(57)【要約】【課題】構造色を再現する構造体を用いて、外部から与えられる負荷の物理量を測定可能な構造色センサを提供する。【解決手段】構造色センサは、外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定するものである。構造色センサは多層ブレード構造１０と基部２０と光学装置３０とからなる。多層ブレード構造１０は、所定の入射光の波長に応じて間隙量が選択されるギャップｇを介して積層され所定の入射光の波長に応じて厚さｔが選択される板状の複数のブレード１１と、複数のブレード１１を支持する支持体１２とを具備する。複数のブレード１１及び／又は支持体１２が、外部から与えられる負荷により変形する。基部２０は、多層ブレード構造１０を積層方向に立設し、複数の多層ブレード構造１０を所定の間隔を設けて配置する。光学装置３０は、多層ブレード構造１０の構造色を測定し、外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定することを特徴とする構造色センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の構造色センサにおいて、該構造色センサは、
所定の入射光の波長に応じて間隙量が選択されるギャップを介して積層され所定の入射光の波長に応じて厚さが選択される板状の複数のブレードと、複数のブレードを支持する支持体と、を具備する多層ブレード構造であって、複数のブレード及び／又は支持体が、外部から与えられる負荷により変形する、多層ブレード構造と、
前記多層ブレード構造を積層方向に立設し、複数の多層ブレード構造を所定の間隔を設けて配置するための基部と、
前記多層ブレード構造の構造色を測定し、外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定する光学装置と、
を具備することを特徴とする構造色センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造の複数のブレードは、積層方向からみて長方形状であることを特徴とする構造色センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造の複数のブレードは、積層方向からみて円形状であることを特徴とする構造色センサ。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４の何れかに記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造の複数のブレードは、基部側から積層方向に向かってテーパしていることを特徴とする構造色センサ。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５の何れかに記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造の複数のブレード及び／又は支持体は、その材質が、測定される物理量に応じて選択されることを特徴とする構造色センサ。
【請求項７】
請求項２乃至請求項６の何れかに記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造の支持体は、複数のブレードの中心を支持することを特徴とする構造色センサ。
【請求項８】
請求項２乃至請求項６の何れかに記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造の支持体は、複数のブレードが特定の方向に変形しやすいように、複数のブレードの中心からオフセットして支持することを特徴とする構造色センサ。
【請求項９】
請求項２乃至請求項８の何れかにに記載の構造色センサにおいて、前記多層ブレード構造及び基部は、シリコーンゴムからなることを特徴とする構造色センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造色センサに関し、特に、外部から与えられる負荷の物理量を測定するための構造色センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
構造色とは、光の波長、又はそれ以下の規則正しい微細構造や回折格子構造等による干渉色や遊色現象、薄膜干渉や多層膜干渉による発色等、特別の色素によらず物理的構造に基づく光学現象による発色や光沢のことをいう。特に干渉は特定の色の光強度を著しく高めるため、モルフォ蝶やシャボン玉、タマムシ等、自然界で構造色として観察される。構造色は、特定波長域での吸収、反射、透過の組み合わせによりその色が決定される。
【０００３】
また、構造色は紫外線の影響を受けないという利点があるため、近年では、車の塗料、服の繊維等に応用されて注目されている。例えば、特許文献１には、モルフォ蝶を模した構造体が提案されている。また、特許文献２や特許文献３では、可変構造体とすることで色を変化させるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−０１７３４９号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５８２５号公報
