JP2019077369A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示動作開始前であっても車内が高温環境のときに表示素子の温度上昇を抑えるヘッドアップディスプレイ装置を提供すること。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１は、光源３２と表示素子３１により映像光を生成して出射する映像形成ユニット３０と、映像形成ユニット３０から出射された映像光９０を車両のフロントガラス３またはコンバイナに向けて投射する投射光学系５０と、映像形成ユニット３０を冷却する冷却装置６０と、表示素子３１の近傍の温度を検出する温度センサ６２と、冷却装置６０の動作を制御する制御部２０と、を備える。制御部２０は、映像形成ユニット３０による表示動作を開始する前であっても、温度センサ６２の検出温度が閾値以上であるとき、冷却装置６０による冷却動作を開始させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載し各種映像情報を表示するのに好適なヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

近年、映像を現実空間に重ねて表示する技術の１つとして、車両のフロントガラス（ウィンドシールド）に各種情報を表示する車両用映像表示装置（いわゆるヘッドアップディスプレイ装置、以下、ＨＵＤ）が実用化されている。例えば表示する映像情報として運転者向けの情報を提供することで、車両の運転操作を支援することができる。ＨＵＤでは映像表示用に光源と映像表示素子（例えば液晶ディスプレイ：ＬＣＤ）が用いられるが、ＨＵＤの使用開始とともにこれらのデバイスが高温になるため、冷却手段が必要となる。例えば特許文献１には、光源を収容する光源室に、車両内の空気を吸収するための冷却ファンを設けたＨＵＤの構造が開示されている。

特開平２−１４１７１９号公報

通常、ＨＵＤは車両のダッシュボードに設置され、フロントガラスに向けて映像光を投射する。よって、ＨＵＤは車両内の温度環境で動作することになる。車両内の温度は、車両が太陽光の照射を受けているときなどには、ＨＵＤ使用前でも車両内温度が高温になる。一般に、ＨＵＤに備えられた冷却装置（冷却ファン）は、ＨＵＤの使用開始とともに冷却動作を開始する。しかしながら、既に車内が高温になっている状態からＨＵＤを使用開始すると、冷却に時間を要し、かつその間の発熱が蓄積するため、ＬＣＤ等の表示素子が高温になり劣化が進行する恐れがある。特許文献１の構成においても、車内が高温の環境でＨＵＤの使用を開始する場合には、この課題は避けられない。

本発明の目的は、表示動作開始前であっても車内が高温環境のときに表示素子の温度上昇を抑えるヘッドアップディスプレイ装置を提供することである。

本発明は、車両に搭載し、映像光を投射することで前記車両の前方に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置において、光源と表示素子により映像光を生成して出射する映像形成ユニットと、前記映像形成ユニットから出射された前記映像光を前記車両のフロントガラスまたはコンバイナに向けて投射する投射光学系と、前記映像形成ユニットを冷却する冷却装置と、前記表示素子の近傍の温度を検出する温度センサと、前記冷却装置の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記映像形成ユニットによる表示動作を開始する前であっても、前記温度センサの検出温度が閾値以上であるとき、前記冷却装置による冷却動作を開始させることを特徴とする。

本発明によれば、表示動作開始前の段階でも冷却動作を開始するので、表示素子の温度上昇を抑え劣化を防止することができる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置の信頼性と寿命を向上させる効果がある。

ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）の構造を示す図（実施例１）。 ＨＵＤによる映像表示動作を示す模式図。 高温環境状態での冷却動作を示す図。 ＨＵＤのシステム構成を示すブロック図。 ＨＵＤの冷却動作の制御を示すフローチャート。 第２電源をＨＵＤケースの内側に設置した構成を示す図（実施例２）。 第２電源を車両の屋根に設置した構成を示す図。 冷却機構の変形例を示す図（実施例３）。 冷却装置の効果の一例を示す図。

