(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながら直線性の良い台形状波形を出力することができ、結果として送液が効率良く小型化が可能となるマイクロポンプ駆動回路を提供する。【解決手段】圧電素子に台形状の駆動信号を印加することで、圧電素子が変形されて生じる圧力変動により送液が行われるマイクロポンプを駆動するためのマイクロポンプ駆動回路であって、第１のオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ、コンデンサと並列に接続される第１のスイッチ、反転入力端子に接続されるコンデンサの充電を制御するための第２のスイッチを備えた第１の定電流部とコンデンサの放電を制御するための第３のスイッチを備えた第２の定電流部、第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチの開閉制御をするためのスイッチ制御部を含む台形状信号発生部と、台形状信号発生部からの出力信号を増幅するための信号増幅部と、を有する。【選択図】図１
2007205189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に台形状の駆動信号を印加することで、前記圧電素子が変形されて生じる圧力変動により送液が行われるマイクロポンプを駆動するためのマイクロポンプ駆動回路であって、
第１のオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ、前記コンデンサと並列に接続され前記コンデンサを放電させるための第１のスイッチ、前記反転入力端子に接続され前記コンデンサの充電を制御するための第２のスイッチを備えた第１の定電流部、及び前記反転入力端子に接続され前記コンデンサの放電を制御するための第３のスイッチを備えた第２の定電流部、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記第３のスイッチの開閉を制御するためのスイッチ制御部を含む台形状信号発生部と、
前記台形状信号発生部から出力される信号を増幅するためのオペアンプで構成される信号増幅部と、を有することを特徴とするマイクロポンプ駆動回路。
【請求項２】
前記スイッチ制御部は、前記第１のスイッチを一定期間閉じる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項３】
前記スイッチ制御部は、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記第３のスイッチとを同時に一定期間開く制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項４】
前記台形状信号発生部及び前記信号増幅部に電圧を供給する電源を正の電源及び負の電源とする場合、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧値の絶対値の大きい方の値は、
前記信号増幅部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧値の絶対値の大きい方の値より小さいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項５】
前記台形状信号発生部及び前記信号増幅部に電圧を供給する電源を正の電源及び負の電源とする場合、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧値の絶対値とは、いずれか一方が小さく、
前記信号増幅部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧の絶対値との大小関係は、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧の絶対値との大小関係と同じであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項６】
前記台形状信号発生部及び前記信号増幅部に電圧を供給する電源を正の電源及び負の電源とする場合、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源又は負の電源の電圧値の絶対値が小さい方の電源及び前記信号増幅部に電圧を供給する正の電源又は負の電源の電圧値の絶対値が小さい方の電源の少なくとも１つの電源は、チャージポンプ型ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項７】
前記信号増幅部を構成する前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるフィードバック抵抗は、前記フィードバック抵抗の値が可変制御可能であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項８】
