JPWO2020122197A1 - ハニカムサンドイッチパネル、光学装置および人工衛星 - Google Patents

Abstract

炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を使用する場合に得られる熱膨張係数の絶対値よりも小さい熱膨張係数の絶対値を有するハニカムサンドイッチパネルを得る。ハニカムサンドイッチパネル２０は、熱膨張係数の絶対値がＣＦＲＰよりも小さい金属である低膨張金属で製造された板材である第１スキン材２１と、低膨張金属で製造された、第１スキン材２１と対向するように配置された板材である第２スキン材２３と、断面が六角形である複数の筒を隣接して形成して第１スキン材２１および第２スキン材２３に接合した、ＣＦＲＰまたは低膨張金属で製造されたコア材２２とを備えた。

Description

本開示は、低い熱膨張係数を有するハニカムサンドイッチパネル、ハニカムサンドイッチパネルを用いた光学装置、および光学装置を搭載した人工衛星に関する。

航空宇宙分野や天文科学分野で用いられる光学装置、例えば光学望遠鏡の構造部材は、軽量で低い熱膨張係数である必要がある。熱膨張係数が大きい場合には、温度変化により、構造部材が許容幅を超えて変形する場合がある。構造部材が熱で許容幅を超えて変形することにより、例えば光学望遠鏡の光軸が指定された方向からずれる場合がある。あるいは、焦点位置が決められた位置からずれる場合がある。光軸を指定された方向に高精度で向け、かつ焦点位置を決められた位置で固定するためには、光学望遠鏡の構造部材は低い熱膨張係数を有する必要がある。また、光学望遠鏡をより高解像度にするには、例えば反射鏡を大型化する必要がある。大型化しても重量をできるだけ増加させないために、構造部材が軽量である必要がある。

ハニカムサンドイッチパネルは、軽量で高い剛性が得られる構造部材として知られている。ハニカムサンドイッチパネルは、ハニカム構造を有するコア材と、コア材を両側から挟む板材（スキン材）とで構成される。ハニカム構造は、断面が六角形(正六角形が望ましい)の複数の筒が互いに平行に隙間なく配列された構造である。スキン材は、ハニカム構造に垂直にコア材と接続する。

光学装置の構造部材は、軽量で低い熱膨張係数を有する必要がある。特に、宇宙空間における例えば人工衛星や宇宙機に搭載される光学望遠鏡では、その構造部材の熱膨張係数が地球上に設置される光学望遠鏡よりも小さい必要がある。その理由は、宇宙空間では、太陽の光を受ける場合と受けない場合で、百度を超える温度変化が発生するからである。光学望遠鏡が必要な精度で観測できるためには、光学望遠鏡の熱変形を許容できる範囲（許容幅）に抑える必要がある。光学装置が決められた精度を得るために許容できる熱変形の大きさは、同じ精度に対しては地上でも宇宙空間でも同じである。温度変化が大きい宇宙空間で使用される光学装置では、地上と同じ程度の熱変形であるためには、光学装置の構造部材の熱膨張係数が地上に設置される光学装置よりも小さい必要がある。

炭素繊維強化プラスチック（carbon fiber reinforced plastic, ＣＦＲＰ）が、軽量で高い剛性を有する素材として知られている。ＣＦＲＰで製造したハニカムサンドイッチパネルが、提案されている。ＣＦＲＰで製造したハニカムサンドイッチパネルでは、コア材およびスキン材のどちらも、ＣＦＲＰで製造する。荷重の大きさや方向に対応して、コア材を分割して密度と方向を変える構造が提案されている（特許文献１参照）。熱膨張係数が方向によらず同じになる等方性を持たせるため、コア材を管状のセルを複数重ねて作成し、セル間の璧厚がすべて均一である構造が提案されている（特許文献２参照）。ＣＦＲＰで製造したハニカムサンドイッチパネルでは、１０^−６[１／Ｋ]未満である熱膨張係数を実現している。

ＣＦＲＰに負の熱膨張係数を持たせるために、コア用炭素繊維の編み込む方向や層の構成を工夫する方法が提案されている。また、スキン材の熱膨張係数を調整することで、ハニカムサンドイッチパネル全体の熱膨張係数の正負を相殺することも提案されている（特許文献３参照）。

光学望遠鏡の反射鏡を高い精度で支持するためには、複雑な支持機構が必要である。例えば、反射鏡の光軸方向に支持するアキシャル支持機構と光軸に垂直な面内で指示するラテラル支持機構とを組み合わせて、反射鏡全体としては空間的な剛体運動の６自由度が過不足なく拘束される条件になるように支持する鏡支持機構が知られている。鏡支持機構は、反射鏡と鏡支持機構の間での熱膨張係数の相対的な差にも対応できる構造になっている（例えば、特許文献４参照）。

特許第３９０２４２９号 特開２００５−０２８９６６ 特許第５５７４８３５号 特開２０１２−１８５２７８

人工衛星や人工衛星に搭載される光学装置の構造部材には、従来はアルミニウム（アルミと略す場合がある）やＣＦＲＰを材料としたハニカムサンドイッチパネルが使用されている。

アルミは剛性および強度が低いうえ、熱膨張係数が大きい。そのため、アルミは、特に光学観測を目的とした光学装置の構造部材には適さない。一方で、ＣＦＲＰは剛性および強度が高く、熱膨張係数も低い。ＣＦＲＰは、アルミよりも光学装置の構造部材の材料に適している。ＣＦＲＰは、光学観測を目的とした光学装置の構造部材としてよく採用されている。

ＣＦＲＰを使用する場合に得られる熱膨張係数の絶対値よりも小さい熱膨張係数の絶対値を有するハニカムサンドイッチパネルが望まれている。

本開示は、ＣＦＲＰを使用する場合に得られる熱膨張係数の絶対値よりも小さい熱膨張係数の絶対値を有するハニカムサンドイッチパネルを得ることを目的とする。

本開示に係るハニカムサンドイッチパネルは、熱膨張係数の絶対値が炭素繊維強化プラスチックよりも小さい金属である低膨張金属で製造された板材である第１スキン材と、低膨張金属で製造された、第１スキン材と対向するように配置された板材である第２スキン材と、断面が六角形である複数の筒を隣接して形成して第１スキン材および第２スキン材に接合した、炭素繊維強化プラスチックまたは低膨張金属で製造されたコア材とを備えたものである。

