JP2005028966A

JP2005028966A - サンドイッチパネル及び反射鏡

Info

Publication number: JP2005028966A
Application number: JP2003195125A
Authority: JP
Inventors: Steve Haan; スティーブハーン; Takeshi Ozaki; 毅志尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】低熱膨張率であり、且つ熱膨張に関する特性について等方性を有し、軽量で高剛性のサンドイッチパネルを提供する。
【解決手段】隣り合うセル間の壁厚が全て均一なハニカムコア２と、ハニカムコア２のセル開口面を上下から被覆し、その熱歪による応力を相殺する熱応力を発生する表皮板３とからサンドイッチパネル１を構成する。これにより、セル開口面に対して平行な全ての方向についての熱膨張率が０±１×１０^−７／℃の低膨張率を実現する。また、当該サンドイッチパネルの表皮板上に反射鏡面を形成して反射鏡を作成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙や地上で使用される望遠鏡の反射鏡背面構造や衛星構体などに使用するサンドイッチパネルに係り、特に熱膨張に関する特性について等方性を有し、且つ低熱膨張率のサンドイッチパネル及びこれを用いた反射鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の宇宙開発の進展に伴い、宇宙用等に使用される望遠鏡などの精密観測機器について高性能化が求められている。このため、精密観測機器内の支持構造や宇宙用望遠鏡の反射鏡背面構造などに用いるサンドイッチパネルに対して、軽量、高剛性及び低熱膨張などの要求が強まっている。
【０００３】
サンドイッチパネルは、２枚の表皮板とこれらに挟み込まれるように設けられるコア構造体とから構成される。コア構造体は、アルミニウムのような金属リボンから製造されるハニカムコア及び発泡剤によるフォームコアの２種類が主に用いられている。特に、宇宙用の望遠鏡には、非常に軽いというメリットを有する前者のハニカムコアが用いられる。
【０００４】
図８は、例えば非特許文献１に開示される従来のハニカムコアの構成方法を説明する図である。本コア構造体の製造方法としては、図に示すように、長さ方向（Ｌ−方向）に屏風状におられたリボン１００を垂直方向（Ｗ−方向）に複数並べ、Ｗ−方向に突出した面がそれぞれ対向するように配置する（図中、矢印で示す）。そして、各矢印の始点に当たるリボン１００の面を各矢印の終点に当たるリボン１００の面に接着剤１０１によって接着する。この工程を繰り返すことにより、ハニカムコア１０２が形成される。
【０００５】
このようにしてアルミニウムによるリボンから作成したハニカムコア１０２は、ＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ、炭素繊維強化プラスチック製）の表皮板によって上下から挟み込まれてサンドイッチパネルを構成する。上記非特許文献１には、リボンのＬ−及びＷ−方向の０〜５０℃における各方向の平均熱膨張率として１０^−７オーダーの値が得られ、方向により熱膨張に関する特性について異なる結果が得られた旨が開示されている。
【０００６】
また、このようなサンドイッチパネルの熱膨張特性の異方性については、例えば特許文献１にも報告がある。この文献によれば、衛星に搭載する光学機器用の光学架台などに使用するサンドイッチパネルのハニカムコアを、ＣＦＲＰのリボンを利用して作成することにより、１０^−７オーダーの低熱膨張率を実現している。しかしながら、この場合でも、パネル方向により熱膨張に関する特性が異なる旨の結果が得られている。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｓ．ＫＡＢＡＳＨＩＭＡａｎｄＴ．ＯＺＡＫＩ，”Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌｗｉｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｃｅｓｈｅｅｔｓ”，Ａｄｖ．Ｃｏｍｐｏｓ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ４，ｐｐ３８７−４００（２０００）．
