CN102693033A - 触控电子纸和触控电子纸系统 - Google Patents

Abstract

一种触控电子纸，采用无源电子纸显示层作为显示层，以及电容触摸层作为触控层。无源电子纸显示层可显示多种图案和图案组合。一种触控电子纸系统，具有上述的触控电子纸和控制系统，可实现操作界面的可重配置。应用所述触控电子纸系统的装置，特别是一种笔记本电脑、遥控器、家电，使用所述触控电子纸作为用户操作界面。本发明的触控电子纸具有低成本、高效率、寿命长、外型美观等优点。

Description

触控电子纸和触控电子纸系统

技术领域

人机操作界面技术，特别是应用了电子纸和触控技术的人机操作界面技术。

背景技术

电子纸技术，例如美国E INK公司的电泳显示技术，可以实现如纸张一般的阅读效果，以及柔性、超薄以及极低功耗的特性。电子纸技术实际是一类显示技术的的统称，其它的电子纸技术还有电润湿显示、反射式液晶显示、反射相干显示技术等，它们的特性和用途与EINK公司的电泳显示技术类似。电子纸的成本依赖于所使用的背板技术。当使用有源矩阵(如TFT)背板时，其成本较高，适合于电子书的应用；当使用无源背板时，可以显示一些简单的预先设定好的图案；通过将这些图案进行选择可以显示出多种图案的组合。

在另一方面，人机界面的设计中，人们希望得到简洁操作界面。具体来讲就是人们希望自己当前需要使用的功能按键突出于当前不需要使用的功能按键中，以便获得更一目了然的操作界面，这可以叫做可重配置的操作界面。一个普遍的例子是，多功能电视遥控器的设计中，电视功能按键、DVD播放按键以及游戏操作按键往往错综复杂地组合在一个物理键盘上。当用户希望使用电视功能时，其他功能按键并不会“消失”以凸显电视功能按键，这使得用户被大量的按键干扰，影响了用户体验。

结合电子纸技术，人们开发了可以可重配置的操作界面，例如三星公司推出了alias手机，其键盘使用了如中国专利申请200810088987.X中所述电子纸键盘的技术，使得按键具有多重功能。然而电子纸按键制作并不便利，且清洁不便，灵活性不佳。

在中国实用新型专利200620133117.8中公布了一种使用导光板来实现“可重配”的操作界面，但其缺点是明显的：1)导光板和LED安装较复杂，厚度较厚，2)按键显示内容是通过印刷或激光雕刻实现，因而有很大的限制。3)无法做到局部点亮。

在中国实用新型专利200510086597.7中公布的方案采用EL发光薄膜作为背光，配合电容式触摸按键来实现可重配置的用户界面，但其缺点在于EL需要较高的驱动电压，因而在可靠性、安全性以及节能方面不利。

在中国实用新型专利200720103615.2中公布了一种使用电子纸的按键，可结合机械按键实现可重配置的操作界面，但其不足在于，依据其中的结构描述，电子纸必须是能够配合金属拱膜上下运动的，这降低了整个结构的可靠性，增加了厚度。

在中国专利申请200710076547.X中公布了一种使用了触摸屏的电子纸显示器，但其对于这种使用的具体结构的特征并没有指明，即没有指明电子纸的特别种类，而触控面板则使用了电阻式的结构。然而，纯粹将显示器和触控面板结合的概念并没有创造性，例如液晶触摸屏就是这种结构，且索尼公司的PRS-600电子阅读器已使用这种触摸屏。

在中国专利申请200810088987.X中还公布了可持久显示功能图案的触控面板，提及电子纸和触摸面板的结合使用。但亦未提及电子纸和电容触控面板的具体结构。而电子纸和触控面板的整合的具体结构因应具体应用领域的不同，其价值将大异其趣。因而针对应用领域提出的具体结构才具有创造性和实用性。

采用如上所述的两个专利所述的技术来实现可重配置的操作界面时，都存在成本过高的问题，不适用于主要作为触摸输入的应用。

总之，利用触摸屏可以容易地实现可重配置的操作界面功能，是当前电子技术的趋势。但通常的触摸屏，例如液晶显示触摸屏，或者电子书所使用的电子纸触摸屏，成本较高，并不适合用来作为单纯的用户输入界面；或者可重配置的按键则存在结构复杂，可靠性较低，且不美观等不足。

