タッチパネル

タッチパネルは、ガジェットと呼ばれる携帯小型電子装置、銀行のATMや切符自動販売機、POSなど多くの装置で用いられています。
ここでは、タッチパネルの技術的な内容について紹介します。

基本的なタッチパネルについて

タッチパネルの動作で最低限要求されることとして、表示が見える状態で、どの位置を、タッチしたかを判別することが必要となります。

タッチパネルは表示装置をタッチしているように見えますが、タッチパネルとLCDやCRTなどの表示装置は別々の部品であり、2つのモジュール部品を組み合わせ（張り合わせ）、1つのケースに収められて使用します。
※表示装置とタッチパネルは別々の部品なので、表示とタッチパネルのタッチ位置とを合わせる為の調整（アジャスト）方法がタッチパネル側に必要です。

タッチした位置を検出する原理に、電気的にタッチを検出するものと、電気を用いないでタッチを検出するものがあります。
非常に大ざっぱに分類すると

・電気的なスイッチやスイッチに相当する部分を他の手段に置き換えたもの
・電気的スイッチを用いずに、物理的な振動や光学的にタッチを検出するもの
・その他、空間的に画像認識や測定を行うもの

などが考えられます。

タッチパネルの動作の詳しい仕組みについては「タッチパネルの詳しい仕組み」をご覧ください。

　

各種方式により、それぞれ強い条件や弱い条件がありますので、それぞれの方式の特性を理解した上で、業務や環境にあわせて機器を選定ください。
タッチパネルは現在も改良が続けられており、各社とも常に製品改良されています。
本記述も随時更新を行っておりますが、新しい製品や技術情報につきましては、メーカーページ等をご覧ください。

各方式による比較

各方式をわかりやすいように、比較してみました。
同じ方式であっても、メーカーや製品ごとに特性や性能は大きく異なり、またそれにより価格差もあります。
各方式とも日々改良されていますので、下記分類はかなり大雑把な評価ですが、あくまで参考程度にごらんください。

抵抗膜方式（アナログ抵抗膜方式）

抵抗膜方式タッチパネルは、ベースとなるガラス面の表面に非常に小さなスペーサ(5〜10μ）をはさみ、その表面にしなやかなフィルム(200μ程度のPETシート)が貼り付けられます。
ガラス及びフィルムの向かい合う面には、ITO(Indium Tin Oxide)と呼ばれる透明な電極格子が設けられています。

タッチしていない状態では、微小なスペーサにより2枚の電極は接触していないために、電流は流れません。
フィルム面をタッチすると、圧力によりフィルムがたわみ、ガラス面の電極と接触し、電気が流れます。
ガラス面、フィルム面それぞれの透明電極の抵抗による分圧比を測定することで押された位置を検出します。

以前は寿命や透過率など抵抗膜の問題もありましたが、近年は改良が進み、構造が簡単で量産されているために比較的安価な方式です。

4線式と呼ばれる抵抗膜方式は、ガラス面及びフィルム面には縦及び横の直交する透明な電極格子が設け 、タッチにより通電される交点によりタッチ位置を求めます。
抵抗膜方式の中で現在主流の方式では、5線式（以上）と呼ばれる方式がおおくなってきています。

5線式タッチパネルとよばれるタッチパネルは、ガラス面の4隅の電極と表面電極の抵抗幕で構成され、同様の動作となります。
8線式と呼ばれるタイプも販売されています。

低価格な抵抗膜製品として、両面ともフィルムベースで構成され、表示面のガラスに貼り付けるタッチシートタイプも存在するようです。
出荷量的には、現在最も多く出回っている方式です。

　

表面型静電容量方式　(Surface Capacitive Type)

静電といっても洋服や ドアノブ、車に乗った時のパチッと くる静電気のことではありません。。。。。
指で触れることで、表示パネルの表面から電気（電荷）が逃げることを捕らえることによる位置検出方法です。

静電容量式タッチパネルは、5線式抵抗膜タッチパネルに、この原理を合わせた方式と考えると理解しやすいです。
抵抗膜タッチパネルと同様に抵抗膜の両コーナーから高周波電圧をかけます。
抵抗膜に指が近づくと、指との静電容量により、高周波は大地に放電（接地）されます。
抵抗膜を通して２コーナーから流れだす電流は、5線式抵抗膜方式の考えと同じく、接地点に比例しますのでタッチ位置を計算できます。
これをX、Y2方向切り替えてから検出することで、2Dとして位置検出が可能となります。
抵抗膜面が固定した1面で良いため、透過性や耐久性に優れます。

