宇宙科学研究所赤外での観測装置開発

ISAS/JAXASPICA Mission Overview
Telescope: 3.2m (EPD 3.0m), 6 K

Superior Sensitivity
 Good spatial resolutionCore wavelength: 5-210 μm

MIR Instrument
 Far-Infrared Instrument (SAFARI)

Orbit: Sun-Earth L2 HaloMission Life

3 years (nominal)
 5 years (goal)Weight: 3.7 t
Launch: FY2018 (original plan)-> early 2020s (2022)
International mission

Japan, Europe, USA, Korea, Taiwan

L4

L1

L3Sun

L2EarthL5

Focal Plane Instruments Mid-IR Camera and Spectrometer (MCS) SPICA Coronagraph Instrument(SCI) SPICA Far-IR Instrument (SAFARI) European Consortium Focal Plane Camera (Guider, Science) FPCKoreaUS
 US proposed InstrumentHerschelv
MCS/HRS

10000(30 km s-1)
1000
(300 km s-1)
100
(3000 km s-1)

SPICA

JWSTMCS/MRSBLISSSCISAFARIFPC-S

MCS/WFC/LRS

2 m

20 m

Wavelength

Wavelength coverage vs Resolving Power200 mλMid Infrared Instruments on board SPICA
 MCS : Mid Infrared Camera and Spectrometer Wide field Imaging, mid and high res. spectroscopy wavelength coverage : 5-38m
 General purpose instrument for all SPICA scientificobjectives.
 SCI : SPICA Coronagraph Instrument
 Coronagraphic imaging and spectroscopy wavelength coverage : 3.5-27m Dedicated instrument for exoplanets study4Mid-Infrared Camera andSpectrometer5 -- 38m(--50m) Camera and Spectrometer Wide Field Camera
広視野High Resolution SpectrographR ~ 30,000 4--8 m and 12--18m

高分解能

Mid Resolution Spectrograph

5 arcminutes square FOV x 2,  5--25 and 20--38m

IFU by image slicer
コア波長域/正確な測定R~1500--700  (10--20)+(20--36)m at once

Low
Resolution Grism
Spectrograph
Low Resolution
Spectrograph in WFC 多天体高感度RR~~ 50--100
50--100  5-26m5-26m andand (20-38(20-38 oror 25-48)m25-48)m

MRS-S

HRS-L

MRS-L

SCI


Basic optical design was finishedSimplification for a robust designDeformable mirror is omitted

Focal-plane mask without moving mechanism

Key technology development


Binary pupil mask

Cryogenic testbed

Diamond turning metallic mirror

SCI simulation software

技術開発

派生・発展
SPICAに直結
基礎・一般化8

SPICAに直結する開発
最も労力がかかるのはシステムとしての全体

サイエンス/実現可能性と仕様決定
初期開発・製作・検証・ユーザG・解析・運用

光学系 軸外し反射系 光学設計・製造性の追及
検出器 (セミ)オーダーメイドの2次元検出器
エマルジョン回折格子
イメージスライサー
光学フィルター
極低温アクチュエータ

冷却のために 配線の開発:配線熱流入が許容しがたい

10 フレキケーブル
マンガニンフレキケーブル

出来たが、切れやすい極薄の銅フレキケーブル 塩谷
出来たが、長尺が難しい
フレキは短い部分には有用だがケーブル代わりは無理 普通のケーブル
りん青銅 0.05mmΦx3本より線いい感じ
SPICAの熱要求に答えるにはさらに開発要本年度、さらに 0.05mmΦx2本より線、1本線を

11

ケーブル問題は常に頭痛の種 全数end-to-end試験が基本
 全数抵抗値管理が基本

12

BOB Break-out-Box
 あかりBOB

テストピン

コネクタピン

テストピン

スイッチ

コネクタピン

1314

配線チェッカー 配線チェッカー(2005より)

