(57)【要約】【課題】第１の課題は、構成簡単にして正確に出力インピーダンスの非５０Ωの負荷側、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置側のインピーダンスを求めることにあり、第２の課題はこのようにして求めたインピーダンスに基づき、モニター等のインピーダンス整合にかかわる諸制御を行うことができる装置を提供することにある。【解決手段】出力インピーダンス５０Ωの高周波電源とこの高周波電源と出力インピーダンスの非５０Ωの負荷との間にインピーダンス整合装置が設けられ、さらにこの高周波電源のとインピーダンス整合装置間にセンサーが設けられ、このセンサーにおいて、高周波電源の電圧Ｖ（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流Ｉｆの比である擬インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求める。【選択図】図２
2008157906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力インピーダンス５０Ωの高周波電源とこの高周波電源とインピーダンスの非５０Ωの負荷との間にインピーダンス整合装置が設けられ、さらにこの高周波電源の出力端にセンサーが設けられ、このセンサーにおいて、センサに印加される電圧（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流の比である擬インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるインピーダンス検出方法。
【請求項２】
前記インピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置をインピーダンス制御回路を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とする請求項１のインピーダンス検出方法。
【請求項３】
前記高周波電源の出力端に前記センサーを設け、このセンサーで前記擬インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求め、この求めたインピーダンスから高周波電源の進行波電力と反射電力を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインピーダンス検出方法。
【請求項４】
前記高周波電源の進行波電力と反射電力を求め、それぞれが一定値をこえておれば制御回路を介して高周波電源を制御することを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス検出方法。
【請求項５】
前記センサーは、高周波電源と前記インピーダンス整合回路とは同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源の進行波電流を得る電流抽出手段を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源の電圧を得て、この電圧と前記進行波電流の比である擬インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求める請求項１から４に記載の一のインピーダンス検出方法。
【請求項６】
インピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路とからなる装置において、前記擬インピーダンスをパラメータとしてインピーダンスを求めることを特徴とするセンサー。
【請求項７】
前記インピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置をインピーダンス制御回路を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とする請求項６に記載のセンサー。
【請求項８】
インピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路において前記擬インピーダンスをパラメータとしてインピーダンスを求め、このインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求めることを特徴とする電力モニター。
【請求項９】
インピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路に制御回路を接続し、前記電力演算回路において前記擬似インピーダンスをパラメータとして求めたインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求め、この進行波電力と反射波電力にもとづいて前記制御回路が前記前記高周波電源を制御することを特徴とする高周波電源の制御装置。
【請求項１０】
前記センサーは、高周波電源と前記インピーダンス整合回路と同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源の進行波電流を得る電流抽出手段を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源からの電圧を得て、この電圧と前記進行波電流の比である擬インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めることを特徴とする請求項６あるいは請求項７記載のセンサーあるいは請求項８記載の電力モニターあるいは請求項９記載の高周波電源の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明はインピーダンス５０Ωの高周波電源を用いてインピーダンスが非５０Ωの負荷、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置に高周波を供給する装置であって、高周波電源の電圧（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流とからインピーダンスを求める方法およびこのインピーダンスのセンサーに関する。
また高周波電源と負荷のプラズマ装置との間にあってインピーダンスの整合を行う整合装置（またの名をマッチングユニットとも言っている。）の入力側に前記出力インピーダンスのセンサーを設けて高周波電源の前記電圧と前記進行波電流とから進行波電力と反射波電力を求める電力モニターに関する。
