(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信ラインと、負荷との間に整合回路が挿入され、前記送信ラインと前記負荷側とのインピーダンスを整合するインピーダンス自動整合方法であって、
前記整合回路は、前記送信ラインと前記負荷との間に直列接続される直列リアクタンス素子と、前記直列リアクタンス素子の入力側または出力側と接地電位ラインとの間に分路接続される分路リアクタンス素子とを含み、さらに
少なくとも前記整合回路の、前記送信ラインからの電力入力部もしくは前記送信ラインへの電力出力部におけるインピーダンスまたはアドミタンスのいずれかを検出するセンサユニットを含み、
前記インピーダンスを整合させるための目標値と前記センサユニットの検出値との差を表す誤差関数を、前記検出値に基づく実数部の変数と虚数部の変数で表されるベクトルで定義しておき、
前記インピーダンス自動整合方法は、
（ａ）前記センサユニットの検出値を検出するステップと、
（ｂ）前記センサユニットの検出値に基づいて、インピーダンスまたはアドミタンスの実数部を示す変数と虚数部を示す変数の目標値に対する誤差を収束するために、前記誤差関数の変数を指数的に減衰させるための前記直列リアクタンス素子および前記分路リアクタンス素子の変化率を
ｄＸ／ｄｔ＝Ａ−1・Ｋ・ｅ,
ただし、
Ｘは前記直列リアクタンス素子のリアクタンスＸ１と、前記分路リアクタンス素子のリアクタンスＸ２からなる列ベクトル、
Ｋは成分が負であるような対角行列、
Ａは前記整合回路から決まる前記誤差関数の時間変化と、前記直列リアクタンス素子のリアクタンスＸ１および前記分路リアクタンス素子のリアクタンスＸ２の時間変化との間の関係を表し、ｄｅ／ｄｔ＝Ａ・ｄＸ／ｄｔで定義される行列、
ｅは誤差関数の実部と虚部からなる列ベクトル、
のように演算するステップと、
（ｃ）演算された変化率に基づいて、前記直列リアクタンス素子および前記分路リアクタンス素子のインダクタンスまたはキャパシタンスを可変するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ａ）〜（ｃ）を前記センサユニットの検出値が前記目標値になるまで繰り返し実行するステップを含む、インピーダンス自動整合方法。
【請求項２】
前記分路リアクタンス素子は、
前記送信ラインと接地電位との間に、分路接続される第１のリアクタンスと、前記送信ラインと前記負荷との間に直列接続される第２のリアクタンスとを含む逆Ｌ形整合回路、または
前記送信ラインと前記負荷との間に、直列接続される第３のリアクタンスと、その第３のリアクタンスの直後と接地電位との間に分路接続される第４のリアクタンスとを含むＬ形整合回路のいずれかを含む、請求項１に記載のインピーダンス自動整合方法。
【請求項３】
前記直列リアクタンス素子および前記分路リアクタンス素子は、それぞれ可変容量素子または可変インダクタンス素子を含む、請求項１に記載のインピーダンス自動整合方法。
【請求項４】
前記インピーダンスまたは前記アドミタンスの実数部と虚数部とを独立して、目標値に対して指数的に減衰させ、かつその減衰度を定量的に指定する、請求項１から３のいずれかに記載のインピーダンス自動整合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波信号送信ラインと負荷との間に挿入するインピーダンス自動整合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波信号を送信ライン上で反射することなく効率よく伝搬するために、送信ラインの特性インピーダンスと負荷の持つインピーダンスとを一致させる必要がある。インピーダンス整合装置は、送信ラインと負荷とのインピーダンスを自動的に整合して損失を最小にするために設けられているものであり、自身のインピーダンスを電力伝送状態に合わせて自動調整する機能を有している。
【０００３】