4線式抵抗測定を任意のピン間でカスケード接続が可。モジュール間の距離もある程度モジュールから短距離で他のコネクタに変換

152012に完成
USB電源供給、USBのDIO/AD器を内臓100ch x 4 のMUXで任意のピン間を4線式抵抗測定

16ねじ式

17可変形鏡の開発
 SPICAでは非搭載でも、将来のある技術
 極端な条件
極低温で使用超低発熱 << 1mW
数ヶ月に1度の設定、あるいは生涯に1度の設定

 この条件にあう可変形鏡が「ねじ式」

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ＤＭへの主要な要求
項目

要求

アクチュエーター数～100 acceptable～1000 goal

駆動ストローク

1.5 micron acceptable
5 micron goal

駆動分解能

10nm (TBD)

駆動安定性

1nm (TBD)

制御速度

遅くて良い
1. ＤＣ的補正を数回 iteration したら保持
2. 1 を時々やり直す（～１回/週が可能なように）

鏡面サイズ

直径数cm1cm

常温部・低温部間のケーブ
ル本数～10 以下 goal
～100
SPICA プロジェクトと要交渉～1000 望ましくない。技術的成立性について要検討かつ SPICA プロジェクトと要交渉

駆動電圧～10 V 以下 goal
～数10 V
acceptable～200V
望ましくない。技術的成立性について要検討かつSPICA プロジェクトと要交渉

ＤＭユニットサイズ～10cm acceptable～5cm
goal

ＤＭユニット重量

ＴＢＤ

鏡面粗さ

数 nm RA 以下

使用環境温度～4.5 K （ただし常温でも試験できることが望ましい）

打ち上げ環境H IIA ロケットにて常温打ち上げ、軌道上で冷却

軌道

S‐E L2

運用期間５年の使用が可能なように

acceptablegoal（DM ユニットとは、コロナグラフ装置内鏡面）

ＤＭ方式比較•

ピエゾ効果を利用する方式
–––––

•

ＭＥＭＳ方式–––––––•

地上望遠鏡などで実績あり
極低温域での使用に深刻な問題点あり（ピエゾ効果の低減、異種材料接合における CTE ミスマッチ）
高電圧が必要保持のため安定した電圧をかけ続ける必要あり
極低温高速マルチプレクサは現段階では期待できないので、チャンネルの数だけケーブルが必要
現在の設計におけるベースライン
軽量、コンパクト（32x32 素子で 1cm x 1cm）クーロン力で駆動するので、極低温でも原理的に動作可能高電圧（～200Ｖ）が必要
保持のため安定した電圧をかけ続ける必要あり
極低温高速マルチプレクサは現段階では期待できないので、チャンネルの数だけケーブルが必要
脆弱性が懸念されている（振動、衝撃、風圧）

機械式– ＭＥＭＳ式の短所、懸念事項（上記赤字）を補う解にできないか、検討したい。
– ＭＥＭＳ式にくらべてＤＭユニットがやや大きく、重くなることは承知の上。

SPICAコロナグラフにおける波面補償••••補正の対象となる波面誤差が生じる主要因は、望遠鏡の形状誤差
そのため高速補正は不要
波面センサーは設けない
サイエンス用検出器で取得した像にもとづいてＤＭを駆動することを数回
iteration する基本アイデア
自由に変形できるミラーを、ミラーの裏側に適当な構造と変形アクチュエータを入れて実現しよう• ±Zの伸縮変位が可能なものを並べた格子があればいい• 伸縮変位格子から鏡の変形には、適当な構造を用いる– 変位格子の間隔が大きくても、小さな鏡を変形させる– 削りだし加工でも作成可能な構造でこれを実現• ネジでバネを押し、バネの先で構造物を変形– 大きな変位を力を介して小さな変位に– 適当な中心から伸縮が可能な変位をつくる– 格子状に伸縮する変位点を並べる• ネジを回すには、小さなモータを各々に用意• モータへの配線はリレーでマルチプレックス

変形ミラーと変形伝達機構• 格子点での伸縮変形を面形状の変形に伝える• 架橋構造が必須• ワイヤ放電加工機等で製作可能な構造– 接着は避ける• 変形伝達と同時に全体の直径を絞る• 格子点は蜂の巣状にならべて詰め込む– コロナグラフマスクとの相性が検討課題• 素子数と単位胞サイズ、全体サイズ

