JPS63103204A - 熱膨張係数の異なつた２つの物体を結合する装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、熱膨張係数の異なった２つの物体を、熱によ
って生ぜしめられる応力に基づく強制力を最小にすべく
結合する装置並びに、このような装置における固定点を
規定する方法に関する。

従来の技術 熱によって生ぜしぬられる応力を最小にすることが望ま
れている、熱膨張係数の異なった２つの物体を固定する
従来公知の装置は、大部分は、剛性の結合を保証する半
径方向可撓性の結合部材を使用して℃・る。ＥＰ−８１
−００６３０６３号明細書におけるラジオスコープに記
載されているように、この場合１つの結合点が堅く保持
されるのに対して、その他の固定点はそれぞれ半径方向
における変化を許すようになっている。この場合板ばね
の作用形式をもつ半径方向可撓性の固定部材が使用され
る。またＳＰ■Ｅの議事録（１９８０年の第２５０巻第
２４頁〜第２６頁及び１９８３年の第４５０巻第３牛頁
〜第３８頁）には、熱膨張係数の比較的小さなガラス製
錬を半径方向フレキシブルな部材を介して金属製の保持
構造体に固定することが開示されている。さらにＤＥ−
Ｃ２−３１１９２９９号明細書には弾性的な接着結合に
よる固定形式が公知である。また接着結合の代わりにフ
ランジ結合を用いることも一般的に公知である。

しかしながら今まで公知のすべての固定形式には、温度
変化時に固定点のずれによって強制力が保持体の構造物
から構成部材に伝達されるという欠点又は結合部の剛性
が極めて小さいという欠点がある。強制力が比較的小さ
い場合でも、固定すべき物体に許容できない変形が生じ
ることがあり、これによってその使用可能性がなくなっ
てしまうか又は少なくとも極めて強く制限されてしまう
ことがある。特に、固定すべき物体が、例えば面形状に
極度に高い要求つまりナノメートルの範囲にある要求が
なされる望遠鏡の鏡のような光学部材である場合には、
小さな力作用でさえも表面に確認できる変形が生じ、こ
のような変形は光学部材の使用可能性を著しく降下させ
る。

例えば宇宙探査のためのような多（の場合においては付
加的に高い剛性及び強度に対する要求がなされる。しか
しながら公知の固定方法ではこのような要求を満足に果
すことができない。

発明の課題 ゆえに本発明の課題は、十分な剛性を有しているにもか
かわらず、可能な限り小さな強制力しか固定すべき物体
に加えない、熱膨張係数の異なった２つの物体を結合す
る装置を提供することである。

課題を解決するための手段 この課題を解決するために本発明の構成では、固定すべ
き物体が変形可能な中間体を介して間接的に保持体に固
定されている。

発明の作用並びに効果 熱補償系に対する要求は、結合箇所における異なった熱
膨張係数に基づく強制力を最小に保つことにある。本発
明は次の認識、すなわち変形可能な（例えば中空円筒形
の）物体がその位置がまったく又は極めてわずかしか変
形中に変化しない点を有しているという認識に基づいて
いる。これによって次のこと、すなわち熱膨張係数が極
めて異なった２つ物体（例えば１１−１６．１０　６１
／’にの鋼又は２０−２４．１０　６１７０にのアルミ
ニウムと０．１．１０　６　１１０にのゼロジュール）
を他の材料とは異なる第３の熱膨張係数を有する材料（
例えば２．８−２．４゜１０−６１／’にのインパール
又は化学繊維強化プラスチック）製の中間体を用いて結
合することが可能になった。

Ｎ点において構成部材保持体に変形可能な中間体を固定
すること尾よって、熱角荷時には、中間体を波形に変形
させる強制力が生じる。波形に変形された物体は熱負荷
されていない例えば中空円筒形の本来の形状とそれぞれ
２Ｎ点で交差する。つまり中間体においてはその位置を
互いに変化しないＮ個の点が生ぜしめられる。

