タッチパネル

タッチパネルとは、液晶パネルのような表示装置とタッチパッドのような位置入力装置を組み合わせた電子部品であり、画面上の表示を押すことで機器を操作する入力装置である。主に直感的に扱えることを要求する機器に組み込まれる事が多い。タッチスクリーンやタッチ画面などとも呼ばれる。

概要

タッチパネルは表示と入力の2つの機能を備えており、コンピュータなどの外部から受けた画像情報を液晶ディスプレイなどで表示すると共に、操作者がその画面に表示された絵やピクトグラムなどの点または領域に手で触れたり専用の「スタイラス」などと呼ばれるペンや一般のペンで圧力を加える等により、触れられた画面位置の情報を感知して外部へ情報信号として出力する。外部装置が画面での位置情報に基づいて、操作者が望む適切な動作を行なう。

操作者は画面に表示された部分を押したり滑らせたりするなど、操作が直感的に理解しやすいため、扱いやすい装置を作る事が可能となる。

表示機能を持たず位置入力機能だけの、板状のポインティングデバイス（位置入力装置）は、これらタッチパネルとは区別され、指先で触れるタッチパッドや磁気誘導を利用する専用のペンを用いるペンタブレットと呼ばれる。

従来は1点のみ検出していた位置情報も、マルチタッチスクリーンやタッチFLOといわれる、ような複数の点を検出できるタッチパネルが登場して、さらに操作性の向上が模索されている^[1]。

使用機器

タッチパネルは、銀行など金融機関のATM、自動販売機（特に鉄道駅やレストランなどの自動券売機）のような不特定多数が扱う公共性の高いものをはじめ、携帯電話、携帯情報端末（PDA）、デジタルオーディオプレーヤー、携帯ゲーム機、コピー機、ファックス、カーナビなど、デジタル情報機器を中心に多方面で使用されている。

利点と欠点

利点

画面上の操作説明に入力動作が対応するため、直感的に分かりやすく、操作が簡単になる。
入力装置と表示装置が一体化されるため、装置全体の小型化が期待できる。
タッチパッドやポインティング・スティックでのソフトウェア・キーボード入力よりも入力が早い。
物理的なボタンがなくとも、ソフトウェア次第で多彩な操作性を実現できる。

この装置は使用者が画面の操作手順を見ながら操作できるために、機械操作を誰にでも扱いやすくする事ができるという点で優れている。画面表示を随時切り替えることで、1つの画面上で多様な操作指示に使用できるので、装置全体の小型化が期待できる^[1]。

欠点

指先や指紋による汚れで画面が見えにくくなることがある。
画面を強く押しすぎると傷をつける恐れもある。
指紋や煙草の灰・煙に含まれる脂（やに）などで汚れると、検知できる精度が低くなる。
指先での細かな走査を苦手とする方式では、意図しない選択を検出することがある。判定を厳しくすると、銀行ATMなど、強く押さないと検知されないものがある。
キーボードのような素早い入力は不得意な方式がある。このため、ゲームでの操作を制約されることがある。
押しボタンと異なりクリック感がないので、入力動作がぎこちなくなる場合がある。このため、入力時に音を出したり、振動を与えるなどのフィードバックが工夫される。
押しボタンとの併用時に役割の違いが混乱の元となる場合がある。
パネル部分は物理的なボタン（凹凸）がない平面のため、触覚に頼る視覚障害者の利用は非常に困難となる^[1]。特に駅の自動券売機や銀行ATMのような不特定多数を対象とする公共性の高い装置で問題となる。
これを解消するには、音声による指示や物理的な押しボタンとの併用が必須である。視覚障害者がタッチパネル付きのATMを利用する際、バリアフリーの立場からメーカー側では、入力に旧来の押しボタンも利用できるようにすることや、誤った操作をすぐに受け付けないように、画面上で操作が正しいか確認のメッセージを表示するなどの対応策をとっている。

