JP2010255447A - 送風デバイス駆動装置および送風デバイス駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電ブロアを共振周波数の駆動信号でもって駆動し、温度等による共振周波数の変動に対応して駆動信号の周波数を調整する。
【解決手段】圧電ブロアの圧電アクチュエータ３が振動制御電圧Ｖａによって駆動される。圧電アクチュエータ３が変位することによって発生した検出電圧Ｖｄが演算増幅器５６を介してコンパレータ５７に供給され、振動制御電圧Ｖａと比較される。コンパレータ５７の出力に取り出される検出電圧ＳＶｄがデジタルの検出データＤｄに変換され、ＣＰＵ５１に供給される。ＣＰＵ５１は、振動制御電圧Ｖａの周波数を変化させて検出電圧Ｖｄが最大となる周波数と等しい周波数の振動制御電圧を生成する。
【選択図】図４

Description

この発明は、例えば燃料電池に適用可能な送風デバイス駆動装置および駆動方法に関する。

燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質として固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer
Electrolyte Fuel Cell)が知られている。固体高分子型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源に適している。この固体高分子型燃料電池は、水素の他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ(Direct Methanol Fuel Cell)）が開発されている。

直接メタノール型燃料電池は、ベースプレート上に電解質膜と一対の電極とを一体化した膜電極接合体（ＭＥＡ(Membrane and Electrode Assembly) ）と、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤ガス流路を有する平板状セパレータとを交互に積層させる。燃料流路にメタノール水溶液を供給し、酸化剤ガス流路に空気を供給することにより電解質膜上で発電反応が行われる。直接メタノール燃料電池では、生成物として水と二酸化炭素が生成され、これらが排出される。

燃料電池として、複数の単位セル（燃料電池セル）を熱可塑性樹脂シート上に平面的に配し、複数の単位セルを直列に接続する構造の薄型の燃料電池ユニットが提案されている。薄型の燃料電池例えば直接メタノール燃料電池の場合、燃料としてのメタノール水溶液が燃料カートリッジから燃料電極（以下、アノード電極と称する）に供給される。酸素（空気）が外装筐体の開口を通じて空気電極（以下、カソード電極と称する）に供給される。メタノール水溶液の供給量、空気供給量、発電温度等の運転条件が設計された最適な状態に維持されることが必要である。

燃料電池への燃料の供給をポンプ等を使用する方式と、発電による生成物（水，二酸化炭素）をポンプ等の補機を使った排出する方式と、メタノール水溶液や空気等の自然拡散を利用し、補機を使わない方式が提案されている。空気の取込み、並びに冷却のための補機の一例として、圧電素子駆動タイプの送風デバイス（以下、圧電ブロアと称する）が使用される。圧電ブロアは、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって提供される。

下記の特許文献１には、マイクロポンプにおける圧電素子の挙動を検出することが記載されている。特許文献１では、ダイヤフラム駆動用圧電素子に対して検出用圧電素子を貼り付け、駆動用圧電素子に駆動信号を印加した時の立ち上がり波形からポンプ動作の異常を検出している。例えば、空気が入っていること等を検出している。

特開平０３−２２５０８５号公報

圧電ブロアを駆動する場合、圧電アクチュエータの寸法から決定される共振周波数付近の交流を印加すると、低い電圧によって振動させることができる。しかしながら、動作中の温度変動によって、共振周波数が変化し、駆動信号の周波数が共振周波数からずれる。その結果、圧電ブロアの振幅が小さくなり、例えば燃料電池における空気の流入量が減少したり、空気き排出量が減少する。その結果、燃料電池の発電の効率が低下する。

従来では、発電による温度上昇を検出して予め用意されている換算テーブルによって、駆動信号の周波数を制御している。しかしながら、温度変化を検出してから駆動信号の周波数を制御するまでに時間遅れが発生する問題があった。さらに、温度以外の要因による共振周波数の変化に対して適切な制御を行うことができない問題があった。例えば圧電ブロアの寸法のバラツキ、または圧電ブロアの取付け精度のバラツキに起因する共振周波数のずれに対処することができない。

したがって、この発明の目的は、共振周波数のずれに適切に対処することが可能な送風デバイス駆動装置および送風デバイス駆動方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに積層されたダイヤフラムと、ダイヤフラムの変位によって、圧縮および膨張されるポンプ室と、送風部の圧電アクチュエータに積層され、圧電アクチュエータの変位に応じた検出信号を出力する圧電検出部とを有する送風デバイスと、
送風デバイスに対して駆動信号を供給する駆動部と、
検出信号が供給され、駆動信号を制御する制御部とを備え、
制御部によって、駆動信号の周波数が圧電アクチュエータの共振周波数にほぼ一致するように、駆動信号の周波数が制御される送風デバイス駆動装置である。

