车辆用平视显示装置的制作方法

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本发明涉及一种在驾驶员前方生成虚像来显示所需信息的车辆用平视显示装置(Head-up display device)。

背景技术：

最近，将显示图像投影到车辆的前挡风玻璃上而在驾驶员的前方生成虚像，从而即使在驾驶过程中，驾驶员不用俯视也能看到显示图像的车辆用平视显示装置被实用化(例如专利文献1)。

例如，专利文献1所记载的车辆用平视显示装置中，设置有形成为凹面状的防尘罩，以使从前挡风玻璃的外部入射的外部光(例如太阳光或路灯)反射到驾驶员看不到的位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-32087号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

但是，这种车辆用平视显示装置有如下问题，例如防尘罩由曲率半径一定的凹状面形成，因此防尘罩在仪表板内部方向(深度方向)的尺寸变大。而且，随着防尘罩在深度方向的尺寸扩大，收纳平视显示装置所需的仪表板内部(车辆内部)的空间朝向车辆的里侧扩大，因此车辆内部需要大的设置空间。

该问题在将大尺寸的虚像显示在成像距离大的位置(远方)的车辆用平视显示装置中尤其显著。即，在进行大画面远方成像的平视显示装置中，为了提高显示图像的放大率而谋求成像距离远方化，经过仪表板上表面而朝向前挡风玻璃的光束的经过面积会变大，因此需要扩大设置在仪表板上表面的开口部的尺寸，以免遮挡该经过面积。

因此，为了堵塞这种宽大的开口部而设置的防尘罩的尺寸也会扩大，因此随之防尘罩的深度方向的尺寸变大，进而必须确保车辆内部有宽大的设置空间。

本发明是鉴于这种现有问题点而做出的，其目的是使将具备防尘罩的平视显示装置设置在车辆时所需要的车辆内部的空间小型化。

解决问题的方案

为了解决所述问题，本发明的车辆用平视显示装置，将投射在驾驶员的前方的投影光用透光性部件进行反射而显示驾驶员能够看到的虚像，其中，车辆用平视显示装置具有：开口部，其使所述投影光从车辆的下方侧通过；以及防尘罩，其以堵塞所述开口部的方式设置，并从所述车辆的上方入射到所述开口部的外部光向驾驶员看不到的方向反射，所述防尘罩形成为：从所述车辆的上方观察时为越靠近所述车辆的前方侧曲率越大(曲率半径小)的凹状面，并且在所述车辆的左右方向上为所述凹状面连续的筒面。

发明的效果

根据本发明的车辆用平视显示装置，由于具备所述结构的防尘罩，因此能够使防尘罩的深度方向的尺寸小型化。因此，能够使收纳平视显示装置所需的车辆内部的空间小型化。

附图说明

图1是具备作为本发明的一个实施方式的实施例1所涉及的车辆用平视显示装置的仪表板的纵向剖视图。

图2A是构成车辆用平视显示装置的壳体的外观立体图。

图2B是在将图2A所示的壳体搭载在车辆的状态下，沿着车辆前后方向切断的纵向剖视图。

图3是对实施例1的车辆用平视显示装置中的防尘罩的曲率设计步骤进行说明的第一图。

图4是表示图3所示的设计步骤的流程图。

图5是对接着图3所示的步骤所进行的、防尘罩的曲率设计步骤进行说明的第二图。

图6是表示图5所示的设计步骤的流程图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的车辆用平视显示装置的具体实施方式进行说明。

实施例1

图1、图2A、图2B是表示本发明的一个实施方式的车辆用平视显示装置21的结构的纵向剖视图。首先，利用图1、图2A、图2B对车辆用平视显示装置21的整体结构进行说明。

[整体结构的说明]

如图1的纵向剖视图所示，在汽车等车辆10的车室前部，设有车室前壁板1和前挡风玻璃2(透光性部件)。而且，在前挡风玻璃2的下侧，以遮盖车室前壁板1的方式设有仪表板3。

