特許 7431610 発電機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-06

(45)【発行日】2024-02-15

(54)【発明の名称】発電機構

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20240207BHJP

   B06B 1/06 20060101ALI20240207BHJP

【ＦＩ】

H02N2/18

B06B1/06 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020025530

(22)【出願日】2020-02-18

(65)【公開番号】P2021132436

(43)【公開日】2021-09-09

【審査請求日】2022-12-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000134051

【氏名又は名称】株式会社ディスコ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金崎 泰三

(72)【発明者】

【氏名】武田 昇

【審査官】宮崎 賢司

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－３３０４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３２９４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６４５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１１０９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０５０３４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０９３１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５９６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３３３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２１８３２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ ２／１８

Ｂ０６Ｂ １／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波振動子による振動を用いて発電する発電機構であって、
液体を貯留する液槽と、
該液槽内の液体を振動させるように配設された超音波振動子と、
を含み、
該液槽内の液体の振動を検知可能な位置に位置付けられた圧電素子と、
該圧電素子で検知された振動から変換された電圧によって駆動する測定器と、
を備え、
該圧電素子の共振周波数は、該超音波振動子の発振周波数と同等であり、
該測定器が、該超音波振動子が付与した該液体の超音波の振動を電圧として計測することで該液槽内の液体の音圧を測定する音圧計であることを特徴とする、超音波振動子による振動を用いて発電する発電機構。

【請求項2】

該圧電素子が該液体に浸漬されることを特徴とする、請求項１に記載の発電機構。

【請求項3】

超音波振動子による振動を用いて発電する発電機構であって、
液体を貯留する液槽と、
該液槽内の液体を振動させるように配設された超音波振動子と、
を含み、
該液槽内の液体の振動を検知可能な位置に位置付けられ、該液体に浸漬された圧電素子と、
該圧電素子で検知された振動から変換された電圧によって駆動し、該超音波振動子が付与した該液体の超音波の振動を電圧として計測することで該液槽内の液体の音圧を測定する音圧計である測定器と、
を備え、
該液槽内の液体内にインゴットまたは被洗浄物を入れることで生じる該超音波振動子の発振周波数の変位を考慮して、該超音波振動子の発振周波数および該圧電素子の共振周波数が予め補正されることを特徴とする、超音波振動子による振動を用いて発電する発電機構。

【請求項4】

該圧電素子で検知された振動を直流電圧へと変換する回路をさらに備え、
該測定器は、該回路によって変換された該直流電圧によって駆動することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波振動による発電機構に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波振動子を評価する方法の一つとして、音圧の測定がある。例えば超音波洗浄装置では、一般に音圧が高いほど洗浄効果が高いとされており、音圧測定を実施することで洗浄効果の目安とすることができる。また、振動子の故障や寿命等で超音波が弱くなった場合にも、音圧を測定することで状態を確認することができる（特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平６－２１８３２９号公報

【文献】特開２０１６－１３３３０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上記した特許文献１、２では、音圧計を駆動するために音圧計に電力を供給する電源を別途準備する必要があり、使用する環境や設備を整えなければならないという課題があった。

【0005】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電源を別途準備する必要がなく、超音波振動子を評価する等の測定器を駆動することができる発電機構を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の発電機構は、超音波振動子による振動を用いて発電する発電機構であって、液体を貯留する液槽と、該液槽内の液体を振動させるように配設された超音波振動子と、を含み、該液槽内の液体の振動を検知可能な位置に位置付けられた圧電素子と、該圧電素子で検知された振動から変換された電圧によって駆動する測定器と、を備え、該圧電素子の共振周波数は、該超音波振動子の発振周波数と同等であり、該測定器が、該超音波振動子が付与した該液体の超音波の振動を電圧として計測することで該液槽内の液体の音圧を測定する音圧計であることを特徴とする。この発電機構において、該圧電素子が該液体に浸漬されてもよい。

【0007】

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の発電機構は、超音波振動子による振動を用いて発電する発電機構であって、液体を貯留する液槽と、該液槽内の液体を振動させるように配設された超音波振動子と、を含み、該液槽内の液体の振動を検知可能な位置に位置付けられ、該液体に浸漬された圧電素子と、該圧電素子で検知された振動から変換された電圧によって駆動し、該超音波振動子が付与した該液体の超音波の振動を電圧として計測することで該液槽内の液体の音圧を測定する音圧計である測定器と、を備え、該液槽内の液体内にインゴットまたは被洗浄物を入れることで生じる該超音波振動子の発振周波数の変位を考慮して、該超音波振動子の発振周波数および該圧電素子の共振周波数が予め補正されることを特徴とする。

【0008】

該圧電素子で検知された振動を直流電圧へと変換する回路をさらに備え、該測定器は、該回路によって変換された該直流電圧によって駆動してもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明は、電源を別途準備する必要がなく、超音波振動子を評価する等の測定器を駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態１に係る発電機構を示す断面図である。

