JP2010162487A - 圧電振動機器システムおよび電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子を含む圧電振動機器に対して従来と同等の制御を行いつつ、システム全体の小型・簡素化を図ることが可能な圧電振動機器システムを提供する。
【解決手段】圧電素子４２２，４５１に対する制御信号Ｓ１，Ｓ２の生成の際に、基本周波数信号Ｓａと可変周波数信号Ｓｂとに基づいて、周波数変調動作を行う。これにより、基本周波数ｆａを中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を、上記制御信号Ｓ１，Ｓ２として生成する。従来と同等の制御が、簡易な構成・制御により実現される。
【選択図】図７
【解決手段】圧電素子４２２，４５１に対する制御信号Ｓ１，Ｓ２の生成の際に、基本周波数信号Ｓａと可変周波数信号Ｓｂとに基づいて、周波数変調動作を行う。これにより、基本周波数ｆａを中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を、上記制御信号Ｓ１，Ｓ２として生成する。従来と同等の制御が、簡易な構成・制御により実現される。
【選択図】図７
Description
本発明は、圧電素子を含んで構成された圧電振動機器を有する圧電振動機器システム、およびそのような圧電振動機器システムを備えた電子機器に関する。
従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないため、産業用や家庭用の発電装置として、あるいは人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきた。また、近年では、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。このような燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型および直接型メタノールなどの種類に分類される。中でも、ダイレクトメタノール固体高分子電解質型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料水素源としてメタノールを用いることによって高エネルギー密度化することができ、また改質器が不要であり小型化が可能であることから、小型携帯用燃料電池向けに研究が進められている。
ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜を２枚の電極で挟み、一体化させて接合した単位セルであるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）が使用される。そしてガス拡散電極の一方を燃料電極（負極）とすると共に、その表面に燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが分解されて水素イオン（プロトン）と電子とが生じ、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、ガス拡散電極の他方を酸素電極（正極）とすると共に、その表面に酸化剤ガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが結合し、水が生成される。このような電気化学反応により、ＤＭＦＣから起電力が生じるようになっている。
ここで、このＤＭＦＣでは、燃料電極へメタノールを供給する方法として、液体供給型（液体燃料（メタノール水溶液）を、そのまま燃料電極へ供給するもの）と、気化供給型（液体燃料を気化した状態で、燃料電極へ供給するもの）とが提案されている。このような燃料電極へのメタノール等の燃料の供給には、一般に、渦巻きポンプ、ディフューザポンプ、カスケードポンプ、ギヤポンプ、ねじポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプまたはプランじゃーポンプ等が用いられている。ただし、それらの多くは、駆動させるために必要な電力が大きく、かつ小型化が難しいことから、圧電素子を含んで構成された圧電ポンプ（燃料ポンプ）による燃料供給も行われるようになっている。
一方、酸素電極への酸化剤ガス（空気）の供給には、一般に、ロータリーポンプ、メカニカルブースターポンプ等が用いられているが、圧電素子を含んで構成された圧電ポンプ（空気ポンプ、ブロア）による酸化剤ガスの供給も行われるようになっている。
ここで、このような圧電素子を含む圧電ポンプを制御する際には、従来、圧電素子の振動周波数を制御することにより行われるようになっている（例えば、特許文献１，２参照）。
ところで、このような圧電ポンプに用いられる圧電素子では、環境変化（温度等）に応じて、素子固有の機械的な共振周波数が変化してしまうことが知られている。そこで、従来は、そのような素子固有の共振周波数を有する制御信号を生成するか、もしくは、共振回路等によって信号周波数を素子に同調させるなどの調整行為が必要となり、コスト増を招いてしまっていた。