本発明によるヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ）の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、実施例１に係るヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）の内部構造を示す図である。ＨＵＤ１の基本構成は、表示する映像を形成する映像形成ユニット３０と、映像を投射する投射光学系５０からなり、これらはケース１１に収納されている。映像形成ユニット３０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示素子３１、バックライトなどの光源３２、出射レンズ３３が、鏡筒１２に収納されている。投射光学系５０は平面ミラー５１と凹面ミラー５２で構成される。凹面ミラー５２は、自由曲面や光軸非対称の形状を有する。平面ミラー５１は固定されており、凹面ミラー５２はミラー駆動部により回転可能となっている。ケース１１の上部には、投射する映像光が通過する透明な防塵カバー１３が設けられている。なお、本実施例における投射光学系５０は平面ミラー５１と凹面ミラー５２の組み合わせであるが、この限りではなく、平面ミラーのみの組み合わせ、または凹面ミラーのみの組み合わせとしてもよい。

本実施例では、鏡筒１２内の映像形成ユニット３０の下部に冷却装置（ファン）６０を設け、ケース１１の下部の吸気口から取り込んだ車両内部の空気（冷却風）を映像形成ユニット３０、特に表示素子３１に吹き付ける構成としている。また、表示素子３１の近傍には温度センサ６２を取り付け、表示素子３１の周囲温度を測定して冷却装置６０の運転を制御するようにしている。使用する温度センサ６２には、例えば熱電対や測温抵抗体等を用いてもよい。また、冷却装置６０のファンの消費電力は、１Ｗ〜２Ｗ程度である。

さらに、ケース１１上部には冷却装置６０を駆動するための冷却装置用電源６ｂ（以下、第２電源とも呼ぶ）を設けたことに特徴がある。第２電源６ｂには光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を用いるが、その他として、二次電池（リチウムイオン電池など）や熱電素子（熱エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイス）でもよい。

図２は、ＨＵＤによる映像表示動作を示す模式図である。ＨＵＤ１は、車両２のダッシュボードの下部に設置される。映像形成ユニット３０から出射した表示用の映像光９０は、平面ミラー５１と凹面ミラー５２で反射され、防塵カバー１３を通過してフロントガラス（ウィンドシールド）３または図示しないコンバイナに向けて投射される。そして、フロントガラス３等で反射された映像光９０が運転者の目５に入射して網膜上に結像することで、映像を視認することができる。そのとき運転者は、フロントガラス３の前方に存在する虚像９を見ていることになる。

図３は、高温環境状態での冷却動作を示す図である。ここでは、太陽光の入射により、表示素子（ＬＣＤ）が高温になる状況を説明する。太陽８からの光線８０は、フロントガラス３を通過してＨＵＤ１の防塵カバー１３から入射する。特に、太陽８が車両の真上方向にあると、光線８０の方向は映像投射時の映像光９０の光路に近くなる。その結果、光線８０はＨＵＤ１内の凹面ミラー５２と平面ミラー５１を反射して、映像形成ユニット３０に入射して表示素子（ＬＣＤ）３１まで照射することになる。

このようにして、表示素子３１は太陽光に照射されて発熱するが、映像形成ユニット３０は鏡筒１２およびケース１１に収納されているので放熱されにくく、表示素子３１の温度は異常に上昇する。その温度は車内の温度よりも高温となり、この現象は、車両に搭載するＨＵＤ特有の現象とも言える。

このように表示素子３１が高温になった場合、従来の冷却方法は、ＨＵＤ１の動作（すなわち、映像形成ユニット３０による映像表示動作）と連動させて冷却を開始するものであったので、例えば、駐車中の車両（ＨＵＤが非動作状態）では冷却動作を行うことはなく、ＨＵＤ１の動作開始からしばらくの間は表示素子３１が高温にさらされ性能劣化の要因となった。

これに対し本実施例では、ＨＵＤ１が非動作状態（映像形成ユニット３０による表示動作を開始する前）においても、温度センサ６２で検知した表示素子３１近傍の温度が閾値以上になった場合には、冷却装置６０を動作させて、表示素子３１の温度上昇を抑えるようにした。さらに、ＨＵＤ１が非動作状態の場合に冷却装置６０を駆動する電源として、ＨＵＤ１駆動用の車両の電源（第１電源）６ａとは別系統の冷却装置用電源（第２電源）６ｂから給電できるようにした。なお、その後ＨＵＤ１が動作状態になると、ＨＵＤ１駆動用の第１電源６ａに切り換えて冷却動作を継続する。

