JP2023028757A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動による画像投影位置の変動を抑制し、適切な光の照射角度を維持できる画像表示装置を提供する。【解決手段】光を照射する照射部（１０）と、磁力を発生させる第１磁力源（２１）を有し照射部（１０）からの光を投影する投影部（２０）と、磁力を発生させる第２磁力源（３１）を複数備えた磁力発生部（３０）とを備え、投影部（２０）は、第１磁力源（２１）と第２磁力源（３１）との間で生じる引力および／または斥力によって、磁力発生部（３０）から所定距離だけ離間した状態で保持されている画像表示装置（１００）。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に照射部からの光を投影部で投影する画像表示装置に関する。

近年、車両の操舵や加減速などの運転操作の一部または全部をコンピュータが担う運転支援技術や自動運転技術の開発が進んでいる。また、車両の運転操作を人間が行う手動運転においても、車両に各種センサーや通信装置を複数搭載して車両の状態や周辺状況の情報を入手して、走行時の安全性や快適性を高める走行支援技術も開発されている。

このような運転支援技術、自動運転技術または走行支援技術においては、車両の状態や周辺状況、コンピュータの運転操作状況など、得られた各種情報を運転者に計器類や表示装置を用いて提示している。従来から、各種情報を提示するためには車両内の計器類や表示装置に文字や画像を表示することが一般的であった。

しかし、車両に備えられた計器類や表示装置で情報を提示すると、運転者が視線を走行方向前方から逸して計器類や表示装置を見る必要があるため好ましくない。そこで、車両の前方からの視線移動を小さくしながらも画像情報を提示するために、車両のウィンドシールドに画像を投影して、反射した光を視認させるＨＵＤ（Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

従来のＨＵＤ装置では、画像投影部からウィンドシールドやコンバイナー等の投影面を介して投影された画像を視認し、実空間の背景と投影画像が重ね合わされる。これにより運転者は、車両外部の実空間における対象物を視認しながらも、画像投影部から投影された画像により各種情報を同一の視野範囲内で視認することができる。

特開２０１９－１１９２４８号公報

ＨＵＤ装置の投影面としてウィンドシールドを用いる場合には、部品点数を削減して表示領域を広く確保できるが、車種毎に画像投影部と投影面の光学的設計を行う必要がある。投影面としてウィンドシールドとは別にコンバイナーを設ける場合には、車種ごとの設計が不要であり、後付けで車室内に取り付けることも可能である。

しかし、車両の走行によって生じる振動がコンバイナーにも伝わるため、画像投影部から照射された光の投影方向がブレて画像位置が変動し、投影された画像の視認性が低下するという問題があった。また、アーム状の部材でコンバイナーを保持する場合にも、振動でアーム状の部材の締結が緩み、コンバイナーを同一の姿勢で保持できず、適切な光の照射角度を維持することが困難であるという問題があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、振動による画像投影位置の変動を抑制し、適切な光の照射角度を維持できる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、光を照射する照射部と、磁力を発生させる第１磁力源を備え前記照射部からの前記光を投影する投影部と、磁力を発生させる第２磁力源を複数備えた磁力発生部とを備え、前記投影部は、前記第１磁力源と前記第２磁力源との間で生じる引力および／または斥力によって、前記磁力発生部から所定距離だけ離間した状態で保持されていることを特徴とする。

このような本発明の画像表示装置では、投影部が第１磁力源と第２磁力源との間で生じる引力および／または斥力によって、磁力発生部から所定距離だけ離間した状態で保持されるため、投影部に伝達される振動を低減でき、振動による画像投影位置の変動を抑制し、適切な光の照射角度を維持できる。

