JPWO2014148140A1 - 検出用構造体 - Google Patents

Abstract

強度が高く、製造工程の煩雑さを招き難く、コストを低減し得る検出用構造体を提供する。電磁波が照射された場合の被測定物の保持の有無による共振特性の変化を検出して被測定物を検出する方法に用いられる検出用構造体であって、第１の主面１ａ及び第２の主面１ｂを有するベース部１Ａと前記ベース部１Ａの第１の主面１ａに設けられている周期的構造体部１Ｂとを備え、周期的構造体部１Ｂは、周期的に配置された単位構造１３を有し、該単位構造１３は、厚み方向または厚み方向に対して斜め方向に交差している方向に延びる厚み方向面３〜６を有する、検出用構造体１。

Description

本発明は、電磁波の照射により共振する構造を有する検出用構造体に関し、より詳細には、被測定物の保持の有無により共振特性が変化する、検出用構造体に関する。

従来、テラヘルツ波のような電磁波を空隙配置構造体に照射することにより、被測定物を検出する方法が知られている。下記の特許文献１には、このような検出方法に用いられる空隙配置構造体が開示されている。特許文献１に記載の空隙配置構造体では、空隙が周期的に配置されている空隙配置構造体シートが用いられている。この空隙配置構造体シートが薄いため、空隙配置構造体シートの背面側に空洞を隔てて基板材が連結部材によって接合されている。それによって、厚みの薄い空隙配置構造体シートが補強されている。

ＷＯ２０１２／１３２１１１

特許文献１に記載の空隙配置構造体では、連結部材を用いて基板材を空隙配置構造体シートに接合しなければならなかった。そのため、製造工程が煩雑であった。またコストが高くつくという問題があった。さらに、上記空洞を隔てて基板材が薄い空隙配置構造体シートに連結されている構造であるため、補強効果も充分でなかった。

本発明の目的は、強度を高くすることができ、かつ製造が容易であり、安価な検出用構造体を提供することにある。

本発明に係る検出用構造体は、電磁波が照射された場合の被測定物の保持の有無による共振特性の変化を検出して被測定物を検出する方法に用いられる検出用構造体である。

本発明に係る検出用構造体は、厚み方向に対向する第１及び第２の主面を有する板状のベース部と、前記ベース部の第１の主面に設けられている周期的構造体部とを備える。

周期的構造体部は、前記ベース部の第１の主面の面方向において周期的に配置されている単位構造を有する。該単位構造は、前記厚み方向または該厚み方向に対して斜め方向に交差する方向に延びる厚み方向面を有する。

本発明に係る検出用構造体では、前記周期的構造体部と、前記ベース部とが同じ材料により一体的に構成されていてもよい。

また、本発明に係る検出用構造体では、周期的構造体部とベース部とは、別部材により構成されていてもよい。

本発明に係る検出用構造体の他の特定の局面では、前記厚み方向面が、前記周期的構造体の単位構造において複数設けられており、該複数の面が組み合わさって前記ベース部とは反対側に開いている１つの開口を形成しており、該開口に露出している底部が前記第１の主面により構成されている。

本発明に係る検出用構造体のさらに別の特定の局面では、前記周期的構造体の単位構造において、前記厚み方向面が複数設けられており、該複数の面が、前記ベース部とは反対側の端部において集合されており、該単位構造が、前記第１の主面から突出している形状を有する。

本発明に係る検出用構造体のさらに他の特定の局面では、前記単位構造における前記開口と前記底部とを有する形状が、前記ベース部とは反対側の面に向かって開いた凹部であり、該凹部が角錐台状である。

