JP4798524B2 - コルゲートホーンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コルゲートホーンの製造技術に関する。

古代より、我々人類は、夜空に輝く宇宙に思いを馳せ、宇宙の謎を解明するための努力を続けてきた。壮大な宇宙には、未解明な謎が数多く残されているが、近年、技術革新による望遠鏡性能の飛躍的な向上に後押しされ、電波銀河、パルサー、３Ｋ宇宙背景放射、Ｘ線星、Ｘ線背景放射、γ線バーストなど、偉大な発見が相次いでおり、人類は、少しずつ、しかし着実に、茫洋とした宇宙の核心に近づきつつある。

光学域での観測により発展してきた天文学は、宇宙電波の発見により、新たな局面を迎えた。低周波の電波を観測するための数十メートル級の大型電波望遠鏡が世界各国で相次いで完成し、日本でも、１９７０年には三鷹に６メートルのミリ波望遠鏡が、１９８２年には国立天文台野辺山宇宙電波観測所に４５メートルの電波望遠鏡が設置された。野辺山宇宙電波観測所の電波望遠鏡は、世界でもトップレベルの性能を誇り、この電波望遠鏡により観測された高品位の電波画像は、星間分子雲からの星と惑星系の形成、銀河における星形成と銀河核の活動性、星間分子雲の化学組成とその進化などの研究のために、世界各国の研究者に提供され、その成果は国際的にも高く評価されている。

現在、新たな電波望遠鏡の建設計画として、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array：ＡＬＭＡ）計画が進行している。ＡＬＭＡ計画は、日、米、欧が独立して構想していた３計画を統合したものであるが、干渉計方式では、複数のアンテナ等を持ち寄ることによって、より大規模な観測装置を実現することができるため、ミリ波サブミリ波天文学の発展に計り知れない効果をもたらすと期待されている。

野辺山宇宙電波観測所やＡＬＭＡにおいて使用される電波望遠鏡は、宇宙から地球へ届くミリ波からサブミリ波帯の電磁波を観測する。現在、ミリ波やサブミリ波の検出技術としては、ＳＩＳ（Superconductor-Insulator-Superconductor）ミクサを用いたヘテロダイン検波が主流である。これは、ＳＩＳ接合を有する素子が超伝導状態で強い非線形性を示す性質を利用したものである。

ミリ波からサブミリ波帯の電磁波は、波長が短いため、導波路などのサイズが小さくなり、マイクロメーターのオーダーの非常に高い加工精度が要求される。このような導波管の製造方法として、例えば、電鋳加工を用いたコルゲートホーンの製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１９９９１５号公報

しかしながら、電鋳加工によりコルゲートホーンを製造する場合、母型を溶融除去してコルゲートホーンを取り出すので、１個ずつ母型を形成する必要があり、コストや時間がかかるという問題がある。高い加工精度を維持しつつ、製造に要するコストや時間を低減させる製造方法の開発が強く望まれる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、コルゲートホーンの製造に要するコストや時間を低減させる技術の提供にある。

本発明のある態様は、コルゲートホーンの製造方法に関する。このコルゲートホーンの製造方法は、第１部材の内部に、円錐面状の導波路を、切削により形成する工程と、前記第１部材の前記円錐面状の導波路の出射側の端に、第２部材を圧入させるための空洞を形成する工程と、前記第２部材の内部に、前記第２部材が前記第１部材の前記空洞に圧入されたときに、前記第１部材の内部に形成された前記円錐面状の導波路に接続される円錐面状の導波路を、切削により形成する工程と、前記第２部材の内部に、前記円錐面状の導波路の端から前記第２部材の端の間に、前記円錐面状の導波路の端側が円形で、前記第２部材の端側が矩形の円角変換導波路を、ワイヤー放電加工により形成する工程と、前記円錐面状の導波路に溝を形成する工程と、前記第１部材の前記空洞に前記第２部材を圧入する工程と、を備え、前記第１部材の前記円錐面状の導波路と前記第２部材の前記円錐面状の導波路は、前記溝の段差部において分割されることを特徴とする。

