CN1619609A - 手持式显示设备 - Google Patents

Abstract

一种显示设备，其包括第一部件和第二部件，并且第二部件可旋转地连接到第一部件上。一显示部件，其布置在第二部件上，可包括有一个或多个发光二极管。一控制器，其与第一显示部件电连接，从而能响应于第一部件和第二部件之间的相对移动来改变第一显示部件的状态。

Description

手持式显示设备

本申请要求申请日为2003年2月12日、名称为“手持式显示设备”的美国专利申请29/174,876的优先权。

技术领域

本发明总的来说涉及显示设备，其特别涉及一种具有一个或多个显示部件的显示设备，其中所述显示部件布置在显示设备的一个或多个表面上，且所述显示部件随着移动而改变状态从而形成图案。

背景技术

尽管在常规上一直是用白炽灯来实现大范围的照明、发送信号并显示图像，但现在越来越多地使用发光二极管，因为发光二极管具有寿命长、亮度高同时功耗低的优点。其从关到开以及从关到开的响应时间也优于白炽灯，因此还具有附加的功能。

给二极管加上前向电压，电子从N区、空穴从P区移到PN结并在半导体的PN结处结合，此时发光二极管(LED)就发出光线。由于自由电子结合时释放的能量都作为光线发射出来，因此从LED发出的光线是波长范围很窄的光线，即单色光，如红色或蓝色光。

所谓的“全色”LED设备，其组合了能发出红光的红光发光元件、能发出蓝光的蓝光发光元件和能发出绿光的绿光发光元件，从而产生白光。现在一直在研究开发用一种发光元件就能发出白光的LED设备。这种LED设备叫作白光LED，其不同于全色LED。采用这种白光LED时，不需要转换电路等电路，只需要一个简单的电路就能驱动背景灯等，并可减少功耗。本发明的优点包括能够减少驱动电路的外部结构并消除电磁干扰。

由于白光LED必须是只用一种发光元件(单色)来生成白光，因此其一般是将一单色发光元件与磷一起使用。这里磷能够将发光元件发出的特定波长的光转换而发出另一种颜色的光。例如，市场上可以买到这样的一种白光LED设备，其在蓝光发光元件上加上了一层含有YAG(铝酸钇)磷的物质。这种YAG磷光物质通常根据YAG中激励元素种类的不同而发出绿色到黄色区域的光。

由于LED在发出各种频率的光线方面具有越来越好的适应性和能力，因此全色显示设备和现代电子显示设备越来越多地采用LED用于大规模的成像和显示。

发明内容

本发明这部分的内容有助于理解本发明独具的一些新特征，但不是要进行完整的说明。对本发明各个方面的完整理解可由整个说明书、权利要求书、附图以及摘要获得。

本发明的第一实施例是一种显示设备，其包括第一部件和第二部件，并且第二部件可旋转地连接到第一部件上。第一显示部件布置在第二部件上。控制器与第一显示部件电气相连，从而根据第一部件和第二部件之间的相对移动来改变第一显示部件的状态。第一部件可以是，例如，一个手柄。第二部件通常为矩形，并且将第一部件连接到矩形的一个边上。第二部件的近端与第一部件相邻，其远端布置有第一显示部件。

本发明的第二实施例是一种显示图案的方法。该方法可包括以下步骤：提供第一部件；将第二部件以旋转连接的方式连接到第一部件上；将第一显示部件布置在第二部件上；相对于第一部件将一角速度加到第二部件上；以及以预定的图案改变第一显示部件的状态。象第一实施例那样，这里的第一部件也可是一个手柄。第二部件通常为矩形并且将第一部件连接到矩形的一个边上。其中的显示部件可包括有一个或多个发光二极管。

本发明的第三实施例是一种用来显示图案的设备。该设备包括第一部件和第二部件，并且第二部件可旋转地连接到第一部件上。第一显示部件布置在第二部件上，并可发出第一波长光线。第二显示部件布置在第二部件上并与第一显示部件相邻。该设备进一步包括一个装置，该装置根据第二部件相对于第一部件的角速度，以预定的图案改变第一显示部件和第二显示部件的状态。第一显示部件和第二显示部件可为例如发光二极管。该设备可包括三个或者更多的显示部件。

