将来の国際協力での建設の場合重要となる、日本独自の新技術の開発に力を入れるべく、 国内関連技術のサーベイを行い、次世代望遠鏡の実現において重要な基礎開発となる分野で、他国に例を見な いいくつかの新技術に着目し、その実用化の可能性の具体的検討を開始している。表1 に我々および関連する 研究者グループがが2005 年1月の時点で取り組んでいる研究開発項目の一覧を掲げる。

1. カーボン強化プラスチック(CFRP) 鏡 (三菱電機)

   炭素繊維強化プラスチック(CFRP) はゼロ膨張複合素材として、さまざまな利用が されているが、セグメント鏡として利用できれば、母型からの圧着整形により製作 できるため、そのコストと工期を軽減できる可能性がある。CFRP の複製製法で セグメントをつくる場合には、ケック望遠鏡のような六角セグメント方式の 非球面主鏡では、必要な母型の数がセグメント数の1/6 に達するため、六角セグメント よりも扇形セグメント配置方式にしたほうが、製作効率は大幅に改善されるはずである。

   ただし、CFRP は含水量が変化すると光学レベルでは変形することが知られており、 この問題が克服できるかどうかが、まずこの素材の利用可能性検討の鍵となる。

   

   そこで、含水量変化による変形の定量的測定を行うことと、含水量変化を防ぐ防湿処理の 可能性について試験を行った。具体的には含水変形量が少ないCFRP として知られる シアネート系CFRP の表面に膜厚の異なるアルミニウム膜をコーティングしたサンプルや、 アルミフォイルを張り付けたサンプルを用意し、これらをベーク処理してまず完全に 脱水したのち、マウナケア山頂のすばる望遠鏡ドーム環境に置き、精密計量天秤を 用いて質量変化を計測することで含水量の変化を三ヶ月間追跡した。被検サンプルは81g だが、 超精密計量天秤としては0.01 mg の測定分解能を持つものを用いた。測定開始日から含水量の ゼロのCFRP は吸湿が始まり、ほぼ一ヶ月後に含水量がほぼ一定になった。

   図4.58 は測定開始から1ヶ月後から3ヶ月後までの含水量変化に伴う重量変化の様子を示した ものである。横軸はマウナケア山頂でサンプルを開封して測定開始後の経過時間(秒単位) の 平方根でプロットしたものであり、1ヶ月後が1610、3ヶ月後が2804 に対応する。アルミフォイル で防湿加工したサンプルの質量変化が一番小さかったが、それでも測定期間の2ヶ月間に 最大0.0028% の質量変化が観測された。 この質量変化振幅に対応するシアネート系CFRP の変形量は約0.22ppm に相当する。 この値はULE ガラスの温度幅20±C の変化に伴う熱変形量0.06ppmの約4 倍に達する。 今回の測定結果からは吸湿量変化に伴う変形量はアルミフォイル接着加工を施しても、 熱変形量の約4 倍あり、アルミ蒸着を施した場合ではそれよりさらに変形量が大きいので、 防湿加工法としてはさらに工夫を検討する必要がある。しかし、CFRP の含水変形量の制御が 全く不可能なレベルというわけでもない結果と考えることができ、今後の検討の必要性が 認識された。

   
   
2. ゼロ膨張セラミック鏡 (太平洋セメント/国立天文台)
   

   日本セラテック社と 太平洋セメント社 が開発したゼロ膨張セラミック素材(ZPF) は、 半導体製造工程のステージ用素材として開発されたものである。原材料であるSiC, Si₃N₄, などをLAS(Li-Al-Si-O) 粉末に混合する混合比を調 整して焼結することにより、ゼロ膨張となる温度を常温付近で任意の値に設定するこ とができる。図4.59 は熱膨張率の温度依存性を示す。この実例では0±C での 熱膨張率は約10 ppb である。

   
   

