011089873.tif 000036
であり、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、
に従って決定したＺを、前記入力インピーダンスの検出値として出力する入力インピーダンス算出手段と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項６】
前記不揮発性メモリには、さらに、前記可変インピーダンス素子の定格電流及び定格電圧のデータが格納され、さらに、
前記進行波電流検出手段によって検出された進行波電流値Ｉｆを用いて、
【数５】
2011089873.tif 000037
ここで、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、
に従って決定したＰｆを、進行波電力の検出値として出力する進行波電力算出手段と、
前記進行波電力の検出値と、前記入力インピーダンスの検出値と、前記不揮発性メモリから読み出した前記データと、前記可変インピーダンス素子の特性値の検出値とに基づき、前記インピーダンス整合器を構成する前記可変インピーダンス素子のそれぞれを流れる電流及び前記可変インピーダンス素子のそれぞれに印加される電圧を算出し、前記電流及び電圧の算出値が、それぞれ、対応する前記可変インピーダンス素子の定格電流及び定格電圧を超えた場合に、アラーム信号を発生するアラーム発生手段と、を備えたことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載のインピーダンス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の可変インピーダンス素子を有し、高周波電源と高周波電源から電力供給を受ける負荷との間に接続されるインピーダンス整合器、及び当該インピーダンス整合器を備え、高周波電源から電力供給を受ける負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程や液晶ディスプレイ製造工程等においては、エッチング、薄膜形成及びスパッタリング等のプラズマ処理を行うためにプラズマ処理装置が使用される。この種のプラズマ処理装置は、高周波電源から高周波電力の供給を受け、高周波によるプラズマをプラズマチャンバ内に発生させて、被処理物を処理するようになっている。
【０００３】
これらのプラズマ処理装置においては、プラズマチャンバーの処理条件（チャンバの高周波特性やプラズマ状態等）が、処理対象物の種類や形状、処理ガスの種類、ガス圧やガス温度、チャンバ構造及び供給電力等の影響を受けて時々刻々と変化する。したがって、プラズマ処理を安定に行うためには、プラズマチャンバの処理条件を一定に維持することが非常に重要である。
【０００４】
このため、従来技術においては、プラズマインピーダンスを測定し、その測定値からプラズマ処理に必要な情報を取出し、それをフィードバックすることによってプラズマチャンバの処理条件を最適化することがなされている。
【０００５】
この場合、例えば、プラズマチャンバの入力端において、プラズマインピーダンスを直接測定することが考えられる。この方法によれば、プラズマに印加されている電圧及び電流を測定しなければならないが、この場合の電圧値及び電流値は大きく変動するので、測定可能範囲を予め限定して測定装置を設計することが難しい。したがって、測定装置が複雑かつ大掛かりなものになり、高価なものになってしまう。
【０００６】
そこで、高周波電源とプラズマ処理装置（プラズマ負荷）との間にインピーダンス自動整合器を挿入しておき、インピーダンス自動整合器の入力端に、高周波電流の絶対値を検出する入力電流検出手段と、高周波電圧の絶対値を検出する入力電圧検出手段と、高周波電流と高周波電圧との位相差を検出する位相差検出手段とを設け、さらに、該入力端における、高周波電流の絶対値と、高周波電圧の絶対値と、高周波電流及び高周波電圧の位相差とから、該入力端からプラズマ負荷側の回路のインピーダンスを入力インピーダンスとして演算する入力インピーダンス演算手段と、インピーダンス自動整合器の該入力端及び出力端間の回路定数と、入力インピーダンスとから、インピーダンス自動整合器の出力端からプラズマ負荷側の回路のインピーダンスを負荷回路側インピーダンスとして演算する負荷回路側インピーダンス演算手段とを設けたインピーダンス測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
