CN103823592B - 一种带有力学感应功能的显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有力学感应功能的显示装置，包括显示屏和力学感应层，力学感应层包括多个力学感应单元；力学感应层设置在显示屏的内侧，各个力学感应单元按二维平面分布在显示屏的显示区域之内，当手指按压在显示屏上时，与按压位置相对应的力学感应单元能够感应到手指的局部按压力，并能够将该力学感应单元的位置作为该按压位置的第一坐标信息进行输出。按压力能够垂直地透过显示屏以施加到力学感应单元上，因此力学感应单元所探测到的按压力的灵敏度、准确度都比较高，这种力学感应层不仅具有力学感应功能，还具有更为准确的按压定位功能，能够为系统提供更加丰富的手指按压信息。除此之外，可以实现多手指按压的探测功能。

Description

一种带有力学感应功能的显示装置

技术领域

本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种带有力学感应功能的显示装置。

背景技术

2014年1月底，美国专利商标局公布了苹果公司的一项专利申请。这项专利申请描述了一种内建压力传感器的设备。

如图1和图2所示，这项专利申请名为“通过压力传感的手势和触控输入”，描述的设备与iPhone和iPad中普通的显示屏类似，但在显示屏的周边区域下方安装了3个或4个压力传感器，当手指按压屏幕时，每个传感器都将获得不同的压力数值，因此可通过计算确定手指大致的按压力和按压位置，从而实现一种带有力学感应功能的显示装置。例如，当用户在设备右上角施加压力时，位于这一边角的传感器将获得特定的压力值，类似地，其他区域的传感器也将获得不同数值，但压力值可能较低，由此，可计算出手指在屏幕上按压的大致压力以及接近右上角的按压位置。

然而，这种带有力学感应功能的显示装置，由于其压力传感器一般都是设置在屏幕的四端，其距离手指在屏幕的按压位置一般比较远，手指在屏幕上的按压力，一般需要显示屏各部分的横向传导，最终才能够到达这些力学传感器上，而显示屏的横向传导，则是非常不稳定的，由此，会导致最终所计算的按压力和按压位置出现严重的偏差。

另外，这种力学感应装置，也只能计算出一个按压点的按压力和按压位置，如果屏幕上出现多个手指的按压，系统将无法识别，从而给出错误的结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带有力学感应功能的显示装置，这种带有力学感应功能的显示装置在确保显示质量的基础上，实现力学感应功能，而且具有更为准确的按压定位功能，除此之外，还可以实现多手指按压的探测功能。采用的技术方案如下：

一种带有力学感应功能的显示装置，其特征为：包括显示屏和力学感应层，力学感应层包括多个力学感应单元；力学感应层设置在显示屏的内侧，各个力学感应单元按二维平面分布在显示屏的显示区域之内，当手指按压在显示屏上时，与按压位置相对应的力学感应单元能够感应到手指的局部按压力，并能够将该力学感应单元的位置作为该按压位置的第一坐标信息进行输出。

上述内侧是指远离操作者的一侧（即是背面），外侧则是指靠近操作者的一侧（即是正面）。

力学感应层设置在显示屏的内侧（背面），手指的按压力能够透过显示屏施加到力学感应层上，以使力学感应层能够感应到手指的按压，以实现力学感应的功能，力学感应层设置在显示屏的背面，因而不会影响到显示屏的显示，显示质量更好；在力学感应层中，多个力学感应单元以二维平面的方式设置在显示区域的内侧，多个力学感应单元可以均匀或相对均匀地分布在显示区域背面的各个位置上，因此，当手指按压在显示屏上时，其按压力能够垂直地透过显示屏以施加到与按压位置最接近的力学感应单元上，不需经过其他结构的力学传递，因此力学感应单元所探测到的按压力的灵敏度、准确度都比较高，并且力学感应单元能够根据自身的位置输出关于手指按压位置的第一坐标信息，使得这种力学感应层不仅具有力学感应功能，还具有更为准确的按压定位功能，能够为系统提供更加丰富的手指按压信息。除此之外，各个力学感应单元都可以输出与其对应的手指按压的按压力以及第一坐标信息，当多个手指同时按压时，还可以实现多个手指按压的同时探测，也就是说，可以实现多手指按压的探测功能。