動作原理別

マトリクス・スイッチ

マトリクス・スイッチは今では古い方式である。碁盤の目のように配列された電極によるスイッチが並んでおり、操作者がその面の一部を押さえると、上下2層の電極が接触することで電気回路が構成され、縦と横の位置情報を検出する仕組みである。

これを簡略化して以下に示す。

碁盤の目のように平面に並べられたスイッチ
　1  2  3  4  5
Ａ○ ○ ○ ○ ○　　○押されていないスイッチ
Ｂ○ ○ ○ ○ ○　　●押されたスイッチ
Ｃ○ ○ ○ ○ ○
Ｄ○ ○ ○ ○ ○
Ｅ○ ○ ○ ○ ○

　1  2  3  4  5
Ａ○ ○ ○ ○ ○
Ｂ○ ○ ○ ○ ○　　3のCが押されたという情報が送られる
Ｃ○ ○ ● ○ ○
Ｄ○ ○ ○ ○ ○
Ｅ○ ○ ○ ○ ○

　1  2  3  4  5
Ａ○ ○ ○ ○ ○
Ｂ○ ○ ○ ○ ○　　4のEが押されたという情報が送られる
Ｃ○ ○ ○ ○ ○
Ｄ○ ○ ○ ○ ○
Ｅ○ ○ ○ ● ○

例では5×5であるが、実際には遥かに細かく格子状に並んでいる。タッチパネルからの位置信号を受けた外部装置が、それぞれのスイッチの位置情報に対応した適切な動作を行なう。

構造的には2層構造の透明電極からなり、例えばA-Eまでの水平の帯状電極と、1-5までの垂直な帯状電極を向かい合わせに僅かな隙間をあけておいて、上から押した時にだけ接点が生じるようにすれば、上の図の2番目では3からCに電流が流れ「3C」という出力が発生し、3番目の図では「4E」という出力が発生する。これは電子手帳などの初期の携帯用情報機器に利用されたが新たに製造される機器では本方式はほとんど採用されず、物理的接触によらず隙間を設けない他の新しい方式になっている。

電極

マトリクス・スイッチは透明な素材を電極に利用している。

制約

マトリクス・スイッチは、操作者が押した位置情報をある程度の大きさの範囲として大雑把に検出する事しかできず、また、表示する画面レイアウトをマトリクス・スイッチにあわせて設計しなければならない制約がある。例えば銀行のATMは銀行毎の専用装置となってしまう。また個人が携帯するPDAや携帯電話、音楽プレーヤーといった細かな操作精度を要求する装置には採用しづらい。

抵抗膜方式

マトリクス・スイッチに代わるものとして抵抗膜方式が現れた。透明電極を構成する金属薄膜は抵抗を持っている。対向する2枚の抵抗膜のうち１枚に対して電圧をかけておくと、操作した位置に応じた電圧が2枚目に発生する。電圧を検知する事によりアナログ量として操作した場所を検知することができる。

抵抗膜方式には欠点が2つあり、面積が大きくなればなるほど精度が下がる事、もう1つは金属薄膜を2枚必要とするために透明度が劣ることである。前者はマトリクス・スイッチ構造を応用し複数のエリアを独立して検知することで回避でき、後者は抵抗膜方式の本質的な構造によるもので材料を工夫する以外の対処方法はない。押さえるものは指でなくとも良い^[1]。

表面弾性波方式

表面弾性波方式は抵抗膜方式の欠点である透明度の低さを解決するために開発された。剛性の高いガラスなどの基板の複数の隅に圧電素子を取り付けて振動波を発生させる。板に触れていると固定点となり、振動波はそこで吸収され一部は跳ね返る。跳ね返りを圧電素子の電圧の発生によって検出する。各々の反射時間を計測して指などの接触した場所を検知することができる。超音波方式とも呼ばれる。

抵抗膜方式に比べて視認性に優れ、構造的にも堅牢で寿命が長く出来る。抵抗膜方式同様に、押さえるものは必ずしも指でなくとも良いがある程度制約はある^[1]。

赤外線方式

主に赤外線LEDが光源であり、透過型ではこの赤外光を遮断することで位置を検出するが赤外光だけではスイッチの押し下げを感知できない。反射型では操作面の周囲に赤外線LEDとそのセンサーを厚みをつけて配置する為の額縁が必要となる。日光の入る野外やその近くでは使用できないなど多くの制約があり、あまり採用されていない^[1]。