本開示によれば、ＣＦＲＰを使用する場合に得られる熱膨張係数の絶対値よりも小さい熱膨張係数の絶対値を有するハニカムサンドイッチパネルを得ることができる。

実施の形態１に係る光学装置の斜視図である。 実施の形態１に係る光学装置の正面図である。 実施の形態１に係る光学装置の平面図である。 実施の形態１に係る光学装置の右側面図である。 実施の形態１に係る光学装置の底面図である。 実施の形態１に係る光学装置の断面図である。 実施の形態１に係る光学装置で反射鏡を支持するために使用する支持ビームの斜視図である。 実施の形態１に係る光学装置において反射鏡を支持するために使用する支持ビームの正面図である。 実施の形態１に係る光学装置において反射鏡を支持するために使用する支持ビームの平面図である。 実施の形態１に係る光学装置において反射鏡を支持するために使用する支持ビームの右側面図である。 実施の形態１に係る光学装置において反射鏡を支持するために使用する支持ビームの背面図である。 実施の形態１に係る光学装置において支持ビームで支持された反射鏡の斜視図である。 実施の形態１に係る光学装置において支持ビームで支持された反射鏡の正面図である。 実施の形態１に係る光学装置において支持ビームで支持された反射鏡の右側面図である。 実施の形態１に係る光学装置において支持ビームで支持された反射鏡の背面図である。 実施の形態１に係る光学装置において支持ビームで支持された反射鏡の底面図である。 実施の形態１に係る光学装置で使用されるハニカムサンドイッチパネルの一部のスキン材を除いた状態での斜視図である。 実施の形態２に係る光学装置が搭載された人工衛星の正面図である。 実施の形態２に係る光学装置と人工衛星とを接続する部分の拡大図である。 実施の形態２に係る光学装置の内部構成を説明する概念的な断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る光学装置について、図１から図６を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る光学装置の斜視図である。図２から図５は、光学装置の正面図、平面図、右側面図および底面図である。図６は、図３に示すＡ−Ａ断面での断面図である。光学装置である反射鏡構造体５０は、反射鏡１および鏡支持部材２を有する。反射鏡構造体５０は、天体などを観測する光学望遠鏡を構成する。鏡支持部材２は、反射鏡１を支持する部材である。反射鏡１は、観測に使用する光である観測光を反射する反射面３、反射面の反対側の面である背面の中央に設けられた被支持部４を有する。被支持部４は、鏡支持部材２により支持される部材である。反射面３は、外形が円であり、凹面である。被支持部４は、外形が円筒状の突起である。突起の先端側には、反射鏡１の光軸ＬＸ（図２、図４に図示）に平行な３個の平面である被支持面５が設けられている。被支持面５は、同じ大きさの長方形の平面であり、互いに１２０度の角度をなす。被支持部４は、光軸ＬＸの回りに１２０度ごとの回転対称性を有する。鏡支持部材２は、反射鏡１の背面の側に存在する構造部材である。反射鏡１と鏡支持部材２は、観測の用途に使用しない光学機器にも適用できる。

鏡支持部材２は、支持基板部６、軸受部７、支持開口部８を有する。鏡支持部材２には、支持ビーム９およびビーム固定部１０が設けられる。支持基板部６は、鏡支持部材２の本体部である。支持基板部６は、反射鏡１の背面側に存在するパネル状の部材である。支持基板部６は、光軸ＬＸの方向から見ると、反射鏡１よりも大きな円の上下および左右を直線状に切り取った形状である。支持基板部６の形状は、正方形の４つの角を円弧に置き換えた形状とも言える。円弧の部分の割合は、正方形の１辺の長さの３５％程度である。ここで、支持基板部６の反射鏡１が存在する側の面を主面と呼び、その反対側の面を背面と呼ぶ。軸受部７は、支持基板部６の主面の対向する２辺の中央部に設けられる。軸受部７は、主面から出る形状である。軸受部７は、円筒状の軸保持穴１１を有する。２個の軸受部７の軸保持穴１１は、その中心軸が一致し、反射鏡１の光軸ＬＸと交差するように設けられる。軸保持穴１１の中心軸は、支持基板部６の主面に対して平行である。２個の軸保持穴１１にそれぞれ、円柱状のＹ軸部材１２（図示せず）が挿入される。軸保持穴１１の中心軸とＹ軸部材１２の中心軸は、一致する。Ｙ軸部材１２の中心軸をＹ軸と呼ぶ。反射鏡構造体５０は、Ｙ軸部材１２すなわちＹ軸の周りに回転可能である。

支持開口部８、支持ビーム９およびビーム固定部１０は、反射鏡１の被支持部４を支持するための部材である。支持開口部８は、支持基板部６の主面の中央に設けられた円筒状の開口部である。鏡支持部材２は、被支持部４が入る穴である支持開口部８を有する。支持開口部８は、支持基板部６を貫通して設けられる。支持開口部８が形成する円筒状の開口部の内面を、円筒面１３と呼ぶ。円筒面１３は、円盤状の支持基板部６に相当する部分よりも背面側にも延在する。支持開口部８は、支持基板部６の背面から環状に出る。支持基板部６の背面側から出ている支持開口部８の環状の部分には、円筒面１３の中心軸から外側に向かう方向に８個の補強リブを等間隔に設けている。

円筒面１３で囲まれる空間に、反射鏡１の被支持部４が挿入される。被支持部４は、円筒面１３で囲まれる空間に、３個の支持ビーム９により支持される。円筒面１３には、６個のビーム固定部１０が設けられる。ビーム固定部１０は、光軸ＬＸの方向から見ると６０度の頂角を有する略直角三角形の底辺を円弧に置き換えた形状である。ビーム固定部１０は、光軸ＬＸに平行な平面であるビーム接続面と、円筒面１３と接触する円弧面と、隣接するビーム固定部１０と接触する光軸ＬＸに平行な平面とを有する。隣接するビーム固定部１０と接触する面およびビーム接続面は、６０度の角度で交差する。ビーム接続面には、支持ビーム９の一端が接続する。

