『オートモーティブワールド2020』見どころレポート

オートモーティブワールドは、東京と名古屋で年に各1回ずつ開催されており、カーエレクトロニクス、EV・HEV、軽量化、コネクティッド・カー、自動運転、MaaSといった7つのテーマの展示会で構成されています。最近では、いわゆるCASE(Connected、Autonomous、Shared、Electric)時代に向け、自動運転、電子化、軽量化などの自動車業界における先端技術の関連企業が出展しています。

CASEとは、2016年のパリモーターショーでダイムラーAGの元CEOディッター・ツェッチェ氏が同社の世界戦略の柱として提唱した概念ですが、ここ数年は100年に一度といわれる自動車産業の業種業態の変化、技術的な転換点にさしかかっているようです。今回のオートモーティブワールド出展社の中から、CASE時代に関係のある興味深い技術を紹介していきましょう。


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SiCを使ったワイヤレス給電インホイールモータと自動運転をサポートする半導体デバイス

国際カーエレクトロニクス技術展に出展していた電子部品メーカー、ローム株式会社(京都市右京区)では、SiC(シリコンカーバイド、炭化ケイ素)パワーデバイス半導体を使った展示に人が集まっていました。SiCを電子素子の素材として使う場合、オン抵抗が低く、高温環境下での動作特性に優れた半導体デバイスを作ることができるそうです。

説明してくださった本田彰平(ほんだ・しょうへい)広報宣伝部広報課広報Gグループリーダーによれば、オートモーティブワールドでの出展では自動車産業の電子化の要求に対して電子部品を供給していくのは当然としても、その中で同社は高効率化に特にフォーカスしていると言います。

「同じ実装面積で少しでも効率を上げたり、同じ効率のものでもなるべく小さくしようという方向性です。

具体的には、パワーデバイスを採用していただく場合、スイッチングの際に出る損失がなるべく少ないようにしたり、熱放出による無駄な電力消費を抑えたりするようなことです。

熱放出のためには普通なら放熱板をつけたりするのですが、そうすると今度はサイズが大きくなってしまいます。そうした場合、放熱板を外しても熱を逃がすような仕組みを作るといったことをしていくわけです」(本田氏)

今回、SiCを使った製品を電気自動車に貢献するデバイスという形で出展している同社ですが、SiCのパワーデバイスを今回のような形式で出展するのは今回が初めてだそうです。

その出展とは、東京大学大学院新領域創成科学研究科の藤本博志(ふじもと・ひろし)准教授らと共同開発したワイヤレス給電インホイールモータ(※インホイールモータの場合、モーターをモータと表現)です。

「今回のインホイールモータはSiCの採用事例の一つになりますが、東京大学の藤本先生、ブリヂストンさん、日本精工さん、東洋電機製造さんと産学連携で共同開発した技術です。

従来の半導体の素子はシリコンでしたが、オン抵抗が低く、電気的に強い素材を使った半導体SiCを採用することで、劇的な小型化を実現しています。小型化したことでホイールの中に駆動系をすべて組み込むことができました」(本田氏)

インホイールモータの展示で説明してくださった洪重灝(こう・ちょうほう)氏(東京大学大学院新領域創成科学研究科 先端エネルギー工学専攻/大学院工学系研究科 電気系工学専攻修士課程1年)によると、これまでインホイールモータはスクーターなどの小型車両で実用化されている技術だそうです。

「それを電気自動車という一般車両に適用し、ワイヤレス給電と組み合わせたことが目新しい技術となります。インホイールモータにワイヤレス給電をしている技術研究は我々の研究室しかやっていません。

電気自動車は車体にモーターを載せていますが、インホイールモータの場合はホイールの中に駆動系のモーターが入っていて、基本的に4輪だとインホイールモータも4つになります」(洪氏)


今回のインホイールモータは第3世代になるそうで、ワイヤレス給電の効率を上げることで1輪あたり25kWの出力になっていると言います。
今回のインホイールモータは第3世代になるそうで、ワイヤレス給電の効率を上げることで1輪あたり25kWの出力になっていると言います。


研究室ではすでに試作車を製作し、東大の柏キャンパス内で時速10キロ程度の走行試験をしているそうです。ワイヤレス給電は、軌道に溝を掘って給電システムを入れ、そこから受け取った電力で試作車を走らせていると言います。

「ロームさんのSiCパワーデバイスを使っている利点としては、効率が良くなること、発熱が抑えられることが重要です。ワイヤレス給電の場合、コイルとコイル間の送電は95%くらいの効率になりますが、交流から直流に変換する際に効率が落ちてしまいます。そこでSiCを使うと高効率にできるようになりました」(洪氏)

