CN103241175B - 用于车辆的平视显示器设备 - Google Patents

Abstract

HUD设备（1）包括步进电动机（40），所述步进电动机旋转反射镜（32）以调节虚拟图像（36）的显示位置。所述步进电动机（40）具有电稳定点（θe）以及机械稳定点（θm）。控制系统（70）响应于从调节开关（60）输入的调节指令来控制用于所述步进电动机（40）的驱动信号，以使其每预定时段Ts改变步进角度（Δθ）。所述控制系统（70）即使在所述调节指令停止之后仍持续施加驱动信号直到达到电稳定点（θe），从而使所述步进电动机（40）以带电旋转模式（Me）操作。然后所述步进电动机（40）以惯性旋转模式（Mm）朝向达到机械稳定点（θm）操作。

Description

用于车辆的平视显示器设备

技术领域

本发明涉及用于车辆的平视显示器设备。

背景技术

在用于车辆的常规平视显示器（HUD）设备中，由显示器单元所显示的发光图像诸如车辆信息投影到投影目标诸如车辆的挡风玻璃上，使得显示的图像可以显示为虚拟图像。JP2011-207431A（US2011/0241596A1）公开了这种HUD设备的一个例子，其中由显示器单元提供的显示图像被反射镜诸如凹镜反射并且投影到投影目标上。通过使用反射镜，HUD设备能够安装在车辆的有限空间中。

在该HUD设备中，步进电动机响应于与来自外侧的调节指令对应的驱动信号来旋转反射镜，使得可以调节虚拟图像的显示位置。根据该构造，车辆中的乘客（驾驶员）通过向HUD设备输入位置调节指令，能够将车辆信息的虚拟图像的位置调节至更易于观察的位置。

另外，在该HUD设备中，当停止输入调节指令时，步进电动机持续被驱动信号驱动直到其实现电稳定。如果驱动信号在不是电稳定点的点停止，那么步进电动机响应于外力的冲击或者振动而趋向于异相步进。持续施加驱动信号一段时间以避免该异相问题。

在该HUD设备中，假定多个电稳定点和多个机械稳定点彼此匹配，在电稳定点，步进电动机通过带电时产生的保持转矩而实现电稳定，在机械稳定点，步进电动机通过不带电时提供的起动转矩（detent torque）而实现机械稳定。在该假定下，通过持续施加驱动信号直到达到电稳定点，实现步进电动机稳定。即使是在电稳定点之后停止驱动信号时，假定步进电动机通过在电稳定点处产生的起动转矩实现稳定。

但是，在实际产品中，由于制造误差等使得电稳定点和机械稳定点在相位上是不同的。结果，在电稳定点处持续施加驱动信号、之后停止驱动信号的情形下，步进电动机暂时停止，然后开始朝向机械稳定点旋转。这导致虚拟图像的显示位置在暂时停止后再次移动。车辆中的乘客因而将感到不舒适，甚至导致显示为虚拟图像的车辆信息不可靠。

发明内容

因此本发明的目的是提供用于车辆的平视显示器设备，其增加了车辆信息的虚拟图像显示的可靠性。

根据一个方面，用于车辆的平视显示器设备包括显示器单元、光学系统、步进电动机以及控制系统。显示器单元显示车辆信息的发光图像（light-emitted image）。光学系统包括反射镜，反射镜可旋转地设置以反射发光图像并且将所反射的图像朝向投影目标投影，以便显示发光图像的虚拟图像。当通过驱动信号带电时，步进电动机驱动反射镜旋转以调节虚拟图像的显示位置。步进电动机具有多个电稳定点和多个机械稳定点，其中在电稳定点，通过带电时产生的保持转矩电动机操作实现电稳定，在机械稳定点，通过不带电时产生的起动转矩电动机操作实现稳定。控制系统响应于从外侧输入的调节指令来控制用于步进电动机的驱动信号。控制系统构造为即使在停止调节指令之后仍持续施加驱动信号直到达到电稳定点，使得步进电动机执行带电旋转，并且当达到电稳定点时立即停止施加驱动信号，使得步进电动机在带电旋转之后朝向机械稳定点执行惯性旋转。

