JP2020131638A - 複合構造体、センサ及びセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】所望の光学物性と必要な機械的特性との両立を可能にする。【解決手段】開示の複合構造体は、コレステリック液晶エラストマー１１と、前記コレステリック液晶エラストマー１１との組み合わせにおいて、前記コレステリック液晶エラストマー１１単体とは異なる機械的特性を生じさせるように前記コレステリック液晶エラストマー１１に設けられた機械的特性制御材２１，２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、複合構造体、センサ及びセンサシステムに関する。

コレステリック液晶（ＣＬＣ）は、液晶分子がらせん状に配向した構造を有する（特許文献１参照）。コレステリック液晶は、特定波長の円偏光を選択的に反射する。また、液晶エラストマー（ＬＣＥ）は、液晶としての性質とゴム弾性とを併せ持つハイブリッド材料である。

特開２０１８−１７２５７２号公報

液晶エラストマーにおいて液晶分子のらせん状配向を実現することで、コレステリック液晶エラストマー（ＣＬＣＥ）が得られる。コレステリック液晶エラストマーは、例えば、液晶モノマー、キラル剤、架橋剤、及び可塑剤により調製される。コレステリック液晶エラストマーは、ゴム弾性を有し、加えられた外力に応じて、反射色（構造色）が変化する。

コレステリック液晶エラストマーは、外力に応じて反射色（構造色）が変化する特性から、様々な産業的応用が期待される。例えば、コレステリック液晶エラストマーは、加えられた外力を反射色（反射波長）によって示す応力／ひずみセンサとして利用可能である。また、センサ以外の外力が加えられる製品において、コレステリック液晶エラストマーは、加えられた外力に応じて色が変化する機能を、その製品に付与することができる。

コレステリック液晶エラストマーを産業的に応用する場合、コレステリック液晶エラストマーは、コレステリック液晶エラストマーとして所望される光学物性（例えば、ひずみ変化に対する応答としての反射波長の変化特性）を持つだけでなく、利用される製品において必要とされる機械的特性を持つことが必要となる。

しかし、所望の光学物性を得つつ、必要な機械的特性（力学特性）を持つコレステリック液晶エラストマーを製造することは必ずしも容易ではないことがある。例えば、コレステリック液晶エラストマーの光学物性は、主に、液晶モノマーとキラル剤の化学構造と組成比で決定される。一方、力学特性は、主に、液晶モノマー、架橋剤、及び可塑剤の化学構造と組成比で決定される。このため、光学物性と力学特性をそれぞれ独立して制御することは非常に困難である。したがって、所望の光学物性が得られるように各成分の化学構造と組成を選定すると必要とされる力学特性が得られない、あるいは所望の力学特性が得られるように各成分の化学構造と組成を選定すると必要とされる光学特性が得られないことが多い。これにより，コレステリック液晶エラストマーの産業的応用が制限される場合がある。

したがって、コレステリック液晶エラストマーの産業的応用等を考慮すると、所望の光学物性と必要な機械的特性との両立が可能であることが望まれる。

本開示のある側面は、複合構造体である。開示の複合構造体は、コレステリック液晶エラストマーと、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせにおいて、前記コレステリック液晶エラストマー単体とは異なる機械的特性を生じさせるように前記コレステリック液晶エラストマーに設けられた機械的特性制御材と、を備える。

本開示の他の側面は、複合構造体を用いたセンサ又はセンサシステムである。更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

図１は、第１実施形態に係る複合構造体の斜視図である。 図２は、コレステリック液晶エラストマーの原料を示す図である。 図３は、複合構造体の製造装置の説明図である。 図４は、複合構造体の製造工程を示す説明図である。 図５は、複合構造体及びコレステリック液晶エラストマー単体の引張試験結果である。 図６は、引張・収縮に伴うらせんピッチ変化の説明図である。 図７は、コレステリック液晶エラストマー単体における反射波長の変化の遅延を示す図である。 図８は、コレステリック液晶エラストマー単体における反射波長の変化（クリープ回復時）の遅延を示す図である。 図９は、コレステリック液晶エラストマー単体の応力−ひずみ曲線である。 図１０は、複合構造体における反射波長の変化の遅延が解消されていることを示す図である。 図１１は、複合構造体の応力−ひずみ曲線である。 図１２は、複合構造体の波長−ひずみ曲線である。 図１３は、第２実施形態に係る複合構造体の側面図である。 図１４は、R811の化学構造を示す。 図１５は、コレステリック液晶エラストマーにおける反射の説明図である。 図１６は、ポリオレフィンと複合構造体（積層構造体）の応力−ひずみ曲線である。 図１７は、第２実施形態に係る複合構造体の反射スペクトルと複合構造体の写真である。 図１８は、複合構造体の他の例を示す斜視図である。 図１９は、センサシステムの構成図である。 図２０は、色相−荷重のプロット結果である。

＜１．複合構造体、センサ及びセンサシステムの概要＞

（１）実施形態に係る複合構造体は、コレステリック液晶エラストマーと、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせにおいて、前記コレステリック液晶エラストマー単体とは異なる機械的特性を生じさせるように前記コレステリック液晶エラストマーに設けられた機械的特性制御材と、を備える。機械的特性制御材は、コレステリック液晶エラストマー単体とは異なる機械的特性を複合構造体に生じさせる。したがって、所望の光学物性と必要な機械的特性との両立が可能となる。

