情報処理学会 インタラクション 2016
IPSJ Interaction 2016

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オブジェクト上でのタッチ操作を実現する
タンジブルインタフェース
上野 新葉†1

加藤 邦拓†2

宮下 芳明†1,†2

概要：本研究では，オブジェクト上でのタッチ入力を可能とするタンジブルインタフェースを提案する．
提案手法では導電性と非導電性の 2 種類のフィラメントを使用し，3D プリンタによって縞模様状の導電部を持つオブジェクトを出力する．既存研究 ExtensionSticker の手法により，オブジェクト上でのタップ，スクロール，スワイプ，回転操作など様々な入力を可能とする．また，従来のタッチパネル上で使用するタンジブルインタフェースのような，複数の導電部を介してマルチタッチを発生させる手法と併用することで，様々なインタフェースを実現できる．今回，市販されているタッチパネルデバイス上で使用するための条件についての簡単な調査を行い，それにもとづいた 2 種類のインタフェースを試作した．

A Tangible User Interface that Can Realize Touch Operations on the
Physical Object
Saraha Ueno†1

Kunihiro Kato†2

Homei Miyashita†1,†2

Abstract: In this paper, we propose a tangible user interface that can realize touch operations on the physical object. We printed physical object that have conductive striped patterns by multi-material 3D printing
with conductive and non-conductive ABS materials. Using ExtensionSticker’s method allows the user togenerate a variety of touch operations such as tap, scroll, swipe and rotation on the physical object. Furthermore, using with a method that generate multi-touch inputs allow to realize a variety of tangible userinterfaces. We tested to examine conditions to use our method on the touch panel devices.

1. はじめには導電性インクによって縞模様状のパターンを印刷したシートである．印刷された複数の導電性の線を指で触れる

今日，スマートフォンやタブレット端末など，数多くのことで，タッチ入力を発生させることができる．これによ

静電容量式タッチパネルを搭載したデバイスが普及してり特定箇所におけるタッチ入力だけでなく，スクロール操いる．これらのデバイスはマルチタッチ入力を可能とし，作のような連続的なタッチ入力を実現した．

ディスプレイ内のインタフェースを直接手で触れること

本研究では ExtensionSticker の手法を応用し，オブジェで，より直感的で分かりやすい入力を実現している．本稿

クト上でのタッチ入力を可能とするタンジブルユーザイン

第二著者らは，これまでにこうした静電容量式タッチパネタフェースを提案する．提案手法では 3D プリンタによっ

ルデバイスの入力インタフェースを拡張する手法として，て導電性の縞模様パターンを持つオブジェクトを出力すExtensionSticker を提案してきた [15]．ExtensionSticker

ることで，タンジブルインタフェースを作成する．これにより既存研究で提案されているタンジブルインタフェー†1†2

明治大学総合数理学部先端メディアサイエンス学科
Presently with Department of Frontier Media Science, Faculty of Interdisciplinary Mathematical Sciences, Meiji University
明治大学理工学研究科新領域創造専攻
Presently with Programs in Frontier Science and Innovation,
Graduate School of Science and Technology, Meiji University© 2016 Information Processing Society of Japanス [4], [6], [8] のような，オブジェクトの位置や向きの認識だけでなく，インタフェース上でのタップ，スクロール，スワイプ，回転など様々な操作を可能とする．また，オブジェクト内部の導電性フィラメントの配線を工夫すること872情報処理学会 インタラクション 2016
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で ExtensionSticker で提案したようなタッチ入力の拡張もを発生させる．ユーザが ExtensionSticker 上で指をスライ実現することもできる．オブジェクトの出力に 3D プリンドさせる動作をすることで，指と接触している線が順にずタを活用することで，従来の ExtensionSticker で実現したれていく．これにより，発生させたタッチ入力を途切らせ事例に加え，より幅の広いインタラクションへの応用が実ることなく連続的なタッチ入力が実現する (図 2)．

現できる．
今回，提案手法によるインタフェースが市販のタッチパネルデバイス上で動作することを示すため，異なる導電部の太さ・間隔，オブジェクトの高さのオブジェクトを出力し簡単な調査を行った．また，得られた結果をもとに，2種類のタンジブルインタフェースを試作した．

