JP3127460B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 １） 産業上の利用分野 本発明は、自動車、鉄道車両、船舶等の乗物の操縦者
が前方外界の情景を見ながら操縦する際に、その操縦者
が見ている前方の外界の情景に種々の情報を重ねて表示
するヘッドアップディスプレイに関する。

このようなヘッドアップディスプレイを用いれば、操
縦者は一々外界から視線をそらせて計器類を見る必要が
なくなるので、外界から視線をそらせている間に生じる
不慮の事故を防ぐことができる。

２） 従来の技術 前記従来のヘッドアップディスプレイは、普通、操縦
者の視野前方にハーフミラー等のコンバイナを配置し、
そのコンバイナは外界の情景から出射した光線を操縦者
の方向に透過させるとともに操縦室内側から前記コンバ
イナに入射した速度情報やブレーキ圧情報等の情報表示
光を操縦者の方向に反射または回折させるように構成さ
れている。そして、前記情報表示光をコンバイナに入射
させる情報投光装置は、CRT、プラズマディスプレイま
たは発光ダイオードディスプレイ等の光学的情報表示手
段とこの光学的情報表示手段から出射した情報表示光を
前記コンバイナに入射させる光学部材とを備えている。
そして、前記光学部材は、普通、レンズおよび反射鏡等
から構成されており、前記情報表示光を操縦者が正面の
視野の中に視認できるように構成されている。

３） 発明が解決しようとする課題 ところで、操縦者は、外界の情景を無限遠方に視認し
ているため、前記光学的情報表示手段の表示面に表示さ
れた情報が目に近い位置に視認されると、前記外界の情
景および表示情報を見るときの目の焦点や視差角が大き
く変化する。そうすると、前記情景または情報表示光を
同時に視認するのがつらくなったり、目が疲れたりし易
くなる。そこで、前記表示面に表示された情報を操縦者
に視認させる際、前記光学部材にレンズ系を用いて遠方
に視認させるようにしたものが多く使用されている。こ
のようなものは目には楽であるが、前記表示面に表示さ
れた情報を視認できる目の位置は非常に狭い範囲に限ら
れてしまう。

一方、操縦者は、座高等の個人差により目の高さが異
なる。したがって、前述のように情報を視認できる目の
位置が狭い範囲に限定されるヘッドアップディスプレイ
では、操縦座席の高さが十分に調節できない場合、操縦
者は、操縦座席に座った状態で前記情報を充分に視認す
ることができなくなるという問題点があった。この問題
点は操縦者の目の高さに応じて前記情報表示光の光路を
縦方向（上下方向）に調節すればよい。しかしながら、
操縦者が操縦を行う際にその都度自分の目の高さに応じ
て前記情報表示光の光路を調節することは面倒である。
特に乗務員業務を一人で行うワンマン運転の場合に操縦
者が途中で交替する際等には、前記光路の調節に多くの
時間を費やすことができない場合が生じる。

本発明は前述の問題点に鑑み、操縦者によって目の高
さ位置が異なる場合に、操縦者が面倒な光路調節作業を
行わなくても、前記表示面に表示された情報を操縦者が
視認できるようにすることを課題とする。

B.発明の構成 １） 課題を解決するための手段 前記課題を解決するために、本発明のヘッドアップデ
ィスプレイは、情報が表示される表示面を有する光学的
情報表示手段と前記表示面から出射した情報表示光をコ
ンバイナに投光する光学部材とを備えた情報投光装置
と、 操縦者の前方に傾斜して設けられ、前方の外界の情景
を操縦者が視認できるように前記外界からの光線を前方
から後方に透過させるとともに、前記情報投光装置から
投光された情報表示光を視認位置に向かわせるコンバイ
ナとを備えた乗物用のヘッドアップディスプレイにおい
て、 前記情報表示光の光路を縦方向に調節する光路調節手
段と、操縦者に装着され且つ操縦者の目の位置に対して
所定の位置に配置される位置検出用の目標体と、この目
標体の位置を検出する目標位置検出手段と、この目標位
置検出手段が検出した目標体の位置に応じて前記光路調
節手段を作動させる光路調節手段作動装置とを設け、前
記目標体はマイクにより構成されたことを特徴とする。

