CN1119694C - 液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高灵敏度与高分辨率的位置检测功能的液晶显示装置。该位置检测功能包括一在该液晶显示装置的偏振器或滤色玻璃基片之上的位置检测导电薄膜。本发明还能通过使用一在尺寸上比位置检测导电薄膜更小的偏振器，来遏制偏振器与滤色玻璃基片之间气隙的不希望有的产生。

Description

液晶显示装置

本申请要求1998年8月18日提交的美国临时专利申请No.60/096944的优先权，并与1998年8月18日提交的美国专利申请No.09/135,959相关，两者共同转让给本发明的受让人，结合于此用作整体参考。

本发明涉及一种液晶显示装置，这种液晶显示装置包括用于检测操作者的笔或手指触摸到的位置的手段。

使用各种检测触摸位置方案的显示装置，如在NIKKEI BYTE，p.285，1998，5及Monthly Display pp.76-103，1996，7中描述。这些方案包括模拟电容耦合方案、电阻薄膜方案、红外线方案、超声波方案等。这样的位置检测机构通常称为触摸板。为在显示装置中使用触摸板，一用作触摸板的玻璃基片被叠加在像阴极射线管那样的图象显示装置的屏幕上，比如在ATM(自动出纳机)的柜体中。因此，触摸板的尺寸比图象装置的尺寸至少大出触摸传感器的尺寸。

在电阻薄膜方案中，两个电阻薄膜彼此相向设置，而且触摸位置通过由笔接触的两个电阻薄膜的接触部分进行检测。按照电阻薄膜方案的一个方面，由两个粘合的电阻薄膜制做的电阻片由粘合剂粘接在图象显示装置的屏幕上。但是，在电阻薄膜方案中不可能达到高分辨率。日本公布的未审查专利申请9-322013公开了一种遥控装置，其中构成电阻压力传感器的压力敏感薄膜整体叠加在具有检测精度约为1mm的液晶显示装置上。

日本公布的未审查专利申请46-21879公开了一种电板装置，其包括一矩形导电片，该导电片具有在四个角上设置的导电电极装置。

美国专利4,198,539公开了一种模拟电容耦合方案的触摸传感器和一设置于外周边部分的直线化图型(linearization pattern)。

美国专利5,365,461公开了对作为模拟电容耦合方案的触摸传感器输入装置的手指与笔的交替使用。

为将在先的触摸传感器与便携式图象显示装置(如液晶显示装置)相组合，该触摸传感器被叠加在液晶显示装置的屏幕上。在此情况下产生的问题在于，液晶显示装置的厚度与重量由于触摸传感器自身的厚度而变大。另外，图象质量下降。

本发明涉及一种液晶显示装置，它包括：一液晶层；一对基片，基片之一设置在该液晶层的一侧，而且另一个基片设置在该液晶层的另一侧；一设置在基片之一外侧的偏振器；以及一设置在该偏振器与基片之间的导电薄膜，用以基于施加在该薄膜上的信号对一输入装置的位置进行检测。该薄膜可整体设置在该基片上或整体设置在该偏振器上。直线化图型可形成在该薄膜的外部周边区域。输入装置可以是人体手指或触摸笔。

