JP2007148131A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】携行し易く低価格で屋外において使用するのに好適なヘッドマウントディスプレイを得ること
【解決手段】眼鏡のフレーム１１０と、複数の永久磁石を埋設したアダプタ部材１１９と、このアダプタ部材１１９に磁力による吸着力で固定されるレールフレーム１２１（第１のフレーム）と、このレールフレーム１２１に対し左右方向に摺動自在に設けられ軸部１２５を有する保持シャフト１２３（第２のフレーム）と、この保持シャフト１２３の軸部１２５に上下方向に調整自在に位置決めされる反射型で双安定型強誘電液晶パネルによる小型のディスプレイユニット１５０とから構成し、単純な部品構成で軽く安価、高画質かつ低消費電力で携行して電池駆動でも長時間使用できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像出力端子を有するゲーム機や携帯情報端末機器などの携帯型の電子機器に接続して画像を再生するのに好適なヘッドマウントディスプレイに関する。

近年、ゲーム機の映像出力端子に接続し、全方位の仮想映像世界が表示されるようにして操作者にゲーム内の仮想的な状況を体感させるようにしたり、映画などの映像ソフトの大画面・広視野角の映像を自分一人で楽しむことができるようにするため、種々のヘッドマウントディスプレイが製品化されている。
そして、これらのヘッドマウントディスプレイでは、例えば映像世界に没入できるように、両目をゴーグル状のディスプレイで覆い、外光を遮断できるようにしている。特に、ゲーム機用のヘッドマウントディスプレイでは、頭の動きを検出するセンサを内蔵し、このセンサが検出した頭の移動角度をゲームソフトがリアルタイムに利用して映像の視点などを変更し、見ている方向を変化させるようにするものも市販されている。

一方、発電所などの大規模なプラントでの保守や調整や造船などでの工事では万が一の危険発生時の安全行動の面からできるだけ身を軽くし動き易くしておくことが必須である。つまり、身に付けるものはできるだけ少なくしておくことが望まれている。このため、近年、紙での設備仕様書や図面などは膨大なページ数となり持ち歩きに不便であることからこれらの文書を予め電子データ化しておき、作業現場で必要な図面データなどを適宜情報機器の画面上に表示させて活用することが行われている。
そして、例えば片目の側に図面や対処マニュアルなどの電子的な画面表示を行わせ、一方の目で調整や故障部位を確認し作業できるようにしたヘッドマウントディスプレイも使用されている。
このように、ユーザが身に着けて使用する携帯型の機器では、長時間違和感なく装着し使用することができることが重要である。
従来、ヘッドマウントディスプレイとして特許文献１〜３に開示されているものが知られている。

特許文献１には、頭に装着されるヘルメット及びこのヘルメットに支持された表示装置を有するヘッドマウントディスプレイに関するものが記載されている。
このヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着されるハウジングと、このハウジングに固定され使用者の眼前に情報を映出する画像表示装置と、この画像表示装置に表示された画像を使用者の眼前に設置したコンバイナの前方に結像させる光学系とを備えている。この特許文献１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいては、特に、コンバイナの前方に光遮蔽部材を出し入れ可能に設置したことを特徴とし、装着者が光遮蔽部材を適宜出し入れすることにより、同一のヘッドマウントディスプレイで容易にシースルータイプとクローズドタイプに切り換えることができるようにしている。

特許文献２には、頭に装着して映像を観測するヘッドマウントディスプレイに関するものが記載されている。
このヘッドマウントディスプレイは、装着者に画像を表示するための表示部と、この表示部を支持する支持部と、この支持部を保持して顔前以外の位置で装着者に装着される装着部とを有しており、装着部は、両方の耳に各々接する２つの耳当て部と、当該耳当て部同士を接続し、かつ、当該耳当て部が装着者の耳に押圧されるような付勢力を与える接続部を有している。このヘッドマウントディスプレイにおいては、表示部は、支持部に、支持部との相対位置の変化が可能なように支持され、かつ、表示部には装着者が当該表示部に手を触れているかどうかを検出する接触センサが設けられている。また、接触センサが、装着者が表示部に手を触れていることを検出している間、表示部と支持部の間の拘束力を弱め、接触センサが、装着者が表示部に手を触れていることを検出していないときは、表示部と支持部の間の拘束力を強める制御装置が設けられている。
そして、調整を行うときには部材同士の位置関係が変化し易く、調整を行っていないときには部材同士の位置関係が変化しにくいようにしている。