一般的なワイヤレス給電では、ワイヤレスで電気を受け取ってからいったんバッテリーに蓄電し、そこからの電力でモーターを駆動させる方式です。しかし、藤本研究室ではワイヤレスの給電を直接、ホイールに組み込んだモーターに送ることでより効率を高めようとしていると言います。


すでに実装した実験車両で試験走行しています。地上側は送電コイルを埋設(試験走行の場合は溝に入れる)します。東京大学のプレスリリースより。
すでに実装した実験車両で試験走行しています。地上側は送電コイルを埋設(試験走行の場合は溝に入れる)します。東京大学のプレスリリースより。


「これはちょうど電車のような発想ですが、そのため車載バッテリー自体は必要最低限の大きさ・重量にすることが可能になります。給電するための軌道のような上を走行し、駆動で余った分は車載バッテリーで蓄電し、軌道から外れた場合、車載バッテリーでしのぐことになります。

課題としては、道路に給電システムを埋設することを行政と進めていかなければならないのと、車載の受電装置が給電システムの真上にないと給電効率が落ちてしまうので位置制御が難しいところです。半分ほどズレるとほとんど給電できなくなってしまいますが、そこは自動運転と組み合わせることで解決できると思っています」(洪氏)

共同開発では、電力変換の基盤部分は東洋電機製造、モーターの設計は日本精工、パワースイッチングはロームという分担だそうで、試作車の速度を現状の時速10キロから時速60キロ、時速100キロと上げていったときに給電できるかどうかは、まだテストコースがないので試せていないと言います。

「やはり小型化が最も難しく、このサイズにすべてを収めた設計が革新的だと思います。ちょうどいい形とサイズの変換基板がなかったんですが、四角い基盤をインホイールモータ用に円形基板としてオリジナルで開発しています。

インホイールモータに適した構造にすることで軸方向にコンパクトなユニットを実現し、搭載性が格段に向上しました。また、インホイールモータにすれば、バッテリーも必要最低限でいいですし、モーターも車体には入っていませんから車のデザインも自由度が増して外観も大きく変わっていくと思います」(洪氏)



東京大学大学院新領域創成科学研究科 先端エネルギー工学専攻/大学院工学系研究科 電気系工学専攻修士課程1年 洪重灝氏。
東京大学大学院新領域創成科学研究科 先端エネルギー工学専攻/大学院工学系研究科 電気系工学専攻修士課程1年 洪重灝氏。


ロームのブースでは、SiCを使ったインホイールモータのほか、自動運転をサポートするソリューションとしての半導体デバイスも展示していました。ロームの本田氏によれば、自動車が自動運転になった場合、安全を人の力を得ずにエレクトロニクスで実現しなければならず、それをどう半導体でサポートできるのかを展示していると言います。

「電気自動車に関する安全性を担保するための技術としての半導体を開発していますが、自動車の中というのはノイズだらけなので、そうした環境に耐えられる半導体部品を作っています。

機能安全というキーワードが自動車業界に出てくるようになっています。具体的には、自動車の電気・電子に関する機能安全についての国際規格ISO26262というものが出てきています。そうした環境変化の中、弊社として半導体を作っている他社に先駆けて機能安全というキーワードに基づいた製品を開発してきました」(本田氏)

ガソリンエンジンからハイブリッドカー、電気自動車へシフトし、自動運転化が進められていく中、モーターやバッテリーのコンピュータ制御をはじめ、自動車全体が半導体によって制御されるようになっていきます。

本田氏は、半導体といっても自動運転のためにAIに組み込まれたり、同社のSiCのようにモーターをいかに効率よく正確に動かすのかという技術だったり、部品レベルから事前に安全を担保するために使われる半導体であったり、半導体でできることは多岐にわたると言います。

「技術的な分野によって半導体に求められることは一概に言い切れず、変わっていきます。自動車の電動化、電子化が進んできていますが、今後、半導体メーカーが自動車産業のイニシアティブを握っていくかどうかはわかりません。

ただ、弊社のような半導体メーカーからすれば、駆動系がガソリンエンジンからモーターに変わり、半導体が電気系を制御するというのはこれまでと大きな変化が起きてくるでしょう。こうした変化の中、弊社のSiCのような技術が多く採用されるようになっていくのは間違いのないところだと思います」(本田氏)


同社では、自動車の電動化、電子化に向け、多種多様な機能安全のデバイスを展示していました。
同社では、自動車の電動化、電子化に向け、多種多様な機能安全のデバイスを展示していました。


非接触タッチパネルの空中浮遊ディスプレイ

国際カーエレクトロニクス技術展には、車載を念頭に置いた先端的なディスプレイを展示していました。凸版印刷株式会社(東京都台東区)のORTUSTECH(オルタステック)という空中浮遊ディスプレイ(参考出展)です。

