JP4259927B2

JP4259927B2 - 反射鏡

Info

Publication number: JP4259927B2
Application number: JP2003165301A
Authority: JP
Inventors: スティーブハーン; 毅志尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-06-10
Also published as: JP2005003801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、望遠鏡等に用いられる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、衛星への搭載など、宇宙観測の用途で用いられる望遠鏡の観測精度向上への要求が高まっている。次世代望遠鏡をはじめとする将来の望遠鏡に用いられる反射鏡においては、軽量、高剛性という基本的な特性の他、高レベルの熱的寸法安定性が求められる。このような要求に応えるため、反射鏡の鏡面の基材や背面の補強構造用の材料には軽量・低熱変形の性質を有するＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料が用いられる。
【０００３】
熱変形の問題を解決する反射鏡の従来例として、例えば非特許文献１に示されたＣＦＲＰ複合反射鏡がある。
非特許文献１に開示されたＣＦＲＰ複合反射鏡は、超低熱膨張ガラス鏡面、ＣＦＲＰで形成された背面補強構造、及び放熱ラジエータを一体化して構成されている。ガラス鏡面の裏面には、補強用のＣＦＲＰ基材が重ねられている。背面補強構造は、鏡面を補強する役割を担っており、仕切りによって構成される多数のセルの繰り返し構造によって形成されている。鏡面は、裏面に貼られた補強用基材との剛性・熱膨張率が異なるため、温度変化により、背面補強構造のセル内、すなわち仕切りで支持されていない部分で変形する。この結果鏡面精度が低下する。そのため、背面補強構造の仕切りの幅は、鏡面の変形を抑制できる程度に狭くなっている。
この複合反射鏡について行われた有限要素法による熱変形解析の結果によると、例えば温度差１０℃の熱負荷がかかった時の鏡面変形量は最大約１０ｎｍであり、比較的良好な鏡面精度が得られている。
【０００４】
【非特許文献１】
尾崎、井上，「宇宙望遠鏡システム用高精度複合材料構造」，第１４回宇宙構造・材料シンポジウム講演集，ｐ．１２４−１２７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１に開示された複合反射鏡では、面密度が４１ｋｇ／ｍ^２であり、これは今後の宇宙望遠鏡に要求される軽量性を充分に満たすものではない。ここで、更に軽量化を図るために背面補強構造の仕切りの間隔を広く開けると、鏡面の熱変形が大きくなる。逆に、良好な鏡面精度を確保するために背面補強構造の仕切りの間隔を狭くすると、反射鏡が極端に重くなり、宇宙望遠鏡等の用途には適さなくなる。
すなわち、反射鏡の背面補強構造を構成するセルの間隔は、広くすると鏡面の熱変形が発生し、狭くすると反射鏡の重量が増大するという問題があった。
【０００６】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、鏡面の熱変形が抑制され、かつ軽量な反射鏡を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る反射鏡は、反射面を有する鏡面部と、鏡面部の反射面とは反対側の面に固着された第１の板状補強部と、多数のセル構造を有し、第１の板状補強部の背面に固着された第１の芯状補強部と、第１の芯状補強部の背面に固着された第２の板状補強部と、多数のセル構造を有し、第２の板状補強部の背面の全面に固着された第２の芯状補強部とを少なくとも備え、第１の芯状補強部および第２の芯状補強部は、ＣＦＲＰ、炭素繊維強化炭素または炭素繊維強化セラミックスで構成されており、第１の芯状補強部を形成する各々のセル構造の間隔は、第２の芯状補強部を形成する各々のセル構造の間隔よりも狭いものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の様々な形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による反射鏡１００の分解鳥瞰図である。図２（ａ）は、反射鏡１００の図１におけるＡ−Ａ断面の断面図、（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ部の拡大図である。図１に示すように、反射鏡１００は、鏡面１０１、第１の板状補強部１０２、第１の芯状補強部１０３、第２の板状補強部１０４、第２の芯状補強部１０５、及び第３の板状補強部１０６が表面から裏面に向かって層状に重ね合わせられることにより形成されている。