附图说明

附图中不同示图内相同的附图标记表示功能相同或相近的部件。附图构成并作为说明的一部分用来展示本发明，其与本发明的详细说明一起用来解释本发明的原理。

图1为本发明一实施例显示设备的立体图；

图2为显示设备的后视图；

图3为显示设备的俯视图；

图4为显示设备的前视图；

图5为显示设备的仰视图；

图6为显示设备的右视图；

图7为显示设备的左视图；

图8为显示设备的立体分解图；

图9为显示设备旋转部件后壳的内部视图；

图10为显示设备旋转部件前壳的内部视图；

图11为显示设备手柄左壳的内部视图；

图12为显示设备手柄右壳的内部视图；

图13为显示设备印刷电路板组件的前视图；

图14为显示设备印刷电路板组件的左视图；

图15为显示设备印刷电路板组件的俯视图；

图16为显示设备印刷电路板组件的右视图；

图17为显示设备印刷电路板组件的立体分解图；

图18为显示设备电池下触片固定盘组件的立体分解图；

图19为显示设备印刷电路板组件的示意图；

图20为显示设备旋转速度测量机构的立体详图。

具体实施方式

在阅读完本发明的详细说明之后或者通过实施本发明，本领域的技术人员能够理解本发明的新特征。显然，本发明的详细说明以及特定示例在表示本发明的特定实施例时仅出于展示的目的，因为在本发明构思和范围之内的各种变化和修改对于本领域技术人员来说均能从本发明的详细说明以及权利要求书中显而易见地得出。

本发明的显示设备是根据人眼的视觉暂留原理，来形成浮现于空间中的视觉幻影效果。当一列光随其空间移动以特定图案闪烁时，人眼的视觉暂留会将光的位置记住很短的一段时间。如果光的图案从某一刻到下一刻发生了变化，观察者的眼睛和大脑会将这个闪动的图案保存一段时间从而构成完整的图像。

图1-7中所示的显示设备100包括有一个手柄102，手柄的上端布置有一个旋转体104。旋转体104包括：筒体106，其绕着手柄102的一部分布置；以及延展体108，其沿径向从筒体106伸出。LED阵列110布置在延展体108上与筒体106相对的远端。扬声器格窗112以及用户控制按钮都布置在延展体108中，所述用户控制按钮可包括有信息按钮114、声音按钮116和电源按钮118。信息按钮114可用来选择信息或图像以便显示在LED阵列110上，该LED阵列110上由一个或多个LED154构成。声音按钮116可用来选择显示设备100中扬声器所播放的音效或歌曲。电源按钮118可用来打开或关闭显示设备100，并可用来选择显示设备100的旋转方向。筒体106的上端被一帽120盖住。尽管图1所示的是一种特定的形状，但本领域技术人员都清楚本发明的构思可用于各种形状和几何结构。

延展体108包括背面140、前面142、顶面144以及底面146。筒体16具有一个外表面106。表面140-146是一个弯曲的非平面的形状从而能使人联想出一面风中的旗帜，但本发明并不限于这种形状的表面。例如，在不脱离本发明构思和范围的条件下，表面140-146也可大体是平的。与之相似，筒体106的外表面呈鼓形，但这不是本发明的本质所在。

延展体108用一个或多个紧固件150进行固定。显示设备100中展示有四个紧固件150，但本发明并不限于该数目。帽120通过一个或多个上紧固件152进行固定。图中所示有一个紧固件152与显示设备100相连，但也可采用多个紧固件152。作为选择，在本发明的构思和范围之内，也可采用紧固件150和152之外的固定装置。这些固定装置可以包括例如摁扣、夹子或者是粘接剂。

图8的分解图展示并描述了显示设备100中内部构件的关系。如图8所示，显示设备100包括第一手柄壳体200、第二手柄壳体202、旋转体前壳204以及旋转体后壳206。在延展体108中，印刷电路板组件208布置在旋转体前壳204和旋转体后壳206之间。

