感圧・感温塗料（PSP・TSP）による圧力・温度分布計測手法の開発と応用
感圧塗料（PSP: Pressure-Sensitive Paint）計測法は、その発光強度が圧力に応じて変化することを利用した物体表面での圧力分布計測法である。また感温塗料（TSP: Temperature-Sensitive Paint）は、発光強度が温度に応じて変化することを利用した温度分布計測法である。PSPは圧力分布計測が可能なことから、大きな注目と期待を集めているものの、圧力分解能が低い。またPSPによる計測結果は，温度分布の影響を強く受けるため、計測結果の高精度化にはTSPを併用し、その影響を補正することが必要である。本研究室では、これらの問題を解決する研究を実施している。
高クヌッセン数マイクロ流れへの適用
ナノ・マイクロデバイスの開発において重要となる高クヌッセン数マイクロ流れに関し、その実験研究例は比較的少ない。これは、スケールの小ささのため、半導体圧力センサーや熱電対を用いた圧力や温度計測が難しいためである。
本研究室では、PSPをマイクロ流れへ適用するため、PSPをLangmuir-Blodgett法により高秩序分子膜化した感圧分子膜（PSMF: Pressure-Sensitive Molecular Film）の開発により、初めてマイクロ流路内の圧力分布計測に成功している。
また、マイクロ流路をPDMS（poly(dimethylsiloxane)）で作製することが多い点に着目し、色素分子をPDMSに混入させることで、マイクロ流路そのものがPSPセンサー化された感圧流路チップ（PSCC: Pressure-Sensitive Channel Chip）を開発している。
圧力分布計測結果
発表論文
- Y. Matsuda, H. Mori, Y. Sakazaki, T. Uchida, S. Suzuki, H. Yamaguchi, T. Niimi, Extension and characterization of pressure-sensitive molecular film, Experiments in Fluids, 47, 1025-1032 (2009)
- Y. Matsuda, T. Uchida, S. Suzuki, R. Misaki, H. Yamaguchi, T. Niimi, Pressure-sensitive molecular film for investigation of micro gas flows, Microfluidics and Nanofluidics, 10, 165-171 (2011)
- Y. Matsuda, R. Misaki, H. Yamaguchi, T. Niimi, Pressure-sensitive channel chip for visualization measurement of micro gas flows, Microfluidics and Nanofluidics, 11, 507-511 (2011)
研究助成
- 高クヌッセン数マイクロ流れの多次元多変量複合同時計測 , 基盤研究(A) ,研究課題番号21246034, 2009年04月 ～ 2012年03月
- 機能性分子センサを備えたスマートマイクロ流路の開発，挑戦的萌芽研究，研究課題番号23656132，2011年度4月～2014年3月
- 感圧分子膜を用いたマイクロ気体流れの圧力分布計測に関する研究，学術研究助成金，昭和報公会，2009年4月～2010年3月
- りん光色素を用いたマイクロスケール気体流の圧力分布計測法の開発と現象解明，豊田理研スカラー，財団法人 豊田理化学研究所 , 2013年04月 ～ 2014年03月
インクジェットプリンターを用いたPSP・TSP複合センサーの開発
PSP計測の最大の誤差要因は、温度分布の影響によるものである。そこで、PSP計測の高精度化には、同時にTSPにより温度分布計測を行い、温度分布の影響を補正する必要がある。もっとも簡単には、PSPとTSPを混ぜて塗布する ―PSP色素とTSP色素を単純に混合する― ことが考えられる。しかしこの方法は、両色素間の相互作用により、色素の劣化が早まる、感度が大幅に低下するといった問題があり、実用化には大きな困難が伴う。
本研究室では、PSP・TSPの塗布にインクジェットプリンターを使うことを提案している。インクジェットプリンターを用いることで、PSPとTSPを物理的に分離して塗布することが可能となり、色素間の相互作用の問題を防ぐことができる。また、インクジェットプリンターを用いることで均一にPSP・TSPを塗布することが可能である（一般にPSP・TSPはスプレーを用いて手塗りされている）。
