CN104205029B - 具有显示监视器的超声波触摸传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有显示监视器及超声波装置的触摸屏监视器。所述超声波装置可以包含使用压电传感器检测与所述显示监视器表面接触的生物或其他物体的表面拓扑的传感器阵列。所述显示监视器可以是LCD或LED监视器。

Description

具有显示监视器的超声波触摸传感器

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2012年2月2日申请的第61/594,330号美国临时专利申请案的优先权的权利。

技术领域

本发明涉及收集关于与显示器接触的物体的信息的装置和方法。

背景技术

在现有技术中，触摸屏监视器通常用于协助使用者选择显示在监视器上的项目。选择项目通常使用例如触控笔或手指等指示物体来执行。此类触摸屏监视器常常使用电容感应器来识别指示物体触摸所述显示监视器所在的位置。经识别的位置随后与显示在监视器上的图像的位置比较以确定使用者正在识别何物。

尽管这些现有技术触摸屏监视器已变得可靠且便宜，但是现有技术装置并未结合适于可靠地测量触摸事件的任何内置式传感元件，并且尽管这些现有技术装置中的许多者在干燥及洁净的环境下工作良好，但是它们常常在脏、湿或不利的条件下失效。

发明内容

本发明可以体现为触摸屏显示器，其具有用于提供视觉图像的显示监视器，以及能够发出超声波能量波并且能够检测经反射的超声波能量的超声波装置。所述显示监视器可以包含用于提供视觉图像的发光二极管，或用于提供视觉图像的液晶显示器。

所述超声波装置可以包含用于发出超声波能量波的压电发射器。所述超声波装置还可以包含水听器阵列等压电检测器，用于检测经反射的超声波能量。所述检测器可以包含用于检测经反射的超声波能量的薄膜晶体管接收器。

所述显示监视器可以由多层组件组成，并且所述超声波装置可以由至少一层组成。所述超声波装置可以附接到所述显示监视器层中的一者或多者上。

所述超声波装置可以包含用于检测经反射的超声波能量的多个接收器。在本发明的一个实施例中，每个超声波能量接收器位于包括像素的显示监视器的元件之中。

附图说明

为更全面地理解本发明的性质及目的，应参考附图以及随后描述。简单地说，图式为：

图1，其是根据本发明的装置的分解图，其中上置式(on-cell)超声波装置已整合到背光式LCD显示监视器中以建立触摸屏显示器。

图2，其是根据本发明的装置的分解图，其中上置式超声波装置已整合到OLED显示器中以建立触摸屏显示器。

图3，其是根据本发明的装置的分解图，其中内置式超声波装置已整合到背光式LCD显示器中以建立触摸屏显示器。

图4，其是根据本发明的装置的分解图，其中内置式超声波装置已整合到OLED显示器中以建立触摸屏显示器。

在所述图式中可以发现以下参考标号，并且它们表示：

1 防磨损玻璃

2 连续电极(例如，TCF(透明导电膜，例如IZO、ITO等))

3 PVDF或PVDF-TrFE压电聚合物

5 彩色滤光玻璃(5A、5B及5C是玻璃内的简单的3个RBG彩色滤光器)

6 TFT(薄膜晶体管)电路

7 TFT衬底(例如，玻璃)

8 压电发射器

9 偏振滤光器

10 液晶

11 背光面板

12 电极垫(例如，TCF)

13 连续电极(例如，TCF)

14 光学透明非导电、填充材料

具体实施方式

本发明涉及超声波扫描装置以及显示监视器。关于与显示监视器接触的物体的信息借助于超声波能量来收集。超声波能量朝显示监视器的表面发送，在显示监视器的表面处指示物体可以接触显示监视器。当超声波能量到达指示物体时，所述超声波能量中的至少一些朝超声波能量接收器反射。接收器检测经反射的能量，发射指示经反射的能量被感测到的信号。使用经发射的信号来确定关于物体的信息。所述信息可以包含以下中的一者或多者：(a)指示物体的位置，(b)关于指示物体的表面的纹理的信息，和/或关于存在于指示物体中(但不在指示物体的表面上)的特征的结构的信息。

在本发明的一个实施例中，超声波装置附接到显示监视器上。举例来说，超声波装置可以被层压到显示监视器的一部分上。超声波装置及显示监视器的组合在本文中称为“触摸屏显示器”。触摸屏显示器可以用于确定指示物体在第一时刻的位置，并且随后确定指示物体在第二时刻的位置，以便追踪指示物体的运动并且由此导致在显示监视器上显示光标，以便识别图像并由此选择由经识别的图像表示的选项(例如，软件应用程序)。

指示物体可以包含可以用于识别所述指示物体的拥有者的识别特性。举例来说，指示物体可以是手指，并且识别特性可以是指纹。触摸屏显示器可以用于检测指纹以识别所述触摸屏显示器的使用者。以此方式，可使得触摸屏显示器仅对经授权的使用者可用，或可以使触摸屏显示器以据信是特定使用者所偏好的方式来显示图像。以此方式，触摸屏显示器可以针对特定使用者的偏好来个性化。

