赤外線 LED 埋め込みシリコーンゴムを用いたタッチパネル坂本侑 一 郎†
吉 川 拓 人†堀竜 慈†† 村 田
志 築 文 太 郎†† 田 中

大 江 龍雄 一††
二 郎††

人†

本論文は赤外線 LED を埋め込んだ透明なシリコーンゴムを入力面に利用するタッチパネルについて述べる．マルチタッチの検出方法としてアクリル板内の赤外線の全反射を用いた FTIR 方式が用いられる．従来 FTIR 方式によるタッチ検出にはアクリル板が用いられるのに対し，我々の製作したタッチパネルには形成したシリコーンゴムを用いた．シリコーンゴムを用いた FTIR 方式は，アクリル板を用いた FTIR 方式よりも感度が高い．また，アクリル板を用いたものでは困難であった，スタイラスを介したタッチやパネル上に置かれた固い物体の検出ができる．更に，FTIR 方式に必要である赤外線 LED をシリコーンゴムに埋め込むことにより，赤外線 LED モジュールとタッチパネルを一体化することができる．我々はこの方式に基づくタッチパネルを製作し，アプリケーションを作成した．

A Touch Panel using Silicone Rubber with embedded IR-LEDs
Yuichiro Sakamoto,† Takuto Yoshikawa,† Tatsuhito Oe,†Ryuji Hori,†† Yuichi Murata,†† Buntarou Shizuki††
and Jiro Tanaka ††In this paper, we present a novel touch panel using silicone rubber with embedded IR-LEDs．
We have used the FTIR-based method for multi-touch sensing. Our novel touch panel is madeof silicone, while former touch panels are made of acryl．FTIR touch panel made of silicone
have better sensitivity than one made of acrylic panel．Furthermore, it detects touches bystyluses or ﬁrm objects which are diﬃcult to detect for one made of acryl panel．Moreover,it integrates IR-LEDs silicone rubber for multi-touch sensing. We implement a touch panel
based on our method and an experimental application．

1. は じ め にともに，様々な製品に導入されつつある．
マルチタッチ入力検知方式の一つとして，Han1) にタッチ入力を用いたインタフェースが注目されていよる FTIR 方式が利用されている．FTIR 方式はカる．タッチ入力は，マウスやスタイラスのようポインメラ入力を用いてタッチ位置を検出するため，タッチティングデバイスを別途必要とすることがなく，画面パネルの大型化が容易である利点がある．また，おおと操作デバイスを一体化することができる．一体化

まかな接触面の形状が取れることを用いた圧力の検知によってデバイスを小型化できることから携帯型デができるという利点もある．Han による FTIR 方式

バイスの入力方式として向く．また，画面に表示されではアクリル板を用いている．以後，アクリルを用いたオブジェクトを直接触れて操作するわかり易いイン

た FTIR 方式のタッチパネルを，アクリルタッチパネタフェースを作ることができることから，カジュアルルと呼ぶ．

ユーザ向けの入力方式として向く．このタッチ入力は，複数の指による同時タッチを検出するマルチタッチと

本稿では，透明なシリコーンゴム内における FTIR現象を用いたマルチタッチ入力デバイス (以後，シリコーンタッチパネル) について述べる．シリコーンタッ† 筑波大学情報学群
School of Informatics, University of Tsukuba†† 筑波大学大学院システム情報工学研究科
Graduate School of Systems and Information Engineering, University of Tsukuba

チパネルのタッチ検出は，アクリルタッチパネルに比べ，感度が高くより弱い力での接触が検知できる．また，アクリルタッチパネルでは困難であったスタイラ
スを介したタッチやパネル上に置かれた固い物体の検情報処理学会 インタラクション 2011

出ができる特徴がある．

LED モジュールをアクリル板の上に配置し，その状態で，図 1 のように，シリコーンをアクリル板の上へ

2. 関 連 研 究流し込む．このことによって，LED モジュールをシ

様々なマルチタッチ入力検知方式が実現されてきている．アレイ状にセンサを並べる方式では，独立した
2)3)アクティブセンサを接続する方式

リコーンゴム内に埋め込むことができる．なお，シリコーンが固まるまでに約 1 日を要した．

，パッシブセンサのアレイを用いる方式4)5) がある．しかし，これらの方式は解像度が低い．
画像処理を用いたシステムは高い解像度を提供する．
代表的な手法として Diﬀused Illumination(DI) 方式
6)7)8)がある．
．DI を用いることにより，マルチタッチを検出できるのみでなく，ピクセル明度または両眼視差を用いて，3 次元位置を大まかに検出することができる．また，固い物体の検出も可能である．しかし，正確な接触形状が検出されにくい．画像処理を用いたもうひとつの代表的な手法として FTIR1) 方式がある．

FTIR 方式を用いることにより，DI 方式よりも正確な接触形状を検出できる．しかし，固い物体の検出は

図1

シリコーンタッチパネル製作過程できない．
我々は，シリコーンゴム内における FTIR 現象を用いた．タッチパネル面を形成する際に，赤外線 LEDを埋め込んだ．シリコーンタッチパネルは，接触形状

