(57)【要約】【課題】温度に起因する計測誤差が小さく計測精度の高い感圧塗料、それを用いた計測方法、圧力計測装置及び圧力計測プログラムを提供する。【解決手段】感圧塗料は、圧力に応じた発光特性を示す感圧色素と、前記感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素とを有する。【選択図】図６
2017219397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力に応じた発光特性を示す感圧色素と、
前記感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素と
を有する感圧塗料。
【請求項２】
請求項１に記載の感圧塗料であって、
前記感圧色素の発光ピークと前記感温色素の発光ピークとが異なる
感圧塗料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の感圧塗料であって、
前記感圧色素は、パラジウムテトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン（PdTFPP）、白金テトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン（PtTFPP）、パラジウムテトラフェニルポルフィリン（PdTPP）及び白金テトラフェニルポルフィリン（PtTPP）のうち少なくも１つを含み、
前記感温色素は、酸素透過性ポリマーに結合されたローダミンＢ、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-acetylquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、7-Diethylamino-4-trifluormethylcoumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-(3-pyridyl)-quinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-carboethoxyquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarinのうち少なくとも１つを含む
感圧塗料。
【請求項４】
請求項３に記載の感圧塗料であって、
前記感圧色素は、パラジウムテトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン（PdTFPP）、であり、
前記感温色素は、HFIPMまたはPoly-IBM-co-TFEMに結合したローダミンＢである
感圧塗料。
【請求項５】
請求項１から４のうちいずれか１項に記載の感圧塗料であって、
任意の温度における前記感圧色素の発光強度と前記感温色素の発光強度との発光強度比は、０℃における前記発光強度比から−０．０５以上０．０５以下の範囲内にある
感圧塗料。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に塗布された、請求項１から５のうちいずれか１項に記載の感圧塗料と
を具備する感圧センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の感圧センサと、
前記感圧センサの表面に励起光を照射する光源と、
前記励起光により発光する前記感圧色素の発光強度及び前記感温色素の発光強度を計測する光センサと
を具備する圧力計測装置。
【請求項８】
請求項７に記載の圧力計測装置であって、
前記感圧色素の発光波長領域のうち、前記感圧色素と前記感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域を計測するための第１の光学フィルタと、
前記感温色素の発光波長領域のうち、前記感圧色素と前記感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域を計測するための第２の光学フィルタと
を更に具備し、
前記励起光は３８０〜５３０ｎｍの範囲の光波長を示す
圧力計測装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の圧力計測装置であって、
前記光センサより前記感圧色素の第１の発光データ及び前記感温色素の第２の発光データを取得し、前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき圧力値を算出する演算素子
を更に具備する圧力計測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の圧力計測装置であって、
前記圧力値は、前記感圧センサに風を送風した状態で取得した前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき算出する
圧力計測装置。
【請求項１１】
第１の部材と前記第１の部材の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素とを有する塗料部材が塗布された被測定物に励起光を照射する工程と、
前記励起光により発光する前記第１の部材の第１の発光データを取得する工程と、
前記励起光により発光する前記感温色素の第２の発光データを取得する工程と、
前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき前記被測定物の物理量を算出する工程と
を有する計測方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の計測方法であって、
前記第１の部材は、圧力に応じた発光特性を示す感圧色素であり、
