「次世代人工知能・ロボット中核技術開発」／次世代人工知能技術分野(先導研究）＜研究開発項目⑦＞次世代人工知能技術の社会実装に関するグローバル研究開発

空間移動時のAI融合高精度物体認識システムの研究開発
AIRs：AI-enabled Innovative Recognition System for spatial mobile Robots

国立大学法人東京大学、国立大学法人電気通信大学、
国立研究開発法人産業技術総合研究所、オリンパス株式会社、株式会社デンソー、
一般財団法人マイクロマシンセンター

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研究開発の背景・狙い 現在の物体認識システムの課題【想定するアプリ】
工場搬送ロボット
パーソナルモビリティ
家庭アシスタントロボット
セキュリティロボット
自動運転自動車
ドローン
可視カメラ

赤外カメラ

【認識すべき対象】
ガラス窓・ドア、縁石、段差、切り下げ、車止め、カラーコーン、石、落下物、歩行者、車、人形・写真・絵、等【空間移動時の物体認識の課題と解決案】
実環境で、何がどこにあるか、認識の向上が課題
可視カメラ 赤外カメラ
AI →革新センサ情報のAI融合→多波長同一光軸イメージャ（対応点が同一ピクセル）
イメージャ →材質・温度に依存するスペクトルの利用（夜間、ガラス）→赤外線利用距離計測→画像各点の３次元座標情報（視線方向、距離情報利用）
ジャイロ→実環境での精密な視線方向情報
2（ロボット筐体の変形、不整地移動時の振動、パン・チルト）

研究開発の内容
同軸多波長画像情報

革新センサ情報に基づいた次世代人工知能

カメラ姿勢情報

識別器
歩行者ガラス窓
縁石

外乱の影響を受けない高い認識率

革新センサ（イメージャ＋ジャイロ）

人工知能による物体認識
五感を超えた革新センサからの入力情報を活用する人工知能により、正確・堅牢・高速な物体認識システムを実現①可視から中赤外までの多波長画像により人などの発熱物、ガラスなどの透明物を認識②高精度分子慣性ジャイロで視線方向・画素の絶対座標をリアルタイムにズレなく計測認識。
③視線を変える能動的な認識（覗き込み）により認識能力がさらに向上

革新センサ
プラズモニック
ワイドバンド イメージャ

・Ｓｉ基板上で、可視光から中赤外まで同一光軸の画像→多波長画像間ズレなし

高精度
分子慣性ジャイロ

• ３軸広帯域• 高感度かつ加速度の影響なし

革新センサ活用人工知能をワイドバンドイメージャ・高精度ジャイロと一体開発

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研究開発実施体制
新エ
ネ
ル
ギー・
産業
技術
総合
研
究開発機
構

研究開発責任者

東京大学教授下山 勲

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研究開発スケジュール
中間評価

H29年度
プラズモニック
ワイドバンドイメージャ

H30年度

Si中赤外デバイス要素技術開発
Si中赤外デバイスイメージャ化・ワイドバンド化要素開発

一次画像データセット

二次画像データセット

物体認識基礎検討

物体認識アルゴリズム開発

高精度信号処理技術

多軸高精度信号処理技術

画像データセット拡張

革新センサ情報に基づいた次世代人工知能
インテグ
レーション

高精度分子慣性ジャイロ
高精度分子慣性ジャイロ実験モデル検討、小型化開発

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革新センサ情報に基づいた次世代人工知能「物体認識アルゴリズム開発」
識別器
歩行者
ガラス窓
縁石

可視画像
外乱の影響を受けない高い認識率

赤外画像

ナイトビジョンとして利用可能
信号など発光体のハレーションなし

物体認識アルゴリズムの特徴
可視から中赤外までの多波長画像を利用
夜間でも高精度に歩行者を認識
ガラスなどの透明物も物性を利用して認識
高精度ジャイロから計算されたカメラの姿勢角を利用ロボットの動きによりカメラが振動しても認識高精度かつロバストな
物体認識

革新センサ情報に基づいた次世代人工知能「物体認識アルゴリズム開発のためのデータセット作成」
多様なシーンバリエーションで撮影

重要被写体
ラベル付け
特殊カメラ

ガラス

車
横断歩道
可視光

赤外光

可視光・赤外光を同じ位置で記録

スロープ 階段人
自転車

②プラズモニックワイドバンドイメージャ「Si中赤外光検出素子要素開発」
試作したSi中赤外検出素子
中赤を検出

当グループは、Siで近赤外～中赤外光を効率よく検出できる独自技術を有している

アンテナ構造で効率的光吸収
表面プラズモン共鳴（金属表面電子の共振）が光を吸収(右図：アンテナにおける共鳴)

Ex

計算zx

検出条件 ℎ𝜈 > 𝛷B

吸収した光エネルギーをアンテナ内部の界面（ショットキー障壁）で電流に変換
Siで赤外線検出器

この技術をさらに伸ばし、AI用認識データ取得のための多波長イメージャ（プラズモニックワイドバンドイメージャ）の研究開発
具体的研究課題①チップ化のために検出回路との統合②全体システムのワンチップ化の検討③距離計測アプリケーションへの適用検証

シリコン材料による赤外検出技術によりワイドバンドイメージャを実現する

②プラズモニックワイドバンドイメージャ「Si中赤外イメージャ化要素開発」
イメージャ
想定図
赤外光検出素子のイメージャ化への展開には・読み出し回路・画素選択回路以上の機能要素との融合が必要
不可欠