优选地，控制系统构造为每预定时间段将施加至步进电动机的驱动信号的电角改变一步进角度，直到停止施加调节指令。步进角度小于两个电稳定点之间的间隔。控制系统构造为在停止施加调节指令之后持续施加驱动信号以将驱动信号的电角改变所述步进角度，直到通过带电旋转达到电稳定点。可以的是，不仅当实际达到电稳定点时而且还当达到稍微不同于电稳定点而是刚好在电稳定点之前的电稳定点时，都确定为达到电稳定点。

附图说明

参考附图通过以下详细说明，上述和其他目的、特征以及优点将变得更明显。在附图中：

图1是根据一个实施例的用于车辆的平视显示器（HUD）设备的示意图；

图2是图1中所示的HUD设备所显示的虚拟图像的示意图；

图3是图1中所示的步进电动机以及减速齿轮的截面图；

图4是图1中所示的步进电动机以及其控制系统之间的电连接的方块图；

图5是图3中所示的定子的示意图，其在沿转子的旋转方向的平面被放大；

图6是施加至图1中所示的步进电动机的驱动信号的特性图；

图7是图1中所示的步进电动机的特性和操作的示意图；

图8是图4所示的控制系统的显示器控制电路执行的驱动信号控制处理的流程图；以及

图9A和图9B是施加至图1中所示的步进电动机的驱动信号的特性图。

具体实施方式

（构造）

首先参考图1，用于车辆的平视显示器（HUD）设备1包括壳体10、显示器单元20、光学系统30、步进电动机40、减速齿轮机构50、调节开关60以及控制系统70。

壳体10形成为中空形状，其容纳HUD设备1的其他设备20、30、40、50等，并且安装在车辆的仪表板2中。壳体10在面向挡风玻璃4的位置处具有半透明的光投影窗口14，挡风玻璃4沿上下方向固定至车辆的驾驶员座椅的前侧，作为投影目标。

显示器单元20是透照型液晶面板（LCD），具有用于显示图像的屏幕22。显示器单元20通过用内置背光（未示出）照射屏幕22来发出屏幕22的显示图像的光。显示器单元20显示的光图像用来提供与车辆驾驶或者车辆条件有关的车辆信息。光图像提供了例如导航信息，诸如车辆行驶方向等（例如图2）。显示器单元20的显示图像除了导航信息之外可以是：物理量数据，包括车辆速度、剩余燃料量、冷却剂温度等；以及车辆外部条件信息，包括交通条件、安全条件等。

光学系统30包括具有反射镜32的多个光学部件（图1未示出其他部件），并且将显示器单元20的显示图像投影到投影窗口14。反射镜32由具有弯曲成凹形形状的平滑反射表面34的凹镜形成。反射镜32放大并朝向投影窗口14侧反射显示图像，该显示图像从显示器单元20被直接或者间接入射到反射表面34作为光学图像。反射镜32的反射图像通过投影窗口14投影到挡风玻璃4并且在挡风玻璃4的前侧成像。结果，由显示器单元20的显示图像所指示的车辆信息被显示在车辆中的驾驶员座椅侧，作为图2示意性图示的虚拟图像36。

反射镜32具有可旋转地支撑在壳体10中的旋转轴38。当旋转轴38被驱动以旋转时，反射镜32相对于挡风玻璃4在上下方向上移动虚拟图像36的显示位置，如图2所图示出的。对应于光学系统30和挡风玻璃4的光学特性，在图2的实线所示的下限显示位置Dl与图2的虚线所示的上限显示位置Du之间，实现了虚拟图像36的显示。

