WISS 2016

BaroTouch：
防水タッチパネル端末に内蔵された気圧センサを用いた押下圧力取得手法
高田 崚介 ∗林 威∗

安藤 宗孝 †

志築 文太郎 ‡高橋 伸 ‡

概要. 防水機能を有するタッチパネル端末（以下，防水端末）において，画面タッチ時の圧力を取得する
手法を示す．本手法は気密性を有する防水端末にタッチした際に，端末表面がたわむことによって内部の気圧が変化し，内蔵された気圧センサの出力値が変化する現象を利用する．また同じ圧力にてタッチした際の防水端末の気圧の変化量は，押下位置および押下圧力によって異なる．我々は実験により，本手法における押下位置ごと，ならびに押下圧力ごとの感圧特性を調査した．さらに被験者実験により，ユーザが本手法を用いた際の押し分け精度を調査した．

1

はじめに

スマートフォンやタブレットのようなタッチパネ
ル端末において，押下圧力はタッチ操作の拡張に役立つことが知られている [1, 13]．例えば，ソフト
ウェアキーボードとトラックパッドをタッチの圧力に応じて切り替える，ペイントアプリケーションの筆の太さを押下圧力に応じて変えるといった操作が利用可能である．仮に，専用の押下圧力取得機能を搭載していない端末においても，端末に内蔵されたセンサのみを用いて押下圧力を取得できれば，既存の端末にもこれらの操作を付与することができる．
我々が本稿にて示す「BaroTouch」は，防水性能を有するタッチパネル端末（以下，防水端末）に内蔵された気圧センサを用いて押下圧力を取得する手法である．BaroTouch は防水端末のタッチパネルを指を用いて押下した際に端末表面がたわみ，内蔵された気圧センサのセンサ値（以下，気圧値）が変動する現象を用いて押下圧力を取得する．なお押下した際の気圧値は防水端末の気密性によって特性が異なる．そこで気密性に依存せずにタッチ圧力の変化を取得する処理手法を示す．また BaroTouch における押下位置および押下圧力ごとの感圧特性，および被験者実験による押し分け精度を評価した結果および考察を述べる．

2

関連研究

本節にて押下圧力を取得する研究および押下圧力を用いてタッチ操作を拡張する研究について述べる．
Copyright is held by the author(s).
筑波大学大学院システム情報工学研究科コンピュータサ
イエンス専攻†筑波大学情報学群情報メディア創成学類‡
筑波大学システム情報系∗

2.1

スマートフォンに外部装置を組み合わせる研究

スマートフォンに外部装置を組み合わせることで押下圧力を取得し，タッチ操作の拡張を行う手法が提案されている．Nakai らはゲルを用いてスマート
フォンとスマートフォンケースを接続し，タッチパ
ネルを押下した際のゲルの張力および指のスライド
量の関係性を用いて，押下圧力を検出している [9]．
Acoustruments はスマートフォンのマイクおよびス
ピーカ間に管をつなげることにより，管を押下した際の圧力を認識可能な手法である [7]．Force Gesturesはスマートフォンに圧力センサを取り付けることにより，タッチパネルにタッチした際の圧力を計測する手法である [4]．Ono らはマイクおよびスピーカを貼り付けたカバーをスマートフォンに装着することで反響した音を計測し，押下圧力を認識している[11]．本手法はスマートフォンに内蔵された気圧セン
サのみを用いる点において，これらの研究と異なる．

2.2

スマートフォン内蔵のセンサを用いる研究

スマートフォンに内蔵されているセンサのみを用いて押下圧力を取得し，タッチ操作の拡張を行う手法が提案されている．ForcePhone はスマートフォ
ン内蔵のマイク，スピーカを用いた超音波音響セン
シングおよび機械学習により押下圧力を取得する手法である [14]．GripSense はスマートフォンをタップした際の角速度を周波数解析することによりタッチの強弱を識別する手法である [3]．ForceTap はス
マートフォンをタップした際の加速度を基にタップの強弱を識別する手法である [5]．PseudoButton は
端末内蔵のスピーカおよびマイクを用いて，端末のマイクが搭載されている穴を指で押下した際の押下圧力を取得する手法である [6]．本手法はスマートフォン内蔵のセンサのみを用いる点においてこれらの研究と同様であるが，気圧センサを用いて押下圧力を取得する点にてこれらの研究と異なる．また機械学習を必要としない点にて異なる．

