(57)【要約】      （修正有）【課題】粘性流動に起因する板厚変動や変形がなく、所定の曲面形状にガラス板Ｇを曲げ加工し、高解像度，高効率が要求される反射鏡に適したガラス基板を提供する。【解決手段】複数枚の金属薄板２１で構成される集合下型２１と集合上型３１との間にガラス板Ｇを挟み、集合上型３１を降下させて下端面をガラス板Ｇに押し付け、集合下型２１の頂面で形成される曲面状プロフィールをガラス板Ｇに転写する。集合金型２１，３１は、端面が直角に整形された複数枚の金属薄板２１及び３１を重ね合わせることにより構成され、集合上型３１の金属薄板３１は個々に上下方向に沿って移動可能になっている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面が直角に整形された複数枚の薄板を重ね合わせた集合下型の頂面で目標形状に対応する曲面状プロフィールを区画し、被加工材のガラス板を集合下型に載せ、端面が直角に整形された複数枚の薄板を上下方向に沿って相互摺動可能に重ね合わせた集合上型を集合下型上のガラス板に対向配置し、粘性流動が実質的に生じない擬塑性領域にガラス板を加熱した後、集合上型を降下させ、集合下型の頂点から両側に向けて集合上型の薄板をガラス板に順次押し付けることにより、集合下型の曲面状プロフィールをガラス板に転写することを特徴とする曲面状ガラスミラーの製造方法。
【請求項２】
ガラスの粘性が１０6〜１０7.5ポアズの範囲に維持される擬塑性領域にガラス板を加熱する請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
集合下型の上にセットされたガラス板に集合上型を押し付け、集合下型の頂面で区画される曲面状プロフィールをガラス板に転写する曲げ加工装置であり、
集合下型が、目標形状に対応する曲面をもつ基本曲ゲージに立設配置され、端面が直角に整形された複数枚の薄板を重ね合わせてクランプすることにより組み立てられ、
集合上型が、端面が直角に整形された複数枚の薄板を重ね合わせ、各薄板の上下方向移動を可能にしてクランプすることにより組み立てられていることを特徴とする曲面状ガラスミラーの曲げ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線天体望遠鏡，放射線医療機器，プラズマ計測，半導体製造等の分野で使用される反射鏡基板として好適な曲面状ガラスミラーを製造する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を利用した天体観測では、非常な遠方から飛来したＸ線を検出し結像することにより天体の情報を観察している。飛来するＸ線が極端に微弱なため、高解像度（高い結像性能），高効率（高い集光能力）が天体望遠鏡に要求されるが、高解像度，高効率の双方を満足させることは非常に困難である。高解像度，高効率が両立しがたい理由は、１度角レベルと微小角の斜入射光学系を使用せざるを得ないことが原因であり、解像度の向上には基板を厚く、高効率の実現には基板を薄くするという相矛盾した要求がある。この点、光学顕微鏡と大きく異なり、高解像度タイプ，高効率タイプそれぞれに研究・開発されている。
【０００３】
たとえば、ガラス基板を用いた従来型のＸ線望遠鏡では、非常に厚い基板を研磨することにより集光効率を犠牲にして高解像度に特化したデザインが採用されている。しかし、高精度ガラス基板の大量生産は工業的に不可能である。仮に薄型基板を作製できても、高効率型Ｘ線望遠鏡で用いられているような１０００枚を超える基板の工業的レベルでの製造には不向きである。たとえば、一般に実用化されているプレス成形ではＸ線望遠鏡に必要な基板の形状精度が得られず、電気炉内に配置した曲面状金型に載せたガラス板を自重で成形する軟化曲げでは量産効果が得られない。
【０００４】
高解像度，高効率を共に満足させるためには、薄板基板で高い形状精度を達成する必要があり、レプリカ法が一部で採用されている（非特許文献１）。レプリカ法では、斜入射光学系の反射鏡面形状の反転形状をもつ母型を使用する。反射鏡物質を薄膜として母型表面に成膜し、当該薄膜に反射鏡基板を接着した後、薄膜ごと母型から離型する型取りによって目標形状の反射鏡が得られる。厚みの制約がない母型が精密加工可能なため、型取りによって精密な鏡面形状が薄板基板に転写される。