3.1.2 原理

シリコーンゴム内部で発生している屈折の様子を図2 に示す．

が正確に検出され，指だけでなく固い物体の検出も可能なタッチパネル面を実現した．またシリコーンシー
Sillicon

トは柔らかい素材であるため，シリコーンゴムへの押し込み具合を，触覚フィードバックとして得ることがAcrylできる．David9) らは，アクリルを用いた FTIR 方式のタッチパネルを製作し，そのアクリルの上にマーカ

図2

屈折の様子の無いシリコーンシートを設置することにより，我々とほぼ同様の特徴をもつタッチパネルを実現している．
しかし，我々の作成したシリコーンタッチパネルは，屈折率の高い物質から屈折率の低い物質へある角よ赤外線 LED がシリコーンゴムに直接埋め込まれていり大きな入射角で光が入射するとき，物質の境界面にるため，FTIR 方式に必要である赤外線 LED とタッおいて光が全反射する．この全反射が発生する入射角

チパネルを一体化できるメリットがある．

3. 実

装

3.1 ハードウェア
3.1.1 シリコーンタッチパネルの製作
以下に，シリコーンタッチパネルの製作についてを臨界反射角という．ある物質 b から別の物質 a へ光が入射する場合の臨界反射角はスネルの法則 (式 1)にて求めることができる．na は物質 a の屈折率，nb
は物質 b の屈折率，θm は臨界反射角である．
na(1)sin θm =nb

述べる．シリコーンタッチパネルは，シリコーン (旭シリコーンゴムとアクリルの一般的な屈折率は，そ化成ワッカーシリコーン株式会社 RTV-2 SLJ 3220)，

れぞれ 1.4 と 1.49 である．これらの屈折率から光の960x720 mm，厚さ 5 mm のアクリル板，赤外線 LED入射の起こる各物質境界面について求めた臨界反射角(TLN231(F), 870 nm) 32 個を約 3 cm 間隔で並べたを表 1 に示す．

LED モジュールから成る．シリコーンゴムを形成す

赤外線 LED から発せられた光はシリコーンゴムとるにあたり，まず下地となるアクリルの 4 辺を木枠でアクリルの内部で全反射を繰り返す．シリコーンゴム

隙間なく囲う．そして，アクリル板の長辺に合わせてから空気に光が入射する場合，アクリルから空気に入赤外線 LED 埋め込みシリコーンゴムを用いたタッチパネル
表1

各物質境界面における臨界反射角

シリコーンゴムから空気に入射
シリコーンゴムからアクリルに入射
アクリルから空気に入射
アクリルからシリコーンゴムに入射

nb
1.4
1.4
1.49
1.49

na
11.49
11.4

キャプチャする毎に，ネットワークを経由して，アプθm
45.59–
42.16
69.99

リケーションを起動している計算機へ送信される．通信プロトコルには，Open Sound Control を用いた．

4. 実

験我々の製作したシリコーンタッチパネルと，アクリ射する場合の臨界反射角は 45 度と比較的小さい．すルタッチパネルにおける違いを調べる実験を行った．

なわち，多くの光線が全反射する．シリコーンゴムか様々な物体をタッチパネル面に接触させ，接触領域からアクリルに入射した場合全反射はせずに，すべてアら拡散反射される赤外線を，赤外線カメラで撮影した．

クリルに光が抜ける．

図 4 に，指を接触させた時の結果を示す．シリコーン

今回の実装では，下地となる板にアクリルを用いたタッチパネル，アクリルタッチパネル共に，指の接触ため，アクリル内に光が多く含まれている状態になっ領域から十分な量の光が得られた．図 5 に，スタイラてしまっている．シリコーンゴム内の FTIR 現象にスを接触させたときの結果を示す．アクリルに接触しよってタッチ位置を検出する場合，下地となる板にはたスタイラスからの拡散反射はわずかにしか観測されシリコーンゴムよりも屈折率の低い物質が望ましい．

なかったが，シリコーンタッチパネルにおいてはより屈折率の低い物質を使うことによって，シリコーンゴ鮮明に観測できた．図 6 に，様々な物体を接触させた

ム内のほうが光を多く含む状態を作ることができるかときの結果を示す．アクリルとの接触において拡散反らである．

射を観測しにくかった物体も，シリコーンタッチパネ

3.1.3 ハードウェア構成

ルにおいては観測できた．書籍と携帯電話については，

図 3 にハードウェア構成を示す． シリコーンタッ

シリコーンタッチパネルにおいて鮮明な拡散反射光が確認できた．

Weiss10) らの示した SLAP Widget では，シリコーン素材のタンジブルオブジェクトにマーカを付ける必要があったが，シリコーンタッチパネルは指以外の物体も検出できるため，マーカを必要としない．

図 3 ハードウェア構成

図 4 指の接触 左:表面の様子 中:シリコーンタッチパネル 右:アクリルタッチパネル

チパネル全体から生じる拡散反射光が撮影できるように，シリコーンタッチパネルの下方に赤外線カメラを設置した．シリコーンタッチパネルの下には，拡散材としてトレーシングペーパーが敷いた．この拡散材に短焦点プロジェクタを用いて後方投影することにより，