前記信号増幅部へ入力される信号は、分圧制御可能な分圧器により前記台形状信号発生部から出力される信号が分圧されている信号であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載のマイクロポンプ駆動回路と、前記マイクロポンプ駆動回路により駆動されるマイクロポンプと、を備えていることを特徴とするマイクロポンプ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロポンプ装置と、前記マイクロポンプ装置により少なくとも燃料の供給が行われる燃料電池セルと、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ駆動回路、マイクロポンプ装置及び燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の幕開けと共に電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のＬｉ電池はその理論限界に近づいており、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。この様な状況の下、質量（容積）あたりのエネルギー密度から従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池に注目が集まってきている。燃料電池の中でも特に構造が簡単、燃料の入手が容易、低コスト、低温での動作が可能等携帯機器向けの燃料電池として優れた特性を持つ直接型メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；以下、ＤＭＦＣと称する。）が携帯機器用として盛んに開発が行なわれている。
【０００３】
ＤＭＦＣは燃料供給の方法により２つのタイプに分類される。ひとつはアクティブ型と呼ばれる電池への燃料供給をポンプにより行なうタイプともうひとつはパッシブ型と呼ばれるポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。
【０００４】
ここでＤＭＦＣの反応式を下記に示す。
アノード側：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６ｅ-＋６Ｈ+
カソード側：（３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
全反応：ＣＨ3ＯＨ＋（３／２）Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ
上記の反応式によればメタノールと水はアノード（燃料）極において等モルで反応し、ＣＯ2と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2は外部に排出され、電子は外部回路を通ってカソード（酸素）極に、プロトンは電解質膜を通ってカソード（酸素）極にそれぞれ別ルートで送られ、そこで反応し水分子３個を生成する。
【０００５】
アクティブ型の燃料電池においては、高濃度の燃料液であるメタノール溶液と希釈用液体である水を混合した燃料混合液をポンプを用いて燃料電池のアノード極に供給される。また、カソード極で生成される水を希釈用液体として回収して利用するため、ポンプを用いて希釈用液体が貯蔵されている容器に輸送したり、アノード極に供給された燃料混合液の余剰分を回収して利用するため、ポンプを用いて燃料液が貯蔵されている容器に輸送したり場合がある。こうしたアクティブ型燃料電池においては、メタノール溶液を輸送するポンプと、希釈用液体である水を輸送するポンプとに加えて、更に水及び余剰燃料混合液を回収するポンプとが必要となり４つのポンプが必要となる。
【０００６】
携帯型の燃料電池を実現するためには燃料電池を小形、薄型にする要求があり、この要求に応じるポンプとして、小型で微少量の液体輸送を可能とするダイヤフラムが利用され、圧電素子で駆動されるマイクロポンプがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
マイクロポンプを構成している圧電素子を駆動させるためには３０Ｖ以上の比較的高い駆動電圧が必要とされ、マイクロポンプ駆動回路部には、３０Ｖ以上の電圧を供給する必要がある。
【０００８】
一方、燃料電池の単セルの出力電圧は通常０．３Ｖ程度と低く、出力電圧を大きくするためにセルを積層構造にすることが考えられる。積層構造とするとセル同士の接続抵抗より発電効率が低下する等から、セルの数を出来る限り少なくする方が望ましいとされている。よって、単セルを直列に接続して出力電圧を高くするとしても、圧電素子の駆動を可能とする高電圧を得るためには、燃料電池から得られる低電圧から高電圧を得るための昇圧手段である昇圧回路を備えることは必須とされている。
【０００９】
また、マイクロポンプ駆動回路部で消費される電力が大きくなると、マイクロポンプ駆動回路部に電力を供給するために燃料電池で消費される電力も大きくなってしまい、燃料電池そのものが大きくなってしまうことから、出来る限りマイクロポンプ駆動回路部で消費される電力を抑える必要がある。
【００１０】
更に、圧電素子で駆動されるマイクロポンプの駆動方法に関して、圧電素子に台形状波形の電圧を印加し、その台形状波形の電圧は立ち上がり部、フラット部、立下り部より構成され、その立ち上がり部及び立ち下がり部の傾きにより送液方向を制御することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