   表4.8: セグメント鏡素材の物性値

   パラメータ	記号	単位	CFRP	CMC	ガラス	ZPF
   弾性率	E	GPa	120	400	90	150
   比重	ρ	g/cm3	1.5	2.65	2.53	2.54
   熱膨張率	α	ppm/K	0.03	2.6	0.02	0.02
   熱伝導率	Λ	W/K·m	50	125	1.6	5.3
   比熱		J/kg·K	-	-	820	800
   曲強さ		MPa	800	175	80	240
   面粗さ rms		nm		7.4	1	4
   比剛性	E/ρ		80	150	35	60
   熱安定性	&Lambda/α		1700	50	80	260

   表4.8 に鏡材候補物質であるCFRP (炭素繊維強化プラスチック)、SiC(シリコンカーバイド)、 ガラス(Zerodur),およびZPF (ゼロ膨張セラミック) の物性値を示す。ZPFはSiC に比べて 熱膨張率が小さく, ガラスに比べて高剛性で曲げ強度が強い上に、研削・研磨が可能な 素材である。ガラスより熱伝導率が大きいので、外界の気温変化に追随し やすいということもメリットである。また、素材をゼロ膨張接着剤で接着したり、 中空構造の軽量化整形も可能であるなど、セグメント素材として良い性質を備えている。 また母型に合わせて焼結前に形状を球面に整形することも可能であり、研削量を最低限に することが可能である。

   

   太平洋セメント社は社内試験として200 x 25 x 25 mm のZPF柱を残留表面形状1/30λ にまで研磨し(図4.60)、長期安定性を測定するため半年ごとにその形状誤差を測定した。 その結果を表4.9 に示すが、途中で250°C にまで加熱した場合でも、冷却後には形状が 戻り、経年変化も見られなかった。

   国立天文台は直径100mm 、厚さ20mm の円盤をいくつか入手し、独自に研削・研磨性の試験を 2003 年に行った。この試験では、曲率半径300mm の球面を研磨により生成し、アルミ蒸着を 行った。球面加工は国立天文台天文機器開発実験センターの光学測定室にて行った。形状測定 の面形状誤差はほぼ0.1 波長レベルに達しており、表面の面粗さは約10nm rms のレベルで ある(図4.61)。

   
   

   表4.9: Long-term stability of the ZPF surface

   経過時間と処置	形状誤差(λ)
   研磨直後	0.045
   研磨1.5 年後、加熱処理前	0.048
   250°C 加熱処理後	0.050
   2.0 年後	0.052
   2.5 年後	0.042

   
   
   ニコンによるZPF 研磨試験
   
   

   ZPF 鏡の試作結果が良好だったので、引き続き直径300mm、軽量化リブ構造のZPF を試作した。 軽量化円盤は50mm 厚のハネカムリブ構造の両側に厚さ10mmの円盤を張り付けた形で焼結生成 したもので、肉抜き無しの円盤に比べると約30% の軽量化が達成されている(図4.62)。 この軽量化構造ZPF 円盤をニコン社に委託して曲率半径2000mm の球面に研削・研磨したもの が図4.66 である。

   
   
   
   

   光学鏡面を製作した経験豊かな同社の報告によると、ミラー素材としての研磨特性はかなり良い。 研磨に要する工数(時間) から判断すると、SiC よりは加工はかなり容易(5 倍程度) だが、 低膨張ガラスよりは難しい(2.2.5程度) 。研磨剤としてはダイアモンドスラリーが適する。 また、面形状精度0.1， の鏡面を比較的簡単に生成することができた(図4.68)。以下に加工時 の報告を掲載する。

   
   
   1. 研削加工

      はじめに素材の被研磨面が平面であったため、 R2000 球面化研削加工を行なった。球面化研削加工は、まずガラ ス加工用カーブジェネレータにメタルボンドダイアモンド砥石を 装着し行なったがφ244mm までR2000 加工した時点で加工機が 止まってしまい中断した。砥石と被研削面の接触長さが大きいこ と及び、ガラス材に比べて硬度が高いため負荷抵抗が増大するた めと考えられる。