電磁誘導方式

電磁誘導方式では電子ペンと呼ばれる専用のペンが必要となる。元々は画面表示を考慮しないペンタブレットでの位置入力方式だったが、センサー部を液晶画面の下に配置することで、元々高い読み取り精度をそれほど犠牲にすることなくタッチパネルとして実現出来た。電磁誘導方式の最大手のワコムでは静電容量方式と電磁誘導方式を共に備えた製品を開発し出荷を予定している。この併用製品ではペンでも指先でも操作が可能となり、電子ペンを使えば筆圧やサイドスイッチ等を検出できる。この方式により静電タッチの視認性を犠牲にせず、通常ペン入力が不可能な静電タッチ上で高精細な電磁誘導ペンが使えることになる^[1]。

静電容量方式

静電容量方式のタッチパネルは表面型と投影型の2つがある。両方式とも指先と導電膜との間での静電容量の変化を捉えて位置を検出する。指がセンサ表面に近づくだけで静電結合が起きるため、接触前でのカーソル表示のようなことが可能となる。押さえるものは指や指と同等の静電的な導電性のものである必要がある。

表面型

10型以上のものに使われることが多い。カバー、導電膜、ガラス基板の3層から成り、導電膜はガラス基板の上に張り付き、ガラス基板の四隅には電極が設けられている。導電膜によって均一な電界が形成される。指が画面に触れると駆動回路からの微弱電流が隅の端子、導電膜、カバーをすり抜けて、指を経由して大地を含む周辺環境と駆動回路との間で閉回路を構成する。駆動回路側で四隅の端子の電流量の比率を計測することで指の位置を判別できる。仕組みが単純で廉価に作れ、比較的大型化しやすい。

投影型

6型以下のものに使われることが多い。投影型静電容量方式は指先の多点検出が可能なため、複雑な指示が行なえる。 ITOなどの透明電極技術による多数の電極パターンをガラスやプラスチックなどの基板上に作る。指が触れるとその付近の複数の電極パターンによる電流量の比率を計測することで指の位置を精密に判別できる。電極パターンが多いので、多点検出が可能となるが端子数が多くコスト高となる。大型画面ではシート抵抗が高くなりすぎたり、位置計算の演算量が増えるためにあまり適さない^[1]。

技術・価格動向

2008年現在の携帯用情報機器でタッチパネルの90％程度が抵抗膜方式であり、残りは主に静電容量方式が占める。抵抗膜方式は携帯電話に使用する3インチサイズで2米ドル程度と廉価である。投影型静電容量方式も同サイズで安ければ5米ドル程度になり、コストは大きな障害では無くなりつつある。静電容量方式は多点検出が可能なため、「ジェスチャー」のようにある程度複雑な指示が行なえるので、1点検出のみの従来機種との差別化が出来る。富士キメラ総研の予測では、2009年には携帯電話で使用される割合で、静電容量方式が抵抗膜方式を追い抜くとしている。抵抗膜方式の大手の台湾JTOUCH Corpでは、読み取り制御ソフトの工夫で抵抗膜方式による2点検出タッチパネルを試作した。

指先の圧力の強弱を読み取る技術研究が行なわれている。

従来、入力に対する即時の反応は「ピッ」といった音でのみ行なわれていたが、最近では、画面を指などで操作した際にスイッチを押したような操作感を与える「触覚フィードバック」と呼ばれる技術が製品に取り入れられ始めている。さらに、物の肌触りを伝える研究も行なわれている。

タッチセンサーと液晶パネルは別部品であるが、特に液晶パネルメーカーが両者の機能を1つに内蔵した製品の開発に取り組んでいる。タッチセンサー付き液晶パネルとして1枚に薄く出来れば携帯機器にとっては大きな差別化要素となる。