在该仪表板3的内部，设有位于车室前壁板1的车辆10的后方侧(图1的纸面的右侧)的、向车宽方向(与图1的纸面的正交方向)延伸的车身加强部件4。在该车身加强部件4的下部设有未图示的柱托架，其用于安装转向柱5，该柱托架(未图示)分为位于车辆10的前方侧的柱下托架7和位于车辆10的后方侧的柱上托架8。而且，转向柱5和柱下托架7及柱上托架8之间分别由未图示的螺栓、螺母等紧固部件紧固固定。

另外，在仪表板3的内部(的上侧)，从车辆10的前方侧进一步依次设有空调管道11、12、电气配线13(电线束)、仪表装置14等。并且，在仪表板3上一体或分体设置覆盖仪表装置14上部的仪表罩15。而且，在转向柱5的从仪表板3向车辆10的后方侧突出的部分安装有柱罩16。此外，仪表板3的内部的构成要素的配置位置根据车辆而不同，因此所述说明是其中一个例子。

在此，车室前壁板1设置在前挡风玻璃2(透光性部件)的下侧，由隔开车室和发动机室的隔板等构成。车身加强部件4被称之为汽车横梁或转向支撑梁等，通常为金属制的圆管状。此时，车辆加强部件4为金属制或轻合金制的非圆形截面(例如矩形截面)。此外，车身加强部件4是所述的任何一个也可。空调管道11是用于对前挡风玻璃吹出空调用的空气以防止玻璃结雾的管道(除霜管道(defroster duct))。此外，空调管道12是向乘客吹出空调用的空气的管道(通风管道(ventilator duct))。

进一步，在所述柱下托架7上部的、空调管道11和电气配线13之间的位置上安装有车辆用平视显示装置21。而且，在安装有车辆用平视显示装置21的位置的上方，仪表板3有切口，从而在与前挡风玻璃2(透光性部件)之间形成从车辆用平视显示装置21射出且生成虚像的光束通过的开口部29。

车辆用显示器装置21包括壳体22、防尘罩27、装饰罩(finisher cover)30以及立壁部28。其中，所述壳体22内部设置形成虚像所需的显示部和成像光学系统；所述防尘罩27以堵塞壳体22的方式设置；所述装饰罩30设置于防尘罩27的上方；立壁部28构成为装饰罩30的一部分，且从防尘罩27的车辆10的前方侧端部附近在车辆10的左右方向上向上方竖立设置。此外，在防尘罩27上施加有红外线反射涂层，阻止从车辆10的外部入射防尘罩27的红外线(热线)进入壳体22内部，从而防止壳体22内部的温度上升。

接着，利用图2A、图2B对车辆用平视显示装置21的详细结构进行说明。图2A是构成车辆用平视显示装置21的壳体22的外观立体图。图2B是在将图2A的壳体22搭载在车辆10的状态下，沿着车辆10的前后方向切断的纵向剖视图，纸面左侧表示车辆10的前方侧。

如图2B所示，在车辆用平视显示装置21的壳体22的内部具备有：图像显示部23a，其由用于显示图像、影像等的液晶面板构成；照明部23b，其由将图像显示部23a从背面照明的多个LED构成；光路形成部件25、26，其用于使显示在该图像显示部23a上的图像沿箭头L反射而向前挡风玻璃2(图1)方向引导，并进行投影；所述防尘罩27；以及所述立壁部28。

此外，防尘罩27具有使通过光路形成部件25、26的光通过而向前挡风玻璃2(图1)的方向引导的同时，使从车辆10外部入射的外部光向驾驶员看不到的方向反射的功能，并由厚度一定的、透明的例如聚碳酸酯等树脂部件或玻璃等形成。并且，从前挡风玻璃2(图1)侧观察，该防尘罩27在车辆10的前后方向(图2B的纸面的左右方向)上形成为凹状面，进一步，在车辆10的左右方向(与图2B的纸面正交的方向)上形成为所述凹状面连续的筒面。并且，所述立壁部28具有吸收入射到立壁部28的光而且不反射的所谓的无反射性。

该防尘罩27以堵塞从壳体22向外部射出的、由图2B的箭头L所代表的光线的出口的方式组装在壳体22的上边缘。并且，如图2B所示，立壁部28作为设置在防尘罩27上方的装饰罩30的一部分来形成。

