JP2015200630A - 電流・電圧検出用プリント基板および電流・電圧検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力伝送用導体６６の径方向に対する空間的な制約が従来よりも多い箇所においても使用できるカレントトランス機能を有するプリント基板を提供する。
【解決手段】 コイル状の配線１０は、プリント基板の２つの層に形成された配線パターン１２、１３と基板の２つの層を貫通するスルーホール１１とによって構成される。また、電力伝送用導体６６がプリント基板に隣接するように配置された場合に、コイル状の配線１０の軸方向が電力伝送用導体６６の軸方向に垂直になるように、且つ、スルーホール１１の軸方向が電力伝送用導体６６の軸方向に垂直になるように、コイル状の配線１０を電流・電圧検出用プリント基板に配置する。これにより、空間的な制約が従来よりも多い箇所においても電流を検出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、交流電力の伝送経路として用いる電力伝送用導体に流れる交流電流を検出するために用いる電流検出用プリント基板、及びこの電流検出用プリント基板を用いた電流検出器に関するものである。

例えば、インピーダンス整合装置や高周波電源装置のように、交流電力の電流と電圧とを検出し、検出した電流と電圧とを用いて制御等を行うものがある。その一例として、インピーダンス整合装置について説明する。

図８は、インピーダンス整合装置が用いられる高周波電力供給システムの一例のブロック図である。

この高周波電力供給システムは、半導体ウエハや液晶基板等の被加工物に、例えばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤといった加工処理を行うためのシステムであり、高周波電源装置６１、伝送線路６２、インピーダンス整合装置６３、負荷接続部６４及び負荷６５（プラズマ処理装置６５）で構成されている。

高周波電源装置６１は、高周波電力を出力して、負荷となるプラズマ処理装置６５に供給するための装置である。なお、高周波電源装置６１から出力された高周波電力は、同軸ケーブルからなる伝送線路６２及びインピーダンス整合装置６３及び遮蔽された銅板からなる負荷接続部６４を介してプラズマ処理装置６５に供給される。また、一般にこの種の高周波電源装置６１では、無線周波数帯域の周波数を有する高周波電力を出力している。なお、無線周波数帯域の周波数は、厳密には定まっていないが、数百ｋＨｚ〜数ＧＨｚ（例えば２．４５ＧＨｚ程度）までが一般的である。

プラズマ処理装置６５は、ウエハ、液晶基板等を加工（エッチング、ＣＶＤ等）するための装置である。

インピーダンス整合装置６３は、内部に図示しない可変インピーダンス素子（例えば、可変コンデンサ、可変インダクタ等）等で構成された整合回路を備えていて、高周波電源装置６１と負荷６５との間がインピーダンス整合するように、整合回路内の可変インピーダンス素子のインピーダンスを変化させる制御機能を有する。

このような制御を行うために、インピーダンス整合装置６３の入力端６３ａから整合回路までの間に、高周波電源装置６１から出力された高周波の電流を検出する電流検出器および高周波の電圧を検出する電圧検出器を設け、これらの検出器で検出した電流と電圧とを用いて、進行波電力や反射波電力等の情報を求めている。そして、求めた情報を用いて、インピーダンス整合するように可変インピーダンス素子のインピーダンスを制御している。

図９は、インピーダンス整合装置６３の入力端から整合回路６７までの間に設けられる電流検出器８０および電圧検出器９０の概略の回路図である。図９に示すように、入力端６３ａから整合回路６７までは、電力の伝送経路となる電力伝送用導体６６（例えば棒状の銅）が設けられている。そして、電力伝送用導体６６の途中に、電流検出器８０と電圧検出器９０とが設けられている。

電流検出器８０は、カレントトランス部８１、カレントトランス部８１の出力配線８２，８３、電流用変換回路８４、および電流用変換回路８４の出力配線８５によって構成されている。この電流検出器８０では、電力伝送用導体６６に流れる交流電流に応じた電流がカレントトランス部８１に流れる。この電流は、出力配線８２，８３を介して電流用変換回路８４に入力され、所定の電圧レベルに変換されて電流用変換回路８４の出力配線８５から出力されるようになっている。

また、電圧検出器９０は、コンデンサ部９１、コンデンサ部９１の出力配線９２、電圧用変換回路９３、および電圧用変換回路９３の出力配線９４によって構成されている。この電圧検出器９０では、電力伝送用導体６６に生じる交流電圧に応じた電圧がコンデンサ部９１に生じる。なお、コンデンサ部９１は、電力伝送用導体６６の周囲に導体９１ｂを設けたものである。この導体９１ｂは、電力伝送用導体６６の対向する部分９１ａと対となってコンデンサの電極として機能するので、コンデンサ部９１には、電力伝送用導体６６に生じている電圧に応じた電圧が生じる。この電圧は、出力配線９２を介して電圧用変換回路９３に入力され、所定の電圧レベルに変換されて電圧用変換回路９３の出力配線９４から出力されるようになっている。なお、導体９１ｂは、上記のようにコンデンサの電極として機能するので、以下ではコンデンサ部の電極９１ｂと表現する。

そして、電流検出器８０および電圧検出器９０によって検出した電流と電圧とを用いて、上述したように、進行波電力や反射波電力等の情報を求めている。

図１０は、電流検出用プリント基板６の一例を示す図である。
図１０において、同図（ａ）は、電流検出用プリント基板６の平面図（基板の上から見た図）であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の一部（点線で囲んだＡ部分）を拡大した概略図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の図示を簡略化するために、直線的に展開した図であり、同図（ｄ）は、同図（ｃ）を側面から見た場合の電流検出用プリント基板６の配線を図示したものである。なお、同図（ｄ）に図示した配線は、説明のために、通常は見えない部分を透過させて図示している。