そして、このインピーダンス測定装置によれば、高周波電源及びプラズマ負荷間においてインピーダンスの整合をとりつつ、プラズマに印加されている電圧値及び電流値を測定するので、測定可能範囲を予め限定して装置設計をすることができるので、装置の構造を簡素化し、コストの低減を図ることができる。
【０００８】
しかしながら、この従来のインピーダンス測定装置においては、インピーダンス自動整合器が有する寄生容量、寄生インダクタンス及び寄生抵抗が無視されており、その結果、負荷回路側インピーダンス演算手段の演算精度があまり良くなく、高精度でインピーダンスの測定を行うことができないという問題を生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−３６８７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の課題は、プラズマ（負荷）インピーダンスを高精度で測定することができるインピーダンス測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は、複数の可変インピーダンス素子を有し、高周波電源と、前記高周波電源から電力供給を受ける負荷との間に接続されるインピーダンス整合器であって、自己の等価回路の回路形及び回路定数のデータを格納した不揮発性メモリを備えたことを特徴とするインピーダンス整合器を構成したものである。
【００１２】
また、本発明は、上記のインピーダンス整合器を備え、高周波電源から電力供給を受ける負荷のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、前記高周波電源及び前記インピーダンス整合器の入力端の間に配置され、前記入力端から見て前記負荷側の回路のインピーダンスを入力インピーダンスとして検出する入力インピーダンス検出手段と、前記可変インピーダンス素子の特性値を検出する素子特性値検出手段と、前記不揮発性メモリから読み出した前記データと、前記入力インピーダンスの検出値と、前記可変インピーダンス素子の特性値の検出値とから、前記負荷のインピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出手段と、を備えたことを特徴とするインピーダンス測定装置を構成したものである。
【００１３】
本発明の好ましい実施例によれば、上記のインピーダンス測定装置において、前記入力インピーダンス検出手段は、前記高周波電源と前記インピーダンス整合器の前記入力端とを接続する伝送線路と、前記伝送線路に第１の線路結合器を介して分岐接続され、前記高周波電源から前記入力端に入射する進行波の電流を検出する進行波電流検出手段と、前記伝送線路に第２の線路結合器を介して分岐接続され、前記進行波の電圧と、前記入力端からの反射波の電圧との合成電圧を検出する電圧検出手段と、前記進行波電流検出手段によって検出された進行波電流値Ｉｆ、及び前記電圧検出手段によって検出された電圧値Ｖを用いて、
【数１】
2011089873.tif 000003
ここで、
【数２】
2011089873.tif 000004
であり、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、
に従って決定したＺを、前記入力インピーダンスの検出値として出力する入力インピーダンス算出手段と、を備えている。
【００１４】
この構成において、さらに好ましくは、前記第１の線路結合器は方向性結合器からなっている。
【００１５】
本発明の別の好ましい実施例によれば、上記インピーダンス測定装置において、前記入力インピーダンス検出手段は、前記高周波電源と前記インピーダンス整合器の前記入力端とを接続する伝送線路と、前記伝送線路の途中に接続された方向性結合器と、前記方向性結合器に接続され、前記高周波電源から前記入力端に入射する進行波の電流を検出する進行波電流検出手段と、前記方向性結合器に接続され、前記進行波の電圧と、前記入力端からの反射波の電圧との合成電圧を検出する電圧検出手段と、前記進行波電流検出手段によって検出された進行波電流値Ｉｆ、及び前記電圧検出手段によって検出された電圧値Ｖを用いて、