      このため金属加工機に小型の電着ダイアモンド砥石を取り付け て残部分を加工した。加工上特に問題なく加工できた。R2000 で は、肉抜き部のミラー面側の最小肉厚は約5mm になる。

      
      

      加工前鏡材	鏡材形状寸法
      スムージング加工	1 次研磨
      研磨、コート後のミラー外観

      
      
   2. 研磨加工
      研磨加工は研削加工面のスムージング→研磨の順に行なった
      
      1. スムージング
         研磨の前段階加工として研削加工面のスムージングを行なった。 オスカー型研磨機により、ダイアモンドペレットにて仕上げた。 特に問題はなし。
         
      2. 研磨
         
         • 研磨機: ワーク回転、揺動回転制御方式のオスカー型研磨機
         • 研磨剤: 1 次研磨酸化セリウム+水
         • 2 次研磨(仕上げ) ダイヤモンドスラリー0.251m+水
         • 研磨皿: 1 次研磨A300mm 鉄(3kg)、
         • 2 次研磨A200mm 鉄(3kg) 、A270mm アルミ(1.9kg)。
           肉抜き素材対応のために軽量化対策。
         • ピッチ: アスファルトピッチ
         • 研磨時間: 1 次研磨副作業を含めて8H£5 日＝ 40H
         • 2 次研磨(仕上げ) 8H£5 日＝ 40H
         • 研磨の推移

         1 次研磨での面粗さはスムージングの粗さが除去された段階で 18nm rms。酸化セリウムでは、ある程度以上改善されなかった。 ダイヤモンドスラリーによる2 次研磨では3nm rms 程度まで改善 したがセラミック組織に粗い部位があり全体の面粗さを押し上げ ている。数1m の変質層であり、研磨の促進により変化するのを 確認できるのでスラリーの微細化(スラリー0.11m 程度使用) に より粗さの改善はある程度は可能と思われる。

         また、研磨での面出し工程では揺動幅を大きくすると周辺部が 大きく当たりだして縁ダレを生じ、面精度が大きくダウンするな ど、他の素材とは異なる現象が生じた。研磨皿の自重負荷が素材 構造(肉抜き構造) に影響し微細な変形を起こして11m 程度の スロープダウンにつながった可能性も考えられる。

         SiC との加工時間の比較ではその硬さと前工程粗さ除去の難易性などから 5 : 1 程度と判断される。低膨張ガラスとの比較ではラッピング時のキズ制御 の難易性から 2 - 2.5 倍程度の加工性と判断される。セラミック材としては研 磨での減耗性、キズ制御などの点から同材での加工性はかなり良好なものと 思える。素材構造による縁だれの可能性についてはムク材の研磨による検証 を提案したい。

      
      
   3. 加工結果

      加工結果を表4.11 に示す。

      コート後の干渉計による面精度測定データと表面粗さデータを図4.68 - 4.71 に示す。コートはAl+SiO を施した。また、完成品の写真を図4.66 に示す。

      
      
   
   

   表4.11: 研磨加工仕様と結果

   項目	仕様	加工結果
   面形状	球面	球面
   曲率半径	R 2000mm 程度(TBD)	Rp 2000mm
   有効径	φ 280mm 以上	φ 280mm
   面精度	λ/10 rms 以下(目標値)	λ/16 rms
   表面粗さ	3nm rms 以下(目標値)	2.9nm rms

   
   
   
   • 超精密研削加工装置 (ナガセインテグレックス)

     ナガセインテグレックス社は 精密工作機械の製造会社であるが、我々は同社の 超精密研削装置に注目した。

     これは被工作物の駆動ステージの全ての軸に、すばる望遠鏡の望遠鏡駆動機構にも採用 した静圧軸受を採用し、最高級装置では送り分解能1nm という驚異的な安定性と精度で剛性 度の高いサーボ送り機構を実現した(図4.52)。この装置が驚異的な工作精度を達成している もう一つの秘密は研削ヘッドのスピンぶれを自動制御により実時間で安定化する機構を組 み込んでいることにある(図4.53)。