如图3所示，步进电动机40是爪极永磁铁类型，具有磁性外壳46、转子41和定子44、45。磁性外壳46由磁性材料形成并且形成为中空形状。转子41由电动机轴42和附接至电动机轴42外周表面的转子磁铁43形成。电动机轴42由磁性外壳46可旋转地支撑。转子磁铁43是永磁铁并且布置成沿转子41的圆周方向（旋转方向）交替提供磁极N和S。

定子44和45为两个相位设置，并且相对于转子41牢固地固定至磁性外壳46的径向外侧部分。如图3和图4所示，用于一个相位（A相位）的定子44具有磁性轭441、442以及线圈443，用于另一相位（B相位）的定子45具有磁性轭451、452以及线圈453。磁性轭441、442、451、452分别具有多个指甲状的极齿（爪极）441a、442a、451a、452a，如图5以放大方式所示的。用于A相位的磁性轭441、442的极齿441a、442a插设成沿转子41的周向或者旋转方向交替地布置。类似地，用于B相位的磁性轭451、452的极齿451a、452a插设成沿转子41的周向或者旋转方向交替地布置。磁性轭441、442、451、452布置成使得极齿441a、451a、442a、452a沿转子41的旋转方向以该顺序彼此位移1/2齿距。

如图3所示，用于A相位的相位线圈443与磁性轭441、442共轴地布置，用于B相位的相位线圈453与磁性轭451、452共轴地布置。线圈443和相位线圈453在位置上沿轴向彼此位移。在如上构造的步进电动机40中，当A相位的相位线圈443和B相位的相位线圈453通过驱动信号带电而分别被加能时，转子磁铁43和电动机轴42旋转。

减速齿轮机构50具有在磁性外壳46中连续啮合的多个齿轮52至59。第一级的齿轮52设置在电动机轴42上，最后一级的齿轮59设置在反射镜32的旋转轴38上。因而根据齿轮52至59之间的齿轮比降低了电动机轴42的旋转运动，并将该旋转运动传递至旋转轴38，使得反射镜32被驱动以旋转。当步进电动机40沿正常旋转方向旋转时，反射镜32被驱动以沿正常旋转方向旋转，例如使得虚拟图像36的显示位置向上位移。当步进电动机40沿相反的旋转方向旋转时，反射镜32被驱动以沿相反的旋转方向旋转，例如使得虚拟图像36的显示位置向下位移。

图1和图4中所示的调节开关60设置成能够由车辆中的驾驶员座椅上的乘客操作。调节开关60具有例如两个推式操纵元件62和63，使得乘客可以选择性地分别输入用于向上移动虚拟图像36的显示位置的向上调节指令以及用于向下移动虚拟图像36的显示位置的向下调节指令。因而调节开关60构造成输出不同的指令信号，一个用于指令向上调节，另一个用于指令向下调节。

控制系统70包括显示器控制电路72和多个切换元件74，并且设置在壳体10内部或外部。显示器控制电路72是包括作为主部件的微型计算机的电子电路，并且电连接至显示器单元20和调节开关60。如图4所示，每个切换元件74是晶体管，其集电极电连接至相位线圈443或453。每个切换元件74的发射极和基极电连接至接地端子（未示出）和显示器控制电路72。切换元件74响应于从显示器控制电路72输入的基极信号来改变施加至A相位的相位线圈443或者B相位的相位线圈453上的驱动信号的振幅。因而，通过用显示器控制电路72控制切换元件74的基极信号，可控制施加至相位线圈443或者453的驱动信号。

在如上构造的控制系统70中，显示器控制电路72控制显示器单元20的图像显示。显示器控制电路72响应于从调节开关60输入的指令信号来进一步控制施加至相位线圈443和453的驱动信号。具体地，显示器控制电路72响应于操作元件62产生的向上调节指令，将施加至相位线圈443和453的驱动信号的电角控制到用于沿正常旋转方向驱动反射镜32的电角，以使得虚拟图像36的显示位置向上移动。此外，显示器控制电路72响应于操作元件63产生的向下调节指令，将施加至相位线圈443和453的驱动信号的电角控制到沿相反的旋转方向驱动反射镜32的电角，以使得虚拟图像36的显示位置向下移动。

