JP7101909B2 - 加速度センサ及びそれを用いた加速度の評価方法並びに加速度センサが取り付けられた荷物 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサ及びそれを用いた加速度の評価方法並びに加速度センサが取り付けられた荷物に関する。
本願は、２０１９年１２月２０日に出願された特願２０１９－２３０４９８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般に加速度センサには、静電容量方式やピエゾ抵抗方式などが用いられている。例えば、特許文献１では、センサ内部におけるキャパシタの一方の電極を可動部位として、その加速度に応答した変化を静電容量の変化から電気的によみとる静電容量方式が用いられている。また、特許文献２では、歪ゲージの抵抗変化を電気的に読み取り加速度を算出するピエゾ抵抗方式が用いられている。

特開２０１４－１０６０８２号公報 特開２０１５－０１０９５５号公報

従来の加速度センサは、加速度の情報が電子情報で得られる。そのため、従来の加速度センサで加速度を確認するためには加速度の情報の電子的解析が必須であり、電力消費も必須であった。

本発明は電力消費を必須とせず、視覚的に加速度を評価することができる加速度センサを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の第一～第三の態様は以下に示す構成を備えるものである。

［１］ クロスニコルに配置した２枚の偏光板と、敏色板と、銀ナノワイヤ分散液とを有し、
前記鋭敏色板と前記銀ナノワイヤ分散液とは、前記２枚の偏光板の間に配置されている、
加速度センサ。
本発明の第一の態様は以下の［２］～［５］の特徴を好ましく含む。これらの特徴は２つ以上を好ましく組み合わせることができる。
［２］ 前記銀ナノワイヤ分散液の溶媒が水である前項［１］に記載の加速度センサ。
［３］ 前記銀ナノワイヤ分散液の厚さが０．２～５ｍｍである前項［１］または［２］に記載の加速度センサ。
［４］ 前記銀ナノワイヤ分散液中の銀ナノワイヤの濃度（質量％）と前記銀ナノワイヤ分散液の厚さ（ｍｍ）との積が、０．０１～１質量％・ｍｍである前項［１］～［３］のいずれかに記載の加速度センサ。
［５］ 前記鋭敏色板の位相差が５３０～５８０ｎｍである前項［１］～［４］のいずれかに記載の加速度センサ。
本発明の第二の態様は、以下の加速度の評価方法である。
［６］ 前項［１］～［５］のいずれかに記載の加速度センサを用いる加速度の評価方法であって、前記２枚の偏光板の一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察する、加速度の評価方法。
本発明の第一の態様は以下の［７］と［８］との少なくとも一方の特徴を好ましく含む。
［７］ 前項［５］に記載の加速度センサを用いる加速度の評価方法であって、前記２枚の偏光板の一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察し、前記光の色が青緑～緑～黄緑の場合、加速度の方向が前記鋭敏色板の速軸方向であると評価する加速度の評価方法。
［８］ 前項［５］に記載の加速度センサを用いる加速度の評価方法であって、前記２枚の偏光板の一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察し、前記光の色が赤～オレンジの場合、加速度の方向が前記鋭敏色板の遅軸方向であると評価する加速度の評価方法。
本発明の第三の態様は、以下の加速度センサが取り付けられた荷物である。
［９］ 前項［１］～［５］のいずれかに記載の加速度センサが取り付けられている荷物。

電力消費を必須とせず、視覚的に加速度を評価することができる。

２枚の偏光板、鋭敏色板および銀ナノワイヤ分散液の配置を模式的に示す図である。図中の矢印は光軸方向を示す。

以下に、本発明の実施形態を挙げて説明するが、本発明は、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、位置、角度、数、材料、量、構成等について、変更、付加、省略、置換等が可能である。

（加速度センサ）
本実施形態の加速度センサは、例えば図１に示したように、クロスニコルに配置した２枚の偏光板１，４の間に鋭敏色板２が配置され、さらに、偏光板４と鋭敏色板２との間に銀ナノワイヤ分散液３が配置されている。
すなわち、偏光板１と偏光板４とは、透過軸が直交するように配置されている。
銀ナノワイヤ分散液３は、偏光板１と鋭敏色板２との間に配置されてもよい。銀ナノワイヤ分散液３と鋭敏色板２との並び順は任意に選択される。

