JP2013190799A - ガラス又はガラスセラミック製のミラー支持体の基板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、剛性を高めつつ軽量化される基板を提供することである。
【解決手段】本発明による基板は、ガラス又はガラスセラミック製である。ミラー支持体が、剛性化のために支持点の領域がカバーで補強される軽量構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にミラー支持体として設計されるガラス又はガラスセラミック製の基板と、その作製の方法とに関する。本発明はさらに、特に宇宙用途のための天体用ミラーに関する。

天体用ミラーは既知である。この場合に関与するのは、特に、ガラスセラミック製の基板から成るミラーである。

特許文献１は、ミラー構造のほぼ全体にカバーが設けられており、クロスピース（crosspiece）によって支持点（bearing points）が形成されている、低熱膨張材料製のミラーを示している。特許文献２は、研削による一般的なミラー基板の作製を示している。特許文献３は、焼結セラミック製の望遠鏡ミラーを示している。特許文献４は、所望の幾何学的構造を得るために研磨によって薄肉化される望遠鏡の鏡面母材を示している。特許文献５は、複合材料製のミラーを示している。

このタイプの天体用ミラーの幾何学的形状は、サイズの増大に伴う形状の偏差が極めて小さくなければならないため、天体用ミラーは、特にガラスセラミックから作製される。この場合に関与するのは、概していわゆるゼロ膨張材料、すなわち非常に低い熱膨張係数を有する材料である。このようにして、ミラーの幾何学的形状が温度変動時にほとんど変化しないことが保証される。人工衛星での宇宙用途の場合、材料が極端な温度変動を受けるため、特にこうした用途ではこれが重要な役割を果たす。

特に、自重による撓みに起因して生じる幾何学的形状の変化を減らすために、このタイプのミラーには、裏側が例えばハニカム構造を備える軽量構造でできているものがある。このタイプの軽量構造も、宇宙用途で非常に重要である。この場合、何よりも大気圏外空間への輸送費が最も重要である。

しかしながら、本発明の用途は、天体用ミラーのみに限定されない。形状偏差が極めて小さなミラー支持体は、リソグラフィデバイス用の半導体技術でも必要とされる。

軽量構造を備える既知の基板を用いて、ミラー支持体の重量を実質的に減らすこと及びミラー支持体の剛性を高めることの両方が、特に自重による撓みを減らすことが、すでに可能となっている。

特開２００４−１８５８１１号 国際公開第２００６／０３４７７５号 欧州特許出願公開第０３９５２５７号 米国特許出願第７，０８０，９１５号 独国特許公報第１９６２６３６４号

本発明は、既知の軽量構造を上述の従来技術と比較して改善するという課題に基づく。

特に、基板の重量、特にミラー支持体の重量を減らすべきであり、且つ／又は基板の剛性を高めるべきである。

本発明の課題は、独立請求項の１つに従った基板及び基板を作製する方法によって解決される。本発明の好ましい実施の形態及び拡張形態は、各従属請求項から得ることができる。

本発明は、特にミラー支持体として設計されるガラス又はガラスセラミック製の基板に関する。

凹面ミラー用のミラー支持体として構成される支持体１の実施形態例の概略図を示す。 個々の凹部４の断面を示す。 ２つの凹部間に位置付けられる１つのクロスピース１０を通る切り口の詳細図を示す。

基板は、一方の側である裏側に、凹部及び少なくとも１つの支持点、好ましくは３つの支持点を有する。存在している凹部は、基板の裏側にクロスピースを形成し、これらが軽量構造として働く。本発明に関する支持点は、軸受が固定され得るミラーの任意の領域を意味すると理解される。支持点は、柱状（cylindrical）構成、好ましくは円柱状（circular cylindrical）構成を有する凹部として設計される。

ミラーは、例えばこれらの凹部によってチタンマウントに固定される。

本発明によれば、支持点の領域における凹部には、少なくとも一部にカバーが設けられる。

カバーは、凹部の上側を少なくとも部分的に覆う任意の構成体を意味すると理解される。特に、凹部は、カバーによって本質的に閉じられる。支持点に直接隣接する凹部が、カバーを有する。