図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、電流検出用プリント基板６は、基板を貫通する貫通穴１０１が設けられており、その周囲にコイル状に形成された配線１０’（以下、コイル状の配線１０’という）が設けられている。このコイル状の配線１０’は、基板を貫通しながら、基板の表面１２１に形成される配線パターン１２と裏面１２２に形成される配線パターン１３とを交互に接続することによって両端部１０ａ，１０ｂを有するコイル状に形成されたものである。この配線の内、基板を貫通する部分は、スルーホール（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈｏｌｅ）１１によって形成され、基板の表面および裏面の配線は、配線パターン１２，１３によって形成されている。

なお、図１０（ｂ）〜（ｃ）において、点線で示した部分は、基板の裏面の配線パターンを示すが、透過したものであるため、点線で示している。また、コイル状の配線１０’の両端部１０ａ，１０ｂには、それぞれ出力配線２１，２２が接続されている。この出力配線がそれぞれ出力端子２３，２４に接続されている。

また、この例の場合は、両面構造の基板（以下、両面基板という）であるために、１つの絶縁体部１１０の表面層および裏面層に配線パターンが形成されることになる。

図１０に示したような電流検出用プリント基板６にすると、交流電流が流れる電力伝送用導体６６が、貫通穴１０１の内側を通るように配置された場合に、電磁誘導によって、コイル状の配線１０’に電流が流れる。すなわち、プリント基板にカレントトランス機能を持たすことができる。換言すれば、電流検出用プリント基板６に、カレントトランスを形成することができる。
したがって、コイル状の配線１０’の部分は、図９に示した回路図のカレントトランス部８１に相当する。

図１１は、電流検出用プリント基板６の他の一例を示す図である。
図１１において、同図（ａ）は、電流検出用プリント基板６の平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の一部（点線で囲んだＢ部分）を拡大した概略図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の図示を簡略化するために、直線的に展開した図であり、同図（ｄ）は、同図（ｃ）を側面から見た場合の電流検出用プリント基板６の配線を図示したものであり、同図（ｅ）は、電流検出用プリント基板６の配線を、出力配線２１等の部分を中心に、側面から図示したものである。なお、図１１に図示した配線は、説明のために、通常は見えない部分を透過させて図示している。また、便宜上、電流検出用プリント基板６、スルーホール１１、配線パターン１２，１３等は、図１０と同符号を用いている。

図１１に示す電流検出用プリント基板６は、基本的には、図１０に示した電流検出用プリント基板６と同様であるが、基板が多層構造になっていて、コイル状の配線１０’が内部の層間に形成されている。

なお、本明細書では、多層構造の基板（以下、多層基板という）を構成する絶縁体部を、図面の上部から見て順に、第１絶縁体部、第２絶縁体部、第３絶縁体部、・・・という具合に呼ぶ。また、基板の各絶縁体部の間に形成される導体層を、図面の上部から見て順に、第１導体層、第２導体層、第３導体層、・・・という具合に呼ぶ。また、基板の各絶縁体部の間に形成される導体層を総称して中間層と呼ぶ。また、基板の表面に形成される導体層を表面層、基板の裏面に形成される導体層を裏面層と呼ぶ。

なお、両面基板も表面層および裏面層の２つの層があるので、多層基板と言えるが、絶縁体部が１つしかないので、基板の各絶縁体部の間に形成される導体層がない形態である。

図１１の例では、基板の絶縁体部が、第１絶縁体部１１１、第２絶縁体部１１２、および第３絶縁体部１１３の３つの絶縁体部で構成されているために、第１絶縁体部１１１と第２絶縁体部１１２との間に第１導体層１３１が形成され、第２絶縁体部１１２と第３絶縁体部１１３との間に第２導体層１３２が形成されている。また、基板の表面１２１（第１絶縁体部の上の面）には表面層が形成可能である。また、基板の裏面１２２（第３絶縁体部の下の面）には裏面層が形成可能であるが、図１１の例では、基板の裏面層を設けていない。

そのために、図１１の場合、コイル状の配線１０’は、第１導体層１３１と第２導体層１３２との層間に形成されていることになる。したがって、コイル状の配線１０’が、基板の外側からは見ることができない構造にすることもできる。また、このような場合も、コイル状の配線１０’の部分は、図９に示した回路図のカレントトランス部８１に相当する。

また、図１１（ｅ）に示すように、コイル状の配線１０’の出力配線２１は、第１導体層１３１に形成されたコイル状の配線１０’の一端１０ａに接続された配線パターン２１ａと、スルーホール２１ｂと、基板の表面に形成された配線パターン２１ｃによって形成されて、出力端子２３に接続される。コイル状の配線１０’の出力配線２２については、同様であるために説明を省略する。

また、一般的に、スルーホールとは、基板の層間に貫通穴を開け、その内側に導体層（例えば銅）を設けることによって、基板の層間の導通をさせるものである。なお、基板の層間とは、基板の表裏間にある全ての層間の場合もあるし、一部分の層間の場合もある。

このようなスルーホールは、リード線を挿入するタイプのものもあるが、層間の導通のみを目的としたスルーホールは、特にバイアホール（Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）と呼ばれる。そして、バイアホールには、基板の表面から裏面に亘って貫通穴を開ける貫通型のバイアホール（Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）と、特定の層間だけで貫通穴を開けるインターステシャルバイアホール（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）とがある。また、インターステシャルバイアホールには、基板の片面から穴が見えるブラインドバイア（Ｂｌｉｎｄ Ｖｉａ）と、基板の両面から穴が見えないベリードバイア（Ｂｕｒｉｅｄ Ｖｉａ）とがある。