WISS 2016

スマートフォン以外の端末にて押下圧力を取得する研究

提案手法：BaroTouch

3

BaroTouch は防水端末のタッチパネルを指を用いて押下した際に端末表面がたわみ，内部の体積が変化することによって防水端末の気圧値が変動する現象を用いて押下圧力を取得する手法である．本手法は防水端末の気密性によって端末押下時の気圧の変化が異なる．そのため，端末の気密性に依存せずに押下圧力を取得するための処理手法を示す．
3.1

図 1. ストラップ穴の状態（左：テープ無し，b：テープ
有り）．
畭
䓲

1020
1016
1012
1008
1004
1000
996

B ‫ذ‬٦‫ف‬搀‫׃‬

畭
䓼

⚥㣛
䓲

⚥㣛
䓼

1000
800
600
400
200

0
1026

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0
7000

1000

C ‫ذ‬٦‫ف‬剣‫׶‬1022

㖇⸂⦼ <N7>

スマートフォン以外のタッチパネル端末や物体を押下した際に，圧力をセンシングする手法が提案されている．Expressive Touch は大画面タッチパネ
ル端末にて，画面の四隅に取り付けたマイクを用いて測定したタップ時の音の大きさを用いて，タップの強弱を取得する手法である [12]．Dietz らはメン
ブレンキーボードのキー押下時に，内部の電極シー
トの接触面積が変わり，抵抗が小さくなることを利用してキー押下圧力を取得している [2]．Pressing
the Flesh は指で押下した際の指の腹ならびに爪の色の変化をカメラを用いてセンシングすることにより押下圧力を認識する手法である [8]．Emoballoon
は気圧センサを入れた風船に対するジェスチャ操作を認識する手法である [10]．本手法は圧力を取得する点においてこれらの研究と同様であるが，スマー
トフォン上にて圧力取得を可能にした点にてこれらの研究と異なる．

孡㖇⦼ <I1B>

2.3

800
600

1018
400
1014

200

1010
0

1000

2000

3000

儗꟦ <NT>

4000

5000

孡㖇⦼

0
6000

㖇⸂⦼

図 2. 異なる押下位置および押下圧力にて防水端末押下時の気圧値の波形（a：テープ無し，b：テープ有り）．

劢䬃♴儗ⰻ鿇‫ה‬㢩鿇‫ך‬孡㖇‫כ‬瘝‫ְ׃‬䬃♴湫䖓

畭劣ָ㢌䕎‫׃‬ⰻ鿇孡㖇ָ♳傻䬃♴⥂䭯儗⫦ַ‫ז‬ꥴ꟦‫׾‬鸐ׄ‫ך⯋ג‬孡㖇‫ח‬䨱‫׷‬

防水端末押下時の気圧値の変化

BaroTouch は端末押下時に端末内部の空気の密度が変化する現象を用いて押下圧力を取得するため，
防水端末の気密性に依存する特徴を有する．この変化の特性を調査するために，我々は防水端末（Xperia
Z5 Compact，防水性能：IPX5/8）の気密性を変えるために図 1 に示すストラップ穴にテープを貼り付けたテープ有り状態と，テープを貼り付けていない
テープ無し状態を用意し，指の押下圧力を計測する
ための圧力センサ（FSR402）を端末のタッチパネ
ル上に貼り付け，BaroTouch における気圧変化特性を調査した．
テープ有り/無しの 2 状態において，タッチパネ
ルの左上の端および中央を異なる圧力にて，指で押下した際の気圧値の波形を図 2 に示す．図 2 より，圧力の強さおよび位置に応じて気圧値が変化していることが分かる．図 2a の気圧値の変化を見ると，一度大きく気圧値が増加した後，元の気圧値に戻っていき，指を離した際は気圧値が減少してから元の気圧値に戻ることが分かる．これは図 3 に示すように，
端末押下直後は防水端末がたわむことによって変形
し端末内部の気圧が上昇するが，その後僅かな隙間♧㹀儗꟦穗麓ⰻ鿇‫ה‬㢩鿇‫ך‬孡㖇ָ瘝‫׷זֻ׃‬䭷‫׾‬ꨄ‫׋׃‬湫䖓畭劣ָ⯋‫ך‬䕎‫ח‬䨱‫׶‬ⰻ鿇‫ך‬孡㖇ָ♴꣬‫ך׉‬䖓⯋‫ך‬孡㖇‫הפ‬䨱‫ְֻג׏‬図 3. 防水端末押下時の端末内部気圧の変化．

