CN101783613A

CN101783613A - 压电振动设备系统和电子装置

Info

Publication number: CN101783613A
Application number: CN201010004427A
Authority: CN
Inventors: 井上芳明; 志村重辅
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: US20100181867A1; JP2010162487A; US8264123B2; CN101783613B

Abstract

本发明公开了一种压电振动设备系统和电子装置，其中该压电振动设备系统，包括：压电振动设备，其使用压电元件的振动来执行预定运动；以及控制单元，其通过控制压电元件的频率来控制压电振动设备的行为，其中控制单元包括：第一信号生成单元，其生成具有与压电元件的机械共振频率相邻的基频的基频信号；第二信号生成单元，其生成频率周期性地上升或下降的变频信号；以及频率调制器，其通过使用基频信号和变频信号执行频率调制来生成经频率调制的信号，并且输出经频率调制的信号作为用于控制压电振动设备的控制信号，其中经频率调制的信号的频率周期性地且顺次地变为存在于基频附近的三个或更多个频率中的一个。

Description

压电振动设备系统和电子装置

技术领域

本发明涉及一种包括具有压电元件的压电振动设备的压电振动设备系统、以及包括这种压电振动设备系统的电子装置。

背景技术

在现有技术中，因为燃料电池具有较高的发电效率而不排出有害物质，所以它们被广泛地实际用于工业或家用发电机、或者用于人造卫星或宇宙飞船的电源。另外，近年来，有效地开发出用于车辆(诸如客车、公共汽车和卡车)的电源的燃料电池。这种燃料电池可以被分类为若干类型(诸如碱性溶液类型、磷酸类型、熔融碳酸盐类型、固体氧化物类型和直接甲醇类型)。其中，因为直接甲醇固体聚合物电解质燃料电池(在下文中简称DMFC(direct methanol fuel cell，直接甲醇燃料电池))可以通过使用甲醇作为用于燃料的氢的供应源而高度能量密集化，所以大量地研究和开发了用于小型便携式燃料电池的DMFC，并且因为其可以无需重整装置来实现，所以它还可以被制作得很小。

在DMFC中，使用MEA(membrane electrode assembly，膜电极组件)，MEA是由固体聚合物电解质膜和两个电极(气体扩散电极)组成的单位燃料电池，其中膜和两个电极被组装在膜被布置在两个电极之间的一体化结构中。在这种情况下，气体扩散电极之一被设置为燃料电极(负电极)，而另一个被设置为氧电极(正电极)。燃料电极的表面被供给甲醇作为燃料，结果是甲醇溶解成氢离子(质子)和电子。另一方面，氧电极(正电极)的表面被供给空气作为氧化气体。在燃料电极处产生的氢离子横穿固体聚合物电解质膜，而在燃料电极处产生的电子通过连接在燃料电极和氧电极之间的外部负载等被运输到氧电极。在氧电极处，空气中的氧与氢离子和电子进行反应，以生成水。由于上述电化学反应，DMFC在氧电极和燃料电极之间具有电动势，结果是电流流过外部负载。

在DMFC中，提出了将甲醇提供到燃料电极的两种类型的供应方法(一种是液体燃料供应类型(将液体燃料(甲醇溶液)直接提供到燃料电极的方法)，而另一种是气体燃料供应类型(将通过汽化液体甲醇获得的汽化燃料提供到燃料电极的方法))。在将燃料(诸如甲醇)提供到燃料电极的以上供应方法中，通常使用涡旋泵、扩散泵、级联泵、齿轮泵、螺旋泵、隔膜泵、活塞泵、柱塞泵等等。然而，因为上述泵消耗大量电能并且难于减小安装有上述泵之一的DMFC的尺寸，所以具有压电元件的压电泵(用作燃料泵)近来也开始用于将燃料提供到燃料电极。

