JP6958406B2 - 擬似力覚発生装置 - Google Patents
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Description
[概要]
まず、実施形態の概要を説明する。
実施形態の擬似力覚発生装置は、身体部位が配置される3次元領域である装着領域の外周面に沿って配置された第1接触部材および第2接触部材と、第1接触部材を第2接触部材に直接的または間接的に繋ぎ合わせている接合部材と、装着領域内の仮想点(第1仮想点)と第1接触部材とを通る直線(第1直線)に沿って周期的な第1非対称振動を行い、第1非対称振動に基づく当該直線に沿った方向の力を第1接触部材に伝える振動素子とを有する。仮想点は第1接触部材と第2接触部材との間に配置されており、第1非対称振動に基づく当該直線に沿った方向の力は接合部材を介して第2接触部材にも伝えられる。装着領域に利用者の身体部位を配置し、振動素子の第1非対称振動を行うことで、利用者に擬似的な力覚を知覚させることができる。利用者は装着領域に身体部位を装着すればよく、擬似力覚発生装置を把持する必要はない。また振動素子が身体部位の外周面の接線方向ではなく、装着領域に配置された身体部位内の仮想点と第1接触部材とを通る直線に沿って周期的な第1非対称振動を行うため、第1非対称振動に基づく力が身体部位に十分に伝わり、利用者は擬似力覚を適切に知覚できる。さらに、1個の振動素子の第1非対称振動に基づく力が第1接触部材と第2接触部材とに加えられ、それらの間に配置される身体部位に効率よく擬似力覚を呈示できる。
第1実施形態を説明する。
<擬似力覚発生装置1の構成>
図1Aから図1Dおよび図2Aから図2Dに例示するように、本実施形態の擬似力覚発生装置1は、接触部材11−1(第1接触部材)と接触部材11−2(第2接触部材)と接合部材12と振動発生装置13−1(第1振動発生装置)とを有する。振動発生装置13−1は、振動素子131−1と支持部132−1とを有する。
本実施形態の接触部材11−1および接触部材11−2は板状(例えば、円盤状)の部材である。接触部材11−1と接触部材11−2とは互いに向かい合っており、接触部材11−1の一方の板面111−1と接触部材11−2の一方の板面111−2とが互いに対向している。例えば、板面111−1と板面111−2とは互いに略平行に配置されている。接触部材11−1および接触部材11−2は、身体部位が配置される3次元領域である装着領域14の外周面141に沿って配置されている。すなわち、板面111−1と板面111−2との間に装着領域14が配置されている。本実施形態の装着領域14は略楕円筒形状の立体空間である。板面111−1と板面111−2は、例えば装着領域14の外周面141の接平面上に配置されている。
本実施形態の接合部材12は接触部材11−1を接触部材11−2に直接的に繋ぎ合わせている。本実施形態の接合部材12は、接触部材11−1に対する接触部材11−2の相対距離を所定範囲内に保つ略剛体である。例えば、接合部材12は環状の帯(例えば、ベルトや腕輪等)であり、その帯部に接触部材11−1および接触部材11−2が固定されている。
接触部材11−1の板面111−1の他方の板面112−1には、振動発生装置13−1の支持部132−1が固定されている。振動発生装置13−1の振動素子131−1は支持部132−1に対し、直線L1に沿って周期的な非対称振動A1(第1非対称振動)を行う。すなわち、振動発生装置13−1を駆動すると、支持部132−1に対する振動素子131−1の相対位置が直線L1(第1直線)に沿って変化し、振動素子131−1が支持部132−1に対して直線L1に沿った周期的な非対称振動A1を行う。直線L1は装着領域14内の仮想点O1(第1仮想点)と接触部材11−1とを通る直線である。例えば、直線L1は装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−1の点P1とを通る。より好ましくは、直線L1は装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−1と接触部材11−2とを通る直線である。