JP2007147003A - 水素吸蔵合金アクチュエータ及びアクチュエータ用水素吸蔵材料 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性、応答量に優れ、小型化を可能にした水素吸蔵合金アクチュエータを提供する。
【解決手段】チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材を有したモジュール３１が気密被覆体３５に収容され、水素給排手段３６を通じて行われるモジュールの水素吸蔵合金体部材に対する水素の吸蔵、脱蔵によりモジュール３１が応答動作するようにして成る。
【選択図】図４

Description

本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ、いわゆる水素吸蔵合金アクチュエータと、この水素吸蔵合金アクチュエータに適用して最適な水素吸蔵材料に関する。

従来、水素吸蔵合金を利用したマイクロアクチュエータとして、ミッシュメタル系合金（ＭｍＮｉ_５）、例えばＬａＮｉ_５合金を利用したアクチュエータに関する研究が報告されている（非特許文献１、２参照）。例えばアクチュエータ材料として、ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金を利用したモジュールとしては、図１３Ａに示すように、モノマー、例えばポリイミドのフィルム２の表面にＬａＮｉ_５水素吸蔵合金の蒸着膜１を形成してなる、いわゆるバイメタル構造のモジュール３が考えられている（非特許文献２、特許文献１参照）。このＬａＮｉ_５系の水素吸蔵合金モジュール３では、水素吸蔵合金蒸着膜１に水素を吸蔵させることにより、水素吸蔵合金蒸着膜２が膨張し、ポリイミドフィルム１は膨張しないので、バイメタル機能で破線図示のように曲がる。逆に水素吸蔵合金薄膜３から水素を放出することにより、水素吸蔵合金モジュール５は元に戻る。

また、図１３Ｂに示すように、ポリイミドフィルム４中にＬａＮｉ_５水素吸蔵合金粉末５を分散した水素吸蔵合金薄膜６とポリイミドフィルム２を貼り合せたバイメタル構造のモジュール７も考えられている。この水素吸蔵合金モジュール７では、同様に水素吸蔵合金薄膜６側が水素を吸蔵すると膨張するため、バイメタル機能で破線図示のように曲がる。逆に水素吸蔵合金薄膜３から水素を放出することで、水素吸蔵合金モジュール５は元に戻る。

その他、図１３Ｃに示すように、ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金粉末５をシリコーンゴム８中に分散させたものを利用したモジュール、あるいは図示しないが、ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金は水素吸蔵・放出時に容易に微粉化されるので、この水素吸蔵合金をマイクロカプセルに包み込んだものを利用したモジュール方法も考えられている。

上述のＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金を利用したアクチュエータは、主として水素圧制御により水素吸蔵・脱蔵を行って駆動するようになされる。

一方、本発明者：香川明男らは、先に、水素吸蔵合金としてＶ−Ｔｉ系合金を提案し、その基礎段階の研究成果について発表している（非特許文献３、４参照）。このＶ−Ｔｉ系合金は、ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金に比べて水素吸蔵時の膨張量が大きく、また水素吸蔵、放出の繰り返しにも微粉化しにくい特性を有している。

特開２００３−１０２８２８号公報 日本金属学会誌 第６７巻 第４号（２００３）ｐｐ．１４５〜１４８ 「ＬａＮｉｘ 水素吸蔵合金薄膜のアクチュエータ特性に対する組成依存性」 日本金属学会誌 第６８巻 第２号（２００４）ｐｐ．５８〜６１ 「水素吸蔵合金薄膜ユニモルフ構造の白金表面処理による応答速度の改善」 香川明男，「Ｖ−Ｔｉ合金の水素吸蔵特性」，長崎大学工学部研究報告書，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．４５，ｐｐ．２３３〜２３９ １９９５ 省エネルギー，Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．８ １９８９ 「新技術 金属水素化物ヒートポンプ材用バナジウム系固溶合金」

ところで、従来のミッシュメタル系合金、例えばＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金を利用したアクチュエータは、上述したように、例えば図１３Ａに示したポリマー表面にＬａＮｉ_５ 系水素吸蔵合金粉末（蒸着膜）を付着したモジュール、あるいは図１３Ｃで示したシリコーンゴム中にＬａＮｉ_５系合金粉末を分散させたモジュールを用いる場合、前者では合金粉末とポリマーとの接合力不足が生じ、後者では水素吸蔵による合金の膨張がシリコーンゴムに吸収され、いずれも十分な応答特性が得られていない（いわゆる応答速度が遅い）。また、図１３Ｂで示したＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金粉末を分散したポリマーフィルムと純ポリマーフィルムとを貼り合せたモジュールの場合も十分な応答特性が得られていない。

ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金は、金属間化合物であり脆弱であるため、水素吸蔵・放出の繰り返しにより微粉化していく。ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金は、粉末または薄膜状態で使うしかなく、圧延、展延などして所望形状に加工することができない。ＬａＮｉ_５系水素吸蔵合金の場合、水素吸蔵、放出による応答量、すなわち変化量（運動量）が１％程度しかないので、小型化した場合、十分な力を出せないことも、小型化、微小化できない理由にもなっている。

本発明は、上述の点に鑑み、チタンを含むバナジウム合金利用して、応答性、応答量に優れ、小型化も可能にした実用可能な水素吸蔵合金アクチュエータ、及びアクチュエータ用水素吸蔵材料を提供するものである。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材を有したモジュールが気密被覆体に収容され、水素給排手段を通じて行われるモジュールの水素吸蔵合金体部材に対する水素の吸蔵、脱蔵によりモジュールが応答動作するようにして成ることを特徴とする。

本発明の水素吸蔵合金アクチュエータでは、水素吸蔵合金としてチタンを含むバナジウム合金を使用するので、モジュールの応答速度が速く、また応答量（変形量）も十分得られる。チタンを含むバナジウム合金は延性、展性に優れるので、バナジウム合金自体を加工して薄板、線材など所望形状のモジュールの加工ができる。このアクチュエータは、チタンを含むバナジウム合金に対して圧力制御で駆動するので、構造を簡単化することができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金薄体と非水素吸蔵薄体とを接合してなるモジュールと、モジュールを収容した変形可能な気密被覆体と、気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、水素吸蔵合金薄体に対する水素の吸蔵、脱蔵によりモジュールが気密被覆体と一体に曲げ動作するようにして成ることを特徴とする。

本発明の水素吸蔵合金アクチュエータでは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金薄体と非水素吸蔵薄体とを接合してモジュールを構成するので、バイメタル機能を有することになり、水素の吸蔵・脱蔵でモジュールを曲げ動作させることができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材からなるモジュールと、モジュールを収容した気密被覆体と、気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、水素吸蔵合金体部材に対する水素の吸蔵、脱蔵により前記モジュールが伸縮動作するようにして成ることを特徴とする。

本発明の水素吸蔵合金アクチュエータでは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材でモジュールを構成するので、水素の吸蔵・脱蔵でモジュールを伸縮動作させることができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金コイル状体からなるモジュールと、水素吸蔵合金コイル状体のコイル径の可変を阻止するようにしてモジュールを収容した気密被覆体と、気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、水素吸蔵合金コイル状体に対する水素吸蔵・脱蔵により、モジュールの先端が回転動作するようにして成ることを特徴とする。

本発明の水素吸蔵合金アクチュエータでは、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金コイル状体でモジュールを形成し、このモジュールをコイル径の可変を阻止するように気密被覆体中に収容した構成であるので、水素の吸蔵、脱蔵に伴う水素吸蔵合金コイル状体の膨張、収縮において、コイル径が規制されてモジュール先端を回転動作させることができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータは、変形可能な気密被覆体に収容されたチタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金薄体と非水素吸蔵金属薄体とを接合してなる曲げモジュールと、気密被覆体に収容されたチタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材からなる伸縮モジュールと、気密被覆体にコイル径の可変を阻止するように収容されたチタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金コイル状体からなる回転モジュールとから選ばれた複数のモジュールが組み合わされた組み合わせモジュールと、各気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、それぞれのモジュールの水素吸蔵合金に対する水素吸蔵・脱蔵により組み合わせモジュールの先端が、曲げ、伸縮、回転の動作が選択的に行われるようにして成ることを特徴とする。

本発明の水素吸蔵合金アクチュエータでは、曲げモジュール、伸縮モジュール及び回転モジュールから選ばれた複数のモジュールの組み合わせで組み合わせモジュールを構成するので、組み合わせモジュール先端を選択的に曲げ動作、伸縮動作、回転動作をさせることができる。

本発明に係る上述の水素吸蔵合金アクチュエータは、バナジウム合金として、５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金を用いることが望ましい。

５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金では、水素吸蔵圧（圧力ー組成等温性におけるプラトー圧）が常温で１気圧近傍に設定でき、減圧により水素を放出させることができる。