また、環境の変化に応じて素子固有の共振周波数の値が変化した場合であっても、必ずその１点の値にピンポイントで合わせるようにしていたため、フィードバック制御を行うためのセンサを設けることが必須であった。
したがって、圧電素子を含む圧電振動機器（圧電ポンプ等）に対して従来と同等の制御を実現しつつ、システム全体の小型・簡素化を図ることが望まれていた。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、圧電素子を含む圧電振動機器に対して従来と同等の制御を行いつつ、システム全体の小型・簡素化を図ることが可能な圧電振動機器システム、およびそのような圧電振動機器システムを備えた電子機器を提供することにある。
本発明の圧電振動機器システムは、圧電素子を含んで構成され、この圧電素子による振動を利用して所定の動作を行う圧電振動機器と、圧電素子の振動周波数を制御することにより、圧電振動機器の動作を制御する制御部とを備えたものである。また、この制御部は、圧電素子の機械的な共振周波数付近の基本周波数を有する基本周波数信号を生成する第１の信号発生部と、周期的に周波数が増減する可変周波数信号を生成する第２の信号発生部と、上記基本周波数信号と上記可変周波数信号とに基づいて周波数変調動作を行うことにより、基本周波数を中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を生成し、上記圧電振動機器の制御信号として出力する周波数変調部とを有している。
なお、「圧電素子の機械的な共振周波数」とは、圧電素子が持つ固有振動において、Ｑ値が最も大きくなる周波数のことであり、この共振周波数近傍では、振動による最大振幅が得られることを意味している。
本発明の電子機器は、上記圧電振動機器システムを備えたものである。
本発明の圧電振動機器システムおよび電子機器では、圧電振動機器における圧電素子の振動周波数が制御されることにより、この圧電素子の振動を利用した圧電振動機器の動作が制御される。このような圧電振動機器の制御信号の生成の際には、まず、圧電素子の機械的な共振周波数付近の基本周波数を有する基本周波数信号が生成されると共に、周期的に周波数が増減する可変周波数信号が生成される。そして、これらの基本周波数信号と可変周波数信号とに基づいて周波数変調動作が行われることにより、基本周波数を中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号が、上記圧電振動機器の制御信号として生成される。したがって、従来のようなフィードバック制御を行うためのセンサが不要となり、環境の変動に応じて制御信号の周波数を圧電素子の機械的な共振周波数に合わせこむ必要がなくなるため、従来と同等の制御が簡易な構成・制御により実現される。
本発明の圧電振動機器システムおよび電子機器によれば、圧電振動機器の制御信号の生成の際に、上記基本周波数信号と上記可変周波数信号とに基づいて周波数変調動作を行うことにより、この基本周波数を中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を上記制御信号として生成するようにしたので、従来と同等の制御が簡易な構成・制御により実現される。よって、圧電素子を含む圧電振動機器に対して従来と同等の制御を行いつつ、システム全体の小型・簡素化を図ることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（燃料電池システムにおいて適用した場合の例）
２．変形例および適用例
１．実施の形態（燃料電池システムにおいて適用した場合の例）
２．変形例および適用例
＜１．実施の形態＞
［燃料電池システムの全体構成例］
図１は、本発明の一実施の形態に係る圧電振動機器システム（燃料電池システム５）の全体構成を表すものである。燃料電池システム５は、負荷６を駆動するための電力を出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して供給するものである。この燃料供給システム５は、燃料電池１と、昇圧回路３３と、二次電池３４と、制御部３５とから構成されている。
［燃料電池システムの全体構成例］
図１は、本発明の一実施の形態に係る圧電振動機器システム（燃料電池システム５）の全体構成を表すものである。燃料電池システム５は、負荷６を駆動するための電力を出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して供給するものである。この燃料供給システム５は、燃料電池１と、昇圧回路３３と、二次電池３４と、制御部３５とから構成されている。
燃料電池１は、発電部１０と、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２と、ブロア（空気供給ポンプ）４５とを含んで構成されている。なお、この燃料電池１の詳細構成については、後述する。
発電部１０は、メタノールと酸化剤ガス（例えば、酸素）との反応により発電を行う直接メタノール型の発電部であり、正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する複数の単位セルを含んで構成されている。なお、この発電部１０の詳細構成については、後述する。