このタイプのカバーの使用により、基板の剛性を驚くほど高めることが可能となることが分かっている。

同時に、支持点の周囲の領域でのみ用いられるカバーの重量は、ミラー支持体の残りの部分と比較してほとんど取るに足りない。こうして、ミラー支持体の残りの構造をより脆弱な設計にすることが可能であることから、同じ剛性で軽量化が達成される。

支持点の領域に開口を有し且つ支持点に隣接する複数の凹部を覆う、単一のカバーを設けることが考えられる。

しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、各凹部にカバーが設けられる。大面積のカバーであれば、基板において張力を発生させるリスクをさらに示すため、このようにしてより高い形状精度を達成できることが分かっている。さらに、個々のカバーを用いると製造がより単純になる。

本発明の好ましい実施形態では、隣接するカバーが隙間によって互いに離隔される。この実施形態の結果として、カバーの使用に起因して張力を発生させる危険を減らすことも可能である。

カバーは、ガラス又はガラスセラミック、特に基板の残りの部分と同じ材料から構成されることが好ましい。特に、カバーも、ゼロ膨張材料、すなわち非常に低い熱膨張係数を有する材料から成る。

本発明の好ましい実施形態では、カバーは、それぞれの凹部の形状を本質的に有する。そのため、三角形の凹部の場合には三角形のカバーが用いられ、六角形の凹部の場合には六角形のカバーが用いられる。したがって、それぞれの凹部がカバーによって本質的に閉じられることで、基板のどちら側に力が作用しようとも、材料における張力の分布が本質的に等しくなる。しかしながら、特に、より高い張力が好まれる方向により高い剛性を与えるために、凹部を部分的にのみ閉じることも考えられる。

好ましい実施形態では、カバーは、接着により取り付けられる。カバーの接着取り付けにより、一方では基板の残りの部分に対するカバーのより固定された取り付けが確保され、他方では比較的単純な装着が可能になることが分かっている。好ましくは、熱安定性及び低温安定性のガラス接着剤がこの場合は接着剤として用いられる。しかしながら、代替的に、カバーを基板の残りの部分に嵌め合い式又は圧入式に取り付けることができ、特に、カバーは、だぼを用いて固定されるか又は締め付けられることもできる。

本発明の拡張形態では、基板には、紫外線に対する保護層が少なくとも裏側に設けられる。したがって、特に、紫外線が極めて強い宇宙用途で接着剤が用いられる場合、紫外線により生じ得る接着剤の脆化が防止される。

本発明の別の好ましい実施形態では、カバーが設けられている凹部の、該凹部間で延びるクロスピースがアンダカットされる。特に、クロスピースは、結果として本質的にＴ字形の輪郭を有する。特に、研削することしかできない結果として研削によって成形しなければならないガラスセラミックの場合、アンダカットには多大な製造費を要する。したがって、アンダカットは通常は省かれる。しかしながら、特に、カバーが接着により取り付けられる場合、アンダカットにより、カバーが載せられているそれぞれのクロスピースの表側をより広くすることが可能になり、それに応じて取り付けをより良好にすることが可能になる。

カバーが設けられていない凹部の場合、アンダカットを省くことが好ましい。

基板は好ましくは、０．５×１０^−６Ｋ^−１未満の熱膨張係数を有するゼロ膨張材料から成る。

凹部は好ましくは、本質的に三角形又はハニカム形の構成である。一般に、三角形の凹部、特に本質的に正三角形から成る凹部から、最高の剛性が得られる。しかしながら、ガラスセラミックへのこのタイプの三角形の凹部の導入は、極めて高い加工費を伴う。したがって、好ましくは、本質的にハニカム形の、すなわち六角形構成の凹部が用いられる。

本発明の好ましい実施形態では、凹部は、本質的に規則的な構成体を形成する。すなわち、凹部は、本質的に同じ寸法を有し、基板の裏側にわたって特にハニカム配置で均等に分配される。

本発明の別の実施形態では、基板は、凹部が設けられている側、すなわち裏側の少なくとも一部が薄肉化される。基板の裏側の高さも低くなっているこの薄肉領域は、２つの支持点間にあることが好ましい。特に、１つ又は複数の薄肉領域の最深点は、薄肉化されておらず且つ支持点で支持されている基板が最も大きく撓む場所の周囲にある。自重に起因して、支持点における支持の場合に撓みが生じ、この種の薄肉部（thinnings）によってこれを減らすことができる。さらに、特に基板の縁領域においては、それほど高い剛性要件が課されないため、この場合に材料を省くことができる。