鏡面１０１、第１の板状補強部１０２、第１の芯状補強部１０３、及び第２の板状補強部１０４によって、鏡面１０１とそれを補強する支持構造からなる表面部が形成される。また、第２の板状補強部１０４、第２の芯状補強部１０５、及び第３の板状補強部１０６によって、背面部が形成される。
各部は接着剤により接着されている。例えば、図２（ｂ）に示すように、鏡面１０１と第１の板状補強部１０２、及び第１の板状補強部１０２と第１の芯状補強部１０３の間には、接着剤による接着部１０７が形成される。なお、接着剤には、例えば、ＦＭ−９６Ｕ（Ｃｙｔｅｃ社製）を用いてもよい。
【０００９】
鏡面１０１は、例えば低熱膨張ガラスで形成されている。また、第１の板状補強部１０２、第２の板状補強部１０４、及び第３の板状補強部１０６は、例えば、炭素繊維（例えばＫ１３５；三菱化学社製）及びシアネートエステル樹脂（例えばＥＸ１５１５；ＢｒｙｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）からなる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）材によって形成してもよい。
【００１０】
第１の芯状補強部１０３及び第２の芯状補強部１０５は、仕切り板で区切られた、断面が四角形で内部が空洞の単位構造（セル）を等間隔で多数組み合わせることにより形成されている。
鏡面１０１及び第１の板状補強部１０２から構成される表層部は、温度変化を受けると第１の芯状補強部１０３のセル内部、すなわち仕切り板と仕切り板の間において変形する。これは、鏡面１０１と第１の板状補強部１０２の材質が違うため、剛性及び熱膨張率が異なるためである。第１の芯状補強部１０３は、このセル間での熱変形が無視できる程度に抑制できる狭い間隔のセルで形成されている。また、第２の芯状補強部１０５は、第１の芯状補強部１０３よりも間隔の広いセルで形成されている。ここでは、例えば、第１の芯状補強部１０３のセル間隔を２０ｍｍ、第２の芯状補強部１０５のセル間隔を１００ｍｍとする。これにより、表面部においては、第１の芯状補強部１０３のセル間隔を充分狭く形成したことによって、仕切り板と仕切り板の間の面積を小さくすることができるため、鏡面１０１自体の厚みを薄くしても熱変形を小さく抑えることができる。また、背面部においては、セル間隔を広くすることで空間面積を広くし、反射鏡１００の軽量化を実現している。なお、第１の芯状補強部１０３及び第２の芯状補強部１０５は、炭素繊維（例えばＫ１３Ｃ；三菱化学社製）及びシアネートエステル樹脂（例えば、上述のＥＸ１５１５）からなるＣＦＲＰ材によって形成してもよい。
【００１１】
次に、実施の形態１による反射鏡１００の熱変形に対する耐性及び軽量性の評価結果について説明する。
従来技術に関連して述べた複合反射鏡の性能評価と同じ条件で評価した結果によると、例えば温度差１０℃の熱負荷がかかった時の鏡面１０１の熱変形量については、従来技術に関連して述べた複合反射鏡の１０ｎｍよりも優れた９ｎｍという結果が得られた。また、鏡面１０１自体の厚みを約１／５に薄くしても熱変形を防止することが可能になるため、反射鏡１００の面密度は３１ｋｇ／ｍ^２となり、従来の４１ｋｇ／ｍ^２に比べて２５％も軽量化された。
【００１２】
以上のように、この実施の形態１によれば、鏡面１０１の裏面には目の細かい第１の芯状補強部１０３を設けることにより、鏡面１０１の熱変形を抑制できるので、温度変化の多い環境で用いた場合でも、反射鏡１００の精度を保持することができる。一方、背面側に用いる第２の芯状補強部１０５については、仕切り間隔を大きくすることにより、反射鏡１００を軽量化することができる。
【００１３】
なお、ここでは、鏡面１０１にゼロ熱膨張ガラスを用いたが、金属層やセラミックス層などを用いて形成してもよい。また、板状補強部や芯状補強部には、ＣＦＲＰの代わりに、炭素繊維強化炭素（Ｃ−Ｃ）または炭素繊維強化セラミックス（ＣＦＲＣ）等を用いてもよい。
【００１４】
また、第１の芯状補強部１０３及び第２の芯状補強部１０５は、断面が四角形の単位構造（セル）を多数組み合わせた構造にしたが、単位構造の断面形状は、三角形や六角形等、仕切り板によって繰り返し構造を構成できるものであればよい。
【００１５】
また、ここでは、第２の芯状補強部１０５の裏面に第３の板状補強部１０６を設けたが、第３の板状補強部１０６を設けないオープンバック構成としてもよい。
【００１６】
