技術紹介「宇宙用ダストセンサ」のこれからと IIC
丸博史 *1Maru Hiroshi

宇宙空間に浮かぶ大きさが 100mm ～数 mm のダスト（デブリおよびメテオロイド）は、高速（数 km/s）で衛星に衝突すると故障を引き起こす可能性があることがわかっている。しかしながら、宇宙空間におけるこのダストの分布は不明である。これを計測するための宇宙用ダストセンサが有限会社 QPS 研究所殿と株式会社 IHI 殿によって提案された。原理は薄いポリイミドフィルムに 100mm ピッチで直線パターンをひき、これにダストが衝突する時の断線を電気的に計測するものである。
当社の制御システム事業部では JAXA 殿・IHI 殿からの契約のもとで、このダストセンサの開発を数年前から行ってきた。ここでは今まで開発したダストセンサの紹介と今後の開発目標を紹介する。
キーワード：宇宙用ダストセンサ、衛星、宇宙ダスト（デブリ）、Printed Electronics

なっている。

1. はじめに

このセンサでは、100mm ～数 mm のダストの宇宙用ダストセンサとは、薄膜のフィルムに検出に使用される。なお、このダストセンサはダ100mm ピッチで直線パターンをひいたものであストが衝突した時の孔径が大きくならないようる。これに宇宙空間でダストが衝突すると貫通しに、可能な限り薄膜を使用している。

パターンが断線する。これを電気的に検知する。

この検出原理と、製造プロセスの検証のため

この原理は、QPS 研究所殿と IHI 殿の共同特許とQPS 研究所殿が研究室レベルのモデルを製作し

図1*1：制御システム事業部（1）

宇宙用ダストセンサ 計測原理図（提供：JAXA/IHI）

技師長

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た。このモデルはダストを検出するピッチ 100mmフィルムを用いたプリント板の製造は初めてであのパターンをもつ幅 1.2cm、長さ 10cm のリボンり、担当者は製造歩留りや製造装置の整備にかな8 本で構成されるセンサ部と、これをコネクタでり苦労しながら製造・検査・試験を行った。セン接続し断線等の状況を計測する回路部からなってサパターンは、クラス 1,000 のクリーンルームでいる。JAXA 殿はこのモデルで検出原理の妥当性LDI（Laser Direct Imager） を 使 用 し て 描 か れ た。の確認試験、および模擬ダストの高速度衝突試験

また、センサパターンの幅や、ピッチの幅の検査（2）（3）によるセンサ部の性能評価を行った。

は AOI（自動光学検査装置）を使用して行うことで、製造誤差の評価が可能になった。

写真 1

研究室レベルモデル（提供：JAXA）

写真 2

BBM（提供：JAXA）

次の課題は、センサ部の大面積化とセンサ部とこのモデルでは宇宙空間での耐熱環境性を評価回路部の信頼性の向上であった。これに当社はするために -65 ～ 125℃の熱衝撃試験を行い、試JAXA 殿・IHI 殿とともに挑戦した。

験後に劣化していないことを確認した。これにこの挑戦の最初として BBM（Bread Board Model

よって宇宙開発品と同等の品質が維持できる目途：要素モデル）を試作した。このモデルでは厚さが得られた。

12.5mm のセンサ部と、このセンサ部の断線を検また、BBM を用いて JAXA 殿が模擬ダストの知する部品を搭載するリジット部を一体化し 1 枚超高速度衝突試験を行い、センサの検出性能が研の基板とすることを目標とした。この一体化した究室モデルと同等であることを確認した。

基板を製造するためにはフレックスリジット基板

2. フライトモデルの開発の製造技術が必要で、このため宇宙用フレックスリジット基板の JAXA 殿認定を持つ山梨アビオニ

宇宙用ダストセンサのフライトモデルは、衛星

クス株式会社殿に製造を委託した。

等に搭載されることを前提に、センサパターンのこのモデルのセンサの幅は 35cm、長さは 46cm

接続 / 断のデータを衛星等のバス機器に通信で出である。両側のリジット部にはセンサパターンの力できるものにした。このために市販の FPGA断線を計測するためのコネクタを搭載した。山梨

