JP2019094021A - 車両用ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースと部品点数削減を図ることができるＨＵＤ装置を提供する。【解決手段】車両（Ｃ）に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置（１）が、光源（２）と、光源（２）の光をヘッドアップディスプレイ装置（１）の車内用表示領域（Ｒｅ）へ導く第１の光学手段（１０）と、光源の光を車外へと導く第２の光学手段（１６）とを備えるよう構成した。これにより１つの光源（２）で車内表示を行い、かつ灯具として車外を照射すること、あるいは画像描写装置として路面に画像描画を行うことを可能とした。複数の装置の光源を共有化することで、車両全体として、省スペース、部品数削減を可能とした。【選択図】図１

Description

車両に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来、車両に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置）が知られている（例えば特許文献１）。

特許第６０９７３８２号

ＨＵＤ装置は目立たぬようダッシュボード内に配置されることが多いが、ダッシュボード内はすでに機器類が多数配置されており、さらにＨＵＤ装置をどのように配置すべきかは設計者にとって頭の痛い問題である。また光源、リフレクター、投影装置など多数の構成要素からなるＨＵＤ装置は、部品点数削減ひいてはコスト削減が課題である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、省スペースと部品点数削減を図ることができるＨＵＤ装置を提供することにある。

上記問題を解決するため、本開示のＨＵＤ装置は、
車両に搭載されるＨＵＤ装置であって、光源と、光源の光をＨＵＤ装置の車内用表示領域へ導く第１の光学手段と、光源の光を車外へと導く第２の光学手段とを備えるよう構成した。

好ましくは、光源の光は、可動リフレクターにより前記二つの光学手段に向けて切り替えて導かれるよう構成されるものとする。

好ましくは、光源、第1の光学手段、及び第２の光学手段が、同一の筺体内に納められるものとする。

好ましくは、車内用表示領域は前記車両に設けられた窓であり、第２の光学手段を経た光は窓を通過して車外へ導かれるものとする。

好ましくは、第２の光学手段を用いて描画パターンを車外に形成する描画装置を備えるものとする。

好ましくは、入力された光をカラー化するカラー化手段をさらに備えるものとする。

本開示の構成によれば、部品点数を削減し、省スペースと部品点数削減を図ることができるヘッドアップディスプレイ装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るＨＵＤ装置の構成を示す、鉛直断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るＨＵＤ装置の構成を示す、鉛直断面図である。 同ＨＵＤ装置の共役用レンズ、ＤＭＤ、カラーフィルターの関係を示す説明図である。 同ＨＵＤ装置のカラーフィルター及びＤＭＤの各素子を説明する説明図であり、（ａ）がカラーフィルター拡大概略説明図、（ｂ）がＤＭＤ拡大概略説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るＨＵＤ装置の構成を示す、鉛直断面図である。 同ＨＵＤ装置の光源ユニットの側面図である。 同ＨＵＤ装置の走査機構の斜視図である。 描画パターンの点灯領域の一例を示す図である。 同ＨＵＤ装置による路面描画の実施例を説明する図である。 同ＨＵＤ装置によって形成される配光パターンの一例を示す図であり、本発明の変形例を説明する図である。 本発明の変形例を説明する図である。 ＨＵＤ装置の概要を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るＨＵＤ装置について詳細に説明する。各図に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構造を示す鉛直断面図である。ＨＵＤ装置１は、車両Ｃのフロントガラス１４の所定の表示領域（ＨＵＤ表示領域Ｒｅ）に主に種々の画像（例えば矢印画像Ｍ１）を投影し、これらの画像を運転席からフロントガラス越しに見える景色に重畳するように表示する装置である（図１２参照）。

図１に示すように、ＨＵＤ装置１は、前方に開口部を有する筺体１２を備える。筺体１２はフロントガラス１４の下部に開口部が閉塞するように配置され、フロントガラス１４の一部とともに灯室Ｓを形成する。

