JP2016038224A - 応力評価装置、ミラー部品 - Google Patents

Abstract

【課題】光学衛星や大型光学望遠鏡に搭載する集光光学系において、多数の支持体を、精密加工を施した集光用ミラーガラスに接合した場合、ミラーガラスのミラー表面に歪みが発生する。集光用ミラーガラス内部に発生する内部応力を、簡易に測定可能な応力評価装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る応力評価装置は単波長光源と、偏光子と、１／４λ板と、−１／４λ板と、検光子と、検出器と、１／４λ板と−１／４λ板の間にあって評価対象のサンプルを移動可能なスキャンステージから構成され、接着剤で接着した部品であってもその内部応力を評価可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスと金属の接着に使用される接着剤の応力評価に関するものである。

接着剤は硬化収縮を伴うために、被接着物の内部に応力を発生させる。人工衛星に搭載される集光光学系、もしくは地上に設置される大型光学望遠鏡などの集光光学系は接着剤で支持機構と接合される。これらの反射光学系では厳しい波面制御が必要である。
従来、測定対象試料の応力分布を測定する装置として、光源をＬＥＤ三波長光源とし、撮像素子に一枚のＲＧＢ干渉フィルタを取り付けることで、高次の縞まで測定可能な応力分布測定装置に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２５３７８８号公報

光学センサを搭載し画像を撮影する光学衛星や大型光学望遠鏡に搭載する集光光学系においては、１次鏡が年々大型化しており、高い分解能を有するためには精密な形状加工と形状維持を行うことが課題であった。このため、製造過程や製造後に加わる熱や応力による変形が少ないことが集光光学系には必須となっている。集光光学系はミラーと支持機構が接着剤で接合されるが、接着剤は接着過程において硬化収縮が生じるため、ミラーや支持機構に大きな内部応力を形成する。ミラーの内部応力はミラーの変形を生じると同時に、母材であるガラスを破断させやすくする課題があり、できるだけ硬化収縮の小さな接着剤を選定する必要がある。

接着剤の選定は、通常、メーカーのカタログ値に表示された体積収縮率を参考にする。しかし、体積収縮率は実際に接着する際の接着剤の厚さ、接着時の温度履歴で大きく異なる。このため、カタログ値は参考値としてしか機能しない。

また、集光光学系においてはミラーガラスに接着する支持機構の接着部位の形状も大きく影響する。特に、支持機構接着部位の端面の形状はミラーガラスの内部応力に大きな影響を及ぼす。よって、実態に近い内部応力の測定が必要である。

透明体の内部応力を測定する手法として光弾性による測定がある。この技術を流用し、ガラスミラーを模したガラスと支持体を模した金属とを接着した評価用サンプルの光弾性状態、すなわち複屈折率状態を測定することで、ガラス内部の内部応力を評価することができる。

通常の複屈折の測定系では、金属と接着されたガラスの両端に偏光子と検光子を設置して偏光状態から複屈折を測定する。複屈折が最大になる光軸は不明のため、偏光子および検光子を任意の方向に回転させて複屈折の最大値を探す必要があり、測定に手間を要するという課題があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、接着により集光用ミラーガラス内部に発生する内部応力を、測定に手間を要することなく、簡便にかつ短時間で測定可能な応力評価装置を提供することを目的とする。

本発明に係る応力評価装置は、単波長の評価光を放射する単波長光源と、前記評価光を所定の方向に偏光する偏光子と、前記偏光子で偏光された評価光を円偏光に変換する１／４λ板と、評価サンプルが有する複屈折により、前記円偏光に変換された評価光が変調された変調後の評価光を復調する−１／４λ板と、前記−１／４λ板を透過後の評価光において、前記偏光子と直交する成分を抽出する検光子と、前記検光子を透過した評価光の透過光量を検出する検出器と、前記１／４λ板と前記−１／４λ板５の間にあって、前記評価光を透過する評価サンプルを移動させるスキャンステージから構成され、前記透過光量に基づき、光弾性で生じる前記評価サンプルの複屈折を検出する。

この発明に係る応力評価装置によれば、偏光子および検光子を任意の方向に回転させて複屈折の最大値を探す必要がなく、複屈折が最大となる条件で複屈折が測定でき、内部応力の最大値を簡便にかつ短時間で検出することができる。