前記円角変換導波路のフレア角は、前記円錐面状の導波路のフレア角よりも鋭角であってもよい。

前記円角変換導波路を形成する工程は、前記第２部材の内部に、前記円角変換導波路の内径よりも小さい内径の貫通孔を形成する工程と、前記ワイヤー放電加工のためのワイヤーを前記貫通孔に挿入する工程と、前記ワイヤーの一端を円形に沿って、他端を矩形に沿って移動させながら放電を発生させて、前記円角変換導波路を形成する工程と、を含んでもよい。

前記圧入する工程は、前記第２部材を前記第１部材に圧入する際の位置を調整するための治具を形成する工程と、前記第１部材に固定されたガイドピンを、前記治具に形成された孔に挿入して、前記治具と前記第１部材の位置を合わせる工程と、前記ガイドピンに沿って前記治具を前記第１部材の方へ摺動させることにより、前記治具に形成された突起で前記第２部材を前記第１部材の前記空洞に圧入する工程と、を含んでもよい。

コルゲートホーンの製造方法は、前記円錐面状の導波路及び前記円角変換導波路の表面を金でメッキする工程を更に備えてもよく、前記金でメッキする工程において、前記空洞の内面又は前記第２部材の外面に金がメッキされることにより、前記第２部材の少なくとも一部において、前記第２部材の外径が前記空洞の内径よりも大きくなるようにしてもよい。

前記第２部材の前記円角変換導波路の出射側の外径は、前記空洞の内径よりも大きくてもよく、入射側の外径は、前記空洞の内径よりも小さくてもよい。

前記第２部材は前記空洞よりも長くてもよく、当該コルゲートホーンが他の部品に固定される際に前記第２部材が前記他の部品に当接する面は、周囲より突出していてもよい。

本発明によれば、量産に適したコルゲートホーンの製造技術を提供することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る製造方法により製造されるコルゲートホーン１０の底面図であり、図１（ｂ）は、断面図である。コルゲートホーン１０は、ミリ波又はサブミリ波の電磁波を導波するために用いられる。コルゲートホーン１０の内部には、複数の溝（コルゲーション）１４を有する円錐面状の導波路１２が形成されている。コルゲートホーン１０は、フランジ２２に形成された孔７４を用いて、ピンにより直交偏波分離器（Ortho Mode Transducer：ＯＭＴ）などの部品に固定される。

円錐面状の導波路１２の出射端は円形であるが、測定システムや受信機などで広く用いられている標準的な導波管は矩形導波管である。したがって、両者を接続するためには、円形から矩形へ変換する円角変換導波路６０が必要となる。円角変換導波路６０を旋盤などを用いた切削により形成することは困難であるため、円角変換導波管をコルゲートホーン１０とは別の部品として製造し、コルゲートホーンと受信機の間に接続することも考えられるが、本実施の形態では、円角変換導波路６０をコルゲートホーン１０内に集積して形成する。これにより、部品数を低減させることができるので、製造に要するコストなどを低減することができるとともに、受信機を小型化することができる。さらに、導波路を短縮することができるので、電波の伝播損失を低減させることができる。

本実施の形態では、コルゲートホーン１０を、第１部材２０と第２部材３０とに分割して製造する。これにより、後述するように、溝１４などの加工を容易にすることができ、製造に要する時間やコストを低減させることができるとともに、加工精度を向上させることができる。第１部材２０に形成される円錐面状の導波路４０と、第２部材３０に形成される円錐面状の導波路５０は、溝１４の段差部において分割されている。コルゲートホーン１０内の伝送モードはＨＥ１１モードであり、電波の進行方向に管内電流は流れないため、溝１４の段差部で第１部材２０と第２部材３０とを分割することにより、接触面の状態による性能への影響を抑えることができる。