前記物理量は、前記被測定物の外表面への圧力である
計測方法。
【請求項１３】
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の感圧塗料が外表面に塗布された被測定物に励起光を照射させて発光する前記感圧色素の第１の発光データ及び前記感温色素の第２の発光データを入力するステップと、
前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき前記被測定物の外表面の圧力を算出するステップと、
前記算出された圧力のデータを出力するステップと
を情報処理装置に実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧塗料を塗布した被測定物に励起光を照射しその発光データを基に圧力を計測する計測方法に用いる感圧塗料、それを用いた感圧センサ、圧力測定装置、計測方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
感圧塗料（Pressure Sensitive Paint：PSP）を用いた圧力計測が、航空宇宙分野の風洞実験において注目されている（例えば、特許文献１参照。）。この計測法は、感圧塗料に含まれた色素の発光が酸素により消光する現象を利用したものある。被測定物である模型表面に塗られた感圧塗料に励起光を照射すると色素が発光する。その発光強度は酸素濃度が一定であるならば圧力と相関関係があり、模型上の発光強度分布をCCDカメラで画像として捉え、その画像から模型上の各部位の発光強度を計測することにより圧力場を求めることができる。
【０００３】
従来技術のほとんどは、模型に多数の圧力孔を配置して圧力を計測するという方法が採られていた。この方法では、圧力孔とその配管を設置する手間とコストがかかり、また模型上の圧力について圧力孔の部分だけの離散的な情報しか得られなかった。
これに対し、PSPを用いた圧力場計測では、模型上の全面の圧力データを得ることができ、手軽に安価に圧力を計測することができる。また、航空宇宙関係の分野だけでなく自動車や鉄道分野への応用が期待されている。
【０００４】
PSPを用いた圧力計測を風洞実験に適用する場合、図７に示すように、模型に対して風を送る前の無風状態での発光データと、風を送る通風状態での発光データとを取得し、無風状態での発光データを基準にして通風状態での発光データから圧力データを算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５４４５６１号公報（段落[０００２]）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したPSPを用いた圧力計測において、感圧塗料は圧力だけではなく温度にも感応する特性を有しているため、温度感度に起因する計測誤差が生じていた。
また、PSPを用いた圧力計測を風洞実験に適用する場合、無風時での発光データを基準として通風時での発光データから圧力データを算出するため、通風によって模型が変形することにより無風時での画像と通風条件での画像との位置合わせ誤差が生じ、高い計測精度が得られなかった。更に、上述したように、感圧塗料は温度にも感応する特性を有しているため、例えば赤外線カメラ等を用いて温度補正等を行ったとしても、上述のPSPを用いた圧力計測を適用した風洞実験では無風時と通風時それぞれの発光データを用いて圧力データを求めるため、依然として位置合わせ誤差の影響があり高い計測精度が得られなかった。
【０００７】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、温度に起因する計測誤差が小さく計測精度の高い感圧塗料、それを用いた感圧センサ、圧力計測装置、計測方法及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る感圧塗料は、圧力に応じた発光特性を示す感圧色素と、前記感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素とを有する。
【０００９】
本発明の感圧塗料は、感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素を有するので、この感圧塗料を用いて圧力計測を行った場合、感圧色素の温度に応じた発光による影響が少ない圧力データを得ることができ、精度の高い計測を行うことができる。
【００１０】
感圧色素の発光強度から圧力を算出する場合、以下の変換式が用いられる。２次以上の式で表現することも可能である。
P/Pref=A＋B×I1/I2    （A、Bは係数、P:圧力、ref：基準、I：色素の発光強度）
本件では、I1は感温色素の発光、I2は感圧色素の発光である。I1とI2の温度による発光強度変化が異なると係数Bは温度の関数になるため高い精度の圧力計測ができず、温度による補正が必要になる。しかし、本発明で提案する塗料を用いると、I1とI2の温度感度が近いためBを定数とみなすことができ、圧力を算出する処理が簡略化される。
これまでは、感圧色素と感温色素の発光強度から圧力を算出する際、それぞれの基準画像（塗料の塗り斑、励起照明の当たり具合をキャンセルするための無風時（圧力変化がない時）の画像）を計測し、色素発光強度の圧力と温度に関する連立方程式を解くなどの方法で計算していたが、本発明の場合、基準画像を必要としないため、計測時間の効率化が図れ、また計測データ保存容量の削減が可能になる。
【００１１】
