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技術概要

さまざまな一般的なタイプのタッチスクリーン技術とその操作方法の紹介。各テクノロジーの長所と短所についても説明し、特定のアプリケーションでどのタイプを使用するのが最適かについて理解を深めます。

タッチスクリーン技術はすべて同じ機能を提供しますが、タイプとその操作方法はかなり異なります。それらはすべて特定の利点と欠陥があり、さまざまなタイプのテクノロジーとその運用上の考慮事項に完全に精通していない限り、特定のアプリケーションに適切なタイプを選択するのは難しい場合があります。このホワイトペーパーは、一般的なタイプのタッチスクリーンテクノロジーの概要と、それらの長所と短所を提供することを目的としています。グラフィックが不足していることをお詫びしますが、これらの提出物にはサイズ制限があります。

これは、主に優れた動作特性を持ち、安価であるため、今日使用されている最も一般的なタイプのタッチスクリーンです。抵抗膜方式タッチは、4、5、および8線のバリエーションで利用できます。「ワイヤ」という用語は、インターフェース電子機器に接続するためにケーブルに終端される回路要素の数を示すために使用されます。4線と8線の抵抗膜方式は、8線との動作が似ていますが、実際には4線式のバリエーションです。すべての抵抗技術は同様の構造を持っています。つまり、アナログスイッチです。それらは透明な基板で構成されています-通常、導電性コーティングが施されたガラス、その上に柔軟な透明スイッチ層が貼り付けられています-通常、同様の導電性コーティングを施したポリエステルフィルムです。この周囲貼付スイッチ層は、非常に小さな「スペーサードット」で基板から物理的に離して保持されています。抵抗膜方式タッチセンサーをライトにかざすと、通常はそれらを見ることができます。センサーをアクティブにするには、指またはスタイラスでスイッチ層に圧力を加え、スペーサードットの間にある柔軟なポリエステルを基板に接触させます。4線式技術では、タッチの位置は電圧降下測定によって取得されます。基板層とスイッチ層はどちらも透明導電性スパッタコーティングされており、通常は酸化インジウムスズ(ITO)であり、通常15〜1000オーム/平方の低いシート抵抗を提供しながら非常に透明であるため好ましい。ほとんどの抵抗膜方式タッチスクリーンは、耐久性と光透過性の間の良好なトレードオフであるため、約300オーム/平方のITOコーティングを使用しています。これらの2つの層のそれぞれの上に塗布されるのは、通常、導電性銀インクで遮蔽されるエッジにある導電性バスバーです。1 つのレイヤーでは、これらのバーが X 平面要素に対して上下に垂直に配置され、もう 1 つのレイヤーでは、Y 平面要素に対して上下に配置されます。したがって、4本のバーが4本のワイヤーで接続されています。コントローラインターフェイスは、これらのプレーンの1つのバーに電流を流します-たとえば、Xプレーンは左側のバーを通り、右側のバーから出て行きます。この電流がX-Plane基板上のITOコーティングの300オーム/正方形のシート抵抗を流れると、2バール間に電圧降下が生じます。X層とY層を短絡させるために圧力がかかると、電圧がYプレーンによってピックアップされ、コントローラインターフェースによって測定されます。Xプレーン上のいずれかのバーに近づくほど、電圧は高くなるか低くなるため、X座標が決まります。Y座標を取得するには、同じ操作が順番に行われますが、今回はXプレーンが電圧測定値をピックアップしてYプレーンに電力を供給します。4 ワイヤ技術は、電圧動作であり、多くの電流を必要としないため、非常に低い電力で動作できるため、ポータブルバッテリ駆動デバイスでの使用に適しています。また、センサーの表面のほとんどを、タッチを感知できるアクティブエリアとして使用できるという利点もあります。銀色のバスバーは、端で多くのスペースを占有しないように非常に狭くすることができます。また、銀インクの接続トレースウェイは、UV誘電体製造によって分離された上に層状にすることができ、非常にコンパクトな構造になります。これは、サイズが非常に限られているハンドヘルドデバイスなどのアプリケーションでも重要な考慮事項です。4線は電圧動作であるため、導電層の電気的特性にばらつきがなく、これらのX層とY層からの電圧読み取り値が変化してタッチポイントの位置ドリフトが発生します。いくつかの要因がこれを引き起こす可能性がありますが、最も一般的な要因は、環境条件からのセンサーの加熱と冷却です。