JP7188396B2 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、車両などに搭載されるヘッドアップディスプレイに関する。

ヘッドアップディスプレイは、車両に搭載され、運転者に運転に必要な情報などの種々の情報をフロントガラスなどの透過反射部を介して虚像表示する。これにより、ヘッドアップディスプレイは、車両前方の景色と重ね合わせて情報（画像）を表示することができる。運転者は、運転中に大きな視線移動を行うことなく、必要な情報を把握することができる。

画像を示す表示光は、例えば投射型表示装置により生成される。生成された表示光は、フィールドレンズにより方向が調整された後、スクリーンに画像として表示される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１７－２１３０２号公報

ヘッドアップディスプレイは車両に搭載されるため、振動する環境で使用される。このため、画像としての情報を正確に表示するためには、スクリーンやフィールドレンズを可能な限り振動させることなく保持することが課題となる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、表示画像を確実に表示することができる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。

本発明に係るヘッドアップディスプレイは、上述した課題を解決するために、表示光を投射する表示装置と、前記表示光を背面で受光して前面に表示画像を表示する薄板状のスクリーンと、前記スクリーンを保持するスクリーンホルダと、前記スクリーンホルダに保持された前記スクリーンを収容する主ホルダと、を備える。前記スクリーンホルダは、前記スクリーンの背面に対向しない前記スクリーンの側面側に設けられ前記スクリーンの面と並行する方向における前記スクリーンへの振動を緩衝する側面側緩衝部材を有する。

本発明に係るヘッドアップディスプレイにおいては、表示画像を確実に表示することができる。

本発明に係るヘッドアップディスプレイの実施形態であり、特に光学系の構成を示す説明図。 表示装置の光学系の構成を示す説明図。 スクリーンユニットの分解斜視図。 （Ａ）はスクリーンユニットの斜視図、（Ｂ）はスクリーンユニットを主ホルダの収容口側から見た図、（Ｃ）は図４（Ｂ）のC－C線に沿う断面図。 （Ａ）はスクリーンの外観を示す平面図、（Ｂ）はスクリーンホルダを示す斜視図。 （Ａ）はホットミラーおよびホットミラーパッキンの外観を示す斜視図、（Ｂ）はホットミラーパッキンの断面図。 フィールドレンズと、スクリーンおよびスクリーンホルダとが組み立てられた状態を示す斜視図。 フィールドレンズと、スクリーンおよびホットミラーの位置関係を示す説明図。

本発明に係るヘッドアップディスプレイの実施形態を添付図面に基づいて説明する。本発明に係るヘッドアップディスプレイは、例えば自動車などの車両に搭載される。本実施形態においては、本発明に係るヘッドアップディスプレイが自動車に搭載される例を用いて説明する。

図１は、本発明に係るヘッドアップディスプレイの実施形態であり、特に光学系の構成を示す説明図である。

ヘッドアップディスプレイ１（以下、ＨＵＤ１という。）は、自動車のインストルメントパネル内に配置される。ＨＵＤ１は、投射型表示装置１０と、第１平面鏡１３と、第２平面鏡１４と、スクリーンユニット１５と、第１凹面鏡１６と、第２凹面鏡１７と、ケース１８と、を主に有している。ＨＵＤ１は、投射型表示装置１０が生成した表示画像（画像）を表す表示光Ｌを、リレー光学系を構成する第１および第２平面鏡１３、１４と第１および第２凹面鏡１６、１７とで反射させ、透過反射部の一例である自動車のフロントガラス２に照射する。視認者（主に運転者）は、ＨＵＤ１が生成する画像可視領域であるアイボックス３内に視点４を置くことで、車両前方の景色（実景）と重ねて表示画像の虚像Ｖを視認することができる。

投射型表示装置１０（表示装置１０）は、表示画像に関する表示光Ｌを生成し、投射する。

第１平面鏡１３は、表示装置１０が生成し投射した表示光Ｌを反射する。第２平面鏡１４は、第１平面鏡１３が反射した表示光Ｌをさらに反射する。

スクリーンユニット１５は、第２平面鏡１４が反射した表示光Ｌを受光して画像（実像）を表示する。スクリーンユニット１５の詳細は後述する。第１凹面鏡１６は、スクリーンユニット１５から出射される表示光Ｌを第２凹面鏡１７に到達する前に上下でクロスさせる（クロス点Ｃでクロスさせる）曲率（半径の逆数）を有し、表示光を第２凹面鏡１７に向けて反射する。第２凹面鏡１７は、第１凹面鏡１６が反射した表示光Ｌをフロントガラス２に向けて反射する。

