УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СЕНСОР КАСАНИЯ С ДИСПЛЕЙНЫМ МОНИТОРОМ
ULTRASONIC TOUCH SENSOR WITH DISPLAY MONITOR

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Данная заявка претендует на преимущества приоритета предварительной заявки на выдачу патента США с регистрационным номером 61/594,330, поданной 2 февраля 2012 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам сбора информации об объекте, который находится в контакте с дисплеем.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В известном уровне техники широко используются мониторы с сенсорным экраном, которые помогают пользователям выбирать элементы, отображаемые на мониторе. Выбор элементов обычно выполняется с помощью указательного объекта, такого как стилус, или пальцем. В таких мониторах с сенсорным экраном часто используется емкостной сенсор для идентификации местоположения, в котором указательный объект касается дисплейного монитора. Идентифицированное местоположение затем сравнивается с местоположением изображений, отображаемых на мониторе, для того чтобы определить то, что пользователь идентифицируется.
Хотя эти мониторы с сенсорным экраном, известные из уровня техники, стали надежным и недорогим, известные устройства не включают в себя никаких встроенных чувствительных элементов, пригодных для достоверного измерения события касания, и хотя многие из этих известных устройств хороши для сухих и чистых сред, они часто оказываются в загрязненных, влажных или неблагоприятных условиях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть воплощено в виде дисплея с сенсорным экраном, имеющим дисплейный монитор для предоставления визуального изображения, и ультразвуковое устройство, способное излучать волну ультразвуковой энергии и способное обнаруживать отраженную ультразвуковую энергию. Дисплейный монитор может включать в себя светоизлучающие диоды для предоставления визуального изображения или жидкокристаллический дисплей для предоставления визуального изображения.
Ультразвуковое устройство может включать в себя пьезоэлектрический излучатель для излучения волны ультразвуковой энергии. Кроме того, ультразвуковое устройство может включать в себя пьезоэлектрический детектор, такой как гидроакустическая приемная антенная решетка, для обнаружения отраженной ультразвуковой энергии. Детектор может включать в себя тонкопленочной транзисторный приемник для обнаружения отраженной ультразвуковой энергии.
Дисплейный монитор может состоять из слоев компонентов, и ультразвуковое устройство может состоять из по меньшей мере одного слоя. Ультразвуковое устройство можно прикрепить к одному или более слоев дисплейного монитора.
Ультразвуковое устройство может включать в себя множество приемников для обнаружения отраженной ультразвуковой энергии. В одном варианте осуществления изобретения каждый ультразвуковой приемник энергии располагается среди элементов дисплейного монитора, содержащего пиксель.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания сущности и задач данного изобретения необходимо сделать ссылку на прилагаемые чертежи и последующее описание. Вкратце, на чертежах:
Фиг. 1 - покомпонентный вид устройства, в котором ультразвуковое устройство, расположенное на ячейке, было выполнено как единое целое в ЖК-дисплейном мониторе с подсветкой, чтобы создать  дисплей с сенсорным экраном согласно изобретению.
Фиг. 2 - покомпонентный вид устройства, в котором ультразвуковое устройство, расположенное на ячейке, было выполнено как единое целое в ОСИД-дисплее, чтобы создать дисплей с сенсорным экраном согласно изобретению.
Фиг. 3 - покомпонентный вид устройства, в котором ультразвуковое устройство, расположенное на ячейке, было выполнено как единое целое в ЖК-дисплее с подсветкой, чтобы создать дисплей с сенсорным экраном согласно изобретению.
Фиг. 4 - покомпонентный вид устройства, в котором ультразвуковое устройство, расположенное в ячейке, было выполнено как единое целое в ОСИД-дисплее, чтобы создать дисплей с сенсорным экраном согласно изобретению.
