JPH04303627A - Ｃｆｒｐ製光学用筒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＣＦＲＰ（炭素繊維強化
プラスチック）製光学用筒に関し、より代表的には天体
望遠鏡などの光学用筒に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業用あるいは一般機器用の筒状体の製
造には、各種金属材料および樹脂等の有機材料による製
造が一般的である。これらの筒状体の具備すべき要件は
、その用途によって支配され、その目的によっては極度
の特性が要求される。本発明の光学用の筒においては、
その目的上充分満足できる材料は見出されていない。

【０００３】光学用の筒、更に具体的には天体望遠鏡の
鏡筒を例として考察すれば、天体観測は普及型望遠鏡で
も数時間に及ぶことがしばしばあり、その間の外気温の
変化による予めセットされた像の焦点距離からのずれは
、筒長１ｍの鉄製の鏡筒において、１０℃の外気温の温
度変化により０．１ｍｍ程度にも及ぶことになる。すな
わち、鏡筒材質を、熱膨張率αが１０×１０−６／℃で
ある鉄とした場合は、上述のとおりであり、αが２４×
１０−６／℃であるアルミニウム材質を用いた場合には
０．２４ｍｍにも及ぶものである。

【０００４】また、上記した観測時における外気温の変
化は、熱伝導率の大きい金属材質を用いた場合には鏡筒
内の空気層は比重差が生じ、このため対流が生じ結果と
して像をゆがめることとなる。ちなみに、鉄材質の熱伝
導率は５０ｗ　／ｍｋであり、アルミニウム材質のそれ
は２３７ｗ　／ｍｋである。このような鏡筒中の空気層
における比重差の発生には、鏡筒材質の熱伝導率と同様
に比熱も影響し、ちなみに鉄の比熱は３．６Ｊ　／ｃｍ
３．℃である。

【０００５】上記した熱膨張率、熱伝導率および比熱等
の従来からの鏡筒材質の水準は、光軸修正を頻繁に行な
うことを要求するものであり、シャープな影像を経時的
に維持することは困難であることを示すものである。

【０００６】また、上記した従来の鏡筒材質では比弾性
率が小さいために、所望の剛性を維持するためには鏡筒
自体も重くなり、従ってバランスウエートも重くなり三
脚などもより剛性のある材質が要求されることとなる。 ちなみに弾性率を比重で除した比弾性率は鉄材質では２
．７×１０９ｍｍ２であり、アルミニウムは５．４×１
０９ｍｍ２である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは前記した
従来技術の実状に鑑み、光学用の筒において、経時的温
度変化により影響されることなく、頻繁な光軸修正を必
要とせず、常にシャープな影像を保ち、かつ軽量な筒を
提供することを目的として努力した結果、特定の熱膨張
率を有する炭素繊維を用いかつ筒軸方向のＣＦＲＰの熱
膨張率を制御することにより、これらの目的が達成され
ることを見出して本発明に到達した。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は筒軸
方向と実質的に平行方向の炭素繊維の熱膨張率がマイナ
スであり、かつ筒軸方向のＣＦＲＰとしての熱膨張率が
−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃の範囲内で
あることを特徴とするＣＦＲＰ製光学用筒に関する。

【０００９】炭素繊維は一般的にはアクリル系合成繊維
（ＰＡＮ）やセルロース系繊維などの有機繊維、石油ピ
ッチや炭素ピッチを溶融紡糸したピッチ繊維などを原料
繊維として用い、空気などの酸化性ガス雰囲気中で通常
２００〜４００℃で不融化処理を行い不融化繊維とした
のち、不活性雰囲気中で８００〜３０００℃で加熱処理
を行うことにより得られる。

【００１０】これらの炭素繊維は、通常１５μｍ　以下
、好ましくは７〜１３μｍ　の繊維直径を有し、通常例
えば２０００〜３０００本のストランドとして使用する
ことができる。

【００１１】本発明においては、筒軸方向と実質的に平
行方向に配列される炭素繊維は、その繊維軸方向の熱膨
張率がマイナスであるものを用いるのが必須である。熱
膨張率がマイナスである限り、炭素繊維の種類には限定
されないが、ピッチ系炭素繊維が特に好ましい。また強
度、弾性率についても特に限定されないが、高弾性率の
もの、例えば４０ｔｏｎ　／ｍｍ２　以上、好ましくは
５０ｔｏｎ　／ｍｍ２　以上のものが特に好ましい。