中央部の白いプレートにPSP・TSPをそれぞれ別のノズルを用いて塗布する
本研究は、愛知工業大学機械学科 江上泰広 教授との共同研究です。
発表論文
- T. Kameya, Y. Matsuda, Y. Egami, H. Yamaguchi, T. Niimi, Dual luminescent arrays sensor fabricated by inkjet-printing of pressure- and temperature-sensitive paints, Sensors and Actuators B: Chemical 190, 70-77 (2014)
- Y. Matsuda, T. Kameya, Y. Suzuki, Y. Yoshida, Y. Egami, H. Yamaguchi, T. Niimi, Fine printing of pressure-and temperature-sensitive paints using commercial inkjet printer, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 250, 563-568 (2017)
- 亀谷知宏，松田佑，江上泰広，山口浩樹，新美智秀，ドット配列による感圧/感温塗料の複合化，日本機械学会論文集B編 78(791), 1327-1335 (2012)
- 上山淳一，古川聖，亀谷知宏，松田佑，山口浩樹，新美智秀，江上泰広，陽極酸化被膜上のマイクロドット型PSP実現のためのインクジェット塗布条件，日本機械学会論文集, 80, FE0040/1-13(2014)
研究受賞
- 日本機械学会賞（論文），2015年，日本機械学会
研究助成
- 空力音の高空間分解能・高精度検出を実現する感圧塗料計測システムの開発，小野音響学研究助成基金，2015年4月～2016年3月
ヘテロダイン検出法を援用したPSP計測の提案
PSPは、絶対圧センサーであり、大気圧近傍の微小な圧力変化の検出は不得手である。これが自動車、鉄道車両、家電製品へのPSP計測の応用の障壁となっている。
従来のPSP計測システムは、一定強度の励起光を照射して、PSPの発光強度の変化をカメラで取得するシンプルな方法であり、工夫の余地がある。本研究室では、励起光強度を時間変調させヘテロダイン検出法をPSP計測に適用することで、計測システムのシンプルさを保ったまま、PSP計測の圧力分解能を大幅に向上させることに成功した。
本研究は、愛知工業大学機械学科 江上泰広 教授との共同研究です。
気柱共鳴管内の圧力変動分布の計測結果
（上から基本振動，2倍振動，3倍振動）
発表論文
- Y. Matsuda, D. Yorita, Y. Egami, T. Kameya, N. Kakihara, H. Yamaguchi, K. Asai, T. Niimi, Unsteady pressure-sensitive paint measurement based on the heterodyne method using low frame rate camera, Review of Scientific Instruments 84, 105110 (2013)
研究助成
- ヘテロダイン検出法の適用による非定常PSP計測の高圧力分解能化，挑戦的萌芽研究，研究課題番号25630050，2013年4月～2015年3月
- 感圧塗料を用いた音圧分布計測技術の開発，サウンド技術振興部門研究助成，カワイサウンド技術・音楽振興財団，2013年4月～2014年3月
PSP・TSPに関連するその他のテーマ
本研究室では、上記以外にも、温度非依存型PSPを用いたHDD内部の圧力分布計測、PSP・TSPの気液二相流への応用、有機ELデバイスのPSP化などに関して研究を行っている。
発表論文
- 亀谷知宏，松田佑，山口浩樹，江上泰広，新美智秀，感圧塗料を用いた高速回転ディスク表面の圧力分布計測，日本機械学会論文集C編, 76(771), 3002-3007 (2010)
- Y. Matsuda, F. Nagashima, H. Yamaguchi, Y. Egami, T. Niimi, Unsteady 2D measurement of dissolved oxygen distribution using luminescent sensor film, Sensors and Actuators B: Chemical, 160(1), 1464-1467 (2011)
