Audi Matrix LED Headlamp

今年の前半は日本の科学技術の信頼を損なうような大きな出来事があったが、日本人3名(正確に言えば日本国籍2名、米国籍1名)のノーベル物理学賞受賞のニュースはその暗い雰囲気を一掃してくれた(前段の話は、日本の科学界が抱える本質的な問題が露呈したのだけれども、どうもウヤムヤにされる心配がある)。発光ダイオード(以下LED)ではないけれども、私もかつて、少しだけ照明の研究に関わったこともあるので(一応特許も出しましたよ)感慨もひとしおだ。今回は非常に身近なテーマが受賞の対象なので、子供たちのレベルでもいろいろな興味・関心が湧くことだろう。しかし光の物理・工学はなかなか奥が深い。

ノーベル賞授賞式の天野教授
ノーベル賞授賞式の天野教授[1]

受賞発表時にテレビのニュースで見た天野教授の娘さん(京大理系の院生!)が語る父親のエピソードが面白かった。彼女が子供の頃、「虹はなぜ七色なの?」という質問に、先生は光のスペクトルの話から始めるのだそうだ。専門分野だからね。こんな面倒くさい父親なので、彼女はそれ以来質問をしなかったのだそうだ。私もそもそも論から始めがちなので、子供たちからは煙たがられている。

その、そもそもLEDはなんで光るねん?という疑問についての答えは子供向けに以下に優しく解説されている。
http://kids.gakken.co.jp/kagaku/nandemo/0712.html

なぜ青色を発光させるのが難しかったのかは、以下の解説がわかり易いかな。
http://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/201410092014-30.html#more

我々の生活の中で最も必要な光源の色は白色だが、今回の3人の功績で実用化された高輝度青色LEDにより、赤、緑、青の光の三原色がLEDで作り出せるようになった。つまりエネルギー効率のよいLEDを使って白色光を含めた様々な色の発光が実現できる。これがフィラメント式電球を発明したエジソン以来の革命的な明かりの発明と言われる所以である。

Nick Holonyak, Jr.
Nick Holonyak, Jr.[2]

ちなみに三色揃って初めて革命となる訳だから、赤色や緑色のLED発明者にもノーベル賞をあげるべきではないだろうか?という素朴な疑問が湧く。LEDの発光原理を考えたのは「発光ダイオードの父」と呼ばれる米イリノイ大学のニック・ホロニアック教授だ[2]。私が生まれた1962年のこと。しかし彼が発明した赤色LEDでは明るさが足りず、その後実用に耐えうる赤色と緑色のLEDを発明したのは東北大学名誉教授の西澤潤一博士。お二人ともご高齢だが存命中。ノーベル賞に値すると言われながら共に受賞の栄誉にはあずかっていない。西澤博士は2009年の物理学賞の対象である、これまた我々の生活に欠かせない(自己集束型)光ファイバーのアイデアを最初に考え出した「産みの親」としても有名。日本で彼の特許は受理されず、後にその構造と光伝送の関係を理論的に明らかにして実用化に貢献した受賞者のチャールズ・カオ博士が所属する米・コーニング社が先に基本特許を得た[3]。奇しくも光ファイバーもLEDも「育ての親」にノーベル賞が授与されたことで、日本人発明者の明暗が分かれたのである。ノーベル賞が人類への貢献を称える全てではないけれども、2度のビッグチャンスを逃した西澤博士はなんとも不運である。

最近の物理学賞の特徴は原理発見者よりも実用化貢献者が受賞することが多くなった。今回のLEDも然り。もともとノーベル賞は「第一発見者・発明者」を重んじた。ノーマークだった田中さんの化学賞受賞もこの原則に従った故の幸運だった。受賞者選考のスタンスが少し応用寄りに変わってきたのかもしれないが、そろそろ最大3人枠というルールも変えたらどうだろうか。一人の天才が世の中を変えるという時代でもなくなった。青色のブレークスルーが困難だったことは理解するけれども、受賞理由が「光の革命」ならば、上記2名を加えた5名の共同受賞が妥当だった気がする。

