TWI585657B - 具有顯示監視器之超音波觸控感應器 - Google Patents

Description

具有顯示監視器之超音波觸控感應器

本發明係關於收集關於與一顯示器接觸之一物件之資訊之裝置及方法。

本申請案主張2012年2月2日申請之美國臨時專利申請案第61/594,330號之優先權之權利。

在先前技術中，觸控螢幕監視器通常用於協助使用者選擇顯示在一監視器上之項目。選擇項目通常係使用一指向物件(諸如一尖筆或一手指)而執行。此類觸控螢幕監視器經常利用一電容感應器以識別指向物件觸控該顯示監視器所在之位置。經識別之位置接著與顯示在監視器上之影像之位置比較以判定使用者正在識別何物。

儘管此等先前技術觸控螢幕監視器已變得可靠且便宜，但先前技術裝置未併入適於可靠地量測一觸控事件之任何內建式(built-in)感應元件，且儘管此等先前技術裝置之多數在乾燥及潔淨的環境下工作良好，但其等經常在髒、濕或不利的條件下失效。

本發明可體現為一觸控螢幕顯示器，其具有：一顯示監視器，其用於提供一視覺影像，及一超音波裝置，其能夠發出一超音波能量波，且能夠偵測經反射之超音波能量。該顯示監視器可包含用於提供該視覺影像之發光二極體，或包含用於提供該視覺影像之一液晶顯示 器。

該超音波裝置可包含用於發出該超音波能量波之一壓電發射器。該超音波裝置亦可包含一壓電偵測器，諸如一水聽器陣列，用於偵測經反射之超音波能量。該偵測器可包含用於偵測經反射之超音波能量之一薄膜電晶體接收器。

該顯示監視器可由若干層組件組成，且該超音波裝置可由至少一個層組成。該超音波裝置可經附接至該等顯示監視器層之一者或多者。

該超音波裝置可包含用於偵測經反射之超音波能量之複數個接收器。在本發明之一個實施例中，各超音波能量接收器係定位於包括一像素之該顯示監視器之元件之中。

1‧‧‧防磨損玻璃

2‧‧‧連續電極(例如，TCF(透明導電膜)，諸如IZO、ITO等)

3‧‧‧PVDF或PVDF-TrFE壓電聚合物

5‧‧‧彩色濾光器玻璃(5A、5B及5C係玻璃內之3個RBG彩色濾光器)

6‧‧‧TFT(薄膜電晶體)電路

7‧‧‧TFT基板(例如，玻璃)

8‧‧‧壓電發射器

9‧‧‧偏光濾光器

10‧‧‧液晶

11‧‧‧背光面板

12‧‧‧電極墊(例如，TCF)

13‧‧‧連續電極(例如，TCF)

14‧‧‧光學透明非導電、填充物材料

為更全面地理解本發明之性質及目的，應參考附圖及隨後描述。簡單地說，圖式為：圖1，其係根據本發明之一裝置之一分解圖，其中一上置式(on-cell)超音波裝置已整合至一背光式LCD顯示監視器中以建立一觸控螢幕顯示器。

圖2，其係根據本發明之一裝置之一分解圖，其中一上置式超音波裝置已整合至一OLED顯示器中以建立一觸控螢幕顯示器。

圖3，其係根據本發明之一裝置之一分解圖，其中一內置式(in-cell)超音波裝置已整合至一背光式LCD顯示器中以建立一觸控螢幕顯示器。

圖4，其係根據本發明之一裝置之一分解圖，其中一內置式超音波裝置已整合至一OLED顯示器中以建立一觸控螢幕顯示器。

本發明係關於超音波掃描裝置及顯示監視器。關於與顯示監視 器接觸之一物件之資訊係藉由超聲波能量而聚集。超音波能量係朝該顯示監視器之一表面發送，在該顯示監視器之該表面處一指向物件可接觸該顯示監視器。當該超音波能量到達該指向物件時，超音波能量之至少一些朝一超音波能量接收器反射。該接收器偵測該經反射之能量，發射指示經反射能量被感應之一信號。使用經發射之信號判定關於該物件之資訊。此資訊可包含下列之一者或多者：(a)該指向物件之位置，(b)關於該指向物件之表面之紋理之資訊，及/或關於存在於該指向物件中(但不在該指向物件之表面上)之特徵之結構之資訊。