此外，本发明涉及一种液晶显示装置，其中该薄膜整体设置在该基片上，而且与该基片相邻的偏振器的尺寸小于该薄膜的尺寸。

图1表示本发明液晶显示装置的一般结构。

图2表示模拟电容耦合方案。

图3表示模拟电容耦合方案。

图4表示直线化图型。

图5表示直线化图型。

图6表示直线化图型。

图7表示本发明液晶显示装置结构的横截面。

图8表示模拟电容耦合方案中信号处理操作的一个实例。

图9表示模拟电容耦合方案中使用的触摸笔。

图1表示配备有本发明触摸传感器的液晶显示装置的一个实施例。液晶层12夹在玻璃基片8与玻璃基片18之间。两个基片8与18由玻璃材料制做，而且基片8被称为格栅玻璃(cell glass)，基片18被称为滤色玻璃(color filter glass)。TFT阵列10在该基片面向液晶层12的表面上形成，对于每个PEL(象素)的电极配置其中。滤色层16及起公共电极作用的铟锡氧化物(ITO)层14在面向液晶层12的玻璃基片18表面上形成。偏振器6、漫射板4及背景照明器(backlight)2设置在基片8相对于液晶层12的反面上。偏振器24设置在基片18相对于液晶层12的反面上。刚才描述的结构为本技术领域中广泛使用的先有液晶显示装置的结构。根据本发明，增添有一位置检测导电薄膜20。虽然在图1表示的实例中位置检测导电薄膜20设置在基片18与偏振器24之间，但是该位置检测导电薄膜20可整体设置在基片18或偏振器24的前表面或后表面上。考虑到检测位置的能力，位置检测导电薄膜20可整体设置在另外的基片10或偏振器6上。可是，最好将位置检测导电薄膜20设置在靠近偏振器24的位置上而不是与ITO薄膜14相邻的位置，以便提高位置检测操作的精度和降低液晶层12上不希望有的电效应。在位置检测导电薄膜20形成在邻近ITO薄膜14位置上的情况下，需要在位置检测导电薄膜20与ITO薄膜14之间插入一电绝缘薄膜。在位置检测导电薄膜20设置在基片18与滤色层16之间的情况下，该滤色层本身起绝缘层的作用。另外，除滤色层之外可在位置检测导电薄膜20与ITO薄膜14之间设置一低介电常数材料层，以便通过减小电容来提高绝缘性能。如上所述，本发明并不局限于其中位置检测导电薄膜20直接地、整体地装在偏振器24或基片18上这样一种结构，在其中通过滤色层16或其它层使位置检测导电薄膜20整体装在偏振器24或基片18上的结构中可实现本发明。

最好是使位置检测导电薄膜20设置在偏振器24与基片18之间。典型地是，偏振器的上表面为通过非光泽加工形成的粗糙不平的表面。在此情况下，形成均匀的位置检测导电薄膜可能是困难的。在位置检测导电薄膜形成在偏振器表面上的情况下，需要形成一附加保护层。可是，如果位置检测导电薄膜形成在偏振器24与基片18之间，则偏振器本身就起保护薄膜的作用。

接下来，对根据本发明检测位置的方法进行描述。在模拟电容耦合方案中，通过用位置检测导电薄膜涂敷玻璃而形成触摸传感器，并在玻璃的四个角上形成电极。通过对四个角上的电极施加电压，遍及位置检测导电薄膜便均匀地分布一低电压电场。传感器表面位置上的触摸使底层导电薄膜与地线产生容性耦合。在操作者手指触摸图1偏振器24表面的情况下，该耦合电容为穿过该偏振器与操作者身体对接地地线的电容相串联的电容。触摸区域与四个角上各自电极之间的每个电阻值，正比于触摸区域与该电极之间的距离。因此，在四个角的每个电极上，与触摸区域和该电极之间的距离成比例的电流受到检测。通过基于由各自电极检测的电流对触摸区域位置座标的计算，使位置得到检测。在此方案中检测的电流值约为几个微安，并需要约1毫微安的检测精度。

图2示出一电路，其包括位于触摸区域与四个角上各自电极之间的电阻器R₁、R₂、R₃和R₄，图3表示其等效电路。在遍及位置检测导电薄膜分布的低电压电场为理想均匀的情况下，位置座标可通过下面的公式进行计算：

X＝[(I2+I3)-(I4+I1)]/[(I1+I3)+(I4+I1)]           (1)

Y＝[(I2+I1)-(I4+I3)]/[(I2+I3)+(I4+I1)]           (2)

