タッチパネルとは

タッチパネルは、モバイルデバイスの品質とユーザビリティ全体の認識に大きく貢献します。タッチパネルは、ユーザーがモバイルコンピュータを操作する主要な手段であり、ナビゲーションから入力まですべてを制御します。したがって、これらのタッチパネルの応答性、感度、インターフェース設計は、ユーザーのデバイス体験に大きな影響を与え、品質とユーザビリティの認識に影響します。継続的なイノベーションを通じて、これらのコンポーネントは機能と複雑性において成長してきました。

多くのタッチパネルメーカーは、新しい技術を探求し、既存の技術を改善することに取り組んでいます。この取り組みは、新しく革新的なアプリケーションと環境における顧客の増大するニーズを満たすことを目的としています。

タッチパネルの種類

コンシューマー向けスマートフォンが大量に普及するずっと前から、タッチパネルの使用はエンタープライズデジタルアシスタント(EDA)を制御するために普及していました。

「タッチパネル」、「タッチスクリーン」、または「デジタイザー」と呼ばれるこれらのコンポーネントは、物理的な参照空間における入力の位置をデジタル空間における入力に変換するセンサーグループの一部です。

これらのセンサーは多くの場合透明で、LCDディスプレイと統合されており、現在では自動車から家庭用サーモスタットまであらゆる場所に存在するタッチユーザーインターフェース(タッチUI)を作成します。今日の製品に存在するタッチパネルの種類は、抵抗膜方式と静電容量方式の2つのグループに分けることができます。

1. 抵抗膜方式タッチパネル

抵抗膜方式タッチセンシング技術は、比較的長い間確立されてきました。このタイプのタッチパネルは、構造のシンプルさ、耐久性、環境への柔軟性から一般的に使用されています。

名前が示すように、抵抗膜方式タッチパネルは、タッチパネルの物理的な圧縮を抵抗率の変化に変換することで位置を検出します。

 抵抗膜方式タッチパネルの設計と機能

抵抗膜方式タッチパネルは、エアギャップで分離された2つのフィルムから構成されています。両方のフィルムには、互いに向き合う導電性表面があります。

各導電性表面は1つの方向で位置を検出します。たとえば、上部フィルムは垂直位置を検出し、下部フィルムは水平位置を検出する場合があります。タッチパネルに入力力が加えられると、上部フィルムはエアギャップを超えて内側に折りたたまれ、下部導電性表面と物理的に接触します。

結果として生じる電気的接続により、上部と下部の両方の導電性表面全体の抵抗値が変化します。デバイス内のマイクロコントローラーは、この新しい抵抗値を電圧の変化として測定し、これが新しい垂直位置と水平位置に対応します。上部と下部の導電面の測定は1秒間に何度も行われ、スタイラスなどの入力がタッチパネル上を移動する際に追跡します。

抵抗膜方式タッチパネルの制限事項

マイクロクラックと機械的摩耗

抵抗膜方式タッチパネルは、電気的接続を作成するために上部フィルムの物理的な動きに依存しているため、このタイプのタッチパネルは機械的摩耗の影響を受けやすくなっています。この機械的摩耗は、上部フィルムの物理的な動きのたびに導電面に小さなマイクロクラックが発生するために起こります。

これらのマイクロクラックが上部フィルムと下部フィルム間の電気的接続を妨げるほど大きくなると、タッチパネルに動作しない領域が発生したり、実際に操作した場所とは異なる場所で反応しているように見えたりすることがあります。これらの症状を示す抵抗膜方式タッチパネルは、物理的に摩耗しています。

マイクロクラックの依存性

これらのクラックの形成の原因と時間枠は、以下を含む多くの要因に依存します:

• フィルムを圧縮するために使用される力(作動力と呼ばれることもあります)
  
• 圧縮時の温度条件

以下に説明するように、フィルムを圧縮するために使用されるオブジェクト(スタイラス、指、またはその他のオブジェクト)の形状:

マイクロクラックの加速の一般的な根本原因は、抵抗膜方式タッチパネルを操作するためにボールペンを使用することです。

一般的なボールペンの先端は、直径約0.5mmのスチールボールで構成されています。このスチールボールは、プラスチック製で直径約1.6mmのモバイルコンピュータのスタイラスの先端よりも硬く、小さくなっています。

ボールペンなどの小径の器具を使用すると、一般的な作動力(250～450グラム)でも、導電層に大きな応力が生じる可能性があります。この高い応力により、マイクロクラックの形成が加速されます。

硬いスチールボールがタッチパネルの比較的柔らかい上部フィルムに傷を残すため、さらなる損傷が発生します。

抵抗膜方式タッチパネルの利点

抵抗膜方式タッチパネルの継続的な関連性に貢献する利点には、以下が含まれます:

環境条件の変化にもかかわらず、ユーザー入力を感知する能力。上部フィルムとの物理的な接触とその後の圧縮に依存することで、誤って作動させることが難しいセンサーが作成されます。雨滴、雪、またはその他の降水は、タッチパネルの上部フィルムを圧縮するのに十分な力を生み出さないため、これらの環境条件は動作に影響を与えません。

物理的な接触への依存により、上部フィルムを圧縮するのに十分な力を加えることができる任意のタイプの手袋を着用したユーザーがタッチパネルを操作できます。

2. 静電容量方式タッチパネル

抵抗膜方式タッチパネルで使用される力ベースの作動方式は堅牢で環境の柔軟性を可能にしますが、複数のタッチ入力には対応していません。(投影型)静電容量方式タッチパネルは、マルチタッチ入力を可能にするために開発され、その結果、より直感的なユーザーインターフェースを作成します。