図２（ａ）に示すように、溝１４の出射端側の段差部において第１部材２０と第２部材３０が分割されてもよいし、図２（ｂ）に示すように、溝１４の入射端側の段差部において第１部材２０と第２部材３０が分割されてもよい。

ガイドピン７０は、後述するように、第２部材３０を第１部材２０に形成された空洞へ圧入するときに、位置調整用の治具を第１部材２０に位置合わせするために用いられる。以下、コルゲートホーン１０の製造方法の詳細について説明する。

図３（ａ）は、第１部材２０の底面図であり、図３（ｂ）は、断面図である。第１部材２０の内部には、旋盤などを用いた切削により円錐面状の導波路４０が形成される。導波路４０には、複数の溝４２が形成される。第１部材２０の出射端側に、第２部材３０を圧入させるための空洞２４が形成される。フランジ２２の底面には、ガイドピン７０を挿入するための孔７２と、コルゲートホーン１０を他の部材に接続するためのピンを挿入するための孔７４が形成される。

図４は、第１部材２０に溝４２を形成する工程を説明するための図である。第１部材２０に円錐面状の導波路４０を形成した後、第１部材２０を旋盤に固定し、Ｌ字型の刃４４を用いて溝４２を彫る。刃４４の幅は、溝４２の幅と同じか、溝４２の幅よりも小さいものとする。図３に示した例では、コルゲートホーン１０の入射側の開口から刃４４を挿入して溝４２を彫っているが、導波路４０の長さが刃４４の長さよりも長く、出射端側の溝４２を彫ることが難しい場合は、出射側の開口から刃４４を挿入して出射端側の溝４２を彫るようにしてもよい。

図５（ａ）は、第２部材３０の底面図であり、図５（ｂ）は、断面図である。第２部材３０の内部には、旋盤などを用いた切削により円錐面状の導波路５０が形成される。円錐面状の導波路５０には、第１部材２０と同様に、Ｌ字型の刃４４により溝５２が形成される。円錐面状の導波路５０の出射端近傍を、第２部材３０として第１部材２０とは別個に製造するので、導波路５０や溝５２を切削により形成する工程を容易にし、加工精度を向上させることができる。

円錐面状の導波路５０の出射端側に、円角変換導波路６０が形成される。円角変換導波路６０は、後述するように、ワイヤー放電加工を用いて形成される。ワイヤー放電加工において、第２部材３０を加工装置に固定するために、フランジ３２が設けられている。第２部材３０に、導波路５０、溝５２、円角変換導波路６０が形成されると、フランジ３２は必要ないので、ＡＡ’面で切断される。これにより、第２部材３０の製造が完了する。製造された第２部材の底面図及び断面図を、図６（ａ）（ｂ）に示す。

図７に示すように、第２部材３０に形成される円角変換導波路６０のフレア角は、円錐面状の導波路５０のフレア角よりも鋭角になっている。したがって、第２部材３０の内部に、ワイヤー放電加工を用いて円角変換導波路６０を形成することができる。また、第２部材３０の出射端側の領域３６の外径を、空洞２４の内径よりも大きくしている。これにより、第２部材３０を空洞２４に圧入させた後に、第２部材３０が空洞２４から抜け落ちたり、ずれたりすることを防ぐことができる。第２部材３０の入射端側の外径は、空洞２４の内径と同じかやや小さくしてもよい。これにより、第２部材３０を空洞２４に圧入させる際に、空洞２４に入れやすくすることができる。なお、図７では、分かりやすくするために寸法を誇張して描いており、実際の寸法を示しているわけではない。第２部材３０の外径と空洞２４の内径との差は、第１部材２０及び第２部材３０の材料や、圧入する際の圧力などを考慮して決定されてもよい。

