革新的な衛星バス技術の研究

研究成果のハイライト

成果の社会的意義・価値 成果創出に至る取組・克服状況

宇宙科学・探査ロードマップや宇宙科学コミュニティの戦略に掲げられた機動的かつ高頻度な小型探査ミッションの実現に対し、衛星バスの革新的な小型軽量化、短工期化を目指す本研究の意義・価値は高い

現 行 プ ロ ジ ェ ク ト か ら 課 題 を 適 切 に 抽 出 し 、 民 生 のInnovativeな技術を投入してコンポをダウンサイジングし、波及的に各サブシステム（熱・構造・電源など）の常識や前提条件を崩していくことで、「革新」を生み出す

上記研究成果に関するエビデンス（査読付き論文、学会発表等）

S. Fukuda, et al., “Innovative avionics miniaturization by chip-level integration using vertical assembly technique,” Aerospace Technology Japan (accepted) ほか．

共通様式 ISAS事業計画No,

研究代表者（所属） 費用（概算でもOK）

3-2-1（例）

事務局記入

福田 盛介JAXA

30,000千円

MEMS 3次元チップモジュールの適用例イメージ

小型軽量化・低消費電力・短工期化等の革新的な衛星バスの目標に対して実施してきた複数の研究課題について、各種の試作及び試験・評価を実施し、成果のとりまとめを行った（小型軽量高効率PSU用のシートトランス、膜面上への機能的素子の分散実装、推進系スラスタ等）。

特に、RG発足時から重点的に取り組んできたMEMS

3次元実装技術の研究は、昨年度までに4層の3次元CPUモジュールの製作や評価を完了し、今年度は実際のプロジェクトに提案・適用していくための応用例を具体的に検討して整理している。

また、低温動作可能な民生用バッテリセルの搭載性の研究を本格化させ、組電池の構造設計やバスバーの溶接性評価などを行い、今後の開発に向けた準備を整えた。

チップ①

チップ②

チップ③

断面構造(例)

TSV実装部品（SOI 、MEMS 等）

超小型チップモジュール

2

2019年度戦略的開発研究（工学）報告書

研究課題名 革新的な衛星バス技術の研究

研究代表者（所属） 福田盛介（宇宙科学研究所・宇宙機応用工学研究系）

共同研究者（所属）「革新的な衛星バス技術の研究」ＲＧ

石田貴行、尾崎正伸、坂井真一郎、佐藤英一、澤井秀次郎、津田雄一、戸部裕史、

冨木淳史、内藤均、中尾達郎、廣瀬和之、堀恵一、松崎恵一、三田信、道上啓亮、

宮澤優（JAXA）、勝身俊之（長岡技科大）、竹ヶ原春貴（首都大東京）、

三田吉郎、宇佐美尚人（東京大）研究協力者（所属）

活動区分 □WG ■RG □衛星運用

研究活動期間 平成 26年度 から 平成 31年度

2019年度 研究費 30,000 （千円） 2020年度 研究費要求額 （※） （千円）

2020年度

研究成果

小型軽量化・低消費電力・短工期化等の革新的な衛星バスの目標に対して実施してきた複数の研究課題について、各種の試作及び試験・評価、さらには実際のプロジェクトに提案・適用するための整理などを実施し、成果のとりまとめを行った（MEMS 3次元実装、小型軽量高効率PSU用のシートトランス、膜面上への機能的素子の分散実装、推進系スラスタ等）。また、低温動作可能な民生用バッテリセルの搭載性の研究を本格化させ、組電池の構造設計やバスバーの溶接性評価などを行い、今後の開発に向けた準備を整えた。

評価ポイント「衛星バスの軽量化」、「小型軽量コンポーネント技術」、「超小型・低消費電力計算機」、「二液推進系エンジン」などの重点技術研究リストの技術項目によく適合した研究を計画し、各種試作による具体的な成果を得ている。

※本RGとしての活動は今年度までで終了する方向。研究成果の展開については別途各方面とご相談させて頂きたい。

3

本研究の背景，目的，意義など

（背景） 平成25年度まで、「次世代小型標準バス技術WG」として、衛星開発の短工期化やユーザビリティの向上等を目的に、小型標準バス技術の研究を実施してきたが、探査ミッションを睨んだ大胆な軽量化など、衛星バスに対するチャレンジングな要求に対応するため、これらを研究目的の中心とした革新的な衛星バス技術に関するRG研究を、平成26年度から戦略的開発研究として実施している。

（目的） イプシロンロケットを用いた各種ミッションに資する、革新的な衛星バス技術の研究を行うことをトップの目的（行動原理）に据え、そこからのブレークダウンとして、以下の2つのカテゴリの研究目的を設定している。

