DECIGO Pathfinderのための 試験マス制御実験

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1 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

2 　（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

3 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

4 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。

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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）

10 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

11 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[%]

12 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

13 BBMテストマス制御実験 (実験担当：江尻、他)

14 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

15 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

16 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）

17 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

18 ご清聴ありがとうございました☆

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20 アクチュエータの現状報告 鈴木理恵子

21 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

22 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

23 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

24 実験結果① 力変位伝達関数

25 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）

26 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

27 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

28 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)

29 ●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

30 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

31 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

32 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

33 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）

34 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

35 固有振動数 バネ定数 質量