在筒体106内、旋转体前壳204和旋转体后壳206之间，布置有一组电池210。电池210进一步布置在帽120和下触片固定盘212之间。帽120固定有一对电池上触片214，这对触片在布置上可与电池210的上接电端子相接触。与之相似，下触片固定盘212固定有一组电池下触片216-220，这些触片在布置上可与电池210的下接电端子相接触。这组电池下触片216-220包括第一下触片216、第二下触片218以及第三下触片220。电池上触片214与电池210和电池下触片216-220一起形成一个完整的电源，其电压等于所有电池210电压的总和。这是因为电池210是串联配置的。作为选择，也可用并联电路或者是串并联混合电路来提高显示设备100所能获得的电流。

图9所示为后壳206的内部详图。后壳206包括组装到筒体106的内部的电池腔240，以及延展体108内部的内表面242。后壳206可通过紧固孔244固定到显示设备100的其它部件上，当然也可选择其它的紧固机构。后壳206上与筒体106相反的远端布置有一个LED孔246。在筒体中后壳206的近端布置有一个轴孔248，该轴孔的形状和尺寸适于接收手柄102的轴部。

图10进一步详细示出了前壳204内部的结构。前壳204包括组装到筒体106内部电池腔260，以及延展体108内部的内表面262。前壳204可通过紧固孔264固定到显示设备100的其它部件上，当然也可选择其它的紧固机构。后壳206上与筒体106相反的远端布置有一个LED孔266。在筒体中后壳206的近端布置有一个轴孔268，该轴孔的形状和尺寸适于接收手柄102的轴部。

图11所示为第一手柄壳体200的内部几何结构。第一手柄壳体200具有一个内表面300，其布置在手抓部位304和轴部302的内部。绕着轴部302布置有上固定部分306和下固定部分308，以便环绕轴部302将旋转体104沿轴向固定，同时在手柄102和旋转体104之间留有径向自由活动的余地。第一手柄壳体200包括两个紧固孔310，以便将第一手柄壳体200固定到显示设备100的其它部件上。

图12所示为第二手柄壳体202的内部结构。第二手柄壳体202具有一内表面320，其布置在手抓部位324和轴部322的内部。绕着轴部322布置有上固定部分326和下固定部分328，以便环绕轴部322将旋转体104沿轴向固定，同时手柄102和旋转体104之间留有径向自由活动的余地。第二手柄壳体202包括两个紧固孔330，以便将第二手柄壳体202固定到显示设备100的其它部件上，这包括第一手柄壳体200。

图13-16所示为印刷电路板组件208的详细结构。该印刷电路板组件208包括一印刷电路板340，该印刷电路板上布置有安装孔342。印刷电路板340上布置有信息按钮114、声音按钮116及电源按钮118。这些装置的功能前面已经详细描述过了。印刷电路板340还布置有集成电路344、微控制器346以及扬声器348。在印刷电路板340的一端布置有一个LED阵列110，其包括LED154、350和352，它们均布置在LED载体354上。这些部件的功能将在下面结合图19来详细描述。

图17所示为分解图形式的印刷电路板组件208。除了上述特征之外，可以看到印刷电路板340上有一个用来接收信息按钮114的信息按钮针382的第一通孔分布图案380、一个用来接收声音按钮116声音按钮引脚396的第二通孔分布图案392，以及一个用来接收电源按钮118电源按钮引脚398的第三通孔分布图案394。

图18所示为电池下触片组件的详图。触片固定盘212通过柱孔384和固定柱386来固定第一下触片216、第二下触片218以及第三下触片220。固定柱386布置在触片固定盘212的上表面388中。图中还能看到轴孔390的几何结构，其形状和尺寸应适于接收手柄102的轴部。

图19以原理图的形式展示了显示设备100的电子结构。本发明显示设备100中的一个基本元件是微控制器346，其可包含在一单个的封装中。该微控制器346包括有闪速只读存储器(闪存ROM)和随着存储器。微控制器346的控制程序可存放在闪存ROM中。为了使该单元的成本最小，可用一个相对简单的微控制器346。在一实施例中，该显示设备采用一个微控制器，当然其也可采用其它元件。微控制器346的大部分引脚都用来输入输出信号。