在本發明之一個實施例中，一超音波裝置係附接至一顯示監視器。舉例而言，該超音波裝置可經層壓至該顯示監視器之一部分。該超音波裝置及該顯示監視器之組合在本文中係稱為一「觸控螢幕顯示器」。該觸控螢幕顯示器可用於判定該指向物件在一第一時間之位置，且接著判定該指向物件在一第二時間之位置，以追蹤該指向物件之運動且藉此致使在該顯示監視器上顯示一游標，以便識別一影像且藉此選擇由該經識別之影像所表示之一選項(諸如一軟體應用程式)。

該指向物件可包含能用於識別該指向物件之擁有者之識別特性。舉例而言，該指向物件可為一手指，且該等識別特性可為指紋。該觸控螢幕顯示器可用於偵測指紋以識別該觸控螢幕顯示器之使用者。以此方式，該觸控螢幕顯示器可製成僅對經授權使用者可用，或可使該觸控螢幕顯示器以被認為是該特定使用者偏好之一方式顯示影像。以此方式，該觸控螢幕顯示器可針對一特定使用者之偏好而個性化。

在本文中使用片語「內置式」觸控螢幕顯示器以指將超音波裝置定位於共同構成顯示監視器之一像素之一元件群組內之一觸控螢幕顯示器。舉例而言，各超音波接收器係定位於包括一單一像素之顯示監視器之元件之中。

在本文中使用片語「上置式」觸控螢幕顯示器以指將超音波裝置耦合至包括該顯示監視器之諸層之一者之一表面之一觸控螢幕顯示器。舉例而言，在此一上置式觸控螢幕顯示器中，該超音波裝置附接所至之該顯示監視器之層可為通常為曝露的一層，或可為該顯示監視器之一內部層。為本發明之目的，使用片語「外置式(out-cell)」觸控螢幕顯示器以指一特定類型之「上置式」觸控螢幕顯示器，藉此該超音波裝置係附接至不在該顯示監視器內部之該顯示監視器之一層(除該顯示監視器之任何保護性、防磨損表面層之外)。

該超音波裝置可為一超音波指紋成像系統，諸如使用一超音波感應器以擷取關於一指紋之資訊(該資訊接著可與先前獲得的指紋資訊相比較以用於識別目的，及/或該資訊可用於顯示該指紋之一視覺影像)的此類超音波指紋成像系統。該超音波感應器發射一超音波脈衝或脈衝集合，且接著偵測該(該等)經發射脈衝之一經反射部分。此等超音波指紋成像系統相對簡單且可靠。一個此種系統之一實例係由Ultra-Scan公司製造之模型203。

該超音波裝置可利用複數個偵測器以偵測由該指向物件反射之能量。各偵測器可經個別校準以移除定型雜訊(fixed pattern noise)效應，該等定型雜訊效應可為構成該超音波裝置、該顯示監視器或兩者之組件之特性。此等效應可包含可自放大器之差異引起之偵測器之間之變動，以及自製程(例如，膠、污物等)引起之變動。由顯示監視器之像素之間之變動所引起之超音波衰減之變動將被偵測為由該超音波感應器接收之定型雜訊之一非變化部分，且此定型雜訊可在分析由接收器發射以指示經反射能量被該接收器感應之信號期間移除。一旦移除該定型雜訊，即產生表示正被超音波感應器分析之表面之一「乾淨」信號。

超音波裝置可包含供應時序信號之一電子控制系統。此等時序 信號之一些可用於致使該超音波裝置發出一超音波能量脈衝。此等時序信號之其他者可用於通常稱為「距離選通(range gating)」之一程序中，其中對於由超音波裝置偵測之經反射之超音波能量之哪一者係與指向物件可放置於其上之表面相關作出判定。距離選通的一論述可在關於聲納、雷達或超音波非破壞性測試之許多可靠文本中找到。