【００１２】一方、筒軸方向と直角方向、ならびに円周
方向に配列される炭素繊維には、上記のような制限は特
にないが、通常筒軸方向に平行に配列される炭素繊維と
同じものを用いることができるが特に制限するものでは
ない。

【００１３】本発明のＣＦＲＰに用いる樹脂としては、
フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポ
リエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用い
ることができるが、なかでもエポキシ樹脂が好ましい。

【００１４】本発明においては、前記した炭素繊維に熱
硬化性樹脂を、本発明の目的に適合した割合に含浸して
筒状に成形し、ついで硬化することにより、本発明のＣ
ＦＲＰ製光学用筒を製造することができる。

【００１５】本発明におけるＣＦＲＰ製光学用筒を製造
としては各種の方法を採用することができる。具体的な
方法を挙げれば、プリプレグを用いる方法、フィラメン
トワインディングによる方法、その他これらを適宜組み
合わせた変型法等を採用できる。

【００１６】上記したプリプレグによる方法としては、
炭素繊維に熱硬化性樹脂組成物、例えばエポキシ樹脂組
成物を含浸させたプリプレグを適宜の方向に裁断し、円
筒金型に巻き付けて必要によりテーピングを施し加熱加
圧して積層成形するのが一般的である。

【００１７】またフィラメントワインディング法として
は、炭素繊維束にエポキシ樹脂組成物を含浸させたスト
ランドをマンドレルに巻き付け所定の厚みを得るまで積
層して円筒状としたのち加熱硬化させる方法が一般的で
ある。

【００１８】プリプレグによる方法として２枚のプリプ
レグシートを用い、それぞれのプリプレグの強化繊維の
長繊維軸方向が直交するように２枚のプリプレグシート
を重ね合わせた後、熱膨張率がマイナスの炭素繊維が筒
軸方向に実質的に平行になるようにのり巻き状に巻いて
筒状に成形する方法が簡易な方法として例示できる。こ
の方法によれば、炭素繊維が筒軸方向に配置されたＣＦ
ＲＰ層と炭素繊維が円周方向に配置されたＣＦＲＰ層が
交互に積層した筒が得られる。

【００１９】また炭素繊維が筒軸方向に配置されたプリ
プレグを複数層積層させた後、その上に炭素繊維が円周
方向に配置されたプリプレグを積層してもよく、あるい
はこの逆の配置、あるいは更にこれらを適宜組み合わせ
ることもできる。

【００２０】この場合の炭素繊維と熱硬化性樹脂との割
合（容積率）は、７５〜５０：２５〜５０より好ましく
は６０〜５０：４０〜５０の範囲であり、炭素繊維の細
密充填に近づけることが好ましいが、最大７５〜７０％
が限界である。

【００２１】本発明で用いるプリプレグは通常０．０５
〜０．３ｍｍ、好ましくは０．１〜０．２ｍｍの厚みの
ものを用いることができる。

【００２２】プリプレグは、目的とする鏡筒の必要強度
を満たすために、適宜の厚みに積層され、例えば０．１
２ｍｍの厚みのフィルムを１０層ないしは２０層積層す
ることによって１．２ｍｍあるいは２．４ｍｍのような
積層体とすることができる。

【００２３】本発明のＣＦＲＰ製光学用筒の製造におい
ては、上記した積層において、筒軸と平行方向の炭素繊
維方向を有するＣＦＲＰ層と筒軸と直角方向の炭素繊維
方向を有するＣＦＲＰ層との体積比を５５〜６５：４５
〜３５とすることが重要であり、好ましくは５７〜６３
：４３〜３７である。筒軸と平行方向の炭素繊維方向を
有するＣＦＲＰ層の割合が５５に満たない場合は熱膨張
率が大きくなり前記した目的を達成することは困難であ
り、一方、６５を超える場合は例えば鏡筒としての機械
特性、特に圧縮強度等の特性が失われ実用的でない。

【００２４】すなわち、本発明者らの知見によれば、Ｃ
ＦＲＰ層の熱膨張率が繊維軸方向と繊維軸と直角方向と
では著しく異なるために、特別な積層方法を採用する必
要がある。図によって示せば、熱膨張率がマイナスの炭
素繊維を用いた場合図１の１によって示されるＣＦＲＰ
層の炭素繊維の方向と直角方向の熱膨張率αは３０〜４
０×１０−６／℃であるのに対して、２によって示され
るＣＦＲＰ層の炭素繊維の方向の熱膨張率αは−１×１
０−６／℃である。