２個のビーム固定部１０が、互いに隣接して配置される。２個のビーム固定部１０が、円弧面が連続するように接続する状態で円筒面１３の３箇所に固定される。各箇所の２個のビーム固定部１０には、２本の支持ビーム９の端部がそれぞれ接続する。２個のビーム固定部１０が有するビーム接続面は、互いに１２０度の角度をなす。ビーム固定部１０は、光軸ＬＸの回りに１２０度ごとの回転対称性を有するように設けられる。２個のビーム固定部１０は、Ｙ軸と交差する位置の円筒面１３に設けられる。ビーム固定部１０は、被支持面５よりも光軸ＬＸの方向において背面側の位置に設ける。支持ビーム９の両端は、１２０度の角度間隔で円筒面１３に配置された２個のビーム固定部１０のビーム接続面にそれぞれ接続する。

円筒面１３で囲まれる空間で支持ビーム９により被支持部４を支持するので、反射鏡構造体５０の光軸ＬＸの方向の長さを短くして、鏡支持部材２が反射鏡１を支持できる。支持開口部８を設けないで、支持基板部６の主面側で被支持部４を支持ビーム９により支持してもよい。

支持ビーム９の構造を、図７から図１１を参照して説明する。図７は、支持ビーム９の斜視図である。図８から図１１は、支持ビーム９の正面図、平面図、右側面図、背面図である。支持ビーム９は、その両端がビーム固定部１０に接続し、その中央部が被支持面５と接続する。支持ビーム９の形状は、主要部が略平面上に存在する形状である。被支持面５と接合して被支持面５を支持する支持ビーム９の部分を、鏡支持部９Ａと呼ぶ。鏡支持部９Ａは、長方形の板状である。鏡支持部９Ａは、被支持面５に接着剤により固定される。鏡支持部９Ａの両側には、ビーム部９Ｂが斜めに接続する。ビーム部９Ｂは、鏡支持部９Ａよりも幅が細い長方形の板状である。鏡支持部９Ａの厚さは、ビーム部９Ｂよりも厚い。鏡支持部９Ａとビーム部９Ｂとは、被支持面５よりも遠い側の面が平面になるように接続する。そのため、鏡支持部９Ａは、ビーム部９Ｂよりも被支持面５の側に出る。２本のビーム部９Ｂが、鏡支持部９Ａよりも反射鏡１から遠くなる角度で鏡支持部９Ａと接続する。ビーム部９Ｂは、反射鏡１の背面に近い位置にある鏡支持部９Ａを背面から遠い位置で支持する。支持ビーム９は、鏡支持部９Ａを有し、両端がビーム固定部１０を介して鏡支持部材２に接続された支持部材である。

ビーム部９Ｂの鏡支持部９Ａが接続しない側の端には、長方形の板状のフランジ部９Ｃがビーム部９Ｂと直交するように接続する。フランジ部９Ｃは、ビーム部９Ｂに垂直に接続する。フランジ部９Ｃが、ビーム固定部１０が有するビーム接続面に固定される。２個のビーム固定部１０が隣接して設置されるので、２個の支持ビーム９のフランジ部９Ｃも隣接する。略直方体の形状を有するフランジ部９Ｃは、隣接するフランジ部９Ｃと接触する面を有する。隣接するフランジ部９Ｃと接触する面は、直方体の１本の稜線を含む部分を切り取って形成される。隣接するフランジ部９Ｃと接触する面は、ビーム接続面に固定される面に対して１２０度の角度をなす。このように、フランジ部９Ｃは、隣接するフランジ部９Ｃと接触する側の端部で、互いに干渉しないような形状を有する。

２本のビーム部９Ｂには、フランジ部９Ｃと接続する付近で、略長方形の板状のリンク部９Ｄが接続する。リンク部９Ｄは、鏡支持部９Ａよりも反射鏡１の背面から遠い側においてフランジ部９Ｃを結ぶ。２本のビーム部９Ｂとリンク部９Ｄは、正面から見ると外形が略二等辺三角形になるように見える。板状の支持ビーム９は、適度な弾性を有する。そのため、反射鏡１と鏡支持部材２の熱膨張係数の差により発生する鏡支持部９Ａが被支持面５を支持する箇所の径方向の変位を、支持ビーム９がたわむことで吸収できる。つまり、被支持部４の径方向の膨脹または収縮に対応して、被支持部４に過度の応力を加えることなく、支持ビーム９が被支持部４を支持できる。反射鏡１の径方向は、光軸ＬＸに垂直な平面において光軸ＬＸから外周に向かう方向である。反射鏡１の径方向における被支持部４の膨脹または収縮に応じて鏡支持部９Ａが被支持面５を支持する箇所を径方向に移動させることができれば、ビーム部９Ｂは板状でなくてもよい。例えば、棒状のビーム部９Ｂの両端を回転可能に保持するなどして、鏡支持部９Ａを径方向に移動可能にしてもよい。支持ビーム９が、鏡支持部９Ａが反射鏡１の径方向に移動可能な構造を有すればよい。なお、鏡支持部９Ａが径方向に移動しても、被支持部４の中心の位置は、鏡支持部材２に対して固定される。

支持ビーム９は、鏡支持部９Ａを通る中心面ＣＳに関して面対称である。中心面ＣＳは、長方体状の鏡支持部９Ａに垂直にその中心を通る。中心面ＣＳは、鏡支持部９Ａの図における下側でリンク部９Ｄを２分割して、リンク部９Ｄを通る。２本のビーム部９Ｂは同じ形状であり、鏡支持部９Ａの対称な位置に同じように接続する。２本のフランジ部９Ｃは同じ形状であり、ビーム部９Ｂの同じ位置に同じ角度で接続する。

３本の支持ビーム９が被支持部４を支持する状態では、各支持ビーム９の中心面ＣＳ上に反射鏡１の光軸ＬＸが存在する。各支持ビーム９の中心面ＣＳに関して、支持ビーム９だけでなく被支持部４およびビーム固定部１０を含めて、面対称である。

