JP7361388B2 - Sensors, sensor manufacturing methods, pressure or temperature measurement systems and measurement methods - Google Patents

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Description

本開示は、センサ、その製造方法、圧力または温度の測定システムおよび測定方法に関し、より特定的には、対象物に印加される圧力または対象物の温度を測定するための技術に関する。 The present disclosure relates to a sensor, a method for manufacturing the same, a pressure or temperature measurement system and a measurement method, and more particularly relates to a technique for measuring the pressure applied to an object or the temperature of an object.

金属ナノ粒子を用いたセンシング技術が提案されている。たとえば特開2007-170932号公報(特許文献1)は、金属微粒子-クロモジェニック複合材料を開示する。この複合材料は、金属微粒子を、クロモジェニック材料となるマトリックスと接触または接近させて配置した構造を有する。複合材料は、クロモジェニック材料の光学変化を可逆的に制御することにより、金属微粒子の表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)、または、光吸収もしくは光散乱のピーク値の波長シフトを可逆的に制御できる。 Sensing technology using metal nanoparticles has been proposed. For example, JP-A-2007-170932 (Patent Document 1) discloses a metal fine particle-chromogenic composite material. This composite material has a structure in which fine metal particles are arranged in contact with or close to a matrix that is a chromogenic material. Composite materials can reversibly shift the wavelength of the surface plasmon resonance (SPR) or the peak value of light absorption or light scattering of metal particles by reversibly controlling the optical change of the chromogenic material. Can be controlled.

特開2007-170932号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-170932 特開2012-137485号公報Japanese Patent Application Publication No. 2012-137485

金属ナノ粒子を用いたセンサ(具体的には圧力センサまたは温度センサ)の実用化に向けて、より簡易な構成を有するセンサが求められている。また、そのような簡易な構成のセンサを、できるだけ容易に製造可能であることが好ましい。 In order to put sensors (specifically, pressure sensors or temperature sensors) using metal nanoparticles into practical use, there is a need for sensors with simpler configurations. Moreover, it is preferable that a sensor with such a simple configuration can be manufactured as easily as possible.

本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、金属ナノ粒子を用いた簡易な構成を有するセンサを提供することである。また、本開示の他の目的は、金属ナノ粒子を用いたセンサを容易に製造可能な技術を提供することである。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present disclosure is to provide a sensor having a simple configuration using metal nanoparticles. Another object of the present disclosure is to provide a technology that allows easy manufacture of a sensor using metal nanoparticles.

(1)本開示のある局面に従うセンサは、圧力または温度を測定するためのセンサである。このセンサは、螺旋構造を有する液晶と金属ナノ粒子とを含む光応答材料と、光応答材料の少なくとも一部を覆い、光応答材料に照射される光に対して光透過性を有する光透過層とを備える。 (1) A sensor according to an aspect of the present disclosure is a sensor for measuring pressure or temperature. This sensor includes a photoresponsive material including a liquid crystal having a helical structure and metal nanoparticles, and a light-transmitting layer that covers at least a portion of the photoresponsive material and is transparent to light irradiated onto the photoresponsive material. Equipped with.

(2)液晶は、コレステリック液晶、スメクティック液晶およびTGB(Twisted Grain Boundary)液晶のうちの少なくとも1つを含む。 (2) The liquid crystal includes at least one of cholesteric liquid crystal, smectic liquid crystal, and TGB (Twisted Grain Boundary) liquid crystal.

(3)液晶の螺旋構造は、光応答材料への照射光の波長を光応答材料の屈折率で除した螺旋ピッチを有する。(4)光応答材料への照射光の波長は、可視域に含まれる。液晶の螺旋構造の螺旋ピッチは、サブマイクロメートルオーダーである。(5)光応答材料への照射光の波長は、赤外域に含まれる。液晶の螺旋構造の螺旋ピッチは、マイクロメートルオーダーである。 (3) The helical structure of the liquid crystal has a helical pitch determined by dividing the wavelength of the light irradiated onto the photoresponsive material by the refractive index of the photoresponsive material. (4) The wavelength of the light irradiated to the photoresponsive material is included in the visible range. The helical pitch of the helical structure of liquid crystal is on the order of submicrometers. (5) The wavelength of the light irradiated to the photoresponsive material is included in the infrared region. The helical pitch of the helical structure of liquid crystal is on the order of micrometers.

(6)本開示の他の局面に従うセンサの製造方法は、圧力または温度を測定するためのセンサの製造方法である。この製造方法は、金属ナノ粒子が分散した金属ナノ粒子分散液を還元法により準備するステップと、螺旋構造を有する液晶を作製可能な材料を金属ナノ粒子分散液に導入することで金属ナノ粒子ドープ液晶を調製するステップとを含む。 (6) A method for manufacturing a sensor according to another aspect of the present disclosure is a method for manufacturing a sensor for measuring pressure or temperature. This manufacturing method involves the steps of preparing a metal nanoparticle dispersion in which metal nanoparticles are dispersed by a reduction method, and introducing a material capable of producing a liquid crystal having a helical structure into the metal nanoparticle dispersion. and preparing a liquid crystal.

(7)金属ナノ粒子分散液における金属ナノ粒子の平均粒子間距離は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーの範囲である。(8)金属ナノ粒子分散液における金属ナノ粒子の平均粒子間距離は、サブマイクロメートルオーダーからシングルマイクロメートルオーダーの範囲である。 (7) The average interparticle distance of metal nanoparticles in the metal nanoparticle dispersion is in the range of nanometer order to micrometer order. (8) The average interparticle distance of the metal nanoparticles in the metal nanoparticle dispersion ranges from the submicrometer order to the single micrometer order.

(9)本開示のさらに他の局面に従う測定システムは、対象物に設置されたセンサを用いて、対象物に印加される圧力または対象物の温度を測定する。センサは、螺旋構造を有する液晶と金属ナノ粒子とを含む光応答材料を有する。測定システムは、センサに照射された光を検出する光検出器と、光検出器からの信号に所定の信号処理を施すことにより、対象物の圧力または温度を算出する演算装置とを備える。 (9) A measurement system according to yet another aspect of the present disclosure measures the pressure applied to the object or the temperature of the object using a sensor installed on the object. The sensor has a photoresponsive material that includes a liquid crystal with a helical structure and metal nanoparticles. The measurement system includes a photodetector that detects light irradiated onto the sensor, and an arithmetic device that calculates the pressure or temperature of the object by subjecting the signal from the photodetector to predetermined signal processing.

(10)光検出器は、センサを撮影するカメラを含む。演算装置は、カメラにより撮影された画像の色情報に基づいて、対象物の圧力または温度を算出する。 (10) The photodetector includes a camera that photographs the sensor. The calculation device calculates the pressure or temperature of the object based on the color information of the image taken by the camera.

(11)光検出器は、センサの透過光または反射光を分光する分光器を含む。演算装置は、分光器により取得された吸光度スペクトルまたは反射スペクトルのピーク波長に基づいて、対象物の圧力または温度を算出する。 (11) The photodetector includes a spectrometer that separates the transmitted light or reflected light from the sensor. The calculation device calculates the pressure or temperature of the object based on the peak wavelength of the absorbance spectrum or reflection spectrum acquired by the spectrometer.

(12)本開示のある局面に従う測定方法は、対象物に設置されたセンサを用いて、対象物に印加される圧力または対象物の温度を測定するための測定方法である。センサは、螺旋構造を有する液晶と金属ナノ粒子とを含む光応答材料を有する。測定方法は、センサに照射された光を光検出器により検出するステップと、光検出器からの信号に所定の信号処理を施すことにより、対象物の圧力または温度を算出するステップとを含む。 (12) A measurement method according to an aspect of the present disclosure is a measurement method for measuring the pressure applied to the object or the temperature of the object using a sensor installed on the object. The sensor has a photoresponsive material that includes a liquid crystal with a helical structure and metal nanoparticles. The measurement method includes the steps of detecting the light irradiated onto the sensor with a photodetector, and calculating the pressure or temperature of the object by subjecting the signal from the photodetector to predetermined signal processing.

(13)光応答材料の屈折率に液晶の螺旋構造の螺旋ピッチを乗じた波長の光を光応答材料に照射するステップをさらに含む。 (13) The method further includes the step of irradiating the photoresponsive material with light having a wavelength equal to the refractive index of the photoresponsive material multiplied by the helical pitch of the helical structure of the liquid crystal.

本開示によれば、金属ナノ粒子を用いた簡易な構成を有するセンサ(圧力センサまたは温度センサ)を提供できる。また、本開示によれば、金属ナノ粒子を用いたセンサを容易に製造できる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a sensor (pressure sensor or temperature sensor) that uses metal nanoparticles and has a simple configuration. Further, according to the present disclosure, a sensor using metal nanoparticles can be easily manufactured.

実施の形態1に係る圧力測定システムの全体構成を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a pressure measurement system according to Embodiment 1. FIG. 測定治具の構成例をより詳細に示す図である。It is a figure showing the example of composition of a measurement jig in more detail. 実施の形態1における圧力センサ5の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a pressure sensor 5 in Embodiment 1. FIG. 圧力センサの画像を示す図である。It is a figure which shows the image of a pressure sensor. 光応答材料に用いられる液晶を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a liquid crystal used as a photoresponsive material. 圧力変化に伴うコレステリック液晶の変化の様子を説明するための概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining how cholesteric liquid crystal changes with pressure changes. 金ナノ粒子ドープ液晶の金ナノ粒子の様子を説明するための概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the appearance of gold nanoparticles in a gold nanoparticle-doped liquid crystal. 実施の形態1に係る圧力センサの製造手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the pressure sensor according to Embodiment 1. FIG. 金ナノ粒子ドープ液晶の外観の時間変化を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing changes over time in the appearance of a gold nanoparticle-doped liquid crystal. 圧力センサの外観を比較するための図である。FIG. 3 is a diagram for comparing the appearance of pressure sensors. 圧力印加時の測定治具および圧力センサの画像を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing images of a measurement jig and a pressure sensor when pressure is applied. 実施の形態1における圧力測定処理を示すフローチャートである。7 is a flowchart showing pressure measurement processing in the first embodiment. 金ナノ粒子フリーサンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of spectrum measurement results for a gold nanoparticle-free sample. 希釈サンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spectrum measurement result in a diluted sample. 基準サンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spectrum measurement result in a reference sample. 濃縮サンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。It is a figure showing an example of a spectrum measurement result in a concentrated sample. 様々な圧力印可時における吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the absorbance spectrum at the time of various pressure application. 吸光度スペクトルから求められたピーク波長と圧力との間の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the peak wavelength and pressure determined from the absorbance spectrum. 様々な圧力印可時における反射スペクトルの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the reflection spectrum at the time of various pressure application. 反射スペクトルから求められたピーク波長と圧力との間の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the peak wavelength determined from the reflection spectrum and the pressure. 圧力印加時にカメラにより撮影された透過像を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a transmitted image taken by a camera when pressure is applied. 圧力印加時にカメラにより撮影された反射像を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a reflected image taken by a camera when pressure is applied. 実施の形態2に係る圧力測定システムの全体構成を概略的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of a pressure measurement system according to a second embodiment. 圧力測定システム2における測定の様子を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a state of measurement in the pressure measurement system 2. FIG. 対象物の一例を示す図である。It is a figure showing an example of a target object. 実施の形態2における圧力測定処理を示すフローチャートである。7 is a flowchart showing pressure measurement processing in Embodiment 2. FIG.

以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are attached to the same or corresponding parts in the figures, and the description thereof will not be repeated.

<用語の定義>
本開示およびその実施の形態において、「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーの粒径を有する金属粒子である。「金属ナノ粒子集合体」とは、複数の金属ナノ粒子が凝集することによって形成された集合体である。「金属ナノ粒子集積構造体」とは、複数の金属ナノ粒子が相互作用部位を介してビーズの表面に固定され、互いに隙間を設けて、金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された構造体である。
<Definition of terms>
In the present disclosure and its embodiments, "metal nanoparticles" are metal particles having a particle size on the order of nanometers. A "metal nanoparticle aggregate" is an aggregate formed by aggregation of a plurality of metal nanoparticles. "Metal nanoparticle integrated structure" is a structure in which multiple metal nanoparticles are fixed to the surface of beads via interaction sites, and are arranged at intervals equal to or less than the diameter of the metal nanoparticles. It is.

本開示およびその実施の形態において、「ナノメートルオーダー」には、1nmから1000nm(=1μm)までの範囲が含まれる。「ナノメートルオーダー」は、典型的には1~100nmの範囲であり、好ましくは1~50nmの範囲である。 In the present disclosure and its embodiments, "nanometer order" includes a range from 1 nm to 1000 nm (=1 μm). "Nanometer order" typically ranges from 1 to 100 nm, preferably from 1 to 50 nm.

本開示およびその実施の形態において、「マイクロメートルオーダー」には、1μmから1000μm(=1mm)までの範囲が含まれる。「サブマイクロメートルオーダー」には、0.1μm(=100nm)から1μmまでの範囲が含まれる。「シングルマイクロメートルオーダー」には、1μmから10μmまでの範囲が含まれる。したがって、「サブマイクロメートルオーダーからシングルマイクロメートルオーダーまでの範囲」とは、0.1μm~10μmまでの範囲を意味する。 In the present disclosure and its embodiments, "micrometer order" includes a range from 1 μm to 1000 μm (=1 mm). “Submicrometer order” includes a range from 0.1 μm (=100 nm) to 1 μm. "Single micrometer order" includes a range from 1 μm to 10 μm. Therefore, "the range from submicrometer order to single micrometer order" means the range from 0.1 μm to 10 μm.

本開示およびその実施の形態において、「金属ナノ粒子に誘起される局在表面プラズモン共鳴の波長域」とは、たとえば、金属ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴のピークの半値全幅に対応する波長域である。この波長域は、典型的には400nm~700nmの可視域に含まれる。 In the present disclosure and its embodiments, the "wavelength range of localized surface plasmon resonance induced in metal nanoparticles" refers to, for example, a wavelength range corresponding to the full width at half maximum of the peak of localized surface plasmon resonance of metal nanoparticles. It is. This wavelength range typically falls within the visible range of 400 nm to 700 nm.