灯室Ｓ内には、ＨＵＤ装置１の構成要素として、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）６と、光源２と、リフレクター４と、回動可能な可動ミラー８と、ＤＭＤ６からの光を上方のフロントガラス１４に投影する第1投影レンズ１０と、ＤＭＤ６からの光を車両前方に投影する第２投影レンズ１６とが収容されている。これらは図示しない支持機構によって筺体１２に取り付けられる。

光源２は、基板に搭載されたＬＥＤ（発光ダイオード）であり、供給される電流により発光し、拡散光をリフレクター４に向けて出射する。

リフレクター４は、光源２から出射された光をＤＭＤ６に向けて反射させるために設けられており、光を反射させるための反射面を備えている。

ＤＭＤ６は、単一の基板上に複数のマイクロミラー７がマトリクス状に配列された二次元画像形成装置である。このマイクロミラー７を駆動制御することにより、リフレクター４から出射された光をマイクロミラー７で選択的に反射させ、所望の画像（画像光）を形成し照射する。

可動ミラー８は、回転軸８ａ及び回転軸８ａ周りに回動可能に取り付けられるミラー８ｂから構成される。ミラー８ｂの配置により、ＤＭＤ６で形成された画像光が投影される場所が決定する。ミラー８ｂがＨＵＤ作用位置（図１の実線位置）に配置された場合、画像光はミラー８ｂで反射し第１投影レンズ１０に入射する。ミラー８ｂがＨＵＤ非作用位置（図１の鎖線位置）に配置された場合、ミラー８ｂはＤＭＤ６の対向位置から外れ、画像光はそのまま第２投影レンズ１６に入射する。

第１投影レンズ１０は、画像光を特定の大きさでフロントガラス１４上のＨＵＤ表示領域Ｒｅに投影するように設けられている。第１投影レンズ１０は、可動ミラー８からの映像光を拡大又は縮小する。筺体１２の上面壁には開口部１２ａが設けられており、第１投影レンズ１０からの光を通過させる。開口部１２ａを覆うように光を透過する透光カバー１２ｂが設けられていてもよい。

ＨＵＤ表示領域Ｒｅに投影される画像光は、アイレンジＥＲにおいて車両前方に形成される虚像となる。ＨＵＤ装置１では、フロントガラス１４越しに見える景色に重畳されるように虚像が投影され、ドライバーに車両Ｃの進行路上に存在する注視物から視線を移動させることなく視認させることが可能となる。

第２投影レンズ１６は、ＤＭＤ６と対向する位置に配置され、画像光は第２投影レンズ１６を介しフロントガラス１４を通過し車両Ｃ前方に投影される。配光パターンに係る画像光がＤＭＤ６で形成され、第２投影レンズ１６を介して所望の配光パターンとして車両Ｃ前方に照射される。

本実施形態において、光源２の出射強度調整、ＤＭＤ６のマイクロミラーの駆動制御、可動ミラー８の配置位置、ＨＵＤ装置１の表示内容は、図１上に図示しない制御ユニット３４により制御される。制御ユニット３４は、ハードウェア構成としてはコンピューターのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータープログラム等により実現される。制御ユニット３４は、図示しないスイッチ等からの信号を受信する。そして、受信した信号に応じて、光源２、ＤＭＤ６、可動ミラー８に各種の制御信号を送信する。

（作用効果）
上記のように構成することで、ＨＵＤ装置１は、ＨＵＤ装置として画像をドライバーに視認させる一方で、車両用灯具として車両Ｃ前方に配光パターンを形成することを可能とする。光源２から出射された光をリフレクター４で反射させてＤＭＤ６に導き、可動ミラー８を用いて、車内画像表示を行う第１投影レンズ１０と、車外へと光を導く第２投影レンズ１６とへ、光の方向を切り替え導くことで、二つの機能の光源、リフレクター、及び画像形成装置を共有化する。これによりＨＵＤ装置と車両用灯具を別々に設ける場合と比較して、部品数削減と省スペースを実現した。これらの構成要素が１つの筺体内に配置されることで、省スペース、小型化が図れる。

