低温高圧合成でNd添加サファイアを開発

理化学研究所 放射光科学研究センター 基盤開発チーム・佐藤庸一博士の研究テーマ「MW級高輝度希土類添加サファイアセラミックスレーザ光源の開発」が、天田財団の2025年度「重点研究開発助成（課題研究）」にレーザプロセッシング分野で採択された。

佐藤博士は2020年度にも同財団の「一般研究開発助成」に「サファイアへのNd添加による新奇高機能レーザセラミック媒質の開発研究」という研究テーマで採択されている。サファイアは非常に高い熱伝導性があり、高出力時の熱レンズ効果や耐久性に適しているという特徴を持っている。今回の研究は、2020年度の助成研究の際に確立した独自の低温高圧合成法を用いて、レーザ発振が可能なバルク形状のネオジウム（Nd）添加サファイアの開発を目指すものである。

レーザ性能の確保には高い基盤技術が必要

佐藤博士の研究の根底にあるのは「レーザ技術を社会に広く普及させ、人々の役に立つもの提供したい」という思いだ。それには佐藤博士の経歴が関係している。

佐藤博士は東京大学 工学部物理工学科で層状ペロブスカイト、東京大学大学院 工学研究科 物理工学専攻でAnthracene-PMDAなど、光機能材料・素子開発による新機能光学特性の研究に従事。1993年3月の大学院前期課程を修了後はその知見を実用分野に生かすため、㈱ファナックに入社し、レーザ加工用高出力レーザの開発・設計を担当した。そしてお客さまと関わるうちに加工精度は前提として、装置の低価格化や小型化などお客さまがレーザ加工に求める要素について考えるようになった。

「開発したレーザ装置にトラブルが起きるとお客さまの工場へ駆けつけ、復旧や原因究明、改良にあたる日々でした。設備停止は生産に直結するため、お客さまは気が気ではなかったと思います。そうした現場を見て、『完成度を高め、お客さまが安心して利用できる手離れの良い技術をつくらなければ』と考えるようになりました。ただ、要望を聞き過ぎれば開発負荷が増し、聞かなければ製品として受け入れられない ― そのバランスが難しい。最終的に『安定性能の確保には基盤技術の向上が不可欠』と考えるようになりました。その思いが今も開発の原動力となっています」と佐藤博士は振り返る。

レーザ性能向上を目指し「レーザ三要素」に立ち返って装置の構成部品を見直したが、大きな改善には至らなかった。頭を抱えていた1995年、セラミックレーザの発振に成功したという報に可能性を見出し、透明セラミックスを開発した池末明生博士を招いて、セラミックレーザの開発を開始する。しかし産業利用が見込めるほどの成果は得られず、1998年に会社から研究の打ち切りを告げられた。佐藤博士は一度炭酸ガスレーザ/YAGレーザ開発に戻るも断念できず、研究継続のため1999年に総合研究大学院大学へ入学。両立が難しいことから3カ月後にはファナックを退社し、研究者として夢を追いかける決断をした。

2002年9月に総合研究大学院大学を卒業して博士（理学）を取得。その後は2002年10月から分子科学研究所（分子研）の研究員として勤務し、2019年4月からは分子研にも籍を置いたまま本務先を理化学研究所（理研）に移し、レーザ性能を飛躍的に高めるための要素技術開発に取り組んでいる。

左：液相状態の材料に強い磁場を加えることで、異方性結晶の結晶軸を同一方向に制御する／右：佐藤博士らがこれまでに作成したNd:YAGセラミックスと配向制御FAPセラミックスのサンプルなど

銅とアルミの異種金属溶接技術について研究

広島大学大学院 先進理工系科学研究科・岡本康寛教授の研究テーマ「斜角照射法とメッシュインサート材を用いたCu/Alの高品位レーザ溶接」が、天田財団の2025年度「重点研究開発助成（課題研究）」にレーザプロセッシング分野で採択された。岡本教授は銅とアルミニウムの異種金属溶接技術の開発をテーマに研究を行っている。

岡本教授は1992年4月に岡山大学 工学部 機械工学科に入学し、1998年3月に同大学院 機械工学研究科を修了すると、翌4月から同大学 工学部の助手となり、2025年3月までの26年間、岡山大学で研究を続けてきた。その間、2004年に大阪大学で博士（工学）を取得、2006年にはドイツのフラウンホーファー・レーザ技術研究所、アーヘン工科大学の客員研究員を約1年間務めた。

岡本教授はこれまで岡山をベースとして高エネルギービーム加工による生産プロセスの高度化を目指して、レーザ微細加工およびマイクロ加工を主として、各種学協会を通じて国内外の企業・研究者と連携しながら教育・研究活動に取り組んできた。