На чертежах можно обнаружить следующие ссылочные позиции, и они обозначают:
1 - стекло, устойчивое к образованию царапин;
2 - непрерывный электрод (например, TCF (прозрачная проводящая пленка, например, IZO (оксид индия и цинка) и т.д.);
3 - PVDF (поливинилиденфторид) или PVDF-TrFE пьезоэлектрический полимер;
5 - стеклянный цветной светофильтр (5A, 5В и 5С - простые трехцветные (красный, синий, зеленый (RBG)) цветные светофильтры внутри стекла);
6 - схема на основе TFT (тонкопленочный транзистор);
7 - TFT-подложка (например, стекло);
8 - пьезоэлектрический излучатель;
9 - поляризационный фильтр;
10 - жидкий кристалл;
11 - панель задней подсветки;
12 - контактная площадка (например, TCF (тонкая кристаллическая пленка));
13 - непрерывный электрод (например, TCF);
14 - оптически прозрачный, непроводящий, фильтрующий материал.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к ультразвуковым сканирующим устройствам и дисплейным мониторам. Сбор информации относительно объекта, который находится в контакте с дисплейным монитором, осуществляют посредством ультразвуковой энергии. Ультразвуковая энергия передается по направлению к поверхности дисплейного монитора, где указательный объект может входить в контакт с дисплейным монитором. Когда ультразвуковая энергия достигает указательного объекта, по меньшей мере некоторая часть ультразвуковой энергии отражается по направлению к приемнику ультразвуковой энергии. Приемник обнаруживает отраженную энергию и передает сигнал, показывающий, что измерена отраженная энергия. Используя передаваемый сигнал, определяют информацию об объекте. Эта информация может включать в себя одно или более из следующего: (а) местоположение указательного объекта, и (b) информацию относительно структуры поверхности указательного объекта и/или информацию относительно структуры особенностей, присутствующих на указательном объекте, но которые не находятся на поверхности указательного объекта.
В одном варианте осуществления изобретения ультразвуковое устройство крепится к дисплейному монитору. Например, ультразвуковое устройство можно ламинировать на участке дисплейного монитора. Комбинация ультразвукового устройства и дисплейного монитора в данном описании называется как "дисплей с сенсорным экраном". Дисплей с сенсорным экраном можно использовать для определения местоположения указательного объекта в первый момент времени и затем для определения местоположения указательного объекта во второй момент времени для того, чтобы отслеживать движение указательного объекта и, таким образом, побуждать курсор отображаться на дисплейном мониторе для целей идентификации изображения и тем самым выбирать опцию (например, программное приложение), представленную с помощью идентифицированного изображения.
Указательный объект может включать в себя идентификационные характеристики, которые можно использовать для идентификации собственника указательного объекта. Например, указательный объект может представлять собой палец, и идентификационные характеристики могут представлять собой отпечаток пальца. Дисплей с сенсорным экраном можно использовать для обнаружения отпечатка пальца для того, чтобы идентифицировать пользователя дисплея с сенсорным экраном. Таким образом, дисплей с сенсорным экраном можно сделать доступным только для авторизованных пользователей, или дисплей с сенсорным экраном можно побудить отображать изображения в манере, которая предположительно будет предпочтительной для этого конкретного пользователя. Таким образом, дисплей с сенсорным экраном может быть персонифицированным для предпочтений каждого конкретного пользователя.
Фраза дисплей с сенсорным экраном, "расположенный в ячейке", используется в данном описании для обозначения дисплея с сенсорным экраном, который имеет ультразвуковое устройство, расположенное в пределах группы элементов, которые в совокупности составляют пиксель дисплейного монитора. Например, каждый ультразвуковой приемник располагается среди элементов дисплейного монитора, содержащего один пиксель.
