JPS61270505A - Actuator using metal hydride - Google Patents

Actuator using metal hydride

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JPS61270505A
JPS61270505A JP11223485A JP11223485A JPS61270505A JP S61270505 A JPS61270505 A JP S61270505A JP 11223485 A JP11223485 A JP 11223485A JP 11223485 A JP11223485 A JP 11223485A JP S61270505 A JPS61270505 A JP S61270505A
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cylinder
metal hydride
piston
hydrogen
peltier element
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孝寿 小川
Tadayuki Sasaki
佐々木 忠之
Toshio Kawashima
稔夫 川嶋
Hideki Aoyama
英樹 青山
Tatsu Ifukube
達 伊福部
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Abstract

PURPOSE:To get a small-sized actuator, by setting a filter through which hydrogen is passed, in a cylinder in which a piston is set, and setting a hydrogen stocking alloy in a chamber partitioned by said filter, so that this alloy can be heated or cooled. CONSTITUTION:A piston 2 which has a piston rod 2a, is set in a cylinder 1, and a metal hydride 4 is also set in this cylinder 1, on the opposite side to the cylinder wall which the piston rod 2a pierces, through a filter 3 which is previous to hydrogen gas. As a Peltier element 5 is set near the outside of the wall of the cylinder 1, at which the metal hydride 4 is set, when the metal hydride 4 is heated or cooled through electrifying this Peltier element 5, the pressure in the cylinder 1 is varied by the absorption and discharge of hydrogen of the metal hydride 4, and the piston 2 is moved.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、金属水素化物が温度変化に基づいて放出また
は吸収する水素ガスを動力源とする金属水素化物を用い
たアクチュエータに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to an actuator using a metal hydride that is powered by hydrogen gas that the metal hydride releases or absorbs based on temperature changes.

(従来の技術) 従来、組立用ロゼツトや荷投根株等のアクチュエータと
してt磁相互作用(モータ等)や油圧嗜空気圧の利用に
よるアクチュエータがおる。
(Prior Art) Conventionally, there have been actuators for assembly rosettes, loading root stocks, etc., which utilize t-magnetic interaction (such as a motor) or hydraulic or air pressure.

電磁相互作用によるアクチュエータは、動作が速く、ま
た精度の高い制御が可能であるが、位置を保持するため
に静止状態でもエネルギー消費を伴い、また装置重量が
かさむ割に発生トルクが小さい。
Actuators based on electromagnetic interaction operate quickly and can be controlled with high precision, but they require energy consumption even in a stationary state to maintain position, and the generated torque is small despite the weight of the device.

油圧・空気圧の利用によるアクチュエータは、大きな力
が得られるが、力量を電気的に制御するのに困難を伴い
、かつ装置としてコンプレッサー、ポンプあるいは為圧
ガスdンぺ等を必要とし、利用する力が比較的小さい場
合は力量に対して装置・が大形となる。
Actuators that use hydraulic or pneumatic pressure can obtain a large force, but it is difficult to control the force electrically, and they require equipment such as a compressor, pump, or pressurized gas pump, and the power to use is difficult. If the amount is relatively small, the equipment will be large compared to the ability.

(発明が解決しようとする問題点) 歩行用ロボットや動力義肢等にも、電磁相互作用や油圧
電空気圧の利用によるアクチュエータが用いられている
が、発生力Mlと対する装置全重量割合が大きいという
問題点がある。
(Problem to be solved by the invention) Actuators that utilize electromagnetic interaction or hydraulic/electro-pneumatic pressure are also used in walking robots, powered prosthetic limbs, etc., but the ratio of the total weight of the device to the generated force Ml is large. There is a problem.

(問題点全解決するための手段) 本発明は、必快とする力が比較的小さい場合に装置4重
置に対して大きい力を出しイL4るアクチュエータを抜
1其するものであり、その構成は次の通りである。
(Means for Solving All Problems) The present invention eliminates an actuator that can generate a large force when the required force is relatively small, and that The configuration is as follows.