この台形状波形の駆動電圧を圧電素子に供給する装置として、メモリに台形状の駆動波形を記憶させて、アドレスカウンタによりこのメモリのアドレスを順次インクリメントしてアクセスすることでメモリの駆動波形データを所定の周期で読み出し、読み出された駆動波形データをＤ／Ａ変換によりアナログ電圧信号とし、このアナログ電圧信号をゲイン調整回路を介してマイクロポンプに供給するものが有る（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献２】特開２００４−１６９７０６号公報
【特許文献３】特開２００４−２３０４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献３によれば、デジタル回路を用いて台形状の駆動波形の信号を発生させているため、傾斜部が１ビット毎の階段状になってしまい、滑らかな直線が得られないことから送液が効率良く行われないという問題がある。Ｄ／Ａ変換器に入力するビット数を出来る限り多くすることで傾斜部をより直線に近づけることが可能であるが、ビット数の多いＤ／Ａコンバータは高価であり消費電力も大きくなるという問題があった。
【００１３】
また、台形状波形を得るための他の手段として、第１０図（ａ）に示すように鋸歯発生回路を用いて得られる鋸歯状波形の信号を、次段のアンプを用いて鋸歯状波形の高電圧部は電源電圧レベル、低電圧部はＧＮＤレベルを超えるまで信号を増幅することにより鋸歯状波形の信号の上端部及び下端部とをクリップすることでフラットな領域を得る回路を用いることも考えられる。しかし、第１０図（ｂ）のＭ４０  ＯＵＴの出力波形に示すようにクリップした部分の上端部及び下端部の平坦性が悪く、送液が効率良く行われないという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡単な構成でありながら直線性の良い台形状波形を出力することができ、結果として送液が効率良く小型化が可能となるマイクロポンプ駆動回路、このマイクロポンプ駆動回路を備えたマイクロポンプ装置及びこのマイクロポンプ装置を備えた燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
【００１６】
１．  圧電素子に台形状の駆動信号を印加することで、前記圧電素子が変形されて生じる圧力変動により送液が行われるマイクロポンプを駆動するためのマイクロポンプ駆動回路であって、
第１のオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ、前記コンデンサと並列に接続され前記コンデンサを放電させるための第１のスイッチ、前記反転入力端子に接続され前記コンデンサの充電を制御するための第２のスイッチを備えた第１の定電流部、及び前記反転入力端子に接続され前記コンデンサの放電を制御するための第３のスイッチを備えた第２の定電流部、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記第３のスイッチの開閉を制御するためのスイッチ制御部を含む台形状信号発生部と、
前記台形状信号発生部から出力される信号を増幅するためのオペアンプで構成される信号増幅部と、を有することを特徴とするマイクロポンプ駆動回路。
【００１７】
２．  前記スイッチ制御部は、前記第１のスイッチを一定期間閉じる制御を行うことを特徴とする１に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００１８】
３．  前記スイッチ制御部は、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記第３のスイッチとを同時に一定期間開く制御を行うことを特徴とする１又は２に記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００１９】
４．  前記台形状信号発生部及び前記信号増幅部に電圧を供給する電源を正の電源及び負の電源とする場合、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧値の絶対値の大きい方の値は、
前記信号増幅部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧値の絶対値の大きい方の値より小さいことを特徴とする１乃至３の何れか１つに記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００２０】
５．  前記台形状信号発生部及び前記信号増幅部に電圧を供給する電源を正の電源及び負の電源とする場合、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧値の絶対値とは、いずれか一方が小さく、
前記信号増幅部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧の絶対値との大小関係は、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源の電圧値と負の電源の電圧の絶対値との大小関係と同じであることを特徴とする１乃至４の何れか１つに記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００２１】
６．  前記台形状信号発生部及び前記信号増幅部に電圧を供給する電源を正の電源及び負の電源とする場合、
