可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2012年2月22日~23日 国立天文台 三鷹キャンパス
セグメント鏡の研削加工
所 仁志
株式会社ナノオプトニクス・エナジー
岡山3.8m新技術望遠鏡計画
• 国立天文台岡山観測所内に設置する、分割鏡方
式の3.8m望遠鏡
• 京都大、国立天文台、名古屋大、ナノオプトの4者
の連携で建設
• 技術開発
- セグメント鏡の製作
- セグメント鏡の制御
- 軽量架台
セグメント鏡
• 内周6枚、外周12枚の計18枚で主鏡を構成
• 1 mサイズの非軸対称非球面
内周セグメント
- 近似球面R = 10080.5 mm (19 mm 凹)
- 非球面量:-0.04 ~ +0.05 mm
~ 1m
外周セグメント
- 近似球面R = 10251.1 mm (16 mm 凹)
- 非球面量:-0.10 ~ +0.10 mm
• 材質:クリアセラム -z HS
• 形状誤差 < 0.15 mm p-v、表面粗さ < 10 nm p-v
セグメント鏡の製作方法
• TMT(Keckと同じ手法)
?? mm
1 mm
数10 mm
球面研削
SMP
< 0.1 mm
IBF
SMP: Stressed Mirror Polishing
IBF: Ion Beam Figuring
• E-ELT(GTCと同じ手法)
250 mm
10 mm
非球面研削
1 mm
研磨
< 0.1 mm
IBF
セグメント鏡の製作方法
• TMT(Keckと同じ手法)
?? mm
1 mm
数10 mm
球面研削
SMP
< 0.1 mm
IBF
SMP: Stressed Mirror Polishing
IBF: Ion Beam Figuring
• E-ELT(GTCと同じ手法)
250 mm
10 mm
非球面研削
1 mm
研磨
< 0.1 mm
IBF
超精密研削を用いた製作方法
• 超精密研削を用いて、非球面研削での精度を1 mm
以下とし、研磨時間を削減する
• 縁だれを3 mm幅まで許容することで、IBF工程を削
除(TMT、E-ELTは、縁だれ幅 < 0.5 mm)
1000 mm
< 1 mm
非球面研削
< 0.1 mm
研磨
超精密研削に必要なもの
• 研削による形状精度を10 mmから< 1 mmとする
には以下の4つが必要
1. 高精度な加工機
2. 切れ味の良い砥石
3. 加工機の特性を考慮した加工プログラム
4. 治具
超精密研削に必要なもの
• 研削による形状精度を10 mmから< 1 mmとする
には以下の4つが必要
1. 高精度な加工機
2. 切れ味の良い砥石
3. 加工機の特性を考慮した加工プログラム
4. 治具
超精密研削に必要なもの
• 研削による形状精度を10 mmから< 1 mmとする
には以下の4つが必要
1. 高精度な加工機
2. 切れ味の良い砥石
3. 加工機の特性を考慮した加工プログラム
4. 治具
超精密研削加工機
4軸同期制御可能
位置決め精度:10 nm
ワークスペース:
f1300 mm
TMTセグメントも加工
できる
左右軸 真直度
• 砥石軸に取り付けたレーザー変位計(Keyence
LT-9010M)で平面原器(f650mm)を測定
0.5mm
• 真直度~0.15mm、再現性~50nm
• 前後軸・上下軸もほぼ同程度
上下軸 ス置テップ応答
• 100 nmステップ
1mm
• 50 nmステップ
0.5mm
超精密研削に必要なもの
• 研削による形状精度を10 mmから< 1 mmとする
には以下の4つが必要
1. 高精度な加工機
2. 切れ味の良い砥石
3. 加工機の特性を考慮した加工プログラム
4. 治具
温度環境の変化
• 0.5℃の温度差で、治具は15 mm変形
- これに自重変形、温度ムラ、研削盤との固定の影響が加わる
• 変形量の予想が困難
1300 mm
治具
DT = 0.5 ℃
140 mm
15 mm
裏面形状の影響
等圧支持
• 治具の平面がでたとして
も...
• セグメント裏面が治具に
ならってしまい、表面が
変形
• 直置きだと、三面の精密
研削が必要
セグメント
治具
直置き
研削加工
等圧支持
ばね方式治具
• 等圧支持をばねで実現
• 固定点3点+ばね支持24点(27点等荷重)
セグメント
固定点
ばね
ばね
固定点
ばね方式治具
• 温度環境変化の影響をほとんど受けない
• 裏面の影響を受けない
• 加工変形シミュレーションの結果を砥石の加
工軌跡に反映する必要あり
補正なし
変形
補正あり
理想形状
ばね方式治具
• 研削抵抗により変形をシミュレーション
単位力の集中荷重をかけた時の作用
点での変形量
0 mm
固定点
7500点を解析
1 mm
加工変形補正2
• #2,400砥石で補正加工
• 補正前(研削抵抗 = 6 kgf)
1 mm
加工変形補正3
• #2,400砥石で補正加工
• 補正後(形状誤差 ~ 1 mm)
1 mm
仕上げ研磨
等高線の間隔:100 nm
等高線の間隔:100 nm
-900 ~ 400 nm
-300 ~ 300 nm
• 大部分の領域は形状誤差 < 100 nm p-v
• 工具径と同程度のスケールのリップル ~ 200 nm p-v
Backup Slides
目標と今後の課題
• 製作日数を23日から10日に短縮
• SSDの評価、縁だれ・縁上がりの対策
1000 mm
< 1 mm
< 0.1 mm
非球面研削
ダミー設置
現状
9日
2日
12日
計23日
目標
4日
なし
6日
計10日
加工条件・砥石の
最適化
ダミーを使用しな
い研磨法の確立
研磨
単位除去形状・工
具軌跡の最適化
ダミー硝材を使用した研磨
ダミー硝材(BK7製)
• 段差:5~8 mm
セグメント鏡(クリアセラム製)
(ダミーが低い)
• 隙間:~0.5 mm
• 支持剛性:0.3 mm/kgf
超精密研削に必要なもの
• 研削による形状精度を10 mmから< 1 mmとする
には以下の4つが必要
1. 高精度な加工機
2. 切れ味の良い砥石
3. 加工機の特性を考慮した加工プログラム
4. 治具
砥石の軌跡
• 4つの軌跡が考えられる
砥石の軌跡
• 4つの軌跡が考えられる
• 不安定な前後軸を使用しない
左右送りロータリー研削を採用
砥石の軌跡
• 渦巻き方式
非球面量
- 加工半径を徐々に小さくする
- 左右軸を単調減少
- 1回転で上下軸を微動
- 加工高さを徐々に低くする
- 上下軸を単調減少
- 1回転で左右軸を微動
100 mm
• 等高線方式
100 mm
(mm)
+0.05
+0.04
+0.03
+0.02
+0.01
0.00
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04
砥石の軌跡
• 渦巻き方式
渦巻き方式
- 1回転で上下軸を微動
1回転
• 等高線方式
- 1回転で左右軸を微動
テーブル回転中心
等高線方式
1回転
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