JP2005031148A

JP2005031148A - 光学反射鏡

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Publication number: JP2005031148A
Application number: JP2003193068A
Authority: JP
Inventors: Masasane Kume; 将実久米; Takeshi Ozaki; 毅志尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】宇宙等の温度変化の大きな環境においても、熱変形、熱歪みの小さく、高い精度が維持できる光学反射鏡を得る。
【解決手段】Ｃ／Ｃ複合材料からなる基材２と、基材２表面２ａを覆うように設けられ、黒鉛微粉末を含有したカーボンからなる基材コート層３と、この基材コート層３表面３ａを覆うように設けられ、かつ光学反射面４ａを有する表面層４とを備えて光学反射鏡１を構成する。基材コート層３は、カーボンの前駆体である樹脂に黒鉛微粉末を含有させ、基材２表面を覆うように設けた後、黒鉛化させて形成したものである。また、表面層４は、たとえばニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の金属からなる。黒鉛微粉末は、その粒径を１０μｍ以下のものとする。また、基材コート層３に含まれる黒鉛微粉末の量を、重量比にして３５％〜７０％の範囲とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学反射鏡、特に炭素繊維強化炭素（カーボン／カーボン）複合材料からなる基材を用いて構成された光学反射鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維強化炭素（カーボン／カーボン）複合材料は、これを用いて加工物の形成をする場合に、その加工物が有する線膨張係数を、繊維配向や繊維含有量を調整することにより所望のものとすることができる。例えば、カーボン／カーボン複合材料を光学反射鏡の基材に加工する場合、上述の調整により、基材表面の面内水平方向において、等方性であってかつゼロに近い程度に小さくすることが可能である。このように設計されたカーボン／カーボン複合材料を用いた加工物は、温度変化の比較的大きな環境下であっても熱変形や熱歪みが生じることなく、寸法的に安定しているといえる。
【０００３】
光学反射用基材にカーボン／カーボン複合材料を用いた光学反射鏡として、カーボン／カーボン複合材料からなる基材上に中間層を介して、例えばＡｌ等の金属からなる表面層を被覆し、この表面層の表面を加工して鏡面化させて構成したものが一般的である（例えば、特許文献１）。特許文献１には、カーボン／カーボン複合材料からなるミラー用基材（基材）と、その上を覆うように形成された中間材と、更にその上を覆う鏡面形成材（表面層）、また鏡面（光学反射面）とで構成された光学ミラー（光学反射鏡）について開示されている。中間材はＭｏ、Ｗ、Ｎｂ等からなり、４０〜１００μｍ程度の厚さを有する。また、鏡面形成材はＡｌ合金、Ｃｕ合金等からなり、数百μｍ程度の厚さを有する。
【０００４】
Ｃ／Ｃ複合材料を用いて光学反射鏡用の基材を形成すると、通常その基材の表面には凹凸やボイドが多数形成されてしまい、機械加工しても表面粗度を向上させることが難しいため、鏡面を形成するための表面層を厚く形成しなければならない。これは、表面層が薄いと、表面粗度の悪い基材表面の影響を受け、表面層を高い精度で鏡面化することができないからである。
【０００５】
しかし表面層が厚いと、温度変化が大きな環境下では、基材の熱変形、熱歪みを避けることができず、そのため光学反射鏡の鏡面精度を維持することが難しい。特許文献１の光学ミラーは、中間材を設けることにより基材の表面の凹凸やボイドの影響を少なくして、ミラー用基材と鏡面形成材とを高強度に接合させ、表面層を薄く形成できるようにしたものである。
【０００６】
次に、特許文献１の光学ミラー（光学反射鏡）の作製方法について説明する。
まず、ミラー用基材の表面にプラズマ溶射またはレーザー溶射等の方法により、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ等からなる中間材を被覆する。中間材の厚さは、４０μｍ〜１００μｍの範囲であり、好ましくは５０μｍ〜６０μｍ程度である。次に、中間材の表面にＡｌ合金やＣｕ合金等の鏡面形成材からなる層を、好適な方法で数百μｍ程度被覆形成する。その層に好適な方法により超精密加工を施して鏡面（光学反射面）を形成し、光学ミラーが完成する。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６２−２２９２０１号公報（１−３頁、第一図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光学反射鏡は、以上のように構成されていたため、以下に示すような課題があった。