３本の支持ビーム９で支持された反射鏡１は、図１２から図１６のようになる。図１２から図１６は、３本の支持ビーム９で支持された反射鏡１の斜視図、正面図、右側面図、背面図および底面図である。図１２から図１６に示すように、反射鏡１を３本のビーム部９という簡素な構造で支持する。被支持面５および支持ビーム９が光軸ＬＸの回りに１２０度の回転対称性を有し、かつ支持ビーム９の中心面ＣＳの回りに面対称である。そのため、３本の支持ビーム９は、３本の支持ビーム９が形成する正三角形の中心に光軸ＬＸが配置されるように、被支持部４を支持できる。支持ビーム９は、面対称でなくてもよい。指示ビーム９が面対称でない場合でも、３本の支持ビーム９により被支持部４および光軸ＬＸを決められた位置に配置できる。支持ビーム９が面対称である場合の方が、被支持部４および光軸ＬＸを決められた位置に配置することが容易になる。

支持開口部８、支持ビーム９およびビーム固定部１０は、支持基板部６に対する被支持部４の位置を固定して被支持部４を支持基板部６に接続する鏡接続部を構成する。

Ｙ軸部材１２は、Ｘ軸回転部材１４（図示せず）に接続する。Ｘ軸は、光軸ＬＸに垂直な平面でＹ軸と直交する軸である。Ｘ軸回転部材１４は、Ｘ軸の回りに回転可能である。Ｘ軸回転部材１４は、支持基板部６と同様な形状である。Ｘ軸回転部材１４は、光軸ＬＸの方向から見ると、支持基板部６よりも少し大きいほぼ相似な形状である。Ｘ軸回転部材１４は、Ｘ軸回転部材１４の主面側に設けられた２個の突起によりＹ軸部材１２を支持する。主面側に軸受部７が設けられている部分の背面側で、突起がＹ軸部材１２に接続してＹ軸部材１２を支持する。Ｙ軸とＸ軸回転部材１４との間の距離は、反射鏡構造体５０がＹ軸の周りに決められた角度だけ回転可能になるように適切に決める。

Ｘ軸回転部材１４は、Ｘ軸に平行な２個のＸ軸部材１５（図示せず）により、Ｘ軸の周りに回転可能である。Ｘ軸回転部材１４の背面側には、Ｘ軸部材１５を支持する突起を有する板状の鏡基底部材１６（図示せず）が存在する。鏡基底部材１６とＸ軸との間の距離は、Ｘ軸回転部材１４がＸ軸の周りに決められた角度だけ回転可能になるように適切に決める。鏡基底部材１６は、光学望遠鏡の構造部材に固定される。

支持基板部６および軸受部７は、軽量でかつ熱膨張係数が小さくなるように、低い熱膨張係数を有する金属で製造されたハニカムサンドイッチパネル２０で構成する。低い熱膨張係数を有する金属としては、インバー合金を使用する。例えば、新報国製鉄(株)が製造する「ゼロ熱膨張インバー合金」は、０．０６ｐｐｍ[１／Ｋ]という極めて低い熱膨張係数を有する（2018年11月22日付、日刊鉄鋼新聞の記事による）。熱膨張係数の絶対値が「ゼロ熱膨張インバー合金」より大きくても、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰと略す）よりも絶対値が小さい熱膨張係数を有する金属であれば、ＣＦＲＰを使用する場合よりも熱膨張の影響を軽減した光学装置を得ることができる。この明細書では、光学装置を製造するために使用する、ＣＦＲＰよりも低い熱膨張係数を有する金属を低膨張金属と呼ぶ。支持開口部８、支持ビーム９およびビーム固定部１０は、低膨張金属で製造する。なお、支持開口部８、支持ビーム９およびビーム固定部１０の何れか少なくとも１つを、低膨張金属とは異なる材料で製造してもよい。

図１７を参照して、ハニカムサンドイッチパネル２０の構造を説明する。図１７は、ハニカムサンドイッチパネルの一部のスキン材を除いた状態での斜視図である。ハニカムサンドイッチパネル２０は、第１スキン材２１、コア材２２および第２スキン材２３を有して構成される。第１スキン材２１は、ハニカムサンドイッチパネル２０の一方の面となる板材である。第２スキン材２３は、一方の面に対向するように配置された他方の面となる板材である。図１７に示すハニカムサンドイッチパネル２０では、第１スキン材２１と第２スキン材２３とが平行になるように配置している。コア材２２は、ハニカム構造を有する部材である。ハニカム構造は、断面が六角形（正六角形が望ましい）である複数の筒を隣接して形成した構造である。コア材２２は、第１スキン材２１および第２スキン材２３に垂直に接着剤により接合される。なお、６辺の中で対向する２辺が他の４辺とは長さが異なる六角形でも平面を隙間なく埋めることができる。そのため、コア材は断面が六角形の筒が隣接して配置された形状であればよい。

鏡支持部材２は、低膨張金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルを使用して製造する。そのため、ＣＦＲＰで製造する場合よりも、温度変化による膨張あるいは収縮が、反射鏡１の位置に影響する度合いを小さくできる。なお、Ｙ軸部材１２、Ｘ軸回転部材１４、Ｘ軸部材１５および鏡基底部材１６も、低膨張金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルを有して構成するか、あるいは低膨張金属で製造する。

鏡支持部材２は、低膨張金属ではない材料によるハニカムサンドイッチパネルを使用して、あるいは、ハニカムサンドイッチパネルを使用しないで製造してもよい。Ｙ軸部材１２、Ｘ軸回転部材１４、Ｘ軸部材１５および鏡基底部材１６の各々に関しても、同様である。

ＣＦＲＰの替わりに低膨張金属を使用することで、ＣＦＲＰを使用する場合に発生する以下の課題を解決できる。
ＣＦＲＰを使用したハニカムサンドイッチパネルでは、繊維方向や層構造により剛性や熱膨張係数の性質が変化する。そのため、繊維方向や層構造を検討および調整した上でスキン材やコア材を製造する必要がある。結果として、ＣＦＲＰ製のハニカムサンドイッチパネルは、低膨張金属を使用する場合よりも、手間、時間およびコストの少なくとも１つが多くかかる。

ＣＦＲＰ製のハニカムサンドイッチパネル同士、ハニカムサンドイッチパネルと他の部材を接合するには、接着剤やインサートによる必要がある。そのため、ＣＦＲＰ製のハニカムサンドイッチパネルは、接合強度を十分に高めることが難しい。