前記台形状信号発生部に電圧を供給する正の電源又は負の電源の電圧値の絶対値が小さい方の電源及び前記信号増幅部に電圧を供給する正の電源又は負の電源の電圧値の絶対値が小さい方の電源の少なくとも１つの電源は、チャージポンプ型ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする１乃至５の何れか１つに記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００２２】
７．  前記信号増幅部を構成する前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるフィードバック抵抗は、前記フィードバック抵抗の値が可変制御可能であることを特徴とする１乃至６の何れか１つに記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００２３】
８．  前記信号増幅部へ入力される信号は、分圧制御可能な分圧器により前記台形状信号発生部から出力される信号が分圧されている信号であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１つに記載のマイクロポンプ駆動回路。
【００２４】
９．  １乃至８の何れか１つに記載のマイクロポンプ駆動回路と、前記マイクロポンプ駆動回路により駆動されるマイクロポンプと、を備えていることを特徴とするマイクロポンプ装置。
【００２５】
１０．  ９に記載のマイクロポンプ装置と、前記マイクロポンプ装置により少なくとも燃料の供給が行われる燃料電池セルと、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、台形状信号発生部の第１のオペアンプは積分回路として動作することができ、コンデンサに充電する場合及び放電させる場合は、何れの場合も第１及び第２の定電流部を用いることで定電流でもって充電及び放電することができる。
【００２７】
コンデンサの充放電に定電流部が用いられることで、台形状信号発生部は、第２のスイッチを閉じることで可能となる充電時、及び第３のスイッチを閉じることで可能となる放電時のそれぞれにおける出力電圧を、直線性良く立ち上げたり立ち下げたりすることができる。
【００２８】
また、台形状信号発生部から発生する台形状信号が小さい状態であっても信号増幅部において台形状信号をマイクロポンプの駆動を可能とする大きな信号にすることが可能であるため、コンデンサによる充放電を小さい振幅でもって行うことで消費電力を抑えることができる。
【００２９】
従って、簡単な構成で直線性の良い台形状波形を出力でき、小型化が可能となるマイクロポンプ駆動回路を提供することができる。
【００３０】
また、スイッチ制御部により第１のスイッチ、第２のスイッチ及び第３のスイッチの開閉制御を行うことで、例えば、第１のスイッチを一定期間閉じることでコンデンサを完全に放電させることができると共に第１のオペアンプの出力電圧を第１のオペアンプの非反転入力端子に印加されている電圧と同じ値とすることができ、非反転入力端子に一定の値の電圧を印加することで台形状信号発生部の出力電圧を一定期間一定の値に保つことが可能となる。
【００３１】
更に、スイッチ制御部により第１のスイッチ、第２のスイッチ及び第３のスイッチを全て同時に一定期間開くことで、コンデンサの電荷を一定期間増減させない状態とすることができることから第１のオペアンプの出力電圧を、全てのスイッチを開く直前の出力電圧値に一定期間維持することができる。
【００３２】
請求項９及び１０に記載の発明によれば、マイクロポンプ駆動回路は、上記の効果を有するに加え、台形状信号発生部及び信号増幅部における消費電力を抑えることが可能となり、また構成が簡単な電源を用いることを可能としている。
【００３３】
従って、上述のマイクロポンプ駆動回路を備えることで、燃料液等の輸送効率の良い小型化が可能となるマイクロポンプ装置及び燃料電池装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明に係わるマイクロポンプの駆動回路を使用した燃料電池装置の一例を図５に示す。図５に示す燃料電池装置Ａは、燃料電池としてＤＭＦＣを採用しており、この燃料電池１−１３に燃料液供給部Ｂから混合燃料液を供給して発電させることができる。
【００３５】
燃料電池１−１３は、電解質膜の両面にアノード拡散電極（以下、アノードと称する。）とカソード拡散電極（以下、カソードと称する。）を接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１−１４と称される構造のもので、アノードにはセパレータを貼り合わせてアノード室１−１５を形成してあり、カソードにもセパレータを貼り合わせてカソード室１−１６を形成してある。
【００３６】
アノード室１−１５は、燃料液供給口１−３１及び燃料液回収口１−３３を有している。また、アノード室１−１５は、燃料液供給部Ｂから燃料液供給口１−３１に供給される混合燃料液をアノードの全体に分散供給するための液通路（図示してない）を有している。
【００３７】
カソード室１−１６は、電気化学反応によりカソード側に生成される液（水）やアノード側から電解質膜を通過してカソード側へ移動してくることがある液を、カソードの全体から回収する液通路及びこの液通路から液を排出する液排出口１−３５を有している。さらに、カソード室１−１６は、カソードに対し外部から空気（酸素）を取り入れるための通気孔（図示してない）も有している。通気孔は外からカソード室１−１６内への空気の通過は可能であるがカソード室１−１６内から外への液体の通過を阻止するように微細孔を形成し、撥水処理を施したものである。
