信頼性の高いタッチスクリーンを迅速に実装する方法
著者 Steven Keeping(スティーブン・キーピング) 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-01-17
マルツ掲載日：2024-06-10
消費者向け、企業向け、産業向けシステムのプログラミングや設定、制御を行うヒューマンマシンインターフェース(HMI)として、キーボードやマウスよりもタッチスクリーンがますます好まれるようになっています。タッチスクリーンは、直感的かつ高速で、複数の入力デバイスに対応する単一の統合されたインターフェースを備えています。また、体の不自由な人にとっても利便性が高く、かなり小型化することができます。
タッチスクリーンの用途は多岐にわたるため、堅牢であること、素手でも手袋をはめた指でも操作できること、コスト効率が良いことなどが求められます。抵抗膜方式タッチスクリーンはこのような要件を満たしていますが、設計者は適切なコントローラにタッチスクリーンを組み合わせた即納ソリューションを迅速に市場に投入する必要があります。また、4線式と5線式の抵抗膜方式タッチスクリーンインターフェースの違いも理解する必要があります。
この記事では、抵抗膜方式タッチスクリーンについて簡単に説明します。次に、NKK Switchesのタッチスクリーンとコントローラの例を紹介し、それらを使用した設計方法を示します。
抵抗膜方式タッチスクリーンの仕組み
抵抗膜方式タッチスクリーンは、フラットパネルディスプレイを覆うスタンドアロンコンポーネントです。コントローラとタッチスクリーンを併用することで、ユーザーは特定の場所をタッチして表示されたシンボルを操作することができます。
タッチスクリーンは、指やスタイラスが触れた正確な位置を検出することができます。次に、アプリケーションソフトウェアが、その位置に基づいて、さらにどのような画面操作を行うべきかを決定します。
抵抗膜方式タッチスクリーンは、安価かつ堅牢であり、素手や手袋をはめた手、スタイラスなどで操作できるため、さまざまな消費者、小売、企業、産業、医療用アプリケーションに適しています。この技術では、変形可能なプラスチックフィルムを使用し、その裏面にITO(酸化インジウムスズ)などの導電層をコーティングします。タッチスクリーンの背面はガラスやアクリルパネルで形成され、その前面にはITO層があります。
非導電性スペーサードットが、プラスチックフィルムとガラスやアクリルのバックパネルを分離します。プラスチックフィルムを指やスタイラスを使用して1～2ニュートン(N)の力で押すと、フィルムがバックパネルに接触し、局所的な圧力領域でスイッチが効果的に閉じられます。4線式や5線式のコネクタを接続したコントローラボードが、閉じたスイッチの位置を判断し、それに応じてソフトウェアが応答します(図1)。
図1：抵抗膜方式タッチスクリーンは、タッチ操作により2つの導電性表面を同時に押すことで機能します。(画像提供：NKK Switches)
抵抗膜方式タッチスクリーンは、コスト、堅牢性、手袋をはめた手や非導電性スタイラスでの操作が重視される場合によく使用されます。通常、数百万から数千万回もの操作を故障なしで行うことができます。抵抗膜方式タッチスクリーンは、製造時に水や化学薬品の飛沫に対する保護機能を付けることもできます。
4線式と5線式のタッチスクリーン構成の違い
4線式タッチスクリーンは、ボトムプレートに2本、トッププレートに2本の電極を採用しています。ボトムプレートでは、電極がY軸に沿って走っており、X軸に沿って抵抗を測定することができます。同様に、トッププレートにはX軸に沿ったエッジ電極があり、Y軸に沿って抵抗を測定することができます(図2)。
図2：4線式抵抗膜方式タッチスクリーンは、ボトムプレートに2本、トッププレートに2本のエッジ電極を使用します。ペアは互いに垂直に走り、タッチのXY位置を決定することができます。(画像提供：NKK Switches)
指の接触点で、下層が上層を直列の2つの抵抗に効果的に分割します。下層も同様に、上層との接点で分割されます。適切なバイアスにより、各プレートは分割器として機能し、出力電圧は接点座標を表します。
5線式システムでは、トッププレートは4本のエッジ電極を備え、電圧センシングノードとして機能します。ボトムプレートの四隅が電極を形成し、X方向とY方向に電圧勾配を発生させます。X方向とY方向の測定値を得るために、異なるバイアス構成が使用されます(図3)。
図3：5線式の抵抗膜方式タッチスクリーンは、ボトムプレートの4本のコーナー電極でX方向とY方向に電圧勾配を発生させ、トッププレートの2対のエッジ電極で電圧を感知します。(画像提供：NKK Switches)
5線構造では、ボトムプレートだけがアクティブになります。つまり、トッププレートが損傷を受けても、タッチスクリーンは操作できるということです。対照的に、4線式タッチスクリーンは両方のプレートがアクティブであり、トッププレートの損傷はタッチスクリーンの故障の原因となります。5線式タッチスクリーンは耐久性が高い傾向にありますが、そのトレードオフとして設計が複雑になり、費用もかさみます。
商用の抵抗膜方式タッチスクリーンソリューション
複雑さを最小限に抑え、市場投入までの時間を短縮するために、NKKはタッチスクリーンとマッチングコントローラの両方に実績のある商用ソリューションを用意しています。設計者には、NKKからタッチスクリーンを調達し、別の仕入先からのコントローラ、あるいは独自のコントローラと組み合わせるという選択肢もあります。
