低コストのタッチコントロールシステムはどのように設計されていますか?

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電容量式タッチスクリーンは、もはや目新しさとは見なされません。何百万台ものスマートフォンやタブレットが出荷されるにつれて、その採用は増加しています。しかし、それらが普及している今、人々はこのテクノロジーに対してより高い代償を払う意欲が低くなっています。

この競争環境で利益率を維持するには、OEM はデバイスのコストを削減する必要があり、タッチスクリーン モジュールはタッチスクリーン搭載デバイスの中で最も高価なコンポーネントの 1 つです。設計者は、適切なパネルスタックアップとパターン、ディスプレイ、材料、配線、およびコントローラーを採用することで、システムコストを削減できます。

1. カバーレンズとタッチスクリーンセンサー

標準的なタッチスクリーン システムは、保護カバー レンズに積層された投影型静電容量式タッチスクリーン センサー、タッチスクリーン コントローラーが取り付けられたボンド フレキシブル プリント回路 (FPC)、およびディスプレイで構成されます。FPC は、タッチスクリーン コントローラーをホスト プロセッサに接続します。ディスプレイはタッチスクリーン センサーの下にあり、通常はエア ギャップで分離されているか、直接ラミネートされています。

標準的な静電容量式タッチスクリーンシステムは、保護カバーレンズに積層された投影型静電容量式タッチスクリーンセンサー、タッチスクリーンコントローラーが取り付けられたボンディングFPC、およびディスプレイで構成されています。

カバーレンズは、タッチスクリーンシステムの最上位の物理層です。コストは、使用する材料 (ガラスまたはポリメタクリレートメチル、または PMMA)、特殊コーティング (疎油性、疎水性)、装飾インク、カメラまたはセンサー用のドリル穴の数によって大きく異なります。PMMA は、より耐久性があり、光学透過性のあるガラスに代わる、より安価で軽量で飛散しにくいガラスであり、経費を最大 50% 削減できます。

ただし、PMMA センサーは信号感度が低下する可能性があります。また、PMMA はガラスよりも柔軟性があるため、指やその他の物体が大きな力で押し下げるとパネルが曲がる可能性があります。パネルが曲がると、誤った不正確なタッチレポートが発生する可能性があります。ただし、タッチスクリーンセンサーのガラス基板または追加のシールド層を使用すると、パネルの曲がりを防ぐことができます。そのため、タッチスクリーンセンサーを積み重ねる際には、カバーレンズの材質に注意深く対処する必要があります。

2. 最新のタッチ製品にはさまざまなセンサー スタックアップが採用

されています

: タッチスクリーン センサーは複雑なアーキテクチャを持っています。これらは、ガラスまたはPET基板上に酸化インジウムスズ(ITO)をスパッタリングし、ITOに独自のデザインをエッチングすることによって作成されます。各センサー層のパターンと構造は、システムの設計要件に固有です。

標準的なタッチスクリーン設計では、高精度、直線性、マルチタッチ性能を提供するために、図2に示すMH3センサーやダイヤモンドセンサーなどの2層ITOタッチスクリーンセンサーが採用されることがよくあります。2層センサー設計で使用される基板には、ガラスとポリエチレンテレフタレート(PET)が含まれます。PETは安価で、ディスプレイのノイズ耐性に優れていますが、光学的透明度はわずかに低下します。最終的に、タッチスクリーンセンサーの価格を下げる最も効率的な方法は、スタックアップ層の数を制限することです。

単層センサを組み込むことで、システム設計者はセンサの価格を最大50%削減できます。基板、ITO、光学透明接着剤(OCA)の層数が少ないため、タッチパネルベンダーは材料と工具のコストを削減できます。処理層の数が少なくなると、製造歩留まりも向上します。低コストの単層タッチスクリーンは、優れた光透過率を備えた簡素化された独自のパターンを備えた単一のPET基板で作られています。