本発明に係るアクチュエータ用水素吸蔵材料は、５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金から成ることを特徴とする。

本発明のアクチュエータ用水素吸蔵材料では、５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金で構成されるので、水素吸蔵圧（圧力ー組成等温性におけるプラトー圧）が常温で常圧近傍に設定でき、減圧により水素を放出させることができる。従って、本発明水素吸蔵材料をアクチュエータに利用したときには、複雑な温度制御機構を要しない。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、応答性、応答量に優れたアクチュエータを提供することができる。また、バナジウム系合金は優れた加工性を有するので、薄板化、線材化などの容易に所望形状のモジュールを形成することができる。本発明の水素吸蔵合金アクチュエータは圧力制御で駆動するので、複雑な温度制御機構を不要とし、気密被覆体中にバナジウム系合金によるモジュールを挿入した簡単な構造で動作制御することが可能になる。また、アクチュエータの小型化、微小化も可能になる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金薄体と非水素吸蔵合金薄体とを接合したモジュールを使用することにより、バイメタル機能を有して、曲げ動作の駆動を行うアクチュエータを提供することができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材からなるモジュールを使用することにより、伸縮動作の駆動を行うアクチュエータを提供することができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金コイル状体を使用することにより、モジュール先端が回転動作の駆動を行うアクチュエータを提供することができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、チタンを含むバナジウム合金による、上記の曲げモジュールと伸縮モジュールと回転モジュールを組み合わせた、組み合わせモジュールを使用することにより、組み合わせモジュール先端が選択的に曲げ動作、伸縮動作、回転動作の駆動を行うアクチュエータを提供することができる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータにおいて、水素吸蔵合金として、５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金を用いることにより、常温、常圧で駆動する水素吸蔵合金アクチュエータを提供することができる。

本発明に係るアクチュエータ用水素吸蔵材料によれば、常温、常圧近傍での水素吸蔵し、減圧して水素脱蔵が可能になるので、常温、常圧での使用に最適な水素吸蔵材料となる。従って、アクチュエータ用に適用して好適である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

先ず、本発明の実施の形態に係るアクチュエータに適した水素吸蔵材料について説明する。本実施の形態に係る水素吸蔵材料は、金属間化合物構造のＬａＮｉ_５系合金とは異なるバナジウム基固溶合金、即ちチタンを含有するバナジウム合金（Ｖ−Ｔｉ系合金）で構成される。Ｖ−Ｔｉ系合金は、水素の吸蔵・放出（脱蔵）サイクル微粉が生じ難いこと、また、優れた加工性を有し、線材化、薄板化が容易である、などの特性を有する。

このＶ−Ｔｉ系合金は、水素を吸蔵、放出する機能を有する水素吸蔵合金となるが、Ｖ−Ｔｉ系合金組成として、チタンＴｉ量が多くなると相分離が起こりＶ−Ｔｉ系合金の吸蔵、放出の性質を変える。本実施の形態では、アクチュエータ用の水素吸蔵合金に用いるＶ−Ｔｉ系合金としては、相分離が起きず常温、常圧近傍で水素吸蔵できる特性を有する組成が好ましく、このためチタン含有量が１５原子％（以後、ａｔ％という）以下のＶ−Ｔｉ系合金が好ましい。ここで、常温は、０℃〜４０℃であり、例えば２５℃とすることができる。常圧は、０．５〜１．５気圧であり、例えば１気圧とすることができる。

図１は、温度２９３Ｋ（２０℃）でのＶ−Ｔｉ合金の水素吸蔵・脱蔵特性に及ぼすチタン濃度の影響を示すグラフである。縦軸に平衡水素圧（ａｔｍ）、横軸に水素吸蔵量（Ｈ／Ｍ）をとって示す。斜線領域で示される常圧近傍に吸蔵の曲線を有する合金組成が、常温・常圧で動作可能なアクチュエータ用合金として最適な合金となる。この最適なＶ−Ｔｉ合金としては、チタン含有量が５〜１０ａｔ％であるバナジウム合金が良い。

図２は、ＭｍＮｉ_５系合金との比較でバナジウム基固溶合金の線膨張量（ΔＬ／Ｌ）と水素吸蔵量（Ｈ／Ｍ）の関係を示すグラフである。●点がＭｍＮｉ_５系合金、■点がバナジウム基固溶合金である。この図２から、バナジウム基固溶合金、すなわち本実施の形態の対象とするＶ−Ｔｉ合金においては、水素吸蔵時の線膨張量が８％程度と非常に大きい特長を有する。