一例として、薄肉部は、薄肉部の中央の周りにローカル座標系を取った、薄肉部の除去材料に関する二次試行関数を用いて計算することができる。

厚さの低減を補償するために、本発明の実施形態で提供されるように、凹部間のクロスピースの幅を薄肉領域において基板の残りの部分よりも厚くすることが可能である。

本発明による基板は、特に、1メートルよりも大きな大型ミラー基板に適している。

本発明の拡張形態では、基板の凹部の底は、凸状の構成であり、特に本質的には断面が楕円状である。凸状の構成である底を用いて、基板の自重に対するその剛性をさらに高めることが可能である。

本発明の好ましい実施形態では、凹部が占める体積が、基板全体の体積の５０％よりも大きく、好ましくは６０％よりも大きい。この場合、凹部の体積も基板の体積に含まれる。すなわち、基板の体積は、全ての凹部を閉じたものとみなして計算される。

基板は、カバーを除いて、一体的にガラスセラミックから構成されることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、基板は、１００ｍｍ〜２５０ｍｍ、好ましくは１２０ｍｍ〜１７０ｍｍの厚さを有する。特に、２つ以上の直径のミラーの場合、基板の厚さは、同じ剛性で２００ｍｍ未満に減らされ得る。

特に宇宙用途で提供される本発明の好ましい実施形態では、基板の形状は、基板が１５０Ｈｚ未満の固有周波数（characteristic frequencies）を有さないように計算される。そうでなければ、ロケットの発射時に、１５０Ｈｚ未満の低い加振周波数が生じ得ることで、基板又は基板に備わっているミラーを破壊する可能性がある。

本発明は、（重力がある場合に）支持点で支持されている基板の撓みがいかなる位置でも２μｍ未満であるミラー基板を提供することを可能にする。

本発明はさらに、上述の基板を備えるミラーに関する。この場合、基板の表側、すなわち凹部を有する側の逆にある側が鏡面になっている。特に、こうして利用可能になるミラーは、本質的に回転対称の形状を有する。例えば、ミラーは、方物形状の凹面ミラーとして構成される。

本発明はさらに、このタイプのミラーを備える人工衛星に関する。

本発明はさらに、基板、特に上述の基板を作製する方法に関する。

この場合、ガラスセラミック板が提供される。したがって、第１の製造段階として、続いてさらなる加工を行うためにガラス基板がセラミック化される。

この場合、凹部及び支持点が基板の裏側に導入される。支持点は、例えば凹部と同様に構成され得る。凹部は、一般に研削によってのみ導入される。

支持点に隣接して、凹部にカバーが被せられる。

カバーは、凹部ごとに個々のカバーとして所定位置に置かれることが好ましい。

本発明によれば、ガラスセラミック板は、一方では自重による撓みを減らすために、他方では張力の小さな領域、例えば支持点（bearings）から離れた領域の構造を弱めるために、凹部の導入前に裏側の一部を薄肉化される。

本発明の拡張形態では、カバーが被せられている凹部間のクロスピースは、カバーが所定位置に置かれる前にアンダカットされる。アンダカットは、研削プロセスによって作製されることが好ましい。

本発明は、ガラスセラミック板の材料の８０％よりも多くが除去されるようなタイプの軽量構造を提供することを可能にする。

図１〜図３を参照して、本発明を以下でより詳細に説明する。

図１は、凹面ミラー用のミラー支持体として構成される基板１の具体化例の概略図を示す。この目的で、基板１は、本質的に中央にある開口６を備える。この具体化例では、基板は、約１．２０ｍの直径を有する。

基板１の表側２は、方物状の構成を有し、鏡面になっている（図示せず）。基板１は、裏側３に、ハニカム形に構成されて軽量構造としての役割を果たす複数の凹部４を備える。

さらに、シリンダ形の凹部が、支持点５として裏側に導入される。この具体化例では、基板１に３つの支持点５が設けられている。

支持点５の領域における構造の補強のために、カバー９が凹部に接着により取り付けられる。

接着取り付け時に生じる可能性がある脱ガスをカバー９から逃がすことができるように、且つハニカムを気密シールしないように、カバーは、完全に閉じられるのではなく穿孔（図示せず）が設けられる。