また、感圧塗料を用いた圧力計測を適用した風洞実験において、従来は無風時の発光強度を計測する必要があったが、本発明の感圧塗料を用いた風洞実験においては、通風時の圧力データを得るために、無風時の発光強度を計測する必要がない。本発明の感圧塗料を用いた風洞実験においては、通風時という同じ環境条件下で、感圧塗料の感圧色素と感応色素それぞれの発光データを取得し、感温色素の発光データを基準として感圧色素の発光データから圧力データを計測している。従って、通風による位置ずれによる位置合わせ誤差の問題がなく、精度の高い計測結果を得ることができる。
【００１２】
本発明の一形態に係る感圧塗料では、感圧塗料は、前記感圧色素の発光ピークと前記感温色素の発光ピークとが異なっていても良い。これにより、感圧色素の発光強度計測結果と感温色素の発光強度計測結果とを分離することができ、更に精度の高い計測結果を得ることができる。
【００１３】
本発明の一形態に係る感圧塗料では、前記感圧色素は、パラジウムテトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン（PdTFPP）、白金テトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン（PtTFPP）、パラジウムテトラフェニルポルフィリン（PdTPP）及び白金テトラフェニルポルフィリン（PtTPP）のうち少なくとも１つを含み、前記感温色素は、酸素透過性ポリマーに結合されたローダミンＢ、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-acetylquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、7-Diethylamino-4-trifluormethylcoumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-(3-pyridyl)-quinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-carboethoxyquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarinのうち少なくとも１つを含む。
【００１４】
励起光が照射されたときのPdTFPPの発光ピークは６７０ｎｍ、PtTFPPの発光ピークは６５０ｎｍ、PdTPPの発光ピークは６７０〜６８０ｎｍ、PtTPPの発光ピークは６５０ｎｍである。励起光が照射されたときのローダミンＢの発光ピークは５８０ｎｍである。2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-acetylquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、7-Diethylamino-4-trifluormethylcoumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-(3-pyridyl)-quinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-carboethoxyquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarinの発光ピークは、それぞれ約４８７．６ｎｍ、４６２．８ｎｍ、４７９．０ｎｍ、４７６．４ｎｍである。
このように、それぞれの発光ピークが波長的に離れた感圧色素及び感温色素を用いることができ、感圧色素の発光強度計測結果と感温色素の発光強度計測結果とを分離することができる。
【００１５】
本発明の一形態に係る感圧塗料では、前記感圧色素はパラジウムテトラキスペンタフルオロフェニルポルフィリン（PdTFPP）であり、前記感温色素はHFIPMまたはPoly-IBM-co-TFEM（Poly（isobutyl-methacrylate-co-trifluoroethylate））に結合したローダミンＢであっても良い。これにより、感温色素と感圧色素の発光の重なりがほとんどなく、両方のピーク波長が近いのでカメラレンズの色収差の影響を受けがたい。また、感温色素をポリマーに結合するため溶媒適合性が向上するとともに、薄膜中の色素分散一様性が改善する。さらに、これら材料は励起光照射による光劣化が小さいため、精度の高い計測結果が得られる。
【００１６】
本発明の一形態に係る感圧塗料では、任意の温度における前記感圧色素の発光強度と前記感温色素の発光強度との発光強度比は、０℃における前記発光強度比から−０．０５以上０．０５以下の範囲内にあっても良い。
このように、温度変化による発光強度比の変化が、−０．０５以上０．０５以下と小さいことが望ましく、精度の高い計測結果が得られる感圧塗料を提供することができる。
【００１７】
本発明の一形態に係る感圧センサは、基板と、前記基板上に塗布された上述に記載の感圧塗料とを具備する。
本発明の一形態に係る感圧センサは、感圧色素の温度に応じた光強度変化と近い光強度変化を示す感温色素とを有する感圧塗料を用いているので、この感圧センサを用いた圧力計測では、温度に起因する計測誤差が小さい圧力データを得ることができ、精度の高い計測を行うことができる。
【００１８】
本発明の一形態に係る圧力計測装置は、上述に記載の感圧センサと、その表面に励起光を照射する光源と、前記励起光により発光する前記感圧色素の発光強度及び前記感温色素の発光強度を計測する光センサとを具備する。
このような構成によれば、感圧色素と感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素を有する感圧塗料を用いた感圧センサを具備しているので、温度に起因する計測誤差の小さく精度の高い圧力データを計測することができる。
【００１９】
