JP5652845B2 - 宇宙機搭載用光学装置 - Google Patents

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Description

本発明は、宇宙機搭載用光学装置に関し、特に光学反射鏡を備える宇宙機搭載用光学装置に関する。
従来の光学装置として、粒子分散シリコン材料を用いて構成された光学装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３１７６４７号公報
従来の粒子分散シリコン材料を用いて構成された光学反射鏡は、大型化に伴って加工に要する時間が長くなっている。そして、加工時間が長くなるに従い、加工時に破損が生じて欠陥品となってしまう確率が増加し、コスト増の原因となっている。このため、加工時間の短縮と、コスト低減とが求められている。
本発明の一形態に係る光学装置は、炭化ケイ素及びシリコンを含む粒子分散シリコン材料を用いた直径１ｍ以上の大型反射鏡及び光学装置構造体を備え、前記反射鏡は、同一形状を有する複数に分割された分割部品が反応焼結によって互いに接合されたものであり、前記光学装置構造体は、前記反射鏡と同じ粒子分散シリコン材料により作製され、ハニカム構造の同一形状を有する複数の部材が反応焼結によって互いに接合されたコアを含む、ことを特徴とする宇宙機搭載用光学装置である。
粒子分散シリコン材料を用いて構成された光学反射鏡を複数の部品に分割することで、各部品の加工に要する時間を短縮し、破損による欠陥品の発生率を低下させることにより、コストを低減することができる。
本発明の一実施の形態に係る光学反射鏡を説明するための図である。 図１の光学反射鏡が用いられる光学装置の構成を示す図である。 図２の光学装置の斜視図である。 図２の光学装置における光学反射鏡の支持部の構造を説明するための斜視図である。 図４の支持部の分解斜視図である。 図２の光学装置に用いられる光学ベンチの構造を示す斜視図である。 図６の光学ベンチの分解斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学装置について説明する。
図１に本発明の光学装置に用いられる光学反射鏡１０を示す。この光学反射鏡は、３つの分割部品１１〜１３を接合することにより形成される。
分割部品１１〜１３の各々は、粒子分散シリコン材料よりなる。粒子分散シリコン材料については、上記特許文献１の他、特開２００１−３４８２８８号公報にも記載されている。
粒子分散シリコン材料は、通常の炭化ケイ素セラミックスの２倍以上（例えば８００ＭＰａ以上）の曲げ強度を有するともに、稠密な構造で気孔が存在しないので、表面を研磨することによって、稠密な異種材料をコーティングすることなしに光学反射鏡を製作することができるという特徴を有する。
粒子分散シリコン材料を用いた分割部品用母材（研磨前の材料）は、下記のようにして製造される。
（１）炭化ケイ素粉、炭素粉及び結合剤（バインダー）を混合し材料粉とする。
（２）材料粉を冷間等方圧プレスによって固め、成型体とする。
（３）成型体を機械加工し、最終分割部品とほぼ同じ形状にする。
（４）加工された成型体をシリコンとともに焼成炉にいれ、シリコンの溶融温度以上とすることにより、溶融シリコンと初期材料の炭素と反応させて、炭化ケイ素とする。その結果、初期材料の炭化ケイ素、反応生成された炭化ケイ素、及び余剰のシリコンを含む粒子分散シリコン材料からなる分割部品用母材が得られる。こうして、得られた粒子分散シリコン材料は、焼成時の収縮がほとんどなく、最終製品の形状に近いものが得られる。
（５）最後に、研削により形状を整えて最終部活部品が得られる。
上記の製造工程において、冷間等方圧プレスによって得られる成型体は、圧力で押し固められた粉体であるため、その強度が弱い。このため、大型の反射鏡母材を一体で製造する場合には、成型体の自重で破損する可能性がある。また、取り扱いの困難さから破損を生じる場合もある。本実施の形態では、複数の部品として製造するため、このような破損の可能性を低減することができる。
