JP2011217482A - 高周波電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を正確に検出して、増幅部の保護を図るための制御を的確に行うことができる高周波電源装置を提供する。
【解決手段】高周波発生部１０１が発生する高周波信号Ｓ1を増幅して得た高周波電力を負荷に供給する高周波電源装置において、高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1に対して一定の差を有する周波数ｆ2の高周波信号Ｓ2を高周波発生部１０２から発生させ、乗算部１０６及び１１０で高周波信号Ｓ2と進行波検出信号Ｓp及び反射波検出信号Ｓrとを乗算して、両検出信号Ｓp及びＳrを一定の差周波数ｆ1−ｆ2を有する差周波数信号に変換する。これらの差周波数信号をフィルタにより抽出して得た差周波数信号のレベルから進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を検出し、それぞれの基本周波数成分の電力値の合計値が制限値を超えないように高周波発生部１０１の出力を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波信号を増幅して、負荷に供給する高周波電力を出力する高周波電源装置に関するものである。

半導体への微細加工を行なうプラズマ処理装置などの負荷に電力を供給するために、高周波電源装置が用いられている。一般に高周波電源装置は、高周波信号を発生する高周波発生部と、高周波発生部の出力を増幅する電力増幅部と、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力の情報を含む進行波検出信号と負荷で反射されて増幅部側に戻る反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを得る高周波検出部と、進行波検出信号及び反射波検出信号に応じて高周波電力増幅部を制御する制御部とを備えている。

この種の電源装置においては、高周波電力が高い純度を有している（不要な周波数成分を含まない）ことが要求される。そのため、高周波発生部から電力増幅部の出力段に至るまでの各ステージに各種の高周波フィルタを配置して、増幅段で発生するスプリアス成分を除去している。電力増幅部の出力側には、該増幅部から負荷に与える電力から高調波成分を除去するためのローパスフィルタが設けられている。また高周波発生部の出力端と負荷との間にインピーダンス整合器を設けて、定常状態にある負荷に対してインピーダンスの整合をとることにより、負荷で反射波電力が発生するのを防いでいる。従って、負荷が定常状態にあるときには、高周波電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力（実質的に基本周波数成分のみを含む。）のレベルが安定に保たれ、負荷で反射されて高周波電力増幅部に戻る反射波電力は最小となっている。

しかしながら、プラズマ処理装置などの負荷の起動時には、負荷のインピーダンスが非線形の状態にあって、高速で変動するため、整合器の整合動作が追いつかず、不整合状態が生じて、負荷を節として反射波が発生する。更に負荷の内部では、その非線形性に起因して生じる周波数混合作用により、種々の新しい周波数成分がスプリアス成分として発生し、これらのスプリアス成分が反射波に重畳する。スプリアス成分が重畳した反射波電力は整合器内を逆流し、該反射波電力のうち、基本周波数成分は、高周波電力増幅部の出力側に設けられたローパスフィルタを通過して高周波電力増幅部の出力段まで戻ってくる。

また、エッチングなどを行なうプラズマ処理装置においては、図１１に示すように、第１及び第２の高周波電源装置１１及び１２から第１及び第２の整合装置１３及び１５を通してプラズマ処理装置１５の電極に出力周波数が異なる２種類の高周波電力が同時に与えられることがある。この場合、第１の高周波電源装置から負荷に与えられる第１の高周波電力はプラズマ発生用の高周波電力であり、第２の高周波電源装置１２から負荷に与えられる第２の高周波電力は、例えば、プラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力である。第１の高周波電源装置１１の出力周波数は十数ＭＨｚないし数十ＭＨｚ程度の高い周波数を有し、第２の高周波電源装置１２の出力周波数は数百ＫＨｚないし数ＭＨｚ程度の比較的低い周波数を有している。

このようなシステムでは、負荷のインピーダンスが複雑に変化するため、インピーダンス整合器によってインピーダンスの整合を完全にとることができず、負荷で反射波が発生するのを避けることができない。この場合、負荷側からプラズマ発生用高周波電源装置の増幅部側に戻ってくる反射波には、バイアス用高周波電源装置の基本周波数成分とその近辺のスプリアス成分とが含まれているが、バイアス用高周波電源装置の基本周波数は、プラズマ発生用高周波電源装置の基本周波数よりも低いため、負荷側からプラズマ発生用高周波電源装置側に向かう反射波に含まれるバイアス用高周波電源装置の基本周波数成分は、プラズマ発生用高周波電源装置の出力側に設けられているローパスフィルタを通過して、該高周波電源装置の増幅部に到達してしまう。

例えば、図１１において、第１の高周波電源装置１１の出力周波数が50MHz、第２の高周波電源装置１２の出力周波数が2MHzである場合、周波数が高い第１の高周波電源装置１１側で生じる反射波電力の基本周波数成分とその前後に生じるスプリアス成分とを模式的に示すと図５のようになる。同図において、50MHzは基本周波数、44，46，48，52，54，56MHzは基本周波数成分の前後に2MHz間隔で発生するスプリアス成分である。

負荷で生じた反射波電力は、高周波電力増幅部と負荷との間を接続する伝送路上で進行波電力と合成されるため、伝送路上に定在波が発生する。反射波電力が大きく、高いレベルの定在波（電力、電圧及び電流）が発生すると、電力増幅部の半導体増幅素子に印加される電圧が過大になって、該半導体増幅素子が劣化したり破損したりするおそれがある。このような問題が生じるのを防ぐため、特許文献１に示されているように、電力増幅部と負荷との間に挿入した高周波検出部により進行波電力と反射波電力とを検出し、検出された進行波電力と反射波電力との合計値（合計電力値）が制限値を超えたときに、電力増幅部の出力を抑制する制御を行なって、増幅部の半導体素子を保護することが行われている。

なお通常「スプリアス」という語は、基本周波数の前後に現れる不要周波数と、各高調波周波数の前後に現れる不要周波数とを指す意味で用いられることもあるが、本明細書においては、説明の便宜上、負荷に供給する周波数成分としては不要な周波数成分（通常は基本周波数成分以外の成分）のすべてをスプリアス成分と呼ぶことにする。

特開２００３−１４３８６１号公報

上記のように、従来の高周波電源装置では、電力増幅部と負荷との間に挿入した高周波検出部を通して進行波電力と反射波電力とを検出し、検出された進行波電力と反射波電力との合計値（合計電力値）が制限値を超えたときに、高周波電力増幅部の出力を抑制する制御を行うようにしていた。

この場合、高周波検出部では、反射波電力に含まれる基本周波数成分とすべてのスプリアス成分とが一括して検出される。これに対し、電力増幅部の出力側にはローパスフィルタが設けられているため、電力増幅部に到達する反射波電力からは、基本周波数成分よりも高いスプリアス成分が除去される。従って、高周波検出部により検出される反射波電力には、電力増幅部に到達する反射波電力に含まれるスプリアス成分よりも多くのスプリアス成分が含まれることになる。

そのため、高周波検出部により検出された反射波電力と進行波電力との合計値が制限値を超えたときに、反射波電力と進行波電力との合計値を制限値以下に低減させるように電力増幅部の出力を抑制する制御を行うと、反射波電力に基本周波数よりも高いスプリアス成分が多く含まれている場合に、本来であれば、電力増幅部の出力を抑制する必要がないにもかかわらず、出力を抑制する制御が行なわれて、過剰な保護動作が行われることになり、増幅部の出力が不足する状態が生じるという問題があった。

上記のような問題を生じないようにするためには、反射波電力については、その基本周波数成分と、電力増幅部の出力側に設けられたローパスフィルタを通過する基本周波数付近のスプリアス成分のみとを検出して、増幅部の保護を図るための制御を行うようにすればよい。例えば、基本周波数が50MHzである場合には、反射波電力のスプリアス成分のうち、例えば、46, 48, 52及び54MHzの周波数成分のみを検出して、これらのスプリアス成分の電力値と進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えたときに、電力増幅部の出力を抑制する制御を行うようにすればよい。

