タッチスクリーン

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マトリックスの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。

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 ]}