【数３】
2011089873.tif 000005
ここで、
【数４】
2011089873.tif 000006
であり、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、に従って決定したＺを、前記入力インピーダンスの検出値として出力する入力インピーダンス算出手段と、を備えている。
【００１６】
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記不揮発性メモリには、さらに、前記可変インピーダンス素子の定格電流及び定格電圧のデータが格納され、上記インピーダンス測定装置は、さらに、前記進行波電流検出手段によって検出された進行波電流値Ｉｆを用いて、
【数５】
2011089873.tif 000007
ここで、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、に従って決定したＰｆを、進行波電力の検出値として出力する進行波電力算出手段と、前記進行波電力の検出値と、前記入力インピーダンスの検出値と、前記不揮発性メモリから読み出した前記データとに基づき、前記インピーダンス整合器を構成する前記可変インピーダンス素子のそれぞれを流れる電流及び前記可変インピーダンス素子のそれぞれに印加される電圧を算出し、前記電流及び電圧の算出値が、それぞれ、対応する前記可変インピーダンス素子の定格電流及び定格電圧を超えた場合に、アラーム信号を発生するアラーム発生手段と、を備えている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、インピーダンス整合器の不揮発性メモリに当該インピーダンス整合器の等価回路の回路形及び回路定数のデータを予め格納しておき、必要に応じてそれらのデータを読み出して用いることができる。そして、本発明によるインピーダンス整合器を負荷インピーダンス測定装置やインピーダンス自動整合装置等に組み込み、インピーダンスを算出する際に、その都度、不揮発性メモリから読み出したデータを用いることによって、インピーダンスの測定を高精度で行い、また、高精度でインピーダンスの整合をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の１実施例によるインピーダンス整合器の回路図である。
【図２】図１のインピーダンス整合器の等価回路の一例を示す回路図である。
【図３】等価回路の回路定数を決定する際の装置構成の一例を示すブロック図である。
【図４】図３の装置構成において取得されたインピーダンス・スミスチャートであり、（Ａ）は、測定値と、図２の等価回路を考慮した場合の計算値とをプロットしたものであり、（Ｂ）は、測定値と、等価回路を考慮しない場合の計算値とをプロットものである。
【図５】図１のインピーダンス整合器を備えたインピーダンス測定装置の一例の構成を示すブロック図である。
【図６】図５のインピーダンス測定装置の入力インピーダンス検出手段の一例の構成を示すブロック図である。
【図７】図６のインピーダンス検出手段の第１の線路結合器の一例を示す回路図である。
【図８】図６のインピーダンス検出手段の第２の線路結合器の一例を示す回路図である。
【図９】Ｓ＝Ｖ／Ｉｆの範囲を示すグラフである。
【図１０】図５のインピーダンス測定装置の入力インピーダンス検出手段の別の例の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１のインピーダンス整合器を備えたインピーダンス測定装置の一例の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の１実施例によるインピーダンス整合器の回路図である。図１に示すように、本発明によるインピーダンス整合器１は、インダクタンスが一定のコイルＬ１及びＬ２と、可変インピーダンス素子として、第１の可変コンデンサＶＣ１及び第２の可変コンデンサＶＣ２と、を有している。この実施例では、可変インピーダンス素子として可変コンデンサが使用されるが、可変コンデンサに代えて可変インダクタ（可変コイル）を使用することもでき、また、可変コンデンサと可変インダクタを組み合わせて使用することもできる。
【００２０】