図３は、本発明で用いるＶ−Ｔｉ合金と従来のＬａＮｉｘ合金との水素吸蔵速度の比較を示すグラフである。縦軸に水素吸蔵量（Ｈ／Ｈｍａｘ）、横軸に時間（ｓｅｃ）をとって示す。実線Ｉは本発明におけるＶ−１５ａｔ％Ｔｉ合金で水素圧が３気圧（ａｔｍ）の場合である。破線IIは従来のＬａＮｉ_６．５薄膜、温度２９６Ｋ、水素圧３．８６ａｔｍの場合である。破線IIIは従来のＬａＮｉ_５薄膜、温度３０３Ｋ、水素圧３．８４ａｔｍの場合である。この図３のグラフから、Ｖ−Ｔｉ合金の水素吸蔵速度（いわゆる応答速度）がＬａＮｉｘ合金よりも速いことが認められる。

本発明のＶ−Ｔｉ系合金は、バナジウムにチタンを含有させた２元合金の他、さらにチタン以外に鉄，クロム，シリコン，ジルコンなどの第３の元素を添加した３元合金で構成することもできる。

本実施の形態のＶ−Ｔｉ系合金によれば、水素吸蔵時の巨大膨張をアクチュエータの駆動源として利用できる。通常、バイメタルのような熱膨張（熱膨張率１０^−５／Ｋ）を駆動源とした場合には、温度差１００℃で線膨張量は０．１％程度であるが、図１、図２に示すように、バナジウム基固溶合金（Ｖ−Ｔｉ合金）においては、水素吸蔵時の膨張はその８０倍にも及ぶ。また、合金組成の選択により、図１に示すように、プラトー圧は常温で１気圧近傍に設定でき、減圧により水素を放出させることができる。このため、複雑な温度制御機構を必要とせず、気密被覆体となる、例えばポリマー製エンベロップ中のＶ−Ｔｉ合金を有するモジュールを挿入した簡単な構造で動作制御を可能とする。従って、アクチュエータに適用して好適である。

特に、チタン含有量が５〜１０ａｔ％であるバナジウム合金で構成するときは、常温・常圧で動作が可能なアクチュエータ用合金として最適である。

次に、上述のＶ−Ｔｉ系合金を使用した本発明に係るアクチュエータの実施の形態を説明する。本発明の実施の形態に係る水素吸蔵合金アクチュエータは、チタンを含む合金による水素吸蔵合金部材を有して形成したモジュールを気密被覆体内に収容し、水素給排手段を通じて水素を供給、排気することによってモジュールの水素吸蔵合金部材に対する水素の吸蔵、脱蔵作用を起こし、水素吸蔵合金部材の膨張、収縮でモジュールが所要の応答動作をするように構成される。

本発明の実施の形態に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、モジュールとして上述のＶ−Ｔｉ合金を用いるので、応答速度が速く、モジュールの変形量も大きくなり、しかも、Ｖ−Ｔｉ合金は延性、展性を有して加工性に優れるため、アクチュエータの小型化、微小化を可能する。本実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータは、後述の実施形態の例で説明するように、医療用、その他の用途などで実用可能な小型のアクチュエータを提供することができる。

図４に、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの第１実施の形態を示す。本例は伸縮動作を行うアクチュエータに適用した場合である。図４Ａは本実施の形態に適用される伸縮モジュールの模式図である。この伸縮モジュール３１は、前述したＶ−Ｔｉ合金による水素吸蔵合金の棒状体で形成される。棒状体としては、例えば円筒体、円柱体、本例では円筒体で形成する。この伸縮モジュールすなわちＶ−Ｔｉ合金棒状体３１を気密被覆体、例えばポリマーエンベロップ３２内に収容し、ポリマーエンベロップ３２内に水素を導入することにより、Ｖ−Ｔｉ合金棒状体３１は水素吸蔵して膨張する。このとき、棒状をなしているので、破線で示すように、棒状の長手方向に大きく膨張し、伸長する。逆にポリマーエンベロップ３２を真空に引くことにより、Ｖ−Ｔｉ合金棒状体３１は水素を放出し収縮する。水素の吸蔵、脱蔵によりＶ−Ｔｉ合金棒状体３１が伸縮するので、伸縮モジュール３１として構成することができる。

