タッチパネルはなぜ指に反応する? 静電容量方式のしくみ

身近なところでは: 触れて操作する画面

スマホやタブレットは、画面を指でなぞるだけで操作できます。駅の券売機、銀行のATM、カーナビ、工場の機械の操作盤にも、触れて操作する画面があります。このように、画面のどこに触れたかを感じ取る部品をタッチパネルと呼びます。

タッチパネルには、いくつもの方式があります。この記事では、代表的な2つを取り上げます。押した力で反応する「抵抗膜方式」と、今のスマホで主流の「静電容量方式」です。音の波や光を使う方式もありますが、ここでは省きます。

押して反応する: 抵抗膜方式

抵抗膜方式のパネルは、2枚の透明な板やフィルムを、わずかなすき間をあけて重ねたものです。向かい合う面には、電気を通す透明な膜がついています。すき間は、点のように小さな支えをたくさん並べて保っています。

上のフィルムを押すと、たわんで下の膜に触れます。膜は電気を少し通しにくく作ってあり、両端に電圧をかけると、膜の上の電圧は位置によって少しずつ変わります。触れた点の電圧をもう一方の膜で読めば、その点が端からどれくらい離れているかがわかります。縦と横の両方で読めば、位置が決まります。

電圧が長さの割合で分かれるこの関係は、「分圧回路の計算ツール」で数字を変えて試せます。

押す力で膜を触れさせるので、指だけでなく、手袋をした指やプラスチックのペン、爪でも反応します。構造が簡単で、安く作りやすいのも利点です。そのため、業務用の端末や機械の操作盤などで使われてきました。

弱点もあります。光が膜を何枚も通るので、画面が少し暗く見えます。表面がフィルムなので、とがった物で傷つきやすくなります。2本以上の指を同時に見分けるのも苦手です。ただし、専用のコントローラと組み合わせて2本まで扱える製品もあります。

画面の上の「透明な電極」

回路から電気を流したり、電気の変化を読み取ったりするための、電気を通す部分を電極と呼びます。タッチパネルでは、この電極を画面の上に置きます。ふつうの金属の膜は光を通さないので、そのまま置くと画面が見えなくなります。そこで、電気を通しながら光もよく通す、特別な材料を使います。

代表的な材料が、インジウムとスズの酸化物です。英語の頭文字から、ITO(酸化インジウムスズ)と呼ばれます。スマホに多い方式のパネルでも、電極には主にITOが使われてきました。

ITOの代わりの材料もあります。目に見えないほど細い金属の線を網の目にしたものや、銀のごく細い線を散らした膜です。たとえば三菱電機は、ITOを使わず、細い金属の配線でセンサを作ったパネルを産業用に出しています。

指は「電気を通す物」として働く

静電容量方式を理解するために、「電気をためる性質」を見ておきます。電気を通す板を2枚、すき間をあけて向かい合わせ、電圧をかけてみます。すると、片方の板にプラスの電気、もう片方にマイナスの電気がたまります。

同じ電圧で、どれだけ多くの電気をためられるか。この量を静電容量と呼びます。板が広いほど、また板どうしが近いほど、静電容量は大きくなります。この性質を使って電気をためる部品が、コンデンサです。

実は、人の体も電気を通します。パネルの電極から見ると、指先は「すぐ近くにある、電気を通す物」です。しかも指は、大きな体につながっています。指が近づくと電極のまわりの電気の様子が変わり、静電容量がわずかに変わります。この変化を測るのが静電容量方式です。

指が触れるのは表面のガラスで、電極にはじかに触れていません。ガラス越しに変化を感じ取るこの方式を、投影型静電容量方式と呼びます。英語の略でPCAPとも書きます。

しくみ1: 縦と横の電極の交差点を調べる

投影型のパネルでは、細い電極が横の列と縦の列に分かれて並んでいます。縦と横の電極は、電気を通さない薄い層をはさんで交差しています。電極の間隔は数mmほどで、指先の幅より狭くしてあります。