（２）前記コレステリック液晶エラストマーは、ひずみが開放されたときの反射波長の変化を遅延させる粘性を有することができる。粘性は、例えば、コレステリック液晶エラストマーに添加された可塑剤によって生じる。このような粘性は、必要な機械的特性上、好ましくないことがあるが、機械的特性制御材は、必要な機械的特性を複合構造体に生じさせることができる。

（３）前記機械的特性制御材は、前記遅延を抑制する弾性を、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせに付与する弾性体であってもよい。この場合、機械的特性制御材によって、反射波長の変化の遅延が抑制される。

（４）前記機械的特性制御材は、前記遅延が実質的に生じない程度の弾性を、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせに付与する弾性体であってもよい。この場合、機械的特性制御材によって、反射波長の変化の遅延を実質的になくすことができる。

（５）前記コレステリック液晶エラストマーは、ひずみが開放されたときの反射波長の変化を遅延させる粘性を有し、前記機械的特性制御材と前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせは、前記機械的特性制御材の弾性によって前記粘性が打ち消されているのが好ましい。この場合、コレステリック液晶エラストマーとしては粘性が生じるように製作されても、機械的特性制御材の弾性によって、複合構造体全体としては粘性が打ち消される。

（６）前記機械的特性制御材は、前記コレステリック液晶エラストマーの弾性変形を、塑性変形によって保持するよう構成されていてもよい。この場合、コレステリック液晶エラストマーの弾性変形により変化した構造色を、機械的特性制御材の塑性変形によって保持することができる。

（７）前記コレステリック液晶エラストマーは、前記機械的特性制御材によって束縛された制限場内に配置されているのが好ましい。この場合、コレステリック液晶エラストマーの挙動を、機械的特性制御材によって容易に制御することができる。なお、ここで、制限場とは、コレステリック液晶エラストマーの機械的挙動（変形など）が、専ら、機械的特性制御材の機械的特性に依存するように束縛された空間をいい、好適には、機械的特性制御部材によって概ね囲まれた空間である。

（８）前記コレステリック液晶エラストマーは、第１層と、前記第１層とは異なる特性を有する第２層と、を有する積層構造を持っていてもよい。この場合、第１層及び第２層により複合的な特性が得られる。

（９）前記第１層は、左巻らせん状の配向構造を有し、前記第２層は、右巻らせん状の配向構造を有することができる。この場合、反射光が増大する。

（１０）実施形態に係るセンサは、ひずみが開放されたときの反射波長の変化を遅延させる粘性を有するコレステリック液晶エラストマーと、前記遅延を抑制する弾性を、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせに付与する弾性体と、を備え、ひずみの大きさを前記コレステリック液晶エラストマーの構造色により示すセンサである。

（１１）他の実施形態に係るセンサは、コレステリック液晶エラストマーと、前記コレステリック液晶エラストマーの弾性限界を超えない応力で塑性変形する塑性変形材と、を備え、前記塑性変形材は、前記コレステリック液晶エラストマーのひずみの大きさに応じた構造色を、ひずみを生じさせた外力が失われた後においても塑性変形により保持するセンサである。

（１２）実施形態に係るセンサシステムは、（１０）又は（１１）に記載のセンサと、前記センサの前記構造色を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された画像に基づき、前記構造色を数値化したセンサ検出として求める処理装置と、を備える。

（１３）前記処理装置は、前記センサにおける前記構造色の分布から、前記センサ検出値の分布を求めてもよい。

＜２．複合構造体、センサ及びセンサシステムの例＞

＜第１実施形態＞

図１は、第１実施形態に係る複合構造体１０を示している。図１に示す複合構造体１０は、積層構造（積層フィルム構造）を持つ。複合構造体１０は、コレステリック液晶エラストマー１１からなる内層を有する。コレステリック液晶エラストマー１１は、一例として、厚さ約５０μｍのフィルム状である。

コレステリック液晶エラストマー１１の両面には、それぞれ、機械的特性制御材２１，２２が設けられている。機械的特性制御材２１，２２は、例えば、シリコーンゴムである。ここでは、シリコーンゴムの一例として、それぞれ、厚さ約１００μｍのフィルム状のＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を機械的特性制御材２１，２２として用いた。機械的特性制御材２１，２２は、コレステリック液晶エラストマーと一体的になっており、コレステリック液晶エラストマー１１とともに積層構造を構成している。すなわち、複合構造体１０は、内層であるコレステリック液晶エラストマー１１を機械的特性制御材２１，２２が両面側から挟み込んだサンドイッチ構造を有している。機械的特性制御材２１，２２は、サンドイッチ構造における表面層を構成し、コレステリック液晶エラストマー１１単独とは異なる機械的特性を複合構造体１０に付与する。機械的特性制御材は、一部又は全部が光透過性を有しているのが好ましい。機械的特性制御材は、一部又は全部が透明であるのがより好ましい。機械的特性制御材は、可視光を透過可能であるのが好ましいが、赤外線又は紫外線のような非可視光を透過可能であってもよい。

