徹底解説！静電容量方式｜スマホの操作を支える技術とは？タッチパネルの仕組みを徹底解剖！

WHAT IS PCAP

静電容量方式タッチパネルとは？

静電容量方式タッチパネルは、指などの導電性物質とディスプレイ間で起きる微弱な静電気の変化量（静電容量）を検出することで位置を特定して動作する方式で、現在世界中で最も広くさまざまなデバイスで採用されているタッチパネル方式です。

静電容量方式タッチパネルの特長

民生用途で最も普及しているタッチパネル方式

静電容量方式は、特に民生製品の操作ディスプレイにおいて広く採用されているタッチパネル。指や特殊な加工を施したペン状の機器 * などと、タッチパネルを搭載したディスプレイ間で発生する静電気の容量変化（静電容量）を検知します。高い感度で正確な位置精度の検出が可能で、軽い操作感で多点入力やマルチタッチジェスチャーなどの複雑な入力検知ができるため、より直感的な操作を実現できるメリットがあります。

* ペン先に導電性の素材が使われており、指と同様に画面の電気を変化させる働きをします。一般的にはタッチペン（静電容量ペン）と呼ばれます。

マルチタッチジェスチャー操作ができるタッチパネル

画面に表示された絵やアイコン、メニュー等の領域に手やペンで軽く触れるだけで、接触箇所の画面位置情報を検出して任意の操作を行うことができます。静電気の変化量（静電容量）を検知するため、接触位置を固定する必要がないという特性から、特にインタラクティブな操作が求められるゲーム機器やスマートフォン、タブレットのUIオペレーションで採用されています。

HOW IT WORKS

静電容量方式タッチパネルの仕組み

静電容量の変化で入力を検出

静電容量とは、一言で言うと「電気を蓄える能力」のことです。コンデンサー（蓄電器）などの電荷を蓄えることができる素子において、どれくらいの電荷を蓄えることができるかを表す量です。人間の体は、完全な導体ではありませんが、生体組織として電気的な特性を持っています。静電気現象は、物体の表面に電荷が蓄積し、接触時にプラスとマイナスの正電荷、負電荷が引かれ合い、接触する面積が大きかったり、距離が狭くなるほど大きくなります。

静電容量方式タッチパネルは、静電容量の変化を検知することで、タッチ操作を感知します。タッチパネルの表面には、微弱な電圧がかけられた透明な電極が配置されています。この電極によって、タッチパネルの表面全体に電界が形成されています。指がタッチパネルに触れると、指と電極の間にコンデンサー（蓄電器）が形成されます。これにより、電極間の静電容量が変化します。タッチパネルは、この静電容量の変化を精密に検知し、その変化量からタッチされた位置を特定します。

検出構造の違い「表面型と投影型」

検出構造は「表面型（Surface Capacitive：略称「SCAP」）」と「投影型（Projected Capacitive：略称「PCAP」）」の2種類があり、それぞれの方式では、電極の配置や異なる測定原理、特徴を持ちます。1980年代に登場した表面型から2000年代半ばから広く一般に使われるようになった投影型が一般的となり現在では静電容量方式と言えば「投影型（PCAP）」を指します。

DMCでは一般的に需要の高い投影型の静電容量方式を採用しています。

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投影型静電容量方式（Projected Capacitive：PCAP）

投影型静電容量方式は、複数点同時入力検知、高耐久性、優れた堅牢性を特長とする先進的なタッチパネル技術です。この方式は、軽快な操作感覚を実現し、フリックや拡大／縮小、回転などの直感的なマルチタッチジェスチャーを可能にします。さらに、ディスプレイ面の段差を排除したシームレスなデザインを実現できます。コントローラの最適化による高感度化によって、手袋着用時の入力も可能となり、耐傷性、耐候性、デザイン性など、多岐にわたる面で卓越した性能を発揮します。

投影型静電容量方式のタッチパネルは、主に「自己容量方式」と「相互容量方式」の2種類に大別されます。これらの方式は、それぞれ独自の長所と短所を有しており、用途や要求性能に応じて適切に選択されています。