作为本发明的优选方案，所述显示屏为柔性显示器。将显示屏优选为柔性显示器，如柔性的有机发光显示器，其不仅厚度薄，且整体柔软，因而容易发生局部变形，可以将手指按压的局部按压力有针对性地传递到其内侧对应的力学感应单元上，而不是将手指按压力较为平均地、无针对性地传递到多数的力学感应单元上，因此，不仅能够增大对应手指按压的力学感应单元的信号强度，且能够得到关于手指按压的更加清晰的第一坐标信息。

作为本发明的优选方案，所述力学感应层包括第一基板、第二基板、第一电极层、第二电极层和弹性层，第一电极层设置在第一基板的外侧，第二电极层设置在第二基板的内侧，弹性层设置在第一电极层与二电极层之间，第一电极层与第二电极层具有多处交叠而构成多个平板电容器，弹性层在手指的按压作用下能够改变相应位置的局部厚度，各个平板电容器的电容值反映按压力的大小并构成所述多个力学感应单元。这种力学感应层的具体结构中，通过各个平板电容器的电容值来反映按压力的大小，在设置一定阈值的情况下，将按压力超过阈值的平板电容器的位置作为按压位置以第一坐标信息进行输出，并以其对应的压力值作为对应手指的按压力进行输出。这种力学感应层结构的优点在于容易平面化，以实现与显示屏的搭配。

作为本发明进一步的优选方案，所述弹性层为由垫隔物所垫隔而成的流体层或真空层。相比于采用固体材料，采用一定垫隔物所垫隔而成的流体层或真空层作为弹性层，其不仅在受到手指按压力时，发生的厚度变形更大，由此可增强力学感应的信号，而且，还可以根据垫隔物的设置来改变整个弹性层的整体或局部弹性，以获得更加理想的力学感应层。

作为本发明进一步的优选方案，所述第一电极层包括多个沿着第一方向延伸的第一电极，所述第二电极层包括多个沿着第二方向延伸的第二电极，多个第一电极与多个第二电极相互交叉而构成平板电容器矩阵。假设第一电极的数量为N条、第二电极的数量为M条，连出线的数量仅需N+M条，即可以获得N×M个力学感应单元，其连线的数量较少。

作为本发明进一步的优选方案，所述第一电极层包括至少一个第一电极，所述第二电极层包括至少一个第二电极，并且任意两个第一电极与任意两个第二电极所构成的“井”字形交叉的数量为0。任意两个第一电极与任意两个第二电极所构成的“井”字形交叉的数量为0，即是说各个第一电极、第二电极之间不存在两两交叉而形成的电容回路，从而使得所述任意两个力学感应单元之间互不干扰，因此信号较强。

上述交叉是指电路意义上的交叉，而不是图形上的交叉。

作为本发明更进一步的优选方案，还包括触摸感应层，触摸感应层设置在显示屏的外侧，触摸感应层包括多个触摸感应单元，各个触摸感应单元输出按压位置的第二坐标信息。通过在显示屏的外侧面上设置触摸感应层，使得当手指触碰到显示屏上的某位置时，触摸屏除了能够检测到手指的触碰动作之外，还能够检测到手指触碰的对应位置，并由此输出第二坐标信息。

作为本发明再更进一步的优选方案，还包括处理电路或计算机系统，处理电路或计算机系统能够根据第二坐标信息对所述力学感应单元所检测到的手指按压力大小进行修正。通过第二坐标信息对手指按压力大小进行修正，从而获得更加准确的按压力值。

作为本发明再更进一步的优选方案，还包括处理电路或计算机系统，处理电路或计算机系统能够根据第一坐标信息和第二坐标信息，计算出准确的按压位置。根据第一坐标信息和第二坐标信息，使得计算出来的按压位置更加准确。