燃料タンク４０は、発電に必要な液体燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）を内蔵するものである。なお、この燃料タンク４０の詳細構成については、後述する。
燃料ポンプ４２は、燃料タンク４０に収容された液体燃料を汲み上げて、発電部１０の負極（燃料電極）側へ供給（輸送）するためのポンプであり、燃料の供給量を調節することができるようになっている。この燃料ポンプ４２は、後述する圧電素子４２２を含む圧電ポンプにより構成されており、この圧電素子４２２による振動を利用してポンプ動作を行うようになっている。また、このような燃料供給ポンプ４２の動作（液体燃料の供給動作）は、後述する制御部３５によって制御されるようになっている。なお、燃料ポンプ４２の詳細構成については、後述する。
ブロア（空気供給ポンプ）４５は、周囲の空気（酸素）を吸引して、発電部１０の正極（酸素電極）側へ供給（輸送）するためのポンプであり、空気（酸素）の供給量を調整することができるようになっている。このブロア４５は、圧電素子４５１を含む圧電ポンプにより構成されており、この圧電素子４５１による振動を利用してポンプ動作を行うようになっている。また、このようなブロア４５の動作（空気の吸引および排気による空気の供給動作）は、後述する制御部３５によって制御されるようになっている。
昇圧回路３３は、接続ラインＬ１Ｈと、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３との間に配置されており、発電部１０の発電電圧Ｖ１（直流電圧）を昇圧して、直流電圧Ｖ２を生成する電圧変換部である。この昇圧回路３３は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータにより構成されている。
二次電池３４は、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３と、接地ラインＬＧ（接続ラインＬ１Ｌ）上の接続点Ｐ４との間に配置されており、昇圧回路３３により生成された直流電圧Ｖ２に基づいて蓄電を行うものである。この二次電池３４は、例えばリチウムイオン二次電池などにより構成されている。
制御部３５は、燃料ポンプ４２による液体燃料の供給量、およびブロア４５による空気の供給量を調整するものである。具体的には、制御部３５は、制御信号Ｓ１によって、燃料ポンプ４２内の圧電素子（後述する圧電素子４２２）の振動周波数ｆを制御することにより、燃料ポンプ４２による液体燃料の供給量を調整するようになっている。また、同様に、制御信号Ｓ２によって、ブロア４５内の圧電素子４５２の振動周波数ｆを制御することにより、ブロア４５による空気の供給量を調整するようになっている。このような制御部３５は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成されている。なお、制御部３５の詳細構成については、後述する。
［燃料電池の詳細構成例］
次に、図２〜図６を参照して、燃料電池１の詳細構成について説明する。図２および図３は、燃料電池１内の発電部１０における単位セル１０Ａ〜１０Ｆの構成例を表すものであり、図２は、図３におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面構成に対応する。なお、これらの図において、ブロア４５については図示を省略している。単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、面内方向に例えば３行×２列に配置されると共に、複数の接続部材２０により電気的に直列に接続された平面積層構造とされている。単位セル１０Ｃ，１０Ｆには、接続部材２０の延長部分である端子２０Ａが取り付けられている。また、単位セル１０Ａ〜１０Ｆの下方には、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２と、ノズル４３と、燃料気化部４４とが設けられている。
次に、図２〜図６を参照して、燃料電池１の詳細構成について説明する。図２および図３は、燃料電池１内の発電部１０における単位セル１０Ａ〜１０Ｆの構成例を表すものであり、図２は、図３におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面構成に対応する。なお、これらの図において、ブロア４５については図示を省略している。単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、面内方向に例えば３行×２列に配置されると共に、複数の接続部材２０により電気的に直列に接続された平面積層構造とされている。単位セル１０Ｃ，１０Ｆには、接続部材２０の延長部分である端子２０Ａが取り付けられている。また、単位セル１０Ａ〜１０Ｆの下方には、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２と、ノズル４３と、燃料気化部４４とが設けられている。
単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、それぞれ、電解質膜１１を間にして対向配置された燃料電極（負極、アノード電極）１２と酸素電極１３（正極、カソード電極）とを有している。
