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主な研究テーマ

東京工科大学工学部機械工学科の大久保研究室では、「レーザー加熱による加速試験」「太陽光励起レーザー」「レーザー加工のコンピューターシミュレーション」等光やエネルギーをサステイナブルな社会に生かすための研究を行っています。

レーザー加熱による加速試験機

航空機エンジン等の燃費向上のためには，高温に耐える新しい材料が必要です。本研究室ではレーザーを用いた新しい加速試験機を開発し，最先端の航空機エンジン用の材料開発を促進し，サステイナブルな社会の実現を目指します。

太陽光励起レーザー

太陽光励起レーザーとは「地球上に膨大に降り注ぐ太陽光の光エネルギーを集め、直接レーザーに変換する技術」です。太陽光エネルギーの有効利用により、サステイナブルな社会に貢献する事を目指します。

レーザー加工の数値計算

レーザーによるものづくりが今後のサステイナブルな社会の実現には必要となりますが、分からない事も多いです。本研究室ではコンピューターシミュレーション(数値計算)によりレーザーによるものづくりの現象解明、最適化を目指します。

研究紹介

研究概要を画像付きで説明します。
研究業績の詳細はこちら。

レーザーによる加速試験

サステイナブル社会の実現のためにはグローバル社会を物理的に繋ぐ航空機の燃費の向上が欠かせません．航空機エンジンのような熱機関は，低温での動作では効率が低く，高効率化のためには高温での動作を可能にする必要があります．そこで，高耐熱で丈夫なSiC/SiC CMCという材料が次世代の航空機エンジンの材料として注目されています．
このような高耐熱な材料の信頼性を確認するには，従来は加熱炉に入れて長時間かけての試験が必要でした．そこで，耐熱材料の試験したい部分にレーザーを照射して局所的に加熱をすることによって加熱・冷却を短時間で繰り返す加速試験を可能とする新しい加熱手法を本研究室では研究中です．
本研究は，オールジャパンの新しい試験装置による新材料開発を目指し，日本の技術革新を促進したいと考えています．

独自開発のSLT法

従来のレーザー加熱では，丸いレーザービームを加熱したい面の形に変形して照射していました．しかし，この方法では形状の自由度は低く，環境変化に対応も出来ません．また，温度勾配の制御も困難であり，材料の変形にも対応出来ません．更に，高出力化が容易なCO2レーザーが使われていましたが，エンジン内で生じる水蒸気に吸収されてしまって加熱の妨げになります．

そこで本研究では，水蒸気に吸収されにくい近赤外のファイバレーザーを用い，レーザーの照射位置を高速で制御可能なガルバノスキャナにより，レーザーで塗り絵をするように試験対象を加熱する新しい試験方法を開発しています．この方法では，加熱する形状の自由度が高く，材料の変形への対応や，温度分布の制御が可能となります．更に，複雑に走査するレーザーの照射条件を決定するAIの開発も行っています．

このように，全く新しい仕組みの加熱試験装置の開発を実施しています．本研究室ではこの独自の加熱技術をSelective Laser Thermoregulation (SLT) 法と名付けました．

太陽光からレーザーへ

サステイナブルな社会の実現に向けて、温室効果ガスの問題や枯渇の心配のある化石燃料から太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーへの転換が求められています。そこで、本研究室では使いにくい太陽光エネルギーを使いやすいレーザーへと変換する「太陽光励起レーザー」の研究・開発を行っています。太陽光をレーザーに変換することにより、宇宙太陽光発電や、レーザー推進、エネルギーサイクルへの応用や、更には月面等の宇宙での加工機など幅広い応用が期待できます。太陽光励起レーザーはまさに未来のエネルギーと言えるでしょう。

太陽光励起レーザー概要

大型のフレネルレンズにより大きな太陽光パワーを集め、その太陽光を二次集光系、三次集光系によりレーザー媒質へと集光することによりレーザー発振を実現します。地上から見ると太陽は刻一刻と動いているように見えるため、常にフレネルレンズが太陽に正対するように、装置全体は太陽追尾装置の上に構築されています。このような仕組みにより、実際の太陽光を用いたレーザー発振に成功しています。

他の研究との比較

横軸をレーザー出力、縦軸を効率にして色々な研究を比較したグラフです。私たちが開発した太陽光励起レーザーは現在ワールドクラスの効率を得ることに成功しています。他の過去の研究の最高効率の結果と比較すると、レーザー出力は約10倍も大きく、1.5倍大きな効率でのレーザー発振に成功しています。 ※2017年1月に世界一の効率はスペインのチームに追い越されました．追い抜き返さなければなりません！！

