JP2006292763A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強力な妨害フィールドにおいて高周波電流を正確に測定できる電流測定装置を提供すること。
【解決手段】電流を導く導体（２）における電流を例えば非接触で電流測定する電流測定装置（１）であって、この電流測定装置には、コイル導体（４）を有するコイル装置（３）と、コイル導体（４）に接続されている回路（５）とが含まれており、上記コイル装置（３）は、少なくとも区分的にコイルシールド部（１１）に包囲されている形式の電流測定装置（１）において、上記のコイルシールド部（１１）および回路（５）は互いに依存せずにアース電位に接続されていることを特徴とする電流測定装置（１）を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流を導く導体における電流を例えば非接触で電流測定する電流測定装置に関し、ここでこの装置にはコイル導体を有するコイル装置と、コイル導体に接続された回路が含まれ、このコイル装置は、少なくとも区分的にコイルシールド部によって包囲されている。

高周波出力電流供給部によるプラズマの励起は、例えば、半導体コーティング、プラズマエッチング、レーザ励起などから公知である。電流供給部からプラズマ装置に供給される電流の測定および監視はさまざま理由から必要である。

１００Ｖ／ｍ以下の電場および電磁場により、比較的わずかな障害が発生する状況において、数１０Ａまでの比較的大きなＨＦ電流をコイルベースで電流測定することが公知である。

プラズマ技術の新たな発展においていまやさまざまなＨＦプラズマ応用分野でつぎのような電流測定が必要である。すなわちこれらのＨＦプラズマ応用分野では１００Ａをはるかに上回る１〜数１００ＭＨｚの電流が流れ、また電流導体には０（直流電圧）〜数１００ＭＨｚの周波数の１０００Ｖを上回る電圧、しばしば５０００Ｖさえも上回る電圧が加わるのである。電流を導きかつ１０００Ｖの電位にある導体から数ｃｍ（＜１０ｃｍ）の間隔において、１０ｋＶ／ｍ以上の障害フィールド（Stoerfeld）が形成され、この障害フィールドにより、電流測定にマイナスの影響が及ぼされるか、または従来の測定装置による電流測定が不可能になってしまうのである。

従来の電流測定装置のコイルに誘導され得る電流は、あまりに大きくなり、端子において直接取り出することができないおそれがある。ＭＨｚ程度（１〜１００ＭＨｚ）の信号を有する１Ａ程度の大電流が、測定ケーブルを介して測定信号評価ユニットに導かれる場合には、殊に損失および測定誤りが発生することになる。

Honea等による"Improved construction of Rogowski coils for measurement of plasma currents", Journal of Physics E: Scientific Instruments 1974, Volume 7, p. 537, 538から、ロゴスキーコイルを使用して電流測定することが公知である。ここでこのロゴスキーコイルは、コイル導体に接続されているシールド部を有しているため、このシールド部とコイル導体とは少なくとも１箇所において同電位にある。
Honea et al. "Improved construction of Rogowski coils for measurement of plasma currents", Journal of Physics E: Scientific Instruments 1974, Volume 7, p. 537, 538

本発明の課題は、強力な障害フィールドにおいて高周波電流を正確に測定できる電流測定装置を提供することである。

上記の課題は、本発明による、冒頭に述べた形式の電流測定装置によって解決され、ここではコイルシールド部および回路が互いに依存せずにアース電位に接続されている。電流測定のため、電流を導く導体の領域にコイル装置を配置して、コイル導体において上記の電流を導く導体における電流を表す信号、例えば電流に比例した信号が形成されるようにしなければならないのは当然のことである。ここで上記のコイル導体には有利には複数の巻線において上記の電流を導く導体によって形成される磁場の一部が含まれる。このために上記のコイル装置のコイル導体は有利には２つの端子を有しており、上記の電流を導く導体における電流を表す信号がこれらの端子に加えられる。このような装置によって、ＨＦ電流を高周波プラズマ電流供給部からプラズマ励起装置に導く電流導体において高精度に電流を測定することができる。ここで１ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚの周波数で電流強度は１００Ａを上回ることがあり、１０ｋＶ／ｍ以上の障害フィールド強度が発生し得る。これらは、せいぜいのところ無視することのできる測定結果誤りにしかならない。したがって障害の発生し易さは低減されるのである。