例えば、光学反射鏡の直径が１ｍの場合、一体で成型された成型体の質量は３００ｋｇを超える。これに対して、三分割された分割部品であれば、各部品の質量は１００ｋｇ程度となる。この質量差は、製造工程中に使用される冶具等に求められる強度等の要件を緩和する。なお、加工後の質量は、一体で成型された成型体の場合、約３０ｋｇであり、部品として成型された成型体の場合、約１０ｋｇである。
また、成型体を機械加工する際、加工時間が長くなるほど成型体に破損が生じる確率が高くなる。加工時間は、成型体が大きくなるほど（加工面積が広いほど）長くなる。本実施の形態では、反射鏡を複数の部品に分割して製造することにより、各部品の加工に要する時間を短くすることで、破損の発生する可能性を低減することができる。
例えば、反射鏡として一体成型された成型体を加工する場合の歩留まりを５０％とする。この場合、２枚の反射鏡を製作したならば、最終的に１枚の製品が得られる確率は７５％である。一方、３分割された分割部品単体を加工する場合の歩留まりは、加工時間（即ち、加工面積）に比例するため、約７９％と一体のものよりも高い。そして、４個の分割部品を加工したとき、３個の正常な加工品が得られる確率は約８１％である。これらの分割部品を接続して反射鏡とする際の歩留まりを９０％とすると、４個の分割部品から１個の完成品が得られる確率は、約７３％となる。これは、反射鏡を一体で製作する場合に、２枚製作して１枚の製品が得られる歩留まりとほぼ等しい値である。しかしながら、４個の分割部品の加工に要する時間は、一体物を２枚加工する場合の２／３の時間であり、使用する材料も同じく２／３である。よって、本実施の形態により、加工時間の短縮と、使用材料の量の減少によるコストの削減を実現することができる。換言すると、従来と同じ量の材料を使用するならば、本実施の形態により、歩留まりを向上させることができる。
なお、上記説明は、３分割された分割部品が同一形状であることを前提とするものであるが、分割部品の形状が互いに異なる場合であっても、複数の製品を製造する場合には、同一形状の分割部品が必要となるので、上記説明と同様に囲う時間の短縮とコストの停電を実現することができる。
以上のようにして製造された部品は、互いに接合され、光学反射鏡となる。分割部品間の接合には、例えば、特開２００５−２２９０５号公報や、特開２００８−１３７８３０号公報に記載された技術を用いることができる。
具体的には、接合は、以下のように行われる。
（１）まず、各部品１１〜１３の接合面１４のＳｉを熱処理や薬品処理により除去する。（２）接合面１４に有機系接着剤を塗布し、部品同士を接着し接合体とする。その後、熱処理を施して、有機系接着剤を多孔質体とする。
（３）接合体をＳｉの融点以上に加熱し、溶融Ｓｉを含浸させる。これにより、多孔質体を反応焼結させ、部品１１〜１３を一体化させる。
なお、上記有機系接着剤には、炭化ケイ素粉末（及び炭素粉末）を含ませてもよい。
また、各部品を焼結する前に接着材により接着し、部品の焼結と接合部の反応焼結とを同時に行うようにしてもよい。
一体化された光学反射鏡は、鏡面を研磨する等必要な処理を施され、図２及び図３に示されるような光学装置（ここでは、反射望遠鏡）の、例えば主鏡２１として使用される。
図示の光学装置は、光学装置構造体である光学ベンチ２０に設けられた主鏡（１次鏡）２１、副鏡（２次鏡）２２、３次鏡２３、折り曲げ鏡（４次鏡）２４、折り曲げ鏡（５次鏡）２５、折り曲げ鏡（６次鏡）２６及び焦点面２７を有している。
反射望遠鏡等の光学装置の設計手法として、鏡筒等を含めた光学装置全体を同じ材料で作ることにより、その特性の温度無依存性を持たせる、アサーマル（Athermal）と呼ばれる手法がある。光学装置全体を、同じ材料、同じ線膨張係数を有する素材で製作した場合、装置全体の温度が変化しても、装置全体の温度を一様に保つ限り、装置全体が相似な形状を保つことになる。その結果、望遠鏡の焦点の位置は光学装置の中で相対的に同じ位置になる。したがって、その位置に、フィルムや検出器を配置するならば、装置の温度を一様に保ちさえすれば、ピントの合った画像が得られる。即ち、そのような装置は熱的に安定な装置になる。