本開示およびその実施の形態において、紫外域とは、200nm~360nmの波長委器を意味する。可視域とは、360nm~700nmの波長域を意味する。赤外域とは、700nm~5μmの波長域を意味する。「白色光」とは、紫外域から近赤外域までの波長域(たとえば200nm~1100nmの波長域)の光を意味する。白色光は、連続光であってもよいしパルス光であってもよい。 In the present disclosure and embodiments thereof, the ultraviolet range refers to wavelength ranges from 200 nm to 360 nm. The visible range means a wavelength range of 360 nm to 700 nm. Infrared region means a wavelength region of 700 nm to 5 μm. "White light" means light in the wavelength range from the ultraviolet region to the near-infrared region (for example, the wavelength range of 200 nm to 1100 nm). The white light may be continuous light or pulsed light.

本開示およびその実施の形態において、「光透過性を有する」とは、物質を通過する光の強度がゼロよりも大きい性質を意味する。光が物質を通過する場合、残りの光のエネルギーはその物質によって吸収、散乱または反射されてもよい。また、その光の波長領域は、紫外域、可視域および近赤外域のいずれかの領域、これら3つの領域のうちの2つの領域にまたがる領域、3つの領域のすべての領域にまたがる領域のいずれでもよい。光透過性は、たとえば透過率の範囲によって定義できる。この場合、透過率の範囲の下限は0よりも大きければよく、特に限定されない。 In the present disclosure and its embodiments, "having optical transparency" means a property in which the intensity of light passing through a substance is greater than zero. When light passes through a material, the remaining light energy may be absorbed, scattered or reflected by the material. The wavelength range of the light may be any of the ultraviolet, visible, and near-infrared regions, a region that spans two of these three regions, or a region that spans all three regions. But that's fine. Light transmittance can be defined, for example, by a range of transmittance. In this case, the lower limit of the transmittance range is not particularly limited as long as it is greater than 0.

[実施の形態1]
<圧力測定システムの全体構成>
図1は、実施の形態1に係る圧力測定システムの全体構成を概略的に示す図である。以下、x方向およびy方向は水平方向を表す。x方向とy方向とは互いに直交する。z方向は鉛直方向を表す。重力の向きはz方向下方である。
[Embodiment 1]
<Overall configuration of pressure measurement system>
FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a pressure measurement system according to a first embodiment. Hereinafter, the x direction and the y direction represent the horizontal direction. The x direction and the y direction are orthogonal to each other. The z direction represents the vertical direction. The direction of gravity is downward in the z direction.

図1を参照して、圧力測定システム1は、対象物9の表面に印加される圧力(荷重)を測定する。後述する実施例では、圧力測定システム1は、対象物9の表面に錘により印加される圧力の分布を測定するための実験システムである。圧力測定システム1は、光源11と、測定治具12と、ステージ13と、対物レンズ14と、光学部品15と、分光器16と、カメラ17と、コントローラ18とを備える。 Referring to FIG. 1, pressure measurement system 1 measures the pressure (load) applied to the surface of object 9. In the embodiment described below, the pressure measurement system 1 is an experimental system for measuring the distribution of pressure applied to the surface of the object 9 by a weight. The pressure measurement system 1 includes a light source 11, a measurement jig 12, a stage 13, an objective lens 14, an optical component 15, a spectrometer 16, a camera 17, and a controller 18.

光源11は、測定治具12に設置された圧力センサ5(図2~図4参照)を照らす光を発する。この照射光は白色光であることが好ましい。後述する実施例ではハロゲンランプが光源11として用いられる。しかし、光源11はLED(Light Emitting Diode)または蛍光灯などであってもよい。 The light source 11 emits light that illuminates the pressure sensor 5 (see FIGS. 2 to 4) installed on the measurement jig 12. Preferably, this irradiation light is white light. In the embodiments described below, a halogen lamp is used as the light source 11. However, the light source 11 may be an LED (Light Emitting Diode), a fluorescent lamp, or the like.

ただし、光源11は、白色光以外を発する光源であってもよい。詳細は後述するが、光源11は、液晶の反射波長域のうちの少なくとも一部と、金属ナノ粒子に誘起される局在表面プラズモン共鳴の波長域のうちの少なくとも一部とを含むのであれば、白色光の波長域よりも狭い波長域の光を発する光源であってもよい。 However, the light source 11 may be a light source that emits light other than white light. Although the details will be described later, if the light source 11 includes at least part of the reflection wavelength range of liquid crystal and at least part of the wavelength range of localized surface plasmon resonance induced by metal nanoparticles, , a light source that emits light in a wavelength range narrower than the wavelength range of white light may be used.

測定治具12は、対象物9上に配置される圧力センサ5に所望の圧力を印加することが可能に構成されている。また、測定治具12は、光源11からの光を圧力センサ5に照射することが可能に構成されている。測定治具12の構成例については図2にて説明する。 The measurement jig 12 is configured to be able to apply a desired pressure to the pressure sensor 5 placed on the object 9. Furthermore, the measurement jig 12 is configured to be able to irradiate the pressure sensor 5 with light from the light source 11 . An example of the configuration of the measurement jig 12 will be explained with reference to FIG.

ステージ13は測定治具12を保持する。ステージ13は、たとえば、ステージ13上に載置された物体(この例では測定治具12)をx方向、y方向およびz方向に移動可能なXYZ軸ステージである。XYZ軸ステージの採用により、光源11からの光を圧力センサ5の狙った位置に照射できる。 The stage 13 holds the measurement jig 12. The stage 13 is, for example, an XYZ-axis stage that can move an object (measurement jig 12 in this example) placed on the stage 13 in the x direction, y direction, and z direction. By employing the XYZ axis stage, the light from the light source 11 can be irradiated onto the target position of the pressure sensor 5.

対物レンズ14は、光源11から圧力センサ5に照射された光を取り込む。図1では、圧力センサ5を透過した光が対物レンズ14に取り込まれる光学系が示されているが、圧力センサ5により反射した光を対物レンズ14に取り込んでもよい。対物レンズ14に取り込まれた光は光学部品15に達する。 The objective lens 14 takes in the light irradiated onto the pressure sensor 5 from the light source 11. Although FIG. 1 shows an optical system in which light transmitted through the pressure sensor 5 is taken into the objective lens 14, the light reflected by the pressure sensor 5 may be taken into the objective lens 14. The light taken into the objective lens 14 reaches the optical component 15.

光学部品15は、ミラー、ダイクロイックミラー、プリズム、光ファイバなどの中から適宜選択される。この実施例では、ダイクロイックミラーが光学部品15として用いられる。圧力測定システム1の光学系は、対物レンズ14に取り込まれた光が光学部品15により分光器16およびカメラ17へと導かれるように調整されている。 The optical component 15 is appropriately selected from mirrors, dichroic mirrors, prisms, optical fibers, and the like. In this embodiment, a dichroic mirror is used as the optical component 15. The optical system of the pressure measurement system 1 is adjusted so that light captured by the objective lens 14 is guided by an optical component 15 to a spectrometer 16 and a camera 17 .

分光器16は、コントローラ18からの指令に従って圧力センサ5のスペクトル(吸光度スペクトルまたは反射スペクトル)を測定し、その測定結果をコントローラ18に出力する。分光器16は、紫外域から近赤外域までの波長域でスペクトルを測定可能な分光器(紫外可視赤外分光光度計)であることが好ましい。分光器16に代えて、波長情報を取得可能なカメラ(マルチスペクトルカメラまたはハイパースペクトルカメラ)を採用してもよい。分光器16の波長分解能は、より小さいほど好ましい。分光器16の波長分解能は、たとえば10nm以下、5nm以下、2nm以下または1nm以下であるが、これに限定されない。なお、分光器16は、本開示に係る「光検出器」に相当する。 The spectrometer 16 measures the spectrum (absorbance spectrum or reflection spectrum) of the pressure sensor 5 according to a command from the controller 18 and outputs the measurement result to the controller 18 . The spectrometer 16 is preferably a spectrometer (ultraviolet-visible-infrared spectrophotometer) capable of measuring spectra in the wavelength range from the ultraviolet region to the near-infrared region. Instead of the spectrometer 16, a camera (multispectral camera or hyperspectral camera) capable of acquiring wavelength information may be employed. The smaller the wavelength resolution of the spectrometer 16, the better. The wavelength resolution of the spectrometer 16 is, for example, 10 nm or less, 5 nm or less, 2 nm or less, or 1 nm or less, but is not limited thereto. Note that the spectrometer 16 corresponds to a "photodetector" according to the present disclosure.

カメラ17は、コントローラ18からの指令に従って圧力センサ5を撮影し、撮影した画像をコントローラ18に出力する。実施の形態1において、カメラ17は圧力センサ5の変化の様子を観察するための補助的な機器であり、圧力測定には用いられない(図20および図22参照)。よって、カメラ17は省略可能である。 The camera 17 photographs the pressure sensor 5 according to a command from the controller 18 and outputs the photographed image to the controller 18. In the first embodiment, the camera 17 is an auxiliary device for observing changes in the pressure sensor 5, and is not used for pressure measurement (see FIGS. 20 and 22). Therefore, the camera 17 can be omitted.

コントローラ18は、たとえばパーソナルコンピュータであって、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサ181と、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)などのメモリ182と、入出力ポート(図示せず)とを含む。コントローラ18は、分光器16およびカメラ17を制御する。また、コントローラ18は、分光器16により測定されたスペクトルから所定の情報(後述)を抽出することによって、対象物9の表面の圧力分布を算出する。さらに、コントローラ18は、カメラ17により撮影された画像(圧力印加時の圧力センサ5の透過像)を記録するようにも構成されている。なお、コントローラ18は、本開示に係る「演算装置」に相当する。 The controller 18 is, for example, a personal computer, and includes a processor 181 such as a CPU (Central Processing Unit), a memory 182 such as a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory), and an input/output port (not shown). including. Controller 18 controls spectrometer 16 and camera 17. Further, the controller 18 calculates the pressure distribution on the surface of the object 9 by extracting predetermined information (described later) from the spectrum measured by the spectrometer 16. Furthermore, the controller 18 is also configured to record an image taken by the camera 17 (a transmitted image of the pressure sensor 5 when pressure is applied). Note that the controller 18 corresponds to a "computation device" according to the present disclosure.

<測定治具の構成>
図2は、測定治具12の構成例をより詳細に示す図である。図2を参照して、測定治具12は、スライドガラス121,122と、錘123,124とを含む。
<Configuration of measurement jig>
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the measuring jig 12 in more detail. Referring to FIG. 2, measurement jig 12 includes slide glasses 121 and 122 and weights 123 and 124.

スライドガラス121,122は、平らな直方体形状(平板形状)を有するガラス板である。スライドガラス121は圧力センサ5の上面に配置し、スライドガラス122は対象物9の下面に配置している。スライドガラス121とスライドガラス122とは、その間に圧力センサ5と対象物9と挟み込む。ただし、後述する実施例では、圧力センサ5自身の性能を評価するため、対象物9がない状態(圧力センサ5単独の状態)での圧力測定結果が示されている。なお、スライドガラス121,122も圧力印加を容易にするための構成要素に過ぎず、必須ではない。 The slide glasses 121 and 122 are glass plates having a flat rectangular parallelepiped shape (flat plate shape). The slide glass 121 is placed on the top surface of the pressure sensor 5, and the slide glass 122 is placed on the bottom surface of the object 9. The slide glass 121 and the slide glass 122 sandwich the pressure sensor 5 and the object 9 therebetween. However, in the examples described later, in order to evaluate the performance of the pressure sensor 5 itself, pressure measurement results are shown in a state where there is no object 9 (a state where the pressure sensor 5 is alone). Note that the slide glasses 121 and 122 are also only constituent elements for facilitating pressure application, and are not essential.

錘123は、スライドガラス121の長辺両端のうちの一端の近傍に設置されている。錘124は、スライドガラス121の長辺両端のうちの他端の近傍に設置されている。このように錘123,124をスライドガラス121の両端に配置することで、圧力センサ5および対象物9に圧力を均等に印加できる。なお、後述する実施例では、錘123,124の各々は、50g、100g、150gまたは200g相当の枚数のコインであった。 The weight 123 is installed near one end of the long side of the slide glass 121 . The weight 124 is installed near the other end of the long side of the slide glass 121 . By arranging the weights 123 and 124 at both ends of the slide glass 121 in this manner, pressure can be equally applied to the pressure sensor 5 and the object 9. In addition, in the example described later, each of the weights 123 and 124 was a number of coins equivalent to 50 g, 100 g, 150 g, or 200 g.

<圧力センサの構成>
図3は、実施の形態1における圧力センサ5の構成例を示す図である。図3を参照して、圧力センサ5は、基板51と、透明フィルム52と、光応答材料53と、スペーサ54とを含む。
<Configuration of pressure sensor>
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the pressure sensor 5 in the first embodiment. Referring to FIG. 3, pressure sensor 5 includes a substrate 51, a transparent film 52, a photoresponsive material 53, and a spacer 54.

基板51は光応答材料53およびスペーサ54の下面に配置し、透明フィルム52は光応答材料53およびスペーサ54の上面に配置している。これにより、基板51と透明フィルム52とは、光応答材料53およびスペーサ54を上下から挟み込む。基板51は、圧力センサ5に機械的強度を与える。透明フィルム52は、光源11からの照射光(たとえば白色光)に対して光透過性を有する材料により形成されている。透明フィルム52は、本開示に係る「光透過層」に相当する。 The substrate 51 is placed on the bottom surface of the photoresponsive material 53 and the spacer 54, and the transparent film 52 is placed on the top surface of the photoresponsive material 53 and the spacer 54. Thereby, the substrate 51 and the transparent film 52 sandwich the photoresponsive material 53 and the spacer 54 from above and below. The substrate 51 provides mechanical strength to the pressure sensor 5. The transparent film 52 is made of a material that transmits light emitted from the light source 11 (for example, white light). The transparent film 52 corresponds to a "light-transmitting layer" according to the present disclosure.