を通じて空気が内外にて交換され，元の気圧値に戻るためである．また防水端末から指を離した際も変形した防水端末が元の形へと戻るため内部の気圧が減少し，その後同様の現象が起きる．さらに図 2bの気圧の変化から，テープ有り状態はテープ無し状
態に比べ気密性が高く，空気が内外にてほとんど交換されないため，図 3 における 2 および 5 の変化のみが生じていると考えられる．

3.2 押下圧力の取得手法
BaroTouch における押下圧力の取得手法を述べる．前節にて述べた通り，テープ無し状態において防水端末を押下した際に押下圧力に応じて気圧値が変化するものの，端末の内外にて空気が交換され元の気圧に戻っていくため，同じ力で押下し続けた際に気圧値から押下圧力を取得できないという問題がある．この防水端末の気密性によって気圧変化特性が異なるという問題を解決するための手法として，

BaroTouch：防水タッチパネル端末に内蔵された気圧センサを用いた押下圧力取得手法
1000
750
500
250
0

B 㖇⸂⦼ <N7>

1000
750
500
250
0

B 㖇⸂⦼ <N7>1020

C 孡㖇⦼ <I1B>

1025

C 孡㖇⦼ <I1B>

1015

1020

1010

1015

1005

1010

7
1
-5

100

E 琎ⴓ⦼

400
300
200
100
0

E 琎ⴓ⦼

200

0
-100

0

0

1000

2000

3000

儗꟦ <NT>

4000

5000

気圧値にハイパスフィルタをかけ，積分することにより押下圧力の変化を取得する手法を示す．テープ無し/有り状態における端末押下時の気圧値および圧力値の応答波形を図 4 および図 5 に示す．
本手法における処理手法を述べる．テープ無し状
態の場合，図 4b の様に端末押下時に一度気圧が上昇した後に徐々に元の気圧に戻ろうとし，押下中にさらに押下圧力を上げた場合は気圧値が上昇するものの，押下圧力を下げた場合は元の気圧に戻ろうとする性質と，端末の体積の増加が同時に起こるため，一時的に元の気圧以下に下がるといった変化が生じる．テープ有り状態の場合，図 5b の様に端末の内外で空気の交換が行われないため，圧力値に応じた
気圧値の変化となる．ここで我々は周囲の環境の影響を除去するために，気圧センサの値が変化する度に，以下の式を用いて気圧値 braw にハイパスフィル
タをかけたハイパス値 bhp およびハイパス値を積分した積分値 bsum を算出し，これをユーザの押下圧力とした．

blp [n] = blp [n − 1] × (1 − α) + braw [n] × α
bhp [n] = braw [n] − bl [n]bsum [n] =

n
∑

1000

6000

図 4. テープ無し状態における端末押下時の応答波形

bhp [i]i=0

なおセンサの取得間隔を 5ms，α = 0.015 とした．
図 4d および図 5d より，押下中に押下圧力を変えた場合においても気密性に依らず圧力値に応じた積分値を取得できていることが分かる．さらに図 4d
にて，端末から指を離した際に一時的に積分値が負となっているが，この現象は指がタッチパネルに触れているかどうかを取得し，指が触れている間のみ
積分値を用いることにより無視することができる．

4D ‫⦼أػ؎ع‬13

D ‫⦼أػ؎ع‬

5
2.5
0
-2.5
-5

実験

BaroTouch の感圧特性を明らかにするため，押下位置および圧力と気圧値の関係を調査する実験を行った．さらに BaroTouch を用いるユーザが何段階

2000

3000

儗꟦ <NT>

4000

5000

6000

図 5. テープ有り状態における端末押下時の応答波形の押し分けが可能であるかを評価するための被験者実験を行った．実験には実験端末としてテープの有り/無しという端末状態の異なる 2 台の Xperia Z5
Compact を用いた．