図１２は、電圧検出用プリント基板７の一例を示す図である。
図１２において、同図（ａ）は、電圧検出用プリント基板７の平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の一部（点線で囲んだＣ部分）を拡大した概略図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の図示を簡略化するために、直線的に展開した図であり、同図（ｄ）は、同図（ｃ）を側面から見た場合の電流検出用プリント基板６の配線を図示したものである。なお、同図（ｄ）に図示した配線は、説明のために、通常は見えない部分を透過させて図示している。

図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、電圧検出用プリント基板７は、基板を貫通する貫通穴２０１が設けられており、その周囲にリング状の配線３０が設けられている。このリング状の配線３０は、貫通穴２０１の周囲に、基板を貫通するスルーホール３１を複数設け、且つ基板の表面および裏面にスルーホール部を繋げるように配線パターン３２，３３を設けることによって形成されたものである。そのために、基板の表面および裏面にある配線パターン３２，３３の間にスルーホールが設けられているので、基板の厚みと略同じ厚みを有するように形成されて、あたかも、リング状の配線３０となる。

なお、図１２（ｂ）〜（ｃ）では、基板の表面および裏面にある配線パターン３２、３３が重なっている。また、リング状の配線３０には、出力配線３５が接続されている。この出力配線が出力端子３６に接続されている。

また、この例の場合は、両面構造の基板（以下、両面基板という）であるために、１つの絶縁体部２１０の表面層および裏面層に配線パターンが形成されることになる。

図１２に示したような電圧検出用プリント基板７にすると、交流電圧が生じている電力伝送用導体６６が、貫通穴２０１の内側を通るように配置された場合に、リング状の配線３０が、前記電力伝送用導体６６の内、リング状の配線３０と対向する箇所と対となるコンデンサの電極として機能する。すなわち、プリント基板にコンデンサの電極としての機能を持たすことができる。したがって、リング状の配線３０の部分は、図９に示した回路図のコンデンサ部の電極９１ｂに相当する。

図１３は、従来の電流・電圧検出器７０の概略の外観図である。
図１３において、同図（ａ）は、電流・電圧検出器７０を立体的に示した概略の外観図であり、同図（ｂ）は、導体製の筐体７１の側面から見た概略の外観図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の筐体７１を取り除いた場合の図である。なお、図１３（ｂ）及び（ｃ）においては、電力伝送用導体６６の部分を点線で表している。

この図１３（ａ）に示すように、電流・電圧検出器７０は、電力伝送用導体６６が筐体７１を貫通できる構造となっている。なお、電力伝送用導体６６およびその周囲にある絶縁体６９は、電流・電圧検出器７０の構成には含まれないが、説明に必要であるので、図示している。絶縁体６９は、電力伝送用導体６６と電流・電圧検出器７０との絶縁を行うためのものである。筐体７１は、アルミニウム等の導体で作られている。

また、図１３（ｃ）に示すように、筐体７１内に、電流検出用プリント基板６と電圧検出用プリント基板７とが収容された構造となっている。そのために、筐体７１内を通過する電力伝送用導体６６に流れる電流を電流検出用プリント基板６によって検出し、電力伝送用導体６６に生じている電圧を電圧検出用プリント基板７によって検出することが出来る構造になっている。

すなわち、図１３（ｂ）に示した例で説明すると、電流・電圧検出器７０の左側の部分が図９に示した電圧検出器８０に相当し、右側の部分が、図９に示した電圧検出器８０に相当することになる。

なお、図１３（ｂ）及び図１４に示すように、電流検出用プリント基板６の貫通穴の内側には、電力伝送用導体６６と電流検出用プリント基板６との間に円筒形状の遮蔽部７２が設けられており、電力伝送用導体６６から電流検出用プリント基板６に向かう電界を遮蔽するようになっている。この理由は、電流検出に対する電界の悪影響を低減させるためである。

特開２００７−２２５５８８号公報

上述したように従来の電流検出用プリント基板６には貫通穴１０１が設けられ、その貫通穴１０１に垂直に電力伝送用導体６６を貫通させたときの電流を、貫通穴１０１の周囲に形成したコイル状の配線１０’及を用いて検出していた。

図１５は、電流検出用プリント基板６の厚みＬ１等を示す図である。
この図１５に示すように、コイル状の配線１０’の幅Ｌ２［ｍｍ］は、電流検出用プリント基板６の厚みＬ１［ｍｍ］よりも大きい。また、出力配線２１，２２及び出力端子２３，２４も含めた幅Ｌ３［ｍｍ］は電流検出用プリント基板６の厚みＬ１［ｍｍ］に比べてかなり大きなものとなる。

また、コイル状の配線１０’は、貫通穴１０１の周囲の全周に渡って形成されているので、電流検出用プリント基板６の貫通穴１０１に垂直に電力伝送用導体６６を貫通させたときの電力伝送用導体６６における電力伝送用導体６６から電流検出用プリント基板６の端までの距離の最小値は、Ｌ２＋α［ｍｍ］となる。そのため、電流検出用プリント基板６を配置する場所には、図１３（ｃ）に示すように、電力伝送用導体６６の径方向に対して、電力伝送用導体６６から少なくともＬ２＋α［ｍｍ］の空間的な余裕が必要となる。