2. 提案手法
本研究では導電性フィラメントと非導電性フィラメントを縞模様状に 3D プリントすることで，出力したオブジェクトを介しタッチ入力を発生させる手法を提案する．ユー

図 2 ExtensionSticker 原理 (文献 [15] 図 2 より引用)

ザがタッチパネル上に置いたオブジェクトに触れると，その下部においてタッチ入力を発生させることができる．オ
ブジェクトの上面（図 1 左上）や側面（図 1 左下）などの2.2 制作環境

表面上で縞模様が露出していれば，任意の箇所でタッチ操本研究で使用したフィラメントは，それぞれ直径 1.75作を行える．更に，縞模様上で指をスライドさせるようにmm の導電性 ABS フィラメント（株式会社ミジンコ製）と触れることで，スクロール操作のような連続タッチ入力を非導電性 ABS フィラメント（ボンサイラボ株式会社製）でも可能とした（図 1 右上，右下）．

ある．使用した導電性 ABS フィラメントの表面抵抗率は1.00 × 103 〜 105 Ω である．提案手法では 2 種類のフィラメントを出力可能な 3D プリンタが必要となるため，FDM方式である 3D プリンタ BS01 + ABS/PLA モデル Dual
完成版 *1（ボンサイラボ株式会社製）を使用した．ホットエンド口径は 0.40 mm ，最大造形サイズは幅 150 mm ，奥行 130 mm ，高さ 100 mm である．3D プリントするためのソフトウェアに Repetier-Host を用い，スライサーソフトは Slic3r を用いた．
なお，導電性，非導電性フィラメントの造形温度はともに 230 度とした．図 1 のオブジェクト（高さ 20.0 mm）の場合，造形時間は 34 分 31 秒，フィラメント使用量は2484 mm である．また出力オブジェクトの密度は 100 %とした．
図 1

上面操作によるタッチ入力（左上），上面操作による連続タッチ入力（右上），側面操作によるタッチ入力（左下），側面操作

2.3 形状による連続タッチ入力（右下）

導電性の箇所と非導電性の箇所による，縞模様状のパターンを持つ 3D モデルを作成するため，フィラメントごとにモデリングを行う（図 3 左上，左下）．2 つのモデル

2.1 ExtensionSticker 技術の利用提案手法では既存研究である ExtensionSticker の手法をを読み込み，それぞれにフィラメント設定を施すことで同時に種類の異なるフィラメントで 3D プリントできる．

使用することで，スクロール操作のような連続的タッチ入提案手法を用いた，オブジェクト上での操作によるタッ力を実現する．ExtensionSticker は導電性インクを用いてチ入力の認識精度を調査するため，複数のタンジブルインタ縞模様状のパターンを印刷したシートであり，タッチパネルフェースの試作を行った．今回調査に使用するプロトタイ

ディスプレイ上に貼り付けて使用する．ExtensionSticker

プでは，ExtensionSticker で示されている条件をもとに出の手法ではインクジェットプリンタによって印刷された，力を行った．以下，モデルの寸法に関する呼称を図 3 右の複数の導電性の線を指でまたいで触れることでタッチ入力*1© 2016 Information Processing Society of Japan

https://www.bonsailab.asia/dual.html (2015 年 12 月確認)873

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ように定義する．縞模様状に出力する導電性フィラメントの太さとそれら同士の間隔は，ともに 1.0 mm と設定した．
これに加え，今回使用した導電性フィラメントは抵抗値が非常に高いことから，縞模様の太さを ExtensionSticker で示されている値より太くしてもタッチ入力を発生させられる，という仮説をたてた．そこで幅と間隔を 2.0 mm にしたものも用意し，それぞれについて検証を行う．
また，ExtensionSticker では，印刷する縞模様パターンの距離が長くなるにつれ，タッチ認識精度が下がることを報告している．そこで，タッチ入力を発生可能な距離 (オブジェクトの高さ) についての調査を行うため，10.0 mmから 50.0 mm (5.0 mm 刻み) までの高さを持つオブジェクトを出力した．また出力するオブジェクトの横幅の寸法