図２は、コレステリック液晶エラストマー１１の原料となるモノマー混合物の構造とモル比の一例を示している。原料となるモノマーは、アクリレート誘導体の液晶性モノマー（基材）ＬＣ、らせん配向誘起のためのキラル剤（キラルモノマー）ＣＤ、及び架橋剤ＨＤＤＡである。また、原料には、可塑剤５ＣＢとして低分子液晶を添加した。可塑剤を添加することで、外力に応じた変化が生じる程度のゴム弾性を持つコレステリック液晶エラストマー１１を得ることができる。また、光重合を行うため光重合開始剤Irgacure651を用いた。

図２に示すように、液晶モノマーＬＣ、キラルモノマーＣＤ、及び可塑剤５ＣＢを、モル比の合計が１００になるように混合した。また、液晶モノマーＬＣ、キラルモノマーＣＤ、及び可塑剤５ＣＢの混合物へ、架橋剤を７％、光開始剤を１％となるように添加し、重合に用いた。図２に示すように、キラルドーパント濃度の異なる３種類のサンプルを作製し、キラルドーパント濃度に応じて、サンプル名をそれぞれＣＤ２０，ＣＤ３０，ＣＤ４０とした。

図３は複合構造体１０の製造装置１００を示し、図４は複合構造体１０の製造装置１００を用いた製造工程を示している。製造装置１００は、第１基板（第１ガラス基板）１１１及び第２基板（第２ガラス基板）１２１を備えている。第１基板１１１上に、複合構造体１０の表面層となるＰＤＭＳ２１が貼付される（図３のＳ２Ａ参照）。ＰＤＭＳの両側に、スペーサ１１２，１１３が配置される。同様に、第２基板１２１上にも、ＰＤＭＳが貼付され、スペーサ１２２，１２３が配置される。

図３のＳ３Ｂ及びＳ３Ｃに示すように、第１基板１１１及び第２基板１２１は、ＰＤＭＳ２１が貼付された面が対向するように重ね合わされる。図３のＳ３Ｃの側面視であるＳ３Ｄに示すように、重ね合わされた第１基板１１１及び第２基板１２１は、スペーサ１１２，１１３，１２２，１２３によって、間隔が保たれる。第１基板１１１と第２基板１２１との間には、ＰＤＭＳ２１，２２によって挟まれた空間（隙間）１３０が形成される。この空間の厚さ（ＰＤＭＳ２１からＰＤＭＳ２２までの長さ）は、約５０μｍとなるように、スペーサ１１２，１１３，１２２，１２３の大きさが設定されている。

複合構造体１０の製造においては、図２に示すモノマー混合物（ＣＤ２０，ＣＤ３０，ＣＤ４０）が、空間１３０へ浸透される（図４のＳ４Ａ）。その後、コレステリック液晶相を示した状態で第１基板１１１を面方向へスライドさせ，剪断応力（shear stress）を加えることで、液晶の配向処理が行われる（図４のＳ４Ｂ）。そして、紫外線を照射することで、光重合が行われる（図４のＳ４Ｃ）。

光重合後、第１基板１１１及び第２基板１２１から、ＰＤＭＳ２１，２２ごとコレステリック液晶エラストマー１１を剥離させる。これにより、ＰＤＳＭ２１，２２にコレステリック液晶エラストマー１１が挟まれた積層フィルム（複合構造体１０）が得られる（図４のＳ４Ｄ）。複合構造体１０の各サンプルＣＤ２０，ＣＤ３０，ＣＤ４０は、キラルドーパント濃度の違いに応じて、それぞれ異なる構造色を示す。

上記のようにして得られた複合構造体１０及びコレステリック液晶エラストマー１１単体の機械的特性を評価するため、引張試験を行った。図５は、引張試験結果（２ｍｍ／ｍｉｎ）である応力−ひずみ曲線を示している。図５において、“ＰＤＭＳ／Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ／ＰＤＭＳ”は、複合構造体１０の結果を示し、“Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ”は、コレステリック液晶エラストマー１１単体の結果を示している。

図５の曲線から、コレステリック液晶エラストマー１１単体のヤング率は、０.４６ＭＰａであった。コレステリック液晶エラストマー１１単体は、可塑剤５ＣＢのため柔軟になっており、粘性が大きい。一方、複合構造体１０のヤング率は３．５Ｍｐａであった。複合構造体１０のヤング率の値は、一般的なＰＤＭＳフィルムと同程度である。すなわち、複合構造体１０全体の機械的特性は、概ねＰＤＭＳ２１，２２に由来している。つまり、ＰＤＭＳ２１，２２は、コレステリック液晶エラストマー１１の粘性を打ち消して、十分に優位な弾性を複合構造体１０に付与する機械的特性制御材として機能している。

複合構造体１０（コレステリック液晶エラストマー１１）に引張ひずみを加えると、構造色が変化した。例えば、ＣＤ２０の複合構造体１０に引張ひずみを加えると、構造色が、赤色から青緑色へ変化し、元に戻すと青緑色から赤色へと変化する様子が目視で確認された。