目的(A): 衛星バスの小型・軽量化イプシロンを用いたプログラム的な太陽系探査ミッションでは、探査機バスの小型・軽量化が喫緊の課題となっており、アーキテクチャ・コンポーネント・実装技術などの各レイヤにおける研究・検討を推進する。現状技術の定量的な分析と試作・実験に基づいた技術イノベーションをセットに、具体的な成果を上げることを目指す。

目的(B): 衛星の短工期化

衛星の短工期化は、地球周回衛星のための標準バス的アプローチのみならず、高頻度なプログラム探査を実現するためにも必須の課題である。要求分析・設計からシステム試験に至る衛星開発サイクルを分析し、サブシステム技術の革新や高度なツールの開発等で、実プロジェクトに寄与する。

（意義） 宇宙科学・探査ロードマップのビジョンや戦略（イプシロンによる小型太陽系探査の高頻度化、衛星探査機アーキテクチャの革新、超小型化・軽量化など）を具現化するために必須の研究課題であり、大きな意義がある。

本研究のゴール

• 本RGの成果は、公募型イプシロン搭載ミッションの各号機や、中型の探査ミッション等への技術投入を具体的に目指し、研究計画を立案する。

• システム的な技術については、実プロジェクトのシステムメーカに技術移転できる段階、コンポーネント技術については、共通的なコンポーネント開発（戦略コンポーネント等）のスキームやプロジェクト活動の中での機器開発に繋げられる段階、が研究のゴールイメージとなる。

本研究の目的

4

研究計画・方法（開始年度から）

平成２６年度 （研究費：35,000千円） 注：番号は複数年度にわたる通し番号

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究： CPU/SRAM3次元実装モジュールの試作

② 姿勢制御系SpaceWireインタフェースモジュールの小型軽量化検討： アナログインタフェースモジュール(ACANA)の軽量試作

③ MEMSジャイロの衛星用IRU化検討： 帯域・温度特性の改善手法適用による目標性能の達成

④ 将来推進系技術の検討： セラミック-チタン接合スラスタのろう付け部試作、低毒性HAN系スラスタの電気着火の実験的検討

⑤ 地上系ツールの高度化による衛星システム試験効率化の検討： 試験現場モニタリング、通信定義表チェックツール試作（この他、研究課題抽出のためのアーキテクチャ検討、パイロット的な探査ミッションのシステム設計作業を実施）

平成２７年度 （研究費：73,900千円）

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究： CPU/SRAM3次元実装モジュールの詳細評価、プロセス検討

② 姿勢制御系SpaceWireインタフェースモジュールの小型軽量化検討（→搭載アビオニクスの集約化の研究）：

超小型モジュール電気モデル、構造評価モデル試作

③ MEMSジャイロの衛星用IRU化検討： 温度特性を改善したMEMSコアの試作、ASIC予備設計

④ 将来推進系技術の検討： セラミック・チタン接合スラスタ要素試作、低毒性HAN系スラスタの電気着火燃焼器の設計・製作

⑤ 地上系ツールの高度化による衛星システム試験効率化の検討： 搭載ソフトウェアの自動生成ツールの改良検討、実装

⑥ 軽量フレキシブルフィルム型リチウムイオン電池の評価： 初期特性、及び真空環境前後のインピーダンス確認

⑦ 低リソース探査のための通信系技術の研究：チップサイズ原子時計評価、機械式フェーズドアレイアンテナ要素評価

平成２８年度 （研究費：75,000千円）

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究： 3次元超小型計算機モジュール試作、評価基板製作

② 搭載アビオニクスの集約化の研究： 熱サイクル試験・評価、小型軽量ドライバ回路の設計・試作

③ MEMSジャイロの衛星用IRU化検討： 最終的な性能試験データの取得

④ 将来推進系技術の検討： 20N級セラミック・チタン接合スラスタ試作・燃焼試験、低毒性HAN系スラスタの電気着火燃焼試験

⑤ 地上系ツールの高度化による衛星システム試験効率化の検討： 搭載ソフトウェアの自動生成ツールの高性能化

⑦ 低リソース探査のための通信系技術の研究： 機械式フェーズドアレイアンテナ製作

⑧ 曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究： 薄膜化工程がSi素子に与える影響の定量評価

平成２９年度 （研究費：70,000千円）

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究：基板実装形態でのCPUモジュールの動作確認、耐環境試験