この発明の実施の形態１に係る応力評価装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る応力評価装置で評価する評価サンプルの断面を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る応力評価装置で評価する評価サンプルの接着前の評価用ガラスの内部応力分布を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る応力評価装置で評価する評価サンプルの接着後の評価用ガラスの内部応力分布を示す図である。 従来の応力評価装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る応力評価装置１００と、評価に使用した評価サンプル４について、図を参照して説明する。
図１は実施の形態１に係る評価光学系１００を示す図である。図１において評価光学系１００は、評価光９を放射する単波長光源１、偏光子２、１／４λ板３、−１／４λ板５、検光子６、検出器７、１／４λ板３と−１／４λ板５の間にあって評価サンプル４を移動させるスキャンステージ８から構成される。偏光子２と検光子６は互いに偏光方向が直交するように設置される。

評価サンプル４は、図２に示す通り、評価用ガラス１１、支持体１３、評価用ガラス１１と支持体１３の接合部にある接着層１２から形成される。
内部応力を正しく測定するため、評価サンプル４の評価用ガラス１１には応力の小さい低応力ガラスを用いる。低応力ガラスは例えば市販のものでよい。
同じく内部応力を正しく測定するため、評価光９が入射する評価用ガラス１１の入射面と出射する側の出射面に該当する部分は、予め光学研摩を行い、光学散乱による光量の低下を防ぐようにしておく。
単波長光源１には、例えばＬＥＤ光源やレーザー光源を用いる。

次に、内部応力の測定について説明する。
図１において、単波長光源１から放射された評価光９は、偏光子２で偏光された後、１／４λ板３にて円偏光に変換される。
評価サンプル４の持つ複屈折率にて変調された光は、−１／４λ板５で復調された後、検光子６にて偏光子５と直交した成分が抽出され、検出器７にて光量が測定される。

検出器７で得られる入射光量で規格化した光量Ｉは以下の式で求まる。

ここでｄは評価用ガラス１０の評価光９が通過する光路長、λ₀は評価光９の波長、Δｎは評価用ガラスで生じた複屈折差である。

よって複屈折差Δｎは、式１から次の式２の通り求まる。

式２で得られたΔｎを、光弾性定数で除することで内部応力を求めることができる。光弾性定数はガラス素材によってそれぞれ異なる値をもつ。例えば、3.11×10^-5nm/cm/Pa程度の値である。

式２によって内部応力は算出できるようになったが、内部応力は評価サンプル４のどの位置で最大になっているかは不明である。
そこで、スキャンステージ８にて評価サンプル４を評価光９の垂直方向に移動させることで、評価光９の入射面をスキャンし、入射面に対する応力マップを測定する。

図３、図４は、実際にスキャンステージ８にて評価光９の入射面をスキャンし、評価サンプル４の内部応力をマップ化した測定結果の一例である。

図３は、評価サンプル４において、評価用ガラス１１と支持体１１を接着する前の状態で、評価用ガラス１１の内部応力を測定した測定結果である。
評価用ガラス１１は、先述のように低応力ガラスである。評価用ガラス１１と支持体１３とを接着する前の状態で、図２に示す構成とは異なって接着層１２はなく、評価用ガラス１１のみで存在している。
図３からは、評価用ガラス１１の内部応力がほぼ０であることがわかる。

図４は、評価用ガラス１１と支持体１３を接着剤による接着層１２を介して接着した後の評価サンプル４の、評価用ガラス１１の内部応力を測定した測定結果である。
ここで評価用ガラス１１は図３で説明した低応力ガラスと同じ低応力ガラスである。
評価用ガラス１１は、図２に示す構成のように支持体１３と、接着剤による接着層１２を介して接着される。接着層１２の層厚は、ガラスビーズを混入することで膜厚を確保することができる。膜厚は例えば２００μｍである。評価用ガラス１１の入射面、出射面は光学研磨を行っている。評価用ガラス１１は光学研磨面が支持体１３に対して直交するように配置した。接着した評価サンプルは所定の温度で所定の時間で硬化される。
図４の内部応力測定結果からは、評価用ガラス１１及び支持体１３の端面付近に内部応力が集中していることがわかる。このときの評価用ガラス１１の最大内部応力は０．０９ＭＰａと算出された。また、測定時間は２８分であった。

ここで、実施の形態１に係る応力評価装置１００の比較として、従来の応力評価装置１０１の構成と動作を説明する。

図５は、従来の応力評価装置１０１の構成を示す図である。従来の応力評価装置１０１は、評価光８を放射する単波長光源１、偏光子２、検光子６、検出器７、偏光子２と検光子６の間にあって評価サンプル４を移動させるスキャンステージ８から構成される。
評価サンプル４については、図１で説明した評価サンプルと同じものである。図１で説明した実施の形態１に係る応力評価装置１００の構成と比較して、１／４λ板３と−１／４λ板５が構成要素としてない。偏光子２と検光子６は互いに偏光方向が直交するように設定する。