所述光路形成部件25、26由反射镜(单个或多个平面镜或凸面镜(光路形成部件25))和凹状面镜(光路形成部件26)构成，所述反射镜用于将显示在所述图像显示部23a上的图像向前挡风玻璃2(图1)的方向引导。此外，形成光路形成部件25、26的光学部件的个数或种类不受所述结构的限制，使用适当设计的结构的光学部件。

此外，图像显示部23a除了液晶面板之外，以将从LED射出的光利用微型镜扫描而生成显示图像的DLP方式、或将从激光光源射出的光扫描而生成显示图像的激光方式构成也可。但是，使用DLP方式或激光方式时，除了光路形成部件25、26以外，还需要投影显示图像的屏幕。

再次返回到图1，从图像显示部23a(图2B)射出且通过开口部29的、包含箭头L(图2B)的光束51在前挡风玻璃2(透光性部件)处反射而作为反射光束52向驾驶员的眼球91的方向反射。如果将该反射光束52向前挡风玻璃2的车外侧延长，驾驶员则看到图像显示部23a(图2B)所显示的图像在包含距离前挡风玻璃2为规定距离的前方的点PO的位置上作为虚像53来成像的情况。

接着，利用图3、图5，对将从车辆上方入射的外部光向驾驶员看不到的方向反射的防尘罩27的形状(曲率)的设定方法进行说明。

[防尘罩的形状设定方法的说明]

图3、图5是对防尘罩27的形状(曲率)的设定步骤进行说明的图。首先按照图3所示的步骤进行设定，接着按照图5所示的步骤进行设定。

防尘罩27的形状(曲率)以从车辆10的外部入射的外部光向驾驶员看不到的方向反射的方式设定。

首先，利用图3对为了确定防尘罩27的形状(曲率)而使用的坐标系进行说明。本实施例中，为了简便确认将照射到防尘罩27上的外部光反射而不入射到眼睛区域(eye range)50a的情况、即驾驶员看不到的情况，设定将表示多个驾驶员的眼球位置的统计性分布的、椭圆形状的眼睛区域50a移动到关于前挡风玻璃2(透光性部件)线对称位置的虚拟眼睛区域50b，以防尘罩27反射的外部光不入射到该虚拟眼睛区域50b的方式来确定防尘罩27的形状。

在图3中，首先，从开口部29中的车辆10的最后部的点P3向虚拟眼睛区域50b的左边缘(相当于眼睛区域50a的下端)描画切线M1。此时，在虚拟眼睛区域50b上设定切点P4。

将该切线M1从开口部29向仪表板3的里侧反向延长而在距离开口部29为规定距离D1(例如10mm)的里侧的位置上设定点P5。该点P5为构成防尘罩27的表面的点。

接着，设定连接点P5和点P6的线段M2，所述点P6为距离立壁部28的上端为规定距离D2(例如5mm)的下方的点。

然后，设定经过点P5的、切线M1和线段M2所形成的角的平分线M3。

接着，在所设定的平分线M3上，在距离点P5为规定距离D3(例如1000mm)的位置上设定点P7。

以如此设定的点P7为中心，设定经过点P5的圆弧A1。该圆弧A1表示防尘罩27的初始形状。即，点P7为圆弧A1的曲率中心。

根据如此设定的圆弧A1，从平分线M3和切线M1的范围入射到点P5的外部光O1在点P5正反射而行进到平分线M3和线段M2之间的范围。并且，从平分线M3和线段M2之间的范围入射到点P5的外部光O2在点P5正反射而行进到平分线M3和切线M1之间的范围。

假设，存在从立壁部28上的点P6射出而到达点P5的光，该光则在点P5正反射而到达虚拟眼睛区域50b的切点P4的位置。即，到达眼睛区域50a的下端，因此驾驶员看不到。进一步，由于立壁部28具有无反射性，因此实际上不会从立壁部28射出的光。因此，到达点P5的外部光O1、O2均不到达虚拟眼睛区域50b的内部，从而驾驶员看不到。

然后，继续进行图5所示的设定。在此，首先将开口部29分割成沿着车辆10的左右方向(与图7的纸面正交的方向)延伸的、具有彼此相等的面积的、多个细长方形的开口分割区域B1、B2、…。在图5的例子中，从车辆10的后方侧依次分割为开口分割区域B1、B2、…、B10。此外，在图5中虽然分割为10个开口分割区域B1、B2、…、B10，但分割数不限于10个，可适当设定。

