アダプティブヘッドライトとは
アダプティブヘッドライトは、ヘッドライトの照射方向、照射距離、明るさ、ビームパターンを制御する複数の技術を組み合わせることで、夜間の視認性を向上させつつ、対向車のドライバーへのグレアを最小限に抑えることを目的としています。
アダプティブヘッドライトシステムには、主にアダプティブドライビングビーム（ADB）システムとアダプティブフロントライティングシステム（AFS）の2種類があります。これらのシステムは、カメラ、レーダー、LiDAR、光センサーに加えて、天候、速度、ハンドル操作などの情報を活用し、状況の変化に能動的に対応します。
アダプティブヘッドライトシステムのほとんどの機能は、次の3つのヘッドライト技術のいずれかに分類できます。
- オートマチックハイビーム：前方に車両がいない場合に自動でハイビームを点灯し、他の車両を検知するとロービームに切り替えます。
- カーブ対応ヘッドライト：AFS（アダプティブフロントライティングシステム）の一種で、カーブに差し掛かる際に片方または両方のヘッドランプのビーム方向を調整し、ドライバーが曲がり角の先をより見やすくします。
- アダプティブドライビングビームヘッドライト（ADB）：ライトの各部分の明るさを調整し、周囲に車両や歩行者がいない領域にはより多くの光を、存在する領域には控えめな光を照射します。
現在の多くの新型車両には、アダプティブハイビーム機能や、曲がるときにヘッドライトの向きが変わるシステムが搭載されています。ビームパターン制御を用いたアダプティブドライビングビームヘッドライトは、現在ヨーロッパ市場で使用されています。米国で新しく採用された国家道路交通安全局（NHTSA）の基準により、米国市場に製品を提供する自動車メーカーやサプライヤーの間で、新基準に対応した製品開発競争が始まっています。特にFMVSS 108では、ADBの仮想認証におけるシミュレーションの活用が定義されています。
アダプティブヘッドライトの利点
多くのデータが示すように、車両同士や車両と歩行者の事故は夜間に多く発生していることが明らかになっています。歩行者が関与する死亡事故の76%は夜間に発生します。さらに、全交通事故の12〜15%では、対向車のヘッドライトのまぶしさが要因として挙げられています。より広範囲かつ遠方まで道路を視認できる新しいシステムは、歩行者と車両の衝突を23%も削減するなど、明確な効果を上げています。
こうしたデータを背景に、Tesla、Audi、BMW、Ford、Honda、Mercedes-Benz、Porsche、Toyotaといった自動車メーカーは、新たなアダプティブライティング技術の導入を進めています。ただし、現時点ではこの技術の導入は義務化されていません。とはいえ、自動車業界では、さまざまなタイプのアダプティブヘッドランプを安全性を高める付加価値機能と位置づけており、競争の激しい市場で新型車を差別化する手段として注目されています。
アダプティブヘッドライトはどのように機能するか
ヘッドライトはもはや、リフレクター内に取り付けられた単一のロービーム／ハイビーム用バルブと、それを手動で切り替えるスイッチだけで構成されるものではありません。現在のヘッドライトは、ソフトウェア、複雑なアセンブリ、車両ネットワークインターフェースを備えた高度なシステムとなっています。
自動ハイビーム、コーナリング機能、ビームパターン制御などを実現するために、各メーカーは独自の構成やシステム名称を採用していますが、使用されるコンポーネントは大まかに次のカテゴリに分類できます。
センサー
さまざまなセンサーが、ハンドル操作、速度、照度、天候、走行状況、道路幅、他車両の位置などの情報を収集します。最近のモデル車両では、GPSの位置情報や地図データも活用され、システムに情報を積極的に提供しています。使用されるセンサーは、光学カメラや熱/赤外線カメラ、さらに他の安全システムにも活用されているレーダー、LiDAR、またはソナー測距装置といった測距デバイスなど、非常に高度なものも含まれます。これらのデバイスは、特に対向車などの物体の大きさ、位置、速度といった情報を提供します。よりシンプルなセンサーは、ハンドルの位置、周囲の明るさ、天候情報などを取得します。ADBシステムが正確に機能するためには、センサーとECUとの間に精密なフィードバックループを構築することが不可欠であり、それによって必要な動作を確実に実行できるようになります。