LEDは最新の自動車技術とも密接に関わる。最も影響を受けるのはヘッドライト(白色光)だ。今までハイマウント・ストップライトやバックライトなど赤色LEDで限定的に使われていたものがいよいよ本格的に自動車の”顔”に用いられるようになる。今回の受賞で搭載に拍車がかかるに違いない。ここで自動車ヘッドライトの技術をおさらいしてみようと思う。

T型フォードのアセチレンヘッドランプ ハロゲン電球とHID電球
左:T型フォードのアセチレンヘッドランプ[4]、右:ハロゲン電球(左)とHID電球(右)[5]

自動車にヘッドライト(ランプ)が装着されたのは1890年頃が最初と言われている。当時の光源は主にアセチレンランプである。その後、1908~09年に欧米で相次いで電気式ヘッドランプが登場し、普及し始めたとされる[6]。現在の自動車用ヘッドライトのランプ(バルブ)には大きく「ハロゲン」と「HID」の2種類がある。ハロゲンランプはいわゆるエジソン由来の電球でタングステンのフィラメントへの通電による電熱で点灯させるもの。バルブの中には不活性ガス(アルゴンや窒素)に微量のハロゲンガス(ヨウ素や臭素)が添加されたものが封入されており、この名前の由来であるハロゲンガスが熱によるタングステンの蒸発を防いでくれる[7][8][9]。上図のハロゲン球はハイビーム、ロービーム用にフィラメントを2個、すなわち2つの光源を有するものである[5]。

放電ランプの構造
放電ランプの構造[10]

HID(High Intensity Discharge)は蛍光灯と原理は同じ放電灯で、高輝度放電ランプとも言われる。発光管内にはキセノンガスが封入されているので、「ハロゲン」に対してHIDは「キセノン」と呼ぶことが多い。さらにバルブ内に封入された金属物質の種類によってメタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ、水銀ランプなどに分類される。原理はこうだ。バルブ内の電極に高電圧を瞬間的にかけるとキセノンガスが電離しアーク放電が始まる。放電が始まるとバルブ内が高温になり、封入されていた金属物質が蒸発し、アーク放電で放出されたこの金属蒸気に衝突して可視光線となる。この封入金属によって光のスペクトル特性が変わってくるが、一般的にHIDの特徴といえる青白い光は水銀の発光によるものだ。水銀は毒性も高く環境への影響が大きいため、近年は水銀フリーのHID開発、普及が進んでいる[5][11][12][13]。電極間の放電式なので、電熱式のハロゲン球に対して、消費電力は1/2、明るさは2~3倍、寿命も5倍ほど[14]。しかし放電するには約2万ボルトの交流電圧が必要だ。自動車の電源は通常直流の12又は24ボルトなので、DC⇒ACのインバーター(変換器)と昇圧用のイグナイター(昇圧器)、そして、高電圧を制御するためのバラスト(安定器)といった特殊な回路が必要になる。通常はこれらを総称してバラストと言ったりする[15][16]。ハロゲンに対して高性能なのだが、上記のような余計な装置が必要になるので高価になり、HIDが搭載されるのは高級車中心になる。もちろん私の愛車もハロゲン球。

プロジェクターヘッドライトのカットライン
プロジェクターヘッドライトのカットライン[17]

さてランプだけあっても自動車用ヘッドライトとしてはまだ使えない。この光源をもっと遠くに、そして対向車に眩しくないように照らさなければならない。ヘッドライトを壁に当てると上の写真のように左右非対称の照射パターンが現れる。ちょうど右側の上端がカットされているような形状となっているが、これを専門用語では「カットライン」と呼ぶ。対向車が眩しくないように、通常使用するロービームの照射光の中で右上向きの光軸をコントロールしている(このカットラインが基準通りに出ていないと車検通らない)。当然右側走行の国では、このカットラインが日本や英国とは逆になる。