これは、極端な温度変化や、12.1インチ以上のセンサーなどの大きなフォーマットサイズでのみ顕著な問題になります。6.4インチ以下の小さなフォーマットでは実際には目立ちません。4線式の本当の問題はセンサーの寿命です。それはそれほど良くありません。通常、指の操作で同じ場所で400万回以下のタッチが期待できます。スタイラスでは、それははるかに悪いです。4線式センサーは、細かい点スタイラスを数回ハードストロークするだけで破壊できます。これは、ポリエステルスイッチ層のITOが脆いためである。ITOはセラミックであり、曲げすぎるとひび割れや「破断」が起こりやすくなります。この亀裂は通常、スペーサードット間の基板層に繰り返し屈曲して電気的接触を行うため、ポリエステルスイッチ層で発生します。特にアプリケーションのエンターボタンなどの使用頻度の高い場所で繰り返し曲げると、ITOはその領域で破壊し、電流も通さず、そのスポットのシート抵抗が増加します。この損傷は、スタイラスの小さな点によるスイッチ層の曲げがはるかに鋭くなるため、スタイラスを使用するとはるかに速く発生します。これが発生すると、このスポットの上または周辺のXプレーンとYプレーンの電圧測定値が本来よりも高くなり、タッチポイントが実際よりもバスバーから離れているように見えます。この精度の低下は非線形であり、ドリフトの問題を引き起こす可能性があるため、再キャリブレーションでは復元できません。ペンベースのITOポリエステルフィルムなどの新しい技術は、最初にポリエステルにコーティングされた不規則な表面にITOを適用して、ひび割れやすい滑らかな平らなITOコーティングを回避します。これにより問題は改善されますが、修正されません。4線のバリエーションは、「4線式抵抗技術に基づいており、各エッジがタッチスクリーンコントローラの安定した電圧勾配としてもう1つの検出ラインを提供する」と主張する8線式です。追加の4ラインの機能は、駆動電圧によって生成される実際の電圧を取得することであるため、タッチスクリーンコントローラは、過酷な環境への暴露や長時間の使用に起因するドリフトの問題を自動的に修正できます。私は、この操作理論がどのように機能するかについて少し確信が持てないことを認めなければなりません。それは意味のある方法で私に説明されたことはありませんが、私はそれがうまくいくと確信しています。5線式は、ITO破壊問題の真の解決策であると私は考えています。XとYの位置を取得するために電圧に依存するのではなく、電流が流れます。5線は4線の同じスイッチ層で構成されていますが、XバスバーとYバスバーの対向するペアの代わりに、5線は5線のうち4本を表す基板層の四隅に配置された電極を利用します。上部のITOポリエステルスイッチ層は、5番目のワイヤを表す単一のグランドプレーン、つまり5本のワイヤです。コントローラインタフェースは、4つのコーナー電極に低電圧を印加します。接地されたスイッチ層が基板に押し込まれ、電流が4つのコーナーから流れ始めるまで、何も起こりません。センサーの中央に直接触れると、タッチポイントが各コーナーから同じ距離離れているため、コーナーからタッチポイントまでのITOコーティングの両端の抵抗は同じになるため、各コーナーから同じ電流が流れます。コーナーに近づくほど、タッチポイントからコーナーまでの距離と抵抗が減少するにつれて、電流の流れが高くなります。他の3つのコーナーからの距離と抵抗が増加し、タッチポイントが遠ざかるにつれて電流の流れが減少します。各コーナーから流れる電流に応じて、コントローラインターフェイスはタッチポイントがどこにあるかを判断できます。5線は、線形を維持するために電流の流れの実際の値を維持する必要がないため、ITO破砕の影響をほとんど受けません。たとえば、タッチポイントが画面の真ん中にある場合、各コーナー電極に50mAの電流が流れることがあります。これは合計200mAで、各コーナーは全体の25%に相当します。電流の流れが四隅すべてで等しい場合、タッチポイントは中央にある必要があります。ITOが画面の中央で破損し、電流を通す能力の90%を失った場合はどうなりますか。その場合、4つのコーナーを流れる電流はわずか20mAで、各コーナーには5mAが流れますが、これは各コーナーを流れる合計電流の25%を表すため、直線性は同じままです。5線式は、コーナー電流の流れ値を互いにリレーショナルと見なし、リテラル値ではなく4線式の電圧測定値と見なすため、ITOは破壊される可能性がありますが、5線式の直線性に違いはありません。ITOは、スイッチ層が押されたときにコントローラインタフェースが電流の流れを検出できないポイントまでフラクチャする必要があります。