【００３８】
また、カソード室１−１６から排出される水等の液体を回収して貯蔵する水回収タンク１−１内の希釈用液体（以下、水とする。）と、アノード室１−１５から排出される余剰燃料を回収して貯蔵する燃料回収タンク１−２内の燃料液とは、それぞれ水輸送ポンプＭＰ１１及び燃料輸送ポンプＭＰ１２を用いて混合され、混合された一定濃度の燃料として燃料電池のアノード室１−１５に供給されている。アノード室１−１５から排出される余剰燃料はＭＰ１４駆動回路１−１１によって動作する余剰燃料回収ポンプＭＰ１４で燃料回収タンク１−２に輸送され、カソード室１−１６から排出される水はＭＰ１３駆動回路１−１０によって動作する水回収ポンプＭＰ１３で水回収タンク１−１に輸送される。
【００３９】
燃料回収タンク１−２内には予め高濃度（通常約６０質量％）のメタノールが燃料液として貯蔵されているが、アノード室１−１５に供給される燃料濃度は約３質量％にされている。
【００４０】
上記の燃料電池装置Ａには、ダイヤフラムが利用され、圧電素子で駆動されるマイクロポンプ（ＭＰ）が４個（ＭＰ１１、ＭＰ１２、ＭＰ１３、ＭＰ１４）使用され、それぞれのマイクロポンプに駆動回路が備えられている。
【００４１】
以下、マイクロポンプ装置の構成及びその駆動に関して説明する。
【００４２】
本実施形態のマイクロポンプ装置は、マイクロポンプ本体とその駆動回路によって構成される。図１に第１の実施の形態であるマイクロポンプの駆動回路を示す。図２は、図１に示す駆動回路における主な場所における信号の様子を示している。また、図３には駆動されるマイクロポンプの構造を示す。図４にマイクロポンプを駆動させるために圧電素子に印加される台形状の駆動信号波形を示す。
【００４３】
図３（ａ）は、マイクロポンプの縦断面を、また図３（ｂ）はマイクロポンプを圧電素子が設けてある側よりの様子を模式的に示している。図３が示す２つのマイクロポンプＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂは、流路３−７（４−５）を挟んで対称に連通された状態に配置されている。
【００４４】
ここで、片方のマイクロポンプＭＰ１ｂを用いてマイクロポンプの構造及び動作に関して説明する。マイクロポンプＭＰ１ｂは、シリコン基板３−２（４−１０）を用い、フォトリソグラフィ及びエッチング処理によって、チャンバー３−８（４−７）、開口部３−７（４−５），３−９（４−８）、および流路３−６（４−４），３−１０（４−９）などを構成するための溝または窪みを形成し、その下に底板となるガラス基板３−１１が接合されている。チャンバー３−８（４−７）の振動板（ダイヤフラム）の部分３−４ｆに、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスなどの圧電素子３−４（４−６）が接着して貼り付けられる。尚、流路３−６（４−４）は、マイクロポンプＭＰ１ａのチャンバーであるが、ここでは、マイクロポンプＭＰ１ｂに注目していることから流路としている。
【００４５】
駆動回路３−２０によって、圧電素子３−４（４−６）に図４（ａ）に示す台形状の波形の電圧が印加されることにより、シリコン薄板であるダイヤフラム３−４ｆと圧電素子３−４（４−６）とがユニモルフモードの屈曲変形することを利用して、チャンバー３−８（４−７）の容積が増減される。
【００４６】
マイクロポンプＭＰ１ｂでは、開口部３−７（４−５）及び開口部３−９（４−８）の有効断面積は、流路３−６（４−４）及び流路３−１０（４−９）の有効断面積よりも小さい。そして、開口部３−９（４−８）は、チャンバー３−８（４−７）内の圧力を上昇（吐出工程）または下降（吸入工程）させたときの流路抵抗の変化割合が、開口部３−７（４−５）のそれよりも小さく設定されている。開口部３−７（４−５）及び開口部３−９（４−８）のこのような流路抵抗特性を利用して、チャンバー３−８（４−７）に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、吐出工程および吸入工程のそれぞれにおいて開口部３−７（４−５）及び開口部３−９（４−８）のうち流路抵抗の低い方により多くの流体を吐出または吸入するようなポンプ作用を実現することができる。
【００４７】
このようなチャンバー３−８（４−７）の圧力制御は、圧電素子３−４（４−６）に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラム３−４ｆの変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。すなわち、定速で立ち上がって所定期間一定に保持された後に定速で立ち下がるような台形状の波形となるように駆動電圧を制御する。特に、マイクロポンプＭＰ１ｂの２つの開口部３−７（４−５）及び開口部３−９（４−８）は上述のとおり圧力変化に対する流路抵抗の変化割合が異なるため、台形波の立ち上がり速度と立ち下がり速度とを異ならせることによって、所定方向への流体輸送が実現される。例えば、圧電素子３−４（４−６）に図４（ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路３−１０（４−９）の側に吐出し、図４（ｂ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路３−６（４−４）の側に吐出する。