另一方面，旋转式泵、机械增压泵等等通常用于将氧化气体(空气)提供到氧电极。然而，近来，具有压电元件的压电泵(用作空气泵或鼓风机)也开始用于提供氧化气体。

为了控制这种具有压电元件的压电泵的行为，因而控制压电元件的振动频率，例如在日本未审查专利申请公布05-184169号和07-245971号中所公开的。

发明内容

众所周知，这种压电泵中所使用的压电元件独有的机械共振频率取决于环境改变(诸如温度改变)而变化。因此，在现有技术中，采用生成具有与压电元件独有的共振频率相同的频率的控制信号、或者使用谐振电路将控制信号的频率调整为压电元件独有的共振频率，这导致成本增加。

另外，在上述现有技术中，即使在共振频率取决于环境改变而变化的情况下，控制信号的频率或谐振电路的频率也必需以定点精度与压电元件独有的共振频率匹配，从而必须安装用于反馈控制的传感器。

因此，期望一种如下压电振动设备系统：该压电振动设备系统可以被小型化并且简单化，同时具有与现有振动设备系统相同的对具有压电元件的压电振动设备(例如，压电泵)的控制能力。

本发明是鉴于上述问题而实现的，并且提供一种如下压电振动设备系统：该压电振动设备系统可以被小型化并且简单化，同时具有与现有振动设备系统相同的对带有压电元件的压电振动设备的控制能力。另外，本发明提供一种装备有这种压电振动设备系统的电子装置。

根据本发明实施例的压电振动设备系统包括：压电振动设备，其具有压电元件并且利用压电元件的振动来执行预定运动；以及控制单元，其通过控制压电元件的振动频率来控制压电振动设备的行为。另外，控制单元包括：第一信号生成单元，其生成具有与压电元件的机械共振频率相邻的基频的基频信号；第二信号生成单元，其生成频率周期性地上升或下降的变频信号；以及频率调制器，其通过利用基频信号和变频信号执行频率调制来生成经频率调制的信号，并且输出经频率调制的信号作为用于控制压电振动设备的控制信号，其中经频率调制的信号的频率周期性地且顺次地变为存在于基频附近的三个或更多个频率中的一个。

这里，“压电元件的共振频率”是压电元件的简正振动的幅度最大时的频率。

根据本发明实施例的电子装置包括该压电振动设备系统。

在根据本发明实施例的压电振动设备系统和电子装置中，通过控制嵌入在压电振动设备中的压电元件的振动频率来控制利用压电元件的振动执行的压电振动设备的行为。为了生成用于控制压电振动设备的控制信号，首先生成具有与压电元件的机械共振频率相邻的基频的基频信号、以及频率周期性地上升或下降的变频信号。接下来，通过利用基频信号和变频信号执行频率调制来生成经频率调制的信号作为用于控制压电振动设备的控制信号，其中经频率调制的信号的频率周期性地且顺次地变为存在于基频附近的三个或更多个频率中的一个。因此，在现有技术中使用的用于反馈控制的传感器变得不必要，所以可以省去将控制信号的频率调整成与压电元件的取决于环境改变的机械共振频率匹配，结果是与现有技术中的控制相当的压电元件的频率控制可以以更简单的构造来实现。

在根据本发明实施例的压电振动设备系统和电子装置中，生成经频率调制的信号作为用于控制压电振动设备的控制信号。通过利用基频信号和变频信号执行频率调制，经频率调制的信号的频率周期性地且顺次地变为存在于基频附近的三个或更多个频率中的一个。因此，可以实现如下压电振动设备系统：该压电振动设备系统可以被小型化并且简单化，同时具有与现有振动设备系统相同的对带有压电元件的压电振动设备的控制能力。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的压电振动设备系统(燃料电池系统)的整体构造的框图；