典型的な5線式抵抗膜方式は、指を作動させると、同じポイントで3500万回のタッチを達成できます。繰り返しますが、スタイラスを使用すると少なくなります。カナダのD Metroは、ポリエステルスイッチ層をポリエステルよりも硬いガラス/ポリエステルラミネートスイッチ層に置き換える装甲抵抗技術を提供しています。明らかな表面耐久性は別として、より硬いガラス/ポリスイッチ層は、スイッチ層のITO破砕を引き起こすほど鋭く曲がることができず、このタイプのタイプは通常の5線タイプの10倍長持ちします。抵抗技術に必要なITOの2つの層のために、透明性は他の種類のタッチスクリーンほど良くありません。光伝送は通常、抵抗性で約82%です。抵抗膜方式は、ポリエステルスイッチ層が鋭利な物体によって損傷する可能性があるため、一部の敵対的な環境には適さない場合があります。また、ポリエステルスイッチ層は防湿ではなく耐湿性があるため、加熱と冷却を繰り返す高湿度では、水分がポリエステルスイッチ層を通過し、スイッチ層と基板層の間の空域内で凝縮して故障する可能性があります。一部の大判抵抗センサーには、「枕」に問題があります。これは、ポリエステルスイッチ層がガラス基板に対して膨張し、変形または膨らみ、ガラス基板上に平らにない場合です。これは多くの場合、単なる外観上の欠陥ですが、スイッチ層が十分に変形すると、誤ったアクティブ化を引き起こす可能性があります。この問題は、典型的には、ポリエステルがガラス基板と比較してより高い膨張収縮係数を有し、加熱時にガラスよりもサイズが大きくなる加熱および冷却によるものである。光透過率が低いことは別として、A D Metroの装甲抵抗技術は上記のすべての欠陥に対処します。抵抗技術は圧力で活性化されるため、指、重い手袋、スタイラス、または非常に望ましい機能であるその他の器具で使用できます。必要な電力はほとんどなく、信頼性が高く高速です。Z軸に対応しているため、タッチポイントにさまざまな圧力をかけたときに検出できるため、プロセス制御アプリケーションでバルブをすばやくまたはゆっくりと開くなど、タッチボタンに圧力をかけるだけで操作を加速したいアプリケーションがある場合に便利です。汚れの影響を受けず、ステルスな電気動作特性を備えているため、軍事用途で人気があります。

容量性の構造は5線式抵抗膜方式にいくぶん似ていますが、スイッチ層はありません。5線と同様の4つのコーナー電極を備えた導電性コーティング基板のみがあります。使用される導電性コーティングは、通常ITOではなく、容量性技術により適した約2,000オーム/平方のより高いシート抵抗を有するアンチモンスズ酸化物(ATO)です。ATOコーティングには通常、使用中にこすれないように保護するために、約50オングストロームの厚さのケイ酸塩オーバーコートが焼成されています。コントローラの電子機器は、4つのコーナー電極にRF周波数を印加します。活性化は、指の表面とその下のATO表面との結合で画面の表面に指を触れることによって達成され、無線周波数が流れることができる容量結合を作成します。あなたの体はアンテナのようにRFを大気中に放散します。コーナーに近づくほど、より多くの無線周波数がコーナーを流れます。各コーナーからの無線アクティビティを見ることで、コントローラーは指が触れている場所を計算できます。周囲の電磁干渉(EMI)とエリア内の他の無線および電気機器からの無線周波数干渉(RFI)のため、周囲のRFノイズを除去するために多くの信号処理を行う必要があり、コントローラインターフェイスがより複雑になり、より多くの消費電力が必要になります。それにもかかわらず、容量性はまだ比較的高速です。非常に軽いタッチで、ドラッグアンドドロップアプリケーションに最適です。表面がガラスであるため、耐衝撃性があり、ゲーム機などのキオスク用途で広く使用されています。それは約90%の良好な光伝送を有する。指の容量性結合を妨げるほど悪くない限り、汚れや汚染の影響を受けません。重い手袋やスタイラス、ポインティング器具では、コントローラーにつながれて電気的に接続されていない限り、使用できません。指が乾燥しすぎると、良好な容量性カップリングに皮膚の水分が必要なため、機能しない可能性があります。表面に傷がついている場合、傷のある領域でセンサーが故障したり、傷が十分に長い場合は完全に故障したりする可能性があります。EMIとRFIにより、キャリブレーションが外れる可能性があります。Z軸対応ではありません。周囲のEMIとRFIが頻繁に変化し、コントローラインターフェイスが混乱するため、モバイル操作には適していません。RFを放出するため、ステルス操作を必要とする軍事用途には適していません。