また、実施の形態１では、第１の芯状補強部１０３及び第２の芯状補強部１０５の２つの異なった間隔の単位構造の繰り返しによって形成される芯状補強部を備えるようにしたが、芯状補強部は３層以上にしてもよい。この場合、例えば、鏡面１０１に最も近い芯状補強部のセル幅を非常に細かくし、表面から２番目の芯状補強部を、もう少し広い幅のセルにし、３番目の層はさらに幅を広くすることで、重量は変えずに、より熱変形に強い構成とすることも可能である。
【００１７】
また、実施の形態１では、第１の板状補強部１０２及び第２の板状補強部１０４は、鏡面１０１の湾曲に沿って湾曲しているが、第１の板状補強部１０２の鏡面１０１と接する側の面のみを鏡面１０１の湾曲に沿って湾曲させ、反対側の面は平坦な形状にしてもよい。これにより、第１の芯状補強部１０３及び第２の芯状補強部１０５は厚みが均一な構造とすることが可能になり、また、第２の板状補強部１０４についても平坦で均一な厚みの構造とすることが可能であり、製造が容易になる。
【００１８】
実施の形態２．
図３（ａ）は、この発明の実施の形態２による反射鏡２００の断面図である。図３（ａ）に示す断面は、図１のＡ−Ａ断面に相当するものである。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＣ部の拡大図である。図３（ａ）に示すように、反射鏡２００は、鏡面２０１、第１の板状補強部２０２、第１の芯状補強部２０３、第２の板状補強部２０４、第２の芯状補強部２０５、及び第３の板状補強部２０６が表面から裏面に向かって層状に重ね合わせられることにより形成されている。鏡面２０１、第１の板状補強部２０２、第１の芯状補強部２０３、及び第２の板状補強部２０４によって、鏡面２０１とそれを補強する支持構造からなる表面部が形成される。また、第２の板状補強部２０４、第２の芯状補強部２０５、及び第３の板状補強部２０６によって、背面部が形成される。
実施の形態１と同様に、各部は接着剤により接着されている。例えば、図３（ｂ）に示すように、鏡面２０１と第１の板状補強部２０２、及び第１の板状補強部２０２と第１の芯状補強部２０３の間には、接着剤による接着部２０７が形成される。なお、接着剤には、例えば、ＲＥＤＵＸ３１２ＵＬ（ＨＥＸＣＥＬ社製）を用いてもよい。
【００１９】
鏡面２０１は、例えば金属層で形成されている。また、第１の板状補強部２０２、第２の板状補強部２０４、及び第３の板状補強部２０６は、例えば、炭素母材に炭素繊維Ｔ３００（東レ社製）強化材を取入れたＣ−Ｃ材料によって形成してもよい。
【００２０】
反射鏡２００は、実施の形態１の反射鏡１００と同様の構成であるが、第１の芯状補強部２０３と第２の芯状補強部２０５を構成する単位構造（セル）の繰り返し構造として、ハニカムコアを用いる。図４に、ハニカムコアの構成を示す。
【００２１】
第１の芯状補強部２０３は、鏡面２０１の熱変形を防ぐのに充分な程度に間隔の狭いハニカムコアで形成されており、第２の芯状補強部２０５は、第１の芯状補強部２０３よりも間隔の広いハニカムコアで形成されている。ここでは、例えば、第１の芯状補強部２０３のハニカムコアのセル間隔を５ｍｍ、第２の芯状補強部２０５のハニカムコアのセル間隔を１２０ｍｍとする。これにより、表面部においては、第１の芯状補強部２０３のハニカムコアを充分狭く形成したことによって、仕切り板と仕切り板の間に位置し、第１の芯状補強部２０３によって直接補強されない鏡面２０１の面積を小さくすることができる。このため、鏡面２０１自体の厚みを薄くしても熱変形を防ぐことができる。また、背面部においては、セル間隔を広くすることで空間面積を広くし、反射鏡２００の軽量化を実現している。なお、第１の芯状補強部２０３及び第２の芯状補強部２０５は、上述の、炭素母材に炭素繊維Ｔ３００（東レ社製）強化材を取入れたＣ−Ｃ複合材料によって形成してもよい。
【００２２】
ハニカムコアを使用することにより、第１の芯状補強部２０３のセルサイズを５ｍｍと、実施の形態１に比べ更に細かくすることが可能である。実施の形態１における芯状補強部は、仕切り板の組み合わせにより構成されるのに対し、ハニカムコアは、一般的に薄い半硬化材料を型にあてる製造法により形成され、より薄い仕切り板でより間隔の狭いセルを形成できるからである。
【００２３】
次に、実施の形態２による反射鏡２００の熱変形に対する耐性及び軽量性の評価結果について説明する。
従来技術に関連して述べた複合反射鏡の性能評価と同じ条件で評価した結果によると、例えば１０℃の熱負荷がかかった時の鏡面２０１の熱変形量については、従来技術に関連して述べた複合反射鏡の１０ｎｍよりも優れた９ｎｍという結果が得られた。
【００２４】
また、実施の形態２では鏡面２０１に熱膨張率がＣ−Ｃ材と大きく異なる金属層を使用しているので、実施の形態１のようにゼロ熱膨張ガラスを使用した場合よりも熱変形が起こりやすい。しかし、第１の芯状補強部２０３のセル幅が非常に細かいため、金属層の厚みを１００μｍ以下にしても熱変形を防止することができる。この結果、反射鏡２００は面密度２６ｋｇ／ｍ^２にまで軽量化された。
