(57)【要約】  高周波電源と負荷との間のインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置が提供される。本発明に係るインピーダンス整合装置は、複数のスイッチのオンオフによりキャパシタンスが調整される可変キャパシタを有する整合回路と、可変キャパシタのキャパシタンスを調整するために可変キャパシタのスイッチの状態を目標とする状態に一致させる制御を行うスイッチ制御部と、スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するスイッチ状態判定部とを備えている。スイッチ制御部は、スイッチ状態判定部により可変キャパシタのスイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、設定された期間の間だけスイッチのスイッチ状態の変更を休止してスイッチの温度上昇を抑制する制御を行うように構成されている。
2018062109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源の出力インピーダンスと該高周波電源から負荷側の回路を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスとの整合を図るインピーダンス整合装置であって、
キャパシタと半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチとを直列に接続して構成したキャパシタンス要素を複数個並列に接続した構造を有する可変キャパシタを少なくとも一つ備えて、前記高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、
前記高周波電源の出力インピーダンスと前記負荷インピーダンスとの整合を図るために前記整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態を目標スイッチ状態として求める整合演算を設定された周期で行う整合演算部と、
前記整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を前記目標スイッチ状態に一致させる制御を行うスイッチ制御部と、
前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するスイッチ状態判定部と、
を具備し、
前記スイッチ制御部は、前記スイッチ状態判定部により、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを保護対象スイッチとして、前記保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか又は前記保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより前記保護対象スイッチの温度上昇を抑制する温度上昇抑制制御を設定された温度上昇抑制期間の間だけ行うように構成されていること、
を特徴とするインピーダンス整合装置。
【請求項２】
前記保護対象スイッチは、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、前記負荷側インピーダンスが変化する状態が継続した際に温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いキャパシタンス調整用スイッチを含む少なくとも一つのスイッチである請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項３】
前記整合演算部は、前記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、前記パラメータをサンプリングする毎に前記整合演算を行うように構成されている請求項１又は２に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項４】
前記スイッチ状態判定部は、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとし、設定された判定基準時間内に該監視対象スイッチのスイッチ状態がオン状態からオフ状態に又はオフ状態からオン状態に変更される回数をスイッチ状態変更頻度として、前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する変更頻度判定手段を備えていて、前記変更頻度判定手段により、少なくとも一つの監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が前記判定基準値以上であると判定されたときに、前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項１、２又は３に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項５】
前記スイッチ状態判定部は、前記整合回路に設けられている可変キャパシタの少なくとも一つを監視対象可変キャパシタとして、該監視対象可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを前記監視対象スイッチとするように構成されている請求項４に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項６】
前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度は、設定された判定基準時間内に監視対象スイッチのスイッチ状態が変更された回数である請求項４又は５に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項７】
前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度は、前記判定基準時間内に前記整合演算部が前記監視対象スイッチの目標スイッチ状態を変更した回数である請求項４又は５に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項８】
前記スイッチ状態判定部は、設定された判定基準時間内に前記負荷側インピーダンスが設定された大きさ以上の変化を示した回数を負荷側インピーダンス変化発生頻度として検出する負荷側インピーダンス発生頻度検出手段と、検出された負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段とを備えて、前記負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段により前記負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であると判定されたときに前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項３に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項９】
前記負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段は、前記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータを前記整合演算部がサンプリングする毎に、前回サンプリングしたパラメータと今回サンプリングしたパラメータとの差をパラメータ変化量として検出して、設定された大きさ以上のパラメータ変化量が前記判定基準時間内に検出された回数を前記負荷側インピーダンス変化発生頻度とするように構成されている請求項８に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１０】
前記整合回路に設けられている各可変キャパシタには第１ないし第ｎのキャパシタと該第１ないし第ｎのキャパシタにそれぞれ直列に接続された第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチとが設けられ、
前記整合演算部は、最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁としたｎビットの二進数の第１の桁ないし第ｎの桁をそれぞれ前記第１ないし第ｎのキャパシタに対応させて、該ｎビットの二進数の第１の桁ないし第ｎの桁のそれぞれが１であるか０であるかにより前記第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチがとるべき目標スイッチ状態を示すように構成され、
前記スイッチ状態判定部は、設定された判定基準時間内に前記ｎビットの二進数が変化した回数が設定された判定基準値以上であるときに前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項１ないし９の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１１】
前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサと、前記スイッチ状態判定手段で用いる判定基準値を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する判定基準値設定手段とが更に設けられ、
前記判定基準値設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記判定基準値を小さくするように構成されている請求項４ないし１０の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１２】
前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサと、前記スイッチ状態判定手段で用いる判定基準時間を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する判定基準時間設定手段とが更に設けられ、
前記判定基準時間設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記判定基準時間を短くするように構成されている請求項４ないし１０の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１３】
前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサと、前記温度上昇抑制期間を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段とが更に設けられ、
前記温度上昇抑制期間設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記温度上昇抑制期間を長くするように構成されている請求項４ないし１０の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１４】
前記温度上昇抑制期間を前記温度センサにより検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段が更に設けられ、
前記温度上昇抑制期間設定手段は、前記温度センサにより検出された温度が高い場合ほど前記温度上昇抑制期間を長くするように構成されている請求項１１又は１２に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１５】
前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサが設けられ、
前記スイッチ状態判定部は、前記温度センサにより検出された温度が設定された判定基準値以上であるときに前記整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている請求項１に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１６】
前記スイッチ制御部は、前記温度上昇抑制制御を行う際に前記設定されたサンプル周期よりも長い周期で前記整合演算部に前記パラメータをサンプリングさせることにより前記保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くするように構成されている請求項３に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１７】
前記スイッチ制御部は、前記整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチを前記保護対象スイッチとするように構成されている請求項１ないし１６の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１８】
前記スイッチ制御部は、前記監視対象スイッチのうち、前記変更頻度判定手段によりスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であると判定された監視対象スイッチを前記保護対象スイッチとするように構成されている請求項４，５，６又は７に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項１９】
前記変更頻度判定手段は、前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する過程で、前記判定基準時間が経過する前にスイッチ状態変更頻度が判定基準値に達したとときに前記判定基準時間が経過するのを待たずに前記監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるとの判定を行うように構成されている請求項４，５，６又は７に記載のインピーダンス整合装置。
【請求項２０】