特許文献３には、鼻にかけるタイプのヘッドマウントディスプレイの装着における装着調整方法に関するものが記載されている。
このヘッドマウントディスプレイは、表示素子と、表示素子上の像を拡大する光学系と、バックライト手段と、表示素子と光学系を支持するホルダーとを少なくとも有する表示部と、外装カバーと、鼻に当接するパッドと、装着フレームを有しており、特に、表示部は外装カバーに対して上下方向に回転調節が可能であり、外装カバーには装着フレームが折りたたみ自在に固定されている。
これにより、装着する際の個人個人の差による光束の眼球の方向からのずれを調整し、正しい方向としている。
特開平７−３２５２６５号公報（第２頁左欄，図１） 特開２００５−２５２５９１号公報（第２頁，図１，図２） 特開２００３−３２９９６５号公報（第２頁左欄，図１）

上述のように従来のヘッドマウントディスプレイは、ヘルメットに対して組み込まれたり、耳当て部が両耳に押圧され保持されたり、眼鏡構造であっても構成要素が成型部材で作製されるため、構造が複雑になったり、表示部に対する全体の形状が大きくなったり、金型代などの作製コストが大きくなり、携行性やコスト面で屋外で手軽に使用するには不十分であった。

本発明はかかる点に鑑み、携行し易く低コストで屋外において使用するのに好適なヘッドマウントディスプレイを提案するものである。

上記課題を解決するため、本発明ヘッドマウントディスプレイは、眼鏡とディスプレイ装置とを有するヘッドマウントディスプレイにおいて、眼鏡のリムの上縁に着脱自在に設けられ永久磁石及び／又は強磁性体が埋設されたアダプタ部材と、アダプタ部材に磁力により係止される第１のフレームと、第１のフレームに対し摺動自在とされ、第１のフレームの所定位置に掛止され軸部を有する第２のフレームと、第２のフレームの軸部の軸方向に調整自在に固定され、表示画面を有するディスプレイユニットと、を備え、第１のフレーム上での第２のフレームの摺動の方向が、第２のフレームの軸部の軸方向と、略直交するように第１のフレームと第２のフレームを配設するようにしたものである。

このように構成した本発明ヘッドマウントディスプレイによれば、ディスプレイユニットは、第２のフレームと第１のフレームとでアダプタ部材が設けられた眼鏡のリムに永久磁石の吸着力で着脱自在に固定される。そして、第１のフレームと第２のフレームとによりディスプレイユニットの位置を装着者の目に合わせるように調整することができる。そして、第１及び第２のフレームによりディスプレイユニットを保持し、アダプタ部材によりどんな眼鏡についても簡単に固定することができ、軽量で簡便な構成で携行性と低価格を実現することができる。

