2016年の夏に大阪のIK技研・石川勇社長より直径15cmのパイレックス鏡材と鏡面研磨に必要な物一式をいただきました。 そこで(少し時間があきましたが)2019年の夏に鏡面研磨にチャレンジすることにしました。

(準備)材料と参考書

2016年の夏に大阪のIK技研・石川勇社長より15cmの反射鏡を作るために必要なもの一式をいただきました。 これらを用いて15cm鏡の鏡面研磨にチャレンジすることにしました。

15cm反射鏡

名称についてまとめてみました。

作業は以下の本を教科書に進めていきます。

15cm反射鏡

Day 1:鏡材の平面出し(8/3/2019)

ただいた15cmパイレックス鏡は凸面で光沢があり、おそらく元々はカセグレン系の副鏡の用途で作られたものだったものと思われます。 また盤材の15cm青板も凸面ですりガラス状で、こちらはおそらく他の鏡面研磨の盤材として既に使用されたものだったと推測します。

これらをそのまま用いれば良いのかもしれませんが、凸面だと削れ具合が参考としている教科書と異なるかもしれないと考え、まずはそれぞれが平面になるよう加工することにしました。

作業台に3mm厚の鉄板を置き、ここに100番のカーボランダムと水をまき、その上でゴリゴリと鏡を動かして平面になるよう削っていきます。

徐々にすりガラス状の範囲が大きくなっていきました。 削れば削るほど削る面積が増えるためか、時間の割になかなか大きくなってくれません。

最終的に合計2時間50分の作業でφ148mmまですりガラス状に加工できました。 面積でもほぼ全面(94%)を加工できたことになるので鏡材の平面化はこれで完了としました。 この日の作業で15cmパイレックス鏡材は798g→776gとなり22gが削れた計算になります。 また100番のカーボランダムは28g消費しました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡

Day 2:盤材の平面出し(8/4/2019)

8/3に引き続き、今回は盤材となる15cm青板の平面出しを行いました。 昨日同様に100番のカーボランダムと水を鉄板にまき、ゴリゴリと鏡を動かして削っていきました。

昨日と比べると作業に慣れてきたためか短時間で作業が進みました。 また本日は30分毎の休憩の際に鏡だけでなく鉄板も水洗することにし、その都度新たに鉄板にカーボランダムを散布して作業を進めました。 この方がよく削れているように感じました。

最終的に合計2時間20分の作業でφ150mmまですりガラス状に加工できました。 こちらも面積でほぼ全面(95%)を加工できたことになるのでこれで完了としました。 この日の作業では15cmの青板(盤材)は873g→838gとなり35gが削れた計算になります。 また100番のカーボランダムは28g消費しました。

15cm反射鏡

Day 3:鏡材の裏面加工(8/6/2019)

15cm鏡材の裏面は大部分がレモン皮状で透明ですが一部がすりガラス状となっていて見た目が少し気になっていました。 裏面は透明な方が後の加工に有利なようですが、やはり気になるので裏面も加工することにしました。

そこでまずはこれまでと同様に鉄板の上で100番のカーボランダムと水をまいて鏡材の裏面全体がすりガラス状になるように加工しました。

合計55分の作業で裏面全体がすりガラス状になりました。 鏡材の重量は775g→767gとなり8g削れた事になります。 また100番のカーボランダムは9g消費しました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡

次にカーボランダムの番手を220番に上げてきめの細かいすりガラスに加工していきます。 この作業から鉄板を使うのはやめて、盤材と鏡材を重ねてすり合わせる「ともずり」で削っていくことにしました。 220番のカーボランダムを使い、削っていきました。

合計40分の作業で砂目が小さく揃ってきました。 運動は椅子に座った状態で手前に1/3程度引いて鏡を回転させながら前後に80往復したら(鏡はこの間に概ね2.5回転する)全体を45度回転させる、を繰り返しました。 最初は試行錯誤でしたが、やっていくうちにリズムがつかめました。

作業中の気づきとしては、研削砂が少ないと引っかかりが大きくなりうまく運動できないことがわかりました。 あまりケチケチせずに砂(と水)を補充すればうまく運動できました。 また全体を回転させるときに下に敷いている新聞紙や合板に付いている研削砂に指が触れてしまうことが判りました。 今回は問題ありませんでしたが気をつけないとキズの原因になると思いました。 さらに最後の最後で鏡材と盤材が貼りついてしまい、とれなくなってしまいました。 流しで水をしばらく掛けていると横にずれてはずれましたが運動の抵抗が大きくなった場合には無理をしてはいけないと理解しました。