前記整合演算部は、前記温度上昇抑制期間の間前記整合演算を停止し、前記温度上昇抑制期間が経過した後に前記整合演算を再開するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１９の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【請求項２１】
前記整合演算部は、前記温度上昇抑制期間の間も前記整合演算を行うように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１９の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るインピーダンス整合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電源からプラズマ負荷等の負荷に電力を供給する場合には、負荷からの電力の反射をなくして負荷に効率良く電力を供給するために、高周波電源と負荷との間にインピーダンス整合装置を設けて、高周波電源の出力インピーダンスと、高周波電源から負荷側を見た回路のインピーダンスとを整合させるようにしている。本明細書では、高周波電源から負荷側を見た回路のインピーダンスを負荷側インピーダンスと呼ぶ。【０００３】
従来から広く用いられているこの種のインピーダンス整合装置は、例えば特許文献１に示されているように、キャパシタンスを調整する操作軸を備えた機械操作式の可変キャパシタと、可変キャパシタとともに整合回路を構成するインダクタと、可変キャパシタの操作軸を操作するモータと、可変キャパシタの操作軸の位置を目標位置に一致させるようにモータを制御する制御部とを備えて、可変キャパシタの操作軸の位置を、インピーダンスの整合を図るために必要な位置に一致させるようにモータを制御することによりインピーダンスの整合を図るように構成されている。【０００４】
しかしながら、機械操作式の可変キャパシタを用いた場合には、整合速度を速くする上で限界があるため、プラズマ負荷のようにインピーダンスが頻繁に変化する負荷に高周波電力を供給する場合に、整合動作の追従性が悪くなって、反射電力が増え、負荷への電力の供給を効率よく行うことができなくなるという問題があった。【０００５】
そこで、特許文献２に示されているように、機械操作式の可変キャパシタの代わりに、キャパシタと、該キャパシタに直列に接続した半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチとにより構成されたキャパシタンス要素を複数個並列に接続した構造を有する電子的制御が可能な可変キャパシタを用いて、負荷側インピーダンスの変化が検出される毎に可変キャパシタに設けられたキャパシタンス調整用スイッチのうちの少なくとも一つの状態（オン状態またはオフ状態）を変更することにより、インピーダンスの整合動作を速やかに行なわせることができるようにした電子制御式のインピーダンス整合装置が提案された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９８５２４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４２２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に示された構成によれば、負荷側インピーダンスが変化したときに、可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうちの少なくとも一つの状態を変更して、可変キャパシタのキャパシタンスをインピーダンスの整合を図るために必要な値に調整することにより、インピーダンスの整合を図ることができる。半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチは高速度でオンオフさせることができるため、特許文献２に示されたインピーダンス整合装置によれば、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を速やかに行なわせることができる。【０００８】
プラズマ負荷のようにインピーダンスが頻繁に変化する負荷に高周波電力を供給する場合に、特許文献２に示されたインピーダンス整合装置を適用して、インピーダンスの整合精度を高めるためには、負荷側インピーダンスをサンプリングする周期を短くして、可変キャパシタのキャパシタンスの調整動作をきめ細かく行わせる必要がある。しかしながら、負荷のインピーダンスが頻繁に変化する場合に、負荷側インピーダンスのサンプル周期を短くして、負荷側インピーダンスの変化が検出される毎に整合回路の可変キャパシタのキャパシタンスを調整する動作を行わせるようにすると、可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのうちの少なくとも一つがオンオフ動作を高い頻度で行うことを強いられることになる。この場合、負荷側インピーダンスの変化が継続すると、高い頻度でオンオフさせられたキャパシタンス調整用スイッチを構成している半導体素子で生じるスイッチングロスの増大により、当該半導体素子のジャンクション温度が上昇するため、キャパシタンス調整用スイッチが熱破壊するおそれがある。【０００９】
上記の問題を回避するため、負荷側インピーダンスをサンプリングする周期を長くして、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を変更する周期を長くすることが考えられる。しかしながら、負荷側インピーダンスをサンプリングする周期を長くすると、負荷側インピーダンスの実際の変化に追従させて整合回路の各可変キャパシタのキャパシタンスを高い精度で調整することができなくなり、整合動作を負荷側インピーダンスの変化に追従させることができなくなるため、整合精度が低下するのを避けられない。【００１０】
本発明の目的は、半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチのオンオフによりキャパシタンスを調整する電子操作式の可変キャパシタを採用した整合回路を用いて、高周波電源の出力インピーダンスと負荷側インピーダンスとの整合を図るインピーダンス整合装置において、負荷側インピーダンスが高い頻度で変化する場合に、インピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、キャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高周波電源の出力インピーダンスと、高周波電源から負荷側の回路を見たインピーダンスである負荷側インピーアンスとの整合を図るインピーダンス整合装置を対象としたもので、本発明においては、上記の目的を達成するために、キャパシタと半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチとを直列に接続して構成したキャパシタンス要素を複数個並列に接続した構造を有する可変キャパシタを少なくとも一つ備えて、高周波電源と負荷との間に配置された整合回路と、高周波電源の出力インピーダンスと負荷側インピーダンスとの整合を図るために整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態を目標スイッチ状態として求める整合演算を設定された周期で行う整合演算部と、整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を目標スイッチ状態に一致させる制御を行うスイッチ制御部と、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するスイッチ状態判定部とを設けて、このスイッチ状態判定部により、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを保護対象スイッチとして、この保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか又はこの保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより保護対象スイッチの温度上昇を抑制する温度上昇抑制制御を設定された温度上昇抑制期間の間だけ行うように上記スイッチ制御部を構成した。【００１２】
本発明のように構成すると、温度上昇抑制期間の間保護対象スイッチからの発熱をなくすか又は発熱量を少なくしてその温度上昇を抑制することができるため、キャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。また温度上昇抑制期間以外の期間は、整合回路に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を整合演算部により求められている目標スイッチ状態に一致させる制御を行うので、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、キャパシタンス調整用スイッチの保護を図ることができる。【００１３】
本発明の一態様では、負荷側インピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、パラメータをサンプリングする毎に整合演算を行うように整合演算部が構成される。【００１４】
本発明の一態様では、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとして、この監視対象スイッチのスイッチ状態を監視することにより、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定する。この場合、スイッチ状態判定手段は、設定された判定基準時間内に監視対象スイッチのスイッチ状態がオン状態からオフ状態に又はオフ状態からオン状態に変更される回数をスイッチ状態変更頻度として、このスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する変更頻度判定手段を備えていて、変更頻度判定手段により、監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であると判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成される。【００１５】
本発明の他の態様では、整合回路に設けられている可変キャパシタの少なくとも一つを監視対象可変キャパシタとし、この監視対象可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとする。【００１６】
本発明の他の態様では、設定された判定基準時間内に整合演算部が監視対象スイッチの目標スイッチ状態を変更した回数を監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度とする。【００１７】
上記の説明では、監視対象スイッチの状態が変更される頻度に基づいて、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するようにスイッチ状態判定手段を構成するとしたが、本発明は、スイッチ状態判定手段をこのように構成する場合に限定されない。【００１８】
例えば、スイッチ状態判定部は、設定された判定基準時間内に負荷側インピーダンスが設定された大きさ以上の変化を示した回数を負荷側インピーダンス変化発生頻度として検出する負荷側インピーダンス発生頻度検出手段と、検出された負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段とを備えて、負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段により負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であると判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成することもできる。【００１９】
またスイッチ状態判定部は、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度が設定された判定基準値以上であるときに整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成することもできる。【００２０】
本発明において、判定基準時間及び判定基準値は一定である必要はなく、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度等の適宜のパラメータに応じて、判定基準時間及び判定基準値の少なくとも一方を変更するようにしてもよい。例えば、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度が高い場合程判定基準値を小さくし、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度が高い場合程判定基準時間を短くするようにしてもよい。【００２１】
また温度上昇抑制期間も一定である必要はなく、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度等のパラメータの大きさに応じて温度上昇抑制期間の長さを変更するようにしてもよい。例えば、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度が高い場合程温度上昇抑制期間を長くするようにしてもよい。【００２２】