説明してくださった岩野毅(いわの・たけし)エレクトロニクス事業部オルタス事業部営業部営業企画チーム担当部長代理によれば、今回の空中浮遊ディスプレイは一般的な用途には十分耐えられるくらいに完成しているそうです。

ORTUSTECH(オルタステック)というのは同社の液晶ディスプレイのブランド名で技術の名称ではなく、汎用ディスプレイとは別に参考出展として空中浮遊ディスプレイを参考出展したそうです。

「今回の空中浮遊ディスプレイは、マイクロミラーアレイを通して、実際の液晶ディスプレイの映像を空間に結像させています。角度によって見えにくい、見えないなどの特性はありますが、前後に関しては視認性が確保されています。

非接触のタッチパネルの技術は、ラインセンサーを使ったToF(Time of Flight)という距離画像センサーになります。被写体の3D形状を動画で再生することができるセンサーですが、今回の出展は空中浮遊ディスプレイとこのセンシングの技術を組み合わせたものになります」(岩野氏、以下同)

実際の展示をみると、ちょうどSF映画などに出てくるように空中にタッチパネルが浮遊していました。マイクロミラーアレイという技術は従来からあり、同社の独自技術でないそうです。

「他社さんにも同じような技術がありますが、例えば展示会ではブースを少し暗くしないとよく見えないのではないでしょうか。弊社のマイクロミラーアレイの特徴は、明るくきれいで鮮やかな表示を浮遊させています。そのため、展示会でも通常の照明の環境下で展示することができます。これに関しては弊社独自の技術が入っていますが、実際に表示をしているディスプレイから出てくる光と角度に調整が必要でした」

技術的にはディスプレイを明るくしなければならず、そのために強い発光の液晶ディスプレイが必要になったそうです。

「しかし、単に明るくするだけではうまくいきません。例えば、不要な光によるゴーストが出てきてしまい、ゴースト像の削減という工夫が必要になります。弊社では、表示するディスプレイのバックライトに独自に開発した技術を使い、動いている被写体の再現性と昼間の太陽下でも再生できるような視認性の高さを実現しました」


5インチのディスプレイになっていて、スマートフォンやパソコンのブラウザなども表示できるそうです。
5インチのディスプレイになっていて、スマートフォンやパソコンのブラウザなども表示できるそうです。


従来型のディスプレイは、出展しているタイプより筐体が大きいそうで、参考出展ですが、より小型化を実現していると言います。実際にものを触らずに操作ができるという特徴を活かした用途を考えているそうです。

「弊社からのご提案としては、衛生上、触ってはいけない環境、例えば医療の現場などで使っていただければと思っています」

同社では、今後はより明るくきれいで大きなサイズのディスプレイを実現していこうと考えていると言います。



凸版印刷株式会社 エレクトロニクス事業部オルタス事業部営業部営業企画チーム担当部長代理 岩野毅氏。他人が触ったものに触れたくないという要望もあるので、そうしたところに使ってもらおうとも考えているそうです。
凸版印刷株式会社 エレクトロニクス事業部オルタス事業部営業部営業企画チーム担当部長代理 岩野毅氏。他人が触ったものに触れたくないという要望もあるので、そうしたところに使ってもらおうとも考えているそうです。



半導体やバッテリーの熱問題を解決する

EV・HEV駆動システム技術展では、株式会社フェローテック(東京都中央区)がユニークな温度制御素子(サーモモジュール・アプリケーション)と磁性流体による技術を出展していました。温度制御のアプリケーションは、ペルチェ(Peltier)素子によるものです。

説明してくださった二ノ瀬悟(にのせ・さとる)サーマルマテリアル部オートモーティブ営業課長によれば、自動車が電動化や自動運転化することにより、熱の問題が新たに出てくるはずで、同社はそうした問題対して技術的な解決の事例を出展していると言います。

「弊社は、半導体製造装置用の真空装置、石英を使った半導体の製造装置、半導体装置売の洗浄ビジネスの割合が大きいんですが、こうした環境変化を見すえて新たな事業展開ということで3年前にオートモーティブ事業部を立ち上げました。オートモーティブワールドには東京で3年、3回出展しています。

今回、出展しているペルチェ素子というのは、2種類の金属の接合部に直流電流を流すと片方の金属からもう片方へ熱が移動するサーモモジュールの効果を利用した半導体素子です」(二ノ瀬氏、以下同)

電流と熱に関する基本的な原理が最初に発見されたのは約90年前です。これまで自動車の熱処理問題の解決方法には、液冷や空冷などの技術がありましたが、同社はペルチェ素子による温度制御がベストの方法と考えているそうです。

