JP6562341B2 - 光学機器に使用するための鏡をプレートに接着させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙望遠鏡などの光学機器に使用するための鏡（反射鏡）をプレートに接着させる方法に関する。

反射鏡を接着部材で接着又は融着して基板に固定保持する技術が知られている（下記の特許文献１参照）。
特許文献１に記載されている技術は、反射鏡保持装置に関し、環境変化があっても反射鏡の反射面の変形を少なくすることを目的としている。特許文献１の公報には、反射面の変形を少なくするため反射鏡と基板との材質を同じにし、かつ反射鏡の中心厚と基板の厚さを略同じにすることが開示されている。

しかし、特許文献１には、反射鏡を基板に接着するための具体的方法は開示されていない。
光学機器で使用するための反射鏡を基板等のプレートに接着させる方法は一般に確立されているものと思われるが、その技術は特殊であり、十分に公開されていないというのが現状である。

また、反射鏡をプレートに接着させる技術は確立されていると考えられるが、反射鏡をプレートに接着させる方法において、特に宇宙望遠鏡に求められるような、広い使用温度範囲、耐振動耐性、真空での低脱ガス量を満たすような技術は必ずしも確立されておらず、宇宙機器の開発現場ではいまだに問題(故障など)が生じているのが現状である。

特開平１０−１３３０９３号公報

本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、宇宙望遠鏡に標準的に求められる上述の要求を満たし、かつ再現性を確保した、反射鏡（以下、単に「鏡」とも称する）をプレートに接着させる方法を提供することをその目的とする。

本発明を公開することで、光学系開発、特に宇宙望遠鏡の開発への貢献が期待される。

上記課題を解決するため、本発明の鏡をプレートに接着させる方法は、接着剤を準備し、第１の治具上に前記プレートを配置し、前記プレートに前記接着剤を塗布し、前記鏡の位置決め用の第２の治具を前記第１の治具に取り付け、前記第２の治具を用いて前記鏡を位置決めしながら前記プレート上に前記鏡を配置し、前記第２の治具を前記第１の治具から取り外し、前記鏡がずれるのを防ぐように第３の治具が前記鏡を取り囲んだ状態で、前記第３の治具を前記第１の治具に取り付け、第４の治具を前記第３の治具の上から配置し、前記第４の治具を上から押すことによって前記接着剤を前記鏡の接着面全体にいきわたらせる、各工程を備えて構成したものである。

好ましくは、前記接着剤を準備する工程は、接着剤にガラスビーズを混ぜ合わせ、 前記接着剤を脱泡する、各工程を備える。これによって、鏡とプレートとの間の接着剤の厚みがガラスビーズ１個分の厚みに接着面全体で一様になり、接着剤の厚みの管理と再現性を確保することができる。

また、好ましくは、前記接着剤を準備する工程は、前記ガラスビーズの直径と前記鏡の接着面の面積との積から前記鏡と前記プレートとの間の領域の体積を計算し、該領域の体積よりも前記プレートに塗布される接着剤の体積が多くなるように前記接着剤の量を決定する工程をさらに備える。これによって、鏡の縁から少量の接着剤がはみ出てきたとき、接着剤が接着面外縁までいきわたっていることを確認することができる。

好ましくは、前記接着剤を脱泡する工程は、真空装置に、ガラスビーズを混ぜ合わせた接着剤を配置する工程であり、前記真空装置から前記接着剤を取り出した後、該接着剤の表層に浮き出た気泡を除去する工程、及び、前記接着剤を気泡のない領域から吸い上げる工程の少なくともいずれか１つをさらに備える。接着剤から気泡を除去することで、鏡の剥離や接着剤からの脱ガスによる鏡のコンタミネーションを防止することができる。

