３．自動車用MEMSセンサ

自動車用電子システムにおいてもMEMSセンサは様々な用途に用いられていて、その小型化、高機能化に大きく貢献している。中でもエアバッグ用加速度センサはMEMSセンサ黎明期における一般普及において、重要な役割を果たしてきた。自動車用MEMSセンサにはエアバッグ用やシャシー制御用の加速度センサ、ヨーレート計測用の振動ジャイロ、吸入気圧や油圧を計測する圧力センサ、熱式エアフローメータ、熱式赤外線イメージセンサなどがある。MEMSセンサの製造プロセスとしては半導体基板を加工して構造体を形成するようなバルクマイクロマシニング（Bulk Micromachining）と基板上の薄膜を加工して構造体を形成するような表面マイクロマシニング（Surface Micromachining）があり、小型化や実装の容易性から近年は後者へ移行する傾向にある。

3.1　加速度センサ

一般に加速度センサは慣性質量を弾性体（バネ）で支持するようなバネマス系の構成を取り、加速度印加で生じる慣性力による慣性質量の変位や弾性体上の応力を検出することで加速度を求める。変位検出の方式としては静電容量式や磁気式などがあり、応力検出の方式としてはピエゾ抵抗式や圧電式などがあるが、MEMSセンサでは主にピエゾ抵抗式と静電容量式が用いられる。図1に両持ち梁構造のピエゾ抵抗式加速度センサの例を示す。(100)シリコン基板を裏面からKOH水溶液などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで慣性質量を両側から厚さが薄い梁で支持する構造体を形成することができる。梁上の固定部側及び慣性質量側の端にはピエゾ抵抗が形成されていて図2に示すようなホイートストンブリッジ回路に結線されている。下向きの加速度を印加した場合、ピエゾ抵抗R₁、R₃には引張応力が、R₂、R₄には圧縮応力が生じ、∆R／Rの抵抗値変化に対してという出力電圧V_OUT=∆R／R×V_CCを得ることができる。静電容量式加速度センサでは慣性質量に取り付けられた可動電極とそれに対向する固定電極が可変容量を構成し、加速度を印加した場合そのギャップ長が変化して容量値が変化し、出力電圧変化が得られる。

3.2　振動ジャイロ

振動ジャイロは慣性質量が直交する2方向に変位可能なように支持された構成になっていて、アクチュエータにより1方向に強制変位（振動）を与え、角速度と比例するコリオリ力による他方向への変位を検出する。アクチュエータの方式としては電磁式、圧電式、静電式、磁気式などがあり、検出素子でも加速度センサと同様に多くの方式が可能であるのでそれらの組み合わせにより、様々な方式のセンサが開発されている。但し、表面マイクロマシニングによる振動ジャイロでは機能性薄膜形成等の特殊な工程が不要な、櫛歯電極による静電駆動と容量検出を用いたものは多く実用化されている。

3.3　圧力センサ

圧力センサでは半導体薄膜によるダイアフラム構造が用いられ、圧力印加によって生じた応力や変位を加速度センサと同様にピエゾ抵抗式や静電容量式で検出する。ピエゾ抵抗式ではダイアフラム周囲の4辺の中央付近に2個は辺と平行に、2個は辺と垂直にピエゾ抵抗を形成することで応力成分の差に比例した出力電圧を得ることができる。高圧用の圧力センサでは外側に金属ダイアフラムの内側をシリコンオイルで満たし、その中に半導体ダイアフラムのセンサチップを設置したような2重ダイアフラム構造も用いられている。

3.4　エアフローセンサ

MEMSエアフローセンサでは熱分離用の薄膜構造体の上にヒータとそれを挟むように上流側、下流側の温度センサを形成することで、各温度センサの温度がエアフローにより変化するのを検出して、流量を求めることができる。ブリッジ回路を用いて上流側と下流側の温度センサの温度差に対応して出力電圧を用いれば、流量だけではなく、流れの方向もわかるので逆流検知が可能となる。ヒータ、温度センサとしては白金のスパッタにより形成された薄膜抵抗体がよく用いられる。