「CASE時代になって内燃エンジンから電動化に向かっていますが、エンジンがなくなることでいろいろな影響が出てきます。これまで車内の暖房はエンジンの発熱を利用してきましたが、熱源が利用できなくなるでしょう。では、何を熱源にして暖房をするのかというときにペルチェ素子を使った技術を提案していこうと考えています。

ペルチェ素子は板状の冷熱素子ということになりますが、小型、軽量、音が静かという特徴があり、従来から自動車の温調シートに使われてきました。ほかにも多様な装置の温度制御のための冷却チラー(Chiller)、光通信、バイオ、自販機などに使われています」


ペルチェ素子は、私たちの身の回りの、エアコン、ドライヤー、ワインセラーなどの家電製品にも使われているそうです。
ペルチェ素子は、私たちの身の回りの、エアコン、ドライヤー、ワインセラーなどの家電製品にも使われているそうです。


ペルチェ素子は、直流電流を流すと、熱が移動し、片方が冷えて片方が温かくなるという特性があるそうです。

「自動車の熱問題には、パワートレイン系、車室内、カメラなどの発熱があります。弊社は、車室内の快適性に対する提案を行っていこうと考えています。例えば、ペルチェ素子を利用してドリンクホルダーの温度を管理し、飲み物を冷やし続けたり加熱したりするような技術です。

また、スポット的に冷やしたい部品があれば、ペルチェ素子が効果的です。自動運転の場合、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサーを付けたカメラが重要になってきますが、CMOSセンサーはひじょうに熱に弱く、画面にちらつきが出たりします。ペルチェ素子使ってCMOSやGPUを一定の温度に保つことでこうした問題が生じるのを防ぐことができます」

ペルチェ素子は片方から吸熱し、片方から放熱するので、放熱する側には放熱板を付け、熱を逃がす必要も出てくると言います。こうした排熱の問題をどう解決するのかが重要な技術になるそうです。

「温度制御の技術には、PTC(Positive Temperature Coefficient、正温度係数)というものもあります。これは超伝導のように温度が低いときに電流が流れやすく、温度が高くなると流れにくくなる現象を利用した発熱技術です。

ペルチェ素子はPTCよりある条件では効率がいいのも特徴ですが、システムがシンプルで素材自体を軽くできるというのもアドバンテージだと思っています」

自動車の電動化ではリチウムイオンバッテリーの温度管理も重要になってきます。ペルチェ素子を使えば、例えばリチウムイオンバッテリーの温度を一定に保つことも可能になると言います。夏場に高温になることを防ぎ、冬場には逆にバッテリーを温めて効率を上げることもできるそうです。


将来、クルマは半導体の固まりになると考えられ、外界の温度変化に半導体がさらされ、温度制御は重要な技術的課題になっていくそうです。
将来、クルマは半導体の固まりになると考えられ、外界の温度変化に半導体がさらされ、温度制御は重要な技術的課題になっていくそうです。


また、同社のブースでは磁性流体という機能性素材も出展していました。磁性流体という技術は以前からあったそうですが、同社はこの技術の一部で特許を取得しているそうです。

「これは一種の液体磁石で、磁石に反応する酸化鉄にオイルベースの界面活性剤を混ぜ、粒子の大きな物質を液体に混ぜるコロイド(Colloid)状の流体にしています。

磁性流体は、最大許容入力を向上させる放熱効果や周波数特性を改善するダンピング効果、システムコストの削減効果、高調波歪を減少させる効果などが期待され、永久磁石を使うオーディオ・スピーカーに充填して使われています」

また、磁場で磁性を与えることで組成が変化し、流体になったり硬くなったりする磁性流体の特性を利用し、最近ではポンプレスのヒートパイプが開発されているそうです。


株式会社フェローテック サーマルマテリアル部オートモーティブ営業課長 二ノ瀬悟氏。彼によると、ペルチェ素子も磁性流体を利用した熱輸送システムもCASE時代に重要な技術になっていくそうです。
株式会社フェローテック サーマルマテリアル部オートモーティブ営業課長 二ノ瀬悟氏。彼によると、ペルチェ素子も磁性流体を利用した熱輸送システムもCASE時代に重要な技術になっていくそうです。


「温度によって磁気特性が大きく変化する特性から、磁性流体をパイプ内に入れると自己循環という現象が起きます。この現象を利用すると、電気を使ったポンプがなくても、温度によってクローズドなループパイプの中に流れを生み出すことができるのです。これを自己循環型ヒートパイプといい、弊社ではこのポンプレスの熱輸送システムの磁性流体を開発しました」

 単なる移動手段に過ぎなかった自動車は、CASE時代になってこれまでとはまったく違った観点からの技術的な進化を求められるようになってきました。オートモーティブワールドには、CASE時代を先取りする技術が多く出展され、これからも目が離せない展示会になりそうです。

文/石田雅彦


参考情報
東京大学プレスリリース
http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry772/

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