图2是示出图1所示的发电单元的示意性构造的示例的剖面图；

图3是示出图1所示的发电单元的示意性构造的示例的平面图；

图4是示意性地示出燃料泵的详细构造的剖面图；

图5是示出压电元件的中心位置与燃料泵的操作状态之间的关系的时序图；

图6是示意性地示出气体燃料供应系统的特性的图；

图7是示出图1所示的控制单元的详细构造的框图；

图8A和图8B是示出从图7所示的两个信号发生器输出的信号的波形示例的时序波形图；

图9是用于说明图1所示的发电单元的制造方法的剖面图；

图10是用于说明图1所示的发电单元的制造方法的平面图；

图11是示出被引用为比较示例的压电振动设备系统的示意性构造的框图；

图12是示出被引用为比较示例的压电振动设备系统的控制信号的频率特性的图；

图13是示出根据本发明实施例的压电振动设备系统的控制信号的频率特性的图；

图14是示出分频比率与分频后获得的频率之间的关系示例的表；以及

图15是示出根据本发明实施例在控制信号的频率与从燃料泵提供的燃料流量之间的关系示例的图。

具体实施方式

在下文中将参考附图详细地描述本发明的实施例。依次对以下主题进行描述。

1.本发明实施例(本发明被应用于燃料电池系统的示例)

2.修改和应用

<本发明的实施例>

[燃料电池系统的整体构造的示例]

图1是示出根据本发明实施例的压电振动设备系统(燃料电池系统5)的整体构造的框图。燃料电池系统5提供电能，用于通过输出端T2和T3来驱动负载6。该燃料电池系统5包括燃料电池1、上转换电路33、二次电池34和控制单元35。

燃料电池1包括发电单元10、燃料箱40、燃料泵42和鼓风机(空气供应泵)45。在下文中将描述燃料电池1的详细构造。

发电单元10是包括多个单位燃料电池的直接甲醇类型的发电单元，其中每个单位燃料电池包括正电极(氧电极)和负电极(燃料电极)。在下文中将描述发电单元10的详细构造。

燃料箱40容纳用于产生电能的液体燃料(甲醇或甲醇溶液)。在下文中将描述燃料箱40的详细构造。

燃料泵42抽吸装在燃料箱40中的液体燃料，并且将该燃料提供(运输)到发电单元10的负电极(燃料电极)。可以如下文所述的那样调整由燃料泵42提供的燃料量。该燃料泵42是具有压电元件422的压电泵，并且利用压电元件422的振动来执行抽吸操作。由下文中描述的控制单元35来控制燃料泵42的行为(液体燃料的供应操作)。在下文中将描述燃料泵42的详细构造。

鼓风机(空气供应泵)45吸入周围空气(氧)，并且将空气提供到发电单元10的正电极(氧电极)。可以如下文所述的那样调整由鼓风机45提供的空气(氧)量。该鼓风机45是具有压电元件451的压电泵，并且利用压电元件451的振动来执行抽吸操作。由下文中描述的控制单元35来控制鼓风机45的行为(通过吸入和排出空气而进行的空气供应操作)。

上转换电路33布置在连接线L1H与输出线LO上的连接点P3之间。上转换电路33是将由发电单元10产生的电压V1(DC电压)向上转换为DC电压V2的电压转换电路。该上转换电路33包括例如DC-DC转换器。

二次电池34布置在输出线LO上的连接点P3与地线LG(连接线L1L)上的连接点P4之间。二次电池34利用由上转换电路33产生的DC电压V2来存储电能。该二次电池34包括例如锂离子二次电池。

控制单元35调整由燃料泵42提供的液体燃料量和由鼓风机45提供的空气量。也就是说，控制单元35通过控制装在燃料泵42中的压电元件422(将在下文中描述)的振动频率f来调整由燃料泵42提供的燃料量。控制单元35发出控制信号S1来控制压电元件422的振动频率f。以类似的方式，控制单元35通过控制装在鼓风机45中的压电元件451(将在下文中描述)的振动频率f来调整由鼓风机45提供的空气量。控制单元35发出控制信号S2来控制压电元件451的振动频率f。控制单元35包括例如微型计算机。在下文中将描述控制单元35的详细构造。

[燃料电池1的详细构造的示例]

将参考图2到图6描述燃料电池1的详细构造。图2和图3示出了装在燃料电池1中的发电单元10的单位电池10A到10F以及其它外围部件的构造示例。图2是沿着图3的线II-II获得的剖面图。在图2和图3中未示出鼓风机45。单位燃料电池10A到10F例如以3×2矩阵二维排列，并且同时通过多个连接部件20电串联，这导致平面分层结构。单位燃料电池10A到10F具有作为连接部件20的延伸部分的端子20A。另外，在单位燃料电池10A到10F下存在燃料箱40、燃料泵42、喷嘴43和燃料汽化室44。