本発明の一形態に係る圧力計測装置では、前記感圧色素の発光波長領域のうち、前記感圧色素と前記感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域を計測するための第１の光学フィルタと、前記感温色素の発光波長領域のうち、前記感圧色素と前記感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域を計測するための第２の光学フィルタとを更に具備し、前記励起光は３８０〜５３０ｎｍの範囲の光波長を示す。
【００２０】
このように、感圧色素と感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域で、各色素の発光強度が計測されるように第１及び第２の光学フィルタを設けるので、感圧色素の発光強度計測結果と感温色素の発光強度計測結果とを分離することができ、精度の高い計測が行える。また、励起光として３８０〜５３０ｎｍというように可視域の光を用いることにより、特殊なガラス材の観測窓を使用する必要がない。
【００２１】
本発明の一形態に係る圧力計測装置は、前記光センサより前記感圧色素の第１の発光データ及び前記感温色素の第２の発光データを取得し、前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき圧力値を算出する演算素子を更に具備してもよい。
【００２２】
このように、第１の発光データと第２の発光データとから圧力値を算出することができる。すなわち、感圧センサに励起光を照射して取得される感温色素に関する第２の発光データを基準とし、感圧色素に関する第１の発光データを基に圧力値を得ることができ、温度影響の少ない精度の高い計測結果が得られる。
【００２３】
本発明の一形態に係る圧力計測装置は、前記圧力値は、前記感圧センサに風を送風した状態で取得した前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき算出する。
【００２４】
このように、圧力計測装置を用いた風洞実験において、通風時の計測だけで圧力値を算出することができる。したがって、従来必要であった無風時の発光感度の計測が不要なため、通風による位置ずれによる位置合わせ誤差の問題がなく、精度の高い計測結果を得ることができる。
【００２５】
本発明の一形態に係る計測方法は、第１の部材と前記第１の部材の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素とを有する塗料部材が塗布された被測定物に励起光を照射する工程と、前記励起光により発光する前記第１の部材の第１の発光データを取得する工程と、前記励起光により発光する前記感温色素の第２の発光データを取得する工程と、前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき前記被測定物の物理量を算出する工程とを有する。
【００２６】
本発明のこのような構成によれば、第１の部材とこの第１の部材の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素を有する塗料部材を用いるため、温度による影響が低減された精度の高い被測定物の物理量を計測することができる。物理量としては、圧力、酸素濃度等がある。
【００２７】
本発明の一形態に係る計測方法では、前記第１の部材は、圧力に応じた発光特性を示す感圧色素であり、前記物理量は、前記被測定物の外表面への圧力であればよい。
これにより、被測定物の圧力を計測することができ、温度に起因する計測誤差が小さく精度の高い計測結果を得ることができる。
【００２８】
本発明の一形態に係るプログラムは、上記の感圧塗料が外表面に塗布された被測定物に励起光を照射させて発光する前記感圧色素の第１の発光データ及び前記感温色素の第２の発光データを入力するステップと、前記第１の発光データ及び前記第２の発光データに基づき前記被測定物の外表面への圧力を算出するステップと、前記算出された圧力のデータを出力するステップとを情報処理装置に実行させるものである。
【００２９】
本発明の一形態に係るプログラムによれば、感圧色素と感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素を有する感圧塗料を用いているため、温度に起因する計測誤差が低減された精度の高い圧力データが算出され、この圧力データを視覚的に表示した連続圧力分布データが出力される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、温度に起因する計測誤差が小さく精度の高い計測結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態にかかわる感圧塗料に含まれるローダミンＢの感温特性を示す図である。
【図２】本実施形態にかかわる感圧塗料に含まれるPdTFPPの感温特性を示す図である。
【図３】本実施形態にかかわる感圧塗料に含まれるローダミンＢの感圧特性を示す図である。
【図４】本実施形態にかかわる感圧塗料に含まれるPdTFPPの感圧特性を示す図である。
【図５】感圧塗料の特性を評価する感圧塗料自動較正装置を示す図である。
【図６】本実施形態にかかわる感圧塗料と比較例としての感圧塗料の温度に応じた発光強度変化を比較する図である。
【図７】風洞試験を説明する概略図である。
【図８】本実施形態にかかわる圧力計測装置を示す図である。
【図９】本実施形態にかかわる圧力計測法を実行するプログラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００３３】
（感圧塗料）
本発明の一実施形態に係る感圧塗料は、圧力に応じた発光特性を示す感圧色素と、該感圧色素の温度に応じた発光感度と近い発光感度を示す感温色素とを有している。