ＣＦＲＰで実現できる熱膨張係数の絶対値は、１０^−６未満で３×１０^−７[１／Ｋ]程度以上である。低膨張ガラス材料、例えばＳＣＨＯＴＴ社のＺＥＲＯＤＵＲ（登録商標）の熱膨張係数は、クラス１で０±０．０５×１０^−６[１／Ｋ]である。１０^−７[１／Ｋ]未満の熱膨張係数を有する低膨張ガラス材料で製造される反射鏡に対して、鏡支持部材の素材であるＣＦＲＰの熱膨張係数は５倍以上の大きさである。ＣＦＲＰ製の鏡支持部材を使用する場合には、ＣＦＲＰ製の鏡支持部材の変形を光学要素へ伝えないために、複雑な構造が必要である。

宇宙空間で使用される光学装置に適用する場合には、ＣＦＲＰはいくつか注意すべき点がある。ＣＦＲＰは、高分子有機材料であるため、吸湿する。ＣＦＲＰが水分を含んだ状態で軌道上へ打ち上げられると、宇宙空間で水分が蒸発して収縮変形する場合がある。また、宇宙空間でＣＦＲＰに含まれる有機物が蒸発し、収縮変形する場合がある。ＣＦＲＰの収縮変形により構造部材の寸法が変化し、光学機器の相対位置が変化して、観測精度が低下する場合がある。ＣＦＲＰから発生する有機物を含む気体（アウトガス）が光学機器に触れ、ＣＦＲＰから発生した有機物が光学機器に付着する場合がある。有機物の付着は、観測精度の低下をもたらす場合がある。

低膨張金属は、剛性や強度が高く、剛性および熱膨張性に関して等方性を有する。また、低膨張金属は、ＣＦＲＰよりも高い熱伝導率を持つ。

鏡支持部材２は、「ゼロ熱膨張インバー合金」などの低膨張金属を使用して製造することで、１０^−７未満という低い熱膨張係数を実現できる。そのため、支持構造と反射鏡の熱膨張係数の差が小さく、反射鏡１を３本の支持ビーム９で鏡支持部材２に固定することができる。支持ビーム９という簡単な構造で、反射鏡１などの光学機器を支持できる。光学機器を支持する構造を低膨張金属で製造することで、ＣＦＲＰを使用する場合と比較して、小さな変形量に抑えかつ軽量にできる。

低膨張金属は、切削や溶接なども可能である。低膨張金属は加工可能な素材であるため、ＣＦＲＰの場合には必要であった繊維方向や層構造を考慮する必要がない。光学装置を製造する際に、ＣＦＲＰを使用する場合より、手間、時間およびコストの少なくとも１つを改善できる。接続方法においては、低膨張金属は、接着剤に比べ強度が高い溶接を採用できる。なお、低膨張金属の溶接は、ハニカムサンドイッチパネルが変形しないような方法で実施する。

ハニカムサンドイッチパネルは、第１スキン材および第２スキン材は低膨張金属で製造し、コア材はＣＦＲＰで製造してもよい。第１スキン材および第２スキン材が「ゼロ熱膨張インバー合金」製で、コア材をＣＦＲＰ製のハニカムサンドイッチパネルの温度変化に対する変形を、有限要素解析によりシミュレーションした。ハニカムサンドイッチパネルの形状は、第１スキン材および第２スキン材が縦（Ｙ方向）と横（Ｘ方向）が１００ｍｍ×１００ｍｍで厚さ１ｍｍの板材とする。コア材は、セルサイズを約６ｍｍ、コア材膜厚さを約０．０３ｍｍ、高さ（Ｚ方向）を２０ｍｍとする。熱膨張係数は、「ゼロ熱膨張インバー合金」が５．０×１０^−８[１／Ｋ]とし、ＣＦＲＰが−３．０×１０^−７[１／Ｋ]
とする。温度変化は、１０[Ｋ]の上昇とする。

シミュレーションの結果、第１スキン材、第２スキン材およびコア材を「ゼロ熱膨張インバー合金」で製造した場合には、Ｘ方向およびＹ方向の変位は５．０×１０^−５[ｍｍ]で、Ｚ方向の変位は１．０×１０^−５[ｍｍ]になる。コア材をＣＦＲＰ製にした場合は、Ｘ方向の変位は４．９２×１０^−５[ｍｍ]で、Ｙ方向の変位は５．１６×１０^−５[ｍｍ]で、Ｚ方向の変位は−８．２８×１０^−５[ｍｍ]になる。コア材をＣＦＲＰ製にした場合は波打つような変形をするので、最も変位が大きい箇所での変位量を計測した。このシミュレーション結果は、第１スキン材および第２スキン材を「ゼロ熱膨張インバー合金」で製造する場合には、コア材をＣＦＲＰで製造した場合でもスキン材に平行な面内での熱膨張係数は、コア材も「ゼロ熱膨張インバー合金」で製造した場合と同程度になることを示している。

反射鏡を有する光学機器とは異なる光学機器を支持する場合にも、低膨張金属性のハニカムサンドイッチパネルを適用できる。

反射鏡構造体５０では、鏡支持部材２が反射鏡１の被支持部４を、３本の支持ビーム９により支持する。３本の支持ビーム９による３点支持になり、過拘束にすることなく、鏡支持部材２は反射鏡１を支持できる。被支持部４を３個の被支持面５で、光軸ＬＸに関して点対称に支持する。支持ビーム９は中心面ＣＳに関して面対称に、被支持部４を支持する。そのため、温度変化により反射鏡１が光軸ＬＸを中心に点対称に膨脹または収縮することを、支持ビーム９または鏡支持部材２が妨げることがない。また、熱膨張係数に差があるため、支持ビーム９および鏡支持部材２が反射鏡１に対して膨脹または収縮する場合でも、３本の支持ビーム９が同様に膨張または収縮するので、反射鏡１に作用する応力は、３点で光軸ＬＸに対して点対称になる。さらに、３点のそれぞれを通る中心面ＣＳに関して面対称になるので、反射鏡１に作用する応力は、中心面ＣＳ上に存在する。３個の支持ビーム９により加えられる応力の大きさは同じになる。その結果、鏡支持部材２の膨脹または収縮により、反射鏡１が３本の支持ビーム９で支持される位置は、変化しない。鏡支持部材２の膨脹または収縮により、反射鏡１が膨脹または収縮する場合には、反射鏡１が光軸ＬＸを中心に点対称に膨脹または収縮する。