ピンチ・ツー・ズームなどのジェスチャーベースの入力により、デバイス操作に必要な手順が減り、ユーザーインターフェースが簡素化されます。エンドユーザーにとってのこの簡素化は、タッチパネルハードウェアと制御ソフトウェアの両方のレベルで複雑さが増すという代償を伴います。

静電容量式タッチパネルの 設計と機能

静電容量式タッチパネルは、静電容量の変化を利用して入力位置を測定する非接触センサーです。タッチパネルは、センサーとカバーガラスという2つの主要なサブコンポーネントで構成されています。

構造的には、センサーはガラスまたは柔軟なポリマーフィルム上に構築される場合がありますが、説明の目的で、このドキュメントではフィルムセンサーを使用するタッチパネルのみを説明します。

抵抗膜式タッチセンサーと同様に、静電容量式センサーは2枚のフィルムで構成されています。各フィルムは単一の方向、つまり水平軸または垂直軸に沿って入力を検知します。単一の方向について、フィルムの導電面はエッチングされて、導電性セルのグリッドパターンが作成されます。各セルは、センサーの表面上に静電界を投影します。

人間の指などの導電性物体が投影された静電界に近づくと、一部の電荷が物体に容量結合されます。次に、マイクロコントローラーが新しい静電容量を電圧の変化として測定し、それがタッチパネル上の位置に変換され、最終的にディスプレイ上の位置に変換されます。

マイクロコントローラー集積回路とファームウェア

この技術は各導電性セルを独立して1秒間に何度も測定するため、すべての静電容量式タッチパネルには専用のマイクロコントローラーICが必要です。このICで実行されるファームウェアは、タッチパネル機能の多くの詳細を制御できます。これには、導電性物体がタッチとして登録されるセンサーからの距離(感度)、タッチとして登録される物体のサイズ(解像度)、および位置が更新される頻度が含まれます。独自に調整されたファームウェアとICは、モバイルデバイスOSとさまざまな方法で相互作用します。したがって、これらの項目の変更には、通常OSドライバーの更新が必要になります。

静電容量式タッチパネルの制限

静電容量式タッチパネルで防止するのが最も難しい故障モードは、点衝撃による損傷です。点衝撃はさまざまな方法で発生しますが、最も多いのは、デバイスが砂利やアスファルトなどの不均一な表面に落下したときです。

デバイスが表面を下にして落下すると、着地面の小さな突起がタッチパネルに接触します。このような突起は接触面積が非常に小さいため、タッチパネルにかかる局所的な応力は、化学強化ガラスでさえも割れるほど高いレベルに達する可能性があります。これらのタイプの故障はデバイス設計によって軽減できますが、静電容量式タッチパネルの損傷全体の主な原因であり続けています。

静電容量式タッチパネルの利点

パフォーマンスの最適化

センサーパターン設計、コントローラーIC、およびコントローラーファームウェアはすべて、タッチパネルの全体的なパフォーマンス特性に貢献します。これらの要素を調整することで、雨天時や入力物が導電性でない場合(手袋をした手)など、さまざまな環境でタッチパネルを動作させることができます。

調整は複雑な最適化問題であり、性能を向上させることはできますが、常に完璧にできるとは限りません。タッチパネルは、柔軟性を最大化するために、既知の顧客環境に合わせて特別に最適化することができます。

タッチパネルサプライヤーによる継続的なイノベーションのこの分野において、新製品は顧客に対応するための最善のソリューションを活用していきます。

機械的強度と耐久性

センサー自体が静電容量式タッチパネルの機能的側面を提供する一方で、カバーガラスは構造と機械的耐久性を提供します。カバーガラスはセンサーの2倍の厚さであることが多いですが、一部の産業用途ではさらに厚くなります。

センサーとカバーガラスは通常、光学透明粘着剤(OCA)を使用してラミネートされており、これによりセンサーに均一な機械的強度が与えられます。カバーガラスの強度は、「化学強化」ガラスの導入により過去10年間で向上しました。このタイプのガラスは、タッチパネルが破損せずに曲がる能力を高め、傷にも強くなります。曲げ強度は、さまざまな高さからの落下に耐える必要がある製品を開発する際の重要な特性です。

落下時には製品の構造が変形し、タッチパネルが曲がりますが、化学強化ガラスで構成されたタッチパネルは、カバーガラスにひびが入ることなく、より大きな曲げに耐えることができます。さらに、化学強化ガラスは非強化ガラスと比較して表面硬度が高く、その結果、比較的高い耐傷性を備えています。

化学強化ガラスのメーカーは多数存在しますが、Corning Gorilla Glassが現在最も耐久性が高いと考えられています。

メーカーは、顧客の声に基づいて新製品に使用するタッチパネルのタイプを選択し続けています。現在のトレンドは、直感的なユーザーインターフェースと環境への柔軟性に対する顧客ニーズを示しています。これらのニーズにより、静電容量式タッチパネル(水の除去と手袋での操作が可能)が現在の製品ロードマップを支配するようになりました。その結果、抵抗膜式タッチパネルの統合は減少していますが、低複雑度のユーザーインターフェースを利用するデバイスにおいてニッチな役割を果たし続けています。

タッチパネルの種類とテクノロジーに関するより詳細なガイドを作成しました。