WO2020122196A1 - 光学装置 - Google Patents

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WO2020122196A1
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mirror
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optical
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友哉 服部
昇 川口
利崇 仲尾次
厚武 及川
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical device having a reflecting mirror.
  • Optical components used in the aerospace field and astronomy field need to be lightweight and have a low coefficient of thermal expansion.
  • the structural member may be deformed beyond the allowable width due to temperature change.
  • the optical axis of the optical telescope may be deviated from the designated direction due to the structural member being deformed by heat exceeding the allowable width.
  • the focus position may deviate from the determined position.
  • the structural members of the optical telescope must have a low coefficient of thermal expansion in order to accurately orient the optical axis in the specified direction and fix the focal position at the determined position.
  • the structural member needs to be lightweight in order not to increase the weight as much as possible even if the size is increased.
  • the honeycomb sandwich panel is known as a structural member that is lightweight and has high rigidity.
  • the honeycomb sandwich panel is composed of a core material having a honeycomb structure and plate materials (skin materials) sandwiching the core material from both sides.
  • the honeycomb structure is a structure in which a plurality of cylinders each having a hexagonal cross section (desirably a regular hexagon) are arranged in parallel with each other without a gap.
  • the skin material connects with the core material perpendicular to the honeycomb structure.
  • the structural members of optical devices must be lightweight and have a low coefficient of thermal expansion.
  • the thermal expansion coefficient of its structural member needs to be smaller than that of an optical telescope installed on the earth. The reason is that, in outer space, a temperature change exceeding 100 degrees occurs when the sun light is received and when the sun light is not received.
  • the amount of thermal deformation an optical device can tolerate to achieve a given accuracy is the same for the same accuracy both on earth and in space.
  • An optical device used in outer space with a large temperature change requires a thermal expansion coefficient of the structural member of the optical device to be smaller than that of the optical device installed on the ground in order to have the same degree of thermal deformation as on the ground. ..
  • CFRP Carbon fiber reinforced plastic
  • Honeycomb sandwich panels made of CFRP have been proposed. In a CFRP manufactured honeycomb sandwich panel, both the core material and the skin material are manufactured by CFRP.
  • a structure has been proposed in which the core material is divided to change the density and the direction according to the magnitude and direction of the load (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 In order to have isotropy in which the coefficient of thermal expansion is the same regardless of the direction, a structure has been proposed in which a core material is made by stacking a plurality of tubular cells and the wall thickness between the cells is uniform (Patent Reference 2).
  • the honeycomb sandwich panel made of CFRP has a coefficient of thermal expansion of less than 10 ⁇ 6 [1/K].
  • the reflector of the optical telescope is required to support the reflector of the optical telescope with high accuracy.
  • the reflector by combining an axial support mechanism that supports the reflector in the direction of the optical axis and a lateral support mechanism that points in a plane perpendicular to the optical axis, the reflector as a whole has insufficient 6 degrees of freedom for spatial rigid body motion.
  • a mirror support mechanism that supports a mirror so that the condition is restrained.
  • the mirror support mechanism has a structure that can cope with a relative difference in coefficient of thermal expansion between the reflecting mirror and the mirror support mechanism (see, for example, Patent Document 4).
  • Patent No. 3902429 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-028966 Patent No. 5574835 JP2012-185278
  • the reflector In artificial satellites and optical devices mounted on artificial satellites, the reflector is supported by a complicated mechanism. Since it is a complicated mechanism, it requires at least one of time, labor, and cost for manufacturing. There is a demand for an optical device capable of supporting a relative difference in coefficient of thermal expansion between a reflecting mirror and a mirror supporting mechanism and supporting the reflecting mirror with a simpler structure than conventional.
  • An object of the present disclosure is to obtain an optical device capable of supporting a relative difference in coefficient of thermal expansion between a reflecting mirror and a member supporting the reflecting mirror and supporting the reflecting mirror with a simpler structure than conventional ones. To do.
  • the optical device is provided with a reflective surface that reflects light and a rear surface that is a surface opposite to the reflective surface, and three optical devices that are arranged with rotational symmetry of 120 degrees around the optical axis.
  • a reflecting mirror having a supported portion having a supported surface, a structural member existing on the rear surface side of the reflecting mirror, and a mirror supporting portion that is connected to the supported surface to support the supported surface.
  • three support members connected to the structural member.
  • an optical device that can cope with a relative difference in coefficient of thermal expansion between a reflecting mirror and a member that supports the reflecting mirror, and that can support the reflecting mirror with a simpler structure than before. it can.
  • FIG. 3 is a perspective view of the optical device according to the first embodiment.
  • 3 is a front view of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 3 is a right side view of the optical device according to the first embodiment.
  • 3 is a bottom view of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 3 is a perspective view of a support beam used to support the reflecting mirror in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front view of a support beam used to support a reflecting mirror in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view of a support beam used to support a reflecting mirror in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a right side view of a support beam used to support a reflecting mirror in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a rear view of a support beam used to support a reflecting mirror in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a reflecting mirror supported by a supporting beam in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front view of a reflecting mirror supported by a supporting beam in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a right side view of a reflecting mirror supported by a supporting beam in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a rear view of a reflecting mirror supported by a supporting beam in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a bottom view of a reflecting mirror supported by a supporting beam in the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of the honeycomb sandwich panel used in the optical device according to the first embodiment with a part of the skin material removed.
  • 7 is a front view of an artificial satellite equipped with the optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a portion connecting the optical device according to Embodiment 2 and an artificial satellite.
  • FIG. FIG. 6 is a conceptual cross-sectional view illustrating the internal configuration of the optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of the optical device according to the first embodiment.
  • 2 to 5 are a front view, a plan view, a right side view and a bottom view of the optical device.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
  • the reflector structure 50 which is an optical device, has a reflector 1 and a mirror support member 2.
  • the reflector structure 50 constitutes an optical telescope for observing celestial bodies and the like.
