JPH07503226A - 一体構造のセラミックトラス構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 一体構造のセラミックトラス構造 技術分野 本発明は一体構造のセラミックトラス構造に関し、特に鏡基材として有用な一体 構造のセラミックトラス構造に関するものである。

背景技術 宇宙ベースの映像技術の発達により、寸法的に安定な、剛性が高く軽量で高い固 有振動数を持った精密鏡に対するニーズが生まれている。その様な鏡はレーザー 研究などの地上ベースでの研究にも有用であり、そして、寸法安定性と軽量とが 重要課題である商業映像技術においても有用である。これらの用途で使用される 鏡は高効率基材で、つまり、低面積密度と高構造強度を有する基材である必要が ある。面積密度とは、反射面の単位面積当りの鏡の重量である。

従来、はとんどの精密鏡はガラスあるいはガラスセラミックから作られていた。

それはこれらの材料は、成形及び研磨して容易に光学面を得ることができるから である。更に、ガラスやガラスセラミックは熱膨張率が低く、光学的用途におい て必要とされる熱的安定性を有し得る。しかしながら、これらの材料の構造特性 は低い。その結果、これらの材料から作られた鏡は鏡反射面のための適切な支持 構造を与えるために大重量にしなければならないことが多々ある。

これはガラス鏡の典型的な面積密度が約２０ｋｇ／ｍ２から数百ｋｇ／ｍ”にな りうろことから明らかである。大重量の鏡によって、地上及び宇宙の双方で多く の問題が生じている。地上では、これら鏡の重量によって重大な取り扱い上の問 題が生じている。更に、この鏡に作用する重力によって寸法的に不安定になり、 表面がゆがめられたり変形したりする。宇宙空間では重量は重要ではないが、大 きな質量によって生じる慣性により、正確で、迅速な位置合わせが難しくなる。

ベリリウム（Ｂｅ）などの軽量金属基材の鏡はガラス鏡に対する一つの代替物で ある。その様な基材は取り付けられた反射面を支持できるか、あるいはそれ自身 磨かれて反射面を形成し得る。ガラスと違って、ベリリうム（Ｂｅ）は弾性係数 が高く特筆すべき剛性を有し、低質量な精密鏡にとって好ましい構造特性を有し ている。たとえば、現在の工業的方法で作られたＢｅ鏡は約１５ｋｇ／ａ＋２程 度の低い面積密度を有し得る。

シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基材はガラス鏡に代わる更なる代替物である。Ｂ ｅ同様、ＳｉＣは低質量、精密鏡に適した高弾性係数と特筆すべき剛性および他 の特性を有する。

低熱膨張係数と高熱伝導性との組み合わせにより、ＳｉＣはＢｅ。

低熱膨張ガラスおよびガラスセラミックより優れた熱寸法安定性を有する。更に ＳｉＣを製造する技術によりＳｉＣ鏡基材がＢｅ基材よりも構造的に有利である 。例えば、従来技術のＳｉＣ鏡基材は約４ｋｇ／ｍ２程度の低い面積密度を持ち 得る。これらの基材は鏡反射面を支持する表面シートと裏面シートではさまれた 頑丈な壁補強セルのハニカムである。この補強セルは四角形、六角形あるいは三 角形断面などの多角形断面を有する。化学蒸気蒸着やスリップ鋳込を含む、いく つかの異なる工程はＳｉＣ鏡を作る上で有効である。ひとつのとりわけ有用なス リップ鋳込法はビバルディらが権利を有する米国特許第４．９７５，２５５号に 開示されている。ハニカムサンドイッチ構造のＳｉＣ鏡基材は低面積密度である が、いくつかの精密鏡の用途には適切な剛性をもち、ハニカムサンドイッチ構造 のものより大巾に軽量な鏡基材がめられている。

それゆえ、工業的にめられているものは、精密鏡を支持するのに適した超低面積 密度で寸法安定性の高い鏡基材である。

発明の開示 本発明は精密鏡の支持に適した超低面積密度で寸法的に安定した鏡基材に関する 。

本発明の一態様では、三次元的で、軽量で、一体構造のトラスを形成するように 一体式に鋳造された開トラス構造が包含される。

本発明の別の態様では、連続なセラミック表面シートと、その面シートから延び てそれと一体式に鋳造された一体式セラミックトラスと、を有するセラミック鏡 基材が包含される。この一体式トラスは鏡基材が精密鏡面を支持できる充分な剛 性を有する。