ソフトウェアと電子制御
センサーから得られた情報は、アダプティブヘッドライトの制御用ハードウェアに送信され、システムを動かす制御ソフトウェアが現在の状況に応じて適応的に動作できるようになります。電子制御ユニットは、ヘッドライトアセンブリに統合されている場合もあれば、独立した制御ユニットや車両の統合制御コンピュータ内に組み込まれている場合もあります。制御機能に加えて、ソフトウェアおよび電子制御系は、適切な電圧、パルス幅変調（PWM）、および品質でヘッドランプアセンブリに電力を供給する役割も担っています。
ヘッドランプアッセンブリ
アダプティブヘッドライトシステムの大部分は、ヘッドランプアセンブリ本体で構成されています。制御システムは、ヘッドライトの回転方向、各光源の明るさ、ADB（アダプティブドライビングビーム）における明暗領域をヘッドランプアセンブリに指示します。最も重要なのは、ヘッドランプアセンブリが光学的な光路（オプティカルライトパス）を構成する点です。エンジニアは、光学特性を最適化するために、広範なシミュレーションと試作を活用しています。
以下に、ヘッドランプアセンブリ内の各サブコンポーネントについて説明します。
ハウジング
ヘッドランプアセンブリは、外部環境から密閉されたハウジング内に収められており、車両のフロント部分に組み込まれ、ユニットごとに交換可能な構造となっています。
レンズとリフレクター
各光源からのビームの形状や品質は、ハウジングアセンブリ前面に組み込まれた光学レンズや、光源の背後に配置されたリフレクター（反射ミラー）によって形成されます。一部のリフレクターは可変式で、アダプティブシステムの指示に応じて角度を調整または傾けることが可能です。
アクチュエータ
多くのアダプティブヘッドライトシステムでは、ステッピングモーターやアクチュエータを使用して、光路内のコンポーネントを移動させたり、アセンブリ全体の照射方向を旋回させたりすることで、ヘッドライトのビームを調整します。ヘッドランプアセンブリ内のアクチュエータには、車両の衝撃や振動、過酷な気象条件、そして長期間にわたる日常的な使用にも耐えうる高い堅牢性が求められます。
光源
光源は、すべてのアダプティブヘッドライトシステムの中核を成すコンポーネントです。光源には、ハロゲンバルブ、キセノンプロジェクターランプ、LEDランプ、LEDマトリクス、さらには一部の最新車両ではレーザーが使用されることもあります。使用する光源の種類によって、コスト、光の色、明るさが決まります。各種光源にはそれぞれ利点と欠点がありますが、LEDバルブやLEDマトリクスアセンブリの制御性と明るさにより、現在ではこれらが最も好まれる光源となっています。
ビームパターン制御
ビーム内の光の強度を調整するために、さまざまな技術が使用されています。光は、選択的に発生させるか、遮ることで、目的のビームパターンを生成します。以下に、一般的な手法をいくつか紹介します。
- マスキング：最もシンプルな方法は、色付きのフィルムや遮光材を可動式で配置し、対向車を検知した際にビームの上部を遮ってハイビームを抑制したり、特定の車両をシェードにしたり、道路脇を照らさないようにしたりするものです。また、固定式のLCDフィルタを光源とレンズの間に配置し、ビームを選択的にマスキングする方法もあります。
- マイクロミラー: これらのパターン形成システムは、デジタル・ライト・プロセッシング（DLP）プロジェクターのように動作します。光源は後方に向いて配置され、光はマイクロミラーアセンブリに投影され、そこで所定の明るさパターンに従って反射され、前方のレンズを通じて照射されます。この方式では、選択的な遮光が可能なだけでなく、車両前方の路面にメッセージを投影するといった応用も可能です。
- LEDマトリクス：最も一般的なアプローチは、アダプティブLEDヘッドライトと呼ばれ、マトリックスに配置された小さな明るいLEDライトのアレイを使用します。ビームパターン形成で最も一般的な手法は、アダプティブLEDヘッドライトとも呼ばれるもので、高輝度の小型LEDをマトリクス状に配列した構成です。
熱マネジメントシステム：