4.1 押下位置および圧力ごとの感圧特性調査実験
BaroTouch は端末を押下した際に内部の空気が圧迫される現象を用いて押下圧力を取得する手法である．押下した位置によって端末表面のたわみ具合は異なる．例えば同圧力であっても，端末の端を押下した場合よりも中央を押下した場合の方が端末表面は大きくたわむ．さらに同じ位置を押下した場合でも押下圧力によってたわみ具合は異なる．この防水端末の押下位置および押下圧力と気圧値の関係性を調査するための感圧特性調査実験を行った．

4.1.1

実験手順

実験は窓や扉を締め切った屋内にて行われた．端
末を用いて実験環境の気圧値を計測したところ，
1008.02hPa であった．
我々は押下位置および圧力ごとの感圧特性を調査するために，実験端末のタッチパネル上に分銅を載せた際の気圧値を計測する実験を行った．押下位置ごとの感圧特性調査においては，実験端末のタッチ
パネル領域を縦 6 分割 × 横 3 分割し，分割した各領域の中心部に 50 g の分銅（半径 1 cm，圧力 480hPa）を置き，積分値が最大となった際の値を記録した．
押下圧力ごとの感圧特性調査においては，10 g，
20 g，50 g，100 g，200 g，500 g および 1000 g の分銅を，押下面積を統一するために半径 1 cm，重さ4.33 g の円盤状の治具の上に載せ，2 台の実験端末のタッチパネルの中央および左上端に置き，積分値が最大となった際の値を記録した．それぞれの調査において 10 回ずつ分銅を置いたため，総試行回数
は押下位置ごとの感圧特性調査にて計 360 回（2 端末状態 ×18 領域 ×10 回），押下圧力ごとの感圧特性調査にて計 280 回（2 端末状態 ×2ヶ所 × 分銅 7
種類 ×10 回）であった．

WISS 2016

B



















C

























































D ‫غ‬٦E ‫ةن‬ٝ

図 6. 押下位置ごとの感圧特性（a：テープ無し，b：テー
プ有り）
150

B ‫ذ‬٦‫ف‬搀‫׃‬

100
50

剑㣐⦼

0
0

1000

500

1000

1500

2000

2500

3000

1000

1500

2000

2500

3000

C ‫ذ‬٦‫ف‬剣‫׶‬800

B ً٦‫ة‬600

図 8. 押し分け精度評価用アプリケーション

4.2.1

被験者

大学生および大学院生 10 名（21–24 歳，男性 5名，女性 5 名）を被験者として雇用した．全ての被験者が日常的にスマートフォンを利用しており（利用歴：36–96ヶ月，平均：55ヶ月），利き手は右手であった．2 名が感圧タッチの使用歴があった（利用歴：6–7ヶ月）．実験終了後，各被験者には実験への参加に対する謝礼として 820 円を支払った．

400

4.2.2

200

実験環境

0
0

500

㖇⸂ <I1B>⚥㣛䊩♳畭

図 7. 押下圧力ごとの感圧特性（a：テープ無し，b：テー
プ有り）

4.1.2

実験環境の気圧は平均 996.84 hPa（976.08–
1002.24 hPa）であった．実験用端末として 2 台のXperia Z5 Compact を用い，端末条件としてストラップ穴を塞いだテープ有り条件および塞いでいな
いテープ無し条件の端末を用意した．

結果および考察

押下位置ごとの感圧特性調査の結果を図 6 に示す．
実験結果よりテープの有り/無しに関わらず，端末
中央の最大値が大きくなっていることが分かる．これは端末中央の方が端末端に比べ，より大きくたわ
むためと考えらえる．また押下圧力を取得する際に，この特性および押下位置を用いて補正を行うことにより，押下位置に依存しない圧力の取得が可能になると考えられる．
押下圧力ごとの感圧特性調査の結果を図 7 に示す．
実験結果より，押下圧力におおよそ線形に比例して最大値が大きくなっていることが分かる．図 7a お
よび図 7b より，テープ無しの方が最大値が小さい．
これは分銅を載せた際に，テープ無しの場合は徐々に空気が抜け，気圧が大きく上がらなかったためである．またタッチパネル中央および左上端にて同様の特性が確認されたことから，タッチパネル全体にて同様の特性を有していると考えられる．