单位燃料电池10A到10F中的每个具有一对电极(燃料电极12(负电极，即阴极电极)和氧电极13(正电极，即阳极电极))，并且在燃料电极和氧电极之间具有电解质膜11。

每个电解质膜11由例如包含磺酸基的质子导电材料组成。可以使用聚全氟代烷基(polyperfluoro-alkyl)磺酸质子导电材料(例如，由DuPont制造的“Nafion(注册商标)”)、碳氢化合物质子导电材料(诸如聚酰亚胺磺酸)、富勒烯(fullerence)质子导电材料等等作为质子导电材料。

燃料电极12和氧电极13由例如电荷收集材料(诸如复写纸)制成，所述电荷收集材料涂有包含铂、钌等作为催化剂的催化剂层。催化剂层由例如包含用于承载催化剂的催化剂载体(诸如碳黑)的聚全氟代烷基磺酸质子导电材料制成。每个氧电极13可以装备有空气供应泵(在图2或图3中未示出)。可替选地，开口(未示出)可以设置在每个单位燃料电池的连接部件20中，以便通过自然通风经由该开口向氧电极13提供空气(氧)。

连接部件20中的每个在两个平坦部分21和22之间具有弯曲部分23。平坦部分21与单位燃料电池(例如，10A)的燃料电极具有接合处，而平坦部分22与邻近的单位燃料电池(例如，10B)的氧电极具有接合处。连接部件20中的每个串联连接两个邻近的单位燃料电池(例如，10A和10B)，并且由此，连接部件20串联连接单位燃料电池10A到10F，并且同时具有用于收集在单位燃料电池10A到10F中产生的电荷的电荷收集材料的作用。连接部件20例如是150μm厚，并且由铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)或不锈钢(SUS)制成。连接部件20也可以镀上金(Au)、铂(Pt)等等。另外，连接部件20具有开口(未示出)，以便通过开口分别向燃料电极12和氧电极13提供燃料和空气(氧)。连接部件20由例如网格(诸如金属网或冲压金属)制成。可以通过参考单位燃料电池的厚度预先弯曲连接部件20来获得弯曲部分23，或者如果连接部件20是例如小于200μm厚且柔性的网格，则可以利用连接部件20的柔性而在燃料电池1的制造过程中形成弯曲部分23。当附着于电解质膜11的边缘的密封物(未示出)被拧紧(screwed on)到连接部件20时，连接部件20被接合到单位燃料电池10A到10F。密封物由例如PPS(polyphenylene sulfid，聚苯硫化物)或硅橡胶制成。

燃料箱40包括容器(例如，乙烯基袋)和容纳该容器的矩形固体箱，该容器在不吸入空气的情况下根据要容纳的液体燃料41的量来改变其容量。燃料泵42位于燃料箱40的中上部。燃料泵42从燃料箱40吸入液体燃料41，并且通过喷嘴43喷出液体燃料41。

燃料汽化室44使由燃料泵42提供的液体燃料41汽化，并且将汽化燃料提供到发电单元10(也就是说，提供到单位燃料电池10A到10F)。燃料汽化室44位于燃料泵42和发电单元10之间。燃料汽化室44包括：板(未示出)，其由例如不锈钢、铝、金属合金、或刚性树脂(诸如环烯烃共聚物(cycloolefin copolymer，COC))组成；以及扩散部分(未示出)，其安装在板上并且用于扩散燃料。扩散部分由无机多孔材料(诸如铝、硅石、氧化钛或多孔树脂材料)制成。

喷嘴43是将通过燃料泵42的通道(未示出)提供的燃料喷出的喷口。喷嘴43被设计成使得燃料喷向安装在燃料汽化室44的板上的扩散部分。运输到燃料汽化室44的燃料被扩散、汽化并且提供到发电单元10(单位燃料电池10A到10F)。喷嘴43的口径范围典型地为0.1mm到0.5mm。