またさらに高周波電源の出力側に前記出力インピーダンスのセンサーを設けて前記電圧と前記進行波電流とから進行波電力と反射波電力を求めて高周波電源の出力制御および保護を行う制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来のものは、高周波電源と負荷との間にインピーダンス整合装置が設けられ、進行波の電圧と反射波電圧と、予め測定することによって取得された、可変キャパシタの可変値に対する情報と、この情報に対応するインピーダンス整合装置のＴパラメータとに基づいて、出力端における進行波の電圧と反射波の電圧ならびに入力端における入力反射係数Γｉを算出する。そして可変キャパシタの可変値に対する入力反射係数の絶対値｜Γｉ｜のうち、最小の値を剪定し、これに基づいてインピーダンスを整合する。【０００３】  従来のものによると、簡単な構成で正確に負荷側のインピーダンスを求めることができなかった。また電力のモニターも同様であり、高周波電源の出力制御および保護を行うことも難しかった
【特許文献】特開２００６−１６６４１２「インピーダンス整合装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  この発明は、従来のこれら欠点に鑑みて発明されたもので、第１の課題は、構成簡単にして正確にインピーダンス非５０Ωの負荷側、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置側のインピーダンスを求めることにあり、第２の課題はこのようにして求めた出力インピーダンスに基づき、モニター等のインピーダンス整合にかかわる諸制御を行うことができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  この発明は、高周波電源の電圧Ｖ（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流Ｉｆに着目し擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）というパラメータを用いてインピーダンスを求めることを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】  本発明は、この擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）というパラメータを使うので簡単な構成で出力インピーダンスを正確に求めることができる。これにもとづいて、正確な電力モニターが得られ、また容易に高周波電源の制御および保護ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】  この発明の眼目は、上記したように高周波電源によって印加された電圧Ｖと進行波電流Ｉｆから出力インピーダンスを求めることにあり、以下にこの発明の好ましい実施の諸形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【０００８】  この方法を実施するために具体化された回路構成のひとつの実施例を詳細に示す。
図１を参照すると、１は、たとえば、１３．５ＭＨの高周波を出力とする高周波電源、２はこの高周波電源１に接続されたインピーダンスを求めるセンサー、３はこのセンサー２に接続したインピーダンス整合装置（マッチングユニットともいう）、４は負荷で、インピーダンス非５０Ωの負荷、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置、５は高周波電源１によって印加された電圧Ｖ（進行波電圧と反射波電圧を含む）と同進行波電流ＩｆとからインピーダンスＺを求めるインピーダンス演算回路、６はインピーダンス制御回路で、インピーダンス演算回路５で求めたインピーダンスＺが５０Ωかどうかを判定し、それに差があれば出力端子１８から負荷４側を見たインピーダンスＺが５０Ωになるように前記インピーダンス整合装置３を制御して調整する。これによって負荷４側からの反射波の電流・電圧の影響が高周波電源１側におよぶことを回避できる。【０００９】  図２を使って前記センサー２の構成を詳しく説明する。
７は高周波電源１側の入力端子、８は進行波電流Ｉｆを抽出する電流検出部でトロイダルコア９、出コイル１０からなり、コイル１０の端子Ｔ１とＴ２に抵抗Ｒ１とインダクタンスＬ１がつながれる。このインダクタンスＬ１の両端には電流（進行波電流Ｉｆ−反射波電流Ｉｒ）にコイル１０の巻数などによって決まる係数βを乗ｊいた電圧が現れる。出力端１３にはキャパシタ１２Ａ、１２Ｂによって決まる係数αを乗じた電圧Ｖ（進行波電圧Ｖｆ−反射波電圧Ｖｒ）が現れる。前記出力端１１の電圧のうち反射波に起因する電圧（は前記出力端１３の電圧に前記インダクタンスＬ１の両端の電圧を加えたものであるから、前記インダクタンスＬ１の電圧のうち反射波に起因する電圧（βＩｒ）と反射波に起因する電圧（αＶｒ）を丁度キャンセルするようにコイル９の巻数とキャパシタ１２Ａ、１２Ｂの値を設定すると、前記出力端１１には進行波電流Ｉｆに比例した電圧が現れる。これを抵抗１４と１５とで分圧した結果、出力端子１６に進行波電流Ｉｆに比例した電圧Ｖｆが現れる。１７は電圧検出回路で、１９はインピーダンス整合装置３に接続する出力端子で高周波ライン２０につながっている。２１は高周波ライン２０の電圧をキャパシタ２１と抵抗２２とで分圧し、分圧出力端子２３には、出力端子１９の電圧Ｖ（＝進行波電圧Ｖｆと反射波電圧Ｖｒ）が分圧された分圧出力が現れる。なお、キャパシタ１８と２５はセンサー▲２▼の特性インピーダンスが５０Ωになるように調整するためのものである。【００１４】  以下に、Ｖ／Ｉｆというパラメータ、すなわち擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）を使うことによって、簡単な構成でしかも正確にインピーダンスを求める方法を説明する。【００１５】進行波の電圧をＶｆ、反射波の電圧をＶｒとし、反射係数をΓとする。
【数式１】
2008157906.tif 000003
【００１０】これをＺについて解く。
【数式２】
2008157906.tif 000004
【００１１】    このようにインピーダンスＺは擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）から簡単に求めることができる。
すなわち、高周波電源１によって印加された電圧Ｖと進行波電流Ｉｆをパラメータとして求めることができ、反射波電流を測定する必要がない。ゆえに構成が簡単となる。
