JP4905454B2 - ワイヤーグリッド用金属板、ワイヤーグリッド、およびワイヤーグリッド用金属板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、テラヘルツ帯の偏光部品であるワイヤーグリッドとして用いられる金属板、それを備えたワイヤーグリッド、およびワイヤーグリッドの製造方法に関するものである。

ワイヤーグリッドは光学や電磁波の分野では一般的に用いられている偏光部品であり、例えば非特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、テラヘルツ帯の偏光解析装置にワイヤーグリッドを用いることが開示されている。

図１はそのワイヤーグリッドの構成を示す図である。テラヘルツ帯のワイヤーグリッドは、図１に示すように、細く長い一本の金属線１を枠体２に対して等間隔に配置したものである。金属線１は例えば数１０μｍ径のタングステンワイヤーであり、これを１００μｍ程度のピッチで等間隔に張っている。

上記金属線の直径および金属線のピッチは利用する波長により決定される。テラヘルツ帯では金属線の直径は１０〜３００μｍ程度、ピッチは３０μｍ〜１ｍｍ程度である。
特開２００３−１４６２０号公報 吉原邦夫著「物理光学」（共立出版、昭和４１年初版）Ｐ．２１６

このようにワイヤーグリッドをテラヘルツ帯の偏光子として用いる場合、そのワイヤーグリッドの大きさは直径２０ｍｍから１００ｍｍ程度まであり、直径１００ｍｍのワイヤーグリッドでは、金属線の長さが約１００ｍｍと長くなるため、この細い金属線を長く平行に張ることは難しい。すなわち、張力によって金属線が切れたり、金属線の間隔が不揃いとなりやすく、製造が非常に困難である。そのため、部品として非常に高価なものとなってしまう。

一方、電磁波が透過する基板上に薄膜を形成し、それをエッチング等で細線パターンとすることによって構成したワイヤーグリッドが販売されている。また、樹脂やガラス等の母材中に金属粒子を分散させておき、その母材を延伸等の処理により母材内で細線化することによって構成したワイヤーグリッドも販売されている。これらの基板や母材を用いる構造では、基板や母材の屈折率、反射率、吸収率などの物性値により多重反射や干渉などの現象が生じるため、それらを回避するために特別な処置が必要となる。

そこで、この発明の目的は、上記ワイヤーを用いた問題および基板や母材を用いた問題を解消して、製造が容易で低コストでありながら高精度なテラヘルツ帯で用いることのできるワイヤーグリッド用金属板およびワイヤーグリッドの製造方法を提供することにある。

この発明のワイヤーグリッド用金属板は、上記ワイヤーを用いず、且つ基板や母材を用いないで金属のみで構成した自立型のワイヤーグリッド用金属板であって、縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部と、該縦桟部に対して直交する（例えば横方向に延びる）少なくとも１つの横桟部とを有し、前記縦桟部と前記横桟部とで囲まれる領域が貫通していて、前記縦桟部と前記横桟部とで自立したグリッド部を構成したものである。
なお、上記「直交」は実質的な直交、略直交を含むものである。

前記横桟部の間隔は縦桟部の間隔より例えば５倍以上広くする。
前記縦桟部と横桟部とは例えば格子状をなす。
また、前記縦桟部または横桟部は例えば千鳥状に配置する。

この発明のワイヤーグリッドは、上記ワイヤーグリッド用金属板と、当該ワイヤーグリッド用金属板の両側に取り付けたリング状の枠体とから構成する。

この発明のワイヤーグリッドの製造方法は、金属板を用意する工程と、前記金属板に加工を施すことにより、縦方向に延びる複数の縦桟部と、該縦桟部に対して直交する少なくとも１つの横桟部とを形成し、前記縦桟部と前記横桟部とで囲まれる領域が貫通していて、前記縦桟部と前記横桟部とで自立したグリッド部を形成する工程と、を備える。

前記金属板の加工は、例えば打ち抜き加工とする。
また前記金属板の加工は、エッチングレジスト膜の塗布工程、エッチングレジスト膜のパターンニング工程、エッチング工程、および前記エッチングレジスト膜の除去工程によって行う。

縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部と、この縦桟部に対して直交する横桟部とを有しているので、金属板を加工することによってワイヤーグリッドを製造できるようになる。すなわち横桟部を設けることによって、その金属薄板の加工を打ち抜き加工やエッチングで行う場合でも、加工時や加工後の取扱い時の縦桟部の切断や撓みが抑制される。また、加工時や加工後の応力で縦桟部が伸びることによる縦桟部間隔のばらつきが抑えられる。