第１実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ３４は、図４Ｂに示すように、円筒体の棒状の伸縮モジュール３１を変形可能、いわゆる伸縮可能な気密被覆体、例えばポリマーエンベロップ３５内に密着するように収容し、水素給排手段３６に連結された水素導入・排気用チューブ、例えばポリマーチューブ３７がポリマーエンベロップ３５を貫通して円筒体の伸縮モジュール３１内に挿入されて構成される。そして、例えば伸縮モジュール３１を収容したポリマーエンベロップ３５の一端側を固定する。必要に応じて他端側に強度を有する薄板３８を取り付ける。

第１実施の形態の伸縮モジュール３１を備えた水素吸蔵合金アクチュエータ３４によれば、ポリマーチューブ３７を通して水素を導入、排気し、伸縮モジュール３１に対して水素吸蔵・脱蔵することにより、アクチュエータ先端が伸縮動作する。これによって、伸縮動作の駆動を行う水素吸蔵合金アクチュエータを提供することができる。

図５に、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの第２実施の形態を示す。図５Ａは本実施の形態に適用され曲げモジュールの模式図である。この曲げモジュール４１は、前述したＶ−Ｔｉ合金による水素吸蔵合金薄板４２の片面に水素吸蔵機能を持たない非水素吸蔵薄板４３を接合して構成される。非水素吸蔵薄板４３は、例えばＣｕなどの金属薄板、ポリマーなどの絶縁性薄板、等で形成することができる。このバイメタル構造の曲げモジュール４１を変形可能な気密被覆体、例えばポリマーエンベロップ３２内に収容し、ポリマーエンベロップ３２内に水素を導入することにより、Ｖ−Ｔｉ合金薄板４３が水素を吸蔵して膨張し、一方、非水素吸蔵薄板４３は膨張しないので、破線で示すように、モジュール４１が曲げ方向に変形する。逆にポリマーエンベロップ３２を真空に引くことにより、Ｖ−Ｔｉ合金薄板４３は水素を放出し元に戻る。水素の吸蔵、脱蔵により、モジュール４１が曲げ動作するので、曲げモジュール４１として構成することができる。

第２実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ４４は、図５Ｂに示すように、曲げモジュール４１を変形可能、いわゆる弾性的に変形可能な気密被覆体、例えばポリマーエンベロップ４５内に収容し、水素給排手段３６に連結された水素導入・排気用チューブ、例えばポリマーチューブ３７をポリマーエンベロップ４５内に貫通して挿入して構成される。そして、例えば曲げモジュール４１を主要したポリマーエンベロップ４５の一端の基部を固定する。

第２実施の形態の曲げモジュール４１を備えた水素吸蔵合金アクチュエータ４４によれば、ポリマーチューブ３７を通して水素を導入、排気し、モジュール４１に対して水素吸蔵・脱蔵することにより、アクチュエータ全体を曲げ動作させることができ、したがって、アクチュエータ先端を曲げ変位させることができる。これにより、曲げ動作の駆動を行う水素吸蔵合金アクチュエータを提供することができる。

図６に、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの第３実施の形態を示す。本例は回転動作を行うアクチュエータに適用した場合である。図６Ａは本実施の形態に適用される回転モジュールの模式図である。この回転モジュール５１は、前述したＶ−Ｔｉ合金による水素吸蔵合金のコイル状体で形成される。このコイル状のモジュール５１の上下のコイル端末に強度を有する板状体、例えば円板５２、５２が取付けられる。この円板５２、５３の直径は、コイル状のモジュール５１のコイル径と同じにすることが望ましい。この回転モジュール、すなわちＶ−Ｔｉ合金コイル状体５１を気密被覆体、例えばポリマーエンベロップ３２内に収容する。このとき、水素吸蔵・脱蔵による膨張・収縮でＶ−Ｔｉ合金コイル状体５１のコイル径が変化しないようにＶ−Ｔｉ合金コイル状体５１がポリマーエンベロップ３２内に収容される。実質的にはポリマーエンベロップ３２でコイル状体５１のコイル径が規制される。他の部材でコイル状体を規制することも可能である。

このモジュール５１は、ポリマーエンベロップ３２内に水素を導入することにより、Ｖ−Ｔｉ合金コイル状体が膨張するが、コイル径が規制されるので、必然的にモジュール５１は回転動作する。逆にポリマーエンベロップ３２内を真空に引くことにより、Ｖ−Ｔｉ合金コイル状体が収縮し回転しながら元に戻る。このように、水素の吸蔵、脱蔵により、モジュール５１が回転動作するので、回転モジュール４１として構成することができる。