この例では、基板51および透明フィルム52の材料は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート等の透明樹脂または透明ポリマーである。しかし、基板51および透明フィルム52の材料は、樹脂またはポリマーに限定されず、ガラス、石英などであってもよい。 In this example, the material of the substrate 51 and the transparent film 52 is a transparent resin or transparent polymer such as polyethylene terephthalate (PET) or polycarbonate. However, the materials of the substrate 51 and the transparent film 52 are not limited to resin or polymer, and may be glass, quartz, or the like.

なお、基板51が光透過性を有することは必須ではない。光源11から光が照射される側に位置する透明フィルム52が光透過性を有せば、基板51が光透過性を有することは要求されない。 Note that it is not essential that the substrate 51 have optical transparency. If the transparent film 52 located on the side irradiated with light from the light source 11 has a light transmittance, the substrate 51 is not required to have a light transmittance.

光応答材料53は、光応答材料53に印加される圧力に応じて色が変化するゲル材料である。光応答材料53は、液晶と金属ナノ粒子とを含む。光応答材料53の構成については後に詳細に説明する。 The photoresponsive material 53 is a gel material that changes color depending on the pressure applied to the photoresponsive material 53. Photoresponsive material 53 includes liquid crystal and metal nanoparticles. The structure of the photoresponsive material 53 will be explained in detail later.

スペーサ54は、基板51と透明フィルム52との間において、光応答材料53を取り囲むように設けられている。これにより、スペーサ54は、光応答材料53を保持する空間を基板51と透明フィルム52との間に確保するとともに、圧力センサ5からの光応答材料53の流出を防ぐ。たとえば両面テープをスペーサ54として用いることができる。なお、スペーサ54は圧力センサ5に必須の構成ではなく省略可能である。 The spacer 54 is provided between the substrate 51 and the transparent film 52 so as to surround the photoresponsive material 53. Thereby, the spacer 54 secures a space for holding the photoresponsive material 53 between the substrate 51 and the transparent film 52, and prevents the photoresponsive material 53 from flowing out from the pressure sensor 5. For example, double-sided tape can be used as the spacer 54. Note that the spacer 54 is not an essential component of the pressure sensor 5 and can be omitted.

以下に説明する実施例では、基板51および透明フィルム52は、いずれも帝人株式会社製の透明導電性フィルム(型番:PFC100-D150)を用いた。スペーサ54として、ニチバン株式会社製の両面テープ(厚さ:約0.12mm)を用いた。スライドガラス121,122のサイズは、26mm×76mm×1mmであった。 In the examples described below, both the substrate 51 and the transparent film 52 are transparent conductive films manufactured by Teijin Ltd. (model number: PFC100-D150). As the spacer 54, double-sided tape (thickness: about 0.12 mm) manufactured by Nichiban Co., Ltd. was used. The size of the slide glasses 121 and 122 was 26 mm x 76 mm x 1 mm.

図4は、圧力センサ5の画像を示す図である。図4には、圧力センサ5の性能評価のために圧力センサ5がスライドガラス121,122の間に挟まれた状態を上方から撮影した画像が示されている。 FIG. 4 is a diagram showing an image of the pressure sensor 5. FIG. 4 shows an image taken from above in which the pressure sensor 5 is sandwiched between slide glasses 121 and 122 for performance evaluation of the pressure sensor 5.

<圧力測定メカニズム>
図5は、光応答材料53に用いられる液晶を説明するための図である。本実施の形態では、光応答材料53として、金ナノ粒子がドープ(添加)されたコレステリック液晶が用いられる。以下、この材料を「金ナノ粒子ドープ液晶」とも称する。なお、光応答材料53に使用可能な金属ナノ粒子は、金ナノ粒子に限られず、たとえば銀ナノ粒子であってもよい。
<Pressure measurement mechanism>
FIG. 5 is a diagram for explaining liquid crystal used in the photoresponsive material 53. In this embodiment, cholesteric liquid crystal doped with gold nanoparticles is used as the photoresponsive material 53. Hereinafter, this material will also be referred to as "gold nanoparticle-doped liquid crystal." Note that the metal nanoparticles that can be used in the photoresponsive material 53 are not limited to gold nanoparticles, and may be silver nanoparticles, for example.

図5に示すように、コレステリック液晶は螺旋構造を有する。より詳細には、コレステリック液晶は、液晶分子が軸周りに螺旋状に配列した層状構造を有する。各層状構造内での液晶分子は同一方向に配向している。以下、液晶分子の層状構造が軸周りに一周するときの軸方向の長さを「螺旋ピッチ」と言い、pで表す。隣接する層状構造は、軸周りに一定方向に一定角度ずつねじれている(ねじれ角)。一般に、ねじれ角は数分から数度まで様々であり、それにより螺旋ピッチpもサブマイクロメートルオーダーから、より大きなオーダー(たとえばミリメートルオーダー)まで幅広く分布し得る。 As shown in FIG. 5, cholesteric liquid crystal has a helical structure. More specifically, cholesteric liquid crystal has a layered structure in which liquid crystal molecules are arranged in a spiral around an axis. The liquid crystal molecules within each layered structure are oriented in the same direction. Hereinafter, the length in the axial direction when the layered structure of liquid crystal molecules makes one revolution around the axis will be referred to as the "helical pitch" and will be expressed as p. Adjacent layered structures are twisted at a certain angle in a certain direction around the axis (torsion angle). In general, the helix angle varies from a few minutes to several degrees, so that the helical pitch p can also be widely distributed from the submicrometer order to larger orders (eg, millimeter order).

光源11からの光照射下で圧力センサ5に印加される圧力が変化した場合、コレステリック液晶の作用と金ナノ粒子の作用との両方の影響により圧力センサ5の色が変化する。 When the pressure applied to the pressure sensor 5 changes under light irradiation from the light source 11, the color of the pressure sensor 5 changes due to both the effect of the cholesteric liquid crystal and the effect of the gold nanoparticles.

図6は、圧力変化に伴うコレステリック液晶の変化の様子を説明するための概念図である。図6には、コレステリック液晶が有する5つの液晶層61~65が模式的に示されている。金ナノ粒子7は各液晶層上に分布している。 FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining how cholesteric liquid crystal changes as pressure changes. FIG. 6 schematically shows five liquid crystal layers 61 to 65 included in the cholesteric liquid crystal. Gold nanoparticles 7 are distributed on each liquid crystal layer.

コレステリック液晶は、螺旋ピッチpに媒体(ゲル材料)の屈折率を乗算した波長の光を選択的に反射する。少量のコレステリック液晶分子を水(超純水)に加える場合、そのゲル材料の屈折率nは、水の屈折率に等しいと近似可能である(n≒1.33)。したがって、コレステリック液晶による反射光の波長λは、下記式(1)のように表される。この関係式から、螺旋ピッチpが狭まるに従って反射光の波長λが短くなる(短波長シフトが起こる)ことが分かる。
λ=np ・・・(1)
Cholesteric liquid crystal selectively reflects light with a wavelength equal to the helical pitch p multiplied by the refractive index of the medium (gel material). When adding a small amount of cholesteric liquid crystal molecules to water (ultrapure water), the refractive index n w of the gel material can be approximated to be equal to the refractive index of water (n w ≈1.33). Therefore, the wavelength λ of the light reflected by the cholesteric liquid crystal is expressed by the following formula (1). From this relational expression, it can be seen that as the helical pitch p becomes narrower, the wavelength λ of the reflected light becomes shorter (a short wavelength shift occurs).
λ= nwp ...(1)

一例として、螺旋ピッチp=480nmであるとき、波長λ≒640nmであるため、反射光は赤色である。螺旋ピッチp=300nmになると、波長λ≒400nmとなり、反射光は紫色に変化する。このように、コレステリック液晶からは螺旋ピッチpに応じた特定波長の反射光が得られる。 As an example, when the helical pitch p=480 nm, the reflected light is red because the wavelength λ is approximately 640 nm. When the helical pitch p=300 nm, the wavelength λ≈400 nm, and the reflected light changes to purple. In this way, reflected light of a specific wavelength corresponding to the helical pitch p can be obtained from the cholesteric liquid crystal.

圧力センサ5に印加される圧力が上昇すると、コレステリック液晶が収縮し、螺旋ピッチpが狭まる。そうすると、コレステリック液晶の反射特性に起因して反射光の波長が短くなる。逆に、圧力センサ5に印加される圧力が低下すると、コレステリック液晶が膨張し、螺旋ピッチpが広がる。そうすると、コレステリック液晶の反射特性に起因して反射光の波長が長くなる。 When the pressure applied to the pressure sensor 5 increases, the cholesteric liquid crystal contracts and the helical pitch p narrows. In this case, the wavelength of the reflected light becomes shorter due to the reflection characteristics of the cholesteric liquid crystal. Conversely, when the pressure applied to the pressure sensor 5 decreases, the cholesteric liquid crystal expands and the helical pitch p widens. In this case, the wavelength of the reflected light becomes longer due to the reflection characteristics of the cholesteric liquid crystal.

なお、可視域での反射光の波長変化を測定する場合(かつ、コレステリック液晶の媒体が水である場合)、螺旋ピッチpは、サブマイクロメートルオーダー(上の例では480nm、300nmなど)である。しかし、螺旋ピッチpを1μm以上(マイクロメートルオーダー)にすることで、赤外域での反射光の波長変化を測定することも可能である。また、反射光を例に説明したが、吸収光においても同様の波長変化が観察される。 Note that when measuring the wavelength change of reflected light in the visible range (and when the medium of cholesteric liquid crystal is water), the helical pitch p is on the submicrometer order (480 nm, 300 nm, etc. in the above example). . However, by setting the helical pitch p to 1 μm or more (on the order of micrometers), it is also possible to measure changes in the wavelength of reflected light in the infrared region. Further, although the explanation has been given using reflected light as an example, a similar wavelength change is also observed in absorbed light.

図7は、金ナノ粒子ドープ液晶の金ナノ粒子の様子を説明するための概念図である。図7を参照して、金ナノ粒子がドープされたコレステリック液晶中では、上記の関係式(1)は以下のように修正される(下記式(2)参照)。
λ=(n+ΔnGNP)p ・・・(2)
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the appearance of gold nanoparticles in a gold nanoparticle-doped liquid crystal. Referring to FIG. 7, in a cholesteric liquid crystal doped with gold nanoparticles, the above relational expression (1) is modified as follows (see equation (2) below).
λ=( nw + ΔnGNP )p...(2)

式(2)では、金ナノ粒子のドープによる屈折率の変化をΔnGNPで表している。式(2)より、屈折率(n+ΔnGNP)が高くなるに従って反射光の波長λが長くなることが分かる。 In equation (2), the change in refractive index due to doping of gold nanoparticles is expressed as Δn GNP . From equation (2), it can be seen that as the refractive index (n w +Δn GNP ) becomes higher, the wavelength λ of the reflected light becomes longer.

金ナノ粒子濃度が低い場合(図中の「希釈」参照)、屈折率に対する金ナノ粒子の寄与ΔnGNPが無視できるほど小さい(ΔnGNP≒0)。しかし、図中「基準」や「濃縮」に示すように金ナノ粒子の濃度がある程度の高濃度になると、金ナノ粒子間の相互作用が強まり、ΔnGNP(>0)が大きくなる。その結果、屈折率(n+ΔnGNP)が高くなり、反射光の波長λが長くなる。 When the gold nanoparticle concentration is low (see "dilution" in the figure), the contribution of the gold nanoparticles to the refractive index Δn GNP is negligibly small (Δn GNP ≈0). However, as shown in "Standard" and "Concentration" in the figure, when the concentration of gold nanoparticles reaches a certain high concentration, the interaction between the gold nanoparticles becomes stronger and Δn GNP (>0) increases. As a result, the refractive index (n w +Δn GNP ) increases, and the wavelength λ of the reflected light increases.

一方、金ナノ粒子間の相互作用(局在表面プラズモンの協力効果)の強さは、金ナノ粒子の粒子間距離に応じて異なる。そして、局在表面プラズモンの協力効果の強さに応じて、吸光度スペクトルまたは反射スペクトルにおけるピーク波長のシフトの向きおよび大きさ(シフト量)が変化する(波長シフトに関する原理的説明の詳細については特許文献2を参照)。より詳細には、金ナノ粒子の粒子間距離が十分に近くなると(たとえば螺旋ピッチp以下になると)、金ナノ粒子の局在表面プラズモンの協力効果により、ピーク波長が長波長シフトする。このシフト量は、金ナノ粒子の粒子間距離が近いほど大きい。詳細は後述するが、金ナノ粒子の局在表面プラズモン由来のピークの長波長シフトは、コレステリック液晶由来のピークの短波長シフトを弱める方向に作用し得る。 On the other hand, the strength of the interaction between gold nanoparticles (cooperative effect of localized surface plasmons) varies depending on the distance between the gold nanoparticles. Then, depending on the strength of the cooperative effect of localized surface plasmons, the direction and magnitude (shift amount) of the peak wavelength shift in the absorbance spectrum or reflection spectrum change (see patent (See Reference 2). More specifically, when the distance between the gold nanoparticles becomes sufficiently close (for example, when the helical pitch becomes less than p), the peak wavelength shifts to longer wavelengths due to the cooperative effect of localized surface plasmons of the gold nanoparticles. This amount of shift increases as the distance between the gold nanoparticles decreases. Although details will be described later, the longer wavelength shift of the peak derived from the localized surface plasmon of the gold nanoparticles can act in the direction of weakening the shorter wavelength shift of the peak derived from the cholesteric liquid crystal.