Фраза дисплей с сенсорным экраном, "расположенный на ячейке", используется в данном описании для обозначения сенсорного экрана, который имеет ультразвуковое устройство, связанное с поверхностью одного из слоев, который содержит дисплейный монитор. Например, в таком дисплее с сенсорным экраном, расположенном на ячейке, слой дисплейного монитора, к которому крепится ультразвуковое устройство, может представлять собой слой, который обычно является открытым, или может представлять собой внутренний слой дисплейного монитора. В целях данного раскрытия фраза дисплей с сенсорным экраном, "расположенный вне ячейки", используется для обозначения конкретного типа дисплея с сенсорным экраном, расположенного на ячейке, посредством чего ультразвуковое устройство крепится к слою дисплейного монитора, который не является внутренним для дисплейного монитора, за исключением любого защитного, устойчивого к образованию царапин поверхностного слоя дисплейного монитора.
Ультразвуковое устройство может представлять собой ультразвуковую систему формирования изображения отпечатка пальца, такую как те, в которых используется ультразвуковой сенсор для сбора информации относительно отпечатка пальца, который в дальнейшем можно сравнить с ранее полученной информацией относительно отпечатка пальца в целях идентификации, и/или которая используется для отображения видимого изображения отпечатка пальца. Ультразвуковой сенсор передает ультразвуковой импульс или набор импульсов и затем обнаруживает отраженную часть переданного импульса (или переданных импульсов). Такие ультразвуковые системы формирования изображений отпечатков пальцев являются относительно простыми и надежными. Примером одной из таких систем является модель 203, изготавливаемая корпорацией Ultra-Scan Corporation.
Ультразвуковое устройство может использовать множество детекторов для обнаружения энергии, отражаемой указательным объектом. Каждый детектор можно откалибровать по отдельности для того, чтобы удалить фиксированные образцовые шумовые эффекты, которые могут быть характерны для компонентов, входящих в состав ультразвукового устройства, дисплейного монитора или обоих. Эти эффекты могут включать в себя различия между детекторами, которые могут возникнуть из-за разброса параметров усилителей, а также различий, вытекающих из процесса изготовления (например, клей, загрязнения и т.д.). Различия по затуханию ультразвука, вызванные различиями между пикселями дисплейного монитора, будут обнаружены в качестве неменяющейся части фиксированного образцового шума, принимаемого ультразвуковым сенсором, и такой фиксированный образцовый шум можно удалить в процессе анализа сигналов, которые передаются приемником для того, чтобы показать, что отраженная энергия воспринимается приемником. После удаления фиксированного образцового шума вырабатывается "чистый" сигнал, который будет характеризовать поверхность, анализируемую с помощью ультразвукового сенсора.
Ультразвуковое устройство может включать в себя электронную систему управления, которая обеспечивает подачу сигналов синхронизации. Некоторые из этих сигналов синхронизации можно использовать для того, чтобы побуждать ультразвуковое устройство излучать импульс ультразвуковой энергии. Другие из этих сигналов синхронизации можно использовать в процессе, который обычно называется как "селекция по дальности", в котором определение дается относительно того, какая часть из отраженной ультразвуковой энергии, которая обнаруживается ультразвуковым устройством, связана с поверхностью, на которой можно разместить указательный объект. Обсуждение "селекции по дальности" можно найти во многих достоверных текстах по гидроакустическому, радиолокационному или ультразвуковому неразрушающему контролю.
Сигналы синхронизации, начало формирования импульсов и считывания сигналов TFT-сенсора, которые можно затем дополнительно обработать в изображении объекта, который находится в контакте с защитной пластиковой пленочной пластиной.
В настоящее время доступные на рынке дисплейные мониторы включают в себя дисплейные мониторы, в которых используются светоизлучающие диоды и жидкокристаллические дисплеи для представления видимого изображения пользователю. Такие дисплейные мониторы являются легкими, тонкими, плоскими, надежными и недорогими. При объединении такого дисплейного монитора с ультразвуковым устройством получается в результате дисплей с сенсорным экраном, который позволяет использовать палец для указания изображения на дисплее и также обеспечить возможности, которыми в настоящее время обладают сенсорные планшеты, используемые в сочетании с персональными компьютерами и персональными цифровыми помощниками.