第３実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ５５は、図６Ｂに示すように、Ｖ−Ｔｉ合金をコイル状に形成し、その上下に強度を有する板状体、例えば薄い円板５２、５３を一体に取り付けた回転モジュール５１を、変形可能な気密被覆体、例えばポリマーエンベロップ５６内にそのコイル径が変化しないように収容し、水素給排手段３６に連結された水素導入・排気用チューブ、例えばポリマーチューブ３７をポリマーエンベロップ５６及び下側の円板５３を貫通し、コイル状体内に挿入して構成される。そして、回転モジュール５１を収容したポリマーエンベロップ５６の下端側を固定する。

第３実施の形態の回転モジュール５１を備えた水素吸蔵合金アクチュエータ５５によれば、ポリマーチューブ３７を通して水素を導入、排気し、回転モジュール５１に対して水素吸蔵・脱蔵することにより、アクチュエータ先端が回転動作する。これによって、回転動作の駆動を行う水素吸蔵合金アクチュエータを提供することができる。

図７に、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの第４実施の形態を示す。本実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータは、上述した伸縮モジュール３１、曲げモジュール４１、回転モジュール５１から選ばれた複数のモジュールを組み合わせた組み合わせモジュールを備えて、選択的に伸縮動作、曲げ動作、回転動作を行うアクチュエータを構成する。本例では、伸縮動作、曲げ動作及び回転動作を行うアクチュエータに適用した場合である。

第４実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ６１は、図７Ａ及び図７Ｂ（要部の拡大図）に示すように、伸縮モジュール３４と、回転モジュール５１と、伸縮モジュール３１と、回転モジュール５１と、２つの相対向して配置した曲げモジュール４１ａ，４１ｂとをこの順に連結した組み合わせモジュール６２を設ける。回転モジュール５１の上下には強度を有する薄い円板、本例ではステンレス板５２、５３が取付けられる。各々の伸縮モジュール３１、回転モジュール５２、曲げモジュール４１ａ，４１ｂは、それぞれの気密被覆体である例えばポリマーエンベロップ６１内に収容される。そして、図７Ｂに示すように、水素給排手段（図示せず）に連結された水素導入・排気チューブが各々のポリマーエンベロップ６５内に挿入される。曲げモジュール４１Ａ，４１Ｂの夫々には、本例では共通のチューブ６３が挿入され、２つの回転モジュール５１にはそれぞれ独立のチューブ６４が挿入され、２つの伸縮モジュール３１にはそれぞれ独立のチューブ６５が挿入され、夫々独立に駆動されるように構成される。

第４実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ６１では、対の曲げモジュール４１ａ，４１ｂが互いに向き合う方向に曲げ動作するように配置され、この対の曲げモジュール４１ａ，４１ｂによってものを鋏込む動作が可能になる。そして、伸縮モジュール３１、回転モジュール５１を選択的に動作させることにより、曲げモジュール４１ａ，４１ｂの先端を伸縮、回転の動作により、所要の位置に変位させて、曲げモジュール４１ａ，４１ｂで挟持的な動作を行わせることができる。この第４実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ６１は医療用のカテーテルに組み込むことも可能である。

モジュールの組み合わせは図７の例に限らず、種々の組み合わせが可能であり、用途に応じた動作を行える水素吸蔵合金アクチュエータを構成することができる。

図８に、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの第５実施の形態を示す。本例は人体の指の動作を行わせるアクチュエータに適用した場合である。本実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ７１は、それぞれポリマーエンベロップ４５で被覆された３つの曲げモジュール４１〔４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ〕を連結して構成される。曲げモジュール４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃが恰も骨に相当し、連結部分が筋肉に相当する。各々のポリマーエンベロップ４５〔４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ〕に水素導入・排気用のポリマーチューブ３７が挿入される。

第５実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータ７１によれば、各々のポリマーチューブ４５Ａ〜４５Ｃを通して選択的に水素を導入することにより、各曲げモジュール４１Ａ〜４１Ｃが曲げ動作し、指の運動を行わせることができる。

上述の実施の形態に係る水素吸蔵合金アクチュエータによれば、モジュールとしてチタンを含むバナジウム合金を用いるので、モジュールの応答速度が速く、また応答量（変形量）も十分得られるので、パワーアクチュエータとして実用化を可能にする。また、チタンを含むバナジウム合金は延性、展性に優れ、圧延加工などの加工性に優れるので、薄板、線材など所望形状のモジュールを加工することができる。しかも、モジュールの構造を簡単化することができ、アクチュエータの小型化、微細化が可能となる。

