JP5301586B2 - ヘッドアップディスプレイのコンバイナー定位システム - Google Patents

Description

本発明は、定位(位置を固定する)システム（positioning system）に関するものであり、特に、ヘッドアップディスプレイ（head-up display, HUD）システムのコンバイナーミラー（combiner mirror）に用いる定位システムに関するものである。

ヘッドアップディスプレイまたはＨＵＤは、ユーザーが通常の視界から目を離さなくても見られるようデータを表示する透明ディスプレイである。最初は単に航空軍のために開発されたが、次第に商用航空機や自動車等にもＨＵＤが使用されるようになった。典型的なＨＵＤは、３つの主要構成要素として、コンバイナー(combiner)、プロジェクターユニット、ビデオ生成コンピュータを含む。コンバイナーは、パイロット／運転者の前に設置される半透明のミラーで、必要な情報とともに仮想画像を表示する。すなわち、パイロット／運転者は、ＨＵＤのコンバイナーを通して、航空機／自動車の前面で表示を見ることができる。コンバイナーは、凹状でも平面でもよく、通常、プロジェクターユニットから投影された単色光（monochromatic light）を反射するが他の波長の光を通過させる特殊なコーティングを有する。ある航空機では、コンバイナーは、容易に取り外したり、あるいは、飛行機の搭乗員によって邪魔にならないよう回転させたりすることができる。プロジェクターユニットは、ユーザーが見るための画像をコンバイナーに投影する。プロジェクターユニットは、コンバイナーの下にあっても、上にあってもよい。コンピュータは、必要な情報／データを提供して、表示する。

ＨＵＤのコンバイナー定位メカニズムのいくつかは、先行技術において既に知られている。米国特許出願公開第２００８／０２８５１３８Ａ１号明細書（特許文献１）において、格納式のコンバイナーが公開されている。このような動力学（kinematic）メカニズムでは、コンバイナーは、停止位置にある時に保護された筐体の中に格納される。コンバイナーは、移動可能な支持フレームに取り付けられ、停止位置と操作位置の間で置き換えが可能である。コンバイナーは、停止位置で筐体の中に格納され、操作位置で筐体の外に延伸される。

米国特許出願公開第２００９／００８６３２９Ａ１号明細書（特許文献２）において、別のコンバイナー定位メカニズムが提案されている。この案件のコンバイナー定位システムにおいて、システムは、ベースプレートを有するフレームの上に配置される。可動キャリアは、フレーム内でコンバイナーを支持し、コンバイナーが格納された位置にある時の停止位置とコンバイナーが完全に延伸された位置にある時の操作位置の間で移動することができる。可動キャリアは、ステッピングモーターに結合されたスクリュースピンドルによって駆動される。この移動は、カムと歯を備えた側壁で案内され、同期移動を駆動する。これは、コンバイナーが操作位置にある時に、コンバイナー位置の角度微調節を行う可能性も含まれる。

米国特許出願公開第２００８／０２８５１３８Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００９／００８６３２９Ａ１号明細書

しかし、コンバイナー定位システムのこのような動力学メカニズムに必要なスペースは、正確な移動を行うために多くの部品を有するため、ＨＵＤの小型化の可能性を制限する。この設計は、ダッシュボードや様々なフロントガラスに対する車製造業者の要求を満たすのに必要な柔軟性を提供しない。また、コンバイナー移動とコンバイナー調節の２つの主な機能は、互いに強く関連する。そのため、コンバイナー調節の解像度を妥協しなければ、コンバイナー移動の最高速度を上げることができない。

このように、コンバイナー定位の動力学メカニズムにとって、微調節ができることも非常に重要である。時には、コンバイナーの位置が最良の状態にない場合に、コンバイナーに表示された仮想画像を同じように簡単には読むことができない。自動車のユーザーとコンバイナー間の小さな距離や自動車のユーザー間の身体の大きさの違いが、コンバイナー定位システムの正確さの必要性をもたらすこともある。

したがって、本発明は、ヘッドアップディスプレイのコンバイナーに用いる定位システムを提供する。定位システムは、ベースの上に固定フレームを備えたケーシングの中に配置される。コンバイナーを支持するリフティングモジュール（lifting module）は、ケーシングの中に配置され、コンバイナーホルダーと、１対のコントロールディスクと、１対のレバーおよび駆動ユニットとを有する。コンバイナーホルダーは、コンバイナーに接続され、レバーは、コンバイナーホルダーおよびコントロールディスクに接続され、駆動ユニットは、コントロールディスクに接続される。駆動ユニットがコントロールディスクを駆動して回転させた時、レバーがコンバイナーホルダーとコンバイナーを動かす。リフティングモジュールは、コンバイナーが停止位置（格納位置）にある第１位置とコンバイナーが操作位置（表示位置）にある第２位置の間の第１移動、および操作位置に達した後にコンバイナーの角度微調節を行う第２移動を行うことができる。

