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技術 操作装置

出願人 株式会社東海理化電機製作所
発明者 後藤大作
出願日 2015年9月2日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2015-172979
公開日 2017年3月9日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2017-049829
状態 未査定
技術分野 機械式制御装置 デジタル計算機のユーザインターフェイス
主要キーワード 定常波振動 超音波帯 Y座標 バイモルフ型アクチュエータ 加重平均法 振動構造 振動分布 モノモルフ型
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

触感バラつきを抑制することができる操作装置を提供する。

解決手段

操作装置1は、操作面11を有する操作部10と、操作部10を支持するベース部40と、操作部10に触覚呈示のための振動を付与する加振部20と、加振部20の加振時において、ベース部40に対して操作部10を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部42と、粘性流体の粘度を制御する制御部30とを備えている。

概要

背景

触覚刺激操作感触呈示する機能を有するタッチインターフェースが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。

上記特許文献1に記載された従来のタッチインターフェースは、指の接触面を形成する基板と、基板の裏面に固定されたマトリックス状の圧電セラミックスとからなる振動構造を有している。この振動構造は、一定の正弦電圧の供給によって圧電セラミックスが交互に伸縮し、基板に定常的なラム波振動を発生させるように構成されている。

概要

触感バラつきを抑制することができる操作装置を提供する。操作装置1は、操作面11を有する操作部10と、操作部10を支持するベース部40と、操作部10に触覚呈示のための振動を付与する加振部20と、加振部20の加振時において、ベース部40に対して操作部10を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部42と、粘性流体の粘度を制御する制御部30とを備えている。

目的

本発明の目的は、触感のバラつきを抑制することができる操作装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

操作面を有する操作部と、前記操作部を支持するベース部と、前記操作部に触覚呈示のための振動を付与する加振部と、前記加振部の加振時において、前記ベース部に対して前記操作部を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部と、前記粘性流体の粘度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする操作装置

請求項2

前記制御部は、前記操作面の接触位置に応じて前記粘性流体の粘度を変化させることで、前記加振部の加振により前記操作面に対して生成される定常波位相をずらす構成を有していることを特徴とする請求項1に記載の操作装置。

請求項3

前記粘性流体は、電気粘性流体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の操作装置。

技術分野

0001

本発明は、操作装置係り、特に、触覚刺激操作感触呈示する機能を有する操作装置に関する。

背景技術

0002

触覚刺激操作感触を呈示する機能を有するタッチインターフェースが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。

0003

上記特許文献1に記載された従来のタッチインターフェースは、指の接触面を形成する基板と、基板の裏面に固定されたマトリックス状の圧電セラミックスとからなる振動構造を有している。この振動構造は、一定の正弦電圧の供給によって圧電セラミックスが交互に伸縮し、基板に定常的なラム波振動を発生させるように構成されている。

先行技術

0004

特表2010−518500号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、上記従来のタッチインターフェースは、基板の裏面に圧電セラミックスをマトリックス状に配置する振動構造となっているため、振動の隣接する腹と腹との間の距離、又は隣接する節と節との間の距離が1個の圧電セラミックスの大きさに依存する。このような振動構造は、指の接触面に局所的な振動しか得られないことから、触感バラつきを発生させる原因となる。

0006

従って、本発明の目的は、触感のバラつきを抑制することができる操作装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

[1]本発明は、操作面を有する操作部と、前記操作部を支持するベース部と、前記操作部に触覚呈示のための振動を付与する加振部と、前記加振部の加振時において、前記ベース部に対して前記操作部を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部と、前記粘性流体の粘度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする操作装置にある。

0008

[2]上記[1]に記載の前記制御部は、前記操作面の接触位置に応じて前記粘性流体の粘度を変化させることで、前記加振部の加振により前記操作面に対して生成される定常波位相をずらす構成を有していることを特徴とする。

0009

[3]上記[1]又は[2]に記載の前記粘性流体は、電気粘性流体であることを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、振動が付与された操作部の触感のバラつきを抑えることができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明に好適な実施の形態に係る典型的な操作装置を説明するための図である。
操作装置の制御ブロック図である。
操作部を拘束する拘束条件を変化させたときの定常波の振動分布を説明するための図である。
制御部の制御フローチャートである。
内部部品の配置位置を説明するための図である。

実施例

0012

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

0013

(操作装置の全体構成)
図1において、全体を示す符号1は、本実施の形態に係る典型的な操作装置を例示している。この操作装置1は、例えば操作指等の検出対象物により、操作面11に対してタッチ操作押圧操作やなぞり操作等の操作を行った際の静電容量の変化を検出するタッチパネルを備えた静電容量式タッチパネル装置として用いられる。