【００２５】
以上のように、この実施の形態２によれば、反射鏡２００の鏡面２０１を支持する第１の芯状補強部２０３に、予めセル状に形成されたハニカムコアを使用することにより、セルサイズを非常に小さくすることが可能となり、鏡面２０１及び第１の芯状補強部２０３の肉厚を薄くできるので、実施の形態１と同じ熱変形耐性が得られると共に、反射鏡がより軽量化できる。また、芯状補強部にハニカムコアを使用することにより、製造が容易になり、製造コストの低減および納期の短縮が図れる。
【００２６】
なお、実施の形態２では、鏡面２０１に金属層を用いたが、ゼロ熱膨張ガラスやセラミックス層等を用いてもよい。また、板状補強部や芯状補強部には、Ｃ−Ｃ材料の代わりに、ＣＦＲＰやＣＦＲＣを用いてもよい。また、芯状補強部の形状は、ハニカムコアに限定されるものではなく、三角形セル、四角形セル等のコアを用いてもよい。また、ここでは第１の芯状補強部２０３にも、第２の芯状補強部２０５にもハニカムコアを用いたが、どちらか一方だけにハニカムコアを用い、他方には実施の形態１で示したような仕切り板でセルを仕切る構造のもの（ディスクリート補強芯材）を用いてもよい。
【００２７】
また、ここでは第２の芯状補強部２０５の裏面に第３の板状補強部２０６を設けたが、第３の板状補強部２０６を設けないオープンバック構成としてもよい。
【００２８】
また、実施の形態２では、第１の芯状補強部２０３及び第２の芯状補強部２０５の２つの異なった間隔の単位構造の繰り返しによって形成される芯状補強部を備えるようにしたが、芯状補強部は３層以上にしてもよい。この場合、例えば、鏡面２０１に最も近い芯状補強部のセル幅を非常に細かくし、表面から２番目の芯状補強部を、もう少し広い幅のセルにし、３番目の層はさらに幅を広くすることで、重量は変えずに、より熱変形に強い構成とすることも可能である。
【００２９】
また、実施の形態１と同様に、第１の板状補強部２０２及び第２の板状補強部２０４は、鏡面２０１の湾曲に沿って湾曲しているが、第１の板状補強部２０２の鏡面２０１と接する側の面のみを鏡面２０１の湾曲に沿って湾曲させ、反対側の面は平坦な形状にしてもよい。これにより、第１の芯状補強部２０３及び第２の芯状補強部２０５は厚みが均一な構造とすることが可能になり、また、第２の板状補強部２０４についても平坦で均一な厚みの構造とすることが可能であり、製造が容易になる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、表面部の芯状補強部は間隔の狭いセルの繰り返し構造にすることにより、表面部の剛性が向上し、温度変化に対する鏡面の熱変形を抑制できる。他方、背面部の芯状補強部は間隔の広いセルの繰り返し構造にすることにより、反射鏡が軽量化できる。このように、温度変化のある環境でも、鏡面の熱変形が抑制され、かつ軽量な反射鏡を得られ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、反射鏡の分解鳥瞰図であるである。
【図２】（ａ）は、この発明の実施の形態１による反射鏡１００の図１におけるＡ−Ａ断面の断面図、（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ部の拡大図である。
【図３】（ａ）は、この発明の実施の形態２による反射鏡２００の図１におけるＡ−Ａ断面の断面図、（ｂ）は、図３（ａ）におけるＣ部の拡大図である。
【図４】この発明の実施の形態２で芯状補強部に用いるハニカムコアの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００，２００反射鏡、１０１，２０１鏡面、１０２，２０２第１の板状補強部、１０３，２０３第１の芯状補強部、１０４，２０４第２の板状補強部、１０５，２０５第２の芯状補強部、１０６，２０６第３の板状補強部、１０７，２０７接着部。

Claims

反射面を有する鏡面部と、
上記鏡面部の上記反射面とは反対側の面に固着された第１の板状補強部と、
多数のセル構造を有し、上記第１の板状補強部の背面に固着された第１の芯状補強部と、
上記第１の芯状補強部の背面に固着された第２の板状補強部と、
多数のセル構造を有し、上記第２の板状補強部の背面の全面に固着された第２の芯状補強部とを少なくとも備え、
上記第１の芯状補強部および上記第２の芯状補強部は、ＣＦＲＰ、炭素繊維強化炭素または炭素繊維強化セラミックスで構成されており、
上記第１の芯状補強部を形成する各々のセル構造の間隔は、上記第２の芯状補強部を形成する各々のセル構造の間隔よりも狭いことを特徴とする反射鏡。
少なくとも１つの芯状補強部に、ハニカムコアを用いることを特徴とする請求項１記載の反射鏡。