また、本発明の一態様では、前記投影部の少なくとも一部が、磁気浮遊台部に保持されている。

また、本発明の一態様では、前記照射部も、前記磁気浮遊台部に保持されている。

また、本発明の一態様では、前記第１磁力源の磁力を制御して、前記投影部と前記磁力発生部の相対的な位置関係を変更する第１磁力制御部を備える。

また、本発明の一態様では、前記第２磁力源の磁力を制御して、前記投影部と前記磁力発生部の相対的な位置関係を変更する第２磁力制御部を備える。

また、本発明の一態様では、前記磁力発生部に対する前記投影部の傾斜角度を変更する。

また、本発明の一態様では、前記磁力発生部の面内方向における前記投影部の向きを変更する。

また、本発明の一態様では、前記投影部は、背面からの光を透過し、前面に照射された前記照射部からの前記光を反射するコンバイナーである。

また、本発明の一態様では、前記投影部は、透光性材料で構成され、内部で前記照射部からの前記光を導波し、光出射部から外部に対して取り出す導光部材である。

本発明では、振動による画像投影位置の変動を抑制し、適切な光の照射角度を維持できる画像表示装置を提供することができる。

第１実施形態に係る画像表示装置１００の概要を示すブロック図である。 第１実施形態に係る画像表示装置１００について示す模式斜視図である。 第１実施形態における第１磁力源２１と第２磁力源３１による磁気浮遊を説明する模式図である。 第２実施形態に係る画像表示装置１００の第２磁力源３１の配置と投影部２０の回転運動を説明する模式図であり、図４（ａ）は模式平面図であり、図４（ｂ）は第２磁力源３１に流れる電流変化を示すグラフである。 第３実施形態における第１磁力源２１と第２磁力源３１による磁気浮遊を説明する模式図である。 第４実施形態における第１磁力源２１と第２磁力源３１による磁気浮遊を説明する模式図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る画像表示装置１００の概要を示すブロック図である。図１に示すように画像表示装置１００は、照射部１０と、投影部２０と、第１磁力源２１と、第１磁力制御部２２と、磁力発生部３０と、第２磁力源３１と、第２磁力制御部３２を備えている。また、画像表示装置１００は、各部と情報通信可能に接続されて、各部を制御する制御部を備えている（図示省略）。制御部の構成は限定されないが、一例として情報処理を行うためのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Pｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や、メモリ装置、記録媒体、情報通信装置等を備えるものが挙げられる。制御部は、予め定められたプログラムに従って各部の動作を制御し、画像を含んだ情報（画像情報）を照射部１０に送出する。

照射部１０は、制御部からの画像情報に基づいて、画像を含んだ光を照射光として照射する部分である。照射部１０の具体的構成は限定されず、例えば液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、レーザ光源と光変調素子の組み合わせ等の従来公知のものを用いることができる。

投影部２０は、照射部１０から照射された照射光を視聴者の視点位置方向に投影する光学部材である。また、投影部２０は磁力を発生させる第１磁力源２１を備えている。投影部２０の具体的構成は限定されず、従来公知の光学部材を用いることができる。一例としては、背面からの背景光を透過し、前面に照射された照射部からの照射光を反射するコンバイナーを用いることができる。また他の例としては、透光性材料で構成された板状の部材を用い、板状の部材内部で照射部からの照射光を全反射させて導波し、光出射部から外部に対して取り出す導光部材を用いることができる。

第１磁力源２１は、投影部２０に備えられて磁力を発生させる部分である。第１磁力源２１としては、電磁石を用いるとしてもよく、永久磁石を用いるとしてもよい。また投影部２０に、第１磁力源２１を複数備えるとしてもよく、電磁石と永久磁石を組み合わせて用いるとしてもよい。一例としては、投影部２０が台座形状の磁気浮遊台部で保持され、第１磁力源２１が磁気浮遊台部に収容されている形態を採用することができる。また、磁気浮遊台部は投影部２０の少なくとも一部を保持するとしてもよい。さらに、照射部１０も磁気浮遊台部に保持されているとしてもよい。

第１磁力制御部２２は、第１磁力源２１の磁力を制御して、投影部２０と磁力発生部３０の相対的な位置関係を変更する部分である。第１磁力制御部２２は、制御部のＣＰＵで実行されるプログラムにより実現される機能であってもよく、別の制御回路を用いるとしてもよい。第１磁力源２１に電磁石を用いる場合には、第１磁力制御部２２は電磁石に流れる電流を制御することで、第１磁力源２１の磁力を制御することができる。また、第１磁力源２１に永久磁石を用いる場合には、第１磁力制御部２２として永久磁石の位置や向きを機械的に変更する機構を用い、投影部２０の外部における第１磁力源２１の磁力を制御するとしてもよい。

第１磁力制御部２２によって第１磁力源２１の磁力を制御することで、第１磁力源２１と第２磁力源３１との間で生じる引力または斥力が変化するため、投影部２０と磁力発生部３０との相対的な位置関係を変化させることができる。