レンズカット方式 マルチリフレクター方式
レンズカット方式(左)とマルチリフレクター方式(右)[18]
ハロゲンヘッドランプ HIDヘッドランプ
ハロゲンヘッドランプとHIDヘッドランプの例[5]

ヘッドランプの配光方式には大きく「リフレクター(反射鏡)」と「プロジェクター」の2種類がある。リフレクター方式は、バルブ後部にリフレクターを設置し、その反射光を前方に照射するものだ。反射光をヘッドライトの前部レンズに施された複雑なパターンでカットして配光をコントロールするものを「レンズカット方式」とも言う。後部のリフレクターだけで配光をコントロールするものを「マルチリフレクター方式」と言う(反射面の設計が非常に難しく複雑になる)。前部レンズはバルブを保護するカバーとしての役目のみで造形的にすっきりするので現在最も多く用いられる構造だ[14]。リフレクタータイプは、光源からの光をリフレクターの上部に当てて下向きに反射させる事でロービームを配光しているが、どうしてもリフレクターの下部にも光があたり、上方向に光が漏れてしまう。そこで従来は上図のようにバルブ近傍を遮光板でカバーしたり、バルブ自体に遮光塗料を塗布して(下図)この上方向の反射光を遮ったりしている[19]。しかし近年は樹脂成型技術やCAE設計技術の向上により遮光板や塗料を用いないリフレクターの設計が可能になった[20]。

HIDバルブ
HIDバルブの遮光塗装[19]
プロジェクターヘッドランプの原理
プロジェクターヘッドランプの原理[20][21]

プロジェクター方式は、バルブ後部のリフレクターと前部の凸レンズを組み合わせた方式。また、凸レンズで集光させることで、幅広く、遠くまで照らすことが出来る。また反射鏡の大きさを抑えられるので、ヘッドライト全体を小型化できる。配光のコントロールはリフレクターとレンズの間に介在する遮蔽板(シェード)で行い(上図)、照らす箇所と照らさない箇所の区別がハッキリしているのでカットラインが非常にクリアとなる。プロジェクターはリフレクターよりも暗くなるので、前述のHIDバルブと相性が良い[14][17]。

ハイ・ロー切り替え1 ハイ・ロー切り替え2
ロービーム(1)とハイビーム(2)の切り替え例:アクチュエーターでバルブを前後に可動させる方式(左)とシェードを上下に可動させる方式(右)[22]

AFS照射イメージ図
AFS照射イメージ図[23]

最近はさらに配光のパターンを最適化したAFS(Adaptive Front-Lighting System、配光可変型前照灯システム)が提案・実用化されている。これは道路環境(高速道路、郊外、市街地道路、カーブや交差点、対向車の有無、悪天候など)に応じて自動的にそれぞれの環境に合わせた配光になるように制御するヘッドランプシステムである[5]。例えば、ステアリング角度と車速に応じてリフレクターを車両の旋回方向(左右)に動かして交差点やカーブでの視認性を向上させる機構だ[24]。

世界初 LEDヘッドランプ
世界初 LEDヘッドランプ(小糸製作所)[25]

ここまでは従来技術の勉強だったが、白色LEDの誕生で自動車用ヘッドランプはどう変わろうとしているのだろうか。現在自動車のヘッドライト光源はハロゲンバルブが全体の80%、残りの20%がHIDバルブで、LEDを含むその他の光源は1%に満たないのだそうだ[26]。日本の小糸製作所が世界で初めて量産化に成功したLEDヘッドランプがトヨタ・レクサスLS600hに搭載されたのが2007年[27]。今年なぜ青色LEDがノーベル賞を受賞したのか。「Coolで温かみのあるLED電球」でも紹介したように、これまでLEDの発光効率は蛍光灯とほぼ同じ100lm/W。[28]によればこの100lm/Wを超えるようになったのは2013年頃で、2014年前半には140~190lm/Wと蛍光灯をはるかに凌ぐようになったという。蛍光灯の2倍や3倍という最新報告もあるようで、ここ1、2年の急速な性能向上が背景にあるようだ。また[29]でも紹介されているように、環境負荷物質の規制も従来型バルブからLED化に進む追い風になっているようだ。自動車用光源も本格LED化は2015年とメーカーの関係者も発言をしているし[30]、自動車用ヘッドランプメーカー大手のスタンレー電気も、2017年には世界で販売するヘッドランプ数の2割をLEDにすると発表するなど[31]、ノーベル賞景気もあるのか、急激に量産化が進んでいる。