図４は、ＨＵＤのシステム構成を示すブロック図である。ＨＵＤ駆動電源として、車両２に搭載されたバッテリーなどの第１電源６ａと、冷却装置６０駆動用に別途設けた太陽電池などの第２電源６ｂを有し、それぞれ第１制御部２０ａと第２制御部２０ｂに給電する。第１電源６ａは、第１制御部２０ａを介して映像形成ユニット３０に給電し、ＨＵＤの映像表示動作に用いられる。なお、冷却装置６０は第１電源６ａと第２電源６ｂの双方から給電可能となっている。

車両情報取得部１０で取得した各種の車両情報４は、第１制御部２０ａ内の第１電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）２１ａに入力する。車両情報４には、車速情報、ハンドル操舵角情報、車内／車外のカメラ映像情報、ＧＰＳ情報などが含まれる。

第１ＥＣＵ２１ａは、車両情報４に基づき映像形成ユニット３０に対して表示する映像信号を供給するとともに、各部に対し様々な制御を行う。映像形成ユニット３０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示素子３１とバックライトなどの光源３２からなり、表示素子３１で生成された映像光をミラー５１、５２に向けて出射する。

第１制御部２０ａ内の主な機能は次の通りである。第１冷却装置駆動部６１ａは、ＨＵＤの動作開始に連動して、第１電源６ａからの電力で冷却装置６０の運転を開始させる。具体的には、車両電源（イグニッション）をＯＮにすると、ＨＵＤ動作を開始するとともに冷却装置６０が運転を開始する。音声出力部２２はスピーカ３４への音声信号を生成する。不揮発性メモリ２３およびメモリ２４ａは、第１ＥＣＵ２１ａが実行するプログラムや映像情報のほか、様々な制御情報を記憶する。

光源調整部２５は、映像形成ユニット３０内の光源３２の光量を制御する。歪み補正部２６は、表示する映像信号の歪みを補正し、表示素子駆動部２７は、補正された映像信号に基づき映像形成ユニット３０内の表示素子３１を駆動する。ミラー調整部２８は、ミラー（特に凹面ミラー５２）の位置や姿勢を調整するための駆動信号を出力する。

一方第２制御部２０ｂは、第２電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１ｂとメモリ２４ｂと第２冷却装置駆動部６１ｂを有する。第２ＥＣＵ２１ｂには、表示素子３１の近傍に設置した温度センサ６２の検出温度が入力し、予め定めた閾値と比較し、冷却要否を判定する。この閾値は表示素子３１の温度特性から適宜設定されるもので、例えば６０°Ｃ前後とする。また、この閾値はメモリ２４ｂに記憶する。検出温度が閾値以上で冷却が必要と判定すると、メモリ２４ｂに格納されたプログラムを実行して第２冷却装置駆動部６１ｂを制御することにより、第２電源６ｂからの電力で冷却装置６０の運転を開始させる。

このように、第２制御部２０ｂにおける第２ＥＣＵ２１ｂと第２冷却装置駆動部６１ｂは、第１制御部２０ａにおける第１ＥＣＵ２１ａと第１冷却装置駆動部６１ａとは異なる機能を有するものであるが、第１ＥＣＵ２１ａと第２ＥＣＵ２１ｂ、および／または第１冷却装置駆動部６１ａと第２冷却装置駆動部６１ｂを一体的に構成しても構わない。

図５は、ＨＵＤの冷却動作の制御を示すフローチャートである。ここでは、ＨＵＤの初期動作においてどのタイミングで冷却動作を開始するかを説明する。

ＨＵＤの初期動作（Ｓ１００）は、第１ＥＣＵ２１ａと第２ＥＣＵ２１ｂにより開始される。車両の電源がＯＮになっているかどうかを判定する（Ｓ１０１）。この判定は、エンジン始動センサにより電源（イグニッション）ＯＮの状態かどうかを判定する。車両電源がＯＮであれば、第１ＥＣＵ２１ａは第１冷却装置駆動部６１ａを制御し、第１電源６ａからの電力で冷却装置６０の運転を開始させる（Ｓ１０５）。