また、第１磁力源２１に永久磁石を用いる場合には、投影部２０内での第１磁力源２１を固定し、第１磁力制御部２２を省略するとしてもよい。第１磁力源２１に永久磁石を用い第１磁力制御部２２を省略することで、投影部２０の軽量化を図り、後述する磁力発生部３０での投影部２０の保持に必要な電力を抑制することができる。

磁力発生部３０は、磁力を発生させる第２磁力源３１を複数備え、所定距離だけ離間した状態で投影部２０を保持する部分である。磁力発生部３０の第２磁力源３１で生じる磁力のバランスを制御することで、第１磁力源２１と第２磁力源３１との間で生じる引力および／または斥力によって、投影部２０に加わる重力と磁力が均衡し、投影部２０は所定の位置に保持される。

第２磁力源３１は、磁力発生部３０に備えられて磁力を発生させる部分である。第２磁力源３１は、第１磁力源２１との間に働く磁力のバランスを制御するために、電磁石を用いることが好ましい。第２磁力源３１の個数は限定されないが、投影部２０を保持するためには平面上における３点以上に配置される必要がある。

第２磁力制御部３２は、第２磁力源３１の磁力を制御して、投影部２０と磁力発生部３０の相対的な位置関係を変更する部分である。第２磁力制御部３２は、制御部のＣＰＵで実行されるプログラムにより実現される機能であってもよく、別の制御回路を用いるとしてもよい。第２磁力制御部３２は、複数の第２磁力源３１に用いられている電磁石に流れる電流を各々制御して、磁力のバランスを制御する。

第２磁力制御部３２によって第２磁力源３１の磁力を制御することで、第１磁力源２１と第２磁力源３１との間で生じる引力または斥力が変化するため、投影部２０と磁力発生部３０との相対的な位置関係を変化させることができる。

図２は、本実施形態に係る画像表示装置１００について示す模式斜視図である。図２では投影部２０として透光性材料で構成された略平板状のコンバイナーを用いた例を示している。図２に示すように、視聴者は視点位置ｅから投影部２０を介して前方に視線を向ける。照射部１０から照射された画像を含んだ照射光は、投影部２０で部分的に反射されて視点位置ｅに向かう。視聴者の視点位置ｅには、投影部２０で投影された照射光と、投影部２０の背面側からの背景光が入射し、視聴者は背景と画像を重ね合わせて視認する。

投影部２０の下部には、永久磁石が埋め込まれた第１磁力源２１が取り付けられている。投影部２０の下方には、磁力発生部３０が配置されている。複数の第２磁力源３１で生じる磁力によって第１磁力源２１と第２磁力源３１の間に斥力が生じ、重力と斥力がバランスすることで、投影部２０は磁力発生部３０から所定の距離だけ離れた位置に浮遊した状態で保持されている。

図３は、本実施形態における第１磁力源２１と第２磁力源３１による磁気浮遊を説明する模式図である。図３に示した例では、複数の第２磁力源３１ａ，３１ｂでＳ極が上向きとなる磁界を発生させ、第１磁力源２１でＳ極が下向きとなる配置を示している。第１磁力源２１には、第２磁力源３１ａとの間に生じた斥力Ｆ１と、第２磁力源３１ｂの間に生じた斥力Ｆ２が加わる。したがって、第１磁力源２１を含む投影部２０に加わる重力Ｆｇと、斥力Ｆ１，Ｆ２が均衡して、投影部２０は浮遊状態で保持される。図３ではＳ極同士間の斥力を用いた例を示したが、当然にＮ極同士を用いるとしてもよい。また、図３では説明を簡便にするために第２磁力源３１ａ，３１ｂの二つで示したが、投影部２０を安定して保持するためには、同一面内においてｎ角形の頂点位置に第２磁力源をｎ個配置することが好ましい。

図２、図３に示したように、本実施形態の画像表示装置１００では、投影部２０が磁力発生部３０から浮遊した状態で保持されていることで、車両の動作等による振動が投影部２０に直接伝わることを抑制し、ダンパーの役割を果たしている。つまり、投影部２０の表面が細かく振動することを防止し、反射された照射光が視点位置ｅから外れて進行することを抑制できる。これにより、本実施形態の画像表示装置１００では、振動による画像投影位置の変動を抑制し、適切な光の照射角度を維持できる。