時序信號、脈衝產生起始及TFT感應器信號讀出接著可進一步經處理為與保護性塑膠膜板接觸之一物件之一影像。

目前市場上的顯示監視器包含使用發光二極體及液晶顯示器以向一使用者呈現一視覺影像之顯示監視器。此等顯示監視器重量輕、薄、平坦、可靠且便宜。當此一顯示監視器與一超音波裝置組合時，所得之觸控螢幕顯示器提供使用一手指指向顯示器上之一影像之能力，且提供類似於當前由結合個人電腦及個人數位助理使用之觸控墊所提供之能力。

已提供本發明之一綜述，現將提供額外細節。

不要求顯示監視器之解析度與超音波裝置之解析度必須相同。此容許系統，舉例而言，其中顯示監視器之解析度可為100點每英寸且超音波裝置可為10點每英寸，或為便於應用之任何其他組合。然而，內置式系統將超音波裝置之接收器放於包括一彩色顯示監視器像素之3色群組內，且因此將一超音波接收器添加至3色顯示器像素組件通常具有一對一之接收器對像素群組之關係，但一對一相關聯並非是必需的。舉例而言，自一些顯示監視器像素省去超音接收器群組將慮及顯示監視器及超音波裝置之不同節距分佈。

在圖1中描繪具有耦合至一LCD顯示監視器之一壓電成像系統之一上置式觸控顯示器之一實施例。一壓電膜發射器8係附接至一側光式背光面板11。在背光面板11之與壓電發射器8相對的表面上，附接在一玻璃基板7上之一TFT 6。此上方係一層液晶材料10。在此正上方 係貼附至一彩色濾光器5之一透明導電膜(TCF)層13，其頂部亦具有一層導電TCF 2。至此TCF層2係一層壓電聚合物3(或共聚物)。個別TCF墊2之一圖案係施加至壓電聚合物層3或替代地一偏光濾光器9，且外表面接收一層防磨損玻璃或塑膠1。所得之觸控螢幕顯示器以類似於大多數LCD顯示器之一方式操作且TFT上之TFT圖案化TCF電極[未明確地顯示，但為TFT自身之部分]與連續共同平面電極13之間之一電壓容許各顯示器像素使用偏光器開或關。若已穿過一偏光濾光器之光接著穿過以相對於該第一偏光濾光器成90度定向之一第二偏光器，該光將被完全阻擋且將不穿過該第二偏光器。LCD顯示器使用通常係一塑膠片之一固定偏光濾光器，該第二偏光濾光器係液晶材料自身。若施加一電壓，其使光偏振，藉此阻止光發出，且若未施加電壓，則允許光穿過。當壓電膜發射器發出一超音波能量脈衝時，超音波特徵開始起作用。該超音波能量脈衝行進經過各種層至朝外表面(在此情況中係防磨損玻璃或塑膠)，其中該超音波能量脈衝之至少部分接著再次向下反射，其攜帶關於該表面及與該表面接觸之任何物件之超音波阻抗之資訊。經反射之超音波能量脈衝係由水聽器陣列偵測，該水聽器陣列係由壓電聚合物膜3及接觸其之兩個TCF電極層(連續電極2及電極陣列12兩者)構成。跡線導體將電極陣列2與電子器件(未展示)互連，從而容許超音波裝置發射對應於與水聽器陣列之各超音波陣列接收器元件相關聯之個別超音波信號之一信號。

圖2描繪一上置式觸控螢幕顯示器之一替代實施例。在此實施例中，不需要與該顯示監視器相關聯之顯示器液晶層10及相關聯之TCF電極。亦不需要背光層11，此係因為TFT顯示器含有OLED元件，其直接照亮及照明該顯示器。在此情況中，超音波發射器可貼附至TFT基板玻璃之背面。

