ロボットが自律的に動くためには、さまざまなセンサーを活用してロボットの空間内における位置を継続的に把握する3D認識機能が必要です。これらのセンサーの中でも、LiDAR（光検出と測距）は高精度な位置検知が可能なことから高く評価されています。さらに、ロボットはモーター駆動システムを利用して、自身の体や手足を正確に動かします。本稿では、LiDAR技術の発展とロームが提供するLiDARおよびモーター駆動ソリューションについて紹介します。
ロボットの3D知覚を正確に把握する高精度LiDAR技術
近い将来、AIロボットとは、3D認識機能を備え、3次元空間内で自身の位置を判断し、自身の動きを認識できる自律移動ロボット (AMR) を指します。これにより、ロボットの高度な自律移動とさまざまな動作制御機能が可能になります。AMRには、自身の位置確認や3D知覚データ (物体の分類や周囲の物体の追跡など) のリアルタイム処理など、さまざまな動作制御機能が必要です。その結果、LiDARとカメラ技術の活用が業界の主流となりました。
リアルタイム3D認識データの量が増加するにつれて、ディープラーニング モデルの構築が技術開発の現在のトレンドになっています。ディープラーニング モデルは通常、理想的な条件でトレーニングされ、正確な状態推論が可能になります。しかし、ロボットの実際の動作環境では、不完全なセンサー情報と複雑な動作制御要件により課題が生じます。
ロボットに使用されるLiDARモジュールでは、レーザー ダイオード (LD) の性能に高い要件が課せられます。使用されるLDには、主に2つの要件があります。1つ目は、光源のサイズをできるだけ小さくすること、2つ目は、ビームの発散角を最小限に抑えることです。通常、半導体レーザーダイオードから放射される光には一定の発散角があります。そのため、光を平行光に変換するにはコリメートレンズが必要です（図1）。
図1: 光源サイズがスポットサイズに与える影響
しかし、コリメートレンズは半導体レーザーダイオードから放射された光を完全に平行光に変換することはできません。通常、レンズから放射されるビームには一定の発散角（θ）があり、これは光源の大きさとレンズの焦点距離の関係によって決まります（式1）。
式1：θ〜d / f（dは光源の大きさ、fはレンズの焦点距離を表す）
高解像度を実現するためには、レンズから放射されるビームの発散角（図1に示すθ）をさらに小さくする必要があります。LDの光源サイズについては、レンズから出射されるビームの発散角（θ）はLDの光源サイズ（d）に比例するため、dを50％小さくするとθも50％小さくなります。ビーム発散角に関しては、式1は焦点距離が長くなると発散角が小さくなることを示しています。したがって、発散角が小さいLDを使用することが望ましいです。
図2は、LDビームの発散角が20度と25度のときの焦点距離の違いを示しています。同じレンズ径でビーム発散角20度のLDを使用する場合、焦点距離が約25%長いレンズを選択できます。この方法により、レンズから放射されるビームの発散角（θ）を約20% 削減でき、スポットサイズも20% 削減されます。
図2: ビーム発散角と焦点距離の関係（20度と25度の比較）
自律型AIロボットの作業のための高精度LiDARソリューション
ロームは、実際の作業環境におけるこれらの実用的な課題に対処するために、優れたエッジ検出能力と高精度の点群データ出力機能を備えたレーザーダイオード、レーザーダイオードを高速駆動するGaN HEMT、GaN HEMTを駆動するゲートドライバICで構成されたLiDARソリューションを導入しました。安定した3D知覚データを取得できるエンドツーエンドモデルにより、自律型AIロボットを実現できます。
ロームは、業界トップクラスの超小型光源サイズ35µm×10µmを実現したRLD90QZWAや、光源サイズ270µm×10µmの高出力RLD90QZW8など、LiDAR向け半導体レーザーダイオード製品を豊富にラインアップしています（表1）。
表1: ROHM LDのLiDAR向け製品ラインナップ
ロボット工学アプリケーションで製品を使用する場合、約10 ～ 20メートルの範囲内で周囲の環境を正確に認識することが重要です。高精度な近距離距離測定が求められるロボット用途には、2022年に量産を開始したRLD90QZWAがおすすめです。業界トップクラスの35μm×10μmという超小型光源サイズと、ビーム発散角（高速軸方向）20度を実現しています。従来品RLD90QZW5（光源サイズ70µm×10µm、θꞱ=25deg）に比べ、レンズから出射されるビームの発散角が60%低減しました。RLD90QZWAを選択することにより、より長い焦点距離のレンズを使用できるだけでなく、より高精度な点群データを取得できます。
開発スピードを加速するGaN HEMTレーザードライバーのリファレンスデザイン
通常、LiDARシステムでは、距離測定にTime of Flight (ToF) 方式を採用しています。ToFは、光源から放射された光がターゲット オブジェクトに到達し、受信機に反射するまでの時間を測定して、距離を計算します。パルス幅が広すぎると、受信した光パルス信号が重なり、近距離にある複数の物体を区別することが難しくなります。したがって、解像度を向上させるには、パルス幅を狭くする必要があります。
