JP2015023759A

JP2015023759A - 形状可変素子、および自動車用ヘッドアップディスプレイ

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Publication number: JP2015023759A
Application number: JP2013152779A
Authority: JP
Inventors: 弘之木下; Hiroyuki Kinoshita
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP6225537B2

Abstract

【課題】制御回路５４がアクチュエータ４０ａを充電するための処理に要する時間を短くする。
【解決手段】アクチュエータ４０ａは、電源５０ａから電極層３１、３２との間に電圧が与えられた際に、電解質膜３０が電極層３１、３２とともに屈曲する。コンデンサ５２ａは、電源５０ａの両電極の間でアクチュエータ４０ａに対して並列に接続されて、かつアクチュエータ４０ａの静電容量よりも大きい静電容量を有する。スイッチ５１ａは、共通接続端子４１ａと電源５０ａとの間に接続されている。制御回路５４はスイッチ５１ａをオンして電源５０ａからアクチュエータ４０ａおよびコンデンサ５２ａに対する充電を開始してからアクチュエータ４０ａの充電が完了する前にスイッチ５１ａをオフする。
【選択図】図６

Description

本発明は、形状可変素子、および自動車用ヘッドアップディスプレイに関するものである。

従来の形状可変素子において、電解質層と、電解質層の片面側に配置されている第１の電極層と、電解質層のうち片面側の反対側に配置されている第２の電極層とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このものにおいて、第１、第２の電極層、および電解質層は、イオン導電性高分子アクチュエータ（以下、簡略化してアクチュエータと記す）を構成する。そして、電源から第１、第２の電極層の間に電圧を与えると、電解質層においてイオンが第１、第２の電極層の間の電界に沿って移動して電解質層が屈曲する。これに伴い、第１、第２の電極層がそれぞれ電解質層に沿って変形する。したがって、電源から第１、第２の電極層の間に印加される電圧を変化させることにより、アクチュエータを任意な形状に変形することができる。

特許４６４６５３０号明細書

本発明者は、上記特許文献１に基づき、電源の正電極および負電極の間にスイッチおよびアクチュエータを直列接続した充電回路を構成し、スイッチのオン／オフを制御回路によって制御することにより、アクチュエータの形状を制御することを検討した。

アクチュエータを任意な形状に変形させるには、第１、第２の電極層の間が任意な形状に対応する目標電圧に到達するまで電源からアクチュエータに充電することが必要である。しかし、上記充電回路の時定数は大きい。特に低温時には、アクチュエータの内部抵抗が大きくなる。このため、低温時には、上記充電回路の時定数はより一層大きくなる。

したがって、制御回路によってスイッチをオンして電源からアクチュエータに対する充電を開始してから第１、第２の電極層の間の電圧が目標電圧に到達するまで、長い時間を要する。つまり、制御回路によってスイッチをオンしてから第１、第２の電極層の間の電圧が目標電圧に到達してスイッチをオフするまでに長い時間を要する。これにより、長い時間に亘って、制御回路がスイッチを介してアクチュエータを充電するための充電処理を実行し続けることになる。

本発明は上記点に鑑みて、制御回路がアクチュエータに対する充電処理を実行するのに要する時間を短くすることを可能にした形状可変素子、およびこれを用いた自動車用ヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、イオン交換樹脂からなる電解質膜（３０）と、電解質膜の片面に沿うように形成されている第１の電極層（３１）と、電解質膜のうち片面に対して反対側に位置する反対面に沿うように形成されている第２の電極層（３２〜３５）とを備え、電圧を可変制御できる電源（５０ａ〜５０ｄ）から第１、第２の電極層の間に電圧が与えられた際に、第１、第２の電極層の間の電界によって電解質膜内をイオンが移動して電解質膜が第１、第２の電極層とともに屈曲するアクチュエータ（４０ａ〜４０ｄ）と、電源の正極電極および負極電極の間でアクチュエータに対して並列に接続されて、かつアクチュエータの静電容量よりも大きい静電容量を有するコンデンサ（５２ａ〜５２ｄ）と、アクチュエータとコンデンサとの間の共通接続端子（４１ａ〜４１ｄ）と電源との間に接続されているスイッチ（５１ａ〜５１ｄ）と、スイッチをオンして電源からアクチュエータおよびコンデンサに対する充電を開始してからアクチュエータの充電が完了する前にスイッチをオフする充電処理を実行する制御回路（５４）と、を備え、電源、スイッチ、およびコンデンサから構成される第１の充電回路の時定数は、電源、スイッチ、およびアクチュエータから構成される第２の充電回路の時定数に比べて、小さくなっていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の充電回路の時定数は、第２の充電回路の時定数に比べて小さい。そして、コンデンサは、アクチュエータの静電容量よりも大きい静電容量を有する。このため、制御回路が、スイッチのオン後、アクチュエータの充電が完了する前にスイッチをオフしたとき、アクチュエータの充電を完了するために必要な電荷をコンデンサおよびアクチュエータに蓄えることができる。したがって、制御回路がスイッチをオンしてからスイッチをオフするまでに要する時間を短くすることが可能である。これにより、制御回路がアクチュエータに対する充電処理を実行するのに要する時間を短くすることが可能になる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態におけるヘッドアップディスプレイを示す図である。上記実施形態における光学ミラーの正面図である。上記実施形態における光学ミラーの背面図である。図２中のIV−IV断面図である。上記実施形態の光学ミラーの製造工程を示すフローチャートである。上記実施形態のヘッドアップディスプレイの電気的構成を示す図である。上記実施形態における光学ミラーを構成する電解質膜を示す透視図である。上記実施形態における光学ミラーの作動を示す図である。上記実施形態における光学ミラーの制御回路の充電処理を示すフローチャートである。上記実施形態の変形例におけるヘッドアップディスプレイの電気的構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