ＨＵＤ装置１が画像を表示するＨＵＤ表示領域Ｒｅは、フロントガラス１４の所定領域であり、灯具としての配光もフロントガラス１４を通して車外に照射し行っている。本実施形態のように構成することで、通常よりも車両Ｃの前面を覆うようにフロントガラス１４を配置することができ、未来的なデザインに対応でき、ＨＵＤ装置１を車内に光学的にも構造的にも効率良く配置できる。

光源２の出力を調整することで、フロントガラス１４に投影される画像と、車両前方に配光される配光パターンの明るさに差をつけることが可能である。車内へ照射する場合は視認できる程度に出力を抑え眩しさを低減させ、車外に照射する場合は出力を高くし良好な視界を確保することができ、快適な運転環境を提供できる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構造を示す鉛直断面図である。第１の実施形態と同様または対応する構成要素については同一の符号を付すとともに、重複する説明は適宜省略する。

本実施形態のＨＵＤ装置１Ａは、可動ミラー８と第１投影レンズ１０との間に共役用レンズ１８、カラーフィルター２０をさらに備える他は、第１の実施形態同様の構成である。

図３は、ＤＭＤ６、共役用レンズ１８、及びカラーフィルター２０の関係を、図４は、（ａ）がカラーフィルター２０、（ｂ）がＤＭＤ６の各素子を、それぞれ説明する拡大概略説明図である。

ＤＭＤ６は、前述のように、多数のマトリクス状に配置されたマイクロミラー７を備え、それぞれのマイクロミラー７で光を反射する／しないを選択することで、１つのマイクロミラー７を表示素子の１画素として画像を形成する。

カラーフィルター２０は、三色以上（例えば赤／緑／青や、シアン／マゼンダ／イエロー等）の素子２２が規則的にマトリクス状に配置された構成を有する。最低１つずつの三色を含んだ複数の素子２２の集合を１つのユニット（カラーユニット２３）とする。各素子２２を通過する光の量は図示しない制御ユニット３４により制御され、各カラーユニット（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…）の三色の混合比率を制御することで、カラーユニットごとに白色、または混色光を形成する。

共役用レンズ１８は、カラーフィルター２０とＤＭＤ６との間に配置され、ＤＭＤ６の１要素（マイクロミラー７）が１つの素子２２に対応するよう、入射したＤＭＤ６からの光を拡大又は縮小してカラーフィルター２０に投射する。

具体的な各部の１要素に係る作用は以下の通りである。ＤＭＤ６右下に位置するマイクロミラー７ａで反射した光は共役用レンズ１８を通過し、カラーフィルター２０の左上に配置されるカラーユニット２３ａを構成する第一色の素子２２αに入射する。マイクロミラー７ｂで反射した光は共役用レンズ１８を通り、カラーユニット２３ａを構成する第二色の素子２２βに入射する。同様にマイクロミラー７ｃの反射光は第三色の素子２２γに入射する。これらのカラーユニット２３ａの光は混色光として出射する。共役用レンズ１８により、ＤＭＤ６のマイクロミラー７から出射した各光はカラーフィルター２０の対応する素子２２に入射する。各マイクロミラー７の反射光量を変えることで素子の発色は制御される。１つのカラーユニット２３を１画素として、カラーフィルター２０を出射した光はカラー画像を形成する。即ち、ＤＭＤ６で形成されたモノクロ画像光は共役用レンズ１８を通りカラーフィルター２０を通過することでカラー化する。

上記のように構成することで、ＨＵＤ装置１Ａはカラー画像をＨＵＤ表示領域Ｒｅに投影することを可能とした。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係るＨＵＤ装置の概略構造を示す鉛直断面図である。第１の実施形態と同様または対応する構成要素については同一の符号を付すとともに、重複する説明は適宜省略する。