相互容量方式

相互容量方式は、X電極とY電極の2つの電極間に形成される電磁界の変化を精密に検出する技術です。この方式では、一方の電極を駆動電極として機能させ、他方を受信電極として用います。指（人体）やタッチペンが電極近傍に接近すると、電極間に形成されていた電磁界の一部が指先やペン先に吸収され、結果として電極間の静電容量が「減少」します。システムはこの容量低下を正確に測定し、指先やペン先の位置を高精度で検出します。

タッチパネルの内部構造は、透明なITO（Indium Tin Oxide）電極がマトリクス状に精密配置されており、隣接する電極同士が容量結合を形成しています。この電極配置により、縦横に展開されたX軸とY軸の電極パターンが直交する構造が実現され、軽微なタッチでも確実に入力を検知できます。電極数は用途に応じて十数本から数十本まで多岐にわたり、各電極の容量値を個別に測定することで、高精度な位置検出を可能にしています。

指などの導電性物質がタッチパネルに接近すると、その近傍のXとY電極の容量値に顕著な変化が生じます。システムはこの容量変化を瞬時に解析し、どの電極付近がタッチされたかを正確に特定します。重要な点として、これらの透明ITO電極はセンサーの最表面ではなく、内部に適切に配置されています。この構造により、指が接近した際、ガラスやフィルムなどの透明誘電体基板を介して電極との容量結合が生じ、高感度かつ耐久性の高い入力検知を実現しています。

投影型静電容量方式を採用したタッチパネル

静電容量方式狭額縁タッチパネル

DUS-NSERIES

DUS-Nシリーズは、狭額縁デザインを採用し画面占有率を高めた静電容量方式タッチパネル。端末サイズを変えずに画面サイズを大きくすることができます。画面サイズを維持したまま端末本体を小型化したりと次世代機開発でも効果を発揮します。

静電容量方式タッチパネル

DUS-SSERIES

COF（Chip on Flexible）を採用することでコントローラを一体化、I2Cインターフェース採用で省配線や省スペース化が可能。カバーガラス＋ガラス構造で薄さを確保しつつ堅牢性を強化した取り回しのいい静電容量タッチパネルです。

カバー一体型ガラスタッチパネル

DUS-LDSERIES

DOG (Direct print on glass) 技術で、カバーガラスとITOガラスを集約。堅牢性はそのままに薄型化を実現しました。製品デザインの演出を損なわない強固且つスマートな取付を提供します。

自己容量方式

指とITO電極間に形成される電界に指などの人体（GND）が触れることで起こる静電容量の「増加」を検知し、場所を特定することでタッチ判定を行います。高感度で、分厚いカバーの上からでも読み取りが可能な反面、XY電極の行/列ごとにタッチ位置を判断しているため、マルチタッチ時にタッチしていない箇所を認識してしまう(ゴースト現象)という、弱点があります。

表面型静電容量方式（Surface Capacitive：SCAP）

表面型静電容量方式とは、ガラス基板に微弱な電圧をかけて均一な電界を発生させて、指が画面に触れた際に発生する静電容量の変化を検知してタッチ位置を特定する方式です。「表面容量型」とも呼ばれます。パネルの表面に接触すると、指を介して表面上に形成された電界に起こる変化を基板の四隅に設けた電極が捉え、電極間の距離と電流との間の比率を計算することで、触れた位置を検出します。

電圧は通常、ガラス基板上に形成された透明導電膜の4隅に配置されている電極から供給されてタッチパネル表面を覆っています。タッチされた位置は、4隅の電極で検出される電流の大きさや位相の違いから計算されます。各電極で検出される電流は、タッチ位置との距離によって変化するため、これらの電流値を基に、三角測量のような手法を用いてタッチ位置を特定します。

投影型よりもシンプルな構造でコストパフォーマンスに優れている反面、位置を検出する透明導電膜が格子状にパターニングされていないため、アナログ的な位置検出しかできず、2点以上の同時検出が困難です。そのため、基本的に一度に複数の指で触れても、最も強い信号が検出されるだけで、マルチタッチ操作には対応できません。この特性から、単一の操作に特化しています。用途としては、大型パネルでの使用が多く、高い耐久性と耐水性を確保できるため、ATMや券売機など、過酷な環境下で使用されるタッチパネルにも採用されています。