【特許文献３】特開２０１０−０８５６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの従来技術は、何れも構造色を再現したり、構造色を可変可能に構成することを狙ったものである。
【０００６】
本発明は、構造色を再現する構造体を用いて、外部から与えられる負荷の物理量を測定可能な構造色センサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による構造色センサは、外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定するものである。
【０００８】
ここで、構造色センサは、所定の入射光の波長に応じて間隙量が選択されるギャップを介して積層され所定の入射光の波長に応じて厚さが選択される板状の複数のブレードと、複数のブレードを支持する支持体と、を具備する多層ブレード構造であって、複数のブレード及び／又は支持体が、外部から与えられる負荷により変形する、多層ブレード構造と、多層ブレード構造を積層方向に立設し、複数の多層ブレード構造を所定の間隔を設けて配置するための基部と、多層ブレード構造の構造色を測定し、外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定する光学装置と、を具備するものであれば良い。
【０００９】
また、多層ブレード構造の複数のブレードは、積層方向からみて長方形状であれば良い。
【００１０】
また、多層ブレード構造の複数のブレードは、積層方向からみて円形状であっても良い。
【００１１】
また、多層ブレード構造の複数のブレードは、基部側から積層方向に向かってテーパしているものであっても良い。
【００１２】
また、多層ブレード構造の複数のブレード及び／又は支持体は、その材質が、測定される物理量に応じて選択されれば良い。
【００１３】
また、多層ブレード構造の支持体は、複数のブレードの中心を支持するものであれば良い。
【００１４】
また、多層ブレード構造の支持体は、複数のブレードが特定の方向に変形しやすいように、複数のブレードの中心からオフセットして支持しても良い。
【００１５】
また、多層ブレード構造及び基部は、シリコーンゴムからなるものであっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の構造色センサには、構造色を再現する構造体を用いて、外部から与えられる負荷 の物理量を測定可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の構造色センサの全体構成を説明するための概略図である。
【図２】図２は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造を説明するための拡大概略側図である。
【図３】図３は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造の他の例を説明するための拡大概略図である。
【図４】図４は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造のさらに他の例を説明するための拡大概略上面図である。
【図５】図５は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造のさらに他の例を説明するための拡大概略図である。
【図６】図６は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造を金属により作成するための製造方法の一例を説明するための概略斜視図である。
【図７】図７は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造をソフトマテリアルにより作成するための製造方法の一例を説明するための概略斜視図である。
【図８】図８は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造の波長に対する反射率の変化特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。本発明の構造色センサは、外部から与えられる負荷の物理量を、構造色の変化により測定するものである。構造色を再現する構造体に外部から負荷が与えられると、構造体が変形することにより構造色が変化する。この構造色の変化を測定することで、相対的に負荷の物理量を測定するものである。以下、図面を用いてより詳細に説明するが、本発明の構造色センサは、外部から与えられる負荷により変形する構造体を用いて、構造色の変化を測定可能なものであれば、特定の構造体には限定されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明の構造色センサの全体構成を説明するための概略図である。図示の通り、本発明の構造色センサは、多層ブレード構造１０と、基部２０と、光学装置３０とから構成されている。なお、図面上、多層ブレード構造１０については、説明のため誇張して記載しているが、微細構造であり実際にはナノオーダサイズのものである。また、多層ブレード構造１０の個数や配置位置についても図示例のものに限定されるものではなく、構造色を再現できる個数や配置位置であれば良い。