本発明に係る検出用構造体のさらに別の特定の局面では、前記単位構造が、直方体状である。

本発明に係る検出用構造体では、好ましくは、上記ベース部が導体からなる。

本発明に係る検出用構造体によれば、検出用構造体の強度を充分に高めることができる。しかも、製造工程が煩雑にはならないため、検出用構造体のコストを低減することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る検出用構造体の斜視図及びその要部を示す側面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る検出用構造体の周期的構造体部の単位構造の外表面からみた図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る検出用構造体における電磁波を照射した際の反射波の周波数特性を示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る検出用構造体の斜視図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２の実施形態に係る検出用構造体における周期的構造体部の単位構造の第１の主面側からみた図及び側面図である。 図６は、第２の実施形態に係る検出用構造体を用いた場合の電磁波の反射スペクトルを示す図である。 図７は、第３の実施形態に係る検出用構造体の斜視図である。 図８は、第４の実施形態に係る検出用構造体の斜視図である。 図９は、第５の実施形態に係る検出用構造体の斜視図である。 図１０は、第６の実施形態に係る検出用構造体の斜視図である。 図１１は、第１の実施形態に係る検出用構造体の変形例を示す斜視図である。 図１２は、第３の実施形態に係る検出用構造体の変形例を示す斜視図である。 図１３は、第１の実施形態に係る検出用構造体の他の変形例を示す斜視図である。 図１４は、第３の実施形態に係る検出用構造体の他の変形例を示す斜視図である。 図１５は、第１の実施形態に係る検出用構造体のさらに他の変形例を示す斜視図である。 図１６は、第３の実施形態に係る検出用構造体のさらに他の変形例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る検出用構造体の外観を示す斜視図である。

検出用構造体１は、全体が板状の形状を有する。なお、図１（ａ）では、検出用構造体１は、矩形板状の形状を有するが、円板状等の任意の形状とすることができる。

検出用構造体１は、本実施形態では、Ｎｉからなる。もっとも、検出用構造体１を構成する材料は特に限定されず、ステンレス、Ａｕめっきした金属などにより形成することができる。

検出用構造体１は、ベース部１Ａと、周期的構造体部１Ｂとを有する。本実施形態では、ベース部１Ａと周期的構造体部１Ｂは一体に構成されている。ベース部１Ａは、平板状の形状を有し、厚み方向に対向する第１及び第２の主面１ａ，１ｂを有する。

外表面１ｃにおいては、外側に向かって開いた凹部２が、第１の主面１ａの面方向において周期的に配置されている。本実施形態では、この凹部２を有する単位構造が、ベース部１Ａの第１の主面１ａの面方向においてマトリクス状に配列されている。もっとも、周期的配置構造は、このようなマトリクス状のものに限定されるものではない。また、本発明において、「周期的に配置されている」とは、全ての単位構造が周期的に配列されている必要はない。例えば図１（ａ）のようにマトリクス状に多数の単位構造が配置されている構造において、１個あるいは数個の単位構造が欠落していてもよい。すなわち、全体として周期的に単位構造が配置されておればよい。

凹部２を有する単位構造の詳細を、図１（ｂ）及び図２を参照して説明する。図１（ｂ）は、上記凹部２を有する単位構造の側面断面図である。また、図２は、上記単位構造の外表面１ｃからみた正面図である。ベース部１Ａの第１の主面１ａと第２の主面１ｂとを結ぶ方向を以下、厚み方向とする。凹部２は、厚み方向に延びている。すなわち、図１（ｂ）に示すように、凹部２は外表面１ｃに開口している。他方、凹部２は４つの厚み方向面３〜６により囲まれている。厚み方向面３〜６とは、上記厚み方向と斜め方向に交差する方向に延びる面をいう。すなわち、本発明において、厚み方向面とは、上記厚み方向に沿う面または厚み方向と斜め方向に交差する方向に延びる面をいうものとする。本実施形態では、４つの厚み方向面３〜６は、凹部２の内側面を構成している。