図６に示すように、実施形態のコレステリック液晶エラストマー１１のらせん状液晶分子は、らせん軸が、フィルム状のコレステリック液晶エラストマー１１表面に対して垂直に向くように配向している。フィルム状のコレステリック液晶エラストマー１１を引張変形させると、フィルムの厚みが減少し、らせんが軸方向に収縮し、らせんピッチが小さくなる。コレステリック液晶における反射波長は、らせんピッチに比例するため、フィルムの厚みの減少によりらせんピッチが小さくなると、反射波長が短波長側へシフトする。

また、引張ひずみを開放させると、引張変形していたコレステリック液晶エラストマー１１は、収縮して、厚さが元に戻る。したがってらせんは、軸方向に拡大し、らせんピッチが大きくなる。これにより、反射波長が長波長側へシフトする。

また、キラルドーパント濃度が大きくなるほど、反射波長は短波長側へとシフトする。これは、キラルドーパント濃度を大きくすると、ひずみを加えていない状態でのらせんピッチ長が短くなったためであると考えられる。したがって、キラルドーパント濃度を任意の値で調整して重合を行うことで，反射波長を自由に決定できる。

図７及び図８は、コレステリック液晶エラストマー１１のフィルム単体における、伸縮によるピーク波長変化を示している。図７及び図８は、５％の引張ひずみが与えられている状態と、３０％の引張ひずみが与えられている状態と、を３０秒ごとに切り替え、そのときの反射スペクトル（反射波長λmax）を測定した結果である。

図７及び図８に示すように、５％の引張ひずみが与えられている状態から、３０％の引張ひずみが生じるまで、コレステリック液晶エラストマー１１を引張変形させると、反射波長λmaxは、ひずみ（Applied Strain）の変化に即座に追従してほぼ遅延なく、変化する。すなわち、コレステリック液晶エラストマー１１の構造色は、ひずみの変化に追従してほぼ遅延なく変化する。

一方、３０％の引張ひずみの状態から、引張ひずみが５％になるまで、ひずみを開放させて圧縮変形させると、反射波長λmaxは、ひずみ（Applied Strain）の変化に遅延して変化する。つまり、ひずみ変化の応答としての反射波長の変化は遅延する。したがって、遅延期間においては、コレステリック液晶エラストマー１１の構造色の変化は、ひずみの変化に遅延する。このように、コレステリック液晶エラストマー１１単体では、色の変化の応答性が低い。この結果、開放（戻り）時において、引張時と同じひずみの値になった時点の構造色は、引張時の構造色とは異なるものとなる。

図７及び図８の結果は、コレステリック液晶エラストマー１１のフィルム単体は、粘性が優位な粘弾性体であることを示している。すなわち、コレステリック液晶エラストマー１１のフィルム単体は、粘性が優位であるため、引張ひずみを取り除いて開放させたときに緩やかに収縮する。この結果、反射波長の変化も緩やかに生じる。粘性が優位であるのは、可塑剤の添加のためである。可塑剤は、室温におけるゴム弾性を得るために有用であるが、粘性も増大させる。エラストマーの粘性を抑えて弾性を優位にするには、架橋剤の組成を増やすことが考えられる。しかし、コレステリック液晶エラストマー１１の調製に用いられる架橋剤の組成を増やすと、コレステリック液晶としての性質が消失するおそれがある。このように、コレステリック液晶エラストマー１１単体では、光学特性と力学特性の両立が困難である。

図９は、コレステリック液晶エラストマー１１のフィルム単体における、引張時と圧縮（戻り）時との応力−ひずみ曲線を示している。図９からも、コレステリック液晶エラストマー１１のフィルム単体は、粘性が優位であることがわかる。図９に示すように、コレステリック液晶エラストマー１１単体では、応力−ひずみ特性が、引張時と圧縮時とで異なり、ヒステリシスが生じている。

コレステリック液晶エラストマー１１は、加えられた外力に応じて構造色が変化するため、色によって外力の大きさを示すセンサとして利用可能である。しかし、コレステリック液晶エラストマー１１の粘性が大きいことは、歪センサとしてコレステリック液晶エラストマー１１を用いる場合に不利である。つまり、収縮時における色の変化は、生じたひずみの変化よりも遅延する。このような遅延は、ひずみの変化に対する応答性を低下させ、不感帯を生じさせる。また、構造色がひずみの大きさを正しく示さない原因となる。このような遅延は、特定の構造色が、特定のひずみを示すことを保証できなくなる。

これに対して、第１実施形態に係る複合構造体１０は、色の変化の遅延が抑制されている。図１０は、複合構造体１０における、伸縮によるピーク波長変化を示している。図１０は、図７と同様に、５％の引張ひずみが与えられている状態と、３０％の引張ひずみが与えられている状態と、を３０秒ごとに切り替え、そのときの反射スペクトル（反射波長λmax）を測定した結果である。