【００１２】  さらに、インピーダンスＺが複素平面の右半面という無限のエリアのどこかに存在するのに対して、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）は複素平面状の限られたエリア内に存在するため、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）は正確に測定することができて、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）から求めたインピーダンス値は信頼できる。
【００１３】擬インピーダンスＳで表すと、以下に示すように数式１から容易に理解できる。Ｚは求める出力インピーダンスを表す。
【数式４】
2008157906.tif 000005
【００１４】  出力インピーダンスＺの存在する領域は複素平面の右半面に限られる。複素数Ｃの複素
2008157906.tif 000006
次式で表せる。
【数式５】
2008157906.tif 000007
【００１５】  擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）は実軸上の点（５０，０）を中心として半径５０の円形エリア内に限られることが次式から理解できる。数式５の不等式が成り立てば、次式で表すことができる。
【数式６】
2008157906.tif 000008
【００１６】  図４に、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）の存在する範囲を図示する。４５は、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）の存在する円形領域の中心点（５０，０）であり、実軸４１上にある。中心点４５の実部が５０であることは、高周波電源１から電力を伝送するのに用いる同軸ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωであることによる。４６は擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）の絶対値が最大となる点であり、中心の実部の値５０に半径５０を加えたものを実部とする点（１００，０）である（半径が５０であることは、中心点４５の実部が５０であることと同様の理由による）。４２はある検出したときの擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）の位置を示す。４３は検出した擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）の絶対値（｜Ｖ／Ｉｆ｜）で、４４は実軸４１を基準としたときの擬インピーダンスＳの位相角（ａｒｇ（Ｖ／Ｉｆ））である。
【００１５】  この図からも次式が成り立っていることが明らかである。
【数式７】
2008157906.tif 000009
【００１６】  複素平面の右半面という無限の範囲のどこかに存在するインピーダンスＺを計測することは困難であるが、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）は、限られた範囲内にあることが数学的に保障されていて、容易にかつ正確に測定することができる。したがって、擬インピーダンスＳ（＝Ｖ／Ｉｆ）から求めたインピーダンス値は信頼できるものとなる。
【実施例２】
【００１６】  この実施例では、センサー３をインピーダンス整合装置の入力端に設けて、高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉｆとから進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒを演算処理して求め高周波電源１のモニターする例について以下に詳細に説明する。【００１７】  図３に示すように、１はたとえば、１３．５ＭＨの高周波を出力とする高周波電源、２はセンサー３はこのセンサー２を入力端に設けた整合装置（マッチングユニットともいう）、４は負荷である。センサー２は上記したものと同一である。３１はセンサー２の出力端子１８と２５から検出される高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉｆから出力インピーダンスを演算処理する手段と電力を演算処理する手段とからなる電力演算回路である。【００１８】  進行波の電圧、電流をＶｆ、、Ｉｆ、反射波の電圧、電流をＶｒ、Ｉｒと表すと、進行波の電力Ｐｆ、反射波の電力Ｐｒは、次のように計算できる。
ただし、Γは上記で説明した反射係数である。インピーダンスＺから次式で計算できる。
【数式８】
2008157906.tif 000010
【実施例３】
【００１９】  この実施例は、高周波電源１の出力端にセンサー２を設け、センサー２の出力端子１８を負荷４に直接につないでいる。上記実施例２と同様に高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉｆから電力演算回路３１で進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒとを求め、これらを保護制御回路５１に入力している。
高周波電源１は、一定の電力を負荷に供給している。保護制御回路５１は進行波電力Ｐｆが一定値より大きければ、高周波電源１の供給電力を下げて所定の電力になるように調整をする。反射波電力Ｐｒについては、その値が一定の値に比較して大きければ、高周波電源１を故障させる等の悪影響を及ぼすので、高周波電源１の供給電力を下げて避けるように制御する。【００２０】  上記したようにこの発明の第１の特徴は出力インピーダンス５０Ωの高周波電源とこの高周波電源とインピーダンス非５０Ωの負荷との間にインピーダンス整合装置が設けられ、さらにこの高周波電源の出力端にセンサーが設けられ、このセンサーにおいて、高周波電源の電圧（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流の比である擬インピーダンス（Ｖ／Ｉｆ）をパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるインピーダンス検出方法にある。【００２１】    この発明の第２の特徴は前記インピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置をインピーダンス制御回路を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とするインピーダンス検出方法にある。【００２２】    第３の特徴は前記高周波電源の出力端に前記センサーを設け、このセンサーで前記擬インピーダンス（Ｖ／Ｉｆ）をパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求め、この求めたインピーダンスから高周波電源の進行波電力と反射電力を求めることを特徴とするインピーダンス検出方法にある。