  • the mirror support member 2 is a member that supports the reflecting mirror 1.
  • the reflecting mirror 1 has a reflecting surface 3 that reflects the observation light that is the light used for observation, and a supported portion 4 that is provided in the center of the back surface that is the surface opposite to the reflecting surface.
  • the supported portion 4 is a member supported by the mirror supporting member 2.
  • the reflecting surface 3 has a circular outer shape and is a concave surface.
  • the supported portion 4 is a protrusion having a cylindrical outer shape.
  • On the tip end side of the protrusion there are provided supported surfaces 5 which are three planes parallel to the optical axis LX (shown in FIGS. 2 and 4) of the reflecting mirror 1.
  • the supported surface 5 is a rectangular flat surface having the same size and forms an angle of 120 degrees with each other.
  • the supported portion 4 has rotational symmetry every 120 degrees around the optical axis LX.
  • the mirror support member 2 is a structural member existing on the rear surface side of the reflecting mirror 1.
  • the reflecting mirror 1 and the mirror support member 2 can also be applied to optical equipment not used for observation.
  • the mirror support member 2 has a support substrate portion 6, a bearing portion 7, and a support opening portion 8.
  • the mirror support member 2 is provided with a support beam 9 and a beam fixing portion 10.
  • the support substrate portion 6 is a main body portion of the mirror support member 2.
  • the support substrate portion 6 is a panel-shaped member that is present on the back side of the reflecting mirror 1. When viewed from the direction of the optical axis LX, the support substrate portion 6 has a shape in which the upper and lower sides and the left and right sides of a circle larger than the reflecting mirror 1 are linearly cut. It can be said that the shape of the support substrate portion 6 is a shape in which four corners of a square are replaced with arcs. The ratio of the arc portion is about 35% of the length of one side of the square.
  • the bearing portion 7 is provided at the center of the two opposing sides of the main surface of the support substrate portion 6.
  • the bearing portion 7 has a shape protruding from the main surface.
  • the bearing portion 7 has a cylindrical shaft holding hole 11.
  • the shaft holding holes 11 of the two bearings 7 are provided so that their central axes coincide with each other and intersect the optical axis LX of the reflecting mirror 1.
  • the central axis of the shaft holding hole 11 is parallel to the main surface of the support substrate portion 6.
  • a cylindrical Y-axis member 12 (not shown) is inserted into each of the two shaft holding holes 11.
  • the central axis of the shaft holding hole 11 and the central axis of the Y-axis member 12 coincide with each other.
  • the central axis of the Y-axis member 12 is called the Y-axis.
  • the reflecting mirror structure 50 is rotatable around the Y-axis member 12, that is, the Y-axis.
  • the support opening 8, the support beam 9, and the beam fixing portion 10 are members for supporting the supported portion 4 of the reflecting mirror 1.
  • the support opening 8 is a cylindrical opening provided in the center of the main surface of the support substrate 6.
  • the mirror support member 2 has a support opening 8 which is a hole into which the supported portion 4 is inserted.
  • the support opening portion 8 is provided so as to penetrate the support substrate portion 6.
  • the inner surface of the cylindrical opening formed by the support opening 8 is referred to as a cylindrical surface 13.
  • the cylindrical surface 13 extends further to the back side than the portion corresponding to the disk-shaped support substrate portion 6.
  • the support opening 8 is annularly projected from the back surface of the support substrate 6.
  • Eight reinforcing ribs are provided at equal intervals in the annular portion of the support opening 8 extending from the back surface side of the support substrate 6 in the direction outward from the central axis of the cylindrical surface 13.
  • the supported portion 4 of the reflecting mirror 1 is inserted into the space surrounded by the cylindrical surface 13.
  • the supported portion 4 is supported by three support beams 9 in a space surrounded by the cylindrical surface 13.
  • Six beam fixing parts 10 are provided on the cylindrical surface 13.
  • the beam fixing unit 10 has a shape in which the base of a substantially right triangle having an apex angle of 60 degrees is replaced with an arc when viewed from the direction of the optical axis LX.
  • the beam fixing unit 10 has a beam connecting surface that is a plane parallel to the optical axis LX, an arc surface that contacts the cylindrical surface 13, and a plane parallel to the optical axis LX that contacts the adjacent beam fixing unit 10.
  • the surface that contacts the adjacent beam fixing portion 10 and the beam connection surface intersect at an angle of 60 degrees.
  • One end of the support beam 9 is connected to the beam connecting surface.
  • Two beam fixing parts 10 are arranged adjacent to each other.
  • the two beam fixing portions 10 are fixed to three positions on the cylindrical surface 13 in a state where they are connected so that the circular arc surfaces are continuous.
  • the ends of the two support beams 9 are connected to the two beam fixing portions 10 at each position.
  • the beam connecting surfaces of the two beam fixing portions 10 form an angle of 120 degrees with each other.
  • the beam fixing unit 10 is provided so as to have rotational symmetry every 120 degrees around the optical axis LX.
  • the two beam fixing parts 10 are provided on the cylindrical surface 13 at a position intersecting the Y axis.
  • the beam fixing portion 10 is provided at a position on the back side of the supported surface 5 in the direction of the optical axis LX. Both ends of the supporting beam 9 are respectively connected to the beam connecting surfaces of the two beam fixing portions 10 arranged on the cylindrical surface 13 at an angular interval of 120 degrees.
  • the supported portion 4 is supported by the support beam 9 in the space surrounded by the cylindrical surface 13, the length of the reflecting mirror structure 50 in the direction of the optical axis LX is shortened so that the mirror supporting member 2 supports the reflecting mirror 1. it can.
  • the supported portion 4 may be supported by the support beam 9 on the main surface side of the support substrate portion 6 without providing the support opening portion 8.
  • FIG. 7 is a perspective view of the support beam 9.
