情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

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2024/2/28

DataPipettor: 近接無線通信を用いたタッチ動作に基づく情報転送インタフェース
陶しょうい1

門本淳一郎1

入江英嗣1

坂井修一1

概要：ウェアラブルデバイスや組み込みデバイスを含む多様なコンピューティングデバイスが我々の生活空間へと遍在するようになり，そうしたコンピュータ間でデータを共有・転送を行うことは日常的に行う行為の一つとなっている．本稿ではデータをタッチインタラクションに基づく直感的な動作で移動させることを可能にする情報転送インタフェース，DataPipettor を紹介する．DatePipettor では近接無線通信を利用した無線通信を用いており，近接したチャネル間で高速なリアルタイム通信を行い，タッチセンシングとデータの送受信を同時に実現する．また近接無線通信の特徴によりインタフェースは小型に構成され，ウェアラブルなデバイスや小型機器のインターフェースへと利用できる．インタフェースを装着したユーザ−によるタッチインタラクションを介することで，直感的なデータの転送が行える．またインタフェースを装着した人同士が，物理的にものやりとりを行うようにデータを受け渡すことができる．本稿では，無線通信インターフェースの開発と実測評価をとり，今後の展望を示す．

1. はじめにテクノロジーの進歩によるコンピュータデバイスの小型化・多様な形態化，また市場の成長による低価格化に伴い，我々の誰もがコンピュータを持つようになっただけでなく，生活空間の至るところコンピュータが存在するようになった．その中で例えば手元のタブレット端末で手書きしたノートを PC で整理する，スマートフォンで撮った写利用できる情報転送インターフェースを提案する．物理層の特徴から，150Mb/s の高速な通信が可能であり，かつ接触に基づいてペアリングと通信が可能となる，直感的に情報転送を行えるインターフェースを提案する．

2. 関連研究2.1 直感的な情報転送
Weiser は近未来のコンピューティング環境で，多種多様真を他人と共有する，といったように一つのデバイス内になコンピュータが協調しあう世界として Ubiquitous Com-

ある情報を他のデバイスと共有して利用したいことが多くputing というビジョンを述べている [13]．実際，我々の周なっている．しかしコンピュータの数やデータの転送の手りには様々なコンピュータが存在するようになっている段が増加していくと共にその工程は複雑になってきていことに加え，形状自在なコンピュータの研究も行われておる．クラウドサービスや Wi-Fi,Bluetooth の技術を活用しり [5]，よりコンピュータが生活空間の細部まで入る未来がた同社製品間の連携といったように様々な手段が提供され予見される．このように様々な場所にコンピュータが存在ている．しかし，これらの方法はユーザーに一定のリテラするようになったとき，ユーザーが扱う複数のコンピューシーを要求するか，事前に複雑な設定を行い環境を用意す

タ間でどのように情報のやり取りを行うは重要な要素である必要がある．これは物理的には目の前にあるようなコンり，コンピュータの数が増えるにつれてより直感的な方法

ピュータ間の移動に対しても同様の操作が必要であり，特が求められてきた．ここでは複数コンピュータ間での直感に流動的な環境での突発的な利用を想定したときにユー的な転送手法に取り組んでいる研究について紹介する．

ザーにとっては非直感的な作業が必要となる．このような

Pick-and-Drop [12] では Multi-ComputerUI という概念

ペアリングや付随する作業に囚われず，身体的な実感かつを提唱し，ディスプレイ上のアイコンやファイルといっ空間的な配置に従いユーザーが情報の転送を行うことがでたデータをペン型のデバイスでタッチすることできれば，より直感的な体験へと繋がる．

し，移動先のデバイスで再度タッチし

本稿では近接場の誘導結合通信を活用したタッチ動作でPick

Drop することでデータの転送を行うインタラクションを提案している．

Toss-it [16] ではユーザーが手に持ったモバイル機器で 投1

東京大学© 2024 Information Processing Society of Japan1203

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げる ， 振る といった動作を行うことで情報をボールの数帯域を持ったパルス信号を無変調で伝送する. 結合の方ように扱いに着地点にいるユーザーへと届ける．Memory