ピストンを内蔵するシリンダ゛と、水素ガスを通過させ
−るフィルタにてシリンターと区画された金属水素化物
と、金属水素化物を加熱または冷却する手段とよりなる
金に水素化物を用いたアクチュエータである。
This actuator is made of gold and hydride and consists of a cylinder containing a piston, a metal hydride separated from the cylinder by a filter that allows hydrogen gas to pass through, and a means for heating or cooling the metal hydride. .

また、実施態様として、ピストンをシリンダ゛に遊嵌し
、ピストンとシリンダとの間にて、ピストン棒を40−
ズにて被ってあり、史には、金属水素化物を加熱8却す
る手段をペルチェ素子とする。
In addition, as an embodiment, the piston is loosely fitted into the cylinder, and the piston rod is inserted between the piston and the cylinder.
Historically, a Peltier element is used as a means for heating metal hydrides.

(作用) 加熱または冷却手段にて金属水素化物の加熱、冷却を交
−nに経返すことによって、金属水素化物に水素の放出
と吸収とを繰返させ、放出された水素をフィルタを通し
てシリンダ内へ導入し、水素ガス圧を利用してピストン
を作動させることができる。
(Function) By repeatedly heating and cooling the metal hydride using a heating or cooling means, the metal hydride repeatedly releases and absorbs hydrogen, and the released hydrogen passes through the filter and enters the cylinder. hydrogen gas pressure can be used to operate the piston.

また、ピストンをシリンダに遊嵌し、ピストンとシリン
ダ゛との間に設けたベローズにてピストン棒を被うこと
によって、ピストンは摺動抵抗を殆ど生ずることなく、
かつ水素ガスが外部へ漏洩することなく作動し、ベロー
ズの復元力と、ベローズ側へ侵入し、ピストンにて圧縮
された水素ガスの膨張力とがピストンの復帰力として作
用する。
In addition, by loosely fitting the piston into the cylinder and covering the piston rod with a bellows provided between the piston and the cylinder, the piston generates almost no sliding resistance.
In addition, the hydrogen gas operates without leaking to the outside, and the restoring force of the bellows and the expansion force of the hydrogen gas that has entered the bellows side and is compressed by the piston act as the return force of the piston.

また、金属水素化物を加熱または冷却する手段をペルチ
ェ素子とすることによって、アクチュエータの作動を電
気的に容易に制御できる。
Further, by using a Peltier element as a means for heating or cooling the metal hydride, the operation of the actuator can be easily controlled electrically.

(実施例) 本発明に係る金属水素化物金用いたアクチュエータの実
施例を第1図〜6図に基づいて説明する。
(Example) An example of an actuator using metal hydride gold according to the present invention will be described based on FIGS. 1 to 6.

第1図1とは、金属水素化物をシリンダに内蔵し、加熱
冷却手段をシリンダ外に設けた第1実施例を示す。
FIG. 1 shows a first embodiment in which a metal hydride is housed in a cylinder and a heating and cooling means is provided outside the cylinder.

lはシリンダ、2はピストン、2mはピストン棒である
。シリンター1の底部には、水素ガスを通過させる円板
状フィルタ3にて区画して粉末状の金属水素化物4を内
蔵させておる。5V」、シリンダlの底部外面に固定さ
れ、金属水素化物4を加熱−または冷却する手段として
のペルチェ素子である。
1 is a cylinder, 2 is a piston, and 2m is a piston rod. A powdered metal hydride 4 is contained in the bottom of the cylinder 1, separated by a disk-shaped filter 3 that allows hydrogen gas to pass through. 5 V", a Peltier element fixed on the bottom outer surface of the cylinder l as a means for heating-or cooling the metal hydride 4.

次に、作用について説明する。Next, the effect will be explained.