此时，对分割的各开口分割区域B1、B2、…、B10设定各开口分割区域的端点。即，从车辆的后方侧向前方侧(从图5的纸面的右方朝向左方)设定端点b1、b2、…、b11。例如，开口分割区域B1具有车辆后方侧的端点b1和车辆前方侧的端点b2，开口分割区域B10具有车辆后方侧的b10和车辆前方侧的端点b11。此外，这些端点b1、b2、…、b11之中的端点b1与图3中说明的点P3一致。

如后所述，按照图3所示的步骤设定的圆弧A1表示与开口分割区域B1对应的防尘罩27的区域即第一区域R1的形状(曲率)。

然后，通过图5所示的设定，设定与开口分割区域B2对应的防尘罩27的区域即第二区域R2的形状(曲率)。然后，重新返回来依次设定与各开口分割区域B3、…、B10对应的防尘罩27的区域的形状(曲率)。

下面，对防尘罩27中的与形成于端点b2和端点b3之间的开口分割区域B2对应的防尘罩27的区域即第二区域R2的形状(曲率)的设定步骤进行具体说明。

首先，从车辆10的后方侧的端点b2向虚拟眼睛区域50b的左边缘描画切线M4。此时，在虚拟眼睛区域50b上设定切点P8。

接着，将切线M4从端点b2反向延长而设定与图3中设定的圆弧A1的交点即点P9。通过该设定，确定点P9和点P5之间的区域即第一区域R1，然后，确定防尘罩27的纵截面之中的第一区域R1是由以点P7为曲率中心的圆弧A1形成的。

然后，设定连接点P9和距离立壁部28的上端为规定距离D2((例如5mm)的下方的点P6的线段M5。

接着，确定经过点P9的、切线M4和线段M5所形成的角的平分线M6。

然后，求出所确定的平分线M6和之前设定的平分线M3的交点即点P10。

以如此设定的点P10为中心，设定经过点P9的圆弧A2。利用如此设定的圆弧A2，比点P9更靠近车辆10的前方侧的防尘罩27的区域的形状(曲率)从圆弧A1更新为圆弧A2。

接着，从端点b3向虚拟眼睛区域50b的左边缘描画切线M7。此时，在虚拟眼睛区域50b上设定切点P11。

然后，将切线M7从端点b3反向延长而设定与之前设定的圆弧A2的交点即点P12。通过该设定，确定圆弧A2上点P12和点P9之间的区域即第二区域R2。然后，以该点P10为曲率中心的圆弧A2所形成的第二区域R2从之前确定的圆弧A1连续而形成防尘罩27的纵截面。

此时，由于在连接与开口分割区域B1对应的防尘罩27的第一区域R1的曲率中心即点P7和第一区域R1的车辆10的最后方侧的点P5的平分线M3(线段)上设定与邻接于开口分割区域B1的开口分割区域B2对应的防尘罩27的第二区域R2的曲率中心即点P10，因此防尘罩27的纵截面形状被设定为越靠近车辆10的前方侧曲率越大(曲率半径越小)。

然后，对所有的开口分割区域依次重复进行与上述相同的步骤。然后，依次确定与各开口分割区域对应的防尘罩27的区域的曲率。

此外，在所述说明中，虽然设定10个开口分割区域B1、B2、…、B10，但可通过更细致的分割来得到形状(曲率)更加平滑的防尘罩27。

如前所述，如此设定的防尘罩27形成为越靠近车辆10的前方侧曲率越大(曲率半径越小)的凹状面，因此与由具有一定曲率的曲面形成的防尘罩27的情形相比，可将深度方向的尺寸设定得小。

如果防尘罩27的形状确定，则根据该曲率数据来制造防尘罩27的模具。然后，使用所制造的模具，例如通过射出成型等来制造防尘罩27。

例如，根据某验算条件，当以一定的曲率形成的防尘罩27的深度大约为55.5mm时，如果按照实施例1中说明的步骤来设定防尘罩27的形状(曲率)，则可得到深度大约为42.0mm，且大约缩小了25％的结果。

接着，使用图4、图6的流程图，对所述步骤的一系列流程进行说明。

[防尘罩的形状设定步骤的说明]