この場合、スプリアス成分は、基本周波数成分に比べて十分に小さいため、反射波電力に含まれる基本周波数成分のみを検出して、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保つ制御を行っても、電力増幅部の半導体増幅素子の保護を図るという目的を達成することができる。反射波電力のスプリアス成分の影響に対しては、制限値に余裕を持たせておく(制限値を小さめに設定しておく）ことにより対処することができる。

また進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と負荷側から電力増幅部に戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保つように電力増幅部の出力を抑制する制御を行う代りに、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に応じて適正な大きさに設定された制限値を超えることがないように、電力増幅部の出力を抑制する制御を行うことによっても、電力増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を図ることができる。

上記のように、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を検出して、電力増幅部の保護を図るための制御を的確に行うためには、高周波検出部の検出出力から、進行波電力に含まれる基本周波数成分と、反射波電力に含まれる基本周波数成分とを正確に検出することが必要である。進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分の検出は、高周波検出部から得られる検出信号をフィルタに通して、基本周波数成分を抽出することにより行うことが考えられるが、基本周波数が高い場合(例えば50MHzである場合)には、減衰特性が優れたフィルタを得ることが難しいため、基本周波数成分を正確に抽出することは容易ではない。

また最近では、可変周波数方式の高周波電源装置が多く用いられるようになっている。フィルタの減衰率は周波数により変化するため、高周波電源装置の周波数が変化する場合、進行波電力及び反射波電力をフィルタを通して正確に検出することは更に難しくなる。

本発明の目的は、周波数が高い場合や、周波数が変化させられる場合でも、電力増幅部から負荷に供給される進行波電力と負荷側から電力増幅部に戻ってくる反射波電力とを的確に検出して、電力増幅部の保護を図るための制御を的確に行うことができるようにした高周波電源装置を提供することにある。

本願の明細書及び図面においては、上記の目的を達成するために、少なくとも第１の発明ないし第８の発明が開示される。以下、第１の発明ないし第８の発明の概要について説明する。

第１の発明
第１の発明は、負荷に供給される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と負荷側から戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保つ制御を行う機能を有する高周波電源装置に係わるものである。第１の発明に係わる高周波電源装置は、以下の要素により構成される。
（ａ）周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて、負荷に与える高周波電力の基本周波数に等しい第１の周波数及び該第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部。
（ｂ）第１の高周波信号を増幅する電力増幅部。
（ｃ）電力増幅部から負荷に向かう進行波電力及び負荷側から電力増幅部に向かう反射波電力をそれぞれ検出して進行波電力の情報を含む進行波検出信号及び反射波電力の情報を含む反射波検出信号をそれぞれ出力する高周波検出部。
（ｄ）第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つように第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部。
（ｅ）高周波検出部により得られた進行波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部。
（ｆ）第１の乗算部の出力から第１の周波数と第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第１の差周波数信号を出力する第１のフィルタ。
（ｇ）第１のフィルタから得られる第１の差周波数信号のレベルを検出して進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む進行波電力基本周波数成分検出信号を出力する第１の差周波数信号レベル検出部。
（ｈ）高周波検出部により得られた反射波検出信号と第２の高周波信号とを乗算して、第１の周波数と第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部。
（ｉ）第２の乗算部の出力から第１の周波数と第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第２の差周波数信号を出力する第２のフィルタ。
（ｊ）第２のフィルタから得られる第２の差周波数信号のレベルを検出して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む反射波電力基本周波数成分検出信号を出力する第２の差周波数信号レベル検出部。
（ｋ）電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が前記設定値よりも大きい値に設定された制限値以下であるときには、進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つように第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与え、合計値が制限値を超えたときには、合計値を制限値以下に低下させるように第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与えるレベル制御部。

上記のように構成すると、高周波電源装置の出力周波数である第１の周波数に対して第２の周波数を適切に設定することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、減衰性が優れたフィルタを入手し得る、十分に低い周波数(第１の周波数と第２の周波数との差の周波数）を有する差周波数信号に変換することができるため、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、フィルタの特性の影響を受けることなく、正確に検出することができる。従って、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に制限して電力増幅部の保護を図る制御を的確に行うことができる。反射波電力のスプリアス成分の影響に対しては、制限値を余裕を持たせて設定する（制限値を小さめに設定しておく）ことにより対処することができる。

また、上記のように、第１の周波数と第２の周波数との差周波数を一定に保つように第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与えるようにすると、電源装置の出力周波数（第１の周波数）を変更した場合でも第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つことができるため、電源装置の出力周波数を変更した場合にも、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、フィルタの周波数特性の影響を受けることなく正確に検出して、電力増幅部の保護を図るための制御を的確に行うことができる。

第２の発明
第２の発明は、第１の発明に適用されるもので、本発明においては、上記レベル制御部が、レベル指令値演算部と、振幅指令出力部とを備えている。
レベル指令値演算部は、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が設定された制限値以下であるときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、合計値が制限値を超えたときには合計値を制限値以下に制限するために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算するように構成される。
また振幅指令出力部は、レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部に与えるように構成される。

第３の発明
本願に開示された第３の発明は、第１の発明に適用されるもので、本発明においては、上記レベル制御部が、前記合計値と設定された制限値との差を演算して合計値の制限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部と、レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部とを備えている。
レベル指令値演算部は、合計値が前記制限値以下のときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、合計値が制限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力と超過量との和を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するように構成される。

上記のように構成すると、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えたときに、見かけ上、合計値の制限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値を大きくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の実際の値を超過量分だけ小さくして、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防ぐことができる。

第４の発明
第４の発明は、第１の発明に適用されるもので、本発明においても、レベル制御部が、合計値と設定された制限値との差を演算して合計値の制限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部と、レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部とを備えている。
本発明で用いるレベル指令値演算部は、前記合計値が制限値以下のときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、合計値が制限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力を、設定値から超過量を減算して求めた目標値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算する。

上記のように構成すると、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えたときに、合計値の制限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の目標値を小さくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の実際の値を超過量分だけ小さくして、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防ぐことができる。

第５の発明
第５の発明は、負荷に供給される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の制限値を決定して、負荷側から戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を制限値以下に保つように、負荷に供給される進行波電力を制御する機能を有する高周波電源装置に係わるもので、第５の発明に係わる高周波電源装置は、下記の構成要素により構成される。
（ａ）′周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて第１及び第２の周波数を有する第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部。
（ｂ)′第１の高周波信号を増幅する電力増幅部。
（ｃ）′電力増幅部から負荷に向かう進行波電力及び前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力をそれぞれ検出して前記進行波電力の情報を含む進行波検出信号及び前記反射波電力の情報を含む反射波検出信号をそれぞれ出力する高周波検出部。
（ｄ)′第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つように前記第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部。
（ｅ)′高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部。
（ｆ）′第１の乗算部の出力から前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第１の差周波数信号を出力する第１のフィルタ。
（ｇ)′第１のフィルタから出力される第１の差周波数信号のレベルを検出して進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む進行波電力基本周波数成分検出信号を出力する第１の差周波数信号レベル検出部。
（ｈ）′高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部。
（ｉ）′第２の乗算部の出力から前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第２の差周波数信号を出力する第２のフィルタ。
（ｊ）′第２のフィルタから出力される第２の差周波数信号のレベルを検出して前記反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む反射波電力基本周波数成分検出信号を出力する第２の差周波数信号レベル検出部。
（ｋ）′反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された許容上限値以下であるときには、進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を前記設定値に保つように第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与え、反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値を超えたときには、反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を許容上限値以下に低下させるように第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与えるレベル制御部。