ぺA・チェ素子5に図外の電源から直流を一定方向に流
せば、ペルチェ素子5のシリンダ゛1の底部側が発熱し
、金属水素化物4が加熱されて吸蔵されている水素が放
出され、水素ガスは、円板状フィルタ3を通過してシリ
ンダ1内に侵入し、圧力が次第に上昇してピストン2は
1図示のように右方へと移動する。次いで、逆方向に電
流を流せば、・(ルチェ素子5のシリンダ1の底部側が
冷却され、つれて金属水素化物4も冷却して水素を吸収
し、シリンダ1内の水素ガス圧力が低下する。この際に
、民しばね等にで復元力をピストンlに与えて往復連動
が得られる。
When direct current is passed in a certain direction through the Peltier element 5 from a power supply not shown, the bottom side of the cylinder 1 of the Peltier element 5 generates heat, the metal hydride 4 is heated, and the occluded hydrogen is released. Hydrogen gas passes through the disc-shaped filter 3 and enters the cylinder 1, and the pressure gradually increases, causing the piston 2 to move to the right as shown in the figure. Next, when a current is passed in the opposite direction, the bottom side of the cylinder 1 of the Lutier element 5 is cooled, and the metal hydride 4 is also cooled and absorbs hydrogen, so that the hydrogen gas pressure inside the cylinder 1 decreases. At this time, a restoring force is applied to the piston l by a spring or the like to obtain reciprocating interlocking.

第4図(イ)、仲)にピストン棒2aに負荷荷重W、と
し7て15に?を与えた場合の試験結果を示す。第4図
(イ)は、横軸に時間を、縦軸にペルチェ素子に加えた
電圧を示す。なおこの場合の電流値は2.5Aであつf
cQ第4図仲)は、横軸に時間を、縦軸にピストンのス
トロークを示す。両図より知られるようjこ、+5vの
電圧をペルチェ素子5に加えることによって、金属水素
化物4より水素ガスが放出され、負荷荷重Wlに打勝っ
てピストン2が約15−ストロークし、またペルチェ素
子5に一5■の電圧を加えることによって金属水素化物
4が水素を吸収し、シリンダl内の水素ガス圧力が低下
して負荷荷重Wlによってピストン2は次第に復帰して
いる。
In Figure 4 (a), center), the load W is applied to the piston rod 2a, and 7 becomes 15? The test results are shown below. In FIG. 4(A), the horizontal axis shows time and the vertical axis shows the voltage applied to the Peltier element. Note that the current value in this case is 2.5A and f
cQ (Figure 4) shows time on the horizontal axis and piston stroke on the vertical axis. As can be seen from both figures, by applying a voltage of +5V to the Peltier element 5, hydrogen gas is released from the metal hydride 4, the piston 2 takes about 15 strokes by overcoming the applied load Wl, and the Peltier element By applying a voltage of 15 cm to the element 5, the metal hydride 4 absorbs hydrogen, the hydrogen gas pressure in the cylinder 1 decreases, and the piston 2 gradually returns to its original position due to the applied load W1.

1サイクル時間は、約400秒であるが、これは、ペル
チェ素子50発熱、冷却がシリンダlの壁面による影響
を受けるためでおる。
One cycle time is about 400 seconds, and this is because the heat generation and cooling of the Peltier element 50 are affected by the wall surface of the cylinder l.

第2図には、金属水素化物および加熱冷却手段をシリン
ダ内に設けた第2実施例を示す。
FIG. 2 shows a second embodiment in which a metal hydride and heating/cooling means are provided inside the cylinder.

l′はシリンダ、2′はピストン、2′aはピストン棒
である。シリンダ1′の底部lこは円板状フィルタ3に
て区画して金属水素化物4を内蔵し、金属水素化物4の
外側面にペルチェ素子5を配設し、ペルチェ素子5をシ
リンダ後蓋1’aで扱い、シリンダ後蓋1’aとシリン
ダ胴1’b、tたは袋ナツト1’cとの間にそれぞれパ
ッキングI’d 、 I’sを介装して袋ナラ)l’c
をシリンダ胴1’bに螺締してシリンダ1′内の気密を
保持している。
1' is a cylinder, 2' is a piston, and 2'a is a piston rod. The bottom part of the cylinder 1' is divided by a disc-shaped filter 3 to house a metal hydride 4, and a Peltier element 5 is disposed on the outer surface of the metal hydride 4. Packings I'd and I's are inserted between the cylinder rear cover 1'a and the cylinder body 1'b, t or bag nut 1'c, respectively, and the bag is removed) l'c
is screwed onto the cylinder body 1'b to maintain airtightness within the cylinder 1'.