また、投影部２０が磁力発生部３０から浮遊した状態で保持されるため、視覚的に斬新な印象を高めて、意匠性を向上させることができる。また、磁力によって投影部２０が保持されているため、画像表示装置１００を使用しない場合には投影部２０を容易に取り外すこともできる。また車載用途等で、意図的であると非意図的であるとに関わらず振動が生じる環境においても、摩擦や抵抗で投影部２０に外力が伝達されにくく、投影部２０の姿勢を長時間保持して画像投影を継続することができる。また、投影部２０が浮遊した状態であるため、潤滑剤等を使用せずに摩擦による摩耗を防止することもできる。また、磁力発生部３０での磁界を経時的に変化させることで、意図的に投影部２０を振動させることもできる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第２磁力制御部３２で第２磁力源３１の磁力を制御し、磁力発生部３０の面内方向における投影部２０の向きを変更する点が第１実施形態と異なっている。図４は、本実施形態に係る画像表示装置１００の第２磁力源３１の配置と投影部２０の回転運動を説明する模式図であり、図４（ａ）は模式平面図であり、図４（ｂ）は第２磁力源３１に流れる電流変化を示すグラフである。

図４（ａ）に示すように本実施形態の画像表示装置１００では、磁力発生部３０に４つの第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを配置し、その中央に投影部２０および第１磁力源２１が位置するように配置する。また、第１磁力源２１と第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの間にはそれぞれ斥力が発生する。また、投影部２０には鉄等の強磁性材料で構成された保持板が設けられている。

図４（ｂ）に示すように、各第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄには、第２磁力制御部３２から位相が１／４周期ずつ異なる周期的な電流が印加される。このとき、各第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに生じる磁界の向きが変化しないように、最小電流値ｃが正の値（ｃ≧０）となる正弦波を用いることが好ましい。

第１磁力源２１には、第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとの間に斥力が発生するため、図３で示したように斥力と重力の均衡により投影部２０は磁力発生部３０から浮遊した状態で保持される。また、第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄで発生する磁界は、図４（ｂ）に示したように経時的に変化するため、第１磁力源２１を中心として磁界の強度が回転する。これにより、投影部２０の保持板には渦電流が発生し、保持板に発生した渦電流と第１磁力源２１によってローレンツ力が発生し、投影部２０が回転運動を行う。また、各第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに定電流を印加した場合には、投影部２０の回転運動は停止する。

これにより、第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに印加される電流を制御することで、投影部２０の面内における向きを回転させて、照射光の投影方向を変更することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第２磁力制御部３２で第２磁力源３１の磁力を制御し、磁力発生部３０に対する投影部２０の傾斜角度を変更する点が第１実施形態と異なっている。図５は、本実施形態における第１磁力源２１と第２磁力源３１による磁気浮遊を説明する模式図である。

図５に示した例では、第２磁力源３１ａを投影部２０の下方に配置し、第１磁力源２１との間に斥力が生じるように同極（Ｎ極）同士を対向させる。その周囲に配置した第２磁力源３１ｂ，３１ｃでは、第１磁力源２１との間に引力が生じるように異なる極（Ｓ極）を第１磁力源２１に対向させる。この場合の第１磁力源２１には、第２磁力源３１ａとの間に生じる斥力と、第２磁力源３１ｂ，３１ｃとの間に生じる引力、および重力が働く。投影部２０は、これらの斥力と引力、重力の均衡で浮遊した状態で保持される。

図５では、第１磁力源２１と第２磁力源３１ａとを同極、第２磁力源３１ｂ，３１ｃとを異なる極で対向させた例を示したが、第１磁力源２１と第２磁力源３１ａとを異なる極、第２磁力源３１ｂ，３１ｃとを同極で対向させるとしてもよい。この場合の第１磁力源２１には、第２磁力源３１ａとの間に生じる引力と、第２磁力源３１ｂ，３１ｃとの間に生じる斥力、および重力が働く。投影部２０は、これらの斥力と引力、重力の均衡で浮遊した状態で保持される。

ここで、第２磁力源３１ｂ，３１ｃに生じる磁界が等しい場合には、第１磁力源２１との間で働く磁力も等しくなり、投影部２０を直立した状態で保持することができる。それに対して図５に示したように第２磁力源３１ｂに生じる磁界を第２磁力源３１ｃよりも小さくした場合には、第１磁力源２１との間で働く磁力のバランスが崩れる。したがって、第１磁力源２１に作用する引力、斥力および重力のバランスも崩れ、投影部２０は磁力発生部３０に対する傾斜角度が変化する。投影部３０の傾斜角度は限定されないが、大きな傾斜角度を維持するためには第１磁力源２１と第２磁力源３１ｂ，３１ｃで大きな磁力を発生させる必要があり、外部への磁力の影響や消費電力が増加するため、０度より大きく１０度以下の傾斜角度とすることが好ましい。

