CN1998039A - 触敏显示器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种包括带有基板的显示器件的接触传感器，在该基板上设置至少一个显示电极，用来显示该显示器件上的形状。一个接口与该至少一个显示电极耦合以接收至该显示器件的显示数据。另外，一个测量电路与该至少一个显示电极耦合。设置切换装置，用于当该切换装置处于第一操作状态时使该接口与该至少一个显示电极连接，并且当该切换装置处于第二操作状态时使该测量电路与该至少一个显示电极连接。

Description

触敏显示器件
背景技术
各种应用领域的电子设备，例如移动电话、个人数字助理(PDA)和工业控制设备，通常利用某种类型的显示器件对该器件的操作者提供信息。在较简单的应用中显示器件为单向通信链路，即显示器用于向操作者提供信息但是不从反方面接收信息。为了实现和操作者的交互，通常使用按钮或键盘。如果电子设备为小尺寸，例如PDA，通常器件上没有用于键盘的空间，PDA的制造者必须提供其它装置以能把数据输入到该器件中。
如技术上周知那样，该输入装置可能是触敏显示器形式，从而能在不需要分立的键盘的情况下输入数据。已经存在提供触敏器件的许多不同技术，目前最常见的解决方案是使用放置在显示器的顶部上的分立的透明触敏层。触敏层通常为通过绝缘隔板以近距离隔开的二块柔性的重叠塑料板的形式。在板的彼此相对的表面上设置矩阵状导电体图案，该图案在按下触敏层的位置处建立板间的电接触。接着，扫描这些塑料板上的矩阵状图案的控制单元可以检测板间的电接触，并且确定在显示器上该按下的坐标。
尽管分立的触敏层使得能在不需要键盘的情况下把数据输入到该器件中，但这不是一种实现触敏显示器的有效方式，因为触敏层的透明性不是绝对的，从而在一些情况下难以观看显示器上呈现的信息。当显示器件设置有用来能在差的照明条件下观看显示器上的信息的后灯或前灯技术时，触敏层的这种不满意的透明性甚至更加明显。
另一种提供触敏显示器的方法是为显示器设置排列在显示器下面的而不是在显示器顶部上的传感器。然后该传感器必须不是通过如上面公开的方案那样检测导体之间的电接触而是通过利用显示器的电容或者反射性质检测接触显示器。在前一种情况下，通过显示器对接触显示器的手指的电容耦合，使得能检测显示器上的接触并且能确定接触的位置。在后一种情况下可以使用利用接触点处显示器的反射性质的变化的光或声来检测在显示器的表面上的接触。
已经尝试在不使用排列在显示器表面的顶部或下面的分立传感器为显示器提供接触敏感性。一种方法是利用在显示器上形成象素或字符段的显示电极来感测接触。
US5,043,710公开一种包含液晶显示器(LCD)的接触传感器，其中通过检测显示器的介电性质的改变来感测显示器上的接触。对垂直于显示电极之一上方的柔性玻璃基片的该LCD施加机械力造成液晶中分子的暂时解体从而改变该显示电极下面的液晶的介电常数。LCD的每个显示电极和一个积分器连接，LCD的段处于受激状态时的液晶介电常数的改变产生指示LCD上的接触的电脉冲。但是，由于感测接触需要大量的积分器，依据US5,043,710的解决方案变得复杂。另外，为了感测接触，前玻璃板要求是柔性的，这使显示器不那么耐用。除此之外，由于反复地压该显示器中的液晶，显示器的工作寿命也会下降。
US4,224,615公开一种带有柔性前板的LCD，该LCD可以充当接收来自操作者的数据的器件。包含触敏显示器的器件的操作者接触该显示器的柔性前板，其中该前板向后基板偏转，从而增加存在于受压区中的显示电极之间的电容。前后显示段之间测量出的电容与基准单元的电容进行比较，其中即使受激作用的显示段，即显示器上出现变形，仍能检测接触。如US5,043,710一样，依据US4,224,615的发明利用受压液晶介电常数的改变感测接触。在依据US4,224,615的解决方案中存在和依据US5,043,710的发明同样的稳健性和寿命期限问题。
