研究開発

宇宙機用の部品として活用が期待される

櫛歯型静電アクチュエータはMEMSで最も使われる駆動原理。最小線幅3μmの微細加工技術と深掘り技術によりインハウスにて作製。

MEMSの研究2Vol.

半導体プロセスを利用して製造されるMEMSは、小型で軽量、かつ省エネルギーという特徴を持っています。
民生用部品としては普及しつつあるMEMSを、宇宙でも活用するための研究が進められています。
半導体プロセスで製造する機械部品

2014 Spring

特集

研究 日本の得意分野、環境技術を駆使した開発 空気再生システムの研究エネルギーも少なくなります。

で確認する試験を予定しています」と電子MEMSを宇宙環境で利用するために開発員は話します。また、確立されていないます。半導体集積回路は、マイクロメート「私たちは、７年ほど前から宇宙機に使うあります。

（※）
レベルル（μm）からナノメートル（nm）ためのMEMSを研究しています」と話すの

宇宙用MEMSの研究は、世界的に見ての微細なパターンによって作られた電気回は、電子部品・デバイス・材料グループの加もまだまだ基礎研究段階で、一歩一歩手路です。その半導体集積回路を製造する藤真耶開発員です。小型軽量でエネルギー探りで進めている状態ですが、MEMSの工程（半導体プロセス）を利用して製造し消費量も少ないMEMSは、宇宙用の部品とメリットは宇宙用部品として十分にインパ部品・デバイス・材料グループの土屋佑太

コンピューターや家電などの電化製品の多くには、半導体集積回路が組み込まれてい宇宙用MEMSの評価方法や評価基準については、国際的な協力体制が作られつつた微小な機械部品・機構部品（デバイス）して非常に魅力的で、地上での放射線試験クトを与えるものです 。きっと近 い 将 来 、をMEMS（Micro Electro Mechanical用シャッターや高周波スイッチなどへの応宇宙機用の部品として活用される日が来Systems）と呼びます。MEMSは、髪の毛用が期待されています。

ることでしょう。

一本よりも小さな機械部品なのです。

宇宙機用MEMSには、いくつかの課題もMEMSは、すでに一般的な部品としてあります。宇宙用部品には、市販されてい広く利用されています。たとえば、携帯電る部品よりも高い精度・性能が求められま話の中に組み込まれている加速度センサす。精度や性能の高い部品を安定して製やインクジェットプリンタのヘッド、ハード造する技術が確立したとして、宇宙空間でディスクのヘッドなどにMEMSが使用されきちんと性能が発揮できるのか（信頼性）、ています。そのほかにも圧力センサや高周求められる期間、使用できるのか（寿命）な波スイッチなどの分野にも、MEMSは広くどの問 題があります 。信 頼 性 試 験として利用されています。MEMSを使用した製は、放射線照射試験や振動試験、機械的な品は、同じ機能を持つ通常の部品を使った衝撃試験、熱衝撃試験などが行われます

製品と比較して、およそ千分の一から百分が 、地 上 で の 試 験にも限 界 があります 。の一程度の容積で作ることが可能となり、「2014年にはMEMSを使ったジャイロス重量も軽くできます。また、駆動のためのコープを打ち上げて、その動作を宇宙空間宇宙機用の部品として活用が期待されるMEMSの研究

打ち上げ間近の「だいち２号」に搭載される自律的軌道制御技術※ １μmは、0.001mm。
１nmは、0.000001mm。

話を聞いた人加藤真耶
KATO Maya

電子部品・デバイス・材料グループ 開発員

土屋佑太

TSUCHIYA Yuta
電子部品・デバイス・材料グループ 開発員

打ち上げに向け着々と準備作業が進む陸域観測技術衛星２号「だいち２号」には、「だいち」にはなかった自律的軌道制御技術が搭載されています。今回は、軌道制御技術を研究している誘導・制御グループが開発し、「だいち２号」に組み込んだ自律的軌道制御について解説します。
話を聞いた人山元