式としては、キャパシタを使ったものやインダクタを使っStone [4] では現実世界でのモノの移動をデジタルデータたものが存在する. このうちキャパシタを用いるものは周で行うというコンセプトで，マルチタッチデバイス上に囲の誘電体の影響によって通信特性に変化が生じるため、データの具現化した形として 記憶の石 を表示し，ユーウェアラブルインタフェースへの応用は困難である. 一方、ザーはそれを摘まみ手形状を維持したまま他のデバイスにインダクタを用いた手法においては、周囲材料の透磁率が触れることでデータの移動を行う．BYO* [3] は同様にマ一定ならば通信特性に大きな変化は生じない. 我々はこのルチタッチデバイスを用いて, 指の代わりに一意識別可能インダクタを用いた近接無線通信を活用することで、デーな導電性のカスタムトークンを持つ 3D プリントされたタタ通信とタッチセンシングを同時に実現し、小型で薄型のンジブルなオブジェクトを使う．FlashTouch [11] は静電ウェアラブルインタフェースを作成する. 主にチップ間の容量式タッチが可能かつ光量を感知するトランジスタを無線通信技術として利用されてきたことから、近接無線通内蔵する専用のスタイラスペンを用いることで，画面上か信の送受信機はこれまでシリコンチップ内部の金属配線をら放出されるデジタル化された可視光線を読み取り，双方を用いて実装されてき. 我々は近接無線通信の送受信回路向通信を実現している．それによってユーザーはディスプをフレキシブル基板の配線を用いた mm/cm スケールのコレイからペンに取り込んだデータを物理的に移動させ，まイルとディスクリート部品を用いて実装し、無線通信が可た別のデバイスへと渡すことができる．Em-comm [14] や能であることと通信性能の実測評価を示す．

Shadow [15] では, 電子機器の発している電磁放射を活用

近接無線通信と同様に近傍電磁界を利用する無線通信手し，I/O ポートに触れるなど特定の動作を行わせることで法として、HF 帯 (13.56MHz) の RFID が存在する.HF 帯

放射する電磁波を適切に変調し目的のデータをエンコード

RFID では搬送波を利用した無線通信を行っており、電磁波することで通信媒体として利用している．エンコードされの波長に対応した共振を発生させるための高い Q 値のコイ

た電磁放射はアンテナを持つスマートフォンや専用のリスル設計やキャパシタの付加が要求される. 結果として、小型トバンド型デバイスで受け取りデコードされ利用される．

な機器への適用は困難である. 一方、近接無線通信では広い

CapNFC [2] は容量結合に基づく近距離無線通信を用いる帯域を持ったコイルを利用して、NRZ(Non-return-to-zero)

ことでユビキタス環境でのデータの通信を行うことを提案

信号を無変調で伝送する. それゆえ、Q 値が低く小型なコしている．接触のインタラクションから共通のグラウンドイルを用いて通信が実現可能である．

を確保しつつ，オブジェクトにマイクロコントローラを埋め込み信号を出力することで単一方向の情報伝送を行い，コンテクスト内で行って動作に応じたデータやりとりを可能にする．

3. DataPipettor
3.1 提案
本研究では近接無線通信を利用し，接触・タッチ動作

以上述べたような既存研究では，我々が行う日常の動作に基づいて情報転送を行うインターフェースである Dat-や文脈に合わせる形で，データ転送を行うことで直感的なaPipettor を提案する．ブロードキャストは行わず，近距体験を提供している．一方でこれらの多くが bluetooth や離でのみ通信が確立する特徴から接触=通信，離す=切断

Wi-Fi といった比較的速度を持つ手法下においてペアリンという直感的なペアリング体験が実現できる．また高速なグが確立していること前提としている．そして実際にやり通信が可能でなり (今回の実装では 150Mb/s) ，他の通信取りされる対象となる一定の容量を持ったデータはその手手法に頼ることなく情報転送を完遂できる．

法の元で転送される．より流動的な場所や選択肢として多本稿ではユーザーへ取り付けるインターフェースを備え数のデバイスが存在する場合，ユーザーはペアリングをしたウェアラブルデバイスを作成し，動作と直感的な情報転なおしたり，インタラクションを行う前にネットワークへ送というコンセプトの検証を行った．