② 搭載アビオニクスの集約化の研究： LLC共振コンバータ方式による小型軽量PSU BBM試作、及びシステムインパクトの評価

④ 将来推進系技術の検討： セラミック/金属接合20N級スラスタ燃焼試験及び500N級スラスタ検討、低毒性HAN系BBMスラスタ設計及び各種点火・燃焼制御手法の検討評価

⑤ 地上系ツールの高度化による衛星システム試験効率化の検討： 衛星シミュレータの開発量ミニマムな実現方法の研究

⑦ 低リソース探査のための通信系技術の研究： 機械式フェーズシフタによる電子走査小型軽量X帯MGAの評価・発展構成考案

⑧ 曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究： 薄膜基板への薄層化LSI集積、及び電気的測長構造

研究計画と方法

研究期間 ←

FY2014（実績） FY2015（実績） FY2016（実績） FY2017（実績） FY2018（実績） FY2019（実績） FY2020

システム検討、モジュー

ル試作(10)

モジュール詳細評価、プ

ロセス検討(26.9)

超小型CPU基板の設計・

試作(23.9)

超小型CPU基板の評価・

モジュール信頼性評価

（温度・振動等）(20.2)

ワイヤボンディング部の

歩留り改善、多層化検討

(11.2)

適用先検討など(1.2)

回路集積化検討／要素試

作(7.5)

超小型スタック構造の評

価、ドライバ機能小型化

検討(11.1)

セラミックBGAパッケー

ジの熱サイクル評価、小

型軽量ドライバ回路試作

など(27.0)

小型軽量ドライバ回路の

PSU化、シートトラン

ス・HIC試作(24.3)

シートトランスの実装評

価(15)

シートトランス環境試験

ほか(6.4)

MEMSコア試作、データ

評価(5.3)

温度特性向上、ASIC予備

設計(22.2)

コア性能最終データ取

得・評価(5.2)終

了

④-1 セラミック・チタン接合スラスタ

（担当： 戸部、道上、佐藤、澤井ほか）

セラミック-チタンろう付

け試作、熱衝撃試験・

引っ張り試験(2)

曲げ試験、接合スラスタ

試作(5.3)

20N級セラミックス／金

属ろう付けスラスタ試作

(6.6)

500N級セラミックス／金

属ろう付けスラスタ要素

試験(2.4)

500N級セラミックス／金

属ろう付けスラスタ製作

条件検討ほか(5)

500N級セラミックス／金

属ろう付けスラスタ試作

など(9)

④-2 高性能低毒性スラスタ

（担当： 勝身、竹ケ原、堀、澤井ほか）

可視チャンバ内でのス

パーク放電等による着火

条件の検討(1.5)

点火実験、燃焼試験設備

の整備(2.5)

燃焼試験(1.5) BBMスラスタの設計、各

種燃焼制御手法の検討評

価(6.5)

BBMスラスタの地上燃焼

実験による各種燃焼制御

法の評価(5)

BBMスラスタの地上燃焼

実験による各種燃焼制御

法の最適化(6.6)

ASTRO-H総合試験のモニ

タリング、SpaceWire通

信定義表の整合性チェッ

クツール(5.9)

搭載ソフトウェアの自動

生成ツールの検討(3.0)

搭載ソフトウェアの自動

生成ツールの実装(8.4)

High fidelity な衛星シ

ミュレータの開発量ミニ

マムな実現・試作(13.4)

　→独立した戦略

　　研究として

　　分離

セル購入、特性確認(1.0) 終

了

チップスケール原子時計

評価(1.4)

MGAの機械式ビーム

フォーミング試作(1.3)

MGAの機械式ビーム

フォーミング評価(0.6)

MGAの利得・ビーム可変

範囲の検証(0.2)

試験評価装置構築(1) フレキシブル基板実装実

験等(2.5)

有機薄膜基板を曲げた立

体構造化試作(1.6)

膜面上への機能的素子の

分散実装(1.5)

直並列化、組電池化、品

質要求適合性検討(1)

組電池の構造設計・試

作、バスバー溶接性評価

(5.3)