タッチパネルの上で操作すると指で押した部分が見えにくくなるという問題があるが、パネル全体を手で保持しながら、パネルのウラ面で操作をするという「背面操作技術」が研究されている。パネルの裏面にタッチセンサを備え、オモテ面に表示されるウラの指の位置を確認しながら操作することで画面に触れずに操作できる^[1]。

業界動向

タッチパネルの世界シェアでは、日本と台湾が世界市場でトップを競っている。メーカー別では日本写真印刷(NISSHA)および台湾JTOUCH Corpが業界最大手である。2007年iPhoneが発売されて以降、携帯電話へのタッチパネル搭載がトレンドとなり、そこから派生してデジタルオーディオプレイヤーやデジタルカメラへのタッチパネル搭載商品が発売されるなど、デジタル家電市場でにわかに注目を浴びており、今後タッチパネル市場は、拡大していくものと予想される。

メーカー

その他

使用実例

例えばホームシアターセットを操作するタッチパネル式学習リモコンの場合、

照明操作の画面で電動カーテンを閉めて電灯を暗くし
プロジェクターリモコンの画面を呼び出し電源ボタンをタッチ
サラウンドスピーカーの画面を呼び出して電源と音量を調整
DVDプレーヤーリモコン画面に切り替えたらトレイ開閉ボタンを押してDVDセット
続けて再生ボタンを押す

といった具合である。

銀行ATM: 預金（金銭）の引き出し・預け入れ・払い込み・振り替え・送金（振込み）と言った様々な金融機関の窓口で行う操作を機械で代用させるため、操作種類の多さにも迷わず操作できるよう、画面上に機能を集約させることで、それらすべての操作を同じ画面上で行うことができる。
自動販売機（自動券売機）: 自動販売機でも、鉄道切符の券売機の場合、行先や利用列車・年齢（大人/子供）で様々な組み合わせが発生する。従来は料金ごとのボタンが並んでいる種類の物が利用されていたが、運行区間の長い路線ではボタンが多すぎて混乱する元となった。タッチパネルを採用した機種では、行先の駅名を選択するなどの方法もある他、海外からの旅行者に対応して、各国語表示への切り替えが可能で、旅行者の母国語で券購入が可能な物となっている。航空券の自動チェックイン機もこの仲間といえる。
携帯電話: 携帯電話にもタッチパネルが使用されているものがある。日本国内で携帯史上初めてタッチパネルが搭載されたのは、パイオニアが1996年にデジタルホン（当時）向けに供給したDP-211である。ほとんどの操作をタッチパネルで行うことができ、対応カーオーディオキットにセットすると、車載型ハンズフリーにもなるという、当時としては画期的な端末だった。方式は「感圧式」を採用していた。現在日本国内で供給されているものの中では、国内メーカー製はタッチした部分の電荷の変化をとらえて位置を検出する「静電式」を、海外メーカー製は圧力の変化を感知する「感圧式」を採用している。この他、最近のスマートフォンでは、広い表示機能を求めるためにも、操作部分を画面に集約できるタッチパネルが採用されるようになってきている。マルチタッチパネルを搭載したiPhoneでは、ほとんどの操作をタッチパネルに集約し、物理的なボタン数は最少限のものとしている。スマートフォンではない端末も、F-01A、F-03Aなど一部機能をタッチパネルに分担させたものがある。
携帯情報端末（PDA、UMPC）やデジタルオーディオプレーヤー: これらの機器は、小型化のために様々な物を犠牲としている。特に入力用の部分は、あまりに小型化し過ぎると、入力ボタンが小さくなって、指では操作がしづらい。このため、指ではなくタッチペンでの操作を前提とした物が多い。さらに、画面が小さいと入力操作がしづらくなる。このため電源ボタンなどの一部の機能キーを残して、キーボードやポインティングデバイスを廃し、表示部分と操作部分を一か所にまとめる様式が、今日では一般的である。
携帯ゲーム機: 旧来は方向キーと数個の押しボタンという入力装置が一般的だった。しかし、タッチパネル機能を安価に壊れにくく作れるようになったため、1997年game.comで採用されたのを皮切りにニンテンドーDSやGP2X F-200などの携帯ゲーム機にも搭載された。これにより更なる新しい発想を盛り込んだゲームの開発も期待されている。
複写機、ファクシミリ、プリンタ/FAX/スキャナ複合機: この装置は多機能化の過程で様々な機能が盛り込まれたが、同時に使う機能は限られ、逆に原稿によって機能を調節したり、あるいは幾つかの階層化した操作手順から、タッチパネルで操作を案内しながら順を追って設定できるような機種が主流である。ただし家庭用で廉価版の複写機・ファクシミリなど単純な機能しか持たないものにはあまり使われない。
カーナビゲーション: 停車中にルート設定や施設名検索を操作できる。安全のため、運転中に操作できないようになっているものが多い。一部機種ではリモコンや音声認識を組み合わせて使うことも可能で、カーオーディオの機能を内包したものもある。
マルチメディアステーション: コンビニエンスストアに設置されている多機能端末。Loppi、Famiポートなど。似たようなものにデジタルカメラの普及で登場したコイン式のフォトプリンターがある。かつて東京都内のセブン-イレブンに設置されていた「セブンナビ」は富士フイルムの旧型「プリンチャオ」と同型である。
アーケードゲーム: 競馬ゲーム・ビンゴゲーム等メダルゲームの一部機種に長く採用されており、2002年頃からはネットワーク対戦機能を持つ機種を中心に導入作品が急増している
案内板: 古くから博物館や百貨店といった公共施設において、案内板は様々な場所に設置されていたが、施設規模が大きくなるほど図も大きくなり、また細かくて分かりにくい物となった。このためコンピュータのモニタとタッチパネルを組み合わせ、目的別に項目を選択・所定のフロア・コーナーへの経路を表示、さらには展示物や商品・施設の利用案内・サービスや最新の情報などを利用者に提供できる物が利用され始めている。
ハローワークの求人検索システム: 利用者が受付で利用カードを受け取り、指定されたパソコン端末機で正社員や年齢・職種・勤務地などの条件入力をタッチパネル操作で行い、求人情報を探すシステムが導入されている。
その他

