JP7387468B2

JP7387468B2 - ヘッドマウントディスプレイ

Info

Publication number: JP7387468B2
Application number: JP2020014022A
Authority: JP
Inventors: 嵩鳥居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: US11624478B2; US11920730B2; JP2024019184A; JP2021121064A; US20240167621A1; US20230213144A1; US20210239265A1

Description

本発明は、ユーザの頭部に装着する装着部を備え、前記ユーザに対して画像を表示するヘッドマウントディスプレイに関する。

頭部に装着する頭部装着装置の一つに、ヘッドマウントディスプレイ（以後、ＨＭＤ（Head Mounted Display）と呼ぶ）がある。ＨＭＤは、仮想現実（ＶＲ：Virtual Reality）や拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）を体感するデバイスの一つとして利用される。
頭部装着装置は、頭部に装着するためのリング状の装着部を備えている。頭部装着装置を着脱しやすくし、また、多種多様な頭部形状に対応するために、装着部に周長可変機構を持たせることが求められている。

特許第６５２９２８８号公報米国特許第１０２５１２８９号明細書

特許文献１には、装着部が外ベルト及び内ベルトを有し、内ベルトの一部が外ベルトの内部に挿入される構成が開示されている。内ベルトが外ベルトから抜ける方向へ動かないようにする抜け止め機構を備え、所定の操作により抜け止めを解除できるようになっている。
しかしながら、特許文献１では、頭部にＨＭＤを保持するための保持力を少し弱めるために、装着部の周長をわずかに拡大させるという微調を行うことができない。そのため、ユーザが使い勝手の悪さを感じるおそれがある。

特許文献２には、ラックアンドピニオンとラッチ機構を組み合わせた周長可変機構が開示されている。
しかしながら、特許文献２では、ダイアル操作でしか装着部の周長を拡大させることができず、最大周長にするには、ダイアルを回し続ける必要があった。そのため、ユーザが使い勝手の悪さを感じるおそれがある。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、装着部の周長可変機構を使い勝手の良いものにすることを目的とする。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、ユーザの頭部に装着する装着部を備え、前記ユーザに対して画像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、前記装着部は、複数のラックを有する第１のハウジングと、前記複数のラックのそれぞれと噛み合うピニオンと、第１の方向に発生させる保持力の上限よりも第２の方向に発生させる保持力の上限のほうが弱いトルクリミッタと、前記トルクリミッタを挿通し、前記ピニオンと一体回転するように前記ピニオンに連結するピニオンシャフトと、を有する第２のハウジングと、を備え、前記トルクリミッタは、前記ピニオンシャフトに対して前記保持力を発生させ、前記保持力の上限を下回る力が前記トルクリミッタに加えられた場合、前記ピニオン及び前記ピニオンシャフトが回転せずに前記装着部の周長が変化せず、前記保持力の上限を上回る力が前記トルクリミッタに加えられた場合、前記ピニオン及び前記ピニオンシャフトが回転して前記装着部の周長が変化し、前記第１の方向が周長拡大方向に対応し、前記第２の方向が周長縮小方向に対応する、ように配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、装着部の周長可変機構を使い勝手の良いものにすることができる。

第１の実施形態に係るＨＭＤを示す斜視図である。第１の実施形態に係るＨＭＤにおいて装着部に対して表示ユニットを動かした状態を示す図である。第１の実施形態に係るＨＭＤの装着部を示す平面図である。第１の実施形態に係るＨＭＤの第１のハウジングを示す斜視図である。第１の実施形態に係るＨＭＤの第２のハウジングを示す分解斜視図である。第１の実施形態に係るＨＭＤの装着部の断面構成を示す図である。第２の実施形態に係るＨＭＤの装着部の断面構成を示す図である。第３の実施形態に係るＨＭＤの装着部を示す平面図である。第３の実施形態に係るＨＭＤのインナーとピニオンとの係合構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
実施形態では、本発明を適用した頭部装着装置の例としてＨＭＤを説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るＨＭＤ１を示す斜視図である。ＨＭＤ１は、頭部に装着するためのリング状の装着部１００と、表示部である表示ユニット２００とを備える。なお、以下の説明において上下、左右、前後の方向は、ユーザがＨＭＤ１を装着した状態を基準とする方向をいう。

