JP2005511318A

JP2005511318A - 彎曲表面、特にリフレクタおよびその形成方法

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Publication number: JP2005511318A
Application number: JP2003552469A
Authority: JP
Inventors: ジョン、キース、オルフォード; ローリー、ジョン、トーマス、マッコム; メアリー、ポーラ、シャドウィック; ルイス、ジョン、オズボーン; マーク、ステファン、ラナー
Original assignee: University of Durham
Current assignee: University of Durham
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2005-04-28
Also published as: EP1455967B1; GB0130141D0; EP1455967B9; US20050037224A1; ES2265063T3; DE60211551D1; DE60211551T2; PL368903A1; ATE326298T1; WO2003051554A1; EP1455967A1; AU2002361446A1

Abstract

【解決手段】曲面、特に天体望遠鏡や太陽エネルギ集中器などに用いられる凹面ミラー要素などのリフレクタ、およびそのような表面を形成する方法。要求される曲面と曲率が反対である曲面を有するモールド２０を設け、モールド２０の曲面に真空を作用することにより柔軟で平坦な部材１４を変形させてモールドの曲面と一致させ、真空を作用したままで、構造的に剛体であるベース部材１２の前面を平坦で柔軟な部材の反対の表面に接合することにより、曲面を有する剛体を形成する。ベース部材１２には、外周ケーシング部材１６、１８を接合することができる。ベース部材１２は、アルミニウムやアルミニウム合金製のハニカム材料などの剛性が高く低密度な材料で形成される。柔軟なリフレクタ部材は、陽極酸化皮膜処理アルミニウムやアルミニウム合金層などの薄い金属層から構成ででき、ケーシング部材もアルミニウムやアルミニウム合金により構成できる。

Description

本発明は、彎曲表面、特に、天体望遠鏡や太陽エネルギ集中器などに用いられる凹面ミラー要素などのリフレクタ、およびそのような表面を形成する方法に関する。

本発明は、光学的リフレクタだけでなく、遠隔通信で使用されるマイクロ波リフレクタなどの種々の目的のための彎曲した電磁放射線リフレクタ、および高精度に形成された彎曲表面が必要とされる非反射表面にも適用可能である。

天体望遠鏡用の従来の曲面ミラー要素は、典型的には、固体ガラスまたはアルミニウムを加工することで製作される。これは高価であり、得られるミラー要素は比較的重い。非常に大型の望遠鏡用の従来のミラー（例えば、ガンマー線天文学で必要とされる、直径が７ｍオーダのもの）は、分割体のアレーとして組み立てる必要がある。なぜなら、従来の技術では、そのような大型のミラーを一体物として製作することは実用的でないからである。そのようなミラーは、軽量、安価で、かつ頑丈であることが望まれる。従来のミラーはこれら全ての点において不満足なものであった。

米国特許第５５６４０６６号明細書に例示されているように、複合材料などを用いてミラー／リフレクタを製造することが提案されている。しかしながら、種々の理由で実用上満足できるものはなかった。

本発明は、その第１の態様において、曲面を有する剛体を形成する方法を提供する。この方法は、曲面を有する剛体の形成方法において、要求される曲面の曲率と反対の曲率を有するモールドを設け、前記モールドの曲面と通じる真空源を設け、要求曲面を形成するための柔軟で平坦な部材を前記モールドの逆方向に彎曲した面に載置し、前記真空源を駆動して前記平坦部材と前記モールドの間の空間を排気することにより平坦部材をモールドの曲面に隙間なく適合させ、前記真空源の駆動を継続しながら、構造的に剛体であるベース部材の前面を前記平坦部材が前記モールドと接している面と反対側の露出面に接合することを有している。

前記ベース部材を前記平坦部材に接合する際に用いた任意の接合剤が一旦硬化したら、真空源の駆動を停止させることができる。

本発明の方法は、さらに、少なくとも１個の外周ケーシング部材をベース部材の外周面に接合することと、少なくとも１個の平坦なケーシング部材をベース部材の背面に接合することとを有するのが好ましい。この接合は、ベース部材がモールドに載置されている状態で行なうのが好ましく、真空源の運転中に行なうのが最も好ましい。

本発明の方法によって形成された剛体は、通常、平面視では円形であるが、部分円形セグメント、六角形や八角形などの幾何学的形状（多角形）、多角形の一部である三角セグメントなど他の形状とすることができる。

曲面は、通常、少なくとも部分的には凹面であり、また少なくとも部分的には凸面とすることができる。これは、凹面と凸面の両方を含む複合形状あるいは不規則な形状を有する表面を有する。