白色LEDの発光方式
白色LEDの発光方式[32]

白色LEDの発光方式は大きく3方式ある。私は赤・緑・青の3色揃って白色LEDを発光させるものだと思っていたが、この三原色のLEDチップを一つの発光源とする方式は、発熱は抑えられるがコストがかかり、演色性の高い白色を作るには不適で見る角度に依存するのだそうだ。一般的な白色LEDは、青色発光ダイオードに黄色蛍光体を覆うことで白色を発光する方式。赤色が不足する傾向があるが、発光効率は一番高いとのこと[32]。やはり青色LEDの発明はインパクトが大きかったのだね。配光方式でいうと前述のトヨタ・レクサスLS600hでは3連小型プロジェクターと小型反射鏡から得られる光を合成して配光パターンを作り出すという、従来型とは光源が変わっただけで本質的な違いはないように見える[25]。しかしLEDは半導体光源ならではの無限の可能性を秘めている。

レーザービームヘッドライトの照射範囲
レーザービームヘッドライトの照射範囲[35]

最新のAudi A8に搭載されたマトリックスLEDヘッドライトは、単灯25個、計50個のハイビームLEDがマトリックス状に配されており、すべて電子的にミリ秒レベルの速さで周りの状況に合わせる。LEDはコントロールユニットによって個別に制御され、照射をオンやオフにしたり、明るさを弱めたりすることでその配光の組み合わせはなんと約10億通りもあるそうな。これによりヘッドライトのハイ/ロー切り替えを自動でやるだけでなく、前述したAFSのような配光制御をいともたやすく、しかも瞬時に行うことができる。照らしたいところだけを照らす理想のヘッドライトを実現してくれるのだ[33][34]。しかし、Audiはさらにその先を見据えている。今年のル・マン24時間レースの覇者になったアウディR18 e-トロン・クワトロは、LEDヘッドライトにレーザービームを組み合わせたシステムを試みた。レース、特に夜間走行での成果を引っ下げ、全世界99台限定のレーザーヘッドライトをアウディR8 LMXにも搭載することになった。指向性の高い新しいレーザーハイビームは、レーザーモジュールが、オールLEDヘッドライトの2倍の範囲で光を照射する。各モジュールは 4つのハイパワーレーザーダイオードからなり、わずか300ミクロンという小さな径のレーザーダイオードが、450ナノメートルの波長の青いレーザービームを発し、蛍光体コンバーターがこれを路面照射に適した色温度5500ケルビンの白色灯に変換するメカニズムらしい[35]。



同じくレーザーヘッドライトを開発中の小糸製作所執行役員、米山正敏氏によると、レーザーは効率が高くなるのでランプを小さくでき、遠方にも照射可能になることが大きなメリットであるという。ユニットを小さくすることでデザインの幅も出てくる。実用化の課題としては①法規の問題、②技術の問題、③安全の問題を上げている。法規の問題としては、現状のままでとよいという意見とレーザー用に新たな法規を作るべきだという意見がありまとまっていない。技術の問題でいうとまだ効率が十分出ていないことと熱対策。安全の問題は通常は規制の厳しいレーザーの(視認)危険性。効率を下げれば現状でもよいという考えと、レーザー光なのでそれでも危ないという意見もあり、これらの課題をクリアにすることで、ここ数年で量産化に持っていきたいとのこと[36]。