本発明は、１対のリフティングレバーでコンバイナーを持ち上げることによって、停止位置から操作位置へコンバイナーを移動させることのできる動力学システムを提供する。レバーは、互いに向かい合い、それぞれ第１端と、第２端と、ピンとを有する。第１端は、固定フレームの上に回転可能に取り付けられる。第２端は、コンバイナーホルダーに接続される、レバーのピンは、それぞれコントロールディスクに取り付けられる。

本発明のある実施形態中、コンバイナーホルダーは、左右対称に設計され、２つの上端部と、２つのピンと、２つの下部ピンとを有する。上端部は、レバーの第２端とともにコンバイナーの底端部に固定して取り付けられる。ピンは、固定フレームに移動可能に接続される。

リフティングレバーは、それぞれコントロールディスクによって制御される。コントロールディスクは、互いに向かい合い、通常、ベースに対して垂直に配置され、それぞれ各レバーに隣接して設置される。各コントロールディスクは、コントロールディスクの本体に実装された所定のカーブスロットを有する。各レバーは、所定のカーブスロットに取り付けられたピンによってコントロールディスクに接続される。そして、リフティングレバーのピンは、所定のカーブスロットに沿って移動し、コンバイナーの移動を行うのに適している。

コントロールディスクは、駆動ユニットに回転可能に接続される。駆動ユニットは、コントロールディスク間の固定フレームの上に配置され、ウォームギア（worm gear）を備えたステッピングモーターを有する。ウォームギアは、シャフトに組み付けられ、コントロールディスクに回転可能に接続される。

コンバイナーが停止位置にある時、ステッピングモーターが起動するとすぐに、ウォームギアがコントロールディスクを駆動して回転させる。コントロールディスクが回転すると、リフティングレバーの第２端がコンバイナーとともにコンバイナーホルダーを持ち上げ、操作位置に移動する。

駆動ユニットは、さらに、第２移動に用いる１対の歯車セグメント（gear wheel segment）と、１対のギアラック（gear rack）とを有する。歯車セグメントは、コントロールディスクに接続される。ギアラックは、固定フレームのレールの上に左右対称に配置される。ギアラックは、レールの上に配置され、１自由度で動く。

リフティングモジュールが操作位置に達している間、コントロールディスクが回転し続け、リフティングレバーが所定のカーブスロットの一定曲率（constant curvature）によってその位置で保持される。同時に、歯車セグメントがギアラックと接触し、且つギアラックを駆動して下部ピンに当たるまでレールに沿って移動させ、第２移動でコンバイナーホルダーを回転させる。

コンバイナーホルダーを着実に且つ滑らかに移動させるため、１対の所定の案内スロット（guiding slot）を固定フレームの壁に設計する。コンバイナーホルダーのピンは、所定の案内スロットに移動可能に接続される。

動力学メカニズムのバックラッシュフリー（backlash free）の調節移動を提供するために、コンバイナーホルダーにバネを取り付ける。バネは、固定フレームとコンバイナーホルダーの下部ピンの間に固定して取り付けられる。

上述の一般的な説明と以下に述べる詳細な説明はともに具体例であって、特許請求されている本発明のさらなる説明を提供することを意図するものであることを理解されたい。

本発明の上記および他の特徴は、添付の図面と関連して、本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明からより理解することができるであろう。

停止位置にある時のコンバイナーを図示したものである。 操作位置にある時のコンバイナーを図示したものである。 コンバイナーの角度微調節の移動を図示したものである。 駆動ユニットを備えた動力学定位システムの側面図である。 定位システムの側面図である。

以下、添付の図面を例として、本発明の実施形態を詳細に説明する。各図面および関連説明において、同一または類似する構成要素には、同一の参照番号を使用する。

縮小しているため指は描画されておらず、これらは単に本発明を説明するために提供される。以下、説明のための適用例を参照して、本発明のいくつかの側面について説明する。理解すべきこととして、本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細、関係および方法が提供される。本発明は、多くの異なる形式で実施でき、ここで説明する実施形態に限定されると理解すべきでない。例えば、本発明は、方法またはシステムとして実施されることができる。