圖3描繪本發明之另一實施例。在此實施例中，觸控螢幕監視器 係一內置式觸控顯示器。一壓電膜發射器8係附接至一側光式背光面板11。在背光面板11之與壓電發射器8相對的表面上，附接在一玻璃基板7上之一TFT 6。此TFT 6具有許多電路。個別像素係三個LCD控制放大器及一個超音波接收器電路之群組。該超音波接收器進一步具有結合至其之一壓電聚合物。此上方係一層液晶材料10。此上方係一連續電極(TCF)2，其用作該接收器之共同電極及用作LCD驅動器電路之共同電極。此TCF可貼附至一彩色濾光器5。在堆疊中向上之下一層(圖3中)係偏光濾光器9，且最後外表面接收一層防磨損玻璃或塑膠1。此顯示器以類似於大多數LCD顯示器之一方式操作且TFT上之TFT圖案化TCF電極與連續共同平面電極2之間之一電壓容許各顯示器像素開或關。

在圖4中描繪根據本發明之一內置式觸控顯示器之另一實施例。一壓電膜發射器8係附接至TFT電路7之基板之背面。TFT電路7可由構成個別彩色像素之單元群組組成，各像素係由三個發光單元及一個超音波感應器單元組成。附接至超音波感應器單元TFT的可為一三層式層壓板，其由一TCF電極2、一層壓電聚合物3及跨越TFT呈連續之另一TCF膜電極12組成。可在OLED上方(圖4中)使用光學透明絕緣材料14以將其等自發光顯示電路及TCF 2隔離。圖4中顯示在此上方係一彩色濾光器玻璃5以容許紅-綠-藍顯示顏色。一防磨損表面層1保護堆疊免受物理磨蝕及機械損壞。應注意到儘管描述光像素與超音波感應器像素之間之一對一關係，但可很容易省去各種感應器像素以改變超音波裝置之解析度。

儘管本發明已參考一個或多個特定實施例予以描述，但應理解可在不脫離本發明精神及範疇的情況下做出本發明之其他實施例。因此，將本發明視為僅由隨附申請專利範圍及其合理解釋限制。

1‧‧‧防磨損玻璃

2‧‧‧連續電極(例如，TCF(透明導電膜，諸如IZO、ITO等))

3‧‧‧PVDF或PVDF-TrFE壓電聚合物

5‧‧‧彩色濾光器玻璃(5A、5B及5C係玻璃內之3個RBG彩色濾光器)

6‧‧‧TFT(薄膜電晶體)電路

7‧‧‧TFT基板(例如，玻璃)

8‧‧‧壓電發射器

9‧‧‧偏光濾光器

10‧‧‧液晶

11‧‧‧背光面板

12‧‧‧電極墊(例如，TCF)

13‧‧‧連續電極(例如，TCF)

Claims (33)