【特許文献１】
特開２００３−８１１９９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサンドイッチパネルは、上述したように熱膨張に関する特性についてコア構造体が異方性を有しており、雰囲気の温度差による熱ひずみによって熱膨張率が大きい方向に反りや歪みを生じ易い。このため、従来のサンドイッチパネルでは、温度差の激しい過酷な環境で高精度の観測が望まれる次世代の宇宙用望遠鏡などの光学用途には使用することができないという課題があった。
【０００９】
一方、フォームコアの場合、熱膨張率を含む特性に異方性が認められない。しかしながら、発泡剤が密に充填されるフォームコアは、ハニカム構造によって軽量化されているハニカムコアと比べてかなり重く、宇宙用の望遠鏡等には適さない。
【００１０】
また、将来の光学構造においては、異方性の他にも熱膨張率自体に対する要求がより厳しくなってきており、現状より１桁程度低い値が望まれている。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、低熱膨張率であり、且つ熱膨張に関する特性について等方性（以下、等方と称す）を有したハニカムコアを用いて、宇宙用の望遠鏡等での使用に好適な軽量で高剛性のサンドイッチパネルを得ることを目的とする。
【００１２】
また、この発明は、パネル面内における熱膨張性が等方で、熱膨張率の値が０±１×１０^−７／℃の範囲内で極力ゼロに近いサンドイッチパネルを得ることを目的とする。
【００１３】
さらに、この発明は、熱膨張に関する特性について等方で、且つ低熱膨張率のサンドイッチパネルを用いた高性能の反射鏡を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るサンドイッチパネルは、管状のセルを複数束ねてなり、隣り合うセル間の壁厚が全て均一なコア構造体と、コア構造体のセル開口面を被覆する表皮板とを備えるものである。
【００１５】
この発明に係る反射鏡は、上記サンドイッチパネルの表皮板上に反射鏡面を形成して構成されるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
上述したサンドイッチパネルおける熱膨張に関する特性の異方性について、発明者がその要因を解析・検討した。この結果、当該異方性は、図８に示すように、屏風状に折ったリボン１００を逐次貼り合わせるため、ハニカムコア１０２を構成する各セル壁の厚さが接着に係る面と接着に係わらない面とで異なることに主に起因することを見出した。
【００１７】
そこで、本発明では、各セル間の壁厚が均一なハニカムコアを構成する。
図１はこの発明の実施の形態１によるサンドイッチパネルの断面図であり、図２は図１のサンドイッチパネルを構成するハニカムコアを示す斜視図である。本サンドイッチパネル１のハニカムコア（コア構造体）２は、例えば図２に示すように、個々に作成したセル５を複数束ね、各セル５の全ての外周面を接着面として接合して構成される。つまり、隣り合うセル５間の全ての面を接合面として接合する。このようにすることで、図２中のＡ−Ａ線での断面図である図３に示すように、隣り合うセル５のセル壁７間に接着剤６が介在する均一な壁厚のハニカムコア２を作成することができる。
【００１８】
さらに、このハニカムコア２には、図１中に拡大して示すように、そのセルの開口面を被覆するように接着剤４によって上下２枚の表皮板３が接合される。これにより、サンドイッチパネル１が構成される。これら表皮板３は、面内の各方向の熱膨張に関する特性が等方であり、且つ、パネル１全体での熱膨張率が極力ゼロに近くなるようにハニカムコア２との熱歪（温度変化による面内方向の伸び縮みと面外変形）が釣り合うように選定される。
【００１９】
ここで、熱歪が釣り合うということは、表皮板３に熱歪を生じさせる熱応力がハニカムコア２に熱歪を生じさせる熱応力を相殺してサンドイッチパネル１全体として熱歪が生じないことを意味する。以下に、本実施の形態によるサンドイッチパネルの実施例を説明する。
【００２０】
実施例１−１．