上記のように構成すると、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または該進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値に対して演算された許容上限値を超えることがないように、電力増幅部の出力を抑制する制御を行うことができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を適切な値(進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を許容上限値以下に保つ際に許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の最大値)に演算するようにしておくことにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防いで、電力増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を的確に図ることができる。反射波電力のスプリアス成分の影響に対しては、上記許容上限値に余裕を持たせておく（上限値を小さめに設定しておく）ことにより対処することができる。

また、上記のように、第１の周波数と第２の周波数との差周波数を一定に保つように第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与えるようにすると、電源装置の出力周波数（第１の周波数）を変更した場合でも第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つことができるため、電源装置の出力周波数を変更した場合にも、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、フィルタの周波数特性の影響を受けることなく正確に検出して、電力増幅部の保護を図るための制御を的確に行うことができる。

第６の発明
第６の発明は、第５の発明に適用される。本発明においては、上記レベル制御部が、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力の許容上限値を演算する反射波上限値演算部と、反射波電力基本周波数成分検出信号から検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と前記許容上限値との差を演算して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値以下のときには、進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力の値に前記超過量を加算することにより求めた電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算するレベル指令値演算部と、レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部とを備えた構成とされる。

上記のように構成すると、反射波電力に含まれる基本周波数成分が、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された反射波電力の制限値を超えたときに、反射波電力の制限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値を見かけ上大きくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を抑制することができる。従って、反射波電力の許容上限値を適切な値(進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を許容上限値以下に保つ際に許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の最大値)に演算することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防いで、電力増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を的確に図ることができる。

第７の発明
第７の発明も第５の発明に適用される。本発明においては、上記レベル制御部を、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力の許容上限値を演算する反射波上限値演算部と、反射波電力基本周波数成分検出信号から検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と許容上限値との差を演算して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値以下のときには、進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力を、その設定値から上記超過量を減算して求めた目標値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部と、レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を前記第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部とを備えた構成とする。

上記のように構成すると、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えたときに、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の目標値を小さくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を抑制することができる。従って、反射波電力の許容上限値を適切な値(進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を許容上限値以下に保つ際に許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の最大値)に演算することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防ぐことができる。

第８の発明
第８の発明は、第１の発明ないし第７の発明のいずれかに適用されるもので、本発明においては、第２の高周波信号のレベルを一定に保つように第２の高周波発生部に振幅レベル指令を与えるレベル制御部が更に設けられている。

上記のように構成すると、第２の高周波信号のレベルを常に一定に保つことができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を正確に検出することができる。

第１の発明ないし第４の発明によれば、高周波電源装置の出力周波数である第１の周波数に対して第２の周波数を適切に設定することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、減衰特性が優れたフィルタを入手し得る、十分に低い周波数(第１の周波数と第２の周波数との差の周波数）を有する差周波数信号に変換することができるため、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、フィルタの特性の影響を受けることなく、正確に検出することができる。従って、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に制限して電力増幅部の保護を図る制御を的確に行うことができる。

また、第１の発明ないし第４の発明によれば、第１の周波数と第２の周波数との差周波数を一定に保つように第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与えるので、電源装置の出力周波数（第１の周波数）を変更した場合でも第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つことができる。従って、電源装置の出力周波数を変更した場合にも、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を、フィルタの周波数特性の影響を受けることなく正確に検出して、電力増幅部の保護を図るための制御を的確に行うことができる。

第５の発明ないし第７の発明によれば、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された許容上限値を超えることがないように、電力増幅部の出力を抑制する制御を行うことができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を適切な値に演算するようにしておくことにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防いで、電力増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を的確に図ることができる。

また、第５の発明ないし第７の発明によれば、第１の周波数と第２の周波数との差周波数を一定に保つように第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与えるので、電源装置の出力周波数（第１の周波数）を変更した場合でも第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つことができる。従って、電源装置の出力周波数を変更した場合にも、進行波電力及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を、フィルタの周波数特性の影響を受けることなく正確に検出して、電力増幅部の保護を図るための制御を的確に行うことができる。

第８の発明によれば、第２の高周波信号のレベルを常に一定に保つことができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分及び反射波電力に含まれる基本周波数成分を正確に検出して、負荷に供給する進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つ制御及び進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保って電力増幅部を構成する半導体素子を保護する制御を正確に行わせることができる。

本発明の第１の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第３の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第４の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第５の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第６の実施形態の構成を示したブロック図である。 本発明の第７の実施形態の構成を示したブロック図である。 図１の実施形態の要部をマイクロプロセッサを用いて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の一例を示したフローチャートである。 図４の実施形態の要部をマイクロプロセッサを用いて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の一例を示したフローチャートである。 プラズマ処理装置等の負荷に出力周波数が異なる２台の高周波電源装置の出力が供給される場合に周波数が高い高周波電源装置の電力増幅部の出力側で検出される反射波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。 プラズマ処理装置等の負荷に出力周波数が異なる２つの高周波電源装置から電力を供給するシステムの構成を示したブロック図である。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明に係わる高周波電源装置の第１の実施形態の構成を示したものである。本実施形態では、出力周波数を可変とする場合に、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つ制御を精度よく行わせるとともに、反射波電力の基本周波成分を精度よく検出して、反射波電力が過大になったときに電力増幅部が破損するのを防ぐために電力増幅部の出力を抑制する制御を的確に行うことができるようにする。

先ず本実施形態の構成を概略的に説明すると、図１において、１０１は、第１の周波数指令Ｃf1により指令された出力周波数（第１の周波数）ｆ1と第１の振幅レベル指令Ｃa1により指令された出力振幅レベルとを有する第１の高周波信号Ｓ1を発生する第１の高周波発生部、１０２は第２の周波数指令Ｃf2により指令された出力周波数（第２の周波数）ｆ2と第２の振幅レベル指令Ｃa2により指令された出力振幅レベルとを有する第２の高周波信号Ｓ2を発生する第２の高周波発生部である。

また１０３は公知の電力増幅回路からなる電力増幅部で、第１の高周波信号Ｓ1を増幅して負荷に与える高周波電力を出力する。電力増幅部１０３の出力は図示しないインピーダンス整合装置を通してプラズマ処理装置等の負荷に供給される。なお、インピーダンス整合装置が用いられない場合もある。

１０４は、電力増幅部１０３の出力端と図示しないインピーダンス整合装置との間（インピーダンス整合装置が設けられない場合には、電力増幅部１０３の出力端と負荷との間）に挿入された高周波検出部である。高周波検出部１０４は、例えば方向性結合器からなっていて、電力増幅部１０３から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号Ｓpと、負荷側から電力増幅部１０３に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号Ｓrとを出力する。

１０５は第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差Δｆを一定に保つように第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２に周波数指令Ｃf1及びＣf2をそれぞれ与える周波数制御部である。

周波数制御部１０５はまた、後述するように、負荷側から電力増幅部１０３に戻ってくる反射波電力を可能な限り減少させるべく、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２からそれぞれ発生させる高周波信号の周波数ｆ1及びｆ2を微調整する機能を有する。これらの周波数の微調整を行う際にも、周波数ｆ1とｆ2との差Δｆは一定に保たれる。

図１において、１０６は、高周波検出部１０４が出力する進行波検出信号Ｓpと第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2とが入力された第１の乗算部、１０７は第１の乗算部１０６の出力から進行波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを示す第１の差周波数信号を抽出する第１のフィルタである。１０８は第１のフィルタ１０７から得られる第１の差周波数信号のレベルを検出して進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaを出力する第１の差周波数信号レベル検出部、１０９は高周波電源の出力（進行波電力）のレベルを設定する第１のレベル設定部である。進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaは、電力増幅部１０３から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを示す信号である。

また１１０は、高周波検出部１０４が出力する反射波検出信号Ｓｒと、第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2とが入力された第２の乗算部、１１１は第２の乗算部１１０の出力から反射波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを示す第２の差周波数信号を抽出する第２のフィルタ、１１２は第２のフィルタ１１１から得られる第２の差周波数信号のレベルを検出して反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprを出力する第２の差周波数信号レベル検出部である。反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprは、負荷側から電力増幅部に戻ってくる反射波波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを示す信号である。