[燃料泵42的详细构造的示例]

将参考图4到图6描述燃料泵42的详细构造。图4是示意性地示出燃料泵42的详细构造的剖面图。

燃料泵42包括泵室420，泵室420由导管421和压电元件422、以及连接燃料箱40和喷嘴43的一对通道423a和423b、以及一对止回阀(checkvalve)425a和425b构成。该燃料泵42是一种压电泵，该压电泵将液体燃料41通过由图4的箭头Pin和Pout所示的路线从燃料箱40运输到燃料汽化室44。燃料泵42利用压电元件422的弯曲变形以及止回阀425a和425b的开关动作来运输液体燃料41，其中压电元件422与止回阀425a和425b的组合用作激励器(actuator)。

构成泵室420的上平面的压电元件422包括压电材料(诸如锆钛酸铅(PZT))。该压电元件422具有在变形时产生热的特性。具体地说，当压电元件422在其共振频率(本征频率)fE附近(例如，45kHz左右)振动时，压电元件422产生的热量变大，同时弯曲变形量也变得非常大。

止回阀425a安装在泵室420的吸入口424a处。吸入口424a安装在泵室420与燃料箱40旁边的通道423a的汇合处。另一方面，止回阀425b安装在泵室420的排出口424b处。排出口424b安装在泵室420与燃料汽化室44旁边的通道423b的汇合处。如上所述，两个止回阀425a和425b分别安装在液体燃料41的流入侧和流出侧，这保持液体燃料41沿一个方向流动。当压电元件422的振动频率变得过高时，因为以该振动频率驱动止回阀425a和425b，这些止回阀的开关动作变得难以跟上该振动频率，因此向燃料汽化室44的液体燃料供应停止。

为了防止上述现象发生，将燃料泵42配置成如下：例如，如图5所示，根据压电元件422的中心位置，燃料的吸入时段被设置为从时间t1到时间t2的时段和从时间t3到时间t4的时段，而燃料的排出时段被设置为从时间t2到时间t3的时段和时间t4之后的时段。另外，燃料泵42被配置成使得可以根据压电元件422的振动频率f的变化、以泵42的一个开关动作提供的燃料量的变化(参考图6)、以及燃料供应的周期Δt的变化来调整液体燃料41的供应。

[控制单元35的详细构造的示例]

将参考图7、图8A和图8B描述控制单元35的详细构造。图7是示出控制单元35连同放大器36以及压电元件422和451的详细构造的框图，其中作为控制单元35的控制目标的放大器36以及压电元件422和451位于控制单元35的外部。

控制单元35包括两个信号发生器(函数发生器)351和352、以及频率调制器353。

信号发生器351生成具有基频fa的基频信号Sa，基频fa存在于压电元件422和451的机械共振频率fc附近。可以使用如图8A所示的、通过对控制单元35的主时钟信号的频率(例如，大约4MHz)进行分频获得的矩形电信号(其峰值电压为Va)作为基频信号Sa的示例。

另一方面，信号发生器352生成具有周期性变化的频率fb的变频信号Sb。可以使用电信号G1作为变频信号Sb的示例，所述电信号G1的时序波形是如图8B所示的、根据时间变化的系列多阶波形(例如，每个多阶波形具有其第一阶电压0、其第二阶电压Vb1、以及其第三阶电压Vb2)。变频信号Sb的优选时序波形是系列多阶波形，其中每个多阶波形具有很多阶。换句话说，多阶波形是如图8B所示的近似三角波形G2。如果变频信号Sb的时序波形是系列近似三角波形，则控制信号的频率周期性地且顺次地变成的频率数可以根据阶数而增加。下面将详细地描述控制信号。

频率调制器353通过利用从信号发生器351输出的基频信号Sa和从信号发生器352输出的变频信号Sb执行频率调制来生成两个经频率调制的信号作为控制信号S1和S2。也就是说，每个经频率调制的信号是其频率周期性地且顺次地变为存在于基频fa附近的三个或更多个频率中的一个的经频率调制的信号。