従って、中間体と構成部材の膨張特性を互いに合わせる
ことが可能である。固定形式はこれとは無関係に自由に
選択することができ（例えば鏡の場合には接着）、また
同様に中間体は円形形状を有する必要はない。この場合
中間体の材料の選択は構成部材保持体の材料に関連して
なされねばならず、これによって「０位置」つまり熱の
影響による位置変化が生じない場所が得られる。

固定形式は特に、例えば望遠鏡の鏡のような光学部材に
おいて問題である。それというのはこの場合率さな強制
力でさえも光学的に有効な面の不都合な変形を生ぜしめ
るからである。まさにこの使用例ではしばしば、固定す
べき物体を中央孔又はその縁部において保持することが
望ましい。

本発明による装置は中央孔における固定のためにも外側
における固定のためにも使用可能である。両固定形式の
ための万能な使用可能性は系の特に単純かつコン・ξク
トな構造形式によって助成される。中間体における軸の
数は自由に選択することができ、この場合保持体におけ
る変形体の固定後における同時に利用可能な固定点の数
は軸数に相当している。しかしながらまた逆に熱の影響
によって一方の物体から他方の物体に力を伝達したい場
合には、中間体を有するこの解決策は理想的な条件を提
供する。それというのは伝達力はその方向を自由に選択
することができるからである。中間体は円形である必要
はな（、特殊な形状付与によってその都度の課題に最適
に適合され得る。

本発明による固定形式の利点としては特に次のことか挙
げられる。すなわち本発明による系は、軸数ひいては結
合点の数を自由に選択可能な単純かつコン・ξクトな系
であり、しかも固定点の材料疲れ（例えば接着箇所のク
リーピング）に関しては極めて良好な長時間特性を有し
、温度による負荷のもとでも固定点は強制力から解放さ
れており、このような系は特に、熱膨張の小さな鏡体を
固定するのに適している。

保持すべき物体をその保持体に固定する前に、そのため
の固定点が中間体において規定されねばならない。これ
は割算又は光学的な方法によって行うことができる。計
算の場合には、主として中間体の幾何学形状や、熱膨張
係数、弾性度、均一性などのような材料特性並びに位置
の影響を考慮しなくてはならない。これに対象と中間体
との間の結合の特性並びに材料典型的な対象の特性が加
わり、この結果固定点間の最適な角度ψのためには多（
の要因が重要である。

しかしながら計算の可能性は複雑さと材料誤差とによっ
て正確さを制限される。最も正確な結果は例えば鏡の光
学的な変形測定によって得られる。このためにまず初め
計算によって固定点の位置が大まかに規定される。次い
でインタフェロメータを用いて、固定すべき物体が系全
体の異なった２つの温度において測定される。固定点の
ずれによって３つの点において測定が行われ、これによ
って放物線が描かれ、この場合固定点の最適な位置は放
物線頂点の近くに位置している。組立て温度並びに高い
温度ないし低い温度において固定すべき物体を測定する
ことによって、さ・らに最適化が行われる。この反復方
法を実施するための前提条件としては保持体と中間体と
の間の移動調節可能なかついつでも解離可能な結合が挙
げられる。

実施例 次に図面につき本発明の詳細な説明する。

第１図には４つの点３で保持体に固定された中間体１の
状態が冷却時（第１ａ図）と加熱時（第１ｂ図）とにお
いて示されている。熱負荷されていない状態では中間体
１は線ｌａＫよつて象徴化された円形の形状を有してい
る。中間体１よりも高い熱膨張係数を有していて中間体
１を固定している保持体の冷却時に、中間体１は固定点
３において強制力５を受け、この際に固定点３は中心点
６に向かって移動しく　ａ−＋　ｂ）、２つの結節黒牛
の間の範囲２は熱負荷されない状態１ａに比べて外方に
向かって押圧される。この結果、中間体の所与の利料は
強制力５によって生ぜしめられる直径のために十分であ
るので、ずれが生じ、これによって符号１ｂで示された
変形された形状が生ぜしめられる。中間体１は強制力を
受けていない状態ではその直径を減少するが、しかしな
がら極めて僅かである。それというのは中間体１の熱膨
張係数は保持体の熱膨張係数よりも小さいからである。