本発明は、ヘッドアップディスプレイのコンバイナーに用いる動力学定位システムを提供する。定位システムは、コンバイナーの第１移動と第２移動を行うことができる。第１移動は、コンバイナーが停止位置（格納位置）にある時の第１位置とコンバイナーが操作位置（表示位置）にある時の第２位置の間の移動である。第２移動は、コンバイナーが操作位置に達した後にコンバイナーの角度微調節を行う移動である。コンバイナーの角度微調節の機能は、ユーザーの目の位置の高さに応じて画面を修正する定位システム内で実施される。定位システム１００の基本的な特徴および操作を図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃに示す。図１Ａ〜図１Ｃは、停止位置、操作位置およびコンバイナーの角度微調節の移動を含むコンバイナー定位システムの特徴と操作を図示したものである。これらの図面に示したように、定位システム１００は、主に、ケーシング１１０と、リフティングモジュール１２０とを有する。停止位置において、コンバイナー１３０は、ケーシング１１０内に完全に格納される。ケーシング１１０は、ほこりや汚水、泥土等の汚染から定位システム１００の全ての部品を保護する。ケーシング１１０によって、予想外の衝撃も阻止される。定位システム１００が使用状態にある時、ケーシング１１０の内部からコンバイナー１３０が延伸する。図１Ｂに示すように、コンバイナー１３０が操作位置に完全に延伸され、使用の準備ができる。操作位置に達した後、図１Ｃに示すように、コンバイナー１３０は、角度微調節を行うことができる。

図２は、駆動ユニットを備えた動力学定位システムの側面図である。定位システム１００は、ケーシング１１０内に配置され、ベースの上に固定フレーム１１２を有する。リフティングモジュール１２０は、ケーシング１１０の中に配置され、コンバイナーホルダー１２２と、１対のコントロールディスク１２４と、１対のレバーと、駆動ユニット１２８とを有する。リフティングモジュール１２０は、コンバイナー１３０が停止位置（格納位置）にある時の第１位置とコンバイナー１３０が操作位置（表示位置）にある時の第２位置の間の第１移動、および操作位置に達した後にコンバイナー１３０の角度微調節を行う第２移動を行うことができる。

リフティングモジュール１２０は、リフティングレバー１２６でコンバイナー１３０を持ち上げることによって第１移動を行うことができる。レバー１２６は、互いに向かい合い、それぞれ第１端１２６ａと、第２端１２６ｂと、ピン１２６ｃとを有する。第１端１２６ａは、固定フレーム１１２の上に回転可能に取り付けられ、第２端１２６ｂは、コンバイナーホルダー１２２に接続される。図１Ａおよび図１Ｂからわかるように、コンバイナー１３０が停止位置から操作位置に移動すると、レバー１２６の一端（１２６ａ）はそのまま残り、もう一端（１２６ｂ）はケーシング１１０の開口に近づくように移動する。

コンバイナーホルダー１２２は、左右対称に設計され、１対の上端部１２２ａと、１対の下部ピン１２２ｂと、１対の中間ピン１２２ｃとを有する。上端部１２２ａは、レバー１２６の第２端１２６ｂとともにコンバイナー１３０の底端部に固定して取り付けられる。中間ピン１２２ｃは、固定フレーム１１２の上の２つの案内スロット１２０ａに移動可能に接続される。案内スロット１２０ａは、固定フレーム１１２の壁に左右対称に設計され、中間ピン１２２ｃの動きを導くため、コンバイナーホルダー１２２は、着実に且つ滑らかに移動することができる。図１Ａおよび図１Ｂからわかるように、コンバイナーホルダー１２２は、角度の微変更によって第１位置から第２位置に移動する。図１Ｃからわかるように、コンバイナーホルダー１２２は、コンバイナー１３０の角度微調節を行うために一定の角度に回転する。

リフティングレバー１２６の移動は、コントロールディスク１２４によって制御される。コントロールディスク１２４は、互いに向かい合い、ベースに対して実質的に垂直に配置され、それぞれレバー１２６に隣接して設置される。コントロールディスク１２４の形状は、円形のみに限定されない。各コントロールディスク１２４は、コントロールディスク１２４の本体に実装された所定のカーブスロット１２４ａを有する。各レバー１２６ａは、所定のカーブスロット１２４ａ内に配置されたピン１２６ｃによって、コントロールディスク１２４に接続される。そして、リフティングレバー１２６のピン１２６ｃは、所定のカーブスロット１２４ａに沿って移動して、コンバイナー１３０の第１移動および第２移動を実行するのに適している。所定のカーブスロット１２４ａは、コンバイナー１３０を第１移動と第２移動の両方の方向に移動させる経路に対応して設計されなければならない。特に、図２において、所定のカーブスロット１２４ａは、コントロールディスク１２４の中心付近の曲率がコントロールディスク１２４の外周の一定曲率まで徐々に減少するよう設計される。