接続したりという非直感的な操作が行う必要が生じてしまい，不便となる．

3.2 実装図 1a に設計開発し DataPipettor のプロトタイプの外観

2.2 近接無線通信を示す．DataPipettor は幅 1.6cm，長さ 7cm，厚さ 0.1cm

近接無線通信とは主に半導体チップ間の高帯域接続を目のフレキシブル基板によって実装されており、ユーザーは的に研究されてきた技術である [1,8,9]. これまでに、分割し図 1a のように装着することで，他のインターフェースをて実装された半導体チップ間接続手法としての応用 [6, 10]備えたデバイスや人との間でタッチ動作によって直感的や、摩耗の生じない無線コネクタとしての応用 [7] が成さなデータ転送を行うことができる. 今回はフレキシブル基れてきた. 近接無線通信では、近接電磁界を活用して、数十板としてのみ作成を行っているが，コンピュータのインタミクロンから数ミリまでといった短距離のみに、広い周波フェースとして利用する際はハード基板として作成したり© 2024 Information Processing Society of Japan1204

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ITX

TX dataTX
DriverInterface AVRX(a)RX dataRX
Hysteresis comparator

Interface B(a)TXRXk0.5RTX
CTX

0.5RRXLTXLRXCRX(b)
0.5RTX図 10.5RRX

Overview of the DataPipettor prototype(b)組み込んだりすることも当然可能である．システムは大き図 2

Wireless transceiver

く分けて，実際タッチするインタフェース部となる送受信コイル，回路，記憶装置を備えたシステム制御用のマイク路としてモデル化される. このとき送信電流 ITX と受信電ロコントローラ (Seeed Studio XIAO esp32c) からなる．

圧 VRX の関係は

3.2.1 送受信回路
図 2a にプロトタイプシステムにおける送受信回路を示
す.3.3 V 動作のドライブ回路 (Analog Devices ADCLK905)
によって、基板上に金属配線として形成された 10 mm サ

VRX
ITX= jωk·イズの送信コイルを駆動し、ヒステリシスコンパレータ(Analog Devices ADCMP580) が受信回路として動作する.
ドライバ回路は NRZ の矩形信号でコイルを駆動する. この信号が LOW から HIGH に遷移する、あるいは HIGH か·√LTX LRX
1(1 − ω 2 L(1)TX CTX ) + jωRTX CTX

1(1 − ω 2 LRX CRX ) + jωRRX CRXとなり、伝送特性は、1 階微分特性に対して、送信コイルにら LOW に遷移した際に受信側にはパルス波形が生じる.

おける 2 次ローパスフィルタ特性と、受信コイルにおけるヒステリシスコンパレータがこのパルス波形を元の NRZ2 次ローパスフィルタ特性が掛け合わされたものになる. し信号へと復元することで、データ伝送が実現される. プロ

たがって、送信信号が一定の遷移時間を持った矩形信号とトタイプシステムにおいては、双方向チャネルを省面積でなる場合には、受信信号としてそれに応じたパルス波形が実現するために同一基板上に送受信コイルを重ねて実装し誘起される [5]. このとき最大転送速度を決めるのは、コイている. したがって、データ送信時には同一基板上の受信ルの共振周波数である. この値はコイルのインダクタンスや回路にも信号が伝送されてしまうため、これに対処する仕寄生容量が小さいほど高域へと移動する [10]. したがって、組みを実装している. ヒステリシスコンパレータ IC の制御コイルのサイズが小さいほど、最大転送速度は向上する.

端子にはスイッチ IC(ROHM Semiconductor BU4S66G2)

3.2.2 無線通信と抵抗を付加しており、これによって、外部からのコント送受信を行うデータはシリアライズを行いバイナリデー

ロール信号による受信回路の一時的な disable 機能を実現

タへと変換しマイコンのピンを利用してデジタル信号とししている. また、TX coil に電流を流した際に同一基板上のて出力する．出力された信号はコイルへと伝達し近接無線

RX コイルへと流れる電流は小さいため、通信特性への影通信を経ることで送信側から受信側へと受け渡される．こ響は小さい.のとき送受信回路の説明の際にも述べたように，受信側の

図 2b に TX/RX coils の等価回路を示している. コイル

コイルは同一基板上の送信コイルの影響を受け混信を引はインダクタンスだけでなく寄生抵抗と寄生容量を含む回き起こされる．そのため，送信時にはマイコンからコント© 2024 Information Processing Society of Japan1205