发明内容

本发明旨在利用电子纸技术和触摸技术，为用户提供低成本、可靠、高效率的用户操作界面，使得操作界面可以根据用户当前应用而进行多种配置，从而提供一种低成本、简洁高效的用户界面，提高操作效率。

为了实现以上目的，本发明一方面提供一种触控电子纸，其包括显示层和透明的触控层，所述的显示层为无源电子纸显示层，用以显示多种图案和/或图案组合；触控层贴附于显示层之上，用以实现触摸输入功能。

本发明第二方面提供一种触控电子纸系统，包括所述的触控电子纸和控制系统；其中所述的控制系统进一步包括电连接至触控电子纸之无源电子纸显示层的显示驱动控制器，以及电连接至触控电子纸之触控层的触控面板控制器；还包括处理单元，电连接至显示驱动控制器和触控面板控制器，用于信息的处理和控制触控电子纸的显示和触摸感应；还包括存储器，用于存储信息；包括可重配置模块，其中又包括多个模式模块，用于将触控电子纸配置为多种使用模式；可重配置模块可以包括在存储器之中，以程序代码形式存在，或为一独立模块，如ASIC。触控层可采用电容触摸层、电阻触摸层等；无源电子纸显示层之显示材料层可采用电泳显示材料层、电润湿显示材料层、反射式液晶显示材料层等。

本发明的有点在于：1)简化了可重配用户操作界面的结构，提高了可靠性、显著降低了成本；2)提高了用户操作界面的效率；3)为笔记本电脑、遥控器、白色家电等电子装置带来了新颖高效的用户操作界面；

下面将结合若干较佳实施例进一步阐述本发明的精神和细节，以便增强公众对本发明的理解。为了突出本发明技术特征，对一些公知技术的细节进行了省略；或者虽然公布了一些公知技术或结构方面的细节，但本领域的专业人员很容易想到其他类似的实现方法，因而这些技术或结构方面的细节仅是为了增加公众对本发明的理解而非限定本发明。

附图说明

图1：触控电子纸100的结构图

图2A：无源段式电泳显示层结构图

图2B：无源段式电泳显示层像素电极

图3：单层结构二维电容触控面板结构图

图4：应用触控电子纸的笔记本电脑结构图

图5：应用触控电子纸的笔记本电脑电路系统图

图6：可重配置模块结构图

图7A：可重配置模块将触控电子纸配置为模式二的示意图

图7B：可重配置模块将触控电子纸配置为模式一的示意图

图8：触控电子纸200的结构图

图9：单层结构1维/0维电容触控按键层结构图和电路连接关系

图10：镂空隔离层结构图

图11：触控电子纸200的无源段式电泳显示层的像素电极结构

图12：遥控器

图13：遥控器电路结构图

图14：微波炉

具体实施例

以下通过具体实施例来进一步阐述本发明的具体结构。如图1所示的是本发明所述触控电子纸100的剖面结构图，从观察者一方向下依次包括触控层，为二维电容触摸面板110，和显示层，为无源段式电泳显示层120，两层之间通过多种材料和方式贴合，例如透明光学胶粘剂(LOCA)或透明光学胶带(OCA film)等，然后通过热压或紫外固化等多种的方法贴合。贴合材料和方式为公知技术，附图未予示出。电泳显示技术是近年兴起的一种双稳态显示技术，俗称电子纸(但电子纸的外延不止电泳显示器件)，例如美国E Ink公司采用的微胶囊电泳显示器件，或Sipix公司所有的微杯型电泳显示器件；还包括电润湿显示、反射式液晶显示等。采用无源段式驱动技术时，上述类型的电子纸可以显示简单的图案，但其成本相对于有源矩阵驱动方式大为降低。