根据如上构造的HUD设备1，被施加至A相位和B相位的相位线圈443和453以对步进电动机40供给电力的驱动信号的电压振幅分别被控制为对应于电角而改变，以用于对两个不同相位的转子44和45加能。在每个电稳定点θe，用于相位线圈443和453的驱动信号被控制到最大振幅（Vmax，-Vmax）或者最小振幅（0），其中在每个电稳定点处，当供给电力时产生用于保持电动机轴42的保持扭矩。如图6所图示出的，电稳定点理想地以每90度的固定角度间隔出现。但是，极齿441a、442a、451a和452a在形状、位置等方面彼此间具有容差。结果，电稳定点之间的实际间隔变得长于或者短于90度，如图7所图示出的。

当没有驱动信号施加至相位线圈443和453时，也即在非加能期间，出现了多个机械稳定点θm，在机械稳定点处产生用于保持电动机轴42的起动转矩。机械稳定点θm理想地是与电稳定点θe相同的。但是，如图7所示意性地图示出的，在实际电动机产品中可能的是，机械稳定点θm出现在沿转子41的旋转方向在相位上与电稳定点θe偏离的点。该偏离源自于当电动机未被加能时，在电稳定点θe处的加能相位极齿（图7的例子中的极齿451a和452a）以及沿旋转方向邻近加能相位极齿的极齿（图7的例子中的极齿441a和442a）相对于转子磁铁43产生的磁吸引力的不同。

对于具有稳定点θe和θm的步进电动机40，显示器控制电路72响应于从调节开关60输入的指令信号来控制施加至相位线圈443和453的驱动信号，使得可调节虚拟图像36的显示位置。因此显示器控制电路72构造为基于图8的流程图所示的计算机程序来执行驱动信号控制处理。当车辆的发动机开关打开和关闭时分别开始和结束图8所示的驱动信号控制处理。

在驱动信号控制处理的S101中，检查是否从调节开关60输入指示向上或者向下调节指令的指令信号。如果没有指令信号输入（S101：否），则重复S101并且不向任何相位线圈443和453施加驱动信号。如果施加了任一指令的指令信号（S101：是），则实施S102。

紧接着向上调节指令或者向下调节指令，在S102中，基于从调节开关60输入的指令信号，检查与输入的调节指令对应的操纵元件62或者63是否持续操作了大于阈值时间段Tth。阈值时间段Tth设定为例如大约0.5秒或者其他时间段，使得乘客将不会因自开始操纵调节开关60到实际改变虚拟图像36的显示位置的长时段而感到厌烦或不安。

如果指示操纵元件62或者63的操作的指令信号是暂时的并且没有持续大于阈值时间段Tth（S102：否），则确定向上调节或者向下调节的指令指示虚拟图像36的显示位置的精调节。在该情形下，在S102之后实施S103。在S103中，如图9A所示控制施加至相位线圈443、453的驱动信号，使得步进电动机40被驱动以进行全步进旋转。也即是说，驱动信号从当前电角即电稳定点θe到下一个电稳定点θe改变了90度，所述90度是在向上或者向下方向上一个全步进的全步进角。结果，反射镜32被驱动以对应于步进电动机40的电角的改变而旋转，使得根据操纵元件62或者63的短时操纵来精调节虚拟图像36的显示位置。

如果指示操纵元件62或者63的操作的指令信号长并且持续了大于阈值时间段Tth（S102：是），则确定向上调节或者向下调节的指令指示虚拟图像36的显示位置的持续调节。在该情形下，在S102之后实施S104。在S104中，如图9B所示控制施加至相位线圈443、453的驱动信号，使得步进电动机40被驱动以进行微步进旋转。也即是说，驱动信号被沿向上或者向下方向从当前电角到下一个电角连续改变预定时段Ts，对于微步进驱动来说下一个电角与当前电角相差步进角度Δθ。步进角度Δθ在微步进驱动中被预定为例如18度，远小于相邻电稳定角θe之间90度的间隔。步进角度Δθ可以确定为90/N，N是大于2的整数。

