JP2004118859A - 駆動力発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 それぞれが互いに直交するX軸、Y軸、Z軸の、Z軸方向に磁束を発生させる磁石12,13,14,15と、この磁石によって生じる磁束と巻線の一部がX軸方向に横切るように配置された第1のコイル群16,17と、上記磁石によって生じる磁束と巻線の一部がY軸方向に横切るように配置された第2のコイル群18,19とを備える。第1のコイル群と第2のコイル群とには、駆動電源10からそれぞれに独立して制御された電流を供給する。これにより、第1のコイル群と第2のコイル群とが固着された受感部1は、X軸方向及びY軸方向に駆動され、電流の制御によって文字をなぞるように移動する。
【選択図】 図2
Description
これに対し、直接、手指で触れることのできないテレビやパーソナル・コンピュータの画面上に表示される商品や展示物などの情報、又は、雑誌、パンフレット、カタログ等の文書で紹介される商品等の情報は、言語的・視覚的に対象を認識できても、その雰囲気や体感までを感じ取ることは困難である。そのため、人は脳の中でこれらの情報の欠落部分を推測して保管し納得している。
従って、視覚のみの単一様式の情報による認知の深さは、触覚を伴う場合よりも浅薄になりがちであり、その結果、記憶としてのあいまいさや判断の過ちをおかすなどの問題点がある。
さらに、このような文字情報又は形状情報を電子情報機器によって伝達しようという試みもなされており、例えば特開昭59−198483号公報(特許文献1)、特開平2−5081号公報(特許文献2)、特開平5−333765号公報(特許文献3)、実開平5−96863号公報(特許文献4)、米国特許第5625576号(特許文献5)に記載されているものがある。
また、実開平5−96863号公報に記載の装置は、三次元ディスプレイとして機能するものであり、複数のマトリックス状に配列されたピンの各々が駆動源によって上下方向に駆動され、それぞれの高さ方向の位置が制御されるようになっている。したがって、複数のピンの集合によって文字、図形等が立体的に表示される。
この装置は、球体に使用者の指又は手が接触した状態で、該球体を回転駆動し、あたかも所定の形状の上を指を滑らせている、又は所定の形状のものが動いているといった触感を与えるものである。
特開昭59−198483号公報、特開平2−5081号公報、特開平5−333465号公報に記載の装置は、ピン等が突出した状態と後退した状態との二値的な表現能力しか持たないため、点字というコード情報で表現しなければならない。したがって、すべての情報は言語を通じて伝達することになり、アナログ的な輪郭線のような形態や感覚的に把えられる動作を表現することができない。
また、この装置は多数のピンが独立して動作し、それぞれを制御する必要があるので、構造が複雑になるとともに、煩雑な制御を行う必要がある。
また、複数の方向の駆動力を得るために各方向毎に設けた電磁モータの回転を複数の揺動腕(アーム)のスイング回転に変換する構成となっており、複数方向への駆動機構に大きな容積を必要としている。さらに、本構成は駆動源であるモータから人が触知するアーム先端までの距離が長く、各所に連結部材を介して力を伝達しているため、細かな振動や変位を呈示することが困難である。したがって、大まかな形状・輪郭や硬軟感は表現できるものの細かな周波数の動き等を呈示することは困難である。
前記第1のコイル群と第2のコイル群とに、独立して制御された電流を供給する駆動電源と、 前記第1のコイル群と第2のコイル群とが固着されたコイル保持部とを有し、 前記磁界発生手段と前記コイル保持部とはX軸方向及びY軸方向に相対移動が可能に支持されている駆動力発生装置を提供する。
また、第2のコイル群に含まれる2以上のコイルに供給する電流量を制御し、X軸方向の駆動力に差を設けても同様に機能させることができる。さらに、第1のコイル群と第2のコイル群との双方が2以上のコイルを含むものとし、双方のコイル群にそれぞれ回転駆動力を発生させてもよい。
また、無線接続は、電磁波による情報伝達の他、光、超音波等を利用するものであってもよい。