レーザー加工と数値計算

従来の機械加工では、工具の損耗や対象の破壊・変形、更には加工速度が遅いなどの問題がありました。近年注目されているレーザー加工は、レーザーは光ですので損耗することは無く、一瞬で対象を除去することが可能なため、加工速度が速いのが特徴です。しかしながら、レーザーの熱により材料が変形・損耗することがあるのですが、現象が一瞬で起こるために何が起こっているのかを実験で把握するのが困難です。そこで本研究室ではレーザーによる入熱等の最適化を行うために、コンピューターを利用したシミュレーション(数値計算)によって現象の把握や最適化を目指します。

CFRPのレーザー加工

軽くて丈夫なCFRPは乗り物の材料としては大変優れており、サステイナブルな社会に必須の材料です。レーザーであれば素早く切れますが、レーザーへの反応が全く違う炭素繊維とプラスチックとの複合材料であるために、レーザーを照射された材料がどのように変化するのかが良く分かっていません。そのため、本研究室ではコンピューターシミュレーションにより、材料の内部でどのような現象が起こるのかを解析し、最適化を目指します。

レーザーで3Dプリンタ

様々な形状が最低限の材料で一度に成型できるサステイナブルなものづくりの方法として3Dプリンタが現在注目を浴びています。その中でも、敷き詰めた金属の粉をレーザーで溶かしてから固めることにより、レーザーを照射した部分だけを造形する技術があります。この技術は材料を無駄にしないサステイナブルな加工方法ですが、レーザーが照射された多数の金属粉は複雑な挙動を示すため、最適化が進んでいません。そこで本研究室では金属粉末の集合体にレーザーを照射した際にどのようなふるまいが起こるのかをコンピューターシミュレーションによって明らかにし、最適化を目指します。

レーザー推進

通常はどんなに強い光を当てても物は動きませんが、レーザーだと物を動かすことが出来ます。これを用いた推進技術をレーザー推進と呼びます。レーザーは、かなり平行に近い光線ですので、レンズでものすごく小さく集光することが出来ます。つまり、空間的に集中することが可能です。更に、レーザーはエネルギーを溜めて、一瞬にエネルギーを集中して放出することも可能です。つまり、時間的にも集中することが可能なのです。これらのレーザーの特徴を利用すると、物（ターゲット）にレーザーを照射すると、その集中されたエネルギーによってターゲットが高温・高圧の蒸気となり、爆発のような現象を起こすことが出来ます。その爆発の力で物を動かすのがレーザー推進の考え方です。そこで本研究室では水を用いたレーザー推進技術により、物に直接触らずに、高効率に物を動かすことが可能なレーザー推進技術の開発を行います。

水を用いたレーザー推進

レーザーで効率良く物を動かすにはどうしたら良いのでしょうか？空気中で泳ごうとしていくら空気をかいても前に進むことは出来ません。これは、後ろに向かってかいている空気が軽いため、体が受ける反作用が小さすぎるためです。一方で、水中で泳ぐことが出来るのは、後ろにかく水が重いため、体が受ける反作用も大きくなるからです。つまり、レーザーで重い物を吹き飛ばせば、大きな反作用を得て効率よく物を動かすことが出来ます。空気中で泳ごうとしたのと同じように、普通の固体にレーザーを照射しても、気体になった一部が吹き飛ぶだけなので、ターゲットは大きな反作用を得ることができません。しかし、ターゲットの表面に水を付けておくと、水が透明なため、レーザーは水を透過して直接ターゲットに照射されます。ターゲットで生じたガスは、重い水と一緒に吹き飛ぶため、ターゲットは大きな推進力を得ることができます。このように、水をターゲットに付けることにより、ターゲットだけでなく水も一緒にレーザーで吹き飛ばすことによって、ターゲットが効率良く推進できます。

光学素子の性能予測AI

世界中のどこにもまだ無いような、超ハイパワー(エクサW：エクサ=10の18乗)レーザーを作りたいという大きな目標があります。しかし、そのような世界中のどこにも無いレーザーを実現するためには、世界中どこにもまだ無い光学素子（部品）が必要です。ですが、当然世界中のどこにも無いわけですから、設計方法も確立しておらず、専門家のノウハウ頼りなのが実情です。そこで、本研究では、専門家のノウハウをAI(人工知能)で置き換えることを目的として研究開発を行っています。右側にあるグラフはあくまで例ですが、従来のAIでは、実際の反射率と予測された反射率が全く一致していませんが、本研究で開発したAIは、実際の反射率をかなり正確に予測できるようになりました。今後は、このAIを更に進化させて、予測ではなく、設計に生かせるように研究を行っていきます。

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レーザーによる加速試験

次世代航空機材料開発
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独自開発のSLT法

レーザーで熱を操る
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太陽光からレーザーへ

レーザーだから出来る事
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太陽光励起レーザー概要

どのような仕組みなのか？
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他の研究との比較

世界最高の効率(~2017)！
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レーザー加工と数値計算

何故レーザー加工？計算？
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CFRPのレーザー加工

CFRPをレーザーで切る!
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レーザーで3Dプリンタ

レーザーで金属粉を溶かす!
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レーザー推進

光で物を動かす!
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水を用いたレーザー推進

水を付けるだけで高効率化!
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光学素子の性能予測AI

AIでレーザーの部品を設計!?
レーザー推進のデモ

レーザーで車が動く!?