電解質膜１１は、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ3 Ｈ）を有するプロトン伝導材料により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。
燃料電極１２および酸素電極１３は、例えば、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。なお、酸素電極１３には図示しない空気供給ポンプが接続されていてもよいし、接続部材２０に設けられた開口（図示せず）を介して外部と連通し、自然換気により空気すなわち酸素が供給されるようになっていてもよい。
接続部材２０は、二つの平坦部２１，２２の間に屈曲部２３を有し、一方の平坦部２１において一つの単位セル（例えば、１０Ａ）の燃料電極１２に接し、他方の平坦部２２において隣接する単位セル（例えば、１０Ｂ）の酸素電極１３に接しており、隣接する二つの単位セル（例えば、１０Ａ，１０Ｂ）を電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆで発生した電気を集電する集電体としての機能も有している。このような接続部材２０は、例えば、厚みが１５０μｍであり、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）により構成され、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等でめっきされていてもよい。また、接続部材２０は、燃料電極１２および酸素電極１３に燃料および空気をそれぞれ供給するための開口（図示せず）を有しており、例えば、エキスパンドメタルなどのメッシュ類や、パンチングメタルなどにより構成されている。なお、屈曲部２３は、予め単位セル１０Ａ〜１０Ｆの厚みに合わせて折曲加工されていてもよいし、接続部材２０が厚み２００μｍ以下のメッシュなど柔軟性を有している場合は製造工程においてたわむことにより形成されるようにしてもよい。このような接続部材２０は、例えば、電解質膜１１の周辺部に設けられたＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）あるいはシリコーンゴム等の封止材（図示せず）が接続部材２０にネジ締めされることにより、単位セル１０Ａ〜１０Ｆに接合されている。
燃料タンク４０は、例えば、液体燃料４１の増減によっても内部に気泡などが入らずに体積が変化する容器（例えばビニール袋など）と、この容器を覆う直方体形状のケース（構造体）とにより構成されている。この燃料タンク４０には、その中央付近の上方に、燃料タンク４０内の液体燃料４１を吸引してノズル４３から排出させるための燃料ポンプ４２が設けられている。
燃料気化部４４は、燃料ポンプ４２により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を発電部１０（各単位セル１０Ａ〜１０Ｆ）へ供給するものである。すなわち、燃料気化部４４は、燃料ポンプ４２と発電部１０との間に配置されるようになっている。このような燃料気化部４４は、例えばステンレス鋼、アルミニウムなどを含む金属や合金、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの剛性の高い樹脂材料よりなるプレート（図示せず）上に、燃料の拡散を促進するための拡散部（図示せず）が設けられたものである。拡散部としては、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどの無機多孔質材料や樹脂多孔質材料を用いることができる。
ノズル４３は、燃料ポンプ４２の流路（図示せず）によって輸送される燃料の噴出口であり、燃料気化部４４の表面に設けられた拡散部に向けて、燃料を噴出するようになっている。これにより、燃料気化部４４へ輸送された燃料が拡散気化され、発電部１０（各単位セル１０Ａ〜１０Ｆ）に向けて供給される。このノズル４３は、例えば直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの口径を有している。
［燃料ポンプの詳細構成例］
ここで、図４〜図６を参照して、燃料ポンプ４２の詳細構成について説明する。図４は、燃料ポンプ４２の断面構成を模式的に表したものである。
ここで、図４〜図６を参照して、燃料ポンプ４２の詳細構成について説明する。図４は、燃料ポンプ４２の断面構成を模式的に表したものである。
燃料ポンプ４２は、容器４２１および圧電素子４２２により形成されるポンプ室４２０と、燃料タンク４０からノズル４３までを接続する配管としての一対の流路４２３ａ，４２３ｂと、一対の逆止弁４２５ａ，４２５ｂとにより構成されている。この燃料ポンプ４２は、図４中の矢印で示したように、アクチュエーターとして機能する圧電素子４２２の屈曲変形と逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作とを利用して、図中の矢印Ｐin，Ｐoutで示した経路にて、燃料タンク４０側から燃料気化部４４側へと液体燃料４１を送液する圧電ポンプである。
