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タッチスクリーン（またはタッチパネル）とは、ユーザーからのタッチ入力を検知して特定の操作を実行できるディスプレイの一種です。入力デバイス（タッチパネル）と出力デバイス（ディスプレイ）の両方で構成されています。タッチパネルは通常、デバイスの電子ディスプレイの上に重ねて配置されています。タッチスクリーンは、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンなどの電子機器に広く搭載されています。ディスプレイには、LCD、AMOLED、OLEDなどがよく用いられます。
ユーザーは、専用のスタイラスまたは1本以上の指で画面をタッチすることにより、単純なタッチジェスチャーまたはマルチタッチジェスチャーで情報処理システムに入力したり制御したりできます。 [ 1 ]タッチスクリーンの中には、通常の手袋または特殊コーティングされた手袋を使用して動作するものもあれば、専用のスタイラスまたはペンを使用してのみ動作するものもあります。ユーザーはタッチスクリーンを使用して、表示されているものに反応したり、ソフトウェアが許可している場合は、表示方法を制御したりできます。たとえば、テキストサイズを拡大するためにズームできます。
タッチスクリーンは、マウスやタッチパッドなどの間接的な入力デバイスを使用するのではなく、ユーザーが画面上のコンテンツと直接やり取りすることを可能にします。[ 2 ]タッチスクリーンは、スマートフォン、タブレット、キオスク、および多くの最新のノートパソコンによく見られ、タップ、スワイプ、ピンチなどの操作で画面上でアクションを実行できます。
タッチスクリーンは、スマートフォン、携帯ゲーム機、パーソナルコンピュータなどのデバイスで一般的です。POS （販売時点情報管理）システム、ATM（現金自動預け払い機）、電子投票機、自動車のインフォテインメントシステムやコントロールでもよく使われています。コンピュータに接続したり、端末としてネットワークに接続したりすることもできます。PDA （携帯情報端末）や一部の電子書籍リーダーなどのデジタル機器の設計において重要な役割を果たしています。タッチスクリーンは、教室や大学のキャンパスなどの教育現場でも重要です。[ 3 ]
スマートフォン、タブレット、その他多くの情報機器の普及に伴い、携帯型および機能的な電子機器におけるタッチスクリーンの需要と普及が進んでいます。タッチスクリーンは、医療分野、重工業、 ATM（現金自動預け払い機）、博物館の展示や部屋の自動化といったキオスク端末など、キーボードとマウスのシステムではユーザーがディスプレイのコンテンツと適切に直感的、迅速、かつ正確にやり取りできない場面で活用されています。
従来、タッチスクリーンセンサーとそのコントローラーベースのファームウェアは、ディスプレイ、チップ、マザーボードのメーカーではなく、多くのアフターマーケットのシステムインテグレーターによって提供されてきました。しかし、ディスプレイメーカーとチップメーカーは、タッチスクリーンがユーザーインターフェースの構成要素として受け入れられる傾向を認識し、製品の基本設計にタッチスクリーンを統合し始めています。
現代のタッチスクリーンの前身の一つとして、スタイラスペンを用いたシステムが挙げられます。
フィルコ社は、スポーツ中継用に設計されたスタイラスに関する特許を出願した。このスタイラスは、中間的な陰極線管（CRT）ディスプレイに当てると、元の信号を増幅して追加する。実際には、これは、1949年11月8日に発行された米国特許第2487641A号（ウィリアム・E・デンク著「テレビ画像用電子ポインター」）に記載されているように、生放送のテレビ画面に一時的に矢印や円を描くために使用された 。
画面から発せられる光とは独立して動作するタッチスクリーンの最初のバージョンは、AT&T Corporationによって米国特許3016421A、Leon D. Harmon、「Electrographic transmitter」として1962年1月9日に特許取得されました。このタッチスクリーンは、タッチ面全体に直交して照射される平行光のマトリックスを利用していました。スタイラスによってビームが遮断されると、信号を受信しなくなった光検出器を使用して、遮断位置を特定できます。マトリックスベースのタッチスクリーンの後のバージョンでは、解像度を向上させるためにエミッタと検出器を追加したり、光信号対雑音比を向上させるためにエミッタをパルス状にしたり、マルチタッチ使用時の影の読み取りを除去するために非直交マトリックスを使用したりすることで、この方式を発展させました。
後の発明では、このシステムを基に、テレライティングのスタイラスを機械的な制約から解放する試みが行われました。1963年、ロバート・E・グラハムは、「間接式」ライトペン式テレライティング装置の特許を取得しました。この装置では、ユーザーが別の面に描画している間に、システムが電子的にストロークを送信し、コンピュータのディスプレイに再現します。この設計により、以前のスタイラス式システムの機械的な制約が軽減され、電子手書き文字キャプチャの初期形態が実証され、描画や注釈を保存または送信して後で使用することが可能になりました。[ 8 ]
最初の指操作式タッチスクリーンは、イギリスのマルバーンにある王立レーダー研究所のエリック・ジョンソン[ 9 ]によって開発されました。彼は1965年に発表された短い記事[ 10 ] [ 11 ]で静電容量式タッチスクリーンに関する研究について説明し、その後1967年に発表された記事[ 12 ]で写真や図解を用いてより詳細に説明しました。