本発明ヘッドマウントディスプレイによれば、低価格で携行し易く屋外で使用するのに好適なものとすることができる。

本発明の一実施の形態のヘッドマウントディスプレイの例を図１〜図４を参照して説明する。

図１で１００はヘッドマウントディスプレイを示し、このヘッドマウントディスプレイ１００は眼鏡１１０にアダプタ部材１１９を介してディスプレイ装置１２０を固定したものである。
眼鏡１１０は、図２Ａに示すように、レンズ枠となる左右のリム(rim)１１２ａ，１１２ｂがその上縁の側でワタリ(brace bar)１１３で固定される。そして、リム１１２ａ，１１２ｂの外側両端の側にヨロイ（智）１１６ａ，１１６ｂが設けられ、左右のヨロイ１１６ａ，１１６ｂにテンプル１１４ａ，１１４ｂが丁番１１７ａ，１１７ｂを介して回動自在に設けられた形状をなしている。そして、左右のリム１１２ａ，１１２ｂに、レンズ１１１ａ，１１１ｂが嵌め込まれる。
また、左右のリム１１２ａ，１１２ｂの上縁に設けられるワタリ１１３には、図２Ｂに示すアダプタ部材１１９が、ねじなどの適宜の固定手段により着脱自在に固定される。
このアダプタ部材は、金属で断面が例えばコの字形状とされ、コの字の溝部となる開口の幅がワタリ１１３の幅より僅か大きく、両端が左右のヨロイ１１６ａ，１１６ｂ近くに配される長さに形成される。そして、このアダプタ部材１１９には、図２Ｂ示す両端２箇所と中央部の２箇所に、小さいブロック状の永久磁石１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄが埋設される。

ディスプレイ装置１２０は、図３Ａ及びBに示すように、第１のフレームであるレールフレーム１２１と、第２のフレームである保持シャフト１２３と、ホールドリング１２９が環装されたディスプレイユニット１５０とから構成される。

レールフレーム１２１は、帯状の板金によるプレート１２１ａと、このプレート１２１ａにねじで固定され、鉄などの強磁性体が下面に埋設された吸着部材１２２ａ，１２２ｂ（図３B参照）とから構成される。
保持シャフト１２３は、断面が矩形形状の筒体を有するスライド部１２４とこのスライド部１２４の下側に軸部１２５が設けられる。そして、スライド部１２４には、図３Ｂに示すように、固定ねじ１２６を螺入するためのねじ孔が設けられている。また、軸部１２５には下端側から雄ねじが形成され、この軸部１２５に２つのローレット目付きの短いナット１２７と長いナット１２８が設けられる。

ホールドリング１２９は、図３Ｂに示すように、帯状の板金の両端部に丸孔１２９ａ，１２９ｂを設けると共に、この板金を略矩形形状に折り曲げた後、さらに両端部に形成された丸孔１２９ａ，１２９ｂを対向させ、孔の中心が同軸上となるように折り曲げたものである。ここで、板金の略矩形形状の大きさは、ディスプレイユニット１５０を緩みなく固定できるように形成される。
なお、本例ではディスプレイユニット１５０の溝１５２ａにホールドリング１２９を環装することで、ディスプレイユニット１５０を保持シャフト１２３の軸部１２５に固定するための挿通孔（丸孔１２９ａ，１２９ｂ）を設けるようにしたが、この代わり、軸部１２５を挿通するための貫通孔を有する突設部をディスプレイユニット１５０自体に一体に設けるようにしてもよい。

このディスプレイユニット１５０には各種の画像表示装置を用いることができ、表示画面サイズが小さいので消費電力を少なくすることができるようになっている。そして、より消費電力を小さくするために、特に双安定（メモリ）形の強誘電性（ＦＬＣ：ferroelectric Liquid crystal）液晶表示装置が用いられる。すなわち、この強誘電性液晶表示装置は、電源を切っても液晶分子配列が保持（メモリ）されるため、画像を読み込むときのみ電圧を印加すればよいからである。これにより、バックライトでの消費電力を極めて小さくすることが可能である。
さらに消費電力を小さくするために、画素電極を反射率の高い構造とした反射型の強誘電性液晶表示装置を用いることもできる。

この反射型の強誘電性液晶表示装置で、シリコンウェハをバックプレーンとし強誘電性液晶をシリコンウェハと透明ガラス基板で１μｍ程度のギャップで挟む反射型液晶パネル構造をなし、画面サイズが５ｍｍ×４ｍｍ程度のものがある。
この液晶表示装置では、シリコンウェハ上にＤＲＡＭ／ＳＲＡＭ製造技術により画素ピッチ１０〜２０μｍで液晶駆動電極と画素電極とを配列すると共に周辺制御回路も一体に形成し、電極自体を反射面とすることで高解像度で高開口率に設計できる。このため、照明光学系からの光を高効率に利用することができるので高輝度かつ低消費電力の液晶表示装置を実現することができる。