图4是表示图3说明的步骤的流程图。

(步骤S10)设定从开口部29中的车辆10的最后方侧的点P3向虚拟眼睛区域50b的左边缘的切线M1。

(步骤S20)将切线M1从点P3反向延长而设定从开口部29向里侧前进规定距离D1的点P5。

(步骤S30)设定连接点P5和距离立壁部28上端为规定距离D2的下方的点P6的线段M2。

(步骤S40)设定经过点P5的、切线M1和线段M2所形成的角的平分线M3。

(步骤S50)在平分线M3上的、距离点P5为规定距离D3的位置上设定点P7。

(步骤S60)设定以点P7为中心而经过点P5的圆弧A1。

图6是表示图5中说明的步骤的流程图。

(步骤S100)将开口部29十等分而设定开口分割区域B1、B2、…、B10。此外，该处理也可以在图4所示的步骤S10之前进行。

(步骤S110)设定变数i，其用于唯一确定开口分割区域B1、B2、…、B10。然后，首先设定i＝2，进而设定对开口分割区域Bi、即开口分割区域B2进行处理。

(步骤S120)设定从端点bi(例如端点b2)向虚拟眼睛区域50b的左边缘的切线(例如切线M4)。

(步骤S130)将切线(例如切线M4)从端点bi(例如端点b2)反向延长而设定作为与圆弧A1的交点的点(例如点P9)。

(步骤S135)防尘罩27的部分区域的两点(例如点P9和点P5)之间的形状确定为圆弧形状(例如圆弧A1)。

(步骤S140)设定连接防尘罩27上的点(例如点P9)和点P6的线段(例如线段M5)。

(步骤S150)设定经过防尘罩27上的点(例如点P9)的、切线(例如切线M4)和线段(例如线段M5)所形成的角的平分线(例如平分线M6)。

(步骤S160)设定作为平分线(例如平分线M6)和平分线(例如平分线M3)的交点的点(例如点P10)。

(步骤S170)设定以作为曲率中心的点(例如点P10)为中心且经过点(例如点P9)的圆弧A2(Ai)，该圆弧A2(Ai)成为比点(例如点P9)更靠近车辆10的前方侧的防尘罩27的形状(曲率)。

(步骤S180)判断是否完成了到端点b10、即开口分割区域B10为止的处理，如果处理完成，则结束图6的流程，如果处理未完成，则进入步骤S190。

(步骤S190)增加(increment)变数i而设定对与增加的变数i(＝i+1)对应的开口分割区域Bi进行处理，然后进入步骤S120。

然后，一边变更开口分割区域Bi一边重复进行从步骤S120到步骤S180的处理。

此外，利用图3到图6进行说明的步骤是为了得到防尘罩27的形状(曲率)所需的步骤的一个例子，确定防尘罩27的形状(曲率)的方法不限于该方法。即，所述步骤是从车辆10的后部侧向前方侧依次设定防尘罩27的形状(曲率)，但也可以从车辆10的前方侧向后方侧设定，或者也可以从防尘罩27的中央部分别向车辆10的前后各个方向设定。

进一步，在所述一系列的步骤中使用的规定数值不限于说明所示的数值，根据应设计的系统来适用适当设定的数值。

[虚像的畸变补正方法的说明]

如图1所示，车辆用平视显示装置21由于在用于形成虚像53的光路上具有防尘罩27和前挡风玻璃2(透光性部件)这两个非球面光学部件，因此显示在图像显示部23a(图2B)上的图像被显示为具有几何学畸变(以下简称为畸变)的虚像53。如果该畸变变大，则得不到所希望的形状的虚像53，且可视性降低，因此需要适当补正畸变。

作为补正畸变的方法，在生成虚像53的光学系统中，一般设置用于补正畸变的补正光学系统，但在本车辆用平视显示装置21中采用使图像显示部23a上显示的图像事先向反方向畸变的方法，以便更容易地补正畸变。

即，由于事先知道防尘罩27和前挡风玻璃2(透光性部件)的形状，因此可预测虚像53产生的畸变的大小和方向。因此，可形成具有与产生的畸变方向相反的畸变的图像。然后，可通过将其事先畸变的图像(补正显示图像)从图像显示部23a投影而生成虚像53来将本来应该发生的畸变被消除，因此可得到畸变被补正的虚像53。