感圧色素として典型的にはPdTFPP、感温色素として典型的にはローダミンBを用いることができる。感圧塗料は、PdTFPPと、ローダミンBをPoly(isobutyl-co-1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropylmethacrylate)(HFIPM)に結合してなるポリマーを、溶媒に溶解させて作製する。溶媒としてはトルエンを用いることができる。
ここで、PdTFPPと、ローダミンBをHFIPMに結合してなるポリマーとの配合を変えて３種類の感圧塗料を作製した。配合１から３の３種類の感圧塗料は、いずれもPdTFPPとローダミンBをHFIPMに結合してなるポリマーを、トルエン４ｍｌに溶解して作製した。
配合１の感圧塗料は、PdTFPPを０．８ｍｇ、ローダミンBをHFIPMに結合してなるポリマーを０．１ｇ配合して作製したものである。
配合２の感圧塗料は、PdTFPPを０．４ｍｇ、ローダミンBをHFIPMに結合してなるポリマーを０．１ｇ配合して作製したものである。
配合３の感圧塗料は、PdTFPPを１．６ｍｇ、ローダミンBをHFIPMに結合してなるポリマーを０．１ｇ配合して作製したものである。
（感圧塗料の評価）
【００３４】
次に、上述した感圧塗料を基板に塗布してサンプル基板を作製し、感圧塗料の発光特性を評価した結果について説明する。
サンプル基板は、各アルミ基板上に配合１から３の感圧塗料をスプレーガンで塗布し、乾燥させた作製した。
【００３５】
図５は、上述のサンプル基板の感圧／感温特性する評価する際用いた感圧塗料較正試験装置１を示す説明図である。上記サンプル基板の感圧塗料の発光特性評価（感圧／感温特性評価）はJAXA（宇宙航空研究開発機構）所有の感圧塗料較正試験装置（図５）を用いて行った。サンプル基板は感圧センサであり、この評価は感圧センサの特性評価である。
【００３６】
図５に示すように、感圧塗料較正試験装置１は、サンプル基板１９を内部に載置可能な真空チャンバ１１と、温度制御部１２と、圧力制御部１３と、励起光ヘッド１４と、水冷式ＣＣＤカメラ１５と、コンピュータ１６と、励起光源１７とを具備する。
【００３７】
真空チャンバ１１は、内部にサンプル基板１９が設置可能となっている。サンプル基板１９は、感圧塗料が塗布された面が上面となるように設置される。
温度制御部１２は、サンプル基板１９にかかる温度を制御する。
圧力制御部１３は、真空チャンバ１１内の圧力を制御する。
【００３８】
励起光源１７は、サンプル基板１９に照射される励起光の光源である。本実施形態においてはキセノンランプを用いた。
【００３９】
励起光ヘッド１４は、その前面に、感圧塗料に適合した励起帯波長のみを選択的に透過するバンドバスフィルタ（３８０〜５３０ｎｍ）１４ａが取り付けられている。励起光源１７からの光は、励起光ヘッド１４を介して励起光としてサンプル基板１９に照射される。励起光としては、例えば可視域である３８０〜５３０ｎｍの範囲の光波長を示すものを用いることができ、このように可視域の光を用いることにより特殊なガラス材の観測窓を使用する必要がない。本実施形態においては３８０〜５３０ｎｍの範囲の励起光を用いた。なお、PdTFPPの励起帯は３８０〜５３０ｎｍであり、ローダミンＢの励起帯は５００〜６００ｎｍである。
【００４０】
光センサとしての水冷式ＣＣＤカメラ１５は、サンプル基板１９に励起光を照射することによってサンプル基板１９の感圧塗料からなる膜の発光強度の変化を撮影して発光データを取得し、この発光データを電気信号に変換するものである。この電気信号に変換されたものは、コンピュータ１６に入力される。水冷式ＣＣＤカメラ１５では、感圧色素の発光データと感温色素の発光データがそれぞれ取得される。
【００４１】
水冷式ＣＣＤカメラ１５の前面には、フィルタホイール１５aが取り付けられている。フィルタホイールには複数の光学フィルタが取り付け可能となっており、外部信号によってホイールが回転し、光学フィルタが入れ替わって水冷式ＣＣＤカメラ１５の前面に配置されるようになっている。光学フィルタはサンプル基板からの発光光のみを選択的に透過させるものである。
【００４２】
本実施形態においては、５８０ｎｍに発光ピークをもつローダミンＢの発光光を透過させる第２の光学フィルタとして、バンドパスフィルタ（５７０〜６１０ｎｍ）とＩＲカットフィルタを組み合わせたものを用いた。第２の光学フィルタとして、感温色素であるローダミンＢの発光波長のうち、感圧色素と感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域である５７０〜６１０ｎｍの波長をパスする光学フィルタを用いた。
【００４３】
そして、６７０ｎｍに発光ピークをもつPdTFPPの発光光を透過させる第１の光学フィルタとして、６６０ｎｍの長波長透過フィルタとＩＲカットフィルタを組み合わせたものを用いた。第１の光学フィルタとして、感圧色素であるPdTFPPの発光波長のうち、感圧色素と感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域にある６６０ｎｍの波長をパスする光学フィルタを用いた。
【００４４】
このように、第１の光学フィルタと第２の光学フィルタとを設定することにより、感圧色素の発光強度計測結果と感温色素の発光強度計測結果とを分離することができ、精度の高い計測が行える。
【００４５】
なお、２つの異なる発光ピークを有する発光光を計測するにあたって、本実施形態ではフィルタホイールを用いて1台のＣＣＤカメラで計測したが、２台のＣＣＤカメラを用いて別々に発光ピークを計測することも可能である。
【００４６】