【００２０】
多層ブレード構造１０は、外部から与えられる負荷により変形するものである。即ち、多層ブレード構造１０に外部から負荷が与えられると、変形することにより構造色が変化するものである。ここで、変形とは、多層ブレード構造１０が膨張したり収縮したりする変形や、撓む変形等、構造色が変化する原因となる変形が含まれれば良い。
【００２１】
基部２０は、複数の多層ブレード構造を所定の間隔を設けて配置するためのものである。基部２０については、特定の材質に限定されるものではなく、多層ブレード構造を所定の間隔で配置可能であれば良い。複数の多層ブレード構造間の間隔が狭い程反射率を増加させることが可能である。
【００２２】
光学装置３０は、多層ブレード構造１０の構造色を測定し、外部から与えられる負荷の物理量を構造色の変化により測定するものである。光学装置３０は、例えば色温度計や分光光度計等、多層ブレード構造１０の構造色の色（波長）を測定可能なものであれば良い。そして、外部から負荷が与えられていない状態の基準色から、どう構造色が変化するかを測定する。例えば、多層ブレード構造１０に外部から負荷が与えられていない場合の構造色を事前に測定し、徐々に外部負荷を与えていった際の、外部負荷に対する色温度の反応曲線を測定しておく。この反応曲線を用いれば、構造色の色から、外部から与えられる負荷の物理量を測定することが可能となる。
【００２３】
ここで、外部から与えられる負荷としては、圧力や温度、せん断応力、流速、屈折率、湿度等のような、多層ブレード構造を変形させることが可能な負荷であれば良い。
【００２４】
次に、図２を用いて多層ブレード構造をより詳細に説明する。図２は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造を説明するための拡大概略側図であり、図２（ａ）が側面図であり、図２（ｂ）が上面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。多層ブレード構造１０は、板状の複数のブレード１１と、支持体１２とからなる。複数のブレード１１は、所定の入射光の波長に応じて間隙量が選択されるギャップｇを介して積層される。また、所定の入射光の波長に応じてブレード１１の厚さｔが選択される。図２（ｂ）に示されるように、多層ブレード構造１０の複数のブレードは、一例として積層方向から見て長方形状のものを示した。そして、支持体１２は、複数のブレード１１を支持するものである。これらの複数のブレード１１及び／又は支持体１２が、外部から与えられる負荷により変形するものである。外部から与えられる負荷を受けることで、膨張や収縮、撓む変形をするため、ブレード１１の厚さｔやギャップｇの間隙量が変わり、構造色が変化することになる。なお、ブレード１１の枚数については、特に図示例には限定されず、より多く又はより少なく構成しても良い。ブレード１１の枚数を増やすと、反射率を増加させることが可能となる。
【００２５】
図示例では、多層ブレード構造１０の複数のブレード１１は、基部２０側から積層方向、図面上では上方に向かってテーパしているものを示した。これは、上部からの光が複数のブレード１１の下の層まで届くようにしたものである。これにより、入射角が浅い場合（斜め方向からの入射）であっても十分な反射率が得られるようになる。なお、図２（ｂ）に示されるように、複数のブレード１１は横方向にのみテーパしているものを示したが、本発明はこれに限定されず、奥行き側に対しても積層方向に向かってテーパするものであっても良い。このように上方に向かってテーパする構成とすることで、より反射率が高くなる。なお、本発明はこれに限定されず、複数のブレード１１が非常に薄いものであったり、光透過性を有するものである場合には、下の層まで光が十分に届くため、テーパしていなくてもある程度反射率を高く構成することが可能である。さらに、光学装置３０が多層ブレード構造１０の垂直上部にある場合には、テーパしていなくても良い。これは、入射角が浅くならず、垂直上部からの入射（入射角０度）となるためである。
【００２６】
多層ブレード構造１０の複数のブレード１１や支持体１２の材質は、変形するものであれば特定の物には限定されない。例えば、チタニウムやクロム等の金属薄膜で構成しても良い。本発明の構造色センサの多層ブレード構造１０は、微細構造であるため、金属であってもある程度の撓みもあり、また温度等に対して膨張や収縮もある。また、より柔らかいシリコーンゴムから構成されても良い。シリコーンゴムは、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であれば良い。
【００２７】