（Field Programmable Gate Array） を 使 用 し て セ ン

アビオニクス殿でも、厚さ 12.5mm のポリイミドサパターンの計測と通信を行う回路素子の開発を

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行った。

た、同時にこのダストセンサを固定し、HTV の構
きょう

このダストセンサのフライトモデルは、BBM体に固定するための筐体部も開発され納入された。と同様に山梨アビオニクス殿に製造をお願いしこ の フ ラ イ ト モ デ ル の セ ン サ は、 納 入 後 にた。山梨アビオニクス殿では宇宙用のフレックス

JAXA 殿で打上げ環境等を模擬した、振動、衝撃、リジット基板の生産技術をもとにベアボードと呼熱平衡、熱真空試験の環境試験等を実施し、搭載ばれるプリント板を製造し、これに部品実装（半性の確認を行った。

田付け）を行った。この部品実装後に外形加工をさらに、宇宙空間にある原子状酸素によるセン行った。センサパターンは、リジットプリント板サへの悪影響（ポリイミドの侵食）が懸念され、おおに蓋われている。この外形加工ではセンサパターンを蓋っているリジットプリント板を剥がすものである。この工程は非常に難しく、安定するまで何回かの試作が必要であった。

写真 3フライトモデル（提供：JAXA）

フライトモデ ルは、宇 宙 空間での実 証のためHTV5 号機に搭載されて、H- ⅡB で 2015 年夏期に打上げられることになった。このためのセンサは2013 年上期に製造され、JAXA 殿に納入された。ま写真 4 振動試験装置にセットされたダストセンサ（提供：JAXA）—

写真 564—

HTV5 号機に搭載されたダストセンサ（提供：JAXA）

このため JAXA 殿がセンサ膜に耐原子状酸素コーする必要がある。

ティングを行った。これでセンサの厚さが当初よ

また、ダストの軌道に関する情報を得るためにり厚くなり、その影響評価のため再度超高速度衝は、精度の高い衝突時刻も重要なデータとなるの（3）

突試験を実施し、問題ないことを確認した 。

で、ダストの衝突を加速度計等で検知することもなお、2016 年には日本のある宇宙ベンチャー検討している。このようにダストセンサシステム企業が、このセンサを搭載した衛星を打上げる予としては、多くのデータの収集・処理が必要であ定であり、現在その準備を進めている。

る。
このためのコントローラ部は、ダストセンサ本3. 改良型ダストセンサ体とは分離した別 BOX を設ける方針である。ここの方式のダストセンサの検出効率は、そのセれで個々の衛星とのインタフェースをコントローンサ面積に依存する。例えば現状のダストセンサラ部で取り、センサ本体の衛星ごとの変更をなくは、センサの有効面積が約 0.1m である。これをすことができる。これはダストセンサのシステム高度約 500km で周回する衛星が搭載した場合に化である。また、コントローラ部を本体から分離は、搭載場所にもよるが、数十回 / 年程度の計測することによって、限られた大きさのダストセン確率である。

サ本体のセンサ有効面積の減少を可能な限り防2

現状のダストセンサの大きさは、幅が 350mm、ぎ、また複数のセンサのデータを集めることがで長さが 460mm である。この大きさは、フレックスきる。

リジット基板製造機械で加工できる最大のものでこの改良型ダストセンサシステムの開発は、今ある。

後 JAXA 殿・IHI 殿との契約で開始される予定でダストセンサは、左右両側に回路素子等を搭載ある。

するリジット部を持つ。また、センサ部を保護す4. 次世代センサるためのカバーレイを約 10mm 持つ。これらが実際にダストを検知するセンサ有効面積を縮めてい宇宙空間のダスト環境を調べるためには、ダスる。現状のフライトモデルは、両側にリジット部トセンサを多くの衛星に搭載する必要がある。そとカバーレイを約 67mm、合計で 134mm 持ってのため衛星側とダストセンサのインタフェースをいる。これはセンサ全長の 460mm に対し約 30％少なく、また簡単にして、衛星側の負担を少なくである。これからセンサの有効面積を増加させるする必要がある。

