MonoTouch：複数ジェスチャ認識が可能な単一電極からなるタッチセンサ
高田崚介∗1

志築文太郎∗2田中二郎∗2

MonoTouch: Single capacitive touch sensor that detects touch gestures
Ryosuke Takada∗1,Buntarou Shizuki∗2and Jiro Tanaka∗2Abstract– We show a capacitive touch sensor called MonoTouch, which detects tap
and four directional swipe gestures. MonoTouch is composed of only one electrode anda cover. To detect the ﬁve gestures with a single electrode, we designed the electrode’s
pattern to satisfy the fallowing two requirements: (1) the number of response is diﬀerentbetween tap, right-left swipes, and up-down swipes; (2) the response of the electrodeis diﬀerent between the swipe direction. This design allows us to detect the ﬁve touchgestures by measuring the electrode’s capacitance. In addition, the design is so simple
that the sensor can be 3D-printed with a conductive and a non-conductive ﬁlament. We
conducted a user study to measure the accuracy of the detection. The result shows thatthe accuracy is 80%. In this paper, we also show MonoTouch’s applications.

Keywords : gesture recognition, single electrode, 3D print, rapid prototyping.

1.

はじめに計した電極パターンを導電素材および非導電素材を用いて 3D プリントし、タップや上下左右スワイプなどコンピュータの入力装置として多く用いられているの複数ジェスチャ認識が可能な単一電極タッチセンサ

静電容量方式のタッチパネルとタッチパッドは、多く「MonoTouch」を製作した。本稿においては、タッチのタッチセンサから構成される。これに伴って、個々センサの設計、ジェスチャの判別、判別精度、およびのタッチセンサの静電容量を計測するために、多くのセンサ形状の適用例を示す。

結線、およびマルチプレクサを用いた高速なスイッチングを要する。一方、単一電極のタッチセンサのみを用いて複数ジェスチャの判別が可能になれば、単一結線のみを要するため、柔軟な入力インタフェースの設計が可能になる。
単一電極を用いて作製された静電容量方式のタッチセンサを用いてタッチ、左右の 2 方向スワイプ、およびスワイプを行う際の指の本数を検出する手法はすでに真鍋らによって提案されている [1] 。真鍋らはスワ

図 1 製作した MonoTouch
Fig. 1 Developed MonoTouch.

イプおよびスワイプの向きを判別するために、スワイプの向きによって非対称な感度を持つように面積の異なる 2 つの電極パターンを持つプリント基板を用い2.

関連研究ている。一方、本研究はタップおよび 4 方向スワイプ

タッチセンサには、感圧方式 [2] 、光学方式 [3] [4] 、静を判別するために、スワイプの向きによって非対称な電容量方式 [5] [6] 、音響方式 [7] [8] 、ならびに時間領域タッチの応答時間を持ち、かつタップ、左右スワイプ、反射測定方式 [9] などがある。タッチセンサは指が触および上下スワイプにおいてタッチの応答回数が異なれていることを検出するセンサであるが、機械式のス

る、図 1 に示す電極パターンを設計した。また、設イッチと異なり微小なタッチセンサを平面上に並べることにより、入力の自由度を上げ様々なタッチジェス*1：筑波大学 システム情報工学研究科 コンピュータサイエン
ス専攻*2：筑波大学 システム情報系*1：Department of Computer Science, Graduate Schoolof Systems and Information Enginerring, University ofTsukuba*2：Division of Information Engineering, University ofTsukuba

チャの判別を行うことができる [5] [10] 。しかし、多くのタッチセンサを用いる場合には、その分多くの結線が必要になるため、回路規模が増大になる、消費電力が増加するといった問題が生じる。
そこで上記の問題に対し、少数のタッチセンサの入図 2 タッチセンサの応答イメージ
Fig. 2 Expected response of the touch sensor.

