スマートフォンのタッチスクリーン精度比較

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 iPhone, Google Nexus One, Motrola Droid, HTC Droid Erisのタッチスクリーンの精度をMotoが比較しています。
 比較方法は、スクリーン上に指で斜め格子をゆっくり書いてみて、結果が斜めの直線の格子にどれだけ近いかを比較するものくというもの。結果は下記のとおり。
http://labs.moto.com/wp-content/uploads/2010/01/diytouchscreenanalysis3.jpg
上段は軽いタッチで格子を書いた場合。
下段は強いタッチで格子を書いた場合。
比較結果
 一番左の列のiPhoneが直線の交差を忠実に再現しています。
 しかし、iPhoneは画面周辺が歪んでいる。画面下部でその傾向が顕著です。
Google Nexus Oneは、画面の周囲の歪みが最も少ない。画面の端まで一本一本直線が伸びています。
  タッチ・スクリーンには、タッチ機能のない周辺部があります(右図)。側面側の2-3mm程度、下部(電極側)の10cm弱はタッチ機能がありません。この部分に 制御回路自身や、透明電極を制御回路に接続する配線が隠されています。iPhoneの再現性の悪い部分がこの部分にあたるのだろうと思われます。
センサーの大きさ(分解能)
 Motoによると、ゆっくりと格子を書くことにタッチスクリーンは弱いらしい。ゆっくりしたタッチに弱い原因としてMotoが言及しているのは、
  • センサーの大きさ(分解能)
  • サンプリング周期
  • 検出した解像度の悪い入力からユーザ入力を再現するアルゴリズム
  人間が同じ位置を繰り返しタッチしようとしても、その位置には3~4mm程度の誤差が出るので、アイコンやボタンの直径を、5mm以上は必要です。また、 アイコンやボタンの間隔は、5~10mmは離す必要もあります。親指でのタッチも想定するなら、さらに大きくする必要があります。
 このような現実を前提として、タッチスクリーンに高い分解能を持たせていないのかもしれません。

SN比を左右する要素
 強いタッチ弱いタッチでの差の原因は、
  • 指が接触する面積
  • 接触する指の部位
 指の中央を広い面積で接触すると好成績で、指の端で斜めに軽くタッチすると再現性は悪くなる。

 Motoが、タッチセンサーのSN比(SNR:signal-to-noise ratio)を左右する要素として挙げているのは以下の要素です。
  • 電極層の素材
  • 基盤層の素材
  • 基盤層の厚さ
  • ディスプレーからの距離
  • センサーの波形
  • センサーのパターン
  • センサーのピッチ
  • アナログ処理回路
  • サンプル周期

タッチスクリーンの種類
 今回テストされたこの4機種は全て、「ITOエッジング投影静電容量タッチスクリーン」です。。

 主なタッチスクリーンの種類は以下のとおりです。
  • 容量式/静電容量方式
  • 抵抗式/抵抗膜方式
  • 表面弾性波式/超音波表面弾性波方式
  • 赤外線式/赤外線走査方式
  • 電磁式/電磁誘導方式
 抵抗式/抵抗膜式は、軽く触れた程度では反応しないので使い方によっては便利ですが、現在スマートフォンはほとんどが、静電容量式タッチスクリーンです。静電容量方式は静電容量の変化によりタッチされたことを検知しているため、多点検出(マルチタッチ)が容易というメリットがあります。

 静電容量式には、表面型(保護膜と透明な電導膜、パネルの4隅に配置された電極により構成)と投影型(絶縁体フィルム:ガラスやプラスチックでできた保護膜、電極層、演算処理IC搭載基板層で構成)の2種類があります。
 投影型には、センサーワイヤー式とITO(Indium Tin Oxide透明導電膜)エッチング(ITO etching)式があります。
  • 容量式/静電容量方式
    • 表面型
    • 投影型
      • センサーワイヤー式
      • ITO(透明導電膜)エッチング式
 スマートフォンはほとんどが、このITOエッジング式投影型静電容量タッチスクリーンです。
 ITOフィルムは鉛筆硬度は3Hくらい。韓国メーカーが躍進中。

タッチの検出
数百KHzの低い電圧の交流をタッチPADに印加し、PADにタッチすると人体を通して微弱な電流が流れます。
これを検出する方式と、タッチPADにパルス電圧を与え、タッチした際の容量が変化を利用し、パルス波形の変化(信号立ち上がりの遅れ)をとらえることでタッチ検出する方式があります。
タッチスクリーンの構造と素材
 液晶ディスプレーは最大のノイズ源なので、タッチ・スクリーン表面(カバーレンズ)最下面と液晶ディスプレイ・モジュールとの間には0.5mm程度の空気層を設けてノイズを避けています。
 
タッチスクリーンの素材

 タッチパネルと液晶ディスプレイ装置は別々の部品です。2つ組合せ(張合せ)、一体化してつかています。
 タッチスクリーンの素材は、ガラスとPETが代表的です。

 PET製タッチ・スクリーンでは、安価なメタクリル樹脂(PMMA:polymethyl methacrylate)のカバー・レンズをかぶせることもあるようです、表面に傷が付きやすい欠点があります。。

 ガラス製のタッチ・スクリーンやカバー・レンズは、落下や衝突などに脆弱ですが、化学的な処理を施すことによって耐久性を高めています。

強化ガラス
 スマートフォンなどの携帯に使われるのは、加工後でも切断したり、穴あけなどの加工が容易な科化学強化ガラスです。

 強化ガラスは、圧縮応力をガラス表面に圧縮応力を付与したガラスです。圧縮応力は、割れようとする時の外力による引張応力対して抵抗する力となって、強度が上がります。
 しかし、付与した圧縮応力以上の大きな力がかかると割れます。付与する表面応力・応力層の深さのが強度を左右します。

 熱強化ガラスは、熱処理で圧縮応力を付与します。700度程度熱いガラス表面に空気を吹きつけ、均一に急激に冷やす昔からの強化ガラス製造方法。昔からの方法です。
 空冷ではなく、ケイ素樹脂やシリンダーオイルなどの熱容量の大きな液体にガラスを接触させて,冷やし強い均一なる残留応力を発生させる液冷強化もあります。

 化学強化ガラスは、化学処理で圧縮応力を付与します。ガラスに存在する小さなナトリウムイオン(Na+)をより大きなアルカリイオンで置換してガラス基板表面に圧縮応力を付与すします。
 まず、ガラスを硝酸、塩酸、硫酸、燐酸などの鉱酸に接触させて、ガラス表面にNa+が除去された層を形成する。次にNa+大きいイオン半径を有するアルカリイオン含有溶融塩に接触させ、Na+のあった場所により大きなアルカリイオン置きます。
 ソーダガラスを硝酸カリウムを含む溶融塩に漬けて、溶融塩中のカリウムイオンとガラス中のナトリウムイオンをイオン交換させて一気に作る方法もあります。

 これらの強化ガラスは、一般の板ガラスの3~5倍の強度を持ちます。割れた場合にもガラスが粒状の破片になるので破片で怪我をしにくいという利点もあります。
 化学強化ガラスは熱処理強化よりも、強度がつ大きくなりますます。また、加工後でも切断したり、穴あけなどの加工が容易です。

 表面処理により強化する熱強化や化学強化ガラスの他に、貼り合わせで強化する積層強化ガラスもあります。

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