図１０では、引張変形したときも、収縮変形したときも、反射波長λmaxは、ひずみ（Applied Strain）の変化に即座に追従してほぼ遅延なく、変化する。すなわち、コレステリック液晶エラストマー１１の構造色は、引張時も収縮時も、ひずみの変化に追従してほぼ遅延なく変化する。このように、複合構造体１０では、コレステリック液晶エラストマー１１の粘性が打ち消され、弾性が十分に優位である。つまり、複合構造体１０は、概ね、完全弾性体になっているといえる。したがって、複合構造体１０は、ひずみの変化に追従して色が変化するセンサとして好適である。

図１１は、複合構造体１０における、引張時と圧縮（戻り）時との応力−ひずみ曲線を示している。図１１から、複合構造体１０は、応力−ひずみ特性が、引張時と圧縮時とでほぼ共通しており、ヒステリシスが抑制されている。図１１からも、複合構造体１０は、粘性が十分に抑えられ、弾性が優位であることがわかる。

図１２は、複合構造体１０の引張時における波長−ひずみ特性と、収縮時における波長−ひずみ特性と、を示している。図１２は、複合構造体１０が、引張時だけでなく、収縮時においても、色の変化を生じさせる可逆性を有することを示している。

また、図１２に示すように、複合構造体１０は、波長−ひずみ特性が引張時と収縮時とにおいてほぼ一致している。つまり、複合構造体１０においては、ひずみと波長との対応が、ほぼ１対１対応となり、特定の色が特定のひずみを示すことが保証される。特に、図１２に示すように、複合構造体１０が弾性変形する領域（例えば、ひずみが５０％までの領域）において、複合構造体１０を変形させると、波長−ひずみ特性が線形となり、ひずみの大きさの変化と色の変化との対応が線形となって好適である。

以上のように、第１実施形態によれば、コレステリック液晶エラストマー１１自体の機械的特性を調整しなくても、コレステリック液晶エラストマー１１を内包する機械的特性制御材２１，２２によって、複合構造体１０の機械的特性を制御することができる。これは、コレステリック液晶エラストマー１１を、ＰＤＭＳ２１，２２のような弾性が優位である弾性体によって挟み込むことで得られる。すなわち、コレステリック液晶エラストマー１１の機械的挙動は、ＰＤＭＳ２１，２２によって束縛されているため、複合構造体１０全体としての機械的特性は、主に、ＰＤＭＳ２１，２２によって規定される。このように、ＰＤＭＳ２１，２２は、コレステリック液晶エラストマー１１を束縛する制限場を形成している。

＜第２実施形態＞

図１３は第２実施形態に係る複合構造体１０を示している。第１実施形態では、複合構造体１０中のコレステリック液晶エラストマー１１は、単層であったが、第２実施形態においては、複数層である。すなわち、第２実施形態において、コレステリック液晶エラストマー１１は、積層構造を有する。図１３では、コレステリック液晶エラストマー１１は、第１層１１Ａと、第２層１１Ｂと、を有する。第１層１１Ａ及び第２層１１Ｂのコレステリック液晶としての光学物性を異ならせることで、複合的な光学物性が得られる。

例えば、第１層１１Ａと第２層１１Ｂとで、らせんの巻きの向きを異ならせることができる。より具体的には、第１層１１Ａは、左巻らせん状の配向構造を有し、第２層１１Ｂは、右巻きらせん状の配向構造を有する。らせんの巻きの向きが異なる複数の層１１Ａ，１１Ｂを設けることで、反射光を増大させることができる。このようなコレステリック液晶におけるらせん構造の巻き方向は、キラルドーパントの掌性により一意的に決定される。例えば、代表的なキラルドーパントとしてMerck社製の「R811」と「S811」は鏡像異性体であり分子構造中のキラル部位の掌性が異なっている。液晶モノマーと混合することで「R811」は右巻きらせん状の配向構造を、「S811」は左巻きらせん状の配向構造を形成することが知られている。図１４にR811の分子構造を例示する。

図１５は、コレステリック液晶における光の反射と透過を示している。コレステリック液晶は、らせんの巻きと同じ向きの掌性を持つ円偏光を反射する。例えば、らせんが左巻き（ＬＨ）の単層コレステリック液晶エラストマー１１は、左円偏光を反射し、右円偏光を透過させる。したがって、反射光は最大でも入射光の５０％となる。これに対して、らせんの巻の異なる複数の層１１Ａ，１１Ｂが設けられていると、左巻きの第１層１１Ａにおいて、左円偏光を反射し、右巻きの第２層１１Ｂにおいて、右円偏光を反射する。したがって、反射光が増大し、センサとしての視認性が向上する。

＜第３実施形態＞

第３実施形態に係る複合構造体１０は、図１に示す第１実施形態と同様に３層の積層構造（サンドイッチ構造）を有する。第３実施形態において、内層となるコレステリック液晶エラストマー１１は、一例として、厚さ５０μｍのフィルム状である。表面層となる機械的特性制御材２１，２２は、それぞれ、厚さ８μｍポリオレフィンにより構成した。

ポリオレフィン２１，２２は、塑性変形しやすい塑性変形材である。ポリオレフィン２１，２２は、コレステリック液晶エラストマー１１の変形状態を、ポリオレフィン２１，２２の塑性変形によって保持する。つまり、コレステリック液晶エラストマー１１が、外力によって引張変形されて、色が変化すると、その引張変形は、ポリオレフィン２１，２２の塑性変形によって保持される。したがって、コレステリック液晶エラストマー１１の構造色は、外力が失われた後も保持される。このように、第３実施形態の複合構造体１０は、生じたひずみの大きさを、色によって記録するセンサとして利用できる。