非常に微弱な電流(10〜20μA程度)なので、人体への影響はありません。
アナログ容量結合方式と呼ばれる方式もこの方式です。
作業者が手袋を使用する場合、絶縁によりタッチパネルの表面電荷が変化しにくいため、導電性を持った専用のタッチペンを使用します。
写真はアナログ容量結合方式のタッチパネルL353T[販売終了製品]です。

投影型静電容量方式と混乱しないため、最近表面型と呼ばれるようになってきたために表記を変更しました。(2009/09/30)

　

　

投影型静電容量方式 （Projected Capacitive Type)

この方式では、静電容量方式と同じく、透明電極をタッチすることで、指の静電容量により高周波電流が流れることで位置を検出します。
表面型が、全面均一な抵抗膜から流れだす電流量のアナログ的な比率から位置を求めるのに対して、投影型はタッチをセンスするたくさんの電極パターンを準備しておき、どのセンサ電極が一番大きく反応したかで判断する方法を用います。 （詳しくはこちら）

センサ電極はコンデンサの片側と考え、タッチする指を反対側のコンデンサとして考えることができます。
センサ電極に静電容量が変化する物体（誘電体　実際には指や水など）が近づくと、電極（コンデンサ）の静電容量が増加します。
実際にはこの方式の検出方法はいろいろ考案されており、容量の変化を検出することで、近接する物体を検出できます。

この方式は、多数の独立したセンサ電極パターンを用いるために、複数のタッチを検出することができます。
ただし、センサ電極自体が大きいため、比較的小型画面でタッチポイント数が限られた場合に有効です。スタイラスペンなどによる、手書き漢字入力などの入力はできません。

　

超音波表面弾性波方式

ガラスなどの表面を物理的な振動として伝播する、表面弾性波を使用した方式です。
表面弾性波は、以前よりテレビの内部などで用いられているSAW（Surface Acoustic Wave）フィルタなどとして用いられている安定した原理です。

ガラスはとても硬い物質ですが、（ミクロな視点で見ると、）1箇所をたたくと水面の波紋のようにガラス表面を振動が広がっていきます。
波は一定の速度で直進しますが、壁があると反射して向きを変えることができます。

超音波表面弾性波方式のタッチパネルでは、トランスデューサと呼ばれる振動子で、ガラスパネルの隅に振動を与えます。
送信用トランスジューサから振動が発せられると、ガラス表面の側面を表面弾性波が進行します。
パネル側面の軸には、軸に対して45度の角度を持った共振子が並行して配置されており、並行面で共振しながら一定の時間で順次信号が伝わります。
共振子は45度なので共振方向と90度の方向（表示部）にも表面弾性波は伝わります。
トランスジューサ側の向かい面でも同じく共振子が配置されており、最終的に受信用のトランスジューサに伝わります。
ガラス表面を指でタッチすることで、その部分で表面弾性波の振動（エネルギー）が指に吸収され、送信から時間比率でエネルギーが伝わられなかったポジション の検出ができます。

超音波弾性波検出方式は抵抗膜方式と比べ、タッチセンス部のガラス表面に蒸着幕層ありませんので、透過率、表面反射、タッチ感触などいくつもの面で 優れています。ただし、振動を吸収できない物質（手袋、スティック、爪先など）でタッチした場合、製品によりタッチが行えないものがあります。

現在弊社販売中のタッチパネル社の超音波表面波弾性波方式タッチパネルは、手袋をしていても感知が可能であることの情報を同社よりいただきました。以下に抜粋します。

「手袋の種類に関わらず、タッチ入力可能ですが、ゴム手袋が一番反応が良いです。布手袋の場合は、少し強めに押していただければ反応致します。 」

（後日、テクノベインズにて実際に評価を行いました。）

写真は、タッチパネル社の超音波表面弾性波方式のET1515Lです。
同社のタッチパネルは反射波をアナログ量で捕らえているようです。Z軸の感圧対応とのことですので、手袋などで反射量が少ない場合もタッチの検出が行えると思われます。