１１３は負荷側から電力増幅部１０３に戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の制限値を設定する制限値設定部、１１４は第１及び第２の差周波数信号レベル検出部１０８及び１１２の出力と、第１のレベル設定部１０９の出力と制限値設定部１１２の出力とを入力として、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つ制御と、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保つ制御とを行うように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与える第１のレベル制御部である。

また１１５は、第２の高周波発生部１０２の出力レベルを検出する出力レベル検出部、１１６は、第２の高周波発生部１０２の出力のレベルを設定する第２のレベル設定部、１１７は、出力レベル検出部１１５により検出される第２の高周波発生部１０２の出力レベルを第２のレベル設定部１１６により設定されたレベルに保つように第２の高周波発生部１０２に振幅レベル指令Ｃa2を与える第２のレベル制御部である。

本実施形態ではまた、負荷側から電力増幅部に戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の基準レベルを設定する反射波基準レベル設定部１１８が設けられ、この反射波基準レベル設定部の出力が、第２の差周波数レベル検出部１１２から得られる反射波電力基本周波数成分検出信号とともに周波数制御部１０５に入力されている。

以下、上記の各部を更に詳細に説明する。
本実施形態で用いる周波数制御部１０５は、高周波電源装置の出力周波数を第１の周波数ｆ1として、第１の周波数ｆ1の高周波信号Ｓ1を発生することを指令する第１の周波数指令Ｃf1を第１の高周波発生部１０１に与えるとともに、第１の周波数ｆ1に対して一定の差Δｆを有する周波数を第２の周波数ｆ2として、この第２の周波数ｆ2を有する第２の高周波信号Ｓ2を発生させることを指令する第２の周波数指令Ｃf2を、第２の高周波１０２に与える。周波数制御部１０５は、第１の高周波信号の周波数ｆ1と第２の高周波信号の周波数ｆ2との差を常に一定値Δｆ（＝｜ｆ1−ｆ2｜）に保つように、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２を制御する。

ここで、第１の周波数ｆ1（第１の高周波発生部１０１の出力周波数）は、高周波電源装置の基本周波数である。第２の周波数ｆ2は、第１の周波数ｆ1よりも低くてもよく、高くてもよい。本実施形態では、Δｆを0.5MHzに設定して、第１の高周波信号の基本周波数が50MHzのときに、第２の周波数ｆ2が49.5MHzになるようにしている。

周波数制御部１０５はまた、第２の差周波数信号レベル検出部１１２により検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が反射波基準レベル設定部１１８により設定された反射波基準値を超えているときに、第１の周波数ｆ1の値を微小な周波数範囲ΔＦ内で変化させて、その周波数範囲内で反射波電力を最小にする第１の周波数ｆ1の値を探索する周波数探索手段と、この周波数探索手段により探索された周波数を新たな基準周波数として、第１の周波数ｆ1を該新たな基準周波数に等しくするように周波数指令Ｃf1を与える手段とを備えており、これらの手段により、反射波電力を基準値以下に抑制する制御を行う。

第１の乗算部１０６は、進行波検出信号Ｓpと第２の高周波信号Ｓ2とを乗算することにより、第１の高周波信号Ｓ1の周波数（第１の周波数）ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数（第２の周波数）ｆ2との差の周波数成分を含む信号Ｓfp′を出力する部分であり、第１のフィルタ１０７は、第１の乗算部１０６の出力から希望する第１の差周波数信号Ｓfpを抽出するフィルタである。このフィルタは、アナログフィルタ（パンドパスフィルタまたはローパスフィルタ）からなっていてもよく、デジタルフィルタからなっていてもよい。

周知のように、乗算部で２つの信号を乗算すると、２つの信号の周波数の差の周波数成分と、２つの信号の周波数の和の周波数成分とを含む信号が得られる。例えば図１に示した高周波電源装置が、図１１に示したシステムの第１の高周波電源装置１１であるとし、その基本周波数（第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1）が50MHz、第２の高周波電源装置１２の基本周波数が2MHzであるとする。この場合、第１の高周波電源装置１１の出力端子には、出力伝送系を通して、基本周波数50MHzの近傍にスプリアス成分として46，48，52，54MHzなどの成分が流入してくる。この場合、第２の高周波発生部１０２の出力周波数（第２の周波数ｆ2）を49.5MHzに設定して、希望の差周波数を0.5MHzとすると、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHz、和周波数は99.5MHzとなる。同様に上記のスプリアス成分に対する差周波数は3.5，1.5，2.5，4.5MHzになり、和周波数は95.5，97.5，101.5, 103.5MHzとなる。スプリアス成分に対する差周波数はいずれも、基本周波数に対する差周波数よりも高い値を示す。

本発明においては、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差を常に一定値Δｆに保つように制御するため、図１１のシステムにおいて、第１の高周波電源装置１１の出力周波数（第１の周波数ｆ1）を変化させた場合でも、第１の周波数ｆ1と第２の周波数ｆ2との差周波数は一定（上記の例では0.5MHz）となる。

例えば、第１の周波数ｆ1を50MHz→50.5MHz→51.0MHzのように変化させる場合、第２の周波数ｆ2は49.5MHz→50.0MHz→50.5MHzのように変化させられ、第１の周波数ｆ1と第２の周波数ｆ2との差周波数が常に0.5MHz(一定)に保たれる。また、スプリアス周波数も、基本周波数（第１の周波数ｆ1）の変化に応じて変化するので、スプリアス周波数と第２の周波数との差周波数も上記の関係と変わらない。

したがって、第１のフィルタ１０７として、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を通過させ、スプリアス成分の差周波数以上の周波数成分を除去する特性を有するフィルタ（例えば、カットオフ周波数が１MHzの特性を有するもの）を用いれば、フィルタの周波数特性（周波数によってフィルタの減衰率が変化する特性）の影響を受けることなく、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を精度良く抽出することができる。

すなわち、第１のフィルタ１０７における抽出対象を、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分（0.5MHzの成分）とし、フィルタ１０７の特性を、スプリアス周波数と第２の高周波信号Ｓ2の周波数ｆ2との差の周波数成分（3.5，1.5，2.5，4.5MHz等の周波数成分）を除去する特性にすれば、第１の高周波信号Ｓ1の周波数ｆ1を変化させても、抽出対象の周波数は一定であるため、抽出対象の出力レベルはフィルタ１０７の周波数特性に影響されない。フィルタ１０７により抽出される差周波数信号のレベルは、電力増幅部１０３から出力される進行波電力に含まれる基本周波数成分のレベルに対応している。そのため、第１のフィルタ１０７により抽出された差周波数信号Ｓfpのレベルを検出することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを検出することができる。

なお、図１１に示したシステムにおいて、第１の高周波電源装置１１の基本周波数が50MHzから50.5MHzに変化した場合、基本周波数50MHzに対する和周波数は100.5MHzとなり、上記に示した関係と異なる。また、スプリアス成分に対する和周波数も上記に示した関係と異なってしまう。しかし、これらの周波数成分は、第１のフィルタ１０７により除去される対象であるので、進行波電力に含まれる基本周波数成分の検出には影響を及ぼさない。

第１のフィルタ１０７により抽出された第１の差周波数信号Ｓfpは、第１の差周波数信号レベル検出部１０８に与えられる。第１の差周波数信号レベル検出部１０８は、差周波数信号Ｓfpをアナログ処理またはデジタル処理することにより、差周波数信号Ｓfpのレベルを検出して、進行波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを示す進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaを発生する。

第１の差周波数信号Ｓfpをアナログ処理することにより、差周波数信号Ｓfpのレベルを検出する差周波数信号レベル検出部１０８は、ダイオード検波や自乗検波を行う検波回路により構成することができる。

