情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

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Ohmic-Extension: 筐体グランドへの接続を利用した
静電容量方式タッチサーフェス拡張ウィジェット
池松 香1,2,a)

尾崎 保乃花1,b)

椎尾 一郎1,c)

概要：我々は，静電容量方式タッチサーフェスの入力語彙拡張を目的とした簡易取付型のウィジェットを提案する．本ウィジェットは，内蔵の可変抵抗器/センサの抵抗値に応じ連続的な入力を実現する．さらに，ウィジェットの検出には人体の接触を必要としないため，ユーザ個人差やユーザ身体のグランド状況の影響を受けず，安定した入力が可能となる．本論文では，予備調査を行いグランド条件毎の抵抗値の推定精度を確認し，さらに，調査をもとに試作したウィジェットおよびウィジェットを用いた応用例について報告する．

Ohmic-Extension: Extending Capacitive Touch Surface Interaction
Using Device Ground Connection
Ikematsu Kaori1,2,a)Ozaki Honoka1,b)Siio Itiro1,c)Abstract: We propose a simple attachment widget to extend input vocabulary for capacitive touch surfaces.
This widget provides continuous input modality depending on the resistance value of the built-in variable resistor/sensor. Moreover, the widget detection method on the touch surfaces does not require human-contact,
therefore, it is not aﬀected by user individual diﬀerences or ground conditions of user bodies. In this paper, we
report the feasibility study of our technique and based on the result of the feasibility study, we implemented
prototype widgets and applications.

1. はじめにブジェクトを乗せることで，タッチ入力に物理的な手がかりを付与する手法が多数提案されてきた [1], [3], [6]．これ

近年，スマートフォン，タブレット PC，スマートウォッ

らは，オブジェクト底面に導電性素材の複数タッチ点から

チ，トラックパッドなど，静電容量方式のタッチサーフェ

なるタッチパターンを設置し，タッチパターンと電気的にス（以下，タッチサーフェス）は広く一般に普及した．こ

接続された導電部にユーザが触れることで，オブジェクト

れらの多くはタッチ，マルチタッチ，ジェスチャ入力など，を介した入力を可能とするものである．しかし，これらの豊富な入力語彙を提供する．一方で，物理的なボタンやス手法においてはタッチパターンを構成する底面タッチ点のライダ，ダイヤルノブといった入力と比較し触覚的な手がタッチ/非タッチの離散的な状態のみを利用しており，取かりに乏しく，入力が成功裏に行われたことを確認するた

得可能な情報はタッチサーフェス上のオブジェクトの位置

めには視覚的/聴覚的フィードバックを待つ必要がある．

座標および回転角に限られている．

この課題に対し，タッチサーフェスの上にタンジブルなオ

この課題に対し，我々はタッチサーフェス上でオブジェ
クトのインピーダンス値が取得可能であることを示し，オ

1

2

a)
b)
c)

お茶の水女子大学
Ochanomizu University, Bunkyo, Tokyo, Japan
日本学術振興会
JSPS, Chiyoda, Tokyo, Japanikematsu.kaori@is.ocha.ac.jp
ozaki.honoka@is.ocha.ac.jp
siio@acm.org© 2018 Information Processing Society of Japan

ブジェクトの電気的特性（抵抗率・誘電率）に応じ，連続的な操作が可能なオブジェクトを提案した [15]．しかし，タッチサーフェスが計測する値はオブジェクトのインピー
ダンスだけではなく，ユーザの身体を通じてグランドへと

998

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i (Leakage Current)

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Zn

Z5から Rx へ，Z0 を介して信号が伝達される．次に，この交点に指がタッチすると，タッチサーフェス表面ガラスと指の表面などを経由して，Z1 と Z2 で Tx と Rx が接続される．それと同時に，人体などのインピーダンス Z5 を経由

Z1して接地される．これにより，Tx からの信号の一部 i（以Z2

降，流出電流とする）がグランドへと流出し，Rx にて検出

Touch Surface
Tx

Z0

Z4

図 1

される信号は減衰する．タッチサーフェスのドライバは，

Rx
Z3

V

静電容量方式タッチサーフェス等価回路．

Fig. 1 Equivalent circuit for a capacitive touch surface.

