LEDバルブの考察と対策

LEDチップで有名どころでCREE社がありますが、車両のヘッドライト用には以下の2製品がラインアップされてます。

1.6x1.6mmサイズ品(3W)
XD16 281-385lm
XQ-E HI 258-276lm





これをハロゲンの発光部に近似させるようにLEDを3個直列に並べています。あとLED素子自体は面発光で片面しか光が出ないので、裏表で使っているという製品が多いです。
(H4バルブの場合は、さらにHigh/Low用に別々の発光部が必要)

ところがLEDの面発光は全方向に均一に配光されるわけではなく、配光の問題が出てきます。
以下のグラフはLEDの角度による放射強度の違いを示していて、LEDチップの正面は強度が強いものの角度がつくと強度が落ちてチップの背面には光が届かない(グラフに記載されていない)ことが読み取れます。

XD16の配光特性


XQ-E(HI)の配光特性




配光特性はバルブの前後方向については実際には遮蔽されていたりバルブ本体の影になるのであまり問題にはならないと思われます。ただし周方向については、自分的には問題があると考えています。
写真のタイプのバルブでは、LEDの面が、車両の左右に来るように使用するので、横方向は問題ないものの中央以外の前後方向は強度が極端に弱くなることになります。



これをカバーするために、2面ではなく、3/4面にLEDを配置した製品が出てきているようです。配光特性に死角が無くなるので、今後はこの4面(以上)タイプが定番になりそうな予感です。
ただH4バルブについては、High/Lowの2つの発光点を持つ必要があることから、現状は4面タイプとは相性が悪く(コストの影響もあり)、今後の改良を待ちたいところです。

4面タイプのバルブ例


断面はひし形をしている模様


ただ現状の課題としては3点あると思っています。

・4面の中に熱移動のための構造が必要で、ハロゲンなどと比べるとどうしても発光部の位置にずれが発生する (一応ひし形にするなどの工夫は見られます)

・Low側点灯時の遮光が十分でない
現状は、4面のうち2面をLow/High兼用、残り2面をHigh専用としているようです。ただ残念なことに兼用の2面はLow用の遮光がないため、ヘッドライトとして使用した場合、上方への照射が相当発生すると思われます。
一応この辺りを考慮して、4面は90度ごとの配置ではないようですが、それでも照射範囲を270°とうたうくらいですからこれはアウトでしょう。

・High時に2面はLow発光部で代用
本来HighとLowで発光点の位置が違うので、ヘッドライトとしてみたときに前後方向の配光特性に不連続が発生する可能性が高い。 (実際に使ってみたことがないので詳細は分かりませんが、Lowより前方であまり明るくないということが予想されます)
ただこれに関しては、今後High用位置にLEDを実装することで解決できるでしょう。これらは比較的簡単に克服できるものなので、近いうちに改良型が出てくると期待してます！






んで、ここまでが前置き。(なが～)

いま手持ちのLEDバルブを有効活用するにはどうしたらいいか？
課題は配光特性で左右の配光は問題ないものの上下を何とかできないか？
実用上はLOW時の手前を明るくできないか？
(High時は補助灯連動で解決する方向)

4面化改造も面白いと思いますが、そこまでコストをかけてやることでもないのと、H4の場合はハロゲンとの光源位置のずれがかなり大きくなるので使い物にならないリスクも高いです。
ということで手持ちの2面タイプのLOW用の遮光板を何とかしてみようと思います。

ハロゲン用のLow用遮光板はリフレクタ機能も併せ持っていますが、LED用は構造的にトラップになってしまっていてLEDチップ付近に光を集めてしまっている感じです。これを改造することで配光特性を改善し、また熱的にも改善が期待できるわけでリフレクタとして有効に使おうという発想です。

周方向ではリフレクタ側に40%位の光束が向かうのでリフレクタの反射率70%位と想定しても30%位を(実際にはLEDチップやバルブ本体にもあたるのでさらに低下しますが)照らしていない方向や弱い方向に振り分けられる算段です。




ということで実践です。
LEDバルブリフレクター試作中

リルレクタ形状をボールエンドミルを使うことで簡素化して試作完了。
では、実力を見せてもらおうか！
LEDリフレクタ評価

一応、設計通り(？)に出来たようです。
タイトル画像のように先端部の面取りをして、台座が通過できるように手を加えて完成。車両への取り付けまではしましたが、雨が降り出したので実走はまた今度！


おまけ

照射範囲確認用にコーンを作ってみたけど素材や大きさに問題ありで、実用にならず…、がっかり〜