專利名稱：混合顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于呈現(xiàn)包括視覺圖像的信息的顯示裝置和方法。
背景技術(shù)：
用于展現(xiàn)或顯示視覺信息的手段是公知的并且包括靜態(tài)圖片(例如印刷物)以及用于動態(tài)顯示圖像的比如IXD屏幕的電子顯示裝置。這種顯示裝置的物理表面是靜態(tài)的并且通常與顯示的圖像不相關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
基于這種情形，本發(fā)明的目的是提供用于更逼真呈現(xiàn)視覺信息的手段。此目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置和根據(jù)權(quán)利要求2的方法實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中公開。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明涉及一種用于呈現(xiàn)信息的顯示裝置，所述裝置包括下述部件
a)“圖像顯示器單元"，其具有“視覺顯示表面"，視覺圖像可以在該視覺顯示表面被顯不。b) 〃拓?fù)滹@示器單元"，其鄰近前述視覺顯示表面布置并且調(diào)適為可控制地改變拓?fù)滹@示器單元的“觸覺顯示表面“的拓?fù)?。通常，術(shù)語“拓?fù)洹皯?yīng)表示表面的三維結(jié)構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)的特征尺度典型地在約0. IMffl和約5mm之間的范圍中。拓?fù)淇梢允强捎|的 (palpable)，例如作為紋理，或者它可以如此精細(xì)，使得它是可見的，但是無法被觸摸感覺到。根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種利用顯示裝置呈現(xiàn)信息的方法，其中術(shù)語“信息“ 應(yīng)包括任何故意設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其包括符號和裝飾。該方法包括下述步驟
a)在圖像顯示器單元的視覺顯示表面上將一部分的信息光學(xué)地呈現(xiàn)為視覺圖像。b)在拓?fù)滹@示器單元的觸覺顯示表面上將另一部分的信息以觸覺方式呈現(xiàn)為可改變的拓?fù)?，其中觸覺顯示表面鄰近視覺顯示表面布置。圖像顯示器單元和/或拓?fù)滹@示器單元可以是剛性裝置，或者優(yōu)選地為柔性和順應(yīng)性的(例如可卷曲的、可彎折的等等)。相應(yīng)視覺顯示表面和/或觸覺顯示表面可以是平坦 (平面)或不平坦的，即彎曲的或者以任意方式預(yù)成形。對于圖像顯示器單元是柔性的情形， 拓?fù)滹@示器單元將優(yōu)選地也是柔性的(順應(yīng)性的)，因而能夠跟進(jìn)完美鄰接的視覺顯示表面的變形。優(yōu)選地，拓?fù)滹@示器單元是至少部分透明的以允許查看到視覺顯示表面上的圖像。附加地或者可替換地，拓?fù)滹@示器單元可具有其它光學(xué)屬性，比如是反射的，透射的(例如彩色層，或者具有孔洞的鏡或黑色層)，吸收的，彩色的等等。應(yīng)指出，所有所述光學(xué)屬性可以涉及任意范圍的電磁波譜。上文限定的混合顯示裝置和方法具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，它們將視覺圖像中光學(xué)信息的
4呈現(xiàn)與拓?fù)湔宫F(xiàn)的形狀信息的呈現(xiàn)相組合，其中所述拓?fù)浏B加到該圖像。再者，拓?fù)淇梢赃x擇性地改變并且因此調(diào)適為動態(tài)地展現(xiàn)拓?fù)湫畔?。通過合作地組合形狀和顏色二者的變化從而傳遞更多信息和/或以更逼真方式傳遞信息，提出的顯示裝置因此增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。這增加了已知顯示裝置的體驗(yàn)和使用并且使能實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用，比如改變表面的外觀，組合的視覺和觸覺渲染。拓?fù)湓龃罅吮砻嫱庥^的逼真感(realism)，因?yàn)樗燃円曈X顯示更逼真地影響入射、反射和透射的光。拓?fù)滹@示器單元可以例如形成水跨過觸覺顯示表面移動的印象，使得它看上去是濕的。