この減衰量が一定の閾値を上回るか否かにより，タッチ/
非タッチの状態を判別する．

2.2 連続的な入力
タッチサーフェス上のタッチ箇所から接地へ至るイン
ピーダンスが変化すると，流出電流はそれに伴い変化する．

至る経路全体のインピーダンス値である．そのため，身体Ohmic-Touch [15] においては，タッチサーフェスと接地さの個人差（皮膚の乾燥度合い，生体インピーダンスなど）れた導電体との間にオブジェクトを介在させ，オブジェク

や身体のグランド状況（靴の着脱，着席姿勢など）によりトのインピーダンス値の容量成分・抵抗成分それぞれの変

わずかに誤差が生じる．

化を，Flexibles [10] においては，オブジェクトの静電容量

我々は，連続的な入力を可能とし，かつ人体非接触での変化を入力に利用可能であることを示した．本論文で提タッチ検出を可能とすることでユーザの個人差等の影響を案するウィジェットにおいては，インピーダンスの抵抗成受けないタッチサーフェス拡張ウィジェットを，予備調査分を入力に用いることで連続的な入力を行うアプローチををもとに試作した．本論文ではこの内容を報告する．

選択した．安価でパッシブな可変抵抗器/センサは多く存

2. 作成要件

在するため，これを用いることでユーザの操作を抵抗値に変換する機構を容易に作成可能である．例えば，ダイヤル連続的な入力を可能とし，かつ人体の個人差および人体の回転を入力として扱うポテンショメータや，ノブをスラのグランド条件に影響されないタッチサーフェス拡張ウィ

イドさせる動作を入力として扱うスライダ，感圧や光，温ジェットの作成要件は下記のとおりである．

度などを抵抗値に変換する感圧センサ，光センサ，温度セ( 1 ) ウィジェットへの働きかけにより連続的な入力を可能

ンサなどの利用が可能である．また，3D プリンタによりとする．

( 2 ) ウィジェットの検出に人体の接触を必要としない．

造形するオブジェクト内部にこうした電子部品を組み込む手法も提案されている [11]．

本節では，一般的な静電容量方式タッチサーフェスの検出

流出電流と相関関係にある値を取得するメカニズムは，原理を説明した上で，ウィジェット作成要件を満たすため

OS X や Android などにて利用可能であり，インピーダンの実現方法について述べる．

スの容量成分を計測する目的で HCI 研究分野で広く用いられている [4], [5], [7], [13]．本ウィジェットにおいても同

2.1 静電容量方式タッチサーフェスにおける様に，市販のタッチサーフェス内蔵のメカニズムを用いる．

タッチ検出原理
タッチサーフェスは，透明な線形電極を格子状に並べた構造を有している [9]．一方が送信電極群であり，他方はこ

2.3 筐体を通じたグランド接続による人体非接触のタッチ検出

れらと直交する受信電極群である．タッチサーフェスは微多くのタッチサーフェスにおいて，筐体内部の電子基板量の高周波信号を送信電極に順番に流し，受信電極でこれのグランドと筐体は電気的に接続されている．そのため，を受信する．送信電極と受信電極の一対が交差する部分に導電体のオブジェクトの一端をタッチサーフェス上に，他おける等価回路を図 1 に示す．Tx は送信電極，Rx は受信端を筐体を通じグランドへと接続する（以下，筐体グラン

電極を示す．Zn で示すブロックはタッチサーフェス周囲ド）ことで，人体による接触が無い場合であっても十分なにある物質のインピーダンスであり，図 1 に示すような抵電流がグランドへと流出する．これによりタッチ入力を発抗とコンデンサからなる等価回路として表現する．Tx と生させることが可能である．本論文で提案するウィジェッ