ケース１８は、表示装置１０、第１および第２平面鏡１３、１４、スクリーンユニット１５、および第１および第２凹面鏡１６、１７を収納する。ケース１８は、フロントガラス２に対向する部分に開口１８ａを有している。開口１８ａは、透光性を有する透光性カバー１９に覆われている。第２凹面鏡１７が反射した表示光Ｌは、透光性カバー１９を透過してＨＵＤ１から出射される。

図２は、表示装置１０の光学系の構成を示す説明図である。

表示装置１０は、光源２２と、光学部材２３と、光変調素子２４と、を主に有している。

光源２２は、基板に搭載されたＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。光源２２は、赤色光線Ｒを発する赤色光源２２ａと、緑色光線Ｇを発する緑色光源２２ｂと、青色光線Ｂを発する青色光源２２ｃと、である。以下、赤色光源２２ａ、緑色光源２２ｂ、および青色光源２２ｃを区別しない場合には、単に光源２２という。

光学部材２３は、ミラー４１と、ダイクロイックミラー４２、４３と、反射鏡４４と、凸レンズ４５と、プリズム４６と、投光レンズ４７と、を有している。

赤色光源２２ａから出射された赤色光線Ｒは、ミラー４１で反射し、ダイクロイックミラー４２、４３を透過する。緑色光源２２ｂから出射された緑色光線Ｇは、ダイクロイックミラー４２で反射し、ダイクロイックミラー４３を透過する。青色光源２２ｃから出射された青色光線Ｂは、ダイクロイックミラー４３で反射する。これら光線Ｒ、Ｇ、Ｂは、反射鏡４４で反射され、凸レンズ４５で配光され、プリズム４６を透過する。透過した光線Ｒ、Ｇ、Ｂは、光変調素子２４で表示光Ｌに変換される。表示光Ｌは、プリズム４６で反射され、投光レンズ４７を透過して投射（出射）される。

光変調素子２４は、例えば、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）やＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などの反射型の表示素子である。光変調素子２４は、制御基板（図示せず）と接続されており、この制御基板により制御される。

図３は、スクリーンユニット１５の分解斜視図である。

図４（Ａ）はスクリーンユニット１５の斜視図であり、（Ｂ）はスクリーンユニット１５を主ホルダ１００の収容口１０６、１０７側から見た図であり、（Ｃ）は図４（Ｂ）のC－C線に沿う断面図である。

図５（Ａ）はスクリーン６０の外観を示す正面図であり、（Ｂ）はスクリーンホルダ７０を示す斜視図である。

図６（Ａ）はホットミラー８０およびホットミラーパッキン９０の外観を示す斜視図であり、（Ｂ）はホットミラーパッキン９０の断面図である。

図７は、フィールドレンズ５０と、スクリーン６０およびスクリーンホルダ７０とが組み立てられた状態を示す斜視図である。

図８は、フィールドレンズ５０と、スクリーン６０およびホットミラー８０の位置関係を説明する説明図である。図８（Ａ）は第１凹面鏡１６との位置関係を示す説明図であり、図８（Ｂ）は第１凹面鏡１６を第３平面鏡１６０に代替した場合におけるホットミラー８０の位置関係を示す説明図である。

スクリーンユニット１５は、フィールドレンズ５０と、スクリーン６０と、スクリーンホルダ７０と、ホットミラー８０と、ホットミラーパッキン９０と、主ホルダ１００と、を有している。

フィールドレンズ５０は、表示光Ｌの方向を調整する。すなわち、フィールドレンズ５０は、所定の配光角度で表示光Ｌをスクリーン６０へ導く機能を有する。フィールドレンズ５０は、スクリーン用位置決めピン５１と、主ホルダ用位置決めピン５２と、を有している。