また、本実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータは、水素圧の制御で動作させることができるので、複雑な温度制御機構を必要としない。チタンを含むバナジウム合金として、チタンを５〜１０ａｔ％含むバナジウム合金を使用するときは、水素吸蔵圧（圧力ー組成等温線におけるプラトー圧）を、常温で常圧（１気圧近傍）に設定でき、減圧により水素を放出させることができる。従って、よりアクチュエータの構造を簡単化することができる。

次に、曲げモジュールの変形挙動について具体例を用いて説明する。図９の模式図で示すような、水素吸脱反応におけるバナジウム基合金の膨張・収縮挙動を、曲げ挙動に変換するモジュールを作製し、水素導入時の変形挙動を調べた。アーク溶解により溶製したＶ−１５ａｔ％Ｔｉ合金を幅１．２〜５ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ８０μｍの短冊状に加工した水素吸蔵合金薄板１１を作り、この水素吸蔵合金薄板１１の片面に電解メッキにより、厚さ５０μｍの非水素吸蔵金属、例えば銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、その他、本例では銅メッキ膜１２を形成した合金／メッキ積層構造のモジュール、いわゆる曲げモジュール１３を作製した。

曲げモジュール１３（試料）について、変形時の合金／メッキ界面の剥離を防止するために、種々の温度および保持時間で真空熱処理して、合金／メッキ界面の拡散接合の状態を調べた。真空熱処理後の試料の合金／メッキ界面をＳＥＭ−ＥＤＸにより観察し、線分析を行った結果を図１０（ａ）〜（ｆ）に示す。合金側はＴｉ濃度、メッキ側がＣｕ濃度での分析結果である。図１０（ｆ）に示すように８００℃で２時間保持した試料において、合金／メッキ界面に、ＴｉとＣｕが相互に拡散している拡散層１５が観測された。

図示しないが、非水素吸蔵金属として銅（Ｃｕ）に代えて、ニッケル（Ｎｉ）を用いた場合にも、上例と同様の熱処理条件でＴｉとＮｉが相互拡散して拡散層が得られる。この合金／メッキ界面に相互拡散層が形成されて良好な接合が得られる、熱処理条件としては、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）の両金属共に、１〜５時間で、８００〜１０００℃が適当である。処理時間が１時間より短いと接合が不十分になり、５時間より長いと脆弱な界面反応層が厚くなり、アクチュエータの特性に悪影響を及ぼす恐れがある。また、処理温度については、８００℃より低いと接合が不十分になり、１０００℃より高いと界面反応層の厚さの制御が困難になる恐れがある。

幅１．２ｍｍ〜５ｍｍのＶ−Ｔｉ合金の片面に暑さ５０μｍの銅メッキ膜を施した後、８００℃で２時間の真空熱処理をして合金／メッキ界面を拡散接合して作製した積層モジュールを、図示しないが、形状変化測定装置内に設置して、３ａｔｍの水素導入を行い、変形挙動を観測した。その結果を図１１に示す。幅５ｍｍのモジュール１０３は、モジュール線 案が水平方向に約１７ｍｍと最も大きな曲げ変形を示したが、幅方向への曲げ変形も大きく、合金表面に亀裂や剥離が観測された（図１１Ｃ参照）。幅１．２５ｍｍおよび２．５ｍｍのモジュール１０１および１０２は、それぞれ１４ｍｍおよび１２ｍｍと、幅５ｍｍのモジュール１０３よりも曲げ変形は小さかったが、合金／メッキ背面の剥離は観測されなかった（図１１Ａ，図１１Ｂ参照）。

図１２に、水素吸蔵・脱蔵曲線を示す。同図はＶ−１５Ｔｉ合金について、水素圧が３ａｔ、２ａｔ、１ａｔとした時の特性であり、実線が吸蔵曲線、破線が脱臓曲線を示す。吸蔵曲線から、幅１．２５ｍｍおよび２．５ｍｍのモジュールの変形速度は０．６〜０．７ｍｍ／ｓｅｃであった。こればバナジウム中の水素の拡散係数と合金膜の膜厚（８０μｍ）から予想される値にほぼ一致していた。もう少し大きな変形速度を得るには、合金膜厚を薄くする必要がある。但し、強度は低下する。以上から、変形挙動に優れ、かつ耐久性に優れたモジュールの設計指針が得られ、実用に供する水素吸蔵合金アクチュエータを提供することができる。