鋭敏色板２は、例えば位相差板である。
銀ナノワイヤ分散液は、銀ナノワイヤが溶媒に分散された分散液である。図１においては、銀ナノワイヤ分散液が透明容器に収容されている例を示す。以下、銀ナノワイヤ分散液３を分散液３と呼称する場合がある。

分散液３中の銀ナノワイヤは加速度の方向に沿って配向する性質を有している。本実施形態の加速度センサは、この性質を利用し、銀ナノワイヤの配向を鋭敏色板法で検出する。

鋭敏色板法では、白色光源から入射する白色光の光軸（以下、単に「光軸」ということがある。）に対して、垂直に２枚の偏光板、及び位相差板（鋭敏色板）を配置する。すなわち、偏光板及び位相差板は、平行に配置される。前記偏光板をクロスニコルに配置した場合、前記位相差板は、一波長板を用いる。位相差板は、光軸方向から見て偏光板の偏光軸に対して位相差板の速軸（または遅軸）を４５°傾けて配置されることにより鋭敏色板２として用いられる。
鋭敏色板２は、肉眼で色の変化がわかりやすい位相差５３０～５８０ｎｍのものが好ましい。以下、特に断りのない限り、鋭敏色板２としてこのような鋭敏色板を用いたものとして説明する。また、色名の表現は、日本工業規格ＪＩＳ Ｚ ８１０２：２００１に合わせた。
なおクロスニコルの状態では、２枚の偏光板のみで観察された場合、光線が遮断され暗黒に観察される。また鋭敏色板は、速軸方向と遅軸方向を有し、直交位に組み合わされた２枚の偏光板の間に配置された場、干渉色として鮮やかな色を示し、位相差が僅かでも変わると干渉色が敏感に変化する。

前記銀ナノワイヤ分散液３の媒体（溶媒）としては、エタノールなどの有機溶媒や水などが挙げられ、扱いやすさから水が好ましい。銀ナノワイヤ分散液３には、安定な分散を得るために界面活性剤等が添加されていてもよい。

前記銀ナノワイヤ分散液３は、透明容器に収容しておくと扱いやすく好ましい。透明容器は独立して銀のナノワイヤ分散液３を収容するものであってもよく、その他の部材と組み合わせて銀ナノワイヤ分散液３を収容するものであってもよい。例えば、銀ナノワイヤ分散液３を収容する容器の壁の一部として、偏光板１，４の一方の偏光板及び鋭敏色板２を用いてもよい。通常、銀ナノワイヤ分散液の形状はその容器の内側の形状となる。

前記分散液３の厚さ（光が分散液中を通過する距離）は、薄い方が加速度センサを小型化でき、厚い方が後述するように前記分散液３を希薄にできるので安定に分散させやすくなる。これらの観点から、銀ナノワイヤ分散液３の厚さは、０．２～５ｍｍであることが好ましく、０．３～３ｍｍであることがより好ましく、０．５～２ｍｍであることがさらに好ましい。

前記分散液３中の銀ナノワイヤの濃度は、前記分散液３の厚さに依存する。加速度センサとして同一の感度（色の変化具合）を得るためには、前記分散液３中の銀ナノワイヤの濃度は、前記分散液３の厚さが薄ければより高濃度となり、前記分散液３の厚さが厚ければより低濃度でよい。そのため、前記分散液３中の銀ナノワイヤの濃度（質量％）と分散液３の厚さ（ｍｍ）との積を指標にするとよい。前記積は、好ましくは０．０１～１質量％・ｍｍ、より好ましくは０．０３～０．５質量％・ｍｍ、さらに好ましくは０．１～０．３質量％・ｍｍである。

（加速度の評価方法）
本実施形態の加速度の評価方法は、前記加速度センサを用い、一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察する。すなわち、本実施形態の加速度の評価方法は、例えば偏光板１に対して垂直に白色光を入射したときは、偏光板４側から観察した加速度センサの色、より具体的には偏光板４を介して銀ナノワイヤ分散液３の色を評価する。