本発明の更に他の態様は、以下に記載される発明を実施するための形態についての説明の中で明らかにされる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するスイッチ状態判定部を設けて、この判定部により、整合回路内に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にある判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを保護対象スイッチとして、保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか又は保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより保護対象スイッチの温度上昇を抑制する温度上昇抑制制御を設定された温度上昇抑制期間の間行うようにしたので、温度上昇抑制期間の間保護対象スイッチからの発熱をなくすか又は発熱量を少なくしてその温度上昇を抑制することができ、キャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。また温度上昇抑制期間以外の期間は、整合回路に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を整合演算部により求められている目標スイッチ状態に一致させる制御を行うので、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、キャパシタンス調整用スイッチの保護を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るインピーダンス整合装置の一実施形態の回路構成を示した回路図である。
【図２】本発明の実施形態で用いる制御部の構成例を示したブロック図である。
【図３】本発明の実施形態で用いる制御部の他の構成例を示したブロック図である。
【図４】本発明の実施形態で用いる制御部の更に他の構成例を示したブロック図である。
【図５】本発明の実施形態で用いる制御部の更に他の構成例を示したブロック図である。
【図６】本発明の実施形態で用いる制御部の更に他の構成例を示したブロック図である。
【図７】本発明の実施形態で用いる制御部の更に他の構成例を示したブロック図である。
【図８】本発明の実施形態で用いる制御部の更に他の構成例を示したブロック図である。
【図９】本発明の実施形態で用いる制御部の更に他の構成例を示したブロック図である。
【図１０】図２の実施形態で用いる制御部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。
【図１１】図２の実施形態で用いる制御部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムの他の例を示したフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１３】本発明の実施形態の動作を説明するための他のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下図面を参照して本発明に係るインピーダンス整合装置の実施形態を説明する。図１は、本発明に係るインピーダンス整合装置の一実施形態の回路構成を示したものである。同図において１は高周波電力を出力する高周波電源、２は高周波電源１から高周波電力が供給される負荷、３は高周波電源１と負荷２との間に設けられて、高周波電源１から負荷側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスを高周波電源１の出力インピーダンスに整合させる動作を行うインピーダンス整合装置、４は高周波電源１から負荷側を見たインピーダンスを演算するために用いるパラメータを検出する高周波検出部である。以下各部の構成について説明する。
【００２６】
＜高周波電源＞
高周波電源１は、例えば、負荷に供給する電力の周波数に等しい周波数の信号を発生する高周波信号発生部と、この高周波信号発生部の出力を増幅する電力増幅器とにより構成される。
【００２７】
＜負荷＞
本実施形態では、負荷２が半導体処理装置等に用いられるプラズマ負荷であるとする。プラズマ負荷は、例えば、被処理物が収容されるチャンバと、該チャンバ内に配置されたプラズマ発生用電極とを備えていて、プラズマ発生用電極に高周波電力が供給された際に、チャンバ内のガスをイオン化してプラズマを発生させる。プラズマ負荷は常時インピーダンスが変動するため、インピーダンス整合装置３には、インピーダンス整合動作を高速で行うことが要求される。
【００２８】
＜整合回路＞
整合回路３１は種々の形態をとり得るが、本実施形態では、高周波電源１の非接地側出力端子に高周波検出部４を通して一端が接続されるとともに他端が接地された第１の可変キャパシタＶＣ１と、第１の可変キャパシタＶＣ１の一端に一端が接続された第２の可変キャパシタＶＣ２と、第２の可変キャパシタＶＣ２の他端と負荷２との間に接続されたインダクタＬ１とにより整合回路３１が構成されている。
【００２９】
各可変キャパシタのキャパシタンスの調整を容易にするため、各可変キャパシタは、キャパシタと半導体素子からなるキャパシタンス調整用スイッチとを直列に接続して構成したキャパシタンス要素を複数個有して、これら複数個のキャパシタンス要素を互いに並列に接続した構造を有する電子操作式の可変キャパシタであることが好ましい。このような構造を有する可変キャパシタを用いると、互いに並列に接続された複数のキャパシタンス要素に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのオンオフの状態の組み合わせを変えることにより、可変キャパシタのキャパシタンスを適宜に調整することができる。
【００３０】
本実施形態で用いる可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２のそれぞれは、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）のキャパシタＣ１〜Ｃｎにそれぞれ半導体素子からなる第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎを直列に接続して構成した第１ないし第ｎのキャパシタンス要素Ｃe1〜Ｃenを互いに並列に接続した構造を有する。このように可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２を構成した場合、各可変キャパシタのキャパシタンスは、オン状態にあるキャパシタンス調整用スイッチに直列に接続されているキャパシタのキャパシタンスの合計値に等しくなる。例えば、第１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１と第３のキャパシタンス調整用スイッチＳ３とがオン状態にあり、他のキャパシタンス調整用スイッチがオフ状態にあるときの可変キャパシタのキャパシタンスは、キャパシタＣ１のキャパシタンスとキャパシタＣ３のキャパシタンスとの合計値に等しくなる。
【００３１】
本実施形態では、第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎが、高速でオンオフ制御を行うことができるＰＩＮダイオードからなっている。各ＰＩＮダイオードは、図示しないドライバ回路からそのアノード・カソード間に逆方向の直流電圧が印加されることによりオフ状態にされ、アノード・カソード間に一定の順方向の直流電圧が印加されることによりオン状態にされる。ＰＩＮダイオードは、順方向に一定のＤＣ電流が流れているときに低インピーダンスを示す状態（オン状態）になる。ＰＩＮダイオードがオン状態にあるときには、該ダイオードを通して高周波電流を双方向に流すことができる。
【００３２】
図示のように可変キャパシタを構成すると、第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎのキャパシタンスを異ならせておいて、第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎのそれぞれの状態（オン状態またはオフ状態）を適宜に選択することにより、可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２のキャパシタンスを２のｎ乗ステップで調整することができる。
【００３３】
第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態と可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２のキャパシタンスとの関係を分かりやすくするためには、例えば、ｎビットの二進数の最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁として、該二進数の第１の桁ないし第ｎの桁にそれぞれ第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎを対応させ、第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎのキャパシタンスのうちの最小のキャパシタンスである第１のキャパシタＣ１のキャパシタンスをＣmin としたときに、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）のキャパシタ（二進数の最下位の桁からｋ桁目に対応させたキャパシタ）のキャパシタンスＣｋが、下記の（１）式により決まる値をとるように、第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎのそれぞれのキャパシタンスを設定する。
Ｃｋ＝Ｃmin  ・２ｋ−１                                  （１）
【００３４】
上記の式において、ｋ−１は、ｋ番目のキャパシタが対応する二進数の最下位の桁からｋ桁目のビットのビット位置を示すビット番号である。上記のように第１ないし第ｎのキャパシタのキャパシタンスを定めておくと、第１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態（オン状態またはオフ状態）の組み合わせを変えることにより、Ｃmin ずつ値が異なる２ｎ通りのキャパシタンス(Ｃ1 〜Ｃn の合成キャパシタ容量）を得ることができる。
【００３５】
例えば、ｎ＝４、Ｃmax＝１pFとして、４桁の二進数の第１の桁〜第４の桁にそれぞれ第１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜第４のキャパシタンス調整用スイッチＳ４を対応させ、（１）式に従って、キャパシタＣ１ないしＣ４のキャパシタンスをそれぞれ１、２、４、８［pF］とすると、下記の表１に示すように、キャパシタンスがＣmin［pF］（本例では１［pF］）ずつ異なる２４ 通り（本例では１６通り）の値（本例では０〜１５［pF］）をとり得る可変キャパシタを得ることができる。
【表１】
2018062109.tif 000003
【００３６】
また例えば、ギャパシタを１０個設けて（ｎ＝１０として）、第1のキャパシタＣ１のキャパシタンスを１「pF」とし、キャパシタＣ１，Ｃ２，…のキャパシタンスを１pF，２pF，４pF，８pF，…のように順次２倍にして１０番目のキャパシタのキャパシタンスを５１２pFとした場合には、０pFから１０２３pFまで、１pF単位で可変キャパシタのキャパシタンスを調整することができる。
【００３７】
本実施形態においては、各可変キャパシタのキャパシタンスを、高周波電源と負荷との間のインピーダンスの整合を図るために必要なキャパシタンスとするために、各可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態（オン状態又はオフ状態）を「目標スイッチ状態」と呼ぶ。上記のように二進数とキャパシタとの関係が定められている場合、目標スイッチ状態は、可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチの数に等しい桁数を有する二進数により指定される。
【００３８】
例えば、各可変キャパシタを４個のキャパシタンス要素により構成して、各可変キャパシタに第１ないし第４のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓ４を設け、４桁の二進数の第１の桁〜第４の桁にそれぞれ第１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜第４のキャパシタンス調整用スイッチＳ４を対応させ、４桁の二進数と可変キャパシタのキャパシタンスとの間に表１に示した関係を持たせる。この場合、高周波電源１から負荷側を見たインピーダンスを高周波電源１の出力インピーダンスに整合させるために求められた可変キャパシタＶＣ１の目標キャパシタンスを１０pFとし、可変キャパシタＶＣ２の目標キャパシタンスを５pFとする。この場合、可変キャパシタＶＣ１の第４のキャパシタンス調整用スイッチＳ４，第３のキャパシタンス調整用スイッチＳ３、第２のキャパシタンス調整用スイッチＳ２及び第１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１がとるべき目標スイッチ状態は、４桁の二進数「１０１０」で指定され、可変キャパシタＶＣ２の第４のキャパシタンス調整用スイッチＳ４，第３のキャパシタンス調整用スイッチＳ３、第２のキャパシタンス調整用スイッチＳ２及び第１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１がとるべき目標スイッチ状態は、４桁の二進数「０１０１」で指定される。
【００３９】
＜高周波検出部＞
図１に示された高周波検出部４は、負荷側インピーダンスを演算するために用いるパラメータを検出する部分である。負荷側インピーダンスが反映されたパラメータとしては、例えば、高周波電源１から負荷２に供給される高周波電圧及び高周波電流とこれらの間の位相差とを用いてもよく、また高周波電源１の出力端で検出した進行波電力及び反射波電力を用いてもよい。高周波検出部４は、方向性結合器などを備えて、これらのパラメータを検出し得るように構成されている。本実施形態では、高周波電源１から負荷２に与えられる高周波電圧及び高周波電流と、これらの位相差とを負荷側インピーダンスが反映されたパラメータとして高周波検出部４から検出する。
【００４０】
＜制御部＞