２） 作用 前述の構成を備えた本発明のヘッドアップディスプレ
イにおいては、操縦者の目の位置に対して所定の位置に
配置される位置検出用の目標体の位置に応じて前記光路
調節手段が作動され、前記情報表示光の光路が縦方向に
調節される。すなわち、前記操縦者の目の位置に応じて
前記光路が縦方向に自動的に調節される。このため、操
縦者は自分で面倒な光路調節作業を行わなくても前記情
報表示光を視認できるようになる。

３） 実 施 例 以下、図面により本発明の第１実施例を説明する。

第1,2図において、鉄道車両１の前端部には運転室２
が設置されている。この運転室２には、左右方向の中央
部よりも左寄りの位置に操縦者Ｍ用の座席３が配設さ
れ、その座席の前方に計器盤４が配設されている。ま
た、前記運転室２の前方には鉄道車両１の車体下部５と
天井６との間にコンバイナとして利用されるフロントガ
ラスＣが配設されている。このフロントガラスＣは前方
に行くに従って下方に傾斜するように配置されている。

前記運転室２の計器盤４には、ヘッドアップディスプ
レイＨの情報情報投光装置Ｋが配設されている。情報投
光装置Ｋは、第3,4図に示すように上面にダストカバー
嵌合用孔10aおよび複数のダストカバー固定ねじ穴10bが
形成されたケーシング10を有し、このケーシング10内に
は、光学部材Ａおよび光学的情報表示手段としてのCRT
（Cathode Ray Tube、陰極線管）表示管Ｄが配設されて
いる。このCRT表示管Ｄの表示面は例えば512×512ドッ
トのピクセルに分割されており、各々のピクセルの輝度
をコントロールすることにより必要な情報（速度情報、
時刻情報等）がストローク表示、またはラスター表示等
によって表示される。

なお、前記CRT表示管Ｄの代わりに、液晶ディスプレ
イ、プラズマディスプレイまたは発光ダイオードディス
プレイ等のフラットな光学的情報表示手段を採用するこ
とも可能である。

前記光学部材Ａは、第４図に示すように凹レンズ系A
1、平面反射鏡A2、および凸レンズA3等から構成されて
いる。この凸レンズA3は、裏面側は凸面状の小径の凸レ
ンズ部A31によって形成され、表面側は平坦な大径のフ
ランジ部A32によって形成されている。そして、前記凸
レンズA3は、その小径の凸レンズ部A31の外周が前記ダ
ストカバー嵌合用孔10aに嵌合されている（第３図に示
す凸レンズA3の拡大図では、裏面の前記凸レンズ部A31
が上にして示されている。したがって、拡大図で示した
凸レンズ部A31はこれを裏返した状態で前記ダストカバ
ー嵌合用孔10aに嵌合される）。すなわち、前記凸レン
ズA3はダストカバーを兼用している。そして前記フラン
ジ部A32は、黒く着色されるとともに、取り付け用の複
数の長孔A33が形成されている。このような凸レンズA3
は、プラスチック原料を型に流し込んで成形した後、周
辺部を切削してフランジを残すことにより製作される。

前記ケーシング10には、ブラケット12,13を介して回
転軸14,15が設けられている。これらの回転軸14,15は一
直線上に配設されており、前記計器盤４の構成部材によ
って回転自在に支持されている。

前記回転軸14には、ギア16が固定されており、このギ
ア16はモータ17によって回転されるウォームギア18と歯
合している。したがって、モータ17が回転すると、前記
ケーシング10は前記回転軸14,15回りに回動するように
構成されている。

そして、前記ケーシング10は、前記CRT表示管Ｄから
出射した情報表示光Ｌを前記フロントガラスＣに入射さ
せるように配置されており、前記回転軸14,15回りに回
動されたとき前記フロントガラスＣに入射する情報表示
光Ｌの光路が縦方向（上下方向）に調節されるようにな
っている。したがって、前記符号12〜18で示された構成
要素から光路調節手段Ｂが構成されている。