3.5　熱型赤外線イメージセンサ

赤外線イメージセンサは人体などの熱源から放射される放射される遠赤外線を赤外線検出素子の2次元アレイを用いて検出し、画像化する装置で検出原理により量子型と熱型がある。量子型は光電効果により照射された光子を電気信号に変換するもので高感度・高速の変換が可能な反面、冷却が必要となり装置が大型化・高価格化する傾向にある。それに対して熱型では基板から熱分離された受光部に温度センサを形成し、照射された赤外線の電力によるわずかな温度上昇を温度センサにより検出する。温度センサに種類によりVO_xなどの抵抗温度係数の大きな材料の抵抗体を用いる抵抗ボロメータ型、BST（Ba₁–_xSr_xTiO₃）などの焦電素子を用いた焦電型、熱電対を多数直列接続したサーモパイルを用いた熱電型などがある。図3はSiNダイアフラム上にn形多結晶シリコンとp形多結晶シリコンの対を用いたサーモパイルを形成した熱電型赤外線センサの例を示す⁶⁾。赤外線を照射するとダイアフラム中央の赤外線吸収膜の温度が上昇し、ゼーベック効果により赤外線吸収膜とダイアフラム周囲の基板の温度差に比例した出力電圧が得られる。熱型はMEMS技術により画素の縮小、低価格化が進み、近年実用化が進んでいる。

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４．運転集中度センシングの認識処理

ドライバが運転に適した状態であるかどうかを判断するためには、ドライバが取りうる多様な動作や姿勢に対して幅広く対応する必要がある。目の開閉状態から居眠りを検知したり、顔向きからわき見を検知したりする技術は従来から存在する。しかし、これらは手動運転中にドライバが車両前方を注視しているかを判別するのみで、自動運転時に起こりうる多様な動作の識別は困難である。例えば運転中に飲食したり、あるいは気を失ってハンドルに突っ伏したりと、従来技術では正しく状態を認識できないような状況も多数存在する。

このような場合も含めて状態を高精度に認識するために、本センサでは認識処理で「局所的な顔情報」と「大局的な動作映像」2種類の情報を使用している。前者は目の開閉や顔向き変化等、顔の時系列情報であり、後者はカメラ画像そのものである。顔から得られる情報は非常に重要であり、高精度なドライバ状態認識を実現する上でカギとなるものである。顔画像センシング技術によってこの情報を高速・高精度に抽出する。一方、頭部や上半身、手の動きもドライバ状態を認識する上で重要な意味を持ち、顔が見えていないときも含め、ドライバの大局的な動きをとらえるために、画像そのものも情報として活用する。ただし、カメラ画像は高解像度（720×480画素）であるため、これをそのまま用いることは非効率である。そのため画像の解像度を24×18まで圧縮して利用した。ここまで解像度を落としても、ドライバの大局的な動きに関する情報は失われることはなく、低次元化されることで効率的な学習・認識処理が可能となる。これら両者の情報を融合して解析することにより、車載組込み環境にてリアルタイムで、ドライバのさまざまな状態を高精度に認識可能となった。

５．運転集中度センシングの指標

本センサでは自動運転時における運転集中度センシングの指標として、Eyes-on/off、Readiness-high/mid/lowおよびSeated-on/offの３指標を使用する。これらは「認知」「判断」「操作」という実際の運転行動と密接に関係するものとしている。図４にその関係を示す。

■Eyes-on/off　この指標はドライバが常時走行を監視できているかを確認するためのものである。ドライバが進行方向を確認している状態、もしくは運転上必要となる短時間の確認動作、たとえば計器・ミラーの確認などを行っている場合はEyes-on、それ以外のドライバの挙動、たとえばスマホや本、カーナビを注意する、目を閉じている、といった状態はEyes-offとなる。

■Readiness-high/mid/low　ドライバが運転の準備ができているかを３段階で出力する。覚醒して運転に無関係な動作をしていない場合はReadiness-high、運転に無関係な動作をしているが、システムからの警告を受けて軽い手順で運転に復帰できるような状態をReadiness-mid、寝ているなど運転が困難な状態をReadiness-lowと定義する。