タッチスクリーンのもう一つの前身である、端末ディスプレイの前に設置された超音波カーテン式ポインティングデバイスは、テレフンケン・コンスタンツのライナー・マレブラインを中心とするチームによって航空管制システム用に開発されました。[ 13 ] 1970年、これはディスプレイの前に導電性コーティングされたガラススクリーンを使用するSIG 50端末用の「Touchinput- Einrichtung 」（「タッチ入力機能」）と呼ばれるデバイスへと発展しました。 [ 14 ] [ 13 ]これは1971年に特許が取得され、数年後に特許が付与されました。[ 14 ] [ 13 ]同じチームは、その数年前にSIG 100-86用のRollkugelマウスRKS 100-86を発明し、販売していました。[ 14 ]
航空交通管制へのタッチ技術の応用については、1968年に発表された記事で説明されています。[ 15 ] CERN （欧州原子核研究機構）のエンジニアであるフランク・ベックとベント・シュトゥンペは、1970年代初頭に透明なタッチスクリーンを開発しました。 [ 16 ]これは、 1960年代初頭にシュトゥンペがテレビ工場で行った研究に基づいています。その後、CERNによって製造され、間もなく産業界のパートナーによって製造され、[ 17 ] 1973年に実用化されました。[ 18 ]
イリノイ大学の研究グループは、光学式タッチスクリーン[ 19 ]の特許を出願し、これはマグナボックス社のPlato IV学生端末の標準部品となり、この目的のために数千台が製造されました。これらのタッチスクリーンは、16×16個の赤外線位置センサーが交差配列されており、各センサーは画面の一方の端にあるLEDと、もう一方の端にある対応するフォトトランジスタで構成され、すべてモノクロプラズマディスプレイパネルの前面に取り付けられていました。この構成により、画面の近くにある指先サイズの不透明な物体を感知することができました。
1973年、ベックとシュトゥンペは、静電容量式タッチスクリーンについて説明した別の論文を発表した。この論文では、マルチタッチが可能であることが示されていたが、この機能は意図的に抑制されていた。おそらく当時、この機能は有用とは考えられていなかったためであろう（「BUTと呼ばれる変数は、ボタンがタッチされると0から5に値が変化する。他のボタンをタッチすると、BUTは0以外の値になるが、これはソフトウェアによって保護されている」（6ページ、2.6節）。[ 20 ]「指とコンデンサの実際の接触は、薄いプラスチックシートによって防止されている」（3ページ、2.3節）。
アメリカの企業Elographicsは、シーメンスと提携して、 Elographicsの創設者であるジョージ・サミュエル・ハーストが開発した既存の不透明なタッチパッド技術（米国特許第 3,911,215号、1975年10月7日）の透明な実装の開発に着手した。 [ 21 ]その結果生まれた抵抗膜方式のタッチスクリーンは、 1982年にノックスビルで開催された万国博覧会で初めて公開された。[ 22 ]
マルチタッチ技術は1982年に始まり、トロント大学の入力研究グループが、ガラスの裏側にカメラを設置した曇りガラスパネルを用いた、初の人間入力マルチタッチシステムを開発した。
HP-150には1983年から光学式タッチスクリーンが採用された。HP 150は世界最初期の商用タッチスクリーンコンピュータの一つである。[ 23 ] HPは赤外線送信機と受信機を9インチのソニー製ブラウン管（CRT）のベゼルの周りに取り付けた。
AT&Tベル研究所のボブ・ボイは、1つまたは複数の物体が接触した際に、柔らかく変形可能なオーバーレイ膜の厚さの機械的変化を追跡するために静電容量を使用しました。[ 24 ]この柔軟な表面は、これらの物体によって損傷した場合でも簡単に交換できます。特許には「触覚センサの配置はタッチスクリーンとして使用できる」と記載されています。
多くの派生資料[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]は、ボイがタッチスクリーン技術で大きな進歩を遂げたと後付けで述べていますが、携帯電話に後に必要とされるような、硬質の保護オーバーレイを通して感知できる頑丈なマルチタッチ静電容量式タッチスクリーンがボイによって開発または特許取得されたという証拠は見つかっていません。 [ 28 ]これらの引用の多くは、ベル研究所のビル・バクストンの逸話的な証拠に基づいています。 [ 29 ]しかし、ビル・バクストンはこの技術を手に入れるのにあまり成功しませんでした。引用の中で彼が述べているように、「我々の想定（結果的には誤りだった）は、ボイの技術が近い将来我々に利用可能になるだろうというものでした。1990年頃、私はゼロックスのグループを連れてこの技術を見に行きました。なぜなら、この技術は我々の大型文書処理装置のユーザーインターフェースに適していると感じたからです。これはうまくいきませんでした」。
前述の通り、ジョンソンは1965年に指で操作する最初の静電容量式および抵抗式タッチスクリーンを開発したとされているが、これらは画面前面のワイヤーに直接触れることで動作していた。[ 11 ] スタンペとベックは1972年に自己静電容量式タッチスクリーンを、1977年に相互静電容量式タッチスクリーンを開発した。これらのデバイスはどちらも、指を直接触れるか、薄い絶縁層を通してのみ感知できた。[ 30 ]スタンペの1977年の報告によると、この絶縁層の厚さは11ミクロンだった。 [ 31 ]
富士通は、タイル状のグラフィックとして保存された漢字の複雑さに対応するため、 Micro 16用のタッチパッドを発売した。[ 32 ]
セガAIコンピュータ向けにグラフィックタッチタブレットが発売された。[ 33 ] [ 34 ]