ちなみに、表示装置としての消費電力を、大きさが例えば３０ｍｍ×５０ｍｍの携帯電話機などで用いられる表示用の液晶パネルと、この画面サイズ５ｍｍ×４ｍｍの反射型の強誘電性液晶表示装置で大まかに比較する。なお、ここでは液晶表示セルを駆動するための電力は、バックライトなどの照明光学系の消費電力と比べ小さいので考えない。
液晶パネルは、通常透過型のＴＦＴ液晶表示パネルで作製され、出力２００ｍＷ程度のＬＥＤを約６個用いたバックライトを有しており、バックライトによる光は、透過率１５％ほどのＴＦＴ液晶表示パネルを透過して目に入射することになる。これを単位面積あたりの光エネルギとして見積もると、２００（ｍＷ／個）×６（個）×０．１５／（３０ｍｍ×５０ｍｍ）＝０．１２（ｍＷ／ｍｍ^２） となる。

一方、反射型の強誘電性液晶表示装置は、出力２００ｍＷ程度のＬＥＤを１個用いた照明光学系を有しており、このＬＥＤによる照明光は、反射率９０％ほどの強誘電性液晶表示パネルを反射して目に入射することになる。これを単位面積あたりの光エネルギとして見積もると、２００（ｍＷ／個）×１（個）×０．９／（５ｍｍ×４ｍｍ）＝９（ｍＷ／ｍｍ^２） となる。
つまり、液晶パネルに対し画面サイズ５ｍｍ×４ｍｍの反射型の強誘電性液晶表示装置の光エネルギ密度は、計算上７５倍となり、実際にはヘッドマウントディスプレイとして目の近くに設けられるということも手伝い、極めて鮮明な表示画像を見ることができることが分かる。
このような反射型の強誘電性液晶表示装置としては、例えばディスプレイテック社（米国）製のライトビュー（Light View：登録商標）マイクロディスプレイ製品を用いることができる。

図４は、画像表示装置として、このような反射型の強誘電性液晶表示装置を用いたディスプレイユニット１５０を示しており、略直方体のケース１５１の一側面に断面が略矩形で筒状の突設部１５２が形成され、この突設部１５２の開口にカバーガラス１５３が設けられる。そして、ケース１５１内に、画像表示装置が組み込まれ、この画像表示装置に映像信号を供給する配線１５４がケース１５１の上面に設けられる。なお、カバーガラス１５３は幅１２ｍｍ高さ９ｍｍ程度の大きさである。
そして、カバーガラス１５３を除くケース１５１全体が柔軟性のあるプラスチック素材でコーティングされる。なお、突設部１５２には、上述のホールドリング１２９（図３B参照）を固定するための溝１５２ａが設けられる。

このように構成されたディスプレイ装置１２０では、図３Ａに示すように、プレート１２１ａの一端に吸着部材１２２ａを固定してから保持シャフト１２３のスライド部１２４の開口に通し、他端に保持シャフト１２３が抜けないように吸着部材１２２ｂを固定している。そして、スライド部１２４に設けられたねじ孔に固定ねじ１２６を螺入し、軸部１２５に短いナット１２７を設けておく。

一方、ディスプレイユニット１５０には、図３Ａに示すように、その側面に丸孔１２９ａ，１２９ｂが配されるようにホールドリング１２９が環装される。そして、保持シャフト１２３の軸部１２５を丸孔１２９ａ，１２９ｂの上方から挿通し、下方から長いナット１２８を螺着する。
そして、軸部１２５に設けられる短いナット１２７と長いナット１２８によって、ホールドリング１２９の丸孔１２９ａ，１２９ｂが締め付けられて、ディスプレイユニット１５０とホールドリング１２９とが固定される。これにより、ディスプレイ装置１２０が組み上がる。