前記横桟部の間隔を前記縦桟部の間隔より５倍以上広くすることによって、横桟部がグリッドとして作用する波長が、ターゲットの波長より５倍以上長くなるので、ターゲットの波長に対する偏光・検光特性には殆ど悪影響を与えることがない。

従来のワイヤーグリッドの構成を示す図である。 第１の実施形態に係るワイヤーグリッドの構成を示す図である。 同ワイヤーグリッドのワイヤーグリッド用金属板の部分拡大図である。 同ワイヤーグリッドの特性を示す図である。 比較例としての従来構造のワイヤーグリッドの特性を示す図である。 第２の実施形態に係る各種ワイヤーグリッド用金属板の平面図である。 同ワイヤーグリッド用金属板の部分拡大図である。

符号の説明

１−金属線
２−枠体
１０−ワイヤーグリッド用金属板
１１−縦桟部
１２−横桟部
１３−グリッド部
２０−枠体
１００−ワイヤーグリッド

第１の実施形態に係るワイヤーグリッド用金属板およびワイヤーグリッドの製造方法を図２〜図５を参照して説明する。

図２は完成したワイヤーグリッドの外観図である。このワイヤーグリッド１００は、縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部１１と、この縦桟部１１に対して直交して横方向に延びるとともに、縦桟部１１よりも間隔が広い横桟部１２とで構成されるグリッド部１３を備えた円形状のワイヤーグリッド用金属板１０をリング状の枠体２０に取り付けたものである。

なお、縦桟部１１と横桟部１２は多少斜めに交差していてもよい。すなわち略直交していてもよい。

また、リング状の枠体２０はリング状の枠体２０に設けられた合わせネジによって円形状のグリッド用金属板１０を、その両側から挟持しているが、ワイヤーグリッド用金属板１０を接着剤等でリング状の枠体２０に貼り付けてもよい。

図３は、図２に示したグリッド部の部分拡大図である。このワイヤーグリッド用金属板１０は、次のようにして製造する。

先ず、厚さ０．１ｍｍの燐青銅の矩形状の金属薄板を用意する。
次に、幅０．３ｍｍ、長さ３ｍｍのパンチを用いて、上記金属薄板を打ち抜き加工する。この打ち抜き加工では、上記パンチでグリッド部１３となる部分を１つずつ打ち抜く。また、パンチで１つずつ打ち抜く以外に、まとめて打ち抜けるような金型を用意してもよく、例えば１列毎または２列毎に打ち抜けるような金型を用意してもよい。

この打ち抜く方向は、加工上、縦方向に打ち抜く方が切れにくいことから、縦桟部１１に平行な方向に進めるが、横桟部１２に平行な方向に進めてもよい。

この打ち抜き加工の後、ワイヤーグリッド用金属板の耐環境性を高めるために、また導伝率を高めるために全体に金メッキを施す。

そして、ワイヤーグリッド用金属板を所望の円形状にカットし、合わせネジが設けられた、アルミニウムや真鍮等の非磁性材料からなるリング状の枠体２０でワイヤーグリッド用金属板１０をその両側から挟持する。

図３において、左右に互いに隣接する穴で挟まれた（残存している）部分が縦桟部１１である。また、上下に互いに隣接する穴で挟まれた（残存している）部分が横桟部１２である。穴の間隔は縦方向・横方向ともに０．１ｍｍとした。したがって縦桟部１１と横桟部１２の幅はいずれも０．１ｍｍである。

なお、図３に表れているように、上記パンチの端辺部分には丸みがあるので縦桟部１１と横桟部１２との交差する部分は略菱形状となっている。これにより、交差部の応力集中が緩和され、また交差部の強度が増すため、打ち抜き加工時の金属板に対する応力が低減するとともに、縦桟部１１間の間隔を一定に保つという横桟部１２の作用効果を高めることができる。