円角変換導波路６０を形成する際に、まず、図８（ａ）に示すように、円角変換導波路６０の最小の内径よりも小さい内径の円筒状の貫通孔を、第２部材３０の導波路５０の出射端側に形成する。その後、貫通孔にワイヤー放電加工装置のワイヤーを挿入し、ワイヤーの一端を円形に沿って、他端を矩形に沿って移動させながら放電を発生させることにより、円角変換導波路６０を形成する。このようにして形成された円角変換導波路６０の斜視図を図８（ｂ）に示す。

図９は、第２部材３０を第１部材２０の空洞２４に圧入する際の位置を調整するための治具の外観を示す。治具８０には、ガイドピン７０を挿入するための孔８４と、第２部材３０を圧入させるための突起８２が設けられている。第１部材２０の孔７２に固定されたガイドピン７０を、治具８０に形成された孔８４に挿入して、治具８０と第１部材２０の位置を合わせた後、ガイドピン７０に沿って治具８０を第１部材２０の方へ摺動させると、治具８０に形成された突起８２が第２部材３０を押し、第１部材２０の空洞２４へ圧入させる。これにより、第１部材２０の空洞２４へ精確に第２部材３０を圧入させることができ、加工精度を向上させ、信頼性の高いコルゲートホーンを製造することができる。

導波路の表面の電気伝導性を向上させるために、円錐面状の導波路１２及び円角変換導波路６０の表面を金メッキしてもよい。導波路の表面のみに金メッキしてもよいし、第１部材２０及び第２部材３０全体を金メッキしてもよい。コルゲートホーン１０では、円錐面状の導波路１２が長いので、奥の方まで確実に金メッキを施すために、無電解金メッキを行うことが望ましい。第１部材２０及び第２部材３０の全体に金メッキなどの表面処理を施す場合、化学皮膜や金メッキの膜厚を考慮して、第２部材３０の外径と空洞２４の内径を設計しておくのが好ましい。すなわち、空洞２４の内面又は第２部材３０の外面に金がメッキされることにより、第２部材３０の少なくとも一部において、第２部材３０の外径が空洞２４の内径よりも大きくなるようにする。この場合、第２部材３０を空洞２４に圧入する際に、空洞２４に入れやすくするために、第２部材３０の入射端側は、金メッキを施した後の外径が空洞２４の内径よりも小さくなるようにしておくのが好ましい。

図１０は、本実施の形態に係る方法で製造されたコルゲートホーン１０が他の部品９０に接続された様子を示す。コルゲートホーン１０のフランジ２２に形成された孔と、部品９０のフランジ９２に形成された孔に、ピン９４を貫通させてネジなどで締め付けることで、コルゲートホーン１０と部品９０が接続される。このとき、第２部材３０は空洞２４より長く、第２部材３０が部品９０に当接する面３４は、周囲よりも突出しているので、第２部材３０は部品９０により空洞２４内に押し込まれるように固定される。コルゲートホーン１０は一般に冷却した状態で用いられるので、温度変化により第１部材２０と第２部材３０の形状が変化することで、導波路４０と導波路５０の接触状態が変化する可能性があるが、本実施の形態では、部品９０により第２部材３０を押し込むように固定するので、第１部材２０の導波路４０と第２部材３０の導波路５０の間の接触状態を良好に保ち、コルゲートホーン１０の性能を向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、導波管の例として、コルゲートホーンを製造する方法について説明したが、その他、内部に導波路などの空洞を有する任意の部品について、本実施の形態の方法を適用可能である。

図１（ａ）は、実施の形態に係る製造方法により製造されるコルゲートホーンの底面図であり、図１（ｂ）は、断面図である。 図２（ａ）（ｂ）は、第１部材と第２部材の接触部分の拡大図である。 図３（ａ）は、第１部材の底面図であり、図３（ｂ）は、断面図である。 第１部材に溝を形成する工程を説明するための図である。 図５（ａ）は、第２部材の底面図であり、図５（ｂ）は、断面図である。 図６（ａ）は、第２部材の底面図であり、図６（ｂ）は、断面図である。 円角変換導波路のフレア角と、円錐面状の導波路のフレア角を示す図である。 図８（ａ）（ｂ）は、円角変換導波路を形成する工程を説明するための図である。 第２部材を第１部材の空洞に圧入する際の位置を調整するための治具の外観を示す図である。 実施の形態に係る方法で製造されたコルゲートホーンが他の部品に接続された様子を示す図である。