殊に有利であるのは、上記のコイルシールド部および回路が１つずつのアース端子を有する場合であり、ここではアース端子は互いに離れてアース電位に接続されている。このことが意味するのは、上記の回路もアース電位への固有の端子を有することであり、ここでこの端子は、シールド部の端子とは位置的に離れて取り付けられている。例えば大きな調整電流（Ausgleichstroeme）が流れない箇所に取り付けられるのである。このように手段によって測定信号が劣化することがない。

上記のコイルシールド部および回路を共通のアースプレートに接続することが考えられる。この際に注意すべきであるのは、アースプレートへの端子が互いに離れて配置されて、調整電流が流れないか、または無視できる調整電流だけが流れるようにすることである。択一的には上記の回路およびコイルシールド部を別個のアースプレートに接続することである。この場合にこれらのアースプレートは、極めて小さい直流抵抗（＜０．１オーム）を有するインダクタンスによって接続することができる。

殊に有利の実施形態では、上記の回路にはシールド部が含まれており、このシールド部がアース電位に接続されるようにすることが可能である。このことが意味するのは、この回路がシールド部と導電的に接続される場合、アース電位に至るこの回路の接続が、この回路のシールド部を介して形成できることである。

コイル装置が円形に構成される場合、上記の電流を導く導体の周りにこのコイル装置を円形に配置することができる。この際にこのコイル装置は有利には、上記の電流を導く導体に対して垂直な面に配置される。このような配置構成によって殊に精確かつ信頼性の高い電流測定が可能になる。

有利にはコイルシールド部も円形に構成され、例えば中空トロイドとして実施される。これによってわずかな組み込みスペースしか必要としないで、障害電圧を有する電場に対してコイル装置を高い信頼性でシールドすることができる。ここでこの電場は、例えば上記の電流を導く導体の電流によって形成される妨害電圧によって形成される。

殊に有利であるのは、コイルシールド部が少なくとも区分的に開いている場合であり、例えば上記の電流を導く導体とは反対側が開いている。殊に有利には上記のシールド部は、外側に向かって開いている。すなわち円周方向に完全に閉じられていない、中空トロイドとして構成され、この中に上記のコイル装置を配置することができる。これによって電場に対する殊に良好なシールドが実現される。閉じられた（中空の）トロイドは、すなわち、コイル装置を円周方向に完全に包囲するシールド部は、電磁場を完全にシールドしてしまうことになるため、使用することができない。それはこの場合に非接触の電流測定がもはや不可能になってしまうからである。

上記のコイルシールド部は有利には銅から構成され、厚さは少なくとも１ｍｍである。この材料から構成されるコイルシールド部は、高い電圧を形成することなく、強く入力結合された出力を殊に良好にアース電位に取り出すことができる。この際に発生する熱は、銅によって同様に良好に排出することができる。

１実施形態では上記のコイル装置をフェライトなしに、例えばロゴスキーコイルとして構成することが可能である。このコイル装置は有利には強磁性の部分を有しない。ロゴスキーコイルとは、長さｌの強磁性でない支持体、例えばフェライトでない支持体において少なくとも区分的に複数の巻線に巻回されたコイル導体を有するコイルのことであると理解されたい。このコイル導体は、巻線の形で支持体の一方の端部から、この支持体の反対側の端部に向かって延びている。この反対側の端部からコイル導体は巻線内を案内されて戻るため、２つのコイル導体端部ないしはコイル導体端子は接近して並び合うようにすることが可能である。これに加えて上記の支持体が円形に、例えばスリットが入れられた円として構成される場合、コイル装置は殊に簡単に上記の電流を導く導体の周りに配置することが可能である。