【００４８】
尚、上述のマイクロポンプＭＰの動作原理および製造方法などについての詳細は、特許文献１を参照することができる。
【００４９】
また、本実施の形態におけるマイクロポンプの構造は流路に２つのマイクロポンプＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂが流路３−７を挟んで対称な位置に配置され接続されている。このように設けたマイクロポンプＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂの圧電素子３−３に図４（ａ）に示す、また圧電素子３−４に図４（ｂ）に示す、立ち上がり及び下がりの波形が反転した波形の電圧をそれぞれ印加することによって、送液量を多くすることが可能となり、更に単独のマイクロポンプを駆動する場合よりも振動やこれに伴う音が押さえられて送液特性がより向上するという効果がある。このような直列配列されたマイクロポンプに関する詳細は、特許文献２を参照することができる。
【００５０】
上述したマイクロポンプＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂに接続される駆動回路に関して説明する。図１に示す駆動回路ＭＤ１は、電源電圧を＋Ｖｄ１及び−Ｖｄとする低電圧系の基本台形波発生回路部Ｄと電源電圧を＋Ｖｄ２及び−Ｖｄとする高電圧系の信号増幅回路部Ｆとで構成される。各電源電圧は、＋Ｖｄ１はＤＣ＋５Ｖ、−ＶｄはＤＣ−４Ｖ、＋Ｖｄ２はＤＣ＋３２Ｖとしている。
【００５１】
基本信号発生回路部Ｄは積分回路を構成するオペアンプＭ１の反転入力端子端子（−）と出力端子と間に積分コンデンサＣが接続されており、この積分コンデンサＣと並列に積分コンデンサＣに蓄積された電荷を放電することで零とするためのスイッチ素子Ｓ３が接続されている。また、オペアンプＭ１の反転入力端子には台形波の立ち上がり及び下がりの傾きを決めるための抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２が並列に接続されており抵抗１及び抵抗Ｒ２にはそれぞれスイッチ素子Ｓ１及びスイッチ素子Ｓ２が直列に接続されている。
【００５２】
スイッチ素子Ｓ１のもう一方の端子は＋Ｖｄ１に接続され、スイッチ素子Ｓ２のもう一方の端子はＧＮＤ（０Ｖ）に接続されている。オペアンプＭ１の非反転入力端子（＋）は＋Ｖｄ１をポテンショメータまたはトリマ等の可変抵抗ＶＲ４により分圧された電圧＋Ｖｂ１（ＤＣ＋２．５Ｖとしている。）が入力されることでオペアンプＭ１の出力Ｍ１ＯＵＴがバイアスされている。
【００５３】
また、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２及びＳ３は、アナログスイッチを用いており、このアナログスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３のオン／オフが制御されるためのそれぞれの信号ＰＵＬＳＥ２，ＰＵＬＳＥ３及びＰＵＬＳＥ１は、各スイッチ素子の開閉を制御するためのスイッチ制御部であるパルス発生回路ＰＧに接続されている。
【００５４】
次に上述した基本台形波発生回路部Ｄの動作に関して説明する。ここで、各アナログスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２及びＳ３は、そのオン／オフを制御する信号レベルがＨＩＧＨとする場合、オン状態になるとする。
【００５５】
まず、パルス発生回路ＰＧからスイッチ素子Ｓ３に供給される信号ＰＵＬＳＥ１のレベルがＨＩＧＨの期間はスイッチ素子Ｓ３が閉じる（オン状態）ことで、積分コンデンサＣに充電されていた電荷は放電されオペアンプＭ１の出力電圧は非反転入力端子に入力される電圧＋Ｖｂ１（２．５Ｖ）に保持される。この時、信号ＰＵＬＳＥ２及び信号ＰＵＬＳＥ３のレベルはＬＯＷであるためスイッチ素子Ｓ１及びＳ２は開いた状態（オフ状態）である。
【００５６】
次に信号ＰＵＬＳＥ１のレベルがＬＯＷに変化するとスイッチ素子Ｓ３が開く（オフ状態）と同時に信号ＰＵＬＳＥ２のレベルがＨＩＧＨになることでスイッチ素子Ｓ１が閉じて（オン状態）、電源＋Ｖｄ１から抵抗Ｒ１に向かって一定電流（概（＋Ｖｄ１−Ｖｂ１）／Ｒ１）が流れ、積分コンデンサＣが抵抗Ｒ１と積分コンデンサＣによって決まる時定数（Ｃ×Ｒ１）で一定の傾きをもってオペアンプＭ１の出力電圧が降下していく（図２  Ｍ１ＯＵＴ参照）。
【００５７】
次に、オペアンプＭ１の出力電圧が０Ｖに到達する時点でスイッチ素子Ｓ１及びＳ２ともＯＦＦする期間を設けることで積分コンデンサＣの電荷量は一定に保持されることとなる。従って、オペアンプＭ１の出力電圧Ｍ１ＯＵＴは、台形波の底部を一定の値（ＧＮＤ（０Ｖ））に維持することができる。
【００５８】
次に、信号ＰＵＬＳＥ３をＨＩＧＨにすることでスイッチ素子Ｓ２が閉じられて抵抗Ｒ２を通して０Ｖに向かって一定電流（＋Ｖｂ１／Ｒ２）が流れ、抵抗Ｒ２と積分コンデンサＣによって決まる時定数（Ｃ×Ｒ２）で一定の傾きをもってオペアンプＭ１の出力電圧Ｍ１ＯＵＴが上昇していく。
【００５９】