ハウジングと金属ベゼルがその動作を妨げる可能性があるため、特定の取り付けに関する考慮事項が必要です。投影型静電容量性:近距離場イメージング(NFI)を含む投影型静電容量式は、ITOまたはATOコーティングを施したガラス基板で構成され、X線要素とY線要素で構成されるグリッドパターンを残すためにエッチングされます。一部の設計では、同じグリッドを取得するために目に見えない埋め込み金属フィラメントを使用しています。格子状基板は、格子状基板の表面に接着された保護ガラス板を有する。グリッドに適用される AC フィールド。指または導電性スタイラスがセンサー表面に触れると、フィールドが乱され、コントローラーインターフェイスがグリッド上のフィールドが最も乱されている場所を特定できます。その後、コントローラー インターフェイスはタッチの位置を計算できます。この技術は耐久性が高く、基板グリッドが壊れない限り機能しないほど損傷することはありません。窓越しにタッチを感知できます。それはドアの外で動作することができます。汚れの影響を受けません。手袋をはめた手で使用できます。しかし、それは高価です。解像度は比較的低いです。静電気放電により簡単にザッピングできます。それは本当の触覚を持っていないので、あなたがそれに触れる前に活性化することができます。EMIおよびRFI干渉に敏感であるため、信頼性に問題があります。

この技術は、センサー表面の電気信号処理を必要とせず、導電性コーティングを使用しません。超音波を利用してタッチを感知します。SAWセンサは、圧電エミッタと2つまたは3つのレシーバを周囲に貼り付けたセンサ基板で構成されています。また、センサーエッジの全周に沿って走っているのは、超音波をセンサー面の表面を前後に跳ね返すために使用される反射リッジです。接触を検出するために、圧電トランスデューサは超音波のバーストを送信し、センサーの表面全体にわたって周囲の隆起によって前後に反射されます。音速はある程度一定であるため、周囲の尾根からのすべての反射バーストとともに、音の発信バーストが各受信機に到達する時期がわかります。指やその他の吸音スタイラスがセンサーの表面に接触すると、その音の一部が吸収され、コントローラーが受信機に到着するのを聞くことを期待したときに失われます。これらの欠落しているインシデントは、コントローラーインターフェイスが、これらのサウンドインシデントが予期されたときにレシーバーに到達するのを防ぐために、センサー面のどこにタッチを配置する必要があるかを決定できるようにするものです。この技術は、センサー基板が裸のガラスであるため、97%の光透過率を提供します。また、非常に軽いタッチを提供し、ドラッグアンドドロップ機能に適しています。耐久性が高く、破壊されにくいガラス表面を備えています。手袋をはめた手で動作しますが、硬いスタイラスや音を吸収できない道具では動作しません。ただし、十分に深く引っ掻くと、超音波がガウジの谷に落ちて空間に跳ね返り、傷の片側に死角が生じる可能性があります。超音波を遅くしたりブロックしたりする汚れやほこりの影響を受けやすいです。水滴はその動作を妨げます-昆虫はディスプレイの光に引き寄せられる可能性があります。そのようなガスケットがブロックするので、汚れや湿気から効果的に密閉することはできません 超音波音。連続気泡フォームガスケットは湿気から密閉できず、最終的には汚れで詰まり、超音波の閉塞を引き起こします。湿度と温度の変化は、超音波が伝わる速度に影響を与える空気密度の変化を引き起こし、精度に問題を引き起こす可能性があります。赤外線マトリックス:これは、これまでに開発された最初のタッチ技術の1つです。操作が非常に簡単で、フラットパネルディスプレイに適しているため、タッチの実行可能なソリューションとして戻ってきています。IRマトリックスは、片側に沿って30〜40個のIRフォトエミッタの列が取り付けられ、反対側と上部または下部に沿って整列したIRフォトレシーバーと一致する上部または下部のいずれかが取り付けられたフレームで構成されています。コントローラインターフェイスは、XプレーンとYプレーンの両方でIRエミッタをストローブして、指または任意のタッチインプリメントで壊すことができる光ビームのグリッドを提供します。指またはタッチインプリメントによってタッチが行われると、マトリックス内の1つ以上の光線が壊れ、コントローラーインターフェイスは、それらの特定のビームをブロックするためにタッチが配置されている場所を知ることができます。また、タッチの片側または反対側への光ビームの部分的なブロックにより、コントローラーインターフェイスはかなり高い解像度に解決できますが、スタイラスの直径は、コントローラーインターフェイスが位置の変化を確認するために、少なくとも1つのフォトエミッタ光ビームと隣接する光ビームの一部を遮断するのに十分な大きさである必要があります。