JP6618982B2 - ディスプレイモニタを有する超音波タッチセンサ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
［０００１］ この出願は、２０１２年２月２日に出願された米国特許仮出願第６１／５９４３３０号に対して優先権の利益を主張する。

［０００２］ 本発明は、ディスプレイに接触するオブジェクト（object）に関する情報を収集する装置および方法に関する。

［０００３］ 従来技術において、タッチスクリーンモニタは概して、ユーザがモニタ上に表示されたアイテムを選択するのを支援するのに使用される。アイテムを選択することは概して、スティラスあるいは指などのポインティングオブジェクトを使用して実行される。そのようなタッチスクリーンモニタはしばしば、ポインティングオブジェクトがディスプレイモニタに接触する位置を特定するために、容量センサを使用する。ユーザがどの位置を特定しているかを決定するために、特定された位置は続いてモニタ上に表示された画像の位置と比較される。

［０００４］ これら従来のタッチスクリーンモニタは信頼性も高く安価であるが、従来の装置はタッチイベントを高い信頼度で測定するのに適した作り付けのセンシング素子を組み込んでいない。また、これら従来の装置は乾燥したきれいな環境においては良好に動作するが、きたない濡れた悪条件下では動作不良となる。

［０００５］ 本発明は、可視イメージを提供するためにディスプレイモニタを有するタッチスクリーンディスプレイとして具現化され、超音波装置は、超音波エネルギ波を放出することができ、反射された超音波エネルギを検出することができる。ディスプレイモニタは可視イメージを提供するための光放出ダイオードあるいは、可視イメージを提供するための液晶ディスプレイを含む。

［０００６］ 超音波装置は超音波エネルギ波を放出するための圧電トランスミッタを含む。超音波装置はまた、反射された超音波エネルギを検出するために、ハイドロホンアレイなどの圧電検出器を含む。検出器は反射された超音波エネルギを検出するための薄膜トランジスタ受信機を含む。

［０００７］ ディスプレイモニタはコンポーネントの層からなり、超音波装置は少なくとも１つの層からなる。超音波装置はディスプレイモニタ層の１つ以上に取り付けられる。

［０００８］ 超音波装置は反射された超音波エネルギを検出するための複数の受信機を含む。本発明の一実施形態において、各超音波エネルギ受信機はピクセルを備えるディスプレイモニタの素子間に配置される。

［０００９］ 本発明の特質および目的をよりよく理解するために添付の図面および以下の記述に対して参照符号が使用される。簡単に述べると、図面は以下からなる：
本発明に従ったタッチスクリーンディスプレイを製造するために、オンセル超音波装置がバック点灯ＬＣＤディスプレイモニタ内に一体化された装置の分解図 本発明に従ったタッチスクリーンディスプレイを製造するために、オンセル超音波装置がＯＬＥＤディスプレイ内に一体化された装置の分解図 本発明に従ったタッチスクリーンディスプレイを製造するために、インセル超音波装置がバック点灯ＬＥＤディスプレイ内に一体化された装置の分解図 本発明に従ったタッチスクリーンディスプレイを製造するために、インセル超音波装置がＯＬＥＤディスプレイ内に一体化された装置の分解図

［００１０］ 図面において、次の参照符号が見出され、それらは以下のものを示す。

１ 耐擦り傷性ガラス
２ 連続電極（例えばＴＣＦ（ＩＺＯ、ＩＴＯなどの透明な伝導性膜）
３ ＰＶＤＦあるいはＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ圧電ポリマ
５ カラーフィルタガラス（５Ａ，５Ｂ及び５Ｃはガラス内の３ＲＢＧカラーフィルタの一例を示す）
６ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）回路
７ ＴＦＴ基板（例えばガラス）
８ 圧電トランスミッタ
９ 偏光フィルタ
１０ 液晶
１１ バック点灯パネル
１２ 電極パッド（例えばＴＣＦ）
１３ 連続電極（例えばＴＣＦ）
１４ 光学的に透明な非伝導性フィラ材料