この発明は、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに積層されたダイヤフラムと、ダイヤフラムの変位によって、圧縮および膨張されるポンプ室と、送風部の圧電アクチュエータに積層され、圧電アクチュエータの変位に応じた検出信号を出力する圧電検出部とを有する送風デバイスの駆動方法において、
圧電アクチュエータに対する駆動信号の周波数を圧電アクチュエータの共振周波数付近で変化させるステップと、
駆動信号の周波数を変化させた場合に、圧電アクチュエータの変位が最大となる周波数を検出信号から判定するステップと、
上記圧電アクチュエータの変位が最大となる周波数に駆動信号の周波数を設定するステップと
からなる送風デバイス駆動方法である。

この発明によれば、送風デバイスの実際の共振周波数とほぼ一致する周波数の駆動信号でもって、送風デバイスを駆動することができる。温度変化を検出するのと比較して、制御動作が遅れることを防止することができる。温度変化以外の要因による共振周波数のずれに対処することができる。

この発明の一実施の形態に使用できる圧電ブロアの一例の説明に用いる断面図である。 この発明の一実施の形態に使用できる燃料電池の説明に用いる分解斜視図である。 この発明の一実施の形態に使用できる圧電アクチュエータの説明に用いる略線図である。 この発明の一実施の形態の駆動制御部の一例の接続図である。 駆動制御部の説明に用いる波形図である。 この発明の一実施の形態における圧電ブロアの駆動制御処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の一実施の形態における圧電ブロアの駆動制御信号の周波数と検出データのレベルとの関係を示す略線図である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．一実施の形態＞
＜２．変形例＞
なお、以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

＜１．一実施の形態＞
「圧電ブロアの構成」
図１は、この発明の一実施の形態における圧電ブロア（送風デバイス）の一例の断面を示す。圧電ブロアは、ＭＥＭＳの技術でもって形成される。すなわち、薄板のダイヤフラム１が形成され、ダイヤフラム１に補強板２を挟んで圧電アクチュエータ３が積層される。ダイヤフラム１の面と対向して閉空間のポンプ室４が形成される。ポンプ室４の一部に空気の通る孔が形成されている。

ポンプ室４の外側に空気流入孔６ａ，６ｂが形成されている。さらに、上面板５に空気吐出孔７が形成されている。図示しないが、空気吸入孔６ａ，６ｂおよび空気吐出孔７には、それぞれ弁が設けられている。圧電ブロアは、２mm以下の超薄型の構成とでき、消費電力を少ないものとできる。

圧電アクチュエータ３が駆動制御部からの駆動信号によって駆動され、圧電アクチュエータ３が厚み方向に振動する。図１Ｂに示すように、圧電アクチュエータ３に貼り付けられたダイヤフラム１が振動し、吸入孔６ａ，６ｂを通じて空気がポンプ室４内に吸入される。さらに、ダイヤフラム１が反対方向に変位すると、図１Ｃに示すように、ポンプ室４内に吸引された空気が吐出孔７から排出される。

吸入孔６ａ，６ｂおよび吐出孔７のそれぞれに駆動制御部からの制御信号によって開閉が制御可能な弁が設けられている。一例として、圧電ブロアが駆動された場合、空気の吸入量と排出量とが等しいものとされている。圧電ブロアは、圧電アクチュエータ３に固有の共振周波数を有する。この発明では、圧電ブロアが実際に装置に取付けられた状態での共振周波数を考慮して駆動信号の周波数が設定される。

圧電ブロアは、燃料電池が収納された筐体内の発電部の近傍に配置される。例えば筐体に孔または溝を形成し、孔または溝の近傍に圧電ブロアが配置される。発電部１１は、燃料が供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、アノード電極およびカソード電極により挟まれる膜電極接合体と、アノード電極と積層されたアノード板状部材とを有する。圧電ブロアによって、空気の供給がなされると共に、空気が外部に排出され、放熱がなされる。発電部１１のカソード電極と積層されるように、圧電ブロアを設けることも可能である。

「燃料電池の構造」
燃料電池は、アルコール、糖分、脂質、など各種の材料を燃料とする。ここでは、メタノールを燃料とするいわゆるダイレクトメタルール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例として説明する。図示せぬシャーシ上にメイン基板および燃料電池および上述した圧電ブロアが取り付けられる。メイン基上には、燃料電池制御回路、制御用のＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ等の回路部品がマウントされている。シャーシに取り付けられる燃料電
池の一例を図２に示す。

