JP5371335B2

JP5371335B2 - 両面反射鏡及びその製造方法

Info

Publication number: JP5371335B2
Application number: JP2008229734A
Authority: JP
Inventors: 元竹谷; 将実久米; 毅志尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: JP2010066291A

Description

この発明は、例えば宇宙望遠鏡や赤外線シーカー等に使用される反射光学系の両面反射鏡及びその製造方法に関するものである。

宇宙望遠鏡や赤外線シーカーでは、複数枚の反射鏡を組み合わせた反射光学系が使用される。このような反射光学系では、複数の反射鏡の位置を正確に合わせ、かつロケットの打ち上げ時の振動等の環境条件に耐えられるように、反射鏡を固定部に強固に固定する必要がある。このため、構成される反射鏡の枚数が増えるに従って、位置合わせのための調整に必要な時間が長くなり、また固定用の部品の点数が増え、重量が増加するなどの問題がある。

これに対して、従来の宇宙用の反射光学系では、両面に反射鏡が形成された両面反射鏡を光学系の中に使用することにより、部品点数の削減が図られている（例えば、特許文献１参照）。また、このような両面反射鏡としては、母材に発泡石英を用いたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、宇宙用の軽量な両面反射鏡の鏡面母料として、炭化珪素を分散粒子とする粒子分散シリコン材料が用いたものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平１０−２１３７４７号公報特開平８−１５２５０７号公報特開２００４−３１７６４７号公報

上記のような両面反射鏡を軽量化するためには、母材を中空化する方法が有効である。しかし、従来の発泡石英や粒子分散シリコン材料を母材に使用する両面反射鏡では、母材の両面に反射鏡が形成されるため、母材の内部をくり抜くのは困難である。このため、両面反射鏡の中空化のためには、片面ずつ作成した反射鏡を、最後に接着剤によって貼り付けたり、ねじ等によって機械的に結合したりして一体化する必要がある。

このような一体化の方法のうち、接着剤による方法では、接着強度を保つために十分な接着面積を確保する必要があるため、軽量化に限界があった。また、吸湿による変形が生じるため、光学性能が変化してしまう。さらに、接着剤の物性に応じて耐熱性に限界があった。一方、ねじ等によって機械的に結合する方法では、機械的結合部を形成する必要があるとともにねじ等が必要となり、軽量化に限界があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光学性能の変化や耐熱性の低下を防止しつつ、軽量化を図ることができる両面反射鏡及びその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る両面反射鏡は、第１の反射鏡面と、第１の反射鏡面の背面側に位置する第２の反射鏡面と、第１及び第２の反射鏡面との間に位置する空洞部とが設けられている反射鏡本体を備え、反射鏡本体の母材として、炭素繊維強化炭化珪素複合材料が使用されている。

この発明の両面反射鏡は、反射鏡本体の母材として炭素繊維強化炭化珪素複合材料が使用されているので、炭素繊維強化炭素複合材料を母材とする２つの反射鏡部材を、それらの炭素繊維強化炭素複合材料を炭素繊維強化炭化珪素複合材料化することで一体化することができ、従って、接着剤やねじ等を用いずに２つの反射鏡部材を一体化することができ、光学性能の変化や耐熱性の低下を防止しつつ、空洞部を設けて軽量化を図ることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による両面反射鏡を示す斜視図、図２は図１の両面反射鏡のＡ−Ａ’線の位置（厚みｄの中央部）でのＸＹ平面における断面図、図３は図２の両面反射鏡のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。

図において、反射鏡本体１には、第１の反射鏡面２と、第１の反射鏡面２の背面側に位置する第２の反射鏡面３と、第１及び第２の反射鏡面２，３間に位置する複数の空洞部４とが設けられている。この例では、第１の反射鏡面２の曲率半径がＲ＝１０００ｍｍ、第２の反射鏡面３の曲率半径がＲ＝２０００ｍｍである。空洞部４は、反射鏡本体１の周方向に並べて配置されている。また、反射鏡本体１の中央部には、光路を確保するための光路孔５が設けられている。

反射鏡本体１は、互いに対向する中空円板状の第１及び第２の円板部１ａ，１ｂと、内径側端部で第１及び第２の円板部１ａ，１ｂ間に位置する円筒状の内周リブ１ｃと、外径側端部で第１及び第２の円板部１ａ，１ｂ間に位置する外周リブ１ｄと、第１及び第２の円板部１ａ，１ｂ間に放射状に配置された複数の放射状リブ１ｅとを有する一体構造である。