如上所述，作为经频率调制的信号的控制信号S1和S2由控制单元35生成并且输出。然后，在由放大器36放大之后，控制信号S1和S2被提供到作为控制目标的压电元件422和451。

燃料泵42和鼓风机45分别对应于根据本发明实施例的“压电泵”和“压电振动设备”的具体示例。另外，信号发生器351对应于“第一信号生成单元”的具体示例，而信号发生器352对应于“第二信号生成单元”的具体示例。

[制造燃料电池系统的方法的示例]

例如，根据本发明实施例的燃料电池系统5可以以下面的方式制造。

首先，将由上述材料之一制成的电解质膜11布置在由上述材料制成的燃料电极12和氧电极13之间，然后对电解质膜11、燃料电极12和氧电极13的组件施加热压缩，以便结合它们。以这种方式制造单位燃料电池10A到10F。

接下来，如图9和图10所示，以3×2矩阵二维排列单位燃料电池10A到10F，并且利用由上述材料制成的连接部件20将其电串联。另外，将附着于电解质膜11的边缘的密封物(未示出)拧紧到连接部件20的弯曲部分23。因此，连接部件20被固定到单位燃料电池。

然后，将其中安装有燃料泵42、喷嘴43等的燃料箱40布置在单位燃料电池10A到10F的燃料电极12旁边，并且将液体燃料41提供到燃料箱40。将包括压电元件451的鼓风机45安装在单位燃料电池10A到10F的氧电极13旁边。如上所述地制造燃料电池1。然后，如图1所示，安装上转换电路33、二次电池34和控制单元35，并且将其电连接到燃料电池1。以上述方式完成图1到图4所示的燃料电池系统5。

[燃料电池系统的行为和技术优点]

将详细地描述燃料电池系统5的行为和技术优点。

在该燃料电池系统5中，存储在燃料箱40中的液体燃料41由燃料泵42吸取，并且依次通过通道423a、止回阀425a、泵室420、止回阀425b和通道423b之后到达燃料汽化室44。在燃料汽化室44中，液体燃料由喷嘴43喷出，并且由安装在燃料汽化室44的板上的扩散部分(未示出)大范围地扩散。然后，液体燃料41自然地汽化，并且汽化燃料被提供到发电单元10(即，准确地说，提供到单位燃料电池10A到10F的燃料电极)。

另一方面，由包括压电元件451的鼓风机(空气供应泵)45将空气(氧)提供到发电单元10的氧电极。在氧电极13处，发生表达式(1)所示的反应，并且产生氢离子和电子。氢离子横穿电解质膜11并且到达燃料电极12。在燃料电极12处，发生表达式(2)所示的反应，并且产生水和二氧化碳。当发电单元10被看作整体时，发生表达式(3)所示的反应，产生电动势。

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^- (1)

6H⁺+(3/2)O₂+6e^-→3H₂O (2)

CH₃OH+(3/2)O₂→CO₂+2H₂O (3)

以这种方式，液体燃料41(即甲醇)的部分化学能被转化为电能。在通过连接部件20之后，以电流(如图1所示的所生成的电流11)形式从发电单元10消除电能。由上转换电路33将基于所生成的电流I1而生成的电压(DC电压)V1向上转换为DC电压V2。该DC电压V2被提供到二次电池34或负载(例如，燃料电池1所属的电子装置)。如果DC电压V2被提供到二次电池34，则二次电池34基于该DC电压V2而存储该电能。另一方面，如果DC电压V2通过输出端T2和T3被提供到负载6，则由DC电压V2驱动负载6来执行预定运动。

关于燃料泵42的行为，根据以泵42的一个开关动作提供的燃料量、燃料供应的周期Δt、以及燃料泵42的压电元件422的振动频率f来调整液体燃料的供应，其中由控制单元35控制以泵42的一个开关动作提供的燃料量、燃料供应的周期Δt、以及压电元件422的振动频率f。