US2001/0020578公开一种带有触敏性的LCD，其中在显示器表面的下面放置传感器装置。最好把传感器设置在显示器下面的其中不安排显示段的显示器区域中。替代地，在前、后段是短路的条件下可以把显示器的各显示段用作为传感器。当显示电极充当接触传感器时，由于显示电极的短路，屏幕上不呈现信息。从而一微处理器和各显示段连接以便在于显示器上呈现信息和触敏性之间进行交替。
US4,910,504公开一种触控显示器件，其中通过测量前基板上的不同显示电极之间的电容来感测显示器上的接触。从而该前基板可以是刚性的，以防止显示器变形。测量电极之间的电容的检测器和显示器的馈送引线连接。以一种自身已知的的方式在后基板上设置公用的计数电极。如后面公开那样，该计数电极会在前基板上的电极之间充当短路电路，从而会降低该触敏显示器关于确定在屏幕何处接触的精度。另外，该显示器所需的驱动电路中的各种杂散电容会干扰该电容测量电路，从而难以确定何处以及是否进行了接触。
DE 19802479公开一种例如用于电梯的触敏显示器。显示元件的前表面带有导电层，该导电层薄到可以穿过该导电层看到该显示元件。为了检测显示器上的接触，一个评估电路和该导电层连接。但是，把导电层放在显示元件的前面削弱了该显示元件的可见性。另外，该导电层暴露会由显示器的用户磨损，这意味着对于许多应用，该显示器的耐用性是不足的。
对于显示器驱动器电路的制造商而言，最重要的是用来检测屏幕上的接触的电路不影响驱动器电路的性能或寿命期限。从而希望一种从驱动器的观点看其行为类似“普通”显示器的触敏显示器。
发明内容
本发明的一个目的是克服上面说明的已知技术的问题，提供一种耐用的并且可靠检测显示器上的接触的接触传感器。本发明基于了解显示器与影响检测显示器上的接触的可靠性的特殊物理特性相关联。
本发明的特别优点是，检测屏幕上的接触的可靠性，改进接触传感器的稳健性，以及改进对可使用的显示器驱动器电路的匹配。
本发明的特别特征涉及为接触传感器提供一种基本配置，这种基本配置能在显示器不变形也不需要特殊适配的显示器驱动器电路的情况下可靠地检测显示器上的接触。含有依据本发明的接触传感器的系统的设计者能自由地选择驱动器电路从而降低系统的总成本。
依据本发明的第一方面，通过一种接触传感器实现上述目的、优点和特征以及从下面的详细说明中将变得清楚的其它目的、优点和特征，该接触传感器包括：
具有基板的显示器件，在该基板上设置至少一个显示电极，用来在该显示器件上显示形状；
与该至少一个显示电极耦合的接口，用于接收至该显示器件的显示数据；
与该至少一个显示电极耦合的测量电路；
切换装置，用于当该切换装置处于第一操作状态时使该接口与该至少一个显示电极连接，以及当该切换装置处于第二操作状态时使该测量电路和该至少一个显示电极连接。
从而即使该显示器中存在大的杂散电容，依据本发明的接触传感器仍能通过电容测量电路可靠地检测该显示器上的接触。
依据本发明的接触传感器可包括作为电容测量电路的测量电路。
依据本发明的接触传感器可包括作为电阻测量电路的测量电路。
依据本发明该测量电路可包括与该至少一个显示电极耦合的用于为显示电极提供预定测试信号的信号发生器，以及与该至少一个显示电极耦合的用于从该信号发生器接收该测试信号的信号评估电路。
依据本发明，当该切换装置处于第二操作状态时，该信号评估电路适于检测测试信号中的偏差。
依据本发明，该信号发生器适用于向该显示器件的后基板上的段或者向前基板上的段施加该测试信号。
依据本发明，基板上的不与该信号发生器连接的段可保持高电阻状态。
本发明还涉及一种检测具有基板的显示器上的接触的方法，在该基板上设置至少一个显示电极，用于在该显示器件上显示形状，其中所述显示电极与用于接收至该显示器件的显示数据的接口连接，该方法包括步骤：
从该接口断开该至少一个显示电极；
把所述显示电极连接到测量电路；以及
检测对在显示电极附近接触该显示器件的物体的电耦合造成的该显示电极的电特性的改变。