第１の反射鏡面２は、第１の円板部１ａに設けられている。第２の反射鏡面２は、第２の円板部１ｂに設けられている。空洞部４と光路孔５との間は、内周リブ１ｃにより仕切られている。隣接する空洞部４間は、放射状リブ１ｅにより仕切られている。外周リブ１ｄには、空洞部４を反射鏡本体１外と連通する複数の開口１ｆが設けられている。

反射鏡本体１の母材としては、炭素繊維強化炭化珪素（Ｃ／ＳｉＣ）複合材料が使用されている。この例では、反射鏡本体１は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料のみにより構成されている。

次に、上記の両面反射鏡の製造方法について説明する。図４は図１の両面反射鏡の製造方法を斜視図とともに示す工程図である。図１の両面反射鏡を製造する場合、まず短繊維である炭素繊維をバインダー混濁水中で撹拌し、均等に分散させる（ステップＳ１）。なお、ここではバインダーとしてセルロースバインダーを使用した。

続いて、バインダー混濁水の水分を真空ポンプで減圧除去した後、堆積した繊維の塊を金型に移し、加圧して所定の形状（ここでは円板状）に成形する（ステップＳ２）。この後、成形された繊維の塊を金型から取り出し、乾燥炉内で９０℃４８時間以上の条件で加熱乾燥させる（ステップＳ３）。これにより、炭素繊維とバインダーとからなる炭素繊維成形体が作製される。

次に、この炭素繊維成形体にピッチ（またはフェノール樹脂でもよい）を含浸させ（ステップＳ４）、真空中あるいはアルゴン、窒素などの不活性ガスによる不活性雰囲気中で約１０００℃に加熱し、含浸剤成分を炭化させて炭素繊維強化炭素（以下、Ｃ／Ｃと称する）複合材料にする。この後、不活性雰囲気中２０００℃で熱処理してＣ／Ｃ複合材料を黒鉛化させる（ステップＳ５）。これにより、黒鉛化した円板状のＣ／Ｃ成形体１０が作製される。

この後、Ｃ／Ｃ成形体１０の前面及び背面に機械加工を施す（ステップＳ６）。具体的には、Ｃ／Ｃ成形体１０の前面に、所望の曲率半径（ここではＲ＝１０００ｍｍ）を有する球面状（凹面）となるように研削加工を施す。また、Ｃ／Ｃ成形体１０の背面には、リブ１ｃ〜１ｅに対応する部分を残して軽量化（切削）加工を施す。さらに、Ｃ／Ｃ成形体１０の中央部には、光路孔５となる円形の孔を設ける。これにより、前面に第１の反射鏡面２、背面に第１の軽量化加工部１１ａが設けられた第１の反射鏡部材１１が作製される。

また、上記と同様の手順で別のＣ／Ｃ成形体１０を作製し、そのＣ／Ｃ成形体１０から第１の反射鏡部材１１と同様の手順で第２の反射鏡部材１２を作製する。このとき、第２の反射鏡部材１２の前面には、曲率半径Ｒ＝２０００ｍｍの第２の反射鏡面３を設ける。また、第２の反射鏡部材１２の背面には、第１の軽量化加工部１１ａと同様の第２の軽量化加工部１２ａを設ける。

そして、このようにして得られた第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面同士を組み合わせる（ステップＳ７）。この後、真空中で第１及び第２の反射鏡部材１１，１２に熔融金属シリコンを含浸、反応させ、Ｃ／ＣをＣ／ＳｉＣ化することにより、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２を接合し一体化する（ステップＳ８）。このとき、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の界面では、含浸されたシリコンの一部が炭素と反応し炭化珪素に変化し、これにより第１及び第２の反射鏡部材１１，１２が強固に一体化される。

最後に、第１及び第２の反射鏡面２，３に片面ずつ仕上げの研削加工及び鏡面研磨加工を施す（ステップＳ９、Ｓ１０）。これにより、Ｃ／ＳｉＣ成形体である図１の反射鏡本体１が作製される。

このような両面反射鏡では、反射鏡本体１の母材としてＣ／ＳｉＣ複合材料が使用されているので、Ｃ／Ｃ複合材料を母材とする２つの反射鏡部材１１，１２を、それらのＣ／ＣをＣ／ＳｉＣ化することで一体化することができ、従って、接着剤やねじ等を用いずに２つの反射鏡部材１１，１２を一体化することができ、光学性能の変化や耐熱性の低下を防止しつつ、空洞部４を設けて軽量化を図ることができる。

また、一体化された反射鏡本体１の両面に反射鏡面２，３が形成されているので、宇宙望遠鏡や赤外線シーカー等に適用する場合に光学部品の数を減らすことができるとともに、２つの反射鏡を用いる場合に比べて、光学系を薄型化することもできる。
さらに、Ｃ／ＳｉＣ複合材料は、衛星用の反射鏡材料として優れた特性を有している。