具体的研究課題

オリンパス・電通大・AIST・MMCの連携のもと、研究開発①光検出器のモデルを作成し、読み出し回路、及び、画素選択回路を研究開発する②将来的な読み出し回路チップと光検出チップとの統合を見据え、接合技術の研究開発を進める

②プラズモニックワイドバンドイメージャ「Si中赤外光検出素子実証検証試作」

Si中赤外素子受光性能高性能化○暗電流の低減

Si中赤外光検出イメージャ化検討

暗電流発生部位特定発生量を見積もり構造、加工条件を改善
現状 約1mA/□を1/10に低減

1μｍ

ナノアンテナ構造体形成8インチウエハ試作例○イメジャー化構造検討
暗電流発生部位例

暗電流活性中心に対応した、パッシベーション構造を検討

読出し回路部へ接続するための配線電極構造等を検討
読出し回路部
Au/Cr

受光部

○感度向上
電通大と共同でナノポール・メタル構造等を見直す

n+n配線構造検討例

②プラズモニックワイドバンドイメージャ「イメージャ化に向けた高精度実装要素技術」

共鳴アンテナ構造
光電変換基板

低温接合の一例（断面TEM像）

ウェハ接合
Au

読み出し回路基板

接合
界面
Au

共鳴アンテナ構造
光電変換基板

10 nm

断面の一部
Ti

接合
界面

読み出し回路基板
ショットキー特性を劣化させない、読み出し回路へダメージを与えない、低抵抗接続を実現する接合技術の研究開発

Ti

10 nm

③高精度分子慣性ジャイロ「高精度分子慣性ジャイロ素子実験モデルの検討」

高精度分子慣性ジャイロの特徴• 機構回転時、仕切りは静止した非圧 円環管路縮性液体が持つ慣性力を受ける。この力から、角加速度、角速度を求める• 可動要素のない構造であるため、振動・（他軸）加速度の影響を受けない
非圧縮性• 仕切りに高感度な力センサを用いるこ 液体と、また流路長を延長するような構造により高感度化が可

本研究の目標スパイラル流路構造により、小型かつ高感度なジャイロを実現
3軸角速度が検出可能な高精度ジャイロを実現

機構の回転中心軸仕切りとして装着した
ピエゾ抵抗
カンチレバー
円環管路

仕切り

非圧縮性液体圧力差

試作した１軸高精度分子慣性ジャイロ
ラージスケールモデル
基板
液環

パッキン

円環管路

ピエゾ抵抗
カンチレバーチップ

慣性力検出部
拡大図

③高精度分子慣性ジャイロ「検出用高精度信号処理技術の検討、多軸用-高精度信号処理回路の検討」
ＤＣ電源

データロガー

分子慣性ジャイロ
（ＬＳモデル）LSモデル、ブリッジ＆アンプ回路およびデータロガーの一体化
ブリッジ＆アンプ回路

検出信号処理の高度化と一体化により高精度ジャイロセンサを実証する
ターンテーブル＊高精度な検出信号処理
積分演算（角加速度→角速度）含めた低ノイズ信号処理回路を開発＊多軸信号処理
相関分析を用いた高精度回路を開発

イメージ図

③高精度分子慣性ジャイロ「カンチレバー要素開発」

カンチレバー型差圧センサの特徴• カンチレバー上面と下面の圧力差により，表面のピエゾ抵抗の抵抗値が変化• 機械的に変形しやすいため、高感度に圧力差を計測可能試作したピエゾ抵抗型カンチレバー

本研究の目標カンチレバーの薄型化、形状の最適化により従来の10倍の感度を実現

高感度化することでより高性能なジャイロ素子を実現

③高精度分子慣性ジャイロ「カンチレバー実証試作」
カンチレバーセンサ高性能化、実証用素子試作提供を担当○カンチレバーの高感度化○低ノイズ化構造検討○カンチレバー形状歩留り向上

ノイズ発生部にパッシベーション
構造を導入

カンチレバー薄厚化
従来

ノイズ発生源
特定改善

Si厚さ200nm 以下
カンチレバーを試作

不純物濃度

ピエゾ抵抗層拡散深さ浅化

0.1㎛
0.05㎛

表面濃度一定I/I加速エネルギ―
イオン種
イオン活性化法
条件検討

ピエゾ抵抗層拡散深さ

8インチ基板カンチレバー試作加工例（1.5mm□カンチレバーchip1300個以上配置）

カンチレバー工程中破壊を防止
薄いSi構造の破壊防止
応力、歪集中を改善

現状カンチレバー平面形状○流路一体化構造検討
流路設計とマッチングするセンサ構造を検討

③高精度分子慣性ジャイロ
超小型カンチレバー高感度化○カンチレバー型センサの高感度化

接合・転写による超薄膜形成

カンチレバー薄肉化
圧力

Si(High-dope)Si(Low-dope)

接合

ピエゾ抵抗素子高感度化

Si(High-dope)Si(Low-dope)

ピエゾ抵抗素子薄肉化
ドープ濃度均一化・急峻化
結晶品質向上薄膜化
ピエゾ抵抗形成

高精度分子慣性ジャイロ

GaAs

GaAs

GaAs

4” quartz

石英ウェハ上に転写されたGaAs薄膜

ご清聴ありがとうございました

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一般財団法人マイクロマシンセンター
千代田区神田佐久間河岸６７
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担当：小池智之