本発明のさらなる記述
［００１１］ 本発明は、超音波走査装置およびディスプレイモニタに関する。ディスプレイモニタに接触するオブジェクトに関する情報は、超音波エネルギによって収集される。超音波エネルギはディスプレイモニタの表面に向けて送られる。ここにおいて、ポインティングオブジェクトはディスプレイモニタに接触する。超音波エネルギがポインティングオブジェクトに到達するときに、超音波エネルギの少なくとも一部は超音波エネルギ受信機に向けて反射される。受信機は反射されたエネルギを検出し、反射されたエネルギが検出されたことを示す信号を送信する。送信された信号を用いてオブジェクトに関する情報が決定される。当該情報は、以下の１つ以上を含む。（ａ）ポインティングオブジェクトの位置、（ｂ）ポインティングオブジェクトの表面のテクスチャについての情報、及び／またはポインティングオブジェクト内に存在する（但し、ポインティングオブジェクトの表面上にはない）特徴の構造についての情報。

［００１２］ 本発明の一実施形態において、超音波装置は、ディスプレイモニタに取り付けられる。例えば、超音波装置は、ディスプレイモニタの一部に積層laminateされる。超音波装置及びディスプレイモニタの組み合わせはここでは“タッチスクリーンディスプレイ”と呼ぶ。タッチスクリーンディスプレイは、ポインティングオブジェクトの動きを追跡するために、第１の時間においてポインティングオブジェクトの位置を決定するのに用いられ、次に第２の時間においてポインティングオブジェクトの位置を決定するのに用いられる。これによって、イメージを特定して、特定されたイメージによって示された（ソフトウエアアプリケーションなどの）オプションを選択するために、カーソルがディスプレイモニタ上に表示される。

［００１３］ ポインティングオブジェクトはポインティングオブジェクトの所有者を特定するために用いることができる特定特性（identifying characteristics）を含む。例えば、ポインティングオブジェクトは指であり、特定特性は指紋である。タッチスクリーンディスプレイは、タッチスクリーンディスプレイのユーザを特定するために、指紋を検出するのに使用される。この方法において、タッチスクリーンディスプレイは許可されたユーザのみに対して利用可能とされる。あるいは、タッチスクリーンディスプレイは、特定のユーザによって好まれていると信じられるやりかたにおいてイメージを表示するように構成される。この方法において、タッチスクリーンディスプレイは特定のユーザの嗜好に個人化される。

［００１４］ フレーズ“インセル”タッチスクリーンディスプレイはここでは、ディスプレイモニタのピクセル（pixel）を全体的に構成している素子群内に配置された超音波装置を有するタッチスクリーンディスプレイを意味する。例えば、各超音波レシーバは単一のピクセルを備えるディスプレイモニタの素子間に配置される。

［００１５］ フレーズ”オンセル“タッチスクリーンディスプレイはここでは、ディスプレイモニタからなる層の１つの表面に接続された超音波装置を有するタッチスクリーンを意味するのに用いられる。例えば、そのようなオンセルタッチスクリーンディスプレイにおいて、超音波装置が取り付けられているディスプレイモニタの層は、概して露出された層あるいはディスプレイモニタの内部層であることができる。この開示において、フレーズ“アウトセル”タッチスクリーンディスプレイは、“オンセル”タッチスクリーンディスプレイの特定のタイプを意味するのに用いられる。ここにおいて、超音波装置は、ディスプレイモニタの保護された耐擦り傷性（scuff resistant）の表面層を除いて、ディスプレイモニタに対して内部ではない、ディスプレイモニタの層に取り付けられる。

［００１６］ 超音波装置は、識別の目的で予め取得された指紋情報と比較される指紋についての情報を取得するために超音波センサを使用するシステムなどの超音波指紋イメージングシステムであることができ、及び／又は指紋の可視イメージを表示するのに使用される。超音波センサは超音波パルスあるいはパルスの集合体を送信し、送信されたパルスの反射された部分を検出する。そのような超音波指紋イメージングシステムは比較的簡単な構成で信頼度が高い。そのようなシステムの一例は、ウルトラスキャン社によって製造されたモデル２０３である。