負荷としては、例えば送信ラインから電力を供給してもらう送信アンテナ、プラズマチャンバー、受信機などがあり、また送信ラインに電力を送り出す高周波電源、受信アンテナなどがある。一般的には、インピーダンス整合を実現する整合回路は、負荷の持つインピーダンスによって異なり、主として負荷インピーダンスの実部が送信ラインの特性インピーダンスより小さいときには、図１に示すいわゆる逆Ｌ形整合回路が使用され、負荷インピーダンスの実部が送信ラインの特性インピーダンスより大きいときには、図２に示すいわゆるＬ形整合回路が使用される。
【０００４】
特開２００３−０４６３５９号公報（特許文献１）には、逆Ｌ形インピーダンス整合装置の一例が示されており、振幅を調整するための第１可変リアクタンスと、位相を調整するための第２可変リアクタンスを有し、それらのリアクタンスをそれぞれ振幅検出および位相検出部の検出値に応じて制御することにより、負荷インピーダンスを整合させる整合装置について示されている。
【特許文献１】特開２００３−０４６３５９号公報（段落番号００１４、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の自動制御方式の整合装置では、送信ラインと整合回路との間に設けた検出回路でインピーダンス目標値に対する振幅と位相のずれを検出し、それに対して、２つの可変リアクタンスを個別に動作させて振幅と位相のずれ検出値をゼロに収束するようにするのは一般的に行われている方法である。
【０００６】
しかし、例えば上記インピーダンス整合装置において、振幅と位相の検出値は送信される電力によって異なり、出力側のインピーダンスが異なると、検出感度も違ってくる。また、振幅を調整するための第１可変リアクタンスと、位相を調整するための第２可変リアクタンスは個別に制御している。このため、位相及び振幅の２つの検出値がともに第１及び第２の可変リアクタンスのいずれの変動にも影響されるため、２つの検出値を独立に制御することができず、互いに干渉することもある。そのため、収束速度を決めるためのゲイン調整を定量的に扱うことができず、現場の状況に合わせて調整を行わなければならない。
【０００７】
また、２つの可動部がお互いに干渉するために、収束点に収束するまでに、その前後で行ったり来たりし、発散してしまう場合もある。さらに、例えば伝搬電力の反射電力を抑えることが目的である場合、収束点に収束するまでに、反射電力がかえって大きくなることもある。
【０００８】
それゆえに、この発明の目的は、収束速度を決めるためのゲイン調整を定量的に扱うことができ、高周波信号の送信ラインと負荷との同調またはインピーダンス調整の収束速度を最適にすることが容易なインピーダンス自動整合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、送信ラインと、負荷との間に整合回路が挿入され、送信ラインと負荷側とのインピーダンスを整合するインピーダンス自動整合方法であって、整合回路は、送信ラインと負荷との間に直列接続される直列リアクタンス素子と、直列リアクタンス素子の入力側または出力側と接地電位ラインとの間に分路接続される分路リアクタンス素子とを含み、少なくとも整合回路の、送信ラインからの電力入力部もしくは送信ラインへの電力出力部におけるインピーダンスまたはアドミタンスのいずれかを検出するセンサユニットを含み、インピーダンスを整合させるための目標値とセンサユニットの検出値との差を表す誤差関数を、検出値に基づく実数部と虚数部とで表されるベクトルで定義しておき、インピーダンス自動整合方法は、
（ａ）センサユニットの検出値を検出するステップと、
（ｂ）センサユニットの検出値に基づいて、インピーダンスまたはアドミタンスの実数部と虚数部の目標値に対する誤差を収束するために、誤差関数を指数的に減衰させるための直列リアクタンス素子および分路リアクタンス素子の変化率
ｄＸ／ｄｔ＝Ａ−1・Ｋ・ｅ,
ただし、
Ｘは直列リアクタンス素子のリアクタンスＸ１と、分路リアクタンス素子のリアクタンスＸ２からなる列ベクトル、