在本文中使用的短语“内置式”触摸屏显示器是指将超声波装置定位在共同构成显示监视器的像素的一组元件内的触摸屏显示器。举例来说，每个超声波接收器位于包括单一像素的显示监视器的元件之中。

在本文中使用的短语“上置式”触摸屏显示器是指将超声波装置耦合到包括显示监视器的多个层中的一者的表面上的触摸屏。举例来说，在此类上置式触摸屏显示器中，超声波装置附接到其上的显示监视器的层可以是通常暴露的层，或者可以是显示监视器的内层。出于本发明的目的，使用短语“外置式(out-cell)”触摸屏显示器来指代特定类型的“上置式”触摸屏显示器，由此超声波装置附接到显示监视器的不在显示监视器内部的层(除了显示监视器的任何保护性、防磨损表面层之外)上。

超声波装置可以是超声波指纹成像系统，例如那些使用超声波传感器以获取关于指纹的信息(所述信息随后可以与先前获得的指纹信息相比较以用于识别目的，和/或用于显示指纹的视觉图像)的超声波指纹成像系统。超声波传感器发射超声波脉冲或脉冲集合，并且随后检测经发射的脉冲的经反射部分。此类超声波指纹成像系统相对简单并且可靠。一个此系统的实例是由超声波扫描(Ultra-Scan)公司制造的模型203。

所述超声波装置可以使用多个检测器来检测由指示物体反射的能量。每个检测器可以经单独校准以去除固定图形噪声影响，所述固定图形噪声影响可以是构成超声波装置、显示监视器或两者的组件的特性。这些影响可以包含可能由放大器中的差异引起的检测器之间的变化，以及由制造过程(例如，胶水、污染物等)引起的变化。由显示监视器的像素之间的变化所引起的超声波衰减的变化将被检测为由超声波传感器接收的固定图形噪声的非变化部分，并且此类固定图形噪声可以在分析经接收器发射以指示经反射能量被接收器感测到的信号期间去除。一旦去除固定图形噪声，就产生表示正被超声波传感器分析的表面的“清晰”信号。

超声波装置可以包含供应时序信号的电子控制系统。这些时序信号中的一些可以用于使得超声波装置发出超声波能量脉冲。这些时序信号中的其他时序信号可以用于通常被称为“距离选通”的过程中，其中对于由超声波装置检测的经反射超声波能量的哪一者与指示物体可放置于其上的表面相关作出确定。对距离选通的论述可以在关于声纳、雷达或超声波非破坏性试验的许多可靠文本中找到。

时序信号、脉冲产生起始以及TFT传感器信号读出随后可以进一步经处理为与保护性塑料膜板接触的物体的图像。

目前市场上的显示监视器包含那些使用发光二极管以及液晶显示器来向使用者呈现视觉图像的显示监视器。此类显示监视器重量轻、薄、平坦、可靠而且便宜。当此类显示监视器与超声波装置合并时，所产生的触摸屏显示器提供使用手指来指向显示器上的图像的能力，且提供类似于当前由结合个人计算机以及个人数字助理使用的触摸板所提供的能力的能力。

已提供本发明的概述，现将提供额外细节。

不要求显示监视器的分辨率与超声波装置的分辨率必须相同。这考虑到(举例来说)其中显示监视器的分辨率可以是100点每英寸且超声波装置可以是10点每英寸的系统，或便于应用的任何其他组合。然而，内置式系统将超声波装置的接收器放置在包括彩色显示监视器像素的3色组内，且因此将超声波接收器添加到3色显示器像素组件上通常具有一对一的接收器-像素组的关系，但一对一的关联不是必需的。举例来说，从一些显示监视器像素省去超声波接收器组将允许显示监视器以及超声波装置的不同节距分布。

在图1中描绘具有耦合到LCD显示监视器上的压电成像系统的上置式触摸显示器的一个实施例。压电膜发射器8附接到侧光式背光面板11上。在背光面板11与压电发射器8相对的表面上附接了在玻璃衬底7上的TFT6。在此上方是一层液晶材料10。在此正上方是附着到彩色滤光器5上的透明导电膜(TCF)层13，其顶部还具有一层导电TCF2。到此TCF层2上是一层压电聚合物3(或共聚物)。单独TCF垫2的图案应用到压电聚合物层3或替代地偏振滤光器9上，并且外表面接收一层防磨损玻璃或塑料1。所产生的触摸屏显示器以类似于大多数LCD显示器的方式操作，并且TFT上的TFT图案化TCF电极(未明确地示出，但是是TFT自身的一部分)与连续共同平面电极13之间的电压允许每个显示器像素使用偏光器来打开或关闭。如果已穿过偏振滤光器的光随后穿过与所述第一偏振滤光器成90度定向的第二偏光器，那么所述光将被完全阻挡并且将不穿过所述第二偏光器。LCD显示器使用通常是塑料片的固定偏振滤光器，第二偏振滤光器自身是液晶材料。如果施加电压，那么其使光偏振从而阻止光发出，而如果未施加电压，则准许光穿过。当压电膜发射器发出超声波能量脉冲时，超声波特征开始起作用。超声波能量脉冲行进经过各层到达朝外表面(在这种情况下是防磨损玻璃或塑料)，其中超声波能量脉冲的至少一部分随后再次向下反射，其携带关于所述表面以及与所述表面接触的任何物体的超声波阻抗的信息。经反射的超声波能量脉冲由水听器阵列来检测，所述水听器阵列由压电聚合物膜3以及接触其的两个TCF电极层(连续电极2以及电极阵列12两者)构成。迹线导体将电极阵列2与电子器件(未示出)互连，从而使超声波装置产生并且发射对应于与水听器阵列的每个超声波阵列接收器元件相关联的个别超声波信号的信号。