作为本发明更加优选的方案，所述多个力学感应单元沿着第一方向排列，各个力学感应单元输出按压位置沿第一方向的第一坐标信息，所述触摸屏的多个触摸感应单元沿着第二方向排列，各个触摸感应单元输出按压位置沿第二方向的第二坐标信息。力学感应单元沿着第一方向排列，触摸感应单元沿着第二方向排列，第一方向与第二方向不平行，使得可根据第一坐标信息、第二坐标信息得到手指在二维平面上的按压位置。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

在力学感应层中，多个力学感应单元以二维平面的方式设置在显示区域的内侧，并且均匀地分布在显示区域背面的各个位置上，因此，当手指按压在显示屏上时，其按压力能够垂直地透过显示屏以施加到与按压位置最接近的力学感应单元上，不需经过其他结构的力学传递，因此力学感应单元的灵敏度、准确度都比较高，并且力学感应单元能够根据自身的位置输出关于手指按压位置的第一坐标信息，使得这种力学感应层不仅具有力学感应功能，还具有更为准确的按压定位功能，除此之外，当多个手指同时按压时，这种力学感应层还可以实现多手指按压的探测功能，能够为系统提供更加丰富的手指按压信息。

附图说明

图1和图2是现有技术中显示屏在四角设置力学感应单元的示意图；

图3是本发明实施例一的结构示意图；

图4是本发明实施例一力学感应层中垫隔物排布示意图；

图5是本发明实施例一中力学感应层受力发生形变的示意图；

图6是本发明实施例一力学感应层中第一电极层、第二电极层的排布示意图；

图7是本发明实施例一中第一电极层、第二电极层构成平板电容器矩阵的示意图；

图8和图9是本发明实施例一力学感应层中垫隔物由光敏树脂曝光形成的示意图；

图10是本发明实施例二力学感应层中第一电极层、第二电极层的排布示意图；

图11是显示屏采用硬质显示屏情况下，各个力学感应单元输出信号强弱示意图；

图12是本发明实施例三中显示屏采用柔性显示屏情况下，各个力学感应单元输出信号强弱示意图；

图13是本发明实施例四的结构示意图；

图14是本发明实施例四利用处理电路或计算机系统对按压力进行修正的示意图；

图15是本发明实施例四力学感应单元的区域设置为包含9个触摸感应单元的示意图；

图16是本发明实施例五中力学感应单元及触摸感应单元的排布示意图；

图17是本发明实施例五利用处理电路或计算机系统对按压力进行修正的示意图；

图18是本发明实施例六的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

实施例一

如图3所示，这种带有力学感应功能的显示装置，包括显示屏1和力学感应层2，显示屏1为一硬质的有机发光显示器(OLED)，显示屏1通过粘合层3粘附在力学感应层2的外侧，力学感应层2包括第一基板201、第二基板202、第一电极层203、第二电极层204和弹性层205，第一电极层203设置在第一基板201的外侧，第二电极层204设置在第二基板202的内侧，弹性层205设置在第一电极层203与第二电极层204之间。

第一基板201的抗弯性被设置为高于第二基板202，一般来说，可以将第一基板201的厚度设为大于第二基板202，或者采用比第二基板202更加坚硬的结构或材料(如金属)。例如在某具体方案中，第一基板201、第二基板202都为玻璃基板，而第一基板201的厚度为1.1mm，第二基板202的厚度为0.4mm；在另一具体方案中，第一基板201为玻璃基板，而第二基板202为塑料基板；在又一具体方案中，第一基板201为金属板，且采用了背面凸条等加强结构。