图4表示当电压加在四个角的电极上时电场线30的分布。在位置检测导电薄膜上分布的电场是非均匀的，如从电场线30呈弯曲的事实看出的那样。提供如图1所示直线化图型22，以便将弯曲的电场线变成均匀的电场线。直线化图型22可在位置检测导电薄膜20与偏振器24之间形成，如图1中所示，或在基片18与位置检测导电薄膜20之间形成。各种形式的直线化图型22都是可能的，图5表示直线化图型的一个实例。电极32设置在四个角上，而且直线化图型34沿着位置检测导电薄膜的边缘设置。图6示出在实现理想直线化情况下电场线或直的等位线36的分布。在图6中，直的等位线36均匀间隔开，换言之，直的等位线36如此分布，致使相邻等位线36以均匀的间隔分开，而且上面描述的公式(1)与(2)仅在等位线36为直线并均匀间隔开时才被应用。

在本发明中，位置检测导电薄膜在作为液晶显示装置组成部分的偏振器基片上整体形成。在先有技术中，具有以位置检测导电薄膜配备的玻璃基片的触摸传感器作为单独的部件进行配备，而且该触摸传感器装在图象显示装置的屏幕上，以使该触摸传感器叠加在该图象显示装置的屏幕上。在此情况下，触摸传感器玻璃基片的重量被加在图象显示装置的重量上，图象显示装置的总厚度增加，制造成本增加，且图象质量由于附加一些界面而降低。此外，有可能由于预料的冲击使机械安装在图象显示装置上的触摸传感器会与该图象显示装置脱离，因而这种类型的触摸传感器对于便携式图象显示装置是不适用的。

本发明的液晶显示装置是实现具有高灵敏度及高分辨率的位置检测手段的图象显示装置的十分可取的途径。一般来说，图象显示装置中的图象数据信号是连续改变的。因此，如在本发明中进行的测量很弱电信号的情况下，测量极大地受到由于信号变化产生的噪声的影响。在液晶显示装置的情况下测量还受到由于PEL电极的电位发生变化产生的噪声的影响。但是，由于在液晶显示装置中公共电极的电位是固定的或者以电极激励方案中的预定周期反相，所以使用存在于位置检测导电薄膜20与TFT阵列10之间的公共电极，即ITO薄膜14作为噪声防护是可能的。因此，该液晶显示装置可实现具有极高精度的位置检测，它受噪声的影响不那么大。

在液晶显示装置中通常执行反相激励方案，因为如果液晶由固定的直流电压激励，则离子会在液晶层的一侧积累，致使液晶损坏。即使使用这种反相激励方案，也可预期类似的防护作用。执行反相激励方案的方法为：点反相，其中对于每个点的PEL电极的极性产生反相；H反相，其中对于每条扫描线的公共电极的极性产生反相；和V反相，其中对于每一帧的公共电极的极性产生反相，等等。在点反相的情况下，由于公共电极的电位始终是固定的，故可预期防护作用。然而在H反相与V反相的情况下，由于公共电极的电位是反相的，所以位置检测导电薄膜受该反相的电气影响。然而，由于该电位以固定周期变化，所以通过对该变化的影响进行补偿来精确地检测触摸位置是可能的。总之，由公共电极对PEL电极电位随机变化的作用进行防护是可能的。

希望将位置检测导电薄膜整体地装在图1的基片18或偏振器24上，以便精确地补偿由于反相激励方案造成的电影响。在包括有位置检测导电薄膜的触摸传感器装在该图象显示装置外侧的情况下，公共电极(即ITO薄膜)与位置检测导电薄膜之间的距离可随时间改变，以致不可能完成精确的补偿。考虑到偏振器24与基片18在许多情况下由粘合剂进行粘接，故非常希望将位置检测导电薄膜20整体地装在基片18上，以便将由于元件材料变化引起的结构改变或内部应力的产生遏制到最低水平，而元件材料的变化是基于时间的推移和温度变化产生的。

任何透明的并具有均匀电阻值材料的薄膜均可作为位置检测导电薄膜使用，这种材料的例子是ITO(铟锡氧化物)、IZO(铟锌氧化物)等等。这些薄膜可由物理薄膜形成法如溅射以及化学薄膜形成法如化学气相沉积(CVD)来成形。位置检测导电薄膜电阻值的优选范围是200～800欧姆/平方(square)，更好是300～500欧姆/平方。如果电阻值小于这些值，则位置检测的精度就降低。如果电阻值大于这些值，则被检测的电流值会下降，因而需要高灵敏度的放大器。