図２を参照すると、本実施形態で用いる制御部３２の構成例が示されている。図２に示した制御部３２は、整合演算部３２Ａと、スイッチ状態判定部３２Ｂと、スイッチ制御部３２Ｃとにより構成されている。図２には図示されていないが、制御部３２には、図１２（Ａ）に示されているように、一定のサンプル周期ｔ1でサンプルパルスＰｓを発生するパルス発生器が設けられている。以下、制御部３２を構成する整合演算部３２Ａ、スイッチ状態判定部３２Ｂ及びスイッチ制御部３２Ｃの構成について説明する。
【００４１】
＜整合演算部＞
図示の整合演算部３２Ａは、高周波電源１の出力インピーダンスと高周波電源から負荷２側を見た回路のインピーダンス（負荷側インピーダンス）との整合を図るために整合回路３１に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態を目標スイッチ状態として求める整合演算を設定された周期で行う部分である。本実施形態では、負荷側インピーダンスが反映されたパラメータを高周波検出部４から設定されたサンプル周期でサンプリングして、パラメータをサンプリングする毎に整合演算を行うように整合演算部３２Ａが構成される。
【００４２】
上記高周波電源から負荷側を見たインピーダンスが反映されたパラメータとしては、例えば、高周波電源１から負荷２に供給される高周波電圧及び高周波電流とこれらの間の位相差とを用いることができる。また高周波電源の出力端で検出した進行波電力及び反射波電力や反射係数を上記パラメータとして用いることもできる。
【００４３】
本実施形態では、整合演算部３２Ａが、負荷側インピーダンス演算手段３２A1と、キャパシタンス演算手段３２A2と、目標スイッチ状態決定手段３２A3とにより構成されている。負荷側インピーダンス演算手段３２A1は、図示しないパルス発生器が一定の周期ｔ1でサンプルパルスＰｓ（図１２(Ａ)参照）を発生する毎に、負荷側インピーダンスが反映されたパラメータを高周波検出部４からサンプリングして、当該パラメータをサンプリングする毎に負荷側インピーダンスを演算する。
【００４４】
またキャパシタンス演算手段３２A2は、負荷側インピーダンス演算手段３２A1により演算された負荷側インピーダンスを高周波電源１の出力インピーダンスに整合させるために整合回路３１の可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２がそれぞれとるべきキャパシタンスを演算する手段である。
【００４５】
目標スイッチ状態決定手段３２A3は、可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンスをキャパシタンス演算手段３２A2により演算されたキャパシタンスに等しくするために（又は限りなく近づけるために）、可変キャパシタＶＣ１を構成する第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎにそれぞれ直列に接続された第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき状態（オンオフの状態）を可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態として決定し、可変キャパシタＶＣ２のキャパシタンスをキャパシタンス演算手段３２A2により演算されたキャパシタンスとするために可変キャパシタＶＣ２を構成する第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎにそれぞれ直列に接続された第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき状態を可変キャパシタＶＣ２のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態として決定する手段である。
【００４６】
＜スイッチ状態判定部＞
スイッチ状態判定部３２Ｂは、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定する手段である。キャパシタンス調整用スイッチの温度上昇を抑制する必要がある状態とは、キャパシタンス調整用スイッチを構成している半導体素子の接合部の温度が許容限度を超えている状態であり、そのままキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態のオンオフ動作を続けると、当該キャパシタンス調整用スイッチが破壊するおそれがある状態である。
【００４７】
本実施形態では、可変キャパシタＶＣ１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎ及び可変キャパシタＶＣ２に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの内の少なくとも一つを監視対象スイッチとして、少なくとも一つの監視対象スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するようにスイッチ状態判定部３２Ｂが構成される。
【００４８】
キャパシタンス調整用スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かの判定は、キャパシタンス調整用スイッチを構成する半導体素子の接合部の温度と相関関係を有するパラメータを監視することにより行うことができる。従って、スイッチ状態判定部３２Ｂは、監視対象スイッチの接合部の温度と相関関係を有するパラメータを監視して、当該パラメータに基づいて少なくとも一つの監視対象スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するように構成することができる。
【００４９】
キャパシタンス調整用スイッチの接合部の温度と相間関係を有するパラメータとしては、例えば、負荷側インピーダンスが設定値以上の変化を示す頻度、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更される頻度、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された特定部分の温度等を用いることができる。整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度としては例えば、キャパシタンス調整用スイッチが実装される基板の温度、キャパシタンス調整用スイッチを構成している半導体素子のパッケージの温度、キャパシタンス調整用スイッチからの放熱を図るヒートシンクの温度等を用いることができる。
【００５０】
図２に示された実施形態では、キャパシタンス調整用スイッチの接合部の温度と相間関係を有するパラメータとして、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態がオン状態からオフ状態に又はオフ状態からオン状態に変更される頻度（スイッチ状態変更頻度）が用いられている。
【００５１】
図２に示されたスイッチ状態判定部３２Ｂは、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとし、この監視対象スイッチのスイッチ状態がオン状態からオフ状態に又はオフ状態からオン状態に変更される頻度をスイッチ状態変更頻度として、監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する変更頻度判定手段３２B1を備えていて、この変更頻度判定手段３２B1により、少なくとも一つの監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であると判定されたときに、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている。
【００５２】
本実施形態では、設定された判定基準時間内に監視対象スイッチのスイッチ状態が変更された回数を監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度としている。判定基準時間内に監視対象スイッチのスイッチ状態が変更された回数は、設定された判定基準時間内に監視対象スイッチのスイッチ状態が実際に変更された回数を計数するか、又は設定された判定基準時間内に整合演算部３２Ａが監視対象スイッチの目標スイッチ状態を変更した回数を計数することにより検出することができる。
【００５３】
キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度を求める際に用いる「判定基準時間」及びキャパシタンス調整用スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定する際に用いる「判定基準値」は、これらのパラメータを種々変化させながらインピーダンスの整合動作を行わせてキャパシタンス調整用スイッチの温度を計測する実験を行うことにより決定することができる。
【００５４】
上記の説明では、整合回路３１に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチのうちの少なくとも一つを監視対象スイッチとするとしたが、整合回路３１に設けられている可変キャパシタの少なくとも一つを「監視対象可変キャパシタ」として選定して、この監視対象可変キャパシタに設けられている少なくとも一つのキャパシタンス調整用スイッチを監視対象スイッチとするようにしてもよい。
【００５５】
即ち、変更頻度判定手段３２B1は、整合回路３１に設けられている可変キャパシタの少なくとも一つを監視対象可変キャパシタとして、この監視対象可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとするように構成することができる。この場合も、スイッチ状態判定手段３２Ｂは、変更頻度判定手段により、少なくとも一つの監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であると判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定する。
【００５６】
＜監視対象可変キャパシタ及び監視対象スイッチについて＞
インピーダンス整合装置において、整合回路に複数の可変キャパシタが設けられている場合、負荷側インピーダンスが変化した際にすべての可変キャパシタのキャパシタンスが高頻度で調節されるとは限らず、一部の可変キャパシタのキャパシタンスのみが高頻度で調節されることがある。
【００５７】
また各可変キャパシタに設けられている複数のキャパシタンス調整用スイッチのそれぞれのスイッチ状態が変更される頻度は同じではなく、一般には、可変キャパシタのキャパシタンスの下位の桁の値を調整する際にスイッチ状態が変更される（オンオフされる）キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度の方が、可変キャパシタのキャパシタンスの上位の桁の数値を調整する際にスイッチ状態が変更されるキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度よりも高くなる。
【００５８】
整合回路に設けられている複数の可変キャパシタのキャパシタンスが調整される頻度に差があることが分かっている場合には、すべての可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチを監視の対象とする必要はなく、キャパシタンスが調整される頻度が高い可変キャパシタを監視対象可変キャパシタとして、この監視対象可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度を監視するようにすればよい。
【００５９】
同様に、監視対象可変キャパシタに設けられている複数のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度に差があることが分かっている場合には、監視対象可変キャパシタに設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチを監視対象スイッチとする必要はなく、スイッチ状態変更頻度が高いことが分かっているキャパシタンス調整用スイッチのみを監視対象スイッチとするようにしてもよい。
【００６０】
最も早く保護が必要な状態になりやすいキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度を監視して、そのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であるときに、保護対象スイッチとして選定したキャパシタンス調整用スイッチに対して温度上昇抑制制御を行うようにすれば、整合回路を構成するキャパシタンス調整用スイッチの保護を確実に図ることができる。整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうちの一部のスイッチ状態変更頻度のみを監視するようにすると、スイッチ状態変更頻度の検出及びスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準以上であるか否かの判定を行うための処理を簡単にすることができる。
【００６１】
またキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度は、キャパシタンス調整用スイッチがオン状態にあるのかオフ状態にあるのかを検出するスイッチ状態検出手段をキャパシタンス調整用スイッチに対して設けて、設定された判定基準時間内にこのスイッチ状態検出手段によりキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更されたことが検出された回数を計数することにより検出することもできるが、このような方法でスイッチ状態変更頻度を検出する場合、一部のキャパシタンス調整用スイッチのみを監視対象スイッチとすれば、監視対象スイッチとする一部のキャパシタンス調整用スイッチに対してのみスイッチ状態検出手段を設ければよいので、整合回路の構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【００６２】