INTRODUCTION

静電容量方式タッチパネルの導入方法

ディスプレイへの導入方法

ディスプレイへ静電容量方式タッチパネルを導入するには現在、大きく分けて3つの構造があります。1つはディスプレイにタッチセンサーを外付けする「アウトセル（Out-Cell）型」、2つ目はタッチパネル機能を液晶に内蔵する「インセル（In-Cell）型」、タッチパネル機能を液晶基板上に設ける「オンセル（On-Cell）型」があります。インセル、オンセル型は内蔵型、アウトセルは外付け型に分類されます。

インセル型は、液晶に直接タッチ機能を組み込む構造。最小限のパーツ構成で薄型・軽量且つ透過率と視認性の高いディスプレイを実現することができます。一方、ディスプレイを専用に設計する必要があり、タッチパネル機能の組み込み構成もさまざまです。精密・複雑で高度な技術が必要で、コストを抑えるには大量生産が求められるため、主にスマートフォンなどの小型・薄型・軽量化を実現する上で特に大量生産できる民生品で多く採用されています。

オンセル型は、液晶パネルの基板上にタッチ機能を設けることで、ディスプレイの小型・薄型・軽量化に対応し、主に構造が複雑でインセル化が難しい有機ELディスプレイなどの高精細化が求められる民生品で主流として多く採用されています。インセル型に比べて構造上、容易にタッチ機能を追加できる半面、製造工程は増えることでコストは高くなります。

アウトセル型は、ガラスまたはフィルムタッチセンサーを液晶に外付けで貼り合わせることで導入できるもっとも一般的な構造です。比較的製造が容易で液晶パネルとは別で独立しているため、交換性やコストパフォーマンスに優れています。またセンサー素材に強化ガラスや厚いガラスで耐久性を高めることができるため、インセル型やオンセル型では実現が難しい大型化や、過酷な環境下での長期運用など安定供給が求められる産業用途で幅広く採用されています。

DMCでは、標準品として主にアウトセル型の製品をラインナップしています。

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静電容量方式タッチパネルの構造

静電容量方式タッチパネルの構造はインセルやオンセルでは用途や製品、業界やメーカーによってもさまざまな方法が取られていますが、アウトセルでは主に二層構造と一層構造の2つに分類され、大きく分けて6つの代表的な構造が採用されています。

DMCでは、少量多品種への対応のしやすさなどの理由から、主に二層構造を採用しています。

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二層構造

二層構造は、2枚のガラスまたはPETフィルムの間に透明導電性物質（ITO）を挟み込んだ構造です。主に以下の2種類があります。

二層ガラス構造（GG：ガラスガラス）

ガラスの一方にX電極、もう一方にY電極がコーティングされており、それぞれの電極が向かい合うように、ガラスが貼り合わせてあります。2枚のガラスを空気層なく貼り合わせることで、透過性が高くクリアな視認性を確保し、合わせガラスによる高い堅牢性を実現しています。この構造は、高い耐久性と優れた光学特性を持ち、産業用機器や医療機器など、過酷な環境での使用に適しています。また、大型ディスプレイにも適用可能で、高い信頼性が求められる用途に広く採用されています。

二層フィルム構造（FF：フィルムフィルム）

フィルムの一方にX電極、もう一方にY電極がコーティングされており、それぞれの電極がタッチ面へ向けて貼り合わされています。ガラス/ガラス構造に比べ、軽量化/薄型化のメリットがあり、持ち運ぶハンディ機器などの用途に最適です。カバーレンズにアクリルや強化ガラスを採用すれば、割れに強いタッチパネルを実現できます。この構造は、モバイルデバイスやウェアラブル機器など、軽量性と柔軟性が重要視される製品に広く使用されています。

一層構造

一層構造は、1枚のカバーガラスや基板の片面または両面に透明導電性物質（ITO）をコーティングしたり、一体化する構造です。片面に電極を集中させる場合の電極間接続は、X方向とY方向の電極が交わる部分にメタルジャンパーと呼ばれる導電性の金属パターン構造で絶縁層を形成します。絶縁処理による高密度な配線パターンの形成と高精度で高速な応答、高感度制御が可能となります。この構造は、製造コストの削減と薄型化を実現できる一方で、複雑な製造プロセスが必要となります。主に以下の3種類があります。