例えば、直線L1は装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−1の点P1と接触部材11−2の点P2とを通る。このような直線L1の例は、装着領域14の外周面141上の一つの点P1における一つの法線である。例えば、直線L1の例は、装着領域14の外周面141上の一つの点P1における接平面に略垂直な直線である。点P1の例は接触部材11−1の板面111−1と装着領域14の外周面141との接点であり、点P2の例は接触部材11−2の板面111−2と装着領域14の外周面141との接点である。仮想点O1は接触部材11−1と接触部材11−2との間に配置されている。点O1の例は装着領域14の中央点である。
擬似力覚発生装置1を駆動させるための制御システムを例示する。図4に例示するように、本実施形態の制御システムは、制御信号を生成する制御信号出力装置101と、制御信号出力装置101から出力された制御信号を増幅する信号増幅器102−1と、信号増幅器102−1で増幅された制御信号によって駆動する振動発生装置13−1を含む擬似力覚発生装置1とを有する。
本実施形態の擬似力覚発生装置1の動作を説明する。図5Aおよび図5Bに例示するように、利用者はその身体部位15を装着領域14に配置する。身体部位15の外周面は皮膚や粘膜であってもよいし、皮膚や粘膜を覆う被服などであってもよい。接触部材11−1の板面111−1には身体部位15の外周面151−1が接触し、接触部材11−2の板面111−2には身体部位15の外周面151−2が接触する。これにより、身体部位15が接触部材11−1と接触部材11−2とで挟み込まれる、接触部材11−1と接触部材11−2とがある程度の圧力で外周面151−1と外周面151−2とに固定される。例えば、身体部位15が手首である場合、振動発生装置13−1が手首の上面側に来るように装着される。
利用者は装着領域14に身体部位15を装着すればよく、擬似力覚発生装置1を把持する必要はない。また振動素子131−1が身体部位15の外周面の接線方向ではなく、装着領域14に配置された身体部位15内の仮想点O1と接触部材11−1とを通る直線L1(例えば、身体部位15の外周面151−1の法線方向)に沿って周期的な非対称振動A1を行う。そのため、非対称振動A1に基づく力が身体部位15に十分に伝わり、利用者は擬似力覚を適切に知覚できる。さらに、接触部材11−1と接触部材11−2とが互いに接続され、1個の振動素子131−1の非対称振動A1に基づく力が接触部材11−1と接触部材11−2とに加えられ、これらが一体となって非対称振動する。それらの間に配置される身体部位15に効率よく擬似力覚を呈示できる。すなわち、接触部材11−2側から身体部位15に向かうU1方向(振動素子131−1が身体部位15から離れる方向)に擬似的な力覚を呈示する場合には接触部材11−2から身体部位15に刺激を与えるため(図5A)、身体部位15に力覚を効率的に呈示できる。
第2実施形態を説明する。以降では、説明済みの事項との相違点を中心に説明し、説明済みの事項と共通する事項については説明を簡略化する。
図6Aから図6Dに例示するように、本実施形態の擬似力覚発生装置2は、N個の接触部材11−1,…,11−N(第1接触部材,…,第N接触部材)と接合部材12とN個の振動発生装置31−1,…,31−N(第1振動発生装置,…,第N振動発生装置)とを有する。振動発生装置13−nは、振動素子131−nと支持部132−nとを有する。ただし、n=1,…,Nであり、Nが2以上の整数である。本実施形態ではN=2の例を説明する。
第1実施形態と同じであるため説明を省略する。
接触部材11−2の板面111−2の他方の板面112−2には、振動発生装置13−2の支持部132−2が固定されている。振動発生装置13−2の振動素子131−2は支持部132−2に対し、直線L1=L2(第2直線)に沿って周期的な非対称振動A2(第2非対称振動)を行う。すなわち、振動発生装置13−2を駆動すると、支持部132−2に対する振動素子131−2の相対位置が直線L1に沿って変化し、振動素子131−2が支持部132−2に対して直線L1に沿った周期的な非対称振動A2を行う。直線L1は装着領域14内の仮想点O1=O2(第2仮想点)と接触部材11−2とを通る直線である。