タッチセンサー式コントロールディスプレイユニット（CDU）は、1980年代初頭に商用航空機のコックピット向けに評価されました。初期の研究では、タッチインターフェースにより、乗務員がキーボードで緯度、経度、ウェイポイントコードを入力する「頭を下げた」状態ではなく、ウェイポイント、機能、アクションを選択できるため、パイロットの作業負荷が軽減されることが示されました。この技術の効果的な統合は、飛行経路、さまざまな航空機システムの機能、瞬間的な人間の相互作用など、機体運用のあらゆる主要な側面について、乗務員が高いレベルの状況認識を維持できるようにすることを目的としていました。 [ 35 ]
また、1980年代初頭、ゼネラルモーターズはデルコエレクトロニクス部門に、自動車の非必須機能（スロットル、トランスミッション、ブレーキ、ステアリング以外の機能）を可能な限り機械式または電気機械式システムからソリッドステートの代替品に置き換えることを目的としたプロジェクトを依頼した。完成したデバイスは「電子制御センター」の略でECCと呼ばれ、さまざまな周辺センサー、サーボ機構、ソレノイド、アンテナ、およびディスプレイと唯一の入力方法の両方として機能するモノクロCRTタッチスクリーンにハードワイヤードされたデジタルコンピュータとソフトウェア制御システムであった。 [ 36 ] ECCは従来の機械式ステレオ、ファン、ヒーター、エアコンのコントロールとディスプレイを置き換え、車両の累積および現在の動作状態に関する非常に詳細で具体的な情報をリアルタイムで提供することができた。 ECCは1985～1989年のビュイック・リビエラ、そして後に1988～1989年のビュイック・リアッタに標準装備されていたが、消費者には不評だった。その理由の一つは、一部の伝統的なビュイックの顧客がテクノロジー嫌いだったこと、そして主な理由は、ECCのタッチスクリーンに高額な技術的問題が発生し、エアコンやステレオの操作が不可能になったことだった。[ 37 ]
セガは、 SG-1000ビデオゲーム機とSC-3000ホームコンピュータ向けに、セガグラフィックボードとしても知られるテレビお絵かきを発売した。これは、プラスチック製のペンと、ペンの押下を検出する透明な窓が付いたプラスチック製のボードで構成されていた。主に描画ソフトウェアアプリケーションで使用された。[ 38 ]
ビル・バクストンを含むトロント大学の研究グループは、かさばるカメラベースの光学センシングシステムではなく、静電容量を利用したマルチタッチタブレットを開発した（マルチタッチの歴史を参照）。
市販されている最初のグラフィカルな販売時点情報管理(POS) ソフトウェアは、16 ビットのAtari 520STカラー コンピュータでデモされました。カラー タッチスクリーン ウィジェット駆動のインターフェースが特徴でした。[ 39 ] ViewTouch [ 40 ] POS ソフトウェアは、開発者の Gene Mosher によって、 1986 年秋のCOMDEX展示会の Atari コンピュータのデモ エリアで初めて公開されました。[ 41 ]
カシオは、4×4マトリックスで構成されたタッチスクリーンを搭載したポケットコンピュータ「Casio PB-1000」を発売した。これにより、小型の液晶グラフィック画面に16個のタッチエリアが実現した。
タッチスクリーンは1988年まで精度が低いという悪評がありました。ほとんどのユーザーインターフェースに関する書籍では、タッチスクリーンの選択は平均的な指よりも大きなターゲットに限定されていると述べられていました。当時、選択は指がターゲットの上に来るとすぐに選択され、対応するアクションが即座に実行されるという方法で行われていました。視差やキャリブレーションの問題によりエラーが頻繁に発生し、ユーザーの不満につながっていました。メリーランド大学ヒューマン・コンピュータ・インタラクション研究所（HCIL）の研究者によって「リフトオフ戦略」 [ 42 ]が導入されました。ユーザーが画面に触れると、何が選択されるかについてのフィードバックが提供され、ユーザーは指の位置を調整でき、アクションは指が画面から離されたときにのみ実行されます。これにより、640×480のビデオグラフィックスアレイ（VGA）画面（当時の標準）上の1ピクセルまで小さなターゲットを選択できるようになりました。
1988年4月から10月にかけて、オーストラリアのブリスベン市で「テクノロジー時代のレジャー」をテーマとした万博「Expo 88」が開催されました。イベントを支援し、来場者に情報を提供するため、テレコム・オーストラリア（現テルストラ）は、特別に改造されたソニーのビデオテックス・ワークステーションを合計56台のタッチスクリーン式情報コンソールを備えた8つのキオスクを会場周辺に設置しました。各システムには、ビデオディスクプレーヤー、スピーカー、20MBのハードドライブも搭載されていました。イベント期間中、最新の情報を提供するために、来場者情報のデータベースは毎晩更新され、コンピュータ端末にリモートで転送されました。来場者はタッチスクリーンを使って、博覧会の乗り物、アトラクション、パフォーマンス、施設、周辺地域に関する情報を見つけることができました。また、英語と日本語で表示される情報を選択できたことも、1980年代のオーストラリアの海外観光客市場を反映したものでした。テレコムのエキスポ情報システムは、カナダのバンクーバーで開催されたエキスポ86で採用された以前のシステムに基づいていたことは注目に値する。[ 43 ]
Sears ら (1990) [ 44 ]は、当時のシングルタッチおよびマルチタッチのヒューマンコンピュータインタラクションに関する学術研究を概説し、回転ノブ、スライダーの調整、スイッチをアクティブにするための画面のスワイプ (またはトグルスイッチ用の U 字型ジェスチャー) などのジェスチャーについて説明した。HCIL チームは、小型タッチスクリーンキーボードを開発および研究し (タッチスクリーンキーボードでユーザーが 25 wpmで入力できることを示す研究を含む)、モバイルデバイスへの導入を支援した。また、線の範囲の選択、オブジェクトの接続、別の指で位置を維持しながら選択するための「タップクリック」ジェスチャーなどのマルチタッチジェスチャーを設計および実装した。
