JP2022102602A - 支持機構および望遠鏡支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】揺れに対する応答性が悪化しにくく、長期間にわたって使用することができる支持機構を提供する。【解決手段】本開示に係る支持機構は、厚み方向に開口する貫通孔を有し、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含む平板状の基部と、基部の一方の主面の貫通孔の周囲に設けられた柱状部を有するフランジと、柱状部をキネマティック支持するセラミックスを含む球体とを備える。球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値は、球面が接する柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値と異なる。【選択図】図１

Description

本開示は、支持機構および望遠鏡支持装置に関する。

従来、位置決め装置には、例えば、ケルビンクランプなどのキネマティッククランプが採用されている。このようなケルビンクランプが採用された構成として、例えば特許文献１には、次のような構成が記載されている。反射ミラーベース上に取り付けられた半球状部材は、ＸＹ平面状に３箇所配置されている。ベース部材に調整部材を介してＶ形状凹保持部材がピンで位置決めされて取り付けられており、ＸＹ平面状に３箇所配置されている。半球状部材とＶ形状保持部材は対向する位置に配置される。

反射ミラーベース下も同様に、半球状部材がＸＹ平面状に３箇所配置されている。反射ミラーベース下の半球状部材は、そのままＶ形状保持部材に取り付けられない。そのため、ベース部材にキネマティック保持部材を取り付けて、ピンで位置決めされたＶ形状凹保持部材に搭載する。

特許文献１には、反射ミラーベース上、反射ミラーベース下、半球状部材、Ｖ形状凹保持部材、キネマティック保持部材、円錐状凹部材および平面保持部材の材質が、例えばスーパーインバーもしくはコージェライトなどのゼロ膨張セラミックス（線膨張率０．１ｐｐｍ／Ｋ）であることが記載されている。

しかし、特許文献１に記載された構成において、半球状部材５の球面と、半球状部材５の球面が接するＶ形状凹保持部材４の傾斜面とがいずれもラッピング研磨によって得られる鏡面であって、その算術平均粗さＲａが同じであると、凝着して揺れに対する応答性が悪化するおそれがある。さらに、球面と傾斜面とがいずれも焼成したままのＡｓ－Ｆｉｒｅ面であって、その算術平均粗さＲａが同じであると、互いに繰り返して摺接した場合、球体の真球度が損なわれ、傾斜面の平面度が損なわれるという問題がある。

特開２０１１－１０７４３８号公報

本開示の課題は、揺れに対する応答性が悪化しにくく、長期間にわたって使用することができる支持機構および望遠鏡を提供することである。

本開示に係る支持機構は、厚み方向に開口する貫通孔を有し、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含む平板状の基部および基部の一方の主面の貫通孔の周囲に設けられた柱状部を有するフランジと、柱状部をキネマティック支持するセラミックスを含む球体とを備える。球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値は、球面が接する柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値と異なる。

本開示に係る望遠鏡支持装置は、観測対象の光を反射するための主鏡と、主鏡を囲繞する鏡筒と、上記の支持機構とを備える。主鏡および鏡筒の少なくとも一方は、基部の一方の主面と反対側に位置する他方の主面に取り付けられている。

本開示に係る支持機構は、上記のように、球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値が、球面が接する柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値と異なる。したがって、本開示に係る支持機構によれば、揺れに対する応答性が悪化しにくく、長期間にわたって使用することができる。

本開示の一実施形態に係る支持機構に含まれるフランジを示す説明図であり、（Ａ）は基部の第１主面側から見た説明図であり、（Ｂ）は基部の第２主面側から見た説明図である。 （Ａ）は図１（Ａ）に示すＸ－Ｘ線で切断した際の断面を示す説明図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）に示すＹ－Ｙ線で切断した際の断面を示す説明図であり、（Ｃ）は図１（Ａ）に示すＺ－Ｚ線で切断した際の断面を示す説明図である。