【非特許文献１】Yang Soong at al. "Recent advance in segmented thin-foil X-ray optics", Proc. SPIE Vol. 4496 (2002. 1), pp. 54-61
【０００５】
レプリカ法は、工数が多く複雑な生産プロセスを経ることが欠点である。母型ひとつをとってみても、精密加工にコストがかかり、製作に長時間を要する。２００種類にも及ぶ曲率が異なる反射鏡を組み込むＸ線望遠鏡にレプリカ法を適用する場合、反射鏡それぞれの曲率に対応する曲面形状をもつ母型が多数必要になる。また、従来のレプリカ法では厚み：０.２ｍｍ程度のアルミ箔が反射鏡基材に使用されており、母型から離型した後での形状保持能力が低い。このようなことから、レプリカ法による反射鏡は、集光能力を満足するものの結像性能が極めて低い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｘ線望遠鏡用反射鏡の理想的性能は、結像性能，集光能力の何れも高いことである。結像性能，集光能力の両者を満足させるためには、斜入射光学系に適した非常に薄い回転放物面，回転双曲面等の反射鏡基板形状にガラスを成形し、開口面積を最大限利用できるように多層型に可能な限り多くの反射鏡を収納することが求められる。ロケット等の航空宇宙機器に搭載する用途では、総重量の軽減，コストの低減も大きな課題である。
【０００７】
ガラス板は、形状保持能力が高く、高結像性能を達成する上で好適な基板材料である。研磨加工を必要としない程度に平滑な表面をガラス板がもつことから、レプリカ法を不要とし工程の短縮も期待できる。そのため、膨大な数の母型を使用せずに反射鏡基板の作製が可能になると、安価に且つ迅速に様々な形状の反射鏡が製造される。
本発明は、ガラス板のもつ特性に着目し、粘性流動を起こさない擬塑性領域でガラス板を曲げ加工することにより、形状精度の良好な反射鏡基板を簡便且つ安価に製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、端面が直角に整形された複数枚の薄板を重ね合わせた集合下型の頂面で目標形状に対応する曲面状プロフィールを区画し、被加工材のガラス板を集合下型に載せ、端面が直角に整形された複数枚の薄板を相互摺動可能に重ね合わせた集合上型を集合下型上のガラス板に対向配置し、粘性流動が実質的に生じない擬塑性領域にガラス板を加熱した後、集合上型を降下させ、集合下型の頂点から両側に向けて集合上型の薄板をガラス板に順次押し付けることにより、集合下型の曲面状プロフィールをガラス板に転写することを特徴とする。成形に際し、ガラスの粘性が１０6〜１０7.5ポアズの範囲に維持される擬塑性領域にガラス板を加熱することが好ましい。
【０００９】
曲げ加工装置は、集合下型の上にセットされたガラス板に集合上型を押し付け、集合下型の頂面で区画される曲面状プロフィールをガラス板に転写する。集合下型は、目標形状に対応する曲面をもつ基本曲ゲージに立設配置され、端面が直角に整形された複数枚の薄板を重ね合わせてクランプすることにより組み立てられている。集合上型は、端面が直角に整形された複数枚の薄板を重ね合わせ、上下方向の移動を可能にしてクランプすることにより組み立てられている。集合上型を構成する薄板の幅方向移動は、薄板の両縁に形成された矩形状切欠きにビームを嵌め込み、或いは薄板に形成した上下方向に延びる長孔にガイドロッドを挿通することにより規制される。
【発明の効果】
【００１０】
従来の曲げ加工では、高温加熱したガラス板の粘性流動を利用して金型プロフィールを倣った形状に成形しているが、粘性流動に起因する板厚変動や形状変化が避けられず、得られた成形品の面精度が低くなる。これに対し、本発明では、実質的に粘性流動が生じない擬塑性領域でガラス板を曲げ加工している。しかも、多数の接触点で加工中のガラス板に金型が接触するため、局部的に大きな加工圧がガラス板に加わることもない。そのため、板厚変動，形状変化，圧痕等の欠陥がない目標形状にガラス板が精度良く加工される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明で使用される曲げ加工装置は、機枠１０から起立する支柱１１の途中に加熱炉１２を架設し、炉内雰囲気を制御する温度制御盤１３を付設している（図１）。支柱１１から伸びたアーム１１aで支持されるガイドロッド１１bを昇降させることにより、加熱炉１２の扉１２aが開閉される。機枠１０には治具昇降ハンドル１５を介して下型治具２０が下部に、治具昇降ハンドル１６を介して上型治具３０が上部に組み込まれている。