一層ガラス構造（OGS：ワンガラスソリューション）

カバーガラスやガラス基板の裏面に、タッチセンサーとなる透明導電膜（ITO）や保護層を積層・一体化した構造です。二層構造に比べて製造工程を簡素化し、薄型・軽量化を実現しています。デザインの自由度が高く、曲面ディスプレイやスマートフォンなど幅広い製品で採用されています。一方で一体化構造は衝撃などによってタッチセンサーが破損しやすく、製造技術が高度であることから交換自体が難しいため、コストが高くなる傾向があります。また多層構造に比べてITO層が1層のため感度が低くなる傾向があり、基板の厚さやITO層の状態に影響を受けます。

一層ITO構造（SITO：シングルレイヤーITO）

ガラスやフィルム基板上にX電極とY電極のパターンを単層で一面にコーティングするシンプルな構造です。比較的製造が容易で、コストを抑えて薄型・軽量化が可能です。高透明度、柔軟性といった特徴もあり、デザインの自由度が高く、低コストで量産できます。しかし、二層構造と比較しても物理的・化学的な耐久性は低く、2層ITO構造と比べても電極層は一層に集約されていて電荷を蓄積できる面積は少ないため、高い均一性や導電率を確保するためには、特別な製法が必要となり、コストが増加する場合があります。

二層ITO構造（DITO：デュアルレイヤーITO）

ガラスまたはフィルム基板の上面にX電極、裏面にY電極のパターンを成膜した構造です。一層ITO構造と比べて、2層にすることで電子の移動経路が増えて導電性が向上、高い電流密度に対応できるよう電場が強くなることで、より小さな接触も検出できるようになります。この高感度な特性が、高精度な操作が求められるスマートフォンなどのデバイスに適しています。

PROS & CONS

静電容量方式タッチパネルの長所と短所

静電容量方式の長所

高精度な位置検出と操作性

静電容量方式タッチパネルはスマートフォンやタブレットでよく使われるようになり、近年では技術の進歩により最も高い精度を実現しています。特に、投影型静電容量方式 (PCAP) は、複数の電極層を用いてより正確な位置検出が可能となり、複数の指の位置や動きを正確に検知できる高精度な「マルチタッチ」に対応しています。ピンチイン・アウトや回転などの「マルチタッチジェスチャー」操作や、複数アプリの同時操作など、スムーズな操作性と高速で正確な応答による直感的な操作が可能です。一部の製品では、筆圧を感知できるものもあり、より繊細な操作が可能です。

長期使用に優れた高い耐久性

静電容量方式タッチパネルは、ガラス基板を採用しているものが多く、高い硬度と耐傷性を誇ります。フィルム基板を用いる場合でも、保護ガラスを装着することで、耐衝撃性や耐擦傷性を向上させることができます。また、耐水性、耐油性に優れており、汚れがつきにくく、簡単に拭き取れるため、メンテナンスが容易です。さらに、耐候性にも優れ、紫外線や温度変化の影響を受けにくいため、屋外での使用にも適しています。これらの高い耐久性と耐環境性により、長期間にわたって安定した動作が期待できます。

高い透明度で鮮やかな映像表現

静電容量方式タッチパネルは、高い光透過率を誇るガラスやアクリルなどの素材を採用することで、ディスプレイとの一体感を高め、タッチパネルの存在を意識させない美しい映像表示を実現します。映り込みやムラを抑え、クリアで鮮やかな画面は、ゲームや動画視聴はもちろん、読書や写真閲覧など、あらゆるコンテンツをより豊かに楽しめます。夜間や暗い場所でも視認性に優れ、周囲の光の影響を受けにくいのも大きな特徴です。

