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Withコロナ時代に向けて、応用開発が進む電波センサー

非接触で人数や生体情報、液面レベル、振動を測り、ジェスチャー入力も可能に

文/津田 建二
2022.01.07
Withコロナ時代に向けて、応用開発が進む電波センサー

かつては軍事技術だったレーダー。半導体とミリ波を利用してタッチレスでさまざまな情報を得られるレーダー技術の時代が幕を開ける。60GHzあるいは77GHzという超高周波の電波は非常に微細な振動や距離を測定できる。新型コロナ時代にはまさにぴったりの応用である。レーダーとアンテナを利用する非接触センサーは人感センサーや人数カウント、石油タンクの液面測定などだけではなく、スマホのジェスチャー入力にも使われ始めている。ここではさまざまな応用事例を紹介する。

レーダーが小型に

レーダーと言えば、船舶や地上局で半月形のアンテナがぐるぐる回っている装置を思いだす人がいるだろう。元々レーダーは、空間をスキャンして周囲に何か異物(軍用では敵機や敵の船舶)を探すための装置だった(図1)。もちろん、今でも空を飛ぶ飛行体や海上の船舶を見つけるための有用な装置には変わりない。ただし、防衛だけではなく、商用や一般の船舶の安全な走行にも一役買っている。加えて、豪雨観測のような重要な災害にアラームを出せるようなレーダーシステムもある。ただ、アンテナの形は半月形あり、パラボラあり、平面アンテナありなどと、さまざまである。

海鳥を見つけるための漁船用レーダー
[図1]海鳥を見つけるための漁船用レーダー
海鳥の下に魚の群れがいるためレーダーで海鳥を検知する
出典:古野電機

ただ、図1のようなレーダーはkW級の電波を出力する遠距離用だが、もっと小さな出力のレーダーもある。電波センサーとして使う半導体チップだ。今や手のひらに載る小さな電子回路ボードでできているものも出てきている。しかもアンテナ付きである。このレーダー技術がスマートフォンにも搭載されるようになった。Google(アメリカ)が販売しているスマホ「Pixel 4」のジェスチャー機能が実はレーダー技術を利用している。料理している最中に電話で通話したいときや聴いている音楽をスキップして次の曲を聴きたいときなどに手を左から右へと動かすだけで、その指令通りに動く。スマホだけではない。後で述べるように、自動車の前方や周辺の確認にもレーダーが搭載されるようになってきた。

小さなレーダーを実現できるようになったのは、半導体技術のおかげである。かつて大きな形のレーダーで発射する電波には1GHz程度の周波数を使い、電波を発する発信機には、真空管の一種であるマグネトロンが使われていた。マグネトロンは今でも電子レンジに使われている。現在では、レーダーが発する電波の周波数はもっと高く、60GHz、77GHz、79GHzなどのミリ波(波長が10ミリメートル以下の電波)が使われるようになり、発信機にはシリコンCMOS技術が使われている。アンテナは波長の1/2で共振するデバイスであるため、波長が短くなればなるほどアンテナは小さくなる。周波数が高くなればなるほど電波の波長は短くなり、その結果アンテナの長さも短くなるという訳だ。半導体チップを封止しているパッケージの上に複数の平面アンテナを形成する技術もすでに用意されている(図2)。

Infineonのチップを搭載した新日本無線のレーダーモジュール
[図2]Infineonのチップを搭載した新日本無線のレーダーモジュール
出典:Infineon Technologies、新日本無線

今、注目されているレーダー技術の応用は電波センサーで、特に自動車に搭載している77GHzあるいは79GHzのレーダーが、衝突防止に使われている。走行中のクルマの前方に他のクルマがいることを検知するためのもので、吹雪や濃霧など前方が見えない場合に威力を発揮する。また24GHzのレーダーは前後左右の見えにくい周囲に別のクルマが近づいていることを知らせてくれる。いわゆる死角をなくして事故を減らすためにレーダー技術が使われているのだ。最近、79GHz帯では77〜81GHzの4GHzと広い周波数帯域の利用が各国で認められるようになってきた。77GHzから81GHzまで周波数を連続的に変えながら、発信・受信を繰り返しデータ点を増やしていくため、簡単なイメージング(対象物の形の画像を作る技術)にも使える準備ができつつある。