前記白色光の光源は、使用する鋭敏色板２で区別しやすい色の光が含まれていればよく、例えば、太陽光などの自然光、白熱灯、蛍光灯およびＬＥＤランプなどの人口光が挙げられる。前記白色光の光源は自然光でもよいので、本実施形態の加速度センサは電力を必須としない。また、前記白色光の光源が人口光であっても、元々備わっている室内の照明を利用でき、このような観点から本実施形態の加速度センサは新たな電力を必須としない。

観察される光の色が、青緑～黄緑、すなわち青緑～緑の範囲又は緑～黄緑の範囲に含まれる色の場合は加速度の方向が前記鋭敏色板の速軸方向と評価する。また、観察される光の色が赤～オレンジの範囲に含まれる色の場合は加速度の方向が前記鋭敏色板の遅軸方向であると評価し、部分的にマゼンタ等の赤紫を含んでいてもよい。

なお、観察される色が、青～青紫の範囲に含まれる色の場合、光軸方向（偏光板や鋭敏色板に対して垂直方向）に加速している可能性はあるが、本実施形態において、加速はないと評価してもよい。これは、本実施形態において検出される加速度の方向は、特に断りがない限り光軸に垂直な面内の２次元で表される方向であるためである。

なお、本実施形態の加速度センサは、使用する銀ナノワイヤ分散液の粘度が高いと、加速度に対する応答が遅くなり、逆に粘度が低いと早くなる。加速度センサの応答時間は、例えば３分～１０分程度である。後述の実施例１の加速度センサ（０．２質量％銀ナノワイヤ水分散液）の場合、応答時間が約３分である。そのため、本実施形態の加速度センサは、直前の数分間の加速度の状態を記憶できる。例えば、荷物に本実施形態の加速度センサをタグとして取付けた場合、自動倉庫からの出庫や、輸送車両からの荷物の積み下ろしなど、数分間の搬送中に荷物が転倒して届いたかどうかの判別ができる。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
０．２質量％銀ナノワイヤ水分散液を、内寸が縦２０ｍｍ横１０ｍｍ厚さ１ｍｍの透明容器中に封入した。以下、透明容器のうち１辺が２０ｍｍの方向を縦方向、１辺が１０ｍｍの方向を横方向、１辺が１ｍｍの方向を厚さ方向という場合がある。０．２質量％銀ナノワイヤ水分散液は、銀ナノワイヤが０．２質量％となるように水に分散させた液体である。図１に示すように、偏光板１（ミッドタウン製ＢＳＰ－２００）、鋭敏色板２（ＭｅＣａｎ製 ＭＧＲ５７０）、前記銀ナノワイヤ水分散液３を収容及び封入した透明容器、偏光板４（ミッドタウン製ＢＳＰ－２００）の順に配置し、それぞれを隙間なく重ね合わせ固定し、これを加速度センサとした。なお、２枚の偏光板は、クロスニコルに配置した。かつ、偏光板の偏光軸が前記透明容器の縦方向に対しそれぞれ斜め４５゜となるように配置した。
また、鋭敏色板は、その速軸を前記透明容器の縦方向となるように配置した。

光源として窓からの自然光を利用し、作製した加速度センサを透過する光の色を観察した。ここで、光の色の観察としては、一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察した。前記透明容器の縦方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを置いたところ約３分後に黄緑色となった。次に前記透明容器の横方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを置いたところ、ただちにセンサはオレンジ色となり約１分後まではオレンジ色であったが、約３分後には黄緑色となった。

次に、光源として室内光（ＬＥＤ照明）を利用し、前記透明容器の厚さ方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを設置し、上方から来る光を下側から観察したところ、約１分後までは黄緑色であったが、約３分後には青色となった。すなわち、厚さ方向が鉛直方向となることで、加速していない、或いは光軸方向（偏光板や鋭敏色板に対して垂直方向）に加速していることが確認された。

