タッチパネルの種類、歴史、仕組み

タッチスクリーンは、より直感的で直接的なデバイスとの対話を可能にし、スマートフォンから自動精算機まで、現代社会でユビキタスになっており、その普及によってテクノロジーとの関わり方が変化しています。

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タッチスクリーンとは？

タッチスクリーンは、ディスプレイ入力インターフェースであり、一般的には透明なディスプレイスクリーンで、スクリーン表面のタッチ入力を識別することによって、ユーザーがデバイスと対話することを可能にします。タッチスクリーンの大部分は、人体の電気的特性、特に指先の導電性を利用してタッチ入力を検出します。この導電性により、デバイスはタッチを入力として認識し、登録することができます。

広く利用されている2つのタッチスクリーン技術、すなわち抵抗膜方式と静電容量方式は、LCDやOLEDなどの電子ディスプレイの上にタッチパネルを設置し、タッチ操作を検知できるようにするものです。ユーザーは、選択、スクロール、ズーム、描画、スライドなど、さまざまな操作を行うことができます。

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タッチスクリーンの主な利点の1つは、マウス、キーボード、物理ボタンなどの従来の入力デバイスが不要になることです。タッチスクリーンでは、指やスタイラスを使ってタップ、スワイプ、ピンチ、スライド、ズームなどの操作を行い、デジタルコンテンツに直接触れることができるためです。特に、スマートフォンやタブレット端末のような小型の端末では、従来の入力デバイスが実用的でない場合があります。

タッチスクリーンの種類例

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タッチスクリーンの歴史

タッチスクリーンの歴史は、制御盤やその他の特殊なアプリケーションに使用するために初期のタッチベースの入力デバイスが開発された1960年代に遡ります。この年表では、タッチスクリーンの開発初期から現在に至るまで、重要な出来事や革新的な技術をご紹介しています。

タッチパネルディスプレイの歴史を年表で振り返る

発明者・所属団体	意義	年
レオン・D・ハーモン ベル・テレフォン・ラボラトリーズ社（AT&T）	初のスタイラスタッチスクリーン。	1960
E.A. ジョンソン 英国王立レーダー研究所	初の指で操作するタッチパネル。	1965
サミュエル・ハースト博士 Elographics Inc	初の抵抗膜方式タッチパネル（透明ではない）。	1971
イリノイ大学	赤外線センサーとフォトトランジスタを用いたタッチパネル。	1972
フランク・ベック＆ベント・シュトゥンペ CERN	初の静電容量式透明タッチパネル。	1973
サミュエル・ハースト博士 Elographics Inc	初の抵抗膜式透明タッチパネル。	1974
インプット・リサーチ・グループ トロント大学	初のマルチタッチスクリーン。	1982
アイビーエム	IBM Simon - スタイラスで操作する抵抗膜式タッチスクリーンを備えた初の携帯電話。	1994
エルジー	LG KE850 Prada - 静電容量式タッチスクリーンを搭載した初の携帯電話。アップルが初代iPhoneを発表したのは、その1カ月後だった。	2006

1960年-- 初めて記録されたタッチスクリーン（スタイラスで駆動する）。

ベル・テレフォン・ラボラトリーズ社（現AT&T）は1960年に、タッチスクリーンの初期バージョンの一つを発表し、これは後に1962年に米国特許第3016421A号として特許登録されました。 このタッチスクリーンは、表面に真下から照射される直線状の光のグリッドを採用しており、指ではなくスタイラスのみで操作するように設計されている。グリッド内の光線がスタイラスの接触によって遮断されると、光検出器がタッチを検知する仕組みとなっている。

1965年--初めて指で操作するタッチスクリーンを開発。

イングランドのマルバーンにある王立レーダー研究所に所属していたエリック・ジョンソンは、交通管制を支援するために、指で操作できる世界初のタッチスクリーンを開発した。 静電容量式タッチスクリーンに関する彼の研究は、1965年に初めて報告され、その後1967年に発表された論文で写真や図解を用いて詳細に解説された。彼は1965年に英国で特許（GB3352465）を出願し、1969年には米国特許US3482241Aが認可された。

1971年--初の抵抗膜式タッチパネルを開発。

サミュエル・ハースト博士は、1971年に、透明ではないが、最初の抵抗膜式タッチスクリーンを開発したとされている。1974年には、透明なタッチスクリーンを開発しました。

1972年--赤外線センサーとフォトトランジスタを搭載したタッチスクリーン。

1972年、イリノイ大学は、教育現場で使用されていた「PLATO IV」と呼ばれる端末システム用のタッチスクリーンを開発した。このタッチスクリーンは、画面の縁にLEDとフォトトランジスタで構成された16×16の赤外線センサーアレイを備えており、物体が画面に近づいた際にタッチを検知することができた。