前記フロントガラスＣは前記光学部材Ａから入射した
情報表示光Ｌの一部を透過させるとともにその円筒状凹
面は前記情報表示光Ｌの残部を前記操縦者Ｍに向けて反
射させるように配置されており、また外部の情景等から
入射した外部光Ｊの一部を反射するとともに残部を前記
操縦者Ｍに向けて透過させるように配置されている。

前記ケーシング10、光学部材Ａ、CRT表示管Ｄ、およ
びダストカバー11から情報投光装置Ｋが構成されてお
り、また、前記コンバイナとして機能する前記フロント
ガラスＣ、および前記情報投光装置Ｋ等からヘッドアッ
プディスプレイＨ（第１図参照）が構成されている。

第５図は前記ケーシング10の回動姿勢を制御するため
の前記モータ17の駆動回路の説明図である。

第５図において、操縦者Ｍは列車無線や車内アナウン
ス用のマイク20を装着している。前記マイク20は操縦者
Ｍの目の位置に対して略所定の位置に配置されるので、
操縦者Ｍの目の位置を検出するための目標体として使用
される。前記マイク20は、第6A図に示すような前方に向
けられた位置決めモード姿勢と第6B図に示すような操縦
者Ｍの口に面するマイクロホンモード姿勢との２つの姿
勢をとるように構成されている。前記マイク20は放送用
回路へ接続されるとともに、目標位置検出手段21に接続
されている。

目標位置検出手段21は、前記座席３（第１図参照）の
正面前方の位置に所定距離だけ離れて配置された一対の
超音波発振器22,23、およびICから構成された中央処理
装置CPUを備えている。前記中央処理装置CPUは、インタ
ーフェース（I/F）24を介して発振回路25,26を作動させ
るように構成されている。発振回路25,26は、それぞれ
アンプ27,28を介して前記超音波発振器22,23を駆動する
ように構成されている。前記発振回路25,26の作動開始
と同期してパルスカウンタ29,30が所定周期のパルス数
をカウントし始めるように構成されている。前記超音波
発振器22または23が駆動されて発振された超音波は前記
マイク20を介して同調回路31で検出される。同調回路31
からの出力信号が前記パルスカウンタ29または30に入力
されたときまでに、前記パルスカウンタ29または30がカ
ウントした前記パルス数は、インターフェース24を介し
て中央処理装置CPUに入力される。前記パルスカウンタ2
9がカウントしたパルス数は前記超音波発振器22とマイ
ク20との距離に比例しており、前記パルスカウンタ30が
カウントしたパルス数は前記超音波発振器23とマイク20
との距離に比例している。したがって、前記中央処理装
置CPUは、入力された前記パルス数に基づいて前記超音
波発振器23および24からマイク20までの距離をそれぞれ
算出することができる。たとえば、マイク20の平均的な
位置（マイク20は操縦者Ｍの座高等によってバラツキが
あるが、それらを平均した位置）を原点とし、前方にＸ
軸、左方にＹ軸、上方にＺ軸を設定した場合、前記座席
３の正面前方に配置された超音波発振器22および23の座
標位置はＸ−Ｚ平面上に在ることになる。前記超音波発
振器22および23からのマイク20迄の距離がそれぞれａお
よびｂとすると、マイク20は、前記超音波発振器22を中
心とする半径ａの球面上にあり、且つ超音波発振器23を
中心とする半径ｂの球面上にあることになる。前記半径
ａの球面上にあってしかも半径ｂの球面上のにある点
は、それらの球面が交差する位置に形成される円周上に
ある。また、前記マイク20は、前記Ｘ−Ｚ平面上にあ
る。したがって、前記マイク20は前記鉛直面と前記円周
との交点上に存在することになる。この交点の数は２点
存在するから、マイク20の位置は前記２点の中のいずれ
かである。ところが、マイク20の位置は、操縦者Ｍの座
高等によりバラツキがあるものの、その存在範囲は定ま
っているので、前記２点の座標の中の前記原点に近い側
の座標がマイク20の存在する位置であると決定すること
ができる。すなわち、前記２点の中の一方の座標は前記
超音波発振器22と23とを結ぶ直線の上方にあり、前記２
点の中の他方の座標は前記直線の下方にある。この実施
例の場合、直線の上方の点の座標が前記マイク20の位置
の座標である。