本実施例では、ハニカムコア２における個々のセル５として、六角形断面を有するアルミニウム製の管状の押し出し品を用いる（図２のセル５参照）。この押し出し品を複数個束ね、各押し出し品の全ての外周面を接着面として接着剤６により接合することでハニカムコア２を構成する。また、接着剤６としては、ＦＭ−９６Ｕ（Ｃｙｔｅｃ社製）を用いた。このように構成することで、図３に示すように、ハニカムコア２の全てのセル５間が均一な壁厚となる。これにより、ハニカムコア２の面内（表皮面３に平行な面内）の各方向における熱膨張に関する特性が等しくなる。
【００２１】
また、表皮板３は、炭素繊維Ｋ１３Ａ（三菱化学製）及びエポキシ樹脂９３４（Ｆｉｂｅｒｉｔｅ社製）からなるＣＦＲＰ材を等方配向して作成する。この表皮板３は、ハニカムコア２の上下用に２枚用意し、コア２の上下を挟み込むように、即ちセルの開口面を被覆するように接着される。ここで、接着剤４としては、ＦＭ−９６Ｕ（Ｃｙｔｅｃ社製）を用いた。また、表皮板３は、パネル１全体での熱膨張率が極力ゼロに近くなるように、ハニカムコア２との熱歪が釣り合うよう構成の変更などを加えて最終品を選定する。
【００２２】
具体的には、ハニカムコア２及び表皮板３に対して非特許文献１に示すような熱歪解析を実施して、両者の熱歪の釣り合い状態を仮選定する。このあと、サンドイッチパネル１について熱膨張に関する特性の評価試験を実施する。このとき、評価結果が許容範囲になかった場合、表皮板３の材料（炭素繊維又はエポキシ樹脂）を変更する他、炭素繊維とエポキシ樹脂の比率を変更したり、炭素繊維とエポキシ樹脂による積層構成を変更する。このような変更を実施したパネル１のうち、上記評価試験により高精度に低熱膨張率が確認されたもの（熱膨張率が極力ゼロになったもの）を最終的に選定する。
【００２３】
このようにして試作したサンドイッチパネル１について、図８に示したＬ−及びＷ−方向での熱膨張率を測定したところ、両方向ともに熱膨張率が−３．６×１０^−７／℃であった。一方、非特許文献１で示した屏風状に折ったアルミニウム製リボンからなるコア１０２を有するパネルでは、Ｌ−方向における熱膨張率が−２．９×１０^−７／℃、Ｗ−方向の熱膨張率が−３．７×１０^−７／℃であり、面内で熱膨張に関して異方性を示している。
【００２４】
なお、上記実施例では、アルミニウムにてハニカムコア２を作成したが、他の軽量金属材料を用いてもよい。また、表皮板３をＣＦＲＰにて作成したが、Ｃ−Ｃ（炭素繊維強化炭素）を用いてもよい。さらに、ハニカムコア２と表皮板３とを接着剤４により接合したが、接着剤を使用せず、半硬化状態のＣＦＲＰをハニカムコア２に貼り合わせて硬化、接合させたものを表皮板３としてもよい。
【００２５】
また、上記実施例では、ハニカムコア２のセル５としてアルミニウムの押し出し品を用いたが、板金を折り曲げて閉じた管状構成物を用いてもよい。また、六角形断面の代わりに、三角形、四角形等の断面の管状品を用いてもよい。
【００２６】
実施例１−２．
図４は実施の形態１によるサンドイッチパネルの他の構造を示す断面図であり、図５は図４のサンドイッチパネルを構成するハニカムコアの作成方法を説明するための斜視図である。本サンドイッチパネル８のハニカムコア９は、例えば図５に示すように、個々に作成したセル１３を複数束ね、各セル１３の全ての外周面を接着面として接合して構成される。このとき、本実施例では、セル１３間の接合に接着剤を使用せず、セル１３の構成材で直接接合する。このようにすることで、図５中のＢ−Ｂ線での断面図である図６に示すように、隣り合うセル壁１４の和からなる均一な壁厚のハニカムコア９を作成することができる。
【００２７】
さらに、このハニカムコア９は、図４中に拡大して示すように、接着剤１１によって上下２枚の表皮板１０がセル１３の開口面を被覆するように接合される。これにより、サンドイッチパネル８が構成される。これら表皮板１０は、面内の各方向の熱膨張に関する特性が等方であり、且つ、パネル８全体での熱膨張率が極力ゼロに近くなるようにハニカムコア９の熱歪と自己の熱歪が釣り合うよう選定される。
【００２８】
本実施例では、ハニカムコア９を炭素繊維ＸＮ５０（ＮｉｐｐｏｎＧｒａｐｈｉｔｅＦｉｂｅｒ社製）とシアネートエステル樹脂ＥＸ１５１５（ＢｒｙｔｅＴｅｃｈｏｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）からなるＣＦＲＰ材１３ａで構成する。その製造方法としては、図５に示すように、六角形断面の成形型１２に半硬化状態の帯状のＣＦＲＰ材１３ａを１つずつ巻いたものをセル１３として用い、これらを複数個束ねて硬化させる。このあと、各セル１３についての成形型１２をそれぞれ抜き取る。このようにして、図６に示すように、コア９の全てのセル１３間を均一な壁厚に構成する。これにより、コア２の面内（表皮板１０に平行な面内）の各方向における熱膨張に関する特性が等しくなる。