本発明の別の態様では、無孔質材料でできた適当な形状の部材内に複数の内部通 路を作ることにより、一体構造のセラミックトラスの複数の一体式トラス部材を スリップ鋳造するのに適した可溶解性のコアを作る方法が包含される。

この無孔質材料は可溶解性コアとなり内部通路は液体含有セラミックスリップで 満たされた一体式トラス部材を作る。可溶解性コアを作るのに使われる無孔質材 料はセラミックスリップ内の液体の凝固点以下の温度で溶解できる。

発明のこれらおよびその他の特徴および利点は以下に続く開示および添付図面に より更に明らかにされる。

図面の簡単な説明 第１図は、連続表面シートと横、後部材を有する一体式トラスとを備えた本発明 に係るセラミック鏡基材の斜視図である。

第２図は、第１図に示されたものと同様なセラミック鏡基材で、その後部材が一 体式で連続裏面シートと置き換えられたものの斜視図である。

第３図は、本発明に係る平面セラミックトラス構造の斜視図である。

第４図は、第１−３の鏡基材あるいはトラス構造の内部の幾何学的配列を作る可 溶解性コアを作るのに使われる治工具の断面図である。

第５図は、第１−３の鏡基材あるいはトラス構造を作るのに使われる型の断面図 である。

本発明の最適実施例 本発明に係る一体構造の、セラミック、トラス鏡基材は多くの宇宙および地上で の用途に適切な精密鏡の構造支持体として用い得る。

トラスはそれ自身でも軽量で高剛性が要求される用途の構造部材として使える。

第１図に示す様に本発明の鏡基材２は三次元的なセラミックトラス８と一体式的 に接続された、薄く、連続したセラミック表面シート４を有する。

この表面シート４は片面が鏡面６となっている。このトラス８は鏡表面のゆがみ をマイクロメーターの最小単位に制限し得るほど充分に頑丈に鏡基材２を構成す る。鏡表面のゆがみは機械的および熱的負荷により起こり得る。トラス８は四面 体形状などのいくつかの従来ある三次元の形状を持ち得る。この形状において、 一体式横部材１０は表面シート補強リブ１４から複数の四面体、トラス８の基本 構造要素を形成する様に延びている。表面シート強化リブ１４は表面シート４と 一体式的な部品である。一体式後方部材１２は、三次元トラスを完成する様、先 に説明した個々の四面体が逆４面体を形成するように接続している。

第１図のデザインに基づいて多くの異なる形状が可能である。鏡基材２剛性を更 に高くするために、複数層の一体式トラスを使っても良い。たとえば、小四面体 のトラス層が、表面プレートに局所的な剛性を与えるために表面プレートのそば に配置される様にしても良い。この層は同サイズあるいはより大きな四面体の別 な一体式層で全体を強化するために支えられても良い。所望の剛性を得るのに必 要なあらゆるサイズの一体式トラス層が使える。

鏡基材２を更に強固にするための別な方法としては、第２図に示すように、後方 部材を、薄くて、一体構造された、連続なセラミック裏面シート１６に置き換え るか、またはこれをっけ加えるかする方法がある。他の構成としては、表面シー ト４と裏面シート１６とが第３図に示される開トラス構造１８を構成する様に省 略されても良い。この間トラス構造１８は構造的な用途に使用されるのに充分な 強度と剛性とをもたらす複数後方部材１２と前方部材２０とを有する。用途によ っては、トラス構造１８は第３図に示される様に面状シートでもよいし、あるい は円錐や長円面のような他の有用な形状でも良い。