  • 8 to 11 are a front view, a plan view, a right side view, and a rear view of the support beam 9. Both ends of the supporting beam 9 are connected to the beam fixing portion 10, and the central portion thereof is connected to the supported surface 5.
  • the shape of the support beam 9 is such that the main part thereof exists on a substantially flat surface.
  • the portion of the support beam 9 that joins the supported surface 5 and supports the supported surface 5 is referred to as a mirror support portion 9A.
  • the mirror support portion 9A has a rectangular plate shape.
  • the mirror support portion 9A is fixed to the supported surface 5 with an adhesive.
  • Beam portions 9B are obliquely connected to both sides of the mirror support portion 9A.
  • the beam portion 9B is a rectangular plate having a width narrower than that of the mirror support portion 9A.
  • the mirror support portion 9A is thicker than the beam portion 9B.
  • the mirror support portion 9A and the beam portion 9B are connected so that the surface farther from the supported surface 5 becomes a flat surface. Therefore, the mirror support portion 9A projects to the supported surface 5 side from the beam portion 9B.
  • the two beam portions 9B are connected to the mirror support portion 9A at an angle farther from the reflecting mirror 1 than the mirror support portion 9A.
  • the beam portion 9B supports the mirror support portion 9A located near the back surface of the reflecting mirror 1 at a position far from the back surface.
  • the support beam 9 is a support member that has a mirror support portion 9 ⁇ /b>A and has both ends connected to the mirror support member 2 via the beam fixing portion 10.
  • a rectangular plate-shaped flange portion 9C is connected to the end of the beam portion 9B where the mirror support portion 9A is not connected so as to be orthogonal to the beam portion 9B.
  • the flange portion 9C is vertically connected to the beam portion 9B.
  • the flange portion 9C is fixed to the beam connecting surface of the beam fixing portion 10. Since the two beam fixing portions 10 are installed adjacent to each other, the flange portions 9C of the two support beams 9 are also adjacent to each other.
  • the flange portion 9C having a substantially rectangular parallelepiped shape has a surface in contact with the adjacent flange portion 9C.
  • the surface that contacts the adjacent flange portion 9C is formed by cutting out a portion including one ridgeline of the rectangular parallelepiped.
  • the surface that contacts the adjacent flange portion 9C forms an angle of 120 degrees with the surface that is fixed to the beam connecting surface.
  • the flange portions 9C have shapes that do not interfere with each other at the end portions on the side that contacts the adjacent flange portions 9C.
  • Approximately rectangular plate-shaped link portion 9D is connected to the two beam portions 9B in the vicinity of connection with the flange portion 9C.
  • the link portion 9D connects the flange portion 9C on the side farther from the back surface of the reflecting mirror 1 than the mirror support portion 9A.
  • the two beam portions 9B and the link portions 9D appear to have a substantially isosceles triangular outer shape.
  • the plate-shaped support beam 9 has appropriate elasticity. Therefore, the radial displacement of the portion where the mirror supporting portion 9A supports the supported surface 5 caused by the difference in thermal expansion coefficient between the reflecting mirror 1 and the mirror supporting member 2 can be absorbed by the bending of the support beam 9.
  • the support beam 9 can support the supported portion 4 without applying excessive stress to the supported portion 4 in response to expansion or contraction of the supported portion 4 in the radial direction.
  • the radial direction of the reflecting mirror 1 is a direction from the optical axis LX toward the outer periphery in a plane perpendicular to the optical axis LX. If the portion where the mirror support portion 9A supports the supported surface 5 can be moved in the radial direction according to the expansion or contraction of the supported portion 4 in the radial direction of the reflecting mirror 1, the beam portion 9B is not plate-shaped. Good. For example, both ends of the rod-shaped beam portion 9B may be rotatably held so that the mirror support portion 9A can be moved in the radial direction.
  • the support beam 9 has a structure in which the mirror support portion 9A is movable in the radial direction of the reflecting mirror 1. Even if the mirror support portion 9A moves in the radial direction, the center position of the supported portion 4 is fixed to the mirror support member 2.
  • the support beam 9 is plane-symmetric with respect to the center plane CS passing through the mirror support portion 9A.
  • the center plane CS passes through the center perpendicular to the rectangular mirror support portion 9A.
  • the center plane CS divides the link portion 9D into two on the lower side of the mirror support portion 9A in the drawing, and passes through the link portion 9D.
  • the two beam portions 9B have the same shape and are similarly connected to symmetrical positions of the mirror support portion 9A.
  • the two flange portions 9C have the same shape and are connected to the same position of the beam portion 9B at the same angle.
  • each support beam 9 In a state where the three support beams 9 support the supported portion 4, the optical axis LX of the reflecting mirror 1 exists on the center plane CS of each support beam 9.
  • the center plane CS of each support beam 9 is plane-symmetrical including not only the support beam 9 but also the supported portion 4 and the beam fixing portion 10.
  • the reflecting mirror 1 supported by the three supporting beams 9 is as shown in FIGS. 12 to 16.
  • 12 to 16 are a perspective view, a front view, a right side view, a rear view and a bottom view of the reflecting mirror 1 supported by the three support beams 9.
  • the reflecting mirror 1 is supported by a simple structure including three beam portions 9.
  • the supported surface 5 and the support beam 9 have a rotational symmetry of 120 degrees about the optical axis LX, and are plane symmetric about the center plane CS of the support beam 9. Therefore, the three support beams 9 can support the supported portion 4 such that the optical axis LX is arranged at the center of the equilateral triangle formed by the three support beams 9.
  • the support beam 9 need not be plane-symmetric.
  • the supported portion 4 and the optical axis LX can be arranged at predetermined positions by the three supporting beams 9.
  • the support beam 9 is plane-symmetric, it becomes easier to dispose the supported portion 4 and the optical axis LX at the determined positions.
  • the support opening portion 8, the support beam 9, and the beam fixing portion 10 constitute a mirror connecting portion that fixes the position of the supported portion 4 with respect to the supporting substrate portion 6 and connects the supported portion 4 to the supporting substrate portion 6.