基本台形波発生回路部Ｄに供給されるプラス電源電圧＋Ｖｄ１は５Ｖ、またマイナス電源電圧−Ｖｄは−４Ｖとしている。圧電素子を駆動するためには、圧電素子に印加する電圧を３０Ｖ程度とする必要があるが、基本台形波発生回路部Ｄの後段に後述する信号増幅器Ｆを設けることで、基本台形波発生回路部Ｄから出力される台形状波形の出力電圧幅は、例えば０Ｖから２．５Ｖ程度であれば十分であることから、上記のプラス電源電圧＋Ｖｄ１は５Ｖ、またマイナス電源電圧−Ｖｄは−４Ｖの低電圧とすることができる。こうした低電圧とすることで、基本台形波発生回路部Ｄにおける消費電力を抑えることができる。また、このマイナス電圧電源−Ｖｄは、ＨＩＧＨレベルを５Ｖとする信号ＰＵＬＳＥ３を簡単な回路で構成されるチャージポンプ型ＤＣ／ＤＣコンバータＮＰＳに入力することで容易に実現することできる。チャージポンプ型ＤＣ／ＤＣコンバータＮＰＳの構成の例を図６に示す。図６に示すチャージポンプ型ＤＣ／ＤＣコンバータＮＰＳは、コンデンサＣ６−１及びＣ６−２、ダイオードＤ６−１及びＤ６−２より構成され、ＰＵＬＳＥ３より、例えばＴＴＬレベルのパルス信号が入力されると、コンデンサＣ６−２に負の電荷が蓄積されることから、連続してパルス信号が入力されると、負電源として機能することができる。
【００６０】
また、積分回路を構成するオペアンプＭ１はその電源に流れる電流量がなるべく小さい方が好ましく、低消費電力タイプのオペアンプを使用するのが望ましい。
【００６１】
次に信号増幅回路部Ｆに関して説明する。マイクロポンプＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂを駆動するためには約３０Ｖの駆動電圧が必要であり、０Ｖから２．５Ｖの間で台形波を出力する基本台形波発生回路部Ｄの出力電圧を増幅する必要がある。このためオペアンプＭ１の出力に増幅用オペアンプＭ２及びＭ３を接続することで、０Ｖから２．５Ｖの間の基本台形波を０Ｖから３０Ｖの間の台形波とすることができる。
【００６２】
オペアンプＭ２は反転型増幅器を構成しており、基本台形波発生回路部Ｄの出力電圧がＲ６／Ｒ５の増幅率で反転増幅される。また、オペアンプＭ２の非反転入力端子には、電源電圧＋Ｖｄ１が可変抵抗ＶＲ７により分圧された＋Ｖｂ２が、台形波のＧＮＤレベルを調整するためレベルシフト用電圧として供給されている。また、オペアンプＭ３は非反転型増幅器を構成しており、基本台形波発生回路部Ｄの出力電圧が増幅率（１＋Ｒ９／Ｒ８）で非反転増幅されている。
【００６３】
従って、図２で示す様に、基本台形波発生回路部Ｄの出力電圧Ｍ１ＯＵＴは、信号増幅回路部Ｆに入力され、オペアンプＭ２による反転増幅及びＭ３による非反転増幅されることで、図２に示すそれぞれの出力電圧が０Ｖから３０Ｖの間で変化する台形波Ｍ２ＯＵＴ及びＭ３ＯＵＴが得られる。信号増幅回路部Ｆの出力端子Ｍ２ＯＵＴ、Ｍ３ＯＵＴ及びＧＮＤは、それぞれ圧電素子３−３、３−４の電極（図示しない）及び共通電極（図示しない）に接続され、マイクロポンプＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂを駆動することができる。
【００６４】
ここで、信号増幅回路部Ｆでは、オペアンプＭ２及びＭ３のプラス電源＋Ｖｄ２をＤＣ＋３２Ｖ、マイナス電源−Ｖｄを前述のチャージポンプ型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いて−４Ｖとしている。この様に構成することにより、信号増幅回路部Ｆは、圧電素子を駆動する上で必要とされる出力電圧３０Ｖ以上を確保することができ、台形状波形の底部の形状をＯＶ近傍で確保することができ、更にマイナス電源−Ｖｄの絶対値がプラス電源＋Ｖｄ２より低く設定されていることから消費電力を抑えることができる。
【００６５】
また、オペアンプＭ２及びＭ３に供給される電源電圧幅（｜＋Ｖｄ２｜＋｜−Ｖｄ｜）は３６Ｖとなることから、電源電圧幅４０Ｖで使用することが可能な安価な汎用オペアンプで十分対応することができ、またその消費電力を抑えることができる。
【００６６】
尚、上記マイクロポンプの駆動回路のプラス電源＋Ｖｄ１並びに＋Ｖｄ２及びマイナス電源−Ｖｄは、適用するマイクロポンプに合わせてその極性を逆として対応することが可能である。
【００６７】
図４は、ＭＰ１ａ及びＭＰ１ｂを駆動するために圧電素子３−４（４−６）及び３−３（４−３）に印加する駆動信号波形の一例を示している。各期間は、Ｔａ＝２０μｓｅｃ、Ｔｂ＝１５μｓｅｃ、Ｔｃ＝２５０μｓｅｃ、Ｔｄ＝１５μｓｅｃとして設定されている。これらの設定値は、出力電圧も併せて、駆動するマイクロポンプの仕様に合わせて適宜決めれば良く、その設定には、パルス発生回路ＰＧからの信号ＰＵＬＳＥ１、ＰＵＬＳＥ２及びＰＵＬＳＥ３のタイミング、基本台形波発生回路部Ｄ及び信号増幅回路部Ｆの抵抗、可変抵抗及びコンデンサの定数を適宜調整することで対応することが可能である。
【００６８】
図７に示すマイクロポンプの駆動回路ＭＤ２は、図１における信号増幅回路Ｆの構成を変えた例である。オペアンプＭ２で出力される信号をオペアンプＭ３で再度反転出力した構成とされており、Ｒ１１／Ｒ１０＝１とすることで図１で得られる出力波形と同じ信号を得ることができる。尚、可変抵抗ＶＲ１０は、Ｍ３ＯＵＴ信号のレベル調整用に設けている。
【００６９】
図８に第２の実施の形態の一例を示す。第１の実施の形態では圧電素子に印加する駆動電圧の最大値を例えば３０Ｖに固定された駆動波形を得るものとしているが、図８に示すマイクロポンプの駆動回路ＭＤ３及び駆動回路ＭＤ４は、駆動電圧の最大値の制御を可能とするもので、例えばマイクロポンプの流量制御に用いることが可能である。図８（ａ）及び（ｂ）に示すＤ’は図１に示す基本信号発生回路部Ｄと同じとしている。