作用は、第1実施例と実質的に同様であり、第5図(イ
)、(ロ)にピストン44f2’aに負荷荷重W2とし
て60句を与えた場合の試験結果を示す。
The operation is substantially the same as that of the first embodiment, and FIGS. 5(a) and 5(b) show test results when 60 loads were applied to the piston 44f2'a as the load W2.

第5図(イ)、(ロ)の横軸、縦軸の標示は第4図(イ
)。
The horizontal and vertical axes in Figures 5 (a) and (b) are indicated in Figure 4 (a).

(ロ)の標示と同様であり、この場合の電流値は、2、
OAであった。両図より知られるように、+5Vの電圧
をペルチェ素子5に加えることによって、金属水素化物
4より水素ガスを放出し、負荷荷重W2に打勝ってピス
トン2′が約25mrnストロークし、また、ペルチェ
素子5に一5■の電圧を加えることによって金属水素化
物が水素を吸収し、シリンダ1′内の水素圧力が低下し
て負荷荷重W2によってピスト/2′が復帰の傾向を採
る。このピストン2′の往復作動に、第1実施例と比較
して時間を要しているが、これは、ペルチェ素子5に電
圧を加えた場合に、ペルチェ素子5の両側の発熱と冷却
とが、シリンダ後蓋I’mを介して相殺される傾向にあ
って金属水素化物4への加熱、冷却が有効になされず、
従って水素放出ならびに吸収が迅速になされないためで
ある。
It is the same as the indication in (b), and the current value in this case is 2,
It was OA. As is known from both figures, by applying a voltage of +5V to the Peltier element 5, hydrogen gas is released from the metal hydride 4, the piston 2' strokes for about 25 mrn overcoming the applied load W2, and the Peltier element 5 By applying a voltage of 1.5 cm to the element 5, the metal hydride absorbs hydrogen, the hydrogen pressure in the cylinder 1' decreases, and the piston/2' tends to return due to the applied load W2. This reciprocating movement of the piston 2' takes more time than in the first embodiment, but this is because when a voltage is applied to the Peltier element 5, heat generation and cooling occur on both sides of the Peltier element 5. , the metal hydride 4 tends to be offset through the cylinder rear cover I'm, and the metal hydride 4 cannot be heated or cooled effectively.
Therefore, hydrogen release and absorption cannot be carried out quickly.

第3図には金属水素化物および加熱冷却手段をシリンダ
外に設け、かつピストンを浮動状態に保持し、ピストン
とシリンダ後蓋との間にベローズを設けてピスト7棹を
ベローズで被った第3実施例を示す。
In Fig. 3, a metal hydride and heating/cooling means are provided outside the cylinder, the piston is held in a floating state, a bellows is provided between the piston and the rear cover of the cylinder, and the piston 7 rods are covered with the bellows. An example is shown.

l#はシリンダ、2〃はピストン、2〃aはピストン棒
であり、ピストン2Nはシリンダ1〃に遊嵌されている
。6はベローズであり、一端をピストン2〃の外側面に
、他端をシリンダ1Nの前蓋内側面に固定されてピスト
ン棒2’aを破っている。
1# is a cylinder, 2〃 is a piston, 2〃a is a piston rod, and the piston 2N is loosely fitted into the cylinder 1〃. A bellows 6 is fixed at one end to the outer surface of the piston 2 and at the other end to the inner surface of the front cover of the cylinder 1N, and breaks the piston rod 2'a.