依据本发明的方法可包括步骤：对显示电极施加预定的测试信号，以及检测该显示电极附近对接触该显示器件的物体的电耦合造成的该测试信号的偏差。
依据本发明的方法可检测对在该显示电极附近接触该显示器件的物体的电容耦合。
依据本发明的方法可检测在该显示电极附近对接触该显示器件的物体的电流耦合。
附图说明
一旦结合附图考虑下面的详细说明，本发明的其它目的，特征和优点会变得清楚。
图1a示出本身已知的显示器的结构；
图1b示出和本身已知的显示器关联的杂散电容一部分的分布；
图2是依据本发明的一优选实施例的接触传感器的示意图；
图3是依据本发明的第一实施例的接触传感器的作用的更详细的说明图；以及
图4是依据本发明的第二实施例的接触传感器的作用的更详细的说明图。
具体实施方式
当今最常用的显示器是液晶显示器(LCD)，本领域技术人员周知它的设计和操作。取决于特定应用领域，常常采用各种LCD显示器例如薄膜晶体管显示器(TFT)以及其它显示器技术，诸如等离子体显示板(PDP)、真空荧光显示器(VFD)、铁电体液晶显示器(FLC)、表面稳定化胆甾纹理型(SSCT)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、以及硅基液晶(LCOS)显示器。为了简明，下文公开LCD形式的触敏显示器，其中检测显示器中电容的改变。但是，本发明不限于这种显示器，而是可以在包括至少一块基板，且基板上设置至少一个可以和外部物体电容、电流或电感耦合的显示电极的任何类型的显示器上实现。
图1a示出本身已知的显示器10的一部分的顶视图和侧视图。图1a中的左图示出周知的七段11布局，其中可以取决于哪些段11是有效的而显示不同的数字。通过从段11向通常设置在显示器10的边沿上的电端子13延伸的薄导线12可以达到每个段11。各个段11形成在显示器10的前基板14以及后基板15之内。在此语境下要强调的是，该显示器中使用的基板可以由玻璃或塑料做成，基板上沉积适当的电材料诸如氧化铟锡(ITO)以形成各个段11，或者该显示器中的一个或更多的基板由电材料诸如铝做成并且构形成提供段11。在例如OLED显示器中，于玻璃基片上的已布好图案的ITO阳极线上预先形成肋结构。在该基板上沉积有机材料和阴极金属，其中该肋结构自动产生OLED显示器，该OLED显示器具有用于形成在沉积的有机材料的顶部的金属阴极线的电隔离。取决于所用的显示技术，该显示器还可以包括前基板14和后基板15之外的元件，为了简明未示出这些元件。例如该显示器还可以包括设置在前基板14的顶部的第一偏振器以及设置在后基板15的下面的第二偏振器。除了这些偏振器之外，可以在前基板14和后基板15之间的空间中按本身已知的方式填上液晶16。
图1a中的右图示出显示器10上的显示电极11的一种替代设计。代替七段11布局，显示电极11按象素矩阵11′排列。以导线12以及端子13数量更多为代价，这种布局便于比七段11布局呈现更复杂的图。但是，象素矩阵布局的显示功能是和七段11布局相同的。在此语境下应理解术语“段”用来描述显示器中基板上或者金属层中的显示电极。该术语不应解释为只描述七段布局中的显示电极，而是可以是任何形状的电极，例如上面公开的矩阵布局中的一个象素。
后基板15上的段11通常互连以使显示器上的导线12以及端子13的数量为最小，即后基板15上的段11总是具有相同的电势，从而显示器10上的形状是通过相对于后基板15上的段11的电势改变前基板14上的段11的电势而表示的。
图1b是LCD显示器10中一些杂散电容的分布的简化图。为了清楚，在该图中夸大基板14、15之间的间距。从该图中可看出，第一电容C1从前基板14上的段11向后基板15上的段11延伸。C1的主要组成是前、后基板上彼此相对的段11之间的电容。但是，应理解电容C1还包括前基板14上的每个段11和后基板15上的所有段11之间的杂散电容。