本実施形態のＨＵＤ装置１Ｂは、光源ユニット２４と、走査機構２８と、リフレクター２６と、制御ユニット３４と、第1投影レンズ１０と、第２投影レンズ１６を灯室Ｓ内に備える。

（光源ユニット２４）
図６は、光源ユニット２４の側面図である。なお、図６では、光源ユニット２４の筺体内部を透視して示している。光源ユニット２４は、ＲＧＢレーザーユニットであり、赤レーザー光を出射する第１光源３５、緑レーザー光を出射する第２光源３６、及び青レーザー光を出射する第３光源３７が、それぞれ基板を介して支持台３８に固定されている。光源ユニット２４は、光源（３５、３６、３７）からの各出射光を各集光レンズ（４０、４１、４２）により平行光として集光し、各ダイクロイックミラー（４５、４６、４７）に入射して、ダイクロイックミラー（４５、４６、４７）を通過させることでＲＧＢ合成し、そのレーザー光Ｂ２は、各単色光あるいは混色光あるいは白色光を形成可能である。光源ユニット２４は、各光源（３５、３６、３７）の出力を制御ユニット３４に制御され、レーザー光Ｂ２の照射強度は制御されている。なお、光源ユニット２４の光源は、各光源（３５、３６、３７）によるＲＧＢの３光源を有する光源に限られず、単体の白色光源を備えること、または、ＲＧＢに橙色レーザーダイオードを追加した４光源を備えること、または、青色レーザーダイオードの出射光を黄色の蛍光体に通過させる構成を備えることにより、励起で白色を発生するものであってもよい。また、各光源（３５、３６、３７）は、レーザーダイオード以外の他のレーザーであってもよい。

本実施形態の光源ユニット２４は、支持台３８がヒートシンクを兼ねており、灯室Ｓ内の温度上昇を避けるため、支持台３８のヒートシンク部分が筺体１２の孔部１２ｃより灯室Ｓ外となるように配置され、筺体１２に取り付けられている。

（走査機構２８）
図７は、走査機構２８の斜視図である。走査機構２８は、２軸方向に傾動可能な反射鏡を有するスキャンデバイスである。本実施形態では、一例としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを採用している。

走査機構２８は、ベース５７、第１回動体５８、第２回動体５９、第１トーションバー５０、第２トーションバー５１、一対の第１永久磁石５２、一対の第２永久磁石５３、および端子部５４を有する。第２回動体５９は、板状に形成された反射鏡であり、第２回動体５９の前面には、銀蒸着やスパッタリング処理などによって反射面５６が形成される。

板状の第１回動体５８は、第１トーションバー５０によって左右（Ｙ軸周り）に回動可能に支持されて、第２回動体５９は、一対の第２トーションバー５１によって上下（Ｘ軸周り）に回動可能な状態で第１回動体５８に支持される。一対の第１永久磁石５２及び一対の第２永久磁石５３は、ベース５７において一対の第１および第２トーションバー（５０、５１）の延びる方向にそれぞれ設けられる。一対の第１及び第２回動体（５８、５９）にはそれぞれ端子部５４を介して通電される第１および第２のコイル（図示せず）が設けられている。不図示の第１および第２のコイルは、制御ユニット３４によってそれぞれ独立した通電制御をされる。

第１回動体５８は、第１コイル（図示せず）への通電オンまたはオフに基づいて第１トーションバーの軸線（Ｙ線）回りに往復傾動し、第２回動体５９は、第２コイル（図示せず）への通電のオンまたはオフに基づいて第２トーションバー５１の軸線（Ｘ軸）回りに往復傾動する。反射面５６は、第１又は第２コイル（図示せず）への通電に基づいて上下左右に傾動して、光Ｂ２を反射させる。

