TMT搭載中間赤外線観測装置
冷却チョッピング実現に向けた超伝導ボイスコイルモーターを用いたアクチュエーターの開発検討
東京大学天文学教育研究センター 修士1年 毛利 清
宮田 隆志、上塚 貴史、高橋 英則、酒向 重行、大澤 亮、岡田一志、内山 允史、大崎 博之、広江 貴（東京大学）、本田 充彦（久留米大学）MICHI計画• MICHI（Mid-Infrared Camera, Highdisperser, and Integral field unit）
中間赤外線観測装置• TMT第二期装置としての運用を目指す
原始惑星系円盤の直接分解
系外惑星の大気の分光などを目標とする

MICHIの完成想像図
原始惑星系円盤をTMTで見た場合の想像図
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チョッピングとは• 異なる視野の画像の差し引きで大気の放射を取り除く技術• 一般的に視野の切り替えは副鏡を動かして行う（副鏡チョッピング）−
位置 Aの像2015/12/8

主鏡装置=
位置 Bの像副鏡(瞳)引き算で得た像

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副鏡チョッピング
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副鏡チョッピングの限界• 差し引きは大気放射の変動のタイムスケール内に行う• 大気の中間赤外線放射変動の典型的なタイムスケール < 1 秒→副鏡が巨大（3.1 m）なTMTでは難しい
大気が変わる−
位置 Aの像2015/12/8

大気が残る=
位置 Bの像引き算で得た像

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冷却チョッピング• 副鏡の代わりに装置内に設定した瞳位置の鏡を動かす→副鏡を動かした時と同等の効果を得ることが可能• 装置からの放射を抑えるため冷却が必要→冷却チョッピング

副鏡(瞳)

副鏡

主鏡

主鏡装置

冷却瞳装置

検出器
副鏡チョッピング
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冷却チョッピング
5観測の要求撮像の位置：撮像位置の動き①チョップ幅> 30″ (天球上)

位置 A

位置 B

②チョッピング周期< 0.2 [s]2015/12/8

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観測時間

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装置の要求• 装置の要求に焼き直す
観測の要求項目値

装置の要求項目値

チョップ幅> 30″（天球上）

駆動幅> 2.5 [mm]駆動時間

~ 0.01 [s]環境の要求項目値

温度環境20 − 30 K

発熱< 0.1 [W]

チョッピング周期 < 0.2 [s]• これらの条件を満たす装置としてボイスコイルモーターに着目
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ボイスコイルモーター（VCM）とは• スピーカーの仕組みを応用した直動モーター• 駆動部と固定部が非接触、コイル駆動、構造が単純で扱いやすい モーターの出す力 𝐹 = 𝐼𝐵𝐿

磁石

• 𝐹:力
• 𝐼 : 電流• 𝐵 : 磁束密度
• 𝐿 : コイルの長さ
ヨーク(継鉄)VCMの断面図
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第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/88

VCMの要求• VCMに対する要求は以下のようになる
装置の要求項目値

VCMの要求項目値

駆動幅> 2.5 [mm]加速度≥ 100 [m/s2]

駆動時間~ 0.01 [s]環境の要求項目値

環境の要求項目値

温度環境20 − 30 K

温度環境

20 − 30 K

発熱< 0.1 [W]発熱

< 0.1 [W]𝐼𝐵𝐿
運動方程式 𝐹 = 𝑚𝑎 → VCMでは 𝑎 =𝑚
• 𝑎 : 加速度• 𝑚 : 質量2015/12/8・・・VCMの性能を加速度で評価することが可能
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VCMの設計• 前項の要求が満たされるようなVCMの製作を考える• 加速度の要求について
VCMの要求項目値

加速度≥ 100 [m/s2]

𝐿と𝑚はほぼ比例すると考えられる

𝐼𝐵𝐿𝑎=
≥ 100
𝑚

𝐼 はVCM以外の配線の発熱を考慮して 1 [A]以下が望ましい• 磁束密度 𝐵 をなるべく大きくする必要がある
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磁束密度

磁束密度の強化• 低温でも強力な磁石が必要• ネオジム磁石
135 K 付近でスピン再配列
それ以下の温度では磁力が低下• 低温時でも磁力の下がらない
プラセオジム磁石を用いる
温度
低温時の磁束密度変化のグラフ（Hara et al. 2004）
赤・青：ネオジム磁石、黒：プラセオジム磁石
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第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/811超伝導線の利用• 次に環境条件について環境の要求項目

値

温度環境

20 − 30 K

発熱< 0.1 [W]

用いたMgB2線材の断面図（Hypertech 社より）

• コイルに超伝導線材を用いることで発熱を削減
ジュール発熱ゼロ
高純度金属線も要求を満たすが、更なる発熱の軽減に期待• 超伝導材はMgB2（転移温度 39 K）を用いる
他の高温超伝導材はコイルに不向き