力の自由度を向上する手法が提案されている。たとえば、Sato らが提案した Touché[6]る。この時、1 回のスワイプにおける導電部に触れるは、単一電極のみを回数を左右スワイプの場合は 2 回、上下スワイプの場用いた把持状態の識別が可能である。加えて、接触し合は 3 回となるように電極パターンを設計することにている指のユーザ判別が可能[11]である。これは、タッチの状態によってインピーダンスや静電容量などの周より、タップ、上下スワイプ、および左右スワイプの判別が可能となる。

波数特性が異なることを利用している。同様のことは[要件 2] 要件 1 において、左スワイプと右スワイプ振動を用いても可能である [8] 。これらは、計測信号を間、および上スワイプと下スワイプ間において応答回周波数領域にて観測しており、静的な状態の判別を主数は同じである。この左右および上下の判別を行うたとしている。また、計測信号を時間領域にて観測する

めに、スワイプを行う際に指が触れる導電部分の長さことにより、動的な状態であるジェスチャ判別を行うが、スワイプの向きによって非対称になるように設計手法 [12] も提案されており、2 つのフォトリフレクタを行う。たとえば、右から左スワイプにおいては、長を用いて 4 種類の動的なジェスチャの判別を行っていい電極に触れた後に短い電極に触れ、左から右スワイた。一方、提案手法は時間領域にて観測する点においプにおいては、短い電極に触れた後に長い電極に触れて同じであるが、単一電極を用いている点、タップおるように設計する。上記の 2 つの要件を満たすようによび上下左右スワイプの計 5 種類の動的なジェスチャ電極パターンの設計を行った。図 2 に考案した電極パを判別する点において異なる。

ターンと、各タッチジェスチャを行った際に得られる

3.

タッチセンサ MonoTouch の設計

我々は、タップおよび上下左右スワイプの判別が可能な単一電極タッチセンサ MonoTouch の設計および製作を行った。以下に電極パターンの設計方針、および電極の製作について述べる。

3. 1 電極パターンの設計方針
タップ、スワイプおよびスワイプの向きを判別するために、我々は以下の 2 つの要件を満たす電極パターンを考案した。
要件 1 タップ、上下スワイプ、ならびに左右スワイプにおいてセンサの応答回数が異なると予想される応答イメージを示す。
電極の製作

3. 2

3. 1 節にて述べた電極パターンの設計と製作を行った。設計した電極パターンを図 3a に、実際に 3D プリントした電極の写真を図 3b に示す。図 3b の電極は図1 のように、内部の導電部分が全てつながるような構造になっている。電極パターンの製作には、印刷機として熱溶融積層方式の 3D プリンタ（FLASHFORGE社製、DREAMER）を用い、素材として導電性 PLAフィラメントおよび非導電性 PLA フィラメントを用いた。

要件 2 右スワイプと左スワイプ間、もしくは上スワイプと下スワイプ間のそれぞれにおいて、センサの応答時間が非対称である
以下にそれぞれの要件を説明する。

[要件 1] ユーザがタッチセンサにタップを行う際は、ユーザは指を電極に触れさせ、その後指を離す。つまり、1 回のタップにおける導電部に触れる回数は 1 回である。また、スワイプを行う際は電極パターン周囲

図 3 電極パターンの設計および製作した電極の非導電部に触れ、導電部と非導電部に交互に触れる

Fig. 3 Design of electrode pattern and developed electrode.

ようにセンサに触れたまま任意の方向に指を移動させ

4.という情報を用いてジェスチャの判別を行った。

ジェスチャの判別

4. 3

判別実験

4. 1 静電容量の検出
タップおよび上下左右スワイプを、電極の静電容被験者実験を行った。被験者は著者を含む大学院生 3量の変化に基づき判別するシステムを構築した。図名（22〜23 歳、男性）であり、被験者ははじめに数分

4 に、作製した電極を組み込んだ判別システムの構成

間システムを用いてジェスチャ入力を行う練習を行い、を示す。本システムにおいては静電容量の計測を行う

その後実験者の指示に従ってジェスチャ入力を行った。

ために、Arduino 用の静電容量計測ライブラリである

各被験者は 1 ジェスチャにつき 10 回のジェスチャ入CapSense [13] を用いた。これは、送信ピンの状態を変力を行い、実験者は各ジェスチャ入力ごとに判別正否化させた際に、受信ピンの状態が変化するまでの遅延の記録を行った。実験の様子を図 6 に、判別結果を表