電力伝送用導体６６の径方向に対して空間的な制約がない場合は、従来の電流検出用プリント基板６でも問題ない。しかし、電力伝送用導体６６の径方向に対して空間的な制約があり、電力伝送用導体６６から少なくともＬ２＋α［ｍｍ］の空間的な余裕がない場合には、従来の電流検出用プリント基板６を用いることができない。

本発明は、上記事情のもとで考え出されたものであって、電力伝送用導体６６の径方向（３６０度の全てではなく一方向）に対する空間的な制約が従来よりも多い箇所においても使用できるカレントトランス機能を有するプリント基板を提供することを目的としている。また、このプリント基板を用いた電流・電圧検出器を提供することを目的としている。

第１の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
交流電力の伝送経路として用いる電力伝送用導体を流れる交流電流を検出するためのカレントトランスとして機能するコイル状の配線及び前記電力伝送用導体に生じる交流電圧を検出するためのコンデンサの電極として機能する電極部を有する電流・電圧検出用プリント基板であって、
前記電極部が、前記コイル状の配線よりも前記電力伝送用導体に近い位置に配置されているとともに、
前記コイル状の配線が、プリント基板の２つの層に形成された導体の部材と前記基板の２つの層を貫通する導体の部材とによって構成され、且つ、前記電力伝送用導体がプリント基板に隣接するように配置された場合に、前記コイル状の配線の軸方向が前記電力伝送用導体の軸方向に垂直になるように、且つ、前記基板の２つの層を貫通する導体の部材の軸方向が前記電力伝送用導体の軸方向に垂直になるように、前記コイル状の配線がプリント基板に配置されることを特徴としている。

第２の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記コイル状の配線の軸方向が前記電力伝送用導体の周りに生じる磁界の方向と平行であることを特徴としている。

第３の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記電極部が、前記電力伝送用導体から前記コイル状の配線の方を見たときに、前記コイル状の配線が隠れる大きさを有することを特徴としている。

第４の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記電極部と前記コイル状の配線とが、同一のプリント基板に形成されることを特徴としている。

第５の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記電極部と前記コイル状の配線とが、別のプリント基板に形成されることを特徴としている。

第６の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記電極部が、導体パターンによって形成されることを特徴としている。

第７の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記電流・電圧検出用プリント基板の２つの層に形成された導体が配線パターンであり、前記基板の２つの層を貫通する導体がスルーホールであることを特徴としている。

第８の発明によって提供される電流・電圧検出用プリント基板は、
前記交流電力が、無線周波数帯域の周波数を有する交流電力であることを特徴としている。

第９の発明によって提供される電圧・電流検出器は、
交流電力の伝送経路として用いる電力伝送用導体に生じる交流電圧及び前記電力伝送用導体を流れる交流電流を検出する電圧・電流検出器において、
前記第１〜８の発明のいずれかに記載した電流・電圧検出用プリント基板と、
前記電流・電圧検出用プリント基板を内部に固定するように構成された導体製の筐体と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、電流・電圧検出用プリント基板を電力伝送用導体６６に沿わせるように配置しても、電流・電圧検出用プリント基板に形成したコイル状の配線をカレントトランスとして機能させることができる。そのため、電力伝送用導体の径方向（３６０度の全てではなく一方向）に対する空間的な制約が従来よりも多い箇所においても電流を検出することができる。

電流・電圧検出用プリント基板１の一例を示す図である。 電流・電圧検出器５の概略の外観図である。 電力伝送用導体６６が電流・電圧検出器５の筐体５１を貫通しない場合の一例を示す図である。 電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。 電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。 電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。 電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。 インピーダンス整合装置が用いられる高周波電力供給システムの一例のブロック図である。 インピーダンス整合装置６３の入力端から整合回路６７までの間に設けられる電流検出器８０および電圧検出器９０の概略の回路図である。 電流検出用プリント基板６の一例を示す図である。 電流検出用プリント基板６の他の一例を示す図である。 電圧検出用プリント基板７の一例を示す図である。 従来の電流・電圧検出器７０の概略の外観図である。 図１３（ｂ）に示した電流・電圧検出器５の断面図である。 電流検出用プリント基板６の厚みＬ１等を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、従来と同一又は同様の構成には、同一符号を付している。

［第１実施形態］
図１は、電流・電圧検出用プリント基板１の一例を示す図である。
図１において、同図（ａ）は、電流・電圧検出用プリント基板１の平面図（基板の上から見た図）であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の右側面から見た図である。なお、図１（ｂ）は、電力伝送用導体６６及び絶縁体６９も図示している。

電流・電圧検出用プリント基板１は、電力伝送用導体６６を流れる交流電流を検出するためのカレントトランスとして機能するコイル状の配線１０と、電力伝送用導体に生じる交流電圧を検出するためのコンデンサの電極として機能する電極部４０とを備えている。そのため、機能的には、電流・電圧検出用プリント基板１において、コイル状の配線１０の部分が、図９に示した回路図のカレントトランス部８１に相当し、電極部４０の部分が、図９に示した回路図のコンデンサ部の電極９１ｂに相当する。

＜電流検出用のカレントトランス＞
コイル状の配線１０は、形状は異なるが図１０及び図１１に示したコイル状の配線１０’と同様に電力伝送用導体６６を流れる交流電流を検出するためのカレントトランスとして機能する配線である。そのため、電力伝送用導体６６に流れる交流電流に応じた電流がコイル状の配線１０に流れる。

このコイル状の配線１０は、基板の２つの層に形成された導体の部材と基板の２つの層を貫通する導体の部材とによって構成されている。基板の２つの層に形成された導体の部材は、例えば配線パターン１２、１３であり、基板の２つの層を貫通する導体の部材は、例えばスルーホール１１であるが、配線パターンやスルーホールに限定されない。例えば、スルーホールや配線パターンの代わりに銅線を用いてもよい。