この日の作業では220番のカーボランダムは3g消費、パイレックス鏡材は767g→767g、青板盤材は838g→835gとなりました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡

Day 4:鏡材の裏面加工(8/9/2019)

8/6の作業でもう裏面加工はいいかなと思いましたがもう少し作業して仕上げることにしました。 8/6と同様に220番のカーボランダムで盤材と鏡材を重ねて「ともずり」で削っていきました。

今回は30分の作業ですが前回と合わせると220番では合計1時間10分削ったことになります。 ほぼ一様な砂目となりました。 キラキラする箇所(穴)もかなり減ったのでこれで220番は完了としました。 今回の作業でパイレックス鏡材は767g→766g、青板盤材は835g→833gとなり、220番のカーボランダムは2g消費しました。

次に600番カーボランダムで同様に作業し、すりガラス状の裏面をさらに滑らかにしていきます。

600番カーボランダムは合計60分ですがもういいだろうと判断し完了としました。 かなりきめの細かいすりガラス状となり、見た目も手触りもとても良いものに仕上がりました。 ただし完全に砂目が取れているわけではなく10倍ルーペで見るといくつかポツポツと大きめの穴が見えたりします。 今は裏面なのでこれで良いとしましたが表面の場合にはもっと時間をかけて作業したいと思います。 今回の加工ではパイレックス鏡材は766g→765g、青板盤材は833g→831gとなり、600番のカーボランダムは1g消費しました。

Day 5:面取り・荒ずり(8/10/2019)

いよいよ今回から鏡材を凹面に加工していく「荒ずり」の行程に入ります。 凹面に加工する前にまず100番カーボランダムでパイレクス鏡材と青板盤材それぞれの面取りを行いました。 小さな鉄板にカーボランダムをつけて円周方向にすっていきます。 面取りの場合カーボランダムはあまり水をつけずにドロドロの状態の方が良いようです。 うまく削れているときにはゴリゴリとした感触が判ります。 1面につき10分ぐらい作業すると1mmぐらい面取りできました。

15cm反射鏡

次に青板盤材を下にパイレックス鏡材を上にして100番カーボランダムで荒ずりを行いました。

凹みは鏡面に物差を置きノギスで測りました。 焦点距離は1000mmを目標としているため凹みは1.4mm必要になる計算です。 今回は合計2.5時間の作業で0.80mmまで削れたのであと2時間ぐらい作業を続ければ目標の値に到達できそうです。 ただしさらっと書いていますが立った姿勢で体重を掛けながら削る作業を続けることになるためとても疲れました。

今回の作業ではパイレックス鏡材は765g→739g、青板盤材は831g→776gとなり、かなり削れました。 また100番のカーボランダムはこれまでの作業より潤沢に使用したため今回の作業では111gを消費しました。

ちなみに100番のカーボランダムで削った表面は荒く手で触るとざらつくのがよく分かります。 一方で600番のカーボランダムで削った裏面は滑らかで手で触るとさらさらとした触感で違いがはっきりと分かりました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡

Day 6:荒ずり・中ずり(8/11/2019)

今回も青板盤材を下にパイレックス鏡材を上にして100番カーボランダムで荒ずりを進めました。 青板盤材は30分に1回、パイレックス鏡材は1時間に1回それぞれ10分ぐらいかけて面取りを行いながら作業を進めました。

今回は合計1時間50分の荒ずりを行い目標の焦点距離に到達しました。 後の工程で焦点距離は少し短くなるようなので削りすぎかもしれません。 今回の作業でパイレックス鏡材は739g→717g、青板盤材は776g→730gとなり、100番のカーボランダムも69g消費しました。 また荒ずり作業の全体では合計4時間20分、パイレックス鏡材は765g→717gと約50g、青板盤材は831g→730gと約100gを削りとりました。 100番のカーボランダムは合計で180gを使用しました(面取りを含む)。