時間を用いて静電容量を計測している。この遅延時間

1 に示す。

作成したタッチセンサの判別精度を確かめるためにはユーザの指が電極に触れた際に形成されるキャパシ
タンス C と、10kΩ の抵抗 R によって決まる時定数

R×C に依存しており、タッチした際に C が大きくなることにより遅延時間が長くなるため、この遅延時間を計測することにより電極に触れたことを検出する。

LĒ"SEVJOP6OP&MFDUSPEF% 4FOE1JO 

図 6 実験の様子
Fig. 6 Set-up of our experiment.

% 3FDFJWF1JO 1$

図 4 判別システムの構成
Fig. 4 Structure of our gesture detection system.

表 1 ジェスチャ判別の Confusion Matrix
Table 1 Confusion matrix of gesture discrimination.

4. 2 ジェスチャの判別方法
電極上にてタッチジェスチャを行った際に、観測された波形を図 5 に示す。図 5 中の下側は一つ前の静電容量との差分値の波形である。差分値が正の区間を橙色、負の区間を紫色、零の区間を緑色を用いて波形を着色している。この差分値に関して、1 回のジェスチャを行った際に正の符号の区間が何回出現したかという情報と、さらに先頭の正の符号の連続区間と、末尾の正の符号の連続区間のどちらの方が時間が長かったか判別精度は 80%であった。表 1 に示されるように、右から左スワイプ（Left）の判別精度が最も低いことが分かった。その誤判別の内訳として最も多かったのはタップとの誤判別である。これは電極表面にて指を図 5 それぞれのタッチジェスチャを行った際に得られる波形

Fig. 5 Waveforms measured for each touch gesture.

スワイプした際に、指が 2 つの電極にまたぐようにし参考文献て触れた場合に、常にセンサが応答することにより応[1] 真鍋, 稲村: 1 つのタッチセンサを用いたマルチタッチ
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答回数が 2 回にならず、1 回になったためである。この問題は左から右スワイプ（Right）がタップに誤判別されていることにも表れている。よって、今後はこれを防ぐために導電部分の間隔をより広げる、あるいは形状を工夫する改良を行っていくことを考えている。

5.

適用例

本研究が提案するタッチセンサの適用例を図 7 に示す。図 7 左のヘッドホン例は、曲送り（右スワイプ）、曲戻し（左スワイプ）、音量上げ（上スワイプ）、音量下げ（下スワイプ）、再生/一時停止（タップ）操作をヘッドホン側面に付与する案である。また、図 7 右のスマートフォンケース例は、電極を 3D プリントできるという特徴を活かし、端末形状に沿ったセンサ搭載のケースを製作できるという案である。端末背面にブラウザの戻る、進むなどを割り当てることにより、Back-of-Device 操作 [14] に利用することができる。

図 7 MonoTouch の適用例（左：ヘッドホン、右：スマートフォンケース）

Fig. 7 MonoTouch application (left: headphones, right: smartphone case).

6.

まとめ

単一電極を用いた複数タッチジェスチャの判別手法、およびその実装である単一電極タッチセンサ Mono-Touch を示した。判別可能なジェスチャは、タップおよび上下左右スワイプである。これらのジェスチャの判別を行うために、（1）タップ、上下スワイプおよび左右スワイプにおいて、それぞれセンサの応答回数が異なる。
（2）右スワイプと左スワイプ、もしくは上スワイプと下スワイプのそれぞれにおいて、センサの応答時間が非対称である。以上の 2 つの要件を満たす様な電極パターンの設計を行った。また、電極パターンを 3D プリントして製作し、ユーザが電極パターン上でジェスチャを行った際の静電容量の変化をもとにジェスチャの判別を行うシステムを構築した。被験者を用いた判別実験によりジェスチャの判別が可能であることが示された。今後、判別精度の向上、センサの小型化、およびセンサを用いた適用例の設計、製作に取り組む予定である。