ベース部材は、剛性が高く低密度な材料により形成されるのが好ましく、この材料としてはハニカム材料が好ましく、アルミニウム製ハニカム材料あるいはアルミニウム合金製ハニカム材料が最も好ましい。

本発明の方法によって形成される剛体は、リフレクタとすることができる。

柔軟な平坦部材は、反射部材であることが好ましく、この反射部材は薄い金属層を有するのが好ましく、さらに好ましくは薄いアルミニウム製あるいはアルミニウム合金製の層を有し、最も好ましくは、陽極酸化皮膜処理されさらにコーティングされたアルミニウム層を有する。

ケーシング部材も同様に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金により形成するのが好ましい。

本発明は、その第２の態様において、曲面を有する剛体を提供する。この剛体は、ほぼ平坦で柔軟な部材を有し、この部材は要求される曲率に真空成形され、構造的に剛体であるベース部材の表面に接合される。

剛体の好ましい特徴と特性は、本発明の第１の態様に関して前述したとおりである。

つぎに、特定の彎曲リフレクタに関する本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明するが、これは単に例示的なものである。

図面を参照すると、円形彎曲リフレクタ１０は、ベース部材１２と、反射部材１４と、外周（環状、リング状）ケーシング部材１６と、平坦ケーシング部材１８とを有している。前記ベース部材１２は、ほぼ平坦な背面と、前記反射部材１４に隣接する前面と、環状の外周面とを有している。前記ベース部材１２の前面は、反射面に要求される曲率とほぼ一致するように形成される（特に、曲率が比較的大きい場合）か、あるいは、実質的に平坦にされる（特に、曲率が比較的小さい場合）であろう。

前記反射部材１４は、反射材料の薄く柔軟な層を有しており、前記ベース部材１２の前面に接合される。前記反射部材１４に要求される曲率は、反射部材１４をモールド２０の上に真空成形することにより得られる。この成形は、以下により詳細に説明するように、前記ベース部材１２の前面を前記反射部材１４に接合する前に行なわれる。

前記両ケーシング部材１６，１８は、前記ベース部材１２の残る外面に接合される（なお、前記環状ケーシング部材１６は、前記反射部材１４の外周にも接合される）。

リフレクタが良好な熱安定性を示すためには、その全ての構成要素が、同一あるいは類似の材料で形成されるか、類似の熱的性質を有する材料で形成されるのが好ましい。また、リフレクタの重量はできるだけ軽くすることが望ましい。このため、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が、前記ベース部材１２、前記反射部材１４および前記ケーシング部材１６，１８用の好ましい材料である。また、これらの構成要素は、（例えば航空産業においては良く知られているように）アルミニウムと同様な熱的性質を有するエポキシ材料を用いて互いに接合される。

前記ベース部材１２は、好ましくは、航空機の構造材に用いられているものなどの剛体アルミニウム製のハニカム材料から形成されている。ハニカムセルのサイズは、反射部材をハニカムセルに接合したときに、反射面に問題となりうる平坦部が多数形成されるのを防ぐため、十分に小さいものであるべきである。前記反射部材１４は、好ましくは、陽極酸化皮膜処理アルミニウム、最も好ましくは陽極酸化皮膜処理されさらにコーティングされたアルミニウム（例えば、陽極酸化皮膜処理後に、ＴｉＯ_２や石英でコーティングされたアルミニウム）の薄い層により構成されている。前記反射部材１４の厚さは、モールド２０の表面に適合するように真空により変形できなければならないという条件と、平坦部の形成防止という要求（これは前記ベース部材１２のハニカムセルのサイズに依存する）によって決まる。一方、リフレクタ表面に要求される精密度は、リフレクタの用途に依存する。すなわち、反射層の厚さとハニカムセルのサイズは相互に依存し、また、リフレクタ表面に要求される精密度に依存する。天体望遠鏡のミラーに用いられる高精度の表面の場合、ハニカムセルサイズが６．３５ｍｍ（０．２５インチ）オーダーであるベース部材１２を用いるときは、前記反射部材１４の厚さは０．８ｍｍのオーダーが好適であろう。一般に、前記反射部材１４の厚さは、０．５〜２ｍｍの範囲であろう。アルミニウム製ハニカム材料の好適な例は、３００３アルミニウム（セルサイズ６．３５ｍｍ（０．２５インチ）、箔厚０．０３８ｍｍ（０．００１５インチ）、公称密度５４．５ｋｇ／ｍ^３（３．４ポンド／ｆｔ^３）、厚さ２５ｍｍ（リフレクタのサイズによる））である。