図２・図３に示したワイヤーグリッド１００を偏光子・検光子として用いる場合、ワイヤーグリッド１００の面に対して電磁波を垂直方向に入射させる。偏波面がワイヤーグリッド１００の縦桟部１１に対して平行な電磁波が入射すると、その電磁波の電場成分によって縦桟部１１に電流が発生し、そのため、その電場成分は反射または吸収されて、電磁波は透過しない。一方、縦桟部１１の幅（径）は波長より充分短いので（約１／１０以下であるので）偏波面が縦桟部１１に対して垂直な電磁波が入射した場合には、縦桟部に電流が流れることによる損失は殆ど無視できる。そのため、その電磁波はそのまま透過する。このようにしてワイヤーグリッドが偏光子・検光子として作用する。

図２・図３に示したように、この発明のワイヤーグリッド用金属板では、縦桟部１１に直交する横桟部１２が存在するが、この横桟部１２の間隔は、ターゲットである電磁波の波長より遙に大きい（ここで横桟部１２の間隔は縦桟部の間隔の５倍以上としている）ため、ターゲットである電磁波の透過時の、横桟部１２が存在することによる損失は殆ど無視できる。

なお、縦桟部の間隔（ピッチから縦桟部の幅を差し引いた寸法）は、その幅（径）の３倍程度（すなわち、縦桟部１１のピッチは縦桟部１１の線径の４倍程度）が最適値であることを確認したので、この条件に近くなるように打ち抜き加工に用いるパンチツールの寸法を定めておく。

図２・図３に示したワイヤーグリッドの電磁波透過率の測定結果を図４・図５に示す。図４の（Ａ）は、偏波面が縦桟部１１に対して平行な電磁波の透過率および位相シフト量を示している。また図４の（Ｂ）は、偏波面が縦桟部１１に対して垂直な電磁波の透過率および位相シフト量を示している。また図５は、ワイヤー間隔０．３ｍｍ、ワイヤー径０．１ｍｍのワイヤーを用いて構成した従来構造のワイヤーグリッドの測定結果であり、（Ａ）は、偏波面がワイヤーに対して平行な電磁波の透過率および位相シフト量を示している。また（Ｂ）は、偏波面がワイヤーに対して垂直な電磁波の透過率および位相シフト量を示している。すなわち、図５は、横桟部１２の有無による特性の差を見るための比較例である。

ここで測定波長（周波数）は１〜１／１００ｃｍ（３０ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）である。縦桟部１１の間隔は０．３ｍｍであるので、理論計算上、このワイヤーグリッド１００は、波長１／１０ｃｍ（周波数３００ＧＨｚ）近傍（波長１／３ｃｍ（周波数約１００ＧＨｚ）〜波長１／１５ｃｍ（周波数約５００ＧＨｚ））で偏光子・検光子として作用する。すなわちターゲット波長（周波数）は１／１０ｃｍ（３００ＧＨｚ）である。図中の上向きの矢印はこの周波数帯を示している。

図４の（Ａ）に示すように、ターゲット波長で偏波面が縦桟部に平行な電磁波の透過率は１０％以下である。この波長で、偏波面が縦桟部１１に垂直な電磁波の透過率は（Ｂ）に示すように約９０％である。この特性は、図５に示したもの（横桟部１２に相当するものがないもの）に比べて同等の特性であることが分かる。

このように金属薄板からの加工であるので、従来の金属線を張って製造する場合に比べて加工精度が高まり、特性ばらつきが少なく、且つターゲットとする電磁波に対する偏光・検光作用に優れた特性が得られる。この縦桟部１１の間隔のばらつきは、±３μｍ（間隔０．３ｍｍの１％）以内であった。従来の金属線を用いたワイヤーグリッドでは約２０％程度のばらつきがあったので、ばらつきの程度は１０分の１以下に抑えられることが分かる。

また、従来の金属線として用いられていたタングステンワイヤーは酸化しやすく、経年変化による特性劣化が問題となるが、この発明によれば金属薄板の加工後、金メッキ等のメッキ処理が容易であるので、経年変化や環境による特性劣化が抑えられる。

以上に示した実施形態では、出発材料である金属薄板の材料として燐青銅を用いたが、この燐青銅以外にＳＵＳ（ステンレス・スチール）等の比較的ヤング率の高く且つ非磁性の金属材料を用いてもよい。

次に、第２の実施形態に係るワイヤーグリッド用金属板について図６・図７を参照して説明する。

第１の実施形態では縦桟部１１と横桟部１２とで格子状のグリッド部を形成したが、縦桟部１１と横桟部１２の配列形態はこれに限るものではない。第２の実施形態でその幾つかの例を示す。