図 5 スタイラスの接触 左:表面の様子 中:シリコーンタッチパネル
右:アクリルタッチパネル

タッチパネル面に映像を映し出している．

3.2 ソフトウェア
タッチパネル面に接触する複数の物体の接触領域から拡散する赤外線光を，赤外線カメラで撮影し，画像処理を施すことにより，接触を検出する．まず，検出された領域をラベリングすることにより，個々物体の接触形状を求める．その上で，物体の接触形状より，領域の外周の座標列，重心座標，接触面積，平均輝度値を取得する．これらのデータは，カメラ画像を 1 枚

図 6 様々な物体の接触 左:表面の様子（書籍，ペットボトル，スプレー缶，携帯電話，人形，編み物） 中:シリコーンタッチパネ
ル 右:アクリルタッチパネル

情報処理学会 インタラクション 2011

5. アプリケーション

7. 結論

シリコーンタッチパネル上における物体によるタッ

本論文は，赤外線 LED を埋め込んで形成したシリチ検出を活かしたエンターテイメントアプリケーショ

コーンゴムを用いたタッチパネルの実現について述べンを実装した．図 7 に動作の様子を示す．このアプリ

た．シリコーンゴム内で発生する FTIR 現象を用いケーションでのプレーヤの目的はすべての的を画面上たタッチ位置検出方法は，従来方式では困難なスタイから消すことである．虫を模した的が画面上をランダラスやパネル上に置かれた固い物体の検出ができる．

ムに移動する．プレーヤはハエたたきによって的を叩

我々はタッチパネルの実装を行い，人間の指によるタッくことによって，画面上から的を消すことができる．

チ，スタイラスによるタッチ，固い物体を含む様々な的の一つ一つには，耐久度が設定されている．プレー

物体をパネル上に置いたときの検知を試した．また，

ヤは，ハエたたきを用いて的をたたくことにより的のデモアプリケーションの実装を行った．

耐久度を減らすことができる．また、ハエたたきを強謝辞 シリコーンタッチパネルの製作にあたっては，く衝突させるほど，耐久度をより多く減らすことがで本研究室の卒業生である内藤真樹氏，本研究室の君岡きる．耐久度が 0 以下になった時，的は消える．

銀兵氏，韮澤賢三氏，小林敦友氏のご助力をいただい今回の実装では，衝突の強さを、シリコーンタッチパネルから得られる接触面積と平均輝度値を用いて認識している．

図7

エンターテイメントアプリケーションが動作している様子

6. 今後の展望
今回我々は，FTIR 方式に必要な LED を埋め込み，シリコーンゴムの形成を行った．シリコーンゴムは必
要な装置センサなどを埋め込んで形成をすることができる．今後は各種センサの埋め込みを行って，多様な値を取得することのできるタッチパネルを作成したい．
本論文の実装においては，アクリル板の上にシリコーンゴムを形成したが，FTIR 現象を用いてタッチ位置を検出するためにはアクリル板は不要である．すなわち，シリコーンゴム単体での検出ができると考えられる．シリコーンゴム単体で装置を構成することによって，曲がるタッチパネルを作成することができると考えられるため，試したい．

た．ここに感謝する．

参 考文献1) Han, J. Y.: Low-cost multi-touch sensing
through frustrated total internal reﬂection,
UIST ’05, ACM, pp.115–118 (2005).
2) Lee, S., Buxton, W. and Smith, K.C.: A multitouch three dimensional touch-sensitive tablet,
CHI ’85, ACM, pp.21–25 (1985).
3) Westerman, W. and G., J.: US Patent
6,323,846: Method and Apparatus for Integrating Manual Input (2008).
4) Rekimoto, J.: SmartSkin: an infrastructure forfreehand manipulation on interactive surfaces,
CHI ’02, pp.113–120 (2002).
5) Nicol, K. and Henning, E. M.C.: US Patent
4,134,063: Apparatus for the Time-dependent
Measurement of Physical Quantities (1979).
6) Matsushita, N. and Rekimoto, J.: HoloWall:designing a ﬁnger, hand, body, and object sensitive wall, UIST ’97, ACM, pp.209–210 (1997).
7) Malik, S. and Laszlo, J.: Visual touchpad: atwo-handed gestural input device, ICMI ’04,ACM, pp.289–296 (2004).
8) Wilson, A.D.: TouchLight: an imaging touch
screen and display for gesture-based interaction, ICMI ’04, ACM, pp.69–76 (2004).
9) Smith, J. D., Graham, T. N., Holman, D.
and Borchers, J.: Low-Cost Malleable Surfaces with Multi-Touch Pressure Sensitivity,
TABLETOP ’07, IEEE Computer Society, pp.
205–208 (2007).
10) Weiss, M., Jennings, R., Khoshabeh, R.,
Borchers, J., Wagner, J., Jansen, Y. and Hollan, J.D.: SLAP widgets: bridging the gap between virtual and physical controls on tabletops, CHI ’09, ACM, pp.3229–3234 (2009).