上記のように、基板の２つの層に形成された導体の部材及び基板の２つの層を貫通する導体の部材は、スルーホール及び配線パターンに限定されないが、以下では、それぞれが配線パターン及びスルーホールであるとして説明する。

図１の場合、電流・電圧検出用プリント基板１は多層基板であり、この多層基板にコイル状の配線１０が形成されている。
すなわち、コイル状の配線１０は、スルーホール１１が基板の層間を貫通しながら、基板の表面層１２１に形成される配線パターン１２と中間層１３０に形成される配線パターン１３とを交互に接続することによってコイル状に形成されたものである。また、コイル状の配線１０の両端を端部１０ａ，１０ｂとすると、両端部１０ａ，１０ｂは、それぞれ出力配線２１，２２を介して出力端子２３，２４に接続されている。出力端子２４は基板の表面層１２１に設けられているので、スルーホールを用いて中間層１３０に形成された出力配線２２と導通させている。

なお、図１では、配線パターン１２を基板の表面層１２１に形成し、配線パターン１３を基板の中間層１３０に形成した例を示したが、配線パターン１２及び配線パターン１３の両方を基板の中間層１３０に形成してもよい。

また、図１では、図面を簡略化するため、通常では見えない部分を透過させて図示している。具体的には、スルーホール１１、配線パターン１３、端部１０ｂ、出力配線２２及び後述する電極部４０を透過させている。また、配線パターン１３、端部１０ｂ及び出力配線２２は基板の中間層１３０に形成されているが、図１では実線で表している。

また、電力伝送用導体６６が電流・電圧検出用プリント基板１に隣接するように配置された場合に、コイル状の配線１０の軸方向（図１参照）が電力伝送用導体６６の軸方向（図１参照）に垂直になるように、且つ、電流・電圧検出用プリント基板１の２つの層を貫通するスルーホール１１の軸方向（図１参照）が電力伝送用導体６６の軸方向に垂直になるように、コイル状の配線１０が電流・電圧検出用プリント基板に配置されている。もちろん、後述する電流・電圧検出器５の内部に電流・電圧検出用プリント基板１を組み込む場合も同様である。

上記のようにすると、従来とは異なり、薄板形状の電流・電圧検出用プリント基板１を電力伝送用導体６６に沿うように配置できる、電力伝送用導体の径方向（３６０度の全てではなく一方向）に対する空間的な制約が従来よりも多い箇所においても電流を検出することができるようになる。
より具体的には、電力伝送用導体６６の径方向における電力伝送用導体６６から電流・電圧検出用プリント基板１の端までの距離の最小値を、従来のＬ２＋α［ｍｍ］よりも小さくできるので、従来では電流を検出することができなかった箇所においても電流を検出することが出来るようになる。

また、電流・電圧検出用プリント基板１は、電力伝送用導体６６に一部面していればよいため、従来のように貫通穴を要しない。そのため、従来に比べて基板の大きさを小さくすることができる。

＜電圧検出用の電極部＞
電極部４０は、形状は異なるが図１２に示したリング状の配線３０と同様に電力伝送用導体に生じる交流電圧を検出するためのコンデンサの電極として機能する。そのため、電力伝送用導体６６に生じる交流電圧に応じた電圧が電極部４０に生じる。

図１の場合は、電極部４０が、基板の裏面層１２２に形成した導体パターンによって構成されている。また電極部４０は、電力伝送用導体６６の軸方向に平行な面形状になっているので、図１２に示したリング状の配線３０とは形状が異なる。なお、図１の場合は、電極部４０を導体パターンによって構成しているが、導体パターンに限定されるわけではない。例えば、電極部４０を銅板によって構成し、電流・電圧検出用プリント基板１の裏面層１２２側に固定してもよい。

上記のように、電極部４０の部材は、導体パターンに限定されないが、以下では、電極部４０の部材が導体パターンであるとして説明する。

図１の場合、電極部４０は、上述したように基板の裏面層１２２に形成した導体パターンによって構成されている。そして、導体パターンの一部が出力端子４１に接続されている。出力端子４１は基板の表面層１２１に設けられているので、スルーホールを用いて基板の裏面層１２２に形成された電極部４０と導通させている。もちろん、出力端子４１を基板の裏面層１２２に設けてもよい。

また後述するように、電極部４０は遮蔽部の役割を果たすので、電極部４０を導体パターンによって形成すると、従来のような遮蔽部を用いる場合に比べて、遮蔽部を薄くすることができる。そのため、従来のような遮蔽部を用いる場合に比べて、コイル状の配線１０を電力伝送用導体６６に近い位置に配置することができる。

なお、電流・電圧検出用プリント基板１の四隅に設けた取り付け穴１５０は、電流・電圧検出用プリント基板１を電流・電圧検出器５に固定するためのものであり、ボルト等を用いて電流・電圧検出器５に固定される。

＜磁界、電界＞
交流電力の伝送経路として用いる電力伝送用導体６６における電力（電流、電圧）の進行方向が、図１（ｂ）において、紙面の上から下の向きであるとする。このとき、図１（ｂ）に示すように、電力伝送用導体６６の周りに生じる磁界Ｉの向きは、時計回りの向きとなる。また、電力伝送用導体６６で生じる電界Ｅは、電力伝送用導体６６から径方向に生じるので、電力伝送用導体６６から電流・電圧検出用プリント基板１へ向かう方向にも電界Ｅが生じる。