本発明に係る開トラス構造と鏡基材との面積密度は、これらによる完成品の寸法 と構造に応じて変更される。しかし、一般には、これらのものは比較対象となる 従来技術のハニカムサンドイッチ製品よりも面積密度がより小さい。例えば、開 トラス構造は、約１　ｋｇ／１２より小さい面積密度を持ち得る。直径で約０． ２５ｍ（１０インチ）以下の反射面を持つ鏡に対しては約２ｋｇ／ｍ２以下の面 積密度が可能である。例えば、直径で約０．２５ｍの反射面を持つ鏡は０゜５ｍ ｍ（０，０２０インチ）厚の表面シートと直径０．７５ｍｍ（０゜０３０インチ ）の部材でなる２５ｍｍ（１インチ）厚のトラスととで構成することができる。

その様な基材は面積密度１．４ｋｇ／ｍ”の前面シートと面積密度Ｑ、４ｋｇ／ ｍ２のトラスとにより全体の面積密度が１．　８ｋｇ／ｍ”となる。現在の製造 限界で設計されたハニカムサンドイッチ基材を持つ比較対象となる鏡は０．５ｍ ｍ厚の表、裏面シートと０．５ｍｍの壁を持つｌ　２．７ｍｍ（０，５インチ） スフウェアセルよりなる１１．７ｍｍ（０，４６１インチ）厚のコアで構成する ことができる。この様な基材はｌ、４ｋｇ／ｍ”の面積密度を持つ表、裏面シー トと１．４ｋｇ／＋２の面積密度のコアとにより、全体として４゜２ｋｇ／ｍ’ の面積密度になる。

鏡基材２とトラス構造１８は所望の重量、剛性特性をもたらすセラミック材料か ら作られる。適したセラミックとしてはｓｉｃ、窒化珪素、炭化珪素および同類 の材料を含む。好ましいセラミックは炭化珪素である。鏡基材２及びトラス構造 １８は、同様なセラミック製品を作るのに用いられる従来の方法で製造してよい 。例えば、本発明の構造は化学蒸気蒸着やスリップ鋳込により製造されても良い 。ビバルディに因り一般に権利化されている米国特許第４，９７５．２５５号は 高度なスリップ鋳込法を開示している。もし、スリップ鋳込法を使うならば、鏡 基材２とトラス構造１８は、スリップ鋳込技術で知られているように金属粉から 作られても良い。

スリップ鋳込は所望の製品を作るのに液体、通常は水にセラミックまたは金属粉 を分散させたスリップを使用する。このスリップは従来技術で知られている核生 成剤などの添加成分を含んでいてもよい。例えば、適当なＳｉＣスリップはＦ− ３２０メツシュ約４０重量％から約６０重量％のＳｉＣ粉、約３０重量％から約 ４５重量％の１．０ｍｍ５ｊＣ粉、約７重量％から約１５重量％の水、約０．０ ５重量％から約０．５５重量％のケイ酸ナトリウム接合材、および、約０．３重 量％から約２．５重量％の尿素かジメチルスルホキシドなどの核生成剤を含む。

これらの材料は商業工種々のところから入手可能である。所望の製造物を得るに はスリップを第５図に示す様な可溶解性コア２２を含む型３６に注入する。可溶 解性コア２２は三次元トラス８のトラス部材１０．１２．２０を形成する複数の 内部通路２３と適当な外部幾何学的構造を有する。表、裏シートがあるならば、 型３６はその外部幾何学的形状をも形成する。

可溶解性コア２２は無孔質材料でできた適当な形状の部材に内部通路を形成する ことにより作っても良い。この無孔質材料はスリップ鋳造法に適し、かつスリッ プ中の液体の凝固点より低い温度で容易に溶解できるどの様な無孔質材料でも良 い。適当な無孔質材料としてポリスチレンがある。可溶解性コア２２を作るため に、第４図に示される様な、上板２６、底板２８、スペーサ３０を有する治工具 ２４を使用してもよい。スペーサ３０は２枚の板２６．２８を離してコア２２が 出来る閉空間を形成する。所望の四面体形状に通路２３を形成するために、板２ ６．２８の孔部３２は治工具２４にピン３４がさし込まれる様になっている。板 ２６．２８はまた裏部材１２と表シート補強リブ１４を形成するリブ３５を有し ている。コア２２を形成するには、治工具２４内に置かれ、治工具内に蒸気を注 入することによるか湯浴によって治工具を加熱するか、あるいは他の方法により 膨張させられるポリスチレンビードを用いてもよい。