好ましくは、前記第１の治具には、ホーローねじが通過する複数の通し穴が形成され、前記第２の治具には、ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成され、該複数のねじ穴は、前記第１の治具の対応する通し穴と各々整列可能な位置に形成されており、前記第３の治具には、ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成され、該複数のねじ穴は、前記第１の治具の対応する通し穴と各々整列可能な位置に形成されており、前記第４の治具には、ホーローねじが通過する複数の通し穴が形成され、該複数の通し穴は、前記第１の治具の対応する通し穴と各々整列可能な位置に形成されている。

上記のとおり構成された第１から第４の治具は、非常に簡単に製作することができる。また、ホーローねじを用いているので、治具の取り付けや位置決め調整を簡単に行うことができる。

例えば、前記第２の治具の内周面には、前記鏡の外周部の一部が当接可能な当接面が形成されており、前記鏡の配置工程において、前記鏡の外周部を前記当接面に押し当てることによって、前記鏡の位置決めが可能となる。

例えば、前記第３の治具には、前記鏡の形状に合わせた形状の開口部が形成されており、前記第３の治具を前記第１の治具に取り付ける工程では、前記鏡が前記開口部内に収まりかつ前記第３の治具が前記プレートに接触しないように前記ホーローねじを用いて前記第３の治具を前記第１の治具に取り付ける。

例えば、第４の治具には、該第４の治具と鏡の中央領域との接触を回避するための開口部が形成されている。
本発明のさらなる態様は、接着剤にガラスビーズを混ぜ合わせ、前記接着剤を脱泡し、ホーローねじが通過可能な複数の通し穴が形成された第１の治具上にプレートを配置し、前記プレートに前記接着剤を塗布し、前記鏡の外周部の一部が当接可能な当接面が形成され、かつ、ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成された第２の治具を前記ホーローねじを用いて前記第１の治具に取り付け、前記第２の治具の当接面に前記鏡の外周部を押し当てながら前記プレート上に前記鏡を配置し、前記第２の治具を前記第１の治具から取り外し、前記鏡がずれるのを防ぐため前記鏡の形状に合わせた形状の開口部が形成されかつホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成された第３の治具を、前記鏡が前記第３の治具の前記開口部内に収まりかつ前記第３の治具が前記プレートに接触しないように前記ホーローねじを用いて前記第１の治具に取り付け、前記ホーローねじの複数の通し穴が形成された第４の治具を前記第３の治具の上から配置し、前記第４の治具の通し穴に前記ホーローねじが通った状態で、前記第４の治具を上から押すことによって前記接着剤を前記鏡の接着面全体にいきわたらせる、各工程を備えて構成したものである。

以上説明した通り、本発明によって、宇宙望遠鏡に求められるような、広い使用温度範囲、耐振動耐性、真空での低脱ガス量を満たすような再現性の高い技術が確立された。本発明を公開することで、光学系開発、特に宇宙望遠鏡の開発への貢献が期待される。

図１は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法で使用するための第１の治具の正面図（図１（Ａ））及び側面図（図１（Ｂ））である。 図２は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法で使用するための第２の治具の正面図（図２（Ａ））及び側面図（図２（Ｂ））である。 図３は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法で使用するための第３の治具の正面図（図３（Ａ））及び側面図（図３（Ｂ））である。 図４は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法で使用するための第４の治具の正面図（図４（Ａ））及び側面図（図４（Ｂ））である。 図５は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法を示すフローチャートである。 図６は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法における接着剤を準備する工程の詳細な手順を示すフローチャートである。 図７は、金属プレートの上に接着剤を介在させて鏡を配置したときの断面図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る、鏡をプレートに接着させる方法の各工程における治具の使い方を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
図１乃至４には、鏡をプレートに接着させる方法で使用するための第１の治具１、第２の治具２、第３の治具３及び第４の治具４がそれぞれ示されている。