NKKのFTシリーズは、抵抗膜方式タッチスクリーンの優れた例です。5.7インチ～15.6インチ(対角)のさまざまな画面サイズで入手可能なこのシリーズは、4線式と5線式構成の両方で提供され、タッチ起動力は1.4Nです(表1)。どちらのバージョンも、コントローラボードに接続するフレキシブル回路テールを備えています。
表1：4線式と5線式の抵抗膜方式タッチスクリーンの比較は、5線式の方がタッピング操作で測定した動作寿命が長いことを示しています。(画像提供：NKK Switches)
FTAS00-5.7AS-4Aは、4線式、5.7インチのモデルで、5VDCで1mAを消費し、XY抵抗値は250～850Ω、直線性は1.5%、絶縁インピーダンスは10MΩです。タッチスクリーンの予想動作寿命は、5万回の書き込みまたは100万回のタッピング操作です。
FTAS00-10.4A-5は、5線式、10.4インチのモデルで、5.5VDCで1mAを消費し、XY抵抗値は20～80Ω、直線性は2%、最小絶縁インピーダンスは10MΩです。動作寿命は、5万回の書き込みまたは1000万回のタッピング操作です。
4線式と5線式のタッチスクリーン製品向けに、NKKはRS232CまたはUSBインターフェースを備えたコントローラを提供しています。コントローラボードには、Windows7、8、10に対応したデバイスドライバソフトウェアが付属しています。FTCS04CとFTCU04Bは、それぞれNKKの4線式タッチスクリーン用のRS232CおよびUSBインターフェースのコントローラボードです。FTCS05BとFTCU05Bは、5線式タッチスクリーン用の同等品です。
抵抗膜方式タッチスクリーンの使用方法
設計プロセスは、4線式も5線式のタッチスクリーンも同様です。RS232CとUSB 4線式コントローラボードの中核を成すのは、FTCSU548コントローラチップです。この48ピンLFQFP ICは、非同期シリアルインターフェースとフルスピードUSB 2.0インターフェースを備えています。
RS232Cの動作では3.3～5V電源で駆動され、USBでは5V電源で駆動されます。定格出力電流は170mA、動作周波数は16MHz、A/Dコンバータ(ADC)分解能は10ビットです。このチップは較正機能を内蔵しています。
タッチスクリーンが押されると、コントローラICはADCによって検出されたアナログ電圧の値を使用して座標を判断し、RS232CまたはUSBインターフェースを介してホストコンピュータに転送します(図4)。
図4：FTCSU548コントローラIC(IC1)は、FTCU04B(4線式USB)コントローラボードに実装されています。CN1(左)は、タッチスクリーンの4線式フレキシブル回路テール用のコネクタです。(画像提供：NKK Switches)
タッチスクリーンの4線式フレキシブル回路テールは、CN1を介してコントローラボードに接続されています。コントローラボードは、CN4を介してホストPCに接続します。CN4 USBインターフェースは、ボードへの電源供給も行います。ホストはデバイスドライバとタッチスクリーンアプリケーションソフトウェアを実行します(図5)。
図5：標準的な4線式USBコントローラボードとホストPCの構成を示します。(画像提供：NKK Switches)
設計のヒント
抵抗膜方式タッチスクリーンは設置時に較正が必要です。FTCSU548コントローラICには較正機能が内蔵されています。較正を行うには、まずコントローラICを「ソースデータモード」に設定する必要があります。次に、PCはオペレータがスタイラスで押すタッチスクリーン上の基準点(P1)を示し、ADC電圧情報がコントローラボードを介してPCに送信されます。
このプロセスは、離れたタッチスクリーン領域の2番目の点(P2)で繰り返されます。P1とP2の物理座標は、8バイトの数値としてPCに送信されます。次に、タッチスクリーンは「較正データモード」に設定され、アプリケーションソフトウェアは、既知の2点の電圧と座標の読み取り値、および内蔵の「0,0」基準を使用して、較正データモード領域内の他のすべての座標を補間します(図6)。
図6：タッチスクリーンの経年変化により抵抗値が変化するため、初期構成時およびその後も定期的に較正が必要です。(画像提供：NKK Switches)
スクリーンの抵抗値は経年変化するため、動作寿命期間全体にわたって再較正が必要となります。
電磁干渉(EMI)を防ぐために、ディスプレイデバイスのフレームに接地を内蔵することが不可欠です。また、指による最初の接触抵抗が「チャタリング」を引き起こす可能性もあります。チャタリングを防止するため、システムが座標を計算する前に電圧が落ち着くように、内蔵の遅延を使用することができます。
設計者は、ソフトウェアがユーザーに2つのタッチスクリーン領域を同時にタッチすることを指示しないように注意する必要もあります。この技術では、2つの別々のタッチを解決することはできず、2つのタッチの間の中心点をデフォルトとします。
最後に、スタイラスを使用してスクリーン上に線を引くと、スクリーンスペーサーの上に割れ目が表示され、2つの層が分離されます。設計者は、アプリケーションソフトウェアにおいてこれらのギャップを埋めるようにする必要があります。
まとめ
抵抗膜方式タッチスクリーンは、コスト、堅牢性、素手や手袋をはめた手での操作または非導電性スタイラスでの操作が重視されるアプリケーションに適したHMIです。実装を簡素化するため、NKKの商用ソリューションには、タッチスクリーンオーバーレイ、専用コントローラICを搭載したコントローラボード、デバイスドライバソフトウェアが含まれます。
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