15cm反射鏡

引き続いて220番のカーボランダムで「中ずり」の工程に移ります。 青板盤材を下にパイレックス鏡材を上にして220番カーボランダムで中ずりを行いました。 ここからの作業は椅子に座っての作業となります。

合計1時間55分、220番で中ずりを行いました。 焦点距離がこれ以上短くなるのは避けたいと考えたため反転ずりを多めに行いました。 最初の40分間は中央の気泡が抜けず鏡を動かしたときに引っかかりもありましたが、1/4ぐらいのストロークで前後運動を続けたところ中央部の気泡はなくなりかつ滑らかに動くようになりました。 これはうまく球面化が進んだ結果と理解しました。 また焦点距離は夜になったので明るいLEDライトとメジャーを使い測定しました。 LEDライトはレンズを外し、紙で作った投影板を取り付けました。 太陽を使う方法よりこちらの方が簡単に測定できました。 この段階ではまだ鏡面が荒いためか、水をつけてもぼやけていてはっきりとは求まりませんでしたがおよそR=202cm、つまり焦点距離f=101cm程度と見積もりました。 10倍ルーペで表面の砂目を調べてみたところいくつかキラキラと見える大きな砂目があるもののほとんどは滑らかな表面でした。 そこで220番の中ズリは今回の1時間55分で完了とすることにしました。 220番中ずり作業ではパイレックス鏡材は717g→713g、青板盤材は730g→721gとなり、220番のカーボランダムは合計24gを消費しました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡

Day 7:中ずり(8/12/2019)

今回から600番カーボランダムで中ずりを進めます。 作業前に焦点距離を再測定したところ約101.5cmでした。 今回から鏡材の重量の測定よりも曲率半径の測定に重点を置きながら作業を進めることにしました。

今回は1時間30分の作業を行い、パイレックス鏡材は713g→712g、青板盤材は721g→719gとなり、600番カーボランダムは4g消費しました。 30分の順ずり後になぜか曲率半径が長くなってしまいましたが理由はよく分かりません。 鏡面はほとんど滑らかなすりガラス状になりましたが10倍ルーペで見るといくつか砂目がまだ見えるためもう少し作業が必要そうです。 焦点距離も102cmなのでこのまま順ずりを続ければ若干短くなるようなので、出来れば目標の100cmとなるまで600番カーボランダムの研削を続けたいと思います。

今回の作業では鏡面に油性ペンで井の字にマーキングして研削することで鏡面のどこがよく削れるかも調べてみました。

600番ではいずれも中央がよく削れ、まだ焦点距離が短くなるような削れ方をしているようです。 ピッチ研磨の参考とするためにはもう少し細かい砂の時に行う必要がありそうです。 1500番の時にどのように削れるか再度試してみたいと思います。 もっともピッチ研磨の際には鏡周のほうがよく磨けるようなので砂ずりの段階でこのチェックはあまり意味が無いのかもしれません。

15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡

(考察)粒子の大きさと削れ具合

100番の砂とは1インチあたり100本のメッシュの「ふるい」を通った砂という意味のようです。 ここでメッシュの線の太さは分かりませんが、仮に隙間とメッシュの比が 2:1 と考えると各砂の大きさは以下のように推定できます。

各砂の推定直径
100番170 μm
220番77 μm
600番28 μm
1000番17 μm
1500番11 μm

また直径15cmの鏡材・盤材を削っていますが、一様に削れると仮定して、1g軽くなるのは何μm削られたことに相当するか計算してみました。 平面出しを終えた鏡材・盤材から求めた比重は、パイレックスが 2.2g/cm3、青板が 2.5g/cm3 だったのでこれらとそれぞれの直径から見積もりました。

1gに相当する研削量
15cmパイレックス25 μm
15cm青板21 μm

220番の中ずりは1時間55分行い4gを削りました。 これは直径77μmの粒子で100μmを削ったことになります(一様に削れていると仮定した場合)。 また660番の中ずりは今のところ1時間30分行い1gを削りました。 これは直径28μmの粒子で25μmを削ったことになります。