さらにまた、上記のような両面反射鏡の製造方法では、Ｃ／Ｃ複合材料が母材として使用されている第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面同士を組み合わせ、溶融されたシリコンを第１及び第２の反射鏡部材１１，１２に含浸させ、Ｃ／ＣをＣ／ＳｉＣ化することで第１及び第２の反射鏡部材１１，１２を一体化するので、接着剤やねじ等を用いずに２つの反射鏡部材１１，１２を一体化することができ、光学性能の変化や耐熱性の低下を防止しつつ、空洞部４を設けて軽量化を図ることができる。

さらに、Ｃ／Ｃ複合材料は、機械加工性に優れ、機械的強度が高いので、軽量化のための機械加工時に、加工時間が短時間で済むとともに、円板部１ａ，１ｂやリブ１ｃ〜１ｅの薄肉化を図ることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２による両面反射鏡の外観は図１と同様である。また、図５は実施の形態２による両面反射鏡の断面図であり、図２と同様の断面に相当する。さらに、図６は図５の両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図であり、図５のＣ−Ｃ'線、Ｄ−Ｄ’線に沿う断面に相当する。

この実施の形態２では、黒鉛化したＣ／Ｃ成形体１０の前面及び背面に機械加工を施す際（図４のステップＳ６）、第１の反射鏡部材１１の背面に位置決め部としての複数の凸部１３を設ける。また、第２の反射鏡部材１２の背面には、凸部１３が嵌合される位置決め部としての複数の凹部１４を設ける。これらの凸部１３及び凹部１４は、放射状リブ１ｅに設けられている。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。

このような両面反射鏡の製造方法では、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面に、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面同士を組み合わせる際に位置決めをするための凸部１３及び凹部１４を設けたので、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２を組み合わせる際に、両者の位置合わせを短時間で精密に行うことができる。

実施の形態３．
次に、図７はこの発明の実施の形態３による両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図であり、図５のＣ−Ｃ'線、Ｄ−Ｄ’線に沿う断面に相当する。実施の形態２では、第１の反射鏡部材１１に凸部１３を設け、第２の反射鏡部材１２に凹部１４を設けたが、実施の形態３では、第１の反射鏡部材１１に凸部１３及び凹部１４の両方を設け、第２の反射鏡部材１２にも凸部１３及び凹部１４の両方を設けた。他の構成及び製造方法は、実施の形態２と同様である。

このような製造方法によっても、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２を組み合わせる際に、両者の位置合わせを短時間で精密に行うことができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４による両面反射鏡の外観は図１と同様である。また、図８は実施の形態４による両面反射鏡の断面図であり、図２と同様の断面に相当する。さらに、図９は図８の両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図であり、図８のＥ−Ｅ'線、Ｆ−Ｆ’線に沿う断面に相当する。

この実施の形態４では、黒鉛化したＣ／Ｃ成形体１０の前面及び背面に機械加工を施す際（図４のステップＳ６）、第１の反射鏡部材１１の背面に位置決め部としての複数の凸部１５を設ける。また、第２の反射鏡部材１２の背面には、凸部１５が嵌合される位置決め部としての複数の凹部１６を設ける。これらの凸部１５及び凹部１６は、外周リブ１ｄに設けられている。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。

このような両面反射鏡の製造方法では、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面に、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面同士を組み合わせる際に位置決めをするための凸部１５及び凹部１６を設けたので、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２を組み合わせる際に、両者の位置合わせを短時間で精密に行うことができる。

なお、実施の形態４では、第１の反射鏡部材１１に凸部１５を設け、第２の反射鏡部材１２に凹部１６を設けたが、第１の反射鏡部材１１に凸部１５及び凹部１６の両方を設け、第２の反射鏡部材１２にも凸部１５及び凹部１６の両方を設けてもよい。
また、実施の形態４と実施の形態２，３とを組み合わせて実施してもよい。

実施の形態５．
次に、図１０はこの発明の実施の形態５による両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図であり、図８のＥ−Ｅ'線、Ｆ−Ｆ’線に沿う断面に相当する。

この実施の形態５では、黒鉛化したＣ／Ｃ成形体１０の前面及び背面に機械加工を施す際（図４のステップＳ６）、第１の反射鏡部材１１の背面に位置決め部としての複数の凸部１７を設ける。また、第２の反射鏡部材１２の背面には、凸部１７が嵌合される位置決め部としての複数の凹部１８を設ける。これらの凸部１７及び凹部１８は、周方向に互いに間隔をおいて内周リブ１ｃに設けられている。他の構成及び製造方法は、実施の形態１と同様である。