また、厚み方向面３〜６の第１の主面１ａ側の端部は、第１の主面１ａには至っていない。言い換えれば、厚み方向面３〜６の第１の主面１ａ側の端部は、第１の主面１ａよりも外表面１ｃ側に位置している。本実施形態では、上記厚み方向面３〜６の第１の主面１ａ側の端部が組み合わさって、第１の主面１ａの一部によって底部７が構成されている。外表面１ｃ側から見たとき、底部７は、凹部２の開口に露出している。

上記のように、底部７は、第１の主面１ａの一部により構成されている。

本実施形態では、凹部２は、四角錐台状の形状を有している。従って、底部７を構成している第１の主面１ａは、外表面１ｃと平行とされている。

四角錐台形状とされているため、凹部２は、外表面１ｃに開口している側から、底部７にいくにつれて、厚み方向面３〜６が近づくように構成されている。

なお、本実施形態では、凹部２は、上記のように、四角錘台の形状を有しているが、六角錘台などの他の多角錘台形状を有していてもよい。

本実施形態の検出用構造体１では、上記凹部２を有する単位構造が前述したように、第１の主面１ａの面方向において周期的に配置されている。この部分が、本発明における周期的構造体部１Ｂを構成している。他方、上記底部７と第２の主面１ｂとの間の部分が、本実施形態の平板状のベース部１Ａを構成している。

本実施形態の検出用構造体１では、凹部２を有する、言い換えれば、複数の厚み方向面３〜６を有する単位構造が周期的に配置されているため、外表面１ｃ側から電磁波を照射した場合、上記凹部２を有する各単位構造において共振が生じる。この共振現象により、検出用構造体１で散乱された電磁波の周波数スペクトルが変化する。ここで、散乱された電磁波とは、検出用構造体１で反射されたすなわち後方散乱された電磁波及び検出用構造体１を透過した電磁波すなわち前方散乱された電磁波を含む。

従って、検出用構造体１の外表面１ｃ側に被測定物が保持されている場合と、保持されていない場合とで、上記散乱電磁波の周波数特性が変化する。本実施形態の検出用構造体１によれば、上記散乱電磁波の周波数スペクトルの変化により、被測定物を測定することができる。図３は、上記検出用構造体１に、１０〜６０ＴＨｚの電磁波を照射した場合の反射されてきた電磁波の周波数特性を示す。ここでは、単位構造における凹部２の深さＨを６μｍの大きさとし、凹部２の外表面１ｃにおける開口部の寸法を７μｍ×７μｍとした。

図３から明らかなように、４２．７０３ＴＨｚ、５０．０９７ＴＨｚ及び５５．１５９ＴＨｚに大きなディップ波形が表れていることがわかる。被測定物が存在する場合と存在しない場合とで、このディップ波形における反射されてきた電磁波の強度が大きく変化する。例えば、４２．７０３ＴＨｚの反射電磁波の強度の変化により、被測定物の有無を検出することができる。

なお、ディップ波形に代えて、ピーク波形や、その他の周波数位置の電磁波の強度の変化を利用して、被測定物を検出してもよい。

なお、上記前方散乱すなわち透過した電磁波の周波数スペクトルの変化を利用する場合には、検出用構造体１は照射される電磁波を透過する材料からなることが必要である。このような材料としては、例えば、樹脂、ガラス、セラミックスなどを挙げることができる。

本実施形態の検出用構造体１を用いれば、上記のように、凹部２を有する単位構造が周期的に配列されているため、被測定物を検出することができる。加えて、検出用構造体１では、複数の厚み方向面３〜６により凹部２が形成されている単位構造が周期的に配置されている。さらに、該周期的構造体部１Ｂが、ベース部１Ａと一体化されている。従って、機械的強度も充分に高い。

さらに、製造に際しては、例えば図示しないステージ上において、薄膜形成法などにより、上記検出用構造体１を容易に形成することができる。例えば、ステージ上において、検出用構造体１を構成する材料を薄膜形成法により成膜する。なお成膜に際しては、上記底部７が位置する部分まで先ず成膜を行う。しかる後、上記凹部２が形成される部分にレジストを付与する。このレジストの付与は、フォトリソグラフィー法により行い得る。しかる後、再度、検出用構造体を構成する材料を成膜し、第１の主面１ａの位置まで成膜を続ける。次に、レジストを溶剤により除去する。