また第１の差周波数信号Ｓfpをデジタル処理することにより、差周波数信号Ｓfpのレベルを検出する差周波数信号レベル検出部は、例えば、差周波数信号の値をサンプリングする手段と、そのサンプリング値から差周波数信号の平均値または実効値を演算する手段とにより構成できる。また差周波数信号を検波する検波回路と該検波回路の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とによっても、差周波数信号のレベルをデジタル量として出力する差周波数信号レベル検出部１０８を構成することができる。

本実施形態では、差周波数信号Ｓfpをデジタル処理することにより、差周波数信号Ｓfpのレベルを検出するように（デジタル回路により）第１の差周波数信号レベル検出部１０８が構成されている。

第１の差周波数信号レベル検出部１０８をデジタル回路により構成する場合、第１の差周波数信号レベル検出部１０８が出力する進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaの値は、進行波検出信号Ｓpの大きさ（電圧値）を示す値でもよく、進行波検出信号Ｓpの電圧値を換算して求めた進行波電力の電力値を示す値でもよい。本実施形態では、第１の差周波数信号レベル検出部１０８が出力する進行波電力基本周波数成分検出信号が、進行波電力の電力値を示す値を有するように構成されている。

本実施形態では、第１の乗算部１０６と、第１のフィルタ１０７と、第１の差周波数信号レベル検出部１０８とにより、電力増幅部１０３から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分を検出する進行波検出部が構成されている。

本実施形態ではまた、第２の高周波発生部１０２の出力Ｓ2が、高周波検出部１０４から出力される反射波検出信号Ｓrとともに第２の乗算部１１０に入力されている。第２の乗算部１１０は、高周波検出部１０４により得られた反射波検出信号Ｓrと第２の高周波発生部１０２が発生する第２の高周波信号Ｓ2とを乗算して、第１の周波数ｆ1と第２の高周波信号の周波数ｆ2との差の周波数成分を含む信号を出力する。第２の乗算部１１０の出力信号は、第２のフィルタ１１１に与えられる。

第２のフィルタ１１１は、第２の乗算部１１０の出力から、反射波電力の基本周波数ｆ1と第２の周波数ｆ2との差の周波数を有する第２の差周波数信号を抽出して、抽出した第２の差周波数信号を第２の差周波数信号レベル検出部１１２に与える。

第２の差周波数信号レベル検出部１１２は、第２のフィルタ１１１ら出力される第２の差周波数信号のレベルを検出して、反射波電力に含まれる基本周波数成分のレベルを示す反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprを出力する。

本実施形態では、第２の乗算部１１０と、第２のフィルタ１１１と、第２の差周波数信号レベル検出部１１２とにより、負荷側から電力増幅部１０３に戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分を検出する反射波検出部が構成されている。

本実施形態では、第１の差周波数信号レベル検出部１０８から得られる進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaと、第２の差周波数信号レベル検出部１１２から得られる反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprとが、第１のレベル設定部１０９から得られる第１のレベル設定信号Ｓpas及び制限値設定部１１３から得られる制限値設定信号Ｓptsと共に、第１のレベル制御部１１４に与えられている。

ここで、第１のレベル設定部１０９から得られる第１のレベル設定信号Ｓpasは、電力増幅部１０３から出力される進行波電力の設定値を与える信号である。また制限値設定部１１３から得られる制限値設定信号Ｓptsは、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値(第１のレベル設定信号Ｓpasにより与えられる設定値）または進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓraから検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と、反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprから検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値の制限値を与える信号である。この制限値は、電力増幅部１０３から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値よりも大きい値で、かつ電力増幅部１０３を構成する半導体増幅素子を保護するために必要なレベルに設定されている。

第１のレベル制御部１１４は、第１のレベル設定信号Ｓpasにより設定される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaから検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と、反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprから検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が、制限値設定信号Ｓptsにより設定される制限値以下であるときに、進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaから検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を、第１のレベル設定信号Ｓpasにより設定される設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与え、上記合計値が制限値を超えたときには、合計値を制限値以下に低下させるように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与える。

第１のレベル制御部１１２は、アナログ回路からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。本実施形態では、第１の高周波発生部１０１がＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）からなっているため、第１のレベル制御部１１２から第１の高周波発生部１０１にデジタル信号からなる振幅レベル指令を与える必要がある。そのため、第１のレベル制御部１１２がアナログ回路により構成される場合には、第１のレベル制御部１１２の出力側にＡＤコンバータ等を設けて、第１のレベル制御部１１２の出力信号をデジタル信号に変換する必要がある。

本実施形態では、第１の差周波数信号レベル検出部１１０がデジタル回路からなっていて、レベル検出信号Ｓpaをデジタル信号として出力するため、第１のレベル制御部１１２もデジタル回路により構成されている。

本実施形態ではまた、第２の高周波発生部１０２の出力レベルを検出する出力レベル検出部１１５設けられて、その出力信号Ｓ2aが、第２のレベル設定部１１６から出力されるレベル設定信号Ｓ2asと共に第２のレベル制御部１１７に入力されている。

第２のレベル制御部１１７は、出力レベル検出部１１５により検出された第２の高周波発生部１０２の出力レベルを第２のレベル設定部１１６により設定された設定レベルと比較演算し、その演算結果に基づいて、第２の高周波発生部１０２が出力する第２の高周波信号Ｓ2のレベルを設定レベルに保つように、第２の高周波発生部１０２に振幅レベル指令Ｃa2を与える。

本実施形態では、第２のレベル制御部１１７がデジタル回路からなっていて、出力レベル検出部１１５ら得られるレベル検出信号Ｓ2aがＡ／Ｄ変換器を通して第２のレベル制御部１１７に与えられる。第２のレベル制御部１１７は、レベル検出信号Ｓ2aのレベルを設定レベルに等しくするために必要な第２の高周波信号Ｓ2のレベルを演算して、演算したレベルの第２の高周波信号Ｓ2を第２の高周波発生部１０２から発生させるように、第２の高周波発生部１０２に振幅レベル指令Ｃa2を与える。

このように構成しておくと、第１の高周波信号の周波数ｆ1及び第２の高周波信号の周波数ｆ2を変化させた場合でも、第２の高周波信号Ｓ2のレベルを常に一定に保つことができるため、第１の差周波数信号レベル検出部１０８から得られる進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaと負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との対応関係、及び第２の差周波数信号レベル検出部１１２から得られる反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprと負荷側から戻ってくる反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との対応関係が変動するのを防ぐことができ、負荷に供給される進行波電力を設定レベルに保つ制御と、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保つ制御とを正確に行わせることができる。

本実施形態ではまた、高周波検出部１０４により検出される反射波電力を基準レベル以下に抑制するように第１の高周波発生部１０１の出力周波数を変更する制御を行わせるために、反射波電力基本周波数検出信号Ｓprと、反射波基準レベル設定部１１８から得られる反射波基準レベル設定信号とが周波数制御部１０５に与えられている。

周波数制御部１０５は、反射波電力基本周波数検出信号Ｓprにより検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分のレベルが反射波基準レベル設定部１１８により設定された反射波基準値を超えているときに、第１の周波数ｆ1の値を微小な周波数範囲ΔＦ内で変化させて、その周波数範囲内で反射波電力を最小にする第１の周波数ｆ1の値を探索する周波数探索手段を備えていて、この周波数探索手段により探索された周波数を新たな基準周波数とし、第１の周波数ｆ1を該基準周波数に等しくするように周波数指令Ｃf1を与えることにより、反射波電力を基準値以下に抑制する制御を行う。

反射波基準値は、電力増幅部１０３から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が設定値に等しく、電力増幅部と負荷との間に設けられているインピーダンス整合器によるインピーダンスの整合が大きく崩れていない状態で、電力増幅部１０３から出入りする進行波電力と反射波電力との合計値を、電力増幅部１０３を構成する半導体増幅素子を保護するために必要な最大レベル以下に制限するために必要な大きさに設定される。

