DECIGO Pathfinderのための 試験マス制御実験 若林野花（お茶大人間文化）、大渕義之、岡田則夫、 鳥居康男、江尻悠美子、鈴木理恵子 上田暁俊、川村静児、新谷昌人 安東正樹、佐藤修一、菅本晶夫

　（前回までの発表に引き続き） 試験マスモジュールBBM構造解析 試験マスモジュール制御実験の現状

試験マスモジュール構成 試験マスと衛星の非接触制御機構 打上時の鏡保護機構 静電容量型センサー レーザーセンサー (地球重力場観測用) 静電容量型アクチュエーター UV-LED（試験マスの放電機構） クランプリリース機構（軌道上精密位置決め） 打上時の鏡保護機構 ローンチロック機構

打上時の負荷に対する基本構造の強度 を見積もり、次モデル(EM)の設計に活かす 構造解析の目的 打上時の負荷に対する基本構造の強度 を見積もり、次モデル(EM)の設計に活かす 解析内容 準静的加速度荷重解析 固有値解析 ランダム振動応答解析 ※BBMにかける負荷、材質はFM相当とする。

準静的加速度荷重解析 準静的加速度24Gに耐えられるか？ 要求値：各部品の安全余裕が0以上 24G （235.4m/S²） (C)JAXA ※塑性変形や破壊に至らない MS : Margin of Safety

有限要素解析 準静的加速度24Gに耐えられる構造 解析結果（応力） 解析結果（変位） 解析用モデル （ネジ穴等簡略化、1/4モデル） NX-IDEAS　5使用 解析用モデル 　　（ネジ穴等簡略化、1/4モデル） 境界条件(底面固定、接触条件) 準静的加速度２４Ｇ 解析結果（応力） 解析結果（変位） 準静的加速度24Gに耐えられる構造 最大たわみ0.9μm 24G 例：電極板(サファイヤ製)の応力分布 最大主応力110MPa(安全余裕20) 24G 各部品の安全余裕0以上

固有値解析 振動特性（固有振動数とモードシェイプ） が要求値を満たしているか調べる 要求値（固有振動数） バネ-マスモデルでの解析 機軸方向50Hz以上 機軸直交方向30Hz以上 機軸方向 機軸直交方向 ステップ１(概算) 　バネ-マスモデルでの解析 ステップ２ 　有限要素解析 k1 m１ m2 k2

ステップ１：バネーマスモデル k1 1次固有振動数434Hz 要求値クリア（≧30Hz）→ステップ2へ

固有値解析：要求値クリア ステップ２：有限要素解析 1次固有振動数754Hz 要求値クリア（≧30Hz） 解析用モデル(一部簡略化) 底面固定、締結部密着 固有値解析：要求値クリア 1次固有振動数754Hz 要求値クリア（≧30Hz）

ランダム振動応答解析 ランダム振動に耐えられるか？ →ランダム振動で壊れないか 応力値を調べた(有限要素解析) ランダム振動 直交3 軸にランダム振動を与える 150 ～ 700Hz 13.95(m/s²)²/Hz 30 ～150Hz +6dB/oct 700 ～ 2000Hz -3dB/oct ランダム振動 （パワースペクトル密度） →ランダム振動で壊れないか 　応力値を調べた(有限要素解析) ※減衰比を変えて計算

基本構造は問題ないが、 試験マスの拘束方法は今後検討すべし ランダム振動応答解析結果 フレーム(基本構造)・・・問題なし ローンチロック機構・・・試験マスの機軸直交方向拘束が甘い ローンチロックロッド ローンチロックロッド Steel製 基本構造は問題ないが、 試験マスの拘束方法は今後検討すべし 0.45C Steel(一般的なsteel) 　　(減衰比0.5%, 　　 降伏点365MPa以上) フレーム Aluminum製 機軸直交方向 塑性変形には至らないが 機軸直交方向の拘束が甘い アルミニウム(降伏点120MPa以上) 塑性変形に至らない ∝1/ξ フレーム 減衰比ξ[%]

構造解析まとめ EM設計にフィードバックするために、試験マスモジュールBBMの構造強度を構造解析で検証した。 準静的加速度荷重解析・・・要求値クリア 固有値解析・・・要求値クリア ランダム振動応答解析・・・基本構造;十分な強度、ローンチロック機構要検討 基本構造は現状でOK!! 今後の課題 EM…今回の基本構造を基にモデル全体の軽量化とローンチロック機構の検討

BBMテストマス制御実験 (実験担当：江尻、他)

BBMテストマス制御実験概要 BBMテストマスを一本吊り 微小重力実験 静電アクチュエーター 静電センサー レーザーセンサー で5自由度制御 　静電アクチュエーター 　静電センサー 　レーザーセンサー で5自由度制御 微小重力実験 数mの高さからテストマスを 落とし、センサー・アクチュエータ で6自由度制御

1自由度制御実験 まずは静電アクチュエーター・フォトセンサーで1自由度制御実験を行った V1 V2 V3 V4 V1～V4 　　まずは静電アクチュエーター・フォトセンサーで1自由度制御実験を行った フォトセンサー V1 V2 V3 V4 フォトセンサー BBM電極板 BBMテストマス 並進1自由度 BBM電極板 V1～V4 ：アクチュエーター(制御信号) BBMテストマス