レーザビームを用いた新しい加工法を研究

修士までは放電加工を研究していたが、助手になってからレーザ加工の研究を始めた。研究室を選ぶ段階で機械加工と特殊加工があったが、特殊加工の方が「新しくておもしろそう」と感じ、特殊加工学研究室を選択した。科学技術の

進展にともなって工業用材料の特性は高度化しており、従来の加工法では加工の困難な材料や複雑かつ微細な形状の加工が多くなってきている。特殊加工の研究には電気や光、磁気などを用いた新しい加工法や未来の加工法に関したさまざまな研究がある。その中で、岡本教授はエネルギービームを用いるレーザ加工を主に研究してきた。

2025年4月に広島大学に異動したことについて、岡本教授は「山本元道先生や山田啓司先生など材料加工系の研究者、プラズマ関係でレーザを扱う研究者、半導体関係の研究者などレーザに関わる方が多いことや、自宅の倉敷から近いことなども含めて良いご縁をいただきました」という。

• 出力1.0kWのブルーレーザ発振器
• レーザを使った実験装置

宇宙構造物を、もっと軽量化・高信頼化する

宇宙航空研究開発機構（JAXA） 宇宙科学研究所・松宮久助教の研究テーマ「大型一体化構造Ti-Ni形状記憶合金の実現を目指したTi/Ni積層圧延材の塑性変形能に関する検討」が、天田財団の2025年度「奨励研究助成（若手研究者）」に、塑性加工分野で採択された。

私たちが直面している地球上の社会課題を解決するには、宇宙科学分野の研究開発が欠かせない。宇宙開発の核となるロケットや人工衛星・探査機のような大型展開構造物には、材料自体が能動的に変形することでいっそうの軽量化と高信頼性を担保できるスマートデバイスが求められている。その中核材料として、Ti-Ni（チタン・ニッケル）形状記憶合金が有望視されている。

この合金材料は加熱されると元のカタチに戻る形状記憶効果を持つ。この特性を生かせば大型展開構造物に用いられてきたばねやヒンジなどを固定する多くの部品が不要になる。結果として、軽量化と高信頼性を同時に実現できる。しかし、ワイヤーの状態で販売されているTi-Ni形状記憶合金は加工硬化が著しく、塑性加工がきわめて困難なため、大型・複雑形状部材の製造は難しい。3次元積層造形という手法も考えられるが、原料の金属合金粉末が高価、かつ製造工程で粉末に酸素の混入を防ぐことが難しい。

左：手回しの圧延機／右：Ti-Ni形状記憶合金のミクロ組織の電子顕微鏡画像

シャワー中に、ふとアイデアが浮かんだ

純Ti板と純Ni板を積層して圧延・接合した材料に熱処理を施すと、形状記憶効果を持つ「TiNi（ニチノール）単相組織」が得られることはすでに知られている。ただし、これは合金を板材化するための知見にすぎない。

「ある日、自宅でシャワーを浴びていた時に、“まず加工の容易な積層圧延材の段階で、企業や研究機関が求める形状に成形してしまい、その後に熱処理を施して、材料全体をTi-Ni形状記憶合金へと変化させれば、大型一体化構造の部材を低コストで製造できるのではないか”というアイデアが浮かんだのです」（松宮助教）。

この革新的な製造プロセスを確立するには、Ti/Ni積層圧延材の機械的性質の解明が不可欠だ。そこで、積層されたTiとNiの層厚や、加工が変形特性におよぼす影響など、この圧延材ならではの塑性変形特性を実験的に評価・解明し、その挙動を予測・制御するための設計指針を獲得することが、今回の助成研究のテーマとなっている。

JAXAが開発したM-Vロケットの前に立つ松宮助教

異なる2つのメカニズムで導入される「転位」を、分けて評価する

今回採択された研究の対象である形状記憶合金は、身近なところではメガネフレームや混合水栓に、医療分野では血管治療に不可欠なステントや歯科矯正ワイヤーなどに利用されている。産業分野では、アクチュエータのような機械装置に用いることで、機構の簡素化と小型化、信頼性の向上が見込める。形状記憶合金は、数%の歪みの範囲内で変形させても、加熱すれば元の形状に戻る性質を持っている。この形状回復は、合金の変形時や加熱時にマルテンサイト変態と呼ばれる結晶構造変化（相変態）が、原子の拡散をともなうことなく起こることに起因する。

形状記憶合金は、長年の使用によって相変態温度が変化する機能劣化が起こる。この機能劣化の主な原因の一つは、「転位」だと考えられている。転位とは、金属材料の内部で原子の配列にズレが生じる線状の欠陥を指す。転位は形状記憶合金の成形プロセスで実施される塑性加工時に導入される。加えて、完成した部品や装置が使用される場面で起こる繰り返しの相変態でも発生する。つまり転位が発生するメカニズムとして、塑性加工にともなう塑性変形時に発生するものと、相変態にともなうものがある。