上記第１のレベル制御部１１４は、進行波電力基本周波数成分検出信号Ｓpaにより検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力基本周波数成分検出信号Ｓprにより検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値以下であるときに、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令Ｃa1の指令値を演算し、上記合計値が制限値を超えたときには、合計値を制限値以下に制限するために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令Ｃa1の指令値を演算するレベル指令値演算部と、このレベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部１０１に与える振幅指令出力部とにより構成することができる。

本実施形態では、周波数制御部１０５が、微小な周波数範囲内で反射波電力を最小にする第１の周波数ｆ1の値を探索して、探索した周波数を新たな基準周波数とし、第１の周波数ｆ1を該基準周波数に等しくするように、第１の高周波発生部１０１に周波数指令Ｃf1を与えるので、電力増幅部１０３と負荷との間のインピーダンスの整合がほぼとれている定常状態では、反射波電力が基準値以下に保たれている。

この状態では、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値以下であるため、第１のレベル制御部１１４が、第１の高周波発生部１０１から電力増幅部１０３を通して負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために必要な振幅レベル指令Ｃa1を第１の高周波発生部１０１に与える。従って、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値は設定値に保たれる。これに対し、何らかの原因で、電力増幅部１０３と負荷との間のインピーダンスの整合が大きく崩れ、反射波電力が増大して進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えた場合には、第１のレベル制御部１１４が、進行波電力と反射波電力の合計値を制限値以下に制限するために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令Ｃa1の指令値を演算して、演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部１０１に与えるため、進行波電力と反射波電力の合計値が制限値以下に制限され、電力増幅部１０３の保護が図られる。

図８を参照すると、図１の実施形態の要部をマイクロプロセッサを用いて構成する場合に、マイクロプロセッサに実行させる処理のアルゴリズムを示すフローチャートが示されている。このアルゴリズムによる場合には、先ずステップＳ１０１で各部の初期化が行われる。この初期化のステップでは、メモリの内容が初期化されるとともに、基準周波数の初期値が50MHzに設定される。

次いでステップＳ１０２で第１及び第２の高周波発生部１０１及び１０２の出力周波数ｆ1及びｆ2を決定する。先ず高周波電源装置の出力周波数である第1の周波数ｆ1を決定し、第１の周波数ｆ1に基づいて第２の周波数ｆ2を決定する。本実施形態では、第１の周波数を50.0MHz、第２の周波数を49.5MHzとする。

次いでステップＳ１０３で各高周波発生部から高周波信号を出力させる。このとき各高周波信号の周波数及び振幅は初期値である。初期値の定め方には、大きく分けて次の３通りの方法がある。
（１）初期値を外部から各高周波発生部に入力する。例えば、周波数は周波数制御部から各高周波発生部に入力し、振幅は図示しない外部装置から各高周波発生部に入力する。周波数及び振幅の双方を外部から入力するようにしてもよい。
（２）各高周波発生部自体にメモリを設けて、周波数及び振幅を記憶させておく。
（３）各高周波発生部に民生機器などで用いられているラストワンメモリー機能を搭載して、電源を切る直前の最後の振幅及び周波数の設定値を各高周波発生部内に記憶させておくようにしてもよい。

次いでステップＳ１０４で電力増幅部１０３から進行波電力を出力させる。またステップＳ１０５で高周波検出部１０４から進行波検出信号Ｓp及び反射波検出信号Ｓrを読み込む。次いでステップＳ１０６で、第１の差周波数信号レベル検出部１０８が出力している進行波電力基本周波数成分検出信号の値から進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を検出してその検出値をメモリに記憶させ、第２の差周波数信号レベル検出部１１２が出力している反射波電力基本周波数成分検出信号の値から反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を検出して、その値をメモリに記憶させる。

次いでステップＳ１０７で、進行波電力基本周波数成分検出信号から検出された進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と、反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値とを加算して、両者の合計値を演算し、ステップＳ１０８で、演算された合計値が制限値以下であるか否かを判定する。

ステップＳ１０８で合計値が制限値以下であると判定されたときには、ステップＳ１０９に進んで、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を第１のレベル設定部１０９により設定された設定値とするように、第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与える。またステップＳ１０８で合計値が制限値を超えていると判定されたときには、ステップＳ１１０に進んで、合計値を制限値以下とするように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与える。

ステップＳ１０９またはＳ１１０を実行した後、ステップＳ１１1に進んで、周波数制御を行う。この周波数制御では、第２の差周波数信号レベル検出部１１２が出力する反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分のレベルと、反射波基準レベル設定部１１８により設定された反射波基準レベルとを比較して、反射波電力に含まれる基本周波数成分のレベルが反射波基準レベル以下であるときには、第１の高周波発生部１０１の出力周波数を50MHzとし、第２の高周波発生部１０２の出力周波数を49.5MHzとするように、第１の高周波発生部１０１及び第２の高周波発生部１０２に周波数指令Ｃf1及びＣf2を与える。

ステップＳ１１１ではまた、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分が反射波基準レベルを超えているときに第１の周波数ｆ1を設定した微小範囲で変化させながら反射波検出値を最小にする周波数ｆ1を探索する過程を行って、探索した周波数ｆ1を新たな基準周波数とし、第１の周波数ｆ1を新たな基準周波数に一致させるように第１の高周波発生部１０１の周波数指令Ｃf1を与える。また、第２の周波数ｆ2を第１の周波数ｆ1よりもΔｆだけ低い周波数とするように、第２の高周波発生部１０２に周波数指令Ｃf2を与える。その後、ステップＳ１０３に戻って処理を繰り返す。

図８に示したアルゴリズムによる場合には、ステップＳ１０５及びＳ１０６により、第１の差周波数信号レベル検出部１０８及び第２の差周波数信号レベル検出部１１２が構成される。またステップＳ１０７ないしＳ１１０により第１のレベル制御部１１４が構成され、ステップＳ１０２及びステップＳ１１１により、周波数制御部１０５が構成される。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態を示したものである。本実施形態では、第１のレベル制御部１１４が、電力超過量演算部１２１と、第１のレベル指令値演算部１２２と、第１の振幅指令出力部１２３とにより、第１のレベル制御部１１４が構成されている。

電力超過量演算部１２１は、第１の差周波数信号レベル検出部１０８の出力（進行波電力基本周波数成分検出信号）から検出された進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と、第２の差周波数成分検出部１１２の出力（反射波電力基本周波数成分検出信号）から検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値と、制限値設定部１１３により設定された制限値との差を演算して、合計値の制限値からの超過量を演算する部分である。

第１のレベル指令値演算部１２２は、前記合計値が前記制限値以下のときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を、第１のレベル設定部１０９により設定された設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、前記合計値が前記制限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力と前記超過量との和を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算する。

第１の振幅指令出力部１２３は、第１のレベル指令値演算部１２２が演算した指令値を有する振幅レベル指令Ｃa1を第１の高周波発生部１０１に与える。

上記のように、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えているときに、検出されている進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と合計値の制限値からの超過量との和を設定値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令値を演算するようにすると、合計値が制限値を超えたときに、見かけ上、合計値の制限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値を大きくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の実際の値を超過量分だけ小さくして、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防ぐことができる。

本実施形態ではまた、第２の高周波信号Ｓ2のレベルを一定に保つように第２の高周波発生部１０２に振幅レベル指令を与える第２のレベル制御部１１７が、出力レベル検出部１１５により検出される第２の高周波発生部１０２の出力レベルを、第２のレベル設定部１１６により設定された設定値に保つために第２の高周波発生部１０２に与える振幅レベル指令Ｃa2の指令値を演算する第２のレベル指令値演算部１２４と、第２のレベル指令値演算部１２４が演算した指令値を有する振幅レベル指令Ｃa2を第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部１２５とにより構成されている。