本実施形態では一例としてＭＥＭＳミラーを採用しているが、走査機構２８には、ガルバノミラーや、光源からの光を反射しながら回転軸を中心に一方向に回転する回転リフレクタ（特開２０１６−１９５１２９）など、多彩な公知の走査機構を採用できる。

制御ユニット３４は、光源ユニット２４の各光源の出力、走査機構２８の各コイルの通電を制御する。本実施形態では制御ユニット３４は灯室Ｓ内に配置されているが、灯室Ｓ外に配置されてもよい。リフレクター２６は走査機構２８の走査光を第２投影レンズ１６に反射するよう配置されている。

光源ユニット２４と走査機構２８は、光源ユニット２４から出射された光Ｂ２が反射面５６でリフレクター２６にも第1投影レンズ１０にも反射可能な位置に配置されている。走査機構２８は、反射面５６の往復回動により光Ｂ２でリフレクター２６表面（反射面）、あるいは第1投影レンズ１０入射面を走査する。

走査機構２８は、リフレクター２６表面を走査する場合、路面に描写される描写パターンに係る領域を光Ｂ２で走査する。リフレクター２６で走査された光は、リフレクター２６で反射して第２投影レンズ１６を介し、車両前方に描写パターンとして照射される。

なお、制御ユニット３４は、走査機構２８による光Ｂ２での走査に合わせて、光源（３５、３６、３７）のレーザー光の出射を制御してもよい。例えば、走査機構２８は、描写パターンに係る領域よりも広い範囲で反射面５６を回動させる。そして、制御ユニット３４は、反射面５６の回動位置が、形成すべき描写パターンに係る領域と対応する位置にあるとき各光源（３５、３６、３７）を点灯させる。このような制御によっても、車両Ｃ前方には所定の描写パターンを形成することができる。

図８は、ＨＵＤ装置１Ｂによって形成される描写パターンの一例である描写パターンＥ１にかかる点灯領域Ｅ１’を示す図である。点灯領域Ｅ１’はリフレクター２６の反射面に形成される。

本実施形態に係るＨＵＤ装置１Ｂの走査機構２８は、矩形の走査範囲ＳＡ内をレーザー光Ｂ２で走査可能である。制御ユニット３４は、走査機構２８の走査位置が点灯領域Ｅ１’内である場合に、各光源（３５、３６、３７）からのレーザー光を出射させ、点灯領域Ｅ１’外にある場合に、各光源からのレーザー光の出射を停止させる。線像を上下に積層された点灯領域Ｅ１’は、リフレクター２６で反射し、第２投影レンズ１６及びフロントガラス１４を通過して、車両Ｃ前方の路面に照射される。第２投影レンズ１６の焦点はリフレクター２６の表面（反射面）に設定されており、点灯領域Ｅ１’はリフレクター２６で左右反転され、さらに第２投影レンズ１６を介して上下左右反転されて車両Ｃ前方に投影され、路面に描写パターンＥ１が描写される。（図９参照）。

また、走査機構２８は、反射面５６の回動により光Ｂ２を第１投影レンズ１０入射面に向かって走査させることも可能である。この場合、運転情報を示す種々の画像を上記と同様に光Ｂ２の線像として形成し、第１投影レンズを介し、フロントガラス１４のＨＵＤ表示領域Ｒｅに投影される。フロントガラス１４に投影される画像は、アイレンジＥＲにおいて車両前方に形成された虚像となり、トライバーに視認される。

上記のように構成することで、本実施形態のＨＵＤ装置１Ｂでは、１つの光源を用いてＨＵＤ装置として画像をドライバーに視認させる一方で、路面描写装置として車両Ｃ前方の路面に描画パターンを形成することを可能とする。これによりＨＵＤ装置と路面描画装置を別々に設ける場合と比較して、部品数削減と省スペースを図ることができる。