本開示に係る支持機構は、上記のように、フランジと球体とを有する。本開示に係る支持機構を、図１および２に基づいて説明する。

本開示の一実施形態に係る支持機構は、フランジ１と球体とを有する。図１は、本開示の一実施形態に係る支持機構に含まれるフランジを示す説明図である。図１に示すように、一実施形態に係るフランジ１は、基部２および柱状部３を有している。基部２は、厚み方向に開口する貫通孔２ａを有する。基部２は平板状であれば限定されない。基部２は、平面視した場合に、例えば多角形状、円形状などを有する。これらの形状の中でも多角形状であるのがよい。平面視した場合に基部２が多角形状を有していると、例えば同サイズの円形状と比べて軽量化することができる。そのため、軽量化が望まれる人工衛星などに収容される光学機器を支持するのに好適である。多角形状としては、例えば、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状などが挙げられる。基部２の厚みや大きさは限定されず、支持される部材の大きさに応じて適宜設定される。

このような形状のうち、貫通孔２ａの厚み方向の軸芯と、いずれかの柱状部３の厚み方向の軸芯とを結ぶ直線を境界として、この境界の片側に位置する各辺の長さが全て異なる形状であるのがよい。基部２が、このような特定の形状を有していると、光学機器などの被搭載物を固定するためのネジ穴近傍の外周側を軽量化することができる。そのため、軽量化が望まれる人工衛星などに収容される光学機器を支持するのに好適である。

基部２は、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含む。本明細書において「低熱膨張セラミックス」とは、線膨張率を測定する温度範囲を０℃～５０℃として、２２℃における線膨張率が０±３０ｐｐｂ／Ｋであるセラミックスを意味する。本明細書において「低熱膨張ガラス」とは、線膨張率を測定する温度範囲を０℃～５０℃として、２２℃における線膨張率が０±３０ｐｐｂ／Ｋであるガラスを意味する。基部２の線膨張率は、例えば、光ヘテロダイン法１光路干渉計を用いて求めればよい。

低熱膨張セラミックスとしては限定されず、例えば、主結晶相がコージェライトであるセラミックスが挙げられる。このようなセラミックスとしては、例えば、主結晶相がコージェライトで、主結晶相の結晶相比率が９５質量％以上９７．５質量％以下であり、副結晶相がアルミナ、ムライトおよびサフィリンで、副結晶相の結晶相比率が２．５質量％以上５質量％以下であるセラミックスが挙げられる。このようなセラミックスにおいて、粒界相にはＣａを含む非晶質相が存在していてもよい。セラミックス全量中に対するＣａの含有量は、例えば、ＣａＯ換算で０．４質量％以上０．６質量％以下であってもよい。さらに、ジルコニアが含まれていてもよく、セラミックス全量中に対するＺｒの含有量は、例えば、ＺｒＯ_２換算で、０．１質量％以上１．０質量％以下であってもよい。このような低熱膨張セラミックスは、線膨張率を絶対値で２６ｐｐｂ／Ｋ以下とし、比剛性を５６ＭＰａ・ｍ^３／ｋｇ以上とすることができる。その結果、このような低熱膨張セラミックスを含む基部２は、温度の影響を受けにくく、かつたわみにくい。

主結晶相がコージェライトであるセラミックスの別の例としては、例えば、主結晶相がコージェライトであり、金属元素としてＣａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｒをさらに含み、線膨張率が最低値を示す温度を中心とし、この温度における線膨張率に対する線膨張率の変化量が６×１０^－５以内である温度幅が３Ｋ以上であるセラミックスが挙げられる。このような低熱膨張セラミックスは、温度が変化したとしても線膨張率の変動が微小である。そのため、主鏡のような光学機器などの被搭載物を搭載しても、線膨張率の変動による影響を十分に抑制することができる。

主結晶相がコージェライトであるセラミックス以外の例としては、リチウムアルミノシリケート、リン酸ジルコニウムカリウムまたはムライトを主成分とするセラミックスが挙げられる。低熱膨張ガラスの例として、チタニウムケイ酸を主成分とするガラスが挙げられる。

基部２や柱状部３に含まれる低熱膨張セラミックスや低熱膨張ガラスおよび球体に含まれるセラミックスに含まれる各成分の同定は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折装置で行い、各成分の含有量は、例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置により求めればよい。

柱状部３は、基部２の一方の主面（第１主面２１）の貫通孔２ａの周囲に設けられている。柱状部３は、例えば複数設けられている。

柱状部３は円柱状を有しており、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含む。柱状部３が円柱状を有していると、外側面が単一の外側面となる。そのため、応力集中が生じやすい交線がなくなり、長期間にわたって使用することができる。さらに、柱状部３が低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含むと、基部２との線膨張率の差がほとんどなくなる。そのため、温度変化によって、基部２および柱状部３に亀裂が生じにくくなる。