0014

ここで、タッチ操作とは、タッチパネルのタッチ位置に接触しているときの操作をいう。一方、なぞり操作とは、タッチパネルのタッチ位置が連続的に変化しているときの操作をいい、タッチパネルのタッチ位置が間欠的又は断続的に変化しているときの操作をも含む。

0015

なお、静電容量式のタッチパネルに限定されるものではなく、例えば抵抗膜方式赤外線方式SAW(Surface Acoustic Wave)方式等のタッチパネルを用いることが可能である。

0016

操作装置1は、図1及び図2に示すように、所定の操作範囲においてタッチ操作される操作部である操作パネル10と、操作パネル10に触覚呈示のための振動を付与する加振部であるアクチュエータ20を所定の振動条件で駆動する制御部30と、操作パネル10を支持するベース部である筐体40とを備えている。

0017

操作パネル10の操作面11の裏側には、図示しない複数本駆動電極と、各駆動電極と交差する部分である検出点の静電容量を読み出す図示を省略した複数本の読出電極とが行列状に配置されており、直交座標系であるXY座標が設定されている。これらの電極は、ITO等の透明材料からなる。

0018

操作パネル10は、各駆動電極の駆動毎に読出電極から順次読み出される容量値数値化し、この数値化された容量値に基づいて算出された検出点の座標を含む情報がタッチ検出信号Sxとして制御部30に周期的に出力するように構成されている。XY座標の算出には、例えば加重平均法が用いられる。なお、カメラ撮影して画像分析によりタッチ位置を検出することも可能である。

0019

制御部30は、タッチ検出信号Sxと閾値との比較結果に基づいて検出対象物の接触の有無を判別する。検出対象物が接触したときのタッチ検出信号Sxが制御部30に入力することで、アクチュエータ20を駆動する駆動信号Sdが制御部30からアクチュエータ20へ出力される。

0020

制御部30は、プログラムに従って取得したデータに演算や加工等を行うCPU、ROM、及びRAM等から構成されるマイクロコンピュータである。ROMは、電極の選択や接続の制御、タッチ操作やなぞり操作等の操作態様を判定するための情報、振動の振幅振動数や位相を示す情報、所定の操作範囲を示す情報等の各種の設定データを格納する。一方のRAMは、ROMから読み出される設定データを一時的に記憶する。

0021

筐体40及び操作パネル10の間には、操作パネル10の一端部を支持する支持部41と、操作パネル10の他端部を支持する支持部42とが配置されている。筐体40は、操作パネル10を支持できる剛性を有する材質であればよく、例えば金属材料又は樹脂材料からなる。

0022

図示例のアクチュエータ20は、振動板21と1枚の圧電素子22とによって構成されており、例えばスパッタ法蒸着法等で形成された図示しない電極に印加される駆動電圧により超音波振動を発生させるモノモルフ型圧電アクチュエータである。

0023

アクチュエータ20としては、例えば2枚の圧電素子を振動板の両面に設けたバイモルフ型アクチュエータ、又は複数枚の圧電素子を積層することによって構成される積層モノモルフ型アクチュエータが用いられてもよい。モノモルフ型は、駆動電圧が圧電素子に印加されることで伸張及び収縮する。

0024

アクチュエータ20の他の一例としては、例えば弾性板の両面に圧電素子を貼り合わせることによって構成されるバイモルフ型アクチュエータが用いられてもよい。バイモルフ型は、駆動電圧が圧電素子に印加されることでアーチ状に湾曲する。なお、圧電アクチュエータに代えて、例えば電磁アクチュエータ等であっても構わない。

0025

振動板21は、例えば導電性を有するアルミニウムニッケル、銅、鉄等の金属材料、それらを含有する合金材料ステンレス等の合金材料、あるいは合成樹脂等の非導電性材料を用いて形成される。

0026

圧電素子22としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛PZT)あるいはチタン酸バリウムなどのセラミックス材料が用いられる。電極としては、例えば金、銀、銅などの金属材料が用いられる。なお、成膜技術を用いて、振動板21の表面又は操作パネル10の裏面に圧電材料層を成膜することで圧電素子22を形成することができる。

0027

圧電素子22は、検出対象物が接触したときのタッチ検出信号Sxに基づいて制御部30から出力される駆動信号Sdで駆動することにより伸縮する。この伸縮に合わせて振動板21が変形し、振動板21が取り付けられた操作パネル10の操作面11が振動する。操作パネル10は、アクチュエータ20の加振により操作パネル10の共振周波数fnで振動する。