Rx は，Z4 と Z3 を経由して接地されると共に，Z0 により

トにおいては，一部を導電性素材により作成し，タッチ相互に接続している．

サーフェスとの接触箇所および，筐体グランドとの接触箇電極交点に指などの接地された導電体がタッチしていな所を設ける．この 2 つの接触箇所を電気的に接続することい状態では，Tx と Rx の電気的結合は Z0 のみであり，Tx

で，人体の接触を必要としない筐体グランドへ接続する方© 2018 Information Processing Society of Japan999

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本調査で使用するタッチサーフェスは，13-inch Mac-

Book Pro （タッチサーフェス: 105mm × 75mm，AC ア
ダプタに接続）である．また，macOS 10.11 上で動作す
る調査用アプリケーションを C++および MultitouchSup-

port.framework により実装した．本アプリケーションを用いて流出電流（MultitouchSupport.framework の size プロ
パティより取得）を記録した．
図2

予備調査に用いたタッチペンの回路図．9 個の抵抗（15kΩ）とペン先が接続されている．

Fig. 2 The touch pen object used for feasibility study. A seriesconnected resistors are connected with the tip portion.

法でタッチの検出を実現する．

3.2 測定内容
測定では，オブジェクトのペン先に近い抵抗端子から順に，導線または指をタッチ箇所へ接触させつつタッチサー
フェス中央部にペン先でタッチした．タッチ開始/終了時のタッチペンの近接状態のデータを除外するため，タッチ

3. 予備調査開始 1 秒後から 6 秒後までの 5 秒間を記録した．条件（1）

タッチサーフェスに置いたオブジェクトからの流出電流においては，各抵抗値において 5 回，条件（2）においてが，抵抗値とグランド条件により変化する状況を測定する

は，各抵抗値において被験者一名あたり 3 回のタッチ操作

目的で予備調査を行った．オブジェクトのグランド条件はを行った．

（1）筐体グランドとの接続，（2）人体との接続の 2 通りで

3.3 調査結果

ある．

図 4 にグランド条件ごとの抵抗値に対する流出電流変化

3.1 実験セットアップ
本調査では直列に接続した抵抗器（抵抗値 15kΩ）をペン先（円形，直径 6mm）部分と導線で接続したタッチペン型のオブジェクト（図 2）を使用した．このオブジェクト
は，抵抗同士を接続する導線部分がそれぞれタッチ箇所になっており，ペン先に近いタッチ箇所から順に，オブジェ
クトの抵抗値は 15，30，45，60，75，90，105，120，135kΩと線形的に変化する．グランド条件（1）においては，図3 のように筐体とオブジェクトを導線で接続した．同条件（2）においては，被験者 10 名（22–67 歳，男性 3 名，女性の計測結果の平均値をエラーバー（標準偏差）と共に示す．
このグラフの横軸はオブジェクトの抵抗値であり，縦軸は流出電流に比例する値（前述の size プロパティ）である．
条件（1）（2）において，135kΩ までの全抵抗値においてタッチ時の流出電流が取得可能だった．
一般に，起電力を有する要素と抵抗を組み合わせた任意の回路はテブナンの定理の等価回路 [8] へ置き換えることが可能である．本調査でのオブジェクトを用いたタッチ入力の状態は，起電力 E ，内部抵抗 R の電源にインピーダン
ス Z の負荷が接続されている状態と等価の状態と考えられ7 名）に本調査へ参加してもらい，利き手の人差し指をオた．被験者は 26–28 ℃の屋内にて靴を脱ぎ，着席した状態でタスクを実行した．

Leakage Current (arbitrary unit)

ブジェクト上のタッチ箇所へと触れることで人体へ接続し
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
15

30

45

60

75

90

105

120

135

Resistance (kΩ)
図3

筐体にアルミニウム製のテープを貼り，筐体とオブジェクトを導線で接続している様子．

Fig. 3 Touching operations using the touch pen object connected to the device GND.