単層センサーでは、精度と直線性が低下し、サポートされている指のタッチの数が限られています。これらの低コストの単層センサーシステムは、エントリーレベルのスマートフォンやフィーチャーフォンに最適です。

これまで抵抗膜式タッチスクリーンを使用したことがある、またはタッチスクリーンを使用しなかったシステム設計者は、このスタックアップ オプションが設計と予算の要件に最適であることがわかるかもしれません。単層静電容量式タッチスクリーンには、抵抗膜方式タッチスクリーンに比べて、優れた光学的鮮明さ、消費電力の削減、寿命の延長、ユーザー エクスペリエンスの向上など、いくつかの利点があります。

サイプレスのSLIM(Single-Layer Independent Multi-touch)などの単層マルチタッチ技術は、二層センサーのコストを最大40%節約できます。単層センサーはパフォーマンスが大幅に低下しますが、最も小さなフォームファクターに対応することに優れています。単層マルチタッチセンサーは、薄いボーダーまたはボーダーレスのタッチスクリーンセンサーも可能にし、タッチスクリーンのアクティブ領域を拡大できます。コストと厚さの両方を削減したい設計者は、単層センサーを調査できます。

画面サイズが小さいほど、はるかに安価です。アクティブ領域のサイズは、タッチスクリーンの費用に影響します。システム設計者は、パネルの設計と選択を最適化するためのすべてのオプションを評価する必要があります。

3. FPC設計

デバイスの費用を削減するもう一つの方法は、FPC設計です。FPCは、タッチスクリーンパネルの感覚入出力(I/O)をタッチスクリーンコントローラに接続し、タッチスクリーンコントローラはホストプロセッサに接続します。

FPCはアクティブまたはパッシブの場合があります。アクティブ FPC では、タッチスクリーン コントローラーと、抵抗器やコンデンサなどのその他の外部コンポーネントが FPC 自体に配置されます。パッシブ FPC には、単純な配線ラインとタッチスクリーン コントローラーが含まれており、外部コンポーネントはプリント基板 (PCB) に取り付けられています。

アクティブかパッシブかにかかわらず、FPC はさまざまな方法で配線できます。ルーチンの効率性と多用途性により、他のハードウェア コンポーネントの統合が容易になります。ただし、ルーティング レベルの数はコストを増加させることに注意してください。単層での思慮深い配線は、FPC の費用の削減に役立ちます。単層配線は、シグナルインテグリティとコンパクトなFPCアーキテクチャに大きな利点があります。

4. ディスプレイタッチ

スクリーン システムでは、投影された静電容量式タッチスクリーン センサーがディスプレイの上部に配置されます。ディスプレイは当然ノイズが多いため、ディスプレイのノイズはタッチスクリーンセンサーと直接ペアリングできます。これにより、タッチ感度が低下し、誤ったタッチアクティベーションが発生します。適切な設計上の決定は、ディスプレイのノイズを低減すると同時に、パフォーマンスと費用対効果を向上させるのに役立ちます。関連製品:10.1インチPCAP静電容量式タッチスクリーン。

ディスプレイは当然音量が大きくなります。ディスプレイからのノイズは、タッチスクリーンと静電容量的にペアリングされ、タッチパフォーマンスが低下する可能性があります。

ディスプレイノイズを低減するために、業界は歴史的にディスプレイとタッチスクリーンセンサーの間にITOの「シールド」層を追加してきました。シールド層は効果的ではありますが、タッチスクリーンモジュールのコストと厚さを増加させます。ディスプレイをタッチスクリーンセンサーから分離するには、多くの場合0.2mmから0.5mmの小さなエアギャップを使用することも選択肢があります。

エアギャップはシールド層よりも安価ですが、タッチスクリーンモジュールの幅が広くなるため、より洗練された薄型の携帯電話を作りたいOEMの間では不人気になりつつあります。ディスプレイの選択は、より重要な設計上の考慮事項になります。