スクリーン用位置決めピン５１（位置決め部材）は、スクリーンホルダ７０およびスクリーン６０に対して位置決めし固定する。スクリーン用位置決めピン５１は、２個設けられている。スクリーン６０の前面６２と背面６１とを誤ってスクリーン６０およびスクリーンホルダ７０をフィールドレンズ５０に取り付けることがないよう、２個のスクリーン用位置決めピン５１は、非対称となる位置（対角線上）に設けられている。すなわち、一方のスクリーン用位置決めピン５１は短手方向の中央に設けられ、他方のスクリーン用位置決めピン５１は、短手方向の端部よりに設けられている。主ホルダ用位置決めピン５２は、主ホルダ１００に収容された場合、挿入方向奥側に位置する側面に設けられている。

スクリーン６０は、フィールドレンズ５０から出射した表示光Ｌを背面６１で受光して前面６２に表示画像を表示する。スクリーン６０は、例えばポリカーボネート樹脂であり、薄板状で柔軟性を有している。スクリーン６０は、マイクロレンズアレイ面６３と、位置決め穴６５と、を有している。マイクロレンズアレイ面６３は、基材６６に設けられた凸形状の微小レンズが複数配置された面であり、スクリーン６０の背面６１側に設けられている。位置決め穴６５は、フィールドレンズ５０のスクリーン用位置決めピン５１が貫通することにより位置決め固定される。位置決め穴６５は、フィールドレンズ５０のスクリーン用位置決めピン５１と対応する位置に設けられている。

スクリーンホルダ７０は、金属製の薄板で形成されたものであり、スクリーン６０を保持する。スクリーンホルダ７０は、前面側板バネ７１と、側面側板バネ７２と、クリップ７３と、位置決め穴７５と、を有している。

前面側板バネ７１（前面側緩衝部材）は、スクリーン６０の前面６２側でスクリーン６０の面と直交する方向において主ホルダ１００に当接するように設けられている。前面側板バネ７１は、車両の振動に伴うスクリーン６０の上下方向（図１のほぼ上下方向）の振動を緩衝する。すなわち、前面側板バネ７１は、スクリーン６０の上下方向の振動に伴う主ホルダ１００に対する当接を緩衝する。

側面側板バネ７２（側面側緩衝部材）は、主ホルダ１００から露出する側面７６（図５（Ｂ）参照）に設けられている。側面側板バネ７２は、ケース１８などのＨＵＤ１内の他の構造物に当接するように設けられている。側面側板バネ７２は、車両の振動に伴うスクリーン６０の水平方向（図１のほぼ左右方向および紙面の奥、手前方向）の振動を緩衝する。

クリップ７３は、スクリーン６０を固定する。クリップ７３は、４個設けられており、スクリーン６０の四隅の近傍でスクリーン６０を挟み込み固定する。

位置決め穴７５は、フィールドレンズ５０のスクリーン用位置決めピン５１が貫通することにより位置決め固定される。位置決め穴７５は、スクリーン用位置決めピン５１と対応する位置に設けられている。

ホットミラー８０は、スクリーン６０に表示された表示画像を透過し、かつ赤外線を反射（および吸収）する。ホットミラー８０は、面取りされた一のホットミラー側角部８１を有している。ホットミラー側角部８１は、ホットミラーパッキン９０に保持された場合、挿入方向奥側に位置する。

ホットミラーパッキン９０は、ホットミラー８０を保持する。ホットミラーパッキン９０は、例えばエチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)からなる、黒色の部材である。また、ホットミラーパッキン９０は、図６に示すように、一辺にホットミラー８０を挿入する挿入口９１を有するU字状の枠状部材である。ホットミラーパッキン９０は、スリット９２と、凸状部９３と、を有している。

スリット９２は、ホットミラーパッキン９０の内周側に設けられ、ホットミラー８０を挿入および保持する。スリット９２は、図６（Ａ）の領域Ａおよび図６（Ｂ）に示すように、ホットミラー側角部８１に対応する位置に、ホットミラー側角部８１と嵌まり合うよう面取りされたパッキン側角部９５を有している。

凸状部９３は、ホットミラーパッキン９０の主ホルダ１００から露出する側面９６に設けられている。凸状部９３は、スクリーンホルダ７０の側面側板バネ７２と同様、ケース１８などのＨＵＤ１内の他の構造物に当接するように設けられている。凸状部９３は、車両の振動に伴うホットミラー８０の水平方向の振動を緩衝する。