装着部１００は、そのフロント部分で表示ユニット２００を吊り下げるように支持する。装着部１００はケーブルガイド１０１Ｆ、１０１Ｂを備え、ケーブルガイド１０１Ｆ、１０１Ｂにより、表示ユニット２００に接続するケーブル２０１をユーザの後背側にガイドする。

表示ユニット２００は、表示素子と、表示光学系とにより、表示素子の拡大虚像をユーザの眼に導光する。これにより、ユーザは現実世界と異なる画像を眼前で観察し、ＶＲを体感することができる。表示素子はＥＬパネルやＬＣＤ等が適用できるが、これらに限られない。
また、表示ユニット２００は、ユーザの眼前を撮像する複数のカメラ２０２を備えていてもよい。カメラ２０２の現実画像に対してＣＧ（Computer Graphics）等が重畳された画像を表示することで、ユーザは現実世界がＣＧ等で拡張された画像を観察し、ＡＲを体感することができる。撮像した現実画像にＣＧ等を重畳するのは、表示ユニット２００により実現される構成でも、ケーブル２０１を介して接続される不図示の外部装置により実現される構成でもよい。

装着部１００は、表示ユニット２００を上下にシフト可能に支持し、表示ユニット２００を上下にシフトさせるダイアル１０３を備える。また、装着部１００は、回動保持部１０２を介して、表示ユニット２００をチルト可能に支持する。図２に、装着部１００に対して表示ユニット２００を動かした状態を示す。図２（ａ）は、表示ユニット２００を上方にシフトさせた状態を示し、図２（ｂ）は、表示ユニット２００を下方にシフトさせた状態を示す。また、図２（ｃ）は、表示ユニット２００を上方向にチルトさせた状態を示す。このように、装着部１００に対して表示ユニット２００を可動にすることで、ＨＭＤ１の使い勝手を良くすることができる。

次に、装着部１００の構成について詳細に説明する。装着部１００は、以下に詳述するように、周長を拡大及び縮小させる周長可変機構を備える。
図３は、装着部１００を示す平面図である。矢印Ｄ₁で示す方向を周長拡大方向と呼び、矢印Ｄ₂で示す方向を周長縮小方向と呼ぶ。

図３に示すように、装着部１００は、フロント部分及びサイド部分を構成する第１のハウジング１０４と、リア部分を構成する第２のハウジング１０５とを組み合わせることによりリング状に構成される。図４は、第１のハウジング１０４を示す斜視図である。また、図５は、第２のハウジング１０５を示す分解斜視図である。

第１のハウジング１０４のフロント部分の内周面に頭部接触部材１０６が設けられ、また、第２のハウジング１０５の内周面に頭部接触部材１０７が設けられる。頭部接触部材１０６、１０７は、スポンジ等の材質から構成される。また、頭部接触部材１０６、１０７は、頭部にＨＭＤ１を保持するための保持力を高めるために、摩擦係数の高い材質で覆われていてもよい。また、装着部１００のフロント部分やリア部分は高い剛性を有しており、装着部１００の周長が変化しても頭部にならわない。そのため、装着部１００は、頭部接触部材１０６、１０７以外の部位では、頭部を圧迫しない。これにより、ユーザが接触や圧迫により不快感を覚える部位を避けることができる。

図４に示すように、第１のハウジング１０４は、樹脂等により湾曲する帯状に成形されており、両側で延伸するバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒを有する。バンド部１０８Ｌ、１０８Ｒは可撓性を有し、バンド部１０８Ｌ、１０８Ｒにはラック１０８ａが構成されている。これらバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒを第２のハウジング１０５の両側から内側に挿入して、ラック１０８ａを第２のハウジング１０５内に設けられたピニオン１１４を噛み合わせる。

図５に示すように、第２のハウジング１０５は、内周面側を構成するインナー１０９と、外周面側を構成するアウター１１０とを備え、樹脂等により湾曲する帯状に成形されている。第２のハウジング１０５の両側には開口部１１１Ｌ、１１１Ｒが構成され、これら開口部１１１Ｌ、１１１Ｒに第１のハウジング１０４のバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒをそれぞれ挿入することができる。