图2A示意了所述无源段式电泳显示层120的一种结构，从靠近触控层110开始依次包括透明的上基材120A，以及附着在上基材上的透明公共电极120B，120A和120B可由ITO导电薄膜来实现；还包括电泳显示材料层120E，例如微胶囊电泳显示材料；内表面附着有像素电极120C的下基材120D。根据像素电极120C和下基材120D的种类，无源段式电泳显示层120可分为柔性和刚性两种。例如，当使用PCB做下基材120D时，像素电极120C则为金属盘(metal pad)，无源段式电泳显示层120为刚性；当使用FPC或PET等基材时，无源段式电泳显示层120为柔性。本例中，像素电极120C和下基材120D由PCB基材上铜箔电极实现。当透明公共电极和像素电极之间施加一定的电压时，微胶囊电泳显示材料层120E中的带电粒子将运动，例如当公共电极电压对像素电极电压为+15V时，带正电的白色粒子从公共电极一侧向像素电极一侧运动，而带负电的黑色粒子从像素电极一侧向公共电极一侧运动。从公共电极一侧观看，则该像素电极对应区域显示黑色。像素电极120C和下文将讲述的背景电极，它们和无源段式电泳显示层120之间的贴合可以采用多种方式，例如直接在两者之间使用各向异性导电材料来进行粘结，或直接通过热压方式贴合，皆是为公知技术；两种贴合方式中前者具有较好的贴合效果，可以减少因像素电极和背景电极表面不平坦、缝隙等影响驱动无源段式电泳显示层120显示的效果，并可更好地防止水汽的入侵。为简化附图起见，这些公知技术在附图中予以了省略。

关于电泳显示屏的工作原理可参见E INK公司主页，关于柔性无源电泳显示屏的详细结构可以参照中国专利申请200310123446.5中的描述。

图2B所示为电泳显示屏像素电极120C结构图。像素电极可分为功能电极、标识电极，功能电极驱动电泳显示材料层显示功能电极图案，定义了触摸按键(或滑条，转轮等部件)的触摸区域，标识电极驱动电泳显示材料层显示标识电极图案，用以显示标识信息以提示用户。标识电极和功能电极组合，形成按键电极；一个功能电极和多个标识电极组合，形成一组按键电极，相应地，它们驱动电泳显示材料层显示一组按键图案，显然，将同一个功能电极和不同的标识电极组合就实现了按键的重定义。例如，图2B中像素电极120C1是一个矩形按键的图案(黑色线条是矩形按键的边框)，用以定义触摸按键的触摸作用范围，因而称为功能电极120C1；在像素电极120C1内部，还有一个阿拉伯数字“1”的图案的像素电极120C2，用以标识像素电极120C1的功能是阿拉伯数字“1”的输入，因而像素电极120C2称为标识电极120C2。标识电极120C2和功能电极120C1彼此是电绝缘的，可分别控制其上所施加的驱动电压，它们合起来可驱动电泳显示材料层120E显示一个阿拉伯数字“1”的按键图案。当用户用手指触摸该按键对应的触摸屏位置时，则系统将识别用户输入了阿拉伯数字1。功能电极120C1通过通孔120E1连接到下基材120D的另一面导体走线120F1上，导体走线120F1进一步连接至电泳显示驱动控制器相应的驱动引脚上，因而功能电极120C1可接受处理器通过电泳显示驱动控制器进行的控制。像素电极还设有显示其他按键图案的电极，例如方向键对应的功能电极120C3和标识电极120C4等。同一个功能电极可以和不同的标识电极组合以实现按键功能的重定义。

通常下基材120D内表面(即设有像素电极的一面)整层铺设有金属层，所有非像素电极的金属层都属于背景电极，用于驱动非像素电极部分的电泳显示层，以使得像素电极对应的图案凸显于电泳显示层。背景电极的设定为公知技术，不再详述。