     これらの新しい工夫を組み込んだ数値制御研削装置を厳密な温度制御と防振環境に設置 することで、条件によっては10nm レベルの加工精度を達成している。この装置を用いる ことで鏡の非球面研削加工工程を大幅に短縮し、研磨工程に要する時間も大幅に短縮でき る可能性がある。

     図4.54 はこの研削装置で研削加工により生成したシュミット補正板である。これはすばる 望遠鏡の第二世代観測装置である多天体ファイバー分光器(FMOS) の赤外線分光器の中で 用いるシュミット補正板であり、撮像用補正板にくらべて要求精度が緩いものの、研削のみ で研磨をほとんど必要としないレベルの非球面を生成することができた。

     この装置の可能性を見極めるため、この装置を導入した山形県工業技術センターとの共同研究 として、天文台で製作した10cm ゼロ膨張セラミック(ZPF:4.5.2 章参照) 円盤を研削加工する実験 を行った。同所に導入されているのは四軸駆動の研削装置で、防振・温度制御環境を整えた部屋に 設置されたものである。この共同研究は同装置の立ち上げ試験を兼ねて2004 年5.6 月に実施 した。面形状の計測は名古屋大学の佐藤修二教授のグループが開発したレーザー干渉計を研削 装置に設置して、被検鏡を工作装置から移動せずにそのまま計測できるようにして行った。同装 置での初加工であったにもかかわらず、ZPF 円盤を回転させながら研磨を行う 方式で、 研磨砥粒粉#3000 で回転ヘッドを30 mm/sec の速さで0.1 mm ステップで送るNC 加工をしたとこ ろ、PV 誤差3， 程度で曲率半径300 mm の球面生成を行うことができた(図4.57)。同心円で区切った 円環領域内では形状誤差は1， 以下であるが、中心部と外部の研削速度を調節しなかった今回の 研削法では、中心部がやや深く削れたため、曲率半径が中心部と周辺部で若干異なる結果となり、 全面での形状誤差が大きめに出ている(図4.55)。

     非球面研削を実現するには鏡を回転せずにラスタースキャン的に被加工物を移動させて面形状形成を 行う必要がある。このため、鏡を平行移動させながら同様に曲率半径300mm の球面を形成する研削加工 を別の10cmZPF 円盤を用いて行った(図4.56)。この試験研削には、まだ加工物の送り速度、 送りステップ、研削スピード、研削砥石の幅方向の曲率形状などの最適化の自由度があり、 今回の初回での結果からだけでは、この技法の限界を見極めることはできないが、研削条痕の残留が 認められた。この条痕は表面粗さにはほとんど寄与しないが、形状誤差には問題となるレベルであり、 今後の最適化の継続が必要である。

     次のステップとしてZPF 鏡の熱サイクル試験を検討中である。これは±50°C 程度の熱負荷をかけた 場合の30cm 鏡の鏡面変形の様子を干渉計でモニターすることで、たとえばリブ構造の影が浮き上がる などの問題が生じないかのチェックができよう。また、今回のような平面板鏡材でなく、予め球面形状 に整形した1m 級ZPF の試作焼結後1， レベルに研削することも検討している。ZPF がガラスに代わる 鏡材として、実用化レベルの素材であることが実証できれば、鏡材の選択枝が広がり、セグメントの 大量生産に画期的なインパクトを与える可能性がある。

   • レーザーガイド補償光学系 (国立天文台)
     JELT デザインのページに掲載されている 「 JELT 補償光学系を実現するために必要な主要開発要素」の該当ページをご参照下さい。
     
     
     
   • 軽量トラス構造 (名古屋大学)
     