【００１２】
下型治具２０は、上端面が直角に成形された複数枚の金属薄板２１1，２１2.......２１nを相互に面接触させて組み合わせた集合下型２１をもち、各金属薄板２１1，２１2.......２１nが基本曲ゲージ２２に起立配置されている（図２）。同一高さの金属薄板２１1，２１2.......２１nで構成された集合下型２１では、基本曲ゲージ２２の曲面形状が反映された金属薄板２１1，２１2.......２１nの上端面で目標とする曲面状プロフィールが区画される。したがって、端縁が種々の曲面形状に整形された基本曲ゲージ２２を用意しておくだけで済み、従来のような母型を多数必要とすることなく、目標の曲面状プロフィールを頂面で区画する集合下型２１が得られる。
【００１３】
集合下型２１の構成要素である金属薄板２１1，２１2.......２１nは、相互の位置関係にズレが生じないように両側から固定具２３R，２３Lでクランプされている。基本曲ゲージ２２に一対の板材を使用できるが、ガラス板Ｇの曲げ加工中に加えられる加工圧力に抗する剛性が確保される板厚をもつことが好ましい。板材を基本曲ゲージ２２に使用する場合、所定の曲面状端縁を上にし、金属薄板２１1，２１2.......２１nの幅方向両端近傍に基本曲ゲージ２２を立てる。
【００１４】
上型治具３０も、下型治具２０と同様に複数の金属薄板３１1，３１2.......３１nで構成された集合上型３１をもつ（図３）。各金属薄板３１1，３１2.......３１nは、両側縁に矩形状切欠き３１a，３１bが形成され、必要に応じ下縁の一部を切り欠いて成形空間３１cとしている。矩形状切欠き３１a，３１bそれぞれにビーム３３が嵌まり込み、金属薄板３１1，３１2.......３１nの前後方向移動が規制される。
【００１５】
集合上型３１を構成する金属薄板３１1，３１2.......３１nの矩形状切欠き３１a，３１bにビーム３３を嵌め込み、ビーム３３の両端を端板３４R，３４Lに固定することにより金属薄板３１1，３１2.......３１nを相互に連結した。端板３４R，３４Lをエアシリンダ３５で加圧することにより、金属薄板３１1，３１2.......３１nがクランプされる（図４）。エアシリンダ３５で加える加圧力を適度に調整すると、個々の金属薄板３１1，３１2.......３１nは、クランプ状態を維持しながら上下動可能になる。
【００１６】
集合上型３１は、ビーム３３に結合される吊り具３６を介して昇降軸３７に装着され、所定のプログラムに従って昇降動作する。金属薄板３１1，３１2.......３１nの幅方向移動を規制して個別に昇降動作させる機構としては、矩形状切欠き３１a，３１bにビーム３３を装着することに代え、上下方向に長い長孔を金属薄板３１1，３１2.......３１nに穿設し、該長孔に挿通したガイドロッドに沿って金属薄板３１1，３１2.......３１nを昇降させる方式も採用可能である。
【００１７】
ガラス板Ｇの成形に際しては、所定の曲面形状をもつ基本曲ゲージ２２に載せ、金属薄板２１1，２１2.......２１nの上端面で曲面状プロフィールを区画した集合下型２１の頂面にガラス板Ｇをセットする（図５）。集合上型３１は、吊り具３６で吊り下げてガラス板Ｇに対向配置する。治具昇降ハンドル１５で集合下型２１を上昇させ、集合上型３１と共に加熱炉１２（図１）に挿入し、ガラスの粘性流動がない擬塑性領域の温度に炉温を調節する。ガラス板Ｇが擬塑性領域まで昇温した時点で昇降軸３７を操作して集合上型３１の下端面をガラス板Ｇに押し付ける。ここで、ガラス板Ｇを取り囲む形状をもち、ガラス板Ｇより若干厚い高さゲージ２４を集合下型２１の頂面に配置しておくと、降下する集合上型３１で過度の接触圧がガラス板Ｇに加わることが防止される。
【００１８】
擬塑性領域は、実質的な粘性流動を示すことなく加工圧に応じて塑性的にガラス板Ｇが変形する領域を意味し、ガラス組成によっても異なるが温度幅が初期設定温度±５℃以内の極狭い領域である。ガラスの粘性によっても擬塑性領域を表すことができ、粘性が１０6〜１０7.5ポアズにある温度域を擬塑性領域という。擬塑性領域での加工であるため、粘性流動に起因する板厚変動や変形等の欠陥発生がなく、集合下型２１の頂面で区画される曲面状プロフィールがガラス板Ｇに精度良く転写される。この点、従来のガラス加工では、粘性流動が生じる温度幅の広い領域に加熱したガラス材料を加工しているので、加工中の粘性流動が避けられず、板厚変動，変形等の欠陥が発生しやすく面精度も低下する。