【図2】図２は、圧電素子の共振周波数と回路で変換された直流電圧との測定データを示す表である。

【図3】図３は、図２の測定データを示すグラフである。

【図4】図４は、実施形態２に係る発電機構を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

【0013】

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１に係る発電機構１を図面に基づいて説明する。図１は、実施形態１に係る発電機構１を示す断面図である。実施形態１に係る発電機構１は、図１に示すように、液槽１１と、超音波振動子１２と、圧電素子１３と、回路１４と、測定器１５と、を備える。発電機構１は、装置１００に備え付けられ、超音波振動子１２による振動を用いて発電する機構である。

【0014】

液槽１１は、液体２０を貯留する。超音波振動子１２は、液槽１１内の液体２０を振動させるように配設されている。ここで、本明細書では、超音波振動子１２が液体２０を振動させるとは、超音波振動子１２が液体２０に所定の超音波２１を付与することをいう。また、本明細書では、液体２０の振動とは、液体２０に付与された超音波２１の振動のことをいう。

【0015】

超音波振動子１２は、実施形態１では、液槽１１の外側から液槽１１の底部に接触して設けられており、液槽１１の底部に超音波２１を付与することを介して、液槽１１内の液体２０に超音波２１を付与するいわゆるフランジ型の超音波振動子である。なお、超音波振動子１２は、本発明ではこれに限定されず、液槽１１内に配置され、液槽１１内の液体２０に直接超音波２１を付与するいわゆる投げ込み型の超音波振動子であってもよい。

【0016】

装置１００は、液体２０を貯留する液槽１１と、超音波振動子１２とを備える。液槽１１と超音波振動子１２とは、発電機構１が備え付けられる装置１００を構成する構成要素であるとともに、発電機構１を構成する構成要素でもある。

【0017】

装置１００は、実施形態１では、例えば、液槽１１内に液体２０として水を貯留し、レーザー照射により所定の深さに剥離層を形成した単結晶ＳｉＣ等のインゴットを液槽１１内の液体２０中に浸漬し、超音波振動子１２により、インゴットの固有振動数と近似する周波数以上の周波数を有する超音波２１を液槽１１内の液体２０に付与することで、剥離層を界面としてインゴッドの一部を剥離してウエーハを形成する剥離装置である。

【0018】

装置１００は、本発明では上記した剥離装置に限定されず、液槽１１内に液体２０として洗浄液を貯留し、被洗浄物を液槽１１内の液体２０中に浸漬し、超音波振動子１２により超音波２１を液槽１１内の液体２０に付与することで、被洗浄物を超音波洗浄する超音波洗浄装置であってもよい。この場合、洗浄液は、例えば、水または薬液である。

【0019】

圧電素子１３は、液槽１１内の液体２０の振動を検知可能な位置に位置付けられている。圧電素子１３は、液体２０の振動を検知すると、液体２０の振動に応じた変形を起こす。圧電素子１３は、この変形と、圧電素子１３自身の圧電効果とによって、内部に交流電圧を発生させる。

【0020】

回路１４は、圧電素子１３で検知された振動を直流電圧へと変換する。回路１４は、実施形態１では、圧電素子１３が振動を検知することで発生させた交流電圧を、所定の２端子間の直流電圧へと変換し、測定器１５に供給する。回路１４は、実施形態１では、交流直流変換器（コンバータ）が使用される。

【0021】

測定器１５は、圧電素子１３で検知された振動から変換された電圧によって駆動する。なお、本発明では、測定器１５を駆動させる電圧は、直流電圧と交流電圧との両方を含む。測定器１５は、実施形態１では、回路１４によって変換され、供給された直流電圧によって駆動する。測定器１５は、測定端子１６を有する。測定端子１６は、測定器１５が測定を実施する先端部分である。測定端子１６は、液槽１１内の液体２０内に浸漬されており、液槽１１内の液体２０内で所定の測定を実施する。測定器１５は、実施形態１では、ＰＺＴ（Lead（Ｐｂ） Zirconate Titanate）等の圧電素子で構成され、この圧電素子に伝わる超音波２１の振動を電圧として計測することで、液槽１１内の液体２０の音圧を測定する音圧計であり、液体２０の音圧を測定することで超音波振動子１２を評価することができる。

【0022】

図２は、圧電素子１３の共振周波数と回路１４で変換された直流電圧との測定データを示す表である。図３は、図２の測定データを示すグラフである。図２の測定データと図３のグラフは、超音波振動子１２の超音波２１の発振周波数を４０．０ｋＨｚに固定した場合に得られたものである。以下において、図２及び図３を用いて、実施形態１に係る発電機構１では、圧電素子１３の共振周波数は、超音波振動子１２の発振周波数と同等である、ということについて説明する。

