特集

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JVRSJ Vol.13 No.2 June, 2008

アクチュエータ・テクノロジー

特集 ■アクチュエータ・テクノロジー〜ヒトとの親和性を目指して〜

水素吸蔵合金アクチュエータの基礎と応用〜ヒトへの親和性に富んだ動力源としての福祉機器への応用〜

佐藤満

昭和大学

SATO MITSURU

井野秀一

東京大学

INO SHUICHI

作，または合金の温度の操作によって，可逆的に水素の1．はじめに少子高齢社会の到来により，生活を支援する機器，特吸収・放出を行わせることが可能であり，その反応速度に介護支援や自立支援といった目的の機器への要求が高は非常に急速である．MH(M) と水素 (H2) とは，次のよまっている．身体接触を伴った生活空間での作業課題をうな可逆反応によって金属水化物 (MHx) を形成する．

果たす機器に用いるアクチュエータには，電源や周辺装

2ーx

置も含めて小型であること，サイズに比して大きな出力が得られること，身体に接触する作業課題では適切な柔M ＋H2⇔

2ーxMHｘ＋Q・・・(1)

軟性を実現できること，無音・無振動で作動することな

ただし，Q は反応に伴う熱量で，一般に Q ＞ 0 であど，従来の産業用・民生用機器とは異なる条件が求めらる [2]．x は反応式の係数で正の値をとり，最も簡単な場れる．しかし，これらを十分に満たすものは存在しない

合，x ＝ 1 となる．すなわち MH が水素を吸収する過のが現状である．
こうした用途のアクチュエータとして，程では，過剰となった内部エネルギーが熱として放出さ筆者らは大量の水素を吸脱するという機能をもつ水素吸れ，逆に MH が水素を放出する過程では，不足する内蔵合金を利用したアクチュエータの開発とその応用に取部エネルギーを補う熱の吸収が生じる．

り組んでいる．
本稿では，水素吸蔵合金の性質とアクチュ

この水素化反応式は温度を一定としたときの一定水素エータとして利用する場合の動作原理と特徴，および介圧力下での式であり，水素化は合金周囲の水素圧力 (P)・護支援機器や自立支援機器への応用事例を紹介する．最合金内の水素濃度 (C)・合金温度 (T) の間である平衡状態

後に VR 分野への応用の展望を述べる．

を保つ．数々の条件下におけるこれらの平衡状態の様子を図にまとめて示したものが P−C−T 線図で，これがMH の水素吸蔵の基本的特性を表すものとされている．

2．水素吸蔵合金の性質
金属には量の多寡を問わず水素を吸収する性質があ

図 1 は P−C−T 線図の概念を示す．縦軸が合金周囲の水ることは昔から知られていたが，水素吸蔵合金 (metal

素圧力，横軸が合金内の水素濃度 ( 等温組成比 ) である．

hydride：以下 MH) はこの性質を最適化して極めて多量

図からわかるように，水素圧が組成比の値によらずほぼの水素を吸収・貯蔵できるように開発された．1960 年

一定の領域が存在し，これを平衡水素解離圧と呼ぶ．こ

代末に米国とオランダでそれぞれ MgNi 系と LaNi 系のの平衡水素解離圧は温度に依存しており，一般に温度のMH が開発されたのを契機に，100 種類以上の MH が上昇に伴って指数関数的に増大する．図 2 は平衡水素解現在までに開発されている．MH はそれ自体の体積の離圧 (lnP) と温度 (1/T) の関係を各種組成の MH に関し1000 倍以上の水素ガスを吸収でき，種類によっては液てまとめて示したグラフである．どの組成の MH も温体水素よりも高密度で水素を貯蔵できる [1]．単に多くの度と平衡水素解離圧の関係は，このグラフ (P−T 線図 )水素を貯蔵できるだけではなく，合金周囲の水素圧の操上では直線関係で示される．一つの種類の MH に限れば，27

日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月特集

温度変化に伴う圧力変化はこの直線に沿った状態でのみ動源となる．容器内の水素圧変化は外部の作動部に取り変化する．基本的に 2 種類の金属の組合せからなる MH出すが，一般的なピストン・シリンダでは水素漏出を完に第 3，第 4 の元素を添加することで，この直線の傾き全に防ぐことが困難なため，作動部にはステンレス製でや位置などの状態を，ある程度変化させることもできる．

伸縮が可能な金属ベローズを使用する．図 4 に示す MH

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モジュールは 30mm 角で MH の厚さは 3mm で，MH の重量はおよそ 6g であり，1000cc を超える水素吸脱量を3．MH アクチュエータの動作原理と特徴
このように MH は周囲の水素圧操作か熱的な操作を得ることができる．半径 40mm の金属ベローズであれば，50kg の重量を 50mm ほど昇降させることができる．