電流を検出する際には、コイル状の配線１０に対する電界Ｅの影響をできるだけ排除した方が好ましい。そこで、図１（ｂ）に示すように、電極部４０をコイル状の配線１０よりも電力伝送用導体６６に近い位置に配置することによって、電界Ｅの一部がコイル状の配線１０に到達する前に電極部４０に遮蔽される。すなわち、電極部４０は遮蔽部の役割を果たす。このような事情があるため、電極部４０は、電力伝送用導体６６からコイル状の配線１０の方を見たときに、コイル状の配線１０が隠れる大きさを有することが好ましい。

一方、磁界Ｉは、電極部４０があっても完全に遮蔽されるわけではないので、磁界Ｉがコイル状の配線１０に作用して、電流を検出することができる。

また、電極部４０は、コイル状の配線１０よりも電力伝送用導体６６に近い位置に配置されていればよい。そのため、基板の裏面層１２２ではなく、コイル状の配線１０よりも電力伝送用導体６６に近い中間層に配置してもよい。

＜電流・電圧検出器＞
図２は、電流・電圧検出器５の概略の外観図である。
図２において、同図（ａ）は、電流・電圧検出器５を立体的に示した概略の外観図であり、同図（ｂ）は、導体製の筐体５１の側面から見た概略の外観図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の筐体５１を取り除いた場合の図である。なお、筐体５１は、アルミニウム等の導体で作られている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、電力伝送用導体６６が電流・電圧検出器５の筐体５１を貫通している。また、図２（ｃ）に示すように、筐体５１内に電流・電圧検出用プリント基板１が収容された構造となっている。そして、電流・電圧検出器５の内部では、薄板形状の電流・電圧検出用プリント基板１が電力伝送用導体６６に沿うように配置されている。
そのために、筐体５１内を通過する電力伝送用導体６６に流れる電流は、コイル状の配線１０を用いて検出できる。また電力伝送用導体６６に生じている電圧は、電極部４０を用いて検出できる。

なお、電力伝送用導体６６およびその周囲にある絶縁体６９は、電流・電圧検出器５の構成には含まれないが、説明に必要であるので、図示している。また、絶縁体６９は、電力伝送用導体６６と電流・電圧検出器５との絶縁を行うためのものである。

また、コイル状の配線１０に流れる電流を所定の電圧レベルに変換するためには、図９に示すような電流用変換回路が必要なので、電流・電圧検出用プリント基板１の出力端子２３，２４と電流用変換回路とを接続する。また、電極部４０に生じる電圧を所定の電圧レベルに変換するためには、図９に示すような電圧用変換回路が必要なので、電流・電圧検出用プリント基板１の出力端子４１と電圧用変換回路とを接続する。電流用変換回路や電圧用変換回路は、電流・電圧検出器５の内部又は外部に設けられるが、これらについては、配線等も含めて図示を省略している。

上記のように構成することにより、電流・電圧検出用プリント基板１を電力伝送用導体６６に沿うように配置しても、電流・電圧検出用プリント基板１に形成したコイル状の配線１０をカレントトランスとして機能させることができる。そのため、電力伝送用導体６６の径方向（３６０度の全てではなく一方向）に対する空間的な制約が従来よりも多い箇所においても電流を検出することができるようになる。

なお、図２では、電力伝送用導体６６が電流・電圧検出器５の筐体５１を貫通するようにしたが、必ずしも電流・電圧検出器５の筐体５１を貫通する必要はない。

図３は、電力伝送用導体６６が電流・電圧検出器５の筐体５１を貫通しない場合の一例を示す図である。図３において、同図（ａ）は、電流・電圧検出器５を立体的に示した概略の外観図であり、同図（ｂ）は、導体製の筐体５１の側面から見た概略の外観図であり、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の筐体５１を取り除いた場合の図である。

この図３に示すように、電流・電圧検出器５の筐体５１を薄型にし、電流・電圧検出器５を電力伝送用導体６６に隣接するように配置してもよい。この場合、コイル状の配線１０に対して磁界Ｉが作用し、電極部４０に対して電界Ｅが作用するように電流・電圧検出器５の筐体５１の電力伝送用導体６６と対向する側に開口部を設ければよい。この図３に示すようにすると、電流・電圧検出器５を薄型にできる。その他は、図２と同様であるので説明を省略する。

［第２実施形態］
図４は、電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。
図４において、同図（ａ）は、電流検出用プリント基板２の平面図（基板の上から見た図）であり、同図（ｂ）は、電圧検出用プリント基板３の平面図（基板の上から見た図）であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）及び（ｂ）の右側面から見た図である。なお、図４（ｃ）は、電力伝送用導体６６及び絶縁体６９も図示している。

この図４に示した電流・電圧検出用プリント基板は、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１と異なり、カレントトランスとして機能するコイル状の配線１０とコンデンサの電極として機能する電極部４０とが別のプリント基板に形成されている。すなわち、コイル状の配線１０は、電流検出用プリント基板２に形成され、電極部４０は電圧検出用プリント基板３に形成されている。その他は、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１と同様である。
もちろん、図２又は図３に示した電流・電圧検出器５と同様に、電流検出用プリント基板２及び電圧検出用プリント基板３を筐体５１に収容して電流・電圧検出器とすることができる。

なお、電極部４０をコイル状の配線１０よりも電力伝送用導体６６に近い位置に配置する必要があるので、電流検出用プリント基板２よりも電圧検出用プリント基板３の方が電力伝送用導体６６に近い位置に配置されている。