Ｖ−Ｔｉ系合金の水素吸蔵・脱蔵特性に及ぼすチタン濃度の影響を示すグラフである。 Ｖ−Ｔｉ系合金の水素吸蔵量と線膨張量の関係を示すグラフである。 本発明に用いるＶ−Ｔｉ系合金と従来のＬａＮｉｘ系との水素吸蔵速度を比較したグラフである。 Ａ及びＢ 第１実施の形態の伸縮モジュールの模式図及び水素吸蔵合金アクチュエータの模式図である。 Ａ及びＢ 第２実施の形態の曲げモジュールの模式図及び水素吸蔵合金アクチュエータの模式図である。 Ａ及びＢ 第３実施の形態の回転モジュールの模式図及び水素吸蔵合金アクチュエータの模式図である。 Ａ及びＢ 第４実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータの模式図及びその要部の拡大模式図である。 第５実施の形態の水素吸蔵合金アクチュエータの模式図である。 Ｖ−Ｔｉ系合金による曲げモジュールの変形挙動観察用の試料の概略構成図である。 （ａ）〜（ｆ） 曲げモジュールに用いたＶ−Ｔｉ合金／メッキ界面の組織と線分析結果を示す図面である。 Ａ〜Ｃ 水素吸蔵後の曲げモジュールの形状変化を示す図面である。 Ｖ−Ｔｉ合金の水素吸蔵・脱蔵曲線図である。 Ａ、Ｂ及びＣ 従来のＬａＮｉ系合金によるモジュールの模式図である。

符号の説明

３１・・伸縮モジュール、３２、３５、４５、５６、６６・・ポリマーエンベロップ、３４、４４、５５、６１、７１・・水素吸蔵合金アクチュエータ、３６・・水素給排手段、３７、６３、６４、６５・・水素導入・排気用チューブ、４１・・曲げモジュール、４２・・Ｖ−Ｔｉ合金薄板、４３・・ポリマー、５１・・回転モジュール、６２・・組み合わせモジュール

Claims (7)

1. チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材を有したモジュールが気密被覆体に収容され、
   水素給排手段を通じて行われる前記モジュールの水素吸蔵合金体部材に対する水素の吸蔵、脱蔵により前記モジュールが応答動作するようにして成る
   ことを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータ。
2. チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金薄体と非水素吸蔵薄体とを接合してなるモジュールと、
   前記モジュールを収容した変形可能な気密被覆体と、
   前記気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、
   前記水素吸蔵合金薄体に対する水素の吸蔵、脱蔵により前記モジュールが気密被覆体と一体に曲げ動作するようにして成る
   ことを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータ。
3. チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材からなるモジュールと、
   前記モジュールを収容した気密被覆体と、
   前記気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、
   前記水素吸蔵合金体部材に対する水素の吸蔵、脱蔵により前記モジュールが伸縮動作するようにして成る
   ことを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータ。
4. チタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金コイル状体からなるモジュールと、
   前記水素吸蔵合金コイル状体のコイル径の可変を阻止するようにして前記モジュールを収容した気密被覆体と、
   前記気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、
   前記水素吸蔵合金コイル状体に対する水素吸蔵・脱蔵により、前記モジュールの先端が回転動作するようにして成る
   ことを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータ。
5. 変形可能な気密被覆体に収容されたチタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金薄体と非水素吸蔵金属薄体とを接合してなる曲げモジュールと、
   気密被覆体に収容されたチタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金部材からなる伸縮モジュールと、
   気密被覆体にコイル径の可変を阻止するように収容されたチタンを含むバナジウム合金による水素吸蔵合金コイル状体からなる回転モジュールとから選ばれた複数のモジュールが組み合わされた組み合わせモジュールと、
   前記各気密被覆体内に水素を供給・排出するための水素給排手段とを有し、
   前記それぞれのモジュールの水素吸蔵合金に対する水素吸蔵・脱蔵により前記組み合わせモジュールの先端が、曲げ、伸縮、回転の動作が選択的に行われるようにして成る
   ことを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータ。
6. 前記バナジウム合金として、５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金を用いて成る
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の水素吸蔵合金アクチュエータ。
7. ５〜１０原子％のチタンを含むバナジウム合金から成る
   ことを特徴とするアクチュエータ用水素吸蔵材料。