【００２３】  第４の特徴は前記高周波電源の進行波電力と反射電力を求め、それぞれが一定値をこえておれば制御回路を介して高周波電源を制御することを特徴とするインピーダンス検出方法にある。【００２４】  第５の特徴は、前記センサーは高周波電源と前記インピーダンス整合装置とは同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源の進行波電流を得る電流抽出手段を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源あら電圧を得て、この電圧と前記進行波電流の比である擬インピーダンス（Ｖ／Ｉｆ）をパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるインピーダンス検出方法にある。【００２５】  第６の特徴はインピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置とからなる装置において、前記擬インピーダンス（Ｖ／Ｉｆ）をパラメータとしてインピーダンスを求めること、また求めたインピーダンスにもとづきインピーダンス整合装置を制御することを特徴とするセンサーにある。【００２６】    第７の特徴は前記インピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置をインピーダンス制御回路を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とするセンサーにある。【００２７】  第８の特徴はインピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路において前記擬似インピーダンス（Ｖ／Ｉｆ）をパラメータとしてインピーダンスを求め、このインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求めることを特徴とする電力モニターにある。【００２６】  第９の特徴はインピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路に制御回路を接続し、前記電力演算回路において前記擬インピーダンスをパラメータとして求めたインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求め、この進行波電力と反射波電力にもとづいて前記制御回路が前記前記高周波電源を制御することを特徴とする高周波電源の制御装置にある。【００２７】  第１０の特徴は前記センサーは、高周波電源と前記インピーダンス整合装置とは同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源の進行波電流を得る電流抽出手段を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源から電圧を得て、この電圧と前記進行波電流の比である擬似インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるセンサーあるいは電力モニターあるいは高周波電源の制御装置にある。【００２８】  この発明によれば、高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉｆとを加味し、Ｖ／Ｉｆをパラメータとして用いることにより高周波電源１の負荷のインピーダンスを簡単な構成で正確に求めることができる。前記パラメータＶ／Ｉｆを正確に検出することが容易となる。したがってパラメータＶ／Ｉｆからインピーダンスを正確に求めることができる。インピーダンス整合装置を適切に制御できる。【００２９】  高周波電源１の出力端にＶ／Ｉｆをパラメータとしたセンサー２を設けることによって高周波電源１から負荷４に供給される進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒを求め正確にモニターできる。【００３０】  進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒを求めて、所定の値と比較して高周波電源１の供給電力を制御するので高周波電源１を出力制御および故障から保護できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施例の全体構成図である。（実施例１）
【図２】この発明の一実施例のセンサーの回路構成図である。（実施例１）
【図３】この発明の他の一実施例の電力モニターの全体構成図である。（実施例２）
【図４】この発明にかかる擬インピーダンスを用いて検出したインピーダンスが存在するエリアを説明する図である。
【図５】この発明の他の一実施例の高周波電源を制御するの全体構成図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００３２】    １    高周波電源
２    センサー
３    インピーダンス整合装置
４    負荷
５    インピーダンス演算回路
６    インピーダンス制御回路
８    電流検出部
１６  出力端子
１７  電圧検出回路
２３  出力端子
【図１】
2008157906.tif 000011
【図３】
2008157906.tif 000012
【図２】
2008157906.tif 000013
【図４】
2008157906.tif 000014
【図５】
2008157906.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月26日(2007.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はインピーダンス５０Ωの高周波電源を用いてインピーダンスが非５０Ωの負荷、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置に高周波を供給する装置であって、高周波電源の電圧（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流とからインピーダンスを求める方法およびこのインピーダンスのセンサーに関する。
また高周波電源と負荷のプラズマ装置との間にあってインピーダンスの整合を行う整合装置（またの名をマッチングユニットとも言っている。）の入力側に前記出力インピーダンスのセンサーを設けて高周波電源の前記電圧と前記進行波電流とから進行波電力と反射波電力を求める電力モニターに関する。