コントロールディスク１２４は、駆動ユニット１２８によって回転する。駆動ユニット１２８は、コントロールディスク１２４間の固定フレーム１１２の上に配置される。本実施形態において、ステッピングモーター１２８ａは、電源として使用される。ステッピングモーター１２８ａは、ウォームギア１２８ｂを備える。ウォームギア１２８ｂは、シャフトに組み付けられ、コントロールディスク１２４の内側に回転可能に接続される。コントロールディスク１２４は、内側に接続部（図示せず）を設置し、ウォームギア１２８ｂに接続する。また、ウォームギア１２８ｂが２つのコントロールディスク１２４を同時に回転できるよう、電力伝送装置（power transmission device）を提供してもよい。

定位システム１００が第１位置にある時、ステッピングモーター１２８ａが起動するとすぐに、ウォームギア１２８ｂがコントロールディスク１２４を駆動して回転させる。コントロールディスク１２４が回転すると、ピン１２６ｃが所定のカーブスロット１２４ａに沿って移動し、リフティングレバー１２６の第２端１２６ｂがコンバイナーホルダー１２２を持ち上げる。そして、コンバイナー１３０がケーシング１１０から延伸する。駆動ユニット１２８が操作を続けると、コンバイナー１３０が操作位置まで完全に延伸して、使用の準備ができる。

駆動ユニット１２８は、さらに、歯車セグメント１２８ｃおよびギアラック１２８ｄを備えて、第２移動を行う。歯車セグメント１２８ｃは、コントロールディスク１２４の内側とギアラック１２８ｄの間に接続される。ギアラック１２８ｄは、固定フレーム１１２のレール（図示せず）の上に配置される。レールは、ギアラック１２８ｄを噛み合わせるのに適しており、図３の矢印で示したように、ギアラック１２８ｄは、１自由度で動く。

リフティングモジュール１２０が操作位置に達している間、コントロールディスク１２４がステッピングモーター１２８ａによって回転し続け、リフティングレバー１２６は、所定のカーブスロット１２４ａの一定曲率によってその位置で保持される。同時に、歯車セグメント１２８ｃがギアラック１２８ｄと接触し、且つギアラック１２８ｄを駆動してコンバイナーホルダー１２２の下部ピン１２２ｂに当たるまでレールに沿って移動させることによって、コンバイナー１３０の角度をコンバイナーホルダー１２２の角度によって調整することができる。その後、角度微調節の移動を行うことができる。

さらに、ある実施形態では、歯車セグメント１２８ｃのシャフトがコントロールディスク１２４の中心に接続され、ウォームギア１２８ｂが歯車セグメント１２８ｃと噛み合うことによって、ステッピングモーター１２８ａおよびウォームギア１２８ｂがコントロールディスク１２４を直接回転させることができる。歯車セグメント１２８ｃの形状は、コンバイナー１３０が第１位置に移動した時にだけ、歯車セグメント１２８ｃがギアラック１２８ｄに接触し、且つギアラック１２８ｄを駆動して角度微調節を行うよう設計される。

本実施形態では、歯車の組合せを用いて構成要素間の力と動きを伝送するため、バックラッシュも考慮すべきである。動力学定位システムのバックラッシュフリーの調節移動を提供するために、さらに、１対のバネ１２０ｂによってコンバイナーホルダー１２２を取り付ける。図３に示すように、各バネ１２０ｂは、固定フレーム１２０とコンバイナーホルダー１２２の下部ピン１２２ｂの間に固定して取り付けられる。そのため、コンバイナーホルダー１２２が第１移動と第２移動の間で移動した時、バネ１２０ｂがその動きに従って、バックラッシュフリーの調節移動を実現する。

コンバイナー１３０が格納位置の第１位置に戻った時、ステッピングモーター１２８ａの回転方向が逆になる。上述した図１Ａ〜図１Ｃの動作は、逆方向で実行される。

最後に、注意すべきこととして、現在知られている、または今後開発される構成要素の適切な組合せを用いて、上述した動力学定位システム１００を使用したＨＵＤシステムを実現することができる。本発明は、この点のみに限定されない。

以上のように、本発明の構造は、ＨＵＤに用いるコンバイナーの動力学定位システムを向上させる。この定位システムは、コンバイナーの停止位置と操作位置の間の移動、および角度微調節を行うことができる。１つの駆動ユニットしか使用していないが、移動速度と調節精度を別々に選択することができる。また、本発明は、部品を少ししか必要とせず、コンパクトに設計されるため、小スペースしか必要としないという利点を有する。自動車においては、ダッシュボードや内装の設計をより自由に行うことができる。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