0028

圧電素子22は、操作パネル10、あるいは操作パネル10及びアクチュエータ20から構成される振動体を所定の共振周波数fnで振動させる(振動オン状態)。この共振周波数fnは、振動体の共振周波数fnに一致するように設定されている。アクチュエータ20を共振周波数fnで駆動することにより、振動体は振動オン状態となる。

0029

共振周波数fnは、超音波帯周波数に設定された超音波振動である。超音波とは、人間のには聞こえない高い振動数をもつ可聴域以上の弾性振動波(音波)であり、例えば約20kHzから40kHz程度の周波数帯域である。

0030

(拘束条件変更手段の構成)
操作パネル10の一端部及び他端部は、上述したように、支持部41,42を介して筐体40に支持されている。その構造上、アクチュエータ20の加振によって共振周波数fnの定常波(定在波)の振動が操作パネル10の操作面11に発生する。

0031

定常波は、振動が最大になる複数の腹と、振動が最小になる複数の節とを有するn次の振動モードの波形であり、操作面11内に振動刺激が強い腹の位置と弱い節の位置とが交互に生成されるため、振動を付与された操作面11に触感のバラつきがある。従って、定常波振動による不具合を回避することが肝要である。

0032

本実施の形態に係る操作装置1の主要なところは、アクチュエータ20の加振時において、検出対象物のタッチ位置に応じて操作パネル10を拘束して支持する拘束条件を変更する拘束条件変更手段の構成を備えた点にある。操作パネル10の拘束条件を変えることで、操作パネル10の操作面11に生成される定常波の腹及び節の位置が所定の位相で変位する。

0033

図示例による拘束条件変更手段によれば、アクチュエータ20側寄りの支持部41によって操作パネル10の一端部が固定端の状態にあり、この支持部41の反対側に配置された支持部42が、操作パネル10の他端部を固定端の状態又は自由端の状態のいずれかの状態とするための粘性流体を有する粘性流体支持部として構成されている(以下、「粘性流体支持部42」という。)。

0034

固定端の状態とは、アクチュエータ20の加振により操作パネル10が振動した場合でも、操作パネル10の端部が自由に振動できない状態をいい、自由端の状態とは、アクチュエータ20の加振により操作パネル10が振動した場合でも、操作パネル10の端部が自由に振動できる状態をいう。

0035

粘性流体としては、例えば図示しない電極間に電圧を印加することで粘度を変化させる電気粘性流体(以下、「ER流体」という。)が用いられる。なお、電場の作用に基づいて粘度を変化させるER流体に代えて、例えば磁場の作用に基づいて粘度を変化させる磁気粘性流体MR流体)を用いることも可能である。

0036

ER流体は、電圧を印加した状態(オン状態)で固体性質をもち、電圧を印加しない状態(オフ状態)でゲル状の性質をもつ物質であり、操作パネル10の下面12に配置された可撓性のシール部材封入されている。ゲル状とは、ER流体が漏れ出ない程度に流動性を失った状態で、ある程度の強度を有することを、ここではいう。

0037

粘性流体支持部42は電極間に印加する電圧の大きさを制御することで、ER流体の粘度を固体化したり、あるいはゲル化したりすることができる。ER流体の粘度は、検出対象物のタッチ位置に応じて制御部30から出力される駆動信号Scの電圧の大きさに基づき制御される。

0038

ER流体の粘度がゲル化した状態にあるとき、電極間に電圧を印加すれば、操作パネル10の両端部が自由端及び固定端によって拘束される拘束条件(以下、「自由端−固定端条件」という。)を、固定端及び固定端によって拘束される拘束条件(以下、「固定端−固定端条件」という。)に変更することができる。従って、アクチュエータ20の加振時において、操作パネル10の粘性流体支持部42側の端部を自由に振動できない状態に設定することができる。

0039

一方、ER流体の粘度が固体化した状態にあるとき、電極間に印加される電圧を停止することで、固定端−固定端条件を自由端−固定端条件に変更することができる。従って、アクチュエータ20の加振時において、操作パネル10の粘性流体支持部42側の端部を自由に振動できる状態に設定することが可能となる。

0040

ここで、図3(a)、図3(b)、及び図3(c)を参照すると、これらの図には、操作パネル10の両端部を拘束する拘束条件を変化させたときの定常波の振動分布の一例が示されている。

0041

図3(a)は、粘性流体支持部42が固体化されており、操作パネル10が固定端−固定端条件で拘束された状態を示している。この固定端−固定端条件下においては、アクチュエータ20の加振により操作面11に生成される定常波の節が粘性流体支持部42の位置となるように設定される。