ここで砂目の最大の深さはその番手の砂の直径に等しいと考え、また中ずりの工程ではひとつ前の番手の砂目の最大深さと同じ深さまでその砂で削り取ることだと考えると、220番の砂では170-77=93μm(=3.7g=1時間50分)を削る必要があったことになります。 実際には1時間55分作業して4g=100μmを削ったので100番の砂目は残り70μmまで削れたものと思われます。 ここで220番の砂によって新たに77μmの深さの砂目も作られたと思われます。 よって鏡面には77μmの砂目・穴がまだ残っていることになります。 これが10倍のルーペで見たときに見えたキラキラと輝く点(穴)の正体だったと思われます。

次に600番の砂での作業でも同様に考えると77-28=49μm(2g=3時間)を削る必要があります。 今のところ1.5時間の作業で1g=25μmを削りとっているはずなのであと1時間30分(=25μm)ぐらい作業を続ける必要があると思われます。 また600番の作業終了後にも28μmの穴がまだ残ることになるため10倍ルーペで見るといくつか小さな穴が見られることが予想されます。 が、これらの砂穴はこれまでのものよりもずっと小さいはずです。 順次仕上ずりで砂穴は小さくしていき、最終的に砂ずりで11μmの凸凹まで削っていくことになると思われます。 この鏡面の凸凹の11μmとは波面収差で44λ(λ=500nm)です。 研削工程の後、研磨工程でこの波面収差をλ/4以下まで追い込んでいく事になります。

Day 8:中ずり(8/16/2019)

前回に引き続き600番カーボランダムで中ずりを進めます。 焦点距離を100cmとしたいため、今回は順ずりのみで作業を続けることとしました。 ちなみに作業前に曲率半径を測ったところR=204cmでした。

今回の作業でもなぜか順ずりで焦点距離が伸びました。 ストロークは1/5から1/8で、(私のやり方では)小さいストロークでは焦点距離が伸びるのかもしれませんがよく分かりません。 その後ストロークを1/3から1/2程度と荒ずりと同じぐらいにして作業を進めたところ徐々に曲率半径が小さくなりました。 オーバーハングしないように気をつけて作業を進めたためなのか、ストロークが大きいにもかかわらず引っかかりは生じませんでした。 但しストロークが大きいときには頻繁に研削砂と水の補給が必要でした。

今回は2時間15分の作業でパイレックス鏡材は712g→709g、青板盤材は719g→713gとなり、600番のカーボランダムは11g消費しました。 焦点距離を短くすることを念頭に今回は研削砂を多めに使用しました。 そのためか今回の作業では鏡材は3g、盤材は6gを削りました。 計算上は今回の作業で75μm削れたことになるので鏡面の砂目・穴は整ったことになります。 実際にも鏡の中央付近には砂目・穴はほとんど見当たらなくなりました。 が、周辺部にはまだいくつか見つかります。 ただし反転ずりを少しすれば整いそうな感じではあります。 そこで600番の作業はこれで完了とし、焦点距離も短くなってきたこともあるので次の1000番では長めに反転ずりをすることで砂目・穴の除去と焦点距離の延長をはかることにします。

なお600番の作業全体では合計で3時間45分、パイレックス鏡材は713g→709g、青板盤材は721g→713gとなりました。 600番のカーボランダムは合計で15gを使用しました(面取りを含む)。

Day 9:仕上ずり(8/17/2019)

今回から1000番アランダムに番手を上げて仕上ずりを行いました。 これまでのカーボランダムとは異なり、600番アランダムは薄緑がかった白色をしています。 焦点距離が短くなりすぎているので反転ずりを中心に進めます。

焦点距離を伸ばそうと反転ずりを続けましたが逆に焦点距離が短くなってしまいました。 同じ傾向は600番でも生じているので(私のやり方では)もしかしたら順ずりでストロークが小さい(1/5から1/8)ときには鏡周がよく削れ、焦点距離が伸びるのかもしれません。 実際に順ずりに切り替えると確かに焦点距離が伸び、目標の100cmになりました。

また反転ずり作業中に焦点距離を伸ばそうと大きめのストロークを続けたところ作業開始20分後ぐらいに貼り付きが生じてしまいました。 すぐに作業をやめてバケツの水に浸け、その間に金槌と角材を用意し、横からたたいて外しました。 かなりヒヤッとしました。 番手が大きくなってからの大ストロークは十分に気をつけないといけないと理解しました。

