研究背景

形状記憶合金は、温度変化に応じて形状を回復する機能性材料であり、アクチュエータやスマート材料への応用が期待されています。 特に薄膜状の形状記憶合金は、熱容量が小さく、微小デバイスや小型駆動素子への展開が可能です。

一般的な形状記憶合金では、加熱時に記憶形状へ戻る一方向形状記憶効果がよく知られています。 一方、加熱時と冷却時の両方で異なる形状へ自発的に変形する二方向形状記憶効果を安定して発現させるには、材料内部に適切な応力場や組織状態を導入する必要があります。

本研究では、形状記憶合金薄膜の表面に局所的なレーザ処理を施すことで、膜厚方向に不均一な状態を導入し、一枚の薄膜だけで二方向駆動を発現させることを目指しました。

研究の目的

本研究の目的は、形状記憶合金薄膜に対してレーザ表面処理を行い、外部予荷重や複雑な積層構造を用いずに二方向駆動性を付与することです。 レーザ処理により導入される膜厚方向の非対称性や残留応力状態を利用し、加熱・冷却に伴う自律的な変形を制御することを目指しています。

また、二方向駆動の有無だけでなく、変形量、発生力、繰返し安定性を評価することで、薄膜形状記憶合金をアクチュエータ材料として利用するための基礎的な特性を明らかにすることを目的としました。

実験方法

TiNiCu系およびTiNi系の形状記憶合金薄膜を対象として、Ybファイバレーザによる局所表面処理を行いました。 薄膜試料は片持ちはり状に固定し、加熱・冷却時の変形挙動を側面から観察しました。

変形評価では、試料側面をビデオマイクロスコープで撮影し、画像処理により薄膜の形状を抽出しました。 得られた輪郭から曲率を評価し、温度変化に伴う二方向駆動挙動を定量化しました。

さらに、薄膜が発生する力を評価するため、拘束条件下での発生力測定を行いました。 加熱・冷却サイクルを繰り返し、二方向駆動特性および発生力の安定性を調べました。

主な成果

レーザ表面処理を施した形状記憶合金薄膜では、加熱時と冷却時に異なる方向へ変形する二方向駆動挙動が確認されました。 この結果は、局所レーザ処理によって薄膜内に不均一な応力状態または組織状態が導入され、温度変化に応じた自律的変形が生じたことを示しています。

特に、40 μm厚のTiNiCu薄膜では、外部から予荷重を加えなくても二方向駆動を発現できることが示されました。 これは、薄膜形状記憶合金を単一材料・一枚膜のアクチュエータとして利用するうえで重要な成果です。

本研究の意義

本研究の重要な点は、積層構造や外部バイアスばねを用いず、レーザ表面処理によって一枚の形状記憶合金薄膜に二方向駆動性を付与した点です。 これにより、薄膜SMAアクチュエータの構造を簡素化しながら、温度応答型の自律的な変形機能を実現できる可能性が示されました。

また、膜厚やレーザ処理条件によって駆動挙動が変化することから、レーザ処理条件を設計変数として用いることで、変形量や駆動方向を制御できる可能性があります。 この成果は、マイクロアクチュエータ、スマート材料、温度応答型デバイスへの応用に向けた基盤となるものです。

今後の展開

今後は、レーザ処理条件、処理パターン、膜厚、合金組成と二方向駆動特性の関係をさらに明確にし、目的とする変形量や駆動方向を得るための設計指針の構築を目指します。

また、発生力や繰返し安定性の評価を進めるとともに、画像解析や温度同期計測を用いて、薄膜全体の変形場をより詳細に評価することで、レーザ誘起二方向駆動の機構解明とアクチュエータ応用への展開を進めていきます。

関連発表・論文

Yuko Aono, Chihiro Nara ほか
“Laser-Induced Two-Way Shape Memory Effect in TiNiCu Films of Different Thicknesses”
Nanomanufacturing and Metrology, Vol. 8, Article 20, 2025.

青野祐子，奈良千尋 ほか
「TiNiCu形状記憶合金薄膜のレーザ誘起二方向駆動特性に及ぼす膜厚の影響」
日本機械学会 M&M2025.

青野祐子，奈良千尋 ほか
「レーザ誘起二方向形状記憶合金薄膜の発生力と繰返し特性評価」
日本機械学会 M&M2026.