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ロール信号の入力を行い受信側の回路を切り離すことでそCoil sizeれを防ぐ．これによってインターフェース間の通信においては，送信・受信のいずれかしか一度に行われず，無線のTX半二重通信となっている．これは Wi-Fi や Bluetooth を用

Communication distance

いた通信と同系統の方式になるが，それらと異なりタッチRXを介して通信が行われるので複雑なルーティングや Mac通信の流れについて説明する．通常時，インターフェース備えた各デバイスは常に受信待機状態となっている．送信の役割をもった側のインタフェースはデータの準備を行い送信要求を出す．タッチインタラクションによって近接した受信側のインターフェースで要求が受け取られ，応答が返されればペアリングが完了し後はパケット通信に従って送受信が行われる．このとき送信動作の直前にはトライス
テートバッファへと入力を行い同一基板で混信しないよう

Communication distance[mm]

アドレスなどに基づいた機器の特定は必要ない．基本的な16128400510にする．今回は REQ/ACK パケットによる応答確認や，

152025

Coil size [mm]シリアライズされて得られたバイナリデータを送受信する簡易的な実装を行った．

図 3

Measured maximum communication distance

4. 検証・評価
4.1 通信性能

TX

送受信回路の設計にあたって、フレキシブル基板を用いて複数のコイルを試作し、各コイルを用いた場合の無線通RX信特性について実測評価を行った. フレキシブル基板とディスクリート部品によって送受信を実現するため、半導体チップとは異なるスケールのコイル、長い伝送線路、コネクタを介した場合にも誘導結合するかどうかの検証をおこなっ(a)

た. コイルを試作し検証した．各コイルの巻き数は 2 巻きで、銅配線の厚さは 35 µm、配線幅と配線間隔は 0.1 mm、1.00E+00
100

コイルサイズはそれぞれ 3, 4, 5, 10, 20 mm である.10 mm
信コイルを重ねて形成したものも設計した.Bit Error Rate

Tester (BERT, Keysight N4906A) を用いて生成した 3.3 V
振幅の Pseudo Random Binary Sequence(PRBS) 信号を

1.00E-02
10-2

Bit error rate

サイズのコイルについては、同一基板上に送信コイルと受TX10-4
1.00E-04

RX

1.00E-0610-6

送信コイルへと入力し、受信コイルから出力された信号をヒステリシスコンパレータ（Analog Devices ADCMP580）によって復元したものを受信信号とした. 各コイルを用い

1.00E-08
10-800.522.53(b)頼性を評価するとともに、通信可能な距離や位置ズレ耐性、4.2 通信距離

1.5Misalignment [mm]た際の送信信号と受信信号とを比較することで、通信の信最大転送速度、通信のタイミングマージンを評価した.

1

図 4

Measured misalignment tolerance

ルサイズの 0.7 倍程度から正常な通信が可能になる結果と

図 3 に各コイルにおける最大通信距離の測定結果を示−10

す.Bit Error Rate (BER) が 10なった. この値はヒステリシスコンパレータの閾値電圧調以下となる場合に通信整によってある程度調整可能であり、アプリケーションに成功と判断し、通信の成功する最大距離を実測評価した.

応じて適切な値を選択するべきである.0.7 倍程度という結

この実験の際、ヒステリシスコンパレータの閾値電圧は果は、従来の半導体チップ間通信において報告されてきた45 mV 程度になるよう設定した. 最大通信距離はコイルが0.3 倍程度という結果 [10] と比較して大きい. これはヒステ大きくなるにしたがって増大し、結果を平均するとコイリシスコンパレータの実現にあたって、CMOS プロセスで© 2024 Information Processing Society of Japan1206

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10-4w/ TRX

10-5TX

300

Bit error rate

Maximum data rate
[Mb/s]

w/o TRX

10-6

250
200
150

10-7
10-8
10-90.80 unit interval

10-10

100

10-11RX50

10-12-0.500510152025

Coil size [mm]

(a)
図 6

図 5Measured maximum data rate

-0.25

00.25

0.5

Timing margin [unit interval](b)

Reliability evaluation. (a) Evaluated layered structure ofthe coil. (b) Measured bathtub curve.