ために、まずリジット部の小型化を行う。

ダストセンサと衛星との電気的インタフェース

また、面積を増やすためにはセンサ枚数を増やは、電源と通信である。この中で電源は、センサすことも有効である。

システムとして太陽電池等のハーベスト電源（環HTV の搭載でもそうであったが、衛星等を通境発電）を衛星から独立して持つことを検討をししてセンサデータを地上送信するには制限があたい。また、通信については衛星との配線を少なり、センサパターン 1 点 1 点の生データを送信すくするため、Zig Bee 等の無線をデータ通信に用ることは効率が悪い。このためセンサ自体でデーいることを検討したい。

タの編集を行い、衛星に渡すことが必要である。

また近年、回路基板の製造コストを下げるため、さらに、衛星によって通信方式が違うことも考慮

印刷電気回路技術（Printed Electronics）の研究が進—

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んでいる。この印刷電気回路技術は薄膜のフィル謝辞

ムにパターンを印刷し、それを熱や光で固定する方式である。この印刷技術では、有機半導体等を使この宇宙用ダストセンサの原理の特許の使用を用したアクティブな回路素子も実現している。これ

快く承諾していただいた IHI 殿、QPS 研究所殿ににより印刷技術で素子を含んだ基板の実現が一貫感謝いたします。
また、この紹介を書くに当たって何度もチェッしてでき、大幅なコストダウンの可能性がある。

クをしていただいた JAXA 殿、IHI 殿の担当者のダストセンサ本体の大きさは、フレックスリ方に感謝いたします。

ジット基板の製造工程による制限がある。この大さらに、実際にこのダストセンサを開発・製造し、型化を図るためにも、この印刷電気回路技術の採今後の改造や次世代型センサの開発に携わっても用を検討したい。

らう山梨アビオニクス殿には深く感謝するともに、

衛 星 は 通 常 MLI（ 多 層 断 熱 材：Multi-Layer

期待することが大です。

Insulator）で覆われている。この、MLI は衛星を厳しい宇宙の熱環境から守るために不可欠な部材

参考文献

で、薄膜の数層（数枚）のポリイミドフィルムで（1） JAXA ホ ー ム ペ ー ジ：http://www.ard.jaxa.jp/構成されている。

research/kankyou/kan-sub5.html （ 最 終 ア ク セ

印刷電気回路技術では 5mm のポリイミドフィ

ス日 2015 年 8 月 12 日）

ルムの使用が可能である。これを用いて製造した薄膜のダストセンサを、衛星の MLI の表面に装（2） Y. Kitazawa, H. Matsumoto, O. Okudaira, P. Faure,

着することが可能であれば、熱的インタフェース

Y. Akahoshi, M. Hattori, T. Hanada, A. Karaki, A.

でも衛星の負担を減らすことが可能である。また、

Sakurai, K. Funakoshi, T. Yasaka : Research and

1 機の衛星に搭載されるダストセンサも増やすこDevelopment on In-situ Measurement MMODとが可能である。

sensors at JAXA, The Sixth European Conferenceon Space Debris, Darmstadt, Germany, April 22-

5. まとめ25, 2013

宇宙用ダストセンサを世界の多くの衛星に搭載（3） M. Nakamura, Y.Kitazawa, H. Matsumoto, O.

してもらうため、衛星とのインタフェースを最小Okudaira, T. Hanada, A. Karaki, A. Sakurai, K.にして衛星にやさしいものとしていきたい。

Funakoshi, T. Yasaka, S. Hasegawa, M. Kobayashi: D ev e l o p m e n t o f I n - S i t u M i c r o - D e b r i s
Measurement System, Advance in Space Reserch,
Volume 56, Issue 3, 1 August 2015, pp. 436-448
制御システム事業部
技師長丸博史TEL. 045-523-8319
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