ロゴスキーコイルの利点は、飽和および強磁性歪みが生じないことである。このため極めて高い電流増大速度（＞４００００Ａ／μｓ）および極めて大きな電流（＞１０００Ａ）を数１００ＭＨｚにおいて測定することができる。上記の電流を導く導体は、ロゴスキーコイルを取り付けるために中断させる必要はない。したがってこれはプラズマ装置における電流測定に対する新たな要求に有利である。

殊に有利であるのは、上記の回路が少なくとも１つの負荷、例えば抵抗を有する場合である。上記のコイル装置の、例えばコイル導体の２つの端子に負荷、例えば抵抗が接続される場合、この負荷において上記の電流を導く導体における電流に比例する電圧が降下する。測定すべき電流が大きい場合、コイル装置における電流も相対的に大きく、例えば数アンペアまでになる。これらの電流は、測定ケーブルによる測定信号劣化をおそれることなしに測定ケーブルでまた離れたところにある評価ユニットに導くことはできない。したがってコイル装置の直ぐ近くに（数センチメートルの間隔で）、それ自体シールド部を有する回路を取り付ける。この回路は最も簡単なケースではただ１つの負荷を有しており、コイル装置における電流に起因してこの負荷において電圧が降下し、この電圧を取り出すことができる。抵抗値により、測定信号の電圧のレベルを調整することができる。この測定信号は、大きな劣化もなく問題なしに測定信号評価ユニットに導くことができる。

有利には上記の回路は、評価装置を接続するための少なくとも１つの測定端子を有している。上記の回路は有利には２つの端子を有しており、ここでこれらの端子に測定信号が加わり、これらの端子の一方はアース電位にある。これによって測定精度を高めることができる。アース電位は有利にはわずかな調整電流が流れる箇所に加わっているため、別のアース端子による障害のおそれはわずかである。

コイルシールド部における調整電流により、大きな損失が発生することがあり、これは大量の損失熱を形成し得る。この損失熱により、コイル装置が破壊され得る。このために有利であるのは、コイルシールド部を冷却材で冷却する、例えば水で冷却する場合である。

本発明の有利な実施形態を図面に概略的に示し、以下で図面の図に関連して詳しく説明する。

図１には、電流を導く導体２を通る電流を測定する電流測定装置１が示されている。電流測定装置１は、コイル装置３を有しており、これはロゴスキーコイルとして構成されている。コイル装置３には複数のターンを有するコイル導体４が含まれている。コイル導体４は巻線の形でコイル支持体に沿って、例えば図１に示していないコイル支持体の端部まで延びており、また巻線の内部で案内されて戻される。コイル支持体は、閉じたリングまたは閉じていない（開いた）リングとして構成することができる。

コイル導体４は回路５に接続されており、この回路は、回路５の一部と見なされるシールド部６内に配置されている。コイル導体４は、シールド部６に接続されており、このことは接続点７によって示されている。

シールド部６はアース端子９を有しており、ひいては回路５もアース端子９を有している。回路５には抵抗として構成された負荷１０が含まれており、これは端子８を介してシールド部６に、ひいてはアース電位に接続されている。コイル導体４は、２つの端子２３および２４を有している。端子２３によってコイル導体は、接続点７においてシールド部６に接続されている。また端子２４によってコイル導体は、負荷１０に接続されている。シールド部６および端子７，８を介してコイル導体４の端子２３は、負荷１０に接続されている。これにより、負荷１０は２つの端子２３，２４に接続されているのである。

コイル装置３は、コイルシールド部１１を有しており、これはアース端子１２を有する。アース端子９，１２は互いに離れており、アース端子９，１２間には調整電流が流れないか、またはわずかな調整電流しか流れない。シールド部６はコイルシールド部１１と直接に接続されていない。設けられているのは、アース端子９，１２を介する間接的な接続、および例えばアース端子９，１２が互いに離れて接続されているアースプレートである。