基部２と柱状部３とが一体形成品であってもよい。一体形成品であれば、基部２と柱状部３とを接合するための接着剤が不要となる。そのため、接着剤から発生するアウトガスが問題となるような場所でも使用することができる。基部２と柱状部３とは、例えば、下記の手順で得られる。低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスの原料粉末と、必要に応じて、分散剤や有機結合剤などとを混合してスラリーを得る。次いで、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、冷間静水圧プレス成形装置などを用いて加圧して成形体を得る。得られた成形体を切削工程に供して、最終的に得られる基部２および柱状部３の形状に応じた前駆体を得る。得られた前駆体を焼成して、基部２と柱状部３との一体形成品を得る。

一実施形態に係る支持機構に含まれる球体（図示せず）は、基部２に設けられた柱状部３を貫通孔２ａの周囲でキネマティック支持している。球体はセラミックスを含む。セラミックスとしては、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスなどが挙げられる。酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスは、比較的高い比剛性を有する。そのため、被支持体をより安定して支持することができる。本明細書において「主成分」とは、セラミックスを構成している成分の合計１００質量％のうち、８０質量％以上を占める成分を意味する。

球体の球面の算術平均粗さＲａ１（以下、単に「球面の算術平均粗さＲａ１」と記載する場合がある）の平均値は、球面が接する柱状部３の当接面の算術平均粗さＲａ２（以下、単に「当接面の算術平均粗さＲａ２」と記載する場合がある）の平均値と異なる。このような構成によって、球面と当接面とが凝着しにくくなり、揺れに対する応答性が悪化しにくくなる。さらに、互いに繰り返し摺接しても、球体の真球度や当接面の平面度が損なわれにくい。その結果、長期間にわたって使用することができる。

球面の算術平均粗さＲａ１の平均値および当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値において、大きい方の算術平均粗さの平均値が、例えば０．８μｍ以下であるのがよい。大きい方の算術平均粗さの平均値が０．８μｍ以下であれば、互いに繰り返し摺接しても、球体および当接面のいずれからも大きな粒子が脱離しにくくなる。そのため、周囲の環境に悪影響を与えるおそれが抑制される。

球面の算術平均粗さＲａ１の平均値は、当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値よりも小さい方がよい。球面の算術平均粗さＲａ１の平均値を小さくする方が、当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値を小さくするよりも容易である。特に、当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値が、球面の算術平均粗さＲａ１の平均値よりも０．１μｍ以上大きくしてもよい。当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値を球面の算術平均粗さＲａ１の平均値よりも０．１μｍ以上大きくすると、球体の回転が容易になる。そのため、そのため、光学機器などの被搭載物を搭載しても、容易に調整を行うことができる。

球体の球面はラッピング研磨面であってもよい。球体の球面がラッピング研磨面であれば、例えば、算術平均粗さＲａ１の平均値を０．０２μｍ以下と小さくすることができ、当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値との差をさらに大きくすることができる。さらに、算術平均粗さＲａ１の変動係数も０．０１以下と小さくすることができ、算術平均粗さＲａ１のばらつきも抑制することができる。

球体には磁性金属が０．１質量％以下の含有量で含まれていてもよい。磁性金属の含有量がこの範囲であると、光線が通過する鏡筒が基部２に搭載されていても、磁気による光線への悪影響を抑制することができる。磁性金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、ネオジム、サマリウムなどが挙げられる。

さらに、基部２および柱状部３の少なくとも一方には、磁性金属が合計で１００質量ｐｐｍ以下の含有量で含まれていてもよい。磁性金属がこの範囲であると、光線が通過する鏡筒が基部２に搭載されていても、磁気による光線への悪影響を抑制することができる。

図１（Ａ）に示すように、柱状部３は、例えば３つ設けられる。３つの柱状部３それぞれと球体との接触面を、第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３と定義する。図２（Ａ）に示すように、第１当接面３１は、基部２に向かって縮径する円錐状面または角錐状面であってもよい。図２（Ｂ）に示すように、第２当接面３２は、Ｖ溝を有する傾斜面であってもよい。図２（Ｃ）に示すように、第３当接面３３は、主面（第１主面２１）に平行な平面であってもよい。図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示すＸ－Ｘ線で切断した際の断面を示す説明図である。図２（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＹ－Ｙ線で切断した際の断面を示す説明図である。図２（Ｃ）は、図１（Ａ）に示すＺ－Ｚ線で切断した際の断面を示す説明図である。