HCILはタッチスクリーン スライダーを実証し、[ 45 ]これは後にアップルと他のタッチスクリーン携帯電話ベンダー間のロック画面特許訴訟（米国特許第7,657,849号に関連して）において先行技術として引用された。[ 46 ]
1991年から1992年にかけて、Sun Star7プロトタイプPDAは慣性スクロール付きタッチスクリーンを実装した。[ 47 ]
AT&Tベル研究所のボブ・ボイは、薄い絶縁体を通して指一本だけを静電容量で感知するシンプルなマウスまたはキーパッドの特許を取得した。[ 48 ]特許では主張も言及もされていないが、この技術は静電容量式タッチスクリーンとして利用できた可能性がある。
IBMは、初のタッチスクリーン式携帯電話であるIBM Simonを発売した。
タッチスクリーン操作を備えた携帯型ゲーム機の初期の試みは、セガがゲームギアの後継機として構想したものであったが、1990年代初頭のタッチスクリーン技術のコストが高額であったため、最終的に開発中止となり、発売されることはなかった。
アップルは、モバイル機器向けマルチタッチ対応静電容量式タッチスクリーンの特許を取得した。
タッチスクリーンは、 2004年にニンテンドーDSが発売されるまで、ビデオゲームで広く使われることはなかった。[ 49 ]
静電容量式タッチスクリーンを搭載した最初の携帯電話は、2007年5月に発売されたLG Pradaでした（これは最初のiPhoneが発売される前でした）。[ 50 ] 2009年までに、タッチスクリーン搭載の携帯電話は流行になり、基本的なデバイスと高度なデバイスの両方で急速に人気を集めました。[ 51 ] [ 52 ] 2009年第4四半期には、初めてスマートフォンの大部分（すべての携帯電話ではない）がタッチスクリーンを搭載して出荷されました。[ 53 ]
最近まで、ほとんどの消費者向けタッチスクリーンは一度に1点の接触しか感知できず、触れる強さを感知できるものはごくわずかでした。しかし、マルチタッチ技術の実用化と、感圧式ディスプレイを搭載したApple Watchが2015年4月に発売されたことで、状況は一変しました。
タッチスクリーン技術には、タッチを感知するさまざまな方法があります。[ 44 ]
抵抗膜式タッチスクリーンパネルは、複数の薄い層で構成されており、その中で最も重要なのは、薄い隙間を挟んで向かい合った2つの透明な電気抵抗層です。上層（タッチされる層）の下面にはコーティングが施されており、そのすぐ下には基板上に同様の抵抗層があります。一方の層は側面に導電接続があり、もう一方の層は上面と下面に導電接続があります。一方の層に電圧が印加され、もう一方の層で検出されます。指先やスタイラスの先端などの物体が外面に押し付けられると、2つの層が接触してその点で接続されます。[ 54 ]パネルは、一度に1軸ずつ、一対の分圧器として動作します。各層を高速で切り替えることで、画面上の圧力の位置を検出できます。
抵抗タッチは、液体や汚染物質に対する耐性が高いため、レストラン、工場、病院などで使用されています。抵抗タッチ技術の大きな利点は、低コストであることです。さらに、タッチを感知するには十分な圧力をかけるだけでよいため、手袋を着用したまま、または指の代わりに硬いものを使用しても使用できます。欠点としては、押し込む必要があること、鋭利な物体で損傷するリスクがあることが挙げられます。抵抗タッチスクリーンは、スクリーン上に配置された材料の層からの追加の反射（つまりグレア）のために、コントラストが劣るという問題もあります。[ 55 ]このタイプのタッチスクリーンは、任天堂がDSシリーズ、3DSシリーズ、Wii U GamePadで使用しています。[ 56 ]
抵抗膜式タッチスクリーンは、構造がシンプルで入力も非常に少ないため、主にシングルタッチ操作に使用されますが、2タッチバージョン（マルチタッチと呼ばれることが多い）もいくつかあります。[ 57 ] [ 58 ]ただし、真のマルチタッチ抵抗膜式タッチスクリーンもいくつか存在します。これらはより多くの入力を必要とし、入出力数を抑えるためにx/y多重化に依存しています。
真のマルチタッチ抵抗膜式タッチスクリーンの一例として[ 59 ]は、同時に10本の指を検出できます。これは80個のI/O接続を備えています。これらは、34個のx入力と46個のy出力に分割され、1564個のx/y交差タッチセンシングノードを備えた標準的な3:4アスペクト比のタッチスクリーンを形成します。
Surface acoustic wave (SAW) technology uses ultrasonic waves that pass over the touchscreen panel. When the panel is touched, a portion of the wave is absorbed. The change in ultrasonic waves is processed by the controller to determine the position of the touch event. Surface acoustic wave touchscreen panels can be damaged by outside elements. Contaminants on the surface can also interfere with the functionality of the touchscreen.