После обзора изобретения теперь будут представлены дополнительные подробности.
Отсутствует требование относительно того, что разрешение дисплейного монитора и разрешение ультразвукового устройства должны быть одинаковыми. Это справедливо для систем, где, например, разрешение дисплейного монитора может составлять 100 точек на дюйм, и разрешение ультразвукового устройства может составлять 10 точек на дюйм, или можно использовать любую другую комбинацию, что удобно в применении. Однако в системах, расположенных в ячейке, приемники ультразвукового устройства устанавливают в пределах 3-цветовой группы, которая содержит цветовой пиксель дисплейного монитора, и, таким образом, добавление ультразвукового приемника к 3- цветовым дисплейным пиксельным компонентам обычно имеет взаимно-однозначную зависимость группы приемников-пикселей, но при этом взаимно-однозначная связь не требуется. Например, исключение групп ультразвуковых приемников из некоторых пикселей дисплейного монитора принимает в расчет разный интервал между дисплейным монитором и ультразвуковым устройством.
На фиг. 1 изображен вариант осуществления дисплея с сенсорным экраном, расположенного на ячейке, с пьезоэлектрической системой формирования изображения, соединенной с ЖК-дисплейным монитором. Пьезоэлектрический пленочный излучатель 8 крепится на панели 11 краевой подсветки. На поверхности панели 11 подсветки напротив пьезоэлектрического излучателя 8 крепится TFT 6 на стеклянной подложке 7. Поверх этого находится слой жидкокристаллического материала 10. Непосредственно над ним находится прозрачный слой 13 проводящей пленки (TCF), прикрепленной к цветному светофильтру 5, верхняя часть которого также имеет слой проводящей TCF 2. В этом TCF-слое 2 находится слой пьезоэлектрического полимера 3 (или сополимера). Рисунок из отдельных контактных площадок 2 TCF наносится на пьезоэлектрический слой 3 полимера или альтернативно на поляризационный фильтр 9, и внешняя поверхность принимает слой стекла, устойчивого к образованию царапин, или пластика 1. Полученный в результате дисплей с сенсорным экраном работает подобно большинству ЖК-дисплеев, и напряжение между TCF-электродом с нанесенным TFT-рисунком (явно не показано, а показана часть непосредственно TFT) на TFT и непрерывным общим плоским электродом 13 позволяет включать или выключать каждый пиксель дисплея, используя поляризаторы света. Если свет, который прошел через поляризационный фильтр, проходит затем через второй поляризатор, сориентированный под углом 90 градусов к первому поляризатору, свет будет полностью блокироваться и не будет проходить через второй поляризатор. В ЖК-дисплее используется фиксированный поляризационный фильтр, который типично представляет собой лист пластика, второй поляризационный фильтр представляет собой непосредственно жидкокристаллический материал. Если напряжение прикладывается, то он поляризует свет, тем самым предотвращая излучение света, и если напряжение не прикладывается, то свет может проходить. Особенности ультразвуковых колебаний начинают проявляться тогда, когда пьезоэлектрический пленочный излучатель выдает импульс ультразвуковой энергии. Импульс ультразвуковой энергии проходит через различные слои до наружной лицевой поверхности (в данном случае стекла или пластика, устойчивого к образованию царапин), где по меньшей мере часть импульса ультразвуковой энергии затем отражается снова вниз, перенося с помощью его информацию относительно ультразвукового импеданса поверхности и любых объектов, находящихся в контакте с поверхностью. Отраженный импульс ультразвуковой энергии обнаруживается решеткой гидрофонов, которая состоит из пьезоэлектрической полимерной пленки 3 и двух TCF-электродных слоев, которые контактируют с ней, одновременно с непрерывным электродом 2 и электродной решеткой 12. Дорожки проводников соединяют электродную решетку 2 с электроникой (не показана), позволяя ультразвуковому устройству передавать сигнал, соответствующий отдельным ультразвуковым сигналам, связанным с каждым элементом приемника ультразвуковой решетки для решетки гидрофонов.