被支持部４は、反射鏡１の光軸ＬＸに近い位置に存在する。そのため、温度変化による膨脹または収縮があっても、被支持部４を支持する支持ビーム９の膨脹量または収縮量を、被支持部４が反射鏡１の外縁近くで支持する場合よりも小さくできる。そのため、反射鏡１および支持ビーム９に加えられる膨脹または収縮による応力も小さくなる。支持ビーム９および鏡支持部材２を低膨張金属製とすることで、膨張量または収縮量をさらに小さくでき、応力も小さくできる。被支持部４に作用する応力が変化しても、応力は近接した３点に作用するので、応力は反射鏡１の反射面３の鏡面の精度に影響を与えない。

このように、反射鏡構造体５０では、反射鏡１と鏡支持部材２の間での熱膨張係数の相対的な差に対応でき、かつ３本の支持ビーム９という従来よりも簡素な構造で反射鏡１を支持できる。

被支持面は、反射鏡１の光軸ＬＸに対して平行でなくてもよい。被支持面は、平面でなくてもよい。被支持面に、突起や窪みを設けてもよい。被支持面が光軸ＬＸの回りに１２０度の回転対称性を有して設けられていればよい。

反射鏡構造体５０を含む光学望遠鏡は、人工衛星に搭載されて使用することができる。光学望遠鏡を搭載した人工衛星を打ち上げる際には、加速度が光学望遠鏡などに加えられる。支持ビーム９は、加速度が加えられる状況でも反射鏡を支持できる。打ち上げ時には、反射鏡１は、移動する方向に光軸ＬＸが平行になる姿勢である。つまり、打ち上げ時の加速度は、反射鏡１の光軸ＬＸに平行な方向に発生する。支持ビーム９のビーム部９Ｂは、加速度が発生する方向に斜めであり、加速度に対する応力をビーム部９Ｂが発生することができる。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る光学装置を搭載した人工衛星を、図１８から図２０を参照して説明する。図１８は、実施の形態２に係る光学装置を搭載した人工衛星の正面図である。図１９は、光学装置と人工衛星とが接続する部分の拡大図である。図２０は、光学装置の内部構成を説明する概念的な断面図である。

人工衛星３０は、衛星本体３１と光学望遠鏡３２とを有する。光学望遠鏡３２は、観測精度に影響する部分は熱膨張係数が低くなるように考慮して製造している。衛星本体３１は、熱膨張に関して特別な考慮はしないで製造する。衛星本体３１は、光学望遠鏡３２を搭載するための接続パネル部３３を有する。接続パネル部３３は、平面の板状部材である。接続パネル部３３は、アルミニウムなどの金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルを使用して製造する。

光学望遠鏡３２は、衛星本体３１から遠い側に円形の入射口３４（図２０に図示）を配置し、衛星本体３１に近い側に反射鏡１を配置する構造である。ここで、光学望遠鏡３２に関して、入射口３４が存在する側を先端側と呼び、衛星本体１と接続する側を基部側と呼ぶ。光学望遠鏡３２は、大きく分けて、台座部３５と鏡筒部３６とで構成される。台座部３５は、基部側に存在して、接続パネル部３３に接続する。台座部３５には、反射鏡１が設置される。鏡筒部３６は、観測光が通る光路４２（図２０に図示）を囲む部材である。鏡筒部３６は、基部側で台座部３５に接続する。

台座部３５は、中心に貫通穴を有する円盤状の形状である。貫通穴には、観測した画像を衛星本体３１の内部に配置された記憶装置に送る配線や、光学望遠鏡３２を制御するための信号を伝える信号線などが通る。台座部３５は、低膨張金属製のハニカムサンドイッチパネルを使用して製造する。台座部３５に、反射鏡１の支持部材を固定する。反射鏡１は、光軸が向く方向が変更可能に支持部材に支持される。

鏡筒部３６は、台座部３５に垂直に接続する。鏡筒部３６は、鏡筒基部３７、鏡筒中間部３８、機器保持部３９および光路円筒部４０を有する。鏡筒基部３７の形状は、幅に対して高さが低い角筒である。鏡筒基部３７の断面の形状は、正八角形である。鏡筒基部３７は、台座部３５に固定される。鏡筒基部３７は、反射鏡１をその内部に収納する。鏡筒基部３７は、先端側にフランジを有する。鏡筒基部３７は、低膨張金属製のハニカムサンドイッチパネルを使用して製造する。

鏡筒中間部３８の基部側は、フランジを有する正八角形の角筒である。鏡筒中間部３８の先端側は、角筒の上側の半分だけの形状である。図１８に示すように、鏡筒中間部３８の図における下側および先端側には、光路円筒部４０が接続する。光路円筒部４０の先端側は、円筒である。円筒の先端側の開口が、入射口３４である。光路円筒部４０の基部側は、上側に鏡筒中間部３８が接続できるように、下半分だけの円筒状である。鏡筒中間部３８と光路円筒部４０とは、間に隙間が発生しないように接合する。鏡筒中間部３８の上部の先端側には、機器保持部３９が接続する。機器保持部３９は、光路円筒部４０の上側かつ鏡筒中間部３８の先端側に存在する。機器保持部３９は、光学機器を保持する。鏡筒中間部３８および機器保持部３９は、低膨張金属製のハニカムサンドイッチパネルを使用して製造する。光路円筒部４０は、アルミニウムで製造する。

鏡筒基部３７、鏡筒中間部３８、機器保持部３９および光路円筒部４０は、台座部３５と接合することで、入射口３４だけから観測光が入る閉空間を形成する。鏡筒の内部の閉空間に、光学機器が配置される。図２０では、観測光を分光するスリット４１だけを示す。カメラなどの光学機器も、鏡筒の内部に配置される。入射口３４から鏡筒部の内部に入った光は、反射鏡１で反射される。反射鏡１で反射された光は、スリット４１で分光される。分光された特定波長の光が図示しないカメラに入り、観測対象の画像をカメラが撮影する。