この場合この直径のために余剰の材料は押除けられねば
ならず、波の腹を形成する。変形された中間体はいまや
中間体直径ｄと固定点Ｎの数とを有する波長λ−１世の
波形を有しており、つまり中間体１には不動の波が形成
される。

波に変形された中間体１ｂは本来の形状１ａにおける中
間体と２Ｎ結節点牛において交差している。すなわち中
間体１には最高で２ＸＮの可能な固定点が、固定すべき
物体例えば天体望遠鏡の鏡のために存在し、これらの固
定点は保持体及び中間体の熱膨張係数とは無関係に中心
点６に対して一定の距離を有している。中間体における
その他すべての点は中心点６に対する距離を冷却時に大
きな値又は小さな値に変化させる。中間体１における固
定点３を中間体１に固定される物体に対して、該物体及
び中間体ｌのために固定点において冷却又は加熱時に等
しる物体に加えられることはなくなる。つまり結合部は
力の作用を受けない。

第１ｂ図に示された加熱時における状態は第１ａ図に示
された状態に相当しており、ただこの場合力及び運動方
向は逆向きの記号を有している。中間体１ａが保持体に
固定されている固定点３ａは熱による強制力８によって
外方に向かって（位置３ｃ）引張られ、２つの結節黒牛
の間の真中の範囲はカフによって中心点６に向かって動
かされる。しかしながら２つの結節黒牛の間における固
定点の移動（３ａ−＋３Ｃ）は第１ａ図に示された冷却
時のように変形された中間リングＩＣの別の補償形状を
生ぜしめる。

第２ａ図及び第２ｂ図には位置規定のために考慮すべき
その他の要因が詳しく示されている。

この場合第１ａ図及び第１ｂ図とは異なり強制力１１が
作用する固定点１２は３つしか存在しない。すなわち変
形によって、固定点として熱に関して最適に適した点１
５のある程度の回転が生じる。変形させられる中間体９
ｂと熱負荷されない中間体９ａとの間における６つの結
節点１５はそれぞれ、変形の増大時に保持体と中間体９
との間における次の固定点１２に向かって移動する。こ
の移動は確かにわずかではあるが、しかしながら、固定
点が角度忠実でなくてはならない対象では無視すると強
制力ないし問題を生ぜしめる。

保持体の強制力１１が中間体９に加えられることによっ
て中間体９は変形された状態９ｂに達する。固定点１２
はこの場合円中心点１３から離れる。この変形によって
、最適な結節点は位置１５ａから位置１５ｂに移動する
。変形前における保持体の中間体９の固定点１２ａと結
節点１５ａとの間の距離と、変形後における固定点１２
ｂと結節点１５ｂとの間の距離とは事実上等しい長さで
あり、結節点１５ｂはしかしながら変形後は以前の固定
点１２８に対して別の距離１８を有している。本来の中
間体９ａにおけるこの移動は角度χによってとらえるこ
とができ、変形されていない中間体９ａに対して一定の
円弧長さ１６に相当している。従って規定された軸方向
の回転１４は温度に依存している。この運動は２つの固
定点１２の間における各結節点１５によって実施される
ので、適当な結節点１５を使用した場合には強制力は生
じないが、しかしながら保持体及び中間体の材料を図示
のように不都合に選択した場合には、極めて大きな変形
が発生するので、小さな回転を甘受しなくてはならない
。

これに対して保持体及び中間体９のために互いに調和さ
せられた材料を使用すると、第２ｂ図に示されているよ
うな状態が生じる。この場合中間体９における固定すべ
き部材のための結節点１５は等しい箇所にとどまる。強
制力１１によって中間体９ａに生ぜしめられる中間体９
ｂの変形は、変形がちょうど、２つの固定点１２の間に
おける可能な２つの結節点１５が互いに正確に合致する
ような大きさである場合には、結節点１５の回転運動な
生ぜしめない。このことは中間体９のために適当な材料
を選択することによって達成することができる。

所与の熱膨張係数と中間体の幾何学形状と固定点の位置
正確さに必要とされるグレードとを認識すると、理想的
な固定点を計算によってかつ（又は）光学的に規定する
ことができる。この場合、変形時には円形平面における
変形だけが問題になるのではなく、中間体の幾何学形状
に関連して中間体材料の剛性による影響を受けて、中間
体平面に対して垂直な方向における変形も問題になると
いうことを考慮しなくてはならない。