符号の説明

１０ コルゲートホーン、１２ 導波路、１４ 溝、２０ 第１部材、２２ フランジ、２４ 空洞、３０ 第２部材、３２ フランジ、４０ 導波路、４２ 溝、４４ 刃、５０ 導波路、５２ 溝、６０ 円角変換導波路、７０ ガイドピン、７２ 孔、７４ 孔、８０ 治具、８２ 突起、８４ 孔、９０ 部品、９２ フランジ、９４ ピン。

Claims (7)

1. コルゲートホーンを製造する方法であって、
   第１部材の内部に、円錐面状の導波路を、切削により形成する工程と、
   前記第１部材の前記円錐面状の導波路の出射側の端に、第２部材を圧入させるための空洞を形成する工程と、
   前記第２部材の内部に、前記第２部材が前記第１部材の前記空洞に圧入されたときに、前記第１部材の内部に形成された前記円錐面状の導波路に接続される円錐面状の導波路を、切削により形成する工程と、
   前記第２部材の内部に、前記円錐面状の導波路の端から前記第２部材の端の間に、前記円錐面状の導波路の端側が円形で、前記第２部材の端側が矩形の円角変換導波路を、ワイヤー放電加工により形成する工程と、
   前記円錐面状の導波路に溝を形成する工程と、
   前記第１部材の前記空洞に前記第２部材を圧入する工程と、を備え、
   前記第１部材の前記円錐面状の導波路と前記第２部材の前記円錐面状の導波路は、前記溝の段差部において分割されることを特徴とするコルゲートホーンの製造方法。
2. 前記円角変換導波路のフレア角は、前記円錐面状の導波路のフレア角よりも鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のコルゲートホーンの製造方法。
3. 前記円角変換導波路を形成する工程は、
   前記第２部材の内部に、前記円角変換導波路の内径よりも小さい内径の貫通孔を形成する工程と、
   前記ワイヤー放電加工のためのワイヤーを前記貫通孔に挿入する工程と、
   前記ワイヤーの一端を円形に沿って、他端を矩形に沿って移動させながら放電を発生させて、前記円角変換導波路を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のコルゲートホーンの製造方法。
4. 前記圧入する工程は、
   前記第２部材を前記第１部材に圧入する際の位置を調整するための治具を形成する工程と、
   前記第１部材に固定されたガイドピンを、前記治具に形成された孔に挿入して、前記治具と前記第１部材の位置を合わせる工程と、
   前記ガイドピンに沿って前記治具を前記第１部材の方へ摺動させることにより、前記治具に形成された突起で前記第２部材を前記第１部材の前記空洞に圧入する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコルゲートホーンの製造方法。
5. 前記円錐面状の導波路及び前記円角変換導波路の表面を金でメッキする工程を更に備え、
   前記金でメッキする工程において、前記空洞の内面又は前記第２部材の外面に金がメッキされることにより、前記第２部材の少なくとも一部において、前記第２部材の外径が前記空洞の内径よりも大きくなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のコルゲートホーンの製造方法。
6. 前記第２部材の前記円角変換導波路の出射側の外径は、前記空洞の内径よりも大きく、入射側の外径は、前記空洞の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のコルゲートホーンの製造方法。
7. 前記第２部材は前記空洞よりも長く、当該コルゲートホーンが他の部品に固定される際に前記第２部材が前記他の部品に当接する面は、周囲より突出していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のコルゲートホーンの製造方法。

Images