また、インナー１０９とアウター１１０との内側には、左右一対のコロ１１２及びシャフト１１３と、ピニオン１１４と、トルクリミッタ１１５とが配設される。
コロ１１２及びシャフト１１３は、インナー１０９の両側に取り付けられ、開口部１１１Ｌ、１１１Ｒから挿入されるバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒに対して転がり抵抗を生じさせる。
ピニオン１１４及びトルクリミッタ１１５は、第２のハウジング１０５の中央部において同軸上に配置される。ピニオン１１４は、開口部１１１Ｌ、１１１Ｒから挿入されるバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒのラック１０８ａが噛み合う。本実施形態では、ピニオン１１４が本発明でいう係合部に相当する。

アウター１１０には、ダイアル型の操作部材１１６が設けられる。操作部材１１６に設けられたピニオンシャフト１１７が、トルクリミッタ１１５を挿通して、ピニオン１１４に一体回転するように連結する。ピニオン１１４とトルクリミッタ１１５との間においてピニオンシャフト１１７に抜け止め用のリング１１８が装着され、ピニオンシャフト１１７が軸方向に移動することを規制する。

図６に、図３のVI－VI線の断面構成を示す。ピニオン１１４の上部にバンド部１０８Ｌのラック１０８ａが噛み合い、ピニオン１１４の下部にバンド部１０８Ｒのラック１０８ａが噛み合う。これにより、装着部１００は周長拡大及び周長縮小可能なリング状に構成される。例えば第１のハウジング１０４及び第２のハウジング１０５のうちのいずれか一方を手で押さえ、装着部１００の周長を拡大又は縮小させるように他方に力を加える操作（以下、操作Ａと呼ぶ）を行う。操作Ａを行うことにより、バンド部１０８Ｌ、１０８Ｒのラック１０８ａからピニオン１１４を回転させるトルクが発生して、装着部１００の周長が変化する。

ここで、トルクリミッタ１１５は、ピニオンシャフト１１７に対して、静止摩擦力を利用した保持トルクを発生させており、最大静止摩擦力のときの保持トルクを上限として、装着部１００の周長の変化に対する保持力を発生させる。そして、最大静止摩擦力を上回る操作Ａにより、上述したようにバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒのラック１０８ａからピニオン１１４を回転させるトルクが発生して、ピニオン１１４及びピニオンシャフト１１７が回転し、装着部１００の周長が変化する。操作Ａにより、装着部１００の周長の粗調及び微調が双方向（周長拡大方向Ｄ₁及び周長縮小方向Ｄ₂）に可能である。

次に、ＨＭＤ１を着脱するときの動作を説明する。
ＨＭＤ１を頭部に装着するときは、操作Ａを行って装着部１００の周長を例えば最大周長まで拡大させ、装着部１００の中に頭部を入れる。そして、操作Ａを行って装着部１００の周長を頭部周長と略一致するまで縮小させる。頭部にＨＭＤ１を保持するための保持力を微調したい場合は、操作Ａを行って装着部１００の周長をわずかに拡大又は縮小させればよい。
ＨＭＤ１を取り外すときは、操作Ａを行って装着部１００の周長を拡大させる。なお、第１のハウジング１０４を両手で押さえつつ、後頭部で第２のハウジング１０５を押し拡げるという操作でも、装着部１００の周長を拡大させることができる。
このようにリリースボタン等の所定の操作が不要で、直感的な操作で装着部１００の周長を変化させることができる。

また、装着部１００は、ダイアル型の操作部材１１６を備える。トルクリミッタ１１５の保持トルクを上回るトルクで操作部材１１６を回転させると（以下、操作Ｂと呼ぶ）、ピニオン１１４が回転する。これにより、ピニオン１１４からバンド部１０８Ｌ、１０８Ｒを動かす力が発生することになり、装着部１００の周長がわずかに変化する。本実施形態では、操作部材１１６が時計回りに回転することで装着部１００の周長が縮小し、反時計回りに回転することで装着部１００の周長が拡大するように設定されている。このように、操作部材１１６を使用する操作Ｂにより、操作Ａよりも直感的に微調しやすくなる。

以上述べたように、トルクリミッタ１１５の保持トルクを上回る操作Ａ及び操作Ｂにより、直感的な操作で、装着部１００の周長の粗調及び微調が双方向（周長拡大方向Ｄ₁及び周長縮小方向Ｄ₂）に可能となる。