［００１７］ 超音波装置は、ポインティングオブジェクトによって反射されたエネルギを検出するために、複数の検出器を使用する。各検出器は、超音波装置あるいはディスプレイモニタあるいは両方を構成しているコンポーネントの特性である、固定パターンノイズの影響を除去するように個々に調整（calibrate）されている。これらの影響は、増幅器の相違に起因する検出器間の変動および製造工程（例えばにかわ、汚染物など）に起因する変動を含む。ディスプレイモニタのピクセル間の変動によって発生した超音波減衰の変動は、超音波センサによって受信された固定パターンノイズの非変化部として検出される。そして、そのような固定パターンノイズは、反射されたエネルギは受信器によって検出されたことを示すために、受信器によって送信された信号の解析の間に除去される。いったん固定パターンノイズが除去されると、超音波センサによって解析される表面を示す“きれいな”信号が得られる。

［００１８］ 超音波装置はタイミング信号を供給する電子制御システムを含む。タイミング信号の一部は超音波装置に超音波エネルギパルスを放出させるために使用される。タイミング信号の他の一部は、超音波装置によって検出される反射超音波エネルギのどれが、ポインティングオブジェクトが置かれる表面に関連しているのかに関する決定が行われる“距離ゲーティング（range gating）”と称されるプロセスにおいて使用される。距離ゲーティングについての議論は、ソナー、レーダ、あるいは超音波非破壊試験に関する多くの信頼されているテキストに見出されるであろう。

［００１９］ 保護プラスティック膜プラテンに接触するオブジェクトのイメージにさらに処理されるタイミング信号、パルス発生開始およびＴＦＴセンサ信号読み出し。

［００２０］ 現時点で市場に出ているディスプレイモニタは、ユーザに対して可視イメージを提示するために光放出ダイオード（ＬＥＤ）および液晶ディスプレイを使用したものを含む。そのようなディスプレイモニタは軽量、薄型、平坦、信頼度が高くかつ安価である。そのようなディスプレイモニタを超音波装置と組み合わせると、その結果得られるタッチスクリーンディスプレイは、指をディスプレイ上のイメージを指し示すのに使用する能力を提供し、パーソナルコンピュータやパーソナルデジタルアシスタンツ（ＰＤＡ）に関連して使用されているタッチパッドによって現在提供されるものに類似した能力を提供する。

［００２１］ 本発明の概略を述べたが、さらなる詳細を以下に述べる。

［００２２］ ディスプレイモニタの解像度と、超音波装置の解像度とは同じでなければならないという要件は存在しない。このことは例えば、システムにおいて、ディスプレイモニタの解像度がインチ当たり１００ドット、超音波装置のそれがインチ当たり１０ドットであることあるいはアプリケーションにとって都合の良いその他の組み合わせを可能にする。しかしながら、インセルシステムは、超音波装置の受信機を、カラーディスプレイモニタピクセルを備える３カラーグループ以内に配置するので、超音波受信機を３カラーディスプレイピクセルコンポーネントに追加することは通常、１対１の受信機対ピクセルグループの関係をもっている。しかしながら、１対１の関係は不要である。例えば、いくつかのディスプレイモニタピクセルから超音波受信機グループを除去することは、ディスプレイモニタおよび超音波装置に対して異なるピッチ間隔の使用を可能にする。