このように、圧力センサ5に印加される圧力に応じて、コレステリック液晶による波長シフトの向きおよび大きさが変化する。また、金ナノ粒子の濃度に応じて、局在表面プラズモンの協力効果に起因するピーク波長シフトの向きおよび大きさが定まる。したがって、圧力センサ5のスペクトルを解析し、スペクトルと圧力との間の対応関係を予め求める。そして、その解析結果を、マップまたは関係式等としてコントローラ18のメモリ182に格納しておく。この対応関係を参照することで、圧力センサ5のスペクトルに基づいて、圧力センサ5に印加された圧力を算出できる。 In this way, the direction and magnitude of the wavelength shift caused by the cholesteric liquid crystal change depending on the pressure applied to the pressure sensor 5. Furthermore, the direction and magnitude of the peak wavelength shift due to the cooperative effect of localized surface plasmons is determined depending on the concentration of gold nanoparticles. Therefore, the spectrum of the pressure sensor 5 is analyzed and the correspondence between the spectrum and pressure is determined in advance. Then, the analysis results are stored in the memory 182 of the controller 18 as a map, relational expression, or the like. By referring to this correspondence relationship, the pressure applied to the pressure sensor 5 can be calculated based on the spectrum of the pressure sensor 5.

一般に、コレステリック液晶は、ネマティック液晶とキラル性の添加剤(カイラル材)とを特定範囲の比率で混合することで作製される。螺旋ピッチpは、カイラル材の種類および/または含有率を変更することにより調整可能である。たとえばカイラル材の含有率を高めることで螺旋ピッチpを狭めることができる。 Generally, cholesteric liquid crystals are produced by mixing nematic liquid crystals and chiral additives (chiral materials) in a specific range of ratios. The helical pitch p can be adjusted by changing the type and/or content of the chiral material. For example, the helical pitch p can be narrowed by increasing the content of chiral material.

また、金ナノ粒子の粒子間距離は、金ナノ粒子の粒径および/または含有率(濃度)を変更することにより調整可能である。金ナノ粒子の粒径を大きくしたり、金ナノ粒子の濃度を高めたりすることで、金ナノ粒子の粒子間距離を近くすることができる。 Furthermore, the distance between the gold nanoparticles can be adjusted by changing the particle size and/or content (concentration) of the gold nanoparticles. By increasing the particle size of the gold nanoparticles or increasing the concentration of the gold nanoparticles, the distance between the gold nanoparticles can be reduced.

コレステリック液晶および金ナノ粒子のいずれか一方のみを圧力センサに用いることも考えられる。これに対し、本実施の形態に係る圧力センサ5は、コレステリック液晶と金ナノ粒子との両方を含む光応答材料53を採用した、いわばハイブリッド型の圧力センサである。このようなハイブリッド型の圧力センサは、以下に説明するように、上記複数のパラメータの組合せを適宜設定することによって、所望の波長域で測定用途に応じた適切な度合いの色変化を起こすように光応答材料53を調製できる点に利点の1つを有する。 It is also conceivable to use only either cholesteric liquid crystal or gold nanoparticles in a pressure sensor. In contrast, the pressure sensor 5 according to the present embodiment is a so-called hybrid pressure sensor that employs a photoresponsive material 53 that includes both cholesteric liquid crystal and gold nanoparticles. As explained below, such a hybrid pressure sensor can produce an appropriate degree of color change in a desired wavelength range depending on the measurement application by appropriately setting the combination of the multiple parameters mentioned above. One of the advantages is that the photoresponsive material 53 can be prepared.

まず、コレステリック液晶の螺旋ピッチpを適切な値に設定することで、圧力印加前の反射光の波長(基準波長)を調整したり、圧力印加に伴って変化する反射光のおおよその波長域(変化波長域)を調整したりすることができる。具体的には、螺旋ピッチpをサブマイクロメートルオーダーにすることにより、反射光の波長域を可視域にすることができる。特に、基準波長または変化波長域が可視域の中でも人間の目の感度(比視感度)が高い波長域内に位置するように調整することにより、圧力センサ5の視認性を高めることができる。さらに、前述のように、圧力印加に伴い螺旋ピッチpが狭まるに従って反射光の波長は短くなる。そのため、圧力印加前の基準波長を赤色または赤外の波長域に位置するように調整することで、変化波長域の全部または大部分が可視域に入るようにすることができる。すなわち、可視カメラや人間の目で色変化を観察可能な圧力範囲を広くすることができる。 First, by setting the helical pitch p of the cholesteric liquid crystal to an appropriate value, you can adjust the wavelength of the reflected light (reference wavelength) before applying pressure, and the approximate wavelength range ( wavelength range) can be adjusted. Specifically, by setting the helical pitch p to the submicrometer order, the wavelength range of the reflected light can be made into the visible range. In particular, the visibility of the pressure sensor 5 can be improved by adjusting the reference wavelength or the changing wavelength range to be located within a wavelength range in which the sensitivity of the human eye (specific luminous efficiency) is high among the visible range. Furthermore, as described above, as the helical pitch p narrows with the application of pressure, the wavelength of the reflected light becomes shorter. Therefore, by adjusting the reference wavelength before applying pressure so that it is located in the red or infrared wavelength range, all or most of the changing wavelength range can be made to fall within the visible range. That is, it is possible to widen the pressure range in which color changes can be observed with a visible camera or the human eye.

一方、金ナノ粒子の粒径または濃度を適切な値に設定することで、圧力変化に対する色変化の敏感性(分解能と呼んでもよい)を測定用途に応じて調整できる。微小な圧力変化を測定したい場合には色変化の敏感性を高くすることができ、逆に比較的大きな圧力変化を測定したい場合には色変化の敏感性を敢えて低くすることができる。このように、本実施の形態によれば、光応答材料53をコレステリック液晶と金ナノ粒子とのハイブリッド型とすることで、比視感度が高い範囲において、測定対象とする圧力変化量に適した敏感性を有する圧力センサ5を実現できる。 On the other hand, by setting the particle size or concentration of gold nanoparticles to appropriate values, the sensitivity of color change to pressure changes (also called resolution) can be adjusted depending on the measurement application. When it is desired to measure minute pressure changes, the sensitivity to color changes can be made high, and conversely, when it is desired to measure relatively large pressure changes, the sensitivity to color changes can be intentionally made low. As described above, according to the present embodiment, by making the photoresponsive material 53 a hybrid type of cholesteric liquid crystal and gold nanoparticles, it can be used in a range where the relative luminous efficiency is high and suitable for the amount of pressure change to be measured. A sensitive pressure sensor 5 can be realized.

なお、光応答材料53に使用可能な液晶の種類はコレステリック液晶だけではない。液晶は、分子構造により、コレステリック液晶、ネマティック液晶、スメクティック液晶に大きく分類される。これら液晶のうち、スメクティック液晶も層ごとに液晶分子が回転する螺旋状のモード(スメクティックC*相)を有するので、光応答材料53に使用できる。また、TGB(Twisted Grain Boundary)相と呼ばれる欠陥構造を有する液晶も螺旋構造を有するので光応答材料53に使用可能である。 Note that cholesteric liquid crystal is not the only type of liquid crystal that can be used for the photoresponsive material 53. Liquid crystals are broadly classified into cholesteric liquid crystals, nematic liquid crystals, and smectic liquid crystals depending on their molecular structure. Among these liquid crystals, smectic liquid crystals can also be used as the photoresponsive material 53 because they have a spiral mode (smectic C* phase) in which liquid crystal molecules rotate in each layer. Furthermore, a liquid crystal having a defective structure called TGB (Twisted Grain Boundary) phase can also be used as the photoresponsive material 53 because it has a helical structure.

また、ここでは光応答材料53を対象物9の圧力測定に適用する例について説明したが、対象物9の温度変化についても光応答材料53を用いて測定可能である。コレステリック液晶は、温度上昇に伴って膨張し、温度低下に伴って収縮する。温度変化の測定メカニズムは圧力変化時のメカニズムと同様であるため、詳細な説明は繰り返さない。 Furthermore, although an example in which the photoresponsive material 53 is applied to measuring the pressure of the object 9 has been described here, temperature changes in the object 9 can also be measured using the photoresponsive material 53. Cholesteric liquid crystal expands as the temperature rises and contracts as the temperature falls. The mechanism for measuring temperature changes is similar to the mechanism for pressure changes, so detailed description will not be repeated.

<センサ製造フロー>
図8は、実施の形態1に係る圧力センサ5の製造手順を示すフローチャートである。図8を参照して、ステップS11において、金属ナノ粒子を分散媒に分散させた金属ナノ粒子分散液を準備する。後述する実施例では、金属ナノ粒子は金ナノ粒子であり、分散媒は超純水である。
<Sensor manufacturing flow>
FIG. 8 is a flowchart showing the manufacturing procedure of the pressure sensor 5 according to the first embodiment. Referring to FIG. 8, in step S11, a metal nanoparticle dispersion liquid in which metal nanoparticles are dispersed in a dispersion medium is prepared. In the examples described below, the metal nanoparticles are gold nanoparticles, and the dispersion medium is ultrapure water.

金ナノ粒子分散液の調製には、金イオン(金錯体イオン)含有溶液および還元剤を用いた溶液内還元方法(いわゆる還元法)を採用することが望ましい。たとえば、四塩化金酸をクエン酸還元することができる。金ナノ粒子分散液の調整法としてスパッタ法も知られているが、スパッタ法は採用できない。スパッタ法では、金ナノ粒子が液晶層上に均一に分布した状態が形成されないためである。 For the preparation of the gold nanoparticle dispersion, it is desirable to employ an in-solution reduction method (so-called reduction method) using a solution containing gold ions (gold complex ions) and a reducing agent. For example, tetrachloroauric acid can be reduced with citric acid. Sputtering is also known as a method for preparing gold nanoparticle dispersions, but sputtering cannot be adopted. This is because the sputtering method does not allow gold nanoparticles to be uniformly distributed on the liquid crystal layer.

ステップS12において、ステップS11にて準備した金ナノ粒子分散媒に液晶分子を導入することによって金ナノ粒子ドープ液晶(光応答材料53)を調製する。本実施例では、コレステリック液晶分子として、セルロース誘導体の一種であるヒドロキシプロピルセルロース(HPC:Hydroxypropyl Cellulose)が用いられる。しかし、コレステリック液晶の原材料として公知の他の材料(コレステリル炭酸エステル、コレステリルエステルなど)を用いてもよい。 In step S12, a gold nanoparticle-doped liquid crystal (photoresponsive material 53) is prepared by introducing liquid crystal molecules into the gold nanoparticle dispersion medium prepared in step S11. In this example, hydroxypropyl cellulose (HPC), which is a type of cellulose derivative, is used as the cholesteric liquid crystal molecule. However, other known materials (such as cholesteryl carbonate and cholesteryl ester) may be used as raw materials for cholesteric liquid crystals.

ステップS11とステップS12との順序を逆にし、先に超純水にコレステリック液晶分子を導入してから金ナノ粒子を分散させることも考えられる。しかし、その場合にも金ナノ粒子が液晶層上に均一に分布した状態が形成されない。よって、圧力センサ5の製造には適当ではない。 It is also conceivable to reverse the order of step S11 and step S12, first introducing cholesteric liquid crystal molecules into ultrapure water, and then dispersing gold nanoparticles. However, even in this case, a state in which gold nanoparticles are uniformly distributed on the liquid crystal layer is not formed. Therefore, it is not suitable for manufacturing the pressure sensor 5.

ステップS13において、金ナノ粒子ドープ液晶を基板51上に塗布する。さらに、塗布した金ナノ粒子ドープ液晶をスペーサ54を用いて固定する。 In step S13, gold nanoparticle-doped liquid crystal is applied onto the substrate 51. Further, the applied gold nanoparticle-doped liquid crystal is fixed using spacers 54.

ステップS14において、基板51上に塗布された金ナノ粒子ドープ液晶を透明フィルム52により被覆する。なお、図3では金ナノ粒子ドープ液晶(光応答材料53)の全面が透明フィルム52により覆われているが、金ナノ粒子ドープ液晶の少なくとも一部が透明フィルム52により覆われていればよい。 In step S14, the gold nanoparticle-doped liquid crystal coated on the substrate 51 is covered with a transparent film 52. In FIG. 3, the entire surface of the gold nanoparticle-doped liquid crystal (photoresponsive material 53) is covered with the transparent film 52, but it is only necessary that at least a portion of the gold nanoparticle-doped liquid crystal be covered with the transparent film 52.

ステップS15において、基板51と透明フィルム52とを接合する。接合態様は特に限定されず、接着または溶着であってもよいし、機械的固定であってもよい。これにより圧力センサ5が完成する。 In step S15, the substrate 51 and the transparent film 52 are bonded. The mode of joining is not particularly limited, and may be adhesive or welded, or may be mechanically fixed. This completes the pressure sensor 5.

以上のように、実施の形態1に係る圧力センサ5は、コレステリック液晶等の螺旋構造を有する液晶分子を金ナノ粒子分散液に導入した基板51と透明フィルム52との間に挟んだだけの簡易な構成を有する。特許文献2には、金属ナノ粒子集積構造体を用いた圧力センサおよび温度センサが開示されている。しかし、金属ナノ粒子集積構造体の作製には、チオール基などの相互作用部位を介して金属ナノ粒子をビーズの表面に固定するステップを要する(たとえば特許文献2の段落[0036]参照)。これに対し、本実施の形態においては、コレステリック液晶分子を金ナノ粒子分散液に導入すればよく、金ナノ粒子集積構造体の作製を要さない。したがって、金ナノ粒子を用いた圧力センサまたは温度センサを、より容易に製造できる。 As described above, the pressure sensor 5 according to the first embodiment is a simple structure that is simply sandwiched between the substrate 51 in which liquid crystal molecules having a helical structure such as cholesteric liquid crystal are introduced into a gold nanoparticle dispersion and the transparent film 52. It has a unique structure. Patent Document 2 discloses a pressure sensor and a temperature sensor using a metal nanoparticle integrated structure. However, production of a metal nanoparticle integrated structure requires a step of immobilizing metal nanoparticles on the surface of beads via interaction sites such as thiol groups (see, for example, paragraph [0036] of Patent Document 2). On the other hand, in this embodiment, it is sufficient to introduce cholesteric liquid crystal molecules into the gold nanoparticle dispersion, and there is no need to prepare a gold nanoparticle integrated structure. Therefore, pressure sensors or temperature sensors using gold nanoparticles can be manufactured more easily.

