宇宙望遠鏡用SiC超軽量ミラーの開発
海老塚 昇・恵藤 浩朗・戴 玉堂・鈴木 亨 ・
林 偉民・斉藤 康高・大森 整・戎崎 俊一(理
研)・高見 英樹(国立天文台)
ISS CG Image: Mr. Takahei (RIKEN)
各種超軽量大型ミラー
• 薄肉ガラス+能動支持
・システムが複雑
• CFRP等の複合材料
・形状精度を保てない。
• ベリリウム(Be)裏面リブ
+補償光学
・強い発ガン性がある。
• シリコンカーバイト(SiC)裏面リブ
+補償光学
・機械的、熱的に最も優れている。
・加工が困難。
8〜6.5m次世代宇宙望遠鏡(NGST )想像図
ULE薄肉鏡+能動支持
リブ構造ベリリウム鏡
各種超軽量大型ミラー
CFRP鏡
2
シリコンカーバイト(SiC)
• 剛性・破壊強度・熱伝導・線膨張率等の点で最も優れている。
• φ710mm Astro-F(宇宙研)やφ3.5m Herschel望遠鏡(ESA)等
に採用。
• 地上30-100mクラス望遠鏡の主鏡素材としても有望。
• SiCはダイアモンドに次いで硬い難加工物質。
通常の研削法等では鏡材のくり抜きや鏡面加工等に膨大な時間
を要する。
Herschel望遠鏡用φ1.35m SiC超軽量鏡デモンストレータ
SiC軽量ミラーの製作工程
成形後、焼結
粗研削
仕上研削
研磨
表面処理(金属ミラー
コーティング)
従来の研削法では研削抵抗・加工圧力が大きく、
加工時間・変形(精度)の点で製作が困難。
SiC等の難削材にELID研削法による加工が有効。
ELID鏡面研削法
• 広範な素材を高効率かつ超平滑に鏡面加工できる画期的なダイヤモンド研削法。
• 鋳鉄粉にダイヤモンドの微粒子を混練して焼結した“とんでもなく堅い砥石”
を使用。
• 鋳鉄ボンド砥石はすぐに目詰まりを起こしてしまう。
• 鋳鉄を電解して常に砥石の表面に適切にダイヤモンド砥粒を突出させる方法を
考案。
• 電解によって形成された酸化鉄や水酸化鉄が絶縁体として電流値を受動的に制
御するばかりでなく、ダイヤモンド砥粒の保護や研磨にも関与する。
ELID研削法によるSiCの加工例
CVD-SiC平面ミラー
焼結SiC放物面ミラー
高強度反応焼結SiCのELID研削
加工トータル時間
半日
実加工時間
2時間
精密横型ロータリー
平面研削盤
研削前
研削後
高強度反応焼結SiC・50mm角基板
顕微鏡写真
AFMマップ
(#4000仕上げ) Ry:346.3nm,Ra:3.1nm
断面プロファイル
リブ構造焼結SiC基板
三角形のリブ構造(幅、鏡面厚さともに4mm)を
持つ焼結SiC基板について加工変形データを取得。
SiC加工変型データの取得
• 研削抵抗が小さいELID鏡面研削法でも,リブ構造(4.0mm)のため
加工変形が生じる。
• 有限要素法による数値計算結果と加工実験結果とほぼ一致。
→数値計算により最適加工条件を導出しフィードバックができる。
有限要素法による加工シミュレーション
フロントフェース及びリブ部が薄肉で
あるために加工圧力により変形し、そ
のスプリングバックが形状精度を悪化
させる。
加工シミュレーションによる加工変形
の予測を行い、加工後に理想形状にな
るような工具の軌道を決定する。
シミュレーションを行わない従来の加工
砥石の軌道
加工
理想形状でない
☆ 研削加工シミュレーションを取り入れた加工
砥石の軌道を決定
加工
理想形状
φ800mm超精密ロータリー研削盤 (RG-800)
Y,Z軸
:油静圧スライド
Y,Z軸分解能 :10nm
ターンテーブル:油静圧軸受け
最大240rpm定速回転(割出し機能無し)
φ360のSiC球面
ミラーの素材
φ360 SiCミラーサポート治具 1
固定点
サポート治具無し
変形量:0.515mm (Max)
アクチュエータ
研削圧力: 4kg
サポート治具有り
変形量:0.08mm (Max)
エアシリンダー
油圧クランプ
φ360 SiCミラー
サポート治具 2
粗加工後のφ360 SiCミラー
P-V : 0.25 mm
r.m.s.: 0.064 mm
接触式プロファイラによる機上計測
HeNe Laser
Single mode fiber of
polarization maintaining
Polarizing
beam splitter
Reference
flat
Quarter
wave plate
CCD imager
Polarizing interferometer for
four phase interferograms
Null lens of CGH (computer
generated hologram)
φ100コリメータレンズ
Subject mirror (Spherical)
Subject mirror
(Aspherical)
機上計測用干渉計(4位相同時取
機上計測とフィードバック


干渉計による機上計測結果を工具加工軌道の制御値に
反映させることで高精度・高効率研削の実現を目指す。
Zygo干渉計のリファレンスを使用できる干渉計を開発。
☆ 機上計測結果を工具加工軌道にフィードバックした加工
研削後の表面形状を機上計測。
機上計測結果を工具加工軌道に
フィードバックした補正加工。
理想形状
Astro-F (2005),φ710 mm 軸
対称鏡, 10〜200 μm
SPICA (2012?),φ3.5 m
軸対称鏡, 5〜200μm
JTPF (2015?),φ3.5 m
非軸対称鏡, 0.1〜20μm
ダウンロード

PowerPoint プレゼンテーション