外食レストランでの注文システム（オーダリングシステム。食券券売機と連動している場合もある）
電車の乗り越し精算システム（自動精算機）
公営ギャンブルでの発券システム（自動投票機）
図書館貸し出しシステム
スーパーマーケットでのレジシステム（POSレジ）
ボウリング場のスコア計算システム
クイズ番組などの回答者用機器
鉄道車両のモニタ装置
一部の電子楽器

など多数。

不具合例

米国での投票機

2004年のアメリカ大統領選挙では、一部地域では投票方法において、画面上の候補者写真をタッチするタッチパネルが導入されたが、一部の人に対して投票装置が反応せず、投票が思うように行えない（人によっては15分以上、担当者を交えて試行錯誤した）という混乱が発生している。

航空機の機内

航空機乗客用の機内エンターテイメント・システムでは、エコノミー席で前の座席の後部にタッチセンサー付き表示部を設けると、操作のたびに前の乗客の座席が揺すられて快適性が大きく損なわれる^[1]。

人を選ぶ

タッチパネルは人の鼻の頭、猫や犬の足の裏にある肉球、鉛筆の後ろについた消しゴムなどといった雑多な物で操作しても、概ね同じように反応する。しかし物理的接触を利用しない一部の特殊な機構を利用した物の中には、乾燥肌といったような体質によって反応しにくい場合があり、これにまつわるトラブルが多い。空中に浮かぶ映像を触らずに操作するフローティングタッチディスプレイの開発も進行中である^[2]。

出典・脚注

↑ ^1.0 ^1.1 ^1.2 ^1.3 ^1.4 ^1.5 ^1.6 ^1.7 ^1.8 ^1.9 根津禎、Phil Keys著　『タッチが起こす入力革命』「日経エレクトロニクス」p.44-p63 日経BP社　2008年6月2日号
↑ [1]