図１に本発明の形状可変素子が適用される自動車用のヘッドアップディスプレイ１の第１実施形態の構成を示す。

ヘッドアップディスプレイ１は、図１に示すように、表示装置１０、および光学ミラー２０を備える。表示装置１０は、表示光を面状に出力する。光学ミラー２０は、表示装置１０から出力される面状の表示光をフロントウインドシールド２１に向けて反射する。光学ミラー２０は、その形状が変更されて、焦点距離や反射方向を変えるようになっている。更にはフロントウインドシールド２１の形状に合わせて虚像のひずみやぼけを修正することもできる。

次に、本実施形態の光学ミラー２０の構造について説明する。

光学ミラー２０は、図２、図３、および図４に示すように、電解質層３０、および電極層３１、３２、３３、３４、３５を備える形状可変素子である。電解質層３０は、薄膜状に形成されたものであって、薄膜状のイオン交換樹脂にイオン液体（電解液）が含浸されているものである。電解質層３０は、その厚み寸法が面方向に均一になるように形成されている。電解質層３０は、その板厚方向から視て四角形に形成されている。本実施形態のイオン交換樹脂としては、例えば、Nafion（Du pont社製）、Flemion（旭硝子社製）、Aciplex（旭化成社製）等の、陽イオン交換樹脂が用いられる。

電極層３１は、電解質層３０の片面側に沿って片面側の全体に亘って薄膜状に形成されている第１の電極である。電極層３１は、アルミニウム、銀、金等の導電性金属膜からなるのである。電極層３１の片面側は、その面方向の中心点が光軸中心、即ち頂点となる光反射面３１ａを構成する。本実施形態の光反射面３１ａは、電極層３１を構成する金属膜のうち片面側が研磨されることによって形成されたものである。電極層３２、３３、３４、３５は、図２および図３に示すように、電解質層３０のうち片面３０ａ側に対して反対側に位置する反対面３０ｂ（図４参照）側に沿ってそれぞれ薄膜状に形成されている。

電極層３２、３３、３４、３５は、それぞれ、電解質層３０の反対面３０ｂに沿うように形成されている導電性金属膜からなる。電極層３２、３３、３４、３５は、電解質層３０の反対面３０ｂ側において分散して配置されている。

具体的には、電極層３２は、反対面３０ｂのうち図３中右上側に配置されている。電極層３２は、電極層３１および電解質層３０とともに、後述するように光反射面３１ａを変形させるイオン導電性高分子アクチュエータ（以下、簡略化してアクチュエータと記す）４０ａを構成する。

電極層３３は、反対面３０ｂのうち図３中右下側に配置されている。電極層３３は、電極層３１および電解質層３０とともに、後述するように光反射面３１ａを変形させるイオン導電性高分子アクチュエータ（以下、簡略化してアクチュエータと記す）４０ｂを構成する。

電極層３４は、反対面３０ｂの図３中左下側に配置されている。電極層３４は、電極層３１および電解質層３０とともに、後述するように光反射面３１ａを変形させるイオン導電性高分子アクチュエータ（以下、簡略化してアクチュエータと記す）４０ｃを構成する。

電極層３４は、反対面３０ｂの図３中左上側に配置されている。電極層３５は、電極層３１および電解質層３０とともに、後述するように光反射面３１ａを変形させるイオン導電性高分子アクチュエータ（以下、簡略化してアクチュエータと記す）４０ｄを構成する。

なお、以下、電極層３１と電極層３２、３３、３４、３５とを説明の便宜上区別するために、電極層３１を片面電極層３１とし、電極層３２、３３、３４、３５を反対面電極層３２、３３、３４、３５とする。

次に、本実施形態の光学ミラー２０の製造方法について図５を参照して説明する。

まず、第１の工程では、陽イオン交換樹脂からなる陽イオン交換樹脂膜を基板の一面に沿うように形成する（ステップＳ１００）。次の第２の工程では、陽イオン交換樹脂膜のうち基板に対して反対側の片面全体に亘って導電性金属膜を形成する（ステップＳ１１０）。次の第３の工程では、導電性金属膜の表面を研磨して光反射面３１ａを形成する（ステップＳ１２０）。これにより、光反射面３１ａを有する片面電極層３１が形成されることになる。次の第４の工程では、陽イオン交換樹脂膜から基板を剥がす（ステップＳ１３０）。次の第５に工程にて、陽イオン交換樹脂膜のうち基板を剥がした一面に対して、導電性金属膜からなる反対面電極層３２、３３、３４、３５をそれぞれ形成する（ステップＳ１４０）。次に、第６工程で、陽イオン交換樹脂膜にイオン液体を含浸させる（ステップＳ１５０）。このことにより、電解質層３０が形成されることになる。以上により、光学ミラー２０が完了することになる。

次に、本実施形態のヘッドアップディスプレイ１の電気的構成について図６を用いて説明する。

ヘッドアップディスプレイ１は、図６に示すように、電源５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、およびスイッチ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、コンデンサ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、抵抗素子５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、および制御回路５４を備える。