あるいは、検出用構造体１の全厚みとなるように検出用構造体構成材料を成膜する。しかる後、エッチングにより、凹部２を形成してもよい。

上記のように、検出用構造体１は、周知の薄膜形成法を用いて形成することができる。従って、製造工程の煩雑さを招き難い。また、検出用構造体１のコストを低減することもできる。

図４は、第２の実施形態に係る検出用構造体１１の斜視図である。検出用構造体１１は、ベース部としての平板状のベース部材１２を有する。この平板状のベース部材１２上に、四角錐状の単位構造１３が多数形成されている。ベース部材１２の下面が第２の主面１２ｂであり、上面が第１の主面１２ａである。本実施形態では、四角錐状の複数の単位構造１３により本発明における周期的構造体部が構成されている。従って、周期的構造体部において、上記第１の主面１２ａと第２の主面１２ｂとを結ぶ方向を厚み方向としたとき、単位構造１３は、厚み方向面１４〜１７を有する。この厚み方向面１４〜１７は、上記四角錐の側面に相当する。

本実施形態においては、上記厚み方向面１４〜１７を有する単位構造１３が第１の主面１２ａの面方向において、周期的に配置されている。従って、第１の実施形態と同様に、電磁波を照射した場合、被測定物の保持の有無により、散乱された電磁波の周波数特性が変化する。よって、第１の実施形態と同様に被測定物を検出することができる。

また、本実施形態においても、周期的構造体部がベース部材１２に連ねられているため、機械的強度を充分に高めることができる。

さらに、本実施形態の検出用構造体１１においては、ベース部材１２を成膜した後に、各単位構造１３を構成している四角錐状部分を形成することにより、検出用構造体１１を容易に得ることができる。また、上記ベース部材１２を形成した後に、単位構造１３をベース部材１２の第１の主面１２ａに接合することにより、検出用構造体１１を形成してもよい。従って、製造工程の煩雑さを招くことなく、安価に検出用構造体１１を提供することができる。

図６は、本実施形態の検出用構造体１１を用い、１０ＴＨｚ〜６０ＴＨｚの電磁波を照射した場合の反射された電磁波の周波数特性を示す。

なお、図６の周波数特性は、単位構造１３を以下の寸法で構成した場合の結果である。

単位構造１３の高さＨ＝９μｍ、単位構造１３の幅Ｗ＝７μｍ、四角錐状部分の底部の寸法Ｙ１＝Ｚ１＝５．４μｍ。

図６から明らかなように、４２．４０２ＴＨｚ付近に、共振によるディップ波形が現れていることがわかる。被測定物が保持されると、この共振現象が変化し、ディップ波形の周波数位置及び強度が変化する。従って、被測定物を測定することができる。

この構造の場合、電界強度は、上記四角錐形状の外側の部分において、上記四角錐台状の形状の頂点から上記厚み方向面である四角錐形状の側面の中間位置に至る部分で高くなる。

上記第１及び第２の実施形態では、それぞれ、角錐台状の凹部２や角錐台状の突出部を有するように単位構造が構成されていた。しかしながら、本発明の検出用構造体における単位構造の形状はこれらに限定されるものではない。図７〜図１０に示す第３〜第６の実施形態の検出用構造体は、このような単位構造の形状が異なる例を示す。

図７に示す第３の実施形態の検出用構造体３１では、周期的構造体部の単位構造は、直方体状の突出部３２を有する。すなわち、直方体状の突出部３２は、上記厚み方向に沿う第１〜第４の側面３３〜３６を有する。その他の構造は第２の実施形態の検出用構造体１１と同様である。すなわち、本実施形態においても、ベース部材１２上に、上記突出部３２を有する複数の単位構造がマトリクス状に配置されている。