  • the Y-axis member 12 is connected to the X-axis rotating member 14 (not shown).
  • the X axis is an axis that is perpendicular to the optical axis LX and is orthogonal to the Y axis.
  • the X-axis rotating member 14 can rotate around the X-axis.
  • the X-axis rotating member 14 has the same shape as the supporting substrate unit 6. When viewed from the direction of the optical axis LX, the X-axis rotating member 14 has a substantially similar shape that is slightly larger than the support substrate portion 6.
  • the X-axis rotating member 14 supports the Y-axis member 12 by means of two protrusions provided on the main surface side of the X-axis rotating member 14.
  • a protrusion connects to the Y-axis member 12 and supports the Y-axis member 12 on the back surface side of the portion where the bearing portion 7 is provided on the main surface side.
  • the distance between the Y-axis and the X-axis rotating member 14 is appropriately determined so that the reflecting mirror structure 50 can rotate about the Y-axis by a predetermined angle.
  • the X-axis rotating member 14 can be rotated around the X-axis by two X-axis members 15 (not shown) parallel to the X-axis.
  • a plate-shaped mirror base member 16 (not shown) having a projection that supports the X-axis member 15 is provided on the back side of the X-axis rotation member 14. The distance between the mirror base member 16 and the X axis is appropriately determined so that the X axis rotation member 14 can rotate about the X axis by a predetermined angle.
  • the mirror base member 16 is fixed to the structural member of the optical telescope.
  • the supporting substrate portion 6 and the bearing portion 7 are made of a honeycomb sandwich panel 20 made of metal having a low coefficient of thermal expansion so as to be lightweight and have a small coefficient of thermal expansion.
  • An Invar alloy is used as the metal having a low coefficient of thermal expansion.
  • “Zero Thermal Expansion Invar Alloy” manufactured by Shinpokoku Steel Co., Ltd. has an extremely low coefficient of thermal expansion of 0.06 ppm [1/K] (according to an article in the Nikkan Steel Newspaper on November 22, 2018). ).
  • the support opening 8, the support beam 9 and the beam fixing portion 10 are made of a low expansion metal. At least one of the support opening 8, the support beam 9, and the beam fixing portion 10 may be made of a material different from the low expansion metal.
  • FIG. 17 is a perspective view of the honeycomb sandwich panel with a part of the skin material removed.
  • the honeycomb sandwich panel 20 includes a first skin material 21, a core material 22 and a second skin material 23.
  • the first skin material 21 is a plate material serving as one surface of the honeycomb sandwich panel 20.
  • the second skin material 23 is a plate material that is arranged so as to face one surface and serves as the other surface. In the honeycomb sandwich panel 20 shown in FIG. 17, the first skin material 21 and the second skin material 23 are arranged in parallel.
  • the core material 22 is a member having a honeycomb structure.
  • the honeycomb structure is a structure in which a plurality of cylinders each having a hexagonal cross section (desirably a regular hexagon) are formed adjacent to each other.
  • the core material 22 is vertically bonded to the first skin material 21 and the second skin material 23 with an adhesive. Even if the two opposite sides of the six sides have different lengths from the other four sides, it is possible to fill the plane without gaps. Therefore, the core material may have a shape in which tubes having hexagonal cross sections are arranged adjacent to each other.
  • the mirror support member 2 is manufactured by using a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal. Therefore, the degree of expansion or contraction due to temperature change affecting the position of the reflecting mirror 1 can be made smaller than in the case of manufacturing with CFRP.
  • the Y-axis member 12, the X-axis rotating member 14, the X-axis member 15, and the mirror base member 16 also have a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal, or are made of a low expansion metal.
  • the mirror support member 2 may be manufactured using a honeycomb sandwich panel made of a material that is not a low expansion metal, or without using a honeycomb sandwich panel. The same applies to each of the Y-axis member 12, the X-axis rotating member 14, the X-axis member 15, and the mirror base member 16.
  • honeycomb sandwich panels made of CFRP are at least one of more labor, time and cost than using low expansion metals.
  • Adhesives and inserts are required to join CFRP honeycomb sandwich panels to each other and to join honeycomb sandwich panels and other members. Therefore, it is difficult to sufficiently increase the bonding strength of the CFRP honeycomb sandwich panel.
  • the absolute value of the thermal expansion coefficient that can be realized by CFRP is less than 10 ⁇ 6 and about 3 ⁇ 10 ⁇ 7 [1/K] or more.
  • the coefficient of thermal expansion of a low expansion glass material for example, ZERODUR (registered trademark) of SCHOTT Co., is 0 ⁇ 0.05 ⁇ 10 ⁇ 6 [1/K] in Class 1.
  • the coefficient of thermal expansion of CFRP which is the material of the mirror support member, is 5 times or more as large as that of a reflector made of a low expansion glass material having a coefficient of thermal expansion of less than 10 ⁇ 7 [1/K]. ..
  • a CFRP mirror support member When a CFRP mirror support member is used, a complicated structure is required in order to prevent the deformation of the CFRP mirror support member from being transmitted to the optical element.
  • CFRP When applying to optical devices used in outer space, CFRP has some points to be noted. Since CFRP is a high molecular organic material, it absorbs moisture. When CFRP is launched into orbit in a state of containing water, the water may evaporate and contract and deform in outer space. In addition, organic matter contained in CFRP may evaporate and contract and deform in outer space. The contraction deformation of the CFRP may change the dimensions of the structural member, change the relative position of the optical device, and reduce the observation accuracy. A gas (outgas) containing organic substances generated from CFRP may come into contact with the optical device, and the organic substance generated from CFRP may adhere to the optical device. Adhesion of organic matter may cause deterioration of observation accuracy.
  • Low-expansion metal has high rigidity and strength, and isotropic with respect to rigidity and thermal expansion. Also, the low expansion metal has a higher thermal conductivity than CFRP.