0042

図3(b)は、粘性流体支持部42がゲル化されており、操作パネル10が自由端−固定端条件で拘束された状態を示している。この自由端−固定端条件下では、アクチュエータ20の加振により操作面11に生成される定常波は、図3(c)に示すように、90°の位相差θをもってずらせて、定常波の腹が粘性流体支持部42の位置となるように設定される。

0043

ところで、アクチュエータ20の加振時において、図3(a)に示すように、操作パネル10が固定端−固定端条件にあって、検出対象物がタッチ位置P2からタッチ位置P1に近づいた場合は、タッチ位置P1が定常波の節の位置に相当するため、触感が想起されない。検出対象物の接触面積が定常波の振幅よりも小さい程、触感のバラつきを感じることになる。

0044

そこで、操作パネル10の固定端−固定端条件下において、検出対象物がタッチ位置P2からタッチ位置P1に近づいたならば、図3(b)に示すように、ER流体の電圧をオフ状態とし、操作パネル10の拘束条件を自由端−固定端条件に変更する。

0045

この変更により、図3(a)に実線で示す固定端−固定端条件における定常波の位相は、図3(c)に示すように、90°ずれて、図3(b)に破線で示す自由端−固定端条件における定常波の振動が操作パネル10に発生する。固定端−固定端条件における定常波の節の位置に相当するタッチ位置P1は、自由端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致することとなり、触感の想起が継続して触覚のバラつきが回避される。

0046

一方、アクチュエータ20の加振時において、図3(b)に示すように、操作パネル10が自由端−固定端条件にあって、検出対象物がタッチ位置P1からタッチ位置P2に近づいた場合は、ER流体の電圧をオン状態とする。ER流体の粘度が大きくなり、操作パネル10の粘性流体支持部42側が自由端から固定端に変更される。

0047

操作パネル10の粘性流体支持部42側の拘束条件を変更することで、図3(b)に破線で示す自由端−固定端条件における定常波の位相は、図3(c)に示すように、90°ずれて、図3(a)に実線で示す固定端−固定端条件における定常波の振動が操作パネル10に発生する。自由端−固定端条件における定常波の節の位置に相当するタッチ位置P2は、固定端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致することになる。これにより、触感の想起が継続するため、触覚のバラつきが回避される。

0048

以上のように構成された拘束条件変更手段によると、操作面11に対するタッチ位置P1,P2に応じて、操作パネル10の両端部を拘束する拘束条件を変化させることで、アクチュエータ20の加振により操作面11に生成される定常波の振動分布を制御することができる。この制御により、操作パネル10の操作面11に生成される定常波の腹の位置をタッチ位置P1,P2に変位させることができる。

0049

(ER流体の制御)
次に、図2図3(a)、図3(b)、及び図4を参照しながら、ER流体を制御する制御部30の作用について説明する。

0050

先ず、図4を参照すると、同図には、ER流体を制御する制御フローチャートの一例が示されている。以下の説明においては、操作パネル10の操作態様の一例として、なぞり操作について説明するが、これに限定されるものではなく、タッチ操作や押圧操作等の他の操作にも適用できることは勿論である。

0051

粘性流体支持部42のER流体の電圧がオフ状態にあって、操作パネル10が、図3(b)に示すように、自由端−固定端条件に設定されている。いま、図4に示す制御フローチャートに従い、ER流体の制御を開始する。

0052

テップS101の処理において、操作指等の検出対象物が接触したときのタッチ検出信号Sxに基づいて、操作パネル10の操作面11に対して操作が行われたか否かが判定される。操作が行われていないと判定された場合は、ステップS101の処理を繰り返す。もし、操作が行われたと判定された場合は、ステップS102の処理を行う。

0053

ステップS102の処理において、アクチュエータ20に駆動信号Sdを印加することで、操作パネル10の操作面11に対して、図3(b)に示す自由端−固定端条件における定常波の周波数fnの振動を印加する。続いて、ステップS103の処理へ移る。

0054

ステップS103の処理において、操作パネル10のタッチ位置と振動の腹及び節の位置との組み合わせを対応付けたテーブルを参照して、取得した情報に基づき検出対象物のタッチ位置P1が図3(b)の自由端−固定端条件における定常波の周波数fnの腹の位置にあるか、あるいは周波数fnの節の位置にあるかが判定される。検出対象物が定常波の周波数fnの腹の位置にあると判定された場合は、ステップS105の処理に移行する。