ホットミラーパッキン９０は、図６（Ａ）に示すように、挿入方向において肉厚が異なっている。ホットミラーパッキン９０は、肉厚、スリット９２の傾き、および後述する主ホルダ１００のホットミラー収容部１０３の収容角度を好適に設定することにより、ホットミラー８０の面をスクリーン６０の面に対して所定角度傾けて保持することができる。

主ホルダ１００は、フィールドレンズ５０、スクリーンホルダ７０に保持されたスクリーン６０、およびホットミラーパッキン９０に保持されたホットミラー８０を収容する、例えばマグネシウム合金からなる金属製の筐体である。主ホルダ１００は、レンズ収容部１０１と、ホットミラー収容部１０３と、遮蔽壁１０５と、を有している。

レンズ収容部１０１は、スクリーンホルダ７０およびスクリーン６０に対して固定された、フィールドレンズ５０を収容口１０６から収容する。レンズ収容部１０１は、フィールドレンズ５０の主ホルダ用位置決めピン５２に対応する位置決め穴１０２を有している。ホットミラー収容部１０３は、ホットミラーパッキン９０に保持されたホットミラー８０を収容口１０７から収容する。遮蔽壁１０５は、レンズ収容部１０１に収容されたスクリーンホルダ７０が、ホットミラー８０側から視認されないよう、またホットミラー８０側へ露出しないようスクリーンホルダ７０を遮蔽する。これにより、金属製のスクリーンホルダ７０が外光により反射し、表示画像が適切に表示されないことを防止することができる。

次に、スクリーンユニット１５の組立手順について説明する。

第１の工程において、スクリーン６０がスクリーンホルダ７０のクリップ７３に挿入される。このとき、スクリーン６０の位置決め穴６５と、スクリーンホルダ７０の位置決め穴７５とが、一致するように挿入される。第２の工程において、図７に示すように、フィールドレンズ５０がスクリーン６０およびスクリーンホルダ７０に取り付けられる。このとき、フィールドレンズ５０のスクリーン用位置決めピン５１は、位置決め穴６５、７５に確実に挿入されるように取り付けられる。２組の位置決め穴６５、７５およびスクリーン用位置決めピン５１は、非対称な位置に設けられているため、スクリーン６０の前面６２と背面６１とが誤った状態で組み立てられることを防止できる。

第３の工程において、図６（Ａ）に示すように、ホットミラー８０が、挿入口９１からスリット９２に沿ってホットミラーパッキン９０に挿入される。このとき、面取りされたホットミラー側角部８１が挿入方向奥側となり、かつパッキン側角部９５の位置と一致するように挿入される。これにより、ホットミラー８０の前面と背面とが誤った状態で組み立てられることを防止できる。第４の工程において、フィールドレンズ５０が主ホルダ１００のレンズ収容部１０１に収容される。このとき、図４（Ｃ）に示すように、フィールドレンズ５０の主ホルダ用位置決めピン５２が、主ホルダ１００の位置決め穴１０２に確実に挿入される。これにより、フィールドレンズ５０と、フィールドレンズ５０と一体となったスクリーン６０とが同時に主ホルダ１００に対して位置決めされる。

第５の工程において、ホットミラー８０が主ホルダ１００のホットミラー収容部１０３に収容される。なお、ホットミラー８０は、ホットミラーパッキン９０の挿入口９１側から収容口１０７に挿入される。

以上の工程により、スクリーンユニット１５は図４に示す状態に組み立てられる。

図８を参照する。図８（Ａ）に示すように、ホットミラー８０はホットミラーパッキン９０により、フィールドレンズ５０やスクリーン６０を通過する表示光Ｌの光軸ＡＸに対し第１凹面鏡１６の下側端部１６Ｄに向かうように角度θ傾斜して配置される。これにより、ホットミラー８０の裏面で反射するスクリーン６０を通過した表示光Ｌが、再び第１凹面鏡１６に向かって進むおそれが少なくなり、迷光となり難い。
また、図８（Ｂ）に示すように、第１凹面鏡１６を第３平面鏡１６０に代替した場合においては、ホットミラー８０はフィールドレンズ５０やスクリーン６０を通過する表示光Ｌの光軸ＡＸに対し第３平面鏡１６の上側端部１６０Ｕに向かうように角度θ傾斜することが好ましい。これにより、ットミラー８０の裏面で反射するスクリーン６０を通過した表示光Ｌが、再び第３平面鏡１６０に向かって進むおそれが少なくなり、迷光となり難い。つまり、ホットミラー８０を傾斜させる向きは、凹面鏡（第１凹面鏡１６）か平面鏡（第３平面鏡１６０）により逆向きとすることが好ましい。

