自動車用ロービームプロジェクターヘッドランプのための白色発光ダイオードを用いた設計

この紹介論文は、「Sensors and Materials」によって発行された論文「Design with White Light-Emitting Diodes for an Automotive Low-Beam Projector Headlamp」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: Design with White Light-Emitting Diodes for an Automotive Low-Beam Projector Headlamp (自動車用ロービームプロジェクターヘッドランプのための白色発光ダイオードを用いた設計)
• 著者: Yueh-Ying Chiang, Sheng-Jye Hwang, Huei-Huang Lee, Deng-Yuan Hwang, and Chien-Chih Liao
• 発行年: 2016
• 発行学術誌/学会: Sensors and Materials, Vol. 28, No. 9 (2016) 1035–1042, MYU Tokyo
• キーワード: LED headlamp, projection headlamp, ECE R112

2. 抄録:

新しい自動車用ロービーム発光ダイオード（LED）ヘッドランプを設計するために、数値モデルが開発されました。まず、光線追跡ソフトウェア（TracePro）を使用して、既存の自動車用ロービームプロジェクターLEDヘッドランプモデルがシミュレーションされました。既存の市販自動車用LEDヘッドランプは、ロービームLEDヘッドランプモジュールとして機能する1つのマルチリフレクターと2つのプロジェクションシステムの組み合わせです。シミュレーション結果はヘッドランプ規制と比較され、ヘッドランプの数値モデルと境界条件が正確であり、現実に類似していることが証明されました。最終的に、元の設計は、単一光出力515ルーメンのLEDを使用する2つのプロジェクションシステムのみに変更されました。各プロジェクションシステムは、ヘッドランプの配光がECE R112規制に適合するように改善されました。高出力LEDを使用することで、自動車用ヘッドランプに必要な光学システムの数を減らすことができると結論付けられました。

3. 序論:

自動車用ヘッドランプ設計の進化は、光源技術の発展に伴ってきました。ハロゲンバルブは1970年から自動車用ヘッドランプの光源として使用されてきました。白色発光ダイオード（LED）は1996年に発明され、LEDは新しいタイプの光源となり、固体照明の時代が始まりました。新しいタイプの光源として、白色LED特有の発光効率と放熱技術の急速な進歩とともに、LEDは自動車用ヘッドランプへの応用が可能になりました。LEDの価格は高いものの、従来の光源と比較して、長寿命、低消費電力、短い応答時間、水銀汚染なし(1)など、多くの利点があります。LEDの発光特性は従来の光源とは異なるため、LEDを利用する光学システムは再設計する必要があります。その結果、本研究では、ECE R112基準に適合する必要があるLEDヘッドランプの光学性能をシミュレーションするために、コンピューター支援エンジニアリング（CAE）が使用されました。ソフトウェアの性能と応用をよりよく理解するために、まず市販の自動車用LEDヘッドランプ（1つのマルチリフレクターと2つのプロジェクションシステムの組み合わせ）が研究されました。その後、この研究では、より高出力のLED（515ルーメン）を活用し、この設計を2つのプロジェクションシステムのみを使用するように変更し、配光がECE R112規制に適合することを確認することを目指しました。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

自動車用ヘッドランプ技術は、光源の発展とともに進歩してきました。1996年に導入された白色LEDは、従来の光源に比べて大きな利点を提供しますが、その独特な発光特性のため、特定の光学システム設計が必要です。ECE R112などの規制への準拠は、自動車照明にとって不可欠です。

先行研究の状況:

LEXUS LS600Hに関する稲葉らの研究(2)などの先行研究では、複数のプロジェクターユニット（例：3つの左右旋回ユニットと1つのパラボラユニット）を使用した複雑なLEDヘッドランプシステムが示されています。このようなマルチユニットシステムで特定された主要な課題は、適切なビーム重ね合わせのために光学軸を正確に位置合わせすることであり、これはレンズのずれや支持体の変位などの要因に影響されます。これらの位置合わせの問題に対処するために、精密位置決め、レーザー溶接、3点支持配置などの技術が開発されました。

研究の目的:

本研究は、自動車用ロービームLEDヘッドランプの設計のために、CAEソフトウェア（TracePro）を用いた数値モデルを開発し、検証することを目的としました。具体的な目標は以下の通りです：1) 既存の市販LEDヘッドランプをシミュレーションし、シミュレーションモデルと境界条件の精度を現実および規制と比較して検証する。2) 高出力（515ルーメン）LEDを採用することにより、2つのプロジェクションシステムのみを使用する新しい、簡略化されたロービームLEDヘッドランプを設計する。3) この新しい設計の配光がECE R112規制に適合するように最適化する。

中核研究:

中核研究は、主に2つの段階で構成されました。まず、1つのマルチリフレクターと2つのプロジェクションシステム（350ルーメンLEDを使用）からなる市販のLEDヘッドランプをリバースエンジニアリングし、TraceProソフトウェアを使用してシミュレーションしました。シミュレーション結果を規制と比較して、モデリングアプローチを検証しました。次に、より少ない光学システムとより高出力（515ルーメン）のLEDを利用する新しいヘッドランプ設計が開発されました。この新しい設計は、シミュレーション環境内で反復的な修正を受け、特にシャッター形状と光学システムの配置（傾斜角、軸回転）を最適化して、光ビームを精密に形成し、ECE R112標準で指定された厳格な照度要件を満たすことに焦点を当てました。

5. 研究方法論

研究設計:

本研究では、シミュレーションベースの設計および検証方法論を採用しました。ベースラインを設定し、シミュレーションツール（TracePro）とモデリングの仮定を検証するために、既存の市販LEDヘッドランプのリバースエンジニアリングとシミュレーションから開始しました。その後、より少ない光学部品と高出力LEDを特徴とする新しい設計が提案され、その性能が目標とする規制基準（ECE R112）を満たすまでシミュレーションを通じて反復的に改良されました。

データ収集と分析方法:

コンピューター支援エンジニアリング（CAE）ソフトウェア、特にTracePro光線追跡ソフトウェアが主要なツールでした。入力データには、ヘッドランプ構成部品の形状（初期モデルはリバースエンジニアリングにより取得、新モデルは設計）、材料特性（例：レンズ用Schott BK7、Fig. 7に基づく波長依存屈折率）、LED特性（初期シミュレーション用350ルーメンのランバーシアン光源モデル、Fig. 6; 新設計における515ルーメン高出力LEDのスペクトルおよび空間分布データ、Figs. 8, 9, 10, Table 1）が含まれました。反射率などの表面特性が定義されました（初期にはリフレクター/シェードに対して100%と仮定）。分析には、仮想スクリーン上の配光シミュレーションと、ECE R112標準（Table 2）で定義された特定のチェックポイントおよびゾーンにおける照度値の評価が含まれました。シミュレーションされた光の形状（Figs. 12-18）は視覚的に検査され、標準の要件と定量的に比較されました。

研究トピックと範囲:

本研究は、白色LEDを使用した自動車用ロービームプロジェクターヘッドランプの光学設計とシミュレーションに焦点を当てました。範囲は以下の通りです：

1. LEDヘッドランプのためのCAEシミュレーションアプローチの検証。
2. 高出力LEDを使用することによるLEDヘッドランプ内の光学システム数の削減可能性の調査。
3. 2プロジェクターLEDヘッドランプシステムの設計と最適化。
4. 最終設計のロービーム配光に関するECE R112規制への準拠の確認。
   この研究には、新設計の熱解析や実験的なプロトタイピングは含まれていません。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• TraceProを使用した既存の市販LEDヘッドランプのシミュレーションは、現実と同様の光形状結果（Fig. 12a）を生成し、数値モデルとシミュレーション設定がLEDヘッドランプ設計に適していることを検証しました。
• 高出力LED（各515ルーメン、Table 1）を採用することにより、2つのプロジェクションシステムのみを使用する新しいロービームヘッドランプ設計が成功裏に開発されました。
• 光学システム構成部品、特にシャッター形状（Figs. 13, 14, 15）およびLEDシステムの向き/傾斜（Figs. 16, 17）を反復的に修正することにより、新しい設計の配光が最適化されました。
• 新しい2プロジェクター設計の最終的なシミュレーション配光（Fig. 18）は、ECE R112標準に適合し、指定されたすべてのチェックポイントおよびゾーンにおける照度要件を満たすことが示されました（Table 2）。
• この研究は、より高い発光効率を持つ高出力LEDを使用することで、ヘッドランプに必要な光学システムの数を削減できる（元のモデルの3つから新しい設計の2つへ）と結論付けました。
• 新しく設計されたヘッドランプの体積は、研究対象となった元の市販ヘッドランプよりも40%小さくなりました。