従来のカーボン／カーボン複合材料を用いた光学反射鏡は、熱変形等による表面層の変形が基材により抑制される程度に、表面層を薄く形成することを達成できた。しかし、その厚さは数百μｍ程度であるため、例えば宇宙環境等の、±１００℃を超えるような温度変化の激しい環境下では、表面層の変形、ひび割れや剥離等が生じるのを避けることができず、光学反射鏡の精度を維持することが難しい。これは、基材の熱膨張係数は０〜−１ｐｐｍ／Ｋ程度、また、一般的に鏡面形成材として用いられる表面層の熱膨張係数は１０〜２０ｐｐｍ／Ｋ程度であり、熱膨張係数に大きな差があることによる。
【０００９】
しかし、これらのおそれを避けるために表面層を薄く形成すると、基材表面の凹凸やボイドの影響を多く受けて、基材の上側に形成する表面層の厚みむらが大きくなる。このため、温度変化が大きな環境では、光学反射面において、反射面の面外（厚さ）方向で歪みが生じるおそれがあった。
したがって、従来の光学反射鏡は、温度変化が大きな環境下では、光学反射面の変形や表面粗度の低下が生じ、光学反射鏡の精度を維持することが難しいという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、カーボン／カーボン複合材料からなる基材を用いても、基材表面の粗さの影響を受けずに表面を薄く形成することが可能であって、宇宙空間等の温度変化の大きな環境下においても高い精度を維持できる光学反射鏡を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光学反射鏡は、カーボン／カーボン複合材料からなる基材と、基材表面を覆うように設けられ、黒鉛微粉末を含有したカーボンからなる基材コート層と、この基材コート層表面を覆うように設けられ、かつ光学反射面を有する表面層とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光学反射鏡１の概略的な構成を示す断面図である。なお、断面を示すハッチングは一部を除き省略してある。
図において、Ｃ／Ｃ（Ｃａｒｂｏｎ／Ｃａｒｂｏｎ：カーボン／カーボン、炭素繊維強化炭素）複合材料からなる基材（以下、基材）２と、基材２の表面２ａを覆うように基材コート層３が形成されており、さらに基材コート層３の表面３ａを覆うように表面層４が設けられている。表面層４の表面は加工されて鏡面（光学反射面）４ａが形成されている。
【００１３】
基材コート層３は、黒鉛微粉末を含有したカーボンからなる。これは、カーボンの前駆体である樹脂に黒鉛微粉末を含有させ、基材２表面を覆うように設けた後に黒鉛化させて形成したものである。基材２の表面に多数形成されているボイドや凹凸は基材コート層３により充填されるため、基材コート層３の表面３ａはほぼ平滑となる。その結果基材コート層３の表面３ａにはボイドや凹凸はほとんど見られないか、あるいは僅かに存在してもそれらは極めて小さく、十分無視できる程度である。したがって機械加工における被研削性が良好で、光学反射鏡の基材として必要な粗度の表面状態に研削仕上げすることが可能である。
【００１４】
ここで、基材コート層３を黒鉛微粉末を含有したカーボンで構成した理由は、光学反射鏡の試作実験において、カーボンの前駆体である樹脂に黒鉛微粉末を適当な量含有させたものを基材２に被覆した後黒鉛化することにより、光学反射用の基材として適した粗度を有する表面３ａが得られることが確認されたからである（後述の実施例１）。実際には、基材コート層３の表面３ａは、中心線平均粗さＲ（ａ）が５μｍよりも小さいものとなり、表面層４を被覆形成するのに好適な粗度とすることができた。これは、基材２表面に存在する凹凸やボイドが、基材コート層３中の黒鉛微粉末によって充填されることによると考えられる。
【００１５】
一方、カーボンの前駆体である樹脂のみを基材２に被覆した場合の実験においては、上述のような表面の平滑化は達成されなかった（後述の比較例１）。したがって、カーボンの材料に黒鉛微粉末を混合することによる、基材２表面の平滑化における黒鉛微粉末が有効であることが確認された。
【００１６】
表面層４は、例えばニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の好適な金属からなる。基材コート層３の表面３ａが平滑であるため、表面層４は十数μｍ程度の薄い層とすることができる。これにより基材２と表面層４との熱膨張係数の差による熱変形、熱歪み等のおそれを、温度差が激しい環境下においても低減させることができる。したがって、光学反射鏡の精度を高い状態で維持することができる。
【００１７】