なお整合回路３１に設けられている可変キャパシタの少なくとも一つを監視対象可変キャパシタとして、この監視対象可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとする場合も、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つを監視対象スイッチとしていることには変わりはない。
【００６３】
本発明においては、整合回路３１に設けられているすべての可変キャパシタを監視対象可変キャパシタとし、各可変キャパシタに設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチ、又は各可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、スイッチ状態変更頻度が高いことが分かっている少なくとも一つのキャパシタンス調整用スイッチを監視対象スイッチとして、少なくとも一つの監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であると判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるとの判定を行うようにスイッチ状態判定部３２Ｂを構成することを妨げない。
【００６４】
＜本実施形態で用いるスイッチ状態判定部の構成＞
上記のように、本発明においては、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの一部のみを監視対象スイッチとすることができるが、以下の説明では、整合回路３１に設けられている２つの可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２の双方を監視対象可変キャパシタとし、各監視対象可変キャパシタに設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎを監視対象スイッチとして、設定された判定基準時間内に整合演算部３２Ａが監視対象スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態を変更した回数を計数することにより監視対象スイッチのスイッチ状態変更頻度を求めるものとする。
【００６５】
前述のように、本実施形態で用いる整合演算部３２Ａは、最下位の桁及び最上位の桁をそれぞれ第１の桁及び第ｎの桁としたｎビットの二進数の第１の桁ないし第ｎの桁をそれぞれ第１ないし第ｎのキャパシタＣ１〜Ｃｎに対応させて、該ｎビットの二進数の第１の桁ないし第ｎの桁のそれぞれが１であるか０であるかにより第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチがとるべき目標スイッチ状態を示すように構成されている。
【００６６】
本実施形態においては、上記ｎビットの二進数が第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎのスイッチ状態の組み合わせパターンを示していることに着目して、設定された判定基準時間内にｎビットの二進数が変化した回数が設定された判定基準値以上であるときに、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するようにスイッチ状態判定部３２Ｂが構成されている。
【００６７】
＜スイッチ制御部＞
スイッチ制御部３２Ｃは、整合回路に設けられている各キャパシタンス調整用スイッチのオンオフを制御するスイッチ制御手段３２C1と，温度上昇抑制制御を行う温度上昇抑制制御手段３２C2とにより構成される。ここで、スイッチ制御手段３２C1は、各可変キャパシタの第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎのオンオフを制御する手段で、定常時には、各キャパシタンス調整用スイッチの状態を整合演算部３２Ａにより求められた目標スイッチ状態に一致させるように各可変キャパシタの第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎを制御する。
【００６８】
また温度上昇抑制制御手段３２C2は、スイッチ状態判定部３２Ｂにより、整合回路３１に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎのうちの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、スイッチ制御手段３２C1に温度上昇抑制制御実行指令を与えて、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎのうちの少なくとも一つを保護対象スイッチとして、設定された温度上昇抑制期間の間だけ、保護対象スイッチの温度上昇を抑制するための制御（温度上昇抑制制御）をスイッチ制御手段３２C1に行わせる手段である。整合回路３１に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎのうちの一部のスイッチのみを保護対象スイッチとする場合、スイッチ制御手段３２C1は、温度上昇抑制制御手段から温度上昇抑制制御実行指令が与えられたときに、保護対象スイッチに対しては温度上昇抑制制御を行うが、保護対象スイッチ以外のキャパシタンス調整用スイッチに対しては、そのスイッチ状態を目標スイッチ状態に一致させるスイッチ制御を行う。
【００６９】
＜温度上昇抑制制御について＞
温度上昇抑制制御は、保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか、又は保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより行う。保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させることにより温度上昇抑制制御を行う場合、保護対象スイッチのスイッチング動作の停止は、温度上昇抑制期間の間整合演算部３２Ａによる目標スイッチ状態の演算を停止させるか、又は、保護対象スイッチのスイッチ状態を温度上昇抑制制御開始直前の状態に固定することにより行うことができる。
【００７０】
また保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより温度上昇抑制制御を行うには、例えば、整合回路が各キャパシタンス調整用スイッチの目標スイッチ状態を変更する毎に保護対象スイッチのスイッチ状態を変更するのではなく、保護対象スイッチのスイッチ状態の変更を時間間隔をあけて間欠的に行わせるようにすればよい。
【００７１】
また本実施形態のように、負荷側インピーダンスが反映されたパラメータを設定されたサンプル周期でサンプリングして、パラメータをサンプリングする毎に整合演算を行うように整合演算部３２Ａが構成されている場合には、温度上昇抑制制御を行う際に、整合演算部３２Ａの負荷側インピーダンス演算手段３２A1が負荷側インピーダンスを求めるために用いるパラメータを高周波検出部４からサンプリングする周期を、設定された正規のサンプル周期よりも長い周期とするように整合演算部３２Ａを制御することにより、保護対象スイッチがスイッチング動作を行う頻度を低くするようにスイッチ制御部３２Ｃを構成することもできる。
【００７２】
キャパシタンス調整用スイッチの温度上昇を抑制する制御（温度上昇抑制制御）を行う「温度上昇抑制期間」は、例えば、キャパシタンス調整用スイッチを高い頻度でオンオフさせてその温度を許容限度まで上昇させた後、キャパシタ調整用スイッチのスイッチング動作を停止させるか、またはスイッチング動作を行う頻度を低下させる温度上昇抑制制御を開始させて、この温度上昇抑制制御を開始した後、キャパシタンス調整用スイッチの温度がスイッチング動作を再開させても差し支えない温度まで低下するのに要した時間を求める実験を行うことにより、最適な長さに決定することができる。
【００７３】
＜保護対象スイッチについて＞
保護対象スイッチは、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、過度の温度上昇により破壊するのを防ぐために、温度上昇抑制制御の対象とするスイッチである。保護対象イッチは、整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチであってもよく、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの一部であってもよい。本発明の好ましい態様では、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのうち、負荷側インピーダンスが変化する状態が継続した際に温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いキャパシタンス調整用スイッチを含む少なくとも一つのキャパシタンス調整用スイッチを保護対象スイッチとして選定する。
【００７４】
整合回路３１に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのうち、負荷インピダンスが変化する状態が継続した際に頻繁にオンオフさせられるために温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いスイッチが予め分かっている場合には、そのようなスイッチを保護対象スイッチとすればよいが、負荷インピダンスが高い頻度で変化した際に温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いといえるスイッチが明らかでない場合には、整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチを保護対象スイッチとするのが好ましい。
【００７５】
負荷インピダンスが変化する状態が継続した際に温度上昇の抑制を必要とする状態になる蓋然性が高いスイッチとは、例えば、各可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのうち、各可変キャパシタのキャパシタンスの下位寄りの桁の値を調整する際にオンオフさせられるスイッチや、監視対象スイッチのうち、変更頻度判定手段によりスイッチ状態変更頻度が設定された判定基準値以上であると判定された監視対象スイッチ等である。
【００７６】
なお整合回路３１に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのうち、一部のスイッチのみを保護対象スイッチとして温度上昇抑制制御を行うよりは、整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチを保護対象スイッチとして、すべてのキャパシタンス調整用スイッチに対して一律に温度上昇抑制制御を行う方が、制御が簡単になる場合がある。このような場合には、温度上昇を抑制する必要があるキャパシタンス調整用スイッチを特定できる場合であっても、温度上昇抑制制御を簡単に行うという観点から、整合回路に設けられているすべてのキャパシタンス調整用スイッチを保護対象スイッチとすることができる。
【００７７】
＜インピーダンス整合装置の動作＞
図１２を参照して本実施形態に係るインピーダンス整合装置の動作を説明する。以下に示す動作説明では、可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２に設けられているキャパシタンス調整用スイッチのすべてを監視対象スイッチとし、これらの監視対象スイッチのすべてを保護対象スイッチとする。
【００７８】
図１２は、本実施形態に係るインピーダンス整合装置の動作の一例を示したタイムチャートであり、同図（Ａ）は、図示しないパルス発生器が発生するサンプルパルスＰｓを示している。パルスＰｓは一定のサンプル周期ｔ1で発生する。図１２（Ｂ）は整合演算部３２Ａの動作を示し、同図（Ｃ）は整合回路３１に設けられている可変キャパシタのキャパシタンスを変化させるために整合回路に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変化を示している。また図１２（Ｄ）は、一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更された回数（ＯＮ／ＯＦＦ回数）のカウント値を示している。
【００７９】
本実施形態のように、整合回路３１に２つの可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２が設けられている場合、一般には、可変キャパシタＶＣ１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変化と、可変キャパシタＶＣ２に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変化とは異なるが、以下の説明では、説明の便宜上、可変キャパシタＶＣ１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変化と、可変キャパシタＶＣ２に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変化とが同じであるとする。
【００８０】
図１２（Ｂ）において「実行」は整合演算が行われたことを意味し、「停止」は整合演算が停止していることを意味している。また図１２（Ｃ）において、「維持」は、サンプルパルスが発生したときに演算された負荷側インピーダンスが前回サンプルパルスが発生した際に演算された負荷側インピーダンスと変わりがなく、整合演算部３２Ａが目標スイッチ状態を変更しなかったために、整合回路に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのオンオフの状態が維持されたことを意味している。また図１２（Ｃ）において、「変更」は、整合回路の各可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのうちの少なくとも一つのオンオフの状態が変化させられたために一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の組み合わせパターンが変化したことを意味する。