構造色を保持するには、コレステリック液晶エラストマー１１が弾性変形可能であって破断しないひずみ範囲において、機械的特性制御材２１，２２が塑性変形すればよい。換言すると、第３実施形態の機械的特性制御材２１，２２が、応力−ひずみ曲線において、降伏点を超えて塑性変形する範囲において、コレステリック液晶エラストマー１１が弾性変形可能であればよい。

図１６は、ポリオレフィン２１，２２単体における応力−ひずみ曲線と、第３実施形態に係る複合構造体（積層構造体）１０における応力−ひずみ曲線と、を示している。ポリオレフィン２１，２２単体及び複合構造体１０ともに、最初に極大応力を示した後に、塑性変形する領域が生じ、応力が大きくなると破断する。なお、複合構造体１０において、破断時の極大応力以外に、極大応力が２度生じているが、これは、内層のコレステリック液晶エラストマー１１が破断したためである。

図１７は、第３実施形態に係る複合構造体１０を引張変形させたときの反射スペクトルを示している。この反射スペクトルは、ひずみを０％から５０％まで変化させたときの構造色の波長（ピーク波長）を示している。また、図１７は、引張変形前後の写真２５Ａ，２５Ｂを示している。写真２５Ａは、引張前の複合構造体１０を示し、写真２５Ｂは、引張後（100%strain）の複合構造体１０を示している。写真２５Ｂに示すように、引張後の複合構造体１０は、外力が与えられていなくても、引張変形した状態を保ち、写真２５Ａの初期状態には戻らない。また、引張前の複合構造体１０は、赤色の構造色を示したが、引張後の複合構造体１０は、青緑色の構造色を示した。外力が与えられていなくても、青緑色の構造色は保持され、赤色には戻らなかった。

以上のように、第３実施形態においても、コレステリック液晶エラストマー１１自体の機械的特性を調整しなくても、コレステリック液晶エラストマー１１を内包する機械的特性制御材２１，２２によって、複合構造体１０の機械的特性を制御することができる。

つまり、第３実施形態においては、コレステリック液晶エラストマー１１自体はゴム弾性を有していても、コレステリック液晶エラストマー１１と機械的特性制御材２１との組み合わせである複合構造体１０全体としてみると、塑性変形しやすい材料となっている。

＜複合構造体の設計指針＞

以上の第１実施形態及び第３実施形態によれば、複合構造体１０の設計指針は、例えば、次のとおりである。まず、製品（センサなど）の仕様に応じて、製品において生じるひずみの大きさが決定される。例えば、ひずみセンサであれば、計測すべきひずみ範囲（機械的特性）がセンサ仕様として決定される。なお、コレステリック液晶エラストマー１１自体の製作においては、計測すべきひずみ範囲（機械的特性）を考慮する必要はない。

計測すべきひずみ範囲において、弾性変形を得たい場合、計測すべきひずみ範囲において弾性変形する材料を機械的特性制御材２１，２２として採用すればよい（第１実施形態参照）。つまり、機械的特性制御材２１，２２の応力−ひずみ曲線の降伏点よりも手前（弾性変形範囲）に、計測すべきひずみ範囲が存在すればよい。

一方、計測すべきひずみ範囲において、塑性変形を得たい場合、計測すべきひずみ範囲において塑性変形する材料を機械的特性制御材２１，２２として採用すればよい（第３実施形態参照）。つまり、機械的特性制御材２１，２２の応力−ひずみ曲線の降伏点よりも大きい範囲（塑性変形範囲）に、計測すべきひずみ範囲が存在すればよい。

＜複合構造体の応用＞

本実施形態によれば、光学物性と機械的特性とを独立して制御できるため、産業的な応用に有利である。例えば、同一のコレステリック液晶エラストマー１１を、第１の機械的特性を有する複合構造体１０の製造に用いることもできるし、第１の機械的特性とは異なる第２の機械的特性を有する複合構造体１０の製造に用いることもできる。

また、機械的特性制御材２１，２２は、複合構造体１０の表層を構成しているため、内層であるコレステリック液晶エラストマー１１の保護にもなり、複合構造体１０全体として化学的安定性も得られる。

前述のように、複合構造体１０は、ひずみセンサなどのセンサとして利用できる。複合構造体１０がフィルム状又はシート状などの面状体である場合、複合構造体１０の面内における応力またはひずみの分布が、色の分布として生じる（応力／ひずみマッピング）。すなわち、複合構造体１０の面内において、ひずみ等が大きい箇所と、ひずみ等が小さい箇所とでは、異なる色が示される。したがって、人体など、圧力が生じ得る箇所に、複合構造体を貼付すると、貼付箇所における圧力分布を、複合構造体１０における色の分布としてマッピングすることができる。したがって、複合構造体１０は、感圧シートとして用いることもできる。複合構造体１０を利用した感圧シートは、圧力の大きさを、色で示すことができる。