またさらに高周波電源の出力側に前記出力インピーダンスのセンサーを設けて前記電圧と前記進行波電流とから進行波電力と反射波電力を求めて高周波電源の出力制御および保護を行う制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のものは、高周波電源と負荷との間にインピーダンス整合装置が設けられ、入力高周波電力の電流と電圧の振幅（Magnitude）および位相（Phase）を検出して、整合装置内に設置された可変キャパシターまたは可変インダクターを制御して、非５０Ω負荷と高周波電源間の整合をとり、高周波電源の出力端または整合装置の入力端で発生する反射電力を最小にして、負荷に供給する電力を最大にする（反射係数を最小にする）。また別の回路を設け進行波および反射波電力を測定し、制御の一部として利用したものがある。
また特性パラメータとしてＴパラメータというものを用いて、出力端における進行波の電圧と反射波の電圧ならびに入力端における入力反射係数Γiを算出し、そして可変キャパシタの可変値に対する入力反射係数の絶対値｜Γi｜のうち、最小の値を選定し、これに基づいてインピーダンスを整合するものもある。
【０００３】
従来のものによると、簡単な構成で正確に負荷側のインピーダンスを求めることができなかった。また電力のモニターも同様であり、高周波電源の出力制御および保護を行うことも難しかった。
【特許文献１】特開平５−６３６０４号公報「インピーダンス自動整合装置」
【特許文献２】特開２００６−１６６４１２号公報「インピーダンス整合装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、従来のこれら欠点に鑑みて発明されたもので、第１の課題は、構成簡単にして正確にインピーダンス非５０Ωの負荷側、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置側のインピーダンスを求めることにあり、第２の課題はこのようにして求めた出力インピーダンスに基づき、モニター等のインピーダンス整合にかかわる諸制御を行うことができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、高周波電源の電圧Ｖ（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流Ｉfに着目し擬インピーダンスＳ（= V／If ）というパラメータを用いてインピーダンスを求めることを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、この擬インピーダンスＳ（= V／If ）というパラメータを使うので簡単な構成で出力インピーダンスを正確に求めることができる。これにもとづいて、正確な電力モニターが得られ、また容易に高周波電源の制御および保護ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
この発明の眼目は、上記したように高周波電源によって印加された電圧Vと進行波電流Ifから出力インピーダンスを求めることにあり、以下にこの発明の好ましい実施の諸形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【０００８】
この方法を実施するために具体化された回路構成のひとつの実施例を詳細に示す。
図１を参照すると、１は、たとえば、１３．５６ＭＨｚの高周波を出力とする高周波電源、２はこの高周波電源１に接続されたインピーダンスを求めるセンサー、３はこのセンサー２に接続したインピーダンス整合装置（マッチングユニットともいう）、４は負荷で、インピーダンス非５０Ωの負荷、たとえば、発生プラズマを用いて加工するプラズマ装置、５は高周波電源１によって印加された電圧Ｖ（進行波電圧と反射波電圧を含む）と同進行波電流ＩfとからインピーダンスＺを求めるインピーダンス演算回路、６はインピーダンス制御回路で、インピーダンス演算回路５で求めたインピーダンスＺが５０Ωかどうかを判定し、それに差があれば出力端子１８から負荷４側を見たインピーダンスＺが５０Ωになるように前記インピーダンス整合装置３を制御して調整する。これによって負荷４側からの反射波の電流・電圧の影響が高周波電源１側におよぶことを回避できる。
【０００９】
図２を使って前記センサー２の構成を詳しく説明する。
７は高周波電源１側の入力端子、８は進行波電流Ｉfを抽出する電流検出部でトロイダルコア９、コイル１０からなり、コイル１０の端子Ｔ1とＴ2に抵抗Ｒ1とインダクタンスＬ1がつながれる。このインダクタンスＬ１の両端には電流（進行波電流Ｉf−反射波電流Ｉr）にコイル１０の巻数などによって決まる係数βを乗じた電圧が現れる。出力端１３にはキャパシタ１２Ａ、１２Ｂによって決まる係数αを乗じた電圧Ｖ（進行波電圧Ｖf−反射波電圧Ｖr）が現れる。前記出力端１１の電圧のうち反射波に起因する電圧（は前記出力端１３の電圧に前記インダクタンスＬ１の両端の電圧を加えたものであるから、前記インダクタンスＬ１の電圧のうち反射波に起因する電圧（βＩr）と反射波に起因する電圧（αＶr）を丁度キャンセルするようにコイル９の巻数とキャパシタ１２Ａ、１２Ｂの値を設定すると、前記出力端１１には進行波電流Ｉfに比例した電圧が現れる。これを抵抗１４と１５とで分圧した結果、出力端子１６に進行波電流Ｉfに比例した電圧Ｖfが現れる。１７は電圧検出回路で、１９はインピーダンス整合装置３に接続する出力端子で高周波ライン２０につながっている。２１は高周波ライン２０の電圧をキャパシタ２１と抵抗２２とで分圧し、分圧出力端子２３には、出力端子１９の電圧Ｖ（＝進行波電圧Ｖfと反射波電圧Ｖr）が分圧された分圧出力が現れる。なお、キャパシタ１８と２５はセンサー２の特性インピーダンスが５０Ωになるように調整するためのものである。
【００１０】
以下に、V／Ifというパラメータ、すなわち擬インピーダンスＳ（= V／If ）を使うことによって、簡単な構成でしかも正確にインピーダンスを求める方法を説明する。
【００１１】
進行波の電圧をVｆ、反射波の電圧をVrとし、反射係数をΓとする。
【数１】
2008157906.tif 000016
2008157906.tif 000017
【００１２】
これをＺについて解く。
【数２】
2008157906.tif 000018
【００１３】
このようにインピーダンスＺは擬インピーダンスＳ（= V／If ）から簡単に求めることができる。
すなわち、高周波電源１によって印加された電圧Ｖと進行波電流Ifをパラメータとして求めることができ、反射波電流を測定する必要がない。ゆえに構成が簡単となる。
【００１４】