インピーダンス整合器１は、さらに、自己の等価回路の回路形及び回路定数のデータが格納された不揮発性メモリ２を有している。
インピーダンス整合器１の等価回路の回路形は、インピーダンス整合器１を構成する各回路素子を収容する筐体の内部空間の形状及び寸法、並びに、インピーダンス整合器１を構成する各回路素子の筐体の壁面に対する位置関係等の幾何学的構成に基づいて、適当に決定される。
【００２１】
等価回路が決定された後、等価回路の回路定数が次のようにして求められる。
図１のインピーダンス整合器１の等価回路として、例えば、図２に示すような等価回路が決定されたものとする。
そして、図３に示すように、インピーダンス整合器１の入力端子３（ＲＦＩＮ端子）に既知の負荷（この実施例では、５０Ωの負荷）が接続され、出力端子４（ＲＦＯＵＴ端子）には公知のネットワーク・アナライザが接続される。また、インピーダンス整合器１の第１及び第２の可変コンデンサＶＣ１及びＶＣ２の回転軸に、それぞれ、極板位置検出手段６として、ロータリー・エンコーダ又はポテンショ・メータが取り付けられる。さらに、極板位置検出手段６及びネットワーク・アナライザには、データ計算のためのパソコン８が接続される。
【００２２】
そして、第１及び第２の可変コンデンサＶＣ１及びＶＣ２のそれぞれの極板位置が独立に動かされつつ、ネットワーク・アナライザによってインピーダンスが測定される。なお、明瞭にするため、図３中、第１及び第２の可変コンデンサＶＣ１及びＶＣ２を、可変コンデンサ１ａとして一括表示した。
このとき、第１の可変コンデンサＶＣ１の極板位置がｐ１であり、かつ可変コンデンサＶＣ２の極板位置がｐ２である時のインピーダンス測定値は、次式で表されるものとする。
【数６】
2011089873.tif 000008
【００２３】
また、図２の等価回路の出力端子（ＲＦＯＵＴ端子）側から見たインピーダンスが計算される。すなわち、まず、第１の可変コンデンサＶＣ１の容量Ｃ１は、極板位置ｐ１に比例するから、極板位置が最小の時の容量ｍｉｎＣ１と、極板位置が最大の時の容量ｍａｘＣ１がわかれば、極板位置がｐ１の時の第１の可変コンデンサＶＣ１の容量Ｃ１は、次式によって計算される。
【数７】
2011089873.tif 000009
【００２４】
同様に、極板位置がｐ２の時の第２の可変コンデンサＶＣ２の容量Ｃ２は、次式によって計算される。
【数８】
2011089873.tif 000010
【００２５】
こうして、図２の等価回路において、出力端子（ＦＲＯＵＴ）側から見たインピーダンスが、次式によって計算される。
【数９】
2011089873.tif 000011
【００２６】
そして、計算値Ｚｃａｌｃと、測定値Ｚｍｅａｓｕｒｅｄとの誤差の絶対値の二乗和
【数１０】
2011089873.tif 000012
が最小となるように、等価回路の回路定数Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５が決定される。
【００２７】
このとき、次の一連の手順が実行される。
（ステップ１）：適当にＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５のそれぞれの初期値を決定する。
（ステップ２）：誤差Ｅｒｒを計算する。
（ステップ３）：変化量δＬ０、δＬ１、δＬ２、δＬ３、δｍｉｎＣ１、δｍａｘＣ１、δｍｉｎＣ２、δｍａｘＣ２、δＣ３、δＣ４、δＣ５を、それぞれ適当に決定する。この変化量の決定には、最急降下法やLevenberg-Marquardt法などの公知の方法を用いることができる。
（ステップ４）：現在のＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５に、変化量δＬ０、δＬ１、δＬ２、δＬ３、δｍｉｎＣ１、δｍａｘＣ１、δｍｉｎＣ２、δｍａｘＣ２、δＣ３、δＣ４、δＣ５をそれぞれ加算し、誤差Ｅｒｒを計算する。
（ステップ５）：誤差Ｅｒｒが減少した場合には、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５に変化量δＬ０、δＬ１、δＬ２、δＬ３、δｍｉｎＣ１、δｍａｘＣ１、δｍｉｎＣ２、δｍａｘＣ２、δＣ３、δＣ４、δＣ５をそれぞれ加算したものを新たなＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５として、ステップ３以後のステップを繰り返す。