なお、圧力センサ5に使用可能な金ナノ粒子分散液として、すべての金ナノ粒子が分散していることは要求されず、一部の金属ナノ粒子が凝集していてもよい。言い換えると、金ナノ粒子分散液は、複数の金属ナノ粒子が凝集した金属ナノ粒子集合体を含んでもよい。 Note that the gold nanoparticle dispersion that can be used in the pressure sensor 5 does not require that all the gold nanoparticles be dispersed, and some of the metal nanoparticles may be aggregated. In other words, the gold nanoparticle dispersion may include a metal nanoparticle aggregate in which a plurality of metal nanoparticles aggregate.

<外観観察>
上記のような製造手順に従って製造された金ナノ粒子ドープ液晶および圧力センサ5の外観を観察した。まず、粒径30nmの金ナノ粒子を用いて濃度1.059nMの金ナノ粒子分散液を準備した。0.65gの金ナノ粒子分散液に1.0gのコレステリック液晶分子(HPC)を導入し、金ナノ粒子ドープ液晶を調製した。以下、この原液を用いたサンプルを「基準サンプル」と呼ぶ。
<Exterior observation>
The appearance of the gold nanoparticle-doped liquid crystal and pressure sensor 5 manufactured according to the manufacturing procedure described above was observed. First, a gold nanoparticle dispersion liquid with a concentration of 1.059 nM was prepared using gold nanoparticles with a particle size of 30 nm. A gold nanoparticle-doped liquid crystal was prepared by introducing 1.0 g of cholesteric liquid crystal molecules (HPC) into 0.65 g of a gold nanoparticle dispersion. Hereinafter, a sample using this stock solution will be referred to as a "reference sample."

原液と比べて金ナノ粒子が10倍高濃度(10.59nM)である金ナノ粒子分散液を準備した。同量(0.65g)の10倍高濃度の金ナノ粒子分散液に同量(1.0g)のHPCを導入し、金ナノ粒子ドープ液晶を調製した。このサンプルを「濃縮サンプル」と呼ぶ。反対に、原液と比べて金ナノ粒子が10倍低濃度(0.1059nM)である金ナノ粒子分散液を準備した。同量(0.65g)の10倍低濃度の金ナノ粒子分散液に同量(1.0g)のHPCを導入し、金ナノ粒子ドープ液晶を調製した。このサンプルを「希釈サンプル」と呼ぶ。 A gold nanoparticle dispersion containing gold nanoparticles in a 10 times higher concentration (10.59 nM) than the stock solution was prepared. The same amount (1.0 g) of HPC was introduced into a gold nanoparticle dispersion with a concentration 10 times higher than the same amount (0.65 g) to prepare a gold nanoparticle-doped liquid crystal. This sample is called a "concentrated sample." On the contrary, a gold nanoparticle dispersion liquid was prepared in which the concentration of gold nanoparticles was 10 times lower (0.1059 nM) than in the stock solution. The same amount (1.0 g) of HPC was introduced into the same amount (0.65 g) of a gold nanoparticle dispersion with a concentration 10 times lower to prepare a gold nanoparticle-doped liquid crystal. This sample is called a "diluted sample."

通常、金ナノ粒子分散液を濃縮する際には、遠心分離を行って上澄み液を除去し、底に残った金ナノ粒子を用いる。金ナノ粒子は小さいため、遠心分離によっても沈降し切らない場合がある。紫外可視赤外分光光度計(UV-vis)を用いて分光測定を行うと、濃縮サンプルにおける金ナノ粒子の濃度は、3.752nM程度(すなわち3.543倍濃縮)であると考えられる。一方、金ナノ粒子分散液を希釈する場合には遠心分離は行わないので、想定濃度に近い濃度が得られる。UV-visの結果から、希釈サンプルにおける金ナノ粒子の濃度は、0.111nM程度(すなわち9.522倍希釈)であると考えられる。 Normally, when concentrating a gold nanoparticle dispersion, centrifugation is performed to remove the supernatant, and the gold nanoparticles remaining at the bottom are used. Because gold nanoparticles are small, they may not completely settle even after centrifugation. When spectroscopically measured using an ultraviolet-visible-infrared spectrophotometer (UV-vis), the concentration of gold nanoparticles in the concentrated sample is believed to be approximately 3.752 nM (ie, 3.543 times concentrated). On the other hand, when diluting the gold nanoparticle dispersion liquid, centrifugation is not performed, so a concentration close to the expected concentration can be obtained. From the UV-vis results, the concentration of gold nanoparticles in the diluted sample is considered to be approximately 0.111 nM (ie, 9.522 times diluted).

さらに比較のため、金ナノ粒子を含有しないサンプルを準備した。より詳細には、0.65gの超純水に同量(1.0g)のHPCを導入した。このサンプルについては「金ナノ粒子フリー(非含有)サンプル」と記載する。 Furthermore, for comparison, a sample containing no gold nanoparticles was prepared. More specifically, the same amount (1.0 g) of HPC was introduced into 0.65 g of ultrapure water. This sample will be described as a "gold nanoparticle free (non-containing) sample."

図9は、金ナノ粒子ドープ液晶の外観の時間変化を示す図である。図9では左から右に濃縮サンプル、基準サンプル、希釈サンプル、金ナノ粒子フリーサンプルの順に並べられている。なお、各サンプルは保存容器(スクリュー管)に保存した。 FIG. 9 is a diagram showing changes in the appearance of gold nanoparticle-doped liquid crystal over time. In FIG. 9, from left to right, concentrated samples, reference samples, diluted samples, and gold nanoparticle-free samples are arranged in this order. Note that each sample was stored in a storage container (screw tube).

調製直後および調製から1日経過後では、希釈サンプルおよび金ナノ粒子フリーサンプルが白色であった。一方、基準サンプルは淡赤紫色であり、濃縮サンプルは濃赤紫色であった。いずれのサンプルにも色ムラは、ほとんど確認されなかった。これに対し、調製から数日が経過すると、各サンプルの色が変化した。具体的には、各サンプルの色が部分的に(まだらに)青色~橙色に変化した。 Immediately after preparation and one day after preparation, the diluted sample and the gold nanoparticle-free sample were white. On the other hand, the reference sample had a light reddish-purple color, and the concentrated sample had a deep reddish-purple color. Almost no color unevenness was observed in any of the samples. In contrast, the color of each sample changed after several days of preparation. Specifically, the color of each sample partially (spotted) changed from blue to orange.

図10は、圧力センサ5の外観を比較するための図である。図10では左から右に、金ナノ粒子フリーサンプル、希釈サンプル、基準サンプル、濃縮サンプルをそれぞれ用いて作製された圧力センサが示されている。金ナノ粒子フリーサンプルの中心部が橙色であり、周辺部は緑色であった。一方、それ以外の金ナノ粒子を含むサンプルの色は、橙色~赤色であった。 FIG. 10 is a diagram for comparing the appearance of the pressure sensor 5. In FIG. 10, from left to right, pressure sensors fabricated using a gold nanoparticle-free sample, a diluted sample, a reference sample, and a concentrated sample are shown, respectively. The center of the gold nanoparticle-free sample was orange, and the periphery was green. On the other hand, the colors of other samples containing gold nanoparticles were orange to red.

各サンプルにおける金ナノ粒子の平均粒子間距離(粒子密度または粒子間隔と呼んでもよい)dは、金ナノ粒子分散液における金ナノ粒子の濃度をc(c=0.111nM、1.059nM、3.752nM)とし、アボガドロ数をN(NA≒6.02×1023)とする場合、下記式(3)に従って見積ることができる。
d={1/(c×N)}1/3 ・・・(3)
The average interparticle distance (also called particle density or particle spacing) d of gold nanoparticles in each sample is the concentration of gold nanoparticles in the gold nanoparticle dispersion liquid (c = 0.111 nM, 1.059 nM, 3 .752 nM) and Avogadro's number is NA (NA≈6.02×10 23 ), it can be estimated according to the following formula (3).
d={1/(c× NA )} 1/3 ...(3)

希釈サンプルにおける平均粒子間距離d1は、d1=2.46μmであった。基準サンプルにおける平均粒子間距離d2は、d2=1.16μmである。濃縮サンプルにおける平均粒子間距離d3は、d3=0.761μmである。このように、平均粒子間距離d1~d3は、サブマイクロメートルオーダーからシングルマイクロメートルオーダーまでの範囲である。 The average interparticle distance d1 in the diluted sample was d1 = 2.46 μm. The average interparticle distance d2 in the reference sample is d2=1.16 μm. The average interparticle distance d3 in the concentrated sample is d3=0.761 μm. Thus, the average interparticle distances d1 to d3 range from submicrometer order to single micrometer order.

なお、ここで算出した平均粒子間距離d1~d3は、金ナノ粒子が分散媒(超純水)中に分散した状態での距離である。金ナノ粒子が液晶層上に分布している状態での平均粒子間距離は上記d1~d3よりも短くなっている、すなわち、金ナノ粒子は、より高密度に分布していると考えられる。 Note that the average interparticle distances d1 to d3 calculated here are the distances when the gold nanoparticles are dispersed in the dispersion medium (ultrapure water). It is considered that the average interparticle distance in a state where the gold nanoparticles are distributed on the liquid crystal layer is shorter than the above d1 to d3, that is, the gold nanoparticles are distributed at a higher density.

図11は、圧力印加時の測定治具12および圧力センサ5の画像(反射像)を示す図である。図11の下半分には、基準サンプルを用いた圧力センサ5を測定治具12に設置した状態での「圧力なし」(錘123,124なし)での画像と「圧力あり」(錘123,124あり)での画像とが示されている。また、図11の上半分には、比較のため、金ナノ粒子フリーサンプルを用いた圧力センサ5を測定治具12に設置した状態での画像が示されている。 FIG. 11 is a diagram showing an image (reflected image) of the measurement jig 12 and the pressure sensor 5 when pressure is applied. The lower half of FIG. 11 shows an image of the pressure sensor 5 using the reference sample installed in the measurement jig 12 in "no pressure" (without weights 123, 124) and "with pressure" (without weights 123, 124). 124) is shown. Furthermore, for comparison, the upper half of FIG. 11 shows an image of the pressure sensor 5 using a gold nanoparticle-free sample installed in the measurement jig 12.

「圧力あり」において圧力センサ5に印加される圧力P[単位:Pa]は、下記式(4)に従って算出できる。
P=αW/S ・・・(4)
The pressure P [unit: Pa] applied to the pressure sensor 5 in "with pressure" can be calculated according to the following formula (4).
P=αW/S...(4)

式(4)において、Wは錘の質量[単位:kg]である。Sは、周囲のスペーサ54を含めた金ナノ粒子ドープ液晶(光応答材料53)の面積[単位:cm]である。αは、単位面積当たりの質量[単位:kg/cm]を単位面積当たりの力[単位:N/m=Pa]に単位換算するための係数であり、α=9.8×10と算出される。 In formula (4), W is the mass of the weight [unit: kg]. S is the area [unit: cm 2 ] of the gold nanoparticle-doped liquid crystal (photoresponsive material 53) including the surrounding spacer 54. α is a coefficient for converting mass per unit area [unit: kg/cm 2 ] into force per unit area [unit: N/m 2 = Pa], and α = 9.8×10 4 It is calculated as follows.

上記式(4)に基づき、錘が50gである場合の圧力Pは、P=1396[Pa]と算出される。錘が100gである場合の圧力Pは、P=2792[Pa]と算出される。錘が150gである場合の圧力Pは、P=4188[Pa]と算出される。錘が200gである場合の圧力Pは、P=5584[Pa]と算出される。 Based on the above formula (4), the pressure P when the weight is 50 g is calculated as P=1396 [Pa]. The pressure P when the weight is 100 g is calculated as P=2792 [Pa]. The pressure P when the weight is 150 g is calculated as P=4188 [Pa]. The pressure P when the weight is 200 g is calculated as P=5584 [Pa].

実施の形態2にて説明する模擬実験(水洞実験)では、最大100kPa程度の圧力を測定可能であることが求められる。上記の圧力Pの範囲で圧力変化を圧力センサ5により測定できれば、模擬実験に要求される圧力範囲の少なくとも半分以上をカバーできると評価できる。後述するが、金ナノ粒子ドープ液晶の組成を変更することで、模擬実験に要求される全圧力範囲をカバーすることも可能である。なお、模擬実験では、10Pa程度の圧力差を区別できる(すなわち圧力分解能が10Paである)ことが望ましい。 In the simulated experiment (water cave experiment) described in Embodiment 2, it is required to be able to measure a pressure of about 100 kPa at maximum. If pressure changes can be measured by the pressure sensor 5 within the above range of pressure P, it can be evaluated that at least half of the pressure range required for the simulation experiment can be covered. As will be described later, by changing the composition of the gold nanoparticle-doped liquid crystal, it is possible to cover the entire pressure range required for the simulation experiment. In addition, in the simulation experiment, it is desirable that a pressure difference of about 10 2 Pa can be distinguished (that is, the pressure resolution is 10 2 Pa).

<圧力測定フロー>
図12は、実施の形態1における圧力測定処理を示すフローチャートである。図12および後述する図26に示すフローチャートは、たとえば、測定者がコントローラ18を操作する(たとえば測定開始ボタンを押す)などして測定開始条件が成立した場合にメインルーチン(図示せず)から呼び出されて実行される。これらのフローチャートに含まれる各ステップは、基本的にはコントローラ18によるソフトウェア処理によって実現されるが、コントローラ18内に作製された専用のハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
<Pressure measurement flow>
FIG. 12 is a flowchart showing pressure measurement processing in the first embodiment. The flowchart shown in FIG. 12 and FIG. 26, which will be described later, is called from the main routine (not shown) when the measurement start condition is satisfied, for example, when the measurement person operates the controller 18 (for example, presses the measurement start button). and executed. Each step included in these flowcharts is basically realized by software processing by the controller 18, but may also be realized by dedicated hardware (electric circuit) created within the controller 18.