© 2018 Information Processing Society of Japan

Device GND

Human Body

図 4 グランド条件毎の抵抗値に対する流出電流．

Fig. 4 Mean leakage current with standard deviations to eachground condition.

1000

Leakage Current (arbitrary unit)

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(a)

0.50

Resistive Sensor(b)Connected tothe device GND

0.40
0.30

Conductive ABS

0.20

Non-Conductive ABS

0.10

図 6

Touch Pattern（a）ウィジェットの基本構造．タッチサーフェスとの接触箇所と筐体グランドとの接触箇所の間に可変抵抗器/センサを組

0.00
0

15

30

45

60

75

90 105 120 135

抵抗部品と接続されていないタッチサーフェスとの接触箇所

Resistance (kΩ)
Device GND

み込み，その抵抗値の値をタッチサーフェスが取得する．（b）と組み合わせて 2 点のタッチパターンを形成する．

Human Body

Fig. 6 Basic structure of the widget.

The widget incorpo-

rates a variable resistance component/sensor between
図 5 各グランド条件毎の抵抗値–流出電流のマッピング関数．

the contact point with the touch surface and the contact

Fig. 5 The mapping function between leakage current and re-point of the device ground. The touch surface is capa-

sistance.

ble of estimating resistance values of a resistive compo-

るため，流出電流 i は下記のように表現できる [15]．

i=E(R + Z)

nent/sensor.

(1)

Z = 0 のときに最大電流 i = E
R を取り出せる一方，Z = Rの時には最大電流の半分に低下するため，0Ω から内部抵抗値程度が Z の測定範囲の目安になるであろう．
図 5 は，実験結果について 式 1 を用いて最小二乗法によりフィッティングした結果である．本結果より，グランド(a) Thermistor(b) CdS Cell(c) Potentiometer

条件（1）において，内部抵抗値 R = 55kΩ，起電力 E = 24，
条件（2）においては R = 64kΩ，E = 24 であった．人体への接続は筐体への接続と比較し，接地に至る内部抵抗が

図 7 （a）温度センサ（thermistor，0.8–330kΩ）; （b）光センサ

高いことが確認された．実測の誤差については，条件（1）（CdS Cell，10k–1MΩ）; （c）角度センサ（potentiometer，

においては 60kΩ では 0.8kΩ であった．この誤差は，抵抗0–100kΩ）を組み込んだウィジェットを Magic Trackpad2 お値に対して 1%程度の値であるため，60kΩ 以下において99%程度の精度で抵抗値を推定可能である．条件（2）におよび MacBook Pro に装着している様子．

Fig. 7 Widgets with built-in （a）temperature sensor（thermistor，0.8–330kΩ）; （b）Light sensor（CdS Cell，10k–

いては 60kΩ では 1.4kΩ であった．この誤差は，抵抗値に1MΩ）; （c）angle sensor（potentiometer，0–100kΩ）.

対して 3%程度の値であるため，60kΩ 以下において 97%程

These widgets are capable of attaching Magic Track-度の精度で抵抗値を推定可能である．条件（1）は条件（2）pad2 and MacBook Pro.

と比較し僅かに精度が高かった．筐体への接続は，人体の個人差（皮膚の乾燥具合などによる生体インピーダンスの差異）が影響しないために精度が高いと考えられる．

4. 実装

試作したウィジェットの基本構造を図 6（a）に示す．
ウィジェットは FDM（Fused Deposition Modeling）方式の 3D プリンタ（Dreamer，Flash Forge）にて，導電性および非導電性の ABS フィラメントを用いて造形した．本

本論文では，簡易に筐体グランドへ接続するため，筐体表

ウィジェットは，導電性フィラメントにより作成したタッ

面に金属などの導電部を持ち，かつその導電部が筐体内部

チサーフェス上のタッチ入力面との接触箇所（円形，直の電子基板のグランドと接続されているタッチサーフェス

径 6mm）および，筐体グランドとの接触箇所（10mm ×として，13-inch MacBook Pro（Apple，タッチサーフェス:10mm）を備える．接触箇所がタッチサーフェス上のタッ