ピン２４はその後治工具２４からとり除かれ、治工具が開かれ、そしてコアがと り除かれる。コア２２はまた無孔質材料でできた適当な形に作られた部材に内部 通路２３を機械加工することにより作っても良い。どのような方法でコア２２が 作られるかにかかわらず、内部通路２３及び適切な外部幾何学構造を持たせるこ とにより、鏡支持体２あるいはトラス構造１８におけるすべての一体式構造、つ まり表面シート４、横部材１０、後方部材１２、表面シート強化リブ１４、裏面 シート１６、前方部材２０を形成する必要がある。通路２３が互いに接続するよ うに、一つ以上のコア２２を積み重ねることによってマルチブル一体式トラス層 を形成してもよい。

コア２２が形成された後に、第５図に示される不吸収性の型３６内にコアが配置 される。型３６の材質はアルミニウム、プラスチック、あるいは他の不吸収性材 料であれば良い。型３６内の空気はＰＨ０ＴＯ−ＰＬＯ’　（イーストマンコダ ック社、ロチェスタ、ニューヨーク）等の理化剤を少量含んだ水を型３６に満た すことにより排除することができる。その後、適切なセラミックスリップが充填 ポート３８を通じて型３６内に注入され、排出ボート４０を通して水を排除し、 そして表面シート４とトラス８を有する鏡基材を形成する。確実にスリップが型 ３６およびコア２２を完全に満たす様に、型３６を振るか振動させても良い。型 ３６はその後、スリップを凍らせるためにスリップ内の液体の凝固点より低い温 度に冷やされる。

好ましくは、スリップを速やかに凍らせるために型を約−５０℃以下に冷やすの が良い。可溶解性コア２６を含む凍ったスリップ４２は型３６からはずされ、例 えば、約−５０℃以下でその物の温度を保持する様に、適当な温度で保持される 。その後、凍ったスリップ４２は、コア２２が完全に溶けるに十分な時間にわた って、コア２２を溶かし得る溶媒に浴される。コア２２がポリスチレンであるな ら、溶剤はメチレンクロライドでも良い。溶媒浴は、コア２２を溶かすが、スリ ップを溶かさない様充分冷えている必要がある。コア２２が除去された凍ったス リップ４２は溶剤槽からとり出され、スリップ中の水分が昇華する様凍結乾燥さ せて「素地」を作る。この素地は残留する揮発分を取り除くために真空乾燥され 、真空炉中でアルゴン雰囲気で適当な温度、たとえば約２０５０℃で空孔のある 焼結体を形成する様焼結される。この多孔性の焼結体は約１７５０℃の温度のア ルゴン雰囲気の真空炉中で溶融シリコン（Ｓｔ）中に浸され高密度化される。こ のシリコンは開口した空孔を満たすため焼結体に入り込む。焼結ＳＩＣのランダ ムな配列とシリコン充填剤の一定な分散とにより本発明の製品は実質的に等方的 な物になる。

この方法で作られた製品は、精密鏡の基材や構造支持体として使用するのに適し た一体式構造の、高い剛性をもった、軽量な構造である。この製品は鏡基材、表 面シートそして裏面シートであってもよいし、あるいはそれは平面度を０．０２ ５ｍｍ（０，００１インチ）より少なくする種改良するための機械基材であって も良い。

ＳｉＣ／Ｓｉは多くの光学的用途に適した５０人〜１００人ＲＭＳの粗度の表面 に磨くことができる。もし、より滑らかな光学面が必要なら、約０．０５ｍｍ（ ０，００２インチ）から約０．０７５＋ａｍ（０，００３インチ）の厚さのシリ コン金属層を表面に蒸着しても良い。このシリコン層は５人ＲＭＳ未満の粗度に 磨くことができる。

もし望むなら研磨された面は反射性を高めるために金などの反射する金属の薄い 層でコーティングしても良い。

本発明による製造物は従来技術よりも優れたいくつかの利点をもたらす。第１に 、本発明の鏡基材に使われる一体式トラス構造は従来の鏡基材より小さな面積密 度の製品を作る。本発明の鏡基材は従来の基材より軽いにもかかわらず、従来の 基材と同様な剛性を有し得る。それゆえ、これらは宇宙や地上における先進的な 用途に使われる精密鏡に適している。