例えば、直線L1は装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−2の点P2とを通る。より好ましくは、直線L1は装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−1と接触部材11−2とを通る直線である。例えば、直線L1は装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−1の点P1と接触部材11−2の点P2とを通る。このような直線L1の例は、装着領域14の外周面141上の一つの点P2における一つの法線である。仮想点O1は接触部材11−1と接触部材11−2との間に配置されている。点O1の例は装着領域14の中央点である。本形態では、第1直線も第2直線も直線L1であるが、第1直線と第2直線とが互いに相違していてもよい。同様に、本形態では、第1仮想点も第2仮想点も仮想点O1であるが、第1仮想点と第2仮想点とが互いに相違していてもよい。振動発生装置13−2の具体的構成は、例えば振動発生装置13−1と同一である。
擬似力覚発生装置2を駆動させるための制御システムを例示する。図7に例示するように、本実施形態の制御システムは、制御信号を生成する制御信号出力装置101と、制御信号出力装置101から出力された制御信号を増幅する信号増幅器102−1,102−2と、信号増幅器102−1で増幅された制御信号によって駆動する振動発生装置13−1および信号増幅器102−2で増幅された制御信号によって駆動する振動発生装置13−2を含む擬似力覚発生装置2とを有する。
図8Aから図8Cを用い、本実施形態の擬似力覚発生装置2の動作を説明する。第1実施形態で説明したように、利用者はその身体部位15を装着領域14に配置する。振動発生装置13−n(ただし、n=1,2)に制御信号が供給され、振動発生装置13−nの振動素子131−nが直線L1に沿って周期的な非対称振動Anを行うと、それらの非対称振動Anに応じ、接触部材11−2側から身体部位15に向かう直線L1に沿ったU1方向(例えば、身体部位15の外周面151−2の法線方向)の擬似的な力覚(図8A)、接触部材11−1側から身体部位15に向かう直線L1に沿ったU2方向(例えば、身体部位15の外周面151−1の法線方向)の擬似的な力覚(図8B)、または、接触部材11−1側から身体部位15に向かう直線L1に沿ったD1方向(例えば、身体部位15の外周面151−2の法線方向)と接触部材11−2側から身体部位15に向かう直線L1に沿ったD2方向(例えば、身体部位15の外周面151−1の法線方向)とから身体部位15が押し込まれる(挟み込まれる)疑似的な力覚(図8C)を呈示できる。
利用者は装着領域14に身体部位15を装着すればよく、擬似力覚発生装置2を把持する必要はない。また振動素子131−nが身体部位15の外周面の接線方向ではなく、装着領域14に配置された身体部位15内の仮想点O1と接触部材11−nとを通る直線L1(例えば、身体部位15の外周面151−nの法線方向)に沿って周期的な非対称振動Anを行う。そのため、非対称振動Anに基づく力が身体部位15に十分に伝わり、利用者は擬似力覚を適切に知覚できる。さらに、振動素子131−1,131−2の制御によって様々な力覚を呈示できる。特に、振動素子132−2(第i2振動素子)が接触部材11−2(第i2接触部材)から仮想点O1(第i2仮想点)へ向かう方向の擬似的な力覚を利用者に知覚させる非対称振動A2(第i2非対称振動)を行うことで、身体部位15が押し込まれる擬似的な力覚を呈示できる(図8C)。ただし、真部分集合subset1⊂{1,2}と真部分集合subset2⊂{1,2}とが互いに相違し、i1∈subset1であり、i2∈subset2であり、i1≠i2であり、接触部材11−1(第i1接触部材)と接触部材11−2(第i2接触部材)とが互いに向かい合っており、接触部材11−1(第i1接触部材)と接触部材11−2(第i2接触部材)との間に仮想点O1(第i1仮想点および第i2仮想点)が配置されている。振動素子131−1,131−2の非対称振動の位相を同期させることで、より一層明確な擬似的な力覚を呈示できる。