また、電流検出用プリント基板２と電圧検出用プリント基板３を併せたものが、電流・電圧検出用プリント基板に相当する。また、コイル状の配線１０及び電極部４０に関する符号は、説明を簡略化するために、図１と類似するものは図１と同符号にしている。

＜電流検出用のカレントトランス＞
電流検出用プリント基板２に形成されるコイル状の配線１０は、基板の表面層１２１に形成される配線パターン１２と基板の裏面層１２２に形成される配線パターン１３とを交互に接続することによってコイル状に形成されたものである。また、コイル状の配線１０の両端を端部１０ａ，１０ｂとすると、両端部１０ａ，１０ｂは、それぞれ出力配線２１，２２を介して出力端子２３，２４に接続されている。出力端子２４は基板の表面層１２１に設けられているので、スルーホールを用いて裏面層１２２に形成された出力配線２２と導通させている。

すなわち、図１に示したコイル状の配線１０の配線パターン１３が中間層１３０に形成されているのに対して、図４に示したコイル状の配線１０の配線パターン１３は、基板の裏面層１２２に形成されている点が異なる。その他は第１実施形態のコイル状の配線１０と同様である。

なお、図４の例では、配線パターン１２が基板の表面層１２１に形成され、配線パターン１３が基板の裏面層１２２に形成されるので、中間層１３０が無い多層基板（両面基板）を用いてもよい。また、図１に示したコイル状の配線１０の配線パターン１３と同様に、配線パターン１３を中間層１３０に形成してもよい。また、図４では、配線パターン１２を基板の表面層１２１に形成し、配線パターン１３を基板の裏面層１２２に形成した例を示したが、配線パターン１２及び配線パターン１３の両方を基板の中間層１３０に形成してもよい。

＜電圧検出用の電極部＞
電圧検出用プリント基板３に形成される電極部４０は、基板の裏面層２２２に形成した導体パターンによって構成されている。この電極部４０は、図１に示した電極部４０と同様に、電力伝送用導体６６の軸方向に平行な面形状になっている。

図４の場合、導体パターンの一部が出力端子４１に接続されている。出力端子４１は基板の表面層２２１に設けられているので、スルーホールを用いて基板の裏面層２２２に形成された電極部４０と導通させている。もちろん、出力端子４１を基板の裏面層２２２に設けてもよい。

なお、図４では、電極部４０を導体パターンによって構成しているが、導体パターンに限定されるわけではない。例えば、第１実施形態での例示と同様に、電極部４０を銅板で構成し、電圧検出用プリント基板３の裏面層２２２側に固定してもよい。

［第３実施形態］
図５は、電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。
この図５に示した電流・電圧検出用プリント基板１は、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１と異なり、カレントトランスとして機能するコイル状の配線１０のコイルの巻き数が異なる。その他は、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１と同様である。もちろん、図２又は図３に示した電流・電圧検出器５と同様に、電流・電圧検出用プリント基板１を筐体５１に収容して電流・電圧検出器とすることができる。なお、コイル状の配線１０及び電極部４０に関する符号は、説明を簡略化するために図１と類似するものは図１と同符号にしている。

図５（ａ）は、コイル状の配線１０が電力伝送用導体６６の軸方向に並んで配置された２つのコイル状の配線１０−１，１０−２によって構成され、且つ、２つのコイル状の配線１０−１，１０−２が直列接続された例を示している。なお、接続配線１４によってコイル状の配線１０−１とコイル状の配線１０−２とが接続されており、出力配線２２によってコイル状の配線１０−２の端部１０ｂと出力端子２４とが接続されている。その他は、図１に示したイル状の配線１０と同様である。

図５（ａ）の場合、２つのコイル状の配線１０−１，１０−２のぞれぞれの巻き数は、図１に示したものと同じであるので、巻き数を２倍にすることができる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）と同様に、２つのコイル状の配線１０−３，１０−４を直列接続しているが、コイル状の配線１０−３，１０−４のそれぞれの巻き数が、図５（ａ）に示した２つのコイル状の配線１０−１，１０−２の巻き数とは異なる。

このようにコイル状の配線１０の巻き数は任意に変更可能である。また、必要に応じて電力伝送用導体６６の軸方向に並んで配置させればよい。このようにすれば、必要な感度に応じたカレントトランスを作成することができる。

なお、図５では、２つのコイル状の配線を直列接続する例を示したが、直列接続する数は２つに限定されず、３つ以上のコイル状の配線を直列接続することができる。また、図示はしていないが、並列接続するように構成することも可能である。また直列接続と並列接続とを組み合わせた構成にすることも可能である。

［第４実施形態］
図６は、電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。
この図６に示した電流・電圧検出用プリント基板１は、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１と形状が異なり、図６（ｂ）に示すように、電流・電圧検出用プリント基板１の断面（コイル状の配線１０の軸方向の断面）が丸みを有する形状（円弧形状）となっている。その結果、コイル状の配線１０の軸方向が電力伝送用導体６６の周りに生じる磁界Ｉの方向と平行となっている。その他は、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１と同様である。また、便宜上、図６の電流・電圧検出用プリント基板１も図１と同符号を用いている。

電流・電圧検出用プリント基板１の形状を図６に示すようにすると、コイル状の配線１０の軸方向が電力伝送用導体６６の周りに生じる磁界Ｉの方向と平行になるので、図１に示した電流・電圧検出用プリント基板１よりもコイル状の配線１０に対して結合する磁束が増加する。そのため、電流の検出感度を高めることができる。