在电阻值小于上述范围时位置检测精度降低的原因如下。为了将图4所示的变曲电场线30变成图6所示的直等位线36，需要使直线化图型具有足够小的电阻值，以确保电场开头由一个电极沿着直线化图型水平伸展的导电带扩展。所期望的是，直线化图型的导电带具有由以下公式表示的电阻值：

R_图型(侧边)-＜0.5R_检测(W/H)                 (3)

R_图型(顶边)-＜0.5R_检测(H/W)                 (4)

“R_图型(侧边)”表示设置在四个边缘的水平边缘上的导电带之一的电阻值。“R_图型(顶边)”表示设置在四个边缘的垂直边缘上的导电带之一的电阻值。“R_检测”表示位置检测导电薄膜的薄片电阻率值。“W”表示位置检测导电薄膜水平边缘的长度。“H”表示位置检测导电薄膜垂直边缘的长度。在便携式液晶显示装置的情况下，因为对于直线化图型适用的空间通常只有2～3mm，故减小直线化图型的电阻值是困难的。为此，位置检测导电薄膜的电阻值应选择大数值。因此，当该电阻值变小时直线化的效果就变得不足。

位置检测导电薄膜20在与滤色层16相反的基片18的外侧表面上形成的实例从制做工艺的观点是可取的。滤色层16开始形成在基片18的一个表面上，ITO薄膜14形成在滤色层16上，并且位置检测导电薄膜20形成在基片18的相反表面上。无论是ITO薄膜14还是位置检测导电薄膜20都可以一开始形成。由于位置检测导电薄膜20与ITO薄膜14两者可用相类似的工艺如溅射法形成，这使得连续加工成为可能，并带来很大的优点。

具有所期望的电阻值并显示出稳定性的任何材料均可作为直线化图型的材料来使用。例如，可使用Ag、MoW、氧化铬。为了形成直线化图型，可使导电材料直接淀积，或者可使其中导电材料散布在聚合物如环氧树脂中的墨计产生淀积。各种工艺如丝网印刷法、溅射法、拍照成像与蚀刻法等，都可用于形成直线化图型。

图7表示本发明的另一种状况。在图7中只表示出图1所示结构中的基片18、位置检测导电薄膜20、直线化图型22和偏振器24。位置检测导电薄膜20形成在基片18上，而直线化图型22形成在位置检测导电薄膜20的外周边区域。在该实施方案中，偏振器24的尺寸小于位置检测导电薄膜20的尺寸，致使偏振器24不与直线化图型22相接触。

在一替代的实施方案中，偏振器24可与直线化图型22相接触。在此情况下，该直线化图型可足够厚，以使偏振器24不会粘附在位置检测导电薄膜20上并在偏振器24与基片18之间形成气隙。已经证实，当使用丝网印刷法来形成直线化图型时，直线化图型对于形成气隙一般是足够厚的。通过将直线化图型22倾斜以便减少气隙的产生是可能的。此外，通过减少直线化图型的厚度可使气隙减至最小。例如，如果直线化图型22的厚度小于大约10∶m，则气隙的产生可足够地减少而不必使用更小尺寸的偏振器。可是，如果直线化图型的厚度很薄，则其电阻值变大，而且位置检测的精度下降，因而，在此情况下，需要使用低电阻材料如MoW或铬氧化物或其它适宜的材料来形成直线化图型22。这些材料使它能够形成具有使用在本发明中是适宜的0.01∶m～若干∶m范围厚度的直线化图型22。

图8表示本发明中信号处理操作的一个实例。通过图象显示装置40的位置检测导电薄膜的四个角上的电极测出的电位数据，由四个低噪声放大器42进行放大，公式(1)和(2)中分子与分母的值由求和与求差电路44以模拟形式进行运算性处理。这些处理的数值由多路转换器46选择性地传送至滤波器48、锁定放大器50和门控积分器52，并由模/数转换器56最终转换成数字数据。该数字数据被传送至计算机，并由该计算机执行基于公式(1)与(2)的运算，以便计算出被触摸区域的位置座标。在位置座标计算出来之后，该位置座标被传送独特地模拟鼠标操作的软件驱动器，以便在液晶显示装置的面板表面上执行各种操作。例如，绘制基于许多被触摸区域连线的操作，使在被触摸区域显示的图象变清晰的操作等。