したがって、中央処理装置CPUは、前記入力されたパ
ルス数に基づいてマイク20の位置を算出することができ
る。したがって、本実施例では、前記中央処理装置CPU
と、前記符号22〜31で示された構成要素とから、マイク
（すなわち、目標体）20の位置を検出する前記目標位置
検出手段21が構成されている。

中央処理装置CPUは、検出したマイク（目標体）20の
位置に基づいて光路調節手段作動信号を算出する。この
光路調節手段作動信号はインターフェース35を介してモ
ータ駆動回路36に入力される。モータ駆動回路36は、前
記光路調節手段作動信号に基づいて前記光路調節手段Ｂ
のモータ18を駆動するように構成されている。モータ18
が作動すると、前記ケース10が前記回転軸14,15回りに
回動して、前記フロントガラスＣに入射する前記上方表
示光Ｌの縦方向の光路が調節される。本実施例では、前
記中央処理装置CPU、インターフェース35、およびモー
タ駆動回路36から光路調節手段作動装置37が構成されて
いる。

次に、前述の構成を備えた本発明の実施例の作用につ
いて説明する。

操縦者Ｍは操縦を始めるに際し、マイク20を第6A図に
示す位置決めモードとする。そして前記CPUを作動させ
ると、先ず超音波発振器22およびパルスカウンタ29が作
動する。前記超音波発振器22から発振された超音波は前
記マイク20を介して同調回路31で検出される。同調回路
31からの出力信号が前記パルスカウンタ29に入力された
ときまでに、前記パルスカウンタ29がカウントした前記
パルス数は、インターフェース24を介して中央処理装置
CPUに入力される。前記パルスカウンタ29がカウントし
たパルス数は前記超音波発振器22とマイク20との距離ａ
に比例している。次に前記超音波発振器23およびパルス
カウンタ30を作動させて、前述と同様に前記パルスカウ
ンタ30がカウントしたパルス数（すなわち、前記超音波
発振器23とマイク20との距離ｂに比例したパルス数が中
央処理装置CPUに入力される。中央処理装置CPUは、入力
された前記パルスから前記マイク20の位置（高さ）を算
出し、算出されたマイク20の位置に応じた前記ケース10
の姿勢（前記回転軸14,15回りの姿勢）を算出する。そ
して、中央処理装置CPUは、インターフェース35および
モータ駆動回路36を介して前記モータ18を駆動し、前記
ケース20を前記算出した姿勢に調節する。そうすると、
ケース20に収納された情報投光装置Ｋから出射する情報
表示光Ｌは、前記フロントガラスＣに入射する縦方向の
光路が調節され、操縦者Ｍが視認できるようになる。す
なわち、前記情報投光装置ＫのCRT表示管Ｄから出射し
た情報表示光Ｌは光学部材Ａを通過してフロントガラス
Ｃに入射する。そして、フロントガラスＣに入射した情
報表示光Ｌは、一部はフロントガラスＣを透過して外界
に出射されるが、残部は反射して操縦者Ｍの眼に至る。
これにより操縦者Ｍは情報表示光Ｌを視認することがで
きる。

一方、第１図中左側に在る外界からフロントガラスＣ
に向って進んで来た外部光線Ｊは、一部はフロントガラ
スＣで外界に反射し、残部はそのままフロントガラスＣ
を透過して直進し、操縦者Ｍの眼に至る。これにより操
縦者Ｍは外界の情景をそのまま視認することができる。

次に第７〜９図により本発明のヘッドアップディスプ
レイの第２実施例を説明する。この第２実施例の説明
中、前記第１実施例と同一の構成要素には同一符号を付
して重複する詳細な説明は省略する。