まずクルマから量産化へ

カメラだけでは自動ブレーキやADAS、自動運転には行きつけない。カメラは吹雪や濃霧などで前が見えないときは検出できない。赤外線を用いても体温が37〜38℃あるような人間や動物は検出できるが、それ以外の熱を発しないものは検出できない。レーダーは電波の反射を用いるため、反射するモノであれば検出できる。このため将来の自動運転では、カメラ+レーダーが使われることは間違いない。こう言い切ることができるのは、レーダーを安価なシリコンCMOS技術で製造できるようになったためだ。

当初、クルマへの応用を狙ったレーダー発振器はGaAs(ガリウムヒ素)半導体で製造された。GaAsのような化合物半導体は高周波性能が優れているからだ。しかし高価である。このため安価なSi(シリコン)を中心にして、なおかつ性能を上げるためSiGe(シリコンゲルマニウム)半導体で作るようになり、最終的には微細化によってSiのCMOS ICで製造することで、自動車メーカーが採用できるまで価格が下がった。

カメラと比べた利点

60GHzあるいは79GHzの広帯域ミリ波レーダーはカメラと比べて解像度はそれほど高くなく、ぼんやりした画像しか提供できないが、逆に言えばプライバシーを気にすることなく使える「ぼんやりカメラ」となり、人流の数を数える応用や、遠く離れた実家で暮らす父母の様子(倒れたり動かなかったりするような異常がないか)を見守るという応用などができる。

また車載用カメラは、あくまでも人間の目で見る範囲しか物体を見られないが、レーダーは電波を飛ばし、その反射波を見るため、視界ゼロでも100メートル先を検出できる。

このため安価なカメラと遠方検出できるミリ波レーダーは互いに補完関係にあり、共にクルマの安全性を高め、自動運転のセンサーとなりうる。自動車メーカーはコストとの兼ね合いを考えるものの、安全性は最優先であり、ミリ波レーダーがカメラに負ける技術という認識ではない。

レーダーとは

レーダーとは何か、簡単に復習しておこう。これは電波を発射して、周辺に何か物体があればそこで反射するため、その反射波を検出して物体があることを知る装置である。電波の速度は光と同じ秒速3×105km、すなわち秒速30万kmの速さであり、物体に反射してくる電波を受けるまでの時間がわかれば物体との距離を知ることができる。物体が動いている場合でもドップラー効果で電波の周波数が変わるため、物体の速度がわかり、その距離が縮まっているのか開いているのかを知ることができる。

かつてのレーダーでは、アンテナがぐるぐる回っていたが、これは自分の船や飛行機の周りでまだ見えないほど遠くにいる物体を見つけるために空間的にスキャンしているのだ。クルマでは、スキャンしない代わりに前方と、前後左右の4隅にレーダーを配置することによって、前方にいるクルマや4隅に近づいてくるクルマを検出する。前方のクルマとの距離と速度がわかると、近づいているのか遠ざかっているのかを知ることができる。近づいているのなら速度を落とし、ぶつからないようにブレーキをかける。またはハンドルを回し右か左に移るといった次の動作に変えていくことができる。遠ざかっているのであれば、速度を緩めずに走行する。

クルマにはカメラがあればレーダーは要らないという意見が一部にある。しかし、自動車メーカーはどのようなときでも事故を起こしたくない。レーダーが安価になったため最近搭載されるクルマは増えている。また、LiDAR(Light Detection and Ranging)は、光学的なポリゴンミラーを使っており、大きくてかさ張るだけでなく高価で扱いにくい。高品質と低コストが要求される自動車には、精密な形状加工が必要なポリゴンミラー自体は今のままでは量産時でも採用されにくい。大きすぎて、デザインが重視されるクルマには搭載されにくい面もある。

