X 線望遠鏡用薄肉一体型反射ミラーの開発○鳥居 龍晴 A)，松下 幸司 A)，青山 正樹 B)，増田 忠志 A)，
A)

教育・研究技術支援室 装置開発技術系
B)

分子科学研究所 装置開発室

概要
宇宙が発する X 線を集光させ、撮像すること回転放物面の円錐近似

回転双曲面の円錐近似

により銀河の生成、進化の過程を解明する研究が検出器口径行われており、その観測装置に X 線望遠鏡が用いられている。X 線は可視光のおよそ千分の一波

光軸
Ｘ線焦点面長であるため、X 線望遠鏡には図 1 に示したような高い反射率が得られる極端な斜入射型反射光学系が用いられる。この光学系は、若干のテーパ

焦点距離

図１

斜入射型反射光学系の概念図ーを有する円筒形状のアルミ製反射ミラー（肉厚ｔ0.15～0.3 mm）を同心円状に設置させ、1/3 円周に分割したものをアライメントバーで高精度に配置することでテーパー円筒に構成される。このアライメントバーの数量が望遠鏡の開口率（集光効率）に影響するため、分割ミラーから一体型のミラーにすることでアライメントバーの数量を減少でき、集光効率の向上と望遠鏡全体の軽量化が可能となる。
我々は、現在の衛星搭載用 X 線望遠鏡のミラーと比べて、開口率が高く軽量化がはかれる一体型の反射ミラーの開発を行っている。試作したミラーは、外径φ150mm、長さ 160mm、肉厚ｔ0.3mm の非常に薄肉の 4段テーパーを有する円筒形状である。今回、このような薄肉円筒形状をしたミラーの試作において、いくつかの方法とそれらの加工精度について報告する。

1一体型反射ミラーの形状と要求精度

今回試作した一体型反射ミラーは、図 2-(a)に示すような外径φ154 mm、長さ 150 mm、肉厚ｔ0.2 及び 0.3 mm の 2 段テーパーと図 2-(b)に示す外径φ180 mm、長さ 160 mm、肉厚ｔ0.3 mm の 4 段テーパーを有する非常に薄肉の円筒形状である。それらの加工精度として、母線の直線性を±10 μｍ以(a) 2 段テーパー下（テーパー部の一段当たり）にすることが要求された。

図２2(b) 4 段テーパー

一体型反射ミラーの形状

試作方法とその形状精度

このような薄肉円筒形状のミラー製作では、これまで、分子科学研究所において電子ビーム溶接を用いて直径φ60 mm（1/2.5 モデル）、ｔ0.2 mm の開発１）が行われており、また、NASA では接着剤で固定する方法で開発を行っている。
我々は、このような薄肉円筒形状のミラー製作をヘラ絞り加工や素材から切削加工する方法で試作を行った。

2.1

ヘラ絞り加工とその修正加工法による試作とその形状精度

ヘラ絞り加工とは、金属素材を治具などに固定し、それを回転させながらローラーやヘラを押し当てて塑性変形させ、徐々に金型に近づけて成形する加工方法である。このヘラ絞り加工後に修正加工を行うことで高精度なミラーの開発が可能と考えた。
図 3 には、図 2 に示した 2 段テーパー形状のミラーを肉厚 t0.8 mm のアルミ材料（A1100）からヘラ絞り加工したミラーの真円度を、図 4 に母線の直線性を示した。ヘラ絞り加工後の精度は、真円度が 1 mm 程度、母線の直線性が±0.1 mm、肉厚が 0.4 から 0.7 mm の不均一であったため、以下の修正方法での試作を行った。

直線性の誤差（ ）0.50.40.30.20.1 00-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5

中間部
501015mm

大径側から15mm の位置

軸方向の位置（ｍｍ）

大径側

中間部

小 径側

小径側から15mm の位置

図 4 へら絞り加工後の母線の直図 3 へら絞り加工後の真円度（材質：A1100、板厚 t 0.8mm）（Ａ）分割型金型による切削加工とその形状精度

分割治具

ヘラ絞り加工後の形状精度は非常に悪いため、図 5 に示したような分割型金型を用いた切削による修正加工を試みた。図 6 に外周面を切削で修正後のミラーの真円度（0.2 mm）を、図 7 に母線の直線性（±0.05 mm）を示した。修正加工したことにより、真円度は 1/5、直線性は 1/2 程度に精度が向上した。しかし、精度をさらに向上さ

バイト

ミラー

図 5 分割型金型によるヘラ絞り
加工後の修正加工法

せるには外周面のみではなく内周面も切削加工する必要がある。

0.40.30.20.1
00-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5

中間部

100150軸方向の位置（ｍｍ）

大径側

直線性の誤差（ ）

0.5

50mm

中間部

大径側から15mm の位置

図 6 切削で修正後のミラーの真円度

小 径側

小径側から15mm の位置

図 7 切削で修正後のミラーの母線の直線性（Ｂ）ワックス固定法による切削加工とその形状精度
外周面のみの切削では形状精度が悪いため、内周面の加工も可能なワックス固定法を試みた。ヘラ絞り加工後のミラーの両端を低融点（50～80℃）のワックスで固定して切削加工する方法を図 8 に示した。この方法ではミラーと治具が中央部では接していないため、肉厚が薄くなると変形しやすくなるため、ミラーと外側治具の隙間にワックスや砥粒などを詰めて加工する方法で試作を行った。はじめに低融点のワックスをミラーと外側治具の隙間に溶融させて注入したが、ワックスが冷却し固化する際にワックスの収縮によりミラーが円周方向に 1 mm 以上の変形が生じてしまった。次に水を注入して加工を行ったが水漏れが生じやすかったため、最終的には研磨材（カーボランダム）を詰めて加工を行った。この方法で加工したのミラー（t0.4mm）の母線の直線性は±0.02 mm 程度の精度と非常に良好であった。写真 1 にミラーの肉厚を 0.4 mm まで加工した時に、切削時の振動によりミラーとフランジの一部が剥がれたため偏心してしまった加工例を示した。
Aミラー