圧電素子４２２は、ポンプ室４２０の上面を形成しており、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電素子を含んで構成されている。この圧電素子４２２は、変形時に熱を発生するという性質を有している。特に、圧電素子４２２をその機械的な共振周波数（固有周波数）ｆE（例えば、４５ｋＨｚ程度）付近で振動させた場合、非常に大きな屈曲変形が生じると共に、これによる発熱も大きくなるようになっている。
逆止弁４２５ａは、ポンプ室４２０における吸引口４２４ａ部分に設けられている。この吸引口４２４ａは、ポンプ室４２０と、燃料タンク４０側の流路４２３ａとの接続部分に設けられている。一方、逆止弁４２５ｂは、ポンプ室４２０における排出口４２４ｂ部分に設けられている。この排出口４２４ｂは、ポンプ室４２０と、燃料気化部４４側の流路４２３ｂとの接続部分に設けられている。このように、液体燃料４１の流入側および流出側に２つの逆止弁４２５ａ，４２５ｂが設けられ、これにより液体燃料４１の流れの一方向性が保たれるようになっている。これら逆止弁４２５ａ，４２５ｂは、その駆動周波数が高くなると、それに従って弁の開閉動作が次第に追いつかなくなり、しまいにはほとんど燃料供給ができなくなってしまうという性質を有している
これにより、燃料ポンプ４２では、例えば図５中のタイミングｔ１〜ｔ４で示したように、圧電素子４２２の位置に応じて、液体燃料４１の吸引期間（例えば、タイミングｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４の期間）と、液体燃料４１の排出期間（例えば、タイミングｔ２〜ｔ３，ｔ４以降の期間）とが設けられるようになっている。また、圧電素子４２２の振動周波数ｆの変化や、１回の動作当りの燃料供給量または燃料供給周期Δｔの変化に応じて（図６参照）、液体燃料４１の供給量を調節することができるようになっている。
［制御部の詳細構成例］
次に、図７および図８を参照して、制御部３５の詳細構成について説明する。図７は、制御部３５の詳細なブロック構成を、増幅器（アンプ）３６および制御対象の圧電素子４２２，４５１と共に表したものである。
次に、図７および図８を参照して、制御部３５の詳細構成について説明する。図７は、制御部３５の詳細なブロック構成を、増幅器（アンプ）３６および制御対象の圧電素子４２２，４５１と共に表したものである。
制御部３５は、２つの信号発生器（ファンクション・ジュネレータ）３５１，３５２と、周波数変調器３５３とを含んで構成されている。
信号発生器３５１は、圧電素子４２２，４５１の機械的な共振周波数ｆｃ付近の基本周波数ｆａを有する基本周波数信号Ｓａを生成するものである。このような基本周波数信号Ｓａとしては、例えば図８（Ａ）に示したように、例えば制御部３５におけるメインクロック信号（例えば、４ＭＨｚ程度）を分周した矩形波（電圧値：Ｖａ）を用いることができる。
一方、信号発生器３５２は、周期的にその周波数ｆｂが増減する可変周波数信号Ｓｂを生成するものである。このような可変周波数信号Ｓｂとしては、例えば図８（Ｂ）に示したように、時間軸方向に沿ったタイミング波形において、電圧値が多段に変化する多段波形Ｇ１（電圧値：Ｖｂ１，Ｖｂ２）により構成することができる。なお、このような多段波形の段数を増加させることにより、タイミング波形を略三角波Ｇ２とすることが望ましい。そのような略三角波Ｇ２とした場合、段数の増加に応じて、以下説明する周期的に変化する周波数値の数も増加させることができるからである。
また、周波数変調器３５３は、信号発生部３５１から出力される基本周波数信号Ｓａと、信号発生部３５２から出力される可変周波数信号Ｓｂとに基づいて、周波数変調動作を行うことにより、制御信号Ｓ１，Ｓ２としての周波数変調信号を生成するものである。この周波数変調信号は、具体的には、上記した基本周波数ｆａを中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号である。
このようにして、周波数変調信号である制御信号Ｓ１，Ｓ２が制御部３５によって生成・出力され、これらの制御信号Ｓ１，Ｓ２の増幅を行う増幅器３６を介して、制御対象の圧電素子４２２，４５１へ供給されるようになっている。
ここで、燃料ポンプ４２およびブロア４５が、本発明における「圧電振動機器」および「圧電ポンプ」の一具体例に対応する。また、信号発生器３５１が本発明における「第１の信号発生部」の一具体例に対応し、信号発生器３５２が本発明における「第２の信号発生部」の一具体例に対応する。
［燃料電池システムの製造方法例］
本実施の形態の燃料電池システム５は、例えば次のようにして製造することができる。
本実施の形態の燃料電池システム５は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、上述した材料よりなる電解質膜１１を、上述した材料よりなる燃料電極１２および酸素電極１３の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１１に燃料電極１２および酸素電極１３を接合し、単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成する。