１００ 定位システム
１１０ ケーシング
１１２ 固定フレーム
１２０ リフティングモジュール
１２０ａ 案内スロット
１２０ｂ バネ
１２２ コンバイナーホルダー
１２２ａ 上端部
１２２ｂ 下端部
１２２ｃ 中間ピン
１２４ コントロールディスク
１２４ａ 所定のカーブスロット
１２６ レバー
１２６ａ 第１端
１２６ｂ 第２端
１２６ｃ ピン
１２８ 駆動ユニット
１２８ａ ステッピングモーター
１２８ｂ ウォームギア
１２８ｃ 歯車セグメント
１２８ｄ ギアラック
１３０ コンバイナー

Claims (15)

1. ベースの上に配置された固定フレームを有するケーシングと、
   コンバイナーミラーに接続されたコンバイナーホルダーと、２つのコントロールディスクと、前記コンバイナーホルダーおよび前記コントロールディスクに接続された２つのレバーと、前記コントロールディスクに接続された駆動ユニットとを備え、前記ケーシングの中に配置されてコンバイナーミラーを支持する、リフティングモジュールと、
   を備え、
   前記駆動ユニットが前記コントロールディスクを駆動して回転させた時に、前記レバーが前記コンバイナーホルダーおよび前記コンバイナーミラーを移動させ、
   前記リフティングモジュールが、前記コンバイナーミラーが前記コンバイナーミラーを前記ケーシング内に格納するための停止位置にある時の第１位置と前記コンバイナーミラーが前記コンバイナーミラーに画像を表示するための操作位置にある時の第２位置との間の第１移動、および前記第２位置に達した後に前記コンバイナーミラーの角度微調節を行う第２移動を行うことができ、
   前記コントロールディスクが、前記ベースに対して実質的に垂直に配置され、その上に前記レバーのピンを案内するガイド部材である所定のカーブスロットが形成されたコンバイナーミラー定位システム。
2. 前記各レバーが、第１端と、第２端と、ピンとを有する請求項１記載のコンバイナーミラー定位システム。
3. 前記第１端が、前記固定フレームの上に回転可能に取り付けられ、前記第２端が、前記コンバイナーホルダーに接続され、前記ピンが、前記コントロールディスクに取り付けられた請求項２記載のコンバイナーミラー定位システム。
4. 前記コンバイナーホルダーが、２つの上端部と、２つの中間ピンと、２つの下部ピンとを有する請求項２記載のコンバイナーミラー定位システム。
5. 前記コンバイナーホルダーの前記上端部が、前記コンバイナーおよび前記レバーの前記第２端に固定して取り付けられた請求項４記載のコンバイナーミラー定位システム。
6. 前記コンバイナーホルダーの前記下部ピンが、前記固定フレームに移動可能に接続された請求項４記載のコンバイナーミラー定位システム。
7. 前記レバーが、前記レバーのピンによって前記所定のカーブスロットに取り付けられた請求項１記載のコンバイナーミラー定位システム。
8. 前記駆動ユニットが、前記コントロールディスクの間の前記固定フレームの上に配置され、ウォームギアを備えたステッピングモーターを有する請求項１記載のコンバイナーミラー定位システム。
9. 前記ウォームギアが、シャフトに組み付けられ、前記コントロールディスクに回転可能に接続された請求項８記載のコンバイナーミラー定位システム。
10. 前記駆動ユニットが、さらに、歯車セグメントと、ギアラックとを備えた請求項８記載のコンバイナーミラー定位システム。
11. 前記歯車セグメントが、前記ギアラックと前記コントロールディスクの間に接続された請求項１０記載のコンバイナーミラー定位システム。
12. 前記固定フレームが、レールを備え、前記レールが、前記ギアラックを噛み合わせるのに適しているため、前記ギアラックが、１自由度で動く請求項１０記載のコンバイナーミラー定位システム。
13. 前記コンバイナーホルダーが、さらに、前記ギアラックによって接触するよう適合された下部ピンを備えた請求項１０記載のコンバイナーミラー定位システム。
14. 前記固定フレームが、さらに、前記コンバイナーホルダーの前記中間ピンに接続するよう適合された１対の所定の案内スロットを備えた請求項４記載のコンバイナーミラー定位システム。
15. 前記固定フレームが、さらに、前記固定フレームと前記コンバイナーホルダーの下部ピンの間に固定して取り付けられたバネを備えた請求項１記載のコンバイナーミラー定位システム。

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