From TSUKUBA

研究のまち・つくばから「インフォメーション」（協力：つくば市OB人材活動支援デスク）

すばる望遠鏡の主鏡を支える
日本生まれの音叉振動式力センサ
ティエムラボ照沼

代表孝造

1．すばる望遠鏡

ハワイ島マウナケア山頂で、138 億光年という彼方にある宇宙を観測する国立天文台「すばる望遠鏡」による天体観測が始まってから、既に 20 年以上が過ぎましたが、次々に新しい発見をもたらし、数々の成果を上げ続けています。

◆経 歴◆1974 年：新光電子株式会社入社。計量計測機器の開発に従事
1983 年：音叉振動式電子天びん開発
1986～1994 年：すばる望遠鏡用音叉振動式力センサの開発
1986 年～：本質安全防爆構造電子天びんの開発。真空質量測定装置の開発。貨物質量寸法計測機の開発。
1986～2016 年：防爆機器工作責任者。
2020 年 3 月：同社退職
2020 年 4 月：ティエムラボ創業

府内の建屋跡地には、現在、関西で有名なテーマパークが建設されています。

2．主鏡の鏡面形状補正

すばる望遠鏡の一枚鏡の反射鏡は、外形Φ8.3ｍ（有効口径Φ8.2m）で厚さは20cmしかなく、しかも重 さ は 22.8ト ン も あ り ま す。 更 に 裏 面 に は Φ
15cm、 深 さ15cm程 度 の 穴 が 264 個 も 空 い ており、そのままでは自重で変形（ひずみ）だけでなく、破損の危険性がありました。
そこで、この穴に261本の指（支持機構）を取り付け、主鏡の自重を支えるとともに、主鏡が理想的な形状になるよう、指（支持機構）の微小な“力”で微妙な変形（ひずみ）の補正（制御）を行いました。

■図 1 ハワイ島マウナケア山頂にある「すばる望遠鏡」（2000 年 2 月、筆者撮影）

203 点の固定点を含め、264 点で保持されています。
“理想的な形状”とは「主鏡の鏡面精度を12nmすばる望遠鏡の建設計画は、1980 年代半ばから（ナノメートル）に保つこと」です。これは、東京都具体的な技術検討が始まり、1991 年から正式にの面積をたった 0.5mmで平らに保つ精度に匹敵スタートしました。完成までに数多くの最先端します。

技術が導入されましたが、最大の課題は、厚さ

天体望遠鏡は、天頂（真上）から水平線（真横）まで20cm、直径 8mを超える一枚鏡の反射鏡（主鏡）動きます。主鏡面に対して、水平方向は単純にの製作と、主鏡を“理想的な形状”に保つためのてこと重り（バランスウェイト）を使い、てこの支点高精度な力センサの開発でした。

を中心に水平方向の変形を重りで補正しています。

主鏡の製作は米国のメーカが行い、力センサ（音叉一方、垂直方向は、指（支持機構）が発生する振動式力センサ）は、筆者が在籍していた日本の“力”で保持しながら、変形（ひずみ）を補正して理想

中 小 企 業 が 開 発 し まし た。 力 セ ン サ の 開 発 は的な形 状にします。この時の補正の正確さは、1986 年から始まり、1994 年に終了しました。

力センサの性能で決まります。

主鏡の反射鏡は、米国で 8 年間をかけて製作後、261 本の指には、「それぞれに力を発生させる

1998 年ハワイ島に運ばれ、1999 年「すばる望遠機構」と「発生した力を計測する力センサ」が組み鏡」が完成しました。

込まれています。

また、主鏡以外の望遠鏡本体の装置類も1995

主鏡を理想的な形状にするためは、保持に必要な年までに完成し、国内で仮組と各種テストを経て力、約 900N（90kg）を計測しながら、形状を補正ハワイ島に運ばれました。仮組に利用された大阪する力を 0.01N（1g）の正確さで計測する必要が