粒子分散シリコン材料は、線膨張率が２．５×１０−６Ｋ−１と金属より小さく、かつ熱伝導率が大きいため、アサーマル設計に適した材料である。粒子分散シリコン材料を用いて製造された光学装置は、装置全体を一様な温度に保ち易く、また、温度むらが生じたとしても、それにより引き起こされる歪みが小さい。そこで、図２及び図３に示す光学装置は、各部品が、主鏡の材料と同じ粒子分散シリコン材料により作製されている。また、各部品間の接合は、上述したような反応焼結により実現される。
なお、部品によっては、ミクロン以下の組み付け精度（時には１０ｎｍ以下の精度）を必要とし、また、反射鏡の調整は必須である。このため、部品間のすべてを反応焼結により接合することはできない。そのような箇所は、熱伝導率の高い接着材や熱伝導シートを介したボルトの締結等で結合することで、温度の均一化を図り、高性能の光学装置とする。
ボルトの締結による反射鏡への影響を取り除く方法として、例えば、図４及び図５に示すような構造を採用することができる。図示の構造は、光学反射鏡４１の裏面に、取り付けフランジ４２がパイプ４３及び支持板（三角板）４４を介して取り付けられている。取り付けフランジ４２とパイプ４３との間、パイプ４３と支持板４４との間、支持板４４と反射鏡４１との間は、上述した反応焼結により結合することができる。この構成によれば、取り付けフランジ４２を支持台等にボルトで締結しても、それによる変形等の影響は、光学反射鏡４１には及ばない。
また、光学ベンチ２０は、十分な剛性と軽量化を両立するため、図６に示すようなハニカム構造を採用することができる。即ち、光学ベンチ２０は、図７に示すように、複数の部材、つまりハニカム構造のコア７１とその上下面を覆う表面板７２，７３とで構成することができる。これらは各々、光学反射鏡について説明したのと同様の方法で、粒子分散シリコン材料を用いて作製でき、反応焼結により互いに接合できる。コアを複数の分割部品に分割して加工すれば、反射鏡の作製の場合と同様、加工時間の短縮と使用材料の低減及びコストの低減を実現できる。
以上、本発明について一実施の形態に即して説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱することなく種々の変形、変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、光学反射鏡を３分割する場合について説明したが、重さや形状等を考慮して２又は４以上に分割してもよい。
また、本発明は、宇宙機搭載用望遠鏡、航空機搭載用望遠鏡、地上用天体望遠鏡、半導体露光装置等の、高度な安定度を要求される光学装置とに適用可能である。
１０ 光学反射鏡
１１，１２，１３ 分割部品
１４ 接合面
２０ 光学ベンチ
２１ 主鏡（１次鏡）
２２ 副鏡（２次鏡）
２３ ３次鏡
２４ 折り曲げ鏡（４次鏡）
２５ 折り曲げ鏡（５次鏡）
２６ 折り曲げ鏡（６次鏡）
２７ 焦点面
４１ 光学反射鏡
４２ 取り付けフランジ
４３ パイプ
４４ 支持板
７１ コア
７２，７３ 表面板

Claims (2)

  1. 炭化ケイ素及びシリコンを含む粒子分散シリコン材料を用いた直径１ｍ以上の大型反射鏡及び光学装置構造体を備え、
    前記反射鏡は、同一形状を有する複数に分割された分割部品が反応焼結によって互いに接合されたものであり、
    前記光学装置構造体は、前記反射鏡と同じ粒子分散シリコン材料により作製され、ハニカム構造の同一形状を有する複数の部材が反応焼結によって互いに接合されたコアを含む、
    ことを特徴とする宇宙機搭載用光学装置。
  2. 前記反射鏡が前記光学装置構造体に反応焼結によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載の宇宙機搭載用光学装置。
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