本実施形態では、トルクリミッタ１１５により、装着部１００の周長拡大方向Ｄ₁及び周長縮小方向Ｄ₂に対して保持力を発生させるようにしたが、頭部にＨＭＤ１を保持するようにするには、周長拡大方向Ｄ₁に対して保持力を発生させて、周長の拡大を防ぐようにすればよい。したがって、トルクリミッタ１１５は周長縮小方向Ｄ₂に対しては保持力を発生させないワンウェイ機能を備えるようにしてもよい。この場合、装着部１００の周長縮小方向Ｄ₂の保持力が弱いので、着脱フローを簡便に行うことができる。
また、トルクリミッタ１１５は、保持トルクを可変にするものとしてもよい。

［第２の実施形態］
次に、図７を参照して、第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では、本発明でいう周長保持手段としてトルクリミッタ１１５を利用したのに対して、第２の実施形態では、周長保持手段として摩擦板を利用する。以下では、第１の実施形態に係るＨＭＤ１と共通の構成要素に同じ符号を付し、その説明は省略する。

図７は、図６に対応する断面図である。図６との相違として、トルクリミッタ１１５ではなく、摩擦板１１９、１２０及びバネ１２１により、静止摩擦力を利用した保持トルクを発生させている。
摩擦板１１９は、バネ１２１の付勢力によってアウター１１０に押し当てられる。摩擦板１１９は、ピニオンシャフト１１７に対して回動可能であっても、回転方向に連結されていてもよい。また、摩擦板１２０は、バネ１２１の付勢力によってピニオン１１４に押し当てられている。摩擦板１２０は、ピニオンシャフト１１７に対して回動可能であっても、回転方向に連結されていてもよい。なお、摩擦板１１９、１２０の間においてピニオンシャフト１１７に抜け止め用のリング１１８が装着される。

このようにした第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様、装着部１００の周長の変化に対する保持力を発生させることができる。
なお、摩擦板１１９、１２０がバネ１２１の付勢力によって押し当てられる相手部品は、インナー１０９でも、バンド部１０８Ｌ、１０８Ｒでもよく、装着部１００の周長の変化に対する保持力となる静止摩擦力が発生すればよい。また、摩擦板１１９、１２０は、ピニオンシャフト１１７と同軸上に配置される必要はない、装着部１００の周長の変化に対する保持力となる静止摩擦力が発生すればよい。

［第３の実施形態］
上述したように、頭部にＨＭＤ１を保持するためには、周長拡大方向Ｄ₁に対して適当な保持力を発生させればよく、周長縮小方向Ｄ₂に対する保持力は弱くてもよい。第３の実施形態として、周長縮小方向Ｄ₂に対する保持力を周長拡大方向Ｄ₁に対する保持力よりも弱くする構成例を説明する。以下では、第１の実施形態に係るＨＭＤ１と共通の構成要素に同じ符号を付し、その説明は省略する。

図８は、装着部１００を示す平面図である。装着部１００の左右の内側において、第１のハウジング１０４と第２のハウジング１０５との間に掛け渡すように弾性体１２２を取り付ける。弾性体１２２は、装着部１００の周長拡大方向Ｄ₁に対して弾性力を作用させる。すなわち、周長拡大方向Ｄ₁に対しては、トルクリミッタ１１５や摩擦板１１９、１２０及びバネ１２１による摩擦力に加えて、弾性体１２２の弾性力が保持力となる。これにより、周長縮小方向Ｄ₂に対する保持力は、周長拡大方向Ｄ₁に対する保持力よりも弱くなる。弾性体１２２は、例えばゴムやバネを用いればよい。
なお、弾性体の構成は図８に示すものに限られるものではなく、例えばインナー１０９とピニオン１１４との間に、回転方向の弾性体であるゼンマイを接続するようにしてもよい。