このような複合構造体１０のセンサ機能は、センサそのものとして利用される場合に限られず、ひずみ又は応力の発生を色によって示す機能が付加された製品としても利用できる。例えば、複合構造体１０を、シューズの底又はタイヤに取り付けることで、シューズの底又はタイヤへの圧力の加わり方を色で示すことができる。

複合構造体１０によってテーピングなどのテープ状部材を構成すると、テープ状部材に加えられた力を色で示すことができる。例えば、テーピングを扱う際には、適切な強さでテーピングを引張ることを求められることがある。テーピングが複合構造体１０を持つ場合、テーピングが呈する構造色によって、テーピングを引張る強さを示すことができる。

複合構造体１０は、シート状又はフィルム状の面状部材として構成されている必要はなく、図１８に示すように、線状又は棒状の長尺部材として構成されてもよい。このように複合構造体１０の全体形状は特に限定されない。図１８では、中空円筒状の機械的特性制御材４１によって表層が構成され、中空円筒状の機械的特性制御材４１に囲まれた内層（内芯）として、コレステリック液晶エラストマー３１が設けられている。なお、図１８では、コレステリック液晶エラストマー３１は円筒状であるが、平面状であってもよい。

図１８の機械的特性制御材４１も、コレステリック液晶エラストマー１１を包み込んでおり、コレステリック液晶エラストマー１１の機械的挙動を束縛する。すなわち、複合構造体１０全体としての機械的特性は、主に、機械的特性制御材４１によって規定される。このように機械的特性制御材４１は、コレステリック液晶エラストマー１１を束縛する制限場を形成している。

図１８に示す複合構造体１０は、例えば、釣り糸などの糸状部材又はロープ状部材として利用できる。この場合、機械的特性制御材４１は、糸状部材又はロープ状部材として用いられる材料が採用される。複合構造体１０を利用した糸状部材又はロープ状部材は、複合構造体１０に加わる力の変化を色の変化によって示すことができる。図１８に示す複合構造体１０が釣り糸として構成されている場合、魚が釣れた時の反応を釣り糸の色の変化によって示すことができる。

＜センサシステム＞

図１０は、複合構造体１０を利用したセンサを備えるセンサシステムを示している。このセンサシステムは、複合構造体１０（センサ）が示す構造色を撮像する撮像部２００と、撮像部２００により撮像された画像を処理する処理装置３００と、を備える。

処理装置３００は、コンピュータによって構成される。図１９に示すように、コンピュータは、プロセッサ３１０及びプロセッサ３１０に接続されたメモリ３２０を備える。プロセッサ３１０は、複合構造体１０の構造色が示すひずみ又は外力を数値に変換する処理３１１を実行する。メモリ３２０には、ひずみ又は外力を数値化する処理装置３００としてコンピュータを機能させるコンピュータプログラム４００が格納されている。プロセッサ３１０は、コンピュータプログラム４００を読み出して実行する。コンピュータプログラム４００は、プロセッサ３１０に、ひずみ又は外力を数値化する処理を実行させる。なお、実施形態のメモリ３２０は、一次記憶装置及び二次記憶装置を含むことができる。

撮像部２００は、複合構造体１０が示す色を監視する。撮像部２００により撮像された画像は、処理装置３００に与えられる。処理装置３００は、画像中の複合構造体１０の色相を、色相以外の数値（例えば、ひずみ又は外力の大きさ）として数値化したセンサ検出値を生成する。具体的には、プロセッサ３１０は、画像において複合構造体１０の領域（構造色が現れている領域）を抽出し、その領域中の色相の分布を得る。図１９に示すように、プロセッサ３１０は、色相をひずみの大きさに変換する処理３１１を実行する。処理３１１においては、メモリ３２０に格納された変換テーブル３２１が用いられる。変換テーブル３２１は、例えば、色相とひずみの大きさとが対応付けられている。また、変換テーブル３２１は、色相と力（荷重）の大きさとが対応付けられていてもよい。プロセッサ３１０は、変換テーブル３２１を参照することで、色相の分布を、ひずみの大きさ又は力の大きさなどのセンサ検出値の分布に変換することができる。

例えば、図１９では、複合構造体１０の上部は明るく、下部は暗くなっている（実際には、上部と下部の色が異なる分布が生じる）。処理装置３００は、この複合構造体１０を撮像した画像に基づいて、複合構造体１０の上部のひずみと下部のひずみとが異なる値を示すひずみ値分布又は外力値分布を生成することができる。

このセンサシステムにおいては、センサ１０は、例えば、センサ１０が貼り付けられた領域にかかった力の分布を、構造色の分布で示す力（荷重センサ）として機能する。また、このセンサシステムにおいては、処理装置は、センサ１０が貼り付けられた領域にかかった力の分布を、数値化されたセンサ検出値の分布としても示すことができる。したがって、センサ１０が貼り付けられた領域のどの部分に、どれだけの力が加わったかをモニターすることができる。

