※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。
はじめに
私たちは、携帯電話のタッチスクリーンから、スマート家電の操作、地下鉄の自動券売機でのチケット購入まで、日常的に多くのタッチスクリーンを使用しています。このようなスクリーンの使いやすさと、直感的な反応は、指が画面上を滑ってタップする際の検出精度に依存しています。
これまでさまざまな種類のセンサーが開発されてきましたが、タッチスクリーン技術において最も広く使用されているのは静電容量センサーです。これらの静電容量センサーは、指の電磁的特性を利用してその存在を検出するのに最適であり、指とセンサーの間に複数のガラスやプラスチック層を挟んでも機能するものです。
タッチスクリーンアプリケーション用の静電容量センサー設計
このようなセンサーを設計する際には、いくつかの要素を考慮する必要があります。検出システムの効率に関しては、主に2つの重要な点があります。１つは検出精度（特に画面が小さくなり、解像度が高くなる場合）、もう１つは検出速度です。
スマートウォッチの静電容量センサー設計とモデリング
スマートウォッチの画面には、強度を持たせ情報を表示するための媒体として機能するさまざまな層があります。画面のアセンブリはケースに収められており、センサーは画面の層の後ろに配置されています。
センサーアレイはグリッド状に配置されており、独立して制御できる電極の行と列で構成されています。
グリッド内の各行と列の間には既知のキャパシタンスが存在します。人間の指がグリッドに近づくと、これらの行と列のキャパシタンスが変化します。
指が存在しない状態でのセンサーのキャパシタンス解析
グリッドの各行と列は、短い間隔で順番に励起されます。
ソフトウェアは、静電解析を通じて、異なる電位の行と列とグランド間のキャパシタンスを自動的に計算します。その結果得られるキャパシタンス行列は、グリッドの静電的挙動を完全に特徴付けており、回路シミュレーション中に有限要素（FE）モデルの簡略化された表現として使用できます。
静電容量センサーで指を検出する
CST Studio Suiteは、人間の指を含むさまざまな人体モデルのライブラリを提供しています。これらのモデルをスマートウォッチのモデルにインポートして配置するのは簡単です。通常、指の電位はグランドと同じです。指が電場分布やキャパシタンス行列に与える影響をモデルに組み込むことができます。
「指が画面の表面から８つの異なる距離に位置する場合のパラメトリックスタディを行いました。 (下の画像を参照)。センサーグリッドの個々の部分におけるキャパシタンスの変化が計算され、この計算により検出の感度範囲が定義されます。予想通り、キャパシタンスの変化の影響は、指が画面に最も近いときに最も大きく、その影響は距離が増すにつれて減少します。
静電容量センサー検出回路の最適化
指の有無による回路の静電容量特性が得られたら、次のステップは検出回路の最適化によって検出速度を向上させることです。
センサーグリッドの各行と列は電圧制御スイッチに接続されており、これによりグリッド全体を毎秒何度も順次励起することができます。回路コンポーネントの最適化により、センサーアレイから最速の応答時間が確保され、ユーザーが指の動きをリアルタイムで感じられるようになります。
回路の応答は、回路コンポーネントにかかる電圧降下によって測定されます。電圧降下が速ければ速いほど、指の位置が素早く検出され、センサーの時間分解能が向上します。下の画像では、プローブP1の位置での電圧特性を見ることができます。回路は一定時間充電され、その後供給との接続が遮断され、回路は放電を許されます。検出は、プローブ信号の電圧０Vとの交点で行われます。
CST Studio Suiteのスキマティックツールは、スマートウォッチと指の有限要素（FE）モデルを等価キャパシタンス行列で表現した回路シミュレーションを迅速に行うことができます。この行列は、異なる指の位置に対する一連のFE解法から事前に計算されています。
非常に高速な最適化スタディを実行して、回路コンポーネント（例えば、抵抗器やコンデンサ）の値を最適化し、最速の検出時間を得ることができます。この最適化は、新たな有限要素解法の実行を必要としないため、数秒または数分で実行可能です。
このようなタッチスクリーンデバイスの製造業者は、新しい形状や画面製造プロセスに対して、静電容量検出レイアウトを迅速に最適化でき、デバイスから最もリアルな応答を得るために最適な検出特性を確保することができます。
結論
タッチスクリーンは、あらゆる種類の消費者向けデバイスにおいてますます一般的になりつつあります。コスト削減と検出精度向上のプレッシャーが高まる中、静電容量センサーはこれらのデバイスにとって最適な解決策となっています。
CST Studio Suiteは、このような静電容量センサーをモデル化し最適化するための完全な機能セットを提供します。最先端の有限要素ソルバー、回路シミュレーター、そして人体モデルは、設計者にとって、設計を迅速かつ簡単に検証・改善する方法を提供します。試作の数を大幅に減らし、検出精度や遅延に関する潜在的な問題を設計の初期段階で解決することで、後期段階での再設計というコストのかかるプロセスを回避できます。
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3Dソフトウェア市場におけるパイオニアであり、3DとPLMソリューションのワールド・リーダーであるDassault Systèmes（仏）の日本法人です。