透

YAMAMOTO Toru
誘導・制御グループ 主任開発員
MEMS ジャイロ（上）。
紫外線をカットしたイエロー・ルームでMEMSを製作。
画像:日本大学 マイクロ機能デバイスセンター（左）【開催案内】

筑波宇宙センター特別公開

線幅３μm

線幅７μm

インハウスにて、最小線幅3μｍの微細加工技術を獲得（走査電子顕微鏡で撮影）

開催日時：4月19日（土）10：00〜16：00 ※入場は15:30まで

所在地：茨城県つくば市千現2-1-1【お問合せ先】
筑波宇宙センター 広報部 電話：050-3362-6265／4881 最新情報はこちら→http://fanfun.jaxa.jp/event/detail/1436.html

研究開発本部 広報誌
宇宙開発最前線！
2014年3月発行

発行：JAXA（宇宙航空研究開発機構）研究開発本部
発行責任者：JAXA研究開発本部 研究推進部長 今井良一
〒305-8505 茨城県つくば市千現2-1-1
TEL:029-868-5000 FAX:029-868-5969
ホームページ : http://www.ard.jaxa.jp/

人工衛星が自ら判断して軌道を制御する技術

工衛星が飛行する経路を「軌道」と呼び、すことができません。
しかし、人工衛星は、代表的な地球周回軌道には、地上からは静高層大気の抵抗や太陽の重力等の影響を止したように見える静止軌道、北極と南極受けるため、ガスなどの推進力を使って制

これまで人類は数多くの人工衛星を打を通過する極軌道などがあります。特に地御しなければ、予定した軌道を維持できまち上げてきました。現在でも、多くの人工球の精密な観測を行う地球観測衛星は、決せん。軌道の制御は、人工衛星にとって非衛星が地球の周りを周回しています。人められた軌道を通らないとその目的を果た常に重要な要素の一つなのです。

打ち上げ間近の「だいち２号」に搭載される自律的軌道制御技術

2014年に打ち上げが予定されている

 ( ( ( (「だいち２号」には、新しい軌道制御の方法として「自律的軌道制御」の機能が搭載されています。
「だいち２号」は、2006年の打ち((上げから2011年まで運用された陸域観測技術衛星「だいち」の後継となる地球観測
0

御グループの山元透主任開発員は、「これまでの軌道制御は、ほとんどの作業を地上で0 ( (的軌道制御技術の開発を担当した誘導・制 (衛星です。
「だいち２号」に搭載される自律震央0 (行っていましたが、『だいち２号』
ではすべてを衛星自身が行います」と説明します。
これまでの軌道制御では、軌道を決める観測データ収集、軌道の計算処理、制御計画の立案、制御を行うコマンド（プログラムコード）を作成してそれを送信する、という軌道制御の工程をほとんどすべて地上で行っていましたが、「 だいち２号」の自律的軌道制御は、搭載されているGPS受信機「だいち」
による東日本
大震災の干渉SAR画像
提供：JAXA
原初データ：JAXA,METI-5.9cm05.9cmによって自分の位置と速度データを取得し、軌道が計算されます。もしも、決められた軌道から半径５００m以内の「基準軌道」

水の汲み上げによる地盤沈下の観測などはありません。打ち上げ直後は、人間が眼と呼ばれる範囲を逸脱している、あるいはにも活用されます。と手で確認を行い、段階的に機能確認を逸脱しそうな場合には、「 だいち２号」が軌干渉SAR観測は「だいち」でも行われて道を修正する計算処理を行い、自ら立案しきましたが、精密な軌道の保持は赤道付近星に任せる自律的な軌道制御を行う計画とた制御計画に基づいて軌道制御を行いまでのみ行われました。
自律的軌道制御を行なっています。
「だいち２号」の自律的軌道す。人間に代わって、人工衛星自身が判断う「だいち２号」は、赤道だけでなくあらゆ制御が成功すれば、地球観測衛星としてはし軌道を修正するのです。