光源の種類にかかわらず、高輝度の光を生成する際には大量の熱が発生します。しかし、LEDのような新しい光源は赤外線エネルギーの放出が少ないため、従来の光源がレンズ上の雪や氷を溶かしていたのに対し、その効果は期待できません。そのため、アダプティブヘッドライトシステムにおいて重要な要素の一つが熱、マネジメントソリューションであり、これは光源、電源システム、電子回路を適切に冷却しつつ、不要な熱をレンズアセンブリ側へ移動させる役割を担います。
シミュレーションでアダプティブヘッドライト設計を強化する方法
シンプルなハイビームアシストから最新のAFSに至るまで、アダプティブヘッドライトシステムを設計するエンジニアは、複数の重要な課題に対処する必要があります。
- 車両の衝撃および振動
- パッケージング技術
- 応答速度
- グレア
- 光の照射位置およびパターン
- 熱マネジメント
- 熱サイクリング
- システム統合
- 安全規格への適合
- 性能の最適化
- コスト削減
- システム検証／夜間走行試験
ほとんどの自動車メーカーは、これらの課題を克服し、進化し続けるアダプティブヘッドライトシステムを最適化するために、シミュレーション主導の製品開発を設計プロセスに統合しています。シミュレーションは、アダプティブフロントライティングシステムにおいて、以下のような用途で最も一般的に活用されています。
光学コンポーネント設計および最適化
シミュレーションでは、ヘッドランプアセンブリ内の光源、レンズ、アクティブ／パッシブリフレクターなどをモデリングします。多くの専門家は、Ansys Zemax OpticStudioを使用して、各コンポーネントや光学アセンブリ全体の最適化を行っています。このツールはパラメトリックな特性、直感的なユーザーインターフェース、迅速な解析時間を備えており、アダプティブシステムが遭遇する多種多様な光学的状況を容易にシミュレーションできます。
カスタマイズ可能な等照度ラインと照射領域（上）、および不快グレアのシミュレーション（下）
仮想光学性能の可視化
ココンポーネントの光学設計が完了したら、Ansys Speosのようなシステムレベルのモデリングツールにビームの出力結果を組み込み、運転中にドライバーが実際にどのように見えるかを視覚的にシミュレーションします。あらゆる運転条件をシミュレーションすることで、プロトタイプを製作する前の段階でシステムの性能を確認することが可能です。さらに一歩進んで、Ansys AVxcelerate Headlampのようなリアルタイムシミュレーションツールを用いれば、システム全体を仮想的な夜間走行環境に投入し、あらゆる走行シナリオにおける挙動を検証することができます。ADBシステムの開発において、夜間試験は最も費用がかかり、かつ時間も必要とされる工程のひとつです。走行試験およびシステム検証をシミュレーションで代替することにより、コストと時間の両方を大幅に削減することが可能です。
照射壁（上）およびインタラクティブな輝度／照度シミュレーション（下）
電気・機械設計およびその最適化
コネクタ、アクチュエータ、ヘッドライト、電子モジュール、電源システムなどの各種コンポーネントやアセンブリは、いずれも電気的および機械的な負荷を受けます。これらは、設計初期段階から以下のようなツールを用いて解析・設計することが可能です。
- Ansys Mechanical：機械部品およびアセンブリの解析に対応
- Ansys Sherlock：電子アセンブリの信頼性解析に対応
- Ansys Maxwell：モーターやアクチュエータの電磁界解析に対応
熱マネジメントについては、Ansys Mechanical、Ansys Icepakまたは、Ansys Fluentでシミュレーションすることが可能です。
制御ソフトウェアの検証およびバリデーション
制御ソフトウェアは、すべてのアダプティブ車載システムにおいて重要な要素であるため、Ansys SCADE Suiteのようなツールを使用して、ヘッドライト制御ソフトウェアのモデリングおよび開発を行うことができます。これをAVxcelerate Headlampなどのシミュレーションツールと組み合わせることで、制御ソフトウェアの挙動をあらゆる状況下で検証・テストでき、さらに法規制要件を仮想的に評価することも可能になります。