数年前のディスプレイは半径曲率が22.5インチ以下の球形CRTであったため、他のテクノロジータイプがオンラインになったため、このテクノロジーは支持されなくなりました。湾曲したCRTディスプレイでまっすぐで平らな光線でIRマトリックスを使用しようとすると、かなりの視差の問題がありました。IRマトリックスタッチスクリーンは、指がCRTの表面に到達するかなり前にアクティブになり、特にコーナーで使用が面倒になります。もちろん、これはもはや今日のフラットパネルディスプレイの普遍性の問題ではなく、IRマトリックスがいくらか復活している理由です。非常に軽いタッチを提供し、ドラッグアンドドロップアプリケーションに適しています。保護ガラス基板なしでフレームバージョンを使用する場合、光伝送は100%であり、どのアプリケーションでも望ましいです。解像度が高く、非常に高速です。急激な温度や湿度の変化の影響を受けません。それは非常に直線的で正確です。ただし、このテクノロジーには触覚がなく、指が画面の表面に接触する前にアクティブになります。厚さとフレーム幅の両方に存在するには多くのスペースが必要なため、フレームを収容するためにディスプレイの特別なハウジング設計が必要になる場合があります。コンポーネント障害のリスクが高い多くのコンポーネント要素があります。光線を遮る可能性のある汚れの影響を受けます。ディスプレイ光に引き寄せられた飛んでいる昆虫は、センサーを誤ってアクティブにする可能性があります。

強化ガラス基板は、多くの用途で重要な要素であり、多くの人にはあまりよく理解されていないため、ここでも触れる必要があります。一般的に使用されている強化ガラスには2つのタイプがあります。最初の最も一般的なものは、一般に安全ガラスと呼ばれる熱強化ガラスです。このガラスは、通常のソーダライムガラスなどのガラスを炉に導入し、溶融近くまで加熱してから炉から取り出し、内核が高温のまま外面を冷却するために急速にエアブラストすることによって作られます。これにより、ガラスの外面が内核に張力をかけられて収縮し、風船を加圧するように非常に強くなります。外面にひびが入ると、張力が解放され、ガラスが爆発して無害な小片になるため、安全ガラスという用語が使用されます。このタイプのガラスは、焼き戻しプロセスによってガラスの光学特性が少し損なわれるため、ディスプレイには適していません。化学強化ガラスは、プロセスがガラスを歪めないため、ディスプレイ目的にはるかに適しています。通常のソーダライムガラスを摂氏約500度の硝酸カリウム浴に8〜16時間浸します。塩分子とカリウム分子の交換はガラスの表面で行われます。お風呂が長いほど、交換は深くなります。結果として生じる分子交換の表面は、20,000〜50,000 PSIの表面張力、または通常のアニールソーダライムガラスの最大6倍の強度をもたらします。熱強化ガラスとは異なり、化学強化ガラスを切断することはできますが、端から約1〜1.5インチで強化特性が失われ、小型センサーには役に立ちません。小さなフォーマットの強化ガラスセンサー基板が必要な場合は、最初にガラスをサイズにカットしてから、化学的に強化してエッジも処理する必要があります。また、熱焼戻しとは異なり、化学強化には厚さの制限がありません。熱焼戻しでは、厚さが3mmを下回ると、コアが冷却されないと外面を十分に速く冷却することが困難になるため、厚さ3mm未満では適切な表面張力が得られなくなります。4線式または8線式抵抗センサーの基板には、基板層の作成時に加熱を必要としない銀インクと誘電体で処理されているため、熱強化ガラスまたは化学強化ガラスを使用できます。銀のパターン化とトレースウェイの処理は、5線式と容量性の適切な動作に必要な低い内部抵抗を提供する銀金属から行われるため、5線式または静電容量技術に熱強化ガラスまたは化学強化ガラスを使用することはできません。銀は焼成プロセスでITOガラスに溶かす必要があります。この焼成により、熱強化ガラスの表面張力が解放され、化学強化ガラスの表面張力が大幅に低下します。5線式または静電容量式に適切な強化基板が必要な場合は、熱強化または化学強化の背面ガラス板をセンサー基板にラミネートして、5線式センサーに強化キャリアを提供する必要があります。すべてのタッチスクリーンテクノロジーとその長所と短所について説明することはできませんでしたが、ニーズに最適なタイプを指定できるように、より一般的に利用可能なタイプについて十分な情報が提供されていることが期待されます。