4は金属水素化物であり、その円墳面を円筒状フィルタ
3′で被われて容器7に収容され、該容器7の円墳面に
通孔を設け、円筒状フィルタ3′を介して連絡管8にて
シリンダlIと容器7とが連絡されている。両5.5は
それぞれ円板状に形成されたペルチェ素子である。
4 is a metal hydride, which is housed in a container 7 with its circular mound surface covered with a cylindrical filter 3', and a through hole is provided in the circular mound surface of the container 7, and communication is made through the cylindrical filter 3'. A tube 8 connects the cylinder II and the container 7. Both 5.5 are Peltier elements each formed into a disk shape.

次に作用について説明する。Next, the effect will be explained.

両ペルチェ素子5.5に電流を流せば、容器7内の金属
水素化物4は、it流の方向によって両面から加熱また
は冷却されて水素を放出または吸収する。両ペルチェ素
子5,5で加熱されて金属水素化物4から放出された水
素ガスは、円筒状フィルタ3′を通過して容器7の円墳
内周向から連絡管8を経てシリンダ1′内の圧力を高め
、ピストン2Nは、ベローズ6を圧縮させて図上にて右
方へと移動する。この際に、ピストン2〃はシリンダl
IIに遊間をもっているので摺動抵抗は殆ど発生しなく
、また遊間からベローズ6側へ侵入した水素ガスは外部
へ漏洩することなく、じよじよに圧縮されて圧力を上昇
する。ついで、両ペルチェ素子5,5に逆方向に電流を
流せば、金属水素化物4は冷却され、ンリ/ダl〃内の
水素ガスは連絡管8、円筒状フイA・夕3′を通過して
金属水素化物4に吸収され、シリンダ1′内の圧力低下
ζこつれてベローズ6の外周の水素ガスの膨張力と、ベ
ローズ6の原形への復帰力とによってピストン2〃は元
位置へ復帰する。
When current is passed through both Peltier elements 5.5, the metal hydride 4 in the container 7 is heated or cooled from both sides depending on the direction of the IT flow, and releases or absorbs hydrogen. The hydrogen gas released from the metal hydride 4 after being heated by both the Peltier elements 5, 5 passes through the cylindrical filter 3' and flows from the inner periphery of the circular mound of the container 7 through the connecting pipe 8 into the cylinder 1'. By increasing the pressure, the piston 2N compresses the bellows 6 and moves to the right in the figure. At this time, the piston 2 is in the cylinder l
Since there is a clearance in II, almost no sliding resistance occurs, and the hydrogen gas that has entered the bellows 6 side through the clearance is gradually compressed and increases in pressure without leaking to the outside. Next, when a current is passed in the opposite direction to both Peltier elements 5, 5, the metal hydride 4 is cooled, and the hydrogen gas in the tank 1 passes through the connecting pipe 8 and the cylindrical pipe 3'. The piston 2 returns to its original position due to the expansion force of the hydrogen gas on the outer periphery of the bellows 6 and the force of the bellows 6 to return to its original shape. do.

第6図(イ)、(ロ)に試験結果を示す。Figures 6 (a) and (b) show the test results.

第6図(イ)は横軸に時間を、縦軸に両ペルチェ累子5
,5に加えた電圧を示す。なお、この場合の電流値は2
.5Aであった。
In Figure 6 (a), the horizontal axis is time, and the vertical axis is both Peltier elements 5.
, 5 is shown. Note that the current value in this case is 2
.. It was 5A.

第6図(ロ)は、横軸に時間を、縦軸にピストン2Nの
ストロークを示す。ストロークは約2501111であ
り、1サイクル時間は約40秒で、ピストン2〃が規則
正しく往復動することが知られる。
In FIG. 6(b), the horizontal axis shows time and the vertical axis shows the stroke of the piston 2N. It is known that the stroke is about 2501111, the time for one cycle is about 40 seconds, and the piston 2 regularly reciprocates.

(発明の効果) 金属水素化物の使用量は、第1実施例では約3Ill第
2実施例では約6g’s第3実施例では約(l grと
いずれも僅かの童であり、アクチュエータを@量に構成
できる。
(Effects of the Invention) The amount of metal hydride used was approximately 3 g's in the first embodiment, approximately 6 g's in the second example, and approximately (1 gr's) in the third example, and the amount of metal hydride used was approximately 3 g's in the first example, approximately 6 g's in the second example, and approximately (l gr's) in the third example. Can be configured in quantity.