図12を参照して、ステップS21において、コントローラ18は、圧力センサ5(対象物9)への光照射を開始するように光源11を制御する。この光照射はスペクトル測定が完了するまで継続される。なお、光源11からの照射光は、金ナノ粒子ドープ液晶の屈折率(n+ΔnGNP)にコレステリック液晶の螺旋ピッチpを乗じた波長を含む(上記式(2)参照)。 Referring to FIG. 12, in step S21, controller 18 controls light source 11 to start irradiating light to pressure sensor 5 (object 9). This light irradiation is continued until the spectrum measurement is completed. Note that the irradiation light from the light source 11 includes a wavelength obtained by multiplying the refractive index (n w +Δn GNP ) of the gold nanoparticle-doped liquid crystal by the helical pitch p of the cholesteric liquid crystal (see equation (2) above).

ステップS22において、コントローラ18は、圧力センサ5のスペクトル(吸光度スペクトルまたは反射スペクトル)を取得するように分光器16を制御する。 In step S22, the controller 18 controls the spectrometer 16 to acquire the spectrum (absorbance spectrum or reflection spectrum) of the pressure sensor 5.

ステップS23において、コントローラ18は、ステップS22にて取得したスペクトルを解析し、圧力センサ5が表す圧力を算出する。このスペクトル解析については後述する。 In step S23, the controller 18 analyzes the spectrum acquired in step S22 and calculates the pressure represented by the pressure sensor 5. This spectrum analysis will be described later.

ステップS24において、コントローラ18は、ステップS23での圧力の算出結果を出力する。たとえば、コントローラ18は、対象物9の表面の圧力分布を図示しないモニタに表示させることができる。 In step S24, the controller 18 outputs the pressure calculation result in step S23. For example, the controller 18 can display the pressure distribution on the surface of the object 9 on a monitor (not shown).

ステップS25において、コントローラ18は、測定終了条件が成立したかどうかを判定する。ユーザが所定操作(測定終了ボタンの押下など)を行ったり、スペクトルが所定時間または所定回数だけ取得されたりした場合に、測定終了条件が成立したと判定される。測定終了条件が成立していない場合(ステップS25においてNO)、コントローラ18は、処理をS22に戻す。これにより対象物9の撮影が継続される。測定終了条件が成立すると(ステップS25においてYES)、コントローラ18は、対象物9への光照射を停止させ(ステップS26)、処理をメインルーチンに戻す。これにより一連の処理が終了する。 In step S25, the controller 18 determines whether the measurement end condition is satisfied. When the user performs a predetermined operation (such as pressing a measurement end button) or when spectra are acquired for a predetermined time or a predetermined number of times, it is determined that the measurement end condition is met. If the measurement end condition is not satisfied (NO in step S25), the controller 18 returns the process to S22. As a result, photographing of the object 9 is continued. When the measurement end condition is met (YES in step S25), the controller 18 stops irradiating the object 9 with light (step S26), and returns the process to the main routine. This completes the series of processing.

<吸光度スペクトルと反射スペクトルとの比較>
図13は、金ナノ粒子フリーサンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。図14は、希釈サンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。図15は、基準サンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。図16は、濃縮サンプルにおけるスペクトル測定結果の例を示す図である。図13~図16の各図では、吸光度スペクトルが上に示され、反射スペクトルが下に示されている。同一条件下で3回のスペクトル測定を実施した。
<Comparison of absorbance spectrum and reflection spectrum>
FIG. 13 is a diagram showing an example of spectrum measurement results for a gold nanoparticle-free sample. FIG. 14 is a diagram showing an example of spectrum measurement results for a diluted sample. FIG. 15 is a diagram showing an example of spectrum measurement results for the reference sample. FIG. 16 is a diagram showing an example of spectrum measurement results for a concentrated sample. In each of FIGS. 13-16, the absorbance spectrum is shown at the top and the reflection spectrum is shown at the bottom. Three spectral measurements were performed under the same conditions.

図13~図16を参照して、いずれのサンプルにおいても、吸光度スペクトルのピーク波長と反射スペクトルのピーク波長とは、ほぼ等しかった。具体的に、金ナノ粒子フリーサンプルにおける両スペクトルのピーク波長λpは、614nmであった。希釈サンプルにおける両スペクトルのピーク波長λpは、630nmであった。基準サンプルにおける両スペクトルのピーク波長λpは、641nmであった。濃縮サンプルにおける両スペクトルのピーク波長λpは、620nmであった。このことから、吸光度スペクトルを測定しても反射スペクトルを測定してもよいことが分かる。 Referring to FIGS. 13 to 16, in all samples, the peak wavelength of the absorbance spectrum and the peak wavelength of the reflection spectrum were almost equal. Specifically, the peak wavelength λp of both spectra in the gold nanoparticle-free sample was 614 nm. The peak wavelength λp of both spectra in the diluted sample was 630 nm. The peak wavelength λp of both spectra in the reference sample was 641 nm. The peak wavelength λp of both spectra in the concentrated sample was 620 nm. This shows that either the absorbance spectrum or the reflection spectrum may be measured.

<ピーク波長vs圧力>
図17は、様々な圧力印可時における吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。図17および図18(後述)では上から順に、金ナノ粒子フリーサンプル、希釈サンプル、基準サンプルおよび濃縮サンプルでの測定結果が示されている。図17において、横軸は波長を表し、縦軸は吸光度を表す。
<Peak wavelength vs pressure>
FIG. 17 is a diagram showing measurement results of absorbance spectra when applying various pressures. FIG. 17 and FIG. 18 (described later) show measurement results for a gold nanoparticle-free sample, a diluted sample, a reference sample, and a concentrated sample in order from the top. In FIG. 17, the horizontal axis represents wavelength, and the vertical axis represents absorbance.

図17より、圧力センサ5に印加される圧力に応じて吸光度スペクトルに著しい変化が起こることが分かる。これらの吸光度スペクトルからピーク波長λpを読み取り、ピーク波長λpと圧力との間の相関関係を別グラフに整理した。 It can be seen from FIG. 17 that a significant change occurs in the absorbance spectrum depending on the pressure applied to the pressure sensor 5. The peak wavelength λp was read from these absorbance spectra, and the correlation between the peak wavelength λp and pressure was organized in a separate graph.

図18は、吸光度スペクトルから求められたピーク波長λpと圧力との間の関係を示す図である。図18において、横軸は圧力センサ5への印加圧力[単位:kPa]を表し、縦軸は吸光度スペクトルのピーク波長λpを表す。 FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the peak wavelength λp determined from the absorbance spectrum and the pressure. In FIG. 18, the horizontal axis represents the pressure applied to the pressure sensor 5 [unit: kPa], and the vertical axis represents the peak wavelength λp of the absorbance spectrum.

図18を参照して、図17に示した測定結果を当該グラフ上にプロットすると、圧力とピーク波長λpとの間の関係を直線近似することが可能であった。この近似直線の傾きをサンプル間で比較すると、基準サンプルにおける傾きの絶対値が最も大きかった。このことから、4つのサンプルの中で圧力変化がピーク波長λpのシフト量に最も反映されやすい(すなわち最も高感度である)のが基準サンプルであることが分かる。この解析結果から、単に金ナノ粒子分散液の濃度を濃くすれば圧力変化に対する感度が向上するわけではなく、金ナノ粒子分散液の濃度には適切な範囲(あるいは最適な濃度)が存在することが示唆される。 Referring to FIG. 18, when the measurement results shown in FIG. 17 were plotted on the graph, it was possible to linearly approximate the relationship between the pressure and the peak wavelength λp. When the slope of this approximate straight line was compared between samples, the reference sample had the largest absolute value of the slope. From this, it can be seen that among the four samples, the reference sample is the one in which the pressure change is most likely to be reflected in the shift amount of the peak wavelength λp (that is, it has the highest sensitivity). The results of this analysis show that simply increasing the concentration of the gold nanoparticle dispersion does not improve the sensitivity to pressure changes, and that there is an appropriate range (or optimal concentration) for the concentration of the gold nanoparticle dispersion. is suggested.

続いて、圧力センサ5の局所的な反射スペクトルから同様の手順でピーク波長と圧力との間の関係を求めた結果について説明する。 Next, the results of determining the relationship between the peak wavelength and pressure using the same procedure from the local reflection spectrum of the pressure sensor 5 will be described.

図19は、様々な圧力印可時における反射スペクトルの測定結果を示す図である。図20は、反射スペクトルから求められたピーク波長λpと圧力との間の関係を示す図である。図19および図20では、金ナノ粒子フリーサンプルの測定結果が上に示され、基準サンプルでの測定結果が下に示されている。 FIG. 19 is a diagram showing measurement results of reflection spectra when applying various pressures. FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the peak wavelength λp determined from the reflection spectrum and the pressure. In FIGS. 19 and 20, the measurement results for the gold nanoparticle-free sample are shown at the top, and the measurement results for the reference sample are shown at the bottom.

図19および図20に示すように、反射スペクトルの解析結果が吸光度スペクトルの解析結果と同様であることが確認された。つまり、反射スペクトルにおいても、圧力とピーク波長λpとの間の関係の直線近似が可能であった。また、基準サンプルにおける近似直線の傾き(絶対値)の方が金ナノ粒子フリーサンプルにおける近似直線の傾きよりも大きかった。 As shown in FIGS. 19 and 20, it was confirmed that the analysis results of the reflection spectrum were similar to the analysis results of the absorbance spectrum. In other words, even in the reflection spectrum, a linear approximation of the relationship between pressure and peak wavelength λp was possible. Furthermore, the slope (absolute value) of the approximate straight line in the reference sample was larger than the slope of the approximate straight line in the gold nanoparticle-free sample.

後に実施の形態2にて説明する模擬実験に要求されるような広範囲の圧力変化(最大100kPa程度の圧力変化)を測定するためには、色変化の敏感性を意図的に低くすることが望ましい。つまり、近似直線の傾きを小さくすることが望ましい。たとえば、ピーク波長が波長700nmを起点として400nmまでシフトすることを想定した場合、近似直線の傾きを-3[nm/kPa]程度にすればよい。金ナノ粒子ドープ液晶の組成(金ナノ粒子の粒径、金ナノ粒子のドープ量および/または超純水の量など)を適宜調整することで、近似直線の傾きを上記のような小さな値に設定できる。 In order to measure a wide range of pressure changes (maximum pressure changes of about 100 kPa) as required for the simulation experiment described later in Embodiment 2, it is desirable to intentionally lower the sensitivity to color changes. . In other words, it is desirable to reduce the slope of the approximate straight line. For example, if it is assumed that the peak wavelength shifts from a wavelength of 700 nm to 400 nm, the slope of the approximate straight line may be set to about -3 [nm/kPa]. By appropriately adjusting the composition of the gold nanoparticle-doped liquid crystal (gold nanoparticle particle size, gold nanoparticle doping amount, and/or amount of ultrapure water, etc.), the slope of the approximate straight line can be reduced to the small value shown above. Can be set.

より詳細には、金ナノ粒子をより高濃度にすれば、金ナノ粒子の平均粒子間距離をシングルマイクロメートルオーダー以下(ナノメートルオーダー)にすることも可能である。金ナノ粒子の局在表面プラズモン間の相互作用が顕著になるのは平均粒子間距離がナノメートルオーダー程度の場合である。平均粒子間距離がナノメートルオーダーである場合、金ナノ粒子の局在表面プラズモン由来のピークとコレステリック液晶由来のピークとが接近する。そうすると、金ナノ粒子中の局在表面プラズモン由来のピークの長波長シフトと、コレステリック液晶由来のピークの短波長シフトとが互いに弱め合うことで(キャンセレーション)、色変化の敏感性が低下する。その結果、広範囲な圧力変化を測定可能な圧力センサ5を実現できる。 More specifically, by increasing the concentration of gold nanoparticles, it is possible to reduce the average distance between the gold nanoparticles to a single micrometer order or less (nanometer order). The interaction between localized surface plasmons of gold nanoparticles becomes significant when the average interparticle distance is on the order of nanometers. When the average interparticle distance is on the order of nanometers, the peak derived from localized surface plasmon of gold nanoparticles and the peak derived from cholesteric liquid crystal approach each other. Then, the longer wavelength shift of the peak derived from the localized surface plasmon in the gold nanoparticles and the shorter wavelength shift of the peak derived from the cholesteric liquid crystal weaken each other (cancellation), reducing the sensitivity to color change. As a result, it is possible to realize a pressure sensor 5 that can measure pressure changes over a wide range.

一方、金ナノ粒子の平均粒子間距離をシングルマイクロメートルオーダー以上(マイクロメートルオーダー)にしてもよい。本実施例では粒径30nmの金ナノ粒子を用いたが、金ナノ粒子の粒径がより大きい(たとえば数百nm)場合には、平均粒子間距離をマイクロメートルオーダーとすることができる。平均粒子間距離がマイクロメートルオーダーであっても圧力変化に応じたスペクトル変化が起こる。このように、金ナノ粒子の平均粒子間距離は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲であればよい。 On the other hand, the average distance between the gold nanoparticles may be on the order of a single micrometer or more (on the order of micrometers). In this example, gold nanoparticles with a particle size of 30 nm were used, but when the particle size of the gold nanoparticles is larger (for example, several hundred nm), the average interparticle distance can be on the order of micrometers. Even if the average interparticle distance is on the order of micrometers, spectral changes occur in response to pressure changes. In this way, the average interparticle distance of gold nanoparticles may range from the order of nanometers to the order of micrometers.