前記反射部材１４を前記ベース部材１２と組合せることによって、良好な剛性が得られる。両ケーシング部材１６，１８とを設けた主な目的は、構造的完全性を高めること、前記ベース部材１２のハニカムへの水分などの侵入を防ぐこと、他の機械的付属品の取り付けを容易にすること、使用者がハニカム材料の鋭利な縁部に接触することを防ぐことである。ケーシング部材としてのケーシングリング１６は、厚さが２ｍｍオーダーで、接合したベースの厚さに対応した深さを有していることが適切であろう。ケーシング部材としての背面ケーシングプレート１８の厚さは、２ｍｍオーダーが適切である。

リフレクタは、つぎのように組立てられる。

前記モールド２０は、各種の既知の技法のいずれかによって形成され、必要とされるリフレクタ表面と相補的な精密曲面を有する。少なくとも１個の真空ポート２２が前記モールド２０を貫通して延びて精密曲面に通じ、かつ真空源（図示せず）に接続されている。前記反射部材１４は、前記モールド２０の上に載置され、Ｏリングなどのシール部材２４によって前記モールド２０に対してシールされる。図１においては、前記モールド２０の曲率は誇張して示されている。前記反射部材１４は十分な可塑性を有し、この反射部材１４を前記モールド２０上に載置しただけで、前記モールド２０の周縁に沿う前記シール部材２４と接触する（必要ならば、前記反射部材１４、前記シール部材２４および前記モールド２０の間でシールを確立するために、前記反射部材１４の周縁に沿って加圧することも可能である）。

真空源を駆動し、前記モールド２０と前記反射部材１４の間の空間から排気すると、前記反射部材１４が変形し、前記モールド２０の曲面に隙間なく適合する。

前記モールド２０の表面には１本以上の溝（図示せず）を設けることができ、これらの溝は、前記モールド２０と前記反射部材１４の間の空気が迅速かつ均一に排気されるのを助ける。これらの溝の寸法は、前記反射部材１４が望ましくない変形をしない程度に十分小さくする。前記反射部材１４を前記モールド２０の表面に適合させるのに好ましい変形は、塑性変形および弾性変形の少なくとも一方を含んでもよく、これは、前記反射部材１４の材料および曲率の少なくとも一方によることが理解されよう。

真空を維持している間に、前記ベース部材１２の前面が反射部材１４の裏面に接合される。接合剤が硬化した後に、真空が解除される。必要であれば、反射表面の要求形状にほぼ適合させるようにハニカム状とされている前記ベース部材１２の前面を（例えば、押しつぶすことによって）予備形成することができる。必要とされる曲率が小さい場合には、前記ベース部材１２の前面は実質的に平坦とすることができ、接合剤の厚さを変えることによって前記反射部材１４の曲率に適合させることができる。

前記反射部材１４は、最初に前記モールド２０上に載置する際にはベース部材１２よりも若干大きなサイズとし、その後トリミングされる。

前記両ケーシング部材１６，１８は、前記ベース部材１２と前記反射部材１４が前記モールド２０上に載置されている状態で、かつ真空源を運転している間に接着するのが好ましい。接合剤が硬化するまでの間は、少なくともアセンブリの背面に圧力を加え、前記ベース部材１２、接合剤および前記反射部材１４の間の良好な接触を確保することが好ましい。

全ての構成要素用の材料は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が好ましいが、リフレクタの用途によってはカーボンファイバなどの他の材料も用いることができる。

前記モールド２０の表面は、リフレクタ表面に後処理を施す必要がなくなるように十分に高精度に形成することができる。必要であれば、リフレクタ表面に仕上げ研磨およびコーティングの少なくとも一方を施すことができる。