10倍ルーペで砂目を見たところ、既にかなり滑らかでよく分かりません。 いくつか小さめのポツポツとした粒も見えますが、これまでよりも確実に減っています。 よって1000番アランダムはこれで完了としました。 作業時間は2時間00分、パイレックス鏡材は709g→708g、青板盤材は713g→710gとなりました。 1000番のアランダムは7gを使用しました。

なお今回から面取りを楽に行うため回転テーブルを用意しそれで加工しました。 鏡材をくるくる回転させながら鉄板を当てて作業できるので楽に面取りが出来ました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡

Day 10:仕上ずり(8/18/2019)

いよいよ研削工程最後の1500番アランダムでの仕上ずりです。 ここで納得いくまで作業を続けます。

1500番アランダムはミルクティーのような色をしています。 これまでの研削砂と違いとても軽い力でストロークが進みます。 参考書にあるように、確かに注意が散漫となってしまいます。 ペースを守りながら作業を進めました。

作業時間は2時間00分。 この番手だともう焦点距離はほとんど変わらないようです。 本当は焦点距離が少し長くなることを期待してショートストロークで順ずりを続けていたのですが、曲率半径の測定で変化は全くありませんでした。 よって焦点距離は99.7cm。 より正確にはフーコーテストで求めることになりますが、目標の100cmにかなり近い値となったと考えています。

今回の作業でパイレックス鏡材は708g→707g、青板盤材は710g→710gでほとんど変化はありませんでした。 また1500番のアランダムは4gを使用しました。 また鏡周の厚みはパイレックス鏡材がt19.1mm→t18.2mm、青板盤材がt17.9mm→t14.4mmとそれぞれだいぶ薄くなりました。

砂目は10倍ルーペで見てもよく分かりません。 鏡面はまだすりガラス状ですが裏面から透けて見える新聞の文字は読めるぐらいには透明になりました。 よって砂ずり=研削の工程はこれをもって完了とすることにしました。

15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡

Day 11:盤材の裏面加工(8/24/2019)

1500番のアランダムでの作業中、盤材が「がたつく」のが気になりました。 盤材の裏面がわずかに凸面となっていることが原因と思われます。 盤材の裏面はわずかな凸面なら問題ないとこれまで思ってきましたが、やはり気になるので平坦にすることにしました。 これまでと同様に100番のカーボランダムと水を鉄板にまき、ゴリゴリと盤材を動かして削っていきました。

端まで平面化は出来ていませんがこれぐらいまで加工できていれば「がたつく」ことはもうないと考え、作業は完了としました。 青板盤材は710g→704g、100番のカーボランダムは4g消費しました。 これで砂ずり=研削は全て完了です。

15cm反射鏡 15cm反射鏡 15cm反射鏡

(考察)研削作業のまとめ

ここまでの研削作業にかかった時間は、凹面加工を行うまでの準備作業に9時間、凹面加工に14時間で合計23時間かかりました。 ハワイ州の最低賃金は時給$10.10-(2019年8月現在)なのでこれは最低でも$232.30-の工賃(Labor)がかかった計算になります。 実際には作業の段取りや片付けなども必要なのでこの倍ぐらいの時間は研削関連の作業をしていたと思います。

15cm反射鏡の作業のまとめ
内容作業時間鏡材重量盤材重量研削砂使用量
(初期状態)798g873g
鏡材の平面出し(#100C)2時間50分776g#100C28g
盤材の平面出し(#100C)2時間20分838g#100C28g
鏡材の裏面加工(#100C)55分767g#100C9g
鏡材の裏面加工(#220C)1時間10分766g833g#220C5g
鏡材の裏面加工(#600C)1時間765g831g#600C1g
荒ずり(#100C)4時間20分717g730g#100C180g
中ずり(#220C)1時間55分713g721g#220C24g
中ずり(#600C)3時間45分709g713g#600C15g
仕上ずり(#1000A)2時間708g710g#1000A7g
仕上ずり(#1500A)2時間707g710g#1500A4g
盤材の裏面加工(#100C)45分704g#100C4g

作業中に記録した鏡材と盤材の重量の変化、焦点距離の変化をグラフにしてみました。 重量は100番と220番で大きく変化し、600番でもわずかに変化したもののその後はほとんど変化はありませんでした。 焦点距離は600番で99.8cmまで短くなった後はほとんど変化はありませんでした。

15cm反射鏡 15cm反射鏡