     名古屋大学と京都大学のグループはそれぞれ独立に口径3.5m 級の軽量化望遠鏡を次世代望遠鏡開発の一環と位置づけて開発中 である。名古屋大学ではトラスを組み上げてC 型マウントに搭載 する形式で超軽量望遠鏡構造を試作し、その駆動に成功している。 軽量化望遠鏡の重量は通常の望遠鏡の1/5 以下である。京都大学 のグループでは、3.5m 望遠鏡を6 枚のセグメント鏡の合成で試 作する計画を推進中であり、セグメント鏡の支持機構やアクチュ エータの試作開発を進めている。これらの試作開発実績をJELT のセグメント鏡支持機構および望遠鏡トラス構造機構の実現に活 かすことができる。

     名古屋大学は平成15 年度から直径3m の鏡を搭載できる超軽量 架台(図4.40) の開発を行っている。先述したように、次世代の巨 大望遠鏡では従来の架台構造の単純なスケールアップを行うと重 量が増大しすぎて自重に耐えられない構造になってしまう。また 巨額の建設費を抑えるために、軽量で強固な新構造が求められて いる。現在同グループで開発している超軽量な望遠鏡構造は、世 界中で考案されている巨大望遠鏡のデザイン(図4.41) と共通する 部分がある。これは超大型望遠鏡の1/10 モデルとみなすことが でき、この架台の開発は巨大望遠鏡の建設技術につながるもので ある。

     以下にその特徴を述べる。

     強度の向上

     架台の目的は鏡と装置を保持しながら、誤差0:005 以内という高 い精度で天体を追尾することである。鏡の重さは望遠鏡のサイズ に拠り、3m 規模でも1 トン以上、巨大望遠鏡となれば80 トン程 度になる。このような大重量の鏡を正確に保持するために、鏡を 載せる主鏡セルには高い強度が求められる。従来の望遠鏡架台で は主鏡セルはフォークによって両端で吊るされる構造になってい るため、主鏡セルが撓みやすい。一方、本架台では主鏡セルを真 下から支持しているため、セルに撓みが発生しにくい強い構造と なっている(図4.42)。これにより同じ強度を保ちながら大幅な軽 量化を図ることができる。また後述の軸受と組み合わせることで、 フォークが高さと幅ともにコンパクトになり、望遠鏡全体を水平 回転させる方位構造もコンパクトになった。
     
     軸受
     上記の主鏡セルの支持方式を可能にしたのが大きな円弧状の軸受 (C マウントベアリング) である。2 本の円弧状の軸受が主鏡セル 全体を真下から包むように支持し(図4.40 の下部の円弧状の部品)、 あらゆる角度で安定した支持を可能としている。このような軸受と 上記の主鏡セルとの組み合わせは、欧米が構想している巨大望遠鏡 と共通する必須技術である(図4.41)。一般の軸受けは輪軸を支える ものであり、本機のように直径 3m の軸受を必要とする構造は 不可能であったが、近年、国内の軸受メーカが開発した安価で高精度 な軸受けを採用し、実現可能となった。
     
     軽量化
     
     本構造では軽量かつ強固なトラス構造でセルを製作した。従来の望遠鏡は 箱型の構造で製作されており、いわば贅肉の多い構造であった。一方トラス 構造は強度にとって必要な要素だけを抽出した効率のよい構造である。さら に本機で使用しているトラスはスタジアムの屋根などに使用される建築部材 を利用した。トラス構造独特の煩雑な設計と加工は、このような製品化され た廉価で高精度なトラスを利用することで解消した。このようなトラス構造 は大きな電波望遠鏡において広く活用されてきたが、より高い精度が要求さ れる光赤外線の望遠鏡では使われてこなかった、しかし将来の巨大望遠鏡に おいては必須の技術となる。
     
     巨大望遠鏡のために
     

     このような構造を達成するにはいくつかの課題がある。まず、フォークから 上方の鏡筒構造が長いため、不安定かつ上下の強度バランスが悪い構造にな る。しかしながら近年の鏡研磨技術の進歩で明るい鏡の製作が可能となった ため、鏡筒はかなり短くなり、実現化に大きく貢献している。また、セルリエ・ トラス構造などこれまでの望遠鏡鏡筒では、望遠鏡を傾けて鏡筒が撓んでも 光軸がずれないようにするため、前もって算出した強度で鏡筒を製作し、 主鏡と副鏡の相対関係を保持する設計が採用されてきた。しかし本構造では この方式は採用することができないため、主鏡と副鏡の支持部分でずれを補正 する技術を開発する必要がある。