つまり、受感部が駆動力によって駆動されることによって受感部から触覚による情報を感知するとともに、使用者が指先を動かすことによって受感部を移動させ、これによって情報例えば指先の動作を信号として出力するものである。具体的な装置の形態としては、例えば、外力によって受感部が強制的に変位されたときに、変位に比例した復元力を作用させるような制御等が可能となる。より具体的には、マウスのクリックボタン上に情報受感装置の受感部を設けたものが考えられる。また、2ボタンマウスのボタン間に配置されたスクロール用のローラを受感部とし、ローラは回転駆動させるとともに、動作信号に基づいて回転軸方向に移動する機構を設けることもできる。このように構成することで、使用者は触感よる情報の受感と応答とを即座に行えうことができる。また、受感部の変位を検知して受感部の予定した移動量と比較することで使用者に適した変位量に設定したり、または、使用者ごとの個人情報として保持し次の使用者を特定するのにも用いることができる。
なお、この情報の伝達は、いわゆるリアルタイムで行うこともできるし、一旦情報を記憶させておき、後に触覚情報を感受することもできる。また、ネットワークを介して伝達される情報は触覚に関する動作信号のみであってもよいし、表示情報だけ伝達し、この表示情報を受信した情報処理装置側で、得られた表示画像に動作信号を対応づけてもよい。
図1は、本願発明の一実施形態である駆動力発生装置が用いられた情報受感装置を示す概略構成図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)中におけるA−A線での断面図である。
この情報受感装置は、側縁部が上方に突出した板状の基部2と、この基部に固着された磁石と、複数のコイルが固着され、前記磁石上で水平方向に移動可能に支持された受感部1と、この受感部1を基部2と連結する弾性部材3とで主要部が構成されている。
この駆動部は、図2(a)に示すように、磁界発生手段として基部2上に固定配置された4つの磁石12,13,14,15を備えている。これらの磁石12,13,14,15は、受感部1の中央部を原点として便宜的にXY直交座標系を考えると、第一象限から第二象限、第三象限、第四象限にそれぞれ配置されている。これらの磁石による磁界の方向は、基部2の表面に対して垂直方向に発生しており、磁石12と磁石14は、上部がS極、下部がN極に分極している。磁石13と磁石15は、その反対で上部がN極、下部がS極に分極している。
そして、コイル16,17,18,19にはそれぞれ独立して電流を供給する駆動電源10と、この駆動電源10による出力電流又は電圧を制御する制御装置11とが備えられている。
コイル16,17,18,19は、フレミングの左手の法則(電流を中指、磁界を人差し指として、推力が親指方向となる)に基づいて作動する。コイル16について考えると、図2に示すように、基部2の垂直方向であるz軸方向の磁界中に電流がX軸方向に通過することでY軸方向への推力を生じる。このため、コイル16に時計周りの電流を流すと、コイル16は+Y軸方向に推力を発生する。電流の向きを変更すれば推力の方向は変化でき、電流値を可変とすることでその推力も変化させることができる。
従って、コイル16とコイル17は同一方向に推力を発生するように電流を印加することができる。その方法としては、両コイルを直列にひとつの回路として結線する方法が実装上最も容易である。他の方法として、コイルを個々に結線し、各々に所定の方向に電流を印加してもよい。
また、コイル18、19についても同様の作用でX軸方向の推力を発生させることができる。
受感部41の表面層43には、外部からの光45aを受けることによって、抵抗の変化を生じる受光素子44が埋め込まれている。通常、人の手や指が接触しない状態では、外部からの光45aを受けて非接触状態であることを検知する。また基部42には、外部からの光45bをほぼ同条件で受ける位置に別の受光素子46が埋め込まれている。
この実験で用いた個々のコイルのサイズは、コイル線径が0.15[mm]、コイル断面積が1 ×2[mm2]、縦が16[mm]、横が8[mm] の大きさである。磁石には、厚さが2[mm] のネオジ磁石を用いている。これらのコイルと磁石による駆動力を測定した結果を図6に示す。
この駆動力に関しては、指先がキーボードやマウスの操作ボタンを扱うのと同等かそれ以上のある程度の強さで受感部に触れている場合、この情報受感装置によって指先に20〜40[gf]の面内(接線)方向の駆動力を与えると、指先に十分な面内変位を誘導できることが確認できている。従って、上記駆動力が得られれば情報受感装置として機能的に十分であると言える。