機能劣化をできるだけ生じさせない合金を設計するには、この2種類の転位の効果をマクロとミクロの観点から区別して評価する必要があるが、詳細を明らかにできていないのが現状だ。理由の一つに、塑性変形による転位の影響を評価するために材料に塑性加工を施すと、加工過程で同時にマルテンサイト変態も生じてしまうことが挙げられる。

篠原准教授が着目したFe-Ni-C合金は、一部の組成で形状記憶効果が発現するが、構造材料の研究に用いられることが主であった。しかし、篠原准教授は形状記憶合金の開発を行った経験から、本合金を用いれば室温ではマルテンサイト変態が生じず、外力により塑性変形のみが生じる状態と、その後に合金を冷却することで、マルテンサイトが形成される状態を、段階的に評価できるとしている。透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による観察を通じて、塑性変形がマルテンサイト変態の発現挙動におよぼす影響を明確化する。

• 金属材料のミクロスケールの組織解析
• 試料研磨機

事業部の整理をきっかけに研究者に転身

金沢大学 設計製造技術研究所の立野大地准教授の研究テーマ「不連続熱可塑性CFRPの塑性変形機構の解明」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成（課題研究）」に塑性加工分野で採択された。

立野大地准教授は兵庫県神戸市出身。神戸市立工業高等専門学校を卒業した2004年、金沢大学工学部3年に編入し、米山猛教授（現・名誉教授）の研究室で、スポーツ工学（スキーロボットやスキー力学）を学んだ。

米山教授は塑性加工を基礎に、塑性加工における工具面の圧力・摩擦センサーや、金属光造形法を活用した高機能射出成形金型の開発、スキーにおける計測やスキーロボット、脳腫瘍の判別や脳腫瘍摘出マニプレーターの研究など、多彩な研究分野で実績がある。

立野准教授は米山教授のもとで学び、2008年に大学院修士前期課程を修了して民間企業に就職し、プラスチック製品の生産設備の開発などを担当した。ところがリーマンショックがきっかけで勤めていた企業が事業の整理に乗り出し、結果的に所属していた事業部がライバル会社に売却されることになった。

その際、さまざまな規制や制約の中で働くことに窮屈さを感じた立野准教授は、もっと自由に研究できる環境を求めて大学に戻ることを決意。恩師の米山教授に相談したところ、当時、米山教授が取り組み始めた熱可塑性CFRPの成形に携わる非常勤研究員として勤務することを勧められた。

軽くて強い素材はいつの時代も求められるものであることや、大学は時間や報告義務などの縛りが少なく、自分のペースで研究を進められることに魅力を感じ、2012年に米山研究室の非常勤研究員として働くことを決断。そして、2016年に博士（工学）を取得した。同年には金沢大学機械工学系の研究員、2017年に自然システム学系の博士研究員、2018年にフロンティア工学系の助教、2020～2022年に設計製造技術研究所の助教を経て、2023年から設計製造技術研究所の准教授に昇任した。

熱可塑性CFRPテープを用いて、組みひもと呼ばれる手法とプレス成形を組み合わせて高強度チューブを成形

狭開先溶接とモニタリング技術開発の研究

広島大学大学院 先進理工学系科学研究科 機械工学プログラムの山本元道教授の研究テーマ「高出力半導体レーザとホットワイヤ法を用いた高性能材料狭開先溶接技術および機械学習によるモニタリング技術の開発」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成（課題研究）」にレーザプロセシング分野で採択された。

溶接研究に至った経緯

山本教授は、溶接研究に携わる前には造船や橋梁などの大型構造物の構造強度の分野での研究を行っていた。

「広島大学造船学科で学び、卒論と修士1年までは船舶、橋梁や建設機械などの厚板構造物の構造強度・振動を研究しました。修士2年のときに三菱重工業㈱技術本部の技師長を経て広島大学に着任された矢島浩教授から、溶接構造物の極低サイクル疲労強度評価に関する研究テーマをいただき、溶接に関わる研究がスタートしました。その後、矢島研究室の助手に採用され、本格的に溶接部の各種破壊強度（脆性破壊・疲労破壊・腐食疲労強度・延性破壊など）に関する研究に携わらせていただきました」。

「矢島教授の退職後は、大阪大学から着任された篠﨑賢二教授の下で本格的に溶接に関する研究を始めました。現在は工学部第一類（機械・輸送・材料・エネルギー系）で材料加工グループに所属しています」。

「私の研究室では、主に高出力レーザによる溶接・接合、積層造形、ナノ秒パルスレーザによる加工・クリーニング、アーク溶接に関する研究を行っています。今年4月には、主に短パルスレーザを用いた微細加工の研究をされている岡本康寛教授が広島大学に着任されたので、レーザ加工プロセスの分野でお互いに協力して拠点をつくろうと話し合っている最中です。将来のものづくり現場で実際に役立つ研究成果が創出できることを目指しています」（山本教授）。