【００８１】
また図１２（Ｄ）の「ＯＮ／ＯＦＦ回数」は、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更された回数のカウント値を示しており、Ｃs は設定された判定基準値（キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更頻度が設定された許容限度以上であるか否かを判定するために変更回数と比較される基準値）を示している。また図１２の最下部に示されたｔ2 は、判定基準時間を示し、ｔ3 は温度上昇抑制期間を示している。
【００８２】
本実施形態において、インピーダンス整合装置の整合動作が開始されると、サンプルパルスＰｓが発生する毎に整合演算が実行される。その結果、目標スイッチ状態が変更されると、整合回路の一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の組み合わせパターンが変更される。目標スイッチ状態とは、高周波電源１と負荷２との間のインピーダンスの整合を図るために可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチがとるべき状態である。高周波検出部４から負荷側インピーダンスが反映されたパラメータをサンプリングして負荷側インピーダンスを演算した結果、負荷側インピーダンスに変化がなく、目標スイッチ状態が変更されなかったときには、整合回路の可変キャパシタのキャパシタンスを定めるために設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の組み合わせパターンが前回のサンプリング時と同じ状態に維持される。
【００８３】
サンプルパルスＰｓに同期してキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更される毎に、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更回数のカウント値がインクリメントされ、前回のサンプリング時のスイッチ状態が維持されたときには、前回のサンプリング時のカウント値が維持される。
【００８４】
本実施形態では、整合動作が開始されると同時にタイマが起動されて経過時間が計測され、経過時間が設定された判定基準時間ｔ2 に達する毎にタイマがリセットされる。そして、タイマにより判定基準時間ｔ2 が計測される毎に、変更頻度判定手段３２B1がキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更回数のカウント値（スイッチ状態変更頻度）を設定された判定基準値Ｃs と比較して、変更回数のカウント値が判定基準値以上になっているか否かを判定する。その結果、変更回数のカウント値が判定基準値未満であると判定されたときには、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの中に温度上昇の抑制を必要とするスイッチはないと判定し、変更回数のカウント値が判定基準値以上になったと判定されたときに、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定する。
【００８５】
そして、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定される毎に、設定された温度上昇抑制期間ｔ3 の計測を行って、この温度上昇抑制期間ｔ3 を計測している間だけ、温度上昇抑制制御を行う。
【００８６】
図１２に示された例では、同図（Ｂ）に示したように、温度上昇抑制期間ｔ3 の間、整合演算を停止させることにより温度上昇抑制制御を行うように整合演算部３２Ａを構成している。このように構成した場合には、整合演算部３２Ａが目標スイッチ状態を変更する回数と、整合回路の一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更される回数とが同じになるので、単純に整合演算部が目標スイッチ状態を変更する回数をカウントすることにより、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更された回数をカウントすることができる。しかしながら、本発明はこのように整合演算部を構成する場合に限定されるものではなく、図１３に示した例のように、温度上昇抑制期間ｔ3 の間も整合演算を実行させるように整合演算部３２Ａを構成してもよい。このように構成した場合には、温度上昇抑制期間ｔ3 が経過した後、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を目標スイッチ状態に一致させる制御を再開する際に、目標スイッチ状態をその時の負荷側インピーダンスに適合した状態とすることができるため、インピーダンス整合の誤差を少なくすることができる。
【００８７】
図１３に示されているように、温度上昇抑制期間の間もサンプルパルスが発生する毎に整合演算を実行させる構成をとる場合も、温度上昇抑制期間ｔ3 の間、整合演算部３２Ａが目標スイッチ状態を変更した回数のカウントを停止し、判定基準時間ｔ2 の間だけ整合演算部３２Ａが目標スイッチ状態を変更した回数をカウントするように変更頻度判定手段３２B1を構成することにより、整合演算部３２Ａが目標スイッチ状態を変更した回数から各可変キャパシタの一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更された回数（スイッチ状態変更頻度）を求めることができる。
【００８８】
上記判定基準値Ｃs 、判定基準時間ｔ2 及び温度上昇抑制期間ｔ3 は、キャパシタンス調整用スイッチを構成する半導体素子のジャンクション温度を許容範囲に収めること、インピーダンスの整合誤差を負荷の動作を保証する上で必要な範囲に収めること、反射電力を許容範囲に収めること等に配慮して、実験に基づいて適正な値に設定する。キャパシタンス調整用スイッチのジャンクション温度は、例えばキャパシタンス調整用スイッチの表面温度を検出することにより推定することができる。
【００８９】
本実施形態のように、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かの判定（温度上昇抑制要否判定）を行うスイッチ状態判定部３２Ｂを設けて、この判定部により、整合回路３１内に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの少なくとも一つを保護対象スイッチとして、この保護対象スイッチのスイッチング動作を停止させるか又はスイッチング動作を行う頻度を低くすることにより保護対象スイッチの温度上昇を抑制する温度上昇抑制制御を設定された温度上昇抑制期間の間だけ行うようにすると、温度上昇抑制期間の間保護対象スイッチからの発熱をなくすか又は発熱を制限してその温度上昇を抑制することができるため、キャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。また温度上昇抑制期間以外の期間は、整合回路に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を整合演算部３２Ａにより求められている目標スイッチ状態に一致させるスイッチ制御を行うので、高周波電源１と負荷２との間のインピーダンスの整合精度を大きく低下させることなく、キャパシタンス調整用スイッチの保護を図ることができる。
【００９０】
図２に示した制御部３２の整合演算部３２Ａ、変更頻度判定手段３２B1及びスイッチ制御部３２Ｃの各部は、マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより実現することができる。図１０は、整合演算部３２Ａ、変更頻度判定手段３２B1及びスイッチ制御部３２Ｃを構成するためにマイクロプロセッサに実行させる処理のアルゴリズムの一例を示したもので、サンプルパルスＰｓが発生する毎に実行されるものである。
【００９１】
図１０に示したアルゴリズムによる場合には、インピーダンスの整合動作を開始する指令が与えられたときに先ずステップＳ０１において各部の初期化を行い、整合動作が開始（又は再開）されてからの経過時間を計測する第１のタイマの計測値ｔａ，温度上昇抑制期間における経過時間を計測するタイマの計測値ｔｂ、整合回路の少なくとも一つの可変キャパシタに設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態が変更された回数をカウントするカウンタの計測値ｃ及び温度上昇抑制期間であることを示すフラグＦを０にリセットする。
【００９２】
上記カウンタの計数値ｃは、可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２の何れか一方に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態が変更された場合、及び整合回路のすべての可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２にそれぞれ設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態が共に変更された場合の何れの場合にも１だけインクリメントされる。
【００９３】
ステップＳ０１で各部の初期化を行った後、ステップＳ０２に進んで、整合動作を終了させることを指令する指令が与えられたか否かを判定し、当該指令が与えられていない場合にはステップＳ０３に進んでサンプルパルスＰｓが発生するのを待つ。ステップＳ０３においてサンプルパルスＰｓが発生したと判定したときにステップＳ０４に進み、フラグＦが１にセットされているか否かを判定する。この判定の結果、フラグＦが１にセットされていないと判定されたときには、ステップＳ０５に進んで第１のタイマの計測値ｔａを１だけインクリメントする。次いでステップＳ０６に進んで、高周波電源１の出力端から負荷側を見たインピーダンスの演算を行う過程と、演算されたインピーダンスを高周波電源の出力インピーダンスに整合させるために可変キャパシタＶＣ１に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき状態及び可変キャパシタＶＣ２に設けられている一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき状態をそれぞれ可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態及び可変キャパシタＶＣ２のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態として決定する過程とを含む整合演算を行う。
【００９４】
整合演算を行った後、ステップＳ０７に進んで目標スイッチ状態が変更されたか否かを判定し、可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態及び可変キャパシタＶＣ２のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態の双方が変更されなかった場合にはステップＳ０２に戻る。ステップＳ０７において、可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態及び可変キャパシタＶＣ２のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの目標スイッチ状態の少なくとも一方が変更されたと判定されたときには、ステップＳ０８に進んで、可変キャパシタＶＣ１の第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態及び可変キャパシタＶＣ２の第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態をそれぞれの目標スイッチ状態に一致させる処理を行う。次いでステップＳ０９に進んで、キャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態が変更された回数をカウントするカウンタの計数値ｃを１だけインクリメントする。
【００９５】
ステップＳ０９を実行した後、ステップＳ１０に進んでカウンタの計数値ｃが判定基準値Ｃs 以上であるか否かを判定する。その結果Ｃ≧Ｃs でない場合にはステップＳ０２に戻り、Ｃ≧Ｃs である場合にはステップＳ１１に進んで、整合動作開始時からの経過時間ｔａが判定基準時間ｔ2 以上であるか否かを判定する。その結果、経過時間ｔａが判定基準時間ｔ2 以上でないと判定されたときにはステップＳ０２に戻り、経過時間ｔａが判定基準時間ｔ2 以上であると判定されたときにはステップＳ１２に進んで各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変更を停止（現状を維持）すると共に、フラグＦを１にセットし、更にステップＳ１３で温度上昇抑制期間における経過時間を計測する第２のタイマの計測値ｔb を設定された温度上昇抑制期間ｔ3 にセットした後にステップＳ０２に戻る。
【００９６】
フラグＦが１にセットされた状態でステップＳ０２に移行した際には、ステップＳ０４においてフラグＦが１であると判定されるため、次いでステップＳ１４に移行して第２のタイマの計測値ｔｂが温度上昇抑制期間ｔ3 に達しているか否かが判定される。その結果、第２のタイマの計測値ｔｂが温度上昇抑制期間ｔ3 に達していないと判定されたときにはステップＳ１５に進んで第２のタイマの計測値ｔb を１だけインクリメントしてステップＳ０２に戻る。第２のタイマの計測値ｔｂが設定された温度上昇抑制期間ｔ3に達するまでの間は、各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変更が停止された状態でステップＳ０２→Ｓ０３→Ｓ０４→Ｓ１４→Ｓ１５→Ｓ０２の過程が繰り返されるため、可変キャパシタＶＣ１のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態及び可変キャパシタＶＣ２のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態が変更されずに維持される。このようにして、設定された温度上昇抑制期間ｔ3 の間各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態が、温度上昇抑制期間ｔ3 が開始される直前の状態に維持される。