これにより、第２磁力源３１ａ，３１ｂ，３１ｃに印加される電流を制御することで、磁力発生部３０に対する投影部２０の傾斜角度を変更して、照射光の投影方向を変更することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第２磁力源３１の磁力線に沿って第１磁力源２１を配置し、磁力発生部３０に対する投影部２０の傾斜角度を決定する点が第１実施形態と異なっている。図６は、本実施形態における第１磁力源２１と第２磁力源３１による磁気浮遊を説明する模式図である。図６では簡便のために第２磁力源３１を一つだけ示しているが、斥力を発生して浮遊状態で保持するために用いられる複数の第２磁力源３１は図示を省略している。

投影部２０は、図示を省略した複数の第２磁力源３１と第１磁力源２１との間での斥力により、磁力発生部３０から浮遊した状態で保持される。また、第１磁力源２１の直下には別の第２磁力源３１が配置されており、図６に示すようなＮ極が上向きの磁界を発生させている。第１磁力源２１は、Ｓ極が下向きに配置されており、直下の第２磁力源３１との間で引力が生じる。ここでは第１磁力源２１のＳ極を下向きにした例を示したが、磁界の方向は逆でもよく、第１磁力源２１のＮ極を下向きにして、直下に位置する第２磁力源３１はＳ極を上向きとし、図示を省略した複数の第２磁力源３１はＮ極を上向きとしてもよい。

このとき、直下の第２磁力源３１で生じる磁界の磁力線に沿って第１磁力源２１を配置することで、磁力発生部３０に対する投影部２０の傾斜角度が決まる。これにより、簡便な構成で磁力発生部３０に対する投影部２０の傾斜角度を決定して、照射光の投影方向を設定することができる。
［参考文献］：Simon, Martin D. et al. “Spin stabilized magnetic levitation.” American Journal of Physics 65, 286-292 (1997)

（第５実施形態）
第１実施形態から第５実施形態では、投影部２０の下方に磁力発生部３０を配置して、斥力で浮遊状態を保持した例を示したが、上下を反転させて投影部２０の上方に磁力発生部３０を配置して、引力で浮遊状態を保持するとしてもよい。この場合、投影部２０の上方に第１磁力源２１を設け、第２磁力源３１は第１磁力源２１と同じ磁界の向きを発生させる。これにより、複数の第２磁力源３１で生じる磁力によって第１磁力源２１と第２磁力源３１の間に引力が生じ、重力と引力がバランスすることで、投影部２０は磁力発生部３０から所定の距離だけ離れた位置に浮遊した状態で保持される。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１００…画像表示装置
１０…照射部
２０…投影部
２１…第１磁力源
２２…第１磁力制御部
３０…磁力発生部
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…第２磁力源
３２…第２磁力制御部

Claims (9)

1. 光を照射する照射部と、
   磁力を発生させる第１磁力源を備え前記照射部からの前記光を投影する投影部と、
   磁力を発生させる第２磁力源を複数備えた磁力発生部とを備え、
   前記投影部は、前記第１磁力源と前記第２磁力源との間で生じる引力および／または斥力によって、前記磁力発生部から所定距離だけ離間した状態で保持されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記投影部の少なくとも一部が、磁気浮遊台部に保持されていることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２に記載の画像表示装置であって、
   前記照射部も、前記磁気浮遊台部に保持されていることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記第１磁力源の磁力を制御して、前記投影部と前記磁力発生部の相対的な位置関係を変更する第１磁力制御部を備えることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記第２磁力源の磁力を制御して、前記投影部と前記磁力発生部の相対的な位置関係を変更する第２磁力制御部を備えることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記磁力発生部に対する前記投影部の傾斜角度を変更することを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記磁力発生部の面内方向における前記投影部の向きを変更することを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１から７の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記投影部は、背面からの光を透過し、前面に照射された前記照射部からの前記光を反射するコンバイナーであることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１から７の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記投影部は、透光性材料で構成され、内部で前記照射部からの前記光を導波し、光出射部から外部に対して取り出す導光部材であることを特徴とする画像表示装置。
   

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