4.2 押し分け精度評価実験
BaroTouch を用いるユーザがどの程度の精度にて押し分けを行うことが可能か調査を行った．本実
験において，テープ有り/無し状態の防水端末および図 8 に示すアプリケーションを用いて，2–6 段階の押し分けを行った際の精度を調査した．

4.2.3

実験手順

実験は窓や扉を締め切った屋内にて行われた．被験者は実験中，常に着席しているように求められた．
まず実験者は実験内容の説明を行った．その後，
アンケートに回答するように指示した．アンケー
ト回答後，ピンチ力計（Baseline 社製，ER HiRes
hydraulic pinch gauge）を強く握ってもらい，被験者の利き手である右手の親指の指圧を測定した．平
均指圧は 7.25 kg（SD = 2.99 kg）であった．
実験者は被験者に対して図 8 に示す BaroTouch
評価用アプリケーションを提示し，手法の説明を行った．その後，実験端末のタッチパネル中央に表示されたボタンを弱く 5 回，強く 5 回押下してもらい，押下した際の積分値が最大となった際の値を記録した．このとき，強く押下した際の積分値の平均を上限値，弱く押下した際の積分値の平均を下限値とし，キャリブレーションした．
評価用アプリケーションの内容を述べる．アプリ
ケーションにて画面に上限値および下限値の範囲を等分に 2–6 分割されたメータ（図 8a）を表示し，メー
タ内の分割されたブロックの内の一つを赤色に着色
しターゲットとした（図 8b）．図 8c に示す画面内の緑色の矩形は，画面を押下した際の積分値に応じて上下するバーであり，被験者の押下圧に応じてリ
アルタイムに上下する．被験者はこのバーの上辺をBaroTouch：防水タッチパネル端末に内蔵された気圧センサを用いた押下圧力取得手法

姻瘶桦

**
**

*

*

***

**

***
***

*

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

**
***

0.6

0.6
2ศ๭

3ศ๭

4ศ๭

5ศ๭

2ศ๭

6ศ๭

3ศ๭

4ศ๭

5ศ๭

6ศ๭

C ‫ذ‬٦‫ف‬剣‫׶‬B ‫ذ‬٦‫ف‬搀‫׃‬

図 9. 端末および分割条件ごとの正答率（*:p < 0.05,**:p < 0.01,***:p < 0.001)

ることが分かる．また端末状態間において有意差は見られなかった．

5

議論

一部のスマートフォンにて提供されている押下圧力取得機能は，指が端末のタッチパネルにタッチした際に押下圧力に応じて先端が変形し，タッチ面積が変わる現象を用いている．しかし，タッチ面積は指の角度によって異なる．図 11 に異なる角度（指を立てた状態および寝かせた状態），異なる圧力にて端末を押下した際の気圧値とタッチ面積のグラフを示す．図 11 から気圧値およびタッチ面積は押下圧力に応じて変化していることが分かる．しかし，タッチ面積に基づく手法は押下圧力以上に指の角度によって大きく変化していることが分かる．一方でBaroTouch は指の角度に関係なく押下圧力を取得することができることが分かる．
またタッチ面積は指の角度および押下圧力によって変化するため，ここから押下圧力成分を除去することにより指の角度成分のみを抽出できる．そこで BaroTouch を用いて取得した押下圧力を用いてタッチ面積から指の角度のみを抽出する手法が考え
られる．


䭷
㖇⸂

甧
䓲

甧
䓼

㻅
䓲

㻅
䓼











‫ثحة‬꬗琎

4.2.4 結果および考察
図 9 に各端末条件，分割条件ごとの正答率および対応のある t 検定の結果を示す．6 分割条件におけるテープ無し条件の平均正答率は 78.02%であり，テープ有り条件の平均正答率は 84.51%であった．さらに図 9 より，6 分割条件にてテープ有り条件の方が有意に正答率が高いことが示された．2 分割条件におけるテープ無し条件の平均正答率は 97.72%であり，テープ有り条件の平均正答率は 95.39%であり，4 以上の分割条件より有意に正答率が高かった．
図 10 にターゲットが表示されてから正答するまでの選択時間および対応のある t 検定の結果を示す．
図 10 より，分割数が多いほど選択時間を多く要す