次いで、上述した材料よりなる接続部材２０を用意し、図９および図１０に示したように、６個の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを３行×２列に配置し、接続部材２０により電気的に直列に接続する。なお、電解質膜１１の周辺部には上述した材料よりなる封止材（図示せず）を設け、この封止材を接続部材２０の屈曲部２３にネジ締めにより固定する。
そののち、連結された単位セル１０Ａ〜１０Ｆの燃料電極１２側に、液体燃料４１が収容されると共に燃料ポンプ４２およびノズル４３等が設けられた燃料タンク４０を配設する。また、これら単位セル１０Ａ〜１０Ｆの酸素電極１３側には、圧電素子４５１を含んで構成されたブロア４５を取り付ける。これにより、燃料電池１を形成する。そしてこの燃料電池１に対し、上述した昇圧回路３３、二次電池３４および制御部３５をそれぞれ、図１に示したように電気的に接続して取り付ける。以上により、図１〜図４に示した燃料電池システム５が完成する。
［燃料電池システムの作用・効果］
次に、本実施の形態の燃料電池システム５の作用および効果について詳細に説明する。
次に、本実施の形態の燃料電池システム５の作用および効果について詳細に説明する。
この燃料電池システム５では、燃料タンク４０に収容される液体燃料４１が燃料ポンプ４２によって汲み上げられることにより、液体燃料４１が、流路４２３ａ、逆止弁４２５ａ、ポンプ室４２０、逆止弁４２５ｂおよび流路４２３ｂをこの順に通り、燃料気化部４４に到達する。また、燃料気化部４４では、ノズル４３によって液体燃料が噴出すると、その表面に設けられた拡散部（図示せず）によって広範囲に拡散される。これにより、液体燃料４１が自然気化され、気体燃料が発電部１０（具体的には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの燃料電極１２）に供給される。
一方、発電部１０の酸素電極１３へは、圧電素子４５１を含むブロア（空気供給ポンプ）４５によって空気（酸素）が供給される。すると、酸素電極１３では、以下の（１）式に示した反応が起こり、水素イオンと電子とが生成される。この水素イオンは電解質膜１１を通って燃料電極１２へ到達し、燃料電極１２では、以下の（２）式に示した反応が起こり、水と二酸化炭素が生成される。よって、燃料電池１全体としては、以下の（３）式に示した反応が生じ、発電が行われる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- ……（１）
６Ｈ+＋(３／２)Ｏ2＋６ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ ……（２）
ＣＨ3ＯＨ＋(３／２)Ｏ2→ ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ ……（３）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- ……（１）
６Ｈ+＋(３／２)Ｏ2＋６ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ ……（２）
ＣＨ3ＯＨ＋(３／２)Ｏ2→ ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ ……（３）
これにより、液体燃料４１すなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換され、接続部材２０により集電されて、発電部１０から電流（発電電流Ｉ１）として取り出される。この発電電流Ｉ１に基づく発電電圧（直流電圧）Ｖ１は、昇圧回路３３によって昇圧（電圧変換）され、直流電圧Ｖ２となる。この直流電圧Ｖ２は、二次電池３４または負荷（例えば、電子機器本体）へ供給される。そして、二次電池３４へ直流電圧Ｖ２が供給された場合、この電圧に基づいて二次電池３４に蓄電がなされる一方、出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して負荷６へ直流電圧Ｖ２が供給された場合、負荷６が駆動され、所定の動作がなされる。
この際、燃料ポンプ４２では、制御部３５によって、１回の動作当りの燃料供給量または燃料供給周期Δｔ、および燃料ポンプ４２における圧電素子４２２の振動周波数ｆが制御され、それに応じて燃料の供給量が調節される。
また、同様にブロア４５では、制御部３５によって、圧電素子４５１の振動周波数ｆが制御され、それに応じて空気（酸素）の供給量が調節される。
ここで、図１１に示した比較例に係る従来の圧電振動機器システム１００では、このような圧電素子４２２，４５１に対する振動周波数の制御が、以下のようにして行われていた。まず、この圧電振動機器システム１００では、図７に示した本実施の形態の制御部５の代わりに、１つの信号発生器１０１と周波数調整部１０２とを有する制御部１０５が設けられている。また、本実施の形態の燃料電池システム５とは異なり、圧電素子４２２，４５１における共振条件を最適化させるためのフィードバック制御を行うため、圧電素子４２２，４５１の近傍に所定のセンサ１０３が別途設けられている。