Ｓ１０１で車両電源がＯＦＦのときは、第２ＥＣＵ２１ｂは温度センサ６２の検出温度が閾値以上かどうかを判定する（Ｓ１０２）。閾値以上の場合は、第２ＥＣＵ２１ｂは第２冷却装置駆動部６１ｂを制御し、第２電源６ｂからの電力で冷却装置６０の運転を開始（ＯＮ）させる（Ｓ１０３）。Ｓ１０２の判定で検出温度が閾値未満の場合は、冷却装置６０の運転を停止（ＯＦＦ）させる（Ｓ１０４）。そしてＳ１０１に戻り、車両電源がＯＮ判定となるまで繰り返す。

車両電源がＯＮとなり、第１電源６ａにて冷却装置６０の運転を開始させた後は（Ｓ１０５）、車両情報取得部１０により車両情報４を取得する（Ｓ１０６）。取得した車両情報４から運転者が選択した情報（例えば、現在の車速情報）を抽出して、表示する映像を決定する（Ｓ１０７）。表示素子駆動部２７により、表示素子３１に対して駆動信号を供給する（Ｓ１０８）。ＨＵＤ表示ＯＮ信号を受けると映像形成ユニット３０の光源３２を点灯させ、映像の投射表示すなわちＨＵＤの通常動作を開始する（Ｓ１０９）。

このように実施例１によれば、車両電源がＯＦＦでＨＵＤが表示動作を開始する前であっても、温度センサ６２の検出温度が閾値以上になると第２電源６ｂからの電力で冷却装置６０の運転を開始するようにしたので、表示素子３１の温度上昇を抑えて劣化を防止する効果がある。その結果、ＨＵＤの信頼性と寿命を向上させることができる。

実施例２では、冷却装置用の第２電源（太陽電池）の設置位置について説明する。実施例１（図１）では、第２電源６ｂをＨＵＤのケース１１の上部に設置したが、それ以外の場所へ設置することも可能である。

図６は、第２電源をＨＵＤケースの内側に設置した構成を示す図である。この例では、第２電源６ｂをケース１１の内側で凹面ミラー５２の裏側に設置している。その際凹面ミラー５２には、赤外光透過型のミラー(コールドミラー)を使用する。太陽８からの光線８０は凹面ミラー５２で反射されるが、赤外光は凹面ミラー５２を透過して第２電源６ｂに入射する。第２電源６ｂとして赤外光反応型の太陽電池を使用することで、ケース１１内で発電することができる。この構成によれば、図３のように太陽８からの光線８０が映像形成ユニット３０に入射して表示素子３１が異常に発熱するような環境において、第２電源６ｂの発電効率が高くなることが期待できるので、表示素子３１の冷却には好都合となる。また、第２電源６ｂから冷却装置６０までの給電経路が短縮され、かつ第２電源６ｂがケース１１内に収納されるので、第２電源６ｂを含めたＨＵＤ１全体を小型化できる効果がある。

図７は、第２電源を車両の屋根（ルーフ）に設置した構成を示す図である。この例では、第２電源６ｂを車両２の屋根（ルーフ）に設置している。太陽８からの光線８０は常に第２電源６ｂを照射するので、安定に発電することができる。この構成によれば、光線８０により車両内部全体が高温になるような場合に、第２電源６ｂの発電効率が高くなることが期待できる。

以上のように実施例２によれば、冷却装置駆動用の第２電源を太陽光が入射しやすい位置に設置したので、冷却動作の需要と供給がバランスして経済的である。

実施例３は、冷却機構の変形例について述べる。実施例１では、冷却装置６０で車両内部の空気を表示素子３１に吹き付ける構造としたが、実施例３では、車両外部の空気を表示素子３１に吹き付ける構造とした点が異なる。