この情報受感装置は、コイル16,17,18,19に駆動電源10から独立して制御された種々の電流を供給し、受感部1の動作パターンや、動作タイミング、変位等により様々な情報を受感者に認識させることができる。例えば、図7(a),(b),(c),(d)に示す各種のアナログ的な波形を再生することが可能である。図7(a)は指が対象をこする動作であり、図7(b)は滑らかな表面をなぞる動作、図7(c)はザラザラ面をなぞる感じを再現するものである。図7(d)の波形は実物の触覚情報の再現というより、記号的な情報の再現として考えられる。従来の点字に変わる新しい表現手法として、これらの触覚情報波形を各種用意すれば、数値や記号、コマンドとして使うことも可能である。
図8(a)のような隙間53をおいて配置された板51と板52とで構成される素材情報50の上をなぞり、この隙間53の存在を触覚として再生するものである。この場合、受感部1は、図8(b)に示すリサージュ波形的ななぞり波形54の動きを指先に与える。指先は、この動きに追従して動かされるが、図中の2個所の不連続点55によって、指先に段差感を実感させることができる。その結果、画面中で表示される図8(a)の画像との密接な関連づけにより、隙間53の存在を認知できる。
このコイル70は、断面図を見て分かるように、厚さが厚く幅の狭い部分70aと、厚さは半分にして幅を倍にした部分70bとを備えている。このような形状とすることで、コイル一つ分の厚さで第一のコイル群と第二のコイル群とを重ねることが可能になる。
この情報受感装置は、基部62上に4つの磁石72,73,74,75を備えており、これらの磁石の上部に、4つのコイル76,77,78,79が固着された受感部61が基部62に対して移動可能に支持されている。これらのコイル76,77,78,79は、それぞれ図9に示す形状と同じものであり、図10(b)に示すように、各コイルには互いに重なる部分が生じている。
この駆動力発生装置は、磁界発生手段として、S極を上部に配置した磁石82と、その周囲にN極を上部に配置した磁石83とを備えている。これらの磁石82,83の上には、4つのコイル86,87,88,89が固着された受感部84が基部に対して移動可能に支持されている。そしてコイル86,87と、コイル88,89とがそれぞれX軸方向、Y軸方向の駆動力を発生する。この装置が図2に示す装置と異なるのは、X軸方向に並べたコイルがX軸方向への推力を発生し、Y軸方向に並べたコイルがY軸方向の推力を発生させる配列の組み合わせとなっている点である。このような駆動力発生装置においても、各コイルに印加する電流を制御することにより、受感部84を任意に駆動することができる。
図12(a)は駆動力発生装置の最小単位を示すものであり、一つの磁石101と、その上部にX軸方向、Y軸方向に推力を発生する2つのコイル102とを配置したものである。図9(b)では2つの磁石103を配列し、これらの磁石の上部に、Y軸方向に推力を発生する2つのコイル104を同方向に直列状に配置するとともに、X軸方向に推力を発生するコイルを1つ配置したものである。図9(c)では2つの磁石105の上部に、3つのコイル106を直列状ではなくY軸方向にコイル中心をずらして配置したものである。このように磁石及びコイルのレイアウトはさまざまなものが適用できる。なお、各図における太い矢印は、それぞれのコイルが発生させる駆動力の方向を示したものである。
ここでは磁石107の配列を3行3列にし、それに伴い、磁界と交差させる電流を流すコイル108の数を増やしている。機能的には、小さなコイルでも数を増やして、磁石107とコイル108とをマトリクス状に配置することで、大きなコイルと同等の駆動力を発生することができる。また、コイルが小さく薄くできる分、磁石との距離を短くすることができ、駆動力の効率を向上することができると考えられる。また図14では、図13の配列部の真ん中にも磁石109とコイル110とを配置してさらに高密度にした例である。図13及び図14における太い矢印は、それぞれのコイルが発生させる駆動力の方向を示しており、各コイルに印加する電流を制御することで任意の方向及び大きさの駆動力を発生させることができる。