在图18所示的实施例中，微控制器346具有四个输入引脚，表示为RB1、RB7、RA5和RB6。其中的三个输入引脚用于按钮114-118，其控制着显示设备100的各种选择和功能。第四个输入针脚用于指示信号。该指示信号由传感器370生成，传感器370响应于显示设备100的旋转速率发送一脉冲流。在一实施例中，传感器370为显示设备100的每圈转动生成一个脉冲。当显示设备100被转动时，可用指示脉冲之间的时间来确定该单元旋转的速率。指示脉冲之间的时间是相对于微控制器346内部的时钟振荡器进行确定的。当显示设备100旋转时，其转速在很短的时间间隔内会相对恒定，但变化却很大，因此周期性地检查速度能够提高所显示的图像。一旦确定了显示设备100的旋转速度，就可设定LED阵列110的数据同步。优选以这样的速率将信息发送给显示设备100，该速率能使其上所显示的文本和图形能保持合适的几何比例，同时能使图像的空间位置对于LED阵列110的每一圈旋转都能保持稳定。

在图18所示的实施例中，微控制器346的大部分输出引脚都用来控制LED。尽管像微控制器364这样的一个微控制器一般就能从其输出引脚提供足够的电流来直接驱动各个LED，但本发明用多路技术来提高较小微控制器上有限的输出引脚所能驱动的LED的数量。在一实施例中，LED154布置成四组。第一组由七个蓝色的LED组成，在图18中用标记354来表示。该组LED共用一个共同的阳极电流源PNP晶体管360，该晶体管用来选择该组LED。第二组LED由四个红色的LED350，以及与此交错排列的三个白色LED356组成。该组LED也共用一个共同的阳极电流源PNP晶体管362。

蓝色LED354和四个红色LED350的阴极通过限流电阻364连接起来接到微控制器346的输出引脚上。为了点亮某一组中的任何一个LED，首先要使该组LED的PNP电流源导通，从而使该组LED处于允许被点亮的状态，然后将该LED的阴极下拉到低电平。这样就形成一个电流通路来点亮该LED。尽管可以同时点亮LED350和354，但它们通常是以交替的方式点亮的。单一白光LED358则通过微控制器346的输出引脚RA1来驱动。微控制器346能独立地控制LED358，因为其单独地连接在微控制器346的一个输出引脚上。最后一组LED由三个红色的LED和两个白色的LED构成。

最后一组红色LED352和白色LED366均由单一的源PNP晶体管364控制。所有这五个LED352和366均根据PNP晶体管364的状态同时点亮或熄灭，其中PNP晶体管364由微控制器的输出引脚RB4控制。以当前的这种结构来控制和排列LED，就能通过在第一个时间段内点亮蓝色LED354、红色LED352和358以及白色LED366这所有的LED，然后在一大致两倍于第一时间段的时间段内，关闭蓝色LED354并点亮红色LED350和白色LED356，来生成一个美国国旗的图像。

如上所述，LED350、352、356和366布置成一条线，同时红色和白色的LED交错布置。这能使旗帜的条纹形成锐边。也可在显示设备100旋转的同时，通过LED350和356的状态变化来生成文字和/或图形。LED358也可用来提高图像的高度。由于LED350、352、356和358被排列为红色LED和白色LED交错的形式，因此该图像将由交替的红白点段构成。由于蓝色LED354与LED350和356一样为独立控制，因此也可用蓝色LED354来生成文字和/或图形。蓝色图像的高度也可通过白色LED358的控制来提高，但是由于白色LED358在物理位置上偏离蓝色的LED354，因此白色LED358的时间选择，必须根据显示设备100的旋转方向设定在蓝色LED354的时间前面或后面，从而将白色图像与蓝色图像对齐。由于各个LED均是独立控制的，因此也可生成其它合成颜色，例如焰火。这些合成颜色或图形也可用来生成动态的图形如爆炸的焰火。