第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３が、上記のような構成を有していると、わずかな温度変化であっても測定精度に大きな影響を及ぼす主鏡のような光学機器などの被搭載物を搭載しても、その影響を十分に抑制することができる。

第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３の少なくとも１つは、バフ研磨面であってもよい。バフ研磨面であれば、球体の球面の咬みこみを抑制することができる。そのため、光学機器などの被搭載物を搭載しても、容易に調整を行うことができる。特に、第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３の全てがバフ研磨面であるのがよい。

第１当接面３１の第１頂角α１および第２当接面３２の第２頂角α２は限定されない。第１頂角α１および第２頂角α２の少なくとも１つは、例えば、９０°以上１２５°以下であってもよい。第１頂角α１および第２頂角α２が、このような角度を有している場合、第１当接面３１および第２当接面３２と球体の球面との接触面積が比較的大きくなる。そのため、静止摩擦力を大きくすることができ、光学機器などの被搭載物をより安定に支持することができる。特に、第１頂角α１および第２頂角α２の両方が、９０°以上１２５°以下であるのがよい。

第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３の少なくとも１つは、０．０２μｍ以上０．８μｍ以下の算術平均粗さＲａを有する。算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以上であれば、純水や超純水に対する接触角が小さくなる。その結果、当接面に付着した汚れを浮かしやすく、純水と一緒に速やかに洗い流すことができる。

一方、算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下であれば、球体の球面の咬みこみをより抑制することができる。そのため、光学機器などの被搭載物を搭載しても、より容易に調整を行うことができる。特に、第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３の全てにおいて、０．０２μｍ以上０．８μｍ以下の算術平均粗さＲａを有しているのがよい。

上述した球面の算術平均粗さＲａ１、柱状部３の当接面の算術平均粗さＲａ２、第１当接面３１、第２当接面３２および第３当接面３３の各算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠し、レーザー顕微鏡（(株)キーエンス製、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡（ＶＫ－Ｘ１０００またはその後継機種））を用いて測定することができる。測定条件としては、照明方式を同軸落射、測定倍率を４８０倍、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、終端効果の補正を有り、測定対象とするから１か所当たりの測定範囲を７１０μｍ×５３３μｍとして、測定対象とする面から測定範囲をそれぞれ２箇所設定すればよい。各測定範囲に、測定対象とする線を略等間隔に４本引いて、表面粗さ計測を行い、算術平均粗さＲａ１および算術平均粗さＲａ２についてはそれぞれ平均値を算出すればよい。計測の対象とする線１本当たりの長さは、５６０μｍである。

一実施形態に係る支持機構は、例えば、望遠鏡などの光学機器の部材として使用される。このような光学機器は、例えば、人工衛星などに搭載される。一実施形態に係る支持機構を、例えば、望遠鏡支持装置の部材として使用する場合について説明する。

一実施形態に係る望遠鏡支持装置は、例えば、観測対象の光を反射するための主鏡、主鏡を囲繞する鏡筒、および一実施形態に係る支持機構を備える。主鏡および鏡筒の少なくとも一方は、一実施形態に係る支持機構の基部２の一方の主面（第１主面２１）と反対側に位置する他方の主面（第２主面２２）に取り付けられている。

一実施形態に係る支持機構は、上記のように、球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値が、球面が接する柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値と異なる。したがって、一実施形態に係る支持機構を用いた望遠鏡支持装置は、揺れに対する応答性が悪化しにくく、長期間にわたって使用することができる。

１ フランジ
２ 基部
２１ 第１主面
２２ 第２主面
２ａ 貫通孔
３ 柱状部
３１ 第１当接面
３２ 第２当接面
３３ 第３当接面

Claims (20)