電源５０ａは、その出力電圧を可変制御できる電源装置であって、アクチュエータ４０ａおよびコンデンサ５２ａに電圧を出力するものである。スイッチ５１ａおよび抵抗素子５３ａは、アクチュエータ４０ａおよびコンデンサ５２ａの間の共通接続端子４１ａと電源５０ａとの間に直列接続されている。スイッチ５１ａは、抵抗素子５３ａおよび共通接続端子４１ａの間に接続されている。コンデンサ５２ａは、電源５０ａの正極電極と負極電極との間でアクチュエータ４０ａに対して並列に接続されている。コンデンサ５２ａの静電容量は、アクチュエータ４０ａの静電容量よりも大きい。電源５０ａ、スイッチ５１ａ、抵抗素子５３ａ、およびコンデンサ５２ａから構成される第１の充電回路の時定数は、電源５０ａ、スイッチ５１ａ、抵抗素子５３ａ、およびアクチュエータ４０ａから構成される第２の充電回路の時定数よりも小さくなっている。

電源５０ｂは、その出力電圧を可変制御できる電源装置であって、アクチュエータ４０ｂおよびコンデンサ５２ｂに電圧を出力するものである。スイッチ５１ｂおよび抵抗素子５３ｂは、アクチュエータ４０ｂおよびコンデンサ５２ｂの間の共通接続端子４１ｂと電源５０ｂとの間に直列接続されている。スイッチ５１ｂは、抵抗素子５３ｂおよび共通接続端子４１ｂの間に接続されている。コンデンサ５２ｂは、電源５０ｂの正極電極と負極電極との間でアクチュエータ４０ｂに対して並列に接続されている。コンデンサ５２ｂの静電容量は、アクチュエータ４０ｂの静電容量よりも大きい。電源５０ｂ、スイッチ５１ｂ、抵抗素子５３ｂ、およびコンデンサ５２ｂから構成される第１の充電回路の時定数は、電源５０ｂ、スイッチ５１ｂ、抵抗素子５３ｂ、およびアクチュエータ４０ｂから構成される第２の充電回路の時定数よりも小さくなっている。

電源５０ｃは、その出力電圧を可変制御できる電源装置であって、アクチュエータ４０ｃおよびコンデンサ５２ｃに電圧を出力するものである。スイッチ５１ｃおよび抵抗素子５３ｃは、アクチュエータ４０ｃおよびコンデンサ５２ｃの間の共通接続端子４１ｃと電源５０ｃとの間に直列接続されている。スイッチ５１ｃは、抵抗素子５３ｃおよび共通接続端子４１ｃの間に接続されている。コンデンサ５２ｃは、電源５０ｃの正極電極と負極電極との間でアクチュエータ４０ｃに対して並列に接続されている。コンデンサ５２ｃの静電容量は、アクチュエータ４０ｃの静電容量よりも大きい。電源５０ｃ、スイッチ５１ｃ、抵抗素子５３ｃ、およびコンデンサ５２ｃから構成される第１の充電回路の時定数は、電源５０ｃ、スイッチ５１ｃ、抵抗素子５３ｃ、およびアクチュエータ４０ｃから構成される第２の充電回路の時定数よりも小さくなっている。

電源５０ｄは、その出力電圧を可変制御できる電源装置であって、アクチュエータ４０ｄおよびコンデンサ５２ｄに電圧を出力するものである。スイッチ５１ｄおよび抵抗素子５３ｄは、アクチュエータ４０ｄおよびコンデンサ５２ｄの間の共通接続端子４１ｄと電源５０ｄとの間に直列接続されている。スイッチ５１ｄは、抵抗素子５３ｄおよび共通接続端子４１ｄの間に接続されている。コンデンサ５２ｄは、電源５０ｄの正極電極と負極電極との間でアクチュエータ４０ｄに対して並列に接続されている。コンデンサ５２ｄの静電容量は、アクチュエータ４０ｄの静電容量よりも大きい。電源５０ｄ、スイッチ５１ｄ、抵抗素子５３ｄ、およびコンデンサ５２ｄから構成される第１の充電回路の時定数は、電源５０ｄ、スイッチ５１ｄ、抵抗素子５３ｄ、およびアクチュエータ４０ｄから構成される第２の充電回路の時定数よりも小さくなっている。

なお、本実施形態では、スイッチ５１ａ〜５１ｄとして、有機トランジスタを用いてもよい。

制御回路５４は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成され、光反射面３１ａの形状を変化させるために、電源５０ａ〜５０ｄおよびスイッチ５１ａ〜５１ｄを介してアクチュエータ４０ａ〜４０ｄを制御する。アクチュエータ４０ａ〜４０ｄは、後述するように、それぞれ対応する電源、およびコンデンサから充電されて、屈曲する。

以下、本実施形態の制御回路５４の充電処理の説明に先だって、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄの作動の詳細について説明する。図７、図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図７は、電解質層３０の背面図である。図８（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータ４０ａ、コンデンサ５２ａ、および電源５０ａの間の接続構成を模式的に示したもので、抵抗素子５３ａを省略している。

まず、アクチュエータ４０ａを構成する電極層３１、３２の間に電源５０ａ（或いは、コンデンサ５２ａ）が直流電圧を印加する。すると、電解質層３０の反対面３０ｂの面方向中心３０ｃを固定端として固定し、電解質層３０のうち反対面電極層３２に対応する対応電解質層３０１（図７参照）、片面電極層３１のうち反対面電極層３２に対応する部分（以下、右上側電極部分という）、および反対面電極層３２が屈曲する。