关于鼓风机45的行为，也根据由控制单元35控制的压电元件451的振动频率f来调整空气(氧)的供应。

在图11中作为比较示例示出的现有压电振动设备系统100中，如下控制压电元件422和451的振动频率。该压电振动设备系统100包括替代图7所示的本发明实施例的控制单元35的、具有信号发生器101和频率调整单元102的控制单元105。另外，不同于根据本发明实施例的燃料电池系统5，压电振动设备系统100包括在压电元件422和451附近的传感器103。该传感器用于为了优化压电元件422和451的共振条件而执行的反馈控制。

在该比较振动设备系统100中，如图12所示，如果压电元件422和451独有的共振频率fc取决于环境改变而改变(参考图12中的箭头P100)，则如下生成控制信号S100。为了使得即使在共振频率fc变化的情况下，控制信号S100的频率也以定点精度与共振频率fc匹配，必须利用反馈控制来调整控制信号S100的频率(参考图12中的P101)。为了执行用于调整控制信号S100的频率的反馈控制，必须安装上述传感器103或谐振电路(未示出)，这导致成本增加。

例如，如图7所示，与现有压电振动设备系统100相比，在根据本发明实施例的燃料电池系统5中生成控制信号S1和S2并且控制信号S1和S2用于控制压电元件422和451。首先，信号发生器351生成具有基频fa的基频信号Sa，基频fa存在于压电元件422和451的机械共振频率fc附近，同时信号发生器352生成具有周期性变化的频率fb的变频信号Sb。然后，频率调制器353利用基频信号Sa和变频信号Sb执行频率调制。

作为执行频率调制的结果，生成经频率调制的信号作为控制信号S1或S2，例如，如图13中的箭头P21到P24所示，经频率调制的信号的频率周期性地且顺次地变为存在于基频fa(≌fc)附近的三个或更多个频率(f_c+1、f_c-1、f_c+2、f_c-2等等)中的一个。因此，在根据本发明实施例的燃料电池系统5中不需要现有压电振动设备系统100中所使用的用于反馈的传感器103，并且使得控制信号S1和S2的频率与压电元件422和451的取决于环境改变而改变的机械共振频率fc精确匹配也变得不必要。因此，可以以更简单的构造实现与现有技术中的控制相当的压电元件422和451的频率控制。

在上述现有控制方法中，其中在一个控制步骤使用单个分频比率仅输出单个控制信号，例如，仅仅可以使用七个具有不同频率的控制信号，其频率范围从24.8kHz到25.8kHz，如图14所示。另一方面，例如，如图15所示，因为根据本发明实施例的控制信号S1或S2在一个控制步骤使用多个分频比率将其频率变为多个频率，所以可以执行内插法来计算任意两个频率之间的频率值(参考圆形标记内示出内插值的点)，结果是可以使得控制信号S1和S2的频率更接近于压电元件的共振频率。

如上所述，在本发明的实施例中，通过利用基频信号Sa和变频信号Sb执行频率调制来生成其频率周期性地且顺次地变为三个或更多个频率中的一个的经频率调制的信号，其中三个或更多个频率存在于基频fa的附近，并且经频率调制的信号被用作用于控制压电元件422和451的控制信号S1和S2。因此，在本发明的实施例中可以以更简单的构造实现与现有技术中的控制相当的压电元件422和451的频率控制。

因此，可以在本发明的实施例中实现如下压电振动设备系统：该压电振动设备系统可以被小型化并且简单化，同时具有与现有振动设备系统相同的对具有压电元件的压电振动设备的控制能力。另外，可以获得具有放大频率特性的控制信号而无需使用谐振电路。因此，构成谐振电路的大部件(诸如电容器和电感器)变得不必要，这有助于小型化燃料电池系统5的电子电路板。

另外，因为根据本发明实施例的燃料电池系统的行为不是完全受压电元件422和451独有的共振频率fc的影响，所以即使压电元件422和451的特性存在某些变化，也可以获得用于驱动压电元件422和451的控制信号。

另外，即使两个信号生成单元(函数发生器)351和352必须安装在包括例如微型计算机的控制单元35中，控制单元35的物理尺寸也不会增加太多。因此，现有压电振动设备系统必须安装具有用于补偿压电元件的特性变化的高处理速度的大型处理单元，而根据本发明实施例的燃料电池系统可以利用具有相对低处理速度的小型处理单元来控制压电元件。