［００２３］ ＬＣＤディスプレイモニタに接続された圧電イメージングシステムを備えるオンセルタッチディスプレイの実施形態が図１に示されている。エッジ点灯バックライトパネル１１に対して圧電膜トランスミッタ８が取り付けられている。圧電トランスミッタ８の反対側のバックライトパネル１１の表面に、ガラス基板上のＴＦＴ６が取り付けられている。この上方には、液晶材料の層１０がある。この直上には、カラーフィルタ５に取り付けられた透明の伝導性膜（ＴＣＦ）１３がある。カラーフィルタ５の上部には、伝導性ＴＣＦ２がある。このＴＣＦ層２に対して、圧電ポリマ３（あるいはコポリマ）の層がある。個々のＴＣＦパッド２のパターンは、圧電ポリマ層３あるいは偏光膜９に適用され、その外面は耐擦り傷性ガラスあるいはプラスティック１の層を受ける。結果として得られるタッチスクリーンディスプレイは多くのＬＣＤディスプレイと同じ態様で動作し、ＴＦＴ上のＴＦＴによってパターニングされたＴＣＦ電極（明示されていないがＴＦＴそれ自身の一部である）と、連続平面電極１３との間の電圧は、光偏光器を用いて各ディスプレイピクセルをオン状態にしたりオフ状態にすることを可能にする。偏光フィルタを通過した光が第１の偏光器に対して９０度の角度で配置された第２の偏光器を通過した場合には、当該光は完全に遮蔽され、第２の偏光器を通過しない。ＬＣＤディスプレイは 概してプラスティックシートである固定偏光フィルタを用い、第２の偏光フィルタは液晶材それ自身である。電圧が印加されたとき、光を偏光させ、それによって光が放出されるのを防止する。電圧が印加されないときには光は通過を許される。超音波の特徴は、圧電膜トランスミッタが超音波エネルギパルスを出力するときに機能する。超音波エネルギパルスは種々の層を進行して外部に面した表面（この場合には耐擦り傷性ガラスあるいはプラスティック）に到達する。ここでおいて、超音波エネルギパルスの少なくとも一部は再度、下方に反射され、当該表面の超音波インピーダンスおよび当該表面に接触しているオブジェクトについての情報をもたらす。反射された超音波エネルギパルスは、圧電ポリマ膜３から形成されるハイドロホンアレイと、それに接触する２つのＴＣＦ電極層、すなわち連続電極２および電極アレイ３、によって検出される。トレースコンダクタ（trace conductor）は電極アレイ２を電子回路（図示せず）に連結し、超音波装置が、ハイドロホンアレイの各超音波アレイ受信機素子に関連した個々の超音波信号に対応する信号を生成するのを可能にする。

［００２４］ 図２はオンセルタッチスクリーンディスプレイの他の実施形態を示す。この実施形態では、ディスプレイの液晶層１０およびディスプレイモニタに関連する関連ＣＦ電極は不要である。バックライト層１１もまた不要である。なぜならばＴＦＴディスプレイはディスプレイに直接点灯して照明するＯＬＥＤ素子を含む。この場合、超音波トランスミッタはＴＦＴ基板ガラスの背面に取り付けられる。

［００２５］ 図３は本発明の他の実施形態である。この実施形態では、タッチスクリーンモニタはインセルタッチディスプレイである。圧電膜トランスミッタ８に対してエッジ点灯バックライトパネル１１が取り付けられている。圧電トランスミッタ８の反対側にあるバックライトパネル１１の表面には、ガラス基板７上のＴＦＴ６が取り付けられている。このＴＦＴ６は多くの回路を備える。個々のピクセルは３つのＬＣＤ制御増幅器および１つの超音波受信器のグループである。超音波受信器はさらにそれに接続された圧電ポリマを有する。この上方には液晶材１０の層である。この上方は、受信機のための共通電極として使用されるとともに、ＬＣＤドライバ回路のための共通電極として使用される連続電極（ＴＣＦ）３である。このＴＣＦはカラーフィルタ５に取り付けることができる。スタック内の次の上層（図３）は偏光フィルタ９であり、最終的には、外部表面は耐擦り傷性ガラスあるいはプラスティック１の層を受ける。このディスプレイは多くのＬＣＤディスプレイと同じ様態で動作し、ＴＦＴ上のＴＦＴによってパターニングされたＴＣＦ電極と、連続平面電極１３との間の電圧は、各ディスプレイピクセルをオン状態にしたりオフ状態にすることを可能にする。

［００２６］ 図４に本発明のインセルタッチディスプレイの他の実施形態が示されている。ＴＦＴ回路７の基板の背面には、圧電膜トランスミッタ８が取り付けられている。ＴＦＴ回路７は、個々のカラーピクセルを形成するセルのグループからなり、各ピクセルは３つの光放出セルと１つの超音波センサセルから構成される。超音波センサセルＴＦＴに取り付けられているのは、ＴＣＦ電極２と圧電ポリマ３の層と、ＴＦＴを横切って連続する他のＴＣＦ膜電極１２からなる３つの積層体である。それを光放出ディスプレイ回路およびＴＣＦ２から隔離するために、光透過性の絶縁材１４がＯＬＥＤの上方（図４）において使用される。

図４においてこの上方には、赤、緑、青のディスプレイカラーを可能にするためのカラーフィルタガラス５が示されている。耐擦り傷性表面層１は、積層体を物理的摩耗（abrasion）および機械損害から保護する。光ピクセルおよび超音波センサピクセル間の１対１関係について記述されたが、超音波装置の解像度を変更するために種々のセンサピクセルを省くことは容易にできる。