SAW devices have a wide range of applications, including delay lines, filters, correlators and DC to DC converters.
A capacitive touchscreen panel consists of an insulator, such as glass, coated with a transparent conductor, such as indium tin oxide (ITO).[60] As the human body is also an electrical conductor, touching the surface of the screen results in a distortion of the screen's electrostatic field, measurable as a change in capacitance. Different technologies may be used to determine the location of the touch. The location is then sent to the controller for processing. Some touchscreens use silver instead of ITO, as ITO causes several environmental problems due to the use of indium.[61][62][63][64] The controller is typically a complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) application-specific integrated circuit (ASIC) chip, which in turn usually sends the signals to a CMOS digital signal processor (DSP) for processing.[65][66]
Unlike a resistive touchscreen, some capacitive touchscreens cannot be used to detect a finger through electrically insulating material, such as gloves. This disadvantage especially affects usability in consumer electronics, such as touch tablet PCs and capacitive smartphones in cold weather when people may be wearing gloves. It can be overcome with a special capacitive stylus, or a special-application glove with an embroidered patch of conductive thread allowing electrical contact with the user's fingertip.
低品質のスイッチング電源ユニットは、それに伴い不安定でノイズの多い電圧を供給し、静電容量式タッチスクリーンの精度、正確性、感度に一時的に影響を与える可能性があります。[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]
投影型静電容量式タッチスクリーンは、画面に触れることなく、画面の近くにある指を検出できます。これにより、より正確な測定、マルチタッチのサポート、および軽量グローブ越しのセンシングが可能になります。[ 70 ]
静電容量式ディスプレイメーカーの中には、より薄く、より高精度なタッチスクリーンを開発し続けている企業もある。モバイル機器向けのタッチスクリーンは、サムスンのSuper AMOLEDスクリーンに見られるような「インセル」技術を用いて製造されている。この技術では、コンデンサをディスプレイ内部に組み込むことで、従来の層を省略している。このタイプのタッチスクリーンは、ユーザーの指と画面上のタッチ箇所との間の視覚的な距離を短縮し、ディスプレイの厚みと重量を軽減するため、スマートフォンにとって非常に望ましい特性となっている。
単純な平行平板コンデンサは、誘電体層で隔てられた 2 つの導体から構成されています。このシステムのエネルギーの大部分は、プレート間に直接集中しています。エネルギーの一部はプレートの外側の領域に漏れ出し、この効果に関連する電界線はフリンジ電界と呼ばれます。実用的な容量センサを作成する際の課題の 1 つは、フリンジ電界をユーザーがアクセスできるアクティブなセンシング領域に導くプリント回路の配線を設計することです。このようなセンサ パターンには、平行平板コンデンサは適していません。フリンジ電界の近くに指を置くと、容量システムに導電性の表面積が追加されます。指によって追加される追加の電荷蓄積容量は、指容量 (CF) として知られています。指がない場合のセンサの容量は、寄生容量 (CP) として知られています。
この基本技術では、絶縁体の片面のみに導電層がコーティングされています。この層に小さな電圧を印加すると、均一な静電場が発生します。人間の指などの導体がコーティングされていない面に触れると、コンデンサが動的に形成されます。センサーのコントローラは、パネルの四隅で測定された静電容量の変化から、接触位置を間接的に特定できます。可動部品がないため、耐久性は中程度ですが、分解能が限られており、寄生容量結合による誤信号の影響を受けやすく、製造時に校正が必要です。そのため、産業用制御やキオスクなどの単純な用途で最もよく使用されます。[ 71 ]
標準的な静電容量検出方法の中には、非導電性の表面を通して指を検出できるという意味で投影型であるものもありますが、温度変化に非常に敏感です。温度変化によってセンシングプレートが膨張または収縮し、プレートの静電容量が変動するためです。[ 72 ]これらの変動は多くのバックグラウンドノイズを引き起こすため、正確な検出には強い指信号が必要です。このため、指がセンシング素子に直接触れるか、比較的薄い非導電性の表面を通して検出する場合に用途が限定されます。
一方の導体に加えられた電気信号は、非常に近い位置にあるが電気的に絶縁されたもう一方の導体によって容量的に「感知」される。この特性は、相互容量式タッチスクリーンで利用されている。相互容量式センサアレイでは、一方の導体ともう一方の導体が「相互に」交差するが、直接的な電気的接触がないことでコンデンサが形成される（タッチスクリーンの構造を参照）。
これらの導体には、高周波電圧パルスが1本ずつ印加される。これらのパルスは、交差するすべての導体と容量結合する。