图2描绘上置式触摸屏显示器的一个替代实施例。在所述实施例中，不需要与显示监视器相关联的显示器液晶层10以及相关联的TCF电极。也不需要背光层11，因为TFT显示器含有OLED元件，其直接照亮并且照明显示器。在这种情况下，超声波发射器可以附着到TFT衬底玻璃的背面上。

图3描绘本发明的另一实施例。在此实施例中，触摸屏监视器是内置式触摸显示器。压电膜发射器8附接到侧光式背光面板11上。在背光面板11与压电发射器8相对的表面上附接了在玻璃衬底7上的TFT6。此TFT6具有许多电路。单独像素是三个LCD控制放大器以及一个超声波接收器电路的组。超声波接收器进一步具有结合到其上的压电聚合物。在此上方是一层液晶材料10。在此上方是连续电极(TCF)2，其用作接收器的共同电极并且用作LCD驱动器电路的共同电极。此TCF可以附着到彩色滤光器5上。在堆中向上的下一层(图3中)是偏振滤光器9，并且最后外表面接收一层防磨损玻璃或塑料1。此显示器以类似于大多数LCD显示器的方式操作，并且TFT上的TFT图案化TCF电极与连续共同平面电极2之间的电压允许每个显示器像素打开或关闭。

在图4中描绘根据本发明的内置式触摸显示器的另一实施例。压电膜发射器8附接到TFT电路7的衬底的背面上。TFT电路7可以由构成单独彩色像素的单元组组成，每个像素由三个发光单元以及一个超声波传感器单元组成。附接到超声波传感器单元TFT上的可以是三层式层压板，其由TCF电极2、一层压电聚合物3以及在TFT上连续的另一个TCF膜电极12组成。可以在OLED上方(图4中)使用光学透明绝缘材料14以将其与发光显示电路和TCF2隔离。图4中显示在此上方是彩色滤光玻璃5以允许红-绿-蓝显示颜色。防磨损表面层1保护所述堆免受物理磨蚀以及机械损坏。应注意，尽管描述了光像素与超声波传感器像素之间的一对一关系，但将很容易省去各种传感器像素以改变超声波装置的分辨率。

尽管本发明已关于一个或多个具体实施例进行描述，但应理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以实现本发明的其他实施例。因此，本发明被视为仅由所附权利要求书及其合理解释限制。

Claims (9)

1.一种触摸屏显示器，其包括：

显示监视器，其用于提供视觉图像；以及

超声波装置(6，8)，其能够发出超声波能量波，并且能够检测经反射的超声波能量，

其中所述显示监视器由多个层组成，所述多个层的至少一者为内层，所述超声波装置由至少一个层组成，且所述超声波装置附接到所述显示监视器的所述内层的其中一者；以及

其中所述超声波装置(6，8)的超声波接收器(6)位于共同构成所述显示监视器的像素的一组发光元件内。

2.根据权利要求1所述的触摸屏显示器，其中每个像素包含由超声波传感器单元以及三个发光单元组成的群组。

3.根据权利要求1或2所述的触摸屏显示器，其中所述显示监视器包含用于提供所述视觉图像的有机发光二极管。

4.根据权利要求1或2所述的触摸屏显示器，其中所述显示监视器包含用于提供所述视觉图像的液晶显示器(10)。

5.根据权利要求1或2所述的触摸屏显示器，其中所述超声波装置包含用于发出所述超声波能量波的压电发射器(8)。

6.根据权利要求1或2所述的触摸屏显示器，其中所述超声波装置包含用于检测经反射的超声波能量的压电水听器阵列。

7.根据权利要求1或2所述的触摸屏显示器，其中所述超声波装置包含用于检测经反射的超声波能量的薄膜晶体管接收器(6)。

8.根据权利要求1或2所述的触摸屏显示器，其中所述超声波装置包含用于检测经反射的超声波能量的多个接收器。

9.一种收集关于与根据前述权利要求中的任一者的触摸屏显示器接触的物体的信息的方法，所述方法包含：

致使所述超声波装置朝所述显示器的表面发出超声波能量波；

从所述表面反射超声波能量的至少一部分；以及

致使所述超声波装置检测经反射的超声波能量，

其中所述显示器由多个层组成，所述多个层的至少一者为内层，所述超声波装置由至少一个层组成，且所述超声波装置附接到所述显示器的所述内层的其中一者。