第3実施形態を説明する。本実施形態は第2実施形態の変形例であり、N=4の例である。図9Aおよび図9Bに例示するように、本実施形態の擬似力覚発生装置3は、N個の接触部材11−1,…,11−N(第1接触部材,…,第N接触部材)と接合部材12とN個の振動発生装置31−1,…,31−N(第1振動発生装置,…,第N振動発生装置)とを有する。振動発生装置13−nは、振動素子131−nと支持部132−nとを有する。ただし、n=1,…,Nであり、N=4である。
本実施形態の接触部材11−nは板状の部材である。接触部材11−1と接触部材11−3とは互いに向かい合っており、接触部材11−1の一方の板面111−1と接触部材11−3の一方の板面111−3とが互いに対向している。接触部材11−2と接触部材11−4とは互いに向かい合っており、接触部材11−2の一方の板面111−2と接触部材11−4の一方の板面111−4とが互いに対向している。例えば、板面111−1と板面111−3とは互いに略平行に配置されており、板面111−2と板面111−4とは互いに略平行に配置されている。接触部材11−1から接触部材11−4は装着領域14の外周面141に沿って配置されている。すなわち、装着領域14は接触部材11−1から接触部材11−4によって取り囲まれている。板面111−nは、例えば装着領域14の外周面141の接平面上に配置されている。
本実施形態の接合部材12は接触部材11−1から接触部材11−4までを直接的に繋ぎ合わせている。その他は第1実施形態と同じである。
接触部材11−nの板面111−nの他方の板面112−nには、振動発生装置13−nの支持部132−nが固定されている。振動発生装置13−nの振動素子131−nは支持部132−nに対し、直線Lnに沿って周期的な非対称振動Anを行う。直線Lnは装着領域14内の仮想点O1(第n仮想点)と接触部材11−nとを通る直線である。本形態ではすべての第n仮想点OnがO1である例を示すが、各第n仮想点は互いに同一であってもよいし、互いに異なる場合があってもよい。直線Lnは装着領域14内の仮想点O1(第n仮想点)と接触部材11−nの点Pnとを通る。より好ましくは、直線Lnは装着領域14内の仮想点O1と接触部材11−nと接触部材11−mとを通る直線である。ただし、m=1+{(n mod 4)+1}mod 4である。本実施形態ではLn=Lmの例を示すがLn≠Lmであってもよい。このような直線Lnの例は、装着領域14の外周面141上の一つの点Pnにおける一つの法線である。例えば、直線Lnの例は、装着領域14の外周面141上の一つの点Pnにおける接平面に略垂直な直線である。点Pnの例は接触部材11−nの板面111−nと装着領域14の外周面141との接点である。点O1の例は装着領域14の中央点である。各振動発生装置13−nは装着領域14の略中心を含むN角形の頂点部分に配置されることが望ましい。
第3実施形態の制御システムは、制御信号を生成する制御信号出力装置101と、制御信号出力装置101から出力された制御信号を増幅する信号増幅器102−n(ただし、n=1,…,N)と、信号増幅器102−nで増幅された制御信号によって駆動する振動発生装置13−nを含む擬似力覚発生装置3とを有する。
図10Aから図16Bを用い、本実施形態の擬似力覚発生装置3の動作を説明する。第1実施形態で説明したように、利用者はその身体部位15を装着領域14に配置する。振動発生装置13−n(ただし、n=1,…,4)に制御信号が供給され、振動発生装置13−nの振動素子131−nが直線Lnに沿って周期的な非対称振動Anを行うと、それらの非対称振動Anに応じて様々な疑似的な力覚を呈示できる。
利用者は装着領域14に身体部位15を装着すればよく、擬似力覚発生装置3を把持する必要はない。また振動素子131−nが身体部位15の外周面の接線方向ではなく、装着領域14に配置された身体部位15内の仮想点O1と接触部材11−nとを通る直線L1(例えば、身体部位15の外周面151−nの法線方向)に沿って周期的な非対称振動Anを行う。そのため、非対称振動Anに基づく力が身体部位15に十分に伝わり、利用者は擬似力覚を適切に知覚できる。さらに、振動素子131−1,131−2,131−3,131−4の制御によって様々な力覚を呈示できる。