图3所示电容触摸层采用二维电容触摸层110。二维电容触摸层110为单层透明导电传感器(transparent conductive sensor)结构，如单层ITO传感器结构，其中衬底121(玻璃或透明薄膜)上刻蚀有条状ITO传感器122，其首尾两端通过导线123连接至连接器124，最终电连接至电容触摸控制器337。单层ITO结构的电容触摸面板技术见于美国立迪思(LeadisTechonolgy)公司的电容触摸方案中，例如美国专利申请US 20090267914A1中。单层ITO电容触摸面板的缺点在于精度低、多点触摸不佳、抗电磁干扰不足等，优点在于成厚度薄、结构简单、成本低。对于本发明的应用而言，精度和多点触摸性能并非关注点，而成本则至关重要，因而单层ITO电容触控面板方案特别适用于本发明的触控电子纸应用。对于抗电磁干扰性，多层电容触摸面板是通过在X、Y电极层下还设置一个ITO屏蔽层来优化的，这对于电磁干扰较严重的液晶显示屏或有机发光显示屏而言是必要且有效的，但对于本发明的触控电子纸而言，则屏蔽层并非必要，单层ITO结构已能适用。这是因为，电泳显示器件工作时，刷新频率较低，可以减小电磁辐射，其显示画面不更新时，几乎无电磁辐射；另一方面无源段式电泳显示层120由于只显示预设的图案，不存在扫描行为，因而电磁辐射更低；再进一步，通常情况下上基板120A上的公共电极120B有一个稳定的公共电压，如0，则当电容触控面板110贴附在其上时，公共电极120B实际上已经作为一个屏蔽层而存在。正是由于这种特殊性，因而本发明使用无源段式电泳显示层120和单层ITO电容触摸面板110可以形成一个低成本、高效率的人机界面的方案。在条状ITO传感器122和无源电泳显示屏120之上基板120A之间还可以放置一层透明绝缘的薄膜，如PET薄膜，以减小条状ITO传感器122的对地寄生电容，提高电容触控面板110的灵敏度。PET薄膜的厚度视具体情况而定。

图4所示为应用了本发明所述触控电子纸的计算机系统的实施例，即笔记本电脑300，包括翻盖310，安装在翻盖310内表面的主显示屏311；还包括基体320，通过翻盖铰链和翻盖310连接成翻盖结构，还包括安装于基体320内表面(即靠近主显示屏311的表面)的键盘321，以及安装于键盘321下方内表面上的触控电子纸100。实际上，触控电子纸100正是取代了传统笔记本电脑中触摸板的位置，可认为其是对触摸板技术的一个升级，因而对用户使用习惯上有个传承。但由于可以以较低的成本实现可重配置的操作界面，所以触控电子纸100可以发挥更多的功能，可以大幅度提升触控板这类输入工具的操作效率。而且电子纸的极低耗电，掉电仍可保持图像的特性，使得其不至于降低笔记本电脑的续航能力。整个触控电子纸100还可以保持低厚度、平整、简洁，装配简单等优点，因而有助于保持笔记本电脑的300的优美外观。

图5示意了笔记本电脑300的内部电路连接图，其中和触控电子纸关系不大的部分未予画出，它们作为公知技术，容易为本专业领域人员轻松掌握。图5中，触控电子纸100之无源段式电泳显示层120通过电泳显示驱动控制器336，电容触摸层110通过电容触摸控制器337电连接之系统管理器/键盘控制器(SMC/KBC)335；系统管理器/键盘控制器(SMC/KBC)335电连接至南桥芯片333，最终通过北桥芯片332连接至中央处理器331；包含有可重配置模块的3341的存储器334通过北桥芯片连接至中央处理器331。可重配置模块3341，包含多个模式模块，其功能在于将触控电子纸配置成多种使用模式，从而形成不同功能的触控人机界面。可重配置模块3341的具体结构如图6所示，其至少包括模式模块一3342，用于将触控电子纸置于模式一，模式模块二3343，用于将触控电子纸置于模式二。其中每个模式模块，又包含了按键图案配置模块和按键功能映射模块。例如模式模块一3342包含了按键图案配置模块3342A，其功能在于发出指令控制功能电极和标识电极显示不同的按键图案及按键图案组合，包括1)在不同的模式之间使用不完全相同的功能电极组合，并驱动电泳显示层120显示；2)在不同的模式下，同一个功能电极和不同的标识电极组合，并驱动无源段式电泳显示层120显示。由于无源段式电泳显示层120所能显示的全部图案由其像素电极120C的图案所决定，因此按键图案配置模块3342A所能控制的图案是全部像素电极120C所决定图案的一个子集。模式模块一3342还包括按键功能映射模块3342B，其功能在于将特定模式中的按键图案根据标识电极图案的不同，映射至特定的功能。每个按键图案中的功能电极图案对应在电容触摸层110上有各自固定的坐标位置，但其可通过映射至不同的程序代码段来执行不同的功能，并通过不同的标识电极图案来告诉用户该按键图案对应的功能。例如图7A所示为模式模块二3343下触控电子纸100所显示的按键图案组合，其中按键图案KEY11由标识电极图案L11和功能电极图案F1组成，其功能是输入阿拉伯数字“1”；还有按键图案KEY21；图7B所示为模式模块一3342下触控电子纸100所显示的按键图案组合，按键图案配置模块2312A将功能电极图案F1和另一标识电极图案L12组成按键图案KEY12，同时按键功能映射模块3342B将其功能由模式模块二3343中的输入阿拉伯数字“1”重映射为打开“收藏夹”的功能；而模式模块二3343中的按键图案KEY21则在模式模块一3342中不再显示了，相应的按键功能也不复存在。