弊社で販売しておりましたIiyama社(タッチパネルは富士通製)を試験購入し、弊社社内にてテストした結果、爪や硬い棒など、ガラス表面の弾性波を吸収できないものでタッチした場合は、 タッチがうまく検出できないようです。
また、水滴が残ると水滴により表面弾性波が吸収されてしまうために、タッチ検出に障害が発生する場合があります。
このようなタッチパネルの場合は、厨房業務や食品加工、医療現場、倉庫出荷業務などなど、ぬれた手でタッチしたり、手袋をはめたままでの業務には適しません。

　

音響パルス認識方式

音響パルス認識(APR: Acoustic Pulse Recognition)方式は、超音波表面弾性波方式 と同じく、ガラス表面を伝播する音響波（タッチしたときに発生する振動）を利用して、タッチ位置を検出する方式です。(elo社製品 読み方はイーロです。念のため...。)
レールに耳を当てると、遠くを走っている列車の音でも聞こえるといわれます。ガラスや金属などの硬い物質表面は、振動をよく伝えます。
この方式では、タッチした際に発生するガラスの表面振動（音響パルス波：簡単に言うと叩いた音）を、タッチパネルのガラス表面の周囲4箇所に配置したピエゾセンサにより受信します。物質中を進行する波の速度は、材質により一定の時間がかかるため、センサ位置を不均等に配置することで、タッチした位置から伝播する波の到達時間が各センサで異なることを利用して、4箇所のセンサ信号を元に音響波の発生元（タッチ点）を求めます。
また、各センサからの入力はデジタルフィルタで処理しているとの事で、ガラスの固有振動やタッチ波形などの条件をフィルタ条件とすることで、タッチ以外に発生するガラス面の振動による誤入力をキャンセルしているようです。
高速度で演算処理が行えるCPUを利用することで、実現が可能となった方式です。

超音波や静電容量方式など、近年開発されているタッチセンサが苦手としているプラスチック材などでのタッチ検出も行えるため、運用面において手袋、長い爪、義手など、いろいろな方が利用する公共場所での利用などにも適しています。
特性面では、表示面がガラスのみであるため、透過性、色再現性などが非常に高く、LCDの特性に近い再現性を持ちます。
また製造面においても、ガラス面に対する金属膜の蒸着やエッチングの加工が無いために、耐久性、静電気からの保護、温湿度変化などに強く、精密加工が少ないため、今後の量産での低価格化が期待できる方式です。
（現時点ではまだ専用コントローラチップ等を開発中のようです。）

欠点として、ガラス面のタッチ波動を検出するために、LCDやベゼルなどタッチパネルと直接接合する物質とは、あらかじめ組み合わせた状態で工場キャリブレーション（位置補正）を行う必要があるため、現時点においてはタッチパネル単体での客先組み込みは難しい状態だそうです。

振動検出方式(DST)

この方式は、新しいタッチパネルの方式で、タッチ面のタッチによる物理的な振動を検出し、位置を求める方式です。
32/40/46インチなど大型のタッチパネル用として３M社にて実用化されています。
音響パルス認識方式と考え方は同じではないかと思われます。（弊社推測です。）

• DST（振動検出方式タッチパネル） [3M]
• MicroTouch™ DST Large Format Touch System[3M]

赤外線遮光方式

表示パネルの表面周囲の縦、横壁にLEDを用いた発光側、反対側に受光側を設けます。
画面をタッチする際に光をさえぎることになるので、光がさえぎられた縦横位置から画面のどの部分が押されたか判断します。

画面上には検出素子等が無いために、透過率は100%となります。
タッチ部分である画面と位置センサは異なるために、タッチ自体による寿命の影響はほとんどありません。
埃や昆虫などセンサ光源をさえぎるものに弱いため、使用できる環境が限られます。
また、照明や日光等がパネルセンサに直接入り込む場合、タッチ検出に障害が発生する場合があります。
近年は、この方式の利用は少なくなってきました。

電磁誘導方式

磁界を発生できる特別なペンによりタッチすることで、パネル側でその電磁エネルギーを受け取り、ペンの位置を検出します。
この方式は以前から座標入力装置であるタブレットで多く用いられています。
専用ペン以外では動作しないために、不用意に触ってしまうことでの誤動作がありません。
また、磁界エネルギーが通過できれば、少し離れた位置でセンスすることが可能なので、LCDパネルの裏側にタブレットを配置することで、センサーの影響なしにLCD表示を行うことができます。
最近多くのTablet PCで採用されています。
指で押す動作では使用できないために、応用範囲は限定されます。