この装置では、基部111上に磁界発生手段である磁石112がマトリクス状に数多く配置され、その上に4つのコイル113を備えたコイル保持部114が移動可能に支持されている。そして、磁石112をマトリクス状に配列した範囲内で、コイル保持部114がある磁石から隣の磁石へと移動するようになっている。つまり、コイル113が電磁力によって移動し、磁界が変化する位置まで移動した時点に合わせてコイル113に流す電流の向きを反転させることで、隣の磁石が発生している磁界によってさらに連続して移動できるようになる。従って、図15に示すように磁石112の配置を磁界が交互に反転するように配列することで、コイル保持部114は2次元的に複数の磁界中を連続的に移動できるようになり、変位を大きくとることができる。
この情報受感装置は、今までに説明した受感部121を複数個備え、複数の指の触覚によって情報を受感させるものであり、各指の先がくる位置に受感部を配置し、それぞれの指に対して触覚情報を再生させるものである。このように複数の受感部121を配置し、指から指へ時間的な遅れを伴って受感部を駆動し、情報を呈示することで、対象物が指の下を通過している感触を再生することができる。また、一回の触覚情報で指先全体に受感させることができるので、より多くの情報を伝達することができる。
この情報伝達システムでは、マイクロ回路化されたCPU202と、OSなどの固定情報を格納したROMや可変情報を格納するRAMに相当する主メモリー203と、フレキシブルディスク装置やハード・ディスク装置、CD−ROM装置、MO装置などからなる外部記憶装置204と、CRTや液晶など画像を表示する画像ディスプレィ205と、入力手段であるキーボード206と、マウス、タッチパッド(フィンガーパッドとも呼ばれる)、トラックボールなどのポインターの移動を行なえるポインティング手段207と、受感部253を備えた情報受感装置208と、ネットワークで外部との通信を行う通信装置209とがバスでつながっている。そして、他の通信装置211やCPU212などを備えた情報伝達システム210と交信可能に構成されている。
図18(a)は、操作前の状態を示すもので、情報受感装置208が、把持部223に取り付けられた支持部材222によって弾性撓みが可能になるように支持されている。情報受感装置208の下部には入力操作スイッチ224と、信号処理回路225とが配置されており、図18(b)に示すように、情報受感装置208を矢印229の方向に押圧することで入力操作スイッチ224をオン・オフし、CPU側にその信号を送出することができる。つまり、クリックボタンとして機能するようになっている。また、座標情報を検知するための検知手段226が机やマウスパッドなどのベース面228に対して回転可能に設けられ、その回転情報を処理回路227によってCPU側に送出する。これによって表示画面上のポインタを動かすことができる。
この情報伝達システムでは、CPU202の中に表示情報処理部248が設定されている。さらに、表示情報処理部248からの表示情報と、表示領域に関する例えば図形枠、レイアウト枠、ウィンドウ境界等の境界情報と、ポインティング手段207からの座標情報とによって、所定の触覚情報を逐次生成する信号生成部247が設定されている。また、その触覚情報信号をうけて、駆動力発生装置252、受感部253等を備えた情報受感装置208に対して駆動すべき変位量や振動周波数、あるいは制御ゲインを演算して駆動信号を作る制御部246が設定されている。ここで、信号はデジタル情報からA/D コンバータ245を介してアナログの電圧情報に変換され、駆動回路243により実際に駆動力発生装置252を駆動する。このとき、触覚情報を呈示する受感部253の変位は位置センサ251によって検出され、制御部246に戻されてフィードバック制御を働かせる。
このシステムで処理される表示情報は、図19で示すように、通信装置209を経由して外部のコンピュータからも入力することができる。従って、インターネット上で閲覧や入手ができる情報もこのシステムで表示する対象に含まれる。さらに、CD-ROMなどで流通するコンテンツ情報についても外部記憶装置204を利用することで入力できることは言うまでもない。
このシステムでは、図20(a)に示すように、情報受感装置208を備えた受感操作部242を用いてコンピュータの画像ディスプレィ205に画像出力された対象物262の触覚情報を得るものである。受感操作部242の移動量は公知のマウスの移動量検出と同様の方法で行い、その移動量をディスプレィ205中でポインタ263の移動量として表示する。そして、ポインタ263が対象情報の上を走査する、あるいはなぞる行為により、それと同期して情報受感装置208を駆動し、受感部の動きにより対象物262の粗滑感や凹凸感を再生するものである。この対象物262は特に表面状態に特徴を持つものに限定されるのではなく、文字や記号などのパターンをこの情報受感装置208により指先を誘導することで、なぞるような感覚で認知させることにも使うことができる。