图8所示为本发明所述触控电子纸200，其触控层使用透明的1维/0维电容触摸按键层210；显示层为无源段式电泳显示层220，采用PET基材上印刷导电油墨电极的方式作为像素电极，为一种低成本柔性的电泳显示层；在触控层和显示层之间还有透明绝缘的镂空隔离层，具体为一镂空的透明绝缘薄膜230，亦可以为镂空的透明玻璃等。镂空层的作用在于使显示层和触控层之间有空气或真空的隔离，由于空气或真空的介电常数最小，因此可以减小触控层对显示层的寄生效应，提高信噪比。如图9所示，透明的电容触摸按键层210具有透明的薄膜基材211，基材上有使用ITO制作的0维电容触摸按键传感器212，和1维电容触摸滚轮传感器213，还可以包括电容触摸滑条传感器。各传感器电电连接至电容触摸控制器422.如图10所示，镂空的透明绝缘薄膜230，包括透明的薄膜基材231，基材上有镂空区，包括镂空按键232，镂空滚轮233。镂空按键232和电容触摸按键传感器212、镂空滚轮233和电容触摸滚轮传感器213位置重叠，在基材平面上大小形状一致(实际制作中，并非要求绝对的位置重合和大小形状完全一致，大体满足要求即可)。如图11所示为无源段式电泳显示层220之像素电极层结构图，包括按键功能电极220C1，标识电极220C2，滚轮功能电极220C3和220C4。按键功能电极和按键传感器、滚轮功能电极和滚轮传感器位置大体重叠，在基材平面上形状大小基本一致。图8示意了触摸传感器、镂空区和功能电极的位置重叠关系，而图9～图11示意了触摸传感器、镂空区和功能电极的形状大小关系。

图12所示为使用了触控电子纸200作为人机操作界面的遥控器400，其正面(面对使用者的一面)采用了本发明所述的触控电子纸200为操作界面，其中触摸按键412和触摸滚轮413。

图13所示为遥控器400的内部电路结构图。其中触控电子纸200之无源段式电泳显示层220通过电泳显示驱动控制器421，电容触控面板210通过电容触摸控制器422连接至微控制器423；射频和/或红外发射器424电连接至微控制器423以实现遥控信号的发射。微控制器423控制触控电子纸显示特定操作界面，并接受来自触控电子纸的输入信号，判断当前触摸按键，并根据当前触摸按键获得无线编码，再控制射频和/或红外发射器424发射所述无线编码遥控信号。微控制器423还包含了Flash存储器4231，其中又包含了可重配置模块4232，使得操作界面具有可重配置功能，可通过电路控制以显示当前必须的按键，而隐藏其他不需之按键，达到简化操作界面的目的；或者通过重定义按键功能来实现一机多用，从而使得整个遥控器的设计保持了简洁、高效、美观的操作界面。

图14示意了使用触控电子纸200作为人机操作界面的家电之一——微波炉500。在微波炉500的正面安装了触控电子纸200作为人机操作界面，是的整个微波炉500的操作更加简洁高效，美观、实用可靠。

触控电子纸100，触控电子纸200独特的结构提供了一种介于机械按键和传统触摸屏之间的新型操作界面，尤其是触控电子纸200，可广泛应用于制作低成本的高效人机操作界面。