電波(正確には電磁波)は、周波数が高くなればなるほど指向性が高まり、360度の全方位には飛びにくいという性質がある。しかも到達距離は短くなる傾向がある。しかし、電波には回り込むという性質があるため、光と違い、ガラスや薄いセラミックなどがあっても遮蔽されない。赤外線センサーとの決定的な違いである。

小型・軽量・低コストになったレーダーを使って、その電波の反射から対象物の有無がわかり、しかも周波数帯域を広くとれば、周波数をスイープ(連続的に一方向に変化させること)でき、たくさんのデータを取ることができる。このため、鮮明ではないが簡単なイメージングもできるようになる。さらに対象物が移動すると、その画像からも移動したことを検出できるため、物体の有無だけではなく、物体の動きまでも検出できる。

応用が広がる

レーダーによる電波センサーの応用例を見ていく。まずは人感センサーで、人が何人いるのか人間の有無を検出できる。さらに人間が動けば、どの程度動いたかを検出できる。カメラと違って像は鮮明ではないため、動いているか、倒れたか、止まっているかなどの動作は区別できるが、男女の区別はつかない。このためプライバシーは守られる。

高齢者の見守りセンサーや、車内に残された赤ちゃんや幼児を見つけるという応用もある。クルマの後部座席にいる赤ちゃんが毛布に隠れていても、電波は毛布を通すので簡単に赤ちゃんを見つけられる。これで赤ちゃんをクルマの中から連れ出すことを忘れたりすることはなくなる。子供が車内に置き去りにされないために、センサーで見つけたらスマートフォンで両親に知らせることを機能に追加する。

さらに、人感センサーは、ビルやオフィスの出入り口で何人が入場し退場したかをカウントできる。これによりセキュリティ上の確保にもつながる。

同じ人感センサーでも従来は赤外線センサーがメインであったが、レーダーのメリットは、赤外線と違い遮蔽物があっても通過できるという点だ。例えば、住宅やビルでは、侵入者をカメラ代わりに写すことができる。カメラだと侵入者にカメラがあることを見破られてしまうが、レーダーはカメラとは違い平面状に設置でき、しかも戸外ではなく家の中に設置できるため侵入者に見つけられることはない。ただし、映像は鮮明ではない。

加えて、マンションなどの住居で赤外線センサーがリビングルームに設置されていても、そこまでいかなければ検出されないため電気がつかないが、電波センサーなら玄関に入ったとたんに電波が届くため即座に電気が点灯する。

日本でも60GHz帯が承認される

レーダーをセンサーとして使うためには、ある程度の像作成に必要なデータを得るため、広帯域が必要とされる。例えば60GHzレーダーでは、周波数を59GHz~66GHz間の7GHzという広い帯域に渡り周波数を変化させることができる。この60GHzの周波数帯域を使えるようにするため、総務省が2021年5月14日にはパブリックコメントを募集し始め、いよいよ日本でも本格的に使えるようになる参考資料1

79GHz帯でも77〜81GHzの間の4GHzの帯域が使える規格も米国などの国で認められるようになってきている。この60GHzと79GHzの二つの周波数が電波センサーとして使われ始めている。

液面検出

最近登場した面白い用途では、タンクに入っている液体や粉粒体の量を測るレベル計として電波センサーを使う応用がある。従来、水位メーターや簡単なレベル計は自動化できず、わざわざタンクに行って人間が読み取らなければならないため人件費がかかった。しかも腐食性の液体や粉粒体など、貯める物質によっては高価な材料をメーターに用いる必要があった。

レベル計は、さまざまな産業で使われ、運搬するタンクローリーにも搭載されている。レーダーレベル計だと内部の液体と非接触で、腐食の問題がなく、高温・高圧・低温など過酷なプロセス条件でも安全に使うことができる。タンクに穴をあけずに自動計測できるという点で、測定データの収集や整理、解析、そして在庫予測、閾値通知機能も設けることができる。クラウドに上げてデータ処理してもよいし、エッジコンピュータで処理してもよい。

微小な振動検出にも応用

モーターなどの回転体の劣化状態をチェックするため、その振動をモニターするためのセンサーとして予知保全に使おうという応用も現れた。これまで振動は加速度センサーを使って、モニターすることが一般的だった。