第１の治具１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示されるように、円板ディスクとして作られており、その周方向に沿って、ホーローねじが通る複数の通し穴１ａ（ばか穴）が等間隔に形成されている。ここで、ホーローねじとは、ねじの全長に亘って同一直径でかつその表面にねじが形成されている、ねじのことであり、当業者に知られているものである。ホーローねじの先端部の内部には、例えば六角形の穴が形成されており、ここに六角レンチなどを挿入して回転させることで、ねじ穴にねじ込むことが可能となる。

第２の治具２は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されるように、扇状ディスクとして作られており、その周方向に沿って、ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴２ａが等間隔に形成されている。ねじ穴２ａは、第２の治具２を第１の治具１と同心に置いたときに、複数のねじ穴２ａの各々が第１の治具１の対応する通し穴１ａとそれぞれ整列可能なように位置が定められている。

また、第２の治具２には、その内周部に部分円形状の当接面２ｂが形成されている。後述するように、当接面２ｂの形状は、取り付け対象となる鏡の外周部の形状と合致するように作られている。なお、図１及び図２を比較して理解できるように、図面において、通し穴は単純な円で、ねじ穴は、二重円で表示されている。

第３の治具３は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、円板ディスクとして作られており、その周方向に沿って、ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴３ａが等間隔に形成されている。ねじ穴３ａは、第３の治具３を第１の治具１と同心に置いたときに、複数のねじ穴３ａの各々が第１の治具１の対応する通し穴１ａとそれぞれ整列可能なように位置が定められている。

また、第３の治具３には、その内周部に円形状の開口部３ｂが形成されている。後述するように、開口部３ｂの直径は、取り付け対象となる鏡が開口部３ｂ内に収まるように鏡の直径よりも僅かに大きく、かつ、鏡と開口部３ｂとの直径の差は、鏡の位置を所定範囲内に収めることが可能となるのに十分に小さい値に設定されている。

第４の治具４は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されるように、円板ディスクとして作られており、その周方向に沿って、ホーローねじが通る複数の通し穴４ａ（ばか穴）が等間隔に形成されている。通し穴４ａは、第４の治具４を第１の治具１と同心に置いたときに、複数の通し穴４ａの各々が第１の治具１の対応する通し穴１ａとそれぞれ整列可能なように位置が定められている。

また、第４の治具４には、その内周部に円形状の開口部４ｂが形成されている。後述するように、開口部４ｂの直径は、取り付け対象となる鏡が開口部４ｂ内を通過することができないように鏡の直径よりも僅かに小さくなるように設定されている。

第１乃至第４の治具（１，２，３，４）は、例えば無色透明のアクリル板などから、通常の工具を用いて容易に作ることができる。
次に、第１乃至第４の治具（１，２，３，４）を用いて、鏡をプレート（本実施形態では、金属プレート）に接着させる方法を、図７及び図８を参照しつつ、図５及び図６のフローチャートに沿って説明する。

図５に示されるように、先ず鏡を金属プレートに接着させるための接着剤を準備する（ステップ１００）。図７に示されるように、接着剤１４には、ガラスビーズ１６（ガラスでできた多数の球形物体）が混合されている。この接着剤の詳細な作り方は、後述する。

次に、安定した作業台の上で、第１の治具１の上に金属プレート１０を配置する（図５のステップ１０２）。ステップ１０２の状態を図８（Ａ）に示す。
第１の治具１の上に金属プレート１０が配置された状態で、ステップ１００で準備した接着剤１４を金属プレート１０に塗布する（図５のステップ１０４）。塗布する位置と量は鏡の形状によって変わるが、円形の鏡の場合、金属プレート１０上の鏡が置かれる領域の中心付近には、全接着剤のうち２０％を塗布し、その残りの８０％を、当該中心から鏡の半径の1/2を半径とした円周上付近に塗布するのが好ましい。この場合、接着剤を当該円周上付近に沿って複数に分けて等間隔に塗布してもよく、塗布する点数は多いほど接着剤を鏡１２の接着面全体に広げることができる。