35 73.9 75 70 39 30

　　　　　　　　→別の枠組みの予算で

　　　　　　　　EM,PFM製作予定

⑥軽量フレキシブルフィルム型リチウムイオン電池の評価

（担当： 久木田、宮澤ほか）

研究費（含む旅費）

研究項目

④将来推進系技術の検討

①MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究

（担当： 福田、廣瀬、三田、尾崎ほか）

②姿勢制御系SpaceWireインタフェースモジュールの小型軽量化検討 →

搭載アビオニクスの集約化の研究

（担当： 福田、坂井真、尾崎、久木田ほか）

③MEMSジャイロの衛星用IRU化検討

（担当： 坂井真、三田信、福田ほか）

⑦低リソース探査のための通信系技術の研究（担当： 冨木ほか）

⑧曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究

（担当： 三田吉郎ほか）

⑤地上系ツールの高度化による衛星システム試験効率化の検討

（担当：松崎、福田、坂井ほか）

⑨低温動作可能な高性能民生バッテリの搭載検討

（担当： 宮澤、内藤、福田ほか）

5

研究計画・方法（つづき）

平成３０年度 （研究費：39,000千円）：

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究： 3次元モジュール製作時の歩留まり改善、多層化検討

② 搭載アビオニクスの集約化の研究： LLC共振コンバータ用シートトランスの試作及び実装評価

④ 将来推進系技術の検討： 500N級セラミックス／金属ろう付けスラスタ製作条件検討、HAN系BBMスラスタによる各種燃焼制御法の評価

⑦ 低リソース探査のための通信系技術の研究： 機械式フェーズシフタによる電子走査小型軽量X帯MGAの利得・ビーム可変範囲の検証

⑧ 曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究： 回路配線を直接加工した有機薄膜基板を曲げて立体構造化

⑨ 低温動作可能な高性能車載用バッテリの搭載検討: 直列並列化検討、組電池化検討、品質要求適合性検討

２０１９年度 （研究費：30,000千円）：

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究： 開発した3次元チップモジュールの特徴を生かした具体的な適用先検討

② 搭載アビオニクスの集約化の研究： LLC共振コンバータ用シートトランスの組立方式の検討、耐環境性評価（ランダム/正弦波振動・衝撃・熱衝撃）

④ 将来推進系技術の検討： 500N級接合スラスタ実機試作評価、HAN系スラスタの試作・評価と能代での燃焼試験実施

⑦ 曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究： 膜面上への機能的素子の分散実装（後方散乱通信による膜面モニタリング）

⑧ 低温動作可能な高性能車載用バッテリの搭載検討: 組電池の構造設計、スケールモデル試作、バスバーの溶接性評価

研究計画と方法

表中の数字は資金の実績（単位:100万円）

研究の工程表

SMU

AOCP

DR

TCIM

ACIM

センサ・アクチュエータ

現状

集約化・I/F軽量化・センサ小型化

ワンチップ化

MEMSや積層実装等が鍵技術

当面の探査ミッションで実現すべき構成

究極としてイメージすべき形態

6

2019年度研究成果の概要

研究成果

• 各研究とも、RGの研究の総まとめとして、昨年度までに実施してきた各種試作を用いた具体的な評価や試験を実施できた（小型軽量PSU用シートトランス、推進系スラスタ等）

• 特に、RG発足時から重点的に取り組んできたMEMS 3次元実装技術の研究は、昨年度までに4層の3次元CPUモジュールの製作や評価を完了し、今年度は実際のプロジェクトに提案・適用していくための応用例を具体的に検討することで成果をとりまとめている。

• 将来の衛星・探査機を見据えた萌芽的な研究項目も、小規模な試作から原理実証的な成果を得ることができている（膜面上への機能的素子の分散実装など）。

• また、「革新的な衛星バス」の主要な課題である低消費電力要求についても、低温動作可能な民生用バッテリセルの搭載性に向け、組電池の構造設計・試作、バスバーの溶接性評価などを実施するに至っている。

目標の達成状況

「公募型イプシロン搭載ミッションの各号機や、中型の探査ミッション等への技術投入」というゴールに対して、目標は一定程度、達成されている(*)。また、コンポーネント研究の出口例としては、本RGで実施したMEMS

ジャイロの研究成果は、小型衛星・探査機用途に製品展開される方向で、別予算の枠組みを利用したEM以降の開発計画について、企業ベースで検討が進められている。

(*) DESTINY+のミッション提案で採用された「コンパクトアビオ」は、本RGの研究成果をベースとしたものであったが、工学委員会での採択後、搭載がキャンセルされた。EMフェーズの「エアポケット」や、担当メーカとの関係・ビジネス的視点など、背景要因を深堀りして、今後の研究計画に反映したい。

来年度以降の研究方針

MEMS 3次元実装技術など、RG発足時から重点的に取り組んできた研究項目が一旦の区切りとなる成果を創出できており、当研究パッケージとしては、来年度で成果をまとめて終了する。各研究項目の成果と残課題は、早々に研究成果集をまとめて明確にする予定。また、本RGの研究成果の中で、実際のミッションに適用していくにあたり、次のフェーズの試作や評価が必要なものについては、「技術のフロントローディング」等の新たな枠組みの状況も踏まえつつ、関係の研究者や工学委員会とご相談させて頂きたい。