図 4提案手法を用いたタンジブルインタフェースの出力は，タッチする指 1 本分として 10.0 mm に設定し，縦幅の寸法は連続タッチ入力も可能な 30.0 mm で固定とした．

スを出力した例である．オブジェクト表面には円形に配置

結果，太さ及び間隔が 1.0 mm，2.0 mm のいずれも場合でされた複数の導電部を持つ．これらはオブジェクトの内部も高さが 30.0 mm 以下であれば安定してタッチ認識に成を通し，底面に配置された縞模様パターンの導電部に接功した．

続されている．これにより，オブジェクト表面上におけるユーザの回転操作をタッチパネル上でのスクロール操作に変換することができる．

図3

3D モデル：非導電部（左上），導電部（左下），寸法の定義（右）3. オブジェクト上でのタッチ入力を可能とするタンジブルインタフェース
提案手法による縞模様パターンを持つ，タンジブルインタフェースを実装した．本手法では 3D プリンタによって

図 5

ダイヤルインタフェース外観．円形に配置された複数の導電部がオブジェクト内部を通して，底面の縞模様に接続される．

4. インタフェース作成例

インタフェースの出力を行っている (図 4)．そのため，ユー

図 6 a は，提案手法によって出力したオブジェクトを複ザのタッチ入力部とディスプレイ上でタッチ入力を発生さ数用いることでタンジブルインタフェースを実現した例でせる箇所を接続する配線をオブジェクト内部に埋め込むある．円形状に複数配置することで，任意方向へのピンチことができるという特徴がある．従来の ExtensionSticker操作を実現することができる．の手法では，全ての導電部が同一平面上に存在するため，また提案手法によって出力したオブジェクトに対し Cap-

タッチパネルディスプレイの端でしか使用できないというWidgets [8] のように複数の導電部を配置する手法を併用す制約があった．提案手法によってタッチ入力を発生させるることで，タッチパネル上でオブジェクト自体の位置・向ために必要な箇所のみをオブジェクト表面に露出させるこきを認識可能なタンジブルインタフェースが実現する (図とができるため，タッチパネル上の任意の箇所で使用する

6 b)．このオブジェクト表面は導電性フィラメントによっことが可能である．て覆われており，内部を通してオブジェクト底面のマルチ

また，ExtensionSticker と同様に，導電部の位置や形状，タッチパターンと接続される．このマルチタッチパターン

オブジェクト内部の導電部の配線を工夫することで，様々の形状を変えることで，オブジェクトの識別も可能となる．

な操作方法を実現できる．図 5 は，ダイヤルインタフェーキャラクタの形状をしたオブジェクトを出力することで，© 2016 Information Processing Society of Japan874

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図 6163B25
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アプリケーション例: (a) ピンチ操作インタフェース，(b) マルチタッチパターンを併用したインタフェース，(c) つまみインタフェース

インタラクティブな玩具への応用などが考えられる．

いる．また，AppMATes *2 のように既に製品として販売

図 6 c は 図 5 に示したダイヤルインタフェースを応用されているものもある．本研究で提案する手法では，こうし，つまみ型のインタフェースを実現した例である．円柱したオブジェクト自体を動かす操作に加え，オブジェクト状のオブジェクト内部には導電部が円形に配置されてお上でのタッチ操作をタッチパネル上に伝える手法を実現しり，これらの一端が円柱の側面上で露出されている．これている．

らの導電部はオブジェクト内部を通し，底面部の縞模様パまた，複数の導電部の距離や位置関係をタッチパネル上ターンに接続されている．ユーザがこの円柱部側面をつまで認識させることで，オブジェクトの識別を行う手法も提むことで底面部に接続された縞模様パターンが接地され，案されている [6]．TUIC では 3 種類のオブジェクト識別タッチ入力を発生させる．同様に静電容量式タッチパネル手法が提案されている．複数の導電部を配置したパター上につまみ型の物理インタフェースを実現する手法もこれ