Fig. 2. (Color online) Misaligned optical axes.(2)

Fig. 3. (Color online) (a) Factors contributing to optical axis misalignment. (b) The method for solving misaligned optical axes.(2)

Fig. 4. (Color online) Original LED headlamp.

Fig. 5. (Color online) Optical projection system.

Fig. 8. (Color online) Spectral power distribution of LEDs.(3)

Fig. 12. (Color online) (a) The shape of the light in the original LED headlamp experiment and simulation. (b) The shape of the light in the new LED headlamp design for the simulation.

Fig. 13. (Color online) Light shape of LED 3 after modification of the front parts of the shutter.

Fig. 17. (Color online) LED 3 light shape after modification.

Fig. 18. (Color online) LED headlamp light shape with the new design

図の名称リスト:

• Fig. 1. (Color online) Low-beam unit.(2)
• Fig. 2. (Color online) Misaligned optical axes.(2)
• Fig. 3. (Color online) (a) Factors contributing to optical axis misalignment. (b) The method for solving misaligned optical axes.(2)
• Fig. 4. (Color online) Original LED headlamp.
• Fig. 5. (Color online) Optical projection system.
• Fig. 6. (Color online) Spatial distribution of the Lambertian source.
• Fig. 7. (Color online) BK7 indices of refraction.
• Fig. 8. (Color online) Spectral power distribution of LEDs.(3)
• Fig. 9. (Color online) Spatial distribution of LEDs.(3)
• Fig. 10. (Color online) Spatial distribution of LED.(3)
• Fig. 11. (Color online) New low-beam LED headlamp design.
• Fig. 12. (Color online) (a) The shape of the light in the original LED headlamp experiment and simulation. (b) The shape of the light in the new LED headlamp design for the simulation.
• Fig. 13. (Color online) Light shape of LED 3 after modification of the front parts of the shutter.
• Fig. 14. (Color online) Light shape of LED 3 after modification of the rear parts of the shutter.
• Fig. 15 (a) The final design of part A of the shutter of LED 3. (b) The final design of part B of the shutter of LED 3.
• Fig. 16. (Color online) LED 2 light shape after modification of the lower parts of the shutter.
• Fig. 17. (Color online) LED 3 light shape after modification.
• Fig. 18. (Color online) LED headlamp light shape with the new design.

7. 結論:

本研究では、TraceProシミュレーションソフトウェアを利用してLED自動車用ヘッドランプを評価・設計し、光形状が規制要件を満たすことを確認しました。主要な結論は以下の通りです：
(1) シミュレーションソフトウェアは、LEDヘッドランプ設計の検証に適していることが証明されました。
(2) より高い発光効率を持つLEDを利用することで、ヘッドランプアセンブリ内で必要な光学システムの数を効果的に削減できます。
(3) 単一LEDの光出力が500ルーメンを超える場合、2つのプロジェクションシステムのみを使用してLEDヘッドランプを作成することが可能です。
(4) 新しく開発された設計は、研究対象となった元のヘッドランプモデルと比較して、体積が40%小さいという大幅なサイズ削減を達成しました。

8. 参考文献:

• [1] B. Kang, K. Park, B. Yong, and H. Kim: SAE International, Paper (2007) No. 2007-01-3516.
• [2] T. Inaba, S. Watanaba, and Y. Yamada: SAE International, Paper (2008) No. 2008-01-0339.
• [3] CREE: Cree®XLamp®XP-G2 LEDs, Product Family Data Sheet (CREE, Durham, U.S., 2012).

9. 著作権:

• この資料は、「Yueh-Ying Chiang」による論文です。「Design with White Light-Emitting Diodes for an Automotive Low-Beam Projector Headlamp」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.18494/SAM.2016.1265

この資料は上記の論文に基づいて要約されており、商業目的での無断使用は禁じられています。
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.