- T. Kameya, Y. Matsuda, H. Yamaguchi, Y. Egami, T. Niimi, Pressure-sensitive paint measurement on co-rotating disks in a hard disk drive, Optics and Lasers in Engineering, 50, 82-86 (2012)
- Y. Matsuda, K. Ueno, H. Yamaguchi, Y. Egami, T. Niimi, Organic Electroluminescent Sensor for Pressure Measurement, Sensors, 12(10), 13899-13906 (2012)
関連受賞
- 日本機械学会賞（論文），2012年，日本機械学会
研究助成
- 圧力高分解能を実現する有機EL-PSPの開発，挑戦的萌芽研究，研究課題番号21656052，2009年4月～2011年3月
- 感圧・感温塗料によるマイクロ気液二相流の計測，若手研究(B)，研究課題番号21760124，2009年4月～2011年3月
- 有機EL技術を応用した圧力センサーの開発，村田学術振興財団，2010年8月～2011年7月
- 蛍光・りん光分子の発光検出によるマイクロデバイス内での熱流動場計測，高橋産業経済研究財団，2012年4月～2013年3月
- 感温塗料を用いた沸騰伝熱面での熱輸送現象の解明，カシオ科学振興財団，2013年10月～2014年9月
- 東燃ゼネラル石油研究奨励・奨学財団 研究助成，TSPを用いた沸騰流動場での時間分解固気液界面・温度場同時計測法の開発，代表，2016年度
- 畠山文化財団 研究助成，高精度空力診断システムの構築へ向けた感圧塗料計測技術の高度化，代表，2017年度
- 岩谷直治記念財団研究助成，TSPを用いた沸騰熱流動場での高空間・時間分解能計測を通じた熱輸送量の詳細解析，2018年度
- 構造化光の利用によるPSP計測法の高圧力分解能化，研究課題/領域番号 18K18822，挑戦的研究(萌芽)
- 圧縮センシングを活用した高精度空力診断システムの構築，JSTさきがけ
PSPの原理について
PSPは、酸素消光性を有するりん光分子と、それを固体表面に保持するためのバインダー（ポリマー、金属酸化被膜など）から構成される。PSPは、一般的にりん光分子とポリマーを有機溶媒に溶かし、それを固体表面にスプレー塗布して使用される。PSPに含まれるりん光分子は、励起光の照射によって励起され発光する。この発光強度は、PSP膜内の酸素濃度、そして空気中の酸素分圧、全圧に比例する。すなわち、PSPでは、その発光強度の変化をカメラで撮影することで、模型表面の圧力を「分布」計測することができる。
またPSP・TSPの最近の研究動向に関して，「可視化情報学会誌, vol. 34, No. 132(2014)」が詳しい。
国立情報学研究所CiNiiの当該雑誌巻号へのリンク
（https://www.jstage.jst.go.jp/browse/jvs/34/132/_contents/-char/ja/）
単一粒子計測法を用いたミクロな熱流体現象の計測
排ガスの浄化装置などの触媒層への応用へ向け、多孔質体や高分子膜の開発、高機能化に関する研究が盛んに行われている。本研究室では、これらの材料が構造としてもっている微小空間（孔、隙間など）での物質輸送特性に関する研究を進めている。本研究室では単一分子計測法（SMT: Single Molecule Tracking）を用い、多孔質体や高分子膜内でのnm～μmオーダーのミクロな構造や挙動の理解を目指して研究を行っている。SMTデータの解析手法に関して、プローブ分子の流体力学的な異方性を検出する手法、機械学習を用いた粒子軌跡の状態遷移推定法の研究を行っている。なお、SMTはプローブとなる分子1つ1つの運動を時間追跡してカメラで撮影し記録することで、多孔質体や高分子膜内での分子熱運動を分子スケールで解析可能とする計測手法である。
上：取得画像例
下：1粒子軌跡を抽出表示
発表論文
- Y. Matsuda, I. Hanasaki, R. Iwao, H. Yamaguchi, T. Niimi, Faster convergence of diffusion anisotropy detection by three-step relation of single-particle trajectory, Analytical chemistry 88 (8), 4502-4507 (2016)