第7,8図において、電車の前端部に設けられたコンバ
イナとしてのフロントガラスＣは前方に行くに従って下
方に傾斜するように配置された平板状の透明ガラスから
構成されている。前記フロントガラスＣの下方の計器盤
４には光学部材Ａおよび光学的情報表示手段としてのCR
T（Cathode Ray tube、陰極線管）表示管Ｄが配設され
ている。前記光学部材Ａは、凹レンズA1、ミラーA2およ
び凸レンズA3等から構成されており、前記CRT表示管Ｄ
から出射した情報表示光Ｌを前記フロントガラスＣに入
射させるように配置されている。そして、前記ミラーA2
および凸レンズA3は一体的に連結されており、両部材A
2,A3から投光方向調節用光学ユニットＵが構成されてい
る。この投光方向調節用光学ユニットＵは支持部材47に
より回動可能に支持されるとともに、その回動軸まわり
の姿勢を調節する調節部材48によって姿勢が調節される
ようになっている。前記調節部材48は、モータ49と、こ
のモータ49の出力回転軸49aに形成されたネジに螺合す
るとともに前記投光方向光学用ユニットＵに支持された
ナット50とを有している。そして、モータ49の出力回転
軸49aが回転すると、前記ネジによって前記ナット50が
前進または後退し、このとき投光方向調節用光学ユニッ
トＵは回動してその姿勢が調節されるようになってい
る。前記支持部材47および調節部材48から光路調節手段
Ｂが構成されている。また、前記投光方向調節用光学ユ
ニットＵの前記支持部材47回りの回転姿勢は姿勢検出器
51によって検出されている。

前記CRT表示管Ｄおよび光学部材Ａから情報投光装置
Ｋが構成されており、また、前記コンバイナとして機能
するフロントガラスＣおよび前記情報投光装置Ｋ等から
ヘッドアップディスプレイＨが構成されている。

第９図は前記投光方向調節用光学ユニットＵの回動姿
勢を制御するための前記ステップモータ49の駆動回路の
説明図である。

第９図において、操縦者Ｍが車内アナウンス用に使用
するマイク52は、それを使用する際、操縦者Ｍの目の位
置に対して略所定の位置に配置されるので、操縦者Ｍの
目の位置を検出するための目標体として使用される。前
記目標体として使用されるマイク52は、Ｌ型のアーム53
の先端に装着されている。前記アーム53の基端部は、円
柱状に形成されており、円筒状ソケット54に出入可能に
挿入されている。そして、円筒状ソケット54の先端部に
は、前記アーム53の円筒状ソケット54への出入量、すな
わちアーム長さＲを検出するアーム長センサ55が配設さ
れている。また、前記円筒状のソケット54の基端部は、
車体に回動自在に連結されている。そして、その連結部
にはソケット54の回動位置すなわちアーム53の角度θを
検出するアーム角センサ56が配設されている。前記アー
ム長センサ55およびアーム角センサ56はエンコーダを用
いて構成されている。操縦者Ｍは前記アーム長Ｒとアー
ム角θとを調節して前記マイク52を自分の口元に持って
行くので、前記アーム長Ｒとアーム角θとから前記マイ
ク52の位置を検出することができる。操縦者Ｍの目の位
置は、前記マイク52の位置よりも所定の距離だけ上方に
あるので、操縦者Ｍの目の位置も検出することができ
る。

アーム長センサ55およびアーム角センサ56の検出信号
はインターフェース57を介して中央処理装置CPUに入力
されるように構成されている。中央処理装置CPUは入力
されたアーム長Ｒおよびアーム角θの値から前記マイク
52の位置（すなわち、目標体の位置）を算出する。した
がって、本実施例では、前記中央処理装置CPUと、前記
符号53〜57で示された構成要素とから、マイク（すなわ
ち、目標体）52の位置を検出する目標位置検出手段58が
構成されている。

中央処理装置CPUは、検出したマイク（目標体）52の
位置に基づいて光路調節手段作動信号を算出する。この
光路調節手段作動信号はD/A変換器59を介して演算増幅
器60に入力されている。この演算増幅器60には、前記投
光方向調節用光学ユニットＵの回転姿勢信号が前記姿勢
検出器51から入力されている。演算増幅器60は、入力さ
れた信号に差があるときにはその差に応じた極性の信号
をモータ駆動増幅器61に出力する。モータ駆動増幅器61
は前記演算増幅器60からの入力信号の極性に応じて前記
モータ49を正または逆方向に駆動する。このとき、前記
投光方向調節用光学ユニットＵは前記支持部材47の回動
軸回りに回動して、前記フロントガラスＣに入射する前
記上方表示光Ｌの縦方向の光路が調節される。本実施例
では、前記中央処理装置CPU、D/A変換器59、演算増幅器
60およびモータ駆動増幅器61から光路調節手段作動装置
62が構成されている。