在下文中，將描述涉及上述類型的顯示裝置和方法這二者本發(fā)明的各種另外發(fā)展。該顯示裝置優(yōu)選地包括(第一)控制單元，其調(diào)適為控制在觸覺顯示表面上顯示的拓?fù)?。因此非常任意的空間和/或時(shí)間模式的拓?fù)淇梢杂稍撗b置展現(xiàn)?？刂茊卧梢岳缬蓪Ｓ秒娮佑布?或具有關(guān)聯(lián)軟件的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理硬件實(shí)現(xiàn)。前述控制單元優(yōu)選地調(diào)適為將在觸覺顯示表面上顯示的拓?fù)渑c(在另一時(shí)間點(diǎn)， 或者優(yōu)選地同時(shí))在圖像顯示器單元上顯示的視覺圖像關(guān)聯(lián)?？刂茊卧梢蕴貏e地在空間上關(guān)聯(lián)拓?fù)浜蛨D像，即在觸覺顯示表面的一點(diǎn)處依據(jù)在該點(diǎn)的相應(yīng)圖像內(nèi)容而調(diào)整拓?fù)洹?示出例如木頭或金屬的不同材料的圖像可以因此被提供逼真觸覺外觀。在最簡單情形中，圖像顯示器單元可以僅僅是比如印刷物的靜態(tài)圖像。優(yōu)選地， 然而該圖像顯示器單元為一種顯示設(shè)備，不同視覺圖像可以在該顯示設(shè)備上選擇性地被顯示。這種顯示設(shè)備可以特別地包括陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(IXD)、有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)顯示器和/或雙電泳裝置。這種圖像顯示器單元可以是剛性或柔性實(shí)體。拓?fù)滹@示器單元可以不僅能夠改變觸覺顯示表面上的拓?fù)?，而且可以附加地調(diào)適為提供傳感器信號，該傳感器信號指示應(yīng)用外力(或壓力)在表面上。在拓?fù)滹@示器單元的一些實(shí)現(xiàn)中，這種感覺功能對應(yīng)于拓?fù)滹@示器功能的反轉(zhuǎn)并且可以因此利用小的附加努力來實(shí)現(xiàn)。由于觸覺顯示表面通常旨在并且設(shè)計(jì)用于由用戶觸覺探索，將經(jīng)常發(fā)生的是力施加在此表面上。借助傳感器信號，這些力可以被探測，并且例如在力變得太高并且顯示裝置可能損傷時(shí)可以給出警報(bào)。根據(jù)前述實(shí)施例的另外發(fā)展，該顯示裝置包括(第二)控制單元，其調(diào)適為相對于所應(yīng)用的和檢測的外力的位置而評估拓?fù)滹@示器單元提供的傳感器信號。應(yīng)用力的位置于是可以與某種含義或代碼關(guān)聯(lián)，這允許例如實(shí)施鍵盤功能。應(yīng)指出，第二控制單元可以與上述第一控制單元集成。該拓?fù)滹@示器單元的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式包括具有下述部件的至少一個(gè)“有源疊層“ a)在下文中稱為"ΕΑΡ"的電活性聚合物的層，優(yōu)選地介電電活性聚合物的層，
其在外部電場中改變其幾何形狀。EAP的實(shí)例可以在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)(例如Bar-Cohen， Y. "Electroactive polymers as artificial muscles: reality， potential and challenges"， SPIE Press, 2004 ；Kooj I. Μ·等人"Development of Soft-Actuator-Based Wearable Tactile Display〃， IEEE Transactions on Robotics, 2008，24 (3): p. 549-558 ；F. Carpi 等人編輯的"Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers ；Fundamentals, materials, devices, models and applications of an emerging electroactive polymer technology" 2008，Elsevier, p. 227-238 中的 Prahladj H.等人的"Programmable surface deformation: thickness-mode electroactive polymer actuators and their applications" ；US-2008 0289952 A;所有文件通過引用結(jié)合在本申請中)。