その他外部サイトでの紹介等

所属プロジェクト・補助金・共同研究等

大久保研究室では学内・学外の他の研究室・研究機関との共同研究を行っています。
また、研究助成金等を頂いて行っている研究もあります。
*ロゴは全てリンクさせて頂いているので、ロゴ単体でアップロードされていない場合は空とさせて頂いています

日本学術振興会の科学研究費補助金により、太陽光励起レーザーの研究のご支援を頂いています。(2022年度〜2026年度:予定)

日本学術振興会科学研究費補助金

公益財団法人天野工業技術研究所様よりレーザ加熱の研究のご支援を頂いています(2024年度)

公益財団法人天野工業技術研究所研究助成事業

太陽光励起レーザー等，光技術の発展に向けて提携して活動しています．(2018年度〜)

モンゴル科学技術大学 Ч.БААСАНДАШ先生

レーザーを用いた金属3Dプリンタや，レーザー切断に関する数値計算等について共同研究を行っています。(2012年度〜)

大阪大学接合科学研究所

人の光センサーである眼について，眼精疲労や瞳孔の挙動やピント調整に関する研究の主にデータ処理について共同研究を行っています。(2018年度〜)

国際医療福祉大学:原ゼミ
山本光学株式会社

マグネシウムの腐食を判定するAIの開発を行っています。(2022年度〜)

東京都立産業技術研究センター
東京都立産業技術高等専門学校

「セラミックス基複合材料の航空機エンジン部材化技術の開発」のプロジェクトでバーチャルテストに関する研究を行いました。(2018年度〜2022年度)

内閣府(第二期SIP) 統合型材料開発システムによるマテリアル革命

ファイバレーザとガルバノスキャナとAIを組み合わせた超高温超高速加熱試験装置の開発を行いました(2020年度〜2022年度)

NEDO 官民による若手研究者発掘支援事業

太陽光励起レーザーの研究についてトランスコスモス財団様よりご支援を頂きました。(2022年度)

トランスコスモス財団調査研究助成

太陽光励起レーザーについてスズキ財団様よりご支援を頂きました。(2021年度)

スズキ財団科学技術研究助成

レーザ溶接の数値計算についてスズキ財団様よりご支援を頂きました。(2020年度)

スズキ財団科学技術研究助成

太陽光励起レーザーの研究についてトランスコスモス財団様よりご支援を頂きました。(2019年度)

トランスコスモス財団調査研究助成

「革新的設計生産技術」のレーザーコーティングのプロジェクトにおけるイノベーションスタイルのコアメンバーでした。(2015〜2018年度)

内閣府(SIP) レーザーコーティング技術の研究開発

レーザーを用いた3Dプリンタ技術に関するコンピューターシミュレーションについてスズキ財団様よりご支援を頂きました。(2018年度)

スズキ財団科学技術研究助成

太陽光励起レーザーに関する国際会議での発表について東電記念財団様よりご支援を頂きました。(2018年度)

東電記念財団国際技術交流援助

CFRPのレーザー加工に関するコンピューターシミュレーションについて天田財団様よりご支援を頂きました。(2015〜2017年度)

天田財団一般研究開発 & 国際会議等参加助成

日本学術振興会の科学研究費補助金により、太陽光励起レーザーの研究のご支援を頂きました。(2014〜2016年度)

日本学術振興会科学研究費補助金

大学院	学部
金井秀太	山嵜大輔
宇井翔太	山田涼太
河原崎祐作	新井　智成
	大石　暁久
	河合　敬太
	高坂　佳嗣
	小峯　佑介
	坂木　洸太郎
	杉井　達

大久保研究室へようこそ

Welcome to Ohkubo Lab.

レーザー加熱による加速試験機の開発

Development of Acceleration testing system using Laser

太陽光励起レーザー

Solar Pumped Laser

レーザー加工のシミュレーション

Numerical Simulation of Laser Processing

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主な研究テーマ

レーザー加熱による加速試験機

太陽光励起レーザー

レーザー加工の数値計算