ヘッドランプ光源とその明るさ
ヘッドランプ光源とその明るさ[27]

いやはや高輝度青色LEDの実用化によって、自動車の顔が大きく変わろうとしている。人間が得る情報の9割は視覚情報からというから、夜間走行時にはヘッドライトが唯一の頼みの綱でもある。ヘッドライトに関する文献はそれこそ無数にあるが、この非常に大切な安全装置について体系的にまとめられた専門書って皆無なんだよね。エンジンや操安性などはいっぱいあるのだけど。今回のノーベル賞を契機にもっとヘッドライトにも関心が向くと良いと思う。自動車用ヘッドランプに絞った光学設計の専門書、誰か書いてくれないかなあ。

ノーベル賞授賞式に間に合うよう、駆け足で自動車用ヘッドライトの現状と今後を調べてみた。各種情報の継ぎ接ぎのようになってしまったが、間違いや理解不足、情報の正確さに欠ける部分が多々あると思う。個人の頭の整理、学習記録ということでご容赦いただきたい。関係諸氏からのご指摘があればなお幸いである。

『そのとき、神が「光よ。あれ。」と仰せられた。すると光ができた。』(創世記1章3節、新改訳第二版)

[参考・引用]
[1]天野さんは王妃と談笑 晩さん会、華やかに、産経ニュース、2014年12月11日、
http://www.sankei.com/life/news/141211/lif1412110009-n1.html
[2]ニック・ホロニアック・ジュニア、Wikipedia、
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8B%E3%83%83%E3%82%AF%E3%83%BB%E3%83%9B%E3%83%AD%E3%83%8B%E3%82%A2%E3%83%83%E3%82%AF
[3]光ファイバーの発明と特許問題、夢幻と湧源、2009年10月8日、
http://mugentoyugen.cocolog-nifty.com/blog/2009/10/post-f240.html
[4]T型フォード・ヘッドライト、千葉県立現代産業科学館、
http://www.chiba-muse.or.jp/SCIENCE/vm/doc/sub/7771170.html
[5]自動車用照明の変遷、小林正幸、特集 自動車・鉄道・航空機の照明、照明学会誌、p882-885、第86巻、第12号、2002
[6]ヘッドランプと自動車の「顔」、有元正存、特集「自動車のヘッドランプ」、JAMAGAZINE、p2-7、2013年10月
http://www.jama.or.jp/lib/jamagazine/jamagazine_pdf/201310.pdf
[7]ハロゲンランプ、Wikipedia、
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8F%E3%83%AD%E3%82%B2%E3%83%B3%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%83%97
[8]ハロゲン電球ハンドブック、光/光源の知識、一般社団法人日本照明工業会ホームページ、
http://www.jlma.or.jp/tisiki/pdf/guide_halogen.pdf
[9]ハロゲン電球の基礎、ハロゲンランプ、光技術情報誌「ライトエッジ」、No.22、2001年9月、
https://www.ushio.co.jp/documents/technology/lightedge/lightedge_22/ushio_le22-07.pdf
[10]自動車用照明の技術(1)、小嶋伸一、特集 自動車・鉄道・航空機の照明、照明学会誌、p892-895、第86巻、第12号、2002
[11]HIDランプ、Wikipedia、
http://ja.wikipedia.org/wiki/HID%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%83%97
[12]HIDランプハンドブック、光/光源の知識、一般社団法人日本照明工業会ホームページ、
http://www.jlma.or.jp/tisiki/pdf/guide_hid.pdf
[13]6. 最近の気になる技術・・・シニア技術者の寸評、安西良矩、湘南の明かり人、
http://syounanakaribit.sakura.ne.jp/newpage16.html
[14]ナイトドライブを快適にするヘッドライト、平 雅彦、【コラム】クレバーなモーターライフ7、マイナビユース、2006年8月22日、
http://news.mynavi.jp/column/motorlife/007/
[15]HIDランプとは、照明設計・電球の知識、電気設備の知識と技術、
http://electric-facilities.jp/denki3/hid.html
