DECIGO pathfinder の試験マス制御系の開発 (2)

DECIGO pathfinder の試験マス制御系の開発(2) 東京大学　天文学専攻　陳聃(チンタン) 川村静児、阿久津智忠、上田暁俊、鳥居泰男、田中伸幸、新谷昌人、佐藤修一、安東正樹、権藤理奈、大渕喜之、岡田則夫、藤本眞克

目次 • 概要 • DPFと試験マスモジュール • 本実験の位置付け • 静電センサー、静電アクチュエータの原理 • 2自由度制御実験の結果 • まとめ

概要 ●目的 DPFで使用される試験マス保持に必要なローカルセンサー、ローカルアクチュエータの性能や特性の評価 ●本実験振り子を試験マスに見立てて、ローカルセンサー、ローカルアクチュエータの2自由度の同時動作を確認した。

試験マスモジュール DPF: DECIGO Pathfinder 試験マスモジュール主干渉計(概念図) F.P. cavity レーザー源 Test Mass Test Mass 試験マスモジュールに求められる機能 • 試験マスのローカルな変位の観測 • 試験マスの保持 • 観測帯域での外乱を抑制 • 試験マスのdischarge • 打ち上げ時の衝撃からの試験マス保護 • ・・・これを実現するためのローカルセンサーローカルアクチュエータの開発が必要。 Concept of design Test mass module ×2

ローカルセンサー、アクチュエータ 現在選ばれているセンサー、アクチュエータ • 静電センサー • 静電アクチュエータ BBMの外観ふたセンサー、アクチュエータ極板試験マス(50mm角) ガードリングフレーム Concept of design Test mass module ×2

制御系 静電アクチュエータ静電センサ試験マス衛星（外枠）静電センサーが試験マスの変位を検出元に位置に戻すために、試験マス、衛星に力を加える今回は試験マスにfeedbackする制御系の動作試験を行った

静電センサー、静電アクチュエータの動作実験の流れ静電センサー、静電アクチュエータの動作実験の流れ ●静電センサー、静電アクチュエータを個別に制作・動作確認　済 ●センサー・アクチュエータの同時動作(1自由度)　済 ●センサー・アクチュエータの同時動作(多自由度) 今回は振り子を試験マスに見立てて、動作実験を行う。 ●地上試験機 ●自由落下制御実験制御性の確認 0.1Hzでフリーな懸架系を予定 6自由度同時動作の確認

2段振り子 0.1mmタングステン 18ｃｍ eddy current ﾀﾞﾝﾋﾟﾝｸﾞ 0.285mm釣り糸 18ｃｍ極板センサー,アクチュエータ回路　試験マス（絶縁）半径5cm, 幅6cm, 1.25kg, アルミ実験のセットアップ横からの図上からの図回路回路試験マスの並進運動、回転運動(ヨー)に対するセンサー、アクチュエータの動作確認を行う。

静電センサーの原理① 電流I1 読み出し回路電流差－－ C1 ＋　＋－－ • －－ • －－ • －－＋＋＋ーーーーーー＋　＋＋＋＋＋　＋＋　＋ C2 －－ • インジェクション電圧 • 試験マスを分極させる電流I2 試験マスの位置変化コンデンサー容量が変化し、電流が発生電流差を読み取ることで試験マスの位置を知ることができる

2自由度センシング 読み出し回路読み出し回路マトリックス回路（+and-）電流差電流差 Gain 並進成分出力回転成分出力 Gain 2組のセンサーの足し合わせ割合を調節テストマスの並進運動と回転運動が読み取れる

並進、回転の自由度分離 2つのセンサーのgainを調整することで自由度の分離を試みた 1Hz 1.7Hz 各成分のエラー信号振り子に外力を与えたところ、X, θ成分の信号が、それぞれの共振周波数で動いていた。

並進、回転の自由度分離 Displacement [mrms/rtHz] Error [Vrms/rtHz] Frequency [Hz] Frequency [Hz] 各自由度のエラー信号のスペクトル各々の共振点が見え、カップリングは少ない並進運動、回転運動の自由度がほぼ分離ができた Θ成分はCalibrationができていない。 calibration機能をそなえた装置を準備中。

静電アクチュエータの原理 コンデンサーに電圧 Vをかけたときに発生する静電気力 Fは、 F オフセットを加えることで線形領域で使用する Vin 発生する力この領域を利用引力しか発生しないので試験マスを極板で挟む必要がある。極板→ 試験マス→ 赤色:電圧を加える矢印:試験マスの動き極板→ DCでも力を加えられるが、観測帯域での試験マスの分極を避けるために、200Hzの変調をもちいた。

静電アクチュエータの効率 静電アクチュエータに電圧を加え、試験マスの変位を静電センサーで測定した (X成分) 実験データからの結果：静電アクチュエータの効率：極板の大きさなどから計算した結果：静電アクチュエータの効率：極板-試験マス間隔の設定誤差が効いている可能性がある

2自由度制御実験 センサーで、X,θの位置をセンス X フィルタ読み出し回路電流差 X アクチュエータ θ θ F Matrix F

2自由度制御の実験結果 X成分の制御　ON θ成分の制御　ON 制御をかけると、フィードバック信号が立ち上がり、エラー信号が速やかに一定値に近づく制御により、少なくとも各自由度の共振を同時に抑えることに成功した。

2自由度制御の実験結果 エラー信号のノイズスペクトル Open loop 伝達関数 X Not yet calibrated θ 2自由度同時動作を確認した

まとめ まとめ • DPFのローカルセンサー、アクチュエータとして、静電センサー、静電アクチュエータが現在候補である。 • 静電センサーを使用した2自由度のセンシングの分離を行った。 • 静電センサー、静電アクチュエータによる2自由度同時動作の確認を行った。今後について • 0.1Hzでフリーな地上試験機を作成し、制御性の確認を行う。 • 自由落下を利用し、6自由度の同時動作の確認を行う。

DECIGO pathfinder の試験マス制御系の開発 (2)