6.1　自動車用ヘッドランプの製品・技術動向
　　　　　　その１：　その歴史とＨＩＤランプの出現

１．まえがき
　先日、自動車技術会が毎年横浜で開催している　「人とくるまのテクノロジ−展２００８」　へ行ってきました。この展示会は今年で１７回を迎え、毎年その時代の自動車に求められる課題を分かりやすく展示しており、自動車技術者だけでなく一般ユ−ザにも十分楽しめる展示構成となっております。学生の頃から自動車をいじくり回していた関係もあり、また仕事の放電技術が多少自動車に関係することからよく訪れ、今や機械・電気・ｿﾌﾄウエア系を融合した総合システム物体となった最新の自動車技術から将来の技術動向などを学びとりました。

　今年は気楽な１ユ−ザとして日頃気になっていた自動車の技術ポイントを中心に見学しました。その中から昔から注目していた課題、「ヘッドランプは今後どうなるのであろうか ?」 を取り上げました。見学情報を基に昔学んだ関連技術を掘り起こしながらその後の関連文献の調査などを交え今後の方向、問題点などを少し独善的な推定も入れながら報告致します。

（なお、文章の途中に技術的なバックグランドなどを解説した少し詳細な参考資料がＰＤＦｆｉｌｅで埋め込んであります。興味のある方は赤字をクリックすれば資料が開きます）

２．自動車用ヘッドランプの歴史
　車歴の長い人はお分かりのことと思いますが、車の進歩と共にそのヘッドランプも一歩一歩進歩してきました（図１参照）。

図１　自動車ヘッドランプの変遷（（株）小糸製作所資料より）

１９２０年代は反射鏡に白熱電球を差し込む方式、１９４０年代になってガラス内面にアルミニウム膜を付けた反射鏡と前面レンズを溶着したシ−ルドビ−ム電球が現れ、明るさと配光精度が飛躍的に向上し、このタイプはかなり長く使われてきました。このシ−ルドビ−ムタイプは自動車用以外の信号等など多くの光源に影響を与えました。

そして１９７０年頃より明るさ（効率）と寿命を向上させるハロゲン電球があらわれ、パラボラ反射鏡と組み合わせるものや、複合楕円リフレクタとレンズを組み合わせたいわゆるプロジェクタタイプのものが現れ、これらは現在の主流のランプとなっております。

　シ−ルドビ−ム型もハロゲン電球型もその光源の発光原理はタングステンフィラメントを通電加熱し発光させる白熱電球の部類に入り、白熱電球の改良と言えます。それが２０００年代に入りますと光源の発光原理が白熱電球と全く異なる新光源・・・ＨＩＤランプと固体発光のＬＥＤ光源・・・が現れ使われ始めました。

この新光源の出現は自動車用ヘッドランプにとって大きな変化であります。そこでこの２つの光源についてその特徴と問題点についてもう少し詳細に述べてみたいと思います。

３．自動車用ＨＩＤ光源の特徴と課題
最近町を走っている車のヘッドライトが明るくなったと、また対向車のヘッドランプがまぶしくなり光色が変わったと感じられている方が多いと思います。これは最近の新車には効率が高く明るい新光源のＨＩＤランプを装着使用している車が多くなったためです。
この自動車用ＨＩＤランプ（ＨＩＤランプのもう少し詳細な説明・・クリック）は、内部に発光物質として水銀、金属ハロゲン化物、キセノンガスなどが含まれた放電ランプ（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｌａｍｐｓ）です。そのためこの難しい名前でなく、市場では略して単に　”ガス・ディスチャ−ジ・ヘッドランプ（ＧＤＨＬ）”とか”キセノン・ランプ”と呼んでいる場合があります（但し、キセノンランプの名称は全く別種のランプがあるので使用しない方がよい）。また、光源やランプをバ−ナ−（Ｂｕｒｎｅｒ）と呼び、ＨＩＤバ−ナと呼んでいるメ−カもありますがＨＩＤ光源（ランプ）と同じものです。