これにより、この比較例では、例えば図１２に示したように、制御部１０５において、環境の変化に応じて圧電素子４２２，４５１に固有の共振周波数ｆｃの値が変化した場合（図中の矢印Ｐ１００参照）に、以下のようにして制御信号Ｓ１００を生成している。すなわち、共振周波数ｆｃの値が変化した場合であっても、必ずその１点の値にピンポイントで合わせるように、制御信号Ｓ１００の周波数を調整している（図中の矢印Ｐ１０１参照）。ところが、そのような信号周波数の調整のためのフィードバック制御を行うためには、上記したようなセンサ１０３や共振回路（図示せず）等が必要となるため、コスト増を招いてしまうことになる。
これに対し、本実施の形態の燃料電池システム５では、例えば図７に示したようにして、圧電素子４２２，４５１に対する制御信号Ｓ１，Ｓ２が生成される。すなわち、まず、信号発生器３５１において、圧電素子４２２，４５１の機械的な共振周波数ｆｃ付近の基本周波数ｆａを有する基本周波数信号Ｓａが生成され、信号発生器３５２において、周期的にその周波数ｆｂが増減する可変周波数信号Ｓｂが生成される。そして、これらの基本周波数信号Ｓａと可変周波数信号Ｓｂとに基づいて、周波数変調器３５３において周波数変調動作が行われる。
これにより、例えば図１３中の矢印Ｐ２１〜Ｐ２４等で示したように、基本周波数ｆａ（≒ｆｃ）を中心として３つ以上の周波数（ｆｃ＋１，ｆｃ−１，ｆｃ＋２，ｆｃ−２等）が周期的に変化する周波数変調信号が、制御信号Ｓ１，Ｓ２として生成される。したがって、従来のようなフィードバック制御を行うためのセンサ１０３等が不要となり、環境の変動（図中の矢印Ｐ１参照）に応じて制御信号Ｓ１，Ｓ２の周波数を圧電素子４２２，４５１の機械的な共振周波数ｆｃに合わせこむ必要がなくなる。その結果、圧電素子４２２，４５１に対する従来と同等の制御が、簡易な構成・制御により実現される。
ここで、従来の制御信号を用いた場合、例えば図１４に示したように、単一分周比、つまり単一周波数の出力では、例えば２４．８ｋＨｚ〜２５．８ｋＨｚの周波数範囲内で、７点の測定しかできない。これに対し、本実施の形態の制御信号Ｓ１，Ｓ２では、例えば図１５に示したように、複数分周比つまり複数周波数を出力することにより、単一周波数間の補完をすることが可能となり（図中の丸印参照）、より共振周波数に近づけることが可能となる。
以上のように本実施の形態では、圧電素子４２２，４５１に対する制御信号Ｓ１，Ｓ２の生成の際に、上記基本周波数信号Ｓａと上記可変周波数信号Ｓｂとに基づいて周波数変調動作を行うことにより、基本周波数ｆａを中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を上記制御信号Ｓ１，Ｓ２として生成するようにしたので、従来と同等の制御が簡易な構成・制御により実現される。よって、圧電素子を含む圧電振動機器に対して従来と同等の制御を行いつつ、システム全体の小型・簡素化を図ることが可能となる。また、共振回路を用いることなく周波数特性を拡大した駆動信号を得ることが可能になる。また、共振回路を構成する部品、コンデンサー、インダクターなどの大型部品を使用しないことから、電子回路ブロックの小型化が可能になる。
また、圧電素子４２２，４５２が有する固有振動数ｆｃに依存しないため、素子のばらつきが生じても駆動することができる。
さらに、制御部３５（例えば、マイクロコンピュータにより構成）内に２つの信号発生部（ファンクションジェネレータ）３５１，３５２を設けたとしても、制御部３５の構成規模は変わらない。したがって、演算処理装置などによって、素子バラつきを補う制御をおこなうためには、処理速度の大きな演算処理装置が必要となってしまうが、処理速度が小さな演算処理装置で制御することが可能になる。
なお、周波数変調信号（制御信号Ｓ１，Ｓ２）における周波数変化量は、可聴周波数領域の上限値（ｆmax＝１６ｋＨｚ程度）よりも高くなるように設定するのが好ましい。この上限値以下となると、可聴音が発生してしまうからである。
＜２．変形例および適用例＞
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、燃料ポンプ４２およびブロア４５における動作の両方を本発明の制御部によって制御する場合について説明したが、この場合には限られない。すなわち、燃料ポンプ４２およびブロア４５における動作のうちの少なくとも一方を、本発明の制御部によって制御するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、発電部１０が、互いに電気的に直列接続された６つの単位セルを含む場合について説明したが、単位セルの数はこれには限られない。例えば、発電部１０が１つの単位セルにより構成されていてもよく、また、２以上の任意の複数の単位セルにより構成されていてもよい。
また、上記実施の形態では、液体燃料４１を収容する燃料タンク４０を燃料電池システム５内に内蔵させる場合で説明したが、そのような燃料タンクが、燃料電池システムに対して着脱可能な構成としてもよい。