さらに、インピーダンスZが複素平面の右半面という無限のエリアのどこかに存在するのに対して、擬インピーダンスＳ（= V／If ）は複素平面状の限られたエリア内に存在するため、擬インピーダンスＳ（= V／If ）は正確に測定することができて、擬インピーダンスＳ（= V／If ）から求めたインピーダンス値は信頼できる。
【００１５】
擬インピーダンスをＳで表すと、以下に示すように数式１から容易に理解できる。Ｚは求める出力インピーダンスを表す。特性インピーダンスを５０Ωとして説明する。
【数３】
2008157906.tif 000019
2008157906.tif 000020
【００１６】
出力インピーダンスＺの存在する領域は複素平面の右半面に限られる。
複素数Ｃの複素共役を
2008157906.tif 000021
と表すことにすると、この条件は、
2008157906.tif 000022
となり、これに上記Ｚを代入すると次式で表せる。
【数４】
2008157906.tif 000023
【００１７】
擬インピーダンスＳ（= V／If ）は実軸上の点（50, 0）を中心として半径50の円形エリア内に限られることが次式から理解できる。数式５の不等式が成り立てば、次式で表すことができる。
【数５】
2008157906.tif 000024
2008157906.tif 000025
【００１８】
図４に、擬インピーダンスＳ（= V／If ）の存在する範囲を図示する。４５は、擬インピーダンスＳ（= V／If ）の存在する円形領域の中心点（50, 0）であり、実軸４１上にある。中心点４５の実部が５０であることは、高周波電源１から電力を伝送するのに用いる同軸ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωであることによる。４６は擬インピーダンスＳ（= V／If ）の絶対値が最大となる点であり、中心の実部の値５０に半径５０を加えたものを実部とする点（100, 0）である（半径が５０であることは、中心点４５の実部が５０であることと同様の理由による）。４２はある検出したときの擬インピーダンスＳ（= V／If ）の位置を示す。４３は検出した擬インピーダンスＳ（= V／If ）の絶対値（|V／If|）で、４４は実軸４１を基準としたときの擬インピーダンスＳの位相角（arg(V／If)）である。
【００１９】
この図からも次式が成り立っていることが明らかである。
【数６】
2008157906.tif 000026
【００２０】
複素平面の右半面という無限の範囲のどこかに存在するインピーダンスＺを計測することは困難であるが、擬インピーダンスＳ（= V／If ）は、限られた範囲内にあることが数学的に保障されていて、容易にかつ正確に測定することができる。したがって、擬インピーダンスＳ（= V／If ）から求めたインピーダンス値は信頼できるものとなる。
【実施例２】
【００２１】
この実施例では、センサー２をインピーダンス整合装置の入力端に設けて、高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉfとから進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrを演算処理して求め高周波電源１のモニターする例について以下に詳細に説明する。
【００２２】
図３に示すように、１はたとえば、１３．５６ＭＨzの高周波を出力とする高周波電源、２はセンサーで、３はこのセンサー２を入力端に設けた整合装置（マッチングユニットともいう）、４は負荷である。センサー３は上記したものと同一である。３１はセンサー２の出力端子１８と２５から検出される高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉfから出力インピーダンスを演算処理する手段と電力を演算処理する手段とからなる電力演算回路である。
【００２３】
進行波の電圧、電流をVf、If、反射波の電圧、電流をVr、Irと表すと、進行波の電力Pf、反射波の電力Prは、次のように計算できる。
ただし、Γは上記で説明した反射係数である。インピーダンスＺから次式で計算できる。
【数７】
2008157906.tif 000027
2008157906.tif 000028
2008157906.tif 000029
【実施例３】
【００２４】
この実施例は、高周波電源１の出力端にセンサー２を設け、センサー２の出力端子１８を負荷４に直接につないでいる。上記実施例２と同様に高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉfから電力演算回路３１で進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrとを求め、これらを保護制御回路５１に入力している。
高周波電源１は、一定の電力を負荷に供給している。保護制御回路５１は進行波電力Ｐfが一定値より大きければ、高周波電源１の供給電力を下げて所定の電力になるように調整をする。反射波電力Ｐrについては、その値が一定の値に比較して大きければ、高周波電源１を故障させる等の悪影響を及ぼすので、高周波電源１の供給電力を下げて避けるように制御する。
【００２５】
上記したようにこの発明の第１の特徴は出力インピーダンス５０Ωの高周波電源とこの高周波電源とインピーダンス非５０Ωの負荷との間にインピーダンス整合装置が設けられ、さらにこの高周波電源の出力端にセンサーが設けられ、このセンサーにおいて、高周波電源の電圧（進行波電圧と反射波電圧）と進行波電流の比である擬インピーダンス（Ｖ／Ｉf）をパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるインピーダンス検出方法にある。
【００２６】
この発明の第２の特徴は前記インピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置をインピーダンス制御回路を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とするインピーダンス検出方法にある。
【００２７】
第３の特徴は前記高周波電源の出力端に前記センサーを設け、このセンサーで前記擬インピーダンス（Ｖ／Ｉf）をパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求め、この求めたインピーダンスから高周波電源の進行波電力と反射電力を求めることを特徴とするインピーダンス検出方法にある。
【００２８】
第４の特徴は前記高周波電源の進行波電力と反射電力を求め、それぞれが一定値をこえておれば制御回路を介して高周波電源を制御することを特徴とするインピーダンス検出方法にある。