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試作1号機• 以上を考慮した試作機を作成
性能は以下の通り
パラメーター値

磁束密度0.33 [T]

コイルの長さ30.8 [m]質量0.2 [kg] ※駆動部のみ

加速度

51 [m/s2] （1 A 導通時）

• 要求には加速度が不足→駆動時間の要求を下げることで利用は可能
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試作1号機の写真

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設計の改良• 試作1号機の問題点
1. 超伝導線が扱いづらい巻き径制限（> 𝜙 30 mm）により駆動部が大きく重くなる高純度の銅線と比較したとき、超伝導線の方が発熱が大きい結果に2. 磁束飽和を起こしている、かつ反磁場が大きい磁石の形状
磁石の力を十分に活用できていない• これらの点の改良に取り組んだ

2015/12/8

第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/814超伝導線の発熱• 交流電源の場合、超伝導線を貫く磁束密度が変わる→超伝導線材のヒステリシスによって損失が発生し発熱となる
𝑃ACloss = 𝑓 × 𝐿 × 𝑆 × 𝑛 × 𝑞
𝑃ACloss : 交流損失 [J]𝑓 : 交流の周波数 [Hz]𝐿 : コイル線材の長さ [m]𝑆 : フィラメント断面積 [m2]𝑛 : 線材1本当たりのフィラメント数
𝑞 : 一周期単位体積当たりの交流損失 [J/m3・cycle] ←求めることが難しい• 東京大学新領域創成科学研究科の大崎研究室に解析を依頼
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第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/815超伝導線の再検討• 解析によって求めた超伝導線と銅線の発熱の比較
種類

超伝導線

銅線（RRR=10）

銅線（高純度）（RRR=100）

交流損失 [W]

0.027

--

ジュール熱 [W]-0.0590.008

広江さんの解析結果より
引用※他の共通発熱部分は無視している• 超伝導線の方が高純度銅線よりも発熱が大きい結果に
コイルの線径が太く（𝜙0.98 mm）、銅線の抵抗が下がった市販品では細いMgB2 線を発見できなかった• 𝜙0.35 mmのMgB2 線が利用できることになったため、細線の使用で銅線より低発熱になることを期待している
2015/12/8

第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/816磁束密度の再検討• 試作1号機は磁石の力を最大限に活用できていない• 磁束飽和反磁場• ヨークに磁束が通る量には限界がある• 限界を超える量になっていた• 反磁場磁石• 磁石内部で逆向きの反磁場を生じる• 磁化方向の厚みが薄いと反磁場が大きい• これらの問題を解消したい
磁束飽和

ヨーク(継鉄)：磁束の向き2015/12/8

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パラメータサーチによる計算• 磁束密度 𝐵 を仮定磁路法で計算
𝐴𝑚𝐵𝑟1𝐵=𝐴𝑔 1 + 𝜇𝑟 /𝑃𝑐 𝜎

磁石

𝐴𝑚 ：磁石の最小断面積
𝑃𝑐 ：パーミアンス係数
𝐴𝑔 ：ギャップの平均断面積 𝜇𝑟 ：リコイル比透磁率
𝐵𝑟 ：残留磁束密度𝜎 ：漏れ係数• ヨークとコイルの形状をいくつかのパラメータによって定め、計算して磁束密度とVCMの加速度を求める

ヨーク(継鉄)：磁束の向き2015/12/8

第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/818

2種類のVCMについてパラメータサーチ
2𝑟

𝐿𝑔

2𝑟

𝑡1

ギ
ャップ𝑡2

磁石𝐿𝑔 𝐿𝑚 𝑡1

ギ 磁
ャ 石
ップ𝑙

𝐿𝑚𝑡2
𝑡3

ヨーク(継鉄)ヨーク(継鉄)：磁束の向き内磁型VCM
パラメータ：𝑟, 𝐿𝑚 , 𝐿𝑔 , 𝑙
2015/12/8：磁束の向き
外磁型VCM

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パラメータ：𝑟, 𝐿𝑚 , 𝐿𝑔 , 𝑙
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VCMの再設計

時定数 [s]0.1

赤：内磁型
緑：外磁型
加速度条件を満たす• 加速度の要求が満たせるパラメータをそれぞれのVCMで発見• そこで新たな要素として
VCMの駆動の時定数(※)を導入し、これが最小となるものを設計に選んだ

内磁型の方が時定数が小さい

0.01

0.001
10100

加速度 [m/s2](※)VCMには電流応答の遅れと、逆起電力による遅れの2種類が生じる。
ここでは遅い方をVCMの駆動の時定数としている。
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201000VCMの新設計• 以上を考慮し、作られた新しい設計が以下のもの
パラメーター値