第二电容C2、C2′出现在每个基板14、15上的不同的段11之间，C2的主要组成是相邻段之间的电容，但是应理解C2还包括某个特定段11和同一块基板14、15上的所有其它段11之间的电容。
当接触传感器的用户接触显示器时，在前基板14、后基板15的段11和用户手指17之间出现第三电容C3、C3′。与其他因素相比，第三电容C3、C3′的值尤其取决于基板的厚度以及接触显示器10的物体的性质。
第四电容C4通过环境从每个段延伸到地电势，并且取决于到最近的地参考的距离以及环境性质(即环境中的空气的介电常数，相对湿度等等)。
由于前基板14和后基板15之间的间距近，所以对于不同杂散电容的大小，C1的值远大于C2和C3。出于相同的原因，C3和C3′的大小几乎相等，而C2的值取决于显示器10的尺寸以及段11的间距。在后基板15上的段11互连的情况下，与基板15上的互连导线12提供的电流接触相比，杂散电容C2′变得可忽略。因为电容C1相对大以及背基板上的段短路，因此难以检测在显示器上同时接触二个相邻的段造成的电容C2的增加。
图2示出依据本发明的接触传感器20的第一实施例。接口21和显示器驱动器电路(未示出)连接。要强调的是该显示器驱动器电路不是为依据本发明的接触显示器特别适配的，而相反可以是为驱动不带有触敏性的普通显示器而制造的。在最简单形式下该接口可以是一个触点，以向显示器驱动器电路提供至显示器10上的显示电极11的电连接。替代地，该接口包括缓冲器和阻抗匹配装置，以向显示器驱动器电路提供最优工作点，从而增加显示器驱动器的工作时间。
接口21和一组开关22耦合，这些开关在第一操作状态下使接口21和显示器10的前基板14以及后基板15上的显示电极11连接。为了清楚起见，在图2中只示出和一对段11关联的开关22；但是，该图中的虚线表示，在后基板15上的段11(部分地或完全地)互连情况下，前基板14和后基板15上的每个段11或者一组段11通过开关22与接口21连接。在本发明的一优选实施例中，后基板上的段11不互连，而是在触敏器件20中可分别达到。接口21把后基板15上的段11的导线23集合成组使得能使用适宜于利用后基板15上的一个公用电极来驱动显示器的标准显示器驱动器电路。如后面公开那样，通过在未到达接口21之前不互连来自后基板15的各个段11的导线23，可改进接触传感器的准确性，从而通过开关22能隔离每个段11。通过不互连后基板15上的段11，还能同时检测显示器10上的二个或更多的接触，即能区别开手指的接触和通常称为“防手掌误触”的整个手的无意接触。
当开关22处于第一操作状态时，显示器10不对其表面上的接触敏感，而是充当普通显示器。但是，接触传感器20中的控制单元24操作该器件中的开关21，从而把它们置为第二操作状态，在此状态下显示器10和接口21断开。替代地，一个基板上的段11与向各个段11馈送测试信号的信号发生器25连接。在该图中，前基板14上的段11与信号发生器25连接，但是在一替代实施例中，后基板15上的段11而不是前基板14上的段11可以与信号发生器25连接。如前面公开那样，相对大的电容C1能等同地把前基板14上的段11或者后基板15上的段11连接到信号发生器25上，而不损失触敏器件的功能性。
当前基板14上的段11与信号发生器25连接时，通过简单地从接口21断开或者如图2中所示通过高电阻电阻器26和信号地连接，后基板15上的段11保持高阻抗状态。如前面公开那样，显示器10上的信息取决于前基板14上的段11和后基板15上的段11之间的电势差。即使对基板14、15之一上的段11施加测试信号，后基板15上的段11的高电阻状态以及相对大的电容C1会保证保持基板14、15上的不同段11之间的任何电势差。因此前基板14上的某个段的电势的改变会改变其正下方的后基板15上的那个段11上的电势。后果是，当在第二操作状态下，开关22把信号发生器25连接到前基板14的段11时，会保留开关22处于第一操作状态时在显示器上呈现的信息。