図２０は、ガラス板５００上に載置されたセンサ１０に上方から荷重をかけ、ガラス板５００の下方から撮像部２００にて、センサ１０が示す構造色を撮像し、構造色の色相と荷重（Load）との対応を確認した実験結果を示している。図２０に示す実験結果では、荷重に対して色相がプロットされている。図２０から明らかなように、荷重と色相は相関している。図２０に示す色相−荷重関係を、変換テーブル３２１として用いることで、センサ１０の色相から、荷重の大きさを求めることができる。なお、実験において、荷重は、０［Ｎ］、２０［Ｎ］、４０［Ｎ］、６０［Ｎ］、８０［Ｎ］、１００［Ｎ］とした。図２０には、各荷重における撮像画像も示されている。
センサ１０は、ロボットの指などに取り付けられる触覚センサとして用いられてもよい。指の表面に貼り付けられたセンサ１０における色変化により、指にどれくらいの力がかかっているかを判別できる。

実施形態のセンサ１０は、構造色によって、ひずみ又は加えられた力をセンサ外部に提示するため、センサ１０を処理装置３００に対して有線又は無線で電気的に接続しなくても、処理装置３００は、センサ１０の検出結果を利用した処理を行える。すなわち、センサ１０が示す色は、センサ１０から離間して存在する撮像部２００によって検出することができるため、センサ１０自体は外部装置に接続されている必要がない。したがって、センサ１０と処理装置３００との間の配線を省略したり、センサ１０が処理装置３００と無線通信するための通信装置を省略したりすることができる。以上より、実施形態のセンサ１０は、処理装置３００などの外部装置との電気的な接続（無線又は有線）が困難な環境における利用に適している。

＜３．付記＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１０ ：複合構造体
１１ ：コレステリック液晶エラストマー
１１Ａ ：第１層
１１Ｂ ：第２層
２１ ：機械的特性制御材
２２ ：機械的特性制御材
３１ ：コレステリック液晶エラストマー
４１ ：機械的特性制御材
１００ ：製造装置
１１１ ：第１基板
１１２ ：スペーサ
１１３ ：スペーサ
１２１ ：第２基板
１２２ ：スペーサ
１２３ ：スペーサ
１３０ ：空間
２００ ：撮像部
３００ ：処理装置
３１０ ：プロセッサ
３１１ ：処理
３２０ ：メモリ
３２１ ：変換テーブル
４００ ：コンピュータプログラム

Claims (13)

1. コレステリック液晶エラストマーと、
   前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせにおいて、前記コレステリック液晶エラストマー単体とは異なる機械的特性を生じさせるように前記コレステリック液晶エラストマーに設けられた機械的特性制御材と、
   を備える複合構造体。
2. 前記コレステリック液晶エラストマーは、ひずみが開放されたときの反射波長の変化を遅延させる粘性を有する
   請求項１に記載の複合構造体。
3. 前記機械的特性制御材は、前記遅延を抑制する弾性を、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせに付与する弾性体である
   請求項２に記載の複合構造体。
4. 前記機械的特性制御材は、前記遅延が実質的に生じない程度の弾性を、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせに付与する弾性体である
   請求項２又は３に記載の複合構造体。
5. 前記コレステリック液晶エラストマーは、ひずみが開放されたときの反射波長の変化を遅延させる粘性を有し、
   前記機械的特性制御材と前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせは、前記機械的特性制御材の弾性によって前記粘性が打ち消されている
   請求項２から４のいずれか１項に記載の複合構造体。
6. 前記機械的特性制御材は、前記コレステリック液晶エラストマーの弾性変形を、塑性変形によって保持するよう構成されている
   請求項１から５のいずれか１項に記載の複合構造体。
7. 前記コレステリック液晶エラストマーは、前記機械的特性制御材によって束縛された制限場内に配置されている
   請求項１から６のいずれか１項に記載の複合構造体。
8. 前記コレステリック液晶エラストマーは、第１層と、前記第１層とは異なる特性を有する第２層と、を有する積層構造を持つ
   請求項１から７のいずれか１項に記載の複合構造体。
9. 前記第１層は、左巻らせん状の配向構造を有し、
   前記第２層は、右巻らせん状の配向構造を有する
   請求項８に記載の複合構造体。
10. ひずみが開放されたときの反射波長の変化を遅延させる粘性を有するコレステリック液晶エラストマーと、
    前記遅延を抑制する弾性を、前記コレステリック液晶エラストマーとの組み合わせに付与する弾性体と、
    を備え、ひずみの大きさを前記コレステリック液晶エラストマーの構造色により示すセンサ。
11. コレステリック液晶エラストマーと、
    前記コレステリック液晶エラストマーの弾性限界を超えない応力で塑性変形する塑性変形材と、を備え、
    前記塑性変形材は、前記コレステリック液晶エラストマーのひずみの大きさに応じた構造色を、ひずみを生じさせた外力が失われた後においても塑性変形により保持する
    センサ。
12. 請求項１０又は１１に記載のセンサと、
    前記センサの前記構造色を撮像する撮像部と、
    前記撮像部により撮像された画像に基づき、前記構造色を数値化したセンサ検出値として求める処理装置と、
    を備えるセンサシステム。
13. 前記処理装置は、前記センサにおける前記構造色の分布から、前記センサ検出値の分布を求める
    請求項１２に記載のセンサシステム。

Images