3.1　ランプ構造と発光原理（発光原理のもう少し詳しい説明・・クリック）
自動車用ＨＩＤ光源は、水銀とキセノンガスの他に金属ハロゲン化物（ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ２）やヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）など）が入っており、これらの金属原子や分子のガス放電発光を利用しております。そのためランプ内に入れる金属の種類や量を変えることにより光の色を自由に変えることが出来ます。また、ハロゲン電球と異なり振動によるフィラメントの断線が原理的に起こらない特徴を持っています。
ランプ発光管の外観形状を写真１に示します。この小さな球状の両端に電極があり、この電極間で封入された物質のガス放電が起こり、発光します。この小さなランプに３５Ｗの電力を投入して点灯するため非常に高い輝度をもった点状の光源となり、これがヘッドランプの反射笠を高効率なものとしております。

写真１　　ランプ発光管の外観（半製品）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

3.2　特徴
　　ハロゲン電球を使用したヘッドランプに比較しＨＩＤヘッドランプは次のような優れた特徴を持っております。
　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　表１．　ＨＩＤヘッドランプの特徴

表１に示したようにＨＩＤヘッドランプは優れた特性を持っているため、新車購入時に、もしオプション項目になっている場合は迷わず選択することをお勧めします。筆者も車買い換え時にこの装着項目を重視し選択しました。使用してみて、やはり可成り明るくなったことを実感し、特に夜間山間部の道路などは走りやすくなりました。

3.3　特性の信頼性について
一般照明用のＨＩＤランプの特性をご存じの方は、
　　�@消灯後に再度スイッチを入れた場合確実に点灯するか(再始動特性は確実か)？　・・・再始動特性
　　�Aスイッチを入れた後の明るさの増加する速さは十分か？　・・・光束立ち上がり特性
などの疑念をお持ちの方がおられると思います。
結論を先に述べれば、自動車用のＨＩＤランプはそれらの疑念を十分払拭する特性を持っております。以下にこの２点の特性についてもう少し詳しく述べます。

�@再始動特性について
一般の照明用に多用されているＨＩＤランプは点灯後直ぐ（数秒〜数十秒後）に再点灯しようとすると点灯しにくい場合があります。この現象は消灯した直後はまだランプの温度がかなり高い（数百℃程度）ためランプ内の封入物の蒸気圧がまだ高く放電が起こりにくいためです。
しかし自動車用ヘッドランプはこのような点灯のミスは安全に関わるため許されません。そのためランプに適合した２０ＫＶ以上の高圧パルスを発生する始動器（イグナイタ−）を備えた点灯装置が使われております。この高い始動パルス電圧を使うことでどのような条件でも確実に点灯するように設計されております。

�A光速の立ち上がり特性について
　一般照明用のＨＩＤランプはスイッチを入れてから安定な光出力を得るまで数分以上かかります。これは点灯してからランプが暖まり安定な動作温度になるまでの時間で、光束は緩やかに増大して行きます。
しかし自動車用ヘッドランプの場合はいつ点灯してもある一定以上の明るさが得られないと支障をがあります。そのためランプと点灯装置に工夫が加えられ、点灯後速やかに明るさが増大するように設計されております。
規格では点灯直後の光速立ち上がりを
　　　・点灯１秒後：　目標光束値の２５％以上
　　　・点灯４秒後：　目標光束値の８０％以上
得られることとしております。
ランプの光量(光束)はほぼランプの温度（最冷点温度）に比例します。従って、もっとも厳しい条件は最初に点灯するときになります。ランプが前述のように小さな形状ですが電力が３５Ｗと小さいのでスイッチを入れた後ランプが暖まるまで少し時間がかかります。そのため上記規格値にはいるために点灯直後だけランプに入る電力を増大（約２倍程度）させ明るさと温度上昇を速めるような工夫が点灯装置にされております。

�B発光メカニズムについて
ランプ内の封入物として水銀とキセノンガスの他に金属ハロゲン化物（ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ２）やヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）が入ったランプの放電による発光動作は次のようになります。（発光波長、光色変化のもう少し詳しい説明・・・クリック）
　　・点灯直後から１秒後　：水銀の発光が主体（温度が低い場合キセノンと水銀が発光）・・・・青味がかった白色光
　　・点灯２秒〜４秒後　　：発光の主体は水銀、水銀蒸気圧上昇と共に光量増大、金属ハロゲン化物の蒸気が上がり始める
　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・青味がかった白色光
　　・点灯４秒〜２０秒後　：発光の主体が水銀から添加金属（Ｓｃ、Ｎａ）の発光に変わって行く　・・・・白色光　　
　　・点灯５分後　　　　　　：安定点灯し、Ｓｃ、Ｎａの金属発光・・・・白色光