次に、第２の治具２をホーローねじを用いて第１の治具１に取り付ける（図５のステップ１０６）。
図８（Ｂ）に示されるように、ホーローねじ１８は、第２の治具２のねじ穴２ａの各々に同じ長さ分だけねじ込まれており、ねじ込まれたホーローねじ１８の他方の端部が第１の治具１の通し穴１ａの各々に挿入されることによって、第２の治具２は第１の治具１に取り付けられる。また、第２の治具２を第１の治具１に取り付けた後でも、ホーローねじを用いて、第２の治具２を第１の治具１に正確に平行にするように微調整も可能である。

第２の治具２が第１の治具１に取り付けられた状態で、鏡１２を、第２の治具２の当接面２ｂに鏡１２の外周部を押し当てながら金属プレート１０上に配置する（ステップ１０８）。第２の治具２の当接面２ｂは、鏡１２の外周部に合致するように形成されており、第２の治具２は第１の治具１に対して所定の位置に取り付けられているため、図８（Ｃ）に示されるように、鏡１２を、金属プレート１０の所定位置に配置することが可能となる。

鏡１２が金属プレート１０上に配置された後、鏡の位置決め用の第２の治具２を取り外し、次に鏡ずれ防止のための第３の治具３をホーローねじ１８を用いて第１の治具１に取り付ける（ステップ１１０）。ホーローねじを使い第３の治具3を金属プレート１０に接触させていないのは鏡１２から漏れ出た接着剤によって第３の治具3が金属プレートに固着するのを防ぐためである。

図８（Ｄ）に示されるように、ホーローねじ１８は、第３の治具３のねじ穴３ａの各々に同じ長さ分だけねじ込まれており、ねじ込まれたホーローねじ１８の他方の端部が第１の治具１の通し穴１ａの各々に挿入されることによって、第３の治具３は第１の治具１に取り付けられる。このとき、第３の治具３の開口部３ｂは、鏡１２の直径よりも僅かに大きい直径を有するため、鏡１２は開口部３ｂを通過し、第３の治具３から僅かに突出した状態となる。これによって、鏡１２が外力等によってずれたとしても、開口部３ｂによって画定される範囲内に鏡１２の位置を保持すること、すなわち鏡１２の位置ずれを防止することが可能となる。なお、第３の治具３を第１の治具１に取り付けた後でも、ホーローねじを用いて、第３の治具３を第１の治具１に正確に平行にすると共に、開口部３ｂと鏡１２との間のクリアランスに関する微調整も可能である。

次に、第４の治具４を第３の治具３の上から配置する（ステップ１１２）。図８（Ｅ）に示されるように、第３の治具３から出ているホーローねじ１８の部分は、第４の治具４に形成されている通し穴４ａを通過する。また、第４の治具４の開口部４ｂの直径は、鏡１２の直径よりも小さいため、鏡１２は開口部４ｂを通過せず、第４の治具４が鏡１２の上に配置されることになる。第４の治具４に開口部４ｂを設けた理由としては、特に鏡１２が凸面鏡の場合には、開口部４ｂがないと、鏡の中央領域と治具４とが接触してしまい、鏡１２に傷がつくおそれや、コーティングがはがれてしまう可能性があるからである。本実施形態では、治具４に開口部４ｂを設けることによって、鏡１２への傷やコーティングのはがれを防止し、接着した鏡１２の光学性能を維持することができる。

次に、図８（Ｅ）の配置状態で、第４の治具４を軽く押す（ステップ１１４）。これによって、図７に示されるように、接着剤１４を鏡１２の接着面全体にいきわたらせることが可能となる。

接着剤がいきわたった図８（Ｅ）の配置状態で、接着剤が固着するまで所定時間（たとえば３日間）、安置し（ステップ１１６）、鏡の取り付け作業が完了する。
次に、図５のステップ１００の接着剤の準備工程を図６のフローチャートを用いてさらに詳しく説明する。