このように組み上げられたディスプレイ装置１２０は、そのレールフレーム１２１の両端の吸着部材１２２ａ，１２２ｂに設けられる強磁性体が、眼鏡１１０のアダプタ部材１１９に埋設された永久磁石１１５ａ，１１５ｂの組（右眼側）又は永久磁石１１５ｃ，１１５ｄの組（左眼側）により吸着されて図２に示すワタリ１１３に対して固定される。
そして、ディスプレイ装置１２０の眼鏡１１０での微調整は、左右方向についてはスライド部１２４をレールフレーム１２１上でずらすことにより、また上下方向についてはホールドリング１２９の丸孔１２９ａ，１２９ｂを保持シャフト１２３の軸部１２５上でずらすことにより行うようにする。
これにより、ユーザの目の位置に合わせて眼鏡１１０にディスプレイ装置１２０が固定された図１に示すヘッドマウントディスプレイ１００を組み上げることができる。

このように構成されたヘッドマウントディスプレイ１００は、特に、反射型で双安定の強誘電性液晶表示装置によるディスプレイユニット１５０を用いたとき、低消費電力で高解像度・高輝度をコンパクトに実現することができるので、携行し易く消費電力も少ないので屋外などで電池駆動した機器であっても長時間画面を表示させることができる。
また、眼鏡１１０に小型軽量なディスプレイユニット１５０をレールフレーム１２１と保持シャフト１２３で取付け、鼻と両耳で支持する構造なので、大きな負担になることなく装着することができる。また、眼鏡１１０だけを使用して、アダプタ部材１１９とディスプレイ装置１２０を別に収納して携行し、必要に応じて眼鏡１１０に取付けて使用することもできるし、眼鏡１１０は折り畳むことができるのでコンパクトにヘッドマウントディスプレイ１００全体を収納することができる。
さらに、量産時にはレールフレーム１２１の打ち抜き型や、ディスプレイユニット１５０のケース１５１などの成形型が必要となるが、部品の形状が単純で小さいため金型を安価に製作することができ、ヘッドマウントディスプレイ１００のコスト低減に寄与させることができる。

また、このヘッドマウントディスプレイ１００は、画像出力端子を有する電子機器（例えば、ラップトップ型パーソナルコンピュータなど）に用いることができ、特に、反射型で双安定の強誘電性液晶表示装置によるディスプレイユニット１５０を用いたものでは、低消費電力で高解像度・高輝度をコンパクトに実現することができるので、ゲーム機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant：携帯情報端末）あるいは携帯電話機などを屋外で電池により駆動して長時間画面表示させるのに好適である。

本例のヘッドマウントディスプレイによれば、低価格で携行し易く屋外で使用するのに好適なものとすることができる。

次に、本発明の一実施の形態のヘッドマウントディスプレイの他の例を図５及び図６を参照して説明する。以下では、この図５及び図６を説明するに図１〜図４に対応する部分には同一の符号を付し説明する。
図５のヘッドマウントディスプレイは、図１〜図４例が普段使いの眼鏡にアダプタ部材１１９を先ず固定してから、このアダプタ部材１１９にレールフレーム１２１と保持シャフト１２３を用いてディスプレイユニット１１５を取付けるようにしたのに対し、直接レールフレーム１２１が眼鏡に固定できるように、ワタリ１１３を長くし、ここに永久磁石を埋設したものである。

図５で１００はヘッドマウントディスプレイを示し、このヘッドマウントディスプレイ１００は眼鏡１１０に直接レールフレーム１２１を取り付け、保持シャフト１２３を介してディスプレイ装置１２０を固定したものである。
眼鏡１１０は、図６に示すように、レンズ枠となる左右のリム１１２ａ，１１２ｂをその上縁の側で固定するワタリ１１３が、その左右端のヨロイ（智）１１６ａ，１１６ｂまで延設され、左右のヨロイ１１６ａ，１１６ｂにテンプル１１４ａ，１１４ｂが丁番１１７ａ，１１７ｂを介して回動自在に設けられた形状をなしている。そして、左右のリム１１２ａ，１１２ｂに、左右のレンズ１１１ａ，１１１ｂが嵌め込まれる。
また、左右のリム１１２ａ，１１２ｂの上縁に設けられるワタリ１１３には、両端２箇所と中央部の２箇所に小さいブロック状の永久磁石１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄが埋設される。