【0023】

実施形態１に係る発電機構１では、圧電素子１３の共振周波数を、超音波振動子１２の発振周波数と同等となるように設定する。ここで、本明細書では、圧電素子１３の共振周波数が超音波振動子１２の発振周波数と同等とは、圧電素子１３の共振周波数と超音波振動子１２の発振周波数との差分が所定の閾値以内にあることをいう。実施形態１に係る発電機構１は、圧電素子１３の共振周波数が超音波振動子１２の発振周波数と同等であるため、装置１００の通常使用時と同様に超音波振動子１２が液体２０へ超音波２１を付与する条件下で、圧電素子１３で超音波振動子１２からの振動を検知することで、回路１４で所定の閾値以上の大きさの直流電圧に変換でき、測定器１５を駆動可能にする発電ができる。

【0024】

発電機構１は、圧電素子１３の共振周波数が超音波振動子１２の発振周波数に対して値が近いほど、圧電素子１３で超音波振動子１２からの振動を効率的に検知できるため、回路１４でより大きな直流電圧に変換できる。

【0025】

具体的には、発電機構１は、図２及び図３に示すように、圧電素子１３の共振周波数が３６．０ｋＨｚであり、超音波振動子１２の発振周波数である４０．０ｋＨｚからわずか４ｋＨｚしか離れておらず十分に近い場合、回路１４で変換された直流電圧が２５７Ｖとなり、測定器１５を十分に駆動可能にする発電ができる。また、発電機構１は、図２及び図３に示すように、圧電素子１３の共振周波数が３７．０ｋＨｚであり、超音波振動子１２の発振周波数である４０．０ｋＨｚからわずか３ｋＨｚしか離れておらず、上記の３６．０ｋＨｚよりもさらに１．０ｋＨｚ近い場合、回路１４で変換された直流電圧が５０６Ｖとなり、上記の２５７Ｖよりもさらに大きなものとなる。

【0026】

一方、発電機構１は、圧電素子１３の共振周波数が超音波振動子１２の発振周波数に対して値が外れているほど、圧電素子１３で超音波振動子１２からの振動を検知する効率が低下するため、回路１４でより小さな直流電圧にしか変換できない。

【0027】

具体的には、発電機構１は、図２及び図３に示すように、圧電素子１３の共振周波数が２８．４ｋＨｚ、５０．３ｋＨｚ、６３．８ｋＨｚといずれも超音波振動子１２の発振周波数である４０．０ｋＨｚから１０ｋＨｚ以上と大きく外れている場合、回路１４で変換された直流電圧がそれぞれ、４０Ｖ、３３Ｖ、６８Ｖとなり、いずれも測定器１５を駆動可能にする発電ができない。

【0028】

発電機構１では、超音波振動子１２の発振周波数と同等とする圧電素子１３の共振周波数の範囲を規定する所定の閾値を、適宜決定することができる。発電機構１では、例えば、所定の閾値を、圧電素子１３の共振周波数と回路１４で変換された直流電圧との測定データの近似曲線における半値幅もしくは半値幅に所定の定数を積算した値に設定することができる。また、装置１００の通常使用時に超音波振動子１２が液体２０へ付与する超音波２１が強い場合、発電機構１での発電効率が少々低めになっても測定器１５を駆動可能にする発電ができれば十分であるため、所定の閾値を大きめに設定することができる。

【0029】

以上のような構成を有する実施形態１に係る発電機構１の動作について、以下に説明する。発電機構１は、発電機構１が備え付けられる装置１００が通常の動作をして、超音波振動子１２が液槽１１内の液体２０へ超音波２１を付与することで、動作を開始する。発電機構１の圧電素子１３は、超音波振動子１２からの超音波２１の振動を検知して、この振動に応じた変形を起こし、この変形と、圧電素子１３自身の圧電効果とによって、内部に交流電圧を発生させる。発電機構１の回路１４は、圧電素子１３が振動を検知することで発生させた交流電圧を、所定の２端子間の直流電圧に変換し、測定器１５に供給する。発電機構１の測定器１５は、回路１４からの直流電圧の供給を受けて駆動し、超音波２１の音圧を測定することで、超音波振動子１２を評価する。

【0030】

以上のような構成を有する実施形態１に係る発電機構１は、液槽１１内の液体２０の振動を検知可能な位置に位置付けられた圧電素子１３と、圧電素子１３が振動を検知することで発生させた交流電圧を直流電圧へと変換する回路１４と、回路１４で変換された直流電圧によって駆動する測定器１５と、を備える。このため、実施形態１に係る発電機構１は、液槽１１内の装置１００が使用していないスペースを利用して、装置１００で得られる電圧を回路１４を用いて測定器１５に使用可能な直流電圧に変換して発電する構成となるので、超音波振動子１２を評価する等の測定器１５を駆動するための外部の電源を別途準備する必要がなくなり、電源準備の手間が削減できるだけでなく、使用電力の削減にも貢献できるという作用効果を奏する。