図８に示す第４の実施形態の検出用構造体４１では、複数のストリップ状の突出部４２が互いに平行に配置されており、それによって周期的構造体部が構成されている。ここでは、側面４３〜４６が厚み方向面である。このように、単位構造を構成している突出部は、細長いストリップ状の平面形状を有していてもよい。そして、複数の単位構造は、このように互いに平行に配置されていてもよい。

図９に示す第５の実施形態の検出用構造体５１では、ベース部材１２上に、周期的構造体部５２が積層されている。周期的構造体部５２は、矩形板状の形状を有する。そして、矩形の開口部を有する貫通孔５２ａがマトリクス状に配置されている。この場合、貫通孔５２ａの４つの側面が第１〜第４の厚み方向面５３〜５６を構成している。

本実施形態においても、上記複数の厚み方向面を有する単位構造が周期的に配置されている。従って、電磁波を照射した場合、被測定物の有無による散乱された電磁波の周波数特性の変化により、被測定物を検出することができる。

本実施形態においても、ベース部材１２上に、上記貫通孔５２ａがマトリクス状に配置された周期的構造体部をフォトリソグラフィー法などにより容易に形成することができる。従って、機械的強度に優れており、かつ安価な検出用構造体５１を提供することができる。

図１０に示す第６の実施形態に係る検出用構造体６１では、周期的構造体部６２がベース部材１２に積層されている。周期的構造体部６２では、貫通孔６２ａを有する単位構造がマトリクス状に配置されている。ここでは、貫通孔６２ａは、外表面６１ａから、ベース部材１２の第１の主面１２ａに向かってその面積が小さくなる角錐台の形状とされている。また、内側面６３〜６６が厚み方向面である。本実施形態においても、ベース部材１２により周期的構造体部６２が補強されている。従って、機械的強度を充分に高め得る。

また、本実施形態の検出用構造体６１もまた、薄膜形成法や、エッチング法などの成膜方法を用いて容易に製造することができる。従って、製造工程の煩雑さを招き難い。また、検出用構造体６１では、低コスト化を進めることもできる。

本発明に係る検出用構造体における周期的構造体部は第１〜第６の実施形態の構造に限定されるものではなく、適宜変形することができる。

例えば、図１１は、第１の実施形態に係る検出用構造体１の変形例を示す斜視図である。本変形例では、矢印Ａで示す部分において、凹部２が設けられていない。すなわち、複数の凹部２がマトリクス状に配置されている構造において、一部に凹部２が設けられていない部分が存在していてもよい。

図１２は、第３の実施形態に係る検出用構造体３１の変形例を示す斜視図である。図１２では、矢印Ｂで示す部分において、突出部３２が設けられていない。すなわち、複数の突出部３２がマトリクス状に配置されている構造において、一部の部分において突出部が欠損していてもよい。

図１１及び図１２に示した各変形例から明らかなように、本発明においては、周期的に配置されている単位構造のうち一部の単位構造が欠落していてもよい。

図１３は、第１の実施形態に係る検出用構造体１の他の変形例を示す斜視図である。図１３では、矢印Ｃで示す部分において、隣接する３つの凹部２がつながっている。このように、複数の凹部２がマトリクス状に配置されている構造において、一部の部分において、凹部２がつながっていてもよい。

図１４は、第３の実施形態に係る検出用構造体の他の変形例を示す斜視図である。ここでは、矢印Ｄで示す部分において、複数の突出部３２がつながっている。このように、複数の突出部３２が一部でつながっていてもよい。

図１３及び図１４に示す各変形例から明らかなように、本発明においては、周期的に配置された単位構造において、一部の複数の単位構造がつながっていてもよい。

図１５は、第１の実施形態に係る検出用構造体１のさらに他の変形例を示す斜視図である。図１５の矢印Ｅで示す部分において、隣り合う凹部２が、連結凹部２Ａを介して連なっている。このように、凹部２が、隣の凹部２と、凹部２よりも幅の狭い連結凹部２Ａを介してつながっていてもよい。