b)電極單元陣列，其布置于前述EAP層的第一側(cè)上。優(yōu)選地，電極單元是選擇性地可尋址的，即單獨(dú)電勢可以應(yīng)用到每一個(gè)電極單元。c)至少一個(gè)對電極，其布置于EAP層的第二側(cè)上，該第二側(cè)與第一側(cè)相對。應(yīng)用合適的電壓在該陣列的電極單元和該對電極之間引起在電極之間的位置處 EAP層的變形，這導(dǎo)致各層的三維表面配置的局部改變。因此可以實(shí)現(xiàn)觸覺顯示表面的不同拓?fù)洹？蛇x地，拓?fù)滹@示器單元的前述實(shí)現(xiàn)方式可以附加地包括至少一個(gè)另一電極，其在下文中稱為"控制電極"，該電極可以獨(dú)立地被供應(yīng)其自己的電勢?？刂齐姌O可以特別是鄰近該陣列的電極單元布置或者鄰近該對電極布置(即與這些在同一層)，或者布置在它們之間的中間空間中。借助控制電極，EAP層內(nèi)部的電場可以被影響以允許更全面控制得到的層變形。優(yōu)選地，EAP層是(至少部分)透明的，即它透射大于10%，優(yōu)選地大于50%，最優(yōu)選地大于90%的入射在其上的可見光。因此將有可能通過EAP層觀看視覺顯示表面上的圖像。在顯示裝置的具體實(shí)施例中，拓?fù)滹@示器單元包括多個(gè)上述有源疊層，每個(gè)有源疊層具有布置于在第一側(cè)上的電極單元陣列和在第二側(cè)上的至少一個(gè)對電極之間的EAP層。優(yōu)選地，鄰近疊層將共享中間電極層，即在給定EAP的第一側(cè)上的電極陣列將同時(shí)構(gòu)成相鄰EAP 層的對電極。利用所描述的一系列有源疊層，觸覺顯示表面上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延伸和/或類型可以增加。再者，將EAP材料的總厚度分割為多個(gè)EAP層具有這樣的優(yōu)點(diǎn)控制每層所需的電壓因此降低。這減小了對驅(qū)動電子器件的要求，并且最重要的是增大顯示裝置的安全使用。在具有多個(gè)有源疊層的前述實(shí)施例中，疊層的各EAP層的厚度優(yōu)選地隨著這些層與觸覺顯示表面的距離增大而增大。這具有的優(yōu)點(diǎn)為，越接近外表面，操作各EAP層需要的電壓將越低，因而增大顯示裝置的安全性，因?yàn)樵诠收?電壓擊穿)情況下，觸摸外表面的用戶會體驗(yàn)到暴露于較低(無害)的電壓。拓?fù)滹@示器單元的透明部件的折射率優(yōu)選地彼此相似；即它們相差典型地小于 25%，優(yōu)選地小于10%，甚至更優(yōu)選地小于5%。這種折射率匹配保證不同透明部件可能引起的光學(xué)畸變被最小化或者是在嚴(yán)格限定的水平，以及拓?fù)滹@示器單元因此不損害其后方的圖像的觀看且同時(shí)具有自然外觀。在上述顯示裝置的有源疊層中，陣列的電極單元和/或多個(gè)對電極和/或多個(gè)控制電極(如果存在)可以特別地覆蓋它們各自層中的總可用面積的小于100%，優(yōu)選小于20%， 最優(yōu)選小于5%。前述折射率匹配和使用適當(dāng)電極表面積比率形成了更自然外觀的重要方面 (匹配的光學(xué)和觸覺)。具有EAP和/或多個(gè)其對電極和/或多個(gè)其控制電極(如果存在)的拓?fù)滹@示器單元的電極單元可以以規(guī)則或不規(guī)則陣列(模式)布置。以不規(guī)則模式布置它們的至少一個(gè)則幫助防止光學(xué)假象，比如出現(xiàn)莫爾條紋。根據(jù)具有EAP層的拓?fù)滹@示器單元的另一變型，存在附加無源層，該附加無源層不生成其自己的任何順應(yīng)性改變而是僅僅跟進(jìn)其它層的改變。無源層因此可以用于轉(zhuǎn)變有
6源層的順應(yīng)性改變，例如從而增強(qiáng)該順應(yīng)性改變。在另一實(shí)施例中，拓?fù)滹@示器單元包括至少一個(gè)(電)絕緣層，該絕緣層提供觸覺顯示表面。絕緣層可以特別地被前述無源層包含或者與前述無源層相同。絕緣層將觸摸該拓?fù)滹@示器單元的外表面的用戶從該拓?fù)滹@示器單元內(nèi)部的電氣電壓屏蔽。該顯示裝置可以可選地另外包括導(dǎo)電層，其布置在圖像顯示器單元和拓?fù)滹@示器單元之間和/或觸覺顯示表面和拓?fù)滹@示器單元的任何其它導(dǎo)電部件之間。再者，此導(dǎo)電層可以被提供給定電勢。