ンによる識別，特定の箇所に一定の周期でタッチ入力をまでに提案されているが，提案手法とは原理が根本的に異与え続ける回路を実装しその周波数の違いによって認識なっている [9], [11]．アプリケーション例としては，オーする手法，これら 2 つを組み合わせた手法を実現していディオインタフェースなどへの応用が考えられる．マルチる．CapStones も同様に複数の導電部を配置することでオタッチパターンの配置によってオブジェクトの識別を行ブジェクトの識別を行っている [4]．ブロック状の物理オえば，タッチパネル上の任意箇所にユーザの好きなインタブジェクトを重ねることで，異なったマルチタッチパターフェースを配置可能なオリジナルのシンセサイザなどが実ンを生成可能な機構を提案している．また，本稿第二著者

現できる．

らの提案した紙窓では，導電性インクによって導電部を印

5. 関連研究5.1 タッチパネル上で使用する物理オブジェクト刷し，紙製のインタフェースを作成する手法を提案した．
紙窓では印刷した導電部の配置を識別することで，異なるアプリケーションを紙製インタフェース内部に表示さ今日普及しているスマートフォンやタブレット端末などせる．この紙製インタフェースには穴が開けられており，タッチパネルを搭載したデバイスの多くは，この静電容量ユーザはこの穴を通してタッチパネル上に表示されたアプ式タッチセンサが採用されている．静電容量式タッチパリケーションを操作することができる [14]．他にも，導電ネルの基本原理や，それを活用したインタラクションは部を印刷した紙を折り曲げることで，立体的な折り紙イン

SmartSkin にて提案された [2]．この手法では，人体などタフェースの作成する手法の提案も行っている [13]．同様の接地された導電体の接近を検知することでタッチ認識に，Sketch-a-TUI でも導電性インクを用いたインタフェーを行っており，金属などの導電体を介することでもタッチスの作成を行っている [1]．本研究で提案するタンジブル入力を行うことができる．SmartSkin の提案以降，この手インタフェースはこうした，複数の導電部によるオブジェ法を用いることで物理的なオブジェクトを認識し，インタクトの識別や位置・向きの認識手法を併用することも可能フェースとして使用する研究が数多くなされている．

である．

CapWidgets では，つまみ型オブジェクトを用いた操作

物理オブジェクトを活用したインタラクションに関する手法を提案している [8]．CapWidgets 底面には 2 つの導研究として，くるみるでは内側に穴を持つ枠型の物理オブ電部が配置されており，オブジェクト自体を動かしたり，ジェクトを用いたインタラクションを提案している [10]．

つまみを回す操作によるアプリケーションの操作を行って© 2016 Information Processing Society of Japan*2

www.appmatestoys.com (2015 年 12 月確認)875

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内側に穴の空いた枠型オブジェクトをタブレット端末上クトによって，ディスプレイとしての役割も果たすタンジに乗せ，枠の内側に表示された情報を閲覧しながらアプリブルデバイスを提案している [16]．赤外線カメラによってケーションの操作を行う手法を提案している．くるみるのデバイスの識別や，位置の認識を行っている．また，ペン使用例として，枠型オブジェクトで囲むことによるディス先に赤外線 LED を持つポインティング用のペンを用いる

プレイ上の情報選択や，オブジェクトを回す操作による画ことで，ユーザの指を用いた直接タッチではないが，物理像の拡大・縮小操作などを行っている．Tangible Remote

オブジェクト上からの入力を実現している．

Controllers では，タブレット端末上に設置した物理オブジェクトを用いた大型ディスプレイでの作業のためのイ

5.3 3D プリンタによるオブジェクトの出力ンタフェースを提案している [9]．複数の導電部を配置しCapricate では，静電容量タッチセンサを持つ 3D オブたボタンやスライダ，ダイヤルなどのインタフェースを実ジェクトのデザインシステムを提案している．導電性フィ装しており，それらを乗せたタブレット端末自体をコント

ラメントと非導電性の ABS フィラメントを用いることローラとして使用している．スライダ，ダイヤルのインタで，ボタンやスライダなどのインタフェースや，タッチセフェースは左右または円形に動かすことのできる機構を持ンサを持つウェアラブルデバイスなどを実現している [5]．