例えば、片面電極層３１が陽極電極で、反対面電極層３２が陰極電極になるように電源５０ａ（或いは、コンデンサ５２ａ）が電極層３１、３２の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０１内を電極層３１、３２の間の電界に沿って反対面電極層３２側に移動する。これに伴い、図８（ａ）に示すように、対応電解質層３０１が反対面電極層３２側に凸になるように屈曲する。すると、右上側電極部分および反対面電極層３２が対応電解質層３０１に沿うように変形する。

また、片面電極層３１が陰極電極で、反対面電極層３２が陽極電極になるように電源５０ａ（或いは、コンデンサ５２ａ）が電極層３１、３２の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０１内を電極層３１、３２の間の電界に沿って片面電極層３１側に移動する。これに伴い、図８（ｂ）に示すように、対応電解質層３０１が片面電極層３１側に凸になるように屈曲する。すると、右上側電極部分および反対面電極層３２が対応電解質層３０１に沿うように変形する。

このように電源５０ａ（或いは、コンデンサ５２ａ）から電極層３１、３２の間に直流電圧を印加して対応電解質層３０１を屈曲させる際に、電極層３１、３２の間の印加電圧が大きくなるほど、対応電解質層３０１が大きく屈曲する。

次に、アクチュエータ４０ｂを構成する片面電極層３１および反対面電極層３３の間に電源５０ｂ（或いは、コンデンサ５２ｂ）が直流電圧を印加する。すると、電解質層３０の反対面３０ｂの面方向中心点３０ｃを固定端として固定し、電解質層３０のうち反対面電極層３３に対応する対応電解質層３０２（図７参照）、片面電極層３１のうち反対面電極層３３に対応する部分（以下、右下側電極部分という）、および反対面電極層３３が屈曲する。

例えば、片面電極層３１が陽極電極で、反対面電極層３３が陰極電極になるように電源５０ｂ（或いは、コンデンサ５２ｂ）が電極層３１、３２の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０２内を電極層３１、３３の間の電界に沿って反対面電極層３３側に移動する。これに伴い、対応電解質層３０２が反対面電極層３３側に凸になるように屈曲する。右下側電極部分および反対面電極層３３が対応電解質層３０２に沿うように変形する。

また、片面電極層３１が陰極電極で、反対面電極層３３が陽極電極になるように電源５０ｂ（或いは、コンデンサ５２ｂ）が電極層３１、３３の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０２内を電極層３１、３３の間の電界に沿って片面電極層３１側に移動する。これに伴い、対応電解質層３０２が片面電極層３１側に凸になるように屈曲する。すると、右下側電極部分および反対面電極層３３が対応電解質層３０２に沿うように変形する。

このように電源５０ｂ（或いは、コンデンサ５２ｂ）から電極層３１、３３の間に直流電圧を印加して対応電解質層３０２を屈曲させる際に、電極層３１、３３の間の印加電圧を大きくするほど、対応電解質層３０２が大きく屈曲する。

次に、アクチュエータ４０ｃを構成する片面電極層３１および反対面電極層３４の間に電源５０ｃ（或いは、コンデンサ５２ｃ）が直流電圧を印加する。すると、電解質層３０の反対面３０ｂの面方向中心点３０ｃを固定端として固定し、電解質層３０のうち反対面電極層３４に対応する対応電解質層３０３（図７参照）、片面電極層３１のうち反対面電極層３４に対応する部分（以下、左下側電極部分という）、および反対面電極層３４が屈曲する。

例えば、片面電極層３１が陽極電極で、反対面電極層３４が陰極電極になるように電源５０ｃ（或いは、コンデンサ５２ｃ）が電極層３１、３４の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０３内を電極層３１、３４の間の電界に沿って反対面電極層３４側に移動する。これに伴い、対応電解質層３０２が反対面電極層３４側に凸になるように屈曲する。すると、左下側電極部分および反対面電極層３４が対応電解質層３０３に沿うように変形する。

また、片面電極層３１が陰極電極で、反対面電極層３４が陽極電極になるように電源５０ｃ（或いは、コンデンサ５２ｃ）が電極層３１、３４の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０３内を電極層３１、３４の間の電界に沿って片面電極層３１側に移動する。これに伴い、対応電解質層３０３が片面電極層３１側に凸になるように屈曲する。すると、左下電極部分および反対面電極層３４が対応電解質層３０３に沿うように変形する。

このように電源５０ｃ（或いは、コンデンサ５２ｃ）から電極層３１、３４の間に直流電圧を印加して対応電解質層３０３を屈曲させる際に、電極層３１、３４の間の印加電圧を大きくするほど、対応電解質層３０３が大きく屈曲する。

次に、アクチュエータ４０ｄを構成する片面電極層３１および反対面電極層３５の間に電源５０ｄ（或いは、コンデンサ５２ｄ）が直流電圧を印加する。すると、電解質層３０の反対面３０ｂの面方向中心点３０ｃを固定端として固定し、電解質層３０のうち反対面電極層３５に対応する対応電解質層３０４（図７参照）、片面電極層３１のうち反対面電極層３５に対応する部分（以下、左上側電極部分という）、および反対面電極層３５が屈曲する。

例えば、片面電極層３１が陽極電極で、反対面電極層３５が陰極電極になるように電源５０ｄ（或いは、コンデンサ５２ｄ）が電極層３１、３５の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０４内を電極層３１、３５の間の電界に沿って反対面電極層３５側に移動する。これに伴い、対応電解質層３０４が反対面電極層３５側に凸になるように屈曲する。すると、左上側電極部分および反対面電極層３５が対応電解質層３０４に沿うように変形する。