弹性层205可以采用弹性胶层，为了增大受到按压力之后的形变程度，在本实施例中，如图4和图5所示，弹性层205采用垫隔流体层，由多个垫隔物2051所垫隔而成的垫隔空气层2052，垫隔空气层2052为具有稳定厚度的空气层，垫隔物2051(如垫隔球)的直径可取2～100μm范围的某数值，这些垫隔物2051可以采用普通的垫隔球或垫隔条，其撒布在第一基板201(或第二基板202)上，再由第二基板202(或第一基板201)覆盖则可形成上述垫隔空气层2052，在第一基板201、第二基板202以及垫隔物2051的弹性作用下，其局部厚度d(或局部平均厚度)随着手指在显示器外侧局部按压力F的改变而改变：

d=d(F)或

其中A为用于计算局部平均厚度的面积。

第一电极层203、第二电极层204都为二维平面导体，其可以由金属表层、金属膜、碳膜、导电氧化物膜、导电油墨涂层等制作而成，为了防止第一电极层203、第二电极层204发生短路，一般可在第一电极层203外侧和/或第二电极层204内侧涂布一层绝缘层。

如图6和图7所示，第一电极层203被图形化为M个沿着X方向延伸的第一电极2031，第二电极层204被图形化为N个沿着Y方向延伸的第二电极2041，使其相互交叉构成一(M×N)的平板电容器矩阵4，弹性层205则构成每个平板电容器的电介质层，使得每个平板电容器的电容值C可按照：

其中，A为平板电容器的电极交叠面积，ε为弹性层的介电系数，ε₀为真空介电常数，C(F)表示电容C随着按压力F改变的函数，其随着手指在对应位置的按压力F的改变而改变，由此，可通过探测每一个平板电容器电容值的改变，来探测手指对应的局部按压力，也就是说，所述平板电容器矩阵4构成了一个力学感应单元矩阵，各个力学感应单元206以二维矩阵的方式分布在显示屏1的背面，在工作时，可以根据不同平板电容器的电容变化，找出电容变化最大的平板电容器，并以其位置作为关于手指按压位置的第一坐标信息进行输出。

如图7所示，在一具体方案中，上述平板电容器矩阵4可以采用以下方式进行驱动：设置一定的检测周期，在检测周期内的不同时间片分别为不同的第一电极2031施加激励信号，并同时对在多个第二电极2041上检测相应的信号，由此，可根据检测到信号的强弱，计算出该时间片所对应第一电极2031与多个第二电极2041交叉处的平板电容器的电容值，由此，通过一个检测周期的检测，可以获得各个平板电容器的电容值，通过与其自然状态下的电容值进行比较，得到相应的电容变化，并由此计算出施加在第二基板202外侧不同位置的外部压力，如果该外部压力超过一定的阈值，则认为其受到了按压作用，并向系统输出相应的压力值以及与相应按压位置相关的第一坐标信息。

如图8、9所示，在本实施例的一优选方案中，所述弹性层205也可以采用图形化的光敏树脂形成，也就是说，在第一基板201(或第二基板202)上涂布一层一定厚度的光敏树脂，通过曝光的方法形成多个块状的垫隔物2051(photo space)，再将第二基板202(或第一基板201)覆盖上去，这些photo space的位置可根据平板电容器的位置进行合理设计，例如，可以将其刻意地设置在每个平板电容器的边缘处，使得受到按压力时，平板电容器中间由于缺少支撑，能够产生更大的厚度变化。

实施例二

在其它部分均与实施例一相同的情况下，其区别在于：如图10所示，将实施例一的第一电极2031连接到一公共电位(即各个第一电极2031相互连接)，而将第二电极层204设计为(M×N)个第二电极2041，每个第二电极2041由一连线连出，则构成本发明的实施例二。在实施例二中，第一电极2031与多个第二电极2041之间形成一(M×N)的平板电容器矩阵，也就是说，形成一(M×N)的力学感应单元矩阵。

在这种平板电容器矩阵中，不存在任何“井”字形的电极交叉，各个第一电极2031、第二电极2041之间不存在由于交叉而形成的电容回路，从而使得所述任意两个力学感应单元之间互不干扰，因此信号更加清晰，其可以采用对各个电容进行实时检测的多通道方式进行驱动。