最初に、必要な接着剤の量を計算する(ステップ２００)。接着剤としては、市販のものを使用することができる。
必要な接着剤の量は、図７の点線で囲われた、鏡１２と金属プレート１０との間の領域の体積に基づいて計算することができる。すなわち、接着剤に混ぜ合わせるガラスビーズの直径と、鏡１２の接着面（鏡１２の金属プレート１０側の面）の面積との積から点線部分の領域の体積を計算し、その体積の所定倍（例えば1.7倍）を必要な接着剤の量とする。あえて接着剤の量を当該領域の体積より少し多めにしたのは、鏡１２の縁から少量の接着剤をはみ出させるためである。そうすることにより接着剤１４が接着面外縁までいきわたっていることを確認することができる。図７に示されるように、接着剤が鏡１２の接着面全体にいきわたったとき、接着剤１４はガラスビーズ１６の直径分の厚みを有することになる。このようにガラスビーズ１６は、接着剤の厚みの管理と再現性のために使用されており、接着面に渡って接着剤１４の厚さをガラスビーズ１個分に一様にすることが可能となる。

次に、ステップ２００で計算された量の接着剤をカップ等に注ぎガラスビーズと混ぜ合わせ、ガラスビーズが接着剤中に一様に分布するように十分に撹拌する（ステップ２０２）。ガラスビーズの量は接着剤の量に対して一定量（例えば、5wt%）となるようにする。

次に、ガラスビーズを混ぜ合わせた接着剤をカップごと真空装置に入れて脱泡を行う（ステップ２０４）。接着剤表層が固まるまで脱泡を行う。
脱泡終了後、接着剤表層に浮き出た気泡を可能な限り取り除き（ステップ２０６）、気泡がない領域からシリンジ（1mL）で接着剤を吸い上げ（ステップ２０８）、接着剤の準備完了となる。シリンジで吸い上げた接着剤は、図５のステップ１０４で金属プレート上に塗布される。

以上述べた本発明の実施形態による接着方法により金属プレートに接着された鏡に対して、ロケット打ち上げ時の振動・衝撃を模擬した試験や宇宙環境を模擬した試験がすでに実施されている。当該試験において、鏡の剥離や接着剤からの脱ガスによる鏡のコンタミネーション（汚染）が起きていないこともすでに確認されている。さらに、本発明の実施形態では特殊な技術や道具は一切必要ないことからより低予算、より小規模なグループでの宇宙望遠鏡の製造が可能になり、惑星科学、天文学の更なる発展が期待できる。

以上が、本発明の一実施形態であるが、本発明は上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で任意好適に変更可能である。例えば、鏡として円形の鏡を例にしたが、長円、楕円、また中央部に開口部を有する鏡など、他の任意形状の鏡を用いることもできる。さらに、鏡の形状に合わせて第１ないし第４の治具の形状も変更可能である。

上記例では、金属プレートを例にしたが、金属製とは限らず、金属以外の材料でできたプレートを用いることも可能である。
また、上記例では、ガラスでできたガラスビーズを例にしたが、ガラス製とは限らず、膨張率等の条件が満たす限り、他の材料でできた球形物体を用いてもよい。

また、図５の処理の流れのうち順序を変更可能なものは、図示のものからの変更が可能である。例えばステップ１００及び１０２は、いずれを先にして実行しても或いは並行して実行することもできる。

さらに、図６の処理の流れにおいて、ステップ２０６及びステップ２０８は、それらの少なくとも１つを実行するようにしてもよい。

１ 第１の治具
２ 第２の治具
３ 第３の治具
４ 第４の治具
１ａ、４ａ 通し穴
２ａ、３ａ ねじ穴
２ｂ 当接面
３ｂ、４ｂ 開口部
１０ 金属プレート
１２ 鏡
１４ 接着剤
１６ ガラスビーズ

Claims (11)