  • the mirror support member 2 can be manufactured by using a low expansion metal such as “zero thermal expansion Invar alloy” to realize a low thermal expansion coefficient of less than 10 ⁇ 7 . Therefore, the difference in thermal expansion coefficient between the support structure and the reflecting mirror is small, and the reflecting mirror 1 can be fixed to the mirror supporting member 2 by the three supporting beams 9.
  • the support beam 9 has a simple structure and can support optical devices such as the reflecting mirror 1. By manufacturing the structure for supporting the optical device with the low expansion metal, the amount of deformation can be suppressed and the weight can be reduced as compared with the case of using CFRP.
  • Low-expansion metal can be cut and welded. Since the low-expansion metal is a workable material, it is not necessary to consider the fiber direction and layer structure, which were necessary in the case of CFRP. In manufacturing an optical device, at least one of labor, time and cost can be improved as compared with the case of using CFRP.
  • the low expansion metal can be welded, which has higher strength than the adhesive. The low expansion metal is welded by a method that does not deform the honeycomb sandwich panel.
  • the first skin material and the second skin material may be made of a low expansion metal, and the core material may be made of CFRP.
  • the deformation of the honeycomb sandwich panel in which the first skin material and the second skin material were made of "zero thermal expansion Invar alloy” and the core material was made of CFRP with respect to temperature change was simulated by finite element analysis.
  • the honeycomb sandwich panel has a shape in which the first skin material and the second skin material are 100 mm ⁇ 100 mm in length (Y direction) and width (X direction) and a thickness of 1 mm.
  • the core material has a cell size of about 6 mm, a core material film thickness of about 0.03 mm, and a height (Z direction) of 20 mm.
  • the coefficient of thermal expansion is 5.0 ⁇ 10 ⁇ 8 [1/K] for “zero thermal expansion Invar alloy” and ⁇ 3.0 ⁇ 10 ⁇ 7 [1/K] for CFRP. And The temperature change is increased by 10 [K].
  • the displacement in the X direction and the Y direction is 5.0 ⁇ 10 ⁇ 5 [mm].
  • the displacement in the Z direction is 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 [mm].
  • the core material is made of CFRP
  • the displacement in the X direction is 4.92 ⁇ 10 ⁇ 5 [mm]
  • the displacement in the Y direction is 5.16 ⁇ 10 ⁇ 5 [mm]
  • the displacement in the Z direction is ⁇ It becomes 8.28 ⁇ 10 ⁇ 5 [mm].
  • the core material is made of CFRP, the core material undergoes wavy deformation, so the amount of displacement at the largest displacement was measured.
  • the low-expansion metallic honeycomb sandwich panel can be applied even when supporting an optical device different from the optical device having a reflecting mirror.
  • the mirror support member 2 supports the supported portion 4 of the reflector 1 with three support beams 9.
  • Three-point support beams 9 provide three-point support, and the mirror support member 2 can support the reflecting mirror 1 without overconstraining.
  • the supported portion 4 is supported by the three supported surfaces 5 in point symmetry with respect to the optical axis LX.
  • the support beam 9 supports the supported portion 4 symmetrically with respect to the center plane CS. Therefore, the support beam 9 or the mirror support member 2 does not prevent the reflecting mirror 1 from expanding or contracting in a point-symmetrical manner about the optical axis LX due to a temperature change.
  • the three supporting beams 9 similarly expand or contract, and thus the reflecting mirrors.
  • the stress acting on 1 is point-symmetric with respect to the optical axis LX at three points.
  • the stress acting on the reflecting mirror 1 exists on the center plane CS because it is symmetrical about the center plane CS passing through each of the three points.
  • the magnitude of the stress exerted by the three support beams 9 will be the same.
  • the position where the reflecting mirror 1 is supported by the three support beams 9 does not change due to the expansion or contraction of the mirror support member 2.
  • the reflection mirror 1 expands or contracts due to the expansion or contraction of the mirror support member 2
  • the reflection mirror 1 expands or contracts point-symmetrically about the optical axis LX.
  • the supported part 4 is located near the optical axis LX of the reflecting mirror 1. Therefore, even if there is expansion or contraction due to temperature change, the amount of expansion or contraction of the support beam 9 that supports the supported portion 4 can be made smaller than when the supported portion 4 supports near the outer edge of the reflecting mirror 1. .. Therefore, the stress due to the expansion or contraction applied to the reflecting mirror 1 and the supporting beam 9 also becomes small.
  • the support beam 9 and the mirror support member 2 from a low expansion metal, the expansion amount or the contraction amount can be further reduced, and the stress can be reduced. Even if the stress acting on the supported portion 4 changes, the stress does not affect the accuracy of the mirror surface of the reflecting surface 3 of the reflecting mirror 1 because the stress acts on three adjacent points.
  • the reflecting mirror structure 50 can cope with the relative difference in the coefficient of thermal expansion between the reflecting mirror 1 and the mirror supporting member 2, and has a simpler structure of three supporting beams 9 than the conventional structure.
  • the reflecting mirror 1 can be supported.
  • the supported surface does not have to be parallel to the optical axis LX of the reflecting mirror 1.
  • the supported surface does not have to be a flat surface.
  • a protrusion or a depression may be provided on the supported surface. It suffices that the supported surface be provided with rotational symmetry of 120 degrees around the optical axis LX.
  • the optical telescope including the reflecting mirror structure 50 can be used by being mounted on an artificial satellite.
  • acceleration is applied to the optical telescope and the like.
  • the support beam 9 can support the reflector even in situations where acceleration is applied.
  • the reflecting mirror 1 is in a posture in which the optical axis LX is parallel to the moving direction. That is, the acceleration at launch is generated in the direction parallel to the optical axis LX of the reflecting mirror 1.
  • the beam portion 9B of the support beam 9 is oblique to the direction in which acceleration is generated, and the beam portion 9B can generate stress with respect to acceleration. The above also applies to the other embodiments.