このような両面反射鏡の製造方法では、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面に、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面同士を組み合わせる際に位置決めをするための凸部１７及び凹部１８を設けたので、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２を組み合わせる際に、両者の位置合わせを短時間で精密に行うことができる。

なお、実施の形態５では、第１の反射鏡部材１１に凸部１７を設け、第２の反射鏡部材１２に凹部１８を設けたが、第１の反射鏡部材１１に凸部１７及び凹部１８の両方を設け、第２の反射鏡部材１２にも凸部１７及び凹部１８の両方を設けてもよい。
また、実施の形態５と実施の形態２，３及び実施の形態４の少なくともいずれか一方とを組み合わせて実施してもよい。

実施の形態６．
次に、図１１はこの発明の実施の形態６による両面反射鏡を示す斜視図、図１２は図１１の両面反射鏡のＧ−Ｇ’線の位置（厚みｄの中央部）でのＸＹ平面における断面図、図１３は図１２の両面反射鏡のＨ−Ｈ’線に沿う断面図である。

この実施の形態６は、光路孔５が設けられてない点で実施の形態１と異なっている。このため、第１の円板部１ａの背面と第２の円板部１ｂの背面とは、それらの中央部で一体化されている。

このような両面反射鏡を製造する場合、黒鉛化したＣ／Ｃ成形体１０の前面及び背面に機械加工を施す際（図４のステップＳ６）、第１及び第２の反射鏡部材１１，１２の背面の中央部に、互いに接合される接合部が設けられる。他の構成及び製造方法は実施の形態１と同様である。

このような両面反射鏡及びその製造方法によっても、光学性能の変化や耐熱性の低下を防止しつつ、空洞部４を設けて軽量化を図ることができる。

なお、実施の形態６に示したような両面反射鏡の製造方法において、実施の形態２〜５に示したような位置決め部を設けてもよい。
また、リブ１ｃ〜１ｅの配置や反射鏡面２，３の曲率半径は、実施の形態１〜６に限定されるものではない。
さらに、凸部１３，１５，１７や凹部１４，１６，１８を設ける場合、それらの数や形状は特に限定されるものではない。

この発明の実施の形態１による両面反射鏡を示す斜視図である。図１の両面反射鏡のＡ−Ａ’線の位置でのＸＹ平面における断面図である。図２の両面反射鏡のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。図１の両面反射鏡の製造方法を斜視図とともに示す工程図である。この発明の実施の形態２による両面反射鏡の断面図である。図５の両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図である。この発明の実施の形態３による両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図である。この発明の実施の形態４による両面反射鏡の断面図である。図８の両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図である。この発明の実施の形態５による両面反射鏡の一体化前の状態を示す断面図である。この発明の実施の形態６による両面反射鏡を示す斜視図である。図１１の両面反射鏡のＧ−Ｇ’線の位置でのＸＹ平面における断面図である。図１２の両面反射鏡のＨ−Ｈ’線に沿う断面図である。

符号の説明

１反射鏡本体、２第１の反射鏡面、３第２の反射鏡面、４空洞部、１１第１の反射鏡部材、１２第２の反射鏡部材、１３，１５，１７凸部（位置決め部）、１４，１６，１８凹部（位置決め部）。

Claims

第１の反射鏡面と、上記第１の反射鏡面の背面側に位置する第２の反射鏡面と、上記第１及び第２の反射鏡面との間に位置する空洞部とが設けられている反射鏡本体を備え、
上記反射鏡本体は、母材として炭素繊維強化炭化珪素複合材料を使用した一体構造であることを特徴とする両面反射鏡。
前面に反射鏡面が設けられ、背面に軽量化加工部が設けられており、炭素繊維強化炭素複合材料が母材として使用されている第１及び第２の反射鏡部材の背面同士を組み合わせる工程、及び
溶融されたシリコンを上記第１及び第２の反射鏡部材に含浸させ、炭素繊維強化炭素複合材料を炭素繊維強化炭化珪素複合材料とすることにより、上記第１及び第２の反射鏡部材を一体化する工程
を含むことを特徴とする両面反射鏡の製造方法。
上記第１及び第２の反射鏡部材の背面に、上記第１及び第２の反射鏡部材の背面同士を組み合わせる際に位置決めをするための位置決め部を設ける工程
をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の両面反射鏡の製造方法。
上記位置決め部は、上記第１及び第２の反射鏡部材の一方に設けられた凹部と、他方に設けられ上記凹部に嵌合される凸部とを含むことを特徴とする請求項３記載の両面反射鏡の製造方法。