此外，具有与发生畸变的相反方向的畸变的图像(补正显示图像)，可通过例如光线追踪法进行的模拟来形成。

如上所述，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，在将投影到驾驶员前方的投影光由前挡风玻璃2(透光性部件)进行反射而显示于驾驶员可看到的虚像53时，由于将堵塞设置在投影光的路径上的开口部29的防尘罩27形成为越靠近车辆10的前方侧曲率越大(曲率半径越小)的凹状面并在车辆10的左右方向上形成为凹状面连续的筒面，并且使投影光通过的同时使从上方侧入射开口部29的外部光向驾驶员看不到的方向反射，因此将防尘罩27与以一定曲率的曲面形成的情况相比，可使深度方向的尺寸小型化。因此，可使用于收纳车辆用平视显示装置21所需的车辆10的内部空间小型化。

并且，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，用于构成防尘罩27的凹状面由在车辆10的前后方向上连续且曲率不同的曲面所形成，因此可使防尘罩27的深度方向的尺寸小型化，并且通过防尘罩27而发生的虚像53的畸变连续且变小，因此所显示的虚像53不会发生过大且不连续的变形。

而且，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，在开口部29的车辆10的前方侧边缘部和防尘罩27之间设置立壁部28，从而防尘罩27具有从自立壁部28的上端向下方分离规定距离D2以上的点射出的光由防尘罩27和前挡风玻璃2(透光性部件)进行反射而向比驾驶员的眼睛区域50a的下端更靠下方的位置行进的表面形状，因此可切实防止从车辆10的外部入射的外部光进入眼睛区域50a的内部的情况。

并且，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，防尘罩27的凹状面的前后方向的曲率是，针对与将开口部29在车辆10的前后方向上分割成多个细长方形的各开口分割区域B1、B2、…分别对应的防尘罩27的每个区域即第一区域R1、第二区域R2、…进行设定，因此可通过简便的计算处理来设定防尘罩27的形状(曲率)。

进一步，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，在相互邻接的开口分割区域(例如开口分割区域B1和开口分割区域B2)之中，根据与一方的开口分割区域(例如开口分割区域B1)对应的防尘罩27的区域(例如第一区域R1)的曲率来设定与另一方的开口分割区域(例如开口分割区域B2)对应的防尘罩27的区域(例如第二区域R2)的曲率，因此可逐渐简便地设定防尘罩27的形状(曲率)。

并且，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，在相互邻接的开口分割区域(例如开口分割区域B1和开口分割区域B2)之中，在连接作为与一方的开口分割区域(例如开口分割区域B1)对应的防尘罩27的区域(例如第一区域R1)的曲率中心的点(例如点P7)和防尘罩27的区域(例如第二区域R1)的车辆10的最后方侧的点(例如点P5)的线段(例如平分线M3)上设定作为与另一方的开口分割区域(例如开口分割区域B2)对应的防尘罩27的区域(例如第二区域R2)的曲率中心的点(例如点P10)，因此可逐渐简便地设定防尘罩27的形状(曲率)。

而且，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，在防尘罩27上施加有红外线反射涂层，因此可防止热量入侵于车辆用平视显示装置21的内部的情况。因此，可防止车辆用平视显示装置21的温度上升而提高耐久性。

进一步，根据实施例1的车辆用平视显示装置21，为了消除投影光通过防尘罩27且由前挡风玻璃2(透光性部件)反射而产生的虚像53的几何学畸变，将事先补正的图像(补正显示图像)从图像显示部23a进行投影而形成虚像53，因此不使用复杂的光学系统而能容易地补正显示图像的几何学畸变。

此外，在所述的实施例1中，对作为透光性部件使用了车辆10的前挡风玻璃2的例子进行了说明，但作为透光性部件，除了前挡风玻璃2以外，也可以使用与前挡风玻璃2另外设置的具有透光性的反射板(分体型组合器)。

以上根据附图，对本发明的实施例进行了详细描述，但实施例不过是本发明的示例，因此该发明不限于实施例的构成，当然在不脱离本发明的主旨的范围内进行的设计变更等也包含在本发明中。