アナログ半導体メーカー大手のAnalog Devices(アメリカ)は79GHz帯のミリ波レーダーチップ(高周波のトランシーバー)を開発しているが、高周波技術に強いサクラテックがADIのチップを使ってレーダーシステムを作り上げ、振動を検出できることを実証した。ワイヤレスのセンサーであるため、従来のMEMS加速度センサーではできないような高温動作しているような装置でも使える。

例えば、火力発電機やジェットエンジンのような高温になる大型タービンには、シリコンMEMSの加速度センサーの使用動作温度がせいぜい150℃程度しかないため取り付けられない。また、センサー機器のバッテリやケーブルの重量の影響により低い周波数で共振してしまい、機械の高周波振動をうまく検出できない恐れがある。

今回はミリ波を使って、ワイヤレスで振動量を測定するという技術である。ここでは、79GHz帯の77〜81GHzの帯域4GHzの周波数をスイープさせるチャープ信号*1を用いている。このスイープ速度を変えたり、信号処理をカスタマイズしたりできるようにSDR(ソフトウエア無線: Software-Defined Radio)技術を使っており、そのために設定できるCPU内蔵FPGAを搭載した。SDR技術を使うことによって、将来のアップグレードにも対応できるようにしている。

実験では、モーターを回転させ、その振動波形を観測する。検出するデータとして、時間と共に送信周波数を77GHzから81GHzまで上げていくチャープ信号と、その反射波のチャープ信号との周波数の差がビート信号となり、このビート信号の波形が生データとなる。これを高速フーリエ変換(FFT)すると、周波数に対する信号強度が距離データとなり、さらにもう一度FFTをかけると位相データを示すようになる(図3)。距離データよりも位相データの方が振動波形を検出しやすい。検出精度は、位相データのピーク値が見える距離になるが、おおよそ30nmという微細な振動まで検出できるという。

ミリ波レーダーで振動を検出
[図3]ミリ波レーダーで振動を検出
FFTを2回施すことで位相データでの強度で振動の異常を検出する
出典:Analog Devices, Inc.

今回の応用は振動センサーを使ってモーターやタービンなどの大規模な回転体の振動を非接触で計測しておくことで予知保全につなげていくというものだ。振動計測では、回転機械の振動は振動周波数が数Hz~1kHzと低周波だと軸のミスアラインメントやアンバランスなどによる故障につながるため、人間の目や耳でも「機械がおかしい」ことを知ることができるが、1kHz~数十kHzの高周波だとベアリングの傷や歯車の異常のような初期劣化を人間の目や耳では検出できない。それが、振動センサーなら知ることができる。初期劣化を検出できることが振動センサーの最大のメリットとなる。

狙いは、振動センサーをIoTセンサーとして使い予知保全することだが、初期故障モードを波形から検出できるようになるためには、更なるデータ収集が必要になりそうだ。

非接触の振動センサーでは、台風や豪雨のように移動している雨粒に対して、ドップラー効果を利用したドップラーレーダーもあるが、高価格であり、中には100万円もする製品もあるという。しかも1台では1次元方向しか検出できないため、移動状態を調べるためには複数台必要となり、やはり高価なシステムになってしまう。

電波センサーを医療応用すれば、無線で患者の心拍数・呼吸数を検出できる。この応用には、MITのKatabi教授が開発したワイヤレス遠隔利用の呼吸・心拍波形測定器参考資料2や、140GHzによるNeteera(イスラエル)などの例があるが参考資料3、国内でもパナソニックやAnalog Devicesの日本法人であるアナログデバイセズ、ミオ・コーポレーションなどが24GHzの準ミリ波で心拍数の波形を示す装置を作製している。

ここまでミリ波の電波センサー応用例を示してきたが、この技術の実現は簡単ではなかった。電磁波の性質から、高周波になればなるほど、これまでと違って指向性を持つようになる。30GHz以上の周波数は、波長が10mm以下になるので、ミリ波と呼ばれているが、ミリ波になると電波は360度の放射状に飛ばなくなり、ある一方向にだけ飛ぶようになる。これが指向性である。しかも到達距離は短くなる。これが携帯通信機器にミリ波技術を使う場合の難しい所だ。到達距離を伸ばすために発信機の出力を高めなくてはならない。通信業者は政府の認可をもらい高出力の免許を取得している。

