Transcript (ワイヤーグリッド) の製作技術開発

ミリ波・サブミリ波帯ＷＧ製作
ものづくり博２０１３ 全学技術センター
河合利秀
１、製作方法の変遷
２、～200７年（低温、サブミリ波帯）
３、～2009年（サブミリ波帯ＷＧの高精度化）
４、２０１２年～大面積ミリ波帯
５、まとめ
ワイヤーグリッド（WG）とは
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金属線を規則正しく並べたもの
偏波素子
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縦偏波＝反射、横偏波＝透過
例えば、マーチンパープッレット型分光計では
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
ビームスプリッターとして機能する
ミリ波～サブミリ波帯（高価）
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WGを作るオリジナルな方法を考えてきた
ｄ／a ・・・・0.25～0.33
ｄ 15μｍ～50μm の金属線・・・・

放電加工用タングステンワイヤーを用いる
使用場所：低温で使えるように・・・
ＡＬＭＡ受信機のＷＧ（Band8)を目標に
ワイヤーグリッド：金属線を並べたもの
金属線
ｄ
透過波
Ｅ
a
θ
Ｅ
Ｅ
Ｅ
反射波
このあたりを狙う
ＷＧ製作方法と仕様の変遷
天文学会発表
特性測定年度
機構
汎用旋盤
巻枠の棒
溝付き
接着剤
使用温度
WG
ｄ/a
誤差
小型旋盤
溝
(200μm）
瞬間
接着剤
専
ｴﾎﾟｷｼ系
接着剤
な
し
16μm
機
溝付き
溝付き
(61.2μm）
(150μm）
ｳﾚﾀﾝ系
接着剤
ｽﾀｲｷｬｽﾄ
2850FT
常温
100GHz
400GHz
（50/200） （20/100）
用
低温
400GHz
（20/60）
1THz
（15/46）
8μm
1THz
40GHz
（20/61） （50/150）
3μm
5μm
サブミリ波帯ワイヤーグリッドの仕様
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基本仕様
ｄ=20μm、
a=60μm

偏波弁別比：
25dB以上

波長依存性
100GHz～1THz

aのばらつき
10%以内を目標に
 実際に作れるWGの仕様
1. ｄ：20μm、a：60μm
2. ｄ：50μm、a：150μｍ
3. ｄ：15μm、a：45μm
1990年、汎用旋盤で100GHz帯に挑戦
ｄ：50μm、ａ：200μm、巻枠の棒に溝あり
四面取れる巻枠
汎用旋盤の刃物台
パーマトルク
タングステンワイヤー
汎用旋盤の主軸
四面取れる巻枠、４本の棒に溝あり
旋盤のネジ切り機構でネジ溝を切っておく
ピッチ200μmで
溝を切った棒
４本のねじ溝付き棒：溝の位相を合わせる
1992年小型旋盤で400GHz帯に挑戦
ｄ：20μm、a：100μm、巻枠の棒に溝なし
巻枠
小型旋盤の主軸
パーマトルク
1998年専用巻き取り機を製作
ｄ：20μm、a:60μm、巻枠に溝なし
汎用スピンドル
60rpmで回転
巻枠、溝なし
ステッピングモータ
パーマトルク
タングステンワイヤー
ＬＭガイド
WG製作の手順～2004年
１、タングステンワイヤーを巻枠に巻く
タングステン線 直径２０μｍ、間隔６０μｍ
巻枠は４サイズ、一回巻くと４面取れる
２、固定枠に接着剤でワイヤーを固定
接着剤：スタイキャスト２８５０FT
固定枠：アルミニウム製、
３、巻枠の張力除去、ワイヤー切断
固定枠の接着剤が固まったら
巻枠の張力を解除してワイヤーを切断
一度にWG４枚作れる
フーリエ分光光度計による測定（2004年）
フーリエ分光器
被測定WGの挿入位置
光源
基準となるWG
検出器（ボロメータ）
WGの偏波特性(2004年）
製作方法の改良（2007年）
製作手順の各段階における高精度化
ワイヤー繰り出し機構の改善
ワイヤー巻取り枠の改善
接着方法の改善
誤差の度数分布を大きく改善できた
１６μｍから目標の６μｍに近付く
THｚ領域まで安定した弁別比が得られるようになった
ワイヤー位置決め機構の改善