Ｋは成分が負であるような対角行列
Ａは整合回路から決まる誤差関数の時間変化と、直列リアクタンス素子のリアクタンスＸ１および分路リアクタンス素子のリアクタンスＸ２の時間変化との間の関係を表し、ｄｅ／ｄｔ＝Ａ・ｄＸ／ｄｔで定義される行列、
ｅは誤差関数の実部と虚部からなる列ベクトル、
のように演算するステップと
（ｃ）演算された変化率に基づいて、直列リアクタンス素子および分路リアクタンス素子のインダクタンスまたはキャパシタンスを可変するステップと、
（ｄ）ステップ（ａ）〜（ｃ）をセンサユニットの検出値が目標値になるまで繰り返し実行するステップとを含む。
【００１０】
好ましくは、分路リアクタンス素子は、送信ラインと接地電位との間に、分路接続される第１のリアクタンスと、送信ラインと負荷との間に直列接続される第２のリアクタンスとを含む逆Ｌ形整合回路、または送信ラインと負荷との間に、直列接続される第３のリアクタンスと、その第３のリアクタンスの直後と接地電位との間に分路接続される第４のリアクタンスとを含むＬ形整合回路のいずれかを含む。
【００１１】
好ましくは、直列リアクタンス素子および分路リアクタンス素子は、それぞれ可変容量素子または可変インダクタンス素子を含む。
【００１２】
好ましくは、インピーダンスまたはアドミタンスの実数部と虚数部とを独立して、目標値に対して指数的に減衰させ、かつその減衰度を定量的に指定する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、インピーダンスまたはアドミタンスの実数部と虚数部との目標値に対する誤差収束度を、指数的に減衰させる形で指定して自動追尾させることにより、収束速度を決めるためのゲイン調整を定量的に扱うことができ、高周波信号の送信ラインと負荷との同調またはインピーダンス調整の収束速度を最適にすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明は、状態変数を用いた現代制御理論に基づいてシステム解析を行い、アドミタンス又はインピーダンスの実数部と虚数部とを独立した形で、目標値に対して指数的に減衰し、かつその減衰度は定量的に指定できるようにするものである
まず、実施形態について説明する前に、図１を参照して、この発明の原理について説明する。なお、以下の説明では、インピーダンス整合を行わせる整合器の送信ラインを入力側とし、エンドターミナル（負荷）を出力側として説明する。ここで、エンドターミナルは発振器，受信機，アンテナ又はプラズマチャンバーなどを意味するものとする。また、この発明は、入力側と出力側ともに上述の送信ライン又はエンドターミナルのうちのいずれかと入れ替わっても適用できる。
【００１６】
図１は逆Ｌ形整合回路であって、センサユニット１には高周波電力（ＲＦ）が供給されている。センサユニット１は高周波電力の振幅と位相とを検出し、インピーダンスとして出力する。センサユニット１の出力側の端子Ａと接地電位との間には、固定インダクタンス（コイルＬ１）と可変容量（コンデンサＣ１）との直列回路からなる第１のリアクタンスＸ１０が分路接続されており、端子Ａとエンドターミナル２との間には、固定インダクタンス（コイルＬ２）と可変容量（コンデンサＣ２）との直列回路からなる第２のリアクタンスＸ２０が接続されている。可変容量Ｃ１，Ｃ２は図示しない駆動用サーボモータによってその容量が可変される。
【００１７】
なお、第１および第２のリアクタンスＸ１０，Ｘ２０の可変素子を可変インダクタンスとし、これに固定容量を接続する構成であってもよい。
【００１８】
図１において、センサユニット１のインピーダンス検出値はＺ＝（Ｒ＋ｊＸ）で表され、エンドターミナル２のインピーダンスはＺ０＝Ｒ０＋ｊＸ０で表されるものとする。また、可変容量Ｃ１，Ｃ２の変化量は駆動用サーボモータの回転角に比例するものとすると、可変容量Ｃ１，Ｃ２は第（１）式で表される。
【００１９】
【数１】
0004824285.tif 000002
【００２０】