[16]HIDライトシステム(ディスチャージ、キセノン)、職人!?カーライフ.com、
http://support-carlife.com/hid-how.html
[17]Q.プロジェクターヘッドライトの仕組み・構造とは?、知恵袋、中古トラック買いたい、2014年2月21日、
http://usedtrucks.blog.fc2.com/blog-entry-470.html
[18]自動車用ランプについて、植木雅哉、特集 自動車・鉄道・航空機の照明、照明学会誌、p886-891、第86巻、第12号、2002
[19]【HIDバルブ】D2SとD2Rの違いについて、貨物堂、
http://route-2.net/kamotudo/?p=412
[20]自動車技術シリーズ6自動車の安全技術、岡 克己、東出隼機・編、p70、朝倉書店、1996
[21]自動車技術ハンドブック[3]設計(デザイン・ボディ)編、自動車技術ハンドブック編集委員会、p149、自動車技術会、2005
[22]ボッシュ自動車ハンドブック日本語第2版、小口泰平・監修、p742、山海堂、2003
[23]AFS(アダプティブフロントライティングシステム)、マツダホームページ、
http://www.mazda.com/jp/technology/safety/active_safety/afs.html
[24]Hondaの配光可変型前照灯システム「アクティブ・ヘッドライト」運輸大臣認定を取得、商品化に向けた公道テストを開始、ホンダホームページ、2000年12月22日、
http://www.honda.co.jp/news/2000/c001222.html
[25]世界初 LEDヘッドランプ開発、実用化―トヨタ自動車「レクサスLS600h」に搭載、小糸製作所、2007年3月27日、
http://www.koito.co.jp/pdf/news/07/20070327.pdf
[26]ヘッドライト光源は向こう5年で大変革を遂げる…本命はレーザー、Response、2013年5月29日、
http://response.jp/article/2013/05/29/198913.html
[27]ヘッドランプの技術の動向及び安全・環境問題、佐々木勝、特集「自動車のヘッドランプ」、JAMAGAZINE、p8-13、2013年10月
http://www.jama.or.jp/lib/jamagazine/jamagazine_pdf/201310.pdf
[28]青色LEDに対するノーベル賞、なぜ今年だったか、野澤哲生、日経テクノロジーonline、2014年10月8日、
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/FEATURE/20141008/381358/?ref=RL3&n_cid=nbptec_tec00001
[29]規制 ヘッドライトLED化は環境問題の落とし子、裏・復活!ブルーバード、2011年9月12日、
http://minkara.carview.co.jp/en/userid/124785/blog/23797576/
[30]「車載用光源の本格LED化は2015年、時間軸を見据えた戦略が必要」(前編)、ERECTRO TO AUTO FORUM、
http://e2a.jp/interview/070912.shtml
[31]ヘッドランプ、スタンレー、LED2割に、高級型など3種量産、マツダやホンダ採用。、日経産業新聞、2013年1月8日
[32]白色LEDの発光方式、LED基礎知識、NOAH CORPORATIONホームページ、
http://www.noah-corp.com/method.html
[33]新しいライトを搭載したAudi A8、Audi Vorsprung durch Technik、
http://www.audi.co.jp/jp/brand/ja/vorsprung_durch_technik/content/2013/10/audi-a8-in-a-new-radiant-light.html
[34]新型アウディA8のマトリクスLEDヘッドライトの「動き」がスゴい!、小林和久、clicccar、2014年4月4日、
http://clicccar.com/2014/04/04/251121/
[35]世界初!レーザービームヘッドライトを搭載したアウディR8 LXMの価格は?、塚田勝弘、clicccar、2014年10月10日、
http://clicccar.com/2014/10/10/272148/
[36]小糸製作所が開発する次世代自動車照明「レーザヘッドランプ」、YouTube、2013年12月20日、
https://www.youtube.com/watch?v=ewBhmY-R7wQ
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