На фиг. 2 изображен альтернативный вариант осуществления дисплея с сенсорным экраном, расположенным на ячейке. В данном варианте осуществления жидкокристаллический слой 10 и связанные с ним TCF-электроды, связанные с дисплейным монитором, не нужны. Слой 11 задней подсветки также не требуется, так как TFT дисплей содержит ОСИД элементы, которые непосредственно загораются и освещают дисплей. В этом случае ультразвуковой излучатель можно прикрепить к задней части стеклянной подложки TFT.
На фиг. 3 изображен другой вариант осуществления изобретения. В данном варианте осуществления монитор с сенсорным экраном представляет собой дисплей с сенсорным экраном, расположенный в ячейке. Пьезоэлектрический пленочный излучатель 8 крепится на панели 11 краевой подсветки. На поверхности панели 11 краевой подсветки напротив пьезоэлектрического излучателя 8 крепится TFT 6 на стеклянной подложке 7. TFT 6 имеет много схем. Отдельные пиксели представляют собой группы из трех усилителей 10 для управления ЖКД и одной схемы ультразвукового приемника. Ультразвуковой приемник дополнительно имеет пьезоэлектрический полимер, связанный с ним. Поверх этого находится слой жидкокристаллического материала 10. Выше над ним находится непрерывный электрод (TCF) 2, который используется в качестве общего электрода для приемника и в качестве общего электрода для схем возбуждения ЖК, при этом TCF можно прикрепить к цветному светофильтру 5. Следующий слой (фиг. 3), расположенный по направлению вверх в стопе, представляет собой поляризационный фильтр 9, и, наконец, внешняя поверхность принимает слой из стекла или пластика 1, устойчивого к образованию царапин. Дисплей работает подобно большинству ЖК-дисплеев, и напряжение между TCF-электродом с TFT-рисунком на TFT, и непрерывный общий плоский электрод 2 позволяют включать или выключать каждый пиксель дисплея.
На фиг. 4 изображен еще один вариант осуществления дисплея с сенсорным экраном, расположенного в ячейке, согласно изобретению. Пьезоэлектрический пленочный излучатель 8 крепится на задней стороне подложки TFT-схемы 7. TFT-схема 7 может состоять из групп ячеек, составляющих отдельные цветовые пиксели, причем каждый пиксель состоит из трех светоизлучающих ячеек и одной ячейки ультразвукового сенсора. К TFT-ячейке ультразвукового сенсора можно прикрепить трехслойный ламинат, который состоит из TCF-электрода 2, слоя пьезоэлектрического полимера 3 и другой TCF пленочного электрода 12, который непрерывно продолжается через TFT. Оптически прозрачный изоляционный материал 14 можно использовать поверх ОСИД (фиг. 4), чтобы изолировать их от схем светоизлучающих дисплеев и TCF 2. Как показано на фиг. 4, поверх этого находится цветной стеклянный светофильтр 5, обеспечивающий изображение на дисплее с красным-зеленым-синим цветом. Поверхностный слой 1, устойчивый к образованию царапин, защищает стопу от физического истирания и механических повреждений. Следует отметить, что хотя описана взаимно-однозначная зависимость между пикселем, излучающим свет, и пикселем ультразвукового сенсора, можно легко исключить различные пиксели сенсоров для того, чтобы изменить разрешение ультразвукового устройства.
Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к одному или более конкретным вариантам осуществления, должно быть понятно, что другие варианты осуществления настоящего изобретения могут быть сделаны без отступления от сущности и объема данного изобретения. Следовательно, настоящее изобретение считается ограниченным только прилагаемой формулой изобретения и их аргументированной интерпретацией.