（ステップ６）：誤差Ｅｒｒが増加した場合には、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５から変化量δＬ０、δＬ１、δＬ２、δＬ３、δｍｉｎＣ１、δｍａｘＣ１、δｍｉｎＣ２、δｍａｘＣ２、δＣ３、δＣ４、δＣ５をそれぞれ減算したものを新たなＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｍｉｎＣ１、ｍａｘＣ１、ｍｉｎＣ２、ｍａｘＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５として、ステップ３以後のステップを繰り返す。
（ステップ７）：誤差Ｅｒｒが十分に小さくなったところで、一連のステップを終了し、回路定数を決定する。
【００２８】
上記の計算は、すべて、パソコン８において実行される。
さらに、決定された回路定数が妥当であるか否かを判定するため、それらの回路定数を用いて、上記（４）式に従ってインピーダンスが計算されるとともに、それらの計算値と、図３の装置構成で得られたインピーダンスの測定値が、インピーダンス・スミスチャート上にプロットされ、計算値と測定値の一致の程度が確認される。
図４（Ａ）には、上記実施例の場合のスミスチャートを示した。また、比較のために、図４（Ｂ）には、等価回路を考慮しない場合の、インピーダンスの計算値と測定値とをプロットしたスミスチャートを示した。図４（Ａ）から、計算値と測定値とはほぼ一致しており、計算誤差はかなり小さいことがわかる。
【００２９】
こうして求められた等価回路の回路定数のデータは、当該等価回路の回路形のデータとともに不揮発性メモリ２に格納される。不揮発性メモリ２としては、公知のマスクＲＯＭや、ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ）等が使用可能であり、回路定数及び回路形のデータが、専用のライターを用いて不揮発性メモリに書き込まれることによって、データの格納がなされる。
【００３０】
等価回路の回路形のデータの不揮発性メモリへの格納は、等価回路を文字列として表し、この文字列のデータを不揮発性メモリに書き込むことによってなされる。回路を文字列として表す方法を例示すると、次のようになる。
回路素子ＡとＢが直列接続されている状態を、Ｓ（Ａ，Ｂ）と表し、並列接続されている状態を、Ｐ（Ａ，Ｂ）と表す。
そうすると、例えば、図２に示した等価回路は、その出力端に負荷Ｚｃを接続した場合に、
Ｓ（Ｌ０，Ｐ（Ｓ（Ｌ１，ＶＣ１），Ｓ（Ｌ２，Ｐ（Ｃ３，
Ｓ（ＶＣ２，Ｐ（Ｃ４，Ｓ（Ｌ３，Ｐ（Ｃ５，Ｚｃ））））））））
と表される。
【００３１】
上記実施例では、等価回路の回路定数を決定する際に、インピーダンス整合器の出力端子側にネットワーク・アナライザを接続し、入力端子側に既知の負荷を接続したが、これとは逆に、ネットワーク・アナライザをインピーダンス整合器の入力端子側に接続し、既知の負荷を出力端子側に接続してもよい。
【００３２】
こうして、本発明によれば、インピーダンス整合器の不揮発性メモリに、当該インピーダンス整合器の等価回路の回路形及び回路定数のデータを予め格納しておき、必要に応じてそれらのデータを読み出して用いることができる。そして、本発明によるインピーダンス整合器を負荷インピーダンス測定装置やインピーダンス自動整合装置等に組み込んでおけば、インピーダンスを算出する際にそれらのデータを用いることによって、インピーダンスの測定やインピーダンスの整合を高精度で行うことができる。
【００３３】
図５は、図１のインピーダンス整合器を備えたインピーダンス測定装置の一例の構成を示すブロック図である。図５において、１は、図１のインピーダンス整合器であり、高周波電源９と、高周波電源９から電力供給を受ける負荷１０との間に接続される。
なお、図５中のインピーダンス整合器１を表すブロックにおいて、第１及び第２の可変コンデンサＶＣ１及びＶＣ２を、可変コンデンサ１ａとして一括表示してある。また、この実施例では、インピーダンス整合器１の不揮発性メモリ２には、インピーダンス整合器１の等価回路の回路形及び回路定数のデータに加えて、可変コンデンサ（可変インピーダンス素子）の定格電流及び定格電圧のデータが格納されている。