次に、従来の応力評価装置１０１の動作を説明する。単波長光源１から放射された評価光８は、偏光子２で偏光された後、評価サンプル４の持つ複屈折率にて変調され、検光子６にて偏光子５と直交した成分が抽出され、検出器７にて光量が測定される。

図５の光学系において検出器７で得られる入射光量で規格化した光量Ｉは以下の式で求まる。

従来の応力評価装置による評価サンプル４の測定においてはｄ、Δｎ、λ₀は常数として扱われるため、光軸のずれ量φが±４５ｄｅｇ．および±１３５ｄｅｇ．の時に（式３）で求まる光量Ｉは最大値を示す。このときの光量Ｉは、（式１）による光量Ｉと同じ値となる。

評価サンプル４では、光軸は応力のかかる方向で任意に変わることから、（式３）にあるφはサンプルの測定位置依存性があり、従来の応力評価装置では最大値を得るには偏光子および検光子を透過光量が最大となるように、各測定ポイントごとに回転させる必要があった。このため従来の応力評価装置１０１では、応力を測定するため、多大な測定時間を要していた。

測定結果について一例を述べると、従来の応力評価装置１０１を用いて、実施の形態１の応力評価装置１００で評価した評価サンプル４と同じ評価サンプル４を評価したところ、最大内部応力は０．０９ＭＰａの結果であった。これは、実施の形態１に係る応力評価装置１００による評価結果と同じであったが、一方で測定時間は３４０分を要した。これは、実施の形態１に係る応力評価装置１００による測定時間の約１２倍に相当する。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る応力評価装置１００は、単波長光源１、偏光子２、１／４λ板３、−１／４λ板５、検光子６、検出器７、１／４λ板３と−１／４λ板５の間にあって評価サンプル４を移動させるスキャンステージ８から構成され、偏光子２と検光子６の間に、１／４λ板３と−１／４λ板５を備えるようにした。評価サンプル４は、評価用ガラス１１、支持体１３、評価用ガラス１１と支持体１３の接合部にある接着層１２から形成され、評価用ガラス１１には低応力ガラスを用いるようにした。
単波長光源１は、例えばＬＥＤ光源やレーザー光源とした。
これにより、従来のように偏光子２および検光子６を回転させることなく複屈折が最大となる条件で複屈折が測定できるので、内部応力の最大値を、従来に比べ１／１０以下の短時間で検出できる。

１ 単波長光源、２ 偏光子、３ １／４λ板、４ 評価サンプル、５ −１／４λ板、６ 検光子、７ 検出器、８ スキャンステージ、９ 評価光、１０ 評価用ガラス、１１ 評価用ガラス、１２ 接着層、１３ 支持体、１４ 評価サンプル、１００ 応力評価装置、１０１ 従来の応力評価装置。

Claims (5)

1. 単波長の評価光を放射する単波長光源と、
   前記評価光を所定の方向に偏光する偏光子と、
   前記偏光子で偏光された前記評価光を円偏光に変換する１／４λ板と、
   評価サンプルが有する複屈折により、円偏光に変換後の前記評価光が変調された変調後の評価光を復調する−１／４λ板と、
   前記−１／４λ板を透過後の前記評価光において、前記偏光子と直交する成分を抽出する検光子と、
   前記検光子を透過する前記評価光の透過光量を検出する検出器と、
   前記１／４λ板と前記−１／４λ板５の間にあって、前記評価光が透過する評価サンプルを移動させるスキャンステージから構成され、
   前記透過光量に基づき前記評価サンプルの複屈折を検出することにより前記評価サンプルの応力評価を行うことを特徴とする応力評価装置。
2. 次式により算出される前記復屈折の復屈折率差Δｎを前記評価サンプルの光弾性定数で除することにより算出することを特徴とする請求項１記載の応力評価装置。
   

   

   ここで、光量Ｉは検出器７で得られる入射光量で規格化した値、ｄは評価光が通過す
   る評価用サンプルの光路長、λ₀は評価光の波長である。
3. 前記評価サンプルは、前記評価光が透過する評価ガラスと前記評価ガラスを支持する支持体からなり、前記評価ガラスと前記支持体は接着剤により接着されていることを特徴とする請求項１、２いずれか記載の応力評価装置。
4. 前記評価ガラスは低応力ガラスであり、前記評価ガラスと前記支持体はガラスビーズを混入して接着されることを特徴とする請求項３記載の応力評価装置。
5. 請求項３、４いずれか記載の応力評価装置で応力評価が行われた前記評価サンプルで使用された接着剤を用いて、ミラーとその支持体とが接着されることを特徴とするミラー部品。

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