1. 厚み方向に開口する貫通孔を有し、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含む平板状の基部、および該基部の一方の主面の前記貫通孔の周囲に設けられた柱状部を有するフランジと、
   前記柱状部をキネマティック支持するセラミックスを含む球体と、
   を備え、
   前記球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値が、前記球面が接する前記柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値と異なる、
   支持機構。
2. 大きい方の算術平均粗さの平均値が、０．８μｍ以下である、請求項１に記載の支持機構。
3. 前記球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値が、前記球面が接する前記柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値よりも小さい、請求項１または２に記載の支持機構。
4. 前記球面が接する前記柱状部の当接面の算術平均粗さＲａ２の平均値が、前記球体の球面の算術平均粗さＲａ１の平均値よりも０．１μｍ以上大きい、請求項１～３のいずれかに記載の支持機構。
5. 前記基部が、平面視した場合に多角形状を有する、請求項１～４のいずれかに記載の支持機構。
6. 前記柱状部が３つ設けられており、前記柱状部のそれぞれと前記球体との接触面が、第１当接面、第２当接面および第３当接面であり、
   前記第１当接面は、前記基部に向かって縮径する円錐状面または角錐状面であり、
   前記第２当接面は、Ｖ溝を有する傾斜面であり、
   前記第３当接面は、前記主面に平行な平面である、
   請求項１～５のいずれかに記載の支持機構。
7. 前記第１当接面、前記第２当接面および前記第３当接面の少なくとも１つは、バフ研磨面である、請求項６に記載の支持機構。
8. 前記第１当接面の第１頂角α１および前記第２当接面の第２頂角α２が、９０°以上１２５°以下である、請求項６または７に記載の支持機構。
9. 前記第１当接面、前記第２当接面および前記第３当接面の少なくとも１つは、０．０２μｍ以上０．８μｍ以下の算術平均粗さＲａ２を有する、請求項６～８のいずれかに記載の支持機構。
10. 前記球体の球面が、ラッピング研磨面である、請求項１～９のいずれかに記載の支持機構。
11. 前記柱状部が、低熱膨張セラミックスまたは低熱膨張ガラスを含む、請求項１～１０のいずれかに記載の支持機構。
12. 前記柱状部が、円柱状を有する、請求項１～１１のいずれかに記載の支持機構。
13. 前記基部および前記柱状部が、一体形成品である、請求項１～１２のいずれかに記載の支持機構。
14. 前記貫通孔の厚み方向の軸芯と、いずれかの前記柱状部の厚み方向の軸芯とを結ぶ直線を境界として、該境界の片側に位置する各辺の長さが全て異なる、請求項１～１３のいずれかに記載の支持機構。
15. 前記基部および前記柱状部の少なくとも一方が磁性金属を含み、該磁性金属の含有量が１００質量ｐｐｍ以下である、請求項１～１４のいずれかに記載の支持機構。
16. 前記低熱膨張セラミックスの主結晶相がコージェライトであり、副結晶相としてアルミナ、ムライトおよびサフィリンを含み、
    粒界相には、Ｃａを含む非晶質相が存在し、前記主結晶相の結晶相比率が９５質量％以上９７．５質量％以下であり、前記副結晶相の結晶相比率が２．５質量％以上５質量％以下であり、
    全量中に対するＣａの含有量がＣａＯ換算で０．４質量％以上０．６質量％以下であり、
    Ｚｒの含有量がＺｒＯ_２換算で０．１質量％以上１．０質量％以下である、
    請求項１～１５のいずれかに記載の支持機構。
17. 前記低熱膨張セラミックスの主結晶相がコージェライトであり、金属元素としてＣａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｒをさらに含有し、
    線膨張率が最低値を示す温度を中心とし、該温度における線膨張率に対する線膨張率の変化量が６×１０^－５以内である温度幅が３Ｋ以上である、
    請求項１～１６のいずれかに記載の支持機構。
18. 前記球体が、酸化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスを含む、請求項１～１７のいずれかに記載の支持機構。
19. 前記球体が磁性金属を含み、該磁性金属の含有量が０．１質量％以下である、請求項１～１８のいずれかに記載の支持機構。
20. 観測対象の光を反射するための主鏡と、
    該主鏡を囲繞する鏡筒と、
    請求項１～１９のいずれかに記載の支持機構と、
    を備え、
    前記主鏡および前記鏡筒の少なくとも一方が、前記基部の一方の主面と反対側に位置する他方の主面に取り付けられている、望遠鏡支持装置。

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