JPH04276186A - 水素貯蔵合金膜を用いるアクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明はアクチュエータ素子に関
し、より詳細には水素貯蔵合金膜を電気化学反応的に水
素吸蔵させ、膨張により湾曲させて変位や動力を得るこ
とができ、超小型の機械やロボット等に用いることがで
きるアクチュエータ素子に関する。

【従来の技術】アクチュエータを小型化すると慣性力よ
りも摩擦や粘性力が支配的となるため、モータやエンジ
ンのような慣性力を利用してエネルギーを運動に変える
機構は、超小型機械用のアクチュエータとしては用いる
ことが困難であると言われている。これまでに提案され
ている超小型アクチュエータの作動原理としては、静電
引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸
縮式等が知られている。静電引力型アクチュエータは電
極となる板や棒を対極に引きつけるもので、数十μｍ離
れた対極との間に１００Ｖ程度の電圧をかけて、電極を
たわませるものが知られている。圧電型アクチュエータ
はチタン酸バリウムなどセラミックの圧電素子に数Ｖの
電圧をかけて素子を伸縮させるもので、ナノメートル単
位の変位を制御できるものが知られている。超音波式は
圧電素子などで発生させた超音波振動と摩擦力の組み合
わせで、ずれを生じさせることで駆動するものが知られ
ている。形状記憶合金式アクチュエータは温度によって
形状が大きく変化するため、温度を変化させることで作
動する。高分子伸縮式アクチュエータは高分子の繊維が
、温度あるいはｐＨの変化や周囲の化学物質の濃度変化
によって伸縮するものである。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
での超小型アクチュエータにはそれぞれ作動環境に制限
があったり、発生力が弱かったり、自立性が無かったり
、構造が複雑であったり、柔軟性が欠如しているなど、
問題点を有している。例えば、これまでの形状記憶合金
式アクチュエータを作動させるには、温度を変化させる
必要があり、エネルギーの供給を停止した時の状態を保
持できず、周囲の温度によって形状が影響されるため、
生体などの液中で小型で速い応答を必要とする用途には
利用困難であった。本発明は構造が簡単で、小型化が容
易であり、小電力で作動するアクチュエータ素子を提供
することを目的とする。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のアクチュエータ素子は、水素貯蔵合金膜と非水素化
膜との接合体から成り、該水素貯蔵合金の電気化学的反
応による水素吸蔵によって該接合体を湾曲せしめること
を特徴とする。本発明のアクチュエータ素子は膜状の水
素吸蔵合金を片面側から電気化学反応によって水素化す
ることによって動作させるもので、水素化によって合金
膜の表面と裏面とで水素濃度に差が付き、濃度の高い側
が膨張するので合金膜を湾曲させることができる。この
ような水素化反応は合金膜に流した電荷の量、すなわち
電流と時間の積によって決まる。そのため本発明のアク
チュエータの湾曲による形状はアクチュエータに流す電
流量によって制御できる。合金膜でできたアクチュエー
タ素子の表と裏で、電気化学的な水素化反応に差を付け
るためには、種々の方法や構造が考えられる。そのひと
つは、図１に示すように水素化されない柔軟な基板２の
上に水素吸蔵合金膜１を接合した構造であり、電流を流
すことで水素吸蔵合金膜あるいはその表面は、水素化さ
れて膨張するが、基板は伸縮しないため、陰極にして電
流を流すと、素子は基板側に湾曲する。その際の電解質
には各種の電解質水溶液を用いることができ、対極３に
は貴金属電極や水素吸蔵電極を用いることができる。ま
た逆方向に電流を流せば、水素吸蔵合金が脱水素化され
、電流に応じて湾曲が元に戻る。第２は図２に示すよう
に、水素吸蔵合金の片面を水素化反応を阻害する皮膜４
、たとえば酸化皮膜や不活性皮膜で被った構造であり、
合金膜は水素化反応に活性な面からのみ水素化されるた
め、片面のみが膨張して湾曲が生じる。第３は図３に示
すように、非水素膜としての絶縁体膜５の両面に水素吸
蔵合金膜１を付着させたものであり、表合金と裏の合金
との間で電流を流すことにより、表と裏の間で水素を移
動させ、差動的に表と裏で伸縮させて膜を湾曲させる。 電解質中でこれらの電極間に０．１〜３Ｖの直流電圧を
かけて電流を流すことにより、これらの膜状の素子を湾
曲させることができた。素子を細長い棒状にすれば、大
きく湾曲させることができ、大きな変位を得ることがで
きる。水素吸蔵合金としては、可逆的に水素を吸蔵放出
することができ、かつ微粉化しないものであれば、パラ
ジウム合金、バナジウム合金、希土類合金、チタン合金
、ジルコニウム合金などの公知の合金あるいは金属を用
いることができる。不活性膜あるいは基板などの非水素
化膜と水素吸蔵合金との接合には化学メッキ、電気メッ
キ、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着等の
既知の方法が全て利用できる。本発明のアクチュエータ
素子によれば、例えば１．２Ｖで１０ｍＡ程度の電力を
供給するスイッチ操作だけで、３０秒以内に素子長の　
１／３もの変位が得られ、かつ水中で自立的な動作をす
るような柔軟な素子が作製できる。以下、本発明の実施
例を述べる。