  • FIG. 18 is a front view of an artificial satellite equipped with the optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 19 is an enlarged view of a portion where the optical device and the artificial satellite are connected.
  • FIG. 20 is a conceptual cross-sectional view illustrating the internal configuration of the optical device.
  • the artificial satellite 30 has a satellite body 31 and an optical telescope 32.
  • the optical telescope 32 is manufactured in consideration of a low coefficient of thermal expansion in a portion that affects the observation accuracy.
  • the satellite body 31 is manufactured without special consideration regarding thermal expansion.
  • the satellite body 31 has a connection panel section 33 for mounting the optical telescope 32.
  • the connection panel portion 33 is a flat plate-shaped member.
  • the connection panel portion 33 is manufactured by using a honeycomb sandwich panel made of a metal such as aluminum.
  • the optical telescope 32 has a structure in which a circular entrance 34 (shown in FIG. 20) is arranged on the side far from the satellite body 31, and the reflecting mirror 1 is arranged on the side close to the satellite body 31.
  • the side where the entrance 34 is present is called the tip side
  • the side connected to the satellite body 1 is called the base side.
  • the optical telescope 32 is roughly divided into a pedestal portion 35 and a lens barrel portion 36.
  • the pedestal portion 35 exists on the base side and is connected to the connection panel portion 33.
  • the reflecting mirror 1 is installed on the pedestal portion 35.
  • the lens barrel portion 36 is a member that surrounds an optical path 42 (illustrated in FIG. 20) through which observation light passes.
  • the lens barrel portion 36 is connected to the pedestal portion 35 on the base side.
  • the pedestal portion 35 has a disk shape having a through hole in the center.
  • a wire for sending the observed image to a storage device arranged inside the satellite body 31, a signal line for transmitting a signal for controlling the optical telescope 32, and the like pass through the through hole.
  • the pedestal portion 35 is manufactured using a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal.
  • the support member of the reflecting mirror 1 is fixed to the pedestal portion 35.
  • the reflecting mirror 1 is supported by a supporting member so that the direction in which the optical axis faces can be changed.
  • the lens barrel 36 is connected vertically to the pedestal 35.
  • the lens barrel portion 36 has a lens barrel base portion 37, a lens barrel middle portion 38, a device holding portion 39, and an optical path cylindrical portion 40.
  • the shape of the lens barrel base 37 is a rectangular tube whose height is lower than its width.
  • the cross-sectional shape of the lens barrel base 37 is a regular octagon.
  • the lens barrel base 37 is fixed to the pedestal 35.
  • the lens barrel base 37 houses the reflecting mirror 1 therein.
  • the lens barrel base 37 has a flange on the tip side.
  • the lens barrel base 37 is manufactured using a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal.
  • the base side of the lens barrel middle section 38 is a regular octagonal prism having a flange.
  • the tip end side of the lens barrel middle portion 38 has a shape of only the upper half of the rectangular tube.
  • the optical path cylindrical portion 40 is connected to the lower side and the tip side of the lens barrel intermediate portion 38 in the figure.
  • the tip end side of the optical path cylindrical portion 40 is a cylinder.
  • the opening on the tip side of the cylinder is the entrance 34.
  • the base side of the optical path cylindrical portion 40 has a cylindrical shape of only the lower half so that the lens barrel intermediate portion 38 can be connected to the upper side.
  • the lens barrel intermediate portion 38 and the optical path cylindrical portion 40 are joined together so that no gap is generated between them.
  • a device holding section 39 is connected to the tip end side of the upper part of the lens barrel middle section 38.
  • the device holding portion 39 is present on the upper side of the optical path cylindrical portion 40 and on the tip side of the barrel intermediate portion 38.
  • the device holder 39 holds an optical device.
  • the lens barrel middle part 38 and the device holding part 39 are manufactured using a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal.
  • the optical path cylindrical portion 40 is made of aluminum.
  • the lens barrel base portion 37, the lens barrel intermediate portion 38, the device holding portion 39, and the optical path cylindrical portion 40 form a closed space in which observation light enters only from the entrance 34 by being joined to the pedestal portion 35.
  • An optical device is arranged in a closed space inside the lens barrel.
  • FIG. 20 only the slit 41 for splitting the observation light is shown.
  • Optical equipment such as a camera is also arranged inside the lens barrel. The light that has entered the inside of the barrel from the entrance 34 is reflected by the reflecting mirror 1. The light reflected by the reflecting mirror 1 is split by the slit 41. The separated light of a specific wavelength enters a camera (not shown), and the camera captures an image of the observation target.
  • the optical path 42 is a path that light follows from the entrance 34 to the slit 41. In FIG. 20, the optical path 42 is shown by a dashed line.
  • the optical path 42 does not change regardless of temperature.
  • the pedestal portion 35, the lens barrel base portion 37, the lens barrel intermediate portion 38, and the device holding portion 39 have a low thermal expansion coefficient whose absolute value is smaller than 1.0 ⁇ 10 ⁇ 7 [1/K]. It is manufactured using honeycomb sandwich panels made of expanded metal or members made of low expansion metal. Therefore, the change in the relative positional relationship between the reflecting mirror 1 and the slit 41 can be suppressed to be small even when there is a temperature change.
  • the focal position of the optical telescope 32 can be suppressed within a range in which the change can be tolerated even when there is a temperature change.
  • the position of the optical device other than the slit 41 with respect to the reflecting mirror 1 can be suppressed within a range in which the change is allowable even when there is a temperature change.
  • the change in the image obtained by observation can be reduced even when there is a temperature change.
  • an adjustment mechanism having a large stroke may be separately required in order to keep the focus position unchanged. Since it is a honeycomb sandwich panel, it can be made lightweight, and the amount of energy required when launching the artificial satellite 30 into outer space can be reduced.
  • the optical telescope 32 which is an optical device, has a plurality of optical devices and a structural member that supports the optical devices.