また、上記実施の形態では、気化供給型の燃料ポンプを例として挙げて説明したが、燃料ポンプの構成はこのような気化供給型には限られず、本発明は、燃料を循環させて発電する燃料電地システムにおいても有効である。
また、上記実施の形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、これ以外の種類の燃料電池システムについても適用することが可能である。
また、上記実施の形態では、圧電振動機器システムの一例として燃料電池システムについて説明したが、本発明は、燃料電池システム以外の圧電振動機器システムにも適用することが可能である。そのような圧電振動機器システムとしては、例えば、電子機器において、冷却目的のために空気を強制的に給排気する装置や、液体を循環させることによって機器内の発熱部を冷却する装置等を含むシステムが挙げられる。
本発明の圧電振動機器システム（例えば、燃料電池システム）は、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳またはＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。
１…燃料電池、１０…発電部、１０Ａ〜１０Ｆ…単位セル、１１…電解質膜、１２…燃料電極、１３…酸素電極、２０…接続部材、２０Ａ…端子、３３…昇圧回路、３４…二次電池、３５…制御部、３５１，３５２…信号発生器、３５３…周波数変調器、３６…増幅器（アンプ）、４０…燃料タンク、４１…液体燃料、４２…燃料ポンプ（圧電ポンプ）、４２０…ポンプ室、４２１…容器、４２２…圧電素子（圧電体）、４２３ａ，４２３ｂ…流路、４２４ａ…吸引口、４２４ｂ…排出口、４２５ａ，４２５ｂ…逆止弁、４３…ノズル、４４…燃料気化部、４５…ブロア、４５１…圧電素子（圧電体）、５…燃料電池システム、６…負荷、Ｖ１…発電電圧、Ｖ２…直流電圧、Ｉ１…発電電流、Ｐ０…位置、Ｐ３，Ｐ４…接続点、Ｔ２，Ｔ３…出力端子、Ｌ１Ｌ，Ｌ１Ｈ…接続ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、Ｓ１，Ｓ２…制御信号（周波数変調信号）、Ｓａ…基本周波数信号、Ｓｂ…可変周波数信号、Ｖａ，Ｖｂ２，Ｖｂ２…電圧、ｆｃ…圧電素子の機械的な共振周波数、ｔ１〜ｔ４…タイミング、Δｔ…燃料供給周期。
Claims (6)
- 圧電素子を含んで構成され、この圧電素子による振動を利用して所定の動作を行う圧電振動機器と、
前記圧電素子の振動周波数を制御することにより、前記圧電振動機器の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記圧電素子の機械的な共振周波数付近の基本周波数を有する基本周波数信号を生成する第１の信号発生部と、
周期的に周波数が増減する可変周波数信号を生成する第２の信号発生部と、
前記基本周波数信号と前記可変周波数信号とに基づいて周波数変調動作を行うことにより、前記基本周波数を中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を生成し、前記圧電振動機器の制御信号として出力する周波数変調部と
を有する圧電振動機器システム。 - 前記可変周波数信号の時間軸方向に沿ったタイミング波形が、電圧値が多段に変化する多段波形により構成されている
請求項１に記載の圧電振動機器システム。 - 前記可変周波数信号のタイミング波形を構成する多段波形が、略三角波の形状となっている
請求項２に記載の圧電振動機器システム。 - 前記周波数変調信号における周波数変化量が、可聴周波数領域の上限値よりも高くなるように設定されている
請求項１に記載の圧電振動機器システム。 - 燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部を備え、
前記圧電振動機器が、前記発電部側へ前記燃料および前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方を供給する圧電ポンプ部により構成され、
燃料電池システムとして構成されている
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧電振動機器システム。 - 圧電振動機器システムを備え、
前記圧電振動機器システムは、
圧電素子を含んで構成され、この圧電素子による振動を利用して所定の動作を行う圧電振動機器と、
前記圧電素子の振動周波数を制御することにより、前記圧電振動機器の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記圧電素子の機械的な共振周波数付近の基本周波数を有する基本周波数信号を生成する第１の信号発生部と、
周期的に周波数が増減する可変周波数信号を生成する第２の信号発生部と、
前記基本周波数信号と前記可変周波数信号とに基づいて周波数変調動作を行うことにより、前記基本周波数を中心として３つ以上の周波数が周期的に変化する周波数変調信号を生成し、前記圧電振動機器の制御信号として出力する周波数変調部と
を有する電子機器。
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