第4実施形態を説明する。本実施形態は第2,3実施形態の変形例であり、N=3の例である。図17Aおよび図17Bに例示するように、本実施形態の擬似力覚発生装置4は、N個の接触部材11−1,…,11−N(第1接触部材,…,第N接触部材)と接合部材12とN個の振動発生装置31−1,…,31−N(第1振動発生装置,…,第N振動発生装置)とを有する。振動発生装置13−nは、振動素子131−nと支持部132−nとを有する。ただし、n=1,…,Nであり、N=3である。
本実施形態の接触部材11−nは板状の部材である。接触部材11−1から接触部材11−3は装着領域14の外周面141に沿って配置されている。すなわち、装着領域14は接触部材11−1から接触部材11−3によって取り囲まれている。板面111−nは、例えば装着領域14の外周面141の接平面上に配置されている。
本実施形態の接合部材12は接触部材11−1から接触部材11−3までを直接的に繋ぎ合わせている。その他は第1実施形態と同じである。
接触部材11−nの板面111−nの他方の板面112−nには、振動発生装置13−nの支持部132−nが固定されている。振動発生装置13−nの振動素子131−nは支持部132−nに対し、直線Lnに沿って周期的な非対称振動Anを行う。直線Lnは装着領域14内の仮想点On(第n仮想点)と接触部材11−nとを通る直線である。本形態ではO1=O2≠O3である例を示すが、各第n仮想点は互いに同一であってもよいし、互いに異なる場合があってもよい。直線Lnは装着領域14内の仮想点On(第n仮想点)と接触部材11−nの点Pnとを通る。このような直線Lnの例は、装着領域14の外周面141上の一つの点Pnにおける一つの法線である。
第4実施形態の制御システムは、制御信号を生成する制御信号出力装置101と、制御信号出力装置101から出力された制御信号を増幅する信号増幅器102−n(ただし、n=1,…,N)と、信号増幅器102−nで増幅された制御信号によって駆動する振動発生装置13−nを含む擬似力覚発生装置4とを有する。
第1実施形態で説明したように、利用者はその身体部位15を装着領域14に配置する。振動発生装置13−n(ただし、n=1,…,4)に制御信号が供給され、振動発生装置13−nの振動素子131−nが直線Lnに沿って周期的な非対称振動Anを行うと、それらの非対称振動Anに応じて様々な疑似的な力覚を呈示できる。
利用者は装着領域14に身体部位15を装着すればよく、擬似力覚発生装置3を把持する必要はない。また振動素子131−nが身体部位15の外周面の接線方向ではなく、装着領域14に配置された身体部位15内の仮想点Onと接触部材11−nとを通る直線L1(例えば、身体部位15の外周面151−nの法線方向)に沿って周期的な非対称振動Anを行う。そのため、非対称振動Anに基づく力が身体部位15に十分に伝わり、利用者は擬似力覚を適切に知覚できる。さらに、振動素子131−1,131−2,131−3の制御によって様々な力覚を呈示できる。
上述した接触部材11−n(ただし、n=1,…,N)の装着領域14側の板面111−nが、身体部位15に対して滑りが生じにくい形状とされていてもよい。接触部材11−nは身体部位15側に押し込む方向に力を与えるため、板面111−nが身体部位15の表面に対して滑りが生じにくい形状であることが望ましいからである。例えば、板面111−nに凹凸が設けられていてもよい。また、このような凹凸は身体部位15に痛覚を与えない形状であることが望ましい。利用者が痛みを知覚するとそれがノイズとなって擬似的な力覚を明確に知覚できない場合があるからである。例えば、このような凹凸の1つの凸部分の幅を1mm以上とし、高さを2mm以下にすることが望ましい。しかし、利用者に痛みを知覚させないその他のサイズの凹凸が設けられてもよい。
なお、上述の各実施形態は本発明の一例を示したものにすぎず、本発明を限定するものではない。例えば、各実施形態では、制御信号出力装置101および信号増幅器102−nが擬似力覚発生装置の外部に設けられていたが、擬似力覚発生装置が制御信号出力装置101および信号増幅器102−nを備えていてもよい。
11−n 接触部材
12 接合部材
13−n 振動発生装置
131−n 振動素子
Claims (2)
- 擬似的な力覚を知覚させる擬似力覚発生装置であって、
n=1,…,Nであり、Nが2以上の整数であり、