また、片面電極層３１が陰極電極で、反対面電極層３５が陽極電極になるように電源５０ｄ（或いは、コンデンサ５２ｄ）が電極層３１、３５の間に直流電圧を印加する。すると、陽イオンが対応電解質層３０４内を電極層３１、３５の間の電界に沿って片面電極層３１側に移動する。これに伴い、対応電解質層３０４が片面電極層３１側に凸になるように屈曲する。すると、左上側電極部分および反対面電極層３５が対応電解質層３０４に沿うように変形する。

このように電源５０ｄ（或いは、コンデンサ５２ｄ）から電極層３１、３５の間に直流電圧を印加して対応電解質層３０４を屈曲させる際に、電極層３１、３５の間の印加電圧を大きくするほど、対応電解質層３０４が大きく屈曲する。

次に、本実施形態の制御回路５４の充電処理について図９を用いて説明する。図９は制御回路５４の充電処理を示すフローチャートである。制御回路５４は、図９のフローチャートにしたがって充電処理を実行する。

まず、制御回路５４は、アクチュエータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを１つずつ順次充電する（ステップ１００〜ステップ１３０）。

具体的には、制御回路５４が電源５０ａの出力電圧を制御するとともに、スイッチ５１ｂ、５１ｃ、５１ｄをオフした状態で、スイッチ５１ａをオンする（ステップＳ１００）。これに伴い、電源５０ａからスイッチ５１ａおよび抵抗素子５３ａを通してコンデンサ５２ａに電流が流れる。電源５０ａからスイッチ５１ａおよび抵抗素子５３ａを通してアクチュエータ４０ａに電流が流れる。すなわち、電源５０ａの出力電圧によってコンデンサ５２ａおよびアクチュエータ４０ａが充電されることになる。その後、制御回路５４がスイッチ５１ａをオフする。これに伴い、コンデンサ５２ａからアクチュエータ４０ａに電流が流れる。つまり、アクチュエータ４０ａはコンデンサ５２ａから充電されることになる。その後、アクチュエータ４０ａの電極層３１、３２の間の電圧が目標電圧に到達する。このことにより、アクチュエータ４０ａの充電が完了することになる。

ここで、アクチュエータ４０ａの目標電圧は、電源５０ａの出力電圧とスイッチ５１ａをオンしたオン期間とによって決まる。このため、目標電圧は、電源５０ａの出力電圧が大きいほど、大きくなり、スイッチ５１ａのオン期間が長いほど、目標電圧は大きくなる。

また、制御回路５４は、上述したスイッチ５１ａをオフする際に、制御回路５４が電源５０ｂの出力電圧を制御するとともに、スイッチ５１ｃ、５１ｄをオフした状態で、スイッチ５１ｂをオンする（ステップＳ１１０）。これにより、スイッチ５１ａをオフしてコンデンサ５２ａからアクチュエータ４０ａに充電している期間内に、スイッチ５１ｂをオンして電源５０ｂからコンデンサ５２ｂおよびアクチュエータ４０ｂに対する充電を開始する。

これに伴い、電源５０ｂからスイッチ５１ｂおよび抵抗素子５３ｂを通してコンデンサ５２ｂに電流が流れる。電源５０ｂからスイッチ５１ｂおよび抵抗素子５３ｂを通してアクチュエータ４０ｂに電流が流れる。すなわち、電源５０ｂの出力電圧によってコンデンサ５２ｂおよびアクチュエータ４０ｂが充電されることになる。その後、制御回路５４がスイッチ５１ｂをオフする。これに伴い、コンデンサ５２ｂからアクチュエータ４０ｂに電流が流れる。つまり、アクチュエータ４０ｂはコンデンサ５２ｂから充電されることになる。その後、アクチュエータ４０ｂの電極層３１、３３の間の電圧が目標電圧に到達する。このことにより、アクチュエータ４０ｂの充電が完了することになる。

ここで、アクチュエータ４０ｂの目標電圧は、電源５０ｂの出力電圧とスイッチ５１ｂをオンしたオン期間とによって決まる。このため、目標電圧は、電源５０ｂの出力電圧が大きいほど、大きくなり、スイッチ５１ｂのオン期間が長いほど、目標電圧は大きくなる。

さらに、制御回路５４は、上述したスイッチ５１ｂをオフする際に、制御回路５４が電源５０ｃの出力電圧を制御するとともに、スイッチ５１ａ、５１ｄをオフした状態で、スイッチ５１ｃをオンする（ステップＳ１２０）。これにより、スイッチ５１ｂをオフしてコンデンサ５２ｂからアクチュエータ４０ｂに充電している期間内に、スイッチ５１ｃをオンして電源５０ｃからコンデンサ５２ｃおよびアクチュエータ４０ｃに対する充電を開始する。

これに伴い、電源５０ｃからスイッチ５１ｃおよび抵抗素子５３ｃを通してコンデンサ５２ｃに電流が流れる。電源５０ｃからスイッチ５１ｃおよび抵抗素子５３ｃを通してアクチュエータ４０ｃに電流が流れる。すなわち、電源５０ｃの出力電圧によってコンデンサ５２ｃおよびアクチュエータ４０ｃが充電されることになる。その後、制御回路５４がスイッチ５１ｃをオフする。これに伴い、コンデンサ５２ｃからアクチュエータ４０ｃに電流が流れる。つまり、アクチュエータ４０ｃはコンデンサ５２ｃから充電されることになる。その後、アクチュエータ４０ｃの電極層３１、３４の間の電圧が目標電圧に到達する。このことにより、アクチュエータ４０ｃの充電が完了することになる。