加えることで，可逆的に水素の出し入れを行うことができる．LaNi 系や CaNi 系の MH では，常温付近の温度の熱の授受による MH の水素吸脱反応は急速に生じる

とき大気圧近傍に平衡水素解離圧があり，こうした MHものの，ペルチェ素子の温度制御には時間遅れが生じるは加熱操作により水素を閉じた空間へ放出させると，大上に，板状の MH の内部まで熱が伝導するにはさらに気圧より高い水素圧を得ることができる．MH アクチュ遅れが生じる．例えば LaNi 系の MH では 20℃程度でほエータはこの水素の圧力変化を動力として利用する．

ぼ定格容量の水素を吸蔵しており，70℃前後まで加熱す

MH アクチュエータの動作原理の概念図を図 3 に示す．

ると有効移動量の水素すべてを放出できるが，この温度鋳造された MH はいったん 10μm 程度に粉砕し，熱伝導まで上昇させるためには 10 秒以上の時間を要する．し性を上げるために Cu メッキで薄いコーティングが施さたがって，MH アクチュエータは急峻な動作には不向きれ，板状に圧縮形成される．この両面に MH の温度をであるが，介護支援・自立支援を目的とした機器では，電気的に制御するペルチェ素子を配置して一体化したもむしろゆっくりとした動作が求められるケースが多いたのが MH モジュールである．これを図 4 のようにアルめに，こうした目的の機器のアクチュエータとしては利ミ製の容器に密閉したものが MH アクチュエータの駆用価値がある．さらに気体の圧力変化を駆動源としていLoadDC power supply
Control box

Metal bellows

MH module container

MH plate

Peltier device
図1

図2

図3

MH の水素吸蔵特性（P-C-T 線図）

各種 MH での平衡水素圧（lnP）と温度（1/T）の関係

図428

MH アクチュエータの基本構造

MH モジュールと封入容器

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アクチュエータ・テクノロジー

4.3

るので，位置決め精度が低い分，その緩衝性を有効に生2993

移乗介助装置かすという選択肢もある．特に介護支援・自立支援機器

車いすへの乗降を移乗動作と呼ぶが，この動作に介助

では，人の身体と接触しながら動作するため，柔らかなを必要とする要介護者は少なくない．図 6 は椅子や車いクッション性が極めて重要になるケースが多い．そのほすからの移乗動作を支援するための介助機器である [4]．

かにも無騒音・無振動で動作するという特徴も，医療・介護者が前方から抱きかかえる介護作業を機器に代行さ福祉目的の機器には必須の条件である．近年の空気圧コせる目的で開発された．最大リフト荷重は 100kg，持ち上ンプレッサーにはかなり騒音を低減した製品も存在する

げストロークは 535mm の出力があり，総重量はおよそが，この種の機器は病室や介護の居室という静寂な環境

60kg，使用された MH 総量は 140g である．この動作介助で作業する．明かりを消した寝室で時計の針の刻む音が機器では介助者の腕に代わる機器のアームレストが緩衝気になったという経験は誰にでもあると思うが，この種性を持った柔らかい動作をするように，MH アクチュエーの機器では無騒音であるメリットは思いのほか大きい．

タの水素圧 - 直動運動変換部には金属ベローズのみが用以上のように，MH アクチュエータは既存のアクチュいられて，水素圧そのものが動力に変換されている．こエータにはないユニークな特徴があり，福祉機器への応の機器はある一般病院の病棟内で評価テストが繰り返さ用には適した面があると言える．

れ，その結果を反映させた改良機の開発が行われている．

4．MH アクチュエータの介護支援機器への応用例

4.4

車いす用座面昇降ユニット

MH アクチュエータの小型ながら出力が大きいという車いすの低い座面からの立ち上がり動作を支援するた

特徴を生かして重量のある身体を持ち上げる機能で動作めに，座面を昇降させる機能を持った座面昇降ユニットを支援する機器がいくつか試作されている．の外観を図 7 に示す [5]．この装置は車いす利用者が一般的に使用する座面クッションと同じ形状をしており，既4.1

座面昇降機能付き車いす

図 5 (a) は座ったままで高い場所に手が届くように，座面を昇降させる機能を付加した車いすである [3]．座面の下の空間に MH アクチュエータとバッテリーを配置して，体重 80kg の人を約 400mm 持ち上げることが可能である．CaNi 系の MH を 40g 使用し，油圧を併用した複動式のシリンダで水素圧を直動運動に変換しており，狭い配置スペースで大きなストロークを実現している．
昇降速度はおよそ 20mm/s である．
4.2（a）座面昇降車いす昇降式便座

