JP2021131263A - センサ、センサの製造方法、圧力または温度の測定システムおよび測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
<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。
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。
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。
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。
λ=nwp ・・・(1)
λ=(nw+ΔnGNP)p ・・・(2)
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。
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。
d={1/(c×NA)}1/3 ・・・(3)
P=αW/S ・・・(4)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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