ここで、アクチュエータ４０ｃの目標電圧は、電源５０ｃの出力電圧とスイッチ５１ｃをオンしたオン期間とによって決まる。このため、目標電圧は、電源５０ｃの出力電圧が大きいほど、大きくなり、スイッチ５１ｃのオン期間が長いほど、目標電圧は大きくなる。

また、制御回路５４は、上述したスイッチ５１ｃをオフする際に、制御回路５４が電源５０ｄの出力電圧を制御するとともに、スイッチ５１ａ、５１ｂをオフした状態で、スイッチ５１ｄをオンする（ステップＳ１２０）。これにより、スイッチ５１ｃをオフしてコンデンサ５２ｃからアクチュエータ４０ｃに充電している期間内に、スイッチ５１ｄをオンして電源５０ｄからコンデンサ５２ｄおよびアクチュエータ４０ｄに対する充電を開始する。

これに伴い、電源５０ｄからスイッチ５１ｄおよび抵抗素子５３ｄを通してコンデンサ５２ｄに電流が流れる。電源５０ｄからスイッチ５１ｄおよび抵抗素子５３ｄを通してアクチュエータ４０ｄに電流が流れる。すなわち、電源５０ｄの出力電圧によってコンデンサ５２ｄおよびアクチュエータ４０ｄが充電されることになる。その後、制御回路５４がスイッチ５１ｄをオフする。これに伴い、コンデンサ５２ｄからアクチュエータ４０ｄに電流が流れる。つまり、アクチュエータ４０ｄはコンデンサ５２ｄから充電されることになる。その後、アクチュエータ４０ｄの電極層３１、３５の間の電圧が目標電圧に到達する。このことにより、アクチュエータ４０ｄの充電が完了することになる。

ここで、アクチュエータ４０ｄの目標電圧は、電源５０ｄの出力電圧とスイッチ５１ｄをオンしたオン期間とによって決まる。このため、目標電圧は、電源５０ｄの出力電圧が大きいほど、大きくなり、スイッチ５１ｄのオン期間が長いほど、目標電圧は大きくなる。

以上により、電源５０ａ〜５０ｄの出力電圧とスイッチ５１ａ〜５１ｄのオン期間とをそれぞれ制御することにより、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄの目標電圧を制御する。このことにより、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄが屈曲する度合いを制御することができる。これにより、電極層３１、ひいては光反射面３１ａを所望の形状に変化させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、ヘッドアップディスプレイ１は、イオン交換樹脂からなる電解質膜３０と、電解質膜３０の片面３０ａに沿うように形成されている片面電極層３１と、電解質膜３０のうち片面３０ａに対して反対側に位置する反対面３０ｂに沿うように形成されている反対面電極層電極層３２〜３５とを備えるアクチュエータ４０ａ〜４０ｄを備える。コンデンサ５２ａ〜５２ｄは、電源５０ａ〜５０ｄの正極電極および負極電極の間でアクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して並列に接続されて、かつアクチュエータ４０ａ〜４０ｄのうち対応するアクチュエータの静電容量よりも大きい静電容量を有する。スイッチ５１ａ〜５１ｄは、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄとコンデンサ５２ａ〜５２ｄとの間の共通接続端子４１ａ〜４１ｄと電源５０ａ〜５０ｄとの間に接続されている。制御回路５４は、スイッチ５１ａ〜５１ｄをオンして電源５０ａ〜５０ｄからアクチュエータ４０ａ〜４０ｄおよびコンデンサ５２ａ〜５２ｄに対する充電を開始してからアクチュエータ４０ａ〜４０ｄの充電が完了する前にスイッチ５１ａ〜５１ｄをオフする充電処理を実行する。

ここで、アクチュエータ毎に、第１の充電回路の時定数の方が第２の充電回路の時定数よりも小さくなっている。コンデンサ５２ａ〜５２ｄは、それぞれアクチュエータ４０ａ〜４０ｄのうち対応するアクチュエータの静電容量よりも大きい静電容量を有する。このため、アクチュエータ毎にスイッチ５１ａ〜５１ｄをオンしてからアクチュエータの充電が完了する前にスイッチ５１ａ〜５１ｄをオフしたときに、アクチュエータの充電を完了するために必要な電荷をコンデンサおよびアクチュエータに蓄えることができる。したがって、制御回路５４がスイッチ５１ａ〜５１ｄをオンしてからスイッチ５１ａ〜５１ｄをオフするまでに要する時間を短くすることが可能である。これにより、制御回路５４がアクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対する充電処理を実行するのに要する時間をアクチュエータ毎に短くすることが可能になる。

本実施形態では、スイッチ５１ａをオフしてコンデンサ５２ａからアクチュエータ４０ａに充電している期間内に、スイッチ５１ｂをオンして電源５０ｂからコンデンサ５２ｂおよびアクチュエータ４０ｂに対する充電を開始する。このため、アクチュエータ４０ａを充電する期間と、アクチュエータ４０ｂを充電する期間とを重複させることができる。

スイッチ５１ｂをオフしてコンデンサ５２ｂからアクチュエータ４０ｂに充電している期間内に、スイッチ５１ｃをオンして電源５０ｃからコンデンサ５２ｃおよびアクチュエータ４０ｃに対する充電を開始する。このため、アクチュエータ４０ｂを充電する期間とアクチュエータ４０ｃを充電する期間とを重複させることができる。