【００１９】
擬塑性領域にあるガラス板Ｇに向けて集合上型３１を徐々に降下させると、集合下型２１の頂点に当たる集合上型３１の金属薄板３１iがガラス板Ｇに接触する。更に集合上型３１を降下させると、各金属薄板３１1，３１2.......３１nが相互に摺動可能になっているので、集合下型２１の頂点から両側に当たる個所にある金属薄板３１i-1，３１i+1，３１i-2，３１i+2.......がガラス板Ｇに順次接触する。
【００２０】
上接触点Ｐu，下接触点Ｐdで加工圧がガラス板Ｇに加えられ、集合下型２１の曲面状プロフィールを倣った形状にガラス板Ｇが曲げ加工される。接触点Ｐu，Ｐdの隣接間距離は金属薄板２１1，２１2.......２１n，金属薄板３１1，３１2.......３１nの板厚により定まるが、隣接間距離を十分小さく設定することにより、局部的な応力集中，ひいてはガラス板Ｇの破損が避けられ、精度良くガラス板Ｇが目標形状に加工される。また、多数の接触点Ｐu，Ｐdでガラス板Ｇが加圧されるため、個々の接触点Ｐu，Ｐd当りの加圧力を小さく設定でき、ガラス板Ｇに圧痕等の欠陥が導入されない。
【００２１】
加工後に集合上型３１を上昇させガラス板Ｇを炉内保持すると、加工によって導入された歪が除去される。炉温が設定値を下回った段階で、成形後のガラス板Ｇを加熱炉１２から取り出す。成形されたガラス板Ｇは、粘性流動に起因する板厚変動，変形や過剰な加工圧印加に起因する圧痕がなく、加工前のガラス板と同等な面精度を維持しているので高品質の反射鏡基材として使用される。
【００２２】
作製された反射鏡基板は、基本的に変形しないガラスを素材とし、反射面の理想形状に成形されるため、高い結像性能，集光能力の双方を満足する反射鏡が得られる。具体的には、反射鏡面となる金属膜，多層膜等を反射鏡基板に成膜すると反射鏡が得られる。また、反射鏡基板の表面が極めて平滑であるので、反射面の基板に直接使用することも可能である。或いは、別の平滑な母型に成膜した反射面を反射鏡基板に接着した後、反射面を剥がし取ることによっても反射鏡面が得られる。この方法では、Ｘ線の散乱原因となるミクロンスケールの微小な凹凸がない平滑度が母型で得られるので、基板側には大きなスケールの形状精度だけを基板側で満足させればよいことが長所である。
作製された反射鏡基板は、Ｘ線望遠鏡以外にも、たとえば精密で変形しにくい光学系の基板，複雑な形状をもつ車両用ウインドガラス，液晶表示パネルのカバーガラス等にも使用される。
【実施例】
【００２３】
長さ：１４０ｍｍ，幅：８０ｍｍ，板厚：１.０ｍｍの耐熱鋼板から集合金型２１の金属薄板２１1，２１2.......２１nを、長さ：１５５ｍｍ，幅：９５ｍｍ，板厚：１.０ｍｍの耐熱鋼板から集合上型３１の金属薄板３１1，３１2.......３１nを作製した。集合上型３１用の金属薄板３１1，３１2.......３１nでは、長さ：５０ｍｍ，幅：１０ｍｍの矩形状切欠き３１a，３１bを両縁に形成した。
基本曲ゲージ２２としては、中心角：１２０度，半径：７５ｍｍの部分円柱状の曲面を縁部に形成した板厚：２ｍｍの耐熱鋼板を２枚用意した。
【００２４】
一対の基本曲ゲージ２２を相互に１４０ｍｍ離して、曲面が形成された縁部（頂面）を上にして起立させた。両基本曲ゲージ２２に１２３枚の金属薄板２１1，２１2.......２１nを跨らせ、相互に重なり合った状態で起立配置させた。そして、金属薄板２１1，２１2.......２１nを固定具２３R，２３Lで挟んで加圧することにより合計厚み：１２３ｍｍの集合下型２１を組み立てた。集合下型２１の頂面は、基本曲ゲージ２２の曲面形状を正確に倣った曲面状プロフィールになっていた。
【００２５】
集合上型３１は、１２３枚の金属薄板３１1，３１2.......３１nを端板３４R，３４Lで挟み、個々の金属薄板３１1，３１2.......３１nが相互に摺動できる程度の加圧力を加えることにより組み立てた。金属薄板３１1，３１2.......３１nの矩形状切欠き３１a，３１bにビーム３３を嵌め合わせて前後方向の移動を規制した状態で集合上型３１を吊り具３６に装着した。