前述の構成を備えた本発明の第２実施例は、操縦者Ｍ
が前記アーム長Ｒおよびアーム角θを調節して前記マイ
ク52を自分の口元に持ってくると、前記目標位置検出手
段、および光路調節作動手段が作動して、前記上方表示
光Ｌの縦方向の光路が自動的に調節される。そして、前
記情報表示光Ｌが操縦者Ｍの目の方向に向かうようにな
り、操縦者Ｍは情報表示光Ｌを視認することができる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記
実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記
載された本発明の要旨の範囲内で種々の設計変更を行う
ことが可能である。

例えば、前記操縦者の目の位置を検出するための目標
体として、マイク以外のものを採用することが可能であ
り、たとえば、目標体としてメガネに着脱自在な超音波
発振器を採用することが可能である。その場合、前記メ
ガネに装着した超音波発振器から発信した超音波を受信
する超音波受信器を複数箇所に配置してその受信信号か
ら前記目標体の位置を検出することができる。

C.発明の効果 本発明のヘッドアップディスプレイは、前記情報表示
光の光路を縦方向に調節する光路調節手段と、操縦者の
目の位置に対して所定の位置に配置される位置検出用の
目標体と、この目標体の位置を検出する目標位置検出手
段と、この目標位置検出手段が検出した目標体の位置に
応じて前記光路調節手段を作動させる光路調節手段作動
装置とが設けられている。したがって、前記操縦者の目
の位置に対して所定の位置に配置される位置検出用の目
標体の位置に応じて前記光路調節手段が作動され、前記
情報表示光の光路が縦方向に調節される。すなわち、前
記操縦者の目の位置に応じて前記光路が縦方向に自動的
に調節される。このため、操縦者は自分で面倒な光路調
節を行わなくても前記情報表示光を視認できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のヘッドアップディスプレイの第１実
施例の説明図で鉄道車両に適用した場合を示す図、第２
図は同第１実施例の部分平面図、第３図は同実施例の要
部の説明図、第４図は前記第３図の４−４線断面図、第
５図は同実施例のケーシング10の回動姿勢を制御するた
めのモータ18の駆動回路の説明図、第６図は前記第５図
の矢視６部分の拡大図で第６図（Ａ），（Ｂ）はそれぞ
れ異なる使用状態を示す図、第７図は第２実施例の全体
説明図、第８図は前記第７図の要部の拡大説明図、第９
図は同第２実施例の回路部分の説明図、である。 Ａ……光学部材、Ｂ……光路調節手段、Ｃ……フロント
ガラス（コンバイナ）、Ｄ……光学的情報表示手段（CR
T表示管）、Ｈ……ヘッドアップディスプレイ、Ｊ……
外部光、Ｋ……情報投光装置、Ｌ……情報表示光、Ｍ…
…操縦者、Ｕ……投光方向調節用光学ユニット 20,52……目標体（マイク）、21,58……目標位置検出手
段、37,62……光路調節作動手段、

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G09F 9/00 B60K 35/00 G02B 27/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】情報が表示される表示面を有する光学的情
   報表示手段と前記表示面から出射した情報表示光をコン
   バイナに投光する光学部材とを備えた情報投光装置と、 操縦者の前方に傾斜して設けられ、前方の外界の情景を
   操縦者が視認できるように前記外界からの光線を前方か
   ら後方に透過させるとともに、前記情報投光装置から投
   光された情報表示光を視認位置に向かわせるコンバイナ
   とを備えた乗物用のヘッドアップディスプレイにおい
   て、 前記情報表示光の光路を縦方向に調節する光路調節手段
   と、操縦者に装着され且つ操縦者の目の位置に対して所
   定の位置に配置される位置検出用の目標体と、この目標
   体の位置を検出する目標位置検出手段と、この目標位置
   検出手段が検出した目標体の位置に応じて前記光路調節
   手段を作動させる光路調節手段作動装置とを設け、前記
   目標体はマイクにより構成されたことを特徴とするヘッ
   ドアップディスプレイ。