【００９７】
ステップＳ１４で第２のタイマの計測値ｔｂが温度上昇抑制期間ｔ3 に達したと判定されたときには、ステップＳ１６に進んでフラグＦが０にリセットされた後ステップＳ０２に戻る。次いでステップＳ０３に進み、同ステップでパルスＰｓが発生していると判定されるとステップＳ０４が実行されるが、ステップＳ０４ではフラグＦが１でないと判定されるため、ステップＳ０５以降の各ステップが実行され、整合演算及び各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変更が再開される。
【００９８】
上記のようにして、判定基準時間ｔ2 内に行われたキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変更の回数が設定された判定基準値Ｃｓ未満であると判定されているときに、整合演算部が目標スイッチ状態を変更する毎にキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態を変更された目標スイッチ状態に一致させる制御が行われ、判定基準時間内に行われた変更の回数が設定された判定基準値以上であると判定されたときには、設定された温度上昇抑制期間ｔ3 の間キャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの状態の変更を休止する変更休止過程が行われた後に一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態を整合演算部により変更された目標スイッチ状態に一致させる制御が再開させられる。
【００９９】
図１０に示したアルゴリズムによる場合には、ステップＳ０５〜Ｓ１１により変更頻度判定手段３２B1が構成され、ステップＳ０２〜Ｓ０４及びステップＳ１２〜Ｓ１６によりスイッチ制御部３２Ｃが構成される。
【０１００】
図１０に示したアルゴリズムによった場合、整合演算部は、温度上昇抑制期間ｔ3 の間整合演算を停止し、温度上昇抑制期間ｔ3 が経過した後に整合演算を再開するが、整合演算部は、温度上昇抑制期間の間もパラメータをサンプリングする毎に整合演算を行うように構成してもよい。図１１は、温度上昇抑制期間の間もパラメータをサンプリングする毎に整合演算を行うように制御部を構成する場合に、マイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムを示したフローチャートである。
【０１０１】
図１１に示されたアルゴリズムでは、ステップＳ０３でパルスＰｓが認識されたときに、ステップＳ０６に移行して整合演算が行われ、次いでステップＳ０４′でフラグＦが１にセットされた後、ステップＳ０５′で、第１のタイマの計測値ｔａがインクリメントされる。その他の点は、図１０に示されたアルゴリズムと同様である。
【０１０２】
上記判定基準値Ｃs、判定基準時間ｔ2 ，及び温度上昇抑制期間ｔ3 は固定値としてもよいが、これらをキャパシタンス調整用スイッチの発熱の状況に応じて変えるようにしてもよい。
【０１０３】
例えば、図３に示したように、各可変キャパシタの一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５と、スイッチ制御部３２Ｃで用いる温度上昇抑制期間ｔ3 を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段６とを設けて、キャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて温度上昇抑制期間ｔ3 を変えるようにしても良い。この場合温度上昇抑制期間設定手段６は、例えば、一定の周期で温度センサ５の出力をサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングした温度に対して温度上昇抑制期間を演算する温度上昇抑制期間演算手段と、演算された温度上昇抑制期間をメモリに記憶する記憶手段とにより構成することができる。
【０１０４】
温度上昇抑制期間の演算は、サンプリング手段がサンプリングした温度に対して温度上昇抑制期間演算用マップを検索することにより行うことができる。温度上昇抑制期間演算用マップは、温度センサにより検出された温度が高い場合ほど温度上昇抑制期間ｔ3 を長くするように作成しておく。
【０１０５】
この場合温度上昇抑制制御手段３２c2は、スイッチ状態判定手段３２Ｂにより、整合回路に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの中に温度上昇の抑制を必要とする状態になっているスイッチがあるとの判定がなされたときに、メモリに記憶された最新の温度上昇抑制期間ｔ3 を読み出して、読み出した温度上昇抑制期間ｔ3 をタイマにセットし、このタイマがセットされた温度上昇抑制期間ｔ3 を計測している間温度上昇抑制制御を行わせる。
【０１０６】
第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎの温度が反映された温度は、例えば第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎが実装された基板や、キャパシタンス調整用スイッチからの放熱を図るヒートシンクなどの温度とすることができる。
【０１０７】
このように構成しておくと、一連のキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止する温度上昇抑制期間の長さをキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて適正な長さに設定することができるため、インピーダンスの整合精度の低下を抑えつつ、一連のキャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。
【０１０８】
また図４に示したように、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５と、変更頻度判定手段３２B1で用いる判定基準値を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する判定基準値設定手段７とを設けて、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて判定基準値を変えるようにすることもできる。この場合、判定基準値設定手段７は、温度センサ５により検出された温度が高い場合ほど判定基準値を小さくするように構成しておく。判定基準値設定手段７は、図３に示された温度上昇抑制期間設定手段と同様に、温度センサ５が検出している温度に対して判定基準値を随時演算して、演算した判定基準値をメモリに記憶させておくように構成することができる。
【０１０９】
このように構成しておくと、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が高い場合ほど、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止する頻度を高くすることができ、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度がそれほど高くない場合には、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止する頻度を低くすることができるため、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて適正な頻度でキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止させて、インピーダンスの整合精度の低下を抑えつつキャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。
【０１１０】
また図５に示したように、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５と、変更頻度判定手段３２B1で用いる判定基準時間を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する判定基準時間設定手段８とを設けて、キャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて判定基準時間を変えるようにすることもできる。この場合、判定基準時間設定手段８は、温度センサ５により検出された温度が高い場合ほど判定基準時間を短くするように構成しておく。
【０１１１】
このように構成した場合も、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて適正な頻度でキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止させることができるため、インピーダンスの整合精度の低下を抑えつつキャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。
【０１１２】
更に、図６に示したように、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５と、スイッチ制御部３２Ｃで用いる温度上昇抑制期間を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段６と、変更頻度判定手段３２B1で用いる判定基準値を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する判定基準値設定手段７とを更に設けて、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて、温度上昇抑制期間及び判定基準値を変えるようにしてもよい。この場合、温度上昇抑制期間設定手段６は、温度センサ５により検出された温度が高い場合ほど温度上昇抑制期間を長くするように構成し、判定基準値設定手段７は、温度センサ５により検出された温度が高い場合ほど判定基準値を小さくするように構成しておく。
【０１１３】
上記のように構成すると、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止する期間の長さをキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて適正な長さに設定することができるだけでなく、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて適正な頻度でキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止させることができるため、インピーダンスの整合精度の低下を抑えつつキャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。
【０１１４】
更に図７に示したように、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５と、スイッチ制御部３２Ｃで用いる温度上昇抑制期間を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段６と、変更頻度判定手段３２B1で用いる判定基準時間を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する判定基準時間設定手段９とを設けて、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて、温度上昇抑制期間ｔ3 及び判定基準時間ｔ2 を変えるようにしてもよい。この場合、温度上昇抑制期間設定手段６は、温度センサ５により検出された温度が高い場合ほど温度上昇抑制期間を長くするように構成し、判定基準時間設定手段９は、温度センサ５により検出された温度が高い場合ほど判定基準時間を短くするように構成しておく。
【０１１５】
上記のように構成した場合も、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度が高い場合ほど、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止する頻度を高くすることができ、一連のキャパシタンス調整用スイッチの温度がそれほど高くない場合には、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止する頻度を低くすることができるため、キャパシタンス調整用スイッチの温度に応じて適正な頻度でキャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態の変更を休止させて、インピーダンスの整合精度の低下を抑えつつキャパシタンス調整用スイッチの保護を適確に図ることができる。
【０１１６】
＜スイッチ状態判定部の変形例＞
上記の各実施形態では、キャパシタンス調整用スイッチのスイッチ状態変更頻度が判定基準値以上であるか否かにより、監視対象スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するようにしたが、負荷側インピーダンスの変化の発生頻度が判定基準値以上であるか否かを判定することにより、監視対象スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かを判定するようにスイッチ状態判定部３２Ｂを構成することもできる。
【０１１７】