在S104之后的S105中，基于从调节开关60输入的指令信号检查由操纵元件62或者63输入调节指令是否停止。如果操纵元件62或者63继续操作（S105：否），则重复S104。在每次实施S104时，执行时段Ts的一次步进角度Δθ的微步进驱动。因而，持续调节虚拟图像36的显示位置。如果操纵元件62或者63的调节指令停止（S105：是），则实施S106。在S106中，进一步检查当前电角是否处于电稳定点θe。

如果当前电角还不等于电稳定点θe（S106：否），则以与S104类似的方式实施S107。也即是说，执行微步进驱动，使得电角每时段Ts改变一个步进角度Δθ。随后，实施S108以检查当前电角是否等于电稳定点θe。如果当前电角还不等于电稳定点θe（S108：否），则重复S107以进行每时段Ts的步进角度Δθ的微步进驱动。因而，随着执行图9B所示的加能或者带电旋转模式Me所指示的微步进驱动，持续调节虚拟图像36的显示位置。如果当前电角等于电稳定点θe（S108：是），则实施S109。在S109中，停止用于相位线圈443和453的驱动信号。

当实施S106时如果当前电角处于比电稳定点θe提前了一个步进角度Δθ的点（也即，处于图9B的角位置θb），那么从S107的微步进驱动通过S108到S109的时间间隔大致等于预定时段Ts。也即是说，在电角到达比电稳定点θe提前了一个步进角度Δθ的点之后，驱动信号被持续再施加一个时段Ts，然后在电稳定点θe处停止。因而通过停止施加驱动信号，步进电动机40的转子41在惯性旋转模式Mm下通过惯性朝向机械稳定点θm旋转，机械稳定点θm最靠近施加停止时间的电稳定点θe，如图7所示。因而转子41在机械稳定点θm或靠近机械稳定点θm停止。

如果如图8所示在S103之后或者在S106处当前电角到达目标稳定点θet，则实施S109。在S109之后，从S101起重复驱动信号控制处理，直到发动机开关关闭。

（操作）

在HUD设备1中，当通过操纵元件62或者63的持续操作（例如，按压）输入调节指令停止时，产生加能旋转模式Me。在该模式Me下，通过控制系统70将驱动信号持续施加至步进电动机40，直到通过保持转矩达到电稳定点θe。当达到电角θe时，在加能旋转模式Me之后出现惯性旋转模式Mm，在惯性旋转模式Mm下，控制系统70停止施加驱动信号。步进电动机40因惯性通过起动转矩朝向机械稳定点θm旋转。如此将旋转模式从加能旋转模式Me接续改变到惯性旋转模式Mm，通过持续施加的驱动信号而旋转至电稳定点θe的步进电动机40就能够持续朝向机械稳定点θm旋转而不会在电稳定点θe停止。能够越过对应于电稳定点θe的点持续地调节虚拟图像36的显示位置，该显示位置通过根据由步进电动机40持续旋转的反射镜32的旋转而被调节。基于该原因，改善了车辆信息的虚拟图像36的可靠性。

在HUD设备1中，尤其是，在加能旋转模式Me下在停止输入调节指令的时间点，当电角到达处于电稳定角度θe之前一个步进角度Δθ的角度时，通过控制系统70施加驱动信号至步进电动机40在持续了预定时段Ts之后被停止。预定时段Ts被设定为这样的时段：在调节指令输入期间在该时段将驱动信号的电角改变步进角度Δθ，步进角度Δθ小于电稳定点θe的间隔。该时段大致等于这样的时间段：其中，通过施加驱动信号步进电动机40从比电稳定点θe提前了一个步进角度Δθ的电角旋转至电稳定点θe。在经过预定时段Ts之后，在达到电稳定点θe的时间点可靠地停止加能旋转模式Me下驱动信号的施加。结果，在随后的惯性旋转模式Mm下，步进电动机40能够通过惯性朝向机械稳定点θm旋转而不会停止在电稳定点θe。因而确实防止了虚拟图像36的显示位置在停止于对应于电稳定点θe的位置之后再次移动。能够以高可靠性显示车辆信息的虚拟图像36。