身体部位が配置される3次元領域である装着領域の外周面に沿って配置された第1接触部材から第N接触部材と、
前記第1接触部材から前記第N接触部材までを直接的または間接的に繋ぎ合わせている接合部材と、
前記装着領域内の第n仮想点と前記第n接触部材とを通る第n直線に沿って周期的な第n非対称振動を行い、前記第n非対称振動に基づく前記第n直線に沿った方向の力を前記第n接触部材に伝える第n振動素子と、
を有し、
真部分集合subset 1 ⊂{1,…,N}と真部分集合subset 2 ⊂{1,…,N}とが互いに相違し、i 1 ∈subset 1 であり、i 2 ∈subset 2 であり、i 1 ≠i 2 であり、
前記第i 1 振動素子が前記第i 1 接触部材から前記第i 1 仮想点へ向かう方向の擬似的な力覚を知覚させる前記第i 1 非対称振動を行いつつ、前記第i 2 振動素子が前記第i 2 接触部材から前記第i 2 仮想点へ向かう方向の擬似的な力覚を知覚させる前記第i 2 非対称振動を行い、前記第i 1 非対称振動の位相と前記第i 2 非対称振動の位相とが互いに同期し、前記第i 1 接触部材と前記第i 2 接触部材とに前記身体部位が挟み込まれるような力覚を知覚させ、
前記第i 1 接触部材と前記第i 2 接触部材とが互いに向かい合っており、
前記第i 1 接触部材と前記第i 2 接触部材との間に前記第i 1 仮想点および前記第i 2 仮想点が配置されている、擬似力覚発生装置。 - 擬似的な力覚を知覚させる擬似力覚発生装置であって、
n=1,…,Nであり、Nが2以上の整数であり、
身体部位が配置される3次元領域である装着領域の外周面に沿って配置された第1接触部材から第N接触部材と、
前記第1接触部材から前記第N接触部材までを直接的または間接的に繋ぎ合わせている接合部材と、
前記装着領域内の第n仮想点と前記第n接触部材とを通る第n直線に沿って周期的な第n非対称振動を行い、前記第n非対称振動に基づく前記第n直線に沿った方向の力を前記第n接触部材に伝える第n振動素子と、
を有し、
Nが3以上の整数であり、真部分集合subset1⊂{1,…,N}と真部分集合subset2⊂{1,…,N}とが互いに相違し、真部分集合subset11⊂subset1と真部分集合subset12⊂subset1とが互いに相違し、真部分集合subset21⊂subset2と真部分集合subset22⊂subset2とが互いに相違し、i11∈subset11であり、i12∈subset12であり、i21∈subset21であり、i22∈subset22であり、i11≠i12であり、i21≠i22であり、
前記第i11振動素子が前記第i11接触部材から前記第i11仮想点へ向かう方向の擬似的な力覚を知覚させる前記第i11非対称振動を行いつつ、前記第i12振動素子が前記第i12接触部材から前記第i12仮想点へ向かう方向の擬似的な力覚を知覚させる前記第i12非対称振動を行い、前記第i 11 非対称振動の位相と前記第i 12 非対称振動の位相とが互いに同期することで、前記第i 11 接触部材と前記第i 12 接触部材とに前記身体部位が挟み込まれるような力覚を知覚させる第1期間と、
前記第i21振動素子が前記第i21接触部材から前記第i21仮想点へ向かう方向の擬似的な力覚を知覚させる前記第i21非対称振動を行いつつ、前記第i22振動素子が前記第i22接触部材から前記第i22仮想点へ向かう方向の擬似的な力覚を知覚させる前記第i22非対称振動を行い、前記第i 21 非対称振動の位相と前記第i 22 非対称振動の位相とが互いに同期することで、前記第i 21 接触部材と前記第i 22 接触部材とに前記身体部位が挟み込まれるような力覚を知覚させる第2期間と、を繰り返し、
前記第i11接触部材と前記第i12接触部材とが互いに向かい合っており、
前記第i11接触部材と前記第i12接触部材との間に前記第i11仮想点および前記第i12仮想点が配置されており、
前記第i21接触部材と前記第i22接触部材とが互いに向かい合っており、
前記第i21接触部材と前記第i22接触部材との間に前記第i21仮想点および前記第i22仮想点が配置されている、擬似力覚発生装置。
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