【００７０】
図８（ａ）に示す信号増幅回路部Ｆ１の反転増幅器を構成するオペアンプＭ２、非反転増幅器を構成するオペアンプＭ３のそれぞれのフィードバック抵抗は、その抵抗値を可変制御可能な例えばデジタルポテンショメータＤＶＲ１及びＤＶＲ３が用いられている。このデジタルポテンショメータＤＶＲ１及びＤＶＲ３の値を後述するデータジェネレータＤＧにより設定されることよりオペアンプＭ２及びＭ３の増幅率をそれぞれＤＶＲ１／Ｒ１３及び１＋ＤＶＲ３／Ｒ１５とする制御を可能とすることができる。よって、基本信号発生回路部Ｄ’の出力電圧を受けた信号増幅回路部Ｆ１の増幅率が制御されることでＯＵＴ１及びＯＵＴ２の出力電圧が制御され、この制御された出力電圧がマイクロポンプの圧電素子に印加されてマイクロポンプの送液が制御されることができる。
【００７１】
また、図８（ｂ）に示す駆動回路ＭＤ４においては、基本信号発生回路部Ｄ’の出力電圧をデジタルポテンショメータＤＶＲ４を用いて制御可能な分圧出力とし、その分圧された出力電圧ＶｄｒをオペアンプＭ３による非反転増幅器（増幅率は、１＋Ｒ１６／Ｒ１５）に入力し、またこの出力ＯＵＴ２を増幅率１（Ｒ２０／Ｒ１９＝１）とするオペアンプＭ２による反転増幅器に入力する構成としている。この構成において、デジタルポテンショメータＤＶＲ４における分圧値Ｖｄｒを変化させることでＯＵＴ１及びＯＵＴ２の出力電圧が制御制御され、この制御された電圧がマイクロポンプの圧電素子に印加されるマイクロポンプの送液が制御されることができる。
【００７２】
図９（ａ）は、デジタルポテンショメータの例をブロック図を示し、図９（ｂ）はデジタルポテンショメータを制御するためデータジェネレータＤＧより出力されデジタルポテンショメータに入力される信号のタイムチャートを示す。特定のデジタルポテンショメータを選択するデータ転送イネーブル信号ＣＳがＬＯＷとされ、クロック信号ＣＬＫに同期してＤＡＴＡがレジタ部ＲＧに入力され、データ転送イネーブル信号がＬＯＷからＨＩＧＩＨへの立ち上がり時にレジスタ部Ｒの値が７ビットラッチ部ＬＴにラッチされることでデジタルポテンショメータＰ３における抵抗値（例えば、Ｐ１−Ｐ３との間の抵抗値）を変化させることができる。
【００７３】
尚、図９（ｂ）では、７ビットデータが入力され設定されるデジタルポテンショメータの例を示しており、タイムチャートは００００１１１（１０進数で１１２）のデータ信号を入力するときの例を示しており、例えば、端子Ｐ１とＰ２との間の抵抗値が５１ｋΩとする場合、Ｐ１とＰ３との抵抗値は４４．８ｋΩとすることができる。このような抵抗値を可変制御可能なデジタルポテンショメータにおいて、可変データの設定方法として、シリアル方式にて入力可能とするのが信号ラインの数を少なくすることができることから好ましい。尚、上記の例のデジタルポテンショメータのデータ長は、７ビットとしているが、駆動回路の仕様に合わせて適宜必要なデータ長とすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】マイクロポンプの駆動回路の一例を示す図である。
【図２】図１に示す駆動回路における主な場所における信号の様子を示す図である。
【図３】マイクロポンプの構造の一例を説明する図である。
【図４】マイクロポンプを駆動させるために圧電素子に印加される台形状の駆動信号波形の一例を示す図である。
【図５】燃料電池装置の構成の一例を示す図である。
【図６】マイナス電圧−Ｖｄ用電源の構成の一例としてチャージポンプ型ＤＣ／ＤＣコンバータを模式的に示す図である。
【図７】マイクロポンプの駆動回路の一例を示す図である。
【図８】増幅率を可変制御可能とするマイクロポンプの駆動回路の一例を示す図である。
【図９】抵抗値の可変制御を可能とするデジタルポテンショメータの一例を示すブロック図である。
【図１０】鋸歯発生回路及び鋸歯発生回路を用いて得られる鋸歯状波形の信号及びその波形を増幅して得られる台形状波形の例を参考として示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
Ｃ  積分コンデンサ
Ｄ  基本台形波発生回路部
Ｆ  信号増幅部
ＧＮＤ  接地（０Ｖ）
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  オペアンプ
Ｍ１ＯＵＴ  基本台形波発生回路部出力
Ｍ２ＯＵＴ，Ｍ３ＯＵＴ  信号増幅部出力
ＭＤ１  マイクロポンプ駆動回路
ＮＰＳ  ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＰＧ  パルス発生回路
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ８，Ｒ９  抵抗
Ｓ１，Ｓ２、Ｓ３  アナログスイッチ
ＶＲ４，ＶＲ７  可変抵抗
＋Ｖｄ１  低電圧正電源
−Ｖｄ  負電源
＋Ｖｄ２  高電圧正電源
＋Ｖｂ１  オペアンプＭ１の出力Ｍ１ＯＵＴのバイアス設定電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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