指や導電性スタイラスをセンサーの表面に近づけると、局所的な静電場が変化し、それによって交差する導体間の静電容量が減少します。感知される信号の強度の大きな変化は、交差点に指が存在するかどうかを判断するために使用されます。[ 73 ]
グリッド上の各交点における静電容量の変化を測定することで、1つまたは複数の接触位置を正確に特定することができる。
相互容量により、複数の指、手のひら、またはスタイラスを同時に正確に追跡できるマルチタッチ操作が可能になります。交点の数が多いほど、タッチ解像度が向上し、検出できる独立した指の数が増えます。[ 74 ] [ 75 ]これは、対角配線が標準的な x/y 配線よりも明らかに優れていることを示しています。対角配線では、交点の数がほぼ 2 倍になります。
例えば、30入出力、16×14のx/yアレイでは、このような交点/コンデンサが224個存在し、30入出力の対角格子アレイでは435個の交点が存在する可能性があります。
x/y相互容量アレイの各トレースは、入力または出力のいずれか1つの機能のみを持ちます。水平方向のトレースが送信機で垂直方向のトレースがセンサーである場合もあれば、その逆の場合もあります。
自己容量センサは相互容量センサと同じレイアウトにすることができますが、自己容量センサの場合、通常はすべてのトレースが独立して動作し、異なるトレース間の相互作用はありません。トレース電極上の指による余分な容量負荷は、他のいくつかの方法と同様に、電流計またはRC発振器の周波数変化によって測定できます。
トレースは、すべてのトレースが検出されるまで、一つずつ順番に検出されます。指はトレースの全長に沿って（画面外であっても）どこでも検出される可能性がありますが、そのトレース上の指の位置は示されません。しかし、交差する別のトレース上でも指が検出された場合、指の位置は2つのトレースの交点にあるとみなされます。これにより、1本の指を迅速かつ正確に検出することが可能になります。
相互容量方式はマルチタッチにおいてより簡便な方法であるが、自己容量方式を用いてもマルチタッチは実現可能である。
自己容量式タッチスクリーン層は、ソニーのXperia Sola [ 76 ]、サムスンのGalaxy S4、Galaxy Note 3、Galaxy S5、Galaxy Alphaなどの携帯電話で使用されています。
自己容量は相互容量よりもはるかに感度が高く、主にシングルタッチ、簡単なジェスチャー、近接センシングに使用され、指がガラス表面に触れる必要さえありません。相互容量は主にマルチタッチアプリケーションに使用されます。[ 77 ]多くのタッチスクリーンメーカーは、自己容量と相互容量の両方の技術を同じ製品に使用し、それぞれの利点を組み合わせています。[ 78 ]
静電容量式タッチスクリーンは必ずしも指で操作する必要はありませんが、最近まで専用のスタイラスペンは高価でした。しかし、近年この技術のコストは大幅に低下し、静電容量式スタイラスペンは現在では手頃な価格で広く入手可能で、モバイルアクセサリーに無料で付属している場合もよくあります。これらは導電性の軸と柔らかい導電性ゴム製の先端で構成されており、指とスタイラスペンの先端が抵抗的に接続される仕組みになっています。
静電容量式タッチスクリーン技術は、指紋認証などの超高解像度センシングに使用できます。指紋センサーには、約44～50マイクロメートルのマイクロキャパシタ間隔が必要です。[ 79 ]
赤外線タッチスクリーンは、画面の端に配置されたXY赤外線LEDとフォトディテクタのペアのアレイを使用して、LEDビームのパターンの乱れを検出します。これらのLEDビームは垂直方向と水平方向に交差します。これにより、センサーはタッチの正確な位置を検出できます。このようなシステムの大きな利点は、指、手袋をした指、スタイラス、ペンなど、ほぼすべての不透明な物体を検出できることです。一般的に、タッチスクリーンをアクティブにするために導体（素指など）に頼ることができない屋外アプリケーションやPOSシステムで使用されます。静電容量式タッチスクリーンとは異なり、赤外線タッチスクリーンはガラスにパターンを必要としないため、システム全体の耐久性と光学的な透明度が向上します。赤外線タッチスクリーンは、赤外線ビームを妨害する可能性のある汚れやほこりに敏感で、曲面では視差が発生し、ユーザーが選択するアイテムを探しているときに指を画面上でホバリングすると誤って押されてしまうことがあります。
半透明のアクリル板が背面投影スクリーンとして使用され、情報が表示されます。アクリル板の端は赤外線LEDで照らされ、赤外線カメラが板の裏側に焦点を合わせています。板の上に置かれた物体はカメラで検出できます。ユーザーが板に触れると、全反射が阻害されて赤外線が漏れ出し、圧力が最大となる箇所で光量がピークに達し、ユーザーのタッチ位置を示します。マイクロソフトのPixelSenseタブレットはこの技術を採用しています。[ 80 ]
光学式タッチスクリーンは、タッチスクリーン技術における比較的新しい発展形態であり、画面の縁（主に角）に2つ以上のイメージセンサー（ CMOSセンサーなど）が配置されています。赤外線バックライトは、画面の反対側のセンサーの視野内に配置されています。タッチ操作によってセンサーからの光の一部が遮断され、タッチされた物体の位置とサイズが計算されます（ビジュアルハルを参照）。この技術は、拡張性、汎用性、そして大型タッチスクリーンへの適用における手頃な価格から、人気が高まっています。
Introduced in 2002 by 3M, this system detects a touch by measuring the piezoelectric effect — the voltage generated when mechanical force is applied to a material — that occurs when a glass substrate is touched. Complex algorithms interpret this information and provide the actual location of the touch.[81] The technology is unaffected by dust and other outside elements, including scratches. Since there is no need for additional elements on screen, it also claims to provide excellent optical clarity. Any object can be used to generate touch events, including gloved fingers. A downside is that after the initial touch, the system cannot detect a motionless finger. However, for the same reason, resting objects do not disrupt touch recognition.