Claims (11)

1.一种触控电子纸，其包括显示层和透明的触控层，所述的显示层为无源电子纸显示层，用以显示多种图案和/或图案组合；触控层安装于显示层之上，用以实现触摸输入功能。

2.如权利要求2所述的触控电子纸，其中无源电子纸显示层从靠近触控层一侧起包括：

透明的上基材以及附着在上基材内表面上的透明公共电极；

下基材以及附着在下基材内表面上的像素电极；像素电极区分为用于标识的标识电极，以及用于定义触摸区域的功能电极；

以及位于公共电极和像素电极之间的电泳显示材料层。

3.如权利要求1～2任一所述的触控电子纸，其中所述的触控层采用透明电容触控层。

4.如权利要求3所述的触控电子纸，其中所述透明电容触控层是透明电容触摸按键层；透明电容触摸按键层具有透明的基材，以及基材具有0维的电容触摸按键传感器，和/或1维的透明的电容触摸滑条传感器，和/或透明的电容触摸滚轮传感器；其中电容触摸传感器和对应的像素电极之功能电极位置大体重叠，在基材平面上形状大小大体一致。

5.如权利要求4所述的触控电子纸，其中所述的透明电容触控传感器和无源电子纸显示层之间还有一层透明绝缘的镂空隔离层，包括透明绝缘的基材，及基材上的镂空区。

6.如权利要求5所述的触控电子纸，其中镂空隔离层之镂空区和对应之电容触摸传感器位置大体重叠，在基材平面上大小形状大体一致。

7.一种触控电子纸系统，包括如权利要求1～6任一所述的触控电子纸和控制系统，其中所述的控制系统进一步包括电连接至触控电子纸之无源电子纸显示层的显示驱动控制器，以及电连接至触控电子纸之触控层的触控面板控制器；还包括处理单元，电连接至电子纸显示驱动控制器和触控面板控制器，用于信息的处理和控制触控电子纸的显示和触摸感应；还包括存储器，用于存储信息。

8.如权利要求7所述的触控电子纸系统，其中还包括可重配置模块，其中包含了用于将触控电子纸配置为多种使用模式若干模式模块；所述可重配置模块位于存储器模块之中或为一独立模块。

9.如权利要求8所述的触控电子纸系统，其中所述模式模块又包含了按键图案配置模块和按键功能映射模块；按键图案配置模块其功能在于发出指令控制功能电极和标识电极显示不同的按键图案及按键图案组合，包括1)在不同的模式之间使用不完全相同的功能电极组合，并驱动无源电泳显示层显示；2)在不同的模式下，同一个功能电极和不同的标识电极组合，并驱动无源电泳显示层显示；按键功能映射模块其功能在于将特定模式中的按键图案根据标识电极图案的不同，映射至特定的功能。

10.如权利要求8～9任一所述的触控电子纸系统，其具体为一种笔记本电脑，包括：

翻盖，以及安装在翻盖内表面的主显示屏；

基体，通过翻盖铰链和翻盖连接成翻盖结构，以及安装于基体内表面的键盘；

其中触控电子纸安装于键盘下方的基体内表面上，作为输入界面；

或具体为一种遥控器，包括：

遥控信号的发射单元，用于发生射频或红外遥控信号；

其中触控电子纸安装于遥控器上表面，作为按键显示和输入操作界面；

或具体为一种家电，包括：

家电功能单元，用于实现家电的声、和/或光、和/或热、和/或电、和/或机械功能；

其中触控电子纸安装于家电外表面，作为按键显示和输入操作界面。

11.如权利要求10所述的触控电子纸系统，其中所述

笔记本电脑，其触控电子纸之触控层采用二维电容触控面板，其显示层为无源段式电泳显示层；

遥控器，其触控电子纸之触控层采用透明电容触摸按键层，具有电容触摸按键和/或电容触摸滑条/滚轮，其显示层为无源段式电泳显示层；

家电，其触控电子纸之触控层采用透明电容触摸按键层，具有电容触摸按键和/或电容触摸滑条/滚轮，其显示层为无源段式电泳显示层。

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