図 5 (b) はトイレの便座からの立ち上がり動作を支援す（b）昇降便座

図5

MH アクチュエータを利用した自立支援機器

図6

MH アクチュエータを用いた移乗介助装置

る便座昇降装置である [3]．トイレの便座は通常の椅子よりやや低い座面高に設定されているものが多い．そのため，便座から立ち上がる動作に苦労する要介護者は多く，立ち上がる際に便座を上昇させると動作を容易にすることができる．便座は体重 100kg の人を最大 35cm まで上昇させることができ，昇降速度は 1.0cm/sec である．この機器においても，MH アクチュエータの水素圧 - 直動運動変換部には油圧を併用したピストン・シリンダを利用して，水素圧駆動のクッション性を抑制している．使用されている MH の総量は 300g である．この機器は先端福祉機器モデル住宅関連事業であるウェルフェアテクノ
ハウス札幌に導入されて評価が行われた．

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存の車いすに容易に設置が可能である．装置上面の昇降にエアバッグを用いることで動作前の厚さは 46mm とクッションと同程度に抑えている．エアバッグを水素で膨張させると漏出の恐れもあるため，この装置では MHアクチュエータの水素圧を空気圧に変換して，エアバッグにその空気を導入することで装置上面の昇降を行う方式を採用している．この機器は車いすからの起立動作を支援するので，両方の足は床に接した状態で使用される．
座面が上昇するほど，足で支える体重が増加するので，体重の一部分を想定した最大 50kg の負荷を 80mm 昇降

図8

小型 MH アクチュエータを用いた肘用 CPM 装置

図9

複層アルミラミネートを用いたソフトベローズさせる仕様となっている．急激な上昇は恐怖感を与えるため，座面上昇は 5 秒ほどかけて行う．
5．MH アクチュエータを用いたウェアラブルな機器
小型で高出力という MH アクチュエータの特徴を生かすと，ウェアラブルな機器への応用が期待できる．ゆっくりした動作が要求されるタイプのウェアラブルな医療福祉用機器の動力源として MH アクチュエータを応用した事例を紹介する．
5.1

関節運動装置として用いると，軸まわりの剛性が極めて高くなるが，手足の機能回復訓練を行うためのリハビリ機器に持続MH アクチュエータを用いることで機械的インピーダン的他動運動 (CPM) 装置がある．これは手術した関節をスを可変にすることができ，状況によっては柔らかさを動かさずにいると，関節が過度に固まってしまうため，もたせた関節可動域訓練が可能となる点が特徴である．

術後早期の段階から，決められた範囲を愛護的に極めてゆっくりした速度で受動的に動かすための装置である．

5.2

装置重量を軽減するソフトベローズ

手術の後遺症を軽減するなど臨床的にもその効果は確か

MH アクチュエータは基本的に水素圧を動力に変換すめられており，膝関節の術後では多用されている．腕のる機構上，動力変換部には水素気密性に優れた金属ベ関節の場合，術後まもなく歩行ができるので，ウエアラローズを利用する．金属ベローズは比較的重量が大きい

ブルな CPM 装置が理想である．図 8 は小型の MH アク上に，その全長は伸縮ストロークの 2 倍を超えるため，チュエータを用いた肘関節用 CPM 装置で，重量は 1.7kg

装置に実装する場合，配置に大きなスペースを必要とす( バッテリーを除く ) で従来の装置と比べて十分に軽量る．そのため，ウエアラブルな装置に MH アクチュエーである．関節まわりのトルク出力は最大で約 7.0 Nm でタを用いる場合，この点が障害となるケースが多い．そあり，この値は理学療法士の徒手による関節可動域訓こで，金属ベローズに代わる動作部として，高分子複合練時の計測トルクと同程度である [6]．電磁モータを動力フィルム材である複層アルミラミネートを用いたソフトベローズを開発した ( 図 9)．3500 回の連続伸縮試験で破損や劣化は確認されず，水素シール性は 10 日間の伸縮試験において，99.3％の水素を保持した．動作時の水素耐圧は 1.7atm と金属ベローズの数分の一であるが，気体の受圧面積を広く取れるため，出力は金属ベローズと遜色はない．重量は金属ベローズの 1/20，伸縮ストロー
ク長に対する初期ベローズ長は 1/30 と飛躍的な改善が

図7得られた [7]．さらに，金属ベローズは高価である点も欠

空気圧変換式 MH アクチュエータを用いた車いす用座面昇降ユニット

点の一つだが，このソフトベローズは 1/10000 のコスト

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3195で製作でき，例えば医療材料ではよく見られる使い捨て水素吸蔵合金を利用したアクチュエータの開発，日本のような使用法も可能である．また水素駆動による安全ロボット学会誌，4 (2) pp.45-48 (1986)[3] Y. Wakisaka, M. Muro, T. Kabutomori, H. Takeda, T. Izumi,性が問題になる場合には，前述の水素圧を空気圧に変換