上記の説明では、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えているときに、検出されている進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と超過量との和を設定値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令値を演算するように、第１のレベル指令値演算部１２２を構成するとしたが、合計値が制限値を超えているときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力を、「設定値から超過量を減算して求めた目標値」に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するように、第１のレベル指令値演算部１２２を構成してもよい。

即ち、第１のレベル制御部１１４は、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値と設定された制限値との差を演算して合計値の制限値からの超過量を演算する電力超過量演算部１２１と、上記合計値が制限値以下のときには、進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を第１のレベル設定部１０９により設定された設定値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令Ｃa1の指令値を演算し、上記合計値が制限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力を、第１のレベル設定部１０９により設定された設定値から上記超過量を減算して求めた目標値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部１２２と、このレベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を第１の高周波発生部１０１に与える振幅指令出力部１２３とにより構成することもできる。

このように構成した場合には、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えたときに、合計値の制限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の目標値を小さくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の実際の値を超過量分だけ小さくして、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防ぐことができる。

［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態の構成を示したものである。この実施形態では、第１の差周波数信号レベル検出部１０８から得られる進行波電力基本周波数成分検出信号が超過量演算部１２１に与えられる代りに、第１のレベル設定部１０９の出力が超過量演算部１２１に与えられている。その他の構成は、図２に示した構成と同様である。

本実施形態では、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値(第１のレベル設定部１０９により設定される設定値）と第２の差周波数信号レベル検出部１１２から得られる反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値以下であるときに、第１の差周波数信号レベル検出部１０８から得られる進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与え、上記合計値が制限値を超えたときに該合計値を制限値以下に低下させるように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令を与えるように、レベル制御部１１４が構成されている。即ち、本実施形態に構成は、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と、進行波電力の設定値との合計値を演算して、この合計値を制限値以下に保つように制御する点を除き、第２の実施形態の構成と同様である。

進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値は第１のレベル設定部１０９により設定される設定値にほぼ保たれているので、第２の実施形態のように、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値との合計値を制限値以下に保つように制御しても、本実施形態のように、進行波電力の設定値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値との合計値を演算して、この合計値を制限値以下に保つように制御しても大差はない。

［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態を示したもので、本実施形態では、検出された進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を制限値以下に保つように制御する代りに、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して、許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を演算して、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を、演算された許容上限値以下に保つように、第１の高周波発生部１０１から出力される高周波信号のレベルを制御して、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が過度に増大したときに電力増幅部の出力を抑制する制御を行う。

反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値に対して演算された許容上限値を超えることがないように、電力増幅部の出力を抑制する制御を行うと、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を適切な値に演算するようにしておくことにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防いで、電力増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を的確に図ることができる。上記許容上限値に余裕を持たせておく（許容上限値を小さめに設定しておく）ことにより、反射波電力のスプリアス成分の影響にも対処することができる。

本実施形態では、検出された進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して、反射波電力の許容上限値を演算するために、第１の差周波数信号レベル検出部１０８から得られる進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を演算する反射波上限値演算部１１３′が設けられている。反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値は、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を許容上限値以下に保つ際に許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の最大値に設定しておく。反射波電力に含まれるスプリアス成分を無視できない場合には、許容上限値を小さめに設定しておく。

本実施形態では、レベル制御部１１４が、第２の差周波数信号レベル検出部１１２が出力する反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、第１の差周波数信号レベル検出部１０８が出力する進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された許容上限値以下であるときに、進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を第１のレベル設定部１０９により設定された設定値に保つように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与え、第２の差周波数信号レベル検出部１１２が出力する反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が上記許容上限値を超えたときには、検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を上記許容上限値以下に低下させるように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与えるように構成されている。

図９を参照すると、図４の実施形態の要部をマイクロプロセッサを用いて構成する場合に、マイクロプロセッサに実行させる処理のアルゴリズムを示すフローチャートが示されている。図９に示したフローチャートにおいて、ステップ１０１ないし１０６は、図８に示したフローチャートと同様である。

図９に示した処理では、ステップ１０６で、第１の差周波数信号レベル検出部１０８が出力している進行波電力基本周波数成分検出信号の値から進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を検出してその検出値をメモリに記憶させ、第２の差周波数信号レベル検出部１１２が出力している反射波電力基本周波数成分検出信号の値から反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を検出して、その値をメモリに記憶させた後、ステップＳ１０８′で反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値以下であるか否かを判定する。

ステップ１０８′で反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値以下であると判定されたときには、ステップＳ１０９に進んで、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を第１のレベル設定部１０９により設定された設定値とするように、第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与える。またステップＳ１０８′で反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えていると判定されたときには、ステップＳ１１０′に進んで、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を許容上限値以下とするように第１の高周波発生部１０１に振幅レベル指令Ｃa1を与える。

ステップＳ１０９またはＳ１１０′を実行した後、ステップＳ１１１に進んで、図８に示した処理と同様の周波数制御を行う。

図９に示したアルゴリズムによる場合には、ステップＳ１０５及びＳ１０６により、第１の差周波数信号レベル検出部１０８及び第２の差周波数信号レベル検出部１１２が構成され、ステップＳ１０８′，Ｓ１０９及びＳ１１０′により第１のレベル制御部１１４が構成される。またステップＳ１０２及びステップＳ１１１により、周波数制御部１０５が構成される。

［第５の実施形態］
図５は本発明の第５の実施形態を示している。図４に示した実施形態では、検出された進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して、反射波電力の許容上限値を演算するように反射波上限値演算部１１３′を構成したが、本実施形態では、第１のレベル設定部１０９により設定される進行波電力の設定値に対して、反射波電力の許容上限値を演算するように反射波上限値演算部１１３′が構成されている。その他の構成は図４に示した実施形態と同様である。

進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値は第１のレベル設定部１０９により設定される設定値にほぼ保たれているので、図４に示した第４の実施形態のように、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を演算するようにしても、本実施形態のように、進行波電力の設定値に対して反射波電力の許容上限値を演算するようにしても大差はない。

［第６の実施形態］
図６は、本発明の第６の実施形態を示している。本実施形態では、第１のレベル制御部１１４が、電力超過量演算部１２１と、第１のレベル指令値演算部１２２と、第１の振幅指令出力部１２３とからなっている。その他の部分は、図４に示した実施形態と同様に構成されており、反射波上限値演算部１１３′は、第１の差周波数信号レベル検出部１０８が出力する進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を演算する。

本実施形態において、電力超過量演算部１２１は、第２の差周波数信号レベル検出部１１２から得られる反射波電力基本周波数成分検出信号から検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と、上限値設定部１１３′において進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された許容上限値との差を演算して、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値からの超過量を演算するように構成される。

また第１のレベル指令値演算部１２２は、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値以下のときには、進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令Ｃa1の指令値を演算し、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に超過量を加算することにより求めた電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算するように構成される。

振幅指令出力部１２３は、レベル指令値演算部１２２が演算した指令値を有する振幅レベル指令Ｃa1を出力して第１の高周波発生部１０１に与える。

上記のように構成すると、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された反射波電力の制限値を超えたときに、反射波電力の制限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値を見かけ上大きくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を抑制することができる。従って、反射波電力の許容上限値を適切な値(進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値を許容上限値以下に保つ際に許容される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の最大値)に演算することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防いで、電力増幅部を構成する半導体増幅素子の保護を的確に図ることができる。

上記の説明では、第１のレベル指令値演算部１２２が、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えているときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に超過量を加算することにより求めた電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算するとしたが、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えているときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力を、その設定値から上記超過量を減算して求めた目標値に保つために第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するように、第１のレベル指令値演算部１２２を構成することもできる。