  • the reflecting mirror 1 and the slit 41 are examples of optical devices.
  • the pedestal portion 35 is a structural member that supports the mirror support member 2.
  • the mirror support member 2 is a structural member that supports the reflecting mirror 1.
  • the lens barrel portion 36 is a structural member that surrounds the optical path that is the path through which the observation light passes and that is connected to the pedestal portion 35 and that supports the slit 41. Although not shown in the figure, the lens barrel portion 36 supports optical devices in addition to the slit 41.
  • the mirror support member 2, the pedestal portion 35, and the lens barrel portion 36 are configured to include a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal.
  • the path through the structural member connecting the reflecting mirror 1 and the slit 41 is only a honeycomb sandwich panel made of a low expansion metal or a structural member made of a low expansion metal. Therefore, the change in the relative positional relationship between the reflecting mirror 1 and the slit 41 can be made within an allowable range with respect to the temperature change.
  • the optical device has three or more optical devices, a route passing through a structural member connecting one optical device to the other optical device for all combinations of selecting two optical devices from the plurality of optical devices.
  • the ratio of the honeycomb sandwich panel made of the low expansion metal or the portion made of the low expansion metal on the path may be equal to or more than the determined lower limit value.
  • the pedestal portion 35 is made of a low expansion metal
  • the connection panel portion 33 is made of a metal having a thermal expansion coefficient larger than that of the low expansion metal.
  • a structure for absorbing a difference in expansion amount or contraction amount between the connection panel portion 33 and the pedestal portion 35 caused by a temperature change will be described.
  • the pedestal portion 35 is connected to the connection panel 33 by a support mechanism having a rotational symmetry of 45 degrees with respect to its center.
  • a rectangular parallelepiped projection 43 is provided at the center of the tip end side of each outer surface of the pedestal portion 35 whose outer shape is a regular octagonal prism.
  • the protrusions 43 are fixed to the side surface of the pedestal portion 35 and the surface of the pedestal portion 35 formed of the honeycomb sandwich panel on which the skin material is projected.
  • the connection panel portion 33 is also provided with a prismatic protrusion 44.
  • One projection 43 is connected to the projections 44 on both sides thereof by one cylindrical rod 45.
  • the projection 43 is supported by the bipod structure (bipod) by the two rods 45 connected to the single projection 43.
  • the surface of the protrusion 43 to which one end of the rod 45 is fixed is a surface perpendicular to the outer surface of the pedestal portion 35.
  • the other end of the rod 45 is fixed to the side surface of the protrusion 44.
  • the side surface of the protrusion 44 to which the other end of the rod 45 is fixed is orthogonal to the plane parallel to the optical axis on which the rod 45 extends.
  • the protrusion 44 has a trapezoidal outer shape when viewed from a direction parallel to the optical axis.
  • the other end of the rod 45 may be fixed to the upper surface of the protrusion 44 (the surface where the protrusion 43 is present).
  • the pedestal portion 35 and the connection panel portion 33 are connected only by the rod 45. A space exists between the pedestal portion 35 and the connection panel portion 33.
  • Each of the eight protrusions 43 is connected to the adjacent protrusion 44 by two rods 45. There are 16 rods 45 in total.
  • the 16 rods 45, the eight projections 43, and the eight projections 44 allow the position of the optical telescope 32 with respect to the satellite body 31 to change due to temperature changes, and connect the optical telescope 32 to the satellite body 31. Configure the device connection.
  • the optical telescope 32 may be connected to the satellite body 31 while allowing the position of the optical telescope 32 with respect to the satellite body 31 to change due to temperature change.
  • both ends of the rod 45 there are provided reduced diameter portions 46 with a reduced diameter.
  • the portion of the rod 45 sandwiched between the reduced diameter portions 46 is called the main body portion.
  • the reduced diameter portions 46 on both sides have the same shape.
  • the cross section perpendicular to the axial direction of the rod 45 remains a concentric circular shape, and only the diameter decreases toward the end portion.
  • the diameter-reduced portion 46 increases in diameter as it approaches the end portion of the rod 45 after passing the point where the diameter is the minimum. Since the reduced diameter portion 46 is provided, the connection angle between the rod 45 and the protrusion 43 and the connection angle between the rod 45 and the protrusion 44 can be changed.
  • the rod 45 can constitute a truss structure in which the connection angle of the rod can be changed.
  • the 16 rods 45 form a truss.
  • the number of rods may be more or less than 16.
  • the cross section of the lens barrel does not have to be octagonal.
  • the length of the rod 45 is set to an appropriate length so that there is a space between the pedestal portion 35 and the connection panel 33 even when there is a temperature change.
  • the pedestal portion 35, the connection panel 33, the projections 43, and the projections 44 are provided with necessary and sufficient strength so as not to be deformed due to temperature change.
  • the reduced diameter portion 46 of the rod 45 slightly bends with respect to the main body portion when the temperature changes.
  • the material and shape of the rod 45 are manufactured so as to obtain necessary and sufficient strength so as not to be damaged even when bent.
  • connection panel 33 expands more than the pedestal part 35. It slightly bends at the reduced diameter portion 46 of the rod 45, and the angle of the body portion of the rod 45 with respect to the connection panel 33 becomes smaller.
  • connection panel 33 contracts more than the pedestal portion 35.
  • the reduced diameter portion 46 of the rod 45 slightly bends in the direction opposite to the case where the temperature rises, and the angle of the body portion of the rod 45 with respect to the connection panel 33 increases. In this way, the rod 45 absorbs the difference in the amount of expansion or contraction due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the connection panel portion 33 and the pedestal portion 35.
  • the rod 45 is made of a material having the same or a slightly smaller coefficient of thermal expansion as the connection panel 33, the rod 45 itself expands and contracts, so that the bending angle at the reduced diameter portion 46 of the rod 45 is not changed. , It can be made smaller than when the rod 45 is made of a low expansion metal.