磁束密度1.12 [T]

コイルの長さ17.6 [m]（磁束の貫く箇所）

質量0.062 [kg] （駆動部のみ）

加速度

129 [m/s2] （1 A 導通時）

• 試作2号機として製作を進めている
新しく製作したボビン

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今後の作業• 試作1号機• 現在常温での駆動試験中• 低温での発熱の実測、転移温度を含めた物性の調査• 低温での駆動試験、制御試験• 試作2号機• 現在製作中• 解析によって発熱などを見積もり• 試作1号機と同様に試験

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常温試験準備中の試作1号機

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まとめ
• 中間赤外線装置MICHIに搭載する冷却チョッピング機構の要求を計算し、動力源としてVCMを用いた場合の条件を算出した• VCMを用いた場合の要求をもとに、試作機の製作を行った• 試作1号機の構造は改良可能であり、新素材・設計を用いて改良した試作2号機を製作中である。
• 今後は1号機の実験評価に続けて試作2号機の解析や実験評価も行い、更なる改良を進める

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2015/12/8

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パラメータサーチの詳細

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4 mm

ボビン

1. 外磁型VCM𝐿𝑔 − 6 mm

コイル

• 設計パラメータ： 𝑟 , 𝐿𝑔 , 𝐿𝑚 , 𝑙• 5 ≤ 𝑟 ≤ 20 mm ：ヨーク内側半径• 4 ≤ 𝐿𝑔 ≤ 10 mm ：ギャップの長さ• 1 ≤ 𝐿𝑚 ≤ 20 mm：磁石の磁化方向長さ• 5 ≤ 𝑙 ≤ 50 mm ：磁石の高さ

2 mm

2𝑟

ギ 磁
ャ 石ップ

• ボビンとコイルの形状は右図を仮定• ボビン厚み： 1 mm
• ヨーク-ボビン間隔： 0.5 mm• コイル-ヨーク間隔： 1 mm

𝑡1 , 𝑡2 は磁束飽和しない条件で計算

𝐿𝑔 𝐿𝑚 𝑡1

𝑙𝑡2
ヨーク(継鉄)：磁束の向き図：外磁型VCM

4 mm

ボビン

2. 内磁型VCM
コイル𝑙• 設計パラメータ： 𝑟 , 𝐿𝑔 , 𝐿𝑚 , 𝑙• 5 ≤ 𝑟 ≤ 20 mm ：ヨーク内側半径• 4 ≤ 𝐿𝑔 ≤ 10 mm ：ギャップの長さ• 5 ≤ 𝐿𝑚 ≤ 40 mm：磁石の磁化方向長さ𝑡2• 𝑡2 + 3 ≤ 𝑙 ≤ 𝑡2 + 𝐿𝑚 − 2 mm：コイルの高さ

2 mm
𝐿𝑔

2𝑟𝑡1

ギ
ャ
ップ

• ボビンとコイルの形状は右図を仮定• ボビン厚み： 1 mm
• ヨーク-ボビン間隔： 0.5 mm• コイル-ヨーク側面間隔： 1 mm

𝑡1 , 𝑡2 , 𝑡3 は磁束飽和しない条件で計算

𝐿𝑚

磁石𝑡3

ヨーク(継鉄)：磁束の向き図：内磁型VCM

各設計の共通事項• ヨーク材としてパーメンジュールを使用（飽和磁束密度：2.4T）• 磁石はプラセオジム磁石(表面磁束密度：1.7 T@30K)• ボビンとしてはセラミックス(アルミナ)を仮定(密度：3.9 t/m3)• コイルに使用した線材はMgB2線材(径：0.35 mm、密度：4.6t/m3)• 鏡の質量は 30 g と仮定

時定数について

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第5回可視赤外装置ワークショップ＠東北大 12/7-12/829時定数について• 電流の遅れによる回路の時定数𝑙
𝜏𝐶 =𝑅• 駆動の遅れによる機械的時定数𝑚𝑅
𝜏𝑚 = 2 2𝐵 𝐿
• 2つの時定数の積𝑚𝑙𝜏𝐶 𝜏𝑚 = 2 2𝐵 𝐿
• 𝑚, 𝑙, 𝐵, 𝐿 はパラメータが決まれば求められる

𝑙 : 自己インダクタンス
𝑅 : 抵抗𝑚 : 質量
𝐵 : 磁束密度
𝐿 : コイルの長さ

時定数条件
𝜏𝐶 ≪ 𝜏𝑚 （電流が流れてから動く）
10𝜏𝐶 = 𝜏𝑚 となるように 𝑅 を定めた

• 適当な𝑅を取ることで遅い方の時定数を決めることができる
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