ワイヤー繰り出し
部分のふらつき
を小さくする
繰り出し部の
ふらつき誤差・・・
５μｍから
３μｍへ
ピッチエラー
（２００７年）
接着の問題点～2004年
接着したあとに
張力が抜けてしまう！
NG!!
ワイヤーの表面が
綺麗になったため？
スタイキャスト２８５０FT
スタイキャスト中最強だが
別の接着剤を試す！！
放電加工用ワイヤーは
ワックス処理されていた！
液体窒素温度と室温とを繰り返す実験
（2008年、この写真は５回ほど繰り返したもの）
表面に割れが入ったが
ワイヤーは大丈夫
2008年 発想の転換
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巻枠の棒に溝を入れる



60μmピッチの正確な溝加工
常識では不可能
汎用旋盤を最高速で運転、自動送りで
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±１μm以内の精度で溝加工できる
バイト先端角100°
 超硬バイト先端R10μm


ピッチが僅かに大きい・・・６１．3μｍ
シャフトに溝を切ってみる
ｒ：10μm、ピッチ60μm
実際にはピッチ：61.3μm
溝加工の結果は？
ワイヤーを巻いてみる
溝あり
問題点：所々で重なったり飛んだりする
・・・・位相合わせが必要！
ピッチの違いにより重なるところがある
溝なし
統計誤差：3μm
完成したWG・・・間隔精度測定中！
２００８年のまとめ
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ピッチの違い

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旋盤の自動送りピッチ ：61.3μm
巻き取り機の送りピッチ：60.0μm

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ピッチをあわせると不安定領域拡大・・・NG
結論＝適当に違っていた方が結果的に良い可能性
サブミリ波帯WG



巻き枠に溝を入れる方法は精度向上に有効
今後、張力の最適化で接着安定性を向上させる
低温（４K）での偏波特性を測定したい
２０１２年、大面積のミリ波帯WG
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大面積のミリ波帯WG
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２０～４０GHｚ、有効径200mm
タングステンワイヤー価格高騰
SPワイヤー（真鍮メッキピアノ線）
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引っ張り強度、電気抵抗、直径精度・・・OK
ワックス処理のないものも入手可
線の材質
引っ張り強さ
（N/ｍｍ２）
電気抵抗率
（ｘ10-8Ω・ｍ）
線径誤差
（μｍ）
タングステン線
2300～3800
5.5
±１
ＳＰワイヤー
2160
6.3（真鍮）
＋0、－3
銅線
345＜
1.55
±10
ｄ：50μｍ、a：150μｍで試作
ネジ切り機構でピッチ150μmのネジ溝を加工
中心値：150μm
誤差：5μm
まとめ
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大面積ミリ波帯ＷＧ
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Φ200mm（有効径）まで製作可能
巻き取り枠の棒にねじ溝をつけて高精度化
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ワイヤー素材を変更
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150μmに対し、5μmの誤差
タングステンから真鍮メッキピアノ線へ
今後の問題点
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
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さらなる大面積化
ネジ溝ピッチ・・・わずかに変える方がいい？
技術移転・・・若手に継承
接着部分の評価
１、ワイヤー張力と接着強度
ワイヤー張力・・・
５０ｇ（１本あたり）
Φ２０μｍ 接着面積 ０．３ｍｍ２
枠の幅１０mmに働く張力・・・～８Ｋｇ
２、接着強度・・・せん断接着強さ（Kg/cm２）
一般のエポキシ系・・・・・100～150
シアノアクリレート系・・・3.0～5.0
張力が強すぎる？
接着剤の性能（スタイキャスト）
現状
スタイキャスト２８５０FT
スタイキャスト中最強！
引張り強度：60MPa
剥離はないが
ワイヤー張力が抜ける
・・・・・なぜ？
使用できないことはないが
製作者としては不満！
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試験
スタイキャスト１２６６
引張り強度：４０MPa
接着強度不足
すぐに剥離
別の接着剤を考える
改めて様々な接着剤を試すことに・・・
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エポキシ系接着剤（２液混合）
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瞬間接着剤（ゼリー状のもの）
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アラルダイト ラピッド
緩みが生じる
アロンアルファ＃３１３０３
スコッチ ７０４０２E
剥離する
小西六の一液型機械金属系接着剤
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SUタイプ・・・・良好！！
WGの問題点(2004年）
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ワイヤー径２０μｍ
ピッチ
６０μｍ
ピッチエラー
平均１６μｍ
改善の余地あり
張力が抜ける・・・・
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改善できず！
後に原因解明：ワイヤーがワックス処理されていた