る緯度の領域で精密な軌道の保持を行う世界初の成果となります。
この技術を確立ので、いつでも確実に干渉SAR観測が可し、向上させることができれば、日本の宇宙能になります。

開発における大きな強みとなるはずです。

自律的軌道制御の利点とは行っていきます。最終的には、すべてを衛「だいち２号」の自律
このように、軌道を自律制御することで的軌道制御は、打ち上地上局側の労力を減らせるだけでなく、軌げから数カ月の試験運

道制御の頻度をも上げることができるの用を終えた後から開始

で、「だいち２号」は常に基準軌道内にいるされる予定です。
もちろことが可能となります。右図のように地球ん 地 上 でもシミュレーを取り巻く半径５００mの仮想的なチューブ

ションや第三者機関にの中を人工衛星が進んでいくのをイメージ

よる確認を十分に行っするとわかりやすいでしょう。て います が 、それ でも基準軌道で地球を周回することで、定期いきなりす べてをコン的に同じ位置から地上を観測できるようにピュータに任せる訳で地球に固定した基準軌道
1回目の観測時の軌道

2回目の観測時の軌道半径500mの基準軌道なると、正確な干渉SAR観測を行うことが可能となります。干渉SAR観測とは、同じ場所から一定時間をおいてSAR（合成開

だいち

だいち2号

地上地上局による軌道決定用
データ収集運用

搭載GPS受信機による位置・速度データの収集

衛星

地上軌道決定処理

軌道決定処理衛星

地上

軌道制御計画立案

軌道制御計画立案

衛星

地上軌道制御コマンド作成

軌道制御コマンド作成

衛星

地上コマンド送信運用

軌道制御実施衛星口レーダー）による撮 影を行う観 測 方 法
で、二つのSAR画像の差分をとるような処理によって、微妙な地表の変動量が独特な縞模様として表示される画像を得ることができます。干渉SAR観測では、数十㎞の広い範囲での変化量分布を視覚化できるため、地表の面的な変化を直感的に捉えることができます。
また、衛星による干渉SAR観測には、観測する場所に観測機材を設置しなくても観測ができる利点があり、地球上のどんな場所の変化も観測できます。

軌道制御実施干渉SAR観測は、地震前後の地形変化の把握や火山活動の監視などのほか、地下自律的制御を行うことで変わる軌道制御作業

衛星日本の得意分野、環境技術を駆使した空気再生システムの研究話を聞いた人人間が長期間宇宙に滞在するためには、空気をリサイクルして使う必要があります。
JAXAでは日本製空気再生システムの研究を進めており、今後、国際宇宙ステーション（ISS）での実験も予定されています。
今回はこの日本独自のシステムをご紹介します。

宇宙で人間が生活するために必要な空気再生システム

桜井誠人

SAKURAI Masato
未踏技術研究センター拠点系革新技術ユニット
有人宇宙システムセクションリーダー 主任研究員

へ運び、実験を行います」と説明するのは、かにも、微小重力下では、電気分解時に発研 究を担 当して いる未 踏 技 術 研 究 セン

生する泡が合体して大きくならずに電極にター拠点系革新技術ユニット有人宇宙シ付着した状態になったり、対流が起こらな人間が宇宙で生活するためには酸素がステムセクションの桜井誠人主任研究員