信号评估电路27与前基板14上的段11耦合。由于显示器的电容C1和C2是周知的并且是在制造显示器时形成的，外部物体不接触显示器时显示器对该测试信号的响应也是周知的。当该器件的操作员把他的手指放在显示器上时，上面公开的电容C3会变成呈现给该信号发生器的负载的一部分。从而对测试信号的响应会改变，以向信号评估电路27指示在显示器10上的一个或多个段11上存在接触。由于前基板14上的所有段11都与信号评估电路27连接，因此它能确定哪个段11或哪些段11受该接触的影响。接着信号评估电路会通过向外部控制单元(未示出)提供通常的“压下键”信号或者优选地关于哪些具体段11受该接触的影响的更详细信息，从而对该接触响应。
图3示出依据本发明的第一实施例的信号发生器25和信号评估电路27的作用。当各开关处于第二操作状态时，信号发生器25经一组电阻器32向前基板14上的段11馈送方波31。为了简明，该图只示出二个电阻器32。电阻器32的实际数量取决于用来检测显示器上的接触的段11的数量。由于后基板15上的段11是断开的并且保持高电阻状态，段11单独呈现的负载变成图1b中电容C1和C2和小电容C4串联。这样，通过使后基板15上的段11保持高电阻状态，大电容C1会变成和小电容C4串联耦合，从而使C1的影响不那么主要。在后基板15上的电极11互连的情况下，由于前基板14上的不同段11之间通过短路的后基板段11的电容耦合以及每个前、后段11之间的电容C1，接触传感器的准确性多少会下降。通过C1、C2和C4耦合所呈现的小电容会在图3的电阻器的右端处轻微改变测试信号33的外观。由于通过固定电阻器32对电容C1、C2和C4的充电，该测试信号不再是方波而是在电势上展现出周知的指数增长。优选地通过信号评估电路27测量加载的测试信号的上升或者下降时间，以判定电容负载是否改变。由于接触传感器20运行的环境的改变，可能出现上升时间的小变化。这些小改变不会造成来自信号评估电路27的指示显示器10上的接触的输出信号，而是被认为是测试信号中环境引入的变化而被接受。
当器件20的操作者17接触显示器10时，由于电容C3会增加对信号发生器25呈现的电容负载，由此增加对电阻器32右端的测试信号34的上升和下降时间。与C1、C2和C4的串联连接相比，电容C3大，从而对呈现给信号发生器的总电容贡献大。上升时间增加的确切幅度不是关键性的，只要它足够大能区分出显示器的接触和上面公开的环境引起的小变化就可以。信号评估电路可以是在上升时间超过预定值的情况下提供输出信号的简单比较器的形式，或者可能是智能的，以便分析上升时间的长期行为并且补偿环境的变化。
控制单元24适用于在第一和第二操作状态之间更迭开关22。控制单元24改变开关22的状态的速率取决于电容C1、每个段和信号地之间的电阻、以及液晶的惯性，即显示器中的晶体在不存在外部电场的情况下需要多长时间转换。
图3中的电阻32可以在传统电阻器32的形式下实现，或者如图4的替代实施例中所示那样用开关电容器42实现。本身已知的切换式电容器42非常适于集成到芯片上，从而能作为一个集成单元组合接触传感器的电子电路和显示器10。
在上面的本发明的实施例中公开了以信号发生器25和信号评估电路27为形式的电容测量电路，其中信号评估电路27测量测试信号的上升或者下降时间。但是应理解电容测量电路还可以在任何其它适当方式下测量固定或变化电压和频率下馈入显示器的电流，测量施加到显示器的电流和电压间的相位差，或者测量显示器10的至少一个段11和环境之间的电容。
在本发明的一替代实施例中，显示电极11可设置在基板14、15上，从而能检测显示电极11和接触显示器件10的物体之间的电流接触。例如，显示器可以由发光二极管(LED)矩阵构成，其中该显示器的每个二极管焊接到印制电路板(PCB)的一对垫片上。接着每个垫片构成一个可以和显示器驱动器电路断开的并且用来检测显示器件10上的接触的显示电极11。这样，如果某个人接触显示电极11，该人充当一个从显示电极11接收电荷的电容器。经过该人的手指会从显示器件10流出小的可检测的电流，其指示显示器件10上的接触。