燃料電池は、発電部１１を有する。発電部１１は、例えば６個の発電ユニットが平面状に配置され、互いに直列に接続された構成を有する。発電部１１は、アノード電極およびカソード電極によって電解質膜を挟んだ構造の膜電極接合体が絶縁シート等によって互いに連結されたものである。図２に示すように、集電体および絶縁層からなるカソードプレート（カソード板状部材）１２およびアノードプレート（アノード板状部材）１３によって膜電極接合体１４が挟まれている。発電部１１から正負の電極に対応するリード１５ａおよび１５ｂが導出されている。

さらに、燃料をアノード電極に供給するためのマイクロポンプ１６がパッキング１７を介して設けられている。マイクロポンプ１６によって燃料が発電部１１に供給される。カソードプレート１２の集電体としては、ステンレス、アルミニウム等のパンチングメタルやメッシュが用いられる。

発電部１１、パッキング１７およびマイクロポンプ１６が積層され、フレーム１８内に収納される。さらに、フレーム１９およびビスによって積層状態が固定される。フレーム１９は、各コーナーに取り付け用のタブ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを有する。フレーム１８にも同様の位置に取り付け用のタブが設けられ、積層した状態でタブ同士が重なり合うようにされる。各タブには、ビスを貫通させる孔が形成されている。さらに、マイクロポンプ１６には、燃料受入部２１が形成されている。

シャーシまたは筐体に対してビスによって燃料電池が取り付けられる。さらに、燃料供給用のチューブの端部がマイクロポンプ１６の燃料受入部２１に接続される。さらに、配線用のハーネス（図示せず）が接続される。

「圧電アクチュエータの一例」
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、圧電アクチュエータ３は、給電電極３１、圧電素子３２、共通電極３３、圧電素子３４および検出電極３５が積層されたものである。圧電素子３２および３４としては、ＰＺＴ等の圧電セラミックスを材料とするものを使用できる。給電電極３１からリードＬ１が導出され、共通電極３３からリードＬ２が導出され、検出電極３５からリードＬ３が導出される。

図３Ｂに示すように、給電電極３１および共通電極３３の間にアクチュエータ振動制御電圧Ｖａが印加される。振動制御電圧Ｖａに応じて圧電素子３２が撓むと、共通電極３３および検出電極３５の間に検出電圧Ｖｄが発生する。圧電素子３２および３４としては、１枚の圧電素子の板から構成に限らず、２枚以上の圧電素子の板を積層した構成のものを使用できる。さらに、駆動される圧電素子を２枚に分割し、２枚の圧電素子によって変位検出用の圧電素子を挟む構成としても良い。

振動制御電圧Ｖａとしては、例えば圧電アクチュエータ３の共振周波数に等しい周波数の正弦波が所定時間継続する期間と、正弦波が存在しない期間とが交互に存在する波形が使用される。正弦波の存在する期間と、正弦波が存在しない期間とは、例えば同じ長さに選定されている。但し、圧電ブロアを連続的に動作させる場合には、間欠的な駆動を行う必要がない。

「圧電アクチュエータの駆動制御部」
図４に示すように、Ｄ／Ａコンバータ５４から振動制御信号ＳＶａが出力される。振動制御信号ＳＶａが出力アンプ５５に供給され、出力アンプ５５からの振動制御電圧Ｖａが圧電アクチュエータ３の圧電素子３２に対して印加される。圧電素子３２が振動制御電圧Ｖａによって駆動される。Ｄ／Ａコンバータ５４と、出力アンプ５５とがアクチュエータ駆動回路５３を構成する。

圧電アクチュエータ３から検出電圧Ｖｄが出力される。検出電圧Ｖｄには、振動制御電圧Ｖａの成分が含まれている。検出電圧Ｖｄが演算増幅器５６に供給される。演算増幅器５６は、検出電圧Ｖｄを増幅した電圧Ｖｄ’をコンパレータ５７の一方の入力端子に供給する。コンパレータ５７の他方の入力端子に対して出力アンプ５５から振動制御電圧Ｖａが供給される。圧電アクチュエータ３が変位することによって発生した検出電圧Ｖｄは、入力インピーダンスが比較的大きい演算増幅器５６によって増幅される。さらに、演算増幅器５６は、積分回路（ローパスフィルタ）としての機能も有し、入力を保持する。演算増幅器５６から出力される検出電圧Ｖｄ’と、振動制御電圧Ｖａとがコンパレータ５７に供給される。