演算素子としてのコンピュータ１６では、電気信号に変換された発光データが信号処理され、基板上の圧力データを視覚的に表示した連続圧力分布データが出力される。また、コンピュータ１６では、水冷式ＣＣＤカメラ１５から入力された、電気信号に変更された感圧色素の発光データと感圧色素の発光データからそれぞれの発光強度が算出され、感温色素における発光強度Ｉ２と感圧色素における発光強度Ｉ１との比Ｉ２／Ｉ１が算出される。
【００４７】
真空チャンバ１１内の圧力とサンプル基板１９の温度、水冷式ＣＣＤカメラ１５、励起光源１７は、各々独自のコントローラ（コンピュータ）で制御できるようになっている。
【００４８】
感圧塗料較正試験装置１を用いて、上述の配合１〜配合３の感圧塗料を塗布した３種類のサンプル基板１９と比較例としての感圧色素を有する感圧塗料を塗布したサンプル基板１９の感温特性及び感圧特性を評価した。
【００４９】
評価方法の手順は次の通りである。
サンプル基板１９を準備し、これを感圧塗料較正試験装置１の真空チャンバ１１内に設置する。
次に、真空チャンバ１１内が所望の圧力となるように圧力制御部１３を用いて制御し、温度制御部１２を用いてサンプル基板１９を所望の温度となるように制御する。
【００５０】
次に、キセノン光源を励起光源とし、バンドパスフィルタ１４aを介して励起光ヘッド１４から、サンプル基板１９に対して励起光を照射する。
【００５１】
次に、励起光の照射によるサンプル基板１９の発光強度を水冷式ＣＣＤカメラ１５で撮影する。この際、PdTFPPの発光光を透過させるバンドパスフィルタを介して水冷式ＣＣＤカメラ１５で撮影して感圧塗料にかかわる発光データを取得し、ローダミンＢの発光光を透過させるバンドパスフィルタを介して水冷式ＣＣＤカメラ１５で撮影して感温塗料にかかわる発光データを取得する。これら発光データは電気信号に変換されてコンピュータ１６に入力される。コンピュータ１６は発光データを基に発光強度を算出する。
【００５２】
図１から図４は感圧塗料較正試験装置１により得られた配合１の感圧塗料の特性を示す図である。図１から図４において、基準発光強度（Ｉｒｅｆ）は、温度２０℃、圧力１００ｋＰａにおける発光強度である。
【００５３】
図１はローダミンＢの感温特性を示し、図２はPdTFPPの感温特性を示す。図１及び図２ともに、横軸は温度、縦軸は計測された発光強度Ｉと基準となる発光強度Ｉｒｅｆとの比Ｉ／Ｉｒｅｆを示す。
【００５４】
図３はローダミンＢの感圧特性、図４はPdTFPPの感温特性を示す。図３及び図４ともに、横軸は計測時圧力Ｐと基準時圧力Ｐｒｅｆとの比Ｐ／Ｐｒｅｆ、縦軸は計測発光強度Ｉと基準発光強度Ｉｒｅｆとの比Ｉ／Ｉｒｅｆを示す。
【００５５】
図１及び図２に示すように、配合１の感圧塗料では、感温色素であるローダミンＢも感圧色素であるPdTFPPも温度変化により発光強度が変化し、温度に応じた発光特性を示す。感温色素であるローダミンＢの温度に応じた発光感度と感圧色素であるPdTFPPの温度変化に応じた発光強度変化がほぼ同じであり、感圧塗料に含まれるローダミンＢとPdTFPPとは感温特性が近い。なお、配合２及び配合３の感圧塗料においても、ほぼ同様のことがいえる。
【００５６】
図３に示すように、ローダミンＢは圧力が変化しても発光強度に変化がなく、圧力に応じた発光特性を示さない。図４に示すようにPdTFPPは圧力が変化することにより発光強度が変化し、圧力に応じた発光特性を示す。
【００５７】
図６は、本実施形態にかかわる感圧色素と感温色素を有する配合１から３の感圧塗料と、比較例としての感圧色素のみを有する感圧塗料の、温度感度の比較結果を示す。
【００５８】
図６において横軸は温度を示す。縦軸は温度０℃、圧力１００ｋＰａの時の感圧色素における発光強度Ｉ１と感温色素における発光強度Ｉ２との比Ｉ１ｒｅｆ／Ｉ２ｒｅｆを基準とし、この基準比と計測時の感温色素と感圧色素の発光強度比Ｉ２／Ｉ１との差を示す。すなわち、図６は、本実施形態にかかわる感圧塗料の温度０℃のときを基準とした発光強度比の温度による変化を示す。また、図６では、比較例（点線で図示）として、感圧色素のみを有する感圧塗料の、温度０℃、圧力１００ｋＰａの時の発光強度を０とした温度に応じた発光強度の変化を示している。比較例の感圧塗料は、ポリマーとしてHFIPMを用い、感圧色素としてポルフィリンを用いた感圧塗料であり、温度感度は−０．５％／℃である。
【００５９】
図６に示すように、本実施形態の感圧色素と感温色素を有する配合１から配合３の感圧塗料は、比較例としての感圧色素のみを有する感圧塗料よりも、温度に応じた、感圧色素と感温色素の発光強度比の変化が小さい特性がある。したがって、本実施形態の配合１から配合３の感圧塗料を用いた圧力計測では、比較例の感圧塗料を用いた圧力計測よりも、温度に起因する計測誤差を小さくすることができる。
【００６０】
更に、配合１及び配合２のように、感温色素の発光強度と感圧色素の発光強度との発光強度比と、０℃における発光強度比との差が−０．０５以上０．０５以下であることが望ましい。このように、温度に応じた、感圧色素と感温色素との発光強度比の変化が小さいことにより、温度に起因する計測誤差が更に小さい計測をすることができる。
【００６１】
本実施形態にかかわる感圧塗料においては、感圧色素としてPdTFPP、感温色素としてローダミンＢを用いたが、これに限定されず、感圧色素と感温色素それぞれの温度に応じた発光感度が近い組み合わせのものを用いることができる。
【００６２】
感圧色素としては、PdTFPPの他に、PtTFPP、PdTPP又はPtTPPを用いることができる。
【００６３】