在本发明的又一替代实施例中，当开关处于第二操作状态时，可以对显示电极11提供高电压。则如上面对LCD显示器公开那样，基板14、15上的显示电极11可以排列在基板14、15之间，其中当某人接触显示器件10的前部时，基板的非常大的电阻仍可允许流过大到足以检测的电流。
在本发明的再一替代实施例中，在依据关于图1的描述的第三基板(即在其上沉积了适当的电材料诸如氧化铟锡(ITO)以形成期望的触敏区的例如玻璃或塑料做成的基板)的一侧上形成触敏区。接着可以把该第三基板放在任何类型的显示器的前面以对该显示器提供触敏性。优选地把该触敏区布置在该基板的内侧，即对着该显示器并且不被该触敏基板的用户直接接触的一侧，以便即使暴露于硬磨损下也能对该触敏基板提供长的工作寿命。该第三基板除了对该显示器提供触敏性外，还因为放在显示器的前面而可充当保护罩。

Claims (12)

1.一种接触传感器(20)，包括：
带有基板(14，15)的显示器件(10)，该基板上设置至少一个显示电极(11)，用来在该显示器件(10)上显示形状；
与该至少一个显示电极(11)耦合的接口(21)，用来接收至该显示器件(10)的显示数据；
与该至少一个显示电极(11)耦合的测量电路(25，27)；
切换装置(22)，用于当该切换装置处于第一操作状态时使该接口(21)与该至少一个显示电极(11)连接，以及当该切换装置处于第二操作状态时使该测量电路(25，27)与该至少一个显示电极连接。
2.依据权利要求1的接触传感器(20)，其中该测量电路(25，27)是电容测量电路。
3.依据权利要求1的接触传感器(20)，其中该测量电路(25，27)是电阻测量电路。
4.依据上述任一权利要求的接触传感器(20)，其中该测量电路(25，27)包括与该至少一个显示电极(11)耦合的用于为显示电极提供预定测试信号的信号发生器(25)，并且包括与该至少一个显示电极耦合的用于接收来自该信号发生器的测试信号的信号评估电路(27)。
5.依据权利要求4的接触传感器(20)，其中该信号评估电路(27)适用于当该切换装置(22)处于第二操作状态时检测该测试信号中的偏移。
6.依据权利要求4或5中任一项的接触传感器(20)，其中该信号发生器(25)适用于把测试信号施加到该显示器件(10)的前基板(14)上的各段(11)。
7.依据权利要求4或5中任一项的接触传感器(20)，其中该信号发生器(25)适用于把测试信号施加到该显示器件(10)的后基板(15)上的各段(11)。
8.依据上述任一权利要求的接触传感器(20)，其中不和该信号发生器(25)连接的基板(14，15)上的段(11)保持高电阻状态。
9.一种检测显示器件(10)上的接触的方法，所述显示器件具有基板(14，15)，在该基板上设置至少一个显示电极(11)，用来在该显示器件(10)上显示形状，其中所述显示电极(11)与用于接收至该显示器件的显示数据的接口(21)耦合，该方法包括步骤：
从该接口(21)断开该至少一个显示电极(11)；
把所述显示电极(11)连接到测量电路(25，27)；以及
检测由于对在该显示电极附近接触该显示器件(10)的物体(17)的电耦合而造成的该显示电极(11)的电特性的改变。
10.依据权利要求7的方法，包括步骤：
对该显示电极(11)施加预定的测试信号，并且检测由于对在该显示电极附近接触该显示器件(10)的物体(17)的电耦合而造成的该测试信号的偏移。
11.依据权利要求9或10的方法，其中该电耦合是电容耦合。
12.依据权利要求9或10的方法，其中该电耦合是电流耦合。
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