【００２５】ＣＦＲＰ層の熱膨張率は用いる炭素繊維の
種類とマトリックス樹脂との割合によっても大きく左右
されるが、本発明の目的達成においては、例えば鏡筒自
体の曲げ剛性、圧縮強度、弾性率等の粗害しない程度に
おいて前記樹脂に対する炭素繊維の組成比を高めること
が好ましい。

【００２６】なお、筒軸方向のＣＦＲＰ層の熱膨張率が
本発明の範囲内である限り、筒軸に対して平行および直
角方向以外の方向性の炭素繊維を有するＣＦＲＰ層を包
含させてもよい。

【００２７】本発明のＣＦＲＰ製光学用筒は、筒の厚さ
方向の熱伝導率が０．１ｗ／ｍ・ｋ以下であることも本
発明の特徴の１つである。すなわち、厚み方向の熱伝導
率が従来の鉄やアルミニウム等の数千分の１となるため
、鏡筒内での空気層に比重差を生ぜず、対流の発生がな
いためシャープな影像を維持できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明のＣＦＲＰ製光学用筒は、外気温
度が大きく変化しても光軸修正を行う必要もなくシャー
プな影像を維持することができる。また、鉄あるいはア
ルミニウム熱伝導率を数千分の１とすることができるの
で鏡筒内における空気層に比重差を生じることなく、結
果として対流の発生がないのでこの点においてもシャー
プな影像を維持することが可能である。更に、従来用い
られてきた金属材料に比して比弾性率が大きいので装置
全体の軽量化を達成することができる。

【００２９】

【実施例】実施例１−２ ピッチ系炭素繊維（直径１０μｍ　，引張弾性率５００
ＧＰａ，引張強度４００ＭＰａ，引張伸度０．３％、熱
膨張係数−０．９〜−１．２、体積抵抗率０．５〜０．
８　　１０−３Ω・ｃｍ）の２０００×５本のロービン
グを緊張下に炭素繊維：エポキシ樹脂（商品名エピコー
ト８２８，油化シェルエポキシ社製）との割合が容積比
で６０：４０となるように含浸させて１２０μｍ　の厚
みを有する引揃えられた方向性を有する炭素繊維含有フ
ィルムを製造した。

【００３０】次に上記炭素繊維含有フィルムを炭素繊維
の方向が直交するように重ね合せ、筒軸と平行方向の炭
素繊維方向を有するフィルム量比が５０％となる様にし
たのち、これを円筒状金型に仕上げ厚み２ｍｍとなるよ
うに巻付け、次いで熱圧により硬化させた。

【００３１】このようにして製造された筒状体は、外径
３２４．０ｍｍ、内径３２０．８ｍｍであり、これを用
いて全長８２０ｍｍ、支点長さ３００ｍｍ、有効長５２
０ｍｍを有する天体望遠鏡の鏡筒とした。

【００３２】次にこの鏡筒の軸方向および円周方向の弾
性率ならびに曲げ剛性、更に熱膨張率、熱変型量、熱伝
導率および比熱を測定し、本発明の炭素繊維強化プラス
チック筒の代表例としての鏡筒の熱特性を第１表に示し
た。

【００３３】筒軸と平行方向のフィルムの量比を６０％
とした実施例２も同様に示した。 比較例１〜２ 実施例１に示した鏡筒を従来の材質である鉄およびアル
ミニウムで製造し、同様に仕上げ重量、軸方向および円
周方向の物性ならびに熱特性を測定し第１表に併記した
。但し、鉄の場合は厚さを１．６ｍｍとした。 比較例３ 実施例１に示した鏡筒の製造において筒軸と平行の炭素
繊維方向を有するＣＦＲＰ量と筒軸と直角方向の炭素繊
維方向を有するＣＦＲＰ量との比が４０：６０とした場
合の測定結果を第１表に併記した。

【００３４】

【表１】 測定方法 熱変形量：５℃の温度上昇時の筒軸方向の伸縮長さをｍ
ｍで示した。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明のＣＦＲＰ製光学用筒の方向性を
有する炭素繊維含有ＣＦＲＰ層の積層方法の１例を示す
図である。

【符号の説明】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　筒軸方向と実質的に平行方向の炭素繊
   維の熱膨張率がマイナスであり、かつ筒軸方向のＣＦＲ
   Ｐとしての熱膨張率が−０．５×１０−６〜０．５×１
   ０−６／℃の範囲内であることを特徴とするＣＦＲＰ製
   光学用筒。
2. 【請求項２】　　筒の厚さ方向の熱伝導率が０．１ｗ／
   ｍ・ｋ以下であることを特徴とする請求項１のＣＦＲＰ
   製光学用筒。