1. 一種觸控螢幕顯示器，其包括：一顯示監視器，其用於提供一視覺影像；及一超音波裝置，其能夠發出一超音波能量波，且能夠偵測經反射之超音波能量，其中該顯示監視器係由若干層組成，該等層中至少一者係一內部層，且該超音波裝置包括由至少一層組成之一傳感器(transducer)，且該超音波傳感器係附接至該顯示監視器之該等內部層之一者；且其中該超音波裝置係位於包含一像素之該顯示監視器之若干元件之間，俾使該像素包含複數個發光單元及該超音波裝置。
2. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該顯示監視器包含用於提供該視覺影像之有機發光二極體。
3. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該顯示監視器包含用於提供該視覺影像之一液晶顯示器。
4. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於發出該超音波能量波之一壓電發射器。
5. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於偵測經反射之超音波能量之一壓電水聽器陣列。
6. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於偵測經反射之超音波能量之一薄膜電晶體接收器。
7. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波裝置包含用於偵測經反射之超音波能量之複數個接收器。
8. 如請求項7之觸控螢幕顯示器，其中各超音波能量接收器係定位 於包括一像素之該顯示監視器之元件之中。
9. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器係附接至該顯示監視器之一液晶層。
10. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器係附接至該顯示監視器之一彩色濾光器層。
11. 如請求項1之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器係附接至該顯示監視器之一TFT基板玻璃層。
12. 一種觸控螢幕顯示器，其包含：一顯示監視器，其用於提供一視覺影像；及一具有一傳感器(transducer)之超音波裝置，其能夠發出一超音波能量波，且能夠偵測經反射之超音波能量；其中該超音波傳感器係位於包含一像素之該顯示監視器之若干元件之間，俾使該像素包含複數個發光單元及該超音波裝置。
13. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該顯示監視器包含用於提供該視覺影像之有機發光二極體。
14. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該顯示監視器包含用於提供該視覺影像之一液晶顯示器。
15. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於發出該超音波能量波之一壓電發射器。
16. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該超音波裝置包含用於偵測經反射之超音波能量之一壓電水聽器陣列。
17. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於偵測經反射之超音波能量之一薄膜電晶體接收器。
18. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該顯示監視器係由若干層 組成，且該超音波傳感器係由至少一層組成，且該超音波傳感器係附接至該顯示監視器之該等層之一者。
19. 如請求項12之觸控螢幕顯示器，其中該超音波裝置包含用於偵測經反射之超音波能量之複數個接收器。
20. 一種用於判定關於一觸控螢幕顯示器上一指向物件之資訊的方法，其包含：提供一顯示監視器，其用於提供一視覺影像；提供一超音波裝置，其能夠發出一超音波能量波，且能夠偵測經反射之超音波能量；其中該顯示監視器係由若干層組成，該等層中至少一者係一內部層，且該超音波裝置包括由至少一層組成之一傳感器(transducer)，且該超音波傳感器係附接至該顯示監視器之該等內部層之一者；且其中該超音波裝置係位於包含一像素之該顯示監視器之若干元件之間，俾使該像素包含複數個發光單元及該超音波裝置；使用該顯示監視器提供一視覺影像；使用該超音波裝置發出一超音波能量波；使用該超音波裝置偵測經反射之超音波能量；及從該經反射之超音波能量來判定資訊。
21. 如請求項20之方法，其中該顯示監視器包含用於提供該視覺影像之有機發光二極體。
22. 如請求項20之方法，其中該顯示監視器包含用於提供該視覺影像之一液晶顯示器。
23. 如請求項20之方法，其中該超音波傳感器包含用於發出該超音 波能量波之一壓電發射器。
24. 如請求項20之方法，其中該超音波傳感器包含用於偵測經反射之超音波能量之一壓電水聽器陣列。
25. 如請求項20之方法，其中該超音波傳感器包含用於偵測經反射之超音波能量之一薄膜電晶體接收器。
26. 如請求項20之方法，其中該超音波裝置包含用於偵測經反射之超音波能量之複數個接收器。
27. 一種觸控螢幕顯示器，其包含：用於提供一視覺影像之構件；及用於發出一超音波能量波且偵測經反射之超音波能量之構件；其中用於提供一視覺影像之該構件係由若干層組成，該等層中至少一者係一內部層，且該用於發出及偵測之構件包括由至少一層組成之一超音波傳感器(transducer)，且該超音波傳感器係附接至用於提供一視覺影像之該構件之該等內部層之一者；且其中該用於發出及偵測之構件係位於包含一像素之該用於提供一視覺影像之構件之若干元件之間，俾使該像素包含複數個發光單元及該用於發出及偵測之構件。
28. 如請求項27之觸控螢幕顯示器，其中該用於提供一視覺影像之構件包含用於提供該視覺影像之有機發光二極體。
29. 如請求項27之觸控螢幕顯示器，其中該用於提供一視覺影像之構件包含用於提供該視覺影像之一液晶顯示器。
30. 如請求項27之觸控螢幕顯示器，其中該用於發出及偵測之構件包含用於發出該超音波能量波之一壓電發射器。
31. 如請求項27之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於 偵測經反射之超音波能量之一壓電水聽器陣列。
32. 如請求項27之觸控螢幕顯示器，其中該超音波傳感器包含用於偵測經反射之超音波能量之一薄膜電晶體接收器。
33. 如請求項27之觸控螢幕顯示器，其中該用於發出及偵測之構件包含用於偵測經反射之超音波能量之複數個接收器。