上記の動作メカジニズムからランプが点灯直後青白く光り、その後白くなって行く僅かな光色変化が点灯初期に観察されます。


3.4　ハロゲン電球を使用している既存車の対応
・自動車用ヘッドランプにＨＩＤランプが使われ出してからまだ数年しか経っておらず、現在使われている車の大部分はハロゲン電球を使用しています。そこでランプメ−カは商機拡大としてこのハロゲン電球に代替して使用可能なＨＩＤランプ交換ユニットを発売し始めております。しかし、ランプソケットが異なり、新たに点灯装置を設置するため、使用中の反射ユニットとの適合性など確認事項があり、車種によっては代替できない場合もありますのでデ−ラや専門店に相談・確認することをお勧めします。

・「交換時の注意点」
�@ＨＩＤランプは点灯装置（Ｂａｌｌａｓｔ、ＥＣＵ）が必要
　ＨＩＤランプに交換する場合
　　「ＨＩＤランプ」　＋　「HIDランプ用ソケット」　＋　「点灯装置（イグナイタ−とコントロ−ラ）」
　が必要です。
選択する場合はランプと点灯装置がセットになっているものを使用した方がよい。
ランプは規格化されておりますがそれぞれ個性があり、また輸入品も出回っておりますので、ランプが推奨する点灯装置、点灯装置が推奨するランプを使用した方がトラブルが少ないと思われます。

�A光色（色温度）の選定
光色はその特性を示す色温度が高くなるほど青味を帯びた白色になります。各ランプメ−カは光色の異なるランプをそろえておりますのでＨＩＤランプの場合は自分の好みで選択できます
　　　・ＨＩＤ３０００Ｋ品　：　色温度３０００Ｋ・・黄色味の強い黄色
　　　・ハロゲン電球　　：　色温度３２００Ｋ・・赤みのある白色
　　　・ＨＩＤ新車時の純正品：　色温度３９００〜４１００Ｋ・・白色
　　　・ＨＩＤ４３００Ｋ品　：　色温度４３００Ｋ・・純正品より白さ感が高く、明るさ感がある
　　　・ＨＩＤ５０００〜６０００Ｋ品　：　色温度５０００〜６０００Ｋ・・青味の強い白色、明るさはやや落ちる
　但し、明るさ感と実際の明るさは若干異なり、実際の明るさは色温度が高くなるほど低下します。

最近は若い人たちがそのファッション性から光色(色温度）の極端に変わったランプを使用しているのを見かけます。しかしそのランプが車検に対応しているかどうかも確認ポイントになります。さもないと車検時交換などと言うことになりかねません。

�B色温度の高いハロゲン電球について
最近、電力を変えずに明るさと色温度を上げた「ハイパワ−ハロゲン」などと称するハロゲン電球が発売されております。手軽に光色を変えられると言うことで発売されているようですが、このランプはＨＩＤランプでなく特殊なハロゲン電球です。このランプは通常のハロゲン電球より電極が過負荷に点灯するように設計されており点灯温度を上げ、明るさアップを図り、同時にバルブに色温度変換フィルタ−層を設け色温度を上昇させているランプです。
その代償として大幅な寿命短縮（半分、あるいはそれ以上）が原理的に起こりますので十分それを確認することが必要です。経済性を考えるとこの製品コンセプトに疑問を感じますのであまりお勧めできません。競技車など特殊用途向きのように思います。




3.5　ＨＩＤヘッドランプの課題
製造物に対する環境規制が年々厳しくなっています。自動車も例外でなく各国の環境規制に対応するように各メ−カがこの項目のＰｒｉｏｒｉｔｙを高めて製造しております。
自動車用ランプに対する環境規制は、各国より一歩先んじている欧州の規制（ＷＥＥＥ指令「廃電気電子機器指令」やＲｏＨＳ指令、ＥＬＶ指令「ＥＵ自動車廃車指令」など）に対応することがまず求められており、ＨＩＤヘッドランプの改善もそれに沿って行われています。
　次回にこの規制の概要と水銀を含まない「Ｈｇ−ｆｒｅｅＨＩＤヘッドランプ」「ＬＥＤのヘッドランプへの適用」などの項目について解説する予定です。





　６．最近の気になる技術