【００２９】
また、表皮板１０は、炭素繊維Ｍ６０Ｊ（東レ製）及びシアネートエステル樹脂ＥＸ１５１５（ＢｒｙｔｅＴｅｃｈｏｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）からなるＣＦＲＰ材を等方配向して作成する。この表皮板１０は、ハニカムコア９の上下用に２枚用意し、コア９の上下を挟み込むように、即ちセル１３の開口面を被覆するように接着される。ここで、接着剤１１としては、ＲＥＤＵＸ３１２ＵＬ（ＨＥＸＣＥＬ社製）を用いた。また、表皮板１０は、パネル８全体での熱膨張率が極力ゼロに近くなるように、その熱歪とハニカムコア９の熱歪とが釣り合うよう構成の変更などを加えて最終品を選定する。具体的には、上記実施例１−１と同様の方法で選定する。
【００３０】
サンドイッチパネル８について、図８に示したＬ−及びＷ−方向での熱膨張率を測定したところ、両方向ともに熱膨張率が４．７×１０^−８／℃であった。一方、下記参考文献に示した屏風状に折ったＣＦＲＰ材製リボンからなるコアを有するパネルでは、Ｌ−方向の熱膨張率が４．３×１０^−８／℃、Ｗ−方向の熱膨張率が１６．９×１０^−８／℃であり、面内で熱膨張に関して異方性を示している。
参考文献；Ｓ．ＨａｈｎａｎｄＴ．ＯＺＡＫＩ， ”ＰｒｅｃｉｓｅｚｅｒｏＣＴＥｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｏｐｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，２００２ＳＡＭＰＥＳｙｍｐｏｓｉｕｍ＆Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ．
【００３１】
以上のように、熱膨張率が比較的大きいアルミニウムなどの軽金属材料をコア材とせず、炭素繊維ＸＮ５０とシアネートエステル樹脂とからなる熱膨張率が小さいＣＦＲＰ材１３ａにてコア９を構成することで、コア９のセル壁厚の均一化によりサンドイッチパネル８の面内各方向での熱膨張率の値を０±１×１０^−７／℃の範囲内にすることができた。
【００３２】
なお、上記実施例では、炭素繊維ＸＮ５０とシアネートエステル樹脂ＥＸ１５１５からなるＣＦＲＰ材１３ａにてハニカムコア９を作成したが、Ｃ−Ｃ（炭素繊維強化炭素）や炭素繊維強化セラミックス（ＣＦＲＣ；ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ）等を用いてもよい。また、ハニカムコア９と表皮板１０をＣ−ＣやＣＦＲＣで作成した場合、これらの接合に使用する接着剤も含めて炭素化、セラミックス化させることも可能である。さらに、ハニカムコア９と表皮板１０との接合に接着剤１１を使用せず、半硬化状態のＣＦＲＰをハニカムコア９に貼り合わせて硬化、接合させたものを表皮板１０としてもよい。
【００３３】
また、上記実施例では、半硬化状態のＣＦＲＰ材１３ａを六角形断面の成形型１２に１つずつ巻いたものをコア９の構成要素として用いたが、これに限られるものではない。例えば、炭素繊維からなる織物や編物を成形型に巻いたものを束ねて、これらに母材樹脂を含浸してコア９を作成しても良い。また、成形型１２で炭素繊維の織物等と樹脂により個々のセルを形成してから複数個を束ねて接着剤で装着してもよい。さらに、六角形断面の代わりに、三角形や四角形等の断面の成形型を用いてもよい。
【００３４】
以上のように、この実施の形態１によれば、ハニカム構造を有するコア２について、その各セル５間の壁厚を均一に構成したので、軽量化することができると共に、熱膨張に関する特性を面内で等方にすることができる。また、表皮板３をコア２との熱歪が釣り合うように選定することで、サンドイッチパネル１全体として等方的に熱膨張率を極力ゼロに近づけることができる。これにより、従来では実現できなかった等方、且つ低熱膨張率のサンドイッチパネル１を提供することができる。