光路４２は、入射口３４からスリット４１までの光がたどる経路である。図２０に、光路４２を一点鎖線で示す。光学望遠鏡では、温度によらず光路４２が変化しないことが望ましい。光学望遠鏡３２では、台座部３５、鏡筒基部３７、鏡筒中間部３８および機器保持部３９を、１．０×１０^−７[１／Ｋ]よりも絶対値が小さい熱膨張係数を有する低膨張金属で製造したハニカムサンドイッチパネルまたは低膨張金属で製造した部材を使用して製造している。そのため、反射鏡１とスリット４１の相対的な位置関係の変化は、温度変化がある場合でも小さく抑えることができる。その結果、光学望遠鏡３２の焦点位置は、温度変化がある場合でもその変化が許容できる範囲内に抑えることができる。スリット４１以外の光学機器の反射鏡１に対する位置も、温度変化がある場合でも変化が許容できる範囲内に抑えることができる。その結果、観測で得られる画像の変化が、温度変化がある場合でも小さくできる。熱膨張係数が大きい素材で、反射鏡１やスリット４１などの光学機器を支持する構造部材を製造する場合は、温度変化に対して光学機器の間の距離が変化して、焦点位置がずれる場合がある。焦点位置がずれると、例えばカメラで撮影する画像が不鮮明なものになる。熱膨張係数が大きい素材を使用する場合には、焦点位置を変化させないために、大きなストロークを有する調整機構などが別途、必要となる場合がある。ハニカムサンドイッチパネルなので、軽量にでき、人工衛星３０を宇宙空間に打ち上げる際に必要なエネルギー量を小さくできる。

光学装置である光学望遠鏡３２は、複数の光学機器と、光学機器を支持する構造部材を有する。反射鏡１とスリット４１が光学機器の例である。台座部３５は、鏡支持部材２を支持する構造部材である。鏡支持部材２は、反射鏡１を支持する構造部材である。鏡筒部３６は、観測光が通る経路である光路を囲み台座部３５と接続された、スリット４１を支持する構造部材である。図には示していないが、鏡筒部３６はスリット４１の他にも光学機器を支持する。

鏡支持部材２、台座部３５および鏡筒部３６を、低膨張金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルを含んで構成している。反射鏡１とスリット４１を結ぶ構造部材を通る経路は、低膨張金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルあるいは低膨張金属で製造された構造部材だけである。そのため、反射鏡１とスリット４１との間の相対的な位置関係の変化を、温度変化に対して許容できる範囲以内にできる。光学機器の間の経路に、低膨張金属以外の素材で製造された構造部材が存在してもよい。光学機器の間の構造部材を通る経路において、低膨張金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルあるいは低膨張金属された構造部材の割合が決められた下限値以上であればよい。光学装置が３個以上の光学機器を有する場合は、複数の光学機器の中から２個の光学機器を選択するすべての組み合わせに関して、一方の光学機器から他方の光学機器を結ぶ構造部材を通る経路のそれぞれが、経路上の低膨張金属で製造されたハニカムサンドイッチパネルまたは低膨張金属で製造された部分の割合が決められた下限値以上であるようにすればよい。

台座部３５は低膨張金属で製造しており、接続パネル部３３は低膨張金属よりも熱膨張係数が大きい金属で製造している。温度変化で発生する接続パネル部３３と台座部３５の膨脹量あるいは収縮量の差を吸収する構造について説明する。台座部３５は、その中心に対して４５度の回転対称性を持つ支持機構により接続パネル３３に接続する。外形が正八角柱である台座部３５の各外側面の先端側中央には、直方体状の突起４３を設ける。突起４３は、ハニカムサンドイッチパネルで構成される台座部３５の一方の面のスキン材を突出させた部分および台座部３５の側面に、固定される。接続パネル部３３にも、角柱状の突起４４を設ける。１個の突起４３は、その両側の突起４４とそれぞれ１本の円柱状のロッド４５で接続する。１個の突起４３に接続する２本のロッド４５により、突起４３はバイポッド構造（二脚）で支持される。ロッド４５の一端が固定される突起４３の面は、台座部３５の外側面に垂直な面である。ロッド４５の他端が、突起４４の側面に固定される。ロッド４５の他端が固定される突起４４の側面は、ロッド４５が延在する光軸に平行な平面と直交する。突起４４は、光軸に平行な方向から見ると台形の外形を有する。ロッド４５の他端を、突起４４の上面（突起４３が存在する側の面）に固定してもよい。台座部３５と接続パネル部３３とは、ロッド４５でだけ接続する。台座部３５と接続パネル部３３の間には、空間が存在する。

８個の突起４３のそれぞれは、２本のロッド４５により隣接する突起４４と接続する。ロッド４５は、全部で１６本になる。１６本のロッド４５、８個の突起４３および８個の突起４４は、衛星本体３１に対する光学望遠鏡３２の位置が温度変化によって変化することを許容して光学望遠鏡３２を衛星本体３１に接続する光学機器接続部を構成する。ロッド４５による方法以外で、衛星本体３１に対する光学望遠鏡３２の位置が温度変化によって変化することを許容して光学望遠鏡３２を衛星本体３１に接続してもよい。

ロッド４５の両端部には、直径が細くなる縮径部４６を設けている。縮径部４６で挟まれるロッド４５の部分を本体部と呼ぶ。両側の縮径部４６は、同じ形状である。縮径部４６では、ロッド４５の軸方向に垂直な断面は同心な円形のまま、端部に向かって直径だけが小さくなる。縮径部４６は、直径が最小となる点を過ぎると、ロッド４５の端部に近づくにつれて直径が大きくなる。縮径部４６を設けているので、ロッド４５と突起４３の接続角度、ロッド４５と突起４４との接続角度が変化できる。つまり、ロッド４５により、ロッドの接続角度が変化可能であるトラス構造を構成できる。１６本のロッド４５は、トラスを構成する。ロッドの数は、１６本より多くても少なくてもよい。鏡筒部の断面は八角形でなくてもよい。