い た めに 大きな温 度 分 布 が 発 生 すると必要です。酸素濃度が低いと、低酸素症やです。水電解装置に続いて、将来的には二いった問題もあります。

酸素欠乏症の要因となります。また、二酸酸化炭素還元装置も実験する計画です。

地上では微小重力になるべく近づけた化 炭 素の濃 度が高くなると、頭 痛やめま

これらの実験装置は、コンパクトにまとめら状態になるよう、電気分解装置を載せた台

い、吐き気などを催し、さらに高濃度になる

れてISSの「きぼう」
日本実験棟に設置されを斜めに傾けたり、ひっくり返した状態でと二酸化炭素中毒による死を招くこともある予定です。

気液分離の機能を確認していますが、微小日本製空気再生システムの実験を開始るのです。

ります。ISSに滞在する宇宙飛行士が使う空気は、圧縮した空気を地上から打ち上げたり、電気分解によって水から酸素を作っ重力の環境下で動作を確認する必要があ
空気の循環再生システムは、ISSで利用たりします。
また宇宙飛行士が吐き出す二するだけではありません。現在、国際的な取酸化炭素は、二酸化炭素除去装置によって微小重力下のISSでは、地上では重力にり組みが検討されている月面基地やディー取り除きます。
しかし、いずれの装置もアメよって自然に分離する電気分解後の気体

プスペースハビタット（ラグランジュポイント

リカとロシアに依存している状態です。

（水素）と水が、そのままでは分離しないこに設置される有人生活環境モジュール）、火日本では、20年以上も前から、人間の吐とが問題になります。そこで、重力に依存せ星への有人飛行でも必要となる技術です。

き出す二酸化炭素から酸素を再生させる

ずに気体と液体を分離させるため、実験装また、地上でも室内の二酸化炭素濃度を抑技術が研究されてきました。JAXAは現置に膜式気液分離装置を搭載しています。

える装置への転用なども考えられます。空在、その実績と経験を活用し、日本独自の膜式気液分離装置は、液体と気体が混合し気再生システムをより優れたものにしてい宇宙環境での空気再生システムの研究開て流れ込むパイプを挟むように、気体だけくことは、宇宙開発における日本のアドバン発を進めています。
「 2016年に打ち上げを透過する膜と液体だけを透過する膜をテージとなるだけでなく、環境問題解決へられるHTV７号で、まず水電解装置をISS配置し、液体と気体を分離します。そのほの国際貢献の一助にもなります。

有毒ガス除去空気（CO2 濃度 0.4％）+ 有害ガス + 水蒸気
空気 +水蒸気

水蒸気

除湿空気

乾燥

メンブラン
ドライヤー

H2O
H2+H2O

水電解装置
空気

H2

CO2 除去済空気

CO2を一時的に保存するタンク

CO2の流量を制御する装置

CO2+4H2H2O
触媒

CH4+2H2O
凝縮水タンク

H2O
ギアポンプ

CO2 除去CO2 脱着加熱混合器

CO2 吸着冷却

CO2バッファタンク

水を電気分解して酸素を作ります。

サバチエ反応器

CO2 還元マスフロー
コントローラ

空気再生システムO2CO2 除去済空気+ 水蒸気

吸着筒
ヒーター

空気中から水蒸気を取り除き、二酸化炭素を分離します。

H2O：水

O2

CO2二酸化炭素除去装置

CO2 ：二酸化炭素 CH4 ：メタン
H2 ：水素 O2 ：酸素

水電解

中空糸膜
中央に孔のあいた糸状の膜
水を通す性質があります

空気 + 水蒸気

気液分離機
CH4
船外排気
二酸化炭素
還元装置
触媒を使って二酸化炭素から水とメタンを作ります。

研究開発

櫛歯型静電アクチュエータはMEMSで最も使われる駆動原理。最小線幅3μmの微細加工技術と深掘り技術によりインハウスにて作製。

宇宙機用の部品として活用が期待される

MEMSの研究
半導体プロセスを利用して製造されるMEMSは、小型で軽量、かつ省エネルギーという特徴を持っています。
民生用部品としては普及しつつあるMEMSを、宇宙でも活用するための研究が進められています。