1973年-- 初の透明な静電容量式タッチスクリーン。

70年代初頭、CERN（欧州原子核研究機構）の2人のエンジニア、フランク・ベックとベント・スタンペは、スタンペが1960年代初頭にテレビ工場で行っていた仕事をもとに、シースルーのタッチパネルを作りました。CERNは1973年に製造を開始しました。

1974年--初の透明抵抗膜式タッチパネル。

サミュエル・ハースト博士は、透明な表面を備えた最初の抵抗膜方式タッチスクリーンを開発し、自身が設立したエルオグラフィックス社（Elographics Inc.）の名義で特許出願（US3911215A）を行い、1975年に特許を取得した。

1982年-- マルチタッチ技術。

1982年、トロント大学のInput Research Groupが、曇りガラスのパネルとその背後に配置されたカメラを使って、最初のマルチタッチタッチパネルシステムを作り、マルチタッチ技術の始まりとなったのです。

80年代前半～90年代後半-- タッチスクリーンのジェスチャーを使った機能とその開発

80年代から90年代にかけて、タッチスクリーンの精度と機能性を高めるための研究が進められ、スライド、スワイプ、タップクリック、リフトオフ、マルチタッチなど、ジェスチャーを使ったさまざまな機能が盛り込まれた。

2000年～現在--静電容量式タッチパネルの世界的な普及と発展

タッチパネルは60年代から存在し、80年代から90年代にかけて大幅な改良が加えられたが、携帯電話やノートパソコン、タブレット端末などの家電製品に広く使われるようになったのは2000年代に入ってからである。その背景には、静電容量式タッチパネルなどの新技術が開発され、より正確で応答性の高いタッチ入力が可能になったことがあります。

DisplaySearchの調査によると、2018年の世界出荷台数のうち、静電容量式タッチスクリーンが70％以上を占め、抵抗膜式タッチスクリーンはわずか3％であることが明らかになりました。

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タッチスクリーンはどのように機能するのでしょうか？

タッチスクリーンディスプレイの主要な構成要素は、タッチセンサー、コントローラー、およびソフトウェアです。タッチセンサー（タッチパネルとも呼ばれる）は、電流、電圧、静電容量、抵抗などの電気的特性の変化を検知する感応面から構成されています。 ハードウェア部品であるコントローラは、タッチパネルが検知した電気的変化を、タップ、スライド、ズーム、スワイプなどのタッチ操作を解釈するために使用される信号に変換します。最後に、ソフトウェアはこれらのタッチ信号を受信すると、それらを処理して特定の機能を実行することで反応し、必要に応じてデバイスに指令を送信し、モーターの作動、画面情報の変更、機器のシャットダウン、輝度の調整、音量の上げ下げなどの動作をトリガーします。

タッチパネルのしくみ：ステップバイステップ

1. タッチセンサーの起動 - ユーザーがタッチセンサーの表面に触れることで、電流、電圧、静電容量、抵抗などの電気的特性に変化が生じます。
2. コントローラ処理- ハードウェアコントローラは、タッチパネルの電気的変化を検出し、特定のタッチジェスチャー（タッチ、スライド、ズーム、スワイプなど）を識別して信号に変換し、ソフトウェアに送信します。
3. ソフトウェア応答- ソフトウェアがタッチ信号を受信し、特定の機能またはタスクを実行するために処理します。

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タッチパネルの種類

タッチパネルは抵抗膜方式と静電容量方式の2種類が一般的ですが、他にも様々な種類があり、それぞれに特徴や機能性があります。

タッチスクリーン技術

• 抵抗膜方式
• 静電容量方式
• 投影型静電容量方式（P-Cap)
• 赤外線
• SAW（Surface Acoustic Wave）：表面弾性波
• 光イメージング

もっと詳しく知りたい方はこちら液晶ディスプレイの種類

抵抗膜方式タッチパネル

抵抗膜方式のタッチパネルは、画面にかかる圧力を検知することで動作します。ポリエステルとガラスからなる2つの柔軟な層で構成され、ITO（酸化インジウムスズ）などの導電性材料の薄い層でコーティングされているのが一般的です。この2つの層は、小さなスペーサードットで隔てられています。

スクリーンに圧力をかけると、上部の柔軟な層が下部の層に向かって押し出され、2つの導電層が接触します。この物理的な接触によって電気抵抗が変化し、タッチスクリーンのコントローラーがそれを処理してタッチの正確な位置を特定します。