【００３４】
また、本発明によれば、インピーダンス整合器１の可変インピーダンス素子の特性値を検出する素子特性値検出手段が備えられる。この実施例では、可変インピーダンス素子が可変コンデンサ１ａからなっているので、素子特性値検出手段は、可変コンデンサ１ａの特性値である容量を検出する容量検出手段１１からなっている。
【００３５】
さらに、高周波電源９及びインピーダンス整合器１の入力端子３の間には、入力端子３から見て負荷１０側の回路のインピーダンスを入力インピーダンスとして検出する入力インピーダンス検出手段１２が配置される。
【００３６】
図６は、図５のインピーダンス測定装置の入力インピーダンス検出手段１２の一例の構成を示すブロック図である。図６を参照して、入力インピーダンス検出手段１２は、高周波電源とインピーダンス整合器の入力端子とを接続する伝送線路１４を備えている。
伝送線路１４には、進行波電流検出手段１７が、第１の線路結合器１５を介して分岐接続され、高周波電源からインピーダンス整合器の入力端子に入射する進行波の電流を検出する。また、伝送線路１４には、電圧検出手段１８が、第２の線路結合器１６を介して分岐接続され、進行波の電圧と、インピーダンス整合器の入力端子からの反射波の電圧との合成電圧を検出する。
【００３７】
図７には、第１の線路結合器１５の回路図の一例を示した。図７の例では、第１の線路結合器１５は方向性結合器からなっている。図７において、１４は伝送線路であり、１５ａはトロイダルコアであり、１５ｂはコイルである。このコイル１５ｂには、抵抗１５ｃが並列接続される（点ａ及び点ｂ）。また、伝送線路１４から分岐し、接地された分岐線路に、２個のコンデンサ１５ｄ、１５ｅが直列に配置され、２個のコンデンサ１５ｄ、１５ｅ間の点ｃと、点ｂとが接続される。
【００３８】
この回路において、進行波の電流及び電圧をそれぞれＩｆ、Ｖｆ、反射波の電流及び電圧をＩｒ、Ｖｒとすると、ｃ点の電圧Ｖｃは、伝送線路１４の電圧Ｖｆ＋Ｖｒをコンデンサ１５ｄ、１５ｅで分圧したものであるから、
Ｖｃ＝α（Ｖｆ＋Ｖｒ）
と表される。ここで、αは、分圧に用いる２個のコンデンサ１５ｄ、１５ｅの容量によって決まる定数である。
【００３９】
一方、ａｂ間には、カレント・トランスにより伝送線路１４上の電流Ｉｆ−Ｉｒに比例した起電力Ｖａｂが発生する（反射波の電流は、向きが逆であるので−の符号を付した）。すなわち、
Ｖａｂ＝β（Ｉｆ−Ｉｒ）
となる。ここで、βは用いるコア材の比透磁率やコイルの巻き数によって決まる定数である。
したがって、ａ点の電圧Ｖａは、次のように表される。
Ｖａ＝Ｖｃ＋Ｖａｂ＝α（Ｖｆ＋Ｖｒ）＋β（Ｉｆ−Ｉｒ）
＝（αＶｆ＋βＩｆ）＋（αＶｒ−βＩｒ）
【００４０】
そこで、コンデンサの容量を調節する等して、
αＶｒ−βＩｒ＝０
となるようにしておけば、
Ｖａ＝αＶｆ＋βＩｆ＝（αＺ０＋β）Ｉｆ
となって、ａ点において、進行波の成分だけを取り出すことができる。
【００４１】
図８には、第２の線路結合器１６の回路図の一例を示した。図８において、１４は伝送線路であり、伝送線路１４から分岐し、接地された分岐線路に、２個のコンデンサ１６ａ、１６ｂが直列に配置される。そして、２個のコンデンサ１６ａ、１６ｂの中間から電圧Ｖが取り出されるようになっている。
【００４２】
進行波電流検出手段１７によって検出された進行波電流値Ｉｆ、及び電圧検出手段１８によって検出された電圧値Ｖは入力インピーダンス算出手段１９に入力される。入力インピーダンス算出手段１９は、
【数１１】
2011089873.tif 000013
ここで、
【数１２】
2011089873.tif 000014
であり、Ｚ０は伝送線路２の特性インピーダンスである、
に従って決定したＺを、入力インピーダンスの検出値として出力する。
【００４３】
上記（６）式の証明は次のとおりである。
今、進行波の電圧をＶｆ、反射波の電圧をＶｒとすると、
【数１３】
2011089873.tif 000015
が成立する。
【００４４】
反射係数をΓとすると、Ｖｒ＝ΓＶｆだから、（８）式から、
【数１４】
2011089873.tif 000016
が得られる。
一方、伝送線路の特性インピーダンスをＺ０とすると、
【数１５】
2011089873.tif 000017
【数１６】