これらの結果は、加速度の方向が鉛直方向であることを示している。また、数分程度、過去の加速度の方向が記憶できていたことが分かった。

前記加速度センサの応答速度（応答時間）について肉眼でも測定可能であるが、より正確に評価するため、JASCO製UV-VIS分光光度計V-670を用いて色調評価を行った。その結果、可視光領域（400～800nm）において、λ_ｍａｘ=530nmで透過率極大Ｔ_ｍａｘ=７%、λ_ｍｉｎ=790nmで透過率極小Ｔ_ｍｉｎ=１％をとることがわかった。
次に加速度センサの透明容器の厚さ方向を鉛直方向にして静置した状態から透明容器の縦方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを立て、λ_ｍａｘでの透過率上昇を追跡し、透過率極大Ｔ_ｍａｘに至るまでの応答時間を評価したところ、２．８分であった。結果を表１に示す。

（実施例２～４）
０．２質量％銀ナノワイヤ水分散液の代わりに、０．１５質量％（実施例２）、０．１０質量％（実施例３）、０．０５質量％（実施例４）の銀ナノワイヤ水分散液を用いた。実施例２～４において、その他の条件は実施例１と同様に加速度センサの作製及び測定を行った。透明容器の縦方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを置いたところ約３分後に加速度センサは黄緑～緑（実施例２）、緑（実施例３）、緑青（実施例４）となった。

次に加速度センサの透明容器の横方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを置いたところ、ただちに加速度センサはオレンジ～赤（実施例２）、赤（実施例３）、赤～マゼンタ（実施例４）となり約１分後までは上記の色であったが、約３分後に加速度センサはそれぞれ黄緑～緑（実施例２）、緑（実施例３）、緑青（実施例４）となった。

次に、光源として室内光（ＬＥＤ照明）を利用し、前記透明容器の厚さ方向が鉛直方向となるように前記加速度センサを設置し、上方から来る光を下側から観察したところ、約１分後までは黄緑～緑の範囲に含まれる色（実施例２）、緑（実施例３）、緑青（実施例４）であったが、約３分後にはすべての実施例で青色となった。すなわち、厚さ方向が鉛直方向となることで、加速していない、或いは光軸方向（偏光板や鋭敏色板に対して垂直方向）に加速していることが確認された。

実施例２～４で得た加速度センサについて実施例１と同様にUV-VIS測定を行い応答時間を評価した。その結果、応答時間は、２．８分（実施例２）、３．２分（実施例３）、４．８分（実施例４）であった。結果を表1に示す。

（比較例１）
銀ナノワイヤ分散液の代わりに水をいれたセルで実施例１と同様に行ったところ、色調の変化はみられず、加速度センサは得られなかった。結果を表１に示す。

荷物の搬送管理等に有用に利用できる。

１ 偏光板
２ 鋭敏色板
３ 銀ナノワイヤ分散液
４ 偏光板

Claims (9)

1. クロスニコルに配置した２枚の偏光板と、鋭敏色板と、銀ナノワイヤ分散液と、を有し、
   前記鋭敏色板と前記銀ナノワイヤ分散液とは、前記２枚の偏光板の間に配置されている、加速度センサ。
2. 前記銀ナノワイヤ分散液の溶媒が水である、請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記銀ナノワイヤ分散液の厚さが０．２～５ｍｍである、請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前銀ナノワイヤ記分散液中の銀ナノワイヤの濃度（質量％）と前記銀ナノワイヤ分散液の厚さ（ｍｍ）との積が、０．０１～１質量％・ｍｍである、請求項１～３のいずれかに記載の加速度センサ。
5. 前記鋭敏色板の位相差が５３０～５８０ｎｍである、請求項１～４のいずれかに記載の加速度センサ。
6. 請求項１～５のいずれかに記載の加速度センサを用いる加速度の評価方法であって、
   前記２枚の偏光板の一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察する、加速度の評価方法。
7. 請求項５に記載の加速度センサを用いる加速度の評価方法であって、
   前記２枚の偏光板の一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察し、
   前記光の色が青緑～黄緑の場合、加速度の方向が前記鋭敏色板の速軸方向であると評価する加速度の評価方法。
8. 請求項５に記載の加速度センサを用いる加速度の評価方法であって、
   前記２枚の偏光板の一方の偏光板の外側から白色光を入射させ、他方の偏光板の外側から射出する光の色を観察し、前記光の色が赤～オレンジの場合、加速度の方向が前記鋭敏色板の遅軸方向であると評価する加速度の評価方法。
9. 請求項１～５のいずれかに記載の加速度センサが取り付けられている荷物。

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