［第５実施形態］
図７は、電流・電圧検出用プリント基板１の他の一例を示す図である。
この図７に示した電流・電圧検出用プリント基板１は、図４に示した電流検出用プリント基板２及び電圧検出用プリント基板３と形状が異なり、図７（ｂ）に示すように、電流検出用プリント基板２及び電圧検出用プリント基板３の断面（コイル状の配線１０の軸方向の断面）が丸みを有する形状（円弧形状）となっている。その結果、コイル状の配線１０の軸方向が電力伝送用導体６６の周りに生じる磁界Ｉの方向と平行となっている。その他は、図４に示した電流・電圧検出用プリント基板１と同様である。また、便宜上、図７の電流・電圧検出用プリント基板１も図４と同符号を用いている。

電流・電圧検出用プリント基板１（電流検出用プリント基板２及び電圧検出用プリント基板３）の形状を図７に示すようにすると、コイル状の配線１０の軸方向が電力伝送用導体６６の周りに生じる磁界Ｉの方向と平行になるので、図４に示した電流検出用プリント基板２よりもコイル状の配線１０に対して結合する磁束が増加する。そのため、電流の検出感度を高めることができる。

また、これまでの説明では、例えば図９に示すように、インピーダンス整合装置６３の入力端から整合回路６７までの間に設けられる電力伝送用導体を流れる交流電流を検出するためのカレントトランスとして機能するコイル状の配線１０及び電力伝送用導体６６に生じる交流電圧を検出するためのコンデンサの電極として機能する電極部４０を有する電流・電圧検出用プリント基板として説明した。
しかし、電流・電圧検出用プリント基板が用いられる箇所は、これに限定されない。例えば、電流・電圧検出用プリント基板をインピーダンス整合装置内の整合回路と出力端との間に設けてもよい。また、負荷６５の入力端や高周波電源装置６１の出力端に設けてもよい。また、インピーダンス整合装置を用いない高周波電力供給システムで用いてもよい。また、高周波電力供給システムは、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤといった加工処理を行うものに限定されない。

また、これまでの説明では、電力伝送用導体６６が、例えば、円筒形状の銅製の棒、すなわち、断面が円形のものとして説明してきたが、これに限定されるものではない。例えば、断面が楕円形や長方形のものであってもよい。

１ 電流・電圧検出用プリント基板
２ 電流検出用プリント基板
３ 電圧検出用プリント基板
５ 電流・電圧検出器
６ 電流検出用プリント基板
７ 電圧検出用プリント基板
１０ コイル状の配線
１１ スルーホール
１２ 配線パターン
１３ 配線パターン
１４ 接続配線
２１ 出力配線
２２ 出力配線
２３ 出力端子
２４ 出力端子
３０ リング状の配線
４０ 電極部
４１ 出力端子
５１ 筐体
６１ 高周波電源装置
６２ 伝送線路
６３ インピーダンス整合装置
６４ 負荷接続部
６５ 負荷（プラズマ処理装置）
６６ 電力伝送用導体
６７ 整合回路
６９ 絶縁体
７０ 電流・電圧検出器
７１ 筐体
７２ 遮蔽部
８０ 電流検出器
８１ カレントトランス部
８４ 電流用変換回路
９０ 電圧検出器
９１ コンデンサ部
９３ 電圧用変換回路
Ｅ 電界
Ｉ 磁界

Claims (9)

1. 交流電力の伝送経路として用いる電力伝送用導体を流れる交流電流を検出するためのカレントトランスとして機能するコイル状の配線及び前記電力伝送用導体に生じる交流電圧を検出するためのコンデンサの電極として機能する電極部を有する電流・電圧検出用プリント基板であって、
   前記電極部が、前記コイル状の配線よりも前記電力伝送用導体に近い位置に配置されているとともに、
   前記コイル状の配線が、プリント基板の２つの層に形成された導体の部材と前記基板の２つの層を貫通する導体の部材とによって構成され、且つ、前記電力伝送用導体がプリント基板に隣接するように配置された場合に、前記コイル状の配線の軸方向が前記電力伝送用導体の軸方向に垂直になるように、且つ、前記基板の２つの層を貫通する導体の部材の軸方向が前記電力伝送用導体の軸方向に垂直になるように、前記コイル状の配線がプリント基板に配置された電流・電圧検出用プリント基板。
2. 前記コイル状の配線の軸方向が前記電力伝送用導体の周りに生じる磁界の方向と平行である請求項１に記載の電流・電圧検出用プリント基板。
3. 前記電極部は、前記電力伝送用導体から前記コイル状の配線の方を見たときに、前記コイル状の配線が隠れる大きさを有する請求項１又は２に記載の電流・電圧検出用プリント基板。
4. 前記電極部と前記コイル状の配線とが、同一のプリント基板に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の電流・電圧検出用プリント基板。
5. 前記電極部と前記コイル状の配線とが、別のプリント基板に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の電流・電圧検出用プリント基板。
6. 前記電極部が、導体パターンによって形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の電流・電圧検出用プリント基板。
7. 前記電流・電圧検出用プリント基板の２つの層に形成された導体が配線パターンであり、前記基板の２つの層を貫通する導体がスルーホールである請求項１〜６のいずれかに記載の電流・電圧検出用プリント基板。
8. 前記交流電力が、無線周波数帯域の周波数を有する交流電力である請求項１〜７のいずれかに記載の電流・電圧検出用プリント基板。
9. 交流電力の伝送経路として用いる電力伝送用導体に生じる交流電圧及び前記電力伝送用導体を流れる交流電流を検出する電圧・電流検出器において、
   前記請求項１〜８のいずれかに記載した電流・電圧検出用プリント基板と、
   前記電流・電圧検出用プリント基板を内部に固定するように構成された導体製の筐体と、を備えた電圧・電流検出器。

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