感温色素としては、ローダミンＢの他に、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-acetylquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、7-Diethylamino-4-trifluormethylcoumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-(3-pyridyl)-quinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarin、2,3,5,6-1H,4H-Tetrahydro-9-carboethoxyquinolizino-[9,9a,1-gh]-coumarinなどのクマリンを用いることができる。
【００６４】
また、感温色素を結合するポリマーとしてHFIPMを用いたが、他にPoly(isobutylmethacrtlate-co-trifluoroethylate)(Poly-IBM-co-TFEM)を用いることができる。HFIPM、Poly-IBM-co-TFEMといった酸素透過性ポリマーに、色素を結合することにより、溶媒への適合性を高めることができる。
【００６５】
また、溶媒としてトルエンを用いたが酢酸エチルを用いても良い。トルエンは揮発温度が高いため、サンプル基板作成時のスプレー塗布の際、渇きが遅いため膜の平坦性がよい。
（感圧センサ及び圧力計測装置）
【００６６】
本実施形態においては、上述の感圧塗料を航空機の風洞実験に適用した場合を例にして説明する。
【００６７】
図７は、航空機の風洞実験の様子を示す概略図である。図８は、風洞実験時に用いる圧力計測装置を示す図である。
【００６８】
図７に示すように、風洞実験では、被測定物である航空機の模型２８に対して風を送って所望の気流をつくり、航空機への圧力の計測を行う。基板としての航空機の模型２８の外表面には上述の配合１の感圧塗料が塗布されており、感圧塗料が塗布された航空機の模型２８は感圧センサとして機能する。
【００６９】
圧力計測装置２０は、被測定物である航空機の模型２８の外表面への圧力を測定する。
圧力計測装置２０は、被測定物設置室（図示せず）と、送風装置（図示せず）と、励起光源２１と、励起光ヘッド２３と、シャッタコントローラ２２と、光センサとしての水冷式ＣＣＤカメラ２４と、冷却水循環ポンプ２５と、カメラ制御装置２６と、演算素子としてのコンピュータ２７とを具備する。
【００７０】
なお、圧力計測装置２０は、上述の感圧塗料較正試験装置１と、励起光を被測定物に照射し、被測定物の発光をＣＣＤカメラで処理するという点で、基本的に同じ構成を有している。
【００７１】
被測定物設置室は、内部に航空機の模型２８を載置可能となっている。
送風装置は、航空機の模型２８に対して風を送り、所望の気流状態を形成するためのものである。
励起光源２１は、航空機の模型２８に照射する励起光を発する光源であり、本実施形態においてはキセノンランプを用いた。
【００７２】
励起光ヘッド２３は、励起光源２１からの光を航空機の模型２８に対して照射するものである。
励起光ヘッド２３は、その前面に、感圧塗料に適合した励起帯波長のみを選択的に透過するバンドバスフィルタ（３８０〜５３０ｎｍ）２３ａが取り付けられている。励起光源２１からの光は、励起光ヘッド２３を介して励起光として航空機の模型２８に照射される。励起光としては、例えば可視域である３８０〜５３０ｎｍの範囲の光波長を示すものを用いることができ、このように可視域の光を用いることにより特殊なガラス材の観測窓を使用する必要がない。本実施形態においては３８０〜５３０ｎｍの範囲の励起光を用いた。なお、PdTFPPの励起帯は３８０〜５３０ｎｍであり、ローダミンＢの励起帯は５００〜６００ｎｍである。
【００７３】
シャッタコントローラ２２は、コンピュータ２７からの信号に従って、励起光源２１からの光の通過をオン・オフ制御する。
【００７４】
光センサとしての水冷式ＣＣＤカメラ２４は、励起光により発光する感圧色素の発光強度及び感温色素の発光強度を計測する。具体的には、水冷式ＣＣＤカメラ２４は、航空機の模型２８に励起光を照射することによって航空機の模型２８に塗布された感圧塗料からなる膜の発光強度を撮影して発光データを取得し、この発光データを電気信号に変換する。水冷式ＣＣＤカメラ１５では、感圧色素の発光データ（第１の発光データ）と感温色素の発光データ（第２の発光データ）がそれぞれ取得される。
【００７５】
水冷式ＣＣＤカメラ２４の前面には、フィルタホイール２４aが取り付けられている。フィルタホイール２４aには複数の光学フィルタが取り付け可能となっており、外部信号によってホイールが回転し、光学フィルタが入れ替わって水冷式ＣＣＤカメラ２４の前面に配置されるようになっている。
【００７６】
光学フィルタは航空機の模型２８からの発光光のみを選択的に透過させるものである。本実施形態においては、５８０ｎｍに発光ピークをもつローダミンＢの発光光を透過させる第２の光学フィルタとして、バンドパスフィルタ（５７０〜６１０ｎｍ）とＩＲカットフィルタを組み合わせたものを用いた。第２の光学フィルタとして、感温色素であるローダミンＢの発光波長のうち、感圧色素と感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域である５７０〜６１０ｎｍの波長をパスする光学フィルタを用いた。
【００７７】
そして、６７０ｎｍに発光ピークをもつPdTFPPの発光光を透過させる第１の光学フィルタとして、６６０ｎｍの長波長透過フィルタとＩＲカットフィルタを組み合わせたものを用いた。第１の光学フィルタとして、感圧色素であるPdTFPPの発光波長のうち、感圧色素と感温色素の発光波長の重なりが少ない波長領域にある６６０ｎｍの波長をパスする光学フィルタを用いた。
【００７８】
このように、第１の光学フィルタと第２の光学フィルタとを設定することにより、感圧色素の発光強度計測結果と感温色素の発光強度計測結果とを分離することができ、精度の高い計測が行える。
【００７９】