狭パルス信号により高精度な点群データを取得できるシステムを構築するために、ロームは「REFLD002」というリファレンスデザインを開発しました。この設計は、レーザーダイオード駆動の主要コンポーネントであるGaN HEMT（EcoGaNTM）と、GaN HEMT駆動用に特別に設計されたシングルチャネル高速ゲートドライバICを組み合わせたものです。「REFLD002」リファレンスデザインの関連設計情報は、その採用と実装を容易にするために、ROHM公式Webサイトで公開されています。
図3: GaN HEMTレーザードライバのリファレンスデザイン「REFLD002」
GaN HEMTの高速駆動機能を最大限に活用するには、高速ゲート ドライバを使用して駆動することが不可欠です。ロームは、GaN HEMTの駆動に特化した1チャンネル高速ゲートドライバIC「BD2311NVX-LB（産業機器用）/-C（車載用）」を開発しました。この製品のサンプルは現在入手可能です。このICに採用されている駆動方式は、高いスイッチング速度を維持するだけでなく、オーバーシュートを約10% 低減し、業界で提供されている同様の製品を上回ります。
さらに、通常のGaN HEMTのゲート - ソース間電圧定格は6Vですが、ROHMのEcoGaNTM テクノロジーでは8Vの定格を実現しています。これらの利点により、ユーザーは回路切り替え時のオーバーシュートによる損傷を心配する必要がなくなり、回路設計がより簡単で信頼性が高くなります。
図4：レーザーダイオード「RLD90QZWA」の駆動波形
また、ロームは公式サイト上で「ROHM Solution Simulator」という無料のシミュレーションツールも公開している。対応するシミュレーション回路が付属しており、ユーザーはさまざまな回路パラメータでの波形の変化を簡単に分析できます。このツールは、予備的な設計調査に非常に役立つことがわかります。
さらに、ロームの公式サイトでは、個別の製品のアプリケーションガイド、シミュレーションモデル（SPICEモデル、Rayデータ）、PCBライブラリデータなどを提供しています。リファレンス デザインを利用し、回路シミュレーションを実行し、利用可能な製品データを活用することで、ユーザーは設計と評価の時間を大幅に短縮し、製品の市場投入までのサイクルを短縮できます。
コンパクトで効率的なモータードライバーソリューション
ロボットアプリケーションはモーター駆動と密接に関係しており、ロームのモータードライバーソリューションには、ロボットの自律移動に関わる車輪系用のMOSFETや、各種動作制御用のコントローラーなど、モーター駆動に不可欠なコンポーネントが含まれています。これらのソリューションは、コンパクトなサイズと高い効率を特徴としています。
バッテリー駆動の自律移動ロボットの場合、主流の電源ソリューションはDC 24 ～ 72 Vですが、産業用ロボットでは主にDC 48 V電源が使用されます。AI、センシング（画像認識）、走行能力の向上などの技術の進歩により、ロボットの機能は向上し続けており、消費電力も増加しています。このような状況において、電力変換技術はますます重要な問題となり、取り組むべき緊急の課題となっています。AIロボット技術の分野において、電力変換効率は極めて重要な要素となっています。
ロームは、外付けNch MOSFET、DC48Vアプリケーションに適したモータドライバ、および電圧定格100Vのハイサイド/ローサイドゲートドライバIC「BD2320UEFJ-LA」を組み合わせたソリューションを開発しました。このソリューションは、銅クリップ構造、コンパクトなパッケージ、低電力損失を特徴とする「RS6xxxxBx/RH6xxxxBxシリーズ」のNチャネルMOSFETを利用することでさらに強化されます。このソリューションは、スイッチ損失と伝導損失を削減することで、アプリケーション製品の運用効率の向上に大きく貢献します。
図5：ロームのゲートドライバICとNch MOSFETのパッケージ図
例えば、産業機器の評価ボード上で電力効率を比較すると、RS6xxxxBx/RH6xxxxBxシリーズは定常動作時の出力電圧範囲内で最大95.01% のピーク電力効率を示します。
図6：RS6xxxxBx/RH6xxxxBxシリーズと従来品の効率比較
結論
3D認識LiDARソリューションと組み合わせ、AIテクノロジーを統合したロボットは、ロボット アプリケーションを新しい時代へと推進します。ROHMは、AIロボット分野における高度な自律移動とさまざまなモーション制御アプリケーション向けにROHM LiDARソリューションを開発しました。本ソリューションは、業界トップクラスの超小型光源サイズを実現したレーザーダイオードと、レーザーダイオードを高速駆動するGaN HEMT（EcoGaNTM）、GaN HEMT駆動用ゲートドライバICを組み合わせ、より高精度な点群データを取得できるシステムの構築を可能にします。
さらに、ロームは、小型パッケージ、低電力損失、銅クリップ構造のNch MOSFETと、モータ駆動に適したハイサイド、ローサイドゲートドライバICを組み合わせることで、応用製品の効率を高めるモータ駆動ソリューションを提供します。さらに、ロームは公式ウェブサイト上で、関連するリファレンスデザインと「ROHM Solution Simulator」と呼ばれる無料のシミュレーションツールを提供しています。これらのリソースを有効活用することで、設計・評価時間を短縮し、市場への製品導入サイクルを大幅に短縮することができます。これらのソリューションにより、ROHMは関連するロボット アプリケーションにとって理想的な選択肢となります。