これによって生じる、中間体２０における可能な固定点
２２の位置変化は第３ａ図及び第３ｂ図に示されている
ように、温度に関連して異なった運動強さの範囲を備え
た中間体２０の円形平面における運動（第１ａ図及び第
１ｂ図）と該円形平面に対して垂直な方向における運動
との組合わせである。この場合中間体２０における互い
に所属の固定点の位置だけは一定である。原則的には互
いに間隔１をおいてＮ点２２の最高２つの点の組合わせ
だけが存在し、中間体２０におけるＮ点の位置はいつで
も熱の変化によって影響されない。第３ｂ図において士
で示された範囲は、完全に規定された所与の幾何学形状
をもつ中間体２０のための計算された固定点の異なった
強さの移動（角度変化Δγ、χ）の区域を示す。中間体
２０における運動の程度は固定点２１の位置及び実施形
式に依存している。

第４図には使用例として中間体２６における変形軸の妨
げられない構成のための中間室２９を生ぜしめるために
、スペーサ２４を用いて張設された中間体２６を介して
フレーム２７に物体２８を固定する外側固定形式が示さ
れている。

フレーム２７と中間体２６との間の固定部２３はこの場
合切欠きとして構成されている。この固定形式は、熱負
荷されない状態においである程度の予変形が行われるこ
とによって、変形の成立を保証している。物体２８とス
ペーサ２牛との間の結合部２５はこの実施例では接着部
として構成されている。

第５図には保持体３６における鏡３７のための別の固定
形式が示されている。中間体３３はこの実施例において
も中間体３３の固定点３４に鏡３７を固定するためにス
被−サ３５を有している。中間体３３におけるこのス被
−サ３５は、中間体３３と鏡３７との間における変形を
成立させるための中間室３２を生ぜしめるために、必要
である。中間体３３と線３１との交点における固定点３
０の数及び中間体材料の選択後に、固定点３ｏと固定点
３４との間の角度ψは使用される成分の材料特性に基づ
いて定められる。中間体３３を固定する保持体３６の力
は中間体３３に伝達されるので、固定のためには相応に
負荷可能な結合部が使用されねばならない。鏡３７の固
定点３４において作用する力は著しく一定なままなので
、この場合すべての固定形式（例えば接着結合）のため
の理想的な状態が得られる。

第６ａ図及び第６ｂ図には天体望遠鏡の鏡３８を中間体
３９によって保持体４０に固定する固定形式が示されて
おり、この場合腕の内孔は固定のためには使用されない
。中間体３９は点４３においてねじ４１を介して保持体
牛○に固定されているので、熱膨張係数なしくこのこと
はゼロジュール製の鏡に対してはほぼ正確に言える）の
場合に鏡３８のための理想的な固定点である点４２にお
ける軸の結節部が生ぜしめられる。中間体３９の固定点
＋３はそれぞれ角度αだけずらされて位置している。固
定点（保持体と中間体との結合部）４３と固定点（中間
体と構成部材との結合部）４２との間の角度ψは必要な
温度補償によって生ぜしめられる。鏡３８の軸方向にお
ける中間体３９の可能な変形の考慮下で、鏡３８と中間
体３９との間にス被−サ５６が設けられていてもよい。

第７ａ図及び第７ｂ図には中間体５３における鏡４６の
固定点４７において熱によって生ぜしめられる強制力を
回避することを目的とした、保持体４９における中間体
５３の最適な固定点５５の光学的な位置規定の方法が示
されている。

このためにはまず初め、どれだけの固定点４７（ここで
は３つ）が選択された固定形式（ここでは接着）におい
て必要とされるかが計算によって規定される。

使用される中間体５３は例えば長孔５２のフライス加工
によっである一定の範囲４４において移動可前な固定を
許し、これらの長孔は図示の３点固定では、固定点５５
毎に士βの角度範囲における無段階式の移動を許す。こ
の±βの角度範囲は固定点５５の位置を規定するための
計算方法の不確実性に由来するものである。