无论是使用手指还是触摸笔，本发明都可对位置座标进行检测。根据手指或触摸笔的特征可选择电流或者电压作为在四个角上检测的物理量，且由手指检测的物理量可区别于由触摸笔检测的物理量。取决于手指方式或触摸笔方式可有选择地使用不同的运算表。手指方式与触摸笔方式之间的切换可以如下方式进行。在手指方式中，电压被施加在触摸屏的角上，且由手指对地产生的电流受到测量。在用笔的方式中，电压被施加在笔上而不是触摸屏，且由笔注入该屏的电流受到测量。直到手指或笔受到检测，电流才可在两种操作方法之间切换。

图9示出触摸笔60的结构。通过对触摸笔施加一预定电压来改进检测的精确性是可能的。信号线64被屏蔽电缆66所围绕。触摸笔60具有一安装在主导部上的由导电材料制做的头部62。任何导电材料都可用作头部材料，如金属，导电塑料、其中散布有导电材料的塑料等。最好是使用其主要部分由塑料制成的材料制做的头部，以防止划伤面板的表面。

本发明可实现具有轻微重量的薄型液晶显示装置，因而有可能实现便携式液晶显示装置。本发明可通过降低由于图象数据的改变而引起的噪声的影响来实现具有高灵敏度与高分辨率的触摸位置的检测。本发明还可通过降低直线化图型的粗糙不平结构的影响来遏制气隙的不希望有的产生。

Claims (15)

1.一种液晶显示装置，包括：

一个第一基片和一个第二基片；

多个设置在所述第一与第二基片之间的液晶元件；

设置在所述第一基片上与所述多个液晶元件相反一侧上的偏振器；

一导电薄膜，设置在所述偏振器与所述第一基片之间，用以基于施加至所述薄膜上的信号对一输入装置的位置进行检测。

2.如权利要求1的液晶显示装置，其中所述薄膜直接淀积在所述第一基片上。

3.如权利要求1的液晶显示装置，其中所述薄膜直接淀积在所述偏振器上。

4.如权利要求1的液晶显示装置，其中一直线化图型形成在所述薄膜的外周边区域。

5.如权利要求4的液晶显示装置，其中所述薄膜直接淀积在所述第一基片上，所述偏振器的尺寸小于所述薄膜的尺寸，以使所述偏振器不接触所述直线化图型。

6.如权利要求1的液晶显示装置，其中所述输入装置为人体手指，而且所述信号直接施加在所述薄膜上。

7.如权利要求1的液晶显示装置，其中所述输入装置为触摸笔，而且所述信号由所述触摸笔注入所述薄膜中。

8.一种偏振装置，包括：

-偏振器，以及

-整体设置在所述偏振器上的导电薄膜，用以基于施加至所述薄膜上的信号对一输入装置的位置进行检测。

9.如权利要求8的偏振装置，其中一直线化图型形成在所述薄膜的外周边区域上。

10.如权利要求8的偏振器，其中所述输入装置为人体手指，而且所述信号直接施加在所述薄膜上。

11.如权利要求8的偏振器，其中所述输入装置为触摸笔，而且所述信号由所述触摸笔注入所述薄膜中。

12.一种液晶显示装置，包括：

多个设置在一对基片之间的液晶元件；

一整体设置在所述基片之一上的导电薄膜，用以基于施加至所述薄膜上的信号对一输入装置的位置进行检测。

13.如权利要求12的液晶显示装置，其中一直线化图型在形成在所述薄膜的外周边区域。

14.如权利要求12的液晶显示装置，其中所述输入装置为人体手指，而且所述信号直接施加在所述薄膜上。

15.如权利要求12的液晶显示装置，其中所述输入装置为触摸笔，而且所述信号由所述触摸笔注入所述薄膜中。

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