スイッチ５１ｃをオフしてコンデンサ５２ｃからアクチュエータ４０ｃに充電している期間内に、スイッチ５１ｄをオンして電源５０ｄからコンデンサ５２ｄおよびアクチュエータ４０ｄに対する充電を開始する。このため、アクチュエータ４０ｃを充電する期間とアクチュエータ４０ｄを充電する期間とを重複させることができる。

以上により、アクチュエータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを充電するのに要するトータルの時間を短縮することができる。

また、コンデンサ５２ａ〜５２ｄを用いていないヘッドアップディスプレイ１において、スイッチ５１ａ〜５１ｄのうち例えばスイッチ５１ａがオフしているときには、アクチュエータ４０ａの電極層３１、３２の間でリーク電流が流れると、リーク電流に応じてアクチュエータ４０ａが屈曲する。或いは、スイッチ５１ａがオフしているとき、アクチュエータ４０ａに隣接するアクチュエータからアクチュエータ４０ａに回り込み電流が流れると、回り込み電流に応じてアクチュエータ４０ａが屈曲する。

これに対して、本実施形態では、スイッチ５１ａをオフしているときでも、コンデンサ５２ａからアクチュエータ４０ａに電圧が与えられている場合には、リーク電流や回り込み電流が生じてもアクチュエータ４０ａが屈曲することが抑制される。アクチュエータ４０ｂ、４０ｃ、４０ｄも同様にリーク電流や回り込み電流が生じても屈曲することが抑制される。

上記特許文献１の形状可変素子では、第１、第２の電極層がアクチュエータ毎に独立して形成されている。このため、アクチュエータと電源との間を接続する配線をアクチュエータ毎に２本ずつ必要になる。

これに対して、本実施形態では、片面電極層３１は、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して共通の電極層になっている。このため、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄと電源５０ａ〜５０ｄとの間を接続する配線を減らすことができる。

本実施形態では、片面電極層３１は、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して共通の電極層になっている。このため、アクチュエータ毎に独立した片面電極層３１を設ける場合に比べて、電解質層３０の片面３０ａ側に片面電極層３１を形成する製造工程の工数を低減することができる。

本実施形態の光学ミラー２０では、光反射面３１ａは、電極層３１を構成する金属膜の片面側が研磨されることによって形成されたものである。これにより、高反射率の光反射面３１ａの実現が可能になる。したがって、光反射面３１ａによって反射される表示のボケ・にじみを低減することができる。

また、電極層３１以外に光反射膜を別途用意して、この光反射膜を電極層３１の片面側に配置して光学ミラー２０を構成することも可能である。この場合、電解質層３０の屈曲によって電極層３１とともに光反射膜も変形させる必要がある。このため、電解質層３０自体を変形させるための力が不足する場合がある。

これに対して、本実施形態では、上述の如く、電極層３１を構成金属膜の片面側を研磨して光反射面３１ａを構成している。このため、電解質層３０の屈曲によって電極層３１および光反射膜の双方を変形させる必要がない。よって、電解質層３０を変形させるために十分な力を用いることができる。これにより、電解質層３０の十分な変形量を確保しつつ、電解質層３０の十分な変形速度を確保することができる。さらに、電極層３１以外に光反射膜を用いる必要がないので、光学ミラー２０の軽量化も図ることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、ヘッドアップディスプレイ１として、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対してそれぞれ電源５０ａ〜５０ｄを設けた例について説明したが、これに代えて、図１０に示すように、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して共通の１つの電源５０を設けてもよい。

この場合、アクチュエータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄのうち電源５０から充電するアクチュエータを順次切り替えるために、スイッチ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄのうちオンさせるスイッチを順次切り替える。

上記実施形態では、電源５０ａ〜５０ｄからアクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して充電してアクチュエータ４０ａ〜４０ｄを変形させる例について説明したが、これに代えて、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄから電源５０ａ〜５０ｄに放電させてアクチュエータ４０ａ〜４０ｄを変形させてもよい。以下、制御回路５４における放電処理の具体例について説明する。放電処理は、アクチュエータ４０ａを変形させるためにアクチュエータ４０ａから電源５０ａに放電させる処理である。

まず、上記実施形態と同様に、電源５０ａからアクチュエータ４０ａおよびコンデンサ５２ａに充電した後に、制御回路５４がスイッチ５１ａをオフする。その後、制御回路５４は、電源５０ａを制御して電源５０ａの出力電圧を電極層３１、３２間の電圧（および、コンデンサ５２ａの両電極間の電圧）よりも低くするとともに、スイッチ５１ａをオンする。これに伴い、コンデンサ５２ａから抵抗素子５３ａおよびスイッチ５１ａを通して電源５０ａに電流が流れる。アクチュエータ４０ａの電極層３２側から抵抗素子５３ａおよびスイッチ５１ａを通して電源５０ａに電流が流れる。このため、電極層３１、３２間の電圧が低下する。したがって、アクチュエータ４０ａにおいて、対応電解質層３０１が上側電極部分および反対面電極層３２とともに変形する。これに伴い、アクチュエータ４０ａの屈曲度合いが小さくなる。アクチュエータ４０ｃ〜４０ｄにおいても同様である。

上記実施形態では、電極層３１をアクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して共通の電極層とした例について説明したが、これに代えて、電極層３１をアクチュエータ毎に独立したものを用いてもよい。