The key to this technology is that a touch at any one position on the surface generates a sound wave in the substrate which then produces a unique combined signal as measured by three or more tiny transducers attached to the edges of the touchscreen. The digitized signal is compared to a list corresponding to every position on the surface, determining the touch location. A moving touch is tracked by rapid repetition of this process. Extraneous and ambient sounds are ignored since they do not match any stored sound profile. The technology differs from other sound-based technologies by using a simple look-up method rather than expensive signal-processing hardware. As with the dispersive signal technology system, a motionless finger cannot be detected after the initial touch. However, for the same reason, the touch recognition is not disrupted by any resting objects. The technology was created by SoundTouch Ltd in the early 2000s, as described by the patent family EP1852772, and introduced to the market by Tyco International's Elo division in 2006 as Acoustic Pulse Recognition.[82] The touchscreen used by Elo is made of ordinary glass, giving good durability and optical clarity. The technology usually retains accuracy with scratches and dust on the screen. The technology is also well suited to displays that are physically larger.
The development of multi-touch screens facilitated the tracking of more than one finger on the screen; thus, operations that require more than one finger are possible. These devices also allow multiple users to interact with the touchscreen simultaneously.
タッチスクリーンの利用が拡大するにつれ、タッチスクリーン技術のコストは、それを組み込んだ製品に吸収され、ほぼゼロになっています。タッチスクリーン技術は信頼性が実証されており、航空機、自動車、ゲーム機、機械制御システム、家電製品、携帯電話などの携帯型ディスプレイ機器に採用されています。モバイル機器向けのタッチスクリーン市場は、2009年までに50億米ドルに達すると予測されていました。[ 83 ]
画面上で正確に指し示す能力も、登場しつつあるグラフィックタブレットとスクリーンのハイブリッドによって進化している。ポリフッ化ビニリデン（PVDF）は、その高い圧電特性により、タブレットが圧力を感知できるため、このイノベーションにおいて重要な役割を果たしており、デジタルペイントなどの操作が紙と鉛筆のように感じられるようになっている。[ 84 ]
2011年10月に発表されたTapSenseは、タッチスクリーンが指先、指関節、爪など、入力に使用された手の部位を区別できるようにするものです。これは、コピー＆ペースト、大文字入力、さまざまな描画モードの起動など、さまざまな方法で使用できます。[ 85 ] [ 86 ]
タッチスクリーンが効果的な入力デバイスとなるためには、ユーザーは対象を正確に選択でき、隣接する対象を誤って選択してしまうことを避けることができなければなりません。タッチスクリーンインターフェースの設計は、システムの技術的能力、人間工学、認知心理学、そして人間の生理学を反映したものであるべきです。
タッチスクリーン設計のガイドラインは、初期の研究と、通常は赤外線グリッドを使用する古いシステムの実際の使用に基づいて、2000 年代に初めて開発されました。赤外線グリッドは、ユーザーの指のサイズに大きく依存していました。これらのガイドラインは、静電容量式または抵抗式タッチ技術を使用する現代のタッチデバイスの大部分にはあまり関係がありません。[ 87 ] [ 88 ]
2000年代半ばから、スマートフォンのオペレーティングシステムのメーカーは標準規格を公布してきたが、これらはメーカーによって異なり、技術の変化に基づいてサイズに大きなばらつきが生じるため、人間工学の観点からは不適切である。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]
より重要なのは、指やペン スタイラスでターゲットを選択する際の人間の精度です。ユーザーの選択精度は画面上の位置によって異なり、中央では最も正確で、左右の端ではそれより低く、上端、特に下端では最も精度が低くなります。R95精度(ターゲット精度 95% に必要な半径) は、中央では 7 mm (0.28 インチ)、下隅では 12 mm (0.47 インチ) です。[92][93][94][95][96 ]ユーザーはこれを無意識のうちに認識しており、タッチスクリーンの小さいターゲットや端または隅にあるターゲットを選択するのに時間がかかります。[ 97 ]