コンパレータ５７によって、検出電圧Ｖｄ’中の振動制御電圧Ｖａの成分が取り除かれる。図５Ａは、振動制御電圧Ｖａの一例の波形である。演算増幅器５６から図５Ｂに示すように、検出電圧Ｖｄ’が出力される。検出電圧Ｖｄ’は、振動制御電圧Ｖａが破線で示す検出電圧によって変調された信号である。コンパレータ５７において、検出電圧Ｖｄ’から振動制御電圧Ｖａが減算される。その結果、図５Ｃに示すように、コンパレータ５７の出力に検出電圧ＳＶｄが取り出される。

コンパレータ５７の出力に取り出される検出電圧ＳＶｄは、圧電アクチュエータ３の変位の振幅に比例して大きくなる。検出電圧ＳＶｄがＡ／Ｄコンバータ５８によってデジタルの検出データＤｄに変換される。圧電アクチュエータ３の変位の振幅は、振動制御電圧Ｖａの周波数が圧電アクチュエータ３の共振周波数と一致する場合に、最大となる。したがって、検出電圧ＳＶｄの振幅も、振動制御電圧Ｖａの周波数が圧電アクチュエータ３の共振周波数と一致する場合に、最大となる。

Ａ／Ｄコンバータ５８では、コンパレータ５７から出力される検出電圧ＳＶｄが例えば８μｓｅｃ程度の周期のクロック信号によってサンプリングされる。検出電圧ＳＶｄが正の場合には、入力有りと判断してサンプリング処理を続行し、検出電圧ＳＶｄが負の場合には、入力無しと判断してサンプリング処理を停止する。

検出データＤｄがコントローラとしてのＣＰＵ(Central Processing Unit)５１のＡ／
Ｄ入力ポートに供給される。ＣＰＵ５１に対してメモリ５２が接続されている。メモリ５２は、振動制御電圧Ｖａに対応する駆動パターンデータが格納されている。駆動パターンデータとして、圧電アクチュエータ３の予め求められている共振周波数と等しい周波数の振動制御電圧と、この周波数を中心とする範囲に存在する複数の周波数の振動制御電圧とが生成される。後述する周波数調整処理によって、圧電アクチュエータ３の実際の共振周波数が検出され、検出された共振周波数の振動制御電圧が圧電アクチュエータ３に対して供給される。

ＣＰＵ５１によってメモリ５２が制御され、ＣＰＵ５１が指定した駆動パターンデータＤｐがメモリ５２から読み出される。さらに、駆動パターンデータＤｐがＣＰＵ５１の制御によって、アクチュエータ駆動回路５３のＤ／Ａコンバータ５４に対して供給される。Ｄ／Ａコンバータ５４によって駆動パターンデータＤｐがアナログの振動制御信号ＳＶａへ変換される。振動制御信号ＳＶａが出力アンプ５５に供給され、出力アンプ５５から出力される振動制御電圧Ｖａが圧電アクチュエータ３に供給される。

「圧電ブロアの制御」
この発明の一実施の形態においては、圧電ブロアの動作が駆動制御部のＣＰＵ５１によって制御される。図６のフローチャートは、ＣＰＵ５１によってなされる駆動周波数の調整処理の流れを示す。最初のステップＳ１において、振動制御電圧の周波数の調整のためのスキャン動作が開始されるか否かが判定される。一例として、設定された時間周期でもって振動制御電圧の調整処理が行われるように設定される。さらに、燃料電池に圧電ブロアを使用する場合、燃料電池の温度を検出し、温度変化が設定された値以上になると調整処理が行われるようにしても良い。

ステップＳ２において、駆動パターンデータＤｐを変更することによって駆動周波数がシフトされる。図７に示すように、予め求められている共振周波数を中心とする周波数範囲を所定の周波数間隔で分割し、各周波数において検出データを取得し、検出データをＣＰＵ５１に設けられているメモリに記憶するようになされる。

例えば周波数Ｆ５が予め求められている共振周波数とすると、５０Hz間隔で周波数Ｆ１〜Ｆ９が設定される。共振周波数を予め求める場合、基準の温度例えば２５°Ｃにおける共振周波数が測定される。各周波数の駆動パターンデータＤｐがメモリ５２に記憶されている。分割周波数の個数、並びに周波数Ｆ１〜Ｆ９の間隔（５０Hz）は、一例であって、共振周波数の変動幅等を考慮して適宜設定される。