図９は、ピニオン１１４の回転軸方向から見た、インナー１０９とピニオン１１４との係合構造を示す模式図である。図９（ａ）は、装着部１００の周長縮小方向Ｄ₂にピニオン１１４が回転する状態を示す。図９（ｂ）は、装着部１００の周長拡大方向Ｄ₁にピニオン１１４が回転する状態を示す。ピニオン１１４には、その回転軸に対して径方向に突出する例えば複数の凸部１２４が設けられる。凸部１２４は、周長縮小方向Ｄ₂で斜面角度θ₁を有し、周長拡大方向Ｄ₁で斜面角度θ₂を有する（θ₁＞θ₂）。また、インナー１０９には、凸部１２４に対応する例えば複数の凸部１２３が設けられる。凸部１２３は、周長縮小方向Ｄ₂で斜面角度θ₂を有し、周長拡大方向Ｄ₁で斜面角度θ₁を有する。ピニオン１１４に設けられた不図示の弾性体により、凸部１２４の斜面が凸部１２３の斜面に当接する。図９（ａ）に示すように、装着部１００の周長縮小方向Ｄ₂では、ピニオン１１４が斜面角度θ₁を乗り越えるように回転する。それに対して、図９（ｂ）に示すように、装着部１００の周長拡大方向Ｄ₁では、ピニオン１１４が斜面角度θ₂を乗り越えるように回転する。θ₁＞θ₂であるので、周長縮小方向Ｄ₂に対する保持力は、周長拡大方向Ｄ₁に対する保持力よりも弱くなる。
なお、斜面角度が異なる形状は、必ずしもインナー１０９とピニオン１１４とが有する必要はなく、バンド部１０８Ｌ、１０８Ｒが有していてもよい。

周長縮小方向Ｄ₂に対する保持力を周長拡大方向Ｄ₁に対する保持力よりも弱くする構成例は、図８、図９に示したものに限られるものではない。例えば弾性体を用いるのではなく、部品形状によって、周長縮小方向Ｄ₂に対する保持力を周長拡大方向Ｄ₁に対する保持力よりも弱くする構成にしてもよい。

以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１：ヘッドマウントディスプレイ、１００：装着部、１０４：第１のハウジング、１０５：第２のハウジング、１０８Ｌ、１０８Ｒ：バンド部、１０８ａ：ラック、１１４：ピニオン、１１５：トルクリミッタ、１１６：操作部材、１１７：ピニオンシャフト、１１９、１２０：摩擦板、１２１：バネ

Claims

ユーザの頭部に装着する装着部を備え、前記ユーザに対して画像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、
前記装着部は、
複数のラックを有する第１のハウジングと、
前記複数のラックのそれぞれと噛み合うピニオンと、第１の方向に発生させる保持力の上限よりも第２の方向に発生させる保持力の上限のほうが弱いトルクリミッタと、前記トルクリミッタを挿通し、前記ピニオンと一体回転するように前記ピニオンに連結するピニオンシャフトと、を有する第２のハウジングと、を備え、
前記トルクリミッタは、
前記ピニオンシャフトに対して前記保持力を発生させ、
前記保持力の上限を下回る力が前記トルクリミッタに加えられた場合、前記ピニオン及び前記ピニオンシャフトが回転せずに前記装着部の周長が変化せず、前記保持力の上限を上回る力が前記トルクリミッタに加えられた場合、前記ピニオン及び前記ピニオンシャフトが回転して前記装着部の周長が変化し、
前記第１の方向が周長拡大方向に対応し、前記第２の方向が周長縮小方向に対応する、ように配設されていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
前記トルクリミッタは、前記第２の方向に保持力を発生させないことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記ピニオンシャフトに連結する操作部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記トルクリミッタは、静止摩擦力を利用した保持トルクを発生し、最大静止摩擦力のときの保持トルクを上限とするように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記トルクリミッタは、ワンウェイ機能を持つことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記装着部は、
前記保持力の上限を上回る力を加える操作により周長が変化するように構成され、
前記操作は、
前記ピニオンシャフトに連結する操作部材を回転させる第１の操作と、
前記第１のハウジング及び前記第２のハウジングのうち一方を手で押さえ、他方に力を加える第２の操作と、を含み、
前記操作部材の非操作時、前記複数のラック及び前記ピニオン以外の部材の噛合によって前記操作部材はロックされていないことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記装着部は、ロックをリリースするための前記ピニオンの回転軸に沿った方向における前記ピニオンに対する前記操作部材の相対移動を伴わない、前記第１の操作及び前記第２の操作を行うことにより周長が変化するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。