このシステムでは、受感操作部242を使用者が掴んで画像ディスプレィ205上に表示された対象物262の上をポインタで移動する操作を例として説明する。図21中の右側は使用者の動作の流れを、左側は情報伝達システムの状態を示している。
また、受感部を駆動する電源は、接続されたコンピュータ側から供給してもよいが、無線接続する場合には情報受感装置に、例えばバッテリーなどの電源を内蔵したほうがよい。
この情報伝達システムでは、受感操作部320が情報処理装置319に接続され、情報処理装置には記憶手段として外部記憶装置であるCD-ROMドライブが組み込まれている。触力覚情報信号は、CD-ROM322から情報処理装置319の主記憶装置に読み込まれる。そして、受感操作部320の外面部に指が載置される受感部321があり、ここに指を置き呈示開始ボタン323をONさせると、この受感部321が、予め決められた位置データとその移動時間に基づいて稼動し、出力すべき情報324を動きで操作者の指に伝達する。操作者は、時系列的に指先に再現される触覚情報によって、文字や予め設定しておいた触刺激による符号の認知をすることができる。また、納得いくまで何回でもリピートできるようにすることもできる。
さらに、本実施例では、ディスプレィ上の視覚情報と合わせて出力する以外に、ディスプレィが無い状態でも、受感部の稼動は可能であり、視覚に依存しないで各種情報を認知することが可能になる。
また、触力覚情報信号は通信によって遠隔地から入手することも可能であり、その点で、操作者が別々の場所に2人存在し、お互いの発信した触力覚情報を交信することも出来る。この場合、本情報伝達システムが触覚情報を発信するための入力手段すなわち指先の移動情報を入力する手段を兼ねることが出来るため、例えば、操作者Aが自分の指で受感部を動かし、その移動情報を発信し、それを別の場所で操作者Bが指でその動きを受信することが可能になる。
カーソル310がGUI画面中にあり、ある画像情報(この場合アイコン図)の上に重なる時、重なった事を触覚で認知できるように画像情報とカーソル座標の関係から、触力覚信号を駆動信号に変換して情報受感装置302が擬似触覚に相当する駆動をする。
この場合、アイコンに高さ方向の厚みがあるように指先にはこのアイコンを乗り越えようとする擬似粗滑感を付与することができる。また、アイコンをクリックして場所を移動させようとする場合に、アイコンに慣性感を持たせることも可能で、この慣性感を、例えばファイル容量の大きさと関連つけてその値が可変としても良い。
同時に、ディスプレィ上301で、状態表示部306を設けることによって発生している触刺激を変位量、速度、加速度又はこれらの関数等として視覚的にも表現する。
図29は、図28で示した矢印が変化する場合を説明する図である。この図では、表示されている対象物312に対し、右斜め上313からポインタが移動して重なる場合313を示している。この場合、画面水平方向の触刺激と、画面上下方向の触刺激を合成したものになるため、図28に示す様に水平と上下の双方の矢印が彩色される。4 本の矢印の向きは各軸のプラスマイナス方向を示している。
上記情報伝達システムは、この様な従来技術の問題点を解消することができ、図30でリンクが張ってある語句(便宜上、アンダーラインを引いてある)の上にカーソルが来ると、情報受感装置に触刺激を与えるようになっている。。
2,42 基部
3 弾性部材
10 駆動電源
11 制御装置
12,13,14,15,72,73,74,75,82,83 磁石
16,17,18,19,70,76,77,78,79 コイル
21,43 受感部の表面層
22,23 摺動部
26 感圧部
27 感圧導電性ゴム
28,29 導電性プラスチック層
30,31 変位検知センサ
32 LED
33 光
34 フォトトランジスタ
44,46 受光素子
51,52 板
53 隙間
54 なぞり波形
55 不連続点
86,87,88,89 コイル
101,103,105,107,109 磁石
102,104,106,108,110 コイル
111 基部
112 磁石
113 コイル
114 コイル保持部