アンケート結果より，10 名中 8 名の被験者がテー
プ有り条件の方が押し分けが容易であったという回答を得た．また 2 名の被験者がテープ無し条件において感度が良すぎると感じたと述べていた．これはテープ無し条件の場合，テープ有り条件に比べて押下時の気圧値の変化量が小さく，上限値および下限値の間のレンジが狭くなってしまったことが原因として考えられる．

孡㖇⦼ <I1B>

ターゲット内に収めた状態にて，指をタッチパネル
から離すことによりターゲット選択を行った．実験中，このターゲットが表示されてから，ターゲット
選択が成功するまでを 1 試行とした．
実験では練習タスクおよび実験タスクを被験者に行ってもらった．練習タスクでは，2–6 の各分割条
件にてランダムにターゲットを表示した．実験タス
クでは，試行回数が各ブロックにおいて等しくなる
ようにランダムにターゲットを表示した．各分割条
件にて練習タスク 12 試行および実験タスク 60 試行
を被験者に行ってもらい，全ての分割条件が完了するまでを 1 セッションとした．実験は端末条件ごとに 1 セッションずつ行い，セッション間において 3 分
以上の休憩を被験者に取ってもらった．結果として，被験者には実験タスクにて合計 600 試行（ = 2 セッション × 5 分割条件 × 60 試行）を行ってもらった．
実験終了後に，被験者には使用感に関するアンケートに答えてもらった．実験は各被験者ごとに，事前説明からアンケート回答まで 40 分程度の時間を要した．なおカウンターバランスをとるために，被験者を二つのグループに分け，片方のグループはテープ無し条件から，もう片方のグループはテープ有り条件から行い，被験者ごとに各分割条件をどの順序で行うかはラテン方格法を用いて決定した．













孡㖇⦼

儗꟦


‫ثحة‬꬗琎図 11. 端末を押下した際の気圧値とタッチ面積

WISS 2016

*
***
***

***
**
**

2000

***
*

**

*
**

1500

᫬㛫 [ms]1500

᫬㛫 [ms]

**

2000

*
***

1000

1000
500

500

0

0
2ศ๭

3ศ๭

4ศ๭

B ‫ذ‬٦‫ف‬搀‫׃‬

5ศ๭

6ศ๭

2ศ๭

3ศ๭

4ศ๭

C ‫ذ‬٦‫ف‬剣‫׶‬

5ศ๭

6ศ๭

図 10. 端末および分割条件ごとの回答時間（*:p < 0.05,**:p < 0.01,***:p < 0.001)

6

まとめと今後の課題

本稿にて防水端末に内蔵された気圧センサを用いて押下圧力を取得する手法である BaroTouch を示した．さらに防水端末において，端末の気密性が高
い状態および低い状態のどちらにおいてもタッチ圧力を取得するための処理手法を示した．
また BaroTouch において，タッチする位置や圧力によってどのような感圧特性を有するか実験により明らかにした．実験結果より端末を押下した際のたわみが大きくなる中央部付近が最も感度が高く，さらに積分値は押下圧力に線形に比例することが明らかになった．ユーザの押し分け精度評価実験を行ったところ，2 段階の分割条件において，気密性の高いテープ有り条件時 95.39%，気密性の低いテープ
無し条件時 97.72%の精度，6 段階の分割条件において，テープ有り条件時 84.51%，テープ無し条件時
78.02%の精度にて押し分けることが可能であった．
今後はドアの開閉を行った場合や屋内外等の異なる環境において同様の実験を行い，BaroTouch がどのような環境において使用可能であるか調査を行う．また BaroTouch は今回実験に使用した端末以外の防水端末にて，気圧センサの位置が異なった場
合においても同様に使用可能であるか調査を行う．
さらに LG 社製の G Watch R 等のスマートウォッ
チは防水性能を有しており，かつ気圧センサが搭載されているため，BaroTouch がスマートウォッチ上でも同様に使用できるかどうか調査を行う．

参考文献[1] Apple. iPhone 6s - 3D Touch. http://www.
apple.com/jp/iphone-6s/3d-touch/ (2016 年
9 月 4 日閲覧).
[2] P. H. Dietz et al. A Practical Pressure Sensitive
Computer Keyboard. In Proc. of UIST ’09, pp.
55–58, 2009.
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