タッチコントローラは、横の電極の1本に、細かく変化する電気の信号を送ります。すると、交差する縦の電極に、静電容量を通して信号の一部が伝わります。このように、2本の電極の間の静電容量を使う測り方を、相互容量方式と呼びます。

指が交差点に近づくと、横の電極から出た電気の影響の一部が、指のほうへそれます。指の先には大きな体があるので、それた分は体のほうへ逃げ、縦の電極には戻りません。そのぶん、縦の電極に届く信号が少し減ります。つまり、指が触れると、その交差点の静電容量は小さくなるのです。

コントローラは、信号を送る横の電極を順に切り替えて、すべての交差点の値を測ります。これを1秒間に何度もくり返します。値が下がった交差点が、指のある場所です。ここでは基本の考え方だけを示しており、実際のチップは何本かを同時に使うなど、もっと工夫しています。

指の幅は、ふつう電極の間隔より広くなります。そのため、指の下では、隣り合う何本かの電極で値が変わります。変わり方の大小を比べれば、電極と電極の間のどこに指があるかまで計算できます。

しくみ2: 何本の指でも見分けられる理由

もう1つの測り方は、電極1本ごとに、まわり全体に対してどれだけ電気をためられるかを測るものです。これを自己容量方式と呼びます。指が近づくと、電極のそばに「電気を通す物」が加わるので、ためられる電気は増えます。

三菱電機の2017年の論文は、自己容量方式は感度の高さで、相互容量方式は複数の指の判別で有利だとしています。自己容量方式には、縦と横の電極を別々に測る作りでは、2本の指を見分けにくいという弱点があるのです。

たとえば、斜めに離れた2か所に同時に触れたとします。反応した横の電極が2本、縦の電極が2本わかります。ところが、その組み合わせでできる交差点は4つあります。本物の2点と、触れていない2点を区別できないのです。この見せかけの点は、「ゴースト」と呼ばれます。

相互容量方式なら、交差点を1つずつ測るので、このような迷いが起きません。指が何本あっても、値の下がった交差点が、それぞれの位置を示します。今のスマホのタッチの検出は、主にこの相互容量方式によっています。

実際の製品では、2つの測り方を組み合わせることもあります。三菱電機の2017年の論文では、組み合わせた方式で、最大10本の指を見分けています。

タッチコントローラ: 測って、計算して、知らせる

電極に信号を送り、わずかな変化を測るのは、タッチコントローラという専用のチップの仕事です。指による変化はとても小さく、まわりの電気の乱れ(雑音)にうもれがちです。そこで、同じ測定を何度もくり返して足し合わせるなど、雑音の影響を減らす工夫をします。

測った値から指の位置を計算し、スマホの計算の中心のチップ(SoC)に知らせます。値を読み、計算し、結果を伝える流れは、「マイコンとは?」で見た「読む→決める→動かす」のくり返しに似ています。

測る回数の例を見てみます。サムスンは2023年発表のGalaxy S23シリーズで、ゲームモードではタッチを1秒間に240回調べるとしています。1回あたり約4ミリ秒です。この回数が多いほど、速く動く指を細かく追いかけられます。

画面に絵を出すための回路と、タッチコントローラを1つのチップにまとめた製品もあります。米Synapticsは2015年、スマホとタブレット向けに、こうした1チップの製品を発表しました。

水・手袋・雑音が苦手な理由

水も、電極のまわりの電気の様子を変えます。そのため、画面がぬれていると、水滴を指と取り違えたり、指の反応が乱れたりします。水滴は指とは違う形で値を変えるので、その違いを手がかりに水滴を見分ける工夫もあります。