实施例三

在实施例一、实施二的基础上，显示屏1采用柔性显示屏，则构成本发明的实施例三，柔性显示屏不仅厚度薄，且整体柔软，因而容易发生局部变形，可以将手指的局部按压力有针对性地传递到对应的力学感应单元206上，而不是将手指按压力平均地、无针对性地传递到多数的力学感应单元206上，因此，不仅能够增大对应手指按压力学感应单元206的信号强度，且能够得到关于手指按压位置更清晰的第一坐标信息。所述柔性显示屏，可以为电子纸、柔性液晶显示器等，在一优选方案中，该柔性显示屏为柔性的OLED显示器，柔性的OLED显示器不仅显示效果好、厚度薄，且为全固态结构，因而不仅能够更加准确地将局部的按压力传递到底层的力学感应层上，且在受到按压力的情况下，其内部结构也不容易损坏。图11和图12分别为采用硬质显示屏和柔性显示屏的两种情况下，受到局部按压力之后，各个力学感应单元206的信号对比，可以看出，采用柔性显示屏，得到的按压信号更加清晰，能够更加准确地反映出按压的位置。

实施例四

如图13所示，在实施例一、实施例二或实施例三的基础上，在显示屏1的外侧增设触摸屏5。

本实施例中触摸屏5优选为电容触摸屏，尤其是一体式结构的电容触摸屏(如OGS结构的电容触摸屏)，一体式结构的电容触摸屏，不管是硬质的或是柔性的，其厚度都非常薄(能够达到0.55mm以下)，因此虽然增加一层触摸屏5，其对力学感应单元206信号清晰度的影响依然是可控的。这种一体式电容触摸屏一般包括一个第三基板501以及设置在第三基板501内侧的触摸感应层502，触摸感应层502包括多个透明电极，当手指按压而触碰到触摸屏5的表面时，这些透明电极可以利用其与手指之间的电容来实现触摸感应，并以自身的位置输出关于手指触碰位置的第二坐标信息，由此构成一包含多个触摸感应单元503的触摸感应层502。

由于可利用第二坐标信息来反映手指的按压位置，在本实施例的一优选方案中，可以将每个力学感应单元的区域设置为大于触摸感应单元，由此可以减少力学感应单元的数量，以达到降低电容间相互干扰(如实施例一的交叉矩阵方式)或减少外接线数量(如实施例二的非交叉矩阵方式)的目的。然而，在减少力学感应单元数量的情况下，容易使得每个力学感应单元所探测到的按压力(第一压力值)的准确度也有所降低。如图14所示，在本实施例进一步的优选方案中，还可以通过一定的处理电路或计算机系统，利用第二坐标信息对力学感应单元探测到的按压力大小进行修正，以得到更加准确的按压力值(第二压力值)。

例如，如图15所示，在本实施例的一具体方案中，可以将每个力学感应单元206的区域设置为包含一3×3矩阵排列的9个触摸感应单元503，其中，手指在力学感应单元的不同位置上按压，其电容改变量是不同的，例如，在按压力一致的情况下，手指按压在中间位置，可以使该力学感应单元206大部分的区域的弹性层厚度发生变化，因而电容值改变比较大，而按在周边位置，则仅有周边部分的弹性层厚度发生变化，使得电容值改变比较小，按在四角位置，这些电容值的改变更小，由此，力学感应单元206提供的按压力信息(第一压力值)并不能准确地反应手指的按压力。

当手指按压到该力学感应单元206上时，手指按压的位置主要由触摸感应层提供(即第二坐标信息)，由于触摸感应层502提供的第二坐标信息还可以用于区分手指在力学感应单元206上的不同按压位置，由此，可以设置一套对应不同触摸感应单元503的修正值，以对力学感应单元206探测到的第一压力值进行修正，这里提供一种修正算法：