山本教授の接合プロセス工学研究室には、2台の半導体レーザ（出力6kW）とホットワイヤ技術を組み合わせ、厚板と薄板の両方の溶接に取り組んでいる。また、4kWレーザ発振器を搭載した金属3Dプリンタを導入し、レーザ照射部分に金属ワイヤを直接供給して積層造形する「ワイヤ・レーザDED方式」によるアディティブ・マニュファクチャリング（AM）の研究も行っている。1kWのナノ秒パルスレーザと共同ロボットを組み合わせた大型溶接構造物対応のレーザブラストシステムの開発なども手がけている。

左：半導体レーザ加工装置によるニッケル材への溶接実験／右：肉盛り溶接されたニッケル材

従来技術の限界を超える薄膜材料を形成する

東京都立大学 システムデザイン学部の清水徹英准教授の研究テーマ「超ハイテン用金型に向けた高靭性アモルファス窒化ホウ素膜を実現するイオン化PVD法の開発」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成」に塑性加工分野で採択された。

現在、世界の国・地域では気候変動対策として、温室効果ガスの排出規制が強化されている。各種排出量の目標数値を達成するためには車体の軽量化が必須となる。構造部材には1.8GPa級の超高張力鋼板（以下、ハイテン材）の使用比率を高める必要があり、面圧負荷の高いプレス加工にも耐えうる次世代の金型開発が急務になっている。この開発には金型表面の高強度・高靱性・低摩擦化のために、摩擦熱の発生にも耐えうる硬質薄膜材料の適用が求められる。

従来の表面改質技術の限界を超える革新的な薄膜材料としては、ダイヤモンドに次ぐ硬さと、1300℃程度までの高温耐熱性を備えた「立方晶窒化ホウ素」（以下、c-BN）という化合物が注目されてきた。だが、c-BN相の形成にはさまざまな技術的課題が多く、応用研究が進展せず、産業化に至っていなかった。特に金型などの表面に成膜しようとしても、基材との密着性が低下してすぐに剥がれてしまうことが産業化における足かせとなった。その大きな要因として、薄膜を形成するプロセスに由来して、膜中に大きな残留応力が発生してしまうという構造的な欠陥があった。

• ミラー磁場型HiPIMSにスパッタリング蒸着を行う様子
• あらゆる条件を変えながら成膜されたステージ

金属への凹凸転写加工の新しい技術

名城大学 理工学部 機械工学科設計・生産分野の吉川泰晴准教授の研究テーマ「印刷工具を用いたトレーサビリティ向け凹凸刻印・発色技術の開発」が、天田財団の2024年度「重点研究開発助成」に塑性加工分野で採択された。

現状の金属への凹凸転写加工は、一般に貨幣製造のように凹凸を有する被加工材よりも硬い金型を金属円板に押し付け、金型の凹凸が反転したパターンを金属円板に転写し製造している。吉川准教授の発想は、これとは逆に軟質な材料を工具として使用する。軟質材料の表面に設けられた凹凸を金属板に転写する独自技術により、高精細で高精度、安価で早急に大量の同一品質の製品を製造できる技術の研究を行っている。

本研究は紙や樹脂フィルムなどの軟質材料を工具とし、金属表面に凹凸を転写する技術の基礎・応用研究である。より高精細で高精度な転写が行えるようにするため、軟質材料を工具として用いた際のトライボロジーの役割や、加工条件に関して、転写過程を詳細に分析し、転写機構を明らかにすることを目標にしている。

• 天田財団の2019年度「一般研究開発助成」に採択された研究の際に製作された実験用圧延機
• 印刷物を工具に用いたほかの凹凸転写方式

プラズマによる窒化処理の研究で学位取得

吉川准教授は2000年に名城大学 理工学部に入学した後、2004年4月に同大学大学院 理工学研究科に進学、2009年には「電子ビーム励起プラズマ環境および窒素スピーシーズによる金属窒化処理法の開発」の研究で博士号を取得した。2009年4月にはポスドク研究員として、豊田工業大学でプラズマ窒化の研究を行った。同年11月に岐阜大学 工学部の助教に任官、トライボロジーと塑性加工を中心とした生産加工分野の研究を約8年間にわたり行った。2017年に名城大学 理工学部の助教、2020年には現職である同准教授に就任した。

吉川研究室では、紙や樹脂フィルムを工具として金属表面に凹凸を転写する技術の基礎・応用研究や、板鍛造の工程設計および板鍛造工程中の諸問題の解決、塑性加工におけるトライボロジーに関する研究、精密金型や治具に関する研究などに取り組んでいる。