手袋をすると、多くの場合は反応しなくなります。手袋の生地は電気を通しにくく、指と電極の距離も広がるので、変化がとても小さくなるからです。それでも、電極を電気が通りやすくし、チップを調整すれば、手袋越しの弱い変化もとらえられます(Nisshaの資料)。三菱電機の2017年の論文も、厚い耐熱手袋をしたままや、水滴が付いた状態で操作できる産業用のパネルを報告しています。

電気の雑音も悩みの種です。充電器や画面の回路から入る雑音は、指による小さな変化に混ざります。そのため、充電器や画面からの雑音を抑える機能を持つタッチコントローラもあります(Microchipの製品など)。

画面とタッチセンサの重ね方

タッチのセンサと、絵を映す画面(液晶や有機EL)は、働きの違う別の部品です。以前は、電極を作ったガラスやフィルムを、画面の上に貼り合わせるのがふつうでした。この重ね方では、層が増えるぶん、厚く重くなります。

そこで、画面の部品にセンサを作り込む方法が広がりました。画面のパネルの上の面に、電極を直接作る方式を、オンセルと呼びます。サムスンディスプレイは、有機ELのパネルにタッチのセンサを作り込んでいます。2023年には、この技術をノートパソコン向けの大きな画面にも広げると発表しました。

さらに、画面の内部にセンサを入れる方式を、インセルと呼びます。液晶の中にもともとある層を、タッチの検出にも使う作りです。後から貼るタッチ専用のパネルが要らないので、薄く軽くできます。ジャパンディスプレイなどが、こうした液晶パネルを作っています。

タッチペンはどう反応する?

スマホ用の手軽なタッチペンには、ペン先が電気を通すゴムや繊維でできたものがあります(サンワサプライの製品など)。ペン先は、ペンを持つ手と電気的につながり、指の代わりに電極のまわりの電気の様子を変えます。電池を使わないこうしたペンは、パッシブ型と呼ばれます。

電池や充電で動くアクティブ型のペンは、ペン先から自分で電気の信号を出します。パネルはその信号を受け取るので、細いペン先でも位置を捉えやすくなります。Wacomの静電容量を使う方式では、ペンと指のタッチを1つのコントローラで処理します。

Wacomには、画面の裏に置いた別のセンサの板から、電池のないペンに電力を送る方式もあります。こちらは静電容量ではなく、電気と磁気の働き(電磁誘導)を使うしくみです。

指で触れる画面の歩み

1965年、英国の王立レーダー研究所のE. A. Johnsonが、指で触れたことを感じる画面を論文で発表しました。画面に張った細い線で、指が近づいたことを静電容量の変化として感じるものです。静電容量方式のタッチ画面の、最初の例としてよく挙げられます。

2007年、AppleはiPhoneを発表しました。指で操作する、大きなマルチタッチ(何本もの指を同時に使える)の画面が特徴です。業界誌Information Displayの2010年の記事を見てみます。投影型静電容量方式は、2006年にはほとんど知られていませんでした。それが2009年には、タッチの方式の中で2位にまで急に伸びています。

よくある誤解

数字で見る

Galaxy S23の画面は、1秒間に最大120回、絵を描き直します(サムスンの仕様による)。ゲームモードでは、絵を1回描き直すあいだに、タッチを2回調べる計算になります。絵よりタッチを細かく調べるので、指の動きへの反応を速くできます。

もっと詳しく学ぶ

• 違いを表で見る: 静電容量式とピエゾ抵抗式のMEMSセンサの違い(同じ「静電容量の変化を測る」考え方をセンサに使う例)、直列接続と並列接続の違い(コンデンサをつないだときの静電容量)
• 次の一歩の用語: 静電容量検出(静電容量の変化から動きや位置を知る方式)、時定数(コンデンサに電気がたまる速さ)
• 数字で試す: RC時定数の計算ツール(抵抗を通してコンデンサに電気がたまる様子)
• 関連する記事: 「イメージセンサとは?」(光を電気に変える、スマホのもう1つのセンサ)、「集積回路(IC)とは?」