抵抗膜方式のタッチパネルは比較的安価で、指やスタイラス、手袋など様々な入力デバイスで操作することができます。しかし、他のタッチスクリーン技術に比べ、感度と鮮明度が低い傾向にあります。

メリット

厚手の手袋、ペン、スタイラスを装着したまま操作できます。コストパフォーマンスに優れ、ほこりや湿気にも強いので、産業用や屋外での使用に最適です。

デメリット

入力を認識するには一定の圧力が必要です。解像度が低く、マルチタッチの対応も限定的です。頻繁に使用すると寿命が短くなります。ユーザー側で追加の設定作業が必要となります（コントローラーが内蔵されていません）。

ユースケース

分厚い手袋の着用が求められる産業用機器、キオスク、屋外設備などで広く使用されています。

静電容量式タッチスクリーン

静電容量式タッチスクリーンは、スクリーンの表面に触れたときに、スクリーンの静電場によって引き起こされる静電容量の変化を識別し、反応する。

ユーザーが導電性素材でできた指やスタイラスでスクリーンに触れると、接触点でスクリーンの静電容量に変化が生じます。この変化を静電容量式タッチコントローラーが検知し、入力を処理してタッチイベントの正確な位置を決定します。

静電容量方式のタッチパネルは、感度、精度、応答性が高いため、スマートフォンやタブレット端末などの電子機器に広く使われています。また、マルチタッチに対応しており、ピンチやズームなどのジェスチャーを複数の同時タッチ入力で行うことができます。しかし、手袋や通常のペンのような非導電性の素材は、スクリーンの静電場と相互作用しないため、うまく動作しない場合があります。

メリット 

より鮮明な画質、高速な応答性、マルチタッチ対応。コントローラー内蔵。

デメリット

厚手の手袋を着用するとうまく機能しません。湿気に弱く、価格も高めです。

ユースケース

スマートフォン、タブレット、そして最新の家電製品のインターフェースで広く採用されています。

投影型静電容量方式（PCAP）

投影型静電容量式タッチスクリーンは、タッチ入力を検出するために電極のグリッドを使用します。電極は通常、透明な導電材料でできており、ディスプレイを覆うガラスやプラスチックの薄いシートに配置されています。

指やスタイラスがタッチスクリーンの表面に触れると、電極間の静電容量が変化し、それをコントローラー回路が検出します。そして、コントローラーは静電容量の変化からタッチした位置を計算し、対応する入力をデバイスに送ります。

投影型静電容量式タッチスクリーンは、その高い精度、感度、耐久性で知られています。スマートフォンやタブレット、その他の電子機器に広く採用されています。また、マルチタッチ操作にも対応しており、ユーザーは2本以上の指を同時に使ってデバイスとやり取りすることができます。

メリット

耐久性に優れたガラス表面。保護フィルムの上からでも使用でき、フルマルチタッチに対応しています。

デメリット

素肌、専用のスタイラス、またはニトリル手袋が必要です。コストが高く、干渉の影響を受けやすい。

ユースケース

医療分野、ハイエンド産業分野、および一般消費者向け製品に使用されています。

静電容量方式と投影型静電容量方式の違い

静電容量方式と投影型静電容量方式のタッチスクリーンの主な違いは、電極の構成と配置の方法です。一般的に投影型静電容量式タッチスクリーンの方が高感度で正確なため、スマートフォンやタブレット、産業用制御パネルなどのハイエンドアプリケーションに適しています。

抵抗膜方式と静電容量方式のタッチスクリーンの違いについて解説した記事をご覧ください。これら2つの主要なディスプレイ技術について、さらに詳しく知ることができます。

IR（赤外線）タッチスクリーン

赤外線タッチパネルは、発光ダイオード（LED）と受光素子を格子状に配置し、タッチ入力を検出する。LEDは赤外線を放出し、画面の縁に水平・垂直方向に配列されています。LEDの反対側にある受光素子は、この赤外線を連続的に受光します。

ユーザーがスクリーンに触れると、指やスタイラスが赤外線ビームを遮り、グリッドに切れ目が生じます。そして、中断された特定のビームをもとに、タッチポイントの座標を計算します。この情報はデバイスの処理ユニットに送られ、処理ユニットはタッチ入力を解釈して対応するアクションを実行します。

赤外線タッチパネルは、傷や埃、水などに強く、耐久性が高いという特長があります。また、タッチを登録するために圧力をかける必要がないため、スタイラスや手袋をした手など、ほとんどすべてのものに対応することができます。IRスクリーンは、スクリーンの上に余分なガラスやフィルムの層を持たないため、驚くべき光透過率と画質を持っています。しかし、明るい日差しの下では機能性が低下するため、一般的には屋内で使用されます。また、高さが制限される場合があるため、大きな画面サイズに最適です。

