DPFのマスモジュールにおける残留ガス雑音の研究III

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1 DPFのマスモジュールにおける残留ガス雑音の研究III
東京大学理学系研究科 物理学専攻坪野研究室 発表者：岡田健志 共同研究者： 麻生洋一, 坪野公夫, 石徹白晃治, 安東正樹

2 概要 背景 Squeeze film dampingの研究
　背景 ・ DPFにおいてテストマスと静電アクチュエータとのギャップが狭い ため残留ガス雑音が増大（Squeeze film damping） →　Monte CarloシミュレーションによるとDPFの現デザインでは Squeeze film 　　 damping による雑音が問題となる可能性がある ・ Squeeze film dampingは静電アクチュエータに穴をあけることで 低減する見込み 　Squeeze film dampingの研究 目的： ・ Monte Carlo シミュレーションの結果が実験値と合うか検証 ・ DPFの静電アクチュエータに穴をあけることでSqueeze film damping 　の効果の低減が可能か検証 方法： ねじれ振り子を用いてダンピング測定 今回は壁（静電アクチュエーターの代わり）に穴がある場合とない場合でSqueeze film dampingの効果を比較した

3 DPFにおける残留ガス雑音 テストマス： 50 mm角の立方体 ギャップの大きさ： 静電アクチュエータ – テストマス： 1 mm
通常の残留ガスによる加速度雑音　： 8.6 × [m/s2/Hz1/2] Monte Carlo シミュレーションではSqueeze film damping により 残留ガス雑音がこれより一桁程度大きくなると計算された →　対策として静電アクチュエータの形状を工夫し 残留ガス雑音を低減したい

4 Squeeze film damping とは
テストマスが壁に近づく場合を考える この部分の 圧力上昇 拡散 テストマスの移動が速いほど圧力上昇 が大きい 速度に比例した力　→　ダンピング力 特徴 分子の移動が間に合わないほど高周波では ダンピングが効かなくなる →　カットオフ周波数をもつ Monte calro シュミレーションによって計算された DPFにおけるSqueeze film damping の雑音（from 麻生氏）

5 Squeeze film damping の導出
テストマスと壁との間の気体の圧力変化 : 平衡時の圧力 : 圧力上昇 拡散 による効果 体積変化 による効果 : 面積 : テストマスの質量 テストマスにかかる力は : 拡散時間 (分子がギャップから抜け出る のにかかる時間スケール) これより 散逸項 ばね定数 Squeeze file damping の効果はカットオフ周波数以下(wτ<<1) では散逸項bsqueezeに、以上(wτ>>1)ではばね定数κsqueezeに現れる。

6 Squeeze film damping の測定
: 振り子の回転 : 振り子の腕の長さ テストマスにかかる雑音は揺動散逸定理より となる 今回はテストマスと壁の距離を変えながらダンピング測定により散逸b squeeze を求め、シミュレーションで得られたS squeezeをb squeezeに換算したものと比較する これによりモンテカルロシミュレーションの結果が正しいか確認する

7 壁 さらに壁に穴がある場合とない場合で比較する 通常の壁 櫛形の壁 壁に細長い穴 （幅、間隔ともに2mm）
Monte Calro シミュレーションでのガス分子の軌跡 テストマス-壁　間の気体が逃げる経路を 確保 → Squeeze film damping の効果が低減 することを期待 M.A.G. Suijlen, et al, Sensors and ActuatorsA, 156 (2009) 171より

8 モンテカルロシミュレーション(1) ・ 時刻0に分子をランダムに配置し、Maxwell-Boltzmann分布に従った初速度を与える
・ 単位時間ごとに分子衝突によってテストマスに与えられる力を記録し 　雑音力の時系列データを得る ・ これをフーリエ変換しスペクトルを求める 通常の壁 櫛形の壁

9 モンテカルロシミュレーション(2) テストマスに与えられた雑音のスペクトル 通常の壁 櫛形の壁

10 実験セットアップ テストマス プレートの大きさ： 30 mm×35 mm×10 mm 慣性モーメント： 4.6 ×10 - 4 kg m2
材質：　アルミ ・ ドーナツ型磁石（二つ）と銅の円盤で マグネットダンピング →　一桁程度防振 ・ 光てことPSDで回転の読み取り ・ ドライポンプ、ターボ分子ポンプ →　約 10 -3　Pa　まで到達可能 ・ 真空計：　クリスタルイオンゲージ

11 アラインメント＆測定方法 → 6×10- 2 Pa 以下（平均自由行程 50 cm以上） 手順 テストマス テストマスを浮上させた後真空引き
PS2 → ダンピングの中心を電動ステージで PSDを動かし出力を0Vに合わせる PS1 PSD 壁 → 大気圧にして壁のアラインメント調整 ・ プレート – 壁　間はマイクロメータで調節 ・ チャンバーの扉の開け閉めや真空引き によってレーザーの光路が若干変化 →この出力変化分を考慮 → 真空にしてダンピング測定 テストマスの並進運動と壁の位置はフォトセンサー (PS)で測定 壁との距離は電動ステージで変える 分子どうしの衝突を無視するため 平均自由行程 >> ギャップのスケール 圧力 : →　6×10- 2 Pa 以下（平均自由行程 50 cm以上） DPFにおける圧力は10-6 Pa (平均自由行程 数 km) 逆に圧力が低い程Squeeze film damping の効果が見えづらくなる

12 測定結果 測定されたb squeezeとモンテカルロシミュレーションとの比較 赤：測定データ（通常の壁） 青：測定データ（くし型の壁）
ただし測定ごとに圧力の違いがあるためb squeeze /Pをプロット 赤：測定データ（通常の壁） 青：測定データ（くし型の壁） 黄：モンテカルロシミュレーション (通常の壁) 緑：モンテカルロシミュレーション (くし型の壁) エラーバーは主にテストマスの振動による 距離の不定性 通常の壁も櫛形の壁でも測定データがシミュレーション結果より大きい。 櫛形の場合は距離依存性が違っているようにみえる。

13 まとめ 今後の課題 ねじれ振り子によって Squeeze film damping の効果を測定した
通常の壁の場合は誤差の範囲に収まりそうであるが、 櫛形の壁の場合距離依存性自体にシミュレーションと違いがみられている より精密な測定をしなければいけないが、DPFで静電センサを櫛形にすることで Squeeze film dampingの効果を1/2～1/5程度に低減できることは期待できそう 今後の課題 測定誤差を低減しより精密な測定 シミュレーションとのずれの解明