上記実施形態では、電解質層３０内の陽イオンの移動によって電解質層３０を屈曲させるアクチュエータ４０ａ〜４０ｄを構成した例について説明したが、これに代えて、電解質層３０内の陰イオンの移動によって電解質層３０を屈曲させるアクチュエータ４０ａ〜４０ｄを構成してもよい。

上記実施形態では、電解質層３０をアクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して共通の電極層とした例について説明したが、これに代えて、電解質層３０をアクチュエータ毎に独立したものを用いてもよい。

上記実施形態では、表示装置１０から出力される面状の表示光を形状可変光学素子２０が反射した例について説明したが、これに代えて、表示装置１０から出力される線状の表示光を形状可変光学素子２０が反射してもよい。

上記実施形態では、電解質層３０の反対面３０ｂに４つの反対面電極層３２、３３、３４、３５を配置した例について説明したが、これに限らず、ｎ個の電極層を電解質層３０の反対面３０ｂに配置してもよい。但し、ｎは、２以上の整数であるとする。或いは、１つのみの反対面電極層を電解質層３０の反対面３０ｂに配置してもよい。つまり、本発明では、反対面電極層の個数は、４つに限定されない。

上記実施形態では、ヘッドアップディスプレイ１としてフロントウインドシールド２１に光学ミラー２０の反射光を出力した例について説明したが、これに代えて、フロントウインドシールド２１以外のサイドウインドシールドやバックウインドシールドに光学ミラー２０の反射光を出力してもよい。

上記実施形態では、本発明に係る光学ミラー２０をヘッドアップディスプレイ１に適用した例について説明したが、これに代えて、顕微鏡、望遠鏡などの各種の光学機器に本発明に係る光学ミラー２０を適用してもよい。

上記実施形態では、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄに対して１個ずつ順番に電圧を印加した例について説明したが、これに代えて、アクチュエータ４０ａ〜４０ｄの全てに対して同時に電圧を印加してもよい。更には、光学ミラー２０を複数並べて、複数の光学ミラー２０に対して順番に電圧を印加してもよく、複数の光学ミラー２０の全てに対して同時に電圧を印加してもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

１ヘッドアップディスプレイ
２０光学ミラー
３０電解質層
３１片面電極層
３１ａ光反射面
３２〜３５反対面電極層
４０ａ〜４０ｄアクチュエータ
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ電源
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄスイッチ
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄコンデンサ
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ抵抗素子
５４制御回路

Claims

イオン交換樹脂からなる電解質膜（３０）と、前記電解質膜の片面に沿うように形成されている第１の電極層（３１）と、前記電解質膜のうち前記片面に対して反対側に位置する反対面に沿うように形成されている第２の電極層（３２〜３５）とを備え、電源（５０ａ〜５０ｄ）から前記第１、第２の電極層の間に電圧が与えられた際に、前記第１、第２の電極層の間の電界によって前記電解質膜内をイオンが移動して前記電解質膜が前記第１、第２の電極層とともに屈曲するアクチュエータ（４０ａ〜４０ｄ）と、
前記電源の正極電極および負極電極の間で前記アクチュエータに対して並列に接続されて、かつ前記アクチュエータの静電容量よりも大きい静電容量を有するコンデンサ（５２ａ〜５２ｄ）と、
前記アクチュエータと前記コンデンサとの間の共通接続端子（４１ａ〜４１ｄ）と前記電源との間に接続されているスイッチ（５１ａ〜５１ｄ）と、
前記スイッチをオンして前記電源から前記アクチュエータおよび前記コンデンサに対する充電を開始してから前記アクチュエータの充電が完了する前に前記スイッチをオフする充電処理を実行する制御回路（５４）と、を備え、
前記電源、前記スイッチ、および前記コンデンサから構成される第１の充電回路の時定数は、前記電源、前記スイッチ、および前記アクチュエータから構成される第２の充電回路の時定数に比べて、小さくなっていることを特徴とする形状可変素子。
前記電解質膜の前記反対面側には、複数の前記第２の電極層が配置されており、
前記第１、第２の電極層および前記電解質膜から構成される前記アクチュエータが前記第２の電極層毎にそれぞれ構成されており、
前記コンデンサおよび前記スイッチは、前記アクチュエータ毎にそれぞれ設けられており、
前記制御手段は、前記アクチュエータ毎に、前記充電処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の形状可変素子。
前記それぞれのスイッチのうち、１つのスイッチがオフして前記１つのスイッチに対応するコンデンサが、このコンデンサに対応するアクチュエータに充電している期間中に、前記制御回路は、前記それぞれのスイッチうち前記１つのスイッチ以外の他のスイッチをオンして、前記電源から前記他のスイッチに対応する前記アクチュエータおよび前記コンデンサに対する充電を開始することを特徴とする請求項２に記載の形状可変素子。
前記第１、第２の電極層のうちいずれか一方の電極層に対して前記電解質膜の反対側には、光反射面（３１ａ）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の形状可変素子。
前記光反射面は、前記第１、第２の電極層のうちいずれか一方の電極層によって構成されていることを特徴する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の形状可変素子。
請求項４または５に記載の形状可変素子（２０）と、
表示光を出力する表示装置（１０）と、を備え、
前記光反射面は、前記表示装置から出力される表示光をウインドシールド（２１）に向けて反射するようになっており、
前記アクチュエータは、前記電解質膜を前記第１、第２の電極層とともに屈曲させることにより、前記光反射面を屈曲させるようになっていることを特徴とする自動車用ヘッドアップディスプレイ。