- Y. Matsuda, I. Hanasaki, R. Iwao, H. Yamaguchi, T. Niimi, Estimation of diffusive states from single-particle trajectory in heterogeneous medium using machine-learning methods, Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 20, 24099-24108 (2018)
研究助成
- 単一分子計測による高分子膜中でのナノ分子挙動とマクロに発現する熱力学的性質間の関係の解明，大幸財団 自然科学系学術研究助成，2015年10月～2017年3月
- 単一分子計測法における異方性検出手法の開発，日揮・実吉奨学会研究助成，2015年9月～2016年9月
- 統計的機械学習と単一分子計測技術の融合による高分子過冷却液体のナノ計測と物性評価に関する研究，公益財団法人 旭硝子財団，第１分野（化学・生命科学系） 研究奨励
- 単一分子計測法の高度化による高分子液体のナノ計測とナノ－マクロ物性値間の関係解明，16H04277，基盤研究(B)
- データ同化を用いた単一分子計測法の高度化と階層性微細孔内での吸着・拡散挙動の解明，19H02086，基盤研究(B)
紙流体チップの高機能化
紙流体チップ（Paper-based Analytical Device）による生化学分析技術の研究が盛んに行われている。紙流体チップは、ろ紙上に流路パターンを形成し、この流路上で生化学分析を可能としたデバイスである。特に「紙」である点から、安価、軽量、毛細管現象による溶液の輸送が可能なため、ポンプなどの送液機構が不要であるという利点があり、従来のガラス/樹脂製のマイクロ流体チップに比べ極めて高い優位性を有している。一方、「紙」という限られたリソースのため、その機能には多くの制限がある。これらの問題を解決する手法の提案が強く求められている．本研究室では，インクジェットプリンターを用いた電気回路印刷技術を紙流体チップに応用することで高機能化を図っている。
発表論文
- Y. Matsuda, S. Shibayama, K. Uete, H. Yamaguchi, T. Niimi, Electric conductive pattern element fabricated using commercial inkjet printer for paper-based analytical devices, Analytical Chemistry, 87, 5762-5765 (2015)
- Y. Matsuda, K. Sakai, H. Yamaguchi, T. Niimi, Electrophoretic Separation on an Origami Paper-Based Analytical Device Using a Portable Power Bank, Sensors 19 (7), 1724 (2019)
研究助成
- 電気回路印刷技術の融合による紙流体チップの革新的高機能化，16K14156，挑戦的萌芽研究
- 住友財団 基礎科学研究助成，流路・電気回路の一括インクジェットプリントによる紙流体チップの高機能化，代表，2015年度
粉粒体の流れに関する研究
薬、食品、化粧品、花粉、米、小麦粉、砂利など身の回りには多くの粉粒体がある。しかし粉粒体の物理に関しての研究には未だ多くの課題が残っている。本研究では、物体衝突により、粉粒体層がどのような基本法則にしたがってパターン形成するのか、について明らかとすることを目指している。
発表論文
- Y. Matsuda, S. Fukui, R. Kamiya, H. Yamaguchi, T. Niimi, Impact cratering on a granular bed by hydrogel spheres having intermediate property between solid and liquid, Physical Review E 99 (3), 032906 (2019)
研究助成
- ハイドロゲル球体の衝突により粉粒体層上に形成されるクレーター形状に関する研究, 稲盛財団研究助成, 2015年04月 ～ 2016年03月
- 日比科学技術振興財団 研究開発助成，堆積したアレルギー原因物質の飛散量・距離に関する物理モデルの構築，2018年度
- ホソカワ粉体工学振興財団研究助成，粉粒体層への物体衝突問題におけるスケール則の同定，2018年度