結果 1自由度制御成功 Unity Gain Frequency 1.22Hz 制御かかった ただしUGFが1.22Hzで低すぎる (目標10Hz) （フォトセンサー等回路起源のノイズが大きい、アクチュエーターのデジタル回路への入力制限によってゲインを上げられない） →対策が必要 （ノイズ源の切り分け、アクチュエータードライバーの改善）

今後 ●アクチュエーターの改善(デジタル回路の見直し等) ●テストマス一本吊りで5自由度制御（フォトセンサー） ●静電センサーでの制御 ●微小重力実験

ご清聴ありがとうございました☆

アクチュエータの現状報告 鈴木理恵子

動作原理 －静電アクチュエータ― S Ｖ d 静電アクチュエータの基本構造は 平行平板コンデンサである。 平行平板電極に電圧Vをかけたときに 動作原理　－静電アクチュエータ― 静電アクチュエータの基本構造は 平行平板コンデンサである。 平行平板電極に電圧Vをかけたときに 発生する静電力Fは、極板間距離をd、 極板面積をS、誘電率をεとすると S Ｖ d 式から明らかなように、発生する力は 電圧Vの２乗に比例する

セットアップ BBMモデルへ移行、300Vまで出力可能な増幅器をセット

実験 センサーで読み取った信号Vinに対して下記の式のような信号を返すことで、 マスを制御出来るか確認してみる x Vin F DSP 極板１ 極板２ 極板３ 極板４ Vin センサからの要求でテストマスの分極を極力回避するために、 アクチュエータでは500Hzの変調を用いた制御を取っている

実験結果① 力変位伝達関数

実験結果② 振り子の特性を反映した力変位伝達関数から、アクチュエート効率は よってマスにかかる力は１Vあたり（マス：１ｋｇ、振り子の腕の長さ：20ｃｍ）

理論値 現在のセットアップで掛けた電圧 を代入して 極板一枚でマスにかけられる力は 500Hz変調の下でテストマスにかかる力を求めてみる。 簡単のため　　　　　　　　　　　　の電圧を与えたとすると、　　　　 現在のセットアップで掛けた電圧　　　　　　　　を代入して 極板一枚でマスにかけられる力は

まとめ 理論値の約12.5パーセント程度の出力を確認 今後はセンサーと連結させ、制御させる予定

XY(機軸直交方向) Z(機軸方向) 754Hz 754Hz 1mm 754Hz XY(機軸直交方向)の変位も、試験マスと 電極板のギャップが1mmなので接触の 危険性はない。 0.1mm 0.01mm XY(機軸直交方向) 0.001mm Z(機軸方向)

●ばね定数の求めかた それぞれのモデルをさらにはりモデル に置き換える。 試験マス ローンチロック 　それぞれのモデルをさらにはりモデル 　に置き換える。 試験マス m2 k2 ローンチロック モーター フレーム 電極板 k1 m１ 簡単な例：自由端に集中荷重を受ける片持ちばり 荷重W 最大たわみ E：ヤング率 I：断面2次モーメント より

ステップ２ 有限要素解析 -妥当性検証- フレーム単体での固有振動数について、 有限要素解析での結果と実測値との 比較を行った ステップ２　有限要素解析 -妥当性検証- フレーム単体での固有振動数について、 有限要素解析での結果と実測値との 比較を行った フレームだけはものがあります。それで、先ほどと同様の手法（材料特性、メッシュの切り方）で解析と、実測値を比較。 ※フレーム（アルミニウム製）実物あり

有限要素解析（フレーム単体） 解析結果：1次モード 946Hz アルミニウム製のフレームのモデルで固有振動数解析を行った。 NX I-DEAS 5 使用 アルミニウム製のフレームのモデルで固有振動数解析を行った。 同様の手法（材料特性、メッシュの切り方）で解析 FEモデル作成、境界条件 （底面固定） モデル作成 固有値解析 解析結果：1次モード 946Hz

解析結果は妥当!! 固有振動数測定（フレーム単体） 結果：880Hz(解析結果：一次モード946Hz) 　フレームをインパクトハンマーで叩いて加速度センサーで固有振動数を測定 インパクトハンマー 880Hz 加速度センサー 解析結果は妥当!! このフレームについては結果は妥当。同様の手法で行ったアセンブリでの解析も妥当と言えるでしょう。 結果：880Hz(解析結果：一次モード946Hz) 解析結果とほぼ一致 →形状、材料特性、境界条件が正しく与えられている

2400Hz センサーノイズ 2400Hz・・・高次モード （解析結果でも3kHzに高次モードあり）

ここで、研究目的のおさらい☆ スペース重力波アンテナDECIGOの前哨衛星DECIGO Pathfinder用試験マスモジュール地上技術実証モデル（BBM）の構造を設計 その構造強度や耐性を構造解析で検証し、衛星に搭載可能なモデルを提示

固有振動数 バネ定数 質量