次に、実施の形態１の光学反射鏡１は、例えば
１．プリプレグを積層し、ＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ：炭素繊維強化プラスチック）成型体を作製する。
２．ＣＦＲＰ成型体を炭化させ、Ｃ／Ｃ加工体を形成する。
３．基材コート層３を形成する。
４．表面層４と鏡面４ａを形成する。
という手順で作製することができる。好適な例を、実施例１により詳しく述べる。
【００１８】
以上のように、この発明の実施の形態１の光学反射鏡１によれば、Ｃ／Ｃ複合材料からなる基材２と、基材２の表面２ａを覆い、かつ黒鉛微粉末を含有する基材コート層３と、基材コート層３の表面３ａを覆い、かつ光学反射面４ａを有する表面層４とで構成されている。このように、基材コート層３により基材２の表面２ａの粗度が改善され、平滑化が達成できるため、表面層４を可能な限り薄く形成することができる。したがって、宇宙環境等の温度変化の大きな環境下でも、熱変形や熱歪みが生じるおそれが少なく、光学反射鏡の精度を高い状態で維持することができるという効果が得られる。
【００１９】
また、この発明の実施の形態１の光学反射鏡１によれば、熱膨張係数がマイナスの数値を示す基材２に基材コート層３を介して表面層４が薄く被覆されるので、表面層４を被覆した状態においては、光学反射鏡１全体の熱膨張係数がゼロに近づく。このため、光学反射鏡１をさらに低熱歪の高性能なものとすることができるという効果が得られる。
【００２０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について、便宜的に図１を用いて説明する。ここでは、光学反射鏡１において、基材コート層３に含まれる黒鉛微粉末を、その粒径が１０μｍ以下のものに規定した。これは、黒鉛微粉末の粒径を１０μｍ以下の小粒径に限定することにより、基材２に基材コート層３を被覆した際に基材２表面２ａに存在するボイド等が、コート層３中の黒鉛微粉末によってより良い状態で充填され、基材コート層３表面３ａの平滑性が向上することが実験により確認されたためである。
実際に、粒径が１０μｍ以下の黒鉛微粉末を用いて基材コート層３を基材２上に形成した場合、基材コート層３の表面３ａは最適な粗度（Ｒ（ａ）＜５μｍ）を得ることができた（後述する実施例１）。
その他の部分においては、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００２１】
以上のように、この発明の実施の形態２の光学反射鏡によれば、Ｃ／Ｃ複合材料からなる基材２と、基材２の表面２ａを覆い、かつ黒鉛微粉末を含有する基材コート層３と、基材コート層３を覆い、かつ光学反射面４ａを有する表面層４とで構成されている。このため、実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この発明の実施の形態２の光学反射鏡によれば、基材コート層３が含有する黒鉛微粉末の粒径を１０μｍ以下のものとしたため、基材２表面２ａに存在するボイドや凹凸が、より良い状態で充填され、基材コート層３表面３ａの平滑性および被研削性を更に良好なものとすることができる。したがって表面層４を被覆するのに最適な表面状態を得ることができるという効果が得られる。
【００２２】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態２について、便宜的に図１を用いて説明する。ここでは、光学反射鏡１において、基材コート層３に含まれる黒鉛微粉末の量を、重量比にして３５％〜７０％の範囲としたものである。これは、この範囲の量で黒鉛微粉末が含有された基材コート層３を基材２に被覆すると、基材２表面２ａに存在するボイドや凹凸が、コート層３中の黒鉛微粉末によってより良い状態で充填され、基材コート層３表面３ａの平滑性が向上することが実験により確認されたからである（後述の実施例１）。
【００２３】
上述した黒鉛微粉末の量を重量比で３５％未満として、基材コート層３まで形成した場合、前駆体の樹脂の比率が高くなるため、その後の熱処理において樹脂が分解収縮を起こしてしまい、基材コート層３に微細なクラックが多数発生することとなった。実際に黒鉛微粉末を３０％含有させた場合、基材コート層３の表面３ａの中心線平均粗さＲ（ａ）は８μｍ〜１０μｍ程度であった。
【００２４】
一方、黒鉛微粉末の量を７０％よりも多くすると、樹脂の比率が低くなるため、黒鉛微粉末を含有した樹脂の粘度が高くなり、基材２のボイド等への充填が良好に行われなくなる。実際に黒鉛微粉末を７５％含有させた場合、得られた基材コート層の中心線平均粗さＲ（ａ）は７μｍ〜９μｍ程度であった。
【００２５】
したがって、いずれも３５％〜７０％の範囲の量で黒鉛微粉末を含有させた場合とは異なり、基材コート層３の表面３ａは最適な粗度（Ｒ（ａ）＜５μｍ）が得られないことが確認された。