7

2019年度研究費内訳

① MEMS 3次元実装技術を用いた超小型CPU基板の研究 1,207千円- 具体的な適用事例の概念検討・設計[MHI] 988

- 成果発表（論文掲載費・学会参加） 194

- 研究打合せ旅費 25

② 姿勢制御系SpaceWireインタフェースモジュールの小型軽量化検討 6,369千円（ →搭載アビオニクスの集約化の研究 ）

- 小型軽量高効率PSU向け実装評価用シートトランスの評価（機械環境・熱衝撃ほか）ほか[NECほか] 6,369

④ 将来推進系技術の検討 15,613千円- セラミックス／金属接合スラスタ

✓ 材料試験設備修理（ヒータ、ガス配管ほか） 490

✓ ろう付け供試体製作・評価（500N級スラスタ切断加工、ニオブ中間層加工、チタンノズル積層造形等） 3,490

✓ ろう付け用治具製作およびろう材調達 1,020

✓ 500N実機スラスタろう付け[MHIほか] 4,000

- 次世代高性能低毒性スラスタ✓ 長岡技科大との共同研究（配管接手、計装ケーブル、センサ、能代実験輸送費・旅費、間接経費ほか） 3,500

✓ 首都大学東京との共同研究（推進剤（SHP163） 、電流プローブ、キセノンガス、間接経費ほか） 2,000

✓ 電磁弁、能代実験旅費（ISAS分） ・雑費ほか 1,113

⑦ 曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究 1,500千円- MEMSウェハー試作[東大VDEC／フェニテックセミコンダクター] 868

- MEMS装置利用料，消耗品等[東大VDEC] 636

⑨ 低温動作可能な高性能車載用バッテリの搭載検討 5,311千円- 組電池スケールモデル構造設計・試作、バスバー溶接性評価など[NECほか] 4,963

- SCiBセル調達ほか 348

計 30,000千円

注：番号は複数年度にわたる通し番号

8

2019年度研究業績（研究発表，特許，表彰など）

学術論文２件、国際学会発表５件、国内学会発表６件、受賞０件、招待講演０件、特許０件、著書０件、その他（プレスリリース等）０件

【学術論文】

1. F. S. Ong, H. Tobe, E. Sato, “Intermetallics evolution and fracture behavior of Nb interlayer inserted Si3N4/Ti joints brazed with AgCuTi filler,”

Mater. Sci. Eng. A, 672, 138096, 2019.

2. S. Fukuda, M. Mita, K. Hirose, M. Kato, T. Miyabara, K. Sugie, S. Harada, and S. Iriyama, “Innovative avionics miniaturization by chip-level

integration using vertical assembly technique,” Aerospace Technology Japan (accepted).

【国際学会発表】

1. H. Ito, Y. Kuroda, R. Omatsu, K. Hanzawa, T. Katsumi, and S. Kadowaki, “Researchon atomization characteristics of green propellant

candidates,” 32nd International Symposium on Space Technology and Science, 2019-a-25, Fukui, Japan, June 2019.

2. S. Fukuda, M. Mita, K. Hirose, M. Kato, T. Miyabara, K. Sugie, S. Harada, and S. Iriyama, “Innovative avionics miniaturization by chip-level

integration using vertical assembly technique,” 32nd International Symposium on Space Technology and Science, 2019-f-81, Fukui, Japan, June

2019.

3. T. Katsumi，Y. Sakurai，K. Noguchi，and S. Kadowaki， “Electrolytic gasification characteristics of HAN-based green propellants,” XVth

International Workshop High Energetic Materials (HEMs 2019)，Monaco, Oct. 2019.

4. F. S. Ong, H. Tobe, E. Sato, “Microstructure evolution and temperature–dependent mechanical behavior of Nb inserted Si3N4–Ti joints brazed

with 68.8Ag26.7Cu4.5Ti filler alloy,” 14th International Alminium Conference (INALCO 2019), Tokyo, Japan, Nov. 2019.

5. H. Ito, Y. Kuroda, R. Omatsu, K. Hanzawa, T. Katsumi, and S. Kadowaki, “Experimental study on atomization characteristics of green propellant

candidates,” 20th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS) Asia, ILASS-Asia2019-082, Ube, Japan, Dec. 2019.

【国内学会発表】

1. 櫻井雄太，勝身俊之，門脇敏，“HAN 系低毒性推進剤のガス化とレーザー点火特性、”火薬学会2019 年度春季研究発表会，2019.