<圧力印加時の透過像>
図21は、圧力印加時にカメラ17により撮影された透過像を示す図である。図21では、上から下に順に、金ナノ粒子フリーサンプル、希釈サンプル、基準サンプルおよび濃縮サンプルの透過画像を表す。左から右に行くほど印加圧力が高くなっている。図22は、圧力印加時にカメラ17により撮影された反射像を示す図である。図22では、上から下に、金ナノ粒子フリーサンプルおよび基準サンプルの透過画像を表す。
<Transmission image when pressure is applied>
FIG. 21 is a diagram showing a transmitted image taken by the camera 17 when pressure is applied. FIG. 21 shows transmission images of a gold nanoparticle-free sample, a diluted sample, a reference sample, and a concentrated sample in order from top to bottom. The applied pressure increases from left to right. FIG. 22 is a diagram showing a reflected image taken by the camera 17 when pressure is applied. FIG. 22 depicts, from top to bottom, transmission images of the gold nanoparticle-free sample and the reference sample.

錘123,124を使用しない場合(0g)の測定結果を示す左端画像に記載された白円は、図13~図16等にて説明したスペクトルの測光領域を表す。本実施の形態によれば、白円で囲まれた直径25μm程度の微小領域の圧力を測定できる。対物レンズ14の倍率を上げ、たとえば100倍にすると、直径10μm程度のさらに微小な領域の圧力を測定することもできる。なお、原理的には光の回折限界である波長程度の大きさ(1μm以下)の領域の圧力測定も可能である。 The white circle described in the leftmost image showing the measurement results when the weights 123 and 124 are not used (0 g) represents the photometric region of the spectrum explained in FIGS. 13 to 16 and the like. According to this embodiment, it is possible to measure the pressure in a minute area surrounded by a white circle and having a diameter of about 25 μm. If the magnification of the objective lens 14 is increased to, for example, 100 times, it is also possible to measure pressure in an even smaller area with a diameter of about 10 μm. Note that, in principle, it is also possible to measure pressure in a region as large as the wavelength (1 μm or less), which is the diffraction limit of light.

図21および図22のいずれからも、圧力の変化に伴い色が変化する(詳細には薄青色から薄紫色に変化する)ことが分かる。なお、各画像中の黒い影は金ナノ粒子ドープ液晶中に発生したマイクロバブルである。 It can be seen from both FIG. 21 and FIG. 22 that the color changes as the pressure changes (specifically, it changes from light blue to light purple). Note that the black shadows in each image are microbubbles generated in the gold nanoparticle-doped liquid crystal.

以上のように、実施の形態1によれば、金ナノ粒子を用いた簡易な構成を有する圧力センサ5を、より容易に製造できる。このセンサは、温度センサとしても使用可能である。実施の形態1においては、圧力センサ5の分光測定により得られるスペクトルが解析される。スペクトルの種類は、吸光度スペクトルであってもよいし反射スペクトルであってもよい。スペクトルのピーク波長のシフトに基づき、対象物9に印加される圧力を算出できる。さらに、ピーク波長のシフトを連続的または断続的に取得することで、対象物9に印加される圧力の時間変化を追跡することも可能である。 As described above, according to the first embodiment, the pressure sensor 5 having a simple configuration using gold nanoparticles can be manufactured more easily. This sensor can also be used as a temperature sensor. In the first embodiment, a spectrum obtained by spectroscopic measurement of the pressure sensor 5 is analyzed. The type of spectrum may be an absorbance spectrum or a reflection spectrum. The pressure applied to the object 9 can be calculated based on the shift of the peak wavelength of the spectrum. Furthermore, by continuously or intermittently acquiring the shift of the peak wavelength, it is also possible to track changes in the pressure applied to the object 9 over time.

[実施の形態2]
実施の形態1では、分光により取得される圧力センサ5のスペクトル変化に基づいて、圧力センサ5に印加される圧力を測定する構成について説明した。実施の形態2においては、圧力センサ5を撮影することで取得される画像の色変化に基づき圧力を測定する構成について説明する。圧力センサ5自体の構成は、実施の形態1にて説明した構成(図3および図4参照)と基本的に同等である。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, a configuration has been described in which the pressure applied to the pressure sensor 5 is measured based on a spectrum change of the pressure sensor 5 obtained by spectroscopy. In the second embodiment, a configuration will be described in which pressure is measured based on a color change in an image obtained by photographing the pressure sensor 5. The configuration of the pressure sensor 5 itself is basically the same as the configuration described in Embodiment 1 (see FIGS. 3 and 4).

<圧力測定システムの構成>
図23は、実施の形態2に係る圧力測定システムの全体構成を概略的に示す図である。図23を参照して、圧力測定システム2は、対象物9の表面に流体媒体が作用することで対象物9に印加される圧力を測定するための実験システムである。より詳細には、圧力測定システム2は、流体媒体が対象物9に衝突することにより生じる対象物9の表面の圧力分布を測定する。対象物9は、たとえば小型の構造物(建物模型)である。
<Configuration of pressure measurement system>
FIG. 23 is a diagram schematically showing the overall configuration of a pressure measurement system according to the second embodiment. Referring to FIG. 23, pressure measurement system 2 is an experimental system for measuring the pressure applied to object 9 when a fluid medium acts on the surface of object 9. More specifically, the pressure measurement system 2 measures the pressure distribution on the surface of the object 9 caused by the impact of the fluid medium on the object 9. The object 9 is, for example, a small structure (building model).

このような模擬実験は一般に、流体媒体が空気である場合には「風洞実験」と呼ばれる。一方、本実施の形態における流体媒体は、水または水溶液などの液体である。したがって、圧力測定システム2を「水洞実験システム」と呼ぶこともできる。ただし、流体媒体は気体(空気など)であってもよい。 Such simulations are commonly referred to as "wind tunnel experiments" when the fluid medium is air. On the other hand, the fluid medium in this embodiment is a liquid such as water or an aqueous solution. Therefore, the pressure measurement system 2 can also be called a "water cave experiment system". However, the fluid medium may also be a gas (such as air).

圧力測定システム2は、光源21と、水槽22と、カメラ23と、コントローラ24とを備える。 The pressure measurement system 2 includes a light source 21, a water tank 22, a camera 23, and a controller 24.

光源21は、対象物9に照射するための光を発する。実施の形態1と同様に、この照射光は、ハロゲンランプ等からの白色光であることが好ましいが、光源21の種類は特に限定されるものではない。対象物9に照射される光は、たとえば、実験室の天井に設けられた照明からの光であってもよいし日光であってもよい。このように、光源21は、圧力測定システム2の外部に設けられていてもよいので、圧力測定システム2に必須の構成要素ではない。 The light source 21 emits light to irradiate the object 9. As in the first embodiment, this irradiation light is preferably white light from a halogen lamp or the like, but the type of light source 21 is not particularly limited. The light irradiated onto the object 9 may be, for example, light from a light provided on the ceiling of the laboratory or sunlight. In this way, the light source 21 may be provided outside the pressure measurement system 2, and therefore is not an essential component of the pressure measurement system 2.

水槽22は、回流型水槽であって、ポンプ221と、第1主要部222と、整流部223と、測定部224と、第2主要部225とを含む。なお、ポンプ221を除く水槽22の大きさは、幅1245mm、奥行き500mm程度である。 The water tank 22 is a circulation type water tank and includes a pump 221 , a first main part 222 , a rectifier 223 , a measuring part 224 , and a second main part 225 . Note that the size of the water tank 22 excluding the pump 221 is approximately 1245 mm in width and 500 mm in depth.

ポンプ221は、液体を吐出することによって液体の流れを発生させる。図中矢印で示すように、ポンプ221から吐出した液体は、第1主要部222-整流部223-測定部224-第2主要部225の順に流れてポンプ221へと戻る。ポンプ221は、コントローラ24からの指令に従って動作してもよいし、測定者による手動操作に従って動作してもよい。ポンプ221からの吐出量を変更することによって、所望の流速の液体が測定部224を流れるように調整できる。 Pump 221 generates a liquid flow by discharging liquid. As shown by the arrow in the figure, the liquid discharged from the pump 221 flows in the order of the first main part 222 - the rectifier part 223 - the measuring part 224 - the second main part 225 and returns to the pump 221 . The pump 221 may operate according to a command from the controller 24 or according to manual operation by a measuring person. By changing the discharge amount from the pump 221, the liquid can be adjusted to flow through the measuring section 224 at a desired flow rate.

第1主要部222および第2主要部225は、液体が回流する流路の主要部分である。第1主要部222は、ポンプ221と整流部223とを接続する。第2主要部225は、測定部224とポンプ221とを接続する。この例では、第1主要部222および第2主要部225における流路の断面形状は、100mm×100mmの正方形である。 The first main part 222 and the second main part 225 are main parts of a flow path through which the liquid circulates. The first main part 222 connects the pump 221 and the rectifier 223. The second main part 225 connects the measuring part 224 and the pump 221. In this example, the cross-sectional shape of the flow path in the first main part 222 and the second main part 225 is a square of 100 mm x 100 mm.

整流部223は、第1主要部222と測定部224との間に設けられている。整流部223は、第1主要部222からの液体を整流し、整流した液体を測定部224に供給する。具体的には、整流部223は、ハニカム部223Aと、くびれ部223Bとを含む。ハニカム部223Aは、ハニカム状に配置された多数の流通孔(メッシュ)を有する。くびれ部223Bは、ハニカム部223Aよりも下流に設けられ、液体の流れ方向に断面積が縮小する形状を有する。液体がハニカム部223Aを流通することで整流されて液体の均一性が向上する。さらに、液体がくびれ部を流通する際に収縮する(縮流が発生する)ことで液体の均一性を一層向上させることができる。 The rectifying section 223 is provided between the first main section 222 and the measuring section 224. The rectifying section 223 rectifies the liquid from the first main section 222 and supplies the rectified liquid to the measuring section 224 . Specifically, the rectifying section 223 includes a honeycomb section 223A and a constricted section 223B. The honeycomb portion 223A has a large number of flow holes (mesh) arranged in a honeycomb shape. The constricted portion 223B is provided downstream of the honeycomb portion 223A, and has a shape whose cross-sectional area decreases in the flow direction of the liquid. As the liquid flows through the honeycomb portion 223A, the flow is rectified and the uniformity of the liquid is improved. Furthermore, when the liquid flows through the constriction, it contracts (contraction occurs), thereby further improving the uniformity of the liquid.

測定部224は、整流部223と第2主要部225との間に設けられている。測定部224は、対象物9を設置可能に構成されている。測定部224の上流に単数または複数の抵抗体に配置してもよい。これにより、目標とする乱流構造を有する流れを発生させ、その流れを対象物9に作用させることができる。なお、この例では、測定部224の断面形状は、30mm×30mmの正方形である。測定部224の長さは335mmである。 The measuring section 224 is provided between the rectifying section 223 and the second main section 225. The measurement unit 224 is configured such that the object 9 can be placed therein. One or more resistors may be arranged upstream of the measuring section 224. Thereby, a flow having a target turbulent flow structure can be generated, and the flow can be applied to the object 9. In this example, the cross-sectional shape of the measuring section 224 is a square measuring 30 mm x 30 mm. The length of the measuring section 224 is 335 mm.

図24は、圧力測定システム2における測定の様子を示す図である。図24では、煩雑さを避けるため水槽22等の図示を省略し、対象物9が露出した状態が示されている。 FIG. 24 is a diagram showing how the pressure measurement system 2 performs measurement. In FIG. 24, illustration of the water tank 22 and the like is omitted to avoid complexity, and the object 9 is shown exposed.

図23および図24を参照して、カメラ23は、コントローラ24からの指令に従って光照射下の対象物9を撮影し、撮影した画像をコントローラ24に出力する。カメラ23は、たとえば動画を撮影可能なビデオカメラである。動画を撮影することで、対象物9の表面における圧力分布の時間変化を追跡できる。ただし、カメラ23は、静止画を撮影するスチールカメラであってもよい。なお、カメラ17は、本開示に係る「光検出器」に相当する。 Referring to FIGS. 23 and 24, camera 23 photographs object 9 under light irradiation according to a command from controller 24, and outputs the photographed image to controller 24. The camera 23 is, for example, a video camera that can shoot moving images. By taking a video, it is possible to track changes in the pressure distribution on the surface of the object 9 over time. However, the camera 23 may be a still camera that takes still images. Note that the camera 17 corresponds to a "photodetector" according to the present disclosure.

なお、この例では対象物9を実寸大で撮影するので、実施の形態1と異なり、対物レンズ14(図1参照)は設けられていない。しかし、対象物9を遠方から撮影することも可能である。その場合には望遠レンズ(図示せず)を設けることができる。 Note that in this example, since the object 9 is photographed in its actual size, unlike the first embodiment, the objective lens 14 (see FIG. 1) is not provided. However, it is also possible to photograph the object 9 from a distance. In that case, a telephoto lens (not shown) can be provided.

コントローラ24は、たとえばパーソナルコンピュータであって、CPUなどのプロセッサ241と、ROMおよびRAMなどのメモリ242と、入出力ポート(図示せず)とを含む。コントローラ24はカメラ23を制御する。また、コントローラ24は、カメラ23により撮影された画像に所定の画像処理を施すことによって、対象物9の表面の圧力分布を算出する。コントローラ24による画像処理については後述する。 The controller 24 is, for example, a personal computer, and includes a processor 241 such as a CPU, a memory 242 such as a ROM and a RAM, and an input/output port (not shown). Controller 24 controls camera 23. Further, the controller 24 calculates the pressure distribution on the surface of the object 9 by performing predetermined image processing on the image taken by the camera 23. Image processing by the controller 24 will be described later.

図25は、対象物9の一例を示す図である。図25を参照して、対象物9は、前述のように構造物であって、外壁91および屋根92を含む。外壁91には、複数の圧力センサ5が配置されている。屋根92にも同様に、複数の圧力センサ5が配置されている。 FIG. 25 is a diagram showing an example of the target object 9. As shown in FIG. Referring to FIG. 25, object 9 is a structure as described above, and includes an outer wall 91 and a roof 92. A plurality of pressure sensors 5 are arranged on the outer wall 91. A plurality of pressure sensors 5 are similarly arranged on the roof 92.