なお、２つの異なる発光ピークを計測するにあたって、本実施形態ではフィルタホイールを用いて1台のＣＣＤカメラで計測したが、２台のＣＣＤカメラを用いて別々に発光ピークを計測することも可能である。
【００８０】
冷却水循環ポンプ２５は、水冷式ＣＣＤカメラ２４を冷却するためのものである。
【００８１】
カメラ制御装置２６は、水冷式ＣＣＤカメラ２４で電気信号に変換された発光データをＡ／Ｄ変換するものである。Ａ／Ｄ変換された発光データは、コンピュータ２７に入力される。
【００８２】
演算素子としてのコンピュータ２７は、電気信号に変更された感圧色素の第１の発光データ及び感温色素の第２の発光データを取得し、第１の発光データと第２の発光データとから圧力値を算出する。コンピュータ２７では、算出した圧力値（圧力データ）を視覚的に表示した連続圧力分布データを生成する。
【００８３】
以上の説明では、圧力計測装置は所定の試験設備として大掛かりであるが、このような圧力計測装置を一つの小さなユニットに収めることもできる。このようなユニット化された圧力計測装置は携帯性に優れ、様々な箇所における圧力場を計測することができる。
（圧力計測方法）
【００８４】
次に上述の圧力計測装置２０を用いて、配合１の感圧塗料が塗布された被測定物としての航空機の模型２８の外表面上の圧力を計測する方法について説明する。
【００８５】
まず、配合１の感圧塗料を航空機の模型２８の外表面上に塗布し、乾燥させ、感圧塗料膜を形成する。この感圧塗料膜が形成された航空機の模型２８を被測定物設置室に載置する。
次に、所望の気流環境となるように、航空機の模型２８に対して送風装置から風を送る。
次に、励起光ヘッド２３から励起光を航空機の模型２８に対して照射する。
【００８６】
次に、この励起光の照射による感圧色素と感温色素それぞれの発光強度を水冷式ＣＣＤカメラ２４で撮影する。この際PdTFPPの発光光を透過させるバンドパスフィルタを介して水冷式ＣＣＤカメラ２４で撮影して感圧塗料にかかわる第１の発光データを取得し、ローダミンＢの発光光を透過させるバンドパスフィルタを介して水冷式ＣＣＤカメラ２４で撮影して感温塗料にかかわる第２の発光データを取得する。これら発光データは、水冷式ＣＣＤカメラ２４で電気信号に変換され、カメラ制御装置２６によりＡ／Ｄ変換されてコンピュータ２７に入力される。
【００８７】
コンピュータ２７は入力された第１及び第２の発光データを使って模型２８上の圧力データを視覚的に表示した連続圧力分布データを生成する。本実施形態においては、感圧色素と感温色素の温度に応じた発光強度変化の特性が近い、言い換えると温度による発光感度が近いため、第２の発光データから第１の発光データの発光強度を減算するような処理は不要で、複雑な処理なく精度の高い圧力分布を計測することができる。また、通風時の発光画像のみで計測できるため、模型の変形、位置ずれによる計測誤差の影響、励起照明の時間的安定性の影響を受けない。
【００８８】
このように、本実施形態においては、感圧塗料に温度に応じた発光感度が互いに近い感圧色素と感温色素が含まれているので、温度に起因する計測誤差の影響の小さい圧力データを取得することができる。
【００８９】
更に、本実施形態の風洞実験においては、無風時での計測をせずに、圧力データを取得することができ、位置合わせ誤差のない、高い精度の計測結果を得ることができる。
【００９０】
従来の感圧色素のみを有する感圧塗料を用いた圧力計測を風洞実験に適用する場合、模型に対して風を送る前の無風時での発光データをあらかじめ取得し、この無風時での発光データを基準にして通風時での発光データから圧力データを算出する。このため、通風によって模型が変形することにより、無風時での画像と通風時での画像との位置合わせ誤差が生じていた。これに対し、本実施形態においては、無風時の計測をする必要がなく、位置合わせの必要がない。
（プログラム）
【００９１】
図９は、上述の感圧塗料較正試験装置１のコンピュータ２７に実行させるためのプログラムを示す。
図９に示すように、このプログラムは、次のＳＴ１０１からＳＴ１０３のステップをコンピュータ２７に実行させる。
【００９２】
ＳＴ１０１では、本実施形態にかかわる上述の感圧塗料が外表面に塗布された航空機の模型２８に励起光を照射させて発光させた発光データを入力する。
ＳＴ１０２では、感圧色素の発光データと感温色素の発光データから圧力データを算出する。
ＳＴ１０３では、算出された圧力データを視覚的に表示した連続圧力分布データを出力する。
【００９３】
上述の実施形態においては、航空機の模型を用いた風洞実験を例にあげて説明したが、本発明の感圧塗料、感圧センサ、計測方法及び圧力計測装置は、航空機以外にもロケット、電車、自動車等の輸送系分野にも適用できる。
【００９４】
また、本発明は熱流体計測分野に適用でき、物体表面圧力を精度良く計測することができる。
また、本発明はマイクロ分野にも適用できる。感圧センサは分子センサであるためマイクロ物体の計測に適用できる。
また、本発明はバイオ・環境分野において、本発明を用いて液体や気体中の酸素濃度を計測することができる。
また、本発明はスポーツ分野においても適用でき、スキーなどの高速のスピードを伴うスポーツに適用可能である。
また、本発明は燃料電池内の酸素濃度の可視化にも適用可能である。
【符号の説明】
【００９５】
２０…圧力計測装置
２１…励起光源
２４…水冷式ＣＣＤカメラ
２７…コンピュータ
２８…感圧塗料が塗布された航空機の模型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017219397.tif 000009
【図８】
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【図９】
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