半導体プロセスで製造する機械部品エネルギーも少なくなります。

で確認する試験を予定しています」と電子MEMSを宇宙環境で利用するために開発員は話します。また、確立されていな
い宇宙用MEMSの評価方法や評価基準に「私たちは、７年ほど前から宇宙機に使うあります。

部品・デバイス・材料グループの土屋佑太

コンピューターや家電などの電化製品の多くには、半導体集積回路が組み込まれてついては、国際的な協力体制が作られつついます。半導体集積回路は、マイクロメート（※）
レベルル（μm）からナノメートル（nm）ためのMEMSを研究しています」と話すの

宇宙用MEMSの研究は、世界的に見ての微細なパターンによって作られた電気回は、電子部品・デバイス・材料グループの加もまだまだ基礎研究段階で、一歩一歩手路です。その半導体集積回路を製造する

藤真耶開発員です。小型軽量でエネルギー探りで進めている状態ですが、MEMSの工程（半導体プロセス）を利用して製造し消費量も少ないMEMSは、宇宙用の部品とメリットは宇宙用部品として十分にインパた微小な機械部品・機構部品（デバイス）して非常に魅力的で、地上での放射線試験クトを与えるものです 。きっと近 い 将 来 、をMEMS（Micro Electro Mechanical用シャッターや高周波スイッチなどへの応

宇宙機用の部品として活用される日が来Systems）と呼びます。MEMSは、髪の毛用が期待されています。

ることでしょう。

一本よりも小さな機械部品なのです。

宇宙機用MEMSには、いくつかの課題もMEMSは、すでに一般的な部品としてあります。宇宙用部品には、市販されてい広く利用されています。たとえば、携帯電る部品よりも高い精度・性能が求められま話の中に組み込まれている加速度センサす。精度や性能の高い部品を安定して製※ １μmは、0.001mm。
１nmは、0.000001mm。

話を聞いた人加藤真耶やインクジェットプリンタのヘッド、ハード造する技術が確立したとして、宇宙空間でディスクのヘッドなどにMEMSが使用されきちんと性能が発揮できるのか（信頼性）、KATO Mayaています。そのほかにも圧力センサや高周求められる期間、使用できるのか（寿命）な波スイッチなどの分野にも、MEMSは広くどの問 題があります 。信 頼 性 試 験として電子部品・デバイス・材料グループ 開発員

利用されています。MEMSを使用した製は、放射線照射試験や振動試験、機械的な品は、同じ機能を持つ通常の部品を使った衝撃試験、熱衝撃試験などが行われます

製品と比較して、およそ千分の一から百分が 、地 上 で の 試 験にも限 界 があります 。の一程度の容積で作ることが可能となり、「2014年にはMEMSを使ったジャイロス重量も軽くできます。また、駆動のためのコープを打ち上げて、その動作を宇宙空間MEMS ジャイロ（上）。
紫外線をカットしたイエロー・ルームでMEMSを製作。
画像:日本大学 マイクロ機能デバイスセンター（左）筑波宇宙センター特別公開

TSUCHIYA Yuta
電子部品・デバイス・材料グループ 開発員

線幅３μm

線幅７μm

インハウスにて、最小線幅3μｍの微細加工技術を獲得（走査電子顕微鏡で撮影）

開催日時：4月19日（土）10：00〜16：00 ※入場は15:30まで【開催案内】

土屋佑太

所在地：茨城県つくば市千現2-1-1【お問合せ先】
筑波宇宙センター 広報部 電話：050-3362-6265／4881 最新情報はこちら→http://fanfun.jaxa.jp/event/detail/1436.html

研究開発本部 広報誌
宇宙開発最前線！
2014年3月発行

発行：JAXA（宇宙航空研究開発機構）研究開発本部
発行責任者：JAXA研究開発本部 研究推進部長 今井良一
〒305-8505 茨城県つくば市千現2-1-1
TEL:029-868-5000 FAX:029-868-5969
ホームページ : http://www.ard.jaxa.jp/