図８は、冷却機構の変形例を示す図である。ケース１１の下部（吸気口）には車外に通じるダクト６３を取り付け、車両外部の空気（冷却風）を取り込む。そして、冷却装置６０で表示素子３１に吹き付けて冷却する。一般に、太陽光が照射して車内が高温になった場合でも車外温度はそれよりも低いので、車外の空気で冷却することで冷却効率が向上する。なお、本例ではダクト６３を吸気型としたが、逆に排気型としてもよい。また、この例では第２電源６ｂをケース１１の上部に設置したが、実施例２（図６、図７）のように、他の位置に取り付けてもよい。

空気冷却以外の冷却方法として、例えば液体冷却や伝熱冷却（熱伝導率の良い車両部品に発熱箇所を当接させて放熱する）方式も可能である。

図９は、冷却装置の効果の一例を示す図である。冷却装置６０による冷却動作有／無による表示素子近傍（温度センサ６２）の温度変化の例を示している。車両を太陽光の元に放置すると徐々に温度が上昇し、約６０００ｓｅｃ（約１．７時間）後には温度上昇（ΔＴ）が１３°Ｃに達している。この時点で冷却動作を開始すると、約１０００ｓｅｃ（約１６分）後には温度上昇を５°Ｃまで低減できた。よってこの場合には、８°Ｃの冷却効果が認められる。

本実施例の冷却装置では、冷却動作を開始するための温度閾値を表示素子の特性に合わせ適宜設定している。よって温度上昇による表示素子の性能劣化を抑え、ＨＵＤの信頼性と寿命を向上させることができる。

１：ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ）、２：車両、３：フロントガラス、４：車両情報、６ａ：第１電源、６ｂ：第２電源（冷却装置用）、９：虚像、１０：車両情報取得部、１１：ケース、１２：鏡筒、１３：防塵カバー、２０ａ：第１制御部、２０ｂ：第２制御部、２１ａ：第１電子制御ユニット（ＥＣＵ）、２１ｂ：第２電子制御ユニット（ＥＣＵ）、３０：映像形成ユニット、３１：表示素子（ＬＣＤ）、３２：光源（バックライト）、５０：投射光学系、５１：平面ミラー、５２：凹面ミラー、６０：冷却装置（ファン）、６１ａ：第１冷却装置駆動部、６１ｂ：第２冷却装置駆動部、６２：温度センサ、６３：ダクト、９０：映像光。

Claims (7)

1. 車両に搭載し、映像光を投射することで前記車両の前方に虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置において、
   光源と表示素子により映像光を生成して出射する映像形成ユニットと、
   前記映像形成ユニットから出射された前記映像光を前記車両のフロントガラスまたはコンバイナに向けて投射する投射光学系と、
   前記映像形成ユニットを冷却する冷却装置と、
   前記表示素子の近傍の温度を検出する温度センサと、
   前記冷却装置の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記映像形成ユニットによる表示動作を開始する前であっても、前記温度センサの検出温度が閾値以上であるとき、前記冷却装置による冷却動作を開始させることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記冷却装置を駆動する電源として、前記映像形成ユニットを駆動する第１電源とは別に第２電源を設けたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
3. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記制御部は、前記冷却装置を駆動する電源として、前記映像形成ユニットによる表示動作を開始する前には前記第２電源を使用し、前記映像形成ユニットによる表示動作を開始した後には前記第１電源を使用することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
4. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記第２電源を、前記投射光学系を構成するミラーの裏側に設置し、
   前記ミラーは赤外光を透過するコールドミラーであり、
   前記第２電源として赤外光を電気エネルギーに変換する太陽電池を使用したことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
5. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記第２電源を、前記車両の屋根に設置し、
   前記第２電源として光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を使用したことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
6. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記冷却装置は、前記車両内部の空気を前記映像形成ユニットに吹き付ける構造としたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
7. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記冷却装置は、前記車両外部の空気をダクトを介して前記映像形成ユニットに吹き付ける構造としたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。

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