2. F. S. Ong, H. Tobe, E. Sato, “Temperature–dependent mechanical behavior of Nb inserted Si3N4/Ti joints brazed with Ag and Au–filler alloys,” 軽金属学会第136回春期大会, 2019.

3. 笠原真能，髙橋一真，竹ヶ原春貴，“HAN系推進剤SHP163を用いたアークジェット型電極を有する化学推進機の試作と性能評価,” 第63回宇宙科学技術連合講演会講演集，JSASS2019-4324, 2019.

4. 笠原真能，髙橋一真，田島大雅，竹ヶ原春貴，“アークジェット型電極とグロープラグを用いた推進剤気化器を有するプラズマ着火式低毒性スラスタの改良と性能評価，” 宇宙輸送シンポジウム，STCP-2019-031, 2020.

5. 尾松来基，黒田彬斗，伊藤尚義，半澤佳祐，勝身俊之，門脇敏，鈴木直洋，芳仲敏，堀恵一，“発展型HAN系低毒性1液スラスタの地上燃焼試験，” 宇宙輸送シンポジウム，STCP-2019-033, 2020.

6. 勝身俊之，櫻井雄太，野口耕平，門脇敏，“HAN系低毒性1液推進剤の電気分解およびレーザー点火に関する実験的研究，” 宇宙輸送シンポジウム，STCP-2019-034, 2020.

9

2019年度研究成果の詳細

② 姿勢制御系SpaceWireインタフェースモジュールの小型軽量化検討（→ 搭載アビオニクスの集約化の研究） 研究担当者： 福田盛介、坂井真一郎（JAXA）

• 当面の探査ミッションで実現すべきアビオニクスの構成としては、従来各々の筐体を有する別コンポーネントであった機器群をまとまりごとに集約化する方向で小型軽量化を図る必要がある（統合SMUや統合ACIM）。

• この場合、機器内の電源供給スライス(PSU)の大容量化・高効率化が肝となるため、

本研究ではデジタル部に高密度実装を適用する検討に加え、メインコンバータの基本回路にLLC共振コンバータ方式を採用する次世代PSUについて、そこで使用するHICやシートトランスを含め、開発を進めてきた

TCIM

SMUDR

AOCPMDE

SWR

ACIM-STT

ACIM-ANA

ACIM-IRU

ACIM-RW

統合したACIMACIM-STT,ANA,IRU,RW,MTQ等を集約

統合したSMUTCIM+SMU+DR+MSE＋SWRSMUにはDHFSとACFSを共存各基板はSpWで接続

従来PSU

小型軽量PSU

従来アーキテクチャのイメージ 小型軽量PSUを活用したアーキテクチャのイメージ

SWR

SWR基板

各種基板

①分散していたDH機器を集約して、統合したSMUとする。PSUは共通化。

②装置間の接続はSpWを継承。

③MDEは衛星毎に異なるため、集約の対象外

④分散していたACIMを集約して統合したACIMとする。PSUは共通化。NICも共通化。

ACIM-MTQ

MSE

④

②

①

MDE

③

従来の電源系（個別 PSU）

Total 電源効率 55％

例）部分集約 AOCU の PSU 合計(6 台)

＝0.6kg×6 台＝3.6kg

LLC 共振コンバータによる集中電源化

Total 電源効率 68％

例）部分集約 AOCU の PSU 合計(6 台)