105mm × 75mm) および Magic Trackpad2（Apple，タッ

チ入力面および側部の筐体グランドへと接触するように，

チサーフェス: 160mm × 115mm）を用いた．MacBook

ウィジェットでタッチサーフェスを挟んで装着する（図Pro はパームレストを含むトラックパッド設置面が，Magic

7）．図 6 の青い円で示された箇所には可変抵抗器/センサ

Trackpad2 は側部が電子基板のグランドと接続された導電を組み込むことを想定している．接触箇所と可変抵抗器/体となっている．

センサは導線により相互に接続されている．また，導線は© 2018 Information Processing Society of Japan

1001

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タッチサーフェスから 2mm 以上離れるよう配置されている．これにより，タッチ入力面と筐体グランドは可変抵抗器/センサを通じ電気的に接続され，タッチサーフェス上
でタッチ入力が発生する．ウィジェット内部左側にタッチ
サーフェスとの接触箇所を設け，抵抗部品と接続されている接触箇所と組み合わせて 2 点のタッチパターンを形成する（図 6（b））．アプリケーションは 2 点間の距離により，各ウィジェットを識別する．
図 7（a）は温度センサ（thermistor）を，（b）は光センサ（CdS Cell）を，（c）はポテンショメータをタッチ入力面と

図 8

光センサ内蔵のウィジェットにより実世界の明るさを仮想世界内へと反映する．

Fig. 8 Reflect real-world brightness into virtual worlds by us-の接触箇所と筐体グランドとの接触箇所の間に接続していing the widget with built-in CdS cell.

る実装例である．（a），（b）を用いれば周囲の環境光および温度に応じて変化する抵抗値を，（c）はユーザがダイヤ

これに力を加え，オブジェクトの変形に対応するインタラ

ルを回転させ，回転角に応じた抵抗値を取得可能となる．

クションを提供している．オブジェクトの変形によって生

5. アプリケーション

じる，導電性素材とタッチサーフェスとの距離，または導電性素材と指との距離の変化を，タッチサーフェスが返す

試作したウィジェットを用いて，macOS 10.11 上で動静電容量の値の変化から検出している．Ohmic-Touch [15]作するデスクトップ常駐型のアプリケーションおよびエは，静電容量のみでなく直流抵抗値を含めたインピーダン

ンターテイメントアプリケーションを実装した．実装にはスに着目した動作原理を提案しており，市販のパッシブ

Objective-C，Unity および MultitouchSupport.framework

な抵抗部品やセンサ，特定の抵抗値分布を持つ素材（導電を利用した．アプリケーションは，タッチサーフェスへの性のインク及び 3D プリンタ用フィラメント）の抵抗値を入力から，オブジェクトの抵抗値変化に応じた流出電流とタッチサーフェス上での入力に利用可能であることを示し相関のある値（MultitouchSupport.framework の size プロ

た．本研究では Ohmic-Touch と同様に，抵抗値変化するパティ）を取得する．オブジェクトの抵抗値と流出電流の部品をオブジェクトに組み込むことで連続的な入力を実現

値の対応は，前節の予備調査の結果をもとに決定している．

するが，オブジェクトの検出に筐体グランドを用いる点にデスクトップ常駐型のアプリケーションは，通常は OS

おいて異なる．

内のパラメータ値の設定に対して機能し，iTunes および

PUCs [12] は電気的に接続した 2 点以上のタッチ点を持Adobe Illustrator がアクティブなウィンドウとして選択さつオブジェクトである．これをタッチサーフェスに置く

れている場合には各アプリケーションに対応した操作を提と，1 つのタッチ点が走査されているときに，他のタッチ供する．具体的には，ポテンショメータを組み込んだウィ

点が接地になり，人がタッチし続けることと等価の状態をジェットのダイヤル回転操作により，iTunes にて音量や再維持する．PUCs はタッチサーフェス上に置いてユーザが生箇所の調整または，Illustrator にてオブジェクトの不透