構造は、カバーによってかなり補強することができる。

基板は、自重による支持点５間の撓みを減らすために、裏側薄肉部７をさらに備える。

薄肉部７は、縁が最深点になっており、支持点５の方向に向かって厚くなる。

図２は、個々の凹部４の断面を示す。凹部の底８は凸状であり、この具体化例では楕円形を有する。

楕円形を用いて、凹部４の強度を様々な条件に適合させることが可能である。

図３は、２つの凹部間に位置付けられる１つのクロスピース１０を通る切り口の詳細図を示す。クロスピース１０は、アンダカットされ、本質的にＴ字形の断面を有する。したがって、カバー（図示せず）の接着取り付けのための面積を大きくすることができる。

本発明が上述の特徴の１つの組み合わせに限定されるのではなく、当業者によって図示の特徴の全てが技術的に妥当である限り如何様にも組み合わせられることが自明である。

１ 基板
２ 表側
３ 裏側
４ 凹部
５ 支持点
６ 開口
７ 薄肉部
８ 底
９ カバー
１０ クロスピース

Claims (25)

1. ガラス又はガラスセラミック製の基板であって、
   片側に凹部及び凹部として構成される少なくとも１つの支持点を備え、
   前記凹部は、前記支持点の周りにのみカバーが設けられていることを特徴とする、基板。
2. ミラー支持体として設計されていることをさらに特徴とする、請求項１に記載の基板。
3. 前記支持点に直接隣接する前記凹部にカバーが設けられていることをさらに特徴とする、請求項１又は２に記載の基板。
4. 凹部ごとに個々のカバーが設けられていることをさらに特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の基板。
5. 隣接するカバーが隙間によって互いに離隔されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の基板。
6. 前記カバーは、ガラス又はガラスセラミックから構成されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の基板。
7. 前記カバーは、前記基板の残りの部分と同じ材料から構成されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の基板。
8. 前記カバーは、それぞれの凹部の形状を有していることをさらに特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の基板。
9. 前記カバーは、接着により取り付けられていることをさらに特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の基板。
10. 紫外線に対する保護層が少なくとも裏側に設けられていることをさらに特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の基板。
11. カバーが設けられている前記凹部に関して、該凹部間において延びるクロスピースがアンダカットされていることをさらに特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の基板。
12. 前記クロスピースは、本質的にＴ字形の断面を有していることをさらに特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の基板。
13. ０．５×１０^−６Ｋ^−１未満の膨張係数を有する材料から構成されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の基板。
14. 前記凹部は、三角形又はハニカム形であることをさらに特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の基板。
15. 前記凹部は、本質的に規則的な構成体を形成することをさらに特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の基板。
16. 前記凹部を備える側の一部が薄肉化されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の基板。
17. 前記薄肉化領域が２つの支持点間に配置されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の基板。
18. 薄肉化されておらず且つ前記支持点で支持されている基板が最も大きく撓む点で、最も深く薄肉化されていることをさらに特徴とする、請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の基板。
19. １ｍよりも大きな直径を有していることをさらに特徴とする、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の基板。
20. 前記凹部の底が凸状の形状であることをさらに特徴とする、請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の基板。
21. 前記凹部が占める体積が、前記基板全体の体積の５０％よりも大きく、好ましくは６０％よりも大きいことをさらに特徴とする、請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の基板。
22. １００ｍｍ〜２５０ｍｍ、好ましくは１２０ｍｍ〜１７０ｍｍの厚さを有していることをさらに特徴とする、請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の基板。
23. 前記カバーは、少なくとも１つの穿孔を有していることをさらに特徴とする、請求項１ないし２２のいずれか１項に記載の基板。
24. 請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の基板を備えるミラー。
25. 基板、特に請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の基板の作製方法であって、
    ガラスセラミック板を設けるステップと、
    前記ガラスセラミック板の裏側に凹部及び支持点を導入するステップと、
    前記支持点に隣接する凹部にカバーを被せるステップと、
    前記凹部を備える側の２つの支持点間で前記基板の一部を薄肉化するステップと、
    を含む、基板の作製方法。

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