＝0.2kg×6 台+0.3kg＝1.5kg

PSU +3.3V+5V+/-15V

BUS

+30V

PSU

+5V+15V

PSU +3.3V

+/-15V+30V

15W級η=55%

15W級η=55%

15W級η=55%

PSU +3.3V+5V15W級

η=55%

簡易DC/DC +3.3V+5V+/-15V+30V

簡易DC/DC

+5V+15V

簡易DC/DC +3.3V

+/-15V+30V

15W級η=85%

10W級η=85%

10W級η=85%

簡易DC/DC +3.3V+5V15W級

η=85%

PSU

100W級η=80%

BUS+12V

LLC共振コンバータおよび効率の改善により、従来と同じ質量/大きさで、従来機器約5台分の2次電源を供給可能

非公開希望の有無

【LLC共振コンバータ方式のメリット】

以下の理由から、出力整流部のLの削除、入出力フィルタのLの小型化、低発熱のため熱対策部品の削減が可能

- 2つのMOSFETを用いてトランスを正負に駆動することでコアの利用効率を従来の倍にできる。

- 2つのMOSFETがほぼ50%Dutyで動作するため、Deadtimeが少なく発生するリプルが小さい。

- スイッチングMOSFETのドレイン電圧と電流が重なる部分が小さいため、スイッチングロスが少なくノイズが小さい。

シートトランスの組立・耐環境性評価

LLC共振コンバータ方式はトランスを小さくできるため、従来

宇宙用には使用できなかったシートトランスを投入することで、PSUの小型軽量化が可能になる。

①電気性能に対して支配的であるフェライトコア間の接着厚（左図の赤線部）を、治具と接着圧（おもり）によりコントロールする組立方法を考案

②上記の組立方法で最終接着まで実施したシートトランスに対する耐環境性評価を実施 中 （ 正 弦 波 ／ ラ ンダ ム 振動・衝撃・熱衝撃の各試験）

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2019年度研究成果の詳細非公開希望の有無

④ 将来推進系技術の検討 （セラミックス/金属接合スラスタ）研究担当者： 戸部裕史、道上啓亮、澤井秀次郎、佐藤英一（JAXA）

【現状】 窒化珪素セラミックスラスタは優れた耐熱性と高い推進性能を有するが、成形・工作機械の制約から、既存以上のサイズの製造（大型化）や薄肉加工（軽量化）を実現できないことが性能向上を阻んでいる。→【目的】 セラミックスラスタの軽量・大型・高性能化を目指したセラミックス/金属接合スラスタの提案とろう付け接合技術の確立

【課題と昨年度までの検討内容】セラミックスと金属との熱膨張係数差に起因する残留応力（セラミックスにかかる曲げ応力）が大きく、ろう付け時にセラミックスが破損することが大きな課

題となる。これまでに、接合部サイズの小さな20N級スラスタにおいてはろう付けに成功し、燃焼試験による接合部の健全性確認を実施した。また、昨年度においては、接合部サイズの大きな500 N級スラスタの接合条件検討を行い、(1)ろう付け熱処理条件の最適化、(2)ろう付け部形状のFEM解析により、接合可能な条件を見出した。

【本年度の活動】①実機模擬材のろう付けおよび実機ろう付けに向けた課題抽出

昨年度までに得られた接合条件より、500N級スラスタ実機模擬材（接合部近傍の形状を模擬したもの）のろう付けを実施した。ここで、以下の新たな取り組みも行っている。

・チタンノズルを3D積層造形→コスト削減・製作リードタイム短縮・接合部サイズが大きいためセラミックス／ニオブ／チタン間を結合する治具を導入

結果としては、図1に示すように接合に成功し、かつ、以下の課題を洗い出すことができた。・結合治具は必須である。実機ろう付けではスラスタの形状に即した治具の設計が必要。・接合部の幅は1.5～2.5mmと狭く、セッティングが困難である。実機ろう付けではセッティング治

具も必要。・接合部サイズが大きいため、熱膨張によるセラミックスと金属との間に段差が僅かにみられる。

熱膨張係数を考慮した形状の微調整が必要。

②実機ろう付け試作評価①で得られた課題から、治具の設計と各供試体（セラミックス燃焼器、ニオブリング、チタンノズ

ル）の形状を決定し、現在、それぞれを製作中である。年度末にかけて図2の実機形状でのろう付けを実施し、これまでよりも大きな真空炉や治具の取り回しを含めて製造性の評価を行う。また、ろう付け後は宇宙研で振動試験を実施し、接合部の健全性の最終確認とする。

【本活動の成果(まとめ)】材料組織観察や強度への影響調査などの基礎研究から、スラスタ試作と燃焼試験等による評価

を通じ、ろう付け接合技術を確立することができた。本活動により、これまで制約のあったセラミックスラスタの性能向上が実現可能となる。

図1. 500 N級接合スラスタ模擬材ろう付け

図2. 500N級接合スラスタ実機形状

積層造形（Ti-6Al-4V)

ニオブリング

窒化珪素

ニオブリング挿入

積層造形（Ti-6Al-4V)

窒化珪素燃焼器

図2. 500 N級接合スラスタ実機ろう付けセットアップ

図1. (a)接合部応力解析結果と(b)500 N級接合スラスタ模擬材ろう付け

(a)

窒化珪素

積層造形Ti-6Al-4V

ニオブリング

窒化珪素セラミックス(b)