【実施例】実施例１ 厚さ５０μｍのニッケル箔に真空中でランタンを５ｍｇ
／ｃｍ２　蒸着し、さらに真空中８００℃で熱処理して
合金化した。このリボンを幅２ｍｍ長さ２０ｍｍに裁断
し、一端にニッケル製リード線を押しつけて、プラスチ
ック製持具で挟んだ。この合金を陰極にし、白金板を陽
極にして食塩水中で１０ｍＡの直流を流すと接合体はニ
ッケル基板方向に湾曲した。３０秒後には４ｍｍの変位
が得られた。電流を止めるとそのままの形状を保ち続け
た。逆方向に電流を流すと元の形状に戻った。 実施例２ ＴｉＮｉ合金を片ロールの液体急冷法で厚さ５０μｍの
リボン状にし、大気中３００℃で熱処理して表面を酸化
した。このリボンを幅２ｍｍ長さ２０ｍｍに裁断し、片
面を研磨して酸化膜を除去した。一端にニッケル製リー
ド線を押しつけて、プラスチック製持具で挟んだ。この
合金を陰極にし、白金板を陽極にして食塩水中で３０ｍ
Ａの直流を流すと接合体は酸化面方向に湾曲した。１分
後には１２ｍｍの変位が得られた。電流を止めるとその
ままの形状を保ち続けた。逆方向に電流を流すと元の形
状に戻った。 実施例３ 厚さ０．１ｍｍのポリイミド膜に真空蒸着によりパラジ
ウムを１０ｍｇ／ｃｍ２　ずつ両面に接合させた。この
接合体を幅２ｍｍ長さ２０ｍｍに裁断し、その一端にニ
ッケル製リード線を両面から押しつけて、プラスチック
製持具で挟んだ。このパラジウム膜の両面共を陰極にし
、白金板を陽極にして食塩水中で２．５〜３．０Ｖで３
０分間電気分解を行ってパラジウムを水素化した。その
後、表と裏のパラジウム間に１０ｍＡの直流を流すと接
合体は陽極方向に湾曲した。１分後には５ｍｍの変位が
得られた。電流を止めるとそのままの形状を保ち続けた
。逆方向に電流を流すと元の形状に戻り、さらに流し続
けると逆方向に湾曲した。

【発明の効果】本発明によれば、従来のアクチュエータ
では不可能であった水中での超小型動力発生機構が可能
になり、本アクチュエータ素子の特長を列挙すれば以下
のようになる。 （１）　単純な構造であり、超小型化できる。 （２）　超小型化しても水の粘性抵抗や表面の摩擦力に
打ち勝つだけの大きな力が発生できる。 （３）　生体内などの液中で作動する。 （４）　１Ｖ程度の低電圧で作動する。 （５）　超小型であれば微少な電流でも作動する。 （６）　電源を切り離すなど電流が止まると、その時の
形状を保持する。 （７）　電流によってアクチュエータ素子の動作が制御
できる。 （８）　大きな力を発生する反面、素子自体は柔軟であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアクチュエータ素子の一実施例の断面
概要図である。

【図２】本発明のアクチュエータ素子の他の実施例の断
面概要図である。

【図３】本発明のアクチュエータ素子の更に他の実施例
の断面概要図である。

【符号の説明】

１　　水素貯蔵合金膜　　　　　　　　　　　　２　　
基板３　　対極　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　４　　酸化皮膜５　　絶縁体膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　水素貯蔵合金膜と非水素化膜との接合
   体から成り、該水素貯蔵合金膜の電気化学的水素吸蔵に
   よって前記接合体を湾曲せしめることを特徴とする水素
   貯蔵合金膜を用いるアクチュエータ素子。