このユーザーの不正確さは、視差、視力、目と指の間のフィードバックループの速度の結果です。人間の指単体の精度はこれよりもはるかに高いため、画面上の拡大鏡などの支援技術が提供されると、ユーザーは（画面に触れた後）0.1 mm（0.004 インチ）という小さな精度で指を動かすことができます。[ 98 ]
ハンドヘルド型およびポータブル型のタッチスクリーンデバイスのユーザーは、さまざまな持ち方でデバイスを持ち、位置や入力の種類に合わせて持ち方や選択方法を日常的に変更します。ハンドヘルドデバイスの操作には、大きく分けて4つのタイプがあります。
使用率は大きく異なります。多くの一般的な操作では、2本の親指によるタップはまれにしか見られませんが（1～3％）、タイピング操作では41％で使用されています。[ 99 ]
さらに、デバイスは机やテーブルなどの表面に置かれることが多く、特にタブレットはスタンドで使用されます。このような場合、ユーザーは指や親指でポインティング、選択、ジェスチャーを行うことができ、これらの方法の使用法を変えることができます。[ 100 ]
関連研究[ 101 ]では、オフィス環境でユーザーがタッチスクリーンノートパソコンをどのように操作するかを調査しました。この研究では、フリーハンド、アームレスト、エッジサポート、トップエッジサポートという4つの一般的な腕の姿勢を特定し、ユーザーがタッチ操作と他の入力方法を組み合わせて使用することが多いことを発見しました。この研究では、人間工学的な負担、画面の安定性の問題、アプリケーションのサポートの一貫性の欠如などが原因で、日常業務におけるタッチ操作の採用が限られていると報告しています。
タッチスクリーンは、触覚応答システムと組み合わせて使用されることがよくあります。この技術の一般的な例としては、タッチスクリーン上のボタンをタップしたときに提供される振動フィードバックが挙げられます。触覚は、擬似的な触覚フィードバックを提供することでタッチスクリーンのユーザーエクスペリエンスを向上させるために使用され、画面上の応答遅延を部分的に相殺するように即座に反応するように設計できます。グラスゴー大学の研究（Brewster、Chohan、Brown、2007年、および最近のHogan）では、タッチスクリーンに触覚または触覚フィードバックを組み合わせると、タッチスクリーンユーザーは入力エラーを20%削減し、入力速度を20%向上させ、認知負荷を40%軽減することが示されています。さらに、2013年にボストンカレッジが行った研究では、タッチスクリーンの触覚刺激が製品の心理的所有感を誘発する効果を調査しました。この研究は、タッチスクリーンが触覚的な関与を多く取り入れることができると、顧客は設計または購入する製品に対してより所有感を感じるようになるという結論に至りました。また、この調査では、タッチスクリーンを使用する消費者は、購入する商品に対してより高い価格を受け入れる意思があることも報告されている。[ 102 ]
21世紀には、タッチスクリーン技術が顧客サービス業界の多くの側面に統合されるようになりました。[ 103 ]レストラン業界は、この分野へのタッチスクリーン導入の良い例です。タコベル[104]、パネラブレッド、マクドナルドなどのチェーンレストランでは、顧客がメニューから商品を注文する際にタッチスクリーンをオプションとして提供しています。[ 105 ]タッチスクリーンの導入はこの業界の発展ですが、顧客はタッチスクリーンを使わずに従来のレジで注文することもできます。[ 104 ]さらに一歩進んで、バンガロールのあるレストランでは、注文プロセスを完全に自動化しようと試みています。顧客はタッチスクリーンが埋め込まれたテーブルに座り、豊富なメニューから注文します。注文が完了すると、電子的にキッチンに送信されます。[ 106 ]これらのタイプのタッチスクリーンは、冒頭のセクションで述べた販売時点情報管理（POS）システムに該当します。
ユーザーが腕を休ませることができないジェスチャーインターフェースの長時間使用は、「ゴリラアーム」と呼ばれます。[ 107 ]これは、作業環境で日常的に使用すると、疲労や反復性ストレス障害を引き起こす可能性があります。初期のペンベースのインターフェースの中には、オペレーターが作業日の大部分をこの姿勢で作業する必要があったものもありました。[ 108 ]ユーザーが入力デバイスまたはその周囲のフレームに手や腕を休ませることができるようにすることは、多くの状況でこの問題の解決策となります。この現象は、適切な人間工学設計によって最小限に抑えるべき動作の例としてよく挙げられます。
ATMやデータキオスクなどのアプリケーションでは、サポートされていないタッチスクリーンがまだかなり一般的ですが、一般的なユーザーは短時間しか使用せず、間隔も広いため、問題にはなりません。[ 109 ]
タッチスクリーンは、ディスプレイに指紋が付着するという問題に悩まされることがあります。これは、指紋の油分による目に見える影響を軽減するように設計された光学コーティングを施した素材を使用することで軽減できます。最新のスマートフォンのほとんどには、油分残留量を減らす撥油コーティングが施されています。別の選択肢としては、マット仕上げの反射防止スクリーンプロテクターを貼る方法があります。これは、わずかに粗い表面を作り出し、汚れが付きにくくします。
静電容量式タッチスクリーンは、ユーザーが手袋を着用している場合、ほとんど正常に動作しません。手袋の厚さや素材は、タッチスクリーンがタッチを認識できるかどうかに大きく影響します。
一部のデバイスには、タッチスクリーンの感度を高めるモードが搭載されています。これにより、手袋を着用した状態でもタッチスクリーンをより確実に操作できますが、誤操作や偽の入力が発生する可能性もあります。しかし、医療用手袋のような薄手の手袋は、タッチスクリーンを使用する際に着用できるほど薄く、主に医療機器や医療技術に適用されます。
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