また、ピストンをシリンダに遊嵌させ、ベローズをピス
トンとシリンダ前蓋との間に設けてピストン棒を被うこ
とによって、水素ガスの漏洩による損失を防止し、ピス
トンの摺動抵抗を減少させ、かつピストンに復帰力を与
えることができ、更に、金属水素化物の加熱、冷却手段
をペルチェ素子とすることによって、電気制御が容易と
なり、かつ電池も小形でまか々える。
In addition, by loosely fitting the piston into the cylinder and providing a bellows between the piston and the cylinder front cover to cover the piston rod, loss due to hydrogen gas leakage is prevented, and the sliding resistance of the piston is reduced. Furthermore, by using a Peltier element as the means for heating and cooling the metal hydride, electrical control becomes easy and the battery can be made small.

以上によって、本発明に係る金属水素化物を用いたアク
チュエータは、歩行用口iットや動力義肢等への使用に
好適である。
As described above, the actuator using the metal hydride according to the present invention is suitable for use in walking mouths, powered prosthetic limbs, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

81図は、本発明に係る第1実施例の断面図、第2図は
、同第2実施例のWr面図、第3図(イ)は、同第3実
施例のl[面図、第3図(ロ)は、第3図(イ)のA−
A  線断相1 図、  第 4 図(イ)、(ロ)、
  第 5 図(イ)、(ロ)、j、・よび第6図(イ
l 、 (01は、それぞれ第1実施例、第2実施例、
および第3実施例の試験結果を示す線図である。 i 、 i’、 1#ニジリンダ、2.2’、2’:ピ
ストン、2 &、 2/ a、 、 2〃&*ピストン
棒、3:円板状フィルタ、3′−円筒状フィルタ、4:
金属水素化物、5:ペルチェ素子、6:ベローズ、7:
容器、8:連絡管 1l−
81 is a sectional view of the first embodiment according to the present invention, FIG. 2 is a Wr side view of the second embodiment, and FIG. Figure 3 (b) shows A- in Figure 3 (a).
A Line phase break 1 Figure, Figure 4 (A), (B),
Figures 5 (A), (B), j, and Figure 6 (I), (01 are the first embodiment, the second embodiment, respectively,
and FIG. 7 is a diagram showing the test results of the third example. i, i', 1#niji cylinder, 2.2', 2': piston, 2 &, 2/ a, , 2〃&* piston rod, 3: disc-shaped filter, 3'-cylindrical filter, 4:
Metal hydride, 5: Peltier element, 6: Bellows, 7:
Container, 8: Connecting pipe 1l-

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、ピストンを内蔵するシリンダと、水素ガスを通過さ
せるフィルタにてシリンダと区画された金属水素化物と
、金属水素化物を加熱または冷却する手段とよりなるこ
とを特徴とする金属水素化物を用いたアクチュエータ。 2、ピストンをシリンダに遊嵌し、ピストンとシリンダ
との間にて、ピストン棒をベローズにて被った特許請求
の範囲第1項記載の金属水素化物を用いたアクチュエー
タ。 3、金属水素化物を加熱または冷却する手段をペルチエ
素子とした特許請求の範囲第1項または第2項記載の金
属水素化物を用いたアクチュエータ。
[Claims] 1. A cylinder containing a piston, a metal hydride separated from the cylinder by a filter that allows hydrogen gas to pass through, and means for heating or cooling the metal hydride. Actuator using metal hydride. 2. An actuator using a metal hydride according to claim 1, wherein the piston is loosely fitted into the cylinder, and the piston rod is covered with a bellows between the piston and the cylinder. 3. An actuator using a metal hydride according to claim 1 or 2, wherein the means for heating or cooling the metal hydride is a Peltier element.
JP11223485A 1985-05-27 1985-05-27 Actuator using metal hydride Granted JPS61270505A (en)

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