【００２９】
第５の特徴は、前記センサーは高周波電源と前記インピーダンス整合装置とは同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源の進行波電流を得る電流抽出手段を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源の電圧を得て、この電圧と前記進行波電流の比である擬インピーダンス（Ｖ／Ｉf）をパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるインピーダンス検出方法にある。
【００３０】
第６の特徴はインピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置とからなる装置において、前記擬インピーダンス（Ｖ／Ｉf）をパラメータとしてインピーダンスを求めること、また求めたインピーダンスにもとづきインピーダンス整合装置を制御することを特徴とするセンサーにある。
【００３１】
第７の特徴は前記インピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置をインピーダンス制御回路を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とするセンサーにある。
【００３２】
第８の特徴はインピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路において前記擬似インピーダンス（Ｖ／Ｉf）をパラメータとしてインピーダンスを求め、このインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求めることを特徴とする電力モニターにある。
【００３３】
第９の特徴はインピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路に制御回路を接続し、前記電力演算回路において前記擬インピーダンスをパラメータとして求めたインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求め、この進行波電力と反射波電力にもとづいて前記制御回路が前記前記高周波電源を制御することを特徴とする高周波電源の制御装置にある。
【００３４】
第１０の特徴は前記センサーは、高周波電源と前記インピーダンス整合装置とは同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源の進行波電流を得る電流抽出手段を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源から電圧を得て、この電圧と前記進行波電流の比である擬似インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるセンサーあるいは電力モニターあるいは高周波電源の制御装置にある。
【００３５】
この発明によれば、高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉfとを加味し、Ｖ／Ｉfをパラメータとして用いることにより高周波電源１の負荷のインピーダンスを簡単な構成で正確に求めることができる。前記パラメータＶ／Ｉfを正確に検出することが容易となる。したがってパラメータＶ／Ｉfからインピーダンスを正確に求めることができる。インピーダンス整合装置を適切に制御できる。
【００３６】
高周波電源１の出力端にＶ／Ｉfをパラメータとしたセンサー２を設けることによって高周波電源１から負荷４に供給される進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrを求め正確にモニターできる。
【００３７】
進行波電力Ｐfと反射波電力Ｐrを求めて、所定の値と比較して高周波電源１の供給電力を制御するので高周波電源１を出力制御および故障から保護できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の一実施例の全体構成図である。（実施例１）
【図２】この発明の一実施例のセンサーの回路構成図である。（実施例１）
【図３】この発明の他の一実施例の電力モニターの全体構成図である。（実施例２）
【図４】この発明にかかる擬インピーダンスを用いて検出したインピーダンスが存在するエリアを説明する図である。
【図５】この発明の他の一実施例の高周波電源を制御するの全体構成図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００３９】
１    高周波電源
２    センサー
３    インピーダンス整合装置
４    負荷  
５    インピーダンス演算回路
６    インピーダンス制御回路
８    電流検出部
１６  出力端子
１７  電圧検出回路
２３  出力端子
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
インピーダンス５０Ωの高周波電源と、この高周波電源の出力端に接続されたセンサーと、このセンサーとインピーダンス非５０Ωの負荷との間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路とからなる装置において、前記センサーに電力演算回路を接続し、この電力演算回路に制御回路を接続し、前記電力演算回路において前記擬似インピーダンスをパラメータとして求めたインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求め、この進行波電力と反射波電力にもとづいて前記制御回路が前記高周波電源を制御することを特徴とする高周波電源の制御装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2008157906.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月18日(2008.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図２を使って前記センサー２の構成を詳しく説明する。