筑波経済月報2021年 3 月号

つくばから「インフォメーション」
あり、この力を計測処理を行い計測した“力”へと変換されます。周波数

す る た め に「 音 叉=力の分解能は、１秒間に換算すると 300 万分の振動式力センサ」が1 以上あり、主鏡制御（ひずみ補正）の 50msecの使われます。

時間でも15 万分の1（=0.01N）
以上が得られます。

従来、力計測には、音叉振動式力センサは、形状と材料で特性がロードセルをはじめ決まり、シンプルで、時間による変化（経時変化）とする力センサやが極めて少ない力センサと言えます。

検出器が各種ありま天体望遠鏡は、日没から日出まで連続観測を行います。天体観測は、観測データの連続性がした。
しかし、様々なテストの結果、マウナ
ケ ア 山 頂、4,200mという厳しい環 境“力”（F）■図 2 すばる望遠鏡用音叉振動式力センサ©新光電子株式会社で、 日 没 か ら 日 出 ま で 連 続 計 測 で 0.01N（1g）大変重要であり、力センサや観測機器の性能劣化や異常による観測中断は避けなければなりません。
つまり、外乱の影響を受けず再現性があり、高精度、高安定で、校正や調整が不要な故障しない力センサが要求されます。

/1,500N（150kg）の性能を唯一実現できたのは、すばる望遠鏡が稼働してから、観測途中に力新光電子株式会社で開発された「音叉振動式力センサの校正、調整が必要になったことはなく、センサ」だけでした。

試験期間を含めて 25 年間以上、故障や不具合も

3．音叉振動式力センサ発生しておらず、信頼性の高い力センサと言えます。
力センサに限らず、多くのセンサ類は欧米で音叉振動式力センサは、音楽で調音に使われる開発されています。しかし、音叉振動式力センサは、音叉形状の振動子を上下につなぎ合わせ、力を加え日本で生まれた数少ないオリジナルの力センサのられる構造になっています。

ひとつです。

あらかじめ振動している音叉振動子に“力”が加わると、振動数が変わります。この振動数の変化を利用して、加わる“力”を正確に測ることができるのが、力センサです。

4．終わりにすばる望遠鏡には、大変高度で複雑な当時の最先端技術を多数導入して開発され、現在でもバージョンアップされ続けています。
しかしよく見ると、それぞれ高度な最先端技術ではありますが、「天体観測」という目的のための原理原則に則った、実にシンプルなものであり、時間が経過しても色あせない基本的な技術です。
元々、天体望遠鏡が 50 年、100 年と使い続け音叉振動子：加える力によって、振動数＝周波数が変わる■図 3 音叉振動式センサの原理図（筆者作成）られることから、いたってシンプルな構造にしているからかもしれません。
筆 者 は、観 測 が 始まった 2000 年 に ハワイ島

音叉振動子の振動数、すなわち周波数は、音叉マウナケア山頂のすばる望遠鏡を見学する機会に振動子の形状と材料の特性によって決まります。

恵まれました。足 元に雲 海 が 広 がる 4,200mの一度形状と材料が決まれば、形状や材料の特性は山頂にそびえ立つ天文台ドーム、望遠鏡本体や変化せず、安定した周波数が得られるため、正確各種の装置は、大変素晴らしいものでした。

な“力”が計測できます。

当時は出来たばかりでしたが、現在はホーム

音叉振動子の大きさは、概略で 20x7x3（mm）、ページで大変素晴らしい成果や望遠鏡の解説を

材料は特殊な恒弾性材料（バネ材）を使用してい見ることが出来ます。また、現地には見学ツアーます。加工は専用の放電加工機で行います。

もあるようです。ご興味のある方は一度見学される

振動数は周波数の変化として、コンピュータことをお勧めします。

■このコーナーは、つくば市が２００８年度から推進している「つくば市ＯＢ人材活動支援事業」に登録されている研究者・教育者の方々より寄稿を受けて作成しています。現役を一旦引退されてもいつまでも社会発展の牽引力となってご活躍をされている方々の研究実績や業務経験の一端をご紹介させていただくものです。

2021年 3 月号

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