優(yōu)選地，該導(dǎo)電層是透明的或者僅僅包括非常小份額的各自表面積；此面積應(yīng)小于總可用表面積的100%，優(yōu)選小于20%以及更優(yōu)選小于5%。對于圖像顯示器單元和拓?fù)滹@示器單元二者用(不同)控制電壓驅(qū)動的情形，圖像顯示器表面上的導(dǎo)電層可以用于防止圖像顯示器單元和拓?fù)滹@示器單元之間的電氣干擾。在觸覺顯示表面的導(dǎo)電層增大安全性，因?yàn)閷τ诠收系那樾?，觸摸該拓?fù)滹@示器單元的用戶將首先電接觸具有其給定電勢的此最外層，該給定電勢可以被選擇處于安全區(qū)域(例如選擇為地電勢)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，該顯示裝置可包括用于控制拓?fù)滹@示器單元和/或圖像顯示器單元的控制單元，其中所述控制單元調(diào)適為探測故障條件以及在探測到故障條件情況下中斷向受控制部件的電力供應(yīng)。這種故障條件可以諸如包括探測到漏電流，因?yàn)楫?dāng)用戶觸摸觸覺顯示表面時(shí)，觸覺顯示表面中的電壓擊穿會造成該漏電流。


本發(fā)明的這些和其它方面將從下述(多個(gè))實(shí)施例而顯見并且將參考下述(多個(gè)) 實(shí)施例予以闡述。將借助附圖通過實(shí)例方式描述這些實(shí)施例，在附圖中
圖1示意性示出通過根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的一部分的沿著圖2的線I- I的截面；
圖2示意性示出圖1的顯示裝置的俯視圖3示意性示出在顯示裝置中使用規(guī)則電極布置；
圖4示意性示出在顯示裝置中使用不規(guī)則電極布置；
圖5示意性示出驅(qū)動電極和控制電極的各種布置；
圖6示意性示出通過顯示裝置的截面，該顯示裝置包括兩個(gè)EAP層；
圖7示意性示出通過顯示裝置的截面，該顯示裝置包括具有變化厚度的若干EAP層。相同的參考數(shù)字或者相差100的整數(shù)倍的數(shù)字在圖中涉及相同或相似部件。
具體實(shí)施例方式通過使用發(fā)射和/或反射方法，本領(lǐng)域中已知的若干顯示技術(shù)能夠改變產(chǎn)品的視覺外觀(例如顏色或透明度)。盡管這些方法提供了改變表面的視覺感知的巨大機(jī)會，它們?nèi)匀晃茨芡ㄟ^動態(tài)手段提供自然表面拓?fù)涞南鄳?yīng)展現(xiàn)，即以電氣方式提供木材或巖石中的藤蔓、皮膚、拉絲鋁等的外觀和感覺。鑒于此，本發(fā)明提出使用介電彈性層的電氣激勵(lì)用于電活性生成表面拓?fù)洹＿@種層在透明時(shí)可以與有源或無源光學(xué)顯示技術(shù)組合，藉此允許同時(shí)操縱兩個(gè)或更多個(gè)層疊層中的光學(xué)和觸覺表面屬性。結(jié)果，表面的用戶體驗(yàn)變得讓人信服得多，因?yàn)榇蠖鄶?shù)(如果不是所有)的感覺信息可以形成為匹配預(yù)期(或者可替換地，可以故意地形成為失配，例如用于視覺/觸覺游戲)。
圖1示出根據(jù)上述原理的“混合“顯示裝置100的截面圖(不是按比例)。該圖描繪整個(gè)顯示裝置的多個(gè)基本上相似單元的僅僅一個(gè)單元。顯示裝置100 (的單元)包括下述部件
-〃圖像顯示器單元〃IDU，其具有〃視覺顯示表面"VDS，視覺圖像可以在該視覺顯示表面處展現(xiàn)。在最簡單情形中，視覺顯示單元IDU可以是靜態(tài)圖片，比如照片或印刷物。優(yōu)選地，然而視覺顯示單元IDU為具有多個(gè)像素(未示出)的電氣顯示設(shè)備，所述多個(gè)像素可以由關(guān)聯(lián)控制單元CU單獨(dú)地控制?？梢杂糜诖搜b置的可能顯示技術(shù)(反射和發(fā)射)包括雙電泳裝置、OLED顯示器、LED背光式(或者側(cè)光式)IXD顯示器或類似物。-〃拓?fù)滹@示器單元"TDU，其耦合到控制單元⑶并且可以受此控制以在〃觸覺顯示表面"TDS上表現(xiàn)出順應(yīng)性改變。此外，該拓?fù)滹@示器單元TDU包括 -(無源)襯底層PLl，