高いデザイン性と幅広い用途

フレームレス構造により、カバーガラスとディスプレイの段差を最小限に抑え、よりフラットで洗練されたデザインを実現できます。ガラスの超薄型化など、先端技術の進化によって、デバイスの薄型化と軽量化が大幅に進み、スタイリッシュなデザインの追求が可能になりました。一部の方式では、フレキシブルディスプレイにも対応することで、デザインの自由度が飛躍的に向上し、新たなデバイスデザインの可能性を広げています。これらの優れたデザイン対応性能から、スマートフォンやタブレット端末をはじめ、様々な電子機器で広く採用されています。

静電容量方式の短所

投影型静電容量方式タッチパネルは、パネル表面に指やタッチペンが触れることで生じる静電容量の変化を検知して操作を行います。しかし実際には、指やタッチペンだけでなく、様々な環境要因によっても静電容量値が変化します。例えば、タッチパネル周辺に高い誘電率の物質（大きな静電容量を持つコンデンサ、電源ユニット、液晶パネル、金属部品など）が存在したり、液晶パネルから発生する電磁ノイズや、周囲の温度や湿度などの環境変化も、タッチパネルの動作に影響を与える要因となります。これらの環境ノイズによって静電容量が変動することで、タッチ操作が誤認識されたり、反応が遅くなったりするといったトラブルが発生する可能性があります。特に、強い電磁波が発生する環境下では、誤動作のリスクが高まります。

また、導電性のある物質でのみ反応するため、手袋や爪など非導電性の素材での操作は困難です。さらに、水や油が付着した場合や、高温・低温環境下では、感度が低下する可能性があるため、特別な設計を必要とする場合があります。設計面においても、パネルが大型化すると信号の減衰により感度が低下しやすいため、大画面のタッチパネルには別の方式が採用されるケースもあります。

DMCのタッチパネルはここが違う！環境要因対策ソリューション

DMC「独自開発コントローラ」による環境ノイズ対策

DMCでは、こうした静電容量方式の環境ノイズが引き起こす問題に対応するため、タッチパネルセンサーだけでなく、容量変化に応じて設定を行うことができる「タッチパネルコントローラ」を自社で開発しました。実際の使用環境でノイズの影響を受けないための様々な設定が可能で、状況に合わせた最適な調整をサポートします。

例えば、実際に環境ノイズが発生している工場など、特定の条件下におけるカスタマイズ設定の例として、タッチしている時とタッチしていない時のそれぞれの容量変化量を検知し、タッチしている時の変化量のみをタッチ判定に用いる設定が可能です。この他にも、ノイズの特性に応じて、様々な環境ノイズ除去の設定を調整することができます。

また、環境ノイズの要因の一つとして、水のような容量変化を起こす物質が挙げられます。水滴や水しぶきがかかるような現場で誤動作が発生しないよう、水の容量変化を検知するアルゴリズムにより、水が掛かったエリアのタッチ検出を停止することもできます。

DMC独自開発静電容量タッチコントローラ

タッチパネルコントローラ

DUSx200SERIES

スマートフォンやタブレットで採用されている投影型静電容量方式タッチパネルコントローラ。ノイズの強い環境や、複数人数で操作を分けたり、感度調整やスタイラスペンで使用、水場の操作環境にあった調整ができます。

高温・低温環境下でも大丈夫！DMCの投影型静電容量方式タッチパネル

さらにDMCの投影型静電容量方式タッチパネルは、全製品において-40℃～80℃という広い温度範囲での動作が保証されており、南国の直射日光下や北国の厳寒期など、極端な温度変化が繰り返される環境でも、高い耐温度性能を発揮します。屋外設置型機器から、北極寒地での使用まで、さまざまな過酷な環境下で使用される製品にも対応可能です。

屋外・過酷環境でも長寿命！紫外線吸収構造のタッチパネル

そして、タッチパネルで紫外線を吸収して、液晶ディスプレイへの紫外線ダメージを軽減するDMC独自の紫外線吸収構造を実現。強烈な太陽光下で使用される製品にも対応可能です。高耐久性のガラス2層構造を採用することで、衝撃や紫外線に対する耐性をさらに高めた、高耐候性のタッチパネルをラインアップしてます。屋外での使用や過酷な現場環境においても、長期間にわたって安定した性能を発揮します。