121 受感部
222 支持部材
223 把持部
224 入力操作スイッチ
225 信号処理回路
226 検知手段
227 処理回路
228 ベース面
229 押圧方向を示す矢印
230 振動方向を示す矢印
262 対象物
263 ポインタ
265 凸部
300 情報伝達システム
301 ディスプレィ
302 情報受感装置
303 パソコン本体
304 マウス部分
305 グラフィック・ユーザー・インターフェース画面
306 状態表示部
307 バー
308 バーグラフ
309 状態表示部
310 カーソル
311 状態表示部
312 対象物
313 ポインタの移動方向
319 情報処理装置
320 受感操作部
321 受感部
322 CD−ROM
323 呈示開始ボタン
324 出力情報
330 動作部ホームポジション
331 「A」の頂点に基準点が重なる位置
332 「A」の左側斜線をなぞる位置
400 ハイパーテキストの企業情報とのリンクが設定された領域
401 ハイパーテキストの商品情報とのリンクが設定された領域
402 ハイパーテキストの個人情報とのリンクが設定された領域
Claims (6)
- それぞれが互いに直交するX軸、Y軸、Z軸の、Z軸方向に磁束を発生させる磁界発生手段と、
前記磁界発生手段によって生じる磁束と、巻線の一部が前記X軸方向に横切るように配置された1つ以上のコイルを含む第1のコイル群と、
前記磁界発生手段によって生じる磁束と、巻線の一部が前記Y軸方向に横切るように配置された1つ以上のコイルを含む第2のコイル群と、
前記第1のコイル群と第2のコイル群とに、独立して制御された電流を供給する駆動電源と、
前記第1のコイル群と第2のコイル群とが固着されたコイル保持部とを有し、 前記磁界発生手段と前記コイル保持部とはX軸方向及びY軸方向に相対移動が可能に支持されていることを特徴とする駆動力発生装置。 - 前記第1のコイル群又は前記第2のコイル群は、少なくとも一方が2以上のコイルを有し、
前記第1のコイル群が有するコイルの少なくとも2つが、X軸方向にコイル中心が異なる位置に設けられるか、又は前記第2のコイル群が有するコイルの少なくとも2つが、Y軸方向にコイル中心が異なる位置に設けられ、
前記駆動電源は、前記第1のコイル群又は第2のコイル群に含まれる2以上のコイルに異なる電流を供給するものであることを特徴とする請求項1に記載の駆動力発生装置。 - 前記磁界発生手段は、磁石を3行以上又は3列以上のマトリクス状に配置し、隣り合う磁石により生成される磁界の方向が互いに逆方向となるように設定したものであり、
前記コイル群に含まれる一のコイルは、一の磁石による磁界を横切る位置から他の磁石による磁界を横切る位置に連続して移動するものであることを特徴とする請求項1に記載の駆動力発生装置。 - 前記第1のコイル群に含まれるコイルと第2のコイル群に含まれるコイルとが、単一の磁界発生手段によって発生される一方向の磁束を横切るように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の駆動力発生装置。
- 指先が載置され、該指先の接触面とほぼ平行な方向への移動が可能に支持された受感部に、前記磁界発生手段もしくはコイル群のいずれか一方が固定され、
該コイル群には、前記受感部の変位方向を示す情報を含む動作信号に基づいて、電流が供給されることを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3又は請求項4に記載の駆動力発生装置。 - 前記コイル群又は磁界発生手段のいずれか一方は、操作者の指先が載置される受感部に固定され、他方は、前記受感部に載置される指を含む側の手で把持され、平面上を移動可能な基部に固定されており、
前記受感部を該基部に対して移動するものであることを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3又は請求項4に記載の駆動力発生装置。
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JP2008146649A (ja) * | 2006-12-05 | 2008-06-26 | Korea Electronics Telecommun | 視触感ディスプレイ装置 |
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