図８は、このようにスイッチ状態判定部３２Ｂを構成した実施形態を示したものである。図８に示した例では、スイッチ状態判定部３２Ｂが、負荷側インピーダンス発生頻度検出手段３２B2と、負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段３２B3とにより構成されている。ここで負荷側インピーダンス発生頻度検出手段３２B2は、設定された判定基準時間内に高周波電源１から負荷２側を見たインピーダンスが設定された大きさ以上の変化を示した回数を負荷側インピーダンス変化発生頻度として検出する手段であり、負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段３２B3は、負荷側インピーダンス発生頻度検出手段３２B2により検出された負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であるか否かを判定する手段である。スイッチ状態判定部３２Ｂは、負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段３２B3により負荷側インピーダンス変化発生頻度が設定された判定基準値以上であると判定されたときに、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するように構成されている。
【０１１８】
図８に示された負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段３２B2は、高周波電源１から負荷側の回路を見たインピーダンス（負荷側インピーダンス）が反映されたパラメータを整合演算部３２Ａがサンプリングする毎に、前回サンプリングしたパラメータと今回サンプリングしたパラメータとの差をパラメータ変化量として検出して、設定された大きさ以上のパラメータ変化量が設定された判定基準時間内に検出された回数を負荷側インピーダンス変化発生頻度とするように構成されている。上記負荷側インピーダンスが反映されたパラメータとしては、例えば反射係数を用いることができる。
【０１１９】
上記の判定基準値及び判定基準時間は一定値であってもよいが、保護対象用スイッチの保護を適確に図るために、適宜のパラメータに対して変化させるようにしてもよい。例えば、整合回路に設けられたキャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサを設けて、この温度センサにより検出された温度が高い場合ほど上記判定基準値を小さくするようにしてもよいし、温度センサにより検出された温度が高い場合ほど判定基準時間を短くするようにしてもよい。
【０１２０】
図８に示した例では、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５と、温度センサ５により検出された温度に対して温度上昇抑制期間ｔ3 を設定する温度上昇抑制期間設定手段６と、負荷側インピーダンス変化発生頻度と比較する判定基準値を温度センサ５により検出された温度に対して設定する判定基準値設定手段８と、負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段３２B2で用いる判定基準時間を温度センサ５により検出された温度に応じて設定する判定基準時間設定手段９とが設けられている。
【０１２１】
温度上昇抑制期間設定手段６は、温度センサ５により検出された温度が高い場合程温度上昇抑制期間を長くするように構成され、判定基準値設定手段８は、負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段３２B2で用いる判定基準値を温度センサ５により検出された温度が高い場合程短くするように構成されている。
【０１２２】
＜スイッチ状態判定部の他の変形例＞  
図９を参照すると、本発明の実施形態で用いることができるスイッチ状態判定部３２Ｂの更に他の変形例が示されている。図９に示した例においても、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサ５が設けられ、温度センサ５により検出された温度が設定された判定基準値以上であるときに、整合回路３１に設けられているキャパシタンス調整用スイッチの少なくとも一つが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定するようスイッチ状態判定部３２Ｂが構成されている。また図９に示した例においても、スイッチ制御部３２Ｃで用いる温度上昇抑制機関を温度センサ５が検出した温度に応じて設定する温度上昇抑制期間設定手段６が設けられて、温度センサ５が検出した温度が高い場合程温度上昇抑制期間が長い時間に設定されるようになっている。
【０１２３】
＜その他の実施形態＞
上記の実施形態では、高周波電源の出力インピーダンスと高周波電源から負荷側を見た回路のインピーダンス（負荷側インピーダンス）との整合を図るために可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２のキャパシタンスがとるべき値を目標キャパシタンスとして演算して、可変キャパシタＶＣ１及びＶＣ２のキャパシタンスを演算された目標キャパシタンスとするために、それぞれの可変キャパシタの一連のキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき状態を目標スイッチ状態として求めるように整合演算部３２Ａを構成したが、整合演算部３２Ａは、最終的に各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき状態を決定することができればよく、その構成は上記の実施形態で示した例に限定されない。
【０１２４】
例えば、負荷側インピーダンスと各可変キャパシタのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎがとるべき目標スイッチ状態との間の関係を与えるマップを用意しておいて、負荷側インピーダンスに対してこのマップを検索することにより、目標スイッチ状態を求めるようにしてもよい。
【０１２５】
また上記の説明では、負荷側インピーダンスが反映されたパラメータをサンプリングする毎に負荷側インピーダンスを演算して、演算した負荷側インピーダンスを高周波電源の出力インピーダンスに整合させるための可変キャパシタのキャパシタンスを演算するとしたが、負荷側インピーダンスを高周波電源１の出力インピーダンスに整合させるために必要な可変キャパシタのキャパシタンスの決め方は、上記の実施形態で示した例に限定されない。
【０１２６】
例えば、高周波検出部４として、進行波電力検出信号と反射波電力検出信号とを出力するもの（例えば方向性結合器）を用いて、サンプリングした進行波電力検出信号と反射波電力検出信号とから演算される反射係数を零にするように可変キャパシタのキャパシタンスを決定する方法をとる場合にも本発明を適用することができる。
【０１２７】
上記の説明では、可変キャパシタに設ける第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜ＳｎとしてＰＩＮダイオードを用いたが、第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチＳ１〜Ｓｎは、高速でオンオフ動作を行わせることが可能なキャパシタンス調整用スイッチであればよく、ＰＩＮダイオードに代えて、例えばＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。
【０１２８】
上記の実施形態では、整合回路３１として、図１に示されているように、１個のインダクタと、２個の可変キャパシタとにより構成されたＬ型の回路を用いたが、整合回路３１の構成は図１に示した例に限定されるものではなく、本発明は、可変キャパシタのキャパシタンスを調節することによりインピーダンスの整合を図る種々の整合回路を用いる場合に広く適用することができる。整合回路に設けられる可変キャパシタの数は任意である。
【０１２９】
上記の説明では、負荷２がプラズマ負荷であるとしたが、本発明において、高周波電源１から高周波電力を供給する負荷２はプラズマ負荷に限定されない。
【０１３０】
図１２及び図１３に示した例では、判定基準時間ｔ2が経過する前にスイッチ状態変更頻度が判定基準値に達した場合でも、判定基準時間ｔ2 が経過してから温度上昇抑制期間ｔ3の間温度上昇抑制制御を行うようにスイッチ制御部を構成しているが、判定基準時間ｔ2が経過する前に、スイッチ状態変更頻度が判定基準値に達したときには、判定基準時間ｔ2が経過するのを待たずに直ちに温度上昇抑制制御を行うようにスイッチ制御部３２Ｃを構成してもよい。
【０１３１】
以上、本発明に係るインピーダンス整合装置の種々の実施形態について説明したが、上記の実施形態は、あくまでも、本発明を実施する際に各部がとり得る構成の一例を示したものであり、本発明は上記の実施形態のように構成する場合に限定されるものではない。例えば、上記の説明では、キャパシタンス調整用スイッチの温度が反映された温度を検出する温度センサを設けて、この温度センサが検出した温度に応じて温度上昇抑制期間を設定する場合に、温度センサが検出している温度に対して温度上昇抑制期間や判定基準値などを随時演算して求めておくとしたが、本発明はこのように構成する場合に限定されるものではなく、温度上昇抑制制御を行う際に温度センサが検出している温度に対して温度上昇抑制期間を求めるようにしてもよい。同様に、温度センサが検出している温度に対して判定基準時間や判定基準値を随時求めるのではなく、監視対象スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあるか否かの判定を行う際に、温度センサが検出している温度に対して判定基準時間や判定基準値を求めるようにしてもよい。
【０１３２】
また上記の説明では、例えば図２に示されているように、スイッチ制御部３２Ｃをスイッチ制御手段３２C1と温度上昇抑制制御手段３２C2とにより構成して、スイッチ状態判定部３２Ｂにより、監視対象スイッチの状態が温度上昇の抑制を必要とする状態にないと判定されている定常時には、各キャパシタンス調整用スイッチの状態を目標スイッチ状態に一致させる制御をスイッチ状態判定部３２Ｂに行わせ、スイッチ状態判定部３２Ｂにより少なくとも一つの監視対象スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、温度上昇抑制制御手段３２C2からスイッチ制御手段３２Ｃに温度上昇抑制制御実行指令を与えて、保護対象スイッチの温度上昇を抑制するための制御をスイッチ制御部３２C1に実行させるとしたが、スイッチ制御部３２Ｃは、定常時には各キャパシタンス調整用スイッチの状態を目標スイッチ状態に一致させる制御を行い、少なくとも一つの監視対象スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに保護対象スイッチに対して温度上昇抑制制御を行うように構成されていればよく、その構成は上記の説明で示した構成に限定されない。
【０１３３】
例えば、スイッチ制御部３２Ｃを「定常時スイッチ制御手段」と「温度上昇抑制時スイッチ制御手段」とにより構成して、温度上昇抑制制御を行う必要がない定常時には、各キャパシタンス調整用スイッチの状態を目標スイッチ状態に一致させる制御を定常時スイッチ制御手段に行わせ、スイッチ状態判定部３２Ｂにより少なくとも一つの監視対象スイッチが温度上昇の抑制を必要とする状態にあると判定されたときに、保護対象スイッチの温度上昇を抑制する制御を温度上昇抑制時スイッチ制御手段に行わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、整合速度を高めるために半導体素子からなるスイッチのオンオフによりキャパシタンスが調整される可変キャパシタを備えた整合回路により高周波電源の出力インピーダンスと高周波電源から負荷側の回路を見たインピーダンスとの整合を図る電子制御式のインピーダンス整合装置において、負荷側インピーダンスの変化に伴って可変キャパシタに設けられているキャパシタンス調整用スイッチが高い頻度でオンオフさせられた際に、スイッチの温度が過度に上昇して破損するのを防ぐことができるようにしたものである。本発明によれば、可変キャパシタのキャパシタンスを調整するスイッチの動作に高い信頼性を持たせつつ負荷側インピーダンスの変化に対する整合動作の追従性を高めることができるため、負荷のインピーダンスが高い頻度で変化する場合でも、高い精度でインピーダンスの整合を図って、負荷への電力の供給を効率良く行うことができる。従って本発明によれば、プラズマ負荷のように、インピーダンスが頻繁に変化する負荷に高周波電力を供給する必要がある産業分野において、電子制御式のインピーダンス整合装置の利用可能性を高めることができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１  高周波電源
２  負荷
３  インピーダンス整合装置
４  高周波検出部
３１  整合回路
３２  制御部
３２Ａ  整合演算部
３２A1  負荷側インピーダンス演算手段
３２A2  キャパシタンス演算手段
３２A3  目標スイッチ状態決定手段
３２Ｂ  スイッチ状態判定部
３２B1  変更頻度判定手段
３２B2  負荷側インピーダンス変化発生頻度検出手段
３２B3  負荷側インピーダンス変化発生頻度判定手段
３２Ｃ  スイッチ制御部
５  温度センサ
６  温度上昇抑制期間設定手段
８  判定基準値設定手段
９  判定基準時間設定部
Ｌ１  インダクタ
ＶＣ１，ＶＣ２  可変キャパシタ
Ｃ１〜Ｃｎ  第１ないし第ｎのキャパシタ
Ｓ１〜Ｓｎ  第１ないし第ｎのキャパシタンス調整用スイッチ
【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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【国際調査報告】
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