【００３５】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による反射鏡の構成を示す断面図である。反射鏡１９は、上記実施の形態１と同様にセル壁厚を均一にしたサンドイッチパネル１５を背面構造に使用している。光学反射面は、金属層（反射鏡面）１６により表皮板１７の表面を被覆して構成する。反射鏡１９の背面構造となるサンドイッチパネル１５は、上記実施の形態１と同様にしてコア１８との熱歪が釣り合うように表皮板１７を選定して等方配向させる。
以下に本実施の形態による反射鏡の実施例を説明する。
【００３６】
実施例２−１．
表皮板１７及びハニカムコア１８はともに炭素母材に炭素繊維Ｔ３００（東レ製）を強化材として取り入れたＣ−Ｃ（炭素繊維強化炭素）材料を使用し、上記実施の形態１と同様にして等方、且つ低熱膨張のサンドイッチパネル１５を作成した。表皮板１７は、コア１８との熱歪が釣り合うように等方配向させた。また、光学反射面は、ニッケルメッキ層を金属層１６として表皮板１７の表面に被覆して形成した。これにより、直径４ｍの高性能反射鏡１９に仕上げた。
【００３７】
このように試作した反射鏡１９について、図８に示したＬ−及びＷ−方向での熱膨張率を測定したところＬ−及びＷ−方向ともに２．７×１０^−８／℃であり、面内各方向における熱膨張率の値が０±１×１０^−７／℃の範囲内であった。これは、従来のゼロ熱膨張ガラスと同等の値である。ゼロ膨張ガラスは、ガラスの結晶化度合の制御によりある温度範囲で上記のような低熱膨張率の実現が可能な材料である。しかしながら、比較的重く、軽量化が望まれる宇宙用光学機器用途には適さない。
【００３８】
具体的には、ゼロ熱膨張ガラスで製造した直径４ｍの反射鏡は、熱膨張に関する特性が等方であるものの、重量が２０００ｋｇ以上となる。このため、軽量性が求められる宇宙望遠鏡用等の反射鏡には適さない。一方、上記実施例による反射鏡１９の重量は、宇宙用等に十分使用可能な３３０ｋｇであり、大幅に軽量化されている。
【００３９】
以上のように、この実施の形態２によれば、熱膨張に関する特性が等方であり、且つ低熱膨張率のサンドイッチパネル１５を反射鏡１９の背面構造に使用したので、軽量、低熱歪や高剛性などの特徴を備えた高性能反射鏡を実現することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、管状のセルを複数束ねてなり、隣り合うセル間の壁厚が全て均一なコア構造体と、コア構造体のセル開口面を被覆する表皮板とを備えたので、熱膨張に関する特性についてセル開口面に平行な全ての方向で等方性を有し、軽量で高剛性のサンドイッチパネルを得ることができるという効果がある。また、このサンドイッチパネルを反射鏡の背面構造に利用することで、軽量、低熱歪、高剛性などの特徴を備えた高性能な反射鏡を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるサンドイッチパネルの断面図である。
【図２】図１のサンドイッチパネルを構成するハニカムコアを示す斜視図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線での断面図である。
【図４】実施の形態１によるサンドイッチパネルの他の構造を示す断面図である。
【図５】図４のサンドイッチパネルを構成するハニカムコアの作成方法を説明するための斜視図である。
【図６】図５中のＢ−Ｂ線での断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２による反射鏡の断面図である。
【図８】従来のハニカムコアの構成方法を説明する図である。
【符号の説明】
１，８，１５サンドイッチパネル、２，９，１８ハニカムコア（コア構造体）、３，１０，１７表皮板、４，６，１１接着剤、５，１３セル、７，１４セル壁、１２成形型、１３ａＣＦＲＰ材、１６金属層、１９反射鏡。

Claims

管状のセルを複数束ねてなり、隣り合うセル間の壁厚が全て均一なコア構造体と、上記コア構造体のセル開口面を被覆する表皮板とを備えたサンドイッチパネル。
セル開口面に対して平行な全ての方向についての熱膨張率が０±１×１０^−７／℃であることを特徴とする請求項１記載のサンドイッチパネル。
管状のセルを複数束ねてなり、隣り合うセル間の壁厚が全て均一なコア構造体と、上記コア構造体のセル開口面を被覆する表皮板とを有するサンドイッチパネルを備え、上記サンドイッチパネルの表皮板上に反射鏡面を形成してなる反射鏡。