一方の電流導体端部１３は負荷１０以外のところで測定端子１４に接続されている。この端子には測定ケーブルを介して、図示しない評価装置を接続することができる。この測定ケーブルの第２の端子は、シールド部６に接続することができ、ひいてはノイズレベルの低いアース電位に接続することができる。この端子は、測定端子１４から評価装置に至る測定ケーブルに対するシールドとして利用可能である。電流を導く導体２に電流が流れると、コイル導体４に電圧が誘導され、つぎにこの電圧によって電流が発生して、負荷１０を介して電圧が降下する。この電圧は、点８と１４との間で、例えば測定端子１４と、アース電位への任意の接続部との間の電圧として取り出すことができる。これは、電流を導く導体２を流れる電流に対する尺度である。

図２には図１の線II−IIによる断面図が示されている。ここから明瞭にわかるのは、コイル装置３が、外側に向かって開いているコイルシールド部１１内に配置されていることであり、ここでこのコイルシールド部はリング状に、殊に中空トロイドとして構成されている。この実施例ではコイルシールド部１１の断面は、閉じられたリング状としてＵ字形に構成されており、ここでこのＵ字形は有利には２つの脚部と、これらを接続するウェブとから構成されているため、実質的に矩形が得られる。作製はこれによって簡単になる。しかしながらコイルシールド部１１は、スリットが入れられたリング形状とすることも可能である。例えばシールド部１１により、コイル装置３が電場に対して容量的にシールドされる。ここでこの電場は、電流を導く導体２における高い電圧によって形成される。明らかにわかるのは、コイル装置３の戻り導体（Rueckleiter）２０が、支持体２２に巻回されている巻線２１の中心を案内されていることである。

コイルシールド部１１には銅管として構成されている冷却体２５配置されており、この冷却体により、コイルシールド部１１を冷却する冷却液が導かれる。冷却体２５は、熱交換に有利なコイルシールド部１１との接続部を少なくとも区分的に有する。

電流測定装置の概略平面図である。 図１の線II−IIによる断面図である。

符号の説明

１ 電流測定装置、 ２ 電流を導く導体、 ３ コイル装置、 ４ コイル導体、 ５ 回路、 ６ シールド部、 ７，８ 端子、 ９，１２ アース端子、 １０ 負荷、 １１ コイルシールド部、 １３ 電流導体端部、１４ 測定端子、２０ 戻り導体、２１ 巻線、２２ 支持体、 ２３，２４ 端子、 ２５ 冷却体

Claims (10)

1. 電流を導く導体（２）における電流を例えば非接触で電流測定する電流測定装置（１）であって、
   該電流測定装置には、コイル導体（４）を有するコイル装置（３）と、コイル導体（４）に接続されている回路（５）とが含まれており、
   前記コイル装置（３）は、少なくとも区分的にコイルシールド部（１１）に包囲されている形式の電流測定装置（１）において、
   前記のコイルシールド部（１１）および回路（５）は互いに依存せずにアース電位に
   接続されていることを特徴とする
   電流測定装置（１）。
2. 前記のコイルシールド部（１１）および回路（５）は１つずつのアース端子（９，１２）を有しており、
   該アース端子（９，１２）は互いに離れてアース電位に接続されている、
   請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記のコイルシールド部（１１）および回路（５）は共通のアースプレートまたは別個のアースプレートに接続されている、
   請求項１または２に記載の電流測定装置。
4. 前記回路（５）にはシールド部（６）が含まれており、
   該シールド部（６）はアース電位に接続されている、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電流測定装置。
5. 前記コイル装置（３）は円形に構成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の電流測定装置。
6. 前記コイルシールド部（１１）は円形に構成されており、例えば断面が矩形の中空トロイドとして実施されており、殊に区分的に開かれている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の電流測定装置。
7. 前記コイル装置（１１）はフェライトなしに構成されており、殊にロゴスキーコイルとして構成されている、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の電流測定装置。
8. 前記回路（５）は少なくとも１つの負荷（１０）、例えば抵抗を有する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の電流測定装置。
9. 前記回路（５）は、評価装置を接続するための少なくとも１つの測定端子（１４）を有する、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の電流測定装置。
10. 前記コイルシールド部（１１）は冷却材によって冷却される、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の電流測定装置。

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