また、複数のブレード１１や支持体１２の材質は、測定される物理量に応じて選択されても良い。例えば、温度を測定する場合には、熱に対して変形率の高い材質を選択すれば良い。これにより、温度変化に対してより構造色の変化を大きくすることが可能となる。ブレード１１や支持体１２は、同一材料で構成しても良いし、別材料で構成しても良い。さらには、一体成型されても良いし、別成形されても良い。
【００２８】
図２に示される例では、支持体１２は、複数のブレード１１の中心を支持するものを示した。この例では、図面上、左右方向にはどちら方向からの負荷に対しても均等に支持体１２が変形するため、どちら方向からの負荷でも同じように構造色が変化する構造とすることが可能となる。なお、この例では、前後方向（図２（ｂ）で上下方向）に変形したとしても構造色は変化しづらい構造になっている。
【００２９】
また、図３は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造の他の例を説明するための拡大概略図であり、図３（ａ）が側面図であり、図３（ｂ）が上面図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例では、支持体１２は、複数のブレード１１が特定方向に変形しやすいように、複数のブレード１１の中心からオフセットして支持するものとしている。この例では、特定方向からの負荷に対しては大きく変形し、他の特定方向からの負荷に対しては小さく変形することになる。具体的には、図面上、右方向には大きく変形するため、右方向への負荷に対して構造色が大きく変化する構造とすることが可能となる。
【００３０】
さらに、図示例では支持体１２は１本のものを示したが、本発明はこれに限定されず、複数本によりブレード１１を支えても良い。
【００３１】
また、本発明の構造色センサの多層ブレード構造は、図２や図３に示されるように、側面はラメラツリー状の構造になっているが、上面は一例として長方形状のものを例示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、他の形状であっても良い。例えば、図示例では横方向に長い長方形状のものを示したが、より正方形に近く奥行き方向にも長いものであっても良い。さらに、長方形状でなくても良い。図４は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造のさらに他の例を説明するための拡大概略上面図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例では、多層ブレード構造１０の複数のブレードは、積層方向から見て円形状のものを示した。この例では、前後左右のどの方向からの負荷に対しても同じように構造色が変化する構造となる。
【００３２】
本発明の構造色センサの多層ブレード構造は、フォトリソグラフィやエッチング等の微細加工の限界等により、正確に長方形状や円形状にならない可能性もある。しかしながら、本発明は構造色を再現する構造体となっていれば、多層ブレード構造の形状については、例えば図５に示されるようにアスタリスク（＊）形状等、種々の形状が許容されるものである。なお、図５では、ブレード１１の枚数が２枚でテーパしてない例を示した。
【００３３】
次に、本発明の構造色センサの多層ブレード構造の製造方法について説明する。なお、以下の説明は単なる一例であり、本発明はこの製造方法に限定されるものではない。
【００３４】
図６は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造を金属により作成するための製造方法の一例を説明するための概略斜視図である。まず基部２０となるガラス基板２１にフォトレジストを塗布すると共にフォトマスクを合わせて露光する。そして現像後にエッチング液に浸けることで、露光された部分がエッチングされて基部が残る（図６（ａ））。この上に、所定の厚みでクロムとチタンを積層する（図６（ｂ））。ブレード１１となるのがチタン層（Ｔｉ）であり、ギャップｇとなるのがクロム層（Ｃｒ）である。各層の厚みは、構造色の基準の色となる所定の入射光の波長に応じて決定されれば良い。また、積層回数についても、ブレード１１の枚数に応じて適宜決定されれば良い。そして、エッチング液に浸けることで、クロム層の側部がエッチングされ、クロム層が支持体１２となる（図６（ｃ））。このようにして、金属製の多層ブレード構造が作成される。エッチング量や金属の積層時間を制御することで、多層ブレード構造を所望なものとすることが可能である。
【００３５】