-電活性聚合物(EAP)層Ll (典型厚度l-100Mm)，以及 -無源增強(qiáng)層PL2 (典型厚度0. l_5mm)。EAP層Ll構(gòu)成激勵(lì)層。典型地，這種激勵(lì)層能夠變形(機(jī)械應(yīng)變)大于10%，優(yōu)選大于20%，甚至更優(yōu)選地大于50%。這種激勵(lì)層的實(shí)例為聚合物激勵(lì)層(也稱為人造肌肉)。例如由SRI international (美國加利福尼亞)和PolyPower (丹麥諾德堡)發(fā)展出電活性聚合物，其中PolyPower提供EAP的真正的卷對卷(roll-to-roll)加工。介電彈性體為在電場影響下改變形狀(電致伸縮)的材料。它們是特別是適合于在比較薄(潛在順應(yīng)性的)層中使用的一類聚合物激勵(lì)器。對電極El布置在襯底PLl和EAP層Ll之間。與此相對，電極單元E2布置于EAP 層Ll的對立側(cè)面上。電極E1、E2的至少一個(gè)優(yōu)選地是可伸展的并且是(至少部分)透明的。 電極材料的實(shí)例為諸如石墨粉末或油脂、碳納米管、石墨烯(石墨單層)、PED0T (在塑料太陽能電池中使用的PED0T-PSS)、聚吡咯(導(dǎo)電聚合物)或者ITO (導(dǎo)電金屬氧化物)。應(yīng)指出， 這些材料僅僅是可能材料的實(shí)例，而不是限制本發(fā)明的范圍。由控制單元CU在對電極El和電極單元E2之間應(yīng)用電壓則引起EAP層Ll的順應(yīng)性改變。EAP層Ll可以特別地被壓縮在電極El和E2之間的空間中，其中其材料被擠到鄰近邊界區(qū)域中，鄰近邊界區(qū)域因此凸起。由于無源增強(qiáng)層PL2的平均化效果，EAP層Ll的這些順應(yīng)性改變被轉(zhuǎn)化為在觸覺顯示表面TDS上的電極單元E2上方出現(xiàn)平滑沉降D。在完整顯示裝置100中，大量的這種小的局部順應(yīng)性改變(沉降D)將致使觸覺顯示表面TDS呈現(xiàn)出某種拓?fù)洹Ｔ趫D像顯示器單元IDU和拓?fù)滹@示器單元TDU之間的界面處，必須采取措施使得圖像顯示器內(nèi)部的電場不受拓?fù)滹@示器中的高電壓(高電場)影響。這可以通過下述實(shí)現(xiàn) 提供拓?fù)滹@示器TDU的底部電極EO并且向底部電極EO提供與圖像顯示器的上電極相同的電壓。以此方式，其間的電場為零并且不發(fā)生電容充電。圖2示出圖1的整個(gè)顯示裝置100上的俯視圖，其中圖1中描繪的截面用虛線I-I 指示。此外，在圖2中僅僅示出EAP層Ll的頂表面上的電極陣列的幾個(gè)電極單元E2。為了避免在不同層界面上的衍射、折射和反射，在所有界面的折射率應(yīng)優(yōu)選形成為盡可能地匹配。為了避免莫爾條紋，電極單元E2的不規(guī)則布局是優(yōu)選的。
再者，圖2指示比如控制按鈕或者鍵盤的按鍵的功能部件的實(shí)現(xiàn)方式。此按鍵或按鈕由圖像顯示器單元IDU光學(xué)地顯示為圓K。pt，并且附加地在同一位置由拓?fù)滹@示器單元TDU通過特別的拓?fù)銴tae展現(xiàn)。概言之，本發(fā)明的非常重要的特征是提供動態(tài)的，優(yōu)選地柔性且順應(yīng)性的電氣控制表面拓?fù)涞届o態(tài)或動態(tài)的數(shù)字表面或者互動完成(interactive finish),電氣表面拓?fù)浠旧掀ヅ漕A(yù)期表面拓?fù)浜?或紋理，從而形成觸覺-視覺顯示器。在優(yōu)選實(shí)施例中，這是通過分段或矩陣尋址的透明、不透明或半透明彈性體的層實(shí)現(xiàn)的，該層披覆在至少一個(gè)規(guī)則或不規(guī)則(圖案化)驅(qū)動電極之間，該驅(qū)動電極可選地至少一個(gè)相對的、鄰近的或者居間的控制電極擴(kuò)展，所述電極和控制電極是透明的、半透明的、不透明的、反射吸收的或者彩色的、非透明的或者其任何組合，但是層疊成使得所生成的表面拓?fù)浜退x擇的電極配置不使在光學(xué)域中存在的信息畸變，不排除顯示表面的光學(xué)屬性和/或外觀的可選的增強(qiáng)(方向、匹配、重合的圖像以及浮雕結(jié)構(gòu))。相對于前述設(shè)計(jì)，圖3在圖1的顯示裝置(或者類似一個(gè))上的俯視圖中分開示出驅(qū)動電極E1、E2的規(guī)則矩陣布置(圖的頂部)以及在顯示裝置中的它們的組合(圖的底部)。 可以看出該組合生成莫爾條紋。圖4在圖1的顯示裝置或者類似一個(gè)上的俯視圖中分開示出驅(qū)動電極E2的不規(guī)則矩陣布置和驅(qū)動電極El的規(guī)則布置(圖的頂部)以及在顯示裝置中的它們的組合(圖的底部)。這種情況下不會出現(xiàn)莫爾條紋。由于兩個(gè)規(guī)則陣列的組合通常將導(dǎo)致光學(xué)域中的畸變(莫爾條紋)，優(yōu)選的是陣列中的至少一個(gè)電極是不規(guī)則的，使得當(dāng)與第二(規(guī)則或不規(guī)則)陣列以90°角度組合時(shí)，莫爾條紋無法被觀察到。另外在這種情況下，無法觀察到畸變。圖5在與圖1的顯示裝置類似的顯示裝置的側(cè)視圖中說明電極的各種布置，即