  • the structural member supporting the optical device By manufacturing the structural member supporting the optical device with a honeycomb sandwich panel manufactured with a low expansion metal or a member processed with a low expansion metal, a change in relative position between the optical devices with respect to a temperature change as compared with the case of using CFRP.
  • the amount can be reduced.
  • optical devices such as optical telescopes
  • changes in observation performance can be reduced even if there is a change in temperature.
  • a mechanism that does not affect the observation accuracy due to the change in the relative position between the optical devices due to the temperature change which is necessary in the optical device when the absolute value of the thermal expansion coefficient of the structural member is large, for example, focus position adjustment.
  • the optical device does not need to have a mechanism or the like.
  • Reflector structure (optical device) 1 Reflector (optical equipment) 2 Mirror support member (structural member) 3 Reflective surface 4 Supported part 5 Supported surface 6 Support substrate part (main body part) 7 Bearing 8 Support opening (mirror connection) 9 Support beam (support member, mirror connection part) 9A Mirror support part (mirror connection part) 9B Beam part 9C Flange part 9D Link part 10 Beam fixing part (mirror connection part) 11 Axis Holding Hole 12 Y Axis Member 13 Cylindrical Surface 14 X Axis Rotating Member 15 X Axis Member 16 Mirror Base Member 20 Honeycomb Sandwich Panel 21 First Skin Material 22 Core Material 23 Second Skin Material 30 artificial satellite 31 satellite body 32 optical telescope (optical device) 33 Connection panel 34 Inlet 35 Base (structural member) 36 Lens barrel (structural member) 37 lens barrel base 38 lens barrel intermediate portion 39 device holding portion 40 optical path cylindrical portion 41 slit (optical device) 42 optical path 43 protrusion (optical equipment connection part) 44 Protrusion (optical device connection part) 45 rod

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Abstract

反射鏡と鏡支持部材の間での熱膨張係数の相対的な差に対応でき、かつ従来よりも簡素な構造で反射鏡を支持する。　光学装置５０は、光を反射する反射面３、反射面３の反対側の面である背面に設けられて、光軸ＬＸの回りに１２０度の回転対称性を有して配置された３個の被支持面５を有する被支持部４を有する反射鏡１と、反射鏡１の背面の側に存在する構造部材２と、被支持面５と接続して被支持面５を支持する鏡支持部９Ａを有し、両端が構造部材２に接続された３個の支持部材９とを備えた。

Description

光学装置
　本開示は、反射鏡を有する光学装置に関する。
　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では、反射鏡を複雑な機構で支持している。複雑な機構であるため、製造に時間、手間、コストの何れか少なくとも一つを多く要する。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対応でき、かつ従来よりも簡素な構造で反射鏡を支持できる光学装置が望まれている。
　本開示は、反射鏡と反射鏡を支持する部材の間での熱膨張係数の相対的な差に対応でき、かつ従来よりも簡素な構造で反射鏡を支持できる光学装置を得ることを目的とする。
　本開示に係る光学装置は、光を反射する反射面、反射面の反対側の面である背面に設けられて、光軸の回りに１２０度の回転対称性を有して配置された３個の被支持面を有する被支持部を有する反射鏡と、反射鏡の背面の側に存在する構造部材と、被支持面と接続して被支持面を支持する鏡支持部を有し、両端が構造部材に接続された３個の支持部材とを備えたものである。
　本開示によれば、反射鏡と反射鏡を支持する部材の間での熱膨張係数の相対的な差に対応でき、かつ従来よりも簡素な構造で反射鏡を支持できる光学装置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 (15)

  1. 　光を反射する反射面、前記反射面の反対側の面である背面に設けられて、光軸の回りに１２０度の回転対称性を有して配置された３個の被支持面を有する被支持部を有する反射鏡と、
    　前記反射鏡の前記背面の側に存在する構造部材と、
    　前記被支持面と接続して前記被支持面を支持する鏡支持部を有し、両端が前記構造部材に接続された３個の支持部材とを備えた光学装置。
  2. 　前記支持部材が前記鏡支持部を通る中心面に対して面対称ある、請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記支持部材が、前記鏡支持部が前記反射鏡の径方向に移動可能な構造を有する、請求項１または請求項２に記載の光学装置。
  4. 　前記被支持面が前記光軸に平行な平面である、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光学装置。
  5. 　前記鏡支持部が板状である、請求項４に記載の光学装置。
  6. 　前記支持部材が、前記鏡支持部の両側に接続するビーム部、各前記ビーム部の前記鏡支持部が接続しない側の端に前記各ビーム部に垂直に接続するフランジ部を有し、
    　前記構造部材は、前記フランジ部が接続するビーム固定部を有する、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光学装置。
  7. 　前記ビーム部が板状である、請求項６に記載の光学装置。
  8. 　２本の前記支持部材の前記フランジ部が接続する前記ビーム固定部が互いに隣接して配置され、
    　前記ビーム固定部が、前記光軸の回りに１２０度の回転対称性を有して配置される、請求項６または請求項７に記載の光学装置。
  9. 　前記構造部材が、前記被支持部が入る穴を有する、請求項１から請求項８の何れか１項に記載の光学装置。
  10. 　２本の前記ビーム部が、前記鏡支持部よりも前記反射鏡から遠くなる角度で前記鏡支持部と接続する、請求項１から請求項９の何れか１項に記載の光学装置。
  11. 　前記支持部材が、前記鏡支持部よりも前記反射鏡の前記背面から遠い側において前記フランジ部を結ぶリンク部を有する、請求項１０に記載の光学装置。
  12. 　前記鏡支持部は、接着剤により前記被支持面に固定される、請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の光学装置。
  13. 　前記構造部材および前記支持部材は、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ている、請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の光学装置。
  14. 　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１３に記載の光学装置。
  15. 　前記構造部材は、前記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で製造されている、請求項１３または請求項１４に記載の光学装置。
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