本発明の範囲から逸脱することなく改良や修正を加えることができる。

本発明によるリフレクタを形成する方法の実施形態を示す概略側面断面図図１のモールドの平面図

符号の説明

１０リフレクタ
１２ベース部材
１４反射部材
１６，１８ケーシング部材
２０モールド
２２真空ポート

Claims

曲面を有する剛体の形成方法において、
要求される曲面の曲率と反対の曲率を有するモールドを設け、
前記モールドの曲面と通じる真空源を設け、
要求曲面を形成するための柔軟で平坦な部材を前記モールドの逆方向に彎曲した面に載置し、
前記真空源を駆動して前記平坦部材と前記モールドの間の空間を排気することにより平坦部材をモールドの曲面に隙間なく適合させ、
前記真空源の駆動を継続しながら、構造的に剛体であるベース部材の前面を前記平坦部材が前記モールドと接している面と反対側の露出面に接合すること
を有する曲面を有する剛体の形成方法。
前記ベース部材を前記平坦部材に接合する際に用いた接合剤が硬化した後、前記真空源の駆動を停止させることをさらに有する請求項１に記載の方法。
少なくとも１個の外周ケーシング部材を前記ベース部材の外周面に接合すること、および、少なくとも１個の平坦なケーシング部材を前記ベース部材の背面に接合すること、の少なくとも一方をさらに有する請求項１または請求項２に記載の方法。
少なくとも１個の前記外周ケーシング部材を前記ベース部材の外周面に接合すること、および、少なくとも１個の平坦な前記ケーシング部材を前記ベース部材の背面に接合すること、の少なくとも一方を、前記ベース部材が前記モールドに載置されている状態で行なう請求項３に記載の方法。
少なくとも１個の前記外周ケーシング部材を前記ベース部材の外周面に接合すること、および、少なくとも１個の平坦な前記ケーシング部材を前記ベース部材の背面に接合すること、の少なくとも一方を、前記ベース部材が前記モールドに載置されている状態で真空源の運転中に行なう請求項４に記載の方法。
前記方法によって形成された剛体の平面視形状が、円形、部分円形セグメント、多角形、または多角形の一部である三角セグメントである請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
前記曲面が少なくとも部分的には凹面である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法。
前記曲面が少なくとも部分的には凸面である請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
前記ベース部材が、剛性が高く低密度な材料で形成される請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法。
前記低密度材料がハニカム材料である請求項９に記載の方法。
前記ハニカム材料がアルミニウム製ハニカム材料またはアルミニウム合金製ハニカム材料である請求項１０に記載の方法。
前記方法によって形成される剛体がリフレクタである請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
柔軟で平坦な部材が反射部材である請求項１２に記載の方法。
前記反射部材が薄い金属層を有する請求項１３に記載の方法。
薄い前記金属層が薄いアルミニウム製またはアルミニウム合金製の層を有する請求項１４に記載の方法。
アルミニウム製またはアルミニウム合金製の前記層が、陽極酸化皮膜処理アルミニウム層、陽極酸化皮膜処理アルミニウム合金層、陽極酸化皮膜処理されさらにコーティングされたアルミニウム層、または陽極酸化皮膜処理されさらにコーティングされたアルミニウム合金層を有する請求項１５に記載の方法。
前記ベース部材に接合されるケーシング部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金により形成される請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
平坦で柔軟な部材を有し、この部材が要求される曲率に真空成形され、この部材が構造的に剛体であるベース部材の表面に接合されている曲面を有する剛体。
前記ベース部材の外周面に接合された少なくとも１個の外周ケーシング部材、および、前記ベース部材の背面に接合された少なくとも１個の平坦なケーシング部材、の少なくとも一方をさらに有する請求項１８に記載の剛体。
前記剛体の平面視形状が、円形、部分円形セグメント、多角形、または多角形の一部である三角セグメントである請求項１８または請求項１９に記載の剛体。
前記曲面が凹面である請求項１８ないし請求項２０のいずれか１項に記載の剛体。
前記曲面が凸面である請求項１８ないし請求項２１のいずれか１項に記載の剛体。
前記ベース部材が、剛性が高く低密度な材料により形成される請求項１８ないし請求項２２のいずれか１項に記載の剛体。
前記低密度材料がハニカム材料である請求項２３に記載の剛体。
前記ハニカム材料がアルミニウム製ハニカム材料またはアルミニウム合金製ハニカム材料である請求項２４に記載の剛体。
前記剛体がリフレクタである請求項１８ないし請求項２５のいずれか１項に記載の剛体。
柔軟で平坦な部材が反射部材である請求項２６に記載の剛体。
前記反射部材が薄い金属層を有する請求項２７に記載の剛体。
薄い金属層が薄いアルミニウム製またはアルミニウム合金製の層を有する請求項２８に記載の剛体。
前記アルミニウム製またはアルミニウム合金製の層が、陽極酸化皮膜処理アルミニウム層、陽極酸化皮膜処理アルミニウム合金層、陽極酸化皮膜処理されさらにコーティングされたアルミニウム層、または陽極酸化皮膜処理されさらにコーティングされたアルミニウム合金層を有する請求項２９に記載の剛体。
前記ベース部材に接合されるケーシング部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金により形成される請求項１８ないし請求項３０のいずれか１項に記載の剛体。