【0031】

実施形態１に係る発電機構１は、圧電素子１３の共振周波数が、超音波振動子１２の発振周波数と同等である。このため、実施形態１に係る発電機構１は、より確実に、測定器１５を駆動可能にする発電をすることができるという作用効果を奏する。

【0032】

実施形態１に係る発電機構１は、測定器１５が音圧計である。このため、実施形態１に係る発電機構１は、装置１００で得られる電圧を利用して、装置１００を構成する超音波振動子１２を評価することができるという作用効果を奏する。

【0033】

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２に係る発電機構１－２を説明する。図４は、実施形態２に係る発電機構を示す断面図である。図４は、実施形態１と同一部分に同一符号を付して説明を省略する。

【0034】

実施形態２に係る発電機構１－２は、実施形態１に係る発電機構１において、回路１４を省略したものである。実施形態２では、圧電素子１３は、圧電素子１３が振動を検知することで発生させた交流電圧を測定器１５に供給する。実施形態２では、測定器１５は、圧電素子１３から供給された交流電圧によって駆動する。

【0035】

以上のような構成を有する実施形態２に係る発電機構１－２は、回路１４を省略したものであるので、実施形態１に係る発電機構１と比較してより少ない構成で、超音波振動子１２を評価する等の測定器１５を駆動するための外部の電源を別途準備する必要がなくなり、電源準備の手間が削減できるだけでなく、使用電力の削減にも貢献できるという作用効果を実現する。

【0036】

なお、実施形態１に係る発電機構１は、圧電素子１３からの交流電圧を直流電圧に変換する回路１４を備えることで、回路１４を省略した実施形態２に係る発電機構１－２と比較して、測定器１５にとってより安定的な電圧の供給を実現することができる。

【0037】

〔変形例１〕
本発明の実施形態１及び実施形態２の変形例１に係る発電機構１，１－２を説明する。変形例１に係る発電機構１は、実施形態１及び実施形態２に係る発電機構１，１－２において、測定器１５を変更したものである。変形例１では、測定器１５は、液槽１１内の液体２０の温度を測定する温度計、液槽１１内の液体２０の液位を測定する液位計、液槽１１内の液体２０が溶液である場合に溶質の濃度を測定する濃度計、または、液槽１１内の液体２０の溶存酸素量を測定する溶存酸素計である。

【0038】

液槽１１内の液体２０の温度、液位、溶質の濃度、溶存酸素量は、装置１００が剥離装置である場合には、剥離のしやすさに影響を与える可能性がある計測量である。また、液槽１１内の液体２０の温度、液位、溶質の濃度、溶存酸素量は、装置１００が洗浄装置である場合には、洗浄効率に影響を与える可能性がある計測量である。

【0039】

以上のような構成を有する変形例１に係る発電機構１，１－２は、装置１００が剥離装置である場合の剥離のしやすさや、装置１００が洗浄装置である場合の洗浄効率に影響を与える可能性がある計測量を、外部の電源を設置したり装置１００に対して別途の改造を加えたりしなくても、装置１００で得られる電圧を利用して、容易に取得することができるという作用効果を奏する。

【0040】

〔変形例２〕
本発明の実施形態１及び実施形態２の変形例２に係る発電機構１，１－２を説明する。変形例２に係る発電機構１，１－２は、実施形態１及び実施形態２に係る発電機構１，１－２において、超音波振動子１２の発振周波数及び圧電素子１３の共振周波数の取り扱いを変更したものである。

【0041】

超音波振動子１２の発振周波数は、液槽１１内の液体２０内にインゴットや被洗浄物等を入れることで、変位（シフト）が生じる場合がある。このため、変形例２では、液槽１１内の液体２０内にインゴットや被洗浄物等を入れることにより変位（シフト）が生じることを考慮して、超音波振動子１２の発振周波数を予め補正する。

【0042】

以上のような構成を有する変形例２に係る発電機構１，１－２は、液槽１１内の液体２０内にインゴットや被洗浄物等を入れることで変位（シフト）が生じる可能性を考慮して、超音波振動子１２の発振周波数及び圧電素子１３の共振周波数を補正するので、より確実に、圧電素子１３の共振周波数と超音波振動子１２の発振周波数とを同等にすることができるという作用効果を奏する。

【0043】

なお、本発明は上記実施形態、変形例に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【符号の説明】

【0044】

１，１－２ 発電機構
１１ 液槽
１２ 超音波振動子
１３ 圧電素子
１４ 回路
１５ 測定器
２０ 液体
２１ 超音波
１００ 装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】