2011089873.tif 000018
が成立するので、
【００４５】
【数１７】
2011089873.tif 000019
となる。これをＺについて解けば、上記（６）式が得られる。
【００４６】
Ｓを求めるためには、電圧信号と進行波の電流信号の振幅比Ａｆ＝Ｖ／Ｉｆと位相差θｆを求める必要がある。このとき、（６）式においてインピーダンスＺの実部を整理すると次のようになる。
【数１８】
2011089873.tif 000020
したがって、インピーダンスＺの実部が正であれば、
【数１９】
2011089873.tif 000021
が成立する。ここで、特性インピーダンスＺ０の実部も正であると仮定していることに留意されたい（通常、この仮定は満たされている）。
【００４７】
（１４）式から、Ｓは、図９に示すように、複素平面上において、中心が
【数２０】
2011089873.tif 000022
で、半径が、
【数２１】
2011089873.tif 000023
の円内にあることがわかる。
【００４８】
したがって、Ｓの絶対値（振幅比Ａｆ）は、
【数２２】
2011089873.tif 000024
以下の有限値となる。すなわち、測定に適する範囲を特に限定することなく、高精度で振幅比Ａｆを測定することができる。また、この円は、原点を通ることから、位相差θｆは±π／２の範囲内にある。したがって、例えば、公知の簡単な回路を用いて電圧信号の位相差をπ／２だけ進ませておけば、位相差θｆは０〜πの範囲内の値をとり、それによって、回路構成が簡単で、雑音が少ない乗算器型の位相比較器を用いて位相差θｆの測定が行える。そして、この測定値からπ／２を引き算することによって、位相差θｆの値を求めることができる。
【００４９】
図１０は、入力インピーダンス検出手段の別の例の構成を示すブロック図である。この実施例は、図６に示した実施例と、進行波電流検出手段１７及び電圧検出手段１８の伝送線路１４に対する分岐接続の構成が異なっているだけである。したがって、図１０中、図６に示したものと同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
【００５０】
図１０の実施例では、進行波電流検出手段１７及び電圧検出手段１８が、単一の方向性結合器２０を介して伝送線路１４に分岐接続される。この場合、方向性結合器２０の構成は、図７に示したものと基本的に同じであり、進行波電流は、図７の場合と同様にして検出される。一方、電圧は、図７の点ｃから取り出されるようになっている。
この実施例は、１００ＭＨｚ以下の周波数領域で測定を行う場合であって、カレント・トランスを測定に用いることができる場合に適用可能である。
【００５１】
本発明によれば、さらに、不揮発性メモリ２から読み出したデータ（等価回路の回路形及び回路定数のデータ）と、入力インピーダンスの検出値と、可変インピーダンス素子の特性値の検出値（この実施例では、可変コンデンサ１ａの容量の検出値）とから、負荷１０のインピーダンスを算出する負荷インピーダンス算出手段１３が備えられる。
この実施例では、負荷インピーダンス算出手段１３は、不揮発性メモリ２から読み出したデータＬ０〜Ｌ３及びＣ３〜Ｃ５と、入力インピーダンスの検出値Ｚｍと、第１及び第２の可変コンデンサＶＣ１及びＶＣ２の容量の検出値Ｃ１及びＣ２とから、負荷インピーダンスＺｃを、
【数２３】
2011089873.tif 000025
によって算出する。
【００５２】
図１１は、図１のインピーダンス整合器を備えたインピーダンス測定装置の別の例の構成を示すブロック図である。この実施例は、図５の実施例に、可変インピーダンス素子への過電流又は過電圧の適用を防止するアラーム発生機構が付加されたものである。したがって、図１１中、図５に示したものと同一の構成要素には同一番号を付して説明を省略する。
【００５３】
図１１を参照して、この実施例によれば、不揮発性メモリ２には、インピーダンス整合器１の等価回路の回路形及び回路定数のデータに加えて、可変インピーダンス素子（可変コンデンサ１ａ)の定格電流及び定格電圧のデータが格納される。
また、入力インピーダンス検出手段１２の進行波電流検出手段１７によって検出された進行波電流値Ｉｆを用いて、
【数２４】
2011089873.tif 000026
ここで、Ｚ０は前記伝送線路の特性インピーダンスである、