自由に移動し操作可能なオブジェクトの実現を目的として明度や線幅の調整などに割り当てることが可能となる．

いるが，我々は，タッチサーフェスの縁に取り付け，固定

図 8 は，ドールハウスを模したエンターテイメント用アして使用するウィジェットを意図して設計した．

プリケーションである．ドールハウス内の照明器具の明るまた，タンジブルなオブジェクトに備え付けられ導電部

さは，光センサを内蔵したウィジェットから取得する抵抗へユーザが触れることで，タッチサーフェス上でタッチ値に応じ，実世界の部屋の明るさを反映する．また，温度入力を発生させる手法 [2], [3], [6], [14] が多数提案されてセンサを内蔵したウィジェットにより，ドールハウス内のおり，一部は製品化もされている *1 ．Clip-on gadgets [14]キャラクタたちは暑い/寒いなどの反応をする設計とした．

は，タッチサーフェスの縁に取り付けるクリップ状のガ

これらのアプリケーションにおいて，各ウィジェットはジェットである．ガジェット上の導電性素材のボタンなど

タッチパターンにより一意に識別可能なため，複数のウィに人体が触れることでタッチ入力を発生させる．BYO* [3]ジェットを同時に用いることも可能である．

は導電性素材によって作成したマルチタッチパターンによ6. 関連研究りオブジェクトを一意に識別し，固有の機能や情報を持たせる手法である．これらの手法は，いずれもタッチ入力のタッチサーフェス上にタンジブルなオブジェクトを置

発生有無を 2 値で取得しているのみであり，提供するモき，オブジェクトの操作によって入力モダリティを拡張す

ダリティは，オブジェクトの回転角およびタッチサーフェ

る研究が行われている．Flexibles [10] は，柔軟な絶縁体素材内部に導電性素材を埋め込んだオブジェクトを用意し，© 2018 Information Processing Society of Japan*1

AppMATes: http://www.appmatestoys.com/
Fling analog joystick: https://tenonedesign.com/fling1002

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ス上での二次元座標に応じた操作などに限定されている．
本論文で提案するウィジェットは，オブジェクトの直流抵抗値に応じ，タンジブルなオブジェクトに連続的な入力モ[4]

ダリティを付加する．これは既存の TUI（Tangible User

Interface）の操作語彙を拡張するものであるといえる．

7. 制約

[5]

市販されているタッチサーフェスにおいては同時に検出可能なタッチ点の数には上限がある *2 ．本論文で提案する
ウィジェットは，ウィジェット同士の識別のため，タッチ
サーフェスとの接触箇所を 2 点設置する必要がある．その[6]

ためタッチ点数の上限は同時に認識可能なウィジェット数を制限する．さらに，ウィジェット使用時にも，通常操作として OS の提供するマルチタッチジェスチャを実行する
ことを考慮すると，マルチタッチジェスチャの最大タッチ[7]

数とウィジェットのタッチ数の合計が同時検出可能なタッチ点数を超えることは望ましくない．

8. まとめと今後の展望[8]

本論文では，静電容量方式タッチサーフェスにて，人体非接触で検出可能かつ，連続的な入力を可能とする簡易取[9]付型のウィジェットの実現方法を示した．さらに，予備調査にもとづき実装を行いその応用例を示した．本論文で示したウィジェットは導線部に導電性のフィラメントを用い[10]

たが，今後はより抵抗値検出精度を高めるためプリント基
板を組み込んだウィジェットの試作を行う．また，本論文の応用例として入力操作によって抵抗値が変化するジョイ
スティックやトラックポイントなどの機構を用い，タッチ[11]

サーフェス上へ簡易取付可能なポインティングデバイスの作成を行う．

[12]

9. 謝辞
本研究の一部は JSPS 科研費 17J02834，26330219 の助成を受けたものである．

[13]

参考文献
[1]

[2]

[3]

*2

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例をあげると，iPad では最大で 11 点のタッチが同時に検出可能である．

© 2018 Information Processing Society of Japan1003