温度変化がある場合でも台座部３５と接続パネル３３との間に空間ができるように、ロッド４５の長さは適切な長さにする。台座部３５、接続パネル３３、突起４３および突起４４には、温度変化に対して変形しないように、必要十分な強度を持たせる。ロッド４５の縮径部４６は、温度変化があると本体部に対して微小に曲がる。曲がっても破損しないように、ロッド４５の材質や形状は必要十分な強度が得られるように製造する。

宇宙空間で太陽光が照射されるなどして熱が与えられて温度が上昇すると、接続パネル３３が台座部３５よりも大きく膨張する。ロッド４５の縮径部４６で微小に曲がり、ロッド４５の本体部の接続パネル３３に対する角度が小さくなる。温度が低下すると、接続パネル３３が台座部３５よりも大きく収縮する。ロッド４５の縮径部４６で温度が上昇する場合と反対方向に微小に曲がり、ロッド４５の本体部の接続パネル３３に対する角度が大きくなる。このようにして、ロッド４５が、接続パネル部３３と台座部３５との熱膨張率の差による膨脹量あるいは収縮量の差を吸収する。なお、ロッド４５が、接続パネル３３と同じか少し小さい熱膨張係数を有する材質で製造されている場合は、ロッド４５自体が伸縮するので、ロッド４５の縮径部４６での曲がり角度の変化を、ロッド４５が低膨張金属製である場合よりも小さくできる。

光学機器を支持する構造部材を、低膨張金属で製造したハニカムサンドイッチパネルまたは低膨張金属を加工した部材で製造することで、ＣＦＲＰを使用する場合よりも温度変化に対する光学機器間の相対位置の変化量を小さくできる。光学望遠鏡などの光学装置において、温度変化があっても観測性能の変化が小さくできる。また、構造部材の熱膨張係数の絶対値が大きい場合に光学装置で必要である、温度変化による光学機器間の相対位置の変化を観測精度に影響を与えないようにする機構、例えば焦点位置調整機構などを、光学装置が備えなくてもよくなる。

各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の変形や省略が可能である。

５０ 反射鏡構造体（光学装置）

１ 反射鏡（光学機器）
２ 鏡支持部材（構造部材）
３ 反射面
４ 被支持部
５ 被支持面
６ 支持基板部（本体部）
７ 軸受部
８ 支持開口部（鏡接続部）
９ 支持ビーム（支持部材、鏡接続部）
９Ａ 鏡支持部（鏡接続部）
９Ｂ ビーム部
９Ｃ フランジ部
９Ｄ リンク部
１０ ビーム固定部（鏡接続部）
１１ 軸保持穴
１２ Ｙ軸部材
１３ 円筒面
１４ Ｘ軸回転部材
１５ Ｘ軸部材
１６ 鏡基底部材

２０ ハニカムサンドイッチパネル
２１ 第１スキン材
２２ コア材
２３ 第２スキン材

３０ 人工衛星
３１ 衛星本体
３２ 光学望遠鏡（光学装置）
３３ 接続パネル部
３４ 入射口
３５ 台座部（構造部材）
３６ 鏡筒部（構造部材）
３７ 鏡筒基部
３８ 鏡筒中間部
３９ 機器保持部
４０ 光路円筒部
４１ スリット（光学機器）
４２ 光路
４３ 突起（光学機器接続部）
４４ 突起（光学機器接続部）
４５ ロッド（光学機器接続部）
４６ 縮径部

ＬＸ 光軸
ＣＳ 中心面

Claims (10)

1. 熱膨張係数の絶対値が炭素繊維強化プラスチックよりも小さい金属である低膨張金属で製造された板材である第１スキン材と、
   前記低膨張金属で製造された、前記第１スキン材と対向するように配置された板材である第２スキン材と、
   断面が六角形である複数の筒を隣接して形成して前記第１スキン材および前記第２スキン材に接合した、炭素繊維強化プラスチックまたは前記低膨張金属で製造されたコア材とを備えたハニカムサンドイッチパネル。
2. 前記低膨張金属の熱膨張係数の絶対値が１０のマイナス７乗よりも小さい、請求項１に記載のハニカムサンドイッチパネル。
3. 前記コア材が前記低膨張金属で製造された、請求項１または請求項２に記載のハニカムサンドイッチパネル。
4. 前記第１スキン材と前記第２スキン材とが互いに平行に、前記コア材が前記第１スキン材および前記第２スキン材に垂直に接合するように配置され、前記コア材が正六角形である複数の筒を隣接して形成する、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のハニカムサンドイッチパネル。
5. 光を反射する反射鏡と、
   前記反射鏡を支持する、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のハニカムサンドイッチパネルを含んで構成された鏡支持部材とを備えた光学装置。
6. 前記反射鏡は、光を反射する反射面の反対側の面である背面に設けられて前記鏡支持部材に支持される被支持部を有し、
   前記鏡支持部材は、前記反射鏡の背面側に存在する本体部、前記被支持部の前記本体部に対する位置を固定して前記被支持部を前記本体部に接続する鏡接続部を有する、請求項５に記載の光学装置。
7. 複数の光学機器と、
   前記光学機器を支持する、請求項１から請求項４の何れか１項に記載のハニカムサンドイッチパネルを含んで構成された構造部材とを備え、
   複数の前記光学機器の中から２個の前記光学機器を選択するすべての組み合わせに関して、一方の前記光学機器から他方の前記光学機器を結ぶ前記構造部材を通る経路のそれぞれは、前記経路上の前記ハニカムサンドイッチパネルまたは前記低膨張金属で製造された部分の割合が決められた下限値以上である、光学装置。
8. 観測に使用する光である観測光を反射する前記光学機器である反射鏡と、
   前記反射鏡を支持する前記構造部材である鏡支持部材と、
   前記鏡支持部材を支持する前記構造部材である台座部と
   前記観測光が通る経路である光路を囲み前記台座部と接続された、前記光学機器を支持する前記構造部材である鏡筒部とを備えた、請求項７に記載の光学装置。
9. 衛星本体と、
   請求項５から請求項８の何れか１項に記載の光学装置と、
   前記衛星本体に対する前記光学装置の位置が温度変化によって変化することを許容して前記光学装置を前記衛星本体に接続する光学機器接続部とを備えた人工衛星。
10. 前記光学機器接続部が、トラスを構成する複数本のロッドを有する、請求項９に記載の人工衛星。

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