ハッチ領域を3方向から– 3n(n+1)+1個の単位胞が6角の中に抜けば作成できる– 単位胞直径dの(sqrt(3) n + 1)倍が有効半径D– n=6に対し、6角形の角部分の有効でないものを除くと127‐6=121素子、 d=2ならD=22.8– n=13に対し、6角形の角部分の有効でないものを除くと547‐36=511素子、 d=1ならD=23.5– 伸縮変形部のサイズはアクチュエータに依存

可変形鏡

ねじとバネによる微小変位生成•

変形量の保持：ねじが最適– 室温でも極低温でも有効•

力と変形量の比を用いた変位量の変換機構– ばねがピストンを押す力と、変位点まわりの変形応力のつりあい••

遊びによる押し引き応答のがたは許容Φ0.5mm程度のねじは普通に利用可、ばねも極小のもの多数あり
変位点

ピストン

ばね

ナット

いもネジ

ネジの回転
六角レンチの回転アクチュエータ候補1•

ステッピングモータ – 径がちょっと大きいのが問題– ミネベア• http://www.eminebea.com/content/html/jp/micro‐actuator_list/index.shtml• http://www.minebea.co.jp/press/2009/1184417_3757.html– キャノン• http://www.canon‐elec.co.jp/products/compo/motor/index.html• φ6mmアクチュエータ候補2•

DCブラシレスモータ＋変速ギア– 直径の小さいものあり 1.5mmφ– YKK: http://www.ykk.com/japanese/corporate/g_news/2004/20041227.html– DCモータの1/n回転を単位にステップ的駆動も可能(だろう)– 大きな減速比によって十分な分解能を期待できる– 減速ギアのみなら別メーカも 1.5mmφ• http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070129/127060/

アクチュエータ••

モータ、ギアは固体潤滑に変更すればたいていは極低温も大丈夫
高密度に詰め込むには– 三層に六方最密格子状にモータを並べると密度三倍– 3mmφの単位占有面積でも1mmφ相当の密度– 変位伝達部分で直径を絞る+高密度に詰め込む：両方をバランスよく行う•

駆動電線のマルチプレックス– 低温部に入れる電線を削減し、熱の伝導流入を避ける– メカニカルリレーによるモータ選択– 選択信号線数は素子数Nのlog2Nなので128に対し7本、512素子でも9本– モータ駆動電線はモータに依存するが凡そ4本程度– 全部で10数本ですむ

赤・青・緑の三層実現のための鍵•

弾性構造系の設計– ±Zの伸縮変位部付近、アクチュエータが押すばね、変位伝達部分の歪み、鏡自身の弾性– 変形鏡の構造も鏡面に高周波歪みが出にくい構造を工夫•

アクチュエータの選定

アクチュエータ– 大量の素子数に対応できる製造方法がある必要– 極低温対応は検証も必要•

設計最適化のためのコロナグラフシミュレーション– 本当に必要な仕様、要求度の厳しさを洗い出す•ミラーとその裏の構造部分の製造性– 日本の得意とする加工だろう•

その他、極低温の注意– 材料選定で少し気をつける– 各要素の実証試験は必要

ばね
弾性構造
なるべく剛で実際は弾性構造
弾性構造

全体の模式図ねじ式の開発• 変形構造部分
国立天文台ATCと共同で光明• アクチュエータ部分
手つかず・アイデア不足

ワイヤー加工によるミラー構造

実験• ＡＴＣ製 6x6 機械式 DM を使用。
• マイクロメーター式の手動駆動。
• マイクロメーターから、バネを介してピストンを押して鏡面に微小変位を与える。
• 常温、大気中で実験。
• 干渉計で鏡面を計測した。

結果• 鏡面に変位を与えることに初めて成功した。
• マイクロメーターのストロークの制約のため、～0.5λ くらいの変位しか与えられなかった。
• 今後の課題– ストロークと変位の関係は計算どおりか？
計算とずれ ‐‐ 放電加工による変質の影響?
– 多素子駆動を実験