ちそれらに配置された導電部によってインタフェースの操

Capacitive Blocks は静電容量センサを活用した，ブロック作を認識している．

システムを提案している．同様に 3D プリンタを用いるこ

静電容量式タッチセンサは，一般的に接地された物体のとで，コンデンサの役割を持つブロックを出力している．

接触によってタッチ位置を検出している．導電部を配置しこのブロックの静電容量を計測することで，ブロックの積た物理オブジェクトをただタッチパネル上に置いただけでみ重ねを認識している [18]．Printed Optics は，3D プリ

はタッチ認識に必要な静電容量の変化を起こすことができンタによって出力した光ファイバのようなパイプを出力すない．そのため，ここまでに挙げた研究の殆どはユーザ自ることでインタラクティブなデバイスの作成を行っている

身がオブジェクトの導電部に触れたまま使用することを前[3]．Ficon と同様に，光ファイバの特性を利用することで提としている．この問題を解決する手法として，PUCs でディスプレイとしての役割を果たす．また，赤外線センサはユーザがインタフェースの導電部に直接触れずとも，オを用いることでユーザのタッチ入力を可能とするタッチイ

ブジェクトの位置をタッチパネル上で認識させる手法を提ンタフェースや，スライダ，ダイヤルなど様々な入力イン案している [17]．PUCs では複数の足を持ったブリッジ状タフェースも実現している．の物理オブジェクトを使用している．タッチパネル内部に格子状に配置されている電極に対して斜めに配置することで，人体の接触を必要としないタッチ認識を実現している．

6. まとめと今後の課題
本稿では，オブジェクト上でのタッチ入力を可能とするタンジブルインタフェースを提案した．導電性，及び非導5.2 タッチ操作を可能とする物理オブジェクト

電性の 2 種類のフィラメントを 3D プリンタによって縞GaussBricks は物理オブジェクト内部に埋め込まれた磁模様状のパターンを持つオブジェクトを出力する．既存研石を用いたインタフェースを提案している [7]．磁力によっ

究 ExtensionSticker の手法を利用することで，オブジェて複数のオブジェクトを組み合わせることで，様々な形状クト上でのタッチ，スクロール，スワイプなどの様々な入のインタフェースを実現している．GaussBricks の応用例

力を可能とした．従来の静電容量式タッチパネル上で使用の 1 つとして，オブジェクト上でのタッチ操作を可能とすするタンジブルインタフェースのような，マルチタッチパるインタフェースを示している．前節で述べた手法と同じターンと併用することも可能とし，より幅の広いインタラ

く複数の導電部を持ち，ユーザはこの導電部上をタッチすクションが実現できる．また，市販のタッチパネルデバイることでタッチパネル上でのタッチ入力を発生させている．

ス上での動作を確認するため，縞模様パターンの出力に使GaussBricks の論文内では，オブジェクトの形状に合わせ用する導電部の太さ，間隔，オブジェクトの高さについててキャラクタが表示され，オブジェクト上をなでる操作に簡単な調査を行った．その結果，オブジェクトの高さ 30.0

よってキャラクタが反応するというアプリケーションを示mm 以下であれば安定してタッチ入力ができることを示ししている．GaussBricks ではオブジェクト上でのなでる操た．今後，提案手法によってタッチ入力を安定して発生さ作を行っているが，これは前節で述べたような，特定箇所にせるために最適なパラメータを調査するためのより詳細なおいてタッチ入力を発生させる導電部を順番に触れること定量的評価を行う．

で実現している．これに対し，本稿では ExtensionSticker

また，現在提案手法によるタンジブルインタフェースはの手法を用いることで，スクロール操作のような連続的全て著者がモデリングを行っている．今後はこうしたインタッチ入力を可能とし，より細かな精度での入力が実現でタフェースをデザインするためのモデリングツールの実装きる．また，Ficon では光ファイバの束を用いたオブジェも検討する．本稿第二著者らが提案した ExtensionSticker© 2016 Information Processing Society of Japan876

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IPSJ Interaction 2016のデザインツール [12] や，Capricate [5] で提案されたモデリングツールのように，インタフェースの始点と終点を設定し，内部の配線を自動で行うシステムを検討している．

謝辞
本研究は，JST，COI の支援を受けたものである．
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