当显示设备100关闭时，微控制器364处于睡眠模式，所有的LED和晶体管均关闭。微控制器364内的脉冲频率发生器也停止。在此模式下，微控制器364只消耗极少量的电能，因此此模式下电池210的寿命接近于电池210的存放时间。一旦按下电源按钮118，微控制器364就会检测到该变化，并被唤醒并处于工作状态。各个音调和图形均能与控制码一起保存在微控制器364中。对于本发明使用闪存的实施例来说，显示设备100能够很容易地编写出新的文字、图形和控制码。

如果显示设备100每转一周均重复LED阵列110上显示的图像，将会获得一个浮在空间中的静止图像。如果图案的时间安排随时变化，就会看到该图像沿一个方向或另一个方向移动。如果该图案每次只发生轻微的变化，就能获得一个动态的图像。如果相对于旋转速度增加或减少图案的“打开”时间，会有一个固定的图像在宽度上缩小或放大。

通过时间安排和颜色的变化，用LED的这种或其它组合，就能产生大量的视觉效果。所有这些LED都可用一个输出引脚更多的微控制器来独立控制。这些LED可布置成三组颜色。如果一组是红色、第二组是绿色并且第三组是蓝色的，通过单独控制这些LED或者组合其它基色来控制这些LED，就能得到任易一种颜色，其中包括白色。该思想的进一步延伸是使LED的亮度产生变化。这样能形成各种深浅的颜色，其中包括灰色。随着LED数目的增加，显示的精度也会提高，因此能形成更为精确的图形和文字。

图18中至少有一个微控制器的输出引脚，其标记为RB2，是由微控制器346中的脉冲发生器驱动。所产生的脉冲频率可在第二集成电路344中降低。在一实施例中，第二集成电路344将该脉冲频率除以系数八。第二集成电路344的方波输出可用来驱动一个或多个音频变送器，如扬声器348，从而产生声音和/或音乐。

通过改变输出到扬声器348的脉冲信号频率就能播放出不同的音符。在一实施例中，扬声器348是一种压电装置，其响应于电压变化通过压电晶体产生振动，从而在周围空气产生声音。如果压电晶体上的电压保持恒定，那么该压电晶体将不会消耗电能。因此，在不需要声音信号时，不必确定用来驱动扬声器348的第二集成电路344的输出的逻辑状态。如果将不同种类的声音变速器用作扬声器348，正常情况下需要一个电容来在同样的功耗水平下获得相同的性能。一个真正的方波实际上是由无数的分量信号构成的，这包括许多处于人类听阈范围上限20kHz的分量信号。这个区域内的声音可能非常刺耳。在某些实施例中，用一个电阻380与扬声器348串联，就能借助于压电晶体的固有电容形成一个RC滤波器，从而将许多高阶谐波从驱动扬声器348的方波信号中滤除出去，从而通过“圆掉”数字电路所产生的方波中的角点，来产生更加悦耳的音调。

图20所示为用于确定本发明实施例显示设备100旋转速度的机构。第二手柄壳体202与第一手柄壳体200一起形成轴向凸轮盘406，该凸轮盘406布置在电池的下触片固定盘212下面，其中电池的下触片固定盘212用来固定电池210下端的电池下触片218和电池下触片220。轴向凸轮突起400布置在轴向凸轮盘406的下表面并接近第二手柄壳体202的中心。通过一组突起固定件408固定在旋转体前壳204中的弹性触片222的未端具有一随动件402。当旋转体104绕手柄102旋转时，随动件402骑在轴向凸轮盘406的下表面上。在图20所示的位置，随动件402骑在轴向凸轮盘406下表面的平直部分上。在该位置，开关触片404靠在电池下触片220的下表面上并与之形成电接触。

每转一圈，随动件402就与轴向凸轮突起400碰一次。当轴向凸轮突起400移过随动件402时，随动件402向下偏离轴向凸轮盘406下表面的平直部分。当随动件402向下移动时，开关触片404随之向下移动，从而与电池电触片220的脱离物理接触和电接触。由此，每转一周，开关触片404与电池下触片220的电接触就会断开一次。当轴向凸轮突起400移过随动件402时，随动件402向上移回并重新与轴向凸轮盘406下表面的平直部分接触，从而使开关触片404与电池下触片220重新形成物理接触和电接触。