窒化珪素セラミックス

ニオブ

Ti-6Al-4V

ろう付け温度（880℃）から室温まで冷却後の形状（変位量は30倍表示）

ニオブ中間層の塑性変形誘発により残留応力低減

チ タン 円 板チ タン ボル ト

窒 化 珪 素ボ ル ト・ナット

ニ オブ 円板

スラスタ内側に結合治具

スラスタ外側にセッティング治具

ニオブ 板硬度調整熱処理後

リン グ形状へ加工中ニオブ

リング

積層造形Ti-6Al-4V

ノズ ル

3D積層造形装置（電子ビーム式）

ろう付け面研磨へ（宇宙研工作室）

ノズ ル造形終了

500N級セラミックスラスタ切断加工中 窒化珪素

セラミックス燃焼器

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2019年度研究成果の詳細非公開希望の有無

二次ガス（Ar）を用いたスラスタにおける電極間距離と推進性能の関係

二次ガスを用いないスラスタの放電電流値と推進性能の関係

④ 将来推進系技術の検討（次世代高性能低毒性スラスタ）■ガス化＆レーザー/長岡技科大電気分解によるガス化とパルスレーザーによるブレイクダウンを組み合わせることによって着火に成功した。また、電気分解用電極材の適合性確認実験および密閉容器内での点火実験の結果に基づきスラスタに適した電極材を選定し、BBMスラスタの概念設計を行った。

■触媒/宇宙研＆長岡技科大高い耐久性と反応性を有する新規触媒の開発に成功し、触媒式スラスタを用いた燃焼実験@ JAXA能代ロケット実験場において新規開発触媒を用いた場合のスラスタ性能を評価した。その結果、新規開発触媒が有効であることがわかった。また、スラスタ設計に向けた課題も明らかとなった。

■放電プラズマ/首都大学東京放電プラズマ付加スラスタ（BBM）の設計・試作を行い、スラスタ燃焼実験において長秒時作動（30秒程度）に成功した。また、２次ガスを用いることによって性能向上が確認された。しかしながら、２次ガスの種類（Ar，Xe）によって性能に大きな変化は見られなかった。

レーザー点火時の密閉容器内圧力履歴

着火時の様子

触媒式スラスタ燃焼試験の圧力履歴

スラスタ

排気ダクト

放電プラズマ付加スラスタ長秒時作動時の圧力/推力履歴

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2019年度研究成果の詳細

研究担当者： 三田吉郎（東大／ISAS客員）、宇佐美尚人（東大）

⑧ 曲げ動作が可能な大面積集積回路のための薄層化シリコン技術の研究

非公開希望の有無

⑨ 低温動作可能な高性能車載用バッテリの搭載検討研究担当者： 宮澤優、中尾達郎、金谷周朔、豊田裕之、内藤均(*)、福田盛介（JAXA） (*) アドバイザ

探査機バスの消費電力のかなりの割合はヒータ電力が占めており、電力リソースの厳しい遠方天体への探査を考える場合、特にバッテリヒータの電力削減はバス全体の低電力化に大きく寄与する。これまで、-30度

の低温領域においても電力維持のみならず、放電動作が可能な民生用セルについて、JAXAインハウスで評価

を行ってきている（今年度も宇宙科学プログラム技術委員会予算で活動）。本研究では、当セルを実ミッションに適用するため、システムメーカ、セルメーカ、JAXA

で、組電池の構造設計やスケールモデルの試作、懸念されるバスバーの溶接性評価などを実施している。

＜ベースプレート＞セル端子の位置を保つため、セルに合わせた溝を持つ構造とした。

＜セル保持構造＞接着剤でセルを隙間なく固定し、セルの発熱をベースプレートへ排熱する構造とした。同時に組立工程数も削減し、L/T短縮化を図る。

＜大電流通電バスバー＞セル端子への溶接性と大電流通電に耐えるため、バスバー採用を検討。

＜出力方式＞出力はD-subコネクタタイプとした。バスバー出力も検討中。

＜ハウジング＞リブ構造および構造の分割を使い分け、剛性と質量の最適解を目指す。

1段目内部構造構造外観

温度

範囲

充放電電流レート

+40℃

+30℃

+20℃

+10℃

-10℃

-20℃

0.5C 1.0C 2.0C 3.0C

従来の性能

開発目標

0%

放電

深度

従来

50%

開発目標

25%

目標 ・温度範囲の拡大、出力性能の向上・実効エネルギ密度の向上

膜面上に機能的素子を分散実装

- RF素子の集積でフェーズドアレイを実現- 膜面の動き・温度等をリアルタイムにモニタリング

【応用回路】後方散乱通信による膜面温度モニタリング回路

- 親回路からの無線電力を局所情報に基づき変調して戻す- バッテリーレス・超低消費電力- 外付け素子等を最小限に- エナジーハーべスティング回路との集積も可能

変調器

センサ

送信波

散乱波

RF整流回路 マイクロ太陽電池

【特長】