図24では隣接する圧力センサ5の間に間隔が空けられているが、このような間隔は任意選択的である。間隔を空けずに複数の圧力センサ5を配置してもよい。あるいは、外壁91または屋根92の全面を覆うように単一の圧力センサ5を設けてもよい。また、圧力センサ5の形状は平面状に限定されるものではない。たとえば図24に示すように屋根92が曲面形状を有する場合、圧力センサ5も屋根92の形状に合致する曲面形状を有してもよい。 Although FIG. 24 shows a spacing between adjacent pressure sensors 5, such spacing is optional. A plurality of pressure sensors 5 may be arranged without spacing. Alternatively, a single pressure sensor 5 may be provided so as to cover the entire surface of the outer wall 91 or the roof 92. Further, the shape of the pressure sensor 5 is not limited to a planar shape. For example, when the roof 92 has a curved shape as shown in FIG. 24, the pressure sensor 5 may also have a curved shape that matches the shape of the roof 92.

<圧力測定フロー>
図26は、実施の形態2における圧力測定処理を示すフローチャートである。図26を参照して、ステップS31において、コントローラ24は、光源21に対象物9への光照射を開始させる。なお、光源21がコントローラ24に制御されるものではない場合(光源21が手動操作である場合、光源21が太陽である場合など)にはステップS21の処理はスキップされる。
<Pressure measurement flow>
FIG. 26 is a flowchart showing pressure measurement processing in the second embodiment. Referring to FIG. 26, in step S31, the controller 24 causes the light source 21 to start irradiating the object 9 with light. In addition, when the light source 21 is not controlled by the controller 24 (when the light source 21 is manually operated, when the light source 21 is the sun, etc.), the process of step S21 is skipped.

ステップS32において、コントローラ24は、対象物9の表面に設置された圧力センサ5を光照射下で撮影するようにカメラ17を制御する。 In step S32, the controller 24 controls the camera 17 to photograph the pressure sensor 5 installed on the surface of the object 9 under light irradiation.

ステップS33において、コントローラ24は、ステップS22にて撮影された画像に所定の画像処理を実施し、圧力センサ5が表す圧力を算出する。より詳細には、圧力センサ5に印加される圧力と圧力センサ5が表現する色との間の対応関係が、たとえばマップとしてコントローラ24のメモリ242に予め格納されている。コントローラ24は、この対応関係を参照することによって、圧力センサ5を撮影した画像から抽出された色情報(たとえばRGB値)に基づき、圧力センサ5に印加された圧力を算出できる。 In step S33, the controller 24 performs predetermined image processing on the image photographed in step S22, and calculates the pressure represented by the pressure sensor 5. More specifically, the correspondence between the pressure applied to the pressure sensor 5 and the color expressed by the pressure sensor 5 is stored in advance in the memory 242 of the controller 24 as, for example, a map. By referring to this correspondence, the controller 24 can calculate the pressure applied to the pressure sensor 5 based on the color information (for example, RGB values) extracted from the image of the pressure sensor 5.

残りのS34~S36の処理は、実施の形態1におけるS24~S26の処理(図12参照)と同等であるため、説明は繰り返さない。 The remaining processing from S34 to S36 is the same as the processing from S24 to S26 in the first embodiment (see FIG. 12), so the description thereof will not be repeated.

以上のように、実施の形態2においては、圧力センサ5を撮影した画像の色情報に基づいて圧力が算出される。これ手法は、実施の形態1にて説明したスペクトル解析の手法と比べて、より広範囲の圧力をリアルタイムで追跡するのに、より適している。たとえば、高層建築物の頂上付近に大面積の圧力センサ5を設置することで、圧力センサ5を風圧計として利用できる。 As described above, in the second embodiment, the pressure is calculated based on the color information of the image taken by the pressure sensor 5. This method is more suitable for tracking pressure over a wider range in real time than the spectrum analysis method described in the first embodiment. For example, by installing a large-area pressure sensor 5 near the top of a high-rise building, the pressure sensor 5 can be used as a wind pressure gauge.

実施の形態2では、液体(または気体)が対象物9に作用する状況下での圧力測定に圧力センサ5を使用する例について説明した。圧力センサ5は、固体同士の接触面における圧力分布の測定にも使用できる。一例として、現在、タイヤのグリップ性能の評価には感圧シートが使用されている。既存の感圧シートの色は、圧力(負荷)の印加に伴って一旦変化すると、その後、圧力を取り除いても変化したままである。すなわち、既存の感圧シートでは圧力の痕跡が累積していく。これに対し、本実施の形態に係る圧力センサ5は可逆的であり、圧力センサ5の色は、印加される圧力に応じて時々刻々変化し得る。よって、圧力センサ5を使用することで、圧力の時間変化のより詳細な情報が得ることができる。他の例として、スポーツ科学、ロボット工学等の分野において、歩行に伴う体重移動の際に足裏に作用する圧力の時間変化を測定することも可能である。 In the second embodiment, an example has been described in which the pressure sensor 5 is used to measure pressure in a situation where liquid (or gas) acts on the object 9. The pressure sensor 5 can also be used to measure pressure distribution on contact surfaces between solid objects. As an example, pressure-sensitive sheets are currently used to evaluate tire grip performance. Once the color of existing pressure-sensitive sheets changes with the application of pressure (load), it remains changed even after the pressure is removed. In other words, with existing pressure-sensitive sheets, traces of pressure accumulate. On the other hand, the pressure sensor 5 according to the present embodiment is reversible, and the color of the pressure sensor 5 can change from time to time depending on the applied pressure. Therefore, by using the pressure sensor 5, more detailed information on changes in pressure over time can be obtained. As another example, in fields such as sports science and robotics, it is also possible to measure changes over time in the pressure acting on the soles of the feet during weight shifts associated with walking.

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is indicated by the claims rather than the description of the embodiments described above, and it is intended that all changes within the meaning and scope equivalent to the claims are included.

1 圧力測定システム、11 光源、12 測定治具、121,122 スライドガラス、123,124 錘、13 ステージ、14 対物レンズ、15 光学部品、16 分光器、17 カメラ、18 コントローラ、181 プロセッサ、182 メモリ、5 圧力センサ、51 基板、52 透明フィルム、53 光応答材料、54 スペーサ、61~65 液晶層、7 金ナノ粒子、9 対象物、91 外壁、92 屋根、2 圧力測定システム、21 光源、221 ポンプ、22 水槽、222 第1主要部、223 整流部、223A ハニカム部、223B くびれ部、224 測定部、225 第2主要部、23 カメラ、24 コントローラ、241 プロセッサ、242 メモリ。 1 pressure measurement system, 11 light source, 12 measurement jig, 121, 122 slide glass, 123, 124 weight, 13 stage, 14 objective lens, 15 optical component, 16 spectrometer, 17 camera, 18 controller, 181 processor, 182 memory , 5 pressure sensor, 51 substrate, 52 transparent film, 53 photoresponsive material, 54 spacer, 61-65 liquid crystal layer, 7 gold nanoparticles, 9 object, 91 outer wall, 92 roof, 2 pressure measurement system, 21 light source, 221 pump, 22 water tank, 222 first main part, 223 rectifier, 223A honeycomb part, 223B constriction part, 224 measurement part, 225 second main part, 23 camera, 24 controller, 241 processor, 242 memory.

Claims (13)

圧力または温度を測定するためのセンサであって、
螺旋構造を有する液晶と金属ナノ粒子とを含む光応答材料と、
前記光応答材料の少なくとも一部を覆い、前記光応答材料に照射される光に対して光透過性を有する光透過層とを備える、センサ。
A sensor for measuring pressure or temperature,
A photoresponsive material including a liquid crystal having a helical structure and metal nanoparticles;
A sensor comprising: a light-transmitting layer that covers at least a portion of the photo-responsive material and is transparent to light irradiated onto the photo-responsive material.
前記液晶は、コレステリック液晶、スメクティック液晶およびTGB(Twisted Grain Boundary)液晶のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the liquid crystal includes at least one of cholesteric liquid crystal, smectic liquid crystal, and TGB (Twisted Grain Boundary) liquid crystal. 前記液晶の螺旋構造は、前記光応答材料への照射光の波長を前記光応答材料の屈折率で除した螺旋ピッチを有する、請求項2に記載のセンサ。 3. The sensor according to claim 2, wherein the helical structure of the liquid crystal has a helical pitch obtained by dividing the wavelength of the light irradiated to the photoresponsive material by the refractive index of the photoresponsive material. 前記光応答材料への照射光の波長は、可視域に含まれ、
前記液晶の螺旋構造の螺旋ピッチは、サブマイクロメートルオーダーである、請求項3に記載のセンサ。
The wavelength of the light irradiated to the photoresponsive material is included in the visible range,
4. The sensor according to claim 3, wherein the helical pitch of the helical structure of the liquid crystal is on the order of submicrometers.
前記光応答材料への照射光の波長は、赤外域に含まれ、
前記液晶の螺旋構造の螺旋ピッチは、マイクロメートルオーダーである、請求項3に記載のセンサ。
The wavelength of the light irradiated to the photoresponsive material is included in the infrared region,
The sensor according to claim 3, wherein the helical pitch of the helical structure of the liquid crystal is on the order of micrometers.
圧力または温度を測定するためのセンサの製造方法であって、
金属ナノ粒子が分散した金属ナノ粒子分散液を還元法により準備するステップと、
螺旋構造を有する液晶を作製可能な材料を前記金属ナノ粒子分散液に導入することで金属ナノ粒子ドープ液晶を調製するステップとを含む、センサの製造方法。
A method of manufacturing a sensor for measuring pressure or temperature, the method comprising:
a step of preparing a metal nanoparticle dispersion liquid in which metal nanoparticles are dispersed by a reduction method;
A method for manufacturing a sensor, comprising the step of preparing a metal nanoparticle-doped liquid crystal by introducing a material capable of producing a liquid crystal having a helical structure into the metal nanoparticle dispersion.
前記金属ナノ粒子分散液における前記金属ナノ粒子の平均粒子間距離は、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーの範囲である、請求項6に記載のセンサの製造方法。 7. The method for manufacturing a sensor according to claim 6, wherein the average interparticle distance of the metal nanoparticles in the metal nanoparticle dispersion is in the range of nanometer order to micrometer order. 前記金属ナノ粒子分散液における前記金属ナノ粒子の平均粒子間距離は、サブマイクロメートルオーダーからシングルマイクロメートルオーダーの範囲である、請求項7に記載のセンサの製造方法。 8. The method for manufacturing a sensor according to claim 7, wherein the average interparticle distance of the metal nanoparticles in the metal nanoparticle dispersion ranges from a submicrometer order to a single micrometer order. 対象物に設置されたセンサを用いて、前記対象物に印加される圧力または前記対象物の温度を測定する測定システムであって、
前記センサは、螺旋構造を有する液晶と金属ナノ粒子とを含む光応答材料を有し、
前記測定システムは、
前記センサに照射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器からの信号に所定の信号処理を施すことにより、前記対象物の圧力または温度を算出する演算装置とを備える、圧力または温度の測定システム。
A measurement system that measures the pressure applied to the object or the temperature of the object using a sensor installed on the object,
The sensor has a photoresponsive material including a liquid crystal having a helical structure and metal nanoparticles,
The measurement system includes:
a photodetector that detects the light irradiated to the sensor;
A pressure or temperature measurement system, comprising: a calculation device that calculates the pressure or temperature of the object by subjecting the signal from the photodetector to predetermined signal processing.
前記光検出器は、前記センサを撮影するカメラを含み、
前記演算装置は、前記カメラにより撮影された画像の色情報に基づいて、前記対象物の圧力または温度を算出する、請求項9に記載の圧力または温度の測定システム。
The photodetector includes a camera that photographs the sensor,
10. The pressure or temperature measurement system according to claim 9, wherein the calculation device calculates the pressure or temperature of the object based on color information of an image photographed by the camera.
前記光検出器は、前記センサの透過光または反射光を分光する分光器を含み、
前記演算装置は、前記分光器により取得された吸光度スペクトルまたは反射スペクトルのピーク波長に基づいて、前記対象物の圧力または温度を算出する、請求項9に記載の圧力または温度の測定システム。
The photodetector includes a spectrometer that spectrally transmits transmitted light or reflected light from the sensor,
The pressure or temperature measurement system according to claim 9, wherein the calculation device calculates the pressure or temperature of the object based on the peak wavelength of the absorbance spectrum or reflection spectrum acquired by the spectrometer.
対象物に設置されたセンサを用いて、前記対象物に印加される圧力または前記対象物の温度を測定する測定方法であって、
前記センサは、螺旋構造を有する液晶と金属ナノ粒子とを含む光応答材料を有し、
前記測定方法は、
前記センサに照射された光を光検出器により検出するステップと、
前記光検出器からの信号に所定の信号処理を施すことにより、前記対象物の圧力または温度を算出するステップとを含む、圧力または温度の測定方法。
A measurement method for measuring the pressure applied to the object or the temperature of the object using a sensor installed on the object, the method comprising:
The sensor has a photoresponsive material including a liquid crystal having a helical structure and metal nanoparticles,
The measurement method is
detecting the light irradiated on the sensor with a photodetector;
A method for measuring pressure or temperature, the method comprising: calculating the pressure or temperature of the object by subjecting the signal from the photodetector to predetermined signal processing.
前記光応答材料の屈折率に前記液晶の螺旋構造の螺旋ピッチを乗じた波長の光を前記光応答材料に照射するステップをさらに含む、請求項12に記載の圧力または温度の測定方法。
13. The method for measuring pressure or temperature according to claim 12, further comprising the step of irradiating the photoresponsive material with light having a wavelength equal to the refractive index of the photoresponsive material multiplied by the helical pitch of the helical structure of the liquid crystal.
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