薄膜トランジスタ (TFT) LCD は、現在でも携帯電話やタブレットで最も人気のあるディスプレイであり、DC 共通電圧 (DCVCOM) と共通電圧 (ACVCOM) の 2 種類があります。違いは、共通電極層(VCOM)を駆動するメカニズムです。アクティブマトリックス有機 LED (AMOLED) ディスプレイは、広い視野角、明るさとコントラストの向上、消費電力の低減、厚さの削減により、ハイエンド ガジェットでもますます人気が高まっています。

AMOLEDはディスプレイノイズが非常に低く、最も静かな画面の一つですが、高価です。

DCVCOMディスプレイは、多くの場合、静かで高価です。一方、ACVCOMは、非常に安価でありながら、多くのノイズを発生します。ディスプレイの選択は、エンド ユーザーによるデバイスの使用目的に大きく影響されます。ターゲット アプリケーションは、クライアントに適したハードウェアとパフォーマンスを決定します。

5. タッチスクリーンコントローラー

ディスプレイやタッチスクリーン パネルよりも安価ですが、タッチスクリーン コントローラーはタッチスクリーン システムのパフォーマンスに最も大きな影響を与えます。タッチスクリーン コントローラーは、静電容量式センシングおよび処理技術を使用して、指のタッチと動きを検出し、その位置と動作をホスト CPU に伝達します。

投影された静電容量式タッチスクリーンに指を置くと、タッチスクリーンコントローラーが静電容量の変化を検出し、デジタル値に変換します。このデジタル変換は、タッチスクリーン コントローラーの強力なタッチ解像度アルゴリズムによって処理され、タッチ座標やその他の必要なデータとともにホスト CPU に送信されます。

ノイズに敏感な信号は、タッチスクリーンにとって重大な技術的問題を引き起こします。高品質のアナログフロントエンド、組み込みのノイズ処理機能、および複雑な処理アルゴリズムを備えたコントローラーが必要です。タッチが多くの家庭用電子機器で好まれるユーザー インターフェイスになりつつあるため、タッチスクリーン コントローラーの品質はエンド ユーザー エクスペリエンスに直接影響します。適切なタッチスクリーン コントローラーを選択することは、パフォーマンスとコスト上の利点を得るために重要です。

高い信号対雑音比(SNR)と優れたノイズ処理を備えたコントローラは、安価なPMMAカバーレンズやノイズの多いACVCOMディスプレイなどのノイズ源によって引き起こされる信号強度の損失を補償できます。低コストでマルチタッチの単層センサーのパフォーマンスを最適化するには、タッチスクリーン コントローラーに互換性のある処理アルゴリズムを提供する必要があります。さらに、単層FPC配線の経済的利点は、タッチスクリーンコントローラのピン配置が柔軟な配線設計をサポートしている場合にのみ実現できます。

タッチスクリーン コントローラーは、追加機能をサポートすることでシステム費用を削減することもできます。たとえば、ほとんどのタッチスクリーンコントローラーは、静電容量のシグネチャが似ているため、タッチスクリーン上の水を指のタッチとして読み取ります。この問題に対処するために、タッチスクリーン パネルのメーカーは、カバー レンズに高価な疎水性コーティング層を適用する場合があります。

水滴がカバーレンズに落ちると、コーティングが水滴を小さな水滴に砕き、タッチとして認識されるのを防ぎます。それにもかかわらず、ハードウェアとファームウェア機能を介して水除去をネイティブにサポートするタッチスクリーン コントローラーは、組み込みアルゴリズムを使用してタッチスクリーン上の水を検出して除去できるため、OEM の追加コーティング コストを節約できます。

6. 概要

タッチ

スクリーン システムとその主要コンポーネントを理解している精通した設計者は、カバー レンズ、センサーの材質、スタックアップ、ディスプレイ タイプ、FPC 配線について賢明な設計と選択の決定を行うことで、コストを大幅に削減できます。創造的で高性能なタッチスクリーン コントローラーは、パフォーマンスを犠牲にすることなくコストを削減し、最終製品が最初に確実に売れるようにします。