a)驅(qū)動電極El、E2的(規(guī)則或不規(guī)則)布置；
b)+f)鄰近控制電極EC在上層中的驅(qū)動電極E1、E2的布置；
c)+d)具有居間控制電極EC的驅(qū)動電極El、E2的布置， e)鄰近控制電極EC在下層中的驅(qū)動電極El、E2的布置。商業(yè)上可獲得的EAP目前是由這樣的事實(shí)表征需要高電場來激勵(lì)它們。因此，包括這種EAP的拓?fù)滹@示器單元需要高驅(qū)動電壓(在千伏的范圍中)，這使得它們操作起來困難且危險(xiǎn)。因此必須采取適當(dāng)預(yù)防措施以使得人們可以觸摸和使用這些顯示裝置。作為一個(gè)步驟，可以采取外部措施限制來自高電壓電源和存儲能量電勢的電流。附加地，此處提出兩個(gè)主要內(nèi)部措施
-拓?fù)滹@示器單元與用戶手指或其它外部電器之間的電學(xué)絕緣和屏蔽。-拓?fù)滹@示器單元和圖像顯示器單元之間的恰當(dāng)?shù)碾妼W(xué)屏蔽，使得前者的高電壓 /電場不影響后者后者的操作。這些措施的第一個(gè)使得顯示器內(nèi)在地是安全的，并且它可以特別地包括在顯示裝置的外部上應(yīng)用下述兩層
-連接到地的電極，以及 -位于該電極上的電絕緣層。因此觸摸顯示裝置的用戶將總是首先接觸絕緣層。并且如果絕緣失敗，用戶將接觸地層。這可以優(yōu)選地通過控制單元而被電氣探測到，例如借助電容測量，并且用于關(guān)閉拓?fù)滹@示器單元的高電壓驅(qū)動作為額外安全手段。此外，諸如通過下述手段，也可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)電壓的減小
-層疊η個(gè)激勵(lì)層。替代在整個(gè)疊層上的一個(gè)大的電壓差異Δ V，于是可以將電場分割為η個(gè)更小部分，使得相應(yīng)電極之間所需要的電壓差異僅僅為Δ V的一份額。-使用具有低彈性模量(楊氏模量)的激勵(lì)材料。這使得更容易壓縮材料，從而同樣需要比較低的電場并且因此需要低電壓用于激勵(lì)。圖6示意性示出結(jié)合了上述特征的顯示裝置200。應(yīng)指出，此圖(以及圖7)不是按比例(特別是層厚度被夸大)，并且電極陣列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)未示出。顯示裝置200包括頂部上具有拓?fù)滹@示器單元TDU的圖像顯示器單元IDU。拓?fù)滹@示器單元TDU具有在從視覺顯示表面VDS到拓?fù)滹@示器表面TDS的方向列出的下述序列的層
-電絕緣層PLl，其位于視覺顯示表面VDS的頂部上；
-第一電極El，其優(yōu)選地連接到地并且從拓?fù)滹@示器單元TDU中的電場屏蔽圖像顯示器單元IDU ；
-第一 EAP 層 Ll ；
-第二電極Ε2，其可以被提供高電壓； -第二 EAP 層 L2 ； -上電極ΕΤ，其優(yōu)選地連接到地； -電絕緣層PL2，其提供觸覺顯示表面TDS。電極層El、Ε2和Ε3連接到控制單元⑶，該控制單元⑶向它們供應(yīng)適當(dāng)?shù)碾妷骸?應(yīng)指出，至少一個(gè)這些層(例如中心層Ε2)通常將再分為單個(gè)電極單元的陣列(未示出)。在圖像顯示器單元IDU和拓?fù)滹@示器單元TDU之間的界面處，必須采取措施使得前者內(nèi)部的電場不受后者內(nèi)部的高電壓(高電場)影響。通過向底部電極El提供與圖像顯示器單元IDU的上電極相同的電壓，可以在顯示裝置200中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。以此方式，它們之間的電場為零并且不發(fā)生電容充電。圖7示出顯示裝置300的另一實(shí)施例，該顯示裝置包括布置于圖像顯示器單元IDU 頂部上的拓?fù)滹@示器單元TDU。如在先前實(shí)施例中那樣，視覺顯示表面VDS被電學(xué)絕緣PLl 覆蓋，該電學(xué)絕緣PLl進(jìn)而被導(dǎo)電層ET (典型地接地)覆蓋。類似地，觸覺顯示表面TDS為絕緣層PL2的外表面，其位于最頂部(并且典型地接地)的導(dǎo)電電極ET上。多個(gè)"有源疊層"位于前述部件之間，每個(gè)有源疊層包括布置在兩個(gè)電極層(El 和 Ε2、Ε2 和 Ε3、Ε3 和 Ε4、Ε4 和 Ε5、或者 Ε5 和 ET)之間的 EAP 層(L1、L2、L3、L4 或 L5)。相鄰有源疊層因此共享中間電極層。