JP7361388B2 - 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

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。

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。

特開２００７－１７０９３２号公報 特開２０１２－１３７４８５号公報

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。 測定治具の構成例をより詳細に示す図である。 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。 圧力センサの画像を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 圧力センサの外観を比較するための図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 対象物の一例を示す図である。 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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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_ｗは、水の屈折率に等しいと近似可能である（ｎ_ｗ≒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＝ｎ_ｗｐ ・・・（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。

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。

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。

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_ｗ＋Δｎ_ＧＮＰ）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Δｎ_ＧＮＰで表している。式（２）より、屈折率（ｎ_ｗ＋Δｎ_ＧＮＰ）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。

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Δｎ_ＧＮＰが無視できるほど小さい（Δｎ_ＧＮＰ≒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、Δｎ_ＧＮＰ（＞０）が大きくなる。その結果、屈折率（ｎ_ｗ＋Δｎ_ＧＮＰ）が高くなり、反射光の波長λが長くなる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_Ａ（ＮＡ≒６．０２×１０^２３）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_Ａ）｝^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。

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。

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。

「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）

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^２］である。αは、単位面積当たりの質量［単位：ｋｇ／ｃｍ^２］を単位面積当たりの力［単位：Ｎ／ｍ^２＝Ｐａ］に単位換算するための係数であり、α＝９．８×１０^４と算出される。

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。

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、１０^２Ｐａ程度の圧力差を区別できる（すなわち圧力分解能が１０^２Ｐａである）ことが望ましい。

＜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。

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_ｗ＋Δｎ_ＧＮＰ）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）。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

［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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (13)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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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