【００２６】
被加工材には、板厚：０.３ｍｍ，長さ：１００ｍｍ，幅：１５０ｍｍのホウケイ酸質のガラス板Ｇを用いた。ガラス板Ｇを集合下型２１の上に配置し、ガラス板Ｇから集合上型３１を上方に離した状態で全体を加熱炉１２に装入した。炉中のガラス板Ｇが６００℃に昇温した時点で、昇降軸３７を降下させて集合上型３１をガラス板Ｇに押し付けた。炉温は、６００℃±５℃の範囲に維持されるように温度制御盤１３で管理した。６００℃±５℃の温度域では、ガラス板Ｇの粘性が１０6〜１０7.5ポアズの範囲にあり、ガラスの粘性流動が実質的に生じない。
【００２７】
集合上型３１の降下に伴い、金属薄板３１1，３１2.......３１nの下端面がガラス板Ｇに順次押し付けられ、集合下型２１の頂点から両側に向かう方向に従ってガラス板Ｇの中央部から加工が開始された。加工開始から５分経過した時点で全ての金属薄板３１1，３１2.......３１nがガラス板Ｇに押し当てられ、加工が完了した。加工完了後、集合上型３１を上昇させ、加工後のガラス板Ｇを１８０分間炉中保持した。炉温が６０℃まで下がった段階でガラス板Ｇを加熱炉１２から取り出した。
成形されたガラス板Ｇは、集合下型２１の頂面で区画される曲面状プロフィールを正確に倣った部分円筒状曲面をもち、粘性流動に起因する板厚変動，変形や集合金型２１，３１の圧痕が検出されず面精度の高い平滑面を呈していた。
【００２８】
次いで、非接触三次元形状測定装置（三鷹光器株式会社製NH-3）を用いてガラス板Ｇを形状測定した。形状測定では、二次元方向に水平移動可能なステージにガラス板Ｇを載せ、顕微鏡内から対物レンズを経たレーザ光で照射した。ガラス板Ｇで反射したレーザ光を対物レンズを経て顕微鏡の鏡筒に送り、顕微鏡内のＡＦセンサーに結像させた。結像のボケ（換言すれば、焦点のズレ）をＡＦセンサーで測定し、焦点が合うようにガラス板Ｇから対物レンズまでの距離を調整し、焦点が一致したときの高さを当該測定個所の高さとして記録した。
【００２９】
ステージを二次元方向に移動させながら測定個所を変えて測定を繰り返すことにより、ガラス板Ｇの二次元方向の形状が判る。ピッチ：０.１ｍｍの測定点１００箇所にスポット径：１.５μｍで波長：６３３ｎｍのレーザ光を照射し、ガラス板Ｇの二次元形状を測定した結果を図７に示す。
図７の調査結果にみられるように、本発明に従って作製されたガラス基板では、基板表面の法線揺らぎが３秒角以内の極狭い範囲に収まっていた。他方、自重を利用した粘性流動で曲面形状に成形したガラス基板では、法線揺らぎが１０秒角以上と低い面精度を示した（図８）。法線揺らぎは解像度を決める主要因であることから、当該ガラス基板を用いた反射鏡を組み込んだ望遠鏡の結像性能が格段に改善されることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に従った曲げ加工装置の全体斜視図
【図２】基本曲ゲージと組み合わせた集合下型の斜視図
【図３】集合上型の分解斜視図
【図４】吊り具に吊り下げた集合上型の側面図
【図５】ガラス板が加工される前の位置関係を示す説明図
【図６】ガラス板が曲げ加工される過程を示す説明図
【図７】本発明に従って作製されたガラス基板の面精度が高いことを表したグラフ
【図８】従来法で作製されたガラス基板の面精度が低いことを表したグラフ
【符号の説明】
【００３１】
１０：機枠    １１：支柱    １１a：アーム    １１b：ガイドロッド    １２：加熱炉    １２a：扉    １５，１６：治具昇降ハンドル
２０：下型治具    ２１：集合下型    ２１1，２１2.......２１n：金属薄板    ２２：基本曲ゲージ    ２３：固定具    ２４：高さゲージ
３０：上型治具    ３１：集合上型    ３１1，３１2.......３１n：金属薄板    ３１a，３１b：矩形状切欠き    ３１c：成形空間    ３２：上型支持具    ３３：ビーム    ３４R，３４L：端板    ３５：エアシリンダ    ３６：吊り具    ３７：昇降軸
Ｇ：ガラス板    Ｐu，Ｐd：接触点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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