     C マウント軸受は、従来のものと違い2 列の大きな円弧からなるため真円度と 同軸精度を確保しにくい。従来の軸受では固定された軸が実在したが、本構造 では回転軸は仮想的な存在となるため、現実には軸が駆動中に移動する可能性 が大きい。そのため、制御に固有の補正を施す必要が出てくるであろう。巨大な トラス構造は接合点が多いため組み立て精度と、主鏡セルの回転運動に伴うガタ の発生が懸念される。特にガタが発生した場合は主鏡の位置に誤差が生じるため、 実用に耐えないものとなってしまう。

     現在、実験機においてはほとんどの課題を解決してきているが、今後更な大型化に 伴う予期しうる問題と解決法を検討していく必要がある。

   • セグメント支持調整機構 (京都大学, 三菱電機)
     

     すばる望遠鏡のアクチュエータ・支持機構の製作経験を活かして、 新しい軽量アクチュエータとセグメント調整測定メカニズムの検討を 京都大学、三菱電機が独自に進めている。

     口径30m 級の望遠鏡を光学的極限(回折限界) の性能で使用するためには、 予想される望遠鏡構造物の機械的変形量(数mm) のストロークを持ち、 使用波長の1/20 (≫50nm) の精度で各分割鏡の光軸方向の位置と傾き を制御する高精度アクチュエータシステムの開発が必要である。京都大学では 口径30m 級望遠鏡のプロトタイプとなる3.5m 望遠鏡の建設を計画しており、 同大学院理学研究科宇宙物理学教室でその3.5m 分割鏡を支持するための 高精度アクチュエータシステムの開発を行っている。開発中のシステムの概要 を図4.43 に示す。

     
     

     リニアアクチュエータは、DC モータとハーモニックギアヘッド及び ボールネジを組み合わせたもので、ストローク10mm、分解能70nm、繰り返し 位置決め精度500nm である。これをてこを用いて分解能を10 倍に高めること により、繰り返し位置決め精度50nm を達成する。これによりストロークは1mm と なるため、30m 級望遠鏡にそのまま使用することはできないが、基本的設計概念は 同様になるものと考えられる。非接触センサ(図4.44) は、接地された導電面との 間の静電容量を交流定電流を流すことにより測定するもので、測定レンジ1mm、 分解能300nm のものを複数個取りつけて試験的に使用しているが、将来的には更 に分解能の高いセンサが必要である。

     てこ機構部分は、望遠鏡の姿勢やストロークの変化に対して関節部分にガタを 生じないことが重要であり、油圧シリンダ方式や無関節てこ方式等が考えられるが、 海外の大型望遠鏡計画でも検討されている無関節てこ方式を採用することにした。

     
     

     図4.45 で示されるように、てこ機構はアクチュエータ上部に位置し、 3 本の無関節てこにより同軸上でリニアアクチュエータの駆動量を1/10 に減らす 構造となっている。これを望遠鏡構造物を想定したトラス構造の土台に取りつけた ものが図4.45(右) で、トラス構造の節目となるグローブ(球体構造物) を挟んで下側に リニアアクチュエータ、上側にてこ機構の配置となっている。現在、これに非接触センサ を取りつけ、コンパクトPCI バス上のボードコンピュータより制御して位置測定をする 試験を始めている。

     
     
     
   • 光学設計 (成相、家)
     望遠鏡デザインの 光学系ページ を参照下さい。
     設計された 三非球面光学系は論文として出版されています。
     
     
     
   • 直駆動モーター (三菱電機)
     望遠鏡デザインの 駆動機構ページ を参照下さい。

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最終更新日:

連絡先: webmaster@jelt.mtk.nao.ac.jp

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