通过上面的操作，旋转体104绕着手柄102的重复旋转就会在弹性触片222中产生电脉冲串，其频率对应于旋转体104绕手柄102的转动频率。通过该脉冲串，微控制器346可使LED阵列110的成像时间与LED阵列110在空间上的移动速度同步。当然，本领域的技术人员都知道在本发明的构思和范围之内，还有许多其它方法能用来测量旋转体104绕手柄102的旋转速度。这些方法可包括但不限于，其它的机械装置、光学传感器以及磁性传感器，其中包括但不限于霍尔效应传感器等。

这里提到的实施例和示例是用来更好地解释本发明及其应用，从而使本领域的技术人员能够实现并利用本发明。然而，本领域的技术人员也知道前面的说明和示例仅用于展示和举例说明的目的。本领域技术人员均知道还有其它的变化和修改形式，权利要求书用来覆盖这些变化和修改形式。上述说明并非是要囊括或限定本发明的保护范围。在不脱离本发明构思和范围的条件下，根据上述说明可能还有许多修改和变化。显然，本发明可以使用不同性能的部件。本发明的保护范围由权利要求书来确定。

Claims (20)

1.一种显示设备，其包括

第一部件；

第二部件，其以旋转接头连接到第一部件上；

第一显示部件，其布置在第二部件上；

控制器，其与第一显示部件电气相连，从而能响应于第一部件和第二部件之间的相对移动来改变第一显示部件的状态。

2.如权利要求1的显示设备，其中的第一部件是一个手柄。

3.如权利要求1的显示设备，其中的第二部件大体为矩形，并且将第一部件邻接到矩形的一个边上。

4.如权利要求1的显示设备，其中第二部件具有近端和远端，该近端与第一部件相邻，第一显示部分布置在第二部件的远端。

5.如权利要求1的显示设备，其中第一显示部件为发光二极管。

6.如权利要求1的显示设备，其进一步包括一个第二显示部件。

7.如权利要求6的显示设备，其中第一显示部件发出第一波长的光，第二显示部件发出第二波长的光。

8.一种显示图案的方法。该方法可包括以下步骤：

提供第一部件；

将第二部件用旋转接头连接到第一部件上；

将第一显示部件布置在第二部件上；

相对于第一部件将一角速度加到第二部件上；以及

以预定的图案改变第一显示部件的状态。

9.如权利要求8的方法，其中的第一部件是一个手柄。

10.如权利要求8的方法，其中的第二部件大体呈矩形，并且将第一部件邻接到矩形的一个边上。

11.如权利要求8的方法，其中第二部件具有近端和远端，该近端与第一部件相邻，第一显示部件布置在第二部件的远端。

12.如权利要求8的方法，其中第一显示设备为发光二极管。

13.如权利要求8的方法，其进一步包括一个第二显示部件。

14.如权利要求13的显示设备，其中第一显示部件发出第一波长的光，第二显示部件发出第二波长的光。

15.一种用来显示一图案的设备。该设备包括

第一部件；

第二部件，其以旋转接头连接到第一部件上；

第一显示部件，其布置在第二部件上并发出第一波长光线；

第二显示部件，其布置在第二部件上并与第一显示部件相邻；

一个装置，该装置响应于相对于第一部件加到第二部件上的角速度，以预定的图案改变第一显示部件和第二显示部件的状态。

16.如权利要求15的设备，其中第一部件是一个手柄。

17.如权利要求15的设备，其中第二部件具有近端和远端，该近端与第一部件相邻，第一显示部件和第二显示部件布置在第二部件的远端。

18.如权利要求15的设备，其中第一显示部件和第二显示部件是发光二极管。

19.如权利要求15的设备，其进一步包括第三显示部件。

20.如权利要求15的设备，其中第二显示部件发出第二波长的光线，该第二波长不同于第一波长。

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