S. Ino, T. Ifukube: Application of hydrogen absorbing alloys

する方式で空気を駆動源とすることもできる．

to medical and rehabilitation equipment, IEEE Trans Rehabil
5.3

Eng, 5 (2) pp.148-157 (1997)

関節リハビリ装置

ソフトベローズを用いた MH アクチュエータによっ[4] T. Tsuruga, S. Ino, T. Ifukube, M. Sato, T. Tanaka, T.て，より小型で扱いやすい機器が実現できる．例えば，

Izumi, M. Muro: A basic study for a robotic transfer aid

介護を要する寝たきりの高齢者は身体運動の少なさか

system based on human motion analysis, Adv. Robot, 14(7)ら，さらなる筋力低下や四肢の血流低下などの症状を招

pp.579-595 (2000)

く．こうした動かないことによる一層の身体機能低下を[5] M. Sato, S. Ino, N. Yoshida, T. Izumi and T. Ifukube:

廃用症候群と呼ぶが，関節運動を行う装置により，このPortable pneumatic actuator system using MH alloys状態はある程度防ぐことができる．たとえベッドで寝た

employed as assistive devices, J Robot Mechatr, 19 (6),ままであっても，足の指のみをゆっくりと受動的に動かpp.612-618 (2007)

すだけで，足首よりも上の身体部分の血流までもが促進[6] 奥村，敦賀，井野，伊福部，田中，泉，河野，室：されることが確かめられている [8]．こうした運動生理学

肘関節リハビリテーションシステムのための小型 MH

的知見を基にして，ベッド上で装着するだけで持続的なアクチュエータの開発 , ヒューマンインタフェース学

足指の他動運動を提供できる小型な装置を MH アクチュ会研究報告集，1 (5), pp.53-58 (1999)[7] 山田，井野，佐藤，王，伊藤，泉，伊福部：関節リハ

エータとソフトベローズの組合せで現在試作中である．

ビリ機器のための水素吸蔵合金ソフトアクチュエータの設計，ヒューマンインタフェースシンポジウム 2002

6．VR 機器への応用の可能性
MH アクチュエータは急峻な動作をする機器への応用

論文集，pp.471-474 (2002)

は難しいが，比較的ゆっくりとした動きを提示するため[8] 細野，井野，佐藤，山下，泉，伊福部：足趾の他動の機器であれば，上述のようにウエアラブルな機器への運動による血流測定に基づく関節リハビリ機器設計の応用が可能である．その一方で，MH アクチュエータが基礎的検討，第 28 回バイオメカニズム学術講演会予

もたらす動作は一般的な電磁モータやエアコンプレサー

稿集，pp.247-248 (2007)を付帯させた空気圧アクチュエータで置き換え可能である．現状ではコスト面や技術的蓄積の共有度の高さなど【略歴】

で，MH アクチュエータは既存のアクチュエータに対抗佐藤 満（SATO Mitsuru）するには不利な点も多い．しかし，MH アクチュエータ

昭和大学は熱駆動である点が大きな特徴の一つであり，実はこれ1987 年北海道大学医療技術短期大学部卒業 ( 理学療法が既存のアクチュエータとの決定的な差異であるとも言士 )，1993 年東京都立大学工学部卒業，2006 年東京大学

える．この特徴を生かすと，例えば熱的な状態変化をそ工学系研究科先端学際工学専攻博士課程修了．博士 ( 工のまま動力として利用して表現する機構に応用できる可学 )．1997 年昭和大学医療短期大学講師，2005 年より現能性がある．さらに利用環境の熱エネルギーのみで駆動

職．専門は福祉工学．

保健医療学部

准教授

するならば，電力供給を要しないアクチュエータとして稼働させることもできる．他のアクチュエータでは実現

井野秀一（INO Shuichi）

不可能な，MH アクチュエータならではの応用事例はこ

東京大学のような利用方法ではないかと我々は考えている．

1988 年北海道大学工学部卒業，1993 年北海道大学工学

先端科学技術研究センター准教授

研究科生体工学専攻博士後期課程修了．工学博士．1993
参考文献

年北海道大学電子科学研究所助手，1995 年同大学講[1] 大西敬三 ( 監 )：水素吸蔵合金の応用技術，シーエム

師，2003 年より現職．専門は生体情報システム論に基シー出版 (2002)

づく福祉工学やバーチャルリアリティおよび触覚インタ[2] 佐々木忠之，川嶋稔夫，青山英樹，伊福部達，小川孝寿：

フェースに関する研究．

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