即ち、第１のレベル指令値演算部１２２は、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値以下のときに進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令Ｃa1の指令値を演算し、検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えているときには進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を、設定値から超過量を減算して求めた目標値に保つために第１の高周波発生部１０１に与える振幅レベル指令値を演算するように構成することもできる。

上記のように構成した場合には、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が許容上限値を超えたときに、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値からの超過量分だけ、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の目標値を小さくすることができるため、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を抑制することができる。従って、反射波上限値演算部１１３′で反射波電力の許容上限値を適切な値に演算することにより、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が制限値を超えるのを防ぐことができる。

［第７の実施形態］
図７は、本発明の第７の実施形態を示している。本実施形態においては、第１の差周波数信号レベル検出部１０８により検出された進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値が反射波上限値演算部１１３′に与えられる代りに、第１のレベル設定部１０９により設定された設定値が反射波上限値演算部１１３′に与えられている。その他の構成は、図６に示した実施形態と同様である。

図７の実施形態においては、反射波上限値演算部１１３′が、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値に対して反射波電力の許容上限値を演算する。

進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値は第１のレベル設定部１０９により設定される設定値にほぼ保たれているため、図６に示した実施形態のように、進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の検出値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を演算する代りに、本実施形態のように、進行波電力の設定値に対して反射波電力の許容上限値を演算するようにしても何等差し支えがない。

上記の各実施形態では、反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が反射波基準値を超えたときに、第１の周波数ｆ1を設定した微小範囲で変化させながら反射波検出値を最小にする周波数ｆ1を探索する過程を行って探索した周波数ｆ1を新たな基準周波数とし、第１の周波数ｆ1を新たな基準周波数に一致させるように第１の高周波発生部１０１に周波数例Ｃf1を与える制御を行うようにしているが、この制御は省略することができる。

１０１ 第１の高周波発生部
１０２ 第２の高周波発生部
１０３ 電力増幅部
１０４ 高周波検出部
１０５ 周波数制御部
１０６ 第１の乗算部
１０７ 第１のフィルタ
１０８ 第１の差周波数信号レベル検出部
１０９ 第１のレベル設定部
１１０ 第２の乗算部
１１１ 第２のフィルタ
１１２ 第２の差周波数信号レベル検出部
１１３ 制限値設定部
１１４ 第１のレベル制御部
１１５ 出力レベル検出部
１１６ 第２のレベル設定部
１１７ 第２のレベル制御部
１１８ 反射波基準レベル設定部
１２１ 電力超過量演算部
１２２ 第１のレベル指令値演算部
１２３ 第１の振幅指令出力部
１２４ 第２のレベル指令値演算部
１２５ 第２の振幅指令出力部

Claims (8)

1. 周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて、負荷に与える高周波電力の基本周波数に等しい第１の周波数及び該第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
   前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力及び前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力をそれぞれ検出して前記進行波電力の情報を含む進行波検出信号及び前記反射波電力の情報を含む反射波検出信号をそれぞれ出力する高周波検出部と、
   前記第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つように前記第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部と、
   前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部と、
   前記第１の乗算部の出力から前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第１の差周波数信号を出力する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタから得られる第１の差周波数信号のレベルを検出して前記進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む進行波電力基本周波数成分検出信号を出力する第１の差周波数信号レベル検出部と、
   前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部と、
   前記第２の乗算部の出力から前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第２の差周波数信号を出力する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタから得られる第２の差周波数信号のレベルを検出して前記反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む反射波電力基本周波数成分検出信号を出力する第２の差周波数信号レベル検出部と、
   前記電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または前記進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と前記反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値との合計値が前記設定値よりも大きい値に設定された制限値以下であるときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を前記設定値に保つように前記第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与え、前記合計値が前記制限値を超えたときには、前記合計値を前記制限値以下に低下させるように前記第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与えるレベル制御部と、
   を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
2. 前記レベル制御部は、
   前記合計値が前記制限値以下であるときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、前記合計値が前記制限値を超えたときには、前記合計値を前記制限値以下に制限するために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算するレベル指令値演算部と、
   前記レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を前記第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部と、
   を備えている請求項１に記載の高周波電源装置。
3. 前記レベル制御部は、
   前記合計値と設定された制限値との差を演算して合計値の制限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、
   前記合計値が前記制限値以下のときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、前記合計値が前記制限値を超えているときには前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力と前記超過量との和を前記設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部と、
   前記レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を前記第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部と、
   を備えている請求項１に記載の高周波電源装置。
4. 前記レベル制御部は、
   前記合計値と設定された制限値との差を演算して合計値の制限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、
   前記合計値が前記制限値以下のときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、前記合計値が前記制限値を超えているときには前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力を、前記設定値から前記超過量を減算して求めた目標値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部と、
   前記レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を前記第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部と、
   を備えている請求項１に記載の高周波電源装置。
5. 周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて第１及び第２の周波数を有する第１及び第２の高周波信号をそれぞれ発生する第１及び第２の高周波発生部と、
   前記第１の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力及び前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力をそれぞれ検出して前記進行波電力の情報を含む進行波検出信号及び前記反射波電力の情報を含む反射波検出信号をそれぞれ出力する高周波検出部と、
   前記第１の周波数と第２の周波数との差を一定に保つように前記第１の高周波発生部及び第２の高周波発生部に周波数指令を与える周波数制御部と、
   前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第１の乗算部と、
   前記第１の乗算部の出力から前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第１の差周波数信号を出力する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタから出力される第１の差周波数信号のレベルを検出して前記進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む進行波電力基本周波数成分検出信号を出力する第１の差周波数信号レベル検出部と、
   前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第２の高周波信号とを乗算して、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第２の乗算部と、
   前記第２の乗算部の出力から前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数成分を抽出して第２の差周波数信号を出力する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタから出力される第２の差周波数信号のレベルを検出して前記反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の情報を含む反射波電力基本周波数成分検出信号を出力する第２の差周波数信号レベル検出部と、
   前記反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が、前記電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または前記進行波電力基本周波数成分検出信号から検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して演算された許容上限値以下であるときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を前記設定値に保つように前記第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与え、前記反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値を超えたときには、前記反射波電力基本周波数成分検出信号から検出される反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を前記許容上限値以下に低下させるように前記第１の高周波発生部に振幅レベル指令を与えるレベル制御部と、
   を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
6. 前記レベル制御部は、
   前記電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の許容上限値を演算する反射波上限値演算部と、
   前記反射波電力基本周波数成分検出信号から検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と前記許容上限値との差を演算して前記反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の前記許容上限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、
   前記検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値以下のときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、前記検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値を超えているときには前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に前記超過量を加算することにより求めた電力値を前記設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算するレベル指令値演算部と、
   前記レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を前記第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部と、
   を備えている請求項５に記載の高周波電源装置。
7. 前記レベル制御部は、
   前記電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の設定値または進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値に対して反射波電力の許容上限値を演算する反射波上限値演算部と、
   前記反射波電力基本周波数成分検出信号から検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値と前記許容上限値との差を演算して前記反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値の前記許容上限値からの超過量を演算する電力超過量演算部と、
   前記検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値以下のときには、前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を設定値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令の指令値を演算し、前記検出された反射波電力に含まれる基本周波数成分の電力値が前記許容上限値を超えているときには前記進行波電力基本周波数成分検出信号により検出される進行波電力に含まれる基本周波数成分の電力値を、前記設定値から前記超過量を減算して求めた目標値に保つために前記第１の高周波発生部に与える振幅レベル指令値を演算するレベル指令値演算部と、
   前記レベル指令値演算部が演算した指令値を有する振幅レベル指令を前記第１の高周波発生部に与える振幅指令出力部と、
   を備えている請求項５に記載の高周波電源装置。
8. 前記第２の高周波信号のレベルを一定に保つように前記第２の高周波発生部に振幅レベル指令を与えるレベル制御部が更に設けられている請求項１ないし７の何れか一つに記載の高周波電源装置。

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