製造された集積回路ではなく、SiGe バイポーラプロセスで製造された高性能なディスクリート IC を利用したためでルを重ねて 1 対搭載している. 信頼性評価においても、こあると考えられる.の配置を採用し、単体コイルを利用した場合とのタイミン

図 4 に位置ズレによる影響の評価結果を示す. コイルはグマージンの違いを比較した. 図 6b にコイル間通信にお10 mm サイズのものを利用した. 図 4a に示すようにマイけるバスタブカーブを示す.BERT から 150 Mb/s の 27 -1

クロメーターを利用して、同軸で重なったコイル同士につPRBS 信号を入力し、タイミングと BER の関係を評価しいて垂直方向の 1 軸に沿って相対位置を変えていった. 通た. また、実測値の線形近似から BER = 10−10 におけるタ信距離は 0 mm で一定とした.4b に実験で得られた位置ズイミングマージンを推測した. 得られた推測値は 0.80 unit

レと BER の関係を示す.10 mm サイズのコイルに対してinterval であり、十分に広いことが確認された. また、タイ位置ずれが 2 mm を超えた点から BER は増大し始めておミングマージンはコイル単体の場合の 92%の値となっており、コイルサイズの 1/5 程度のズレが生じるまでは正常にり、わずかに低下するものの、同等の最大転送速度で問題通信が行われることがわかった.

なく通信可能であることが示された.

4.3 転送速度 (データレート)

4.5 通信図 5 に各コイルにおける最大データレートの測定結果を−10示す.BER が 10作成したインタフェースを用いて実際の通信可否につい以下となる場合に通信成功と判断し、て検証を行った．簡易的な REQ/ACK における応答確認

通信の成功する最大データレートを実測評価した. 最大デーや，最大 10k byte のデータの送受信が行えることが確認でタレートはコイルが小さくなるにしたがって増大し、コイきた．

ルサイズが 3, 4, 5 mm の場合に 250 Mb/s、10 mm の場
合に 150 Mb/s、20 mm の場合に 100 Mb/s という結果と5. 議論なった. コイルサイズの縮小によってインダクタンスと寄これまで検証や記述の通り DataPipettor では小型に構生容量が減少し、共振周波数が高域へと移動した結果とし成できるかつ高速に通信することができる．これによってて、データレートの増大が観察されている. コイルサイズ

新たにハードウェアを追加する手間やコストは加わるもの

が 3, 4, 5 mm の場合に同一の最大データレートとなったの，ノートパソコンやスマートフォン，コピー機といった既のは、コイルの線長に比して伝送線路が長くなり、伝送線存の大きめデバイスから IoT などで用いられているような路の通信特性への影響が顕著になったためであると考えら

小型のデバイス，また今回作成したデバイスのようにウェれる.

アラブルを想定した用途など幅広い領域において汎用的に利用することができると考えている．これによって周辺に4.4 信頼性存在するコンピュータ間で，ペアリングやアカウントの登通信の信頼性についてタイミングマージンを含む詳細な録といった操作をなくし，タッチを介して容易にデータの評価をおこなった. コイルはプロトタイプシステムに実装転送を行うことができる．これが我々がモノを掴んで移動したのと同様の 10 mm サイズのものを用いた. 図 6a に信させるような動作に近く，直感的デジタル情報の移動を行頼性評価におけるコイル配置を示している. プロトタイプ

うことが可能になると考えられる．また爪側に装着するこシステムにおいては、同一基板上に送信コイルと受信コイとによって，日常動作への影響を小さくすることができる，© 2024 Information Processing Society of Japan1207

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爪側に着けることに対して実際に通信する際にコイル部の位置合わせなどで困難が生じることは考えられるが，ソフトウェア側で補強することが考えられる．タッチ中には送信しきれない大規模なデータに関しても，インターネット[9]を経由して送信する仕組みを作ったりと既存の技術と組み合わせることでカバーすることができる．

6. まとめ・展望[10]

本稿では近接無線通信に基づく，小型に構成できる通信インターフェースである DataPipettor を紹介した．実装
や検証で，送受信のインタフェース部が十分な通信性能を持つことの検証に加え，実際のデータに対しても通信を行えることを確認した．現在はマイクロコントローラが律速[11]となったり，ディスクリート部品で作成しているが，今後は IC での実装を目指しより小型で高性能なインタフェースデバイスにしていくことを目指す．またより実践的なデ[12]モやアプリケーションの作成も行っていきたい．
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