その他の部分については、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００２６】
以上のように、この発明の実施の形態３による光学反射鏡によれば、Ｃ／Ｃ複合材料からなる基材２と、基材２の表面２ａを覆い、かつ黒鉛微粉末を含有する基材コート層３と、基材コート層３を覆い、かつ光学反射面４ａを有する表面層４とで構成されている。このため、実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この発明の実施の形態３による光学反射鏡によれば、基材コート層３に含まれる黒鉛微分末の量を、重量比で３５％〜７０％の範囲に規定したので、基材２表面２ａに存在するボイドや凹凸が、より良い状態で充填され、基材コート層３表面３ａの平滑性および被研削性を更に良好なものとすることができる。したがって表面層４を被覆するのに最適な表面状態を得ることができるという効果が得られる。
【００２７】
実施例１．
次に、この発明の実施の形態１から実施の形態３における光学反射鏡の実施例について説明する。実施例１は、光学反射鏡１の試作品を以下の手順に従って作製したものである。
１．プリプレグを積層し、ＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ：炭素繊維強化プラスチック）成型体を作製する。
まず、基材２の材料であるＣ／Ｃとして、トレカＴ３００（東レ製）の、３０００本の炭素繊維フィラメントを使用した平織りクロス（目付け１９８ｇ／ｍ^２）を用意する。また、基材コート層３の材料には、その前駆体である合成樹脂としてフェノール樹脂を用意した。
【００２８】
上述の平織りクロスにフェノール樹脂を含浸させ、シート状のプリプレグを作製した。このときの平織りクロスに対する樹脂付着量は、重量比率で３６％から４４％の範囲とした。
このようにして作製したプリプレグシートを１６枚、擬似等方に積層（繊維配向が、０°／９０°、±４５°）した。これは、
▲１▼一枚目の平織りクロスを、縦糸が０°、横糸が９０°を向くように配置する。
▲２▼二枚目の平織りクロスを、縦糸が＋４５°、横糸が−４５°を向くように配置する。
▲３▼三枚目の平織りクロスを、縦糸が０°、横糸が９０°を向くように配置する。
以上の作業を１６枚目まで繰り返すということである。
【００２９】
ここで、「擬似等方に積層する」とは、完全ではないが、擬似的に等方性になるように縦糸と横糸の繊維を上記のような角度に配列・積層させる積層方法である。このような方法で積層することにより、方向による特性差がほぼ解消され、熱膨張係数や機械的特性が等方性を示すようになる。
【００３０】
次に、積層したプリプレグを金型にセットしたのち、プレスで加熱、加圧してＣＦＲＰ成型体を得た。
このときの成型条件は、温度１８０℃、加熱時間３時間、成型圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２（４．９×１０^５Ｐａ）である。また、得られたＣＦＲＰ成型体における炭素繊維の体積含有率は約５５％であった。
【００３１】
２．ＣＦＲＰ成型体を炭化させ、Ｃ／Ｃ加工体を形成する。
次に、ＣＦＲＰ成型体を焼成用のカーボン治具に挟み、不活性雰囲気中で８００℃まで昇温して炭化させ、Ｃ／Ｃ化させた。その後、得られたＣ／Ｃ焼成体中のボイドを埋めるため、ピッチを含浸させて炭化焼成する工程を２回繰り返した。なお、ピッチの代わりに合成樹脂を使用してもよい。
次に、焼成用黒鉛製治具に上述のＣ／Ｃ焼成体を挟んで固定し、不活性雰囲気中で２０００℃まで昇温して黒鉛化処理を行った。続いて、黒鉛化されたＣ／Ｃ焼成体の表面を機械研削して所定の反射面形状に加工し、Ｃ／Ｃ加工体を形成した。形成されたＣ／Ｃ加工体を基材２とし、機械研削により加工された面を基材２の表面２ａとする。
【００３２】
３．基材コート層３を形成する。
次に、基材２の表面２ａに、粒径が１０μｍ以下の黒鉛微粉末を重量比で６０％含んだフェノール樹脂を被覆し、さらに、不活性雰囲気中で２０００℃まで昇温して黒鉛化処理を行い、基材コート層３を形成する。
【００３３】
４．表面層４と鏡面４ａを形成する。
次に、基材コート層３の上側を研削して平滑に仕上げ表面３ａを形成した。表面３ａに、電解メッキ法によりニッケル（Ｎｉ）からなる層を所定の厚さ被覆させた。ニッケルからなる層の平均厚さは約１５μｍであった。
最後に、ニッケルからなる層の上側表面を研削加工により厚さ５μｍまで削り込み、表面層４を形成した。また、表面層４を超精密加工機で加工して鏡面４ａを形成し、光学反射鏡１の試作品を完成させた。
【００３４】
試作品の主要特性を以下に示す。
・完成品（光学反射鏡１）の室温下での熱膨張係数：０．０５ｐｐｍ／Ｋ