周波数Ｆ１〜Ｆ９の中で初期値が例えば最低の周波数Ｆ１とされ、周波数Ｆ１の振動制御電圧Ｖａによって圧電アクチュエータ３が駆動される。初期値から周波数を変更する場合に、ステップＳ２において、振動制御電圧Ｖａの周波数がシフトされる。周波数Ｆ１の振動制御電圧Ｖａによって圧電アクチュエータ３を駆動した場合の検出データＤｄのレベルＤｄ１がＣＰＵ５１のメモリに記憶される（ステップＳ３）。

次に、ステップＳ４において、スキャンが終了したか否かが判定される。周波数がＦ９に到達するまで、ステップＳ４の判定結果が否定となり、ステップＳ２（駆動周波数のシフト）およびステップＳ３（検出データの記憶）が繰り返してなされる。周波数がＦ１からＦ２、Ｆ３、・・・と順に周波数がシフトされ、周波数Ｆ９における検出データのレベルＤｄ９が記憶されると、ステップＳ４の判定結果が肯定となる。

ステップＳ４の判定結果が肯定となると、ステップＳ５において、メモリに記憶されている検出データのレベルＤｄ１〜Ｄｄ９の中の最大値が検出される。次のステップＳ６において、検出された最大値に対応して振動制御電圧Ｖａの周波数（駆動周波数）が設定される。例えば周波数Ｆ６の場合の検出データのレベルＤｄ６が最大値の場合には、周波数がＦ６が設定される。

上述した調整処理によって、圧電アクチュエータの共振周波数が温度変化、および他の要因によって、予め求められている周波数に対して変動しても、追随して駆動信号の周波数を変化させることができる。その結果、圧電ブロアを最良の条件でもって駆動することができる。燃料電池に対してこの発明を適用した場合には、空気の取込み、放熱を良好に行うことができ、効率を高くすることができる。

＜２．変形例＞
この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば図５に示す駆動制御部の構成は、一例であって、他の回路構成が可能である。例えば演算増幅器５６の代わりに積分回路を設けるようにしても良い。さらに、アナログ回路のコンパレータに限らず、デジタル信号に変換してから比較を行うようにしても良い。さらに、周波数初期値Ｆｉから開始して周波数を（Ｆｉ＋ΔＦ）および（Ｆｉ−ΔＦ）に順に変化させてより大きなレベルの検出データを見つけることによって、最大値を検出するようにしても良い。

１・・・ダイヤフラム
３・・・圧電アクチュエータ
４・・・ポンプ室
６ａ，６ｂ・・・空気流入孔
７・・・空気吐出孔
１１・・・発電部
１４・・・膜電極集合体
３２，３４・・・圧電素子
５１・・・ＣＰＵ
５３・・・アクチュエータ駆動回路

Claims (6)

1. 圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに積層されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの変位によって、圧縮および膨張されるポンプ室と、前記送風部の前記圧電アクチュエータに積層され、前記圧電アクチュエータの変位に応じた検出信号を出力する圧電検出部とを有する送風デバイスと、
   前記送風デバイスに対して駆動信号を供給する駆動部と、
   前記検出信号が供給され、前記駆動信号を制御する制御部とを備え、
   前記制御部によって、前記駆動信号の周波数が前記圧電アクチュエータの共振周波数にほぼ一致するように、前記駆動信号の周波数が制御される送風デバイス駆動装置。
2. 前記圧電検出部は、前記圧電アクチュエータの変位の振幅に応じたレベルの検出信号を発生する請求項１記載の送風デバイス駆動装置。
3. 前記送風デバイスにより燃料電池に対する空気の吸入および吐出が補助される請求項１記載の送風デバイス駆動装置。
4. 圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに積層されたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの変位によって、圧縮および膨張されるポンプ室と、前記送風部の前記圧電アクチュエータに積層され、前記圧電アクチュエータの変位に応じた検出信号を出力する圧電検出部とを有する送風デバイスの駆動方法において、
   前記圧電アクチュエータに対する駆動信号の周波数を前記圧電アクチュエータの共振周波数付近で変化させるステップと、
   前記駆動信号の周波数を変化させた場合に、前記圧電アクチュエータの変位が最大となる周波数を前記検出信号から判定するステップと、
   上記圧電アクチュエータの変位が最大となる周波数に前記駆動信号の周波数を設定するステップと
   からなる送風デバイス駆動方法。
5. 前記検出信号は、前記圧電アクチュエータの変位の振幅に応じたレベルの信号である請求項４記載の送風デバイス駆動方法。
6. 前記送風デバイスにより燃料電池に対する空気の吸入および吐出を補助する請求項４記載の送風デバイス駆動方法。

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