［００２７］ 本発明は、１つ以上の特定の実施形態について記述されたが、本願発明の精神および範囲から逸脱することなしに本発明の他の実施形態を作ることができることを理解されたい。すなわち、本発明は添付の特許請求の範囲およびそれの合理的な解釈のみによって限定されるべきである。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
タッチスクリーンディスプレイであって、
可視イメージを提供するためのディスプレイモニタと、
超音波エネルギ波を放出するとともに反射された超音波エネルギを検出することが可能な超音波装置と、を備えるタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ２］
前記ディスプレイモニタは、前記可視イメージを供給するための光放出ダイオードを含むＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ３］
前記ディスプレイモニタは、前記可視イメージを供給するための液晶ディスプレイを含むＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ４］
前記超音波装置は、前記超音エネルギ波を放出するための圧電トランスミッタを含むＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ５］
前記超音波装置は、反射された超音波エネルギを検出するための圧電ハイドロホンアレイを含むＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ６］
前記超音波装置は、前記反射された超音波エネルギを検出するための薄膜トランジスタレシーバを含むＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ７］
前記ディスプレイモニタは層からなり、前記超音波装置は少なくとも１つの層からなり、前記超音波装置は前記ディスプレイモニタの前記層の１つに取り付けられるＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ８］
前記超音波装置は、反射された超音波エネルギを検出するための複数の受信機を含むＣ１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
［Ｃ９］
各超音波エネルギレシーバは、ピクセルからなるディスプレイモニタの素子間に配置されるＣ８記載のタッチスクリーンディスプレイ。

Claims (9)

1. タッチスクリーンディスプレイであって、
   可視イメージを提供するための光放出素子のグループを有するディスプレイモニタと、 超音波エネルギ波を放出するとともに反射された超音波エネルギを検出することが可能な超音波装置と、ここにおいて、前記超音波装置の超音波受信機は、前記ディスプレイモニタのピクセルを全体的に構成する前記光放出素子のグループ内に配置され、
   タイミング信号を供給する電子制御システムと、ここにおいて、前記タイミング信号は、前記超音波装置によって検出された前記反射された超音波エネルギのどれがオブジェクトが配置される表面に関連するかを決定するプロセスにおいて用いられ、
   を備え、
   前記ディスプレイモニタの各ピクセルは、１つの超音波センサセルと３つの光放出セルのグループとを備える、タッチスクリーンディスプレイ。
2. 前記ディスプレイモニタは、前記可視イメージを供給するための有機光放出ダイオードを含む請求項１記載のタッチスクリーンディスプレイ。
3. 前記超音波装置は、前記超音波エネルギ波を放出するための圧電トランスミッタを含む請求項１または請求項２のいずれか一項記載のタッチスクリーンディスプレイ。
4. 前記超音波装置は、反射された超音波エネルギを検出するための圧電ハイドロホンアレイを含む請求項１〜請求項３のいずれか一項記載のタッチスクリーンディスプレイ。
5. 前記超音波装置は、反射された超音波エネルギを検出するための薄膜トランジスタレシーバを含む請求項１〜請求項４のいずれか一項記載のタッチスクリーンディスプレイ。
6. 前記ディスプレイモニタは層からなり、前記超音波装置は少なくとも１つの層からなり、前記超音波装置は前記ディスプレイモニタの前記層の１つに取り付けられる請求項１〜請求項５のいずれか一項記載のタッチスクリーンディスプレイ。
7. 前記超音波装置は、前記ディスプレイモニタの内部層に取り付けられる請求項６記載のタッチスクリーンディスプレイ。
8. 前記超音波装置は、反射された超音波エネルギを検出するための複数の受信機を含む請求項１〜請求項７のいずれか一項記載のタッチスクリーンディスプレイ。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のタッチスクリーンディスプレイと接触しているオブジェクトに関する情報を収集する方法であって、
   超音波装置に、前記タッチスクリーンディスプレイの表面に向かって超音波エネルギ波を放出させることと、
   前記表面から前記超音波エネルギの少なくともいくらかを反射することと、
   前記反射された超音波エネルギを検出することと、を備える、方法。

Images