1. 鏡をプレートに接着させる方法であって、
   接着剤を準備し、
   ホーローねじが通過可能な複数の通し穴が形成された第１の治具上に前記プレートを配置し、
   前記プレートに前記接着剤を塗布し、
   前記鏡の外周部の一部が当接可能な当接面が形成され、かつ、前記ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成された第２の治具を前記ホーローねじを用いて前記第１の治具に取り付け、
   前記第２の治具の当接面に前記鏡の外周部を押し当てながら前記プレート上に前記鏡を配置し、
   前記第２の治具を前記第１の治具から取り外し、
   前記鏡の形状に合わせた形状の開口部が形成されかつ前記ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成された第３の治具を、前記鏡が前記第３の治具の前記開口部内に収まることで位置ずれしないように前記ホーローねじを用いて前記第１の治具に取り付け、
   前記ホーローねじの複数の通し穴が形成された第４の治具を前記第３の治具の上から配置し、
   前記第４の治具の通し穴に前記ホーローねじが通った状態で、前記第４の治具を上から押すことによって前記接着剤を前記鏡の接着面全体にいきわたらせる、各工程を備える、方法。
2. 前記接着剤を準備する工程は、
   接着剤にガラスビーズを混ぜ合わせ、
   前記接着剤を脱泡する、各工程を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記接着剤を準備する工程は、
   前記ガラスビーズの直径と前記鏡の接着面の面積との積から前記鏡と前記プレートとの間の領域の体積を計算し、該体積よりも前記プレートに塗布される接着剤の体積が多くなるように前記接着剤の量を決定する工程をさらに備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記接着剤を脱泡する工程は、真空装置に、ガラスビーズを混ぜ合わせた接着剤を配置する工程であり、
   前記真空装置から前記接着剤を取り出した後、該接着剤の表層に浮き出た気泡を除去する工程、及び、前記接着剤を気泡のない領域から吸い上げる工程の少なくともいずれか１つをさらに備える、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記第２の治具、前記第３の治具及び前記第４の治具の各々の前記複数のねじ穴は、前記第１の治具の対応する通し穴と各々整列可能な位置に形成されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第２の治具は、扇状ディスクであり、前記当接面は、該扇状ディスクの内周面である、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第３の治具を取り付ける工程では、前記第３の治具が前記プレートに接触しないように前記第１の治具に取り付けられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２の治具を取り付ける工程及び前記第３の治具を取り付ける工程では、前記第２の治具及び前記第３の治具が前記第１の治具に対して平行となるように前記ホーローねじを用いて調整される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第３の治具を取り付ける工程では、前記鏡は、前記開口部を通過して該第３の治具から突出した状態となる、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第４の治具には、該第４の治具と前記鏡の中央領域との接触を回避するための開口部が形成されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 鏡をプレートに接着させる方法であって、
    接着剤にガラスビーズを混ぜ合わせ、
    前記接着剤を脱泡し、
    ホーローねじが通過可能な複数の通し穴が形成された第１の治具上にプレートを配置し、
    前記プレートに前記接着剤を塗布し、
    前記鏡の外周部の一部が当接可能な当接面が形成され、かつ、ホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成された第２の治具を前記ホーローねじを用いて前記第１の治具に取り付け、
    前記第２の治具の当接面に前記鏡の外周部を押し当てながら前記プレート上に前記鏡を配置し、
    前記第２の治具を前記第１の治具から取り外し、
    前記鏡がずれるのを防ぐため前記鏡の形状に合わせた形状の開口部が形成されかつホーローねじをねじ込み可能な複数のねじ穴が形成された第３の治具を、前記鏡が前記第３の治具の前記開口部内に収まりかつ前記第３の治具が前記プレートに接触しないように前記ホーローねじを用いて前記第１の治具に取り付け、
    前記ホーローねじの複数の通し穴が形成された第４の治具を前記第３の治具の上から配置し、
    前記第４の治具の通し穴に前記ホーローねじが通った状態で、前記第４の治具を上から押すことによって前記接着剤を前記鏡の接着面全体にいきわたらせる、各工程を備える、方法。

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