図７は、本発明の構造色センサの多層ブレード構造をソフトマテリアルにより作成するための製造方法の一例を説明するための概略斜視図である。この例では、多層ブレード構造の材料として光硬化型シリコーンゴムを用いる。より具体的には、光硬化型ＰＤＭＳを用いる。光硬化型ＰＤＭＳとしては、例えば紫外線硬化型ＰＤＭＳであれば良い。そして、光硬化型ＰＤＭＳを型に流し込み、硬化させてから剥がすことで、多層ブレード構造を作成するものである。まず、型として例えばガラス基板２１にフォトレジストを塗布すると共にフォトマスクを合わせて露光する。そして現像後にエッチング液に浸けることで、露光された部分がエッチングされて多層ブレード構造となる部分以外を残す（図７（ａ））。この上に、所定の厚みでクロムとチタンを積層する（図７（ｂ））。ブレード１１の型となるのがクロム層（Ｃｒ）であり、ギャップｇの型となるのがチタン層（Ｔｉ）である。したがって、各層の厚みは、所定の入射光の波長に応じて決定されれば良い。また、積層回数についても、ブレード１１の枚数に応じて適宜決定されれば良い。そして、エッチング液に浸けることで、クロム層の側部がエッチングされ、クロム層がブレード１１の型となる（図７（ｃ））。エッチング量や金属の積層時間を制御することで、多層ブレード構造の型を所望なものとすることが可能である。このようにして作られた多層ブレード構造の型に、光硬化型ＰＤＭＳを流し込む（図７（ｄ））。そして、紫外光を照射して光硬化型ＰＤＭＳを硬化させ、型から剥がすことで、シリコーンゴムによる多層ブレード構造が作成される（図７（ｅ） ）。多層ブレード構造の型を作ることで、シリコーンゴム製の多層ブレード構造を大量生産することが可能である。
【００３６】
ここで、多層ブレード構造の大きさについて実際に作成した具体的な一例を挙げる。金属構造の場合、ブレード１１の厚みが９０ｎｍ、ギャップが１２０ｎｍで多層ブレード構造を作成した。また、光硬化型ＰＤＭＳの場合、ブレード１１の厚みが２０５ｎｍ、ギャップが１９５ｎｍで多層ブレード構造を作成した。このような寸法で、波長５４５ｎｍ付近に最も大きい反射率のピークが現れると共に、５８０ｎｍ付近にも反射率のピークが現れた。即ち、緑色から黄色付近の色を有する構造色が得られた。
【００３７】
さて、このようにして作成した本発明の構造色センサの構造色の変化により外部から与えられる負荷の物理量を測定することについて説明する。具体的には、外部から与えられる負荷の物理量として、温度を測定することを説明する。例えば、本発明の構造色センサの多層ブレード構造を、光硬化型ＰＤＭＳによりブレード１１の厚みが２０５ｎｍ、ギャップが１９５ｎｍで作成した。このとき、一例を挙げると、３２．２Ｋ温度上昇により１０１％膨張する。また、５６．１Ｋ温度上昇すると、１０２％膨張する。このときの波長に対する反射率の変化特性を図８に示す。図中、黒線が２２℃のときの反射率の変化特性であり、グレー線が７５℃のときの反射率の変化特性である。図示の通り、反射率のピークが、例えば２２℃のときに６００ｎｍ程度だったのが、７５℃のときには６１０ｎｍ付近に移動する。即ち、構造色が変化していることが分かる。この構造色の変化を温度毎に光学装置により測定し反応曲線を作成しておけば良い。この反応曲線を用いれば、構造色の色から、外部から与えられる負荷の物理量である温度を測定することが可能となる。
【００３８】
次に、外部から与えられる負荷の物理量として、屈折率を測定することを説明する。構造色センサの多層ブレード構造の置かれる雰囲気物質の種類により屈折率が変化するため、構造色も変化する。したがって、構造色の変化を雰囲気物質毎に光学装置により測定し反応曲線を作成しておけば良い。この反応曲線を用いれば、構造色の色から、外部から与えられる負荷の物理量である屈折率を測定することが可能となる。例えば、空気雰囲気中の構造色と、エタノール雰囲気中の構造色をそれぞれ測定すると、屈折率の違いから構造色が変化するので、差分を取ることで屈折率を測定することが可能となる。さらに、そのときの屈折率から、雰囲気物質の種類もある程度検出することも可能となる。
【００３９】
同様に、本発明の構造色センサの多層ブレード構造は、温度や屈折率以外にも、圧力やせん断応力、流速、湿度等、多層ブレード構造を変化させることが可能な負荷であれば、測定可能となる。
【００４０】
例えば、車両ボディ表面に構造色センサを配置すると、車両ボディが受ける圧力等が構造色を測定するだけでリアルタイムに認識できるため、空力特性や車両ボディが受ける歪等を検証する際等には非常に有用となる。特に、複数のブレードの中心からオフセットして支持する支持体を有する多層ブレード構造を用いた場合、特定の空気の流れに対して大きく構造色が変化するように構成することが可能となるため、車両ボディ表面のどちら方向に空気が流れているのかといった高度な解析も可能となる。その際には、すべての多層ブレード構造を均一方向に配置しても良いし、例えば所定ブロック毎に分けてオフセットされる向きを異ならせて配置しても良い。
【００４１】
なお、本発明の構造色センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４２】
１０    多層ブレード構造
１１    ブレード
１２    支持体
２０    基部
２１    ガラス基板
３０    光学装置
【図１】
2017032420.tif 000003
【図２】
2017032420.tif 000004
【図３】
2017032420.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017032420.tif 000009
【図８】
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