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宇宙望遠鏡用 SiC 超軽量ミラーの開発

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。.

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宇宙望遠鏡用 SiC 超軽量ミラーの開発

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Presentation Transcript

  1. 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)

  2. 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

  3. 各種超軽量大型ミラー　2 ULE薄肉鏡+能動支持 CFRP鏡 リブ構造ベリリウム鏡

  4. 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

  5. SiC軽量ミラーの製作工程 表面処理（金属ミラーコーティング） 成形後、焼結 粗研削 仕上研削 研磨 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。

  6. 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。

  7. 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

  8. 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 研削後 精密横型ロータリー 平面研削盤 研削前 高強度反応焼結SiC・50mm角基板 顕微鏡写真 AFMマップ 断面プロファイル Ry:346.3nm，Ra:3.1nm （#4000仕上げ）

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。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。 有限要素法による加工シミュレーション シミュレーションを行わない従来の加工 砥石の軌道 理想形状でない 加工 ☆ 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 理想形状 加工

  12. 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）

  13. φ360のSiC球面ミラーの素材

  14. 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)

  15. φ360 SiCミラーサポート治具 2 エアシリンダー 油圧クランプ

  16. 粗加工後のφ360 SiCミラー

  17. 接触式プロファイラによる機上計測 P-V : 0.25 mm r.m.s.: 0.064 mm

  18. 機上計測用干渉計（4位相同時取得） φ100コリメータレンズ

  19. 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 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。 研削後の表面形状を機上計測。 理想形状

  20. 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

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