図１６は、第３の実施形態に係る検出用構造体３１のさらに他の変形例を示す斜視図である。図１６では、矢印Ｆで示す部分において、突出部３２が隣の突出部３２と、突出部３２よりも幅の狭い突出部３２Ａによりつながっている。

図１５及び図１６に示したように、本発明においては、周期的に配置されている単位構造同士が、該単位構造と異なる形状の連結部分により連結されていてもよい。

図１及び図７に示した検出用構造体１，３１の変形例を図１１〜図１６に示したが、他の実施形態の検出用構造体について同様に変形することができる。

上述した第１〜第６の実施形態から明らかなように、本発明においては、上記厚み方向面としては、第１の主面と第２の主面とを結ぶ方向である厚み方向に沿う面に限らず、厚み方向に対して斜め方向に傾斜している面をも広く含むものとする。さらに、上記周期的に配置される単位構造は、上記厚み方向面を有する単位構造であればよく、厚み方向面は凹部の内側面で形成されてもよく、突出部の外側面で形成されてもよい。

さらに、上述したように、ベース部と周期的配置構造体部とは一体に同じ材料で構成されてもよく、別部材で構成されてもよい。同じ材料で一体に構成されている場合には、材料の種類を少なくすることができ、かつ製造工程のより一層の簡略化を果たすことができる。

１…検出用構造体
１Ａ…ベース部
１Ｂ…周期的構造体部
１ａ，１ｂ…第１，第２の主面
１ｃ…外表面
２…凹部
３〜６…厚み方向面
７…底部
１１…検出用構造体
１２…ベース部材
１２ａ，１２ｂ…第１，第２の主面
１３…単位構造
１４〜１７…厚み方向面
３１…検出用構造体
３２…突出部
３３〜３６…第１〜第４の側面
４１…検出用構造体
４２…突出部
４３〜４６…側面
５１…検出用構造体
５２…周期的構造体部
５２ａ…貫通孔
５３〜５６…厚み方向面
６１…検出用構造体
６１ａ…外表面
６２…周期的構造体部
６２ａ…貫通孔
６３〜６６…内側面

Claims (8)

1. 電磁波が照射された場合の被測定物の保持の有無による共振特性の変化を検出して被測定物を検出する方法に用いられる検出用構造体であって、
   厚み方向に対向する第１及び第２の主面を有する板状のベース部と、前記ベース部の第１の主面に設けられている周期的構造体部とを備え、
   前記周期的構造体部は、前記ベース部の第１の主面の面方向において周期的に配置されている単位構造を有し、該単位構造は、前記厚み方向または該厚み方向に対して斜め方向に交差する方向に延びる厚み方向面を有する、検出用構造体。
2. 前記周期的構造体部と、前記ベース部とが同じ材料により一体的に構成されている、請求項１に記載の検出用構造体。
3. 前記周期的構造体部と前記ベース部とが別部材からなる、請求項１に記載の検出用構造体。
4. 前記厚み方向面が前記単位構造において複数設けられており、該複数の面が、組み合わさって前記ベース部とは反対側に開いている１つの開口を形成しており、該開口に露出している底部が前記第１の主面により構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出用構造体。
5. 前記単位構造において、前記厚み方向面が複数設けられており、該複数の面が、前記ベース部とは反対側の端部において集合されており、該単位構造が、前記第１の主面から突出している形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出用構造体。
6. 前記単位構造における前記開口と前記底部とを有する形状が、前記ベース部とは反対側の面に向かって開いた凹部であり、該凹部が角錐台状である、請求項４に記載の検出用構造体。
7. 前記単位構造が、直方体状である、請求項５に記載の検出用構造体。
8. 前記ベース部が導体からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の検出用構造体。

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