（変形例）
ＨＵＤ装置１Ｂは走査機構２８で配光パターンを形成し灯具として使用してもよい。図１０はＨＵＢ装置１Ｂによって形成される配光パターンの一例を示す図である。走査機構２８は、ロービーム用配光パターンＬａに係る点灯領域Ｌａ’よりも広い走査範囲ＳＡを光Ｂ２で走査する。制御ユニット３４の光源ユニット２４の点灯制御により、点灯領域Ｌａ’に積層された線像はリフレクター２６で反射し、第２投影レンズ１６及びフロントガラス１４を通過して車両Ｃ前方に照射され、カットオフラインＣＬを有するロービーム用配光パターンＬａが形成される。同様にＤＭＤ６を画像描画に使用してもよい。

上記実施形態ではＨＵＤ装置に灯具あるいは描画装置としての役割も可能として光源を共有化できたが、標識灯や室内灯など、他の発光装置の光源との共有化を図ることも可能である。

自車両及び自車両周囲の情報を各種センサにより取得し、ＤＭＤ６または走査機構２８を用いて運転手または歩行者等の他者に対して、情報通知や警告するよう構成してもよい。例えば、図１１のように、制御ユニット３４が取得した情報から自車両の状況を判断し、歩行者が左からくる旨の情報を示す矢印や、歩行者が飛び出すおそれのある交差点までの距離を示す描画パターンＥ２、あるいは、歩行者１０１に車両Ｃが交差点に直進することを通知するため止まれと警告を示す描画パターンＥ３を交差点に表示するよう構成してもよい。歩行者やドライバーに運転に関する情報を表示することで、運転手または歩行者等の他者に対して、情報通知や警告を行うことができる。光源を１つとして二つの機能を有し、２装置設けるより部品数の削減と省スペースが図れる。

以上、実施の形態を基に本発明を説明した。これらの実施形態は例示であり、各構成要素や組み合わせにいろいろな変形例があること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１、１Ａ、１Ｂ ＨＵＤ装置
２ 光源
４ リフレクター
６ ＤＭＤ
７ マイクロミラー
８ 可動ミラー
８ａ 回転軸
８ｂ ミラー
１０ 第１投影レンズ
１２ 筺体
１２ａ 開口部
１２ｂ 透光カバー
１２ｃ 孔部
１４ フロントガラス
１６ 第２投影レンズ
１８ 共役用レンズ
２０ カラーフィルター
２２ 素子
２３ カラーユニット
２４ 光源ユニット
２６ リフレクター
２８ 走査機構
２８ 光源ユニット
３４ 制御ユニット
３５ 第１光源
３６ 第２光源
３７ 第３光源
３８ 支持台
３９ 集光レンズ
５０ 第１トーションバー
５１ 第２トーションバー
５２ 第１永久磁石
５３ 第２永久磁石
５４ 端子部
５６ 反射面
５７ ベース
５８ 第１回動体
５９ 第２回動体
１０１ 歩行者
Ｂ２ 光
Ｃ 車両
ＣＬ カットオフライン
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３ 描写パターン
Ｅ１’ 点灯領域
ＥＲ アイレンジ
Ｌａ ロービーム用配光パターン
Ｌａ’ 点灯領域
Ｍ１ 画像
Ｒｅ 表示領域
Ｓ 灯室
ＳＡ 走査範囲

Claims (6)

1. 車両に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置であって、
   光源と、
   前記光源の光をヘッドアップディスプレイ装置の車内用表示領域へ導く第１の光学手段と、
   前記光源の光を車外へと導く第２の光学手段とを備える、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記光源の光は、可動リフレクターにより前記二つの光学手段に向けて切り替えて導かれるよう構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記光源、前記第1の光学手段、及び前記第２の光学手段が、同一の筺体内に納められる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記車内用表示領域は前記車両に設けられた窓であり、前記第２の光学手段を経た光は前記窓を通過して車外へ導かれる、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記第２の光学手段を用いて描画パターンを車外に形成する描画装置を備える、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 入力された光をカラー化するカラー化手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。