第（１）式においてｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）はそれぞれ可変容量Ｃ１，Ｃ２のモータ回転速度指令値を表す。図１のＡ点のアドミタンスは第（２）式が成り立つ。
【００２１】
【数２】
0004824285.tif 000003
【００２２】
第（２）式の左辺の実数部と虚数部をそれぞれＲｅとＩｍと定義すると、第（２）式は第（３）式のように書き直すことができる。
【００２３】
【数３】
0004824285.tif 000004
【００２４】
ただし、Ｘ１＝ωＬ１，Ｘ２＝Ｘ０＋ωＬ２である。第（３）式におけるＲｅ，Ｉｍについて微分を求めると、第（４）式が得られる。
【００２５】
【数４】
0004824285.tif 000005
【００２６】
ここでは、第（５）式のように誤差関数を定義し、行列展開を行う。
【００２７】
【数５】
0004824285.tif 000006
【００２８】
Ｒｅｒｅｆ，Ｉｍｒｅｆはそれぞれ目標値の実数部と虚数部を表す。ここでは、次の第（６）式に示す対角ゲイン行列を導入する。
【００２９】
【数６】
0004824285.tif 000007
【００３０】
この場合、モータ回転速度指令値を次の第（７）式のように求めておけば、誤差関数ｅ（ｔ）はゲイン行列Ｋに従って指数的に減衰し、すなわち
【００３１】
【数７】
0004824285.tif 000008
【００３２】
としておけば、誤差関数は第（８）式となる。
【００３３】
【数８】
0004824285.tif 000009
【００３４】
第（８）式において、ｋ１，ｋ２はそれぞれゲインパラメータである。
【００３５】
なお、インダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を可変インダクタンス素子として整合回路を構成する場合、上記モータ回転速度指令値を第（９）式のようにしておけば、同じ誤差収束特性を得ることができる。
【００３６】
【数９】
0004824285.tif 000010
【００３７】
ここでは、ＲｅとＩｍはセンサユニット１の検出値であり、またＩｍ１は容量Ｃ１とインダクタンスＬ１の値から計算でき、従ってＩｍ２も計算できる状態量である。
【００３８】
図１は逆Ｌ形整合回路の例について説明したが、図２はＬ形整合回路の例を示す図である。図２において、端子Ａと接地電位との間には、図１と同様にして固定インダクタンス（コイルＬ１）と可変容量（コンデンサＣ１）との直列回路からなる第３のリアクタンスＸ３０が接続されているが、可変容量（コンデンサＣ２）と固定インダクタンス（コイルＬ２）との直列回路からなる第４のリアクタンスＸ４０はセンサユニット１の出力と端子Ａとの間に接続されている。
【００３９】
図２の場合、センサユニット１のインピーダンスＺは、第（１０）式が成り立つ。
【００４０】
【数１０】
0004824285.tif 000011
【００４１】
抵抗ＲとリアクタンスＸについて微分を求めると、第（１１）式が得られる。
【００４２】
【数１１】
0004824285.tif 000012
【００４３】
ただし、Ｘ１はコンデンサＣ１を含む部分のリアクタンスであり、Ｘ２はコンデンサＣ２を含む部分のリアクタンスである。
【００４４】
図１の例と同様にして、誤差関数とゲイン行列を第（１２）及び第（１３）式のように導入する。
【００４５】
【数１２】
0004824285.tif 000013
【００４６】
【数１３】
0004824285.tif 000014
【００４７】
この場合、モータ回転速度指令値を第（１４）式のように決めておけば、誤差関数ｅ（ｔ）はゲイン行列Ｋに従って指数的に減衰し、すなわち
【００４８】
【数１４】
0004824285.tif 000015
【００４９】
としておけば、誤差関数は第（１５）式で表される。
【００５０】
【数１５】
0004824285.tif 000016
【００５１】