（其他实施例）

上述的HUD设备1并不限于上述实施例，而是可以实施为许多其他实施例。

例如，可以省略S102和S103，并且驱动信号控制处理可以在没有全步进驱动的情况下执行。可以在S104和S107执行全步进驱动。步进电动机40可以是除了永磁体类型之外的电动机，例如可以是可变磁阻类型的电动机、混合类型的电动机等，只要电动机在由保持扭矩确定的电稳定点θe与由起动转矩确定的机械稳定点θm之间具有相位差即可。显示器单元20可以是除了液晶面板之外的单元。例如，其可以是EL（电致发光）面板或者单元，通过指示符等提供发光图像。反射镜的反射图像所投射到的投影目标并不限于挡风玻璃。其可以是专设在HUD设备中的合成仪等。

另外，可以实施S106、S108以检查当前电角是否刚好在电稳定点θe之前。也即是说，实施S106以检查是否达到电稳定点θe，包括当前电角处于刚好达到电稳定点θe之前的情形。

Claims (4)

1.一种用于车辆的平视显示器设备(1)，包括：

显示器单元(20)，用于显示发光图像；

光学系统(30)，包括反射镜(32)，所述反射镜(32)可旋转地设置以反射所述发光图像并且将所反射的图像朝向投影目标(4)投影，使得显示车辆相关信息的虚拟图像；

步进电动机(40)，用于当通过驱动信号带电时，驱动所述反射镜(32)旋转以调节所述虚拟图像的显示位置，所述步进电动机(40)具有多个电稳定点和多个机械稳定点，其中在所述电稳定点，电动机操作通过带电时产生的保持转矩而实现电稳定，在所述机械稳定点，所述电动机操作通过不带电时产生的起动转矩而实现稳定；

控制系统(70)，用于响应于从外侧(60)输入的调节指令来控制用于所述步进电动机(40)的所述驱动信号，

其中，所述步进电动机(40)构造为具有带电旋转模式和惯性旋转模式，

其中，在所述带电旋转模式，所述控制系统(70)构造为即使在所述调节指令停止之后仍持续施加所述驱动信号直到达到所述电稳定点，使得所述步进电动机(40)执行带电旋转，并且当达到所述电稳定点时立即停止施加所述驱动信号，

其中，在所述惯性旋转模式，所述步进电动机(40)在所述带电旋转之后执行惯性旋转朝向所述机械稳定点，

其中，所述步进电动机(40)具有相位线圈，所述驱动信号对所述相位线圈供给电力，以在所述带电旋转模式通过所述保持转矩使所述步进电动机(40)在所述电稳定点电稳定，并且在不对所述相位线圈供给电力时，由所述惯性旋转通过所述起动转矩使所述步进电动机(40)在所述机械稳定点机械稳定。

2.根据权利要求1所述的用于车辆的平视显示器设备(1)，其中：

所述控制系统(70)构造为当持续施加所述调节指令时每预定时间段(Ts)将施加至所述步进电动机的所述驱动信号的电角改变一步进角度(Δθ)，所述步进角度(Δθ)小于两个电稳定点之间的间隔；以及

所述控制系统(70)构造为在所述调节指令的施加停止之后，在所述带电旋转模式在持续施加所述驱动信号所述预定时间段(Ts)之后，当在所述电稳定点之前一个步进角度(Δθ)的电角时，停止应用所述步进电动机(40)。

3.根据权利要求2所述的用于车辆的平视显示器设备(1)，其中：

所述步进角度(Δθ)被预定为90/N，N大于2。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于车辆的平视显示器设备(1)，其中：

所述控制系统(70)构造为在所述调节指令停止之后检查所述步进电动机的当前电角是否处于所述电稳定点。