■Seated-on/off　ドライバが運転席に着座しているかを指標として、運転行動がとれるかを判断する。ドライバが着座していればSeated-on、離席していればSeated-offとなる。

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5 車載用フラッシュLiDAR

フラッシュLiDARは，米国のASC社が実用化し，宇宙機に搭載された実績がある25）。フラッシュLiDAR用のフォーカルプレーンアレイには，リニアモードで動作するものと，フォトンカウンティング計測で使用するガイガーモードで動作するものとがある。リニアモードで動作するものは，ガイガーモードで動作するものに比べて感度が低いため，測定可能距離が短いが，近距離用であ ればリニアモードで動作するフォーカルプレーンアレイを用いたほうが安価なシステムが構成できる可能性があり，ASCはリニアモードで動作する光検出器を使用している^25）。ASC製のコンパクトな3D フラッシュLiDARTigerCubには，光源として波長1.57 mmで動作する市販のレーザーが搭載されている^{26, 27）}。ASC社の車載用事業部門ASCar は，2016 年3月にContinental 社に買収され，これに伴ってASC社によるHi-Res 3DフラッシュLiDARの事業はContinental 社に移管された。Hi-Res 3DフラッシュLiDARの光源波長や光検出器などの詳しい仕様は明らかにされていない。

カナダの光学・光通信研究所INOからスピンアウトして2007 年に設立されたLeddarTech社は，波長940 nm帯のLEDを用いた16 チャネルの安価な測距センサーを開発した経緯がある^28）。その際に使用された受光器は1 次元アレイであり，受光システムの視野は45°×8°である。
同社は，2016 年6月に，運転支援及び自動運転用の全固体LiDAR ICのロードマップを発表した^29）。走査型及びフラッシュ型の両方式のLiDARに対応する予定であり，自動運転レベル1 から3 までを対象としたLC-A2を2017年後半に，また自動運転レベル2 から4 までを対象としたLC-A3 を2018 年にサンプル出荷する計画である。最大測定距離は250 m，視野角は140°，水平及び垂直方向の分解能は0.25°で，毎秒480,000 ポイントの測定が可能になる模様である。また同社は，2016 年9月に，同社のコアIC LeddarVuを搭載した8 セグメントのフラッシュLiDARを発表した^30）。これには波長905 nmのレーザーが搭載されている。データリフレッシュ速度は最大100Hzが得られる。視野角は，レンズにより異なり，水平方向は20°，48°，100°の3 種類が，また垂直方向には0.3°及び3°の2 種類が選択できる。使用されている受光器の仕様は不明であるが，1次元の受光器アレイが搭載されているものと推察される。

国内では，2015 年10 月に開催された東京モーターショーにおいて，オムロンが140°の広い視野角と高い認識性能を両立した，「3D 距離画像センサー（3D FlashLIDARTM）」を紹介した31）が，これに関する詳細な仕様等はまだ開示されていない。

フラッシュLiDARは，測定可能距離が走査型LiDARよりも概して短いが，データ取得の繰り返し周波数が走査型LiDARよりも速いので，市街地などにおける自動車近傍の複雑な交通環境の把握に適していると考えられる。日産自動車が2015 年10 月から公道テストを開始した自動運転を可能にするための新型実験車には，カメラ，ミリ波レーダーなどに加え，小型・高性能な量産試作段階の「3Dフラッシュライダー」が4基搭載されている^32）。

6 おわりに

車載用LiDARの開発が最近急速に進展しているが，車載用LiDARを実際に活用するには，そのハードウェア及びソフトウェア単体のみならず，高精度な3 次元のデジタル地図，各種センサーとのフュージョン技術などを含め，高度なIT技術及びAI（人工知能）などの発達が不可欠であり，その本格的な普及には，まだかなりの成熟期間が必要であろう。
車載用LiDARの正確な性能比較のために，車載用LiDARのテスト方法に関する標準化が望まれる。

■Recent Trends in LiDARs for Automotive Applications
■Kumihiko Washio
■Paradigm Laser Reasearch Ltd.
ワシオ　クニヒコ
所属：㈲パラダイムレーザーリサーチ　取締役社長

（月刊ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ2017年2月号より転載）