同じように、ＲとＸはセンサユニット１の検出値であり、また、リアクタンスＸ２はコンデンサＣ２とコイルＬ２の値から計算でき、従ってリアクタンスＸ１も計算できる状態量である。
【００５２】
図１の例と同様にして、可変インダクタンスを可変素子として整合回路を構成する場合、上記モータ回転速度指令値を次の第（１６）式のようにしておけば、同じ誤差収束特性を得ることができる。
【００５３】
【数１６】
0004824285.tif 000017
【００５４】
図３は図１に示した逆Ｌ形整合回路でインピーダンス整合する回路を示す図である。図３において、制御部３はセンサユニット１のインピーダンスを検出するとともにコンデンサＣ１，Ｃ２の容量を可変してインピーダンス整合を収束させるための制御を行う。コンデンサＣ１はモータＭ１によって駆動され、モータＭ１の回転角、すなわちポジションはポテンショメータＶＲｘによって検出されて制御部３に与えられる。コンデンサＣ２はモータＭ２によって駆動され、モータＭ２の回転角はポテンショメータＶＲｙによって検出されて制御部３に与えられる。なお、コイルＬ１，Ｌ２の固定インダクタンスは既知になっている。
【００５５】
図４は図３に示したインピーダンス整合回路の動作を説明するためのフローチャートである。図４において、制御部３はステップ（図示ではＳＰと略称する）ＳＰ１において、第（６）式に示したゲイン行列におけるゲインパラメータｋ１，ｋ２を設定する。第（８）式に示す誤差関数は、ゲインパラメータｋ１，ｋ２にしたがって指数的に収束し、その速さは数学上では時定数で表される。時定数はゲインパラメータｋ１，ｋ２の逆数であり、例えば、ｋ１＝５の場合は０．２秒となり、ｋ１＝１の場合は１秒となる。よって、ｅ２（ｔ）の収束時定数はそれぞれ０．２秒、１秒となる。
【００５６】
ステップＳＰ２において、センサユニット１のインピーダンスＺ＝（Ｒ＋ｊＸ）が検出されるとともに、ポテンショメータＶＲｘの値によってコンデンサＣ１のポジションが検出される。
【００５７】
ステップＳＰ３において、インピーダンスＺが検出されると、その逆数から第（３）式に示す実数部Ｒｅと虚数部Ｉｍとが算出される。コンデンサＣ１のポジションからその容量が判別されて、第（３）式のＩｍ１が算出される。Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ既知であるため、その数値が代入される。また、Ｉｍ＝Ｉｍ１＋Ｉｍ２であり、Ｉｍ１が算出されるとＩｍ２が計算される。したがって、コンデンサＣ２のポジションの検出は不要となる。さらに、第（５）式で定義された、誤差ベクトルｅ（ｔ）が計算される。
【００５８】
ステップＳＰ４において、第（７）式に基づいてモータ入力指令値ｒ１（ｔ），ｒ２（ｔ）のベクトルｒ（ｔ）を計算し、ステップＳＰ５において計算した入力指令値ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）にしたがって、モータＭ１およびＭ２を動作させる。これにより、誤差関数ｅ（ｔ）は第（６）式に示すゲイン行列Ｋにしたがって第（８）式により指数的に減衰する。
【００５９】
したがって、この実施形態によれば、センサユニット１とエンドターミナル２との間に逆Ｌ形整合回路を接続し、逆Ｌ形整合回路に含まれるインピーダンスの実数部と虚数部を独立した形で目標値に対して指数的に減衰させ、かつその減衰度を定量的に指定できるようにしたので、高周波信号の送信ラインとエンドターミナル２との同調またはインピーダンス調整の収束速度を最適にすることが容易にできる。
【００６０】
図５は図２に示したＬ形整合回路でインピーダンス整合する回路を示す図である。図５において、図３と同様にして、制御部３はセンサユニット１とエンドターミナル２のインピーダンスを検出するとともにコンデンサＣ１，Ｃ２の容量を可変してインピーダンス整合を収束させるための制御を行う。コンデンサＣ１，Ｃ２はモータＭ１，Ｍ２によって駆動され、モータＭ１の回転角、すなわちポジションはポテンショメータＶＲｘによって検出されて制御部３に与えられる。コンデンサＣ２はモータＭ２によって駆動され、モータＭ２の回転角はポテンショメータＶＲｙによって検出されて制御部３に与えられる。