在從觸覺顯示表面TDS到視覺顯示表面VDS的方向上，EAP層具有增大的厚度，使得在激勵(lì)時(shí)可以跨過更接近用戶皮膚的層而應(yīng)用更小的、安全電壓。EAP層Ll - L5的厚度調(diào)適為針對所應(yīng)用的電壓而在電極El-ET之間生成足夠強(qiáng)電場。在典型實(shí)例中，對于電極層E2、E3、E4和E5 (E0和ET接地)，這些電壓可以分別為lkVUOOVUOV以及IV。所述設(shè)計(jì)的另外優(yōu)點(diǎn)在于，(高)電壓電極E2-E5之間不需要地電極。從高電壓(kV) 開始，在控制單元CU中通過利用電阻性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的分壓可以生成較低電壓。另外，由于最高電壓電極E2在疊層內(nèi)部深處，擊穿電流將朝向那個(gè)電極流動。
10
在剛剛描述的系統(tǒng)中，應(yīng)用到不同層的電壓之間的關(guān)系是由分壓結(jié)構(gòu)固定。在更先進(jìn)實(shí)施例中，每個(gè)層可以單獨(dú)地被尋址并且特定電壓可以分開應(yīng)用到每一層。本發(fā)明的方法和所述顯示裝置具有下述益處
-通過擴(kuò)展視覺效果的不同表面的更自然外觀激勵(lì)表現(xiàn)出凹陷或隆起、額外視覺效果、3D效果等。-真實(shí)觸覺效果3D拓?fù)淇梢员挥脩舾杏X，使得表面不僅僅看起來像特定表面， 而且給人那種感覺。刺激聽覺、視覺、觸覺和熱感。-支持與可編程觸覺元件的視覺(或圖形)用戶界面激勵(lì)聚合物的巨大希望是在用戶界面中，其中比如’真實(shí)按鈕’的控件以及織物感可以隨意在表面任何位置形成。支持具有相應(yīng)視覺效果的這些觸覺元件將增大容易使用和自然性。-可替換地，在例如服裝的實(shí)際實(shí)現(xiàn)之前，織物拓?fù)淇梢员惶剿饕云ヅ浣o定顏色。-觸覺檢測的集成聚合物激勵(lì)層形成電容器，當(dāng)該層被壓縮時(shí)，電容器的電容改變。這可以用于檢測來自用戶的觸覺輸入，并且反之亦然以在探測到觸摸時(shí)向用戶提供觸覺反饋。-通過拓?fù)潋?qū)動的光學(xué)觸覺反饋/意識形成。例如，在另外全透明層中(例如，類似水的表面中的漣漪)或者染色介電彈性體材料中生成拓?fù)洹＿@種效果可以是或者純光學(xué)或者純觸覺效果的任何組合。本發(fā)明的應(yīng)用包括形狀(表面拓?fù)?改變的顯示裝置、用戶-界面表面(其組合⑶I 和真實(shí)按鈕拓?fù)?以及觸摸屏。最后指出，在本申請中術(shù)語〃包括〃不排除其它元件或步驟，"一 〃或〃 一個(gè)〃不排除多個(gè)，以及單個(gè)處理器或其它單元可以實(shí)現(xiàn)若干裝置的功能。本發(fā)明存在于每一個(gè)新穎特性特征以及特性特征的每一個(gè)組合。再者，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)解讀為限制它們的范圍。
權(quán)利要求
1.一種顯示裝置(100-300)，其包括a)圖像顯示器單元(IDU)，其具有視覺顯示表面(VDS)，視覺圖像可以顯示在該視覺顯示表面；b)拓?fù)滹@示器單元(TDU)，其鄰近該視覺顯示表面(VDS)布置并且調(diào)適為可控制地改變觸覺顯示表面(TDS )上的拓?fù)洹?br> 2.一種用于利用顯示裝置(100-300)呈現(xiàn)信息的方法，其包括a)在圖像顯示器單元(IDU)的視覺顯示表面(VDS)上將一部分的信息呈現(xiàn)為視覺圖像；b)在拓?fù)滹@示器單元(TDU)的觸覺顯示表面(TDS)上將另一部分的信息呈現(xiàn)為可改變的拓?fù)?，其中所述觸覺顯示表面鄰近該視覺顯示表面布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于該顯示裝置(100-300)包括控制單元(⑶)，其用于控制在該觸覺顯示表面 (TDS)上顯示的拓?fù)洌隹刂茊卧?