に従って決定したＰｆを、進行波電力の検出値として出力する進行波電力算出手段２１が備えられる。
【００５４】
さらに、進行波電力の検出値と、入力インピーダンスの検出値と、不揮発性メモリ２から読み出したデータと、可変インピーダンス素子の特性値の検出値（可変コンデンサ１ａの容量の検出値）とに基づき、インピーダンス整合器１を構成する可変インピーダンス素子（可変コンデンサ１ａ）のそれぞれを流れる電流及び可変インピーダンス素子（可変コンデンサ１ａ）のそれぞれに印加される電圧を算出し、電流及び電圧の算出値が、それぞれ、対応する可変インピーダンス素子（可変コンデンサ１ａ）の定格電流及び定格電圧を超えた場合に、アラーム信号を発生するアラーム発生手段２２が備えられる。
【００５５】
アラーム発生手段２２の動作方法は、図１１の回路構成においてインピーダンスの整合がとれているとして、インピーダンス整合器１の第１の可変コンデンサＶＣ１について考えると次のようになる。
すなわち、アラーム発生手段２２は、第１の可変コンデンサＶＣ１を流れる電流Ｉ１及び第１の可変コンデンサＶＣ１に印加される電圧Ｖ１を、それぞれ、
【００５６】
【数２５】
2011089873.tif 000027
によって求め、これらの値のいずれかが、可変コンデンサＶＣ１の定格値を超えたときに、アラーム信号を発生する。
そして、このアラーム信号に基づいて、例えば、警報ブザーが動作し、あるいは警告ランプが点滅することによって、オペレータに警告が発せられる。それによって、可変コンデンサが破壊されることが防止される。
【００５７】
なお、上記（２０）式及び（２１）式の証明は、次のとおりである。
図２において、入力端子３から負荷側を見た時のインピーダンスをＺｍ、入力端子３における電圧及び電流をそれぞれＶｍ及びＩｍとし、可変コンデンサＶＣ１の容量をＣ１とする。また、Ｌ０、Ｌ１及びＬ２のが相互に接続する接続点での電圧をＶａとし、Ｌ１及びＣ１を流れる電流をＩ１とする。このとき、オームの法則によって、
【数２６】
2011089873.tif 000028
が成立する。式（２２）〜（２４）を電流Ｉ１について解くと、
【００５８】
【数２７】
2011089873.tif 000029
となる。また、可変コンデンサＶＣ１に印加される電圧Ｖ１は、
【数２８】
2011089873.tif 000030
となる。
【００５９】
一方、電力Ｐと電流Ｉｍ及び電圧Ｖｍとの間には次式が成立する。
【数２９】
2011089873.tif 000031
インピーダンスの整合がとれている場合には、Ｚｍ＝Ｚ０であるから、
【数３０】
2011089873.tif 000032
となる。（２８）式を用いて、可変コンデンサＶＣ１を流れる電流と、可変コンデンサＶＣ１に印加される電圧の最大値を求めると、（２０）式及び（２１）式となる。
【符号の説明】
【００６０】
１  インピーダンス整合器
１ａ  可変コンデンサ
２  不揮発性メモリ
３  入力端子
４  出力端子
５  負荷
６  極板位置検出手段
７  ネットワーク・アナライザ
８  ＰＣ
９  高周波電源
１０  負荷
１１  容量検出手段
１２  入力インピーダンス検出手段
１３  負荷インピーダンス算出手段
１４  伝送線路
１５  第１の線路結合器
１５ａ  トロイダルコイル
１５ｂ  コイル
１５ｃ  抵抗
１５ｄ、１５ｅ  コンデンサ
１６  第２の線路結合器
１６ａ、１６ｂ  コンデンサ
１７  進行波電流検出手段
１８  電圧検出手段
１９  入力インピーダンス算出手段
２０  方向性結合器
２１  進行波電力算出手段
２２  アラーム発生手段
【図１】
2011089873.tif 000038
【図２】
2011089873.tif 000039
【図３】
2011089873.tif 000040
【図４】
2011089873.tif 000041
【図５】
2011089873.tif 000042
【図６】
2011089873.tif 000043
【図７】
2011089873.tif 000044
【図８】
2011089873.tif 000045
【図９】
2011089873.tif 000046
【図１０】
2011089873.tif 000047
【図１１】
2011089873.tif 000048