【００６１】
図６は図５に示したＬ形整合回路でインピーダンス整合する動作を説明するためのフローチャートである。図６においてステップＳＰ１１〜ＳＰ１５は、図４のステップＳＰ１〜５に対応しており、ステップＳＰ１２，１３はステップＳＰ２，３の計算内容のみが異なる。
【００６２】
ステップＳＰ１１においてゲインパラメータｋ１、ｋ２を設定し、ステップＳＰ１２において、センサユニット１のインピーダンスＺ＝（Ｒ＋ｊＸ）が検出されるとともに、ポテンショメータＶＲｙの値によってコンデンサＣ２のポジションが検出される。ステップＳＰ１３において、センサユニット１の検出値であるＲとＸが第（１０）式に代入され、Ｘ２がコンデンサＣ２のポテンショメータＶＲｙの値によって求められ、コンデンサＣ２とコイルＬ２の直列結合リアクタンスとして計算される。第（１２）式に基づいて誤差関数を定された誤差ベクトルｅ（ｔ）が計算される。
【００６３】
ステップＳＰ１４において、第（１４）式に基づいてモータ入力指令値のベクトルｒ（ｔ）を計算し、ステップＳＰ１５において計算した入力指令値ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）にしたがって、モータＭ１およびＭ２を動作させる。これにより、誤差関数ｅ（ｔ）は第（１３）式に示すゲイン行列Ｋにしたがって第（１５）式により指数的に減衰する。
【００６４】
したがって、この実施形態によれば、センサユニット１とエンドターミナル２との間にＬ形整合回路を接続し、Ｌ形整合回路に含まれるインピーダンスの実数部と虚数部を独立した形で目標値に対して指数的に減衰させ、かつその減衰度を定量的に指定できるようにしたので、高周波信号の送信ラインとエンドターミナルとの同調またはインピーダンス調整の収束速度を最適にすることが容易にできる。
【００６５】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
この発明は、状態変数を用いた現代制御理論に基づいてシステム解析を行い、アドミタンス又はインピーダンスの実数部と虚数部とを独立した形で、目標値に対して指数的に減衰し、かつその減衰度は定量的に指定できるので、高周波プラズマ装置のインピーダンス整合装置などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】逆Ｌ形整合回路の一例を示す図である。
【図２】Ｌ形整合回路の一例を示す図である。
【図３】図１に示した逆Ｌ形整合回路でインピーダンス整合する回路を示す図である。
【図４】図３に示した逆Ｌ形整合回路でインピーダンス整合する動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】図２に示したＬ形整合回路でインピーダンス整合する回路を示す図である。
【図６】図５に示したＬ形整合回路でインピーダンス整合する動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１  センサユニット、２  エンドターミナル、３  制御部、Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２  コイル、Ｍ１，Ｍ２  モータ、ＶＲｘ，Ｖｒｙ  ポテンショメータ、Ｘ１０  第１のリアクタンス、Ｘ２０  第２のリアクタンス、Ｘ３０  第３のリアクタンス、Ｘ４０  第４のリアクタンス。
【図１】
0004824285.tif 000018
【図２】
0004824285.tif 000019
【図３】
0004824285.tif 000020
【図４】
0004824285.tif 000021
【図５】
0004824285.tif 000022
【図６】
0004824285.tif 000023