⑶)優(yōu)選地調(diào)適為將顯示的拓?fù)渑c該圖像顯示器單元 (IDU)顯示的視覺圖像關(guān)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于該圖像顯示器單元(IDU)為顯示設(shè)備(IDU),不同圖像可以選擇性地顯示在該顯示設(shè)備上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于該拓?fù)滹@示器單元(TDU)附加地提供傳感器信號，該傳感器信號指示應(yīng)用外力到該觸覺顯示表面(TDS)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的顯示裝置(100-300)或方法，其特征在于該顯示裝置(100-300)包括控制單元(⑶)，該控制單元調(diào)適為相對于所應(yīng)用的外力的位置而評估傳感器信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于該拓?fù)滹@示器單元(TDU)包括至少一個(gè)“有源疊層"，該有源疊層具有a)電活性聚合物EAP層(L1-L5)；b)電極單元(E2-ET)陣列，其布置于該EAP層的第一側(cè)上；c)至少一個(gè)對電極(E1-E5)，其布置于該EAP層的第二側(cè)上d)優(yōu)選地至少一個(gè)另一控制電極(EC)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的顯示裝置(100-300)或方法， 其特征在于該EAP層(L1-L5)是至少部分透明的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的顯示裝置(200-300)或方法，其特征在于該拓?fù)滹@示器單元(TDU)包括多個(gè)所述有源疊層，并且這些有源疊層的 EAP層(L1-L5)的厚度隨著與該觸覺顯示表面(TDS)的距離增大而增大。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法， 其特征在于該拓?fù)滹@示器單元(TDU)的透明部件的折射率彼此相似。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的顯示裝置(100-300)或方法，其特征在于陣列的電極單元(E2-ET)和/或多個(gè)對電極(E1-E5)和/或多個(gè)控制電極 (EC)覆蓋它們各自層中的總可用面積的小于100%，優(yōu)選小于20%，最優(yōu)選小于5%。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的顯示裝置(100-300)或方法，其特征在于陣列的電極單元(E2-ET)和/或多個(gè)對電極(E1-E5)和/或多個(gè)控制電極 (EC)以規(guī)則或不規(guī)則方式布置。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的顯示裝置(100-300)或方法，其特征在于該拓?fù)滹@示器單元(TDU)包括提供該觸覺顯示表面(TDS)的絕緣層(PL2) 和/或附加無源層(PL2)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于該顯示裝置(100-300)包括布置在圖像顯示器單元(IDU)和拓?fù)滹@示器單元(TDU)之間的導(dǎo)電層(EO)和/或布置在觸覺顯示表面(TDS)和拓?fù)滹@示器單元的任何其它導(dǎo)電部件(E1-E5)之間的導(dǎo)電層(ET)，其中所述導(dǎo)電層(E0，ET)可以被提供給定電勢。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置(100-300)或者根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于它包括用于控制拓?fù)滹@示器單元(TDU)和/或圖像顯示器單元(IDU)的控制單元(CU)，其中所述控制單元調(diào)適為探測故障條件以及響應(yīng)于故障條件而中斷電力供應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種顯示裝置(100-300)，其包括用于顯示視覺圖像的圖像顯示器單元(IDU)，以及可以可控制地改變觸覺顯示表面(TDS)上的拓?fù)涞泥徑耐負(fù)滹@示器單元(TDU)。因此視覺和觸覺信息均可以被展現(xiàn)并且可以通過控制單元(CU)彼此關(guān)聯(lián)。
文檔編號G06F3/041GK102473058SQ201080035850
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者布羅肯 D., M. H. 克羅姆普沃茨 F., M A. 范登埃倫貝姆德 J., H. W. M. 范德爾登 M. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司