本実施形態におけるＨＵＤ１は、上述したようなスクリーンユニット１５を有するため、表示画像を適切に表示することができる。すなわち、スクリーン６０がスクリーンホルダ７０により確実に保持されたため、スクリーン６０の振動や撓みにより不適切な画像が視認者に対して表示されることを防止することができる。特に、前面側板バネ７１および側面側板バネ７２を設けたため、車両の振動に伴うスクリーン６０の振動を緩和することができ、より適切な画像を表示することができる。

また、スクリーンホルダ７０を設けたため、樹脂であるスクリーン６０と、金属である主ホルダ１００とが直接接触しない。このため、主ホルダ１００との摩擦によりスクリーン６０が削れ、削れた粉がスクリーン６０に付着し、表示画像が適切に表示されない事態を回避することができる。すなわち、スクリーンホルダ７０は主ホルダ１００と同様金属からなるため、摩擦により削れることがない。

また、スクリーンホルダ７０に固定されたスクリーン６０と、フィールドレンズ５０を一体に組み立てた後、主ホルダ１００に取り付けるようにした。このため、スクリーン６０とフィールドレンズ５０とを個別に主ホルダ１００に位置決めする場合に比べて、組立誤差を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）
２ フロントガラス
３ アイボックス
４ 視点
１０ 投射型表示装置（表示装置）
１３ 第１平面鏡
１４ 第２平面鏡
１５ スクリーンユニット
１６ 第１凹面鏡
１７ 第２凹面鏡
１８ ケース
１８ａ 開口
１９ 透光性カバー
２２ 光源
２２ａ 赤色光源
２２ｂ 緑色光源
２２ｃ 青色光源
２３ 光学部材
２４ 光変調素子
４１ ミラー
４２、４３ ダイクロイックミラー
４４ 反射鏡
４５ 凸レンズ
４６ プリズム
４７ 投光レンズ
５０ フィールドレンズ
５１ スクリーン用位置決めピン
５２ 主ホルダ用位置決めピン
６０ スクリーン
６１ 背面
６２ 前面
６３ マイクロレンズアレイ面
６５、７５、１０２ 位置決め穴
６６ 基材
７０ スクリーンホルダ
７１ 前面側板バネ
７２ 側面側板バネ
７３ クリップ
７６、９６ 側面
８０ ホットミラー
８１ ホットミラー側角部
９０ ホットミラーパッキン
９１ 挿入口
９２ スリット
９３ 凸状部
９５ パッキン側角部
１００ 主ホルダ
１０１ レンズ収容部
１０３ ホットミラー収容部
１０５ 遮蔽壁
１０６、１０７ 収容口

Claims (4)

1. 表示光を投射する表示装置と、
   前記表示光を背面で受光して前面に表示画像を表示する薄板状で柔軟性を有するスクリーンと、
   前記スクリーンを保持するスクリーンホルダと、
   前記スクリーンホルダに保持された前記スクリーンを収容する主ホルダと、を備え、
   前記スクリーンホルダは、前記スクリーンの背面に対向しない前記スクリーンの側面側に設けられ前記スクリーンの面と並行する方向における前記スクリーンへの振動を緩衝する側面側緩衝部材を有する、
   ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記スクリーンホルダは、前記スクリーンの面と直交する方向において前記主ホルダに当接し、前記主ホルダに対する前記スクリーンの振動を緩衝する前面側緩衝部材を有する請求項１記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記スクリーンホルダは、前記スクリーンの四隅近傍を厚み方向で挟む複数のクリップを有する請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記表示光の方向を調整するフィールドレンズを備え、
   前記フィールドレンズは、前記スクリーンホルダおよび前記スクリーンホルダに保持された前記スクリーンに対して位置決めし固定するための位置決め部材を有し、
   前記主ホルダは、前記スクリーンホルダおよび前記スクリーンに対して固定された、前記フィールドレンズを収容するレンズ収容部を有する請求項１から３のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ
   

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