ただし、自動車用をはじめ電波センサーはレーダーの発信出力が制限されているため、その範囲内で電波を飛ばす必要がある。

今後は6G通信にも広がる可能性

ミリ波技術は、今後第2世代の5G通信にも使われるようになる。現在はサブロクと言われる6GHz以下の周波数帯で第1世代の5G通信が使われているが、これだけではデータ速度は上がらない。5Gの最終目標はダウンリンク20Gbps、アップリンク10Gbpsという超高速通信の規格になっている。現在はまだそこまで達していないが、このデータ速度の目標に近づけるため、さらに周波数を上げる検討が始まっている。

今は28GHzのミリ波帯が5G通信で使われているが、やがて39GHz、さらには60GHz〜80GHzのミリ波帯使用が期待されている。高周波で帯域を広げれば広げるほどデータ速度が上がるからだ。

5Gの次の6Gあるいは「Beyond 5G」と呼ばれる5Gの次の通信にはミリ波技術がカギを握ることになる。ここでは広い帯域さえ確保できれば、レーダー技術を利用して画像を描くイメージング応用も可能になる。これまでの携帯通信は、4G(第4世代)までは携帯電話だけの規格であったが、5GからはIoTやクルマをはじめ、さまざまなデバイスともつながるように変わってきたように、ミリ波通信の未来は、通信の他にイメージング応用も加わることがすでに検討され始めている。ここでは60GHzの広帯域レーダーが中核技術となる可能性は十分にありうる。5Gではサブ6GHz技術が中核になるように、60GHzよりもっと高い300GHz以上のテラヘルツ波が最先端では使われ60GHzと補うようになる可能性があるからだ。

[ 参考資料 ]

1. 「60GHz帯の周波数の電波を使用する無線設備の高度化に向けた技術的条件」-情報通信審議会からの一部答申-、総務省、2019年10月8日
https://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01kiban14_02000401.html
2. 津田建二著、「ニューノーマル時代にチャンスとなるテクノロジー;第3回 新型コロナが新市場となるテクノロジー:タッチレス医療機器・感染ルート探索・テレワーク需要編」、テレスコープマガジン
https://www.tel.co.jp/museum/magazine/024/report02_03/
3. 津田建二著、「ヘルスケア/メディカルに半導体チップが生きる;ウエアラブル機器設計プラットフォーム」、テレスコープマガジン
https://www.tel.co.jp/museum/magazine/019/report01_01/03.html

[ 脚注 ]

*1 チャープ信号:
時間と共に周波数を上げるか下げるかしてスイープ(変化)する高周波信号のこと。
Writer

津田 建二(つだ けんじ)

国際技術ジャーナリスト、技術アナリスト。

現在、英文・和文のフリー技術ジャーナリスト。

30数年間、半導体産業を取材してきた経験を生かし、ブログ(newsandchips.com)や分析記事で半導体産業にさまざまな提案をしている。セミコンポータル(www.semiconportal.com)編集長を務めながら、マイナビニュースの連載「カーエレクトロニクス」のコラムニストとしても活躍。

半導体デバイスの開発等に従事後、日経マグロウヒル社(現在日経BP社)にて「日経エレクトロニクス」の記者に。その後、「日経マイクロデバイス」、英文誌「Nikkei Electronics Asia」、「Electronic Business Japan」、「Design News Japan」、「Semiconductor International日本版」を相次いで創刊。2007年6月にフリーランスの国際技術ジャーナリストとして独立。著書に「メガトレンド 半導体2014-2025」(日経BP社刊)、「知らなきゃヤバイ! 半導体、この成長産業を手放すな」、「欧州ファブレス半導体産業の真実」(共に日刊工業新聞社刊)、「グリーン半導体技術の最新動向と新ビジネス2011」(インプレス刊)などがある。

URL: http://newsandchips.com/

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