そして、このディスプレイ装置１２０は、上述図１〜図４例と同様に、図３Ａに示すように、ホールドリング１２９が環装されたディスプレイユニット１５０を、保持シャフト１２３とレールフレーム１２１とでワタリ１１３に磁力で固定することができる。

図５及び図６例のヘッドマウントディスプレイでも上述図１〜図４例と同様の作用効果を有するものである。

なお、眼鏡１１０のワタリ１１３に永久磁石のブロックを４箇所埋め込んだ例で説明したが、これに限らず、中央の２個の永久磁石を一体とし、３個の永久磁石を埋め込んで形成することもできる。また、より吸着力を向上させるため、より多くの永久磁石を埋め込むようにしてもよい。また、本例では、眼鏡の側に永久磁石のブロックを埋め込むとして説明したが、眼鏡１１０と第１のフレームであるレールフレーム１２１の対応する箇所に永久磁石と強磁性体との組が配されていればよく、第１のフレームであるレールフレーム１２１の側に永久磁石のブロック、眼鏡の側に強磁性体を配しても、あるいはワタリ１１３とレールフレーム１２１のそれぞれに永久磁石のブロックと強磁性体を混在させるようにしてもよい。
また、眼鏡に対して片目側にディスプレイユニット１５０を設ける例で説明したが、これに限らず２つのディスプレイユニット１５０を両目の前に配して用いるようにしても勿論よい。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることは勿論である。

本発明の一実施の形態の例によるヘッドマウントディスプレイの外観斜視図である。 図１例のヘッドマウントディスプレイを構成する、Ａは眼鏡の一例で、Ｂはアダプタ部材の一例の外観斜視図である。 図１例のヘッドマウントディスプレイを構成するディスプレイ装置の一例の、Ａは外観斜視図、Ｂは分解斜視図である。 図３例のディスプレイ装置のディスプレイユニットの一例の外観斜視図である。 本発明の一実施の形態の他の例によるヘッドマウントディスプレイの外観斜視図である。 図５例のヘッドマウントディスプレイを構成する眼鏡の一例の外観斜視図である。

符号の説明

１１０…（眼鏡）フレーム、１１９…アダプタ部材、１２１…レールフレーム（第１のフレーム）、１２３…保持シャフト（第２のフレーム）、１２５…軸部、１５０…ディスプレイユニット

Claims (5)

1. 眼鏡とディスプレイ装置とを有するヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記眼鏡のリムの上縁に着脱自在に設けられ永久磁石及び／又は強磁性体が埋設されたアダプタ部材と、
   前記アダプタ部材に磁力により係止される第１のフレームと、
   前記第１のフレームに対し摺動自在とされ、前記第１のフレームの所定位置に掛止され軸部を有する第２のフレームと、
   前記第２のフレームの前記軸部の軸方向に調整自在に固定され、表示画面を有するディスプレイユニットと、を備え、
   前記第１のフレーム上での前記第２のフレームの前記摺動の方向が、前記第２のフレームの軸部の前記軸方向と略直交するように前記第１のフレームと前記第２のフレームを配設する
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記アダプタ部材に埋設される永久磁石及び／又は強磁性体を、前記眼鏡の左右のリムのそれぞれの上縁に埋設し、
   前記第１のフレ−ムを略帯形状とし、前記帯の両端に強磁性体及び／又は永久磁石を設けた
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
3. 請求項２記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記第２のフレ−ムは、前記第１のフレ−ムで摺動自在に係合させるスライド部と、該スライド部に一端が固定されかつ他端側から雄ねじが形成された前記軸部とから構成されている
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
4. 請求項３記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記ディスプレイユニットは、貫通孔を有する突起が設けられ、
   前記第２のフレ−ムの前記軸部の雄ねじを前記貫通孔に挿通し、前記雄ねじに螺合自在に設けられる調整雌ねじと固定雌ねじとにより前記突起を挟持した
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
5. 請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記永久磁石及び／又は強磁性体が埋設された前記アダプタ部材を、前記眼鏡の左右のリムの上縁に一体に設けた
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

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