因为如果频率变化低于上限，则生成可听见的声音，所以频率调制信号(控制信号S1和S2)的频率变化优选地被设置成高于音频范围的上限(例如，上限fmax＝16kHz)。

<2.修改示例和应用示例>

虽然在本发明的优选实施例中描述了本发明，但是应当理解本发明不限于上述实施例中的任何细节，并且可以进行如下各种修改和应用。

例如，虽然在上述实施例中由控制单元35控制燃料泵42和鼓风机45两者的行为，但是另一控制方法是可能的。可以想到由本发明实施例的控制单元来控制燃料泵42和鼓风机45中的任一个的行为。

虽然在上述实施例中发电单元10包括6个串联连接的单位燃料电池，但是单位燃料电池的数量不限于6。例如，发电单元10可以仅包括一个单位燃料电池，或者可以包括多于一个的任意数量的单位燃料电池。

另外，虽然在上述实施例中燃料电池系统5包括存储液体燃料41的燃料箱40，但是燃料电池系统5可以被配置成使得燃料箱40可从燃料电池系统5拆卸。

另外，虽然上面实施例所述的燃料泵是气体燃料供应类型的泵，但是燃料电池系统中采用的燃料泵的类型不限于气体燃料供应类型。例如，本发明可以适用于采用燃料循环方法来产生电能的燃料电池系统。

虽然在本发明的上述实施例中描述了采用直接甲醇燃料电池的燃料电池系统，但是还应当理解本发明可以应用于其它类型的燃料电池系统。

另外，虽然在本发明的上述实施例中燃料电池系统被描述作为压电振动设备系统的示例，但是还应当理解本发明可以应用于其它类型的压电振动设备系统。在其它类型的压电振动设备系统中，例如是包括强制地提供和排出用于冷却的空气的设备的系统、以及包括通过循环液体来冷却系统中的发热部分的设备的系统。

根据本发明实施例的压电振动设备系统(例如，燃料电池系统)可以适用于例如蜂窝电话、数字摄像机、电子笔记本或PDA(个人数字助理)。

本申请包含与2009年1月16日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-007367中公开的主题内容相关的主题内容，在此通过引用将其全文合并于此。

本领域的技术人员应当理解，在所附权利要求或其等价物的范围内，可以根据设计要求和其它因素进行各种修改、组合、子组合和变更。

Claims

1.一种压电振动设备系统，包括：

压电振动设备，其包括压电元件并且利用所述压电元件的振动来执行预定运动；以及

控制单元，其通过控制所述压电元件的振动频率来控制所述压电振动设备的行为，其中

所述控制单元包括：

第一信号生成单元，其生成具有与所述压电元件的机械共振频率相邻的基频的基频信号；

第二信号生成单元，其生成频率周期性地上升或下降的变频信号；以及

频率调制器，其通过利用所述基频信号和所述变频信号执行频率调制来生成经频率调制的信号，并且输出所述经频率调制的信号作为用于控制所述压电振动设备的控制信号，其中所述经频率调制的信号的频率周期性地且顺次地变为存在于所述基频附近的三个或更多个频率中的一个。

2.根据权利要求1所述的压电振动设备系统，其中所述变频信号沿时间轴的时序波形由系列多阶波形组成，所述多阶波形的电压值在多个阶上变化。

3.根据权利要求2所述的压电振动设备系统，其中构成所述变频信号的所述时序波形的多阶波形接近三角形。

4.根据权利要求1所述的压电振动设备系统，其中所述经频率调制的信号的频率变化被设置成高于音频范围的上限。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的压电振动设备系统，还包括利用燃料和氧化气体进行发电的发电单元，其中

所述压电振动设备包括压电泵单元，所述压电泵单元将所述燃料和所述氧化气体中的至少一个提供到所述发电单元，因此所述压电振动设备系统用作燃料电池系统。

6.一种电子装置，包括：

压电振动设备系统，其包括：

所述控制单元包括：