(1)为每一个触摸感应单元设置对应的修正系数；

(2)当发生手指按压时，系统由触摸感应层获得关于手指触碰的第二坐标信息，同时，由压力感应层获得每个压力感应单元的压力值；

(3)根据第二坐标信息，选取相应的压力感应单元的压力值作为第一压力值；

(4)根据第二坐标信息，选取相应的触摸感应单元的修正系数；

(5)将所选取的修正系数与第一压力值相乘，得到修正之后的第二压力值。

实施例五

在其它部分均与实施例四相同的情况下，其区别在于：如图16所示，将力学感应单元206设置为沿着X方向延伸，而将触摸感应单元503设置为沿着Y方向延伸。

如图17所示，第一坐标信息仅给出了关于手指在Y方向的按压位置信息，而第二坐标信息仅给出了手指在X方向的触碰(按压)位置信息，通过所设定的第二处理电路(或计算机系统)，可以将第一坐标信息与第二坐标信息进行综合，从而得到关于手指在二维平面按压位置的第三坐标信息(包含X、Y信息)。除此之外，还可以设定第一处理电路(或计算机系统)，根据第二坐标信息(或第三坐标信息)对手指的按压力进行修正(其算法可以参考实施例四)。

实施例六

在其它部分均与实施例四或实施例五相同的情况下，其区别在于：如图18所示，将触摸感应层502改为集成在显示屏1内部，即显示屏1采用内嵌触控的显示屏，则构成本发明的实施例六，采用内嵌式的显示屏，将可以去掉第三基板，从而使得表面更加柔软，有利提高了力学感应层的信号强度。所述内嵌触控的显示屏，可以采用in-cell结构、on-cell结构或者in-cell与on-cell的混合结构。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带有力学感应功能的显示装置，其特征为：包括显示屏和力学感应层，力学感应层包括多个力学感应单元；力学感应层设置在显示屏的内侧，各个力学感应单元按二维平面分布在显示屏的显示区域之内，当手指按压在显示屏上时，与按压位置相对应的力学感应单元能够感应到手指的局部按压力，并能够将该力学感应单元的位置作为该按压位置的第一坐标信息进行输出；力学感应层包括第一基板、第二基板、第一电极层、第二电极层和弹性层，第一电极层设置在第一基板的外侧，第二电极层设置在第二基板的内侧，弹性层设置在第一电极层与第二电极层之间，第一电极层与第二电极层具有多处交叠而构成多个平板电容器，弹性层在手指的按压作用下能够改变相应位置的局部厚度，各个平板电容器的电容值反映按压力的大小并构成所述多个力学感应单元；第一电极层包括多个沿着第一方向延伸的第一电极，第二电极层包括多个沿着第二方向延伸的第二电极，多个第一电极与多个第二电极相互交叉而构成平板电容器矩阵,各个第一电极相互连接，每个第二电极由一连线连出，任意两个第一电极与任意两个第二电极所构成的“井”字形交叉的数量为0。

2.如权利要求1所述的带有力学感应功能的显示装置，其特征是：所述显示屏为柔性显示器。

3.如权利要求1所述的带有力学感应功能的显示装置，其特征是：所述弹性层为由垫隔物所垫隔而成的流体层或真空层。

4.如权利要求1～3任一项所述的带有力学感应功能的显示装置，其特征是：还包括触摸感应层，触摸感应层设置在显示屏的外侧，触摸感应层包括多个触摸感应单元，各个触摸感应单元输出按压位置的第二坐标信息。

5.如权利要求4所述的带有力学感应功能的显示装置，其特征是：还包括处理电路或计算机系统，处理电路或计算机系统能够根据第一坐标信息和第二坐标信息，计算出准确的按压位置。

6.如权利要求5所述的带有力学感应功能的显示装置，其特征是：所述多个力学感应单元沿着第一方向排列，各个力学感应单元输出按压位置沿第一方向的第一坐标信息，所述触摸屏的多个触摸感应单元沿着第二方向排列，各个触摸感应单元输出按压位置沿第二方向的第二坐标信息。