中間体５３が鏡４６と、場合によっては前組立てされた
保持体（中央体４９）と堅く接着された後で、保持体４
９における中間体５３の固定点５５における不動の結合
時に鏡４６は組立て温度でかつ高められたないしは下げ
られた温度で測定される。このことは例えばインタフェ
ロメータを用いて光学的に行われることができる。観察
された変形の評価後に中間体５３における保持体４９の
固定点５５の移動が行われる。

いまや反復方法によって調整の最適化が行われ、この結
果固定点５５と固定点４７との間における最適な角度ψ
が調節され得る。ねじ５１とナツト５４とを用いた緊定
によって移動可能な固定が保証されている。変形４５を
生せしめるための空間は具体的な使用例に応じて保証さ
れねばならない。図示の実施例ではこのことは保持体４
９と中間体５３との間のス被−サ５０及び中間体５３と
鏡４６との間のスペーサ４８によって行われる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は非連続の点において固定された中間体の加熱
時における変形を概略的に示す図、第１ｂ図は第１ａ図
に示された中間体の冷却図における変形を概略的に示す
図、第２ａ図及び第２ｂ図は中間体のための材料選択の
最適化を説明するための概略図、第３ａ図は中間体の外
周面における固定点の温度による位置変化を示す斜視図
、第３ｂ図は第３ａ図に示された固定点の温度による位
置変化を示す部分拡大図、第４図は光学部材の外側固定
形式を示す断面図、第５図は光学的に有効な面に対して
垂直な中央孔を備えた鏡を孔において固定する形式を示
す図、第６ａ図は中央孔を備えた鏡の固定形式を示す断
面図、第６ｂ図は第６ａ図に示された鏡の背面図、第７
ａ図は光学的な監視下で固定点を最適化する調節装置を
示す図、第７ｂ図は第７ａ図で示された調節装置の一部
を拡大して示す図である。 １．９，２０．２６．３３，３９．５３・・・中間体、
３，１２，２１．２３，３０．４３．５５・・・固定点
、牛、１５，２２，２４，３４．４２．４７・固定点、
２７．３６．４０．４９・・・保持体、２８．３７．３
８．４６・・固定すべき物体（鏡） Ｆｉｇ、３ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱膨張係数の異なつた２つの物体を、熱によつて生
   ぜしめられる応力に基づく強制力を最小にすべく結合す
   る装置であつて、固定すべき物体（２８、３７、３８、
   ４６）が変形可能な中間体（１、９、２０、２６、３３
   、３９、５３）を介して間接的に保持体（２７、３６、
   ４０、４９）に固定されていることを特徴とする、熱膨
   張係数の異なつた２つの物体を結合する装置。 ２、変形可能な中間体が、保持体の熱膨張係数と固定す
   べき物体の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有している
   、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、固定点（４、１５、２２、２４、３４、４２、４７
   ）が、変形されない中間リングにおける固定点（３、１
   ２、２１、２３、３０、４３、５５）の間において位置
   固定である、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４、固定すべき物体（２８、３７、４６）と中間体（２
   ６、３３、５３）と保持体（２７、３６、４９）とが互
   いに同軸的に配置されている、特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ５、固定すべき物体（３８）と中間体（３９）と保持体
   （４０）とが相前後して配置されている、特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ６、中間体（２０、２６、３３、３９、５３）が円形で
   ある、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ７、固定すべき物体が鏡（２８、３７、３８、４６）の
   ような光学的な部材である、特許請求の範囲第１項から
   第４項までのいずれか１項記載の装置。 ８、熱膨張係数の異なつた２つの物体を、熱によつて生
   ぜしめられる応力に基づく強制力を最小にすべく結合す
   る装置において固定点を規定する方法であつて、物体（
   ４６）を結合する中間体（５９）における固定点（５５
   ）の規定を光学的に行うことを特徴とする、熱膨張係数
   の異なつた２つの物体を結合する装置における固定点を
   規定する方法。 ９、固定点（４７）の位置の最適化をインタフェロメー
   タを用いて行う、特許請求の範囲第８項記載の方法。