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

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 • 金属線を規則正しく並べたもの • 偏波素子 • 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 • 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） • 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‏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 ＥＥＥＥ金属線ｄ透過波 a θ 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 2008 2009 1990 1992 1998 2002 2004 2012 特性測定年度汎用旋盤小型旋盤専　　用　　機機構溝　　な　　し溝付き (150μm）溝付き (61.2μm）溝付き (200μm）巻枠の棒ｳﾚﾀﾝ系接着剤瞬間接着剤ｴﾎﾟｷｼ系接着剤ｽﾀｲｷｬｽﾄ 2850FT 接着剤低温常温使用温度 400GHz （20/60） 100GHz （50/200） 400GHz （20/100） 1THz （15/46） 1THz （20/61） 40GHz （50/150） WG ｄ/a 誤差 16μm 8μm 5μm 3μm

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ｄ：20μm、a：60μm ｄ：50μm、a：150μｍｄ：15μm、a：45μm サブミリ波帯ワイヤーグリッドの仕様

1990年、汎用旋盤で100GHz帯に挑戦ｄ：50μm、ａ：200μm、巻枠の棒に溝あり1990年、汎用旋盤で100GHz帯に挑戦ｄ：50μm、ａ：200μm、巻枠の棒に溝あり汎用旋盤の刃物台四面取れる巻枠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）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 • 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 • ±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 溝なし溝あり問題点：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

統計誤差：3μm

完成したWG・・・間隔精度測定中！

２００８年のまとめ • ピッチの違い • 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 • 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 • 大面積のミリ波帯WG • 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） • 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

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 • 大面積ミリ波帯ＷＧ • 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 • 150μmに対し、5μmの誤差 • ワイヤー素材を変更 • タングステンから真鍮メッキピアノ線へ • 今後の問題点 • 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・・・～８Ｋｇ２、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？

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！接着剤の性能（スタイキャスト）

改めて様々な接着剤を試すことに・・・　 • エポキシ系接着剤（２液混合） • アラルダイト　ラピッド　　緩みが生じる • 瞬間接着剤（ゼリー状のもの） • 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 • SUタイプ・・・・良好！！

WGの問題点(2004年） • 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・・・・ • 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

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