0055

ステップS105の処理において、操作パネル10の操作面11に対して、検出対象物による操作が継続しているか否かが判定される。検出対象物により操作が行われている場合は、ステップS102の処理に戻り、ステップS102、ステップS103及びステップS105の処理を繰り返す。

0056

もし、ステップS103の処理において、操作パネル10のタッチ位置と振動の腹及び節の位置との組み合わせを対応付けたテーブルを参照して、取得した情報に基づき検出対象物のタッチ位置P1が図3(b)の自由端−固定端条件における定常波の周波数fnの腹の位置になく、節の位置に相当するタッチ位置P2に向けて操作が行われていると判定されたならば、ステップS104の処理を行う。

0057

ステップS104の処理において、図3(b)に示すように、検出対象物がタッチ位置P1からタッチ位置P2に近づく過程で、ER流体に駆動信号Scを印加することによりER流体の電圧をオン状態とする。これにより、操作パネル10の拘束条件は、図3(a)に示す固定端−固定端条件に変更される。

0058

この固定端−固定端条件における定常波の位置は、図3(a)に示すように、90°の位相差をもって変位する。これにより、図3(b)に示すタッチ位置P2は、図3(a)に示す自由端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致するため、触感の想起が継続して触覚のバラつきが回避される。

0059

ステップS104の処理において、操作パネル10が固定端−固定端条件に変更された後、検出対象物が図3(a)に示すタッチ位置P2からタッチ位置P1に向けて操作が行われていると判定されたならば、タッチ位置P2がタッチ位置P1に近づく過程で、ER流体の電圧をオフ状態とする。これにより、操作パネル10の拘束条件が図3(b)に示す自由端−固定端条件に設定される。

0060

この自由端−固定端条件における定常波の位置は、図3(b)に示すように、90°の位相差をもって変位する。これにより、図3(a)に示す固定端−固定端条件における定常波の節の位置に相当するタッチ位置P1は、図3(b)に示す自由端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致するため、触感の想起が継続して触覚のバラつきが回避される。続いて、ステップS105の処理へ進む。

0061

ステップS105の処理において、操作パネル10の操作面11に対して、検出対象物による操作が継続しているか否かが判定される。検出対象物により操作が行われている場合は、ステップS102の処理に戻り、ステップS102の処理からステップS105の処理を繰り返す。

0062

もし、検出対象物により操作が行われていないと判定された場合は、ステップS106の処理へ移る。ステップS106の処理において、ER流体に電圧を印加した状態にあるならば、ER流体に印加する電圧を停止する。これにより、操作パネル10の拘束条件が、図3(b)に示すように、初期の自由端−固定端条件に戻る。以上の一連制御手順により、全ての処理が終了する。

0063

(実施の形態の効果)
以上のように構成された操作装置1によれば、上記効果に加えて以下の効果が得られる。

0064

操作パネル10を拘束する拘束条件を変化させて、アクチュエータ20の加振により操作パネル10の操作面11に生成される定常波の位相をずらすことで、定常波の腹及び節の位置を変えることができる。これにより、超音波振動を活用した触感呈示の面内バラつきを低減することができるようになり、触感のバラつきを抑えることが可能となる。

0065

[変形例]
本発明における操作装置1の代表的な構成例を実施の形態、変形例及び図示例を挙げて説明したが、次に示すような他の変形例も可能である。

0066

アクチュエータ20及び粘性流体支持部42は、図5に示すように、操作パネル10の隣り合うX方向及びY方向の二辺のそれぞれの中間部に二次元的に配置しても構わない。粘性流体支持部42は、操作パネル10の隣り合う二辺のうち、アクチュエータ20と対向する二辺に沿って配置される。このアクチュエータ20及び粘性流体支持部42は、操作パネル10のX方向又はY方向のいずれかの一方向だけに並列に配置してもよい。

0067

操作装置1は、例えば使用目的などに応じて配置個数、配置位置や配置形態などを適宜に選択すればよく、本発明の初期の目的を達成することができる。

0068

なお、操作装置1は、車載機器遠隔操作するための入力装置として、車両のインストルメントパネルステアリングホイールセンターコンソールなどの各種内装品に装着することができる。

0069

また、操作装置1は、携帯電話機やカメラなどの各種の携帯情報端末装置入力デバイスとして用いることができることは勿論である。

0070

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

0071

1…操作装置、10…操作パネル、11…操作面、12…下面、20…アクチュエータ、21…振動板、22…圧電素子、30…制御部、40…筐体、41…支持部、42…粘性流体支持部(支持部)、fn…共振周波数、P1,P2…タッチ位置、Sc,Sd…駆動信号、Sx…タッチ検出信号、θ…位相差

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