７は高周波電源１側の入力端子、８は進行波電流Ｉfを抽出する電流検出部でトロイダルコア９、コイル１０からなり、コイル１０の端子Ｔ1とＴ2に抵抗Ｒ1とインダクタンスＬ1がつながれる。このインダクタンスＬ１の両端には電流（進行波電流Ｉf―反射波電流Ｉr）にコイル１０の巻数などによって決まる係数βを乗じた電圧が現れる。出力端１３にはキャパシタ１２Ａ、１２Ｂによって決まる係数αを乗じた電圧Ｖ（進行波電圧Ｖf＋反射波電圧Ｖr）が現れる。前記出力端１１の電圧のうち反射波に起因する電圧（は前記出力端１３の電圧に前記インダクタンスＬ１の両端の電圧を加えたものであるから、前記インダクタンスＬ１の電圧のうち反射波に起因する電圧（βＩr）と反射波に起因する電圧（αＶr）を丁度キャンセルするようにコイル９の巻数とキャパシタ１２Ａ、１２Ｂの値を設定すると、前記出力端１１には進行波電流Ｉfに比例した電圧が現れる。これを抵抗１４と１５とで分圧した結果、出力端子１６に進行波電流Ｉfに比例した電圧Ｖfが現れる。１７は電圧検出回路で、１９はインピーダンス整合装置３に接続する出力端子で高周波ライン２０につながっている。２１は高周波ライン２０の電圧をキャパシタ２１と抵抗２２とで分圧し、分圧出力端子２３には、出力端子１９の電圧Ｖ（＝進行波電圧Ｖf＋反射波電圧Ｖr）が分圧された分圧出力が現れる。なお、キャパシタ１８と２５はセンサー２の特性インピーダンスが５０Ωになるように調整するためのものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
図３に示すように、１はたとえば、１３．５６ＭＨzの高周波を出力とする高周波電源、２はセンサーで、３はこのセンサー２を入力端に設けた整合装置（マッチングユニットともいう）、４は負荷である。センサー３は上記したものと同一である。３１はセンサー２の出力端子２３と１６から検出される高周波電源１の電圧Ｖと進行波電流Ｉfから出力インピーダンスを演算処理する手段と電力を演算処理する手段とからなる電力演算回路である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
出力インピーダンス５０Ωの高周波電源１と、この高周波電源１とインピーダンス非５０Ωの負荷４との間にインピーダンス整合装置３が設けられ、さらにこの高周波電源１の出力端とインピーダンス整合装置３との間にセンサー２が設けられ、このセンサー２において、前記高周波電源１の進行波電流Ｉｆを検出する電流検出部８の２次側で得られる進行波電流Ｉｆと前記電流検出部８の出力側に現れる電圧Ｖ（進行波電圧Ｖｆ＋反射波電圧Ｖｒ）との比（Ｖ/Ｉｆ）である擬インピーダンスをパラメータとしてセンサーから見た出力側のインピーダンスを求めるインピーダンス検出方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記負荷４のインピーダンスの値が５０Ωでなければ、インピーダンス整合装置３をインピーダンス制御回路６を介してインピーダンスが５０Ωになるように制御することを特徴とする請求項１のインピーダンス検出方法。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
出力インピーダンス５０Ωの高周波電源１と、この高周波電源１の出力端に接続されたセンサー２と、このセンサー２とインピーダンス非５０Ωの負荷４の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路３からなる装置において、このセンサー２において、前記高周波電源１の進行波電流Ｉｆを検出する電流検出部８の２次側で得られる進行波電流Ｉｆと前記電流検出部８の出力側に現れる電圧V（進行波電圧Ｖｆ＋反射波電圧Ｖｒ）との比（Ｖ/Ｉｆ）である擬インピーダンスをパラメータとしてインピーダンスを求めることを特徴とするセンサー。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
出力インピーダンス５０Ωの高周波電源１と、この高周波電源１の出力端に接続されたセンサー２と、このセンサー２とインピーダンス非５０Ωの負荷４の間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路３とからなる装置において、前記センサー２に電力演算回路３１を接続し、この電力演算回路３１において、前記高周波電源１の進行波電流Ｉｆを検出する電流検出部８の２次側で得られる進行波電流Ｉｆと前記電流検出部８の出力側に現れる電圧Ｖ（＝進行波電圧Ｖｆ＋Ｖｒ）との比（Ｖ/Ｉｆ）である擬インピーダンスをパラメータとしてインピーダンスを求め、このインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求めることを特徴とする電力モニター。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
出力インピーダンス５０Ωの高周波電源１と、この高周波電源１の出力端に接続されたセンサー２と、このセンサー２とインピーダンス非５０Ωの負荷４との間に介在してインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路３とからなる装置において、前記センサー２に電力演算回路３１を接続し、この電力演算回路３１に保護制御回路５１を接続し、前記電力演算回路３１において前記高周波電源１の進行波電流Ｉｆを検出する電流検出部８の２次側で得られる進行波電流Ｉｆと前記電流検出部８の出力側に現れる電圧Ｖ（進行波電圧Ｖｆ＋反射波電圧Ｖｒ）との比（Ｖ/Ｉｆ）である擬インピーダンスをパラメータとして求めたインピーダンスから進行波電力と反射波電力を求め、この進行波電力と反射波電力にもとづいて前記保護制御回路５１が前記高周波電源を制御することを特徴とする高周波電源の制御装置。
【手続補正８】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
前記センサー２は、高周波電源１とインピーダンス整合回路３と同軸ケーブルで接続され、この同軸ケーブルから前記高周波電源１の進行波電流を得る電流検出部８を含み、前記同軸ケーブルから前記高周波電源の供給を受け、このセンサー２において、前記高周波電源１の進行波電流Ｉｆを検出する電流検出部８の２次側で得られる進行波電流Ｉｆと前記電流検出部８の出力側に現れる電圧Ｖ（進行波電圧Ｖｆ＋反射波電圧Ｖｒ）との比（Ｖ/Ｉｆ）である擬インピーダンスをパラメータとしてセンサー２から見た出力側のインピーダンスを求めることを特徴とする請求項６あるいは請求項７記載のセンサーあるいは請求項８記載の電力モニターあるいは請求項9記載の高周波電源の制御装置。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
１    高周波電源
２    センサー
３    インピーダンス整合装置
４    負荷  
５    インピーダンス演算回路
６    インピーダンス制御回路
８    電流検出部
１６  出力端子
１７  電圧検出回路
２３  出力端子
３１  電力演算回路
５１  保護制御回路