・メッキ前の基材２の室温下での熱膨張係数：−０．１ｐｐｍ／Ｋ
・メッキ前および研削加工後の基材２の表面２ａの表面粗度（中心線平均粗さＲ（ａ））：１μｍ
【００３５】
また、比較用の試作品として、表面層４の厚さが４５μｍの光学反射鏡についても室温下での熱膨張係数を測定した結果、１．２ｐｐｍ／Ｋであった。よって、宇宙空間等の温度変化の大きい環境で使用する反射鏡としては、実施例１の試作品が好適な熱膨張係数を示すことがわかった。
なお、表面層４としてニッケル（Ｎｉ）メッキの代わりに、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）の金属メッキをそれぞれ行い、光学反射鏡を形成した場合も、ニッケル（Ｎｉ）メッキの場合と同様の効果が得られた。
【００３６】
以上のように、この実施例１により、この発明の光学反射鏡は、熱膨張係数が低く、高精度な鏡面を有する光学反射鏡が得られることが確認された。また、実施例の完成品である光学反射鏡は比重が１．６程度と比較的小さく軽量化が可能で、その上十分な強度、剛性も有しているので、高精度の大型反射鏡として実用に適している。
この発明の効果を確認するために、以下のような比較実験も行った。
【００３７】
比較例１．
次に、比較例１について説明する。比較例１は、この発明の光学反射鏡における、基材コート層の効果を確認するために、基材２の表面２ａに，基材コート層３を設けずに直接ニッケルメッキ処理を行って表面層４を形成したものである。その他の工程は実施例１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
比較例１における基材の試作品について、表面加工後の表面粗度を測定した結果、表面粗度（中心線平均粗さＲ（ａ））は１５μｍであった。また、平織りクロスの織り目の隙間がボイドとして残っているのも確認され、その深さは最大で、０．３ｍｍであった。そしてメッキ処理後も基材表面に多数のピットが残り、鏡面仕上げをすることは不可能であった。
【００３８】
比較例２．
次に、比較例２について説明する。比較例２は、この発明の光学反射鏡における、基材コート層の効果を確認するために、基材コート層の材料に用いられるカーボンの前駆体である樹脂に黒鉛微粉末を含有せず、樹脂のみを基材２上に被覆したものである。その他の工程は実施例１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００３９】
比較例２における基材の試作品について、表面加工後の表面粗度を測定した結果、表面粗度（中心線平均粗さＲ（ａ））は１３μｍ〜１７μｍであった。
また、さらに基材コート層の厚さによる違いも調べた。まず、基材コート層を１５μｍ程度の厚さに形成した場合、比較例１のときと同様に、平織りクロスの隙間がボイドとして残っているのが確認された。また、基材コート層を４５μｍ程度の厚さに形成した場合、基材コート層に多数のクラックが生じ、その上基材コート層の基材に対する密着性が弱く、脱落することもあり、基材コート層による、基材表面の粗度の向上が望めなかった。また、メッキ処理後も基材表面にピットが残り、鏡面仕上げをすることは不可能であった。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、Ｃ／Ｃ複合材料からなる基材と、基材表面を覆うように設けられ、黒鉛微粉末を含有したカーボンからなる基材コート層と、この基材コート層表面を覆うように設けられ、かつ光学反射面を有する表面層とを備えるように光学反射鏡を構成した。このため、Ｃ／Ｃ複合材料からなる基材の表面に複数存在するボイドや凹凸を基材コート層により充填して表面の粗度を改善し、平滑化を達成することができるので表面層を可能な限り薄く形成することができ、宇宙等の温度変化の大きな環境下においても熱変形、熱歪みが小さく、高い精度を維持することが可能な光学反射鏡が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による光学反射鏡の概略的な構成を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１光学反射鏡、２基材、２ａ基材の表面、３基材コート層、３ａ基材コート層の表面、４表面層、４ａ鏡面（光学反射面）。

Claims

カーボン／カーボン複合材料からなる基材と、
該基材表面を覆うように設けられ、黒鉛微粉末を含有したカーボンからなる基材コート層と、
該基材コート層表面を覆うように設けられ、かつ光学反射面を有する表面層とを備えた光学反射鏡。
黒鉛微粉末は、その粒径を１０μｍ以下のものとしたことを特徴とする請求項１記載の光学反射鏡。
基材コート層は、重量比にして３５％〜７０％の範囲の黒鉛微粉末を含有したことを特徴とする請求項１記載の光学反射鏡。