第２に、トラスが一体式に形成されているので、熱膨張率が均一となり、寸法安 定性が得られる。更に、トラスを作るのに使用されるＳｉＣ／Ｓｔ材料は等方性 を有する。これに対して、従来のトラスの組付けで鏡の支持に使われることがあ る接着剤や機械継手では、トラス材と結合材との間で熱膨張率が互いに異なる場 合が生じる。

その結果、従来技術のトラスは熱変化を受けた時にゆがむ。加えて、接着剤や機 械的継手により、従来のトラスは一体式ではなくなり、精密鏡の用途には不適当 なものとなる。更に、従来のトラスに使用されることがある機械継手はトラスの 重量を増大させ、重量制限のある用途にはまずます不向きになる。

第３に、一体弐トラスは、単一部材に鋳造されているので、従来のトラスに比べ て少ない労力で作れる。これに対し、多くの従来のトラスは部品どうしを組み付 けるために多くの労力を必要とする。

この発明はここで示され、記載された特別な実施例に限定されない。クレームし た発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく種々の変更や変形が可能である。

、　Ｎ＋　ＰＣＴ／ＵＳ　９２１０９２３５

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．三次元的で、軽量で、一体構造のトラスを形成するように一体式に鋳造され た複数のセラミックトラス部材を有する開トラス構造。
2. ２．前記構造は、−より多いトラス層を有する請求項１記載のトラス構造。
3. ３．前記トラス部材は、炭化珪素、窒化珪素、および炭化ホウ素よりなるグルー ブから選択された材料を含有する請求項１記載のトラス構造。
4. ４．前記トラス部材が金属粉を含有する請求項１記載のトラス構造。
5. ５．前記構造が略１ｋｇ／ｍ２より小さい面積密度を有する請求項１記載のトラ ス構造。
6. ６．（ａ）連続なセラミック表面シートと、（ｂ）前記表面シートから延びかつ 前記表面シートに一体式に鋳造された一体式セラミックトラスと、を有し、 前記一体式セラミックトラスは、前記鏡基材が精密鏡表面を支持するに充分な剛 性を与えるセラミック鏡基材。
7. ７．前記基材はーより多いトラス層を有する、請求項６記載の鏡基材。
8. ８．前記基材の面積密度が約２ｋｇ／ｍ２より小さい、請求項６記載の鏡基材。
9. ９．一体式トラスに一体的に鋳造された裏面シートを更に有し、前記裏面シート が前記鏡基材の剛性を更に高くする、請求項６記載の鏡基材。
10. １０．前記基材は、炭化珪素、窒化珪素、及び炭化ホウ素よりなるグルーブから 選択された材料を含有する、請求項６記載の鏡基材。
11. １１．前記基材が金属扮を含有する、請求項６記載の鏡基材。
12. １２．一体構造のセラミックトラスにおける複数の一体式トラス部材をスリップ 鋳造するための溶解可能なコアの製造方法で、前記トラスが液体含有セラミック スリップから得られるものであって、適当な形状の無孔質材料の部材に複数の内 部通路を形成して、前記無孔質材料が可溶解性コアとなり、かつ前記セラミック スリップが充填された時に前記内部通路が前記一体式トラス部材を形成するよう にするとともに、前記無孔質材料はセラミックスリップ中の液体の磯間点より低 い温度で溶解可能である方法。
13. １３．前記内部通路は、 （ａ）トラスの形に配置された除去可能なピンを有する治工具を組付け、 （ｂ）無孔質材料を前記治工具に充填して溶解可能なコアを形成し、 （ｃ）前記治工具から前記ピンをとり除き、（ｄ）前記冶工具から前記溶解可能 なコアをとり除く、ことにより形成され、 これにより前記除去可能なピンが前記溶解可能なコア内に内部通路を形成する、 請求項１２記載の方法。
14. １４．前記内部通路は、適当な形状を有する無孔質材料の部材を機械加工するこ とにより形成される、請求項１２記載の方法。
15. １５． 方法。 前記無孔質材料がポリスチレンである、請求項１２記載の