画像認識方式

画面近くの主にコーナーに配置された複数個（通常3〜4個）のイメージセンサで、タッチする指などの画像を撮影し、その画像解析結果からタッチ位置とタッチしたことを判断します。
実現方法は各社で異なると思いますが、主な原理として、2箇所にイメージセンサを設け、その位置からタッチされた場所の角度を求めます。2箇所のセンサ（画面両端 ）で検出された交点角度から、タッチされた位置を計算により求めることができます。（測量で距離を測る原理 とおなじです。）

近年はCMOSカメラなど、小型で非常に安価となってきたため、本方式も実用レベルでの価格帯となり、すでに実際に販売されています。
原理上タッチする材質とは別の装置であり、タッチされる対象を選びませんので、画面のほか印刷された紙や地図などで使用できます。
また、原理上大きな画面に対する場合であってもコスト的な増加要因は少ないため、今後大型表示装置におけるタッチパネルとしての使用に、この方式は増えるものと思われます。

光センサ内蔵LCD方式

他のタッチパネルが、CRTやLCDの表示器表面に後付加工（取り付け）するのに対して、半導体レベルの超微細加工により実現できたLCD自体が直接イメージセンサとなる方式である。
LCDのTFTアクティブマトリックスでは、LCDの各セルごとにドットをON/OFFするための制御回路が設けられている。
各セルの制御回路に、光を検出する機能を設けることで、LCD自体を巨大な平面イメージセンサとできるLCDが開発された。
LCDの各ドットにレンズはないため、LCD表示面に密着させた原稿の反射を直接読み取る、コンタクトタイプのイメージスキャナとなる。
イメージスキャンの場合、LCD表面におかれた原稿をスキャンするため、全画面を白表示（全透過）とし、表示用バックライトの反射光をスキャンすることで イメージを検出することができる。
しかし、タッチスクリーンとした場合、タッチを検出するため光源はどうなるのか不明である。（真っ黒な表示画面の場合、タッチ検出ができるのか?）
また、表示とスキャンは同じマトリクス配線を使用していると予想されるので、タッチスクリーンとするためには、表示とイメージスキャンを交互に切り替える必要があるために、映像品質を維持したまま、実際にどの程度のレスポンスが得られるか興味のあるところである。
また、タッチ検出には光を反射が必要であるため、PDAなどのような細いペン先でのタッチは、ペン先が光を強く反射する工夫などが必要であると思われる。（もしくはペン先が光る。）
通常のLCDを超える密度での製品となるために、LCD以上の生産技術や生産設備、パテントが必要であり、コストも上がるために、限られたメーカーでの生産となり、汎用的な製品化は難しいと思われるが、携帯電話のタッチ画面など、一括大量生産型の製品には期待できると思われる。
また、今回タッチパネルの原理としてこのページで述べた中で、同時に多点入力ができる唯一の方式であり、今後の実際の製品への応用に注目したい。

• タッチパネルやスキャナなどの入力機能を搭載した「光センサ内蔵システム液晶」を開発し量産へ [シャープ]
• タッチパネル機能を内蔵したインプットディスプレイ [東芝松下ディスプレイテクノロジー]

　

その他注意点など

抵抗膜式タッチパネルは2枚の電極がわずかな隙間で向かい合っています。
パネルをタッチすると、わずかですが押さえられた部分が沈みます。
画面の周囲のエスカッション（表示装置の画面周囲枠）に小さなごみがたまっていた場合、抵抗膜式タッチパネルにおいて、エスカッションぎりぎりをタッチすることで、わずかな隙間に入り込む場合があります。
近年のLCDは、画面表示をエスカッションの縁ぎりぎりまで使用している場合が多くなっています。
その場合、画面ドットが周囲にまであるため、画面のほぼ全域をタッチ検出範囲とする必要があります。
特に、Windowsスタートボタンやアプリケーションのファンクションキーなど、画面の最下位置にタッチボタンを表示する場合が多く、 繰り返してタッチする間に、異物が少しずつ侵入し（タッチパネルとエスカッションの間に挟まり込み）、タッチし続けた状態になる場合があります。
この障害が発生し始めは、ON/OFFぎりぎりの状態でタッチするため、LCDの温度変化（膨張）による影響が出やすくなります。

弊社お客様のパン屋さんで、非常に細かなフランスパンの皮やパンの切り粉などが挟まり、タッチ検出位置がずれる障害が発生しました。