メリット

圧力や直接的な接触を必要とせず、赤外線ビームを遮断することで入力を検知します。さまざまな入力方式に対応し、優れた精細度を実現しています。

デメリット

ほこりや破片の影響を受けやすい。ベゼルが必要であり、それによってサイズが大きくなる。

ユースケース

キオスク、看板、大型インタラクティブディスプレイなどで使用されています。

SAW（Surface Acoustic Wave）：表面弾性波

表面弾性波（SAW）タッチスクリーンは、タッチ技術の一種で、超音波を利用してスクリーン表面のタッチ入力を検出するものである。スクリーンはガラスなどの透明な素材の層で構成され、ガラス層の表面には薄い反射材の層があります。

画面の四隅に設置された振動子から発生した超音波を、ガラスの表面に送り込みます。指やスタイラスなどが画面に触れると、超音波の一部が吸収され、波形の乱れが発生します。トランスデューサはこの乱れを検出し、タッチ入力の場所と種類を計算することができます。

SAWタッチスクリーンは、高い透明度、耐久性、信頼性など、いくつかの利点があります。また、反応性が高く、軽いタッチやジェスチャーでも検知することができます。しかし、他のタッチスクリーンよりも高価であり、大量の汚れ、埃、水などが懸念される過酷な環境での使用には適さない場合があります。

メリット

指や柔らかい物で軽く触れるだけで、正確に動作します。

デメリット

手袋での取り扱いはできません。汚染物質に敏感であるため、清浄な環境での取り扱いが必要です。

ユースケース

屋内のキオスク、券売機、案内端末に最適です。

詳しくはこちら 透過型、反射型、半透過型ディスプレイの比較

光学式イメージングタッチスクリーン

光学式画像処理タッチスクリーンは、カメラのようなセンサーと画像処理アルゴリズムを用いて、赤外線タッチスクリーンと同様にタッチ入力を検出する。ユーザーがタッチスクリーンの表面に触れると、センサーはタッチの圧力と動きによって生じる光と影の変化を検出します。

光学式タッチスクリーンは、他のタッチスクリーンのように物理的な接触による摩耗や損傷の影響を受けにくいため、耐久性に優れていることで知られています。公共施設のキオスク端末やインタラクティブ・ディスプレイ、ゲーム用途などによく使われています。しかし、他のタイプのタッチスクリーンと比べると反応や感度が悪く、マルチタッチジェスチャーに対応していない場合があります。

メリット

どのような入力にも対応しています。大型ディスプレイにも適しており、鮮明さを保ちます。

デメリット

入力が小さい場合は精度が低下する。周囲の光の影響を受けやすく、センサーを設置するためのスペースが必要となる。

ユースケース

会議用ディスプレイ、ホワイトボード、公共のキオスクなどで使用されています。

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今後の展望：タッチスクリーン技術の次なる展開は？

タッチスクリーン技術は、表面での操作からシームレスな統合へと移行しつつあります。インセルおよびオンセル方式では、タッチ層をディスプレイに直接組み込むことで、薄型化と視認性の向上を実現しています。また、フレキシブルで曲げられるスクリーンは、特にウェアラブル機器や次世代インターフェースにおいて、デザインの可能性を広げつつあります。

今後、ベゼルレスのインフィニティディスプレイや、あらゆる表面をスクリーンに変える投影型タッチシステムが登場することで、ディスプレイがもはや固定されたものではなくなる未来が示唆されています。こうした革新技術が成熟するにつれ、性能、耐久性、コストのバランスをどう取るかが課題となるでしょう。

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結論

タッチスクリーンは、産業用システムから民生用電子機器に至るまで、あらゆる分野を支える現代技術の中心的存在となっています。静電容量式や抵抗膜式のタッチスクリーンが主流となっていますが、赤外線式、表面弾性波式、光学式などの他のタイプも、特殊な環境において引き続き重要な役割を果たしています。

それぞれの技術には、その使用方法や用途によって形作られる独自の強みがあります。タッチインターフェースの適応性と統合性が高まるにつれ、ユーザーや業界のニーズの変化に応えるため、製品設計におけるその役割はますます拡大しています。ニューヘイブン・ディスプレイは、メーカーがこうした選択肢を検討できるよう支援し、信頼性が高く機能性に優れ、長期的な成功を見据えて設計されたタッチソリューションを提供しています。

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