図６は幾つかのタイプの異なるワイヤーグリッド用金属板の平面図である。（Ａ）は第１の実施形態で示したワイヤーグリッド用金属板と同様であり、ここでは比較例として挙げている。すなわち、図６（Ａ）に示すワイヤーグリッド用金属板１０Ａは、縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部１１と、この縦桟部１１に対して直交するとともに横方向に延びる横桟部１２を備えている。これに対して、図６（Ｂ）に示すワイヤーグリッド用金属板１０Ｂは、横桟部１２が横方向に延びる形態を保ちつつ、縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部１１を千鳥状に配置したものである。

また図６（Ｃ）で示すワイヤーグリッド用金属板１０Ｃは、縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部１１を形成するとともに、横桟部１２を千鳥状に配置したものである。

また図６（Ｄ）で示すワイヤーグリッド用金属板１０Ｄは、縦桟部１１を縦方向に桟状に延びるように形成するとともに、横桟部１２を複数の縦桟部単位で千鳥状に配置したものである。

さらに、図６（Ｅ）に示すワイヤーグリッド用金属板１０Ｅは、縦桟部１１を縦方向に延びるように形成するとともに、横桟部１２を順次斜め方向に段階的にずらせたものである。

その他にもこれらを組み合わせたパターンや、部分的にパターンを異ならせたものなども可能である。

図７（Ａ）は、図６（Ｂ）に示したワイヤーグリッド用金属板１０Ｂの部分拡大図である。また図７（Ｂ）は、図６（Ｃ）に示したワイヤーグリッド用金属板１０Ｃの部分拡大図である。このように縦桟部１１と横桟部１２の配列パターンが異なっても第１の実施形態で示したものと同等の特性が得られた。

なお、第１・第２の実施形態で示したワイヤーグリッド用金属板を加工して縦桟部１１と横桟部１２を形成する方法としては、マイクロパンチ（直径１ｍｍ以下の臼部と杵部を有する金型で、臼部と杵部の間に金属板を挿入して圧力で金属に穴を開けるもの）以外に放電加工、エッチング加工、レーザー加工を用いることもできる。

特にエッチング加工では、厚さ０．１ｍｍの燐青銅板に感光性のエッチングレジスト膜を塗布し、マスク露光を行い、エッチングレジスト膜を現像し、酸によるエッチングで縦桟部１１および横桟部１２以外の部分を除去することによって、高精度なワイヤーグリッド用金属板を製造することができる。

Claims (8)

1. テラヘルツ帯のワイヤーグリッドとして用いられる金属板であって、
   縦方向に桟状に延びる複数の縦桟部と、該縦桟部に対して直交する少なくとも１つの横桟部とを有し、前記縦桟部と前記横桟部とで囲まれる領域が貫通していて、前記縦桟部と前記横桟部とで自立したグリッド部が構成されているワイヤーグリッド用金属板。
2. 前記横桟部の間隔が前記縦桟部の間隔より５倍以上広い請求項１に記載のワイヤーグリッド用金属板。
3. 前記縦桟部と横桟部とで格子状を成す請求項１または２に記載のワイヤーグリッド用金属板。
4. 前記縦桟部または前記横桟部を千鳥状に配置した請求項１または２に記載のワイヤーグリッド用金属板。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のワイヤーグリッド用金属板と、当該ワイヤーグリッド用金属板の両側に取り付けたリング状の枠体とからなるワイヤーグリッド。
6. テラヘルツ帯のワイヤーグリッドとして用いられる金属板の製造方法であって、
   金属板を用意する工程と、
   前記金属板に加工を施すことにより、縦方向に延びる複数の縦桟部と、該縦桟部に対して直交する少なくとも１つの横桟部とを形成し、前記縦桟部と前記横桟部とで囲まれる領域が貫通していて、前記縦桟部と前記横桟部とで自立したグリッド部を形成する工程と、
   を備えたワイヤーグリッド用金属板の製造方法。
7. 前記金属板の加工は打ち抜き加工である請求項６に記載のワイヤーグリッド用金属板の製造方法。
8. 前記金属板の加工は、エッチングレジスト膜の塗布工程、該エッチングレジスト膜のパターンニング工程、エッチング工程、および前記エッチングレジスト膜の除去工程により行うものである請求項６に記載のワイヤーグリッド用金属板の製造方法。

Images