外側治具BA

内側治具

B

ミラー

バイト

バイト

A、B：ワックスによる接着固定

加工時のビビリ防止のため研磨材を挿入（1）ミラー外周部の加工（2）ミラー内周部の加工

図 8 簡易治具によるワックス固定法
2.2

写真 1 ワックス固定の一部が剥がれ、ミラー偏心による加工例

分割外側治具加工法とその結果ヘラ絞り加工後に切削で修正加工したミラーの形状精度をさらに良くするため、素材から切削加工する方法を試みた。この方法は、量産には不向きであるが加工精度の高いミラーの加工が可能と考えた。この方法
では、図 9 のような内側治具加工法と図 10 のような外側治具加工法の 2 つの方法があり、分割した外側治具を用いた加工法（分割外治具加工法）では、内側治具加工法に比べ以下の利点がある。
（１）分割型治具にすることで加工後にミラーと治具が容易に分離できる。
（２）ミラー内側（X 線反射面側）の加工が最後のため、必要とする内面にキズが残らない。
（３）加工時の熱によるミラーの膨張にて摩擦力が増える方向に働くため、ミラーのすべりが生じにくい。

中ぐりバイトバイト（１）ミラー内周の加工を行う。

（２）ミラー外周の加工を行う。

図 9 内側治具加工法の加工手順
分割方向

バイト
（１）ミラー外周の加工を行う。

中ぐりバイト(2)ミラー内周の加工を行う。

図 10 分割外側治具加工法の加工手順

上記理由により、図 10 に示した分割外治具加工法で 2 段及び 4 段テーパーミラーを汎用 NC 旋盤（LN-32：テクノワシノ社製）及び超精密旋盤（UPL-1：理研製鋼社製）で試作加工を行った。この方法での加工手順
は①図 10-(1)のように肉厚が 10 mm 程度のアルミニウム円筒形状からミラー外周部を仕上げ加工する。②肉厚が 3 mm 程度まで内周部を加工する。③図 10-(2)のようにミラーを分割外側治具に挿入して必要な肉厚まで加工する。写真 2、3 に最終仕上げ加工に超精密旋盤（UPL-1：理研製鋼社製）を用いた加工法を示した。

写真 2

超精密旋盤（UPL-1：理研製鋼社製）
によるミラー外周加工

写真 3 超精密旋盤（UPL-1：理研製鋼社製）
によるミラー内周加工

試作したミラーの肉厚の違いによる加工精度を表 1 に、また、加工機の違いによる加工精度を表 2 に示した。表 1 より肉厚が t0.3 mm では母線の直線性の精度が要求精度以下の±8μm で加工できたが、t0.2 mm のものは±12μm であった。また、表 2 より超精密旋盤を用いた外側分割治具による 4 段ミラー（最大直径φ180、長さ L=160 mm、t0.3）の加工精度は、母線の直線性が 4 段共に±4 μm / 40 mm 以下であり非常に高精度なミラーが開発できた。尚、写真 4、5 に試作加工した一体型薄肉ミラーを示した。
表 2 加工機の違いによる加工精度

表 1 ミラーの肉厚と加工精度
番号

2-1

加工機

2-2LN-32

番号4-14-2

加工機

LN-32

UPL-1

テーパー段数2

テーパー段数4

最大直径（mm）

154

最大直径（mm）

180

最小直径（mm）

137

最小直径（mm）

160

長さ（mm）

150

長さ（mm）

160

肉厚（mm）

0.3

肉厚（mm）
母線直線性（um）
真円度（um）

0.32

0.21

± 8 / 75 mm±12 / 75 mm

230－

母線直線性（um）
真円度（um）± 5 / 40 mm±3.4 / 40 mm

810

160

写真 4 分割外側治具加工法で試作したミラーテーパー２段（加工機：LN-32）（直径φ154 mm、長さ L150 mm、肉厚 t0.2 mm）

3

写真 5 分割外側治具加工法で試作したミラーテーパー４段（加工機：UPL-1）（直径φ180 mm、長さ L160 mm、肉厚 t0.3 mm）

おわりに薄肉円筒形状のミラーの試作加工により、ワックス固定法においても±20 μm 程度の精度で加工できた。
また、超精密旋盤を用いた分割外側治具加工法では、母線の直線性が±4 μm 以下の高精度なミラーを試作することができた。この方法では、今回試作した他の方法と比べ、加工後にミラーを治具からスムーズに取り外しできることがわかったが非常に薄肉のミラーのため注意を要する。また、超精密旋盤は汎用 NC 旋盤と比べ駆動精度が非常に良好のため、ミラーの加工精度誤差が 1/10 程度となることを期待したが若干の向上に留まった。今後、加工法を工夫しさらに精度の向上を目指す予定である。

参考文献
[1]

近藤、鈴井：電子ビーム溶接法によるアルミ製薄肉テーパ円筒の製作、Annual Report2008、分子科学研
究所装置開発室、21-23、2009.